KR100688041B1 - 개선된 ｃ-ｖ 선형성을 갖는 전압 가변 커패시터 - Google Patents
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Abstract
전압 가변 커패시터(40)는 도핑된 층(42)을 갖는 지지기판(41)과, 도핑된 층상에 위치한 절연층(45)과, 제 1(47), 제 2(49), 및 제 3(51) 커패시터들을 규정하기 위해 상기 도핑된 층과 평행하게 상기 절연층상에 위치되고 상기 절연층에 의해 상기 도핑된층으로부터 이격된 제 1(46), 제 2(48), 및 제 3(50) 도전성 세그먼트들을 포함한다. 제 1, 제 2, 및 제 3 도전성 세그먼트들은 외부 접점으로서 서브하며 제 1, 제 2, 및 제 3 커패시터들의 대향 단자들은 도핑된 층을 통해 서로 결합된다. 바람직한 실시예에서, 기판은 반도체 웨이퍼이고, 도핑된 층은 에피텍셜로 성장된다. 절연층은 지르코늄 티탄산염 또는 유사한 유전율을 갖는 재료와 같은, 고 유전율 재료이고 세그먼트들은 금이다.
유전율, 세그먼트, 에피텍셜
Description
도 1는 전형적인 전압 가변 커패시터를 도시하는 단면도.
도 2는 동작 모드에 접속된 외부 성분을 갖는, 도 1에서 도시된 전압 가변 커패시터를 도시하는 개략도.
도 3는 도 1의 전압 가변 커패시터의 커패시터-전압 파형을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 전압 가변 커패시터를 도시하는 단면도.
도 5는 동작 모드에 접속된 외부 성분들을 갖는, 도 4의 전압 가변 커패시터를 도시하는 개략도.
도 6는 도 4의 전압 가변 커패시터의 커패시터-전압 파형을 나타내는 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
46, 48, 50 : 도전성 세그먼트 42 : 도핑층
41 : 지지기판 45 : 절연층
본 발명은 개선된 C-V 선형성을 갖는 전압 가변 커패시터 및 개선된 전압 가변 커패시터를 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래 기술에서 알려진 바와 같이, 전압 가변 커패시터들(VVC)은 표준 반도체 공정들 및 기술들을 사용하여 형성된다. 통상적으로, 반도전층(semiconductive layer)은 기판의 표면상에 도핑된 층을 형성함으로서 반도체 기판상에 형성된다. 그 후에, 절연층은 도핑된 층의 표면상에 형성되고 한 쌍의 RF 커패시터들은 절연층의 표면상에 2개의 이격된 개별 금속 접점을 증착하여 형성된다. 각각의 접점은 언더라잉(underlying) 반도전층과 결합하여 커패시터를 형성한다. 2개의 이격된 금속 접점들은 VVC에 대한 I/O 접점들이고 각각의 커패시터들에 대한 대향 접점들은 서로 접속되고 반도전층에 의해 기판의 후면에 접속된다.
VVC는 기판의 후면과 2개의 이격된 금속 접점들 중 하나간의 제 1 가변 전압 DC 전압 및 기판의 후면과 2개의 이격된 금속 접점들 중 다른 것 사이의 제 2 가변 DC 전압을 접속함으로써 회로에 접속된다. 통상적으로, 2개의 가변 전압들은 동일하고 하나의 전압 공급원에 의해 공급된다. VVC는 전형적인 S 모양의 커패시터-전압(C-V) 파형을 갖는다.
문제는 C-V 파형이 상호 변조(IM) 성능에서 불규칙을 생성하는 곳에서 절점(break) 또는 매우 급격한 코너(즉, Cmin과 Cmax)를 갖는 것이다. 또한, 곡선의 선형부분(Cmin과 Cmax사이)은 상대적으로 짧기때문에 VVC의 선형성을 감소시키게 된다. 또한, 반도체 기판의 후면에 대한 전기적 접속은 예를 들어, 플립(filp)칩 응용 등과 같은, 일부 응용들에서 접속의 어려움을 유발한다. 또한, 기판 후면상의 전기적 접점을 제공할 필요성은 제조 비용 및 부가 공정 단계들을 유발한다.
따라서, 이러한 문제들 및 개선된 제조 방법을 극복 또는 감소시키는 장치를 제공하는 것이 매우 바람직하다.
도면들, 특히 전형적인 전압 가변 커패시터(VVC)(10)의 단면도가 도시된, 도 1을 참조하라. VVC(10)는 상부 표면상에 형성된 저농도로 도핑된 반도체층(12)을 갖는 고농도 도핑된 반도체 기판(11)을 포함한다. 전형적으로 지르코늄 티탄산염(titanate)으로 형성된, 절연층(14)은 반도체 층(12)위에 증착된다. 금속 접점(16, 17)은 절연층(14)의 표면상에 증착되고, 제 1 전압 가변 용량 성분(18) 및 제 2 전압 가변 성분(19)을 형성한다.
당업자들에 의해 이해되는 바와 같이, 층(12)의 도핑 및 층(14)의 특성(예를 들어, 두께, 유전율, 등)은 통상적으로 Cmin의 값을 제어하고, 층(14)의 특성(예를 들어, 두께, 유전율, 등)은 통상적으로 VVC(10)에 대한 Cmax를 결정한다. 통상적으로, 층(12, 11)은 용량 성분(18)의 1개의 플레이트를 규정하고, 금속 접점(16)은 그 사이에 증착된 절연층(14)을 갖는 또다른 플레이트를 형성한다. 유사하게, 층(12)은 용량 성분(19)의 1개의 플레이트를 형성하고, 금속 접점(17)은 그 사이에 증착된 절연층(14)을 갖는 또다른 플레이트를 형성한다. 이와 같이, 층(12)은 용량 성분(18)과 용량 성분(19)에 대한 공통 접점이고, 공통 접점은 기판(11)의 후면상에 증착된 금속층(20)에 의해 전기적으로 액세스 가능하다.
도 2를 부가적으로 참조하여, VVC(10)의 개략도는 동작모드에서 그것을 배치하는 성분 및 외부 접속으로 도시된다. 전압 가변 용량 성분(18)은 외부 금속 접점(16)과 공통 외부 접점 또는 금속층(20)사이에 접속되는 것처럼 도시되고, 전압 가변 용량 성분(19)은 외부 금속 접점(17)과 공통 외부 접점 또는 금속층(20)사이에 접속되는 것처럼 도시된다. 외부 가변 전압원(22)의 하나의 단자는 RF 블로킹 저항(23)을 통해 외부 금속 접점 또는 금속층(20)에 접속되고, 소스(22)의 다른 단자는 접지에 접속된다. RF 커플링 커패시터(25)는 RFin 단자로부터 외부 금속 접점(16)에 접속되고, RF 블로킹 저항(26)은 외부 금속 접점(16)으로부터 접지에 접속된다. 유사하게, RF 커플링 커패시터(27)는 RFout 단자로부터 외부 금속 접점(17)에 접속되고 RF 블로킹 저항(28)은 외부 금속 접점(17)으로부터 접지에 접속된다.
동작 모드에서, 전압원(22)은 +2 내지 -2 볼트사이에서 변화한다. 여기에서, 전압 범위 +2 내지 -2볼트는 비교적 일반적으로 이해될 것이고, 예시적 목적으로 본 문헌에서 사용될 것이다. 그러나, 더 크거나 더 작은 범위들은 특정한 응용에서 사용될 수 있고 장치의 스위칭 유형을 생성하기 위해 Cmin에서의 평탄한 영역과 Cmax사이에서 간단히 스위치하는 것은 일반적이다. VVC(10)에 대한 커패시터 전압(C-V) 파형은 도 3에서 도표로 도시된다. 접점(16)은, 예를 들어, 전압원(22)에 의해 양으로 바이어스(bias)될 때, 전자들은 금속 접점(16)아래의 반도전층(12)의 상부 표면에 흡착된다(도 1 참조). 접점(16)이 전압원(22)에 의해 음으로 바이어스될 때, 전자들은 반발되고 공핍영역은 금속 접점(16) 아래의 반도전층(12)의 상부 표면에 인접하여 형성된다(도 1 참조). 흡착 또는 반발된 전자의 수는 인가된 바이어스 전압의 양에 의해 결정되고 VVC(10)의 피상 용량(apparent capacity)을 결정한다.
전형적인 응용에서, RF 커플링 커패시터(25)는 하나의 소스(도시되지 않음)에서 VVC(10)의 입력 외부 접점, 금속 접점(16)으로 RF 신호들을 결합한다. RF 신호들은 출력 외부 접점, 금속 접점(17)에 직접적으로 VVC(10)를 통과하고, 또한 RF 커플링 커패시터(27)에 의해 부하(도시되지 않음)에 결합된다. RF 블로킹 저항들(23, 26, 및 28)은 본질적으로 RF 신호들이 DC 바이어스 회로에 인입되는 것을 방지하여 VVC(10)는 순수 정전용량인것처럼 RF 회로로 동작한다. 도 3에서 도시되는, VVC(10)에 대한 정전용량-전압 파형은 통상적으로 파형에서 절점(30)에 의해 표시된, VVC(10)의 최소 정전용량이 가변 전압이 -2볼트로 감소되기 전에 도달되는 것을 도시한다.
유사하게, 통상적으로 파형에서 절점(31)에 의해 표시된, VVC(10)의 최대 정전용량은 가변 전압이 +2 볼트로 증가되기 전에 도달된다. 파형에서 절점(30, 31)은 상호변조(IM) 문제를 생성하고 파형의 평탄화된 부분들은 Cmin 또는 Cmax에서 VVC(10)에 인가된 부가 제어 전압이 상당한 정전용량의 변화를 생성하지 않기 때문에, 제어 문제를 유발한다. 그러나, 상술된 바와 같이, 스위칭 작동을 제공하기 위해 Cmin에서 평탄한 영역과 Cmax간에 단순히 스위치하는 것이 공통이다.
도 4를 참조하면, 단면도는 본 발명에 따른 전압 가변 커패시터(VVC)(40)를 도시한다. VVC(40)는 지지기판에 위치된 도핑된 반도전층(42)을 갖는 지지기판(41)을 포함한다. 제조 공정을 단순하게 하기 위해 또한 표준 반도체 기술과 적합하여, 이러한 바람직한 실시예에서, 지지기판(41)은 반도체 기판이다. 아래의 설명으로부터 더 명확하게 이해되는 것처럼, VVC(40)을 통과하는 RF가 지지기판(41)에 의해 부분적으로 전달되기 때문에, 전도성을 위해 지지기판(41)을 도핑하는 것이 바람직하고, 그러므로, 상기 장치의 Q는 VVC(40)을 통해 저 저항 경로를 제공함으로써 개선될 수 있다. 이러한 바람직한 실시예에서, 기판(41)은 단결정 실리콘이지만, 특정 응용에 대해 원하거나 적절하다면 다결정 실리콘, 실리콘 탄화물, 갈륨 비화물 등과 같은 다른 재료들이 사용될 수 있다.
또한, 층(42)은 기판(41)상에 에피텍셜로 성장되고, 본 문헌의 목적을 위해 일부의 기판에 고려된다. 특정한 응용에 대해 적절하다면, 부가층들이 기판(41)내에 포함될 수 있고, 층(42)은 예를 들어 원하는 도전율을 제공하는 기판(41)의 도핑과 같은, 임의의 다른 방법으로 형성될 수 있다.
증착에 의한 예와 같이, 대체로 동일한 두께의 층을 제공하도록 절연 재료의 층(45)은 층(42)의 표면상에 위치된다. 층(45)을 형성하는 절연 재료는 동일하거나 더 높은 유전율을 갖는 재료 또는 지르코늄 티탄산염과 같은, 통상적으로 높은 유전율 재료이다. 당업자들에 의해 이해되는 것처럼, 높은 유전율은 차례로 더 적은 누설 전압 및 더 높은 항복 전압을 제공하는 더 좋은 절연체를 제공한다. 물론, 원하는 목적을 획득하는 임의의 절연 재료가 층(45)에서 사용될 수 있는 것이 이해될 것이다.
제 1 커패시터(47)를 규정하도록 도전성 세그먼트(46)는 층(42)과 평행하게 절연층의 표면상에 위치되고 절연층(45)에 의해 층(42)으로부터 이격된다. 제 2 커패시터(49)를 규정하도록 도전성 세그먼트(48)는 층(42)과 평행하게 절연층(45)의 표면상에 위치되고 절연층(45)에 의해 층(42)으로부터 이격된다. 또한, 제 3 커패시터(51)를 규정하도록 도전성 세그먼트(50)는 층(42)과 평행하게 절연층의 표면상에 위치되고 절연층(45)에 의해 층(42)으로부터 이격된다. 각각의 커패시터(47, 49, 및 51)에 대한 하나의 플레이트를 형성하여, 각각의 세그먼트(46, 48, 및 50)는 VVC(40)에 외부 접점을 제공한다. 세그먼트(46, 48, 및 50)는 통상적으로 금속 또는 다른 뛰어난 도전성 재료로 형성되고, 금은 뛰어난 전기 도전체이기 때문에, 본 양호한 실시예에서 금으로 형성된다. 통상적으로, NiCr의 박막은 금 접점과 절연층(45)사이의 점착을 개선하기 위해 사용될 수 있다. 커패시터(47, 49, 및 51)의 대향 접점들은 층(42)에 의해 모두 공통으로 접속된다.
도 5를 부가적으로 참조하여, 개략도는 동작 모드에 접속된 VVC(40)을 도시한다. 세그먼트(46, 48, 및 50)는 단자(46)와 (50)사이에 접속된 커패시터(47)와 단자(48)와 (50)사이에 접속된 커패시터(49)를 갖는 외부 단자로서 도시된다. 커패시터(51)의 한쪽 측면은 단자(50)에 접속되고, 다른 측면은 RF 블로킹 저항(52)을 통해 외부 가변 전압원(55)의 한쪽 측면에 접속된다. 가변 전압 소스(55)의 대향 측면은 접지와 같은, 공통 전위에 접속된다. 이와 같이, 소스(55)는 전압 가변 커패시터(47)를 통해 제 1 가변 전압으로 동작하고, 전압 가변 커패시터(49)를 통해 제 2 가변 전압으로 동작한다. 2개의 개별 전압원들은, 만일 원한다면, 단일 소스(55) 대신에 사용될 수 있다.
RF 커플링 커패시터(60)는 RFin 단자로부터 외부 금속 접점(46)에 접속되고 RF 블로킹 저항(61)은 외부 금속 접점(46)으로부터 공통 전위(예를 들어, 접지)에 접속된다. 유사하게, RF 커플링 커패시터(62)는 RFout 단자로부터 외부 금속 접점(48)에 접속되고 RF 블로킹 저항(63)은 외부 금속 접점(48)으로부터 접지에 접속된다. 전형적인 응용에서, RF 커플링 커패시터(60)는 소스(도시되지 않음)로부터 VVC(40)의 세그먼트(46), 입력 외부 접점에 RF 신호들을 결합한다. RF 신호들은 출력 외부 접점, 세그먼트(48)에 직접적으로 VVC(40)를 통과하고, RF 커플링 커패시터(62)에 의해 부하(도시되지 않음)에 결합된다.
여기에서, 가변 커패시터(51)는 커패시터(47, 49)(예를 들어, 10배 이상 더 크지 않음)보다 더 큰 범위에서 커패시터(47, 49)보다 더 작은 정전 용량으로 제조 될 수 있다. 커패시터(51)는 크기가 커질 때, 그것의 효과가 사라지며, 도 5의 회로는 도 2의 회로와 비슷해진다(유사하게 됨). 즉, 상기 회로에서, 커패시터(47, 51)는 직렬이고, 커패시터(49, 51)는 직렬이다. 직렬의 커패시터들의 전체 정전 용량이 합에 의해 나눈 정전 용량들의 곱으로 결정되기 때문에, 직렬 접속된 커패시터(47, 51) 정전 용량은 커패시터(47)의 정전 용량과 실질적으로 동일하고, 유사하게, 직렬 접속된 커패시터(49, 51)의 정전 용량은 커패시터(49)의 정전 용량과 실질적으로 동일하다. 그러나, 커패시터(47, 49) 및 커패시터(51)의 값이 쉽게 변화할 수 있고, 예를 들어 세그먼트(46, 48, 및 50)의 영역을 변화하여, 요구된 상호 변조를 생성할 필요가 있는 선형성의 정도를 획득하기 위해 쉽게 변화될 수 있고, 범위를 조정하는 필수 정전 용량을 유지하는 것이 이해될 것이다.
VVC(40)에 대한 정전 용량-전압 파형은, 도 6에 도시되고 VVC(40)의 최소 및 최대 정전 용량(Cmin 및 Cmax)은 통상적으로 VVC(10)의 최소 및 최대 정전 용량과 유사한 것을 도시한다(도1). 여기에서, 전압 범위 +2 내지 -2 볼트가 서로 공통인 것이 이해될 것이며 예시적 목적을 위해 본문헌에서 사용될 것이다. 그러나, 더 크거나 더 작은 범위는 특정한 응용에 사용될 수 있고 장치의 스위칭형을 생성하도록 Cmin의 평탄한 영역과 Cmax사이에서 간단히 스위치하는 것이 일반적이다. VVC(40)에 대한 C-V 파형에서 절점이 없다는 것이 주목해야 한다. VVC(40)의 정전 용량의 제어가 상기 범위에서 변화 또는 감소되지 않고 상기 범위가 실질적으로 개선되도록, 파형의 선형 부분은 +2 볼트 내지 -2 볼트 바이어스 점 이상으로 적절히 확장된다. 또한, 파형에서 급한 절점 또는 평탄한 영역이 없기 때문에, 상호 변조 성능이 개선된다. 주안점은 전기 접속이 기판의 후면상에서 요구 또는 사용되지 않고, VVC(40)의 접속을 표준 집적 회로 및 플립칩 등을 요구하는 응용으로 개선한다.
본 발명의 특정한 실시예를 도시하고 기술하는 동안, 다른 변형 및 개선이 당업자에게 발생할 것이다. 그러므로, 우리는 본 발명이 도시된 특정 형태에 제한되지 않는 것을 이해되기를 원하며 우리는 본 발명의 정신과 범위로부터 벗어나지 않는 모든 수정을 첨부된 청구항이 포함하고자한다.
전기 접속이 기판의 후면상에 요구 또는 사용되지 않고, VVC의 접속을 표준 집적 회로 및 플립칩 등을 요구하는 응용으로 개선하는 효과가 있다.
Claims (3)
- 전압 가변 커패시터에 있어서,표면을 규정하는 도핑된 층(42)을 포함하는 지지기판(41);상기 도핑된 층상에 위치되어 표면을 규정하는 절연층(45); 및제 1(47), 제 2(49), 및 제 3(51) 커패시터들을 규정하도록 상기 도핑된 층과 평행하게 상기 절연층의 표면상에 위치되고 상기 절연층에 의해 상기 도핑된 층으로부터 이격된 제 1(46), 제 2(48), 및 제 3(50) 도전성 세그먼트들로서, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 도전성 세그먼트들은 상기 제 1, 제 2 ,및 제 3 커패시터들의 외부 단자들을 규정하며, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 커패시터들의 대향 단자들은 상기 도핑된 층을 통해 서로 결합되어 있는, 상기 제 1(46), 제 2(48), 및 제 3(50) 도전성 세그먼트들을 포함하는, 전압 가변 커패시터.
- 전압 가변 커패시터에 있어서,표면을 규정하는 도핑된 에피텍셜층(42)을 포함하는 반도체 기판(41);상기 도핑된 에피텍셜층 상에 위치되어 표면을 규정하는 고 유전율 절연층(45);제 1(47), 제 2(49), 및 제 3(51) 커패시터들을 규정하도록 상기 도핑된 에피텍셜층과 평행하게 상기 절연층의 표면상에 위치되고 상기 절연층에 의해 상기 도핑된 에피텍셜층으로부터 이격된 제 1(46), 제 2(48), 및 제 3(50) 금속 세그먼트들로서, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 금속 세그먼트들은 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 커패시터들의 외부 단자들을 규정하며, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 커패시터들의 대향단자들은 상기 도핑된 에피텍셜층을 통해 서로 결합되어 있는, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 커패시터들;제 1 직렬회로의 상기 제 1 및 제 3 커패시터들을 제 1 가변 DC 전압과 접속하도록 상기 제 1 및 제 3 금속 세그먼트들에 결합되는 제 1 가변 DC 전압(55); 및제 2 직렬 회로의 상기 제 2 및 제 3 커패시터들을 제 2 가변 DC 전압과 접속하도록 상기 제 2 및 제 3 금속 세그먼트들에 결합되는 제 2 가변 DC 전압(55)을 포함하며,제 1 금속 세그먼트는 상기 전압 가변 커패시터에 대한 제 1 외부 단자를 규정하고, 상기 제 2 금속 세그먼트는 상기 전압 가변 커패시터에 대한 제 2 외부 단자를 규정하는, 전압 가변 커패시터.
- 전압 가변 커패시터를 제조하는 방법에 있어서,반도체 기판(41)을 제공하는 단계;기판을 규정하도록 상기 기판상에 도핑된 에피텍셜층(42)을 에피텍셜 성장시키는 단계;기판을 규정하도록 상기 도핑된 에피텍셜층의 표면상에 고 유전율 절연층(45)을 증착하는 단계; 및제 1(47), 제 2(49), 및 제 3(51) 커패시터들을 규정하도록 상기 도핑된 에피텍셜층과 평행하게 상기 절연층의 표면상에 위치되고 상기 절연층에 의해 상기 도핑된 에피텍셜층으로부터 이격된 제 1(46), 제 2(48), 및 제 3(50) 도전성 세그먼트들을 증착하는 단계로서, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 도전성 세그먼트들은 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 커패시터들의 외부 단자들을 규정하고, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 커패시터들의 대향 단자들은 상기 도핑된 에피텍셜층을 통해 서로 결합되어 있는, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 도전성 세그먼트들을 증착하는 단계를 포함하고,상기 제 1 도전성 세그먼트는 상기 전압 가변 커패시터에 대해 제 1 외부 단자를 규정하고, 상기 제 2 도전성 세그먼트는 상기 전압 가변 커패시터에 대해 제 2 외부 단자를 규정하는, 전압 가변 커패시터 제조 방법.
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