(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板上に下部電極層、電圧印加により誘電率が変化する誘電体層及び上部電極層を順次被着してなる可変容量コンデンサにおいて、前記誘電体層が、前記誘電体層の膜厚方向に長い柱状晶からなり、前記柱状晶は、少なくともＢａ、Ｓｒ、Ｔｉを含有するペロブスカイト型酸化物結晶粒子からなるとともに、その組成が（ＢａＳｒ）ＴｉｘＯ３におけるｘの範囲が０．７〜０．９であり、前記下部電極層は、（１１１）面に配向したＰｔ、Ａｕまたはそれらの固溶体からなることを特徴とする可変容量コンデンサ。
【請求項２】
前記誘電体層を構成するペロブスカイト型酸化物結晶粒子が（１１０）面に配向していることを特徴とする請求項１記載の可変容量コンデンサ。
【請求項３】
前記誘電体層の膜厚が１μｍ以下であるとともに、前記誘電体層を構成する誘電体結晶粒子である前記柱状晶は、膜面方向の平均粒径が０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の可変容量コンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体層に外部より電圧（以下、外部制御電圧という）を印加して、誘電体層の誘電率を変化させることにより、静電容量の制御を行なう可変容量コンデンサに関し、特に高い誘電率の変化率を有すると共に、高周波においても誘電損失が小さい誘電体層を具備する可変容量コンデンサに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、可変容量コンデンサとしてはダイオードに逆バイアスを印加することにより容量を変化させるバラクタダイオードが用いられてきた。ダイオードはＰＮ接合に順方向にバイアスをかけた時に電流が流れることを利用して整流回路などに用いられる。上述のＰＮ接合面には電子もホールも存在しない空乏層と呼ばれる領域が存在しており、ダイオードに逆バイアスをかけると電子とホールは共にＰＮ接合面から遠ざかる方向に引張られるために空乏層が厚くなり、空乏層の厚さは逆バイアスの大きさに依存して変化する。この空乏層は誘電体と考えることができるため、ダイオードに逆バイアスをかけた場合は、逆バイアスの大きさに依存して誘電体の厚みが変化し、その結果として容量が変化するコンデンサとして利用することができる。
【０００３】
バラクタダイオードは特に可変容量コンデンサとして利用するために規格化されている
ものである。バラクタダイオードは容量可変コンデンサとして通信機器に用いられているが、近年は携帯通信端末の需要増加のために通信に用いられる周波数帯域の高周波化が進められていることに加えて、端末の低電圧化が進められている。バラクタダイオードでは高周波では損失が大きくなり、また低電圧では空乏層が薄くなり、リーク電流が大きくなり、原理的にコンデンサとして機能しなくなるため、高周波回路への対応（高周波動作対応）が困難である。
【０００４】
このため、高周波動作しても可変容量コンデンサとして使用可能な素子を構成するために（ＢａｘＳｒ１−ｘ）ＴｉＯ３（以下ＢＳＴと略する）を始めとする誘電体材料が提案されている（例えば、特開平11−3839号公報参照）。
【０００５】
このような誘電体材料を誘電体層とする可変容量コンデンサの容量の変化率は誘電体層に加えられる電界強度の関数となるので、低電圧で容量を変化させる可変容量コンデンサに用いる誘電体層の厚みは通常数μｍ程度以下である必要がある。その様な誘電体層を作製するためにはスパッタ法、ゾルゲル法、ＣＶＤ法等の方法が用いられる。誘電体層を用いた可変容量コンデンサを安価に多量に安定に作製するためにはスパッタ法を用いることが有効であると考えられる。スパッタ法を用いて誘電体層を作製するためには、ターゲットとして目的とする誘電体と同一の組成のセラミックスを用いるのが一般的である。この様なセラミックスのターゲットを用いたスパッタではＲＦスパッタ装置を用い、スパッタ雰囲気としてＡｒガスに加えてＯ２ガスを混合したものを用いるのが一般的である。通常、金属薄膜の成膜ではＡｒガスのみによる雰囲気でスパッタが行なわれるが、セラミックスでは成膜時に酸素の脱離が起こり、その結果として、作製した誘電体層の酸素濃度が定比組成より少なくなってしまい、多量の酸素の格子欠陥を生じてしまう。この様な酸素の格子欠陥の生成を抑えるために、スパッタ時の雰囲気にＯ２ガスが導入される。実際にはＯ２ガス導入によるスパッタ雰囲気の変更だけでは、酸素の格子欠陥の生成は抑制しきれておらず、酸素の格子欠陥を更に減らすためにスパッタ後にスパッタ時の基板温度よりも高い温度で長時間の熱処理が行なわれている（例えば、特開平９−31645号公報参照）。
【０００６】
また、酸素の格子欠陥による誘電損失の劣化を抑制するために、スパッタ後の熱処理に加えて、誘電体層にＭｎ等を添加する方法も報告されている（例えば、W.Chang, et al.,
Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol.541, (1999) 699参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の酸素の格子欠陥による誘電損失の劣化または酸素の格子欠陥の生成自体を抑制する方法は、スパッタ後に長時間の熱処理を必要とするものであり、生産性を向上させて可変容量コンデンサを作製する方法としては効率が悪く、安価に作製できないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、酸素の格子欠陥が少ない誘電体層を有する可変容量コンデンサを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、支持基板上に下部電極層、電圧印加により誘電率が変化する誘電体層、上部電極層を順次被着してなる可変容量コンデンサにおいて、前記誘電体層が、前記誘電体層の膜厚方向に長い柱状晶からなり、前記柱状晶は、少なくともＢａ、Ｓｒ、Ｔｉを含有するペロブスカイト型酸化物結晶粒子からなるとともに、その組成が（ＢａＳｒ）ＴｉｘＯ３におけるｘの範囲を0.7から0.9であり、前記下部電極層は、（１１１）面に配向したＰｔ、Ａｕまたはそれらの固溶体からなる可変容量コンデンサである。
【００１０】
また、前記誘電体層を構成するペロブスカイト型酸化物結晶粒子が（１１０）面に配向している。
【００１１】
また、前記誘電体層の膜厚が１μｍ以下であるとともに、前記誘電体層を構成する誘電体結晶粒子である前記柱状晶は、該結晶粒子の膜面方向の平均粒径が0.5μｍ以下である。
【００１３】
【作用】
本発明では、可変容量コンデンサの誘電体層は、ペロブスカイト型酸化物、（ＢａＳｒ）ＴｉｘＯ３におけるｘの範囲が0.7から0.9である。ｘの範囲が0.7から0.9に設定し、Ｔｉが少ない側にずらすことにより、ＢＳＴ薄膜の組成も定比組成からＴｉが少ない側にずれ、誘電体層内の酸素の格子欠陥を抑制し、この酸素の格子欠陥による誘電損失の増加を抑制できる。ｘの範囲が0.7以下では、組成のずれが大きすぎてペロブスカイト構造を維持できなくなる。また、ｘの値が0.90以上では、Ｔｉを減らした効果が小さく、損失が増加してしまう。
【００１４】
そして、下地電極層をＰｔ、Ａｕまたはそれらの固溶体がスパッタで形成されており、この面芯立方格子であるこれらの金属は（１１１）面に配向となっている。また、この（１１１）面に配向した下地電極層上に誘電体層であるＢＳＴを400℃から600℃の低温でスパッタすることにより、ＢＳＴ層は（１１０）面に配向する。
【００１５】
一般に、低温で形成したＢＳＴ薄膜は、酸素の格子欠陥を多量に含むため、酸素雰囲気での高温長時間の熱処理が行なわれるのが一般的であるが、本発明では、スパッタに用いるターゲットの組成を定比組成において、上述のようにｘの範囲が0.7から0.9に設定し、Ｔｉが少ない側にずらすことにより、ＢＳＴ薄膜の組成も定比組成からＴｉが少ない側にずらすことにより、酸素の格子欠陥による誘電損失の増加を抑制している。即ち、酸素の格子欠陥が少ない誘電体層を有する可変容量コンデンサとなり、外部制御電圧の印加に対して安定した誘電体率の変化及び大きくな変動率を有する誘電体層の可変容量コンデンサとなる。
【００１６】
即ち、本発明の可変容量コンデンサの誘電体層の膜厚は、１μｍ以下であるとともに、前記誘電体層が、少なくともＢａ、Ｓｒ、Ｔｉを含有するペロブスカイト型酸化物結晶粒子からなり、該結晶粒子の組成が（ＢａＳｒ）ＴｉｘＯ３におけるｘの範囲が0.7から0.9であり、該結晶粒子が（１１０）面に配向しており、誘電体層を構成する誘電体結晶粒子が膜厚方向に長い柱状晶であり、該結晶粒子の膜面方向の平均粒径が0.5μｍ以下である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の可変容量コンデンサを図面に基づいて詳説する。
【００１８】
図１は、本発明の可変コンデンサの断面を示すもので、図２は、要部部分の平面図である。
【００１９】
図において、１は支持基板であり、21、22は下部電極層（図１では単に符号２を付す）であり、23は下部端子電極層であり、31、32は誘電体層（図１では、単に符号３を付す）であり、41、42は上部電極層（図１では、単に符号４を付す）であり、５は保護層であり、６、７は外部端子である。尚、容量発生領域とは、図２に示すように、誘電体層31を下部電極層21と上部電極層41とで挟持している対向部分、誘電体層32を下部電極層22と上部電極層42とで挟持している対向部分である。図では、２つ容量発生領域ａ、ｂの２つの容
量発生領域を有する。
【００２０】
支持基板１は、アルミナなどのセラミック基板、サファイアなどの単結晶基板などであり、その表面に下部電極層21、22及び下部端子電極層23が形成されている。特に、容量発生領域ａ、ｂを構成する下部電極層21、22は、（１１１）面に配向したＰｔ、Ａｕまたはそれらの固溶体からなる。また、基板11と下部電極層21、22との間にＴｉやＴｉＯ２などの密着層を介在させても構わない。下部電極層21、22及び下部端子電極層23は、その膜厚は1μｍ以上であり、下部電極層21、22による誘電損失を軽減するためには３μｍ以上であることが望ましい。例えば、下部電極層はＰｔの（１１１）面が優先的に配向するように、支持基板１としてサファイアＲ単結晶基板を用い、その表面に150℃から600℃でＰｔから下部電極層21、22をスパッタ法にて形成する。この下部電極層21、22上には誘電体層31、32が形成されている。
【００２１】
また、この誘電体層31、32を構成するペロブスカイト型酸化物（ＢａＳｒ）ＴｉｘＯ３におけるｘの範囲が0.7から0.9となっている。ここでｘの範囲が0.7以下では、組成のずれが大きすぎペロブスカイト構造を維持できなくなり、誘電特性が喪失している。また、ｘの値が0.90以上では、Ｔｉを減らした効果が小さく、誘電損失が増加する。
【００２２】
この誘電体層31、32の膜厚は１μｍ以下とされ、誘電体層31、32を構成する誘電体結晶粒子の膜面方向の平均粒径は0.5μｍ以下となっている。
【００２３】
誘電体層31、32の膜厚を１μｍ以下としたのは、１μｍよりも大きくなると、誘電体層31、32を形成するためのスパッタに要する時間が長くなり、また、可変容量コンデンサを形成した場合、容量を変化させるための印加電圧が大きくなるからである。
【００２４】
また、結晶粒子の平均粒径を0.5μｍ以下としたのは、誘電体の誘電率は粒径に依存して増加することに加えて、同じ材料では誘電損失は誘電率に比例して大きくなるからであり、粒径が大きくなると誘電率が大きくなり、結果として誘電損失が大きくなるからである。
【００２５】
誘電体層31、32は例えば、以下のようにして作製される。スパッタのターゲットとして少なくともＢａ、Ｓｒ、Ｔｉを含有するペロブスカイト型酸化物結晶粒子からなる焼結体を用いる。焼結体の組成は（ＢａＳｒ）ＴｉｘＯ３におけるｘの範囲が0.7から0.9である。スパッタ装置は絶縁性である酸化物の焼結体をスパッタするためＲＦスパッタを用いる。スパッタを行なうためにターゲットと支持基板１をスパッタ装置のチャンバー内に設置し、真空引き後、基板背面のヒーターにより基板を加熱する。
【００２６】
この時の温度は400℃から600℃とする。スパッタ中に基板に堆積した膜の酸素の脱離を防止するため、スパッタ雰囲気としてアルゴンと酸素の混合ガスを用いた反応性スパッタ法を用いる。
【００２７】
ここで、下部電極層21、22は（１１１）に配向したＰｔ、Ａｕまたはそれらの合金である。この（１１１）に配向したＰｔ、Ａｕなどの下部電極層21、22上に、上述の条件で誘電体層31、32をスパッタすることにより誘電体層31、32は（１１０）に配向させることができる。
【００２８】
この誘電体層31、32の上面及び支持基板１にわたり、上部電極層41、42及び上部端子電極層43が形成されている。上部電極層41、42及び上部端子電極層43は、Ｐｔ、Ａｕまたはそれらの固溶体からなる。また、基板11と上部電極層41、42及び上部電極層43との間にＴｉやＴｉＯ２などの密着層を介在させても構わない。尚、上部電極層41、42の膜厚は1μ
ｍ以上であり、さらに導体損失を軽減するためには３μｍ以上であることが望ましい。
【００２９】
また、保護膜５は、下部端子電極層23、上部端子電極43の一部を露出するように形成されている。保護膜としては、ＳｉＯ２，ＳｉＮ，ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、ポリイミドなどが好適である。この保護膜５は、外部からの機械的な衝撃からの保護の他、湿度による劣化、薬品の汚染、酸化等を防止する役割を持っている。
【００３０】
また、外部端子６、７は、半田ボールや金属バンプなどが例示できる。具体的には、下部端子電極層23、上部端子電極層24が露出する部分には、例えば半田ボールを形成したり、また、金属ワイヤーのファーストボンディングを行い、所定長さで切断することにより、金などのバンプを形成しても構わない。尚、外部端子６、７として半田ボールを形成するためには、下部端子電極層23や上部端子電極層43の露出部分に半田食われを防止するＮｉやＣｒの薄膜を形成しても構わない。尚、半田付けを実装時のみで行なうことを前提とした場合、上述の半田食われを防止するＮｉやＣｒの薄膜を外部端子としても構わない。
【００３１】
図２においては、本発明の可変容量コンデンサは、複数、例えば２つの容量発生領域ａ、ｂとから構成されている。即ち、容量発生領域ａは、下部電極21、誘電体層31、上部電極層41とが順次積層した部分で構成され、容量発生領域ｂは、下部電極22、誘電体層32、上部電極層42とが順次積層した部分で構成されている。そして、容量発生領域ａと容量発生領域ｂとが互いに並列的接続されている。即ち、下部電極層21、22から延びる下部端子電極層23は互いに共通化されている。また、上部電極層41、42から延びる上部端子電極層43は互いに共通化されている。従って、外部端子６、７に端子電極からは、２つの容量発生領域ａ、ｂの容量の並列された合成容量を得ることができる。そして、誘電体層31、32の誘電体材料に所定電位を外部制御電圧を印加することにより、その誘電体層31、32の誘電率を可変制御できる。即ち、上述の外部端子６、７に供給した外部制御電圧により、容量発生領域ａ、ｂの誘電体層31、32の誘電率が変化する。そして、容量発生領域が分割されて、単一の容量発生領域の面積が小さくなっている。即ち、外部制御電圧の印加した時、容量発生領域ａ、ｂにかかる電位が、その領域内での分布が小さくなり、上部電極層41、42で発生する電圧降下を小さくでき、誘電体層31、32に安定した均一の電位の外部制御電圧を印加することができる。
【００３２】
このような動作は、上述したように、誘電体層31、32が酸素の格子欠陥が少ない誘電体層であるためである。
【００３３】
【実施例】
支持基板１としてサファイアＲ基板を、下部電極層21、22としてＰｔを用いた。具体的には、支持基板の基板温度600℃にして、Ｐｔのスパッタ法により下部電極層21、22を形成した。その上に（ＢａＳｒ）ＴｉｘＯ３（ｘは0.7から0.9）からなるターゲットを用いてＢＳＴ薄膜を形成した。
【００３４】
基板温度は400℃または600℃、成膜時間は44分である。
【００３５】
最後にＡｕのスパッタにより、上部電極層41、42を形成しコンデンサを形成した。尚、上述の下部電極層の形成時に、同時に下部端子電極層23を、上部電極層の形成時に上部端子電極層43を形成した。
【００３６】
そして、このような可変容量コンデンサをＸ線回折により、Ｐｔからなる下部電極層21、22および誘電体層31、32の配向を調べた。
【００３７】
また、断面ＳＥＭおよび断面ＴＥＭ観察により誘電体層の膜厚を測定し、また、ペロブ
スカイト粒子の膜面方向の平均粒径を測定した。誘電特性の測定はインピーダンスアナライザを用いて行なった。誘電損失、誘電率の変化率は100ＭＨｚでの結果を表１に示した。
【００３８】
【表１】
0004798870.tif 000002
【００３９】
誘電率の変化率は、10Ｖ印加時の値が、非印加時の誘電体率に比較して20％以上と大きいものを「丸印」で示した。
【００４０】
比較例として（ＢａＳｒ）ＴｉｘＯ３におけるｘが0.6〜1.0の任意値として、300℃〜700℃の所定基板温度でスパッタを行なった試料の評価を行なった。
【００４１】
誘電体層３（31、32）が形成される下部電極層21、22（２）は、すべての試料において、（１１１）面に配向していることを確認した。ＢＳＴの誘電体層３を600℃以下の基板温度でスパッタを行なったものは（１１０）面に配向していたが、試料番号７のように、700℃でスパッタを行なったものは（１１１）面に配向してしまい、ＢＳＴの結晶粒子の膜面方向の粒径はすべての試料で0.6μｍとなってしまう。その結果、誘電損失が1.9％と非常に大きくなる。尚、スパッタ温度700℃未満で誘電体層３をスパッタにて形成した試料および（ＢａＳｒ）ＴｉｘＯ３におけるｘが1.0の試料以外では１％以下であった。700℃でスパッタを行なった試料では膜面方向の粒径は0.5μｍ以上であり、誘電率が大きくなっており、それに伴って誘電損失が大きくなっていた。また、300℃で作製した試料（試料番号６）では、粒界が不明瞭であり、誘電体層３の誘電率変化量が20％未満となってしまう。
【００４２】
また、スパッタリング温度300〜700℃であっても、（ＢａＳｒ）ＴｉｘＯ３におけるｘが1.0の誘電体層３(試料番号４)では酸素の格子欠陥の影響が出ており誘電損失が2.2％と大きくなってしまう。また、ｘが0.6の誘電体層(試料番号５)では、誘電体の誘電率の変化量が20％未満となってしまう。
【００４３】
以上、種々検討すると、400〜600℃のスパッタ温度で、（ＢａＳｒ）ＴｉｘＯ３におけるｘが0.7〜0.90の範囲に設定することにより、誘電損失が1.0％未満となり、また、誘電率の変化率が外部制御電圧が非印加状態の時に比較して、10Ｖの印加で、20％以上の誘電率の変化率が得られる。
【００４４】
（ＢａＳｒ）ＴｉｘＯ３におけるｘが0.7〜0.90の範囲に設定することによりＴｉの増加する方向にシフトし、ペロブスカイト構造が維持しやすく、誘電率の変化率が大きくなり、しかも、誘電損失も小さくなる。また、300℃でスパッタを行なった誘電体層は、完全に結晶化しておらず誘電率の変化率が小さくなる。従って、400℃以上でスパッタを行なうことにより、結晶化を達成でき、誘電率の変化率が大きくすることができる。さらに、700℃でスパッタを行なうと、上述のように膜面方向の粒径は0.5μｍ以上となり、誘電率が大きくなっており、それに伴って誘電損失が大きくなってしまう。長時間の熱処理を
行なったもの(試料番号５)は、膜面方向の粒径が大きくなっており、誘電損失も大きくなっていた。熱処理を行なわないものは粒径は小さいままではあるが、酸素の格子欠陥が多数存在するため誘電損失が大きくなっていた。尚、誘電率の変化率は作製条件によらず20％以上の高い値を示した。
【００４５】
以上のように、本発明の可変容量コンデンサを構成する誘電体層３（31、32）は（１１１）面に配向したＰｔ、Ａｕまたはそれらの固溶体からなる下部電極層２（21、22）上に、短時間の処理により、（１１０）面に配向した誘電体層３を形成でき、従来、酸素の格子欠陥による誘電損失の劣化または酸素の格子欠陥の生成自体を抑制することができる。
【００４６】
また、従来必要としていた長時間の熱処理を必要とせず、多量の可変容量コンデンサを効率よく、安価に作製できるようになる。尚、上述の実施例では、容量発生領域が複数に分割された構造の可変容量コンデンサを例にして説明したが、この構造に限定されることはなく、下部電極層、誘電体層、上部電極層を有するすべての構造の可変容量コンデンサに適用できるものである。
【００４７】
【発明の効果】
以上、詳述した通り、本発明の可変容量コンデンサを構成する誘電体層は（１１１）面に配向したＰｔ、Ａｕまたはそれらの固溶体からなる下部電極上に、少なくともＢａ、Ｓｒ、Ｔｉを含有するペロブスカイト型酸化物結晶粒子からなり、（ＢａＳｒ）ＴｉｘＯ３におけるｘの範囲が0.7から0.9であり、該結晶粒子が（１１０）面に配向している。従って、酸素の格子欠陥による誘電損失の劣化または酸素の格子欠陥の生成自体を抑制することができる。また、従来必要としていた長時間の熱処理を必要とせず、多量の可変容量コンデンサを効率よく、安価に作製できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の可変容量コンデンサの断面図である。
【図２】  本発明の可変容量コンデンサの要部部分の平面図である。
【符号の説明】
１・・・支持基板
21、22、２・・・下部電極層
31、32、３・・・誘電体層
41、42、４・・・上部電極層
５・・・保護膜
６、７・・・外部端子
【図１】
0004798870.tif 000003
【図２】
0004798870.tif 000004