JP2006303219A

JP2006303219A - 可変容量素子

Info

Publication number: JP2006303219A
Application number: JP2005123455A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Nakaiso; 俊幸中磯
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】強誘電体薄膜２０上に容量電極３０を有する可変容量素子において、容量電極３０の一部が比較的参加しやすい金属で構成されている場合でも、大きな容量変化率を得られる可変容量素子を提供する。
【解決手段】強誘電体薄膜２０は一般式Ａ_XＢＯ₃で表されるペロブスカイト型構造を有し、前記一般式中でＡはＢａ，Ｓｒ，Ｃａから選択される少なくとも一種を含み、前記一般式中でＢはＴｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｈｆから選択される少なくとも一種を含み、前記Ｘが０．８５≦Ｘ≦０．９０を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波帯で使用され、強誘電体薄膜に電界を印加して誘電率を変化させることによって容量を変化させる可変容量素子に関する。

高周波帯で使用される可変容量素子として、強誘電体を用いた可変容量素子が知られている。強誘電体を用いた可変容量素子は、強誘電体に直流電界ないしは低周波電界を印加すると強誘電体の誘電率が変化することを利用したものである。

この種の可変容量素子の構造としては、強誘電体を両主面側から電極で挟んだＭＩＭ構造、強誘電体の一方の主面に２つの電極をギャップを設けて形成したギャップキャパシタ構造、対になった櫛歯状の電極を強誘電体の一方の主面に形成したＩＤＣ構造などがある（例えば特許文献１）。
特表２００４−５２４７７０号公報

強誘電体の主面上に電極を形成する際、強誘電体薄膜と電極との密着性が必ずしも十分ではないため、強誘電体薄膜と電極との界面が剥離してしまうことがある。特に、ギャップキャパシタやＩＤＣ構造のキャパシタでは、電極間のギャップ間隔を精密に設定する必要性から、リフトオフ法によって電極を形成することが好ましいが、リフトオフ法を行った場合には強誘電体薄膜と電極との剥離がいっそう発生しやすくなる。さらに、低電圧で高い電界強度を得るためにギャップ間隔を小さくしたり、電極部分での導体損失を低減するために電極膜厚を厚くしたりするとさらに剥離が生じやすくなる。

そこで強誘電体と電極の剥離を防止するため、電極を多層構造として、強誘電体と接触する部分をＴｉ，Ｃｒ，ＮｉＣｒなどの強誘電体と密着性の高い金属で形成することがある。

しかしながら、Ｔｉ，Ｃｒ，ＮｉＣｒなどを強誘電体薄膜上に形成すると強誘電体の誘電率の変化率が低下するという問題があった。誘電率の変化率が小さくなると、可変容量素子の容量変化率が低下する。これは、Ｔｉ，Ｃｒ，ＮｉＣｒはいずれも比較的酸素と結合しやすい金属であるため、強誘電体から酸素原子を奪ってしまい、強誘電体の組成に変化が生じてしまうためであると考えられる。

よって本発明は、電極材料として比較的酸化しやすい金属を用いた場合でも、容量変化率が低下しにくく大きな容量変化率を得ることができる可変容量素子を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するために本発明に係る可変容量素子は、基板と、前記基板上に形成された強誘電体薄膜と、前記強誘電体薄膜上に形成された容量電極と、を備えた可変容量素子であって、前記強誘電体薄膜は一般式Ａ_XＢＯ₃で表されるペロブスカイト型構造を有し、前記一般式中でＡはＢａ，Ｓｒ，Ｃａから選択される少なくとも一種を含み、前記一般式中でＢはＴｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｈｆから選択される少なくとも一種を含み、前記Ｘが０．８５≦Ｘ≦０．９０を満たすことを特徴とする。

ペロブスカイト型構造を有する金属酸化物では、化学量論組成ではＡサイト原子とＢサイト原子の含有モル比率は１：１である。本発明ではＡサイト原子を化学量論組成よりも減じることにより、強誘電体薄膜の容量変化率の低下を防止している。

そのメカニズムについて説明する。Ａサイト原子を化学量論組成より減じることにより、ペロブスカイト型構造の結晶格子の中にＡサイトの空孔が発生する。Ａサイトの空孔が存在することにより、結晶格子中には、余剰な酸素やＢサイト原子にのみ結合した酸素が存在することになる。よって、容量電極が酸化しやすい材料から構成されていても、これらの酸素が容量電極の金属原子と結合する確率が高く、Ａサイト原子と結合している酸素原子が容量電極の金属原子と結合してしまう確率が低下するので、Ａサイト原子が還元されることによって強誘電体の誘電率の変化率が低下することを防止できる。

ここで、Ａサイト原子の含有モル比率Ｘを０．８５≦Ｘ≦０．９０としたのは以下の理由による。

Ｘが０．９０を超えると、Ａサイト原子の減少量が十分ではなく、容量低下率を十分に抑えることが困難である。一方、Ｘが０．８５を下回ると、化学量論組成からの組成比のずれが大きくなりすぎてペロブスカイト型構造を維持することが困難になり、Ｂサイト原子単体の酸化物（例えばＴｉＯ₂など）の析出量が増加して所望の容量変化率を得ることが困難となる。

なお、本発明において強誘電体薄膜はペロブスカイト型構造を有すると規定しているが、上述のようにＡサイト原子とＢサイト原子の含有比率が化学量論組成に対してＢサイト過剰となっているため、結晶の一部においてペロブスカイト型構造をとれない場合がある。本発明は、強誘電体薄膜中でペロブスカイト型構造を有する結晶に対して、他の構造の結晶が一部に混在している場合も含むものである。

また、本発明に係る可変容量素子は、前記容量電極は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕから選択される少なくとも一種を含む主電極層と、Ｔｉ，Ｃｒ，ＮｉＣｒから選択される少なくとも一種からなり前記強誘電体薄膜と接して形成されている密着層と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、比較的酸化しやすい金属からなる密着層が形成されていても容量変化率が低下しにくいので、容量電極の密着性の向上と容量変化率とを両立することができる。

なお、主電極層と密着層とは明確に成分が分離しているとは限らず、界面において相互拡散を生じていることもある。そのような場合であっても本発明の作用効果には何ら影響がない。

また、本発明において強誘電体薄膜としては、例えば（Ｂａ，Ｓｒ）_XＴｉＯ₃（チタン酸ストロンチウムバリウム）を用いることができる。Ｂａ，ＳｒやＴｉの一部が他の元素によって置換されていてもよい。

また、前記容量電極は、前記強誘電体薄膜上に形成された少なくとも一対の櫛歯状電極を備えるように構成されることが好ましい。上述のように、櫛歯状電極を形成するためにはリフトオフ法が適しており、従来はリフトオフ法を用いた場合に剥離の問題が顕著に発生していたので、櫛歯状の容量電極を有する可変容量素子に本発明を適用すれば、本発明はより実効あるものとなる。

また、限られた素子の寸法の中でできるだけ大きな容量を得たり、低い印加電圧で高い電界強度を得るためには櫛歯状の電極構造が有利である。

以上のように本発明によれば、ペロブスカイト型構造を有する強誘電体薄膜のＡサイト原子の含有モル比Ｘを０．８５≦Ｘ≦０．９０とすることにより、例えばＴｉ，Ｃｒ，ＮｉＣｒなどの比較的酸化しやすい金属が密着層として容量電極に含まれている場合であっても、容量変化率の低下を抑制して大きな容量変化率を得ることができる。

以下において添付図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１（ａ）は本発明に係る可変容量素子を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ線断面を示す断面図である。

本発明に係る可変容量素子は、基板１０と、基板１０上に形成された強誘電体薄膜２０と、強誘電体薄膜２０上に形成された容量電極３０と、容量電極３０の櫛歯状の部分を覆う保護膜４０と、からなる。図１（ａ）では、保護膜４０を透視して図示している。

基板１０は、Ｓｉ、単結晶サファイア、セラミックスなどからなるが、高周波帯での損失が少なく高品位の大型ウェハーを入手しやすい単結晶サファイア基板を用いることが好ましい。

強誘電体薄膜２０は、チタン酸バリウムストロンチウム、チタン酸ジルコン酸バリウムストロンチウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸バリウムカルシウムなどのペロブスカイト型構造を有する金属酸化物からなり、一般式Ａ_XＢＯ₃で表され０．８５≦Ｘ≦０．９０とされている。強誘電体薄膜がチタン酸バリウムストロンチウムからなる場合には、ＢａとＳｒの含有モル比率Ｂａ／Ｓｒを０．４以上２．５以下とすることが好ましい。強誘電体薄膜２０は、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）、ＭＯＤ法（有機金属分解法）、ゾル−ゲル法などの周知の薄膜技法によって成膜されている。

容量電極３０は、強誘電体薄膜２０上に形成されたＴｉ，Ｃｒ，ＮｉＣｒなどからなる密着層３１と、密着層３１上に形成されたＣｕ，Ａｇ，Ａｕ、あるいはこれらのいずれかを主成分とする合金などからなる主電極層３２と、からなる。密着層３１を構成するＴｉ，Ｃｒ，ＮｉＣｒは伝送損失が大きいので、密着層３１の膜厚はできるだけ薄い方が好ましく、具体的には５０ｎｍ以下であることが好ましい。主電極層３２は、ＣｕまたはＣｕを主成分とする合金からなることが好ましい。Ａｕは材料コストが高く、Ａｇはマイグレーションを引き起こす可能性があるからである。Ａｇに対してはマイグレーションを防止するため、他の金属を固溶させることが好ましい。また、主電極層の厚みは、伝送損失を抑制するために０．５μｍ以上とすることが好ましい。

容量電極３０は、強誘電体薄膜２０へのダメージが少ないリフトオフ法によって形成することが好ましい。また、２つの櫛歯状電極間のギャップは０．４μｍ〜３．０μｍとすることが好ましい。さらに、低い印加電圧で大きな電界強度を得るためには、電極間のギャップは１μｍ以下とすることが好ましい。

保護膜４０は酸化ケイ素、窒化ケイ素、ポリイミドなどの材料で構成される。可変容量素子全体を気密封止パッケージにより保護する場合には、保護膜４０はなくてもかまわない。保護膜４０が酸化ケイ素あるいは窒化ケイ素からなる場合は、例えばスパッタ法によって形成することができ、ポリイミドからなる場合には適当な方法で塗布した後に硬化すればよい。

ここで本発明の可変容量素子の動作について説明すると、二つの容量電極３０間に高周波信号が入力される。このとき、所定の電圧の直流若しくは低周波電流を高周波信号に重畳させ、この直流若しくは低周波電流の電圧を変化させることによって容量電極３０間に発生する容量を変化させる。

本発明では、強誘電体薄膜２０がペロブスカイト型構造を有し一般式Ａ_XＢＯ₃で表され０．８５≦Ｘ≦０．９０とされているので、比較的酸化しやすい物質からなる密着層３１を設けても、容量の変化率の低下が起こりにくく、大きな容量変化率を得ることができる。

なお、本発明においては容量電極と接触している強誘電体薄膜が上記組成とされていればよく、例えば、強誘電体薄膜を複数の層によって形成して、その最上層のみを上記組成とし、その他の層は他の組成とされていてもよい。

以下において、再び図１を参照しつつ本発明のさらに具体的な実施例について説明する。既に説明した部分については重複した説明を省略する。

まず、単結晶サファイアからなる基板１０上に、Ｂａ，Ｓｒ，Ｔｉの有機化合物を所定の割合で含有するＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）原料溶液をスピンコートによって塗布し、１５０℃で乾燥させた後に３５０℃に加熱して塗膜中の有機成分を除去し、８００℃に加熱して膜厚０．５μｍのＢＳＴからなる強誘電体薄膜２０を成膜した。前記ＢＳＴ原料溶液中には、モル比でＢａ：Ｓｒが２．３：１であり、かつ、Ａサイト原子（Ｂａ，Ｓｒ）の含有モル比率Ｘが０．８０〜１．００となるように調製した。

次に、強誘電体薄膜２０上に所定のパターン形状のレジストを形成し、厚さ０．０１μｍのＴｉ膜（密着層３１）、厚さ３．５μｍのＣｕ層（主電極層３２）を電子ビーム蒸着法によって形成し、レジストを除去して容量電極３０を形成した。保護層は形成しなかった。

これにより、Ａサイト原子の含有モル比率Ｘを０．８０〜１．００の所定の値とした可変容量素子を得た。この可変容量素子の容量変化率を以下の式（１）によって算出した。

容量変化率（％）＝｛１−（Ｃ_X／Ｃ₀）｝×１００…（１）
式（１）において、Ｃ_Xは所定のＸのときの電界強度２００ｋＶ／ｃｍにおける容量、Ｃ₀は電界強度０ｋＶ／ｃｍにおける容量である。また、ここで「電界強度」とは、容量電極間に印加された電圧を、容量電極の互いに隣接する櫛歯状電極同士の間隔（電極間ギャップ）で除した値を示す。

式（１）によって算出した容量変化率を表１に示す。なお表１においてＸ＝１．００，Ｘ＝０．９５，Ｘ＝０．８０の試料は本発明の範囲外の比較例である。

表１から明らかなように、Ｘの値を０．８５以上０．９０以下とすることによって、５０％以上の大きな容量変化率を得ることができた。これはＸ＝１．００の化学量論組成の強誘電体薄膜を用いた場合の容量変化率３３％と比較すると、容量変化率が１．５倍以上となっており、本発明の効果が確認された。また、表１から、Ｘの値が０．８０以下となると、異相の生成が増大して容量変化率が大きくならないことがわかる。

実施例１に記載した方法と同様の方法により、密着層として膜厚０．０１μｍのＣｒおよびＮｉＣｒを用いて可変容量素子を作製し、上記式（１）によって容量変化率を算出した。その結果を表２に示す。

表２に示したように、密着層としてＣｒあるいはＮｉＣｒを用いた場合であっても、Ａサイト原子の含有比率Ｘの値を小さくすることによって容量変化率を大きくすることができることが確認された。

実施例１に記載した方法と同様の方法により、強誘電体薄膜としてＢａ：Ｓｒ＝２．３：１、Ｔｉ：Ｚｒ＝１０：１のチタン酸ジルコン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴＺ）を用いて可変容量素子を作製し、上記式（１）によって容量変化率を算出したところ、Ｘ＝１．００のときの容量変化率が３０％であったのに対してＸ＝０．８９のときの容量変化率が５０％となった。これにより、強誘電体薄膜としてＢＳＴＺを用いた場合にも本発明の効果が確認された。

本発明に係る可変容量素子を示す平面図および断面図である。

符号の説明

１０基板
２０強誘電体薄膜
３０容量電極
３１密着層
３２主電極層
４０保護膜

Claims

基板と、前記基板上に形成された強誘電体薄膜と、前記強誘電体薄膜上に形成された容量電極と、を備えた可変容量素子であって、
前記強誘電体薄膜は一般式Ａ_XＢＯ₃で表されるペロブスカイト型構造を有し、前記一般式中でＡはＢａ，Ｓｒ，Ｃａから選択される少なくとも一種を含み、前記一般式中でＢはＴｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｈｆから選択される少なくとも一種を含み、前記Ｘが０．８５≦Ｘ≦０．９０を満たすことを特徴とする可変容量素子。
前記容量電極は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕから選択される少なくとも一種を含む主電極層と、Ｔｉ，Ｃｒ，ＮｉＣｒから選択される少なくとも一種からなり前記誘電体薄膜と接して形成されている密着層と、を有することを特徴とする請求項１に記載の可変容量素子。
前記強誘電体薄膜は、（Ｂａ，Ｓｒ）_XＴｉＯ₃からなることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の可変容量素子。
前記容量電極は、前記強誘電体薄膜上に形成された少なくとも一対の櫛歯状電極を備えてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちいずれか一項に記載の可変容量素子。