JP2003045748A - チューナブル薄膜コンデンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高いＱ値を持ち、信頼性に優れたチューナブル
薄膜コンデンサを提供する。 【解決手段】 基板１上に形成された下部電極層２と、
該下部電極層２上に形成された薄膜誘電体層３と、該薄
膜誘電体層３上に形成された低抵抗導体からなる上部電
極層４と、該上部電極層４上に形成されたＰｔおよび／
またはＰｄからなる密着層５と、該密着層５上に形成さ
れた外部端子７、８保護膜６からなるチューナブル薄膜
コンデンサである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、損失が小さく高周
波動作することができ、特に外部制御電圧の印加により
誘電率が変化する誘電体層を有するチューナブル薄膜コ
ンデンサに関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、常誘電体であるチタン酸ストロンチ
ウム（ＳｒＴｉＯ₃）薄膜や、強誘電体であるチタン酸
ストロンチウムバリウム（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃薄膜で
は、その誘電体薄膜に所定電圧を印加することにより、
非線形な誘電率変化が見られることが知られている（A.
Walkenhorst et al.,Appl.Phys.Lett.60(1992)1744やCe
m Bascri et.al.,J.Appl.Phys 82(1997)2497）。

【０００３】これらチタン酸ストロンチウムやチタン酸
ストロンチウムバリウム等のペロブスカイト構造強誘電
体酸化物薄膜を誘電体層として用いたチューナブル（容
量可変型）薄膜コンデンサが提案されている（特開平１
１−２６００６６７号など）。

【０００４】これらのチューナブル薄膜コンデンサで
は、図２の断面図に示すように、支持基板上２１上に、
下部電極層２２、誘電体層２３、上部電極層２４とを順
次被着形成していた。具体的には、支持基板２１上に下
部電極層２２となる導体層を、支持基板２１の略全面に
被着形成した後、パターン加工を行い、所定形状の下部
電極層２２を形成する。次に、下部電極層２２上に誘電
体層２３を形成する。この誘電体層２３は、所定位置に
マスクを載置して薄膜技法により形成したり、また、ス
ピンコート法により誘電体層を形成し、その後、所定形
状にパターンニングする。尚、必要に応じて加熱硬化を
行なう。上部電極層２４は、誘電体層２３上に上部電極
層２４となる導体層を形成した後、パターン加工を施し
ていた。尚、ここで、誘電体層２３のうち、実際に下部
電極層２２と上部電極層２４とで挟持される対向領域が
容量発生領域となる。

【０００５】そして、この容量発生領域の誘電体層２３
には、下部電極層２２と上部電極層２４との間に供給さ
れる外部制御電圧によって、誘電体層２３のもつ誘電率
が変化する。

【０００６】従って、両電極層２２、２４との対向面
積、誘電体層２３の厚みを一定とすると、外部制御電圧
を所定電圧とすることにより両電極層２２、２４間で得
られる容量値が可変できる。

【０００７】また、図３に示すチューナブル薄膜コンデ
ンサにおいては、下部電極層２２と上部電極層２３との
短絡を防止するために、上部電極層２３から支持基板２
１上に延出するにあたり、エアブリッジ２５構造となっ
ている。即ち、上部電極層２４から支持基板２１上に延
出するにあたり、誘電体層２３の周囲に空間が形成され
ている。

【０００８】この空間は、例えば、熱処理などにより形
成される有機レジスト部材を形成し、その後上部電極層
２４を形成し、熱処理により形成することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このようなチューナブ
ル薄膜コンデンサにおいて、上部電極層２４はエアブリ
ッジ構造２５になっているため電極長が大きくなり導体
損が大きくなってしまっていた。また、エアブリッジ構
造特有の湾曲した形状のため自己インダクタンスが大き
く、そのため、fo＝１／２（ＬＣ）^1/2で規定される自
己共振周波数が小さく動作周波数が低域に限定されると
いう問題があった。

【００１０】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、自己共振周波数が高いチュ
ーナブル薄膜コンデンサを提供することにある。

【００１１】また、別の目的は、保護膜の密着が良好で
信頼性が高いチューナブル薄膜コンデンサを提供する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に形成
された下部電極層と、該下部電極層上に形成された外部
の電圧印加により誘電率が変化する薄膜誘電体層と、該
薄膜誘電体層上に形成された低抵抗導体の上部電極層
と、該上部電極層上に形成された密着層と、該密着層上
に形成されたハンダバンプ、保護膜とから成ることを特
徴とするチューナブル薄膜コンデンサである。

【００１３】また、前記密着層はＰｔおよび／またはＰ
ｄからなる金属層であり、その膜厚が０．０５μｍから
１μｍである。

【作用】本発明は、支持基板上に形成された下部電極層
と、該下部電極層上に形成された薄膜誘電体層と、該薄
膜誘電体層上に形成された低抵抗導体からなる上部電極
層と、該上部電極層上に形成されたＰｔおよび／または
Ｐｄからなる密着層と、該密着層上に形成されたハンダ
バンプ、保護膜からなるチューナブル薄膜コンデンサで
ある。

【００１４】支持基板の上面側を実装面として、ハンダ
バンプを介し、マザーボード上に簡単、且つ確実に実装
することができ、エアブリッジ構造のように不要な電極
の長さによる損失及び自己インダクタンスを低くするこ
とができる。そのため自己共振周波数が大きく高周波域
まで動作可能である。

【００１５】また、上部電極層として例えばＡｕなどの
低抵抗導体を用いるため、一層の電極ロスを低減するこ
とができる。

【００１６】さらに、この上部電極層上にＰｔおよび／
またはＰｄからなる密着層を形成しているため、その上
に形成する保護膜の密着性が良好で、保護膜にクラッ
ク、剥離の発生が押えられる。そのため、信頼性の高い
チューナブル薄膜コンデンサとすることができる。従っ
て、この密着層を設けることにより、保護膜の耐湿信頼
性が高まり、これにより、低抵導体例えばＡｕ、Ａｇな
どのマイグレーションを有効に押えることができる。こ
れは、チューナブルコンデンサは上部電極層、下部電極
層間に所定直流の電圧を印加して誘電体層の誘電率を制
御して利用するが、通常の薄膜コンデンサに比較してマ
イグレーションの発生しやすいコンデンサであるもの
の、密着層の配置により、特に、マイグレーションの発
生を抑え、絶縁抵抗を良好に維持できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明のチューナブル薄膜
コンデンサを図面に基づいて説明する。

【００１８】図１は、本発明のチューナブル薄膜コンデ
ンサの断面を示すものである。図１において、１は支持
基板であり、２は下部電極層であり、３は外部の電圧印
加により誘電率が変化する薄膜誘電体層、４は上部電極
層であり、５は密着層であり、６は保護膜であり、７、
８は外部端子である。尚、下部電極層２は、外部のマザ
ーボードなどと接続する外部端子８と安定して導通でき
るように延出端子配置部２ａを有している。また、この
下部電極層の延出端子配置部２ａ上には、上部電極層４
と同一工程で形成される端子配置部４２、密着層５と同
一工程で形成される端子配置部５２を有している。ま
た、上部電極層４は、外部のマザーボードなどと接続す
る外部端子７と安定して導通できるように延出端子配置
部４１を有している。また、この上部電極層の延出端子
配置部４１上には、密着層５と同一工程で形成される端
子配置部５１を有している。

【００１９】このようなチューナブル薄膜コンデンサに
おいて、容量発生領域が薄膜誘電体層３を下部電極層２
と上部電極層４とで挟持している対向部分である。

【００２０】支持基板１は、絶縁性を有するものであれ
ば何れでも良いが、特にＡｌ₂Ｏ_{3 、}サファイア、ガラ
ス、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃が好適である。

【００２１】この支持基板上１に、下部電極層２及び延
出端子配置部２ａが形成されている。下部電極層２及び
延出端子配置部２ａの導体材料としては、Ａｕあるいは
Ａｇが好適であるが、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕなども適用で
き、その厚みは０．１〜５μｍとなっている。例えば、
０．１μｍよりも小さくなると、電極自身の抵抗が大き
くなると同時に、電極の連続性がなくなり、信頼性が劣
るようになる。一方、５μｍ以上にすると段差被覆不良
（後述する薄膜誘電体層との交差部分で薄膜誘電体層３
が露出してしまう）が発生し、上部電極層４と下部電極
層２が短絡してしまう。

【００２２】薄膜誘電体層３は、スパッタリング等の薄
膜技術により作製される。薄膜技術とは、スパッタリン
グ以外にも真空蒸着、ゾルゲル液を用いたスピンコート
法を含むものである。

【００２３】薄膜誘電体層３の材料としては、高い誘電
率を持つものものが好ましく、しかも、外部の印加電圧
により、その誘電率が変化し得る誘電体材料、例えばＢ
ａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、（Ｂａ Ｓｒ）ＴｉＯ₃などが
挙げられる。

【００２４】薄膜誘電体層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、容量発生領域を除
いて不要部分はエッチングにより除去される。

【００２５】上部電極層４及び端子配置部４１、４２
は、導体材料としては、ＡｕあるいはＡｇを用いて形成
される。尚、その他に、Ａｌ、Ｃｕなども使用できる。
その厚みは０．１〜５μｍとなっている。厚みの下限に
ついては下部電極層２と同様に、電極自身の抵抗を考慮
して設定される。また、上限については上部電極層３を
形成する際の下部に存在する部材との密着応力の集中に
よる剥離の発生を防止するように設定される。

【００２６】また、密着層５及び端子配置部５１、５２
は、導体材料としては、Ｐｔおよび／またはＰｄを用い
て形成される。その厚みは０．０１〜１μｍとなってい
る。密着層５が０．０１μｍ未満では、保護膜６との密
着性を低下してしまう。また、端子配置部５１、５２の
持つ残留応力よる剥離の発生を防止するように設定され
る。

【００２７】また、保護膜６は、端子配置部５１、５２
の一部を露出するように形成されている。保護膜６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。また、これらの材
料の多層構造にしても良い。この保護膜６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。

【００２８】また、外部端子７、８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、保護膜６から
露出する端子配置部５１、５２に、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。

【００２９】本発明のチューナブル薄膜コンデンサは、
上部電極層４は低抵抗導体であり、上部電極層４の電極
の電気抵抗を小さくすることができる。コンデンサのリ
アクタンス成分をＸ、抵抗をＲ、性能指数をＱとすると
Ｑ＝IＸI／Ｒと表させ、電極の抵抗Ｒを小さくすること
でコンデンサのＱ値を大きくすることができる。

【００３０】上部電極層４の低抵抗導体は電気抵抗の点
で優れるが、保護膜６との密着性は良好ではない。その
ため、本発明では、上部電極層４と保護膜６との界面に
密着層５を配置して、両者の密着性を向上させている。

【００３１】これにより、保護膜６が安定して上部電極
層４をはじめ、素子領域を強固に、且つ安定的に保護で
き、コンデンサ全体の耐湿性が向上し、信頼性の高いチ
ューナブル薄膜コンデンサとすることができる。

【００３２】さらに、下部電極２と上部電極層４との間
に外部電圧を印加して、薄膜誘電体層３の誘電率の変化
を利用し、容量特性を可変させているが、上述の耐湿性
の向上とあいまって、特に、上部電極層４の低抵抗導体
材料のマイグレーションを有効に抑えることができ、絶
縁抵抗を一定値以上維持して、リーク電流によるショー
トの発生を防止できる。即ち、耐マイグレーション性に
優れた信頼性の高いチューナブル薄膜コンデンサとする
ことができる。

【００３３】

【実施例】図１に示すチューナブル薄膜コンデンサを作
製した。支持基板１としてサファイア上に、下部電極層
２及び端子配置部２ａとしてＰｔ層０．３μｍをスパッ
タ法で成膜し、Ｐｔ層をフォトリソグラフィ技術で、パ
ターン形成した。具体的には所定形状にレジストを塗布
し、Ａｒイオンによるドライエッチングによりパターニ
ング加工した。

【００３４】続いて、薄膜誘電体層３として（ＢａＳ
ｒ）ＴｉＯ₃をスパッタ法で０．３μｍ成膜し、フォト
リソグラフィ、ウエットエッチング技術により薄膜誘電
体層３をパターニング加工した。

【００３５】続いて、上部電極層４及び端子配置部４
１、４２、密着層５及び端子配置部５１，５２を同一工
程で形成する。即ち、上部電極層４及び端子配置部４
１、４２として、Ａｕ層を1．２μｍ、続いて、密着層
５及び端子配置部５１，５２としてＰｔ層を０．０５μ
ｍをスパッタ法で連続成膜し、その後、下部電極層２及
び端子配置部２ａと同様の方法でパターニング加工し
た。

【００３６】さらに続いて、保護膜６を形成した。最初
にＲＦスパッタリング法で厚み０．２μｍのＳｉＮ膜を
形成し、その後に、スピンコート法でＢＣＢを塗布し、
露光処理により、エッチングして端子配置部５１、５２
を露出するようにパターン加工した。

【００３７】最後に、この端子配置部５１、５２にハン
ダバンプを印刷、リフロー処理し、外部端子７、８をハ
ンダバンプにより形成した。

【００３８】このようにして、作製した容量発生領域の
対向面積は、０．０２mm×０．０１mmとした。

【００３９】チューナブル薄膜コンデンサの電気的特性
を評価した結果、静電容量は２ｐF、自己共振周波数は
５ＧＨｚであった。図２に示す従来のチューナブル薄膜
コンデンサで容量発生領域の対向面積は、０．０２mm×
０．０１mmとしたところ、静電容量は２ｐF、自己共振
周波数は３Ｈｚであった。

【００４０】即ち、本発明のチューナブル薄膜コンデン
サでは、従来例よりも寄生インダクタンスが低減できた
ため、自己共振周波数を高めることができた。また、本
発明のチューナブル薄膜コンデンサにおいて、８５％の
加湿下に一定時間置いたものの絶縁抵抗を測定したとこ
ろ加湿前の絶縁抵抗値と同一であった。

【００４１】尚、比較のために、本発明において密着層
５及び端子配置部５１、５２のないチューナブル薄膜コ
ンデンサを作製し、８５％の加湿下に同一時間置いたも
のの絶縁抵抗を測定したところ、加湿前の絶縁抵抗値の
１０分の１に低下していた。

【００４２】これは、低抵抗の上部電極層4と保護膜６
の密着性が、密着層５の存在により向上し、水分の侵入
を保護膜６が有効に阻止したためである。

【００４３】また、本発明のチューナブル薄膜コンデン
サにおいて、薄膜誘電体層３の誘電率を制御するため
に、外部端子７、８を介して下部電極層２と上部電極層
４との間に外部制御電圧を印加した。外部制御電圧が１
０Ｖの時、薄膜誘電体層３の誘電率が、非印加時に比較
して２６％も減少することができ、さらに外部制御電圧
を上げていくと誘電率もさらに減少し、外部制御電圧が
３０Ｖの時にチューナブル薄膜コンデンサの薄膜誘電体
層３でショートが発生した。

【００４４】これに対して、密着層のないチューナブル
薄膜コンデンサでは、外部制御電圧が１０Ｖの時、薄膜
誘電体層３の誘電率が２６％も減少することができるも
のの、外部制御電圧が２０Ｖの時にチューナブル薄膜コ
ンデンサにショートが発生してしまう。

【００４５】即ち、本発明では、密着層５の形成によ
り、薄膜誘電体層３の耐圧も向上し、外部制御電圧の許
容電圧範囲を広くすることができ、薄膜誘電体層３の誘
電率変化範囲を広くできるチューナブル薄膜コンデンサ
となる。

【００４６】

【発明の効果】本発明のチューナブル薄膜コンデンサ
は、支持基板上に形成された下部電極層と、該下部電極
層上に形成された薄膜誘電体層と、該薄膜誘電体層上に
形成された低抵抗導体からなる上部電極層と、該上部電
極層上に形成されたＰｔおよび／またはＰｄからなる密
着層と、該密着層上に形成されたハンダバンプ、保護膜
からなるチューナブル薄膜コンデンであるため、支持基
板にコンデンサ上面側を実装面として、ハンダバンプを
介し、マザーボード上に簡単、且つ確実に実装すること
ができる。そして、従来のようにエアブリッジなどを有
していないため、上部電極層で不要な電極ロスをなく
し、さらに、自己インダクタンスを低くすることができ
る。即ち、自己共振周波数が大きく高周波域まで動作可
能である。しかも、上部電極層の材料がAuなどの低抵抗
導体を用いているため、電極損失を低減させることがで
きる。

【００４７】上部電極層上にＰｔおよび／またはＰｄか
らなる密着層を形成しているため、その上に形成する保
護膜の密着性が良好で、保護膜にクラック、剥離の発生
が押えられる。そのため、信頼性の高いチューナブル薄
膜コンデンサとすることができる。

【００４８】さらに、この上部電極層上にＰｔおよび／
またはＰｄは、外部制御電圧の印加によるマイグレーシ
ョンを押える効果もあるため、信頼性の高いチューナブ
ル薄膜コンデンサとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のチューナブル薄膜コンデンサの断面図
である。

【図２】従来のチューナブル薄膜コンデンサの断面図で
ある。

【図３】図２に示したチューナブル薄膜コンデンサの平
面図である。

【符号の説明】

１・・・支持基板 ２・・・下部電極層 ３・・・薄膜誘電体層 ４・・・上部電極層 ５・・・密着層 ６・・・保護膜 ７、８・・・外部端子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成された下部電極層と、該下
   部電極層上に形成された外部の電圧印加により誘電率が
   変化する薄膜誘電体層と、該薄膜誘電体層上に形成され
   た低抵抗導体の上部電極層と、該上部電極層上に形成さ
   れた密着層と、該密着層上に形成された保護膜とから成
   ることを特徴とするチューナブル薄膜コンデンサ。
2. 【請求項２】 前記密着層はＰｔおよび／またはＰｄか
   らなる金属層であり、その膜厚が０．０５μｍから１μ
   ｍであることを特徴とする請求項１記載のチューナブル
   薄膜コンデンサ。