JP4844673B2

JP4844673B2 - Ｅｓｄ保護素子の製造方法

Info

Publication number: JP4844673B2
Application number: JP2009520410A
Authority: JP
Inventors: 敦櫻井; 裕竹島
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: WO2009001649A1; JPWO2009001649A1

Description

本発明は半導体装置などを静電気破壊から保護するＥＳＤ保護素子に関し、詳しくは樹脂中に導電性粒子を存在させてなるＥＳＤ吸収部を備えたＥＳＤ保護素子に関する。

近年、民生機器を使用するにあたって、入出力インターフェースであるケーブルの抜差し回数が増える傾向にあり、入出力コネクタ部に静電気が印加されやすい状況にある。また、信号周波数の高周波化に伴って、設計ルールの微細化でパスが作り込みにくくなり、ＬＳＩ自体が静電気に対して脆弱になっている。

そのため、静電気放電（ＥＳＤ）（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ＳｔａｔｉｃｓＤｉｓｃｈａｒｇｅ）から、ＬＳＩなどの半導体装置を保護するＥＳＤ保護素子が広く用いられるに至っている。

また、より高速な入出力インターフェースであるＨＤＭＩ（ＨｉｇｈＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎＭｕｌｔｉｍｅｄｉａＩｎｔｅｒｆａｃｅ）や、ＳｅｒｉａｌＡＴＡを搭載した機器の場合には、高周波化した信号成分が、伝送路と接地の間に実装されたＥＳＤ保護素子を介して接地へと流れ、信号波形が歪むという問題が生じており、既存品よりもさらに低静電容量のＥＳＤ保護素子が求められようになっている。

しかしながら、これまでＥＳＤ保護素子として一般的に使われてきたバリスタやツェナー・ダイオードは、その構造上、低い静電容量と高いＥＳＤ耐性を両立させることが難しいのが実情である。

そこで、新しいＥＳＤ保護素子として、一対の金属電極間に微小ギャップを形成し、２つの金属電極をまたぐようにＥＳＤ吸収材を取り付けて、ギャップ間で放電させるようにしたＥＳＤ保護素子が検討されており、ＥＳＤ吸収材として、樹脂の中に導電性粒子を混ぜ込んだ材料が提案されている（特許文献１）。

このタイプのＥＳＤ保護素子においては、金属電極間に高電圧が加わると、導電性粒子を介して電荷が移動することにより放電が生じ、ＬＳＩなどの半導体装置などが静電気破壊から保護されることになる。

このようなＥＳＤ保護素子においては、ＬＳＩなどの機器の耐電圧の低下に対応した低電圧での動作（放電）を確実に行わせるとともに、放電特性を安定化させる必要がある。そのためには、より微小な導電性粒子をより高密度に樹脂中に均一に分散させる技術が求められている。

また、放電電圧を所望の値にしたり、動作の安定性を確保したりするためには、樹脂中に微細な導電性粒子を均一に分散させることが必要になるが、導電性粒子の粒径が小さいほど、また、導電性粒子の量が多いほど、樹脂中への均一な分散が難しくなる。
特開２００５−１８４００３号公報

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、微細な導電性粒子が樹脂中に均一に分散されたＥＳＤ吸収部を備え、低い電圧で動作し、かつ、動作の安定性に優れたＥＳＤ保護素子を効率よく製造することが可能なＥＳＤ保護素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明（請求項１）のＥＳＤ保護素子の製造方法は、
基板上に所定の間隔をおいて形成された一対の電極と、該一対の電極間に形成された、樹脂中に導電性粒子を存在させてなるＥＳＤ吸収部とを備えたＥＳＤ保護素子の製造方法であって、
前記ＥＳＤ吸収部を形成するプロセスが、
前記基板上に金属膜を成膜する工程と、
前記金属膜を熱処理し、前記金属膜を凝集させることにより、前記基板上に導電性粒子を形成する工程と、
前記基板上に前記一対の電極を形成する前に、または、前記基板上に前記一対の電極を形成した後に、前記導電性粒子上に樹脂を供給して、前記導電性粒子を前記樹脂により覆う工程と
を備えていることを特徴としている。

また、請求項２のＥＳＤ保護素子の製造方法は、前記導電性粒子を前記基板上に島状に形成することにより、前記基板上に前記導電性粒子を２次元的に分布させることを特徴としている。

また、請求項３のＥＳＤ保護素子の製造方法は、前記基板上に成膜される金属膜が、薄膜形成方法により形成される金属薄膜であることを特徴としている。

ＥＳＤ吸収部を形成するにあたって、基板上に金属膜を成膜した後、金属膜を熱処理して凝集させることにより、複雑な設備や手間のかかる造粒方法などを用いたりすることなく、基板上に効率よく導電性粒子を形成することが可能になるとともに、導電性粒子上に樹脂を付与することにより、樹脂中に導電性粒子を存在させてなるＥＳＤ吸収部を備えたＥＳＤ保護素子を効率よく製造することが可能になる。

なお、例えば、所定のパターンを備えたＥＳＤ吸収部を形成した後、一対の電極間にＥＳＤ吸収部が位置するように、該２つの電極を形成したり、基板上に導電性粒子を形成した後、一対の電極を形成し、その後、一対の電極間に樹脂を供給して、樹脂中に導電性粒子を存在させてなるＥＳＤ吸収部を形成したりすることにより、低い電圧で動作し、かつ、動作の安定性に優れたＥＳＤ保護素子を効率よく製造することが可能になる。

また、基板上に導電性粒子を形成するにあたって、導電性粒子を基板上に島状に形成して、基板上に導電性粒子を２次元的に分布させることにより、低い電圧で安定して動作するＥＳＤ吸収部を構成することが可能になり、特性の良好なＥＳＤ保護素子を効率よく製造することが可能になる。

また、基板上、薄膜形成方法により金属薄膜を形成し、これを熱処理することにより、微細な導電性粒子を効率よく基板上に形成することが可能になる。
すなわち、薄い金属膜は熱処理により凝集して微細な導電性粒子を生じやすく、微細な導電性粒子を生成しやすい薄い金属膜は薄膜形成方法により効率よく形成することができる。

なお、薄膜形成方法としては、ＲＦスパッタ、イオンビームスパッタ、イオンプレーティング、蒸着などの物理的薄膜形成方法や、めっき、化学的気相成長法などの化学的薄膜形成方法などを用いることが可能である。

本発明の一実施例にかかるＥＳＤ保護素子の構成を模式的に示す正面断面図である。本発明の一実施例にかかるＥＳＤ保護素子の構成を示す平面図である。本発明の一実施例にかかるＥＳＤ保護素子の製造方法の一工程で基板上に金属膜を形成した状態を示す図である。本発明の一実施例にかかるＥＳＤ保護素子の製造方法の一工程で基板上の金属膜をパターニングした状態を示す図である。本発明の一実施例にかかるＥＳＤ保護素子の製造方法の一工程で金属膜を熱処理して凝集させ、基板上に導電性粒子を形成した状態を示す図である。本発明の一実施例にかかるＥＳＤ保護素子の製造方法の一工程で一対の電極を形成した状態を示す正面断面図である。本発明の一実施例にかかるＥＳＤ保護素子の製造方法の一工程で一対の電極を形成した状態を示す平面図である。本発明の一実施例にかかるＥＳＤ保護素子の特性を示す線図である。比較用のＥＳＤ保護素子の製造方法の一工程を示す図である。比較用のＥＳＤ保護素子の製造方法の他の一工程を示す図である。比較用のＥＳＤ保護素子の構成を模式的に示す正面断面図である。比較用のＥＳＤ保護素子の特性を示す線図である。

符号の説明

１基板（Ｓｉ基板）
２ＳｉＯ₂膜
３ａ，３ｂ一対の電極
４樹脂
５，１５導電性粒子
５ａＰｔ膜
６，１６ＥＳＤ吸収部
７ａ，７ｂアンダーバンプメタル（ＵＢＭ）
８ａ，８ｂ開口部
１０，２０ＥＳＤ保護素子
１４，１４ａシリコーン樹脂
Ａギャップ部分の間隔
Ｂギャップ部分の幅
Ｇギャップ部分

以下、本発明の実施例を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施例にかかるＥＳＤ保護素子の構造を模式的に示す断面図であり、図２は、その平面図である。

このＥＳＤ保護素子１０は、図１及び２に示すように、表面にＳｉＯ₂膜２が形成されたＳｉからなる基板（Ｓｉ基板）１と、基板１上に形成された一対の電極３ａ，３ｂと、一対の電極３ａ，３ｂ間に形成された、導電性粒子５を樹脂４中に存在させてなるＥＳＤ吸収部６と、樹脂４の開口部８ａ，８ｂに、一対の電極３ａ，３ｂと導通するように配設されたアンダーバンプメタル（ＵＢＭ）７ａ，７ｂとを備えている。

なお、この実施例１のＥＳＤ保護素子１０においては、導電性粒子５が、基板１上に２次元的に分布しており、導電性粒子５は、互いが接触することなく、基板上に島状に点在しており、その状態で樹脂４により封止され、保持されている。

この実施例１のＥＳＤ保護素子１０において、導電性粒子５を構成する材料としてはＰｔが用いられている。また、一対の電極３ａ，３ｂは、特に図示しないが、下地層であるＴｉ膜と、表面層であるＣｕ膜とからなる２層構造を有している。

また、アンダーバンプメタル７ａ，７ｂは、特に図示しないが、Ｎｉの無電解めっきにより形成されたＮｉ膜と、その上に置換めっきによって形成されたＡｕ膜とからなる２層構造を有している。
このように構成されたＥＳＤ保護素子１０は、微細な導電性粒子５が樹脂４中に均一に分散されたＥＳＤ吸収部６を備えており、低い電圧で確実に動作し、かつ、動作の安定性にも優れている。

次に、このように構成されたＥＳＤ保護素子１０の製造方法について、図３〜図８を参照しつつ説明する。

(１)まず、表面にＳｉＯ₂膜２が形成された基板（Ｓｉ基板）１を用意し、この基板１を、アセトン、アルコールなどの有機溶剤で洗浄した。
なお、基板１としては、サファイアなどの絶縁体基板を用いることも可能である。

(２)それから、ＲＦスパッタ法により、基板１上に１００ｎｍ厚のＰｔ膜５ａを成膜した（図３）。

(３)次に、フォトリソグラフィー技術を用いて、Ｐｔ膜５ａ上にレジストパターンを形成し、イオンミリング法により加工し、Ｐｔ膜５ａの不要な部分を除去した（図４）。

(４)次に、赤外線加熱炉にて、８００℃、３０分の熱処理を行い、Ｐｔ膜５ａを凝集させて、基板１上に、微細でほぼ均一な導電性粒子（Ｐｔ粒子）５を島状に形成した（図５）。
ここで、熱処理前のＰｔ膜５ａの膜厚、熱処理温度、熱処理時間を制御することにより、導電性粒子（Ｐｔ粒子）５の粒径および粒子間隔を制御することができる。
また、基板１の表面を粗化したり、他の材料をコーティングしたりすることにより、導電性粒子５の粒径および粒子間隔を制御して、ＥＳＤ保護素子１０の放電特性を制御することができる。
なお、この実施例で形成した導電性粒子（Ｐｔ粒子）５の形成状態を、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて調べた結果、導電性粒子（Ｐｔ粒子）５の粒径は、約５０〜２００ｎｍであった。
また、導電性粒子５の間隔は約５０〜１００ｎｍであって、分布の幅が後述の比較例のものと比べて小さくなっていることが確認された。

(５)次に、フォトリソグラフィー技術を用いて、レジストパターンを形成した後、膜厚１００ｎｍのＴｉ膜と、膜厚５００ｎｍのＣｕ膜とを、蒸着法で連続して成膜した後、リフトオフすることにより、ギャップ部分Ｇの間隔（図６，図７におけるＡ）が１μｍ、ギャップ部分Ｇの幅（図７におけるＢ）が２０μｍの、一対の電極（対向引出電極）３ａ，３ｂを形成した（図６，図７）。
なお、この一対の電極３ａ，３ｂの間隔Ａを調整することにより、放電開始電圧および静電容量を制御することができる。また、ギャップ部分Ｇの幅Ｂを調整することにより静電容量および放電電流を制御することができる。

(６)それから次に、感光性ベンザオキサゾール（ＰＢＯ）膜をスピンコート法により全面に塗布して１２０℃で乾燥させた。
そして、フォトリソグラフィー法により電極３ａ，３ｂ上の不要なベンザオキサゾール膜を除去した後、３００℃で３０分間の熱処理を行い、ベンザオキサゾール膜を硬化させた。ここで、ポリイミドなどのベンザオキサゾール以外の樹脂を選択したり、フィラーを添加したりすることにより、異なる放電特性および静電容量特性を得ることが可能である。
また、ベンザオキサゾールは放電パスとしての機能だけでなく、機械的な強度を得るための保護膜としての機能も有している。
さらに、必要に応じて、耐湿性を向上させるためにベンザオキサゾール膜の上にＳｉＮ膜、ＳｉＯ膜などを形成したり、機械的強度を高めるためにベンザオキサゾール膜の上に別の樹脂膜を形成したりしてもよい。

(７)その後、無電界めっき法により１５００ｎｍ厚のＮｉ膜と、１００ｎｍ厚のＡｕ膜を連続して成膜し、樹脂４の開口部８ａ，８ｂに、アンダーバンプメタル（ＵＢＭ）７ａ，７ｂを形成することにより、図１、図２に示すような構造を備え、寸法が、幅０．５ｍｍ，長さ１．０ｍｍ、厚み０．３ｍｍのＥＳＤ保護素子１０を得た。

図８は、この実施例１のＥＳＤ保護素子１０の特性、すなわち電極間に印加した電圧と電流の関係を示す図である。図８に示すように、電圧約１５Ｖから電流が急激に増加しており、低電圧で放電が生じていることがわかる。また、このＥＳＤ保護素子１０の静電容量は２０ｆＦと低容量であった。

[比較のためのＥＳＤ保護素子の作成]
比較のため、以下の方法で、ＥＳＤ保護素子（比較例）を作製し、その特性を調べた。

(１)まず、表面にＳｉＯ₂膜２を形成した基板（Ｓｉ基板）１をアセトン、アルコールなどの有機溶剤で洗浄した。

(２)次に、フォトリソグラフィー技術を用いて、レジストパターンを形成した後、膜厚１００ｎｍのＴｉ膜と、膜厚５００ｎｍのＣｕ膜を蒸着法で連続して成膜した後に、リフトオフすることにより、ギャップ部分Ｇの間隔Ａが１０μｍ、ギャップ部分Ｇの幅が２００μｍの一対の電極（対向引出電極）３ａ，３ｂを形成した（図９）。

(３)次に、シリコーン樹脂１４に、導電性粒子として、粒径が約１〜５μｍのＡｌ粒子１５を分散させたペースト状のＥＳＤ吸収剤を印刷法により、一対の電極３ａ，３ｂ間に塗布し、２００℃の温度で硬化させてＥＳＤ吸収部１６を形成した（図１０）。
このＥＳＤ吸収部１６を断面観察したところ、導電性粒子（Ａｌ粒子）１５の間隔は約０．５〜３μｍであり、上記実施例１のＥＳＤ保護素子１０と比較して分布の幅が大きいことが確認された。

(４)それから、シリコーン樹脂１４ａを印刷法により図１０の素子の全面に塗布した後、３００℃で３０分間の熱処理を行い硬化させた。

その後、上記実施例１の(６)及び(７)の工程に準じる方法で、無電界めっき法により１５００ｎｍ厚のＮｉ膜と１００ｎｍ厚のＡｕ膜を連続して成膜し、アンダーバンプメタル（ＵＢＭ）７ａ，７ｂを形成し、図１１に示すような構造を有するＥＳＤ保護素子２０を得た。なお、図１１において、図１と同一符号を付した部分は、同一または相当する部分を示す。

図１２は、この比較例のＥＳＤ保護素子２０の特性、すなわち電極間に印加した電圧と電流の関係を示す図である。図１２に示すように、比較例のＥＳＤ保護素子２０の場合、電圧約８０Ｖから電流が急激に増加しており、上記実施例１のＥＳＤ保護素子１０と比べて、低電圧では放電が生じないことが確認された。また、このＥＳＤ保護素子２０の静電容量は５０ｆＦと、上記実施例１のＥＳＤ保護素子１０と比べて高容量であることが確認された。

このように、シリコーン樹脂に、導電性粒子として、粒径が約１〜５μｍのＡｌ粒子を分散させたペースト状のＥＳＤ吸収剤を用いた比較例のＥＳＤ保護素子の場合には、微小な導電性粒子が、高密度に、かつ、均一に樹脂中に分散したＥＳＤ吸収部を形成することは困難で、本発明の実施例のＥＳＤ保護素子のような、低い電圧で動作し、かつ、動作の安定性に優れたＥＳＤ保護素子を得ることはできなかった。

なお、上記実施例では、熱処理中に酸化されないようにするために、導電性粒子となる金属膜の構成材料として貴金属であるＰｔを用いているが、Ｐｔのほかにも、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄなどを使用することが可能である。

また、ＡｒやＮ₂などの不活性ガス中で熱処理を行うようにすれば、安価な卑金属を使用することも可能である。

なお、本発明はその他の点においても上記実施例に限定されるものではなく、導電性粒子となる金属膜を構成する材料の種類、金属膜の厚さ、熱処理温度、樹脂の種類など関し、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。

上述のように、本発明によれば、微細な導電性粒子が樹脂中に均一に分散されたＥＳＤ吸収部を備え、低い電圧で動作し、かつ、動作の安定性に優れたＥＳＤ保護素子を効率よく製造することができる。
したがって、本発明は半導体装置などに用いられるＥＳＤ保護素子の分野に広く適用することが可能である。

Claims

基板上に所定の間隔をおいて形成された一対の電極と、該一対の電極間に形成された、樹脂中に導電性粒子を存在させてなるＥＳＤ吸収部とを備えたＥＳＤ保護素子の製造方法であって、
前記ＥＳＤ吸収部を形成するプロセスが、
前記基板上に金属膜を成膜する工程と、
前記金属膜を熱処理し、前記金属膜を凝集させることにより、前記基板上に導電性粒子を形成する工程と、
前記基板上に前記一対の電極を形成する前に、または、前記基板上に前記一対の電極を形成した後に、前記導電性粒子上に樹脂を供給して、前記導電性粒子を前記樹脂により覆う工程と
を備えていることを特徴とするＥＳＤ保護素子の製造方法。
前記導電性粒子を前記基板上に島状に形成することにより、前記基板上に前記導電性粒子を２次元的に分布させることを特徴とする請求項１記載のＥＳＤ保護素子の製造方法。
前記基板上に成膜される金属膜が、薄膜形成方法により形成される金属薄膜であることを特徴とする請求項１または２記載のＥＳＤ保護素子の製造方法。