JP2000049044A

JP2000049044A - 薄膜コンデンサ

Info

Publication number: JP2000049044A
Application number: JP10216798A
Authority: JP
Inventors: Naonori Nagakari; 尚謙永仮
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2000-02-18

Abstract

(57)【要約】【課題】上部電極層からハンダバンプへのＡｕの拡散を
防止することができる薄膜コンデンサを提供する。【解決手段】基板１上に形成された下部電極層２と、該
下部電極層２上に形成された誘電体薄膜３と、該誘電体
薄膜３上に形成されたＡｕからなる上部電極層４と、該
上部電極層４上に形成されたＰｔおよび／またはＰｄか
らなる拡散防止層５と、該拡散防止層５上に形成された
ハンダバンプ７からなるものである。

Description

【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、例えば、高速動作する電気回路に配設され、高周波
ノイズのバイパス用として、もしくは電源電圧の変動防
止用に供される、低インピーダンスの薄膜コンデンサに
関するものである。

【０００２】

【従来技術】近年、電子機器の小型化、高機能化に伴
い、電子機器内に設置される電子部品にも小型化、薄型
化、高周波対応などの要求が強くなってきている。

【０００３】特に、大量の情報を高速に処理する必要の
あるコンピュータの高速デジタル回路では、パーソナル
コンピュータレベルにおいても、ＣＰＵチップ内のクロ
ック周波数は２００ＭＨｚから１ＧＨｚ、チップ間バス
のクロック周波数も７５ＭＨｚから１００ＭＨｚという
具合に高速化が顕著である。

【０００４】また、ＬＳＩの集積度が高まりチップ内の
素子数の増大につれ、消費電力を抑えるために電源電圧
は低下の傾向にある。これらＩＣ回路の高速化、高密度
化、低電圧化に伴い、コンデンサ等の受動部品も小型大
容量化と併せて、高周波もしくは高速パルスに対して優
れた特性を示すことが必須になってきている。

【０００５】コンデンサを小型高容量にするためには、
一対の電極に挟持された誘電体を薄くし、薄膜化するこ
とが最も有効である。薄膜化は上述した電圧の低下の傾
向にも適合している。

【０００６】一方、ＩＣ回路の高速動作に伴う諸問題は
各素子の小型化よりも一層深刻な問題である。このう
ち、コンデンサの役割である高周波ノイズの除去機能に
おいて、特に重要となるのは、論理回路の同時切り替え
が同時に発生したときに生ずる電源電圧の瞬間的な低下
を、コンデンサに蓄積されたエネルギーを瞬時に供給す
ることにより低減する機能であり、いわゆるデカップリ
ングコンデンサと称されるものである。

【０００７】このデカップリングコンデンサに要求され
る性能は、クロック周波数よりも速い負荷部の電流変動
に対して、いかにすばやく電流を供給できるかにある。
従って、１００ＭＨｚから１ＧＨｚにおける周波数領域
に対してコンデンサとして確実に機能しなければならな
い。

【０００８】しかし、実際のコンデンサは静電容量成分
の他に、抵抗成分、インダクタンス成分を持つ。容量成
分のインピーダンスは周波数増加とともに減少し、イン
ダクタンス成分は周波数の増加とともに増大する。

【０００９】このため、動作周波数が高くなるにつれ、
素子の持つインダクタンスが供給すべき過渡電流を制限
してしまい、ロジック回路側の電源電圧の瞬時低下、ま
たは新たな電圧ノイズを発生させてしまう。結果とし
て、ロジック回路上のエラーを引き起こしてしまう。特
に最近のＬＳＩは総素子数の増大による消費電力増大を
抑えるために電源電圧は低下しており、電源電圧の許容
変動幅も小さくなっている。従って、高速動作時の電圧
変動幅を最小に抑えるため、デカップリングコンデンサ
自身の持つインダクタンスおよび抵抗を減少させること
が非常に重要である。

【００１０】インダクタンスを減少させる方法として最
も効果的な手法は電流経路の長さを最小にする方法であ
り、単位面積あたりの容量を増加させて小型化を図れば
よく、コンデンサ素子を薄膜化することにより達成でき
る。特に、大容量で高周波特性の良好なコンデンサを得
る目的で、誘電体厚さを１μｍ以下に薄膜化した例が特
開昭６０−９４７１６号公報等に開示されている。

【００１１】一方、薄膜コンデンサの抵抗成分はその電
極材料の抵抗率によってほぼ決定される。現在、報告さ
れている薄膜部品で使用されている電極材料はＰｔが殆
どである。Ｐｔは耐酸化性、耐反応性に優れているが、
その抵抗率は大きく、本発明のような１００ＭＨｚから
１ＧＨｚという高周波領域で使用する薄膜コンデンサに
おいては、抵抗値が大きすぎて、コンデンサとして十分
に機能することが期待できない。

【００１２】また、コンデンサの抵抗を下げる手法とし
て、積層化があるが、薄膜コンデンサの場合、工程が複
雑であるため、高コスト化につながるという問題があ
る。

【００１３】通常、低抵抗な電極材料として、Ｃｕ、Ｎ
ｉ、ＡｇおよびＡｕが考えられる。

【００１４】しかしながら、Ｃｕ、Ｎｉは耐酸化性に問
題があり、高温での処理が必要な薄膜コンデンサにおい
ては電極として使用するのが困難である。Ａｇは耐酸化
性の点ではＣｕ、Ｎｉに比較して優れているものの、マ
イグレーションおよび誘電体との反応の問題があり、薄
膜コンデンサの電極として使用するのは困難である。

【００１５】一方、Ａｕは耐酸化性が良好であり、誘電
体との反応もないため、薄膜コンデンサの電極として十
分使用可能である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、所望の場所
に実装できるデカップリングコンデンサを考えた場合、
ハンドリング可能な寸法として０．５ｍｍ×０．５ｍｍ
程度以上が必要であるため、薄膜化、小型化の方法のみ
でインダクタンスを低減することはできず、さらに低イ
ンダクタンス化を図るためには、薄膜コンデンサの電流
経路の長さを最小にするしかない。つまり、誘電体薄膜
の上方に、端子電極としてハンダバンプを形成する方法
が考えられる。

【００１７】しかしながら、Ａｕは通常ハンダとの密着
層に用いられる程、ハンダと反応しやすい。このため、
薄膜コンデンサの上部電極層として抵抗の低いＡｕを用
い、このＡｕからなる上部電極層上にハンダバンプ等の
フリップチップ実装用の端子電極を設ける場合には、上
部電極層のＡｕがハンダバンプに拡散し、上部電極層の
Ａｕが消失するため、Ａｕはハンダバンプを有するよう
な薄膜コンデンサの上部電極層材料として使用すること
ができないという問題があった。

【００１８】本発明は、上部電極層からハンダバンプへ
のＡｕの拡散を防止することができる薄膜コンデンサを
提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の薄膜コンデンサ
は、基板上に形成された下部電極層と、該下部電極層上
に形成された誘電体薄膜と、該誘電体薄膜上に形成され
たＡｕからなる上部電極層と、該上部電極層上に形成さ
れたＰｔおよび／またはＰｄからなる拡散防止層と、該
拡散防止層上に形成されたハンダバンプとからなるもの
である。

【００２０】ここで、拡散防止層とハンダバンプとの間
にハンダ濡れ性の良好な密着層が形成されていることが
望ましい。

【００２１】

【作用】本発明の薄膜コンデンサでは、抵抗の小さいＡ
ｕからなる電極層を用いたためインピーダンスを低下で
きるとともに、薄膜コンデンサ上にハンダバンプを形成
したため、このハンダバンプを介して薄膜コンデンサを
電子部品が搭載される母基板の電極に接続することによ
り、電流経路を最小にすることができ、低インダクタン
スの薄膜コンデンサを得ることができる。

【００２２】そして、誘電体薄膜の表面に形成されたＡ
ｕからなる上部電極層に、ハンダとの濡れ性が良好でハ
ンダとの反応性の小さいＰｔおよび／またはＰｄからな
る拡散防止層を介して、ハンダバンプを形成したので、
上部電極層へのハンダバンプの付着強度を向上できると
ともに、ハンダバンプ形成時に生じるＡｕのハンダバン
プへの拡散を抑え、Ａｕからなる上部電極層がハンダバ
ンプに吸われ消失することを防止できる。

【００２３】また、拡散防止層とハンダバンプとの間に
ハンダ濡れ性の良好な密着層を形成することにより、ハ
ンダバンプの付着強度をさらに向上できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の薄膜コンデンサは、図１
に示すように、基板１上に形成された下部電極層２と、
該下部電極層２上に形成された誘電体薄膜３と、該誘電
体薄膜３上に形成されたＡｕからなる上部電極層４と、
該上部電極層４上に形成されたＰｔおよび／またはＰｄ
からなる拡散防止層５と、該拡散防止層５上に形成され
たハンダバンプ７とからなるものである。尚、図１にお
いて、符号８は、例えば、感光性ポリイミド樹脂からな
る保護膜層を示している。

【００２５】ここで、薄膜コンデンサが形成される絶縁
体基板１としては、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、石英等から選択されるもので特に限定さ
れない。

【００２６】また、下部電極層２としては、Ａｕ、Ａ
ｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等が用いられるが、このうちで
も、低抵抗かつ耐酸化性が良好という点でＡｕが望まし
い。このような下部電極層２は、スクリーン印刷、スパ
ッタ等の手法で形成可能であれば良く、その膜厚は高周
波領域でのインピーダンスと膜の被覆性を考慮すると
０．３〜０．５μｍが望ましい。つまり、０．３μｍよ
りも薄い場合には一部に被覆されない部分が発生する虞
があるからであり、また０．５μｍよりも厚い場合は高
周波領域における導体の表皮効果を考慮すると導体層の
抵抗は殆ど変化しないからである。

【００２７】さらに、誘電体薄膜３は、高周波領域にお
いて高い比誘電率を有するものであれば良いが、Ｐｂ、
Ｍｇ、Ｎｂを含むペロブスカイト型酸化物結晶からなる
誘電体や、それ以外のＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＢａＴｉ
Ｏ₃、ＳｒＴｉＯ₃、Ｔａ₂Ｏ₅や、これらに他の金属
を添加したり、置換した化合物であってもよく、特に限
定されるものではない。また、誘電体薄膜３の膜厚は高
容量と絶縁性を確保するため０．３〜１．０μｍが望ま
しい。これは０．３μｍよりも薄い場合には被覆性が良
好でなく絶縁性が低下する場合があり、１．０μｍより
も厚い場合には容量が小さくなるからである。誘電体薄
膜３の膜厚は特に０．４〜０．８μｍが望ましい。

【００２８】また、上部電極層４はＡｕからなるもので
ある。Ａｕは耐酸化性ならびに誘電体薄膜３と反応せ
ず、薄膜コンデンサの電極として十分使用可能だからで
ある。

【００２９】このような上部電極層４は、スクリーン印
刷、スパッタ等の手法で形成可能であれば良く、その膜
厚は、下部電極層２の場合と同様の理由から０．３〜
０．５μｍが望ましい。即ち、０．３μｍよりも薄い場
合には一部に被覆されない部分が発生する虞があるから
であり、また０．５μｍよりも厚い場合は高周波領域に
おける導体の表皮効果を考慮すると導体層の抵抗は殆ど
変化しないからである。

【００３０】そして、拡散防止層５はＰｔおよび／また
はＰｄからなるものであり、電極層２、４と同様、スク
リーン印刷、スパッタ等で形成可能であれば良い。拡散
防止層５の膜厚は、低コスト化および被覆性という点か
ら０．２〜０．４μｍが望ましい。つまり、拡散防止層
５の膜厚が０．２μｍよりも薄い場合には一部に被覆さ
れない部分が発生する虞があり、上部電極層４のＡｕと
の反応が発生する虞があるからであり、０．４μｍより
も厚いと特性は変わらないのに形成コストが高くなるか
らである。

【００３１】また、拡散防止層５は少なくともハンダバ
ンプが形成される部分のみに形成されていれば良く、コ
ストの点を除けば上部電極層４の全面に形成しても良
い。

【００３２】保護膜層８としては薄膜コンデンサの表面
を保護するためのものであり、例えば、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｓ
ｉＯ₂、ポリイミド樹脂、およびＢＣＢ（ベンゾシクロ
ブテン）等からなるもので、上記例では感光性ポリイミ
ド樹脂を用いた。

【００３３】保護膜層８は、ハンダバンプが形成されて
いる部分を除去されて、拡散防止層５を露出し、この露
出した拡散防止層５にハンダバンプ７が形成されてい
る。ハンダバンプ７はスクリーン印刷、ボールマウンタ
ー等の公知の技術を用いて形成されている。

【００３４】また、ハンダバンプ７と拡散防止層５との
間に、ハンダ濡れ性の良好な密着層を形成しても良い。
ハンダ濡れ性の良好な材料として、Ｃｕ、Ｎｉ−Ｃｒ、
Ａｕ等があり、特にＡｕが望ましい。

【００３５】このような薄膜コンデンサは、上部電極層
４ａ上に形成されたハンダバンプ７を、電子部品が搭載
される母基板の表面の電極に接続して用いられる。

【００３６】以上のように構成された薄膜コンデンサで
は、抵抗の小さいＡｕからなる電極層２、４を用いたた
めインピーダンスを低下できるとともに、薄膜コンデン
サがハンダバンプ７を有するため、このハンダバンプ７
を介して薄膜コンデンサを母基板に接続することにより
電流経路を最小にすることができ、低インダクタンスの
薄膜コンデンサを得ることができる。

【００３７】そして、誘電体薄膜３の表面に形成された
Ａｕからなる上部電極層４に、ハンダとの濡れ性が良好
でハンダとの反応性の小さいＰｔおよび／またはＰｄか
らなる拡散防止層５を介して、ハンダバンプ７を形成し
たので、上部電極層４へのハンダバンプ７の付着強度を
向上できるとともに、ハンダバンプ７形成時に生じるＡ
ｕのハンダバンプ７への拡散を抑え、Ａｕからなる上部
電極層４がハンダバンプ７に吸われ消失することを防止
できる。

【００３８】また、ハンダバンプ７と拡散防止層５との
間にハンダ濡れ性の良好な密着層を形成することによ
り、ハンダバンプ７の付着強度をさらに向上できる。

【００３９】尚、本発明では、誘電体薄膜が一層の単板
型の薄膜コンデンサについて説明したが、工程の複雑化
およびコストの点を除けば、誘電体薄膜と電極層とを交
互に積層した積層型の薄膜コンデンサであっても良いこ
とは勿論である。

【００４０】

【実施例】電極層ならびに拡散防止層の形成は高周波マ
グネトロンスパッタ法を、誘電体薄膜層はゾルゲル法に
て作製した。

【００４１】先ず、アルミナ基板上に膜厚０．３μｍの
Ａｕからなる下部電極層を形成した。この下部電極層上
に、ゾルゲル法にて合成したＰｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）
Ｏ₃−ＰｂＴｉＯ₃塗布溶液をスピンコート法を用いて
塗布し、乾燥させた後、４００℃で熱処理、８００℃で
焼成を行い、膜厚０．８μｍのＰｂ（Ｍｇ_1/3Ｎ
ｂ_2/ ₃）Ｏ₃−ＰｂＴｉＯ₃からなる誘電体薄膜を形成
した。

【００４２】次に、誘電体薄膜の上面に、膜厚０．３μ
ｍのＡｕからなる上部電極層を形成し、この上部電極層
上に、ハンダバンプが形成される部分のみに膜厚０．３
μｍのＰｔからなる拡散防止層を形成した。

【００４３】その後、上部電極層および拡散防止層表面
に、膜厚５μｍの感光性ポリイミド樹脂からなる保護膜
層を形成し、この保護膜層のハンダバンプの形成位置部
分にヴィアホール加工を施し、拡散防止層を露出させ
た。

【００４４】次に、ボールマウンターにより、直径０．
２ｍｍのハンダボールをフラックスが転写された拡散防
止層に実装し、リフロー処理し、図１に示したようなハ
ンダバンプを有する薄膜コンデンサを得た。

【００４５】作製した薄膜コンデンサの１ＭＨｚから
１．８ＧＨｚでのインピーダンス特性をインピーダンス
アナライザー（ヒューレットパッカード社製ＨＰ４２９
１Ａ）を用いて、インピーダンス、容量、インダクタン
スを測定し、その結果を表１および図２の実施例１とし
て示した。

【００４６】

【表１】

【００４７】この表１および図２から、本発明の薄膜コ
ンデンサは、共振周波数（１００ＭＨｚ）で０．１Ωの
インピーダンスを有するとともに、容量も２０ｎＦ（１
ＭＨｚ）、インダクタンスが１２５ｐＨという優れた特
性を有することが判る。

【００４８】また、拡散防止層の構成材料をＰｔからＰ
ｄに替えて同様に薄膜コンデンサを作製したところ、こ
の薄膜コンデンサでも、０．１Ωのインピーダンスを有
するとともに、容量も１９ｎＦ、インダクタンスが１２
４ｐＨという優れた特性を有していた。この例を実施例
２として表１に記載した。

【００４９】また、比較例１として、本発明者は、Ｐｔ
からなる拡散防止層を形成せずに直接ハンダバンプをＡ
ｕからなる上部電極層に形成した点を除いて、上記実施
例１と同様の手法で薄膜コンデンサを作製した。

【００５０】作製した薄膜コンデンサの特性結果を表１
および図２に比較例１として示す。

【００５１】この表１および図２から、インピーダンス
やインダクタンスは低いものの、ハンダバンプ形成時に
上部電極層のＡｕがハンダバンプへ拡散し、このため容
量が大幅に減少したことが判る。

【００５２】さらに、比較例２として、本発明者は、誘
電体薄膜の上下面にＰｔからなる電極層を形成し、その
上部電極層に直接ハンダバンプを形成した点を除いて、
上記実施例１と同様の手法で薄膜コンデンサを作製し
た。

【００５３】作製した薄膜コンデンサの特性結果を表１
および図２に比較例２として示す。

【００５４】この表１および図２から、ハンダバンプ形
成による容量減少は見られないが、Ａｕ電極薄膜コンデ
ンサに比べ、インピーダンスが非常に大きいこと（０．
５５Ω）が判る。従って、Ｐｔからなる電極層では低イ
ンピーダンス特性を示す薄膜コンデンサを得ることがで
きないことが判る。

【００５５】

【発明の効果】以上の詳述したように、本発明によれ
ば、基板上に下部電極層、誘電体薄膜、Ａｕからなる上
部電極層を順次形成し、この上部電極層上に、ハンダと
の濡れ性がよくかつハンダとの反応性が低いＰｔおよび
／またはＰｄからなる拡散防止層を形成し、この拡散防
止層上にハンダバンプを形成したので、上部電極層のＡ
ｕのハンダバンプへの拡散を抑制することができ、Ａｕ
からなる上部電極層を有する低インピーダンスの薄膜コ
ンデンサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄膜コンデンサを示す断面図である。

【図２】薄膜コンデンサのインピーダンス特性を示す図
である。

【符号の説明】

１・・・基板２・・・下部電極層３・・・誘電体薄膜４・・・上部電極層５・・・拡散防止層７・・・ハンダバンプ８・・・保護膜層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された下部電極層と、該下部
電極層上に形成された誘電体薄膜と、該誘電体薄膜上に
形成されたＡｕからなる上部電極層と、該上部電極層上
に形成されたＰｔおよび／またはＰｄからなる拡散防止
層と、該拡散防止層上に形成されたハンダバンプからな
ることを特徴とする薄膜コンデンサ。
【請求項２】拡散防止層とハンダバンプとの間にハンダ
濡れ性の良好な密着層が形成されていることを特徴とす
る請求項１記載の薄膜コンデンサ。