CN103873009A

CN103873009A - 压电薄膜谐振器

Info

Publication number: CN103873009A
Application number: CN201310692927.1A
Authority: CN
Inventors: 恩田阳介
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: SG2013084629A; JP2014121025A; JP5957376B2; US20140167560A1; CN103873009B; US9374060B2

Abstract

本发明涉及一种压电薄膜谐振器，所述压电薄膜谐振器包括：基板；压电膜，所述压电膜设置在所述基板上，并且包括第一膜和第二膜，所述第一膜由含有添加元素的氮化铝膜制成，所述第二膜设置在所述第一膜的上表面和下表面上，并由以低于第一膜的浓度含有所述添加元素的氮化铝膜制成；和下电极和上电极，所述上电极和下电极设置成夹持所述压电膜。

Description

压电薄膜谐振器

技术领域

本发明的某些方面涉及压电薄膜谐振器。

背景技术

小型轻质化表面声波(SAW)滤波器一直用于以移动电话为代表的移动通信设备中使用的滤波器。SAW滤波器包括压电基板和设置在所述压电基板上的IDT(叉指换能器)，并且在由IDT的电极指间距(pitch)决定的频率下运行。

近年来，移动通信设备的传输速率一直增加。因此，已经开发出在更高频率下运行的滤波器，但是SAW滤波器的频率依赖于IDT的电极指间距，所以，减少电极指间距上存在限制。因此，难以满足高频率的需要。所以，压电薄膜谐振器引发关注。压电薄膜谐振器具有谐振部分，该谐振部分在基板上层叠有下电极、压电膜和上电极，并且其频率由谐振部分的厚度决定。因此，容易使压电薄膜谐振器在高频率下运行。

例如，将氮化铝膜用于压电薄膜谐振器的压电膜，但是氮化铝的压电常数和机电耦合系数小于其他压电材料。为了增大压电常数，已知在氮化铝中添加钪(Sc)的技术以及在基板和添加有Sc的氮化铝膜之间提供Sc含有率不同的氮化铝膜(例如，日本特开2009-10926号公报)。

此外，已知通过形成第一压电膜并对其进行热处理，然后在所述第一压电膜上形成第二压电膜来形成压电膜的方法获得结晶性良好的压电膜(例如，日本特开2007-277606号公报)。另外，已知通过在改变膜形成条件时形成压电膜的方法来在压电薄膜谐振器中释放应力，并获得良好的谐振特性(例如，日本特开2003-60478号公报)。已知通过层叠具有正谐振频率温度系数的压电膜和具有负谐振频率温度系数的压电膜的方法获得良好的温度特性和良好的谐振特性(例如，日本特开2001-203558号公报)。

在将含有添加元素的氮化铝膜用作压电薄膜谐振器的压电膜时，诸如压电膜的取向和膜应力以及压电膜和电极之间的粘合性等因素可引起诸如耦合系数、Q值和FOM(品质因数(Figure of Merit)，Q值与耦合系数的积)等特性的劣化。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种压电薄膜谐振器，所述压电薄膜谐振器包括：基板；压电膜，所述压电膜设置在所述基板上，并包括第一膜和第二膜，所述第一膜由含有添加元素的氮化铝膜制成，所述第二膜设置在所述第一膜的上表面和下表面上，并由以低于第一膜的浓度含有所述添加元素的氮化铝膜制成；和下电极和上电极，所述上电极和下电极设置成夹持所述压电膜。

附图说明

图1示出了第一实施方式的FBAR，其中图1(a)是第一实施方式的FBAR的俯视图，图1(b)是沿着图1(a)中的A-A线截取的截面图，图1(c)是是沿着图1(a)中的B-B线截取的截面图；

图2是说明第一实施方式的FBAR的制造方法的截面图；

图3是说明模拟中使用的未掺杂AlN的结构的图；

图4是说明AlN相对于二价元素和四价元素的总取代浓度的机电耦合系数的曲线图；

图5是第一比较例的FBAR的截面图；

图6是说明AlN膜相对于Mg和Zr的总取代浓度的膜应力的图。

图7是说明AlN膜相对于Mg和Zr的总取代浓度的压电常数的增加率的图。

图8是说明AlN相对于二价元素和四价元素的总取代浓度的压电常数的增加率的曲线图；

图9是说明AlN相对于二价元素和五价元素的总取代浓度的机电耦合系数的曲线图。

图10是包括温度补偿膜的FBAR的截面图。

图11示出了上述实施方式的FBAR的变型例，其中图11(a)是上述实施方式的第一变型例的FBAR的截面图；图11(b)是上述实施方式的第二变型例的FBAR的截面图；和

图12是SMR的截面图。

具体实施方式

以下将参照附图给出本发明实施方式的描述。

第一实施方式

第一实施方式描述了FBAR(薄膜腔声波谐振器)，其是作为实例的示例性压电薄膜谐振器。图1(a)是第一实施方式的FBAR俯视图，图1(b)是沿着图1(a)中的A-A线截取的截面图，图1(c)是是沿着图1(a)中的B-B线截取的截面图。如图1(a)～图1(c)所示，第一实施方式的FBAR100包括基板10、下电极12、压电膜14和上电极16。

基板10可以例如是硅(Si)基板、砷化镓(GaAs)基板或诸如玻璃基板等绝缘材料基板。

下电极12设置在基板10上。下电极12可以例如是包含铝(Al)、铜(Cu)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)和铱(Ir)中至少一种的金属膜。下电极12可以是单层膜或多层膜。

压电膜14设置在基板10和下电极12上。压电膜14与例如下电极12的上表面接触设置。压电膜14具有c轴取向(其中c轴为主轴)的晶体结构。压电膜14包括第一膜14a和第二膜14b，第二膜14b与所述第一膜14a的上表面和下表面接触设置。第一膜14a是含有添加元素的氮化铝(AlN)膜。第一实施方式描述了第一膜14a是含有二价元素和四价元素的AlN膜的实例情形。第二膜14b是以低于第一膜14a的浓度含有添加元素的AlN膜。第一实施方式描述了第二膜14b是不含有添加元素的AlN膜(即未掺杂AlN膜)的实例情形。

上电极16设置在压电膜14上，以具有面向下电极12的区域。也就是说，下电极12和上电极16设置为夹持压电膜14的至少一部分。上电极16与例如压电膜14的上表面接触设置。下电极12和上电极16在压电膜14之间彼此面对的区域是谐振部18。上电极16也可以是包含下电极12中列出的Al、Cu、Cr、Mo、W、Ta、Pt、Ru、Rh和Ir中的至少一种的金属膜，并且可以是单层膜或多层膜。

具有圆顶状隆起的气隙20设置在基板10和谐振部18的下电极12之间。圆顶状隆起是具有以下形状的隆起：从气隙20的周边部开始离中心部的距离越近，气隙20的高度越高。为了形成气隙20而通过导入蚀刻剂形成的导入通路22设置在下电极12之下。导入通路22的末端附近未受到压电膜14覆盖，并且导入通路22的末端是孔洞24。孔洞24是导入形成气隙20时使用的蚀刻剂的导入口。能够与下电极12电连接的开口26设置在压电膜14中。

当在下电极12和上电极16之间施加高频电信号时，由下电极12和上电极16夹持的压电膜14内部将产生由逆压电效应激发的声波，或因压电效应应变导致的声波。此种声波在下电极12和上电极16与空气接触的表面上进行全反射，因此变成在厚度方向上具有主位移(primary displacement)的厚度振动波。

接下来将参照图2(a)～图2(h)说明第一实施方式的FBAR的制造方法。图2(a)～图2(d)是对应于沿着图1(a)中的A-A截取部分的截面，图2(e)～图2(h)是对应于沿着图1(a)中的B-B截取部分的截面。

如图2(a)和图2(e)所示，通过例如溅射或蒸发在基板10上形成牺牲层28。牺牲层28可以由例如氧化镁(MgO)膜形成，并且可以被形成为用于形成其中要形成气隙20的区域。牺牲层28的膜厚可以例如为20nm。然后，通过例如在氩(Ar)气氛围下溅射在基板10和牺牲层28上形成金属膜。金属膜选自前文所述的Al、Cu、Cr、Mo、W、Ta、Pt、Ru、Rh和Ir中的至少一种。然后，通过例如将金属膜光刻和蚀刻成所需形状而形成下电极12。在这点上，将下电极12的一部分制成为具有覆盖牺牲层28的形状。

如图2(b)和图2(f)所示，通过例如在Ar和氮气(N₂)的混合气体下溅射铝靶而在表面经清洁的基板10和下电极12上形成作为未掺杂AlN膜的第二膜14b。然后，无需从反应室移除基板10，通过在Ar和N₂的混合气体氛围下同时溅射Al靶、二价元素靶和四价元素靶而在第二膜14b上形成作为含有二价元素和四价元素的AlN膜的第一膜14a。然后，无需从反应室移除基板10，通过在Ar和N₂的混合气体氛围下溅射Al靶而在第一膜14a上形成作为未掺杂AlN膜的第二膜14b。这一过程形成了压电膜14，其包括第一膜14a和设置于第一膜14a的上表面和下表面上的第二膜14b。在第一膜14a和第二膜14b之间的界面附近可能存在二价元素和四价元素浓度的浓度梯度。

如上所述，优选在同一反应室中连续形成第一膜14a和第二膜14b。这是因为可以防止第一膜14a和第二膜14b之间的界面上形成诸如氧化膜等不需要的膜。当在同一反应室中连续形成膜时，在一直对Al靶放电的同时，可以通过调整施加至二价元素靶和四价元素靶的电功率，或者打开或关闭二价元素靶和四价元素靶的闸门(shutter)而连续形成第一膜14a和第二膜14b。此外，出于装置的任何理由，可以通过不同装置形成第一膜14a和第二膜14b。在该情况下，在接触空气的表面上将形成氧化膜，因此优选在进行成膜前通过逆溅射除去氧化膜。此外，使用Al靶、二价元素靶和四价元素靶形成第一膜14a，但是也可以使用通过在Al中包含二价元素和四价元素而形成的Al合金靶。

如图2(c)和图2(g)所示，例如通过在Ar气氛围下溅射在压电膜14上形成金属膜。金属膜也选自前文所述的Al、Cu、Cr、Mo、W、Ta、Pt、Ru、Rh和Ir中的至少一种。然后，通过例如将金属膜光刻和蚀刻成所需形状而形成上电极16。然后，例如通过光刻和蚀刻将压电膜14形成为所需形状。此外，通过选择性蚀刻下电极12和牺牲层28形成孔洞24。

如图2(d)和图2(f)所示，从孔洞24导入蚀刻剂以蚀刻牺牲层28。此处，将在包括下电极12、压电膜14和上电极16的多层膜上的应力预先设定为压缩应力。这使得该多层膜在牺牲层28的蚀刻完成时能够隆起，由此在基板10和下电极12之间形成具有圆顶状隆起的气隙20。另外，还形成了连接气隙20至孔洞24的导入通路22。通过上述制造过程形成第一实施方式的FBAR。

以下将说明优选使用含有二价元素和四价元素的AlN膜作为FBAR的压电膜的原因。图3是说明模拟中使用的未掺杂AlN的结构。使用所谓的第一性原理计算方法进行模拟。将不使用拟合参数等计算电子状态的方法总称为第一性原理计算，其可以通过仅使用构成单位晶格或分子的原子序数和原子坐标计算电子状态。如图3所示，模拟中使用的未掺杂AlN具有16个铝原子30和16个氮原子32。也就是说，其具有纤锌矿型晶体结构，其是含有16个铝原子30和16个氮原子32的超晶胞，通过在a轴、b轴和c轴方向上将含有2个铝原子30和2个氮原子32的单位晶格加倍而获得。通过同时移动原子坐标、晶胞(cell)体积和晶胞形状而对具有该纤锌矿晶体结构的AlN进行第一性原理计算，并计算出稳定结构中的未掺杂AlN的电子状态。然后，对稳定结构的未掺杂AlN的晶格强制施加微小应变，以通过第一性原理计算从此时刻的全能量的微小变化计算出未掺杂AlN的压电常数、弹性常数和介电常数。

除了未掺杂AlN，还对具有下述晶体结构的掺杂AlN进行第一性原理计算，该晶体结构中，图3中的一个铝原子30被二价元素取代，另一个铝原子30被四价元素取代。也就是说，通过第一性原理计算进行计算的是具有下述纤锌矿型晶体结构的掺杂AlN的压电常数、弹性常数和介电常数等材料常数，所述晶体结构含有14个铝原子、1个二价元素、1个四价元素和16个氮原子。此处，所提及的取代浓度是在将铝原子数和添加元素原子数的总和定义为100原子%时，添加元素的原子浓度。因此，模拟中使用的掺杂AlN的二价元素和四价元素的取代浓度是6.25原子%。在模拟中，使用钙(Ca)、镁(Mg)、锶(Sr)或锌(Zn)作为二价元素，使用钛(Ti)、锆(Zr)或铪(Hf)作为四价元素。以相同的比率添加二价元素和四价元素，以确保绝缘性，这是因为二价元素和四价元素取代了三价铝的位置。

此处，通过以下关系式1表达c轴方向的压电常数e₃₃、弹性常数C₃₃和介电常数ε₃₃与机电耦合系数k²的关系。

[关系式1]

K^{2} = \frac{e_{33}^{2}}{ϵ_{33} \times C_{33}}

因此，可以通过利用第一性原理计算来计算未掺杂AlN和掺杂AlN的压电常数、弹性常数和介电常数，从而计算未掺杂AlN和掺杂AlN的机电耦合系数。

表1列出了未掺杂AlN和掺杂AlN的压电常数e₃₃的计算值和由关系式1计算出的机电耦合系数k²。如表1所示，含有二价元素和四价元素的AlN(实例1～实例10)的压电常数e₃₃和机电耦合系数k²大于未掺杂AlN的数值(表1中的未掺杂AlN)。二价元素和四价元素不限于表1中列出的那些，还可以是其他元素。

表1

接下来说明含有二价元素和四价元素的AlN的机电耦合系数与取代浓度的相关性。机电耦合系数与取代浓度的相关性通过对多个掺杂AlN进行第一性原理计算来评价，所述多个掺杂AlN的图3所示纤锌矿晶体结构的超晶胞的尺寸不同且被二价元素和四价元素取代的铝原子数不同。使用Mg作为二价元素，使用Hf或Ti作为四价元素，使二价元素的取代浓度比等于四价元素的取代浓度比。

图4(a)和图4(b)是说明AlN相对于二价元素和四价元素的总取代浓度的机电耦合系数的曲线图。图4(a)说明了在将Mg用作二价元素、将Hf用作四价元素时的模拟结果，而图4(b)说明了在将Mg用作二价元素、将Ti用作四价元素时的模拟结果。图4(a)和图4(b)证明了在向AlN添加Mg和Hf或者添加Mg和Ti的两种情况下随着取代浓度增加，机电耦合系数k²也增大。虽然图4(a)和图4(b)描述了将Mg用作二价元素、将Hf或Ti用作四价元素的情况，但是在使用其他二价元素和四价元素时也观察到相同的趋势。

接下来说明对使用含有二价元素和四价元素的AlN膜作为压电膜的第一比较例的FBAR的有效机电耦合系数进行检测的模拟。图5是第一比较例的FBAR的截面图。如图5所示，通过在基板50上从基板50一侧起依次层叠下电极52、压电膜54和上电极56而形成第一比较例的FBAR。下电极52是通过从基板50一侧起依次层叠膜厚为100nm的Cr和膜厚为225nm的Ru而形成的多层金属膜。压电膜54是含有二价元素和四价元素且膜厚为1000nm的单层AlN膜。将Ca、Mg、Sr或Zn用作二价元素，将Ti、Zr或Hf用作四价元素，将二价元素和四价元素的取代浓度都设定为6.25原子%。将通过第一性原理计算得到的计算值用作诸如压电常数、弹性常数和介电常数等压电膜54的材料常数值。上电极56是通过从基板50一侧起依次层叠膜厚为225nm的Ru和膜厚为30nm的Cr而形成的多层金属膜。上电极56上设置了膜厚为50nm的二氧化硅(SiO₂)膜62。在基板50和谐振部58的下电极52之间设置具有圆顶状隆起的气隙60，所述谐振部58是下电极52和上电极56在压电膜54之间彼此面对的区域。

还检测了第二比较例的FBAR的有效机电耦合系数，第二比较例的FBAR具有与第一比较例的FBAR相同的结构，不同之处在于使用膜厚为1150nm的未掺杂AlN膜作为压电膜54。

表2列出了第一比较例和第二比较例的FBAR的有效机电耦合系数k_eff ²的模拟结果。如表2所示，使用含有二价元素和四价元素的AlN膜作为压电膜54的第一比较例的FBAR(实例1～实例10)的有效机电耦合系数k_eff ²大于使用未掺杂AlN膜作为压电膜54的第二比较例的FBAR(表2中的未掺杂AlN膜)的有效机电耦合系数k_eff ²。二价元素和四价元素不限于表2中列出的那些，可以是其他元素。

表2

上述模拟结果揭示，优选的是使用含有二价元素和四价元素的AlN膜作为FBAR的压电膜以获得具有较大机电耦合系数的FBAR。此外，图4(a)和图4(b)揭示，优选的是增加二价元素和四价元素的浓度以获得较大的机电耦合系数。

但是，虽然具有获得较大的机电耦合系数的优点，第一比较例的FBAR也存在缺陷。以下描述了此类缺陷。在第一比较例的FBAR中，压电膜54是含有二价元素和四价元素的单层AlN膜，因此在二价元素和四价元素的浓度增大以获得较大机电耦合系数时，压电膜54整体的添加浓度增加。在下电极52的上表面上形成压电膜54的过程中，随着添加元素的浓度增加，具有良好c轴取向的压电膜54的获得将变得更加困难。因此，FBAR的耦合系数发生劣化。

此外，当将元素添加至AlN膜时，膜应力将改变。通过使用向AlN膜添加Mg和Zr的情况作为实例来说明膜应力的变化。为了检测膜应力的变化，通过溅射制造含有Mg和Zr的AlN膜。更具体而言，通过在Ar和N₂的混合气体氛围下分别对Al靶、Al-Mg合金靶和Zr靶同时放电以改变对各靶施加的电功率，而在基板上制造具有不同浓度的Mg和Zr的AlN膜。然后测定所制造的AlN膜的膜应力。使用薄膜应力评价装置测定膜应力，由在膜形成前后基板的翘曲量评价膜应力。

图6是说明AlN膜相对于Mg和Zr的总取代浓度的膜应力的图。图6的纵轴以负值表示膜应力，并且负值表示压缩应力。如图6所示，在Mg和Zr的总取代浓度大于或等于至少3原子%且小于或等于30原子%的范围内，随着Mg和Zr的总取代浓度增加，添加有Mg和Zr的AlN膜的压缩应力的大小(绝对值)大致呈线性增大。这揭示了添加有Mg和Zr的AlN膜的压缩应力大于未掺杂AlN膜的压缩应力，并且随着Mg和Zr的总取代浓度增加，压缩应力增大。

据认为压缩应力因向AlN膜添加Mg和Zr而增大的理由如下所述。也就是说，Mg和Zr取代了AlN中的Al位置。考虑到关于晶体的几何结构的讨论中使用的香农(Shannon)离子半径，具有纤锌矿型晶体结构的AlN中铝位置的配位数为4，Mg²⁺、Zr⁴⁺和Al³⁺的离子半径在配位数为4时分别为0.57nm、0.59nm和0.39nm。铝位置由离子半径大于Al的Mg或Zr取代，因而晶格膨胀，且压缩应力增大。不限于其中向AlN膜添加Mg和Zr的情况，在向AlN膜添加其他元素的情况下膜应力根据添加元素的浓度而改变。

表3列出了图6中各标定点(plot)的Mg和Zr的取代浓度和膜应力的测定值。表3揭示，在Mg和Zr的取代浓度比为约1：1的情况以及在该比值稍微偏离1：1的情况下，随着Mg和Zr的总取代浓度增加，添加有Mg和Zr的AlN膜的压缩应力增大。

表3

如上所述，当使用含有添加元素的AlN膜作为压电膜54时，膜应力根据添加元素的浓度而改变。当压电膜54的膜应力过高时，谐振部58破裂。另一方面，当压电膜54的膜应力过低时，将难以形成具有圆顶状隆起的气隙60，不能获得FBAR的特性。

此外，随着压电膜54的添加元素的浓度增加，压电膜54和下电极52以及上电极56之间的粘合性降低。这引起声波能量的损失，并且导致诸如Q值和耦合系数等特性的劣化。

因此，当如第一比较例所述，压电膜54是含有二价元素和四价元素的单层AlN膜时，压电膜54的取向和膜应力以及压电膜54与下电极52和上电极56之间的粘合性将导致诸如Q值和耦合系数等特性劣化。

另一方面，在第一实施方式中，如图1(a)～图1(c)所示，由下电极12和上电极16夹持的压电膜14包括由含有添加元素的AlN膜制成的第一膜14a和设置在所述第一膜14a的上表面和下表面上并且以低于第一膜14a的浓度含有添加元素的第二膜14b。即使在增加第一膜14a的添加元素的浓度以获得较大机电耦合系数时，下电极12的上表面上也将形成添加元素的浓度低于第一膜14a的第二膜14b。因此，与使第一膜14a直接形成在下电极12的上表面上的情况相比，压电膜14的c轴取向得到改善。此外，难以利用诸如气压等膜形成条件来调节含有添加元素的AlN膜的膜应力。但是，在第一实施方式中，压电膜14包括添加元素浓度不同的第一膜14a和第二膜14b，因此对添加元素浓度的调节能够获得较大的机电耦合系数和能够使膜应力具有合适的大小。此外，将以低于第一膜14a的浓度含有所述添加元素的第二膜14b形成在下电极12的上表面和上电极16的下表面上，由此可以改善压电膜14与下电极12和上电极16之间的粘合性。因此，第一实施方式可以防止诸如Q值和耦合系数等FBAR特性的劣化。

此外，第一膜14a和第二膜14b都是主要由AlN组成的膜。当多层膜由不同的压电材料形成时，晶体结构上将形成错配界面，出现声波的散射，并使特性劣化。但是，如第一实施方式所述，当第一膜14a和第二膜14b都被构造成主要由AlN组成的膜时，将使得界面处难以出现声波的散射，从而可以防止诸如Q值和耦合系数等特性的劣化。

为了获得较大的机电耦合系数，具有较高浓度的添加元素的第一膜14a的厚度优选大于第二膜14b的厚度。例如，为了获得具有2GHz带的FBAR，将压电膜14的厚度构造为约1000nm，由此第一膜14a可以被构造为具有400nm的厚度，第二膜14b可以被构造为具有300nm的厚度。也就是说，将压电膜14构造成具有厚度为300nm的第二膜14b、厚度为400nm的第一膜14a和厚度为300nm的第二膜14b的多层膜。此外，通过改变第一膜14a和第二膜14b的膜厚比，可以调节机电耦合系数。

如第一实施方式中所述，优选的是使用含有二价元素和四价元素的AlN膜作为压电膜14以获得较大的机电耦合系数。在该情况下，二价元素和四价元素不限于表1和表2中列出的那些，可以是其他元素。此外，即使在使用表1和表2中列出的元素时，压电膜14也可以包含Ca、Mg、Sr和Zn中的两种以上作为二价元素，包含Ti、Zr和Hf的两种以上作为四价元素。也就是说，压电膜14可以包含Ca、Mg、Sr和Zn中的至少一种作为二价元素，包含Ti、Zr和Hf的至少一种作为四价元素。

此处，将说明制造含有二价元素和四价元素的AlN膜然后测定该AlN膜的压电常数的实验。通过与图6的膜应力测定中所述相同的方法，在电阻率小于或等于0.002Ω的低电阻硅基板上制造含有二价元素和四价元素的AlN膜。因此，在低电阻硅基板上制成具有不同浓度的Mg和Zr的AlN膜。然后，通过溅射在各AlN膜上形成直径为3mm、膜厚为100nm的铂电极。铂电极形成后，测定AlN膜的压电常数。在负荷为0.25N且频率为110Hz的条件下使用压电仪(piezometer)测定压电常数。

图7是说明AlN膜相对于Mg和Zr的总取代浓度的压电常数的增加率的图。图7的纵轴表示以百分比计的压电常数的增加率，并且将未掺杂AlN膜的压电常数定义为100%。如图7所示，在Mg和Zr的总取代浓度在至少大于或等于3原子%且小于或等于30原子%的范围内，含有Mg和Zr的AlN膜的压电常数大于未掺杂AlN膜的压电常数。此外，在Mg和Zr的总取代浓度在至少大于或等于3原子%且小于或等于30原子%的范围内，相对于Mg和Zr的总取代浓度，AlN膜的压电常数近似线性增大。

表4列出了在图7各标定点Mg和Zr的取代浓度与压电常数的测定值。表4揭示，在Mg和Zr的取代浓度比为约1：1的情况以及在该比值偏离1：1的情况下，添加有Mg和Zr的AlN膜的压电常数大于未掺杂AlN膜的压电常数。

表4

接下来将说明AlN的压电常数与取代浓度的相关性，其中，AlN含有Mg或Zn作为二价元素和Hf、Ti和Zr中的一种作为四价元素。压电常数与取代浓度的相关性通过第一性原理计算进行评价。

图8(a)和图8(b)是说明AlN相对于二价元素和四价元素的总取代浓度的压电常数的增加率的曲线图。图8(a)和图8(b)的纵轴表示以百分比计的压电常数的增加率，并且将未掺杂AlN的压电常数定义为100%。图8(a)说明了添加Mg作为二价元素和添加Hf、Ti和Zr中的一种作为四价元素的情况，而图8(b)说明添加Zn作为二价元素和添加Hf、Ti和Zr中的一种作为四价元素的情况。如图8(a)和图8(b)所示，在添加Mg或Zn作为二价元素和添加Hf、Ti和Zr中的一种作为四价元素的全部情况下压电常数随取代浓度单调递增。该结果表明，虽然图7仅说明了将Mg用作二价元素和将Zr用作四价元素时的测定结果，但是即使在使用其他二价元素和四价元素时也呈现相同的趋势。

图7～图8(b)所示的结果证明，压电膜14的二价元素和四价元素的总取代浓度优选设定为大于或等于3原子%且小于或等于30原子%。这能够增大压电膜14的压电常数，由此增大FBAR的机电耦合系数。为了进一步增大FBAR的机电耦合系数，二价元素和四价元素的总取代浓度更优选大于或等于5原子%且小于或等于30原子%，进一步优选大于或等于10原子%且小于或等于30原子%。此处，需要压电膜14的第二膜14b具有较低浓度的添加元素以防止由于取向等的劣化导致耦合系数的劣化。因此，为了增大FBAR的机电耦合系数，压电膜14中第一膜14a的二价元素和四价元素的总取代浓度优选大于或等于3原子%且小于或等于30原子%，更优选大于或等于5原子%且小于或等于30原子%，进一步优选大于或等于10原子%且小于或等于30原子%。

为了防止由压电膜14的取向劣化导致的FBAR特性的劣化，第二膜14b的添加元素的取代浓度优选小于3%原子，更优选是未掺杂AlN膜。当第二膜l4b是未掺杂AlN膜时，容易在下电极12上形成c轴取向良好的未掺杂AlN膜，因此可以获得c轴取向良好的压电膜14。此外，可以使未掺杂AlN膜的膜应力为拉伸应力，由此即使第一膜14a的添加元素浓度较高由此使压缩应力较高时，也可以容易地降低压电膜14整体的膜应力，并使其具有合适的大小。此外，电极和未掺杂AlN膜之间的粘合性也是有利的，因而能够在压电膜14与下电极12和上电极16之间获得良好的粘合性。

压电膜14的AlN膜中添加的元素不限于二价元素或四价元素，并且可以是其他元素。例如，添加元素可以是诸如钪(Sc)或钇(Y)等三价元素、碱金属、碱土金属或者二价元素和五价元素。即使使用这些元素，也能够获得增大FBAR的机电耦合系数的效果。

此处，将说明获得含有二价元素和五价元素的AlN的压电常数和机电耦合系数的模拟。使用第一性原理计算对具有下述晶体结构的掺杂AlN进行模拟，所述晶体结构中，图3中的两个铝原子30被二价元素取代，另一个铝原子30被五价元素取代。也就是说，使用第一性原理计算对具有下述纤锌矿型晶体结构的掺杂AlN进行模拟，所述纤锌矿型晶体结构含有13个铝原子、2个二价元素、1个五价元素和16个氮原子。由此，模拟中使用的掺杂AlN的二价元素的取代浓度是12.5原子%，五价元素的取代浓度是6.25原子%。将Mg或Zn用作二价元素，将钽(Ta)、铌(Nb)或钒(V)用作五价元素。以2:1的比率添加二价元素和五价元素，以确保绝缘性，这是因为二价元素和五价元素均取代三价铝位置。

表5列出了未掺杂AlN和掺杂AlN的通过第一性原理计算获得的压电常数e₃₃的计算值和从关系式1获得的机电耦合系数k²的计算值。如表5所示，含有二价元素和五价元素的AlN(实例1～实例6)的压电常数e₃₃和机电耦合系数k²大于未掺杂AlN(表5中的AlN)的数值。二价元素和五价元素不限于表3中列出的那些，可以是其他元素。

表5

接下来将说明含有二价元素和五价元素的AlN的机电耦合系数与取代浓度的相关性。通过与图4(a)和图4(b)中所述相同的方法评价机电耦合系数与取代浓度的相关性。使用Mg作为二价元素，使用Ta作为五价元素，将二价元素和五价元素的取代浓度比设定为2:1。

图9是说明AlN相对于二价元素和五价元素的总取代浓度的机电耦合系数k²的曲线图。图9揭示，即使当AlN含有Mg作为二价元素，Ta作为五价元素时，与AlN含有图4(a)和图4(b)中的二价元素和四价元素时相同，随着取代浓度增加，电耦合系数k²也增大。图9中，说明了将Mg用作二价元素，将Ta用作五价元素的情况，但是在使用其他二价元素和五价元素时也观察到相同的趋势。

接下来说明对使用含有二价元素和五价元素的AlN膜作为压电膜的第三比较例的FBAR的有效机电耦合系数进行检测的模拟。第三比较例的FBAR具有与第一比较例相同的结构，不同之处在于将含有二价元素和五价元素、且膜厚为850nm的AlN膜用作图5中的压电膜54。与第一比较例相同，将通过第一性原理计算得到的计算值用作诸如压电常数、弹性常数和介电常数等压电膜54的材料常数值。此外，将二价元素的取代浓度设定为12.5原子%，五价元素的取代浓度设定为6.25原子%。

表6列出了第三比较例的FBAR的有效机电耦合系数k_eff ²的模拟结果。此外，还列出了上述第二比较例的FBAR的有效机电耦合系数k_eff ²的模拟结果以用于比较。如表6所示，使用含有二价元素和五价元素的AlN膜作为压电膜54的第三比较例的FBAR(实例1～实例6)的有效机电耦合系数k_eff ²大于使用未掺杂AlN膜作为压电膜54的第二比较例的FBAR(表6中的未掺杂AlN膜)的有效机电耦合系数k_eff ²。二价元素和五价元素不限于表4中列出的那些，可以是其他元素。

表6

以上结果证明，即使向压电膜14的AlN膜添加二价元素和五价元素时也能够获得具有较大机电耦合系数的FBAR。通过增加二价元素和五价元素的浓度，机电耦合系数能够进一步增大。二价元素和五价元素不限于表5和表6中列出的那些，可以是其他元素。此外，即使当使用表5和表6中列出的元素时，压电膜14也可以包含Mg和Zn作为二价元素，包含Ta、Nb和V中的两种以上作为五价元素。也就是说，压电膜14可以包含Mg和Zn中的至少一种作为二价元素，包含Ta、Nb和V中的至少一种作为五价元素。

第一实施方式的FBAR100可以包括温度补偿膜。图10示出了包括温度补偿膜的FBAR的截面。如图10所示，将温度补偿膜40插入压电膜14中。温度补偿膜40设置为与压电膜14接触。温度补偿膜40由弹性常数的温度系数与压电膜14符号相反的材料形成。例如，压电膜14的弹性常数的温度系数为负，则使用弹性常数的温度系数为正的温度补偿膜40。上述温度补偿膜40的提供能够改善FBAR的温度特性。二氧化硅(SiO₂)膜是温度补偿膜40的一个实例。可以使用主要由二氧化硅构成的膜代替SiO₂膜，例如，可以使用添加有诸如氟(F)等元素的二氧化硅膜。此处，“主要由某元素构成的膜”是指以下述程度包含元素的膜，所述程度使得温度补偿膜40的弹性常数的温度系数与压电膜14的弹性常数的温度系数符号相反。

图10中，将温度补偿膜40插入压电膜14中，不过其还可以设置在其他位置，条件是其与压电膜14接触。例如，温度补偿膜40可以设置在下电极12和压电膜14之间或者压电膜14和上电极16之间。

第一实施方式描述了如图1(b)所示的由基板10和下电极12之间的圆顶状隆起形成气隙20的实例，不过还可以采用图11(a)和图11(b)中所示的结构。图11(a)示出了所述实施方式的第一变型例的FBAR的截面；图11(b)示出了所述实施方式的第二变型例的FBAR的截面。如图11(a)所示，在上述实施方式的第一变型例的FBAR中，气隙20a通过除去谐振部18中下电极12下方基板10的一部分而提供。如图11(b)所示，在上述实施方式的第二变型例的FBAR中，气隙20b设置为贯穿谐振部18中下电极12下方的基板10。

此外，压电薄膜谐振器不限于FBAR，并且可以是SMR(固态封装谐振器)。图12示出了SMR的截面。如图12所示，在SMR中，在下电极12下方设置了声反射膜42来代替气隙，所述声反射膜42通过交替堆叠声阻抗较高的膜和声阻抗较低的膜至膜厚为λ/4(λ为声波波长)而形成。

虽然已经详细地描述了本发明的实施方式，不过，应该理解的是，可以对其进行各种改变、替换和变形而不脱离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种压电薄膜谐振器，所述压电薄膜谐振器包括：

基板；

压电膜，所述压电膜设置在所述基板上，并且包括第一膜和第二膜，所述第一膜由含有添加元素的氮化铝膜制成，所述第二膜设置在所述第一膜的上表面和下表面上，并由以低于所述第一膜的浓度含有所述添加元素的氮化铝膜制成；和

下电极和上电极，所述上电极和下电极设置成夹持所述压电膜。

2.如权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其中，

所述添加元素是二价元素和四价元素，或者二价元素和五价元素。

3.如权利要求2所述的压电薄膜谐振器，其中，

所述添加元素是二价元素和四价元素，所述二价元素包括钙、镁、锶和锌中的至少一种，所述四价元素包括钛、锆和铪中的至少一种。

4.如权利要求2或3所述的压电薄膜谐振器，其中，

所述添加元素是二价元素和四价元素，当将所述第一膜中所述添加元素的原子数与所述氮化铝膜的铝原子数的总和定义为100原子%时，所述第一膜中所述添加元素的浓度为大于或等于3原子%且小于或等于30原子%。

5.如权利要求2所述的压电薄膜谐振器，其中，

所述添加元素是二价元素和五价元素，所述二价元素包括镁和锌中的至少一种，所述五价元素二价元素包括钽、铌和钒中的至少一种。

6.如权利要求1～3中任一项所述的压电薄膜谐振器，其中，

所述第二膜由不含添加元素的氮化铝膜制成。