JP6441269B2 - 積層薄膜キャパシタ - Google Patents
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Description
(1)途中工程での、特性の悪い層の発生や、加工ミス等により、積層構造の全てが不良品となり得る。また、特性の悪い層を途中で排除することはできない。
(2)積層数を増減させる場合には、その積層数に応じた加工用マスクセットを個別に準備する必要がある。
(3)積層数の増加に伴い、応力の蓄積による反りが発生し、加工性が低下する。
(4)積層数の増加に伴い、上層の薄膜表面は凹凸が大きくなり、特性が劣化する。
(5)ウエハ上に作製した素子は、個片化させるためにダイシングが必要である。
「MIM構造体」とは、誘電体と前記誘電体の一方の主面に配置された第一内部電極と誘電体の他方の主面に配置された第二内部電極とからなる部材をいう。複数のMIM構造体を積層しても良い。複数のMIM構造体を積層する場合には、一方のMIM構造体の第一(第二)内部電極が他方のMIM構造体の第二(第一)内部電極を兼ねることができる。
「薄膜キャパシタ」とは、誘電体と誘電体の一方の主面に配置された第一内部電極と誘電体の他方の主面に配置された第二内部電極とからなるMIM構造体を少なくとも1層と、第一内部電極と第一外部電極(又は第一外部導体)とを電気的に接続するための第一中間電極と、第二内部電極と第二外部電極(又は第二外部導体)とを電気的に接続するための第二中間電極とを含む部材をいう。
「保護膜」又は「保護層」とはMIM構造体を覆うように配置された絶縁部材をいう。
「第一保護膜」とはMIM構造体を覆うように配置され、第一及び第二中間電極が貫通している部材をいう。
「第二保護膜」とは保護膜から第一保護膜を除いた部材をいう。
保護膜は第一保護膜を含み、任意選択的に第二保護膜を含む。
「保護膜の端面」とは、保護膜の主面以外の側面をいう。
「接続電極」とは、多層化した薄膜キャパシタの各中間電極を介して相互に電気的に接続している導電体構造をいう。
なお、第一内部電極と、第一中間電極と、第一外部電極(第一外部導体及び/又は第一接続電極)とは電気的に導通している。同じく、第二内部電極と、第二中間電極と、第二外部電極(第二外部導体及び/又は第二接続電極)とは電気的に導通している。
そして、第一外部電極、第一外部導体又は第一接続電極を含む第一電極群と、第二外部電極、第二外部導体又は第二接続電極を含む第二電極群とは相互に極性が異なっており、少なくとも直流抵抗成分においては電気的に絶縁されている。
(1)特性が良好であることを確認した薄膜キャパシタ同士を積層させるため、MIM構造体の不良に起因した歩留り低下が起こりにくい。
(2)MIM構造体の積層数を少なくできるので(例えば、単層又は2層程度)、従来手法で認められたMIM構造体の増加に伴う不具合は生じにくい。
(3)パターニングした素子の剥離、接合を繰り返すため、個片化(ダイシング)が不要である。ダイシングがないため、その素子間の間隔は従来よりも小さくでき、取得数の増加も期待できる。
また、積層体内部の電極間の接触抵抗を小さくでき、ESR(等価直列抵抗)の低減が可能となる。
本発明に係る積層薄膜キャパシタによれば、各薄膜キャパシタの容量値をほぼ等しく(±5%以内)すれば、自己共振周波数が多段にならずシャープな波形となるので、安定した特性を得ることができる。
図2に本発明における、薄膜キャパシタを示す。薄膜キャパシタは誘電体104と誘電体の一方の主面に配置された第一内部電極103と誘電体の他方の主面に配置された第二内部電極105とからなるMIM構造体を少なくとも1層と、第一内部電極103と第一外部電極(図示せず)とを電気的に接続するための第一中間電極107aと、第二内部電極105と第二外部電極(図示せず)とを電気的に接続するための第二中間電極107bとを含む。図2ではMIM構造体が1層の場合を示したが、複数のMIM構造体を積層しても良い。複数のMIM構造体を積層する場合、一方のMIM構造体の内部電極が他方のMIM構造体の内部電極を兼ねることができる。また、薄膜キャパシタはさらにMIM構造体を覆うように配置された保護膜102、106を含み、保護膜102、106はMIM構造体を覆うように配置され、中間電極107a、107bが貫通している。図2は支持基板100上に剥離層101を介して当該薄膜キャパシタが形成され、その第一保護膜106上に接合用樹脂108が形成されている。中間電極107a、107bは第一保護膜106を貫通し当該第一保護膜106と接合用樹脂108との界面に達し、この界面に沿って薄膜キャパシタの一方の端面の方向に延びる。中間電極107a、107bは第一保護膜106を貫通した後、異なる接合用樹脂108との界面に達してもよいが、同一の接合用樹脂108との界面に達してもよい。この時、図2ではわかりやすいように中間電極107が保護膜102、106の端面に露出しているように描いたが、必ず露出していなければならないわけではない。中間電極107a、107bは保護膜の端面へ露出することが望ましい。支持基板100上に作製した薄膜キャパシタを複数個準備しておき、接合技術を用いて薄膜キャパシタ同士を接合させ、一方の支持基板100から剥離させる。本接合・剥離工程を必要な回数繰り返し、所望の積層数を有する積層薄膜キャパシタを作製する。
支持基板100上に剥離層101を形成する。剥離層101の材料は、後続の剥離手法により異なるが、レーザ剥離の場合は、レーザ照射によって焼失する材料(金属や酸化物)、ウエットエッチングで消失させる場合には、犠牲層(後で除去することを前提に形成する層)として機能する材料をそれぞれ選択すれば良い。
剥離層101の上に第二保護膜102を形成する。この第二保護膜102の材料は、無機材料、有機材料の別を問わないが、後続のキャパシタ形成プロセスへの耐熱性を有し、剥離工程でダメージを受けないこと、さらに、完成後のキャパシタの信頼性を確保できることが選定条件となる。無機材料としては、SiO2、SiN、Al2O3、ZrO2、有機材料としては、ポリイミド樹脂、BCB(ベンゾシクロブテン)樹脂等が適応可能である。材料の厚みは、機能を発現できる厚みが必要であるが、4μm以下、さらには1μm以下の薄さが望ましい。なお、剥離工程でMIM構造体へのダメージ発生のおそれがない場合には、当該膜を形成しないことも可能である。また、後述するように完成した積層薄膜キャパシタの積層状態によっても当該第二保護膜102を形成しないことも可能である。
第一及び第二内部電極103、105と誘電体104からなるMIM構造体を形成する。図では、1層の誘電体104、及びその一方の主面に配置された第一内部電極103とその他方の主面に配置された第二内部電極105を一括で成膜し、レジストパターニングを用いて所望の形状に加工している。キャパシタ形成方法は、一括成膜加工以外にも存在しており、特に限定なく自由に選択することができる。各々の加工は、ドライエッチング、ウエットエッチング等で行う。又は、メタルマスクを用いることも可能である。内部電極103、105の電極材料、及び誘電体104の誘電体材料は限定されないが、電極材料として、Pt、Ni、Pd、Cu、Al等、誘電体材料として、BST(チタン酸バリウムストロンチウム)、BT(チタン酸バリウム)、ST(チタン酸ストロンチウム)、Al2O3、ZrO2等の金属酸化物を用いるのが一般的である。少ない積層数で高容量のコンデンサを得ようとする場合には、比誘電率の大きい材料、例えばBST、BT、ST等を採用することが望ましい。また、温度特性やDCバイアス特性に優れたコンデンサを得ようとする場合には、比誘電率の比較的低いAl2O3、ZrO2、HfO2といった常誘電体材料を用いることが望ましい。電極材料にはNi、Pt等の仕事関数の大きい電極材料がリーク電流値を低減させるためには望ましい。さらに、例えば、スパッタ装置を使用し誘電体材料としてBSTを用いた場合、600℃以上の高温条件、且つ酸素雰囲気条件で成膜が行われるため、酸化されにくいPtが望ましい。従って、誘電体成膜雰囲気に応じて使用できる電極は異なってくる。誘電体成膜工程としてALD(Atomic Layer Deposition(原子層堆積))を用いて150℃、200℃程度の低温成膜を行えば、高価なPtを使用せずにNi、Al、さらには、Cu等も適応可能である。図3−(c)〜(g)ではMIM構造体が1層の場合を示したが、上記したとおり、複数のMIM構造体を有する薄膜キャパシタを用いることもできる。また、これらの工程を繰り返し行うことにより、さらに多くの薄膜キャパシタが積層された積層薄膜キャパシタを作製することもできる。複数のMIM構造体を積層する場合、一方のMIM構造体の内部電極が他方のMIM構造体の内部電極を兼ねることができる。
第一保護膜106の形成を行う。第一保護膜106の材料は、第二保護膜102で示した材料と同様であるが、キャパシタ形成プロセスを経ないため、制約が緩和される。しかしながら、第一保護膜106に第二保護膜102と同じ材料を用いることにより、熱収縮率などの機械的な挙動が等しい膜でキャパシタを覆うことができることから、そのような選定が望ましい。第一保護膜106には、内部電極103、105との接続を形成するための開口部を形成する。第一保護膜106が無機材料の場合は、レジストパターニングによりドライエッチングで加工するのが適切である。第一保護膜106を有機材料とした場合は、感光性材料を用いてパターニングすることで工程負荷を低減することができる。また、基板上で隣接する薄膜キャパシタ同士の間に成膜された保護膜は不必要であるため、開口部を形成する際に一緒に除去しておくと、後工程で支持基板を剥離した場合に個片化工程を省略することができる。
中間電極107a、107bを形成する。中間電極107a、107bは、第一保護膜106の開口部を介して内部電極103、105との電気的接続を形成する。中間電極107a、107bは第一保護膜106上に薄膜キャパシタの端面の方向に延びるように形成される。保護膜の端面に露出していることがより望ましい。図4は図3−(k)を上方から見た図である。第二保護膜102とMIM構造体103、104、105とは第一保護膜106下にあり、中間電極107a、107bが第一保護膜106の表面に現れている。中間電極107a、107bの電極材料、及び加工方法は、内部電極103,105の電極材料及び加工方法として示したものと同様である。なお、以下において、記載が複雑になることを避けるため、「中間電極107」とのみ記載する場合がある。
接合用樹脂108をパターニングする。まず、フェノール系ポリマー、ポリイミド、BCB等を材料とした感光性樹脂を用いて、薄膜キャパシタの第一保護膜106上に未硬化の接合用樹脂108を形成する。その後、外部導体である外部電極109a、109bとの接続を形成する中間電極107の少なくとも一部の領域上には接合用樹脂108が形成されないようにするためのパターニングを行う。図5にパターニングの一例を示したが、パターニングの形状は第一保護膜106上の他の一部の領域についても接合用樹脂108が形成されないようにすることもできる。パターニングのためのリソグラフィ工程に用いられる光の種類(光源の種類)は、半導体レーザ、高圧水銀灯のg線、h線、i線、KrFエキシマレーザ、ArFエキシマレーザ、F2エキシマレーザ、メタルハライドランプ、紫外線、極端紫外線、電子線などの中から適宜選択することができる。なお、以下において、記載が複雑になることを避けるため、「外部電極109」とのみ記載する場合がある。
図14(a)は剥離する支持基板を毎回異なった側とした実施例、図14(b)は、薄膜キャパシタが追加された側の支持基板を毎回剥離する実施例、図14(c)は本発明の実施例で作製した積層薄膜キャパシタ同士を第二保護膜102部分同士を接合した本発明の変形例である。いいかえれば、図14(a)では、まず2つの薄膜キャパシタが接合用樹脂108を介して各々の第一保護膜106が向かい合うように積層され、その後一方の薄膜キャパシタが形成されている支持基板100を剥離するのは、図7に示す工程と同様だが、追加の薄膜キャパシタをその第一保護膜106が支持基板を剥離した一方の薄膜キャパシタの第二保護膜102と向かい合うように積層し、その後他方の薄膜キャパシタが形成されている支持基板100を剥離し、さらに追加の薄膜キャパシタをその第一保護膜106が、支持基板を剥離した他方の薄膜キャパシタの第二保護膜102と向かい合うように積層する。図14(b)では、まず2つの薄膜キャパシタが接合用樹脂108を介して各々の第一保護膜106が向かい合うように積層され、その後一方の薄膜キャパシタが形成されている支持基板100を剥離するのは、図7に示す工程と同様だが、その後一方の薄膜キャパシタが形成されている支持基板100を剥離し、追加の薄膜キャパシタをその第一保護膜106が支持基板を剥離した一方の薄膜キャパシタの第二保護膜102と向かい合うように積層し、その後追加の薄膜キャパシタが形成されている支持基板100を剥離し、さらに追加の薄膜キャパシタをその第一保護膜106が支持基板を剥離した追加の薄膜キャパシタの第二保護膜102と向かい合うように積層する。図14(c)では、まず2つの薄膜キャパシタが接合用樹脂108を介して各々の第一保護膜106が向かい合うように積層され、その後一方の薄膜キャパシタが形成されている支持基板100を剥離するのは、図7に示す工程と同様だが、そのようにして製造された2つの薄膜キャパシタが積層されて一方の支持基板が剥離された積層薄膜キャパシタを2組準備し、少なくとも一方の積層薄膜キャパシタの支持基板を剥離した薄膜キャパシタの第二保護膜102上に接合用樹脂108をパターニングし、接合用樹脂108を介して各々の第二保護膜102同士が向かい合うように積層する。本実施例を組み合わせるにあたって第二保護膜102部分に設けられる接合用樹脂は適宜選択でき、また第二保護膜102の材料によっては、接合用樹脂を介さずに各々の第二保護膜102同士の直接接合を行なうこともできる。
図18は、本発明の第二実施形態による代表的な積層薄膜キャパシタ500の断面模式図である。また、図19に、積層薄膜キャパシタ500の外観斜視図を示す。第二実施形態による積層薄膜キャパシタ500は、第一実施形態と同様に、MIM構造体を含む複数の薄膜キャパシタを多層化した構造を有している。図18及び図19に示される実施例の積層薄膜キャパシタ500は、薄膜キャパシタ510が1層のMIM構造体からなり、その薄膜キャパシタ510が3層積層された積層体550を備える。
第一中間電極523は、さらに、第一保護膜層531と接合用樹脂560との界面に沿ってMIM構造体の一方に延び、第一保護膜層531の端面で第一接続電極に電気的に接続している。他方、第二中間電極524は、第一保護膜層531と接合用樹脂560との界面に沿ってMIM構造体の他方に延び、第一保護膜層531の端面で第二接続電極に電気的に接続している。
(1)複数の薄膜キャパシタ510の積層体を貫き、これらを電気的に接続する第一及び第二接続電極533、534を、積層体の積層方向に沿って略平行に形成した。これにより、低ESL化を目的とした多端子電極構造を実現することができる。
(2)低ESL化を目的とした多端子構造を構築した場合でも、取得容量の近い薄膜キャパシタ510同士を積層化でき、効率良く高容量化を実現できる。
(3)各薄膜キャパシタ510の容量値をほぼ等しく(±5%以内)することで、自己共振周波数が多段にならずシャープな波形となるので、安定した特性を得ることができる。
(4)外部導体541、542に接続する中間電極523、524、及び中間電極523、524に接続する内部電極521、522の領域は、それぞれ薄膜の側面ではなく、積層方向に垂直な面で形成されるため接触抵抗が大きくならない。それ故に、ESRの低減が可能となる。
(5)中間電極523、524等の採用により、接続に起因したMIM構造体への内部応力を低減でき、信頼性の高い長寿命の積層薄膜キャパシタ500を得ることができる。
101…剥離層(金属、金属酸化物)
102…第二保護膜
103…第一内部電極
104…誘電体
105…第二内部電極
106…第一保護膜
107、107a、107b…中間電極
108…接合用樹脂
109、109a、109b…外部電極
110…UV剥離(発泡剥離)テープ
111a、111b…外部電極
120…マスク
121…接合積層キャパシタ
201…積層薄膜キャパシタ
202…多層プリント基板
202a…多層プリント基板の基板表面
214a、214b…外部電極
221a、221b…ランド
500…積層薄膜キャパシタ
510…薄膜キャパシタ
511…支持基板
512…剥離層
520…誘電体層
521…第一内部電極層
522…第二内部電極層
523…第一中間電極
524…第二中間電極
531…第一保護膜層
532…第二保護膜層
533…第一接続電極
534…第二接続電極
535…スルーホール
536…円環状の溝
541…第一外部導体
542…第二外部導体
550…積層体
560…接合層
Claims (15)
- 接合用樹脂を介して積層した複数の薄膜キャパシタと、
複数の前記薄膜キャパシタに電気的に接続する第一外部電極及び第二外部電極と、
を含む、積層薄膜キャパシタであって、
前記薄膜キャパシタの各々が、
誘電体と前記誘電体の一方の主面に配置された第一内部電極と前記誘電体の他方の主面に配置された第二内部電極とからなるMIM構造体を少なくとも1層と、
前記第一内部電極と前記第一外部電極とを電気的に接続するための第一中間電極と、
前記第二内部電極と前記第二外部電極とを電気的に接続するための第二中間電極と、
を含み、
前記薄膜キャパシタが、積層方向に内部構造の差異による方向性を持つ構造であり、その方向性が正のものと負のものとが同数となるように積層されている、
積層薄膜キャパシタ。 - 接合用樹脂を介して積層した複数の薄膜キャパシタと、
複数の前記薄膜キャパシタに電気的に接続する第一外部電極及び第二外部電極と、
を含む、積層薄膜キャパシタであって、
前記薄膜キャパシタの各々が、
誘電体と前記誘電体の一方の主面に配置された第一内部電極と前記誘電体の他方の主面に配置された第二内部電極とからなるMIM構造体を少なくとも1層と、
前記第一内部電極と前記第一外部電極とを電気的に接続するための第一中間電極と、
前記第二内部電極と前記第二外部電極とを電気的に接続するための第二中間電極と、
を含み、
前記薄膜キャパシタが、積層方向に内部構造の差異による方向性を持つ構造であり、1個を除いた残り偶数個の薄膜キャパシタが、その方向性が正のものと負のものとが同数となるように積層されている、
積層薄膜キャパシタ。 - 前記薄膜キャパシタの各々がさらに、MIM構造体を覆うように配置された保護膜を含み、
前記第一中間電極が、前記第一内部電極から前記保護膜を貫通し、前記保護膜と前記接合用樹脂との界面に達し、前記界面に沿って前記薄膜キャパシタの一方の端面の方向に延びて、前記第一外部電極に電気的に接続し、
前記第二中間電極が、前記第二内部電極から前記保護膜を貫通し、前記保護膜と前記接合用樹脂との界面に達し、前記界面に沿って前記薄膜キャパシタの他方の端面の方向に延びて、前記第二外部電極に電気的に接続する、
請求項1又は2に記載の積層薄膜キャパシタ。 - 前記第一中間電極及び前記第二中間電極が、同一の接合用樹脂との界面に達する請求項3に記載の積層薄膜キャパシタ。
- 前記第一中間電極が、前記保護膜の一方の端面より露出し、
前記第二中間電極が、前記保護膜の他方の端面より露出している、
請求項3又は4に記載の積層薄膜キャパシタ。 - 前記接合用樹脂が、前記保護膜の表面の少なくとも一部を、前記第一外部電極及び前記第二外部電極で覆われた部分を除いた形状にて覆っている、
請求項3〜5の何れか1項に記載の積層薄膜キャパシタ。 - 接合用樹脂を介して積層した複数の薄膜キャパシタと、
複数の前記薄膜キャパシタに電気的に接続する多端子電極構造の第一外部導体及び第二外部導体と、
を含む、積層薄膜キャパシタであって、
前記薄膜キャパシタの各々が、
誘電体と前記誘電体の一方の主面に配置された第一内部電極と前記誘電体の他方の主面に配置された第二内部電極とからなるMIM構造体を少なくとも1層と、
前記第一内部電極と前記第一外部導体とを電気的に接続するための第一中間電極と、
前記第二内部電極と前記第二外部導体とを電気的に接続するための第二中間電極と、
複数の前記薄膜キャパシタで構成される積層体の各層を貫通する複数の第一接続電極及び第二接続電極と、
を含み、
前記薄膜キャパシタの各々がさらに、MIM構造体を覆うように配置された保護膜を含み、
前記第一中間電極が、前記第一内部電極から前記保護膜を貫通し、前記保護膜と前記接合用樹脂との界面に達し、前記界面に沿って前記薄膜キャパシタの一方の端面の方向に延びて、前記第一接続電極に電気的に接続し、
前記第二中間電極が、前記第二内部電極から前記保護膜を貫通し、前記保護膜と前記接合用樹脂との界面に達し、前記界面に沿って前記薄膜キャパシタの他方の端面の方向に延びて、前記第二接続電極に電気的に接続する、
積層薄膜キャパシタ。 - 前記第一接続電極及び第二接続電極が、積層体を貫く方向に沿って略平行に形成されている、請求項7に記載の積層薄膜キャパシタ。
- 前記第一中間電極及び前記第二中間電極が、同一の接合用樹脂との界面に達する請求項7又は8に記載の積層薄膜キャパシタ。
- 前記積層体において前記接合用樹脂を介して隣接する少なくとも一対のMIM構造体が、互いに同極の内部電極同士が対向して積層されている、
請求項7〜9の何れか1項に記載の積層薄膜キャパシタ。 - 少なくとも一方の主表面に支持基板を有する、請求項1〜10の何れか1項に記載の積層薄膜キャパシタ。
- いずれの主表面にも支持基板を有さない、請求項1〜10の何れか1項に記載の積層薄膜キャパシタ。
- 実装面と、前記実装面に設けられた第一及び第二の配線と、前記実装面に実装された請求項1〜6の何れか1項に記載された積層薄膜キャパシタとを具備し、前記積層薄膜キャパシタの前記第一及び第二の外部電極が、前記第一及び第二の配線にそれぞれ電気的に接続されている回路。
- 実装面と、前記実装面に設けられた第一及び第二の配線と、前記実装面に実装された請求項7〜10の何れか1項に記載された積層薄膜キャパシタとを具備し、前記積層薄膜キャパシタの前記第一及び第二の外部導体が、前記第一及び第二の配線にそれぞれ電気的に接続されている回路。
- 請求項1〜11の何れか1項に記載の積層薄膜キャパシタが実装されているプリント基板。
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