CN1652458A - 压电薄膜器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种压电薄膜器件包括设置在衬底上的非晶态金属膜和设置在非晶态金属膜上的压电膜。压电膜的一个晶轴在垂直于非晶态金属的表面的方向上对齐。

Description

压电薄膜器件及其制造方法
相关申请的交叉引用并并入在其中
本申请基于并要求2004年1月28日申请的在先日本专利申请P2004-020132、2005年1月6申请的P2005-001346和2005年1月DD日申请的P2005-******的优先权的利益，在此以引用参考的方式将其全部内容并入在本申请中。
技术领域
本发明涉及在压电器件中使用的压电薄膜器件，更具体地说涉及在高频带中使用的压电薄膜器件及其制造方法。
背景技术
最近，在GHz范围中的高频带正用于无线通信系统比如移动通信器件和在计算机之间以较高的传输速率传输数据的局域网(LAN)。压电薄膜器件在比如这种无线通信系统的高频电子仪器的高频(RF)器件的应用中正在受到人们的重视。作为比如谐振器、可变电容器、微型开关的器件的应用，希望使用压电薄膜器件。以与用于半导体器件(比如金属绝缘半导体(MIS)集成电路)相同的方式使用薄膜微型制造工艺，制造根据微型机电系统(MEMS)技术的压电薄膜器件。因此，可以将MEMS压电薄膜器件和半导体器件集成在公共半导体衬底上。
例如表面声波(SAW)器件一般用作高频谐振器。然而，SAW器件的谐振频率具有与在梳状电极之间的间距成反比的关系。由于，在超过1GHz的频率范围上，在SAW器件的梳状电极之间的间距是1微米或更小，因此难以适应最近的更高使用频率需求。
作为SAW器件的替代，利用在压电薄膜的厚度方向上的纵向谐振的模式的薄膜体声波谐振器(FBAR)作为谐振器最近引起了人们的注意。使用压电薄膜的FBAR偶尔也称为体声波(BAW)器件。在FBAR中，通过压电器件的声速和膜厚度调节谐振频率。例如，压电膜对应于在2GHz的频带上大约1微米到大约2微米的平均膜厚度或者在5GHz的频带上大约0.4微米到大约0.8微米的膜厚度。通过使压电薄膜更薄，可以增加频率几十GHz。
在当前的有代表性的FBAR的结构中，材料比如氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO)的压电膜夹在两个相对的电极之间，更具体地说，在顶部电极和底部电极之间。为改善性能，设置FBAR型谐振器以悬在一个空腔上。公开了一种具有空腔的FBAR的制造方法(参考日本出版的未审查申请No.2000-69594)。例如，通过在硅(Si)衬底上各向异性蚀刻可以形成空的部分。接着，容易被蚀刻的材料(比如掺硼和磷的硅玻璃(BPSG))的牺牲层填充到空的部分中并被平面化。然后将底部电极、压电膜和顶部电极分别顺序地层叠在平面化的牺牲层的顶部上。此后，从在牺牲层上形成的顶部电极中钻个孔以延伸到牺牲层。通过有选择性地蚀刻清除牺牲层，形成空腔。
在FBAR中使用的压电膜的压电特性取决于取向。例如在AlN压电膜中，在AlN晶体的C轴取向的半高宽(FWHM)和机电耦合常数之间存在较强的交互关系(参见Rajan S.Naik等人的“Measurements of Bulk，C-Axis Electromechanical CouplingConstant as Function on AlN Film Quality”，IEEE transactions onultrasonics，ferroelectrics，and frequency control，Vol.47，No.1，pp.292-296)。为了实现所需的压电质量，关键是形成压电膜以使c-轴方向沿底部电极和顶部电极彼此相对的方向上取向。然而，对于在牺牲层的顶部上形成的AlN压电膜的取向存在限制，这种限制导致了机电耦合常数较小的问题。
为了改善压电晶体的取向，提出了通过在衬底上外延生长压电膜的FBAR的制造方法(参见日本出版的未审查专利申请No.2001-94373)。在日本出版的未审查专利申请No.2001-94373公开的方法中，AlN压电膜在(0001)取向上(更具体地说，在c-轴方向上)外延生长，在(111)取向的Si衬底上。顶部电极形成在AlN压电膜的顶部上。此后，从衬底的下侧通过各向异性地蚀刻清除Si衬底直到暴露AlN压电膜，形成通孔。在已经暴露了AlN压电膜之后，从衬底的下侧形成底部电极。因此，使用外延AlN压电膜的谐振器形成在该空腔之上。
在上述的制造方法中，为了沿c-轴取向AlN压电膜，关键是在(111)取向上使用Si衬底。但使用(111)取向的衬底可能存在问题，因为这种(111)取向的衬底不同于在半导体器件的一般制造方法中使用的(100)取向的衬底。
此外，压电薄膜器件比如可变电容器或者微型开关在致动器上提供有可动电极和在与致动器相对的衬底的表面上提供的固定电极。致动器支撑在一端上以悬在衬底上。致动器改变在可动电极和固定电极之间的距离。当前正在测试使用压电膜的电致伸缩效应或反压电效应作为驱动力的压电致动器。
锆钛酸铅(PZT)是公知的具有较大的电致伸缩效应的压电膜的材料。在PZT上，为了实现良好质量的膜，关键是在室温下形成膜之后在大约600℃的温度下进行退火。因为由于退火引起的体积收缩，PZT膜的残余变形不可避免地增加。压电致动器悬在空气中，并具有较长且薄的束型结构，这种结构包含了在顶部和底部电极之间夹着的压电层。因此，难以抑制由残余变形引起PZT压电膜的翘曲。因为在接近室温下可以淀积材料比如为AlN或ZnO的压电膜，因此，与PZT压电膜相比，通过膜淀积条件可以精确地控制残余应力。然而，与PZT相比，材料比如AlN或ZnO的电致伸缩效应较小。因此，压电膜的机电耦合常数可能较小，这种较小的常数对于不够确保压电致动器的足够的驱动范围。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有可以被提高的机电耦合常数的压电薄膜器件及其制造方法。
本发明的第一方面的特征在于这样的一种压电薄膜器件，包括设置在衬底上面的非晶态金属膜；和设置在非晶态金属上的压电膜，以及压电膜的一个晶轴在与非晶态金属的表面垂直的方向上对齐。
本发明的第二方面的特征在于一种制造压电薄膜器件的方法，包括在衬底的上面形成非晶态金属膜；在非晶态金属上形成压电膜，以使压电膜的一个晶轴在与非晶态金属的表面垂直的方向上对齐；和在压电膜的表面上形成顶部金属膜，该顶部金属膜而对着非晶态金属膜以将压电膜夹在中间。
附图说明
附图1所示为根据本发明的实施例的压电膜的实例的横截面视图。
附图2所示为说明根据本发明的实施例的压电薄膜的取向的评估的实例的表。
附图3所示为根据本发明的实施例压电薄膜的另一实例的横截面视图。
附图4所示为说明根据本发明的实施例的压电薄膜的取向的另一评估的实例的表。
附图5所示为根据本发明的第一实施例的FBAR的实例的平面视图。
附图6所示为在附图5中所示的FBAR的线XI-XI的横截面视图。
附图7至10所示为根据本发明的第一实施例的FBAR的制造方法的实例的横截面视图。
附图11所示为根据本发明的第一实施例的第一改型的FBAR的实例的横截面视图。
附图12至16所示为根据本发明的第一实施例的第一改型的FBAR的制造方法的实例的横截面视图。
附图17所示为根据本发明的第一实施例的第二改型的FBAR的实例的横截面视图。
附图18至21所示为根据本发明的第一实施例的第二改型的FBAR的制造方法的实例的横截面视图。
附图22所示为根据本发明的第一实施例的第三改型的FBAR的实例的横截面视图。
附图23至26所示为根据本发明的第一实施例的第三改型的FBAR的制造方法的实例的横截面视图。
附图27所示为根据本发明的第一实施例的第四改型的FBAR的实例的横截面视图。
附图28至33所示为根据本发明的第一的第四改型的FBAR的制造方法的实例的横截面视图。
附图34所示为根据本发明的第一实施例的第五改型的FBAR的实例的横截面视图。
附图35至38所示为根据本发明的第一的第五改型的FBAR的制造方法的实例的横截面视图。
附图39所示为根据本发明的第一实施例的第六改型的FBAR的实例的横截面视图。
附图40至44所示为根据本发明的第一的第六改型的FBAR的制造方法的实例的横截面视图。
附图45所示为根据本发明的第一实施例的第七改型的FBAR的实例的横截面视图。
附图46至51所示为根据本发明的第一的第七改型的FBAR的制造方法的实例的横截面视图。
附图52所示为根据本发明的第一实施例的应用实例的锁相环电路的实例的方块图。
附图53所示为根据本发明的第一实施例的应用实例的压电控制发射器的实例的方块图。
附图54所示为根据本发明的第一实施例的应用实例在可变频率滤波器中使用的FBAR的连接的实例的方块图。
附图55所示为根据本发明的第一实施例的应用实例在可变频率滤波器中使用的FBAR的设置的实例的视图。
附图56所示为根据本发明的第二实施例的可变电容器的实例的平面视图。
附图57所示为在附图56中所示的可变电容器的线LVII-LVII截取的横截面视图。
附图58至61所示为根据本发明的第二实施例的可变电容器的制造方法的实例的横截面视图。
附图62所示为根据本发明的第二实施例的改型的微型开关的实例的平面视图。
附图63所示为在附图62中所示的可变电容器的线LXIII-LXIII上的横截面视图。
附图64至67所示为根据本发明的第二实施例的微型开关的实例的横截面视图。
具体实施方式
参考附图描述本发明的各种实施例。注意，在所有的附图中相同或类似的参考编号应用于相同或类似的部件和器件，并省去或简化对相同或类似的部件和器件的描述。
如附图1所示，在根据本发明的第一和第二实施例的压电薄膜器件中使用的压电薄膜15提供在非晶态金属膜22的表面上，该非晶态金属膜22是提供在衬底11的顶部上的底层。半导体衬底比如Si用作衬底11。金属比如钽化铝(AlxTa1-x)或二硼化钛(TiB2)用作非晶态金属膜22。使通过X-射线衍射(XRD)、反射高能量电子衍射(RHEED)等已经证实，通过在接近室温下溅射淀积的具有从大约0.1到大约0.9的范围的Al摩尔分数x的AlxTa1-x合金非晶化。
压电薄膜15的性能可以通过指示压电效应的幅值的机电耦合常数Kt2和作为在谐振频率中的机械振荡的锐度的指示器的品质因素Q表示。为改善压电薄膜15的机电耦合常数，重要的是使在压电薄膜15的厚度方向上的压电晶体的极化轴对齐。此外，通过使用高纯度的压电晶体使压电薄膜15的晶体取向在极化方向上对齐，可以实现较高的品质因素Q。
例如，在使用FBAR的FR滤波器或电压控制的振荡器(VCO)中，可以与机电耦合常数一样大地增加带宽。品质因素Q与RF滤波器的插入损失和VCO的振荡纯度的程度有关。存在与品质因素Q相关的弹性波吸收的各种现象。此外，在压电致动器中，因为驱动范围与压电薄膜一样大地增加机电耦合常数，因此可以实现较低的驱动电压和致动器的较大的可变范围。
用作压电薄膜15的材料比如AlN或ZnO的压电晶体是六方体。六方晶体具有在c-轴取向上容易对齐的固有的晶体特性。通过使压电薄膜15在压电晶体的极化方向的c-轴(更具体地说是(001)方向)规则地取向可以使极化轴对齐。结果，可以确保压电薄膜的品质因素Q和机电耦合常数。
AlN和ZnO压电薄膜形成在各种底层的顶部上，并且使用技术比如XRD评估压电薄膜的取向。所有的底层和压电薄膜都在室温下通过磁控管溅射淀积。每个压电薄膜的厚度大约500纳米。如附图2所示，在使用Al0.4TA0.6非晶态金属膜作为底层的试样A和B中，AlN和ZnO压电薄膜在垂直于底层的表面的c-轴方向上分别以2.3°和2.6°的半宽高(FWHM)高度取向。在使用TiB2非晶态金属膜作为底层的试样C和D中，AlN和ZnO压电薄膜在c-轴方向上分别以2.3°和2.6°的半宽高(FWHM)高度取向。
此外，在使用材料比如氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)的非晶态绝缘层用于底层的试样E至H中，AlN和ZnO压电薄膜在c-轴方向上取向。每个试样E至H的取向的FWHM处于大约4.1°至大约5.1°的范围，这个范围更宽，并且与试样A至D相比取向较差。此外，在使用Al多晶金属和多晶硅半导体(poly-Si)用于底层的试样I至L中，AlN和ZnO压电薄膜非特定地取向，而是成为具有较小取向或者没有取向的多晶膜。因此，在这些层之下的非晶态金属对增加压电薄膜的取向特性的影响非常大。
多晶金属的表面通过分别具有许多取向的晶粒形成，并且根据晶粒的不同存在表面不规则的许多情况。相应地，以均匀的非晶表面形成非晶态金属。在多晶金属表面的情况下通过比如粗糙度测量和原子力显微镜(AFM)的技术检测的方均根粗糙度例如是3纳米或大于3纳米，而在非晶表面的情况下是3纳米或下于3纳米。因此，因为以非晶态金属实现了非常平的且均匀的表面，因此六方晶比如AlN和ZnO在c-表面[0001]上的取向中生长，该c-表面是通过晶体特性形成的六方晶的固有的表面。结果，可以改善在非晶态金属膜的顶部上形成的AlN和ZnO压电薄膜的取向。
此外，在与SiO2等(通常用作在衬底的表面上的底层或牺牲层)的非晶绝缘层相比较时，非晶态金属的表面能量通常高于非晶态绝缘层。就其本质而言，在非晶态金属膜上提供的晶体易于在层中生长以降低表面能量。因此，可以进一步改善在非晶态金属膜上的压电薄膜的取向。
此外，如附图3所示，压电薄膜15淀积在作为底层的非晶态金属膜22的表面上提供的取向金属膜23上。取向金属膜23的一个晶轴可以在垂直于非晶态金属22的表面的方向上对齐。取向金属膜23在非晶态金属膜22表面的顶部上高度取向地生长。作为取向金属膜23，可以使用通过晶体特性在(111)取向上高度对齐的面心立方晶格(fcc)金属(比如Al、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铱(Ir)、镍(Ni)或铂(Pt))和通过晶体特性在(110)取向上高度对齐的体心立方晶格(bcc)金属(比如钼(Mo)、钨(W))。可以形成AlN(0001)或ZnO(0001)的高度取向的压电薄膜，这些压电薄膜可以淀积在高度取向的Al(111)、Cu(111)、Au(111)、Ag(111)、Ir(111)、Ni(111)、Pt(111)、Mo(110)、W(110)等的取向金属膜23上以继承取向金属膜23的取向。
Al金属膜和AlN压电薄膜形成在各种底层的顶部上，使用比如XRD技术评估压电薄膜的取向。底层、金属膜和压电薄膜都在室温下通过磁控管溅射淀积。每个压电薄膜的厚度大约是500纳米。如附图4所示，在使用Al0.4TA0.6非晶态金属膜作为底层的试样M中，Al金属膜和AlN压电薄膜分别以1.0°和1.5°的FWHM在(111)取向和c-轴方向上高度取向。此外，在使用TiB2非晶态金属膜作为底层的试样N中，Al金属膜和AlN压电薄膜分别以1.6°和1.9°的FWHM在(111)取向和c-轴方向上高度取向。
此外，在使用比如SiO2和Al2O3的材料的非晶态绝缘层用于底层的试样O和P中，Al金属膜分别以4.2°和4.0°的FWHM在(111)取向上取向，AlN压电薄膜分别以4.6°和4.1°的FWHM在c-轴方向上取向。试样O和P的Al金属膜和AlN压电薄膜中的每个都比试样M和N差。此外，在使用Al多晶金属或多晶硅用于底层的试样Q至R中，Al金属膜和AlN压电薄膜不取向但成为具有特别小或者没有取向的多晶膜。
因此，通过在非晶态金属膜22和压电薄膜15之间提供取向金属膜23，可以进一步高度取向压电薄膜。
第一实施例
作为根据本发明的第一实施例的压电薄膜器件的FBAR包括提供在衬底11的表面上的非晶态金属膜的底部电极14、提供在底部电极14的表面上的压电薄膜15和提供在压电薄膜15的表面的顶部上的顶部电极(顶部金属膜)16，如附图5所示。谐振器20被界定作为这样的区域：其中底部电极14和顶部电极16彼此相对着，包括通过相面对的底部电极14和顶部电极16夹着的压电薄膜15。
此外，如附图6所示，在衬底11的顶部上提供的空腔17周围提供阻挡层13。谐振器20设置在空腔17的顶部上以便被投射到自由空间中。底部电极14从衬底11的表面延伸到阻挡层13的表面。例如，衬底11是具有高于大约1000Ω/□的高电阻率的Si半导体衬底。阻挡层13是SiO2膜。底部电极14是AlTa非晶态金属膜。压电薄膜15是AlN。顶部电极16是Al金属膜。
在谐振器20的压电薄膜15中，高频信号通过由施加到底部或顶部电极14、16的高频信号激励的体声波的振动而发射。例如，从底部电极14施加的GHz范围的高频信号通过压电薄膜15发送给顶部电极16。在非晶底部电极14上，压电薄膜15在压电晶体的极化方向的c-轴方向上高度取向。因此，可以确保压电薄膜15具有较大的机电耦合常数和较高的品质因素Q。
根据第一实施例，可以在c-轴方向上使压电薄膜15高度取向，并且改善机电耦合常数和品质因素Q。结果，可以实现FBAR的谐振器20的理想的谐振特性。
接着，参考附图7至10的横截面视图描述根据本发明的第一实施例的FBAR的制造方法。在本说明书中使用的每个横截面视图对应于从在附图5中的IV-IV线的横截面。
通过RF磁控管溅射等将氧化镥锶(SrRuO3)层形成在Si衬底11的表面上大约1微米的厚度。如附图7所示，然后通过光刻、湿蚀刻等清除SrRuO3层以形成牺牲层12。随后，通过RF磁控管溅射等将SiO2层淀积在其中形成牺牲层12的衬底11的表面上并淀积大约50纳米的厚度。通过光刻、湿蚀刻等，有选择性地清除SiO2层以形成阻挡层13。
通过RF磁控管溅射等将Al0.4Ta0.6等的非晶态金属层淀积在衬底11的顶部上。如附图8所示，通过光刻、使用基于氟化物气体的活性离子蚀刻(RIE)，有选择性地清除非晶态金属层以形成底部电极14。
通过活性RF磁控管溅射等将AlN等的压电层淀积在衬底11上大约1.4微米的厚度。如附图9所示，通过光刻、使用基于氯化物气体的RIE，有选择性地清除压电层以形成覆盖底部电极14端部的压电薄膜15。此后，通过RF磁控管溅射等将Al等的金属层淀积在衬底11的顶部上。通过光刻、RIE等，有选择性地清除金属层以形成顶部电极16，该顶部电极16延伸到被压电薄膜15覆盖的底部电极14的端部的侧面。
如附图10所示，通过使用3％浓度的硝酸铈铵(Ce(NH4)2(NO3)6)蚀刻，从牺牲层12暴露在衬底11(未示)的顶部的部分起有选择性地清除牺牲层12以形成空腔17。因此，在空腔17中形成了具有底部电极14、压电薄膜15和顶部电极16的谐振器20，如附图6所示。
在根据第一实施例的FBAR的制造方法中，使用非晶态金属层作为底部电极14。在对应于谐振器20的区域中，压电薄膜15淀积在底部电极14的表面上。结果，在谐振器20的该区域中的压电薄膜15在作为极化方向的c-轴方向上高度取向。
使用网络分析仪等测量所制造的FBAR的频率特性。例如，根据第一实施例的FBAR的谐振频率大约2.1GHz。此外，压电薄膜15的机电耦合常数和品质因素Q从FBAR的谐振特性中估计。例如，机电耦合常数大约6.4％。在谐振点下品质因素Q大约700，在反谐振点上大约620。与使用外延生长的单晶压电膜的FBAR相比，机电耦合常数和品质因素Q大致相同。因此，根据第一实施例的FBAR的压电薄膜15可以提供理想的压电特性。
根据第一实施例，在不使用昂贵且复杂的生长技术比如外延生长的情况下，可以使压电薄膜15在c-轴方向上高度取向。因此，可以实现其中改善了机电耦合常数和品质因素Q的FBAR。
(第一实施例的第一改型)
根据本发明的第一实施例的第一改型的FBAR包括提供在衬底11表面上的绝缘膜32上的底部电极14、提供在底部电极14表面的顶部上的压电薄膜15和提供在压电薄膜15表面的顶部上的顶部电极16，如附图11所示。谐振器20淀积在绝缘膜32的表面上提供的非晶态金属膜22和底部电极14之间的空腔17上。绝缘膜32是SiO2膜、氮化硅(Si3N4)膜或SiO2膜和氮化硅(Si3N4)膜的复合膜。底部电极14是取向金属膜比如Mo。非晶态金属膜22是AlTa。顶部电极16是金属膜比如Mo。
第一实施例的第一改进与第一实施例不同之处在于提供非晶态金属膜22以包围空腔17并面对着底部电极14。其它的结构与第一实施例一样，因此省去相同的描述。
相对于用于底部电极14的金属材料能够被有选择性地清除的金属比如Al形成在非晶态金属膜22上。在非晶态金属膜22上，Al金属膜在垂直于非晶态金属膜22的表面的方向的(111)取向上高度对齐。用于底部电极14的Mo在(111)取向的Al金属膜的(110)取向上高度对齐，压电薄膜15相对于作为压电晶体的极化方向的c-轴方向高度对齐。因此，可以确保压电薄膜15具有较大的机电耦合常数和较高的品质因素Q。
根据第一实施例的第一改型的FBAR的制造方法参考附图12至16中所示的横截面视图描述。
如附图12所示，通过热氧化等将绝缘膜32比如SiO2形成在衬底11的表面上大约1微米的厚度。通过RF磁控管溅射等将Al0.4Ta0.6等的非晶态金属膜22淀积在绝缘膜32的表面上大约0.2微米的厚度。
通过RF磁控管溅射等淀积具有大约0.1微米的厚度的Al等的金属层。通过光刻、使用基于氯化物的气体的RIE等有选择性地清除Al金属层以形成牺牲层12a，如附图13所示。
通过RF磁控管溅射等淀积金属层比如Mo。如附图14所示，通过光刻、使用基于氯化物的气体的RIE等，有选择性地清除Mo金属层以形成底部电极14。
通过RF磁控管溅射等将压电层比如AlN淀积到大约1.4微米的厚度。如附图15所示，通过光刻、使用基于氯化物的气体的RIE等，AlN压电层被有选择性地清除以形成压电薄膜15。此外，通过RF磁控管溅射等将金属层比如Mo淀积在压电薄膜15上。通过光刻、RIE等有选择性地清除Mo层以形成顶部电极16。
如附图16所示，通过使用10％浓度的盐酸等的湿蚀刻，在Al牺牲层12a暴露在衬底11(未示)的表面上的地方，牺牲层12a被有选择性地清除以形成空腔17。因此，具有底部电极14、压电薄膜15、顶部电极16的谐振器20形成在空腔17的顶部上，如附图11所示。
在第一实施例的第一改型中，由于在非晶态金属膜22上的牺牲层12a高度取向，因此可以形成高度取向的压电薄膜15，甚至包围谐振器20。结果，在空腔17上方的整个区域中在c-轴方向上可以使压电薄膜15高度取向，并可以增加压电薄膜15的机械强度。
使用网络分析仪等测量所制造的FBAR的频率特性。例如，FBAR的谐振频率大约2.1GHz。此外，压电薄膜15的机电耦合常数和品质因素Q从FBAR的谐振特性中估计。例如，机电耦合常数大约6.5％。在谐振点下品质因素Q大约800，在反谐振点上大约750。机电耦合常数和品质因素Q都增加了。因此，根据第一实施例的第一改型的FBAR的压电薄膜15可以提供理想的压电特性。
根据第一实施例的第一改型，在不使用昂贵且复杂的生长技术比如外延生长的情况下，可以使压电薄膜15在c-轴方向上高度取向。因此，可以实现其中改善了机电耦合常数和品质因素Q的FBAR。
(第一实施例的第二改型)
根据本发明的第一实施例的第二改型的FBAR所包括的底部电极14具有提供在绝缘膜32表面上的非晶态金属膜22和提供在非晶态金属膜22表面上的取向金属膜23，如附图17所示。底部电极14、压电薄膜15和顶部电极16由衬底11和绝缘膜32支撑，其中衬底11和绝缘膜32都包括空腔17a。通过提供在空腔17a上的底部电极14、压电薄膜15和顶部电极16形成谐振器20。空腔17a具有倾斜的侧壁以使空腔在从衬底11的底部表面朝绝缘膜32的方向上变窄。
底部电极14的非晶态金属膜22例如是AlTa。取向金属膜23是Al等，它在垂直于非晶态金属膜22的表面的(111)取向上取向。
第一实施例的第二改型与第一实施例的第一改型不同之处在于包括非晶态金属膜22和取向金属膜23的底部电极14置于提供在衬底11和绝缘膜32中的空腔17a上。其它的结构与第一实施例和第一实施例的第一改型一样，因此省去相同的描述。
在第一实施例的第二改型中，在(111)取向方向上取向的取向金属膜23比如Al提供在底部电极14的非晶态金属膜22上。形成在取向金属膜23上的压电薄膜15可以在c-轴方向上强烈地对齐。因此，可以确保压电薄膜15具有较大的机电耦合常数和较高的品质因素Q。此外，由于底部电极14在空腔17a的整个表面上延伸到绝缘膜32上的位置，因此可以从结构上增加压电薄膜15的机械强度。此外，在空腔17a之上，压电薄膜15远离底部电极14端部的台阶而均匀地形成。因此，可以防止在谐振器20附近的压电薄膜15的取向的劣化并防止FBAR的谐振特性的寄生振荡的产生。
接着，参考附图18至21所示的横截面视图描述根据第一实施例的第二改型的FBAR的制造方法。
通过热氧化等，绝缘膜32、32a比如SiO2形成在衬底11的顶面和背面上大约1微米的厚度，如附图18所示。非晶态金属膜22比如Al0.4Ta0.6通过RF磁控管溅射等淀积到大约0.2微米的厚度。
如附图19所示，取向金属膜23比如Al通过RF磁控管溅射等淀积。通过光刻、使用基于氯化物或基于氟化物的气体的RIE等，取向金属膜23和非晶态金属膜22被有选择性地清除以形成底部电极14。
通过RF磁控管溅射等淀积压电薄膜15比如AlN到大约1.7微米，如附图20所示。通过光刻、使用基于氯化物的气体等，有选择性地清除压电薄膜15。通过RF磁控管溅射等将金属层比如Al进一步淀积在压电薄膜15上。通过光刻、RIE等有选择性地清除Al金属膜以形成顶部电极16。
通过光刻、蚀刻等，绝缘膜32a被有选择性地清除以形成开口，在该开口中衬底11的底部表面暴露在底部电极14之下。如附图21所示，通过使用该底部表面的开口作为掩模通过各向异性蚀刻等，从在该开口中衬底11的暴露的底部表面起有选择性地清除衬底11以形成沟槽。通过使用氟化铵(NH4F)溶液的湿蚀刻等经由衬底11的沟槽，在底部电极14下的绝缘膜32被有选择性地清除以形成空腔17a。因此，具有底部电极14、压电薄膜15和顶部电极16的谐振器20形成在空腔17a的顶部上，如附图17所示。
在第一实施例的第二改型中，非晶态金属膜22均匀地淀积在绝缘膜32的表面上。在均匀的非晶态金属膜22的表面上，取向金属膜23比如Al可以被淀积以在(111)取向方向上高度取向。因此，可以淀积在c-轴方向上高度取向的压电薄膜15。此外，由于底部电极14被形成为覆盖空腔17a，因此可以增加压电薄膜15的机械强度。底部电极14的端部部分与空腔17a的朝上的区域间隔开。因此，可以将压电薄膜15均匀地淀积在空腔17a上。
使用网络分析仪等测量所制造的FBAR的频率特性。例如，FBAR的谐振频率大约2.1GHz。此外，压电薄膜15的机电耦合常数和品质因素Q从FBAR的谐振特性中估计。例如，机电耦合常数大约6.8％。在谐振点下品质因素Q大约950，在反谐振点上大约900。机电耦合常数和品质因素Q都增加了。因此，根据第一实施例的第二改型的FBAR的压电薄膜15可以提供理想的压电特性。
根据第一实施例的第二改型，在不使用昂贵且复杂的生长技术比如外延生长的情况下，可以使压电薄膜15在c-轴方向上高度取向。因此，可以实现其中改善了机电耦合常数和品质因素Q的FBAR。
(第一实施例的第三改型)
根据本发明的第一实施例的第三改型的FBAR包括底部电极14，具有提供在绝缘膜32的表面上的非晶态金属膜22和提供在非晶态金属膜22的表面上的取向金属膜23，如附图22所示。底部电极14、压电薄膜15和顶部电极16由衬底11和绝缘膜32支撑，其中衬底11和绝缘膜32都包括空腔17b。通过提供在空腔17b上的底部电极14、压电薄膜15和顶部电极16形成谐振器20。空腔17b具有基本垂直于从衬底11的底部表面朝绝缘膜32延伸的方向的侧壁。
底部电极14的非晶态金属膜22例如是AlTa。取向金属膜23是Al等，它在垂直于非晶态金属膜22的表面的(111)取向上取向。
第一实施例的第三改型与第一实施例的第二改型不同之处在于包括非晶态金属膜22和取向金属膜23的底部电极14置于提供在衬底11和绝缘膜32中的空腔17b上。其它的结构与第一实施例的第二改型一样，因此省去相同的描述。
在第一实施例的第三改型中，例如在(111)取向方向上取向的取向金属膜23比如Pt提供在底部电极14的非晶态金属膜22上。形成在取向的取向金属膜23上的压电薄膜15可以在c-轴方向上强烈地对齐。因此，可以确保压电薄膜15具有较大的机电耦合常数和较高的品质因素Q。此外，由于底部电极14在空腔17a的整个表面上延伸到绝缘膜32上的位置，因此可以从结构上增加压电薄膜15的机械强度。此外，在空腔17b之上，均匀地形成压电薄膜15并与底部电极14的端部的台阶间隔开。因此，可以防止在谐振器20附近的压电薄膜15的取向的劣化并防止FBAR的谐振特性的寄生振荡的产生。
接着，参考附图23至26所示的横截面视图描述根据第一实施例的第三改型的FBAR的制造方法。
通过热氧化等，绝缘膜32、32a比如SiO2形成在衬底11的顶面和底面上大约1微米的厚度，如附图23所示。通过RF磁控管溅射等将非晶态金属膜22比如Al0.4Ta0.6淀积到大约0.2微米的厚度。
通过RF磁控管溅射等淀积金属层比如Pt。如附图24所示，通过光刻、使用基于氯化物或基于氟化物的气体的RIE等，Pt金属膜和非晶态金属膜22被有选择性地清除以形成底部电极14。
通过RF磁控管溅射等淀积压电层比如AlN到大约1.7微米，如附图25所示。通过光刻、使用基于氯化物的气体等，有选择性地清除AlN压电层，以形成压电薄膜15。通过RF磁控管溅射等将金属层比如Pt进一步形成在压电薄膜15上。通过光刻、RIE等有选择性地清除Pt金属膜以形成顶部电极16。
通过从在衬底11的底部表面上的绝缘膜32a抛光使衬底11变薄到大约200微米的厚度。如附图26所示，通过光刻、使用基于氟化物的蚀刻等，衬底11被有选择性地清除以形成沟槽。通过使用NH4F溶液的湿蚀刻等经由衬底11的沟槽，在底部电极14下的绝缘膜32被有选择性地清除以形成空腔17b。因此，具有底部电极14、压电薄膜15和顶部电极16的谐振器20形成在空腔17b的顶部上，如附图22所示。
在第一实施例的第三改型中，非晶态金属膜22均匀地淀积在绝缘膜32的表面上。在均匀的非晶态金属膜22的表面上，取向金属膜23比如Pt可以被淀积以在(111)取向方向上高度取向。因此，在c-轴方向上可以淀积高度取向的压电薄膜15。此外，由于底部电极14被形成为覆盖空腔17b，因此可以增加压电薄膜15的机械强度。底部电极14的端部部分与空腔17a的朝上的区域间隔开。因此，可以将压电薄膜15均匀地淀积在空腔17b上。
使用网络分析仪等测量所制造的FBAR的频率特性。例如，FBAR的谐振频率大约2.1GHz。此外，压电薄膜15的机电耦合常数和品质因素Q从FBAR的谐振特性中估计。例如，机电耦合常数大约6.7％。在谐振点下品质因素Q大约900，在反谐振点上大约950。机电耦合常数和品质因素Q都增加了。因此，根据第一实施例的第三改型的FBAR的压电薄膜15可以提供理想的压电特性。
根据第一实施例的第三改型，在不使用昂贵且复杂的生长技术比如外延生长的情况下，可以使压电薄膜15在c-轴方向上高度取向。因此，可以实现其中改善了机电耦合常数和品质因素Q的FBAR。
(第一实施例的第四改型)
根据本发明的第一实施例的第四改型的FBAR包括具有从衬底11延伸到在衬底11上提供的空腔17的顶部的非晶态金属膜和在非晶态金属膜22上的表面上提供的取向金属膜23的底部电极14。谐振器20由面对着的底部和顶部电极14、16和在空腔17上提供的在顶部和顶部电极14、16之间的压电薄膜15形成。
底部电极14的非晶态金属膜22例如是AlTa。取向金属膜23是Al等，它在垂直于非晶态金属膜22的表面的(111)取向上取向。
第一实施例的第四改型与第一实施例的第二改型不同之处在于底部电极14的端部位于在衬底11的空腔17上。其它的结构与第一实施例的第一和第二改型一样，因此省去相同的描述。
在第一实施例的第四改型中，例如在(111)取向方向上取向的取向金属膜23比如Pt提供在底部电极14的非晶态金属膜22上。形成在取向的取向金属膜23上的压电薄膜15可以在c-轴方向上强烈地对齐。因此，可以确保压电薄膜15具有较大的机电耦合常数和较高的品质因素Q。此外，底部电极14的端部位于空腔17上。因此，可以防止在除了谐振器20的区域之外还形成电容器结构，在这种电容器结构中压电薄膜15被夹在底部和顶部电极14、16之间。结果，可以防止在高频区段中FBAR的谐振特性的劣化。
接着，参考附图28至33所示的横截面视图描述根据第一实施例的第四改型的FBAR的制造方法。
如附图28所示，通过光刻、使用基于氟化物的气体的RIE等，蚀刻衬底11以形成开口27。
如附图29所示，通过等离子体化学汽相淀积(CVD)等，牺牲层12比如SiO2淀积在衬底11的表面上到大约1.2微米的厚度。如附图30所示，通过化学机械抛光(CMP)，牺牲层12被平面化以暴露衬底11的表面。此外，作为牺牲层12，可以使用金属比如Mo、Al和W、半导体比如锗(Ge)或多晶硅、绝缘体比如BPSG和Si3N4等。
如附图31所示，通过RF磁控管溅射等将非晶态金属膜22比如Al0.4Ta0.6淀积在其中嵌入了牺牲层12的衬底11的表面上大约0.2微米的厚度。通过RF磁控管溅射等淀积例如Pt的取向金属层23。通过光刻、使用基于氯化物的气体的RIE等，有选择性地清除取向金属膜23和非晶态金属膜22以形成底部电极14。
如附图32所示，通过活性RF磁控管溅射等淀积压电薄膜15比如AlM到大约1.7微米。通过光刻、使用基于氯化物的气体的RIE等，可以有选择性地清除压电薄膜15。通过RF磁控管溅射等将金属层比如Ir进一步淀积在压电薄膜15上。通过光刻、使用基于氟化物的RIE等有选择性地清除Ir金属膜以形成顶部电极16。
通过光刻、使用基于氯化物的气体等，压电薄膜15被有选择性地清除以形成通孔(未示)以暴露位于衬底11的表面之上的牺牲层12。如附图33所示，经通孔通过使用NH4F溶液的湿蚀刻等有选择性地溶解牺牲层12以形成空腔17。
在第一实施例的第四改型中，非晶态金属膜22均匀地淀积在其中嵌入了牺牲层12的均匀的衬底11的表面上。取向金属膜23比如Pt也被淀积成在非晶态金属膜22的均匀的表面上在(111)取向方向上高度对齐。结果，可以在c-轴方向上淀积高度对齐的压电薄膜15。底部电极14的端部部分与空腔17的朝上的区域间隔开。因此，可以在空腔17上均匀地淀积压电薄膜15。
使用网络分析仪等测量所制造的FBAR的频率特性。例如，FBAR的谐振频率大约2.1GHz。此外，压电薄膜15的机电耦合常数和品质因素Q从FBAR的谐振特性中进行估计。例如，机电耦合常数大约6.9％。在谐振点下品质因素Q大约1100，在反谐振点上大约1150。机电耦合常数和品质因素Q都增加了。因此，根据第一实施例的第四改型的FBAR的压电薄膜15可以提供理想的压电特性。
根据第一实施例的第四改型，在不使用昂贵且复杂的生长技术比如外延生长的情况下，可以使压电薄膜15在c-轴方向上高度取向。因此，可以实现其中改善了机电耦合常数和品质因素Q的FBAR。
(第一实施例的第五改型)
在根据本发明的第一实施例的第五改型的FBAR中，底部电极14、压电薄膜15和顶部电极16都提供在衬底11上提供的声反射层38上，如附图34所示。谐振器20由面对着的底部和顶部电极和在声反射层38上的低部和顶部电极14、16之间的压电薄膜15形成。
在声反射层38中，具有较高的声阻抗的第一声阻抗层36a，36b和具有较低的声阻抗的第二声阻抗层37a，37b交替地层叠。第一和第二声阻抗层36a，37a，36b，37b每个的厚度是由谐振器20激励的体声波的波长的大约1/4。体声波被以该声波波长的大约1/4的厚度周期性地放置的第一和第二声阻抗层36a，37a，36b，37b所反射。声阻抗由材料的密度和弹性常数确定。具有较高的声阻抗的材料的适合的实例包括绝缘体比如AlN、氧化钽(Ta2O5)或Al2O3和金属比如W、Mo、Pt、Ir、Ru、铑(Rh)或钽(Ta)。具有较低的声阻抗的材料的适合的实例包括绝缘体比如SiO2或Si3N4、半导体比如Si和金属比如Al或钛(Ti)。
对于声反射层38，第一和第二声阻抗层36a，37a，36b，37b被层叠。然而，对声反射层38的叠层的数量没有限制。根据要使用的材料确定叠层的数量以使尽最大可能地增加品质因素Q。
第一实施例的第五改型不同于第一实施例的第四改型之处在于谐振器20提供在衬底11的声反射层38上。其它的结构与第一实施例的第四改型一样，因此省去了相同的描述。
在第一实施例的第五改型中，通过在谐振器20下提供的声反射层38，在压电薄膜15中激励的压电振荡被反射并有效地局限在谐振器20内。因此可以防止谐振器的谐振特性劣化。此外，高度取向的取向金属膜23提供在底部电极14的非晶态金属膜22上。在取向的取向金属膜23上提供的压电薄膜15在c-轴方向上强烈地对齐。因此，可以确保压电薄膜15具有较大的机电耦合常数和较高的品质因素Q。此外，由于底部电极14置于均匀的声反射层38上，因此可以从结构上增加压电薄膜15的机械强度。
接着，参考附图35至38所示的横截面视图描述根据第一实施例的第五改型的FBAR的制造方法。
如附图35所示，通过溅射、CVD等顺序地淀积第一声阻抗层36a、第二声阻抗层37a、第一声阻抗层36b和第二声阻抗层37b以在衬底11的表面上形成声反射层38。声反射层38的表面通过CMP等平面化以在声反射层38上提供均匀的表面。此外，至少对于作为最上层的第二声阻抗层37b，可以理想地使用绝缘体。
如附图36所示，通过RF磁控管溅射等将非晶态金属膜22比如Al0.4Ta0.6淀积在声反射层38的表面上到大约20纳米的厚度。此后，通过DC磁控管溅射等淀积取向金属膜23比如Ni到大约250纳米的厚度。通过光刻、蚀刻等可以有选择性地清除取向金属膜23和非晶态金属膜22以形成底部电极14。
如附图37所示，通过反应RF磁控管溅射等淀积压电层比如AlN到大约2微米的厚度。通过光刻、使用基于氯化物的气体的RIE等有选择性地清除AlN压电层以形成压电薄膜15。
如附图38所示，通过DC磁控管溅射等将金属层比如Mo淀积在压电薄膜15上。通过光刻、湿蚀刻等有选择性地清除Mo金属层以形成顶部电极16。
通过XRD确定在非晶态金属膜22的表面上淀积的Ni取向金属膜23的取向。这证实Ni取向金属膜23在大约0.7°的取向FBAR上在(111)取向方向上高度对齐。
在第一实施例的第五改型中，均匀的非晶态金属膜22淀积在均匀的非晶态金属膜23表面上。在非晶态金属膜22的均匀的表面上，可以将取向金属膜23比如Ni淀积成在(111)取向方向上高度对齐。因此，可以淀积在c-轴方向上高度对齐的压电薄膜15。由于底部电极14形成在声反射层38的均匀的表面上，因此可以从结构上增加压电薄膜15的机械强度。
使用网络分析仪等测量所制造的FBAR的频率特性。例如，FBAR的谐振频率大约2GHz。此外，压电薄膜15的机电耦合常数和品质因素Q从FBAR的谐振特性中估计。例如，机电耦合常数大约6.5％至6.7％。在谐振点下品质因素Q大约900至大约1000，在反谐振点上大约800至大约900。与使用外延生长单晶体压电膜的FBAR相比，机电耦合常数和品质因素Q都增加了。因此，根据第一实施例的第五改型的FBAR的压电薄膜15可以提供理想的压电特性。
根据第一实施例的第五改型，在不使用昂贵且复杂的生长技术比如外延生长的情况下，可以使压电薄膜15在c-轴方向上高度取向。因此，可以实现其中改善了机电耦合常数和品质因素Q的FBAR。
(第一实施例的第六改型)
根据本发明的第一实施例的第六改型的FBAR包括的底部电极14具有置于绝缘膜32的表面上的低电阻金属膜21、置于低电阻金属膜21的表面上的非晶态金属膜22和置于非晶态金属膜22的表面上的取向金属膜23，如附图39所示。底部电极14、压电薄膜15和顶部电极16由衬底11和绝缘膜32支撑，衬底11和绝缘膜32两者都包括空腔17b。以压电薄膜15覆盖的底部电极14的端部部分相对于绝缘膜32的表面以小于直角的角度倾斜。谐振器20由在空腔17b上提供的底部电极14、压电薄膜15和顶部电极16形成。空腔17b具有与从衬底11的底部表面朝绝缘膜32延伸的方向基本垂直的侧壁。
底部电极14的低电阻金属膜21是具有较低的电阻的金属。在室温下的低电阻金属膜21的电阻率的范围是大约1×10-8Ωm至大约10×10-8Ωm，理想的是大约1×10-8Ωm至大约5×10-8Ωm，更理想的是大约1×10-8Ωm至大约3×10-8Ωm。作为低电阻金属膜21，可以使用比如包括Al、Cu、Au、Ag、Ir、Ni、Pt、Mo、W等的金属。此外，还可以使用添加了在组分上大约10％或更少(理想的大约5％或更少)的金属比如Ni、Pt、Mo、W等的且主要包含低电阻的金属比如Al、Cu、Au或Ag的合金。此外，还允许增加在组分上大约为5％或更少的量的Si、碳(C)等到合金中。
第一实施例的第六改型与第一实施例的第三改型不同之处在于在绝缘膜32的表面上包括低电阻金属膜21、非晶态金属膜22和取向金属膜23的底部电极14置于在衬底11和绝缘膜32中提供的空腔17b上。其它的结构与第一实施例的第三改型一样，因此省去了相同的描述。
在第一实施例的第六改型中，取向金属膜23提供在底部电极14的非晶态金属膜22上。形成在取向的取向金属膜23的压电薄膜15可以在c-轴方向上强烈地对齐。因此，可以确保压电薄膜15具有较大的机电耦合常数和较高的品质因素Q。此外，由于在非晶态金属膜22下提供的低电阻金属膜21可以具有较低的电阻，因此可以防止高频特性劣化。
接着，参考附图28至33的横截面视图描述根据第一实施例的第六改型的FBAR的制造方法。
如附图40所示，通过热氧化等在衬底11的表面上形成绝缘膜32比如SiO2大约1微米的厚度。例如，通过溅射等将Al合金、AlTa非晶态金属和Al金属分别淀积大约200纳米的厚度、100纳米的厚度和5纳米的厚度，同时维持衬底的温度接近室温。
如附图41所示，通过光刻、RIE等有选择性地清除Al金属层、AlTa非晶态金属层和Al合金层以形成具有低电阻金属膜21、非晶态金属膜22和取向金属膜23的底部电极14。此外，通过调节光刻条件，使用具有倾斜的端部部分的抗蚀剂掩模可以倾斜底部电极14的端部部分。
通过溅射等可以将压电层比如AlN淀积到理想的厚度。如附图42所示，通过光刻、RIE等有选择性地清除AlN压电层以形成压电薄膜15。此外，AlN压电层的蚀刻也可以是使用碱性溶液的湿蚀刻。
Al合金层通过溅射等淀积在压电薄膜15上。如附图43所示，通过光刻、湿蚀刻等有选择性地清除Al合金层以形成顶部电极16。
通过从衬底11的底部表面抛光等使衬底11变薄到大约200微米的厚度。如附图44所示，通过光刻、RIE等从底部表面有选择性地清除衬底11以形成沟槽。通过湿蚀刻等经衬底11的沟槽有选择性地清除在底部电极14下面的绝缘膜32以形成空腔17b。因此，具有底部电极14、压电薄膜15和顶部电极16的谐振器20形成在空腔17b的顶部上，如附图39所示。
在淀积了低电阻金属膜21的Al合金层或非晶态金属膜22的AlTa非晶态金属层之后，处理衬底11可以一次暴露到大气中以在Al合金层或AlTa非晶态金属层的表面上形成氧化膜。表面氧化膜的形成可以改善压电薄膜15的AlN压电层和取向金属膜23的Al金属膜的取向。
此外，可以清除没有被压电薄膜15覆盖的暴露的非晶态金属膜22。接着在压电薄膜15的蚀刻之后，例如可以通过RIE或化学干蚀刻(CDE)等清除非晶态金属膜22。
根据上文的描述，低电阻金属膜21淀积大约200纳米的厚度。随着低电阻金属膜21的厚度的增加，电阻降低。因此，对于低电阻金属膜21，更厚的膜比较理想。此外，非晶态金属膜22淀积大约100纳米的厚度。在压电薄膜15的蚀刻过程中非晶态金属膜22可以用作蚀刻停止层。例如，用于AlN或AlTa的蚀刻的电阻率根据蚀刻的条件变化。因此，非晶态金属膜22的厚度可以根据压电薄膜15到非晶态金属膜22的蚀刻的选择性确定。此外，为确保非晶态金属膜22的均匀性，大约5纳米的厚度比较理想。此外，取向金属膜23淀积大约5纳米的厚度。然而，对取向金属膜23的厚度没有限制。取向金属膜23的厚度范围可以是大约3纳米到大约10纳米。
在FBAR的谐振频率和用于底部和顶部电极14、16的金属都确定时，通过金属的密度和弹性常数实质唯一地确定了底部和顶部金属14、16的电极厚度。在金属的密度和弹性常数较小时，电极厚度可能较大。因此，为了降低底部和顶部电极14、16的电阻，具有较小密度和较小弹性常数的较低的电阻率的金属比较理想。例如，金属比如Al和Cu和包含Al、Cu等的合金大部分都是理想的。
用作非晶态金属膜22的AlTa的电阻率比低电阻率金属比如Al大约高两个数量级。在压电薄膜15的蚀刻的过程中，清除在压电薄膜15正下方的取向金属膜23。由于在压电薄膜15的蚀刻的过程中非晶态金属膜22起蚀刻停止层的作用，因此不蚀刻在非晶态金属膜22之下的低电阻金属膜21。在第一实施例的第六改型中，作为低电阻金属膜21，可以使用具有低电阻率、小密度和小弹性常数的Al合金。因此，可以增加电极厚度以降低底部和顶部电极14、16的电阻。因此，可以防止在高频区段中谐振特性的劣化。
在第一实施例的第六改型中，低电阻金属膜21和非晶态金属膜22均匀地淀积在绝缘膜32表面上。在非晶态金属膜22的均匀表面上，可以淀积取向金属膜23比如Al以使在(111)取向方向上高度对齐。结果，可以淀积压电薄膜15以使其在c-轴方向上高度取向。此外，由于底部电极14被形成为覆盖空腔17b，因此可以增加压电薄膜15的机械强度。
(第一实施例的第七改型)
根据本发明的第一实施例的第七改型的FBAR包括底部电极14，该底部电极具有通过阻挡膜34嵌入在绝缘膜32中的低电阻金属膜21a、置于嵌入的低电阻金属膜21a和绝缘膜32的均匀表面上的非晶态金属膜22和置于非晶态金属膜22的表面上的取向金属膜23，如附图45所示。以压电薄膜15覆盖的底部电极14的端部部分相对于绝缘膜32的表面以小于直角的角度倾斜。压电薄膜15延伸到底部电极14的倾斜的端部部分一侧。提供顶部电极16以延伸到压电薄膜15的表面上。谐振器20由在空腔17b上提供的底部电极14、压电薄膜15和顶部电极16形成。
第一实施例的第七改型与第一实施例的第六改型不同之处在于低电阻金属膜21a通过嵌入在绝缘膜32中而被提供。其它的结构与第一实施例的第六改型一样，因此省去了相同的描述。
在第一实施例的第七改型中，取向金属膜23提供在底部电极14的非晶态金属膜22上。形成在取向的取向金属膜23上的压电薄膜15可以在c-轴方向上强烈地对齐。因此，可以确保压电薄膜15具有较大的机电耦合常数和较高的品质因素Q。此外，由于低电阻金属膜21被嵌入在绝缘膜32中，因此底部电极14的倾斜的端部部分的台阶部分可以减少。因此，可以防止在谐振器20附近的压电薄膜15的取向劣化，并且在FBAR的谐振特性方面可以防止寄生振荡的产生。
接着，参考附图46至51的横截面视图描述根据第一实施例的第七改型的FBAR的制造方法。
如附图46所示，通过热氧化等在衬底11的表面上形成绝缘膜32比如SiO2大约1.3微米的厚度。如附图47所示，通过光刻、RIE等有选择性地清除绝缘膜32以形成凹槽27a。通过CVD等将阻挡膜34比如Si3N4淀积在具有凹槽27a的绝缘膜32的表面上。
如附图48所示，通过溅射等将低电阻金属膜21a比如Cu淀积在阻挡膜34的表面上以便嵌入凹槽25a。低电阻金属膜21a通过CMP等平面化以使绝缘膜32的表面暴露。
如附图49所示，例如，通过溅射等淀积Al合金膜、AlTa非晶态金属层和Al金属膜分别大约200纳米、大约100纳米和大约5纳米的厚度。通过光刻、RIE等有选择性地清除Al金属层、AlTa非晶态金属层和Al合金层以形成包括低电阻金属膜21、非晶态金属膜22和取向金属膜23的底部电极14。此外，通过调节光刻条件，使用具有倾斜的端部部分的抗蚀剂掩模可以使非晶态金属膜22和取向金属膜23的端部部分倾斜。
如附图50所示，通过溅射等可以将压电层比如AlN淀积到理想的厚度。通过溅射等在压电薄膜15上淀积Cu合金层等例如300纳米。通过光刻、湿蚀刻等有选择性地清除Cu合金层以形成顶部电极16。随后，通过光刻、RIE等有选择性地清除AlN压电层以形成压电薄膜15。
通过从衬底11的底部表面抛光等使衬底11变薄到大约200微米的厚度。如附图51所示，通过光刻、RIE等从底部表面有选择性地清除衬底11以形成沟槽。通过湿蚀刻等经衬底11的沟槽有选择性地清除在底部电极14下面的绝缘膜32以形成空腔17b。因此，具有底部电极14、压电薄膜15和顶部电极16的谐振器20形成在空腔17b的顶部上，如附图45所示。
在第一实施例的第七改型中，作为低电阻金属膜21a，可以使用具有低电阻率、小密度和小弹性常数的Al合金。因此，可以增加电极厚度以降低底部和顶部电极14、16的电阻。因此，可以防止在高频区段中谐振特性的劣化。
(第一实施例的应用)
作为根据本发明的第一实施例的FBAR的应用，将描述锁相环(PLL)电路。PLL电路产生用于蜂窝电话等的频率合成器的参考频率。
如附图52所示，PLL电路包括具有频率可变滤波器130、放大器131和缓冲放大器132的VCO 141、频分器142、相位比较器143、电荷泵144、环路滤波器145、低噪声放大器(LNA)146、频率可变滤波器130a和混合器147。
VCO 141仅将通过频率可变滤波器130的频率分量反馈回放大器131的输入。VCO 141具有多个FBAR 120a，120b，120c和120d和多个可变电容器C1，C2。作为FBAR 120a至120d，可以使用根据第一实施例和第一实施例的第一至第七改型的FBAR。
例如，如附图54所示，FBAR 120a，120b从输入侧串联连接到输出侧。FBAR 120c，120d从串联的FBAR 120a，120b的输出侧分别并联连接到公共引线。
例如，如附图55所示，连接到输入引线122的FBAR 120a通过连接引线126串联连接到已连接到输出引线124的FBAR 120b。连接到连接引线126的FBAR 120c连接到公共引线128。连接到输出引线124的FBAR 120d连接到公共引线128。
如附图52所示，在VCO 141的振荡频率大于或小于理想的频率时，PLL电路检测到在振荡频率和理想的频率之间的差值以将对应于该频率差值的直流(DC)控制电压Vctrl反馈到在频率可变滤波器130中的可变电容器C1。因此，反馈环通常工作达到稳定状态并锁定振荡频率的相位。在锁定相位时，VCO 141的振荡频率与所需的频率对应。
PLL电路使用与VCO 141的频率可变滤波器130相同的频率可变滤波器130a作为对通信信号进行滤波的带通滤波器。例如，输入RF信号发送给LNA 146。在LNA 146中放大的信号发送给频率可变滤波器130a。在频率可变滤波器130a中经滤波的RF信号发送给下变换混合器147的输入端子。
在另一方面，在VCO 141中产生的参考信号作为局部振动(LO)信号发送给混合器147的输入端子。混合器147产生在RF信号和LO信号之间的差值以将RF信号下变换到在中频(IF)中的基带信号。
在第一实施例的应用中，通过环路滤波器145产生的相同DC控制电压Vctrl增加到在VCO 141中的频率可变滤波器130a和频率可变滤波器130两者中。结果，可以使VCO 141的振荡频率与频率可变滤波器130a的通带的中心频率对应。
第二实施例
如附图56所示，作为根据本发明的第二实施例的压电薄膜器件的可变电容器包括压电致动器40和固定电极46。如附图57所示，压电致动器40的固定端部部分(第一端部部分)48保持在衬底11的绝缘膜32的表面上提供的固定器42上。压电致动器40的工作端部部分(第二端部部分)49凸伸到自由空间中以面对着放置在绝缘膜32的表面上的固定电极46。
压电致动器40包括底部电极14、压电薄膜15、顶部电极16和支持膜。提供底部电极14以从固定器42的表面延伸到固定电极46之上的位置。压电薄膜15置于底部电极14的表面上。顶部电极16面对着底部电极14以与底部电极14夹着压电薄膜15。支持膜19置于顶部电极16的表面上。固定电极46包括电介质膜45和被电介质膜45覆盖的导体膜44。
对于固定器42、支持膜19和电介质膜45，可以使用绝缘体比如Si3N4或SiO2。对于底部电极14，可以使用非晶态金属比如AlTa。对于压电薄膜15，可以使用压电材料比如AlN或ZnO。此外，对于顶部电极16和导体膜44，理想地，使用具有较低的电阻并且容易处理的金属比如Al、Au、Pt、Cu、Ir、W和Mo。
根据第二实施例的可变电容器的压电致动器40与根据第一实施例的FBAR的结构不同之处在于压电致动器包括在顶部电极16上的支持膜19。底部电极14、压电薄膜15和顶部电极16的结构与第一实施例的结构相同，因此省去了相同的描述。
根据第二实施例的可变电容器使用在底部电极14的导体膜44和工作端部部分49之间的可调电容Cvar。该电容Cvar根据在固定电极46和底部电极24(它是可动电极)之间的变化而改变。在给压电致动器40的顶部电极16和底部电极14之间施加电压时，由于压电效应的作用，压电薄膜15变形以伸展或压缩。在顶部电极16上提供的支持膜19没有压电效应。因此，通过压电薄膜15的伸展或压缩，压电致动器40在垂直于衬底11的表面的方向上移位。例如，通过施加电压由张应力引起的压电薄膜15的伸展，压电致动器40在远离衬底11表面的方向上弯曲。在另一方面，通过由压引力引起的压电薄膜15的压缩，压电致动器40朝衬底11的表面弯曲。
压电致动器40的可动范围取决于压电薄膜15的机电耦合常数。在压电致动器40中，在机电耦合常数较大时，以较低的驱动电压，工作端部部分49就可能具有较大的移位。
在根据第二实施例的压电致动器40中，由于压电薄膜15被提供在非晶态金属膜的底部电极14的表面上，因此压电薄膜15在作为极化方向的c-轴方向上高度取向。结果，机电耦合常数增加以延伸压电致动器40的可动范围。因此，使用压电致动器40的可变电容器的可变电容范围可以增加。
接着，参考附图58至61的横截面视图描述根据第二实施例的可变电容器的制造方法。
如附图58所示，通过热氧化等将绝缘膜32比如SiO2形成在衬底11的表面上。通过CVD等将绝缘层比如Si3N4淀积在绝缘膜32的表面上。通过光刻、使用NH4F溶液的蚀刻等有选择性地清除绝缘层以形成固定器42。
金属层比如Al通过溅射等被淀积在绝缘膜32的表面上。通过光刻、蚀刻等有选择性地清除Al金属膜以形成导体膜44。电介质层比如Si3N4被淀积在绝缘膜32上。通过光刻、蚀刻等有选择性地清除电介质层以形成覆盖导体膜44的电介质膜45。因此，形成了固定电极46。
如附图59所示，牺牲层12b比如多晶硅通过保形CVD等被淀积在具有固定器42和固定电极46的绝缘膜32的表面上。牺牲层12b通过CMP等平面化，以暴露固定器42的表面。非晶态金属层比如Al0.4Ta0.6、压电层比如AlN、金属层比如Al和绝缘层比如SiO2通过磁控管溅射等淀积在牺牲层12b的表面上。如附图60所示，通过光刻、RIE等有选择性地清除绝缘层、金属层、压电层和非晶态金属层以形成具有底部电极14、压电薄膜15、顶部电极16和支持膜19的压电致动器40。
如附图61所示，通过使用氟化氙(XeF2)的干蚀刻等有选择性地清除牺牲层12b。因此，制造了具有保持在固定器42上并延伸到固定电极46之上的位置的压电致动器40的可变电容器。
在第二实施例中，均匀的非晶态金属膜的底部电极14被淀积在平面化到固定器42表面的水平的牺牲层12b的表面上。在非晶态金属膜的均匀的表面上，压电薄膜15可以在c-轴方向上高度取向。通过XRD评估压电薄膜15以确定取向FWHM。所测量的结果显示压电薄膜15具有大约2.1°的取向FWHM。因此，确定压电薄膜15在c-轴方向上高度取向。
测量所制造的可变电容器的电容的可变特性。例如，在底部和顶部电极14、16之间施加从0V到3V的范围的压电致动器40的调谐电压。在固定电极46和底部电极14之间的电容从0.34pF的最小值到51pF的最大值变化。最大与最小的电容比率大约是150。因此，实现了较大的可变电容范围。
根据第二实施例，在不使用昂贵且复杂的生长技术比如外延生长的情况下，可以使压电薄膜15在c-轴方向上高度取向。因此，可以实现其中通过较低调谐电压即可增加可变电容范围的可变电容器。
此外，在第二实施例中，在包括具有以电介质膜45覆盖的导体膜44的固定电极46的可变电容器中使用压电致动器40作为压电薄膜器件。然而，可以将压电致动器40应用到包括具有单独的导体膜的固定电极的微型开关中。
(第二实施例的改型)
作为根据本发明的第二实施例的改型的压电薄膜器件的微型开关包括压电致动器40a和固定电极46a，如附图62所示。如附图63所示，压电致动器40a的固定端部部分48被保持在衬底11上的绝缘膜32的表面上提供的固定器42中。压电致动器40a的工作端部部分49凸伸到自由空间中以面对着置于绝缘膜32的表面上的固定电极46a。
压电致动器40a包括底部电极14、压电薄膜15、顶部电极16和支持膜。提供底部电极14以从固定器42的表面延伸到固定电极46a之上的位置。压电薄膜15置于底部电极14的表面上。顶部电极16对着底部电极14以与底部电极14夹着压电薄膜15。支持膜19置于顶部电极16上。底部电极14具有非晶态金属膜22和取向金属膜23。
底部电极14的非晶态金属膜22是非晶态金属比如AlTa。取向金属膜23是在(111)取向或(110)取向方向上容易取向的金属，比如fcc金属或bcc金属。固定电极46a是具有较低的电阻并且容易处理的金属，比如Al、Au、Pt、Cu、Ir、W或Mo。
根据本发明的第二实施例的改型的微型开关的压电致动器40a与第二实施例不同之处在于底部电极14包括非晶态金属膜22和取向金属膜23。其它的结构与第二实施例中的结构相同，因此省去了相同的描述。
在压电致动器40a的底部电极14和顶部电极16之间施加电压时，由于压电效应的缘故，压电薄膜15变形以伸展或压缩。例如，通过由所施加的电压的压应力引起的压电薄膜15的压缩，压电致动器40a朝衬底11的表面弯曲。压电致动器40a的底部电极14与固定电极46a接触以将微型开关切换到导通状态。
压电致动器40a的可动范围取决于压电薄膜15的机电耦合常数。在机电耦合常数较大时，在压电致动器40a中通过施加较低的驱动电压，可以使工作端部部分49产生极大的移位。
在根据本发明的改型的压电致动器40a中，由于压电薄膜15提供在非晶态金属膜22上的在(111)取向或(110)取向方向上高度对齐的取向金属膜23的表面上，因此压电薄膜15在作为极化方向的c-轴方向上高度取向。结果，机电耦合常数增加以扩展压电致动器40a的可动范围。因此，可以以较低的控制电压驱动具有压电致动器40a的微型开关。
接着，参考附图64至67所示的横截面视图描述根据第二实施例的改型的微型开关的制造方法。
如附图64所示，通过热氧化等将绝缘膜32比如SiO2形成在衬底11的表面上。通过CVD等将绝缘层比如Si3N4淀积在绝缘膜32的表面上。通过光刻、使用NH4F溶液的蚀刻等有选择性地清除绝缘层以形成固定器42。此外，通过溅射、升离处理(lift-off processing)等，淀积在绝缘膜32的表面上的金属膜比如Au被有选择性地清除以形成固定电极46a。
如附图65所示，通过保形CVD等将牺牲层12n比如多晶硅淀积在包括固定器42和固定电极46a的绝缘膜32的表面上。牺牲层12b通过CMP等平面化以使固定器42的表面暴露。
通过磁控管溅射等将非晶态金属层比如Al0.4Ta0.6、底部金属层比如Al、压电层比如AlN、顶部金属层比如Al和绝缘层比如SiO2淀积在牺牲层12b的表面上。如附图66所示，通过光刻、RIE等有选择性地清除绝缘层、顶部金属层、压电层、底部金属层和非晶态金属层以形成具有底部电极14、压电薄膜15、顶部电极16和支持膜19的压电致动器40a。底部电极14包括非晶态金属膜22和取向金属膜23。
如附图67所示，通过使用XeF2的干蚀刻等有选择性地清除牺牲层12b。因此，制造了包括在固定器42上保持并延伸到固定电极46a之上的位置的压电致动器40a的微型开关。
在第二实施例的改型中，均匀的非晶态金属膜淀积在被平面化到固定器42的表面的水平的牺牲层12b的表面上。在非晶态金属膜22的均匀的表面上，取向金属膜23可以被淀积到在(111)取向方向上高度取向。结果，压电薄膜15在c-轴方向上可以高度取向。淀积的压电薄膜15通过XRD评估以确定取向FWHM。测量结果显示压电薄膜15具有大约2.4°的取向FWHM。因此，确定压电薄膜15在c-轴方向上高度取向。
测量所制造的微型开关的电特性。例如，压电致动器40a的控制电压施加在顶部和底部电极14、16之间以评估在2GHz的频率下的绝缘电阻和“接通”电阻。在0V的控制电压下，在固定电极46a和底部电极14之间的绝缘电阻大约28dB。在3V的控制电压下，在固定电极46a和底部电极14之间的“接通”电阻大约0.3dB。因此，在根据第二实施例的改型的微型开关中，可以在较高的频率区段中实现低控制电压驱动、小“接通”电阻和高绝缘电阻。
根据第二实施例的改型，在不使用昂贵且复杂的生长技术比如外延生长的情况下，可以使压电薄膜15在c-轴方向上高度取向。因此，可以实现具有改善的高频特性并通过低控制电压驱动的微型开关。
此外，在第二实施例的改型中，在具有作为固定电极46a的金属膜的微型开关中使用压电致动器40a。然而，也可以将压电致动器40应用到具有其中如附图57所示通过电介质膜覆盖的导体膜的固定电极的可变电容器中。
其它实施例
上文已经描述了本发明。然而，构成本发明的公开的描述和附图不应该看作对本发明的限制。本领域普通技术人员从本发明的公开将会清楚各种变型实施例和操作技术。

Claims (20)

1.一种压电薄膜器件，包括：
设置在衬底上面的非晶态金属膜；和
设置在非晶态金属上的压电膜，并且所述压电膜的一个晶轴在与非晶态金属的表面垂直的方向上对齐。
2.权利要求1所述的压电薄膜器件，其中压电膜设置在非晶态金属的表面上。
3.权利要求1所述的压电薄膜器件，进一步包括设置在非晶态金属膜和压电膜之间的取向金属膜，该取向金属膜的一个晶轴在垂直于非晶态金属的表面的方向上对齐。
4.权利要求1所述的压电薄膜器件，进一步包括在压电膜的表面上设置的顶部金属膜。
5.权利要求1所述的压电薄膜器件，其中非晶态金属膜是钽铝合金。
6.权利要求1所述的压电薄膜器件，其中压电膜是氮化铝和氧化锌中的一种。
7.权利要求3所述的压电薄膜器件，其中取向金属膜是面心立方晶格金属和体心立方晶格金属中的一种。
8.权利要求3所述的压电薄膜器件，进一步包括面对着取向金属膜以与取向金属膜一起将非晶态金属膜夹在中间的低电阻金属膜。
9.权利要求4所述的压电薄膜器件，其中一个由非晶态金属膜和顶部金属膜的相面对部分和在非晶态金属膜和顶部金属膜之间夹着的压电膜的部分所界定的区域凸伸到自由空间中。
10.权利要求4所述的压电薄膜器件，其中非晶态金属膜的第一端部部分由衬底支撑，非晶态金属膜的第二端部部分凸伸到自由空间中。
11.权利要求8所述的压电薄膜器件，其中低电阻金属膜具有从大约1×10-8Ωm至大约10×10-8Ωm的范围的电阻率。
12.权利要求10所述的压电薄膜器件，其中第二端部部分面对着在衬底的表面上放置的固定电极。
13.一种制造压电薄膜器件的方法，包括：
在衬底的上面形成非晶态金属膜；
在非晶态金属上形成压电膜，以使压电膜的一个晶轴在与非晶态金属的表面垂直的方向上对齐；和
在压电膜的表面上形成顶部金属膜，该顶部金属膜面对着非晶态金属膜以将压电膜夹在中间。
14.权利要求13所述的方法，进一步包括：在形成压电膜之前在非晶态金属膜的表面上形成取向金属膜，以使取向金属膜的一个晶轴在垂直于非晶态金属的表面的方向上对齐。
15.权利要求13所述的方法，进一步包括：通过交替地层叠具有高声阻抗的第一声阻抗层和具有低声阻抗的第二阻抗层，在衬底上形成声反射层。
16.权利要求15所述的方法，其中第一和第二声阻抗层每个的厚度是大约由谐振器激励的体声波的波长的四分之一，该谐振器由非晶态金属膜和顶部金属膜的相面对部分和在非晶态金属膜和顶部金属膜之间夹着的压电膜的部分所界定。
17.权利要求13所述的方法，进一步包括：
在形成非晶态金属膜之前在衬底上形成牺牲层；和
在形成顶部金属膜之后有选择性地清除牺牲层。
18.权利要求14所述的方法，其中取向金属膜是面心立方晶格金属和体心立方晶格金属中的一种。
19.权利要求14所述的方法，进一步包括：在形成非晶态金属膜之前在衬底上形成低电阻金属膜。
20.权利要求17所述的方法，其中低电阻金属膜具有从大约1×10-8Ωm至大约10×10-8Ωm的范围的电阻率。
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