誘電体膜の製造方法、デカップリングキャパシタの製造方法及びデカップリングキャパシタ
【課題】 誘電体膜の製造方法、デカップリングキャパシタの製造方法及びデカップリングキャパシタに関し、内部端子のピッチを外部端子のピッチより大きくして容量をより大きくすることを可能にする膜強度を有する粒子充填度の高い誘電体膜を得る。
【解決手段】 平均粒径が６００ｎｍ乃至８００ｎｍに分級した第１の母粒子群と、前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が１５０ｎｍ乃至２００ｎｍに分級した第２の母粒子群と、前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が５０ｎｍ以下の第３の母粒子群とを気体中に浮遊させ、前記浮遊した第１乃至第３の母粒子群をノズルにより成膜基板上に吹き付けて、前記成膜基板上に誘電体膜を成膜する。
【解決手段】 平均粒径が６００ｎｍ乃至８００ｎｍに分級した第１の母粒子群と、前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が１５０ｎｍ乃至２００ｎｍに分級した第２の母粒子群と、前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が５０ｎｍ以下の第３の母粒子群とを気体中に浮遊させ、前記浮遊した第１乃至第３の母粒子群をノズルにより成膜基板上に吹き付けて、前記成膜基板上に誘電体膜を成膜する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体膜の製造方法、デカップリングキャパシタの製造方法及びデカップリングキャパシタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化・高性能化に向けて、実装技術に関してもさらなる高性能化が求められている。現在、パーソナルコンピュータやサーバなどに搭載されている大規模半導体集積回路装置等の素子に使用されている実装パッケージには、 素子の周りにデカップリングキャパシタなどを配置して電源電圧降下時の電流供給やノイズ除去などを行っている。
【０００３】
特に、素子の高速化・低電圧化に伴い、この機能は益々重要視されている。電流供給を高速で処理するためには、 デカップリングキャパシタおよび電源供給系のインピーダンスを低く抑える必要がある。このために、 高容量でインダクタンスの低いキャパシタおよびキャパシタ配線長の低減が求められている。
【０００４】
キャパシタの配置位置は、素子直下部がもっとも有効であり、キャパシタ内蔵パッケージが求められている。また、低コスト化にも効果があり、その実現が期待されている。キャパシタとしては、大規模半導体集積回路装置の極近傍に配置して高速・高容量の電流を供給するために、キャパシタは多層・微細・貫通ビア構造であることが望ましい。
【０００５】
従来の電子機器においては、パッケージレベルでは、大規模半導体集積回路装置への電源供給のために、一般に、パッケージのグランド層と電源層間に電気的に配置するキャパシタから電流を供給することが行われている。
【０００６】
通常はグランド層と電源層間に配置するキャパシタは配線で接続されるために、その配線長分のインダクタンスが加味され、さらに、キャパシタの電源供給端子から大規模半導体集積回路装置の電源端子までの配線分のインダクタが加味される。そのため、電源供給系のインピーダンスが上昇して電源供給能力を低下させる。
【０００７】
高速・高容量の電源を大規模半導体集積回路装置に供給していくためには、不要な配線を減らし、大規模半導体集積回路装置の電源端子に直接接続された構造が望ましい。このような要請に応える方法として、セラミックスのグリーンシート工法が知られている。
【０００８】
グリーンシート工法においては、電源配線パターン形成済みのグリーンシートと接地配線パターン形成済みのグリーンシートを交互に積層して一体化させたのち、この積層体を焼成することによってキャパシタを形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−０２７０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、グリーンシート工法の場合には、プロセスの制限により、誘電体膜の膜厚は５μｍ以上が一般的であり、ビア径やビアピッチの微細化に限界があった。また、プロセス温度の制約から内部導体にも比較的抵抗の大きなＮｉ等を使用する必要があり、低インピーダンス化が制限されていた。
【００１１】
また、構造としては、大規模半導体集積回路装置側のビアビッチが狭くなるに従い、ビア体積（平面内でのビア面積）が大きくなり、有効電極面積が低下してキャパシタの高容量化が困難になるという問題がある。
【００１２】
この様な問題を解決するために、グリーンシート工法による積層キャパシタの表面に、ビルドアップ工法で薄膜キャパシタを付加積層することが考えられる。しかし、ビルドアップ工法の場合には、下部の膜の凹凸の影響や膜応力の問題により、多層化が可能な層数が３層程度に制限され、結果的に高容量化を得ることは困難である。
【００１３】
また、エアロゾルデポジッション法等のナノ粒子成膜法を用いて積層キャパシタを形成することも可能ではある。しかし、通常のエアロゾルデポジッション法による誘電膜はナノ粒子の充填度が低いために、膜の強度が低く、内部におけるビア数を多くする必要があり、その結果、キャパシタ電極面積が少なくなるため、高容量化が困難であるという問題がある。なお、充填度を高めるためにナノ粒子の粒径を小さくすると、十分な膜厚を堆積することができないという問題がある。
【００１４】
したがって、本発明は、内部端子のピッチを外部端子のピッチより大きくして容量をより大きくすることを可能にする膜強度を有する粒子充填度の高い誘電体膜を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
開示する一観点からは、平均粒径が６００ｎｍ乃至８００ｎｍに分級した第１の母粒子群と、前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が１５０ｎｍ乃至２００ｎｍに分級した第２の母粒子群と、前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が５０ｎｍ以下の第３の母粒子群とを気体中に浮遊させ、前記浮遊した第１乃至第３の母粒子群をノズルにより成膜基板上に吹き付けて、前記成膜基板上に誘電体膜を成膜することを特徴とする誘電体膜の製造方法が提供される。
【００１６】
また、開示する別の観点からは、平均粒径が６００ｎｍ乃至８００ｎｍに分級した第１の母粒子群と、前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が１５０ｎｍ乃至２００ｎｍに分級した第２の母粒子群と、前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が５０ｎｍ以下の第３の母粒子群とを気体中に浮遊させ、前記浮遊した第１乃至第３の母粒子群をノズルにより成膜基板上に吹き付けて、前記成膜基板上に誘電体膜を成膜する工程とを有することを特徴とするデカップリングキャパシタの製造方法が提供される。
【００１７】
また、開示するさらに別の観点からは、平均粒径が３００ｎｍ乃至８００ｎｍの大粒径の第１の粒子群と、前記第１の粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が５０ｎｍ乃至２００ｎｍの中粒径の第２の粒子群と、前記第１の粒子群と同じ組成で平均粒径が３０ｎｍ以下の小粒径の第３の粒子群とからなる誘電体膜をキャパシタ誘電体膜とした薄膜キャパシタ要素を多層積層した多層積層構造を有するとともに、表面側に積層した前記薄膜キャパシタ要素のビア径或いはビアピッチの少なくとも一方が、内部側に積層した前記薄膜キャパシタ要素のビア径或いはビアピッチよりも小さいことを特徴とするデカップリングキャパシタが提供される。
【発明の効果】
【００１８】
開示の誘電体膜の製造方法、デカップリングキャパシタの製造方法及びデカップリングキャパシタによれば、内部端子のピッチを外部端子のピッチより大きくして容量をより大きくすることを可能にする膜強度を有する粒子充填度の高い誘電体膜を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態の誘電体膜の製造工程の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の誘電体膜のモデル構造図である。
【図３】本発明の実施の形態の誘電体膜の顕微鏡写真である。
【図４】本発明の実施の形態に用いるナノ粒子成膜装置の概念的構成図である。
【図５】成膜ノズルの頂面図である。
【図６】本発明の実施の形態に用いる分級装置の概念的断面図である。
【図７】本発明の実施の形態に用いる他の分級装置の概念的断面図である。
【図８】本発明の実施の形態の誘電体膜の途中までの製造工程の説明図である。
【図９】本発明の実施の形態の誘電体膜の図８以降の製造工程の説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態の多層デカップリングキャパシタとインターポーザの概略的断面図である。
【図１１】本発明の多層デカップリングキャパシタを組み込んだインターポーザを用いた実装構造の説明図である。
【図１２】各多層デカップリングキャパシタの特性の比較図である。
【図１３】比較例１の多層デカップリングキャパシタの概略的断面図である。
【図１４】比較例２の多層デカップリングキャパシタの概略的断面図である。
【図１５】比較例４の多層デカップリングキャパシタの概略的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
ここで、図１乃至図１１を参照して、本発明の実施の形態の誘電体膜及びその製造工程を説明する。図１（ａ）に示すように、平均粒径が６００ｎｍ乃至８００ｎｍに分級した大粒子１と、大粒子１と同じ組成で且つ平均粒径が１５０ｎｍ乃至２００ｎｍに分級した中粒子２と、大粒子１と同じ組成で且つ平均粒径が５０ｎｍ以下の小粒子３を準備する。
【００２１】
次いで、図１（ｂ）に示すように、この大粒子１、中粒子２及び小粒子３を気体中に浮遊させてエアロゾル化したのち、エアロゾル４をノズル５により成膜基板６上に吹き付けるナノ粒子成膜法によって、成膜基板６上に誘電体膜７を成膜する。このとき、各粒子は一部が若干破砕されて、多少小径の粒子になる。
【００２２】
図２（ａ）は、誘電体膜７の粒子構造を示すモデル構造図であり、大粒子１の作る隙間に中粒子２が入り込み、また、中粒子２の作る隙間に小粒子３が入り込んで充填度の高い緻密な構造になっている。
【００２３】
即ち、大粒子１の粒径をＲＬ、中粒子２の粒径をＲＭ、小粒子３の粒径２をＲＳとすると、
（２１／２−１）ＲＬ＝ＲＭ
であれば、大粒子１による最密充填構造の空間が中粒子２によって効率的に充填される。また、小粒子３の粒径ＲＳがＭＲより十分小さければ、大粒子１と中粒子２との間の間隙を効率的に充填することができる。因みに、大粒子１の粒径ＲＬが５００ｎｍであれば、中粒子２の粒径ＲＭは１００ｎｍ程度になり、小粒子３の粒径ＲＳは１０ｎｍ以下であれば良い。
【００２４】
図２（ｂ）は、比較のために単一の平均粒子径の粒子を用いたナノ粒子成膜法により成膜した誘電体膜の粒子構造を示すモデル構造図である。図に示すように、単一の平均粒子径の粒子８による最密充填構造に近い構造を示すが、粒子間には隙間ができるので粒子充填度が低く、膜強度が弱くなる。
【００２５】
図３は、本発明の実施の形態の誘電体膜の顕微鏡写真であり、平均粒径が５００ｎｍ程度の大粒子１と平均粒径が１００ｎｍ程度の中粒子２と、平均粒径が１０ｎｍ程度の小粒子３が緻密に組み込んだ構造を示している。
【００２６】
図４は、本発明の実施の形態に用いるナノ粒子成膜装置の概念的構成図であり、成膜基板６を保持する基板保持部材１２と、成膜ノズル１３とを備えた成膜室１１を有する。成膜室１１には、エアロゾル用配管１４を介してエアロゾル状態のナノ粒子を供給するエアロゾル発生器１５と、エアロゾル発生器１５にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段１６とが接続され。また、成膜室１１には真空ポンプ１７が接続されており、エアロゾル発生器１５にも配管１８を介して接続されている。また、エアロゾル発生器１５には超音波振動器１９が設けられている。
【００２７】
キャリアガス供給手段１６は、酸素ガスタンク２０と、酸素ガスタンク２０とエアロゾル発生器１５とを結ぶ配管２１と、配管２１の途中に設けられた流量計（ＭＦＣ）２２と、窒素ガスタンク２３と、窒素ガスタンク２３とエアロゾル発生器１５とを結ぶ配管２４と、配管２４の途中に設けられた流量計２５とからなる。また、基板保持部材１２には支柱２６を介してＸＹＺθステージ２７が設けられており、成膜基板６を移動させながら成膜を行う。
【００２８】
図５は、成膜ノズル１３の頂面図であり、先端部に例えば、１０ｍｍ×０．５ｍｍのスリット状の開口２８が設けられており、この開口から分級されたナノ粒子を含んだエアロゾル２９が噴射される。なお、成膜ノズル１３に接続されている配管径は直径１０ｍｍであり、内部では断面積がスリット開口寸法に連続的に変化している。
【００２９】
次に、本発明の実施の形態に用いる分級装置の一例を説明する。図６は、本発明の実施の形態に用いる分級装置の概念的断面図であり、例えば、外平面積が２０ｃｍ×２０ｃｍで、高さが３０ｃｍの分級室３１、分級室３１の内部に設けられた衝撃板３２、分級室３１にエアロゾルを流入させる直径が８ｃｍで長さが５０ｃｍの流入管３３、分級室３１からエアロゾルを流出させる直径が１２ｃｍから８ｃｍにテーパ状に変化する長さが５０ｃｍの流出管３４、流入管３３と直径が１ｃｍのエアロゾル導入部３６とを接続するテーパ部３５、流出管３４と直径が１ｃｍのエアロゾル取出部３８とを接続するテーパ部３７を有する。なお、分級室３１のコーナ部には丸みを持たせる或いは截頭状とすることによって角のない形状として角部にナノ粒子３９が滞留することを防止する。
【００３０】
衝撃板３２は、右下に模式的に横断面図を示したように、例えば、幅が１０ｍｍ、高さが８ｃｍ、厚さが５ｍｍのステンレス片からなり、ナノ粒子３９の粒子進行に垂直な方向で例えば１５ｍｍのピッチでチドリ状に配列されている。この分級室３１にエアロゾル２９が入ると、キャリアガスの流量及び流速を制御することによって、６００ｎｍ〜８００ｎｍ以上の粒径のナノ粒子は容器下部の粒子回収部４０に堆積する。衝撃板３２に当たって破砕されて粒径が６００ｎｍ〜８００ｎｍ以下となったナノ粒子は、分級室３１から排出して回収する。
【００３１】
次いで、回収した６００ｎｍ〜８００ｎｍ以上の粒径のナノ粒子は、再び、衝撃板３２を有さない分級室３１に導入して分級する。平均粒径が６００ｎｍのナノ粒子を分級する場合には、キャリアガスの流量及び流速を制御することによって、６００ｎｍを超える粒径のナノ粒子を容器下部の粒子回収部４０に堆積させる。一方、平均粒径が６００ｎｍのナノ粒子のみを分級室３１から排出して回収することによって平均粒径が６００ｎｍに分級された大粒子１が得られる。なお、平均粒径が８００ｎｍのナノ粒子を分級する場合には、キャリアガスの流量及び流速をより大きくする。
【００３２】
また、回収した６００ｎｍ〜８００ｎｍ以下の粒径のナノ粒子は、再び、衝撃板３２を備えた分級室３１に導入して、キャリアガスの流量及び流速を制御することによって、１５０ｎｍ〜２００ｎｍ以上の粒径のナノ粒子は容器下部の粒子回収部４０に堆積する。衝撃板３２に当たって破砕されて粒径が１５０ｎｍ〜２００ｎｍ以下となったナノ粒子は、分級室３１から排出される。
【００３３】
次いで、回収した１５０ｎｍ〜２００ｎｍ以上の粒径のナノ粒子は、再び、衝撃板３２を有さない分級室３１に導入して分級する。平均粒径が１５０ｎｍのナノ粒子を分級する場合には、キャリアガスの流量及び流速を制御することによって、１５０ｎｍを超える粒径のナノ粒子を容器下部の粒子回収部４０に堆積させる。一方、平均粒径が１５０ｎｍのナノ粒子のみを分級室３１から排出して回収することによって平均粒径が１５０ｎｍに分級された中粒子２が得られる。なお、平均粒径が２００ｎｍのナノ粒子を分級する場合には、キャリアガスの流量及び流速をより大きくする。
【００３４】
また、回収した１５０ｎｍ〜２００ｎｍ以下の粒径のナノ粒子は、再び、衝撃板３２を備えた分級室３１に導入して、キャリアガスの流量及び流速を制御することによって、５０ｎｍ以上の粒径のナノ粒子は容器下部の粒子回収部４０に堆積する。衝撃板３２に当たって破砕されて粒径が５０ｎｍ以下となったナノ粒子は、分級室３１から排出され、小粒子３として回収される。
【００３５】
このように、複数の分級工程を繰り返すことによって、平均粒径が６００ｎｍ乃至８００ｎｍに分級された大粒子１と、平均粒径が１５０ｎｍ乃至２００ｎｍに分級された中粒子２と、平均粒径が５０ｎｍ以下に分級された小粒子３が得られる。
【００３６】
図７は、本発明の実施の形態に用いる他の分級装置の概念的断面図であり、例えば、外平面積が２０ｃｍ×２０ｃｍで、高さが５０ｃｍの分級室３１に直径が８ｃｍで長さが５０ｃｍの流入管３３を設けるとともに、同じ側面に直径が１２ｃｍから８ｃｍにテーパ状に変化する長さが５０ｃｍの流出管３４を設ける。なお、流入管３３及び流出管３４はテーパ部３５，３７を介してエアロゾル導入部３６及びエアロゾル取出部３８とそれぞれ接続している。
【００３７】
分級室３１の流入管３３及び流出管３４を設けた側面と反対の内側面は弧状に成形されており、この弧状部４１が衝撃部材になるとともに、ナノ粒子を含むエアロゾル２９を底面方向に方向転換させる。この場合も、相対的に大粒径のナノ粒子は粒子回収部４０で回収され、相対的に小粒径のナノ粒子はエアロゾル取出部３８から排出される。また、分級する粒子の平均粒径はエアロゾル中のキャリアガスの流量及び流速に依存する。
【００３８】
この様な分級した３種類のナノ粒子群により多層構造デカップリングキャパシタを形成する場合には、図８（ａ）に示すように、銅箔５１上に３種類のサイズの粒子を用いたナノ粒子成膜法により、誘電体膜５２を成膜し、次いで、図８（ｂ）に示すように、フォトリソプロセス工法などでビアホール５３を形成する。次いで、図８（ｃ）に示すように、スパッタ法或いはめっき法等を用いてビアホール５３を銅、金或いは銀で埋め込んでビア５４を形成して下層の薄膜キャパシタ要素５０を形成する。
【００３９】
次いで、図８（ｄ）に示すように、銅箔６１１（６１２）上に３種類のサイズの粒子を用いたナノ粒子成膜法により、誘電体膜６２１（６２２）を成膜したのち、フォトリソプロセス工法などでビアホール６３１（６３２）を形成する。次いで、図８（ｅ）に示すように、スパッタ法或いはめっき法等を用いてビアホール６３１（６３２）を銅、金或いは銀で埋め込んでビア６４１（６４２）を形成する。
【００４０】
次いで、図８（ｆ）に示すように、めっき法或いはスパッタ法によって、銅、金或いは銀からなる導体層を成膜する。次いで、導体層を所定のパターンにエッチングすることによってキャパシタ電極６５１或いは６５２を形成して電源用薄膜キャパシタ片面要素６０１或いは接地用薄膜キャパシタ片面要素６０２とする。
【００４１】
次いで、図９（ｇ）に示すように、薄膜キャパシタ要素５０上に、電源用薄膜キャパシタ片面要素６０１或いは接地用薄膜キャパシタ片面要素６０２をビア同士が対向するように位置合わせして加熱処理を行う。ここでは、電源用薄膜キャパシタ片面要素６０１を積層する。次いで、図９（ｈ）に示すように、電源用薄膜キャパシタ片面要素６０１の銅箔６１１をエッチングで除去する。
【００４２】
次いで、図９（ｉ）に示すように、電源用薄膜キャパシタ片面要素６０１上に接地用薄膜キャパシタ片面要素６０２をビア同士が対向するように位置合わせして加熱処理を行う。次いで、図９（ｊ）に示すように、接地用薄膜キャパシタ片面要素６０２の銅箔６１２をエッチングで除去する。
【００４３】
以降は、電源用薄膜キャパシタ片面要素６０１の積層と接地用薄膜キャパシタ片面要素６０２の積層を交互に必要回数繰り返すことによって多層構造デカップリングキャパシタの基本構造が完成する。
【００４４】
図１０（ａ）は、本発明の実施の形態の多層デカップリングキャパシタの概略的断面図であり、表面側のビアピッチより内部側のビアピッチの大きな構造となる。これは、本発明の実施の形態の誘電体膜が、３種類のサイズの粒子を用いたナノ粒子成膜法を用いて成膜しているので、充填率の高い緻密な膜となり、その結果、膜強度が大きくなるため、膜の強度を補うためのビアの数を少なくできるためである。ビアの数が少なくなることで、キャパシタ電極の専有面積の比率を高めることができ、容量を従来より大きくすることができる。
【００４５】
なお、図１０（ｂ）は、本発明の多層デカップリングキャパシタを組み込んだインターポーザであり、多層デカップリングキャパシタとともに多層膜を貫通する信号用ビア６６を設けている。
【００４６】
図１１は、本発明の多層デカップリングキャパシタを組み込んだインターポーザを用いた実装構造の説明図であり、実装基板７１上にインターポーザ７２を介して半導体集積回路装置７３を実装する。
【００４７】
このように、本発明の誘電体膜をキャパシタ誘電体膜として用いたデカップリングキャパシタは、支持体を用いずに積層していくため、表面の凹凸や膜応力などの影響を受けないため、多層化が容易である。
【００４８】
また、従来のナノ粒子膜に比べて膜強度が２倍程度高いため内部のビアピッチを大きくすることができ、この点からも高容量化が実現でき、焼結セラミックスキャパシタ・薄膜キャパシタより良好な特性が得られる。
【００４９】
例えば、従来の焼結セラミックスキャパシタと比較して、表面ビア径、ビアピッチは、１００μｍ，３５０μｍ →５０μｍ，１５０μｍ
へ微細化が可能である。また、リーク電流密度も
１０−３Ａ／ｃｍ２ → １０−７Ａ／ｃｍ２
へ改善することができる。また、積層数も１０層以上１００層程度まで積層が可能である。
【実施例１】
【００５０】
以上を前提として、次に、本発明の実施例１の多層デカップリングキャパシタを説明する。なお、製造工程は図８乃至図９と同じであるので、図示は省略する。まず、平均粒径が７００ｎｍのチタン酸バリウム粉末をエアロゾル発生容器に入れ、 容器全体に超音波を加え、１５０℃で加熱しながら、３０分真空脱気して、 粉末表面に形成した水分を除去する。同じ工程を、平均粒径が１５０ｎｍのチタン酸バリウム粉末及び平均粒径が２０ｎｍのチタン酸バリウム粉末に対しても行う。
【００５１】
次いで、前処理を施した各原料粉末をエアロゾル発生器に入れ、 高純度酸素ガス(ガス圧：２ｋｇ／ｃｍ２、ガス流量：４Ｌ／分) を導入し、原料をエアロゾル化し、このエアロゾルを配管を通して、製膜室のノズルに送り込む。ノズルは、内側形状が搬送用配管(断面積：円１０ｍｍφ)からスリット状（１０ｍｍ×０．５ｍｍ）に連続して変形し、排出口側にスリット部が４５ｍｍ形成されたものを使用した。
【００５２】
製膜室は、予め真空に引いて製膜室の圧力を１０Ｐａ以下にする。製膜室に形成したエアロゾルを管を介して供給し、ノズルから銅箔に向けて２分間噴射を行った。この時の製膜室中の圧力は２００Ｐａと一定であった。銅箔上に形成された誘電体膜の膜厚は、２μｍであり、この時の成膜速度は１±０．５μｍ／分であった。
【００５３】
この誘電体膜に対してレジスト形成し、露光、パターニングし、ふっ硝酸で誘電体膜を選択的にエッチングしてビアホールを形成する。次いで、銅箔をシード層として銅をめっき成長させてビア導体を形成する。次いで、窒素雰囲中において１０００℃で３０分間熱処理を行い、この層を多層構造の最下層とする。
【００５４】
次に、最下層と同様に、銅箔上に形成されたチタン酸バリウムからなる誘電体膜にレジスト形成し、露光、パターニングし、ふっ硝酸で誘電体膜を選択的にエッチングしビア孔を形成する。次いで、銅箔をシード層として、銅をめっき成長させてビア導体を形成する。次いで、その上にさらに、銅スパッタ膜を形成したのち、レジスト形成し、露光、パターニングし、銅を選択的にエッチングしてキャパシタ電極となる銅パターンを形成して第２層目とする。
【００５５】
次いで、第２層目を最下層の箔に対して位置合わせし、 圧力をかけながら窒素雰囲気１０００℃で、３０分間熱処理を行う。次いで、第２層目に形成されている銅箔はすべてエッチングで除去する。これを、電源用と接地用とについて交互に積層して多層キャパシタを作製する。
【００５６】
次いで、多層キャパシタの容量、内部電極寸法、インダクタンス、キャパシタ構造(スルービア構造の有無)及び信頼性を評価した。図１２は、評価結果を纏めた図であり、比較例１乃至比較例４を参考のために示している。
【００５７】
比較例１は、従来のグリーンシート工法による多層デカップリングキャパシタであり、図１３に示す断面構造となる。ここでは、チタン酸バリウムグリーンシートにビア孔を形成し、Ｎｉペーストを充填し、Ｎｉペーストをスクリーン印刷法により印刷して所定パターンを形成し、パターン形成済みの電源用グリーンシート及び接地用グリーンシートを作製する。
【００５８】
これらの電源用グリーンシートと接地用グリーンシートを交互に位置合わせして積層し、 一体化させたのち、この積層体の焼成を１３５０℃で３０分間行った。その後、多層キャパシタの容量、内部電極寸法、インダクタンス、キャパシタ構造(スルービア構造の有無)、信頼性を評価し、結果を図１２に示している。
【００５９】
比較例２は、比較例１の多層デカップリングキャパシタの表面側に薄膜キャパシタをビルドアップ工法で形成したもので、図１４に示す断面構造となる。ここで、比較例１のグリーンシート工法によるキャパシタの表面にチタン酸バリウム組成に調整したアルコキシド液をディップコーティングもしくはスピンコーティングを行ってゾルゲル膜を形成する。
【００６０】
次いで、ゾルゲル膜の液体成分の乾燥およびアニールを６００℃で３０分間行った後、Ｐｔによるビア孔形成、ビア充填を行うとともに、スパッタによりＰｔ電極パターンを形成して薄膜キャパシタを作製する。この工程を繰り返すことによって多層構造を形成する。但し、ビルドアップ工法であるため、表面の凹凸や膜応力の影響を受けて誘電体層を３層とするのが限界であった。
【００６１】
また、この場合、酸素アニール或いは大気アニールなど、酸素を含んだ雰囲気でのアニールが必須であるため、内部電極材料はＰｔを用いた。次いで、多層キャパシタの容量、内部電極寸法、インダクタンス、キャパシタ構造(スルービア構造の有無)、信頼性を評価し、結果を図１２に示している。
【００６２】
比較例３は、比較例２の薄膜キャパシタをスパッタ法により形成したものであり、断面構造は比較例２と同様である。ここでは、比較例１のグリーンシート工法による多層デカップリングキャパシタの表面に、チタン酸バリウム組成に調整したターゲットを用いたスパッタにより、スパッタ膜を形成する。
【００６３】
このスパッタ膜の結晶化のためのアニールを６００℃で３０分間行って膜の外観を観察するとともに、誘電特性、リーク特性を評価した。次いで、作製した多層キャパシタの容量、内部電極寸法、インダクタンス、キャパシタ構造(スルービア構造の有無)、信頼性を評価し、結果を図１２に示している。
【００６４】
比較例４は、単一のサイズのナノ粒子を用いたナノ粒子成膜法により形成したものであり、単一サイズのナノ粒子として平均粒径が５００ｎｍのチタン酸バリウム粒子を用いた以外は、本発明の実施例１のプロセスと全く同様である。図１５は、比較例４の断面図であり、本発明の実施例１に比べて内部のビアピッチが狭くなっている。
【００６５】
これは、比較例４のように、単一のサイズのナノ粒子を用いた場合には、上記の図２（ｂ）に示したように、誘電膜の膜強度が弱いために、強度を高めるためにビアを密に形成する必要があるためである。
【００６６】
図１２に示したように、本発明の実施例１と比較例１乃至比較例４を対比すると、各比較例に比べて内部のビアの密度を少なくすることができるので、容量を大きくすることが可能である。また、比較例１乃至比較例３に比べると、誘電体膜の膜厚を薄くすることができるので、この点からも大容量化が可能になる。因みに、比較例１と比べると２倍の容量となり、比較例４と比べると１．２５倍の容量となる。
【００６７】
なお、上記の実施例１の説明においては、ビアを形成したのち加熱処理を行っているが、銅箔上にチタン酸バリウム層を形成・成膜した後、 窒素雰囲気で１０００℃で３０分間熱処理したのち、ビアの形成を行っても良い。
【符号の説明】
【００６８】
１ 大粒子
２ 中粒子
３ 小粒子
４ エアロゾル
５ ノズル
６ 成膜基板
７ 誘電体膜
８ 粒子
１１ 成膜室
１２ 基板保持部材
１３ 成膜ノズル
１４ エアロゾル用配管
１５ エアロゾル発生器
１６ キャリアガス供給手段
１７ 真空ポンプ
１８ 配管
１９ 超音波振動器
２０ 酸素ガスタンク
２１ 配管
２２ 流量計
２３ 窒素ガスタンク
２４ 配管
２５ 流量計
２６ 支柱
２７ ＸＹＺθステージ
２８ 開口
２９ エアロゾル
３０ 分級装置
３１ 分級室
３２ 衝撃板
３３ 流入管
３４ 流出管
３５ テーパ部
３６ エアロゾル導入部
３７ テーパ部
３８ エアロゾル取出部
３９ ナノ粒子
４０ 粒子回収部
４１ 弧状部
５０ 薄膜キャパシタ要素
５１ 銅箔
５２ 誘電体膜
５３ ビアホール
５４ ビア
６０１ 電源用薄膜キャパシタ片面要素
６０２ 接地用薄膜キャパシタ片面要素
６１１，６１２ 銅箔
６２１，６２２ 誘電体膜
６３１，６３２ ビアホール
６４１，６４２ ビア
６５１，６５２ キャパシタ電極
６６ 信号用ビア
７１ 実装基板
７２ インターポーザ
７３ 半導体集積回路装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体膜の製造方法、デカップリングキャパシタの製造方法及びデカップリングキャパシタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化・高性能化に向けて、実装技術に関してもさらなる高性能化が求められている。現在、パーソナルコンピュータやサーバなどに搭載されている大規模半導体集積回路装置等の素子に使用されている実装パッケージには、 素子の周りにデカップリングキャパシタなどを配置して電源電圧降下時の電流供給やノイズ除去などを行っている。
【０００３】
特に、素子の高速化・低電圧化に伴い、この機能は益々重要視されている。電流供給を高速で処理するためには、 デカップリングキャパシタおよび電源供給系のインピーダンスを低く抑える必要がある。このために、 高容量でインダクタンスの低いキャパシタおよびキャパシタ配線長の低減が求められている。
【０００４】
キャパシタの配置位置は、素子直下部がもっとも有効であり、キャパシタ内蔵パッケージが求められている。また、低コスト化にも効果があり、その実現が期待されている。キャパシタとしては、大規模半導体集積回路装置の極近傍に配置して高速・高容量の電流を供給するために、キャパシタは多層・微細・貫通ビア構造であることが望ましい。
【０００５】
従来の電子機器においては、パッケージレベルでは、大規模半導体集積回路装置への電源供給のために、一般に、パッケージのグランド層と電源層間に電気的に配置するキャパシタから電流を供給することが行われている。
【０００６】
通常はグランド層と電源層間に配置するキャパシタは配線で接続されるために、その配線長分のインダクタンスが加味され、さらに、キャパシタの電源供給端子から大規模半導体集積回路装置の電源端子までの配線分のインダクタが加味される。そのため、電源供給系のインピーダンスが上昇して電源供給能力を低下させる。
【０００７】
高速・高容量の電源を大規模半導体集積回路装置に供給していくためには、不要な配線を減らし、大規模半導体集積回路装置の電源端子に直接接続された構造が望ましい。このような要請に応える方法として、セラミックスのグリーンシート工法が知られている。
【０００８】
グリーンシート工法においては、電源配線パターン形成済みのグリーンシートと接地配線パターン形成済みのグリーンシートを交互に積層して一体化させたのち、この積層体を焼成することによってキャパシタを形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−０２７０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、グリーンシート工法の場合には、プロセスの制限により、誘電体膜の膜厚は５μｍ以上が一般的であり、ビア径やビアピッチの微細化に限界があった。また、プロセス温度の制約から内部導体にも比較的抵抗の大きなＮｉ等を使用する必要があり、低インピーダンス化が制限されていた。
【００１１】
また、構造としては、大規模半導体集積回路装置側のビアビッチが狭くなるに従い、ビア体積（平面内でのビア面積）が大きくなり、有効電極面積が低下してキャパシタの高容量化が困難になるという問題がある。
【００１２】
この様な問題を解決するために、グリーンシート工法による積層キャパシタの表面に、ビルドアップ工法で薄膜キャパシタを付加積層することが考えられる。しかし、ビルドアップ工法の場合には、下部の膜の凹凸の影響や膜応力の問題により、多層化が可能な層数が３層程度に制限され、結果的に高容量化を得ることは困難である。
【００１３】
また、エアロゾルデポジッション法等のナノ粒子成膜法を用いて積層キャパシタを形成することも可能ではある。しかし、通常のエアロゾルデポジッション法による誘電膜はナノ粒子の充填度が低いために、膜の強度が低く、内部におけるビア数を多くする必要があり、その結果、キャパシタ電極面積が少なくなるため、高容量化が困難であるという問題がある。なお、充填度を高めるためにナノ粒子の粒径を小さくすると、十分な膜厚を堆積することができないという問題がある。
【００１４】
したがって、本発明は、内部端子のピッチを外部端子のピッチより大きくして容量をより大きくすることを可能にする膜強度を有する粒子充填度の高い誘電体膜を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
開示する一観点からは、平均粒径が６００ｎｍ乃至８００ｎｍに分級した第１の母粒子群と、前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が１５０ｎｍ乃至２００ｎｍに分級した第２の母粒子群と、前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が５０ｎｍ以下の第３の母粒子群とを気体中に浮遊させ、前記浮遊した第１乃至第３の母粒子群をノズルにより成膜基板上に吹き付けて、前記成膜基板上に誘電体膜を成膜することを特徴とする誘電体膜の製造方法が提供される。
【００１６】
また、開示する別の観点からは、平均粒径が６００ｎｍ乃至８００ｎｍに分級した第１の母粒子群と、前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が１５０ｎｍ乃至２００ｎｍに分級した第２の母粒子群と、前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が５０ｎｍ以下の第３の母粒子群とを気体中に浮遊させ、前記浮遊した第１乃至第３の母粒子群をノズルにより成膜基板上に吹き付けて、前記成膜基板上に誘電体膜を成膜する工程とを有することを特徴とするデカップリングキャパシタの製造方法が提供される。
【００１７】
また、開示するさらに別の観点からは、平均粒径が３００ｎｍ乃至８００ｎｍの大粒径の第１の粒子群と、前記第１の粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が５０ｎｍ乃至２００ｎｍの中粒径の第２の粒子群と、前記第１の粒子群と同じ組成で平均粒径が３０ｎｍ以下の小粒径の第３の粒子群とからなる誘電体膜をキャパシタ誘電体膜とした薄膜キャパシタ要素を多層積層した多層積層構造を有するとともに、表面側に積層した前記薄膜キャパシタ要素のビア径或いはビアピッチの少なくとも一方が、内部側に積層した前記薄膜キャパシタ要素のビア径或いはビアピッチよりも小さいことを特徴とするデカップリングキャパシタが提供される。
【発明の効果】
【００１８】
開示の誘電体膜の製造方法、デカップリングキャパシタの製造方法及びデカップリングキャパシタによれば、内部端子のピッチを外部端子のピッチより大きくして容量をより大きくすることを可能にする膜強度を有する粒子充填度の高い誘電体膜を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態の誘電体膜の製造工程の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の誘電体膜のモデル構造図である。
【図３】本発明の実施の形態の誘電体膜の顕微鏡写真である。
【図４】本発明の実施の形態に用いるナノ粒子成膜装置の概念的構成図である。
【図５】成膜ノズルの頂面図である。
【図６】本発明の実施の形態に用いる分級装置の概念的断面図である。
【図７】本発明の実施の形態に用いる他の分級装置の概念的断面図である。
【図８】本発明の実施の形態の誘電体膜の途中までの製造工程の説明図である。
【図９】本発明の実施の形態の誘電体膜の図８以降の製造工程の説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態の多層デカップリングキャパシタとインターポーザの概略的断面図である。
【図１１】本発明の多層デカップリングキャパシタを組み込んだインターポーザを用いた実装構造の説明図である。
【図１２】各多層デカップリングキャパシタの特性の比較図である。
【図１３】比較例１の多層デカップリングキャパシタの概略的断面図である。
【図１４】比較例２の多層デカップリングキャパシタの概略的断面図である。
【図１５】比較例４の多層デカップリングキャパシタの概略的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
ここで、図１乃至図１１を参照して、本発明の実施の形態の誘電体膜及びその製造工程を説明する。図１（ａ）に示すように、平均粒径が６００ｎｍ乃至８００ｎｍに分級した大粒子１と、大粒子１と同じ組成で且つ平均粒径が１５０ｎｍ乃至２００ｎｍに分級した中粒子２と、大粒子１と同じ組成で且つ平均粒径が５０ｎｍ以下の小粒子３を準備する。
【００２１】
次いで、図１（ｂ）に示すように、この大粒子１、中粒子２及び小粒子３を気体中に浮遊させてエアロゾル化したのち、エアロゾル４をノズル５により成膜基板６上に吹き付けるナノ粒子成膜法によって、成膜基板６上に誘電体膜７を成膜する。このとき、各粒子は一部が若干破砕されて、多少小径の粒子になる。
【００２２】
図２（ａ）は、誘電体膜７の粒子構造を示すモデル構造図であり、大粒子１の作る隙間に中粒子２が入り込み、また、中粒子２の作る隙間に小粒子３が入り込んで充填度の高い緻密な構造になっている。
【００２３】
即ち、大粒子１の粒径をＲＬ、中粒子２の粒径をＲＭ、小粒子３の粒径２をＲＳとすると、
（２１／２−１）ＲＬ＝ＲＭ
であれば、大粒子１による最密充填構造の空間が中粒子２によって効率的に充填される。また、小粒子３の粒径ＲＳがＭＲより十分小さければ、大粒子１と中粒子２との間の間隙を効率的に充填することができる。因みに、大粒子１の粒径ＲＬが５００ｎｍであれば、中粒子２の粒径ＲＭは１００ｎｍ程度になり、小粒子３の粒径ＲＳは１０ｎｍ以下であれば良い。
【００２４】
図２（ｂ）は、比較のために単一の平均粒子径の粒子を用いたナノ粒子成膜法により成膜した誘電体膜の粒子構造を示すモデル構造図である。図に示すように、単一の平均粒子径の粒子８による最密充填構造に近い構造を示すが、粒子間には隙間ができるので粒子充填度が低く、膜強度が弱くなる。
【００２５】
図３は、本発明の実施の形態の誘電体膜の顕微鏡写真であり、平均粒径が５００ｎｍ程度の大粒子１と平均粒径が１００ｎｍ程度の中粒子２と、平均粒径が１０ｎｍ程度の小粒子３が緻密に組み込んだ構造を示している。
【００２６】
図４は、本発明の実施の形態に用いるナノ粒子成膜装置の概念的構成図であり、成膜基板６を保持する基板保持部材１２と、成膜ノズル１３とを備えた成膜室１１を有する。成膜室１１には、エアロゾル用配管１４を介してエアロゾル状態のナノ粒子を供給するエアロゾル発生器１５と、エアロゾル発生器１５にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段１６とが接続され。また、成膜室１１には真空ポンプ１７が接続されており、エアロゾル発生器１５にも配管１８を介して接続されている。また、エアロゾル発生器１５には超音波振動器１９が設けられている。
【００２７】
キャリアガス供給手段１６は、酸素ガスタンク２０と、酸素ガスタンク２０とエアロゾル発生器１５とを結ぶ配管２１と、配管２１の途中に設けられた流量計（ＭＦＣ）２２と、窒素ガスタンク２３と、窒素ガスタンク２３とエアロゾル発生器１５とを結ぶ配管２４と、配管２４の途中に設けられた流量計２５とからなる。また、基板保持部材１２には支柱２６を介してＸＹＺθステージ２７が設けられており、成膜基板６を移動させながら成膜を行う。
【００２８】
図５は、成膜ノズル１３の頂面図であり、先端部に例えば、１０ｍｍ×０．５ｍｍのスリット状の開口２８が設けられており、この開口から分級されたナノ粒子を含んだエアロゾル２９が噴射される。なお、成膜ノズル１３に接続されている配管径は直径１０ｍｍであり、内部では断面積がスリット開口寸法に連続的に変化している。
【００２９】
次に、本発明の実施の形態に用いる分級装置の一例を説明する。図６は、本発明の実施の形態に用いる分級装置の概念的断面図であり、例えば、外平面積が２０ｃｍ×２０ｃｍで、高さが３０ｃｍの分級室３１、分級室３１の内部に設けられた衝撃板３２、分級室３１にエアロゾルを流入させる直径が８ｃｍで長さが５０ｃｍの流入管３３、分級室３１からエアロゾルを流出させる直径が１２ｃｍから８ｃｍにテーパ状に変化する長さが５０ｃｍの流出管３４、流入管３３と直径が１ｃｍのエアロゾル導入部３６とを接続するテーパ部３５、流出管３４と直径が１ｃｍのエアロゾル取出部３８とを接続するテーパ部３７を有する。なお、分級室３１のコーナ部には丸みを持たせる或いは截頭状とすることによって角のない形状として角部にナノ粒子３９が滞留することを防止する。
【００３０】
衝撃板３２は、右下に模式的に横断面図を示したように、例えば、幅が１０ｍｍ、高さが８ｃｍ、厚さが５ｍｍのステンレス片からなり、ナノ粒子３９の粒子進行に垂直な方向で例えば１５ｍｍのピッチでチドリ状に配列されている。この分級室３１にエアロゾル２９が入ると、キャリアガスの流量及び流速を制御することによって、６００ｎｍ〜８００ｎｍ以上の粒径のナノ粒子は容器下部の粒子回収部４０に堆積する。衝撃板３２に当たって破砕されて粒径が６００ｎｍ〜８００ｎｍ以下となったナノ粒子は、分級室３１から排出して回収する。
【００３１】
次いで、回収した６００ｎｍ〜８００ｎｍ以上の粒径のナノ粒子は、再び、衝撃板３２を有さない分級室３１に導入して分級する。平均粒径が６００ｎｍのナノ粒子を分級する場合には、キャリアガスの流量及び流速を制御することによって、６００ｎｍを超える粒径のナノ粒子を容器下部の粒子回収部４０に堆積させる。一方、平均粒径が６００ｎｍのナノ粒子のみを分級室３１から排出して回収することによって平均粒径が６００ｎｍに分級された大粒子１が得られる。なお、平均粒径が８００ｎｍのナノ粒子を分級する場合には、キャリアガスの流量及び流速をより大きくする。
【００３２】
また、回収した６００ｎｍ〜８００ｎｍ以下の粒径のナノ粒子は、再び、衝撃板３２を備えた分級室３１に導入して、キャリアガスの流量及び流速を制御することによって、１５０ｎｍ〜２００ｎｍ以上の粒径のナノ粒子は容器下部の粒子回収部４０に堆積する。衝撃板３２に当たって破砕されて粒径が１５０ｎｍ〜２００ｎｍ以下となったナノ粒子は、分級室３１から排出される。
【００３３】
次いで、回収した１５０ｎｍ〜２００ｎｍ以上の粒径のナノ粒子は、再び、衝撃板３２を有さない分級室３１に導入して分級する。平均粒径が１５０ｎｍのナノ粒子を分級する場合には、キャリアガスの流量及び流速を制御することによって、１５０ｎｍを超える粒径のナノ粒子を容器下部の粒子回収部４０に堆積させる。一方、平均粒径が１５０ｎｍのナノ粒子のみを分級室３１から排出して回収することによって平均粒径が１５０ｎｍに分級された中粒子２が得られる。なお、平均粒径が２００ｎｍのナノ粒子を分級する場合には、キャリアガスの流量及び流速をより大きくする。
【００３４】
また、回収した１５０ｎｍ〜２００ｎｍ以下の粒径のナノ粒子は、再び、衝撃板３２を備えた分級室３１に導入して、キャリアガスの流量及び流速を制御することによって、５０ｎｍ以上の粒径のナノ粒子は容器下部の粒子回収部４０に堆積する。衝撃板３２に当たって破砕されて粒径が５０ｎｍ以下となったナノ粒子は、分級室３１から排出され、小粒子３として回収される。
【００３５】
このように、複数の分級工程を繰り返すことによって、平均粒径が６００ｎｍ乃至８００ｎｍに分級された大粒子１と、平均粒径が１５０ｎｍ乃至２００ｎｍに分級された中粒子２と、平均粒径が５０ｎｍ以下に分級された小粒子３が得られる。
【００３６】
図７は、本発明の実施の形態に用いる他の分級装置の概念的断面図であり、例えば、外平面積が２０ｃｍ×２０ｃｍで、高さが５０ｃｍの分級室３１に直径が８ｃｍで長さが５０ｃｍの流入管３３を設けるとともに、同じ側面に直径が１２ｃｍから８ｃｍにテーパ状に変化する長さが５０ｃｍの流出管３４を設ける。なお、流入管３３及び流出管３４はテーパ部３５，３７を介してエアロゾル導入部３６及びエアロゾル取出部３８とそれぞれ接続している。
【００３７】
分級室３１の流入管３３及び流出管３４を設けた側面と反対の内側面は弧状に成形されており、この弧状部４１が衝撃部材になるとともに、ナノ粒子を含むエアロゾル２９を底面方向に方向転換させる。この場合も、相対的に大粒径のナノ粒子は粒子回収部４０で回収され、相対的に小粒径のナノ粒子はエアロゾル取出部３８から排出される。また、分級する粒子の平均粒径はエアロゾル中のキャリアガスの流量及び流速に依存する。
【００３８】
この様な分級した３種類のナノ粒子群により多層構造デカップリングキャパシタを形成する場合には、図８（ａ）に示すように、銅箔５１上に３種類のサイズの粒子を用いたナノ粒子成膜法により、誘電体膜５２を成膜し、次いで、図８（ｂ）に示すように、フォトリソプロセス工法などでビアホール５３を形成する。次いで、図８（ｃ）に示すように、スパッタ法或いはめっき法等を用いてビアホール５３を銅、金或いは銀で埋め込んでビア５４を形成して下層の薄膜キャパシタ要素５０を形成する。
【００３９】
次いで、図８（ｄ）に示すように、銅箔６１１（６１２）上に３種類のサイズの粒子を用いたナノ粒子成膜法により、誘電体膜６２１（６２２）を成膜したのち、フォトリソプロセス工法などでビアホール６３１（６３２）を形成する。次いで、図８（ｅ）に示すように、スパッタ法或いはめっき法等を用いてビアホール６３１（６３２）を銅、金或いは銀で埋め込んでビア６４１（６４２）を形成する。
【００４０】
次いで、図８（ｆ）に示すように、めっき法或いはスパッタ法によって、銅、金或いは銀からなる導体層を成膜する。次いで、導体層を所定のパターンにエッチングすることによってキャパシタ電極６５１或いは６５２を形成して電源用薄膜キャパシタ片面要素６０１或いは接地用薄膜キャパシタ片面要素６０２とする。
【００４１】
次いで、図９（ｇ）に示すように、薄膜キャパシタ要素５０上に、電源用薄膜キャパシタ片面要素６０１或いは接地用薄膜キャパシタ片面要素６０２をビア同士が対向するように位置合わせして加熱処理を行う。ここでは、電源用薄膜キャパシタ片面要素６０１を積層する。次いで、図９（ｈ）に示すように、電源用薄膜キャパシタ片面要素６０１の銅箔６１１をエッチングで除去する。
【００４２】
次いで、図９（ｉ）に示すように、電源用薄膜キャパシタ片面要素６０１上に接地用薄膜キャパシタ片面要素６０２をビア同士が対向するように位置合わせして加熱処理を行う。次いで、図９（ｊ）に示すように、接地用薄膜キャパシタ片面要素６０２の銅箔６１２をエッチングで除去する。
【００４３】
以降は、電源用薄膜キャパシタ片面要素６０１の積層と接地用薄膜キャパシタ片面要素６０２の積層を交互に必要回数繰り返すことによって多層構造デカップリングキャパシタの基本構造が完成する。
【００４４】
図１０（ａ）は、本発明の実施の形態の多層デカップリングキャパシタの概略的断面図であり、表面側のビアピッチより内部側のビアピッチの大きな構造となる。これは、本発明の実施の形態の誘電体膜が、３種類のサイズの粒子を用いたナノ粒子成膜法を用いて成膜しているので、充填率の高い緻密な膜となり、その結果、膜強度が大きくなるため、膜の強度を補うためのビアの数を少なくできるためである。ビアの数が少なくなることで、キャパシタ電極の専有面積の比率を高めることができ、容量を従来より大きくすることができる。
【００４５】
なお、図１０（ｂ）は、本発明の多層デカップリングキャパシタを組み込んだインターポーザであり、多層デカップリングキャパシタとともに多層膜を貫通する信号用ビア６６を設けている。
【００４６】
図１１は、本発明の多層デカップリングキャパシタを組み込んだインターポーザを用いた実装構造の説明図であり、実装基板７１上にインターポーザ７２を介して半導体集積回路装置７３を実装する。
【００４７】
このように、本発明の誘電体膜をキャパシタ誘電体膜として用いたデカップリングキャパシタは、支持体を用いずに積層していくため、表面の凹凸や膜応力などの影響を受けないため、多層化が容易である。
【００４８】
また、従来のナノ粒子膜に比べて膜強度が２倍程度高いため内部のビアピッチを大きくすることができ、この点からも高容量化が実現でき、焼結セラミックスキャパシタ・薄膜キャパシタより良好な特性が得られる。
【００４９】
例えば、従来の焼結セラミックスキャパシタと比較して、表面ビア径、ビアピッチは、１００μｍ，３５０μｍ →５０μｍ，１５０μｍ
へ微細化が可能である。また、リーク電流密度も
１０−３Ａ／ｃｍ２ → １０−７Ａ／ｃｍ２
へ改善することができる。また、積層数も１０層以上１００層程度まで積層が可能である。
【実施例１】
【００５０】
以上を前提として、次に、本発明の実施例１の多層デカップリングキャパシタを説明する。なお、製造工程は図８乃至図９と同じであるので、図示は省略する。まず、平均粒径が７００ｎｍのチタン酸バリウム粉末をエアロゾル発生容器に入れ、 容器全体に超音波を加え、１５０℃で加熱しながら、３０分真空脱気して、 粉末表面に形成した水分を除去する。同じ工程を、平均粒径が１５０ｎｍのチタン酸バリウム粉末及び平均粒径が２０ｎｍのチタン酸バリウム粉末に対しても行う。
【００５１】
次いで、前処理を施した各原料粉末をエアロゾル発生器に入れ、 高純度酸素ガス(ガス圧：２ｋｇ／ｃｍ２、ガス流量：４Ｌ／分) を導入し、原料をエアロゾル化し、このエアロゾルを配管を通して、製膜室のノズルに送り込む。ノズルは、内側形状が搬送用配管(断面積：円１０ｍｍφ)からスリット状（１０ｍｍ×０．５ｍｍ）に連続して変形し、排出口側にスリット部が４５ｍｍ形成されたものを使用した。
【００５２】
製膜室は、予め真空に引いて製膜室の圧力を１０Ｐａ以下にする。製膜室に形成したエアロゾルを管を介して供給し、ノズルから銅箔に向けて２分間噴射を行った。この時の製膜室中の圧力は２００Ｐａと一定であった。銅箔上に形成された誘電体膜の膜厚は、２μｍであり、この時の成膜速度は１±０．５μｍ／分であった。
【００５３】
この誘電体膜に対してレジスト形成し、露光、パターニングし、ふっ硝酸で誘電体膜を選択的にエッチングしてビアホールを形成する。次いで、銅箔をシード層として銅をめっき成長させてビア導体を形成する。次いで、窒素雰囲中において１０００℃で３０分間熱処理を行い、この層を多層構造の最下層とする。
【００５４】
次に、最下層と同様に、銅箔上に形成されたチタン酸バリウムからなる誘電体膜にレジスト形成し、露光、パターニングし、ふっ硝酸で誘電体膜を選択的にエッチングしビア孔を形成する。次いで、銅箔をシード層として、銅をめっき成長させてビア導体を形成する。次いで、その上にさらに、銅スパッタ膜を形成したのち、レジスト形成し、露光、パターニングし、銅を選択的にエッチングしてキャパシタ電極となる銅パターンを形成して第２層目とする。
【００５５】
次いで、第２層目を最下層の箔に対して位置合わせし、 圧力をかけながら窒素雰囲気１０００℃で、３０分間熱処理を行う。次いで、第２層目に形成されている銅箔はすべてエッチングで除去する。これを、電源用と接地用とについて交互に積層して多層キャパシタを作製する。
【００５６】
次いで、多層キャパシタの容量、内部電極寸法、インダクタンス、キャパシタ構造(スルービア構造の有無)及び信頼性を評価した。図１２は、評価結果を纏めた図であり、比較例１乃至比較例４を参考のために示している。
【００５７】
比較例１は、従来のグリーンシート工法による多層デカップリングキャパシタであり、図１３に示す断面構造となる。ここでは、チタン酸バリウムグリーンシートにビア孔を形成し、Ｎｉペーストを充填し、Ｎｉペーストをスクリーン印刷法により印刷して所定パターンを形成し、パターン形成済みの電源用グリーンシート及び接地用グリーンシートを作製する。
【００５８】
これらの電源用グリーンシートと接地用グリーンシートを交互に位置合わせして積層し、 一体化させたのち、この積層体の焼成を１３５０℃で３０分間行った。その後、多層キャパシタの容量、内部電極寸法、インダクタンス、キャパシタ構造(スルービア構造の有無)、信頼性を評価し、結果を図１２に示している。
【００５９】
比較例２は、比較例１の多層デカップリングキャパシタの表面側に薄膜キャパシタをビルドアップ工法で形成したもので、図１４に示す断面構造となる。ここで、比較例１のグリーンシート工法によるキャパシタの表面にチタン酸バリウム組成に調整したアルコキシド液をディップコーティングもしくはスピンコーティングを行ってゾルゲル膜を形成する。
【００６０】
次いで、ゾルゲル膜の液体成分の乾燥およびアニールを６００℃で３０分間行った後、Ｐｔによるビア孔形成、ビア充填を行うとともに、スパッタによりＰｔ電極パターンを形成して薄膜キャパシタを作製する。この工程を繰り返すことによって多層構造を形成する。但し、ビルドアップ工法であるため、表面の凹凸や膜応力の影響を受けて誘電体層を３層とするのが限界であった。
【００６１】
また、この場合、酸素アニール或いは大気アニールなど、酸素を含んだ雰囲気でのアニールが必須であるため、内部電極材料はＰｔを用いた。次いで、多層キャパシタの容量、内部電極寸法、インダクタンス、キャパシタ構造(スルービア構造の有無)、信頼性を評価し、結果を図１２に示している。
【００６２】
比較例３は、比較例２の薄膜キャパシタをスパッタ法により形成したものであり、断面構造は比較例２と同様である。ここでは、比較例１のグリーンシート工法による多層デカップリングキャパシタの表面に、チタン酸バリウム組成に調整したターゲットを用いたスパッタにより、スパッタ膜を形成する。
【００６３】
このスパッタ膜の結晶化のためのアニールを６００℃で３０分間行って膜の外観を観察するとともに、誘電特性、リーク特性を評価した。次いで、作製した多層キャパシタの容量、内部電極寸法、インダクタンス、キャパシタ構造(スルービア構造の有無)、信頼性を評価し、結果を図１２に示している。
【００６４】
比較例４は、単一のサイズのナノ粒子を用いたナノ粒子成膜法により形成したものであり、単一サイズのナノ粒子として平均粒径が５００ｎｍのチタン酸バリウム粒子を用いた以外は、本発明の実施例１のプロセスと全く同様である。図１５は、比較例４の断面図であり、本発明の実施例１に比べて内部のビアピッチが狭くなっている。
【００６５】
これは、比較例４のように、単一のサイズのナノ粒子を用いた場合には、上記の図２（ｂ）に示したように、誘電膜の膜強度が弱いために、強度を高めるためにビアを密に形成する必要があるためである。
【００６６】
図１２に示したように、本発明の実施例１と比較例１乃至比較例４を対比すると、各比較例に比べて内部のビアの密度を少なくすることができるので、容量を大きくすることが可能である。また、比較例１乃至比較例３に比べると、誘電体膜の膜厚を薄くすることができるので、この点からも大容量化が可能になる。因みに、比較例１と比べると２倍の容量となり、比較例４と比べると１．２５倍の容量となる。
【００６７】
なお、上記の実施例１の説明においては、ビアを形成したのち加熱処理を行っているが、銅箔上にチタン酸バリウム層を形成・成膜した後、 窒素雰囲気で１０００℃で３０分間熱処理したのち、ビアの形成を行っても良い。
【符号の説明】
【００６８】
１ 大粒子
２ 中粒子
３ 小粒子
４ エアロゾル
５ ノズル
６ 成膜基板
７ 誘電体膜
８ 粒子
１１ 成膜室
１２ 基板保持部材
１３ 成膜ノズル
１４ エアロゾル用配管
１５ エアロゾル発生器
１６ キャリアガス供給手段
１７ 真空ポンプ
１８ 配管
１９ 超音波振動器
２０ 酸素ガスタンク
２１ 配管
２２ 流量計
２３ 窒素ガスタンク
２４ 配管
２５ 流量計
２６ 支柱
２７ ＸＹＺθステージ
２８ 開口
２９ エアロゾル
３０ 分級装置
３１ 分級室
３２ 衝撃板
３３ 流入管
３４ 流出管
３５ テーパ部
３６ エアロゾル導入部
３７ テーパ部
３８ エアロゾル取出部
３９ ナノ粒子
４０ 粒子回収部
４１ 弧状部
５０ 薄膜キャパシタ要素
５１ 銅箔
５２ 誘電体膜
５３ ビアホール
５４ ビア
６０１ 電源用薄膜キャパシタ片面要素
６０２ 接地用薄膜キャパシタ片面要素
６１１，６１２ 銅箔
６２１，６２２ 誘電体膜
６３１，６３２ ビアホール
６４１，６４２ ビア
６５１，６５２ キャパシタ電極
６６ 信号用ビア
７１ 実装基板
７２ インターポーザ
７３ 半導体集積回路装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒径が６００ｎｍ乃至８００ｎｍに分級した第１の母粒子群と、
前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が１５０ｎｍ乃至２００ｎｍに分級した第２の母粒子群と、
前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が５０ｎｍ以下の第３の母粒子群と
を気体中に浮遊させ、
前記浮遊した第１乃至第３の母粒子群をノズルにより成膜基板上に吹き付けて、前記成膜基板上に誘電体膜を成膜することを特徴とする誘電体膜の製造方法。
【請求項２】
平均粒径が６００ｎｍ乃至８００ｎｍに分級した第１の母粒子群と、
前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が１５０ｎｍ乃至２００ｎｍに分級した第２の母粒子群と、
前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が５０ｎｍ以下の第３の母粒子群と
を気体中に浮遊させ、
前記浮遊した第１乃至第３の母粒子群をノズルにより銅箔上に吹き付けて、前記銅箔上に誘電体膜を成膜する工程と
を有することを特徴とするデカップリングキャパシタの製造方法。
【請求項３】
前記銅箔上に誘電体膜を成膜する工程ののちに、
前記誘電体膜にビアホールを形成した工程と、
前記ビアホールを導電体で埋め込んでビアを形成する工程と
を含む下層の薄膜キャパシタ要素を形成する第１の工程と、
前記銅箔上に誘電体膜を成膜する工程ののちに、
前記誘電体膜にビアホールを形成する工程と、
前記ビアホールを導電体で埋め込んでビアを形成する工程と、
前記ビアに接続するキャパシタ電極を形成する工程と
を含む電源用薄膜キャパシタ片面要素或いは接地用薄膜キャパシタ片面要素を形成する第２の工程と、
前記下層の薄膜キャパシタ要素上に、電源用薄膜キャパシタ片面要素或いは接地用薄膜キャパシタ片面要素の一方を、ビア同士が対向するように積層して、加圧した状態で加熱したのち、電源用薄膜キャパシタ片面要素或いは接地用薄膜キャパシタ片面要素の前記銅箔を除去する工程と
を含む第３の工程と、
前記第３の工程で銅箔を除去した電源用薄膜キャパシタ片面要素或いは接地用薄膜キャパシタ片面要素の一方の上に、電源用薄膜キャパシタ片面要素或いは接地用薄膜キャパシタ片面要素の他方を、ビア同士が対向するように積層して、加圧した状態で加熱したのち、電源用薄膜キャパシタ片面要素或いは接地用薄膜キャパシタ片面要素の他方の前記銅箔を除去する工程と
を含む第４の工程と、
前記電源用薄膜キャパシタ片面要素の積層工程と前記接地用薄膜キャパシタ片面要素の積層工程を交互に複数回繰り返すことを特徴とする請求項２に記載のデカップリングキャパシタの製造方法。
【請求項４】
前記表面側に積層した薄膜キャパシタ要素のビア径は３０μｍ乃至２００μｍであり、ビアピッチは８０μｍ乃至８００μｍであることを特徴とする請求項３に記載のデカップリングキャパシタの製造方法。
【請求項５】
前記薄膜キャパシタ要素のキャパシタ電極が、金、銀、銅、もしくは、これらの中の一つの金属を含む材料であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のデカップリングキャパシタの製造方法。
【請求項６】
前記薄膜キャパシタ要素の誘電体膜の膜厚が、０．５μｍ乃至５μｍであることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載のデカップリングキャパシタの製造方法。
【請求項７】
平均粒径が３００ｎｍ乃至８００ｎｍの大粒径の第１の粒子群と、
前記第１の粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が５０ｎｍ乃至２００ｎｍの中粒径の第２の粒子群と、
前記第１の粒子群と同じ組成で平均粒径が３０ｎｍ以下の小粒径の第３の粒子群とからなる誘電体膜をキャパシタ誘電体膜とした薄膜キャパシタ要素を多層積層した多層積層構造を有するとともに、
表面側に積層した前記薄膜キャパシタ要素のビア径或いはビアピッチの少なくとも一方が、内部側に積層した前記薄膜キャパシタ要素のビア径或いはビアピッチよりも小さいことを特徴とするデカップリングキャパシタ。
【請求項１】
平均粒径が６００ｎｍ乃至８００ｎｍに分級した第１の母粒子群と、
前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が１５０ｎｍ乃至２００ｎｍに分級した第２の母粒子群と、
前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が５０ｎｍ以下の第３の母粒子群と
を気体中に浮遊させ、
前記浮遊した第１乃至第３の母粒子群をノズルにより成膜基板上に吹き付けて、前記成膜基板上に誘電体膜を成膜することを特徴とする誘電体膜の製造方法。
【請求項２】
平均粒径が６００ｎｍ乃至８００ｎｍに分級した第１の母粒子群と、
前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が１５０ｎｍ乃至２００ｎｍに分級した第２の母粒子群と、
前記第１の母粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が５０ｎｍ以下の第３の母粒子群と
を気体中に浮遊させ、
前記浮遊した第１乃至第３の母粒子群をノズルにより銅箔上に吹き付けて、前記銅箔上に誘電体膜を成膜する工程と
を有することを特徴とするデカップリングキャパシタの製造方法。
【請求項３】
前記銅箔上に誘電体膜を成膜する工程ののちに、
前記誘電体膜にビアホールを形成した工程と、
前記ビアホールを導電体で埋め込んでビアを形成する工程と
を含む下層の薄膜キャパシタ要素を形成する第１の工程と、
前記銅箔上に誘電体膜を成膜する工程ののちに、
前記誘電体膜にビアホールを形成する工程と、
前記ビアホールを導電体で埋め込んでビアを形成する工程と、
前記ビアに接続するキャパシタ電極を形成する工程と
を含む電源用薄膜キャパシタ片面要素或いは接地用薄膜キャパシタ片面要素を形成する第２の工程と、
前記下層の薄膜キャパシタ要素上に、電源用薄膜キャパシタ片面要素或いは接地用薄膜キャパシタ片面要素の一方を、ビア同士が対向するように積層して、加圧した状態で加熱したのち、電源用薄膜キャパシタ片面要素或いは接地用薄膜キャパシタ片面要素の前記銅箔を除去する工程と
を含む第３の工程と、
前記第３の工程で銅箔を除去した電源用薄膜キャパシタ片面要素或いは接地用薄膜キャパシタ片面要素の一方の上に、電源用薄膜キャパシタ片面要素或いは接地用薄膜キャパシタ片面要素の他方を、ビア同士が対向するように積層して、加圧した状態で加熱したのち、電源用薄膜キャパシタ片面要素或いは接地用薄膜キャパシタ片面要素の他方の前記銅箔を除去する工程と
を含む第４の工程と、
前記電源用薄膜キャパシタ片面要素の積層工程と前記接地用薄膜キャパシタ片面要素の積層工程を交互に複数回繰り返すことを特徴とする請求項２に記載のデカップリングキャパシタの製造方法。
【請求項４】
前記表面側に積層した薄膜キャパシタ要素のビア径は３０μｍ乃至２００μｍであり、ビアピッチは８０μｍ乃至８００μｍであることを特徴とする請求項３に記載のデカップリングキャパシタの製造方法。
【請求項５】
前記薄膜キャパシタ要素のキャパシタ電極が、金、銀、銅、もしくは、これらの中の一つの金属を含む材料であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のデカップリングキャパシタの製造方法。
【請求項６】
前記薄膜キャパシタ要素の誘電体膜の膜厚が、０．５μｍ乃至５μｍであることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載のデカップリングキャパシタの製造方法。
【請求項７】
平均粒径が３００ｎｍ乃至８００ｎｍの大粒径の第１の粒子群と、
前記第１の粒子群と同じ組成で且つ平均粒径が５０ｎｍ乃至２００ｎｍの中粒径の第２の粒子群と、
前記第１の粒子群と同じ組成で平均粒径が３０ｎｍ以下の小粒径の第３の粒子群とからなる誘電体膜をキャパシタ誘電体膜とした薄膜キャパシタ要素を多層積層した多層積層構造を有するとともに、
表面側に積層した前記薄膜キャパシタ要素のビア径或いはビアピッチの少なくとも一方が、内部側に積層した前記薄膜キャパシタ要素のビア径或いはビアピッチよりも小さいことを特徴とするデカップリングキャパシタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−２０９４６３（Ｐ２０１２−２０９４６３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７４８０１（Ｐ２０１１−７４８０１）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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