(57)【要約】  【課題】  所望の周波数における電圧印加によるＱ値の低下を抑制した可変容量素子を提供すること、挿入損失、位相特性を低減した可変フィルタなどを提供できるようにすること。  【解決手段】  下部電極層と、上部電極層と、下部電極層と上部電極層とに上下から挟まれ、上部電極層の密度に比べ大きい密度を有する誘電体層とを含み、下部電極層と上部電極層とへの電圧印加により生じるインピーダンスの位相特性が、入出力される信号の周波数に応じた周期的なピークを有するとともに、その隣合うピークの間に前記信号の周波数が位置することを特徴とする可変容量素子である。【選択図】図６
2007294736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極層と、上部電極層と、前記下部電極層と前記上部電極層とに上下から挟まれ、前記上部電極層の密度に比べ大きい密度を有する誘電体層とを含み、前記下部電極層と前記上部電極層とへの電圧印加により生じるインピーダンスの位相特性が、入出力される信号の周波数に応じた周期的なピークを有するとともに、その隣合うピークの間に前記信号の周波数が位置することを特徴とする可変容量素子。
【請求項２】
前記誘電体層がチタン酸バリウムストロンチウムであり、前記上部電極層がアルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の可変容量素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高誘電率薄膜を使用した誘電体層の誘電率の印加電圧依存性を利用して、静電容量を電圧制御する可変容量素子に関し、特に高周波動作において誘電損失が小さくかつ電圧印加にかかわらず誘電損失が小さい、即ちＱ値の高い可変容量素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
無線通信や電気回路における周波数の高周波化に伴い、これらの電気信号に対して用いられる電子部品も高周波数に対応したものが要求され、特に、高周波回路において薄膜コンデンサをフィルタ、共振器などの構成部品として使用するためには、薄膜コンデンサのＱ値が高いことが求められる。また、無線通信技術の発達、新方式への切り替えに伴い、複数の送受信システムに対応する通信装置の需要がますます高まっている。複数の送受信システムに対応すると同時に、部品点数の削減や小型化にも対応するため、近年、電圧可変フィルタや電圧可変容量素子（以下、単に可変容量素子とする）などの、可変素子の開発がなされている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
可変容量素子は、高誘電率薄膜の印加電圧に伴う、大きな誘電率の変化を利用した薄膜コンデンサのことであり、その構成は例えば、基板とその上に形成された金属薄膜からなる下部電極とその上に形成された高誘電率薄膜と、さらにその上に形成された上部電極となどからなる。下部電極としては、その上に形成する高誘電率薄膜の結晶性を良好にするために白金（Ｐｔ）が、上部電極としては、低抵抗で酸化されにくい金（Ａｕ）等が使用されている。高誘電率薄膜としては、例えば、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３），チタン酸バリウムストロンチウム（ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉｙＯ３、以下ＢＳＴ），チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３）などのペロブスカイト型結晶構造を有する誘電体などが使用されている。ＳｒＴｉＯ３やＢＳＴ等のペロブスカイト型酸化物は、室温付近で高い誘電率を示し、室温で常誘電相をもつＳｒＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３固溶系材料は、高誘電性を必要とするＤＲＡＭや、強誘電性を用いた不揮発性ＲＡＭ用途に好適であり、盛んに開発が行なわれてきた。
【特許文献１】特開平１１−２６０６６７号公報
【特許文献２】特開２００５−１０８８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したようなペロブスカイト型結晶構造を有する高誘電率薄膜を用いた可変容量素子において要求されることは、高チューナビリティ（Ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ），高Ｑ値の他に、低い温度係数，高耐電力性，高絶縁抵抗，低歪み特性，経時変化がないことなどが挙げられる。チューナビリティは、可変容量素子の容量の可変量を示すものであり、電圧印加前の容量をＣ０、電圧印加後の容量をＣ１とすると、チューナビリティ＝（Ｃ０−Ｃ１）／Ｃ０×１００（％）であらわされる。チューナビリティは、電界強度が大きいほど高くなるため、高誘電率薄膜の膜厚が薄いほど高チューナビリティになる傾向がある。Ｑ値は、コンデンサの各構成要素における損失に依存しており、高誘電率薄膜における誘電損失、電極における導体損などがＱ値を低下させる主たる原因となっている。これら可変容量素子の容量やＱ値は、インピーダンス測定などにより得られるものである。
【０００５】
本来、可変容量素子に使用する高誘電率薄膜は、圧電性をもたず、その使用温度範囲がキュリー温度以上であることが望ましく、使用温度範囲において常誘電性を示す材料を用いることが望ましい。なぜならば、強誘電性を示す場合、電圧印加により容量の変化にヒステリシスを伴い、容量が電界履歴に依存することとなり、可変容量素子として不適切なためである。また、ヒステリシスは分極の交流に対する遅れを示しており、誘電損失が大きいことに相応するため適さない。したがって、従来、可変容量素子に用いられてきた高誘電率薄膜としては、使用温度範囲（室温付近）において常誘電性を示すＢＳＴ材料系が主に用いられてきた。
【０００６】
このＳｒＴｉＯ３とＢａＴｉＯ３との固溶系は、Ｂａ／ＳｒやＴｉ／（Ｂａ＋Ｓｒ）の組成により強誘電性や常誘電性を示し、その組成は、通常、使用温度範囲において常誘電相領域となるように設定される。しかし、その境界領域においては、ＢａＴｉＯ３の強誘電性は弱められてあらわれることもあり、若干の容量ヒステリシスを示す場合もある。
【０００７】
ここで、可変容量素子において、上述したような多くの要求特性を満たすためには、そのような境界領域に使用温度範囲が入るような材料を使用することもあるが、ここで問題となるのが、その強誘電性からくる圧電性、あるいは、常誘電体でも、高誘電率薄膜に容量を可変させるための印加電圧（以下、単に直流電圧ということもある）を印加しながら入出力する信号（以下、単に高周波信号又は高周波電圧ということもある）を印加した場合に生じる圧電性である。圧電性は、境界領域のみで確認されるのではなく、常誘電性の領域においても、直流電圧の印加により高誘電率薄膜に歪がかかることで発現する。容量を可変させるために可変容量素子に印加した電圧により圧電性が強められたり、発現したりすると、インピーダンスの振幅特性および位相特性に共振が生じ、このような可変容量素子をフィルタ，共振器の構成部品として使用した場合に、損失が電圧印加により増大する恐れがある。
【０００８】
発明者らが高誘電率薄膜にＢＳＴを用いた可変容量素子においてインピーダンス測定を行ったところ、電圧印加後の位相特性において周波数に対する周期的な変化が観察された（例えば、特許文献２を参照）。
【０００９】
その結果の一例を図１に示す。図１において、横軸は周波数（単位：ＭＨｚ）、縦軸は、左側がインピーダンス｜Ｚ｜（単位：Ω）を，右側が位相（単位：ｄｅｇ）を表している。また、電圧印加前の特性を太線で、電圧印加後の特性を細線で示している。これをＱ値（＝１／ｔａｎθ、θ：位相）でみると図２に示すようになる。図２において、横軸は周波数（単位：ＭＨｚ）、縦軸は、左側が容量値Ｃ（単位：ｐＦ）を，右側がＱ値（単位：無次元）を表している。
【００１０】
電圧印加前（太線）のＱ値は単調に減少する傾向がみられるが、電圧印加後のＱ値（細線）は周波数に対して周期的に小さくなる傾向がみられた。この共振周波数は、一対の電極（上部電極および下部電極）とそれに挟持された高誘電率薄膜からなる可変容量素子の場合には、各層の膜厚や材料種などにより概略決定され、この周期的な共振周波数において、容量が変化し、Ｑ値が減少する。このため、可変容量素子の使用周波数が、位相特性の隣合うピークの間に位置するように、各層の材料系、組成、膜質、厚みを設定する必要がある。しかしながら、電圧印加前の元々のＱ値を高くするためにも、各層の材料系、組成、膜質、厚みを適切に組み合わせなければならず、その構成は限られており、両者を満足させる各層の材料系、組成、膜質、厚みを設定するのは困難であった。
【００１１】
本発明は、上述の事情を鑑みて案出されたものであり、その目的は、所望の周波数における電圧印加によるＱ値の低下を抑制した可変容量素子を提供することにある。また、このような可変容量素子を用いることにより挿入損失，位相特性を低減した可変フィルタなどを提供できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の可変容量素子は、下部電極層と、上部電極層と、前記下部電極層と前記上部電極層とに上下から挟まれ、前記上部電極層の密度に比べ大きい密度を有する誘電体層とを含み、前記下部電極層と前記上部電極層とへの電圧印加により生じるインピーダンスの位相特性が、入出力される信号の周波数に応じた周期的なピークを有するとともに、その隣合うピークの間に前記信号の周波数が位置することを特徴とするものである。
【００１３】
ここで、インピーダンスの位相特性の周期的なピークは、誘電体層が直流電圧印加のもとで高周波電圧を印加したときに、電圧印加により厚み縦振動を主振動とする振動が周波数に対して周期的に現れる（共振特性が発現する）ことに起因して発生する。このとき共振周波数は、厚み縦振動により振動する、誘電体層とこれを挟持する一対の電極層（上部電極層および下部電極層）を含めて成る振動部の材料，膜厚とその構成によって決まってくる。このため、位相特性の隣合うピークの間に信号の周波数が位置するように、使用する信号の周波数に合わせて振動部の材料，膜厚とその構成を調整するが、その際に、特に、誘電体層の密度は上部電極層より大きくなるように調整したことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の可変容量素子は、上記構成において、前記誘電体層がチタン酸バリウムストロンチウムであり、前記上部電極層がアルミニウムであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の可変容量素子は、下部電極層と、上部電極層と、下部電極層と上部電極層とに上下から挟まれ、上部電極層の密度に比べ大きい密度を有する誘電体層とを含み、下部電極層と上部電極層とへの電圧印加により生じるインピーダンスの位相特性が、入出力される信号の周波数に応じた周期的なピークを有するとともに、その隣合うピークの間に信号の周波数が位置するものである。通常、電極層の密度は誘電体層の密度に比べ高い。これに対して、本発明の可変容量素子は、誘電体層の密度が、上部電極層の密度の比べて大きくなるようしたことから、振動部全体の固有音響インピーダンスを小さくすることができるので、信号周波数を大きくしていったときに現れるピークの周波数（以下、ピーク周波数という。）のうち、最初に現れるピークの周波数（以下、基本ピーク周波数という。）を高くすることができる。また、振動部全体の固有音響インピーダンスを小さくすることができるので、上部電極層および下部電極層に電圧を印加した場合に、電圧を印加しない場合の位相特性に比べて、低い位相特性を有する周波数幅（以下、バンド幅という。）を広くすることができる。このため、本発明の可変容量素子において、基本ピーク周波数を使用信号周波数より高くすることで、Ｑ値の低下を抑制することができる。また、基本ピーク周波数が使用信号周波数よりも小さい場合であっても、バンド幅が広いので、その隣合うピークの間に信号の周波数を位置させることが容易となる。その結果、広い周波数範囲において電圧印加によるＱ値の低下を抑制した可変容量素子を提供できる。また、このような可変容量素子を用いることにより、挿入損失、位相特性を低減した可変フィルタなどに適用することが可能となる。
【００１６】
なお、理由は未だ明らかではないが、誘電体層に比べ下部電極層の密度を低くした場合には、上部電極層の密度を低くした場合に比べ、基本ピーク周波数を高くする効果及びバンド幅を広くする効果が共に著しく劣るものとなった。このため、誘電体層の密度を上部電極層に比べ大きくすることにより始めて、基本ピーク周波数を高くする効果及びバンド幅を広くする効果を奏することができる。
【００１７】
まとめると、本発明の可変容量素子によれば、誘電体層が、上部電極層の密度に比べ大きい密度を有することから、基本ピーク周波数が高く、バンド幅が広いものとなり、広範な使用周波数において、電圧印加によるＱ値の低下を抑制したものとすることができる。なお、以下、基本ピーク周波数と次に現れるピークの周波数との間のバンド幅を基本バンド幅という。
【００１８】
ここで、図３に示す、携帯電話等で使用される１．７ＧＨｚ近辺の周波数におけるインピーダンスの位相特性を表わす線図を例に、基本ピーク周波数と基本バンド幅についてさらに詳しく説明する。
【００１９】
直流電圧印加により圧電性が大きくなると、印加した高周波信号によって誘電体層の厚み縦振動が励振されて、厚み縦の基本振動あるいは高調波などに基づいた共振特性が発現する。このとき共振周波数は、振動部の材料，膜厚とその構成によって決まってくる。これらは、可変容量素子の構造が、図４に示すような平行平板（Ｏｖｅｒｌａｙ）型容量素子で、支持基板１上に誘電体層３と誘電体層３の厚み方向の一方の主面に設けられ下部電極層２と、誘電体層３の厚み方向の他方の主面に設けられた上部電極層４と、を含むものであることを想定している。
【００２０】
この構造における振動モードは、厚み縦振動モードが主となり、この振動モードに対する基本ピーク周波数ｆ１は、誘電体層の厚み、誘電体層を挟む電極層２，４の厚み、各層を構成する材料の音速および音響インピーダンスなどによって決定される。電極層２，４を含めた振動部を構成する全厚みをｔ、振動部を伝播する音波の実効的な音速をＶとしたとき、ｆ１＝Ｖ／２ｔ、高次のピーク周波数ｆｎにおいては、ｆｎ＝ｎＶ／２ｔ（ｎ＝１，３，５・・・）で概略的には決定される。この実効的な音速とは、各層ごとの材料によって異なる音速を振動部全体でみたときの平均的な音速を指す。ピーク周波数は、位相極大点を指し、電圧を印加すればするほど容量の変化に応じて大きくなり、位相特性が−９０°近傍の値からゼロに近づくものである。また、バンド幅は、ピークとその隣りに位置するピークとの間の周波数において、図３に示すように、電圧印加後の位相特性（細線）が電圧印加前の位相特性（太線）以下となる領域を指す。バンド幅が広ければ広いほど、Ｑ値の、電圧印加後に共振の影響を受けない領域が増えることとなり好ましい。
【００２１】
ここで、図５，図６に、上部電極層の密度を誘電体層の密度に対して変化させたときの基本ピーク周波数および基本バンド幅の変化を、誘電体層を圧電体層として扱って一次元シミュレーションした結果を線図で示す。図５において、横軸は誘電体層に対する上部電極層の密度比（単位：無次元）を、縦軸は基本ピーク周波数（単位：ＧＨｚ）を示している。また、図６において、横軸は誘電体層に対する上部電極層の密度比（単位：無次元）を、縦軸は基本バンド幅（単位：ＧＨｚ）を示している。
【００２２】
図５および図６から明らかなように、誘電体層に対する上部電極層の密度比を小さくすることにより、飛躍的に基本ピーク周波数を高くし、かつ基本バンド幅を大きくすることができる。
【００２３】
このように、誘電体層に対する上部電極層の密度の大きさを小さくする、すなわち誘電体層の密度を、上部電極層の密度に比べて小さくすることで、広範な周波数範囲において、電圧印加によるＱ値の低下を抑制した可変容量素子を提供できるので、誘電体層の材料や膜厚等を、チューナビリティ，Ｑ値等に着目して選択することができるようになり、設計の自由度が高まり、その結果、高性能の可変容量素子を提供することができる。
【００２４】
これまでは、特に高いＱ値をもった可変容量素子を得るためには、誘電体層の材料系、組成、膜質、厚みおよび電極材料やその厚みなどを適切に組み合わせなければならならず、その構成は限られていた。また、容量を可変させるため電圧を印加すると、圧電性による共振が生じ、電圧印加後のＱ値はその共振の影響を受け、大きく低下するという課題があった。また、たとえ電圧印加後のＱ値が低下しない周波数領域になるように各層の材料，厚み等を設定したとしても、その使用周波数範囲は限られていた。しかし、本発明により、使用周波数が隣合うピーク間に位置するように設定することが容易となり、設計の自由度が高まるとともに、印加電圧にかかわらず、広い周波数範囲で高いＱ値を得ることが可能となった。
【００２５】
ここで、特に、誘電体層がチタン酸バリウムストロンチウムのときには、誘電損失が低いのでＱ値が高く、かつ容量可変率の大きいものとなる。また、上部電極層がアルミニウムであるときには、低抵抗で密度が低いことから、電極としての損失が少ないのでＱ値が高く、かつ基本ピーク周波数を高くし、基本バンド幅を広くすることができるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２７】
図７は本発明の可変容量素子の実施の形態の一例を示す断面図である。
【００２８】
図７において、１は支持基板であり、２は下部電極層であり、３は誘電体層であり、４は上部電極層であり、上部電極Ａ層４Ａと，上部電極Ｂ層４Ｂとを含む。５は絶縁層であり、６は保護層であり、７Ａ，７Ｂは端子電極層であり、８は半田拡散防止層であり、９Ａ，９Ｂは半田端子である。なお、容量形成領域は、誘電体層３を下部電極層２と上部電極層４Ａとで挟持している対向部分である。このような高誘電率薄膜を用いた容量形成領域の構造は、可変容量素子に限ったものではなく、デカップリングコンデンサやＤＲＡＭなどの薄膜コンデンサにも適用されるものである。使用周波数範囲としては、例えば、携帯電話で使用される周波数１．７〜２．１ＧＨｚが挙げられ、この範囲で電圧印加によるＱ値が低下しないことが好ましい。
【００２９】
ここで、上部電極Ａ層４Ａまたは上部電極Ａ層４Ａ，上部電極Ｂ層４Ｂと下部電極層２とへの電圧印加により生じる可変容量素子のインピーダンスの位相特性が、入出力される信号の周波数に応じた周期的なピークを有する。このピークは、位相極大点を指し、印加される電圧が大きくなるほど容量の変化に応じて大きくなり、位相特性が−９０°近傍の値からゼロに近づくものである。また、ピーク周期は、隣り合う２つのピーク周波数をそれぞれｆａ，ｆｂとしたときに｜ｆａ―ｆｂ｜がおおよそ０．１ＧＨｚ以上１ＧＨｚ以下の間隔にある。なお、この周期性は実施例から求めた概算であり、ノイズのピークと区別するために説明した。
【００３０】
本発明の可変容量素子によれば、誘電体層３の密度が上部電極層４の密度に比べ大きいことから、インピーダンスの位相特性が周期的なピークを有する場合であっても、この位相特性の基本ピーク周波数を高周波化させ、バンド幅を広くさせることができるので、広い周波数範囲で位相特性に影響されることなく、電圧印加前後でＱ値の劣化のないものとすることができる。
【００３１】
＜基板＞
支持基板１は、Ａｌ２Ｏ３，ＭｇＯ，ＬａＡｌＯ３，ＳｒＴｉＯ３，Ｓｉ基板上にＳｉＯ２を積層したもの（ＳｉＯ２／Ｓｉ），などが使用可能であり、基体１上に形成する誘電体層３の表面が平滑になるために、十分な平坦度を保有していることが好ましい。絶縁性を有するものであれば特に材料を限定するものではないが、厚み縦振動を基板厚みによって励振しないような構成となるよう考慮する必要がある。
【００３２】
＜下部電極層＞
この支持基板１上に、下部電極層２が形成されている。下部電極層２を構成する導体材料としては、高Ｑ値化のために、抵抗の小さな金属を用いる必要があり、銅、アルミニウム、金、銀などが挙げられるが、その上に高誘電率薄膜である誘電体層３を形成する過程において、高温の熱履歴を伴うとき、高誘電率薄膜に拡散したり、反応したりしてリーク電流が増大するといった問題が発生する可能性がある。したがって、反応や拡散を生じにくい白金、パラジウムなどを用いることが望ましい。膜厚は薄くした方が、基本ピーク周波数が高くなるため、使用周波数においてその影響を排除することが可能となり好ましいが、薄くすると高抵抗な材料においては電極による損失が増大することとなり、そもそもの電圧印加前のＱ値が低いといった問題が発生するため、両者を考慮して設定する必要がある。これらは、スパッタ法、真空蒸着法などの気相合成法により作製して得られ、フォトレジストをマスクとしたとドライエッチングとにより加工される。
【００３３】
なお、外部回路との接続を容易にするために、下部電極層２を半田端子９Ａが形成される容量形成領域の外側まで延ばして形成することが望ましい。また、半田端子９Ａ，９Ｂの高さを揃えるために、半田端子９Ｂが形成される位置において、下部電極層２と同じ材料を用いて同じ厚みで、下部電極層２と絶縁された導体層を形成しておくことが望ましい。
【００３４】
＜誘電体層＞
誘電体層３の材料としては、高い誘電率を持つものが好ましく、しかも、印加電圧により、その誘電率が大きく変化し得る誘電体材料、例えばＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３などのペロブスカイト型酸化物が挙げられる。特に、チタン酸バリウムストロンチウムを用いると、誘電損失が低いのでＱ値が高く、かつ容量可変率の大きいものとなるので好ましい。
【００３５】
ここで、誘電体層３は、もともと圧電性を有し、直流電圧および高周波信号の印加によりその圧電性が強められるような材料でもよいし、もともとは圧電性を有しないが、直流電圧の印加または直流電圧および高周波信号の印加によりその圧電性が発現するような材料でもよく、要は直流電圧および高周波信号を印加した状態で圧電性を示す材料であればよい。この圧電性により誘電体層３が音響波を発するものとなる。
【００３６】
このような材料からなる誘電体層３は、ゾルゲル法等の溶液法やスパッタ法やＣＶＤ法、レーザーアブレーション法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法などの気相合成法等薄膜作製手法により形成することができる。誘電体層３は、例えば、下部電極層２の表面を覆うように形成され、その後、少なくとも容量形成領域を除いてウエットエッチングまたはドライエッチングにより除去される。誘電体層３の膜厚は、薄いほど基本ピーク周波数が高くなるため、使用周波数においてその影響を排除することができるため好ましく、また、薄ければ薄いほど電界強度が大きくなるため、高チューナビリティ特性が得られるという利点がある。一方で、膜厚が薄い場合には、リーク電流が増大したり、実効比誘電率が低下するといった問題が発生するため、適宜膜厚を設定する必要がある。
【００３７】
＜上部電極Ａ層＞
上部電極Ａ層４Ａを構成する導体材料として、密度が誘電体層３より小さいことが求められる。これは、誘電体層３の密度に依存するが、例えば、密度が低いＡｌ，Ｍｇ，Ｔｉなどが挙げられる。特にＡｌ（アルミニウム）を用いたときには、低抵抗で密度が低いことから、電極としての損失が少ないのでＱ値が高く、かつ基本ピーク周波数を高くすることができるので好ましい。ただし、これらの材料に限るものではなく、本来密度の高い材料を用いて、例えば成膜時の圧力を低くするなどして、形成方法などにより密度の低い層を構成してもよい。このような材料が誘電体層３直上に用いられていればよく、これ以外の材料と組み合わせて別の導電材料を順次積層することは可能である。厚みについては、高Ｑ化のために下部電極層２と同様に設定されるが、後述する上部電極Ｂ層４Ｂと一体で考慮すればよい。
【００３８】
このように、上部電極Ａ層４Ａの密度が、誘電体層３の密度に比べて小さいものとすることにより、基本ピーク周波数を高くし、かつ基本バンド幅を大きくすることができる。このため、使用周波数範囲において、電圧印加によるＱ値の低下がない周波数範囲とすることが容易となる。すなわち、誘電体層３に対する上部電極Ａ層４Ａの密度の大きさを小さくすることで、広範な周波数範囲において、電圧印加によるＱ値の低下を抑制した可変容量素子を提供できるので、誘電体層３を、チューナビリティ，Ｑ値等に着目して選択することができるようになり、誘電体層３の材料としての自由度が高まり、その結果、高性能の可変容量素子を提供することができる。
【００３９】
また、図７に示す通り、下部電極層２の上面内に誘電体層３が配置され、誘電体層３の上面内に上部電極Ａ層４Ａが配置されていることが好ましい。この場合には、上部電極Ａ層４Ａを含めた下部電極層２、誘電体層３を同一バッチで、大気に曝すことなく形成し、上部に位置する層から順次所望の形状にパターニングすることができるので、各層の界面における異物や油脂などの余分な付着を防ぐことができ、密着性が改善され、水分の侵入などを防止することができる。このため、耐湿性を大幅に改善することができ、安定した特性を生み出すことが可能となる。
【００４０】
＜絶縁層＞
絶縁層５はこれらの構造を全て覆うように成膜され、上部電極Ｂ層４Ｂと下部電極層２との絶縁の確保および両者間に発生する寄生容量を小さくするために必要である。絶縁層５の材料としては、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）やポリイミドなどの有機材料やＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４などの無機材料で、絶縁性を有し、寄生容量を小さくするために低誘電率であるほうが望ましい。これらの材料からなる絶縁層５の成膜方法は、複雑な立体形状を持つ下地に対しても比較的均一な膜厚が得られるＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が好ましい。また、絶縁層５には、後から形成する上部電極Ｂ層４Ｂを上部電極Ａ層４Ａに電気的に接続するために、フォトレジストをマスクとしたドライエッチングにより上部電極Ａ層４Ａ直上に開口部を形成することが好ましい。また、容量形成領域の外側に延びる、半田端子９Ａ形成位置の下部電極層２の一部及び半田端子９Ｂ形成位置の導電層の上面を内部に露出させる開口部も同時に形成することが望ましい。
【００４１】
＜上部電極Ｂ層＞
次いで、上部電極Ｂ層４Ｂを形成する。上部電極Ｂ層４Ｂは、絶縁層５の開口部に露出する上部電極Ａ層４Ａと一方の端子電極層７Ｂとを接続するものである。材料としては、密度が誘電体層３より小さいことが好ましいが、本発明の実施においては、少なくともこのような材料が誘電体層３直上の上部電極Ａ層４Ａに用いられていればよく、上部電極Ｂ層４Ｂにおいては、これ以外の材料と組み合わせた積層構成としてもかまわない。例えば、Ａｕ，Ｃｕなどの低抵抗な金属を用いてもよく、この場合には電極による抵抗を小さくすることができるので、損失の小さい可変容量素子を提供できるので好ましい。また、絶縁層５との密着性を考慮して、Ｔｉ、Ｎｉなどの密着層を使用することは、上部電極Ｂ層４Ｂの抵抗を大きく増大させず、音響的質量負荷が小さい範囲内で差し支えない。
【００４２】
＜端子電極層＞
次に、端子電極層７Ａ，７Ｂを半田端子９Ａ形成位置における下部電極層２の上および半田端子９Ｂ形成位置に形成された導電層の上に形成する。端子電極層７Ａ，７Ｂは、導電性を有する材料であれば特に限定はないが、上部電極Ｂ層４Ｂをパターニングする際に同時に形成されるように、上部電極Ｂ層４Ｂと同時に、同一材料で形成することが望ましい。この場合には、上部電極Ｂ層４Ｂの一部に端子電極層７Ｂの機能を持たせることとなる。
【００４３】
＜保護層＞
次に、これらの構造全体を覆うように保護層６を形成する。保護層６は、端子電極層７Ａ，７Ｂの一部を露出するように形成される。保護層６は、素子を外部から機械的に保護するほか、湿度や酸素との化学反応による素子材料の劣化や、ゴミなどの異物の付着による汚染、実装時の破損による劣化、薬品等による汚染、酸化等から保護する。材料としては、耐熱性が高く、段差に対する被覆性に優れたものが良く、振動を不要に励振することがないように考慮する必要がある。具体的には、ポリイミドやＢＣＢなど有機系の熱硬化材料もしくは光硬化材料が用いることができる。
【００４４】
＜端子＞
半田拡散防止層８は、保護層６に露出する端子電極層７Ａ，７Ｂ上に配置され、半田端子９Ａ，９Ｂ形成の際のリフローや実装の際に、電極層２，４Ａ，４Ｂ，７Ａ，７Ｂへの半田の拡散を防止するために形成される。材料としては、Ｎｉが好適である。また、半田拡散防止層８の表面には、半田濡れ性を向上させるために、半田濡れ性の高いＡｕ，Ｃｕなどを０．１μｍ程度形成する場合もある。最後に、この上に半田端子９Ａ，９Ｂを形成する。これは、実装を容易にするために設けるものであり、半田ペーストを印刷後、リフローを行い形成する。
【００４５】
＜評価＞
このように作製した可変容量素子の実際のインピーダンス測定は、例えば、評価する可変容量素子をセットしたテストフィクスチャー（Ａｇｉｌｅｎｔ社製、型番１６１９７Ａ）とインピーダンスアナライザー（Ａｇｉｌｅｎｔ社製、型番Ｅ４９９１Ａ）とを接続して、可変容量素子に高周波信号を入力して測定すればよい。また、誘電体層３、上部電極層４の密度は、例えばラザフォード後方散乱分析（ＲＢＳ）により測定すれば良い。
【００４６】
＜まとめ＞
以上のような本発明の可変容量素子は、下部電極層と、上部電極層と、下部電極層と上部電極層とに上下から挟まれ、上部電極層の密度に比べ大きい密度を有する誘電体層とを含み、下部電極層と上部電極層とへの電圧印加により生じるインピーダンスの位相特性が、入出力される信号の周波数に応じた周期的なピークを有するとともに、その隣合うピークの間に信号の周波数が位置することを特徴とする。このような構成により、可変容量素子の、基本ピーク周波数を高周波側にシフトさせることができるとともに、基本バンド幅を広くすることができるので、直流電圧の印加後であっても、Ｑ値が共振の影響をうけない周波数範囲を広くすることができる。このような構成の可変容量素子を、高周波部品の共振回路の一部（ＬＣ共振回路の容量成分）として用いたり、また、この共振回路を結合する容量成分として用いたりすることができる。また、電圧制御型高周波共振回路部品や、その共振回路の複合部品である電圧制御型高周波フィルタ、電圧制御型整合回路素子および電圧制御型薄膜アンテナ共用器などの高周波部品に適用が可能である。
【００４７】
なお、下部電極層２と誘電体層３との密度，音速，音響インピーダンスの関係を変化させて確認した結果、上部電極層２と誘電体層３との密度，音速，音響インピーダンスの関係を変化させた場合に比べて著しく効果の劣るものとなる。この原因は未だ明らかではないが、下部電極層２は支持基板１と接していることが影響しているものと考えられる。このことから、本発明は、振動部の中でも、特に上部電極層４と誘電体層４との密度，音速，音響インピーダンスの関係を変化させることにより始めて広い周波数範囲で高いＱ値を得ることが可能となる。
【実施例】
【００４８】
本発明の実施例として、図７に示す可変容量素子を参照しつつ、周波数１．９ＧＨｚ近傍で使用する可変容量素子の各層構成および材料、膜厚を以下のとおり設定し、周波数１．９ＧＨｚ近傍で共振の影響による周期的な位相の変化を抑制できることを確認した。これは、Ｑ値の低下が抑制できることを意味している。
【００４９】
支持基板１としてのサファイア基板上に、下部電極層２としてＰｔを厚さ２μｍに、誘電体層３として（Ｂａ０．５Ｓｒ０．５）ＴｉＯ３からなるターゲットを用い、厚さ０．３μｍに、上部電極Ａ層４Ａとして、誘電体層３と上部電極Ａ層４Ａとの密度比、音響インピーダンス比、音速比がそれぞれ０．８３、１．１、１．４となる導電材料を厚さ０．１μｍに、順次スパッタ成膜した。そして、フォトリソグラフィ工程により上部電極Ａ層４Ａ、誘電体層３、下部電極層２を順次それぞれドライエッチング、ウエットエッチングによりパターニング加工した。なお、下部電極層２をパターニング加工する際には、下部電極層２が容量形成領域を超えて半田端子９Ａ形成位置まで延ばして配置されるようにするとともに、半田端子９Ｂ形成位置において、下部電極層２と離間して導電層が形成されるようにした。次に、上部電極Ａ層４Ａ，高誘電率の誘電体層３，下部電極層２の上から支持基板１の上面にかけて、プラズマＣＶＤ法により非晶質の二酸化珪素からなる絶縁層５を成膜した。続いて全面にレジスト膜を被覆し、フォトリソグラフィによりフォトレジスト膜に矩形状の孔を開口した後、フォトレジスト膜をマスクとして上部電極Ａ層４Ａ上，半田端子９Ａ形成位置の下部電極層２上、および半田端子９Ｂ形成位置の導電層上に位置する絶縁層５を反応性イオンエッチングにより選択的に除去した。これにより半田端子９Ａ，９Ｂ取り出し用の開口部および上部電極Ａ層４Ａに上部電極Ｂ層４Ｂを接続するための開口部が形成された。開口部の形状は矩形状，円形状，多角形状，楕円形状等、適宜設定できる。
【００５０】
次に、これらの構造を全て覆うように、上部電極Ｂ層４Ｂとして、Ａｌを厚さ０．９μｍに成膜し、パターニング加工した。ここで、絶縁層５の開口部に露出する上部電極Ａ層４Ａから半田端子９Ｂ形成位置の開口部に露出する導電層の間を接続するようにパターニングし、上部電極Ｂ層４Ｂの一部に端子電極層７Ｂとしての機能を持たせた。また、これと同時に、半田端子９Ａ形成位置に露出する下部電極層２上にも、上部電極Ｂ層４Ｂと同一材料，同一厚みからなる端子電極層７Ａを形成するようにパターニングを行なった。
【００５１】
次に、これらの構造を全て覆うように保護層６として、感光性のベンゾシクロブテン樹脂を、スピンコート法にて２μｍの厚さに成膜し、半田端子９Ａ，９Ｂ形成位置に開口部を形成するようにパターニングした。
【００５２】
次に、保護層６の開口部に露出する端子電極層７Ａ，７Ｂ上に、Ｎｉ、Ａｕの順で２層の金属膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術を用いて、不要な部分を除去した。この２層の金属膜の内、Ｎｉから成る層は半田拡散防止層８としての機能を有し、この上に形成される半田の電極層への拡散を防ぐため設けた。また、Ａｕからなる層は表面酸化を防ぎ、また半田との濡れ性を良くするために設けられたものである。
【００５３】
最後に、この上に、鉛フリー半田を用いて印刷、リフロー法により半田端子９Ａ，９Ｂを形成し、可変容量素子を得た。
【００５４】
このようにして、下部電極層２と半田端子９Ａが電気的に接続され、上部電極層４Ａと半田端子９Ｂが電気的に接続された。
【００５５】
図８に、本実施例の構成に基づく可変容量素子の電圧印加後のインピーダンス特性と位相特性を一次元シミュレーションした結果を示す。図８において、横軸は周波数（単位：ＧＨｚ）を、縦軸は、左側がインピーダンス（単位：Ω）を、右側が位相（単位：ｄｅｇ）を、それぞれ示し、太線がインピーダンス特性と、細線が位相特性をそれぞれ示す。図８からも明らかなように、可変容量素子の使用周波数１．９ＧＨｚ近傍の位相特性において、ピーク周波数はなく、基本ピーク周波数は約１．１ＧＨｚ、バンド幅は、１．７６−２．１７ＧＨｚの周波数範囲で約４００ＭＨｚと広く、隣合うピークの間に使用する高周波信号の周波数が位置しており、良好な特性を有していることがわかる。
【００５６】
これに対して、比較例として、上記実施例と同じ１．９ＧＨｚで使用する可変容量素子において、上部電極Ａ層４Ａの密度を誘電体層３より小さくすることなく形成した従来の可変容量素子のシミュレーション結果を図９に示す。この構成は、本発明の実施例と上部電極層４のみが異なり、上部電極Ａ層４Ａには、誘電体層３との密度比、音響インピーダンス比、音速比がそれぞれ、３．９、２．９１、０．７５の導電材料を使用し、膜厚を０．１μｍとした。また、上部電極Ｂ層４Ｂには、実施例と同様にＡｌを使用し、膜厚を１．２μｍとした。それ以外は実施例と同じである。膜厚を変更した理由は、共に可変容量素子の使用周波数１．９ＧＨｚ近傍の位相特性が、バンド幅内（バンド周波数範囲）となるように設定したためである。図９において、横軸は周波数（単位：ＧＨｚ）を、縦軸は、左側がインピーダンス（単位：Ω）を、右側が位相（単位：ｄｅｇ）を、それぞれ示し、太線がインピーダンス特性と、細線が位相特性をそれぞれ示す。図９からも明らかなように、基本ピーク周波数は約１．１ＧＨｚで図８とほぼ同じであるが、２次ピーク周波数との間隔が狭く、バンド幅は、１．９２−２．０２ＧＨｚの周波数範囲で約１００ＭＨｚと１／４に狭まっていることがわかる。なお、シミュレーション結果が、実測結果である図１のように、周波数が高くなるに連れて位相がゼロに近くなる傾向を示していない理由は、損失を考慮しておらず、即ち位相がー９０度となるためである。
【００５７】
これにより、本発明の可変容量素子において、従来よりも広い周波数範囲で、電圧印加後の周期的な位相の変化（Ｑ値の低下）が抑制されることを確認できた。なお、以上はあくまで本発明の実施の形態の例示であって、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や改良を加えることは何ら差し支えない。
【００５８】
このようなＢＳＴ材料系における圧電性は、本来小さな圧電定数であるため、また、容量素子が音響的にアイソレートされていないために圧電薄膜共振子にみられるような大きな位相変化ではなく、位相特性の変化は非常に小さなものである。このような位相特性の変化に伴うＱ値の周期的な減少は、高いＱ値を達成したときに確認できるもので、特に、高周波、数ＧＨｚ帯における高いＱ値を達成するためには、電極による損失を低減すると同時に、高誘電率薄膜の誘電損失も低減しなければならない。よって、このような可変容量素子におけるＱ値の電圧印加後の周期的な低下は、発明者らが、鋭意、高周波において高Ｑ化を図った結果確認されたものであり、この知見に基づき本発明はなされている。
【００５９】
以上、本発明の可変容量素子によれば、下部電極層と、上部電極層と、下部電極層と上部電極層とに上下から挟まれ、上部電極層の密度に比べ大きい密度を有する誘電体層とを含み、下部電極層と上部電極層とへの電圧印加により生じるインピーダンスの位相特性が、入出力される信号の周波数に応じた周期的なピークを有するとともに、その隣合うピークの間に信号の周波数が位置することにより、広い周波数範囲においてＱ値が電圧印加前と比べて低下することがなくなって、電圧印加にかかわらず、高いＱ値を得ることができる。
【００６０】
また、本発明によれば、Ｑ値以外の多くの要求性能を満たすために、若干の圧電性を有する高誘電率薄膜材料を用いても、高いＱ値を電圧印加にかかわらず得ることができる可変容量素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】従来の可変容量素子の位相特性の周波数依存性を示す特性図である。
【図２】従来の可変容量素子のＱ値の周波数依存性を示す特性図である。
【図３】ピーク周波数とバンド幅を説明するための位相特性の周波数依存性を示す特性図の拡大図である。
【図４】本発明の可変容量素子の容量形成領域を模式的に説明するための断面図である。
【図５】本発明の可変容量素子における、基本ピーク周波数に対する上部電極層と誘電体層との密度比の依存性を示す線図である。
【図６】本発明の可変容量素子における、基本バンド幅に対する上部電極層と誘電体層との密度比の依存性を示す線図である。
【図７】本発明の可変容量素子の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図８】本発明の可変容量素子の実施例における、位相特性の周波数依存性を示すシミュレーション結果である。
【図９】従来の可変容量素子の比較例における、位相特性の周波数依存性を示すシミュレーション結果である。
【符号の説明】
【００６２】
１・・・支持基板
２・・・下部電極層
３・・・誘電体層
４Ａ・・・上部電極Ａ層
４Ｂ・・・上部電極Ｂ層
４・・・上部電極層
５・・・絶縁層
６・・・保護層
７Ａ，７Ｂ・・・端子電極層
８・・・半田拡散防止層
９Ａ，９Ｂ・・・半田端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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