JP2000077263A - 薄膜コンデンサおよび基板 - Google Patents

薄膜コンデンサおよび基板

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JP2000077263A JP10240911A JP24091198A JP2000077263A JP 2000077263 A JP2000077263 A JP 2000077263A JP 10240911 A JP10240911 A JP 10240911A JP 24091198 A JP24091198 A JP 24091198A JP 2000077263 A JP2000077263 A JP 2000077263A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】実装が容易でかつ積層化が容易な低インダクタ
ンス構造を有する薄膜コンデンサを提供する。 【解決手段】誘電体層1の下面に第1電極層2を、上面
に第2電極層3を形成してなる容量素子A、B、C、D
を所定間隔を置いて複数並置するとともに、該複数の容
量素子A、B、C、Dの間に、第1電極層2同士および
第2電極層3同士を接続する端子電極層4、5をそれぞ
れ設け、さらに端子電極層4、5に外部端子7を設けて
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、もしくは電源電圧の変動防止用に
供される、大容量、低インダクタンスの薄膜コンデンサ
および基板に関するものである。
【0002】
【従来技術】近年においては、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100MHzから数百MHz、チップ間バス
のクロック周波数も30MHzから100MHzと高速
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る。このような機能を有するコ
ンデンサがいわゆるデカップリングコンデンサである。
【0007】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応
じて、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、実際のコンデンサ素子は静電容量
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する
が、インダクタンス成分は周波数の増加とともに増大す
る。したがって、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、論
理回路側の電源電圧の瞬時低下、または新たな電圧ノイ
ズを発生させる。結果として、論理回路上のエラーを引
き起こす。
【0009】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
ングコンデンサ素子自身の持つインダクタンスを減少さ
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は3つあ
る。第1は電流経路の長さを最小にする方法、第2はあ
る電流経路が形成する磁場を近接する別の電流経路が形
成する磁場により相殺低減する方法、第3は電流経路を
n個に分配して実効的なインダクタンスを1/nにする
方法である。
【0011】第1の方法は、単位面積あたりの容量を増
加させて小型化を図る方法であり、コンデンサ素子を薄
膜化することにより達成できる。大容量で高周波特性の
良好なコンデンサを得る目的で、特開昭60−9471
6号公報には誘電体厚さを1μm以下に薄膜化したもの
が開示されている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、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×0.5
mm程度以上が必要であり、第1の薄膜、小型化の方法
のみでインダクタンスを低減するには限界があった。
【0013】また、上記第1〜第3の方法を組み合わせ
て用いる方法も考えられるが、未だ、小型化、薄型化、
大容量化、高周波対応等の特性の点で、充分な特性を有
する薄膜コンデンサを得ることができなかった。
【0014】本発明は、実装が容易でかつ積層化が容易
な低インダクタンス構造を有する薄膜コンデンサを提供
することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明の薄膜コンデンサ
は、誘電体層の下面に第1電極層を、上面に第2電極層
を形成してなる容量素子を所定間隔を置いて複数並置す
るとともに、該複数の容量素子の間に、前記第1電極層
同士および前記第2電極層同士を接続する端子電極層を
それぞれ設け、さらに前記端子電極層に外部端子を設け
てなるものである。
【0016】本発明の積層型の薄膜コンデンサは、複数
の誘電体層と複数の電極層を交互に積層してなり、前記
電極層が下側から交互に第1電極層または第2電極層と
された容量素子を所定間隔を置いて複数並置するととも
に、該複数の容量素子の間に、同一平面上の前記第1電
極層同士および前記第2電極層同士を接続する端子電極
層をそれぞれ設け、さらに最上層の前記端子電極層に外
部端子を設けてなるものである。
【0017】さらに、本発明の基板は、上記薄膜コンデ
ンサを基体の表面および/または内部に設けてなるもの
である。
【0018】
【作用】本発明の薄膜コンデンサでは、複数の容量素子
を所定の間隔で並置し、容量素子間に設けられた端子電
極層で、各容量素子の第1電極層同士および第2電極層
同士をそれぞれ接続し、各端子電極層上に外部端子をそ
れぞれ形成したので、各容量素子が複数に分割され、電
流経路を分割することができ、インダクタンスを小さく
することができる。
【0019】また、各容量素子間に、第1電極層同士を
接続する端子電極層と、第2電極層同士を接続する端子
電極層が形成されており、これらの端子電極層にそれぞ
れ外部端子を設けることにより、端子電極層間の距離が
短くなり、実効的な電流経路が短くなりインダクタンス
をさらに小さくすることができる。
【0020】さらに、各電極層は容量素子間に形成され
ている端子電極において接続することができ、図7に示
すような従来のコンデンサの電極形状を変更するだけで
同じような製法によって作製できるため、積層化が容易
となる。また、外部との接点に用いる外部端子を、誘電
体層が直下に存在しない端子電極層上に形成することが
できるので、外部端子形成時の熱応力による容量素子へ
のダメージ等を防止でき、また、その弊害を考慮する必
要がなく、実装が容易となる。
【0021】
【発明の実施の形態】本発明の単板型タイプの薄膜コン
デンサは、図1および図2に示すように、誘電体層1の
下面に正極である第1電極層2、上面に負極である第2
電極層3を形成してなる容量素子A、B、C、Dが所定
の間隔で並置されている。
【0022】容量素子A、B、C、D間には端子電極層
4、5がそれぞれ形成され、各容量素子A、B、C、D
の第1電極層2同士および第2電極層3同士はそれぞれ
端子電極層4、5を介して接続されている。容量素子
A、B、C、Dおよび端子電極層4、5は、基板6の上
面に形成されている。
【0023】そして、図2に示したように、第1電極層
2同士を接続する3つの端子電極層4の上面、および第
2電極層3同士を接続する3つの端子電極層5の上面に
は、外部に露出する外部端子7がそれぞれ形成されてい
る。
【0024】上述した端子電極層4、5により接続され
た各電極層2、3、誘電体層1の平面形状を図3に示し
た。第1電極層2および端子電極層4、および第2電極
層3および端子電極層5は、図3(a)(c)に示すよ
うに同一平面に形成され、全体として櫛型形状とされて
いる。
【0025】また端子電極層4、5は容量素子A、B、
C、D間だけでなく、図3(d)に示すように、容量素
子A、B、C、Dの外側にも形成することができる。
【0026】さらに、誘電体層1は、図3(b)に示す
ように、第1電極層2または第2電極層3を被覆するよ
うな大きさの長方形状とされている。誘電体層1同士
は、図3(b)に示すように、所定の間隔で離間されて
いても良いし、また、図3(e)に示すように、誘電体
層1は各端子電極層4、5の全面を被覆しない範囲で、
誘電体層1と同一材料からなる接続部9で連結して形成
してもよい。このような接続部9を形成することによ
り、異なる極性の端子電極層4、5間の絶縁性を向上で
きる。
【0027】尚、上記例では、4個の容量素子A、B、
C、Dを有する場合を説明したが、容量素子の数は3個
以上であればよい。容量素子数が増えるほど端子電極層
の数が増加し、その上に形成する外部端子を多くするこ
とができるので、電流経路の分割数が増加し、インダク
タンスを小さくすることができる。
【0028】本発明の薄膜コンデンサの外部端子7は、
図2に示した通り、端子電極層4、5上にそれぞれ形成
することができ、これにより容量が取り出されるが、外
部端子7に個数の制限なく端子電極層4、5の全てに外
部端子7を形成する必要はなく、必要に応じて必要な数
だけ形成すれば良い。しかしながら、電流経路の分割効
果を得るためには、図4に示すように、少なくとも端子
電極層4、5上にそれぞれ2個以上形成することが望ま
しい。また、図5に示すように、一つの端子電極層4、
5に2個以上の外部端子7を形成しても良い。この場合
には、外部端子7により基板に接続する際の固定を確実
に行うことができる。
【0029】誘電体層1および電極層2、3の厚みは、
0.1〜1μm、大きさは一辺が0.5〜3mmとされ
ている。各層の厚み、大きさは材質や用途により適宜変
更することができる。
【0030】本発明で用いられる基板6としては、アル
ミナ、サファイア、MgO単結晶、SrTiO3 単結
晶、SiO2 被覆シリコンなどが望ましい。特に、薄膜
との反応性が小さく、安価で強度が大きく、かつ誘電体
膜または電極膜の結晶性という点からアルミナ、サファ
イアが望ましい。
【0031】また、本発明の電極層2、3、端子電極層
4、5は、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(P
d)、銅(Cu)、銀(Ag)、ニッケル(Ni)薄膜
等があり、これらのうちでも誘電体との反応性が小さ
く、酸化されにくい金(Au)や白金(Pt)、抵抗の
低い銅(Cu)薄膜が最適である。
【0032】さらに、誘電体層1は、高周波領域におい
て高誘電率を有するものであれば良いが、その膜厚は1
μm以下が望ましい。例えば、誘電体層1は、金属元素
としてPb、Mg、Nbを含むペロブスカイト型複合酸
化物結晶からなる誘電体薄膜であって、測定周波数30
0MHz(室温)での比誘電率が1000以上の誘電体
薄膜が望ましい。また、誘電体層1としては、例えば、
Ba、Tiを含むペロブスカイト型複合酸化物結晶、P
ZT、PLZT、SrTiO3 、Ta2 5 等でも良
く、特に限定されるものではない。このような誘電体層
1は、PVD法、CVD法、ゾルゲル法等の公知の方法
により作製される。
【0033】外部端子7としては、形状的には、バンプ
状、箔状、板状、線状、ペースト状等があり、特に限定
されるものではなく、複数を組み合わせても良い。また
材質は、半田、Pb、Sn、Ag、Au、Cu、Pt、
Al、Ni、導電性樹脂等があり、特に限定されるもの
ではなく、複数を組み合わせても良い。
【0034】以上のように構成された薄膜コンデンサ
は、容量素子A、B、C、Dの電極層2、3を端子電極
層4、5により接続しているため、電流経路を4つに分
割することができ、低インダクタンス化を図ることがで
きる。
【0035】また、容量素子A、B、C、D間に形成さ
れる端子電極層4、5を接近させることができ、端子電
極層4、5にそれぞれ形成される外部端子7間の距離L
を短くすることができるため、電流経路が短縮され、イ
ンダクタンスを小さくすることができる。
【0036】即ち、従来の図7に示すような薄膜コンデ
ンサは、基板20の上面に第1電極層21、誘電体層2
2、第2電極層23を順次積層し、第1電極層21、第
2電極層23の端部に容量取出部24を形成して構成さ
れており、複数の薄膜コンデンサの容量取出部24を接
続することにより並列接続することが考えられるが、こ
の場合には電流経路を4つに分割することができるもの
の、容量取出部24間の距離が長くなるため、インダク
タンス低減効果が小さいのである。
【0037】また、外部との接点に用いる外部端子7が
端子電極層4、5上にそれぞれ形成されているため、正
負の外部端子7が上方に露出していることになり、例え
ば、電極が形成された基板の前記電極に外部端子7を接
合することにより実装でき、基板等への実装が容易とな
る。
【0038】本発明の積層タイプの薄膜コンデンサを図
6により説明する。この図6によれば、積層型の薄膜コ
ンデンサは、図1に示した単板型タイプの薄膜コンデン
サに対して、さらに誘電体層と電極層を積層したもので
ある。
【0039】即ち、電極層2、3と誘電体層1を交互に
積層してなる容量素子を所定の間隔で並置し、容量素子
間には端子電極層4、5がそれぞれ形成され、各容量素
子の2層の第1電極層2同士および2層の第2電極層3
同士はそれぞれ端子電極層4、5を介して接続されてい
る。容量素子および端子電極層4、5は、基板6の上面
に形成されている。
【0040】このような図6に示された構造の積層型薄
膜コンデンサも、図1乃至図3に示された単板型の薄膜
コンデンサと全く同様、複数の外部端子7による電流経
路の分割効果および端子電極層4、5の近接形成による
電流経路の短縮効果によって、インダクタンスを小さく
することができ、最上層の端子電極層4、5上に外部端
子7を形成することができるので実装が容易となる。さ
らに、電極層2、3と誘電体層1を交互に積層している
ため、高容量となり、また、端子電極層4、5と電極層
2、3は同時に形成することができるので積層も容易と
なる。
【0041】さらに、下側の第1電極層2同士を接続す
る端子電極層4と、上側の第1電極層2同士を接続する
端子電極層4が積層され、また下側の第2電極層3同士
を接続する端子電極層5と、上側の第2電極層3同士を
接続する端子電極層5とが積層されることになり、端子
電極層4、5の直下には誘電体層1が存在しないため、
外部端子形成時の熱応力による誘電体層1へのダメージ
等を防止できる。
【0042】また、本発明の薄膜コンデンサは、一般に
は、上記のように、基板表面に形成されて用いられる
が、基板内に内蔵して用いることもできる。積層タイプ
を基板内に内蔵する場合には、端子電極層同士は、例え
ば、基板内に形成されたスルーホール導体で接続され、
さらに外部端子もスルーホール導体で形成することがで
き、これにより容量が取り出される。
【0043】また、電極層2、3の形状を長方形状とし
た例について説明したが、正方形状、円形状等どのよう
な形状であっても良い。
【0044】
【実施例】実施例1 電極層、端子電極層および誘電体層の形成は全て高周波
マグネトロンスパッタ法を用いた。スパッタ用ガスとし
てプロセスチャンバー内にArガスを導入し、真空排気
により圧力は6.7Paに維持した。
【0045】プロセスチャンバー内には基板ホルダーと
3個のターゲットホルダーが設置され、3種類のターゲ
ット材料からのスパッタが可能である。スパッタ時には
成膜する材料種のターゲット位置に基板ホルダーを移動
させ、基板−ターゲット間距離は60mmに固定した。
【0046】基板ホルダーとターゲット間には外部の高
周波電源により13.56MHzの高周波電圧を印可
し、ターゲット背面に設置された永久磁石により形成さ
れたマグネトロン磁界により、ターゲット近傍に高密度
のプラズマを生成させてターゲット表面のスパッタを行
った。
【0047】高周波電圧の印可は3個のターゲットに独
立に可能である。基板ホルダーはヒータによる加熱機構
を有しており、スパッタ成膜中の基板温度は一定となる
よう制御した。
【0048】また、基板ホルダーに設置された基板のタ
ーゲット側には厚さ0.10mmの金属マスクが3種類
設置されており、成膜パターンに応じて必要なマスクが
基板成膜面にセットできる構造とした。
【0049】先ず、厚さ0.25mmのアルミナ焼結体
基板上に第1のマスクパターンでPtターゲットのスパ
ッタにより、図3(a)に示すような第1電極層同士を
端子電極層で接続した櫛型電極を一体的に形成し、続い
てターゲットにPb(Mg1/ 3 Nb2/3 )O3 焼結体を
用い、第2のマスクパターンをセットし、基板温度53
5℃、高周波電力200Wの条件で、図3(b)に示す
ような誘電体層を形成した。
【0050】次に第3のマスクパターンをセットし、P
tターゲットのスパッタにより図3(c)に示すような
第2電極層同士を端子電極層で接続した櫛型電極を一体
的に形成した。第1電極層および第2電極層の総面積は
それぞれ0.8mm2 とした。
【0051】作製した単板型薄膜コンデンサの端子電極
層上に半田バンプを形成して評価用ボードに実装した。
使用した半田バンプは直径0.1mmで、各端子電極層
上に3個ずつ形成し、図1および図2に示すような薄膜
コンデンサを作製した。各半田バンプ間の距離Lは0.
5mmとした。
【0052】評価は、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
ュウレットパッカード社製HP4291A)を用いて行
った結果、容量成分は17.5nF、インダクタンス成
分80pHの値を得た。また上記測定後、薄膜コンデン
サの断面をSEM観察したところ、各誘電体層の厚さは
0.4μmであった。
【0053】尚、比較例として、図7に示すような、従
来の一般的なコンデンサの構造とする以外、例えば電極
層の面積等の条件を上記と同様にして作製し、容量成分
とインダクタンス成分を測定したところ、容量成分は1
7.6nF、インダクタンス成分380pHの値を得
た。
【0054】実施例2 実施例1と全く同様にして誘電体層10層の積層薄膜コ
ンデンサを作製し、実施例1と同様の方法で評価したと
ころ、容量成分は176nF、インダクタンス成分80
pHの値を得た。また上記測定後、積層型薄膜コンデン
サの断面をSEM観察したところ、各誘電体層の厚さは
0.4μmであった。
【0055】実施例3 基板材、電極材、電極形成方法、形状、および寸法は実
施例1と全く同様にして、誘電体層のみをゾルゲル法に
より形成した。ゾルゲル法による膜の作製手順は以下の
とおりとした。
【0056】酢酸MgとNbエトキシドを1:2のモル
比で秤量し、2−メトキシエタノール中で還流操作(1
24℃で24時間)を行い、MgNb複合アルコキシド
溶液(Mg=4.95mmol、Nb=10.05mm
ol、2−メトキシエタノール150mmol)を合成
した。次に酢酸鉛(無水物)15mmolと150mm
olの2−メトキシエタノールを混合し、120℃での
蒸留操作により、Pb前駆体溶液を合成した。
【0057】MgNb前駆体溶液とPb前駆体溶液をモ
ル比Pb:(Mg+Nb)=1:1になるよう混合し、
室温で十分撹拌し、Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 (P
MN)前駆体溶液を合成した。
【0058】この溶液の濃度を2−メトキシエタノール
で約3倍に希釈し、塗布溶液とした。次に電極層上に、
前記塗布溶液をスピンコーターで塗布し、乾燥させた
後、300℃で熱処理を1分間行い、ゲル膜を作製し
た。塗布溶液の塗布−熱処理の操作を繰り返した後、8
30℃で1分間(大気中)の焼成を行い、Pb(Mg
1/3Nb2/3 )O3 薄膜を得た。
【0059】得られた上記誘電体薄膜の上にレジストを
塗布しフォトリソグラフィー工程によって露光、現像
し、これをマスクとするウェットエッチングにより、実
施例1と同様のパターン形状に誘電体膜のパターニング
を行い、実施例1と同様の薄層コンデンサを作製した。
【0060】作製した薄膜コンデンサを実施例1同様、
評価ボードに実装し、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
ュウレットパッカード社製HP4291A)を用いて測
定した。その結果、容量成分は42.5nF、インダク
タンス成分80pHの値を得た。また上記測定後、薄膜
コンデンサの断面をSEM観察したところ、各誘電体層
の厚さは0.5μmであった。
【0061】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の薄膜コン
デンサでは、各容量素子が複数に分割され、電流経路を
分割することができ、インダクタンスを小さくすること
ができるとともに、各容量素子間に、第1電極層同士を
接続する端子電極層と、第2電極層同士を接続する端子
電極が形成されており、これらの端子電極にそれぞれ外
部端子を設けることにより、端子電極間の距離が短くな
り、実効的な電流経路が短くなりインダクタンスを小さ
くすることができる。さらに本発明の構造は積層化が容
易であり、外部との接点に用いる外部端子を端子電極層
上に形成したので、外部端子形成時に発生する熱応力に
よる容量素子へのダメージを考慮する必要がなく、また
実装も容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の単板型の薄膜コンデンサを示す分解斜
視図である。
【図2】図1の平面図である。
【図3】本発明の薄膜コンデンサの電極層を端子電極層
により接続した櫛型電極、および誘電体層を示す平面図
である。
【図4】外部端子を形成しない端子電極層を有する薄膜
コンデンサの平面図である。
【図5】端子電極層に2個ずつ外部端子を形成した薄膜
コンデンサの平面図である。
【図6】本発明の積層型の薄膜コンデンサを示す分解斜
視図である。
【図7】従来の薄膜コンデンサを示す分解斜視図であ
る。
【符号の説明】
1・・・誘電体層 2・・・第1電極層 3・・・第2電極層 4、5・・・端子電極層 6・・・基板 A、B、C、D・・・容量素子 7・・・外部端子

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】誘電体層の下面に第1電極層を、上面に第
    2電極層を形成してなる容量素子を所定間隔を置いて複
    数並置するとともに、該複数の容量素子の間に、前記第
    1電極層同士および前記第2電極層同士を接続する端子
    電極層をそれぞれ設け、さらに前記端子電極層に外部端
    子を設けてなることを特徴とする薄膜コンデンサ。
  2. 【請求項2】複数の誘電体層と複数の電極層を交互に積
    層してなり、前記電極層が下側から交互に第1電極層ま
    たは第2電極層とされた容量素子を所定間隔を置いて複
    数並置するとともに、該複数の容量素子の間に、同一平
    面上の前記第1電極層同士および前記第2電極層同士を
    接続する端子電極層をそれぞれ設け、さらに最上層の前
    記端子電極層に外部端子を設けてなることを特徴とする
    薄膜コンデンサ。
  3. 【請求項3】請求項1または2記載の薄膜コンデンサを
    基体の表面および/または内部に設けてなることを特徴
    とする基板。
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