JP6766607B2 - Thin film device - Google Patents
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Description
本発明は、薄膜キャパシタ素子と薄膜抵抗素子を備える薄膜デバイスに関する。 The present invention relates to a thin film device including a thin film capacitor element and a thin film resistance element.
従来、薄膜キャパシタ素子と薄膜抵抗素子を備える種々の薄膜デバイスが提供されている(例えば特許文献1参照)。例えば、図6に示す従来の薄膜デバイス100は、支持基板上に複数の薄膜キャパシタ素子C1〜C5と複数の薄膜抵抗素子R1〜R4とにより高周波回路が形成されている。薄膜キャパシタ素子C1〜C5は、それぞれ可変容量素子であり、第1の可変容量素子C1の入力端子と、第2の可変容量素子C2−第3の可変容量素子C3の直列接続点および第4の可変容量素子C4−第5の可変容量素子C5の直列接続点との間に、薄膜抵抗素子R1,R2を有するバイアスラインB1,B2がそれぞれ設けられる。また、第5の薄膜キャパシタ素子C5の出力側端子部と、第3の可変容量素子C3−第4の可変容量素子C4の直列接続点および第1の可変容量素子C1−第2の可変容量素子C2の直列接続点との間に、薄膜抵抗素子R3,R4を有するバイアスラインB3,B4がそれぞれ設けられる。
Conventionally, various thin film devices including a thin film capacitor element and a thin film resistance element have been provided (see, for example, Patent Document 1). For example, in the conventional
ここで、バイアスラインB1〜B4の薄膜抵抗素子R1〜R4は、直列接続された可変容量素子C1〜C5の高周波信号の周波数領域でのインピーダンスよりも大きな抵抗成分となっており、高周波信号を遮蔽するため、高周波信号は直列に接続された可変容量素子C1〜C5を通り、直流バイアス電圧は各可変容量素子C1〜C5に独立に印加される。これにより、直流的には可変容量素子C1〜C5が並列に接続された可変コンデンサとなる。一方、高周波信号はバイアスラインB1〜B4により遮蔽されるため、高周波的には可変容量素子C1〜C5が直列に接続された可変コンデンサとなる。したがって、高周波電圧は、各可変容量素子C1〜C5に分圧されるため、容量変化を小さくでき、波形歪みや相互変調歪み等を抑制することができる。 Here, the thin film resistance elements R1 to R4 of the bias lines B1 to B4 have a resistance component larger than the impedance in the frequency region of the high frequency signal of the variable capacitance elements C1 to C5 connected in series, and shield the high frequency signal. Therefore, the high frequency signal passes through the variable capacitance elements C1 to C5 connected in series, and the DC bias voltage is independently applied to the variable capacitance elements C1 to C5. As a result, in terms of direct current, the variable capacitance elements C1 to C5 become a variable capacitor connected in parallel. On the other hand, since the high frequency signal is shielded by the bias lines B1 to B4, the variable capacitor elements C1 to C5 are connected in series at high frequencies. Therefore, since the high frequency voltage is divided into the variable capacitance elements C1 to C5, the capacitance change can be reduced and waveform distortion, intermodulation distortion, and the like can be suppressed.
このような構成の場合、薄膜抵抗素子R1〜R4の抵抗値が小さすぎると、高周波信号がバイアスラインB1〜B4に流れてQ値が低下する。一方、薄膜抵抗素子R1〜R4の抵抗値が大きすぎると、可変容量素子C1〜C5に印加される直流バイアス電圧が減少するため、所望の容量変化量が得られない。そこで、特許文献1の薄膜デバイスでは、薄膜抵抗素子R1〜R4の抵抗値が各可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗Rc1〜Rc5の1/100以下としている。
In the case of such a configuration, if the resistance values of the thin film resistance elements R1 to R4 are too small, a high frequency signal flows to the bias lines B1 to B4 and the Q value decreases. On the other hand, if the resistance values of the thin film resistance elements R1 to R4 are too large, the DC bias voltage applied to the variable capacitance elements C1 to C5 decreases, so that a desired capacitance change amount cannot be obtained. Therefore, in the thin film device of
また、可変容量素子C1〜C5はセラミックで形成されており、この場合は、温度が上がると絶縁抵抗が減少するという負の抵抗温度係数(例えば、−15400ppm/℃)を有することが知られている。したがって、特許文献1では、所望の容量変化量が得るためには、薄膜抵抗素子R1〜R4の抵抗温度係数も負の値を持つ方が好ましいとしている。
Further, the variable capacitance elements C1 to C5 are made of ceramic, and in this case, it is known to have a negative temperature coefficient of resistance (for example, -15400 ppm / ° C.) that the insulation resistance decreases as the temperature rises. There is. Therefore,
ところで、薄膜デバイスの小型化のためには、薄膜抵抗素子を形成する材料の電気抵抗率(比抵抗)を高くして、薄膜抵抗素子の形成領域を小さくしたいという要請がある。引用文献1では、薄膜抵抗素子R1〜R4の比抵抗が1Ωcm以上であることが望ましいとされている。このような高い比抵抗を有する抵抗材料の一例としては、TaSiN、TaSiO系などがあるが、比抵抗を上げるにはSiの含有量を増やすのが一般的である。薄膜抵抗素子にSiの含有量が増加すると、抵抗温度係数の負の値が大きくなるため、薄膜抵抗素子の抵抗温度係数の値が負であり、かつ、可変容量素子の抵抗温度係数の値が負である場合に、薄膜抵抗素子の抵抗温度係数の大きさ(絶対値)が可変容量素子の抵抗温度係数の大きさ(絶対値)よりも大きくなる場合がある。この場合、使用温度範囲の低温側において、可変容量素子の絶縁抵抗値に対する薄膜抵抗素子の抵抗値の比率が高くなって、可変容量素子において所望の容量変化量が得られないという問題が生じる場合がある。特に、可変容量素子をセラミックで形成して、バイアス電圧を印加して容量変化を利用する用途においては、セラミックの誘電体の膜厚を薄くして、バイアス電圧の電界強度を高くする方が優れた容量変化特性を得られる。しかしながら、膜厚を薄くすると可変容量素子の絶縁抵抗が減少するため、このような場合は上述の問題が顕著化する。
By the way, in order to reduce the size of a thin film device, there is a demand to increase the electrical resistivity (specific resistance) of the material forming the thin film resistance element and reduce the formation region of the thin film resistance element. In
この発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、セラミックで形成された薄膜キャパシタ素子に直流バイアス電圧を印加して、容量変化特性を利用する薄膜デバイスにおいて、薄膜キャパシタ素子の絶縁抵抗が低い場合であっても、薄膜キャパシタ素子に十分に直流バイアス電圧を印加することができ、所望の容量変化特性を得ることができる技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and in a thin film device in which a DC bias voltage is applied to a thin film capacitor element made of ceramic to utilize the capacitance change characteristic, the insulation resistance of the thin film capacitor element is increased. It is an object of the present invention to provide a technique capable of sufficiently applying a DC bias voltage to a thin film capacitor element even when the value is low and obtaining desired capacitance change characteristics.
上記した目的を達成するために、本発明の薄膜デバイスは、高周波信号ラインと、前記高周波信号ラインに挿入された、直流バイアス電圧により容量が変化する薄膜キャパシタ素子と、該薄膜キャパシタ素子に対して直流バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加ラインと、該バイアス電圧印加ラインに挿入されて、前記薄膜キャパシタ素子と直列に接続される薄膜抵抗素子とを有する回路が形成された薄膜デバイスであって、前記薄膜キャパシタ素子と、前記薄膜抵抗素子とは、同一の積層体内部に形成されており、前記薄膜キャパシタ素子は、負の抵抗温度係数を有するセラミック誘電体薄膜と、一対の電極膜とを有するとともに、使用温度範囲において絶縁抵抗値が50MΩ以下であり、前記薄膜抵抗素子を形成する材料は、電気抵抗率が10000μΩcm以上であって、抵抗温度係数が前記誘電体薄膜の抵抗温度係数の絶対値よりも小さく、前記積層体は、基板と、該基板の一方主面上に積層された複数の樹脂層とを有し、前記薄膜抵抗素子は、前記複数の樹脂層のうちの一つに形成されるとともに、前記薄膜抵抗素子が形成された前記樹脂層とは異なる前記樹脂層には配線電極が形成され、前記薄膜抵抗素子上には補強用薄膜が形成され、前記補強用薄膜は、前記基板の前記一方主面に対して垂直な方向から見たときに、前記配線電極の端縁と重なるように配置されていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, the thin film device of the present invention relates to a high frequency signal line, a thin film capacitor element whose capacitance is changed by a DC bias voltage inserted in the high frequency signal line, and the thin film capacitor element. A thin film device in which a circuit having a bias voltage application line for applying a DC bias voltage and a thin film resistance element inserted into the bias voltage application line and connected in series with the thin film capacitor element is formed. The thin film capacitor element and the thin film resistance element are formed inside the same laminate, and the thin film capacitor element has a ceramic dielectric thin film having a negative resistance temperature coefficient and a pair of electrode films. In the operating temperature range, the insulation resistance value is 50 MΩ or less, the material forming the thin film resistance element has an electric resistance of 10,000 μΩcm or more, and the resistance temperature coefficient is based on the absolute value of the resistance temperature coefficient of the dielectric thin film. even rather small, the laminate comprises a substrate and a plurality of resin layers laminated on one main surface of the substrate, the thin film resistive element is formed in one of the plurality of resin layers At the same time, a wiring electrode is formed in the resin layer different from the resin layer in which the thin film resistance element is formed, a reinforcing thin film is formed on the thin film resistance element, and the reinforcing thin film is formed of the reinforcing thin film. It is characterized in that it is arranged so as to overlap with the end edge of the wiring electrode when viewed from a direction perpendicular to the one main surface of the substrate .
この構成によれば、薄膜抵抗素子の電気抵抗率が10000μΩcm以上という高い値であって、セラミック誘電体薄膜の絶縁抵抗値が50MΩ以下という低い値であっても、使用範囲内の全てにおいて、印加した直流バイアス電圧の95%以上を薄膜キャパシタ素子に印加でき、所望の容量変化特性を得ることができる。また、同じ積層体内部に薄膜キャパシタ素子と薄膜抵抗素子の両方が形成されるため、薄膜デバイスの小型化を図ることができる。また、基板の一方主面に対して垂直な方向から見たときに、薄膜抵抗素子における、配線電極の端縁と重なる部分には応力が集中しやすいため、薄膜抵抗素子上の補強用薄膜が配線電極の端縁と重なるように配置されることで、薄膜抵抗素子に加わる曲げ応力等を好適に緩和できる。 According to this configuration, even if the electric resistance of the thin film resistance element is as high as 10000 μΩcm or more and the insulation resistance value of the ceramic dielectric thin film is as low as 50 MΩ or less, it is applied in all of the range of use. 95% or more of the DC bias voltage can be applied to the thin film capacitor element, and a desired capacitance change characteristic can be obtained. Further, since both the thin film capacitor element and the thin film resistance element are formed inside the same laminate, the thin film device can be miniaturized. Further, when viewed from a direction perpendicular to one main surface of the substrate, stress tends to concentrate on the portion of the thin film resistance element that overlaps with the edge of the wiring electrode, so that the reinforcing thin film on the thin film resistance element is formed. By arranging so as to overlap the edge of the wiring electrode, bending stress and the like applied to the thin film resistance element can be suitably relaxed.
また、前記薄膜抵抗素子を形成する材料が、SiとNiとCrとを含有していてもよい。 Further, the material forming the thin film resistance element may contain Si, Ni and Cr.
この構成によれば、電気抵抗率が10000μΩcm以上であって、抵抗温度係数が前記誘電体薄膜の抵抗温度係数の絶対値よりも小さい薄膜抵抗素子を容易に形成することができる。 According to this configuration, it is possible to easily form a thin film resistance element having an electrical resistivity of 10,000 μΩcm or more and a resistance temperature coefficient smaller than the absolute value of the resistance temperature coefficient of the dielectric thin film.
本発明によれば、薄膜抵抗素子の電気抵抗率が10000μΩcm以上という高い値であって、セラミック誘電体薄膜の絶縁抵抗値が50MΩ以下という低い値であっても、使用範囲内の全てにおいて、印加した直流バイアス電圧の95%以上を薄膜キャパシタ素子に印加でき、所望の容量変化特性を得ることができる。 According to the present invention, even if the electric resistance of the thin film resistance element is as high as 10000 μΩcm or more and the insulation resistance value of the ceramic dielectric thin film is as low as 50 MΩ or less, it is applied in all of the range of use. 95% or more of the DC bias voltage can be applied to the thin film capacitor element, and a desired capacitance change characteristic can be obtained.
<実施形態>
本発明の一実施形態について図1および図2を参照して説明する。なお、図1および図2では、説明を簡易なものとするために本発明にかかる主要な構成のみが図示されている。
<Embodiment>
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. Note that, in FIGS. 1 and 2, only the main configuration according to the present invention is shown for the sake of simplicity.
(構成)
薄膜デバイス100の概略構成について説明する。
(Constitution)
The schematic configuration of the
薄膜デバイス100は、ガラス基板やセラミック基板、樹脂基板、Si基板、GaAs基板などの基板1と、基板1の一方主面1a側に積層された複数の樹脂層2,3,4と、基板1の一方主面1a上に設けられた可変容量型の薄膜キャパシタ素子Cと、薄膜抵抗素子R1,R2とを備え、基板1上に複数の樹脂層2,3,4が積層されてなる1つの積層体内に、薄膜キャパシタ素子Cと薄膜抵抗素子R1,R2とが形成されている。
The
薄膜キャパシタ素子Cは、基板1の一方主面1a上の所定領域にPt薄膜により形成されたキャパシタ電極層5(本発明の「電極膜」に相当)と、(Ba,Sr)TiO3(以下「BST」と称する)誘電体層6(本発明の「誘電体薄膜」に相当)と、BST誘電体層6上にPt薄膜により形成されたキャパシタ電極層7(本発明の「電極膜」に相当)とにより形成される。なお、この実施形態では、薄膜キャパシタ素子C(誘電体層6)がBSTのセラミックで形成されており、抵抗温度係数が−15400ppm/℃を有する。また、BSTで形成された誘電体層6は、直流バイアス電圧により容量が変化する特性を有することから、可変コンデンサとして機能する。
The thin film capacitor element C includes a capacitor electrode layer 5 (corresponding to the "electrode film" of the present invention) formed of a Pt thin film in a predetermined region on one
また、薄膜キャパシタ素子Cは、SiO2耐湿保護膜により形成された保護層8により被覆され、保護層8上に樹脂層2が積層されている。樹脂層2の一方主面2aには、保護層8および樹脂層2に形成された透孔を介して薄膜キャパシタ素子Cの上側のキャパシタ電極層7に接続されたCu/Ti引出電極9と、薄膜キャパシタ素子Cの下側のキャパシタ電極層5に接続されたCu/Ti引出電極10と、第2の金属薄膜11a,11bとが形成されている。
Further, the thin film capacitor element C is covered with a
第2の金属薄膜11a,11bは、それぞれ、同一の薄膜形成プロセスにより同一の材料を用いて引出電極9,10と同時に形成されている。また、樹脂層2の一方主面2aには、引出電極9,10および第2の金属薄膜11a,11bを被覆する樹脂層3が積層されている。なお、この実施形態では、第2の金属薄膜11a,11bと引出電極9,10とが一体形成されているが、第2の金属薄膜11a,11bと引出電極9,10とが分離して形成されていてもよいし、第2の金属薄膜11a,11bが樹脂層2の一方主面2aに形成された他の引出電極と一体形成されていてもよい。
The second metal
各薄膜抵抗素子R1,R2は、それぞれ、樹脂層3の一方主面3aの所定領域に薄膜形成プロセスにより形成されたNi、Cr、Siを主成分とする抵抗薄膜12と、それぞれ抵抗薄膜12上に形成された第1、第2の補強用薄膜12a,12bおよび接続電極12c,12dとを備えている。第1、第2の補強用薄膜12a,12bおよび接続電極12c,12dは、それぞれ、Niを主成分としてCrを含む同一の材料を用いて同一の薄膜形成プロセスにより、分離配置された状態で形成されている。
Each of the thin film resistance elements R1 and R2 is formed on a resistance
ここで、抵抗薄膜12を形成する材料は、Ni、Cr、Siを含有する。なお、この実施形態では、抵抗薄膜12は、Niが10wt%、Crが20wt%、Siが70wt%で形成されており、電気抵抗率(比抵抗)が15000μΩcm、抵抗温度係数が−3850ppm/℃である。この構成によれば、各薄膜抵抗素子R1,R2を共に100kΩの抵抗で作製するのに、それぞれ配線長が0.4mmあればよく、基板1の一方主面1aが0.25mm2以下であっても、ミアンダ形状にすることにより同一面上に配置することができる。なお、基板1の一方主面1aが0.25mm2以下の場合に、例えば、特許文献1のように9個以上の薄膜抵抗素子を同一面上に設けようとすると、1個の薄膜抵抗素子の長さは0.4mm以下が望ましく、各薄膜抵抗素子の膜厚を0.1μm、ライン幅を4μm、隣接するパターン間のギャップを4μm確保した場合、各薄膜抵抗素子を共に100kΩにするには、比抵抗が10000μΩcm以上であることが望ましい。また、この実施形態では、抵抗薄膜12の抵抗温度係数(−3850ppm/℃)の絶対値は、誘電体層6の抵抗温度係数(−15400ppm/℃)の絶対値よりも小さい材料で形成される。なお、薄膜抵抗素子R1,R2を形成する材料は、上記したものに限らず、比抵抗が10000μΩcm以上であって、抵抗温度係数の絶対値が、薄膜キャパシタ素子Cの抵抗温度係数の絶対値よりも小さいものであれば、Ni−Cr−Si系の重量比率を変えてもよいし、他の材料で形成してもよい。なお、Ni−Cr−Si系の重量比率は、Siが50wt%以上90wt%以下の範囲で、比抵抗とキャパシタに対する抵抗温度特性の関係を満足するよう決定され、本実施形態で示した重量比率以外にも、種々の重量比率とすることができる。
Here, the material forming the resistance
また、各薄膜抵抗素子R1,R2(抵抗薄膜12)は、樹脂層3の一方主面3a上に積層された樹脂層4により被覆されている。樹脂層4の一方主面4aには、樹脂層3,4に形成された透孔を介して引出電極9,10や薄膜抵抗素子R1,R2の接続電極12c,12dに電気的に接続されたCu/Ti引出電極13,14と、第1の金属薄膜15a,15b,15cとが形成されている。第1の金属薄膜15a〜15cそれぞれは、同一の薄膜形成プロセスにより同一の材料を用いて引出電極13,14と同時に形成されている。なお、第1の金属薄膜15cが、それぞれ引出電極13,14と一体形成された第1の金属薄膜15a,15bと分離した状態で形成されているが、第1の金属薄膜15cが、第1の金属薄膜15a,15bや他の引出電極と一体形成されていてもよい。
Further, each thin film resistance element R1 and R2 (resistance thin film 12) is covered with a
また、図1に示すように、抵抗薄膜12のうち、樹脂層3の基板1と反対側に配置された樹脂層4の第1の金属薄膜15a〜15cと平面視で重ならない部分に、第1の補強用薄膜12aが配置され、抵抗薄膜12のうち、樹脂層3の基板1側に配置された樹脂層2の第2の金属薄膜11a,11bと平面視で重ならない部分に、第2の補強用薄膜12bが配置されている。なお、第1、第2の金属薄膜11a,11b,15a〜15cと抵抗薄膜12との平面視における境界部分に重なるように、第1、第2の補強用薄膜12a,12bが配置されるようにするとよい。さらに、境界部分には応力が集中しやすいため、補強用薄膜12a,12bが境界部分に重なるように配置されることで、薄膜抵抗素子に加わる曲げ応力等を好適に緩和できる。
Further, as shown in FIG. 1, a portion of the resistance
また、引出電極13,14に接続された第1の金属薄膜15a,15b上に複数のAu/Ni外部電極16が形成され、引出電極13,14および第1の金属薄膜15a,15bと、各外部電極16それぞれの端縁部分とを被覆するように樹脂により形成された保護層17が樹脂層4の一方主面4a上に積層されている。
Further, a plurality of Au / Ni
以上のように構成された薄膜デバイス100は、図2に示すように、それぞれ外部電極16により形成された第1〜第4外部電極P1〜P4を有し、第1、第2外部電極P1,P2間に薄膜キャパシタ素子Cが直列接続されている。また、一端が第3外部電極P3に接続された第1の薄膜抵抗素子R1の他端と、一端が第4外部電極P4に接続された第2の薄膜抵抗素子R2の他端との間に薄膜キャパシタ素子Cが挿入されるように、各第1の薄膜抵抗素子R1それぞれの他端および各第2の薄膜抵抗素子R2それぞれの他端が各薄膜キャパシタ素子Cそれぞれの両端に接続されている。また、第1外部電極P1と第2外部電極P2とを結ぶラインは、高周波信号が伝送される高周波信号ラインSL(図2の一点鎖線)が形成される。一方、第3外部電極P3と、第4外部電極P4との間には、直流バイアス電圧が印加される、バイアス電圧印加ラインBL(図2の二点鎖線)が形成される。この場合、バイアス電圧印加ラインBL上に、第1の薄膜抵抗素子R1、薄膜キャパシタ素子C、第2の薄膜抵抗素子R2が直列に接続されることになる。
As shown in FIG. 2, the
次に、図3〜図5を参照して、本実施形態の薄膜抵抗素子R1,R2の抵抗温度係数と、従来の薄膜抵抗素子の抵抗温度係数の比較と、薄膜抵抗素子R1,R2を用いた場合において、印加する直流バイアス電圧に対して薄膜キャパシタ素子Cに印加される電圧の比率と、従来の薄膜抵抗素子を用いた場合において、印加する直流バイアス電圧に対して薄膜キャパシタ素子Cに印加される電圧の比率を比較する。 Next, with reference to FIGS. 3 to 5, the resistance temperature coefficient of the thin film resistance elements R1 and R2 of the present embodiment is compared with the resistance temperature coefficient of the conventional thin film resistance element, and the thin film resistance elements R1 and R2 are used. If so, the ratio of the voltage applied to the thin film capacitor element C to the applied DC bias voltage and the applied DC bias voltage to the thin film capacitor element C when the conventional thin film resistance element is used. Compare the ratio of voltages to be made.
図3に示すように、本実施形態の薄膜キャパシタ素子C(BST誘電体層6)の抵抗温度係数は、−15400ppm/℃であり、比抵抗が10000μΩcm以上の従来の薄膜抵抗素子の一例として、Siを主成分とする材料を用いた場合の抵抗温度係数は、−16000ppm/℃である。つまり、比抵抗が高い従来の薄膜抵抗素子の抵抗温度係数は、薄膜キャパシタ素子Cの抵抗温度係数と同じ負の値を示すが、その絶対値は従来の薄膜抵抗素子の方が大きい。これに対して、本実施形態の薄膜抵抗素子R1,R2の抵抗温度係数は、それぞれ−3850ppm/℃であり、薄膜キャパシタ素子Cの抵抗温度係数と同じ負の値を示すとともに、その絶対値は薄膜抵抗素子R1,R2の方が小さい。 As shown in FIG. 3, the temperature coefficient of resistance of the thin film capacitor element C (BST dielectric layer 6) of the present embodiment is -15400 ppm / ° C., and as an example of a conventional thin film resistance element having a specific resistance of 10000 μΩcm or more, The temperature coefficient of resistance when a material containing Si as a main component is used is -16000 ppm / ° C. That is, the resistance temperature coefficient of the conventional thin film resistance element having a high specific resistance shows the same negative value as the resistance temperature coefficient of the thin film capacitor element C, but the absolute value is larger in the conventional thin film resistance element. On the other hand, the temperature coefficient of resistance of the thin film resistance elements R1 and R2 of the present embodiment is −3850 ppm / ° C., which is the same negative value as the temperature coefficient of resistance of the thin film capacitor element C, and its absolute value is The thin film resistance elements R1 and R2 are smaller.
ここで、直流バイアス電圧の印加による薄膜キャパシタ素子Cの容量変化特性を向上するためには、薄膜キャパシタ素子C(BST誘電体層6)の厚みを薄くして直流バイアス電圧の電界強度を高くするのが好ましいが、BST誘電体層6の厚みを薄くすると、薄膜キャパシタ素子Cの絶縁抵抗が低下する。そこで、薄膜抵抗素子R1,R2よりも十分高い絶縁抵抗を確保できる膜厚で形成した、高抵抗側の薄膜キャパシタ素子C(BST誘電体層6)と、優れた容量変化特性を得るために膜厚を薄くした低抵抗側の薄膜キャパシタ素子C(BST誘電体層6)とを準備して、それぞれ従来の薄膜抵抗素子を用いた場合に薄膜キャパシタ素子Cに印加される直流バイアス電圧の比率と、本実施形態の薄膜抵抗素子R1,R2を用いた場合に薄膜キャパシタ素子Cに印加される直流バイアス電圧の比率とを図3に示す。
Here, in order to improve the capacitance change characteristic of the thin film capacitor element C by applying the DC bias voltage, the thickness of the thin film capacitor element C (BST dielectric layer 6) is reduced to increase the electric field strength of the DC bias voltage. However, if the thickness of the
なお、薄膜デバイス100の使用温度範囲は、−25℃〜85℃であり、好適には25℃〜85℃である。ここで、好適な使用温度範囲において、高抵抗側の薄膜キャパシタ素子Cは、25℃で300MΩ、85℃で30MΩであり、低抵抗側の薄膜キャパシタ素子Cは、25℃で30MΩ、85℃で3MΩである。また、本実施形態の薄膜抵抗素子R1,R2の25℃での合成抵抗値は200kΩ、85℃での合成抵抗値は153kΩである。なお、この実施形態では、薄膜抵抗素子R1,R2の25℃での合成抵抗値が、使用上限温度85℃で抵抗素子の機能として必要な抵抗値150kΩ程度となるように設計している。
The operating temperature range of the
ここで、バイアス電圧印加ラインBLに印加する直流バイアス電圧に対して薄膜キャパシタCに印加される直流バイアス電圧の割合(バイアス電圧比率)が95%以上である場合は、所望の容量変化特性を十分に満たすとし、少なくとも90%以上であることが好ましい。まず、高抵抗側の薄膜キャパシタ素子Cの場合について説明する。この場合、本実施形態の薄膜抵抗素子R1,R2および従来のSi系の薄膜抵抗素子のいずれを用いた場合であっても、使用温度範囲の全てで95%を超える値を示しており、十分な容量変化特性が得られている。これは、従来の薄膜抵抗素子の抵抗温度係数(−16000ppm/℃)の絶対値が、薄膜キャパシタ素子Cの抵抗温度係数(−15400ppm/℃)の絶対値よりも大きい値であっても、薄膜キャパシタ素子Cの絶縁抵抗値が、薄膜抵抗素子の抵抗値に対して十分に大きいためである。すなわち、薄膜キャパシタ素子Cと薄膜抵抗素子R1,R2とが直列に接続されているときに、両端に直流バイアス電圧を印加した場合は、薄膜抵抗素子にかかる電圧(抵抗側分圧)と、薄膜キャパシタ素子にかかる電圧(キャパシタ側分圧)の比は、それぞれの抵抗値の比と同じとなる。したがって、薄膜キャパシタ素子の絶縁抵抗をRxとし、薄膜抵抗素子の合成抵抗をRyとした場合、バイアス電圧比率=Rx/(Rx+Ry)×100[%]となる。ここで、薄膜キャパシタ素子Cと従来の薄膜抵抗素子は、共に負の抵抗温度係数を有するが、絶対値が従来の薄膜抵抗素子の方が大きいため、低温になるにつれて薄膜キャパシタ素子の絶縁抵抗値と従来の薄膜抵抗素子の抵抗値の差が小さくなる(図5参照)。したがって、バイアス電圧比率は、低温になるにつれて低くなるものの、薄膜キャパシタ素子の絶縁抵抗Rxが、薄膜抵抗素子の合成抵抗Ryよりも十分大きいため、使用温度範囲の全てで95%を超える値を示す。一方、本実施形態の薄膜抵抗素子R1,R2は、負の抵抗温度係数を有し、かつ、絶対値が薄膜キャパシタ素子Cの抵抗温度係数の絶対値よりも小さいため、低温になるにつれて、薄膜キャパシタ素子の絶縁抵抗値と、薄膜抵抗素子R1,R2の合成抵抗値の差が大きくなる。したがって、バイアス電圧比率は、低温になるにつれて高くなるものの、薄膜キャパシタ素子Cの絶縁抵抗Rxが、薄膜抵抗素子R1,R2の合成抵抗Ryよりも十分大きいため、使用温度範囲の全てで95%を超える値を示す。 Here, when the ratio of the DC bias voltage applied to the thin film capacitor C (bias voltage ratio) to the DC bias voltage applied to the bias voltage application line BL is 95% or more, the desired capacitance change characteristic is sufficiently obtained. It is preferable that the content is at least 90% or more. First, the case of the thin film capacitor element C on the high resistance side will be described. In this case, regardless of which of the thin film resistance elements R1 and R2 of the present embodiment and the conventional Si-based thin film resistance element is used, the value exceeds 95% in the entire operating temperature range, which is sufficient. Excellent capacitance change characteristics have been obtained. This is because even if the absolute value of the temperature coefficient of resistance (-16000 ppm / ° C.) of the conventional thin film resistance element is larger than the absolute value of the temperature coefficient of resistance (-15400 ppm / ° C.) of the thin film capacitor element C, the thin film is formed. This is because the insulation resistance value of the capacitor element C is sufficiently larger than the resistance value of the thin film resistance element. That is, when the thin film capacitor element C and the thin film resistance elements R1 and R2 are connected in series and a DC bias voltage is applied to both ends, the voltage applied to the thin film resistance element (voltage division on the resistance side) and the thin film The ratio of the voltage applied to the capacitor element (voltage division on the capacitor side) is the same as the ratio of each resistance value. Therefore, when the insulation resistance of the thin film capacitor element is Rx and the combined resistance of the thin film resistance element is Ry, the bias voltage ratio = Rx / (Rx + Ry) × 100 [%]. Here, both the thin film capacitor element C and the conventional thin film resistance element have a negative temperature coefficient of resistance, but since the absolute value of the conventional thin film resistance element is larger, the insulation resistance value of the thin film capacitor element increases as the temperature becomes lower. The difference between the resistance value of the conventional thin film resistance element and the resistance value of the conventional thin film resistance element becomes small (see FIG. 5). Therefore, although the bias voltage ratio decreases as the temperature decreases, the insulation resistance Rx of the thin film capacitor element is sufficiently larger than the combined resistance Ry of the thin film resistance element, so that the value exceeds 95% in the entire operating temperature range. .. On the other hand, since the thin film resistance elements R1 and R2 of the present embodiment have a negative temperature coefficient of resistance and the absolute value is smaller than the absolute value of the temperature coefficient of resistance of the thin film capacitor element C, the film becomes thinner as the temperature becomes lower. The difference between the insulation resistance value of the capacitor element and the combined resistance value of the thin film resistance elements R1 and R2 becomes large. Therefore, although the bias voltage ratio increases as the temperature decreases, the insulation resistance Rx of the thin film capacitor element C is sufficiently larger than the combined resistance Ry of the thin film resistance elements R1 and R2, so that 95% is set in the entire operating temperature range. Indicates a value that exceeds.
次に、低抵抗側の薄膜キャパシタ素子Cの場合について説明する。この場合、従来のSi系の薄膜抵抗素子を用いた場合において、使用温度範囲内で低温側になるにつれてバイアス電圧比率が低くなるのは同じである。しかしながら、使用温度の上限(85℃)ではバイアス電圧比率が95%を超える値を確保することができるものの、使用温度の下限(25℃)ではバイアス電圧比率が88.7%となり、所望の容量変化特性が得られないことが分かる。これは、従来の薄膜抵抗素子の抵抗温度係数の絶対値が、薄膜キャパシタ素子Cの抵抗温度係数の絶対値よりも大きいことに加え、薄膜キャパシタ素子Cの絶縁抵抗値が従来の薄膜抵抗素子の抵抗値に対して十分に大きくないことから、使用温度の低温側の薄膜抵抗素子の抵抗値の高まりが、バイアス電圧比率に影響したためである。一方、本実施形態の薄膜抵抗素子R1,R2の場合、使用温度範囲の全てで95%を超える値を示す。これは、本実施形態の薄膜抵抗素子R1,R2の抵抗温度係数の絶対値が、薄膜キャパシタ素子Cの抵抗温度係数の絶対値よりも小さいことにより、従来の薄膜抵抗素子(Si系)の場合に問題となる使用温度範囲の低温側において、95%以上のバイアス電圧比率を確保できたためと考えられる。 Next, the case of the thin film capacitor element C on the low resistance side will be described. In this case, when a conventional Si-based thin film resistance element is used, the bias voltage ratio becomes lower as the temperature becomes lower within the operating temperature range. However, although the bias voltage ratio can be secured to exceed 95% at the upper limit of the operating temperature (85 ° C.), the bias voltage ratio becomes 88.7% at the lower limit of the operating temperature (25 ° C.), which is a desired capacity. It can be seen that the change characteristics cannot be obtained. This is because the absolute value of the resistance temperature coefficient of the conventional thin film resistance element is larger than the absolute value of the resistance temperature coefficient of the thin film capacitor element C, and the insulation resistance value of the thin film capacitor element C is that of the conventional thin film resistance element. This is because the increase in the resistance value of the thin film resistance element on the low temperature side of the operating temperature affected the bias voltage ratio because it was not sufficiently large with respect to the resistance value. On the other hand, in the case of the thin film resistance elements R1 and R2 of the present embodiment, the values exceed 95% in the entire operating temperature range. This is because the absolute value of the temperature coefficient of resistance of the thin film resistance elements R1 and R2 of the present embodiment is smaller than the absolute value of the temperature coefficient of resistance of the thin film capacitor element C, which is the case of the conventional thin film resistance element (Si system). It is considered that the bias voltage ratio of 95% or more could be secured on the low temperature side of the operating temperature range, which is a problem.
なお、このような構成の場合、使用温度の下限(25℃)でバイアス電圧比率が95%を超えていれば、全ての使用温度範囲でバイアス電圧比率が95%以上を確保できると考えられることから、25℃の環境下において、本実施形態の薄膜抵抗素子R1,R2を用いた場合の薄膜キャパシタ素子Cの絶縁抵抗とバイアス電圧比率との関係、並びに、25℃の環境下において、従来の薄膜抵抗素子を用いた場合の薄膜キャパシタ素子Cの絶縁抵抗とバイアス電圧比率との関係を図4に示す。 In the case of such a configuration, if the bias voltage ratio exceeds 95% at the lower limit of the operating temperature (25 ° C.), it is considered that the bias voltage ratio can be secured at 95% or more in the entire operating temperature range. Therefore, the relationship between the insulation resistance of the thin film capacitor element C and the bias voltage ratio when the thin film resistance elements R1 and R2 of the present embodiment are used in an environment of 25 ° C., and the conventional relationship in an environment of 25 ° C. FIG. 4 shows the relationship between the insulation resistance of the thin film capacitor element C and the bias voltage ratio when the thin film resistance element is used.
この場合、薄膜キャパシタ素子Cの絶縁抵抗値が50MΩを超える場合は、本実施形態の薄膜抵抗素子R1,R2および従来の薄膜抵抗素子の両方で、90%以上のバイアス電圧比率を確保することができるが、薄膜キャパシタ素子Cの絶縁抵抗値が50MΩ以下の場合は、従来の薄膜抵抗素子の場合はバイアス電圧比率が90%を下回って所望の容量変化特性を得ることができないが、本実施形態の薄膜抵抗素子R1,R2の場合は、バイアス電圧比率が95%以上を確保することができているのが分かる。以上のように、本実施形態の薄膜抵抗素子R1,R2を用いた場合は、薄膜キャパシタ素子Cの厚みを薄くして絶縁抵抗値が50MΩよりも低くなった場合でも、直流バイアス電圧を十分に薄膜キャパシタCに印加することができ、優れた容量変化特性が得られる。 In this case, when the insulation resistance value of the thin film capacitor element C exceeds 50 MΩ, it is possible to secure a bias voltage ratio of 90% or more in both the thin film resistance elements R1 and R2 of the present embodiment and the conventional thin film resistance element. However, when the insulation resistance value of the thin film capacitor element C is 50 MΩ or less, the bias voltage ratio is less than 90% in the case of the conventional thin film resistance element, and the desired capacitance change characteristic cannot be obtained. In the case of the thin film resistance elements R1 and R2, it can be seen that the bias voltage ratio can be secured at 95% or more. As described above, when the thin film resistance elements R1 and R2 of the present embodiment are used, the DC bias voltage is sufficiently set even when the thickness of the thin film capacitor element C is reduced and the insulation resistance value becomes lower than 50 MΩ. It can be applied to the thin film capacitor C, and excellent capacitance change characteristics can be obtained.
(製造方法)
薄膜デバイス100の製造方法の一例について説明する。なお、この実施形態では、大面積の基板1が用いられて複数の薄膜デバイス100の集合体が形成された後に個片化されることにより、複数の薄膜デバイス100が同時に形成される。
(Production method)
An example of a method for manufacturing the
まず、例えばSiにより形成された基板1上の所定領域にスパッタにより下側のPtキャパシタ電極層5を形成し、溶液塗布法によりBST誘電体層6を形成する。なお、BST誘電体層6の成膜方法の他の例としては、スパッタ法やCVD法を用いることができる。BST誘電体層6の成膜後は、スパッタにより上側のPtキャパシタ電極層7を形成し、ドライエッチングにより、所望の容量にするためのBST誘電体層6および上側のPtキャパシタ電極層7のパターンニングおよび下側のPtキャパシタ電極層5と導通用のビアホールを形成する。その際、エッチングしない部分はレジスト膜で保護する。
First, for example, a lower Pt
エッチング終了後はレジスト膜を剥離して、スパッタにより薄膜キャパシタ素子Cを被覆するSiO2保護層8を成膜する。SiO2保護層8の他の成膜方法としては、CVD法等を用いることができる。また、保護層8は、SiO2に限らず、SiN等の他の無機材料であってもよいし、有機絶縁材料を用いてもよい。次に、フォトリソグラフィによって透孔が形成されたフェノール系感光性樹脂絶縁膜から成る樹脂層2を形成し、樹脂層硬化のための熱処理を行う。なお、保護層8を設けずに、薄膜キャパシタ素子Cを被覆するように樹脂層2を形成してもよい。
After the etching is completed, the resist film is peeled off to form a SiO2
続いて、樹脂層2の透孔内のSiO2耐湿保護膜をドライエッチングにより除去し、スパッタにより、引出電極9,10および第2の金属薄膜11a,11bを形成するTi膜を成膜し、さらにCu膜を成膜する。そして、フォトリソグラフィによるエッチングによりパターン形成し、引出電極9,10および第2の金属薄膜11a,11bを形成する。次に、フォトリソグラフィによって透孔が形成されたフェノール系感光性樹脂絶縁膜から成る樹脂層3を形成し、樹脂層硬化のための熱処理を行う。
Subsequently, the SiO2 moisture-resistant protective film in the through hole of the
次に、リフトオフレジストを形成し、Ni、Cr、Siを主成分とする混合物から成る蒸着材料を用いて、リフトオフ法により抵抗薄膜12を蒸着形成する。このとき、抵抗薄膜12が、Ni:10wt%、Cr:20wt%、Si:70wt%となるように調整する。続いて、リフトオフレジストを形成し、Ni、Crを主成分とする混合物から成る蒸着材料を用いて、リフトオフ法により第1、第2の補強用薄膜12a,12bおよび接続電極12c,12dを抵抗薄膜12上に蒸着形成する。このとき、第1、第2の補強用薄膜12a,12bは、それぞれ、平面視したときに、樹脂層2上の第2の金属薄膜11a,11bおよび後述する樹脂層4上の第1の金属薄膜15a〜15cの両方を形成することができない部分、または形成しない部分に重なるように配置する。
Next, a lift-off resist is formed, and the resistance
続いて、フォトリソグラフィによって透孔が形成されたフェノール系感光性樹脂絶縁膜から成る樹脂層4を形成し、樹脂層硬化のための熱処理を行う。そして、スパッタにより、引出電極13,14および第1の金属薄膜15a〜15cを形成するTi膜を成膜したあと、Cu膜を成膜する。
Subsequently, a
次に、形成したCu/Ti膜上に所定位置に開口が設けられたレジストをパターン形成して、めっき法により第1〜第4外部電極P1〜P4を成す外部電極16をCu/Ti膜上の所定位置に形成する。そして、レジストを除去した後に、フォトリソグラフィによるエッチングによりCu/Ti膜をパターン形成して、引出電極13,14および第1の金属薄膜15a〜15cを形成する。
Next, a resist having openings at predetermined positions is formed on the formed Cu / Ti film, and the
そして、フォトリソグラフィによって外部電極露出部が形成されたフェノール系感光性樹脂絶縁膜からなる保護層17を形成し、樹脂層硬化のための熱処理を行った後に、ダイシングにより個々の薄膜デバイス100に個片化することによって、薄膜デバイス100が完成する。
Then, a
したがって、上記した実施形態によれば、薄膜抵抗素子R1,R2の比抵抗が10000μΩcm以上という高い値であっても、抵抗温度係数の絶対値を薄膜キャパシタ素子Cの抵抗温度係数の絶対値よりも小さくすることにより、薄膜キャパシタ素子C(BST誘電体層6)の絶縁抵抗値が50MΩ以下という低い値であっても、25℃〜85℃の使用範囲内の全てにおいて、バイアス電圧比率が95%以上を確保することができ、所望の容量変化特性を得られることが分かった。 Therefore, according to the above-described embodiment, even if the specific resistances of the thin film resistance elements R1 and R2 are as high as 10000 μΩcm or more, the absolute value of the temperature coefficient of resistance is larger than the absolute value of the temperature coefficient of resistance of the thin film capacitor element C. By making it smaller, even if the insulation resistance value of the thin film capacitor element C (BST dielectric layer 6) is as low as 50 MΩ or less, the bias voltage ratio is 95% in all of the usage ranges of 25 ° C to 85 ° C. It was found that the above can be ensured and the desired capacitance change characteristic can be obtained.
また、薄膜抵抗素子R1,R2を形成する材料を、Niが10wt%、Crが20wt%、Siが70wt%とすれば、10000μΩcm以上の比抵抗を有し、かつ、薄膜抵抗素子R1,R2の抵抗温度係数が負であって、その絶対値が薄膜キャパシタ素子Cの抵抗温度係数の絶対値よりも小さくする上で好適であることが分かった。 Further, if the material forming the thin film resistance elements R1 and R2 is 10 wt% for Ni, 20 wt% for Cr, and 70 wt% for Si, the film resistivity elements R1 and R2 have a specific resistance of 10,000 μΩcm or more. It was found that the resistivity temperature coefficient is negative, which is suitable for making the absolute value smaller than the absolute value of the resistivity temperature coefficient of the thin film capacitor element C.
また、薄膜キャパシタ素子Cと、薄膜抵抗素子R1,R2とが、同じ積層体内部に形成されるため、薄膜デバイスの小型化を図ることができる。 Further, since the thin film capacitor element C and the thin film resistance elements R1 and R2 are formed inside the same laminate, the thin film device can be miniaturized.
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、上記したもの以外に種々の変更を行なうことが可能であり、例えば、上記した実施形態では、薄膜キャパシタ素子Cが可変容量素子である場合について説明したが、直流バイアス電圧で容量が変化することを利用したものであれば、本発明を適用することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made other than the above-mentioned ones as long as the gist of the present invention is not deviated. Although the case where the capacitor element C is a variable capacitance element has been described, the present invention can be applied as long as it utilizes the fact that the capacitance changes with a DC bias voltage.
また、高周波信号ラインSLに複数の薄膜キャパシタ素子Cを直列に接続するとともに、薄膜キャパシタ素子Cごとに、直流バイアス電圧を印加するバイアス印加ラインBLを設け、各バイアス印加ラインBLに薄膜抵抗素子R1,R2を設ける回路構成であってもよい。 Further, a plurality of thin film capacitor elements C are connected in series to the high frequency signal line SL, and a bias application line BL for applying a DC bias voltage is provided for each thin film capacitor element C, and the thin film resistance element R1 is provided for each bias application line BL. , R2 may be provided in the circuit configuration.
また、誘電体層を形成する誘電体材料は上記した例に限定されるものではない。たとえば、BaTiO3、SrTiO3、PbTiO3などの誘電体材料により誘電体層が形成されていてもよい。 Further, the dielectric material forming the dielectric layer is not limited to the above example. For example, the dielectric layer may be formed of a dielectric material such as BaTiO3, SrTiO3, or PbTiO3.
本発明は、薄膜抵抗素子と薄膜キャパシタ素子とを備える種々の薄膜デバイスに広く適用することができる。 The present invention can be widely applied to various thin film devices including a thin film resistance element and a thin film capacitor element.
5 キャパシタ電極層(電極膜)
6 誘電体層6(誘電体薄膜)
7 キャパシタ電極層(電極膜)
100 薄膜デバイス
C 薄膜キャパシタ素子
R1,R2 薄膜抵抗素子
SL 高周波信号ライン
BL バイアス電圧印加ライン
5 Capacitor electrode layer (electrode film)
6 Dielectric layer 6 (dielectric thin film)
7 Capacitor electrode layer (electrode film)
100 Thin film device C Thin film capacitor element R1, R2 Thin film resistance element SL High frequency signal line BL Bias voltage application line
Claims (2)
前記高周波信号ラインに挿入された、直流バイアス電圧により容量が変化する薄膜キャパシタ素子と、
該薄膜キャパシタ素子に対して直流バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加ラインと、
該バイアス電圧印加ラインに挿入されて、前記薄膜キャパシタ素子と直列に接続される薄膜抵抗素子と、
を有する回路が形成された薄膜デバイスであって、
前記薄膜キャパシタ素子と、前記薄膜抵抗素子とは、同一の積層体内部に形成されており、
前記薄膜キャパシタ素子は、負の抵抗温度係数を有するセラミック誘電体薄膜と、一対の電極膜とを有するとともに、使用温度範囲において絶縁抵抗値が50MΩ以下であり、
前記薄膜抵抗素子を形成する材料は、電気抵抗率が10000μΩcm以上であって、抵抗温度係数が前記誘電体薄膜の抵抗温度係数の絶対値よりも小さく、
前記積層体は、基板と、該基板の一方主面上に積層された複数の樹脂層とを有し、
前記薄膜抵抗素子は、前記複数の樹脂層のうちの一つに形成されるとともに、前記薄膜抵抗素子が形成された前記樹脂層とは異なる前記樹脂層には配線電極が形成され、
前記薄膜抵抗素子上には補強用薄膜が形成され、
前記補強用薄膜は、前記基板の前記一方主面に対して垂直な方向から見たときに、前記配線電極の端縁と重なるように配置されている
ことを特徴とする薄膜デバイス。 High frequency signal line and
A thin-film capacitor element whose capacitance changes depending on the DC bias voltage inserted in the high-frequency signal line,
A bias voltage application line that applies a DC bias voltage to the thin film capacitor element,
A thin film resistance element inserted into the bias voltage application line and connected in series with the thin film capacitor element.
It is a thin film device in which a circuit having
The thin film capacitor element and the thin film resistance element are formed inside the same laminate.
The thin film capacitor element has a ceramic dielectric thin film having a negative temperature coefficient of resistance and a pair of electrode films, and has an insulation resistance value of 50 MΩ or less in the operating temperature range.
The material forming the thin film resistance elements, the electrical resistivity is not more than 10000Myuomegacm, temperature coefficient of resistance rather smaller than the absolute value of the resistance temperature coefficient of the dielectric film,
The laminate has a substrate and a plurality of resin layers laminated on one main surface of the substrate.
The thin film resistance element is formed in one of the plurality of resin layers, and a wiring electrode is formed in the resin layer different from the resin layer in which the thin film resistance element is formed.
A reinforcing thin film is formed on the thin film resistance element.
A thin film device characterized in that the reinforcing thin film is arranged so as to overlap the edge of the wiring electrode when viewed from a direction perpendicular to the one main surface of the substrate .
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