CN206134667U - 可变电容器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及可变电容器，该可变电容器具有：半导体基板(10)、设置在该半导体基板(10)的主面上的再布线层(50)、以及设置于再布线层(50)的安装面上且包括第一输入输出端子(P1)、第二输入输出端子(P2)、接地端子(GND)及控制电压施加端子的多个端子电极(PE)，在再布线层(50)形成有由分别与第一输入输出端子(P1)及第二输入输出端子(P2)连接的一对电容器电极、以及配置于一对电容器电极间的铁电体薄膜所构成的铁电体薄膜型的可变电容元件部(VC)，在半导体基板(10)的主面形成有连接于第一输入输出端子(P1)或第二输入输出端子(P2)与接地端子(GND)之间的ESD保护元件(ESDP1、ESDP2)。
Description
技术领域
本实用新型涉及例如RFID(Radio Frequency Identification：射频识别)系统、近距离无线通信(NFC：Near Field Communication)系统等通信装置所使用的可变电容器。
背景技术
以往，在专利文献1、2等中提出了借助施加控制电压来改变介电常数的可变电容元件。这些可变电容元件采用金属、铁电体材料、金属的层叠结构(MIM结构)，具备有薄膜的铁电体以便在低电压下能够得到较大的电容变化量。
专利文献1：日本专利第4502609号公报
专利文献2：日本专利第5000660号公报
具备铁电体膜的可变电容元件的缺点在于，与MEMS的可变电容元件、可变电容二极管那样的半导体的可变电容元件相比，耐ESD(Electro-Static Discharge：静电放电)的特性较差。
虽然若使铁电体膜的膜厚变薄则能够提高控制灵敏度(电容值变化相对于控制电压变化的比)，但是随着铁电体膜的薄膜化，耐ESD特性发生劣化。即，若产生超出耐ESD特性的ESD，则其浪涌施加于铁电体膜，使铁电体膜遭到绝缘破坏。因此，从耐ESD的观点来看，在铁电体膜的薄膜化中产生制约，因此，控制灵敏度也受其限制。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种耐ESD特性较高的可变电容器。
本实用新型的可变电容器的特征在于，具有：半导体基板；设置在该半导体基板的主面上的再布线层；以及包括第一输入输出端子、第二输入输出端子及接地端子的多个端子电极，
在上述再布线层形成有铁电体薄膜型的可变电容元件部，该可变电容元件部由分别与上述第一输入输出端子以及上述第二输入输出端子连接的一对电容器电极、和在上述一对电容器电极之间配置的铁电体薄膜构成，
在上述半导体基板形成有连接于第一输入输出端子或第二输入输出端子与接地端子之间的ESD保护元件。
根据上述结构，可变电容元件部形成于再布线层，ESD保护元件形成于半导体基板。由此，容易确保可变电容元件部与ESD保护元件部之间的绝缘，能够构成耐ESD特性优异且控制灵敏度较高的小型的可变电容器。
优选在上述半导体基板的主面设置有用于将ESD保护元件连接于接地端子与第一输入输出端子或第二输入输出端子的电极焊盘，该电极焊盘由W或WSi形成。由此，半导体基板的电极焊盘的耐热性较高，能够将具有需要高温下的热处理的铁电体薄膜层的可变电容元件部组装入再布线层。
优选在俯视观察时，上述可变电容元件部设置于不与ESD保护元件以及ESD保护元件的电极焊盘重叠的位置。由此，更加容易确保可变电容元件部与ESD保护元件部之间的绝缘，并且能够确保可变电容元件部的基底部分的平坦性，能够提高可变电容元件部的可靠性。
优选在上述可变电容元件部与控制电压施加端子之间设置有电阻元件，电阻元件形成于再布线层中就设置有可变电容元件部的层而言与上述半导体基板相反的一侧的层。由此，无需在外部设置电阻元件，能够大幅地减少元件数。并且，由于该电阻元件在就设置有可变电容元件部层而言与半导体基板相反的一侧的层，因而不会对可变电容元件部的平坦性带来负面影响，能够提高ESD保护元件部与电阻元件之间的绝缘性。
优选在上述可变电容元件部与上述半导体基板之间设置有绝缘层。换言之，由于半导体基板与电容器电极之间形成绝缘层，因此能够进一步提高ESD保护部与可变电容元件部之间的绝缘性。
根据本实用新型，能够得到控制灵敏度较高，具备耐ESD性并且小型的可变电容器。
附图说明
图1是第一实施方式所涉及的可变电容器91的电路图。
图2是可变电容器91的示意性剖视图。
图3A是示出可变电容器91的详细结构及制造方法的剖视图。
图3B是接着图3A示出可变电容器91的详细结构及制造方法的剖视图。
图4是观察可变电容器91的安装面侧而得到的俯视图。
图5A是示出第二实施方式所涉及的可变电容器92的结构及制造方法的剖视图。
图5B是接着图5A示出可变电容器92的结构及制造方法的剖视图。
图6是示出可变电容器92的内部的元件配置的示意图。图6中(A)是示意性俯视图，图6中(B)是示意性主视图。
图7是第三实施方式所涉及的可变电容器93的剖视图。
图8A是示出可变电容器93的结构及制造方法的剖视图。
图8B是接着图8A示出可变电容器93的结构及制造方法的剖视图。
图8C是接着图8B示出可变电容器93的结构及制造方法的剖视图。
图8D是接着图8C示出可变电容器93的结构及制造方法的剖视图。
图8E是接着图8D示出可变电容器93的结构及制造方法的剖视图。
图9是具备可变电容器的第四实施方式所涉及的通信电路的电路图。
具体实施方式
第一实施方式
图1是第一实施方式所涉及的可变电容器91的电路图。该可变电容器91包括可变电容元件C1～C6、RF电阻元件R11～R19以及ESD保护元件ESDP1、ESDP2。
可变电容元件C1～C6根据施加于控制电压输入端子Vt与接地端子GND之间的控制电压来决定电容值，并由此决定第一输入输出端子P1-第二输入输出端子P2之间的电容值。
各个可变电容元件C1～C6分别为由利用电场来改变介电常数的铁电体膜以及夹持该铁电体膜并施加电压的电容器电极所构成的铁电体电容器。由于铁电体膜根据所施加的电场的强度改变极化量从而改变介电常数，因此能够根据控制电压来决定电容值。经由RF电阻元件R11～R19对各电容器电极施加控制电压。RF电阻元件R11～R19的电阻值相等。这些RF电阻元件R11～R19分别对可变电容元件C1～C6施加控制电压，并作为抑制施加于端子P1-P2之间的RF信号向控制电压输入端子Vt以及接地端子GND泄漏的扼流电阻来发挥作用。
在第一输入输出端子P1与接地端子GND之间连接有由稳压二极管构成的ESD保护元件ESDP1，在第二输入输出端子P2与接地端子GND之间连接有ESD保护元件ESDP2。即使由ESD产生的浪涌从外部进入输入输出端子P1、P2，ESD的电流也会通过ESD保护元件ESDP1、ESDP2流向地面。因此，无需对可变电容元件C1～C6施加过电压，就能够保护可变电容元件C1～C6。
图2是可变电容器91的示意性剖视图。在图2中，基板10是在表面形成有保护膜的Si基板。在该Si基板10的表面形成有ESD保护元件ESDP1、ESDP2。并在Si基板10上的再布线层50形成有可变电容元件部VC及电阻元件部RN。在再布线层50的表面形成有多个端子电极PE。这些端子电极PE被用作用于将可变电容器91安装于印刷电路板的安装端子。
图3A、图3B是示出上述可变电容器91的详细结构及制造方法的剖视图。以下，参照该图3A、图3B按制造顺序进行说明。
(1)在Si基板10形成SiO2膜12，并在应当形成ESD保护元件的区域利用离子注入法等形成杂质扩散的活性区域11。接着，形成由在活性区域11上导通的W(钨)构成的电极焊盘13，并在整个表面利用例如CVD法来形成SiN绝缘膜14。
SiO2膜12及SiN绝缘膜14是为了防止如下所示的BST膜21和Si基板10的相互扩散而设置的。
(2)在绝缘膜14上依次形成(Ba，Sr)TiO3膜(以下称为“BST膜”。)21、Pt电极膜22、BST膜23、Pt电极膜24以及BST膜25。这些BST膜通过旋转涂敷工序及烧制工序而形成，Pt膜通过溅射来成膜。BST膜21作为针对SiN绝缘膜14紧贴层来利用。由于该BST膜21与电容无关，因此只要是作为针对SiN绝缘膜14的紧贴层来发挥作用的膜也可以是BST膜之外的膜。并且，上述Pt膜也能够使用导电性良好且耐氧化性优异的高熔点的其他贵金属材料例如Au。
上述BST膜的烧制温度为600℃～700℃，通过该热，在上述电极焊盘13中的与活性区域11接触的部分变为WSi(钨硅化物)。
(3)通过利用连续规定次数的光刻法对Pt电极膜22、24、BST膜23、25进行刻画图案从而形成可变电容元件部VC。
(4)通过CVD法、溅射法形成SiO2膜31，并利用自动涂料机来在其上涂覆PBO(聚苯并恶唑)膜并进行烧制，从而形成作为有机保护层的PBO膜32。然后，通过电感耦合等离子体反应性离子蚀刻(ICP-RIE)形成开口H。
(5)通过溅射在开口H内以及PBO膜32的表面形成例如0.1μm/1.0μm/0.1μm的Ti/Cu/Ti膜。由此在开口H形成贯通孔41。然后对PBO膜32的表面的Ti/Cu/Ti膜进行刻画图案从而形成布线图案42。
(6)涂覆形成阻焊膜43。虽未在图3B的剖面上示出，但在该阻焊膜上形成RF电阻元件的层。
(7)在阻焊膜43形成开口，在该开口内及阻焊膜43的表面形成Ti/Cu/Ti膜。由此在开口形成贯通孔44。然后对Ti/Cu/Ti膜进行刻画图案从而形成布线图案45。进一步在布线图案45上形成端子电极46，并在再布线层的表面形成阻焊膜47。
图4是观察可变电容器91的安装面侧而得到的俯视图。如图2、图3A、图3B所示，本实施方式的可变电容器91是CSP(Chip sizepackage：芯片尺寸封装)的1个芯片元件。在该芯片的安装面配置有输入输出端子P1、P2、控制电压输入端子Vt、以及接地端子GND。
以下列举本实施方式的特征结构及效果。
·在设置于Si基板10的主面的再布线层50形成有铁电体薄膜型的可变电容元件部VC，在半导体基板的主面形成有连接于第一输入输出端子以及第二输入输出端子与接地端子之间的ESD保护元件。由此，容易确保可变电容元件部与ESD保护元件部之间的绝缘，能够构成耐ESD特性优异，并且控制灵敏度较高的小型的可变电容器。并且，通过半导体制造工序，能够由1个芯片构成带有ESD保护元件的铁电体薄膜型可变电容器。
·用于将ESD保护元件与接地端子以及一对输入输出端子连接的电极焊盘设置于半导体基板的主面，该电极焊盘由W或WSi所形成。因此，半导体基板的电极焊盘的耐热性较高，能够将需要高温下的热处理的铁电体薄膜层组装入再布线层。
·在俯视观察时可变电容元件部设置于不与ESD保护元件及电极焊盘13重叠的位置。换言之，在可变电容元件部的半导体基板侧不形成ESD保护元件部。因此，能够确保可变电容元件部的基底部分的平坦性，并由于BST膜的利用旋转涂敷的涂覆厚度均匀，因此能够形成均匀且平坦的BST膜，能够得到稳定的特性，并能够提高可变电容元件部的可靠性。并且，更加容易确保可变电容元件部与ESD保护元件部之间绝缘。
·连接于可变电容元件部VC与控制电压施加端子之间的电阻元件部RN形成于再布线层50中比设置了可变电容元件部VC的层靠安装面侧。因此，不会给可变电容元件部的平坦性带来负面影响。并能够提高ESD保护元件部与电阻元件之间的绝缘性。
·在可变电容元件部VC与半导体基板10之间设置有SiO2膜12、SiN绝缘膜14以及BST膜21这3层绝缘层。换言之，通过在半导体基板10与Pt电极膜22之间形成多层绝缘层，从而能够进一步提高ESD保护元件部与可变电容元件部之间的绝缘性。
此外，除了W电极以外，只要是能够承受BST膜的烧制温度的金属材料就可以使用。例如也可以由Mo、Pt来形成电极焊盘。
另外，ESD保护元件除了利用稳压二极管之外，还可以利用例如PN型二极管、MOS型二极管等利用半导体基板的各种半导体型二极管。
第二实施方式
图5A、图5B是示出第二实施方式所涉及的可变电容器92的结构及制造方法的剖视图。电路图与第一实施方式中图1所示的相同。
以下，参照图5A、图5B对本实施方式所涉及的可变电容器的结构及制造方法依次进行说明。
(1)在N型Si基板10形成SiO2膜12，在ESD保护元件的形成区域中通过离子注入法等形成杂质扩散的活性区域11。
(2)在SiO2膜12上交互地层叠形成BST膜及Pt电极膜，通过对这些膜进行刻画图案从而来形成可变电容元件部VC。并且，在SiO2膜12表面通过CVD法、溅射法形成SiO2膜31。
(3)通过ICP-RIE法在SiO2膜31形成到达活性区域11的开口H。
(4)通过溅射在SiO2膜31的表面形成Al膜。由此在开口H形成贯通孔41。然后对SiO2膜31表面的Al膜进行刻画图案从而来形成布线图案42。
(5)通过利用自动涂料机在SiO2膜31上涂覆PBO(聚苯并恶唑)膜并进行烧制，从而形成作为有机保护层的PBO膜32。
(6)通过ICP-RIE法，分别形成布线图案42及到达可变电容元件部VC的电极膜的开口H。
(7)利用溅射在开口H内及PBO膜32的表面形成Ti/Cu/Ti膜。由此在开口H形成贯通孔41。然后通过对PBO膜32的表面的Ti/Cu/Ti膜进行刻画图案来形成布线图案45。
然后根据与图3B的(6)之后相同的工序形成端子电极46。
图6中(A)、(B)是示出可变电容器92的内部的元件配置的示意图。图6中(A)是俯视图，图6中(B)是主视图。本实施方式的可变电容器92在俯视观察时，可变电容元件部VC设置于不与ESD保护元件ESDP1、ESDP2以及ESD保护元件的电极焊盘重叠的位置。并且，连接于可变电容元件部VC与控制电压施加端子之间的电阻元件部RN形成于再布线层50中比设置了可变电容元件部VC的层靠安装面侧。
根据本实施方式，由于在烧制可变电容元件部VC的BST膜之后形成布线图案，因此无需在与活性区域11接触的电极焊盘中使用W(钨)，并由于布线图案不使用Ti/Cu/Ti而能够使用Al所以能够实现低成本化。
第三实施方式
图7是第三实施方式所涉及的可变电容器93的剖视图。该可变电容器93包括有可变电容元件部VC、电阻元件部RN以及ESD保护元件ESDP2等。图8A～图8E是示出可变电容器93的结构及制造方法的剖视图。
以下，参照图8A～图8E对本实施方式的可变电容器的结构及制造方法依次进行说明。
(1)准备N型Si基板10。
(2)在N型Si基板10形成SiO2膜12P，并在Si基板10的ESD保护元件的形成区域通过离子注入法等形成杂质扩散的活性区域11P、11N。
(3)除去SiO2膜12P。
(4)再次形成SiO2膜12。
(5)形成BST膜与Pt电极膜交互地层叠而成的MIM层。这些膜是通过反复进行旋转涂敷工序和烧制工序而形成的。
(6)通过利用连续规定次数的光刻法对Pt电极膜、BST进行刻画图案从而形成可变电容元件部VC。
(7)通过CVD法、溅射法形成SiO2膜31。
(8)通过ICP-RIE法形成开口H。
(9)通过溅射Al并刻画图案来形成电极焊盘13。
(10)利用自动涂料机来涂覆PBO(聚苯并恶唑)膜并进行烧制从而形成作为有机保护层的PBO膜32。然后，通过ICP-RIE法在PBO膜32上形成开口H。
(11)通过ICP-RIE法在SiO2膜31以及可变电容元件部VC的上面的BST膜形成开口H。
(12)在开口H内及PBO膜32的表面通过溅射形成Ti/Cu/Ti膜。由此在开口H形成贯通孔41。然后，通过对PBO膜32的表面的Ti/Cu/Ti膜进行刻画图案从而形成布线图案42。
(13)在PBO膜32的表面形成阻焊膜43，并在规定位置形成开口。
(14)通过在阻焊膜43的表面形成NiCr/Si膜，并通过刻画图案来形成电阻元件部RN。
(15)形成阻焊膜43并在规定位置形成开口。
(16)在阻焊膜43的表面形成Ti/Cu/Ti膜。
(17)通过形成镀Au/Ni膜，并通过刻画图案来形成端子电极46。
(18)通过对Ti/Cu/Ti膜进行蚀刻来形成布线图案45。
(19)形成阻焊膜47并在端子电极46的位置开口。
然后，通过将晶片切断为芯片，得到如图7所示的可变电容器93。
在本实施方式中，连接于可变电容元件部VC与控制电压施加端子之间的电阻元件部RN形成于再布线层50中比设置了可变电容元件部VC的层靠安装面侧，且形成于在俯视观察时与可变电容元件部VC及ESD保护元件ESDP1、ESDP2的形成区域重叠的区域。因此，不会对可变电容元件部的平坦性带来负面影响，能够构成占有面积较小的可变电容器。
第四实施方式
在第四实施方式中示出具备可变电容器的通信电路。
图9是具备可变电容器的通信电路的电路图。该通信电路是NFC模块的一个例子。通信电路具备RFIC111、天线线圈113、以及可变电容器91。在图9中，天线线圈113是作为放射元件而发挥作用的部件，且与通信对象侧线圈天线磁场耦合。
电容器C21、C22是RFIC111与天线线圈113的耦合度调整用的元件。并且电感器L11、L12以及电容器C11、C12、C20构成发送滤波器。例如在通信电路以插卡模式进行动作的情况下，由于RFIC111进行被动动作，因此根据对RX端子的输入信号生成电源电压并读取接收信号，在发送时对与TX端子连接的电路(负载)进行负载调制。并且，例如在通信电路以读写器模式进行动作的情况下，由于RFIC111进行主动动作，因此在发送时释放RX端子从TX端子发送发送信号，并在接收时释放TX端子从RX端子输入接收信号。RFIC111经由DA转换器112向可变电容器91施加控制电压。如此通信电路根据动作模式改变从RFIC111观察天线线圈113侧的阻抗。根据动作模式以使天线电路的共振频率达到最佳的方式(以从RFIC111观察天线线圈侧的阻抗一致的方式)来控制可变电容器91的电容值。
附图标记说明：C1…可变电容元件；C11、C12、C20、C21、C22…电容器；ESDP1、ESDP2…ESD保护元件；GND…接地端子；H…开口；L11、L12…电感器；P1…第一输入输出端子；P2…第二输入输出端子；PE…端子电极；R11～P19…RF电阻元件；RN…电阻元件部；VC…可变电容元件部；Vt…控制电压输入端子；10…半导体基板；11、11P、11N…活性区域；12、12P…SiO2膜；13…电极焊盘；14…SiN绝缘膜；21、23、25…BST膜；22、24…Pt电极膜；31…SiO2膜；32…PBO膜；41、44…贯通孔；42、45…布线图案；43、47…阻焊膜；46…端子电极；50…再布线层；91～93…可变电容器；111…RFIC；112…DA转换器；113…天线线圈。
Claims (5)
1.一种可变电容器，其特征在于，具有：
半导体基板；
设置在该半导体基板的主面上的再布线层；以及
包括第一输入输出端子、第二输入输出端子以及接地端子的多个端子电极，
在所述再布线层形成有铁电体薄膜型的可变电容元件部，该可变电容元件部由分别与所述第一输入输出端子以及所述第二输入输出端子连接的一对电容器电极、和在所述一对电容器电极之间配置的铁电体薄膜构成，
在所述半导体基板形成有连接于所述第一输入输出端子或第二输入输出端子与所述接地端子之间的ESD保护元件。
2.根据权利要求1所述的可变电容器，其中，
在所述半导体基板的主面设置有用于将所述ESD保护元件连接于所述接地端子和所述第一输入输出端子或所述第二输入输出端子的电极焊盘，该电极焊盘由W或WSi形成。
3.根据权利要求2所述的可变电容器，其中，
在俯视观察时，所述可变电容元件部设置于不与所述ESD保护元件以及所述电极焊盘重叠的位置。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的可变电容器，其中，
在所述可变电容元件部与控制电压施加端子之间设置有电阻元件，所述电阻元件形成于所述再布线层中就设置有所述可变电容元件部的层而言与所述半导体基板相反一侧的层。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的可变电容器，其中，
在所述可变电容元件部与所述半导体基板之间设置有绝缘层。
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