JP4730383B2 - Thin film acoustic resonator and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

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り、更に詳細に記せば、通信機用フィルタの構成要素として使用できる薄膜音響共振器及びその製造方法に関する。  The present invention relates to a thin film acoustic resonator using the electroacoustic effect of a piezoelectric thin film, and more particularly to a thin film acoustic resonator that can be used as a component of a filter for a communication device and a method for manufacturing the same.

また、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。  In addition, the present invention uses piezoelectric thin films used in a wide range of fields such as thin film vibrators, thin film VCOs (voltage controlled oscillators), thin film filters, transmission / reception switchers and various sensors used in mobile communication devices and the like. Relates to the device.

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試みが、一貫して続けられている。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装置は、内蔵される構成要素の大きさおよびコストの双方に関して厳しい要求を受けている。これらの電子装置に含まれる回路は、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、絶えず続けられている。  Because of the need to reduce the cost and size of electronic equipment, attempts to reduce the size of the filter as its circuit component have continued. Consumer electronic devices such as cellular telephones and miniature radios have severe demands regarding both the size and cost of the components built in. Circuits included in these electronic devices utilize filters that must be tuned to a precise frequency. Thus, efforts to provide inexpensive and compact filters are continually continued.

また、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(SurfaceAcoustic Wave: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。  In addition, elements utilizing the piezoelectric phenomenon are used in a wide range of fields. As miniaturization and low power consumption of portable devices such as cellular phones progress, use of surface acoustic wave (SAW) elements as RF filters and IF filters used in the 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.

一方、圧電体薄膜の厚み振動を利用した薄膜音響共振器すなわち薄膜バルク音響共振器又は薄膜バルク波音響共振子(ThinFilm Bulk AcousticResonators又はFilm Bulk AcousticResonator:これらを以下FBARという)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。  On the other hand, a thin film acoustic resonator using a thickness vibration of a piezoelectric thin film, that is, a thin film bulk acoustic resonator or a thin film bulk acoustic resonator (Thin Film Bulk Acoustic Resonators or Film Bulk Acoustic Resonators: hereinafter referred to as FBAR) is provided on a substrate. A thin film mainly made of a piezoelectric material and an electrode for driving the thin film are formed on a thin support film, and fundamental 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.

薄膜音響共振器の一つの簡単な構成では、圧電体(PZ)薄膜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、周辺部を支持され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、圧電体(PZ)薄膜材料は、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。尚、以下において、圧電体をPZと略記することがある。  In one simple configuration of the thin film acoustic resonator, a sandwich structure is formed in which a layer of piezoelectric (PZ) thin film material is sandwiched between two metal electrodes. This sandwiching structure is supported by a bridge structure in which the peripheral part is supported and the central part is suspended in the air. When an electric field is generated by the voltage applied between the two electrodes, the piezoelectric (PZ) thin film 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. Hereinafter, the piezoelectric body may be abbreviated as PZ.

機械的に共振している時、PZ薄膜材料の電気エネルギー/機械エネルギー変換機能により、薄膜音響共振器は電気共振器としての役割を果たす。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。薄膜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。このため、GHz帯の用途のための共振器を、平面寸法200ミクロン未満、厚さ数ミクロン未満の構造で構成することができる。  When mechanically resonating, the thin film acoustic resonator acts as an electrical resonator due to the electrical energy / mechanical energy conversion function of the PZ thin film material. Therefore, a filter can be configured using this. The mechanical resonance of the thin film acoustic resonator 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 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. Therefore, a resonator for use in the GHz band can be configured with a structure having a planar dimension of less than 200 microns and a thickness of less than several microns.

以上のような薄膜音響共振器及び上記挟み込み構造を積層した形態の積層型薄膜音響共振器すなわち積層型薄膜バルク音響共振器およびフィルタ(StackedThin Film BulkAcoustic Wave Resonatorsand Filters: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。  In the laminated thin film acoustic resonator in which the above thin film acoustic resonator and the above sandwiched structure are stacked, that is, a stacked thin film bulk acoustic resonator and a filter (Stacked Thin Film Acoustic Resonator Filters: hereinafter referred to as SBAR). The central part is a piezoelectric thin film having a thickness of about 1 to 2 microns, produced by sputtering. The upper and lower electrodes serve as electrical leads, and provide an electric field through the piezoelectric thin film with the piezoelectric thin film interposed therebetween. 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.

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。  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.

FBARまたはSBARを薄膜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(下部電極)、圧電体層(圧電体膜、圧電体薄膜層)、および上方電極(上部電極)をこの順に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。  In order to operate an FBAR or SBAR as a thin film acoustic resonator, an sandwich structure including a piezoelectric thin film must be supported by a bridge structure to form an air / crystal interface for trapping sound waves in the sandwich structure. . The sandwiching structure is usually made by depositing a lower electrode (lower electrode), a piezoelectric layer (piezoelectric film, piezoelectric thin film layer), and an upper electrode (upper electrode) in this order 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.

第1の方法は、例えば特開昭58−153412号公報(特許文献1)や特開昭60−142607号公報(特許文献2)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。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。これにより、挟み込み構造の縁をシリコン基板の前面側において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の上に構成される約150μm×150μmの横寸法(平面寸法)を有する挟み込み構造は、約450μm×450μmの裏側エッチング孔開口を必要とする。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。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PZ薄膜素子である薄膜音響共振器(これは圧電薄膜共振子とも呼ばれている)を得る。  The first method is, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-153212 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-142607 (Patent Document 2). 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 a hole. After the base film, the lower electrode, the piezoelectric thin film, and the upper electrode are formed on the upper surface of the substrate, the substrate portion under the portion that becomes the vibrating portion is removed from the lower surface of the substrate. Thus, a resonator having a configuration in which the edge of the sandwich structure is supported by the portion around the hole on the front surface side 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 (planar dimension) of about 150 μm × 150 μm configured on a 250 μm thick silicon wafer requires a backside etching hole opening of about 450 μm × 450 μm. Therefore, only about 1/9 of the wafer can be used for production. After forming a floating structure by removing the portion located below the vibrating portion of the piezoelectric thin film from the substrate by anisotropic etching, the thin film acoustic resonator (which is a piezoelectric thin film element) is separated for each element unit (this is piezoelectric) (Also called a thin film resonator).

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(特許文献3)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(Sacrificial layer)を設置し、次にこの犠牲層の上に挟み込み構造を作製する。プロセスの終りまたは終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面積の裏側開口も必要としない。  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 Japanese Patent Laid-Open No. 2-13109 (Patent Document 3). Usually, a sacrificial layer is first installed, and then a sandwich structure is formed on the sacrificial layer. Remove the sacrificial layer 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 either side of the wafer or a large area backside opening.

特開2000−69594号公報(特許文献4)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の構成と製造方法とが記載されている。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P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HO:HF溶液で非常に高い速度でエッチングされる。Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-69594 (Patent Document 4) describes the structure and manufacturing method of an air bridge type FBAR / SBAR using quartz phosphate glass (PSG) as a sacrificial layer. In the publication, a PSG layer is deposited on a silicon wafer. PSG is deposited using silane and P 2 O 5 at temperatures up to about 450 ° C. to form a soft glass-like material with a phosphorus content of about 8%. PSG can be deposited at a relatively low temperature and is etched at a very high rate with dilute H 2 O: HF solution.

しかしながら、同公報においては、PSG犠牲層の表面粗度を示す高さの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、原子的レベルからみると非常に粗い凹凸である。FBAR/SBAR形式の薄膜音響共振器は、結晶が電極平面に垂直な柱状晶を成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を形成しており、該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、薄膜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。圧電体薄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でなかった。  However, in this publication, although the RMS (root mean square) variation of the height indicating the surface roughness of the PSG sacrificial layer is described as less than 0.5 μm, specifically, it is of the order of less than 0.1 μm. There is no specific description of RMS variation. This RMS fluctuation of the order of 0.1 μm is a very rough unevenness from the atomic level. An FBAR / SBAR type thin film acoustic resonator requires a piezoelectric material in which a crystal grows in a columnar crystal perpendicular to an electrode plane. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-69594, a conductive sheet parallel to the surface of the PSG layer is formed, and the RMS variation of the height of the conductive sheet is described as less than 2 μm. There is no specific description of smaller order RMS fluctuations. 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 a thin film acoustic resonator. Attempts were made to grow a piezoelectric thin 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.

以上のような空気/結晶境界面を設ける代わりに、適切な固体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(特許文献5)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。  There is also a method of providing an appropriate solid acoustic mirror instead of providing the air / crystal interface as described above. In this method, for example, as described in JP-A-6-295181 (Patent Document 5), a large acoustic impedance composed 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.

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、この方法にも多数の問題点がある。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、多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要素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に基づくフィルタは、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。  Although 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, 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 Bragg reflector layer, there are limitations on the selection of materials used for the Bragg reflector. The difference in acoustic impedance of layers made from available materials is not great. Therefore, multiple 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 through 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 based on SMR has a narrower effective bandwidth than that using an air bridge type acoustic resonator.

ところで、上記のように、薄膜音響共振器においては、時間変化する印加電界エネルギーに応答して、挟み込み構造に時間変化する「応力/歪み」エネルギーが形成される。従って、基板と挟み込み構造の下方電極との間の密着力が低い場合には、基板と挟み込み構造とが剥離して耐久性が低下し即ち薄膜音響共振器の寿命が短くなる。  By the way, as described above, in the thin film acoustic resonator, “stress / strain” energy that changes with time is formed in the sandwich structure in response to the applied electric field energy that changes with time. Therefore, when the adhesion between the substrate and the lower electrode of the sandwich structure is low, the substrate and the sandwich structure are peeled off to reduce the durability, that is, the life of the thin film acoustic resonator is shortened.

上記の特開2000−69594号公報等には、好適な電極材料としてMoが記載されているが、基板となるシリコンウェーハ等との更なる密着性の向上に関する特別の記載はない。  In the above Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2000-69594 and the like, Mo is described as a suitable electrode material, but there is no specific description regarding further improvement in adhesion to a silicon wafer or the like as a substrate.

また、例えば特開平2−309708号公報(特許文献6)等には、下方電極層としてAu/Ti等の2層からなるものを用いることが記載されている。この場合、Ti層はAu層と基板との密着性を高める層として存在している。即ち、このTi密着層は薄膜音響共振器の本来の動作の点からは必須の電極層ではないが、Ti密着層を形成せずにAu電極層を単独で形成した場合には、基板とAu電極層との間の密着力が乏しくなり、剥離等の発生により薄膜音響共振器の動作時の耐久性を著しく損なうこととなる。  Further, for example, JP-A-2-309708 (Patent Document 6) describes that a lower electrode layer made of two layers such as Au / Ti is used. In this case, the Ti layer exists as a layer that improves the adhesion between the Au layer and the substrate. That is, this Ti adhesion layer is not an indispensable electrode layer from the viewpoint of the original operation of the thin film acoustic resonator, but when the Au electrode layer is formed alone without forming the Ti adhesion layer, the substrate and the Au The adhesion between the electrode layers becomes poor, and the durability during operation of the thin-film acoustic resonator is remarkably impaired by the occurrence of peeling or the like.

以上のような薄膜音響共振器では、電極面に対し直角の方向に伝搬する所要の縦方向振動の他に、電極面に平行の方向に伝搬する横方向振動も存在し、この横方向振動のうちには薄膜音響共振器の所要の振動にスプリアスを励振して共振器の特性を劣化させるものがある。
特開昭58−153412号公報 特開昭60−142607号公報 特開平2−13109号公報 特開2000−69594号公報 特開平6−295181号公報 特開平2−309708号公報
In the above thin film acoustic resonator, in addition to the required longitudinal vibration propagating in the direction perpendicular to the electrode surface, there is also lateral vibration propagating in a direction parallel to the electrode surface. Some of them degrade the characteristics of the resonator by exciting spurious vibrations to the required vibration of the thin film acoustic resonator.
Japanese Patent Laid-Open No. 58-15312 JP 60-142607 A Japanese Patent Laid-Open No. 2-13109 JP 2000-69594 A JP-A-6-295181 JP-A-2-309708

本発明の目的は、改良された性能を有するFBAR/SBARを提供することである。  It is an object of the present invention to provide an FBAR / SBAR with improved performance.

本発明の他の目的は、圧電体(PZ)薄膜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を提供することである。  Another object of the present invention is to provide a high performance FBAR / SBAR excellent in electromechanical coupling coefficient, acoustic quality factor (Q value), temperature characteristics, etc. by improving the crystal quality of the piezoelectric (PZ) thin film. It is to be.

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を提供することである。  Still another object of the present invention is to provide a high-performance FBAR / SBAR excellent in electromechanical coupling coefficient, acoustic quality factor (Q value), temperature characteristics, etc. by devising the shape of the upper electrode. .

また、本発明の他の目的は、特にスプリアス励振が低減されたFBAR/SBARを提供することにある。  Another object of the present invention is to provide an FBAR / SBAR in which spurious excitation is particularly reduced.

本発明の他の目的は、下方電極層と基板との密着性(接合強度)を向上させることでFBAR/SBARの耐久性を向上させ長寿命化を図ることにある。  Another object of the present invention is to improve the durability of FBAR / SBAR and improve the life by improving the adhesion (bonding strength) between the lower electrode layer and the substrate.

本発明の更なる目的は、下方電極層と基板との密着性を向上させると共に、下方電極層上での結晶品質及び配向性の良好な圧電体薄膜の形成を可能とすることで、電気機械結合係数や音響品質係数(Q値)などに優れた高性能なFBAR/SBARを提供することである。  A further object of the present invention is to improve the adhesion between the lower electrode layer and the substrate and to form a piezoelectric thin film with good crystal quality and orientation on the lower electrode layer. It is to provide a high-performance FBAR / SBAR excellent in a coupling coefficient, an acoustic quality factor (Q value), and the like.

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](PbTiO)、チタン酸ジルコン酸鉛[PZT](Pb(Zr,Ti)O)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音響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。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 acoustic resonator or a piezoelectric thin film resonator operating in a high frequency band.

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音響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圧電薄膜共振子即ち薄膜音響共振器の実現が強く望まれている。  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 acoustic resonator and a thin film filter that exhibit sufficient performance in the gigahertz band have not yet been obtained. Therefore, a piezoelectric thin film resonator, ie, a thin film acoustic resonator excellent in temperature stability of an electromechanical coupling coefficient, an acoustic quality factor, and a resonance frequency of a vibration part including not only an AlN thin film but also an electrode layer and a base film. Realization of is strongly desired.

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即ち薄膜音響共振器を提供することを目的とする。  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. That is, an object is to provide a thin film acoustic resonator.

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25nm以下、好ましくは20nm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。
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 25 nm or less, preferably 20 nm or less,
Is provided.

本発明において、高さのRMS変動は、日本工業規格JIS B0601:2001「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)。  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).

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25nm以下、好ましくは20nm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。
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 RMS fluctuation in height of 25 nm or less, preferably 20 nm or less,
Is provided.

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5%以下である。本発明の一態様においては、前記第2の電極の表面のうねり高さは前記圧電体層の厚さの25%以下である。  In one aspect of the present invention, the second surface of the piezoelectric layer has an RMS fluctuation in height of 5% or less of the thickness of the piezoelectric layer. In one aspect of the present invention, the undulation height of the surface of the second electrode is 25% or less of the thickness of the piezoelectric layer.

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、前記外周部は前記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1%以下である。本発明の一態様においては、前記外周部の厚さは前記中央部の高さの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。本発明の一態様においては、前記中央部の表面のうねり高さは前記圧電体層の厚さの25%以下である。  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 outer peripheral portion is positioned in a frame shape around the central portion. In one embodiment of the present invention, the thickness variation of the central portion of the second electrode is 1% or less of the thickness of the central portion. In one aspect of the present invention, the thickness of the outer peripheral portion is 1.1 times or more the height of the central portion. In one aspect of the present invention, the outer peripheral portion is located within a distance range of 40 μm from the outer edge of the second electrode. In one aspect of the present invention, the waviness height of the surface of the central portion is 25% or less of the thickness of the piezoelectric layer.

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。  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.

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25nm以下、好ましくは20nm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。
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, and the surface of the sacrificial layer is polished so that the RMS fluctuation in height is 25 nm or less, preferably 20 nm or less, and the surface of the sacrificial layer The first electrode is formed on a part of the substrate and a part of the surface of the substrate, the piezoelectric layer is formed on the first electrode, and the piezoelectric layer is formed on the piezoelectric layer. Forming the second electrode, and etching away the sacrificial layer from within the recess, A method of manufacturing a thin-film acoustic resonator,
Is provided.

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25nm以下、好ましくは20nm以下となるようにする。  In one embodiment of the present invention, the first electrode is formed with a thickness of 150 nm or less, and the RMS fluctuation of the height of the upper surface of the first electrode is 25 nm or less, preferably 20 nm or less.

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。  In one embodiment of the present invention, an insulator layer is formed on the sacrificial layer prior to forming the first electrode.

次に、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
基板と、該基板上に配置され該基板側の下方電極層及びこれと対をなす上方電極層の間に圧電体薄膜層(圧電体層)を挟み込むように積層してなる挟み込み構造体とを備える薄膜音響共振器であって、
前記挟み込み構造体は更に前記下方電極層と前記基板との間に位置し且つ前記下方電極層と接合された密着電極層を有しており、該密着電極層は前記基板に前記挟み込み構造体の振動を許容するように形成された窪みの周囲において前記基板と接合されていることを特徴とする薄膜音響共振器、
が提供される。
Next, according to the present invention, the object as described above is achieved.
A sandwiching structure formed by laminating a substrate and a piezoelectric thin film layer (piezoelectric layer) between the substrate and the lower electrode layer on the substrate side and the upper electrode layer paired with the substrate; A thin film acoustic resonator comprising:
The sandwich structure further includes a contact electrode layer positioned between the lower electrode layer and the substrate and joined to the lower electrode layer, and the contact electrode layer is formed on the substrate. A thin film acoustic resonator, wherein the thin film acoustic resonator is bonded to the substrate around a recess formed to allow vibration;
Is provided.

本発明の一態様においては、前記密着電極層は環状に形成されており、前記密着電極層の前記下方電極層と接する部分の平面面積をS1とし、前記下方電極層の平面面積をS2としたとき、0.01×S2≦S1≦0.5×S2の関係が成り立ち、前記上方電極層は前記密着電極層の内側に対応する領域に位置している。  In one aspect of the present invention, the contact electrode layer is formed in an annular shape, and the plane area of the portion of the contact electrode layer in contact with the lower electrode layer is S1, and the plane area of the lower electrode layer is S2. In this case, a relationship of 0.01 × S2 ≦ S1 ≦ 0.5 × S2 is established, and the upper electrode layer is located in a region corresponding to the inner side of the contact electrode layer.

本発明の一態様においては、前記密着電極層はTi、Cr、Ni、Taより選ばれる少なくとも一種を含む材料で構成されており、前記下方電極層はAu、Pt、W、Moより選ばれる少なくとも一種を含む材料で構成されており、前記圧電体薄膜層はAlNまたはZnOで構成されている。  In one aspect of the present invention, the contact electrode layer is made of a material containing at least one selected from Ti, Cr, Ni, and Ta, and the lower electrode layer is at least selected from Au, Pt, W, and Mo. The piezoelectric thin film layer is made of AlN or ZnO.

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、
窪みが形成されている基板の表面において前記窪みの周囲に密着電極層を形成し、該密着電極層より内側の前記窪みに対応する領域にて前記基板の表面上に犠牲層を形成し、該犠牲層の表面を研磨して高さのRMS変動が25nm以下、好ましくは20nm以下となるように平滑化し、前記犠牲層及び前記密着電極層の上に下方電極層、圧電体薄膜層及び上方電極層を順次形成し、しかる後に前記犠牲層を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。
In addition, according to the present invention, the object as described above is achieved.
Forming a contact electrode layer around the recess on the surface of the substrate where the recess is formed, forming a sacrificial layer on the surface of the substrate in a region corresponding to the recess inside the contact electrode layer, The surface of the sacrificial layer is polished and smoothed so that the RMS fluctuation in height is 25 nm or less, preferably 20 nm or less, and the lower electrode layer, the piezoelectric thin film layer, and the upper electrode are formed on the sacrificial layer and the contact electrode layer. A method of manufacturing a thin-film acoustic resonator, wherein the layers are sequentially formed and then the sacrificial layer is removed;
Is provided.

本発明の一態様においては、前記犠牲層の形成は、先ず前記基板及び前記密着電極層を覆うように犠牲層材料の層を形成し、次いで該犠牲層材料の層を前記密着電極層の表面が露出するように研磨することで行われ、前記犠牲層の除去はエッチングにより行われ、前記犠牲層としてガラス又はプラスチックを用いる。  In one embodiment of the present invention, the sacrificial layer is formed by first forming a layer of a sacrificial layer material so as to cover the substrate and the adhesive electrode layer, and then forming the layer of the sacrificial layer material on the surface of the adhesive electrode layer The sacrificial layer is removed by etching, and glass or plastic is used as the sacrificial layer.

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(SiO)または窒化シリコン(Si)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、前記酸化シリコンまたは窒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。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 silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ) having a temperature coefficient with a different sign from the temperature coefficient of the resonance frequency of the piezoelectric thin film. It has been found that by forming the insulating layer to be included in the vibration part, 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 or silicon nitride (when there are a plurality of insulating layers, the total thickness thereof) ) Is t ′, the thickness of each layer is set so as to satisfy 0.1 ≦ t ′ / t ≦ 0.5, preferably 0.2 ≦ t ′ / t ≦ 0.4. It has been found that a high-performance FBAR having a coupling coefficient and a high acoustic quality factor and having extremely good temperature stability can be realized.

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(下方電極)、圧電体膜(圧電体層)および上部電極(上方電極)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層の酸化シリコンまたは窒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。尚、本明細書において、用語「圧電薄膜共振子」は用語「薄膜音響共振器」と同義である。
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. Electrode), a piezoelectric film (piezoelectric layer), and an upper electrode (upper electrode) are laminated in this order from the substrate side, and the substrate has an area corresponding to the vibrating portion. In the piezoelectric thin film resonator forming a gap that allows vibration,
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 or silicon nitride,
Is provided. In the present specification, the term “piezoelectric thin film resonator” is synonymous with the term “thin film acoustic resonator”.

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。  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 a relationship of 0.1 ≦ t ′ / t ≦ 0.5.

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または窒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。  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 content of the silicon oxide or silicon nitride 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.

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。  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.

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。  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.

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。  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.

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。  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.

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。  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

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。  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.

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。  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.

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。  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.

機械的に共振している時、PZ材料の電気エネルギー/機械エネルギー変換機能により、音響共振器は電気共振器としての役割を果す。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。  When mechanically resonating, the acoustic resonator acts as an electrical resonator due to the electrical energy / mechanical energy conversion function of the PZ material. Therefore, 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 is 5 to 6 orders of magnitude less 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.

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。  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.

図3〜図8は、本発明による薄膜音響共振器である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。  3 to 8 are schematic cross-sectional views (FIGS. 3 to 6 and FIG. 8) for explaining an embodiment of the FBAR which is a thin film acoustic resonator according to the present invention and the FBAR obtained thereby. FIG. 8 is a schematic plan view (FIG. 7).

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1.5〜30μm、更に好ましくは1.5〜10μmあるいは場合によっては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ことを考えれば、空洞の深さは数μmあれば十分である。  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 1.5 to 30 μm, more preferably 1.5 to 10 μm, or in some cases 3 to 30 μm. Considering that the cavity under the FBAR sandwiching structure only needs to allow the displacement caused by the piezoelectric layer, it is sufficient that the cavity has a depth of several μm.

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。この薄層53としては、酸化シリコン層の代わりに、低圧CVD法により形成した窒化シリコン層を用いてもよい。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または窒化シリコンの薄層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1.5〜30μm、更に好ましくは1.5〜10μmあるいは場合によっては3〜30μmの窪み52を形成した状態を示す。  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. As the thin layer 53, a silicon nitride layer formed by a low pressure CVD method may be used instead of the silicon oxide layer. 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 a thin layer 53 of silicon oxide or silicon nitride 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 1.5 to 30 μm, more preferably 1.5 to 10 μm or even 3 to 30 μm is formed on the surface of the substrate.

次に、図4に示されているように、基板の酸化シリコンまたは窒化シリコンの薄層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P源となる物質を原料に使用して約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。シランの例としては、モノシラン(Monosilane:SiH)、トリクロルシラン(Trichlorosilane:SiHCl)、テトラメトキシシラン(Silicontetramethoxide:Si(OCH)、テトラエトキシシラン(Silicont etraethoxide:Si(OC)などが挙げられる。P源となる物質の例としては、Pの他に、ホスフィン(PH)、亜リン酸トリメチル(Trimethylphosphite:P(OCH)、亜リン酸トリエチル(Triethyl phosphite:P(OC)、リン酸トリメチル(Trimethylphosphate:PO(OCH)、リン酸トリエチル(Triethyl phosphate:PO(OC)などが挙げられる。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HO: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。Next, as shown in FIG. 4, a quartz phosphate glass (PSG) layer 55 is deposited on the thin layer 53 of silicon oxide or silicon nitride of the substrate. PSG is deposited at temperatures up to about 450 ° C. using silane and P 2 O 5 source materials as raw materials to form a soft glass-like material with a phosphorus content of about 8%. Examples of silane, monosilane (Monosilane: SiH 4), trichlorosilane (Trichlorosilane: SiHCl 3), tetramethoxysilane (Silicontetramethoxide: Si (OCH 3) 4), tetraethoxysilane (Silicont etraethoxide: Si (OC 2 H 5 4 ) and the like. Examples of substances that can serve as a source of P 2 O 5 include, besides P 2 O 5 , phosphine (PH 3 ), trimethyl phosphite (Trimethylphosphite: P (OCH 3 ) 3 ), triethyl phosphite (Triethyl phosphite): P (OC 2 H 5 ) 3 ), trimethyl phosphate (PO (OCH 3 ) 3 ), triethyl phosphate (PO (OC 2 H 5 ) 3 ), and the like. This low temperature process is well known to those skilled in the art. PSG is a very clean inert material that can be deposited at relatively low temperatures and etched with dilute H 2 O: HF solution at very high etch rates, making it a suitable sacrificial layer material. is there. 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.

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。  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.

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。  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 polishing time is acceptable. The goal is a mirror finish.

本発明においては、PSG層を研磨する前に、緻密化とリフローとを兼ねて、PSG層を高温で熱処理することが好ましい。このPSG層の熱処理は、RTA(RapidThermal Anneal)法により行なうことができる。これは、窒素雰囲気中または窒素−酸素混合雰囲気中で750℃〜950℃の温度で行なわれる。または、高温熱処理を拡散炉またはランプ加熱により行なってもよい。本発明においては、PSG層を高温で熱処理することにより、PSG層をより緻密な構造にするとともに、その硬度を高める。硬度を高めることにより、その後のCMP(化学的機械的研磨)において、PSG膜表面にスクラッチ等の研磨傷が発生するのを抑制し、表面を良好に平坦化することができる。  In the present invention, it is preferable to heat-treat the PSG layer at a high temperature for both densification and reflow before polishing the PSG layer. The heat treatment of the PSG layer can be performed by an RTA (Rapid Thermal Anneal) method. This is performed at a temperature of 750 ° C. to 950 ° C. in a nitrogen atmosphere or a nitrogen-oxygen mixed atmosphere. Alternatively, the high temperature heat treatment may be performed by a diffusion furnace or lamp heating. In the present invention, the PSG layer is heat-treated at a high temperature, thereby making the PSG layer a denser structure and increasing its hardness. By increasing the hardness, it is possible to suppress occurrence of scratches such as scratches on the surface of the PSG film in subsequent CMP (Chemical Mechanical Polishing) and to flatten the surface satisfactorily.

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。スラリーはウェーハ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。  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 silica coarse powder on the wafer. 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.

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。  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.

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25nm以下(好ましくは20nm以下)である。  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 25 nm or less (preferably 20 nm or less).

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。  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.

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25nm以下(好ましくは20nm以下)のMo層が得られる。  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 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 25 nm or less (preferably 20 nm or less) is obtained.

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5%以下であるのが好ましい。  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 preferably has an RMS fluctuation in height of 5% or less of the piezoelectric layer thickness (average value).

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。  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.

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HO: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。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. The PSG below the sandwich structure 60 is also removed by etching with a diluted H 2 O: HF solution from the end of the body 60 or the portion of the sacrificial layer 55 exposed without being covered by the sandwich structure 60. To do. 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.

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25nm以下(好ましくは20nm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25nm以下(好ましくは20nm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25nm以下(好ましくは20nm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25nm以下(好ましくは20nm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。  In the FBAR obtained as described above, according to the surface of the sacrificial layer 55 (height RMS fluctuation is 25 nm or less (preferably 20 nm or less)), the height of the lower surface of the lower electrode 61 formed thereon is set. The RMS variation is 25 nm or less (preferably 20 nm or less). Further, since the lower electrode 61 is thin, the RMS variation of the height of the upper surface is 25 nm or less (preferably 20 nm or less). In accordance with the upper surface of the lower electrode 61, the RMS variation in the height of the lower surface of the piezoelectric layer 62 formed thereon is 25 nm or less (preferably 20 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.

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SiO膜であり、CVD法により堆積することができる。なお、犠牲層55の除去のためのエッチング液に対する耐性を考慮すれば、絶縁体層54としてはSiO膜よりも低圧CVD法により形成されたSi膜を使用するほうが好ましい。絶縁体層54としてSiO膜を使用する場合には、犠牲層55の除去のためのエッチングの際に、SiO膜の露出面に適宜のプロテクトを施せばよい。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. The insulator layer 54 is, for example, a SiO 2 film, and can be deposited by a CVD method. In consideration of the resistance to the etching solution for removing the sacrificial layer 55, it is preferable to use the Si 3 N 4 film formed by the low pressure CVD method as the insulator layer 54 rather than the SiO 2 film. When a SiO 2 film is used as the insulator layer 54, an appropriate protection may be applied to the exposed surface of the SiO 2 film during etching for removing the sacrificial layer 55.

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。  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.

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し、更に振動部の振動における周波数温度特性が改善される。  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, and the frequency temperature characteristic in the vibration of the vibration part is further improved.

絶縁体層54の厚さt’は、好ましくは50〜1000nmの範囲内の値である。これは、圧電体層62の厚さtに対する絶縁体層54の厚さt’の比t’/tが0.1以上0.5以下の範囲内にあることが好ましく、圧電体層62の厚さtは上記のように500nm〜2000nmの範囲内にあるのが好ましいからである。比t’/tが0.1以上0.5以下の範囲内にあることが好ましい理由としては、t’/tを0.1以上とすることで絶縁体層54を含む振動部の振動における周波数温度特性を改善する効果が高められ、t’/tを0.5以下とすることで絶縁体層54を含む振動部の振動における電気機械結合係数及び音響的品質係数(Q値)の低下を阻止し得るからである。絶縁体層54の上面は、高さのRMS変動が例えば25nm以下(好ましくは20nm以下)である。  The thickness t ′ of the insulator layer 54 is preferably a value in the range of 50 to 1000 nm. This is because the ratio t ′ / t of the thickness t ′ of the insulating layer 54 to the thickness t of the piezoelectric layer 62 is preferably in the range of 0.1 to 0.5. This is because the thickness t is preferably in the range of 500 nm to 2000 nm as described above. The reason why the ratio t ′ / t is preferably in the range of 0.1 or more and 0.5 or less is that in the vibration of the vibration part including the insulator layer 54 by setting t ′ / t to 0.1 or more. The effect of improving the frequency-temperature characteristics is enhanced, and by reducing t ′ / t to 0.5 or less, the electromechanical coupling coefficient and the acoustic quality factor (Q value) in the vibration of the vibration part including the insulator layer 54 are reduced. It is because it can prevent. On the upper surface of the insulator layer 54, the RMS variation in height is, for example, 25 nm or less (preferably 20 nm or less).

以上の実施形態において、一層高い音響的品質係数(Q値)を得るには、絶縁体層54や、下方電極61、圧電体層62及び上方電極63の各層における厚さの均一性が一層良好であることが必要である。この厚さの均一性は、上方電極63の表面のうねり高さに反映される(即ち、上方電極63の表面のうねり高さが大きい場合には、少なくとも1つの層の厚さ均一性が低い)。そこで、一層高い音響的品質係数(Q値)を得るために、上方電極63の表面のうねり高さは、圧電体層62の厚さの25%以下となるようにするのが好ましい。また、別の観点からは、上方電極63の表面のうねり高さは、測定長の0.5%以下となるようにする(測定長が150μmの場合には、うねり高さ0.75μm以下)のが好ましい。  In the above embodiment, in order to obtain a higher acoustic quality factor (Q value), the thickness uniformity in each layer of the insulator layer 54, the lower electrode 61, the piezoelectric layer 62, and the upper electrode 63 is better. It is necessary to be. This thickness uniformity is reflected in the undulation height of the surface of the upper electrode 63 (that is, when the undulation height of the surface of the upper electrode 63 is large, the thickness uniformity of at least one layer is low. ). Therefore, in order to obtain a higher acoustic quality factor (Q value), it is preferable that the surface waviness height of the upper electrode 63 be 25% or less of the thickness of the piezoelectric layer 62. From another viewpoint, the undulation height of the surface of the upper electrode 63 is 0.5% or less of the measurement length (when the measurement length is 150 μm, the undulation height is 0.75 μm or less). Is preferred.

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)を与えなければならない。  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. An appropriate surface for depositing the body layer (similar to the surface of the lower electrode of the first piezoelectric layer) must be provided.

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。  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.

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。  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.

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の厚変動は、該中央部の厚さ(平均値)の1%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。  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 1% 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.

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。  By adopting 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.

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25%以下となるようにするのが好ましい。また、別の観点からは、上方電極63の中央部631の表面のうねり高さは、測定長の0.5%以下となるようにするのが好ましい。  In the present embodiment, in order to obtain a higher acoustic quality factor (Q value), the waviness height of the surface of the central portion 631 of the upper electrode 63 is 25% or less of the thickness of the piezoelectric layer 62. It is preferable to do this. From another point of view, it is preferable that the undulation height of the surface of the central portion 631 of the upper electrode 63 is 0.5% or less of the measurement length.

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レベルからみて滑らかでないので、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Oプラズマエッチングによって取り去ることもできる。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 smooth from the atomic level, 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 also be removed by organic removal materials or O 2 plasma etching.

次に、図13および図14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の断面図である。  Next, FIGS. 13 and 14 are cross-sectional views of FBAR and SBAR, respectively, which are thin film acoustic resonators according to the present invention.

図13において、FBAR20は、上方電極層21、下方電極層23及び密着電極層24を備え、これらは圧電体薄膜層22の一部を挟み込んで挟み込み構造体を形成している。圧電体薄膜層22の好適な材料は窒化アルミニウム(AlN)または酸化亜鉛(ZnO)である。FBAR20に使用される密着電極層24は、好適にはTi、Cr、Ni、Taから作られるが、他の材料を使用することも可能である。上方及び下方の電極層21,23は、好適にはAu、Pt、W、Moから作られるが、他の材料を使用することも可能である。挟み込み構造体は、基板11の上面に形成された窪み12の周囲において該基板11上に密着電極層24が位置するようにして、配置されている。  In FIG. 13, the FBAR 20 includes an upper electrode layer 21, a lower electrode layer 23, and a contact electrode layer 24, which form a sandwich structure by sandwiching a part of the piezoelectric thin film layer 22. A suitable material for the piezoelectric thin film layer 22 is aluminum nitride (AlN) or zinc oxide (ZnO). The contact electrode layer 24 used for the FBAR 20 is preferably made of Ti, Cr, Ni, Ta, but other materials can also be used. The upper and lower electrode layers 21, 23 are preferably made of Au, Pt, W, Mo, although other materials can be used. The sandwich structure is arranged so that the contact electrode layer 24 is positioned on the substrate 11 around the recess 12 formed on the upper surface of the substrate 11.

この素子は、圧電体薄膜層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、圧電体薄膜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。  This element utilizes the action of bulk acoustic waves in the piezoelectric thin film layer. When an electric field is generated between the two electrodes 21 and 23 by the applied voltage, the piezoelectric thin film 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.

機械的に共振している時、PZ材料の電気エネルギー/機械エネルギー変換機能により、音響共振器は電気共振器としての役割を果たす。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において発生する。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、厚さが数μmのオーダーの寸法で構成することができる。  When mechanically resonating, the acoustic resonator acts as an electrical resonator due to the electrical energy / mechanical energy conversion function of the PZ material. Therefore, the element can operate as a notch filter. The mechanical resonance of the element 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 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 dimensions in the order of about 100 μm in plane dimension and several μm in thickness.

次に、図14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。圧電体薄膜層42の共振周波数で密着電極層24及び下方電極層45と電極層44とを横断する信号は、音響エネルギーを圧電体薄膜層41に伝える。圧電体薄膜層41内の機械的振動は、電極層44と電極層43とを横断する電気信号に変換される。  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 contact electrode layer 24 and the lower electrode layer 45 and the electrode layer 44 at the resonance frequency of the piezoelectric thin film layer 42 transmits acoustic energy to the piezoelectric thin film layer 41. The mechanical vibration in the piezoelectric thin film layer 41 is converted into an electrical signal traversing the electrode layer 44 and the electrode layer 43.

図15〜図21は、本発明による薄膜音響共振器である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15〜図20)及び模式的平面図(図21)である。  FIGS. 15 to 21 are schematic cross-sectional views (FIGS. 15 to 20) and schematic planes for explaining an embodiment of an FBAR that is a thin film acoustic resonator according to the present invention and an FBAR obtained thereby. It is a figure (FIG. 21).

先ず、図15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1.5〜30μm、更に好ましくは1.5〜10μmあるいは場合によっては3〜30μmである。FBARの挟み込み構造体の下の空洞の深さは圧電体薄膜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。  First, as shown in FIG. 15, a recess is formed by etching in a normal silicon wafer 51 used for integrated circuit fabrication. The depth of the depression is preferably 1.5 to 30 μm, more preferably 1.5 to 10 μm, or in some cases 3 to 30 μm. The depth of the cavity below the sandwiched structure of the FBAR may allow a displacement caused by the piezoelectric thin film layer. Therefore, it is sufficient that the cavity has a depth of several μm.

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。この薄層53としては、酸化シリコン層の代わりに、低圧CVD法により形成した窒化シリコン層を用いてもよい。このようにウェーハ51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または窒化シリコンの薄層53を形成したものを、基板として用いる。即ち、図15は、基板の表面に深さが好適には1.5〜30μm、更に好ましくは1.5〜10μmあるいは場合によっては3〜30μmの窪み52を形成した状態を示す。  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. As the thin layer 53, a silicon nitride layer formed by a low pressure CVD method may be used instead of the silicon oxide layer. By suppressing the diffusion of phosphorus into the wafer 51 in this way, the silicon wafer is prevented from being converted into a conductor, and the adverse effect on the electrical operation of the fabricated element can be eliminated. A substrate in which a thin layer 53 of silicon oxide or silicon nitride is formed on the surface of the wafer 51 as described above is used as a substrate. That is, FIG. 15 shows a state in which a recess 52 having a depth of preferably 1.5 to 30 μm, more preferably 1.5 to 10 μm or even 3 to 30 μm is formed on the surface of the substrate.

次に、図16に示されているように、基板上に窪み52を取り囲むようにして密着電極層161を接合形成する。密着電極層161の上面の面積(平面面積)をS1とし、その上に形成する下方電極の平面面積をS2としたとき、S1が0.01×S2≦S1≦0.5×S2の範囲内にあることが好ましい。S1<0.01×S2の場合には、基板と下方電極との密着力が弱くなり、本発明の効果が十分に発現しなくなる傾向にある。また、S1>0.5×S2の場合には、密着電極層161が薄膜音響共振器の動作に影響を与え、良好な共振特性が得られなくなる傾向にある。密着電極層161の厚さは、その上に形成する下方電極層を保持するに十分なものであれば良く、例えば20nmから1μmまでの範囲内であれば良い。また、密着電極層161の材料は、好適には、Ti、Cr、Ni、Taより選ばれる少なくとも一種を含みさえすれば良い。  Next, as shown in FIG. 16, a contact electrode layer 161 is formed on the substrate so as to surround the recess 52. When the area (planar area) of the upper surface of the contact electrode layer 161 is S1, and the plane area of the lower electrode formed thereon is S2, S1 is within the range of 0.01 × S2 ≦ S1 ≦ 0.5 × S2. It is preferable that it exists in. In the case of S1 <0.01 × S2, the adhesive force between the substrate and the lower electrode is weakened, and the effect of the present invention tends not to be sufficiently exhibited. In the case of S1> 0.5 × S2, the contact electrode layer 161 affects the operation of the thin film acoustic resonator, and there is a tendency that good resonance characteristics cannot be obtained. The thickness of the contact electrode layer 161 may be sufficient to hold the lower electrode layer formed thereon, and may be within a range of, for example, 20 nm to 1 μm. In addition, the material of the close contact electrode layer 161 preferably includes at least one selected from Ti, Cr, Ni, and Ta.

以上のように密着電極層161を基板の窪み52の周囲に設けることで、薄膜音響共振器における横方向の振動発生を抑制し、薄膜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、薄膜音響共振器およびフィルタの共振特性、品質係数が改善される。また、Au、Pt、W、Moなどからなる下方電極層の中央部の下側には、Ti、Cr、Ni、Taなどからなる密着電極層161が存在しないため、この部分では下方電極層の配向性及び結晶性を高めることができ、その結果、ロッキングカーブにおける回折ピーク半値幅(FWHM)が小さく、配向性及び結晶品質に優れた圧電体薄膜層を形成できることが見出された。圧電体薄膜層の高配向性及び良質結晶化により、本発明の薄膜音響共振器およびフィルタの共振特性及び品質係数が改善される。  As described above, the close contact electrode layer 161 is provided around the substrate recess 52, thereby suppressing the occurrence of lateral vibration in the thin film acoustic resonator and preventing excessive spurious vibration from overlapping the vibration of the thin film acoustic resonator. can do. As a result, the resonance characteristics and quality factor of the thin film acoustic resonator and the filter are improved. In addition, since there is no adhesion electrode layer 161 made of Ti, Cr, Ni, Ta or the like below the central portion of the lower electrode layer made of Au, Pt, W, Mo, or the like, in this portion, It has been found that the orientation and crystallinity can be improved, and as a result, the diffraction peak half-width (FWHM) in the rocking curve is small, and a piezoelectric thin film layer excellent in orientation and crystal quality can be formed. Due to the high orientation and good quality crystallization of the piezoelectric thin film layer, the resonance characteristics and quality factor of the thin film acoustic resonator and filter of the present invention are improved.

さて、次に、図17に示されているように、密着電極層161の形成された基板の酸化シリコンまたは窒化シリコンの薄層53上にPSGからなる犠牲層55を堆積させる。上記のように、PSGは、シランおよびP源となる物質を原料に使用して約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。シランの例としては、モノシラン(Monosilane:SiH)、トリクロルシラン(Trichlorosilane:SiHCl)、テトラメトキシシラン(Silicontetramethoxide:Si(OCH)、テトラエトキシシラン(Silicontetraethoxide:Si(OC)などが挙げられる。P源となる物質の例としては、Pの他に、ホスフィン(PH)、亜リン酸トリメチル(Trimethylphosphite:P(OCH)、亜リン酸トリエチル(Triethyl phosphite:P(OC)、リン酸トリメチル(Trimethylphosphate:PO(OCH)、リン酸トリエチル(Triethyl phosphate:PO(OC)などが挙げられる。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HO: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。Next, as shown in FIG. 17, a sacrificial layer 55 made of PSG is deposited on the silicon oxide or silicon nitride thin layer 53 of the substrate on which the adhesion electrode layer 161 is formed. As described above, PSG is deposited at temperatures up to about 450 ° C. using silane and P 2 O 5 source materials as raw materials to form a soft glass-like material with a phosphorus content of about 8%. Examples of silanes include monosilane (Monosilane: SiH 4 ), trichlorosilane (Trichlorosilane: SiHCl 3 ), tetramethoxysilane (Silicontetramethoxide: Si (OCH 3 ) 4 ), tetraethoxysilane (Silicontetraethoxide H 2 O 5 C) 4 ). Examples of substances that can serve as a source of P 2 O 5 include, besides P 2 O 5 , phosphine (PH 3 ), trimethyl phosphite (Trimethylphosphite: P (OCH 3 ) 3 ), triethyl phosphite (Triethyl phosphite): P (OC 2 H 5 ) 3 ), trimethyl phosphate (PO (OCH 3 ) 3 ), triethyl phosphate (PO (OC 2 H 5 ) 3 ), and the like. This low temperature process is well known to those skilled in the art. PSG is a very clean inert material that can be deposited at relatively low temperatures and etched with dilute H 2 O: HF solution at very high etch rates, making it a suitable sacrificial layer material. is there. 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.

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。従って、堆積したままのPSG犠牲層55は、薄膜音響共振器を形成する基体としては不十分である。FBAR/SBAR形式の薄膜音響共振器は、結晶が電極面に垂直な柱状晶を成して成長する圧電体材料を必要とする。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、優れた配向性及び結晶品質を持つ下方電極層の形成が可能となり、ひいては優れた配向性及び結晶品質を持つ圧電体薄膜層の形成が可能となる。  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 a thin film acoustic resonator. An FBAR / SBAR type thin film 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, it becomes possible to form a lower electrode layer having excellent orientation and crystal quality, and thus excellent orientation and A piezoelectric thin film layer having crystal quality can be formed.

即ち、図18に示されているように、PSG犠牲層55の表面を粗仕上げスラリーで磨くことにより平面化して、密着電極層161の上に堆積した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精密仕上げスラリーを使用して磨くことができる。代替方法として、磨き時間が長くかかっても良ければ、一つの微細な精密仕上げスラリーを二つの磨きステップにて使用することもできる。目標は、「ミラー」状仕上げ(鏡面仕上げ)を実現することである。  That is, as shown in FIG. 18, the surface of the PSG sacrificial layer 55 is planarized by polishing with a rough finish slurry, and the portion of the PSG layer deposited on the adhesion electrode layer 161 is removed. The remaining PSG layer 55 can then be polished using a precision finish slurry containing finer abrasive particles. As an alternative, one fine precision finishing slurry can be used in two polishing steps if the polishing time can be long. The goal is to achieve a “mirror” -like finish (mirror finish).

本発明においては、PSG層を研磨する前に、緻密化とリフローとを兼ねて、PSG層を高温で熱処理することが好ましい。このPSG層の熱処理は、RTA(RapidThermal Anneal)法により行なうことができる。これは、窒素雰囲気中または窒素−酸素混合雰囲気中で750℃〜950℃の温度で行なわれる。または、高温熱処理を拡散炉またはランプ加熱により行なってもよい。本発明においては、PSG層を高温で熱処理することにより、PSG層をより緻密な構造にするとともに、その硬度を高める。硬度を高めることにより、その後のCMP(化学的機械的研磨)において、PSG膜表面にスクラッチ等の研磨傷が発生するのを抑制し、表面を良好に平坦化することができる。  In the present invention, it is preferable to heat-treat the PSG layer at a high temperature for both densification and reflow before polishing the PSG layer. The heat treatment of the PSG layer can be performed by an RTA (Rapid Thermal Anneal) method. This is performed at a temperature of 750 ° C. to 950 ° C. in a nitrogen atmosphere or a nitrogen-oxygen mixed atmosphere. Alternatively, the high temperature heat treatment may be performed by a diffusion furnace or lamp heating. In the present invention, the PSG layer is heat-treated at a high temperature, thereby making the PSG layer a denser structure and increasing its hardness. By increasing the hardness, it is possible to suppress occurrence of scratches such as scratches on the surface of the PSG film in subsequent CMP (Chemical Mechanical Polishing) and to flatten the surface satisfactorily.

以上のようにして実行された研磨の後の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ので、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、このシリカ粗粉の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基板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。各タンクでは超音波撹拌が加えられる。このようなクリーニング手段は当業者には周知である。  It is also important to clean the substrate after polishing performed as described above. Since 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 silica coarse powder removal is performed using a second polishing tool with a hard pad such as Polytex ™ (Rodel Nitta). Deionized water is used as a lubricant at that time, and the substrate 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. In each tank, ultrasonic agitation is applied. Such cleaning means are well known to those skilled in the art.

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。  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.

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25nm以下、好ましくは20nm以下、更に好ましくは10nm以下の表面粗度である。  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 present invention, the final surface has a surface roughness with an RMS variation in height as measured with an atomic force microscope probe of 25 nm or less, preferably 20 nm or less, more preferably 10 nm or less.

以上のようにして表面を平滑にし、さらに密着電極層161の表面をプラズマエッチングにより清浄化処理した後、図19に示されているように、挟み込み構造体60の下方電極層162を堆積させる。下方電極層162の好適な材料は、Au、Pt、W、Moである。この下方電極層162の配向性及び結晶性が、その上に形成される圧電体薄膜層163の配向性及び結晶品質に反映される。  After smoothing the surface as described above and further cleaning the surface of the contact electrode layer 161 by plasma etching, the lower electrode layer 162 of the sandwich structure 60 is deposited as shown in FIG. Suitable materials for the lower electrode layer 162 are Au, Pt, W, and Mo. The orientation and crystallinity of the lower electrode layer 162 are reflected in the orientation and crystal quality of the piezoelectric thin film layer 163 formed thereon.

下方電極層162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。上記のように、圧電体薄膜層163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、下方電極層162の厚さは、好適には200nm未満である。Au、Pt、W、Moは好適にはスパッタリングにより堆積される。この方法により、表面の高さのRMS変動が25nm以下、好ましくは20nm以下、更に好ましくは10nm以下の表面粗度の下方電極層162が得られる。  The thickness of the lower electrode layer 162 is also important. A thick layer has a rougher surface than a thin layer. As noted above, maintaining a smooth surface for the deposition of the piezoelectric film layer 163 is very important to the performance of the resulting resonator. Therefore, the thickness of the lower electrode layer 162 is preferably less than 200 nm. Au, Pt, W, and Mo are preferably deposited by sputtering. By this method, the lower electrode layer 162 having a surface roughness with an RMS fluctuation of the surface height of 25 nm or less, preferably 20 nm or less, more preferably 10 nm or less is obtained.

下方電極層162を堆積し終わってから、下方電極層162の周囲に残ったPSG犠牲層を除去し、圧電体薄膜層163を堆積する。圧電体薄膜層163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、圧電体薄膜層163の厚さは、0.1μmから10μmの間、好ましくは0.5μmから2μmの間にある。  After the lower electrode layer 162 is deposited, the PSG sacrificial layer remaining around the lower electrode layer 162 is removed, and a piezoelectric thin film layer 163 is deposited. A suitable material for the piezoelectric thin film layer 163 is AlN or ZnO, which is also deposited by sputtering. In a preferred embodiment of the present invention, the thickness of the piezoelectric thin film layer 163 is between 0.1 μm and 10 μm, preferably between 0.5 μm and 2 μm.

最後に、上方電極層164を堆積させる。上方電極層164は、下方電極層162と同様な材料から構成され、好適にはAu、Pt、W、Moから構成される。  Finally, an upper electrode layer 164 is deposited. The upper electrode layer 164 is made of the same material as that of the lower electrode layer 162, and is preferably made of Au, Pt, W, and Mo.

以上のようにして、密着電極層161、下方電極層162、圧電体薄膜層163及び上方電極層164の接合されたもの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、RIE(反応性イオンエッチング)などの乾式エッチング法により、上方電極層164の周辺部から下方へ向かって、該上方電極層164、圧電体薄膜層163及び下方電極層162を通って犠牲層55にまで到達するような貫通小孔を開け、希釈HO: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を除去する。これにより、図20及び図21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の周囲に密着電極層161が位置し、窪み52をまたぐようにして、縁部が基板により支持されている。As described above, after forming the sandwich structure 60 that is formed by bonding the adhesion electrode layer 161, the lower electrode layer 162, the piezoelectric thin film layer 163, and the upper electrode layer 164 and is patterned into a required shape, The sacrificial layer 55 passes through the upper electrode layer 164, the piezoelectric thin film layer 163, and the lower electrode layer 162 from the periphery of the upper electrode layer 164 downward by a dry etching method such as RIE (reactive ion etching). PSG below the sandwich structure 60 is removed by opening a small through hole that reaches up to and then etching with diluted H 2 O: HF solution. Accordingly, as shown in FIGS. 20 and 21, the sandwich structure 60 bridged on the recess 52 remains. That is, the sandwiching structure 60 has the contact electrode layer 161 positioned around the recess 52 formed on the surface of the substrate, and the edge is supported by the substrate so as to straddle the recess 52.

以上のようにして得られた薄膜音響共振器においては、挟み込み構造体60の周辺部では密着電極層161の分だけ質量が大きくなるので、横方向の振動発生が抑制され、薄膜音響共振器の振動に余分なスプリアス振動の重なりが生ずるのを防止することができる。また、窪み52の周囲に密着電極層161を形成することにより、従来空洞上に単独では堆積できなかったAu、Ptなどからなる下方電極層を堆積することが可能となり、W、Moなどからなる下方電極層についても下地基板との密着性が改善される。  In the thin film acoustic resonator obtained as described above, since the mass is increased by the amount of the contact electrode layer 161 in the peripheral portion of the sandwich structure 60, the occurrence of lateral vibration is suppressed, and the thin film acoustic resonator It is possible to prevent excessive spurious vibrations from overlapping in the vibration. Further, by forming the contact electrode layer 161 around the recess 52, it becomes possible to deposit a lower electrode layer made of Au, Pt, etc., which could not be deposited alone on the cavity, and made of W, Mo, etc. Adhesion with the underlying substrate is also improved for the lower electrode layer.

また、以上のような薄膜音響共振器の製造方法によれば、Au、Pt、W、Moなどからなる下方電極層162の中央部をシリカガラス、燐酸石英ガラスなどのガラス質の犠牲層上に形成するので、従来のTi等からなる密着層上にAu、Pt、W、Moなどの電極層を全体的に形成する場合よりも、下方電極層の配向性及び結晶性が優れたものとなり、ロッキングカーブにおける回折ピーク半値幅(FWHM)の小さな良質な結晶膜が得られる。このようにして下方電極層162の配向性及び結晶品質を改良することにより、その上に形成される圧電体薄膜層の配向性及び結晶品質の向上が実現される。  Further, according to the method for manufacturing a thin film acoustic resonator as described above, the central portion of the lower electrode layer 162 made of Au, Pt, W, Mo or the like is placed on a glassy sacrificial layer such as silica glass or quartz phosphate glass. Since it is formed, the orientation and crystallinity of the lower electrode layer is superior to the case of forming an electrode layer such as Au, Pt, W, and Mo as a whole on an adhesion layer made of conventional Ti or the like, A high-quality crystal film having a small diffraction peak half width (FWHM) in the rocking curve can be obtained. By improving the orientation and crystal quality of the lower electrode layer 162 in this manner, the orientation and crystal quality of the piezoelectric thin film layer formed thereon can be improved.

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層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」の上方電極層の上に形成されているから、この上方電極層の厚さをも例えば100nm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状態を与えるようにする。例えば、高さのRMS変動が25nm以下、好ましくは20nm以下、更に好ましくは10nm以下の表面粗度である平滑な表面とするのが好ましい。  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 layer thereon must be deposited. Since the second piezoelectric layer is formed on the upper electrode layer of “FBAR” as shown in the above embodiment, the thickness of the upper electrode layer is maintained at, for example, 100 nm, and the second piezoelectric layer is formed. An appropriate surface condition for depositing the piezoelectric layer is provided. For example, it is preferable that the surface has a smooth surface with a surface roughness of RMS fluctuation of 25 nm or less, preferably 20 nm or less, more preferably 10 nm or less.

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。例えば、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、スピニングにより基板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。これらの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Oプラズマエッチングによって取り去ることもできる。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 substrate by spinning. Even when the sacrificial layer is formed of these materials, surface smoothing by polishing is important as in the case of the PSG sacrificial layer. These sacrificial layers can also be removed by organic removal materials or O 2 plasma etching.

次に、図22は本発明による圧電薄膜共振子(薄膜音響共振器)の実施形態を示す模式的平面図であり、図23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111は基板112、該基板112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112には、空隙を形成するビアホール120が形成されている。絶縁層13の一部はビアホール120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)121を構成する。また、下部電極15及び上部電極17は、振動部121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121に対応する領域外に位置する。  Next, FIG. 22 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator (thin film acoustic resonator) according to the present invention, and FIG. 23 is an XX sectional view thereof. In these drawings, the piezoelectric thin film resonator 111 has a substrate 112, an insulating layer 13 formed on the upper surface of the substrate 112, 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 120 that forms a gap is formed in the substrate 112. A part of the insulating layer 13 is exposed toward the via hole 120. The exposed portion of the insulating layer 13 and the portion of the piezoelectric multilayer structure 14 corresponding thereto constitute a vibrating portion (vibrating diaphragm) 121. The lower electrode 15 and the upper electrode 17 include main portions 15a and 17a formed in a region corresponding to the vibration portion 121, 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 121.

基板112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112のビアホール120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112に形成される空隙は、ビアホール120によるものには限定されず、振動部121の振動を許容するものであればよく、該振動部121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。  As the substrate 112, 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 120 of the substrate 112, an anisotropic etching method from the lower surface side of the substrate is exemplified. Note that the gap formed in the substrate 112 is not limited to that formed by the via hole 120, and may be any as long as it allows vibration of the vibrating portion 121, and is a recess formed in the upper surface region of the substrate corresponding to the vibrating portion 121. There may be.

絶縁層13は、酸化シリコン(SiO)または窒化シリコン(SiN)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、SiO層の片面または両面に窒化シリコン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112の表面の熱酸化法やCVD法や低圧CVD法が例示される。The insulating layer 13 is a dielectric film mainly composed of silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN x ) (preferably the content is 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, one in which a silicon nitride layer is added to one side or both sides of a 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, a CVD method, and a low pressure CVD method for the surface of the substrate 112 made of silicon.

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。  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.

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。  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.

本発明者らは、図22及び図23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SiOまたはSiN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。In the FBAR having the piezoelectric film 16 having AlN as a main component and having the 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 composed mainly of SiO 2 or SiN x. In addition, it has been found that it is effective to use a material mainly composed of Mo as the upper and lower 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. Further, 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.

図24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25はそのX−X断面図である。これらの図において、上記図22及び図23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。  FIG. 24 is a schematic plan view showing still another embodiment of the piezoelectric thin film resonator according to the present invention, and FIG. 25 is an XX sectional view thereof. In these drawings, members having the same functions as those in FIGS. 22 and 23 are given the same reference numerals.

本実施形態では、絶縁層13の他にも、SiOまたはSiN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121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、酸化シリコンまたは窒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112の上面におけるビアホール120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121の保持を行うことが好ましい。In the present embodiment, in addition to the insulating layer 13, an insulating layer 18 containing SiO 2 or SiN x 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 extend beyond a region corresponding to the vibration part 121 and may be formed over a wide range on the piezoelectric film 16. Further, when the insulating layer 18 mainly composed of silicon oxide or silicon nitride 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 120 on the upper surface of the substrate 112, and the vibrating portion 121 is held by the lower electrode 15. It is preferable.

図24,25の実施形態においても、図22,23の実施形態と同様の効果が得られる。  In the embodiment of FIGS. 24 and 25, the same effect as that of the embodiment of FIGS.

図26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27はそのX−X断面図である。これらの図において、上記図22〜図25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。  FIG. 26 is a schematic plan view showing still another embodiment of the piezoelectric thin film resonator according to the present invention, and FIG. 27 is an XX sectional view thereof. In these drawings, members having the same functions as those in FIGS. 22 to 25 are given the same reference numerals.

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121に対応する領域内に位置しており、端子部17Ab,17Bbは振動部121に対応する領域外に位置している。  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 121, and the terminal portions 17Ab and 17Bb are located outside the region corresponding to the vibrating portion 121.

図28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29はそのX−X断面図である。これらの図において、上記図22〜図27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。  FIG. 28 is a schematic plan view showing still another embodiment of the piezoelectric thin film resonator according to the present invention, and FIG. 29 is an XX sectional view thereof. In these drawings, members having functions similar to those in FIGS. 22 to 27 are given the same reference numerals.

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121に対応する領域内に位置しており、端子部17Ab,17Bbは振動部121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。  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 121, and the terminal portions 17Ab and 17Bb are located outside the region corresponding to the vibrating portion 121. 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.

図26,27の実施形態及び図28,29の実施形態においても、図22,23の実施形態及び図24,25の実施形態と同様の効果が得られる。また、図26,27及び図28図28,29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。  In the embodiment of FIGS. 26 and 27 and the embodiment of FIGS. 28 and 29, the same effects as those of the embodiments of FIGS. 22 and 23 and the embodiments of FIGS. 26 and 27 and FIG. 28 The embodiments of FIGS. 28 and 29 are called multimode resonators, and one of the upper electrodes 17 (for example, the second electrode portion 17B) and the lower electrode 15 An input voltage can be applied between them, and the 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.

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および反共振周波数fと電気機械結合係数k との間には、以下の関係
=φ/Tan(φ
φ=(π/2)(f/f
がある。
In the piezoelectric thin-film resonator as described above, between the resonance frequency f r and the antiresonance frequency f a and the electromechanical coupling coefficient k t 2 in the impedance characteristic measured by using a microwave prober, the following relationship k t 2 = φ r / Tan (φ r )
φ r = (π / 2) (f r / f a )
There is.

簡単のため、電気機械結合係数k として、次式
=4.8(f−f)/(f+f
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 の数値は、この式を用いて算出したものを用いている。
For simplicity, as the electromechanical coupling coefficient k t 2 , the following formula k t 2 = 4.8 (f a −f r ) / (f a + f r )
In this specification, the numerical value of the electromechanical coupling coefficient k t 2 is calculated using this equation.

図22,23、図24,25、図26,27及び図28,29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 は4.0〜6.5%である。電気機械結合係数k 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。22, 23, 24, 25, 26, 27 and 28, 29, 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.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。  Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

[実施例1]
図3〜図8に記載されているようにして、薄膜音響共振器を作製した。
[Example 1]
A thin film acoustic resonator was fabricated as described in FIGS.

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。なお、窪みの深さを3μmとしてもよい。  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. The depth of the recess may be 3 μm.

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SiO層53を形成し、Siウェーハ51及びSiO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。Then, to remove the Pt / Ti pattern mask, as shown in Figure 3, the SiO 2 layer 53 having a thickness of 1μm on the surface of the Si wafer 51 is formed by thermal oxidation, Si wafer 51 and the SiO 2 layer 53 A structure in which a recess 52 is formed on a substrate made of is obtained.

次いで、図4に示されるように、窪み52の形成されているSiO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Pを原料として用いた熱CVD法により行った。なお、PSG犠牲層55の厚さを5μmとしてもよく、熱CVD法における原料としてシラン及びリン酸トリメチル(PO(OCH)を用いてもよく、更に、堆積したPSG層を1%酸素/窒素混合雰囲気中で850℃にて20分間熱処理してリフローさせ硬度を高めてもよい。Next, as shown in FIG. 4, a PSG sacrificial layer 55 having a thickness of 30 μm was deposited on the SiO 2 layer 53 in which the recess 52 was formed. This deposition was performed by a thermal CVD method using silane and P 2 O 5 as raw materials at 450 ° C. Note that the thickness of the PSG sacrificial layer 55 may be 5 μm, silane and trimethyl phosphate (PO (OCH 3 ) 3 ) may be used as raw materials in the thermal CVD method, and the deposited PSG layer is further added with 1% oxygen. / Heat treatment at 850 ° C. for 20 minutes in a nitrogen mixed atmosphere may be reflowed to increase the hardness.

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研磨し、その表面粗さを高さのRMS変動が10nmとなるようにした。  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 polished with a slurry containing fine abrasive particles, and the surface roughness was adjusted so that the RMS fluctuation of the height was 10 nm.

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、スパッタガスとしてArを用い、室温で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15nmであった。  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 at room temperature using Ar as the sputtering gas. 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 15 nm.

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O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5%以下の11nm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。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 ZnO film was formed by RF magnetron sputtering using ZnO as a sputtering target, a mixed gas of Ar and O 2 as a sputtering gas, a sputtering gas pressure of 5 mTorr, and a substrate temperature of 400 ° C. When the surface roughness of the formed ZnO film was measured, the RMS variation in height was 11 nm, which was 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.

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でうねり高さを調べたところ、圧電体層62の膜厚の25%以下で且つ測定長の0.5%以下の0.2μmであった。  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. When the surface of the upper electrode 63 was examined for the undulation height at a measurement length of 150 μm, it was 0.2 μm, which is 25% or less of the film thickness of the piezoelectric layer 62 and 0.5% or less of the measurement length.

次いで、希釈HO: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。The PSG sacrificial layer 55 was then removed by etching with a diluted H 2 O: HF solution. As a result, as shown in FIG. 8, the Mo / ZnO / Mo sandwich structure 60 was bridged on the recess 52.

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88.5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2.5度であり、良好な配向性を示していた。  When thin film XRD analysis of the obtained piezoelectric layer 62 was performed, the c-axis of the film was in the direction of 88.5 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 2.5 degrees, indicating good orientation.

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ktを算出した。電気機械結合係数ktは5.5%で、音響的品質係数は700であった。実施例1において得られたFBARの構成および音響共振器としての特性を表1に示す。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, the electromechanical coupling coefficient kt 2 was calculated. The electromechanical coupling factor kt 2 was 5.5% and the acoustic quality factor was 700. Table 1 shows the configuration of the FBAR obtained in Example 1 and the characteristics as an acoustic resonator.

[比較例1]
PSG犠牲層55の表面粗さを高さのRMS変動が70nm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。
[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 in height was 70 nm.

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80nm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5%を越える75nmであった。上部電極63の表面について、測定長さ150μmでうねり高さを調べたところ、測定長の0.5%を越える1.0μmであった。  When the surface roughness of the Mo film of the lower electrode 61 was measured, the RMS fluctuation of the height was 80 nm. Further, when the surface roughness of the ZnO film was measured, the RMS fluctuation of the height was 75 nm exceeding 5% of the film thickness. On the surface of the upper electrode 63, when the waviness height was examined at a measurement length of 150 μm, it was 1.0 μm which exceeded 0.5% of the measurement length.

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85.0度と大きく傾いており、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。  When the thin film XRD analysis of the obtained piezoelectric layer 62 was performed, the c-axis of the film was greatly inclined to 85.0 degrees with respect to the film surface. Was 7.0 degrees.

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ktは3.0%で、音響的品質係数は400であった。比較例1において得られたFBARの構成および音響共振器としての特性を表1に示す。The electromechanical coupling coefficient kt 2 of the acoustic resonator obtained as described above was 3.0%, and the acoustic quality factor was 400. Table 1 shows the configuration of the FBAR obtained in Comparative Example 1 and the characteristics as an acoustic resonator.

[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N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5%以下の14nmであった。上部電極63の表面について、測定長さ150μmでうねり高さを調べたところ、圧電体層62の膜厚の25%以下で且つ測定長の0.5%以下の0.2μmであった。
[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 was formed by RF magnetron sputtering at a substrate temperature of 400 ° C. using Al as a sputtering target, a mixed gas of Ar and N 2 as a sputtering gas. When the surface roughness of the formed AlN film was measured, the RMS fluctuation of the height was 14 nm, which is 5% or less of the film thickness. When the surface of the upper electrode 63 was examined for the undulation height at a measurement length of 150 μm, it was 0.2 μm which was 25% or less of the film thickness of the piezoelectric layer 62 and 0.5% or less of the measurement length.

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88.5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。  When thin film XRD analysis of the obtained piezoelectric layer 62 was performed, the c-axis of the film was in the direction of 88.5 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.

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ktは6.5%で、音響的品質係数は900であった。実施例2において得られたFBARの構成および音響共振器としての特性を表1に示す。The electromechanical coupling coefficient kt 2 of the acoustic resonator obtained as described above was 6.5%, and the acoustic quality factor was 900. Table 1 shows the configuration of the FBAR obtained in Example 2 and the characteristics as an acoustic resonator.

[比較例2]
PSG犠牲層55の表面粗さを高さのRMS変動が70nm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。
[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 in height was 70 nm.

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85nm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5%を越える80nmであった。上部電極63の表面について、測定長さ150μmでうねり高さを調べたところ、測定長の0.5%を越える1.25μmであった。  When the surface roughness of the Mo film of the lower electrode 61 was measured, the RMS fluctuation of the height was 85 nm. Further, when the surface roughness of the AlN film was measured, the RMS fluctuation of the height was 80 nm exceeding 5% of the film thickness. On the surface of the upper electrode 63, when the waviness height was examined at a measurement length of 150 μm, it was 1.25 μm which exceeded 0.5% of the measurement length.

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83.0度と大きく傾いており、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8.5度であった。  When thin film XRD analysis of the obtained piezoelectric layer 62 was performed, the c-axis of the film was greatly inclined to 83.0 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 8.5 degrees.

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ktは3.5%で、音響的品質係数は450であった。比較例2において得られたFBARの構成および音響共振器としての特性を表1に示す。The electromechanical coupling coefficient kt 2 of the acoustic resonator obtained as described above was 3.5%, and the acoustic quality factor was 450. Table 1 shows the structure of the FBAR obtained in Comparative Example 2 and the characteristics as an acoustic resonator.

[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、薄膜音響共振器を作製した。
[Example 3]
Thin film acoustic resonators were fabricated as described in FIGS. 3 to 5 and 9 to 10.

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5nmとなるようにした。  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 so that the surface roughness was 5 nm in height fluctuation.

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SiO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10nmであった。Next, as shown in FIG. 9, an insulator layer 54 made of a SiO 2 film having a thickness of 500 nm was formed on the substrate by the CVD method so as to cover the surface of the PSG sacrificial layer 55 as well. When the surface roughness of the formed insulator layer 54 was measured, the RMS fluctuation of the height was 10 nm.

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15nmであった。  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 15 nm.

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5%以下の10nm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。  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 10 nm, which is 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.

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でうねり高さを調べたところ、圧電体層62の膜厚の25%以下で且つ測定長の0.5%以下の0.2μmであった。  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. When the surface of the upper electrode 63 was examined for the undulation height at a measurement length of 150 μm, it was 0.2 μm, which is 25% or less of the film thickness of the piezoelectric layer 62 and 0.5% or less of the measurement length.

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HO: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。Next, a via hole reaching the PSG sacrificial layer 55 was opened in the exposed portion of the insulator layer 54, and the PSG sacrificial layer 55 was removed by etching with a diluted H 2 O: HF solution through the opening. 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.

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88.5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。  When thin film XRD analysis of the obtained piezoelectric layer 62 was performed, the c-axis of the film was in the direction of 88.5 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.

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ktを算出した。電気機械結合係数ktは4.5%で、音響的品質係数は650であった。実施例3において得られたFBARの構成および音響共振器としての特性を表1に示す。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, the electromechanical coupling coefficient kt 2 was calculated. The electromechanical coupling factor kt 2 was 4.5% and the acoustic quality factor was 650. Table 1 shows the configuration of the FBAR obtained in Example 3 and the characteristics as an acoustic resonator.

[比較例3]
PSG犠牲層55の表面粗さを高さのRMS変動が70nm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。
[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 in height was 70 nm.

絶縁体層54のSiO膜の表面粗さを測定したところ、高さのRMS変動は85nm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90nm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5%を越える85nmであった。上部電極63の表面について、測定長さ150μmでうねり高さを調べたところ、測定長の0.5%を越える1.0μmであった。When the surface roughness of the SiO 2 film of the insulator layer 54 was measured, the RMS fluctuation of the height was 85 nm. Further, when the surface roughness of the Mo film of the lower electrode 61 was measured, the RMS fluctuation of the height was 90 nm. Further, when the surface roughness of the ZnO film was measured, the RMS fluctuation of the height was 85 nm exceeding 5% of the film thickness. On the surface of the upper electrode 63, when the waviness height was examined at a measurement length of 150 μm, it was 1.0 μm which exceeded 0.5% of the measurement length.

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83.0度と大きく傾いており、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9.5度であった。  When thin film XRD analysis of the obtained piezoelectric layer 62 was performed, the c-axis of the film was greatly inclined to 83.0 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 9.5 degrees.

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ktは2.8%で、音響的品質係数は360であった。比較例3において得られたFBARの構成および音響共振器としての特性を表1に示す。The electromechanical coupling coefficient kt 2 of the acoustic resonator obtained as described above was 2.8%, and the acoustic quality factor was 360. Table 1 shows the configuration of the FBAR obtained in Comparative Example 3 and the characteristics as an acoustic resonator.

[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。
[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.

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25%以下で且つ測定長の0.5%以下の0.15μmであった。  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 0.15 μm which was 25% or less of the film thickness of the piezoelectric layer 62 and 0.5% or less of the measurement length. there were.

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ktは7.5%で、音響的品質係数は950であった。実施例4において得られたFBARの構成および音響共振器としての特性を表1に示す。The electromechanical coupling coefficient kt 2 of the acoustic resonator obtained as described above was 7.5%, and the acoustic quality factor was 950. Table 1 shows the configuration of the FBAR obtained in Example 4 and the characteristics as an acoustic resonator.

[実施例5]
図3〜図8に記載されているようにして、薄膜音響共振器を作製した。
[Example 5]
A thin film acoustic resonator was fabricated as described in FIGS.

先ず、Siウェーハ51の表面をSiO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、該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3μmで幅150μmの窪みを形成した。このエッチングは、実施例1と同様にして実施した。First, the surface of the Si wafer 51 was covered with a SiO 2 protective film, and the protective film was formed into a predetermined pattern for forming a recess by etching to form a mask for etching the Si wafer 51. Thereafter, wet etching was performed using the mask to form a recess having a depth of 3 μm and a width of 150 μm, as shown in FIG. This etching was performed in the same manner as in Example 1.

その後、湿式エッチングによりSiOパターンマスクを除去し、図3に示されているように、Siウェーハ51の表面に厚さ200nmのSi層53を形成し、Siウェーハ51及びSi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。このSi層53の堆積は、800℃で、モノシラン(SiH)及びアンモニア(NH)を原料として用いた低圧CVD法により行なった。Thereafter, the SiO 2 pattern mask is removed by wet etching, and as shown in FIG. 3, a Si 3 N 4 layer 53 having a thickness of 200 nm is formed on the surface of the Si wafer 51, and the Si wafer 51 and the Si 3 N are formed. A structure in which a depression 52 was formed on a substrate composed of four layers 53 was obtained. The Si 3 N 4 layer 53 was deposited at 800 ° C. by low pressure CVD using monosilane (SiH 4 ) and ammonia (NH 3 ) as raw materials.

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Si層53上に、厚さ5μmのPSG犠牲層55を堆積させた。この堆積は、450℃で、テトラエトキシシラン(Si(OC)及びリン酸トリメチル(PO(OCH)を原料として用いた熱CVD法により行った。更に、堆積したPSG層を1%酸素/窒素混合雰囲気中で850℃にて20分間熱処理してリフローさせて硬度を高めた。Next, as shown in FIG. 4, a PSG sacrificial layer 55 having a thickness of 5 μm was deposited on the Si 3 N 4 layer 53 in which the recess 52 was formed. This deposition was performed at 450 ° C. by a thermal CVD method using tetraethoxysilane (Si (OC 2 H 5 ) 4 ) and trimethyl phosphate (PO (OCH 3 ) 3 ) as raw materials. Further, the deposited PSG layer was heat-treated at 850 ° C. for 20 minutes in a 1% oxygen / nitrogen mixed atmosphere to be reflowed to increase the hardness.

次いで、実施例1と同様にして、図5に示されている構造を得た。但し、研磨粒子の選択により、窪み52内に残留するPSG犠牲層55の表面粗さを高さのRMS変動が5nmとなるようにした。  Next, the structure shown in FIG. 5 was obtained in the same manner as in Example 1. However, by selecting the abrasive particles, the surface roughness of the PSG sacrificial layer 55 remaining in the recess 52 was set such that the RMS fluctuation of the height was 5 nm.

次いで、実施例1と同様にして、図6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13nmであった。  Next, in the same manner as in Example 1, a lower electrode 61 made of a Mo film was formed as shown in FIG. When the surface roughness of the formed Mo film was measured, the RMS fluctuation of the height was 13 nm.

次いで、実施例2と同様にして、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。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5%以下の10nmであった。  Next, in the same manner as in Example 2, a 1.2 μm-thick piezoelectric layer 62 made of an AlN film was formed on the lower electrode 61. When the surface roughness of the formed AlN film was measured, the RMS fluctuation of the height was 10 nm, which is 5% or less of the film thickness.

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でうねり高さを調べたところ、圧電体層62の膜厚の25%以下で且つ測定長の0.5%以下の0.15μmであった。  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. When the surface of the upper electrode 63 was examined for the undulation height at a measurement length of 150 μm, it was 0.15 μm which was 25% or less of the film thickness of the piezoelectric layer 62 and 0.5% or less of the measurement length.

次いで、実施例1と同様にして、PSG犠牲層55を除去し、これにより、図8に示されているように、窪み52の上にMo/AlN/Moの挟み込み構造体60が橋架けされた形態を形成した。  Next, the PSG sacrificial layer 55 was removed in the same manner as in Example 1, and as a result, a Mo / AlN / Mo sandwich structure 60 was bridged on the recess 52 as shown in FIG. Formed form.

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89.5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(FWHM)は2.2度であり、良好な配向性を示していた。  When thin film XRD analysis of the obtained piezoelectric layer 62 was performed, the c-axis of the film was in the direction of 89.5 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 ( FWHM) was 2.2 degrees, indicating good orientation.

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ktを算出した。電気機械結合係数ktは6.7%で、音響的品質係数は980であった。実施例5において得られたFBARの構成および音響共振器としての特性を表1に示す。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, the electromechanical coupling coefficient kt 2 was calculated. The electromechanical coupling factor kt 2 was 6.7% and the acoustic quality factor was 980. Table 1 shows the configuration of the FBAR obtained in Example 5 and the characteristics as an acoustic resonator.

[実施例6]
図3〜図5,図9〜図10に記載されているようにして、薄膜音響共振器を作製した。
[Example 6]
Thin film acoustic resonators were fabricated as described in FIGS. 3 to 5 and 9 to 10.

先ず、実施例5と同様にして、図5に示される構造を得た。但し、研磨粒子の選択により、窪み52内に残留するPSG犠牲層55の表面粗さを高さのRMS変動が10nmとなるようにした。  First, the structure shown in FIG. 5 was obtained in the same manner as in Example 5. However, by selecting the abrasive particles, the surface roughness of the PSG sacrificial layer 55 remaining in the recess 52 was set such that the RMS fluctuation of the height was 10 nm.

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厚さ500nmのSi膜からなる絶縁体層54を形成した。このSi膜からなる絶縁体層54の堆積は、800℃で、モノシラン(SiH)及びアンモニア(NH)を原料として用いた低圧CVD法により行なった。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12nmであった。Next, as shown in FIG. 9, an insulator layer 54 made of a Si 3 N 4 film having a thickness of 500 nm was formed on the substrate so as to cover the surface of the PSG sacrificial layer 55. The insulator layer 54 made of the Si 3 N 4 film was deposited at 800 ° C. by low pressure CVD using monosilane (SiH 4 ) and ammonia (NH 3 ) as raw materials. When the surface roughness of the formed insulator layer 54 was measured, the RMS fluctuation of the height was 12 nm.

次いで、絶縁体層54上に、実施例5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17nmであった。  Next, a lower electrode 61 made of a Mo film was formed on the insulator layer 54 in the same manner as in Example 5 as shown in FIG. When the surface roughness of the formed Mo film was measured, the RMS fluctuation of the height was 17 nm.

次いで、実施例5と同様にして、下部電極61上にAlN膜からなる圧電体層62を形成した。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5%以下の15nmであった。  Next, in the same manner as in Example 5, a piezoelectric layer 62 made of an AlN film was formed on the lower electrode 61. When the surface roughness of the formed AlN film was measured, the RMS fluctuation of the height was 15 nm which is 5% or less of the film thickness.

次いで、実施例5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でうねり高さを調べたところ、圧電体層62の膜厚の25%以下で且つ測定長の0.5%以下の0.21μmであった。  Next, an upper electrode 63 made of a Mo film was formed on the piezoelectric layer 62 in the same manner as in Example 5. The surface of the upper electrode 63 was examined for undulation height at a measurement length of 150 μm, and was found to be 0.21 μm, which is 25% or less of the film thickness of the piezoelectric layer 62 and 0.5% or less of the measurement length.

次いで、実施例3と同様にして、PSG犠牲層55を除去し、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/AlN/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。  Next, in the same manner as in Example 3, the PSG sacrificial layer 55 is removed, and thereby, as shown in FIG. 10, the insulating layer 54 and the Mo / AlN / Mo sandwich structure on the recess 52 The laminated body with 60 formed the form bridged.

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88.4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(FWHM)は2.8度であり、良好な配向性を示していた。  When thin film XRD analysis of the obtained piezoelectric layer 62 was performed, the c-axis of the film was in the direction of 88.4 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 ( FWHM) was 2.8 degrees, indicating good orientation.

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ktを算出した。電気機械結合係数ktは5.2%で、音響的品質係数は700であった。実施例6において得られたFBARの構成および音響共振器としての特性を表1に示す。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, the electromechanical coupling coefficient kt 2 was calculated. The electromechanical coupling factor kt 2 was 5.2% and the acoustic quality factor was 700. Table 1 shows the configuration of the FBAR obtained in Example 6 and the characteristics as an acoustic resonator.

[実施例7]
図15〜図21に記載されているようにして、薄膜音響共振器を作製した。
[Example 7]
A thin film acoustic resonator was fabricated as described in FIGS.

まず、Siウェーハ51の表面をSiO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、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、該マスクを用いて湿式エッチングを行い、図15に示されているように、深さ20μmの窪みを形成した。エッチングは、エッチング液として5wt%のKOH水溶液を用い、液温70℃で行った。なお、窪みの深さを3μmとしてもよい。First, the surface of the Si wafer 51 was covered with a SiO 2 protective film, and the protective film was formed into a predetermined pattern for forming a recess by etching, and a mask for etching the Si wafer 51 was formed. Thereafter, wet etching was performed using the mask to form a recess having a depth of 20 μm as shown in FIG. Etching was performed at a liquid temperature of 70 ° C. using a 5 wt% KOH aqueous solution as an etchant. The depth of the recess may be 3 μm.

その後、熱酸化により、ウェーハ51の表面に再度SiO層53を形成した。これにより、Siウェーハ51及びSiO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。Thereafter, the SiO 2 layer 53 was formed again on the surface of the wafer 51 by thermal oxidation. As a result, a structure in which the recess 52 was formed on the substrate composed of the Si wafer 51 and the SiO 2 layer 53 was obtained.

その後、基板の表面(上面)にCr膜を形成し、該Cr膜のうちの窪み52の周囲を取り囲む部分のみを環状に残すようにようパターンエッチングした。これにより、図16に示されているように、窪み52の周囲を取り囲むようにCr膜からなる密着電極層161が形成された。Cr膜の形成は、DCマグネトロンスパッタ法を用い、スパッタガスとしてArを用い、基板温度を室温として行った。Cr密着電極層161は、上面の下方電極層との接触面となる平面の面積(S1)が4500μmで、膜厚が100nmとなるように形成された。Thereafter, a Cr film was formed on the surface (upper surface) of the substrate, and pattern etching was performed so as to leave only a portion surrounding the periphery of the recess 52 in the Cr film. As a result, as shown in FIG. 16, the contact electrode layer 161 made of a Cr film was formed so as to surround the periphery of the recess 52. The Cr film was formed by using a DC magnetron sputtering method, using Ar as the sputtering gas, and setting the substrate temperature to room temperature. The Cr adhesion electrode layer 161 was formed so that the area (S1) of a plane serving as a contact surface with the lower electrode layer on the upper surface was 4500 μm 2 and the film thickness was 100 nm.

その後、図17に示されているように、窪み52の形成されているSiO層53及びCr密着電極層61の上に、シランおよびホスフィン(PH)を使用して450℃でPSGを堆積させた。なお、堆積したPSG層を1%酸素/窒素混合雰囲気中で850℃にて20分間熱処理してリフローさせ硬度を高めてもよい。Thereafter, as shown in FIG. 17, PSG is deposited at 450 ° C. using silane and phosphine (PH 3 ) on the SiO 2 layer 53 and the Cr adhesion electrode layer 61 in which the recess 52 is formed. I let you. The deposited PSG layer may be heat-treated at 850 ° C. for 20 minutes in a 1% oxygen / nitrogen mixed atmosphere to reflow to increase the hardness.

次いで、図18に示されているように、堆積したPSGの表面を研磨して密着電極層161の上のPSG層の部分を除去し、続いてPSG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、逆スパッタリング処理によりCr密着電極層161の表面を清浄化した。これにより、PSG犠牲層55の表面は、高さのRMS変動が8nmとなる表面粗さであった。  Next, as shown in FIG. 18, the surface of the deposited PSG is polished to remove the portion of the PSG layer on the adhesion electrode layer 161, and then the surface of the PSG layer 55 includes fine abrasive particles. Polishing was performed using slurry, and the surface of the Cr adhesion electrode layer 161 was cleaned by reverse sputtering. As a result, the surface of the PSG sacrificial layer 55 had a surface roughness with an RMS fluctuation of 8 nm.

その後、図19に示されているように、Cr密着電極層161及びPSG犠牲層55の上に、Auからなる下方電極層162を形成した。該下方電極層162のパターニングにはリフトオフ法を採用し、Cr密着電極層161の外周縁に対応する外周縁を有する所定形状の下方電極層162を得た。Au膜の形成は、DCマグネトロンスパッタ法を用い、スパッタガスとしてArを用い、基板温度を室温として行った。下方電極層162は、平面面積(S2)が27225μmで、膜厚が100nmとなるように形成された。得られたAu膜の表面粗さを調べた結果、高さのRMS変動は7nmであった。Thereafter, as shown in FIG. 19, a lower electrode layer 162 made of Au was formed on the Cr adhesion electrode layer 161 and the PSG sacrificial layer 55. A lift-off method was employed for patterning the lower electrode layer 162, and a lower electrode layer 162 having a predetermined shape having an outer peripheral edge corresponding to the outer peripheral edge of the Cr adhesion electrode layer 161 was obtained. The Au film was formed by using a DC magnetron sputtering method, using Ar as a sputtering gas, and setting the substrate temperature to room temperature. The lower electrode layer 162 was formed to have a planar area (S2) of 27225 μm 2 and a film thickness of 100 nm. As a result of examining the surface roughness of the obtained Au film, the RMS fluctuation of the height was 7 nm.

次に、下方電極層162の周囲に残ったPSG犠牲層を除去し、下方電極層162上にZnOからなる圧電体薄膜層163を形成した。ZnO膜の形成は、RFマグネトロンスパッタ法を用い、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:Oが9:1のAr−O混合ガスを用い、スパッタガス圧を5mTorrとし、基板温度を400℃として行った。ZnO膜の膜厚は1.0μmであった。得られたZnO膜の表面粗さを調べた結果、高さのRMS変動は4nmであった。Next, the PSG sacrificial layer remaining around the lower electrode layer 162 was removed, and a piezoelectric thin film layer 163 made of ZnO was formed on the lower electrode layer 162. The formation of the ZnO film is performed using an RF magnetron sputtering method, using ZnO as a sputtering target, using an Ar—O 2 mixed gas of 9: 1 Ar: O 2 as a sputtering gas, a sputtering gas pressure of 5 mTorr, and a substrate temperature. Was carried out at 400 ° C. The thickness of the ZnO film was 1.0 μm. As a result of examining the surface roughness of the obtained ZnO film, the RMS fluctuation of the height was 4 nm.

続いて、ZnO圧電体薄膜層163を湿式エッチングして、結合電極引き出しに必要な開口部以外はCr密着電極層161の外周縁及び下方電極層162の外周縁に対応する外周縁を有する所定形状にパターニングした。そして、ZnO圧電体薄膜163上にAuからなる上部電極層164を形成した。該上部電極層164は、リフトオフ法によるパターニングで、外周縁がCr密着電極層161の内周縁より内側となるような所定形状とされた(図21参照)。Au膜の形成は、DCマグネトロンスパッタ法を用い、スパッタガスとしてArを用い、基板温度を室温として行った。Au膜の膜厚は100nmとした。  Subsequently, the ZnO piezoelectric thin film layer 163 is wet-etched to have a predetermined shape having outer peripheral edges corresponding to the outer peripheral edge of the Cr adhesion electrode layer 161 and the outer peripheral edge of the lower electrode layer 162 except for the opening necessary for extracting the coupling electrode. Patterned. Then, an upper electrode layer 164 made of Au was formed on the ZnO piezoelectric thin film 163. The upper electrode layer 164 was patterned by a lift-off method so as to have a predetermined shape such that the outer peripheral edge was inside the inner peripheral edge of the Cr adhesion electrode layer 161 (see FIG. 21). The Au film was formed by using a DC magnetron sputtering method, using Ar as a sputtering gas, and setting the substrate temperature to room temperature. The film thickness of the Au film was 100 nm.

次いで、RIE(反応性イオンエッチング)により、上方電極層164の周辺部から下方へ向かって、該上方電極層164、圧電体薄膜層163及び下方電極層162を通って犠牲層55まで貫通する小さな穴を開け、希釈HO: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20に示されているように、窪み52の上にCr/Au/ZnO/Auの挟み込み構造体60が橋架けされた形態を形成した。得られた挟み込み構造体60について、スコッチテープによるピーリングテストを行ったところ、基板との間での剥離は観察されなかった。Next, by RIE (reactive ion etching), a small portion penetrates from the periphery of the upper electrode layer 164 downward to the sacrificial layer 55 through the upper electrode layer 164, the piezoelectric thin film layer 163, and the lower electrode layer 162. The PSG sacrificial layer 55 was removed by drilling and etching with diluted H 2 O: HF solution. As a result, as shown in FIG. 20, a structure in which a Cr / Au / ZnO / Au sandwich structure 60 was bridged on the recess 52 was formed. When the obtained sandwich structure 60 was subjected to a peeling test using a scotch tape, no peeling from the substrate was observed.

得られたZnO圧電体薄膜層163について、薄膜XRD分析を行った結果、膜のc軸は膜面内に対して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、(0002)ピークの半値幅(FWHM)は2.3度であり、良好な配向性を示していた。  As a result of conducting a thin film XRD analysis on the obtained ZnO piezoelectric thin film layer 163, the c-axis of the film is in the direction of 88.6 degrees with respect to the film plane, and as a result of examining the orientation degree by a rocking curve, ( The 0002) peak had a full width at half maximum (FWHM) of 2.3 degrees, indicating good orientation.

また、このようにして得られた図20及び図21に示される薄膜音響共振器について、マイクロ波プローバを使用して、上方電極層164と下方電極層162及び密着電極層161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および反共振周波数faを測定し、これらの測定値に基づき電気機械結合係数k を算出した。このとき、スプリアスは励振せず、電気機械結合係数係数k は5.5%で音響的品質係数は1145であった。実施例7において得られたFBARの構成、密着強度および音響共振器としての特性を表2に示す。20 and 21, the impedance between the upper electrode layer 164, the lower electrode layer 162, and the contact electrode layer 161 is obtained using a microwave prober. While measuring the characteristics, the resonance frequency fr and the anti-resonance frequency fa were measured, and the electromechanical coupling coefficient k t 2 was calculated based on these measured values. At this time, the spurious was not excited, the electromechanical coupling coefficient coefficient k t 2 was 5.5%, and the acoustic quality coefficient was 1145. Table 2 shows the structure of the FBAR obtained in Example 7, the adhesion strength, and the characteristics as an acoustic resonator.

[実施例8]
密着電極層161としてCrに代えてTiからなるものを用いたこと以外は、実施例7と同様にして薄膜音響共振器を作製した。Ti膜の形成は、DCマグネトロンスパッタ法を用い、スパッタリングターゲットとしてTiを用い、スパッタガスとしてArを用い、基板温度を室温として行った。Ti膜の膜厚は、20nmとした。得られたZnO圧電体薄膜層163の表面粗さを調べた結果、高さのRMS変動は9nmであった。スコッチテープによるピーリングテストを行ったところ、基板と挟み込み構造体60との間での剥離は観察されなかった。また、薄膜XRD分析を行った結果、ZnO圧電体薄膜層163のc軸は膜面内に対して89.2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2.1度と良好な配向性を示していた。
[Example 8]
A thin film acoustic resonator was fabricated in the same manner as in Example 7, except that the contact electrode layer 161 was made of Ti instead of Cr. The Ti film was formed using a DC magnetron sputtering method, using Ti as a sputtering target, using Ar as a sputtering gas, and setting the substrate temperature to room temperature. The thickness of the Ti film was 20 nm. As a result of examining the surface roughness of the obtained ZnO piezoelectric thin film layer 163, the RMS fluctuation of the height was 9 nm. When a peeling test using a scotch tape was performed, no peeling between the substrate and the sandwich structure 60 was observed. Further, as a result of thin film XRD analysis, the c-axis of the ZnO piezoelectric thin film layer 163 is in the direction of 89.2 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 is The orientation was as good as 2.1 degrees.

このようにして得られた薄膜音響共振器は、スプリアスの励振はなく、電気機械結合係数k は5.9%で、音響的品質係数は772であった。実施例8において得られたFBARの構成、密着強度および音響共振器としての特性を表2に示す。The thin film acoustic resonator thus obtained had no spurious excitation, an electromechanical coupling coefficient k t 2 of 5.9%, and an acoustic quality factor of 772. Table 2 shows the structure, adhesion strength, and acoustic resonator characteristics of the FBAR obtained in Example 8.

[実施例9]
下方電極層162及び上方電極層164としてAuに代えてPtからなるものを用い且つCr密着電極層161の厚みを60nmとしたこと以外は、実施例7と同様にして薄膜音響共振器を作製した。Pt膜の形成は、DCマグネトロンスパッタ法を用い、スパッタリングターゲットとしてPtを用い、スパッタガスとしてArを用い、基板温度を室温として行った。Pt膜の膜厚は100nmとした。得られたZnO圧電体薄膜層163の表面粗さを調べた結果、高さのRMS変動は6nmであった。スコッチテープによるピーリングテストを行ったところ、基板と挟み込み構造体60との間での剥離は観察されなかった。また、薄膜XRD分析を行った結果、ZnO圧電体薄膜層163のc軸は膜面内に対して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2.5度と良好な配向性を示していた。
[Example 9]
A thin film acoustic resonator was fabricated in the same manner as in Example 7, except that the lower electrode layer 162 and the upper electrode layer 164 were made of Pt instead of Au, and the thickness of the Cr adhesion electrode layer 161 was 60 nm. . The Pt film was formed using a DC magnetron sputtering method, using Pt as a sputtering target, using Ar as a sputtering gas, and setting the substrate temperature to room temperature. The thickness of the Pt film was 100 nm. As a result of examining the surface roughness of the obtained ZnO piezoelectric thin film layer 163, the RMS fluctuation of the height was 6 nm. When a peeling test using a scotch tape was performed, no peeling between the substrate and the sandwich structure 60 was observed. Further, as a result of thin film XRD analysis, the c-axis of the ZnO piezoelectric thin film layer 163 is in the direction of 88.8 degrees with respect to the film surface, and as a result of examining the orientation degree by a rocking curve, the half width of the peak is The orientation was as good as 2.5 degrees.

このようにして得られた薄膜音響共振器は、スプリアスの励振はなく、電気機械結合係数k は5.2%で、音響的品質係数は898であった。実施例9において得られたFBARの構成、密着強度および音響共振器としての特性を表2に示す。The thin film acoustic resonator thus obtained had no spurious excitation, the electromechanical coupling coefficient k t 2 was 5.2%, and the acoustic quality factor was 898. Table 2 shows the structure, adhesion strength, and characteristics as an acoustic resonator of the FBAR obtained in Example 9.

[実施例10]
密着電極層161としてCrに代えてNiからなるものを用い、その平面面積S1を15000μmに広げて下方電極層162の平面面積S2との比率S1/S2を0.55にしたこと以外は、実施例7と同様にして薄膜音響共振器を作製した。Ni膜の形成は、DCマグネトロンスパッタ法を用い、スパッタリングターゲットとしてNiを用い、スパッタガスとしてArを用い、基板温度を室温として行った。Ni膜の膜厚は50nmとした。得られたZnO圧電体薄膜層163の表面粗さを調べた結果、高さのRMS変動は11nmであった。スコッチテープによるピーリングテストを行ったところ、基板と挟み込み構造体60との間での剥離は観察されなかった。また、薄膜XRD分析を行った結果、ZnO圧電体薄膜層163のc軸は膜面内に対して89.0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2.9度と良好な配向性を示していた。
[Example 10]
The contact electrode layer 161 is made of Ni instead of Cr, the plane area S1 is expanded to 15000 μm 2 and the ratio S1 / S2 to the plane area S2 of the lower electrode layer 162 is set to 0.55, A thin film acoustic resonator was produced in the same manner as in Example 7. The Ni film was formed using a DC magnetron sputtering method, using Ni as a sputtering target, using Ar as a sputtering gas, and setting the substrate temperature to room temperature. The film thickness of the Ni film was 50 nm. As a result of examining the surface roughness of the obtained ZnO piezoelectric thin film layer 163, the RMS fluctuation of the height was 11 nm. When a peeling test using a scotch tape was performed, no peeling between the substrate and the sandwich structure 60 was observed. Further, as a result of thin film XRD analysis, the c-axis of the ZnO piezoelectric thin film layer 163 is in the direction of 89.0 degrees with respect to the film surface, and as a result of examining the orientation degree by a rocking curve, the half width of the peak is It showed a good orientation of 2.9 degrees.

このようにして得られた薄膜音響共振器は、スプリアスの励振はなく、電気機械結合係数k は4.8%で、音響的品質係数は707であった。実施例10において得られたFBARの構成、密着強度および音響共振器としての特性を表2に示す。The thin film acoustic resonator thus obtained had no spurious excitation, the electromechanical coupling coefficient k t 2 was 4.8%, and the acoustic quality factor was 707. Table 2 shows the structure, adhesion strength, and acoustic resonator characteristics of the FBAR obtained in Example 10.

[実施例11]
上方及び下方の電極層162,164としてAuに代えてPtからなるものを用い、圧電薄膜層163としてZnOに代えてAlNからなるものを用い、且つTi密着電極層161の平面面積S1を4000μmとし厚みを30nmとしたこと以外は、実施例8と同様にして薄膜音響共振器を作製した。Pt膜の形成は、実施例9と同様に行った。また、AlN膜の形成は、RFマグネトロンスパッタ法を用い、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:Nが1:1のAr−N混合ガスを用い、基板温度を400℃として行った。AlN膜の膜厚は1.4μmとした。得られたAlN膜の表面粗さを調べた結果、高さのRMS変動は7nmであった。スコッチテープによるピーリングテストを行ったところ、基板と挟み込み構造体60との間での剥離は観察されなかった。また、薄膜XRD分析を行った結果、AlN圧電体薄膜層163のc軸は膜面内に対して90.0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2.7度と良好な配向性を示していた。
[Example 11]
The upper and lower electrode layers 162 and 164 are made of Pt instead of Au, the piezoelectric thin film layer 163 is made of AlN instead of ZnO, and the planar area S1 of the Ti adhesion electrode layer 161 is 4000 μm 2. A thin film acoustic resonator was fabricated in the same manner as in Example 8 except that the thickness was 30 nm. The Pt film was formed in the same manner as in Example 9. The AlN film is formed by RF magnetron sputtering, using Al as a sputtering target, using an Ar—N 2 mixed gas of Ar: N 2 of 1: 1 as a sputtering gas, and a substrate temperature of 400 ° C. It was. The thickness of the AlN film was 1.4 μm. As a result of examining the surface roughness of the obtained AlN film, the RMS fluctuation of the height was 7 nm. When a peeling test using a scotch tape was performed, no peeling between the substrate and the sandwich structure 60 was observed. Further, as a result of thin film XRD analysis, the c-axis of the AlN piezoelectric thin film layer 163 is in the direction of 90.0 degrees with respect to the film surface, and as a result of examining the orientation degree by a rocking curve, the half width of the peak is The orientation was as good as 2.7 degrees.

このようにして得られた薄膜音響共振器は、スプリアスの励振はなく、電気機械結合係数k は6.4%で、音響的品質係数は984であった。実施例11において得られたFBARの構成、密着強度および音響共振器としての特性を表2に示す。The thin film acoustic resonator thus obtained had no spurious excitation, had an electromechanical coupling coefficient k t 2 of 6.4% and an acoustic quality factor of 984. Table 2 shows the structure, adhesion strength, and characteristics as an acoustic resonator of the FBAR obtained in Example 11.

[実施例12]
密着電極層161としてCrからなるものを用い、上方及び下方の電極層162,164としてMoからなるものを用い、且つCr密着電極層161の平面面積S1を5000μmとし厚みを40nmとしたこと以外は、実施例11と同様にして薄膜音響共振器を作製した。得られたAlN膜の表面粗さを調べた結果、高さのRMS変動は5nmであった。スコッチテープによるピーリングテストを行ったところ、基板と挟み込み構造体60との間での剥離は観察されなかった。また、薄膜XRD分析を行った結果、AlN圧電体薄膜層163のc軸は膜面内に対して89.8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2.9度と良好な配向性を示していた。
[Example 12]
The contact electrode layer 161 is made of Cr, the upper and lower electrode layers 162 and 164 are made of Mo, and the Cr contact electrode layer 161 has a planar area S1 of 5000 μm 2 and a thickness of 40 nm. Produced a thin film acoustic resonator in the same manner as in Example 11. As a result of examining the surface roughness of the obtained AlN film, the RMS fluctuation of the height was 5 nm. When a peeling test using a scotch tape was performed, no peeling between the substrate and the sandwich structure 60 was observed. As a result of thin film XRD analysis, the c-axis of the AlN piezoelectric thin film layer 163 is in the direction of 89.8 degrees with respect to the film surface, and as a result of examining the orientation degree by a rocking curve, the half width of the peak is It showed a good orientation of 2.9 degrees.

このようにして得られた薄膜音響共振器は、スプリアスの励振はなく、電気機械結合係数k は6.1%で、音響的品質係数は1140であった。実施例12において得られたFBARの構成、密着強度および音響共振器としての特性を表2に示す。The thin film acoustic resonator thus obtained had no spurious excitation, the electromechanical coupling factor k t 2 was 6.1%, and the acoustic quality factor was 1140. Table 2 shows the structure, adhesion strength, and characteristics as an acoustic resonator of the FBAR obtained in Example 12.

[比較例4]
Siウェーハ51及びSiO層53からなる基板上に窪み52の形成されている構造の上にPSGを堆積させ、その表面を研磨して窪み52以外の領域のPSG層の部分を除去し、窪み52の領域のPSG層の表面を高さのRMS変動が38nmとなるような表面粗さにし、その上にCr膜及びAu膜を形成し、これらの膜を同一形状にパターニングして、密着電極層161を下方電極層162の全面に接合した形態を得たこと以外は、実施例7と同様にして薄膜音響共振器を作製した。得られたZnO膜の表面粗さを調べた結果、高さのRMS変動は30nmであった。スコッチテープによるピーリングテストを行ったところ、基板と挟み込み構造体60との間での剥離は観察されなかった。また、薄膜XRD分析を行った結果、ZnO圧電体薄膜層163のc軸は膜面内に対して87.5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4.8度と実施例7に比べて2.5度ほどの劣化を示した。
[Comparative Example 4]
PSG is deposited on a structure in which a recess 52 is formed on a substrate composed of a Si wafer 51 and a SiO 2 layer 53, and the surface is polished to remove the portion of the PSG layer other than the recess 52. The surface of the PSG layer in the region 52 is roughened so that the RMS fluctuation of the height is 38 nm, a Cr film and an Au film are formed on the surface roughness, and these films are patterned into the same shape. A thin-film acoustic resonator was fabricated in the same manner as in Example 7 except that the configuration in which the layer 161 was bonded to the entire surface of the lower electrode layer 162 was obtained. As a result of examining the surface roughness of the obtained ZnO film, the RMS fluctuation of the height was 30 nm. When a peeling test using a scotch tape was performed, no peeling between the substrate and the sandwich structure 60 was observed. Further, as a result of thin film XRD analysis, the c-axis of the ZnO piezoelectric thin film layer 163 is in the direction of 87.5 degrees with respect to the film surface, and as a result of examining the orientation degree by a rocking curve, the half width of the peak is The deterioration was about 4.8 degrees and about 2.5 degrees as compared with Example 7.

また、このようにして得られた薄膜音響共振器は、スプリアスが励振し、電気機械結合係数k は2.5%で、音響的品質係数は404であった。比較例4において得られたFBARの構成、密着強度および音響共振器としての特性を表2に示す。The thin film acoustic resonator thus obtained was excited by spurious, had an electromechanical coupling factor k t 2 of 2.5%, and an acoustic quality factor of 404. Table 2 shows the structure, adhesion strength, and acoustic resonator characteristics of the FBAR obtained in Comparative Example 4.

[比較例5]
密着電極層161を設けなかったこと以外は、比較例4と同様にして薄膜音響共振器を作製した。但し、窪み52の領域のPSG層の表面を高さのRMS変動が33nmとなるような表面粗さにした。得られたZnO膜の表面粗さを調べた結果、高さのRMS変動は23nmであった。薄膜XRD分析を行った結果、ZnO圧電体薄膜層163のc軸は膜面内に対して88.4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4.2度であり、スコッチテープによるピーリングテストにおいて、基板と挟み込み構造体60との間での剥離が観察された。
[Comparative Example 5]
A thin film acoustic resonator was fabricated in the same manner as in Comparative Example 4 except that the adhesion electrode layer 161 was not provided. However, the surface of the PSG layer in the region of the depression 52 was made to have a surface roughness such that the RMS fluctuation of the height was 33 nm. As a result of examining the surface roughness of the obtained ZnO film, the RMS fluctuation of the height was 23 nm. As a result of thin film XRD analysis, the c-axis of the ZnO piezoelectric thin film layer 163 is in the direction of 88.4 degrees with respect to the film surface. As a result of examining the degree of orientation by a rocking curve, the half width of the peak is 4. In the peeling test using a scotch tape, peeling between the substrate and the sandwich structure 60 was observed.

また、このようにして得られた薄膜音響共振器は、スプリアスが励振し、電気機械結合係数k は3.2で、音響的品質係数は446であった。比較例5において得られたFBARの構成、密着強度および音響共振器としての特性を表2に示す。The thin film acoustic resonator thus obtained was excited by spurious, had an electromechanical coupling factor k t 2 of 3.2, and an acoustic quality factor of 446. Table 2 shows the structure, adhesion strength, and characteristics of the acoustic resonator of the FBAR obtained in Comparative Example 5.

[実施例13〜15]
本実施例では、以下のようにして、図22,23に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
[Examples 13 to 15]
In this example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 22 and 23 was manufactured as follows.

即ち、厚さ250μmの(100)Si基板112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(SiO)層を形成した。上面側のSiO層を絶縁層13とした。また、下面側のSiO層は基板112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。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 112 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 112.

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。  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.

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112の下面に形成したパターン状SiO層をマスクとして、振動部121に対応するSi基板112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120を形成した。Si基板112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。Next, the pattern-like SiO 2 formed on the lower surface of the Si substrate 112 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 112 corresponding to the vibrating portion 121 was removed by etching with a KOH aqueous solution to form a via hole 120 serving as a void. The dimension of the via hole opening formed on the upper surface of the Si substrate 112 (planar dimension of the vibration part 21) was 200 × 200 μm.

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および反共振周波数fの測定値から、電気機械結合係数k や周波数温度特性τ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 、周波数温度特性τ及び音響的品質係数Qは表3に示す通りであった。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 3 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.

[実施例16〜18]
本実施例では、以下のようにして、図24,25に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
[Examples 16 to 18]
In this example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 24 and 25 was manufactured as follows.

即ち、上部電極17の形成の後であってビアホール120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SiO層を形成し、振動部121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3に示されているようにすること以外は、実施例13〜15と同様の工程を実施した。That is, after the formation of the upper electrode 17 and before the formation of the via hole 120, 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 121 is formed. Except that 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 3. The same steps as in Examples 13-15 were performed.

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13〜15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 、周波数温度特性τ及び音響的品質係数Qは表3に示す通りであった。For 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 like, as in Examples 13-15. The acoustic quality factor Q was as shown in Table 3.

[実施例19〜22]
本実施例では、以下のようにして、図26,27に示されている構造の圧電薄膜共振子及び図28,29に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
[Examples 19 to 22]
In this example, the piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 26 and 27 and the piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 28 and 29 were manufactured as follows.

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3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13〜15と同様の工程[実施例19,20]及び実施例16〜18と同様の工程[実施例21,22]を実施した。下部電極15は振動部121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。  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 3, and the shapes and dimensions of the upper and lower electrodes 15 and 17 are excluded. The same steps [Examples 19 and 20] as Examples 13 to 15 and the same steps [Examples 21 and 22] as Examples 16 to 18 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 121, and the upper electrode 17 has a main 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.

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13〜15及び実施例16〜18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 、周波数温度特性τ及び音響的品質係数Qは表3に示す通りであった。About the thin film piezoelectric resonator (FBAR) obtained by the above process, the basic frequency of the thickness vibration of the piezoelectric thin film resonator, the electromechanical coupling coefficient k t 2 , as in Examples 13 to 15 and Examples 16 to 18. The frequency-temperature characteristic τ f and the acoustic quality factor Q were as shown in Table 3.

[実施例23〜25]
本実施例では、以下のようにして、図22,23に示されている構造の圧電薄膜共振子及び図24,25に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
[Examples 23 to 25]
In this example, the piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 22 and 23 and the piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 24 and 25 were manufactured as follows.

即ち、圧電体膜16の厚さ及び上下絶縁層13,18の厚さを表3に示されているようにすることを除いて、実施例13と同様の工程[実施例23,24]及び実施例16と同様の工程[実施例25]を実施した。  That is, the same steps as those in Example 13 [Examples 23 and 24] except that the thickness of the piezoelectric film 16 and the thickness of the upper and lower insulating layers 13 and 18 are set as shown in Table 3. The same step [Example 25] as that of Example 16 was performed.

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13及び実施例16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 、周波数温度特性τ及び音響的品質係数Qは表3に示す通りであった。About 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 Example 13 and Example 16. f and the acoustic quality factor Q were as shown in Table 3.

[比較例6,7]
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3に示されているようにすることを除いて、実施例13と同様の工程を実施した。
[Comparative Examples 6 and 7]
Example 13 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 3. The same process was carried out.

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13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 、周波数温度特性τ及び音響的品質係数Qは表3に示す通りであった。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 were obtained in the same manner as in Example 13. The quality factor Q was as shown in Table 3.

[比較例8]
絶縁層13を振動部121に対応する領域外にのみ形成したことを除いて、実施例13と同様の工程を実施した。
[Comparative Example 8]
A process similar to that in Example 13 was performed except that the insulating layer 13 was formed only outside the region corresponding to the vibration part 121.

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13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 、周波数温度特性τ及び音響的品質係数Qは表3に示す通りであった。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 were obtained in the same manner as in Example 13. The quality factor Q was as shown in Table 3.

[比較例9,10]
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3に示されているようにすることを除いて、実施例13と同様の工程を実施した。
[Comparative Examples 9 and 10]
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 3. The same process as in Example 13 was performed.

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13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 、周波数温度特性τ及び音響的品質係数Qは表3に示す通りであった。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 were obtained in the same manner as in Example 13. The quality factor Q was as shown in Table 3.

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。  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.

Figure 0004730383
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以上説明したように、本発明によれば、高さのRMS変動が25nm以下、好ましくは20nm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25nm以下、好ましくは20nm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。  As described above, according to the present invention, the first electrode is directly or via an insulator layer on the surface of the sacrificial layer that is smooth when viewed at an atomic level such that the RMS fluctuation of the height is 25 nm or less, preferably 20 nm or less. And the surface of the first electrode is made to have a RMS fluctuation of 25 nm or less, preferably 20 nm or less, and a piezoelectric layer is formed thereon, so that the crystallinity of the first electrode is improved. Accordingly, the orientation and crystal quality of the piezoelectric layer are remarkably improved, thereby providing a high-performance thin film acoustic resonator excellent in electromechanical coupling coefficient and acoustic quality factor.

また、以上説明したように、本発明によれば、下方電極層と基板との間に密着電極層を設けており、該密着電極層は基板に形成された窪みの周囲において基板と接合されているので、薄膜音響共振器における横方向の振動発生が抑制され、薄膜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が防止され、薄膜音響共振器およびフィルタの共振特性、品質係数が改善される。また、下方電極層の中央部の下側(すなわち密着電極層により囲まれた内側部分)には密着電極層が存在しないため、下方電極層の中央部を極めて平滑度の高い犠牲層表面上にて形成して配向性及び結晶性を高めることができ、これに基づき配向性及び結晶品質に優れた圧電体薄膜層を形成でき、電気機械結合係数や音響品質係数(Q値)などに優れた高性能な薄膜音響共振器が提供される。更に、密着電極層を用いることで、下方電極層と基板との密着性(接合強度)を向上させることができ、下方電極層の材料選択の幅が広くなり、薄膜音響共振器の耐久性を向上させ長寿命化を図ることができる。  Further, as described above, according to the present invention, the contact electrode layer is provided between the lower electrode layer and the substrate, and the contact electrode layer is bonded to the substrate around the recess formed in the substrate. As a result, the occurrence of lateral vibrations in the thin film acoustic resonator is suppressed, and excessive spurious vibrations are prevented from overlapping the vibration of the thin film acoustic resonator, and the resonance characteristics and quality factor of the thin film acoustic resonator and filter are improved. The In addition, since there is no contact electrode layer below the center portion of the lower electrode layer (that is, the inner portion surrounded by the contact electrode layer), the center portion of the lower electrode layer is placed on the surface of the sacrificial layer with extremely high smoothness. The piezoelectric thin film layer having excellent orientation and crystal quality can be formed based on this, and the electromechanical coupling coefficient and acoustic quality factor (Q value) are excellent. A high performance thin film acoustic resonator is provided. Furthermore, by using the close contact electrode layer, the adhesion (bonding strength) between the lower electrode layer and the substrate can be improved, the range of material selection for the lower electrode layer is widened, and the durability of the thin film acoustic resonator is improved. It is possible to improve and extend the service life.

更に、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または窒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。  Further, as described above, according to the piezoelectric thin film resonator of the present invention, the electrode mainly composed of molybdenum, the piezoelectric film mainly composed of aluminum nitride, and the insulating layer mainly composed of silicon oxide or silicon nitride. Therefore, the electromechanical coupling coefficient, acoustic quality factor (Q value), and frequency temperature characteristics can be improved.

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。It is typical sectional drawing for demonstrating the basic composition of FBAR which is a thin film acoustic resonator by this invention. 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。It is typical sectional drawing for demonstrating the basic composition of SBAR which is a thin film acoustic resonator by this invention. 本発明による薄膜音響共振器である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。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of FBAR which is a thin film acoustic resonator by this invention, and embodiment of FBAR obtained by it. 本発明による薄膜音響共振器である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。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of FBAR which is a thin film acoustic resonator by this invention, and embodiment of FBAR obtained by it. 本発明による薄膜音響共振器である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。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of FBAR which is a thin film acoustic resonator by this invention, and embodiment of FBAR obtained by it. 本発明による薄膜音響共振器である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。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of FBAR which is a thin film acoustic resonator by this invention, and embodiment of FBAR obtained by it. 本発明による薄膜音響共振器である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。It is a typical top view for demonstrating the manufacturing method of FBAR which is a thin film acoustic resonator by this invention, and embodiment of FBAR obtained by it. 本発明による薄膜音響共振器である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。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of FBAR which is a thin film acoustic resonator by this invention, and embodiment of FBAR obtained by it. 本発明による薄膜音響共振器である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。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of FBAR which is a thin film acoustic resonator by this invention, and embodiment of FBAR obtained by it. 本発明による薄膜音響共振器である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。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of FBAR which is a thin film acoustic resonator by this invention, and embodiment of FBAR obtained by it. 本発明による薄膜音響共振器である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。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of FBAR which is a thin film acoustic resonator by this invention, and embodiment of FBAR obtained by it. 本発明による薄膜音響共振器である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。It is a top view of the manufacturing method of FBAR which is a thin film acoustic resonator by this invention, and the upper electrode of FBAR obtained by it. 本発明によるFBARの模式的断面図である。It is typical sectional drawing of FBAR by this invention. 本発明によるSBARの模式的断面図である。It is typical sectional drawing of SBAR by this invention. 本発明によるFBAR及びその製造方法を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating FBAR and its manufacturing method by this invention. 本発明によるFBAR及びその製造方法を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating FBAR and its manufacturing method by this invention. 本発明によるFBAR及びその製造方法を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating FBAR and its manufacturing method by this invention. 本発明によるFBAR及びその製造方法を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating FBAR and its manufacturing method by this invention. 本発明によるFBAR及びその製造方法を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating FBAR and its manufacturing method by this invention. 本発明によるFBAR及びその製造方法を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating FBAR and its manufacturing method by this invention. 本発明によるFBAR及びその製造方法を説明するための模式的平面図である。It is a schematic plan view for demonstrating FBAR and its manufacturing method by this invention. 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。1 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention. 図22のX−X断面図である。It is XX sectional drawing of FIG. 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。1 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention. 図24のX−X断面図である。It is XX sectional drawing of FIG. 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。1 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention. 図26のX−X断面図である。It is XX sectional drawing of FIG. 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。1 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention. 図28のX−X断面図である。It is XX sectional drawing of FIG.

Claims (20)

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いずれも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の上面に接合された上部絶縁層と前記圧電積層構造体の下面に接合された下部絶縁層とを含んでなり、
前記上部絶縁層及び前記下部絶縁層がいずれも酸化シリコンを主成分とするものであり、
前記圧電体膜の厚さtと前記上部絶縁層の厚さ及び前記下部絶縁層の厚さの合計t’とが0.21≦t’/t≦0.31の関係を満たすことを特徴とする圧電薄膜共振子。
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 is mainly composed of aluminum nitride, the lower electrode and the upper electrode are both composed mainly of molybdenum, and the vibrating portion is bonded to the upper surface of the piezoelectric multilayer structure. An upper insulating layer and a lower insulating layer bonded to the lower surface of the piezoelectric multilayer structure,
The upper insulating layer and the lower insulating layer are both mainly composed of silicon oxide,
The thickness t of the piezoelectric film and the total thickness t ′ of the upper insulating layer and the lower insulating layer satisfy the relationship of 0.21 ≦ t ′ / t ≦ 0.31. Piezoelectric thin film resonator.
前記下部絶縁層の厚さは、50〜1000nmであることを特徴とする、請求項1に記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to claim 1 , wherein the lower insulating layer has a thickness of 50 to 1000 nm. 前記下部絶縁層の厚さは、100〜300nmであることを特徴とする、請求項2に記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to claim 2 , wherein the lower insulating layer has a thickness of 100 to 300 nm. 前記上部絶縁層の厚さは、80〜300nmであることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to claim 1 , wherein the upper insulating layer has a thickness of 80 to 300 nm. 前記下部絶縁層が前記基板の表面上に前記空隙をまたぐように形成され、その縁部が前記基板により支持されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 5. The piezoelectric thin film according to claim 1 , wherein the lower insulating layer is formed on the surface of the substrate so as to straddle the gap, and an edge portion of the lower insulating layer is supported by the substrate. Resonator. 前記上部絶縁層及び前記下部絶縁層は前記酸化シリコンの含有量が50当量%以上であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to claim 1 , wherein the upper insulating layer and the lower insulating layer have a silicon oxide content of 50 equivalent% or more. 前記下部電極の前記圧電体膜の側の表面は高さのRMS変動が20nm以下であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 7. The piezoelectric thin film resonator according to claim 1 , wherein the surface of the lower electrode on the piezoelectric film side has an RMS fluctuation in height of 20 nm or less. 前記圧電体膜の前記上部電極側の表面は高さのRMS変動が前記圧電体膜の厚さの5%以下であることを特徴とする、請求項7に記載の圧電薄膜共振子。 8. The piezoelectric thin film resonator according to claim 7 , wherein the surface of the piezoelectric film on the upper electrode side has an RMS variation in height of 5% or less of the thickness of the piezoelectric film. 9. 前記上部電極の表面のうねり高さは前記圧電体膜の厚さの25%以下であることを特徴とする、請求項8に記載の圧電薄膜共振子。 9. The piezoelectric thin film resonator according to claim 8 , wherein the undulation height of the surface of the upper electrode is 25% or less of the thickness of the piezoelectric film. 前記上部電極は中央部と該中央部より厚い外周部とを有することを特徴とする、請求項1〜8のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to claim 1 , wherein the upper electrode has a central portion and an outer peripheral portion thicker than the central portion. 前記外周部は前記中央部の周囲に枠状に位置することを特徴とする、請求項10に記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to claim 10 , wherein the outer peripheral portion is positioned in a frame shape around the central portion. 前記上部電極は前記中央部の厚さ変動が該中央部の厚さの1%以下であることを特徴とする、請求項10〜11のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to any one of claims 10 to 11 , wherein the upper electrode has a thickness variation of 1% or less of the thickness of the central portion. 前記外周部の厚さは前記中央部の高さの1.1倍以上であることを特徴とする、請求項10〜12のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 13. The piezoelectric thin film resonator according to claim 10 , wherein a thickness of the outer peripheral portion is 1.1 times or more a height of the central portion. 前記外周部は前記上部電極の外縁から40μmまでの距離の範囲内に位置することを特徴とする、請求項10〜13のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 14. The piezoelectric thin film resonator according to claim 10 , wherein the outer peripheral portion is located within a range of a distance from the outer edge of the upper electrode to 40 μm. 前記中央部の表面のうねり高さは前記圧電体膜の厚さの25%以下であることを特徴とする、請求項10〜14のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to any one of claims 10 to 14 , wherein a waviness height of a surface of the central portion is 25% or less of a thickness of the piezoelectric film. 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%以上であることを特徴とする、請求項1〜15のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 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. 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%以上であることを特徴とする、請求項1〜16のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 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. 前記基板はシリコン単結晶からなることを特徴とする、請求項1〜17のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to claim 1 , wherein the substrate is made of a silicon single crystal. 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ことを特徴とする、請求項1〜18のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 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. 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/℃であることを特徴とする、請求項1〜19のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 The electromechanical coupling coefficient obtained from the measured values of the resonance frequency and the antiresonance 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 any one of claims 1 to 19 , wherein the piezoelectric thin film resonator is -20 to 20 ppm / ° C.
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