(57)【要約】【課題】  漏れ電流が小さく、且つ電極の低抵抗化が容易な薄膜キャパシタを提供すること。【解決手段】  第一の電極薄膜１２及び第二の電極薄膜１６と、それらの間に配置された酸化タンタル層１４ｂ及びこれに隣接した酸化アルミニウム層１４ａとにより形成される誘電体薄膜１４とを含む薄膜キャパシタとする。酸化アルミニウム層１４ａと酸化タンタル層１４ｂは、一方の電極薄膜１２上に設けたアルミニウム層とタンタル層を一緒に陽極化成処理することで形成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電極薄膜及び第二の電極薄膜と、それらの間に配置された酸化タンタル層及びこれに隣接した酸化アルミニウム層とにより形成される誘電体薄膜とを含むことを特徴とする薄膜キャパシタ。
【請求項２】
前記酸化アルミニウム層が前記酸化タンタル層と一方の前記電極薄膜との間にのみ含まれている、請求項１記載の薄膜キャパシタ。
【請求項３】
前記酸化アルミニウム層がアルミニウム膜を介して一方の前記電極薄膜と接している、請求項１又は２記載の薄膜キャパシタ。
【請求項４】
前記酸化アルミニウム層が、一方の前記電極薄膜上のアルミニウム層の陽極化成処理により形成されたものである、請求項１〜３までのいずれか一つに記載の薄膜キャパシタ。
【請求項５】
回路基板に組み込まれている、請求項１〜４までのいずれか一つに記載の薄膜キャパシタ。
【請求項６】
前記第一及び第二の電極薄膜が銅で形成されている、請求項１〜５までのいずれか一つに記載の薄膜キャパシタ。
【請求項７】
第一の電極薄膜層を形成し、その上にアルミニウム層とタンタル又は窒化タンタル層を順次形成し、タンタル又は窒化タンタル層とアルミニウム層を陽極化成処理して酸化タンタル層及び酸化アルミニウム層からなる誘電体薄膜を形成し、次いで酸化タンタル層の上に第二の電極薄膜層を形成することを特徴とする、薄膜キャパシタ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体パッケージ等に用いられる回路基板に組み込まれる薄膜キャパシタとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体パッケージにおいてキャパシタ部品が必要とされる場合、それらを半導体パッケージの回路基板に取り込むことが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２）。このように回路基板に組み込まれるキャパシタは、二つの電極を形成する導体薄膜の間に誘電体薄膜を配置した薄膜積層体構造を持ち、薄膜キャパシタとも呼ばれている。
【０００３】
薄膜キャパシタの電極を形成する導体としては、チタン、白金、銅、アルミニウムなどが用いられ、銅の電極を用いたキャパシタは低抵抗キャパシタとして知られている。誘電体には、高誘電率材料のＴａ2Ｏ5を用いるのが一般的である。銅（Ｃｕ）電極とＴａ2Ｏ5誘電体から構成されるキャパシタは、一方の電極となるＣｕ膜の上に設けたＴａ膜を陽極化成（陽極酸化）処理してＴａ2Ｏ5誘電体膜を形成し、その上にもう一方の電極となるＣｕ膜を形成することで製作される。
【０００４】
導体薄膜と誘電体薄膜との間には、キャパシタ特性の向上、あるいは薄膜間の密着性の向上等を目的として、別の薄膜が設けられることもある。例えば、Ｃｕ膜上のＴａ膜の陽極化成の際にＣｕが化成液（電解液）に溶け出して化成電流の漏れを生じ、陽極化成の妨げとなるのを防止するために、Ｃｕ膜とＴａ膜との間にバリアメタル層としてＴｉ薄膜を設けることが知られている。また、Ｔａ2Ｏ5膜とＣｕ膜との密着性の向上のために、それらの間に例えばＣｒ薄膜を配置することが知られている。このほかに、回路基板用ではないが、無線通信機器用ＬＳＩ向けのＣｕ／Ｔａ2Ｏ5／Ｃｕ積層構造のキャパシタにおいて、Ｔａ2Ｏ5の膜質向上のため二つのＣｕ電極膜とＴａ2Ｏ5膜との間にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）薄膜を挿入することが知られている（非特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１１０６７５
【特許文献２】特開２００２−２６０９６０
【０００６】
【非特許文献１】Ｔ．  Ｉｓｈｉｋａｗａ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｈｉｇｈ−Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ  Ｃｕ／Ｔａ2Ｏ5／Ｃｕ  ＭＩＭ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  ＳｏＣ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｆｅａｔｕｒｉｎｇ  ａ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍａｓｋ  Ａｄｄ−ｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ，  ２００２  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｍｅｅｔｉｎｇ，  ＩＥＥＥ（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のとおり、薄膜キャパシタでは誘電体材料として一般にＴａ2Ｏ5膜が用いられるが、Ｔａ2Ｏ5膜を用いたキャパシタは絶縁耐圧が小さく（５Ｖ程度）、漏れ電流が大きいという欠点がある。
【０００８】
また、陽極化成処理の際にＴａ膜の全体をＴａ2Ｏ5膜に変えるよう正確に制御するのは困難なため、通常Ｔａ膜の一部を残して陽極化成処理を終了する。この場合、Ｔａが高抵抗材料であることから、残存するＴａのためキャパシタの電極抵抗が上昇してしまう。
【０００９】
電極としてＣｕを用いた場合、Ｔａの陽極化成時のＣｕの溶け出しを防ぐためＣｕ膜とＴａ膜の間にＴｉ膜を挿入すると、Ｔｉも高抵抗材料であるため、やはり電極抵抗が上昇してしまい、低抵抗材料であるＣｕの特性を十分に発揮させることができない。
【００１０】
本発明は、これらの欠点の解消し、漏れ電流が小さくて、且つ電極の低抵抗化が容易な薄膜キャパシタを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の薄膜キャパシタは、第一の電極薄膜及び第二の電極薄膜と、それらの間に配置された酸化タンタル層及びこれに隣接した酸化アルミニウム層とにより形成される誘電体薄膜とを含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明の薄膜キャパシタは、第一の電極薄膜層を形成し、その上にアルミニウム層とタンタル又は窒化タンタル層を順次形成し、タンタル又は窒化タンタル層とアルミニウム層を陽極化成処理して酸化タンタル層及び酸化アルミニウム層からなる誘電体薄膜を形成し、次いで酸化タンタル層の上に第二の電極薄膜層を形成する薄膜キャパシタ製造方法により製造することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の薄膜キャパシタでは、電極間の誘電体部分が酸化タンタル膜と酸化アルミニウム膜の直列接続構造となり、高誘電率であるが絶縁耐圧特性の点では劣る酸化タンタル部分にかかる電位差を小さくすることができ、その一方、絶縁耐圧特性に優れた酸化アルミニウム部分の存在によりキャパシタの絶縁耐圧を向上させることができる。酸化アルミニウム膜はＣｕ等の高移動度金属の拡散を防ぐのに有効であり、そのため本発明によれば、電極材料にＣｕを用いた場合でも、高抵抗のＴｉで形成されるバリアメタル層を設ける必要がなく、低抵抗のキャパシタを実現できる。陽極化成処理の際にタンタルが全て酸化され、高抵抗のタンタルが残らないことも、低抵抗化に有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の薄膜キャパシタを図１に模式的に示す。この薄膜キャパシタ１０は、第一の電極薄膜１２、その上に位置する酸化アルミニウム層１４ａと酸化タンタル層１４ｂで形成される誘電体膜１４、そしてその上の第二の電極薄膜１６により構成されている。
【００１５】
二つの電極薄膜１２、１６は、導体材料で形成される。代表的な導体材料として、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）を挙げることができる。低抵抗材料のＣｕを使用すれば、抵抗の小さいキャパシタを得ることが可能である。二つの電極薄膜１２、１６は、同一の材料で形成してもよく、あるいは異種材料で形成してもよい。
【００１６】
誘電体薄膜１４は、酸化アルミニウム（以下、Ａｌ2Ｏ3と表記することもある）の層１４ａと酸化タンタル（以下、Ｔａ2Ｏ5と表記することもある）の層１４ｂにより形成される。Ｔａ2Ｏ5層１４ｂは高誘電率であり、高容量のキャパシタを得るのを可能にするが、絶縁耐圧特性はそれほど良好とは言えない。このＴａ2Ｏ5層１４ｂの絶縁耐圧特性の不足を補うのが、Ａｌ2Ｏ3層１４ａであるが、こちらは誘電率の点で劣る。本発明のキャパシタにおいては、これら二つの層の特性を考慮して、特定のキャパシタに求められる特性を実現するようにそれらの厚さを決定するのが好ましい。一般には、キャパシタの総合的な誘電率を必要以上に低下させないように、Ａｌ2Ｏ3層１４ａをできるだけ薄くするのが好ましい。一例として、Ｔａ2Ｏ5層１４ｂの厚さは０．１〜０．５μｍ程度、Ａｌ2Ｏ3層１４ａの厚さは０．０１〜０．１μｍ程度でよい。
【００１７】
これらの酸化物層１４ａ、１４ｂは、第一の電極薄膜１２上に順次形成したアルミニウム（Ａｌ）層とタンタル（Ｔａ）層を一緒に陽極化成処理することにより形成することができる。Ｔａ層の代わりに窒化タンタル（ＴａＮ）層を用い、その陽極化成によりＴａ2Ｏ5層を得ることもできる。この処理の際に酸化される金属層の厚さは、印加電圧により制御できる。陽極化成処理に付される各層は非常に薄く、そのため、Ｔａ層の酸化に次いでＡｌ層を酸化する際に下層の電極薄膜１２に影響が及ばないようＡｌ層だけをすっかり酸化するよう制御するのは困難である。従って、通常は、酸化がＡｌ層と電極薄膜１２との界面まで達する前に酸化を終了するように印加電圧を制御し、その結果としてＡｌ2Ｏ3層１４ａと第一の電極薄膜１２との間に、図１に示したように薄いＡｌ膜１３が残存する。とは言え、Ａｌ層の完全な酸化の結果として残存Ａｌ膜１３の存在しない構造のキャパシタも、本発明の範囲内であることは言うまでもない。
【００１８】
電極間の誘電体部分がＴａ2Ｏ5膜で構成された従来の薄膜キャパシタでは、キャパシタの動作時に、図２（ａ）に示したように一方の電極での電位Ｖaと他方の電極での電位Ｖbとの差であるＶa−Ｖbの電位差がこの誘電体部分にかかることになる。それに対し、図１に例示した本発明の薄膜キャパシタでは、電極１２、１６間の誘電体部分がＡｌ2Ｏ3膜１４ａとＴａ2Ｏ5膜１４ｂの直列接続構造となっていることから、図２（ｂ）に示したように、二つの電極間に図２（ａ）の従来例と同じ電位差Ｖa−Ｖbを印加した場合に、高誘電率であるが絶縁耐圧特性の点では劣る酸化タンタル部分にかかる電位差Ｖa−ＶcをＶa−Ｖbより小さくすることができ、それにより漏れ電流を少なくすることができる。
【００１９】
本発明の薄膜キャパシタ１０は、必要に応じて上記のもの以外の薄膜又は層を含むこともできる。例えば、電極薄膜がＣｕで形成されている場合、Ｔａ2Ｏ5層１４ｂとＣｕの電極薄膜１６との間に、両者の密着性を向上させるのに有効なＣｒ薄膜（図示せず）などを含むことができる。
【００２０】
本発明のキャパシタ１０は、半導体パッケージ等に用いられる回路基板に組み込まれ、回路基板の部材の一つである何らかの絶縁支持体１１の上に位置する。本発明のキャパシタを組み込む回路基板の代表例はプリント配線基板であり、コア基板としてのプリント配線基板の片面又は両面に配線層と絶縁層を交互に積層して形成されるビルドアップ基板も、ここで言う回路基板に含まれる。なお、本発明のキャパシタは、チップサイズパッケージの再配線層に組み込むキャパシタ等、他の用途に用いてもよい。
【００２１】
図３に、ビルドアップ基板２０の最上層に本発明のキャパシタを組み込んだ例を示す。このビルトアップ配線基板２０は、コア基板であり、所定の部位に設けたスルーホール２３を有するプリント基板２１の上下各面に、配線層２２と絶縁層２４を交互に積層して形成されている。プリント基板２１の上下の配線層２２は、スルーホール２３の内壁に被着した配線用の導体により連絡されている。スルーホール２３の上方に、先に説明した本発明の薄膜キャパシタ（下部電極１２、残存Ａｌ層１３、Ａｌ2Ｏ3層１４ａ、Ｔａ2Ｏ5層１４ｂ、上部電極１６の積層構造体）が組み込まれている。キャパシタの下部電極１２は下方の配線層２２に接続しており、上部電極１６は、これを覆う最上層の絶縁層２４に設けた開口に、例えばはんだバンプ（図示せず）を形成することにより、半導体チップ等に接続する。
【００２２】
図４に、ビルドアップ基板３０の内部に本発明のキャパシタを組み込んだ例を示す。このビルトアップ配線基板３０も、コア基板であるプリント基板３１の上下各面に、配線層３２と絶縁層３４を交互に積層して形成されている。プリント基板３１の上下の配線層３２は、ここではプリント基板３１の貫通孔を埋める絶縁材料に設けたスルーホール３５に充填した配線用の導体により連絡されている。プリント基板３１上に直接設けた配線層３２の上に、本発明の薄膜キャパシタ１０が形成されており、更に、上層の配線層３２上にも本発明の薄膜キャパシタ１０が形成されている。上方の薄膜キャパシタ１０は、それを覆う絶縁層３４に設けた開口を通して最上層の配線層３２に接続され、この最上層配線は保護膜３７により保護されている。
【００２３】
キャパシタを組み込んだ図３、４に示したようなビルドアップ基板とその製造方法自体はよく知られており（例えば特許文献１、２）、ここで詳しく説明するには及ばない。
【００２４】
本発明の薄膜キャパシタ１０（図１）は、任意の支持体１１の上にキャパシタを構成する積層構造体を公知の材料被着法とパターニング法で形成することにより、容易に製造することができる。例えば、各膜の形成のための材料の被着は、スパッタリング、蒸着、メッキ、化学気相成長（ＣＶＤ）などの任意の方法で行うことができる。キャパシタの誘電体膜は積層体のＴａとＡｌを一緒に陽極化成処理することで容易に得ることができ、陽極化成自体は周知の処理法である。
【００２５】
図３と図４に示した本発明のキャパシタを組み込んだ基板において、キャパシタの上部電極及び下部電極は、それぞれキャパシタの上方及び下方の部材に接続されており、二つの電極１２、１６とそれらの間のＡｌ膜１３、Ａｌ2Ｏ3層１４ａ、Ｔａ2Ｏ5層１４ｂは同じ大きさで形成されている。しかし、それらは必ずしも同じ大きさである必要はない。
【００２６】
例えば、上部電極及び下部電極の両方をキャパシタの一方の側の部材のみに接続することも可能であり、この場合には、二つの電極は大きさと形状を異にする。図５に、両方の電極を上方の配線に接続するキャパシタの例を示す。この図のキャパシタにおいては、下部電極１２とＡｌ膜１３が、その上のＡｌ2Ｏ3層１４ａ、Ｔａ2Ｏ5層１４ｂ及び上部電極１６よりも大きく形成されて、それらの右側に延在している。キャパシタを覆って絶縁層１８が形成され、上部電極１６と下部電極１２はそれぞれ、この絶縁膜１８に設けた上部電極１６に達する開口１９ａと下部電極１２に達する開口１９ｂを通して、上層の配線（図示せず）に接続する。右側に延在している部分の下部電極１２の上のＡｌ膜１３は、下部電極１２がＡｌ膜１３を介さずに上層配線に接続するように、なくてもよい。
【００２７】
上で説明した本発明の薄膜キャパシタは、高誘電率材料のＴａ2Ｏ5膜１４ｂと一方の電極１２との間にのみＡｌ2Ｏ3膜１４ａを有するが、Ｔａ2Ｏ5膜１４ｂともう一方の電極１６との間に別のＡｌ2Ｏ3膜を有することもできる。
【実施例】
【００２８】
次に、実施例により本発明を更に説明する。とは言え、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２９】
（実施例１）
図６（ａ）に示したように、絶縁材料（エポキシ樹脂）の支持体５０の上に、スパッタ法によりＣｕ膜５２（厚さ１０μｍ）、Ａｌ膜５４（厚さ１μｍ）、Ｔａ膜５６（厚さ０．１５μｍ）を順次形成した。次に、これらの膜を形成した支持体５０をクエン酸水溶液に浸漬し、２００Ｖの直流電圧を印加することにより陽極化成処理を施し、Ｔａ膜５６をＴａ2Ｏ5膜５６ａ（図６（ｂ））、及びＡｌ膜５４の一部をＡｌ2Ｏ3膜５４ａ（図６（ｂ））に変えた。続いて、図６（ｃ）に示したように、Ｔａ2Ｏ5膜５６ａの上にＣｕ膜５８（厚さ１０μｍ）をスパッタ法により形成した。次いで、各膜をドライエッチングにより順次パターニングして、図６（ｄ）に示す薄膜キャパシタ６０を製作した。
【００３０】
（実施例２）
図６（ａ）のＴａ膜５６の上に更にＡｌ膜（厚さ０．１μｍ）を形成し、このＡｌ膜とその下のＴａ膜及びＡｌ膜の三つを一緒に陽極化成処理（印加電圧２５０Ｖ）したことを除き、実施例１を繰り返して、図７に示すＡｌ2Ｏ3膜５４ａ／Ｔａ2Ｏ5膜５６ａ／Ａｌ2Ｏ3膜５７の三層構造の誘電体膜を有するキャパシタを製作した。二つのＡｌ膜のうちＴａ膜の上にあったものは完全に酸化されるため、Ａｌ2Ｏ3膜５７と上部電極５８の間にＡｌ膜は存在しない。
【００３１】
（比較例）
下部電極とＴａ2Ｏ5膜との間のＡｌ膜とＡｌ2Ｏ3膜に替えて厚さ１μｍのＴｉ膜を有することを除き、実施例１で製作した薄膜キャパシタと同様の薄膜キャパシタを製作した。
【００３２】
比較例で得たキャパシタと実施例１で得たキャパシタの漏れ電流特性を測定（Ｉ−Ｖ測定）して、それぞれ図８（ａ）と図８（ｂ）に示した結果を得た。比較例のキャパシタ（図８（ａ））では、実用的な絶縁耐圧は±５Ｖ程度の範囲であるのに対し、本発明のキャパシタ（図８（ｂ））では、一方の電極とＴａ2Ｏ5誘電体層との間にだけＡｌ2Ｏ3層を設けただけで、実用的な絶縁耐圧の範囲はおよそ−１０〜１２Ｖとなっている。また、本発明のキャパシタの漏れ電流量は、この範囲においてほぼ１０-9Ａ／ｃｍ2程度であり、非特許文献１に示された無線通信機器用ＬＳＩ向けのキャパシタの漏れ電流量１０-8Ａ／ｃｍ2と比べて漏れ電流特性が良好であることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の薄膜キャパシタを説明する模式図である。
【図２】従来例と本発明のキャパシタにおいて誘電体部分にかかる電位差を説明する図である。
【図３】本発明の薄膜キャパシタを組み込んだ回路基板を説明する図である。
【図４】本発明の薄膜キャパシタを組み込んだもう一つの回路基板を説明する図である。
【図５】本発明の薄膜キャパシタの別の態様を説明する図である。
【図６】実施例１のキャパシタの製造を説明する図である。
【図７】実施例２で製造したキャパシタを説明する図である。
【図８】比較例と実施例１のキャパシタの漏れ電流特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１０…薄膜キャパシタ
１２、１６…電極薄膜
１３…Ａｌ膜
１４…誘電体膜
１４ａ…Ａｌ2Ｏ3層
１４ｂ…Ｔａ2Ｏ5層
２０、３０…ビルドアップ基板
２１、３１…プリント基板
２２、３２…配線層
２４、３４…絶縁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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