TW436970B - Photodefined integral capacitor with self-aligned dielectric and electrodes and method therefor - Google Patents

Description

1 ' 4 3 6 9 7 0 五、發明說明（i) 本發明係在DARPA所頒布之F33615-96-2-1838合約項下 接受政府支援所完成，因此政府保有對本發明之若干權 利。 發明背景 1. 發明範圍 本發明係大致關於電子電路及其製造。特別是，本發明 係關於形成微電子組件之過程，該微電子組件有具自我校 準電介質及電極之光界定整體電容。 2. 先前技藝之描述 混合_電子電路所用之整體電容，一般係藉由在襯底形 成導電區之布線圖案來定義底部電極，並在襯底上沉積一 薄層（2 0 - 5 0微米）之電介質材料，同時超過底部電極形 成電容電介質，然後將電介質電鍍或金屬化以形成第二導 電區，該區然後被蝕刻或形成布線圖案以定義上部電極。 如一般所知，整體電容之電容值由以下公式所決定： C = K£A/t 在此K表介電常數或電介質材料之相對電容率，E表自由空 間之介電常數（物理常數），A表電容器之面積（也就是說， 上部電極和底部電極重疊之面積），t表電介質之厚度= 由以上方程式，高介電常數及小電介質之厚度可得到單 位面積高電容值。然而，這些方式卻有困難。大家都了解 聚合物之介電常數（一般小於4 )可藉由填充陶瓷粒子、纖 維與小板來提高，例如，鈦酸鋇或鈦酸鉛-參鉛鈮酸鎂。 然而，使用如此高介電常數電介質必須分離典型之多層電

4369 7 Ο 五、發明說明（2) 路結構。僅管經常操作（如第一圖與第二圖中藉由參數1 1 2 與1 1 8所代表之電介質所呈現），一般並不願將形成電容器 電介質之介電材料呈現在電路板其他區域，因為陶瓷電介 質填充物會增加其他線路特性間之寄生電容。第二個困難 點在於填充陶瓷之樹脂，特別是高陶瓷填充量（例如大約 30% - 6 0%)，其無法如純樹脂般易於電鍍以形成電容器頂 部電極。 當電介質之厚度降低時會引起額外的困難。電路板上覆 蓋電介質層（例如電容器電極）之厚度，由於受電介質覆蓋 之布圖大小之絕對影響而變得難以控制。如第一圖所示， 電介質層1 1 2傾向在一狭窄區段（例如1 1 4 )充分將之平面 化，然而較少覆蓋大區域1 1 6，結果造成電介質之厚度在 接臨之電容器間，也可能在單一電容器電極内變化。這造 成二個問題。第一，金屬與金屬間藉由覆蓋於狹窄區段 114之極薄電介質產生短路之危險^第二，期待之電容值 容許誤差，例如低於1 0%，在需要大範圍電容值及電極大 小之電路板上之整體電容將很難達到。 在達成可接受電容值容許誤差時所遭遇之另一困難為校 準電容器彼此電極的困難。如第二圖所解釋，即使對電容 器電介質U 8之均勻厚度可達成，電極仍然很不易校準， 如底部電極1 2 0與頂部電極1 2 2。此校準失敗會由於電容器 面積（上述電容值方程式中之A )減少導致電容值改變。先 前關於部份解決此問題之技藝乃訴諸於使其中一電極（例 如第二圖之底部電極1 2 4 )大於另一電極（例如第二圖之頂

436970__ 五、發明說明（3) 部電極1 2 6 )，以避免因電極校準失敗以減低有效電容器 值。 根據以上，假如有形成能夠產生均勻厚度及校準良好電 極之電容電介質之整體電容之方法，以促使高電容密度、 低於1 0 %之電容值容許誤差以及降低層間短路，將是令人 期待的。 發明概述 之發有 待本別 期。特 合法容 符方電 有之體 具區整 其質之 ，介性 件電特 組及寸 子電尺 電導及 微之工 造準加 製校之 個已望 一之期 供性合 提特符 明寸造 發尺製‘ 件及於 本工對 ο ΠΙ7 力a/ 然 底 ο襯 性之 特層 氣電 電導 之 一 期第 預有 所具 器供 容提 電須 對般 明一 發法 本方 為之 性明 特發 該件 ’本 用 層露 電曝 導以 二除 第移 成被 形域 後區 然 一 ，第 上之 層層 電電 導導 一二 第第 於後 層然 質。 介上 電層 一 質 成介 形電 後於 除層， 移電蓋 被導覆 亦一所 域第域 區，區 一 中二 第程第 之過之 層此 質在 介。 電域 著區 接一 ο 第 ! 域之留 區層保 一 電然 第導仍 之一域 層第區 質露二 介曝第 電以之 層 質 介 電 為 其 用 覆使 所由 域藉 區域 二區 第 一 之苐 層之 電層 導質 二介 第電 為及 又層 域電 區導 二， 第明 之發 層本 質據 介依 電 。 而蓋 等结 同之 有下 具果 域結 區該 之。 層準 留對 存互 些相 這地 是確 於精 ，邊 去周 移其 被’ 層說 罩是 遮就 或也 層 ’ 蓋圍 覆範 二電 第器 之容 層電 電二 導了 二義 第定 及域 1 區 第二 ， 第 中之 其層 ， 質 器介 。 容電質 電而介 一 , 電 義極器 定電容 夠義電 能定之 便域間 構區極

4369 7 0 五、發明說明（4) 依據本發明，芩屯層及t介質胂之第一區域藉由蝕刻導 電層及光界定t介f層而被優先移除。然後，電介質層先 被正向反應之感光介電材料所形成，然後電介質層之第一 區域藉由使用第二導電廣之第二區域為光遮罩而移除。另 外，第二導電層可被直接舂於窀介質層上之金屬薄膜，其 被電鍍作為相對電極否則將沉積。 綜觀上述，本件發明使得具自我校準電介質及電極成為 可能，於是，多電容可被用於微電子組件，藉由在校準電 極間形成均勻厚度電介質之能力，每一電容均有布線圖案 以準確獲得所要之電容值。特別是，電介質及電極間之校 準藉由定義將層與層間重疊部份作為遮罩而達成，同時， 當尚未布線圖案時電介質即被沉積於第一導電層上，因此 電介質之均勻厚度被達成。本件發明亦消除為頂部電極而 粗糙化及電鍍電介質之需要，於是由於電介質及電極間之 黏合電介質之陶瓷成份已不重要。本件發明更使得在電介 質中使用高k值陶瓷不會增加寄生電容，此由於含高k值陶 瓷之電介質可被準確限制於電容器内。結果，接鄰電容器 電極界面線被緊密地形成。 本發明之其他目的與優點經由以下詳細之敘述可以更易 瞭解。 圖式簡述 由以下伴隨圖式之描述，本件發明之上述及其他優點將 變得更為明顯，其中： 圖1及圖2呈現根據先前技藝之電容器結構之剖面圖；另

0:\61\617：5.PTD 第9頁 1 4369 7 0 五、發明說明（5) 外， 圖3至圖8之剖面圈貝,丨呈 ， 準之整體電容之過程步驟現形成依據本發明之具有自我校 較佳具體實施例之 圖3至圖8呈現在多層 整體電容之過程。#圖7電：電路板上形成依據本發明之 容器可依據本發明在既定=呈現，僅管任何號碼之電 僅製作出-對32號電容^ :層線路層中同時形成’然而 本發明，整體電容質：：：有更清楚之福述，藉由 將可被達成，因此，且準確控 ^準確物理校準及尺寸 ^ ^ 3 '、旱確控制之電容值之整體電容將可 U造。僅官圖8呈現32號電容器之特 =士仍然希望有變化及改型之可能性…及 改型也在本發明之範圍内。 一 & 如圖3所示，電路板上有一襯底1〇，在上面形成一導電 層12及電介質14 ^襯底1〇可為任何合適之材料，其包括一 印刷繞線板，一彈性線路，一陶瓷或矽櫬底，或另一種多 層線路之電介質層，不過，其他合適之襯底材料也可被使 用。因為導電層12將被布線圖案以形成32號電容器之電極 H C如圖7與圖8所呈現），導電層12最好是藉由電鑛或銅 箱層沉積銅面於襯底10之上’僅管可以預見導電層12將可 由不同之方式與材料所形成。導電層12之合適厚度大約為 5至50微米。 電介質14最好是由具正向反應可熱矯正之抗光材質所形 戍，因此已知之投影及發展技術可被用於電介質1 4之布

436970 五、發明說明（6) 圖。不同陶瓷材料顆粒可被發散於焚合物電介質1 4，最好 為含鉛鈮醆4X，鈦醆鉛及鈦酸鋇，，合適之陶瓷粒子大小大 約為0. 2 - 5微米。適合用於奄介贺1 4之厚模聚合物之合成 物包括樹脂，感光劑或應化劑&樹脂成份可為任何合適之 液態或固態樹脂，以使得樹脂混合物可妥當地以液態沉積 於導電層1 2上或是層疊以形成電介質1 4。可用之樹脂包括 熱塑料樹脂，熱凝樹脂，合成橡膠及其混合物，當其包含 於感光材料時就成了可光投影之合成物。該厚膜聚合物較 受需要的性質包括在該電介質1 4沉積與感光時保持穩定之 物理性質。根據本發明，該電介質丨4作為該電路結構之一 永久電介質層，使得該厚膜聚合物之介電性質亦較的在沉 積與感光程序中保持穩定。 基於上述理由，環氧樹脂特別適合用於電介質1 4，環氧 樹脂化合物可來自於？1^06£1^(：(|)下之{：丨63-6€丨这7。 PRO BEL EC是一種可用於塗佈於導電層12之上使得電介質14 具均勻厚度(最好為1 0 -4 0微米）之液態樹脂，特別是導電 層1 2在製造過程令的這個點是未佈線圖案的：如同正向版 本之P ROB ELEC之正向反應感光材料之優點在於它們一般比 負向反應之感光材料較具感光性，同時在高陶瓷量時允許 可接受之感光速度=另一個正向反應感光材料優於負向反 應之感光材料之部份為在曝光時遮蔽塵粒降低了針孔。 由於感光劑之存在，電介質1 4之選擇性曝光於合適之電 磁輻射，可被準確地光化學式地執行佈圖於電介質丨4 :曝 於電磁輻射之電介質Μ區域變得較為可溶於顯影劑，然而

436970 五、發明說明 未曝光之電介 佳之正向反應 PR0BELEC 材料 持續6 0分鐘》 箔層1 6被施於 以形成頂部電 一犧牲層1 8， 犧牲層1 8最好 後電鍍於銅箔 米，犧牲層1 8 1 6足夠的保護 質1 4區域仍然相對不可溶。在 熱矯正抗光材料被部份矯正。 所形成時，合適之部份矯正處 接著沉楨，曝光及電介質丨4之 電介質1 4 (:如笫四圓所示），接 極20(如第八圖所呈現）β銅箔 用以在下述依序蝕刻過程中保 為錫，在銅箔層丨6層疊於電介 層16。銅箔層16的最適厚度大 的最適厚度大約為5 _丨〇微米， 曝光之 當電介 理方式 部份矯 著依序 潛1 6最 護銅箔 質1 4之 約為1 0 以提供 後，較 質I 4由 為 1 10C 正，銅 被佈圖 好包括 層1 6， 前或之 -50微 銅箔層 第5圖為蝕刻銅語層16以決定頂部電極2〇之結果。銅洛 層1 6之蝕刻首先須要暫時光阻材料之應用及佈圖’然後是 犧牲層1 8及銅箔層1 6之濕蝕刻。用於移除銅箔層丨6之曝光 部份之蝕刻劑不可破壞底下之電介質14。氣化銅會侵蝕犧 牲層18及銅箔層16二者。此外，amm〇nium biflu〇ride亦 可用於犧牲層18，amm〇nium hydroxide亦可用於鋼箔層 1 6 °可預見的將來退會有其他蝕刻劑可被使用。由第五圖 所不，電極20涵蓋二個電介質14之有限區域，當電介質14 之其他區域曝光時。由於電介質14内感光劑之存在，電介 質14在適當電磁輕射下之曝光可用電極2〇當作光遮罩以精 確地光化學式地佈圖於電介質1 4上以得到第八圖所示之電 容器電介質22。由於電介質14係由正向反應之感光材料所 形成，其為足以致動電介質層丨4之感光特性之頻率、傳播

苐12頁 » 436970 五、發明說明（8) 方向及足夠強度之輻射，造成電介質層14之曝光 對較為可溶之狀態，同時為電極2 0所覆蓋之電介f u 部份保持不可溶（聚合物化）。如第六圖所呈現，t #胃I 1 4之曝光區域然後將用合適之顯影劑所除去，例&. " gamma butylactone(GBL)假如PR0BELEC 用作電介質層14 < 材料。而電介質層1 4之聚合物化區域由於相對不溶於顯景； 劑，因而維持不動。如同在本過程中可了解，電極2〇建^ 了在電介質層14之下的部份之寬度與長度，亦及電容器 介質22之寬度與長度。 第7圖說明第二蝕刻步驟之結果，在該步驟中電介質22 ^為導電層12之遮罩，該姓刻結果定義了電 電極24。導電層1 2之蝕刻係用一人镝 坻 卜層12，而不會蝕保護薄膜16之犧牲層"，因此 电層12藉由電介質22留下曝光邱p 對於導電層、由銅所形成刻過程中被移除。 牲層18，-合適之轴刻劍為氣以及:錫所形成之犧 會侵蝕錫。可以預見將來還 2J可侵蝕銅而不 裎可再一次清楚的了解，底：其他合適之蝕㈣。由本過 覆蓋之電介質22所決定，而督電,2 4之寬度與長度是由其 因此’電極24及20以及電介賢介處22係由電極20所決定。 24及20間之誤校則可避免Y 、22成為自我校準，於是電極 以下為呈現於第7圖之餘刻 2〇上被剝去，而線路建立則步碎驟’犧牲層1 8由頂部電極 光界定電介質層26可被施加 ' 續。如第8圖所描述，第二 久布線於電容器32上，而金屬

4369 7 Ο 五、發明說明（9) 化28則可藉由電介質層26之30接觸頂部電極20。 僅管本發明已經以特別貧施例加以描述，然而很明顯 的，熟悉此技藝的人士亦可採用其他形式，例如，上述以 外之材料。根據以上所述，本發明之範圍界定如下。

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Claims (1)

1. 六'申請專利範圍 1. 一種製造電路板之方法，該方法包括以下步驟： 提供一具有一第一與笫二區域之第一導電層之基底； 施加一電介質材料於該第一導電層上以便在其上形成 電介質層； 施加一第二導電層於該電介質層上； 移去該第二導電層之一第一區域以曝露該電介質層之 一第一區域，該第二導電層之一第二區域保留並覆蓋該電 介質層之一第二區域； 移去該電介質層之第一區域以曝露該第一導電層之第 一區域”該電介質層之第二區域保留並覆蓋該第一導電層 之第二區域；而後 移去該第一導電層之第一區域，使該第一導電層、電 介質層及第二導電層之該等第二區域成為相同之範圍。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中移去該電介質層 之第一區域之步驟為一顯影步驟，該步驟運用該苐二導電 層之第二區域為光罩。 3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中移去該第一導電 層之第一區域之步驟為一蝕刻步驟，該步驟運用該電介質 層之苐二區域為一遮罩。 4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第二導電層為 一包含一聚於該電介質層之銅層的金屬片1以及一鍍於該 電介質層對面之上層的錫層。 5 .如申請專利範圍第1項之方法，尚包括以下步驟： 形成一覆蓋及環繞該第一導電層、電介質層及第二導

   O:\61\61725.PTD 第15頁 436970 六、申請專利範圍 電層之第二區域的第二電介f(層；而後 經由該第二電介質層形成與該第二導電層之第二區域 之接觸。 6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該電介質層為一 包含一陶瓷粒子擴散之正向感光電介質材料。 7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一及第二導 電層之第二區域分別界定第一及第二電容器電極，而該電 介質層之第二區域界定該第一及第二電容器電極之間的一 電容器電介質。 8. —種製造電路板之方法，該方法包括以下步驟： 提供一具有第一及第二區域之銅層的基板； 施加一正向反應感光電介質材料於該銅層之第一及第 二區域以於其上形成一電介質層，該感光電介質材料包含 於一環氧樹脂基體矩陣中之陶瓷粒子； 將該電介質層覆以具有一犧牲層之銅片； 經過該犧牲層蝕刻該銅片之第一區，以曝露該電介質 層之第一區，該犧牲層之剩餘部份及該銅月之一第二區保 留並覆蓋該電介質層之一第二區； 層 光質 為介 做電 域該 區’ 二影 第顯 片及 銅光 該曝 及以 份予 部區 留一 保第 之之 層層 牲質 犧介 該電 用該 使將 罩 第 層 質 介 電 該 區 i 第 之·’ 層區 銅二 該第 光之 曝層 以銅 除該 移蓋 被覆 域並 區留 一保 第區 之二 之範 層之 銅同 該相 除有 移區 罩二 遮第 之之 刻等 li片 為銅 做及 區質 二介 ^電 層 、 質層 介銅 電該 該使 用’ 使區 一 第

   O:\6I\61725.PTD 苐16頁 4369 7 Ο 六、申請專利範圍 圍； 從銅片上移除該犧牲層之剩餘部份； 形成一覆蓋及環繞該銅層、電介質及銅片上之第二區 域之第二電介質層；而後 經該第二電介質層形成一與該銅片之接觸點。 9.如申請專利範圍第8項之方法，其令該銅片之第二區 及該銅層分別界定第一及第二電容器電極，且該電介質層 之第二區界定該第一及第二電容器電極間之電容器電介 質。 1 0.—種電路板，包括： 一第一導電區； 一在該第一導電區上之電介質區，該電介質區係由一 種包含陶瓷粒子之感光材料所形成； 一在該電介質區上之弟二導電區*該電介質區位於該 第一及第二導電區之間，並與該第一及第二導電區有相同 之範圍； 一覆蓋及環繞該第一及第二導電區及該電介質區之電 介質層；以及 經由該電介質層形成一與該第一導電區之接觸點。

   O:\6l\61725.PTD 第17頁