JP5766011B2 - 静電容量素子 - Google Patents

Description

本発明は、静電容量素子に関する。

フィルタなどの種々の電子素子には、多数のコンデンサが用いられている。コンデンサの静電容量は、当該コンデンサの温度によって変化する場合がある。フィルタに用いられているコンデンサの静電容量が変化すると、当該フィルタの通過帯域が変化してしまう。そこで、温度変化によるコンデンサの容量変化を補償する技術が開発されている。その技術の１つが、例えば特許文献１に記載されている。

特開２００２−７５７８３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、多数のコンデンサの誘電体の材料を変えて、静電容量の温度変化を互いに補償している。そのため、異なる材料の誘電体を積層して１つのコンデンサとして形成するので、製造が煩雑になっていた。

本発明は、上述の事情のもとで考え出されたものであって、生産性に優れる温度補償型の静電容量素子を提供することを目的とする。

本発明の静電容量素子は、基板と、該基板の上に位置する第１コンデンサと、前記基板の上に位置して前記第１コンデンサと電気的に並列接続されている第２コンデンサとを有し、前記第１コンデンサは、第１下部電極と第１誘電体と第１上部電極とで構成され、前記第２コンデンサは、前記基板側から順に前記第１下部電極と異なる材料からなる第１層および前記第１下部電極と同じ材料からなる第２層が積層されてなる第２下部電極と、前記第１誘電体と同じ組成の材料からなる第２誘電体と、第２上部電極とで構成され、温度が上昇する際の前記第１コンデンサの静電容量の変化量と前記第２コンデンサの静電容量の変化量とで変化の正負が異なっている。

本発明によれば、第２コンデンサの第２下部電極を、第１層および第１コンデンサを構成する第１下部電極と同じ材料からなる第２層の積層構造で構成することにより、第１コンデンサと第２コンデンサとの温度変化に対する静電容量の変化量の正負を変えることができるので、生産性に優れる温度補償型の静電容量素子を提供することができる。

本発明に係る静電容量素子の第１の実施形態の概略構成を示す平面図である。 図１に示したII−II線に沿った断面図である。 本発明に係る静電容量素子の第２の実施形態の概略構成を示す平面図である。 図３に示したIV−IV線に沿った断面図である。 本発明に係る静電容量素子の第３の実施形態の概略構成を示す平面図である。 図５に示したVI−VI線に沿った断面図である。 第１コンデンサの実施例の静電容量特性を示すグラフである。 第２コンデンサの実施例の静電容量特性を示すグラフである。

＜静電容量素子の第１の実施形態＞
本発明の静電容量素子の実施形態の一例である静電容量素子１０について、図面を参照しつつ説明する。図１および図２に示した例の静電容量素子１０は、支持基板２０と、第１コンデンサ３０と、第２コンデンサ４０と、配線導体５０と、保護層６０とを含んで構成されている。

支持基板２０は、第１コンデンサ３０、第２コンデンサ４０、配線導体５０および保護層６０の支持部材となるものである。この支持基板２０としては、例えば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、シリコンなどの半導体基板などが挙げられる。本実施形態では、支持基板２０としてシリコン基板を採用している。この支持基板２０の一主面の上（図２の上方向）には、第１コンデンサ３０および第２コンデンサ４０が支持されている。

第１コンデンサ３０は、第１下部電極３１と、第１誘電体３２と、第１上部電極３３とを積層して構成されている。この第１下部電極３１と第１上部電極３３とは、第１誘電体３２を間に介して対向している。

第２コンデンサ４０は、第２下部電極４１と、第２誘電体４２と、第２上部電極４３とを積層して構成されている。この第２下部電極４１と第２上部電極４３とは、第２誘電体４２を間に介して対向している。ここで、第２下部電極４１は、支持基板２０側から順に積層された第１層４１ｘと第２層４１ｙとからなる。そして、本例では、第１誘電体３２と第２誘電体４２とに同じ組成の材料を採用している。

上述の第１下部電極３１および第２下部電極４１としては、種々の導電材料が採用可能である。本例では、第１誘電体３２および第２誘電体４２を高温スパッタリングで形成することから、高融点の導電材料を採用している。高融点の導電材料としては、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）などが挙げられる。本例では、第１下部電極３１としてイリジウムを採用し、第２下部電極４１の第１層４１ｘとして白金を，第２層４１ｙとしてイリジウムを採用している。本例では、下部電極としてイリジウムを採用した第１コンデンサ部３０は、温度が上昇する際に静電容量が増加し、すなわち正の変化量で静電容量が変化する。また、下部電極として支持基板２０側から順に白金およびイリジウムを積層した第２コンデンサ部４０は、温度が上昇する際に静電容量が減少し、すなわち負の変化量で静電容量が変化する。第１下部電極３１，第２下部電極４１ともに、第１誘電体３２および第２誘電体４２に接する材料は同一の材料であるが、第２下部電極４１を積層体とすることで、温度変化に対する静電容量の変化の正負を逆にすることができる。このメカニズムは明らかではないが、下部電極（３１，４１）の構成により誘電体（３２，４２）にかかる応力に関係するものと推察される。

このように、下部電極（３１，４１ｙ）がイリジウムからなる場合には、イリジウムの比抵抗が白金等に比べて低いため、下部電極（３１，４１ｙ）の厚みを薄くすることができる。これにより、下部電極（３１，４１ｙ）の加工性が容易となり、生産性を高めることができる。

上述の第１誘電体３２および第２誘電体４２としては、種々の誘電体材料が採用可能で
ある。この誘電体材料としては、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、およびチタン酸ストロンチウムバリウム（以下、ＢＳＴ）などが挙げられる。本例では、第１誘電体３２および第２誘電体４２としてＢＳＴを採用している。また、本例では、第１誘電体３２および第２誘電体４２を高温下でスパッタリングによって形成している。このスパッタリングの際の温度としては、例えば５００℃〜８００℃の範囲が挙げられる。

上述の第１上部電極３３および第２上部電極４３としては、種々の導電材料が採用可能である。この導電材料としては、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）およびこれらの金属を積層したものなどが挙げられる。本例では、第１上部電極３３および第２上部電極４３としてＩｒＯ_２とＩｒとを誘電体側から順次積層した構成を採用している。

配線導体５０は、第１コンデンサ３０および第２コンデンサ４０を電気的に並列に接続する機能を担っている。この配線導体５０は、第１導体５１と第２導体５２とを含んで構成されている。この第１導体５１は、第１下部電極３１と第２下部電極４１とを電気的に接続している。本例の第１導体５１は、第１下部電極３１および第２下部電極４１の第２層４１ｙに跨って位置し、各電極に接している。第２導体５２は、第１上部電極３３と第２上部電極４３とを電気的に接続している。このようにして配線導体５０は、第１コンデンサ３０および第２コンデンサ４０を電気的に並列接続している。

保護層６０は、第１コンデンサ３０および第２コンデンサ４０を外部から保護する機能を担っている。保護層６０は、第１コンデンサ３０および第２コンデンサ４０を覆っている。この保護層６０は、第１上部電極３３および第２上部電極４３の上に貫通孔を有している。第２導体５２は、保護層６０の貫通孔を通じて第１上部電極３３および第２上部電極に接続されている。この保護層６０として採用可能な材料としては、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの無機物材料、およびポリイミドなどの樹脂材料などが挙げられる。

本例の静電容量素子１０は、静電容量素子１０の温度が上昇する際の第１コンデンサ３０の静電容量の変化量と、第２コンデンサ４０の静電容量の変化量とで、変化の正負が異なっている。このため、第１コンデンサ３０と第２コンデンサ４０とを電気的に並列に接続することによって、温度変化に伴う静電容量の変化を低減することができ、変化量を比較的小さく抑えることができる。

この静電容量素子１０は、第１誘電体３２および第２誘電体４２に共通の材料を採用している。このため、第１誘電体３２および第２誘電体４２を同時に製造することができるので、第１誘電体３２および第２誘電体４２をそれぞれ個別の材料で形成している場合に比べて、容易に製造することができる。すなわち、一般には電極などの導体を形成するプロセスに比べて誘電体を形成するプロセスの方が複雑であるので、製造が比較的容易な導体を個別の材料で形成したとしても、全体としての生産性を高めることができる。

また、第１誘電体３２および第２誘電体４２に接する下部電極（３１，４１ｙ）が同じ材料からなるため、第１誘電体３２および第２誘電体４２の結晶性を揃えることができ、静電容量素子１０全体として、温度変化に対する容量変化をより精密に抑制することができる。

さらに、本例の静電容量素子１０のように、平面視で、下部電極（３１，４１ｙ）の周縁部よりも内側に第１誘電体３２および第２誘電体４２が位置する場合には、下部電極（３１，４１ｙ）となる導電層を成膜後に、第１誘電体３２および第２誘電体４２となる誘電体膜を連続して成膜することができる。これにより、下部電極（３１，４１ｙ）と第１
誘電体３２および第２誘電体４２との間において、不純物等の介在を抑制することができる。その結果、誘電体（３２，４２）の結晶性を高めることができるため、高い誘電率を有する静電容量素子を提供することができる。

＜静電容量素子の第２の実施形態＞
本発明の静電容量素子の実施形態の他の例である静電容量素子１０Ａについて、図面を参照しつつ説明する。図３および図４に示した例の静電容量素子１０Ａは、支持基板２０と、第１コンデンサとしての第１コンデンサ部３０Ａと、第２コンデンサとしての第２コンデンサ部４０Ａと、配線導体５０Ａと、保護層６０Ａとを含んで構成されている。

この静電容量素子１０Ａでは、第１下部電極３１Ａと第１上部電極３３Ａとが対向する領域が第１コンデンサとして機能し、第２下部電極４１Ａと第２上部電極４３Ａとが対向する領域が第２コンデンサとして機能する。本例では、第１コンデンサとして機能する部位を第１コンデンサ部３０Ａとし、第２コンデンサとして機能する部位を第２コンデンサ部４０Ａとしている。第２下部電極４１Ａは、支持基板２０側から順に第１層４１Ａｘおよび第２層４１Ａｙが積層されて成る。

第１下部電極３１Ａと第１上部電極３３Ａとの間、および第２下部電極４１Ａと第２上部電極４３Ａとの間には、誘電体７０Ａが位置している。この誘電体７０Ａは、第１誘電体３２Ａと第２誘電体４２Ａとが一体的に構成されているものである。言い換えると、この誘電体７０Ａのうち、第１下部電極３１Ａと第１上部電極３３Ａとの間に位置する部位が第１誘電体３２Ａとして機能し、第２下部電極４１Ａと第２上部電極４３Ａとの間に位置する部位が第２誘電体４２Ａとして機能する。

第１導体５１Ａ、第２導体５２Ａ、および保護層６０Ｂは、静電容量素子１０の各素子に対応している。

＜静電容量素子の第３の実施形態＞
本発明の静電容量素子の実施形態の他の例である静電容量素子１０Ｂについて、図面を参照しつつ説明する。図５および図６に示した例の静電容量素子１０Ｂは、支持基板２０と、第１コンデンサとしての第１コンデンサ部３０Ｂと、第２コンデンサとしての第２コンデンサ部４０Ｂと、配線導体５０Ｂと、保護層６０Ｂとを含んで構成されている。また、第２下部電極４１Ｂは、支持基板２０側から順に第１層４１Ｂｘおよび第２層４１Ｂｙが積層されて成り、第１下部電極３１Ｂと第２層４１Ｂｙとが一体的に形成されている。このような構成により、第１下部電極３１Ｂと第２下部電極４１Ｂの第２層４１Ｂｙとを電気的に接続するために新たな配線導体を設ける必要がない。このため、生産性の高いものとすることができる。

この静電容量素子１０Ｂでは、第１下部電極３１Ｂと第１上部電極３３Ｂとが対向する領域が第１コンデンサとして機能し、第２下部電極４１Ｂの第２層４１Ｂｙと第２上部電極４３Ｂとが対向する領域が第２コンデンサとして機能する。本例では、第１コンデンサとして機能する部位を第１コンデンサ部３０Ｂとし、第２コンデンサとして機能する部位を第２コンデンサ部４０Ｂとしている。

第１下部電極３１Ｂと第１上部電極３３Ｂとの間、および第２下部電極４１Ｂと第２上部電極４３Ｂとの間には、誘電体７０Ｂが位置している。この誘電体７０Ｂは、第１誘電体３２Ｂと第２誘電体４２Ｂとが一体的に構成されているものである。言い換えると、この誘電体７０Ｂのうち、第１下部電極３１Ｂと第１上部電極３３Ｂとの間に位置する部位が第１誘電体３２Ｂとして機能し、第２下部電極４１Ｂと第２上部電極４３Ｂとの間に位置する部位が第２誘電体４２Ｂとして機能する。

第１導体５１Ｂ、第２導体５２Ｂ、および保護層６０Ｂは、静電容量素子１０の各素子に対応している。

図１および図２に示した例の静電容量素子１０を作製し、温度変化に対する静電容量の変化を測定した。実験条件としては、以下の数値の条件を採用した。

支持基板２０は、その表面に熱酸化膜を３０００Å形成しシリコン基板を採用し、第１下部電極３１としてイリジウム（Ｉｒ）を採用し、第２下部電極４１の第１層４１ｘとして白金（Ｐｔ）を、第２層４１ｙとしてイリジウム（Ｉｒ）を採用し、第１誘電体３２および第２誘電体４２としてＢＳＴを採用し、第１上部電極３３および第２上部電極４３としてＩｒＯ_２とＩｒとを誘電体側から順次積層した構成を採用し、保護層６０としてＳｉＯ_２を採用した。

また、第１下部電極３１は、面積が５４０μｍ×６７０μｍとなり、厚みが１００ｎｍとなるように形成した。第１誘電体３２は、面積が４００μｍ×４００μｍとなり、厚みが１００ｎｍとなるように形成した。第１上部電極３３は、面積が２８０μｍ×２８０μｍとなり、ＩｒＯ_２層の厚みが１００ｎｍ、Ｉｒ層の厚みが１００ｎｍとなるように形成した。第２下部電極４１は、面積が５４０μｍ×６７０μｍとなり、厚みが第１層４１ｘは１００ｎｍ，第２層４１ｙは１００ｎｍとなるように形成した。第２誘電体４２は、面積が４００μｍ×４００μｍとなり、厚みが１００ｎｍとなるように形成した。第２上部電極４３は、面積が２８０μｍ×２８０μｍとなり、ＩｒＯ_２層の厚みが１００ｎｍ、Ｉｒ層の厚みが１００ｎｍとなるように形成した。

なお、第１下部電極３１と支持基板２０との間および第２下部電極４１と支持基板２０との間には、密着層として厚み２０ｎｍのＴｉＯ_ｘからなる層を形成した。

上述の条件で静電容量素子１０を作製し、第１コンデンサ３０および第２コンデンサ４０について温度変化に対する静電容量の変化をそれぞれ測定した。本実施例での測定には、ＬＣＲメータ（アジレント社製４２８４Ａ）を用いた。この測定では、３０ｍＶｒｍｓの交番電圧を１ｋＨｚの周波数で印加している。測定した結果を図７および図８に示す。図７は、第１コンデンサ３０の静電容量と第１コンデンサ３０の温度との相関関係を示すグラフである。図８は、第２コンデンサ４０の静電容量と第２コンデンサ４０の温度との相関関係を示すグラフである。図７および図８において、横軸は温度を表し、縦軸は静電容量を表している。

図７および図８に示した結果から、第１コンデンサ３０は温度が上昇する際に静電容量が増加し、すなわち静電容量の変化量が正で変化し、第２コンデンサ４０は温度が上昇する際に静電容量が減少し、すなわち静電容量の変化量が負で変化することが分かった。よって、温度が上昇する際の第１コンデンサ３０の静電容量の変化量と第２コンデンサ４０の静電容量の変化量とで変化の正負が異なっていることが分かった。その結果、第１コンデンサ３０と第２コンデンサ４０とを電気的に並列に接続することによって、温度変化に伴う静電容量素子１０の静電容量の変化量を低減できる。

なお、本発明は上記の実施の形態の例および実施例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内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。

例えば、静電容量素子１０，１０Ａでは、第１上部電極３３，３３Ａと第２上部電極４３，４３Ａとが独立しているが、これらは一体的に構成された１つの上部電極であっても
よい。第１上部電極と第２上部電極とが１つの上部電極として構成されている場合は、第１下部電極および第２下部電極を基準にして第１コンデンサ部と第２コンデンサ部とに区別される。

また、所定の基準温度において、第１コンデンサ３０の静電容量と第２コンデンサ４０の静電容量とを異ならせてもよい。各コンデンサの静電容量の温度変化に対する変化量に違いがある場合であっても、変化量の正負が異なることにより温度変化が生じた際の静電容量素子１０の静電容量にばらつきが生じるのを低減することができる。

また、静電容量素子１０Ｂにおいて、下部電極（３１Ｂ，４１Ｂｙ）と配線導体５１Ｂとを一体的に形成してもよい。

１０，１０Ａ，１０Ｂ・・・静電容量素子
２０・・・支持基板
３０・・・第１コンデンサ
３０Ａ，３０Ｂ・・・第１コンデンサ
３１，３１Ａ，３１Ｂ・・・第１下部電極
３２・・・第１誘電体
３３，３３Ａ，３３Ｂ・・・第１上部電極
４０・・・第２コンデンサ
４０Ａ，４０Ｂ・・・第２コンデンサ部
４１，４１Ａ，４１Ｂ・・・第２下部電極
４１ｘ、４１Ａｘ，４１Ｂｘ・・・第１層
４１ｙ、４１Ａｙ，４１Ｂｙ・・・第２層
４２・・・第２誘電体
４３，４３Ａ，４３Ｂ・・・第２上部電極
５０，５０Ａ，５０Ｂ・・・配線導体
５１，５１Ａ，５１Ｂ・・・第１導体
５２，５２Ａ，５２Ｂ・・・第２導体
６０，６０Ａ，６０Ｂ・・・保護層
７０Ａ，７０Ｂ・・・誘電体

Claims (4)

1. 基板と、該基板の上に位置する第１コンデンサと、前記基板の上に位置して前記第１コンデンサと電気的に並列接続されている第２コンデンサとを有し、
   前記第１コンデンサは、第１下部電極と第１誘電体と第１上部電極とで構成され、
   前記第２コンデンサは、前記基板側から順に前記第１下部電極と異なる材料からなる第１層および前記第１下部電極と同じ材料からなる第２層が積層されてなる第２下部電極と、前記第１誘電体と同じ組成の材料からなる第２誘電体と、第２上部電極とで構成され、
   温度が上昇する際の前記第１コンデンサの静電容量の変化量と前記第２コンデンサの静電容量の変化量とで変化の正負が異なっており、
   前記第１下部電極はイリジウムからなり、前記第２下部電極は前記第１層が白金からなるとともに前記第２層がイリジウムからなり、前記第１誘電体および前記第２誘電体はチタン酸ストロンチウムバリウムからなる、静電容量素子。
2. 前記第１誘電体は、前記第２誘電体と一体的に構成されている、請求項１に記載の静電容量素子。
3. 前記第１下部電極は、前記第２下部電極の前記第２層と一体的に構成されている、請求項１または２に記載の静電容量素子。
4. 前記第１誘電体および前記第２誘電体は、前記第１下部電極および前記第２下部電極の周縁部よりも内側に位置する、請求項１乃至３のいずれかに記載の静電容量素子。

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