JP6669513B2 - 回路基板および回路基板の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、回路基板および回路基板の製造方法に関する。
特許文献1には、電源電圧の変動を補うことのできるキャパシタ内蔵基板が開示されている。この構成においてキャパシタ8は、基板1の厚み方向の中央付近に設けられ、この中央付近から延びるビアを介して基板の表面側および裏面側に露出する電源端子および接地端子と接続されている。
特開2005−310814号公報
本発明は、キャパシタ素子からキャパシタ層を介して回路部品に電流を供給する構成において、キャパシタ層を構成する金属層をキャパシタ素子の電極として利用する構成の回路基板、およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、請求項1に記載の回路基板は、基材と、前記基材上に設けられた第1の金属層と、当該第1の金属層上に設けられた誘電体層と、当該誘電体層上に設けられた第2の金属層とを有するキャパシタ層と、を備え、前記第1の金属層は、前記基材上に設けられ前記キャパシタ層を介して回路部品に電流を供給するキャパシタ素子の第1の端子が接続される、前記誘電体層から露出した第1の電極領域を有し、前記第2の金属層は、前記キャパシタ素子の第2の端子が接続される、当該第2の金属層が露出した第2の電極領域を有し、前記第1の電極領域が、前記誘電体層の上面の高さの位置において露出し、前記第1の電極領域の表面の高さと前記第2の電極領域の表面の高さとの差は、1μm〜2μmであるものである。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第1の金属層は、前記誘電体層の下面の高さの位置から前記誘電体層の上面の高さの位置に向けて突出する突出部を有し、前記第1の金属層と前記突出部との間には界面を有さないものである。
また、請求項に記載の発明は、請求項1または請求項2記載の発明において、前記第2の電極領域は、前記誘電体層の上面の高さの位置よりも高い位置において露出しているものである。
また、請求項に記載の発明は、請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載の発明において、前記第1の金属層は、前記回路部品が有する電源電位用の端子または基準電位用の端子の一方が接続される、前記誘電体層から露出した第3の電極領域を有し、前記第2の金属層は、前記電源電位用の端子または前記基準電位用の端子の他方が接続される、当該第2の金属層が露出した第4の電極領域を有するものである。
また、請求項に記載の発明は、請求項に記載の発明において、前記第1の電極領域および前記第2の電極領域に前記キャパシタ素子が接続されており、前記第3の電極領域および前記第4の電極領域に前記回路部品として半導体集積回路が接続されているものである。
また、請求項に記載の発明は、請求項または請求項に記載の発明において、前記第1の電極領域の近傍から前記基材の内層側に向けて延び、前記第1の金属層を外部の電源電位または基準電位の一方に接続するための第1の導電部と、前記第2の電極領域の近傍から前記基材の内層側に向けて延び、前記第2の金属層を外部の電源電位または基準電位の他方に接続するための第2の導電部と、前記第3の電極領域の近傍から前記基材の内層側に向けて延び、前記第1の金属層を外部の電源電位または基準電位の一方に接続するための第3の導電部と、前記第4の電極領域の近傍から前記基材の内層側に向けて延び、前記第2の金属層を外部の電源電位または基準電位の他方に接続するための第4の導電部と、を有するものである。
また、請求項に記載の発明は、請求項に記載の発明において、前記第1ないし第4の導電部のうち少なくとも1つの導電部は、前記基材を一方の面側から透過して見た場合、対応する前記電極領域と重なる位置において前記第1の金属層または前記第2の金属層に接続されているものである。
また、請求項に記載の発明は、請求項または請求項に記載の発明において、前記第1ないし第4の導電部は、前記基材を一方の面側から透過して見た場合、それぞれが対応する前記電極領域と重なる位置において前記第1の金属層および前記第2の金属層に接続されているものである。
また、請求項に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の発明において、前記第1の金属層は、前記回路部品が有する電源電位用の端子または基準電位用の端子の一方が接続される、前記誘電体層から露出した第3の電極領域を有し、前記第2の金属層は、前記電源電位用の端子または前記基準電位用の端子の他方が接続される、当該第2の金属層が露出した第4の電極領域を有し、前記第3の電極領域は、前記誘電体層の上面の高さの位置よりも高い位置において露出し、前記第1の金属層と前記第3の電極領域は、前記第1の金属層および前記誘電体層を貫く、界面を有さない導電部を介して接続されているものである。
また、請求項10に記載の発明は、請求項ないし請求項のいずれか1項に記載の発明において、前記基材は、前記第3および第4の電極領域を含む複数の表面側の電極領域と、当該複数の表面側の電極領域のそれぞれと前記基材の内部を介して電気的に接続された複数の裏面側の電極領域とを有し、前記複数の表面側の電極領域間の距離と前記複数の裏面側の電極領域間の距離は同じであるものである。
また、請求項11に記載の発明は、請求項ないし請求項10のいずれか1項に記載の発明において、前記基材は、前記第3および第4の電極領域を含む複数の表面側の電極領域と、当該複数の表面側の電極領域のそれぞれと前記基材の内部を介して電気的に接続された複数の裏面側の電極領域とを有し、前記回路部品が接続される前記複数の表面側の電極領域のそれぞれと、当該それぞれの電極領域に対応する前記複数の裏面側の電極領域とが、前記基材を一方の面側から透過して見た場合において重なる位置に設けられているものである。
上記の目的を達成するために、請求項12に記載の回路基板の製造方法は、第1の金属層と、当該第1の金属層上に設けられた誘電体層と、当該誘電体層上に設けられた第2の金属層とを有するキャパシタ層と、を備え、前記第1の金属層は、基材上に設けられ前記キャパシタ層を介して回路部品に電流を供給するキャパシタ素子の第1の端子が接続される、前記誘電体層から露出した第1の電極領域を有し、前記第2の金属層は、前記キャパシタ素子の第2の端子が接続される、当該第2の金属層が露出した第2の電極領域を有する回路基板の製造方法であって、第1の基材上に前記誘電体層を形成する工程と、前記誘電体層上に前記第1の金属層を形成する工程と、前記第1の基材上に形成された前記誘電体層および前記第1の金属層を、前記第1の金属層が前記誘電体層よりも内層側となるように第2の基材上に貼り付ける貼付工程と、前記貼付工程後に前記第1の基材を除去する工程と、前記第1の基材を除去することで露出した前記誘電体層上に、前記第2の金属層を形成する工程と、を備えるものである。
また、請求項13に記載の発明は、請求項12に記載の発明において、前記第1の基材は金属であるものである。
また、請求項14に記載の発明は、請求項12または請求項13に記載の発明において、前記第1の基材は前記第2の基材よりも耐熱温度が高いものである。
また、請求項15に記載の発明は、請求項12に記載の発明において、前記第1の基材を除去する工程は、前記第1の基材を溶液で全て除去する工程を含むものである。
また、請求項16に記載の発明は、請求項12ないし請求項15のいずれか1項に記載の発明において、前記第2の基材の表面は、前記第1の基材上に形成された前記誘電体層および前記第1の金属層を前記第2の基材上に貼り付ける時点において柔軟性を有し、前記第1の金属層を形成する工程は、前記第1の金属層をパターニングする工程を含み、前記貼付工程において、前記パターニングされた第1の金属層の少なくとも一部を前記第2の基材の表面に埋め込むものである。
また、請求項17に記載の発明は、請求項12ないし請求項16のいずれか1項に記載の発明において、前記誘電体層を形成する工程は、前記誘電体層をパターニングする工程を含み、前記第1の金属層を形成する工程は、前記誘電体層上および前記誘電体層が存在しない前記第1の基材上に前記第1の金属層を形成する工程を含むものである。
また、請求項18に記載の発明は、請求項17に記載の発明において、前記第2の金属層を形成する工程は、前記誘電体層および前記第1の金属層を覆うように前記第2の金属層を形成することで、前記第2の金属層と前記第1の金属層とを接続する工程と、前記第2の金属層を、前記第1の電極領域として機能する金属層と、前記第2の電極領域として機能する金属層とに分離する工程と、を含むものである。
また、請求項19に記載の発明は、請求項12ないし請求項17のいずれか1項に記載の発明において、前記第1の金属層および前記誘電体層は、前記第1の基材が除去された状態で前記誘電体層から前記第1の金属層の少なくとも一部の領域が露出するように前記第2の基材上に形成され、前記第2の金属層は、前記第1の金属層の前記一部の領域が前記誘電体層から露出した状態となるように、前記誘電体層上に形成されるものである。
また、請求項20に記載の発明は、請求項12ないし請求項19のいずれか1項に記載の発明において、前記第1の基材がアルミニウムであるものである。
請求項1に記載の発明によれば、キャパシタ素子からキャパシタ層を介して回路部品に電流を供給する構成において、キャパシタ層を構成する金属層がキャパシタ素子の電極として利用される、という効果が得られる。
請求項2に記載の発明によれば、第1の金属層が突出部を兼ねた構造の回路基板が提供される、という効果が得られる。
請求項に記載の発明によれば、第2の電極領域が誘電体層の上面の高さの位置よりも高い位置に露出した回路基板が提供される、という効果が得られる。
請求項および請求項に記載の発明によれば、キャパシタ素子からキャパシタ層を介して回路部品に電流が供給される、という効果が得られる。
請求項に記載の発明によれば、第1および第2の導電部、または第3および第4の導電部のいずれか一方のみが接続される構成と比較し、第1の金属層または第2の金属層における抵抗の影響が低減される、という効果が得られる。
請求項に記載の発明によれば、第1ないし第4の導電部の全てが電極領域と重なっていない場合と比較して、第1の金属層または第2の金属層における抵抗の影響が低減される、という効果が得られる。
請求項に記載の発明によれば、第1ないし第4の導電部のうちの1つの導電部のみが電極領域と重なっている場合と比較して、第1の金属層または第2の金属層における抵抗の影響が低減される、という効果が得られる。
請求項に記載の発明によれば、第1の金属層を貫通する導電部を複数工程で形成する場合や導電部と第3の電極領域を別工程で形成する場合に発生する、界面のない構造の回路基板が提供される、という効果が得られる。
請求項10および請求項11に記載の発明によれば、搭載する回路部品の電極間のピッチを拡大する機能と、キャパシタ層としての機能とが分離される、という効果が得られる。
請求項12に記載の発明によれば、キャパシタ素子が接続されるキャパシタ層を備える回路基板において、回路基板の基材である第2の基材に直接、誘電体層を成膜する場合と比較して、誘電体の成膜により適した基材上において誘電体層が成膜される、という効果が得られる。
また、第1の金属層および誘電体層を第1の基材から剥離してから第2の基材に移す必要がない、という効果が得られる。
請求項13に記載の発明によれば、回路基板を構成する基材とは異なる金属の基材上において誘電体層が成膜される、という効果が得られる。
請求項14に記載の発明によれば、回路基板の基材である第2の基材の耐熱温度よりも高い温度で形成する必要のある誘電体層であっても、第2の基材上に形成される、という効果が得られる。
請求項15に記載の発明によれば、第1の基材の機械的な除去を伴うことなく、第1の金属層および誘電体層が第2の基材上に移される、という効果が得られる。
請求項16に記載の発明によれば、第1の金属層を第2の基材に移すのと同時に、第1の金属層が第2の基材の表面に埋め込まれる、という効果が得られる。
請求項17に記載の発明によれば、第1の金属層および誘電体層を第2の基材上に移した際に、第1の金属層の一部が誘電体層から露出した状態になる、という効果が得られる。
請求項18に記載の発明によれば、キャパシタ層を構成する第2の金属層の一部の領域を第1の金属層の第1の電極領域として利用できる、という効果が得られる。
請求項19に記載の発明によれば、第1の金属層の一部の領域を第1の電極領域として利用できる、という効果が得られる。
請求項20に記載の発明によれば、第1の基材として特殊な材料を使用する場合と比較して入手が容易である、という効果が得られる。
第1の実施の形態に係る回路基板の構成の一例を示す平面図、および斜視図である。 第1の実施の形態に係る回路基板の構成の一例を示す縦断面図である。 第1の実施の形態に係るキャパシタ層を説明するための模式図である。 第1の実施の形態に係る回路基板の製造方法の一例を示す縦断面図の一部である。 第1の実施の形態に係る回路基板の製造方法の一例を示す縦断面図の一部である。 第1の実施の形態に係る回路基板の製造方法の一例を示す縦断面図の一部である。 第1の実施の形態に係る回路基板の製造方法の一例を示す縦断面図の一部である。 実施の形態に係る回路基板の配線インピーダンスを説明するための模式図、および配線インピーダンスを示すグラフである。 第2の実施の形態に係る回路基板の構成の一例を示す縦断面図である。 第2の実施の形態に係る回路基板の製造方法の一例を示す縦断面図の一部である。 第2の実施の形態に係る回路基板の製造方法の一例を示す縦断面図の一部である。 第3の実施の形態に係るキャパシタ層を説明するための模式図である。 第3の実施の形態に係る回路基板の製造方法の一例を示す縦断面図の一部である。 第3の実施の形態に係る回路基板の製造方法の一例を示す縦断面図の一部である。 第3の実施の形態に係る回路基板の製造方法の一例を示す縦断面図の一部である。 第4の実施の形態に係るキャパシタ層を説明するための模式図である。 第4の実施の形態に係る回路基板の製造方法の一例を示す縦断面図の一部である。 第4の実施の形態に係る回路基板の製造方法の一例を示す縦断面図の一部である。 第4の実施の形態に係る回路基板の製造方法の一例を示す縦断面図の一部である。 実施の形態に係るキャパシタ層の製造ばらつきを説明するための模式図である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
[第1の実施の形態]
図1ないし図8を参照して、本実施の形態に係る回路基板および回路基板の製造方法について説明する。本実施の形態における回路基板は、回路基板の一方の面にLSI(Large Scale Integrated circuit)等の半導体素子等を搭載し、他方の面にバンプ等の接続部材を配置して、マザーボード等のプリント基板に実装する素子実装用の基板である。このような基板の一例としては、半導体パッケージ内で使用され、半導体集積回路を搭載するための半導体パッケージ基板がある。
図1(a)は、本実施の形態に係る回路基板10の平面図を、図1(b)は、回路基板10の斜視図を、図2は、図1(a)のA−A線における回路基板10の断面図を、各々示している。
図1に示すように、回路基板10の一方の面には、一例として、半導体素子搭載領域およびキャパシタ素子搭載領域を備え、半導体素子100、キャパシタ素子102が搭載されている。
本実施の形態においては、キャパシタ素子102は、半導体素子100に過渡電流(例えば、半導体素子100内の回路がスイッチングするときに流れる交流電流)を供給するために設けられたキャパシタであり、例えば、低ESL(Equivalent Series Inductance:等価直列インダクタンス)タイプのMLCC(Multi−Layer Ceramic Capacitor)等が用いられる。キャパシタ素子102は、プラス側の端子およびマイナス側の端子として機能する第1の端子および第2の端子を有しており、第1の端子および第2の端子の数はそれぞれ単数であっても複数であってもよい。例えば、三端子、四端子、または八端子などの複数の端子を有するものであってもよい。なお、搭載される素子(回路部品)は、半導体素子、キャパシタ素子に限られず、インダクタ素子、抵抗素子等の他の素子が搭載されることもある。
図2に示すように、回路基板10は、基板14および該基板14上に設けられたキャパシタ層12を含む多層構造の基板によって構成されている。
図2に示すように、キャパシタ層12は、第1金属層50、誘電体層54、および第2金属層52を含んで構成され、第1金属層50、誘電体層54、および第2金属層52の積層方向(図2の正面視上下方向。以下、この方向を「厚さ方向」という)で重なった部分が、キャパシタ(コンデンサ、容量)を構成している。本実施の形態では、第1金属層50を電源電位層(回路基板10に搭載される各素子の電源端子が接続される)とし、第2金属層52を基準電位層(回路基板10に搭載される各素子の基準電位端子が接続される)としている。換言すると、第1金属層50は電源電位層として機能し、第2金属層52は基準電位層として機能する。しかしながら、むろんこれに限られず、第1金属層50を基準電位層とし、第2金属層52を電源電位層としてもよい。なお、以下では、「基準電位」をグランド(接地)とした場合を例示して説明する。
本実施の形態では、第1金属層50および第2金属層52を構成する金属としてCu(銅)を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、Au(金)、Al(アルミニウム)等他の一般的な配線用金属を用いてもよい。また、本実施の形態では、誘電体層54を構成する誘電体としてSTO(チタン酸ストロンチウム:SrTiO3)を用いている。STOは、比誘電率が300程度であり、キャパシタを構成する誘電体として好適な材料である。また、チタン酸バリウム(BaTiO3)等の強誘電体材料を用いてもよい。しかしながら、キャパシタ層12を構成する誘電体はこれに限定されることなく、キャパシタ層として機能する誘電体材料であればよい。一例として、基板の層間絶縁層を形成する材料よりも比誘電率が高い材料を使用することができる。
基板14は、例えばガラスエポキシ基板を用いた多層配線基板であり、キャパシタ層12が設けられた面とは反対側にパッド16、およびパッド16上に形成されたはんだバンプ(はんだボール)18を備えている。はんだバンプ18は、回路基板10を、マザーボード等の図示しない他の基板に実装するための突起状の接続部材であり、図2に例示する回路基板10では、電源P用、グランドG用、および信号S用のはんだバンプ18を有している。
はんだバンプ18は、パッド16、基板14内のビアV、配線層141を介して、キャパシタ層12の第1金属層(電源電位層)50および第2金属層(グランド層)52、あるいは、半導体素子100の信号端子に接続されている。一方、半導体素子100は、Au等の材料で構成された突起状の接続部材であるバンプ106(106a、106b、106cは具体的な接続の一例)で、キャパシタ素子102は、はんだ104(104a、104b)で、各々キャパシタ層12に接続されている。なお、はんだ104は、溶融にしてキャパシタ素子102の端子とキャパシタ層12とを接続する接続部材の一例である。
図2を参照して、半導体素子100およびキャパシタ素子102と、キャパシタ層12との接続について、より詳細に説明する。図2では、半導体素子100のバンプ106aにより、半導体素子100のグランド端子がキャパシタ層12の第2金属層52(グランド層)に接続され、バンプ106bにより、半導体素子100の電源端子が第1金属層50(電源電位層)に接続され、バンプ106cにより、半導体素子100の信号端子が基板14の内層配線(配線層141、ビアV)を介してはんだバンプ18(S)に各々接続された例を示している。一方、キャパシタ素子102については、一方の端子がはんだ104aにより第1金属層50(電源電位層)に接続され、他方の端子がはんだ104bにより第2金属層52(グランド層)に各々接続された例を示している。また、第2金属層52は、バンプ106bとバンプ106cが搭載される領域やキャパシタ素子102の一方の端子が搭載される領域を囲むように連続した一枚の金属層として形成されている。なお、半導体素子100がLSI等の半導体集積回路である場合、グランド端子、電源端子、および信号端子はそれぞれ複数設けられ、これに対応するように、バンプ106a、バンプ106b、およびバンプ106cも複数設けられている。
以上の構成を有する回路基板10では、キャパシタ層12は、半導体素子100やキャパシタ素子102を囲うように面状に構成されている。よって、キャパシタ層12は、半導体素子100へ過渡電流を供給する供給源になっているだけでなく、キャパシタ素子102から半導体素子100へ過渡電流を供給する低インピーダンスの線路としての機能も有している。すなわち、単なる配線を介して過渡電流を供給する構成と比較して、キャパシタ素子102から低インピーダンスで電流が供給される構成となっている。また、図1に示すように、素子(図1の例示では、半導体素子100、キャパシタ素子102)の搭載領域以外の表面の領域は、第2金属層52、すなわちグランド層となっている。つまり、回路基板10の表面はグランド層で覆われており、例えば、回路基板10の外部からの電磁ノイズの影響が抑制された構成、あるいは回路基板10の内部で発生した電磁ノイズが外部に漏れにくい構成となっている。
次に、図3を参照して、本実施の形態に係るキャパシタ層12の構成について詳細について説明する。本実施の形態に係る回路基板10は、一方の面に、素子が搭載されるキャパシタ層12を有しているが、このキャパシタ層12の構成は、詳細を以下で説明するように、様々なバリエーションを有し、搭載される素子の種類、実装方法等によって選択される。
図3に示すように、本実施の形態に係るキャパシタ層12aは、基板14上にこの順で積層された、第1金属層50、誘電体層54、および第2金属層52によって構成されている。
図3に示すように、第1金属層50は、突出部59を有し、この突出部59は、半導体素子100、キャパシタ素子102等の素子を搭載する素子搭載領域であって、回路基板10の表面に露出した第1電極領域56を有している。第2金属層52は、突出部59のような突出した部位を有さず、素子搭載領域であって、回路基板10の表面に露出した第2電極領域58を有している。すなわち、第2金属層52は、第2金属層52自体が第2電極領域58を兼ねている。第1電極領域56および第2電極領域58は、例えば、素子の搭載領域以外に形成されるソルダレジスト48を有していない点で、第1金属層50および第2金属層52と区別される。ただし、ソルダレジスト48を必ずしも有している必要はなく、回路基板10に設けられた複数のバンプ106のそれぞれを搭載できるスペースが第1電極領域56および第2電極領域58として確保されていればよい。
本実施の形態に係るキャパシタ層12aでは、第1金属層50の表面(上面)から第1電極領域56が突出しており、換言すれば、本実施の形態は、第1金属層50上に第1電極領域56が形成された形態である。そして、第1電極領域56の表面が、第2電極領域58の表面と実質的に同じ高さで回路基板10の表面に露出している。図3に示すように、第1電極領域56および第2電極領域58の各々に、半導体素子100のバンプ106、あるいはキャパシタ素子102のはんだ104が接続される。
次に、図4ないし図7を参照して、キャパシタ層12aの製造方法を含めた回路基板10の製造方法について説明する。上述したように、本実施の形態に係る回路基板10は大きくキャパシタ層12aと基板14とに分かれている。
最初に、キャパシタ層12aの製造方法について説明する。まず、図4(a)に示すように、基材30上に誘電体膜32を成膜する。ここで「基材」とは、層構造を形成するための土台となる部材をいう。基材30としては、例えば、Al箔(アルミ箔)を用いるが、銅箔やニッケル箔等の他の金属箔を用いてもよい。また、誘電体膜32としては、一例としてSTO膜を用いる。STO膜は、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法やPVD(Physical Vapor Deposition:物理気相成長)法などのドライメッキ法を用いることができる。
具体的には、プラズマCVD法、エアロゾルCVD法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、蒸着法等の気相成長法によって、数百nm〜数μm程度の厚さに成膜する。
一例として、STO膜を500nm程度の厚さに成膜する。このように気相成長法により誘電体膜32を成膜すれば、非常に薄い厚みで形成できるため同じ面積であってもキャパシタ容量が大きくなる。なお、基材30はSTO膜等の誘電体膜を形成できる材料であればAl以外の金属であってもよく、必ずしも箔形状でなくてもよい。更には、金属材料以外の他の材料であってもよい。また、STO膜等の誘電体膜の形成方法として、気相成長ではなく溶液を塗布する溶液法や、厚みは厚くなるものの、フィルム状の誘電体膜を貼り付けるなど、他の形成方法で行ってもよい。
次に、図4(b)に示すように、フォトリソグラフィ、およびエッチングを用いて、誘電体膜32を予め定められた形状にパターニングする。エッチングとしては、ドライエッチング、ウエットエッチング等、特に限定されることなく用いられる。また、エッチングを使用せずに、マスク蒸着やリフトオフ等の他の形成方法によって誘電体膜のパターニングを行ってもよい。
次に、図4(c)に示すように、金属膜34を成膜する。金属膜34の材料としては、Cu、Au、Al等特に限定されることなく用いられるが、本実施の形態ではCuを用いている。金属膜34は、CVD法やPVD法といったドライメッキ法などによって、例えば、1μm〜20μm程度の厚さに成膜する。ここで、図4(b)の工程のパターニング後に誘電体膜72が除去された領域においては、金属膜34は誘電体膜32の間を埋めるように基材30上に直接積層され、誘電体膜32が残っている領域においては、誘電体膜32上に金属膜34が積層される。この結果、誘電体膜32の下面側の位置と、金属膜34のうち誘電体膜72の間を埋めた領域の下面側の位置とが、基材70の表面位置において一致した状態となる。
次に、図4(d)に示すように、フォトリソグラフィ、およびエッチングを用いて、金属膜34を予め定められた形状にパターニングする。エッチングとしては、ドライエッチング、ウエットエッチング等、特に限定されることなく用いられる。また、エッチングを使用せずに、マスク蒸着やリフトオフ等の他の形成方法によって金属膜34のパターニングを行ってもよい。以上の工程により、基材30上に、誘電体膜32と金属膜34とがそれぞれパターニングされた状態で保持される。
一方、基板14の製造は、以下のような方法で行う。
すなわち、図5(a)に示すように、まず、基材40にビアホールVH1を形成した後、金属膜42を成膜する。基材40としては、例えばガラスエポキシ樹脂を用いる。また、金属膜42は、例えばCuをメッキして成膜する。
次に、図5(b)に示すように、ビアホールVH1を金属で埋めてビアV1を形成するとともに、基材40の全体を金属膜42aで覆うメッキを行う。金属膜42aの材料としては、例えばCuを用いる。前工程のメッキも含め、メッキは、例えば、ドライメッキ法や電解メッキ法を用いて行う。
次に、図5(c)に示すように、フォトリソグラフィ、およびエッチングを用いて、金属膜42aを予め定められた形状にパターニングする。また、エッチングを使用せずに、マスク蒸着やリフトオフ等の他の形成方法によって金属膜42aのパターニングを行ってもよい。
次に、図5(d)に示すように、金属膜42aが形成された基材40の両側に、層間絶縁膜44を貼り付けた後、図4(d)に示す基材30を基材40にアライメントする。層間絶縁膜44としては、一般的なビルドアップ基板に使用されるフィルム状の層間絶縁膜を用いることができ、貼り付けはラミネートで行う。層間絶縁膜44は熱硬化性樹脂であり、予め定められた熱を加える前は、誘電体膜32および金属膜34が形成された基材30を貼り付けた場合に少なくとも誘電体膜32や金属膜34の一部が層間絶縁膜44内に埋め込まれる程度の柔軟性を有している。
なお、本実施の形態とは異なる方法として、Al箔等の基材30を使用せずに、基材40上に直接、気相成長法等により誘電体膜32を形成する方法も考えられる。この方法が採用できれば、薄い厚みの誘電体膜を基材40上に直接形成できる。しかしながら、STO膜などのキャパシタ用の誘電体材料を気相成長法等により形成する場合、通常、高温下での処理が必要となり、一般的な回路基板で使用される樹脂系材料(ガラスエポキシ樹脂等)で構成される基材40はその時の処理温度に耐えられない。よって、一般的な回路基板の材料である基材40上に直接、誘電体膜32を形成することは困難である。
そこで、本実施の形態では、金属材料であるAl上に誘電体膜を一旦成膜し、その後に後述するように、基材40側に移すようにしている。すなわち、本実施の形態の一例として、基材30として、層間絶縁膜44や基材40の耐熱温度より高い耐熱温度の材料を選択する。このような選択により、耐熱性の高い基材30上で誘電体膜32を形成することができるので、層間絶縁膜44や基材40の耐熱温度よりも高い温度で形成する必要のある誘電体膜32であっても、層間絶縁膜44や基材40上に形成される。なお、ここでいう「耐熱温度」とは、外から力を受けない状態で変形せずにその材料の性質を維持することのできる最大温度をいう。
次に、図6(a)に示すように、図5(d)に示す基材30、基材40を含む構造体に熱を加えて、層間絶縁膜44を熱硬化させる。本工程により、本実施の形態に係る基板14のコア基板46が形成され、基材30上の金属膜34および誘電体膜32が、コア基板46に移され、金属膜34および誘電体膜32の少なくとも一部が埋め込まれた状態となる。
次に、図6(b)に示すように、基材30を除去する。本実施の形態では、一例として、Al箔である基材30を水酸化ナトリウム溶液で溶かして除去する。具体的には、図6(a)の状態まま水酸化ナトリウム溶液中に浸し、化学反応によりAl箔を完全に溶かすことで除去を行う。なお、Al箔を研削等により機械的に除去してもよいが、溶液によって除去すれば機械的に除去するよりも基材への機械的ストレスが低減される。このように、基材30の材料としては、誘電体膜を形成するための支持基材としての機能と溶液による除去のしやすさの観点から金属を使用することができ、更に、その厚みは、溶液による除去のしやすさの観点から箔形状を使用することができる。また、一般的な金属としての入手容易性の観点から、本実施の形態のようにAlを使用することができる。なお、ここでいう「箔形状」とは、厚みが300μm以下の厚みのものをいう。
次に、図6(c)に示すように、コア基板46の両面の予め定められた箇所に、基材40に到達する深さのビアホールVH2を形成する。ビアホールVH2の形成は、例えばレーザ装置を用いて行う。むろん、本実施の形態に係るビアホールVH2の形成は、レーザ装置に限られず、ドリル等を用いて行ってもよい。
次に、ビアホールVH2の内部を含むコア基板46全体にドライメッキ法等により薄いCu膜(シード層)を形成する(図示省略)。ここで、シード層とは、後工程でメッキ処理する際の導体となる層である。その後、電解メッキ等により、ビアホールVH2を埋めてビアV2とするとともに、コア基板46の全体を覆う金属膜42bの成膜を行う。すなわち、金属膜42bの形成とビアホールVH2の埋め込みは同時に同一の工程で行われる。金属膜42bの材料としては、例えばCuを用いる。なお、金属膜34のうち、金属膜42bを形成する際にコア基板46の表面に露出していた個所(誘電体膜32から露出していた個所)において、金属膜42bと金属膜34とが接続された状態となる。また、この工程により、金属膜34と金属膜42bとが、金属膜34および誘電体膜32を貫く、界面を有さない導電部の一例としてのビアV2を介して接続された状態となる。
その後、図7(a)に示すように、フォトリソグラフィ、およびエッチングを用いて、金属膜42bを予め定められた形状にパターニングする。すなわち、金属膜42bと金属膜34とが接続された状態となっているコア基板46において、金属膜42bを、電源電位用のパターン、基準電位用のパターン、および信号用のパターンにそれぞれ電気的に分離する。これにより、電源電位用のパターン、基準電位用のパターン、および信号用のパターンのそれぞれが同じ高さに露出した状態で形成される。なお、ここでいう「同じ高さ」とは、完全に同じ高さであることを意味するものではなく、例えば、同じ高さとなるように製造した結果、ばらつき等によりその高さがずれる範囲を含むものである。
次に、図7(b)に示すように、フォトリソグラフィを用いて、予め定められた箇所(素子の端子を接続する第1の電極領域、第2の電極領域等の箇所)に開口を有し、レジスト膜(絶縁膜)として機能するソルダレジスト48を形成する。本工程により、パッド16等を含む素子搭載領域が形成される。なお、ソルダレジスト48は必ずしも設ける必要はなく、ソルダレジスト48が形成されていない構成であってもよい。以上の製造工程により、本実施の形態に係る回路基板10が製造される。
以上の工程により製造された回路基板10は、金属膜42bが基準電位層として機能するだけでなく、金属膜42bの一部の領域が、基準電位用の電極領域も兼ねた構造となる。また、金属膜42bの他の一部の領域は、金属膜42b自身によって電源電位層として機能する金属膜34と接続され、金属膜34と電気的に接続された電源電位用の電極領域として機能する。
次に、図7(c)に示すように、回路基板10の一方の面に(キャパシタ層12上に)半導体素子100、キャパシタ素子102等の必要な素子を搭載し、回路基板10の他方の面のパッド16上にはんだバンプ18を形成する。また、回路基板10の表面側は必要に応じて樹脂によりモールドする(図示省略)。以上の工程により、本実施の形態に係る回路基板10および回路基板10を使用した半導体パッケージが製造される。
次に、図8を参照して、回路基板10の厚さ方向の接続(図2において、はんだバンプ18から、ビアV、配線層141を介して、半導体素子100、キャパシタ素子102、あるいはキャパシタ層12に至る接続(以下、この接続を「縦接続」という)について説明する。
図8(a)は、回路基板10(半導体パッケージ)を搭載するマザーボードのプリント基板130、回路基板10におけるキャパシタ層12、およびそれらをはんだバンプ18を介して接続する縦接続を模式化した図である。プリント基板130は、電源電位層140、グランド層142、および電源電位層140とグランド層142との間に挟まれた層間絶縁層144を有している。一方、キャパシタ層12は、第1金属層(電源電位層)50、第2金属層(グランド層)52(以下、両者を総称して「金属層」と言う場合がある)、および第1金属層50と第2金属層52との間に挟まれた誘電体層54を有している。
図8(a)に示すように、プリント基板130の電源電位層140とグランド層142との間には電源VDDが接続され、キャパシタ層12の第1金属層50と第2金属層52との間には、半導体素子100およびキャパシタ素子102が接続されている。プリント基板130の電源電位層140とキャパシタ層12の第1金属層50とが、プリント基板130のグランド層142とキャパシタ層12の第2金属層52とが、各々縦接続を介して接続されている。
図8(a)に示すように、これらの縦接続のうち、キャパシタ素子102の近傍の縦接続を接続Aといい、半導体素子100の近傍の縦接続を接続Bということにする。接続Aおよび接続Bの各々の電源とグランドとの接続の組は、接続的には、図2における符号「P」で示されたはんだバンプ18による接続と、符号「G」で示されたはんだバンプ18の接続の組に相当する。すなわち、本実施の形態に係る「縦接続」は、具体的には、ビアV(導電部)、配線層141も含んで構成されている。
ここで、本実施の形態におけるキャパシタ層12では、金属層を気相成長等により、例えば1μm〜20μm程度の薄い膜で形成する。よって、直流に対する金属層のシート抵抗(直流シート抵抗)が高くなりやすい。
ここで、半導体素子100の電源−グランド端子間のインピーダンス(以下、このインピーダンスを「インピーダンスZpg」という)は、必要とされる周波数帯域において、極力小さくされることが望ましい。インピーダンスZpgは、半導体素子100の電源端子から、第1金属層50、電源電位層140、電源VDDの正極、電源VDDの負極、グランド層142、第2金属層52を経由して半導体素子100のグランド端子に戻る、半導体素子100の電源端子から外側を見込んだインピーダンスである。図8(b)を参照して、インピーダンスZpgと、金属層の抵抗、接続Aおよび接続Bとの関係について説明する。図8(b)は、横軸に周波数(Logf)、縦軸にインピーダンス(LogZ)をとり、各部のインピーダンスをグラフ化した図である。
図8(a)に示すように、半導体素子100とキャパシタ素子102との距離をdとすると、上記金属層のシート抵抗のために、半導体素子100とキャパシタ素子102との間には、距離dに応じた直流抵抗が発生する。図8(b)では、この抵抗を「Plane DCR」と表記している。Plane DCRは、周波数に関わらず一定の値を示す。
一方、インピーダンスZpgの目標特性を「インピーダンス要求」として示している。
まず、回路基板10が接続Aのみを有し、接続Bを欠いている場合には、インピーダンスZpgは、図8(b)中の「接続Aのみ」と表記された特性を示す。すなわち、低周波数領域でインピーダンス要求を充足しない。これは、回路基板10に搭載されるLSI等の半導体素子100は大電流を必要とするものが多いにもかかわらず、接続Aの位置から薄い金属層を介して大電流を供給しなければならないためである。これに対し、接続Aおよび接続Bの両方を有する場合には、インピーダンスZpgは、図8(b)中の「接続A,B両方」と表記された特性を示す。すなわち、低周波数領域におけるインピーダンス特性がインピーダンス要求を満たす。これは、高周波の電流が主として接続Bを介してキャパシタ素子102やキャパシタ層12に流れる一方、低周波数の電流が主として接続Bを介して流れるからである。
一方、回路基板10が接続Bのみを有し、接続Aを欠く場合には、キャパシタ素子102が放出した電荷を再充電する電流を距離dの金属層、および接続Bを介してキャパシタ素子102に流す必要がある。しかしながら、上述したように、距離dの金属層は厚みが薄く比較的高い抵抗を示すため、該抵抗における電力の損失と発熱が発生する。
以上のように、本実施の形態に係る回路基板10では、接続Aおよび接続Bの双方を備えることがより好ましい。しかしながら、接続A、あるいは接続Bは、半導体素子100とキャパシタ素子102との距離d、目標とするインピーダンスZpgの特性等に応じて設ければよいもので、むろん、いずれか一方を設ける形態としてもよい。
具体的には、以下のように構成する。すなわち、接続Aおよび接続Bの双方が、キャパシタ層12を構成する金属層のうち、半導体素子100が接続される電極領域の近傍およびキャパシタ素子102が接続される電極領域の近傍にそれぞれ接続されるように構成する。このように構成すれば、接続Aおよび接続Bの一方のみが接続される構成と比較し、金属層を流れる電流量が減るため金属層における抵抗の影響が低減される。なお、本実施の形態において、半導体素子100が接続される電極領域の「近傍」とは、電極領域自体を含み、この対象の電極領域と、キャパシタ素子102が搭載される電極領域との距離を2等分した距離よりも、対象の電極領域に近い領域をいう。また、キャパシタ素子102が接続される電極領域の「近傍」とは、半導体素子100が搭載される電極領域の近傍の領域よりも対象の電極領域に近い領域をいう。一例として、半導体素子100が接続される電極領域の近傍は、上面視において半導体素子100と重なる領域であってもよく、また、キャパシタ素子102が接続される電極領域の近傍は、上面視においてキャパシタ素子102と重なる領域であってもよい。
また、接続Aおよび接続Bのそれぞれは、電源接続とグランド接続をする2つの縦接続を含んでおり、接続Aおよび接続Bの両方では、計4つの縦接続を含んでいる。そこで、4つの縦接続のうちの少なくとも1つの縦接続について、回路基板を一方の面側から透過して見た場合において、キャパシタ層12を構成する金属層に設けられた電極領域と重なる位置において、この金属層に接続するようにしてもよい。このように構成すれば、重なる位置において接続した縦接続を流れる電流は、金属層を横方向に流れることなく、半導体素子100またはキャパシタ素子102に供給されるようになる。よって、金属層における抵抗の影響が低減される。
更に、先に述べた4つの縦接続の全てについて、回路基板を一方の面側から透過して見た場合において、キャパシタ層12を構成する金属層に設けられた電極領域と重なる位置において、この金属層に接続するようにしてもよい。このように構成すれば、重なる位置において接続した縦接続を流れる電流は、金属層を横方向に流れることなく、半導体素子100またはキャパシタ素子102に供給されるようになる。よって、金属層における抵抗の影響が低減される。
[第2の実施の形態]
図9ないし図11を参照して、本実施の形態に係る回路基板10aおよび回路基板10aの製造方法について説明する。本実施の形態は、上記実施の形態の回路基板10において、キャパシタ層12と基板14とを分離した形態である。
図9に示すように、回路基板10aは、キャパシタ層12およびキャパシタ層12の下部に設けられた層間絶縁層20を含んで構成されている。キャパシタ層12は、第1金属層50、誘電体層54、および第2金属層52を含んで構成されている。
回路基板10aの表面(素子搭載面、キャパシタ層12の表面)側には半導体素子100がバンプ106を介して接続され、キャパシタ素子102がはんだ104を介して接続されている。また、回路基板10aの裏面(層間絶縁層20の表面)側には、回路基板10a内部に設けられたVIA等の導電部を介して各々半導体素子100、キャパシタ素子102、あるいはキャパシタ層12に接続された複数のパッド27が設けられている。なお、図9では、回路基板10aの第1金属層50、誘電体層54、および第2金属層52の各層の構成、および半導体素子100、キャパシタ素子102との接続は、図2に示すキャパシタ層12と同様の例を示している。
また、回路基板10aの表面側の電極領域のそれぞれのピッチ(距離)と、裏面側の複数のパッド27のそれぞれのピッチは同じである。一例として、回路基板10aを一方の面側から透過して見た場合において、表面側の電極領域と裏面側の複数のパッド27とは、それぞれが重なる位置関係となっている。
一方、基板22は、例えばガラスエポキシ基板を用いた多層配線基板である。基板22の表面(キャパシタ層12の搭載面)側には複数のパッド29が設けられ、基板22の裏面(キャパシタ層12の搭載面と反対側の面)には、複数のパッド26が設けられている。本実施の形態に係る基板22は、回路基板10aのパッド27による接続のピッチを、基板22のパッド26による接続のピッチに変更する(拡大する)インターポーザの機能を有している。換言すると、図9に示す構成において、回路基板10aは半導体素子100との接続ピッチ(バンプ106のピッチ)を拡大する機能は有さず、回路基板10aの裏面のパッド27と半導体素子100のバンプ106のピッチは同じである。
パッド29は、バンプ24を介して回路基板10aのパッド27と接続されている。複数のパッド26の各々は、パッド26上に形成されたはんだバンプ(はんだボール)28を備えている。はんだバンプ28は、回路基板10aを搭載した基板22を、マザーボード等の図示しない他の基板に実装するための接続部であり、図9に例示する基板22では、電源P、グランドG、および信号Sのはんだバンプ28を有している。なお、図9は、基板22の内層の配線、および回路基板10a(キャパシタ層12)との接続について、図2と同様の例を示している。従って、符号P、G、Sで示された各はんだバンプ28と半導体素子100、キャパシタ素子102、キャパシタ層12との接続は図2と同様となっている。
回路基板10a(キャパシタ層12)の構成は、特に限定されない。本実施の形態では、図3と同様の構成としているが、後述する図12や図16等の構成であってもよい。
次に、図10および図11を参照して、回路基板10aの製造方法について説明する。
多くの工程において第1の実施の形態の同様の方法を使用できるが、一例を以下に示す。
まず、図10(a)に示すように、基材60に誘電体膜62を成膜する。基材60としては、例えば、Al箔を用いる。また、誘電体膜62としては、一例としてSTO膜を用いる。STO膜は、例えば、CVD法、PVD法等によって、500nm程度の厚さに成膜する。
次に、図10(b)に示すように、フォトリソグラフィ、およびエッチングを用いて、誘電体膜62を予め定められた形状にパターニングする。エッチングとしては、ドライエッチング、ウエットエッチング等、特に限定されることなく用いられる。
次に、図10(c)に示すように、金属膜64を成膜する。金属膜64の材料としては、Cu、Au、Al等特に限定されることなく用いられるが、本実施の形態ではCuを用いている。金属膜64は、スパッタリング法、蒸着法、あるいはメッキ法等によって、1μm〜20μm程度の厚さに成膜する。
次に、図10(d)に示すように、フォトリソグラフィ、およびエッチングを用いて、金属膜64を予め定められた形状にパターニングする。エッチングとしては、ドライエッチング、ウエットエッチング等、特に限定されることなく用いられる。
次に、図10(e)に示すように、金属膜64が形成された基材60に層間絶縁膜66をラミネートし、該層間絶縁膜66を熱硬化させる。層間絶縁膜66としては、一般的なビルドアップ基板に使用される層間絶縁膜を用いることができる。本工程により、基材60上の金属膜64および誘電体膜62が、層間絶縁膜66に移される。
次に、図11(a)に示すように、基材60を除去する。本実施の形態では、本除去工程を、Alで形成された基材60を水酸化ナトリウム溶液で溶かして除去する。
次に、図11(b)に示すように、図11(a)に示す構造体における層間絶縁膜66の予め定められた箇所に、ビアホールVH3を形成する。ビアホールVH3の形成は、例えばレーザ装置を用いて行う。むろん、本実施の形態に係るビアホールVH3の形成は、レーザ装置に限られず、ドリルを用いて行ってもよい。
次に、図11(c)に示すように、図11(b)に示す構造体の両面に金属膜64aを成膜するとともに、ビアホールVH3を金属膜64aで埋めてビアV3とする。金属膜64aの材料としては、例えばCuを用い、成膜は、例えばドライメッキ法や電解メッキ法を用いて行う。
その後、図11(d)に示すように、フォトリソグラフィ、およびエッチングを用いて、図11(c)に示す構造体の両面の金属膜64aを予め定められた形状にパターニングする。本工程により、図11(d)に示す構造体の裏面に、パッド27(図9参照)が形成される
次に、図11(e)に示すように、フォトリソグラフィを用いて、予め定められた箇所(素子の端子を接続する電極領域等の箇所)に開口を有し、レジスト膜(絶縁膜)として機能するソルダレジスト69を形成する。本工程により、本実施の形態に係る回路基板10aの製造が完了する。図11(e)に示す回路基板10aでは、層間絶縁膜66が図9に示す層間絶縁層20となり、金属膜64aのうち、誘電体膜62よりも層間絶縁膜66側の部分が図9に示す第1金属層50となり、金属膜64aのうち、誘電体膜62よりも層間絶縁膜66と反対側の部分が図9に示す第2金属層52となる。
その後、図7(c)と同様に、回路基板10aの表面(キャパシタ層12側の面)上に半導体素子100、キャパシタ素子102等の必要な素子を搭載し、回路基板10aの裏面には、必要に応じバンプ24を形成する(以上、図示省略)。
以上の第2の実施の形態では、回路基板10aは半導体素子100との接続ピッチ(バンプ106のピッチ)を拡大する機能は有さず、回路基板10aの裏面のパッド27とバンプ106のピッチは同じである。一方で、基板22が接続ピッチを拡大するインターポーザの機能を有している。すなわち、キャパシタ層としての機能とインターポーザとしての機能が分離された構成となっている。このような構成により、例えば、キャパシタ層12を有さず、インターポーザの機能のみを有する従来のパッケージ基板(基板22に相当)の層構造を大きく設計変更せずとも、キャパシタ層12付きの新たなパッケージ基板とすることができる。
[第3の実施の形態]
図12ないし図15を参照して、本実施の形態に係る回路基板10bおよび回路基板10bの製造方法について説明する。本実施の形態は、図9に示す回路基板10aにおけるキャパシタ層12の構成を変えた形態である。
図12に示すように、本実施の形態に係るキャパシタ層12bは、層間絶縁層20上に、この順で積層された、第1金属層50、誘電体層54、および第2金属層52によって構成されている。本実施の形態に係るキャパシタ層12bは、第1金属層50の表面の厚さ方向の位置と誘電体層54の表面(上面)の厚さ方向の位置とが、一致している形態である。
第1金属層50は、突出部59を有し、この突出部59は、半導体素子100、キャパシタ素子102等の素子を搭載する素子搭載領域である第1電極領域56を有している。
第2金属層52は、突出部59のような突出した部位を有さず、第2金属層52自体が、素子搭載領域である第2電極領域58を兼ねている。本実施の形態に係るキャパシタ層12bでは、第1金属層50の上面から第1電極領域56が突出しており、換言すれば、本実施の形態は、第1金属層50上に第1電極領域56が形成された形態である。そして、第1電極領域56の表面と、誘電体層54の表面(上面)の位置とが同じ高さで基板の表面に露出している。そして、第1電極領域56および第2電極領域58の各々に、半導体素子100のバンプ106、あるいはキャパシタ素子102のはんだ104が直接接触した状態で接続される。なお、ここでいう「同じ高さ」とは、両者が完全に同じ高さであることを意味するものではなく、例えば、同じ高さとなるように製造した結果、ばらつき等によりその高さがずれる範囲を含むものである。
次に、図13ないし図15を参照して、回路基板10bの製造方法の一例について説明する。回路基板10bの製造方法では、第1金属層50と突出部59(第1電極領域56)とが、連続する金属層として同一の工程で同時に形成される。この結果、第1金属層50と突出部59の間には界面が形成されない構造となる。
まず、図13(a)に示すように、基材70に誘電体膜72を成膜した後、フォトリソグラフィ、およびエッチングを用いて、誘電体膜72を予め定められた形状にパターニングする。基材70としては、例えば、Al箔を用いる。また、誘電体膜72としては、一例としてSTO膜を用いる。STO膜は、例えば、CVD法、PVD法等によって、500nm程度の厚さに成膜する。エッチングとしては、ドライエッチング、ウエットエッチング等、特に限定されることなく用いられる。
次に、図13(b)に示すように、金属膜74を成膜する。金属膜74の材料としては、Cu、Au、Al等特に限定されることなく用いられるが、本実施の形態ではCuを用いている。金属膜74は、例えば、CVD法やPVD法などのドライメッキ法等によって、1μm〜20μm程度の厚さに成膜する。ここで、図13(a)の工程のパターニング後に誘電体膜72が除去された領域においては、金属膜74は誘電体膜72の間を埋めるように基材70上に直接積層され、誘電体膜72が残っている領域においては、誘電体膜72上に金属膜74が積層される。この結果、誘電体膜72の下面側の位置と、金属膜74のうち誘電体膜72の間を埋めた領域の下面側の位置とが、基材70の表面位置において一致した状態となる。
次に、図13(c)に示すように、フォトリソグラフィ、およびエッチングを用いて、金属膜74を予め定められた形状にパターニングする。エッチングとしては、ドライエッチング、ウエットエッチング等、特に限定されることなく用いられる。
次に、図13(d)に示すように、金属膜74が形成された基材70を、回路基板10bを構成する基材(層間絶縁膜76)に貼り付け、該層間絶縁膜76を熱硬化させる。層間絶縁膜76としては、例えば、一般的なビルドアップ基板に使用される層間絶縁膜を用いることができる。なお、本実施の形態においては、回路基板10bを構成する基材として層間絶縁膜76を用いたが、基材として単一の膜のみで形成されている必要はなく、層間絶縁膜76と別の基材とが組み合わされて回路基板10bを構成する基材として機能するものであってもよい。
次に、図13(e)に示すように、基材70を除去する。本工程により、基材70上の金属膜74および誘電体膜72が、層間絶縁膜76に移される。本実施の形態に係る本除去工程は、一例として、Alで形成された基材70を水酸化ナトリウム溶液で溶かして除去する。ここで、先の図13(b)の工程においては、誘電体膜72の下面側の位置と、金属膜74のうち誘電体膜72の間を埋めた領域の下面側の位置とが一致した状態となっている。よって、誘電体膜72を金属膜74よりも内層側となるように層間絶縁膜76に貼り付けて基材70を除去すると、誘電体膜72の上面の位置と、金属膜74のうち誘電体膜72の間を埋めた領域(金属膜74から突出した領域)の上面の位置とが厚み方向において一致した状態となる。以上のように、図13(a)〜(e)の工程は、第1の実施の形態と同様の工程で行われる。
次に、図14(a)に示すように、図13(e)に示す構造体の層間絶縁膜76にビアホールVH4を層間絶縁膜76の裏面側から形成した後、該構造体の両面にシード層としての金属膜71を成膜する。ビアホールVH4の形成は、例えばレーザ装置、あるいはドリルを用いて行う。金属膜71の成膜は、材料として例えばCuを用い、一例として、CVD法やPVD法などのドライメッキ法によって行う。この際、ビアホールVH4の内部にもシード層としての金属膜71が成膜される(図示省略)。
次に、図14(b)に示すように、フォトリソグラフィ、およびエッチングを用いて、後工程において電解メッキを行わない領域(すなわち、金属膜71aを成膜しない領域)に、レジスト78をパターニングする。
次に、図14(c)に示すように、電解メッキを行って、金属膜71aを成膜する。本工程によってビアホールVH4も埋められ、ビアV4が形成される。金属膜71aの材料としては、Cu、Au、Al等特に限定されることなく用いられるが、本実施の形態ではCuとしている。また、金属膜71aの厚さは、一例として、1μm〜20μm程度とする。本工程における金属膜71aは、後工程によって、キャパシタ層12の第2金属層52、および層間絶縁層20のパッド27を形成する。
次に、図14(d)に示すように、レジスト78を除去する。この状態では、未だ金属膜71(シード層)が残留しており、図14(d)に示す構造体の両面の全体がCuによって覆われた状態となっている。
次に、図15(a)に示すように、少なくとも金属膜71(シード層)の厚み分だけの金属膜を削除するように、図14(d)に示す構造体の全面をエッチングする。本工程によって、キャパシタ層12の第1の金属層50と第2金属層52とが電気的に分離され、また、基材70の裏面側においてはパッド27(図9参照)が個々のパッドに分離される。なお、金属膜71(シード層)のエッチング量によっては、図20(a)や図20(b)の構造のように、第1電極領域56の表面の位置の方が誘電体層54の表面(上面)の位置より低くなる場合もある。
次に、フォトリソグラフィ、エッチングを用いて、予め定められた箇所(素子の端子を接続する電極領域等の箇所)に開口を有し、レジスト膜(絶縁膜)として機能するソルダレジスト77を形成する。本工程により、本実施の形態に係る回路基板10bの製造が完了する。
次に図15(b)に示すように、回路基板10bの表面(キャパシタ層12側の面)上に半導体素子100、キャパシタ素子102等の必要な素子を搭載し、回路基板10bの裏面には、必要に応じバンプ24を形成する(図示省略)。図15(b)に示すように、図15(b)の金属膜74、誘電体膜72、金属膜71a、および層間絶縁膜76の各々が、図12に示す第1金属層50、誘電体層54、第2金属層52、および層間絶縁層20となる。
[第4の実施の形態]
図16ないし図19を参照して、本実施の形態に係る回路基板10cおよび回路基板10cの製造方法について説明する。本実施の形態は、図2に示す回路基板10におけるキャパシタ層12の構成を変えた形態である。
図16に示すように、本実施の形態に係るキャパシタ層12cは、基板14上に、この順で積層された、第1金属層50、誘電体層54、および第2金属層52によって構成されている。キャパシタ層12cは、第1金属層50の表面の厚さ方向の位置が、誘電体層54の下面の厚さ方向の位置において基板の表面に露出している。換言すれば、第1電極領域56が上方に突出せずに第1金属層50の表面が第1電極領域56を兼ねた形態である。このように、本実施の形態は、誘電体層54の上面の位置より低い位置において第1金属層50が基板の表面に露出している形態を含むものであり、第1電極領域56が、誘電体層54の上面の厚さ方向の位置よりも低い位置において基板の表面に露出している形態の一例である。そして、第1電極領域56および第2電極領域58の各々に、半導体素子100のバンプ106、あるいはキャパシタ素子102のはんだ104が直接接触した状態で接続される。なお、第1金属層50の表面の厚さ方向の位置が、誘電体層54の下面の厚さ方向の位置と完全に一致している必要はなく、例えば、製造ばらつき等によりその位置がずれる範囲を含んでよい。
図17ないし図19を参照して、回路基板10cの製造方法の一例について説明する。
本実施の形態に係る回路基板10cの製造方法では、第1金属層50と第1電極領域56とが、連続する金属層として同一の工程で同時に形成される。
まず、図17(a)に示すように、基材90に、シート状の金属膜91および誘電体膜92を貼り付ける。基材90としては、一例として、ガラスエポキシ基板を用いる。また、金属膜91の材料としては、Cu、Au、Al等特に限定されることなく用いられるが、本実施の形態ではCuを用いている。なお、金属膜91および誘電体膜92は、第1の実施の形態に開示したような他の方法を用いて基材90上に形成してもよい。
誘電体膜92としては、例えば、ポリイミド等の樹脂薄膜、さらに埋め込みキャパシタ専用として市販されているその他の材料が用いられる。膜厚は、例えば、1μm〜10μm程度である。また、第1の実施の形態と同様にSTO膜を用いてもよい。
次に、図17(b)に示すように、フォトリソグラフィ、およびエッチングを用いて、誘電体膜92を予め定められた形状にパターニングする。エッチングとしては、ドライエッチング、ウエットエッチング等、特に限定されることなく用いられる。
次に、金属膜91をパターニングするためのレジスト93を塗布した後、図17(c)に示すように、フォトリソグラフィ、およびエッチングを用いて、配線層として残す金属膜91の領域以外の領域に対応するレジスト93を除去し、マスクを形成する。
次に、図17(d)に示すように、上記マスクを用いて金属膜91をエッチングする。
その後、該マスク(レジスト93)を除去する。
次に、図17(e)に示すように、金属膜91と後述の金属膜96とを接続する箇所に、フォトリソグラフィ、およびエッチングを用いて、絶縁層94を形成する。
次に、図18(a)に示すように、図17(e)に示す構造体の基材90にビアホールVH5を裏面側から形成した後、該構造体の両面にシード層としての金属膜96を成膜する。ビアホールVH5の形成は、例えばレーザ装置、あるいはドリルを用いて行う。金属膜96の成膜は、材料として例えばCuを用い、一例として、CVD法やPVD法などのドライメッキ法によって行う。この際、ビアホールVH5の内部にもシード層としての金属膜96が成膜される(図示省略)。
次に、図18(b)に示すように、フォトリソグラフィ、およびエッチングを用いて、後工程において電解メッキを行わない領域(すなわち、金属膜96aを成膜しない領域)に、レジスト95をパターニングする。
次に、図18(c)に示すように、電解メッキを行って、金属膜96aを成膜する。本工程によってビアホールVH5も埋められ、ビアV5が形成される。金属膜96aの材料としては、Cu、Au、Al等特に限定されることなく用いられるが、本実施の形態ではCuとしている。また、金属膜96aの厚さは、一例として、1μm〜20μm程度とする。本工程における金属膜96aは、後工程によって、キャパシタ層12の第2金属層52、および基板14のパッド16(図2参照)を形成する。
次に、図18(d)に示すように、レジスト95を除去する。この状態では、未だ金属膜96(シード層)が残留しており、図18(d)に示す構造体の両面がCuによって覆われた状態となっている。
次に、図19(a)に示すように、少なくとも金属膜96(シード層)の厚み分だけの金属膜を削除するように、図18(d)に示す構造体の全面をエッチングする。本工程によって、回路基板10cの両面の配線層、すなわち、キャパシタ層12の第2金属層52、および基板14のパッド16が形成される。なお、金属膜96(シード層)のエッチング量によっては、図20(b)の構造のように、第1電極領域56の表面の位置の方が誘電体層54の底面(下面)の位置より低くなる場合もある。
次に、フォトリソグラフィ、エッチングを用いて、予め定められた箇所(素子の端子を接続する電極領域等の箇所)に開口を有し、レジスト膜(絶縁膜)として機能するソルダレジスト97を形成する。本工程により、本実施の形態に係る回路基板10cの製造が完了する。
次に図19(b)に示すように、回路基板10cの表面(キャパシタ層12側の面)上に半導体素子100、キャパシタ素子102等の必要な素子を搭載し、回路基板10cの裏面には、必要に応じバンプ18を形成する(図示省略)。図19(b)に示すように、図19(b)の金属膜91、誘電体膜92、金属膜96a、および基材90の各々が、図16に示す第1金属層50、誘電体層54、第2金属層52、および基板14となる。
以上のように、第3および第4の実施の形態は、第1および第2の実施の形態と異なり、第2金属層52と第1電極領域56との間に段差が生じている(図12、図16等参照)。これにより、第1電極領域56の表面が誘電体層54よりも高い位置に露出している第1および第2の実施の形態と比較し、キャパシタ素子102の端子や搭載される回路部品の端子がキャパシタ層を構成する第1金属層50により近い位置で接続される。
また、第3および第4の実施の形態では、第1金属層50の一部が第1電極領域56を構成しており、第1金属層50と第1電極領域56は、連続する金属層として同一の工程で同時に形成される。一方、第1および第2の実施の形態においては、第1金属層50を形成した後に、第1金属層50上に別工程で第1電極領域56を構成している。そして、第3および第4の実施の形態では、第1金属層50と第1電極領域56とが同一の工程で同時に形成されるため、第1金属層50と第1電極領域56との間に界面がない状態となる。これにより、第1金属層50と第1電極領域56とを別工程で形成することで界面が生じる構成と比較し、第1金属層50から第1電極領域56に至るインピーダンスがより小さくなる。
なお、第2金属層52と第1電極領域56との間の段差は、図12においては第2金属層52の厚みが厚いほど、また、図16においては、第2金属層52および誘電体層54の厚みが厚いほど大きくなる。ここで、バンプ106の材料は例えばAuで構成され、接続前のバンプの高さは、例えば15〜50μm程度である。一方、第2金属層52は1〜2μm程度の厚みでも機能的に足り、また、誘電体層54は気相成長法等により1μm以下での成膜が可能である。すなわち、第3および第4の実施の形態における段差は、バンプ106の高さに対してそれほど大きくならないように構成できる。よって、半導体素子100に設けられた複数のバンプ106が同じ高さであったとしても、半導体素子100等を実装する際において段差が大きな障害とはならない。換言すれば、同じ高さの複数のバンプを有する半導体素子を回路基板に実装する際において、接続上の障害が生じない段差の大きさ(層の厚み)とバンプの高さの関係になるように設計を行う。
なお、上記第1の実施の形態では、図3に示すように、第1金属層50上に形成された第1電極領域56の上面の位置が第2金属層52の上面の位置と一致している形態を、上記第3の実施の形態では、図12に示すように、第1金属層50上に形成された第1電極領域56の上面の位置が誘電体層54の上面の位置と一致している形態を、上記第4の実施の形態では、図16に示すように、第1金属層50の一部である第1電極領域56の上面の位置が誘電体層54の下面の位置と一致している形態を、各々例示して説明した。しかしながら、第1電極領域56の厚さ方向の位置と、誘電体層54の厚さ方向の位置との関係は、これらに限られない。例えば、第1金属層50、第2金属層52、誘電体層54等の製造ばらつき、設計や製造上の制約等により、各実施の形態における第1電極領域56と、誘電体層54および第2電極領域58との位置関係が変化する場合もある。
すなわち、例えば、図12に示す第1電極領域56の上面は、上記各層の製造ばらつき、設計や製造上の制約等により、図20(a)に示すように、誘電体層54の厚さ方向の範囲(誘電体層54の上面と下面との間)に位置する場合もある。更には、図20(b)に示すように、第1金属層50の厚さ方向の範囲(第1金属層50の上面より低く、基材80の上面より高い範囲)に位置する場合もある。また、図16に示す第1電極領域の上面は、上記各層の製造バラツキ等により、図20(b)に示すように、第1金属層50の厚さ方向の範囲(第1金属層50の上面より低く、基材80の上面より高い範囲)に位置する場合もある。よって、各実施の形態は、このような位置のばらつきを含むものである。
以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。すなわち、例えば、ある実施の形態に記載した構造、材料、処理等は、技術的な矛盾がない限り、他の実施の形態に適用してよい。一例として、第2の実施の形態におけるキャパシタ層は、第3および第4の実施の形態で製造されたものであってもよい。
また、各実施の形態における金属層と誘電体層を含むキャパシタ層は、回路基板上において半導体素子の周囲に広がるように形成されていなくてもよく、回路基板上の一部の箇所のみに形成されてよい。一例として、通常の配線幅よりも十分に広い500μm以上の幅の配線として形成されていてもよい。また、スペースがない場合などは、500μm未満の幅の配線で構成するようにしてもよい。また、第1金属層50と第2金属層52の一方が500μm以上の幅の面状の金属面で、他方が500μm未満の幅の金属面であってもよい。
また、各実施の形態における電源電位層と基準電位層は、それぞれが複数の領域に分割されていてもよく、また、電源電位層と基準電位層の一方のみが複数の領域に分割されていてもよい。
また、キャパシタ層を構成する各金属層は必ずしも単一の層として形成されていなくてもよい。例えば、母体となる単一の金属層の表面や裏面にこの金属層よりも薄い厚みの他の金属からなる機能層が積層されていてもよい。
また、第1の実施の形態において、第1電極領域56の上面の位置は必ずしも第1電極領域58の上面の位置と同じ位置でなくてもよい。すなわち、第1電極領域56および第1電極領域58の両方が誘電体層54の上面の位置よりも高い位置に位置してればよい。
また、各実施の形態における「上面」とは、基板14に対してキャパシタ層12が上側になるように配置したと仮定した場合における上面を言う。
また、本発明の実施の形態の変形例として、第2の実施の形態に開示した、表裏における電極のピッチを同じとした構成の回路基板10aは、第1〜4の実施の形態に開示したキャパシタ層以外の構成にも適用してよい。すなわち、第2の実施の形態に開示した回路基板10aとして、表面ではなく内層にキャパシタ層を有する回路基板や、キャパシタ層の置き換えとして内層にキャパシタ素子を有する回路基板に適用してもよい。
また、各実施の形態において信号用の電極の高さの位置は任意であるが、電源電位用の電極または基準電位用の電極のいずれかと高さを合わせるようにすれば、高さを異ならせる場合と比較し、製造工程が簡略化される。
なお、各図面のスケールや形状は、発明の特徴を分かり易くするために強調している場合があり、必ずしも実際の基板や各層のスケールや形状と同一ではないことに留意すべきである。
10、10a、10b、10c 回路基板
12、12a、12b、12c、12d、12e キャパシタ層
14 基板
16 パッド
18 はんだバンプ
20 層間絶縁層
22 基板
24 バンプ
26 パッド
27 パッド
28 はんだバンプ
29 パッド
30 基材
32 誘電体膜
34 金属膜
40 基材
42、42a、42b 金属膜
44 層間絶縁膜
46 コア基板
48 ソルダレジスト
50 第1金属層
52 第2金属層
54 誘電体層
56 第1電極領域
58 第2電極領域
59 突出部
60 基材
62 誘電体膜
64、64a 金属膜
66 層間絶縁膜
69 ソルダレジスト
70 基材
71、71a 金属膜
72 誘電体膜
74 金属膜
76 層間絶縁膜
77 ソルダレジスト
78 レジスト
80、90 基材
91 金属膜
92 誘電体膜
93 レジスト
94 絶縁層
95 レジスト
96、96a 金属膜
97 ソルダレジスト
100 半導体素子
102 キャパシタ素子
104、104a、104b はんだ
106、106a、106b、106c バンプ
130 プリント基板
140 電源電位層
141 配線層
142 グランド層
144 層間絶縁層
VH1、VH2、VH3、VH4、VH5 ビアホール
V、V1、V2、V3、V4、V5 ビア
VDD 電源

Claims (20)

  1. 基材と、
    前記基材上に設けられた第1の金属層と、当該第1の金属層上に設けられた誘電体層と、当該誘電体層上に設けられた第2の金属層とを有するキャパシタ層と、を備え、
    前記第1の金属層は、前記基材上に設けられ前記キャパシタ層を介して回路部品に電流を供給するキャパシタ素子の第1の端子が接続される、前記誘電体層から露出した第1の電極領域を有し、
    前記第2の金属層は、前記キャパシタ素子の第2の端子が接続される、当該第2の金属層が露出した第2の電極領域を有し、
    前記第1の電極領域が、前記誘電体層の上面の高さの位置において露出し、
    前記第1の電極領域の表面の高さと前記第2の電極領域の表面の高さとの差は、1μm〜2μmである
    回路基板。
  2. 前記第1の金属層は、前記誘電体層の下面の高さの位置から前記誘電体層の上面の高さの位置に向けて突出する突出部を有し、
    前記第1の金属層と前記突出部との間には界面を有さない
    請求項1に記載の回路基板。
  3. 前記第2の電極領域は、前記誘電体層の上面の高さの位置よりも高い位置において露出している
    請求項1または請求項2に記載の回路基板。
  4. 前記第1の金属層は、前記回路部品が有する電源電位用の端子または基準電位用の端子の一方が接続される、前記誘電体層から露出した第3の電極領域を有し、
    前記第2の金属層は、前記電源電位用の端子または前記基準電位用の端子の他方が接続される、当該第2の金属層が露出した第4の電極領域を有する
    請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載の回路基板。
  5. 前記第1の電極領域および前記第2の電極領域に前記キャパシタ素子が接続されており、
    前記第3の電極領域および前記第4の電極領域に前記回路部品として半導体集積回路が接続されている
    請求項に記載の回路基板。
  6. 前記第1の電極領域の近傍から前記基材の内層側に向けて延び、前記第1の金属層を外部の電源電位または基準電位の一方に接続するための第1の導電部と、
    前記第2の電極領域の近傍から前記基材の内層側に向けて延び、前記第2の金属層を外部の電源電位または基準電位の他方に接続するための第2の導電部と、
    前記第3の電極領域の近傍から前記基材の内層側に向けて延び、前記第1の金属層を外部の電源電位または基準電位の一方に接続するための第3の導電部と、
    前記第4の電極領域の近傍から前記基材の内層側に向けて延び、前記第2の金属層を外部の電源電位または基準電位の他方に接続するための第4の導電部と、を有する
    請求項または請求項に記載の回路基板。
  7. 前記第1ないし第4の導電部のうち少なくとも1つの導電部は、前記基材を一方の面側から透過して見た場合、対応する前記電極領域と重なる位置において前記第1の金属層または前記第2の金属層に接続されている
    請求項に記載の回路基板。
  8. 前記第1ないし第4の導電部は、前記基材を一方の面側から透過して見た場合、それぞれが対応する前記電極領域と重なる位置において前記第1の金属層および前記第2の金属層に接続されている
    請求項または請求項に記載の回路基板。
  9. 前記第1の金属層は、前記回路部品が有する電源電位用の端子または基準電位用の端子の一方が接続される、前記誘電体層から露出した第3の電極領域を有し、
    前記第2の金属層は、前記電源電位用の端子または前記基準電位用の端子の他方が接続される、当該第2の金属層が露出した第4の電極領域を有し、
    前記第3の電極領域は、前記誘電体層の上面の高さの位置よりも高い位置において露出し、
    前記第1の金属層と前記第3の電極領域は、前記第1の金属層および前記誘電体層を貫く、界面を有さない導電部を介して接続されている
    請求項1または請求項2に記載の回路基板。
  10. 前記基材は、前記第3および第4の電極領域を含む複数の表面側の電極領域と、当該複数の表面側の電極領域のそれぞれと前記基材の内部を介して電気的に接続された複数の裏面側の電極領域とを有し、
    前記複数の表面側の電極領域間の距離と前記複数の裏面側の電極領域間の距離は同じである
    請求項ないし請求項のいずれか1項に記載の回路基板。
  11. 前記基材は、前記第3および第4の電極領域を含む複数の表面側の電極領域と、当該複数の表面側の電極領域のそれぞれと前記基材の内部を介して電気的に接続された複数の裏面側の電極領域とを有し、
    前記回路部品が接続される前記複数の表面側の電極領域のそれぞれと、当該それぞれの電極領域に対応する前記複数の裏面側の電極領域とが、前記基材を一方の面側から透過して見た場合において重なる位置に設けられている
    請求項ないし請求項10のいずれか1項に記載の回路基板。
  12. 第1の金属層と、当該第1の金属層上に設けられた誘電体層と、当該誘電体層上に設けられた第2の金属層とを有するキャパシタ層と、を備え、
    前記第1の金属層は、基材上に設けられ前記キャパシタ層を介して回路部品に電流を供給するキャパシタ素子の第1の端子が接続される、前記誘電体層から露出した第1の電極領域を有し、
    前記第2の金属層は、前記キャパシタ素子の第2の端子が接続される、当該第2の金属層が露出した第2の電極領域を有する回路基板の製造方法であって、
    第1の基材上に前記誘電体層を形成する工程と、
    前記誘電体層上に前記第1の金属層を形成する工程と、
    前記第1の基材上に形成された前記誘電体層および前記第1の金属層を、前記第1の金属層が前記誘電体層よりも内層側となるように第2の基材上に貼り付ける貼付工程と、
    前記貼付工程後に前記第1の基材を除去する工程と、
    前記第1の基材を除去することで露出した前記誘電体層上に、前記第2の金属層を形成する工程と、を備える
    回路基板の製造方法。
  13. 前記第1の基材は金属である
    請求項12に記載の回路基板の製造方法。
  14. 前記第1の基材は前記第2の基材よりも耐熱温度が高い
    請求項12または請求項13に記載の回路基板の製造方法。
  15. 前記第1の基材を除去する工程は、前記第1の基材を溶液で全て除去する工程を含む
    請求項12に記載の回路基板の製造方法。
  16. 前記第2の基材の表面は、前記第1の基材上に形成された前記誘電体層および前記第1の金属層を前記第2の基材上に貼り付ける時点において柔軟性を有し、
    前記第1の金属層を形成する工程は、前記第1の金属層をパターニングする工程を含み、
    前記貼付工程において、前記パターニングされた第1の金属層の少なくとも一部を前記第2の基材の表面に埋め込む
    請求項12ないし請求項15のいずれか1項に記載の回路基板の製造方法。
  17. 前記誘電体層を形成する工程は、前記誘電体層をパターニングする工程を含み、
    前記第1の金属層を形成する工程は、前記誘電体層上および前記誘電体層が存在しない前記第1の基材上に前記第1の金属層を形成する工程を含む
    請求項12ないし請求項16のいずれか1項に記載の回路基板の製造方法。
  18. 前記第2の金属層を形成する工程は、
    前記誘電体層および前記第1の金属層を覆うように前記第2の金属層を形成することで、前記第2の金属層と前記第1の金属層とを接続する工程と、
    前記第2の金属層を、前記第1の電極領域として機能する金属層と、前記第2の電極領域として機能する金属層とに分離する工程と、を含む
    請求項17に記載の回路基板の製造方法。
  19. 前記第1の金属層および前記誘電体層は、前記第1の基材が除去された状態で前記誘電体層から前記第1の金属層の少なくとも一部の領域が露出するように前記第2の基材上に形成され、
    前記第2の金属層は、前記第1の金属層の前記一部の領域が前記誘電体層から露出した状態となるように、前記誘電体層上に形成される
    請求項12ないし請求項17のいずれか1項に記載の回路基板の製造方法。
  20. 前記第1の基材がアルミニウムである
    請求項12ないし請求項19のいずれか1項に記載の回路基板の製造方法。
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