專利名稱：陶瓷上的薄膜電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜電容器，具體涉及在陶瓷基材上形成的薄膜電容器。
背景技術(shù)：
隨著集成電路(IC)的工作頻率越來越高，伴有電感和寄生電容的電力線與接地線中的噪音成為越來越嚴(yán)重的問題。噪音問題要求采用額外的去耦合電容器，用以向IC提供穩(wěn)定的信號。更高的工作頻率與更低的工作電壓結(jié)合起來還要求對IC的電壓響應(yīng)時(shí)間要更快，允許的電壓變化(波動)要更小。例如，當(dāng)微處理器開始計(jì)算時(shí)就需要電力。如果電壓供應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間太慢，微處理器將經(jīng)受超出允許電壓波動的電壓下降或功率下降，IC就會不正常工作。此外，隨著IC動力消耗增加，響應(yīng)時(shí)間慢會導(dǎo)致功率突增。功率下降和功率突增可通過采用電容器來控制，電容器能在適當(dāng)響應(yīng)時(shí)間內(nèi)提供動力或吸收動力。
用于去耦合和緩沖功率下降或突增的電容器一般放置在盡可能靠近IC的位置，以改善其性能。常規(guī)設(shè)計(jì)是將電容器表面安裝在印刷線路板(PWB)上，且集結(jié)在IC周圍。在這樣的結(jié)構(gòu)中，大量電容器需要復(fù)雜的電路，會產(chǎn)生電感。隨著頻率增加和工作電壓的持續(xù)下降，功率增加，并且必須在不斷降低電感量的同時(shí)提供更高的電容。在PWB的背面(直接在IC下面)放置電容器可一定程度降低電感。然而，IC尺寸，速度、電壓、功率和包裝方面的趨勢，意味著常規(guī)方法最終將不能在要求的電感和響應(yīng)時(shí)間內(nèi)充分提供電容。
Chakravorty等人的U.S.6,477,034揭示了一種電容器，具有其中的導(dǎo)電路徑，在至少兩個(gè)導(dǎo)電路徑之間提供電容，該電容器包含基材層；設(shè)置在基材層上的第一導(dǎo)電層，第一導(dǎo)電層的第一部分有第一電極區(qū)；第二導(dǎo)電層，第二導(dǎo)電層的一部分形成第二電極區(qū)；設(shè)置在第一和第二導(dǎo)電層之間的介電層，其中，在第一電極區(qū)和第二電極區(qū)之間形成電容區(qū)，在基材層上提供至少兩個(gè)導(dǎo)電路徑，以便電容器的兩個(gè)相背的面之間有導(dǎo)電路徑。
因此，本發(fā)明的目的是提供電容器及其制造方法，所述電容器具有要求的電性質(zhì)和物理性質(zhì)如低電感和響應(yīng)時(shí)間。
發(fā)明概述根據(jù)第一實(shí)施方式，制造電容器的方法包括提供具有第一導(dǎo)電層的陶瓷基材。在第一導(dǎo)電層上形成一層介電薄膜，形成上介電層的步驟是在第一導(dǎo)電層上形成介電層并在至少800℃將上介電層熱處理。在上介電層上形成第二導(dǎo)電層，結(jié)果由第一導(dǎo)電層，介電層和第二導(dǎo)電層形成電容器。
按照上述方法構(gòu)成的電容器一般具有高的電容密度和其他要求的電性能和物理性能。電容器可以例如安裝在印刷線路板上和集成電路基材上，可用來形成集成電路包和集成無源器件。本領(lǐng)域技術(shù)人員在看了附圖并閱讀下面關(guān)于實(shí)施方式詳細(xì)描述后，能理解本發(fā)明上述優(yōu)點(diǎn)以及各種其他實(shí)施方式的其他優(yōu)點(diǎn)和好處。
根據(jù)一般做法，下面討論的附圖的各個(gè)部分不一定按比例繪出。附圖中各部分和元件的尺寸可以有意放大或縮小，為的是更清楚地說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
附圖簡述

圖1所示是制造第一實(shí)施方式電容器的方法的流程框圖；圖2A-2C顯示按照圖1方法制造電容器的步驟；圖3A是在由圖2所示電容器形成的多個(gè)電容器的圖3B的3A-3A線截取的剖面圖；圖3B是圖3A所示多個(gè)電容器的頂視圖。
圖3C是具有多個(gè)連接到器件D的圖3A和3B所示電容器的芯片包的正視圖。
詳細(xì)描述現(xiàn)在描述在陶瓷和玻璃陶瓷基材上形成薄膜電容器的方法。所述電容器適合用于例如，插件(interposer)，集成無源器件，和用于其他用途。“插件”是指包含安裝在印刷線路板上的電容器或其他無源元件的小基材。有一個(gè)或多個(gè)電容器的插件提供了電容，用來去耦合和/或控制模裝在插件上的集成電路的電壓。
在此說明書中討論的插件實(shí)施方式可包括高電容密度的一些電容器?！案唠娙菝芏取币话闶侵鸽娙菝芏戎辽贋?微法拉/厘米2。為此說明書目的，陶瓷和玻璃-陶瓷基材一般稱作“陶瓷基材”。
本發(fā)明實(shí)施方式的陶瓷基材上高電容的電容器具有要求的電性質(zhì)和物理性質(zhì)。一個(gè)要求的電性質(zhì)是低的電感，因?yàn)殡娙萜骺芍遍g置于IC下面。從而對電路的要求最小，明顯減少回線電感。陶瓷電容器實(shí)施方式一個(gè)要求的物理性質(zhì)是膨脹溫度系數(shù)(TCE)的值，在有機(jī)印刷線路板的值(約17×10-6/℃)和集成電路的值(約4×10-6/℃)之間。這一性質(zhì)使IC和印刷線路板之間的應(yīng)力下降，提高了長期可靠性。此外，電容器的膨脹溫度系數(shù)可以不同，取決于使用的陶瓷基材，要接近硅的膨脹溫度系數(shù)或有機(jī)以色列頂部膨脹溫度系數(shù)。
圖1所示是本發(fā)明適合在陶瓷基材上制造電容器的方法的流程框圖。
圖2A-2C顯示制造電容器的步驟。在下面將討論的圖1方法是在陶瓷基材上形成一單個(gè)電容器。然而，使用圖1和2A-2C所示的方法，可以以批量模式形成數(shù)個(gè)電容器。
試看圖1和2A，在步驟S110中，將一個(gè)具有光滑表面12的薄膜基材10，進(jìn)行清潔，除去對電容器性能有不利影響的有機(jī)雜質(zhì)或其他雜質(zhì)。如果基材10的表面12粗糙，需將表面光滑化或拋光，確保均勻和平整，以便在其上形成薄膜電極和介電層，光滑化或拋光作為清潔過程的一部分。代替拋光的另一種平面化方法是，具有粗糙表面的基材，在形成第一導(dǎo)電電極層之前，在基材10的表面12上涂布一層或多層介電前體溶液然后進(jìn)行熱處理。
基材10的膨脹溫度系數(shù)要與將在其上沉積的BaTiO3基介電層的膨脹溫度系數(shù)相近。這種基材的例子包括氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)、鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鍶(SrTiO3)、鋁酸鎂(MgAl2O4)、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)或玻璃陶瓷基材，例如使采用貴金屬或賤金屬進(jìn)行金屬化的任何商業(yè)低溫共煅燒陶瓷基材，或使用鎢或鉬進(jìn)行金屬化的任何商業(yè)高溫共煅燒陶瓷物系。使用這樣的基材可確保介電薄膜從熱處理過程冷卻時(shí)不會經(jīng)受高應(yīng)力。高應(yīng)力是不好的，因?yàn)樗鼤诮殡姳∧ぶ幸鹚榱选?br> 步驟S120中，在陶瓷基材10上形成第一導(dǎo)電層20。第一導(dǎo)電層20用來形成最終電容器的第一電極。第一導(dǎo)電層20可覆蓋全部基材或基材10的一部分。第一導(dǎo)電層20可以是貴金屬如鉑，或賤金屬組合物如銅，可通過沉積方法如濺射或蒸發(fā)形成。當(dāng)通過濺射或蒸發(fā)沉積第一導(dǎo)電層20時(shí)，可以在沉積金屬層20之前在基材10上沉積一薄層的粘性增強(qiáng)材料(厚度在約20)。鈦是粘性增強(qiáng)材料的一個(gè)例子。第一導(dǎo)電層20還可以通過印刷金屬糊組合物厚膜或有機(jī)金屬材料來形成。如果使用共煅燒的陶瓷基材10，第一電極作為基材的一部分已經(jīng)存在，步驟S120就可以省去。
步驟S130中，在第一導(dǎo)電層20上形成介電前體層30。前體層30將形成最終電容器的介電層，可通過在第一導(dǎo)電層20上施加前體溶液來形成。前體溶液可包含形成鈦酸鋇(BaTiO3)晶體薄膜層的前體化學(xué)物質(zhì)，可采用化學(xué)溶液沉積(CSD)技術(shù)形成前體層30。采用CSD技術(shù)是因?yàn)樗啽闱页杀镜?。用來形成未摻雜(即“純”)BaTiO3介電層的化學(xué)溶液可含有乙酸鋇和異丙醇鈦?？墒褂没瘜W(xué)物質(zhì)如乙酰丙酮、乙酸和甲醇，溶解前體組分并使前體溶液穩(wěn)定。
在BaTiO3前體溶液中可加入摻雜劑陽離子，以改善其介電特性。例如可加入過渡金屬陽離子。可以加入氧化物化學(xué)計(jì)量式為MO2的過渡金屬陽離子，使BaTiO3的三相轉(zhuǎn)變溫度彼此接近，使制得的電容器的溫度依賴性較為和緩，其中M是過渡金屬陽離子(如，Zr、Hf、Sn、Ce)?？杉尤胙趸锘瘜W(xué)計(jì)量式為MO的金屬陽離子，使介電居里點(diǎn)轉(zhuǎn)移到較低溫度，其中M是堿土金屬(如Ca、Sr、Mg)。這樣的MO和MO2摻雜劑對提高制成電容器的溫度穩(wěn)定性有用。可加入氧化物化學(xué)計(jì)量式為R2O3的稀土陽離子，為的是在化學(xué)上補(bǔ)償前體層30在低氧分壓熱處理期間發(fā)生的氧損失，其中R是稀土陽離子(如Y、Ho、Dy、La、Eu)。還可以加入有多個(gè)優(yōu)選價(jià)態(tài)的過渡金屬如Mn，因?yàn)樗鼈冇谢瘜W(xué)上補(bǔ)償氧損失的能力。這樣的摻雜劑對使用賤金屬電極如銅的電容器保持高絕緣電阻特別有用。
摻雜劑或其混合物以約為0-30摩爾％前體溶液濃度使用。各種摻雜劑和混合物的具體組合取決于所要求的介電性質(zhì)、傳輸性質(zhì)以及制成的介電層的溫度依賴性的組合。
可使用下列化合物提供摻雜前體組合物中的陽離子Mn乙酸錳四水合物Y乙酸釔水合物Zr丙醇鋯Ca乙酸鈣水合物Sr乙酸鍶水合物Ho乙酸鈥水合物Dy乙酸鏑水合物Hf氯化鉿Fe乙酸鐵Mg乙酸鎂四水合物。步驟S140中，將前體層30干燥除去溶劑。如果需要較厚的前體層30，重復(fù)步驟S130和S140，直到達(dá)到要求的前體層厚度。試看圖1，在步驟S150中，將制成的制品熱處理。在至少800℃進(jìn)行熱處理，此熱處理過程除去殘余的有機(jī)物，然后，使經(jīng)干燥的介電前體層30致密化和結(jié)晶出來。試看圖2B，由熱處理過程得到介電層35和第一電極25。產(chǎn)生的介電層35的厚度在約0.2-2.0微米范圍。制成的制品然后在步驟S160冷卻之。
當(dāng)使用貴金屬如鉑形成第一電極25時(shí)，可在高溫空氣爐內(nèi)進(jìn)行熱處理。當(dāng)使用賤金屬如銅形成第一電極25時(shí)，可以在低氧分壓的氣氛中進(jìn)行熱處理。由相穩(wěn)定圖選擇對熱處理溫度和金屬合適的低氧分壓，可避免賤金屬層20的氧化。例如，如果使用銅電極，并在約900℃熱處理，氧分壓應(yīng)小于10-8大氣壓。
在銅第一電極25的情況，低氧分壓熱處理不會使銅氧化為Cu2O或CuO。然而，降低氧分壓并結(jié)合高的熱處理溫度如至少800℃，可產(chǎn)生氧空穴濃度較高的介電層35，致使介電層的絕緣電阻較低。介電層35因此需要aleovalent陽離子摻雜和再氧化過程。摻雜劑能補(bǔ)償在低氧分壓熱處理期間產(chǎn)生的氧損失，再氧化過程以后產(chǎn)生具有優(yōu)良絕緣電阻的介電層35。這樣的摻雜劑例如有Mn、Y、Ho和Dy。
再氧化可對應(yīng)于在低溫和高氧分壓下的短時(shí)間熱處理，不能充分明顯氧化第一電極25。例如，這樣的再氧化可以在10-5大氣壓和10-2大氣壓之間的氧分壓下于500℃進(jìn)行幾分鐘。再氧化可以和高溫?zé)崽幚淼睦鋮s步驟S160合為一個(gè)步驟進(jìn)行，或以分開的一個(gè)步驟進(jìn)行。如果使用貴金屬形成第一導(dǎo)電層或底部導(dǎo)電層20，該再氧化步驟并不是必須的，介電前體層可以在空氣中熱處理。
試看圖2C，在步驟S170(圖1)中，在產(chǎn)生的介電層35上形成第二電極即頂部電極40。第二電極即頂部電極40可通過例如濺射、蒸發(fā)、燃燒蒸氣沉積、無電電鍍、印刷或其他合適的沉積方法形成，并隨后電鍍至特定厚度，以獲得要求的電性質(zhì)。電容器100通過加入頂部電極40形成。
圖3A和3B所示為多個(gè)電容器110、120、130，它們由步驟S170(圖1)制成的制品形成。試看圖2c與圖3A和3B，電容器100的第二即頂部電極40可進(jìn)行光蝕刻形成各個(gè)頂部電極41、42、43，從而形成電容器110、120、130。還可以采用光蝕刻步驟形成接地引線片150、160，電線連接片155、165、175，以及接地電線連接片185。電線連接片155、165、175用來連接到各個(gè)頂部電極41、42和43。
圖3C是芯片包1000的正視圖。芯片包1000包含圖3A和3B的制品，它們通過粘結(jié)劑層1020安裝在印刷線路板1010上。電容器110、120、130連接到器件d上。電容器110、120、130的電極41、42、43可用所謂的“C4”(可控皺縮芯片連接)技術(shù)連接到各動力引線200、210、220上。器件D的接地引線340、350同樣連接到接地引線片150，160，再通過在電線連接片185形成的通孔250連接到第一即部電極25，因此完成向器件d提供電力的低電感線路?；?0上的電容器110、120、130形成一插件。
器件D可以是例如一個(gè)集成電路。一個(gè)或多個(gè)集成電路可連接到在陶瓷基材表面上的電容器110、120、130。還可以采用其他連接方法，如模連接、明焊芯片以及電線連接技術(shù)。
在上面的實(shí)施方式中，為說明目的，描述了少量的電容器、電線連接片、接地引線片和其他元件。然而，任何數(shù)量的這些元件可加入到向器件提供電力的結(jié)構(gòu)中，或用于其他用途。
上面所示的這些電容器110、120、130可使用例如粘結(jié)劑連接到印刷線路板、集成電路和包裝上。圖3C的實(shí)施方式中，電線連接技術(shù)是將電容器110、120、130電連接到印刷線路板(PWB)的基材1010上。還可以采用其他結(jié)構(gòu)和電連接到PWB基材的方法，包括使用通過陶瓷基材10的通孔，將電極和接地片連接到印刷線路板基材1010上?？梢允褂迷谂帕谐苫ミB構(gòu)形區(qū)域的粘結(jié)劑或焊劑進(jìn)行這種連接。
頂部電極110、120、130和各種片還可以通過阻影掩模濺射、絲網(wǎng)印刷或其他技術(shù)形成，提供直接圖案化的頂部電極結(jié)構(gòu)。
如果需要，進(jìn)行步驟S110至S170，并多次重復(fù)步驟S120至S170，可制造多層電容器。在每一過程中形成一個(gè)個(gè)電容器。需要多個(gè)電容器，是因?yàn)樵谝唤o定的伸出基材區(qū)域可達(dá)到總電容增加。
在上述薄膜電容器插件結(jié)構(gòu)的頂部可加上另外的線路。例如，通過低溫處理，如旋涂和固化，或通過印刷和固化聚合物介電材料如聚酰亞胺或環(huán)氧基材料，加上另外的低介電系數(shù)層。這些介電材料可以進(jìn)行金屬化，并采用封裝工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)方法形成線路圖案。
本發(fā)明薄膜電容器插件實(shí)施方式，通過在薄膜電容器頂部添加其他無源部件包括電感器、電阻器或其他電容器，可進(jìn)一步制成集成無源器件。采用蝕刻或本領(lǐng)域已知的其他形成圖案的技術(shù)，由頂表面金屬化能容易地形成電感器。電阻器可采用本領(lǐng)域已知的許多技術(shù)形成，包括電阻金屬的濺射、電鍍、絲網(wǎng)印刷和固化或煅燒，以及其他工作。通過這些結(jié)構(gòu)的組合可以形成許多集成無源器件。采用已知的方法如明焊芯片和電線連接，這些集成無源器件可組裝或安裝在集成電路包或印刷線路板上。
術(shù)語“薄膜”一般指厚度小于2微米的層。上述實(shí)施方式的電容密度超過1微法拉/厘米2。
本發(fā)明前面描述的內(nèi)容說明了本發(fā)明。此外，所述內(nèi)容僅描述了本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明能夠采用各種其他組合、修改及環(huán)境，能夠在此所示的本發(fā)明范圍內(nèi)，與上面揭示的內(nèi)容相稱和/或在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識范圍內(nèi)，進(jìn)行變動或修改。
權(quán)利要求
1.在基材上制造一個(gè)或多個(gè)薄膜電容器的方法，包括提供一個(gè)陶瓷基材，其上面具有第一導(dǎo)電層的；在第一導(dǎo)電層上形成介電層，形成介電層包括下面步驟在第一導(dǎo)電層上形成介電層；在至少800℃進(jìn)行熱處理；在介電層上形成第二導(dǎo)電層，第一導(dǎo)電層，介電層和第二導(dǎo)電層形成一個(gè)電容器。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于提供基材的步驟包括在基材上形成第一導(dǎo)電層。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于熱處理產(chǎn)生包含結(jié)晶鈦酸鋇的介電層。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第一導(dǎo)電層是至少一種選自下列的金屬鎳、銅、錳、鉬和鎢。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于熱處理步驟包括在800-1050℃范圍進(jìn)行熱處理。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于熱處理步驟包括在小于10-6大氣壓的氧分壓的氣氛中進(jìn)行熱處理。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于熱處理步驟包括在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行熱處理。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于形成介電層的步驟包括提供一種介電前體溶液；將介電前體溶液施加在第一導(dǎo)電層上。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于形成介電層的步驟包括對熱處理產(chǎn)生的介電層進(jìn)行再氧化。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于對介電層再氧化的步驟包括在450-600℃和10-2至10-5大氣壓的氧分壓下對介電層進(jìn)行再氧化。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于形成介電層的步驟包括形成摻雜的介電層。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于形成介電層的步驟包括形成厚約0.2-2.0微米的介電層。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一導(dǎo)電層是至少一種選自下列的金屬鉑、鈀、金和銀；在空氣中進(jìn)行800-1050℃熱處理。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于形成第二導(dǎo)電層的步驟包括在介電層上濺射一層導(dǎo)電層；用導(dǎo)電材料電鍍該導(dǎo)電層。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于提供基材步驟包括提供至少一種選自下列的材料作為基材氧化鎂、氧化鋁、玻璃-陶瓷、氧化鋯、鋁酸鎂、鈦酸鍶和鈦酸鋇。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括由第二電極層形成多個(gè)電極，從而形成多個(gè)電容器。
17.一個(gè)或多個(gè)采用權(quán)利要求1所述方法制成的電容器，安裝在印刷線路板上。
18.一個(gè)或多個(gè)采用權(quán)利要求1所述方法制成的電容器，安裝在集成電路基材上。
19.集成電路包，包含一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求1所述方法制成的電容器。
20.集成無源器件，包含一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求1所述方法制成的電容器。
全文摘要
在陶瓷基材上形成的薄膜電容器，它具有高電容密度和其他需要的電性質(zhì)和物理性質(zhì)。該電容器的介電層在高溫下進(jìn)行了熱處理。
文檔編號H01G4/33GK1637973SQ20041001165
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月30日
發(fā)明者W·J·寶蘭德 申請人:E.I.內(nèi)穆爾杜邦公司