JPS6128227B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は弾性表面波素子を一体化して含んだ半
導体集積回路装置の新規なる構造に関する。

従来の半導体集積回路においては、コイルやコ
ンデンサを含む共振回路はその中に一体化して実
現することが出来ず、同調回路やフイルタ回路な
どは半導体集積回路から端子を出して外部で接続
する手段がとられて来た。このため、高周波回路
等に於いては集積密度が上らず、パツケージの端
子数のみ徒らに増加して機器の小型化に対する要
求を充分に満すことが出来なかつた。

一方、電気的共振現象を機械的共振におきかえ
た電気振動素子は単体としてすぐれた特性が得ら
れるものの、電気機械変換子の構造や振動体の保
持機構が複雑であり集積回路に一体化することは
困難とされてきた。しかし、最近弾性表面波振動
を応用した素子で高性能のフイルタなどを実現す
る試みがなされている。弾性表面波を利用する場
合には保持機構は簡単になるが、弾性表面波は進
行波であるため電気機械変換損失が比較的大きく
損失を補うために通常その入力及び出力増巾回路
は別個に集積回路又は個別の素子等を追加しなけ
ればならず、小型化及び集積回路のパツケージ端
子数の減少は以然としてなされなかつた。

本発明はかかる半導体集積回路に弾性表面波素
子を含んで一体化構造とした新規な構造を提供せ
んとするものであり、その目的とするところは前
記共振回路を含む回路の小型化であり、更に他の
目的は一体化することにより、集積回路の端子数
の減少及び従来の結線接続をなくすることによる
組立コストの軽減と信頼性の増加にある。

更に他の目的は、一体化することにより弾性表
面波素子の特性を安定化するものである。この発
明によれば半導体基板内にPN接合の組み合せに
よつて構成されたトランジスタ、ダイオード又は
抵抗及び容量等を含み、この基板の一主表面に更
に圧電薄膜を含んで構成された弾性表面波素子を
形成し、前記基板内の各々の素子と基板表面の弾
性表面波素子とを配線接続した一体化された半導
体集積回路装置が得られる。

次にこの発明の特徴をより良く理解するために
本発明の具体的な実施例につき図を用いて説明を
加える。

第１図は本発明の第１の実施例を示す上面構成
図であり第２図は第１図―′線に沿つた断面
図である。図に於いて１は10〜20Ω―cmのＰ型シ
リコン基板であり、この所定領域にn⁺埋込拡散
層２が設けられた後、比抵抗１Ω―cm、厚さ12ミ
クロンのｎ型エピタキシヤル成長層が形成され、
周知の選択拡散技術でp⁺型分離拡散領域３によ
つてエピタキシヤル成長層は分離された島領域４
及び５となる。島領域４には集積回路用トランジ
スタが構成される。即ち、ｐ型ベース領域６及び
n⁺型エミツタ領域７が形成され、エミツタ領域
の形成と同時にコレクタコンタクトn⁺領域８も
形成される。表面の保護用絶縁膜９は通常窒化硅
素膜や酸化硅素膜又は金属酸化膜が用いられる。
この絶縁膜９は弾性表面波素子を構成すべき領域
に於いては、通常静電容量を減少させるために厚
い絶縁膜９′となつている。

そして島領域４に構成されたトランジスタ及び
他の島領域（図示せず）の各種素子と弾性表面波
素子の櫛形電極１０及び１１を電気的に接続する
金属薄膜の電気配線１２と、前記櫛歯状変換電極
１０が金属薄膜の蒸着と写真食刻法によつて同時
に構成される。さらに櫛波状変換電極１０の上部
に弾性表面波変換用の圧電薄膜であるZnO１３が
厚さ約1.2ミクロンにスパツタリングにより選択
的に被着され、更にその上部に対向電極として金
属薄膜１４が形成され本発明の一実施例の一体化
した半導体装置が得られる。

さてこの装置において、集積回路を構成する入
力端子より入つた信号は集積回路中の増巾器で適
当な振巾に増巾され、（第１図ではその１部が島
領域４の集積回路用トランジスタとして示されて
いる）電気信号―弾性表面波のトランスデユーサ
の櫛歯状変換電極１０に電気配線１２を介して加
えられる。圧電物質であるZnO薄膜１３を電気的
に励振して信号が弾性表面波に変換されると、も
う一方の櫛歯状変換電極１１を励振し、電気信号
に再び変換されてとり出され再び電気配線（図示
せず）によつて集積回路へと導かれる。

弾性表面波の周波数と音速から弾性表面波の波
長が定まるがこの波長が櫛形電極のピツチに一致
した時に電気信号と弾性表面波が同期し、電気信
号―弾性表面波の変換効率が最高となる。この周
波数がフイルタの中心周波数に相当する。

本実施例では島領域４のコレクタ領域にn⁺埋
込拡散層２が設けられているが、これは通常コレ
クタ抵抗を減少させる目的であり場合によつては
省略することがあるのは周知のとおりである。

また、弾性表面波素子の対向電極１４も要求す
る電気的特性によつては省略しても構わない。そ
してトランスデユーサの構成方法としては上下が
逆の形の構成も可能であつて、即ち絶縁膜９の表
面に金属配線１２と同時に対向電極１４を先に形
成し、その上に圧電物質の薄膜ZnO１３を被着し
た後その上面に櫛形電極１０及び１１を形成する
か、対向電極１４を形成しZnO１３を被着した後
に金属配線１２及び櫛形電極１０，１１を同時に
形成することも可能であり、この場合に半導体基
板の導電性を利用して対向電極１４を省くことも
できる。

更に上述の実施例の説明では集積回路トランジ
スタの島領域４と弾性表面波素子部の島領域５を
それぞれシリコン基板１の別領域に設けた例につ
いて説明したが、シリコン基板面積を減少させる
目的でシリコン基板内に構成した集積回路用の各
素子の表面に絶縁膜９を介して櫛形電極１０及び
１１と圧電物質のZnO薄膜１３を設け、基板内集
積回路上に弾性表面波素子を形成した構造も可能
なことはいうまでもない。

第３図は本発明の第２の実施例を示す断面図で
あつて弾性表面波の櫛形電極から半導体基板への
静電容量を減少するため、該電極下部にPN接合
を設け、接合容量が直列接続されることにより綜
合容量を減少させ、高周波信号に対する特性の改
善を試みたものである。即ち図に於いて理解を明
解にするため、第１の実施例と共通の部分につい
ては共通の番号を用いて説明すると、先ず半導体
基板１としてはｐ型10〜20Ω―cmのシリコン結晶
を準備する。前記第１の実施例では基板表面に埋
込拡散層を設けた説明をおこなつたが、本発明の
本旨とは直接関係ないのでこれを省略すると、次
にｎ型１Ω―cmのエピタキシヤル成長層が基板１
の主表面に形成され、p⁺型分離拡散層３によつ
てエピタキシヤル成長層は分離された島領域４及
び５となる。島領域４には集積回路用トランジス
タとしてｐ型のベース領域６，n⁺型エミツタ領
域７及びこれと同時にコレクタコンタクトn⁺領
域８が形成されるが、ベース領域６の形成時にこ
れと同時に島領域５の弾性表面波素子の櫛形電極
１０及び１１の下部にp⁺拡散領域１５及び１６
を形成する。９は表面保護用の絶縁膜であり、絶
縁膜９の表面上に金属薄膜による電気配線１２及
び櫛歯状の変換電極１０と１１が構成される。櫛
形電極１０及び１１は前記p⁺型拡散領域１５及
び１６の上部に絶縁膜９を介して位置するが、こ
の領域のみ絶縁膜を選択的に除去し、櫛形電極１
０及び１１が直接p⁺拡散領域１５及び１６の表
面に電気的に接続されて配置することも可能であ
る。そのいづれをとるかは、要求する電気特性に
依存するが、全体の集積回路を構成する電気回路
の結線及びバイアス電圧等によつても制約を受け
る。櫛形電極１０及び１１の上部には圧電物質と
してZnO１３が厚さ約1.2ミクロンにスパツタリ
ングによつて選択的に被着される。更に該圧電物
質内に電界集中効果を大ならしむるにその上部に
対向電極１４を構成するが、第１の実施例で述べ
た様にこれは省略することも又は一方の変換電極
１０と他方の櫛形電極１１との中間の位置に遮蔽
効果をもたせて配置することもあるし、対向電極
１４の形状や電極配線１２との接続等に種々の方
法が考えられるが前述したように本発明の本旨で
はないので詳細な説明は省略する。

更に第４図及び第５図に従つて本発明の第３の
実施例について説明する。第４図は本発明の第３
の実施例を示す上面構成図、第５図は第４図の破
線―′線に沿つた断面図である。前述の実施
例と同様にｐ型10〜20Ω―cmのシリコン基板１に
ｎ型１Ω―cmのエピタキシヤル結晶成長を約12ミ
クロンおこなつた後、表面より選択拡散技術によ
りp⁺型の分離拡散領域３を形成してエピタキシ
ヤル成長層をそれぞれ独立したｎ型の島領域４及
び５とする。島領域４には集積回路用トランジス
タとしてｐ型のベース領域６，n⁺型エミツタ領
域７及びこれと同時にコレクタコンタクトn⁺領
域８が形成されるが、ベース領域６の形成時にこ
れと同時に島領域５内にも電気信号―弾性表面波
変換電極となるべきp⁺拡散領域１７及び１８を
形成する。

第５図から明確なように櫛形電極用のp⁺拡散
領域１７の端部１９は基板表面の絶縁膜９（第５
図では図示されていない）上の金属薄膜による電
気配線１２によつて島領域４の集積回路トランジ
スタのベース領域６に接続される。絶縁膜９が形
成され、金属薄膜の電気配線１２が形成された
後、櫛形電極用のp⁺型拡散領域１７及び１８の
上部領域に圧電物質であるZnO薄膜１３がスパツ
タリングにより約1.2ミクロン被着されて弾性表
面波トランスデユーサを含んで一体化された集積
回路が得られる。

本実施例では弾性表面波―電気信号またはその
逆の変換電極を前述の第１及び第２の実施例と異
なり、金属薄膜で構成するのと異なり半導体基板
内の不純物拡散領域そのものを用いている点であ
つて、ここにあげた例ではベース領域６の形成時
に同時に形成されるｐ型不純物拡散領域を用いて
いるが、島領域５内に更にｐ型の島領域を形成
し、その中に高濃度n⁺拡散によつて櫛歯状の変
換電極を構成させることも出来る。また、同様に
p⁺型拡散領域１７及び１８を集積回路用トラン
ジスタのベース領域６の選択拡散とは別個に高濃
度のp⁺型拡散で形成することも当然可能であ
る。

この様に変換電極を半導体基板内の拡散領域で
形成することによつて圧電物質としてのZnO薄膜
１３内の電極による凹凸をなくし、不用の弾性波
の発生による特性の悪化を減少させることが出来
る。また、拡散領域１７，１８に適当なバイアス
電圧を印加することにより、PN接合の逆バイア
スによる接合容量の減少をはかり、基板への等価
的な静電容量を減少して高周波特性を向上させる
ことが出来、さらに基板と拡散よりなる櫛形電極
とは音速や膨張係数はほぼ等しいので電極境界面
での弾性表面波の反射が少なく、温度変化に対し
ても安定で信頼性が高いという特徴を有する。

以上述べたごとく本発明によつて弾性表面波素
子を含めた一体化された半導体集積回路がはじめ
て達成され、電子回路の小型化が著るしく進行し
集積密度の向上がなされると共に、端子数の減少
及び組立工数の軽減からくるコスト低減と信頼性
の向上及び一体化することによつて初めて達成さ
れる高周波特性の向上と安定化等、限りない効果
をもたらすことが可能となつた。

本発明の実施例に於いては、弾性表面波素子を
フイルタとして利用した例をとりあげて説明した
が、電極の位置を適当に選ぶことによつて遅延素
子とした場合は勿論、一般のトランスデユーサと
して応用する場合にも本発明の本旨を適用するこ
とが出来ることは明らかである。

以上の実施例の説明においては簡単化のために
集積回路として増幅器、弾性表面波素子としてフ
イルタ、圧電薄膜としてZnO薄膜を用いた場合に
ついて説明をしたが、他に遅延線、弾性表面波の
非線形性や光偏向作用を応用した信号処理を行う
弾性表面波素子を用いたり、圧電薄膜として他に
ZnS，CdSなども利用でき、これらを組合せてな
る他の機能を有する半導体集積回路の構成も可能
であり、勿論これらの本発明の範囲に含まれるも
のである。

また、半導体基板としてｐ型シリコン結晶を用
いた場合について述べたが、すべての構成につい
て逆の導電型を適用した場合にも本発明は成立す
る。更に半導体結晶基板としてはシリコンの他に
ゲルマニウム、及び砒化ガリウム等―族化合
物半導体結晶にも適用できる。

また、本発明の実施例としては集積回路の島領
域の形成に、分離拡散方式を用いた場合を説明し
たが、他の分離方式の場合にも全く同様に本発明
を適用することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例半導体集積回路装
置を示す上面構成図、第２図は第１図の破線―
′線に沿つた断面図、第３図は本発明の第２の
実施例の装置を示す断面図、第４図は本発明の第
３の実施例の装置を示す上面構成図、第５図は第
４図の―′線に沿つた断面図である。 １…半導体基板、３…分離拡散層、４，５…島
領域、１０，１１…櫛形電極、１２…金属配線、
１３…圧電物質薄膜、１５，１６，１７，１８…
拡散領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 能動又は受動素子を含む島領域を複数個有す
   る半導体基板の一主表面上に、少なくとも圧電薄
   膜を含んで構成される弾性表面波素子を形成した
   ことを特徴とする半導体集積回路装置。 ２ 前記半導体基板の一主表面上の所定領域に、
   この所定領域と反対導電形の領域を形成し、前記
   所定領域上に金属電極を介して前記弾性表面波素
   子を設置したことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の半導体集積回路装置。 ３ 前記半導体基板の一主表面上の所定領域にこ
   の所定領域と反対導電形の領域を形成し、この反
   対導電形の領域を前記弾性表面波素子における弾
   性表面波と電気信号の変換電極として用いたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の半導
   体集積回路装置。