JP4498836B2 - 容量素子 - Google Patents

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Description

本発明は、誘電体膜と1組の電極を備える容量素子に関するもので、特に、容量調整等が可能な容量素子に関する。
誘電体膜と1組の電極を備え、トリミングにより容量調整が可能な容量素子が、例えば、特開平10−190160号公報(特許文献1)、仏国特許発明第2687834号明細書(特許文献2)に開示されている。
図4は、特許文献1に開示された容量素子90の上面図である。
図4に示す容量素子90は、セラミック基板91上に印刷形成された第1の電極92と、この第1の電極92上に印刷形成された誘電体層93と、この誘電体層93上に印刷形成された第2の電極94とを備える。第2の電極94は、幅の狭いトリミング部94aを有する構成となっている。
特開平10−190160号公報 仏国特許発明第2687834号明細書
図4に示す容量素子90では、幅の狭いトリミング部94aが第2の電極94に形成されているため、レーザ装置等によるトリミング時間を短くすることができ、下方の誘電体層93に与えるダメージを低減することができる。
しかしながら、レーザ装置等によるトリミングを行う場合には、ダメージを完全に除去することはできない。また、レーザ装置等によるトリミングには時間がかかり、製造コストが増大してしまう。さらに、トリミングにより一旦容量調整を行うと、再び容量調整を行うことが困難である。
そこで本発明は、ダメージがなく、正確な容量調整が繰り返し可能で、安価に製造することのできる容量素子を提供することを目的としている。
請求項1に記載の発明は、誘電体膜と、第1電極および第2電極を備える容量素子において、前記誘電体膜、第1電極および第2電極が、半導体基板上に形成され、前記容量素子が、下層の前記第1電極と上層の前記第2電極の間に前記誘電体膜が挟まれた、積層型の容量素子であり、前記第2電極が、一体の電極であり、前記第1電極が、複数の電極部分に分割され、前記分割された電極部分同士が、スイッチング機能を有するトランジスタにより、互いに接続されてなり、前記複数に分割された各電極部分を接続する前記トランジスタをスイッチングして、容量に寄与する前記電極部分を選択することで、電気的な容量調整が可能となるように構成されてなり、前記トランジスタが、前記半導体基板における前記第1電極の形成領域の直下に配置され、前記第1電極が、前記トランジスタへ接続する配線と同じ金属層からなることを特徴としている。
これによれば、複数に分割された各電極部分を接続するトランジスタを適宜スイッチングして、容量に寄与する電極部分を適宜選択することができる。従って、レーザ装置等によるトリミングを行うことなく、簡単で、正確な容量調整が可能となる。このトランジスタのスイッチング機能を用いた電気的な容量調整は、当該容量素子の製造段階だけでなく、製品としての使用段階においても可能である。
また、積層型の容量素子は、小さな占有面積にも拘わらず、大きな容量値を持った容量素子とすることができる。従って、上記構造にすることで、大きな容量値を持つ容量素子において、広い容量範囲に渡って、正確な容量調整が繰り返し可能となる。
さらに、上記容量素子においては、前記トランジスタが、半導体基板における第1電極の形成領域の直下に配置されている。このため、半導体基板における第1電極の形成領域と別位置にトランジスタを配置する場合に較べて、前記電極部分とトランジスタを接続する配線を短くできると共に、全体の占有面積も小さくすることができる。また、第1電極をトランジスタへ接続する配線と同じ金属層とすることで、第1電極を形成するための特別な工程を必要とせず、トランジスタの配線形成工程と共用することができる。これによって、当該容量素子の製造コストを低減することができる。
以上のようにして、当該容量素子は、ダメージがなく、正確な容量調整が繰り返し可能で、安価に製造することのできる容量素子とすることができる。
請求項2に記載の発明は、誘電体膜と、第1電極および第2電極を備える容量素子において、前記第1電極および第2電極の少なくとも一方の電極が、複数の電極部分に分割され、前記分割された電極部分同士が、スイッチング機能を有するトランジスタにより、互いに接続されてなり、前記複数に分割された各電極部分を接続する前記トランジスタをスイッチングして、容量に寄与する前記電極部分を選択することで、電気的な容量調整が可能となるように構成されてなり、前記トランジスタのスイッチングが、不揮発性メモリを用いて制御されることを特徴としている。
当該容量素子についても、前述したように、複数に分割された各電極部分を接続するトランジスタを適宜スイッチングして、レーザ装置等によるトリミングを行うことなく簡単で正確な容量調整が可能であることは言うまでもない。当該容量素子は、EPROM(Erasable Programmable Read-Only Memory)等の不揮発性メモリを用いて前記トランジスタを制御しており、例えば、製造段階で行った容量調整値を不揮発性メモリに記憶させることで、レーザ装置等によるトリミングに代わる、電気的なトリミングとすることができる。
また、請求項3に記載の発明は、誘電体膜と、第1電極および第2電極を備える容量素子において、前記第1電極および第2電極の少なくとも一方の電極が、複数の電極部分に分割され、前記分割された電極部分同士が、スイッチング機能を有するトランジスタにより、互いに接続されてなり、前記複数に分割された各電極部分を接続する前記トランジスタをスイッチングして、容量に寄与する前記電極部分を選択することで、電気的な容量調整が可能となるように構成されてなり、前記トランジスタのスイッチングが、前記容量素子の周りの温度をモニタして制御されることを特徴としている。
前記したように、当該容量素子も製造段階だけでなく製品としての使用段階においても、容量調整が可能である。従って、上記のように当該容量素子の周りの温度をモニタしてトランジスタのスイッチングを制御することで、当該容量素子においては、温度変化による容量値の変化を補償することができる。
上記請求項2と請求項3に記載の容量素子についても、請求項に記載のように、層の前記第1電極と上層の前記第2電極の間に前記誘電体膜が挟まれた、積層型の容量素子であり、前記第1電極が、複数の電極部分に分割され、前記第2電極が、一体の電極である容量素子とすることができる。
積層型の容量素子は、小さな占有面積にも拘わらず、大きな容量値を持った容量素子とすることができる。従って、この積層型の容量素子を上記の構造にすることで、大きな容量値を持つ容量素子において、広い容量範囲に渡って、正確な容量調整が繰り返し可能となる。
また、この場合には請求項に記載のように、前記誘電体膜、第1電極および第2電極が半導体基板上に形成される場合には、前記トランジスタが、前記半導体基板における前記第1電極の形成領域の直下に配置され、前記第1電極が、前記トランジスタへ接続する配線と同じ金属層からなることが好ましい。
これによれば、半導体基板における第1電極の形成領域と別位置にトランジスタを配置する場合に較べて、前記電極部分とトランジスタを接続する配線を短くできると共に、全体の占有面積も小さくすることができる。また、第1電極をトランジスタへ接続する配線と同じ金属層とすることで、第1電極を形成するための特別な工程を必要とせず、トランジスタの配線形成工程と共用することができる。これによって、当該容量素子の製造コストを低減することができる。
請求項に記載の発明は、上記容量素子において、前記第1電極および第2電極の少なくとも一方の電極が、1個の基本容量となる電極部分と、所定の単位容量の2倍(n:0以上の整数)の容量となる複数の電極部分に分割されてなることを特徴としている。
上記のように電極を分割して、基本容量と所定の単位容量の2倍(n:0以上の整数)の容量をトランジスタのスイッチングにより適宜組み合わせることで、基本容量を基準として、広い容量範囲に渡って、正確な容量調整が可能となる。
請求項に記載のように、上記の容量素子は、湿度によってその容量が変化する湿度センサ素子に好適である。
湿度センサ素子は、湿度変化に伴う容量変化を測定するため、正確な容量値設定が要求される。従って、正確な容量調整が繰り返し可能な上記容量素子は、湿度センサ素子に好適である。
請求項に記載のように、上記湿度センサ素子として用いられる容量素子の誘電体膜には、ポリイミド膜が好適である。
ポリイミド膜は、湿度に対する誘電率変化が大きいため、容量式の湿度センサ素子における誘電体膜として、一般的によく用いられている。ポリイミド膜を誘電体膜として用いた湿度センサ素子は、上記の長所がある。ただし、微小な容量を作製する場合、製造時における容量値のバラツキや、使用時の温度変化による容量値変化が顕著になる場合もある。これに対して、トランジスタのスイッチング機能を用いた電気的な容量調整が可能な上記の容量素子は、製造段階における正確な容量値設定と使用段階における容量値の変更が可能であり、ポリイミド膜を誘電体膜として用いた湿度センサ素子に好適である。
請求項に記載のように、上記湿度センサ素子として用いられる容量素子の誘電体膜として、シリコン窒化膜とポリイミド膜の積層膜を許容することで、前記第1電極(および第2電極)形成のための特別な工程を必要とせず、これらをトランジスタの配線形成工程と共用できるようになる。この場合には、第1電極(および第2電極)がトランジスタの配線と同じ金属層で形成され、トランジスタの配線の保護膜が、上記シリコン窒化膜となる。これによって、当該湿度センサ素子の製造コストを低減することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。
図1(a)〜(c)は本発明の容量素子の一例で、図1(a)は、容量素子100の模式的な平面図である。図1(b)は、図1(a)の一点鎖線A−Aにおける断面図であり、図1(c)は、図1(a)の一点鎖線B−Bにおける断面図である。
容量素子100は、図1(b)に示すように、誘電体膜4,12、第1電極20および第2電極30が、シリコン(Si)からなる半導体基板10上に形成され、下層の第1電極20と上層の第2電極30の間に誘電体膜4,12が挟まれた、積層型の容量素子である。図1(a)〜(c)の容量素子100の誘電体膜4,12、第1電極20および第2電極30は、一般的な半導体装置の製造工程である、成膜工程とフォトリソグラフィおよびドライエッチングやウェットエッチングからなるパターニング工程で形成することができる。
図1(a)〜(c)の容量素子100は、湿度によってその容量が変化する湿度センサ素子として用いられる容量素子で、誘電体膜は、シリコン窒化膜12とポリイミド膜4の積層膜からなる。ポリイミド膜4は、湿度に対する誘電率変化が大きい感湿膜で、容量式の湿度センサ素子における誘電体膜として、一般的によく用いられている。シリコン窒化膜12は、後述するように、半導体基板10上の配線金属層の保護膜で、第1電極20を半導体基板10上の配線と共用工程で形成するために、必然的に第1電極20上に形成される膜であり、湿度に対する誘電率の変化は極めて小さい。尚、半導体基板10上の符号11は、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜であり、第2電極30上の符号3sは、金属ペースト等からなる接続金属である。
図1(a)に示すように、下層の第1電極20は複数の電極部分2a〜2eに分割され、誘電体膜4,12により完全に覆われている。一方、上層の第2電極30は、一体の電極となっている。上層の第2電極30は、例えば多孔質金属膜等で形成された、透湿性が保たれた構造を有する電極である。尚、簡単化のために、図1(a)ではシリコン窒化膜12の図示を省略している。
第1電極20の分割された電極部分2a〜2e同士は、スイッチング機能を有するトランジスタTra〜Trdにより、互いに接続されている。トランジスタTra〜Trdは、半導体基板10における第1電極20の形成領域の直下に配置されている。これによって、第1電極20の形成領域と別位置にトランジスタTra〜Trdを配置する場合に較べて、電極部分2a〜2eとトランジスタTra〜Trdを接続する配線を短くできると共に、全体の占有面積も小さくすることができる。
図1(c)に示すように、第1電極20は、トランジスタTra〜Trdへ接続する配線と同じ金属層からなっている。従って、第1電極20を形成するための特別な工程を設けずに、トランジスタTra〜Trdの配線形成工程と共用して、第1電極20を形成している。これによって、容量素子100の製造コストを低減することができる。また、容量素子100における誘電体膜のシリコン窒化膜12は、半導体基板10上の前記金属層を保護する膜で、第1電極20を半導体基板10上の配線形成工程で同時に形成しているために、必然的に第1電極20上に形成される膜である。
図1(a)〜(c)に示す容量素子100では、第1電極20における複数に分割された各電極部分2a〜2eを接続するトランジスタTra〜Trdを適宜スイッチングして、容量に寄与する電極部分2a〜2eを適宜選択することができる。
例えば第1電極20を、大きな面積を占める電極部分2aを1個の基本容量となる電極部分とし、残りの電極部分2b〜2eの面積を、所定の単位容量の2倍(n:0以上の整数)の容量が得られるように分割する。この電極部分2aで得られる基本容量と残りの電極部分2b〜2eで得られる単位容量の2倍の容量をトランジスタのスイッチングにより適宜組み合わせることで、基本容量を基準として、正確な容量調整が可能となる。
図1(a)〜(c)の容量素子100は、積層型の容量素子であり、小さな占有面積にも拘わらず、大きな容量値を持った容量素子とすることができる。従って、この積層型の容量素子において上記の電極分割とトランジスタのスイッチングによる容量調整を行うことで、大きな容量値を持つ容量素子の広い容量範囲に渡って、正確な容量調整が可能である。誘電体膜としてポリイミド膜4を用いた容量素子(湿度センサ素子)は、湿度に対する誘電率変化が大きい長所がある。しかし、微小な容量を作製する場合、容量値のバラツキが顕著になる。従って、トランジスタTra〜Trdのスイッチング機能を用いた電気的な容量調整が可能な図1(a)〜(c)の容量素子100は、製造段階における正確な容量値設定が可能であり、ポリイミド膜を誘電体膜として用いた湿度センサ素子に好適である。
トランジスタTra〜Trdのスイッチングは、EPROM(Erasable Programmable Read-Only Memory)等の不揮発性メモリを用いて制御されるようにしておく。これにより、例えば、製造段階で行った容量調整値を不揮発性メモリに記憶させることで、レーザ装置等によるトリミングに代わる、電気的なトリミングとすることができる。このようにして、図1(a)〜(c)の容量素子100では、従来のようにレーザ装置等によるトリミングを行わないため、ダメージがなく、簡単で、正確な容量調整が可能となる。
上記したトランジスタTra〜Trdのスイッチング機能を用いた電気的な容量調整は、容量素子100の製造段階だけでなく、製品としての使用段階においても可能である。
図2に、図1(a)〜(c)の容量素子100について、温度変化に伴う容量値変化の一例を示す。シリコン窒化膜12とポリイミド膜4の積層膜からなる容量素子100では、シリコン窒化膜12については温度変化に伴う容量値変化を無視することができる。一方、膜厚を薄くした場合、ポリイミド膜4の熱膨張係数が無視できなくなるため、例えば温度が上昇すると熱膨張した厚さ変化分Δdだけ、図中の式に従って容量値が低下する。これに対して、容量素子100の周りの温度をモニタして、トランジスタTra〜Trdのスイッチングを制御することで、温度変化に伴う容量値の変化をリアルタイムで補正することができる。この場合、電気的に書き換え可能な不揮発性メモリを使用することで補正可能となる。
以上のようにして、図1(a)〜(c)に示す容量素子100は、ダメージがなく、正確な容量調整が繰り返し可能で、安価に製造することのできる容量素子とすることができる。
図3は本発明ではないが参考とする別の容量素子の例で、容量素子110の模式的な平面図である。尚、図3の容量素子110において、図1(a)〜(c)の容量素子100と同様の部分については、同じ符号を付した。
図3の容量素子110は、半導体基板上の同一平面に互いの櫛歯が噛み合って対向するように離間して配置された櫛歯状の第1電極21と第2電極31を備え、第1電極21と第2電極31を覆うように誘電体膜4が形成された、櫛歯電極型の容量素子である。
容量素子110においては、第1電極21と第2電極31が共に複数の電極部分に分割されており、分割された電極部分同士がスイッチング機能を有するトランジスタTre〜Trhにより、互いに接続されている。トランジスタTre〜Trhは、半導体基板における第1電極21と第2電極31の形成領域の直下に配置されており、各電極部分とトランジスタTre〜Trhの接続構造は、図1(c)に示した接続構造と同様である。これによって、第1電極21と第2電極31の形成領域と別位置にトランジスタTre〜Trhを配置する場合に較べて、電極部分とトランジスタTre〜Trhを接続する配線を短くできると共に、全体の占有面積も小さくすることができる。
図3の容量素子110で、第1電極21と第2電極31の分割を、櫛歯状の櫛歯の根本位置で行っている。これによって、トランジスタTre〜Trhのスイッチングによる広い容量範囲の容量調整が可能となる。一方、これに限らず、櫛歯電極型の容量素子においては、第1電極もしくは第2電極の分割を、櫛歯状の櫛歯位置で行うこともできる。これによれば、トランジスタのスイッチングによる細かい容量調整が可能となる。尚、櫛歯電極型の容量素子においても積層型の容量素子と同様に、第1電極21と第2電極31を適宜分割して、1個の基本容量となる電極部分と、所定の単位容量の2倍(n:0以上の整数)の容量を持つ電極部分とすることができる。従って、櫛歯電極型の容量素子においても、基本容量と単位容量の2倍の容量をトランジスタTre〜Trhのスイッチングにより適宜組み合わせることで、基本容量を基準として、正確な容量調整が可能となる。
図3の容量素子110も、湿度センサ素子として用いられる容量素子で、誘電体膜にはポリイミド膜4が用いられている。容量素子110の第1電極21と第2電極31は、トランジスタTre〜Trhへ接続する配線と同じ金属層からなっている。従って、第1電極21と第2電極31は、特別な工程を設けずにトランジスタTre〜Trhの配線形成工程と共用して形成しており、これによって容量素子110の製造コストを低減することができる。尚、容量素子110における第1電極21と第2電極31は、図1(b)に示した容量素子100における第1電極20と同様に、上記配線の保護膜であるシリコン窒化膜12を介して、ポリイミド膜4に覆われている。
図3に示す櫛歯電極型の容量素子110は、図1(a)〜(c)に示す積層型の容量素子100に較べて小さな容量値を持った容量素子であるが、第1電極21と第2電極31を同時に形成でき、特別な成膜装置を必要とする図1(a)に示す第2電極30がないため、積層型の容量素子に較べて安価に製造することができる。従って、この櫛歯電極型の容量素子110において、上記のようにトランジスタTre〜Trhを用いた電気的な容量調整を可能にすることで、小さな容量値を持つ容量素子において、細かく正確な容量調整が繰り返し可能となる。
以上のようにして、図3に示す容量素子110についても、ダメージがなく、正確な容量調整が繰り返し可能で、安価に製造することのできる容量素子とすることができる。
(他の実施形態)
図1〜3に示した容量素子100,110においては、誘電体膜が、シリコン窒化膜12とポリイミド膜4の積層膜であった。これに限らず、本発明の容量素子は、一層および複数層の任意の誘電体膜であってよい。第1電極および第2電極は、成膜工程とフォトリソグラフィおよびドライエッチングやウェットエッチングからなるパターニング工程で形成していた。
図1〜3の容量素子100,110では、誘電体膜、第1電極および第2電極は、成膜工程とフォトリソグラフィおよびドライエッチングやウェットエッチングからなるパターニング工程で形成していた。これに限らず、容量素子の誘電体膜、第1電極および第2電極は、スクリーン印刷により形成することもできる。また、半導体基板上に限らず、誘電体膜、第1電極および第2電極を任意の基板に形成して、別基板に形成したトランジスタと接続するようにしてもよい。
図1〜3に示した容量素子100,110は、いずれも湿度センサ素子として用いられる容量素子であった。湿度センサ素子は、湿度変化に伴う容量変化を測定するため、正確な容量値設定が要求される。従って、正確な容量調整が繰り返し可能な本発明の容量素子は、湿度センサ素子に好適である。しかしながら、本発明の容量素子はこれに限らず、任意の目的に使用される容量素子に適用することができる。
本発明の容量素子の一例で、(a)は、容量素子の模式的な平面図である。(b)は、(a)の一点鎖線A−Aにおける断面図であり、(c)は、(a)の一点鎖線B−Bにおける断面図である。 図1の容量素子について、温度変化に伴う容量値変化の様子を示した図である。 本発明ではないが参考とする別の容量素子の例で、容量素子110の模式的な平面図である。 従来の容量素子の上面図である。
符号の説明
90,100,110 容量素子(湿度センサ素子)
10 半導体基板
20,21 第1電極
2a〜2e 電極部分
30,31 第2電極
4 ポリイミド膜(誘電体膜)
12 シリコン窒化膜
Tra〜Trh トランジスタ

Claims (9)

  1. 誘電体膜と、第1電極および第2電極を備える容量素子において、
    前記誘電体膜、第1電極および第2電極が、半導体基板上に形成され、
    前記容量素子が、下層の前記第1電極と上層の前記第2電極の間に前記誘電体膜が挟まれた、積層型の容量素子であり、
    前記第2電極が、一体の電極であり、
    前記第1電極が、複数の電極部分に分割され、
    前記分割された電極部分同士が、スイッチング機能を有するトランジスタにより、互いに接続されてなり、
    前記複数に分割された各電極部分を接続する前記トランジスタをスイッチングして、容量に寄与する前記電極部分を選択することで、電気的な容量調整が可能となるように構成されてなり、
    前記トランジスタが、前記半導体基板における前記第1電極の形成領域の直下に配置され、
    前記第1電極が、前記トランジスタへ接続する配線と同じ金属層からなることを特徴とする容量素子。
  2. 誘電体膜と、第1電極および第2電極を備える容量素子において、
    前記第1電極および第2電極の少なくとも一方の電極が、複数の電極部分に分割され、
    前記分割された電極部分同士が、スイッチング機能を有するトランジスタにより、互いに接続されてなり、
    前記複数に分割された各電極部分を接続する前記トランジスタをスイッチングして、容量に寄与する前記電極部分を選択することで、電気的な容量調整が可能となるように構成されてなり、
    前記トランジスタのスイッチングが、不揮発性メモリを用いて制御されることを特徴とする容量素子。
  3. 誘電体膜と、第1電極および第2電極を備える容量素子において、
    前記第1電極および第2電極の少なくとも一方の電極が、複数の電極部分に分割され、
    前記分割された電極部分同士が、スイッチング機能を有するトランジスタにより、互いに接続されてなり、
    前記複数に分割された各電極部分を接続する前記トランジスタをスイッチングして、容量に寄与する前記電極部分を選択することで、電気的な容量調整が可能となるように構成されてなり、
    前記トランジスタのスイッチングが、前記容量素子の周りの温度をモニタして制御されることを特徴とする容量素子。
  4. 前記容量素子が、下層の前記第1電極と上層の前記第2電極の間に前記誘電体膜が挟まれた、積層型の容量素子であり、
    前記第1電極が、複数の電極部分に分割され、
    前記第2電極が、一体の電極であることを特徴とする請求項2または3に記載の容量素子。
  5. 前記誘電体膜、第1電極および第2電極が、半導体基板上に形成され、
    前記トランジスタが、前記半導体基板における前記第1電極の形成領域の直下に配置され、
    前記第1電極が、前記トランジスタへ接続する配線と同じ金属層からなることを特徴とする請求項4に記載の容量素子。
  6. 前記第1電極および第2電極の少なくとも一方の電極が、1個の基本容量となる電極部分と、所定の単位容量の2倍(n:0以上の整数)の容量となる複数の電極部分に分割されてなることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の容量素子。
  7. 前記容量素子が、湿度によってその容量が変化する湿度センサ素子であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の容量素子。
  8. 前記誘電体膜が、ポリイミド膜であることを特徴とする請求項7に記載の容量素子。
  9. 前記誘電体膜が、シリコン窒化膜とポリイミド膜の積層膜であることを特徴とする請求項7に記載の容量素子。
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