(57)【要約】【課題】誘電体形成領域を減少させることなく、高い耐湿性を有する薄膜コンデンサを提供する。【解決手段】支持基板１上に複数の電極層２、４と薄膜誘電体膜３を積層して形成した容量素子ＡをＮｉからなる金属保護膜５及びＣＶＤ法により成膜した酸化珪素からなる耐湿保護膜６のどちらか一方あるいは両方により完全に被覆し、耐湿保護膜６を保護層７で被覆し、保護層７から露出した金属保護膜５上に外部端子９を形成した薄膜コンデンサにおいて、金属保護膜５の膜厚減少部の厚みを０．６μｍ以上、耐湿保護膜の膜厚減少部の厚みを２．０μｍ以上に制御した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、前記支持基板上に形成され、且つ複数の電極層と薄膜誘電体膜とを交互に積層して成る複数の容量素子と、
前記複数の容量素子の一部を被覆するとともに、該複数の容量素子の同一極性の電極層を互いに接続する金属保護膜と、
少なくとも前記金属保護膜から露出する複数の容量素子を被覆する耐湿保護膜と、
該金属保護膜上の外部端子となる領域を除いて、金属保護膜及び耐湿保護膜を被覆する保護層とから成る薄膜コンデンサにおいて、
前記金属保護膜は、その膜厚みが０．６μｍ以上のＮｉであるとともに、前記耐湿保護膜は、ＣＶＤ法により形成され、その膜厚が２．０μｍ以上の酸化珪素であることを特徴とする薄膜コンデンサ。
【請求項２】
前記金属保護膜上の外部端子となる領域には、半田バンプによる外部端子が形成されることを特徴とする請求項１記載の薄膜コンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜コンデンサに関し、耐湿信頼性を向上させるための保護膜構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜コンデンサの基本的な構成は、通常、素子を構成する薄膜に比べて十分に厚い支持基板と、その表面上に電極層と薄膜誘電体膜を積層して成る容量素子と、その容量素子を外部環境から保護する保護膜、及び外部との電気的な接続をとるための外部端子に大別することができる。このうち、支持基板は比較的外部からの衝撃や汚れ、高温、高湿環境等に対する耐久性に優れているが、容量素子はこれらの要因に対し耐久性に劣っているものが多い。そのため従来から、この容量素子を外部環境から保護するための保護膜を形成することで容量素子を保護し、薄膜コンデンサとしての対環境耐性の向上を図ってきた。
【０００３】
保護膜の機能は、容量素子を外部環境から隔離し、特性劣化や破壊を防止することである。このため外部環境に対し、例えば湿度に対してであれば、水分子の侵入を完全に防止するか、少なくとも容量素子に影響が無い程度に低減できるものでなくてはならない。こうした機能を実現するため、保護膜にはその材質が水分子等の遮蔽すべき外的要因の透過係数が小さい材料であることが求められる。通常の使用条件では、外的因子として水分子の侵入が最も大きな問題となるため、保護膜には水分子の透過が少ない材料を用いて保護膜を形成し、耐湿性を確保している（例えば特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２６０９５６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
薄膜コンデンサにおいて、容量素子の耐湿性は水分子の透過係数が小さい材料により形成される保護膜、いわゆる耐湿保護膜によって確保される。しかしながら前述のような耐湿保護膜は絶縁材料であり、耐湿保護膜に覆われる容量素子と外部機器とが電気的に接続しなければならないため、外部端子を耐湿保護膜で覆うことは出来ない。
【０００６】
さらに外部端子が半田バンプによって形成される場合、半田バンプ形成時あるいは薄膜コンデンサの実装時にリフロー処理が行われる。このリフロー処理によって発生する半田バンプの熱収縮は半田バンプの周囲に影響を及ぼす。例えば、耐湿保護膜が半田バンプに接するような構造の場合、半田バンプの熱収縮により耐湿保護膜に亀裂が発生し、本来の耐湿性を発揮できなくなる可能性がある。従って、半田バンプと耐湿保護膜が接することのないようにする必要がある。また薄膜誘電体膜についても半田バンプの熱収縮の影響を避けるため、薄膜誘電体膜の形成領域から外部端子を離して形成することが望ましい。
【０００７】
耐湿保護膜を外部端子から離して形成する場合でも、容量素子、中でも特に水分の浸入が問題になる薄膜誘電体膜形成領域を充分に覆うように耐湿保護膜が形成されていれば耐湿性に問題はない。しかしながら、コンデンサの容量確保のためには容量発生領域となる薄膜誘電体膜形成領域は、可能な限り広くすることが望ましい。よって、薄膜誘電体膜形成領域を減少させず、且つ外部端子周辺における容量素子の耐湿信頼性を確保する構造が望まれる。
【０００８】
また、耐湿保護膜により信頼性を確保する場合、耐湿保護膜の膜厚が重要になる。特に耐湿保護膜で被覆する容量素子に段差がある場合、この段差の被覆部での耐湿保護膜の厚みは、平坦部分の膜厚に対して薄くなってしまい、局所的な膜厚減少部となる。このような膜厚減少部は、水分の浸入しやすい部分になるため、このような膜厚減少部における耐湿保護膜の厚みを制御することが必要である。
【０００９】
本発明は、上述のような問題に鑑みて案出されたものであり、その目的は容量発生領域となる薄膜誘電体膜形成領域を減少させることなく容量素子への水分の侵入を防ぎ、高い耐湿信頼性を有する薄膜コンデンサを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜コンデンサは、支持基板と、前記支持基板上に形成され、且つ複数の電極層と薄膜誘電体膜とを交互に積層して成る複数の容量素子と、
前記複数の容量素子の一部を被覆するとともに、該複数の容量素子の同一極性の電極層を互いに接続する金属保護膜と、
少なくとも前記金属保護膜から露出する複数の容量素子を被覆する耐湿保護膜と、
該金属保護膜上の外部端子となる領域を除いて、金属保護膜及び耐湿保護膜を被覆する保護層とから成る薄膜コンデンサにおいて、
前記金属保護膜は、その膜厚みが０．６μｍ以上のＮｉであるとともに、前記耐湿保護膜は、ＣＶＤ法により形成され、その膜厚が２．０μｍ以上の酸化珪素であることを特徴とする薄膜コンデンサである。さらに、前記外部端子は半田バンプによって形成する。
【００１１】
【作用】
本発明の薄膜コンデンサでは、容量素子の一部は、複数の容量素子の同一極性を接続する金属保護膜により被覆されており、且つ、金属保護膜に被覆されていない容量素子は耐湿保護膜に被覆されている。
【００１２】
よって複数の容量素子は、金属保護膜あるいは耐湿保護膜のどちらか一方あるいは両方により完全に被覆されている。しかも、金属保護膜及び耐湿保護膜の膜厚が最も薄くなる部分とは、複数の容量素子が積層されて構成される容量形成部分の外周境界付近で形成される段差部分の側面部分であり、この部分であっても、金属保護膜及び耐湿保護膜の膜厚を制御することにより耐湿性を確保できる。
【００１３】
また、金属保護膜をスパッタ法で成膜したＮｉにより形成し、耐湿保護膜はＣＶＤ法で成膜した酸化珪素により形成する。酸化珪素からなる耐湿保護膜をＣＶＤ法により形成することにより、例えば、各薄膜誘電体膜、各電極層や金属保護膜の端部に形成される各膜段差において被覆性の良好な膜を形成できる。またＮｉは酸化しやすい金属元素であるため酸化珪素中の酸素と結合しやすい。このためＮｉと酸化珪素の密着性は良好である。したがってＮｉから成る金属保護膜と酸化珪素から成る耐湿保護膜の界面における耐湿性が向上する。
【００１４】
尚、金属保護膜であるＮｉは、最も薄い部分、即ち、下地側の膜段差の側面領域であっても０．６μｍ以上の膜厚であり、耐湿保護膜のこの部分の厚みでも２．０μｍ以上の膜厚である。また、その上限は、耐湿性という観点では限界はないものの、膜厚みの増加による剥離、膜形成の時間、材料などを考慮して、金属保護膜においては１０μｍ以下、耐湿保護膜においては２０μｍ以下とすることが望ましい。
【００１５】
また、外部端子を耐湿保護膜と薄膜誘電体膜の端部から離して形成することができるので、外部端子形成時及び薄膜コンデンサ実装時に外部端子の熱収縮の影響を受けない。また、薄膜誘電体膜の端部を耐湿保護膜とを同じ位置まで外部端子に近づけることにより薄膜誘電体膜形成領域の減少を防ぐことができる。更に耐湿保護膜が保護層に被覆されることにより、耐湿保護膜は物理的衝撃から保護され本来の耐湿性を発揮できる。
【００１６】
【発明の実施形態】
以下、本発明の薄膜コンデンサを図面に基づいて詳説する。図１は、本発明の薄膜コンデンサを示すもので、支持基板１上に一方極性の電極層２ａ、２ｂと薄膜誘電体膜３ａ、３ｂ、３ｃと他方極性の電極層４ａ、４ｂを順次積層して容量素子Ａを形成している。ここで容量素子Ａは、薄膜誘電体膜３ａ、３ｂ、３ｃを挟持して一方極性の電極層２ａ、２ｂと他方極性の電極層４ａ、４ｂが対向して容量を形成している領域だけでなく、薄膜誘電体膜３ａ、３ｂ、３ｃの端部から延出している一方極性の電極層２ａ、２ｂ及び他方極性の電極層４ａ、４ｂの端部までを含むこととする。すなわち図１において太線で囲まれている部分が容量素子Ａである。
【００１７】
金属保護膜５は、容量素子Ａの一部を被覆して形成し、前記一方極性の電極層２ａ、２ｂあるいは他方極性の電極層４ａ、４ｂと外部端子９を電気的に接続している。耐湿保護膜６は、金属保護膜５に被覆されていない容量素子Ａと金属保護膜５の一部を被覆して形成している。また、耐湿保護膜６を包含して保護層７を形成している。金属保護膜５上の一部には外部端子密着層８を形成し、外部端子密着層８の上部に外部端子９を形成している。
【００１８】
上述のような構造をとることにより、容量素子Ａは金属保護膜５と耐湿保護膜６のどちらか一方あるいは両方により完全に被覆され、耐湿性が確保される。また、外部端子周辺には薄膜誘電体膜３ａ、３ｂ、３ｃおよび耐湿保護膜６が形成されてなく、薄膜誘電体膜３ａ、３ｂ、３ｃと耐湿保護膜６は離れて形成されている。よって、外部端子形成時および薄膜コンデンサ実装時の熱収縮は薄膜誘電体膜３ａ、３ｂ、３ｃと耐湿保護膜６に影響を与えない。更に耐湿保護膜６を包含して形成される保護層７により耐湿保護膜６は物理的衝撃から保護されるため、耐湿保護膜は材料の持つ本来の耐湿性を発揮できる。一方、コンデンサの容量に関しては上述のような構造をとることにより、容量発生領域となる薄膜誘電体膜３ａ、３ｂ、３ｃの形成領域を減少させることなく、外部端子９の周辺における耐湿性が確保できる。
【００１９】
本発明では金属保護膜５と耐湿保護膜６によって耐湿性を確保するが、より高い耐湿性を実現するためには２つの層の膜厚が重要になる。特に容量素子の表面に大きな凹凸がある場合には、凹凸によって発生する段差部の被覆性が問題になる。薄膜プロセスで用いられる成膜方法は蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法等が一般的であるが、金属薄膜を形成する場合、有機金属ガスを用いるＣＶＤ法は形成する膜中に原料ガスに含まれる有機成分が取り込まれるため膜質の観点から好ましくない。よって、蒸着法、スパッタ法が好ましい。これらの方法は成膜する膜の材料を粒子として基板に対して垂直方向から入射させ、付着させるものであるが、成膜する基板に段差がある場合、段差の側面は入射する粒子に対して平行になるため粒子が付着しにくい。よって段差部に成膜した場合、基板の平坦部に成膜された厚みに比べて段差側面の厚みは薄くなり、局所的な膜厚減少部となる。金属保護膜５あるいは耐湿保護膜６にこのような膜厚減少部があると、この部分は他の部分に比べて水分は侵入しやすくなり耐湿性が低下する。このような状況は容量素子Ａの積層数が増加した場合の薄膜誘電体膜端部で特に顕著になる。以下に示す実施例により膜厚減少部（下地となる膜の外周境界部分の段差領域）の限界を調べた結果、金属保護膜５が０．６μｍ以上、耐湿保護膜６が２．０μｍ以上の厚みが必要であることがわかった。
【００２０】
更に金属保護膜５および耐湿保護膜６の材料は、金属保護膜５と耐湿保護膜６の密着性が良好でなければ界面から水分が浸入し耐湿性が確保できない。よって金属保護膜５と耐湿保護膜６の組み合わせとしては、金属保護膜５としては酸化されやすいＮｉを用い、耐湿保護膜６は酸化物である酸化珪素を用いる組み合わせがよい。
【００２１】
【実施例】
実施例として図２に示す薄膜コンデンサを以下の要領で作成した。
【００２２】
まず、厚さ０．２５ｍｍのサファイア単結晶からなる支持基板１上に、ＤＣスパッタ装置を用いてチタン酸化物からなる密着層２ａを形成し、その上に膜厚が６０ｎｍのＰｔ電極層を形成した。フォトリソグラフィの技術を用いて、第一の一方極性の電極層２ａをパターン加工した。加工された第一の一方極性の電極層２ａ上に、膜厚が４００ｎｍのＢａ０．５Ｓｒ０．５ＴｉＯ３からなる薄膜誘電体膜をＲＦスパッタ装置により形成した。電極層同様、フォトリソグラフィの技術を用いて第一の薄膜誘電体膜３ａをパターン加工した。
【００２３】
加工された第一の薄膜誘電体膜３ａ上に、膜厚が６０ｎｍのＰｔ電極層をＤＣスパッタ装置により形成し、同様にフォトリソグラフィの技術を用いて第一の他方極性の電極層４ａをパターン加工した。
【００２４】
さらに第二の薄膜誘電体膜３ｂ、第二の一方極性の電極層２ｂ、第三の薄膜誘電体膜３ｃ、第二の他方極性の電極層４ｂを、順次形成及びパターン加工を繰り返し、薄膜誘電体膜を３層、電極層を合計４層からなる容量素子Ａを作製した。作製した容量素子Ａは、図３ように薄膜誘電体膜形成領域が各層ごとに異なり、薄膜誘電体膜端部の断面が階段状構造になるようにパターン加工されている。
【００２５】
次に、Ｎｉからなる金属保護膜５とＡｕからなる外部端子密着層８を、ＤＣスパッタ装置を用いて形成し、フォトリソグラフィの技術を用いて金属保護膜５が容量素子Ａの一部を被覆し複数の電極層で同一極性の電極層２ａ、２ｂ及び４ａ、４ｂを電気的に接続するようパターン加工した。外部端子密着層８は外部端子９が形成される領域のみに形成されるようパターン加工した。ＤＣスパッタ装置を用いて作製した１．０μｍのＮｉ薄膜の格子定数をＸ線回折により調べたところ、Ｎｉのバルクにおける格子定数３．４２５１Åに対し、３．４２５６Åであった。また断面の走査電子顕微鏡像から、このＮｉからなる金属保護膜５は緻密な膜であることを確認した。
【００２６】
この後、ＣＶＤ装置により酸化珪素膜を形成し、フォトリソグラフィの技術を用いて金属保護膜５に被覆されていない容量素子Ａと金属保護膜５の一部を被覆する耐湿保護膜６にパターン加工した。金属保護膜５と耐湿保護膜６の膜厚は、表１に示すようにそれぞれ５段階に分け、合計９タイプの素子を作製した。さらに、光感光性ＢＣＢを塗布し、露光、現像を行い、金属保護膜５の一部及び耐湿保護膜６を被覆する保護層７を形成した。さらに、スクリーン印刷技術を用いて、保護層７から露出した外部端子密着層８上に市販の半田ペーストを転写、リフローを行い、外部端子９として半田バンプを形成し、本発明の薄膜コンデンサを得た。
【００２７】
更に本発明の薄膜コンデンサとの比較対象として、薄膜誘電体膜端部で金属保護膜の膜厚減少部の厚みを制御しないタイプＮｏ．１０、耐湿保護膜をスパッタ法により形成したタイプＮｏ．１１、外部端子密着層を金属保護膜全面に形成しＡｕＮｉを金属保護膜としたタイプＮｏ．１２の３タイプを作製した。
【００２８】
本発明の薄膜コンデンサを耐湿性評価の加速試験として、温度１２１℃、湿度８５％、１．７気圧、電圧２．５Ｖのプレッシャークッカー試験（以下ＵＳＰＣＢＴ）を９６時間行い、１００ＭΩ以上を判定条件とした。試験は１タイプにつき２４素子に対して行い、全数１００ＭΩ以上を合格とした。試験後断面構造を観察した結果、金属保護膜５及び耐湿保護膜６の最も膜厚の薄い膜厚減少部Ｘ、Ｙは図４に示すように下地となる膜の境界部分の段差の側面部分であった。金属保護膜５及び耐湿保護膜６の平坦部分の厚みｔ、ｄの測定結果と合わせて表１に示す。なお、図４に示す外部端子９と薄膜誘電体膜３端部および耐湿保護膜６端部の距離Ｚは作製した全素子において同じ設計であり、２０μｍであることを確認した。
【００２９】
上述の合計１２タイプの素子を作製し、９６時間のＵＳＰＣＢＴを行った結果を表１に示す。金属保護膜５の膜厚を変化させた場合（Ｎｏ．１〜５）、膜厚減少部の厚みが０．６μｍ以上であればＵＳＰＣＢＴの判定が合格となり、耐湿性が確保された。耐湿保護膜６を変化させた場合（Ｎｏ．５〜９）は、膜厚減少部の厚みが２．０μｍ以上でＵＳＰＣＢＴは合格となる。よって、金属保護膜５は膜厚減少部の厚みを０．６μｍ以上にし、耐湿保護膜６は膜厚減少部の厚みを２．０μｍ以上にすれば耐湿性が確保できる。
【００３０】
【表１】
2004327866.tif 000003
【００３１】
一方、金属保護膜の膜厚減少部の厚みを制御しない場合（Ｎｏ．１０）、金属保護膜の膜厚減少部の厚みが０．３μｍと薄くなり、この場合ＵＳＰＣＢＴは不合格となった。また、ＣＶＤ装置を用いて酸化珪素膜を作製すると被覆性が良好で段差部での膜厚減少は０．２μｍ以下であったが、耐湿保護膜にスパッタ法により作製した酸化珪素を用いた場合（Ｎｏ．１１）、平坦部の厚み２．５μｍに対して膜厚減少部の厚みが１．６μｍと薄く被覆性が低下し、ＵＳＰＣＢＴは不合格となった。
【００３２】
更に、本発明では金属保護膜５をＮｉ、耐湿保護膜６を酸化珪素により形成することで、耐湿保護膜６と金属保護膜５が重なる部分での密着性を向上させ、界面の耐湿性を高めている。これに対して、Ａｕ薄膜からなる外部端子密着層８が金属保護膜５の全面に形成した場合（Ｎｏ．１２）、この界面の密着性は低下する。その場合には膜厚減少部における金属保護膜５および耐湿保護膜６の厚みは前述の試験で耐湿性を確保できる厚みがあるにもかかわらず、耐湿性が低下しＵＳＰＣＢＴで不合格となった。
【００３３】
以上の結果より、金属保護膜５と耐湿保護膜６により容量素子を被覆し、且つＮｉからなる金属保護膜５の膜厚減少部における厚みを０．６μｍ以上、酸化珪素からなる耐湿保護膜６の膜厚減少部における厚みを２．０μｍ以上とすることにより耐湿性が確保できることが明らかになった。
【００３４】
【発明の効果】
以上、本発明の薄膜コンデンサでは、容量素子は金属保護膜あるいは耐湿保護膜のどちらか一方あるいは両方により完全に被覆されているので耐湿性が確保される。更に、金属保護膜の膜厚減少部の厚みを０．６μｍ以上、耐湿保護膜の膜厚減少部の厚みを２．０μｍ以上に制御することで、局所的な膜厚減少部の耐湿信頼性を確保している。また金属保護膜をＮｉ、耐湿保護膜を酸化珪素により形成することで、密着性のよい金属保護膜と耐湿保護膜の界面を形成し、界面の耐湿性を高めている。
【００３５】
一方で、外部端子は耐湿保護膜と薄膜誘電体膜の端部から離れて形成されているので、外部端子形成時及び薄膜コンデンサ実装時に外部端子の熱収縮の影響を受けない。また、薄膜誘電体膜端部を耐湿保護膜とを同じ位置まで外部端子に近づけることにより薄膜誘電体膜形成領域の減少を防ぐことができる。更に耐湿保護膜が保護層に被覆されることにより、耐湿保護膜は物理的衝撃から保護され本来の耐湿性を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜コンデンサの概略断面図である。
【図２】本発明の薄膜コンデンサを示す外観斜視図である。
【図３】図２に示す本発明の薄膜コンデンサのＢ−Ｂ′断面図である。
【図４】本発明の薄膜コンデンサにおける金属保護膜と耐湿保護膜の膜厚減少部を示す概略図である。
【符号の説明】
１・・・支持基板
Ａ・・・容量素子
２ａ、２ｂ・・・一方極性の電極層
４ａ、４ｂ・・・他方極性の電極層
３ａ，３ｂ，３ｃ・・・薄膜誘電体膜
５・・・金属保護膜
６・・・耐湿保護膜
７・・・保護層
８・・・外部端子密着層
９・・・外部端子
【図１】
2004327866.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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