DE102006020992A1

DE102006020992A1 - Piezoelektrischer Dünnfilmresonator und Filter

Info

Publication number: DE102006020992A1
Application number: DE200610020992
Authority: DE
Inventors: Tokihiro Kawasaki Nishihara; Tsuyoshi Kawasaki Yokoyama; Shinji Kawasaki Taniguchi; Takeshi Kawasaki Sakashita; Jun Kawasaki Tsutsumi; Masafumi Kawasaki Iwaki; Masanori Yokohama Ueda
Original assignee: Fujitsu Ltd; Fujitsu Media Devices Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2006-05-04
Publication date: 2006-11-23
Also published as: CN1862959A; KR100771345B1; JP4629492B2; CN1862959B; US20060255693A1; JP2006319479A; KR20060116712A; US7579761B2

Abstract

Ein piezoelektrischer Dünnfilmresonator enthält: eine untere Elektrode, die auf einem Substrat gebildet ist; einen piezoelektrischen Film, der auf der unteren Elektrode gebildet ist; und eine obere Elektrode, die auf dem piezoelektrischen Film gebildet ist. In dem piezoelektrischen Dünnfilmresonator hat die obere Elektrode eine größere Filmdicke als die untere Elektrode.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen piezoelektrische Dünnfilmresonatoren und Filter und, im besonderen, einen piezoelektrischen Dünnfilmresonator mit einer oberen Elektrode und einer unteren Elektrode, die einander überlappen, und einem piezoelektrischen Film, der zwischen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode liegt, und ein Filter, das aus solchen piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren gebildet ist.

Auf Grund der rapiden Verbreitung von drahtlosen Hochfrequenzvorrichtungen, wie etwa tragbaren Telefonapparaten, ist ein erhöhter Bedarf an kleinen Hochfrequenzfiltern mit leichtem Gewicht zu verzeichnen, die bei hohen Frequenzen von 900 MHz bis 5 GHz zu verwenden sind. Auf solchen Gebieten werden Filter verwendet, die hauptsächlich aus Oberflächenakustikwellenvorrichtungen gebildet sind. In letzter Zeit haben piezoelektrische Dünnfilmresonatoren als Vorrichtungen die Aufmerksamkeit erregt, die ausgezeichnete Charakteristiken speziell bei hohen Frequenzen aufweisen und eine kleinere Größe haben und in monolithische Typen verwandelt werden können. Auch Filter, die jene piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren enthalten, haben die Aufmerksamkeit auf sich gezogen.

Beispiele für piezoelektrische Dünnfilmresonatoren enthalten Resonatoren vom FBAR-(Film Bulk Acoustic Resonator)-Typ und vom SMR-(Solidly Mounted Resonator)-Typ. Ein piezoelektrischer Dünnfilmresonator vom FBAR-Typ ist in 1 des US-Patentes Nr. 6,291,931 offenbart (im folgenden als "Patentdokument 1" bezeichnet). In diesem piezoelektrischen Dünnfilmresonator sind eine obere Elektrode und eine untere Elektrode auf beiden Seiten eines piezoelektrischen Films vorgesehen. Die Region, in der die obere Elektrode und die untere Elektrode, zwischen denen der piezoelektrische Film sandwichartig angeordnet ist, einander zugewandt sind, ist eine Membranregion. Obwohl es in den Zeichnungen des Patentdokumentes 1 nicht gezeigt ist, sind die untere Elektrode, der piezoelektrische Film und die obere Elektrode auf einem Substrat gebildet und ist ein Hohlraum in dem Substrat unmittelbar unter der Region gebildet, in der die untere Elektrode und die obere Elektrode einander zugewandt sind. Der Hohlraum wird durch Ätzen des Substrates von seiner Bodenfläche aus gebildet. Alternativ dazu kann der Hohlraum über die obere Fläche unter Verwendung einer Opferschicht gebildet werden. Ein piezoelektrischer Dünnfilmresonator vom SMR-Typ ist in 2 des Patentdokumentes 1 offenbart. Anstelle des Hohlraums in dem Substrat wird ein Schallreflexionsfilm verwendet, der durch alternierendes Stapeln von Filmen mit hoher akustischer Impedanz und von Filmen mit niedriger akustischer Impedanz gebildet wird, und die Filmdicke des Schallreflexionsfilms beträgt 1/4 der Wellenlänge der elastischen Welle.

In jedem der obigen piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren wird ein elektrisches Hochfrequenzsignal zwischen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode zugeführt, um eine elastische Welle in dem piezoelektrischen Film durch einen inversen piezoelektrischen Effekt zu erregen. Gleichzeitig wird durch einen piezoelektrischen Effekt die Verzerrung, die durch die elastische Welle verursacht wird, in ein elektrisches Signal konvertiert. Diese elastische Welle wird durch die Flächen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode in Kontakt mit der Luft totalreflektiert. Resonanz wird bei solch einer Frequenz verursacht, wenn die gesamte Filmdicke H der oberen Elektrode, des piezoelektrischen Films und der unteren Elektrode ein ganzzahliges Vielfaches (das n-fache) von 1/2 der Wellenlänge der elastischen Welle ist. Wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elastischen Welle, die durch das Material bestimmt wird, durch V dargestellt wird, wird die Resonanzfrequenz F ausgedrückt als: F = nV/2H. Auf diese Weise wird die Resonanzfrequenz durch Einstellen der Filmdicken gesteuert. Somit kann ein piezoelektrischer Dünnfilmresonator mit gewünschten Frequenzcharakteristiken erhalten werden.

Ein Abzweigfilter ist ein Bandpaßfilter, das eine vorbestimmte Durchlaßbandregion und piezoelektrische Dünnfilmresonatoren hat, die in seriellen Armen und parallelen Armen auf abzweigartige Weise angeordnet sind.

Da heutzutage eine große Menge von Informationen verarbeitet wird, wird fest damit gerechnet, daß drahtlose Hochfrequenzvorrichtungen Breitbandfilter nutzen. Um Breitbandvorrichtungen vorzusehen, sind Resonatoren erforderlich, die einen hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (k²) haben. Deshalb sind die folgenden herkömmlichen Techniken vorgeschlagen worden.

Bei der ersten herkömmlichen Technik wird der piezoelektrische Film aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder Blei-Titanat (PbTiO₃) hergestellt, das einen höheren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten als Aluminiumnitrid (AlN) und Zinkoxid (ZnO) hat und als piezoelektrische Keramik weit verbreitet ist (Stand der Technik 1).

Bei der zweiten herkömmlichen Technik wird die Orientierung des piezoelektrischen Films verbessert, um den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten zu erhöhen (Stand der Technik 2). Die Beziehung zwischen der Orientierung des piezoelektrischen Films und dem elektromechanischen Kopp lungskoeffizienten in dem Fall, wenn der piezoelektrische Film aus Aluminiumnitrid ist, ist zum Beispiel offenbart in "Piezoelectric Materials for BAW Resonators and Filters (H.P. Lobl et al., S. 807–811, 2001 IEEE Ultrasonics Symposium, IEEE, Vereinigte Staaten)".

Bei der dritten herkömmlichen Technik wird der elektromechanische Koeffizient durch das Steuern des Filmdickenverhältnisses des piezoelektrischen Films zu der oberen Elektrode und der unteren Elektrode erhöht (Stand der Technik 3). Zum Beispiel offenbart das Patentdokument 1 die Beziehung zwischen dem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und dem Verhältnis der Filmdicke des piezoelektrischen Films zu der Summe aus den Filmdicken der oberen Elektrode und der unteren Elektrode in dem Fall, wenn die obere Elektrode und die untere Elektrode aus Wolfram, Aluminium, Gold oder Kupfer sind.

Gemäß dem Stand der Technik 1 ist es jedoch schwierig, einen Dünnfilm aus PZT oder PbTiO₃ mit hoher Qualität zu bilden, und praxistaugliche Resonanzcharakteristiken können nicht erhalten werden. Gemäß dem Stand der Technik 2 ist zum Erhalten eines piezoelektrischen Films mit einer geeigneten Orientierung zur Erhöhung des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten eine Anzahl von Steuerungs- und Bearbeitungsoperationen erforderlich, um das Material für die Basis des piezoelektrischen Films, die Oberflächenrauheit der Basis und die Bedingungen zum Bilden des piezoelektrischen Films zu steuern und zu bearbeiten. Falls jene Steuerungs- und Bearbeitungsoperationen inadäquat sind, könnte die Orientierung in der Waferebene und zwischen Losen instabil werden, woraus instabile Resonanzcharakteristiken resultieren. Gemäß dem Stand der Technik 3 muß zum Erhöhen des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten das Verhältnis der Filmdicke des piezoelektrischen Films zu der Summe aus den Filmdicken der oberen Elektrode und der unteren Elektrode niedrig sein. Wenn die obere Elektrode und die untere Elektrode jedoch dünner werden, nimmt der Elektrodenwiderstand zu, woraus ein Kompromiß bei dem Einfügungsverlust resultiert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Deshalb ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Dünnfilmresonator und ein Filter vorzusehen, worin die obigen Nachteile eliminiert sind.

Ein spezifischeres Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen eines piezoelektrischen Dünnfilmresonators, der einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten hat, der durch ein einfaches Verfahren erhöht wird, ohne die anderen Charakteristiken zu mindern. Ein anderes spezifisches Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen eines Filters, das aus solchen piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren gebildet ist.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein piezoelektrischer Dünnfilmresonator vorgesehen, der enthält: eine untere Elektrode, die auf einem Substrat gebildet ist; einen piezoelektrischen Film, der auf der unteren Elektrode gebildet ist; und eine obere Elektrode, die auf dem piezoelektrischen Film gebildet ist, welche obere Elektrode eine größere Filmdicke als die untere Elektrode hat.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden eingehenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher hervor, in denen:
1A eine Draufsicht auf einen piezoelektrischen Dünnfilmresonator gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
1B eine Querschnittsansicht des piezoelektrischen Dünnfilmresonators längs der Linie A-A ist;
2 eine Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Dünnfilmresonators gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Dünnfilmresonators gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4 den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten in bezug auf t1/t2 in einem piezoelektrischen Dünnfilmresonator gemäß der dritten Ausführungsform zeigt;
5 den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten in bezug auf d1/d2 in einem piezoelektrischen Dünnfilmresonator gemäß der dritten Ausführungsform zeigt;
6 den Resonanzwiderstand in bezug auf d1/d2 in einem piezoelektrischen Dünnfilmresonator gemäß der dritten Ausführungsform zeigt;
7 eine Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Dünnfilmresonators als Abwandlung der zweiten oder dritten Ausführungsform ist;
8A eine Draufsicht auf ein Filter gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
8B eine Querschnittsansicht des Filters gemäß der vierten Ausführungsform ist; und
9 den Einfügungsverlust in der Nachbarschaft des Durchlaßbandes des Filters gemäß der vierten Ausführungsform zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen folgt nun eine Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
[Erste Ausführungsform]
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Beispiel für einen piezoelektrischen Dünnfilmresonator mit einer Resonanzfrequenz von etwa 2 GHz. 1A und 1B zeigen die Struktur des piezoelektrischen Dünnfilmresonators gemäß der ersten Ausführungsform. 1A ist eine Draufsicht auf den piezoelektrischen Dünnfilmresonator, und 1B ist eine Querschnittsansicht des piezoelektrischen Dünnfilmresonators längs der Linie A-A. Dieser piezoelektrische Dünnfilmresonator enthält eine untere Elektrode 12, die auf einem Substrat 10 gebildet ist, einen piezoelektrischen Film 14, der auf der unteren Elektrode 12 gebildet ist, und eine obere Elektrode, die auf dem piezoelektrischen Film 14 gebildet ist. Der piezoelektrische Film 14 hat solch eine Öffnung 20, um die untere Elektrode 12 mit dem piezoelektrischen Film 14 zu verbinden. Ein Hohlraum 18 ist in dem Substrat 10 unmittelbar unter einer Region (einer Membranregion) 22 gebildet, in der die obere Elektrode 16 und die untere Elektrode 12 einander zugewandt sind. Der Hohlraum 18 ist etwas größer als die Region 22. Die Dicken der oberen Elektrode 16, des piezoelektrischen Films 14 und der unteren Elektrode 12 betragen t1, d2 bzw. t2, wobei d1 t1+t2 ist. Die Region 22, in der die obere Elektrode 16 und die untere Elektrode 12 einander zugewandt sind, hat eine ovale Form von 228 × 163 μm.
Als nächstes wird das Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Dünnfilmresonators beschrieben. Zuerst wird ein Molybdän-(Mo)-Film als untere Elektrode 12 auf dem Siliziumsubstrat 10 durch Sputtern gebildet. Dann wird die untere Elektrode 12 vollendet, indem ein vorbestimmter Abschnitt von dem Molybdän-Film durch eine herkömmliche Belichtungstechnik und Ätztechnik entfernt wird. Ein Aluminiumnitrid-(AlN)-Film mit einer Orientierung, bei der die Hauptachse die (002)-Richtung ist, wird als piezoelektrischer Film 14 gebildet, und ein Molybdän-(Mo)-Film wird bei der oberen Elektrode 16 durch Sputtern gebildet. Die obere Elektrode 16 wird dann vollendet, indem ein vorbestimmter Abschnitt von dem Molybdän-Film durch eine herkömmliche Belichtungstechnik und Ätztechnik entfernt wird.
Ein Resistmuster zum Trockenätzen, um ein Durchgangsloch durch eine herkömmliche Belichtungstechnik zu bilden, wird dann auf der Bodenfläche des Siliziumsubstrats 10 gebildet. Das Trockenätzen erfolgt auf dem Siliziumsubstrat 10, um ein Durchgangsloch zu bilden, welches der Hohlraum 18 in dem Substrat 10 sein soll. Das Trockenätzen erfolgt durch alternierendes Wiederholen des Ätzens mit SF₆ und durch das Bilden eines Seitenwandschutzfilms mit C₄F₈. Durch diese Prozedur kann der Hohlraum 18 gebildet werden, dessen Seitenwände zu den oberen und unteren Flächen des Si-Substrats 10 im wesentlichen rechtwinklig sind. Damit ist der piezoelektrische Dünnfilmresonator gemäß der ersten Ausführungsform vollendet.
Als Beispiele für den piezoelektrischen Dünnfilmresonator mit dieser Struktur wurden ein Resonator 1 und ein Resonator 2 unter den in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen hergestellt. In jedem der Resonatoren beträgt die Filmdicke des piezoelektrischen Films 14 1250 nm. In dem Resonator 1 ist die obere Elektrode 16 dicker als die untere Elektrode 12, wobei die Dicke der oberen Elektrode 16 320 nm beträgt und die Dicke der unteren Elektrode 12 260 nm beträgt. In dem Resonator 2 haben andererseits die obere Elektrode 16 und die untere Elektrode 12 dieselbe Dicke von 290 nm. Die Resonatoren 1 und 2 wurden durch dasselbe Herstellungsverfahren hergestellt, abgesehen von den verschiedenen Dicken der oberen Elektrode 16 und der unteren Elektrode 12. [Tabelle 1]
Als der elektromechanische Kopplungskoeffizient bezüglich beider Resonatoren 1 und 2 bewertet wurde, wies der Resonator 1 einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von 7,0 % auf und wies der Resonator 2 einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von 6,7 % auf. Auf diese Weise kann der elektromechanische Kopplungskoeffizient dadurch erhöht werden, indem die obere Elektrode 16 dicker als die untere Elektrode 12 gemacht wird.
[Zweite Ausführungsform]
Eine zweite Ausführungsform ist ein anderes Beispiel für einen piezoelektrischen Dünnfilmresonator mit einer Resonanzfrequenz von etwa 2 GHz. Bei der Struktur dieses Beispiels sind Dünnfilmschichten auf der oberen Elektrode 16 und unter der unteren Elektrode 12 vorgesehen, und das Material für jede Elektrode wurde durch Ruthenium ersetzt. 2 ist eine Querschnittsansicht des piezoelektrischen Dünnfilmresonators gemäß der zweiten Ausführungsform. Dieser piezoelektrische Dünnfilmresonator ist derselbe wie der piezoelektrische Dünnfilmresonator der ersten Ausführungsform, außer daß die untere Elektrode 12 und die obere Elektrode 16 aus Ruthenium sind, eine untere Dünnfilmschicht 24 unter der unteren Elektrode 12 gebildet ist, eine obere Dünnfilmschicht 26 auf der oberen Elektrode 16 gebildet ist und die Region, in der die obere Elektrode 16 der unteren Elektrode 12 zugewandt ist, eine ovale Form von 248 × 177 μm hat.
Als Beispiele für piezoelektrische Dünnfilmresonatoren mit jeweils dieser Struktur wurden ein Resonator 1, ein Resonator 2 und ein Resonator 3 unter den in Tabelle 2 gezeigten Bedingungen hergestellt. In jedem Resonator beträgt die Filmdicke des piezoelektrischen Films 14 1150 nm, ist die obere Dünnfilmschicht 26 aus Chrom mit einer Filmdicke von 20 nm und ist die untere Dünnfilmschicht 24 aus Chrom mit einer Filmdicke von 100 nm. In dem Resonator 1 ist die obere Elektrode 16 dicker als die untere Elektrode 12, wobei die Filmdicke der oberen Elektrode 16 263 nm beträgt und die Filmdicke der unteren Elektrode 12 237 nm beträgt. In dem Resonator 2 haben die obere Elektrode 16 und die untere Elektrode 12 dieselbe Filmdicke von 250 nm. In dem Resonator 3 ist die obere Elektrode 16 dünner als die untere Elektrode 12, wobei die Filmdicke der oberen Elektrode 16 237 nm beträgt und die Filmdicke der unteren Elektrode 12 263 nm beträgt. Die Resonatoren 1, 2 und 3 wurden durch dasselbe Herstellungsverfahren hergestellt, abgesehen von den unterschiedlichen Filmdicken der oberen Elektrode 16 und der unteren Elektrode 12. [Tabelle 2]
Als der elektromechanische Kopplungskoeffizient bezüglich der drei Resonatoren 1, 2 und 3 bewertet wurde, wies der Resonator 1 einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von 7,0 % auf, wies der Resonator 2 einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von 6,8 % auf und wies der Resonator 3 einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von 6,7 % auf. Auf diese Weise kann der elektromechanische Kopplungskoeffizient erhöht werden, indem die obere Elektrode 16 dicker als die untere Elektrode 12 gemacht wird.
[Dritte Ausführungsform]
Eine dritte Ausführungsform ist noch ein anderes Beispiel für einen piezoelektrischen Dünnfilmresonator mit einer Resonanzfrequenz von etwa 2 GHz. Bei der Struktur dieses Beispiels sind die obere Elektrode 16 und die untere Elektrode 12 aus Ruthenium und ist eine Dünnfilmschicht 24 unter der unteren Elektrode 12 vorgesehen. 3 ist eine Querschnittsansicht des piezoelektrischen Dünnfilmresonators gemäß der dritten Ausführungsform. Diese Ausführungsform ist dieselbe wie die zweite Ausführungsform, außer daß die obere Dünnfilmschicht 26 nicht auf der oberen Elektrode 16 gebildet ist. Mit anderen Worten, die Dünnfilmschicht 24 ist unter der unteren Elektrode 12 vorgesehen, während die Dünnfilmschicht 26 nicht auf der oberen Elektrode 16 vorgesehen ist.
Als Beispiele für piezoelektrische Dünnfilmresonatoren mit jeweils dieser Struktur wurden ein Resonator 1 und ein Resonator 2 unter den in Tabelle 3 gezeigten Bedingungen hergestellt. In jedem Resonator ist die untere Dünnfilmschicht 24 aus Chrom und hat sie eine Filmdicke von 50 nm. Der Resonator 1 wurde so konstruiert, daß die Filmdicke der oberen Elektrode 16 t1 nm betrug, die Filmdicke der unteren Elektrode 12 t2 nm betrug, die Filmdicke des piezoelektri schen Films 14 1210 nm betrug und t1+t2 500 nm betrug. Der Resonator 2 wurde so konstruiert, daß die Filmdicke der oberen Elektrode 16 t1 nm betrug, die Filmdicke der unteren Elektrode 12 t2 nm betrug, die Filmdicke des piezoelektrischen Films 14 d2 nm betrug und t1/t2 1,1 betrug. Die Summe aus den Filmdicken der oberen Elektrode 16 und der unteren Elektrode 12, die t1+t2 ist, betrug d1. [Tabelle 3]
4 zeigt die Beziehung zwischen dem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und t1/t2 in dem Resonator 1. Wenn t1/t2 größer wird, wird der elektromechanische Kopplungskoeffizient höher und beginnt dann bei etwa 1,6 abzunehmen. Der elektromechanische Kopplungskoeffizient beträgt 7,0 %, wobei die obere Elektrode 16 und die untere Elektrode 12 dieselbe Filmdicke haben: t1/t2 = 1. Der elektromechanische Kopplungskoeffizient ist niedriger als 7,0 %, wenn t1/t2 größer als 3 ist. Daher sollte die Beziehung vorzugsweise festgelegt werden als 1 < tl/t2 < 3, um einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von 7,0 % oder höher zu erhalten. Vorzugsweise sollte t1/t2 größer als 1,1, aber kleiner als 2,6 sein, um einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von 7,05 % oder höher zu erhalten. Noch besser sollte t1/t2 größer als 1,2 aber kleiner als 2,3 sein, um einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von 7,1 % oder höher zu erhalten.
5 zeigt die Beziehung zwischen dem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und d1/d2 in dem Resonator 2. Wie in 5 gezeigt, wird dann, wenn d1/d2 kleiner wird, der elektromechanische Kopplungskoeffizient höher. Wie in dem Resonator 1 sollte zum Erhalten eines elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von 7,0 % oder höher d1/d2 vorzugsweise kleiner als 1 sein. Besser sollte d1/d2 kleiner als 0,7 sein, um einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von 7,05 % oder höher zu erhalten. Noch besser sollte d1/d2 kleiner als 0,5 sein, um einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von 7,1 % oder höher zu erhalten.
6 zeigt die Beziehung zwischen dem Resonanzwiderstand und d1/d2 in dem Resonator 2. Wenn der Resonanzwiderstand höher wird, wird der Einfügungsverlust größer. Wie in 6 gezeigt, wird dann, wenn d1/d2 kleiner wird, der Resonanzwiderstand höher. Denn wenn d1/d2 kleiner wird, werden die Filmdicken der oberen Elektrode 16 und der unteren Elektrode 12 relativ dünner. Falls d1/d2 0,1 oder kleiner wird, nimmt der Resonanzwiderstand rapide zu, um 2 Ω zu überschreiten, und der Einfügungsverlust nimmt auch zu. Deshalb sollte d1/d2 vorzugsweise größer als 0,1 sein. Besser sollte d1/d2 größer als 0,2 sein, da der Resonanzwiderstand zunimmt, um 1,5 Ω zu überschreiten, falls d1/d2 0,2 oder kleiner wird. Noch besser sollte d1/d2 größer als 0,5 sein, da der Resonanzwiderstand allmählich zunimmt, um 1 Ω zu überschreiten, falls d1/d2 0,5 oder kleiner wird.
Die obere Elektrode 16 und die untere Elektrode 12 enthalten, wie oben beschrieben, hauptsächlich Ruthenium, und d1/d2 wird größer als 0,1, aber kleiner als 1 gemacht. Somit kann der Resonanzwiderstand beschränkt werden und kann ein höherer elektromechanischer Kopplungskoeffizient erhalten werden.
7 ist eine Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Dünnfilmresonators als Abwandlung der zweiten oder dritten Ausführungsform. In diesem piezoelektrischen Dünnfilmresonator ist eine Dünnfilmschicht 26 auf der oberen Elektrode 16 vorgesehen, aber unter der unteren Elektrode 12 ist keine Dünnfilmschicht vorgesehen. Die anderen Aspekte der Struktur sind dieselben wie jene der zweiten und dritten Ausführungsformen. In dieser Struktur kann ein höherer elektromechanischer Kopplungskoeffizient auch dadurch erhalten werden, indem die Filmdicke der oberen Elektrode 16 größer als die Filmdicke der unteren Elektrode 12 gemacht wird.
In den zweiten und dritten Ausführungsformen und ihrer Abwandlung kann der elektromechanische Kopplungskoeffizient erhöht werden, indem die Filmdicke der oberen Elektrode 16 größer als die Filmdicke der unteren Elektrode 12 gemacht wird, auch wenn eine Dünnfilmschicht wenigstens entweder in einer Region unter der unteren Elektrode 12 oder in einer Region auf der oberen Elektrode 1b vorgesehen ist. Die untere Dünnfilmschicht 24 ist ein Metallfilm oder ein Isolierfilm, der als Ätzstopperschicht beim Bilden des Hohlraums 18 in dem Substrat 10 dient, eine Orientierungssteuerschicht, deren Oberfläche so gesteuert wird, um die Orientierung des piezoelektrischen Films 14 einzustellen, oder eine Verstärkungsschicht, die die Region verstärkt, in der die obere Elektrode 16 und die untere Elektrode 12 einander zugewandt sind. Die obere Dünnfilmschicht 26 ist ein Metallfilm oder ein Isolierfilm, der als Frequenzeinstellfilm zum Einstellen der Resonanzfrequenz oder als Schutzfilm zum Schützen des piezoelektrischen Dünnfilmresonators dient. In den zweiten und dritten Ausführungsformen ist die obere Dünnfilmschicht 26 ein Frequenzeinstellfilm und ist die untere Dünnfilmschicht 24 eine Ätzstopperschicht.
In den ersten, zweiten und dritten Ausführungsformen kann der elektromechanische Kopplungskoeffizient erhöht werden, indem die Filmdicke der oberen Elektrode 16 größer als die Filmdicke der unteren Elektrode 12 gemacht wird, ungeachtet der Materialien der oberen Elektrode 16 und der unteren Elektrode 12. Ferner kann ein höherer elektromechanischer Kopplungskoeffizient erhalten werden, wenn 1 < t1/t2 < 3 ist. Wie es ferner in einer vierten Ausführungsform gezeigt wird, nimmt der Einfügungsverlust nicht zu. Somit kann einfach dadurch, daß die Filmdicke der oberen Elektrode größer als die Filmdicke der unteren Elektrode gemacht wird, ein piezoelektrischer Dünnfilmresonator mit einem höheren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten vorgesehen werden, ohne die Charakteristiken in irgendeiner Weise zu mindern.
Der Grund dafür, daß der elektromechanische Kopplungskoeffizient erhöht werden kann, indem die obere Elektrode 16 dicker als die untere Elektrode 12 gemacht wird, ist nicht klar. Es kann jedoch sein, daß das Zentrum der stehenden Welle in der gestapelten Filmstruktur aus der unteren Elektrode 12, dem piezoelektrischen Film 14 und der oberen Elektrode 16, die miteinander resonieren, von der Mitte etwas hin zu dem Boden versetzt ist und durch das Erhöhen der Filmdicke der oberen Elektrode 16 näher am Zentrum des piezoelektrischen Films 14 angeordnet werden kann.
[Vierte Ausführungsform]
Die vierte Ausführungsform ist ein Beispiel für ein Abzweigfilter, das den Resonator 1 enthält, der gemäß der zweiten Ausführungsform hergestellt wurde. Dieses Filter enthält piezoelektrische Dünnfilmresonatoren. Als Ver gleichsbeispiel wurde auch ein Abzweigfilter gebildet, das den Resonator 2 enthält, der in Verbindung mit der zweiten Ausführungsform hergestellt wurde. 8A und 8B zeigen die Struktur des Filters gemäß der vierten Ausführungsform und dem Vergleichsbeispiel. 8A ist eine Draufsicht auf das Filter, und 8B ist eine Querschnittsansicht des Filters längs der Linie A-A. Dieselben Komponenten wie jene der zweiten Ausführungsform sind mit denselben Bezugszeichen wie in der zweiten Ausführungsform versehen. Die Struktur jedes Resonators in dieser Ausführungsform ist dieselbe wie jene der zweiten Ausführungsform, abgesehen von der Filmdicke der oberen Dünnfilmschicht 26. Piezoelektrische Dünnfilmresonatoren S1, S2, S3 und S4 sind in seriellen Armen angeordnet, und piezoelektrische Dünnfilmresonatoren P1, P2 und P3 sind in parallelen Armen angeordnet. Die Filmdicke der oberen Dünnfilmschicht 26 von jedem der piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren der parallelen Arme P1, P2 und P3 beträgt 100 nm, so daß die Resonanzfrequenz der parallelen Arme niedriger als die Resonanzfrequenz der seriellen Arme sein kann. Somit können Charakteristiken eines Bandpaßfilters erreicht werden.
9 zeigt den Einfügungsverlust in der Nachbarschaft des Durchlaßbandes der vierten Ausführungsform und des Vergleichsbeispiels. In dem Graphen kennzeichnet die durchgehende Linie die vierte Ausführungsform, und die gestrichelte Linie kennzeichnet das Vergleichsbeispiel. Die Breite des Durchlaßbandes bei 2 dB beträgt in der vierten Ausführungsform 72,3 MHz und bei dem Vergleichsbeispiel 66,7 MHz. Der Einfügungsverlust nimmt in dem Durchlaßband nicht zu. Denn jeder Resonator 1 der zweiten Ausführungsform, der in der vierten Ausführungsform verwendet wird, hat einen höheren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten. Auf diese Weise kann einfach dadurch, daß die Filmdicke der oberen Elektrode größer als die Filmdicke der unteren Elektrode gemacht wird, ein Filter mit einem höheren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und einem breiteren Durchlaßband vorgesehen werden, ohne die Charakteristiken in irgendeiner Weise zu mindern.
Obwohl der Resonator 1 der zweiten Ausführungsform in einem Abzweigfilter in der vierten Ausführungsform eingesetzt wird, ist es auch möglich, Resonatoren der ersten Ausführungsform oder der dritten Ausführungsform einzusetzen. Jene Resonatoren können auch in anderen Filtern als in dem Abzweigfilter eingesetzt werden. Auf jeden Fall können dieselben Effekte wie in der vierten Ausführungsform erreicht werden. Obwohl auf der Oberfläche der vierten Ausführungsform kein Schutzfilm gebildet ist, ist es möglich, einen Schutzfilm zu verwenden.
In jeder der ersten bis vierten Ausführungsformen können die obere Elektrode 16 und die untere Elektrode 12 aus einem Material mit hoher akustischer Impedanz sein, um die Antiresonanzcharakteristiken zu verbessern. Die obere Elektrode 16 und die untere Elektrode 12 können auch aus einem Material mit niedrigem elektrischen Widerstand sein, um die Resonanzcharakteristiken zu verbessern. Das Material mit hoher akustischer Impedanz enthält hauptsächlich wenigstens entweder Molybdän (Mo) oder Ruthenium (Ru), das in den Ausführungsformen verwendet wird, oder wenigstens eines der folgenden Materialien: Iridium (Ir), Rhenium (Re), Wolfram (W), Rhodium (Rh), Platin (Pt) und Tantal (Ta). Das Material mit niedrigem elektrischen Widerstand enthält hauptsächlich wenigstens eines der folgenden Materialien: Silber (Ag), Kupfer (Cu), Gold (Au) und Aluminium (Al). Wie in den ersten bis vierten Ausführungsform sind die obere Elektrode 16 und die untere Elektrode 12 aus demselben Material, um mit höherer Gewißheit einen höheren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten zu erhalten.
Der piezoelektrische Film 14 in jeder der ersten bis vierten Ausführungsformen ist aus Aluminiumnitrid mit einer Orientierung mit der (002)-Richtung als Hauptachse. Daher kann ein Dünnfilm mit hoher Qualität erhalten werden und können stabile Resonanzcharakteristiken erreicht werden. Aus denselben Gründen kann der piezoelektrische Film 14 statt dessen aus Zinkoxid (ZnO) sein.
Ferner hat die Region 22, in der die obere Elektrode 16 und die untere Elektrode 12, zwischen denen der piezoelektrische Film 14 sandwichartig angeordnet ist, einander zugewandt sind, eine ovale Form. Dadurch kann ein unnötiger Transversalmodus begrenzt werden, der sich parallel zu den Ebenen der oberen Elektrode 16 und der unteren Elektrode 12 ausbreitet und an den Endabschnitten der oberen Elektrode 16 und der unteren Elektrode 12 reflektiert wird. Daher können Resonanzcharakteristiken mit weniger unnötigen Störspitzen erhalten werden.
Des weiteren wird ein Durchgangsloch durch die Bodenfläche des Substrates 10 gebildet, wodurch der Hohlraum 18 erhalten wird. Der Hohlraum 18 kann jedoch hergestellt werden, indem eine Höhlung durch die obere Fläche des Substrats unter Verwendung einer Opferschicht gebildet wird. Obwohl die ersten bis dritten Ausführungsformen Beispiele für FBAR-Typen sind, kann die vorliegende Erfindung auf einen piezoelektrischen Dünnfilmresonator vom SMR-Typ angewendet werden. In solch einem Fall können dieselben Effekte wie bei den FBAR-Typen erreicht werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein piezoelektrischer Dünnfilmresonator vorgesehen, wie oben beschrieben, der umfaßt: eine untere Elektrode, die auf einem Substrat gebildet ist; einen piezoelektrischen Film, der auf der unteren Elektrode gebildet ist; und eine obere Elektrode, die auf dem piezoelektrischen Film gebildet ist, welche obere Elektrode eine größere Filmdicke als die untere Elektrode hat. Mit dieser Struktur kann ein piezoelektrischer Dünnfilmresonator mit hohem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten einfach dadurch vorgesehen werden, daß die Filmdicke der oberen Elektrode größer als die Filmdicke der unteren Elektrode gemacht wird, ohne die anderen Charakteristiken in irgendeiner Weise zu mindern.
Der piezoelektrische Dünnfilmresonator kann so konfiguriert sein, daß 1 < t1/t2 < 3 ist, wobei die Filmdicke der oberen Elektrode t1 ist und die Filmdicke der unteren Elektrode t2 ist. Mit dieser Struktur kann ein piezoelektrischer Dünnfilmresonator mit hohem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten vorgesehen werden.
Der piezoelektrische Dünnfilmresonator kann so konfiguriert sein, daß: die obere Elektrode und die untere Elektrode hauptsächlich Ruthenium (Ru) enthalten; und 0,1 < d1/d2 < 1 ist, wobei die Summe aus den Filmdicken der oberen Elektrode und der unteren Elektrode d1 ist und die Filmdicke des piezoelektrischen Films d2 ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein piezoelektrischer Dünnfilmresonator mit hohem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten vorgesehen werden, ohne den Resonanzwiderstand zu erhöhen.
Der piezoelektrische Dünnfilmresonator kann so konfiguriert sein, daß die obere Elektrode und die untere Elektrode hauptsächlich wenigstens eines enthalten von Iridium (Ir), Rhenium (Re), Wolfram (W), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Platin (Pt), Tantal (Ta), Molybdän (Mo), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Gold (Au) und Aluminium (Al) (Anspruch 4). Mit dieser Struktur können die Antiresonanzcharakteristiken oder die Resonanzcharakteristiken verbessert werden.
Der piezoelektrische Dünnfilmresonator kann so konfiguriert sein, daß: eine Dünnfilmschicht unter der unteren Elektrode vorgesehen ist; und keine Dünnfilmschicht auf der oberen Elektrode vorgesehen ist.
Der piezoelektrische Dünnfilmresonator kann so konfiguriert sein, daß eine Dünnfilmschicht in wenigstens einer von einer Region unter der unteren Elektrode und einer Region auf der oberen Elektrode vorgesehen ist. Mit dieser Struktur kann ein piezoelektrischer Dünnfilmresonator mit hohem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten vorgesehen werden, auch wenn eine Ätzstopperschicht, eine Orientierungssteuerungsschicht, eine Verstärkungsschicht, ein Frequenzeinstellfilm, ein Schutzfilm oder dergleichen eingesetzt wird.
Der piezoelektrische Dünnfilmresonator kann so konfiguriert sein, daß der piezoelektrische Film aus Aluminiumnitrid oder Zinkoxid mit einer Orientierung mit der (002)-Richtung als Hauptachse ist. Mit dieser Struktur kann ein Dünnfilm mit hoher Qualität erhalten werden und können stabile Resonanzcharakteristiken erreicht werden.
Der piezoelektrische Dünnfilmresonator kann so konfiguriert sein, daß eine Region, in der der piezoelektrische Film dazwischen angeordnet ist und die obere Elektrode und die untere Elektrode einander zugewandt sind, eine ovale Form hat. Mit dieser Struktur können Resonanzcharakteristiken mit weniger unnötigen Störspitzen erhalten werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Filter mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren vorgesehen, wobei jeder der piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren so wie oben konfiguriert ist. Daher kann ein Filter mit einem hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und einem breiten Durchlaßband einfach dadurch vorgesehen werden, indem die Filmdicke von jeder oberen Elektrode größer als die Filmdicke von jeder unteren Elektrode gemacht wird, ohne daß es zu irgendeiner Minderung wie beispielsweise einer Erhöhung des Einfügungsverlustes kommt.
Die vorliegende Erfindung kann, wie oben beschrieben, einen piezoelektrischen Dünnfilmresonator und ein Filter mit einem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten vorsehen, der durch ein einfaches Verfahren erhöht wird, ohne die anderen Charakteristiken in irgendeiner Weise zu mindern.
Obwohl einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, wird es die Fachwelt zu schätzen wissen, daß an diesen Ausführungsformen Veränderungen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Grundgedanken der Erfindung abzuweichen, deren Umfang in den Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist.

Claims

Piezoelektrischer Dünnfilmresonator mit: einer unteren Elektrode, die auf einem Substrat gebildet ist; einem piezoelektrischen Film, der auf der unteren Elektrode gebildet ist; und einer oberen Elektrode, die auf dem piezoelektrischen Film gebildet ist, wobei die obere Elektrode eine größere Filmdicke als die untere Elektrode hat.
Piezoelektrischer Dünnfilmresonator nach Anspruch 1, bei dem 1 < t1/t2 < 3 ist, wobei die Filmdicke der oberen Elektrode t1 ist und die Filmdicke der unteren Elektrode t2 ist.
Piezoelektrischer Dünnfilmresonator nach Anspruch 1, bei dem: die obere Elektrode und die untere Elektrode hauptsächlich Ruthenium (Ru) enthalten; und 0,1 < d1/d2 < 1 ist, wobei die Summe aus den Filmdicken der oberen Elektrode und der unteren Elektrode d1 ist und die Filmdicke des piezoelektrischen Films d2 ist.
Piezoelektrischer Dünnfilmresonator nach Anspruch 1, bei dem die obere Elektrode und die untere Elektrode hauptsächlich wenigstens eines enthalten von Iridium (Ir), Rhenium (Re), Wolfram (W), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Platin (Pt), Tantal (Ta), Molybdän (Mo), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Gold (Au) und Aluminium (Al).
Piezoelektrischer Dünnfilmresonator nach Anspruch 2, bei dem: eine Dünnfilmschicht unter der unteren Elektrode vorgesehen ist; und keine Dünnfilmschicht auf der oberen Elektrode vorgesehen ist.
Piezoelektrischer Dünnfilmresonator nach Anspruch 1, bei dem eine Dünnfilmschicht in wenigstens einer von einer Region unter der unteren Elektrode und einer Region auf der oberen Elektrode vorgesehen ist.
Piezoelektrischer Dünnfilmresonator nach Anspruch 1, bei dem der piezoelektrische Film aus Aluminiumnitrid oder Zinkoxid mit einer Orientierung mit der (002)-Richtung als Hauptachse ist.
Piezoelektrischer Dünnfilmresonator nach Anspruch 1, bei dem eine Region, in der der piezoelektrische Film dazwischen angeordnet ist und die obere Elektrode und die untere Elektrode einander zugewandt sind, eine ovale Form hat.
Filter mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren, wobei jeder der piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren umfaßt: eine untere Elektrode, die auf einem Substrat gebildet ist; einen piezoelektrischen Film, der auf der unteren Elektrode gebildet ist; und eine obere Elektrode, die auf dem piezoelektrischen Film gebildet ist, wobei die obere Elektrode eine größere Filmdicke als die untere Elektrode hat.