JP4525947B2 - 薄膜キャパシタの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、集積回路のデカップリング用などに用いられる薄膜キャパシタの製造方法に関する。
集積回路の処理速度の高速化に伴い、デカップリングキャパシタが用いられるようになっている。デカップリングキャパシタではＥＳＬ（等価直列インダクタンス）が小さいことが要求されており、このような要求を満たすものとして、スパッタリング法やゾル−ゲル法などの薄膜技法により、Ｓｉなどの基板上にキャパシタ部を形成した薄膜キャパシタが知られている。
この種の薄膜キャパシタでは、キャパシタ部の機械的補強などのために樹脂材からなる保護層で該キャパシタが被覆されている。例えば、特許文献１では、金属酸化物からなる誘電体層を有するキャパシタと、樹脂材からなる保護絶縁層を有する薄膜キャパシタにおいて、キャパシタと保護絶縁層との間に非導電性無機質材料からなるバリア層を設けた薄膜キャパシタが提案されている。
特許文献１の薄膜キャパシタは、図４に示すように、Ｓｉ基板１０１と、Ｓｉ基板１０１上に順次成膜された下部電極層１０２、チタン酸ストロンチウムバリウム（以下、「ＢＳＴ」という。）からなる誘電体層１０３及び上部電極層１０4を有するキャパシタ１０９と、該キャパシタ１０９を覆うように形成されたバリア層１０５と、バリア層１０５上に形成された樹脂材からなる保護絶縁層１０６と、電極パッド１０７と、バンプ１０８とから構成されている。
バリア層１０５は、保護絶縁層１０６に含有される樹脂材から放出される水分が、ＢＳＴからなる誘電体層１０３を還元してしまうのを防止するために設けられている。そして、バリア層１０５を形成する材料としては、非晶質（アモルファス）材料が好んで使用され、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、非晶質（アモルファス）ＢＳＴが例示されている。
しかしながら、特許文献１に記載された薄膜キャパシタでは、バリア層１０５として非晶質窒化ケイ素などの非晶質状態の窒化物を使用した場合、窒素原子が前記上部電極層１０４を介して誘電体層１０３側に拡散し、このためＢＳＴの組成に変化が生じて、所望の電気的特性を得られなくなるおそれがある。
また、バリア層１０５として非晶質酸化アルミニウムや非晶質酸化ケイ素を用いた場合も、アルミニウムやケイ素が誘電体層１０３側に拡散するおそれがあり、好ましくない。
さらに、バリア層１０５として非晶質ＢＳＴなどの非晶質酸化物を用いた場合、保護絶縁層１０６を構成する樹脂を熱硬化させるために加熱処理が必要となるが、斯かる加熱処理において、非晶質酸化物が上部電極１０４を介して誘電体層１０３の酸素を奪ってしまい、その結果誘電体層１０３の組成に変化が生じて、所望の電気的特性を得られなくなるという問題点があった。これは、非晶質状態の酸化物は一般に化学量論組成よりも酸素が少ない状態となるため、前記非晶質酸化物と比較して酸素の多い結晶質ＢＳＴの誘電体層１０３から酸素を奪ってしまうためである。なお、バリア層１０５を非晶質ではなく結晶質のＢＳＴで形成した場合は、上記問題は生じないが、特許文献１に記載されているように、結晶化したＢＳＴでバリア層１０５を形成してもバリア効果をほとんど得ることができない。
結局のところ、特許文献１に記載された発明では、バリア層１０５を設けることによってかえって誘電体層１０３の特性を劣化させてしまうおそれがある。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、キャパシタ部と樹脂保護層（保護絶縁層）との間にバリア効果を有する層を設けた場合であっても、特性劣化が生じるのを防止できる薄膜キャパシタの製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明に係る薄膜キャパシタの製造方法は、有機金属化合物を含有した第１の誘電体原料溶液を基板上に塗布して加熱し、密着層を形成する工程と、導体層と、前記第１の誘電体原料溶液と同一組成系の第２の誘電体原料溶液を塗布して加熱することによって形成される誘電体薄膜とを、前記密着層上に交互に成膜してキャパシタ部を形成する工程と、前記第１又は第２の誘電体原料溶液と同一組成系の第３の誘電体原料溶液を前記キャパシタ部上に塗布して加熱し、結晶質の誘電体バリア層を形成する工程と、酸素雰囲気下、７５０℃以上の温度で熱処理を行う工程と、非導電性を有する非晶質の無機バリア層を前記誘電体バリア層上に形成する工程と、前記無機バリア層上に樹脂保護層を形成する工程とを含むことを特徴とする。
なお、本発明において、「同一の組成系」とは、構成元素が同一であることを意味し、各構成元素の含有モル比が異なっているものを含む概念である。例えば、誘電体薄膜と誘電体バリア層とが、共に（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）で形成されている場合は、ＢａとＳｒの含有モル比率が異なっていても、誘電体薄膜と誘電体バリア層とは「同一の組成系」である。
本発明の薄膜キャパシタの製造方法によれば、有機金属化合物を含有した第１の誘電体原料溶液を基板上に塗布して加熱し、密着層を形成する工程と、導体層と、前記第１の誘電体原料溶液と同一組成系の第２の誘電体原料溶液を塗布して加熱することによって形成される誘電体薄膜とを、前記密着層上に交互に成膜してキャパシタ部を形成する工程と、前記第１又は第２の誘電体原料溶液と同一組成系の第３の誘電体原料溶液を前記キャパシタ部上に塗布して加熱し、結晶質の誘電体バリア層を形成する工程と、酸素雰囲気下、７５０℃以上の温度で熱処理を行う工程と、非導電性を有する非晶質の無機バリア層を前記誘電体バリア層上に形成する工程と、前記無機バリア層上に樹脂保護層を形成する工程とを含むので、樹脂保護層による誘電体薄膜の還元を防止することができ、かつキャパシタ部の耐湿性を向上させることができる。また、結晶質の誘電体バリア層が無機バリア層とキャパシタ部との間に形成されているので、樹脂保護層の熱硬化時やはんだリフロー時の加熱処理によっても無機バリア層を構成する窒化ケイ素の窒素原子が誘電体薄膜側に拡散するのを防止することができ、誘電体薄膜の特性が劣化することを防止することができる。しかも、酸素雰囲気下、７５０℃以上の温度で熱処理するので、誘電体薄膜の結晶性が高まり、誘電率を向上させることが可能となる。
１０ 基板
２０ 密着層
３０ キャパシタ部
３１ 下部導体（導体層）
３２ 誘電体薄膜
３３ 上部導体（導体層）
４０ バリア層
４１ 誘電体バリア層
４２ 無機バリア層
５０ 樹脂保護層
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次に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳説する。
図１は本発明の製造方法を使用して製造された薄膜キャパシタの一実施の形態を示す断面図である。
該薄膜キャパシタは、基板１０と、基板１０上に形成された密着層２０と、密着層２０上に順次形成された下部導体３１、誘電体薄膜３２、及び上部導体３３からなるキャパシタ部３０と、該キャパシタ部３０を覆うように順次形成された誘電体バリア層４１及び無機バリア層４２の２層構造からなるバリア層４０と、該バリア層４０を覆うように形成された樹脂保護層５０と、下部導体３１または上部導体３３のいずれか一方と電気的に接続されると共に樹脂保護層５０を貫通して上面に引き出された電極パッド６１と、該電極パッド６１上に形成されたはんだバンプ６２とから構成されている。
基板１０は、Ｓｉ層１１と該Ｓｉ層１１の表面に形成されたＳｉＯ２膜１２とから構成されている。
密着層２０、誘電体薄膜３２、及び誘電体バリア層４１は、いずれも結晶性のＢＳＴからなり、本実施の形態では、同一の組成、すなわちＢＳＴを構成する各元素の含有モル比も同一に形成されている。下部導体３１および上部導体３３はＰｔで形成されている。無機バリア層４２は耐湿性向上のために設けられており、本実施の形態では非晶質窒化ケイ素で形成されている。樹脂保護層５０は感光性ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）樹脂を熱硬化させて形成されている。尚、本発明において、「窒化ケイ素」とは、ケイ素と窒素の含有モル比が３：４の化学量論組成であるＳｉ ３ Ｎ ４ であることが好ましいが、必ずしもこれに限定されるものではなく、非導電性で耐湿性を有するのであれば、ケイ素と窒素の含有モル比が上記化学量論組成とは異なるものをも含む。この意味で、本明細書では「窒化ケイ素」をＳｉＮ ｘ と表記する場合がある。
このように本実施の形態では、樹脂保護層５０の下面に接する形態で無機バリア層４２を設けているので、該無機バリア層４２のバリア効果によって樹脂保護層５０のＢＣＢ樹脂から放出される水分が誘電体薄膜３２、すなわちＢＳＴを還元するのを防止することができると共に、キャパシタ部３０の耐湿性を向上させることができる。そして、結晶質の誘電体バリア層４１が無機バリア層４２とキャパシタ部３０との間に介在されているので、無機バリア層４２、すなわち非晶質窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）がキャパシタ部３０側に拡散するのを阻止することができ、これにより誘電体薄膜３２が無機バリア層４２の影響を受けることもなく、薄膜キャパシタの特性が劣化するのを防止することができる。
しかも、密着層２０、誘電体薄膜３２、及び誘電体バリア層４１が、すべて同一の組成で形成されているので、同一の原料およびプロセスを経て形成することができ、したがって製造コストの低減化を図ることができる。また、誘電体薄膜３２と同一の組成系の材料からなる密着層２０を、基板１０とキャパシタ部３０との間に設けているので、基板１０とキャパシタ部３０との間の密着性を向上させることができる。特に、下部導体３１および上部導体３３としてＰｔを用いた場合は、基板１０として通常用いられるＳｉとの密着性が劣るため、基板１０とキャパシタ部３０との間に密着層２０を設けることにより、基板１０とキャパシタ部３０との間の密着性向上を図ることができる。しかも、密着層２０は誘電体薄膜３２と同一の組成系からなるので、たとえ誘電体バリア層４１の成分がキャパシタ部３０側に拡散したとしても、誘電体薄膜３２の特性劣化を招くことがない。
次に、上記薄膜キャパシタの製造方法を詳述する。
まず、図２（ａ）に示すようにＳｉ層１１およびＳｉ層１１の表面に形成されたＳｉＯ２膜１２からなる基板１０を用意し、基板１０上に、膜厚１００ｎｍの結晶性ＢＳＴからなる密着層２０を形成し、次いで、この密着層２０上に膜厚２００ｎｍのＰｔからなる下部導体３１、膜厚１００ｎｍの結晶性ＢＳＴからなる誘電体薄膜３２、膜厚２００ｎｍのＰｔからなる上部導体３３を順次成膜し、これによりキャパシタ部３０を形成する。
具体的には、密着層２０は、ＭＯＤ（Metal Organic Decomposition ；「有機金属分解」）法で形成することができる。すなわち、モル比で、例えば、Ｂａ：Ｓｒ：Ｔｉ＝７：３：１０に調製された有機金属化合物を含有する誘電体原料溶液（第１の誘電体原料溶液）をスピンコートによって基板１０に塗布し、乾燥後、酸素雰囲気中、例えば６５０℃で３０分間の加熱処理を行うことにより形成することができる。また、下部導体３１および上部導体３３は、例えば、スパッタリング法によって形成することによって形成することができる。
誘電体薄膜３２は、密着層２０に用いた誘電体原料溶液と同一組成の誘電体原料溶液（第２の誘電体原料溶液）を用い、該誘電体原料溶液をスピンコートによって塗布し、乾燥後、酸素雰囲気中、例えば６５０℃で３０分間の加熱処理を行うことにより形成することができる。なお、誘電体薄膜３２については、この段階では十分に結晶化していなくてもよい。
次に、上部導体３３上にフォトレジストを塗布して露光、現像した後、イオンミリングを行うことによって、上部導体３３を図２（ｂ）に示すようにパターニングする。
次に、密着層２０および誘電体薄膜３２に用いた誘電体原料溶液と同一組成の誘電体原料溶液（第３の誘電体原料溶液）を用い、該誘電体原料溶液をスピンコートによって塗布し、乾燥後、酸素雰囲気中、例えば、温度６５０℃で３０分間の加熱処理を行い、これにより、図２（ｃ）に示すように膜厚１００ｎｍの誘電体バリア層４１を形成する。なお、誘電体バリア層４１は、図１に示した樹脂保護層５０が熱硬化されるまでには十分に結晶化している必要があるが、この段階では必ずしも十分に結晶化していなくてもよい。
次に、酸素雰囲気中、７５０℃以上、例えば、８５０℃の温度で３０分間熱処理を行い、これにより誘電体薄膜３２の結晶性を高め誘電率を向上させる。なお、この熱処理によって密着層２０と誘電体バリア層４１の結晶性をも高めることができる。
次に、誘電体バリア層４１上にフォトレジストを塗布して露光、現像した後、ウェットエッチングを行い、これにより、図２（ｄ）に示すように誘電体バリア層４１および誘電体薄膜３２の一部を除去し、上部導体３３および下部導体３１の一部を露出させる。
さらに、フォトレジストを塗布して露光、現像した後、イオンミリングを行い、これにより、図３（ｅ）に示すように、基板１０の縁端部近傍の密着層２０、下部導体３１、誘電体バリア層３２、上部導体３３、誘電体バリア層４１を除去する。
次に、スパッタリング法によって膜厚５００ｎｍの窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）を成膜し、フォトレジストを塗布して露光、現像した後、反応性イオンエッチングを行い、これにより図３（ｆ）に示すように、上部導体３３および下部導体３１の一部が露出するように開口部７０ａ、７０ｂを設けると共に、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）からなる無機バリア層４２を形成する。
次に、感光性ＢＣＢ樹脂を塗布して露光、現像した後、例えば、２５０℃に加熱して硬化させ、図３（ｇ）に示すように樹脂保護層５０を形成する。
次に、スパッタリング法によって、膜厚５０ｎｍのＴｉ膜、膜厚２０００ｎｍのＮｉ膜、膜厚１００ｎｍのＡｕ膜を順次成膜し、これにより図３（ｈ）に示すように電極パッド６１を形成する。次いでＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだペーストを電極パッド６１上に印刷した後、例えば温度２４０℃でリフロー処理を行ってはんだバンプ６２を形成し、これにより薄膜キャパシタが製造される。
このように上記薄膜キャパシタの製造方法によれば、無機バリア層４２を設けることにより、樹脂保護層５０による誘電体薄膜３２の還元が防止されると共に、キャパシタ部３０の耐湿性を向上させることができる。しかも、結晶質の誘電体バリア層４１が無機バリア層４２とキャパシタ部３０との間に形成されているので、樹脂保護層５０の熱硬化時やはんだリフロー時の加熱処理によっても無機バリア層４２を構成する窒化ケイ素の窒素原子が誘電体薄膜３２側に拡散するのを防止することができ、誘電体薄膜３２の特性が劣化することを防止することができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、基板１０は、キャパシタ部３０（下部導体３１、上部導体３３、及び誘電体薄膜３２）の形成には必要であるが、薄膜キャパシタの電気的な動作には無関係であるので、キャパシタ部３０の機械的強度が確保できるようになった時点で適当な方法で除去してもよい。
また、上記実施の形態では、密着層２０、誘電体薄膜３２、及び誘電体バリア層４１をいずれも同一組成の結晶性ＢＳＴで形成しているが、同一の組成系であれば誘電体薄膜３２の特性劣化を招くことはない。したがって、ＢＳＴの各構成元素の含有モル比が異なっていてもよい。
また、誘電体薄膜材料としては、高い誘電率の得られるペロブスカイト型構造を有する金属酸化物であれば特に限定されることはなく、ＢＳＴの他、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛などを使用することができる。また、ビスマス層状構造を有するチタン酸ビスマス、タンタル酸ビスマスストロンチウム、タンタル酸ビスマスバリウム、ニオブ酸ビスマスストロンチウム、ニオブ酸ビスマスバリウムや、タングステンブロンズ型構造を有するニオブ酸ストロンチウムバリウムなどを使用してもよい。
また、誘電体薄膜３２の形成方法は、ＭＯＤ法に限定されることはなく、例えばスパッタリング法を使用してもよい。ＢＳＴからなる誘電体薄膜３２をスパッタリング法で形成する場合は、例えば、ＲＦパワー４００Ｗ、基板温度３００℃、ガス圧２．３Ｐａで成膜し、その後、酸素雰囲気中８５０℃で３０分程度の熱処理を行って結晶化させることにより、高い誘電率を得ることができる。密着層２０や誘電体バリア層４１についても同様、スパッタリング法で形成してもよい。
キャパシタ部３０は誘電体薄膜３２を２層以上備えた構造としてもよく、上部導体３１や下部導体をそれぞれ多層構造としてもよい。また、上記実施の形態では、上部導体３１や下部導体３３をＰｔで形成したが、誘電体薄膜３２の成膜時における高温での熱処理に対し、耐酸化性を有する貴金属材料であれば使用可能であり、Ｐｔの他、例えば、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｕ、Ｐｄなどを使用することができる。
また、無機バリア層４２に使用される材料としては、窒化ケイ素の他、酸化アルミニウムや酸化ケイ素の使用が可能であるが、比較的薄い膜厚で耐湿性を向上させるためには、本実施の形態のように窒化ケイ素を使用するのが好ましい。
樹脂保護層５０についても、上記実施の形態ではＢＣＢを使用しているが、特に限定されるものではなく、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、あるいはアクリル樹脂などを使用することもできる。
また、上記実施の形態で示した各膜厚は単なる例示であって、低ＥＳＬの薄膜キャパシタが得られる範囲内で任意に設定できるのはいうまでもない。
Claims (1)
- 有機金属化合物を含有した第１の誘電体原料溶液を基板上に塗布して加熱し、密着層を形成する工程と、
導体層と、前記第１の誘電体原料溶液と同一組成系の第２の誘電体原料溶液を塗布して加熱することによって形成される誘電体薄膜とを、前記密着層上に交互に成膜してキャパシタ部を形成する工程と、
前記第１又は第２の誘電体原料溶液と同一組成系の第３の誘電体原料溶液を前記キャパシタ部上に塗布して加熱し、結晶質の誘電体バリア層を形成する工程と、
酸素雰囲気下、７５０℃以上の温度で熱処理を行う工程と、
非導電性を有する非晶質の無機バリア層を前記誘電体バリア層上に形成する工程と、
前記無機バリア層上に樹脂保護層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする薄膜キャパシタの製造方法。
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