JP3599528B2 - Variable capacitance element and method of manufacturing the same - Google Patents

Variable capacitance element and method of manufacturing the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波素子用キャパシタ等に用いることができる容量可変素子及びその製造方法に関し、より詳細には、電圧印加によりその容量を大きく変化させることが可能な容量可変素子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、容量可変素子として、(a)バリキャップダイオードやバラクタなどのSiやGaAs半導体のpn接合を用いるもの、(b)バルクの強誘電体に電圧を印加し、誘電率が減少することを利用した可変コンデンサなどがある。
これら容量可変素子のうち、(a)は、一般に、SiやGaAsの単結晶ウエハから作製しており、セラミック基板の上にSiやGaAsの単結晶を薄膜成長させてモノリシックに形成することができないため、セラミック基板上に集積化デバイスとして形成できないという課題がある。
【0003】
また、上記(b)の可変コンデンサとしては、例えば、特開昭62−259417号公報において提案されているものがある。
この可変コンデンサは、図7に示すように、バルクの強誘電体14(厚さ45μm程度)が上下の電極間に挟持された構造であり、下部電極として下部容量電極13及び下部バイアス電極13’を備え、上部電極として上部容量電極16及び上部バイアス電極16’を備えている。この下部バイアス電極13’と下部容量電極13との間、上部バイアス電極16’と上部容量電極16との間には、直流バイアスを印加し、これにより強誘電体14の誘電率を変化させ、下部バイアス電極13’と下部容量電極13との間、上部バイアス電極16’と上部容量電極16との間の容量を可変とするものである。
【0004】
なお、上記可変コンデンサでは、強誘電体セラミック粉末をポリビニルアルコールなどの合成樹脂をバインダーとして、厚さ45μm程度のシート状にしたものを強誘電体14として用いている。
このように、(b)の可変コンデンサでは、バルクの強誘電体セラミック材を用いているため、薄膜デバイスとして小型化することが困難であり、強誘電体自体の膜厚が厚いため、印加する電圧も大きく、低電圧化も困難である。また、強誘電体を用いているため、1GHz以上の周波数ではキャパシタとして動作しない等の欠点がある。
【0005】
一方、強誘電体であるチタン酸ストロンチウム(SrTiO)薄膜の電圧印加による誘電率変化が報告されているが(A. Walkenhorst et. al., Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 1744)、この場合の誘電率変化はバルクと比べて小さいという問題がある。また、バルクのチタン酸ストロンチウムの場合には、大きな誘電率変化を得ることができるが、このように大きな誘電率変化を得るためには30Kという低温にする必要があり、容量可変素子としては応用できないのが現実である。
【0006】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、セラミック基板上にも容易に低コストで形成でき、小型、低電圧で大きな容量変化が得られ、10GHz以上の周波数でもキャパシタ特性が劣化しない容量可変素子を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、基板上に少なくとも下部電極、誘電体薄膜層及び上部電極を順次備え、前記誘電体薄膜層が多層の誘電体薄膜からなり、上記基板が、ガラス基板、樹脂基板及びセラミック基板のうちの何れか1つからなり、少なくとも前記下部電極及び上部電極の一方に電圧を印加することにより容量を変化させるものである容量可変素子が提供される。
また、上記容量可変素子を製造する方法であって、
(i)基板上に下部電極を形成し、
(ii)ゾルゲル法により、誘電体薄膜を構成する元素の前駆体溶液を調整して前記下部電極上に塗布、乾燥して薄膜化し、熱処理により薄膜中の有機物を分解除去する工程を複数回繰り返し、
iii 得られた多層の誘電体薄膜上に上部電極を形成する前又は後に、熱処理を施して前記誘電体薄膜を結晶化させることからなる容量可変素子の製造方法が提供される。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明における容量可変素子は、主として基板上に、下部電極、誘電体薄膜層及び上部電極が順次形成されて構成される。
本発明の容量可変素子に使用することができる基板としては、特に限定されるものではなく、例えば、ガラス基板、樹脂基板、セラミック基板等の絶縁性基板、半導体基板及び化合物半導体基板等を用いることができるが、なかでも、強度、耐熱性、コスト等の点でセラミック基板が好ましい。また、本発明に使用する基板は、その表面にSiN、SiO等の絶縁膜、所望の回路を構成する素子やこれらを被覆する層間絶縁膜、基板上に形成する電極層との密着性を良好にするための接着層(例えば、タンタル、チタン、窒化チタン等)又はこれらが組み合わされて形成されていてもよい。
【0009】
本発明の容量可変素子における下部電極としては、通常電極材料として使用することができ、後工程における熱処理に耐えることができるものであれば、その材料は特に限定されるものではなく、例えば、アルミニウム、銅、銀、白金;チタン、タンタル、タングステン等の高融点金属;RuO、IrO等の導電性酸化物等種々の金属を使用することができる。この下部電極の膜厚は、特に限定されるものではなく、例えば50nm〜1μm程度の膜厚とすることができる。下部電極の形状は、得ようとする容量、用途等に応じて適宜調整することができる。また、上述したように、下部電極の接着性等を改善するために、接着層等を下部電極直下に形成してもよい。
【0010】
誘電体薄膜層としては、多層の誘電体薄膜が挙げられる。ここで、多層の誘電体薄膜とは、2層又は3層以上の薄膜からなる誘電体薄膜であり、例えば、2層〜6層程度、好ましくは3層又は4層程度のものが挙げられる。誘電体薄膜層の膜厚は、容量可変素子の大きさ、印加電圧、用途、形成方法等に応じて適宜調整することができるが、各誘電体薄膜の膜厚は、例えば50nm〜100nm程度、総膜厚は、100nm〜1μmとすることが好ましい。なお、各誘電体薄膜の膜厚は略等しい膜厚で多層としてもよいし、それぞれ異なる膜厚で多層としてもよい。また、2層以上の薄膜からなる誘電体薄膜層としては、各層を構成する元素の種類と割合と共に同じもの、種類と割合のいずれかが異なるもの、種類と割合がいずれも異なるもの、あるいは2層以上の薄膜のすべてが異なるもの、一部の層のみ異なるもの等、種々の組み合わせの多層の誘電体薄膜がすべて包含される。具体的には、同じ薄膜を2〜6層程度積層する薄膜、2種の異なる薄膜を交互に繰り返して2層〜6層程度積層する薄膜等が挙げられる。
【0011】
このような多層の誘電体薄膜は、公知の方法、例えばスパッタ法、蒸着法、ゾルゲル法、MOCVD法等種々の方法で形成することができるが、なかでも、ゾルゲル法により形成することが好ましい。
誘電体薄膜の種類としては、高周波数特性が得られるものであれば特に限定されるものではなく、例えばゾルゲル法により形成することができる誘電体が好ましく、例えば、BaSr1−x TiO(0<x≦0.8)、(Pb1−x La)Zr0.46Ti0.36(1≧x≧0.02)、(Pb1−x Er)Zr0.46Ti0.36(0.02≦x≦0.1)が挙げられる。具体的には、SrTiO、SrBiTa、SrBiNb、SrBi(Ta,Nb)、BiTi12、SrBiTi15、SrBi(Ti,Zr)15、CaBiTa、BaBiTa、BaBiNb等が挙げられる。なかでも、SrTiO、Ba0.7Sr0.3TiOがより好ましい。
【0012】
本発明の容量可変素子における上部電極としては、下部電極と同様の材料のものを同様に用いることができる。ただし、上部電極材料が下部電極材料と同じである必要はない。また、上述したように、上部電極の接着性等を改善するために、接着層等を上部電極直下に形成してもよい。さらに、上部電極の形状としては、得ようとする容量、用途、印加電圧等により適宜調整することができ、上部電極の全面が誘電体薄膜と接触している形状、誘電体全面を被覆する形状、誘電体との間の一部にエアーブリッジを有する形状等種々の形状が挙げられる。
【0013】
本発明における容量可変素子は、GHz帯までの容量可変素子として動作させることができる形状及び構造であれば、それらは特に限定されるものではなく、例えば、下部電極、誘電体薄膜及び上部電極が順次積層されてなる一般的なキャパシタ構造、縦型キャパシタ構造、上部電極の少なくとも一端部にエアーブリッジが形成された構造等の種々の形状及び構造のものが含まれる。
【0014】
また、本発明における容量可変素子は、上下部電極の少なくとも一方にバイアス電圧を印加することにより容量を変化させることができるものであり、さらにはこのバイアス電圧の印加により、誘電体薄膜の比誘電率を電圧の変化に応じて変化させることができるものである。上下部電極に印加する電圧は、誘電体材料、膜厚又は用途等により適宜調整することができるが、例えば、誘電体のリーク電流、実用性等の観点から、20V程度以下、好ましくは16V程度以下、さらに好ましくは−16〜+16V程度が挙げられる。また、印加電圧に対応して変化する容量は、大きければ大きいほど好ましく、例えば−50%程度以上、より好ましくは−100%程度が挙げられる。さらに、上記印加電圧に応じて変化する誘電体の比誘電率は、誘電体材料等により異なるが、例えば、50〜1000程度が挙げられる。
【0015】
また、本発明の上記容量可変素子の製造方法の工程(i) においては、基板上に下部電極を形成する。この際の形成方法は、上記の電極材料を公知の方法、例えば、真空蒸着法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法等種々の方法で所望の膜厚に形成することができ、例えばフォトリソグラフィ及びエッチング法、リフトオフ法等により所望の形状にパターニングすることができる。
【0016】
工程(ii)においては、まず、ゾルゲル法により、誘電体薄膜を構成する元素の前駆体溶液を調製する。前駆体溶液は、例えば、Ba、Bi、Sr、Ta、Nb、Ti、Zr、Ca、Pb、Er等のカルボン酸塩又はアルコキシドを、適当な濃度、適当な温度、適当な配合割合で、適当な水性媒体又は有機溶媒に溶解させて調製することができる。この際、使用することができる有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等の低級アルコール、キシレン、酢酸エステル等が挙げられる。前駆体溶液の調製は、例えば、強誘電体を構成する金属元素の各溶液を、最終的に得ようとする強誘電体の組成により異なるが、0.1〜5mol/リットル程度、好ましくは0.1〜2mol/リットル程度で別々に調製し、例えば200℃程度以下、好ましくは150℃程度以下で十分加熱するとともに、5時間程度、好ましくは1〜3時間程度攪拌しながら適宜混合し、さらに混合液を1時間〜1昼夜程度攪拌する方法等が挙げられる。なお、前駆体溶液は、任意に濾過、溶媒の蒸留、濃度の調整等を行うことが好ましい。
【0017】
次に、得られた前駆体溶液は、下部電極上に、例えばスピンコート法、印刷法、ロールコート法等の種々の方法により一層あたり20〜200nm程度の膜厚で塗布することができる。ただし、一層あたりの膜厚が厚いと乾燥工程でクラックを発生しやすいため、一層あたりの塗布する膜厚は100nm程度以下がより好ましい。なお、特に印刷法の場合には、前駆体溶液は、アクリル樹脂、フェノール樹脂、アルキッド樹脂、エチルセルロース、ポリビニルアルコール等の有機バインダ樹脂及びアルコール系、エーテル系、エステル系等の有機溶剤を適宜混合することにより、その粘度を調整することができる。また、下部電極との接着性を高めるため、ケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミナケイ酸ガラス等のガラス成分を混合してもよい。
【0018】
さらに、塗布した前駆体溶液を乾燥する。乾燥の方法は、前駆体溶液として用いた有機溶媒の種類、前駆体溶液の組成等により適宜選択することができるが、例えば、80℃〜300℃、好ましくは100℃〜200℃程度の温度範囲、大気中で10秒〜60分間、好ましくは15分間程度以下、熱処理することにより行うことができる。熱処理は、公知の方法、例えば赤外線加熱炉、抵抗加熱炉等を使用して、均一の温度で一定時間行ってもよいし、温度を異ならせて行ってもよい。
【0019】
続いて、熱処理により薄膜中の有機物を分解除去する。この際の熱処理方法は、薄膜中に存在する有機物が充分に分解する温度で、かつ結晶化が始まらない温度範囲で行うことが好ましく、具体的には、400℃〜550℃程度の温度範囲、大気中又は不活性ガス雰囲気中等で10〜60分間程度行うことができる。
上記工程(ii)は、得ようとする誘電体薄膜の積層数に応じて2回以上繰り返して行う。この際の上記(ii)の工程は、同じ種類及び組成比の誘電体薄膜を得るために、全く同じ条件で繰り返してもよいし、誘電体薄膜の種類及び組成比に応じてその条件等を適宜調整して繰り返してもよい。
【0020】
工程(iv)において、得られた誘電体薄膜層上に上部電極を形成する。上部電極を形成する方法は、下部電極と同様に行うことができる。
この上部電極の形成は、上記工程(iii) の後、かつ後述する誘電体薄膜の結晶化の前に行ってもよいし、誘電体薄膜層の結晶化の後に行ってもよい。
誘電体薄膜の結晶化は、酸素雰囲気、アルゴンや窒素等の不活性雰囲気下、常圧又は減圧下、好ましくは常圧下、550℃〜800℃以下の温度範囲で、30秒間〜60分間程度行うことができる。この際の熱処理方法は、上述の方法の他、RTA法等を用いることができる。
【0021】
なお、本発明の容量可変素子の製造方法においては、薄膜中の有機物の分解除去のための熱処理と結晶化のための熱処理とを、適当な条件を適宜選択することにより兼ねて行うこともできる。例えば、工程(ii)において前駆体溶液を塗布した後、大気中、100℃程度の温度で5〜20分間程度で乾燥し、続いて600℃程度の温度範囲、常圧、大気中で20〜60分間程度熱処理を行い、誘電体薄膜層を結晶化する方法が挙げられ、これを2回以上繰り返す方法が挙げられる。但し、結晶化が進む前に薄膜中の有機物の分解除去が充分に行うことができる条件を選択することが必要となる。
【0022】
本発明の容量可変素子の作用は以下のように考えられる。
一般に、SrTiOや(Ba0.7Sr0.3)TiO等の常誘電体(あるいは常誘電相)において電界Eと分極P及び比誘電率εrの関係は、
εεrE=εE+P (1)
が成立する。ここでεは真空の誘電率を表す。
【0023】
また、一般的に、常誘電体(あるは常誘電相)では、
E=aP(aは定数) (2)
の関係が成立する(ただし、SrTiOでは相転移温度(105K)以上)。
従って(1)及び(2)式より比誘電率は電界に依存せず一定となる。
ところが、本発明のように誘電体薄膜を多層積層した場合、バルクや薄膜単層と比べて、全体の自由エネルギーに対する界面エネルギーの寄与が大きくなるため、(2)式のようなEとPとの線形性が成立しなくなり、例えば(3)式のようにPの非線形成分を含むようになる。
【0024】
E=aP+bP+cP(a、b、cは定数) (3)
これにより(1)式より比誘電率が電界依存性を持つようになる。
また、本発明の可変容量素子の製造方法における誘電体薄膜は、ゾルゲル法を用い、ゾル状態の誘電体の前駆体溶液を塗布、乾燥した後、薄膜中の有機物を加熱処理により分解除去する工程を2回以上繰り返し行い、その後熱処理を施すことにより結晶化させて多層に形成しているため、特に、各誘電体薄膜間にはバルクや薄膜単層には存在しない界面が形成される。このため、界面エネルギーの寄与が一層大きくなる。
【0025】
上述のように、本発明の容量可変素子は、上部電極に印加するバイアス電圧により素子全体の容量を大きく変化させることができ、容量が高周波回路の特性に影響するとき、例えば高周波フィルター、インピーダンスアンテナ等の容量を変化させることにより、フィルター透過特性、検出周波数等を変化させることが可能となり、種々の高周波デバイスに応用することができる。
以下、本発明の容量可変素子及びその製造方法を図面に基づいて説明する。
【0026】
実施の形態1
図1は、本発明の容量可変素子の概略断面図である。この容量可変素子は、セラミック基板1上に、Ta下部電極接着層2、Pt下部電極層3、誘電体多層薄膜4、エアーブリッジ5、Ta下部電極接着層6、Pt上記電極層7が順次形成されてなる。
【0027】
以下に、上記容量可変素子の製造方法について説明する。
まず、セラミック基板1上に、通常のフォトリソグラフィによるリフトオフ法を用い、下部電極レジストパターンを形成し、スパッタ法を用いてTa下部電極接着層2、Pt下部電極層3をそれぞれ膜厚20nm及び100nm形成した後、下部電極レジストパターンをリフトオフすることにより、Ta下部電極接着層2及びPt下部電極層3からなる下部電極パターンを形成した。
【0028】
次に、このようにして形成したPt下部電極層3上に、SrTiOの金属アルコキシドからなるゾル状態の前駆体溶液をスピンコートし(プロセス1)、これを100℃で10分間の熱処理により乾燥を行った乾燥ゲル薄膜を作製した(プロセス2)。
次にこのようにして作製した乾燥ゲルの薄膜中の有機物の熱分解を行うため、400℃で10分間、大気圧の大気中で熱処理を行った(プロセス3)。
【0029】
上記プロセス1からプロセス3までを3回繰り返した後、有機物を除去した多層膜の結晶化を行うため、1気圧の酸素雰囲気中600℃で30分間熱処理を行った。これにより、膜厚210nmのSrTiOからなる誘電体多層薄膜4を得た。この誘電体多層薄膜4は、エッチングにより所定の形状になるように加工した。
【0030】
次に、誘電体多層薄膜4上に、エアーブリッジ形成用レジストを用いてエアーブリッジレジストパターンを形成した後、下部電極パターン形成方法と同様のリフトオフ法を用いて上部電極レジストパターンを形成し、スパッタ法を用いてTa上部電極接着層6、Pt上部電極層7をそれぞれ膜厚20nm及び500nm形成した。その後、エアーブリッジレジストパターン及び上部電極レジストパターンをリフトオフすることにより、Ta上部電極接着層6及びPt上部電極層7からなる上部電極パターンを形成した。
【0031】
上記のような方法で作製した容量可変素子のPt上部電極層6とPt下部電極層3との間にバイアス電圧を印加し、室温で10GHzでの容量のバイアス電圧依存性を測定した。測定結果を図2に示す。
得られた誘電体多層薄膜4の比誘電率は160であり、印加電圧16Vにおいて67容量変化率Cv/Co×100〔%〕=−62%の容量変化特性が得られ、このときの比誘電率は67であった(ただしCvは電圧を印加したときの容量、Coは電圧を印加しないときの容量を表す)。
【0032】
比較例1
比較のために、誘電体薄膜として、スパッタ法により作製したSrTiO薄膜を用いた以外は、上記実施の形態1と同様に容量可変素子を製造した。
【0033】
SrTiO薄膜の作製方法はスパッタターゲットとしてSrTiOのセラミック焼結体を用い、スパッタガスとしてOガスのみを用い、スパッタガス圧2Pa、基板温度400℃で膜厚210nm形成した。
このようにして製造した容量可変素子の容量変化特性を測定した。その結果を図3に示す。
【0034】
得られたSrTiO薄膜の比誘電体率は150であり、印加電圧16Vでも容量変化率は−9%と実施の形態1に示す容量可変素子と比べて低い変化特性であった。
【0035】
実施の形態2
実施の形態1におけるSrTiOからなる誘電体多層薄膜に代えて、ゾルゲル法により形成したチタン酸バリウムストロンチウム((Ba0.7Sr0.3)TiO)多層薄膜を用いて容量可変素子を作製した。
この実施の形態の容量可変素子の作製方法は、第1の実施の形態の容量可変素子の作製方法とはプロセス1における金属アルコキシドからなるゾル状態の前駆体溶液がSrTiOでなく、(Ba0.7Sr0.3)TiOの金属アルコキシドからなるゾル状態の前駆体溶液を用いる点で異なるのみであり、これ以外は第1の実施形態の容量可変素子の作製方法と同様の方法を用いた。
【0036】
上記のような方法で作製した容量可変素子の10GHzでの容量のバイアス電圧依存性を測定した。測定結果を図4に示す。
得られた(Ba0.7Sr0.3)TiO多層薄膜の比誘電率は180であり、印加電圧16Vで容量変化率=−60%の容量変化特性が得られ、このときの比誘電率は67であった。
【0037】
比較例2
比較のために、誘電体薄膜として、スパッタ法により作製した(Ba0.7Sr0.3)TiO薄膜を用いた以外は、上記実施の形態1と同様に容量可変素子を製造した。
【0038】
(Ba0.7Sr0.3)TiO薄膜の作製方法はスパッタターゲットとして(Ba0.7Sr0.3)TiOのセラミック焼結体を用い、スパッタガスとしてOガスのみを用い、スパッタガス圧2Pa、基板温度400℃で膜厚210nm形成した。
このようにして製造した容量可変素子の容量変化特性を測定した。得られた(Ba0.7Sr0.3)TiO薄膜の比誘電率は170であり、印加電圧16Vでも容量変化率は−10%と実施の形態2に示す容量可変素子と比べて低い変化特性であった。
【0039】
実施の形態3
実施の形態1におけるSrTiOからなる誘電体多層薄膜に代えて、ゾルゲル法により形成したSrTiO薄膜とチタン酸バリウムストロンチウム((Ba0.7Sr0.3)TiO)とを交互に積層した多層薄膜を用いて容量可変素子を作製した。
【0040】
実施の形態3の容量可変素子の作製方法は、誘電体多層薄膜の作製方法以外は第1及び第2の実施形態の容量可変素子の作製方法と同様の方法を用いた。
第3の実施形態の容量可変素子の誘電体多層薄膜は以下のようにして作製した。
Pt下部電極層3上に、SrTiOの金属アルコキシドからなるゾル状態の前駆体溶液をスピンコートし(プロセス1)、これを100℃で10分間の熱処理による乾燥を行い乾燥ゲル薄膜を作製する(プロセス2)。次に400℃で10分間、大気圧の大気中で熱処理を行った(プロセス3)。
【0041】
次に、(Ba0.7Sr0.3)TiOの金属アルコキシドからなるゾル状態の前駆体溶液をスピンコートし(プロセス4)、これを100℃で10分間の熱処理による乾燥を行う乾燥ゲル薄膜を作製する(プロセス5)。次にこのようにして作製した乾燥ゲルを、400℃で10分間、大気圧の大気中で熱処理を行った(プロセス6)。
【0042】
さらに、SrTiOの金属アルコキシドからなるゾル状態の前駆体溶液をスピンコートし(プロセス7)、これを100℃で10分間の熱処理による乾燥を行い乾燥ゲル薄膜を作製する(プロセス8)。次に400℃で10分間、大気圧の大気中で熱処理を行った(プロセス9)。
この後、1気圧の酸素雰囲気中600℃で30分間熱処理を行った。これにより、全体の膜厚が210nmであるSrTiOと(Ba0.7Sr0.3)TiOが交互に積層された構造を持つ誘電体多層薄膜4を得た。
【0043】
上記のような方法で作製した容量可変素子の10GHzの容量のバイアス電圧依存性を測定した。測定結果を図6に示す。得られたSrTiOと(Ba0.7Sr0.3)TiOが交互に積層された構造を持つ多層薄膜の比誘電率は170であり、印加電圧16Vで容量変化率=−60%の容量変化特性が得られ、このときの比誘電率は67であった。
【0044】
【発明の効果】
本発明の容量可変素子によれば、基板上に少なくとも下部電極、誘電体薄膜及び上部電極を順次備えてなり、誘電体薄膜が多層の誘電体薄膜からなるため、低電圧で容量の大きな変化を可能とするとともに、小型・軽量化が実現できる。また、SiやGaAs単結晶材料を用いなくてもよいため、セラミック基板上にも容易かつ安価に形成できる。
【0045】
また、多層の誘電体薄膜が特にゾルゲル法により形成される場合には、結晶化する際に各層の界面で特有の界面状態が形成されるため、より容量変化を顕著に得ることができる。
さらに、誘電体薄膜が、多層のチタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウムストロンチウム又はこれらの組み合わせによる場合には、これらは常誘電体又は常誘電相であるため、10GHz以上の周波数でもキャパシタ特性が劣化しない容量可変素子を得ることが可能となる。
【0046】
また、容量可変素子が、少なくとも下部電極及び上部電極の一方に電圧を印加することにより容量を変化させるものであるため、電圧で容量の大きさを制御することができるチューナブルな高周波フィルター、遅延素子、アレイアンテナ、結合型ストリップ線路等の高周波デバイスに広く応用が可能となる。
また、本発明の容量可変素子の製造方法によれば、上述のような特別な機能及び作用を有する容量可変素子を容易に実現することができる製造方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の容量可変素子を示す要部の概略断面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態の容量可変素子の容量変化特性を示す図である。
【図3】本発明の比較例1の容量可変素子の容量変化特性を示す図である。
【図4】本発明の第2の実施形態の容量可変素子の容量変化特性を示す図である。
【図5】本発明の第2の実施形態の容量可変素子の容量変化特性を示す図である。
【図6】本発明の第3の実施形態の容量可変素子の容量変化特性を示す図である。
【図7】従来の容量可変素子を示す要部の概略断面図である。
【符号の説明】
1 セラミック基板
2 Ta下部電極接着層
3 Pt下部電極層
4 誘電体多層薄膜
5 エアーブリッジ
6 Ta上部電極接着層
7 Pt上部電極層
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a variable capacitance element that can be used as a capacitor for a high-frequency element and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a variable capacitance element that can greatly change the capacitance by applying a voltage and a method for manufacturing the same.
[0002]
Problems to be solved by the prior art and the invention
Conventionally, as a variable capacitance element, (a) an element using a pn junction of Si or a GaAs semiconductor such as a varicap diode or a varactor, and (b) applying a voltage to a bulk ferroelectric to reduce the dielectric constant is used. Variable capacitors.
Of these variable capacitance elements, (a) is generally manufactured from a single crystal wafer of Si or GaAs, and cannot be monolithically formed by growing a single crystal of Si or GaAs on a ceramic substrate by thin film growth. Therefore, there is a problem that it cannot be formed as an integrated device on a ceramic substrate.
[0003]
As the variable capacitor (b), for example, there is a variable capacitor proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-259417.
As shown in FIG. 7, this variable capacitor has a structure in which a bulk ferroelectric substance 14 (about 45 μm thick) is sandwiched between upper and lower electrodes, and a lower capacitance electrode 13 and a lower bias electrode 13 ′ as lower electrodes. And an upper capacitor electrode 16 and an upper bias electrode 16 ′ as upper electrodes. A DC bias is applied between the lower bias electrode 13 ′ and the lower capacitor electrode 13 and between the upper bias electrode 16 ′ and the upper capacitor electrode 16, thereby changing the dielectric constant of the ferroelectric 14. The capacitance between the lower bias electrode 13 'and the lower capacitance electrode 13 and the capacitance between the upper bias electrode 16' and the upper capacitance electrode 16 are made variable.
[0004]
In the above variable capacitor, a ferroelectric ceramic powder in the form of a sheet having a thickness of about 45 μm using a synthetic resin such as polyvinyl alcohol as a binder is used as the ferroelectric.
As described above, in the variable capacitor of (b), since a bulk ferroelectric ceramic material is used, it is difficult to reduce the size of the thin film device, and since the ferroelectric itself has a large thickness, the variable capacitor is applied. The voltage is large, and it is difficult to reduce the voltage. Further, since a ferroelectric substance is used, there is a drawback that it does not operate as a capacitor at a frequency of 1 GHz or more.
[0005]
On the other hand, a change in the dielectric constant of a strontium titanate (SrTiO 3 ) thin film, which is a ferroelectric substance, due to voltage application has been reported (A. Walkenhorst et al., Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 1744). There is a problem that the change in the dielectric constant in this case is smaller than that in the bulk. In the case of bulk strontium titanate, a large change in the dielectric constant can be obtained. However, in order to obtain such a large change in the dielectric constant, the temperature must be as low as 30 K. The reality is that you can't.
[0006]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be easily formed on a ceramic substrate at low cost, and can obtain a large capacitance change with a small size, a low voltage, and a frequency of 10 GHz or more. However, an object of the present invention is to provide a variable capacitance element that does not deteriorate the capacitor characteristics.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, sequentially Bei example at least the lower electrode, dielectric thin film layer and an upper electrode on a substrate, Ri Do the dielectric thin film layer is a multilayer dielectric thin film, the substrate is a glass substrate, a resin substrate and There is provided a variable capacitance element which is formed of any one of the ceramic substrates and changes a capacitance by applying a voltage to at least one of the lower electrode and the upper electrode .
Further, the method for manufacturing the variable capacitance element,
(I) forming a lower electrode on the substrate,
(Ii) A plurality of steps of preparing a precursor solution of an element constituting a dielectric thin film by a sol-gel method, applying the solution on the lower electrode, drying the thin film, and decomposing and removing organic substances in the thin film by heat treatment are repeated a plurality of times. ,
( Iii ) There is provided a method for manufacturing a variable capacitance element, which comprises subjecting a heat treatment to crystallize the dielectric thin film before or after forming an upper electrode on the obtained multilayer dielectric thin film.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The variable capacitance element according to the present invention is mainly configured by sequentially forming a lower electrode, a dielectric thin film layer, and an upper electrode on a substrate.
The substrate that can be used for the variable capacitance element of the present invention is not particularly limited. For example, a glass substrate, a resin substrate, an insulating substrate such as a ceramic substrate, a semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate, or the like may be used. Among them, a ceramic substrate is preferable in terms of strength, heat resistance, cost, and the like. In addition, the substrate used in the present invention has an insulating film such as SiN or SiO 2 on its surface, an element forming a desired circuit, an interlayer insulating film covering these elements, and an adhesive layer with an electrode layer formed on the substrate. An adhesive layer (for example, tantalum, titanium, titanium nitride, etc.) for improving the quality or a combination thereof may be formed.
[0009]
As the lower electrode in the variable capacitance element of the present invention, the material is not particularly limited as long as it can be generally used as an electrode material and can withstand heat treatment in a later step, for example, aluminum , Copper, silver, platinum; refractory metals such as titanium, tantalum, and tungsten; and various metals such as conductive oxides such as RuO 2 and IrO 2 . The thickness of the lower electrode is not particularly limited, and may be, for example, about 50 nm to 1 μm. The shape of the lower electrode can be appropriately adjusted according to the capacity, application, and the like to be obtained. Further, as described above, an adhesive layer or the like may be formed directly below the lower electrode in order to improve the adhesiveness and the like of the lower electrode.
[0010]
Examples of the dielectric thin film layer include a multilayer dielectric thin film. Here, the multilayer dielectric thin film is a dielectric thin film composed of two or three or more thin films, for example, about 2 to 6 layers, preferably about 3 or 4 layers. The thickness of the dielectric thin film layer can be appropriately adjusted according to the size of the variable capacitance element, applied voltage, application, forming method, etc., and the thickness of each dielectric thin film is, for example, about 50 nm to 100 nm, The total film thickness is preferably set to 100 nm to 1 μm. The thickness of each dielectric thin film may be a multilayer having substantially the same thickness, or a multilayer having different thicknesses. The dielectric thin film layer composed of two or more thin films may be the same as the elements and the proportions of the constituent elements of each layer, may be different in the kind and proportion, may be different in the kind and proportion, or Various combinations of multi-layered dielectric thin films, such as those in which all of the thin films having more than one layer are different and those in which only some of the layers are different, are all included. Specifically, a thin film in which about 2 to 6 layers of the same thin film are laminated, and a thin film in which about 2 to 6 layers are alternately repeated and two or more different thin films are laminated, and the like are given.
[0011]
Such a multilayer dielectric thin film can be formed by various methods such as a known method, for example, a sputtering method, a vapor deposition method, a sol-gel method, and an MOCVD method, and among them, it is preferable to form the dielectric thin film by the sol-gel method.
The type of the dielectric thin film is not particularly limited as long as high frequency characteristics can be obtained. For example, a dielectric that can be formed by a sol-gel method is preferable. For example, Ba x Sr 1-x TiO 3 (0 <x ≦ 0.8), (Pb 1−x La x ) Zr 0.46 Ti 0.36 O 3 (1 ≧ x ≧ 0.02), (Pb 1−x Er x ) Zr 0.46 Ti 0.36 O 3 (0.02 ≦ x ≦ 0.1). Specifically, SrTiO 3 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , SrBi 2 Nb 2 O 9 , SrBi 2 (Ta, Nb) 2 O 9 , Bi 4 Ti 3 O 12 , SrBi 4 Ti 4 O 15 , SrBi 4 ( Ti, Zr) 4 O 15 , CaBi 2 Ta 2 O 9 , BaBi 2 Ta 2 O 9 , BaBi 2 Nb 2 O 9 and the like. Among them, SrTiO 3 and Ba 0.7 Sr 0.3 TiO 3 are more preferable.
[0012]
As the upper electrode in the variable capacitance element of the present invention, the same material as the lower electrode can be used. However, the upper electrode material does not need to be the same as the lower electrode material. Further, as described above, an adhesive layer or the like may be formed immediately below the upper electrode in order to improve the adhesiveness and the like of the upper electrode. Further, the shape of the upper electrode can be appropriately adjusted depending on the capacity, application, applied voltage, and the like to be obtained, and the shape in which the entire surface of the upper electrode is in contact with the dielectric thin film and the shape in which the entire surface of the dielectric is covered And various shapes such as a shape having an air bridge in a part between the dielectric and the dielectric.
[0013]
The variable capacitance element in the present invention is not particularly limited as long as it has a shape and a structure that can operate as a variable capacitance element up to the GHz band. For example, the lower electrode, the dielectric thin film, and the upper electrode Various shapes and structures such as a general capacitor structure, a vertical capacitor structure, and a structure in which an air bridge is formed at least at one end of an upper electrode are included.
[0014]
The variable capacitance element according to the present invention can change the capacitance by applying a bias voltage to at least one of the upper and lower electrodes, and furthermore, by applying the bias voltage, the relative dielectric constant of the dielectric thin film can be changed. The rate can be changed according to a change in voltage. The voltage applied to the upper and lower electrodes can be appropriately adjusted depending on the dielectric material, film thickness, application, etc., for example, from the viewpoint of dielectric leakage current, practicality, and the like, about 20 V or less, preferably about 16 V. Hereinafter, more preferably, about −16 to +16 V is used. Further, the capacitance that changes in response to the applied voltage is preferably as large as possible, for example, about -50% or more, and more preferably about -100%. Further, the relative permittivity of the dielectric, which changes according to the applied voltage, varies depending on the dielectric material and the like, and is, for example, about 50 to 1,000.
[0015]
In the step (i) of the method of manufacturing a variable capacitance element according to the present invention, a lower electrode is formed on a substrate. At this time, the above-mentioned electrode material can be formed into a desired film thickness by a known method, for example, various methods such as a vacuum evaporation method, a sputtering method, and an electron beam evaporation method, for example, photolithography and etching. It can be patterned into a desired shape by a method, a lift-off method, or the like.
[0016]
In the step (ii), first, a precursor solution of an element constituting the dielectric thin film is prepared by a sol-gel method. The precursor solution may be, for example, a carboxylate or alkoxide such as Ba, Bi, Sr, Ta, Nb, Ti, Zr, Ca, Pb, or Er at an appropriate concentration, at an appropriate temperature, and in an appropriate blending ratio. It can be prepared by dissolving in an aqueous medium or an organic solvent. At this time, examples of the organic solvent that can be used include lower alcohols such as methanol, ethanol, and propanol, xylene, and acetate. The preparation of the precursor solution depends on, for example, the composition of the ferroelectric to be finally obtained from each solution of the metal element constituting the ferroelectric, but is about 0.1 to 5 mol / L, preferably 0 to 5 mol / L. Prepared separately at about 1 to 2 mol / L, for example, sufficiently heated at about 200 ° C. or lower, preferably about 150 ° C. or lower, and appropriately mixed with stirring for about 5 hours, preferably about 1 to 3 hours. For example, a method of stirring the mixture for about 1 hour to 1 day and night can be used. It is preferable that the precursor solution is optionally subjected to filtration, distillation of a solvent, adjustment of concentration, and the like.
[0017]
Next, the obtained precursor solution can be applied to the lower electrode with a film thickness of about 20 to 200 nm per layer by various methods such as a spin coating method, a printing method, and a roll coating method. However, if the thickness per layer is large, cracks are likely to occur in the drying step. Therefore, the thickness to be applied per layer is more preferably about 100 nm or less. In particular, in the case of the printing method, the precursor solution is appropriately mixed with an organic binder resin such as an acrylic resin, a phenol resin, an alkyd resin, ethyl cellulose, and polyvinyl alcohol, and an organic solvent such as an alcohol-based, ether-based, and ester-based resin. Thereby, the viscosity can be adjusted. Further, a glass component such as silicate glass, borosilicate glass, or alumina silicate glass may be mixed in order to enhance the adhesiveness to the lower electrode.
[0018]
Further, the applied precursor solution is dried. The drying method can be appropriately selected depending on the type of the organic solvent used as the precursor solution, the composition of the precursor solution, and the like. For example, a temperature range of about 80 ° C to 300 ° C, preferably about 100 ° C to 200 ° C. The heat treatment can be performed in the atmosphere for 10 seconds to 60 minutes, preferably for about 15 minutes or less. The heat treatment may be performed at a uniform temperature for a fixed time using a known method, for example, an infrared heating furnace, a resistance heating furnace, or the like, or at different temperatures.
[0019]
Subsequently, the organic matter in the thin film is decomposed and removed by heat treatment. The heat treatment method at this time is preferably performed at a temperature at which organic substances present in the thin film are sufficiently decomposed, and at a temperature range in which crystallization does not start. Specifically, a temperature range of about 400 ° C. to 550 ° C. This can be performed in the atmosphere or in an inert gas atmosphere for about 10 to 60 minutes.
The above step (ii) is repeated at least twice depending on the number of dielectric thin films to be obtained. The step (ii) at this time may be repeated under exactly the same conditions in order to obtain a dielectric thin film having the same type and composition ratio, or the conditions and the like may be changed according to the type and composition ratio of the dielectric thin film. It may be adjusted appropriately and repeated.
[0020]
In step (iv), an upper electrode is formed on the obtained dielectric thin film layer. The method for forming the upper electrode can be the same as that for the lower electrode.
The formation of the upper electrode may be performed after the step (iii) and before the crystallization of the dielectric thin film described later, or may be performed after the crystallization of the dielectric thin film layer.
The crystallization of the dielectric thin film is performed in an oxygen atmosphere, an inert atmosphere such as argon or nitrogen, at normal pressure or reduced pressure, preferably at normal pressure, in a temperature range of 550 ° C. to 800 ° C. or less for about 30 seconds to 60 minutes. be able to. As the heat treatment method at this time, an RTA method or the like can be used in addition to the above-described method.
[0021]
In the method of manufacturing the variable capacitance element according to the present invention, the heat treatment for decomposing and removing organic substances in the thin film and the heat treatment for crystallization can be performed by appropriately selecting appropriate conditions. . For example, after applying the precursor solution in the step (ii), the precursor solution is dried in the air at a temperature of about 100 ° C. for about 5 to 20 minutes, and subsequently, in a temperature range of about 600 ° C., at normal pressure and in the air, and then dried. There is a method in which heat treatment is performed for about 60 minutes to crystallize the dielectric thin film layer, and a method in which this is repeated two or more times is exemplified. However, it is necessary to select conditions under which organic substances in the thin film can be sufficiently decomposed and removed before crystallization proceeds.
[0022]
The operation of the variable capacitance element according to the present invention is considered as follows.
Generally, in a paraelectric (or paraelectric phase) such as SrTiO 3 or (Ba 0.7 Sr 0.3 ) TiO 3 , the relationship between the electric field E, the polarization P, and the relative permittivity εr is as follows.
ε 0 εrE = εE + P (1)
Holds. Here, ε 0 represents a dielectric constant in a vacuum.
[0023]
In general, in a paraelectric (or paraelectric phase),
E = aP (a is a constant) (2)
(However, the phase transition temperature (105 K) or more of SrTiO 3 is satisfied).
Therefore, the relative permittivity is constant without depending on the electric field from the equations (1) and (2).
However, when the dielectric thin films are stacked in multiple layers as in the present invention, the contribution of the interfacial energy to the whole free energy is larger than that of a bulk or a single thin film. Does not hold, and includes a non-linear component of P, for example, as in equation (3).
[0024]
E = aP + bP 3 + cP 5 (a, b and c are constants) (3)
As a result, the relative dielectric constant has an electric field dependency according to the equation (1).
Further, the dielectric thin film in the method for manufacturing a variable capacitance element of the present invention is a step of applying a sol-state dielectric precursor solution, drying and then decomposing and removing organic substances in the thin film by heat treatment using a sol-gel method. Is repeated two or more times, and then heat treatment is performed for crystallization to form a multilayer, so that an interface that does not exist in a bulk or a single thin film is formed between the dielectric thin films. Therefore, the contribution of the interface energy is further increased.
[0025]
As described above, in the variable capacitance element of the present invention, the capacitance of the entire element can be greatly changed by the bias voltage applied to the upper electrode, and when the capacitance affects the characteristics of the high-frequency circuit, for example, a high-frequency filter, an impedance antenna, By changing the capacitance such as the above, it becomes possible to change the filter transmission characteristics, the detection frequency, and the like, and it can be applied to various high-frequency devices.
Hereinafter, a variable capacitance element and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0026]
Embodiment 1
FIG. 1 is a schematic sectional view of a variable capacitance element according to the present invention. In this variable capacitance element, a Ta lower electrode adhesive layer 2, a Pt lower electrode layer 3, a dielectric multilayer thin film 4, an air bridge 5, a Ta lower electrode adhesive layer 6, and the Pt electrode layer 7 are sequentially formed on a ceramic substrate 1. Be done.
[0027]
Hereinafter, a method for manufacturing the above variable capacitance element will be described.
First, a lower electrode resist pattern is formed on a ceramic substrate 1 by using a lift-off method based on ordinary photolithography, and a Ta lower electrode adhesive layer 2 and a Pt lower electrode layer 3 are formed to a thickness of 20 nm and 100 nm, respectively, by sputtering. After the formation, the lower electrode resist pattern was lifted off to form a lower electrode pattern including the Ta lower electrode adhesive layer 2 and the Pt lower electrode layer 3.
[0028]
Next, on the Pt lower electrode layer 3 thus formed, a sol-state precursor solution composed of a metal alkoxide of SrTiO 3 is spin-coated (process 1), and dried by a heat treatment at 100 ° C. for 10 minutes. A dry gel thin film was prepared (Process 2).
Next, in order to thermally decompose the organic substance in the thin film of the dried gel thus produced, a heat treatment was performed at 400 ° C. for 10 minutes in the atmosphere at atmospheric pressure (process 3).
[0029]
After repeating the above processes 1 to 3 three times, a heat treatment was performed at 600 ° C. for 30 minutes in an oxygen atmosphere at 1 atm in order to crystallize the multilayer film from which organic substances were removed. As a result, a dielectric multilayer thin film 4 made of SrTiO 3 having a thickness of 210 nm was obtained. This dielectric multilayer thin film 4 was processed into a predetermined shape by etching.
[0030]
Next, after forming an air bridge resist pattern on the dielectric multilayer thin film 4 using an air bridge forming resist, an upper electrode resist pattern is formed using a lift-off method similar to the lower electrode pattern forming method, and sputtering is performed. The Ta upper electrode adhesive layer 6 and the Pt upper electrode layer 7 were formed to a thickness of 20 nm and 500 nm, respectively, by using the method. Thereafter, by lifting off the air bridge resist pattern and the upper electrode resist pattern, an upper electrode pattern including the Ta upper electrode adhesive layer 6 and the Pt upper electrode layer 7 was formed.
[0031]
A bias voltage was applied between the Pt upper electrode layer 6 and the Pt lower electrode layer 3 of the variable capacitance element manufactured by the above method, and the bias voltage dependence of the capacitance at 10 GHz at room temperature was measured. FIG. 2 shows the measurement results.
The relative dielectric constant of the obtained dielectric multilayer thin film 4 is 160, and at an applied voltage of 16 V, a capacitance change characteristic of 67 capacitance change rate Cv / Co × 100 [%] = − 62% is obtained. The ratio was 67 (where Cv represents the capacity when a voltage was applied, and Co represents the capacity when no voltage was applied).
[0032]
Comparative Example 1
For comparison, a variable capacitance element was manufactured in the same manner as in the first embodiment except that an SrTiO 3 thin film produced by a sputtering method was used as a dielectric thin film.
[0033]
The SrTiO 3 thin film was formed by using a ceramic sintered body of SrTiO 3 as a sputtering target, using only O 2 gas as a sputtering gas, forming a 210 nm film at a sputtering gas pressure of 2 Pa and a substrate temperature of 400 ° C.
The capacitance change characteristics of the variable capacitance element manufactured as described above were measured. The result is shown in FIG.
[0034]
The relative dielectric constant of the obtained SrTiO 3 thin film was 150, and the capacitance change rate was -9% even at an applied voltage of 16 V, which was lower than that of the variable capacitance element shown in the first embodiment.
[0035]
Embodiment 2
A variable capacitance element is manufactured by using a barium strontium titanate ((Ba 0.7 Sr 0.3 ) TiO 3 ) multilayer thin film formed by a sol-gel method instead of the dielectric multilayer thin film made of SrTiO 3 in the first embodiment. did.
The method for manufacturing a variable capacitance element according to this embodiment is different from the method for manufacturing a variable capacitance element according to the first embodiment in that the sol-state precursor solution composed of metal alkoxide in Process 1 is not SrTiO 3 but (Ba 0 0.7 Sr 0.3 ) The only difference is that a sol-state precursor solution made of a metal alkoxide of TiO 3 is used. Otherwise, a method similar to the method of manufacturing the variable capacitance element of the first embodiment is used. Was.
[0036]
The bias voltage dependence of the capacitance at 10 GHz of the variable capacitance element manufactured by the above method was measured. FIG. 4 shows the measurement results.
The relative dielectric constant of the obtained (Ba 0.7 Sr 0.3 ) TiO 3 multilayer thin film is 180, and a capacitance change characteristic of −60% is obtained at an applied voltage of 16 V. The rate was 67.
[0037]
Comparative Example 2
For comparison, a variable capacitance element was manufactured in the same manner as in the first embodiment except that a (Ba 0.7 Sr 0.3 ) TiO 3 thin film produced by a sputtering method was used as the dielectric thin film.
[0038]
(Ba 0.7 Sr 0.3 ) TiO 3 thin film is prepared by using a ceramic sintered body of (Ba 0.7 Sr 0.3 ) TiO 3 as a sputtering target and using only O 2 gas as a sputtering gas. A film thickness of 210 nm was formed at a sputtering gas pressure of 2 Pa and a substrate temperature of 400 ° C.
The capacitance change characteristics of the variable capacitance element manufactured as described above were measured. The relative dielectric constant of the obtained (Ba 0.7 Sr 0.3 ) TiO 3 thin film is 170, and the capacitance change rate is -10% even at an applied voltage of 16 V, which is lower than that of the variable capacitance element shown in the second embodiment. It was a change characteristic.
[0039]
Embodiment 3
Instead of the dielectric multilayer thin film made of SrTiO 3 in the first embodiment, an SrTiO 3 thin film formed by a sol-gel method and barium strontium titanate ((Ba 0.7 Sr 0.3 ) TiO 3 ) were alternately laminated. A variable capacitance element was fabricated using the multilayer thin film.
[0040]
The method for manufacturing the variable capacitance element according to the third embodiment is the same as the method for manufacturing the variable capacitance element according to the first and second embodiments except for the method for forming the dielectric multilayer thin film.
The dielectric multilayer thin film of the variable capacitance element according to the third embodiment was manufactured as follows.
On the Pt lower electrode layer 3, a sol-state precursor solution composed of a metal alkoxide of SrTiO 3 is spin-coated (process 1) and dried by heat treatment at 100 ° C. for 10 minutes to produce a dry gel thin film ( Process 2). Next, heat treatment was performed at 400 ° C. for 10 minutes in the atmosphere at atmospheric pressure (process 3).
[0041]
Next, a precursor solution in a sol state composed of a metal alkoxide of (Ba 0.7 Sr 0.3 ) TiO 3 is spin-coated (process 4), and dried by heat treatment at 100 ° C. for 10 minutes. A thin film is formed (process 5). Next, the dried gel thus produced was subjected to a heat treatment at 400 ° C. for 10 minutes in the atmosphere at atmospheric pressure (process 6).
[0042]
Further, a precursor solution in a sol state composed of a metal alkoxide of SrTiO 3 is spin-coated (process 7), and dried by heat treatment at 100 ° C. for 10 minutes to produce a dry gel thin film (process 8). Next, heat treatment was performed at 400 ° C. for 10 minutes in the atmosphere at atmospheric pressure (process 9).
Thereafter, a heat treatment was performed at 600 ° C. for 30 minutes in an oxygen atmosphere at 1 atm. As a result, a dielectric multilayer thin film 4 having a structure in which SrTiO 3 and (Ba 0.7 Sr 0.3 ) TiO 3 having a total film thickness of 210 nm were alternately laminated was obtained.
[0043]
The bias voltage dependence of the capacitance of 10 GHz of the variable capacitance element manufactured by the above method was measured. FIG. 6 shows the measurement results. The relative dielectric constant of the obtained multilayer thin film having a structure in which SrTiO 3 and (Ba 0.7 Sr 0.3 ) TiO 3 are alternately stacked is 170, and the capacitance change rate is −60% at an applied voltage of 16 V. The capacitance change characteristic was obtained, and the relative dielectric constant at this time was 67.
[0044]
【The invention's effect】
According to the variable capacitance element of the present invention, at least a lower electrode, a dielectric thin film, and an upper electrode are sequentially provided on a substrate, and the dielectric thin film is formed of a multilayer dielectric thin film. In addition to being possible, a reduction in size and weight can be realized. Further, since it is not necessary to use a single crystal material of Si or GaAs, it can be formed easily and inexpensively on a ceramic substrate.
[0045]
In addition, when a multilayer dielectric thin film is formed by a sol-gel method, a specific interface state is formed at the interface of each layer during crystallization, so that a remarkable change in capacitance can be obtained.
Further, when the dielectric thin film is made of a multilayer strontium titanate, barium strontium titanate or a combination thereof, since these are paraelectric or paraelectric phases, the capacitance does not deteriorate even at a frequency of 10 GHz or more. A variable element can be obtained.
[0046]
In addition, since the variable capacitance element changes the capacitance by applying a voltage to at least one of the lower electrode and the upper electrode, a tunable high-frequency filter that can control the magnitude of the capacitance with the voltage, a delay, It can be widely applied to high frequency devices such as elements, array antennas, and coupled strip lines.
Further, according to the variable capacitance element manufacturing method of the present invention, it is possible to provide a manufacturing method capable of easily realizing the variable capacitance element having the special functions and functions as described above.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a main part showing a variable capacitance element of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a capacitance change characteristic of the variable capacitance element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a capacitance change characteristic of a variable capacitance element according to Comparative Example 1 of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a capacitance change characteristic of a variable capacitance element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a capacitance change characteristic of a variable capacitance element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a capacitance change characteristic of a variable capacitance element according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic sectional view of a main part showing a conventional variable capacitance element.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ceramic substrate 2 Ta lower electrode adhesive layer 3 Pt lower electrode layer 4 Dielectric multilayer thin film 5 Air bridge 6 Ta upper electrode adhesive layer 7 Pt upper electrode layer

Claims (7)

基板上に少なくとも下部電極、誘電体薄膜層及び上部電極を順次備え、前記誘電体薄膜層が多層の誘電体薄膜からなり、
上記基板が、ガラス基板、樹脂基板及びセラミック基板のうちの何れか1つからなり、
少なくとも前記下部電極及び上部電極の一方に電圧を印加することにより容量を変化させるものであることを特徴とする容量可変素子。
At least a lower electrode on a substrate, e sequentially Bei a dielectric thin film layer and an upper electrode, Ri Do a dielectric thin film of the dielectric thin film layer is a multilayer,
The substrate is made of any one of a glass substrate, a resin substrate, and a ceramic substrate,
A capacitance variable element that changes a capacitance by applying a voltage to at least one of the lower electrode and the upper electrode .
誘電体薄膜が、ゾルゲル法により形成されてなる請求項1記載の容量可変素子。2. The variable capacitance element according to claim 1, wherein the dielectric thin film is formed by a sol-gel method. 誘電体薄膜層が、多層のチタン酸ストロンチウム膜からなる請求項1記載の容量可変素子。2. The variable capacitance element according to claim 1, wherein the dielectric thin film layer comprises a multilayer strontium titanate film. 誘電体薄膜層が、多層のチタン酸バリウムストロンチウム膜からなる請求項1記載の容量可変素子。2. The variable capacitance element according to claim 1, wherein the dielectric thin film layer comprises a multilayer barium strontium titanate film. 誘電体薄膜層が、チタン酸ストロンチウム膜とチタン酸バリウムストロンチウム膜とが交互に積層した多層である請求項1記載の容量可変素子。2. The variable capacitance element according to claim 1, wherein the dielectric thin film layer is a multilayer in which strontium titanate films and barium strontium titanate films are alternately stacked. 上部電極の少なくとも一端部にエアーブリッジが形成された請求項1〜5のいずれか1つに記載の容量可変素子。The capacitance variable element according to any one of claims 1 to 5, wherein an air bridge is formed at at least one end of the upper electrode . 請求項1〜6の何れか1つに記載の容量可変素子を製造する方法であって、
(i)基板上に下部電極を形成し、
(ii)ゾルゲル法により、誘電体薄膜を構成する元素の前駆体溶液を調整して前記下部電極上に塗布、乾燥して薄膜化し、熱処理により薄膜中の有機物を分解除去する工程を複数回繰り返し、
iii 得られた多層の誘電体薄膜上に上部電極を形成する前又は後に、熱処理を施して前記誘電体薄膜を結晶化させることからなる容量可変素子の製造方法。
A method for manufacturing a variable capacitance element according to claim 1,
(I) forming a lower electrode on the substrate,
(Ii) A plurality of steps of preparing a precursor solution of an element constituting a dielectric thin film by a sol-gel method, applying the solution on the lower electrode, drying the thin film, and decomposing and removing organic substances in the thin film by heat treatment are repeated a plurality of times. ,
( Iii ) A method for manufacturing a variable capacitance element, which comprises subjecting a heat treatment to crystallize the dielectric thin film before or after forming an upper electrode on the obtained multilayer dielectric thin film.
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