JP2002344279A - Piezoelectric thin film resonator - Google Patents

Piezoelectric thin film resonator

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哲夫 山田
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宇部エレクトロニクス株式会社
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric thin film resonator having superior characteristics and high performance, having a large electromechanical coupling coefficient, a superior acoustic quality coefficient (Q-factor), and superior frequency characteristic. SOLUTION: The piezoelectric thin-film resonator comprising a silicon single- crystal substrate 12, a dielectric base film made mainly of silicon oxide formed thereon, and a piezoelectric laminated structure 14 formed thereon. An oscillation unit 21 includes a part of the base film 13 and part of the piezoelectric laminated structure 14. The piezoelectric laminated structure 14 is formed by sequentially laminating a lower electrode 15, a piezoelectric film 16, and an upper electrode 17. The substrate 12 has a via hole 20, that forms a gap which allows oscillation of the oscillation unit 21 in a region, corresponding to the oscillation unit 21. The piezoelectric film 16 is an aluminum nitride containing alkaline earth metal and/or rare earth metal of 0.2 to 3.0 atom.%.

Description

【発明の詳細な説明】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 [0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、移動体通信機等に利用される薄膜振動子、薄膜VCO(電圧制御発信器)、薄膜フィルター、送受切替器や各種センサーなど、広範な分野で用いられる圧電体薄膜を利用した素子に関する。 BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention provides a thin film resonator utilized in mobile communication devices such as, thin film VCO (voltage controlled oscillator), a thin film filter, etc. duplexer and various sensors are used in various fields related to the element using a piezoelectric thin film.

【0002】 [0002]

【従来の技術】圧電現象を利用する素子は広範な分野で用いられている。 BACKGROUND ART elements utilizing piezoelectric phenomenon has been used in various fields. 携帯電話機などの携帯機器の小型化と低消費電力化が進む中で、該機器に使用されるRF用およびIF用フィルターとして弾性表面波(Surfac In the miniaturization and power consumption of portable devices such as mobile phones progresses, RF and for the surface acoustic wave as an IF filter used in the instrument (Surfac
e Acoustic Wave:SAW)素子の使用が拡大している。 e Acoustic Wave: use of SAW) devices is expanding. このSAWフィルターは設計および生産技術の向上によりユーザーの厳しい要求仕様に対応してきたが、利用周波数が高周波数化するに従って特性向上の限界に近づいており、電極形成の微細化と安定した出力確保との両面で大きな技術革新が必要となってきている。 Having meet the stringent specifications required for user by the SAW filter design and improvement of production technology, is approaching a limit to improve the characteristics according to usage frequency is higher frequency, and miniaturization of the electrode forming a stable output reserved major technological innovation in both sides has become necessary.

【0003】一方、圧電体薄膜の厚み振動を利用した薄膜バルク波音響共振子(FilmBulk Acous On the other hand, the piezoelectric thin film thin film bulk wave acoustic resonator utilizing the thickness vibration of (FilmBulk Acous
tic Resonator:FBAR)は、基板に設けられた薄い支持膜の上に、主として圧電体より成る薄膜と、これを駆動する電極とを形成したものであり、ギガヘルツ帯での基本共振が可能である。 tic Resonator: FBAR) are on a thin supporting film provided on the substrate is obtained by forming a thin film mainly made of a piezoelectric material, and electrodes for driving this, it is possible fundamental resonance at gigahertz band . FBARでフィルターを構成すれば、著しく小型化でき、かつ低損失・ By configuring the filter with a FBAR, it can be significantly downsized, and low loss,
広帯域動作が可能な上に、半導体集積回路と一体化することができるので、将来の超小型携帯機器への応用が期待されている。 On capable broadband operation, it is possible to integrate a semiconductor integrated circuit, application to future ultra-small mobile devices is expected.

【0004】このような弾性波を利用した共振器やフィルター等に応用される圧電体薄膜素子は、以下のようにして製造される。 [0004] The piezoelectric thin-film element which is applied to a resonator or a filter or the like using such an elastic wave is manufactured as follows. シリコンなどの半導体単結晶基板や、 Semiconductor single crystal substrate and of such as silicon,
シリコンウエハーなどの上に多結晶ダイヤモンドやエリンバーなどの恒弾性金属の膜を形成してなる基板の表面上に、種々の薄膜形成方法によって、誘電体薄膜、導電体薄膜またはこれらの積層膜からなる下地膜を形成する。 Like on the on the surface of a substrate obtained by forming a film of constant elastic metal such as polycrystalline diamond or elinvar silicon wafer, by various thin film forming method, a dielectric thin film, conductive thin film, or a laminated film thereof to form a base film. この下地膜上に圧電体薄膜を形成し、さらに必要に応じた上部構造を形成する。 The piezoelectric thin film is formed on the base film, further forming an upper structure as needed. 各膜の形成後に、または全ての膜を形成した後に、各々の膜に物理的処理または化学的処理を施すことにより、微細加工やパターニングを行う。 After formation of the film, or after forming all the film, by performing physical or chemical treatment to each of the membrane, performing the fine processing or patterning. 異方性エッチングにより基板から圧電体薄膜の振動部の下に位置する部分を除去した浮き構造を作製した後に、1素子単位ごとに分離して圧電体薄膜素子を得る。 After producing the floating structure by removing the portion located below the vibrating part of the piezoelectric thin film from the substrate by anisotropic etching, to obtain a piezoelectric thin-film element is separated for each element unit.

【0005】例えば、特開昭58−153412号公報や特開昭60−142607号公報に記載された圧電体薄膜素子は、基板の上面上に下地膜、下部電極、圧電体薄膜及び上部電極を形成した後に、基板の下面から振動部となる部分の下にある基板部分を除去することにより製造されている。 [0005] For example, a piezoelectric thin film element described in Japanese and Japanese 60-142607 Patent Publication No. Sho 58-153412 has a base film on the upper surface of the substrate, a lower electrode, a piezoelectric thin film and an upper electrode after forming, it is prepared by removing the substrate portion under the portion to be the vibration part from the lower surface of the substrate.

【0006】圧電体薄膜素子用の圧電体材料としては、 [0006] As the piezoelectric material for the piezoelectric thin film element,
窒化アルミニウム(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)、硫化カドミウム(CdS)、チタン酸鉛[PT](PbT Aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), cadmium sulfide (CdS), lead titanate [PT] (PBT
iO iO 3 )、チタン酸ジルコン酸鉛[PZT](Pb(Z 3), lead zirconate titanate [PZT] (Pb (Z
r,Ti)O 3 )などが用いられている。 r, Ti) O 3), etc. are used. 特に、AlN In particular, AlN
は、弾性波の伝播速度が速く、高周波帯域で動作する薄膜共振器やフィルターの圧電薄膜共振子の圧電体材料として適している。 The propagation velocity of the acoustic wave is fast, it is suitable as piezoelectric material for the thin-film resonator and filter piezoelectric thin-film resonator that operates in a high frequency band.

【0007】 [0007]

【発明が解決しようとする課題】これまで、AlN薄膜をFBARに適用するために、種々の検討が行われてきた。 BRIEF Problem to be Solved] ever, in order to apply the AlN thin film FBAR, various studies have been made. しかしながら、未だ、ギガヘルツ帯域で十分な性能を発揮する薄膜共振器や薄膜フィルターは得られておらず、AlN薄膜の音響的品質係数(Q値)、周波数温度係数および挿入損失の改善が望まれている。 However, still, thin-film resonator or a thin film filter which exhibits sufficient performance in gigahertz band has not been obtained, the acoustic quality factor of the AlN thin film (Q value), it is desired to improve the temperature coefficient of frequency and insertion loss there. 音響的品質係数(Q値)、広帯域動作及び周波数温度特性の全てに優れ、高性能な共振特性を示す薄膜圧電素子は提案されていない。 Acoustic quality factor (Q value), good all broadband operation and frequency-temperature characteristics, a thin film piezoelectric element showing a high resonance characteristic has not been proposed. 電気機械結合係数は、共振器やフィルターを構成する際にその性能を左右する重要なパラメーターであり、使用する圧電体薄膜の膜品質に大きく依存する。 Electromechanical coupling factor is an important parameter which influences the performance in a resonator or filter, greatly depends on the film quality of the piezoelectric thin film to be used.
電気機械結合係数を改善することで、音響的品質係数(Q値)を改善することができる。 To improve the electromechanical coupling coefficient, it is possible to improve the acoustic quality factor (Q value).

【0008】そこで、本発明は、弾性波の伝播速度が速いというAlN薄膜の特長を活かしつつ、電気機械結合係数が大きく、音響的品質係数(Q値)、帯域幅及び周波数温度特性に優れ、従来のものに比べて著しく高特性で高性能な圧電薄膜共振子を提供することを目的とする。 [0008] Therefore, the present invention is, while utilizing the characteristics of the AlN thin film in that they have a high propagation speed of the acoustic wave, large electromechanical coupling coefficient, acoustic quality factor (Q value), excellent bandwidth and frequency temperature characteristic, and to provide a high-performance piezoelectric thin-film resonator in significantly higher performance compared to the prior art.

【0009】 [0009]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、AlN薄膜を圧電体薄膜としてSiなどの基板上に備えたFBA The present inventors Means for Solving the Problems] is provided on a substrate such as Si and AlN thin film as a piezoelectric film FBA
Rの共振特性が、AlN薄膜にアルカリ土類金属や希土類金属などの第三成分を添加することにより著しく改善されることを見出した。 Resonance characteristics of R were found to be significantly improved by adding a third component such as an alkali earth metal or rare earth metal in AlN thin films. そして、第三成分を添加した高品質のAlN薄膜をFBARに使用することにより、電気機械結合係数が大きく、Q値、帯域幅及び周波数温度特性に優れた高性能なFBARを実現できることを見出し、本発明に到達した。 Then, by using the high-quality AlN thin film obtained by adding a third component to the FBAR, heading large electromechanical coupling coefficient, Q value, that a high-performance FBAR having excellent bandwidth and frequency-temperature characteristic can be realized, and it reached the present invention.

【0010】即ち、本発明によれば、上記の目的を達成するものとして、基板と、該基板上に形成された圧電積層構造体とを有しており、前記圧電積層構造体の一部を含んで振動部が構成されており、前記圧電積層構造体は下部電極、圧電体膜および上部電極を前記基板の側からこの順に積層してなるものであり、前記基板は前記振動部に対応する領域にて該振動部の振動を許容する空隙を形成している圧電薄膜共振子において、前記圧電体膜がアルカリ土類金属及び/または希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜であることを特徴とする圧電薄膜共振子、が提供される。 [0010] That is, according to the present invention, in order to achieve the above object, the substrate has a piezoelectric laminated structure formed on the substrate, a portion of the piezoelectric laminated structure comprise vibrating section is configured, the piezoelectric laminated structure is formed by laminating a lower electrode, a piezoelectric film and an upper electrode in this order from the side of the substrate, said substrate corresponding to said vibrating section in the piezoelectric thin-film resonator that forms a gap that allows the vibration of the vibrating portion in the region, the piezoelectric film is characterized in that an aluminum nitride thin film containing an alkaline earth metal and / or rare earth metal the piezoelectric thin film resonator, is provided.

【0011】本発明の一態様においては、前記圧電体膜における前記アルカリ土類金属及び前記希土類金属の含有量は0.2〜3.0原子%である。 [0011] In one aspect of the present invention, the content of the alkaline earth metals and the rare earth metal in the piezoelectric film is 0.2 to 3.0 atomic%. 本発明の一態様においては、前記圧電体膜は、C軸配向を示し、(000 In one aspect of the present invention, the piezoelectric film shows a C-axis orientation, (000
2)面のX線回折ピークのロッキング・カーブ半値幅が3.0°以下である。 Rocking curve half width of the X-ray diffraction peaks of 2) plane is 3.0 ° or less. 本発明の一態様においては、前記圧電体膜は、C軸長が0.4978〜0.4993nm In one aspect of the present invention, the piezoelectric film, the C-axis length 0.4978~0.4993nm
である。 It is. 本発明の一態様においては、前記圧電体膜は、 In one aspect of the present invention, the piezoelectric film,
(0002)面のX線回折ピークの2θ回転角の半値幅が0.6°以下である。 (0002) FWHM of 2θ rotation angle of the X-ray diffraction peaks of the surface is 0.6 ° or less.

【0012】本発明の一態様においては、前記基板と前記圧電積層構造体との間には下地膜が形成されており、 [0012] In one aspect of the present invention has the base film is formed between the substrate and the piezoelectric laminated structure,
前記振動部は前記下地膜の一部をも含んで構成されている。 The vibration unit is configured to include also a portion of the underlying film. 本発明の一態様においては、前記下地膜は酸化シリコンを主成分とする誘電体膜、窒化シリコンを主成分とする誘電体膜または酸化シリコンを主成分とする誘電体膜と窒化シリコンを主成分とする誘電体膜との積層膜である。 In one aspect of the present invention, composed mainly of the underlayer dielectric film mainly containing silicon oxide, dielectric films and silicon nitride as a main component a dielectric film or a silicon oxide as a main component silicon nitride a laminated film of a dielectric film to.

【0013】本発明の一態様においては、前記基板はシリコン単結晶からなる。 [0013] In one aspect of the present invention, the substrate is made of silicon single crystal. 本発明の一態様においては、前記上部電極は互いに離隔して形成された第1の電極部と第2の電極部とからなる。 In one aspect of the present invention, consisting of the upper electrode is the first electrode portion and a second electrode portion formed spaced apart from each other.

【0014】本発明の一態様においては、2.0〜3. [0014] In one aspect of the present invention, from 2.0 to 3.
0GHzの範囲における共振周波数及び反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数が4.5%以上である。 Electromechanical coupling coefficient obtained from the measured values ​​of the resonance frequency and anti-resonance frequency in the range of 0GHz is 4.5% or more.

【0015】本発明では、AlN薄膜形成時に、薄膜原料としてアルカリ土類金属または希土類金属を添加することにより、これらの第三成分を含有するAlN薄膜を形成し、これをFBARの圧電体膜となす。 In the present invention, when the AlN thin film formed, by adding an alkaline earth metal or rare earth metal as a thin film material, to form an AlN thin film containing these third component, which the FBAR of the piezoelectric film eggplant. アルカリ土類金属または希土類金属の添加により、AlNの結晶格子に固溶する酸素の濃度を低減できるばかりでなく、C The addition of alkaline earth metals or rare earth metals, not only can reduce the concentration of oxygen dissolved in the crystal lattice of AlN, C
軸配向AlN粒子の粒界の結合強度を高めることができ、共振子及びフィルターとしての性能が大幅に向上するものと考えられる。 It is possible to enhance the bonding strength of the grain boundary of the shaft oriented AlN particles, resonators and performance as a filter can be considered to be greatly improved.

【0016】 [0016]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS will be described in detail embodiments of the present invention.

【0017】図1は本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図であり、図2はそのX−X断面図である。 [0017] Figure 1 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention, FIG. 2 is a sectional view taken along line X-X. これらの図において、圧電薄膜共振子11は基板12、該基板12の上面上に形成された下地膜13 In these figures, the piezoelectric thin film resonator 11 base film 13 formed on the upper surface of the substrate 12, the substrate 12
及び該下地膜13の上面上に形成された圧電積層構造体14を有する。 And a piezoelectric laminated structure 14 formed on the upper surface of the lower Chimaku 13. 圧電積層構造体14は、下地膜13の上面上に形成された下部電極15、該下部電極15の一部を覆うようにして下地膜13の上面上に形成された圧電体膜16および該圧電体膜16の上面上に形成された上部電極17からなる。 Piezoelectric laminated structure 14 includes a lower electrode 15 formed on the upper surface of the base film 13, the piezoelectric film 16 and the piezoelectric formed on the upper surface of the base film 13 so as to cover a portion of the lower electrode 15 an upper electrode 17 formed on the upper surface of the body film 16. 基板12には、空隙を形成するビアホール20が形成されている。 The substrate 12, a via hole 20 for forming a void is formed. 下地膜13の一部はビアホール20に向けて露出している。 Some of the base film 13 is exposed toward the via hole 20. この下地膜13の露出部分、及びこれに対応する圧電積層構造体14の部分が振動部(振動ダイヤフラム)21を構成する。 The exposed portion of the underlying film 13, and the portion of the piezoelectric laminated structure 14 corresponding thereto constituting the vibrating portion (vibrating diaphragm) 21. また、下部電極15及び上部電極17は、振動部21に対応する領域内に形成された主体部15a,17aと、該主体部15a,17aと外部回路との接続のための端子部15b,17bを有する。 The lower electrode 15 and upper electrode 17, the vibrating unit 21 main body portion 15a formed in the corresponding region, and 17a, the main body portion 15a, the terminal portion 15b for connection to 17a and the external circuit, 17b having. 端子部15b,17bは振動部21に対応する領域外に位置する。 Terminal portions 15b, 17b is positioned outside the region corresponding to the vibration unit 21.

【0018】基板12としては、Si(100)単結晶などの単結晶、または、Si単結晶などの基材の表面にシリコン、ダイヤモンドその他の多結晶膜を形成したものを用いることができる。 [0018] As the substrate 12 is a single crystal such as Si (100) single crystal, or silicon on the surface of the substrate such as Si single crystal, it is possible to use a material obtained by forming a diamond other polycrystalline film. 基板12のビアホール20の形成方法としては、基板下面側からの異方性エッチング法が例示される。 As a method of forming the via hole 20 of the substrate 12, anisotropic etching method from the substrate lower surface are exemplified. 尚、基板12に形成される空隙は、ビアホール20によるものには限定されず、振動部21の振動を許容するものであればよく、該振動部21に対応する基板上面領域に形成した凹部であってもよい。 Incidentally, the gap formed on the substrate 12 is not limited to by the via hole 20, as long as it allows the vibration of the vibrating section 21, in recesses formed on the upper surface of the substrate regions corresponding to the vibrating section 21 it may be.

【0019】下地膜13としては、絶縁膜、たとえば酸化シリコン(SiO 2 )を主成分とする誘電体膜、窒化シリコン(SiN x )を主成分とする誘電体膜及び酸化シリコンを主成分とする誘電体膜と窒化シリコンを主成分とする誘電体膜との積層膜を用いることができる。 [0019] as a base film 13, an insulating film, for example, a dielectric film mainly containing silicon oxide (SiO 2), as a main component a dielectric film and a silicon oxide as a main component silicon nitride (SiN x) a dielectric film and the silicon nitride may be used a laminated film of a dielectric film composed mainly. この下地膜13の材質について、主成分とは、誘電体膜中の含有量が50原子%以上である成分を指す。 The material of the base film 13, the main component refers to components content in the dielectric layer is 50 atomic% or more. 誘電体膜は単層からなるものであってもよいし、密着性を高めるための層などを付加した複数層からなるものであってもよい。 The dielectric film may be made of a single layer, or may be a plurality of layers obtained by adding such as a layer for enhancing the adhesion. 下地膜13の厚さは、例えば0.2〜2.0μm The thickness of the base film 13 is, for example 0.2~2.0μm
である。 It is. 下地膜13の形成方法としては、シリコンからなる基板12の表面の熱酸化法やCVD法が例示される。 As a method of forming the base film 13, a thermal oxidation method or a CVD method on the surface of the substrate 12 made of silicon is exemplified.

【0020】下部電極15及び上部電極17としては、 [0020] As the lower electrode 15 and upper electrode 17,
モリブデン(Mo)、タングステン(W)、白金(P Molybdenum (Mo), tungsten (W), platinum (P
t)とチタン(Ti)との積層膜(Pt/Ti)、アルミニウム(Al)、金(Au)とクロム(Cr)との積層膜(Au/Cr)などを用いることができる。 Laminated film of t) and titanium (Ti) (Pt / Ti), aluminum (Al), multilayer film (Au / Cr of gold (Au) and chromium (Cr)) or the like can be used. 熱弾性損失が低いことから、Moが好適である。 Since thermoelastic loss is low, Mo is preferred. 例えば、Mo For example, Mo
の熱弾性損失はAlの約1/56である。 Thermoelastic loss is about 1/56 of the Al. Mo単体だけでなく、Mo合金または適当な密着層の上にMo電極を形成して使用することも可能である。 Mo alone as well, it is also possible to use by forming a Mo electrode on the Mo alloy or a suitable adhesion layer. 下部電極15及び上部電極17の厚さは、例えば50〜200nmである。 The thickness of the lower electrode 15 and upper electrode 17 is, for example, 50 to 200 nm. 下部電極15及び上部電極17の形成方法としては、スパッタ法または蒸着法が例示され、更に必要に応じて所要の形状へのパターニングのためにフォトリソグラフィー技術が用いられる。 As a method for forming the lower electrode 15 and upper electrode 17, a sputtering method or a vapor deposition method is exemplified, photolithographic techniques are used for patterning into a desired shape if necessary.

【0021】下部電極15の主体部15aを基板12の上面におけるビアホール20の矩形状開口の2辺を通って該開口内へと延出させた場合には、下部電極15による振動部21の保持が可能となるので、下地膜13を省略することも可能である。 [0021] If is extended and the main portion 15a of the lower electrode 15 to the open mouth through the two sides of the rectangular opening of the via hole 20 in the top surface of the substrate 12, the holding of the oscillating portion 21 by the lower electrode 15 since it is possible, it is also possible to omit the base film 13.

【0022】圧電体膜16は、AlN膜からなり、その厚さは例えば0.3〜3.0μmである。 The piezoelectric film 16 is made of an AlN film, a thickness of 0.3~3.0μm example. 圧電体膜16 The piezoelectric film 16
のAlN膜は、カルシウム、ストロンチウム及びバリウムなどのアルカリ土類金属またはイットリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、ディスプロシウム、エルビウム、イッテルビウムなどの希土類金属を第三成分として含有している。 AlN films are contained calcium, alkaline earth metal or yttrium, such as strontium and barium, europium, gadolinium, dysprosium, erbium, a rare earth metal such as ytterbium as a third component. 圧電体膜16の形成方法としては、反応性スパッタ法が例示され、更に必要に応じて所要の形状へのパターニングのためにフォトリソグラフィー技術が用いられる。 The method for forming the piezoelectric film 16, a reactive sputtering method and the like, photolithographic techniques are used for patterning into a desired shape if necessary.

【0023】一般に圧電材料の圧電特性は、結晶の分極の大きさや分極軸の配列などに依存する。 The piezoelectric characteristics of a general piezoelectric material depends on such sequence size and the polarization axis of the polarization of the crystal. 本発明の圧電薄膜共振子の圧電体膜においても、その圧電性は薄膜を構成する結晶のドメイン構造、配向性及び結晶性などの結晶性状に依存すると考えられる。 Also in the piezoelectric film of the piezoelectric thin-film resonator of the present invention, the piezoelectric properties domain structure of crystals constituting the thin film, will depend on the crystal properties such as orientation and crystallinity. 本明細書において単一配向膜とは、基板表面と平行に目的とする結晶面が揃っている結晶化膜のことを意味する。 The single orientation film herein means a crystallized film in which crystal plane in parallel with the purpose and the substrate surface are aligned. 例えば、(000 For example, (000
1)単一配向膜は、膜面と平行に(0001)面が成長している膜を意味する。 1) single orientation film means a film parallel to the (0001) plane and the film plane are growing. 具体的には、ディフラクトメータ法によるX線回折測定を行った場合に、AlN結晶に起因した目的とする回折面以外の反射ピークがほとんど検出できないものを意味する。 Specifically, when performing X-ray diffraction measurement using diffractometer method, it means one reflection peak other than the diffraction plane of interest due to AlN crystal can hardly be detected. 例えば、(000L)単一配向膜、即ち、C軸単一配向膜は、θ−2θ回転のX For example, (000L) unidirectionally oriented film, ie, C-axis unidirectionally oriented film, the theta-2 [Theta] rotation X
線回折測定で(000L)面以外の反射強度が(000 In ray diffraction measurement (000L) reflection intensity other than surface (000
L)面反射の最大ピーク強度の5%未満、好ましくは2 Less than 5% of the maximum peak intensity of the L) plane reflection, preferably 2
%未満、さらに好ましくは検出限界以下のものである。 Less than%, further preferably not more than the detection limit.
なお(000L)面は、(0001)系列の面、即ち(0001)面、(0002)面及び(0004)面などの等価な面を総称する表示である。 Note (000L) plane, (0001) plane of the sequence, i.e., (0001) plane is a display which collectively equivalent planes such as (0002) and (0004) plane.

【0024】本発明者らは、図1及び図2に示す構成のFBARにおいて、その共振特性がAlN薄膜の組成や結晶性にどのように依存するのかについて検討した。 [0024] The present inventors have found that in FBAR having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was examined for its resonance characteristics or to rely on how the composition and crystallinity of the AlN thin film. その結果、AlN薄膜からなる圧電体膜を有するFBAR Consequently, FBAR having piezoelectric film of AlN thin
の共振特性が、AlN薄膜の組成や結晶性に大きく依存することを見出した。 Resonance characteristics of the were found to greatly depends on the composition and crystallinity of the AlN thin film. 即ち、良好な共振特性を得るためには、AlN薄膜にカルシウム、ストロンチウム、バリウムなどのアルカリ土類金属、またはイットリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、ディスプロシウム、エルビウム、イッテルビウムなどの希土類金属の添加が有効である。 That is, in order to obtain excellent resonance characteristics, calcium AlN thin film, strontium, alkaline earth metals such as barium or yttrium, europium, gadolinium, dysprosium, erbium, and effective addition of rare earth metals such as ytterbium, is there. その含有量は、好ましくは0.2〜3.0原子% Its content is preferably 0.2 to 3.0 atomic%
(Atom%)である。 It is a (Atom%). 0.2Atom%未満の場合には第三成分添加による共振特性改善の効果が低下し、一方3.0Atom%を越える場合には結晶粒界に偏析する第三成分の量が多くなり音響波を散乱させ共振特性の劣化が生ずる傾向にある。 If it is less than 0.2Atom% decreases the effect of resonance characteristic improvement by the third component added, whereas the acoustic wave increases the amount of the third component segregated to the grain boundaries when exceeding 3.0Atom% scattered thereby tend to deteriorate the resonance characteristics occurs.

【0025】アルカリ土類金属または希土類金属を含有するAlN薄膜は、C軸配向を示し、X線回折法により測定した(0002)面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FWHM)は3.0°以下である。 The AlN thin film containing an alkaline earth metal or rare earth metal, a C-axis orientation, the diffraction peak measured by X-ray diffraction method (0002) plane rocking curve half width (FWHM) is 3.0 ° is less than or equal to. ロッキング・カーブ半値幅(FWHM)が3.0°を超えると、電気機械結合係数k t 2が低下し、共振特性が劣化する傾向にある。 When the rocking curve full-width half maximum (FWHM) exceeds 3.0 °, it reduces the electromechanical coupling coefficient k t 2, there is a tendency that the resonance characteristics are deteriorated. さらに、ロッキング・カーブ半値幅(F In addition, the rocking curve full width at half maximum (F
WHM)が過度に大きくなると、下部電極端子部15b When WHM) becomes excessively large, the lower electrode terminal 15b
と上部電極端子部17bとの間に電流リークが発生しやすくなる傾向にある。 And current leakage between the upper electrode terminal portions 17b tends to easily occur.

【0026】アルカリ土類金属または希土類元素を含有するAlN薄膜のC軸長は0.4978〜0.4993 [0026] C-axis length of the AlN thin film containing an alkaline earth metal or rare earth elements 0.4978 to 0.4993
nmであることが好ましい。 It is preferable that the nm. C軸長が0.4978より小さくても、0.4993nmより大きくても、電気機械結合係数k t 2及び音響的品質係数(Q値)が低下し、 Be C-axis length is less than 0.4978, even greater than 0.4993Nm, electromechanical coupling coefficient k t 2 and acoustic quality factor (Q value) is decreased,
共振特性が悪化する傾向にある。 There is a tendency that the resonance characteristics are deteriorated. また、ディフラクトメータ法により測定した(0002)面のX線回折ピークの2θ回転角の半値幅(FWHM)は0.6°以下であることが好ましい。 Was also measured by diffractometer method FWHM of 2θ rotation angle of the X-ray diffraction peaks of the (0002) plane (FWHM) is preferably at 0.6 ° or less. 2θ回転角の半値幅(FWHM)が0.6°を超えると、やはり、電気機械結合係数k t 2及び音響的品質係数(Q値)が低下し、共振特性が悪化する傾向にある。 The half-value width of 2θ rotation angle (FWHM) exceeds 0.6 °, again, electromechanical coupling coefficient k t 2 and acoustic quality factor (Q value) decreases, there is a tendency that the resonance characteristics are deteriorated.

【0027】図3は本発明による圧電薄膜共振子の更に別の実施形態を示す模式的平面図であり、図4はそのX [0027] Figure 3 is a schematic plan view showing still another embodiment of the piezoelectric thin film resonator according to the present invention, FIG. 4 is the X
−X断面図である。 -X is a cross-sectional view. これらの図において、上記図1及び図2におけると同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。 In these figures, it is denoted by the same reference numerals to members having the same functions as in FIGS. 1 and 2.

【0028】本実施形態では、下部電極15は矩形状をなしており、上部電極17は、第1の電極部17Aと第2の電極部17Bとからなる。 [0028] In this embodiment, the lower electrode 15 has a rectangular shape, the upper electrode 17 is composed of a first electrode portion 17A and the second electrode portion 17B. これら電極部17A,1 These electrode portions 17A, 1
7Bはそれぞれ主体部17Aa,17Baと端子部17 Each 7B main portion 17Aa, 17Ba and the terminal portion 17
Ab,17Bbとを有する。 Ab, and a 17Bb. 主体部17Aa,17Ba The main body portion 17Aa, 17Ba
は振動部21に対応する領域内に位置しており、端子部17Ab,17Bbは振動部21に対応する領域外に位置している。 Is located in the region corresponding to the vibration unit 21, the terminal portions 17Ab, 17Bb are positioned outside the region corresponding to the vibration unit 21.

【0029】本実施形態では、上部電極17のうちの一方(例えば第2の電極部17B)と下部電極15との間に入力電圧を印加し、上部電極17のうちの他方(例えば第1の電極部17A)と下部電極15との間の電圧を出力電圧として取り出すことができるので、スプリアスを十分に低減することができる。 [0029] In this embodiment, one of the upper electrode 17 (for example, the second electrode portions 17B) of the input voltage is applied between the lower electrode 15, of the upper electrode 17 on the other hand (for example, the first it is possible to take out the voltage between the electrode portions 17A) and the lower electrode 15 as the output voltage, it is possible to sufficiently reduce the spurious.

【0030】以上のような圧電薄膜共振子において、マイクロ波プローバを使用して測定したインピーダンス特性における共振周波数f rおよび反共振周波数f aと電気機械結合係数k t 2との間には、以下の関係 k t 2 =φ r /Tan(φ r ) φ r =(π/2)(f r /f a ) がある。 [0030] In the piezoelectric thin-film resonator as described above, between the resonance frequency f r and the antiresonance frequency f a and the electromechanical coupling coefficient k t 2 in the impedance characteristic measured by using a microwave prober, or less a relationship k t 2 = φ r / Tan (φ r) φ r = (π / 2) (f r / f a) is.

【0031】簡単のため、電気機械結合係数k t 2として、次式 k t 2 =4.8(f a −f r )/(f a +f r ) から算出したものを用いることができ、本明細書では、 [0031] For simplicity, the electromechanical coupling coefficient k t 2, can be used one calculated from the following equation k t 2 = 4.8 (f a -f r) / (f a + f r), the in the specification,
電気機械結合係数k t 2の数値は、この式を用いて算出したものを用いている。 Figures electromechanical coupling coefficient k t 2 is used as calculated using this equation.

【0032】図1,2および図3,4に示した構成のF [0032] F in the configuration shown in FIGS. 1, 2 and 3 and 4
BARにおいて、2.0〜3.0GHzの範囲における共振周波数及び反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数k t 2は4.5〜6.5%である。 In BAR, electromechanical coupling coefficient k t 2 obtained from the measured value of the resonance frequency and anti-resonance frequency in the range of 2.0~3.0GHz it is 4.5 to 6.5%. 電気機械結合係数k t 2が4.5%未満になると、作製したFBAR When the electromechanical coupling coefficient k t 2 is less than 4.5%, FBAR fabricated
の帯域幅が小さくなり、高周波域で実用に供することが難しくなる傾向にある。 Bandwidth is reduced, there is a tendency that for practical use in the high frequency band is difficult.

【0033】 [0033]

【実施例】以下に、実施例および比較例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。 EXAMPLES Hereinafter, Examples and Comparative Examples further illustrate the present invention.

【0034】[実施例1]本実施例では、以下のようにして、図1,2に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。 [0034] Example 1 In this example, as follows, to produce a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS.

【0035】即ち、厚さ250μmの(100)Si基板12の上面及び下面に、低圧CVD法により厚さ0. [0035] That is, the upper and lower surfaces of the (100) Si substrate 12 having a thickness of 250 [mu] m, the thickness of the low-pressure CVD method 0.
55μmの窒化シリコン(SiN x )層を形成した。 Silicon nitride 55μm was formed (SiN x) layer. 上面側のSiN x層を下地膜13とした。 The SiN x layer on the upper surface side and a base film 13. また、下面側のSiN x層は基板12に対する後述のビアホール形成のためのマスクのパターンに形成した。 The lower surface side of the SiN x layer was formed on the pattern of the mask for forming the via hole will be described later with respect to the substrate 12.

【0036】下地膜13の表面に、DCマグネトロンスパッタ法により厚さ200nmのMo層を形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化して下部電極15を形成した。 [0036] surface of the underlying film 13, to form a Mo layer having a thickness of 200nm by DC magnetron sputtering method to form a lower electrode 15 and patterned by photolithography. 下部電極15の主体部15aは平面寸法14 Main portion 15a of the lower electrode 15 is planar dimensions 14
0×160μmの矩形に近い形状とした。 0 × was a shape close to a rectangle 160 .mu.m. 下部電極15 Lower electrode 15
が単一配向膜であることは、X線回折測定により確認した。 It There is a single oriented film was confirmed by X-ray diffraction measurement. このMo下部電極15上に、組成中に表1に示す第三成分を含む厚さ1.55μmのAlN薄膜を形成した。 On the Mo lower electrode 15, to form an AlN thin film having a thickness of 1.55μm comprising a third component shown in Table 1 in the composition. AlN薄膜の形成は、適宜の組成を有するAl合金または金属Alの一部に希土類金属塊を埋め込んだものをターゲットとして用いた、反応性RFマグネトロンスパッタ法により行った。 Formation of AlN thin film was used as the embedded rare earth metal block in a part of the Al alloy or Al having a suitable composition as the target was carried out by reactive RF magnetron sputtering method. 熱燐酸を使用した湿式エッチングにより、AlN薄膜を所定の形状にパターン化して圧電体膜16を形成した。 By wet etching using hot phosphoric acid, to form a piezoelectric film 16 by patterning the AlN thin film in a predetermined shape. その後、DCマグネトロンスパッタ法及びリフトオフ法を使用して、厚さ200nmのMoからなる上部電極17を形成した。 Then, using a DC magnetron sputtering method and a lift-off method to form an upper electrode 17 made of Mo having a thickness of 200 nm. 上部電極17の主体部17aは平面寸法140×160μmの矩形に近い形状とし、下部電極主体部15aに対応する位置に配置した。 Main portion 17a of the upper electrode 17 is close to the rectangular planar dimensions 140 × 160 .mu.m shape, and disposed at a position corresponding to the lower electrode main portion 15a.

【0037】次に、以上のようにして得られた構造体の上下部電極15,17及び圧電体膜16の形成されている側をPMMA樹脂で被覆し、Si基板12の下面に形成したパターン状SiN x層をマスクとして、振動部2 Next, the side being formed of upper and lower electrodes 15, 17 and the piezoelectric film 16 of the above-obtained structure was coated with PMMA resin was formed on the lower surface of the Si substrate 12 pattern the Jo SiN x layer as a mask, the vibration unit 2
1に対応するSi基板12の部分をKOH水溶液でエッチング除去して、空隙となるビアホール20を形成した。 The portion of the Si substrate 12 corresponding to 1 is removed by etching in KOH aqueous solution to form a via hole 20 to be void. Si基板12の上面に形成されたビアホール開口の寸法(振動部21の平面寸法)は、200×200μm Si (plane size of the vibrating section 21) the dimensions of the via hole openings formed in the upper surface of the substrate 12, 200 × 200 [mu] m
であった。 Met.

【0038】以上の工程により得られた薄膜圧電共振子(FBAR)について、XPS分光法によりAlN圧電体膜16の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機能X線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法による薄膜X線回折測定(θ−2θ回転による格子定数測定とKα1回折ピークの半値幅(FWHM)測定)と(0 [0038] The above thin-film piezoelectric resonator obtained in the step (FBAR), performs composition analysis of the AlN piezoelectric film 16 by XPS spectroscopy using a multifunctional X-ray diffraction apparatus for surface structure evaluation, (half-value width of the lattice constant by theta-2 [theta] rotation measurement and Kα1 diffraction peak (FWHM) measurement) thin film X-ray diffraction measurement using diffractometer method with (0
002)回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FW 002) diffraction peak of the rocking curve full width at half maximum (FW
HM)測定とを行った。 HM) were carried out and the measurement. XPS分光法により測定したA A measured by XPS spectroscopy
lN圧電体膜16の酸素含有量は0.5Atm%未満であった。 Oxygen content of lN piezoelectric film 16 was less than 0.5 ATM%. AlN圧電体膜16の組成および結晶性の評価結果を表1に示す。 The evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN piezoelectric film 16 shown in Table 1.

【0039】また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用して、上記薄膜圧電共振子の電極端子15b,17b間のインピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数f r Further, by using the microwave prober and a network analyzer manufactured by Cascade Microtech, the electrode terminals 15b of the thin film piezoelectric resonator, the measured impedance characteristic between 17b, the resonance frequency f r
および反共振周波数f aの測定値から、電気機械結合係数k t 2 、周波数温度特性τ f及び音響的品質係数Qを求めた。 And from the measured value of the antiresonance frequency f a, the electromechanical coupling coefficient k t 2, determine the frequency-temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q. 得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k t 2 、周波数温度特性τ f及び音響的品質係数Qは表2に示す通りであった。 The resulting fundamental frequency of thickness vibration of the piezoelectric thin film resonator, the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q were as shown in Table 2.

【0040】[実施例2〜4]本実施例では、以下のようにして、図1,2に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。 [0040] In Example 2-4 In this example, as follows, to produce a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS.

【0041】即ち、厚さ300μmのSi基板12の上面及び下面に、熱酸化法により厚さ0.2〜0.7μm [0041] That is, the upper and lower surfaces of the Si substrate 12 having a thickness of 300 [mu] m, the thickness 0.2~0.7μm by thermal oxidation
の範囲内の酸化シリコン(SiO 2 )層を形成した。 Silicon oxide in the range of the formation of the (SiO 2) layer. 上面側のSiO 2層を下地膜13とした。 An SiO 2 layer on the upper surface and the base film 13. また、下面側のSiO 2層は基板12に対する後述のビアホール形成のためのマスクのパターンに形成した。 The lower surface side SiO 2 layer was formed in a pattern of a mask for forming a via hole will be described later with respect to the substrate 12.

【0042】下地膜13の表面に、DCマグネトロンスパッタ法により厚さ15nmのTi層とその上の厚さ1 [0042] surface of the underlying film 13, thereon a Ti layer having a thickness of 15nm by DC magnetron sputtering thickness 1
00nmのPt層との積層膜を形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化して下部電極15を形成した。 Forming a stacked film of a Pt layer of nm, to form a lower electrode 15 and patterned by photolithography.
下部電極15の主体部15aは平面寸法140×160 The planar dimensions main portion 15a of the lower electrode 15 140 × 160
μmの矩形に近い形状とした。 It was a shape close to a rectangle of μm. 下部電極15が単一配向膜であることは、X線回折測定により確認した。 Lower electrode 15 is a single oriented film was confirmed by X-ray diffraction measurement. 即ち、 In other words,
θ−2θ回転ディフラクトメータ法において、(11 In theta-2 [Theta] rotation diffractometer method, (11
1)系列の面以外の回折ピーク強度は検出限界以下、すなわち、(111)面の最大ピーク強度の0.5%以下であった。 1) the diffraction peak intensity of other than the surface of the series below the detection limit, i.e., 0.5% or less of the maximum peak intensity of the (111) plane. このPt/Ti下部電極15上に、組成中に表1に示す第三成分を含むAlN薄膜を形成した。 On the Pt / Ti bottom electrode 15 was formed an AlN thin film containing a third component shown in Table 1 in the composition. Al Al
N薄膜の厚さは、表2に示す通りである。 The thickness of the N film is shown in Table 2. AlN薄膜の形成は、適宜の組成を有するAl合金または金属Alの一部に希土類金属塊を埋め込んだものをターゲットとして用いた、反応性RFマグネトロンスパッタ法により行った。 Formation of AlN thin film was used as the embedded rare earth metal block in a part of the Al alloy or Al having a suitable composition as the target was carried out by reactive RF magnetron sputtering method. 熱燐酸を使用した湿式エッチングにより、AlN By wet etching using hot phosphoric acid, AlN
薄膜を所定の形状にパターン化して圧電体膜16を形成した。 To form a piezoelectric film 16 by patterning the thin film into a predetermined shape. その後、DCマグネトロンスパッタ法及びリフトオフ法を使用して、厚さ100nmのAlからなる上部電極17を形成した。 Then, using a DC magnetron sputtering method and a lift-off method to form an upper electrode 17 made of Al having a thickness of 100 nm. 上部電極17の主体部17aは平面寸法140×160μmの矩形に近い形状とし、下部電極主体部15aに対応する位置に配置した。 Main portion 17a of the upper electrode 17 is close to the rectangular planar dimensions 140 × 160 .mu.m shape, and disposed at a position corresponding to the lower electrode main portion 15a.

【0043】次に、以上のようにして得られた構造体の上下部電極15,17及び圧電体膜16の形成されている側をPMMA樹脂で被覆し、Si基板12の下面に形成したパターン状SiO 2層をマスクとして、振動部2 Next, the side being formed of upper and lower electrodes 15, 17 and the piezoelectric film 16 of the above-obtained structure was coated with PMMA resin was formed on the lower surface of the Si substrate 12 pattern the Jo SiO 2 layer as a mask, the vibration unit 2
1に対応するSi基板12の部分をKOH水溶液でエッチングして、空隙となるビアホール20を形成した。 The portion of the Si substrate 12 corresponding to 1 by etching with KOH aqueous solution to form a via hole 20 to be void. S
i基板12の上面に形成されたビアホール開口の寸法(振動部21の平面寸法)は、200×200μmであった。 i dimension of the top surface in a contact hole formed in the opening of the substrate 12 (plane size of the vibrating portion 21) was 200 × 200 [mu] m.

【0044】以上の工程により得られた薄膜圧電共振子(FBAR)について、XPS分光法によりAlN圧電体膜16の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機能X線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法による薄膜X線回折測定(θ−2θ回転による格子定数測定とKα1回折ピークの半値幅(FWHM)測定)と(0 [0044] The above thin-film piezoelectric resonator obtained in the step (FBAR), performs composition analysis of the AlN piezoelectric film 16 by XPS spectroscopy using a multifunctional X-ray diffraction apparatus for surface structure evaluation, (half-value width of the lattice constant by theta-2 [theta] rotation measurement and Kα1 diffraction peak (FWHM) measurement) thin film X-ray diffraction measurement using diffractometer method with (0
002)回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FW 002) diffraction peak of the rocking curve full width at half maximum (FW
HM)測定とを行った。 HM) were carried out and the measurement. XPS分光法により測定したA A measured by XPS spectroscopy
lN圧電体膜16の酸素含有量は0.5Atm%未満であった。 Oxygen content of lN piezoelectric film 16 was less than 0.5 ATM%. AlN圧電体膜16の組成および結晶性の評価結果を表1に示す。 The evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN piezoelectric film 16 shown in Table 1.

【0045】また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用して、上記薄膜圧電共振子の電極端子15b,17b間のインピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数f r Further, by using the microwave prober and a network analyzer manufactured by Cascade Microtech, the electrode terminals 15b of the thin film piezoelectric resonator, the measured impedance characteristic between 17b, the resonance frequency f r
および反共振周波数f aの測定値から、電気機械結合係数k t 2 、周波数温度特性τ f及び音響的品質係数Qを求めた。 And from the measured value of the antiresonance frequency f a, the electromechanical coupling coefficient k t 2, determine the frequency-temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q. 得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k t 2 、周波数温度特性τ f及び音響的品質係数Qは表2に示す通りであった。 The resulting fundamental frequency of thickness vibration of the piezoelectric thin film resonator, the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q were as shown in Table 2.

【0046】[実施例5]本実施例では、以下のようにして、図3,4に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。 [0046] In Embodiment 5] This embodiment, as described below, to produce a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS.

【0047】上下部電極15,17の形状及び寸法を除いて実施例1と同様の工程を実施した。 [0047] it was carried out same process as in Example 1 except for the shape and dimensions of the upper and lower electrodes 15 and 17. 下部電極15は振動部21に対応する領域を含むように延びている平面寸法120×280μmの矩形状のものとし、上部電極17はそれぞれ平面寸法65×85μmの矩形に近い形状の主体部17Aa,17Baが間隔20μmをおいて配置されたものとした。 The lower electrode 15 is a rectangular shape of the planar dimensions 120 × 280 .mu.m extending to include the area corresponding to the vibrating portion 21, having a shape close to a rectangle each upper electrode 17 planar dimensions 65 × 85 .mu.m main portion 17Aa, 17Ba is assumed that spaced 20 [mu] m.

【0048】以上の工程により得られた薄膜圧電共振子(FBAR)について、XPS分光法によりAlN圧電体膜16の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機能X線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法による薄膜X線回折測定(θ−2θ回転による格子定数測定とKα1回折ピークの半値幅(FWHM)測定)と(0 [0048] The above thin-film piezoelectric resonator obtained in the step (FBAR), performs composition analysis of the AlN piezoelectric film 16 by XPS spectroscopy using a multifunctional X-ray diffraction apparatus for surface structure evaluation, (half-value width of the lattice constant by theta-2 [theta] rotation measurement and Kα1 diffraction peak (FWHM) measurement) thin film X-ray diffraction measurement using diffractometer method with (0
002)回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FW 002) diffraction peak of the rocking curve full width at half maximum (FW
HM)測定とを行った。 HM) were carried out and the measurement. XPS分光法により測定したA A measured by XPS spectroscopy
lN圧電体膜16の酸素含有量は0.5Atm%未満であった。 Oxygen content of lN piezoelectric film 16 was less than 0.5 ATM%. AlN圧電体膜16の組成および結晶性の評価結果を表1に示す。 The evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN piezoelectric film 16 shown in Table 1.

【0049】また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバを使用して、上記薄膜圧電共振子の下部電極15の端子部(図3,4で左側の露出部分)を接地電極に接続し、上部電極17Aの端子部17Abから信号を入力し、上部電極17Bの端子部17Bbから出力信号を取り出して、ネットワークアナライザで信号の強度及び波形などを解析した。 [0049] Further, using manufactured by Cascade Microtech Inc. microwave prober, the terminal portion of the lower electrode 15 of the thin film piezoelectric resonator (the exposed portion of the left side in FIGS. 3 and 4) is connected to the ground electrode, the upper electrode inputs the signal from the 17A terminal portion 17Ab of taking out the output signal from the terminal portion 17Bb of the upper electrode 17B, it was analyzed such as a signal strength and a waveform with a network analyzer. 共振周波数f rおよび反共振周波数f aの測定値から、電気機械結合係数k t 2 、周波数温度特性τ f及び音響的品質係数Qを求めた。 From the measured values of the resonance frequency f r and the antiresonance frequency f a, the electromechanical coupling coefficient k t 2, determine the frequency-temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q. 得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k t 2 、周波数温度特性τ f及び音響的品質係数Qは表2に示す通りであった。 The resulting fundamental frequency of thickness vibration of the piezoelectric thin film resonator, the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q were as shown in Table 2.

【0050】[実施例6〜8]本実施例では、以下のようにして、図3,4に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。 [0050] In Example 6-8 In this example, as follows, to produce a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS.

【0051】上下部電極15,17の形状及び寸法を除いて実施例2〜4と同様の工程を実施した。 [0051] it was carried out same process as in Example 2-4 except for the shape and dimensions of the upper and lower electrodes 15 and 17. 下部電極1 Lower electrode 1
5は振動部21に対応する領域を含むように延びている平面寸法150×300μmの矩形状のものとし、上部電極17はそれぞれ平面寸法70×90μmの矩形に近い形状の主体部17Aa,17Baが間隔20μmをおいて配置されたものとした。 5 is assumed rectangular planar dimensions 0.99 × 300 [mu] m extending to include the area corresponding to the vibrating portion 21, main portion 17Aa having a shape close to a rectangle each upper electrode 17 planar dimensions 70 × 90 [mu] m, is 17Ba and shall spaced 20 [mu] m.

【0052】以上の工程により得られた薄膜圧電共振子(FBAR)について、XPS分光法によりAlN圧電体膜16の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機能X線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法による薄膜X線回折測定(θ−2θ回転による格子定数測定とKα1回折ピークの半値幅(FWHM)測定)と(0 [0052] The above thin-film piezoelectric resonator obtained in the step (FBAR), performs composition analysis of the AlN piezoelectric film 16 by XPS spectroscopy using a multifunctional X-ray diffraction apparatus for surface structure evaluation, (half-value width of the lattice constant by theta-2 [theta] rotation measurement and Kα1 diffraction peak (FWHM) measurement) thin film X-ray diffraction measurement using diffractometer method with (0
002)回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FW 002) diffraction peak of the rocking curve full width at half maximum (FW
HM)測定とを行った。 HM) were carried out and the measurement. XPS分光法により測定したA A measured by XPS spectroscopy
lN圧電体膜16の酸素含有量は0.5Atm%未満であった。 Oxygen content of lN piezoelectric film 16 was less than 0.5 ATM%. AlN圧電体膜16の組成および結晶性の評価結果を表1に示す。 The evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN piezoelectric film 16 shown in Table 1.

【0053】また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバを使用して、上記薄膜圧電共振子の下部電極15の端子部(図3,4で左側の露出部分)を接地電極に接続し、上部電極17Aの端子部17Abから信号を入力し、上部電極17Bの端子部17Bbから出力信号を取り出して、ネットワークアナライザで信号の強度及び波形などを解析した。 [0053] Further, using manufactured by Cascade Microtech Inc. microwave prober, the terminal portion of the lower electrode 15 of the thin film piezoelectric resonator (the exposed portion of the left side in FIGS. 3 and 4) is connected to the ground electrode, the upper electrode inputs the signal from the 17A terminal portion 17Ab of taking out the output signal from the terminal portion 17Bb of the upper electrode 17B, it was analyzed such as a signal strength and a waveform with a network analyzer. 共振周波数f rおよび反共振周波数f aの測定値から、電気機械結合係数k t 2 、周波数温度特性τ f及び音響的品質係数Qを求めた。 From the measured values of the resonance frequency f r and the antiresonance frequency f a, the electromechanical coupling coefficient k t 2, determine the frequency-temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q. 得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k t 2 、周波数温度特性τ f及び音響的品質係数Qは表2に示す通りであった。 The resulting fundamental frequency of thickness vibration of the piezoelectric thin film resonator, the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q were as shown in Table 2.

【0054】[比較例1,2]AlN薄膜形成時に第三成分であるアルカリ土類金属や希土類金属を添加しないこと以外は、それぞれ実施例1,5と同様の工程を実行して、図1,2に示されている構造の圧電薄膜共振子または図3,4に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。 [0054] except that Comparative Examples 1 and 2 without the addition of a third component an alkali earth metal or rare earth metal is at AlN thin film formation, by performing the same steps as the respective Examples 1 and 5, FIG. 1 We were prepared piezoelectric thin film resonator having the structure shown in the piezoelectric thin-film resonator or 3 and 4 of the structure shown in 2.

【0055】以上の工程により得られた薄膜圧電共振子(FBAR)について、XPS分光法によりAlN圧電体膜の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機能X [0055] The obtained thin film piezoelectric resonator (FBAR) By the steps described above, performs composition analysis of the AlN piezoelectric film by XPS spectroscopy, the surface structure evaluation Multifunctional X
線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法による薄膜X線回折測定(θ−2θ回転による格子定数測定とK Use ray diffraction device, the lattice constant measurement by thin film X-ray diffraction measurement (theta-2 [Theta] rotation by diffractometer method with K
α1回折ピークの半値幅(FWHM)測定)と(000 Half-width of α1 diffraction peak and (FWHM) measurement) (000
2)回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FWH 2) diffraction peak of the rocking curve full width at half maximum (FWH
M)測定とを行った。 It was carried out and M) measurement. XPS分光法により測定したAl Al measured by XPS spectroscopy
N薄膜の酸素含有量は比較例1,2とも約2.5Atm Oxygen content of the N films about both Comparative Examples 1, 2 2.5 atm
%であった。 %Met. 実施例1〜8と同様の操作で分析評価を行ったが、AlN薄膜の品質が悪い為に、XPS分析までに膜が酸化されて酸素含有量が増加した可能性もある。 Were subjected to assay in the same manner as in Example 1-8, in order quality AlN thin film is poor, possibly oxygen content is membrane oxidation until XPS analysis is increased.
AlN薄膜の組成および結晶性の評価結果を表1に示す。 The evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN thin film are shown in Table 1.

【0056】また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用して、それぞれ実施例1,5と同様にしてインピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数f rおよび反共振周波数f aの測定値から、電気機械結合係数k t 2 、周波数温度特性τ f及び音響的品質係数Qを求めた。 [0056] Further, by using the microwave prober and a network analyzer manufactured by Cascade Microtech, respectively in Example 1 and 5 with measuring the impedance characteristics in the same manner, the measurement of the resonance frequency f r and the antiresonance frequency f a from the values, the electromechanical coupling coefficient k t 2, determine the frequency-temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q. 得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k t 2 、周波数温度特性τ f及び音響的品質係数Qは表2に示す通りであった。 The resulting fundamental frequency of thickness vibration of the piezoelectric thin film resonator, the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q were as shown in Table 2.

【0057】尚、表1には、各実施例におけるそれぞれの組成の(0001)配向AlN結晶のC軸格子定数の測定結果が記載されている。 [0057] Incidentally, in Table 1, the measurement results of the C-axis lattice constant of the respective compositions of (0001) oriented AlN crystal is described in each example. 薄膜においては、冷却過程でのSi基板との熱膨張係数差、下部電極との格子のミスマッチによる残留応力、AlN結晶内部の格子欠陥の存在などにより、バルクのAlN結晶とは異なる格子定数を示す。 In the thin film shows a difference in thermal expansion coefficient between the Si substrate in the cooling process, the residual stress due to the lattice mismatch between the lower electrode, due the presence of the AlN crystal internal lattice defects, the lattice constant different from the bulk AlN crystals .

【0058】以上の結果から、アルカリ土類金属または希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜を用いたF [0058] From the above results, F using aluminum nitride thin film containing an alkaline earth metal or rare earth metal
BARは従来にない高特性を示すことが明らかとなった。 BAR was found to exhibit a high characteristic unprecedented. これは、アルカリ土類金属または希土類金属を添加することにより、圧電体膜である窒化アルミニウムの結晶格子に固溶する酸素濃度を低減でき、配向性、結晶性ならびに粒界強度が改善されることに基づくものと考えられる。 This can be achieved by adding an alkaline earth metal or rare earth metal, it can be reduced oxygen concentration which forms a solid solution in the crystal lattice of the aluminum nitride is a piezoelectric film, orientation, the crystallinity and the grain boundary strength is improved It is considered to be based on. このアルカリ土類金属または希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜を共振子やフィルター等に適用した場合には、音響的品質係数(Q値)や周波数温度特性などの性能が向上する。 The aluminum nitride thin film containing an alkaline earth metal or rare earth metal when applied to resonators, filters, etc., to improve the performance such as the acoustic quality factor (Q value) and the frequency-temperature characteristic.

【0059】 [0059]

【表1】 [Table 1]

【0060】 [0060]

【表2】 [Table 2]

【0061】 [0061]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電薄膜共振子によれば、圧電体膜としてアルカリ土類金属または希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜を用いているので、電気機械結合係数、音響的品質係数(Q値) As described in the foregoing, according to the piezoelectric thin-film resonator of the present invention, since an aluminum nitride thin film containing an alkaline earth metal or rare earth metal as the piezoelectric film, the electromechanical coupling coefficient, acoustic quality factor (Q value)
及び周波数温度特性の向上が可能となる。 And it is possible to improve the frequency-temperature characteristic.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

【図1】本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図である。 Is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the invention; FIG.

【図2】図1のX−X断面図である。 2 is a sectional view taken along line X-X of FIG.

【図3】本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図である。 Figure 3 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention.

【図4】図3のX−X断面図である。 4 is a sectional view taken along line X-X of FIG.

【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS

11 圧電薄膜共振子 12 基板 13 下地膜 14 圧電積層構造体 15 下部電極 15a 下部電極主体部 15b 下部電極端子部 16 圧電体膜 17 上部電極 17a 上部電極主体部 17b 上部電極端子部 17A 上部電極の第1電極部 17Aa 第1電極部の主体部 17Ab 第1電極部の端子部 17B 上部電極の第2電極部 17Ba 第2電極部の主体部 17Bb 第2電極部の端子部 20 ビアホール 21 振動部 11 of the piezoelectric thin film resonator 12 substrate 13 underlying film 14 piezoelectric laminated structure 15 the lower electrode 15a lower electrode main body portion 15b lower electrode terminal 16 piezoelectric film 17 upper electrode 17a upper electrode main body portion 17b upper electrode terminal portions 17A upper electrode first first electrode portion 17Aa main portion 17Ab second electrode portions 17Ba main portion 17Bb terminal portion 20 via hole 21 vibrating portion of the second electrode portion of the second electrode portion of the first electrode portion terminal portion 17B upper electrode of the first electrode portion

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 智仙 山口県宇部市大字小串1978番地の5 宇部 興産株式会社宇部研究所内 Fターム(参考) 5J108 BB08 CC04 CC08 CC11 ────────────────────────────────────────────────── ─── front page of the continuation (72) inventor Hashimoto SatoshiSen Ube City, Yamaguchi Prefecture, Oaza Kogushi 1978 address of 5 Ube Kosan Co., Ltd. Ube Institute in the F-term (reference) 5J108 BB08 CC04 CC08 CC11

Claims (10)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】 基板と、該基板上に形成された圧電積層構造体とを有しており、前記圧電積層構造体の一部を含んで振動部が構成されており、前記圧電積層構造体は下部電極、圧電体膜および上部電極を前記基板の側からこの順に積層してなるものであり、前記基板は前記振動部に対応する領域にて該振動部の振動を許容する空隙を形成している圧電薄膜共振子において、 前記圧電体膜がアルカリ土類金属及び/または希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜であることを特徴とする圧電薄膜共振子。 And 1. A substrate has a piezoelectric laminated structure formed on the substrate, the vibrating portion includes a portion of the piezoelectric laminated structure is constituted, the piezoelectric laminated structure are those formed by laminating a lower electrode, a piezoelectric film and an upper electrode in this order from the side of the substrate, the substrate forms a gap that allows the vibration of the vibrating portion in a region corresponding to the vibration part in the piezoelectric thin-film resonator in which a piezoelectric thin film resonator in which the piezoelectric film is characterized in that aluminum nitride thin film containing an alkaline earth metal and / or rare earth metals.
  2. 【請求項2】 前記圧電体膜における前記アルカリ土類金属及び前記希土類金属の含有量は0.2〜3.0原子%であることを特徴とする、請求項1に記載の圧電薄膜共振子。 Wherein the content of the alkaline earth metals and the rare earth metal in the piezoelectric film may be equal to 0.2 to 3.0 atomic%, the piezoelectric thin-film resonator as claimed in claim 1 .
  3. 【請求項3】 前記圧電体膜は、C軸配向を示し、(0 Wherein the piezoelectric film shows a C-axis orientation, (0
    002)面のX線回折ピークのロッキング・カーブ半値幅が3.0°以下であることを特徴とする、請求項1〜 Wherein the rocking curve half width of the X-ray diffraction peak of 002) plane is 3.0 ° or less, claim 1
    2のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin-film resonator as claimed in any one of 2.
  4. 【請求項4】 前記圧電体膜は、C軸長が0.4978 Wherein said piezoelectric film, the C-axis length 0.4978
    〜0.4993nmであることを特徴とする、請求項1 Characterized in that it is a ~0.4993Nm, claim 1
    〜3のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin-film resonator as claimed in any one of to 3.
  5. 【請求項5】 前記圧電体膜は、(0002)面のX線回折ピークの2θ回転角の半値幅が0.6°以下であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 Wherein said piezoelectric film, the half-value width of 2θ rotation angle of the X-ray diffraction peaks of the (0002) plane is equal to or is 0.6 ° or less, in any one of claims 1 to 4 the piezoelectric thin-film resonator as claimed.
  6. 【請求項6】 前記基板と前記圧電積層構造体との間には下地膜が形成されており、前記振動部は前記下地膜の一部をも含んで構成されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 6. and the base film is formed between the substrate and the piezoelectric laminated structure, the vibration unit is characterized by being configured to include also a portion of the underlayer, the piezoelectric thin-film resonator as claimed in any one of claims 1 to 5.
  7. 【請求項7】 前記下地膜は酸化シリコンを主成分とする誘電体膜、窒化シリコンを主成分とする誘電体膜または酸化シリコンを主成分とする誘電体膜と窒化シリコンを主成分とする誘電体膜との積層膜であることを特徴とする、請求項6に記載の圧電薄膜共振子。 Wherein said base film has a dielectric film mainly containing silicon oxide, dielectric mainly containing dielectric film and a silicon nitride as a main component a dielectric film or a silicon oxide as a main component silicon nitride characterized in that it is a laminated film of a body membrane, piezoelectric thin-film resonator as claimed in claim 6.
  8. 【請求項8】 前記基板はシリコン単結晶からなることを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 Wherein said substrate is characterized in that it consists of a silicon single crystal, the piezoelectric thin-film resonator as claimed in any one of claims 1 to 7.
  9. 【請求項9】 前記上部電極は互いに離隔して形成された第1の電極部と第2の電極部とからなることを特徴とする、請求項1〜8のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 Wherein said upper electrode is characterized in that it consists first of electrode portions and the second electrode portion formed spaced apart from each other, the piezoelectric thin film resonator according to claim 1 Child.
  10. 【請求項10】 2.0〜3.0GHzの範囲における共振周波数及び反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数が4.5%以上であることを特徴とする、請求項1〜9のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 Characterized in that at 10. electromechanical coupling coefficient obtained from the measured values ​​of the resonance frequency and anti-resonance frequency in the range of 2.0~3.0GHz 4.5% or more, claim 1 to 9 the piezoelectric thin-film resonator as claimed in any one of.
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