JP2006302942A - Varactor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高誘電率誘電体を使用した誘電体膜の比誘電率の印加電圧依存性を利用して静電容量を電圧制御する可変容量素子に関し、特に高周波領域での動作において誘電損失が小さくかつ電圧印加の有無にかかわらず誘電損失が小さい可変容量素子に関するものである。 The present invention relates to a variable capacitance element that controls the voltage of a capacitance by utilizing the applied voltage dependence of the relative dielectric constant of a dielectric film using a high dielectric constant dielectric, and particularly has a dielectric loss in an operation in a high frequency region. The present invention relates to a variable capacitance element that is small and has a small dielectric loss regardless of the presence or absence of voltage application.
無線通信や電気回路における周波数の高周波化に伴い、これらの電気信号に対して用いられる電子部品も高周波数に対応したものが要求されている。特に、高周波回路において薄膜コンデンサをフィルタ,共振器等の構成部品として使用するためには、コンデンサのQ値が高いことが求められる。また、無線通信技術の発達や新方式への切り替えに伴い、複数の送受信システムに対応する通信装置の需要がますます高まっている。そして、同時に、部品点数の削減や小型化にも対応するため、近年、電圧可変フィルタや電圧可変容量素子等の可変素子の開発がなされている(例えば、特許文献1を参照。)。 As the frequency of radio communication and electric circuits increases, electronic components used for these electric signals are also required to be compatible with high frequencies. In particular, in order to use a thin film capacitor as a component such as a filter or a resonator in a high frequency circuit, the capacitor needs to have a high Q value. In addition, with the development of wireless communication technology and switching to a new method, there is an increasing demand for communication devices that support a plurality of transmission / reception systems. At the same time, in order to cope with the reduction in the number of parts and the miniaturization, in recent years, variable elements such as a voltage variable filter and a voltage variable capacitance element have been developed (see, for example, Patent Document 1).
電圧可変容量素子は、高誘電率の誘電体膜が示す印加電圧に対する大きな比誘電率の変化を利用した可変容量素子である。その構成は基本的に例えば、基板と、この基板上に形成された金属薄膜からなる下部電極と、その下部電極上に形成された高誘電率の誘電体膜と、さらにその誘電体膜上に形成された上部電極とからなる。高誘電率の誘電体膜としては、例えば、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3),チタン酸バリウムストロンチウム(Ba1−xSrxTiO3、以下、BSTと記す。),チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(ZrxTi1−x)O3)等のペロブスカイト型結晶構造を有する誘電体からなる薄膜が使用されている。SrTiO3やBST等のペロブスカイト型酸化物は、室温付近で高い比誘電率を示し、正方晶と立方晶との構造変化境界に近いSr/(Sr+Ba)=0.3の組成で最も高い比誘電率を持つことが知られている。特に、室温で常誘電相をもつSrTiO3−BaTiO3固溶系材料は、高誘電性を必要とするDRAMに好適であり、盛んに開発が行なわれてきた。また、その誘電体膜に所定電圧を印加することにより、非線形な比誘電率の変化が見られることから、可変容量素子用途として使われている。
上述したようなペロブスカイト型結晶構造を有する高誘電率の誘電体膜を使用した可変容量素子において要求されることとしては、高チューナビリティ(Tunability),高Q値の他に、温度係数が数十ppm/℃と小さいこと、高耐電力性,高絶縁抵抗,低歪み特性,経時変化がないこと等が挙げられる。高チューナビリティは、可変容量素子の容量の可変量を示すものであり、電圧印加前の容量をC0、電圧印加後の容量をC1とすると、チューナビリティ=(C0−C1)/C0×100(%)等で表わされる。チューナビリティは、誘電体膜への印加電圧の電界強度が大きいほど高くなるため、誘電体膜の膜厚が薄いほど高チューナビリティになる傾向がある。また、Q値はコンデンサの各構成要素における損失に依存しており、誘電体膜における誘電損失や電極における導体損等がQ値を低下させる主たる原因となっている。これら薄膜コンデンサの容量やQ値は、インピーダンス測定により得られるものである。 In the variable capacitance element using the dielectric film having a high dielectric constant having the perovskite crystal structure as described above, in addition to high tunability and high Q value, several tens of temperature coefficients are required. It is small as ppm / ° C., high power durability, high insulation resistance, low distortion characteristics, no change with time, and the like. The high tunability indicates a variable amount of the capacitance of the variable capacitance element. When the capacitance before voltage application is C 0 and the capacitance after voltage application is C 1 , tunability = (C 0 −C 1 ) / It is represented by C 0 × 100 (%) or the like. Since the tunability increases as the electric field strength of the voltage applied to the dielectric film increases, the tunability tends to increase as the thickness of the dielectric film decreases. Further, the Q value depends on the loss in each component of the capacitor, and the dielectric loss in the dielectric film, the conductor loss in the electrode, and the like are the main causes for lowering the Q value. The capacities and Q values of these thin film capacitors are obtained by impedance measurement.
本発明者らが誘電体膜にBSTを用いた可変容量素子においてインピーダンス測定を行なったところ、電圧印加後の位相特性において周波数に対する周期的な変化が観察された。この様子を図4に線図で示す。図4において、横軸は周波数[freq.](単位:MHz)を、縦軸は左側がインピーダンス[|Z|](単位:ohm)で右側がインピーダンスの位相[Theta](単位:deg.)を表わしており、上側の特性曲線はインピーダンスの周波数特性を、下側の特性曲線は位相の周波数特性をそれぞれ示している。図4に示す通り、インピーダンスは、周波数の増加に伴い減少する容量素子の特性を示し、電圧印加によりインピーダンスが増加する。電圧印加前後の周波数依存性は、ほぼ同じである。一方、位相の周波数特性は電圧印加前後で大きく異なる。電圧印加前の位相(太線で示す)は、周波数の増加に伴い単調な増加傾向にあるが、電圧印加後の位相(細線で示す。)は、周波数の増加に伴い周期的に変化しながら大きくなる傾向が見られる。 When the present inventors measured impedance in a variable capacitance element using BST as a dielectric film, a periodic change with respect to frequency was observed in the phase characteristics after voltage application. This state is shown by a diagram in FIG. In FIG. 4, the horizontal axis represents frequency [freq.] (Unit: MHz), the vertical axis represents impedance [| Z |] (unit: ohm) on the left side, and the phase [Theta] (unit: deg.) On the right side. The upper characteristic curve represents the impedance frequency characteristic, and the lower characteristic curve represents the phase frequency characteristic. As shown in FIG. 4, the impedance indicates the characteristics of the capacitive element that decreases with increasing frequency, and the impedance increases with voltage application. The frequency dependence before and after voltage application is almost the same. On the other hand, the frequency characteristics of the phase differ greatly before and after voltage application. The phase before voltage application (indicated by a thick line) tends to increase monotonously with the increase in frequency, but the phase after voltage application (indicated by a thin line) increases while periodically changing with increasing frequency. There is a tendency to become.
また,この周波数に対する周期的な変化をQ値で見ると図5に線図で示すようになる。図5において、横軸は周波数[freq.](単位:MHz)を、縦軸は左側が容量[C](単位:pF)で右側がQ値[Q value]を表わしており、上側の特性曲線は容量の周波数特性を、下側の特性曲線はQ値の周波数特性をそれぞれ示している。図5に示す通り、電圧印加前のQ値(太線で示す。)は周波数の増加に対して単調に減少する傾向が見られるが、電圧印加後のQ値(細線で示す。)には周波数の増加に対して周期的に変化しながら小さくなる傾向が見られる。 Further, when this periodic change with respect to the frequency is viewed as a Q value, it is as shown by a diagram in FIG. In FIG. 5, the horizontal axis represents frequency [freq.] (Unit: MHz), the vertical axis represents capacitance [C] (unit: pF), and the right side represents Q value [Q value]. The curve shows the frequency characteristic of the capacitance, and the lower characteristic curve shows the frequency characteristic of the Q value. As shown in FIG. 5, the Q value before voltage application (indicated by a thick line) tends to decrease monotonously with an increase in frequency, but the Q value after voltage application (indicated by a thin line) has a frequency. There is a tendency to decrease while periodically changing with increasing.
この周波数に対する周期的なインピーダンスの位相特性およびQ値の変化は、可変容量素子に用いた誘電体膜が電圧印加によって圧電性を示すために生じた結果である。つまり、電圧印加により圧電性が生じると、印加した高周波によって誘電体膜の厚み縦振動が励振されて、厚み縦振動の基本振動あるいは高調波等に基づいた共振現象が発現する。この共振周波数は、誘電体膜の膜厚や膜構成によって決まってくるものであるが、周波数の変化に対して周期的に共振点が現れ、それに応じて誘電体膜の電気的な特性にも周期的な変化を生じさせる。 The periodic impedance phase characteristic and Q value change with respect to this frequency are a result of the dielectric film used for the variable capacitance element exhibiting piezoelectricity by voltage application. That is, when piezoelectricity is generated by voltage application, the thickness longitudinal vibration of the dielectric film is excited by the applied high frequency, and a resonance phenomenon based on the fundamental vibration or harmonics of the thickness longitudinal vibration appears. This resonance frequency is determined by the film thickness and the film configuration of the dielectric film, but a resonance point appears periodically with respect to the change in frequency, and the electrical characteristics of the dielectric film are also correspondingly changed. Causes periodic changes.
本来、可変容量素子に使用する誘電体膜には、圧電性を持たず共振することがなく、その使用温度範囲がキュリー温度以上であり、使用温度範囲において常誘電性を示す材料を用いることが望ましい。なぜならば、誘電体膜が強誘電性を示す場合は、電圧印加による容量の変化にヒステリシスを伴い、そのため容量が電界履歴に依存することとなるので、印加電圧に応じた容量変化が要求される可変容量素子としては適さないものとなるためである。また、ヒステリシスは分極の交流に対する遅れを示しており、誘電損失が大きいことに相応することからも適さないものである。したがって、従来、可変容量素子に用いられてきた誘電体膜としては、使用温度範囲(室温付近)において常誘電性を示し、圧電性を示さないBST材料系のものが主に用いられてきた。あるいは、圧電性を示しても電気特性上問題とならない周波数範囲において用いられてきた。 Originally, a dielectric film used for a variable capacitance element should not be piezo-electric and does not resonate, its operating temperature range is equal to or higher than the Curie temperature, and a material exhibiting paraelectricity in the operating temperature range should be used. desirable. This is because when the dielectric film exhibits ferroelectricity, the change in capacitance due to voltage application is accompanied by hysteresis, and therefore the capacitance depends on the electric field history, so that a change in capacitance according to the applied voltage is required. This is because it is not suitable as a variable capacitance element. Hysteresis indicates a delay with respect to alternating current of polarization and is not suitable because it corresponds to a large dielectric loss. Therefore, conventionally, as a dielectric film used for a variable capacitance element, a BST material system which exhibits paraelectricity in the operating temperature range (near room temperature) and does not exhibit piezoelectricity has been mainly used. Alternatively, it has been used in a frequency range that does not cause a problem in electrical characteristics even if it exhibits piezoelectricity.
ところで、SrTiO3とBaTiO3との固溶系であるBSTは、Ba/SrやTi/(Ba+Sr)の組成比に応じて強誘電性や常誘電性を示し、その組成比は、通常、使用温度範囲において常誘電相領域となるように設定される。しかし、その境界領域においては、BaTiO3の強誘電性は弱められて現れることもあり、若干の容量ヒステリシスを示す場合もある。 By the way, BST, which is a solid solution system of SrTiO 3 and BaTiO 3 , exhibits ferroelectricity and paraelectricity depending on the composition ratio of Ba / Sr and Ti / (Ba + Sr), and the composition ratio is usually at the operating temperature. It is set to be a paraelectric region in the range. However, in the boundary region, the ferroelectricity of BaTiO 3 may appear to be weakened and may show a slight capacity hysteresis.
上述したような多くの要求特性を満たすためには、可変容量素子の誘電体膜にそのような境界領域の誘電体材料を使用することもあるが、ここで問題となるのが誘電体膜の圧電性であり、容量を変化させるために印加した電圧により誘電体膜に圧電性が生じ、インピーダンスの振幅特性および位相特性に共振が生じる場合である。この共振周波数は、一対の電極とそれに挟持された誘電体膜とからなる可変容量素子の場合は、誘電体膜の膜厚や電極のサイズ等により決まってくるものであり、印加される周波数を変化させると周期的に現れるものである。この周期的な共振周波数においては、可変容量素子の容量が変化しQ値が減少することとなるが、可変容量素子の使用周波数範囲、特に高周波領域においてその影響が見られる場合に問題となる。つまり、インピーダンスの位相特性が電圧印加により周期的に変化する可変容量素子では、使用周波数範囲においてその共振の影響を受けるため、Q値が電圧印加前と比べて大きく減少してしまう。そして、そのような可変容量素子をフィルタや共振器等の構成部品として使用した場合は、可変容量素子による損失が電圧印加により増大してしまうという問題が発生することとなる。 In order to satisfy many of the required characteristics as described above, the dielectric material of such a boundary region may be used for the dielectric film of the variable capacitance element, but the problem here is that of the dielectric film. This is a case where piezoelectricity occurs in the dielectric film due to the voltage applied to change the capacitance, and resonance occurs in the amplitude and phase characteristics of the impedance. In the case of a variable capacitance element composed of a pair of electrodes and a dielectric film sandwiched between the electrodes, this resonance frequency is determined by the film thickness of the dielectric film, the size of the electrode, and the like. It appears periodically when it is changed. At this periodic resonance frequency, the capacitance of the variable capacitance element changes and the Q value decreases, but this is a problem when the influence is observed in the use frequency range of the variable capacitance element, particularly in the high frequency range. That is, in a variable capacitance element in which the phase characteristic of impedance periodically changes due to voltage application, the Q value is greatly reduced compared to that before voltage application because it is affected by resonance in the operating frequency range. When such a variable capacitance element is used as a component such as a filter or a resonator, there arises a problem that loss due to the variable capacitance element increases due to voltage application.
高誘電率の誘電体膜における比誘電率の電圧依存性を利用した可変容量素子において、圧電性に起因する電圧印加によるこのような知見は、本発明者が初めて確認したものである。本発明はその知見に基づく上述した問題に対処するためになされたものであり、その目的は、所望の周波数における電圧印加によるQ値の低下を抑制した可変容量素子を提供することにある。このような可変容量素子を用いることにより、挿入損失の増加や位相特性の変動を低減した可変フィルタ等を提供することができる。 In the variable capacitance element using the voltage dependence of the relative dielectric constant in the dielectric film having a high dielectric constant, such knowledge by voltage application due to piezoelectricity was confirmed for the first time by the present inventors. The present invention has been made to address the above-described problems based on the knowledge, and an object of the present invention is to provide a variable capacitance element that suppresses a decrease in Q value due to voltage application at a desired frequency. By using such a variable capacitance element, it is possible to provide a variable filter or the like in which an increase in insertion loss and a change in phase characteristics are reduced.
本発明の可変容量素子は、一対の電極とこれら一対の電極に挟まれた圧電性を有する誘電体膜とを備え、前記一対の電極への電圧印加により前記誘電体膜の比誘電率を変化させる可変容量素子において、前記一対の電極の少なくとも一方の外側に音響反射要素を備えたことを特徴とするものである。 The variable capacitance element of the present invention includes a pair of electrodes and a dielectric film having piezoelectricity sandwiched between the pair of electrodes, and changes a relative dielectric constant of the dielectric film by applying a voltage to the pair of electrodes. The variable capacitance element is characterized in that an acoustic reflection element is provided outside at least one of the pair of electrodes.
すなわち、本発明の可変容量素子は、高誘電率の誘電体膜を用いて、誘電体膜への電圧印加により容量を変化させる可変容量素子であって、誘電体膜が圧電性を持ち、電圧印加により圧電的に励起される振動によってQ値が低下することを抑制するために、一対の電極の少なくとも一方の外側(誘電体膜と反対側)に音響反射要素を備えたことを特徴とするものである。 That is, the variable capacitance element of the present invention is a variable capacitance element that uses a dielectric film having a high dielectric constant and changes the capacitance by applying a voltage to the dielectric film, the dielectric film having piezoelectricity, An acoustic reflection element is provided on at least one outer side (opposite to the dielectric film) of the pair of electrodes in order to suppress a decrease in Q value due to vibration excited piezoelectrically by application. Is.
また、本発明の可変容量素子は、上記構成において、前記音響反射要素は、音響インピーダンスが異なる複数の層によって構成された音響多層膜であることを特徴とするものである。 Moreover, the variable capacitance element of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the acoustic reflection element is an acoustic multilayer film composed of a plurality of layers having different acoustic impedances.
また、本発明の可変容量素子は、上記構成において、前記誘電体膜が、Ba1−xSrxTiO3(0<x<1)からなることを特徴とするものである。 Moreover, the variable capacitance element of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the dielectric film is made of Ba 1-x Sr x TiO 3 (0 <x <1).
高いQ値をもった可変容量素子を得るためには、誘電体膜の材料,組成,膜質および膜厚ならびに電極の材料や膜厚等を所望の特性に応じて都度組み合わせなければならない。本来、誘電体膜に用いる誘電体は常誘電体で圧電性を示さないことが望ましいが、可変容量素子の種々の要求性能を満たすためには誘電体膜に常誘電体と強誘電体との境界領域の誘電体材料を用いる場合もある。ただし、その結果、容量制御用に直流電圧を印加しながら高周波信号としての交流電圧を印加した場合や、高電圧の交流電圧を印加した場合等に、誘電体膜に圧電性による共振が生じ、電圧印加後のQ値がその共振の影響を受けて大きく低下する可能性がある。 In order to obtain a variable capacitance element having a high Q value, the dielectric film material, composition, film quality and film thickness, electrode material and film thickness, and the like must be combined in accordance with desired characteristics. Originally, it is desirable that the dielectric used for the dielectric film is a paraelectric and does not exhibit piezoelectricity. However, in order to satisfy various required performances of the variable capacitance element, the dielectric film is made of a paraelectric and a ferroelectric. A dielectric material in the boundary region may be used. However, as a result, when applying an AC voltage as a high frequency signal while applying a DC voltage for capacity control, or when applying a high voltage AC voltage, resonance due to piezoelectricity occurs in the dielectric film, There is a possibility that the Q value after voltage application is greatly reduced due to the influence of the resonance.
本発明の可変容量素子によれば、一対の電極とこれら一対の電極に挟まれた圧電性を有する誘電体膜とを備え、前記一対の電極への電圧印加により前記誘電体膜の比誘電率を変化させる可変容量素子において、前記一対の電極の少なくとも一方の外側に音響反射要素を備えたことから、その音響反射要素により、さらに外側に構成される層によって励振されることなく振動が反射されるので、所望の周波数において圧電性を示す誘電体膜からの振動を電極の外側に配置した音響反射要素によって電極と音響反射要素との境界で音響的に絶縁することができ、それによって誘電体膜の振動を抑制することができるため、電圧印加の条件にかかわらず高いQ値を有する可変容量素子を提供することができる。従って、誘電体膜にそのような若干の圧電性を有する高誘電率の誘電体材料からなる薄膜を用いても、常に高いQ値を電圧印加の条件にかかわらず得ることができる可変容量素子となる。 According to the variable capacitance element of the present invention, it is provided with a pair of electrodes and a dielectric film having piezoelectricity sandwiched between the pair of electrodes, and by applying a voltage to the pair of electrodes, the relative dielectric constant of the dielectric film In the variable capacitance element that changes the frequency, the acoustic reflection element is provided outside at least one of the pair of electrodes, so that the vibration is reflected by the acoustic reflection element without being excited by the layer formed on the outside. Therefore, vibration from a dielectric film exhibiting piezoelectricity at a desired frequency can be acoustically insulated at the boundary between the electrode and the acoustic reflecting element by the acoustic reflecting element disposed outside the electrode, thereby Since vibration of the film can be suppressed, a variable capacitance element having a high Q value can be provided regardless of voltage application conditions. Therefore, there is provided a variable capacitance element that can always obtain a high Q value regardless of the condition of voltage application, even when a thin film made of a dielectric material having a high dielectric constant having a slight piezoelectricity is used as the dielectric film. Become.
また、本発明の可変容量素子によれば、前記音響反射要素が、音響インピーダンスが異なる複数の層によって構成された音響多層膜であるときには、音響反射要素を一連の薄膜プロセスで形成することができ、また容量形成部の近傍に空気層を形成しないので、後述するバイアホールと比べて作製プロセスが容易であり、熱的信頼性および機械的信頼性が高いものとすることができる。 According to the variable capacitance element of the present invention, when the acoustic reflection element is an acoustic multilayer film composed of a plurality of layers having different acoustic impedances, the acoustic reflection element can be formed by a series of thin film processes. In addition, since an air layer is not formed in the vicinity of the capacity forming portion, the manufacturing process is easier than that of a via hole described later, and thermal reliability and mechanical reliability can be increased.
また、本発明の可変容量素子によれば、前記誘電体膜が、Ba1−xSrxTiO3(0<x<1)からなるものであるときには、使用温度範囲において常誘電性を示すことが多く(ただし、xの大きさや歪みによる。)、電圧印加による容量の変化にヒステリシスを伴うために容量が電界履歴に依存するものとなることが少ないので、印加電圧に応じた容量変化が要求される可変容量素子としては適切なものとすることができる。また、ヒステリシスは分極の交流に対する遅れを示しており、誘電損失が大きいことに相応することからも、そのような特性を示さないこの系は好ましいものである。 Further, according to the variable capacitance element of the present invention, when the dielectric film is made of Ba 1-x Sr x TiO 3 (0 <x <1), the dielectric film exhibits a paraelectric property in an operating temperature range. (However, due to the size and distortion of x.) Since the capacitance change due to voltage application is accompanied by hysteresis, the capacitance is less dependent on the electric field history, so the capacitance change according to the applied voltage is required. The variable capacitance element to be used can be appropriate. In addition, since the hysteresis indicates a delay of the polarization with respect to the alternating current and corresponds to a large dielectric loss, this system which does not exhibit such characteristics is preferable.
そして、このような本発明の可変容量素子を用いることにより、挿入損失を低減した可変フィルタや可変共振器等の可変特性の高周波回路を提供することができ、それらを用いた特性可変の高性能な通信装置を提供することができる。 By using such a variable capacitance element of the present invention, it is possible to provide a high-frequency circuit with variable characteristics such as a variable filter and a variable resonator with reduced insertion loss, and a variable characteristic high performance using them. Can provide a simple communication device.
以下、本発明の可変容量素子の実施の形態の例について、図1を参照しつつ説明する。図1は本発明の可変容量素子の実施の形態の一例を示す断面図である。図1において、1は支持基板であり、2は下部音響多層膜であり、3は下部電極膜であり、4は誘電体膜であり、5は絶縁膜であり、6は上部電極膜であり、7は上部音響多層膜であり、8は半田拡散防止膜であり、9は保護膜であり、10は半田端子である。なお、この可変容量素子における容量形成領域は、誘電体膜4を一対の電極である下部電極膜3と上部電極膜6とで挟持している電極の対向部分である。
Hereinafter, an example of an embodiment of a variable capacitance element of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a variable capacitance element of the present invention. In FIG. 1, 1 is a support substrate, 2 is a lower acoustic multilayer film, 3 is a lower electrode film, 4 is a dielectric film, 5 is an insulating film, and 6 is an upper electrode film. , 7 is an upper acoustic multilayer film, 8 is a solder diffusion preventing film, 9 is a protective film, and 10 is a solder terminal. Note that the capacitance forming region in this variable capacitance element is an opposing portion of the electrode that sandwiches the dielectric film 4 between the
基板
支持基板1は、その上面に可変容量素子が形成される絶縁性の基板である。その材料としては例えばAl2O3,SiO2,MgO,LaAlO3,SrTiO3等があり、特に材料を限定するものではないが、支持基体1上に形成する膜の表面が平滑になるように、十分な平面度を有していることが好ましい。
The
下部音響多層膜
本発明の可変容量素子において一対の電極の少なくとも一方の外側に配置される音響反射要素は、例えば音響多層膜によって構成することができる。この音響多層膜は、誘電体膜4において圧電的に励起された振動を音響的に絶縁することができるものであり、音響インピーダンスの異なる膜を交互に数層積層して構成される。より効率的に振動(音響波)を絶縁するならば、多層に積層する各々の膜の膜厚を約λ/4(λは振動(音響波)の波長)にするのがよく、より広範囲な周波数帯で振動(音響波)を抑制するならば、連続する2層の膜の音響インピーダンスの比は大きいほうがよい。以下、振動が抑制された周波数領域をバンド幅ということとする。下部音響多層膜2は、一方の電極である下部電極膜3の外側に配置された音響反射要素である。
Lower acoustic multilayer film The acoustic reflection element disposed outside at least one of the pair of electrodes in the variable capacitance element of the present invention can be constituted by, for example, an acoustic multilayer film. This acoustic multilayer film can acoustically insulate the piezoelectrically excited vibration in the dielectric film 4 and is configured by alternately laminating several layers having different acoustic impedances. In order to insulate vibration (acoustic waves) more efficiently, the thickness of each film stacked in multiple layers should be about λ / 4 (where λ is the wavelength of vibration (acoustic waves)). If vibration (acoustic waves) is suppressed in the frequency band, the ratio of the acoustic impedances of the two continuous layers of films should be large. Hereinafter, a frequency region in which vibration is suppressed is referred to as a bandwidth. The lower
音響反射要素は、このような音響多層膜の他にも基板にバイアホールを形成するといった技術によっても作ることができる。具体的には例えば、可変容量素子の容量形成部分の下側の支持基板1をエッチングで部分的に除去することによって、バイアホールを形成し、空気との界面で音響波を反射させることができる。
In addition to such an acoustic multilayer film, the acoustic reflection element can also be produced by a technique of forming a via hole in the substrate. Specifically, for example, by partially removing the
なお、本発明の可変容量素子における音響反射要素はこれら音響多層膜やバイアホールに限定されるものではなく、誘電体膜4において圧電的に励起された振動(音響波)を可変容量素子の使用周波数において減衰させることができれば種々の構成のものを用いることができ、この他にも同様の機能を発揮するものであれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の任意の手段によって構成してもよい。 The acoustic reflection element in the variable capacitance element of the present invention is not limited to these acoustic multilayer films and via holes, and the piezoelectric film excited vibration (acoustic wave) in the dielectric film 4 is used in the variable capacitance element. Various configurations can be used as long as they can be attenuated at the frequency, and other configurations can be used by any other means without departing from the gist of the present invention as long as they exhibit similar functions. May be.
誘電体膜4において励起された振動を抑制するために、音響インピーダンスの異なる膜を交互に数層積層し、下部音響多層膜2を形成する。このとき、音響インピーダンスの高い膜の材料は、例えばタングステン(W),白金(Pt),金(Au),モリブデン(Mo)等を用いることができる。また、音響インピーダンスの低い膜の材料は、例えばシリコン(Si),酸化シリコン(SiO2),アルミニウム(Al)等を用いることができる。これらの膜を多層に積層するに当たって、バンド幅を大きくして効率的に振動を抑制するならば、振動(音響波)に対する反射率を上げるために、連続する2層の膜の音響インピーダンスの比を大きくとればよい。ただし、膜の組み合わせによっては、密着力の悪いものや融点が低く後続の作製プロセス上問題となる材料もあるため、適宜、組み合わせる材料を選択する。また、低抵抗な音響インピーダンス材料を選べば、誘電体膜4の直下にこの下部音響多層膜2を配置して下部電極膜3の一部を代替することもでき、高いQ値を持った可変容量素子を簡便なプロセスで作製することが可能となる。
In order to suppress vibration excited in the dielectric film 4, several layers of films having different acoustic impedances are alternately stacked to form the lower
なお、音響反射要素として下部音響多層膜2だけを形成したときには、誘電体膜4の下方の層構成(例えば、下部電極膜3,密着層,酸化膜層,支持基板1)による不要な励振を防ぐことができるので、振動の波長が短くなり(共振がより高周波側となる。)、周期も大きくなるため、インピーダンスの位相の変化でQ値が低減する周波数が広くなるという利点がある。また、作製プロセスの工程が少なくなるという利点もある。
When only the lower
下部電極膜
高いQ値を持った可変容量素子を得るために、誘電体膜4の上下には低抵抗な一対の電極を配置して、それらにより誘電体膜4を挟持することが要求される。下部電極膜3の導体材料としては、高Q値を得るためには抵抗率の小さな金属を用いる必要がある。そのような金属としては、銅,アルミニウム,金,銀,白金,パラジウム等が挙げられる。中でも、その上に高誘電率薄膜である誘電体膜4を形成する過程において、高温の熱履歴を伴うときに誘電体膜4に拡散したり誘電体膜4と反応したりして可変容量素子のリーク電流が増大するといった問題が発生しうるため、誘電体膜4と反応や拡散を生じにくい白金,パラジウム等を用いることが望ましい。
Lower electrode film In order to obtain a variable capacitance element having a high Q value, it is required to dispose a pair of low resistance electrodes above and below the dielectric film 4 and sandwich the dielectric film 4 therebetween. . As a conductor material of the
なお、下部電極膜3の膜厚は、薄くした方が共振周波数を高周波側へシフトさせることが可能だが、高周波数では高抵抗な材料によって下部電極膜3および上部電極膜6における損失が増大することとなり、そもそものQ値が減少するといった問題が発生するため、その点も考慮した膜厚の設定が必要である。
Although the resonance frequency can be shifted to a higher frequency when the thickness of the
誘電体膜
誘電体膜4の材料としては、外部の印加電圧により、その比誘電率が大きく変化し得る高誘電率の誘電体材料、例えばBaTiO3,SrTiO3,BST等のペロブスカイト酸化物が挙げられる。これらは、ゾルゲル法等の溶液法やスパッタ法やCVD法,レーザーアブレーション法,MBE(Molecular Beam Epitaxy)法等の気相合成法等の薄膜作製手法により形成することができる。誘電体膜4は、例えば、下部電極膜3の表面を覆うように形成され、その後、容量形成領域を除いたウエットエッチングにより不要部分が除去される。誘電体膜4の膜厚は、薄いほど共振周波数の基本波が高い周波数になるため、使用周波数においてその影響を排除する際に有効である。また、薄ければ薄いほど誘電体膜4における電界強度が大きくなるため、高チューナビリティ特性が得られるという利点があるが、その一方で、リーク電流が増大したり、実効比誘電率が低下したりするといった問題が発生することがある。通常は、十分な絶縁性を確保する点から、膜厚は100nm以上に設定することが好ましい。
Examples of the material of the dielectric film dielectric film 4 include a high dielectric constant dielectric material whose relative dielectric constant can be largely changed by an externally applied voltage, such as perovskite oxides such as BaTiO 3 , SrTiO 3 , and BST. It is done. These can be formed by a thin film manufacturing method such as a solution method such as a sol-gel method, a sputtering method, a CVD method, a laser ablation method, a vapor phase synthesis method such as an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method. The dielectric film 4 is formed so as to cover the surface of the
本発明の可変容量素子においては、誘電体膜4は、Ba1−xSrxTiO3(0<x<1)からなるものであることが好ましい。また、使用温度範囲において常誘電性を示す誘電体材料を用いることが望ましい。なぜならば、誘電体膜4が強誘電性を示す場合は、電圧印加による容量の変化にヒステリシスを伴い、そのため容量が電界履歴に依存することとなるので、印加電圧に応じた容量変化が要求される可変容量素子としては適さないものとなるためである。また、ヒステリシスは分極の交流に対する遅れを示しており、誘電損失が大きいことに相応することからも適さないものである。 In the variable capacitance element of the present invention, the dielectric film 4 is preferably made of Ba 1-x Sr x TiO 3 (0 <x <1). It is also desirable to use a dielectric material that exhibits paraelectric properties in the operating temperature range. This is because when the dielectric film 4 exhibits ferroelectricity, the change in capacitance due to voltage application is accompanied by hysteresis, and therefore the capacitance depends on the electric field history, so that a change in capacitance according to the applied voltage is required. This is because it is not suitable as a variable capacitance element. Hysteresis indicates a delay with respect to alternating current of polarization and is not suitable because it corresponds to a large dielectric loss.
絶縁膜
絶縁膜5は、以上の支持基板1,下部音響多層膜2,下部電極膜3および誘電体膜4からなる構造を全て覆うように成膜され、誘電体膜4の上に形成される上部電極膜6と下部電極膜3との絶縁の確保およびそこに発生する寄生容量を小さくするために用いられる。絶縁膜5の材料としては、BCB(ベンゾシクロブテン),ポリイミド等の有機材料やSiO2,Si3N4等の無機材料が挙げられるが、絶縁性が高く、かつ寄生容量を小さくするために低比誘電率であるほうが望ましい。形成方法についても特に限定されるものではないが、立体的な複雑形状を持つ下地構造に対しても比較的均一な膜厚が得られるMOCVD法等に代表されるCVD法で形成されることが好ましい。
The insulating
また、絶縁膜5の材料には、誘電体膜4上に上部電極膜6を形成するための開口部を形成するために、レジストをマスクとしたエッチングによりパターン形成することができるものを用いることが好ましい。このとき、下部電極膜3を外部回路との電気的接続のために可変容量素子の上面に露出させる端子開口部も同時に形成されることが望ましい。
The insulating
上部電極膜
上部電極膜6は、下部電極膜3とともに誘電体膜4を挟む一対の電極を構成するものであり、導体材料としてAu,Ag,Al,Cu,Pt等を用いて形成される。厚みについては、下部電極膜3と同様に、高いQ値を得るために抵抗を考慮して設定される。
The upper electrode film 6 constitutes a pair of electrodes sandwiching the dielectric film 4 together with the
なお、導体材料として低抵抗な音響インピーダンス材料を選べば、上部電極膜6を上部音響多層膜7の一部として利用することもでき、高いQ値を持った可変容量素子を簡便なプロセスで作製することが可能となる。
If a low-resistance acoustic impedance material is selected as the conductor material, the upper electrode film 6 can be used as a part of the upper
上部音響多層膜
誘電体膜4において圧電性に起因して発生する振動を効率よく抑制するために、誘電体膜4の両側の電極の外側に音響反射要素として音響多層膜を配置することが好ましい。そこで、好ましくは、上部電極膜6の外側すなわち誘電体膜4と反対側に、下部音響多層膜2と同様に音響インピーダンスが異なる膜を交互に数層積層し、上部音響多層膜7を形成する。
In order to efficiently suppress vibration caused by piezoelectricity in the upper acoustic multilayer dielectric film 4, it is preferable to dispose an acoustic multilayer film as an acoustic reflection element outside the electrodes on both sides of the dielectric film 4. . Therefore, preferably, several layers having different acoustic impedances are laminated alternately on the outside of the upper electrode film 6, that is, on the side opposite to the dielectric film 4 to form the upper
なお、音響反射要素として上部音響多層膜7だけを形成したときには、誘電体膜4の上方の層構成(例えば、上部電極膜6,密着層,絶縁膜,保護膜9)による不要な励振を防ぐことができるので、振動の波長が短くなり(共振がより高周波側となる。)、周期も大きくなるため、インピーダンスの位相の変化でQ値が低減する周波数が広くなるという利点がある。また、作製プロセスの工程が少なくなるという利点もある。
When only the upper
また、上部音響多層膜7を下部音響多層膜2とともに形成したときには、誘電体膜4の上下の層構成に起因する不要な励振を防ぐことができ、誘電体膜4のみによる振動となるので、振動の波長がさらに短くなり(共振がより高周波側となる。)、周期もさらに大きくなるため、インピーダンスの位相の変化でQ値が低減することが極めて少なくなる。言い換かえると、インピーダンスの位相の変化でQ値が低減しない周波数領域をより広範囲にとることができるものとなる。
Further, when the upper
保護膜
保護膜9は、以上のようにして構成された本発明の可変容量素子を外部から機械的に保護するほか、雰囲気中の湿度や酸素等との化学反応による素子材料の劣化や、ゴミ等の付着による汚染、実装時の破損による劣化、薬品等による汚染、酸化等を防止して素子を保護するものである。この保護膜9は、外部回路との接続に用いられる半田端子10を形成するために上下の電極膜6,3それぞれの一部を露出するように形成する。保護膜9の材料としては、耐熱性が高く、下地構造の段差に対する被覆性に優れたものがよい。具体的には、BCB(ベンゾシクロブテン)樹脂等の有機系の熱硬化性樹脂もしくは光硬化性樹脂を用いることができる。
The protective film
半田端子
8は半田端子10を形成するのに先立って半田端子10の下地として形成される半田拡散防止膜であり、半田端子10を形成する時のリフローや外部回路への実装の際に、半田端子10からの半田の下部電極膜3および上部電極膜6への拡散を防止するために形成する。半田拡散防止層8の材料としては、通常の半田を用いる場合であれば、Niが好適である。また、半田拡散防止膜8の表面には、この膜8の半田濡れ性を向上させるために、半田濡れ性の高いAu,Cu等を0.1μm程度形成するとよい。
The
半田拡散防止層8の形成後に、外部回路への実装を容易にするために半田端子10を形成する。半田端子10は、保護膜9の開口部に形成された半田拡散防止膜8上に半田ペーストを印刷後、リフローを行なうことにより形成される。
After the solder
以上のように構成された本発明の可変容量素子は、高周波部品の共振回路の一部(LC共振回路の容量成分)として用いられたり、また、この共振回路を結合する容量成分として用いられたりして、電圧制御型高周波共振回路部品に、さらに、その共振回路の複合部品である電圧制御型高周波フィルタ,電圧制御型整合回路素子および電圧制御型薄膜アンテナ共用器等の高周波部品に好適に用いることができる。 The variable capacitance element of the present invention configured as described above is used as a part of the resonance circuit of the high-frequency component (capacitance component of the LC resonance circuit), or as a capacitance component for coupling the resonance circuit. Thus, it is suitably used for high-frequency components such as a voltage-controlled high-frequency filter, a voltage-controlled matching circuit element, and a voltage-controlled thin-film antenna duplexer that are composite components of the resonant circuit. be able to.
本発明の可変容量素子によれば、誘電体膜4への電圧印加後に生じる圧電振動が広い周波数範囲で抑制され、Q値の低下を抑制することができることをシミュレーションにより確認した。 According to the variable capacitance element of the present invention, it was confirmed by simulation that the piezoelectric vibration generated after voltage application to the dielectric film 4 is suppressed in a wide frequency range, and the decrease in the Q value can be suppressed.
本実施例においては、本発明の可変容量素子の各膜の構成および材料,膜厚を次の通り設定した。 In this example, the configuration, material, and film thickness of each film of the variable capacitance element of the present invention were set as follows.
支持基板1として厚みが0.3mmのサファイアR基板を用い、下部音響多層膜2および上部音響多層膜7の高音響インピーダンス材料としてWを、低音響インピーダンス材料としてSiO2を用いてそれらの膜を交互に、膜厚をそれぞれ0.67μmおよび0.74μmとして各2層を積層した。下部音響多層膜2の上には下部電極膜3としてPtを厚みが2μmで、誘電体膜4として(Ba0.5Sr0.5)TiO3を厚みが0.3μmで、絶縁膜5として二酸化珪素を厚みが1μmで、上部電極膜6としてPtを厚みが2μmで、保護膜9としてベンゾシクロブテン樹脂を厚みが2μmで形成し、この構成による容量形成領域のインピーダンスおよび位相の周波数依存性を評価した。そのシミュレーション結果を図2に線図で示す。
A sapphire R substrate having a thickness of 0.3 mm is used as the
図2において、横軸は周波数[frequency](単位:GHz)を、縦軸は左側がインピーダンス[|Z|](単位:ohm)で右側がインピーダンスの位相[Phase](単位:deg.)を表わしており、上側の特性曲線はインピーダンスの周波数特性を、下側の特性曲線はインピーダンスの位相の周波数特性をそれぞれ示している。 In FIG. 2, the horizontal axis represents frequency [frequency] (unit: GHz), the vertical axis represents impedance [| Z |] (unit: ohm) on the left side, and the phase [phase] (unit: deg.) On the right side. The upper characteristic curve represents the frequency characteristic of the impedance, and the lower characteristic curve represents the frequency characteristic of the phase of the impedance.
図2に示す通り、本発明の可変容量素子によれば、2GHz前後で数百MHzの範囲にわたって、インピーダンスの位相の変動が起きておらず、誘電体膜4の振動による影響が抑制されており、高いQ値を持っていることが分かる。 As shown in FIG. 2, according to the variable capacitance element of the present invention, the impedance phase does not fluctuate over a range of several hundreds of MHz around 2 GHz, and the influence of vibration of the dielectric film 4 is suppressed. It can be seen that it has a high Q value.
なお、比較のため、上下の音響多層膜が形成されていない従来の構成の可変容量素子についてのシミュレーション結果を図3に図2と同様の線図で示す。図3に示す結果からは、図2に示した本発明の可変容量素子に比較して、電圧印加により発生した誘電体膜の圧電性の振動のため、インピーダンスの位相の周期的な変化が全周波数範囲で見られ、Q値が低下することが分かる。 For comparison, FIG. 3 is a diagram similar to FIG. 2 showing a simulation result of a variable capacitance element having a conventional configuration in which upper and lower acoustic multilayer films are not formed. From the results shown in FIG. 3, the periodic change of the impedance phase is all due to the piezoelectric vibration of the dielectric film generated by the voltage application as compared with the variable capacitance element of the present invention shown in FIG. It can be seen in the frequency range that the Q value decreases.
以上の実施例の結果から分かるように、本発明の可変容量素子によれば、各層の材料および膜厚等を前述の説明に基づいて設定することにより、例えば使用周波数2GHzにおいて、インピーダンスの位相の変化がなく、使用周波数が、複数の共振ピークのうち隣り合うピーク間に設定された、本発明の可変容量素子を得ることができる。 As can be seen from the results of the above embodiments, according to the variable capacitance element of the present invention, by setting the material and film thickness of each layer based on the above description, for example, at the use frequency of 2 GHz, the impedance phase It is possible to obtain the variable capacitance element of the present invention in which there is no change and the use frequency is set between adjacent peaks among the plurality of resonance peaks.
なお、以上はあくまで本発明の実施の形態の例示であって、本発明はこれら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で種々の変更や改良を加えることは何ら差し支えない。例えば、下部電極膜の外側にはバイアホールを形成し、上部電極膜側には音響多層膜を形成してもよく、その場合には、下部音響多層膜の形成に起因する誘電体の結晶性への影響を排除することができるものとなる。 Note that the above are merely examples of the embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and improvements may be made without departing from the scope of the present invention. . For example, a via hole may be formed outside the lower electrode film, and an acoustic multilayer film may be formed on the upper electrode film side. In this case, the dielectric crystallinity caused by the formation of the lower acoustic multilayer film It will be possible to eliminate the influence on.
なお、以上のようなBST材料系の誘電体膜における印加電圧により生じる圧電性は、基本的には小さく、圧電薄膜共振子に見られるような大きな位相変化ではなく、位相特性の変化は非常に小さなものであり、Q値の周期的な減少は、高いQ値をもった可変容量素子を得たときに確認できるものである。特に、高周波例えば数GHz帯における高いQ値を達成するためには、電極による損失を低減すると同時に、高誘電率の誘電体膜の誘電損失も低減しなければならない。よって、このような可変容量素子におけるQ値の電圧印加後の周期的な低下は、本発明者が鋭意高周波において高Q化を図った結果確認できたものであり、本発明はこの知見に基づきなされているものである。 In addition, the piezoelectricity generated by the applied voltage in the dielectric film of the BST material system as described above is basically small, not the large phase change as seen in the piezoelectric thin film resonator, but the phase characteristic change is very The periodic decrease in the Q value can be confirmed when a variable capacitance element having a high Q value is obtained. In particular, in order to achieve a high Q value in a high frequency band such as a few GHz band, it is necessary to reduce the loss due to the electrodes and at the same time reduce the dielectric loss of the dielectric film having a high dielectric constant. Therefore, the periodic decrease of the Q value after voltage application in such a variable capacitance element has been confirmed by the present inventors as a result of intensively increasing the Q at a high frequency, and the present invention is based on this finding. It has been made.
1・・・支持基板
2・・・下部音響多層膜
3・・・下部電極膜
4・・・誘電体膜
5・・・絶縁膜
6・・・上部電極膜
7・・・上部音響多層膜
8・・・半田拡散防止膜
9・・・保護膜
10・・・半田端子
DESCRIPTION OF
10 ... solder terminal
Claims (3)
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- 2005-04-15 JP JP2005118254A patent/JP2006302942A/en active Pending
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