(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂基板上に形成された銅系低抵抗金属からなる配線層の上に、バリア層、タンタル系金属及びタンタル系金属の陽極酸化物からなる誘電体層、そして上部電極を順次形成することによって薄膜コンデンサ素子を製造する方法であって、
前記配線層の上に、アルミニウム、ニオブ、モリブデン、バナジウム、ビスマス、チタン、ジルコニウム、ハフニウム及びシリコンからなる群から選ばれた少なくとも１種類のバルブ金属、該バルブ金属の窒化物、該バルブ金属の窒化物と前記バルブ金属の混合物又は前記バルブ金属の合金からなる前記配線層の端部と表面の全体を覆ったバリア層を形成し、
前記バリア層の上にさらに、前記タンタル系金属を被陽極酸化金属層として形成し、
前記バリア層の存在下、前記被陽極酸化金属層のタンタル系金属を陽極酸化して、陽極酸化に用いられた電解液に対する前記銅系低抵抗金属に由来する銅の溶解を防止しながら前記タンタル系金属の陽極酸化を実施して前記誘電体層を形成し、そして
その上に導電性金属からなる前記上部電極を形成すること
を含み、その際、
前記銅系低抵抗金属として、銅の単独もしくは銅を主成分とする合金又混合物を使用すること、及び
前記タンタル系金属として、タンタルの単独もしくはタンタルを主成分とする合金又は混合物を使用すること、
を特徴とする薄膜コンデンサ素子の製造方法。
【請求項２】
樹脂基板上に形成された銅系低抵抗金属からなる配線層の上に、バリア層、タンタル系金属及びタンタル系金属の陽極酸化物からなる誘電体層、そして上部電極を順次形成することによって薄膜コンデンサ素子を製造する方法であって、
前記配線層の上に、アルミニウム、ニオブ、モリブデン、バナジウム、ビスマス、チタン、ジルコニウム、ハフニウム及びシリコンからなる群から選ばれた少なくとも１種類のバルブ金属、該バルブ金属の窒化物、該バルブ金属の窒化物と前記バルブ金属の混合物又は前記バルブ金属の合金からなる前記配線層の表面の全体を覆うバリア層を形成し、
前記バリア層の上にさらに、前記タンタル系金属を被陽極酸化金属層として形成し、
前記配線層、前記バリア層及び前記被陽極酸化金属層の端部をレジスト膜で補助的に覆い、
前記バリア層の存在下、前記被陽極酸化金属層のタンタル系金属を陽極酸化して、陽極酸化に用いられた電解液に対する前記銅系低抵抗金属に由来する銅の溶解を防止しながら前記タンタル系金属の陽極酸化を実施して前記誘電体層を形成し、そして
その上に導電性金属からなる前記上部電極を形成すること
を含み、その際、
前記銅系低抵抗金属として、銅の単独もしくは銅を主成分とする合金又混合物を使用すること、及び
前記タンタル系金属として、タンタルの単独もしくはタンタルを主成分とする合金又は混合物を使用すること、
を特徴とする薄膜コンデンサ素子の製造方法。
【請求項３】
前記バリア層の形成工程において、前記バリア層を前記配線層の上に中間層を介して形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜コンデンサ素子の製造方法。
【請求項４】
前記バリア層の形成工程において、前記バリア層を単層又は２層以上の多層構造として形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜コンデンサ素子の製造方法。
【請求項５】
前記樹脂基板上にその樹脂基板の表面を平坦化する樹脂層を形成した後に前記銅系低抵抗金属からなる配線層を形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄膜コンデンサ素子の製造方法。
【請求項６】
前記バリア層が、チタン、チタン合金又はチタンの窒化物からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄膜コンデンサ素子の製造方法。
【請求項７】
銅系低抵抗金属からなる配線層、バリア層、タンタル系金属及びタンタル系金属の陽極酸化物からなる誘電体層、そして上部電極から形成された薄膜コンデンサ素子が、キャパシタとして組み込まれているプリント回路基板を製造する方法であって、
プリント基板の両面に形成した絶縁性樹脂層の上に、銅の単独もしくは銅を主成分とする合金又は混合物からなる銅系低抵抗金属からなる下部電極としての配線層を形成し、
前記配線層の上に、アルミニウム、ニオブ、モリブデン、バナジウム、ビスマス、チタン、ジルコニウム、ハフニウム及びシリコンからなる群から選ばれた少なくとも１種類のバルブ金属、該バルブ金属の窒化物、該バルブ金属の窒化物と前記バルブ金属の混合物又は前記バルブ金属の合金からなる前記配線層の端部と表面の全体を覆ったバリア層を形成し、
前記バリア層の上にさらに、タンタルの単独もしくはタンタルを主成分とする合金又は混合物からなるタンタル系金属を被陽極酸化金属層として形成し、
前記バリア層の存在下、前記被陽極酸化金属層のタンタル系金属を陽極酸化して、陽極酸化に用いられた電解液に対する前記銅系低抵抗金属に由来する銅の溶解を防止しながら前記タンタル系金属の陽極酸化を実施して前記誘電体層を形成し、
その上に導電性金属からなる前記上部電極を形成し、
上記のようにして、下部電極、バリア層、被陽極酸化金属層、誘電体層及び上部電極からなる積層構造体を形成した後、その積層構造体のうち前記薄膜コンデンサ素子以外の部分をエッチングにより除去し、
前記薄膜コンデンサ素子を埋め込む絶縁性樹脂層を形成すること
を特徴とするプリント回路基板の製造方法。
【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素子に関し、さらに詳しく述べる、高性能で製造時の歩留りが良好なタンタル系薄膜コンデンサ素子に関する。本発明はまた、このような薄膜コンデンサ素子がキャパシタとして組み込まれたプリント回路基板、特に多層回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の通り、銅（Ｃｕ）などの低抵抗金属配線上にタンタル（Ｔａ）などの薄膜を形成し、その薄膜を適当な電解液中で陽極酸化して誘電体層を形成し、さらに、そのようにして得られたコンデンサ素子をキャパシタとしてプリント回路基板に組み込むことが盛んに行われている。例えば、Ｔａ系薄膜を用いたコンデンサ素子の形成は、通常、図１に順を追って説明するようにして行われている。すなわち、まず最初に、Ｔａからなる下部電極を形成するため、図１の工程（Ａ）に示すように、絶縁性基板１１１の上にその全面を覆うようにＴａ薄膜１１２を約５０００Å程度の膜厚で形成する。絶縁性基板１１１は、その表面に保護膜を有していてもよい。Ｔａ薄膜１１２の形成は、例えば、スパッタリング法（以下、スパッタ法とも呼ぶ）によって行うことができる。次いで、図１の工程（Ｂ）に示すように、Ｔａ薄膜１１２の不要部分をパターニングによって剥離除去する。その後、図１の工程（Ｃ）に示すように、Ｔａ薄膜１１２の誘電体層形成領域のみが露出するようにレジスト膜１１３を被覆し、陽極酸化処理（この処理は、「陽極化成」ともいう）を行う。陽極酸化処理は、例えば、基板１１１を適当な電解液中に浸漬して、通常２８０Ｖ程度の高電圧を印加して行うことができる。図１の工程（Ｄ）に示すように、約４５００Å程度の膜厚を有する誘電体層１１４（五酸化タンタルＴａ2 Ｏ5 からなる）が形成される。引き続いて、不要となったレジスト膜１３を剥離して除去した後、例えば金（Ａｕ）からなる上部電極を形成するため、図１の工程（Ｅ）に示すように、真空蒸着法又はスパッタリング法によってＡｕ薄膜１１５を約３０００Å程度の膜厚で形成する。なお、図示していないが、Ａｕ薄膜１１５の形成に先がけて、例えばニクロム（ＮｉＣｒ）を約３００Å程度の膜厚で形成するのが好ましい。なお、図では、Ａｕ薄膜１１５の不要部分がすでにパターニングによって剥離除去されている状態が示されている。このようにして、Ｔａ薄膜（下部電極）１１２−Ｔａ2 Ｏ5 薄膜（誘電体層）１１４−ＮｉＣｒ／Ａｕ薄膜（上部電極）１１５の積層構造からなるＴａ系薄膜コンデンサ素子が得られる。
【０００３】
上記したようなＴａ系薄膜コンデンサ素子において、Ｃｕからなる基板もしくは配線層の上にコンデンサ素子を組み込む場合、陽極酸化の過程で、ＣｕイオンがＴａ薄膜中を拡散して積極的に電解液に溶解しようとするという傾向が見られる。この傾向は重要で、陽極酸化時にＣｕイオンの拡散が起こると、Ｃｕイオンの電解液中への溶解の結果として、高レベル（通常、２００〜３００Ｖ）まで電圧を上げるべきところを高々１００Ｖ程度しか上げることができないので、満足のいく陽極酸化を行うことができない。さらに加えて、得られる陽極酸化膜（誘電体層）では、ピンホールや凹凸、破れなどが発生してしまう。このような欠陥が多発することの結果、得られるコンデンサ素子の信頼性や歩留りが著しく低下し、リーク電流の増大が引き起こされる。
【０００４】
また、使用する基板の表面が粗い場合に、それを平坦化するためにポリイミド樹脂、エポキシ樹脂などをスピンコート等により塗布し、硬化させた後に、Ｔａ薄膜を形成している。しかし、Ｔａ薄膜の形成に引き続いて実施する陽極酸化の条件によっては、形成された陽極酸化膜のストレス（応力）によって、Ｔａ薄膜の剥離が引き起こされる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記したような従来の技術の問題点を解消して、製造工程で使用される陽極酸化に由来する欠点である、信頼性及び歩留りの低下、リーク電流の増大、Ｔａ薄膜の剥離等を伴わないような、そしてＴａ薄膜とその下地の基板との密着強度が極めて大きな、改良されたＴａ系薄膜コンデンサ素子を提供することにある。
【０００６】
本発明のもう１つの目的は、本発明に従って提供される薄膜コンデンサ素子をキャパシタとして組み込んだ高性能なプリント回路基板を提供することにある。本発明の上記した目的及びその他の目的は、本発明の実施の形態及び実施例についての以下の詳細な説明から容易に理解することができるであろう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その１つの面において、樹脂基板上に形成された銅系低抵抗金属からなる配線層の上に、バリア層、タンタル系金属及びタンタル系金属の陽極酸化物からなる誘電体層、そして上部電極を順次形成することによって薄膜コンデンサ素子を製造する方法であって、
前記配線層の上に、アルミニウム、ニオブ、モリブデン、バナジウム、ビスマス、チタン、ジルコニウム、ハフニウム及びシリコンからなる群から選ばれた少なくとも１種類のバルブ金属、該バルブ金属の窒化物、該バルブ金属の窒化物と前記バルブ金属の混合物又は前記バルブ金属の合金からなる前記配線層の端部と表面の全体を覆ったバリア層を形成し、
前記バリア層の上にさらに、前記タンタル系金属を被陽極酸化金属層として形成し、
前記バリア層の存在下、前記被陽極酸化金属層のタンタル系金属を陽極酸化して、陽極酸化に用いられた電解液に対する前記銅系低抵抗金属に由来する銅の溶解を防止しながら前記タンタル系金属の陽極酸化を実施して前記誘電体層を形成し、そして
その上に導電性金属からなる前記上部電極を形成すること
を含み、その際、
前記銅系低抵抗金属として、銅の単独もしくは銅を主成分とする合金又混合物を使用すること、及び
前記タンタル系金属として、タンタルの単独もしくはタンタルを主成分とする合金又は混合物を使用すること、
を特徴とする薄膜コンデンサ素子の製造方法を提供する。
また、本発明は、樹脂基板上に形成された銅系低抵抗金属からなる配線層の上に、バリア層、タンタル系金属及びタンタル系金属の陽極酸化物からなる誘電体層、そして上部電極を順次形成することによって薄膜コンデンサ素子を製造する方法であって、
前記配線層の上に、アルミニウム、ニオブ、モリブデン、バナジウム、ビスマス、チタン、ジルコニウム、ハフニウム及びシリコンからなる群から選ばれた少なくとも１種類のバルブ金属、該バルブ金属の窒化物、該バルブ金属の窒化物と前記バルブ金属の混合物又は前記バルブ金属の合金からなる前記配線層の表面の全体を覆うバリア層を形成し、
前記バリア層の上にさらに、前記タンタル系金属を被陽極酸化金属層として形成し、
前記配線層、前記バリア層及び前記被陽極酸化金属層の端部をレジスト膜で補助的に覆い、
前記バリア層の存在下、前記被陽極酸化金属層のタンタル系金属を陽極酸化して、陽極酸化に用いられた電解液に対する前記銅系低抵抗金属に由来する銅の溶解を防止しながら前記タンタル系金属の陽極酸化を実施して前記誘電体層を形成し、そして
その上に導電性金属からなる前記上部電極を形成すること
を含み、その際、
前記銅系低抵抗金属として、銅の単独もしくは銅を主成分とする合金又混合物を使用すること、及び
前記タンタル系金属として、タンタルの単独もしくはタンタルを主成分とする合金又は混合物を使用すること、
を特徴とする薄膜コンデンサ素子の製造方法を提供する。
【０００８】
また、本発明は、そのもう１つの面において、銅系低抵抗金属からなる配線層、バリア層、タンタル系金属及びタンタル系金属の陽極酸化物からなる誘電体層、そして上部電極から形成された薄膜コンデンサ素子がキャパシタとして組み込まれているプリント回路基板を製造する方法であって、
プリント基板の両面に形成された絶縁性樹脂層の上に、銅の単独もしくは銅を主成分とする合金又は混合物からなる銅系低抵抗金属からなる下部電極としての配線層を形成し、
前記配線層の上に、アルミニウム、ニオブ、モリブデン、バナジウム、ビスマス、チタン、ジルコニウム、ハフニウム及びシリコンからなる群から選ばれた少なくとも１種類のバルブ金属、該バルブ金属の窒化物、該バルブ金属の窒化物と前記バルブ金属の混合物又は前記バルブ金属の合金からなる前記配線層の端部と表面の全体を覆ったバリア層を形成し、
前記バリア層の上にさらに、タンタルの単独もしくはタンタルを主成分とする合金又は混合物からなるタンタル系金属を被陽極酸化金属層として形成し、
前記バリア層の存在下、前記被陽極酸化金属層のタンタル系金属を陽極酸化して、陽極酸化に用いられた電解液に対する前記銅系低抵抗金属に由来する銅の溶解を防止しながら前記タンタル系金属の陽極酸化を実施して前記誘電体層を形成し、
その上に導電性金属からなる前記上部電極を形成し、
上記のようにして、下部電極、バリア層、被陽極酸化金属層、誘電体層及び上部電極からなる積層構造体を形成した後、その積層構造体のうち前記薄膜コンデンサ素子以外の部分をエッチングにより除去し、
前記薄膜コンデンサ素子を埋め込む絶縁性樹脂層を形成すること
を特徴とするプリント回路基板の製造方法を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明による薄膜コンデンサ素子は、樹脂基板上に形成された銅（Ｃｕ）系低抵抗金属からなる配線層と、その上に形成されたタンタル（Ｔａ）系金属の陽極酸化物からなる誘電体層とを有する薄膜コンデンサ素子である。ここで、「Ｃｕ系低抵抗金属」とは、Ｃｕの単独を指すかもしくはＣｕを主成分とする合金又は混合物などを指し、但し、本願明細書では、これらのＣｕ系金属を総称して「Ｃｕ」とも呼ぶ。また、「Ｔａ系金属」とは、Ｔａの単独を指すかもしくはＴａを主成分とする合金又は混合物などを指し、但し、本願明細書では、これらのＴａ系金属を総称して「Ｔａ」とも呼ぶ。さらに、「薄膜コンデンサ素子」は、それを「キャパシタ」と呼ぶこともできる。
【００１０】
本発明のコンデンサ素子においては、そのＣｕ系基板又は配線層の上に、直接的にもしくは任意の中間層を介して、バリア層が配置されていることが必須である。バリア層は、Ｔａ層の陽極酸化により誘電体層を形成する際、下地の配線層等のＣｕがその上のＴａ層に拡散するのを防止する働きがあり、したがって、形成される誘電体層の信頼性の低下を回避し、コンデンサ素子及びそれを組み込んだ回路基板の歩留りの低下やリーク電流の増大を防止することができる。さらに、バリア層は、それをＴａ層の下地として配置することにより、基板に対するＴａ層の密着力を顕著に高める働きもある。
【００１１】
本発明の薄膜コンデンサ素子は、いろいろな形態を有することができるが、その典型例を図２を参照して説明する。なお、図２では、素子構造の理解を容易にするため、薄膜コンデンサ素子の完成前の、誘電体層を形成するためのＴａ層を形成した後の状態が示されている。
薄膜コンデンサ素子１０は、絶縁性の基板１を有している。ここで使用している基板１は常用のプリント基板であり、その表面が粗いため（表面粗さＲａ＝２〜３μｍ）、その粗さが上方の薄い層にまで反映されて特性等に悪影響が出るのを防止するため、エポキシ樹脂からなる平坦化層２をさらに有している。平坦化層２の膜厚は、２０μｍである。この層は、エポキシ樹脂をスピンコートにより所定の膜厚で塗布し、硬化させることによって形成することができる。なお、平坦化層は、基板１の表面が平滑であるならば、省略してもよい。
【００１２】
本発明の実施において使用する基板は、特に限定されるものではなく、上記したように常用のプリント基板（樹脂基板）であってもよく、さもなければ、Ｃｕ系金属からなる基板であってもよい。適当な樹脂基板の材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂などを挙げることができる。
平坦化層２の上には、基板と配線層との密着強度を高める目的で、クロム（Ｃｒ）からなる密着層３が設けられている。Ｃｒ密着層３は、例えばスパッタ法によって形成することができ、その膜厚は０．０５μｍである。なお、密着層３は、Ｃｒに代えてＮｉＣｒ、ＣｒＭｏなどから形成してもよく、また、その膜厚は、通常、０．０１〜０．１μｍの範囲である。
【００１３】
図示の例の場合、配線層４としてＣｕ配線が施されている。Ｃｕ配線は、例えば、スパッタ法によりＣｕを膜厚０．５μｍで堆積させ、その上にさらに、電解Ｃｕメッキで膜厚１０μｍで厚付けすることによって形成することができる。なお、配線層４としてはＣｕ以外のものも使用できるが、本発明の場合、Ｃｕ配線の時にその効果が十二分に発揮される。
【００１４】
Ｃｕ配線層４の上に、本発明によるバリア層５が施されている。図示の例の場合、バリア層形成材料としてＴｉが使用されている。Ｔｉ層５は、例えばスパッタ法によって形成することができ、その膜厚は０．３μｍ程度である。この層が存在することにより、先にも説明したように、Ｔａ層の陽極酸化により誘電体層を形成する際、配線層のＣｕがその上のＴａ層に拡散するのを防止し、かつ基板に対するＴａ層の密着強度を飛躍的に増大させることができる。
【００１５】
ここで、バリア層についてさらに詳細に説明する。バリア層は、いろいろな金属材料から構成することができる。バリア層の形成に好ましい金属材料は、高温での熱処理を必要としないバルブ金属（すなわち、弁作用を有する金属）、例えばアルミニウム（Ａｌ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、ビスマス（Ｂｉ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、シリコン（Ｓｉ）などである。これらのバルブ金属は、単独で使用してもよく、さもなければ、２種類もしくはそれ以上を組み合わせて使用してもよい。また、このようなバルブ金属は、場合によって化合物の形で用いられてもよい。適当な化合物としては、例えば窒化物（例えば、ＴｉＮ）をあげることができる。このような多数のバルブ金属やその化合物のなかでも、とりわけ、図２の例でも使用されているＴｉや、その窒化物であるＴｉＮが有利である。このような層は、密着層としても優れて良好に機能することができるからである。また、バリア層は、上記したようなバルブ金属やその化合物から形成してもよく、さもなければ、バルブ金属の化合物どうしの混合物、バルブ金属の化合物とバルブ金属の混合物もしくはバルブ金属の化合物とその他の化合物の混合物、バルブ金属の合金などから形成してもよい。バルブ金属の合金としては、例えば、ＴｉＷなどを挙げることができる。
【００１６】
バリア層は、半導体装置の製造などにおいて常用の成膜法を使用して所望の膜厚で形成することができる。適当な成膜法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などを挙げることができる。圧力、温度等の成膜条件は、所望とする効果や所望とする膜厚などに応じて任意に変更可能である。
バリア層は、通常単層で用いられるが、必要に応じて、２層もしくはそれ以上の多層構造で用いてもよい。多層構造のバリア層の例としては、例えば、Ｔｉ＋ＴｉＮの２層構造、ＴｉＷ＋ＴｉＮの２層構造などを挙げることができる。バリア層の膜厚は、成膜条件と同様に所望とする効果などに応じて広く変更することができるけれども、通常、１０ｎｍ〜５μｍの範囲であるのが好ましい。バリア層の膜厚が１０ｎｍを下回ると、銅の拡散防止と密着強度の改善の効果を得ることができなくなり、反対に５μｍを上回ると、得られる素子が厚くなりすぎ、応力の増大等で機能も低下するおそれがある。バリア層の膜厚は、さらに好ましくは、０．１〜０．７μｍの範囲である。
【００１７】
また、図示していないけれども、本発明のコンデンサ素子では、必要に応じて、バリア層とその下の銅系配線層との間に中間層を設けて、両者の密着強度を向上させたりしてもよい。適当な中間層としては、例えば、Ｃｒ層などを挙げることができる。
再び図２を参照すると、Ｔｉ層５の上には陽極酸化金属であるＴａが膜厚１．０μｍで形成されている。Ｔａ層６は、他の層と同様に、例えばスパッタ法によって形成することができる。
【００１８】
Ｔａ層６は、誘電体層を形成するため、陽極酸化工程で処理される。なお、図２の例では、この陽極酸化工程でＣｕ配線層４に電解液が接触しないようにＣｕ配線層４をＴｉ層５で覆った構造を採用しているが、この代わりに、レジスト材料等でＣｕ配線層４を保護してもよい。
陽極酸化工程は、例えば、図３に模式的に示すような陽極酸化装置を使用して実施することができる。電解液５１は、例えば、０．０１〜１．０重量％のクエン酸水溶液を使用することができる。この電解液５１に、直流電源５４に接続された、陽極５２及び陰極５３を浸漬する。図２を参照して説明した陽極酸化金属付きの基板が陽極５２として使用され、また、白金（Ｐｔ）メッシュが陰極５３として使用される。図４に示される定電流−定電圧法に従い、最初、０．１〜１０ｍＡ／cm2 の定電流モードで酸化を開始する。化成時間が経過し、目標とする電圧に達したところで、定電流モードから定電圧モードに変更し、さらに酸化を継続する。図示のように、電流値が１〜１０％に減少するまで酸化を行う。
【００１９】
上記のようにして陽極酸化を行った結果、図５に示すように、基板１の最上層のＴａ層６の表面部分が一定の深さで酸化せしめられた五酸化タンタルＴａ2 Ｏ5 からなる誘電体層７が形成される。引き続いて、図示しないけれども、例えばＡｕ、Ｃｕ等の導電性金属のスパッタリングによって上部電極を形成する。また、Ａｕ、Ｃｕ等の電極の密着強度を高めるため、電極の形成に先がけて、例えばＮｉ、Ｃｒ等の密着層を形成してもよい。
【００２０】
陽極酸化工程についてさらに説明すると、エポキシ樹脂の平坦化層を有する基板上に直接的にＴａ層が積層してあり、そのＴａ層を定電流−定電圧法で陽極酸化する場合、Ｔａ層の膜厚を１．０μm として、１０ｍＡ／cm2 程度未満の電流密度では、エポキシ樹脂層との界面でＴａ層の剥離が発生する。しかし、本発明に従いエポキシ樹脂の平坦化層とＴａ層との間にＴｉ層を介在させて基板構造をエポキシ樹脂平坦化層／Ｔｉ層／Ｔａ層とした場合、１０ｍＡ／cm2 程度未満の電流密度であってもＴａ層の剥離が発生することはない。
【００２１】
次に、例えば基板構造をエポキシ樹脂平坦化層／Ｃｒ層／Ｃｕ層／Ｔａ層とした場合、陽極酸化を行うべく電流を流すと、図４に示したような急峻な電圧の増加を得ることができないばかりでなく、電流値の大小にかかわらず６０Ｖ程度の低い電圧で、Ｃｕ層のＣｕが拡散して、その上のＴａ層を突き破り、電解液中に溶解し、陽極酸化膜（Ｔａ2 Ｏ5 ）の成長が妨げられる。なお、Ｔａ層がＣｕによって突き破られたことは、Ｔａ層に微細な貫通孔ができ、その表面に凹凸が生じたことで確認することができる。しかし、本発明に従い基板構造をエポキシ樹脂平坦化層／Ｃｒ層／Ｃｕ層／Ｔｉ層／Ｔａ層とした場合、３００Ｖ以上の高いレベルまで電圧を上昇させることができ、また、Ｃｕの拡散はＣｕ層とＴａ層の中間に介在させたＴｉ層によって抑制することができ、したがって、リーク電流が小さく高品質な陽極酸化膜を形成することができる。
【００２２】
本発明による薄膜コンデンサ素子は、リーク電流が小さく高品質な誘電体層を備えているので、キャパシタとしていろいろな用途において有利に使用することができる。本発明のコンデンサ素子は、特にそれをキャパシタとしてプリント回路基板に組み込んだ時にその優れた機能を発揮することができる。
本発明のプリント回路基板は、それに本発明の薄膜コンデンサ素子を組み込んだ相違点を除いて、基本的な構造は、従来の回路基板と同様な構造とすることができ、したがって、各種のプリント回路基板を包含することができる。本発明のプリント回路基板は、とりわけ、半導体パッケージに用いるビルトアップ構造を有するプリント回路基板であることが好ましい。
【００２３】
本発明のプリント回路基板の製造について説明すると、例えば、電気配線（Ｃｕ系金属）が施されたプリント基板上に本発明に従いＴｉ系金属からバリア層を例えばスパッタ法などによって形成した後、Ｔａ系金属の薄膜を例えばスパッタ法などによって形成する。次いで、誘電体層の形成のため、Ｔａ系金属層を所定の酸化条件下で陽極酸化する。陽極酸化工程は、例えば、定電流−定電圧法によって行うことができる。このようにして陽極酸化膜を形成した後、その上に上部電極を形成する。上部電極は、例えば、Ｃｒ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ等を薄膜で形成した後に、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）などの電極金属をスパッタ法などで薄膜で成膜することによって形成することができる。このようにして、薄膜コンデンサ素子が組み込まれたプリント回路基板が得られる。また、プリント基板の表面が粗いような場合には、その粗さがコンデンサ素子の特性に悪影響（例えば、電極間の短絡）を及ぼすのを防止するため、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂などのような樹脂をスピンコートなどで被覆して、基板表面の平坦化を行うのが好ましい。コンデンサ素子は、回路基板の任意の位置に作り込むことができるが、例えばビルトアップ構造を有するプリント回路基板では、搭載されるチップの近傍にコンデンサ素子を組み込むことが好ましい。このように構成することによって、配線抵抗の抑制、周波数特性の向上などの効果が得られるからである。
【００２４】
本願明細書では、特にプリント回路基板を参照して本発明の薄膜コンデンサ素子の利用を説明したが、本発明の範囲を逸脱することなく、いろいろな用途においてコンデンサ素子の応用が可能であることを理解されたい。
【００２５】
【実施例】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例を説明する。なお、本発明は下記の実施例によって限定されるものではないことを理解されたい。
図６は、本発明による薄膜コンデンサ素子の好ましい１実施例とその製造工程を順を追って示したものである。なお、この図の例では、陽極酸化工程中において電解液中に配線層を構成するＣｕが溶出するのを防止するために、配線層の全面をバリア層で被覆してしまう方法が採用されている。
【００２６】
まず、図６の工程（Ａ）に示すように、樹脂基板等のプリント基板１の上の所定の領域に、配線用導体として、例えば銅箔を圧着し、銅配線層４を形成する。銅配線層４は、必要ならば、例えばフォトエッチング法などによってパターニングしてもよい。さらに、銅配線層４は、その表面の凹凸を緩和するため、例えば、いわゆるソフトエッチング処理や電解研磨処理に供してもよい。
【００２７】
また、ここでは図示しないけれども、もしもプリント基板の表面が許容し得ない程度の表面粗さ（例えば、Ｒａ＝２〜３μｍ）を有しているならば、その粗い表面を平坦化した後に銅配線層を形成するのが好ましい。この場合には、プリント基板の表面の凹凸を平坦化するために、基板表面に液状の樹脂、例えばエポキシ樹脂をスピンコートにより塗布し、さらに、大気中で、２００℃の温度で約２時間にわたって熱硬化させる。平坦化処理の完了した後、例えばスパッタ法で、Ｃｒを膜厚０．０５μｍで、続いてＣｕを膜厚０．５μｍで、それぞ成膜し、さらに続けて、膜厚１５μｍの電解銅メッキを施して銅配線層を完成する。このように基板表面を平坦化すると、銅配線層の上に施される誘電体層が薄くても、歩留り及び信頼性の高い薄膜コンデンサ素子を作製することが可能になる。
【００２８】
次いで、形成された銅配線層の上に、その層からの銅の拡散を防止する障壁として機能させるため、本発明のバリア層を形成する。この工程は、図６の工程（Ｂ）に示すように、基板１上の銅配線層４の表面に、その全面を覆うようにして、Ｔｉを例えばスパッタ法、ＣＶＤ法などによって被着させることによって行うことができる。図示の例の場合、形成されたバリア層（Ｔｉ層）５の膜厚は、約１００ｎｍである。もちろん、このバリア層の膜厚は下地の基板の凹凸に応じて適宜調整する必要があることは言うまでもないが、現実的に好ましい膜厚は、５０ｎｍ〜１μｍ程度である。また、バリア層に意図される主たる機能は、Ｃｕが拡散して電解液中に溶解するのを防止することであるので、銅配線層の端部を完全に覆うようにバリア層を形成しなければ、意味がなくなる。また、バリア層には、基板表面の平坦化のためにエポキシ樹脂等の平坦化樹脂層を施した場合に、Ｔａ層の基板に対する密着力が低下するのを防止する機能もある。
【００２９】
バリア層の形成が完了した後、図６の工程（Ｃ）に示すように、被陽極酸化金属層として例えばＴａ層６を形成する。Ｔａ層６は、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法などの方法で、例えば５００ｎｍの膜厚で成膜することができる。このＴａ層の膜厚は、上記したバリア層の膜厚と同様に、下地の基板の凹凸に応じて適宜調整する必要があることは言うまでもないが、現実的に好ましい膜厚は、１００ｎｍ〜２μｍ程度である。また、Ｔａ層を形成する場合には、その層で銅配線層の端部を完全に覆うように配慮することは必ずしも必要ない。
【００３０】
最後に、Ｔａ層を陽極酸化して、図６の工程（Ｄ）に示すように、陽極酸化膜（Ｔａ2 Ｏ5 ）７を形成する。この陽極酸化工程は、先に図３及び図４を参照して説明したようにして行うことができる。例えば、０．１％のクエン酸ナトリウム溶液を電解液として用意し、先の工程で作製したＴａ層付きの基板を陽極に接続する。１０ｍＡ／cm2 の定電流で、化成電圧として２００Ｖまで酸化する。この時、下地の基板の凹凸に応じて化成電圧を適宜調整する必要があることは言うまでもないが、現実的に好ましい化成電圧は、通常、１００〜４００Ｖ程度である。
【００３１】
図７は、本発明による薄膜コンデンサ素子のもう１つの好ましい実施例とその製造工程を順を追って示したものである。なお、この図の例では、陽極酸化工程中において電解液中に配線層を構成するＣｕが溶出するのを防止するために、配線層の端部をフォトレジストで被覆してしまう方法が採用されている。
まず、図７の工程（Ａ）に示すように、樹脂基板等のプリント基板１の上の所定の領域に、配線用導体として、例えば銅箔を圧着し、銅配線層４を形成する。銅配線層４は、必要ならば、例えばフォトエッチング法などによってパターニングしてもよい。さらに、銅配線層４は、その表面の凹凸を緩和するため、いわゆるソフトエッチング処理に供してもよい。また、ここでは図示しないけれども、もしもプリント基板の表面が許容し得ない程度の表面粗さを有しているならば、先に図６を参照して説明した手法によって、粗い基板表面を平坦化した後に銅配線層を形成するのが好ましい。
【００３２】
上記のようにして銅配線層４を形成した後、その銅配線層４の上に本発明のバリア層５を形成する。バリア層５は、先にも説明したように、銅配線層から電解液に銅が拡散し、溶解するのを防止するための障壁として作用させるためのものである。バリア層５の形成工程は、図７の工程（Ｂ）に示すように、基板１上の銅配線層４の表面にＴｉを例えばスパッタ法、ＣＶＤ法などによって被着させることによって行うことができる。図示の例の場合、形成されたバリア層（Ｔｉ層）５の膜厚は、約１００ｎｍである。なお、このバリア層の現実的に好ましい膜厚は、５０ｎｍ〜１μｍ程度である。また、このバリア層には、基板表面の平坦化のためにエポキシ樹脂等の平坦化樹脂層を施した場合に、Ｔａ層の基板に対する密着力を向上させる目的もある。
【００３３】
バリア層の形成に引き続いて、被陽極酸化金属層として例えばＴａ層６を形成する。Ｔａ層６は、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法などの方法で、例えば５００ｎｍの膜厚で成膜することができる。このＴａ層の膜厚は、上記したバリア層の膜厚と同様に、下地の基板の凹凸に応じて適宜調整する必要があることは言うまでもないが、現実的に好ましい膜厚は、１００ｎｍ〜２μｍ程度である。
【００３４】
ところで、バリア層を形成する場合には、基本的には、その層で銅配線層の端部を完全に覆うようにしなければ意味がないが、設計上及び（又は）製造工程上の理由で、銅配線層の端部をバリア層で被覆し、封止することができない場合もある。そのような場合には、図７の工程（Ｃ）に示すように、銅配線層４の端部をレジスト膜８で封止してしまうことが推奨される。レジスト膜による封止は、例えば、絶縁性フォトレジストの溶液をスピンコート法により銅配線層の全面に塗布して硬化させた後、封止部以外の領域を選択的に除去することによって行うことができる。また、このようなフォトレジストの使用に代えて、ドライフィルムや粘着性のポリイミドテープなどを使用してもよい。
【００３５】
銅配線層４の端部をレジスト膜８で封止した後、Ｔａ層６を陽極酸化して、図７の工程（Ｄ）に示すように、誘電体層としての陽極酸化膜（Ｔａ2 Ｏ5 ）７を形成する。この陽極酸化工程は、先に図３及び図４を参照して説明したようにして行うことができる。例えば、０．１％のクエン酸ナトリウム溶液を電解液として用意し、先の工程で作製したＴａ層付きの基板を陽極に接続する。１０ｍＡ／cm2 の定電流で、化成電圧として２００Ｖまで酸化する。この時、現実的に好ましい化成電圧は、通常、１００〜４００Ｖ程度である。なお、この化成電圧は、下地の基板の凹凸に応じて適宜調整する必要があることは言うまでもない。
【００３６】
また、図示の例において、Ｔａ層６の陽極酸化領域は、銅配線層４の端部を封止するレジスト膜８の形成部位に依存し、それによって決定される。したがって、本発明に従うと、封止用のレジスト膜８の配置パターンを適宜変更することを通じて、Ｔａ層６の適当な領域に限って誘電体層を選択的に形成することが可能である。なお、レジスト膜８は、陽極酸化後に不要となるので、除去することができる。
【００３７】
図８は、本発明のキャパシタ内蔵のプリント回路基板の好ましい１実施例であるビルトアップ構造を有するプリント回路基板、すなわち、ビルトアップ配線基板を示したものである。ビルトアップ配線基板は、従来のプリント回路基板を基本の構成要素とするものであるが、その表面部分に、高密度に配線層を形成したことを特徴とする。この配線基板では、したがって、高密度でコンパクトな配線基板を低コストで作製できるという効果がある。
【００３８】
図示のビルトアップ配線基板２０は、プリント基板１１と、その所定の部位に開けられたスルーホール１３を有している。プリント基板１１の表面と、スルーホール１３の内面には、所定のパターンで配線用導体層１２（ここでは、銅を配線に使用）が被着されている。スルーホール１３の上方には、本発明の薄膜コンデンサ素子、すなわち、下部電極としてのＣｕ層１５、バリア層としてのＴｉ層２１、被陽極酸化層としてのＴａ層２２、陽極酸化層（誘電体層）としてのＴａ2 Ｏ5 層２３、そして上部電極としてのＣｒ／Ｃｕ層２４からなる積層構造体が組み込まれている。また、上下に隣接した配線用導体層の間などには、絶縁性の樹脂からなる層間絶縁膜１４、１８及び１９が設けられている。ここで使用している絶縁性の樹脂はエポキシ樹脂であるが、ポリイミド樹脂やその他の樹脂を使用してもよい。なお、図示のビルトアップ配線基板２０では、本発明の容易な理解のためにプリント基板１１の上に単純な構成の高密度配線層（ビルトアップ層）を積層した例を示したが、本発明の実施に当たってはいろいろな構成の高密度配線層を設け得ることは言うまでもない。
【００３９】
図８に示したビルトアップ配線基板２０の作製は、その配線基板と完全に同じではないけれども、それに類似の、本発明のプリント回路基板のもう１つの好ましい実施例とその製造工程を順を追って示した図９及び図１０から、容易に理解することができるであろう。
まず、図９の工程（Ａ）に示すように、用意したプリント基板１１の表裏両面に、配線層形成のための銅箔１２を圧着する。
【００４０】
次いで、プリント基板１１の所定の部位にスルーホール１３を開ける。スルーホール１３は、例えば、レーザー加工により微細かつ正確に開けることができる。スルーホール１３の形成に引き続いて、無電解メッキ又は電解メッキによって銅メッキを行い、さらに続けて、形成された銅層をパターニングしてその不要部分を除去する。図９の工程（Ｂ）に示すような断面形状を有する銅配線層１２が得られる。
【００４１】
スルーホール１３の処理が完了した後、プリント基板１１の両面に絶縁性樹脂層１４を形成し（ここでは、絶縁性エポキシ樹脂を使用）、さらに絶縁性樹脂層１４の上にＣｒ／Ｃｕ層をそれぞれスパッタ法により形成し、そして電解メッキによってその上に銅メッキを行う。図９の工程（Ｃ）に示すように、プリント基板１１の上に絶縁膜１４及び銅層１５が順次積層された断面形状が得られる。
【００４２】
次いで、図９の工程（Ｄ）に示すように、銅層１５の所定の部位にビア１６を形成する。ビア１６の形成は、レーザ加工などの常用の技法を使用して行うことができる。
ビア１６の形成に引き続いて、図９の工程（Ｅ）に示すように、無電解メッキ又は電解メッキによって銅メッキを行い、ビア１６の部分も銅メッキ１７で充填する。
【００４３】
ビア部分の銅メッキに続けて、その銅メッキによりプリント基板１１の表面に形成された銅層１５のパターニングを図１０の工程（Ｆ）に示すようにして行い、キャパシタ部分以外の銅層を選択的に除去する。この際、前記工程（Ｃ）〜（Ｆ）を反復して、より多層な配線構造を形成してもよい。銅層の選択的な除去により銅配線層１５を形成した後、絶縁性樹脂層１８を形成する。なお、ここでも、絶縁性エポキシ樹脂を使用した。
【００４４】
キャパシタ部分に銅配線層（下部電極）を形成した後、その下部電極の上に本発明の薄膜コンデンサ素子を積層する。この薄膜コンデンサ素子の積層は、先に図６及び図７を参照して説明したものと同様な手法に従って行うことができる。積層方法の概略を示すと、銅配線層１５の上にその全面を覆うようにバリア層としてＴｉ層２１を例えばスパッタ法、ＣＶＤ法などによって被着させる。次いで、被陽極酸化金属層としてＴａ層２２を、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法などの方法で同じく全面的に被着させる。さらに続けて、Ｔａ層２２を陽極酸化して、誘電体層としての陽極酸化膜（Ｔａ2 Ｏ5 層）２３を形成する。さらに、形成された誘電体層２３の上にＣｒ／Ｃｕスパッタと電解Ｃｕメッキによって銅配線層（上部電極）２４を形成する。このようにして基板１１の上に延在するＴｉ／Ｔａ／Ｔａ2 Ｏ5 ／Ｃｒ／Ｃｕの積層構造体を形成した後、その積層構造体のうちキャパシタ以外の部分をフォトリソグラフィプロセスに従いエッチングにより除去する。図１０の工程（Ｇ）に示すように、本発明に従うキャパシタが得られる。このキャパシタでは、下地の銅配線層１５の銅が陽極酸化のための電解液に溶けだすことがなかったので、その特性において何らの欠陥も発生しておらず、また、Ｔａ層２２の剥離も発生していない。
【００４５】
キャパシタの形成に引き続いて、先に工程（Ｄ）〜（Ｆ）を参照して説明したものと同様な手法に従って絶縁性樹脂層１９の形成、レーザなどによるビアの形成、無電解メッキ又は電解メッキによる銅メッキ、銅メッキ層のパターニングを行うと、図１０の工程（Ｈ）に示すように、その表面に銅配線層２５が露出した本発明によるビルトアップ配線基板２０が得られる。
【００４６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、製造工程で使用される陽極酸化に由来する欠点である、信頼性及び歩留りの低下、リーク電流の増大、Ｔａ薄膜の剥離等を伴わない改良されたＴａ系薄膜コンデンサ素子を得ることができる。また、本発明によれば、Ｔａ薄膜とその下地の基板との密着強度を、従来のコンデンサ素子に比較して顕著に増大させることができる。さらに、本発明によれば、このようなコンデンサ素子の優れた面を十二分に発揮させることのできるプリント回路基板を提供することができ、したがって、半導体装置等の製造に有利に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＴａ系薄膜コンデンサ素子の製造工程を順を追って示した断面図である。
【図２】本発明のＴａ系薄膜コンデンサ素子の、陽極酸化前の状態を示す断面図である。
【図３】図２のコンデンサ素子の製造に使用することのできる陽極酸化装置の一例を示した断面図である。
【図４】陽極酸化工程で採用された定電流−定電圧法を説明したグラフである。
【図５】図２のコンデンサ素子の、陽極酸化後の状態を示す断面図である。
【図６】本発明の薄膜コンデンサ素子の好ましい１実施例とその製造工程を順を追って示した断面図である。
【図７】本発明の薄膜コンデンサ素子のもう１つの好ましい実施例とその製造工程を順を追って示した断面図である。
【図８】本発明のプリント回路基板の好ましい１実施例であるビルトアップ配線基板を示した断面図である。
【図９】本発明のビルトアップ配線基板のもう１つの好ましい実施例とその製造工程（前半）を順を追って示した断面図である。
【図１０】図９に示したビルトアップ配線基板の製造工程の後半を順を追って示した断面図である。
【符号の説明】
１…基板
２…平坦化層
３…Ｃｒ密着層
４…Ｃｕ配線層
５…Ｔｉバリア層
６…Ｔａ層（被陽極酸化金属層）
７…Ｔａ2 Ｏ5 （誘電体層）
１０…薄膜コンデンサ素子
２０…ビルトアップ配線基板
【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】
0003838827.tif 000008
【図８】
0003838827.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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