JP2008034694A

JP2008034694A - 受動素子

Info

Publication number: JP2008034694A
Application number: JP2006207867A
Authority: JP
Inventors: Koichi Takemura; 浩一竹村; Yasuhiro Ishii; 康博石井; Akinobu Shibuya; 明信渋谷; Toru Mori; 透森
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2008-02-14

Abstract

【課題】樹脂を主たる層間絶縁膜とする安価で高性能な薄膜受動素子や薄膜受動素子集積化回路で、作製後の素子や回路の特性変動がない受動素子、及び受動素子集積回路置を提供する。
【解決手段】ベース基板上に、１層以上の配線と有機層間絶縁膜が交互に積層され、その積層構造に1つ以上の受動素子を内包した構造を有する受動素子、及び受動素子集積回路において、最上層配線を覆う有機樹脂層間絶縁膜上、或いは、樹脂層間絶縁膜上に形成され１つ以上の受動素子を含んだ最上配線層上に、無機カバー膜を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、受動素子、及び受動素子を包含したインターポーザ、半導体チップキャリア、配線基板、半導体集積回路装置に関する。

近年、デバイス動作の高周波化、高速化と同時に、携帯機器等では回路、部品の小型化、高集積化が強く要求されている。そこで、半導体プロセスや、それに類似した薄膜プロセスを用いた薄膜受動素子やそれらの集積化技術が研究されている。例えば、特許文献１では、Ｓｉ基板上に形成された薄膜ＬＣフィルターが開示されている。

また、特許文献２及び３では、薄膜受動素子を集積化した半導体接続用の基板が開示されている。いずれも、層間絶縁膜には、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）やポリイミドという樹脂を用いた構造となっている。これらの樹脂は低誘電率、低誘電損失な高周波特性に優れた絶縁体であり、簡単に塗布形成でき、感光性を付与することで容易にビア形成も可能な材料である。

特許文献４では、キャパシタ内蔵フィルム状インターポーザが記載されている。キャパシタを作製するベース層及びキャパシタのカバー層ともにポリイミドなどの樹脂が用いられている。

更に、特許文献５、６では、半導体集積回路上への受動素子集積化技術が開示されている。半導体集積回路上では基板との電気的、磁気的結合による受動素子や受動素子集積回路の特性低下が問題となる。特許文献５では、受動素子のうち特に基板との結合が問題になるインダクタを最上層に配置してそのインダクタの上下の層間絶縁膜にはＢＣＢを用いて問題を解決している。樹脂層間絶縁膜を用いない場合、特許文献６に記載されているように、基板との結合を遮断するためのシールド層を受動素子と基板との間に特別に設けた構造を採用することになる。

特開平１０−０７９４６９号公報特開２０００−１２４３５８号公報ＷＯ２００３／００７３６９号公報特開２００２−０８３８９２号公報特開２００２−１４１４７３号公報特開２００１−２６７３２０号公報

しかしながら、図６に示す従来技術の一例を含め、これら従来の薄膜受動素子や受動素子集積回路では、素子や基板形成後の素子特性変動のばらつきが大きく、所望の特性を安定して得られないことが問題であった。この原因は、素子や基板が置かれている雰囲気や、接続などの実装工程に起因する。その理由は必ずしも解明されていないが、受動素子を覆う樹脂層間絶縁膜が、柔らかく外部応力の影響を受けやすいこと、外部からの吸湿や内部からのガス放出が考えられる。

素子や基板形成後の環境において、層間絶縁膜である樹脂は外部から水分を吸収したり、吸収したりキュア時に完全に放出されなかった水分や各種ガスを内部から放出したりするので体積の膨張や収縮が発生する。これらの膨張、収縮により発生する応力や、実装工程などで受ける外部応力により、受動素子には様々な変形が発生する。このような変形により、容量素子であれば電極間隔が変わったり、抵抗素子であれば素子断面積や長さが変わったり、インダクタであれば配線間隔が変わったりするために、素子特性が作製直後の値から変化することになる。

変形の原因となる応力は、素子や基板が置かれている環境や、実装などの工程、素子や基板の構造などにより様々であり、そのために変動量をあらかじめ予測して設計することが困難であり、また変動量のばらつきも大きい。

樹脂ではなく無機絶縁膜を層間絶縁膜に使用すればこれらの課題は解決される可能性はあるが、樹脂より誘電率や誘電損失が大きくかつ厚く形成することが困難なために高周波特性に劣ること、層間膜形成工程が複雑になること、半導体基板上では特許文献６に記載のように結合を遮断する層を導入する必要があり一層作製工程が複雑になること、という問題がある。

本発明の目的は、作製後に外部変動要因をうけにくく素子特性が安定するために信頼性が高く、しかも生産性に優れた受動素子、及び受動素子集積回路を提供することにある。

本発明の第１の形態における受動素子、及び受動素子集積回路は、ベース基板上に１層以上の配線と層間絶縁膜が交互に積層され、その積層構造に1つ以上の受動素を内包した構造と、最上層配線を覆う樹脂を主たる成分とする樹脂層間絶縁膜と、該層間絶縁膜上に配置される無機カバー膜とを有する。

本発明の第２の形態における受動素子集積回路は、ベース基板の上に、１層以上の配線と層間絶縁膜が交互に積層され、その積層構造に1つ以上の受動素子を内包した構造と、樹脂を主たる成分とする樹脂層間絶縁膜上に形成され１つ以上の受動素子を含んだ最上配線層と、該最上配線層を覆う無機カバー膜とを有する。

本発明の第３の形態における受動素子、及び受動素子内蔵回路は、少なくとも１つの薄膜受動素子を内包した樹脂フィルムにおいて、その受動素子を覆う樹脂層の上下外側に無機カバー膜を有する。

これらの発明における無機カバー膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、高融点金属の酸化物、高融点金属の窒化膜、高融点金属の少なくともいずれか１つを主たる成分とすることが望ましい。

本発明のこれらの実施形態において、前記無機カバー膜上に有機樹脂カバー膜を有することが望ましい。更に本発明の別の実施形態として、前記無機カバー膜が、下層の樹脂層間絶縁膜の側面を覆う構造とすることが望ましい。

受動素子を内蔵した回路全体を、外部応力や外部環境からの吸湿や内部からのガス放出のバリアとして機能する無機カバー層やベース基板で覆うことで、回路形成後の樹脂層間絶縁膜の膨張や収縮による受動素子の変形が抑制され、受動素子、受動素子集積回路の特性変動がない信頼性高い受動素子や受動素子集積回路を提供することができる。

無機カバー膜が、外部応力から内部の樹脂層間絶縁膜の変形を妨げると同時に、環境からの吸湿や内部からのガス放出のバリアとして働くのでそれによる樹脂層間絶縁膜の膨張や収縮も抑制される。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施形態として、GaAs基板上に形成された受動素子集積回路の断面図を示す。シリコン酸化膜でカバーされたGaAs基板１１２上に、下部電極１０７と誘電体１０８と上部電極１０９とで構成されたＭＩＭキャパシタ１１０、抵抗１０６、インダクタ１０５が３次元的に形成されている。最上配線層１０４にはインダクタ１０５が形成されており、樹脂絶縁膜１０１で覆われている。さらに、その樹脂絶縁膜１０１の上に無機カバー膜１０２が形成されている。この無機カバー膜１０２が回路全体を覆うことで、表面側から樹脂絶縁膜１０１の吸湿や表面側へのガス放出を抑制する。

また、実装工程での外部応力による下層の樹脂絶縁膜１０１の変形も抑制する。受動素子集積回路裏面側は、GaAs基板１１２やその上に形成されたシリコン窒化膜１１１が表面側の無機カバー層１０２と同じ役割を担うことになる。従って、回路形成後には、樹脂絶縁膜１０１に変形を生じることなく、内蔵された受動素子の特性変動を抑制できる。

本実施形態では、従来の回路の製造方法に、無機カバー膜形成工程を追加するだけでよく、容易に作製できることが特徴である。

図１の無機カバー膜１０２は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、高融点金属の酸化物、高融点金属の窒化膜、高融点金属の少なくともいずれか１つを主たる成分とすることが望ましい。これらの材料は、水分や各種ガスに対するバリア性の優れると同時に、硬く強度に優れるために外部応力に対するバリア層としても機能する。更に、CVD法（化学的気相成長法）やスパッタリング法で容易に低温で形成することが可能であり、実用性に優れる。

図１において導電性の無機カバー膜１０２を適用する場合には、必要に応じて外部接続パッドとの絶縁を取る必要があるが、ノイズに対するシールド層としての役割を担うことも可能である。このとき、シールド層の電気抵抗を下げるために、無機カバー膜１０２に金や銅などの低抵抗金属を積層するとより効果的である。

図１では、無機カバー膜１０２上に更に有機カバー膜１０３が形成されている。これは、受動素子集積回路と他のデバイスとを接続する際の応力緩和層として機能し、内部の有機樹脂絶縁層１０１への外部応力のバリア効果を一層向上させると同時に、半田接続部の信頼性も向上できるという利点がある。

図２は本発明の第２の実施形態として、ガラス基板２０８上に形成された受動素子集積回路の断面図を示す。ガラス基板２０８上にインダクタ２０５が形成されており、層間絶縁膜として樹脂絶縁膜２０１が形成された上に抵抗２０６が形成された最上配線層２０４が形成されている。層間絶縁膜を利用してキャパシタ２０７も形成されている。最上配線層２０４は無機カバー膜２０２で覆われている。本実施形態においても、無機カバー膜２０２が回路全体を覆うことで、表面側から樹脂絶縁膜２０１の吸湿や表面側へのガス放出を抑制する。

また、実装工程での外部応力による下層の樹脂絶縁膜２０１の変形も抑制する。受動素子集積回路裏面側は、ガラス基板が無機カバー膜２０２と同様の機能を果たす。本実施形態では、絶縁基板を用いてインダクタ２０５を最上層以外へ配置できる回路構成が可能な場合、配線上に直接無機カバー膜２０２を形成できるので、工程が簡略化でき生産性が向上するという利点を有する。

図２において、無機カバー膜２０２は、配線と接する部分は絶縁性でなくてはならない。シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、絶縁性の高融点金属の酸化物、絶縁性の高融点金属の窒化膜の少なくともいずれか１つを主たる成分とすることが望ましい。これらの材料は、水分や各種ガスに対するバリア性の優れると同時に、硬く強度に優れるために外部応力に対するバリア層としても機能する。更に、CVD法（化学的気相成長法）やスパッタリング法で容易に低温で形成することが可能であり、実用性に優れる。

図１、図２ともに、基板はシリコン、GaAs、GaNなどの半導体、金属、ガラス、セラミックスが望ましい。半導体基板は能動素子を形成した上に、本発明による受動素子集積回路を形成することも可能であり、その場合には一層の高集積化が期待できる。金属基板は他の基板材料よりも、一般的に、安価であることや、割れにくく取り扱いが容易であることなどの利点がある。

更に、金属基板は他の基板材料よりも、一般的に、熱伝導性がよいので、半導体集積回路を搭載した際に冷却効率を高くできる点が優れている。ガラス基板は安価で表面平坦性や絶縁性に優れ、高周波回路の形成に適している。セラミックス基板は、それ自身にも受動素子を内蔵することが可能であることや、基板内部を通り基板表面と基板裏面とを結ぶ配線形成が容易であることとから、一層の回路の高集積化やモジュール部品化に適している。

図３は本発明の第３の実施形態として、フィルム状キャパシタの断面図を示す。裏面に無機カバー膜３０３が形成された有機ベース膜３０２上に、下部電極３０６と誘電体３０７と上部電極３０８とで構成されたMIMキャパシタ３０９が形成され、その上に層間絶縁膜として樹脂絶縁膜３０１、更に無機カバー膜３０３、接続パッド３０５、有機カバー膜３０４の順で形成されている。受動素子の上下を無機カバー膜３０３が覆う構造とすることで、樹脂絶縁膜３０１の吸湿や表面側へのガス放出、更には実装工程での外部応力による下層の樹脂絶縁膜３０１の変形も抑制する。フィルム状素子は、基板上に作製した素子と比較して、厚さが薄く、装置全体の薄型化や、プリント基板などへ内蔵する素子として優れている。実質的に無機カバー膜３０３で表面と裏面を覆う構造にすることで、ベース基板がなくても第１及び第２の実施形態と同様な効果を得ることができる。

外部環境との接触面積が大きい素子表面、及び裏面に、無機カバー膜３０３やベース基板が配置されることで、素子形成後の特性変動を抑制することが可能となるが、素子側面も無機カバー膜３０３で覆うことで一層の効果がある。

図４は、その実施形態の説明として、ガラス基板４０７上に形成した受動素子集積回路の個片化前の状態の断面図を示す。ガラス基板４０７上に複数の受動素子集積回路４０８〜４１０をビルドアップで形成するときに、樹脂絶縁膜４０１をスピンコート法で基板全面に塗布し、ビア形成のリソグラフィーで各回路の境界部分も樹脂絶縁膜４０１を除去しておく。そして、無機カバー膜４０２を形成すれば、回路表面だけではなく、側面も無機カバー膜４０２で覆われた構造とすることができる。

図４では、更に無機カバー膜４０２、その上層の有機カバー膜４０３も既に形成された内側の樹脂絶縁膜４０１より大きな形状で回路ごとに分離している。このような構造にすることで、ダイシングライン４１１、４１２でダイシングして個片化する際にダイシングブレードがガラス基板のみを切断することになり、無機カバー膜４０２へクラックが入ったり剥離したりすることを防止できるという利点がある。素子側面も無機カバー膜４０２で覆う効果は、第２、第３の実施形態においても同様である。

図５は本発明の第５の実施形態として、シリコン基板上へ形成した受動素子集積回路の断面図を示す。本実施形態では、最下層の受動素子はシリコン熱酸化膜５０２、シリコン酸化膜５０１の層間絶縁膜で覆われている。このように、層間絶縁膜の一部が無機絶縁膜である場合、無機絶縁膜で覆われた受動素子は作製工程途中での特性変動も抑制することができるという利点がある。特に、抵抗体や誘電体が樹脂絶縁膜のキュア時に発生する水分の影響を受けやすい材料の場合に効果が大きい。この場合も、インダクタ１０５は低誘電率、低損失な樹脂絶縁膜１０１で覆われているとインダクタ１０５の特性を損ねることがなく、無機カバー膜１０２で覆うことで作製後のインダクタ１０５を含んだ配線の特性変動を抑制することが可能となる。

尚、本発明は受動素子単体として用いられるほかに、デカップリング、フィルターなどの機能回路素子や、それらを内包した半導体チップキャリア、モジュール基板、インターポーザ、半導体集積回路装置に使用される。

本発明の第１の実施形態を示す断面図。本発明の第２の実施形態を示す断面図。本発明の第３の実施形態を示す断面図。本発明の第４の実施形態を示す断面図。本発明の第５の実施形態を示す断面図。従来の受動素子内蔵回路の形態を示す断面図。

符号の説明

１０１有機樹脂絶縁膜
１０２無機カバー膜
１０３有機カバー膜
１０４配線
１０５インダクタ
１０６抵抗
１０７下部電極
１０８誘電体
１０９上部電極
１１０ MIMキャパシタ
１１１シリコン窒化膜
１１２ GaAs基板
１１３半導体集積回路装置
２０１有機樹脂絶縁膜
２０２無機カバー膜
２０３有機カバー膜
２０４配線
２０５インダクタ
２０６抵抗
２０７キャパシタ
２０８ガラス基板
２０９半導体集積回路装置
３０１有機樹脂絶縁膜
３０２有機ベース膜
３０３無機カバー膜
３０４有機カバー膜
３０５接続パッド
３０６下部電極
３０７誘電体
３０８上部電極
３０９ MIMキャパシタ
４０１有機樹脂絶縁膜
４０２無機カバー膜
４０３有機カバー膜
４０４配線
４０５インダクタ
４０６キャパシタ
４０７ガラス基板
４０８〜４１０受動素子内蔵回路
４１１、４１２ダイシングライン
５０１シリコン酸化膜
５０２シリコン熱酸化膜

Claims

ベース基板上に、１層以上の配線と層間絶縁膜が交互に積層され、その積層構造に1つ以上の受動素子を内包した構造と、最上層配線を覆う樹脂を主たる成分とする樹脂層間絶縁膜と、該層間絶縁膜上に配置される無機カバー膜とを有することを特徴とする受動素子。
前記無機カバー膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、高融点金属の酸化物、高融点金属の窒化膜、高融点金属の少なくともいずれか１つを主たる成分とすることを特徴とする請求項１記載の受動素子。
ベース基板の上に、１層以上の配線と層間絶縁膜が交互に積層され、その積層構造に1つ以上の受動素子を内包した構造と、樹脂を主たる成分とする樹脂層間絶縁膜上に形成され１つ以上の受動素子を含んだ最上配線層と、該最上配線層を覆う無機カバー膜とを有することを特徴とする受動素子。
前記無機カバー膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、絶縁性の高融点金属の酸化物、絶縁性の高融点金属の窒化物の少なくとも１つを主たる成分とすることを特徴とする請求項３記載の受動素子。
前記無機カバー膜が、下層の樹脂層間絶縁膜の側面を覆うことを特徴とする請求項１から４に記載の受動素子。
前記無機カバー膜上に樹脂カバー膜を有することを特徴とする請求項１から５に記載の受動素子。
前記ベース基板が、半導体、金属、ガラス、セラミックスのいずれかであることを特徴とする請求項１から６に記載の受動素子。
少なくとも１つの薄膜受動素子を内包した樹脂フィルムにおいて、その受動素子を覆う樹脂層の上下外側に、無機カバー膜を有することを特徴とする受動素子。
前記無機カバー膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、高融点金属の酸化物、高融点金属の窒化膜、高融点金属の少なくともいずれか１つを主たる成分とすることを特徴とする請求項８記載の受動素子。
前記無機カバー膜上の少なくとも接続端子を配置した側に、有機樹脂カバー膜を有することを特徴とする請求項８及び９に記載の受動素子。