JP6454107B2 - 薄膜キャパシタ - Google Patents

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Description

本発明は、薄膜製造プロセスにより支持基板上に薄膜電極と薄膜誘電体を交互に積層した容量形成部を有する薄膜キャパシタに関する。
電子部品としてのキャパシタの低背化という観点から、近年、支持基板上に薄膜製造プロセスにより形成されたMIM(Metal−Insulator−Metal)構造の容量発生部を有する薄膜キャパシタが注目されてきている。このような薄膜キャパシタでは、高容量を得るために、容量発生部において多数の薄膜電極と薄膜誘電体とを積層化した構造が検討されている。
このような構造の薄膜キャパシタとしては、容量発生部を、下方(支持基板方向)から上方にむけて端部が段差となったピラミッド構造としたものが知られている。このピラミッド構造の容量発生部は、薄膜電極と薄膜誘電体を交互に一括して成膜した後に、上層からエッチング処理などにより加工したものである。しかし、このような構造では、薄膜電極の交差面積が減少してしまい、容量密度が低下するという問題があった。
このような問題を解決するために、薄膜電極のみをパターニング加工し、薄膜誘電体については加工を行わず、結果としてMLCC(Multi-Layer Ceramic Capacitor)と同様な構造となる薄膜キャパシタが提案されている。
MLCCと同様の構造で薄膜キャパシタを製造しようとする場合、各々の薄膜電極と外部電極とを確実に電気的に接続する手法が重要となる。この手法として従来、積層した薄膜電極の各々の端部をダイシングにより露出させ、外部電極と直接接続させたものが提案されている(例えば特許文献1参照)。
特開2004−214589号公報
しかしながら、ダイシングで露出させた薄膜電極及びその周辺の薄膜誘電体には、機械的なダメージが発生してしまい、顕著な特性劣化が発生することが問題となっている。構造破損に伴うショートの発生以外にも、薄膜電極と外部電極の電気的な接続が不確実となることによる容量抜けや、素子の信頼性にも大きなバラツキがあることが問題となっている。具体例として、5層積層構造のキャパシタでは、約40%の頻度でショート不良が発生し、さらに約30%の素子で容量抜けが発生した。また、同じ素子の高温バイアス試験を実施してみたところ、ワイブルプロットの傾きが小さく、素子間で信頼性のバラツキが大きいものとなっていた。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高信頼性且つ高容量化を図ることができる薄膜キャパシタを提供することにある。
上記目的を達成するために、本願発明に係る薄膜キャパシタは、支持基板と、前記支持基板上に形成され2つ以上の薄膜電極及び1つ以上の薄膜誘電体を交互に積層してなる容量形成部と、前記薄膜電極と電気的に接続する中間電極と、前記容量形成部及び前記中間電極を封止する封止部材と、少なくとも前記封止部材の側面に形成された外部電極とを備え、前記容量形成部には前記薄膜電極が1層おきに内面に露出するように凹部が形成され、前記中間電極は、前記容量形成部の前記凹部内面において前記薄膜電極と接続するよう前記容量形成部の前記凹部内面から前記容量形成部の前記外部電極側の上面及び側面を経て前記支持基板の上面に亘って形成され且つ前記封止部材の側面において露出するよう形成され、前記支持基板と前記容量形成部と前記中間電極と前記封止部材とからなる部分積層体が前記容量形成部の積層方向に複数段積み重ねられており、前記外部電極は、複数段積み重ねられた前記部分積層体の側面において前記封止部材から露出する複数の前記中間電極と電気的に接続していることを特徴とする。
本発明によれば、外部電極は薄膜電極と直接接続するのではなく中間電極を介在して接続する。ここで容量形成部に薄膜電極を露出させる工程としては機械的なダイシングを採用する必要がない。このため、容量形成部に薄膜電極を露出させる工程において機械的なダメージを与えないようにすることができる。これにより高信頼性・高容量化を図ることができる。
さらに本発明の好適な態様の他の例としては、中間電極は容量形成部において薄膜電極露出部から容量形成部の上面に亘って形成されており、且つ、薄膜電極を透過的に厚み方向に重ね合わせてみた場合における薄膜電極の重なり合う領域には中間電極は形成されていないことを特徴とするもの挙げられる。
本発明によれば、容量形成部に薄膜電極を露出させる工程において機械的なダメージを与えないようにすることができるので、高信頼性・高容量化を図ることができる。
第1の実施の形態における薄膜キャパシタの断面図 第1の実施の形態における製造工程を説明する図 第1の実施の形態における製造工程を説明する図 第2の実施の形態における薄膜キャパシタの断面図 第2の実施の形態における製造工程を説明する図 第3の実施の形態における薄膜キャパシタの断面図 第3の実施の形態における製造工程を説明する図 第4の実施の形態における薄膜キャパシタの断面図 第5の実施の形態における薄膜キャパシタの断面図 第5の実施の形態の他の例に係る薄膜キャパシタの断面図
(第1の実施の形態)
本発明の実施の形態に係る薄膜キャパシタについて図面を参照して説明する。図1は第1の実施の形態に係る薄膜キャパシタの断面図である。なお、本願での各図は、説明の便宜上模式的に表したものであり、正確な縮尺で記載されていない点に留意されたい。
薄膜キャパシタ100は、図1に示すように、支持基板110と、支持基板110上に形成された薄膜電極層121と薄膜誘電体層122とを交互に積層してなる容量形成部120と、容量形成部120の上面に形成され最も上層の薄膜電極層121を保護する保護層130と、薄膜電極層121と電気的に接続する一対の中間電極140と、容量形成部120及び保護層130並びに中間電極140を封止する封止部材150と、それぞれ対応する中間電極140と電気的に接続する一対の外部電極160とを備えている。
支持基板110としては、例えば、石英,アルミナ,サファイア,ガラス等の絶縁性の無機材料からなる支持基板、又は、Si等の導電性の無機材料からなる支持基板から形成してもよい。なお、支持基板110として導電性支持基板を用いる場合には、当該支持基板110上には絶縁層が形成されていることが好ましい。また支持基板110上には薄膜電極層121との接着性を向上させるために接着層が形成されていることが好ましい。あるいは、支持基板110としては、例えば樹脂フィルム等の有機材料からなるものを用いてもよい。ただし、薄いフィルムはハンドリングが困難であることから、樹脂フィルムをSi等の平滑性の良い支持基板に仮接合させたものを用いてもよい。
2つ以上の薄膜電極層121及び1つ以上の薄膜誘電体層122による容量形成部120は、いわゆるMIM(Metal−Insulator−Metal)と呼ばれる構造体である。
薄膜電極層121は、一層ごとに交互に異なるパターンで形成されており、一層おきにそれぞれ異なる中間電極140と電気的に接続されている。薄膜電極層121は、種々の導電性の材料を用いることができるが、例えばCu、Ni、Pt、Al、Ti、Ir,Ru等の金属、或いはRuO,IrO等の導電性を示す酸化物が用いられる。薄膜電極層121の成膜にはスパッタリング、CVD(Chemical Vapor Deposition)、蒸着、ALD(Atomic Layer Deposition)等が採用可能であり、支持基板110に損傷や変質等が生じない条件であれば成膜手法は不問である。
薄膜誘電体層122は、(Ba,Sr)TiO(BST)、SrTiO(STO)、TiO、ZrO、HfO等の酸化物が望ましい。薄膜誘電体膜122の成膜手法も薄膜電極層121と同様の手法が採用可能であり、支持基板110に損傷や変質等が生じない条件であれば成膜手法は不問である。
保護層130は、Al、SiO、Si、BSTといった無機材料またはポリイミド等の有機樹脂を用いる。なお、保護層130は、単一材料のみを用いても良いが、2種類以上を組み合わせてもよい。
薄膜電極層121及び薄膜誘電体層122を積層してなる容量形成部120並びに容量形成部120の上面に形成された保護層130からなる積層体には、各中間電極140を形成するための凹部145が形成されている。凹部145は、その内面に薄膜誘電体層122が一層おきに露出する位置に形成されている。凹部145は、容量形成部120及び保護層130の外形を加工する工程と同時に加工される。該加工工程は、レジストでパターンを形成する工程、RIE(Reactive Ion Etching)、イオンミリング等のドライプロセスを用いて積層体を除去する工程が含まれる。
中間電極140は、容量形成部120及び保護層130からなる積層体の上面及び側面から支持基板110上面に亘って形成されている。さらに中間電極140は、前記凹部145の内面にも形成されている。これにより薄膜電極層121は一層おきに電気的に接続される。ここで、中間電極140は、容量形成部120において薄膜電極層121の交差領域、すなわち、薄膜電極層121を透過的に厚み方向に重ね合わせてみた場合における薄膜電極層121の重なり合う領域には形成されていない点に留意されたい。中間電極140は、薄膜電極121と同じ種類の金属でも可能であるが、Ti、Niといったバリア性を有する金属を用いることが望ましい。中間電極140の形成手法は、薄膜電極層121と同様の手法が採用され、その手法は限定されない。
封止部材150は、容量形成部120及び保護層130からなる積層体並びに中間電極140を被覆し且つ上面が平坦となるように形成されている。ただし、封止部材150は、支持基板110上に形成されている中間電極140の一部は露出するように形成されている。封止部材150としては、ポリイミド等の樹脂が用いられる。封止部材150は、支持基板110で用いられた樹脂と同じ種類且つ厚さとすることが好ましいが、その種類は限定されない。該封止部材150は凹部145を充填する。したがって、封止部材150は、凹部145を埋めて表面が平坦になる程度の厚みで形成することが望ましい。
外部電極160は、例えば、Ti/Cu/Ni/Snといった数種類の材料をスパッタ、電子線蒸着、めっき等の手法を用いて成膜して形成する。この時、外部電極160は、支持基板110の上面に露出している中間電極140と電気的に接続されている。
次に本実施の形態における薄膜キャパシタ100の製造方法について図2及び図3を参照して説明する。図2及び図3は薄膜キャパシタの製造工程を説明する図である。
まず、支持基板110を用意し(図2(a))、該支持基板110に、MIM構造の容量形成部120を形成する。具体的には、スパッタリング法等を使用して、薄膜電極層121を支持基板110の全面に成膜する。(図2(b))。次に、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成した後に、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング法を用いて、薄膜電極層121を所定の形状にパターンニングする(図2(c))。次に、薄膜電極層121の上に、スパッタリング法等を使用して薄膜誘電体層122を形成する(図2(d))。以上の工程を所定回数繰り返す。ただし、薄膜電極層121は一層おきにパターンが異なる。これにより、薄膜電極層121及び薄膜誘電体層122を積層してなる容量形成部120が形成される(図2(e))。なお、容量形成部120の最上層は薄膜電極層121である。また、薄膜導体層121は所定形状にパターンニングされていることから、薄膜導体層121と薄膜誘電体層122を積層してなる容量形成部120は中心部から端部にいくにしたがって徐々に薄くなっている。
次に、容量形成部120の上面の全体に亘って、スパッタリング法等を使用して保護層130を形成する(図2(f))。
次に、容量形成部120及び保護層130からなる積層体が所定の外形形状となり且つ所定位置に凹部145が形成されるように、容量形成部120及び保護層130の除去加工を行う(図3(g))。この除去加工は、フォトリソグラフィ法等で所定のパターンのレジストを形成する工程と、ドライエッチング法で積層体を除去する工程が含まれる。ここでレジストにはテーパを形成しておくことが望ましい。この工程により、容量形成部120の側方では支持基板110の上面が露出するとともに、所定の位置に凹部145が形成される。なお、凹部145の底面は支持基板110の上面となっており、またレジストのテーパにより内面がテーパ形状となっている。さらに凹部145の内面には、薄膜電極層121が一層おきに露出する。
次に、容量形成部120及び保護層130からなる積層体の上面及び側面から支持基板110上面に亘って、スパッタリング法等を使用して中間電極140を形成する(図3(h))。このとき中間電極140は、凹部145の内面にも形成される。
次に、容量形成部120及び保護層130からなる積層体及び中間電極140を封止するように封止部材150を形成する(図3(i))。ここで封止部材150は、上面が平坦となり、容量形成部120の側方において支持基板110上の中間電極140が露出するように形成される。また、この工程において凹部145にも封止部材150が充填される。
次に、封止部材150の上面及び側面から支持基板110上の中間電極140に亘って、スパッタリング法等を使用して外部電極160を形成する(図3(j))。
最後に、封止部材150の側方の所定の位置においてダイシングすることにより所定サイズの薄膜キャパシタ100が得られる。
このような薄膜キャパシタ100によれば、凹部145の形成領域、換言すれば、薄膜電極層121と中間電極140との接続領域と、部品サイズに加工するダイシング領域とが異なる領域となっている。したがって、凹部145の形成工程とダイシング工程とは別工程となるので、凹部145の形成工程では機械的なダイシング処理ではなく、ドライプロセス法等を採用することができる。一方、部品サイズに加工するダイシング工程では、薄膜誘電体層122を切削することがない。これにより機械的なダメージを軽減できるので高信頼性及び高容量化を図ることができる。
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る薄膜キャパシタについて図4を参照して説明する。図4は第2の実施の形態に係る薄膜キャパシタの断面図である。本実施の形態が第1の実施の形態と異なる点は外部電極と中間電極の接続形態にある。その他の構造については第1の実施の形態と同様なので、ここでは相違点のみを詳述する。
本実施の形態に係る薄膜キャパシタ200は、支持基板210と、支持基板210上に形成された薄膜電極層221と薄膜誘電体層222とを交互に積層してなる容量形成部220と、容量形成部220の上面に形成され最も上層の薄膜電極層221を保護する保護層230と、薄膜電極層221と電気的に接続する一対の中間電極240と、容量形成部220及び保護層230並びに中間電極240を封止する封止部材250と、それぞれ対応する中間電極240と電気的に接続する一対の外部電極260とを備えている。
本実施の形態に係る薄膜キャパシタ200では、第1の実施の形態とは異なり、中間電極240は封止部材250の側面にのみ露出し、封止部材250の側面において外部電極260と接続する。外部電極260は封止部材250の側面から該側面に隣接する上面及び下面の一部に亘って形成される。外部電極260の形成方法や材質としては任意のものを採用できる。例えば、従来のMLCCと同様に、封止部材250の側面にディップ法等で導電性ペーストを塗布し、所定の温度で焼成し、さらに表面にCu、Ni、Sn等をメッキすることにより外部電極260を形成する方法がある。他の方法としては、例えば、Ti/Cu/Ni/Snといった数種類の材料をスパッタ、電子線蒸着、めっき等の手法を用いて成膜して形成する方法がある。
本実施の形態に係る薄膜キャパシタの製造方法について図5を参照して説明する。薄膜電極層221及び薄膜誘電体層222を交互に積層してなる容量形成部220、保護層230、凹部245、中間電極240を形成するまでの工程は、第1の実施の形態と同様である(図2(a)〜(f)、図3(g)〜(h)参照)。
次に、容量形成部220及び保護層230からなる積層体及び中間電極240を封止するように封止部材250を形成する(図5(i))。ここで封止部250は、上面全体が平坦となるように形成される。また、この工程において凹部245にも封止部材250が充填される。
次に、封止部材250の側面に中間電極240が露出するように所定の位置においてダイシングする(図5(j))。
最後に、封止部材250の側面に中間電極240と電気的に接続するように外部電極260を形成し、薄膜キャパシタ200が得られる。
本実施の形態に係る薄膜キャパシタ200によっても第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態に係る薄膜キャパシタについて図6を参照して説明する。図6は第3の実施の形態に係る薄膜キャパシタの断面図である。本実施の形態が第1の実施の形態と異なる点は中間電極の薄膜電極層の接続形態にある。その他の構造については第1の実施の形態と同様なので、ここでは相違点のみを詳述する。
本実施の形態に係る薄膜キャパシタ300は、支持基板310と、支持基板310上に形成された薄膜電極層321と薄膜誘電体層322とを交互に積層してなる容量形成部320と、容量形成部320の上面に形成され最も上層の薄膜電極層321を保護する保護層330と、薄膜電極層321と電気的に接続する一対の中間電極340と、容量形成部320及び保護層330並びに中間電極340を封止する封止部材350と、それぞれ対応する中間電極340と電気的に接続する一対の外部電極360とを備えている。
本実施の形態に係る薄膜キャパシタ300では、第1の実施の形態とは異なり、薄膜電極層321と中間電極340とは容量形成部320の側面において接続する。したがって、第1の実施の形態とは異なり、容量形成部320及び保護層330からなる積層体には凹部は形成されていない。
本実施の形態に係る薄膜キャパシタの製造方法について図7を参照して説明する。薄膜電極層321及び薄膜誘電体層322を交互に積層してなる容量形成部320、保護層330を形成するまでの工程は、第1の実施の形態と同様である(図2(a)〜(f)参照)。
次に、容量形成部320及び保護層330からなる積層体が所定の外形形状となるように、容量形成部320及び保護層330の除去加工を行う(図7(g))。この除去加工は、フォトリソグラフィ法等で所定のパターンのレジストを形成する工程と、ドライエッチング法で積層体を除去する工程が含まれる。この工程により、容量形成部320の側方では支持基板310の上面が露出する。
次に、容量形成部320及び保護層330からなる積層体の上面及び側面から支持基板310上面に亘って、スパッタリング法等を使用して中間電極340を形成する(図7(h))。
次に、容量形成部320及び保護層330からなる積層体及び中間電極340を封止するように封止部材350を形成する(図7(i))。ここで封止部材350は、上面が平坦となり、容量形成部320の側方において支持基板310上の中間電極340が露出するように形成される。
次に、封止部材350の上面及び側面から支持基板310上の中間電極340に亘って、スパッタリング法等を使用して外部電極360を形成する(図7(j))。
最後に、封止部材350の側方の所定の位置においてダイシングすることにより所定サイズの薄膜キャパシタ300が得られる。
本実施の形態に係る薄膜キャパシタ300によっても第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
(第4の実施の形態)
本発明の第4の実施の形態に係る薄膜キャパシタについて図8を参照して説明する。図8は第4の実施の形態に係る薄膜キャパシタの断面図である。本実施の形態が第1の実施の形態と異なる点は外部電極と中間電極の接続形態と、中間電極の薄膜電極層の接続形態にある。すなわち、本実施の形態に係る薄膜キャパシタは、第1の実施の形態に対して第2の実施の形態及び第3の実施の形態の変形を適用したものとなる。その他の構造については第1の実施の形態と同様なので、ここでは相違点のみを詳述する。
本実施の形態に係る薄膜キャパシタ400は、支持基板410と、支持基板410上に形成された薄膜電極層421と薄膜誘電体層422とを交互に積層してなる容量形成部420と、容量形成部420の上面に形成され最も上層の薄膜電極層421を保護する保護層430と、薄膜電極層421と電気的に接続する一対の中間電極440と、容量形成部420及び保護層430並びに中間電極440を封止する封止部材450と、それぞれ対応する中間電極440と電気的に接続する一対の外部電極460とを備えている。
本実施の形態に係る薄膜キャパシタ400では、第1の実施の形態とは異なり、薄膜電極層421と中間電極440とは容量形成部420の側面において接続する。したがって、第1の実施の形態とは異なり、容量形成部420及び保護層430からなる積層体には凹部は形成されていない。
また、本実施の形態に係る薄膜キャパシタ400では、第1の実施の形態とは異なり、中間電極440は封止部材450の側面にのみ露出し、封止部材450の側面において外部電極460と接続する。外部電極460は封止部材450の側面から該側面に隣接する上面及び下面の一部に亘って形成される。外部電極460の形成方法や材質としては任意のものを採用できる。例えば、従来のMLCCと同様に、封止部材450の側面にディップ法等で導電性ペーストを塗布し、所定の温度で焼成し、さらに表面にCu、Ni、Sn等をメッキすることにより外部電極460を形成する方法がある。他の方法としては、例えば、Ti/Cu/Ni/Snといった数種類の材料をスパッタ、電子線蒸着、めっき等の手法を用いて成膜して形成する方法がある。
本実施の形態に係る薄膜キャパシタ400の製造方法は、上記第2及び第3の実施の形態に係る製造方法を組み合わせればよい。本実施の形態に係る薄膜キャパシタ300によっても第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
(第5の実施の形態)
本発明の第5の実施の形態に係る薄膜キャパシタについて図9及び図10を参照して説明する。図9及び図10は第5の実施の形態に係る薄膜キャパシタの断面図である。
本実施の形態に係る薄膜キャパシタ500は、図9に示すように、第2の実施の形態に係る薄膜キャパシタにおける外部電極を除いた積層体511,512を、厚み方向に複数(図9では2つ)積み重ねたものである。外部電極520は、積層体511,512の側面、すなわち積層体511,512の封止部材の側面に露出する中間電極と接続する。
本実施の形態の他の例としての薄膜キャパシタ600は、図10に示すように、第4の実施の形態に係る薄膜キャパシタにおける外部電極を除いた積層体611,612を、厚み方向に複数(図10では2つ)積み重ねたものである。外部電極620は、積層体611,612の側面、すなわち積層体611,612の封止部材の側面に露出する中間電極と接続する。
本発明では、薄膜電極層のパターニングをしながら薄膜電極層及び薄膜誘電体層を積層していることから、容量形成部の厚みは不均一となる。このため、容量形成部における内部応力等の関係から積層数には限界がある。一方、本実施の形態では、封止部材により封止された状態の積層体を複数積み重ねているので、高信頼性を維持しつつ高容量化を図ることができる。
100,200,300,400,500,600…薄膜キャパシタ、110,210,310,410…支持基板、120,220,320,420…容量形成部、121,221,321,421…薄膜電極層、122,222,322,422…薄膜誘電体層、130,230,330,430…保護層、140,240,340,440…中間電極、150,250,350,450…封止部材、160,260,360,460…外部電極

Claims (2)

  1. 支持基板と、前記支持基板上に形成され2つ以上の薄膜電極及び1つ以上の薄膜誘電体を交互に積層してなる容量形成部と、前記薄膜電極と電気的に接続する中間電極と、前記容量形成部及び前記中間電極を封止する封止部材と、少なくとも前記封止部材の側面に形成された外部電極とを備え、
    前記容量形成部には前記薄膜電極が1層おきに内面に露出するように凹部が形成され、
    前記中間電極は、前記容量形成部の前記凹部内面において前記薄膜電極と接続するよう前記容量形成部の前記凹部内面から前記容量形成部の前記外部電極側の上面及び側面を経て前記支持基板の上面に亘って形成され且つ前記封止部材の側面において露出するよう形成され、
    前記支持基板と前記容量形成部と前記中間電極と前記封止部材とからなる部分積層体が前記容量形成部の積層方向に複数段積み重ねられており、
    前記外部電極は、複数段積み重ねられた前記部分積層体の側面において前記封止部材から露出する複数の前記中間電極と電気的に接続している
    ことを特徴とする薄膜キャパシタ。
  2. 前記中間電極は前記容量形成部において前記薄膜電極の露出部から前記容量形成部の上面に亘って形成されており、且つ、前記薄膜電極を透過的に厚み方向に重ね合わせてみた場合における前記薄膜電極の重なり合う領域には前記中間電極は形成されていない
    ことを特徴とする請求項記載の薄膜キャパシタ。
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