JP2001332947A

JP2001332947A - 圧電体薄膜素子の製造方法及び圧電体薄膜素子

Info

Publication number: JP2001332947A
Application number: JP2000151307A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamada; 朗山田; Chisako Maeda; 智佐子前田; Shoji Miyashita; 章志宮下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2000-05-23
Publication date: 2001-11-30

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】同一基板上に形成される複数の圧電体薄膜素
子において、素子間の共振周波数の分布を抑えた圧電体
薄膜素子を提供する。【解決手段】下地部上に動作部を形成した圧電体薄膜
素子の製造方法において、表面と裏面とを備えた下地部
１，２を準備する準備工程（ａ）〜（ｄ）と、該下地部
の該表面上の所定領域に下部電極、圧電体膜、上部電極
の積層構造を含む複数の動作部を形成する工程と、それ
ぞれの該動作部毎に該下地部を切断して複数の圧電体薄
膜素子とする工程とを含み、上記準備工程が、各圧電体
薄膜素子における、弾性波の音響的な伝搬距離が略一定
となるように、該下地部に元素を導入する元素導入工程
（ｂ）〜（ｄ）を含むことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電体薄膜素子の
製造方法及びその構造に関し、特に、同一基板上に形成
される複数の圧電体薄膜素子において、素子間の共振周
波数の分布を抑えた圧電体薄膜素子の製造方法及びその
構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５に、全体が２００で表される圧電体
薄膜素子を示す。図５（ａ）は圧電体薄膜素子２００の
上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＣ−Ｃ方向
の断面図である。圧電体薄膜素子２００はバルク波素子
であり、まず、半導体基板１上に、酸化シリコン等の絶
縁膜２が形成されている。絶縁膜２上には、下部電極
４、チタン酸鉛からなる圧電薄膜５、上部電極６が順次
形成されている。また、絶縁膜２上には、下部電極４に
接続された下部電極パッド７、上部電極６と接続された
上部電極パッド８が設けられている。上部電極６と上部
電極パッド８との間は、メッキ等により形成された架橋
部７により接続されている。また、半導体基板１の裏面
の中央部には、基板除去部１０が設けられている。

【０００３】圧電体薄膜素子２００は、所定の周波数で
共振するように設計されるが、かかる共振周波数は、圧
電体薄膜素子２００中における、弾性波の伝播速度と伝
播距離により決定される。更に言えば、圧電体薄膜素子
２００に使用される材料が同じ場合には弾性波の伝播速
度は略一定であるため、共振周波数は、基板除去部１４
上の、絶縁膜２、圧電薄膜５、上部及び下部電極４、６
の膜厚に大きく依存する。

【０００４】図６は、複数の圧電体薄膜素子２００を、
半導体基板１上に形成した状態を示す。圧電体薄膜素子
２００の製造工程では、通常、複数の圧電体薄膜素子２
００を半導体基板１上に形成した後、これを分割して、
それぞれの圧電体薄膜素子２００としている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、半導体基板１
上の絶縁膜２、圧電体膜５、上部及び下部電極４、６の
膜厚は、成膜装置の形状等の影響で、それぞれ、半導体
基板１の周辺部で、中央部に比べて薄くなる傾向にあ
る。特に、膜厚の比較的厚い絶縁膜２では、半導体基板
１の中央部と周辺部とで、膜厚の差が大きくなる。

【０００６】図６は、複数の圧電体薄膜素子２００を、
半導体基板１上に形成した状態を示であり、通常、この
ように、複数の圧電体薄膜素子２００を半導体基板１上
に形成した後、これを分割して、単体の圧電体薄膜素子
２００としている。また、図７は、図６に示す圧電体薄
膜素子２００が形成された半導体基板１と絶縁膜２の断
面図である。

【０００７】図７に示すように、絶縁膜２の膜厚が周辺
部で薄くなるため、中央部では、所定の共振周波数を有
する圧電体薄膜素子が得られる製造条件であっても、周
辺部の圧電体薄膜素子では、基板除去部１０上に形成し
た絶縁膜２の膜厚が中央部より薄くなり、所定の共振周
波数が得られなくなる。図７では、明確化のために絶縁
膜２のみを記載したが、下部及び上部電極４、６、圧電
体膜５の膜厚も、周辺部において中央部より薄くなる。
周辺部に形成した素子において、所定の共振周波数が得
られないことは、製造歩留まりを向上させる上で大きな
問題であった。

【０００８】なお、特開昭６１−２０８９１６号公報で
は、表面波基板上にポリイミド系樹脂を塗布し、基板上
に形成された表面波装置の周波数調整方法が記載されて
いるが、これは、基板上に形成された各表面波装置に対
して、一様に周波数調整を行うものであり、基板上に形
成された素子に対して、部分的に周波数調整を行う本願
発明とは内容を異にする。

【０００９】そこで、本発明は、周辺部においても、所
定の共振周波数が得られる圧電体薄膜素子の製造方法及
びその構造を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、下地部上に動
作部を形成した圧電体薄膜素子の製造方法であって、表
面と裏面とを備えた下地部を準備する準備工程と、該下
地部の該表面上の所定領域に下部電極、圧電体膜、上部
電極の積層構造を含む複数の動作部を形成する工程と、
それぞれの該動作部毎に該下地部を切断して複数の圧電
体薄膜素子とする工程とを含み、上記準備工程が、各圧
電体薄膜素子における、弾性波の音響的な伝搬距離が略
一定となるように、該下地部に元素を導入する元素導入
工程を含むことを特徴とする圧電体薄膜素子の製造方法
である。かかる製造方法を用いることにより、複数の圧
電体薄膜素子間の共振周波数のばらつきを低減すること
ができる。この結果、圧電体薄膜素子の製造歩留まりを
向上させることができる。

【００１１】本発明は、更に、上記下地部の上記裏面を
エッチングして、除去部を形成する工程を含み、上記準
備工程が、該除去部上における、該下地部に対して略垂
直方向の上記弾性波の音響的な伝搬距離が略一定となる
ように、該下地部に元素を導入する工程であることを特
徴とする製造方法でもある。かかる製造方法は、下地部
に対して略垂直方向の弾性波の伝搬経路を有するバルク
波素子等の作製に有利である。

【００１２】上記弾性波の音響的な伝搬距離は、上記除
去部上における、上記下地部と上記動作部との音響的な
厚みであっても良い。

【００１３】上記下地部が、半導体基板からなる場合、
上記元素導入工程は、該半導体基板中に上記元素を導入
して元素含有領域を形成する工程であることが好まし
い。

【００１４】上記下地部が、半導体基板と、該半導体基
板上に形成された絶縁膜からなる場合、上記元素導入工
程は、該絶縁膜中に上記元素を導入して元素含有領域を
形成する工程であることが好ましい。

【００１５】上記下地部が、酸化シリコンを主成分と
し、該下地部に導入される元素が、ボロン、リン、ゲル
マニウム、アルミニウム及びチタンからなる群から選択
される一の元素を含むことが好ましい。

【００１６】上記下地部が、窒化シリコン、アルミニウ
ム酸化物、マグネシウム酸化物、ストロンチウムチタニ
ウム酸化物及びマグネシウムアルミニウム酸化物からな
る群から選択される一の材料を主成分とし、該下地部に
導入される元素が、ボロン及びリンから選択される一の
元素を含むことが好ましい。

【００１７】上記圧電体膜は、チタン酸鉛、チタン酸ジ
ルコン酸鉛、酸化亜鉛、及び窒化アルミニウムから選択
される一の材料を主成分とすることが好ましい。

【００１８】また、本発明は、下地部と動作部とを含む
圧電体薄膜素子であって、表面と裏面とを備えた下地部
と、該下地部の該表面上に順次積層された下部電極と、
圧電体膜と、上部電極とを含む動作部と、該下地部の該
裏面の、該動作部に対向する位置に設けられた除去部と
を備え、該下地部が、各圧電体薄膜素子における、弾性
波の音響的な伝搬距離が略一定となるように設けられ
た、元素含有領域を含むことを特徴とする圧電体薄膜素
子でもある。

【００１９】上記下地部が、酸化物基板からなり、該酸
化物基板が、その表面側に、上記元素含有領域を含むも
のであっても良い。

【００２０】上記下地膜が、半導体基板と、該半導体基
板の表面上に形成された絶縁膜からなり、該絶縁膜が、
その表面側に、上記元素含有領域を含むものであっても
良い。

【００２１】

【発明の実施の形態】実施の形態１．圧電体薄膜素子の
共振周波数は、上述のように、素子内を伝搬する弾性波
の伝搬速度と伝搬距離により決定される。ここで、弾性
波の伝搬速度は、以下の式１で表される。

【００２２】ｖ＝Ｅ／ρ （式１）ｖ：弾性波の伝搬速度Ｅ：ヤング率 ρ：弾性波が伝搬する材料の密度

【００２３】式１から明らかなように、弾性波が伝搬す
る材料の密度（ρ）を変化させることにより、弾性波の
伝搬速度（ｖ）を変化させることができる。しかしなが
ら、圧電体薄膜素子において、その具体的な手段は、従
来明らかではなかった。

【００２４】これに対して、発明者らは鋭意研究の結
果、弾性波が伝搬する物質と、かかる物質に導入する元
素との組み合わせを適宜選択することにより、弾性波の
伝搬速度（ｖ）を制御できることを見出し、本発明を完
成した。

【００２５】なお、所定の材料中を弾性波が伝搬する場
合には、上記式１に従って伝搬速度（ｖ）が変化する。
従って、材料の種類により変化した弾性波の伝搬速度を
元に計算した弾性波の伝搬距離を、音響的距離又は音響
的な伝搬距離とする。

【００２６】例えば、図７に示す絶縁膜２では、周辺部
の膜厚が、中央部の膜厚に比較して薄くなっているが、
周辺部に所定の元素を導入することにより、中央部にお
ける膜厚方向の音響的距離と、周辺部における膜厚方向
の音響的距離とを略等しくすることができる。これによ
り、周辺部に形成した圧電体薄膜素子の共振周波数を、
中央部に形成した圧電薄膜素子と同様に、所定の周波数
とすることができる。

【００２７】以下に、図１、２を用いながら、本実施の
形態にかかる圧電体薄膜素子の製造方法を説明する。図
１は、下地部の作製工程であり、本実施の形態では、下
地部は、半導体基板１と絶縁膜２から形成される。ま
ず、図１（ａ）に示すように、３インチの｛１００｝シ
リコンからなる半導体基板１を準備する。続いて、テト
ラエチルオルソシリケートと酸素を反応ガスに用い、成
膜温度を３００℃としたプラズマＣＶＤ法により、約
１．５μｍの膜厚の二酸化シリコンからなる絶縁膜２を
半導体基板１の表面上に形成する。図７の場合と同様
に、絶縁膜２の膜厚は、中央部に対して、周辺部で約３
％薄くなっている。かかる絶縁膜２の膜厚分布は、ＣＶ
Ｄ装置の形状や、反応ガスの供給方向等に起因するもの
である。

【００２８】次に、図１（ｂ）に示すように、絶縁膜２
の表面上に、母材のＳｉＯ₂に対して４０ｍｏｌ％のＢ₂
Ｏ₃分子を含む二酸化シリコン膜を、元素供給層１３と
して形成する。元素供給層１３の膜厚は、２５０ｎｍと
する。この元素供給層１３は、ボロンの供給源となる。

【００２９】次に、図１（ｃ）に示すように、フォトリ
ソグラフィ技術と、イオンミリングを用いて、周辺部に
のみ元素供給層１３が残るように、元素供給層１３をエ
ッチングする。即ち、図７に示すように、絶縁膜２の膜
厚は、周辺部において、急激に薄くなるため、かかる周
辺部にのみ元素供給層１３が残るように、エッチングを
行う。ここでは、半導体基板１の周囲から約１５ｍｍの
幅で、元素供給層１３をドーナツ状に残した。

【００３０】次に、図１（ｄ）に示すように、半導体基
板１を拡散炉にいれて、熱処理を行う。熱処理条件は、
１２００℃で３時間とする。かかる熱処理により、元素
供給層１３は溶解し、絶縁膜２中にボロンが拡散する。
この結果、図１（ｄ）に示すように、絶縁膜２の周辺部
に元素含有領域３が形成される。元素含有領域３のボロ
ン含有量をＳＩＭＳで測定したところ、約７％であっ
た。発明者らの知見によれば、酸化シリコンからなる絶
縁膜２中にボロンを導入すると、弾性波の音響的距離を
大きくすることができる。絶縁膜２の膜厚分布は、成膜
装置や成膜条件により決定されるため、予め、絶縁膜２
の膜厚分布を測定しておき、かかる分布を補正するよう
に元素含有領域３を形成する。

【００３１】なお、本実施の形態では、元素供給層１３
を形成し、元素供給層１３中のボロンを絶縁膜２中に熱
拡散させて、元素含有領域３を形成したが、イオン注入
等の他の方法を用いて元素含有領域３を形成してもかま
わない。

【００３２】図１（ｅ）は、図１（ｄ）の基板の上面図
である。絶縁膜２の周辺部に、約１５ｍｍの幅で、ドー
ナツ状の元素含有領域３が形成されている。

【００３３】次に、かかる工程で作製した下地部上に、
従来と同様の工程により動作部を形成する。かかる工程
について、図２を参照しながら簡単に説明する。動作部
の作製工程では、まず、図１（ｄ）の絶縁膜２上に、チ
タンからなる密着層（図示せず）、イリジウムを主成分
とする下部電極材料層（図示せず）を、電子ビーム蒸着
法で形成する。

【００３４】次に、ＲＦマグネトロンスパッタ法によ
り、成膜温度６００℃で、チタン酸鉛からなる、圧電体
材料膜（図示せず）を形成する。圧電体材料膜の膜厚
は、例えば、１μｍである。

【００３５】次に、硝酸、塩酸、及びフッ酸を混同させ
た混酸を用いたエッチング、及びイオンミリングによ
り、下部電極材料層と圧電体材料膜とをパターンニング
する。これにより、下部電極４、及び下部電極４に接続
された下部電極パッド７、上部電極パッド８、更に、下
部電極４上に積層された圧電体膜５が形成される。

【００３６】次に、蒸着によりチタンからなる密着層
（図示せず）、白金を主成分とする上部電極材料層（図
示せず）を形成し、リフトオフ法を用いてパターンニン
グして、圧電体膜５上に上部電極６を形成する。更に、
金メッキにより、上部電極６と上部電極パッド８とを接
続する架橋部９を形成する。

【００３７】次に、動作部形成面を、ガラス板（図示せ
ず）上に、ワックスにより張り付けた後、半導体基板１
を裏面から研磨し、半導体基板１の厚さを０．３８ｍｍ
から０．２０ｍｍに薄くする。

【００３８】次に、チタンをマスクに用いて、７０℃の
５ｗｔ％ＫＯＨ水溶液に、半導体基板１を浸漬すること
により、動作部の裏面側の半導体基板１をエッチング
し、基板除去部１０を形成する。

【００３９】次に、半導体基板１をガラス板から剥が
し、半導体基板１をダイシングソーにより切断、分離
し、各圧電体薄膜素子１００に分割する。

【００４０】最後に、それぞれの圧電体薄膜素子１００
を、例えば、２００℃に保持し、圧電体膜５に１５０ｋ
Ｖ・ｃｍの電界を印加した状態で、３０分間保持し、圧
電体膜５の圧電材料の分極処理を行う。以上の工程で、
圧電体薄膜素子１００が完成する。

【００４１】完成した圧電体薄膜素子１００を、更に２
４時間以上放置した後、ネットワークアナライザによ
り、各圧電体薄膜素子１００の周波数特性を測定した。
この結果、半導体基板１の中心部から切り出した圧電体
薄膜素子の共振周波数の平均は、１５２３ＭＨｚであっ
た。一方、周辺部（半導体基板１の外周から、１５ｍｍ
以内の領域）から切り出した圧電体薄膜素子の共振周波
数は１４９１ＭＨｚであり、中心部の圧電体薄膜素子の
共振周波数に対して、約２．１％、低周波数側にシフト
していた。

【００４２】これに対して、図５の従来構造では、周辺
部から得られた圧電体薄膜素子の共振周波数は、中央部
から得られた圧電体薄膜素子の共振周波数に対して、約
５．３％、低周波数側にシフトしており、本実施の形態
にかかる方法を用いることにより、周辺部における共振
周波数のシフトを、約２分の１に低減できることがわか
る。

【００４３】このように、絶縁膜２の周辺部に元素含有
領域３を形成し、周辺部における音響的距離を大きくし
て、中央部における音響的距離に略等しくすることによ
り、半導体基板１上に形成した複数の圧電体薄膜素子１
００間の共振周波数のばらつきを小さくすることができ
る。

【００４４】なお、絶縁膜２以外の下部電極４、圧電体
膜５、上部電極６等においても、半導体基板１の周辺部
と中央部とで、膜厚のばらつきがある。しかしながら、
絶縁膜２の膜厚が、他の膜に比べて共振周波数に大きな
影響を及ぼすため、絶縁膜２の膜厚方向の音響的距離が
略均一となるように、元素含有領域３を形成することに
より、圧電体薄膜素子１００間の共振周波数のばらつき
を、大きく改善することができる。

【００４５】また、圧電体膜５の膜厚のばらつきは、絶
縁膜２についで共振周波数に影響を及ぼす。従って、元
素含有領域３に拡散させる元素の量等を決定する場合
に、圧電体膜５の膜厚分布を考慮しても良い。また、絶
縁膜２等の膜厚分布は、一般に、３〜５％程度である
が、必ずしも、かかる膜厚分布のすべてを、元素含有領
域３により補正する必要はない。通常、共振周波数の変
化が、所望の共振周波数（中央部における共振周波数）
に対して、±２％程度におさまれば、圧電体薄膜素子１
００の外部に接続される容量素子等を用いて、所望の共
振周波数となるように調整できる。

【００４６】このように、元素を導入する領域は、下地
部、即ち、半導体基板１又は絶縁膜２である。本実施の
形態のように、半導体基板１上に絶縁膜２が形成されて
いる場合は、絶縁膜２に元素を導入することが好まし
い。かかる構造を適用した素子としては、弾性表面波素
子、厚み振動等を用いるバルク波素子等がある。一方、
絶縁膜２を形成せずに、半導体基板１上に直接動作部を
形成する場合には、半導体基板１に直接元素を導入する
ことが好ましい。かかる構造は、特に、圧電体の高次振
動を用いる圧電複合共振構造を有する素子においては、
元素含有領域１３の厚みを大きくできるために有利であ
る。また、弾性表面波素子に適用することもできる。

【００４７】なお、動作部、即ち、圧電体膜５や下部又
は上部電極４、６に元素を導入することは、圧電体膜５
の圧電特性や、電極の抵抗値などに影響を与え、圧電体
薄膜素子１０の素子特性を変えてしまうために好ましく
ない。

【００４８】本実施の形態では、音響的距離を大きくす
るための母材と、導入元素との好ましい組み合わせにつ
いて、更に、以下のような組み合わせを見出した。下地
部には、上述のように、半導体基板１と絶縁膜２との積
層構造を使用する場合と、半導体基板１のみを使用する
場合とがある。

【００４９】まず、下地部に、半導体基板１と絶縁膜２
との積層構造を使用する場合、半導体基板１は、その表
面に絶縁膜２を形成するため、特に材料は制限されな
い。物性が良く知られるシリコン、酸化マグネシウム等
は、異方性、等方性のいずれにもエッチング可能であ
り、多様な素子構造を形成する上で適している

【００５０】一方、下地部に、半導体基板１のみを使用
する場合、即ち、半導体基板１上に、絶縁膜２を形成せ
ずに、直接、動作部を設ける場合は、半導体基板１は、
酸化マグネシウム、例えば、マグネシウムアルミニウム
化合物やストロンチウムチタン酸化物等のスピネル構造
酸化物であることが好ましい。これは、鉛を含有する圧
電体膜、例えば、チタン酸鉛系、チタン酸ジルコン酸鉛
系等の圧電薄膜を形成する際の、結晶配向性を制御する
上で好ましいからである。

【００５１】また、半導体基板１として、シリコン酸化
物を使用することも可能である。かかる半導体基板１上
には、酸化亜鉛や、窒化アルミニウムなどの圧電体膜を
形成することが好ましい。この場合、シリコン酸化物か
らなる半導体基板１は安価であるため、製造コストの低
減に有利である。

【００５２】また、下地部に導入される添加元素として
は、ボロン、リン、ゲルマニウム、アルミニウム、チタ
ン等が有効である。特に、ボロン、リン、ゲルマニウム
は、安定な原料が市販されており、使いやすいという利
点がある。

【００５３】下地部に導入される元素量は、下地部を通
る弾性波の音響的距離を、所定の距離に変えることがで
きる量であれば良いが、特に、導入された元素が安定で
あり、耐湿性の劣化が無く、弾性波が伝搬した場合に音
響的損失が増大しない程度の元素量であることが好まし
い。

【００５４】導入される元素量の最適値は、下地部の母
材と添加元素との組み合わせ、プロセス条件等に依存す
るため、一義的には決めにくい。しかし、プロセス上の
制御性等を考慮すれば、導入元素の量は、その元素を含
む化合物量として見積もった場合に、母材に対して、好
適には、０ｍｏｌ％より多く２０ｍｏｌ％以下であり、
更に好適には、０ｍｏｌ％より多く１２ｍｏｌ％以下で
ある。

【００５５】下地部の母材と、導入元素の組み合わせ
は、母材が、酸化シリコンを主成分とする場合、導入元
素は、ボロン、ゲルマニウム及びリンからなる群から選
択される一種類以上の元素であることが好ましい。

【００５６】特に、好ましい下地部の母材と、導入電素
の組み合わせを、以下に示す。下地部の母材が酸化シリ
コンで、導入元素がボロンの場合、ＳｉＯ₂に導入され
るＢ₂Ｏ₅の量として、好適には０ｍｏｌ％より多く３５
ｍｏｌ％以下であり、更に好適には０ｍｏｌ％より多く
２１ｍｏｌ％以下である。

【００５７】下地部の母材が酸化シリコンで、導入元素
がゲルマニウムの場合、ＳｉＯ₂に導入されるＧｅＯ₂の
量として、好適には０ｍｏｌ％より多く３５ｍｏｌ％以
下であり、更に好適には０ｍｏｌ％より多く２５ｍｏｌ
％以下である。

【００５８】なお、図１において、元素供給層１３とし
て、３０ｍｏｌ％のＧｅＯ₂使用し、圧電体薄膜素子１
００を作製したところ、周辺部に形成した圧電体薄膜素
子の共振周波数は、中央部に形成した圧電体薄膜素子の
共振周波数に比べて、約３．４％低周波数側にシフトし
ていた。このように、導入元素にＧｅを用いても、共振
周波数のばらつきを抑制することができる。

【００５９】下地部の母材が酸化シリコンで、導入元素
がアルミニウムの場合、ＳｉＯ₂に導入されるＡｌ₂Ｏ₃
の量として、好適には０ｍｏｌ％より多く３０ｍｏｌ％
以下であり、更に好適には０ｍｏｌ％より多く１７ｍｏ
ｌ％以下である。

【００６０】下地部の母材が酸化シリコンで、導入元素
がチタンの場合、ＳｉＯ₂に導入されるＴｉＯ₂の量とし
て、好適には０ｍｏｌ％より多く３０ｍｏｌ％以下であ
り、更に好適には０ｍｏｌ％より多く１３ｍｏｌ％以下
である。

【００６１】下地部の母材が窒化シリコンで、導入元素
がボロンの場合、Ｓｉ₃Ｎ₄に導入されるＢ₂Ｏ₅の量とし
て、好適には０ｍｏｌ％より多く３０ｍｏｌ％以下であ
り、更に好適には０ｍｏｌ％より多く１７ｍｏｌ％以下
である。

【００６２】下地部の母材がアルミニウム酸化物で、導
入元素がボロンの場合、Ａｌ₂Ｏ₃に導入されるＢ₂Ｏ₅の
量として、好適には０ｍｏｌ％より多く３０ｍｏｌ％以
下であり、更に好適には０ｍｏｌ％より多く１５ｍｏｌ
％以下である。

【００６３】下地部の母材がマグネシウム酸化物で、導
入元素がボロンの場合、ＭｇＯに導入されるＢ₂Ｏ₅の量
として、好適には０ｍｏｌ％より多く２５ｍｏｌ％以下
であり、更に好適には０ｍｏｌ％より多く１２ｍｏｌ％
以下である。

【００６４】下地部の母材がストロンチウムチタン酸化
物で、導入元素がボロンの場合、ＳｒＴｉＯ₃に導入さ
れるＢ₂Ｏ₅の量として、好適には０ｍｏｌ％より多く１
０ｍｏｌ％以下であり、更に好適には０ｍｏｌ％より多
く５ｍｏｌ％以下である。

【００６５】下地部の母材がマグネシウムアルミニウム
酸化物で、導入元素がボロンの場合、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄に導
入されるＢ₂Ｏ₅の量として、好適には０ｍｏｌ％より多
く２０ｍｏｌ％以下であり、更に好適には０ｍｏｌ％よ
り多く１２ｍｏｌ％以下である。

【００６６】なお、圧電体膜５は、チタン酸鉛、チタン
酸ジルコン酸鉛、酸化亜鉛、窒化アルミニウムから選択
することが好ましい。これらの材料は、特殊な製造法、
加工法を必要とせず、製造プロセスに載せやすいからで
ある。

【００６７】実施の形態２．本実施の形態にかかる圧電
体薄膜素子の製造方法を、図３を参照しながら説明す
る。まず、図３（ａ）に示すように、実施の形態１と同
様の工程で、３インチ｛１００｝シリコンからなる半導
体基板１上に、二酸化シリコンからなる絶縁膜２を形成
する。

【００６８】次に、図３（ｂ）に示すように、Ｐ₂Ｏ₅の
化合物に換算して４５ｍｏｌ％のリンを含む二酸化シリ
コン膜を、元素供給層２３として、絶縁膜２上に形成す
る。膜厚は、約２５０ｎｍである。

【００６９】次に、図３（ｃ）に示すように、元素供給
層２３を、中央部に直径２５ｍｍの領域が残るように、
イオンミリングにより除去する。

【００７０】次に、半導体基板１を、１０００℃で３時
間保持し、熱処理を行う。これにより、元素供給層２３
は溶解し、絶縁膜２中にリンを拡散させ、図３（ｄ）に
示すような元素含有領域３が形成される。図３（ｅ）
は、図３（ｄ）の上面図である。ＳＩＭＳ法を用いて、
元素含有領域３に含まれるリン含有量を測定したとこ
ろ、平均で約８％であった。

【００７１】続いて、実施の形態１と同様に、元素含有
領域３が形成された絶縁膜２上に、複数の動作部が形成
される。但し、圧電体膜５の材料には、チタン酸ジルコ
ン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ_0.48Ｔｉ_0.52）Ｏ₃）が用いられ
た。半導体基板１を分割し、それぞれの圧電体薄膜素子
とした後、圧電体膜５に、１００℃で、１００ｋＶ・ｃ
ｍの電界を３０分間かけて、分極処理を行い、更に２４
時間経過後に、共振周波数の測定を行った。この結果、
周辺部（周辺から１５ｍｍ）に形成した圧電体薄膜素子
の共振周波数は、中央部に形成した圧電体薄膜素子の共
振周波数に比べて、約２．９％低周波数側にシフトして
いた。このように、本実施の形態にかかる方法のよう
に、中央部に元素含有領域３を形成して音響的距離を小
さくし、周辺部の音響的距離と略等しくすることによっ
ても、共振周波数のばらつきを抑制することができる。

【００７２】下地部の母材と、導入元素の組み合わせと
しては、以下のような組み合わせが好ましい。上述のよ
うに、下地部の母材が酸化シリコンで、導入元素がリン
の場合、ＳｉＯ₂に導入されるＰ₂Ｏ₅の量として、好適
には０ｍｏｌ％より多く４５ｍｏｌ％以下であり、更に
好適には０ｍｏｌ％より多く２８ｍｏｌ％以下である。

【００７３】下地部の母材が窒化シリコンで、導入元素
がリンの場合、Ｓｉ₃Ｎ₄に導入されるＰ₂Ｏ₅の量とし
て、好適には０ｍｏｌ％より多く２５ｍｏｌ％以下であ
り、更に好適には０ｍｏｌ％より多く１２ｍｏｌ％以下
である。

【００７４】下地部の母材がアルミニウム酸化物で、導
入元素がリンの場合、Ａｌ₂Ｏ₃に導入されるＰ₂Ｏ₅の量
として、好適には０ｍｏｌ％より多く２０ｍｏｌ％以下
であり、更に好適には０ｍｏｌ％より多く１２ｍｏｌ％
以下である。

【００７５】下地部の母材がマグネシウム酸化物で、導
入元素がリンの場合、ＭｇＯに導入されるＰ₂Ｏ₅の量と
して、好適には０ｍｏｌ％より多く２０ｍｏｌ％以下で
あり、更に好適には０ｍｏｌ％より多く１２ｍｏｌ％以
下である。

【００７６】下地部の母材がマグネシウムアルミニウム
酸化物で、導入元素がリンの場合、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄に導入
されるＰ₂Ｏ₅の量として、好適には０ｍｏｌ％より多く
２０ｍｏｌ％以下であり、更に好適には０ｍｏｌ％より
多く１２ｍｏｌ％以下である。

【００７７】実施の形態３．図４に本実施の形態にかか
る圧電体薄膜素子１０１を示す。図４（ａ）は、圧電体
薄膜素子１０１の上面図であり、図４（ｂ）は、図４
（ａ）のＢ−Ｂ方向の断面図である。

【００７８】本実施の形態にかかる圧電体薄膜素子１０
１では、下地部は、上記実施の形態１、２にような方法
で形成する。

【００７９】次に、下部電極材料層（図示せず）を形成
し、イオンミリングを用いてパターンニングし、下部電
極１４と下部電極バッド１７とを形成した。

【００８０】次に、ＲＦマグネトロンスパッタ法によ
り、１５０℃で酸化亜鉛膜（図示せず）を作製し、これ
を硝酸と塩酸の混酸でエッチングしてパターンニングす
ることにより、圧電体膜１５とした。圧電体膜１５の膜
厚は、１μｍである。

【００８１】この上に、ＤＣスパッタ法により、アルミ
ニウム層（図示せず）を蒸着し、これをリフトオフ法に
よりパターンニングして、圧電体膜１５上に上部電極１
３を形成した。

【００８２】このように、本実施の形態では、下部電極
１４と接続された下部電極パッド１７は、元素供給領域
３を含む絶縁膜２上に形成されている。一方、上部電極
１６と接続された上部電極パッド１８は、圧電体膜１５
上に形成されている。

【００８３】本実施の形態にかかる圧電体薄膜素子１０
１について、共振周波数を測定したところ、周辺部（周
辺から１５ｍｍ以内の領域）に形成した圧電体薄膜素子
の共振周波数は、中央部に形成した圧電体薄膜素子の共
振周波数に比べて、約３．１％低周波数側にシフトして
いた。このように、本実施の形態にかかる構造の圧電体
薄膜素子１０１に対しても、共振周波数のばらつきを抑
制することができる。

【００８４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
にかかる製造方法を使用することにより、圧電体薄膜素
子の共振周波数のばらつきを低減でき、製造歩留まりを
向上できる。

【００８５】特に、下地部の材料に対して、導入元素を
適宜選択することにより、下地部の材料が変わった場合
にも、共振周波数のばらつきを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１にかかる圧電体薄膜素
子の製造工程である。

【図２】本発明の実施の形態１にかかる圧電体薄膜素
子である。

【図３】本発明の実施の形態２にかかる圧電体薄膜素
子の製造工程である。

【図４】本発明の実施の形態３にかかる圧電体薄膜素
子である。

【図５】従来の圧電体薄膜素子である。

【図６】従来の半導体基板の上面図である。

【図７】従来の半導体素子の断面図である。

【符号の説明】

１半導体基板、２絶縁膜、３元素含有領域、４
下部電極、５圧電体膜、６上部電極、７下部電極
パッド、８上部電極パッド、９架橋部、１０基板
除去部、１３元素供給膜、１００圧電体薄膜素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 41/22 Ｈ０１Ｌ 41/18 １０１ＺＨ０３Ｈ 9/17 41/22 Ｚ (72)発明者宮下章志東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 5F058 BA20 BC02 BF07 BF25 BF29 BH01 BJ10 5J108 CC04 EE03 KK01 KK02 MM11 MM14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下地部上に動作部を形成した圧電体薄膜
素子の製造方法であって、表面と裏面とを備えた下地部を準備する準備工程と、該下地部の該表面上の所定領域に下部電極、圧電体膜、
上部電極の積層構造を含む複数の動作部を形成する工程
と、それぞれの該動作部毎に該下地部を切断して複数の圧電
体薄膜素子とする工程とを含み、上記準備工程が、各圧電体薄膜素子における、弾性波の
音響的な伝搬距離が略一定となるように、該下地部に元
素を導入する元素導入工程を含むことを特徴とする圧電
体薄膜素子の製造方法。
【請求項２】更に、上記下地部の上記裏面をエッチン
グして、除去部を形成する工程を含み、上記準備工程が、該除去部上における、該下地部に対し
て略垂直方向の上記弾性波の音響的な伝搬距離が略一定
となるように、該下地部に元素を導入する工程であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】上記弾性波の音響的な伝搬距離が、上記
除去部上における、上記下地部と上記動作部との音響的
な厚みであることを特徴とする請求項２に記載の製造方
法。
【請求項４】上記下地部が、半導体基板からなり、上記元素導入工程が、該半導体基板中に上記元素を導入
して元素含有領域を形成する工程であることを特徴とす
る請求項１から３のいずれかに記載の製造方法。
【請求項５】上記下地部が、半導体基板と、該半導体
基板上に形成された絶縁膜からなり、上記元素導入工程が、該絶縁膜中に上記元素を導入して
元素含有領域を形成する工程であることを特徴とする請
求項１から３のいずれかに記載の製造方法。
【請求項６】上記下地部が、酸化シリコンを主成分と
し、該下地部に導入される元素が、ボロン、リン、ゲル
マニウム、アルミニウム及びチタンからなる群から選択
される一の元素を含むことを特徴とする請求項１から３
のいずれかに記載の製造方法。
【請求項７】上記下地部が、窒化シリコン、アルミニ
ウム酸化物、マグネシウム酸化物、ストロンチウムチタ
ニウム酸化物及びマグネシウムアルミニウム酸化物から
なる群から選択される一の材料を主成分とし、該下地部
に導入される元素が、ボロン及びリンから選択される一
の元素を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれ
かに記載の製造方法。
【請求項８】上記圧電体膜が、チタン酸鉛、チタン酸
ジルコン酸鉛、酸化亜鉛、及び窒化アルミニウムから選
択される一の材料を主成分とすることを特徴とする請求
項１から３のいずれかに記載の製造方法。
【請求項９】下地部と動作部とを含む圧電体薄膜素子
であって、表面と裏面とを備えた下地部と、該下地部の該表面上に順次積層された下部電極と、圧電
体膜と、上部電極とを含む動作部と、該下地部の該裏面の、該動作部に対向する位置に設けら
れた除去部とを備え、該下地部が、各圧電体薄膜素子における、弾性波の音響
的な伝搬距離が略一定となるように設けられた、元素含
有領域を含むことを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項１０】上記下地部が、酸化物基板からなり、
該酸化物基板が、その表面側に、上記元素含有領域を含
むことを特徴とする請求項９に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項１１】上記下地膜が、半導体基板と、該半導
体基板の表面上に形成された絶縁膜からなり、該絶縁膜
が、その表面側に、上記元素含有領域を含むことを特徴
とする請求項９に記載の圧電体薄膜素子。