JP5803731B2

JP5803731B2 - 薄膜素子

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Publication number: JP5803731B2
Application number: JP2012036259A
Authority: JP
Inventors: 俊幸中磯
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2032-02-22
Also published as: JP2013172075A

Description

本発明は、薄膜キャパシタや、薄膜キャパシタを含む複合回路素子、アンチヒューズ素子、可変容量素子、センサ等の薄膜素子に関する。

近年、スパッタや蒸着等の薄膜形成法で金属層や誘電体層を積層して形成する薄膜素子の研究がなされている。このような薄膜素子としては、例えば、基板上に、誘電体層と、誘電体層に対向する上下の電極層とからなる容量部を備えている。そして、この容量部が薄膜により形成されているので、小型化、薄型化することが可能である。また、このような薄膜素子の容量部は、樹脂等からなる絶縁保護層で被覆されている。

しかしながら、樹脂等の有機材料を含む絶縁保護層と無機材料からなる基板とは密着性が低く、高温高湿度環境下ではさらに密着力が低下する傾向にある。そのため、絶縁保護層の外周部から剥離する恐れがあった。

このような絶縁保護層の剥離を抑制する構造として、例えば、特許文献１のような薄膜素子が提案されている。

特許文献１では、図８に示すように、基板１０１上に、誘電体層１０２を挟んで対向する下部電極層１０３及び上部電極層１０４とから構成される容量部を備える、薄膜素子１００が開示されている。この薄膜素子１００では、容量部の外縁部で、誘電体層１０２、下部電極層１０３、上部電極層１０４が、樹脂からなる絶縁保護層１０５で被覆されている。また、絶縁保護層１０５は金属薄膜１０６で被覆されている。

金属薄膜１０６と基板１０１とは、絶縁保護層１０５と基板１０１よりも密着性が高いので、金属薄膜１０６で絶縁保護層１０５の外周部を被覆することにより、絶縁保護層１０５の外周部からの剥離を抑制している。

特開２００２−２９９１５７号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、剥離の起点となる絶縁保護層１０５の外周部には金属薄膜１０６があるので密着性は向上しているが、絶縁保護層１０５の外周部よりも内側の部分と基板１０１との密着性については変わらない。そのため、絶縁保護層１０５の外周部から内側において、絶縁保護層１０５と基板１０１との間に空隙等の欠陥が生じる場合がある。この空隙を起点として、絶縁保護層１０５の剥離が絶縁保護層１０５外周側に進行した場合、続けて金属保護層が剥離する場合があった。また、空隙を起点とする剥離が容量部側に進行した場合、容量部において剥離が生じる恐れがあった。

また、外部応力等により金属薄膜１０６が外周部から剥離した場合、続けて絶縁保護層１０５が剥離し、そのまま剥離が進行して容量部に達して、容量部も剥離する恐れもあった。

以上のような要因により、薄膜素子の初期特性が劣化する可能性があった。また、初期特性は満足しても剥離部分から水分が浸入して、信頼性試験後に特性が劣化する可能性があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、絶縁保護層の外周部からの剥離が生じたとしても薄膜素子本体まで剥離が進行することを抑制して、特性劣化が小さく耐湿性が高い薄膜素子を提供することを目的とする。

本発明に係る薄膜素子は、基板と、前記基板の一方の主面上に形成される薄膜素子本体と、前記薄膜素子本体を被覆するように形成される絶縁保護層と、を備える薄膜素子において、前記薄膜素子本体の外周部に、前記基板の主面に平行な方向で前記薄膜素子内方に向かう深さ方向を有する凹部が形成され、前記凹部に前記絶縁保護層の一部が入り込んで剥離防止部を構成している。

本発明では、絶縁保護層に剥離が生じたとしても、薄膜素子本体の外周部に形成された剥離防止部により、絶縁保護層の剥離の進行を剥離防止部の直前で止めることが可能になる。

また、前記薄膜素子本体はその外周部に金属保護層を有し、前記金属保護層は前記基板の主面に沿って延びる端部を有し、前記金属保護層の端部に前記基板の主面に平行な方向で前記薄膜素子内方に向かう深さ方向を有する凹部が形成され、前記凹部に前記絶縁保護層の一部が入り込んで剥離防止部を構成することが好ましい。

このような場合には、金属保護層の端部に剥離防止部が形成されており、金属保護層が基板に対する密着性が高いので、絶縁保護層の外周部からの剥離の進行をより効果的に止めることが可能になる。

前記金属保護層は複数の金属層で構成され、前記金属保護層の端部で基板側から見て上側の金属層の端部が下側の金属層の端部よりも突出することにより、前記凹部が形成されていることが好ましい。

このような場合には、上側の金属層の端部の下（基板側）に下側の金属層の端部が無い凹部が形成されているため、この部分に絶縁保護層が入り込んで剥離防止部として機能する。

また、前記金属保護層の端部が、基板側から見て厚み方向の上方になるにつれて突出する逆テーパ形状により、前記凹部が形成されていることが好ましい。

このような場合には、金属保護層の厚み方向下方（基板側）に金属保護層が無い部分（凹部）があるため、この部分に絶縁保護層が入り込んで剥離防止部として機能する。

本発明に係る薄膜素子では、誘電体素子本体の外周部に形成された剥離防止部により、絶縁保護層の剥離の進行を剥離防止部の直前で止めることが可能になる。これにより、薄膜素子の特性劣化や耐湿性の低下を防止することができる。

本発明の薄膜素子の一実施の形態を示す平面図である。本発明の薄膜素子の一実施の形態を示す断面図である。 (ａ)は剥離防止部を有する場合、（ｂ）は剥離防止部が無い場合、の絶縁保護層の剥離の状態を示す拡大写真である。本発明の薄膜素子の製造方法の一実施の形態を示す断面図である。本発明の薄膜素子の製造方法の一実施の形態を示す断面図である。本発明の薄膜素子の製造方法の一実施の形態を示す断面図である。（ａ）は本発明の一実施形態の剥離防止部の一部拡大断面図、（ｂ）、（ｃ）は他の実施形態の剥離防止部の一部拡大断面図である。従来の薄膜素子を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。

図１は本発明の一形態に係る薄膜素子１０の平面図である。薄膜素子１０は、薄膜素子本体１０ａを絶縁保護層３４で被覆して構成されている。絶縁保護層３４としては、例えばポリイミド樹脂やエポキシ樹脂等の有機絶縁材料を用いることができる。また、絶縁保護層３４からは、薄膜素子本体１０ａの外部電極４３、４４が露出している。

図２は図１のＡ−Ａ線で切断して矢印方向に見た断面図である。図２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としては、例えばＳｉ単結晶基板が選択される。

そして、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。密着層１３としては、後述の誘電体層と同一の材料を用いると製造が容易になるので好ましい。
下部電極層２１は密着層１３上に形成される。また、誘電体層２２は下部電極層２１上に形成される。そして、上部電極層２３は誘電体層２２上に形成される。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。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、例えば、ＡｕやＰｔ等の高融点の貴金属材料を用いることが好ましい。誘電体層２１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。なお、図２では容量部２０は、誘電体層２２が１層の構造を例に示しているが、誘電体層が複数層存在していても良い。

また、上部電極層２３の上に、誘電体層２２と同一の組成系の無機絶縁層２４を更に設ける。無機絶縁層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。同一の組成系とは、主たる構成要素の比率が異なる材料や、異なる微量元素を含有する材料を含む。無機絶縁層は密着層と同一の材料であることがより好ましい。

容量部２０と無機絶縁層２４は、無機保護層３１と有機保護層３３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。なお、無機保護層３１が複数層の構造であっても良い。複数層の層数が多いほど、容量部への水分の到達の可能性は低くなり、特性劣化もなくなると考えられる。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。

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、無機保護層３１と有機保護層３３を有する保護層３０を貫通して形成されている。そして、有機保護層３３の上部に引き出されている。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、無機絶縁層２４と、無機保護層３１と有機保護層３３を有する保護層３０を貫通して形成されている。そして、有機保護層３３の上部に引き出されている。

引出電極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。

さらに、金属保護層４５が薄膜素子本体１０ａの外周部に設けられ、基板１１の主面に沿って延びる端部を有している。また、金属保護層４５の端部には基板１１の主面に平行な方向で薄膜素子内方に向かう凹部が形成されている。なお、本実施形態においては、基板１１の主面に沿って凹部が形成されている。

金属保護層４５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層構造としてもよい。金属保護層４５を２層構造にした場合、基板１１から見て上側の層になる第２層のＣｕを、下側の層になる第１層のＴｉよりも突出させることで、前述の金属保護層４５の凹部を容易に形成することができる。

そして、絶縁保護層３４は、無機保護層３１及び有機保護層３３を被覆している。そして、外部電極４３、４４が表面露出するように形成されている。また絶縁保護層３４の一部は金属保護層４５端部の凹部に入り込んで剥離防止部４６が形成されている。

薄膜素子本体１０ａの外周部に剥離防止部４６が形成されることにより、絶縁保護層３４の外周部を起点として剥離が生じても、剥離防止部の直前で剥離の進行が止まる効果が得られる。

図３は、絶縁保護層の剥離が生じやすい高温高湿の環境下に放置した後の絶縁保護層の剥離の状態を比較した写真であり、(ａ)は薄膜素子本体の外周部にある金属保護層に剥離防止部を有する場合、（ｂ）は剥離防止部が無い場合を示している。

図３に示すように、剥離防止部が無い（ｂ）では、写真右方よりの絶縁保護層の剥離が大きいのに対して、剥離防止部を有する（ａ）では、絶縁保護層の剥離が剥離防止部の直前で止まっていることが分かる。すなわち、剥離防止部により絶縁保護層の剥離を抑制し、剥離の程度を軽減できることは明らかである。

次に、上記薄膜素子の製造方法を図４〜図６に基づき詳述する。

まず、図４（ａ）のように、基板１１として、５００〜１０００ｎｍの酸化物層が形成されたＳｉ基板を用意する。酸化物層１２はＳｉ基板を熱処理することによりＳｉＯ₂層が得られる。

次に、図４（ｂ）のように、密着層１３、下部電極層２１、誘電体層２２、上部電極層２３、無機絶縁層２４を形成する。

まず、基板上に、密着層１３としてＢＳＴ層を形成する。密着層１３は例えば化学溶液体積（ＣｈｅｍｉｃａｌＳｏｌｕｔｉｏｎＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；以下「ＣＳＤ」という。）法で形成される。すなわち、酸化物層１２が形成されたＳｉ基板の上面に、Ｂａ：Ｓｒ：Ｔｉ＝７０：３０：１００（モル比）となるように、有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、ホットプレート上３００〜４００℃で乾燥する。その後、６００〜７００℃の条件で１０〜６０分加熱処理する。このようにして厚さ１０〜１００ｎｍのＢＳＴ層を形成する。

次に、密着層１３上に電極層と誘電体層を交互に成膜して容量部２０を形成する。すなわち、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１００〜５００ｎｍのＰｔ層を得る。そして、誘電体層２２、上部電極層２３を順に形成する。すなわち、Ｐｔ層の上に、前述した密着層１３と同様の方法で、厚さ５０〜２００ｎｍのＢＳＴ層を形成する。このＢＳＴ層の上に、前述したＰｔ層と同様の方法で、厚さ１００〜５００ｎｍのＰｔ層を形成する。

そして、容量部２０上に無機絶縁層２４を形成する。例えば、前述した密着層１３と同様の方法により厚さ１０〜１００ｎｍのＢＳＴ層を形成する。

次に、図４（ｃ）のように、無機絶縁層２４、上部電極層２３、誘電体層２２、下部電極層２１のパターニングを行う。まず、無機保護層２４と上部電極層２３のパターニングを行う。すなわち、無機保護層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する。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後、アッシングによりレジストを除去する。同様の方法で、誘電体層２２と下部電極層２１をパターニングした後、レジストを除去する。この時、図４（ｃ）のように、無機保護層２４と上部電極層２３、及び誘電体層２２と下部電極層２１を同時にパターニングすることが可能である。この場合、ＢＳＴ層とＰｔ層とでエッチングパターンを変える場合に比べて低コストでパターニング可能である。その後、７００〜９００℃で３０分間の熱処理を行う。

次に、図５（ｄ）のように、容量部２０と無機絶縁層２４とを被覆するように無機保護層３１を形成する。例えば、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ−ＥｎｈａｎｃｅｄＣＶＤ）法やスパッタリング法により、厚さ２００〜１０００ｎｍの無機保護層３１を得る。

そして、図５（ｅ）のように、無機保護層３１上に、有機保護層３３を形成する。例えば感光性樹脂材料をスピンコートし、１２０℃で５分間加熱し、露光、現像、３２０℃で３０分間加熱することで膜厚２〜１０μｍのポリイミド樹脂の有機保護層３３を形成することができる。

そして、図５（ｆ）のように、この有機保護層３３をマスクパターンとして使用し、例えばＣＨＦ₃ガスを用いたドライエッチングで無機保護層３１をパターニングする。この時に、誘電体層２２と無機保護層２４と密着層１３とを同時にパターニングする。そして、無機絶縁層２４と誘電体層２２に開口部を形成し、下部電極層２１と上部電極層２３の一部を露出させる。

次に、図６（ｇ）のように、引出電極４１、４２と金属保護層４５を同時に形成する。例えば、マグネトロンスパッタを用いて、Ｔｉ層（１００ｎｍ）、Ｃｕ層（１０００ｎｍ）を連続的に形成する。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する。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する。続いて、レジストパターンを除去し、Ｃｕ層をマスクにしてＴｉ層をウェットエッチングでパターニングする。この際に、基板から見て上側のＣｕ層の端部が下側のＴｉ層の端部よりも突出するようにオーバーエッチングすることで金属保護層４５の外周部に凹部を形成している。

次に、図６（ｈ）のように、引出電極４１、４２の一部が露出するように絶縁保護層３４を形成する。例えばエポキシ樹脂をスピンコートし、１１０℃で加熱して露光、現像、２００℃で１時間キュアを順に行うことで膜厚２〜１０μｍのエポキシ樹脂の絶縁保護層３４を形成する。この時、図７（ａ）に示すように、基板から見て上側のＣｕ層４５ｂの端部が下側のＴｉ層４５ａの端部よりも突出しているので、Ｃｕ層４５ｂと基板１１との間に凹部が形成され、絶縁保護層３４の一部がこの凹部に入り込むことにより、剥離防止部４６となっている。

そして、図６（ｉ）のように、絶縁保護層３４をソルダーレジストとして、引出電極４１、４２の露出部分に外部電極４３、４４を形成する。レジストパターンの開口部に、無電解めっきで例えばＮｉ層とＡｕ層を形成する。

なお、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。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。また、上記実施形態では、金属保護層４５の外周部に剥離防止部４６を形成したが、これに限るものではなく、金属保護層４５とは分離して、例えば、図７に示す部分のみを形成することも可能である。

次に、剥離防止部の他の実施形態について説明する。

剥離防止部の形状については、図７（ｂ）に示すような基板側から見て厚み方向の上方になるにつれて突出する逆テーパ形状にすることも可能である。このような形状は、以下のような製造方法により作成することができる。

まず、基板１１上に露光・現像条件を適宜調整して、基板１１に近いほど広がるテーパ形状のフォトレジストを形成する。次に、マグネトロンスパッタを用いてＴｉ層４５ａ，Ｃｕ層４５ｂを形成する。そして、レジスト上に形成されたＴｉ層、Ｃｕ層と、レジストを除去することにより、図７（ｂ）に示すような逆テーパ形状にすることができる。そして、逆テーパ形状の凹部に絶縁保護層３４が入り込むことにより、剥離防止部４７となる。

さらに剥離防止部の形状について、図７（ｃ）のように、図７（ａ）の形状にさらに金属層を追加して、この金属層を逆テーパ形状にすることも可能である。

このような形状は、以下のような製造方法により作成することができる。

まず、金属保護層４５を構成するＴｉ層とＣｕ層の上に、露光・現像条件を適宜調整して、基板１１に近いほど広がるテーパ形状のフォトレジストを形成する。次に、ＮｉめっきによりＮｉ層を形成し、レジストを除去することで、図７（ｃ）のＮｉ層４５ｃのような逆テーパ形状にする。なお、このときのめっき材料はＮｉ以外にＣｕ、Ａｕ等も用いることができるが、製造の容易さ、配線膜とのエッチング時の選択比等の観点から、Ｎｉが好ましい。また、このめっき材料の層を以下のＣｕ層、Ｔｉ層のマスクとして用いれば、フォトリソ回数の増加を抑制できる。さらに、このＮｉ層は図６（ｉ）の外部電極４３、４４のＮｉ層と同時に形成してもよい。

次にＣｕ層をエッチングによりパターン化して図７（ｃ）のＣｕ層４５ｂのような端部位置にする。さらにＴｉ層をウェットエッチングでオーバーエッチングすることにより図７（ｃ）のＴｉ層４５ａのような端部位置にする。そして、Ｔｉ層４５ａ、Ｃｕ層４５ｂ、Ｎｉ層４５ｃと基板１１表面とで形成された凹部に絶縁保護層３４が入り込むことにより、剥離防止部４８となる。

このような剥離防止部４８の形状にすることで、図７（ａ）の剥離防止部４６に比べて、絶縁保護層３４の外周部を起点とする剥離に対してより剥離抑制が強固になる。

１０：薄膜素子
１０ａ：薄膜素子本体
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：無機絶縁層
３１：無機保護層
３３：有機保護層
３４：絶縁保護層
４１，４２：引出電極
４３，４４：外部電極
４５：金属保護層
４５ａ：第１層（Ｔｉ）
４５ｂ：第２層（Ｃｕ）
４５ｃ：Ｎｉ層
４６,４７,４８：剥離防止部
１０１：基板
１０２：誘電体層
１０３：下部電極層
１０４：上部電極層
１０５：絶縁保護層
１０６：金属薄膜

Claims

基板と、前記基板の一方の主面上に形成される薄膜素子本体と、前記薄膜素子本体を被覆するように形成される絶縁保護層と、を備える薄膜素子において、前記薄膜素子本体の外周部に、前記基板の主面に平行な方向で前記薄膜素子内方に向かう深さ方向を有する凹部が形成され、前記凹部に前記絶縁保護層の一部が入り込んで剥離防止部を構成する、薄膜素子。
前記薄膜素子本体はその外周部に金属保護層を有し、前記金属保護層は前記基板の主面に沿って延びる端部を有し、前記金属保護層の端部に前記基板の主面に平行な方向で前記薄膜素子内方に向かう深さ方向を有する凹部が形成され、前記凹部に前記絶縁保護層の一部が入り込んで剥離防止部を構成する、請求項１に記載の薄膜素子。
前記金属保護層は複数の金属層で構成され、前記金属保護層の端部で基板側から見て上側の金属層の端部が下側の金属層の端部よりも突出することにより、前記凹部が形成されている、請求項１または２に記載の薄膜素子。
前記金属保護層の端部が、基板側から見て厚み方向の上方になるにつれて突出する逆テーパ形状により、前記凹部が形成されている、請求項１または２に記載の薄膜素子。