JP2003109846A

JP2003109846A - 可変容量素子

Info

Publication number: JP2003109846A
Application number: JP2001298647A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Kishino; 哲也岸野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-11

Abstract

(57)【要約】【課題】リーク電流が小さく、信頼性が高いととも
に、容量の変化量の大きい可変容量素子を提供する。【解決手段】支持基板１１上に下部電極１２、外部電
圧の印加により誘電率が変化する誘電体膜１３、および
上部電極１４を順次被着してなる可変容量素子におい
て、前記誘電体膜１３上に絶縁層１５を被着した後、そ
の絶縁層１５に誘電体膜１３まで到達する開口部１５ａ
を設け、その上から金属膜を被着することにより上部電
極１４としたものである。そして、下部電極１２と絶縁
層１５および上部電極１４で作られる浮遊容量が、下部
電極１２と誘電体膜１３および上部電極１４で作られる
規定容量の２５％以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可変容量素子に関
するもので、特にリーク電流が小さく、信頼性が高いと
ともに、容量の変化量が大きく、Ｑ値の大きい可変容量
素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンデンサの一つに、静電容量が外部電
圧を印加することによって変化する、所謂可変容量素子
がある。これは通常、電気絶縁性の基板上に薄膜状の下
部電極層、誘電体層、上部電極層がこの順に積層してい
る。この様なコンデンサでは電極がスパッタ、真空蒸着
などで形成されており、誘電体がスパッタ、ゾルゲル法
等で形成されている。誘電体材料として、外部電圧の印
加により誘電率が変化するものを使用することによっ
て、外部電圧を印加することによって静電容量が変化す
る、所謂可変容量素子となる。

【０００３】この様な可変容量素子の製造では、通常以
下の様にフォトリソグラフィの手法が用いられる。先
ず、絶縁性基板上の全面に下部電極層を形成した後、必
要部のみをレジストで覆い、その後、ウエットエッチン
グ又は、ドライエッチングで不要部を除去する。次に、
誘電体層を全面に形成し、前記と同様に不要部を除去す
る。最後に上部電極層を全面に形成し、前記と同様に不
要部を除去する。また、保護層やハンダバンプを形成す
ることにより、表面実装が可能になる。

【０００４】可変容量素子をフィルター、共振器などの
構成部品として使用するためにはリーク電流が小さいこ
とが求められている。これは、可変容量素子は定常的に
外部電圧を印加して使用されるので、わずかなリーク電
流も素子のショートや誘電特性劣化の原因となるからで
ある。

【０００５】しかし、図４（ａ）（ｂ）に示すような従
来の構造では、下部電極４２の端部４２ａ上の誘電体膜
が非常に薄くなり、下部電極４３と上部電極の間でリー
ク電流が流れたり、短絡してしまうといった、所謂ステ
ップカバレッジの問題が発生していた。

【０００６】この問題を解決するために、誘電体および
上部電極を下部電極よりも小さく形成し、誘電体の段差
を無くす薄膜コンデンサ構造が提案されている（例えば
特開平１０−２７５７４２、特開平６−８９８３１）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た特許記載の構造は、ＤＲＡＭやデカップリングコンデ
ンサなど、高容量のコンデンサを念頭において考案され
ているため、１ＧＨｚ以上の高周波数で使用される可変
容量素子にはそのまま適用することができないという問
題があった。具体的には、高周波フィルター、共振器で
使用される可変容量素子の容量値は数ｐＦ程度もしくは
それ以下が一般的であり、このような微小容量を達成す
るための電極の大きさは１μｍｘ１μｍ程度となる。こ
のような微小な上部電極直上にハンダバンプを形成した
り、上部電極よりも小さい端子電極を作製することは事
実上不可能となっていた。

【０００８】また、従来の構造でステップカバレッジの
問題を回避するには、下部電極の厚みを非常に薄くする
ことにより、ステップの高さ自体を小さくする方法があ
った。しかし、その場合、下部電極の抵抗値が大きくな
り、コンデンサのＱ値が低下するという問題が発生す
る。

【０００９】また、素子の容量が小さい場合、上部電極
と下部電極の間に発生する浮遊容量が大きくなると、容
量の精度が低下すると同時に、電圧を印加した場合の容
量の変化量（以下、チューナビリティと記載する）が小
さくなるという問題も発生していた。

【００１０】本発明は上述の課題に鑑みて案出されたも
のであり、その目的は、特にリーク電流が小さく、信頼
性が高いとともに、容量の変化量が大きく、Ｑ値の大き
い可変容量素子を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、支持基板上に
下部電極、外部電圧の印加により誘電率が変化する誘電
体膜および上部電極を順次配してなる可変容量素子にお
いて、前記誘電体膜上に、該誘電体膜表面に開口部を有
する絶縁層を被着形成するとともに、前記開口部に露出
する誘電体薄膜表面に前記上部電極の一部を導出させた
ことを特徴とする可変容量素子である。さらに、前記絶
縁層で発生する浮遊容量が、前記下部電極、前記誘電体
膜、前記上部電極で形成される規定容量の２５%以下で
ある可変容量素子である。

【００１２】また、支持基板上にバイパス下部電極、外
部電圧の印加により誘電率が変化する誘電体膜、２つの
上部電極を順次配してなる可変容量素子において、前記
誘電体膜に、該誘電体膜表面に２つの開口部を有する絶
縁層を被着形成するとともに、前記開口部に露出する誘
電体薄膜表面に前記各上部電極の一部を導出させた可変
容量素子である。さらに、前記絶縁層で発生する浮遊容
量が、前記バイパス下部電極、前記誘電体膜、前記２つ
の上部電極で形成される規定容量の２５%以下の可変容
量素子である。

【作用】本発明の可変容量素子は、支持基板上に下部電
極、外部電圧の印加により誘電率が変化する誘電体膜、
および上部電極を順次被着してなる可変容量素子におい
て、前記誘電体膜および前記下部電極上に絶縁層を被着
した後、その絶縁層に誘電体膜まで到達する開口部を設
け、その上から金属膜を被着することにより上部電極と
したものであり、さらに、下部電極と絶縁層および上部
電極で作られる容量が、下部電極と誘電体膜および上部
電極で作られる容量の２５％以下であることを特徴とす
るものである。

【００１３】また、支持基板上にバイパス下部電極、外
部電圧の印加により誘電率が変化する誘電体膜、２つの
上部電極を順次被着してなる可変容量素子において、前
記誘電体膜および前記バイパス下部電極上に絶縁層を被
着した後、その絶縁層に誘電体膜が露出する２つの開口
部を設け、その上から金属膜を被着することにより上部
電極としたものであり、さらに、バイパス下部電極と絶
縁層および上部電極で作られる容量が、バイパス下部電
極と誘電体膜および上部電極で作られる容量の２５％以
下であることを特徴とするものである。

【００１４】このような構造により、下部電極（バイパ
ス下部電極）に対する誘電体のステップカバレッジにか
かわらず、下部電極（バイパス下部電極）と上部電極の
絶縁が絶縁層によって保たれるため、リーク電流が小さ
くなり、信頼性が高い可変容量素子を、高い容量精度で
量産することができるようになる。

【００１５】さらに、ステップカバレッジの問題が絶縁
層によって解決されるため、下部電極の厚みを比較的自
由に大きくすることができるようになる。これにより、
下部電極の抵抗を低下させ、可変容量素子のＱ値を大き
くすることができるようになる。

【００１６】また、下部電極と絶縁層および上部電極で
作られる容量を、下部電極と誘電体膜および上部電極で
作られる容量の２５％以下とすることにより、高いチュ
ーナビリティを確保することができるようになる。

【００１７】下部電極（バイパス下部電極）と絶縁層お
よび上部電極で作られる容量を、下部電極（バイパス下
部電極）と誘電体膜および上部電極で作られる容量の２
５％以下とするためには、具体的には絶縁体膜の誘電
率、厚み、上部電極（バイパス下部電極）と下部電極の
重なり面積を最適化することによって達成される。

【００１８】また、前記可変容量素子の誘電体膜と絶縁
層の間に、前記誘電体膜よりも小さな第２の上部電極を
形成し、前記絶縁体の開口部を、この第２の上部電極ま
で到達させることにより、可変容量素子の容量精度をさ
らに上げることができる。

【００１９】前記誘電体として（Ｂａ,Ｓｒ）ＴｉＯ３
からなる薄膜を用いることにより、損失が小さく、信頼
性の高い可変容量素子を提供することができる。

【００２０】前記絶縁層としてはＳｉＯ２またはＳｉ３
Ｎ４またはＳｒＴｉＯ３またはＴｉＯ２が用いられる。
これはこれらの材料が低い誘電率を持ち、浮遊容量が低
減できるとともに、素子の保護膜としての効果も付与で
きるからである。

【００２１】また、同じ理由から、前記絶縁層としてＢ
ＣＢもしくはポリイミドもしくはエポキシ樹脂からなる
膜を用いることもできる。

【００２２】さらに、前記絶縁層として誘電体膜と同質
の材料である（Ｂａ,Ｓｒ）ＴｉＯ３からなる膜を用い
ることもできる。この場合、誘電体との密着性が向上す
るため、より信頼性の高い可変容量素子となる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の可変容量素子を図
面に基づいて詳説する。

【００２４】図１（ａ）（ｂ）は、本発明の可変容量素
子を示すものである。

【００２５】図において、１１は支持基板であり、１２
は下部電極、１３は誘電体膜、１４は上部電極、１５は
絶縁層である。

【００２６】支持基板１１は、ガラス基板、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、Ｓ
ｉなどの半導体基板であり、その表面にスパッタ法、蒸
着などにより下部電極１２を形成する。下部電極１２の
材料は特に限定はしないが、導電率が高いＡｕや誘電体
との反応性が低いＰｔなどが最適である。また、下部電
極１２と支持基板１１間には密着層が形成されることも
ある。下部電極１２のパターニングには、通常フォトリ
ソグラフィーとエッチング法が用いられる。

【００２７】下部電極１２の上には、誘電体膜１３が形
成される。図では誘電体膜１３は下部電極より小さく表
記しているが、本発明では絶縁層１５によりステップカ
バレッジを確保するため、誘電体膜１３の大きさには特
に限定は無く、もちろん下部電極１２よりも大きくても
よい。さらに、ステップカバレッジの問題が絶縁層１５
によって解決されるため、下部電極１２の厚みを従来よ
りも大きくすることができるようになる。これにより、
下部電極１２の抵抗を低下させ、大きなＱ値をもつ可変
容量素子を実現することができる。

【００２８】また、下部電極１２と誘電体膜１３間には
バッファ層が形成されることもある。誘電体膜１３の材
料としては特に限定しないが、コンデンサの小型化の点
から、誘電率が大きく信頼性の高い材料である（Ｂａ、
Ｓｒ）ＴｉＯ３、ＴｉＯ２などが使用される。

【００２９】絶縁層１５はこれらの構造を全て覆うよう
に形成され、誘電体膜１３の直上に、所望の容量となる
ように開口部１５ａが開けられる。この開口部１５ａの
開口面積でコンデンサの容量が決定されるため、該工程
は高精度で行う必要がある。具体的には、フォトリソグ
ラフィとエッチングによるパターン形成が望ましい。ま
た、下部電極１２の一部をコンデンサ上面に露出させる
開口部１２ａも同時に形成することが望ましい。絶縁層
１５の材料として特に限定はしないが、後に示される条
件式を容易に満たすためには低誘電率であるほうが望ま
しい。具体的には、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄などの無機誘電
体材料、ＢＣＢなどの有機材料が、低誘電率で信頼性が
高いという点で望ましい。

【００３０】このように加工された絶縁層１５上に、上
部電極１４が形成される。上部電極１４の形成方法は、
例えばスパッタ法、蒸着などによってコンデンサ上面に
金属膜を被着した後、フォトリソグラフィーなどで加工
する方法が取られる。

【００３１】下部電極１２と絶縁層１５および上部電極
１４で作られる容量（以下、浮遊容量と記載する）を、
下部電極１２と誘電体膜１３および上部電極１４で作ら
れる容量（以下、規定容量と記載する）の２５％以下に
限定した理由は、浮遊容量が規定容量の２５％以上だ
と、可変容量素子の容量の変化量（チューナビリティ）
が低下するからである。また、コンデンサの総容量の精
度にも悪影響を及ぼす。良好なチューナビリティを確保
するため、浮遊容量は規定容量の１０％以下が望まし
い。図５に浮遊容量／規定容量の比とチューナビリティ
の関係の計算結果を示した（浮遊量量０の時のチューナ
ビリティを１００とした）。図５によると、浮遊量量が
増加するとともにチューナビリティが急激に減少してい
くことがわかる。理想値の８０％以上のチューナビリテ
ィを確保するためには、浮遊容量は規定容量の２５％以
下である必要があることが分かる。

【００３２】この条件は、具体的には絶縁体膜１５の誘
電率、厚み、上部電極１４と下部電極１２の重なり面積
を最適化することによって達成される。例えば、絶縁層
１５の誘電率をε、厚みをｔ、上部電極１４と下部電極
１２の重なりの面積から、誘電体膜１３の直上の絶縁体
膜１５の開口部１５ａの面積を差し引いたものをＳ、下
部電極１２と誘電体膜１３および上部電極１４で作られ
る規定容量をＣとすると、 εＳ／ｔ ≦ ０．５×Ｃを満たすように、ε、Ｓ、ｔを決定すればよい。図２
（ａ）（ｂ）は、本発明の別の可変容量素子を示すもの
である。

【００３３】図において、２１は支持基板であり、２２
はバイパス下部電極、２３は誘電体膜、２４、２５は上
部電極、２６は絶縁層である。

【００３４】この場合、可変容量素子の規定容量は、上
部電極２４と誘電体膜２３、バイパス下部電極２２で作
られる容量Ｃ１と上部電極２５と誘電体膜２３、バイパ
ス下部電極２２で作られる容量Ｃ２の合成として、Ｃ＝Ｃ１×Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。可変容量素子の作成手順、動作原理などは、規
定容量を求める式に変更がある点、および、上部電極２
４と２５の間の浮遊容量を小さくするため、これら電極
間の距離ｄをできるだけ大きくする必要がある点以外は
おおむね図１に示した可変容量素子と同じである。浮遊
容量を小さくするため、上部電極２４と２５の間隔ｄは
絶縁層１５の厚みの１０倍程度とすることが望ましい。

【００３５】図３（ａ）（ｂ）は、本発明のさらに別の
可変容量素子を示すものである。

【００３６】図において、３１は支持基板であり、３２
は下部電極、３３は誘電体膜、３４は上部電極、３５は
第２の上部電極、３６は絶縁層である。

【００３７】第２の上部電極３５は、誘電体膜３３を形
成した後に作製される。この第２の上部電極３５を設け
ることにより、絶縁層３６の上から上部電極３４を形成
した際に、上部電極３４が絶縁層３６の開口部３６ａの
下側開口に露出している誘電体膜３３を完全に被覆しな
い場合に起こる容量の作製誤差を無くすことができる。
この第２の上部電極３５の厚み、材料に特に限定はない
が、上部電極３４との密着性を確保するという点で、上
部電極３４と同じ材料を用いることが望ましい。

【００３８】本発明の可変容量素子は、前記誘電体膜１
３、２３、３３の材料として（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃を
使用することにより、信頼性が高く、小型の可変容量素
子となる。

【００３９】本発明の可変容量素子の絶縁膜１５、２
６、３６としては、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ ₄、ＳｒＴｉＯ₃、
ＴｉＯ₂などの誘電体膜、ＢＣＢ、ポリイミド、エポキ
シ樹脂などの有機物膜が使用される。これらの膜は低誘
電率であるために、比較的薄い膜厚でも本発明の可変容
量素子を実現できる。また、これらの絶縁膜１５、２
６、３６は耐水性を持つために、可変容量素子の保護膜
の機能も付与することができ、製造工程の単純化にも寄
与する。

【００４０】さらに、前記絶縁膜１５、２６、３６の材
料として（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃を用いることができ
る。この場合、一般的に使用される支持基板１１、２
１、３１の材料であるサファイアやアルミナ、下部電極
１２、３２、バイパス下部電極２２の電極材料であるＡ
ｕやＰｔとの密着性が良好で、かつ熱応力によるクラッ
ク、剥がれ等の問題も生じにくい。

【００４１】

【実施例】支持基板１１としてサファイアＲ基板上に、
下部電極１２としてＰｔを基板温度６℃でスパッタ法に
より形成し電極形状に加工した。その上に誘電体膜１３
として（Ｂａ_0.5Ｓｒ_0.5）ＴｉＯ₃からなるターゲット
を用いて、基板温度６００℃にて誘電体層を０．３μｍ
の厚みまでスパッタ成膜・加工を行った。同様に、Ｓｉ
Ｏ₂からなる絶縁層１５を１μｍスパッタ成膜し、加工
した。最後に上部電極１４として、金を１μｍスパッタ
成膜し加工した。この上部電極１５の加工時に、前記下
部電極１２の引き出し用電極１２ｂも同時に形成した。
また、前記の全ての加工は、フォトリソグラフィー技術
を用いて精密に行った。

【００４２】本実施例の素子では、誘電体膜状の開口部
は１μｍｘ１μｍの正方形状（１００μｍ²）とした。
また、浮遊容量となる上部電極と下部電極の重なり面積
を約５０００μｍ²とした。（Ｂａ_0.5Ｓｒ_0.5）ＴｉＯ₃
膜の誘電率は４００、ＳｉＯ ₂膜の誘電率は４と測定さ
れているので、これから計算される規定容量、浮遊容量
は、規定容量＝ εｘ４００ｘ１００／０．３＝
１．２（ｐＦ）浮遊容量＝ εｘ４ｘ５０００／１＝０．１２
（ｐＦ）となり、本発明の範囲内の可変容量素子となる。

【００４３】作製した可変容量素子の誘電特性を測定し
た結果、静電容量１．５ｐＦ、１０Ｖの外部電圧を印加
した場合のチューナビリティが３０％と良好な特性を持
つ可変容量素子が得られたことが分かった。また、ピコ
アンメーターによるリーク特性測定の結果、外部電圧１
Ｖ印加時の絶縁抵抗は１ＧΩ以上となっており、非常に
低リークな素子であることも判明した。

【００４４】なお、同様の実験を図２に示す可変容量素
子についても行った結果、やはり良好な誘電特性と低リ
ーク性を持つことを確認した。また、保護膜の材料とし
て、としては、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｒＴｉＯ₃、Ｔｉ
Ｏ₂、ＢＣＢ、ポリイミド、エポキシ樹脂、（Ｂａ，Ｓ
ｒ）ＴｉＯ₃を使用した場合でも、良好な特性のデバイ
スが得られることを確認した。

【００４５】

【発明の効果】以上のように、本発明の可変容量素子
は、支持基板上に下部電極、外部電圧の印加により誘電
率が変化する誘電体膜、および上部電極を順次被着して
なる可変容量素子であって、前記誘電体膜および前記下
部電極上に絶縁層を被着した後、その絶縁層に誘電体膜
まで到達する開口部を設け、その上から金属膜を被着す
ることにより上部電極とした。そして、下部電極と絶縁
層および上部電極で作られる浮遊容量が、下部電極と誘
電体膜および上部電極で作られる規定容量の２５％以下
である。また、支持基板上にバイパス下部電極、外部電
圧の印加により誘電率が変化する誘電体膜、２つの上部
電極を順次被着してなる可変容量素子において、前記誘
電体膜および前記バイパス下部電極上に絶縁層を被着し
た後、その絶縁層に誘電体膜まで到達する２つの開口部
を設け、その上から金属膜を被着することにより上部電
極としたもので、バイパス下部電極と絶縁層および上部
電極で作られる容量が、バイパス下部電極と誘電体膜お
よび上部電極で作られる容量の２５％以下である。

【００４６】従って、リーク電流が小さく、信頼性が高
いとともに、容量の変化量が大きく、Ｑ値が大きい可変
容量素子を提供することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の可変容量素子の断面図であ
り、（ｂ）はその平面図である。

【図２】（ａ）は、本発明の他の可変容量素子の断面図
であり、（ｂ）はその平面図である。

【図３】（ａ）は、本発明の別の可変容量素子の断面図
であり、（ｂ）はその平面図である。

【図４】従来の薄膜コンデンサの断面図（ａ）および平
面図（ｂ）である。

【図５】本発明の可変容量素子における浮遊容量／規定
容量の比とチューナビリティの関係を示す特性図であ
る。

【符号の説明】

１１・・・支持基板１２・・・下部電極１３・・・誘電体膜１４・・・上部電極１５・・・絶縁層２１・・・支持基板２２・・・バイパス下部電極２３・・・誘電体膜２４、２５・・・上部電極２６・・・絶縁層３１・・・支持基板３２・・・下部電極３３・・・誘電体膜３４・・・上部電極３５・・・第２の上部電極３６・・・絶縁層４１・・・支持基板４２・・・下部電極４３・・・誘電体膜４４・・・上部電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持基板上に下部電極、外部電圧の印加に
より誘電率が変化する誘電体膜および上部電極を順次配
してなる可変容量素子において、前記誘電体膜上に、該誘電体膜表面に開口部を有する絶
縁層を被着形成するとともに、前記開口部に露出する誘
電体薄膜表面に前記上部電極の一部を導出させたことを
特徴とする可変容量素子。
【請求項２】前記絶縁層で発生する浮遊容量が、前記下
部電極、前記誘電体膜、前記上部電極で形成される容量
の２５%以下であることを特徴とする請求項1記載の可変
容量素子。
【請求項３】支持基板上にバイパス下部電極、外部電圧
の印加により誘電率が変化する誘電体膜、２つの上部電
極を順次配してなる可変容量素子において、前記誘電体
膜に、該誘電体膜表面に２つの開口部を有する絶縁層を
被着形成するとともに、前記開口部に露出する誘電体薄
膜表面に前記各上部電極の一部を導出させたことを特徴
とする可変容量素子。
【請求項４】前記絶縁層で発生する浮遊容量が、前記バ
イパス下部電極、前記誘電体膜、前記２つの上部電極で
形成される容量の２５%以下であることを特徴とする請
求項３記載の可変容量素子。
【請求項５】誘電体膜と絶縁層との間に、前記誘電体膜
よりも小さな第２の上部電極を介在されたことを特徴と
する請求項１または３のいずれか記載の可変容量素子。
【請求項６】前記誘電体膜が（Ｂａ,Ｓｒ）ＴｉＯ₃の薄
膜から成ることを特徴とする請求項１または３のいずれ
か記載の可変容量素子。
【請求項７】前記絶縁層がＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｒＴ
ｉＯ₃、ＴｉＯ₂、ＢＣＢ_、ポリイミド、エポキシ樹脂、
（Ｂａ,Ｓｒ）ＴｉＯ₃の少なくとも１種類の材料から成
ることを特徴とする請求項１または３のいずれか記載の
可変容量素子。