可変容量素子
【課題】本発明は、高いＱ値を維持しながら静電容量の可変域の拡大を実現する、強誘電体を用いた可変容量素子の小型化を目的とする。
【解決手段】本発明は、強誘電体を用いた可変容量素子において、第１及び第２の電極２２、２４の間に接続された強誘電体層２１を備え、前記強誘電体層２１は、自らが内部に持つ圧縮応力Ｙにより立方晶から正方晶へ相変態したペロブスカイト型構造を有することを特徴とする可変容量素子を用いることで、可変容量素子の小型化を実現できるものである。
【解決手段】本発明は、強誘電体を用いた可変容量素子において、第１及び第２の電極２２、２４の間に接続された強誘電体層２１を備え、前記強誘電体層２１は、自らが内部に持つ圧縮応力Ｙにより立方晶から正方晶へ相変態したペロブスカイト型構造を有することを特徴とする可変容量素子を用いることで、可変容量素子の小型化を実現できるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チューナブルフィルタや高周波用コンデンサデバイス等に応用される、強誘電体を用いた可変容量素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、チューナブルフィルタ等の電子部品において、印加電圧に対する静電容量の可変域が広い可変容量素子が望まれている。
【０００３】
そのような要望に対し、電極間の強誘電体層の組成を変えることで可変容量素子の静電容量の可変域を大きくすることは、従来から検討されていた。例えば、強誘電体層に（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3（以下「ＢＳＴ」とする）を用いたコンデンサにおいては、Ｓｒに対し、Ｂａの組成比を一定以上にすることで（例えばＳｒ／Ｂａ＝１／９）、ＢＳＴの結晶構造であるペロブスカイト型構造は、正方晶になり大きく分極が可能となるので、コンデンサの静電容量の可変域は大きくなる。
【０００４】
しかしながら残念なことに、このように正方晶の結晶構造を取ったＢＳＴの強誘電体層を用いたコンデンサは、静電容量の可変域は広いが、その反面、Ｑ値（可変容量素子内の電気エネルギー損失（ｔａｎδ）の逆数値）が下がってしまい、各種電子部品への応用が困難であるという問題があった。例えば、チューナブルフィルタに用いる場合には、選局したい周波数以外の周波数を信号として検出してしまい応用できなかった。
【０００５】
そのため、強誘電体を用いた可変容量素子について、高いＱ値を維持しながら静電容量の可変域の拡大を実現することが求められている。
【０００６】
それを実現する一つの方法として、図８に示すような、第１の誘電体層１０１に外部応力を印加する手段を設けた可変容量素子が知られている。この可変容量素子は、基板上に第１の電極層１０２、第１の誘電体層１０１、及び第２の電極層１０３が順次積層されたコンデンサにおいて、外部応力を印加する手段として、第１の電極層１０２の下に第３の電極層１０５、第２の誘電体層１０４、第４の電極層１０６からなる圧電素子１０７を設けた構造となっている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−８５０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述のように、可変容量素子において、高いＱ値を維持しながら静電容量の可変域の拡大を実現するために、第１の誘電体層１０１に外部応力を印加する手段として第１の電極層１０２の下に圧電素子１０７を設けたものでは、可変容量素子を構成する層（１０１〜１０３）の他に圧電素子１０７を構成する別の層が必要となる。そのため、可変容量素子のサイズが大きくなってしまっていた。可変容量素子のサイズが大きくなってしまうと、小型軽薄が求められる携帯電子機器等に用いる際に望ましくないものとなる。
【０００９】
そこで本発明は、強誘電体を用いた可変容量素子の小型化を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために本発明は、強誘電体を用いた可変容量素子において、第１及び第２の電極間に接続された強誘電体層を備え、前記強誘電体層は、自らが内部に持つ圧縮応力により立方晶から正方晶へ相変態したペロブスカイト型構造を有することを特徴とする可変容量素子を用いることで、所期の目的を達成するものである。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように本発明は、強誘電体を用いた可変容量素子において、第１及び第２の電極間に接続された強誘電体層を備え、前記強誘電体層は、自らが内部に持つ圧縮応力により立方晶から正方晶へ相変態したペロブスカイト型構造を有することを特徴とする可変容量素子を用いることで、可変容量素子の小型化を実現できるものである。
【００１２】
すなわち、強誘電体層自身に圧縮応力を内在させ、その圧縮応力により強誘電体層の結晶構造を立方晶から正方晶へ相変態させることで、外部応力を印加する手段を用いなくても、可変容量素子のＱ値を高く維持しつつ静電容量の可変域を拡大できる。
【００１３】
詳しく説明すると、本来、立方晶のペロブスカイト型構造を有する常誘電体層を用いた可変容量素子は、Ｑ値は高いが誘電率の可変域は小さいという性質を有していることが多かった。しかし、その立方晶の常誘電体層は、圧縮応力を内在させることで、組成を変えずに正方晶の強誘電体層に相変態させることができる。これにより、可変容量素子のＱ値を高く維持したまま誘電率を大きく可変させることができるようになる。すなわち、可変容量素子において、外部応力印加手段を用いずに高いＱ値の維持と静電容量の可変域の拡大を両立できるため、可変容量素子を小型化できるのである。これは、可変容量素子の静電容量は小さいが大きな可変域を必要とする高周波用部品にも応用できる。
【００１４】
この小型化という効果に加え、本発明の可変容量素子は、以下の二つの理由により、さらにＱ値を高めることもできる。
【００１５】
一つは、圧縮応力を負荷しながら薄膜形成するため、形成される薄膜はより緻密に形成されるのでＱ値を高めることができる。具体的には、薄膜形成段階において、薄膜を形成するそれぞれの結晶粒及び粒界は、製膜方向に対し垂直方向の圧縮応力を受けるため、それぞれが凝集しながら薄膜を形成する。したがって、形成される薄膜は、結晶欠陥が少なく結晶性の高い構造となるため、結果として、可変容量素子のＱ値は向上する。
【００１６】
もう一つは、電界印加時に発生する漏れ電流を抑制できるため、可変容量素子のＱ値を高めることができる。具体的には、強誘電体層は電圧を印加すると分極し電界方向に伸びるため、強誘電体層に電圧を印加すると、電圧が印加される部分とされない部分との界面に応力がかかる。その応力によりその界面付近には、状態変異による結晶欠陥が発生する。この結晶欠陥が、漏れ電流の原因となり可変容量素子のＱ値を低下させる。しかし、圧縮応力を内部に保持させると、その圧縮応力方向と前記界面にかかる応力方向とが一致するため、前記界面にかかる応力を緩和することが可能となる。この結果として、漏れ電流を抑制し、可変容量素子のＱ値を高めることができる。
【００１７】
さらに、本発明は、強誘電体層に対する応力印加手段を、従来のように圧電素子を使った外部手段から強誘電体層の内部に保持させる手段へ変えるため、以下のような効果も期待できる。
【００１８】
まず、製膜工程を減らすことができるため、手間と時間の減少、コストの削減が可能となり、生産性が向上する。また、外部手段である圧電素子が不要となるため、圧電素子駆動のための回路も不要となり回路構造が簡素化する。さらに、強誘電体層形成後の高温処理プロセスによる品質低下、外部応力による層間の剥離や層内の結晶欠陥の発生が招くＱ値の低下等の品質の問題も改善される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１における対向ターゲットスパッタ装置の概略図
【図２】図１の断面図
【図３】本発明の実施の形態１における可変容量素子の断面図
【図４】本発明の実施の形態１における可変容量素子の強誘電体層の結晶構造の模型図
【図５】本発明の実施の形態１における可変容量素子のヒステリシス特性グラフ
【図６】（Ａ）Ｘ線回折法による結晶構造解析図、（Ｂ）０．２５ｍＴｏｒｒ時の多重ピーク分離解析を示す図
【図７】本発明の実施の形態２におけるＥＣＲラジカル源付き対向ターゲットスパッタ装置の概略図
【図８】従来技術の可変容量素子の断面図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（実施の形態１）
本実施の形態に示す可変容量素子は、特開２００９−３０１３３に記載の方法を参照して薄膜形成するが、ＥＣＲラジカル源を用いていないところに違いがある。
【００２１】
本実施の形態の薄膜形成装置の概略図を図１、断面図を図２で示す。図１及び図２で示す薄膜形成装置は、ターゲットをスパッタし、基材（シリコン基板６）に（Ｂａ0.4Ｓｒ0.6）ＴｉＯ3の化合物膜２２（以下、ＢＳＴ膜という）を形成する薄膜形成装置である。以下、主に図２を用いて説明する。
【００２２】
図２に示すように、本実施の形態の薄膜形成装置は、スパッタチャンバ１と、平行方向に対向する二枚のターゲット２と、このターゲット２近傍に配置されたガス導入部３と、基板ホルダ４とが配置されている。なお、ターゲット２として本実施の形態では、Ｂａ／Ｓｒ＝４／６の（Ｂａ0.4Ｓｒ0.6）ＴｉＯ3を用い、カソード５に接続した。
【００２３】
また本実施の形態では、基板ホルダ４は、フローティング状態とするか、あるいはアースと接続させた。この基板ホルダ４は加熱機能が付いており、基材であるシリコン基板６を加熱できるようになっている。
【００２４】
そして前述のガス導入部３からはスパッタガスとしてアルゴンガスを、反応性ガスとして酸素ガスを出来るようにしている。
【００２５】
これらのガスは電離されて、ラジカルや陽イオン、陰イオンが生成される。なお、本実施の形態では、導入する酸素ガスとスパッタガスとの比は１：４とし、これらのガス圧は約０．２５ｍＴｏｒｒとした。
【００２６】
また各ターゲット２の背面にはそれぞれ磁石７が配置されている。そして一方のターゲット２ａに配置された磁石７はＮ極を内側（対向空間側）に、他方のターゲット２ｂにはＳ極を内側（対向空間側）に向くように配置されている。したがって、これらの磁石７によって、ターゲット２の対向方向、すなわち一方のターゲット２ａから他方のターゲット２ｂへと磁力線が走り、ターゲット２の対向空間には磁界が発生している。
【００２７】
なお、本実施の形態では、カソード５内にも冷却水流入口８と冷却水流出口９とを設け、冷却水によってターゲット２を冷却できるようになっている。これによりターゲット２への熱応力を低減している。
【００２８】
また本実施の形態では、カソード５とスパッタチャンバ１との間に整合器１０（図１に図示）を介し、ショートを防いでいる。またターゲット２外周に設けたアースシールド１１で、ターゲット２のみがスパッタされるようにした。
【００２９】
次に、上記薄膜形成装置を用いた薄膜形成方法について説明する。
【００３０】
まず、図２に示す基板ホルダ４に基材となるシリコン基板６を配置し、スパッタチャンバ１の内部を真空ポンプ１２によって１．０×１０-6ｍＴｏｒｒ以下にまで排気する。また、基板ホルダ４の加熱機能を用い、シリコン基板６をＢＳＴ膜２２が結晶化する温度まで加熱する。ここではあらかじめ別のシリコン基板６に熱電対を貼り付けて測定した際の温度が５２０℃であった設定温度まで加熱する。
【００３１】
次に、スパッタチャンバ１内において、ガス導入部３からガス流量制御器１３（図１に図示）を介してスパッタガスであるアルゴンガスと反応性ガスである酸素ガスを導入し、コンダクタンスバルブにより全圧力がプロセスガス圧（ここでは０．２５ｍＴｏｒｒ）となるように調整し、ターゲット２に負電圧を印加すると、アルゴンガスや酸素ガスがイオンと電子とに電離してプラズマとなり、主にアルゴンイオン（Ａｒ+）がターゲットに衝突してターゲット２からターゲット粒子が飛び出す。なお、本実施の形態では、電圧供給源として電力密度２．７Ｗ／ｃｍ2の高周波電源１４を用いた。
【００３２】
そしてこの反応前後のターゲット粒子がシリコン基板６表面に付着して徐々に堆積し、ＢＳＴ膜２２を形成することができる。
【００３３】
本実施の形態における効果を以下に説明する。
【００３４】
なお、本実施の形態の効果は、図３に示すシリコン基板６（ＳｉＯ2（７０ｎｍ）／Ｓｉ）上に形成した可変容量コンデンサで説明する。これは、下部電極２３にＰｔ／Ｔｉ（１００ｎｍ／１０ｎｍ）、強誘電体層２１にＢＳＴ膜２２（２５０ｎｍ）、上部電極２４にＡｕ（３００ｎｍ）を用い、下部電極２３は平行平板マグネトロンスパッタ、強誘電体層２１を本実施の形態の薄膜形成方法、上部電極２４は電子ビーム蒸着で形成している。
【００３５】
上述の本実施の形態の薄膜形成方法でＢＳＴ膜２２を形成すると、ＢＳＴ膜２２は圧縮応力Ｙ（図３において、矢印で図示）を内在し、その圧縮応力Ｙにより結晶構造を立方晶から正方晶へ相変態した状態で形成される。そのため、本実施の形態で形成されたＢＳＴ膜２２を用いた可変容量コンデンサは、外部応力を印加する手段を用いずに、高いＱ値と静電容量の可変域の拡大を実現できるため、可変容量コンデンサのサイズを小型化することができる。
【００３６】
それは、対向したターゲット２から飛び出すターゲット粒子が持つシリコン基板６表面に対し水平な圧縮方向（図３矢印方向）の運動エネルギーが、シリコン基板６に付着して徐々に堆積する過程で、形成されるＢＳＴ膜２２に圧縮応力Ｙとして残留するからである。
【００３７】
そして、図４に示すように、ＢＳＴ膜２２の結晶構造が、圧縮応力Ｙを負荷されながら形成されることで、立方晶から正方晶へ相変態するからである。
【００３８】
本来、Ｂａ／Ｓｒ＝４／６のＢＳＴ膜２２は立方晶の結晶構造を取り、これを用いた可変容量コンデンサは、Ｑ値は高いが静電容量の可変域が狭かった。例えば、本実施の形態において、スパッタチャンバ１内の全圧力を５ｍＴｏｒｒとするとＢＳＴ膜２２は、図４（Ａ）に示すように、立方晶の結晶構造を取り、図５（Ａ）に示すヒステリシス特性からも分かるように、誘電率の可変域が狭かった。
【００３９】
しかし、ＢＳＴ膜２２を、本実施の形態の薄膜形成方法で形成することで、図４（Ｂ）に示すように、結晶構造が正方晶に相変態するため、誘電率の可変域が拡大する。
【００４０】
それは、図５（Ｂ）に示すヒステリシス特性からも分かるが、図４（Ｂ）に示すように、正方晶の結晶構造になったＢＳＴ膜２２は、立方晶の結晶構造（図４（Ａ））と比べ、体心金属のＴｉイオン２５がより大きく遷移できるため、強誘電体層２１は大きく分極できる。
【００４１】
したがって、このＢＳＴ膜２２を用いた可変容量コンデンサにおいて、高いＱ値を維持しながら静電容量の可変域を大きくすることができる。
【００４２】
なお、本実施の形態で形成したＢＳＴ膜２２に圧縮応力Ｙが残留していることは、Ｘ線回折法による残留応力解析（２Ｄ法）で確認できる。この解析は、デバイリングの歪みから応力値を解析できる。このデバイリングの歪みから基板面内方向の２方向σ１１とσ２２の残留応力値を測定したところ、スパッタチャンバ１内の全圧力を５ｍＴｏｒｒで形成したＢＳＴ膜は、１６０〜２００ＭＰａの引張応力の残留を確認できた。これに対し、スパッタチャンバ１内の全圧力を０．２５ｍＴｏｒｒで形成したＢＳＴ膜は、７００〜８７０ＭＰａの圧縮応力の残留を確認できた。この他、Ｘ線回折のｓｉｎ2Ψ測定でも確認が出来る。
【００４３】
また、本実施の形態で形成したＢＳＴ膜２２の結晶構造が立方晶から正方晶に相変態していることは、図６で示すＸ線回折法による結晶構造解析で確認できる。スパッタチャンバ１内の全圧力を５ｍＴｏｒｒから０．２５ｍＴｏｒｒに変えて形成したＢＳＴ膜２２を比較した図６（Ａ）の解析結果より、５ｍＴｏｒｒ時のＢＳＴ膜２２は、ピークの形が左右対称でありＢＳＴ（１００）の面間隔と一致した位置にピークが確認出来ること立方晶であることが確認できる。一方、０．２５ｍＴｏｒｒ時はピークトップの位置が低角側にシフトし、ピーク形状も左右対称でないことから、複数の面間隔を有した結晶から成ることが分かる。これを、０．２５ｍＴｏｒｒ時の多重ピークの分離解析の結果を表す図６（Ｂ）より、２θ＝２２．０４°と２θ＝２２．２８°の２つのピークでＰｓｅｕｄｏ−Ｖｏｉｇｔ関数にてフィッティングされており、面間隔が３．９８Åの結晶の他に、面間隔が４．０３Åの結晶のピークが確認できる。これより、０．２５ｍＴｏｒｒ時のＢＳＴ膜２２は、ａ軸とｃ軸の長さが異なる、つまり、立方晶ではなく正方晶の結晶構造であることが分かる。
【００４４】
以上より、本実施の形態で形成されたＢＳＴ膜２２は、圧縮応力Ｙを負荷されながら形成されることで、結晶構造が立方晶から正方晶へ相変態していることが分かる。
【００４５】
したがって、本実施の形態で形成されたＢＳＴ膜２２を用いた可変容量素子は、外部応力を印加する手段を用いずに、高いＱ値と静電容量の可変域の拡大を実現できるため、可変容量素子のサイズを小型化することができる。この特性を有する可変容量素子は、小さい静電容量で大きな可変域を必要とする高周波用部品にも応用できる。
【００４６】
また、本実施の形態で形成されたＢＳＴ膜２２を用いた可変容量素子は、小型化という効果に加え、以下の三つの理由により、さらにＱ値を高めることもできる。
【００４７】
一つ目は、圧縮応力Ｙを負荷しながら薄膜形成するため、形成されるＢＳＴ膜２２はより緻密に形成されるのでＱ値を高めることができる。具体的には、薄膜形成段階において、ＢＳＴ膜２２を形成するそれぞれの結晶粒及び粒界は、製膜方向に対し垂直方向の圧縮応力Ｙを受けるため、それぞれが凝集しながらＢＳＴ膜２２を形成する。したがって、形成されるＢＳＴ膜２２は、結晶欠陥が少なく結晶性の高い構造となるため、結果として、可変容量素子のＱ値を高めることができる。
【００４８】
二つ目は、電界印加時に発生する漏れ電流を抑制できるので、可変容量素子のＱ値を高めることができる。具体的には、強誘電体層２１は電圧を印加すると分極し電界方向に伸びるため、強誘電体層２１に電圧を印加すると、電圧が印加される部分とされない部分との界面Ｘ（図３において、点線で図示）に応力がかかる。その応力によりその界面Ｘ付近には、状態変異による結晶欠陥が発生する。この結晶欠陥が、漏れ電流の原因となり可変容量素子のＱ値を低下させる。しかし、圧縮応力Ｙを内部に保持させると、その圧縮応力Ｙ方向と前記界面Ｘにかかる応力方向とが一致するため、前記界面Ｘにかかる応力を緩和することが可能となる。この結果として、漏れ電流を抑制でき、可変容量素子のＱ値を高めることができる。
【００４９】
三つ目は、形成するＢＳＴ膜２２の表面構造の粗さを、結晶粒の大きさを保ったまま、つまり結晶粒を微細化せずに、低減することができるため、高い誘電率を維持したまま、電極界面層とのコンタクト抵抗を低減することができ、結果として、Ｑ値を高めることができる。
【００５０】
このほかに、本実施の形態は、薄膜形成をする際に、シリコン基板６と下部電極２３との間や、電極層２３、２４と強誘電体層２１との界面にバッファ層やシード層を形成することで強誘電体層２１と電極層２３、２４もしくは強誘電体層２１を配向制御することができる。そのため、正方晶へ相変態する結晶を一方向に配向させることで、圧縮応力Ｙを内在したＢＳＴ膜２２をｃ軸方向（電界方向）へ優先的に結晶成長させることができ、ヒステリシス特性をシャープにできる。つまり、低電圧で大きな分極が得られるため、可変容量素子としての性能も向上するし、メモリ等への応用にも適している。
【００５１】
さらに、本実施の形態は、強誘電体層２１に対する応力印加手段を、図８で示した従来技術のように、圧電素子１０７を使った外部手段から強誘電体層２１の内部に保持させる手段へ変えるため、以下のような効果も期待できる。
【００５２】
まず、製膜工程を減らすことができるため、手間と時間の減少、コストの削減が可能となり、生産性が向上する。また、外部手段である圧電素子１０７が不要となるため、圧電素子駆動のための回路も不要となり回路構造が簡素化する。さらに、強誘電体層２１形成後の高温処理プロセスによる品質低下、外部応力による層間の剥離や層内の結晶欠陥の発生が招くＱ値の低下等の品質の問題も改善される。
【００５３】
なお、外部応力を印加する手段として、電極層２３、２４に応力を内在させることで、強誘電体層２１に外部応力を印加しようとするということも考えられるが、電極層２３、２４は金属層であるため熱膨張変化が大きく、この電極層２３、２４の熱膨張変化によって、電極層２３、２４に内在させた応力が大きく変化してしまうため好ましくない。
【００５４】
それに対し、本実施の形態は、強誘電体層２１自身に圧縮応力Ｙを内在させているため、電極層２３、２４の変化や材料の影響が少ないため、使用条件や材料選択の自由度が高まる。
【００５５】
なお、本実施の形態では、形成する化合物膜２１として(ＢａxＳｒ1-x)ＴｉＯ3膜を例に挙げたが、Ｂａ(Ｔｉ1-xＺｒx)Ｏ3、ＰｂＴｉＯ3、Ｐｂ (Ｚｒ1-x，Ｔｉx)Ｏ3などの金属酸化膜にも応用が可能である。また本実施の形態では、反応性ガスとして酸素ガスを用いたが、窒素ガス、メタンガス等を用いてもよい。これにより、本実施の形態は、金属窒化物膜や有機金属化合物膜の形成にも応用が可能である。また基材としてはシリコン基板６を挙げたが、化合物膜２１形成時の高温に耐えることができて、かつ、基板構成元素と電極、強誘電体との拡散を抑制することができるならば、特に規定は無く、ＳｉＯ2、硝子、Ａｌ2Ｏ3基板やＭｇＯ基板などにも応用が可能である。
【００５６】
また本実施の形態では、スパッタガスと反応性ガスとは異なるガスを用いたが、反応性ガスの陽イオンがスパッタガスとして機能する場合は、同じガスを用いてもよい。
【００５７】
（実施の形態２）
本実施の形態に示す薄膜形成方法は、実施の形態１にＥＣＲラジカル源を用いた薄膜形成方法であり、特開２００９−３０１３３に記載の薄膜形成方法を参照して行う。
【００５８】
実施の形態１との違いについて詳細に記載しながら、以下説明する。
【００５９】
この薄膜形成装置は、スパッタチャンバ１とこのスパッタチャンバ１に取り付けられたＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）装置（高密度ラジカル源）とを備えている。
【００６０】
図７に示すように、この薄膜形成装置は、スパッタチャンバ１内には、平行方向に対向する二枚のターゲット２と、このターゲット２近傍に配置されたガス導入部３と、ＥＣＲ装置１７と対向する基板ホルダ４とが配置されている。
【００６１】
また、本実施の形態で用いるＥＣＲ装置１７は、そのラジカル放出面が、ターゲット２の対向方向とほぼ垂直方向からターゲット２の対向空間に臨むように配置した。すなわち本実施の形態では、ターゲット２の対向面とＥＣＲ装置１７のラジカル放出面とがほぼ垂直な関係にある。そして、このＥＣＲ装置１７によってプラズマ雰囲気を形成し、ターゲット２の対向方向に対して、ほぼ垂直方向からラジカル等を放出している。
【００６２】
そして本実施の形態では、基板ホルダ４とＥＣＲ装置１７とは、対向空間を介して対面している。
【００６３】
なお、本実施の形態で用いたＥＣＲ装置１７は、プラズマ生成部１８に導波管１９を介してマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を送り込み、放電を起こすものである。
【００６４】
プラズマ生成部１８の外周には８７５Ｇの磁束密度を形成することができる磁気コイルあるいは永久磁石を用いた磁界発生部２０が配置され、これによりプラズマ生成部１８の軸方向に磁場が印加されている。そしてこの磁場における磁力線の回りを電界が回転し、この電界によって電子も回転して加速される。そしてこの電子の回転周波数とマイクロ波周波数とを一致させて共振させ、マイクロ波のエネルギーを効率よく電子に吸収させる。この現象をＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）という。そしてＥＣＲによって加熱された電子が、ガス導入部３から導入された反応性ガス（酸素ガス）に衝突すると、酸素ガスはラジカル（Ｏ+）や陽イオン（Ｏ+）、陰イオン（Ｏ-）が生成される。
【００６５】
次に、上記薄膜形成装置を用いた薄膜形成方法について説明する。
【００６６】
まず、図７に示す基板ホルダ４に基材となるシリコン基板６を配置し、スパッタチャンバ１の内部を真空ポンプ１２によって１×１０-6Ｔｏｒｒ以下まで排気する。また、基板ホルダ４の加熱機能を用い、シリコン基板６をＢＳＴ膜２２が結晶化する温度まで加熱する。ここではあらかじめ別のシリコン基板６に熱電対を貼り付けて測定した際の温度が５２０℃であった設定温度まで加熱する。
【００６７】
次に、スパッタチャンバ１内において、ガス導入部３からスパッタガスであるアルゴンガスを導入し、ターゲット２に負電圧を印加すると、アルゴンガスがイオンと電子とに電離してプラズマとなり、イオン（Ａｒ+）がターゲット２に衝突してターゲット２からターゲット２粒子が飛び出す。なお、本実施の形態では、電圧供給源として電力密度２．７Ｗ／ｃｍ2の高周波電源１４を用いた。
【００６８】
またＥＣＲ装置１７からスパッタチャンバ１内に酸素ラジカルを導入すると、この酸素ラジカルと前述のターゲット２粒子とが反応する。このように、ＥＣＲ装置１７から酸素ラジカルを供給し、ターゲット２粒子と反応させることによって、酸素欠損の少ない化合物膜を形成することができる。
【００６９】
そしてこの反応後のターゲット２粒子がシリコン基板６表面に付着して徐々に堆積し、ＢＳＴ膜２２を形成することができる。
【００７０】
本実施の形態は、実施の形態１で挙げた効果の他に以下に説明する効果を奏する。
【００７１】
本実施の形態は、負イオンの化合物膜２１への衝突を抑制することができるため、結晶欠陥が少なく、結晶性の高いＢＳＴ膜２２を形成することができる。
【００７２】
それは、本実施の形態は、図７に示すように二つのターゲット２を対向させ、一方のターゲット２から他方のターゲット２へと向う磁界を発生させることによって、ターゲット２対向空間にほぼ一様の磁界が形成される。そして、この磁界の向きとほぼ垂直方向から負イオンが放出される。そのため、負イオンは磁界中でサイクロトロン運動をするので、負イオンは磁界に捕捉された状態となり、これにより負イオンの進行は抑えられ、この結果として結晶性を高めることができる。
【００７３】
さらに、ＥＣＲ装置１７を用いると、高効率でラジカルを発生させることができる一方で、負イオンの発生も多くなる。また、高密度でラジカル、イオン等が発生すると、比較的磁束密度の低いスパッタチャンバ１側へと直進しやすくなる。
【００７４】
したがって、本実施の形態は、負イオンの衝突を抑制し、化合物膜２１へのダメージを低減することによって、結晶性に優れた化合物膜２１の形成に顕著な効果を有する。
【００７５】
このほかに、本実施の形態では、活性な酸素ラジカルを効率的に導入すると共に、酸素イオンの衝突を抑制することによって、化合物膜２１の結晶中の原子が欠落するのを抑制し、電気的絶縁性に対する信頼性の高い化合物膜２１を形成することができる。
【００７６】
なお、本実施の形態では、形成する化合物膜２１として(ＢａxＳｒ1-x)ＴｉＯ3膜を例に挙げたが、実施の形態１と同様、Ｂａ(Ｔｉ1-xＺｒx)Ｏ3、ＰｂＴｉＯ3、Ｐｂ (Ｚｒ1-x，Ｔｉx)Ｏ3などの金属酸化膜にも応用が可能である。また本実施の形態では、反応性ガスとして酸素ガスを用いたが、窒素ガス、メタンガス等を用いてもよい。これにより、本実施の形態は、金属窒化物膜や有機金属化合物膜の形成にも応用が可能である。また基材としてはシリコン基板を挙げたが、化合物膜２１形成時の高温に耐えることができて、かつ、基板構成元素と電極、強誘電体との拡散を抑制することができるならば、特に規定は無く、ＳｉＯ2、硝子、Ａｌ2Ｏ3基板やＭｇＯ基板などにも応用が可能である。
【００７７】
また本実施の形態では、スパッタガスと反応性ガスとは異なるガスを用いたが、反応性ガスの陽イオンがスパッタガスとして機能する場合は、同じガスを用いてもよい。またＥＣＲ装置１７などの高密度ラジカル源はイオンも高密度に発生させることができるため、スパッタガスも反応性ガスと同様に、高密度ラジカル源から放出してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の可変容量素子は、チューナブルフィルタや高周波用コンデンサデバイス等に応用される可変容量素子に利用できる。
【符号の説明】
【００７９】
１ スパッタチャンバ
２、２ａ、２ｂ ターゲット
３ ガス導入部
４ 基板ホルダ
５ カソード
６ シリコン基板
７ 磁石
８ 冷却水流入口
９ 冷却水流出口
１０ 整合器
１１ アースシールド
１２ 真空ポンプ
１３ ガス流量制御器
１４ 高周波電源
１５ 位相制御器
１６ オシロスコープ
１７ ＥＣＲ装置（高密度ラジカル源）
１８ プラズマ生成部
１９ 導波管
２０ 磁界発生部
２１ 強誘電体層、化合物膜
２２ ＢＳＴ膜
２３ 下部電極
２４ 上部電極
１０１ 第１の誘電体層
１０２ 第１の電極層
１０３ 第２の電極層
１０４ 第２の誘電体層
１０５ 第３の電極層
１０６ 第４の電極層
１０７ 圧電素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チューナブルフィルタや高周波用コンデンサデバイス等に応用される、強誘電体を用いた可変容量素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、チューナブルフィルタ等の電子部品において、印加電圧に対する静電容量の可変域が広い可変容量素子が望まれている。
【０００３】
そのような要望に対し、電極間の強誘電体層の組成を変えることで可変容量素子の静電容量の可変域を大きくすることは、従来から検討されていた。例えば、強誘電体層に（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3（以下「ＢＳＴ」とする）を用いたコンデンサにおいては、Ｓｒに対し、Ｂａの組成比を一定以上にすることで（例えばＳｒ／Ｂａ＝１／９）、ＢＳＴの結晶構造であるペロブスカイト型構造は、正方晶になり大きく分極が可能となるので、コンデンサの静電容量の可変域は大きくなる。
【０００４】
しかしながら残念なことに、このように正方晶の結晶構造を取ったＢＳＴの強誘電体層を用いたコンデンサは、静電容量の可変域は広いが、その反面、Ｑ値（可変容量素子内の電気エネルギー損失（ｔａｎδ）の逆数値）が下がってしまい、各種電子部品への応用が困難であるという問題があった。例えば、チューナブルフィルタに用いる場合には、選局したい周波数以外の周波数を信号として検出してしまい応用できなかった。
【０００５】
そのため、強誘電体を用いた可変容量素子について、高いＱ値を維持しながら静電容量の可変域の拡大を実現することが求められている。
【０００６】
それを実現する一つの方法として、図８に示すような、第１の誘電体層１０１に外部応力を印加する手段を設けた可変容量素子が知られている。この可変容量素子は、基板上に第１の電極層１０２、第１の誘電体層１０１、及び第２の電極層１０３が順次積層されたコンデンサにおいて、外部応力を印加する手段として、第１の電極層１０２の下に第３の電極層１０５、第２の誘電体層１０４、第４の電極層１０６からなる圧電素子１０７を設けた構造となっている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−８５０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述のように、可変容量素子において、高いＱ値を維持しながら静電容量の可変域の拡大を実現するために、第１の誘電体層１０１に外部応力を印加する手段として第１の電極層１０２の下に圧電素子１０７を設けたものでは、可変容量素子を構成する層（１０１〜１０３）の他に圧電素子１０７を構成する別の層が必要となる。そのため、可変容量素子のサイズが大きくなってしまっていた。可変容量素子のサイズが大きくなってしまうと、小型軽薄が求められる携帯電子機器等に用いる際に望ましくないものとなる。
【０００９】
そこで本発明は、強誘電体を用いた可変容量素子の小型化を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために本発明は、強誘電体を用いた可変容量素子において、第１及び第２の電極間に接続された強誘電体層を備え、前記強誘電体層は、自らが内部に持つ圧縮応力により立方晶から正方晶へ相変態したペロブスカイト型構造を有することを特徴とする可変容量素子を用いることで、所期の目的を達成するものである。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように本発明は、強誘電体を用いた可変容量素子において、第１及び第２の電極間に接続された強誘電体層を備え、前記強誘電体層は、自らが内部に持つ圧縮応力により立方晶から正方晶へ相変態したペロブスカイト型構造を有することを特徴とする可変容量素子を用いることで、可変容量素子の小型化を実現できるものである。
【００１２】
すなわち、強誘電体層自身に圧縮応力を内在させ、その圧縮応力により強誘電体層の結晶構造を立方晶から正方晶へ相変態させることで、外部応力を印加する手段を用いなくても、可変容量素子のＱ値を高く維持しつつ静電容量の可変域を拡大できる。
【００１３】
詳しく説明すると、本来、立方晶のペロブスカイト型構造を有する常誘電体層を用いた可変容量素子は、Ｑ値は高いが誘電率の可変域は小さいという性質を有していることが多かった。しかし、その立方晶の常誘電体層は、圧縮応力を内在させることで、組成を変えずに正方晶の強誘電体層に相変態させることができる。これにより、可変容量素子のＱ値を高く維持したまま誘電率を大きく可変させることができるようになる。すなわち、可変容量素子において、外部応力印加手段を用いずに高いＱ値の維持と静電容量の可変域の拡大を両立できるため、可変容量素子を小型化できるのである。これは、可変容量素子の静電容量は小さいが大きな可変域を必要とする高周波用部品にも応用できる。
【００１４】
この小型化という効果に加え、本発明の可変容量素子は、以下の二つの理由により、さらにＱ値を高めることもできる。
【００１５】
一つは、圧縮応力を負荷しながら薄膜形成するため、形成される薄膜はより緻密に形成されるのでＱ値を高めることができる。具体的には、薄膜形成段階において、薄膜を形成するそれぞれの結晶粒及び粒界は、製膜方向に対し垂直方向の圧縮応力を受けるため、それぞれが凝集しながら薄膜を形成する。したがって、形成される薄膜は、結晶欠陥が少なく結晶性の高い構造となるため、結果として、可変容量素子のＱ値は向上する。
【００１６】
もう一つは、電界印加時に発生する漏れ電流を抑制できるため、可変容量素子のＱ値を高めることができる。具体的には、強誘電体層は電圧を印加すると分極し電界方向に伸びるため、強誘電体層に電圧を印加すると、電圧が印加される部分とされない部分との界面に応力がかかる。その応力によりその界面付近には、状態変異による結晶欠陥が発生する。この結晶欠陥が、漏れ電流の原因となり可変容量素子のＱ値を低下させる。しかし、圧縮応力を内部に保持させると、その圧縮応力方向と前記界面にかかる応力方向とが一致するため、前記界面にかかる応力を緩和することが可能となる。この結果として、漏れ電流を抑制し、可変容量素子のＱ値を高めることができる。
【００１７】
さらに、本発明は、強誘電体層に対する応力印加手段を、従来のように圧電素子を使った外部手段から強誘電体層の内部に保持させる手段へ変えるため、以下のような効果も期待できる。
【００１８】
まず、製膜工程を減らすことができるため、手間と時間の減少、コストの削減が可能となり、生産性が向上する。また、外部手段である圧電素子が不要となるため、圧電素子駆動のための回路も不要となり回路構造が簡素化する。さらに、強誘電体層形成後の高温処理プロセスによる品質低下、外部応力による層間の剥離や層内の結晶欠陥の発生が招くＱ値の低下等の品質の問題も改善される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１における対向ターゲットスパッタ装置の概略図
【図２】図１の断面図
【図３】本発明の実施の形態１における可変容量素子の断面図
【図４】本発明の実施の形態１における可変容量素子の強誘電体層の結晶構造の模型図
【図５】本発明の実施の形態１における可変容量素子のヒステリシス特性グラフ
【図６】（Ａ）Ｘ線回折法による結晶構造解析図、（Ｂ）０．２５ｍＴｏｒｒ時の多重ピーク分離解析を示す図
【図７】本発明の実施の形態２におけるＥＣＲラジカル源付き対向ターゲットスパッタ装置の概略図
【図８】従来技術の可変容量素子の断面図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（実施の形態１）
本実施の形態に示す可変容量素子は、特開２００９−３０１３３に記載の方法を参照して薄膜形成するが、ＥＣＲラジカル源を用いていないところに違いがある。
【００２１】
本実施の形態の薄膜形成装置の概略図を図１、断面図を図２で示す。図１及び図２で示す薄膜形成装置は、ターゲットをスパッタし、基材（シリコン基板６）に（Ｂａ0.4Ｓｒ0.6）ＴｉＯ3の化合物膜２２（以下、ＢＳＴ膜という）を形成する薄膜形成装置である。以下、主に図２を用いて説明する。
【００２２】
図２に示すように、本実施の形態の薄膜形成装置は、スパッタチャンバ１と、平行方向に対向する二枚のターゲット２と、このターゲット２近傍に配置されたガス導入部３と、基板ホルダ４とが配置されている。なお、ターゲット２として本実施の形態では、Ｂａ／Ｓｒ＝４／６の（Ｂａ0.4Ｓｒ0.6）ＴｉＯ3を用い、カソード５に接続した。
【００２３】
また本実施の形態では、基板ホルダ４は、フローティング状態とするか、あるいはアースと接続させた。この基板ホルダ４は加熱機能が付いており、基材であるシリコン基板６を加熱できるようになっている。
【００２４】
そして前述のガス導入部３からはスパッタガスとしてアルゴンガスを、反応性ガスとして酸素ガスを出来るようにしている。
【００２５】
これらのガスは電離されて、ラジカルや陽イオン、陰イオンが生成される。なお、本実施の形態では、導入する酸素ガスとスパッタガスとの比は１：４とし、これらのガス圧は約０．２５ｍＴｏｒｒとした。
【００２６】
また各ターゲット２の背面にはそれぞれ磁石７が配置されている。そして一方のターゲット２ａに配置された磁石７はＮ極を内側（対向空間側）に、他方のターゲット２ｂにはＳ極を内側（対向空間側）に向くように配置されている。したがって、これらの磁石７によって、ターゲット２の対向方向、すなわち一方のターゲット２ａから他方のターゲット２ｂへと磁力線が走り、ターゲット２の対向空間には磁界が発生している。
【００２７】
なお、本実施の形態では、カソード５内にも冷却水流入口８と冷却水流出口９とを設け、冷却水によってターゲット２を冷却できるようになっている。これによりターゲット２への熱応力を低減している。
【００２８】
また本実施の形態では、カソード５とスパッタチャンバ１との間に整合器１０（図１に図示）を介し、ショートを防いでいる。またターゲット２外周に設けたアースシールド１１で、ターゲット２のみがスパッタされるようにした。
【００２９】
次に、上記薄膜形成装置を用いた薄膜形成方法について説明する。
【００３０】
まず、図２に示す基板ホルダ４に基材となるシリコン基板６を配置し、スパッタチャンバ１の内部を真空ポンプ１２によって１．０×１０-6ｍＴｏｒｒ以下にまで排気する。また、基板ホルダ４の加熱機能を用い、シリコン基板６をＢＳＴ膜２２が結晶化する温度まで加熱する。ここではあらかじめ別のシリコン基板６に熱電対を貼り付けて測定した際の温度が５２０℃であった設定温度まで加熱する。
【００３１】
次に、スパッタチャンバ１内において、ガス導入部３からガス流量制御器１３（図１に図示）を介してスパッタガスであるアルゴンガスと反応性ガスである酸素ガスを導入し、コンダクタンスバルブにより全圧力がプロセスガス圧（ここでは０．２５ｍＴｏｒｒ）となるように調整し、ターゲット２に負電圧を印加すると、アルゴンガスや酸素ガスがイオンと電子とに電離してプラズマとなり、主にアルゴンイオン（Ａｒ+）がターゲットに衝突してターゲット２からターゲット粒子が飛び出す。なお、本実施の形態では、電圧供給源として電力密度２．７Ｗ／ｃｍ2の高周波電源１４を用いた。
【００３２】
そしてこの反応前後のターゲット粒子がシリコン基板６表面に付着して徐々に堆積し、ＢＳＴ膜２２を形成することができる。
【００３３】
本実施の形態における効果を以下に説明する。
【００３４】
なお、本実施の形態の効果は、図３に示すシリコン基板６（ＳｉＯ2（７０ｎｍ）／Ｓｉ）上に形成した可変容量コンデンサで説明する。これは、下部電極２３にＰｔ／Ｔｉ（１００ｎｍ／１０ｎｍ）、強誘電体層２１にＢＳＴ膜２２（２５０ｎｍ）、上部電極２４にＡｕ（３００ｎｍ）を用い、下部電極２３は平行平板マグネトロンスパッタ、強誘電体層２１を本実施の形態の薄膜形成方法、上部電極２４は電子ビーム蒸着で形成している。
【００３５】
上述の本実施の形態の薄膜形成方法でＢＳＴ膜２２を形成すると、ＢＳＴ膜２２は圧縮応力Ｙ（図３において、矢印で図示）を内在し、その圧縮応力Ｙにより結晶構造を立方晶から正方晶へ相変態した状態で形成される。そのため、本実施の形態で形成されたＢＳＴ膜２２を用いた可変容量コンデンサは、外部応力を印加する手段を用いずに、高いＱ値と静電容量の可変域の拡大を実現できるため、可変容量コンデンサのサイズを小型化することができる。
【００３６】
それは、対向したターゲット２から飛び出すターゲット粒子が持つシリコン基板６表面に対し水平な圧縮方向（図３矢印方向）の運動エネルギーが、シリコン基板６に付着して徐々に堆積する過程で、形成されるＢＳＴ膜２２に圧縮応力Ｙとして残留するからである。
【００３７】
そして、図４に示すように、ＢＳＴ膜２２の結晶構造が、圧縮応力Ｙを負荷されながら形成されることで、立方晶から正方晶へ相変態するからである。
【００３８】
本来、Ｂａ／Ｓｒ＝４／６のＢＳＴ膜２２は立方晶の結晶構造を取り、これを用いた可変容量コンデンサは、Ｑ値は高いが静電容量の可変域が狭かった。例えば、本実施の形態において、スパッタチャンバ１内の全圧力を５ｍＴｏｒｒとするとＢＳＴ膜２２は、図４（Ａ）に示すように、立方晶の結晶構造を取り、図５（Ａ）に示すヒステリシス特性からも分かるように、誘電率の可変域が狭かった。
【００３９】
しかし、ＢＳＴ膜２２を、本実施の形態の薄膜形成方法で形成することで、図４（Ｂ）に示すように、結晶構造が正方晶に相変態するため、誘電率の可変域が拡大する。
【００４０】
それは、図５（Ｂ）に示すヒステリシス特性からも分かるが、図４（Ｂ）に示すように、正方晶の結晶構造になったＢＳＴ膜２２は、立方晶の結晶構造（図４（Ａ））と比べ、体心金属のＴｉイオン２５がより大きく遷移できるため、強誘電体層２１は大きく分極できる。
【００４１】
したがって、このＢＳＴ膜２２を用いた可変容量コンデンサにおいて、高いＱ値を維持しながら静電容量の可変域を大きくすることができる。
【００４２】
なお、本実施の形態で形成したＢＳＴ膜２２に圧縮応力Ｙが残留していることは、Ｘ線回折法による残留応力解析（２Ｄ法）で確認できる。この解析は、デバイリングの歪みから応力値を解析できる。このデバイリングの歪みから基板面内方向の２方向σ１１とσ２２の残留応力値を測定したところ、スパッタチャンバ１内の全圧力を５ｍＴｏｒｒで形成したＢＳＴ膜は、１６０〜２００ＭＰａの引張応力の残留を確認できた。これに対し、スパッタチャンバ１内の全圧力を０．２５ｍＴｏｒｒで形成したＢＳＴ膜は、７００〜８７０ＭＰａの圧縮応力の残留を確認できた。この他、Ｘ線回折のｓｉｎ2Ψ測定でも確認が出来る。
【００４３】
また、本実施の形態で形成したＢＳＴ膜２２の結晶構造が立方晶から正方晶に相変態していることは、図６で示すＸ線回折法による結晶構造解析で確認できる。スパッタチャンバ１内の全圧力を５ｍＴｏｒｒから０．２５ｍＴｏｒｒに変えて形成したＢＳＴ膜２２を比較した図６（Ａ）の解析結果より、５ｍＴｏｒｒ時のＢＳＴ膜２２は、ピークの形が左右対称でありＢＳＴ（１００）の面間隔と一致した位置にピークが確認出来ること立方晶であることが確認できる。一方、０．２５ｍＴｏｒｒ時はピークトップの位置が低角側にシフトし、ピーク形状も左右対称でないことから、複数の面間隔を有した結晶から成ることが分かる。これを、０．２５ｍＴｏｒｒ時の多重ピークの分離解析の結果を表す図６（Ｂ）より、２θ＝２２．０４°と２θ＝２２．２８°の２つのピークでＰｓｅｕｄｏ−Ｖｏｉｇｔ関数にてフィッティングされており、面間隔が３．９８Åの結晶の他に、面間隔が４．０３Åの結晶のピークが確認できる。これより、０．２５ｍＴｏｒｒ時のＢＳＴ膜２２は、ａ軸とｃ軸の長さが異なる、つまり、立方晶ではなく正方晶の結晶構造であることが分かる。
【００４４】
以上より、本実施の形態で形成されたＢＳＴ膜２２は、圧縮応力Ｙを負荷されながら形成されることで、結晶構造が立方晶から正方晶へ相変態していることが分かる。
【００４５】
したがって、本実施の形態で形成されたＢＳＴ膜２２を用いた可変容量素子は、外部応力を印加する手段を用いずに、高いＱ値と静電容量の可変域の拡大を実現できるため、可変容量素子のサイズを小型化することができる。この特性を有する可変容量素子は、小さい静電容量で大きな可変域を必要とする高周波用部品にも応用できる。
【００４６】
また、本実施の形態で形成されたＢＳＴ膜２２を用いた可変容量素子は、小型化という効果に加え、以下の三つの理由により、さらにＱ値を高めることもできる。
【００４７】
一つ目は、圧縮応力Ｙを負荷しながら薄膜形成するため、形成されるＢＳＴ膜２２はより緻密に形成されるのでＱ値を高めることができる。具体的には、薄膜形成段階において、ＢＳＴ膜２２を形成するそれぞれの結晶粒及び粒界は、製膜方向に対し垂直方向の圧縮応力Ｙを受けるため、それぞれが凝集しながらＢＳＴ膜２２を形成する。したがって、形成されるＢＳＴ膜２２は、結晶欠陥が少なく結晶性の高い構造となるため、結果として、可変容量素子のＱ値を高めることができる。
【００４８】
二つ目は、電界印加時に発生する漏れ電流を抑制できるので、可変容量素子のＱ値を高めることができる。具体的には、強誘電体層２１は電圧を印加すると分極し電界方向に伸びるため、強誘電体層２１に電圧を印加すると、電圧が印加される部分とされない部分との界面Ｘ（図３において、点線で図示）に応力がかかる。その応力によりその界面Ｘ付近には、状態変異による結晶欠陥が発生する。この結晶欠陥が、漏れ電流の原因となり可変容量素子のＱ値を低下させる。しかし、圧縮応力Ｙを内部に保持させると、その圧縮応力Ｙ方向と前記界面Ｘにかかる応力方向とが一致するため、前記界面Ｘにかかる応力を緩和することが可能となる。この結果として、漏れ電流を抑制でき、可変容量素子のＱ値を高めることができる。
【００４９】
三つ目は、形成するＢＳＴ膜２２の表面構造の粗さを、結晶粒の大きさを保ったまま、つまり結晶粒を微細化せずに、低減することができるため、高い誘電率を維持したまま、電極界面層とのコンタクト抵抗を低減することができ、結果として、Ｑ値を高めることができる。
【００５０】
このほかに、本実施の形態は、薄膜形成をする際に、シリコン基板６と下部電極２３との間や、電極層２３、２４と強誘電体層２１との界面にバッファ層やシード層を形成することで強誘電体層２１と電極層２３、２４もしくは強誘電体層２１を配向制御することができる。そのため、正方晶へ相変態する結晶を一方向に配向させることで、圧縮応力Ｙを内在したＢＳＴ膜２２をｃ軸方向（電界方向）へ優先的に結晶成長させることができ、ヒステリシス特性をシャープにできる。つまり、低電圧で大きな分極が得られるため、可変容量素子としての性能も向上するし、メモリ等への応用にも適している。
【００５１】
さらに、本実施の形態は、強誘電体層２１に対する応力印加手段を、図８で示した従来技術のように、圧電素子１０７を使った外部手段から強誘電体層２１の内部に保持させる手段へ変えるため、以下のような効果も期待できる。
【００５２】
まず、製膜工程を減らすことができるため、手間と時間の減少、コストの削減が可能となり、生産性が向上する。また、外部手段である圧電素子１０７が不要となるため、圧電素子駆動のための回路も不要となり回路構造が簡素化する。さらに、強誘電体層２１形成後の高温処理プロセスによる品質低下、外部応力による層間の剥離や層内の結晶欠陥の発生が招くＱ値の低下等の品質の問題も改善される。
【００５３】
なお、外部応力を印加する手段として、電極層２３、２４に応力を内在させることで、強誘電体層２１に外部応力を印加しようとするということも考えられるが、電極層２３、２４は金属層であるため熱膨張変化が大きく、この電極層２３、２４の熱膨張変化によって、電極層２３、２４に内在させた応力が大きく変化してしまうため好ましくない。
【００５４】
それに対し、本実施の形態は、強誘電体層２１自身に圧縮応力Ｙを内在させているため、電極層２３、２４の変化や材料の影響が少ないため、使用条件や材料選択の自由度が高まる。
【００５５】
なお、本実施の形態では、形成する化合物膜２１として(ＢａxＳｒ1-x)ＴｉＯ3膜を例に挙げたが、Ｂａ(Ｔｉ1-xＺｒx)Ｏ3、ＰｂＴｉＯ3、Ｐｂ (Ｚｒ1-x，Ｔｉx)Ｏ3などの金属酸化膜にも応用が可能である。また本実施の形態では、反応性ガスとして酸素ガスを用いたが、窒素ガス、メタンガス等を用いてもよい。これにより、本実施の形態は、金属窒化物膜や有機金属化合物膜の形成にも応用が可能である。また基材としてはシリコン基板６を挙げたが、化合物膜２１形成時の高温に耐えることができて、かつ、基板構成元素と電極、強誘電体との拡散を抑制することができるならば、特に規定は無く、ＳｉＯ2、硝子、Ａｌ2Ｏ3基板やＭｇＯ基板などにも応用が可能である。
【００５６】
また本実施の形態では、スパッタガスと反応性ガスとは異なるガスを用いたが、反応性ガスの陽イオンがスパッタガスとして機能する場合は、同じガスを用いてもよい。
【００５７】
（実施の形態２）
本実施の形態に示す薄膜形成方法は、実施の形態１にＥＣＲラジカル源を用いた薄膜形成方法であり、特開２００９−３０１３３に記載の薄膜形成方法を参照して行う。
【００５８】
実施の形態１との違いについて詳細に記載しながら、以下説明する。
【００５９】
この薄膜形成装置は、スパッタチャンバ１とこのスパッタチャンバ１に取り付けられたＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）装置（高密度ラジカル源）とを備えている。
【００６０】
図７に示すように、この薄膜形成装置は、スパッタチャンバ１内には、平行方向に対向する二枚のターゲット２と、このターゲット２近傍に配置されたガス導入部３と、ＥＣＲ装置１７と対向する基板ホルダ４とが配置されている。
【００６１】
また、本実施の形態で用いるＥＣＲ装置１７は、そのラジカル放出面が、ターゲット２の対向方向とほぼ垂直方向からターゲット２の対向空間に臨むように配置した。すなわち本実施の形態では、ターゲット２の対向面とＥＣＲ装置１７のラジカル放出面とがほぼ垂直な関係にある。そして、このＥＣＲ装置１７によってプラズマ雰囲気を形成し、ターゲット２の対向方向に対して、ほぼ垂直方向からラジカル等を放出している。
【００６２】
そして本実施の形態では、基板ホルダ４とＥＣＲ装置１７とは、対向空間を介して対面している。
【００６３】
なお、本実施の形態で用いたＥＣＲ装置１７は、プラズマ生成部１８に導波管１９を介してマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を送り込み、放電を起こすものである。
【００６４】
プラズマ生成部１８の外周には８７５Ｇの磁束密度を形成することができる磁気コイルあるいは永久磁石を用いた磁界発生部２０が配置され、これによりプラズマ生成部１８の軸方向に磁場が印加されている。そしてこの磁場における磁力線の回りを電界が回転し、この電界によって電子も回転して加速される。そしてこの電子の回転周波数とマイクロ波周波数とを一致させて共振させ、マイクロ波のエネルギーを効率よく電子に吸収させる。この現象をＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）という。そしてＥＣＲによって加熱された電子が、ガス導入部３から導入された反応性ガス（酸素ガス）に衝突すると、酸素ガスはラジカル（Ｏ+）や陽イオン（Ｏ+）、陰イオン（Ｏ-）が生成される。
【００６５】
次に、上記薄膜形成装置を用いた薄膜形成方法について説明する。
【００６６】
まず、図７に示す基板ホルダ４に基材となるシリコン基板６を配置し、スパッタチャンバ１の内部を真空ポンプ１２によって１×１０-6Ｔｏｒｒ以下まで排気する。また、基板ホルダ４の加熱機能を用い、シリコン基板６をＢＳＴ膜２２が結晶化する温度まで加熱する。ここではあらかじめ別のシリコン基板６に熱電対を貼り付けて測定した際の温度が５２０℃であった設定温度まで加熱する。
【００６７】
次に、スパッタチャンバ１内において、ガス導入部３からスパッタガスであるアルゴンガスを導入し、ターゲット２に負電圧を印加すると、アルゴンガスがイオンと電子とに電離してプラズマとなり、イオン（Ａｒ+）がターゲット２に衝突してターゲット２からターゲット２粒子が飛び出す。なお、本実施の形態では、電圧供給源として電力密度２．７Ｗ／ｃｍ2の高周波電源１４を用いた。
【００６８】
またＥＣＲ装置１７からスパッタチャンバ１内に酸素ラジカルを導入すると、この酸素ラジカルと前述のターゲット２粒子とが反応する。このように、ＥＣＲ装置１７から酸素ラジカルを供給し、ターゲット２粒子と反応させることによって、酸素欠損の少ない化合物膜を形成することができる。
【００６９】
そしてこの反応後のターゲット２粒子がシリコン基板６表面に付着して徐々に堆積し、ＢＳＴ膜２２を形成することができる。
【００７０】
本実施の形態は、実施の形態１で挙げた効果の他に以下に説明する効果を奏する。
【００７１】
本実施の形態は、負イオンの化合物膜２１への衝突を抑制することができるため、結晶欠陥が少なく、結晶性の高いＢＳＴ膜２２を形成することができる。
【００７２】
それは、本実施の形態は、図７に示すように二つのターゲット２を対向させ、一方のターゲット２から他方のターゲット２へと向う磁界を発生させることによって、ターゲット２対向空間にほぼ一様の磁界が形成される。そして、この磁界の向きとほぼ垂直方向から負イオンが放出される。そのため、負イオンは磁界中でサイクロトロン運動をするので、負イオンは磁界に捕捉された状態となり、これにより負イオンの進行は抑えられ、この結果として結晶性を高めることができる。
【００７３】
さらに、ＥＣＲ装置１７を用いると、高効率でラジカルを発生させることができる一方で、負イオンの発生も多くなる。また、高密度でラジカル、イオン等が発生すると、比較的磁束密度の低いスパッタチャンバ１側へと直進しやすくなる。
【００７４】
したがって、本実施の形態は、負イオンの衝突を抑制し、化合物膜２１へのダメージを低減することによって、結晶性に優れた化合物膜２１の形成に顕著な効果を有する。
【００７５】
このほかに、本実施の形態では、活性な酸素ラジカルを効率的に導入すると共に、酸素イオンの衝突を抑制することによって、化合物膜２１の結晶中の原子が欠落するのを抑制し、電気的絶縁性に対する信頼性の高い化合物膜２１を形成することができる。
【００７６】
なお、本実施の形態では、形成する化合物膜２１として(ＢａxＳｒ1-x)ＴｉＯ3膜を例に挙げたが、実施の形態１と同様、Ｂａ(Ｔｉ1-xＺｒx)Ｏ3、ＰｂＴｉＯ3、Ｐｂ (Ｚｒ1-x，Ｔｉx)Ｏ3などの金属酸化膜にも応用が可能である。また本実施の形態では、反応性ガスとして酸素ガスを用いたが、窒素ガス、メタンガス等を用いてもよい。これにより、本実施の形態は、金属窒化物膜や有機金属化合物膜の形成にも応用が可能である。また基材としてはシリコン基板を挙げたが、化合物膜２１形成時の高温に耐えることができて、かつ、基板構成元素と電極、強誘電体との拡散を抑制することができるならば、特に規定は無く、ＳｉＯ2、硝子、Ａｌ2Ｏ3基板やＭｇＯ基板などにも応用が可能である。
【００７７】
また本実施の形態では、スパッタガスと反応性ガスとは異なるガスを用いたが、反応性ガスの陽イオンがスパッタガスとして機能する場合は、同じガスを用いてもよい。またＥＣＲ装置１７などの高密度ラジカル源はイオンも高密度に発生させることができるため、スパッタガスも反応性ガスと同様に、高密度ラジカル源から放出してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の可変容量素子は、チューナブルフィルタや高周波用コンデンサデバイス等に応用される可変容量素子に利用できる。
【符号の説明】
【００７９】
１ スパッタチャンバ
２、２ａ、２ｂ ターゲット
３ ガス導入部
４ 基板ホルダ
５ カソード
６ シリコン基板
７ 磁石
８ 冷却水流入口
９ 冷却水流出口
１０ 整合器
１１ アースシールド
１２ 真空ポンプ
１３ ガス流量制御器
１４ 高周波電源
１５ 位相制御器
１６ オシロスコープ
１７ ＥＣＲ装置（高密度ラジカル源）
１８ プラズマ生成部
１９ 導波管
２０ 磁界発生部
２１ 強誘電体層、化合物膜
２２ ＢＳＴ膜
２３ 下部電極
２４ 上部電極
１０１ 第１の誘電体層
１０２ 第１の電極層
１０３ 第２の電極層
１０４ 第２の誘電体層
１０５ 第３の電極層
１０６ 第４の電極層
１０７ 圧電素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の電極間に接続された強誘電体層を備え、
前記強誘電体層は、自らが内部に持つ圧縮応力により立方晶から正方晶へ相変態したペロブスカイト型構造を有することを特徴とする可変容量素子。
【請求項２】
基板と、この基板上に積層した前記第１の電極と、この第１の電極上に積層した前記強誘電体層と、この強誘電体層上に積層した前記第２の電極とを備えた請求項１に記載の可変容量素子。
【請求項３】
前記強誘電体層は、
スパッタチャンバと、
このスパッタチャンバ内に対向配置した二つのターゲットと、
これらのターゲットの対向方向とほぼ垂直方向から前記ターゲットの対向空間に臨む基板ホルダとを備え、
前記各ターゲットの背面にはそれぞれ磁石が配置され、
これらの磁石によって、前記ターゲットの対向方向に磁界を発生させるとともに、
前記各ターゲットに負電圧を印加して、前記基板ホルダに設置した基材に化合物膜を形成する薄膜形成方法で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の可変容量素子。
【請求項４】
前記強誘電体層は、さらに、高密度ラジカル源を前記基板ホルダと異方向から前記ターゲットの対向空間に臨むように備えた前記薄膜形成方法で形成されたことを特徴とする請求項３に記載の可変容量素子。
【請求項１】
第１及び第２の電極間に接続された強誘電体層を備え、
前記強誘電体層は、自らが内部に持つ圧縮応力により立方晶から正方晶へ相変態したペロブスカイト型構造を有することを特徴とする可変容量素子。
【請求項２】
基板と、この基板上に積層した前記第１の電極と、この第１の電極上に積層した前記強誘電体層と、この強誘電体層上に積層した前記第２の電極とを備えた請求項１に記載の可変容量素子。
【請求項３】
前記強誘電体層は、
スパッタチャンバと、
このスパッタチャンバ内に対向配置した二つのターゲットと、
これらのターゲットの対向方向とほぼ垂直方向から前記ターゲットの対向空間に臨む基板ホルダとを備え、
前記各ターゲットの背面にはそれぞれ磁石が配置され、
これらの磁石によって、前記ターゲットの対向方向に磁界を発生させるとともに、
前記各ターゲットに負電圧を印加して、前記基板ホルダに設置した基材に化合物膜を形成する薄膜形成方法で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の可変容量素子。
【請求項４】
前記強誘電体層は、さらに、高密度ラジカル源を前記基板ホルダと異方向から前記ターゲットの対向空間に臨むように備えた前記薄膜形成方法で形成されたことを特徴とする請求項３に記載の可変容量素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２１１０２９（Ｐ２０１１−２１１０２９Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７８４５２（Ｐ２０１０−７８４５２）
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
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