WO2011129360A1 - キャパシタ及びその製造方法 - Google Patents

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今中 佳彦
英之 天田
文明 熊坂
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富士通株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a capacitor and a manufacturing method thereof.
  • a decoupling capacitor or the like is arranged around the element to supply a current when a power supply voltage drops, remove noise, and the like. With the increase in device speed and voltage, this function is increasingly important.
  • the capacitor is made of a barium titanate-based dielectric ceramic.
  • the ceramic forming process temperature is 1000 ° C. or higher, and it is generally considered impossible to directly introduce a ceramic film during the manufacturing process of a resin package having a heat resistant temperature of about 250 ° C.
  • Examples of the method for forming the dielectric ceramic film include a sputtering method and a sol-gel method.
  • heat treatment is performed at a temperature of about 600 ° C. or higher in order to crystallize and densify the amorphous film immediately after film formation.
  • a film deposited by the sol-gel method is subjected to heat treatment for volatilizing the solvent after applying the alkoxide solution. For this reason, heat shrinkage, thermal stress, etc. may occur in these heat treatment processes, and cracks and microcracks may be formed in the film. Especially when the film thickness is thin, it is difficult to obtain a good quality film. .
  • the film stress is not uniformed because there is a substrate on the base, and a certain layer When the number of layers is more than several, delamination may occur.
  • the substrate since the substrate is placed on the base, the degree of freedom in taking out the terminals is low, and thus the overall impedance including the arrangement of the routing electrodes may increase.
  • An object of the present invention is to provide a high-capacitance, low-impedance, low-impedance capacitor with high reliability and a method for manufacturing the same.
  • forming a first dielectric film of a ceramic material containing barium oxide on a first metal foil by a method of spraying dry ceramic particles using a nozzle; Embedding a first via conductor and a second via conductor connected to the first metal foil in the first dielectric film; and forming the first via on the first dielectric film.
  • a first dielectric film of a ceramic material containing barium oxide is formed on the first metal foil by a method of spraying dry ceramic particles using a nozzle. Embedding a first via conductor and a second via conductor connected to the first metal foil in the first dielectric film, and forming the first dielectric film on the first dielectric film.
  • a step of forming a second dielectric film of a ceramic material including the step of embedding a third via conductor and a fourth via conductor connected to the second metal foil in the second dielectric film; And forming a second electrode pattern connected to the third via conductor on the second dielectric film, and removing the second metal foil.
  • the first wiring pattern is alternately connected to the first via conductor and the fourth via conductor, and the second wiring pattern is connected to the first substrate and the second substrate. 3 so as to be alternately connected to the second via conductor and the second via conductor.
  • a laminate in which a plurality of electrode layers formed of copper and a plurality of dielectric layers formed of a ceramic material containing barium oxide are alternately stacked; A first through via formed so as to penetrate through the stacked body and electrically connect the odd-numbered electrode layers to each other, and an even-numbered electrode layer formed between the stacked bodies and electrically connected to each other. A capacitor having a second through via connected in series is provided.
  • the firing temperature of the dielectric layer can be lowered, and the generation of stress accompanying firing can be suppressed.
  • the internal wiring can be formed using a low-resistance metal material such as copper, and the impedance and inductance around the capacitor can be reduced.
  • the number of stacked layers can be easily increased, and the storage capacity can be greatly increased.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the capacitor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view showing the structure of the capacitor according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the capacitor according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the capacitor according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the capacitor according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a process cross-sectional view (part 4) illustrating the method for manufacturing the capacitor according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a process cross-sectional view (part 5) illustrating the method for manufacturing the capacitor according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic view showing the structure of the aerosol deposition apparatus.
  • FIG. 9 is a TEM image (part 1) of the aerosol deposition film.
  • FIG. 10 is a TEM image (part 2) of the aerosol deposition film.
  • FIG. 11 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the capacitor according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the capacitor according to the second embodiment.
  • FIG. 13 is a process cross-sectional view illustrating the capacitor manufacturing method according to the third embodiment.
  • FIG. 14 is a process cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the electronic device according to the fourth embodiment (No. 1).
  • FIG. 9 is a TEM image (part 1) of the aerosol deposition film.
  • FIG. 10 is a TEM image (part 2) of the aerosol deposition film.
  • FIG. 11 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the capacitor according
  • FIG. 15 is a process cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the electronic device according to the fourth embodiment (No. 2).
  • FIG. 16 is a process cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the electronic device according to the fifth embodiment (No. 1).
  • FIG. 17 is a process cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the electronic device according to the fifth embodiment (No. 2).
  • FIG. 18 is a schematic cross-sectional view (part 1) illustrating the structure of the electronic device according to the sixth embodiment.
  • FIG. 19 is a schematic cross-sectional view (part 2) illustrating the structure of the electronic device according to the sixth embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the capacitor according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view showing the structure of the capacitor according to the present embodiment.
  • 3 to 7 are process cross-sectional views illustrating the capacitor manufacturing method according to the present embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic view showing the structure of the aerosol deposition apparatus.
  • 9 and 10 are TEM images of the aerosol deposition film.
  • the capacitor according to the present embodiment has a plurality of electrode layers 10 and a plurality of dielectric layers 16 alternately stacked as shown in FIG.
  • the plurality of electrode layers 10 include a plurality of first electrode layers 10A and a plurality of second electrode layers 10B.
  • the first electrode layer 10A includes a plurality of via patterns 12A arranged in a staggered manner, and a grid-like electrode pattern 14A provided with openings so as to be separated from the via patterns 12A. And have.
  • the second electrode layer 10B includes a plurality of via patterns 12B arranged in a staggered manner and a grid-like shape provided with openings so as to be separated from the via patterns 12B. And an electrode pattern 14B.
  • the via pattern 12A of the first electrode layer 10A and the via pattern 12B of the second electrode layer 10B are alternately arranged.
  • the first electrode layers 10A and the second electrode layers 10B are alternately stacked with the dielectric layers 16 in between.
  • the electrode patterns 14A of the plurality of first electrode layers 10A are connected to each other via conductor vias 18A and via patterns 12B embedded in the dielectric layer 16.
  • the electrode patterns 14B of the plurality of second electrode layers 10B are connected to each other via conductor vias 18B and via patterns 12A embedded in the dielectric layer 16.
  • the electrode pattern of the odd-numbered electrode layer is connected to each other via the conductor via 18A
  • the electrode pattern (electrode pattern 14B) of the even-numbered electrode layer is connected to the conductor via. They are connected to each other via 18B.
  • the electrode pattern 14A of the plurality of first electrode layers 10A is used as one electrode
  • the electrode pattern 14B of the plurality of second electrode layers 10B is used as the other electrode
  • the dielectric layer 16 between these electrodes is used as the capacitor dielectric.
  • a capacitor serving as a body film is formed.
  • the structure formed by repeatedly laminating the electrode pattern 14A, the conductor via 18A, and the via pattern 12B also functions as a through via that penetrates the capacitor.
  • the structure formed by repeatedly laminating the electrode pattern 14B, the conductor via 18B, and the via pattern 12A also functions as a through via that penetrates the capacitor.
  • the dielectric layer is not particularly limited.
  • the dielectric layer can be formed of a dielectric material whose main composition is a ceramic containing barium oxide, for example, a barium titanate ceramic.
  • Y, La, Ce, Pr , Nd, Sm, Gd alkaline earth element part of Ba site of BaTiO 3
  • rare earth elements Y, La, Ce, Pr , Nd, Sm, Gd, And those substituted with at least one element selected from the group consisting of Dy and Er.
  • the electrode layer and the via conductor are, for example, a conductive material containing at least one selected from the group consisting of copper, gold, platinum, aluminum, tungsten, molybdenum, nickel, chromium, titanium, palladium, iron, and alloys thereof Can be applied.
  • a metal material for example, copper
  • a general firing temperature about 1300 ° C. to 1400 ° C.
  • electrode layers and via conductors are, for example, a fine through via structure can be formed.
  • the internal wiring of the capacitor can be formed using a metal material having high conductivity such as copper, and in combination with the application of the through via structure, a capacitor with low impedance and inductance can be realized.
  • the capacitor capacity can be appropriately controlled by the number of stacked electrode layers and dielectric layers, and a high-capacity capacitor can be easily realized.
  • the capacitor manufacturing method according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
  • the constituent materials of the metal foil, electrode layer, and via conductor have a melting point higher than the firing temperature of the aerosol deposition film. If it is material, it can change suitably.
  • the metal foil that becomes the film formation body during film formation serves as a seed layer for forming a plating via in a later step, but the annealing process is finally performed when electric field plating is not used as a via conductor formation method.
  • a resin sheet or the like may be used instead of the metal foil.
  • the aerosol deposition film 22 is a nanocrystalline microcrystalline film of barium titanate.
  • the aerosol deposition method is a method of forming a film by spraying particles in a dry state using a nozzle.
  • the deposition of barium titanate by the aerosol deposition method can be performed using, for example, an aerosol deposition apparatus as shown in FIG.
  • the aerosol deposition apparatus shown in FIG. 8 has a film formation chamber 101 provided with a substrate holding member 102 for holding the film formation substrate 103 and a film formation nozzle 104.
  • An aerosol generator 106 that supplies material particles in an aerosol state and a carrier gas supply means 107 that supplies a carrier gas to the aerosol generator 106 are connected to the film forming chamber 101 through an aerosol pipe 105.
  • a surface amorphous layer is formed so that the material particles conveyed from the aerosol generator 106 are crushed into fine particles and an amorphous layer is formed on the surface of the finely divided material particles.
  • a device 130 is provided.
  • a vacuum pump 108 is also connected to the film forming chamber 101.
  • the vacuum pump 108 is also connected to the aerosol generator 106 via a pipe 116.
  • the aerosol generator 106 is provided with an ultrasonic vibrator 109.
  • the carrier gas supply means 107 includes an oxygen gas tank 110, a pipe 111 connecting the oxygen gas tank 110 and the aerosol generator 106, and a flow meter (MFC) 112 provided in the middle of the pipe 111.
  • the carrier gas supply means 107 also has a nitrogen gas tank 113, a pipe 114 connecting the nitrogen gas tank 113 and the aerosol generator 106, and a flow meter 115 provided in the middle of the pipe 114.
  • the substrate holding member 102 is provided with an XYZ ⁇ stage 118 via a support column 117 so that film formation can be performed while moving the film formation substrate 103.
  • barium titanate powder having an average particle diameter of, for example, 0.5 ⁇ m is accommodated in the aerosol generator 106, and then ultrasonic waves are applied to the entire container by the ultrasonic vibrating base 109, and the vacuum is applied, for example, for 30 minutes while heating at 150 ° C. Deaerate. Thereby, the moisture adhering to the powder surface is removed.
  • the barium titanate powder is heat-treated in advance to remove impurity components such as adsorbed moisture, undecomposed matter, and organic impurities formed on the surface of the powder particles, and to change the crystal structure of the powder particles.
  • a process for removing the distortion and stress of particles may be performed by homogenization.
  • high-purity oxygen gas is supplied to the aerosol generator 106 at a gas pressure of, for example, 2 kg / cm 2 at a flow rate of, for example, 4 L / min to give an ascending airflow to the powder, and a mixed aerosol body with oxygen gas is produced.
  • the mixed aerosol body is classified and modified in the surface amorphous layer forming chamber 130, and then sprayed onto the copper foil 20 from the film forming nozzle 104 to form a film while scanning the substrate holding member 102 in a predetermined direction.
  • the mixed aerosol body to be ejected contains no liquid.
  • the film formation chamber 101 is previously evacuated to a pressure of, for example, 10 Pa or less, and the pressure in the film formation chamber 101 is maintained at, for example, 200 Pa during film formation.
  • an aerosol deposition film 22 having a film thickness of 2 ⁇ m can be formed (deposition rate: about 1 ⁇ 0.5 ⁇ m / min). ).
  • FIG. 9 and 10 are transmission electron microscope (TEM) images of the aerosol deposition film 22 deposited under the above conditions.
  • FIG. 9B is an enlarged view of FIG.
  • the inside of the aerosol deposition film immediately after deposition contains large-sized particles of about 100 nm (about 50 nm to 300 nm) and small-sized particles of about 10 nm (about 1 nm to 20 nm).
  • An amorphous layer (crystal disorder, disordered layer) of about 1 nm or more is formed on the surface portion of the particle.
  • corrugation of about 500 nm or less exists in the interface part of the copper foil of the foundation
  • the relative density of the aerosol deposition film 22 deposited under the above conditions was about 90% or more. Further, each particle is excellent in crystallinity, and continuous defects and strains such as dislocation loops are not formed inside the particle in the film.
  • the barium titanate film 24 is a dense film in which barium titanate microcrystals contained in the aerosol deposition film 22 are grain-grown by annealing.
  • the aerosol deposition film 22 deposited by the aerosol deposition apparatus shown in FIG. 9 is formed by injecting material particles that have undergone a modification treatment for forming an amorphous layer (crystal disorder / disorder layer) on the surface. It is.
  • the material particles deposited in this way do not have distortion or defects in the internal crystal structure, and the stress introduced into the aerosol deposition film 22 can be made extremely low.
  • the relative density of the film deposited by aerosol deposition is high, and volume change accompanying heat treatment can be suppressed. Thereby, the stress given to the copper foil 20 can be reduced, and the high-quality barium titanate film 24 having no dense distortion can be formed on the copper foil 20.
  • the heat treatment for forming the barium titanate film 24 is performed at a temperature of about 800 ° C. to 1050 ° C. which is lower than the melting point of copper (about 1085 ° C.). it can.
  • the barium titanate film formed at room temperature is porous, the film shrinks during the heat treatment, so that a dense film with good adhesion cannot be formed on the copper foil.
  • the strain is released during the heat treatment, and a film with high adhesion cannot be obtained.
  • a photoresist film 26 exposing a region where a via hole is to be formed is formed on the barium titanate film 24 by photolithography (FIG. 3C).
  • the barium titanate film 24 is etched by wet etching using, for example, an etchant containing hydrofluoric acid and nitric acid, using the photoresist film 26 as a mask, and the via hole 28 reaching the copper foil 20 is formed in the barium titanate film 24.
  • the photoresist film 26 is removed by, for example, ashing (FIG. 3D).
  • this via conductor is not limited to electroplating, and methods such as electroless plating, sputtering, vapor deposition, aerosol deposition, glass deposition, and powder filling may be applied.
  • the heat treatment for forming the barium titanate film (a dense film grown by annealing) 24 from the aerosol deposition film (nano-level microcrystalline film) 22 is not necessarily performed immediately after the deposition of the aerosol deposition film 22. There is no need to do it.
  • the barium titanate film 24 may be formed by performing heat treatment after forming the via hole 28 in the aerosol deposition film 22.
  • the barium titanate film 16 subjected to grain growth may be formed by performing heat treatment after forming the via conductor 30 in the via hole 28 formed in the aerosol deposition film 22.
  • the opening of the via hole 28 in the barium titanate film (barium titanate film after annealing) 24 (or the aerosol deposition film 22) may be performed by laser irradiation or the like. In the case of using a laser, power is applied to the barium titanate film 24, but it is reflected by the copper foil 20, so that the via hole 28 can be formed in the barium titanate film 24 without penetrating the copper foil 20.
  • a lift-off method using a resist or the like may be used.
  • a resist for example, it is possible to form a via hole by forming a resist in a via hole forming portion and then removing the resist after forming a film by aerosol deposition. Ceramic particles sprayed by aerosol deposition do not adhere to the surface of a resin such as a resist, and the resin layer is not destroyed by the aerosol particles.
  • the resist can be easily removed with a solvent or the like.
  • the dummy layer used in the lift-off method is not limited to a resist, and a patternable rubber-based resin or an inorganic material can also be applied.
  • an aerosol deposition film 34 of barium titanate having a film thickness of 2 ⁇ m, for example, is deposited on a copper foil 32 different from the copper foil 20 by an aerosol deposition method in the same procedure (FIG. 4A). ).
  • via holes 36 are formed in the aerosol deposition film 34 by photolithography and wet etching (FIG. 4B).
  • the via hole 36 may be formed by laser irradiation or the like as in the case of the via hole 28.
  • a copper film 40 of, eg, a 0.5 ⁇ m-thickness is formed on the aerosol deposition film 34 with the via conductors 38 buried in, for example, by sputtering.
  • the copper film 40 may be formed by a plating method, an electroless plating method, or the like in addition to the sputtering method. Further, the via conductor 38 may also be used by the copper film 40.
  • the copper film 40 is patterned by photolithography and dry etching to form a via pattern 12A and an electrode pattern 14A connected to the via conductor 38.
  • a plurality of foils 42 are prepared (FIG. 4E).
  • the via conductor 30 is aligned so that the via pattern 12B and the electrode pattern 14B are connected, and the aerosol deposition film 44 and the copper
  • the copper foil 42 on which the film 48 is formed is overlaid (FIG. 5A).
  • a heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at about 800 ° C. to 1050 ° C., for example, 1000 ° C. for 30 minutes, and the aerosol deposition film 44 is baked. Then, the barium titanate film 50 is formed and the barium titanate films 24 and 50 are joined (FIG. 5B).
  • a method of annealing using heater heat while applying uniaxial pressure, hot pressing, SPS method, millimeter wave firing, or microwave firing may be used.
  • Uniaxial press, rubber press, etc. can be applied to the lamination. Or at the time of lamination
  • the heat treatment is desirably performed in a non-oxidizing atmosphere in order to prevent copper oxidation.
  • a compound layer for facilitating bonding may be formed between the barium titanate film 24 and the aerosol deposition film 44 at the time of integrated firing.
  • a Li, Bi, Ge-based compound such as Pb 5 Ge 3 O 11 , LiF, Bi 2 O 3 , Li 2 Bi 2 O 5 can be applied.
  • a method of depositing by an aerosol deposition method or a method of applying on a surface while performing a polishing action so as to flatten the surface can be applied.
  • the copper foil 42 is removed with, for example, an aqueous ferric chloride solution (FIG. 5C).
  • the aerosol deposition film 34 and the copper film 40 are aligned on the barium titanate film 50 in which the via conductor 46 is embedded so that the via conductor 46 is connected to the via pattern 12A and the electrode pattern 14A.
  • the formed copper foils 32 are overlaid (FIG. 5D).
  • a heat treatment is performed at about 800 ° C. to 1050 ° C., for example, 1000 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere, and the aerosol deposition film 34 is fired.
  • the barium titanate film 52 is formed, and the barium titanate films 50 and 52 are joined (FIG. 6A).
  • a compound layer for facilitating bonding may be formed between the barium titanate film 50 and the aerosol deposition film 34 during the integrated firing.
  • the copper foil 32 is removed with, for example, an aqueous ferric chloride solution (FIG. 6B).
  • the via pattern 12B and the electrode pattern 14B may be patterned.
  • the copper film 48, the barium titanate film 50, the copper film 40, and titanium are formed on the barium titanate film 52 in which the via conductors 38 are embedded.
  • the barium acid film 52 is laminated repeatedly (here, for example, twice) (FIG. 6C).
  • the copper film 54 is patterned by photolithography and dry etching to form the via pattern 12B and the electrode pattern 14B connected to the via conductor 38 (FIG. 7A).
  • the via pattern 12B and the electrode pattern 14B may be formed by the copper foil 32 formed in the uppermost layer.
  • the copper foil 20 is half-etched with a ferric chloride aqueous solution, for example, until the film thickness becomes about 1 ⁇ m (FIG. 7B). Note that the half etching of the copper foil 20 is not necessarily performed.
  • the thinned copper foil 20 is patterned by photolithography and dry etching to form a via pattern 12A and an electrode pattern 14A connected to the via conductor 30 (FIG. 7C).
  • a capacitor is formed by laminating a plurality of substrates having a barium titanate film deposited by an aerosol deposition method and an electrode layer, so that the firing temperature can be lowered and firing can be performed. Can be suppressed.
  • an internal wiring can be formed using a low-resistance metal material such as copper, and impedance and inductance can be reduced.
  • the number of stacked layers can be easily increased, and the storage capacity can be greatly increased.
  • 11 and 12 are process cross-sectional views illustrating the capacitor manufacturing method according to the present embodiment.
  • an aerosol deposition film 44 and an aerosol deposition film 44 are embedded on the copper foil. Via conductor 46 and copper film 48 are formed.
  • heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at about 800 ° C. to 1050 ° C., for example, 1000 ° C. for 30 minutes, and the aerosol deposition film 44 is baked to form the barium titanate film 50.
  • the heat treatment is not necessarily performed after the formation of the copper film 48 as long as the aerosol deposition film 44 is deposited.
  • a copper foil 42 is prepared in which the barium titanate film 50 in which the via conductors 46 are embedded and the copper film 48 including the via pattern 12B and the electrode pattern 14B are formed.
  • the barium titanate film 50 in which the via conductor 46 is embedded, and the copper foil 42 including the via pattern 12B and the electrode pattern 14B can be in a state before the heat treatment, and the aerosol deposition in which the via conductor 46 is embedded.
  • a configuration of a copper foil 42 on which a film 44 and a copper film 48 including the via pattern 12B and the electrode pattern 14B are formed may be used.
  • the aerosol deposition film 34 and the aerosol deposition film 34 are embedded on the copper foil 32. Via conductors 38 are formed.
  • the aerosol deposition film 34 was formed on the copper foil 42 on which the barium titanate film 50 and the copper film 48 were formed so that the via pattern 12B and the electrode pattern 14B were connected to the via conductor 38.
  • the copper foils 32 are overlaid (FIG. 11 (a)).
  • a heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at about 800 ° C. to 1050 ° C., for example, 1000 ° C. for 30 minutes, and the aerosol deposition film 34 is baked.
  • the barium titanate film 52 is formed, and the barium titanate films 50 and 52 are joined (FIG. 11B).
  • a compound layer for facilitating bonding may be formed between the barium titanate film 50 and the aerosol deposition film 34 during the integrated firing.
  • the copper foil 32 is half-etched with a ferric chloride aqueous solution, for example, until the film thickness becomes about 1 ⁇ m (FIG. 11C).
  • the thinned copper foil 32 is patterned by photolithography and dry etching to form a via pattern 12A and an electrode pattern 14A connected to the via conductor 38 (FIG. 12A).
  • the joining of the copper foil 32 on which the aerosol deposition film 34 is formed and the patterning of the copper foil 32 are repeated in the same manner as in the steps of FIGS. Thereby, the copper foil 32 on which the via pattern 12B and the electrode pattern 14B are formed and the copper foil 32 on which the via pattern 12A and the electrode pattern 14A are formed are stacked via the barium titanate film 52 (FIG. 12B). )).
  • the copper foil 42 is half-etched and patterned, and the via pattern 12A connected to the via conductor 40 is obtained. Then, an electrode pattern 14A is formed (FIG. 12C).
  • a capacitor is formed by laminating a plurality of substrates having a barium titanate film deposited by an aerosol deposition method and an electrode layer, so that the firing temperature can be lowered and firing can be performed. Can be suppressed.
  • an internal wiring can be formed using a low-resistance metal material such as copper, and impedance and inductance can be reduced.
  • the number of stacked layers can be easily increased, and the storage capacity can be greatly increased.
  • FIGS. 1 to 12 Components similar to those of the capacitor and the manufacturing method thereof according to the first and second embodiments shown in FIGS. 1 to 12 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
  • FIG. 13 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a capacitor according to the present embodiment.
  • a barium titanate film 24 in which a via conductor 30 is embedded is formed on a copper foil 20 in the same manner as the capacitor manufacturing method according to the first embodiment shown in FIGS. 3 (a) to 3 (e). (FIG. 13A).
  • the barium titanate film 24 may be the aerosol deposition film 22 before heat treatment.
  • the copper foil 32 is removed with, for example, an aqueous ferric chloride solution.
  • an aerosol deposition film 44 in which a via conductor 46 is embedded on a copper foil 42, and a via A copper film 48 including the pattern 12B and the electrode pattern 14B is formed.
  • the copper foil 42 is removed with, for example, an aqueous ferric chloride solution.
  • the prepared aerosol deposition film 44 and the aerosol deposition film 34 are aligned with the via pattern and the electrode pattern with respect to the lower via conductor, Laminate alternately.
  • a copper film 54 including the via pattern 12B and the electrode pattern 14B is formed. Further, the copper foil 20 is thinned and patterned to form the via pattern 12A and the electrode pattern 14A (FIG. 13E).
  • the copper foil part that is the base of the barium titanate film or aerosol deposition film is removed by etching. After this copper foil part is half-etched into a thin film, the pattern becomes the via pattern and electrode pattern May be formed.
  • a capacitor is formed by laminating a plurality of substrates having a barium titanate film deposited by an aerosol deposition method and an electrode layer, so that the firing temperature can be lowered and firing can be performed. Can be suppressed.
  • an internal wiring can be formed using a low-resistance metal material such as copper, and impedance and inductance can be reduced. Further, the number of stacked layers can be easily increased, and the storage capacity can be greatly increased.
  • the capacitor is formed by collectively heat-treating the laminated body, the manufacturing process can be greatly simplified.
  • 14 and 15 are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the electronic device according to the present embodiment.
  • the capacitor 60 is formed on the copper foil 20 in the same manner as the capacitor manufacturing method according to the first embodiment shown in FIGS. 3A to 7A (FIG. 14A).
  • the capacitor 60 is formed in a predetermined region on the copper foil 20.
  • the wiring board 64 on which the through via 66 is formed is placed on the copper foil 20 on which the capacitor 60 is formed via the prepreg 62 (FIG. 14B). A portion of the wiring board 64 corresponding to the formation region of the capacitor 60 is penetrated, and the capacitor 60 is fitted into the penetrated portion.
  • the copper foil 70 on which the prepreg 68 is formed is overlaid on the copper foil 20 into which the wiring board 64 is fitted (FIG. 14 (c)).
  • a prepreg without a copper foil may be used instead of using the copper foil 70 on which the prepreg 68 is formed.
  • the copper foils 20 and 70 are processed into a predetermined pattern by photolithography and dry etching (FIG. 15A).
  • a via hole 74 connected to the through via 66 and the capacitor electrode is formed in the insulating film 72 by photolithography and dry etching (FIG. 15B).
  • the via conductors 76 are filled into the via holes 74 by, for example, plating (FIG. 15C).
  • the copper foil remaining on the front and back surfaces may be removed by etching.
  • an interposer having a built-in capacitor with high capacity, small impedance and inductance, and high reliability can be formed.
  • 16 and 17 are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the electronic device according to the present embodiment.
  • the conductor bumps 82 are formed on the copper foil 80 by, for example, screen printing (FIG. 16A).
  • a prepreg 84 of an insulating material is laminated on the copper foil 80 on which the conductor bumps 82 are formed so that the upper portions of the conductor bumps 82 protrude.
  • the basic structure 86 of the capacitor shown in FIG. 11A is aligned and laminated so that the conductor bump 82 and the electrode layer 48 are connected. (FIG. 16B).
  • the thinned copper foil 42 is patterned to form a via pattern 12A and an electrode pattern 14A.
  • the copper foil 80 is patterned to form an electrode pattern 80A (FIG. 16C).
  • conductor bumps 88 are formed on the prepreg 84 on which the capacitor basic structure 86 is placed, for example, by screen printing (FIG. 16D).
  • a prepreg 90 made of an insulating material is laminated on the prepreg 84 on which the conductor bumps 88 are formed and on the basic structure 86 of the capacitor so that the upper portions of the conductor bumps 88 protrude (FIG. 16E).
  • FIG. 17A a plurality of stacked bodies thus formed are stacked.
  • a copper foil 92 is deposited on the uppermost prepreg 90, and the whole is cured and integrated.
  • the uppermost layer is patterned to form an electrode pattern 92A (FIG. 17B).
  • an interposer having a built-in capacitor with high capacity, small impedance and inductance, and high reliability can be formed.
  • the electronic device shown in FIG. 18 is obtained by mounting a semiconductor element 206 on a multilayer circuit board 200 via an interposer 202 with a built-in capacitor 204.
  • the interposer 202 for example, the interposer of the fourth or fifth embodiment can be applied. Connections between the multilayer circuit board 200 and the interposer 202 and between the interposer 202 and the semiconductor element 206 are made through protruding electrodes 208 such as solder bumps.
  • the capacitor 204 built in the interposer 202 can be used as a decoupling capacitor of a power supply circuit connected to the semiconductor element 206, for example.
  • the capacitor 204 can be incorporated in the multilayer circuit board 200 as shown in FIG. 19, for example. Also in this case, the capacitor 204 built in the multilayer circuit board 200 can be used as a decoupling capacitor of a power supply circuit connected to the semiconductor element 206, for example.
  • the capacitors according to the first to third embodiments can form internal wiring using a low-resistance metal material such as copper. Further, the storage capacity can be easily increased by increasing the number of layers. Thereby, a capacitor having a high capacity and a small inductance / inductance can be realized. In addition, it has a through via structure, and the lead lines from the capacitor electrode can be easily connected to the upper and lower portions of the capacitor.
  • the wiring length between the capacitor 204 and the semiconductor element 206 can be shortened by forming the interposer 202 and the multilayer circuit board 200 incorporating the capacitor 60 according to the first to third embodiments.
  • the impedance of the decoupling capacitor and the power supply system can be kept low, and the performance of the electronic device can be improved.
  • a high-performance electronic device having a built-in capacitor with high capacity, small impedance and inductance, and high reliability can be formed.
  • the aerosol deposition films 34 and 44 are formed on the copper foils 32 and 42, but the substrate serving as the base of the aerosol deposition films 34 and 44 is not necessarily the copper foils 32 and 42. Need not be.
  • This base substrate may be at least capable of withstanding the firing temperature of the aerosol deposition films 34 and 44.
  • the via conductors 38 and 46 are formed by electroplating, it is desirable to have conductivity, but when the via conductors 38 and 46 are formed by other methods such as sputtering. It is not always necessary to have conductivity.
  • the capacitor basic structure 86 is stacked via the conductor bumps.
  • the capacitor basic structure 86 has two layers. You may laminate
  • interposer or multilayer circuit board with a built-in capacitor is not limited to the structure and the manufacturing method described in FIGS. 14 to 19, and can be appropriately changed as necessary.
  • Example 1 A thin film multilayer capacitor was formed using the capacitor manufacturing method according to the first embodiment.
  • the thickness of the barium titanate film was 1 ⁇ m, and the number of layers was 20 layers.
  • the via diameter for connecting the electrode layers was 50 ⁇ m, and the via pitch was 150 ⁇ m. In addition, when the number of layers was examined, it was found that about 50 layers can be stacked.
  • the dielectric constant of the barium titanate film was measured for the multilayer capacitor formed by the above method, it was about 1500.
  • the capacitor capacity per unit area was 26 ⁇ F / cm 2 .
  • the inductance of the capacitor was about 3 pH.
  • Example 2 A thin film multilayer capacitor was formed in the same manner as in Example 1 except that when depositing the aerosol deposition film on the barium titanate film, a LiF powder having a thickness of 100 nm was applied to the interface by the aerosol deposition method.
  • the thickness of the barium titanate film was 1 ⁇ m, and the number of layers was 20 layers.
  • the via diameter for connecting the electrode layers was 50 ⁇ m, and the via pitch was 150 ⁇ m. In addition, when the number of layers was examined, it was found that about 50 layers can be stacked.
  • the dielectric constant of the barium titanate film was measured for the multilayer capacitor formed by the above method, it was about 1000.
  • the capacitor capacity per unit area was 17 ⁇ F / cm 2 .
  • the inductance of the capacitor was about 3 pH.
  • Example 3 A thin film multilayer capacitor was formed using the capacitor manufacturing method according to the third embodiment.
  • the film thickness of the barium titanate film was 1 ⁇ m, and the number of layers was 50.
  • the via diameter for connecting the electrode layers was 50 ⁇ m, and the via pitch was 150 ⁇ m. Note that, when the number of stacked layers was examined, it was found that about 100 layers can be stacked.
  • the dielectric constant of the barium titanate film was measured for the multilayer capacitor formed by the above method, it was about 1500.
  • the capacitor capacity per unit area was 65 ⁇ F / cm 2 .
  • the inductance of the capacitor was about 3 pH.
  • Example 4 A thin film multilayer capacitor was formed in the same manner as in Example 3 except that when depositing the aerosol deposition film on the barium titanate film, a 50 nm thick LiF powder was applied to the interface by the aerosol deposition method.
  • the film thickness of the barium titanate film was 1 ⁇ m, and the number of layers was 50.
  • the via diameter for connecting the electrode layers was 50 ⁇ m, and the via pitch was 150 ⁇ m. Note that, when the number of stacked layers was examined, it was found that about 100 layers can be stacked.
  • the dielectric constant of the barium titanate film was measured for the multilayer capacitor formed by the above method, it was about 1500.
  • the capacitor capacity per unit area was 44 ⁇ F / cm 2 .
  • the inductance of the capacitor was about 3 pH.
  • an alkoxide solution adjusted to have a barium titanate composition was applied on the electrode to form a sol-gel film having a thickness of 300 nm.
  • the via diameter for connecting the electrode layers was 50 ⁇ m, and the via pitch was 150 ⁇ m.
  • the dielectric constant of the barium titanate film was measured for the multilayer capacitor formed by the above method, it was about 400.
  • the capacitor capacity per unit area was 3.5 ⁇ F / cm 2 .
  • the inductance of the capacitor was 10 pH.
  • Comparative Example 2 A thin film multilayer capacitor was formed by the same method as in Comparative Example 1 except that the barium titanate film was formed by sputtering.
  • the barium titanate film was formed by depositing a sputtered film using a target adjusted to the composition of barium titanate and then performing crystallization by performing heat treatment at 600 ° C. for 30 minutes in an atmosphere containing oxygen.
  • the thickness of the barium titanate film was 200 nm.
  • the via diameter for connecting the electrode layers was 50 ⁇ m, and the via pitch was 150 ⁇ m.
  • the dielectric constant of the barium titanate film was measured for the multilayer capacitor formed by the above method, it was about 350.
  • the capacitor capacity per unit area was 4.5 ⁇ F / cm 2 .
  • the inductance of the capacitor was 10 pH.
  • the green sheets thus formed were alternately arranged with the patterns G and V, laminated, and integrated.
  • heat treatment was performed at 1350 ° C. for 30 minutes, and the multilayer body was baked to form a thin film multilayer capacitor.
  • the thickness of the barium titanate film was 5 ⁇ m, and the number of layers was 20 layers. In addition, when the number of layers was examined, it was found that about 100 layers can be stacked.
  • the dielectric constant of the barium titanate film was measured for the multilayer capacitor formed by the above method, it was about 3000.
  • the capacitor capacity per unit area was 10 ⁇ F / cm 2 .
  • the inductance of the capacitor was 8 pH.
  • the electrode material must be formed of a material that can withstand the firing temperature of the barium titanate green sheet.
  • Ni which is a refractory metal, is used.
  • Electrode layer 12 ... Via pattern 14 ... Wiring pattern 16 ... Dielectric layer 18 ... Via conductor 20, 32, 42 ... Copper foil 22, 34, 44 ... Aerosol deposition film 24, 50, 52 ... Barium titanate film 26 ... Photoresist films 28, 36 ... via holes 30, 38, 46 ... via conductors 40,48 ... electrode layer 60 ... capacitors 62, 68 ... prepreg 64 ... wiring board 66 ... through via 70 ... copper foil 72 ... insulating layer 74 ... via Hole 76 ... Via conductor 80, 92 ... Copper foil 82 ... Conductor bump 84, 90 ... Prepreg 86 ... Basic structure 88 of capacitor ...
  • Conductor bump 101 ... Film formation chamber 102 ... Substrate holding member 103 ... Film formation substrate 104 ... Film formation Nozzle 105 ... Aerosol pipe 106 ... Aerosol generator 107 ... Carrier gas supply means 108 ... Vacuum pump 109 ... Ultrasonic vibrator 110 ... Oxygen Tanks 111, 114, 116 ... Piping 112, 115 ... Flow meter 113 ... Nitrogen gas tank 117 ... Strut 118 ... XYZ ⁇ stage 120 ... Aerosol 130 ... Surface amorphous layer forming apparatus 200 ... Multilayer circuit board 202 ... Interposer 204 ... Capacitor 206 ... Semiconductor element 208 ... protruding electrode

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Abstract

 金属箔上に、改良したエアロゾルデポジション法により、チタン酸バリウム系セラミックス材料の誘電体膜を形成し、誘電体膜に、金属箔に接続された第1のビア導体及び第2のビア導体を埋め込み、誘電体膜上に、第1のビア導体に接続された第1の電極パターンを形成し、金属箔をパターニングし、第2のビア導体に接続された第2の電極パターンを形成する。

Description

キャパシタ及びその製造方法
 本発明は、キャパシタ及びその製造方法に関する。
 電子機器の小型化・高性能化に向けて、実装技術に関しても更なる高性能化が求められている。現在、PCやサーバなどの素子に使用されている実装パッケージには、素子の周りにデカップリングキャパシタなどを配置し、電源電圧降下時の電流供給、ノイズ除去などを行っている。素子の高速化、低電圧化に伴い、この機能はますます重要視されている。
 電流供給を高速で処理するためには、デカップリングキャパシタ及び電源供給系のインピーダンスを低く抑える必要がある。このため、高容量でインダクタンスの低いキャパシタ及びキャパシタ配線長の短縮が求められている。キャパシタの配置位置は、素子直下部が最も有効であり、キャパシタ内蔵パッケージが求められている。また、低コスト化にも効果があり、その実現が期待されている。
 キャパシタ内蔵化の方法としては、キャパシタ部品をパッケージ内に埋め込む方法、キャパシタ膜を形成する方法など、各種方法が提案されている。これらのうち、膜をパターニングしてキャパシタを形成する方法は、回路内部の必要部分に選択的にキャパシタを配置することが可能であり、この方法を用いて膜状のキャパシタを導入することが最も期待されている。
 現在、広く一般に普及しているパッケージは、エポキシ樹脂系の材料を用いたものである。一方、キャパシタはチタン酸バリウム系の誘電体セラミックスで形成されている。セラミックスの形成プロセス温度は1000℃以上であり、通常、耐熱温度が250℃程度の樹脂パッケージの製造工程中に、直接、セラミック膜を導入することは不可能と考えられている。
特開2002-194560号公報 特開2003-277949号公報
今中佳彦,明渡純,エアロゾルデポジションによる高周波受動素子集積化技術,セラミックス,Vol. 39,No. 8,584-589 (2004) Y. Imanaka, N. Hayashi, M. Takenouchi and J. Akedo, Aerosol deposition for post-LTCC, Journal of the European Ceramic Society 27 (2007) 2789-95
 誘電体セラミックス膜の形成方法としては、スパッタ法、ゾルゲル法等が挙げられる。しかしながら、スパッタ法により堆積した膜では、成膜直後のアモルファス状態の膜を結晶化・緻密化するために、600℃程度以上の温度で熱処理が行われる。また、ゾルゲル法により堆積した膜でも、アルコキシド液を塗布した後に溶剤を揮発させる熱処理が行われる。このため、これら熱処理過程で熱収縮、熱応力などが発生し、膜に亀裂やマイクロクラックが形成されることがあり、特に膜厚が薄い場合は、良質の膜を得ることが困難であった。
 また、シリコンウェーハやサファイアウェーハなどの表面が平滑な基板上に誘電体セラミックス膜を形成することによりキャパシタ構造を構築する方法では、下地に基板があるために膜応力が均一化されず、ある層数以上の多層化では、層間剥離などが起こることがあった。また、下地に基板が設置されているために端子の取り出しの自由度が低くなるため、引き回し電極の配置などの系を含めた全体のインピーダンスが増加することがあった。
 本発明の目的は、高容量でインピーダンス及びインダクタンスが小さく信頼性の高いキャパシタ及びその製造方法を提供することにある。
 実施形態の一観点によれば、第1の金属箔上に、ノズルを用いてドライ状態のセラミック粒子を吹き付ける方法により、酸化バリウムを含むセラミックス材料の第1の誘電体膜を形成する工程と、前記第1の誘電体膜に、前記第1の金属箔に接続された第1のビア導体及び第2のビア導体を埋め込む工程と、前記第1の誘電体膜上に、前記第1のビア導体に接続された第1の電極パターンを形成する工程と、前記第1の金属箔をパターニングし、前記第2のビア導体に接続された第2の電極パターンを形成する工程とを有するキャパシタの製造方法が提供される。
 また、実施形態の他の観点によれば、第1の金属箔上に、ノズルを用いてドライ状態のセラミック粒子を吹き付ける方法により、酸化バリウムを含むセラミックス材料の第1の誘電体膜を形成する工程と、前記第1の誘電体膜に、前記第1の金属箔に接続された第1のビア導体及び第2のビア導体を埋め込む工程と、前記第1の誘電体膜上に、前記第1のビア導体に接続された第1の電極パターンを形成する工程と、前記第1の金属箔を除去する工程とを含み、第1のビア導体及び第2のビア導体が埋め込まれた第1の誘電体膜と、前記第1のビア導体に接続された第1の電極パターンとを有する複数の第1の基板を形成する工程と、第2の金属箔上に、ノズルを用いてドライ状態のセラミック粒子を吹き付ける方法により、酸化バリウムを含むセラミックス材料の第2の誘電体膜を形成する工程と、前記第2の誘電体膜に、前記第2の金属箔に接続された第3のビア導体及び第4のビア導体を埋め込む工程と、前記第2の誘電体膜上に、前記第3のビア導体に接続された第2の電極パターンを形成する工程と、前記第2の金属箔を除去する工程とを含み、第3のビア導体及び第4のビア導体が埋め込まれた第2の誘電体膜と、前記第3のビア導体に接続された第2の電極パターンとを有する複数の第2の基板を形成する工程と、前記第1の基板と前記第2の基板とを、前記第1の配線パターンが前記第1のビア導体と前記第4のビア導体に対して交互に接続され、前記第2の配線パターンが前記第3のビア導体と前記第2のビア導体に対して交互に接続されるように、繰り返し積層する工程とを有するキャパシタの製造方法が提供される。
 また、実施形態の更に他の観点によれば、銅により形成された複数の電極層と、酸化バリウムを含むセラミックス材料により形成された複数の誘電体層とが交互に積層された積層体と、前記積層体を貫くように形成され、奇数層目の前記電極層を互いに電気的に接続する第1のスルービアと、前記積層体を貫くように形成され、偶数層目の前記電極層を互いに電気的に接続する第2のスルービアとを有するキャパシタが提供される。
 このために、繰り返し積層せずとも、ビアが形成された誘電体層の片面に導体を形成したもの、もしくはビアが形成された誘電体層の両面に導体が形成されたものを多数枚配置し、アニール時に圧力をかけながら、一体化することも可能である。
 開示のキャパシタ及びその製造方法によれば、誘電体層の焼成温度を低温化できるとともに、焼成に伴う応力の発生を抑制することができる。これにより、銅などの低抵抗の金属材料を用いて内部配線を形成することができ、キャパシタ周りのインピーダンス及びインダクタンスを低減することができる。また、積層数を容易に増加することができ、蓄積容量を大幅に増加することができる。
図1は、第1実施形態によるキャパシタの構造を示す概略断面図である。 図2は、第1実施形態によるキャパシタの構造を示す平面図である。 図3は、第1実施形態によるキャパシタの製造方法を示す工程断面図(その1)である。 図4は、第1実施形態によるキャパシタの製造方法を示す工程断面図(その2)である。 図5は、第1実施形態によるキャパシタの製造方法を示す工程断面図(その3)である。 図6は、第1実施形態によるキャパシタの製造方法を示す工程断面図(その4)である。 図7は、第1実施形態によるキャパシタの製造方法を示す工程断面図(その5)である。 図8は、エアロゾルデポジション装置の構造を示す概略図である。 図9は、エアロゾルデポジション膜のTEM像(その1)である。 図10は、エアロゾルデポジション膜のTEM像(その2)である。 図11は、第2実施形態によるキャパシタの製造方法を示す工程断面図(その1)である。 図12は、第2実施形態によるキャパシタの製造方法を示す工程断面図(その2)である。 図13は、第3実施形態によるキャパシタの製造方法を示す工程断面図である。 図14は、第4実施形態による電子装置の製造方法を示す工程断面図である(その1)。 図15は、第4実施形態による電子装置の製造方法を示す工程断面図である(その2)。 図16は、第5実施形態による電子装置の製造方法を示す工程断面図である(その1)。 図17は、第5実施形態による電子装置の製造方法を示す工程断面図である(その2)。 図18は、第6実施形態による電子装置の構造を示す概略断面図(その1)である。 図19は、第6実施形態による電子装置の構造を示す概略断面図(その2)である。
 [第1実施形態]
 第1実施形態によるキャパシタ及びその製造方法について図1乃至図10を用いて説明する。
 図1は、本実施形態によるキャパシタの構造を示す概略断面図である。図2は、本実施形態によるキャパシタの構造を示す平面図である。図3乃至図7は、本実施形態によるキャパシタの製造方法を示す工程断面図である。図8は、エアロゾルデポジション装置の構造を示す概略図である。図9及び図10は、エアロゾルデポジション膜のTEM像である。
 はじめに、本実施形態によるキャパシタの構造について図1及び図2を用いて説明する。
 本実施形態によるキャパシタは、図1に示すように、複数の電極層10と複数の誘電体層16とが交互に積層されたものである。
 複数の電極層10は、複数の第1の電極層10Aと、複数の第2の電極層10Bとを含む。第1の電極層10Aは、例えば図2(a)に示すように、千鳥配列された複数のビアパターン12Aと、ビアパターン12Aから分離するように開口部が設けられたグリッド状の電極パターン14Aとを有している。同様に、第2の電極層10Bは、例えば図2(b)に示すように、千鳥配列された複数のビアパターン12Bと、ビアパターン12Bから分離するように開口部が設けられたグリッド状の電極パターン14Bとを有している。第1の電極層10Aのビアパターン12Aと第2の電極層10Bのビアパターン12Bとは、互い違いになるように配置されている。
 第1の電極層10Aと第2の電極層10Bとは、誘電体層16を介して交互に積層されている。複数の第1の電極層10Aの電極パターン14Aは、誘電体層16に埋め込まれた導体ビア18A及びビアパターン12Bを介して互いに接続されている。また、複数の第2の電極層10Bの電極パターン14Bは、誘電体層16に埋め込まれた導体ビア18B及びビアパターン12Aを介して互いに接続されている。換言すれば、奇数層目の電極層の電極パターン(電極パターン14A)は、導体ビア18Aを介して互いに接続されており、偶数層目の電極層の電極パターン(電極パターン14B)は、導体ビア18Bを介して互いに接続されている。
 これにより、複数の第1の電極層10Aの電極パターン14Aを一方の電極とし、複数の第2の電極層10Bの電極パターン14Bを他方の電極とし、これら電極間の誘電体層16をキャパシタ誘電体膜とするキャパシタが形成されている。
 図1に示すように、電極パターン14A、導体ビア18A、及びビアパターン12Bを繰り返し積層してなる構造体は、キャパシタを貫通するスルービアとしても機能する。同様に、電極パターン14B、導体ビア18B、及びビアパターン12Aを繰り返し積層してなる構造体は、キャパシタを貫通するスルービアとしても機能する。
 誘電体層は、特に限定されるものではないが、例えば、酸化バリウムを含むセラミックス、例えば、チタン酸バリウム系セラミックスを主組成とした誘電体材料により形成することができる。チタン酸バリウム系セラミックスとしては、BaTiOのほか、BaTiOのBaサイトの一部をアルカリ土類元素(Sr,Ca等)及び希土類元素(Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy及びEr)からなる群から選択される少なくとも1種の元素で置換したものが挙げられる。また、これらについて、Tiサイトの一部を、V、Nb、Ta及びZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素で置換したもの等が挙げられる。
 電極層及びビア導体は、例えば、銅、金、白金、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、クロム、チタン、パラジウム、鉄、及びこれらの合金からなる群から選択される少なくとも1種を含む導電性材料を適用することができる。なお、後述する本実施形態によるキャパシタの製造方法を用いることにより、チタン酸バリウム系セラミックス材料の一般的な焼成温度(1300℃~1400℃程度)よりも融点の低い金属材料(例えば銅)を用いて電極層及びビア導体を形成することも可能である。また、微細なスルービア構造を形成することができる。
 これにより、銅などの導電率の高い金属材料を用いてキャパシタの内部配線を形成することができ、スルービア構造を適用することと相俟って、インピーダンス及びインダクタンスの小さいキャパシタを実現することができる。また、キャパシタ容量は電極層と誘電体層との積層数により適宜制御することができ、高容量のキャパシタを容易に実現することができる。
 なお、図1のキャパシタでは、8層の電極層と7層の誘電体層とを交互に積層した例を示したが、電極層と誘電体層の積層数は、これに限定されるものではない。少なくとも1層の誘電体層と、これを挟持する2層の電極層とを有するキャパシタであればよい。
 次に、本実施形態によるキャパシタの製造方法について図3乃至図10を用いて説明する。なお、以下の説明では、金属箔、電極層及びビア導体として銅を用いる場合について説明するが、金属箔、電極層及びビア導体の構成材料は、融点がエアロゾルデポジション膜の焼成温度よりも高い材料であれば、適宜変更することができる。また、成膜時に被成膜体になる金属箔は、後工程でめっきビアを形成するためのシード層の役目をするが、ビア導体形成方法として電界めっきを使用しない場合でアニール処理を最後に行うケースにおいては、金属箔ではなく樹脂シートなどを用いてもよい。
 まず、例えば膜厚35μmの銅箔20上に、エアロゾルデポジション法により、例えば膜厚が2μmのチタン酸バリウムのエアロゾルデポジション膜22を堆積する(図3(a))。なお、エアロゾルデポジション膜22は、チタン酸バリウムのナノレベルの微結晶体の膜である。エアロゾルデポジション法とは、ノズルを用いてドライ状態の粒子を吹き付けることにより成膜を行う方法である。
 エアロゾルデポジション法によるチタン酸バリウムの堆積は、例えば図8に示すようなエアロゾルデポジション装置を用いて行うことができる。
 図8に示すエアロゾルデポジション装置は、成膜基板103を保持する基板保持部材102と、成膜ノズル104とを備えた成膜室101を有している。成膜室101には、エアロゾル用配管105を介してエアロゾル状態の材料粒子を供給するエアロゾル発生器106と、エアロゾル発生器106にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段107とが接続されている。エアロゾル用配管105の途中には、エアロゾル発生器106から搬送された材料粒子を破砕して微粒子化し、微粒子化された材料粒子の表面に非晶質層を形成するための表面非晶質層形成装置130が設けられている。
 成膜室101には、また、真空ポンプ108が接続されている。真空ポンプ108は、配管116を介してエアロゾル発生器106にも接続されている。また、エアロゾル発生器106には超音波振動器109が設けられている。キャリアガス供給手段107は、酸素ガスタンク110と、酸素ガスタンク110とエアロゾル発生器106とを結ぶ配管111と、配管111の途中に設けられた流量計(MFC)112とを有している。キャリアガス供給手段107は、また、窒素ガスタンク113と、窒素ガスタンク113とエアロゾル発生器106とを結ぶ配管114と、配管114の途中に設けられた流量計115とを有している。基板保持部材102には、支柱117を介してXYZθステージ118が設けられており、成膜基板103を移動しながら成膜できるようになっている。
 図8のエアロゾルデポジション装置を用いたエアロゾルデポジション膜22の堆積方法について説明する。
 まず、平均粒径が例えば0.5μmのチタン酸バリウム粉末をエアロゾル発生器106に収容したのち、超音波振動基109により容器全体に超音波を加え、例えば150℃出加熱しながら例えば30分間真空脱気する。これにより、粉末表面に付着した水分を除去する。なお、チタン酸バリウム粉末は、予め加熱処理を行っておき、粉体粒子表面に形成されている吸着水分、未分解物、有機不純物等の不純物成分を除去するとともに、粉体粒子の結晶構造を均質にし、粒子の歪みや応力を除去する処理を行うようにしてもよい。
 次いで、エアロゾル発生器106に、高純度酸素ガスを例えば2kg/cm2 のガス圧で、例えば4L/分の流量で送気して粉体に上昇気流を与え、酸素ガスとの混合エアロゾル体を形成する。この混合エアロゾル体を表面非晶質層形成室130で分級・改質したのち成膜ノズル104から銅箔20上に噴射し、基板保持部材102を所定方向に走査しながら成膜を行う。噴射される混合エアロゾル体には、液体は含まれていない。銅箔20上に噴射した材料粒子の表面エネルギーの高い非晶質層の作用により、材料粒子同士が結合して膜状態となり、エアロゾルデポジション膜22を形成することができる。このとき、成膜室101は予め真空に引いて圧力を例えば10Pa以下とし、成膜時には成膜室101の圧力を例えば200Paに維持する。
 上述の条件で混合エアロゾル体を例えば2分間、銅箔20表面に吹き付けることにより、例えば膜厚2μmのエアロゾルデポジション膜22を形成することができる(成膜速度:1±0.5μm/min程度)。
 図9及び図10は、上述の条件で堆積したエアロゾルデポジション膜22の透過型電子顕微鏡(TEM)像である。図9(b)は、図9(a)の拡大図である。
 図9に示すように、堆積直後のエアロゾルデポジション膜の膜内部には、100nm程度(50nm~300nm程度)の大粒径粒子と10nm程度(1nm~20nm程度)の小粒径粒子とが含まれており、粒子の表面部分には1nm程度以上の非晶質層(結晶乱れ、無秩序層)が形成されている。また、図10に示すように、下地の銅箔とエアロゾルデポジション膜との界面部には500nm程度以下の凹凸が存在している。これは、銅箔とエアロゾルデポジション膜とのインターロッキング層であり、銅箔とエアロゾルデポジション膜との間の密着性を高める効果がある。上述の条件で堆積したエアロゾルデポジション膜22の相対密度は、90%程度以上であった。また、各粒子は結晶性に優れており、膜中の粒子内部には転位ループなどの連続的欠陥・歪みは、形成されていない。
 次いで、窒素雰囲気中で、800℃~1050℃程度、例えば1000℃、30分間の熱処理を行い、エアロゾルデポジション膜22を焼成してチタン酸バリウム膜24を形成する(図3(b))。なお、チタン酸バリウム膜24は、エアロゾルデポジション膜22に含まれるチタン酸バリウムの微結晶体がアニールによって粒成長した緻密な膜である。
 図9に示すエアロゾルデポジション装置で堆積したエアロゾルデポジション膜22は、表面に非晶質層(結晶乱れ・無秩序層)を形成する改質処理を行った材料粒子を噴射することにより形成したものである。このようにして堆積した材料粒子は内部結晶構造に歪みや欠陥をもたず、エアロゾルデポジション膜22中に導入される応力を極めて低くすることができる。また、エアロゾルデポジションにより堆積した膜の相対密度は高く、熱処理に伴う体積変化を抑制することができる。これにより、銅箔20に与えるストレスを低減することができ、銅箔20上に、緻密な歪みを有しない良質のチタン酸バリウム膜24を形成することができる。
 また、このように堆積したエアロゾルデポジション膜22では、チタン酸バリウム膜24を形成するための熱処理は、銅の融点(1085℃程度)よりも低い800℃~1050℃程度の温度で行うことができる。これにより、キャパシタの内部配線として、低抵抗の銅を用いることが可能となる。例えば、室温成膜のチタン酸バリウム膜がポーラスである場合、熱処理中に膜が収縮するため、銅箔上に密着性の良い緻密な膜ができない。また、室温成膜のチタン酸バリウム膜中に歪みが多く存在している場合、熱処理中に歪みが開放され、密着力の高い膜ができない。
 次いで、フォトリソグラフィにより、チタン酸バリウム膜24上に、ビア孔の形成予定領域を露出するフォトレジスト膜26を形成する(図3(c))。
 次いで、例えばフッ酸と硝酸とを含むエッチング液を用いたウェットエッチングにより、フォトレジスト膜26をマスクとしてチタン酸バリウム膜24をエッチングし、チタン酸バリウム膜24に、銅箔20に達するビア孔28を形成する。
 次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜26を除去する(図3(d))。
 次いで、銅箔20をシード層として銅の電界めっきを行い、ビア孔28内にビア導体30を形成する(図3(e))。このビア導体の形成は、電界めっきに限らず、無電界めっき、スパッタ、蒸着、エアロゾルデポジション、ガラスデポジション、粉末充填などの方法を適用してもよい。
 なお、エアロゾルデポジション膜(ナノレベルの微結晶体膜)22からチタン酸バリウム膜(アニールして粒成長した緻密な膜)24を形成するための熱処理は、必ずしもエアロゾルデポジション膜22の堆積直後に行う必要はない。例えば、エアロゾルデポジション膜22にビア孔28を形成後に熱処理を行い、チタン酸バリウム膜24を形成してもよい。または、エアロゾルデポジション膜22に形成したビア孔28内にビア導体30を形成後に熱処理を行い、粒成長を施したチタン酸バリウム膜16を形成してもよい。
 また、チタン酸バリウム膜(アニール後のチタン酸バリウム膜)24(或いはエアロゾルデポジション膜22)へのビア孔28の開口は、レーザ照射等により行ってもよい。レーザを用いる場合では、チタン酸バリウム膜24に対してパワーが加わる一方、銅箔20では反射するため、銅箔20を突き抜けることなくチタン酸バリウム膜24にビア孔28を形成することができる。
 チタン酸バリウム膜24へのビア孔28の形成には、レジストなどによるリフトオフ法を用いてもよい。例えば、ビア孔形成部にレジストを形成し、その後、エアロゾルデポジションによって膜を形成した後にレジストを除去することにより、ビア孔を形成することも可能である。レジストなどの樹脂の表面にはエアロゾルデポジションで吹き付けるセラミック粒子は固着せず、また、エアロゾル粒子によって樹脂層が破壊されることもない。レジストは、溶剤等で容易に剥離することができる。このリフトオフ法に用いるダミー層は、レジストに限定されるものではなく、パターニング可能なゴム系樹脂や無機材料を適用することも可能である。
 次いで、同様の手順により、銅箔20とは別の銅箔32上に、エアロゾルデポジション法により、例えば膜厚が2μmのチタン酸バリウムのエアロゾルデポジション膜34を堆積する(図4(a))。
 次いで、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングにより、エアロゾルデポジション膜34に、ビア孔36を形成する(図4(b))。ビア孔36の形成は、ビア孔28の場合と同様、レーザ照射等により行ってもよい。
 次いで、銅箔32をシード層として銅の電界めっきを行い、ビア孔36内にビア導体38を形成する(図4(c))。
 次いで、ビア導体38が埋め込まれたエアロゾルデポジション膜34上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚0.5μmの銅膜40を形成する。なお、銅膜40は、スパッタ法のほか、めっき法や無電界めっき法等により形成してもよい。また、銅膜40により、ビア導体38を兼用してもよい。
 次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、銅膜40をパターニングし、ビア導体38に接続されたビアパターン12A及び電極パターン14Aを形成する。
 このようにして、ビア導体38が埋め込まれたエアロゾルデポジション膜34と、ビアパターン12A及び電極パターン14Aを含む銅膜40とが形成された銅箔32を、複数枚用意する(図4(d))。
 また、図4(a)乃至図4(d)と同様にして、ビア導体46が埋め込まれたエアロゾルデポジション膜44と、ビアパターン12B及び電極パターン14Bを含む銅膜48とが形成された銅箔42を、複数枚用意する(図4(e))。
 次いで、チタン酸バリウム膜24及びビア導体30を形成した銅箔20上に、ビア導体30とビアパターン12B及び電極パターン14Bとが接続されるように位置合わせして、エアロゾルデポジション膜44及び銅膜48を形成した銅箔42を重ね合わせる(図5(a))。
 次いで、銅箔20と銅箔42との間に圧力をかけながら、例えば、窒素雰囲気中で、800℃~1050℃程度、例えば1000℃、30分間の熱処理を行い、エアロゾルデポジション膜44を焼成してチタン酸バリウム膜50を形成するとともに、チタン酸バリウム膜24,50を接合する(図5(b))。この熱処理方法に、一軸圧力をかけながら、ヒーター熱を用いてアニールする方法、ホットプレス、SPS法、ミリ波焼成、マイクロ波焼成を用いてもよい。
 積層には、一軸プレス、ラバープレス等を適用することができる。もしくは、積層時には、機械的に重ね合わせるだけであり、一定加重を付与するだけでもよい。熱処理は、銅の酸化を防ぐために、非酸化性雰囲気中で行うことが望ましい。
 なお、一体化焼成時に、チタン酸バリウム膜24とエアロゾルデポジション膜44との間に、接合を容易にするための化合物層を形成してもよい。このような化合物層には、例えば、PbGe11、LiF、Bi、LiBi等の、Li、Bi、Ge系の化合物を適用することができる。これら化合物の形成には、例えば、エアロゾルデポジション法により堆積する方法、或いは、表面を平坦化するように研磨作用を行いながら、面上に塗布する方法等を適用することができる。
 次いで、例えば塩化第二鉄水溶液により、銅箔42を除去する(図5(c))。
 次いで、ビア導体46が埋め込まれたチタン酸バリウム膜50上に、ビア導体46とビアパターン12A及び電極パターン14Aとが接続されるように位置合わせして、エアロゾルデポジション膜34及び銅膜40を形成した銅箔32を重ね合わせる(図5(d))。
 次いで、銅箔20と銅箔32との間に圧力をかけながら、例えば、窒素雰囲気中で、800℃~1050℃程度、例えば1000℃、30分間の熱処理を行い、エアロゾルデポジション膜34を焼成してチタン酸バリウム膜52を形成するとともに、チタン酸バリウム膜50,52を接合する(図6(a))。一体化焼成時に、チタン酸バリウム膜50とエアロゾルデポジション膜34との間に、接合を容易にするための化合物層を形成してもよい。
 次いで、例えば塩化第二鉄水溶液により、銅箔32を除去する(図6(b))。
 なお、銅箔32は、必ずしも完全に除去する必要はない。膜厚が例えば1μm程度になるまでハーフエッチングを行った後、ビアパターン12B及び電極パターン14Bにパターニングしてもよい。
 次いで、図5(a)乃至図6(b)の工程と同様にして、ビア導体38が埋め込まれたチタン酸バリウム膜52上に、銅膜48及びチタン酸バリウム膜50と銅膜40及びチタン酸バリウム膜52とを、繰り返し(ここでは例えば2回ずつ)積層する(図6(c))。
 次いで、ビア導体38が埋め込まれた最上層のチタン酸バリウム膜52上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚0.5μmの銅膜54を形成する。
 次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、銅膜54をパターニングし、ビア導体38に接続されたビアパターン12B及び電極パターン14Bを形成する(図7(a))。なお、ビアパターン12B及び電極パターン14Bは、最上層に形成する銅箔32により形成してもよい。
 次いで、例えば塩化第二鉄水溶液により、銅箔20を、膜厚が1μm程度になるまでハーフエッチングする(図7(b))。なお、銅箔20のハーフエッチングは、必ずしも行う必要はない。
 次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、薄膜化した銅箔20をパターニングし、ビア導体30に接続されたビアパターン12A及び電極パターン14Aを形成する(図7(c))。
 こうして、図1に示す本実施形態によるキャパシタを完成する。
 このように、本実施形態によれば、エアロゾルデポジション法により堆積したチタン酸バリウム膜と電極層とを有する複数の基板を積層してキャパシタを形成するので、焼成温度を低温化できるとともに、焼成に伴う応力を抑制することができる。これにより、銅などの低抵抗の金属材料を用いて内部配線を形成することができ、インピーダンス及びインダクタンスを低減することができる。また、積層数を容易に増加することができ、蓄積容量を大幅に増加することができる。
 [第2実施形態]
 第2実施形態によるキャパシタ及びその製造方法について図11及び図12を用いて説明する。図1乃至図10に示す第1実施形態によるキャパシタ及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
 図11及び12図は、本実施形態によるキャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
 本実施形態では、図1に示す第1実施形態によるキャパシタの他の製造方法について説明する。
 まず、図4(a)乃至図4(e)に示す第1実施形態によるキャパシタの製造方法と同様にして、銅箔42上に、エアロゾルデポジション膜44と、エアロゾルデポジション膜44に埋め込まれたビア導体46と、銅膜48とを形成する。
 次いで、窒素雰囲気中で、800℃~1050℃程度、例えば1000℃、30分間の熱処理を行い、エアロゾルデポジション膜44を焼成してチタン酸バリウム膜50を形成する。なお、この熱処理は、エアロゾルデポジション膜44の堆積後であれば、必ずしも銅膜48の形成後に行う必要はない。
 このようにして、ビア導体46が埋め込まれたチタン酸バリウム膜50と、ビアパターン12B及び電極パターン14Bを含む銅膜48が形成された銅箔42を用意する。なお、このビア導体46が埋め込まれたチタン酸バリウム膜50と、ビアパターン12B及び電極パターン14Bを含む銅箔42は、熱処理前の状態でも可能であり、ビア導体46が埋め込まれたエアロゾルデポジション膜44と、ビアパターン12B及び電極パターン14Bを含む銅膜48が形成された銅箔42という構成でも構わない。
 また、図4(a)乃至図4(c)に示す第1実施形態によるキャパシタの製造方法と同様にして、銅箔32上に、エアロゾルデポジション膜34と、エアロゾルデポジション膜34に埋め込まれたビア導体38とを形成する。
 このようにして、ビア導体38が埋め込まれたエアロゾルデポジション膜34が形成された銅箔32を、複数枚用意する。
 次いで、チタン酸バリウム膜50及び銅膜48を形成した銅箔42上に、ビアパターン12B及び電極パターン14Bとビア導体38が接続されるように位置合わせして、エアロゾルデポジション膜34を形成した銅箔32を重ね合わせる(図11(a))。
 次いで、銅箔42と銅箔32との間に圧力をかけながら、例えば、窒素雰囲気中で、800℃~1050℃程度、例えば1000℃、30分間の熱処理を行い、エアロゾルデポジション膜34を焼成してチタン酸バリウム膜52を形成するとともに、チタン酸バリウム膜50,52を接合する(図11(b))。一体化焼成時に、チタン酸バリウム膜50とエアロゾルデポジション膜34との間に、接合を容易にするための化合物層を形成してもよい。
 次いで、例えば塩化第二鉄水溶液により、銅箔32を、膜厚が1μm程度になるまでハーフエッチングする(図11(c))。
 次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、薄膜化した銅箔32をパターニングし、ビア導体38に接続されたビアパターン12A及び電極パターン14Aを形成する(図12(a))。
 次いで、図11(a)乃至図12(a)の工程と同様にして、エアロゾルデポジション膜34が形成された銅箔32の接合と銅箔32のパターニングとを繰り返す。これにより、ビアパターン12B及び電極パターン14Bが形成された銅箔32とビアパターン12A及び電極パターン14Aが形成された銅箔32とを、チタン酸バリウム膜52を介して積層する(図12(b))。
 次いで、図7(a)乃至図7(c)に示す第1実施形態によるキャパシタの製造方法と同様にして、銅箔42のハーフエッチング及びパターニングを行い、ビア導体40に接続されたビアパターン12A及び電極パターン14Aを形成する(図12(c))。
 こうして、図1に示す本実施形態によるキャパシタを完成する。
 このように、本実施形態によれば、エアロゾルデポジション法により堆積したチタン酸バリウム膜と電極層とを有する複数の基板を積層してキャパシタを形成するので、焼成温度を低温化できるとともに、焼成に伴う応力を抑制することができる。これにより、銅などの低抵抗の金属材料を用いて内部配線を形成することができ、インピーダンス及びインダクタンスを低減することができる。また、積層数を容易に増加することができ、蓄積容量を大幅に増加することができる。
 [第3実施形態]
 第3実施形態によるキャパシタ及びその製造方法について図13を用いて説明する。図1乃至図12に示す第1及び第2実施形態によるキャパシタ及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
 図13は、本実施形態によるキャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
 本実施形態では、図1に示す第1実施形態によるキャパシタの他の製造方法について説明する。
 まず、図3(a)乃至図3(e)に示す第1実施形態によるキャパシタの製造方法と同様にして、銅箔20上に、ビア導体30が埋め込まれたチタン酸バリウム膜24を形成する(図13(a))。なお、チタン酸バリウム膜24は、熱処理を行う前のエアロゾルデポジション膜22であってもよい。
 また、図4(a)乃至図4(e)に示す第1実施形態によるキャパシタの製造方法と同様にして、銅箔32上に、ビア導体38が埋め込まれたエアロゾルデポジション膜34と、ビアパターン12A及び電極パターン14Aを含む銅膜40とを形成する。
 次いで、例えば塩化第二鉄水溶液により、銅箔32を除去する。
 こうして、ビア導体38が埋め込まれ、ビア導体38に接続されたビアパターン12A及び電極パターン14Aを含む銅膜40が形成されたエアロゾルデポジション膜34を、複数枚用意する(図13(b))。
 また、図4(a)乃至図4(d)に示す第1実施形態によるキャパシタの製造方法と同様にして、銅箔42上に、ビア導体46が埋め込まれたエアロゾルデポジション膜44と、ビアパターン12B及び電極パターン14Bを含む銅膜48とを形成する。
 次いで、例えば塩化第二鉄水溶液により、銅箔42を除去する。
 こうして、ビア導体46が埋め込まれ、ビア導体46に接続されたビアパターン12B及び電極パターン14Bを含む銅膜48が形成されたエアロゾルデポジション膜44を、複数枚用意する(図13(c))。
 次いで、チタン酸バリウム膜24を形成した銅箔20上に、用意したエアロゾルデポジション膜44とエアロゾルデポジション膜34とを、下層のビア導体に対してビアパターン及び電極パターンを位置合わせしながら、交互に積層する。
 次いで、このように形成した積層体に圧力をかけながら、例えば、窒素雰囲気中で、800℃~1050℃程度、例えば1000℃、30分間の熱処理を行い、エアロゾルデポジション膜34,44を焼成してチタン酸バリウム膜52,50を形成するとともに、積層体を一体化する(図13(d))。一体化焼成時に、チタン酸バリウム膜24、エアロゾルデポジション膜34,44間に、接合を容易にするための化合物層を形成してもよい。
 次いで、図7(a)乃至図7(c)に示す第1実施形態によるキャパシタの製造方法と同様にして、ビアパターン12B及び電極パターン14Bを含む銅膜54を形成する。また、銅箔20を薄膜化してパターニングし、ビアパターン12A及び電極パターン14Aを形成する(図13(e))。
 この例ではチタン酸バリウム膜もしくはエアロゾルデポジション膜の下地となる銅箔部をエッチングで除去しているが、この銅箔部をハーフエッチして薄膜化した後、ビアパターン及び電極パターンとなるパターンを形成してもよい。
 こうして、図1に示す本実施形態によるキャパシタを完成する。
 このように、本実施形態によれば、エアロゾルデポジション法により堆積したチタン酸バリウム膜と電極層とを有する複数の基板を積層してキャパシタを形成するので、焼成温度を低温化できるとともに、焼成に伴う応力を抑制することができる。これにより、銅などの低抵抗の金属材料を用いて内部配線を形成することができ、インピーダンス及びインダクタンスを低減することができる。また、積層数を容易に増加することができ、蓄積容量を大幅に増加することができる。また、積層体を一括して熱処理することによりキャパシタを形成するので、製造プロセスを大幅に簡略化することができる。
 [第4実施形態]
 第4実施形態による電子装置及びその製造方法について図14及び図15を用いて説明する。図1乃至図13に示す第1乃至第3実施形態によるキャパシタ及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
 図14及び図15は、本実施形態による電子装置の製造方法を示す工程断面図である。
 本実施形態では、第1乃至第3実施形態によるキャパシタを実装したインターポーザの製造方法の一例について説明する。
 まず、例えば図3(a)乃至図7(a)に示す第1実施形態によるキャパシタの製造方法と同様にして、銅箔20上に、キャパシタ60を形成する(図14(a))。なお、本実施形態では、銅箔20上の所定の領域に、キャパシタ60を形成するものとする。
 次いで、キャパシタ60を形成した銅箔20上に、スルービア66が形成された配線板64を、プリプレグ62を介して載置する(図14(b))。なお、キャパシタ60の形成領域に対応する部分の配線板64は刳り貫かれており、この刳り貫き部分にキャパシタ60が嵌合するようになっている。
 次いで、配線板64を嵌め込んだ銅箔20上に、プリプレグ68を形成した銅箔70を重ね合わせる(図14(c))。なお、プリプレグ68を形成した銅箔70を用いる代わりに、銅箔なしのプリプレグを用いてもよい。
 次いで、銅箔20と銅箔70との間に圧力をかけながら熱処理を行い、銅箔20、キャパシタ60、配線板64、及び銅箔70の間隙をプリプレグ62,68で充填し、焼成して絶縁層72を形成するとともに、これらを一体化する(図14(d))。
 次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、銅箔20,70を所定のパターンに加工する(図15(a))。
 次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、絶縁膜72に、スルービア66及びキャパシタの電極に接続されるビア孔74を形成する(図15(b))。
 次いで、ビア孔74内に、例えばめっき法により、ビア導体76を充填する(図15(c))。
 表面・裏面に残留した銅箔は、エッチングで除去するようにしてもよい。
 こうして、キャパシタ60を内蔵したインターポーザを完成する。
 このように、本実施形態によれば、高容量でインピーダンス及びインダクタンスが小さく信頼性の高いキャパシタを内蔵したインターポーザを形成することができる。
 [第5実施形態]
 第5実施形態による電子装置及びその製造方法について図16及び図17を用いて説明する。図1乃至図13に示す第1乃至第3実施形態によるキャパシタ及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
 図16及び図17は、本実施形態による電子装置の製造方法を示す工程断面図である。
 本実施形態では、第1乃至第3実施形態によるキャパシタを実装したインターポーザの製造方法の他の例について説明する。
 まず、例えばスクリーン印刷により、銅箔80上に、導体バンプ82を形成する(図16(a))。
 次いで、導体バンプ82を形成した銅箔80上に、導体バンプ82の上部が突き出るように絶縁材料のプリプレグ84を積層する。
 次いで、導体バンプ82の上部が突き出たプリプレグ84上に、例えば図11(a)に示すキャパシタの基本構造体86を、導体バンプ82と電極層48とが接続されるように位置合わせして積層する(図16(b))。
 次いで、銅箔42をハーフエッチングして薄膜化した後、薄膜化した銅箔42をパターニングし、ビアパターン12A及び電極パターン14Aを形成する。
 次いで、銅箔80をパターニングし、電極パターン80Aを形成する(図16(c))。
 次いで、例えばスクリーン印刷により、キャパシタの基本構造体86を載置したプリプレグ84上に、導体バンプ88を形成する(図16(d))。
 次いで、導体バンプ88を形成したプリプレグ84上及びキャパシタの基本構造体86上に、導体バンプ88の上部が突き出るように絶縁材料のプリプレグ90を積層する(図16(e))。
 次いで、このように形成した複数の積層体を積層する(図17(a))。
 次いで、最上層のプリプレグ90上に、銅箔92を堆積し、全体をキュアして一体化する。
 その後、最上層はパターニングし、電極パターン92Aを形成する(図17(b))。
 こうして、キャパシタを内蔵したインターポーザを完成する。
 このように、本実施形態によれば、高容量でインピーダンス及びインダクタンスが小さく信頼性の高いキャパシタを内蔵したインターポーザを形成することができる。
 [第6実施形態]
 第6実施形態による電子装置について図18及び図19を用いて説明する。図1乃至図13に示す第1乃至第3実施形態によるキャパシタ及びその製造方法、並びに、図14乃至図17に示す第4及び第5実施形態による電子装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
 図18及び図19は、本実施形態による電子装置の構造を示す概略断面図である。
 図18に示す電子装置は、キャパシタ204を内蔵したインターポーザ202を介して多層回路基板200上に半導体素子206を実装したものである。インターポーザ202としては、例えば、第4又は第5実施形態のインターポーザを適用することができる。多層回路基板200とインターポーザ202との間、及びインターポーザ202と半導体素子206との間の接続は、はんだバンプ等の突起状電極208を介して行われている。インターポーザ202に内蔵されたキャパシタ204は、例えば、半導体素子206へ接続される電源回路のデカップリングキャパシタとして用いることができる。
 また、第4又は第5実施形態の製造方法と同様の製造プロセスを用いることにより、例えば図19に示すように、多層回路基板200内にキャパシタ204を内蔵することもできる。この場合も、多層回路基板200に内蔵されたキャパシタ204は、例えば、半導体素子206へ接続される電源回路のデカップリングキャパシタとして用いることができる。
 前述のように、第1乃至第3実施形態によるキャパシタは、銅などの低抵抗の金属材料を用いて内部配線を形成することが可能である。また、層数を増やすことによって容易に蓄積容量を増加することができる。これにより、高容量でインダクタンス・インダクタンスの小さいキャパシタを実現することができる。また、スルービア構造を有しており、キャパシタ電極からの引き出し線を、キャパシタの上部及び下部へ容易に接続することができる。
 したがって、第1乃至第3実施形態によるキャパシタ60を内蔵したインターポーザ202や多層回路基板200を形成することにより、キャパシタ204と半導体素子206との間の配線長を短くすることができる。これにより、例えば、デカップリングキャパシタや電源供給系のインピーダンスを低く抑えることが可能となり、電子装置の高性能化を図ることができる。
 このように、本実施形態によれば、高容量でインピーダンス及びインダクタンスが小さく信頼性の高いキャパシタを内蔵した高性能の電子機器を形成することができる。
 [変形実施形態]
 上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
 例えば、上記第1実施形態では、銅箔32,42上にエアロゾルデポジション膜34,44を形成しているが、エアロゾルデポジション膜34,44の下地となる基板は、必ずしも銅箔32,42である必要はない。この下地基板は、少なくとも、エアロゾルデポジション膜34,44の焼成温度に耐えうるものであればよい。また、ビア導体38,46を電界めっき法により形成する場合にあっては、導電性を有することが望ましいが、スパッタ法等の他の方法によりビア導体38,46を形成する場合にあっては、必ずしも導電性を有する必要はない。
 また、上記第5実施形態では、キャパシタの基本構造体86を導体バンプを介して積層した例を示したが、第1乃至第3実施形態と同様にして、キャパシタの基本構造体86を2層以上積層したキャパシタを導体バンプを介して積層してもよい。
 また、キャパシタを内蔵したインターポーザや多層回路基板は、図14乃至図19に記載した構造及び製造方法に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更が可能である。
 [実施例1]
 第1実施形態によるキャパシタの製造方法を用いて、薄膜積層キャパシタを形成した。
 チタン酸バリウム膜の膜厚は1μmとし、積層数は20層とした。電極層間を接続するためのビア径は50μm、ビアピッチは150μmとした。なお、積層数について検討したところ、50層程度の積層が可能であることが判った。
 上記方法により形成した多層構造のキャパシタについてチタン酸バリウム膜の誘電率を測定したところ、1500程度であった。また、単位面積当たりのキャパシタ容量は、26μF/cmであった。また、キャパシタのインダクタンスは3pH程度であった。
 電極間に3.5Vを印加し温度130℃、湿度85%の環境下で168時間のHAST信頼性評価を行ったところ、信頼性に問題はなかった。
 [実施例2]
 チタン酸バリウム膜上にエアロゾルデポジション膜を積層する際に、界面にエアロゾルデポジション法により膜厚100nmのLiF粉末を塗布するほかは実施例1と同様の手法により、薄膜積層キャパシタを形成した。
 チタン酸バリウム膜の膜厚は1μmとし、積層数は20層とした。電極層間を接続するためのビア径は50μm、ビアピッチは150μmとした。なお、積層数について検討したところ、50層程度の積層が可能であることが判った。
 上記方法により形成した多層構造のキャパシタについてチタン酸バリウム膜の誘電率を測定したところ、1000程度であった。また、単位面積当たりのキャパシタ容量は、17μF/cmであった。また、キャパシタのインダクタンスは3pH程度であった。
 電極間に3.5Vを印加し温度130℃、湿度85%の環境下で168時間のHAST信頼性評価を行ったところ、信頼性に問題はなかった。
 [実施例3]
 第3実施形態によるキャパシタの製造方法を用いて、薄膜積層キャパシタを形成した。
 チタン酸バリウム膜の膜厚は1μmとし、積層数は50層とした。電極層間を接続するためのビア径は50μm、ビアピッチは150μmとした。なお、積層数について検討したところ、100層程度の積層が可能であることが判った。
 上記方法により形成した多層構造のキャパシタについてチタン酸バリウム膜の誘電率を測定したところ、1500程度であった。また、単位面積当たりのキャパシタ容量は、65μF/cmであった。また、キャパシタのインダクタンスは3pH程度であった。
 電極間に3.5Vを印加し温度130℃、湿度85%の環境下で168時間のHAST信頼性評価を行ったところ、信頼性に問題はなかった。
 [実施例4]
 チタン酸バリウム膜上にエアロゾルデポジション膜を積層する際に、界面にエアロゾルデポジション法により膜厚50nmのLiF粉末を塗布するほかは実施例3と同様の手法により、薄膜積層キャパシタを形成した。
 チタン酸バリウム膜の膜厚は1μmとし、積層数は50層とした。電極層間を接続するためのビア径は50μm、ビアピッチは150μmとした。なお、積層数について検討したところ、100層程度の積層が可能であることが判った。
 上記方法により形成した多層構造のキャパシタについてチタン酸バリウム膜の誘電率を測定したところ、1500程度であった。また、単位面積当たりのキャパシタ容量は、44μF/cmであった。また、キャパシタのインダクタンスは3pH程度であった。
 電極間に3.5Vを印加し温度130℃、湿度85%の環境下で168時間のHAST信頼性評価を行ったところ、信頼性に問題はなかった。
 [比較例1]
 シリコンウェーハ上に、スパッタ法により、Ti/Pt構造の電極を形成した。
 次いで、この電極上に、チタン酸バリウム組成に調整したアルコキシド液を塗布し、膜厚300nmのゾルゲル膜を形成した。
 次いで、酸素を含む雰囲気中で600℃、30分間の熱処理を行い、ゾルゲル膜の液体成分を除去し、チタン酸バリウム膜を形成した。
 次いで、Pt電極の形成とチタン酸バリウム膜の形成とを繰り返し行い、薄膜積層キャパシタを形成した。電極層間を接続するためのビア径は50μm、ビアピッチは150μmとした。
 上記方法で多層構造のキャパシタを形成したところ、ゾルゲル膜の熱収縮や熱応力の発生等によりチタン酸バリウム膜にクラックが発生し、3層の誘電体層を積層するのが限界であった。
 上記方法により形成した多層構造のキャパシタについてチタン酸バリウム膜の誘電率を測定したところ、400程度であった。また、単位面積当たりのキャパシタ容量は、3.5μF/cmであった。また、キャパシタのインダクタンスは10pHであった。
 電極間に3.5Vを印加し温度130℃、湿度85%の環境下で168時間のHAST信頼性評価を行ったところ、チタン酸バリウム膜へのクラックの導入によるリーク電流が確認された。
 なお、本方法では、酸素アニール大気アニールなど、酸素を含む雰囲気中でのアニールが必要であるため、電極層としては耐酸化性の高いPtを用いている。
 [比較例2]
 チタン酸バリウム膜をスパッタ法により形成する点を除き、比較例1と同様の方法により、薄膜積層キャパシタを形成した。
 チタン酸バリウム膜は、チタン酸バリウム組成に調整したターゲットを用いてスパッタ膜を堆積後、酸素を含む雰囲気中で600℃、30分間の熱処理を行い結晶化することにより、形成した。チタン酸バリウム膜の膜厚は、200nmとした。電極層間を接続するためのビア径は50μm、ビアピッチは150μmとした。
 上記方法で多層構造のキャパシタを形成したところ、結晶化の際の熱収縮や熱応力の発生等によりチタン酸バリウム膜にクラックが発生し、3層の誘電体層を積層するのが限界であった。
 上記方法により形成した多層構造のキャパシタについてチタン酸バリウム膜の誘電率を測定したところ、350程度であった。また、単位面積当たりのキャパシタ容量は、4.5μF/cmであった。また、キャパシタのインダクタンスは10pHであった。
 電極間に3.5Vを印加し温度130℃、湿度85%の環境下で168時間のHAST信頼性評価を行ったところ、チタン酸バリウム膜へのクラックの導入によるリーク電流が確認された。
 なお、本方法では、酸素を含む雰囲気中でのアニールが必要であるため、電極層としては耐酸化性の高いPtを用いている。
 [比較例3]
 チタン酸バリウムグリーンシートにビア孔を形成し、ビア孔内にNiペーストを充填した。また、グリーンシート表面には、Niペーストで電極パターンをスクリーン印刷した。電極層間を接続するためのビア径は100μm、ビアピッチは350μmとした。
 次いで、このように形成したグリーンシートをパターンG,Vを交互に配置し、積層し、一体化した。
 次いで、1350℃、30分間の熱処理を行い、この積層体を焼成し、薄膜積層キャパシタを形成した。
 チタン酸バリウム膜の膜厚は5μmとし、積層数は20層とした。なお、積層数について検討したところでは、100層程度の積層が可能であることが判った。
 上記方法により形成した多層構造のキャパシタについてチタン酸バリウム膜の誘電率を測定したところ、3000程度であった。また、単位面積当たりのキャパシタ容量は、10μF/cmであった。また、キャパシタのインダクタンスは8pHであった。
 電極間に3.5Vを印加し温度130℃、湿度85%の環境下で168時間のHAST信頼性評価を行ったところ、信頼性に問題はなかった。
 ただし、スクリーン印刷を用いる本方法は、ビア径及びビアピッチの微細化は困難である。また、電極材料としてはチタン酸バリウムグリーンシートの焼成温度に耐えうる材料により形成する必要があり、ここでは高融点金属のNiを用いている。
10…電極層
12…ビアパターン
14…配線パターン
16…誘電体層
18…ビア導体
20,32,42…銅箔
22,34,44…エアロゾルデポジション膜
24,50,52…チタン酸バリウム膜
26…フォトレジスト膜
28,36…ビア孔
30,38,46…ビア導体
40,48…電極層
60…キャパシタ
62,68…プリプレグ
64…配線板
66…スルービア
70…銅箔
72…絶縁層
74…ビア孔
76…ビア導体
80,92…銅箔
82…導体バンプ
84,90…プリプレグ
86…キャパシタの基本構造体
88…導体バンプ
101…成膜室
102…基板保持部材
103…成膜基板
104…成膜ノズル
105…エアロゾル用配管
106…エアロゾル発生器
107…キャリアガス供給手段
108…真空ポンプ
109…超音波振動器
110…酸素ガスタンク
111,114,116…配管
112,115…流量計
113…窒素ガスタンク
117…支柱
118…XYZθステージ
120…エアロゾル
130…表面非晶質層形成装置
200…多層回路基板
202…インターポーザ
204…キャパシタ
206…半導体素子
208…突起状電極
 

Claims (11)

  1.  第1の金属箔上に、ノズルを用いてドライ状態のセラミック粒子を吹き付ける方法により、酸化バリウムを含むセラミックス材料の第1の誘電体膜を形成する工程と、
     前記第1の誘電体膜に、前記第1の金属箔に接続された第1のビア導体及び第2のビア導体を埋め込む工程と、
     前記第1の誘電体膜上に、前記第1のビア導体に接続された第1の電極パターンを形成する工程と、
     前記第1の金属箔をパターニングし、前記第2のビア導体に接続された第2の電極パターンを形成する工程と
     を有することを特徴とするキャパシタの製造方法。
  2.  請求項1記載のキャパシタの製造方法において、
     前記第1の電極パターンを形成する工程は、
     第2の金属箔上に、ノズルを用いてドライ状態のセラミック粒子を吹き付ける方法により、酸化バリウムを含むセラミックス材料の第2の誘電体膜を形成する工程と、
     前記第2の誘電体膜に、前記第2の金属箔に接続された第3のビア導体及び第4のビア導体を埋め込む工程と、
     前記第2の誘電体膜上に、前記第3のビア導体に接続された前記第1の電極パターンを形成する工程と、
     前記第1のビア導体と前記第1の電極パターンとが接続されるように、前記第2のビア導体と前記第4のビア導体とが接続されるように、前記第1の誘電体膜と前記第2の誘電体膜とを接合する工程とを有する
     ことを特徴とするキャパシタの製造方法。
  3.  請求項2記載のキャパシタの製造方法において、
     前記第1の電極パターンを形成する工程の後、前記第4のビア導体に接続された第3の電極パターンを形成する工程を更に有する
     ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4.  請求項3記載のキャパシタの製造方法において、
     前記第3の電極パターンを形成する工程は、
     前記第2の金属箔を除去する工程と、前記第2の誘電体膜上に前記第3の電極パターンを形成する工程とを有する
     ことを特徴とするキャパシタの製造方法。
  5.  請求項3記載のキャパシタの製造方法において、
     前記第3の電極パターンを形成する工程では、前記第2の金属箔をパターニングすることにより、前記第3の電極パターンを形成する
     ことを特徴とするキャパシタの製造方法。
  6.  請求項1乃至5のいずれか1項に記載のキャパシタの製造方法において、
     前記金属箔、前記ビア導体、及び前記電極パターンの材料の融点よりも低い温度で前記誘電体膜を焼成する熱処理工程を更に有する
     ことを特徴とするキャパシタの製造方法。
  7.  第1の金属箔上に、ノズルを用いてドライ状態のセラミック粒子を吹き付ける方法により、酸化バリウムを含むセラミックス材料の第1の誘電体膜を形成する工程と、前記第1の誘電体膜に、前記第1の金属箔に接続された第1のビア導体及び第2のビア導体を埋め込む工程と、前記第1の誘電体膜上に、前記第1のビア導体に接続された第1の電極パターンを形成する工程と、前記第1の金属箔を除去する工程とを含み、第1のビア導体及び第2のビア導体が埋め込まれた第1の誘電体膜と、前記第1のビア導体に接続された第1の電極パターンとを有する複数の第1の基板を形成する工程と、
     第2の金属箔上に、ノズルを用いてドライ状態のセラミック粒子を吹き付ける方法により、酸化バリウムを含むセラミックス材料の第2の誘電体膜を形成する工程と、前記第2の誘電体膜に、前記第2の金属箔に接続された第3のビア導体及び第4のビア導体を埋め込む工程と、前記第2の誘電体膜上に、前記第3のビア導体に接続された第2の電極パターンを形成する工程と、前記第2の金属箔を除去する工程とを含み、第3のビア導体及び第4のビア導体が埋め込まれた第2の誘電体膜と、前記第3のビア導体に接続された第2の電極パターンとを有する複数の第2の基板を形成する工程と、
     前記第1の基板と前記第2の基板とを、前記第1の配線パターンが前記第1のビア導体と前記第4のビア導体に対して交互に接続され、前記第2の配線パターンが前記第3のビア導体と前記第2のビア導体に対して交互に接続されるように、繰り返し積層する工程と
     を有することを特徴とするキャパシタの製造方法。
  8.  請求項7記載のキャパシタの製造方法において、
     前記ビア導体及び前記電極パターンの材料の融点よりも低い温度で熱処理を行い、前記誘電体膜を焼成するとともに、積層した複数の前記第1の基板と複数の前記第2の基板とを一体化する工程を更に有する
     ことを特徴とするキャパシタの製造方法。
  9.  請求項1乃至8のいずれか1項に記載のキャパシタの製造方法において、
     前記金属箔、前記ビア導体、及び前記電極パターンは、銅により形成されている
     ことを特徴とするキャパシタの製造方法。
  10.  請求項1乃至9のいずれか1項に記載のキャパシタの製造方法において、
     前記誘電体膜を形成する工程では、表面を非晶質層に改質した材料粒子を含む液体を含まないエアロゾルを前記金属箔に噴射することにより、前記誘電体膜を形成する
     ことを特徴とするキャパシタの製造方法。
  11.  銅により形成された複数の電極層と、酸化バリウムを含むセラミックス材料により形成された複数の誘電体層とが交互に積層された積層体と、
     前記積層体を貫くように形成され、奇数層目の前記電極層を互いに電気的に接続する第1のスルービアと、
     前記積層体を貫くように形成され、偶数層目の前記電極層を互いに電気的に接続する第2のスルービアと
     を有することを特徴とするキャパシタ。
     
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