CN102957397A - 声波器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了声波器件。声波器件包括：基板；下电极，其位于基板上；压电膜，其位于下电极上，并且由c轴方向的晶格常数与a轴方向的晶格常数之比小于1.6的氮化铝制成；以及上电极，其位于压电膜上，并隔着压电膜面对下电极。

Description

声波器件

技术领域

本发明的一些方面涉及声波器件。

背景技术

近些年，广泛使用诸如移动电话的通信设备。存在使用声波的声波器件被用作通信设备和双工器等的滤波器的情况。作为声波器件的示例，存在使用表面声波（SurfaceAcoustic Wave:SAW）的器件、使用体声波（Bulk Acoustic Wave:BAW）的器件等。压电薄膜谐振器是使用BAW的器件，并包括FBAR（Film Bulk Acoustic Resonator:膜体声波谐振器）、SMR（Solidly Mounted Resonator:固态装配型谐振器）等。另外，存在着使用拉姆波（Lamb Wave）的器件。当压电膜的机电耦合系数变大时，声波器件的频率特性改善，并且带宽变宽成为可能。

日本专利申请公报No.2002-344279公开了一种通过使用含有碱土金属和稀土金属的压电薄膜来改善压电薄膜谐振器的特性的技术。日本专利申请公报No.2009-10926公开了一种通过使用含有钪的压电薄膜来改善压电薄膜谐振器的特性的技术。IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS，FERROELECTRICS ANDFREQUENCY CONTROL(vol.47,p.292,2000)公开了一种通过控制由氮化铝（AlN）制成的压电薄膜的配向性来增加压电薄膜谐振器的机电耦合系数的技术。

但是，可能存在通过常规技术难以获得足够高的机电耦合的情况。

发明内容

根据本发明的方面，提供了一种声波器件，其包括：基板；下电极，其位于基板上；压电膜，其位于下电极上，并且由c轴方向的晶格常数与a轴方向的晶格常数之比小于1.6的氮化铝制成；以及上电极，其位于压电膜上，并且隔着压电膜面对下电极。

根据本发明的另一方面，提供了另一种声波器件，其包括：基板；下电极，其位于基板上；压电膜，其位于下电极上，并且由c轴方向的晶格常数小于0.498nm的氮化铝制成；以及上电极，其位于压电膜上，并且隔着压电膜面对下电极。

附图说明

图1A是示出了FBAR的平面图，而图1B是示出了FBAR的截面图；

图2中A是示出了在晶格常数之比c/a的变化率和压电常数的变化率之间的关系的曲线图，而图2中B是示出晶格常数之比c/a的变化率和机电耦合系数的变化率之间的关系的曲线图；

图3是示出晶格常数之比c/a的变化率和残余应力之间的关系的曲线图；

图4是示出在改变压电薄膜的成分的情况下晶格常数之比c/a的变化率和压电常数的变化率之间的关系的曲线图；

图5A是示出从图4提取的压电薄膜的成分和晶格常数之比的变化率之间的关系的曲线图，而图5B是示出从图4提取的压电薄膜的成分和压电常数的变化率之间的关系的曲线图；

图6A至图6C是示出根据第一实施方式的FBAR的制造方法的截面图；

图7A是示出调整压电薄膜的残余应力的示例的示意图，而图7B是示出根据第一实施方式的变型实施方式的FBAR的截面图；

图8A和图8B是示出声波器件的另一示例的截面图；以及

图9A和图9B是示出声波器件的另一示例的截面图。

具体实施方式

以下，将给出作为声波器件的示例的FBAR的描述。现在将给出FBAR的结构的描述。图1A是示出FBAR的平面图，而图1B是示出FBAR的截面图，并示出沿图1A的线A-A截取的截面。

如图1A和图1B所示，FBAR 100包括：基板10、下电极12、压电薄膜14和上电极16。下电极12位于基板10上。穹形空间18形成在基板10和下电极12之间。换言之，在空间18的中央区域中基板10和下电极12之间的距离大，而在空间18的周围区域中基板10和下电极12之间的距离小。下电极12露出到空间18。压电薄膜14位于下电极12上。上电极16位于压电薄膜14上。换言之，下电极12和上电极16将压电薄膜14夹在它们之间。下电极12、压电薄膜14和上电极16交叠，并且形成谐振区域11。在谐振区域11中激励的声波沿厚度方向（图1B的纵向方向）振荡，而沿表面方向（图1B的横向方向）传播。下电极12的从压电薄膜14的开口部露出的部分充当用于提取电信号的端子部。连接到空间18的引入路径13设置于下电极12。穴部15形成在引入路径13的端部处。在用于形成空间18的处理中使用引入路径13和穴部15。

基板10由诸如硅（Si）、玻璃、砷化镓（GaAs）等的绝缘材料制成。下电极12具有钌/铬（Ru/Cr）的双层结构，而上电极16具有Cr/Ru的双层结构。换言之，下电极12和上电极16各通过从靠近压电薄膜14侧起按照Cr层和Ru层的顺序层叠Cr层和Ru层来形成。下电极12的Cr层具有例如100nm的厚度，而Ru层具有例如250nm的厚度。上电极16的Cr层具有例如20nm的厚度，而Ru层具有例如250nm的厚度。压电薄膜14由具有（002）方向的主轴的氮化铝（AlN）制成。换言之，压电薄膜14具有c轴指向厚度方向而a轴指向表面方向的配向性。

随着压电薄膜14的机电耦合系数

变高，FBAR 100的特性提高。区成压电薄膜14的AlN的晶体结构影响机电耦合系数

执行仿真和实验，以检查晶体结构和机电耦合系数

之间的关系。

在仿真中，通过使用伪电势方法作为计算技术和使用ABINIT作为用于计算的程序，而执行包括AlN的结构优化的电子状态的第一原理计算。可以通过计算在稳定结构中的AlN的电子状态，获得c轴方向的晶格常数c、以及晶格常数c与a轴方向的晶格常数a之比（晶格常数之比）c/a。另外，可以通过向稳定结构中的AlN的晶格添加应变，获得压电常数e₃₃、弹性常数C₃₃和c轴方向的介电常数ε₃₃。换言之，可以获得在改变晶格常数c和晶格常数之比c/a的情况下的压电常数e₃₃、弹性常数C₃₃和介电常数ε₃₃。用下面的公式来表示机电耦合系数

与压电常数e₃₃、弹性常数C₃₃以及介电常数ε₃₃之间的关系。

[公式1]

$k_{33}^2=\frac{e_{33}^2}{{\mathrm{\ϵ}}_{33}\×C_{33}}$

基于公式1，可以获得在改变晶格常数c和晶格常数之比c/a的情况下机电耦合系数

的变化。根据JCPDS（Joint Committee on Power Diffraction Standard:粉末衍射标准联合委员会）卡图，在晶格上不存在应变的情况下，晶格常数c是0.498nm，晶格常数之比c/a是1.6。就是说，晶格常数c的块体值（bulk value）是0.498nm，而晶格常数之比c/a的块体值是1.6。

图2中A是示出晶格常数之比c/a的变化率和压电常数的变化率之间的关系的曲线图。水平轴表示晶格常数之比c/a的变化率，而垂直轴表示压电常数e₃₃的变化率。晶格常数之比c/a的变化率是以块体值1.6为基准的变化率。压电常数e₃₃的变化率是以在不向晶格添加应变的情况下的压电常数e₃₃为基准的变化率。如图2中A所示，当晶格常数之比c/a的变化率为负时，压电常数e₃₃的变化率变为正。当晶格常数之比c/a的变化率为正时，压电常数e₃₃的变化率变为负。换言之，由于晶格常数之比c/a变为小于它的块体值1.6，所以压电常数e₃₃变大。如从上面公式1清楚的，随着压电常数e₃₃变大，机电耦合系数

也变大。例如，当晶格常数c变为大于它的块体值0.498nm时，晶格常数之比c/a的变化率变为负。

图2中B是示出了晶格常数之比c/a的变化率和机电耦合系数的变化率之间的关系的曲线图。水平轴表示晶格常数之比c/a的变化率，而垂直轴表示机电耦合系数

的变化率。在机电耦合系数

中的变化率是以在不向晶格添加应变的情况下的机电耦合系数

为基准的变化率。如图2中B所示，当晶格常数之比c/a的变化率为负时，机电耦合系数

的变化率变为正。当晶格常数之比c/a的变化率为正时，机电耦合系数

的变化率变为负。换言之，由于晶格常数之比c/a变为小于它的块体值1.6，所以机电耦合系数

变大。

现在将描述降低晶格常数c和晶格常数之比c/a的方法。将描述检查残余应力和晶格常数之间的关系的实验。在改变压电薄膜14的成膜条件的多个样本中，测量残余应力和晶格常数之比c/a。压电薄膜14由具有1200nm的厚度的AlN制成。图3是示出晶格常数之比c/a的变化率和残余应力之间的关系的曲线图。水平轴表示压电薄膜14中残留的残余应力，而垂直轴表示晶格常数之比c/a的变化率。当残余应力是拉伸应力时，残余应力取正值。当残余应力是压缩应力时，残余应力取负值。图1B中，压缩应力是在使压电薄膜14的上表面变窄的方向上的应力。拉伸应力是在使压电薄膜14的上表面伸长的方向上的应力。

如图3所示，当残余应力为负时，晶格常数之比c/a变大。当残余应力为正时，晶格常数之比c/a变小。换言之，当残余应力是拉伸应力时，晶格常数之比c/a的变化率变为负，晶格常数之比c/a变为小于它的块体值。结果，如图2中A和B所示，使压电常数e₃₃和机电耦合系数

变大成为可能。

现在将描述检查压电薄膜14的成分和晶格常数之间的关系的仿真。考虑构成压电薄膜14的AlN中掺杂有除了Al和N以外的第三元素并且用该第三元素替代一部分Al的位置的示例。掺杂有第三元素的AlN称为掺杂AlN，而未掺杂有第三元素的AlN称为未掺杂AlN。通过执行掺杂AlN的电子状态的第一原理计算，可以获得掺杂AlN的稳定结构。换言之，可以获得掺杂AlN中的晶格常数之比c/a。另外，通过向稳定结构中的掺杂AlN的晶格添加应变，可以获得压电常数e₃₃、弹性常数C₃₃和介电常数ε₃₃。掺杂AlN的第三元素含量设置为12.5原子%。

图4是示出在改变压电薄膜的成分的情况下晶格常数之比c/a的变化率和压电常数的变化率之间的关系的曲线图。水平轴表示晶格常数之比c/a的变化率，而垂直轴表示压电常数e₃₃的变化率。晶格常数之比c/a的变化率是以未掺杂AlN中的c/a为基准的变化率。压电常数e₃₃的变化率是以未掺杂AlN中的压电常数e₃₃为基准的变化率。黑色圆表示压电薄膜14由未掺杂AlN制成的示例。正方形框表示压电薄膜14由掺杂锆（Zr）的AlN制成的示例。黑色正方形表示压电薄膜14由掺杂铪（Hf）的AlN制成的示例。圆形框表示压电薄膜14由掺杂钛（Ti）的AlN制成的示例。三角形框表示压电薄膜14由掺杂镓（Ga）的AlN制成的示例。黑色三角形表示压电薄膜14由掺杂钙（Ca）的AlN制成的示例。

图5A是示出从图4提取的压电薄膜的成分和晶格常数之比的变化率之间的关系的曲线图。水平轴表示压电薄膜14的成分。在图5A中的“未掺杂”表示压电薄膜14由未掺杂AlN制成。在图5A中的各元素的名称表示压电薄膜14由掺杂有该元素的AlN制成。垂直轴表示晶格常数之比c/a的变化率。图5B是示出从图4提取的压电薄膜的成分和压电常数的变化率之间的关系的曲线图。水平轴表示压电薄膜14的成分。垂直轴表示压电常数e₃₃的变化率。

如图4和图5A所示，当AlN掺杂有Ga或Ca时，晶格常数之比c/a的变化率为正。另一方面，当AlN掺杂有Zr、Hf或Ti时，晶格常数之比c/a的变化率为负。如图4和图5B所示，当AlN掺杂有Ga或Ca时，压电常数e₃₃的变化率为负。另一方面，当AlN掺杂有Zr、Hf或Ti时，压电常数e₃₃的变化率为正。特别是，当AlN掺杂有Hf或Ti时，压电常数e₃₃的变化率超过10%。通过使用掺杂有Zr、Hf或Ti的掺杂AlN，压电常数e₃₃变大，并且机电耦合系数也变大。

如上所述，当压电薄膜14的残余应力是拉伸应力时，或当压电薄膜14由掺杂AlN制成时，晶格常数之比c/a变小，机电耦合系数

变大。基于上述知识描述实施方式。

第一实施方式

第一实施方式是压电薄膜14中残留拉伸应力的示例。根据第一实施方式的FBAR的结构与图1A和图1B中示出的结构相同。压电薄膜14（压电膜）由未掺杂（无添加物）AlN制成。“未掺杂”表示AlN未有意地掺杂元素。

现在将描述根据第一实施方式的FBAR的制造方法。图6A至图6C是示出根据第一实施方式的FBAR的制造方法的截面图。

如图6A所示，例如通过溅射法或蒸发法在基板10上形成牺牲层17。牺牲层17例如由氧化镁（MgO）制成，并位于形成空间18的区域中。牺牲层17例如具有20nm的厚度。

如图6B所示，例如通过溅射法形成下电极12。在0.6至1.2Pa的压强下并且在氩（Ar）气氛下执行溅射法。压强和气氛表示溅射设备中的压强和气氛。在成膜后，下电极12通过例如曝光技术、蚀刻技术等形成预定形状。如图6B的左侧所示，下电极12的一方的端部与牺牲层17的一方的端部交叠。另一方面，如图6B的右侧所示，下电极12的另一端部延伸到基板10的上表面。

如图6C所示，例如通过溅射法形成压电薄膜14。压电薄膜14由具有例如400nm的膜厚并c轴作为主轴的AlN制成。在大约0.3Pa的压强下并且在氩/氮（Ar/N₂）气氛下执行溅射法。通过在Ar/N₂混合气体中增加Ar的流量比，压电薄膜14的应力变为拉伸应力，而通过降低Ar的流量比，压电薄膜14的应力变为压缩应力。在第一实施方式中，通过增加氩Ar的流量比为0.25，使得压电薄膜14的应力为拉伸应力，该0.25是通过“Ar的流量/（Ar的流量+N₂流量）”所计算出的。Ar的流量比可以根据设备而变化。

例如通过溅射法形成上电极16。在0.6至1.2Pa的压强下并且在氩（Ar）气氛下执行溅射法。上电极16和压电薄膜14通过例如曝光技术、蚀刻技术等形成预定形状。形成这样的区域，在该区域中下电极12、压电薄膜14、上电极16和牺牲层17交叠。下电极12从压电薄膜14中形成的开口部露出。蚀刻液从图1A中示出的穴部15和引入路径13注入，去除牺牲层17。由下电极12、压电薄膜14和上电极16组成的复合膜的应力是压缩应力。因此，当完成牺牲层17的蚀刻时，复合膜膨胀，在下电极12和基板10之间形成在复合膜侧上具有穹状形状的空间18。利用上述处理，形成根据第一实施方式的FBAR。

根据第一实施方式的FBAR包括基板10、位于基板10上的下电极12、位于下电极12上的压电薄膜14、以及隔着压电薄膜14面对下电极12的上电极16。压电薄膜14的残余应力是拉伸应力。因而，如图3所示，晶格常数之比c/a变为小于它的块体值1.6。结果，形成具有大的压电常数e₃₃和大的机电耦合系数

的FBAR。

为了获得大的机电耦合系数

晶格常数之比c/a可以小于它的块体值1.6，或者晶格常数c可以小于它的块体值0.498nm。另外，例如可以使晶格常数之比c/a小于1.5、1.4或1.3。可以使晶格常数c小于0.495nm、0.49nm或0.485nm。可以使晶格常数之比c/a和晶格常数c二者中的一方小于它的块体值，或者可以使这二者都小于各自的块体值。晶格常数之比c/a可以等于或小于1.6。晶格常数c可以等于或小于0.498nm。由于压电薄膜14由无添加物的AlN制成，在用于形成压电薄膜14的处理中不需要调整添加物（掺杂剂）的浓度。因而，简化了处理并且降低了压电薄膜谐振器的成本。另外，由于可以抑制由添加物的浓度不均匀性产生的声波器件的特性的可变性，可以增加收益比。

为了使压电薄膜14的残余应力为拉伸应力，例如可以使用上电极16的残余应力。图7A是示出调整压电薄膜的残余应力的示例的示意图。在图中，提取压电薄膜谐振器的压电薄膜14和上电极16，并且省略了阴影。图中的箭头表示残余应力。为了简化图示，压电薄膜14和上电极16示出为具有几乎相同的厚度。

如图7A所示，上电极16的残余应力是拉伸应力。通过使上电极16位于压电薄膜14上，上电极16的残余应力应用于压电薄膜14。结果，压电薄膜14的残余应力变为拉伸应力。为了更有效地调整残余应力，优选的是，压电薄膜14接触上电极16。通过利用Ar气体的流量比的增加和上电极16的残余应力二者，可以使晶格常数之比c/a或晶格常数c小于它的块体值。另外，通过使用附加膜可以调整残余应力。使用附加膜的实施方式是第一实施方式的变型实施方式。

图7B是示出根据第一实施方式的变型实施方式的FBAR的截面图。省略与图1B中示出的结构相同的结构的描述。根据第一实施方式的变型实施方式的FBAR 110包括附加膜30。附加膜30位于上电极16上。附加膜30可以由诸如氧化硅（SiO₂）和氮化硅（SiN）的绝缘材料或金属制成。利用上电极16的残余应力和附加膜30的残余应力，可以使压电薄膜14的残余应力为拉伸应力。

下电极12和上电极16具有两层结构，但可以具有单层结构或具有三层以上的结构。作为下电极12和上电极16的材料，可以使用诸如铝（Al）、铜（Cu）、铬（Cr）、钼（Mo）、钨（W）、钽（Ta）、铂（Pt）、钌（Ru）、铑（Rh）和铱（Ir）的金属。下电极12可以暴露于空间18，但不是必须暴露于空间18。

第二实施方式

第二实施方式是压电薄膜14由掺杂AlN制成的示例。根据第二实施方式的FBAR的结构除了形成压电薄膜14的成分之外与图1A和图1B中示出的结构相同。压电薄膜14由掺杂有第三元素的掺杂AlN制成。掺杂AlN的第三元素是Ti、Zr或Hf等。掺杂AlN的第三元素含量例如是12.5原子%。掺杂AlN的第三元素布置在AlN的Al位中。换言之，用第三元素替代Al。可以根据目标晶格常数的值改变第三元素的含量。

现在将描述根据第二实施方式的FBAR的制造方法。第二实施方式也共用图6A至图6C中示出的截面图。在用于形成压电薄膜14的溅射方法中，使用Al靶和诸如Ti靶的第三元素靶。因此，形成由掺杂AlN制成的压电薄膜14。另外，可以使用混合金属靶，在该混合金属中Al靶事先掺杂有希望浓度的Ti。

根据第二实施方式的FBAR中包括的压电薄膜14由添加了第三元素的AlN制成。因而，晶格常数之比c/a变小，压电常数e₃₃变大。结果，形成具有大的机电耦合系数

的FBAR。

作为第三元素，例如可以使用过渡金属元素。如在图4至图5B所示，为了获得大的机电耦合系数

优选的是，压电薄膜14掺杂有作为第三元素的Ti、Zr或Hf等。另外，压电薄膜14可以掺杂有Ti、Zr和Hf中的两种或全部。换言之，压电薄膜14由添加有Ti、Zr和Hf中的至少一种的AlN制成。如果通过用第三元素掺杂AlN可以获得大的机电耦合系数

这就足够了。另外，可以组合第一实施方式和第二实施方式。也就是说，压电薄膜14的残余应力可以是拉伸应力，并且压电薄膜14由掺杂AlN制成。

尽管FBAR描述为声波器件的示例，但第一实施方式和第二实施方式可以应用于除了FBAR以外的声波器件。图8A至图9B是示出声波器件的其他示例的截面图。省略在图1A和图1B中已经描述的结构的描述。

如图8A所示，在FBAR120的基板10上形成空间32。空间32与下电极12、压电薄膜14以及上电极16交叠。下电极12暴露于空间32。通过例如通过蚀刻技术等去除基板10的一部分来形成空间32。空间32可以在厚度方向上贯通基板10。

如图8B所示，SMR130包括声波反射膜34。声波反射膜34位于基板10和下电极12之间。声波反射膜34是声阻抗高的膜和声阻抗低的膜二者的叠层膜。

如图9A所示，声波谐振器140包括压电膜31、第一支撑基板38、第二支撑基板40和电极42。例如通过表面激活接合、树脂接合等，第一支撑基板38的底面接合到第二支撑基板40。压电膜31位于第一支撑基板38的上表面中。在第一支撑基板38中形成有在厚度方向上贯通第一支撑基板38的孔部。孔部充当在压电膜31和第二支撑基板40之间的空间44。电极42位于与位于压电膜31的上表面中的空间44交叠的区域中。压电膜31由晶格常数之比c/a小于1.6的AlN制成，或可以由晶格常数c小于0.498nm的AlN制成。声波谐振器140是使用拉姆波的谐振器。

如图9B所示，FBAR 150包括温度补偿膜19。温度补偿膜19插入到压电薄膜14中，并接触压电薄膜14。温度补偿膜19由SiO₂或掺杂有氟（F）等的掺杂SiO₂制成。换言之，温度补偿膜19含有SiO₂。温度补偿膜19的弹性常数的温度系数具有与压电薄膜14的弹性常数的温度系数的符号相反的符号。因而，FBAR 150的温度特性变得稳定。包括在图8A至图9A中示出的声波器件可以包括温度补偿膜19。第一实施方式或第二实施方式可以应用于包括谐振器的滤波器和双工器以及诸如包括滤波器、双工器等的模块的声波器件。

尽管已经详细地描述了本发明的实施方式，但是应该理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种变型、替换和变更。

Claims (10)

1.一种声波器件，该声波器件包括：

基板；

下电极，其位于所述基板上；

压电膜，其位于所述下电极上，并且由c轴方向的晶格常数与a轴方向的晶格常数之比小于1.6的氮化铝制成；以及

上电极，其位于所述压电膜上，并且隔着所述压电膜面对所述下电极。

2.一种声波器件，该声波器件包括：

基板；

下电极，其位于所述基板上；

压电膜，其位于所述下电极上，并且由c轴方向的晶格常数小于0.498nm的氮化铝制成；以及

上电极，其位于所述压电膜上，并且隔着所述压电膜面对所述下电极。

3.根据权利要求1所述的声波器件，其中，

所述压电膜的残余应力是拉伸应力。

4.根据权利要求2所述的声波器件，其中，

所述压电膜的残余应力是拉伸应力。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的声波器件，其中，

所述压电膜由无添加物的氮化铝制成。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的声波器件，其中，

所述压电膜由添加了第三元素的氮化铝制成。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的声波器件，其中，

所述压电膜由添加了钛、锆和铪中的至少一种的氮化铝制成。

8.根据权利要求6所述的声波器件，其中，

所述第三元素布置在所述氮化铝的Al位中。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的声波器件，其中，

在所述压电膜中插入有温度补偿膜。

10.根据权利要求9所述的声波器件，其中，

所述温度补偿膜含有氧化硅。

Images