(57)【要約】【課題】絶縁膜と基板との剥離を抑制するためのデバイス構造を有する薄膜コンデンサを提供する。【解決手段】薄膜コンデンサ１００は、下部電極２０、誘電体膜３０、及び上部電極４０が基板１０上に順次積層されてなる積層構造を有する。下部電極２０の側面は、誘電体膜３０を介して密着層４１が形成されており、この積層構造は、密着層４１に接する絶縁膜５０によって被覆されている。斯かるデバイス構造によれば、絶縁膜５０との密着性に優れた密着層４１が絶縁膜５０と誘電体膜３０との間に介在しているので、絶縁膜５０の剥離を抑制できる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電極、誘電体膜、及び第二の電極が基板上に順次積層されてなる積層構造を有する薄膜コンデンサであって、
前記第一の電極の側面には、前記誘電体膜を介して密着層が形成されており、
前記積層構造は、前記密着層に接する絶縁膜によって被覆されている、薄膜コンデンサ。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜コンデンサであって、前記密着層は、前記誘電体膜よりも酸化し易い材質から成る、薄膜コンデンサ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の薄膜コンデンサであって、前記絶縁膜の開口部から引き出され、且つ前記第二の電極に電気的に接続する電極引き出し部を更に備える、薄膜コンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁膜と基板との間の剥離を抑制するためのデバイス構造を有する薄膜コンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜コンデンサは、半導体デバイス、実装用回路基板、電子回路などで幅広く利用されており、そのデバイス構造については、高信頼性の観点から様々な構造が検討されている。例えば、特開２００６−５２９３号公報には、下部電極、誘電体膜、及び上部電極が基板上に順次積層されてなる積層構造を有する薄膜コンデンサのデバイス構造として、誘電体膜を露出させるための開口部を有するとともに、誘電体膜の周縁部を覆うための絶縁樹脂層を形成し、絶縁樹脂層の開口部から露出する誘電体膜上に上部電極を積層するデバイス構造が提案されている。このようなデバイス構造によれば、下部電極と上部電極との間の誘電体膜のカバレッジ不良部分を絶縁樹脂層によって被覆できるので、ブレイクダウン電圧の低下を抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−５２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、同公報に開示のデバイス構造では、下部電極は段差を有しているため、下部電極上の積層構造を被覆する絶縁樹脂層の厚みと、下部電極の側面と基板を被覆する絶縁樹脂層の厚みは異なる。このような絶縁樹脂層の厚みの相違は、絶縁樹脂層の熱膨張係数と下部電極の熱膨張係数とが異なることに起因して発生する応力に影響を与え、下部電極の側面部分における絶縁樹脂層の剥離要因に成り得る。
【０００５】
そこで、本発明は、上述の問題を解決し、絶縁膜と基板との剥離を抑制するためのデバイス構造を有する薄膜コンデンサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するため、本発明に係わる薄膜コンデンサは、第一の電極、誘電体膜、及び第二の電極が基板上に順次積層されてなる積層構造を有しており、第一の電極の側面には、誘電体膜を介して密着層が形成されており、この積層構造は、密着層に接する絶縁膜によって被覆されている。斯かるデバイス構造によれば、絶縁膜との密着性に優れた密着層が絶縁膜と誘電体膜との間に介在しているので、絶縁膜の熱膨張又は熱収縮などに起因する絶縁膜剥離を抑制できる。
【０００７】
このような密着層としては、例えば、誘電体膜よりも酸化し易い材質から成る金属薄膜が好ましい。これにより、絶縁膜中の酸素分子は、酸化反応などによって密着層に取り込まれ易くなるので、誘電体膜が絶縁膜から酸素分子を取り込むことに起因する誘電体膜の組成変化による薄膜コンデンサの特性劣化等を抑制できる。
【０００８】
密着層の好適な実施形態として、例えば、第二の電極を電気めっきにより析出形成するためのシード層を挙げることができる。このようなシード層は、所定の薄膜プロセスによって、第一の電極の側面及び上面に誘電体膜を介して成膜することが可能である。第一の電極の上面に誘電体膜を介して成膜されたシード層を物理的なエッチングで除去することにより、第一の電極の側面に誘電体膜を介して密着層としてのシード層を形成できる。
【０００９】
また、上述のデバイス構造に加え、絶縁膜の開口部から引き出され、且つ第二の電極に電気的に接続する電極引き出し部を形成することが好ましい。この電極引き出し部は、絶縁膜と基板との間の剥離を抑制する上で効果的である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、絶縁膜と基板との剥離を抑制するためのデバイス構造を有する薄膜コンデンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係わる薄膜コンデンサの製造工程断面図である。
【図２】本実施形態に係わる薄膜コンデンサの製造工程断面図である。
【図３】本実施形態に係わる薄膜コンデンサの製造工程断面図である。
【図４】本実施形態に係わる薄膜コンデンサの製造工程断面図である。
【図５】本実施形態に係わる薄膜コンデンサの製造工程断面図である。
【図６】本実施形態に係わる薄膜コンデンサの製造工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、各図を参照しながら本実施形態に係わる薄膜コンデンサ１００のデバイス構造及びその製造工程について説明する。同一のデバイス層には、同一の符号を付すものとし、重複する説明を省略する。
【００１３】
まず、図６（Ａ）を参照しながら薄膜コンデンサ１００のデバイス構造を概略説明する。
薄膜コンデンサ１００は、下部電極２０、誘電体膜３０、及び上部電極４０がこの順に基板１０上に積層されたデバイス構造を有する。基板１０上には平坦化層１１を介して下部電極２０が形成されている。下部電極２０は、例えば、電気めっきにより金属薄膜を析出させるためのシード層２１と、析出金属から成る導電層２２との二層構造を有する。下部電極２０の上面及び側面には、誘電体膜３０がほぼ一様な膜厚で形成されている。下部電極２０上には誘電体膜３０を介して上部電極４０が形成されている。上部電極４０は、例えば、電気めっきにより金属薄膜を析出させるためのシード層４１と、析出金属から成る導電層４２との二層構造を有する。下部電極２０上のシード層４１は、上部電極４０を形成する過程で除去されるが、製造プロセスの過程において、下部電極２０の側面には、シード層４１の一部が誘電体膜３０を介して残存している。この残存しているシード層４１の機能については、後述する。下部電極２０、誘電体膜３０、及び上部電極４０の積層構造は、絶縁膜５０によって被覆される。絶縁膜５０上には、絶縁膜内部を貫通して下部電極２０に電気的に接続する下部電極引き出し部６１と、絶縁膜内部を貫通して上部電極４０に電気的に接続する上部電極引き出し部６２とが形成される。
【００１４】
次に、図１乃至図６を参照しながら薄膜コンデンサ１００の製造工程について説明する。
まず、図１（Ａ）に示すように、基板１０上にスパッタ法などの薄膜成膜法を用いて平坦化層１１を形成し、その表面を基板研削或いはＣＭＰなどの鏡面化処理を行なって平滑化する。基板１０としては、化学的・熱的に安定で応力発生が少なく、表面の平滑性を保つことができる基板であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン単結晶基板、アルミナ、サファイア、窒化アルミ、ＭｇＯ単結晶、ＳｒＴｉＯ3単結晶、表面酸化シリコン、ガラス、石英などが好適である。また、平坦化層１１としては、基板１０と同じ材質が好ましく、例えば、アルミナ、二酸化珪素が好適である。
【００１５】
次に、図１（Ｂ）に示すように、電気めっきを用いて下部電極２０を析出形成するためのシード層２１をスパッタ法又はＣＶＤ法などで平坦化層１１上に形成する。続いて図１（Ｃ）に示すように、シード層２１上にレジスト層９１をスピンコートし、下部電極２０が形成される箇所のシード層２１が表面に露出するようにレジスト層９１をパターニングして、現像液によって除去する。次に、図２（Ａ）に示すように、表面に露出しているシード層２１上に電気めっきを用いて導電層２２を析出形成する。例えば、Ｃｕめっきにより、導電層２２を形成するには、硫酸に硫酸銅を加えたものをベースとして、所定の添加剤を加えた銅イオンを含む溶液中にシード層２１を浸し、シード層２１を陰極として、溶液中の銅イオンをシード層２１上に析出させればよい。このようにして、導電層２２が形成されたならば、図２（Ｂ）に示すように、シード層２１上に残存しているレジスト層９１を除去し、レジスト層除去後に表面に露出するシード層２１を、図２（Ｃ）に示すように、エッチング液を用いて選択的に除去するか、或いはイオンミリングなどの物理的なエッチングで除去する（但し、エッチング量を正確に制御する観点からイオンミリングがより好ましい。）。以上の工程を経て、シード層２１及び導電層２２から成る下部電極２０が基板１０上に形成される。
【００１６】
なお、下部電極２０の材質は、銅に限定されるものではなく、薄膜コンデンサの電極として通常用いられている公知の材質を適用できる。例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｅ等の金属やその合金、及び導電性の金属酸化物などが挙げられる。また、下部電極２０の形成方法は、電気めっきに限定されるものではなく、例えば、スパッタ法、電子ビーム蒸着、スクリーン印刷などを適用できる。導電層２２の形状は特に限定されるものではないが、基板１０の表面に垂直な平面で導電層２２を切断したときの断面形状は、導電層２２の頂部面積よりもその底部面積の方が小さい逆台形形状が好ましい。導電層２２をこのような形状に加工することで、絶縁膜５０の剥離を効果的に抑制できる。なお、平坦化層１１とシード層２１との間に密着性を高めるための金属層（例えばクロム、チタンなど）を形成してもよい。
【００１７】
次に、図３（Ａ）に示すように、下部電極２０の上面及び側面を含む基板表面全面に誘電体膜３０を成膜する。誘電体膜３０としては、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）や酸化シリコン（ＳｉＯｘ）などの常誘電体材料の他、公知の強誘電体材料などを利用することができる。強誘電体材料としては、例えば、チタン酸塩系材料、錫酸塩系材料、ジルコン酸塩系材料、ニオブ酸塩系材料、タンタル酸塩系材料、ビスマス層状系材料などが挙げられる。特に、薄膜コンデンサの用途には、絶縁性が高いことが重要であるため、実際の組成は、化学量論組成から組成比率をずらして使用することもでき、さらに多くの金属酸化物を組み合わせて用いることも可能である。誘電体膜３０の成膜法としては、例えば、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ゾルゲル法、電子ビーム蒸着法などを適用できる。
【００１８】
次に、図３（Ｂ）に示すように、電気めっきを用いて上部電極４０を析出形成するためのシード層４１をスパッタ法又はＣＶＤ法などで誘電体膜３０の全面に形成する。続いて、図３（Ｃ）に示すように、シード層４１上にレジスト層９２をスピンコートし、上部電極が形成される箇所のシード層４１が表面に露出するようにレジスト層９２をパターニングして、現像液によって除去する。次に、図４（Ａ）に示すように、表面に露出しているシード層４１上に電気めっきを用いて導電層４２を析出形成する。導電層４２が形成されたならば、図４（Ｂ）に示すように、シード層４１上に残存しているレジスト層９２を除去する。なお、導電層４２の形状は特に限定されるものではないが、基板１０の表面に垂直な平面で導電層４２を切断したときの断面形状は、導電層４２の頂部面積よりもその底部面積の方が小さい逆台形形状が好ましい。導電層４２をこのような形状に加工することで、絶縁膜５０の剥離を効果的に抑制できる。
【００１９】
次に、図４（Ｃ）に示すように、レジスト層除去後に下部電極２０の上面に露出するシード層４１をイオンミリングなどのイオン照射による物理的な異方性エッチングで除去する。このとき、シード層４１の表面を滑らかにミリングするには、基板表面に対して斜めからイオンビームを照射する方法が効果的であるが、この方法では、配線（図示せず）が入り組んでいる箇所には、イオンビームが当たり難くなるので、基板１０を回転させる等の手段を加えても、そのような箇所のミリング速度は、配線が入り組んでいない箇所のミリング速度より相対的に遅くなる。その結果、配線が入り組んでいる箇所のシード層４１を完全に除去するために、ミリング量は必然的に多くなる。薄膜コンデンサ１００の耐電圧は、シード層４１のミリング後に下部電極２０上に残存している誘電体膜３０の膜厚に依存するので、耐電圧低下を抑制するには、誘電体膜３０のオーバーエッチングを最小限に抑えるミリング方法が望ましい。
【００２０】
このようなオーバーエッチングを最小限に抑えるミリング方法として、本実施形態では、基板表面に対してほぼ垂直にイオンビームを照射することで、配線が入り組んでいる箇所とそうでない箇所との間のミリング速度差を低減し、配線が入り組んでいる箇所のシード層４１のミリングを確実に行いつつ、配線が入り組んでいない箇所の誘電体膜３０のオーバーエッチングを最小限に抑えることができる。但し、下部電極２０と上部電極４０との間に介在する誘電体膜３０の膜厚は、下部電極２０と上部電極４０との間以外に形成されている誘電体膜３０の膜厚よりも厚くなるように下部電極２０の上面に露出するシード層４１の下の誘電体膜３０に至るまでオーバーエッチングを施してもよい。なお、イオンミリングのような物理的なエッチングにより下部電極２０の上面に露出するシード層４１を除去すると、下部電極２０の側面には、誘電体膜３０を介してシード層４１が残存する。以上の工程を経て、シード層４１及び導電層４２から成る上部電極４０が誘電体膜３０上に形成される。
【００２１】
次に、図５（Ａ）に示すように、下部電極２０、誘電体膜３０、及び上部電極４０が形成された基板１０の上に絶縁膜５０を形成し、下部電極２０上の誘電体膜３０の一部を露出させるための開口部５１、及び上部電極４０の一部を露出させるための開口部５２を形成する。絶縁膜５０としては、適度な耐熱性・機械的強度を有する絶縁性の薄膜であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2、ポリイミド樹脂、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などが好適である。絶縁膜５０として、ポリイミド樹脂を用いる場合、例えば、スピンコート法によりポリイミドを塗布し、これを熱処理により固化させ、開口部５１，５２の形状に合わせてパターニングされたレジスト膜（図示せず）をマスクとして、反応性イオンエッチングにより絶縁膜５０を選択的にエッチング除去して開口部５１，５２を形成すればよい。
【００２２】
次に、図５（Ｂ）に示すように、開口部５１以外の絶縁膜５０を被覆するスルーホール形成用のレジスト層９３を形成し、図５（Ｃ）に示すように、このレジスト層９３をマスクとして、開口部５１の底に露出する誘電体膜３０をエッチングによって選択的に除去し、下部電極２０用のスルーホールを形成する。スルーホール形成後、レジスト層９３を除去し、図６（Ａ）に示すように、開口部５１から引き出されて下部電極２０に電気的に接続する下部電極引き出し部６１と、開口部５２から引き出されて上部電極４０に電気的に接続する上部電極引き出し部６２を形成する。下部電極引き出し部６１、及び上部電極引き出し部６２の材質は、スパッタ法や電子ビーム蒸着法などの各種薄膜成膜法に適した導電性材質であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、アルミニウムを用いる場合、絶縁膜５０上にアルミニウム薄膜を成膜し、ハロゲン原子含有ガス（例えば、塩素系ガス）を用いた反応性イオンエッチングによりアルミニウム薄膜をパターニングして、下部電極２０に接続する下部電極引き出し部６１、及び上部電極４０に接続する上部電極引き出し部６２を形成すればよい。なお、絶縁膜５０上に形成された下部電極引き出し部６１及び上部電極引き出し部６２は、絶縁膜５０と基板１０との間の剥離を抑制する上で効果的である。
【００２３】
次に、図６（Ｂ）に示すように、表面に露出している絶縁膜５０、下部電極引き出し部６１、及び上部電極引き出し部６２を被覆する樹脂封止層７０を形成し、その後、図６（Ｃ）に示すように、薄膜コンデンサ１００の側面端子８０を例えばバレルめっきなどにより形成する。以上の工程を経て、薄膜コンデンサ１００が完成する。
【００２４】
上述の製造工程により製造された薄膜コンデンサ１００は、以下の特徴を有する。
（１）密着層
下部電極２０の側面に誘電体膜３０を介して残存しているシード層４１は、化学反応性に富んでおり、化学的に安定している誘電体膜３０よりも、絶縁膜５０との密着性に優れている。このため、下部電極２０の側面に誘電体膜３０を介して残存しているシード層４１は、絶縁膜５０と基板１０との間の剥離を抑制するための密着層として機能する。このような密着層は、上述のシード層４１に限られるものではなく、例えば、薄膜コンデンサ１００の製造工程において下部電極２０の側面に誘電体膜３０を介して残存し、且つ誘電体膜３０との化学反応（特に好ましくは酸化反応）に富む性質を有する金属膜でもよい。また、熱膨張又は熱収縮のときに密着層と絶縁膜５０との間に作用する応力を考慮すると、密着層として機能する金属膜の熱膨張係数と絶縁膜５０の熱膨張係数との差は少ない方が望ましい。
【００２５】
ここで、密着層としてのシード層４１の効果を確認するための実施例及び比較例を以下に記す。
【実施例】
【００２６】
プラズマＣＶＤ法により成膜したＳｉＮｘ膜（誘電体膜）上にＣｕ膜（シード層）をスパッタ法により成膜した。感光性ポリイミド樹脂（絶縁膜）をＣｕ膜（シード層）上に成膜し、これを様々なサイズ（６μｍ角〜３０μ角の正方形）にパターニングした。感光性ポリイミド樹脂として、東レ社製ＰＮ２０５０を使用した。シャワーによる現像液散布後のポリイミド樹脂（絶縁膜）は、どのサイズでも剥離することはなかった。この結果は、Ｃｕ膜（シード層）とポリイミド樹脂（絶縁膜）との密着性が良好であることを示している。
【比較例】
【００２７】
プラズマＣＶＤ法により成膜したＳｉＮｘ膜（誘電体膜）上に感光性ポリイミド樹脂（絶縁膜）を成膜し、これを様々なサイズ（６μｍ角〜３０μ角の正方形）にパターニングした。感光性ポリイミド樹脂として、東レ社製ＰＮ２０５０を使用した。シャワーによる現像液散布後のポリイミド樹脂（絶縁膜）は、どのサイズでも剥離した。この結果は、ＳｉＮｘ膜（誘電体膜）とポリイミド樹脂（絶縁膜）との密着性が良好でないことを示している。
【００２８】
（２）耐電圧性能及び加工精度
基板表面に対してほぼ垂直にイオンビームを照射することにより、配線が入り組んでいる箇所とそうでない箇所との間のミリング速度差を低減し、シード層４１除去時の誘電体膜３０のミリング量を最小限に抑えることが可能になる。これにより、薄膜コンデンサ１００の耐電圧低下を抑制できる。また、薄膜コンデンサ１００の容量は、上部電極４０と下部電極２０との対向面積、誘電体膜３０の誘電率及びその膜厚によって決定付けられるので、液温や流速によってエッチングレートが変動し得るウェットエッチングよりも高精度にエッチング制御できるイオンミリングを使用することにより、上部電極４０の形状を正確に加工し、コンデンサ容量のばらつきを低減できる。
【００２９】
上述の製造方法は、薄膜コンデンサに限らず、様々なデバイスに応用可能である。例えば、薄膜コンデンサとインダクタンスとを組み合わせたバンドパスフィルタ等のＬＣフィルタの製造に上述の製造方法を適用できる。このようなＬＣフィルタを製造するには、例えば、薄膜コンデンサとインダクタンスとを同一基板上に形成し、薄膜コンデンサの電極とインダクタンスとを電気的に接続すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明に係わる薄膜コンデンサは、半導体デバイス、実装用回路基板、電子回路などで幅広く利用することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１０…基板
２０…下部電極
２１…シード層
２２…導電層
３０…誘電体膜
４０…上部電極
４１…シード層
４２…導電層
５０…絶縁膜
５１，５２…開口部
６１…下部電極引き出し部
６２…上部電極引き出し部
１００…薄膜コンデンサ
【図１】
2010232282.tif 000003
【図２】
2010232282.tif 000004
【図３】
2010232282.tif 000005
【図４】
2010232282.tif 000006
【図５】
2010232282.tif 000007
【図６】
2010232282.tif 000008