JPH06502967A - 非結晶誘電体膜を有する電圧可変コンデンサ - Google Patents
非結晶誘電体膜を有する電圧可変コンデンサInfo
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
前記絶縁層上に付着された誘電体材料の非結晶層；および
前記非結晶層上に形成された上部電極；から成ることを特徴とする電圧可変コン
デンサ。
２３、請求項２２記戦の電圧可変コンデンサであって、前記絶縁層および前記非
結晶層は、金属酸化物化合物であり、前記金属は、バリウム、鉛、リチウム、ネ
オジム、ニオビウム、ストロンチウム、タンタル、チタン、およびジルコニウム
から成る群から選択された。少なくとも第１および第２の構成要素を含んでいる
ことを特徴とする電圧可変コンデンサ。
２４、請求肥２２記載の電圧可変コンデンサであって、前記絶縁層および前記非
結晶層は、バリウム、鉛、リチウム、ネオジム、ニオビウム、ストロンチウム、
タンタル、チタン、およびジルコニウムの酸化物から成る群から選択された酸化
物であることを特徴とする電圧可変コンデンサ。
２５、請求肥２２記載の電圧可変コンデンサであって、前記絶縁層および前記非
結晶層は、チタン酸ジルコニウムを含んでいることを特徴とする電圧可変コンデ
ンサ。
明細書
非結晶誘電体膜を有する電圧可変コンデンサ発明の分野
本発明は、一般的に誘電体薄膜に間し、特にコンデンサの用途に用いられる誘電
体薄膜に関するものである。
発明の背景
高品質で正確に制復されるコンデンサは、多くの半導体素子の一体部分となって
いる。コンデンサは、金属酸化物シリコン（ＭＯＳ）技術または金属絶縁物シリ
コン（ＭＩＳ）技術を用いて、半導体回路の一部として製造されるものである。
半導体コンデンサの１つの特殊な例は、アナログ信号をデジタル信号に変換する
機能の集積回路への応用である。この回路では、一連のコンデンサが、酸化シリ
コンのような酸化物を配置することによって、半導体基板上に形成され、そして
この酸化物上に電極を作成してコンデンサを形成している。
半導体ネットワーク内のコンデンサの容量を高める試みにおいて、多くの努力が
なされている。薄膜コンデンサの開発においては、誘電定数、損失係数１機械的
Ｑ係数、固有抵抗、洩れ電流、ブレークダウン電界、及び電荷蓄積のような特性
が非常に重要である。これらの特性を改善することは、マイクロ波及び半導体素
子の用途に一般的に用いられる電圧可変コンデンサ（バラクタ）やバイパスコン
デンサのような用途には、重大なことである。一般的には、これらのコンデンサ
を製造するには、結晶膜を用いている。
結晶膜において見いだされる問題点の１つは、導電度が、結晶格子境界または膜
−電極接触インターフェースにおける電界の増加によって、高められてしまい、
ブレークダウンがかなり低い電圧となってしまうことである。上部電極が誘電体
絶縁部と接触する領域では、膜欠陥または空隙、及び粒塊間の空間が、結果的に
損失検数（タンジェントデルタ）を増加させることになる。これは、また、ブレ
ークダウン電界及び電荷の蓄積を低下させるという影響も及ぼすものである。
結晶膜は、要求のある高い誘電定数を有しているので。
結晶膜を用いることができ、しかも結晶膜の構造に固有な否定的な問題を回避す
ることができれば、非常に有利とな要約すると１本発明によれば、半導体基板を
備え、この基板の表面上には半導体材料層が付着された半導体素子が、提供され
る。前記材料層も、半導体材料であり、それが付着されている前記基板より高い
固有抵抗を有している。金属酸化物の誘電体層が、高固有抵抗層上に形成され、
それが次に、金属酸化物誘電体の非結晶層で被覆される。この非結晶層上に金属
電極が形成され、金属絶縁体半導体素子を形成している。
本発明の別の実施例では１代わりに高固有抵抗層と誘電体層との間に、非結晶層
を配置してもよい。本発明の更に別の実施例は、高固有抵抗層と誘電体層との間
に加えられた第２の非結晶層を組み込んでいる。
図面の簡単な説明
第１図は１本発明にしたがって作成された半導体素子の断面図である。
ｗｉ２図は１本発明にしたがって作成された素子の、別の実施例の断面図である
。
第３図は、本発明にしたがって作成された素子のその他の実施例の断面図である
。
第４図は１本発明による電圧可変コンデンサを内臓した通信用素子のブロック図
である。
好適実施例の詳細な説明
電圧可変コンデンサは、バラクタ、可変容量ダイオード。
またはバラキャップ（ｖａｒａｃａｐ）としても知られており、絶縁層によって
境界付けられた半導体表面における空間−電荷領域内に存在する電圧感知コンデ
ンサによって特徴付けられた、半導体素子である。高性能な電圧可変コンデンサ
を形成するためには、非常に薄い断面と極度に高い集結層（ｊｎｔｅｇｒｉｔｙ
）とを有する誘電体膜を、半導体上に付着することが要求される。
ここで第１図を参照すると、電圧可変コンデンサＩＯが、半導体基板１２上に形
成されている。基板１２は、エピタキシャル層１４も、基板表面上に含んでいる
。このエピタキシャル層は、単結晶として、多結晶として、或は当業者に公知な
他の手段で、成長させることができる。この層の上に、誘電体材料の絶縁層１６
が付着されている。最高性能を有する電圧可変コンデンサを形成するためには、
誘電体層１６は、できるだけ高い誘電定数を有するように形成しなければならな
い、典型的に、誘電体材料の結晶膜は、非結晶のまたは同一材料で部分的に結晶
化した膜よりも、高い誘電定数を有するものである。したがって、絶縁層１６は
結晶形状に形成することが望ましい、しかしながら。
結晶材料も、結晶格子内の欠陥及び結晶構造間の結晶粒境内の空間という問題が
ある。これらの欠陥及び結晶粒境は、異物の混入または移入のきっかけとなり、
それらが伝わっていったり、絶縁層１６の誘電定数を変えてしまうことがある。
誘電体層１６内の異物の混入を未然に防ぐには、絶縁層１６と同一または異なる
化学的構造を有する膜の第２層１８を、絶縁層の上に形成する。このＮ２層は、
構造が結晶材料に対立するものとして非結晶材料となるように、形成される。非
結晶材料は、より均一で欠陥のない構造を有しており、導電性の異物の膜内への
貫入を防止するものである。また、非結晶膜は、結晶のない膜なので、先に注記
した結晶格子の欠陥や結晶粒境の問題に悩まされることはない。通常、同一材料
の非結晶層を形成するためには、その膜をより低い温度で付着しなければならな
い、好ましい方法は、化学的蒸着、蒸発、スパッタリング、または反応性スパッ
タリング等の過程を経て、真空システム内で、非結晶及び結晶層を付着させるこ
とである。第２即ち非結晶層は、二酸化シリコンを用いて形成してもよく、また
絶縁層１６に用いられたのと同一材料を用いてもよい、上部電極２０を、次に、
非結晶膜上に形成し、電圧可変コンデンサを作成するために輪郭を描（。均一で
欠陥のない非結晶層１８は、結晶絶縁層１６を介した電極２０とエピタキシャル
層１４との間の直接的な導電を防止する。
絶縁層１６上の遮蔽被覆の一種として非結晶層１８を用いることの別の利点は、
集積回路製造技術において、集積回路ウェファがメタライゼーション段階の後に
、熱処理を受けることに対するものである。これらの処理は、摂氏４００度のよ
うな高温のこともある。熱処理は、金属移入の原因となり、そしておそら（素子
を短絡させることによって、不純物の誘電体膜への貫入を、一層悪化させる。半
導体処理における他の応用では、ポリイミツドの被覆物を用い、これを通常摂氏
２５０度糊度の高温で硬化させる。これらの高温は、異物の絶縁層への注入（ｉ
ｎｆｕｓｉｏｎ）を一層悪化させる作用を行う、誘電体材料の薄い非結晶層を加
えることにより、上記処理段階における汚染または欠陥の形成が防止され、根本
的な膜の品質を確保することができる。
この層は、誘電体のブレークダウンを改善すると共に、上部金属電極のための効
果的な拡散がリアとしても作用するのである。
次にｌｉ２図を参照すると、本発明の別の実施例において。
結晶膜１６の付着に先だって、基板上に薄い非結晶膜１８が付着される。このよ
うな構造は、半導体１２またはエピタキシャル層１４から結晶膜１６への不純物
の移入を、結晶膜の下側の非結晶膜の遮蔽１８を設けることによって、防止する
ことができる。
次に第３図を参照すると、本発明の更に別の実施例において、結晶１１１［１６
の付着に先だって基板上に薄い非結晶膜２２が付着され、続いて第２非結晶膜が
形成されている。
このような構造は、薄い非結晶ｖＡ（２２，２４）を結晶膜の上下両側に設ける
ことによって、半導体１２またはエピタキシャル層１４からの不純物の移入を防
止することができる。結晶膜の汚染は５両方向から、即ち、金属電極２０から、
そして半導体（１２，１４）層から、防止される。
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に
形成されたチタン酸ジルコニウム（ＺｒＴｉＯ，）であることが好ましい、しか
しながら、１００オングストロームから２ミクロンまでの厚さを用いても、適切
な素子を製造することができる。広い範囲の価を有するバラクタを形成するため
には、誘電体または絶縁層として用いられる材料は、半導体よりもはるかに大き
な誘電定数を有していなければならない、この目的のために用いることができる
適切な物質の例を、次の第１表にて見いだされよう。
第１表
五酸化タンタル Ｔａ２Ｏ。
五酸化ニオビウム Ｎｂ２Ｏ。
酸化ジルコニウム ｚｒＯ２
二酸化チタン ＴｉＯ２
チタン酸ジルコニウ ＺｒＴｆＯ
チタン酸ストロンチウム ５ｒＴｆＯ
チタン酸バリウム ＢａＴｉ０
チタン酸鉛 ＰｂＴｉ０゜
四チタン酸バリウム Ｂ ａ２Ｔ ｉ、０２゜チタン酸ネオヂミウム ＢａＮｄ
Ｔｉ、０．４バリウム
ジルコン酸チタン酸鉛 Ｐｂ （Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ。
ジルコン酸チタン酸鉛 （Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ。
ランタン Ｔｉ）Ｏ。
ニオブ酸リチウム Ｌ ｉ Ｎｂ０
１ ニオブ［バリウム （Ｓ ｒ、Ｂ ｒ）Ｎｂ２０゜ストロンチウム
これらの材料は、広いキャパシタンス−電圧ｔ！囲を有する電圧可変コンデンサ
を形成する役を果たすものであるが、誘電定数が低い他の材料（二酸化シリコン
のような）を用いて基板を作成することもできる。電圧可変コンデンサにおける
上記材料の施行および使用についての定理は、１９９２年１２月２２日にＣｏｒ
ｎｅｔｔ ｅｔ ａｔに付与された、［Ｖｏｌｔａｇｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｃ
ａｐａｃｉｔｏｒ’Ｊという題の米国特許第５．１７３，８３５号に示されてお
り、この開示を参考のためにここに組み込んである。
これらの材料の薄膜は、スパッタリング、蒸発、科学的蒸着、イオンビームまた
はプラズマ強化処理、及びツルゲル（ｓｏｌ ｇｅｔ）または他の溶液化学処理
を含むが、これらには限定されないい（つかの技術のいずれでも、形成すること
ができる。提案された非結晶層または複数の層は、同様の手段で付着させること
もできるが、付着条件だけを変更して、結晶状態とは反対に、膜が非結晶状態で
付着されるようにしなくてはならない、全体的に同一材料を用いることもでき、
或は下部材料２２を絶縁層１６とは興なるものとすることもでき、更に上部層２
４に対して＠３材料を利用することもできる。各場合において、非結晶膜の誘電
定数は結晶膜のそれより幾分小さいので、コンデンサの性能低下を防止するため
に、非結晶膜は、できるだけ薄くするべきである。
無線周波数通信機器のように、高周波で機能する電圧可変コンデンサを必要とす
る用途では、ここに記載する素子が特に有用であることが見いだせよう、ラジオ
は、共振器ネットワークまたは回路を使用しており、電圧可変コンデンサで同調
させるものもある。そして、高周波で動作するものは、損失が少なく、Ｑが高く
、そして容量範囲が広い電圧可変コンデンサから、大きな利点を得ている。′Ｍ
４図を参照すると、ラジオまたは通信装置５０の電気的構成要素のブロック図が
示されている。ラジオ５０は、フィルタ（複数）６０を介してアンテナ６２に結
合されている復調器５６を備えている。ラジオ５０の動作は、メモリブロック５
２を備えたコントローラ５４によって制御される。コントローラ５４は、復１１
６５６と連絡して、音声回路ブロック５８を制御する。復ｇＪ４器５６からの復
調された信号は、音声回路５８を通してスビニカ６４に結合されている。メモリ
ブロック５２、コントローラ５４、復Ｅｌｌ器５６及びフィルタ６９の組み合せ
が、通信装置５０内で受信手段を構成している。ここに記載した電圧可変コンデ
ンサは、好ましくは、フィルタ６０内でその用途を見いだすのであるが、復［１
１５６及び／または音声回路５８においても使用することができる。
要約すると、この構造を使用することから得られる良好な結果は、導電結晶粒界
及び空隙を介した上部及び下部電極間の接触の防止、不均一なそして電界強化領
域の減少、より低い損失、より高いＱ、Ｈの固有抵抗の改善、電気的ブレークダ
ウンの改善、及び蓄積電荷特性の改善である。
これまでの例は、本発明の好適実施例の例示としての役を果たすことを意図した
ものである。したがって、本発明は、ここに添付の特許請求の範囲によって以外
に、限定されることは意図していない。
フロントページの続き
（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
バカーキー、エドワーズ・ドライブ・ノース・イースト５５２９
Claims (25)
- １．半導体素子であって： 半導体基板であって、その上に半導体材料の層が付着されており、前記材料は前 記基板より高い固有抵抗を有する、半導体基板； 前記より高い固有抵抗の層上に付着された誘電体層；前記誘電体層上に付着され た誘電体材料の非結晶層；および 前記非結晶層上に形成された上部電極；から成ることを特徴とする半導体素子。
- ２．請求項１記載の半導体素子であって、前記半導体素子は、電圧可変コンデン サであることを特徴とする半導体素子。
- ３．請求項１記載の半導体素子であって、前記高固有抵抗層は、エビタキシャル 層であることを特徴とする半導体素子。
- ４．請求項１記載の半導体素子であって、前記誘電体層および前記非結晶層は、 金属酸化物化合物であり、前記金属は、バリウム、鉛、リチウム、ネオジム、ニ オビウム、ストロンチウム、タンタル、チタン、およびジルコニウムから成る群 から選択された、少なくとも第１および第２の構成要素を含んでいることを特徴 とする半導体素子。
- ５．請求項１記載の半導体素子であって、前記誘電体層および前記非結晶層は、 バリウム、鉛、リチウム、ネオジム、ニオビウム、ストロンチウム、タンタル、 チタン、およびジルコニウムの酸化物から成る群から選択された酸化物であるこ とを特徴とする半導体素子。
- ６．請求項１記載の半導体素子であって、前記誘電体層および前記非結晶層は、 チタン酸ジルコニウムを含んでいることを特徴とする半導体素子。
- ７．請求項１記載の半導体素子であって、前記誘電体層の誘電定数は、前記高固 有抵抗半導体材料の誘電定数より大きいことを特徴とする半導体素子。
- ８．請求項１記載の半導体素子であって、前記非結晶層は、前記より高い固有抵 抗の層と前記誘電体層との間にあることを特徴とする半導体素子。
- ９．半導体素子であって： 半導体基板であって、その上に半導体材料の層が付着されており、前記材料は前 記基板より高い固有抵抗を有する、半導体基板； 前記より高い固有抵抗の層の上に付着された誘電体材料の非結晶層； 前記非結晶層上に付着された誘電体層；前記誘電体層上に付着された、誘電体材 料のもう１つの非結晶層；および 前記非結晶層上に形成された上部電極；から成ることを特徴とする半導体素子。
- １０．請求項９記載の半導体素子であって、前記半導体素子は、電圧可変コンデ ンサであることを特徴とする半導体素子。
- １１．請求項９記載の半導体素子であって、前記高固有抵抗層は、エビタキシャ ル層であることを特徴とする半導体素子。
- １２．請求項９記載の半導体素子であって、前記誘電体層および前記非結晶層は 、金属酸化物の化合物であり、前記金属は、バリウム、鉛、リチウム、ネオジム 、ニオビウム、ストロンチウム、タンタル、チタン、およびツルコニウムから成 る群から選択された、少なくとも第１および第２の構成要素を含んでいることを 特徴とする半導体素子。
- １３．請求項９記載の半導体素子であって、前記誘電体層および前記非結晶層は 、バリウム、鉛、リチウム、ネオジム、ニオビウム、ストロンチウム、タンタル 、チタン、およびジルコニウムの酸化物から成る群から選択された酸化物である ことを特徴とする半導体素子。
- １４．請求項９記載の半導体素子であって、前記誘電体層および前記非結晶層は 、チタン酸ジルコニウムを含んでいることを特徴とする半導体素子。
- １５．請求項９記載の半導体素子であって、前記誘電体層の誘電定数は、前記高 固有抵抗半導体材料の誘電定数より大きいことを特徴とする半導体素子。
- １６．半導体素子であって： 半導体基板であって、その上に半導体材料の層が付着されており、前記材料は前 記基板より高い固有抵抗を有する、半導体基板； 少なくとも部分的に結晶状であり、前記より高い固有抵抗の層の上に付着された 第１酸化チタンジルコニウム層；前記第１層上に付着された第２酸化チタンジル コニウム層であって、非結晶状である前記第２層；前記非結晶層上に形成された 上部電極；および前記装置を電気的に付勢したとき、前記より高い固有抵抗の層 内に形成される空乏領域； から成ることを特徴とする半導体素子。
- １７．請求項１６記載の半導体素子であって、前記より高い固有抵抗の層は、エ ビタキシャル層であることを特徴とする半導体素子。
- １８．請求項１６記載の半導体素子であって、前記第２酸化チタンジルコニウム 層は、前記より高い固有抵抗の層と前記第１酸化チタンジルコニウム層との間に あることを特徴とする半導体素子。
- １９．請求項１６記載の半導体素子であって、更に、前記より高い固有抵抗の層 と前記第１酸化チタンジルコニウム層との間に形成された、非緒晶状酸化チタン ジルコニウムの第３層を含んでいることを特徴とする半導体素子。
- ２０．フィルタと、受信器の一部を形成する復調器とを有するラジオであって、 前記フィルタは：半導体基板であって、その上に半導体材料の層が付着されてお り、前記材料は前記基板より高い固有抵抗を有する、半導体基板； 前記より高い固有抵抗の層上に付着された誘電体層；前記誘電体層上に付着され た誘電体材料の非結晶層；および 前記非結晶層上に形成された上部電極；から成る少なくとも１つの電圧可変コン デンサを有していることを特徴とするラジオ。
- ２１．請求項２０記載のラジオであって、前記電圧可変コンデンサは、更に、前 記より高い固有抵抗の層上に形成された誘電体材料の非結晶層を含んでいること を特徴とするラジオ。
- ２２．電圧可変コンデンサであって、 半導体基板であって、その上に半導体材料の層が付着されており、前記材料は前 記基板より高い固有抵抗を有する、半導体基板； 前記より高い固有抵抗の層上に付着された絶縁層であって、前記より高い固有抵 抗の層より大きな誘電定数を有する前記絶縁層； 前記絶縁層上に付着された誘電体材料の非結晶層；および 前記非結晶層上に形成された上部電極；から成ることを特徴とする電圧可変コン デンサ。
- ２３．請求項２２記載の電圧可変コンデンサであって、前記絶縁層および前記非 結晶層は、金属酸化物化合物であり、前記金属は、バリウム、鉛、リチウム、ネ オジム、ニオビウム、ストロンチウム、タンタル、チタン、およびジルコニウム から成る群から選択された、少なくとも第１および第２の構成要素を含んでいる ことを特徴とする電圧可変コンデンサ。
- ２４．請求項２２記載の電圧可変コンデンサであって、前記絶縁層および前記非 結晶層は、バリウム、鉛、リチウム、ネオジム、ニオビウム、ストロンチウム、 タンタル、チタン、およびシルコニウムの酸化物から成る群から選択された酸化 物であることを特徴とする電圧可変コンデンサ。
- ２５．請求項２２記載の電圧可変コンデンサであって、前記絶縁層および前記非 結晶層は、チタン酸ジルコニウムを含んでいることを特徴とする電圧可変コンデ ンサ。
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