JP2853332B2 - 電圧可変コンデンサ - Google Patents

電圧可変コンデンサ

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般にコンデンサに関し、さらに詳しく
は、バラクタとも呼ばれる電圧可変コンデンサに関す
る。
高品質で正確に制御されるコンデンサは、多くの半導
体デバイスの一部である。コンデンサは、MOS（Metal O
xide Silicon）方式を利用して半導体回路の一部として
製造される。半導体コンデンサの一つの用途に、アナロ
グ信号をデジタルに変換する機能を有する集積回路があ
る。アナログ／デジタル変換は、信号と基準電圧の分数
とを順次比較することによって行われる。この基準電圧
は、２で順次低減される容量を有するコンデンサのアレ
イを介して比較を行うことによって、分割される。アナ
ログ／デジタル変換回路が適正に機能するためには、回
路内のコンデンサを回路の容量値全体で正確に制御しな
ければならない。これは、半導体の上に酸化シリコンな
どの酸化物を配置し、次にコンデンサを形成するために
この酸化物の上に電極を作成することによって行われ
る。
半導体コンデンサの別の用途には、バラクタとも呼ば
れる電圧可変コンデンサ（VVC:voltage variable capac
itor）を必要とする用途がある。現在、バラクタは、抵
抗，インダクタおよびコンデンサからなる電気回路網の
中心周波数を同調する電圧可変コンデンサとして用いら
れる。単位面積当たりの容量が大きく、容量変化が大き
く、DC漏れ電流が低いバラクタは、低い制御電圧を利用
しつつ、同調共振器のダイナミック・レンジおよび効率
を増加するために必要である。これらの条件を達成する
ためには、現在利用可能な高性能VVCはMOS製造方法との
整合性がないので、高性能VVCはハイブリッド・パッケ
ージ内のディスクリート素子として利用しなければなら
ない。バラクタの性能は、従来のVVCで用いられる絶縁
体，酸化シリコンの電気特性によって制限される。必要
な性能向上を達成するためには、高い容量レンジを実現
しなければならない。もし誘電材料がMOS処理方式と整
合性があり、かつバイポーラプロセス方式とも整合性が
あれば極めて有利である。
発明の概要 本発明により、電圧可変コンデンサが提供される。こ
のコンデンサは、基底基板としてシリコン・ウェハを有
し、高抵抗半導体材料の層がこの基板上に配置される。
半導体よりも誘電率が大きい金属酸化物の絶縁層は、高
抵抗層の上に形成され、金属電極はこの絶縁層上に形成
される。電極が適切に付勢されると、空乏層を高抵抗層
に形成できる。
図面の簡単な説明 第１図は、本発明による電圧可変コンデンサの断面図
である。
第２図は、本発明による装置の20KHz（第2a図）およ
び1MHz（第2b図）における容量と電圧の関係のグラフで
ある。
第３図は、本発明による集積回路における電圧可変コ
ンデンサの等角図である。
第４図は、本発明の別の実施例である。
第５図は、本発明による電圧可変コンデンサを内蔵す
る通信装置のブロック図である。
好適は実施例の詳細な説明 電圧可変コンデンサまたはバラクタは、絶縁層によっ
て区切られる半導体の表面における空間電荷領域にある
電圧感度容量（voltage sensitive capacitance）を特
徴とする半導体装置である。バラクタは、バラクタ・ダ
イオード，可変容量ダイオード，バリキャップおよび電
圧可変コンデンサ（VVC）としても知られる。VVCが機能
するためには、空乏層を形成しなければならない。空乏
層とは、移動電荷担体の密度がイオン化不純物原子の密
度よりもはるかに低い、半導体における正味空間電荷
（net space−charge）の領域のことである。移動担体
電荷の密度は、供与体（donor）および受容体（accepto
r）の固定電荷密度を中和するのに不十分である。ま
た、空乏層は、バリア層，障壁層または空間電荷層とも
呼ばれる。
容量が大きくかつDC漏れ電流が低い改善された電圧可
変コンデンサを作製するためには、材料の新規な構成が
必要である。MIS（Metal−Insulator−Semiconductor）
コンデンサが形成され、ここで絶縁体の比誘電率は半導
体空乏層の比誘電率よりもはるかに大きい。一般に半導
体自体は、単結晶シリコンであるが、当技術分野で一般
的な他の材料でもよい。半導体は、あまり高濃度にドー
ピングされない高抵抗表面層を除いて、高濃度にドーピ
ングされる。表面層は、半導体基板よりも高い抵抗を有
し、半導体上にエピタキシャル成長されるシリコンの単
結晶層でもよい。また、これは多結晶シリコン層でもよ
く、あるいは半導体に対して反対導電型のドーピングを
行ってもよい。
第１図において、電圧可変コンデンサ10は半導体12上
に形成される。あまり高濃度にドーピングされない表面
層14は、半導体よりも高い抵抗を有し、空乏層を形成す
るための領域として機能する。絶縁層16は、表面層14上
に形成される。この絶縁層16は、300オングストローム
から1000オングストロームの厚さで塗布されるチタン化
ジルコニウム（ZrTiO4）が好ましいが、100オングスト
ロームから２ミクロンの厚さも適切であることが判明し
ている。誘電層または絶縁層として利用される材料は、
半導体の誘電率よりもはるかに高い誘電率を有していな
ければならない。この目的のために利用できる適切な材
料の例を以下の表１に示す。
表１ 五酸化タンタル Ta2O5 五酸化ニオビウム Nb2O5 酸化ジルコニウム ZrO2 二酸化チタン TiO2 チタン化ジルコニウム ZrTiO2 チタン化ストロンチウム SrTiO3 チタン化バリウム BaTiO3 チタン化鉛 PbTiO3 四チタン化バリウム Ba2Ti9O20 チタン化バリウム・ネオジム BaNd2Ti5O14 ジルコン酸チタン酸鉛 Pb(Zr,Ti)O3 ジルコン酸チタン酸鉛ランタン (Pb,La)(Zr,Ti)O3 ニオブ酸リチウム LiNbO3 ニオブ酸ストロンチウム・バリウム (Sr,Ba)Nb2O6 モリブデン，タングステンおよびバナジウムなどの追
加元素の酸化物も、単独または他の元素との組み合わせ
ても有用と思われる。
適切な逆バイアス13が金属電極18に印加されると、移
動少数電荷担体は半導体絶縁体界面19に吸引され、空間
電荷または空乏層20を形成し、この層はある距離だけ導
体14内に延在する。この空乏層は、絶縁層16によって形
成されるコンデンサと電気的に直列な可変幅コンデンサ
としてふるまう。これらの２つの直列コンデンサは、各
個別コンデンサの変化によって影響される正味容量効果
を生成する。電極バイアス電圧は、空乏層の幅を蓄積閾
値における０から反転閾値における最大厚さまで制御
し、それによりデバイスの全容量を変える。絶縁層16
は、上部電極18と空乏層20との間の空間を提供すべく機
能する。空乏層は、バイアス電圧が入力13,15を介して
コンデンサに印加されると形成される過渡的な層であ
る。層20は、印加電圧を変えたり除去すると、縮小した
りあるいは消えることがある。図面では明確な形状で図
示されているが、空乏層20はデバイス10の永久的な物理
的形状とみなすべきではない。以下で説明する動作理論
は、金属酸化物半導体コンデンサの動作の動作理論と同
様である。
反転閾値電圧では、十分な荷電担体は半導体界面に吸
引され、そのため反転層が形成される。電圧バイアスを
増加すると、反転層が最大幅に達するまで、反転層の幅
が増加して、最大幅を越えると、空乏層は電極バイアス
電圧を増加しても実質的に増加できない。最大空乏幅
は、絶縁層16が設けられた半導体表面付近の不純物ドー
パントの濃度によって決定される。リン，アンチモン，
ホウ素および砒素などのドーパントは、シリコン基板で
有用であると当業者に認められている。ガリウム砒素な
どの他の半導体基板も、本発明によるVCCを形成するた
めに利用できる。
ドーピング濃度を低くすればするほど、最大空乏層の
厚さは大きくなり、そのため、実現可能な最小容量は低
くなる。あまり高濃度でドーピングされていない表面層
の厚さは、デバイスの直列抵抗を最小限に抑え、しかも
容量変化を最大限にするため、この最大空乏幅に等しい
かそれより若干大きくなるように選ぶことができる。
改善された電圧可変コンデンサの形成は、絶縁層16を
構成する材料の選択に大きく依存する。半導体空乏層20
よりも比誘電率がはるかに大きい材料を選ぶことによ
り、より大きな最大／最小容量比が得られる。絶縁体の
誘電率が大きいほど、与えられた絶縁厚さに対して単位
面積当たりの容量の容量比は大きくなる。MISコンデン
サの最大／最小容量比は次式によって与えられる： ただし、Cmaxは最大容量，Cminは最小容量，Kinsは絶縁
体の比誘電率，Wdは空乏層の幅，Kdは空乏層の比誘電率
およびWinsは絶縁層の厚さである。
誘電率が極めて高い多くの材料は、高周波デバイスに
とって望ましくない強誘電特性を有する。強誘電材料の
分極はヒステリシス・ループまたは記憶（メモリ）を有
し、それにより印加バイアス電圧が除去された後も残留
分極が残る。従って、残留空乏層も残り、そのため得ら
れる容量比も制限される。これらの材料は、低周波用に
最適である。
低損、すなわち非強誘電性絶縁層は、高周波数用途、
特に送受信無線装置や、同調可能な高Ｑフィルタ用に必
要とされる。低損の材料として例示されるチタン化ジル
コニウム（ZrTiO4）は、比誘電率が高く（Krは40にほぼ
等しい）、誘電損が低い適切な非強誘電材料の一つであ
る。それとは対照的に、（従来のMOSコンデンサで用い
られる）二酸化シリコンの比誘電率は3.9である。シリ
コン中の空乏層の誘電率は11.7であり、ゲルマニウム中
の空乏層の誘電率は15.7である。チタン化ジルコニウム
および表１の前述の材料の誘電率は、二酸化シリコンの
誘電率よりもはるかに大きく、そのため容量比が高い改
善されたコンデンサを作ることができる。チタン化ジル
コニウムの薄膜は、スパッタリング法，蒸着法，化学蒸
着法，イオン・ビームまたはプラズマ・エンハンスド法
（plasma enhanced process），ゾルゲル（sol−gel）
および他の溶液化学法を含むいくつかの方法によって形
成できるが、これらの方法に限定されない。
比誘電率が半導体空乏層よりもはるかに大きい絶縁体
を選ぶことにより、ゼロ空乏層厚さにおける最大容量
と、反転閾値における最小容量との間のより大きな比率
が達成される。この方法は、MISコンデンサはシリコン
上の二酸化シリコン絶縁体で開発されたので、主に見過
ごされてきた。MISコンデンサにおける空乏層の最大幅
は反転層の形成によって制限されるので、二酸化シリコ
ンなどの低誘電率の材料で実現可能な容量変化は、PN接
合付近の空乏幅を変化させることによって達成される変
化に比べて低いかそれに匹敵する。
PN接合の場合、空乏層は全体で同じ誘電率と、逆バイ
アス電圧によって制御される空乏幅とを有する。この空
乏層コンデンサの最大幅は、ドーパント濃度に依存する
なだれ降伏（avalanche breakdown）によって最終的に
制限される。しかし、実際には、これらの降伏電圧は極
めて大きく、実現可能な最大空乏幅は、携帯無線用途で
は一般に10ボルト以下である有効バイアス電圧の大きさ
によって決定される。誘電率が高い薄膜コンデンサは、
絶縁膜厚および半導体ドーピングに応じて、バラクタ・
ダイオードよりも小さいバイアス制御電圧（チタン化ジ
ルコニウムでは0.5〜3.0ボルト）を必要とし、またバラ
クタ・ダイオードよりも漏れは低い。Ｋ（誘電率）が高
い薄膜MISコンデンサは、バイポーラおよびMOSプロセス
の両方で利用できるが、高性能バラクタ・ダイオードは
MOSプロセスと整合性がない。
第２図において、絶縁層としてチタン化ジルコニウム
を用いて電圧可変コンデンサを作ると、極めて大きい容
量変化が小さい電圧範囲で認められることがわかる。従
来比で、４倍改善される。電流・電圧変化は、従来のバ
ラクタの場合よりもより線形性が高い。
上述の実施例の構造について理解を図るため、第３図
において電圧可変コンデンサの切り欠き等角図を示す。
電極11はシリコン基板12と電気接続をするために用いら
れ、また空乏層20を形成するために最終的にエピタキシ
ャル層14に電気接続するために用いられる。本発明の別
の実施例を第４図に示し、ここでドーピングされた材料
の追加の薄膜層17は、従来のエピタキシャル層とは別に
用いられる。この薄膜層も多結晶シリコンから作ること
ができる。この薄膜層への電気接触は、デバイスの出力
13を電気接続することによって電極11を介して行われ
る。明らかに、本明細書で説明するコンデンサは集積回
路に容易に組み込むことができる。
無線周波通信機器など高周波数で機能する電圧可変コ
ンデンサを必要とする用途は、本明細書で説明するデバ
イスで特に利用される。無線装置は、電圧可変コンデン
サによって同調される共振器網または回路を利用し、高
周波数で動作する無線装置は、低損，高Ｑおよび高容量
範囲を有する電圧可変コンデンサから大きな効果を実現
できる。第５図において、無線装置または通信装置50の
電気素子のブロック図を示す。無線装置50は、フィルタ
60を介してアンテナ62に結合される復調器56を含む。無
線装置50の動作は、メモリ・ブロック52を含むコントロ
ーラ54によって制御される。コントローラ54は復調器56
と通信し、音声回路ブロック58を制御する。復調器56か
らの復調信号は、音声回路58を介してスピーカ64に結合
される。メモリ・ブロック52,コントローラ54,復調器56
およびフィルタ60の組み合わせは、通信装置50における
受信手段をなす。本明細書で説明した電圧可変コンデン
サは、好ましくはフィルタ60で用いられるが、復調器56
および／または音声回路58でも利用できる。
以上、高誘電率を有するチタン化ジルコニウムなどの
絶縁層を利用することにより、改善された電圧可変コン
デンサが得られることがわかる。上記の例は、本発明の
好適な実施例を説明するためにすぎない。従って、本発
明は、請求の範囲で制限される以外は制限されるもので
はない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シャピロ、ゲリー・エイチ アメリカ合衆国ニュー・メキシコ州アル バカーク、ヴァレー・ヘヴン・コート・ エヌ・ダブリュー3317 (72)発明者 キャルドウェル、レイモンド・エム アメリカ合衆国ニュー・メキシコ州アル バカーク、ナンバー・イー31、アダム ス・エヌ・イー3131 (72)発明者 ホウン、ウェイ・ヤン アメリカ合衆国ニュー・メキシコ州アル バカーク、エドワーズ・ドライヴ・エ ヌ・イー5529 (56)参考文献 特開 昭63−276262（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−58863（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−227574（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−107276（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−210803（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−243487（ＪＰ，Ａ) 特許2639041（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平６−105788（ＪＰ，Ｂ２) Ｍｕｌｌｅｒ，Ｋａｍｉｎｓ 共著 ”ＤＥＶＩＣＥ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩ ＣＳ ＦＯＲ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴＳ”２ｒｄ Ｅｄｉｔｕ ｏｎ，ＷＩＬＥＹ社，（1986）ｐｐ. 390−391 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/822 H01L 27/04

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体よりも高い抵抗の半導体材料の層を
    有する半導体； 前記高抵抗層に形成される空乏層； 前記高抵抗層上に形成されるチタン化ジルコニウムから
    なる絶縁層であって、前記半導体の誘電率よりも大きい
    誘電率を有する絶縁層；および 前記絶縁層上に形成される導電電極； によって構成されることを特徴とする電圧可変コンデン
    サ。
  2. 【請求項２】電圧可変薄膜コンデンサであって： 高抵抗半導体材料の層を有する半導体； 前記高抵抗層上に形成される絶縁層であって： チタン化ジルコニウムの薄膜と； 前記チタン化ジルコニウム上に形成される金属電極と； からなる絶縁層；および 前記コンデンサを電気的に付勢すると、前記高抵抗層に
    形成される空乏層； によって構成されることを特徴とする電圧可変薄膜コン
    デンサ。
  3. 【請求項３】電圧可変コンデンサの絶縁層であって、40
    に等しいかまたはそれ以上の誘電率を有する低損の非強
    誘電性材料であるチタン化ジルコニウムによって構成さ
    れることを特徴とする絶縁層。
  4. 【請求項４】共振器を有する無線装置であって： 前記共振器は： 高抵抗半導体材料の層を有する半導体基板； 前記高抵抗層に形成される空乏層； チタン化ジルコニウムの薄膜からなる、前記高抵抗層上
    に形成される絶縁層；および 前記空乏層の真上の領域で前記チタン化ジルコニウム上
    に形成される電極； からなる少なくとも１つの電圧可変コンデンサ； によって構成されることを特徴とする無線装置。
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