JP6284859B2

JP6284859B2 - 可変容量デバイス及びアンテナ装置

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Publication number: JP6284859B2
Application number: JP2014174804A
Authority: JP
Inventors: 大基石井; 森戸　健太郎; 健太郎森戸; 倫和池永
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: CN105390288B; US20160064148A1; JP2016051744A; CN105390288A; US9730324B2

Description

本発明は、可変容量デバイス及び当該可変容量デバイスを用いたアンテナ装置に関する。

例えば、携帯フェリカ用のＮＦＣ（Near Field Communication：近距離無線通信）モジュールでは、アンテナのコイルのばらつきにより１３．５６ＭＨｚの共振周波数がシフトして受信感度が劣化してしまうという現象が起きる。そのため、キャパシタを含む周波数調整回路をモジュールに組み込み、出荷時に全ての機器を検査し、キャパシタの容量を微調整して、共振周波数のずれを補正する。

従来、固定の容量素子にＦＥＴ（Field Effect Transistor）スイッチを直列に接続したスイッチトキャパシタが利用されていた。そして、予め出荷検査にて切り替え設定を制御用ＩＣ（Integrated Circuit）に書き込んでおいて、ＮＦＣの使用時にＦＥＴを切り替えてキャパシタの容量を微調整する。

一方、近年ＦＥＴスイッチよりも安価で、耐圧に優れた汎用のセラミックコンデンサへの置き換えが検討されている。セラミックコンデンサ材料はＤＣバイアス電圧の印加に伴って容量が減少する特性を有しており、この特性を積極的に利用するものである。

但し、セラミックコンデンサの容量がバイアス電圧印加時に経時変化するという問題等から、焼結体ではなく薄膜によって形成された誘電体層を含む可変容量素子を複数直列に接続した可変容量デバイスの採用が検討されている。

このような可変容量デバイスを形成する場合、同一基板上に可変容量素子と抵抗を形成することが望まれる。その中で、可変容量素子の部分には耐湿性確保のため、絶縁性耐湿膜及び導電性密着膜を形成することになるが、絶縁性耐湿膜と当該絶縁性耐湿膜の上に形成される層間絶縁層との関係、導電性密着膜の性質などによって、機械的信頼性の問題や漏れ電流の問題が発生することがわかった。

特開２０１１−１１９４８２号公報特開２００８−６６６８２号公報特開２００２−３７７４８３号公報

従って、本発明の目的は、一側面によれば、直列に接続された可変容量素子を薄膜で形成する際に併せて形成される密着膜に関連する問題を解決することである。

本発明に係る可変容量デバイスは、直列に接続された複数の可変容量素子を含む。そして、複数の可変容量素子の各々は、支持基板上に形成された下部電極層と、下部電極層の上に形成された誘電体層と、誘電体層の上に形成された上部電極層とを含む。また、可変容量デバイスは、上部電極層形成後に形成される導電性密着膜及び絶縁性耐湿膜を含む。さらに、導電性密着膜及び絶縁性耐湿膜は、複数の可変容量素子のうち１又は複数の可変容量素子のために分離形成された下部電極層の領域毎に、分離されている。

このような構成を有する可変容量デバイスを採用すれば、下部電極層の領域間に生ずる漏れ電流を防止できる。

また、本発明に係る可変容量デバイスは、絶縁性耐湿膜上に形成された絶縁層をさらに含むようにしてもよい。この場合、導電性密着膜及び絶縁性耐湿膜において下部電極層の領域毎に分離するために除去された部分で、絶縁層が支持基板と接するようにしてもよい。このようにすることで、絶縁層と支持基板との密着性が増して、機械的な信頼性が向上する。

なお、このような可変容量デバイスをアンテナ装置に用いるようにしてもよい。これによってより好ましいアンテナ装置が得られる。

以上述べた構成については、以下の実施の形態にて具体的に説明されるが、実施の形態に限定されるものではない。

一側面によれば、直列に接続された可変容量素子を薄膜で形成する際に併せて形成される耐湿膜に関連する問題が解決される。

図１は、本発明の実施の形態に係る可変容量デバイスの回路構成例を示す図である。図２は、本実施の形態に係る可変容量デバイスの基本構成を表す透視上面図である。図３は、リークを生ずる場合の等価回路を示す図である。図４は、本実施の形態における可変容量デバイスの第１の断面図である。図５は、本実施の形態における可変容量デバイスの第２の断面図である。図６は、実施の形態の効果を説明するための図である。図７は、アンテナ装置の構成例を示す図である。

本発明の実施の形態に係る可変容量デバイスに形成される回路の一例を図１に示す。図１に示した可変容量デバイスにおいて、高周波信号の入力端子（Signal(in)）から、高周波信号の出力端子（Singal(out)）までの間に、可変容量素子群Ｃ１乃至Ｃ４が直列に接続されている。また、可変容量素子群Ｃ１乃至Ｃ４の各々の一端は、抵抗Ｒ１乃至Ｒ３を介してグランド用の端子ＤＣ１に接続されており、他端は、抵抗Ｒ４及びＲ５を介して制御電圧印加用の端子ＤＣ２に接続されており、これらの端子間に印加される電圧に応じて、可変容量素子群Ｃ１乃至Ｃ４の各々の容量が変化する。

このような可変容量デバイスを薄膜で形成する場合における基本構造の透視上面図を図２に示す。

支持基板上には、それぞれ２つの可変容量素子のための下部電極層１０及び１１が形成されている。下部電極層１０の上には、誘電体層及び上部電極層２１と、誘電体層及び上部電極層２２とが形成され、可変容量素子Ｃ４及びＣ３が実現される。同様に、下部電極層１１の上には、誘電体層及び上部電極層２３と、誘電体層及び上部電極層２４とが形成され、可変容量素子Ｃ２及びＣ１が実現される。なお、図１における抵抗Ｒ１乃至Ｒ５に相当する抵抗層１５乃至１９は、以下で議論する導電性密着膜（図４における３）及び絶縁性耐湿膜（図４における４）上に形成されている。

上部電極層２１の上には、配線層に相当する導体層３１が形成されており、当該導体層３１の上には、層間絶縁層（図４における７２）の開口部に、配線層に相当する導体層５７が形成されており、当該導体層５７は高周波信号の出力端子に相当する端子電極４１に接続される。上部電極層２２及び上部電極層２３の上には、配線層に相当する導体層３２が形成されている。上部電極層２４の上には、配線層に相当する導体層３３が形成されており、当該導体層３３の上には、層間絶縁層（図４における７２）の開口部に、配線層に相当する導体層５８が形成されており、当該導体層５８は高周波信号の入力端子に相当する端子電極４４に接続される。

抵抗層１５上には、層間絶縁層（図４における５）の開口部に、配線層に相当する導体層５１及び５２が形成されており、抵抗層１５は、導体層３１と、配線層に相当する導体層３４とに接続される。同様に、抵抗層１６上には、層間絶縁層（図４における５）の開口部に、配線層に相当する導体層５４及び５３が形成されており、抵抗層１６は、導体層３２及び導体層３４に接続される。抵抗層１７上には、層間絶縁層（図４における５）の開口部に、配線層に相当する導体層５６及び５５が形成されており、抵抗層１７は、導体層３３及び３４に接続される。導体層３４の上には、層間絶縁層（図４における７２）の開口部に、配線層に相当する導体層５９が形成されており、当該導体層５９は、グランドに接続される端子ＤＣ１に相当する端子電極４２に接続される。

下部電極層１０上には、層間絶縁層（図４における５）の開口部に、配線層に相当する導体層６６が形成されており、当該導体層６６の上には、配線層に相当する導体層３６が形成されている。一方、抵抗層１８上には、層間絶縁層（図４における５）の開口部に、配線層に相当する導体層６０が形成されており、導体層６０上には導体層３６が形成されている。

同様に、下部電極層１１上には、層間絶縁層（図４における５）の開口部に、配線層に相当する導体層６５が形成されており、当該導体層６５の上には、配線層に相当する導体層３７が形成されている。一方、抵抗層１９上には、層間絶縁層（図４における５）の開口部に、配線層に相当する導体層６４が形成されており、導体層６４上には導体層３７が形成されている。

さらに、抵抗層１８の上には、層間絶縁層（図４における５）の開口部に、配線層に相当する導体層６１も形成されており、当該導体層６１の上には、配線層に相当する導体層３５が形成されている。また、抵抗層１９の上には、層間絶縁層（図４における５）の開口部に、配線層に相当する導体層６３も形成されており、導体層６３上には導体層３５が形成されている。この導体層３５上には、配線層に相当する導体層６２が形成されており、当該導体層６２は、制御電圧印加用の端子ＤＣ２に相当する端子電極４３に接続される。

このような基本構造には直接現れないが、下部電極層と誘電体層と上部電極層とから形成される可変容量素子に対して耐湿性向上のため、導電性密着膜（図４における３）と絶縁性耐湿膜（図４における４）とを上部電極層２１乃至２４形成後に一面に形成する。その後、導電性密着膜及び絶縁性耐湿膜において、上部電極層の上に形成される導体層と接続する部分をプラズマエッチングなどによって除去する。

このような構成を採用すると、導電性密着膜（図４における３）及び絶縁性耐湿膜（図４における４）の後に形成した可変容量素子の保護層となる層間絶縁層（図４における５）と、絶縁性耐湿膜との密着性が悪いために機械的な信頼性が低下するという問題が発生する。また、絶縁性耐湿膜と可変容量素子及び基板の密着強度を向上させる導電性密着膜が有する導電性のために、下部電極層１０と下部電極層１１との間でリークが発生してしまい、Ｑ値が下がるという現象が生ずる。回路としては、図３に示すように、キャパシタＣ２の入力端子側の端子とキャパシタＣ３の出力端子側の端子とを結ぶ抵抗Ｒｂが挿入された形になってしまう。

そこで、本実施の形態では、図２に模式的に示すように、下部電極層１０と下部電極層１１との間に形成された導電性密着膜（図４における３）及び絶縁性耐湿膜（図４における４）の一部を、プラズマエッチングなどによって除去することで、スリット７１を形成する。スリット７１は、下部電極層１０に接する導電性密着膜の第１の領域（左側）と、下部電極層１１に接する導電性密着膜の第２の領域（右側）とを分離しており、同時に導電性密着膜の第１の領域上に形成された絶縁性耐湿膜の第１の領域（左側）と、導電性密着膜の第２の領域上に形成された絶縁性耐湿膜の第２の領域（右側）とを分離する。さらに、抵抗層１６の部分についても、リークが発生しないように、スリット７１が伸びており、導電性密着膜の第１の領域及び絶縁性耐湿膜の第１の領域と、導電性密着膜の第２の領域及び絶縁性耐湿膜の第２の領域とが、分離されている。本スリット７１には、下部電極層１０と下部電極層１１とを電気的に分離することができれば、任意のスリット形状を採用することができる。

これによって、下部電極層１０と下部電極層１１との間に、導電性密着膜によるリークが発生することを防止し、絶縁性耐湿膜上に形成される層間絶縁層（図４における５）が、支持基板に接するようになり、密着性が向上する。

次に、図２におけるＡＡ’断面の詳細について、図４を用いて説明する。

例えばＳｉである支持基板１には、ＳｉＯ₂である熱酸化膜２が表面に形成されている。支持基板１には、Ｓｉの代わりに、石英、アルミナ、サファイア、ガラス等絶縁性基板、導電性基板（好ましくは高抵抗基板）とその上に絶縁層を成膜したものを用いても良い。Ｓｉの厚みは例えば４００μｍであり、ＳｉＯ₂の厚みは例えば１μｍである。

下部電極層１０及び１１は、熱酸化膜２上に形成されており（密着層（例えばＴi又はＴiＯ₂膜）を介しても良い。）、例えばＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕ等の貴金属、ＳｒＲｕＯ₃、ＲｕＯ₂、ＩｒＯ₂などの導電性酸化物などである。下部電極層１０及び１１の厚みは、例えば２５０ｎｍである。

また、下部電極層１０の上には、誘電体層９ａ及び９ｂが形成され、下部電極層１１の上には、誘電体層９ｃ及び９ｄが形成されており、誘電体層９ａ乃至９ｄは、例えばＭｎを微量添加したＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ₃）、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＴｉＯ₃）その他のペロブスカイト構造酸化物などである。誘電体層９ａ乃至９ｄの厚みは、例えば１００ｎｍである。

さらに、上部電極層２１は、誘電体層９ａの上に形成され、上部電極層２２は、誘電体層９ｂの上に形成され、上部電極層２３は、誘電体層９ｃの上に形成され、上部電極層２４は、誘電体層９ｄの上に形成される。上部電極層２１乃至２４は、下部電極層１０及び１１と同様に、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ等の貴金属、ＳｒＲｕＯ₃、ＲｕＯ₂、ＩｒＯ₂などの導電性酸化物などである。また、上部電極層２１乃至２４の厚みは、例えば２５０ｎｍである。

上部電極層２１乃至２４を形成した後に、一面に、導電性密着膜３及び絶縁性耐湿膜４が形成される。導電性密着膜３は、例えばＴｉＯ_x（ｘは２より小さい値）である。導電性密着膜３の厚みは、例えば５乃至１０ｎｍである。絶縁性耐湿膜４は、例えばＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＮ、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｒＴｉＯ₃等の単層又はそれらの任意の組み合わせである。

導電性密着膜３及び絶縁性耐湿膜４における上部電極層２１乃至２４の上部は、上部電極層２１乃至２４を導体層３１乃至３３に繋げるためにプラズマエッチングなどで除去されるが、同時に、下部電極層１０に接触する部分と、下部電極層１１に接触する部分とを分離するように、スリット７１も形成される。これによって下部電極層１０及び１１の間のリークを防止できる。

導電性密着膜３及び絶縁性耐湿膜４の形成後、保護層である層間絶縁層５が形成される。この層間絶縁層５は、例えばポリイミドである。層間絶縁層５の厚みは例えば３μｍである。スリット７１を形成したので、層間絶縁層５は、熱酸化膜２に接するようになり、密着性が増加しており、機械的な信頼性が向上している。

また、層間絶縁層５における上部電極層２１乃至２４の上部は、導体層３１乃至３３に繋げるためにプラズマエッチングなどで除去されるが、導体層３１乃至３３を形成する前に、シード層／導電性耐湿層８１が形成される。シード層／導電性耐湿層８１は、例えばＴａＮ（４０ｎｍ）／Ｔａ（３０ｎｍ）／Ｃｕ（１００ｎｍ）である。ＴａＮ／Ｔａの代わりに、ＴｉＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮその他の窒化物、ＳｒＲｕＯ₃、ＩｒＯ₂その他の酸化物などであってもよい。

シード層／導電性耐湿層８１形成後に、導体層３１乃至３３を形成する。導体層３１乃至３３には、例えばＣｕ、Ａｌ等の各種導電性材料が用いられる。導体層３１乃至３３の厚みは、例えば３μｍである。

導体層３１乃至３３形成後に、導体層３１乃至３３の一部を、その形状を得るためにプラズマエッチングなどによって除去し、その後層間絶縁層７２を形成する。層間絶縁層７２は、層間絶縁層５と同様に例えばポリイミドである。

そして、端子電極４１及び４４を形成するために、層間絶縁層７２の一部をプラズマエッチングなどによって除去し、シード層／導電性耐湿層８１と同様にシード層／導電性耐湿層８２を形成し、さらに導体層５７及び５８を形成する。導体層５７及び５８は、例えばＣｕ等の導電性材料で形成され、その厚みは例えば３μｍである。

そして、導体層５７及び５８の上に、端子電極４１及び４４が形成される。端子電極４１及び４４は、例えばＮｉ／Ｓｎであり、ＳｎＡｇ、Ａｕや半田材料であってもよい。端子電極４１及び４４は、例えばＮｉ２μｍ／Ｓｎ５μｍである。

また、図２におけるＢＢ’断面の詳細について、図５を用いて説明する。

支持基板１上には熱酸化膜２が形成されており、熱酸化膜２の上には導電性密着膜３及び絶縁性耐湿膜４が形成される。さらに、絶縁性耐湿膜４の上には、抵抗層１５乃至１７が形成される。抵抗層１５乃至１７は、例えばＴａＳｉＮ、ＮｉＣｒ合金、ＦｅＣｒＡｌ合金などの高抵抗膜である。抵抗層１５乃至１７の厚みは、例えば１００ｎｍである。

また、プラズマエッチングなどによって、導電性密着膜３及び絶縁性耐湿膜４を加工し、スリット７１ａ及び７１ｂを形成する。

スリット７１により導電性密着膜３及び絶縁性耐湿膜４の領域を分離するため、この断面においても、スリット７１ａ及び７１ｂにより抵抗層１６が、導電性密着膜３及び絶縁性耐湿膜４に接触しないように、導電性密着膜３及び絶縁性耐湿膜４が左右に分離されている。

さらに、層間絶縁層５が形成され、プラズマエッチングなどによって、層間絶縁層５における抵抗層１５乃至１７の上部は除去される。

その後、シード層／導電性耐湿層８１が形成され、さらに導体層５２、５３、５５及び３４が形成される。導体層５２、５３、５５及び３４は、導体層３１乃至３３と同様の材料で形成され、厚みも同様である。

導体層５２、５３、５５及び３４形成後に、層間絶縁層７２が形成され、層間絶縁層７２における導体層５３の上部が、プラズマエッチングなどによって除去される。その後、シード層／導電性耐湿層８２が形成され、さらに導体層５９が形成される。導体層５９は、導体層５７及び５８と同様の材料で形成され、その厚みも同様である。導体層５９の上には、端子電極４２が形成される。端子電極４２は、端子電極４１及び４４と同様の材料で形成され、その厚みも同様である。

このような構造を有する可変容量デバイスを採用することによって、Ｑ値が改善していることを図６を用いて説明する。図６の横軸はＱ値を表し、縦軸は出現比率［％］を表す。ここでは、スリット７１を形成しない構成を有する可変容量デバイス（比較例）を１つのウェハーで一定数形成し、スリット７１を形成する本実施の形態に係る可変容量デバイスを１つのウェハーで一定数形成した場合を示す。

スリット７１を形成しない比較例の場合には、４５乃至５０の間のＱ値を有する可変容量デバイスの出現比率が最も高いが、高いＱ値を有する可変容量デバイスも少数だが得られている。

一方、スリット７１を形成する本実施の形態に係る可変容量デバイスは、Ｑ値が６０以上のものに限定されており、比較例に比して全体としてＱ値が高くなっていることが分かる。

以上述べたように、本実施の形態によれば、Ｑ値を高めることができ、層間絶縁層５と支持基板１の密着性が増すので機械的な信頼性が増す。

なお、上で述べた例では、４つの可変容量素子を含む可変容量デバイスの例を示したが、１つの可変容量デバイスに含まれる可変容量素子の数は異なる場合もある。その場合、下部電極層の数も２ではなく、より多くの下部電極層が形成される場合がある。また、上で述べた例では、２つの可変容量素子で下部電極層を共有する例を示したが、場合によっては１つの可変容量素子のために下部電極層を形成する場合も生じうる。

このような場合でも、スリット７１は、下部電極層の領域に合わせて、導電性密着膜３及び絶縁性耐湿膜４の領域を分離するために設けるので、複数のスリットが設けられる場合もある。また、上で述べたように下部電極層間でのリークを防止し、層間絶縁層５と支持基板１の密着性を増加させるものであるから、スリット７１の形状も下部電極層の領域の形状などに応じて変形される。

なお、本実施の形態に係る可変容量デバイスを用いたアンテナ装置は例えば図７に示すような構成を有する。アンテナ装置は、信号処理及び制御回路２００と、ＤＣカットのためのキャパシタＣ_DCcutと、本実施の形態に係る可変容量デバイス１００と、アンテナとして用いられるコイルＬとを有する。信号処理及び制御回路２００は、コイルＬで受信される信号を適切に復調できるようにするため、可変容量デバイス１００に対して適切な電圧を印加するようになっている。

９誘電体層
１０，１１下部電極層
２１，２２，２３，２４上部電極層
１５，１６，１７，１８、１９抵抗層
７１スリット

Claims

直列に接続された複数の可変容量素子を含む可変容量デバイスであって、
前記複数の可変容量素子の各々は、
支持基板上に形成された下部電極層と、
前記下部電極層の上に形成された誘電体層と、
前記誘電体層の上に形成された上部電極層と、
を含み、
前記可変容量デバイスは、
前記上部電極層形成後に形成される導電性密着膜及び絶縁性耐湿膜を含み、
前記導電性密着膜及び前記絶縁性耐湿膜は、
前記複数の可変容量素子のうち１又は複数の可変容量素子のために分離形成された下部電極層の領域毎に、分離されている
可変容量デバイス。
前記絶縁性耐湿膜上に形成された絶縁層
をさらに含み、
前記導電性密着膜及び前記絶縁性耐湿膜において前記下部電極層の領域毎に分離するために除去された部分で、前記絶縁層が前記支持基板と接する
請求項１記載の可変容量デバイス。
請求項１又は２記載の可変容量デバイスを含むアンテナ装置。