JP4441843B2

JP4441843B2 - Thin film acoustic resonator

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Publication number: JP4441843B2
Application number: JP2001182197A
Authority: JP
Inventors: 哲夫山田; 智仙橋本; 圭吾長尾
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2021-06-15
Also published as: JP2002372974A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体薄膜の電気音響効果を利用した薄膜音響共振器に関するものである。薄膜音響共振器は、通信機用フィルタの構成要素として利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器のコストおよび寸法を減らす必要性から、その回路構成要素としてのフィルタの寸法を小さくする努力が絶えず続いている。セル式電話およびミニチュア・ラジオのような民生用電子機器には、それに内蔵されている構成要素の大きさおよびコストの双方に厳しい制限が加えられている。このような多数の電子機器は、精密な周波数に同調させなければならないフィルタを利用している。したがって、廉価でコンパクトなフィルタを提供する努力が続けられている。
【０００３】
これらの低価格及び小型化の要求を満たす可能性のあるフィルタとして、音響共振器を用いて構成されているものが挙げられる。音響共振器は、薄膜圧電体（ＰＺ）材料内のバルク弾性音響波を利用している。音響共振器の一つの簡単な構成では、薄膜ＰＺ材料の層が二つの金属電極の間に挟み込まれた挟み込み構造を形成している。この挟み込み構造は、周囲を支持することにより中央部が空中に吊された橋架け構造により支持される。二つの電極の間に印加される電圧により電界が発生すると、ＰＺ材料は、電気エネルギーの幾らかを音波の形の機械エネルギーに変換する。音波は、電界と同じ方向に伝播し、電極／空気境界面で反射する。
【０００４】
機械的に共振している時、音響共振器は電気共振器として機能し、したがって、これを用いてフィルタを構成することができる。音響共振器の機械的共振は、音波が伝播する材料の厚さが音波の半波長と等しくなる周波数で発生する。音波の周波数は、電極に印加される電気信号の周波数に等しい。音波の速度は光の速度より５〜６桁小さいから、得られる共振器を極めてコンパクトにすることができる。ＧＨｚ帯の用途のための共振器を、直径２００ミクロン未満で厚さ数ミクロン未満の寸法で構成することができる。
【０００５】
以上のような薄膜バルク音響共振器（ＴｈｉｎＦｉｌｍＢｕｌｋＡｃｏｕｓｔｉｃＲｅｓｏｎａｔｏｒｓ：以下ＦＢＡＲという）、及び上記挟み込み構造を積層した形態の積層薄膜バルク音響共振器およびフィルタ（ＳｔａｃｋｅｄＴｈｉｎＦｉｌｍＢｕｌｋＡｃｏｕｓｔｉｃＲｅｓｏｎａｔｏｒｓａｎｄＦｉｌｔｅｒｓ：以下ＳＢＡＲという）において、挟み込み構造の中心部はスパッタ法により作製された厚さ約１〜２ミクロン程度の圧電体薄膜である。上方および下方の電極は、電気リードとして働き圧電体薄膜を挟み込んで圧電体薄膜を貫く電界を与える。圧電体薄膜は、電界エネルギーの一部を力学エネルギーに変換する。時間変化する印加電界エネルギーに応答して、時間変化する「応力／歪み」エネルギーが形成される。
【０００６】
ＦＢＡＲまたはＳＢＡＲを音響共振器として動作させるには、圧電体薄膜を含む挟み込み構造を橋架け構造により支持して、音波を挟み込み構造内に閉じ込めるための空気／結晶境界面を形成しなければならない。挟み込み構造は、通常、基板表面上に下方電極、ＰＺ層、および次に上方電極を堆積させることにより作られる。したがって、挟み込み構造の上側には、空気／結晶境界面が既に存在している。挟み込み構造の下側にも空気／結晶境界面を設けなければならない。この挟み込み構造の下側の空気／結晶境界面を得るのに、従来、以下に示すような幾つかの方法が用いられている。
【０００７】
第１の方法は、例えば特開昭５８−１５３４１２号公報に記載のように、基板を形成しているウェーハのエッチング除去を利用している。基板がシリコンからなるものであれば、加熱ＫＯＨ水溶液を使用してシリコン基板の一部を裏側からエッチングして取り去って孔を形成する。これにより、挟み込み構造の縁をシリコン基板の孔の周囲の部分で支持した形態を有する共振器が得られる。しかし、このようなウェーハを貫いて開けられた孔は、ウェーハを非常に繊細にし、且つ、非常に破壊しやすくする。更に、基板表面に対して５４．７度のエッチング傾斜でＫＯＨを用いた湿式エッチングを行うと、最終製品の取得量、即ちウェーハ上のＦＢＡＲ／ＳＢＡＲの歩留まりの向上が困難である。たとえば、２５０μｍ厚さのシリコンウェーハ上に形成される約１５０μｍ×１５０μｍの横寸法を有する挟み込み構造は、約４５０μｍ×４５０μｍの寸法の裏側エッチング開口を必要とする。したがって、ウェーハの約１／９を生産に利用できるだけである。
【０００８】
挟み込み構造の下に空気／結晶境界面を設ける従来の第２の方法は、例えば特開平２−１３１０９号公報に記載のように、空気ブリッジ式ＦＢＡＲ素子を作ることである。通常、最初に犠牲層（Ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌｌａｙｅｒ）を設置し、次に犠牲層の上に挟み込み構造を作製する。プロセスの終わりまたは終わり近くに、犠牲層を除去する。処理はすべてウェーハの前面側で行われるから、この方法は、ウェーハ両面側の位置合わせも大きい面積の裏側開口も必要としない。
【０００９】
特開２０００−６９５９４号公報には、犠牲層として燐酸石英ガラス（ＰＳＧ）を使用した空気ブリッジ式ＦＢＡＲ／ＳＢＡＲ素子の構成と製造方法が記載されている。同公報においては、ＰＳＧ層がシリコンウェーハ上に堆積されている。ＰＳＧは、シランおよびホスフィン（ＰＨ₃ ）を使用して約４５０℃までの温度で堆積され、燐含有量約８％である軟ガラス様物質を形成する。ＰＳＧは、比較的低温で堆積させることができ、且つ、希釈Ｈ₂ Ｏ：ＨＦ溶液で非常に高いエッチング速度でエッチングされる。
【００１０】
しかしながら、同公報においては、ＰＳＧ犠牲層の高さのＲＭＳ（２乗平均平方根）変動が０．５μｍ未満と記載されているものの、具体的には０．１μｍより小さいオーダーのＲＭＳ変動の具体的記載はない。この０．１μｍオーダーのＲＭＳ変動は、原子的にみると非常に粗い凹凸である。ＦＢＡＲ／ＳＢＡＲ形式の音響共振器は、結晶が電極平面に垂直な柱状晶をなして成長する圧電体材料を必要とする。特開２０００−６９５９４号公報では、ＰＳＧ層の表面に平行な導電シートの高さのＲＭＳ変動は２μｍ未満と記載されているものの、具体的には０．１μｍより小さいオーダーのＲＭＳ変動の具体的記載はない。この０．１μｍオーダーのＲＭＳ変動は、音響共振器用の圧電体薄膜を形成する表面としては不十分な表面粗さである。圧電体膜を成長させる試みが行われたが、粗面上の多数の凹凸の影響で多様な方向に結晶が成長するので、得られた圧電体薄膜の結晶品質は必ずしも十分なものでなく、圧電効果を殆どまたは全く示さない不十分なものであった。
【００１１】
以上のような空気／結晶境界面を設ける代わりに、適切な音響ミラーを設ける方法もある。この方法は、例えば特開平６−２９５１８１号公報に記載のように、挟み込み構造の下に音響的ブラッグ反射鏡からなる大きな音響インピーダンスが作り出される。ブラッグ反射鏡は、高低の音響インピーダンス材料の層を交互に積層することにより作られる。各層の厚さは共振周波数の波長の１／４に固定される。十分な層数により、圧電体／電極境界面における有効インピーダンスを、素子の音響インピーダンスよりはるかに高くすることができ、したがって、圧電体内の音波を有効に閉じ込めることができる。この方法により得られる音響共振器は、挟み込み構造の下に空隙が存在しないので、固体音響ミラー取付け共振器（ＳＭＲ）と呼ばれる。
【００１２】
この方法は、周辺部が固定され中心部が自由に振動できる膜を作るという前述の第１の方法及び第２の方法の問題を回避しているが、この方法にも多くの問題点がある。即ち、金属層はフィルタの電気性能を劣化させる寄生コンデンサを形成するのでブラッグ反射鏡の層に使用できないから、ブラッグ反射鏡に使用する材料の選択には、制限がある。利用可能な材料から作られる層の音響インピーダンスの差は大きくない。したがって、音波を閉じ込めるには、非常に多くの数の層が必要である。この方法は、各層にかかる応力を精密に制御しなければならないので、製作プロセスが複雑である。また、１０ないし１４といった多数の層をを貫くバイアを作るのは困難であるから、この方法により得られる音響共振器は他の能動素子との集積化には不都合である。更に、これまでに報告された例では、この方法により得られる音響共振器は、空気ブリッジを有する音響共振器より有効結合係数がかなり低い。その結果、ＳＭＲを用いたフィルタは、空気ブリッジ式の音響共振器を用いたものに比較して有効帯域幅が狭い。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、改良された性能を有するＦＢＡＲ／ＳＢＡＲ素子を提供することである。
【００１４】
本発明の他の目的は、薄膜圧電体（ＰＺ）の結晶品質を向上させることにより、電気機械結合係数、音響品質係数（Ｑ値）、温度特性などに優れた高性能のＦＢＡＲ／ＳＢＡＲ素子を提供することである。
【００１５】
本発明の更に別の目的は、上方電極の形状を工夫することにより、電気機械結合係数、音響品質係数（Ｑ値）、温度特性などに優れた高性能のＦＢＡＲ／ＳＢＡＲ素子を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
圧電体層と、該圧電体層の第１の表面に接合された第１の電極と、前記圧電体層の前記第１の表面と反対側の第２の表面に接合された第２の電極とを有しており、前記圧電体層の第１の表面は高さのＲＭＳ変動が２．０ｎｍ以下であることを特徴とする薄膜音響共振器、
が提供される。
【００１７】
本発明において、高さのＲＭＳ変動は、日本工業規格ＪＩＳＢ０６０１：２００１「製品の幾何特性仕様（ＧＰＳ）−表面性状：輪郭曲線方式−用語、定義及び表面性状パラメータ」に記載の二乗平均平方根粗さ：Ｒｑである（以下に記載の発明についても同様）。
【００１８】
また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
圧電体層と、該圧電体層の第１の表面に接合された第１の電極と、前記圧電体層の前記第１の表面と反対側の第２の表面に接合された第２の電極とを有しており、前記第１の電極の前記圧電体層の側の表面は高さのＲＭＳ変動が２．０ｎｍ以下であることを特徴とする薄膜音響共振器、
が提供される。
【００１９】
本発明の一態様においては、前記圧電体層の前記第２の表面は高さのＲＭＳ変動が前記圧電体層の厚さの０．５０％以下である。
【００２０】
本発明の一態様においては、前記第２の電極は中央部と該中央部より厚い外周部とを有する。本発明の一態様においては、前記第２の電極の中央部の表面のうねり高さは前記圧電体層の厚さの５．０％以下である。尚、本発明において、うねり高さは、測定長１００μｍにおけるうねり高さに換算した値である。
【００２１】
本発明の一態様においては、前記第２の電極の外周部は前記第２の電極の中央部の周囲に枠状に位置する。本発明の一態様においては、前記第２の電極は前記中央部の厚さ変動が該中央部の厚さの２％以下である。本発明の一態様においては、前記第２の電極の外周部の厚さは前記第２の電極の中央部の高さの１．１倍以上である。本発明の一態様においては、前記第２の電極の外周部は前記第２の電極の外縁から４０μｍまでの距離の範囲内に位置する。
【００２２】
本発明の一態様においては、前記圧電体層と前記第１の電極と前記第２の電極とからなる挟み込み構造体は、基板の表面に形成された窪みをまたぐように前記基板により縁部が支持されている。本発明の一態様においては、前記基板の表面上には、前記窪みをまたぐように形成された絶縁体層が配置されており、該絶縁体層上に前記挟み込み構造体が形成されている。
【００２３】
更に、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
圧電体層と、該圧電体層の第１の表面に接合された第１の電極と、前記圧電体層の前記第１の表面と反対側の第２の表面に接合された第２の電極とを有する薄膜音響共振器を製造する方法であって、
基板の表面に窪みを形成し、該窪み内に犠牲層を充填し、該犠牲層の表面を高さのＲＭＳ変動が１．０ｎｍ以下となるように研磨し、前記犠牲層の表面の一部の領域と前記基板の表面の一部の領域とにわたってそれらの上に前記第１の電極を形成し、該第１の電極上に前記圧電体層を形成し、該圧電体層上に前記第２の電極を形成し、前記窪み内から前記犠牲層をエッチング除去することを特徴とする、薄膜音響共振器の製造方法、
が提供される。
【００２４】
本発明の一態様においては、前記第１の電極を厚さ１５０ｎｍ以下に形成し、該第１の電極の上面を高さのＲＭＳ変動が２．０ｎｍ以下となるようにする。本発明の一態様においては、前記犠牲層の上に前記第１の電極を形成するに先立って絶縁体層を形成する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１および図２は、それぞれ、本発明による薄膜音響共振器であるＦＢＡＲおよびＳＢＡＲの基本構成を説明するための模式的断面図である。
【００２７】
図１において、ＦＢＡＲ２０は、上方電極２１および下方電極２３を備え、これらは圧電体（ＰＺ）材料の層２２の一部を挟み込んで挟み込み構造を形成している。好適なＰＺ材料は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）である。ＦＢＡＲ２０に使用される電極２１，２３は、好適にはモリブデンから作られるが、他の材料を使用することも可能である。下方電極２３が第１の電極であり、上方電極２１が第２の電極である。
【００２８】
この素子は、薄膜ＰＺ材料内のバルク弾性音響波の作用を利用している。印加電圧により二つの電極２１，２３の間に電界が生ずると、ＰＺ材料は電気エネルギーの一部を音波の形の機械的エネルギーに変換する。音波は電界と同じ方向に伝播し、電極／空気境界面で反射される。
【００２９】
機械的に共振している時、素子は電気共振器として機能し、したがって、素子は、ノッチフィルタとして動作することができる。素子の機械的共振は、音波が伝播する材料の厚さが当該音波の半波長と等しくなる周波数で発生する。音波の周波数は電極２１，２３間に印加される電気信号の周波数である。音波の速度は光の速度より５〜６桁小さいから、得られる共振器を極めてコンパクトにすることができる。ＧＨｚ帯の用途に対する共振器を、平面寸法が約１００μｍおよび厚さが数μｍのオーダーで構成することができる。
【００３０】
次に、図２を参照してＳＢＡＲについて説明する。ＳＢＡＲ４０は、帯域フィルタと類似の電気的機能を与える。ＳＢＡＲ４０は、基本的には機械的に結合されている二つのＦＢＡＲフィルタである。圧電体層４１の共振周波数で電極４３および４４を横断する信号は、音響エネルギーを圧電体層４２に伝える。圧電体層４２内の機械的振動は、電極４４および４５を横断する電気信号に変換される。
【００３１】
図３〜図８は、本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図（図３〜図６，図８）及び模式的平面図（図７）である。
【００３２】
先ず、図３に示されているように、集積回路製作に利用されている通常のシリコンウェーハ５１に、エッチングにより窪みを形成する。窪みの深さは好適には３〜３０μｍである。ＦＢＡＲの挟み込み構造の下の空洞の深さは圧電体層により生ずる変位を許容すればよい。したがって、空洞の深さは数μｍあれば十分である。
【００３３】
ウェーハ５１の表面に熱酸化により酸化シリコンの薄層５３を形成し、これにより、その上に以後の工程で形成される犠牲層のＰＳＧからウェーハ５１内に燐が拡散しないようにする。このようにウェーハ内への燐の拡散を抑制することにより、シリコンウェーハが導体に変換されることが阻止され、作製された素子の電気的動作に対する悪影響をなくすことができる。以上のようにしてウェーハ５１の表面に酸化シリコン薄層５３を形成したものを、基板として用いる。即ち、図３は、基板の表面に深さが好適には３〜３０μｍの窪み５２を形成した状態を示す。
【００３４】
次に、図４に示されているように、基板の酸化シリコンの薄層５３上に燐酸石英ガラス（ＰＳＧ）層５５を堆積させる。ＰＳＧは、シランおよびホスフィン（ＰＨ₃ ）を使用して約４５０℃までの温度で堆積され、燐含有量約８％の軟ガラス様物質を形成する。この低温プロセスは、当業者に周知である。ＰＳＧは、比較的低温で堆積させることができ、且つ、希釈Ｈ₂ Ｏ：ＨＦ溶液で非常に高いエッチング速度でエッチングされる非常にクリーンな不活性材料であるから、犠牲層の材料として好適である。以後の工程で実行されるエッチングにおいて１０：１の希釈割合で毎分約３μｍのエッチング速度が得られる。
【００３５】
堆積したままのＰＳＧ犠牲層５５の表面は、原子レベルでみると非常に粗い。したがって、堆積したままのＰＳＧ犠牲層５５は、音響共振器を形成する基体としては不十分である。ＦＢＡＲ／ＳＢＡＲ形式の音響共振器は、結晶が電極面に垂直な柱状晶をなして成長する圧電材料を必要とする。微細な研磨粒子を含む研磨スラリーを用いてＰＳＧ犠牲層５５の表面を磨いて滑らかにすることにより、優れた結晶の圧電材料の薄膜を形成する。
【００３６】
即ち、図５に示されているように、ＰＳＧ層５５の表面を粗仕上げスラリーで磨くことにより全体的に平面化して、窪み５２の外側のＰＳＧ層の部分を除去する。次に、残っているＰＳＧ層５５を更に微細な研磨粒子を含むスラリーで磨く。代替方法として、磨き時間が長くかかってもよければ一つの更に微細なスラリーを用いて上記二つの磨きステップを実行してもよい。目標は、鏡面仕上げである。
【００３７】
以上のようにして窪み５２に対応する位置にＰＳＧ層５５を残留させた基板のクリーニングも重要である。スラリーは基板上に少量のシリカ粗粉を残す。この粗粉を除去せねばならない。本発明の好適な実施形態では、この粗粉除去をポリテックス（Ｐｏｌｙｔｅｘ（商標）：ロデール・ニッタ社）のような堅いパッドの付いた第２の研磨具を使用して行う。その際の潤滑剤として、脱イオン水を使用し、磨いてから最終クリーニングステップの準備が完了するまでウェーハを脱イオン水中に入れておく。基板を、最後の磨きステップと最後のクリーニングステップとの間で乾燥させないように注意する。最後のクリーニングステップは、基板を色々な化学薬品の入っている一連のタンクに漬けることから成る。各タンクに超音波撹拌を加える。このようなクリーニング手段は当業者に周知である。
【００３８】
研磨剤は、シリカ微粒子から構成されている。本発明の好適な実施形態では、シリカ微粒子のアンモニア主体スラリー（ＲｏｄｅｌＫｌｅｂｏｓｏｌ＃３０Ｎ：ローデル・ニッタ社）を利用する。
【００３９】
以上の説明では特定の研磨およびクリーニングの様式を示したが、必要な滑らかさの表面を与えるどんな研磨およびクリーニングの様式をも利用することができる。本発明の好適な実施形態では、最終表面は、原子間力顕微鏡プローブで測った高さのＲＭＳ変動が１．０ｎｍ以下である。
【００４０】
以上のようにして表面をきれいにしてから、図６に示されているように、挟み込み構造体６０の下方電極６１を堆積させる。下方電極６１の好適な材料は、モリブデン（Ｍｏ）である。しかし、下方電極６１を他の材料たとえばＡｌ、Ｗ、Ａｕ、ＰｔまたはＴｉから構成することもできる。その低い熱弾性損失のためモリブデン（Ｍｏ）が好適である。たとえば、Ｍｏの熱弾性損失は、Ａｌの約１／５６である。
【００４１】
下方電極６１の厚さも重要である。厚い層は、薄い層より表面が粗くなる。圧電体層６２の堆積のための滑らかな表面を維持することは、得られる共振器の性能にとって非常に重要である。したがって、下方電極６１の厚さは、好適には１５０ｎｍ以下である。Ｍｏは好適にはスパッタリングにより堆積される。これにより、表面の高さのＲＭＳ変動が２．０ｎｍ以下のＭｏ層が得られる。
【００４２】
下方電極６１を堆積し終わってから、圧電体層６２を堆積する。圧電体層６２の好適な材料は、ＡｌＮまたはＺｎＯであり、これもスパッタリングにより堆積される。本発明の好適な実施形態では、圧電体層６２の厚さは、０．１μｍから１０μｍの間（好ましくは０．５μｍ〜２μｍ）にある。圧電体層６２の上面は、高さのＲＭＳ変動が圧電体層厚さ（平均値）の０．５０％以下であるのが好ましく、また、うねり高さが圧電体層６２の厚さの５．０％以下であるのが好ましい。
【００４３】
最後に、上方電極６３を堆積させる。上方電極６３は、下方電極６１と同様な材料から構成され、好適にはＭｏから構成される。
【００４４】
以上のようにして、下方電極６１、圧電体層６２及び上方電極６３からなり、所要の形状にパターニングされた挟み込み構造体６０を形成してから、図７に示されているように、挟み込み構造体６０の端部または挟み込み構造体６０により覆われずに露出している犠牲層５５の部分から、希釈Ｈ₂ Ｏ：ＨＦ溶液でエッチングすることにより、挟み込み構造体６０の下方のＰＳＧをも除去する。これにより、図８に示されているように、窪み５２の上に橋架けされた挟み込み構造体６０が残る。即ち、挟み込み構造体６０は、基板の表面に形成された窪み５２をまたぐように基板により縁部が支持されている。
【００４５】
以上のようにして得られたＦＢＡＲにおいては、犠牲層５５の表面（高さのＲＭＳ変動が１．０ｎｍ以下）に従って、その上に形成された下方電極６１の下面の高さのＲＭＳ変動が２．０ｎｍ以下であり、更に該下方電極６１は厚さが薄いので上面も高さのＲＭＳ変動が２．０ｎｍ以下である。そして、この下方電極６１の上面に従って、その上に形成された圧電体層６２の下面の高さのＲＭＳ変動が２．０ｎｍ以下である。下方電極６１の滑らかな上面は、圧電体層６２の成長核となる結晶構造を備えていないにもかかわらず、形成される圧電体層６２に非常に規則正しい構造のｃ軸配向を形成し優れた圧電特性を与える。
【００４６】
図９〜図１０は、本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの更に別の実施形態を説明するための模式的断面図である。この実施形態では、上記図３〜５に関し説明したような工程の後に、図９に示されているように、絶縁体層５４を形成する。絶縁体層５４は、たとえばＳｉＯ₂ 膜であり、ＣＶＤ法により堆積することができる。この絶縁体層５４の厚さは、例えば５０〜１０００ｎｍであり、その上面は高さのＲＭＳ変動が２．０ｎｍ以下である。その上に、上記図６に関し説明したような工程を行って挟み込み構造体６０を形成する。次いで、図１０に示されているように、上記図７及び図８に関し説明したような工程を行って、ＦＢＡＲを得る。その際に、犠牲層５５をエッチング除去するために、挟み込み構造体６０の端部または挟み込み構造体６０により覆われていない絶縁体層５４の部分であって犠牲層５５の上方の部分に適宜の大きさの開口を形成し、該開口からエッチング液を供給する。
【００４７】
本実施形態のＦＢＡＲは、挟み込み構造体６０と空洞５２との間に絶縁体層５４が配置されており、挟み込み構造体６０に加えて絶縁体層５４をも含んで振動部が構成されるので、該振動部の強度が向上する。
【００４８】
以上の実施形態は、ＦＢＡＲに関するものである。しかし、当業者には、以上の説明から、同様なプロセスを用いてＳＢＡＲを作製することが可能であることが明らかであろう。ＳＢＡＲの場合には、もう一つの圧電体層（第２の圧電体層）およびその上の電極（第２の上方電極）を堆積しなければならない。第２の圧電体層は上記実施形態で示されているような「ＦＢＡＲ」の上方電極の上に形成されているから、この上方電極の厚さをも１５０ｎｍ以下に維持して第２の圧電体層を堆積するための適切な表面（第１の圧電体層の下方電極の表面と同様）を与えるのが好ましい。
【００４９】
図１１は、本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの更に別の実施形態を説明するための模式的断面図であり、図１２はその上方電極の平面図である。この実施形態では、上方電極６３の形状のみ、上記図３〜８に関し説明した実施形態と異なる。
【００５０】
本実施形態では、上方電極６３が中央部６３１と該中央部の周囲に枠状に位置し且つ中央部６３１より肉厚の外周部６３２とを有する。中央部６３１と外周部６３２との境界は段差により形成されている。
【００５１】
外周部６３２の厚さは、中央部６３１の厚さの１．１倍以上であるのが好ましい。また、中央部６３１の厚さ変動は、該中央部の厚さ（平均値）の２％以下であるのが好ましい。上方電極６３の寸法ａは、例えば１００μｍである。外周部６３２は上方電極６３の外縁から距離ｂまでの範囲内に位置しており、距離ｂは例えば４０μｍまでの値である。
【００５２】
このような上方電極構造とすることで、上方電極外周部での横方向の振動発生を抑制し、音響共振器の振動に余分なスプリアス振動が重なることを防止することができる。その結果、音響共振器およびフィルタの共振特性や品質係数が改善される。
【００５３】
本実施形態では、一層高い音響的品質係数（Ｑ値）を得るために、上方電極６３の中央部６３１の表面のうねり高さは、圧電体層６２の厚さの５．０％以下となるようにするのが好ましい。
【００５４】
本発明の上述の実施形態では、ＰＳＧから構成された犠牲層を利用しているが、犠牲層には他の材料をも使用することができる。たとえば、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ−Ｐｈｏｓｐｈｏｒ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ−Ｇｌａｓｓ：ボロン−燐−シリコン−ガラス）または、スピン・ガラスのような他の形態のガラスを利用することもできる。これ以外にも、スピニングにより材料上に堆積できるポリビニール、ポリプロピレン、およびポリスチレンのようなプラスチックがある。堆積したこれら材料の表面は原子的には滑らかでないので、これら材料から犠牲層を構成する場合にも、ＰＳＧ犠牲層の場合のように、研磨による表面平滑化が重要である。これらの犠牲層は、有機除去材あるいはＯ₂ プラズマエッチングによって取り去ることもできる。
【００５５】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
【００５６】
［実施例１］
図３〜図８に記載されているようにして、薄膜音響共振器を形成した。
【００５７】
先ず、Ｓｉウェーハ５１の表面をＰｔ／Ｔｉ保護膜により被覆し、エッチングにより該保護膜を窪み形成のための所定のパターン状に形成して、Ｓｉウェーハ５１のエッチングのためのマスクを形成した。その後、Ｐｔ／Ｔｉパターンマスクを用いて湿式エッチングを行い、図３に示されているように、深さ２０μｍで幅１５０μｍの窪みを形成した。このエッチングは、５重量％のＫＯＨ水溶液を用い、液温７０℃で実施した。
【００５８】
その後、Ｐｔ／Ｔｉパターンマスクを除去し、図３に示されているように、熱酸化によりＳｉウェーハ５１の表面に厚さ１μｍのＳｉＯ₂ 層５３を形成し、Ｓｉウェーハ５１及びＳｉＯ₂ 層５３からなる基板上に窪み５２の形成されている構造を得た。
【００５９】
次いで、図４に示されているように、窪み５２の形成されているＳｉＯ₂ 層５３上に、厚さ３０μｍのＰＳＧ犠牲層５５を堆積させた。この堆積は、４５０℃で、シラン及びホスフィン（ＰＨ₃ ）を原料として用いた熱ＣＶＤ法により行った。
【００６０】
次いで、図５に示されているようにして、ＰＳＧ犠牲層５５の表面を研磨し、窪み５２以外の領域のＰＳＧ犠牲層５５を除去した。続いて、窪み５２内に残留するＰＳＧ犠牲層５５の表面を微細な研磨粒子を含むスラリーを用いて入念に研磨し、その表面粗さを高さのＲＭＳ変動が１．０ｎｍとなるようにした。
【００６１】
次いで、図６に示されているように、ＰＳＧ犠牲層５５上に厚さ１００ｎｍで寸法２００×２００μｍのＭｏ膜からなる下部電極６１を形成した。Ｍｏ膜の形成は、ＤＣマグネトロンスパッタ法により行った。そして、リフトオフ法によりＭｏ膜のパターニングを行った。形成されたＭｏ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は１．５ｎｍであった。
【００６２】
次いで、下部電極６１上にＺｎＯ膜からなる１．０μｍ厚の圧電体層６２を形成した。ＺｎＯ膜の形成は、スパッタリングターゲットとしてＺｎＯを用い、スパッタガスとしてＡｒとＯ₂ との混合ガスを用い、スパッタガス圧を５ｍＴｏｒｒとし、基板温度４００℃でＲＦマグネトロンスパッタ法により行った。形成されたＺｎＯ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は膜厚の０．５％以下の４．０ｎｍであった。湿式エッチングによりＺｎＯ膜を所定形状にパターニングして圧電体層６２を得た。
【００６３】
次いで、圧電体層６２上に、厚さ１００ｎｍのＭｏ膜からなる上部電極６３を形成した。Ｍｏ膜の形成及びパターニングは、下部電極６１の形成の際と同様にした。上部電極６３の表面について、測定長さ１５０μｍでうねり高さを測定し、測定長さ１００μｍでのうねり高さの最大値を調べたところ、圧電体層６２の膜厚の５．０％以下の３０ｎｍであった。
【００６４】
次いで、希釈Ｈ₂ Ｏ：ＨＦ溶液でエッチングすることによりＰＳＧ犠牲層５５を除去した。これにより、図８に示されているように、窪み５２の上にＭｏ／ＺｎＯ／Ｍｏの挟み込み構造体６０が橋架けされた形態を形成した。
【００６５】
得られた圧電体層６２の薄膜ＸＲＤ分析を行ったところ、膜のｃ軸は膜面に対して８８．８度の方向であり、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は２．４度であり、良好な配向性を示していた。
【００６６】
以上のようにして得られた音響共振器について、マイクロ波プローバを使用して上部電極６３と下部電極６１との間のインピーダンス特性を測定するとともに、共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａを測定し、これらの測定値に基づき電気機械結合係数ｋｔ² を算出した。電気機械結合係数ｋｔ² は５．５％で、音響的品質係数は７００であった。
【００６７】
［比較例１］
ＰＳＧ犠牲層５５の表面粗さを高さのＲＭＳ変動が３０ｎｍとなるように研磨を行ったこと以外は、実施例１と同様にして音響共振器を作製した。
【００６８】
下部電極６１のＭｏ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は３４ｎｍであった。また、ＺｎＯ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は膜厚の０．５％を越える３７ｎｍであった。上部電極６３の表面について、測定長さ１５０μｍでうねり高さを測定し、測定長さ１００μｍでのうねり高さの最大値を調べたところ、圧電体層６２の膜厚の５．０％を越える１１０ｎｍであった。
【００６９】
得られた圧電体層６２の薄膜ＸＲＤ分析を行ったところ、膜のｃ軸は膜面に対して８７．０度の角度に成長しており、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は６．８度であった。
【００７０】
以上のようにして得られた音響共振器の電気機械結合係数ｋｔ² は３．４％で、音響的品質係数は４３０であった。
【００７１】
［実施例２］
圧電体層６２としてＺｎＯ膜に代えてＡｌＮ膜からなるものを用いたこと以外は、実施例１と同様にして音響共振器を作製した。即ち、下部電極６１上にＡｌＮ膜からなる１．２μｍ厚の圧電体層６２を形成した。ＡｌＮ膜の形成は、スパッタリングターゲットとしてＡｌを用い、スパッタガスとしてＡｒとＮ₂ との混合ガスを用い、基板温度４００℃でＲＦマグネトロンスパッタ法により行った。形成されたＡｌＮ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は膜厚の０．５％以下の２．４ｎｍであった。上部電極６３の表面について、測定長さ１５０μｍでうねり高さを測定し、測定長さ１００μｍでのうねり高さの最大値を調べたところ、圧電体層６２の膜厚の５．０％以下の３３ｎｍであった。
【００７２】
得られた圧電体層６２の薄膜ＸＲＤ分析を行ったところ、膜のｃ軸は膜面に対して８８．６度の方向であり、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は２．８度であり、良好な配向性を示していた。
【００７３】
以上のようにして得られた音響共振器の電気機械結合係数ｋｔ² は６．６％で、音響的品質係数は９１０であった。
【００７４】
［比較例２］
ＰＳＧ犠牲層５５の表面粗さを高さのＲＭＳ変動が３３ｎｍとなるように研磨を行ったこと以外は、実施例２と同様にして音響共振器を作製した。
【００７５】
下部電極６１のＭｏ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は３６ｎｍであった。また、ＡｌＮ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は膜厚の０．５％を越える４０ｎｍであった。上部電極６３の表面について、測定長さ１５０μｍでうねり高さを測定し、測定長さ１００μｍでのうねり高さの最大値を調べたところ、圧電体層６２の膜厚の５．０％を越える１５０ｎｍであった。
【００７６】
得られた圧電体層６２の薄膜ＸＲＤ分析を行ったところ、膜のｃ軸は膜面に対して８６．５度の角度に成長しており、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は７．０度であった。
【００７７】
以上のようにして得られた音響共振器の電気機械結合係数ｋｔ² は３．８％で、音響的品質係数は４７０であった。
【００７８】
［実施例３］
図３〜図５，図９〜図１０に記載されているようにして、薄膜音響共振器を形成した。
【００７９】
先ず、実施例１と同様にして、図５に示される構造体を得た。但し、窪み５２内に残留するＰＳＧ犠牲層５５の表面を微細な研磨粒子を含むスラリーを用いて研磨し、その表面粗さを高さのＲＭＳ変動が０．６ｎｍとなるようにした。
【００８０】
次いで、図９に示されているように、ＰＳＧ犠牲層５５の表面をも覆うように基板上にＣＶＤ法により厚さ５００ｎｍのＳｉＯ₂ 膜からなる絶縁体層５４を形成した。形成された絶縁体層５４の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は１．５ｎｍであった。
【００８１】
次いで、絶縁体層５４上に、実施例１と同様にして、図１０に示されているように、Ｍｏ膜からなる下部電極６１を形成した。形成されたＭｏ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は１．８ｎｍであった。
【００８２】
次いで、実施例１と同様にして、下部電極６１上にＺｎＯ膜からなる圧電体層６２を形成した。形成されたＺｎＯ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は膜厚の０．５％以下の４．５ｎｍであった。
【００８３】
次いで、実施例１と同様にして、圧電体層６２上にＭｏ膜からなる上部電極６３を形成した。上部電極６３の表面について、測定長さ１５０μｍでうねり高さを測定し、測定長さ１００μｍでのうねり高さの最大値を調べたところ、圧電体層６２の膜厚の５．０％以下の２７ｎｍであった。
【００８４】
次いで、絶縁体層５４の露出している部分にＰＳＧ犠牲層５５に達するバイアホールを開口し、該開口を介して希釈Ｈ₂ Ｏ：ＨＦ溶液でエッチングすることによりＰＳＧ犠牲層５５を除去した。これにより、図１０に示されているように、窪み５２の上に絶縁体層５４とＭｏ／ＺｎＯ／Ｍｏの挟み込み構造体６０との積層体が橋架けされた形態を形成した。
【００８５】
得られた圧電体層６２の薄膜ＸＲＤ分析を行ったところ、膜のｃ軸は膜面に対して８８．８度の方向であり、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は２．３度であり、良好な配向性を示していた。
【００８６】
以上のようにして得られた音響共振器について、マイクロ波プローバを使用して上部電極６３と下部電極６１との間のインピーダンス特性を測定するとともに、共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａを測定し、これらの測定値に基づき電気機械結合係数ｋｔ² を算出した。電気機械結合係数ｋｔ² は５．４％で、音響的品質係数は６８０であった。
【００８７】
［比較例３］
ＰＳＧ犠牲層５５の表面粗さを高さのＲＭＳ変動が３２ｎｍとなるように研磨を行ったこと以外は、実施例３と同様にして音響共振器を作製した。
【００８８】
絶縁体層５４のＳｉＯ₂ 膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は３６ｎｍであった。また、下部電極６１のＭｏ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は３８ｎｍであった。また、ＺｎＯ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は膜厚の０．５％を越える３９ｎｍであった。上部電極６３の表面について、測定長さ１５０μｍでうねり高さを測定し、測定長さ１００μｍでのうねり高さの最大値を調べたところ、圧電体層６２の膜厚の５．０％を越える９２ｎｍであった。
【００８９】
得られた圧電体層６２の薄膜ＸＲＤ分析を行ったところ、膜のｃ軸は膜面に対して８６．５度の角度に成長しており、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は６．７度であった。
【００９０】
以上のようにして得られた音響共振器の電気機械結合係数ｋｔ² は２．９％で、音響的品質係数は３９０であった。
【００９１】
［実施例４］
上部電極６３の形成以外は、実施例２と同様にして音響共振器を作製した。即ち、実施例２と同様にして圧電体層６２上に厚さ１００ｎｍのＭｏ膜を形成した後に、その外縁から３０μｍの幅の領域において、更にリフトオフ法により厚さ２０ｎｍのＭｏ膜を形成して、図１１に示されているような上部電極６３を形成した。
【００９２】
上部電極６３の中央部６３１の表面について、測定長さ１００μｍでうねり高さを調べたところ、圧電体層６２の膜厚の５．０％以下の３４ｎｍであった。
【００９３】
以上のようにして得られた音響共振器の電気機械結合係数ｋｔ² は７．０％で、音響的品質係数は９６０であった。
【００９４】
【表１】

【００９５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高さのＲＭＳ変動が１．０ｎｍ以下という原子レベルで見て平滑な犠牲層表面上に直接または絶縁体層を介して第１の電極を形成し、該第１の電極の表面を高さのＲＭＳ変動が２．０ｎｍ以下となるようにし、その上に圧電体層を形成するので、第１の電極の結晶性が向上し、これに従って圧電体層の配向性及び結晶品質が著しく改善され、これにより、電気機械結合係数及び音響的品質係数に優れた高性能な薄膜音響共振器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による薄膜音響共振器であるＦＢＡＲの基本構成を説明するための模式的断面図である。
【図２】本発明による薄膜音響共振器であるＳＢＡＲの基本構成を説明するための模式的断面図である。
【図３】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図である。
【図４】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図である。
【図５】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図である。
【図６】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図である。
【図７】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的平面図である。
【図８】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図である。
【図９】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図である。
【図１０】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図である。
【図１１】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図である。
【図１２】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの上方電極の平面図である。
【符号の説明】
２０ＦＢＡＲ
２１上方電極
２２圧電体層
２３下方電極
４０ＳＢＡＲ
４１，４２圧電体層
４３，４４，４５電極
５１シリコンウェーハ
５２窪み
５３酸化シリコン薄層
５４絶縁体層
５５ＰＳＧ犠牲層
６０挟み込み構造体
６１下方電極
６２圧電体層
６３上方電極
６３１上方電極中央部
６３２上方電極外周部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film acoustic resonator using an electroacoustic effect of a piezoelectric thin film. The thin film acoustic resonator can be used as a component of a filter for a communication device.
[0002]
[Prior art]
Due to the need to reduce the cost and size of electronic equipment, there is an ongoing effort to reduce the size of the filter as its circuit component. Consumer electronics, such as cellular phones and miniature radios, place severe restrictions on both the size and cost of the components built into them. Many such electronic devices utilize filters that must be tuned to a precise frequency. Therefore, efforts continue to provide inexpensive and compact filters.
[0003]
An example of a filter that may satisfy these low cost and downsizing requirements is a filter configured using an acoustic resonator. The acoustic resonator utilizes a bulk acoustic wave in a thin film piezoelectric (PZ) material. In one simple configuration of the acoustic resonator, a sandwich structure is formed in which a layer of thin film PZ material is sandwiched between two metal electrodes. This sandwiching structure is supported by a bridge structure in which the central part is suspended in the air by supporting the periphery. When an electric field is generated by a voltage applied between two electrodes, the PZ material converts some of the electrical energy into mechanical energy in the form of sound waves. Sound waves propagate in the same direction as the electric field and are reflected at the electrode / air interface.
[0004]
When mechanically resonating, the acoustic resonator functions as an electrical resonator and can therefore be used to construct a filter. The mechanical resonance of the acoustic resonator occurs at a frequency where the thickness of the material through which the sound wave propagates is equal to the half wavelength of the sound wave. The frequency of the sound wave is equal to the frequency of the electrical signal applied to the electrode. Since the speed of sound waves is 5 to 6 orders of magnitude smaller than the speed of light, the resulting resonator can be made very compact. Resonators for GHz band applications can be configured with dimensions less than 200 microns in diameter and less than a few microns thick.
[0005]
Thin film bulk acoustic resonators (Thin Film Bulk Acoustic Resonators: hereinafter referred to as “FBAR”), and laminated thin film bulk acoustic resonators and filters (Stacked Thin Film Acoustic Resonators: hereinafter referred to as “S”) ), The central portion of the sandwich structure is a piezoelectric thin film having a thickness of about 1 to 2 microns fabricated by sputtering. The upper and lower electrodes act as electrical leads and sandwich the piezoelectric thin film to provide an electric field that penetrates the piezoelectric thin film. The piezoelectric thin film converts part of the electric field energy into mechanical energy. In response to time-varying applied electric field energy, time-varying “stress / strain” energy is formed.
[0006]
In order to operate the FBAR or SBAR as an acoustic resonator, the sandwich structure including the piezoelectric thin film must be supported by a bridge structure to form an air / crystal interface for confining the sound wave in the sandwich structure. The sandwich structure is usually made by depositing a lower electrode, a PZ layer, and then an upper electrode on the substrate surface. Therefore, an air / crystal interface already exists above the sandwich structure. An air / crystal interface must also be provided on the underside of the sandwich structure. In order to obtain the air / crystal interface below the sandwich structure, several methods as described below have been conventionally used.
[0007]
The first method uses etching removal of a wafer forming a substrate, as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-15312. If the substrate is made of silicon, a portion of the silicon substrate is etched away from the back side using a heated KOH aqueous solution to form holes. As a result, a resonator having a configuration in which the edge of the sandwich structure is supported by the portion around the hole of the silicon substrate is obtained. However, such holes drilled through the wafer make the wafer very delicate and very fragile. Further, when wet etching using KOH is performed with an etching inclination of 54.7 degrees with respect to the substrate surface, it is difficult to improve the acquisition amount of the final product, that is, the yield of FBAR / SBAR on the wafer. For example, a sandwich structure having a lateral dimension of about 150 μm × 150 μm formed on a 250 μm thick silicon wafer requires a backside etched opening with dimensions of about 450 μm × 450 μm. Therefore, only about 1/9 of the wafer can be used for production.
[0008]
A second conventional method for providing an air / crystal interface under the sandwich structure is to make an air bridge type FBAR element as described in, for example, JP-A-2-13109. Usually, a sacrificial layer is first installed, and then a sandwich structure is formed on the sacrificial layer. The sacrificial layer is removed at or near the end of the process. Since all processing takes place on the front side of the wafer, this method does not require alignment on both sides of the wafer or a large area backside opening.
[0009]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-69594 describes a structure and a manufacturing method of an air bridge type FBAR / SBAR element using quartz phosphate glass (PSG) as a sacrificial layer. In the publication, a PSG layer is deposited on a silicon wafer. PSG is composed of silane and phosphine (PH _Three ) To form a soft glass-like material having a phosphorus content of about 8%. PSG can be deposited at relatively low temperatures and diluted H ₂ Etched with O: HF solution at very high etch rate.
[0010]
However, in this publication, although the RMS (root mean square) variation of the height of the PSG sacrificial layer is described as less than 0.5 μm, specifically, the specific RMS variation of the order of less than 0.1 μm. There is no description. This RMS fluctuation on the order of 0.1 μm is very rough asperities when viewed atomically. An FBAR / SBAR type acoustic resonator requires a piezoelectric material in which a crystal grows in a columnar crystal perpendicular to the electrode plane. In Japanese Patent Laid-Open No. 2000-69594, although the RMS fluctuation of the height of the conductive sheet parallel to the surface of the PSG layer is described as less than 2 μm, specifically, the specific RMS fluctuation of the order of less than 0.1 μm. There is no description. This RMS fluctuation of the order of 0.1 μm is a surface roughness that is insufficient as a surface for forming a piezoelectric thin film for an acoustic resonator. Attempts were made to grow a piezoelectric film, but crystals grew in various directions under the influence of numerous irregularities on the rough surface, so the crystal quality of the obtained piezoelectric thin film was not always sufficient, It was inadequate with little or no piezoelectric effect.
[0011]
There is also a method of providing an appropriate acoustic mirror instead of providing the air / crystal interface as described above. In this method, for example, as described in JP-A-6-295181, a large acoustic impedance made of an acoustic Bragg reflector is created under the sandwiching structure. Bragg reflectors are made by alternating layers of high and low acoustic impedance materials. The thickness of each layer is fixed to 1/4 of the wavelength of the resonance frequency. With a sufficient number of layers, the effective impedance at the piezoelectric / electrode interface can be made much higher than the acoustic impedance of the element, thus effectively confining acoustic waves within the piezoelectric. The acoustic resonator obtained by this method is called a solid acoustic mirror mounted resonator (SMR) because there is no air gap under the sandwich structure.
[0012]
This method avoids the problems of the first method and the second method described above, in which the peripheral part is fixed and the center part can freely vibrate, but this method also has many problems. . That is, since the metal layer forms a parasitic capacitor that degrades the electrical performance of the filter and cannot be used for the layer of the Bragg reflector, there are limitations on the selection of the material used for the Bragg reflector. The difference in acoustic impedance of layers made from available materials is not great. Therefore, a very large number of layers are required to confine sound waves. This method complicates the fabrication process because the stress on each layer must be precisely controlled. Also, since it is difficult to make vias that penetrate many layers such as 10 to 14, the acoustic resonator obtained by this method is inconvenient for integration with other active elements. Furthermore, in the examples reported so far, the acoustic resonator obtained by this method has a much lower effective coupling coefficient than an acoustic resonator with an air bridge. As a result, the filter using SMR has a narrower effective bandwidth than that using an air bridge type acoustic resonator.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide an FBAR / SBAR element having improved performance.
[0014]
Another object of the present invention is to provide a high-performance FBAR / SBAR element excellent in electromechanical coupling coefficient, acoustic quality factor (Q value), temperature characteristics, etc. by improving the crystal quality of the thin film piezoelectric body (PZ). Is to provide.
[0015]
Still another object of the present invention is to provide a high-performance FBAR / SBAR element having excellent electromechanical coupling coefficient, acoustic quality factor (Q value), temperature characteristics, etc. by devising the shape of the upper electrode. is there.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the object as described above is achieved.
A piezoelectric layer, a first electrode bonded to the first surface of the piezoelectric layer, and a second electrode bonded to the second surface opposite to the first surface of the piezoelectric layer And the first surface of the piezoelectric layer has a RMS fluctuation in height of 2.0 nm or less,
Is provided.
[0017]
In the present invention, the RMS fluctuation of the height is the root mean square roughness described in Japanese Industrial Standard JIS B0601: 2001 “Product Geometric Specification (GPS) —Surface Property: Contour Curve Method—Terminology, Definition, and Surface Property Parameter”. S: Rq (the same applies to the invention described below).
[0018]
In addition, according to the present invention, the object as described above is achieved.
A piezoelectric layer, a first electrode bonded to the first surface of the piezoelectric layer, and a second electrode bonded to the second surface opposite to the first surface of the piezoelectric layer And the surface of the first electrode on the piezoelectric layer side of the first electrode has a height RMS variation of 2.0 nm or less,
Is provided.
[0019]
In one aspect of the present invention, the RMS fluctuation of the second surface of the piezoelectric layer is 0.50% or less of the thickness of the piezoelectric layer.
[0020]
In one embodiment of the present invention, the second electrode has a central portion and an outer peripheral portion thicker than the central portion. In one aspect of the present invention, the undulation height of the surface of the central portion of the second electrode is 5.0% or less of the thickness of the piezoelectric layer. In the present invention, the swell height is a value converted to a swell height at a measurement length of 100 μm.
[0021]
In one aspect of the present invention, the outer peripheral portion of the second electrode is positioned in a frame shape around the central portion of the second electrode. In one aspect of the present invention, the thickness variation of the central portion of the second electrode is 2% or less of the thickness of the central portion. In one aspect of the present invention, the thickness of the outer peripheral portion of the second electrode is 1.1 times or more the height of the central portion of the second electrode. In one aspect of the present invention, the outer peripheral portion of the second electrode is located within a distance range of 40 μm from the outer edge of the second electrode.
[0022]
In one aspect of the present invention, the sandwiched structure including the piezoelectric layer, the first electrode, and the second electrode has an edge formed by the substrate so as to straddle a depression formed on the surface of the substrate. It is supported. In one embodiment of the present invention, an insulator layer formed so as to straddle the depression is disposed on the surface of the substrate, and the sandwich structure is formed on the insulator layer.
[0023]
Furthermore, according to the present invention, the object as described above is achieved.
A piezoelectric layer, a first electrode bonded to the first surface of the piezoelectric layer, and a second electrode bonded to the second surface opposite to the first surface of the piezoelectric layer A method of manufacturing a thin film acoustic resonator having:
A recess is formed on the surface of the substrate, a sacrificial layer is filled in the recess, the surface of the sacrificial layer is polished so that the RMS fluctuation in height is 1.0 nm or less, and a part of the surface of the sacrificial layer The first electrode is formed on the first electrode and a part of the surface of the substrate, the piezoelectric layer is formed on the first electrode, and the first electrode is formed on the piezoelectric layer. A method of manufacturing a thin film acoustic resonator, wherein the electrode is formed and the sacrificial layer is etched away from the depression.
Is provided.
[0024]
In one embodiment of the present invention, the first electrode is formed to a thickness of 150 nm or less, and the RMS fluctuation of the height of the upper surface of the first electrode is 2.0 nm or less. In one embodiment of the present invention, an insulator layer is formed on the sacrificial layer prior to forming the first electrode.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0026]
FIG. 1 and FIG. 2 are schematic cross-sectional views for explaining the basic configuration of FBAR and SBAR, which are thin film acoustic resonators according to the present invention, respectively.
[0027]
In FIG. 1, the FBAR 20 includes an upper electrode 21 and a lower electrode 23, which form a sandwich structure by sandwiching a part of a layer 22 of a piezoelectric (PZ) material. The preferred PZ material is aluminum nitride (AlN) or zinc oxide (ZnO). The

electrodes

21, 23 used in the FBAR 20 are preferably made from molybdenum, but other materials can be used. The lower electrode 23 is a first electrode, and the upper electrode 21 is a second electrode.
[0028]
This element utilizes the action of bulk acoustic waves in the thin film PZ material. When an electric field is generated between the two

electrodes

21 and 23 by the applied voltage, the PZ material converts a part of the electric energy into mechanical energy in the form of sound waves. Sound waves propagate in the same direction as the electric field and are reflected at the electrode / air interface.
[0029]
When mechanically resonating, the element functions as an electrical resonator, and thus the element can operate as a notch filter. The mechanical resonance of the element occurs at a frequency at which the thickness of the material through which the sound wave propagates is equal to the half wavelength of the sound wave. The frequency of the sound wave is the frequency of an electric signal applied between the

electrodes

21 and 23. Since the speed of sound waves is 5 to 6 orders of magnitude smaller than the speed of light, the resulting resonator can be made very compact. Resonators for GHz band applications can be constructed with a planar dimension on the order of about 100 μm and a thickness of several μm.
[0030]
Next, SBAR will be described with reference to FIG. SBAR 40 provides an electrical function similar to a bandpass filter. The SBAR 40 is basically two FBAR filters that are mechanically coupled. A signal that traverses the

electrodes

43 and 44 at the resonant frequency of the piezoelectric layer 41 transmits acoustic energy to the piezoelectric layer 42. Mechanical vibrations in the piezoelectric layer 42 are converted into electrical signals that traverse the

electrodes

44 and 45.
[0031]
3 to 8 are schematic sectional views (FIGS. 3 to 6 and FIG. 8) and schematic views for explaining an embodiment of the FBAR which is an acoustic resonator according to the present invention and the FBAR obtained thereby. FIG. 8 is a schematic plan view (FIG. 7).
[0032]
First, as shown in FIG. 3, a recess is formed by etching in a normal silicon wafer 51 used for integrated circuit fabrication. The depth of the depression is preferably 3 to 30 μm. The depth of the cavity below the sandwiched structure of the FBARs may allow a displacement caused by the piezoelectric layer. Therefore, it is sufficient that the cavity has a depth of several μm.
[0033]
A thin layer 53 of silicon oxide is formed on the surface of the wafer 51 by thermal oxidation, thereby preventing phosphorus from diffusing into the wafer 51 from the PSG which is a sacrificial layer formed thereon. By suppressing the diffusion of phosphorus into the wafer in this way, the silicon wafer is prevented from being converted into a conductor, and adverse effects on the electrical operation of the fabricated device can be eliminated. A substrate in which the silicon oxide thin layer 53 is formed on the surface of the wafer 51 as described above is used as a substrate. That is, FIG. 3 shows a state in which a recess 52 having a depth of preferably 3 to 30 μm is formed on the surface of the substrate.
[0034]
Next, as shown in FIG. 4, a quartz phosphate glass (PSG) layer 55 is deposited on the silicon oxide thin layer 53 of the substrate. PSG is composed of silane and phosphine (PH _Three ) At a temperature up to about 450 ° C. to form a soft glass-like material with a phosphorus content of about 8%. This low temperature process is well known to those skilled in the art. PSG can be deposited at relatively low temperatures and diluted H ₂ Since it is a very clean inert material that is etched with an O: HF solution at a very high etching rate, it is suitable as a material for the sacrificial layer. In the etching performed in the subsequent steps, an etching rate of about 3 μm per minute is obtained at a dilution ratio of 10: 1.
[0035]
The surface of the PSG sacrificial layer 55 as deposited is very rough when viewed at the atomic level. Therefore, the as-deposited PSG sacrificial layer 55 is insufficient as a substrate for forming an acoustic resonator. The FBAR / SBAR type acoustic resonator requires a piezoelectric material in which a crystal grows in a columnar crystal perpendicular to the electrode surface. By polishing and smoothing the surface of the PSG sacrificial layer 55 using a polishing slurry containing fine abrasive particles, a thin film of a piezoelectric material having excellent crystallinity is formed.
[0036]
That is, as shown in FIG. 5, the surface of the PSG layer 55 is entirely planarized by polishing with a rough finish slurry, and the portion of the PSG layer outside the recess 52 is removed. Next, the remaining PSG layer 55 is polished with a slurry containing finer abrasive particles. As an alternative, the two polishing steps may be performed with one finer slurry if longer polishing times may be required. The goal is a mirror finish.
[0037]
As described above, it is also important to clean the substrate in which the PSG layer 55 remains at the position corresponding to the recess 52. The slurry leaves a small amount of coarse silica powder on the substrate. This coarse powder must be removed. In a preferred embodiment of the present invention, this coarse powder removal is performed using a second abrasive tool with a hard pad such as Polytex ™ (Rodel Nitta). Deionized water is used as a lubricant at that time, and the wafer is placed in deionized water until it is polished and ready for the final cleaning step. Care is taken not to dry the substrate between the last polishing step and the last cleaning step. The final cleaning step consists of immersing the substrate in a series of tanks containing various chemicals. Add ultrasonic agitation to each tank. Such cleaning means are well known to those skilled in the art.
[0038]
The abrasive is composed of silica fine particles. In a preferred embodiment of the present invention, an ammonia-based slurry of silica fine particles (Rodel Klebosol # 30N: Rodel Nitta) is used.
[0039]
Although the above description has shown a specific polishing and cleaning mode, any polishing and cleaning mode that provides the required smooth surface can be utilized. In a preferred embodiment of the invention, the final surface has a height RMS variation as measured with an atomic force microscope probe of 1.0 nm or less.
[0040]
After the surface is cleaned as described above, the lower electrode 61 of the sandwich structure 60 is deposited as shown in FIG. A suitable material for the lower electrode 61 is molybdenum (Mo). However, the lower electrode 61 can be made of other materials such as Al, W, Au, Pt or Ti. Molybdenum (Mo) is preferred because of its low thermoelastic loss. For example, the thermoelastic loss of Mo is about 1/56 of Al.
[0041]
The thickness of the lower electrode 61 is also important. A thick layer has a rougher surface than a thin layer. Maintaining a smooth surface for the deposition of the piezoelectric layer 62 is very important to the performance of the resulting resonator. Therefore, the thickness of the lower electrode 61 is preferably 150 nm or less. Mo is preferably deposited by sputtering. As a result, a Mo layer having an RMS fluctuation of the surface height of 2.0 nm or less is obtained.
[0042]
After the lower electrode 61 is deposited, the piezoelectric layer 62 is deposited. A suitable material for the piezoelectric layer 62 is AlN or ZnO, which is also deposited by sputtering. In a preferred embodiment of the present invention, the thickness of the piezoelectric layer 62 is between 0.1 μm and 10 μm (preferably 0.5 μm to 2 μm). The upper surface of the piezoelectric layer 62 is preferably such that the RMS fluctuation in height is 0.50% or less of the piezoelectric layer thickness (average value), and the waviness height is 5 times the thickness of the piezoelectric layer 62. It is preferably 0.0% or less.
[0043]
Finally, the upper electrode 63 is deposited. The upper electrode 63 is made of the same material as the lower electrode 61, and is preferably made of Mo.
[0044]
As described above, the sandwiching structure 60 composed of the lower electrode 61, the piezoelectric layer 62, and the upper electrode 63, which is patterned into a required shape, is formed, and then the sandwiching structure is formed as shown in FIG. From the end of the body 60 or the portion of the sacrificial layer 55 exposed without being covered by the sandwich structure 60, the dilution H ₂ The PSG below the sandwich structure 60 is also removed by etching with the O: HF solution. As a result, as shown in FIG. 8, the sandwich structure 60 bridged on the recess 52 remains. That is, the sandwiching structure 60 is supported at the edge by the substrate so as to straddle the depression 52 formed on the surface of the substrate.
[0045]
In the FBAR obtained as described above, the RMS variation in the height of the lower surface of the lower electrode 61 formed thereon is 2 according to the surface of the sacrificial layer 55 (the RMS variation in height is 1.0 nm or less). Further, the lower electrode 61 is thin, so that the RMS fluctuation of the height of the upper surface is 2.0 nm or less. And according to the upper surface of this lower electrode 61, the RMS fluctuation | variation of the height of the lower surface of the piezoelectric material layer 62 formed on it is 2.0 nm or less. Even though the smooth upper surface of the lower electrode 61 does not have a crystal structure as a growth nucleus of the piezoelectric layer 62, the formed piezoelectric layer 62 has a c-axis orientation having a very regular structure and is excellent. Gives piezoelectric properties.
[0046]
9 to 10 are schematic cross-sectional views for explaining still another embodiment of a method for manufacturing an FBAR that is an acoustic resonator according to the present invention and an FBAR obtained thereby. In this embodiment, the insulator layer 54 is formed as shown in FIG. 9 after the steps described with reference to FIGS. For example, the insulator layer 54 is made of SiO. ₂ It is a film and can be deposited by CVD. The thickness of the insulator layer 54 is, for example, 50 to 1000 nm, and the RMS variation of the height of the upper surface thereof is 2.0 nm or less. On top of that, the sandwiching structure 60 is formed by performing the steps described with reference to FIG. Next, as shown in FIG. 10, the steps described with reference to FIGS. 7 and 8 are performed to obtain the FBAR. At that time, in order to remove the sacrificial layer 55 by etching, an appropriate portion of the end portion of the sandwich structure 60 or the portion of the insulator layer 54 not covered by the sandwich structure 60 and above the sacrificial layer 55 is appropriately disposed. An opening having a size is formed, and an etching solution is supplied from the opening.
[0047]
In the FBAR of the present embodiment, the insulator layer 54 is disposed between the sandwich structure 60 and the cavity 52, and the vibrating portion is configured to include the insulator layer 54 in addition to the sandwich structure 60. The strength of the vibration part is improved.
[0048]
The above embodiment relates to FBAR. However, it will be apparent to those skilled in the art from the above description that SBAR can be made using a similar process. In the case of SBAR, another piezoelectric layer (second piezoelectric layer) and an electrode thereon (second upper electrode) must be deposited. Since the second piezoelectric layer is formed on the upper electrode of “FBAR” as shown in the above embodiment, the thickness of the upper electrode is also maintained at 150 nm or less, and the second piezoelectric layer is formed. It is preferable to provide a suitable surface (similar to the surface of the lower electrode of the first piezoelectric layer) for depositing the body layer.
[0049]
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view for explaining still another embodiment of the FBAR manufacturing method and the FBAR obtained by the method according to the present invention, and FIG. 12 is a plan view of the upper electrode. It is. In this embodiment, only the shape of the upper electrode 63 is different from the embodiment described with reference to FIGS.
[0050]
In the present embodiment, the upper electrode 63 has a central portion 631 and an outer peripheral portion 632 that is positioned in a frame shape around the central portion and is thicker than the central portion 631. The boundary between the central portion 631 and the outer peripheral portion 632 is formed by a step.
[0051]
The thickness of the outer peripheral portion 632 is preferably 1.1 times or more the thickness of the central portion 631. Moreover, it is preferable that the thickness fluctuation | variation of the center part 631 is 2% or less of the thickness (average value) of this center part. The dimension a of the upper electrode 63 is, for example, 100 μm. The outer peripheral part 632 is located within a range from the outer edge of the upper electrode 63 to the distance b, and the distance b is, for example, a value up to 40 μm.
[0052]
With such an upper electrode structure, it is possible to suppress the occurrence of lateral vibrations at the outer periphery of the upper electrode and to prevent excessive spurious vibrations from overlapping the vibrations of the acoustic resonator. As a result, the resonance characteristics and quality factor of the acoustic resonator and the filter are improved.
[0053]
In the present embodiment, in order to obtain a higher acoustic quality factor (Q value), the undulation height of the surface of the central portion 631 of the upper electrode 63 is 5.0% or less of the thickness of the piezoelectric layer 62. It is preferable to do so.
[0054]
In the above-described embodiment of the present invention, a sacrificial layer made of PSG is used, but other materials can be used for the sacrificial layer. For example, BPSG (Boron-Phosphor-Silicate-Glass) or other forms of glass such as spin glass may be utilized. There are other plastics such as polyvinyl, polypropylene, and polystyrene that can be deposited on the material by spinning. Since the surface of these deposited materials is not atomically smooth, even when the sacrificial layer is composed of these materials, surface smoothing by polishing is important as in the case of the PSG sacrificial layer. These sacrificial layers can be organic removal materials or O ₂ It can also be removed by plasma etching.
[0055]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0056]
[Example 1]
A thin film acoustic resonator was formed as described in FIGS.
[0057]
First, the surface of the Si wafer 51 was covered with a Pt / Ti protective film, and the protective film was formed into a predetermined pattern for forming depressions by etching, thereby forming a mask for etching the Si wafer 51. Thereafter, wet etching was performed using a Pt / Ti pattern mask to form a recess having a depth of 20 μm and a width of 150 μm, as shown in FIG. This etching was performed at a liquid temperature of 70 ° C. using a 5 wt% aqueous KOH solution.
[0058]
Thereafter, the Pt / Ti pattern mask is removed, and as shown in FIG. 3, SiO.sub.1 having a thickness of 1 .mu.m is formed on the surface of the Si wafer 51 by thermal oxidation. ₂ Layer 53 is formed, Si wafer 51 and SiO ₂ A structure in which a depression 52 was formed on the substrate made of the layer 53 was obtained.
[0059]
Next, as shown in FIG. 4, the SiO in which the recess 52 is formed is formed. ₂ A PSG sacrificial layer 55 having a thickness of 30 μm was deposited on the layer 53. This deposition was performed at 450 ° C. with silane and phosphine (PH _Three ) By a thermal CVD method using as a raw material.
[0060]
Next, as shown in FIG. 5, the surface of the PSG sacrificial layer 55 was polished, and the PSG sacrificial layer 55 in a region other than the recess 52 was removed. Subsequently, the surface of the PSG sacrificial layer 55 remaining in the recess 52 was carefully polished using a slurry containing fine abrasive particles, and the surface roughness was adjusted so that the RMS fluctuation of the height was 1.0 nm. .
[0061]
Next, as shown in FIG. 6, a lower electrode 61 made of a Mo film having a thickness of 100 nm and a size of 200 × 200 μm was formed on the PSG sacrificial layer 55. The Mo film was formed by DC magnetron sputtering. Then, the Mo film was patterned by a lift-off method. When the surface roughness of the formed Mo film was measured, the RMS fluctuation of the height was 1.5 nm.
[0062]
Next, a piezoelectric layer 62 having a thickness of 1.0 μm made of a ZnO film was formed on the lower electrode 61. The formation of the ZnO film uses ZnO as a sputtering target and Ar and O as sputtering gases. ₂ And a sputtering gas pressure of 5 mTorr and a substrate temperature of 400 ° C. by RF magnetron sputtering. When the surface roughness of the formed ZnO film was measured, the RMS fluctuation in height was 4.0 nm, which is 0.5% or less of the film thickness. The piezoelectric layer 62 was obtained by patterning the ZnO film into a predetermined shape by wet etching.
[0063]
Next, an upper electrode 63 made of a Mo film having a thickness of 100 nm was formed on the piezoelectric layer 62. The formation and patterning of the Mo film were the same as in the formation of the lower electrode 61. On the surface of the upper electrode 63, the undulation height was measured at a measurement length of 150 μm, and the maximum value of the undulation height at a measurement length of 100 μm was examined. As a result, the thickness of the piezoelectric layer 62 was 5.0% or less. It was 30 nm.
[0064]
Then dilution H ₂ The PSG sacrificial layer 55 was removed by etching with an O: HF solution. As a result, as shown in FIG. 8, the Mo / ZnO / Mo sandwich structure 60 was bridged on the recess 52.
[0065]
When thin film XRD analysis of the obtained piezoelectric layer 62 was performed, the c-axis of the film was in the direction of 88.8 degrees with respect to the film surface, and as a result of examining the degree of orientation by a rocking curve, the half width of the peak was It was 2.4 degrees, indicating good orientation.
[0066]
For the acoustic resonator obtained as described above, the impedance characteristic between the upper electrode 63 and the lower electrode 61 is measured using a microwave prober, and the resonance frequency fr and the antiresonance frequency fa are measured. Based on these measured values, electromechanical coupling coefficient kt ² Was calculated. Electromechanical coupling coefficient kt ² Was 5.5% and the acoustic quality factor was 700.
[0067]
[Comparative Example 1]
An acoustic resonator was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the surface roughness of the PSG sacrificial layer 55 was polished so that the RMS fluctuation of the height was 30 nm.
[0068]
When the surface roughness of the Mo film of the lower electrode 61 was measured, the RMS fluctuation of the height was 34 nm. Further, when the surface roughness of the ZnO film was measured, the RMS fluctuation of the height was 37 nm exceeding 0.5% of the film thickness. On the surface of the upper electrode 63, the undulation height was measured at a measurement length of 150 μm, and when the maximum value of the undulation height at a measurement length of 100 μm was examined, it exceeded 5.0% of the film thickness of the piezoelectric layer 62. It was 110 nm.
[0069]
When the thin film XRD analysis of the obtained piezoelectric layer 62 was performed, the c-axis of the film grew at an angle of 87.0 degrees with respect to the film surface. The full width at half maximum was 6.8 degrees.
[0070]
Electromechanical coupling coefficient kt of the acoustic resonator obtained as described above ² Was 3.4% and the acoustic quality factor was 430.
[0071]
[Example 2]
An acoustic resonator was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the piezoelectric layer 62 was made of an AlN film instead of the ZnO film. That is, a 1.2 μm thick piezoelectric layer 62 made of an AlN film was formed on the lower electrode 61. The AlN film is formed using Al as a sputtering target and Ar and N as sputtering gases. ₂ And a mixed gas with a substrate temperature of 400 ° C. by RF magnetron sputtering. When the surface roughness of the formed AlN film was measured, the RMS fluctuation of the height was 2.4 nm, which is 0.5% or less of the film thickness. On the surface of the upper electrode 63, the undulation height was measured at a measurement length of 150 μm, and the maximum value of the undulation height at a measurement length of 100 μm was examined. As a result, it was 5.0% or less of the film thickness of the piezoelectric layer 62. It was 33 nm.
[0072]
When thin film XRD analysis of the obtained piezoelectric layer 62 was performed, the c-axis of the film was in the direction of 88.6 degrees with respect to the film surface, and as a result of examining the degree of orientation by a rocking curve, the half width of the peak was It was 2.8 degrees, indicating good orientation.
[0073]
Electromechanical coupling coefficient kt of the acoustic resonator obtained as described above ² Was 6.6% and the acoustic quality factor was 910.
[0074]
[Comparative Example 2]
An acoustic resonator was fabricated in the same manner as in Example 2 except that the surface roughness of the PSG sacrificial layer 55 was polished so that the RMS fluctuation of the height was 33 nm.
[0075]
When the surface roughness of the Mo film of the lower electrode 61 was measured, the RMS fluctuation of the height was 36 nm. Further, when the surface roughness of the AlN film was measured, the RMS fluctuation of the height was 40 nm exceeding 0.5% of the film thickness. On the surface of the upper electrode 63, the undulation height was measured at a measurement length of 150 μm, and when the maximum value of the undulation height at a measurement length of 100 μm was examined, it exceeded 5.0% of the film thickness of the piezoelectric layer 62. It was 150 nm.
[0076]
When the thin film XRD analysis of the obtained piezoelectric layer 62 was performed, the c-axis of the film grew at an angle of 86.5 degrees with respect to the film surface. The full width at half maximum was 7.0 degrees.
[0077]
Electromechanical coupling coefficient kt of the acoustic resonator obtained as described above ² Was 3.8% and the acoustic quality factor was 470.
[0078]
[Example 3]
A thin film acoustic resonator was formed as described in FIGS. 3 to 5 and 9 to 10.
[0079]
First, the structure shown in FIG. 5 was obtained in the same manner as in Example 1. However, the surface of the PSG sacrificial layer 55 remaining in the recess 52 was polished with a slurry containing fine abrasive particles, and the surface roughness was adjusted such that the RMS fluctuation of the height was 0.6 nm.
[0080]
Next, as shown in FIG. 9, a 500 nm thick SiO 2 film is formed on the substrate by CVD so as to cover the surface of the PSG sacrificial layer 55. ₂ An insulating layer 54 made of a film was formed. When the surface roughness of the formed insulator layer 54 was measured, the RMS fluctuation of the height was 1.5 nm.
[0081]
Next, a lower electrode 61 made of a Mo film was formed on the insulator layer 54 as shown in FIG. When the surface roughness of the formed Mo film was measured, the RMS fluctuation of the height was 1.8 nm.
[0082]
Next, in the same manner as in Example 1, a piezoelectric layer 62 made of a ZnO film was formed on the lower electrode 61. When the surface roughness of the formed ZnO film was measured, the RMS variation in height was 4.5 nm, which is 0.5% or less of the film thickness.
[0083]
Next, in the same manner as in Example 1, an upper electrode 63 made of a Mo film was formed on the piezoelectric layer 62. On the surface of the upper electrode 63, the undulation height was measured at a measurement length of 150 μm, and the maximum value of the undulation height at a measurement length of 100 μm was examined. As a result, it was 5.0% or less of the film thickness of the piezoelectric layer 62. It was 27 nm.
[0084]
Next, a via hole reaching the PSG sacrificial layer 55 is opened in the exposed portion of the insulator layer 54, and diluted H through the opening ₂ The PSG sacrificial layer 55 was removed by etching with an O: HF solution. As a result, as shown in FIG. 10, a form in which the laminated body of the insulating layer 54 and the sandwich structure 60 of Mo / ZnO / Mo was bridged on the depression 52 was formed.
[0085]
When thin film XRD analysis of the obtained piezoelectric layer 62 was performed, the c-axis of the film was in the direction of 88.8 degrees with respect to the film surface, and as a result of examining the degree of orientation by a rocking curve, the half width of the peak was It was 2.3 degrees, indicating good orientation.
[0086]
For the acoustic resonator obtained as described above, the impedance characteristic between the upper electrode 63 and the lower electrode 61 is measured using a microwave prober, and the resonance frequency fr and the antiresonance frequency fa are measured. Based on these measured values, electromechanical coupling coefficient kt ² Was calculated. Electromechanical coupling coefficient kt ² Was 5.4% and the acoustic quality factor was 680.
[0087]
[Comparative Example 3]
An acoustic resonator was fabricated in the same manner as in Example 3, except that the surface roughness of the PSG sacrificial layer 55 was polished so that the RMS fluctuation of the height was 32 nm.
[0088]
SiO of insulator layer 54 ₂ When the surface roughness of the film was measured, the RMS fluctuation of the height was 36 nm. Further, when the surface roughness of the Mo film of the lower electrode 61 was measured, the RMS fluctuation of the height was 38 nm. Further, when the surface roughness of the ZnO film was measured, the RMS fluctuation of the height was 39 nm exceeding 0.5% of the film thickness. On the surface of the upper electrode 63, the undulation height was measured at a measurement length of 150 μm, and when the maximum value of the undulation height at a measurement length of 100 μm was examined, it exceeded 5.0% of the film thickness of the piezoelectric layer 62. It was 92 nm.
[0089]
When the thin film XRD analysis of the obtained piezoelectric layer 62 was performed, the c-axis of the film grew at an angle of 86.5 degrees with respect to the film surface. The full width at half maximum was 6.7 degrees.
[0090]
Electromechanical coupling coefficient kt of the acoustic resonator obtained as described above ² Was 2.9% and the acoustic quality factor was 390.
[0091]
[Example 4]
An acoustic resonator was manufactured in the same manner as in Example 2 except for the formation of the upper electrode 63. That is, after a Mo film having a thickness of 100 nm was formed on the piezoelectric layer 62 in the same manner as in Example 2, a Mo film having a thickness of 20 nm was further formed by a lift-off method in a region having a width of 30 μm from the outer edge. An upper electrode 63 as shown in FIG. 11 was formed.
[0092]
When the undulation height of the surface of the central portion 631 of the upper electrode 63 was examined at a measurement length of 100 μm, it was 34 nm, which is 5.0% or less of the film thickness of the piezoelectric layer 62.
[0093]
Electromechanical coupling coefficient kt of the acoustic resonator obtained as described above ² Was 7.0% and the acoustic quality factor was 960.
[0094]
[Table 1]

[0095]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the first electrode is formed directly or via the insulator layer on the surface of the sacrificial layer that is smooth when viewed from the atomic level where the RMS fluctuation of the height is 1.0 nm or less. Since the RMS variation of the surface of the first electrode is set to 2.0 nm or less and the piezoelectric layer is formed thereon, the crystallinity of the first electrode is improved, and the piezoelectric body The layer orientation and crystal quality are significantly improved, thereby providing a high performance thin film acoustic resonator with excellent electromechanical coupling and acoustic quality factors.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a basic configuration of an FBAR which is a thin film acoustic resonator according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a basic configuration of an SBAR that is a thin film acoustic resonator according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a method for manufacturing an FBAR that is an acoustic resonator according to the present invention and an embodiment of the FBAR obtained by the method.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a method for manufacturing an FBAR that is an acoustic resonator according to the present invention and an embodiment of the FBAR obtained by the method.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining a method for manufacturing an FBAR that is an acoustic resonator according to the present invention and an embodiment of the FBAR obtained by the method.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining a method for manufacturing an FBAR that is an acoustic resonator according to the present invention and an embodiment of the FBAR obtained by the method.
FIG. 7 is a schematic plan view for explaining a method for manufacturing an FBAR that is an acoustic resonator according to the present invention and an embodiment of the FBAR obtained by the method.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining a method for manufacturing an FBAR that is an acoustic resonator according to the present invention and an embodiment of the FBAR obtained by the method.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for explaining a method for manufacturing an FBAR that is an acoustic resonator according to the present invention and an embodiment of the FBAR obtained by the method.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining a method for manufacturing an FBAR that is an acoustic resonator according to the present invention and an embodiment of the FBAR obtained by the method.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view for explaining a method for manufacturing an FBAR that is an acoustic resonator according to the present invention and an embodiment of the FBAR obtained by the method.
FIG. 12 is a plan view of a method for manufacturing an FBAR, which is an acoustic resonator according to the present invention, and an upper electrode of the FBAR obtained by the method.
[Explanation of symbols]
20 FBAR
21 Upper electrode
22 Piezoelectric layer
23 Lower electrode
40 SBAR
41, 42 Piezoelectric layer
43, 44, 45 electrodes
51 Silicon wafer
52 Dimple
53 Thin layer of silicon oxide
54 Insulator layer
55 PSG sacrificial layer
60 sandwich structure
61 Lower electrode
62 Piezoelectric layer
63 Upper electrode
631 Upper electrode center
632 Upper electrode outer periphery

Claims

A piezoelectric layer, a first electrode bonded to the first surface of the piezoelectric layer, and a second electrode bonded to the second surface opposite to the first surface of the piezoelectric layer And the thickness of the piezoelectric layer is 0.1 μm to 10 μm,
The first surface of the piezoelectric layer has an RMS variation in height of 2.0 nm or less,
The second surface of the piezoelectric layer has an RMS fluctuation in height of 0.50% or less of the thickness of the piezoelectric layer, and the waviness height is 5.0 of the thickness of the piezoelectric layer. % Or less ,
The sandwich structure including the piezoelectric layer, the first electrode, and the second electrode is formed on an insulator layer formed on the surface of the substrate,
The insulator layer is arranged such that an edge is supported by the substrate so as to straddle a depression formed on the surface of the substrate ,
The surface on the first electrode side of the insulator layer has a height RMS variation of 2.0 nm or less,
A thin-film acoustic resonator, wherein the surface of the second electrode has a waviness height of 5.0% or less of the thickness of the piezoelectric layer .

A piezoelectric layer, a first electrode bonded to the first surface of the piezoelectric layer, and a second electrode bonded to the second surface opposite to the first surface of the piezoelectric layer And the thickness of the piezoelectric layer is 0.1 μm to 10 μm,
The surface on the piezoelectric layer side of the first electrode has a height RMS variation of 2.0 nm or less,
The surface of the second electrode on the side of the piezoelectric layer has an RMS fluctuation of 0.50% or less of the thickness of the piezoelectric layer, and the undulation of the second surface of the piezoelectric layer The height is 5.0% or less of the thickness of the piezoelectric layer ,
The sandwich structure including the piezoelectric layer, the first electrode, and the second electrode is formed on an insulator layer formed on the surface of the substrate,
The insulator layer is arranged such that an edge is supported by the substrate so as to straddle a depression formed on the surface of the substrate,
The surface on the first electrode side of the insulator layer has a height RMS variation of 2.0 nm or less,
A thin-film acoustic resonator, wherein the surface of the second electrode has a waviness height of 5.0% or less of the thickness of the piezoelectric layer .

A piezoelectric layer, a first electrode bonded to the first surface of the piezoelectric layer, and a second electrode bonded to the second surface opposite to the first surface of the piezoelectric layer And the thickness of the piezoelectric layer is 0.1 μm to 10 μm,
The first surface of the piezoelectric layer has an RMS variation in height of 2.0 nm or less,
The second surface of the piezoelectric layer has an RMS fluctuation in height of 0.50% or less of the thickness of the piezoelectric layer, and the waviness height is 5.0 of the thickness of the piezoelectric layer. % Or less ,
The sandwich structure including the piezoelectric layer, the first electrode, and the second electrode is formed on an insulator layer formed on the surface of the substrate,
The insulator layer is arranged such that an edge is supported by the substrate so as to straddle a depression formed on the surface of the substrate,
The surface on the first electrode side of the insulator layer has a height RMS variation of 2.0 nm or less,
The second electrode has a central portion and an outer peripheral portion thicker than the central portion;
The thin film acoustic resonator according to claim 2, wherein the second electrode has a waviness height of the surface of the central portion of 5.0% or less of the thickness of the piezoelectric layer .

A piezoelectric layer, a first electrode bonded to the first surface of the piezoelectric layer, and a second electrode bonded to the second surface opposite to the first surface of the piezoelectric layer And the thickness of the piezoelectric layer is 0.1 μm to 10 μm,
The surface on the piezoelectric layer side of the first electrode has a height RMS variation of 2.0 nm or less,
The surface of the second electrode on the side of the piezoelectric layer has an RMS fluctuation of 0.50% or less of the thickness of the piezoelectric layer, and the undulation of the second surface of the piezoelectric layer The height is 5.0% or less of the thickness of the piezoelectric layer ,
The sandwich structure including the piezoelectric layer, the first electrode, and the second electrode is formed on an insulator layer formed on the surface of the substrate,
The insulator layer is arranged such that an edge is supported by the substrate so as to straddle a depression formed on the surface of the substrate,
The surface on the first electrode side of the insulator layer has a height RMS variation of 2.0 nm or less,
The second electrode has a central portion and an outer peripheral portion thicker than the central portion;
The thin film acoustic resonator according to claim 2, wherein the second electrode has a waviness height of the surface of the central portion of 5.0% or less of the thickness of the piezoelectric layer .

The outer peripheral portion is located in a frame shape around the central portion,
5. The thin film acoustic resonator according to claim 3 , wherein a thickness of the outer peripheral portion is 1.1 times or more of a thickness of the central portion.

The thin film acoustic resonator according to claim 1, wherein the first electrode is made of molybdenum (Mo).

The thin film acoustic resonator according to claim 1 , wherein the second electrode is made of molybdenum (Mo).

The thin film acoustic resonator according to any one of claims 1 to 7 , wherein a value of a rocking curve (FWHM) of the piezoelectric layer is 2.5 degrees or less.

Electrical values of coupling coefficient (kt ²⁾ is 5.7% or more, film bulk acoustic resonator according to claim 1.

The thin film acoustic resonator according to any one of claims 1 to 9 , wherein a value of an acoustic quality factor (Q) is 730 or more.