JP2005236338A

JP2005236338A - Piezoelectric thin-film resonator

Info

Publication number: JP2005236338A
Application number: JP2001141848A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Yamada; 哲夫山田; Keigo Nagao; 圭吾長尾; Tomonori Hashimoto; 智仙橋本
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2005-09-02

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric thin-film resonator the temperature stability of the resonance frequency of which is enhanced, without impairing the electromechanical coupling coefficient and the acoustic quality factor. <P>SOLUTION: The piezoelectric includes a substrate 12 made of a silicon single crystal, an insulation layer 13 formed thereon, and a piezoelectric laminated structure 14 formed thereon. A vibration part 21 of the piezoelectric thin-film resonator is configured by including part of the insulation layer 13 and part of the piezoelectric laminated structure 14. The piezoelectric laminated structure 14 is formed, by laminating a piezoelectric film 16 and an upper electrode 17, in this order. The substrate 12 includes a via-hole 20 for forming an air gap for permitting vibration of the vibration part 21 in the region of the substrate 12, corresponding to the vibration part 21. The principal component of the piezoelectric film 16 is aluminum nitride, the principal component of the lower electrode 15 and the upper electrode 17 is made of molybdenum, and the principal component of the insulation layer 13 is made of silicon oxide. The thickness t of the piezoelectric film 16 and the thickness t' of the insulation layer satisfy the relation 0.1≤t'/t≤0.5. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体通信機等に利用される薄膜振動子、薄膜ＶＣＯ（電圧制御発信器）、薄膜フィルター、送受切替器や各種センサーなど、広範な分野で用いられる圧電体薄膜を利用した素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電現象を利用する素子は広範な分野で用いられている。携帯電話機などの携帯機器の小型化と低消費電力化が進む中で、該機器に使用されるＲＦ用およびＩＦ用フィルターとして弾性表面波（ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ：ＳＡＷ）素子の使用が拡大している。このＳＡＷフィルターは設計および生産技術の向上によりユーザーの厳しい要求仕様に対応してきたが、利用周波数が高周波数化するに従って特性向上の限界に近づいており、電極形成の微細化と安定した出力確保との両面で大きな技術革新が必要となってきている。
【０００３】
一方、圧電体薄膜の厚み振動を利用した薄膜バルク波音響共振子（ＦｉｌｍＢｕｌｋＡｃｏｕｓｔｉｃＲｅｓｏｎａｔｏｒ：ＦＢＡＲ）は、基板に設けられた薄い支持膜の上に、主として圧電体より成る薄膜と、これを駆動する電極とを形成したものであり、ギガヘルツ帯での基本共振が可能である。ＦＢＡＲでフィルターを構成すれば、著しく小型化でき、かつ低損失・広帯域動作が可能な上に、半導体集積回路と一体化することができるので、将来の超小型携帯機器への応用が期待されている。
【０００４】
このような弾性波を利用した共振器やフィルター等に応用される圧電体薄膜素子は、以下のようにして製造される。シリコンなどの半導体単結晶基板や、シリコンウエハーなどの上に多結晶ダイヤモンドやエリンバーなどの恒弾性金属の膜を形成してなる基板の表面上に、種々の薄膜形成方法によって、誘電体薄膜、導電体薄膜またはこれらの積層膜からなる下地膜を形成する。この下地膜上に圧電体薄膜を形成し、さらに必要に応じた上部構造を形成する。各膜の形成後に、または全ての膜を形成した後に、各々の膜に物理的処理または化学的処理を施すことにより、微細加工やパターニングを行う。異方性エッチングにより基板から圧電体薄膜の振動部の下に位置する部分を除去した浮き構造を作製した後に、１素子単位ごとに分離して圧電体薄膜素子を得る。
【０００５】
例えば、特開昭５８−１５３４１２号公報や特開昭６０−１４２６０７号公報に記載された圧電体薄膜素子は、基板の上面上に下地膜、下部電極、圧電体薄膜及び上部電極を形成した後に、基板の下面から振動部となる部分の下にある基板部分を除去することにより製造されている。
【０００６】
圧電体薄膜素子用の圧電体材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、チタン酸鉛［ＰＴ］（ＰｂＴｉＯ₃ ）、チタン酸ジルコン酸鉛［ＰＺＴ］（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ ）などが用いられている。特に、ＡｌＮは、弾性波の伝播速度が速く、高周波帯域で動作する薄膜共振器やフィルターの圧電薄膜共振子の圧電体材料として適している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＦＢＡＲは薄膜中における弾性波の伝播によって共振を得ているため、圧電体薄膜の振動特性はもとより、電極層や下地膜の振動特性がＦＢＡＲの共振特性に大きく影響する。これまで、ＡｌＮ薄膜をＦＢＡＲに適用するために、種々の検討が行われてきた。しかしながら、未だ、ギガヘルツ帯域で十分な性能を発揮する薄膜共振器や薄膜フィルタは得られていない。よって、ＡｌＮ薄膜のみならず、電極層や下地膜をも含めた振動部の電気機械結合係数、音響的品質係数、さらには共振周波数の温度安定性に優れた薄膜圧電素子の実現が強く望まれている。
【０００８】
そこで、本発明は、弾性波の伝播速度が速いというＡｌＮ薄膜の特長を活かしつつ、電気機械結合係数および音響的品質係数を損なうことなく、共振周波数の温度安定性を向上させた圧電薄膜共振子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ＡｌＮを主成分とする圧電体薄膜の両面に、弾性率が金、白金、アルミニウム及び銅等の一般的な電極材料に比べて大きく、熱弾性損失が著しく小さいモリブデン（Ｍｏ）を主成分とする電極を形成し、さらに、前記圧電体薄膜の共振周波数の温度係数と異符号の温度係数を有する酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）を主成分とする絶縁層を振動部に含めて形成することにより、高い電気機械結合係数と高い音響的品質係数とを維持しつつ共振周波数の温度安定性を改善することができることを見出し、本発明に到達した。さらに、窒化アルミニウムを主成分とする圧電体薄膜の厚さをｔとし、前記酸化シリコンを主成分とする絶縁層の厚さ（絶縁層が複数ある場合にはそれらの厚さの合計）をｔ’とした時に、０．１≦ｔ’／ｔ≦０．５好ましくは０．２≦ｔ’／ｔ≦０．４を満たすように各層の厚みを設定することにより、高い電気機械結合係数と高い音響的品質係数とを有し、温度安定性が著しく良好な高性能ＦＢＡＲを実現できることを見出した。
【００１０】
即ち、本発明によれば、上記の目的を達成するものとして、
基板と、該基板上に形成された圧電積層構造体とを有しており、前記圧電積層構造体の一部を含んで振動部が構成されており、前記圧電積層構造体は下部電極、圧電体膜および上部電極を前記基板の側からこの順に積層してなるものであり、前記基板は前記振動部に対応する領域にて該振動部の振動を許容する空隙を形成している圧電薄膜共振子において、
前記圧電体膜が窒化アルミニウムを主成分とするものであり、前記下部電極および前記上部電極がモリブデンを主成分とするものであり、前記振動部は前記圧電積層構造体に接合された少なくとも１層の酸化シリコンを主成分とする絶縁層の少なくとも一部を含んでなることを特徴とする圧電薄膜共振子、
が提供される。
【００１１】
本発明の一態様においては、前記圧電体膜の厚さｔと前記少なくとも１層の絶縁層の厚さの合計ｔ’とが０．１≦ｔ’／ｔ≦０．５の関係を満たす。
【００１２】
本発明の一態様においては、前記圧電体膜は前記窒化アルミニウムの含有量が９０当量％以上である。本発明の一態様においては、前記絶縁層は前記酸化シリコンの含有量が５０当量％（モル％）以上である。本発明の一態様においては、前記下部電極及び前記上部電極は前記モリブデンの含有量が８０当量％（モル％）以上である。
【００１３】
本発明の一態様においては、前記絶縁層のうちの１つが前記基板の表面上に形成されている。本発明の一態様においては、前記絶縁層のうちの１つが前記圧電積層構造体の前記基板と反対の側の表面上に形成されている。
【００１４】
本発明の一態様においては、前記基板はシリコン単結晶からなる。本発明の一態様においては、前記上部電極は互いに離隔して形成された第１の電極部と第２の電極部とからなる。
【００１５】
本発明の一態様においては、２．０ＧＨｚ近傍における共振周波数及び反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数が４．０〜６．５％であり、音響的品質係数が７５０〜２０００であり、共振周波数の温度係数が−２０〜２０ｐｐｍ／℃である。
【００１６】
さらに、本発明によれば、以上のような圧電薄膜共振子を用いて構成されるＶＣＯ（電圧制御発振器）、フィルタおよび送受切替器が提供され、それらにおいて１ＧＨｚ以上の高い周波数での特性を著しく向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図であり、図２はそのＸ−Ｘ断面図である。これらの図において、圧電薄膜共振子１１は基板１２、該基板１２の上面上に形成された絶縁層１３及び該絶縁層１３の上面上に接合された圧電積層構造体１４を有する。圧電積層構造体１４は、絶縁層１３の上面上に形成された下部電極１５、該下部電極１５の一部を覆うようにして下地膜１３の上面上に形成された圧電体膜１６および該圧電体膜１６の上面上に形成された上部電極１７からなる。基板１２には、空隙を形成するビアホール２０が形成されている。絶縁層１３の一部はビアホール２０に向けて露出している。この絶縁層１３の露出部分、及びこれに対応する圧電積層構造体１４の部分が振動部（振動ダイヤフラム）２１を構成する。また、下部電極１５及び上部電極１７は、振動部２１に対応する領域内に形成された主体部１５ａ，１７ａと、該主体部１５ａ，１７ａと外部回路との接続のための端子部１５ｂ，１７ｂを有する。端子部１５ｂ，１７ｂは振動部２１に対応する領域外に位置する。
【００１９】
基板１２としては、Ｓｉ（１００）単結晶などの単結晶、または、Ｓｉ単結晶などの基材の表面にシリコン、ダイヤモンドその他の多結晶膜を形成したものを用いることができる。基板１２のビアホール２０の形成方法としては、基板下面側からの異方性エッチング法が例示される。尚、基板１２に形成される空隙は、ビアホール２０によるものには限定されず、振動部２１の振動を許容するものであればよく、該振動部２１に対応する基板上面領域に形成した凹部であってもよい。
【００２０】
絶縁層１３は、酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）を主成分とする（好ましくは含有量が５０当量％以上の）誘電体膜である。誘電体膜は、単層からなるものであってもよいし、密着性を高めるための層などを付加した複数層からなるものであってもよい。複数層からなる誘電体膜の例としては、ＳｉＯ₂ 層の片面または両面に窒化シリコン（ＳｉＮ_x ）層を付加したものが例示される。絶縁層１３の厚さは、例えば０．２〜２．０μｍである。絶縁層１３の形成方法としては、シリコンからなる基板１２の表面の熱酸化法やＣＶＤ法が例示される。
【００２１】
下部電極１５及び上部電極１７は、モリブデン（Ｍｏ）を主成分とする（好ましくは含有量が８０当量％以上の）導電膜である。Ｍｏは熱弾性損失が低い（Ａｌの約１／５６）ことから、特に高周波で振動する振動部を構成するのに好適である。Ｍｏ単体だけでなく、Ｍｏを主成分とする合金を使用することも可能である。下部電極１５及び上部電極１７の厚さは、例えば５０〜２００ｎｍである。下部電極１５及び上部電極１７の形成方法としては、スパッタ法または蒸着法が例示され、更に必要に応じて所要の形状へのパターニングのためにフォトリソグラフィー技術が用いられる。
【００２２】
圧電体膜１６は、ＡｌＮを主成分とする（好ましくは含有量が９０当量％以上の）圧電膜からなり、その厚さは例えば０．５〜２．５μｍである。圧電体膜１６の形成方法としては、反応性スパッタ法が例示され、更に必要に応じて所要の形状へのパターニングのためにフォトリソグラフィー技術が用いられる。
【００２３】
本発明者らは、図１及び図２に示す構成でＡｌＮを主成分とする圧電体膜１６を持ち２ＧＨｚ近傍に基本モードの共振を持つＦＢＡＲについて、弾性波の伝搬速度が速いというＡｌＮ薄膜の特長を活かしつつ、電気機械結合係数及び音響的品質係数を損なうことなく共振周波数の温度安定性を高めるべく、鋭意検討した結果、絶縁層１３としてＳｉＯ₂ を主成分とするものを用い且つ上下部電極１５，１７としてＭｏを主成分とするものを用いることが有効であることを見出した。更に、圧電体膜１６の厚さｔと絶縁層１３の厚さｔ’とが０．１≦ｔ’／ｔ≦０．５好ましくは０．２≦ｔ’／ｔ≦０．４を満たすことにより、電気機械結合係数、音響的品質係数及び共振周波数の温度安定性の全てが一層良好となることを見出した。ｔ’／ｔ＜０．１となると、電気機械結合係数及び音響的品質係数は若干向上する場合があるものの、共振周波数の温度係数の絶対値が大きくなり、ＦＢＡＲとしての特性が低下する傾向にある。また、ｔ′／ｔ＞０．５となると、電気機械結合係数及び音響的品質係数が低下し、共振周波数の温度係数の絶対値が大きくなり、ＦＢＡＲとしての特性が低下する傾向にある。
【００２４】
図３は本発明による圧電薄膜共振子の更に別の実施形態を示す模式的平面図であり、図４はそのＸ−Ｘ断面図である。これらの図において、上記図１及び図２におけると同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。
【００２５】
本実施形態では、絶縁層１３の他にも、ＳｉＯ₂ を主成分とする（好ましくは含有量が５０当量％以上の）絶縁層１８が圧電積層構造体１４に接合されている。絶縁層１８は上部電極１７の主体部１７ａ上に形成されている。絶縁層１８は、振動部２１に対応する領域以外に延びて、圧電体膜１６上にて広い範囲にわたって形成されていてもよい。さらに、酸化シリコンを主成分とする絶縁層１８が形成される場合には、絶縁層１３を省略することもできる。但し、この場合、下部電極１５の主体部１５ａを基板１２の上面におけるビアホール２０の矩形状開口の２辺を通って該開口内へと延出させ、下部電極１５による振動部２１の保持を行うことが好ましい。
【００２６】
図３，４の実施形態においても、図１，２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００２７】
図５は本発明による圧電薄膜共振子の更に別の実施形態を示す模式的平面図であり、図６はそのＸ−Ｘ断面図である。これらの図において、上記図１〜図４におけると同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。
【００２８】
本実施形態では、下部電極１５は矩形状をなしており、上部電極１７は、第１の電極部１７Ａと第２の電極部１７Ｂとからなる。これら電極部１７Ａ，１７Ｂはそれぞれ主体部１７Ａａ，１７Ｂａと端子部１７Ａｂ，１７Ｂｂとを有する。主体部１７Ａａ，１７Ｂａは振動部２１に対応する領域内に位置しており、端子部１７Ａｂ，１７Ｂｂは振動部２１に対応する領域外に位置している。
【００２９】
図７は本発明による圧電薄膜共振子の更に別の実施形態を示す模式的平面図であり、図８はそのＸ−Ｘ断面図である。これらの図において、上記図１〜図６におけると同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。
【００３０】
本実施形態では、下部電極１５は矩形状をなしており、上部電極１７は、第１の電極部１７Ａと第２の電極部１７Ｂとからなる。これら電極部１７Ａ，１７Ｂはそれぞれ主体部１７Ａａ，１７Ｂａと端子部１７Ａｂ，１７Ｂｂとを有する。主体部１７Ａａ，１７Ｂａは振動部２１に対応する領域内に位置しており、端子部１７Ａｂ，１７Ｂｂは振動部２１に対応する領域外に位置している。本実施形態では、絶縁層１８は第１電極部の主体部１７Ａａ及び第２電極部の主体部１７Ｂａの双方を覆うように形成されている。
【００３１】
図５，６の実施形態及び図７，８の実施形態においても、図１，２の実施形態及び図３，４の実施形態と同様の効果が得られる。また、図５，６及び図７，８の実施形態は、多重モード共振子と呼ばれるものであり、上部電極１７のうちの一方（例えば第２の電極部１７Ｂ）と下部電極１５との間に入力電圧を印加し、上部電極１７のうちの他方（例えば第１の電極部１７Ａ）と下部電極１５との間の電圧を出力電圧として取り出すことができる。
【００３２】
以上のような圧電薄膜共振子において、マイクロ波プローバを使用して測定したインピーダンス特性における共振周波数ｆ_r および反共振周波数ｆ_a と電気機械結合係数ｋ_t ²との間には、以下の関係
ｋ_t ²＝φ_r ／Ｔａｎ（φ_r ）
φ_r ＝（π／２）（ｆ_r ／ｆ_a ）
がある。
【００３３】
簡単のため、電気機械結合係数ｋ_t ²として、次式
ｋ_t ²＝４．８（ｆ_a −ｆ_r ）／（ｆ_a ＋ｆ_r ）
から算出したものを用いることができ、本明細書では、電気機械結合係数ｋ_t ²の数値は、この式を用いて算出したものを用いている。
【００３４】
図１，２、図３，４、図５，６及び図７，８に示した構成のＦＢＡＲにおいて、２．０ＧＨｚ近傍における共振周波数及び反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数ｋ_t ²は４．０〜６．５％である。電気機械結合係数ｋ_t ²が４．０％未満になると、作製したＦＢＡＲの帯域幅が小さくなり、高周波域で実用に供することが難しくなる傾向にある。
【００３５】
【実施例】
以下に、実施例および比較例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
【００３６】
［実施例１〜３］
本実施例では、以下のようにして、図１，２に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
【００３７】
即ち、厚さ２５０μｍの（１００）Ｓｉ基板１２の上面及び下面に、熱酸化法により厚さ０．３〜０．６μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）層を形成した。上面側のＳｉＯ₂ 層を絶縁層１３とした。また、下面側のＳｉＯ₂ 層は基板１２に対する後述のビアホール形成のためのマスクのパターンに形成した。
【００３８】
絶縁層１３の表面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により厚さ０．１μｍのＭｏ層を形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化して下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは平面寸法１４０×１６０μｍの矩形に近い形状とした。このＭｏ下部電極１５上に、結晶面がＣ軸に配向した厚さ１．３〜２．０μｍのＡｌＮ薄膜を形成した。ＡｌＮ薄膜の形成は、反応性ＲＦマグネトロンスパッタ法により行った。熱燐酸を使用した湿式エッチングにより、ＡｌＮ薄膜を所定の形状にパターン化して圧電体膜１６を形成した。その後、ＤＣマグネトロンスパッタ法及びリフトオフ法を使用して、厚さ０．１μｍのＭｏからなる上部電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは平面寸法１４０×１６０μｍの矩形に近い形状とし、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。
【００３９】
次に、以上のようにして得られた構造体の上下部電極１５，１７及び圧電体膜１６の形成されている側をＰＭＭＡ樹脂で被覆し、Ｓｉ基板１２の下面に形成したパターン状ＳｉＯ₂ 層をマスクとして、振動部２１に対応するＳｉ基板１２の部分をＫＯＨ水溶液でエッチング除去して、空隙となるビアホール２０を形成した。Ｓｉ基板１２の上面に形成されたビアホール開口の寸法（振動部２１の平面寸法）は、２００×２００μｍであった。
【００４０】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用して、上記薄膜圧電共振子の電極端子１５ｂ，１７ｂ間のインピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数ｆ_r および反共振周波数ｆ_a の測定値から、電気機械結合係数ｋ_t ²や周波数温度特性τ_f 及び音響的品質係数Ｑを求めた。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋ_t ²、周波数温度特性τ_f 及び音響的品質係数Ｑは表１に示す通りであった。
【００４１】
［実施例４〜６］
本実施例では、以下のようにして、図３，４に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
【００４２】
即ち、上部電極１７の形成の後であってビアホール２０の形成の前に、上部電極１７上にＲＦマグネトロンスパッタ法により厚さ０．１〜０．３μｍのＳｉＯ₂ 層を形成し、振動部２１に対応するようにパターン化して上部絶縁層１８を形成すること、及び、下部絶縁層１３の厚さ及び圧電体膜１６の厚さを表１に示されているようにすること以外は、実施例１〜３と同様の工程を実施した。
【００４３】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、実施例１〜３と同様にして圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋ_t ²、周波数温度特性τ_f 及び音響的品質係数Ｑは表１に示す通りであった。
【００４４】
［実施例７〜１０］
本実施例では、以下のようにして、図５，６に示されている構造の圧電薄膜共振子及び図７，８に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
【００４５】
即ち、上下部絶縁層１３，１８の厚さ及び圧電体膜１６の厚さを表１に示されているようにすること、及び、上下部電極１５，１７の形状及び寸法を除いて、実施例１〜３と同様の工程［実施例７，８］及び実施例４〜６と同様の工程［実施例９，１０］を実施した。下部電極１５は振動部２１に対応する領域を含むように延びている平面寸法１５０×３００μｍの矩形状のものとし、上部電極１７はそれぞれ平面寸法７０×９０μｍの矩形に近い形状の主体部１７Ａａ，１７Ｂａが間隔２０μｍをおいて配置されたものとした。
【００４６】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、実施例１〜３及び実施例４〜６と同様にして圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋ_t ²、周波数温度特性τ_f 及び音響的品質係数Ｑは表１に示す通りであった。
【００４７】
［実施例１１〜１３］
本実施例では、以下のようにして、図１，２に示されている構造の圧電薄膜共振子及び図３，４に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
【００４８】
即ち、圧電体膜１６の厚さ及び上下絶縁層１３，１８の厚さを表１に示されているようにすることを除いて、実施例１と同様の工程［実施例１１，１２］及び実施例４と同様の工程［実施例１３］を実施した。
【００４９】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、実施例１及び実施例４と同様にして圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋ_t ²、周波数温度特性τ_f 及び音響的品質係数Ｑは表１に示す通りであった。
【００５０】
［比較例１，２］
上下電極層の材料としてＭｏに代えてアルミニウム（Ａｌ）を用い、圧電体膜１６の厚さ及び絶縁層１３の厚さを表１に示されているようにすることを除いて、実施例１と同様の工程を実施した。
【００５１】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、実施例１と同様にして圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋ_t ²、周波数温度特性τ_f 及び音響的品質係数Ｑは表１に示す通りであった。
【００５２】
［比較例３］
絶縁層１３を振動部２１に対応する領域外にのみ形成したことを除いて、実施例１と同様の工程を実施した。
【００５３】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、実施例１と同様にして圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋ_t ²、周波数温度特性τ_f 及び音響的品質係数Ｑは表１に示す通りであった。
【００５４】
［比較例４，５］
圧電体膜１６の材料としてＡｌＮに代えて酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用い、圧電体膜１６の厚さ及び絶縁層１３の厚さを表１に示されているようにすることを除いて、実施例１と同様の工程を実施した。
【００５５】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、実施例１と同様にして圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋ_t ²、周波数温度特性τ_f 及び音響的品質係数Ｑは表１に示す通りであった。
【００５６】
以上の結果から、モリブデンを主成分とする電極と窒化アルミニウムを主成分とする圧電体膜とで構成された圧電積層構造体の一部を含む振動部の共振周波数の温度係数とは異符号の温度係数を有する酸化シリコンを主成分とする絶縁層を圧電積層構造体に接合して追加することにより、電気機械結合係数と音響的品質係数を維持したまま共振周波数の温度安定性の良好な圧電薄膜共振子を実現することができ、特に、１ＧＨｚ以上の高周波域で使用されるＶＣＯ（圧電薄膜共振子）、フィルタ、送受切替器に適用した場合に、その性能を著しく向上させることができる。
【００５７】
【表１】

【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧電薄膜共振子によれば、モリブデンを主成分とする電極と窒化アルミニウムを主成分とする圧電体膜と酸化シリコンを主成分とする絶縁層との組み合わせを用いているので、電気機械結合係数、音響的品質係数（Ｑ値）及び周波数温度特性の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ断面図である。
【図５】本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図である。
【図６】図５のＸ−Ｘ断面図である。
【図７】本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図である。
【図８】図７のＸ−Ｘ断面図である。
【符号の説明】
１１圧電薄膜共振子
１２基板
１３下部絶縁層
１４圧電積層構造体
１５下部電極
１５ａ下部電極主体部
１５ｂ下部電極端子部
１６圧電体膜
１７上部電極
１７ａ上部電極主体部
１７ｂ上部電極端子部
１７Ａ上部電極の第１電極部
１７Ａａ第１電極部の主体部
１７Ａｂ第１電極部の端子部
１７Ｂ上部電極の第２電極部
１７Ｂａ第２電極部の主体部
１７Ｂｂ第２電極部の端子部
１８上部絶縁層
２０ビアホール
２１振動部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an element using a piezoelectric thin film used in a wide range of fields, such as a thin film vibrator, a thin film VCO (voltage controlled oscillator), a thin film filter, a transmission / reception switch, and various sensors used in a mobile communication device. About.
[0002]
[Prior art]
Elements utilizing the piezoelectric phenomenon are used in a wide range of fields. As mobile devices such as mobile phones are becoming smaller and lower in power consumption, the use of surface acoustic wave (SAW) elements as RF and IF filters used in such devices is expanding. . This SAW filter has been able to meet the strict requirements of users by improving the design and production technology. However, as the frequency of use increases, the characteristics are approaching the limit of improvement. On the other hand, great technological innovation is needed.
[0003]
On the other hand, a thin film bulk acoustic resonator (FBAR) that utilizes the thickness vibration of a piezoelectric thin film drives a thin film mainly made of a piezoelectric material on a thin support film provided on a substrate. The basic resonance in the gigahertz band is possible. If the filter is configured with FBAR, it can be remarkably miniaturized, and can be integrated with a semiconductor integrated circuit in addition to being capable of low-loss and wideband operation, and is expected to be applied to future ultra-compact portable devices. Yes.
[0004]
A piezoelectric thin film element applied to a resonator, a filter or the like using such an elastic wave is manufactured as follows. Dielectric thin films and conductive films can be formed on the surface of a semiconductor single crystal substrate such as silicon, or a substrate formed by forming a film of a constant elastic metal such as polycrystalline diamond or Elinvar on a silicon wafer or the like by various thin film forming methods. A base film made of a thin body film or a laminated film thereof is formed. A piezoelectric thin film is formed on the base film, and an upper structure is formed if necessary. After each film is formed or after all the films are formed, each film is subjected to physical processing or chemical processing to perform fine processing or patterning. After a floating structure is formed by removing a portion located below the vibrating portion of the piezoelectric thin film from the substrate by anisotropic etching, the floating structure is separated for each element unit to obtain a piezoelectric thin film element.
[0005]
For example, the piezoelectric thin film element described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-153212 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-142607 is formed after forming a base film, a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode on the upper surface of a substrate. It is manufactured by removing the substrate portion under the portion that becomes the vibration portion from the lower surface of the substrate.
[0006]
The piezoelectric material for the piezoelectric thin film element includes aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), cadmium sulfide (CdS), lead titanate [PT] (PbTiO ₃ ), lead zirconate titanate [PZT] ( Pb (Zr, Ti) O ₃ ) or the like is used. In particular, AlN has a high propagation speed of elastic waves and is suitable as a piezoelectric material for a thin film resonator or a piezoelectric thin film resonator operating in a high frequency band.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Since FBAR obtains resonance by propagation of elastic waves in the thin film, not only the vibration characteristics of the piezoelectric thin film but also the vibration characteristics of the electrode layer and the base film greatly affect the resonance characteristics of the FBAR. Until now, various studies have been made to apply an AlN thin film to an FBAR. However, a thin film resonator or a thin film filter that exhibits sufficient performance in the gigahertz band has not yet been obtained. Therefore, it is strongly desired to realize a thin-film piezoelectric element that is excellent not only in the AlN thin film but also in the electromechanical coupling coefficient, the acoustic quality factor, and the resonance frequency temperature stability of the vibrating part including the electrode layer and the base film. ing.
[0008]
Accordingly, the present invention provides a piezoelectric thin film resonator that improves the temperature stability of the resonance frequency without impairing the electromechanical coupling coefficient and the acoustic quality factor, while taking advantage of the characteristics of the AlN thin film that the propagation speed of elastic waves is high. The purpose is to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present invention have found that molybdenum (Mo) has a large modulus of elasticity on both sides of a piezoelectric thin film mainly composed of AlN compared to general electrode materials such as gold, platinum, aluminum, and copper, and a remarkably small thermoelastic loss. ) And an insulating layer mainly composed of silicon oxide (SiO ₂ ) having a temperature coefficient with a different sign from the temperature coefficient of the resonance frequency of the piezoelectric thin film is included in the vibration part. It has been found that, by forming, the temperature stability of the resonance frequency can be improved while maintaining a high electromechanical coupling coefficient and a high acoustic quality factor, and the present invention has been achieved. Furthermore, the thickness of the piezoelectric thin film mainly composed of aluminum nitride is t, and the thickness of the insulating layer mainly composed of silicon oxide (the total of the thicknesses when there are a plurality of insulating layers) is t. By setting the thickness of each layer to satisfy 0.1 ≦ t ′ / t ≦ 0.5, preferably 0.2 ≦ t ′ / t ≦ 0.4, a high electromechanical coupling coefficient and It has been found that a high performance FBAR having a high acoustic quality factor and extremely good temperature stability can be realized.
[0010]
That is, according to the present invention, the above object is achieved as follows:
A piezoelectric laminate structure formed on the substrate, and a vibrating portion is configured to include a part of the piezoelectric laminate structure, the piezoelectric laminate structure including a lower electrode and a piezoelectric Piezoelectric thin film resonance in which a body film and an upper electrode are laminated in this order from the substrate side, and the substrate forms a gap allowing vibration of the vibrating portion in a region corresponding to the vibrating portion. In the child
The piezoelectric film has aluminum nitride as a main component, the lower electrode and the upper electrode have molybdenum as a main component, and the vibrating portion is at least one layer bonded to the piezoelectric multilayer structure. A piezoelectric thin film resonator comprising at least a part of an insulating layer mainly composed of silicon oxide,
Is provided.
[0011]
In one aspect of the present invention, the thickness t of the piezoelectric film and the total thickness t ′ of the at least one insulating layer satisfy the relationship of 0.1 ≦ t ′ / t ≦ 0.5.
[0012]
In one aspect of the present invention, the piezoelectric film has a content of the aluminum nitride of 90 equivalent% or more. In one embodiment of the present invention, the insulating layer has a silicon oxide content of 50 equivalent% (mol%) or more. In one embodiment of the present invention, the lower electrode and the upper electrode have a molybdenum content of 80 equivalent% (mol%) or more.
[0013]
In one aspect of the present invention, one of the insulating layers is formed on the surface of the substrate. In one aspect of the present invention, one of the insulating layers is formed on the surface of the piezoelectric multilayer structure opposite to the substrate.
[0014]
In one aspect of the present invention, the substrate is made of a silicon single crystal. In one aspect of the present invention, the upper electrode includes a first electrode portion and a second electrode portion that are formed apart from each other.
[0015]
In one embodiment of the present invention, the electromechanical coupling coefficient obtained from the measured values of the resonance frequency and antiresonance frequency in the vicinity of 2.0 GHz is 4.0 to 6.5%, and the acoustic quality factor is 750 to 2000. Yes, the temperature coefficient of the resonance frequency is -20 to 20 ppm / ° C.
[0016]
Furthermore, according to the present invention, there are provided a VCO (voltage controlled oscillator), a filter, and a transmission / reception switch configured by using the piezoelectric thin film resonator as described above, in which characteristics at a high frequency of 1 GHz or more are remarkably exhibited. Can be improved.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0018]
FIG. 1 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention, and FIG. 2 is an XX cross-sectional view thereof. In these drawings, the piezoelectric thin film resonator 11 has a substrate 12, an insulating layer 13 formed on the upper surface of the substrate 12, and a piezoelectric laminated structure 14 bonded on the upper surface of the insulating layer 13. The piezoelectric laminated structure 14 includes a lower electrode 15 formed on the upper surface of the insulating layer 13, a piezoelectric film 16 formed on the upper surface of the base film 13 so as to cover a part of the lower electrode 15, and the piezoelectric film. The upper electrode 17 is formed on the upper surface of the body film 16. A via hole 20 that forms a gap is formed in the substrate 12. A part of the insulating layer 13 is exposed toward the via hole 20. The exposed portion of the insulating layer 13 and the portion of the piezoelectric laminated structure 14 corresponding to this constitute a vibrating portion (vibrating diaphragm) 21. The lower electrode 15 and the upper electrode 17 include main portions 15a and 17a formed in a region corresponding to the vibration portion 21, and

terminal portions

15b and 17b for connecting the main portions 15a and 17a to an external circuit. Have The

terminal portions

15 b and 17 b are located outside the region corresponding to the vibrating portion 21.
[0019]
As the substrate 12, a single crystal such as Si (100) single crystal or a substrate in which a polycrystalline film such as silicon, diamond or the like is formed on the surface of a base material such as Si single crystal can be used. As a method for forming the via hole 20 of the substrate 12, an anisotropic etching method from the lower surface side of the substrate is exemplified. The space formed in the substrate 12 is not limited to that formed by the via hole 20, and may be any as long as it allows vibration of the vibration part 21, and is a recess formed in the upper surface region of the substrate corresponding to the vibration part 21. There may be.
[0020]
The insulating layer 13 is a dielectric film containing silicon oxide (SiO ₂ ) as a main component (preferably containing 50 equivalent% or more). The dielectric film may be composed of a single layer, or may be composed of a plurality of layers to which layers for improving adhesion are added. As an example of the dielectric film composed of a plurality of layers, a silicon nitride (SiN _x ) layer added to one or both sides of the SiO ₂ layer is exemplified. The thickness of the insulating layer 13 is, for example, 0.2 to 2.0 μm. Examples of the method for forming the insulating layer 13 include a thermal oxidation method and a CVD method for the surface of the substrate 12 made of silicon.
[0021]
The lower electrode 15 and the upper electrode 17 are conductive films containing molybdenum (Mo) as a main component (preferably having a content of 80 equivalent% or more). Since Mo has a low thermoelastic loss (about 1/56 of Al), it is particularly suitable for constituting a vibration part that vibrates at a high frequency. It is possible to use not only Mo alone but also an alloy containing Mo as a main component. The thickness of the lower electrode 15 and the upper electrode 17 is, for example, 50 to 200 nm. As a method of forming the lower electrode 15 and the upper electrode 17, a sputtering method or a vapor deposition method is exemplified, and a photolithography technique is used for patterning into a required shape as necessary.
[0022]
The piezoelectric film 16 is made of a piezoelectric film containing AlN as a main component (preferably having a content of 90 equivalent% or more), and has a thickness of, for example, 0.5 to 2.5 μm. An example of a method for forming the piezoelectric film 16 is a reactive sputtering method, and a photolithography technique is used for patterning into a required shape as necessary.
[0023]
The present inventors have shown that an AlN thin film having a high acoustic wave propagation speed is obtained for an FBAR having a piezoelectric film 16 mainly composed of AlN and having a fundamental mode resonance in the vicinity of 2 GHz in the configuration shown in FIGS. As a result of intensive studies to improve the temperature stability of the resonance frequency without impairing the electromechanical coupling coefficient and the acoustic quality factor while utilizing the features, the insulating layer 13 is mainly composed of SiO ₂ and the upper and lower portions. It has been found that it is effective to use an electrode composed mainly of Mo as the

electrodes

15 and 17. Further, the thickness t of the piezoelectric film 16 and the thickness t ′ of the insulating layer 13 satisfy 0.1 ≦ t ′ / t ≦ 0.5, preferably 0.2 ≦ t ′ / t ≦ 0.4. Thus, it has been found that the electromechanical coupling coefficient, the acoustic quality factor, and the temperature stability of the resonance frequency are all improved. When t ′ / t <0.1, the electromechanical coupling coefficient and the acoustic quality factor may slightly improve, but the absolute value of the temperature coefficient of the resonance frequency increases and the characteristics as the FBAR tend to decrease. is there. When t ′ / t> 0.5, the electromechanical coupling coefficient and the acoustic quality factor decrease, the absolute value of the temperature coefficient of the resonance frequency increases, and the characteristics as the FBAR tend to decrease.
[0024]
FIG. 3 is a schematic plan view showing still another embodiment of the piezoelectric thin film resonator according to the present invention, and FIG. 4 is an XX sectional view thereof. In these drawings, members having the same functions as those in FIGS. 1 and 2 are given the same reference numerals.
[0025]
In the present embodiment, in addition to the insulating layer 13, an insulating layer 18 containing SiO ₂ as a main component (preferably containing 50 equivalent% or more) is bonded to the piezoelectric laminated structure 14. The insulating layer 18 is formed on the main portion 17 a of the upper electrode 17. The insulating layer 18 may be formed over a wide range on the piezoelectric film 16 so as to extend outside the region corresponding to the vibration part 21. Further, when the insulating layer 18 mainly composed of silicon oxide is formed, the insulating layer 13 can be omitted. However, in this case, the main portion 15 a of the lower electrode 15 extends into the opening through two sides of the rectangular opening of the via hole 20 on the upper surface of the substrate 12, and the vibrating portion 21 is held by the lower electrode 15. It is preferable.
[0026]
In the embodiment of FIGS. 3 and 4, the same effect as that of the embodiment of FIGS.
[0027]
FIG. 5 is a schematic plan view showing still another embodiment of the piezoelectric thin film resonator according to the present invention, and FIG. 6 is an XX sectional view thereof. In these drawings, members having the same functions as those in FIGS. 1 to 4 are given the same reference numerals.
[0028]
In the present embodiment, the lower electrode 15 has a rectangular shape, and the upper electrode 17 includes a first electrode portion 17A and a second electrode portion 17B. These

electrode portions

17A and 17B have main portions 17Aa and 17Ba and terminal portions 17Ab and 17Bb, respectively. The main portions 17Aa and 17Ba are located in a region corresponding to the vibrating portion 21, and the terminal portions 17Ab and 17Bb are located outside the region corresponding to the vibrating portion 21.
[0029]
FIG. 7 is a schematic plan view showing still another embodiment of the piezoelectric thin film resonator according to the present invention, and FIG. 8 is an XX sectional view thereof. In these drawings, members having the same functions as those in FIGS. 1 to 6 are given the same reference numerals.
[0030]
In the present embodiment, the lower electrode 15 has a rectangular shape, and the upper electrode 17 includes a first electrode portion 17A and a second electrode portion 17B. These

electrode portions

17A and 17B have main portions 17Aa and 17Ba and terminal portions 17Ab and 17Bb, respectively. The main portions 17Aa and 17Ba are located in a region corresponding to the vibrating portion 21, and the terminal portions 17Ab and 17Bb are located outside the region corresponding to the vibrating portion 21. In the present embodiment, the insulating layer 18 is formed so as to cover both the main part 17Aa of the first electrode part and the main part 17Ba of the second electrode part.
[0031]
In the embodiment of FIGS. 5 and 6 and the embodiment of FIGS. 7 and 8, the same effect as the embodiment of FIGS. 1 and 2 and the embodiment of FIGS. 5 and 6 and FIGS. 7 and 8 are called multimode resonators, and are provided between one of the upper electrodes 17 (for example, the second electrode portion 17B) and the lower electrode 15. An input voltage is applied, and a voltage between the other of the upper electrodes 17 (for example, the first electrode portion 17A) and the lower electrode 15 can be taken out as an output voltage.
[0032]
In the piezoelectric thin film resonator as described above, the following relationship k exists between the resonance frequency f _r and the anti-resonance frequency f _a and the electromechanical coupling coefficient k _t ² in the impedance characteristics measured using the microwave prober. _t ² = φ _r / Tan (φ _r )
φ _r = (π / 2) (f _r / f _a )
There is.
[0033]
For simplicity, the following equation k _t ² = 4.8 (f _a −f _r ) / (f _a + f _r ) is used as the electromechanical coupling coefficient k _t ^2.
In this specification, the value calculated using this equation is used as the numerical value of the electromechanical coupling coefficient k _t ² .
[0034]
In the FBAR configured as shown in FIGS. 1, 2, 3, 4, 5, 6 and 7, 8, the electromechanical coupling coefficient k _t obtained from the measured values of the resonance frequency and antiresonance frequency in the vicinity of 2.0 GHz. ² is 4.0 to 6.5%. When the electromechanical coupling coefficient k _t ² is less than 4.0%, the bandwidth of the manufactured FBAR becomes small, and it tends to be difficult to put it to practical use in a high frequency range.
[0035]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples.
[0036]
[Examples 1 to 3]
In this example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was produced as follows.
[0037]
That is, a silicon oxide (SiO ₂ ) layer having a thickness of 0.3 to 0.6 μm was formed on the upper and lower surfaces of the (100) Si substrate 12 having a thickness of 250 μm by a thermal oxidation method. The SiO ₂ layer on the upper surface side was used as the insulating layer 13. The SiO ₂ layer on the lower surface side was formed in a mask pattern for forming a via hole to be described later on the substrate 12.
[0038]
A Mo layer having a thickness of 0.1 μm was formed on the surface of the insulating layer 13 by DC magnetron sputtering, and patterned by photolithography to form the lower electrode 15. The main portion 15a of the lower electrode 15 has a shape close to a rectangle with a plane size of 140 × 160 μm. On the Mo lower electrode 15, an AlN thin film having a thickness of 1.3 to 2.0 μm with a crystal plane oriented in the C axis was formed. The AlN thin film was formed by a reactive RF magnetron sputtering method. The piezoelectric film 16 was formed by patterning the AlN thin film into a predetermined shape by wet etching using hot phosphoric acid. Thereafter, an upper electrode 17 made of Mo having a thickness of 0.1 μm was formed by using a DC magnetron sputtering method and a lift-off method. The main body portion 17a of the upper electrode 17 has a shape close to a rectangle having a planar size of 140 × 160 μm and is disposed at a position corresponding to the lower electrode main body portion 15a.
[0039]
Next, the pattern-like SiO ₂ formed on the lower surface of the Si substrate 12 is formed by covering the side where the upper and

lower electrodes

15 and 17 and the piezoelectric film 16 are formed with the PMMA resin. Using the layer as a mask, the portion of the Si substrate 12 corresponding to the vibration part 21 was removed by etching with an aqueous KOH solution to form a via hole 20 serving as a void. The dimension of the via hole opening formed on the upper surface of the Si substrate 12 (planar dimension of the vibration part 21) was 200 × 200 μm.
[0040]
With respect to the thin film piezoelectric resonator (FBAR) obtained by the above steps, the impedance characteristics between the

electrode terminals

15b and 17b of the thin film piezoelectric resonator are measured using a microwave prober and a network analyzer manufactured by Cascade Microtech. together, from the measured values of the resonance frequency f _r and the antiresonance frequency f _a, it was determined electromechanical coupling coefficient k _t ² and the frequency temperature characteristic tau _f and the acoustic quality factor Q. Table 1 shows the fundamental frequency of thickness vibration, electromechanical coupling coefficient k _t ² , frequency temperature characteristic τ _f and acoustic quality factor Q of the obtained piezoelectric thin film resonator.
[0041]
[Examples 4 to 6]
In this example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 3 and 4 was produced as follows.
[0042]
That is, after the formation of the upper electrode 17 and before the formation of the via hole 20, a SiO ₂ layer having a thickness of 0.1 to 0.3 μm is formed on the upper electrode 17 by RF magnetron sputtering, and the vibrating portion 21 is formed. The upper insulating layer 18 is formed by patterning so as to correspond to the above, and the thickness of the lower insulating layer 13 and the thickness of the piezoelectric film 16 are set as shown in Table 1. The same steps as in Examples 1 to 3 were performed.
[0043]
For the thin film piezoelectric resonator (FBAR) obtained by the above steps, the basic frequency of thickness vibration of the piezoelectric thin film resonator, electromechanical coupling coefficient k _t ² , frequency temperature characteristic τ _f, and The acoustic quality factor Q was as shown in Table 1.
[0044]
[Examples 7 to 10]
In this example, the piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 5 and 6 and the piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS.
[0045]
That is, the thickness of the upper and lower insulating

layers

13 and 18 and the thickness of the piezoelectric film 16 are set as shown in Table 1, and the shapes and dimensions of the upper and

lower electrodes

15 and 17 are excluded. The same steps [Examples 7 and 8] as in Examples 1 to 3 and the same steps [Examples 9 and 10] as in Examples 4 to 6 were performed. The lower electrode 15 has a rectangular shape with a planar size of 150 × 300 μm extending so as to include a region corresponding to the vibrating portion 21, and the upper electrode 17 has a main body portion 17Aa having a shape close to a rectangular with a planar size of 70 × 90 μm, respectively. 17Ba was arranged with an interval of 20 μm.
[0046]
About the thin film piezoelectric resonator (FBAR) obtained by the above steps, the basic frequency of the thickness vibration of the piezoelectric thin film resonator, the electromechanical coupling coefficient k _t ² , as in Examples 1 to 3 and Examples 4 to 6, The frequency-temperature characteristic τ _f and the acoustic quality factor Q are as shown in Table 1.
[0047]
[Examples 11 to 13]
In this example, the piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 and the piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS.
[0048]
That is, except for the thickness of the piezoelectric film 16 and the thickness of the upper and lower insulating

layers

13 and 18 as shown in Table 1, the same steps as those of the first embodiment [Examples 11 and 12] and The same step [Example 13] as in Example 4 was performed.
[0049]
With respect to the thin film piezoelectric resonator (FBAR) obtained by the above steps, the basic frequency of thickness vibration of the piezoelectric thin film resonator, the electromechanical coupling coefficient k _t ² , and the frequency temperature characteristic τ are the same as in the first and fourth embodiments. _f and the acoustic quality factor Q were as shown in Table 1.
[0050]
[Comparative Examples 1 and 2]
Example 1 except that aluminum (Al) is used instead of Mo as the material of the upper and lower electrode layers, and the thickness of the piezoelectric film 16 and the thickness of the insulating layer 13 are as shown in Table 1. The same process was carried out.
[0051]
With respect to the thin film piezoelectric resonator (FBAR) obtained by the above steps, the basic frequency of thickness vibration of the piezoelectric thin film resonator, the electromechanical coupling coefficient k _t ² , the frequency temperature characteristic τ _f, and the acoustic characteristics are obtained in the same manner as in the first embodiment. The quality factor Q was as shown in Table 1.
[0052]
[Comparative Example 3]
A process similar to that in Example 1 was performed except that the insulating layer 13 was formed only outside the region corresponding to the vibration part 21.
[0053]
With respect to the thin film piezoelectric resonator (FBAR) obtained by the above steps, the basic frequency of thickness vibration of the piezoelectric thin film resonator, the electromechanical coupling coefficient k _t ² , the frequency temperature characteristic τ _f, and the acoustic characteristics are obtained in the same manner as in the first embodiment. The quality factor Q was as shown in Table 1.
[0054]
[Comparative Examples 4 and 5]
Implementation was performed except that zinc oxide (ZnO) was used as the material of the piezoelectric film 16 instead of AlN, and the thickness of the piezoelectric film 16 and the thickness of the insulating layer 13 were as shown in Table 1. The same process as in Example 1 was performed.
[0055]
With respect to the thin film piezoelectric resonator (FBAR) obtained by the above steps, the basic frequency of thickness vibration of the piezoelectric thin film resonator, the electromechanical coupling coefficient k _t ² , the frequency temperature characteristic τ _f, and the acoustic characteristics are obtained in the same manner as in the first embodiment. The quality factor Q was as shown in Table 1.
[0056]
From the above results, the temperature coefficient of the resonance frequency of the vibration part including a part of the piezoelectric laminated structure composed of the electrode mainly composed of molybdenum and the piezoelectric film mainly composed of aluminum nitride is different from the temperature coefficient. By adding an insulating layer composed mainly of silicon oxide having a temperature coefficient to the piezoelectric multilayer structure, a piezoelectric with excellent resonance frequency temperature stability while maintaining the electromechanical coupling coefficient and the acoustic quality factor. A thin film resonator can be realized, and in particular, when applied to a VCO (piezoelectric thin film resonator), a filter, and a transmission / reception switch used in a high frequency range of 1 GHz or more, its performance can be remarkably improved.
[0057]
[Table 1]

[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the piezoelectric thin film resonator of the present invention, a combination of an electrode mainly composed of molybdenum, a piezoelectric film mainly composed of aluminum nitride, and an insulating layer mainly composed of silicon oxide is used. Therefore, the electromechanical coupling coefficient, acoustic quality factor (Q value), and frequency temperature characteristics can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention.
2 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG.
FIG. 3 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention.
4 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG.
FIG. 5 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention.
6 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG.
FIG. 7 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention.
8 is a sectional view taken along line XX in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Piezoelectric thin film resonator 12 Substrate 13 Lower insulating layer 14 Piezoelectric laminated structure 15 Lower electrode 15a Lower electrode main part 15b Lower electrode terminal part 16 Piezoelectric film 17 Upper electrode 17a Upper electrode main part 17b Upper electrode terminal part 17A Upper electrode terminal part 17A First electrode portion 17Aa Main portion 17Ab of first electrode portion First electrode portion terminal portion 17B Upper electrode second electrode portion 17Ba Second electrode portion main portion 17Bb Second electrode portion terminal portion 18 Upper insulating layer 20 Via hole 21 Vibrating part

Claims

A piezoelectric laminate structure formed on the substrate, and a vibrating portion is configured to include a part of the piezoelectric laminate structure. The piezoelectric laminate structure includes a lower electrode, a piezoelectric Piezoelectric thin-film resonance in which a body film and an upper electrode are laminated in this order from the substrate side, and the substrate forms a gap allowing vibration of the vibrating portion in a region corresponding to the vibrating portion In the child
The piezoelectric film is mainly composed of aluminum nitride, the lower electrode and the upper electrode are mainly composed of molybdenum, and the vibrating portion is at least one layer bonded to the piezoelectric multilayer structure. A piezoelectric thin film resonator comprising at least a part of an insulating layer mainly composed of silicon oxide.

The thickness t of the piezoelectric film and the total thickness t ′ of the at least one insulating layer satisfy a relationship of 0.1 ≦ t ′ / t ≦ 0.5. 2. A piezoelectric thin film resonator according to 1.

3. The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein the piezoelectric film has a content of the aluminum nitride of 90 equivalent% or more. 4.

The piezoelectric thin film resonator according to any one of claims 1 to 3, wherein the insulating layer has a content of the silicon oxide of 50 equivalent% or more.

5. The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein the lower electrode and the upper electrode have a molybdenum content of 80 equivalent% or more.

The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein one of the insulating layers is formed on a surface of the substrate.

7. The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein one of the insulating layers is formed on a surface of the piezoelectric multilayer structure opposite to the substrate.

The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein the substrate is made of a silicon single crystal.

9. The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein the upper electrode includes a first electrode portion and a second electrode portion that are formed apart from each other.

The electromechanical coupling coefficient obtained from the measured values of the resonance frequency and the anti-resonance frequency in the vicinity of 2.0 GHz is 4.0 to 6.5%, the acoustic quality factor is 750 to 2000, and the temperature coefficient of the resonance frequency is The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film resonator is −20 to 20 ppm / ° C.