JPH113839A

JPH113839A - 容量可変素子及びその製造方法

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Publication number: JPH113839A
Application number: JP15262497A
Authority: JP
Inventors: Ryusuke Kita; 隆介喜多; Yoshiyuki Masuda; 義行増田; Yoshiyuki Matsu; 良幸松; Noboru Otani; 昇大谷
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-06-10
Filing date: 1997-06-10
Publication date: 1999-01-06
Anticipated expiration: 2017-06-10
Also published as: JP3599528B2

Abstract

(57)【要約】【課題】セラミック基板上にも容易に形成でき、小型
で、低電圧で容量変化が大きく、１０ＧＨｚ以上の周波
数でもキャパシタ特性が劣化しない低電圧で容量変化が
大きく、小型で優れた容量可変素子及びその製造方法を
提供すること。【解決手段】基板１上に少なくとも下部電極２、誘電
体薄膜４及び上部電極６を順次備えてなり、誘電体薄膜
４が、ゾルゲル法で形成された多層の誘電体薄膜からな
る容量可変素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、Ｓ
ｉ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１
３’と下部容量電極１３との間、上部バイアス電極１
６’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（ＳｒＴｉＯ₃）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
次備えてなり、前記誘電体薄膜層が多層の誘電体薄膜か
らなる容量可変素子が提供される。また、(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製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
物を分解除去し、(iii) さらに前記工程(ii)を１回又は
複数回繰り返し、(iv)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、ＳｉＯ₂
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；ＲｕＯ₂、ＩｒＯ₂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５０ｎ
ｍ〜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５０
ｎｍ〜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、ＭＯＣＶ
Ｄ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、
Ｂａ_xＳｒ_1-xＴｉＯ₃（０＜ｘ≦０．８）、（Ｐｂ
_1-xＬａ_x）Ｚｒ_0.46Ｔｉ_0.36Ｏ₃（１≧ｘ≧０．０
２）、（Ｐｂ_1-xＥｒ_x）Ｚｒ_0.46Ｔｉ_0.36Ｏ₃（０．
０２≦ｘ≦０．１）が挙げられる。具体的には、ＳｒＴ
ｉＯ₃、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉、ＳｒＢｉ₂Ｎｂ₂Ｏ₉、Ｓｒ
Ｂｉ₂（Ｔａ，Ｎｂ）₂Ｏ₉、Ｂｉ₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂、ＳｒＢｉ₄
Ｔｉ₄Ｏ₁₅、ＳｒＢｉ₄（Ｔｉ，Ｚｒ）₄Ｏ₁₅、ＣａＢｉ ₂
Ｔａ₂Ｏ₉、ＢａＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉、ＢａＢｉ₂Ｎｂ₂Ｏ₉等が
挙げられる。なかでも、ＳｒＴｉＯ₃、Ｂａ_0.7Ｓｒ_0.3
ＴｉＯ₃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、２０
Ｖ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−１
００％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、０．１〜５ｍｏ
ｌ／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、ＳｒＴｉＯ₃や（Ｂａ_0.7Ｓｒ
_0.3）ＴｉＯ₃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、 ε₀εｒＥ＝εＥ＋Ｐ（１）が成立する。ここでε₀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、ＳｒＴｉＯ₃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＋ｂＰ³＋ｃＰ⁵（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２０
ｎｍ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、ＳｒＴｉＯ₃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ＳｒＴｉＯ₃
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ＳｒＴｉＯ₃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】ＳｒＴｉＯ₃薄膜の作製方法はスパッタタ
ーゲットとしてＳｒＴｉＯ₃のセラミック焼結体を用
い、スパッタガスとしてＯ₂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ＳｒＴｉＯ₃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ＳｒＴｉＯ₃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（（Ｂａ_0.7Ｓｒ_0.3）ＴｉＯ₃）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ＳｒＴｉＯ₃
でなく、（Ｂａ_0.7Ｓｒ_0.3）ＴｉＯ₃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（Ｂａ_0.7Ｓ
ｒ_0.3）ＴｉＯ₃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（Ｂａ_0.7Ｓｒ₀ _.3）ＴｉＯ₃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】（Ｂａ_0.7Ｓｒ_0.3）ＴｉＯ₃薄膜の作製方
法はスパッタターゲットとして（Ｂａ_0.7Ｓｒ_0.3）Ｔｉ
Ｏ₃のセラミック焼結体を用い、スパッタガスとしてＯ₂
ガスのみを用い、スパッタガス圧２Ｐａ、基板温度４０
０℃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
（Ｂａ_0.7Ｓｒ_0.3）ＴｉＯ₃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ＳｒＴｉＯ₃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ＳｒＴｉＯ₃
薄膜とチタン酸バリウムストロンチウム（（Ｂａ_0.7Ｓ
ｒ_0.3）ＴｉＯ₃）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、Ｓ
ｒＴｉＯ₃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、（Ｂａ_0.7Ｓｒ_0.3）ＴｉＯ₃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、４０
０℃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、ＳｒＴｉＯ₃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ＳｒＴｉＯ₃と（Ｂａ_0.7Ｓｒ_0.3）
ＴｉＯ₃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ＳｒＴｉＯ₃と（Ｂａ
_0.7Ｓｒ_0.3）ＴｉＯ₃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２Ｔａ下部電極接着層３Ｐｔ下部電極層４誘電体多層薄膜５エアーブリッジ６Ｔａ上部電極接着層７Ｐｔ上部電極層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大谷昇大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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てなり、前記誘電体薄膜層
が多層の誘電体薄膜からなることを特徴とする容量可変
素子。
【請求項２】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。
【請求項３】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。
【請求項４】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。
【請求項５】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。
【請求項６】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請求項１〜５のいずれか１つに記載
の容量可変素子。
【請求項７】 (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
液を調製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し、(iii)
さらに前記工程(ii)を１回又は複数回繰り返し、(iv)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。