(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板上に下部電極層、ＢａｘＳｒ1-xＴｉＯ3におけるｘの範囲が０．４から０．６であり、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の製造方法において、
前記支持基板上に、（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を形成し、次に、全誘電体層の厚みの１／２以下の厚みの下部誘電体層をスパッタ法により形成するとともに、熱処理により（１１１）面に配向させ、次に前記下部誘電体層上に上部誘電体層をスパッタ法により形成することで前記下部誘電体層と前記上部誘電体層とを合わせた誘電体層を形成し、その後、上部電極層を被着形成することを特徴とする可変容量コンデンサの製造方法。
【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、高周波動作においても誘電損失が小さい誘電体層を具備する可変コンデンサ及びその製造方法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）。
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。そのよう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）。
【０００５】
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）。
【０００６】
【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の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。
【０００７】
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コンデンサを提供することである。
【０００８】
また、別の目的は、長時間の熱処理を必要とせず、短時間に且つ安価に酸素の格子欠陥が少ない誘電体層を有する可変コンデンサの製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の可変容量コンデンの製造方法により得た可変容量コンデンサは、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、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、その結晶粒子が（１１１）面に配向している。
【００１０】
尚、前記誘電体層を構成するペロブスカイト型酸化物が、（BaxSr1-x）TiO3におけるｘの範囲が０．４から０．６である。
【００１１】
さらに、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が膜厚方向に長い柱状晶であり、その結晶粒子の膜面方向の平均粒径が０．５μm以下である。
【００１２】
さらに、前記下部電極層が、（１１１）面に配向しており、しかも、Pt、Auまたはそれらの固溶体からなる。
【００１３】
また、可変容量コンデンサの製造方法では、支持基板上に、（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を形成し、次に、全誘電体層の厚みの１／２以下の厚みの下部誘電体層を形成し、熱処理により（１１１）面に配向させ、次に、前記下部誘電体層上に上部誘電体層を形成し、その後、上部電極層を被着形成するものである。
【００１４】
本発明は、誘電体層であるBST薄膜のスパッタ後の熱処理による酸素の格子欠陥の抑制は、膜厚が十分薄ければ短時間で済むことを見いだしたものである。また、この薄い酸素の格子欠陥を抑制した層を下部誘電体層とし、結晶構造が膜厚方向に柱状に成長する。このようにすれば、下部電極層上に直接誘電体層を成膜する場合よりも酸素の格子欠陥が少なく誘電損失が抑制された誘電体層が得られる。さらに、具体的には、誘電体層を形成する基板上に下部電極層をPt、Auまたはそれらの固溶体としスパッタで形成することにより、面芯立方格子であるこれらの金属は（１１１）面に配向する。この状態で、この上に形成したBSTの下部誘電体層も（１１１）面に配向させることができる。
【００１５】
即ち、本発明の可変容量コンデンサは、前記誘電体層の膜厚が１μm以下であり、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、その結晶粒子が（１１１）面に配向している。また、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。このような誘電体層は、基板上に、下部電極層として、（１１１）面に配向したPt、Auまたはそれらの固溶体からなっている。
【００１６】
これにより、酸素の格子欠陥が少ない誘電体層を有する可変コンデンサを提供することができ、しかも、長時間の熱処理を必要とせず、短時間に且つ安価に酸素の格子欠陥が少ない誘電体層を有する可変コンデンサの製造方法を製造することができる。
【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３１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３２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】
誘電体層３１、３２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り、該結晶粒子が（１１１）面に配向して形成される。この誘電体層３１、３２に外部制御電圧を印加することにより、誘電体層３１、３２自身の誘電率を可変制御することができる。尚、この誘電体層３１、３２を構成するペロブスカイト型酸化物において（BaxSr1-x）TiO3におけるｘの範囲が０．４から０．６である。ここでｘの範囲が０．４以下ではSrTi3の影響が大きくなり上述の外部制御電圧を印加した時の誘電率の変化率が小さくなる。また、０．６以上ではBaTiO3の影響が大きくなり温度特性が劣化するからである。
【００２２】
この誘電体層３１、３２の膜厚は１μm以下が好ましく、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、薄膜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、誘電体層３１、３２は、下部誘電体層３aと上部誘電体層３ｂの積層構造となっている。下部誘電体層３ａは、誘電体層３１、３２自身の配向方向を決定するための層であり、上部誘電体層３ｂは、下部誘電体層３ａの配向に追随して形成される誘電体層である。尚、下部誘電体層３ａの厚みは、誘電体層３１、３２全体の１／２以下、例えは、０．５μｍ以下の厚みとなっている。上部誘電体層３ｂの厚みはその残部の厚みとなる。
【００２５】
また、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。
【００２６】
誘電体層３１、３２の誘電体結晶粒子の平均粒径を０．５μm以下としたのは、誘電体層３１、３２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、結果として損失が大きくなるからである。
【００２７】
ここで、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。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。先ず下部誘電体層３ａを形成する。下部誘電体層３ａは誘電体層３１、３２と同一組成のターゲットを用いて作製し、下部誘電体層３ａの厚みは誘電体層全体の１／２以下とする。スパッタを行なうためにターゲットと基板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支持基板１を加熱する。スパッタ中に基板に堆積した下部誘電体層３ａとなる誘電体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。スパッタ終了後、チャンバーから支持基板１を取り出し、大気炉で７００℃〜１０００℃で数分から１時間程度の熱処理を行なう。ここで下部誘電体層３ａの厚さを全体の１／２以下としたのは、これ以上厚いと長時間の熱処理を必要とするからであり、熱処理時間の短縮のためには下部誘電体層３ａの厚さは、全体の誘電体層３１、３２の1／１０程度以下が望ましい。
【００２８】
そして、上述のように下部電極層２１、２２が（１１１）に配向したPt、Auまたはそれらの合金であるため、上述の熱処理された下部誘電体層３ａの配向は、（１１１）配向となる。
【００２９】
次に上述の下部誘電体層３ａ上に、所定の膜厚の誘電体層３１、３２を得るため、同一条件で再度スパッタを行なう。このように上部誘電体層３bは、上述のように（１１１）面が配向した下部誘電体層3a上に形成されるため、この配向に追随して上部電体層3bも、熱処理することなく（１１１）配向した誘電体層３ｂとなる。即ち、下部誘電体層3a、上部誘電体層3bとからなる誘電体層３１、３２は、全体として、（１１１）面が配向した誘電体層となる。
【００３０】
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。
【００３１】
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1μm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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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の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。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。
【００３５】
【実施例】
支持基板１としてサファイアR基板上に、下部電極層としてPtを、基板温度６００℃でスパッタ法により形成した。その上に(BaxSr1-x)TiO3（ｘは０．４から０．６）からなるターゲットを用いてBSTの下部誘電体層３ａを形成した。基板温度は６００℃、成膜時間は４分で、スパッタ装置から取り出し後、大気中で９００℃６０分の熱処理を行なった。さらにその上に同一条件で４０分のスパッタを行ないBSTの上部誘電体層３ｂを形成した。最後に上部電極４１、４２としてAu電極層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。
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および下部誘電体層３a、上部誘電体層3ｂとからなる誘電体層３１、３２の配向を調べた。
【００３６】
また、断面SEMおよび断面TEM観察により、誘電体層３１、３２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。損失は１００MHzでの値を表１に示した。誘電率の変化率は１０V印加時の値を測定した。
【００３７】
【表１】
0005093946.tif 000002
【００３８】
比較例としてBSTの下部誘電体層を形成しない、即ち、一連の工程で誘電体層を形成したものである（試料番号４、５）。そして、さらに、この一連の工程で誘電体層全体に長時間（９００℃、６００分）の熱処理を行なった（試料番号５）。
【００３９】
その結果、下部電極層２１、２２はすべての試料で（１１１）面に配向していた。
【００４０】
また、試料番号１〜３のようにBSTの誘電体層は熱処理を行なったものは（１１１）面に配向していたが、試料番号４のように、熱処理を行なわないBSTの誘電体層は（１１０）面に配向していた。
【００４１】
BSTの結晶粒子の膜面方向の粒径は、長時間熱処理を行なったもの（試料番号５）では０．５μm以上になっていたが、熱処理を行なわなかったものと短時間の熱処理を行なったもの（試料番号１〜４）では０．５μm以下になっていた。短時間の熱処理により下部誘電体層３aを形成した試料(試料番号1〜3)では損失は１％以下であった。
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、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。
【００４２】
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２１、２２上に、短時間の熱処理により（１１１）面に配向した誘電体層を下部誘電体層として形成した後に、再度、上部誘電体層を形成することにより得られる。
従って、本発明の可変容量コンデンサによれば、従来、酸素の格子欠陥の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、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。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、誘電体層全体で、酸素の格子欠陥が非常に少なく、その結果、損失が非常に少ない誘電体層を有する可変コンデンサとなる。
【００４４】
また、長時間の熱処理を必要とせず、短時間に且つ安価に酸素の格子欠陥が少ない誘電体層を、簡単になることができる。
【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
３ａ・・下部誘電体層
３ｂ・・上部誘電体層
４１、４２、４・・・上部電極層
５・・・保護膜
６、７・・・外部端子
【図１】
0005093946.tif 000003
【図２】
0005093946.tif 000004