專利名稱：溫度補償用薄膜電容器的制作方法
技術領域：
本發明涉及在電子回路中對半導體元件的結合電容量對溫度的依賴性實施補償、進而減小整個電子回路溫度依賴性的溫度補償用薄膜電容器。
背景技術：
這種薄膜電容器通常由疊層設置在基板上的下部電極層、電介質層和上部電極層構成，有時，還可以在具有下部電極層功能的半導體基板上，依次疊層設置有電介質層和上部電極層。
發明內容
現有技術中對于需要對這種薄膜電容器的靜電容量溫度系數實施種種選擇的情況，采用的是尋找具有與所需要靜電容量溫度系數相接近的靜電容量溫度系數的電介質材料，并用其制作電介質層的方式。
然而，對于小型的薄膜電容器，其電介質材料層的厚度需要在0.5μm以下，所以難以找到不僅靜電容量溫度系數，而且薄膜成型條件、介電常數、絕緣耐電壓強度等諸條件都滿足薄膜電容器要求的電介質材料，這使得可實施的靜電容量溫度系數受到限制。
而且，在電介質端部處設置有第二電介質薄膜的薄膜電容器目前也已經是公知的，這種薄膜電容器能夠改善薄膜電容器上電介質端部處的耐電壓強度。
然而，這種設置有第二電介質薄膜的電容器，雖然可以不斷地提高位于電介質端部處的耐電壓強度，但是卻不能對靜電容量溫度系數實施所需要的控制。因此，必須具備多種電介質材料的問題仍然沒有得到解決。
本發明就是解決上述問題用的發明，本發明的目的就是提供一種只采用兩種電介質薄膜材料，容易地獲得所需要的任意靜電容量溫度系數的薄膜電容器。
為了能夠解決上述問題，本發明提供的一種溫度補償用薄膜電容器，其特征在于可以具有設置在基板上的下部電極層，設置在該下部電極層的上表面處的、具有預定靜電容量溫度系數的電介質薄膜組件，蓋覆在該電介質薄膜組件的上側表面邊緣部到下部電極層側面部處的臺階部，或是蓋覆在該電介質薄膜組件的上側表面邊緣部到位于該電介質薄膜組件上的薄膜側面部處的、具有與預定靜電容量溫度系數不同的靜電容量溫度系數的第二電介質薄膜，以及設置在電介質薄膜組件上方與下部電極層相對位置處的上部電極層，而且可以通過對位于下部電極層和上部電極層間僅設置有電介質薄膜組件的區域面積，與由電介質薄膜組件和第二電介質薄膜構成的重合區域面積實施調整方式，對靜電容量溫度系數實施設定。
因此，位于下部電極層和上部電極層間，在只存在電介質薄膜的區域形成的電容器部分(電容器51)，與存在電介質薄膜和第二電介質薄膜兩層的電容器部分(電容器52)間實施并聯連接。而且，電容器51與電容器52的靜電容量溫度系數彼此不同。
因此，可以通過對電容器51和電容器52的區域面積實施調整的方式，對靜電容量溫度系數實施設定，從而即使多種類型的電介質薄膜材料不具備，也可以容易地獲得具有所需要靜電容量溫度系數的溫度補償用薄膜電容器。
而且，由于設置有第二電介質薄膜，所以還可以緩解對覆蓋著電極端部、即電極側面處的電介質薄膜的臺階部，或是位于電介質薄膜側面部處的電介質薄膜材料的耐電壓強度的限制。
而且，最好還使電介質薄膜的靜電容量溫度系數的絕對值為50ppm/℃以下，使第二電介質薄膜的靜電容量溫度系數為負值，且其絕對值為500ppm/℃以上。
當采用位于上述范圍之內的電介質薄膜時，還可以通過對第二電介質薄膜相對于電介質薄膜的重疊面積實施調整的方式，對薄膜電容器的靜電容量溫度系數實施調整，并可以實施溫度補償。
而且，最好還使第二電介質薄膜的介電常數為4以下，熱線性膨脹系數為50ppm/℃以上。對于介電常數為4以下的電介質材料，極化的主要因素為電子極化。對于這種情況，靜電容量溫度系數為負值，其大小與熱線性膨脹系數成比例。因此，當介電常數為4以下時，熱線性膨脹系數越大，可以獲得絕對值越大且為負值的靜電容量溫度系數。
通過形成有位于上述范圍之內的電介質薄膜的方式，可以獲得為負值且絕對值為500ppm/℃以上的靜電容量溫度系數。
而且，對于電介質覆蓋著電極端部到電極側面的情況，由于位于電極端部處的電場集中、位于電極端部處的上部電介質薄膜質量惡化等原因，通常在電極端部附近處的電介質的耐電壓強度會比平坦部的上部處低。這一耐電壓強度被稱為電極端部處的耐電壓強度。當在覆蓋著該電極端部的電介質薄膜之上疊層設置第二電介質薄膜，而使電介質薄膜的平面耐電壓強度為100V以上，使第二電介質薄膜的電極端部耐電壓強度為100V以上時，便可以形成電極端部耐電壓強度為100V以上的薄膜電容器，而且這種薄膜電容器可以作為高性能電子設備使用。
而且，通過形成當頻率為1GHz時電介質薄膜的Q值為200以上，第二電介質薄膜的Q值為10以上的電介質薄膜的方式，還可以使薄膜電容器在頻率為1GHz時的Q值為100以上，從而可以作為高頻電子設備使用。
對于采用SiOxNy制作電介質薄膜的情況，可以容易地獲得薄膜厚度為0.5μm以下且平面耐電壓強度為100V以上，頻率為1GHz時的Q值為200以上，靜電容量溫度系數的絕對值為50ppm/℃以下的電介質薄膜。
對于采用丙烯類樹脂或氟類樹脂制作第二電介質薄膜的情況，可以容易地獲得電極端部的耐電壓強度為100V以上，頻率為1GHz時的Q值為10以上，靜電容量溫度系數為負值且其絕對值為500ppm/℃以上的第二電介質薄膜。
而且，丙烯類樹脂最好為包含有甲基丙烯酸烷化物和縮水甘油甲基丙烯酸脂化物的共聚體固化物的丙烯類高分子材料。
氟類樹脂最好為非晶型氟類樹脂(日本旭硝子株式會社制造制造，商品名稱為“CYTOP”的樹脂)。
對于采用SiOxNy制作電介質薄膜，采用丙烯類樹脂或氟類樹脂制作第二電介質薄膜的情況，可以容易地獲得平面耐電壓強度為100V以上，頻率為1GHz時的Q值為100以上，靜電容量溫度系數為負值且其絕對值為所需要任意大小的薄膜電容器。
下面參考
本發明的最佳實施例，然而本發明并不僅限于如下所述的各實施例。
圖1為表示作為第一實施例的薄膜電容器用的示意性剖面圖。
圖2為表示如圖1所示的薄膜電容器用的示意性平面圖。
圖3為說明如圖1所示的薄膜電容器功能用的示意性功能說明圖。
圖4為表示如圖1所示的薄膜電容器用的示意性等價回路圖。
圖5為表示作為第二實施例的薄膜電容器用的示意性剖面圖。
圖6為表示如圖5所示的薄膜電容器用的示意性平面圖。
圖7為表示如圖5所示的薄膜電容器用的示意性等價回路圖。
具體實施例方式
圖1～圖4示出了根據本發明第一實施例構造的薄膜電容器，作為第一實施例的薄膜電容器可以在基板1的一個表面處，形成呈薄膜狀的第一電極層2(下部電極層)，再按照蓋覆著下部電極層2的方式疊層形成電介質薄膜組件3。隨后，按照蓋覆著下部電極層2和電介質薄膜3上兩個端部的方式疊層形成第二電介質薄膜4，再按照蓋覆著下部電極層2、電介質薄膜3和第二電介質薄膜4的方式，疊層形成第二電極層(上部電極層)5。
本發明對基板1的材料性質并沒有特殊的限制，只要能夠具有足夠的厚度以使整個電容器具有適當的剛性，并且能夠承受按照薄膜成型方式，在基板1形成各個呈薄膜狀的下部電極層2、電介質薄膜3、第二電介質薄膜4和上部電極層5時的薄膜成型處理溫度即可。如果舉例來說，滿足上述條件的材料體實例可以是其表面由蓋覆有硅的、諸如硅片等的部件，還可以為諸如SiO2、Al2O3等的材料體。
下部電極層2和上部電極層5可以為由諸如Cu、Ag、Au、Pt等單一金屬構成的單層構造體，也可以為由若干金屬層構成的疊層構造體。對于采用疊層構造的情況，可以為由諸如硅氧化物、Cr、Ni、鉻氧化物、Pt等構成的層形成的兩層以上疊層構造。
電介質薄膜3最好在耐高電壓強度條件下，具有比如后所述的第二電介質薄膜4更高的Q值，并且具有更低的溫度變化率。
如果更具體的講就是，最好是采用靜電容量溫度系數的絕對值為50ppm/℃以下，介電常數為10以下，耐電場強度為5MV/cm以上，最好為8MV/cm以上，Q值為200以上，最好為500以上(當頻率為1GHz時)，介電緩和時間為1秒以上的材料，制作電介質薄膜3。而且，電介質薄膜3的厚度位于1μm(1×10-6m)以下時比較好，位于500～5000(0.05～05μm)左右時更好。采用這種構成形式，便可以確保其耐電壓強度，并且可以實現薄膜化和高生產率。
如果舉例來說，滿足這些條件的材料可以為非結晶型SiOxNy層、SiOx層等，而且如果舉例來說，可以通過諸如PECVD方法等的薄膜成型法，形成這種非結晶型SiOxNy層。
第二電介質薄膜4在耐電場強度方面和Q值方面，可以比電介質薄膜3略差一些，而且最好是采用比電介質薄膜3具有更高溫度變化率的材料制作。
如果具體的講就是，最好是采用容量溫度系數為負值，其絕對值為500ppm/℃以上，介電常數為4以下，Q值為10以上(當頻率為1GHz時)的材料，制作第二電介質薄膜4。
如果舉例來說，由滿足這些條件的材料構造的材料層，可以為丙烯類樹脂薄膜，以及氟類樹脂薄膜等。丙烯類樹脂薄膜和氟類樹脂薄膜具有為負值且比較高的靜電容量溫度系數，因此可以用于對薄膜電容器的靜電容量溫度系數實施調整。丙烯類樹脂薄膜可以通過諸如半導體光解工序(比如說由諸如旋轉涂鍍、預烘焙、曝光、顯影、燒制等各工序構成)，實施薄膜成型、加工。采用這種方式，便可以將薄膜厚度控制在1000以下至數μm的范圍內。
丙烯類樹脂薄膜可以通過由下述表達式表示的甲基丙烯酸烷化物化學式1
(在表達式中，n為50～1000的整數)以及由下述表達式表示的縮水甘油甲基丙烯酸脂化物化學式2
反應而生成，從而可以形成具有由下述表達式表示的最好是具有重復單元的聚甲基丙烯酸樹脂。
化學式3
(在表達式中，n、m、1為50～1000的整數)具有如上所述構成形式的樹脂，可以通過甲基丙烯酸烷化物與縮水甘油甲基丙烯酸脂化物間的聚合比，利用熱線性膨脹系數對靜電容量溫度系數實施控制。具有這種物理特征的一個實例為介電常數為3.5，靜電容量溫度系數為-2200ppm/℃，下部電極端部處的耐電壓強度(當臺階差為3μm，薄膜厚度為1μm時)為100V，Q值(當頻率為1GHz時)為100，熱線性膨脹系數為210ppm/℃。
而且，丙烯類樹脂薄膜還可以通過由下述表達式表示的甲基丙烯酸烷化物化學式4
以及由下述表達式表示的縮水甘油甲基丙烯酸脂化物
化學式5
反應而生成，從而可以形成具有由下述表達式表示的最好是具有重復單元的聚甲基丙烯酸樹脂。
化學式6這里表示結合鍵，但結合處未明確顯示(構成重復) 這里表示結合鍵，但結合處未明確顯示(構成重復)
(在表達式中，n為50～1000的整數)具有如上所述構成形式的樹脂，可以通過甲基丙烯酸烷化物與縮水甘油甲基丙烯酸脂化物間的聚合比，利用熱線性膨脹系數對靜電容量溫度系數實施控制。具有這種物理特征的一個實例為介電常數為3.5，靜電容量溫度系數為-2200ppm/℃，下部電極端部處的耐電壓強度(當臺階差為3μm，薄膜厚度為1μm時)為100V，Q值(當頻率為1GHz時)為100，熱線性膨脹系數為210ppm/℃。
氟類樹脂薄膜最好采用諸如商品名稱為CYTOP(日本旭硝子株式會社制造)的非晶型氟類樹脂等的樹脂薄膜。這種材料的特征是在高頻下的電介質的Q值比較高。具有這種物理特征的一個實例為介電常數為2.1，靜電容量溫度系數為-1000ppm/℃，下部電極端部處的耐電壓強度(當臺階差為3μm，薄膜厚度為1μm時)為100V，Q值(當頻率為1GHz時)為1400，熱線性膨脹系數為74ppm/℃。
在具有這種構成形式的薄膜電容器的下部電極層2與上部電極層5之間，僅設置有電介質薄膜3的電容器區域51，與疊層設置有電介質薄膜3和第二電介質薄膜4的電容器區域52間實施的是并聯連接。
電容器區域52與彼此串聯連接著的、由電介質薄膜3上的一部分構成的電容器52a和由第二電介質薄膜4構成的電容器52b相等價，而且這一等價回路圖可以如圖4所示。
如果取各部分電容器51、52a、52b的電容量分別為C3、C3’、C4，并且取形成在下部電極層2與上部電極層5間的電容器的容量值為C，則可以有下述的等式(1)C＝C3+1/(1/C3’+1/C4) (1)
而且，如果取電介質薄膜3的靜電容量溫度系數為τ3，第二電介質薄膜4的靜電容量溫度系數為τ4，與容量值C有關的溫度系數為τ，則可以有下述的等式(2)τ＝[τ3(C3+1/|C3’(1/C3’+1/C4)2|)+τ4/|C4(1/C3’+1/C4)2|]/C (2)因此，可以利用第二電介質薄膜4的靜電容量溫度系數τ4，以及電介質薄膜3和第二電介質薄膜4間的重合區域，根據需要確定與容量值C有關的溫度系數。
而且，具有這種構成形式的薄膜電容器，位于電介質薄膜3上的兩個邊緣端部處的臺階部，是由在耐電壓方面更為有效的第二電介質薄膜4覆蓋著的，所以可以最大限度地利用電介質薄膜3的平面耐電壓強度。
換句話說就是，薄膜電容器的耐電壓強度在常規電介質薄膜3中的臺階部、即覆蓋著下部電極層2的左右邊緣端部處的電介質薄膜3上的部分為最小，并且小于位于電介質薄膜3上中央部附近處的平面耐電壓強度。
而且，由于位于電介質薄膜3上邊緣部處的臺階部是由第二電介質薄膜4蓋覆著的，所以可以容易地使電介質薄膜3的厚度為0.5μm左右。
如上所述的、具有如圖1和圖2所示構成形式的薄膜電容器，可以使用在諸如便攜式電子設備、微波通信設備等需要實施溫度補償的電子設備回路中。如果舉例來說，在電壓控制型振蕩信號產生元件中還可以與變容二極管組合使用。
下面參考圖5～圖7，對根據本發明第二實施例構造的薄膜電容器進行說明。作為第二實施例的薄膜電容器可以在基板1的一個表面處，形成有呈薄膜狀的第一電極層12(下部電極層)，再按照蓋覆著下部電極層12的上部中央處的方式疊層形成電介質薄膜13。隨后，按照蓋覆著下部電極層12和電介質薄膜13上兩個端部的方式疊層形成第二電介質薄膜14，再按照蓋覆著下部電極層12、電介質薄膜13和第二電介質薄膜14的方式疊層形成第二電極層(上部電極層)15。
與作為第一實施例的薄膜電容器之間的不同點在于在下部電極層12的兩側端部處，未設置電介質薄膜13，從而使得電介質薄膜13和第二電介質薄膜14間的重合區域，與形成電介質薄膜13的區域和形成第二電介質薄膜14的區域相比非常小。采用這種構成形式，便可以按照比作為第一實施例的薄膜電容器更容易的方式，對其靜電容量溫度系數實施所需要的控制。
如果取形成在電介質薄膜13區域處的電容器和形成在第二電介質薄膜14區域處的電容器的電容量分別為C13、C14，并且取形成在下部電極層12與上部電極層15間的電容器的電容量為C，則可以有下述等式C＝C13+C14 (3)在這兒，如果取電介質薄膜13的靜電容量溫度系數為τ13，第二電介質薄膜14的靜電容量溫度系數為τ14，總靜電容量C的溫度系數為τ，則可以有下述等式τ＝[τ13C13+τ14C14]/C (4)因此，可以利用第二電介質薄膜14的靜電容量溫度系數τ14，以及電介質薄膜13和第二電介質薄膜14的區域大小，根據需要確定涉及容量值C的溫度系數。
而且，由于電介質薄膜13的薄膜側面部是由第二電介質薄膜14蓋覆著的，所以可以與作為第一實施例的薄膜電容器相同，容易地使電介質薄膜13的厚度為0.5μm左右。
實施例(作為第一實施例的薄膜電容器用的實施例)分別用Cu形成下部電極層2和上部電極層5，其薄膜厚度為3μm。
可以通過濺射薄膜成型法等，利用SiO2形成電介質薄膜3，其薄膜厚度為0.5μm。該SiO2薄膜的介電常數為4.0，靜電容量溫度系數為±30ppm/℃，平面耐電壓強度為500V，Q值(當頻率為1GHz時)為500。
可以利用丙烯類樹脂形成第二電介質薄膜4，其薄膜厚度為1μm。該丙烯類樹脂的介電常數為3.5，靜電容量溫度系數為-2200ppm/℃，位于下部電極2的端部處的臺階部的耐電壓強度(當臺階差為3μm，薄膜厚度為1μm時)為100V，Q值(當頻率為1GHz時)為100，熱線性膨脹系數為210ppm/℃。
可以采用按照甲基丙烯酸烷化物與縮水甘油甲基丙烯酸脂化物為19∶1的聚合比率制作出的丙烯類高分子材料，作為這種丙烯類樹脂材料。
而且，可以通過使甲基丙烯酸烷化物與縮水甘油甲基丙烯酸脂化物的包含比率在19∶1至1∶1之間變化的方式，使這種樹脂材料的靜電容量溫度系數位于-2200至-500的范圍之內。
作為這一實施例的薄膜電容器，第二電介質薄膜的電容部(電容器區域52)相對于電介質薄膜的電容部(電容器區域51)的面積比x(％)，可以在40～80的范圍之內變化，從而可以獲得如表1所示的靜電容量溫度系數和Q值。
耐電壓強度均在100V以上。
而且，下部電極層2與上部電極層5相對區域的尺寸為300μm×300μm。
表1
(作為第二電介質薄膜4的氟類樹脂材料的實施例)不再采用丙烯類樹脂，而是采用作為氟類樹脂的商品名稱為CYTOP(日本旭硝子株式會社制造)的非晶型氟類樹脂，制作第二電介質薄膜4。
這種非晶型氟類樹脂的介電常數為2.1，靜電容量溫度系數為-1000ppm/℃，位于下部電極2的端部處的臺階部的耐電壓強度(當臺階差為3μm，薄膜厚度為1μm時)為100V，Q值(當頻率為1GHz時)為1400，熱線性膨脹系數為74ppm/℃。
使用這種材料制作的薄膜電容器的Q值，可以比使用丙烯類樹脂材料時進一步得到提高。
權利要求
1.一種溫度補償用薄膜電容器，其特征在于具有設置在基板上的下部電極層，設置在該下部電極層的上表面處的、具有預定靜電容量溫度系數的電介質薄膜組件，蓋覆在該電介質薄膜組件的上側表面邊緣部到所述下部電極層側面部處的臺階部，或是蓋覆在該電介質薄膜組件的上側表面邊緣部到位于該電介質薄膜組件上的薄膜側面部處的、具有與所述預定靜電容量溫度系數不同的靜電容量溫度系數的第二電介質薄膜，以及設置在所述電介質薄膜組件上方與所述下部電極層相對位置處的上部電極層，而且通過對位于所述下部電極層和所述上部電極層間僅設置有所述電介質薄膜組件的區域面積，與由所述電介質薄膜組件和所述第二電介質薄膜構成的重合區域面積實施調整方式，對靜電容量溫度系數實施設定。
2.如權利要求1所述的溫度補償用薄膜電容器，其特征在于所述電介質薄膜的靜電容量溫度系數的絕對值為50ppm/℃以下，所述第二電介質薄膜的靜電容量溫度系數為負值，且其絕對值為500ppm/℃以上。
3.如權利要求2所述的溫度補償用薄膜電容器，其特征在于所述第二電介質薄膜的介電常數為4以下，熱線性膨脹系數為50ppm/℃以上。
4.如權利要求1所述的溫度補償用薄膜電容器，其特征在于所述電介質薄膜的平面耐電壓強度為100V以上，位于所述第二電介質薄膜的電極端部處的耐電壓強度為100V以上。
5.如權利要求1所述的溫度補償用薄膜電容器，其特征在于當測定頻率為1GHz時，所述電介質薄膜的Q值為200以上，所述第二電介質薄膜的Q值為10以上。
6.如權利要求1所述的溫度補償用薄膜電容器，其特征在于所述電介質薄膜為SiOxNy。
7.如權利要求1所述的溫度補償用薄膜電容器，其特征在于所述第二電介質薄膜為丙烯類樹脂或氟類樹脂。
8.如權利要求1所述的溫度補償用薄膜電容器，其特征在于所述電介質薄膜為SiOxNy，所述第二電介質薄膜為丙烯類樹脂或氟類樹脂。
全文摘要
本發明通過只使用兩種電介質薄膜材料,而獲得可以依據需要確定靜電容量溫度系數的薄膜電容器。這種薄膜電容器可以在位于基板1處的下部電極層2的上側面處,設置有具有預定靜電容量溫度系數的電介質薄膜3。而且,還設置有蓋覆在該電介質薄膜3的上側表面邊緣部到電介質薄膜3上的臺階部處的、具有與預定靜電容量溫度系數不同的靜電容量溫度系數的第二電介質薄膜4,以及在蓋覆在電介質薄膜3和第二電介質薄膜4處的上部電極層5。而且,可以通過對位于下部電極層2和上部電極層5間的電介質薄膜3與第二電介質薄膜4間的重合區域面積實施調整方式,對靜電容量溫度系數實施設定。
文檔編號H01L21/02GK1340833SQ0112407
公開日2002年3月20日 申請日期2001年8月13日 優先權日2000年8月30日
發明者北川均, 佐佐木真, 佐佐木順彥 申請人:阿爾卑斯電氣株式會社