JP5299158B2

JP5299158B2 - 誘電体薄膜素子

Info

Publication number: JP5299158B2
Application number: JP2009186632A
Authority: JP
Inventors: 俊幸中磯
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-08-11
Filing date: 2009-08-11
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2029-08-11
Also published as: JP2011040571A

Description

本発明は、誘電体薄膜素子に関する。

近年、薄膜コンデンサやアンチヒューズ素子等、誘電体薄膜素子の研究が盛んになってきている。誘電体薄膜素子は、誘電体層と、誘電体層の上下面に形成された一対の電極層とを有する容量部を備えており、電子部品を小型化、薄型化することが可能である。誘電体薄膜素子の外部電極端子の直下の部分は実装時に機械的応力を受けるため、性能の劣化や、内部の配線の剥離や断線の可能性がある。そのため、機械的応力を低減させるために、様々な構造の薄膜コンデンサが提案されている。

例えば特許文献１では、図８のように、基板１１１上に形成され、誘電体層１１３と、誘電体層１１３の上下面に形成された一対の電極層である下部電極層１１２と上部電極層１１４と、を有する容量部１３０を備えた薄膜コンデンサ１２０が開示されている。そして、外部電極端子１１８からの機械的応力を緩和するために保護絶縁層１１６が設けられている。

特開２００４−２１４５８９号公報

しかし、特許文献１の構成では、機械的応力に対して、保護絶縁層１１６では応力の緩和が不十分な場合があり、性能の劣化や、電極パッド１１７の電極層からの剥離や断線が発生する場合があった。

本発明はこのような事情を鑑みてなされたものであって、実装時にかかる機械的応力を緩和する誘電体薄膜素子を提供することを目的とする。

本発明に係る誘電体薄膜素子は、基板と、前記基板上に形成され、誘電体層と、前記誘電体層の上下面に形成された少なくとも一対の電極層と、を有する容量部と、前記容量部のいずれかの電極層と電気的に接続される引出電極と、前記引出電極上に複数部分形成される外部電極と、前記外部電極の間に介在する有機絶縁層と、を備えることを特徴としている。

この場合、外部電極が引出電極上に複数部分形成され、外部電極の複数部分の間には有機絶縁層が介在している。そのため、外部電極にかかる機械的応力は、介在している有機絶縁層に吸収される。したがって、機械的応力が緩和され、引出電極の剥離や断線を抑制することが可能となる。

また、本発明に係る誘電体薄膜素子は、基板と、前記基板上に形成され、誘電体層と、前記誘電体層の上下面に形成された少なくとも一対の電極層と、を有する容量部と、前記容量部のいずれかの電極層と電気的に接続される引出電極と、前記引出電極上に形成される外部電極と、前記外部電極が複数部分露出するように前記外部電極上に形成される有機絶縁層と、を備えることを特徴としている。

この場合、外部電極が複数部分露出するように、有機絶縁層が外部電極上に形成されている。そのため、実装時のはんだと外部電極とが複数部分で接続されることになる。そして、接続される複数部分の間には有機絶縁層が介在している。したがって、外部電極にかかる機械的応力は、介在している有機絶縁層に吸収され、応力が緩和されることとなる。

また、本発明に係る誘電体薄膜素子は、前記容量部の少なくとも一部を覆う保護層を備え、前記引出電極は、前記保護層を貫通して前記電極層と接続される接続部と、前記保護層上に形成される平面部と、を有し、前記外部電極は前記平面部上に形成されることを特徴としている。

この場合、外部電極が引出電極の接続部の直上にない構成となる。したがって、引出電極にかかる機械的応力をより緩和することができる。

また、本発明に係る誘電体薄膜素子は、前記複数部分は前記基板の長手方向に形成されることを特徴としている。

一般的に、実装時には、基板、すなわち誘電体薄膜素子の長手方向により強い応力がかかる。したがって、機械的応力を効果的に緩和することができる。

本発明に係る誘電体薄膜素子では、外部電極にかかる機械的応力が介在している有機絶縁層に吸収される。したがって、機械的応力が緩和され、引出電極の剥離や断線を抑制することが可能となる。

本発明の誘電体薄膜素子の一の実施形態を示す平面図である。（第１の実施形態）本発明の誘電体薄膜素子の一の実施形態を示す断面図である。（第１の実施形態）本発明の誘電体薄膜素子の他の実施形態を示す平面図である。（第２の実施形態）本発明の誘電体薄膜素子の他の実施形態を示す断面図である。（第２の実施形態）従来の誘電体薄膜素子を示す平面図である。（比較例）従来の誘電体薄膜素子を示す断面図である。（比較例）誘電体薄膜素子の実装時の断面の拡大概略図である。従来の誘電体薄膜素子を示す断面図である。

以下において、本発明を実施するための形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の誘電体薄膜素子の一実施形態を示す平面図である。誘電体薄膜素子１０の上面は有機絶縁層３３で覆われている。そして、外部電極４３、４４が露出している。外部電極４３、４４は引出電極４１、４２上にそれぞれ複数部分形成されている。

図２（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図である。また、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図である。図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、基板１１の表面に酸化物層１２が形成されている。基板１１は、例えばＳｉ単結晶基板（以下「Ｓｉ基板」）が選択される。

密着層１３は基板１１の一方の主面上に形成されている。密着層１３は、基板１１の酸化物層１２と下部電極層２１との密着をとるために形成される。そして、酸化物層１２の上に、密着層１３、下部電極層２１、誘電体層２２、上部電極層２３が順次積層されている。下部電極層２１、誘電体層２２、上部電極層２３は容量部２０を構成している。

また、上部電極層２３の上に、誘電体層２２と同一の材料の誘電体層２４を更に設けても良い。誘電体層２４の存在により、容量部のリーク電流を低減することができる。

容量部２０と誘電体層２４は、無機保護層３１と有機保護層３２により覆われている。無機保護層３１と有機保護層３３は、保護層３０を構成している。保護層３０は、容量部２０への水分の浸入を防ぐために形成される。

下部電極層２１は、引出電極４１を介して外部電極４３と電気的に接続されている。引出電極４１は、接続部４１ａと平面部４１ｂを有している。接続部４１ａは、無機保護層３１と有機保護層３２を貫通して形成され、外部電極４３と電気的に接続されている。また、平面部４１ｂは、有機保護層３２の上部に形成されている。

また、上部電極層２３は、引出電極４２を介して外部電極４４と電気的に接続されている。引出電極４２は、接続部４２ａと平面部４２ｂを有している。接続部４２ａは、無機保護層３１と有機保護層３２を貫通して形成され、外部電極４３と電気的に接続されている。また、平面部４２ｂは、有機保護層３２の上部に形成されている。

有機絶縁層３３は、無機保護層３１及び有機保護層３２を被覆している。そして、外部電極４３、４４が図２（ｂ）のように、複数部分露出するように形成されている。

本実施形態では、外部電極４３、４４が引出電極４１、４２上にそれぞれ複数部分形成されている。そして、複数部分の間には有機絶縁層３３が介在している。この構成により、外部電極に機械的応力がかかった場合においても、その応力は、外部電極の複数部分に介在している有機絶縁層３３に吸収される。したがって、機械的応力が緩和され、引出電極４１、４２の剥離や断線を抑制することが可能となる。

外部電極の複数部分は、基板の長手方向に形成されることが好ましい。
一般的に、実装時には、基板、すなわち誘電体薄膜素子の長手方向により強い応力がかかる。したがって、基板の長手方向に外部電極の複数部分が形成されることで、機械的応力をより効果的に緩和することができる。

下部電極層２１、上部電極層２３は、導電性を有する金属材料を用いる。導電性が良好で体酸化性に優れた高融点の貴金属材料を用いることが好ましい。例えば、ＡｕやＰｔが挙げられる。

誘電体層２２に使用される材料としては、高誘電率を有する誘電体材料を用いる。具体的には、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃（以下「ＢＳＴ」という。）、ＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃や、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃、ＳｒＢｉ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅等のビスマス層状化合物等が挙げられる。

密着層１３は、誘電体層２２と同一の材料を用いても、異なる材料を用いても良い。同一の材料を用いた場合には、製造方法が簡単になる。

無機保護層３１には、例えばＳｉＮ_x、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂等を用いることができる。また、有機保護層３２や有機絶縁層３３には、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂を用いることができる。

外部電極４１、４２は、例えばＴｉで形成された第１層とＣｕで形成された第２層からなる２層構造である。また、外部電極４３、４４は、例えばＮｉで形成された第１層とＡｕで形成された第２層からなる２層構造である。

また、本実施形態において、容量部２０の誘電体層は１層の構造だが、誘電体層が複数層存在していても良い。

（第２の実施形態）
以下において、本発明の他の実施形態について説明する。第１の実施形態と共通する部分については説明を省略する。

図３は本発明の誘電体薄膜素子の第２の実施形態を示す平面図である。

図４（ａ）は図３のＤ−Ｄ断面図である。また、図４（ｂ）は図３のＥ−Ｅ断面図である。

図から明らかなように、本実施形態では、外部電極４３、４４上に、有機絶縁層３４が形成されている。そして、外部電極４３、４４が複数部分露出するように形成されている。そのため、実装時のはんだと外部電極４３、４４とが複数部分で接続されることになる。そして、接続される複数部分の間には有機絶縁層３４が介在している。したがって、外部電極４３、４４にかかる機械的応力は、介在している有機絶縁層３４に吸収され、応力が緩和されることとなる。

［実験例］
以下のように誘電体薄膜素子を形成した。

［実験例１］
実験例１として、図１、図２のような誘電体薄膜素子を形成した。

まず、７００ｎｍのＳｉＯ₂層である酸化物層１２が形成されたＳｉ基板１１を用意した。

次に、基板１１上に、化学溶液堆積（ＣＳＤ：ＣｈｅｍｉｃａｌＳｏｌｕｔｉｏｎＤｅｐｏｓｉｔｏｎ）法で密着層１３として５０ｎｍのＢＳＴ層を形成した。酸化物層１２が形成されたＳｉ基板１１の上面に、Ｂａ：Ｓｒ：Ｔｉ＝７０：３０：１００（モル比）となるように、有機機金属化合物を含む誘電体原料溶液をスピンコートにより塗布した。その後、ホットプレート上で３５０℃で乾燥した。その後、６５０℃の条件で１０分加熱処理した。

次に、下部電極層２１として、密着層１３の上にスパッタリング法を用いて厚さ２００ｎｍのＰｔ層を得た。そして、誘電体層２２、上部電極層２３を順に形成した。すなわち、Ｐｔ層の上に、前述したＢＳＴ層と同様の方法で、厚さ９０ｎｍのＢＳＴ層を形成した。このＢＳＴ層の上に、前述したＰｔ層と同様の方法で、厚さ２００ｎｍのＰｔ層を形成した。そして、容量部２０上に誘電体層２４として、前述したＢＳＴ層と同様の方法で、厚さ９０ｎｍのＢＳＴ層を形成した。

次に、誘電体層２４、上部電極層２３のエッチングを行い、続いて誘電体層２２、下部電極層２１のエッチングを行った。まず、誘電体層２４であるＢＳＴ層の上にレジストを塗布し、露光、現像によりレジストパターンを形成した。そして、Ａｒイオンミリング法により、所定形状にパターニングした。その後同様の方法で、誘電体層２２と下部電極層２１のエッチングを行った。

そして、上記の積層構造に８５０℃３０分の熱処理を行った。

次に、無機保護層３１を形成した。具体的には、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ：ＰｌａｓｍａＥｎｈａｎｃｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により厚さ４００ｎｍの酸化シリコンＳｉＯ_X層を形成した。

そして、無機保護層３１上に、有機保護層３２を形成した。具体的には感光性ポリイミドをスピンコートし、露光、現像、キュアすることで膜厚２μｍのポリイミド樹脂の有機保護層３２を形成した。

次に、有機保護層３２をマスクパターンとして使用し、ＣＨＦ₃ガスを用いて無機保護層３１をパターニングした。この時、開口部を形成し、上下電極層２１、２３の一部を露出させた。

次に、引出電極４１、４２を形成した。具体的には、マグネトロンスパッタを用いて、Ｔｉ層（層厚１００ｎｍ）、Ｃｕ層（層厚１０００ｎｍ）を連続的に形成した。その後、レジスト塗布、露光、現像を順に行うことによりレジストパターンを形成した。そして、レジストパターンをマスクにして、Ｃｕ層をＡｒイオンミリング法によりパターニングした。続いて、レジストパターンをそのまま用いて、Ｔｉ層をパターニングした。

次に、引出電極４１、４２の一部が露出するように有機絶縁層３３を形成した。具体的には、感光性樹脂材料をスピンコートで塗布し、露光、現像、キュアを順に行うことにより、膜厚２μｍのエポキシ樹脂層を得た。

そして、有機絶縁層３３の開口部分に、外部電極４３、４４を形成した。具体的にはレジストパターンの開口部、すなわち引出電極のＣｕ層上に、電解めっきで厚さ２μｍのＮｉ層を形成した。その上に厚さ０．０５μｍのＡｕ層を形成した。

［実験例２］
実験例２として、図３、図４のような誘電体薄膜素子を形成した。

実験例２の誘電体薄膜素子は、基本的に実験例１と同様のプロセスで形成した。そして、引出電極４１、４２を形成した。具体的には、マグネトロンスパッタを用いて、Ｔｉ層（層厚１００ｎｍ）、Ｃｕ層（層厚１０００ｎｍ）を連続的に形成した。

この後、Ｔｉ層とＣｕ層のパターニング前に、外部電極４３、４４を形成した。具体的には、レジスト塗布、露光、現像を順に行うことによりレジストパターンを形成した。そして、電解めっき法によりＣｕ層上にＮｉ層を２．０μｍ、その上にＡｕ層を０．３μｍ形成した。

そして、引出電極４１、４２のパターニングを行った。具体的には、レジスト塗布、露光、現像を順に行うことによりレジストパターンを形成した。そして、レジストパターンをマスクにして、Ｃｕ層をＡｒイオンミリング法によりパターニングした。続いて、レジストパターンをそのまま用いて、Ｔｉ層をパターニングした。

そして、エポキシ樹脂からなる有機絶縁層３３、３４を外部電極４３、４４の一部が露出するように形成した。具体的には、感光性樹脂材料をスピンコートで塗布し、露光、現像、キュアを順に行うことにより、膜厚２μｍのエポキシ樹脂層を得た。

［比較例］
比較例として、図５、図６のような誘電体薄膜素子を形成した。図６は図５のＨ−Ｈ断面図である。比較例の誘電体薄膜素子は、有機絶縁層３３をパターニングして、外部電極４３、４４を図のように形成した。パターニングの形状以外は、実験例１と同様のプロセスで形成した。

図７に、誘電体薄膜素子の実装時の断面の拡大概略図を示す。左側が実装前の図で、右側が実装時にはんだ４５が外部電極４３上に形成された場合の図である。図７（ａ）は実験例１の拡大図で、図１のＣ−Ｃ断面図である。図７（ｂ）、図７（ｃ）は実験例２の拡大図である。図７（ｂ）は図３のＦ−Ｆ断面図であり、図７（ｃ）は図３のＧ−Ｇ断面図である。そして、図７（ｄ）は比較例の拡大図で、図５のＩ−Ｉ断面図である。

実験例１、実験例２、比較例のいずれも、Ａｕ層／Ｎｉ層の２層構造である外部電極４３のはんだに近いＡｕ層がはんだに食われる。その結果、Ａｕ層が存在していた部分にもはんだが形成されることとなる。

実験例１の場合には、はんだ４５は有機絶縁層３３をまたぐように形成される。
また、実験例２のように、有機絶縁層３４が外部電極４３上に形成されている場合には、図７（ｂ）、（ｃ）のようにＡｕ層が存在していた部分にもはんだが形成される。したがって、はんだ４５中に有機絶縁層３４が存在するような構造になる。一方、比較例では、図７（ｄ）のように、はんだ４５が外部電極４３上に形成される。

実験例１、実験例２のように、外部電極４３、４４とはんだ４５とが複数部分で接続している場合には、外部電極４３、４４にかかる機械的応力は、介在している有機絶縁層３３、３４に吸収され、応力を緩和することができる。

尚、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。各層の膜厚、形成方法、形成条件は単なる例示である。誘電体薄膜素子の機能を損なわない範囲で任意に変更可能である。

１０：誘電体薄膜素子
１１：基板
１２：酸化物層
１３：密着層
２０：容量部
２１：下部電極層
２２：誘電体層
２３：上部電極層
２４：誘電体層
３０：保護層
３１：無機保護層
３２：有機保護層
３３，３４：有機絶縁層
４１，４２：引出電極
４１ａ，４２ａ：引出部
４１ｂ，４１ｂ：接続部
４３，４４：外部電極
４５：はんだ
１１１：基板
１１２：下部電極層
１１３：誘電体層
１１４：上部電極層
１１５：バリア層
１１６：保護絶縁層
１１７：電極パッド（外部電極）
１１８：外部電極端子
１２０：薄膜コンデンサ
１３０：容量部

Claims

基板と、
前記基板上に形成され、誘電体層と、前記誘電体層の上下面に形成された少なくとも一対の電極層と、を有する容量部と、
前記容量部のいずれかの電極層と電気的に接続される引出電極と、
前記引出電極上に複数部分形成される外部電極と、
前記外部電極の間に介在する有機絶縁層と、
を備える誘電体薄膜素子。
基板と、
前記基板上に形成され、誘電体層と、前記誘電体層の上下面に形成された少なくとも一対の電極層と、を有する容量部と、
前記容量部のいずれかの電極層と電気的に接続される引出電極と、
前記引出電極上に形成される外部電極と、
前記外部電極が複数部分露出するように前記外部電極上に形成される有機絶縁層と、
を備える誘電体薄膜素子。
前記容量部の少なくとも一部を覆う保護層を備え、前記引出電極は、前記保護層を貫通して前記電極層と接続される接続部と、前記保護層上に形成される平面部と、を有し、前記外部電極は前記平面部上に形成される、請求項１または２に記載の誘電体薄膜素子。
前記複数部分は前記基板の長手方向に形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の誘電体薄膜素子。