專利名稱：賤金屬電極上的金屬氧化物陶瓷薄膜的制作方法
技術領域：
集成電路結構和封裝。
背景技術：
希望緊鄰著集成電路芯片或管芯(die)提供去藕電容。隨著芯片或管芯的開關速度和電流要求變得越來越高，必須增大該電容。在芯片或管芯中提供去藕電容的一種方式是通過位于芯片和封裝體之間的插入體襯底提供。在芯片和封裝體之間使用插入體襯底使得電容接近芯片，且不必使用芯片或相關襯底封裝體上的區(qū)域。該構造能夠改善芯片的電源線上的電容。
關于插入體襯底，可以通過使用薄膜電容器提供電容。代表性地，采用構圖薄片形式的鉑材料可以形成電極，介電材料(例如金屬氧化物材料)可以形成在電極之間。鉑作為電極材料，在空氣中高處理溫度下，例如在可能用于燒結陶瓷介電體的溫度下，不會氧化。然而，鉑與鎳或銅相比，原材料成本較高，并且電阻率較高。還必須對鉑進行濺射沉積(物理氣相沉積(PVD))使其最大沉積厚度在0.2微米的數(shù)量級上。銅和鎳能夠電鍍至幾微米的厚度，從而使這些金屬材料更有利于電路設計的考慮。然而，這些金屬材料在高處理溫度下容易被氧化，例如將在電容器介電體的陶瓷材料燒結中遇到的溫度。如果在陶瓷燒結期間使用還原氣氛來避免電極材料的氧化，陶瓷可能被還原至導電(漏電)態(tài)。在一定的工作電場中(例如，2伏特，0.1微米)，還原氣氛下產生的陶瓷材料中的自由電荷載流子可以遷移到電極，導致形成空間電荷(電荷分離)，伴隨著電子從陰極(負電極)肖特基發(fā)射到介電體中，以保持電荷中性狀態(tài)；這個過程導致漏電流不可逆轉地增大和電容器毀壞。


實施例的特征、方面和優(yōu)點通過以下具體描述、附加的權利要求和附圖將更加完整清楚，附圖中圖1示出設置在管芯和基底襯底之間的插入體襯底的截面圖；圖2示出圖1的插入體襯底的部分放大圖；圖3示出電容器形成方法的流程圖；圖4示出不同溫度和氧氣分壓下鈦酸鍶的導電性能圖表。參考Integrated Ferroelectrics，2001，38卷，229-237頁，Christian Ohly等人的“Defects in alkaline earth titanate thin films-the conduction behaviorof doped BST”；圖5示出設置在具有集成電容器的基底襯底上的管芯的截面圖。
具體實施例方式
圖1示出設置在管芯和基底襯底之間的插入體襯底的截面圖。圖1示出組件100，該組件包括管芯或芯片110、插入體襯底120和基底襯底150。該組件可以形成電子系統(tǒng)的一部分，所述電子系統(tǒng)例如為計算機(例如，臺式計算機、膝上型計算機、手提計算機、服務器、互聯(lián)網裝置等)、無線通訊設備(例如，蜂窩式電話、無繩電話、尋呼機)、計算機外圍設備(例如，打印機，掃描儀、顯示器)、娛樂設備(例如，電視機、收音機、立體聲、磁帶放音機、光盤播放器、錄像機、MP3(運動圖像專家組，音頻層3播放器))等。
在圖1示出的實施例中，管芯110是集成電路管芯，例如處理器管芯。管芯110表面上的電觸點(例如，接觸焊盤)經過導電突起層130連接到插入體120。基底襯底150，例如是封裝襯底，可以用于連接組件110至印刷電路板，例如母板或其它電路板。插入體120經過導電塊層140電連接到基底襯底150，該塊層140使例如插入體120表面上的接觸焊盤與基底襯底150表面上的接觸焊盤對準。圖1還示出表面安裝電容器160，其可選擇為連接到基底襯底150。
在一個實施例中，插入體120包括電容器結構。圖2示出插入體120的放大圖。插入體120包括插入體襯底210、設置在插入體襯底210上的第一導電層220(導電的)、設置在第一導電層220上的介電層240、和設置在介電層240上的第二導電層230(導電的)。在一個實施例中，插入體襯底210為陶瓷插入體。插入體襯底210例如為具有較低介電常數(shù)的陶瓷材料。代表性地，低介電常數(shù)(低-k)材料為介電常數(shù)在10的數(shù)量級上的陶瓷材料。適合的材料包括，但不限于，玻璃陶瓷或氧化鋁(例如，Al2O3)。
在一個實施例中，第一導電層220和第二導電層230選自可沉積為幾微米或以上數(shù)量級厚度的材料。適合的材料包括，但不限于，銅和鎳材料。在一個實施例中，介電層240為具有較高介電常數(shù)(高-k)的陶瓷材料。代表性地，高-k材料為介電常數(shù)在1000的數(shù)量級上的陶瓷材料。用于介電層240的適當材料包括，但不限于，鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鍶鋇(Ba，SrTiO3)、和鈦酸鍶(SrTiO3)。
在一個實施例中，高-k陶瓷材料介電層240形成為小于一微米的厚度。在一個實施例中，介電層240的代表性厚度在0.1-0.2微米的數(shù)量級上。形成介電層240的材料可沉積為陶瓷材料的納米顆粒。將高-k材料沉積至0.1-0.2微米厚度的代表性顆粒尺寸在20-50納米的數(shù)量級上。
圖2示出延伸穿過插入體襯底120的多個導電通孔。代表性地，導電通孔250和導電通孔260是要被連接到芯片110的電源/接地觸點(例如經過塊層130的導電塊到圖1的管芯110上的接觸焊盤)的不同極性的導電材料(例如，銅或銀)。這樣，導電通孔250和導電通孔260延伸穿過高-k材料介電層240和低-k材料插入體襯底210。圖2還示出臨近插入體120周界的導電通孔270(例如，填充有銅或銀的通孔)。使導電通孔270對準以與輸入/輸出(I/O)信號連接。在一個實施例中，導電通孔270沒有延伸穿過高-k介電層240。代表性地，在插入體120的周界內蝕刻掉高-k介電層240以及第一導電層220和第二導電層230，以從導電通孔270的導電路徑中除去高-k材料。
圖3示出一種形成插入體120的技術。參見圖3，該方法或技術300包括在方框310起初形成第一導電層。代表性地，第一導電層，例如圖2的第一導電層220，是形成為具有期望厚度的薄片(例如，箔)的鎳或銅材料。代表性的厚度依據(jù)特定設計參數(shù)在幾微米到幾十微米的數(shù)量級上。一種形成薄片或箔的導體層的方式是在其表面上具有例如導電籽晶層的可除去基底襯底(例如，聚合物載體薄片)上電鍍材料箔或層。可選擇地，可以在可除去基底襯底上沉積導電材料漿料(例如，銅或鎳漿料)。
形成第一導電層或沉積第一導電層之后，在方框320，該技術或方法300在第一導電層的表面、包括整個表面上沉積陶瓷顆粒。為了形成厚度在0.1到0.2微米的數(shù)量級上的陶瓷材料，在第一導電層上沉積厚度在20到30納米的數(shù)量級上的陶瓷顆粒。一種沉積陶瓷材料的方式是通過化學溶液沉積(溶膠-凝膠)工藝，其中金屬陽離子被嵌入在溶解于溶劑的聚合物鏈中，并將該溶劑旋轉或噴射到第一導電層上。另一種沉積陶瓷材料的技術是化學氣相沉積(CVD)。
參見圖3的技術或方法300，在其中例如在溶膠-凝膠工藝中通過溶劑沉積陶瓷材料的實施例中，一旦沉積，在方框330中對沉積物進行干燥以蒸發(fā)掉有機物含量。代表性地，其上具有沉積的陶瓷顆粒的第一導電層暴露在惰性氣氛(例如氮)和高溫(例如100到200℃)中，從而分離溶劑和除去有機物含量。
方框340中，陶瓷顆粒受到燒結處理，以減小陶瓷顆粒的表面能。在使用例如銅或鎳的可氧化金屬作為導電層的實施例中，選擇工藝條件使得導電層不被氧化。對于銅或鎳導電層，例如，使用包括還原氣氛的工藝參數(shù)，使得銅或鎳材料的第一導電層不被氧化。然而，還原氣氛的存在可能還原陶瓷材料，使得陶瓷材料更加導電(更漏電的狀態(tài))。因此，選擇工藝參數(shù)來控制導電層的氧化和陶瓷材料的還原。在另一工藝流程中，方框340中的燒結高-k膜可以在陶瓷材料上沉積第二導電層之后進行。代表性地，第一導電層和第二導電層之一或兩者由金屬漿料形成。在第二電極由金屬漿料形成的情形中，可以在燒結之前在陶瓷材料上沉積金屬漿料。
在一個實施例中，陶瓷材料，例如鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鍶(SrTiO3)、或鈦酸鍶鋇(Ba，SrTiO3)，包括固定離子(Ba，Sr，Ti)和移動離子(O)。典型陶瓷材料(例如顆粒、晶體)還會具有大量點缺陷，主要是由于離子空位和自由電子載流子造成的，例如導帶中的電子和價帶中的空穴。在包括高溫和還原氣氛的典型燒結條件下，移動自由電子和氧空位的濃度增大。一個實施例中，使用包括氧氣的還原氣氛中氧的例子，選擇還原氣體中氧的化學勢，使得陶瓷的平衡電導率反映出在相應Krger-Vink圖表中的有利區(qū)域(regime)。這樣，伴隨著電子從價帶轉移至導帶的氧離子從固態(tài)變至氣態(tài)的趨勢將得到控制。如果銅或鎳的可氧化金屬用作電極，并受到燒結工藝條件影響時，必須進一步控制工藝條件以使電極的氧化最小化。
為了確定燒結陶瓷材料的特定工藝參數(shù)，為陶瓷材料樣品獲得陶瓷材料的平衡電導率，其作為熱力學狀態(tài)參數(shù)(溫度(T)，氧分壓(P(O2)，對于給定樣品固定的陶瓷組分，假定零揮發(fā)性)的函數(shù)。代表性地，可以利用平衡狀態(tài)下測量的電導率，在不同燒結溫度和壓力下分析陶瓷材料樣品的四點導電性測量。
圖4示出了標稱未摻雜的鈦酸鍶(SrTiO3)薄膜的代表性導電特性。例如圖4中的數(shù)據(jù)點提供了在各個熱力學平衡點處存在于陶瓷材料中的點缺陷的數(shù)量和類型的指示。使用該熱力學狀態(tài)函數(shù)(T，P(O2)和陶瓷材料的函數(shù))來確定從介電狀態(tài)到導電狀態(tài)的電導率狀態(tài)轉變。如圖4所示，在700℃的燒結溫度下，SrTiO3的導電性狀態(tài)轉變發(fā)生在大約1×10-15巴下。為了有效地作為適用于去藕電容器的介電材料，必須在大于1×10-15巴(圖4的圖表上的右側)的壓力下燒結陶瓷材料。
除了確定期望燒結溫度的電導率相轉變之外，還要確定可氧化金屬的還原氣氛的限制值。在一個實施例中，在氧還原氣氛中使用例如銅的金屬，由下面等式給出的銅氧化反應的吉布斯自由能表達式來確定金屬銅的P(O2)的限制值
ΔG＝-333,000+126T
＝RTlnP(O2)利用上式，在燒結溫度為700℃時，P(O2)值大約為5×10-12巴。燒結爐中的還原氣體的P(O2)需要低于約5×10-12巴，以避免銅在還原氣氛中的氧化。然而，如上面提到的，導電性相轉變大約在1×10-15巴。因此，在燒結溫度為700℃時，還原氣氛中氧的分壓處于大約5×10-12巴和大約1×10-15巴之間的工藝范圍(如圖4中箭頭400所示)。
上面的例子表明了存在用于燒結高-k陶瓷材料而不會氧化例如銅或鎳的金屬且不會產生漏電陶瓷材料的溫度和壓力的工藝條件范圍(最佳位置)。
參見圖3，燒結陶瓷材料之后，在方框350，可以把第二導電層連接(例如印刷、電鍍)到陶瓷材料，以形成電容器襯底。在陶瓷位于第一導電層薄片或箔上方的實施例中，第二導電層可以設置在陶瓷材料的相對表面上。在一個實施例中，第二導電層是金屬，例如鎳或銅。如上面提到的，在另一可選工藝中，燒結陶瓷材料之前，在陶瓷材料上形成第二導電層。
然后在方框360，可以把電容器襯底連接到(例如層疊)插入體襯底層，以形成插入體。在一個實施例中，插入體襯底層是陶瓷材料。代表性地，插入體襯底層是具有較低介電常數(shù)的陶瓷材料，而復合電容器的陶瓷材料具有較高的介電常數(shù)。
電容器襯底連接到插入體襯底層以形成陶瓷插入體之后，在方框370中對插入體進行構圖。在一個實施例中，通過形成穿過插入體的通孔、從周圍區(qū)域除去高-k陶瓷材料等來對插入體進行構圖。
圖5示出管芯或芯片組件的另一個實施例。組件500包括連接到封裝體襯底530的芯片或管芯510。封裝體襯底530具有與其集成的電容器520。電容器520類似于前面參照圖1和2描述的插入體120的電容器元件。注意，電容器520包括均為薄片形式的第一導電層560、介電層570和第二導電層580，且介電層570設置于第一導電層560和第二導電層580之間。在一個實施例中，如參照圖3所述，使用例如銅或鎳的金屬的第一導電層560和第二導電層580以及介電常數(shù)較高(高-k)的陶瓷材料的介電層570來形成電容器520。形成電容器520的方法可以遵循圖3的方法，但是電容器在形成后連接到封裝體襯底530，而非連接到插入體。圖5示出了延伸穿過電容器520的導電通孔590。導電通孔590連接到塊550，該塊550在一個實施例中與芯片或管芯510上的接觸焊盤對準。
在前面的詳細說明中，參照其具體實施例。然而，顯而易見的是，在不脫離所附權利要求書的較寬的精神和范圍的情況下，可以對本發(fā)明進行各種修改和改變。因此，說明書和附圖是作為示例性的而非限制性的。
權利要求
1.一種方法，包括形成包括電極材料和該電極材料上的陶瓷材料的電容器結構；以及在所述陶瓷材料的點缺陷狀態(tài)限定所述陶瓷材料是絕緣的且所述電極材料不被氧化的條件下，燒結所述陶瓷材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述條件包括高溫和還原氣氛。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述電極材料選自銅材料或鎳材料。
4.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述陶瓷材料包括氧，所述還原氣氛包括氧氣，所述條件包括所述陶瓷材料中氧的化學勢，使得所述陶瓷材料的熱力學狀態(tài)與在相應的Krger-Vink圖表中的選擇區(qū)域相一致。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述陶瓷材料的厚度在小于一微米的數(shù)量級上。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述電極材料是第一電極材料，并在燒結所述陶瓷之后，所述方法還包括將第二電極材料耦合到所述陶瓷材料。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述電極材料是第一電極材料，并在燒結所述陶瓷材料之前，所述方法包括在所述陶瓷材料上沉積第二電極材料。
8.一種方法，包括在導電箔上沉積陶瓷材料；以及在使點缺陷的轉變到與所述陶瓷材料的更高電導率對應的級別的移動性最小化的溫度下，在還原氣氛中燒結所述陶瓷材料。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述導電箔包括銅材料和鎳材料之一。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中選擇所述還原氣氛的氧分壓，以最小化所述導電箔的氧化勢。
11.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述陶瓷材料的厚度在小于一微米的數(shù)量級上。
12.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述導電箔包括第一導電箔，并在燒結所述陶瓷材料之后，所述方法還包括將第二導電箔耦合到所述陶瓷材料，使得所述陶瓷材料設置在所述第一導電箔和所述第二導電箔之間。
13.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述導電箔包括第一電極材料，并在燒結所述陶瓷材料之前，所述方法包括在所述陶瓷材料上沉積第二電極材料。
14.一種裝置，包括第一電極；第二電極；以及設置在所述第一電極和所述第二電極之間的陶瓷材料，其中，所述陶瓷材料包括小于一微米的厚度和與移動點缺陷的濃度得到最優(yōu)化的熱力學狀態(tài)對應的漏電流。
15.根據(jù)權利要求14所述的裝置，其中所述第一電極和所述第二電極中的至少一個包括選自銅和鎳之一的材料。
16.根據(jù)權利要求14所述的裝置，還包括耦合到所述第一電極的介電材料，其中所述介電材料具有比所述陶瓷材料的介電常數(shù)低的介電常數(shù)。
全文摘要
一種方法，包括形成電容器結構，該電容器結構包括電極材料、和電極材料上的陶瓷材料、以及在陶瓷材料的點缺陷態(tài)界定陶瓷材料是絕緣的、且不會氧化電極材料的條件下燒結陶瓷材料。一種方法，包括在導電箔片上沉積陶瓷材料、和在使點缺陷轉換到對應更高電導率的陶瓷材料水平的活動性最小化的溫度下，在還原氣氛中燒結陶瓷材料。一種裝置，包括第一電極、第二電極、和設置在第一電極和第二電極之間的陶瓷材料，其中陶瓷材料包括小于一微米的厚度、和與活動點缺陷的濃度最優(yōu)化的熱力學狀態(tài)相對應的漏電流。
文檔編號C04B35/468GK1961391SQ200580017468
公開日2007年5月9日 申請日期2005年6月23日 優(yōu)先權日2004年6月30日
發(fā)明者閔研基, 堅吉茲·A·帕蘭獨茲 申請人:英特爾公司