JP2006332122A - 電子回路装置、その製造方法、バリスタの製造方法、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 素子単体についても静電サージ対策を講じ、個々の素子を取り扱う作業者にも安全な電子回路装置を提供する。
【解決手段】 基板上に、少なくとも一対の電極を持つ電子素子が形成されている。この基板上に、さらに、一対の電極とバリスタ絶縁膜とを含むバリスタ素子が形成されている。バリスタ素子の一対の電極にサージ電圧が印加されると、バリスタ絶縁膜を通してサージ電流が流れる。電子素子の一方の電極とバリスタ素子の一方の電極とが相互に接続され、電子素子の他方の電極とバリスタ素子の他方の電極とが相互に接続されている。
【選択図】 図1
【解決手段】 基板上に、少なくとも一対の電極を持つ電子素子が形成されている。この基板上に、さらに、一対の電極とバリスタ絶縁膜とを含むバリスタ素子が形成されている。バリスタ素子の一対の電極にサージ電圧が印加されると、バリスタ絶縁膜を通してサージ電流が流れる。電子素子の一方の電極とバリスタ素子の一方の電極とが相互に接続され、電子素子の他方の電極とバリスタ素子の他方の電極とが相互に接続されている。
【選択図】 図1
Description
本発明は、電子回路装置、及びその製造方法に関し、特にサージ電圧に対する対策が施された電子回路装置、及びその製造方法に関する。さらに、本発明は、電子回路装置への適用に適したバリスタの製造方法、及びそのバリスタを含む半導体装置の製造方法に関する。
電子部品の駆動周波数が高くなるに従い、静電サージやノイズによる誤作動の問題が大きくなってきている。特に、圧電材料を含む誘電体フィルタや表面波(SAW)フィルタ等に代表される電子部品は、応力を印加すると電圧が発生する圧電正効果を有するので、静電サージが発生しやすい。
下記の特許文献1に開示された高周波デバイスにおいては、静電サージから電子回路を保護するために、アンテナ端子とSAWフィルタとの間に、バリスタが実装されている。バリスタを実装することにより、SAWフィルタが実装された電子回路基板の静電サージ対策が講じられている。
下記の特許文献2に、チタン酸ストロンチウム薄膜を用いたバリスタが開示されている。特許文献2に開示された発明によると、チタン膜を、ストロンチウムイオンを含む水溶液中で水熱処理することにより、結晶性の高いチタン酸ストロンチウム膜が形成される。
SAWフィルタが実装された電子回路基板は、バリスタの実装により静電サージ対策が講じられているが、SAWフィルタ単体として静電サージ対策が講じられているわけではない。すなわち、個々の部品を取り扱う作業者に対しては、静電サージ対策が講じられているとはいえない。このため、作業者は、静電サージによって不快な衝撃を受ける場合がある。
本発明の目的は、素子単体についても静電サージ対策を講じ、個々の素子を取り扱う作業者にも安全な電子回路装置、及びその製造方法を提供することである。本発明の他の目的は、この電子回路装置へ適用され得るバリスタの製造方法を提供することである。本発明のさらに他の目的は、このバリスタを適用した半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明の一観点によると、基板上に形成され、少なくとも一対の電極を持つ電子素子と、前記基板上に形成され、一対の電極とバリスタ絶縁膜とを含み、該一対の電極にサージ電圧が印加されると、該バリスタ絶縁膜を通してサージ電流を流すバリスタ素子であって、該バリスタ素子の一方の電極が、前記電子素子の一方の電極に接続され、該バリスタ素子の他方の電極が、前記電子素子の他方の電極に接続されているバリスタ素子とを有する電子回路装置が提供される。
本発明の他の観点によると、(a)少なくとも表層部が圧電材料で形成されている基板を準備する工程と、(b)前記基板の上に、導電材料からなる導電膜を形成する工程と、(c)前記導電膜をパターニングすることにより、相互に噛み合った一対の櫛型電極、該一対の櫛歯型電極にそれぞれ連続する一対のバリスタ電極を形成する工程と、(d)前記バリスタ電極の一方の上面から他方の上面までを覆うバリスタ絶縁膜を形成する工程と、(e)前記バリスタ絶縁膜の上に、該バリスタ絶縁膜を介して前記一対のバリスタ電極の双方に対向する上部導電膜を形成する工程とを有し、前記一対のバリスタ電極にサージ電圧が印加されたときに、前記バリスタ絶縁膜及び前記上部導電膜を通してサージ電流を流す電子回路装置の製造方法が提供される。
本発明のさらに他の観点によると、基板上に、アルミニウムからなる下側導電膜を形成する工程と、前記下側導電膜の表層部を酸化することにより、酸化アルミニウムからなるバリスタ絶縁膜を形成する工程と、前記バリスタ絶縁膜の上に、導電材料からなる上側導電膜を形成する工程とを有するバリスタの製造方法が提供される。
本発明のさらに他の観点によると、(a)半導体基板上に、少なくとも一対の端子を持つ半導体素子を形成する工程と、(b)前記半導体素子を覆うように前記基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、(c)前記層間絶縁膜の上に、一対の電極とバリスタ絶縁膜とを含み、該一対の電極の少なくとも一方が、前記半導体素子の一方の端子に電気的に接続され、該半導体素子の一対の電極にサージ電圧が印加されると、該バリスタ絶縁膜を通してサージ電流を流すバリスタ素子を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
電子素子が形成される基板上に、バリスタ素子をも形成することにより、電子回路装置単体の状態においても、電子素子の一対の電極に印加されたサージ電圧を瞬時に低下させることができる。
図1(A)に、第1の実施例による電子回路装置の平面図を示す。図1(B)及び図1(C)に、それぞれ図1(A)の一点鎖線B1−B1における断面図、及び一点鎖線C1−C1における断面図を示す。リチウムタンタレイト(LiTaO3)からなる基板1の表面に、相互に噛み合った一対の櫛型電極4及び5が形成されている。櫛型電極4及び5により励振された表面波が伝搬する両側の経路上に、それぞれ反射器2及び3が形成されている。
反射器2及び3の各々は、表面波の進行方向と直交する方向に延在する複数の導電パターンを含んで構成される。これらの導電パターンは、相互に電気的に短絡されている。櫛型電極4及び5により励振され、その両側に進行する表面波は、反射器2及び3により反射される。これにより、一対の反射器2及び3の間に定在波が生ずる。櫛型電極4、5、及び反射器2、3が、SAW共振器を構成する。
基板10の表面上に、バリスタ素子10が形成されている。バリスタ素子10は、バリスタ電極11、12、バリスタ絶縁膜13、及び上部導電膜14により構成される。バリスタ電極11及び12は、相互に、面内方向に間隙を隔てて配置されている。
バリスタ絶縁膜13は、チタン酸ストロンチウムで形成され、一方のバリスタ電極11の上面から、間隙を経由して他方のバリスタ電極12の上面までを覆う。バリスタ絶縁膜13の厚さは、例えば150nmである。上部導電膜14は、基板側から白金(Pt)膜とチタン(Ti)膜とがこの順番に積層された2層構造を有する。
一方のバリスタ電極11は、配線20により一方の櫛型電極4に接続され、他方のバリスタ電極12は、配線21により他方の櫛型電極5に接続されている。反射器2、3、櫛型電極4、5、バリスタ電極11、12、及び配線20、21は、銅(Cu)膜をアルミニウム銅(Al−Cu)合金膜で挟み込んだ3層構造を有する。
図1(D)に、図1(A)〜図1(C)に示したSAW共振器を使用したフィルタの等価回路図を示す。合計7個のSAW共振器25がラダー型に並べられている。各SAW共振器25は、定在波を利用するため、進行波を利用する従来のSAWフィルタに比べて、表面弾性波の減衰が小さくなり、低損失のフィルタを得ることができる。
次に、図2(A)〜図2(E)を参照して、第1の実施例による電子回路装置の製造方法について説明する。図2(A)〜図2(E)の各々は、左側に櫛型電極部の断面図を示し、右側にバリスタ素子部の断面図を示す。
図2(A)に示すように、分極処理されたLiTaO3からなる基板1の表面上に、Al−Cu合金層、Cu層、Al−Cu合金層がこの順番に積層された3層構造を有する導電膜7をスパッタリングにより形成する。図2(B)に示すように、導電膜7を、公知のフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、櫛型電極4、5、及びバリスタ電極11、12を形成する。図2(B)の断面図には現れていないが、図1(A)に示した反射器2、3及び配線20、21も同時に形成される。なお、基板1として、表層部のみが圧電材料で形成された複合部材を用いることも可能である。
図2(C)に示すように、櫛型電極4、5及びバリスタ電極11、12を覆うように、基板全面に、フォトレジスト膜16を形成する。フォトレジスト膜16を部分的に露光し、現像することにより、開口16aを形成する。開口16aは、図1(A)に示したバリスタ絶縁膜13に整合した平面形状を有する。
図2(D)に示すように、開口16aの底面上に、チタン酸ストロンチウムからなるバリスタ絶縁膜13及び上部導電膜14を、スパッタリングにより形成する。上部導電膜14は、白金層とチタン層とがこの順番に積層された2層構造を有する。レジスト膜16の上面にも、チタン酸ストロンチウム膜13a、及び白金層とチタン層との2層構造14aが堆積する。これらの膜は、基板1を積極的に加熱することなく成膜される。
図2(E)に示すように、フォトレジスト膜16を除去する。このとき、その上に堆積しているチタン酸ストロンチウム膜13a、及び白金層とチタン層との2層構造14aがリフトオフされる。
上記第1の実施例による方法では、バリスタ絶縁膜13の成膜時に、基板1を積極的に加熱することなく、ほぼ室温で成膜される。このため、分極処理されている基板1の分極特性を低下させることはない。バリスタ電極11、12、バリスタ絶縁膜13、及び上部導電膜14が、バリスタ素子10として作用する。
次に、図3及び図4を参照して、バリスタ絶縁膜の材料としてチタン酸ストロンチウムを用いたバリスタ素子の特性について説明する。
図3(A)に、バリスタ特性を評価するために作製したバリスタ素子の断面図を示す。シリコン基板40の表面を熱酸化することにより、厚さ100nmの酸化シリコン膜41を形成した。酸化シリコン膜41の上に、厚さ60nmのチタン膜42、厚さ200nmの白金膜43を、スパッタリングにより形成した。チタン膜42及び白金膜43は、基板40を加熱することなく、それぞれチタンターゲット及び白金ターゲットをアルゴンプラズマでスパッタリングすることにより形成した。成膜用のチャンバ内の圧力は約1Pa(7.5mTorr)とした。
白金膜43の上に、チタン酸ストロンチウム膜44をスパッタリングにより形成した。スパッタガスとして、アルゴンと酸素とを用い、それぞれの流量を30sccm及び7.5sccmとした。成膜時のチャンバ内の圧力は、1Paとした。成膜時間を1時間、3時間、及び5時間とし、膜厚の異なる3種類の試料を作製した。
開口部を有するメタルマスクを介して、チタン酸ストロンチウム膜44の上に、白金膜45を、電子ビーム蒸着により形成した。白金膜45の厚さは、約100nmである。
図3(B)に、チタン酸ストロンチウム膜の成膜時間を3時間とした試料のX線回折パターンを示す。シリコン基板1の(200)面、(400)面、及び白金の(111)面に対応するピークが現れているが、チタン酸ストロンチウムのピークは現れていない。このことから、室温でスパッタリングにより形成したチタン酸ストロンチウム膜は非晶質であることがわかる。
図4に、図3(A)に示す試料の電流電圧特性を示す。横軸は電圧を単位「V」で表し、縦軸は電流密度を単位「10−5A/cm2」で表す。図中の四角、三角、及び丸記号は、それぞれチタン酸ストロンチウム膜44の成膜時間を1時間、3時間、及び5時間とした試料の電流密度を示す。いずれの場合も非線形の電流電圧特性を示し、あるしきい値電圧以下の領域では、実質的に電流が流れず、しきい値電圧以上になると、急激に電流が流れ始めることがわかる。一旦しきい値以上の電圧を印加して電流を流した後、電圧をしきい値以下まで戻すと、電流が流れない元の状態に戻った。このように、図3(A)に示す試料は、サージ電圧が印加されたときにサージ電流を探すバリスタ素子として機能することがわかる。
しきい値電圧は、チタン酸ストロンチウム膜の成膜時間、すなわちその膜厚に依存することがわかる。従って、チタン酸ストロンチウム膜44の膜厚を変化させることにより、しきい値電圧を調整することが可能である。
非晶質のチタン酸ストロンチウム膜を用いることにより、図4に示す非線形の電流電圧特性が得られる理由は、以下のように考えられる。
チタン酸ストロンチウム膜は結晶化していないため、陽イオンと陰イオンとが格子点に整然と並んでおらず、陽イオンと陰イオンとの分布に濃淡があると考えられる。特に、陰イオンは常温で気体の元素のイオンであるため、組成が不定比になりやすい。酸素過剰な部分はP型導電性になり、酸素不足部分はN型導電性になりやすい。このため、非線形の電流電圧特性が得られると考えられる。
次に、図5を参照して、第2の実施例による電子回路装置の製造方法について説明する。
図5(A)に示すように、絶縁性の表面を有する基板60の表面上に、純度99.99%のアルミニウムを電子ビーム蒸着法で蒸着し、厚さ500nmのアルミニウム膜を形成する。このアルミニウム膜を、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、下側電極63、及びパッド61、62を形成する。
図5(B)に示すように、下側電極63、及びパッド61、62の表面に、酸化アルミニウム膜65を形成する。酸化アルミニウム膜65の形成は、基板を大気中に24時間放置して、アルミニウムの表面を自然酸化させることにより形成する。この条件で、酸化アルミニウム膜65の厚さが約3nmになる。
図5(C)に示すように、下側電極63の一部を覆う上側電極66を形成する。上側電極66は、開口が設けられたメタルマスクを介してアルミニウムを電子ビーム蒸着することにより形成される。上側電極66の厚さは、例えば500nmとする。
図5(D)に示すように、パッド61、62を覆う酸化アルミニウム膜65、及び下側電極63を覆う酸化アルミニウム膜65のうち露出した部分をドライエッチングプロセスによりエッチングする。なお、酸化アルミニウム膜65に機械的に傷をつけて、その下の金属アルミニウム膜の一部を露出させてもよい。
図5(E)に示すように、一方のパッド61と下側電極63とを、ワイヤ67で接続し、他方のパッド62と上側電極66とをワイヤ68で接続する。
下側電極63、酸化アルミニウム膜65、上側電極66が、バリスタ素子69を構成する。
図6に、図5(E)に示したバリスタ素子69の電流電圧特性を示す。横軸は電圧を単位「V」で表し、縦軸は電流密度を単位「10−5A/cm2」で表す。非線形の電流電圧特性が得られており、バリスタ素子として機能することがわかる。印加する電圧の極性を反転させた場合にも同様の特性を示し、図6に示した特性とほぼ対称な電流電圧特性が得られた。
第2の実施例による電子回路装置のバリスタ絶縁膜として用いた酸化アルミニウム膜65は、第1の実施例の場合と同様に、非晶質である。このため、第1の実施例の場合と同様の理由により、非線形の電流電圧特性が得られたと考えられる。
上記第2の実施例では、アルミニウム膜の表面を自然酸化することにより、酸化アルミニウム膜を形成したが、その他の方法で酸化アルミニウム膜を形成してもよい。例えば、沸騰した純水に基板を浸漬させてもよいし、クロム酸塩等を用いてアルミニウム膜の表面を化成処理してもよいし、硫酸等を用いてアルミニウム膜の表面をアルマイト処理(陽極酸化)してもよい。これらの方法でアルミニウム膜の表面を酸化することにより、自然酸化させる場合に比べて、より厚い酸化アルミニウム膜を短時間で形成することができる。特に、アルマイト処理を用いる場合、容易に10μm以上の膜厚を有する酸化アルミニウム膜を形成することができる。酸化アルミニウム膜を厚くすることにより、バリスタ素子のしきい値電圧を高くすることができる。
図7に、第3の実施例による電子回路装置の概略図を示す。半導体基板70の表面に、1トランジスタ1キャパシタ型の強誘電体メモリ(FRAM)が形成されている。FRAMの1つのメモリセルは、MOSトランジスタ71と強誘電体キャパシタ72により構成される。MOSトランジスタ71のソースが、強誘電体キャパシタ72の1つの電極に接続されている。
以下、第3の実施例による電子回路装置の製造方法について説明する。FRAMのメモリセルを覆うように、基板70の上に酸化シリコンからなる層間絶縁膜75を形成する。層間絶縁膜75に、ビアホールを形成する。ビアホールは、MOSトランジスタ71のドレイン、及びゲートに対応する位置、MOSトランジスタ71のソースと強誘電体キャパシタ72の一方の電極との相互接続点に対応する位置、及び強誘電体キャパシタ72の他方の電極に対応する位置に形成される。
層間絶縁膜75の上に、図5に示した第2の実施例による電子回路装置の製造方法と同様の方法で、バリスタ素子76、及びパッド80、81、82、83を形成する。パッド81及び82は、それぞれMOSトランジスタ82のドレイン及びゲートに接続される。パッド83は、MOSトランジスタ71のソースと、強誘電体キャパシタ72の一方の電極との相互接続点に接続される。パッド80は、強誘電体キャパシタ72の他方の電極に接続される。バリスタ素子76の下側電極が、ワイヤ84によりパッド80に接続される。バリスタ素子76の上側電極は、ワイヤ85によりパッド83に接続される。
強誘電体キャパシタ76の強誘電体膜は、一般的に、強誘電性を示すと共に、圧電性をも示す。強誘電体キャパシタ72の強誘電体膜に応力が加わると、圧電正効果により電圧が発生する。バリスタ素子76を配置することにより、圧電正効果により発生したサージ電圧を瞬時に低下させることができる。
上記実施例では、サージ電圧が発生する可能性のある電極間に、1つのバリスタ素子を接続する場合を示したが、バリスタ素子をアレイ状に配置し、複数のバリスタ素子を直列または並列に接続してもよい。
上記実施例では、バリスタ絶縁膜の材料として、チタン酸ストロンチウムまたは酸化アルミニウムを用いたが、その他の非晶質の酸化物を用いてもよい。例えば、チタン酸バリウム、酸化亜鉛等を用いることが可能である。また、バリスタ絶縁膜の厚さは、作業者に、サージ電圧による不快な衝撃を与えないようにするために、1μm以下とすることが好ましい。バリスタ絶縁膜の厚さの下限は、電子回路装置の動作電圧に基づいて適宜設定すればよいが、製造歩留まりを考慮すると、3nm以上とすることが好ましい。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
1 圧電基板
2、3 反射器
4、5 櫛型電極
7 導電膜
10 バリスタ素子
11、12 バリスタ電極
13 バリスタ絶縁膜
14 上部導電膜
16 フォトレジスト膜
20、21 配線
25 SAW共振器
40 シリコン基板
41 酸化シリコン膜
42 チタン膜
43 白金膜
44 チタン酸ストロンチウム膜
45 白金膜
60、70 基板
61、62、80、81、82、83 パッド
63 下側電極
65 酸化アルミニウム膜
66 上側電極
67、68、84、85 ワイヤ
69、76 バリスタ素子
71 MOSトランジスタ
72 強誘電体キャパシタ
75 層間絶縁膜
2、3 反射器
4、5 櫛型電極
7 導電膜
10 バリスタ素子
11、12 バリスタ電極
13 バリスタ絶縁膜
14 上部導電膜
16 フォトレジスト膜
20、21 配線
25 SAW共振器
40 シリコン基板
41 酸化シリコン膜
42 チタン膜
43 白金膜
44 チタン酸ストロンチウム膜
45 白金膜
60、70 基板
61、62、80、81、82、83 パッド
63 下側電極
65 酸化アルミニウム膜
66 上側電極
67、68、84、85 ワイヤ
69、76 バリスタ素子
71 MOSトランジスタ
72 強誘電体キャパシタ
75 層間絶縁膜
Claims (10)
- 基板上に形成され、少なくとも一対の電極を持つ電子素子と、
前記基板上に形成され、一対の電極とバリスタ絶縁膜とを含み、該一対の電極にサージ電圧が印加されると、該バリスタ絶縁膜を通してサージ電流を流すバリスタ素子であって、該バリスタ素子の一方の電極が、前記電子素子の一方の電極に接続され、該バリスタ素子の他方の電極が、前記電子素子の他方の電極に接続されているバリスタ素子と
を有する電子回路装置。 - 前記バリスタ絶縁膜が、非晶質の酸化物である請求項1に記載の電子回路装置。
- 前記バリスタ絶縁膜が、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、酸化亜鉛、または酸化アルミニウムで形成されている請求項1に記載の電子回路装置。
- 前記電子素子が、圧電材料からなる圧電部材を含み、該電子素子の一対の電極が、該圧電部材の表面上に形成され、相互に噛み合った一対の櫛型電極である請求項1〜3のいずれかに記載の電子回路装置。
- 前記バリスタ素子の一対の電極と、前記櫛型電極とは、同一の導電膜をパターニングして形成されたものであり、該バリスタ素子の一対の電極は、相互に、前記基板の面内方向にある間隙を隔てて配置され、該バリスタ絶縁膜は、一方の電極の上面から、前記間隙を経由して他方の電極の上面までを覆い、該バリスタ素子は、さらに、該バリスタ絶縁膜の上に配置されて、該バリスタ素子の一対の電極の双方に、該バリスタ絶縁膜を介して対向する上部導電膜を含む請求項4に記載の電子回路装置。
- (a)少なくとも表層部が圧電材料で形成されている基板を準備する工程と、
(b)前記基板の上に、導電材料からなる導電膜を形成する工程と、
(c)前記導電膜をパターニングすることにより、相互に噛み合った一対の櫛型電極、該一対の櫛歯型電極にそれぞれ連続する一対のバリスタ電極を形成する工程と、
(d)前記バリスタ電極の一方の上面から他方の上面までを覆うバリスタ絶縁膜を形成する工程と、
(e)前記バリスタ絶縁膜の上に、該バリスタ絶縁膜を介して前記一対のバリスタ電極の双方に対向する上部導電膜を形成する工程と
を有し、前記一対のバリスタ電極にサージ電圧が印加されたときに、前記バリスタ絶縁膜及び前記上部導電膜を通してサージ電流を流す電子回路装置の製造方法。 - 前記工程dにおいて、前記基板を積極的に加熱することなく、チタン酸ストロンチウムからなる絶縁膜をスパッタリングにより形成し、前記バリスタ絶縁膜とする請求項6に記載の電子回路装置の製造方法。
- 基板上に、アルミニウムからなる下側導電膜を形成する工程と、
前記下側導電膜の表層部を酸化することにより、酸化アルミニウムからなるバリスタ絶縁膜を形成する工程と、
前記バリスタ絶縁膜の上に、導電材料からなる上側導電膜を形成する工程と
を有するバリスタの製造方法。 - (a)半導体基板上に、少なくとも一対の端子を持つ半導体素子を形成する工程と、
(b)前記半導体素子を覆うように前記基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記層間絶縁膜の上に、一対の電極とバリスタ絶縁膜とを含み、該一対の電極の少なくとも一方が、前記半導体素子の一方の端子に電気的に接続され、該半導体素子の一対の電極にサージ電圧が印加されると、該バリスタ絶縁膜を通してサージ電流を流すバリスタ素子を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。 - 前記工程cが、
前記層間絶縁膜の上に、前記一対の電極の一方を構成するアルミニウムからなる下側電極を形成する工程と、
前記下側電極の表層部を酸化することにより前記バリスタ絶縁膜を形成する工程と、
前記バリスタ絶縁膜の上に、前記一対の電極の他方を構成する上側電極を形成する工程と
を含む請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
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