JP2002374145A - Piezoelectric thin-film resonator - Google Patents

Piezoelectric thin-film resonator

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JP2002374145A
JP2002374145A JP2001182196A JP2001182196A JP2002374145A JP 2002374145 A JP2002374145 A JP 2002374145A JP 2001182196 A JP2001182196 A JP 2001182196A JP 2001182196 A JP2001182196 A JP 2001182196A JP 2002374145 A JP2002374145 A JP 2002374145A
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JP
Japan
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piezoelectric
film
substrate
thin film
solid solution
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Application number
JP2001182196A
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Japanese (ja)
Inventor
Tetsuo Yamada
哲夫 山田
Tomonori Hashimoto
智仙 橋本
Keigo Nagao
圭吾 長尾
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Ube Electronics Ltd
Original Assignee
Ube Electronics Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric thin-film resonator where electromechanical coupling coefficient is large, an acoustic quality coefficient (Q-value) and frequency/temperature characteristics are superior or its performance is superior in characteristics, such as bandwidth, insertion loss and gain. SOLUTION: The resonator is provided with a substrate 12 and a piezoelectric laminated structure body 14, formed on the substrate 12 via an insulator layer 13. A vibration part 21 is constituted of the insulator layer 13 and a part of the piezoelectric laminated structure body 14, which is formed by laminating a lower part electrode 15, a piezoelectric film 16 and an upper electrode 17. In the substrate 12, an air gap 20 which allows vibration of the vibration part 21, is formed in a region corresponding to the vibration part 21. The piezoelectric film 16 is an orientated crystal film, composed of solid solution of aluminum nitride and gallium nitride which is represented by general formula Al1-x Gax N (where 0<x<1) or a solid solution of aluminum nitride and indium nitride which is represented by general formula Al1-y Iny N (where 0<y<1).

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
利用される薄膜共振器、薄膜VCO(電圧制御発振
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 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric device used in a wide range of fields, such as a thin film resonator used in a mobile communication device, a thin film VCO (voltage controlled oscillator), a thin film filter, a transmission / reception switching device and various sensors. The present invention relates to an element using a body 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。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
e Acoustic Wave:SAW)素子の使用
が拡大している。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。
2. Description of the Related Art Devices utilizing the piezoelectric phenomenon are used in a wide range of fields. As mobile devices such as mobile phones have become smaller and have lower power consumption, surface acoustic waves (Sulfac) have been used as RF and IF filters for such devices.
The use of e Acoustic Wave (SAW) devices is expanding. This SAW filter has responded to the strict requirements of the user by improving the design and production technology. However, as the frequency of use has become higher, the limit of the characteristic improvement has been approached. Both sides require great technological innovation.

【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
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。FBARまたは
SBAR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・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 the other hand, a thin-film bulk acoustic resonator utilizing the thickness vibration of a piezoelectric thin film (FilmBulk Acousse).
Tic Resonator (FBAR) is formed by forming a thin film mainly composed of a piezoelectric material and an electrode for driving the thin film on a thin supporting film provided on a substrate, and is capable of fundamental resonance in a gigahertz band. . If the filter is composed of FBAR or SBAR, it can be remarkably miniaturized, low loss and wide band operation is possible, and it can be integrated with the semiconductor integrated circuit. Have been.

【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。シリコンなどの半導体単結晶基板や、
シリコンウエハーなどの上に多結晶ダイヤモンドの膜を
形成してなる基板や、エリンバーなどの恒弾性金属から
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。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。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。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。
A piezoelectric thin film element applied to a resonator, a filter, and the like utilizing such an elastic wave is manufactured as follows. Semiconductor single crystal substrates such as silicon,
A dielectric thin film, a conductive thin film, or a thin film of these materials may be formed on a surface of a substrate formed by forming a polycrystalline diamond film on a silicon wafer or the like or a substrate formed of a constant elastic metal such as Elinvar by various thin film forming methods. A base film made of a laminated film is formed. A piezoelectric thin film is formed on this underlayer,
Further, an upper structure is formed as needed. After each film is formed or after all the films are formed, each film is subjected to physical processing or chemical processing to perform fine processing or patterning. After forming a floating structure in which a portion of the piezoelectric thin film located below the vibrating portion is removed from the substrate by anisotropic etching, the piezoelectric thin film device is separated for each element unit to obtain a piezoelectric thin film device.

【0005】例えば、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
分を除去して、ビアホールを形成することにより製造さ
れている。
For example, a piezoelectric thin film element described in Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 60-142607 has a structure in which a base film, a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode are formed on the upper surface of a substrate and then vibrated from the lower surface of the substrate. It is manufactured by removing a substrate portion below a portion to be a part and forming a via hole.

【0006】圧電体薄膜素子用の圧電体材料としては、
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
iO 3 )、チタン酸ジルコン酸鉛[PZT](Pb(Z
r,Ti)O3 )などが用いられている。特に、AlN
は、弾性波の伝播速度が速く、高周波帯域で動作する薄
膜共振器や薄膜フィルターの圧電薄膜共振子に用いられ
る圧電体材料として適している。
As a piezoelectric material for a piezoelectric thin film element,
Aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), sulfur
Cadmium (CdS), lead titanate [PT] (PbT
iO Three ), Lead zirconate titanate [PZT] (Pb (Z
r, Ti) OThree ) Is used. In particular, AlN
Has a high elastic wave propagation speed and operates in a high frequency band.
Used in piezoelectric thin film resonators for membrane resonators and thin film filters
It is suitable as a piezoelectric material.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】これまで、AlN薄膜
をFBARまたはSBARに適用するために、種々の検
討が行われてきた。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。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。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。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)をも改善することができる。
Various studies have hitherto been made to apply an AlN thin film to an FBAR or SBAR. However, a thin film resonator or a thin film filter exhibiting sufficient performance in the gigahertz band has not yet been obtained, and the acoustic quality factor (Q
Value), frequency temperature coefficient and insertion loss are desired. A thin film piezoelectric element which is excellent in all of acoustic quality factor (Q value), wide band operation and frequency temperature characteristics and has high performance resonance characteristics has not been proposed. The electromechanical coupling coefficient is an important parameter that affects the performance of a resonator or a filter when it is configured, and greatly depends on the film quality of a piezoelectric thin film used. By improving the electromechanical coupling coefficient,
The acoustic quality factor (Q value) can also be improved.

【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)、周波数温度特
性に優れ、あるいは帯域幅、挿入損失、利得などの特性
面で従来のものに比べて著しく高性能な圧電薄膜共振子
を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention takes advantage of the characteristics of an AlN thin film that the propagation speed of an elastic wave is high, and has a large electromechanical coupling coefficient, an excellent acoustic quality coefficient (Q value), excellent frequency temperature characteristics, or a bandwidth. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric thin-film resonator having significantly higher performance than conventional ones in terms of characteristics such as insertion loss and gain.

【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
RまたはSBARの共振特性が、電極となる金属薄膜と
AlN薄膜との界面における格子整合の状態に大きく依
存しており、AlNに対して、同じウルツ鉱型の結晶構
造を有する窒化ガリウム(GaN)または窒化インジウ
ム(InN)を添加して、結晶格子のa軸長を制御する
ことにより、その共振特性が著しく改善されることを見
出し、本発明に到達した。
SUMMARY OF THE INVENTION The present inventors have developed an FBA having an AlN thin film as a piezoelectric thin film on a substrate such as Si.
The resonance characteristics of R or SBAR greatly depend on the state of lattice matching at the interface between the metal thin film serving as an electrode and the AlN thin film, and gallium nitride (GaN) having the same wurtzite crystal structure with respect to AlN Alternatively, it has been found that by adding indium nitride (InN) to control the a-axis length of the crystal lattice, the resonance characteristics thereof are significantly improved, and the present invention has been achieved.

【0010】即ち、GaN結晶のa軸長は0.319n
m前後の値であり、InN結晶のa軸長は0.353n
m前後の値であり、これらはAlN結晶のa軸長(0.
311nm前後の値)よりも大きい、このため、AlN
の結晶格子にGaNまたはInNを固溶させることによ
り、a軸長を大きくし、下部電極を構成する金属結晶の
特定方位の格子長との一致度を改善し、良好な格子整合
関係を実現することができる。
That is, the a-axis length of the GaN crystal is 0.319 n
m, and the a-axis length of the InN crystal is 0.353 n
m, which are the values of the a-axis length (0.
(Values around 311 nm).
Solid solution of GaN or InN in the crystal lattice of Example 1 to increase the a-axis length, improve the degree of coincidence with the lattice length of a specific orientation of the metal crystal constituting the lower electrode, and realize a good lattice matching relationship. be able to.

【0011】即ち、本発明によれば、上記の目的を達成
するものとして、圧電体膜とその両面にそれぞれ形成さ
れた電極とを含む圧電積層構造体の一部を含んで振動部
が構成される圧電薄膜共振子であって、前記圧電体膜は
一般式Al1-x Gax N(但し、0<x<1)で表され
る窒化アルミニウムと窒化ガリウムとの固溶体または一
般式Al1-y Iny N(但し、0<y<1)で表される
窒化アルミニウムと窒化インジウムとの固溶体よりなる
配向性結晶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。
That is, according to the present invention, as a means for achieving the above object, a vibrating portion is constituted including a part of a piezoelectric laminated structure including a piezoelectric film and electrodes formed on both surfaces thereof. Wherein the piezoelectric film is a solid solution of aluminum nitride and gallium nitride represented by the general formula Al 1-x Ga x N (where 0 <x <1) or the general formula Al 1 -x a piezoelectric thin-film resonator characterized in that it is an oriented crystal film made of a solid solution of aluminum nitride and indium nitride represented by y In y N (where 0 <y <1);
Is provided.

【0012】本発明の一態様においては、前記圧電積層
構造体は複数の圧電体膜と該複数の圧電体膜のそれぞれ
の両面にそれぞれ形成された電極とを含んでいる。本発
明の一態様においては、前記圧電積層構造体はその周辺
部が基板に支持され且つ中央部が前記振動部を構成して
いる。
In one embodiment of the present invention, the piezoelectric laminated structure includes a plurality of piezoelectric films and electrodes formed on both surfaces of each of the plurality of piezoelectric films. In one aspect of the present invention, the peripheral portion of the piezoelectric laminated structure is supported by a substrate, and the central portion constitutes the vibrating portion.

【0013】また、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
この順に積層した構造を含んでなるものであり、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であって、前
記圧電体膜は一般式Al1-x Gax N(但し、0<x<
1)で表される窒化アルミニウムと窒化ガリウムとの固
溶体または一般式Al1-y Iny N(但し、0<y<
1)で表される窒化アルミニウムと窒化インジウムとの
固溶体よりなる配向性結晶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。
According to the present invention, in order to achieve the above object, there is provided a substrate, and a piezoelectric laminated structure formed on the substrate, and a part of the piezoelectric laminated structure is provided. And a vibrating section is configured, wherein the piezoelectric laminated structure includes a structure in which a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are laminated in this order from the substrate side, and the substrate includes the vibrating section. And a void that allows the vibrating portion to vibrate in a region corresponding to the piezoelectric thin film resonator, wherein the piezoelectric film has a general formula of Al 1-x Ga x N (where 0 <x <
1) a solid solution of aluminum nitride and gallium nitride or a general formula Al 1-y In y N (where 0 <y <
A piezoelectric thin-film resonator characterized in that it is an oriented crystal film made of a solid solution of aluminum nitride and indium nitride represented by 1).

【0014】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 embodiment of the present invention, the upper electrode includes a first electrode portion and a second electrode portion formed apart from each other.

【0015】更に、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、第1の圧電体膜、内部電極、第2の圧電体膜
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
膜共振子であって、前記第1の圧電体膜及び前記第2の
圧電体膜はいずれも一般式Al1-x GaxN(但し、0
<x<1)で表される窒化アルミニウムと窒化ガリウム
との固溶体または一般式Al1-y Iny N(但し、0<
y<1)で表される窒化アルミニウムと窒化インジウム
との固溶体よりなる配向性結晶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。
Further, according to the present invention, in order to achieve the above object, there is provided a substrate and a piezoelectric laminated structure formed on the substrate, and a part of the piezoelectric laminated structure is provided. A vibrating part is configured, and the piezoelectric laminated structure is formed by laminating a lower electrode, a first piezoelectric film, an internal electrode, a second piezoelectric film, and an upper electrode in this order from the substrate side. Wherein the substrate is a piezoelectric thin-film resonator forming an air gap allowing vibration of the vibrating portion in a region corresponding to the vibrating portion, wherein the first piezoelectric film and the second Each of the piezoelectric films has a general formula of Al 1-x Ga x N (where 0
<X <1), a solid solution of aluminum nitride and gallium nitride or a general formula Al 1-y In y N (where 0 <
A piezoelectric thin-film resonator characterized by being an oriented crystal film made of a solid solution of aluminum nitride and indium nitride represented by y <1).

【0016】以上のような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絶縁体層が形
成されており、前記振動部は前記絶縁体層の一部をも含
んで構成されている。本発明の一態様においては、前記
絶縁体層は酸化シリコン(SiO2 )を主成分とする誘
電体膜、窒化シリコン(SiNx )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
れにより、AlN系圧電薄膜共振子の高い電気機械結合
係数を維持したまま、周波数温度特性を改善し、特性・
性能の安定化を図ることができる。
In one embodiment of the present invention as described above,
An insulator layer is formed between the substrate and the piezoelectric laminated structure, and the vibrating section is configured to include a part of the insulator layer. In one embodiment of the present invention, the insulator layer is a dielectric film containing silicon oxide (SiO 2 ) as a main component, a dielectric film containing silicon nitride (SiN x ) as a main component, or containing silicon oxide as a main component. It is a laminated film of a dielectric film and a dielectric film containing silicon nitride as a main component. This improves the frequency-temperature characteristics while maintaining the high electromechanical coupling coefficient of the AlN-based piezoelectric thin-film resonator,
Performance can be stabilized.

【0017】本発明の一態様においては、前記基板は半
導体または絶縁体からなる。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。
In one embodiment of the present invention, the substrate is made of a semiconductor or an insulator. In one embodiment of the present invention, the substrate is made of silicon single crystal.

【0018】本発明の一態様においては、前記圧電体膜
または前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜は、
C軸配向を示し、(0002)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。
In one embodiment of the present invention, the piezoelectric film or the first piezoelectric film and the second piezoelectric film are:
It shows C-axis orientation, and the rocking curve half width of the X-ray diffraction peak on the (0002) plane is 3.0 ° or less.

【0019】本発明では、圧電体膜として窒化アルミニ
ウムと窒化ガリウムとの固溶体薄膜または窒化アルミニ
ウムと窒化インジウムとの固溶体薄膜を使用して、圧電
体膜と電極層の金属結晶との格子整合をはかることによ
り、圧電体膜の配向性及び結晶性が改善され、電気機械
結合係数が大きくQ値の高い圧電体膜を得ることができ
る。このような高配向性、高結晶性の圧電体薄膜を使用
してFBARまたはSBARを作製することにより、低
損失、高利得で、帯域幅、周波数温度特性などに優れた
(例えば2.0〜3.0GHzの範囲における共振周波
数と反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数
t 2が4.5%以上である)高性能なFBARまたはS
BARを実現することができる。
In the present invention, a solid solution thin film of aluminum nitride and gallium nitride or a solid solution thin film of aluminum nitride and indium nitride is used as the piezoelectric film, and lattice matching between the piezoelectric film and the metal crystal of the electrode layer is performed. Thereby, the orientation and crystallinity of the piezoelectric film are improved, and a piezoelectric film having a large electromechanical coupling coefficient and a high Q value can be obtained. By manufacturing an FBAR or SBAR using such a highly oriented and highly crystalline piezoelectric thin film, the FBAR or the SBAR has low loss, high gain, excellent bandwidth, excellent frequency temperature characteristics (for example, 2.0 to 2.0). The electromechanical coupling coefficient K t 2 obtained from the measured values of the resonance frequency and the anti-resonance frequency in the range of 3.0 GHz is 4.5% or more.) High performance FBAR or S
BAR can be realized.

【0020】[0020]

【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。
Embodiments of the present invention will be described below in detail.

【0021】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。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絶縁体層1
3及び該絶縁体層13の上面上に形成された圧電積層構
造体14を有する。圧電積層構造体14は、絶縁体層1
3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絶縁体層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。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。絶縁体層13
の一部はビアホール20に向けて露出している。この絶
縁体層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。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,1
7a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。端子部15b,
17bは振動部21に対応する領域外に位置する。
FIG. 1 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along line XX of FIG. In these figures, a piezoelectric thin film resonator 11 includes a substrate 12 and an insulator layer 1 formed on the upper surface of the substrate 12.
3 and a piezoelectric laminated structure 14 formed on the upper surface of the insulator layer 13. The piezoelectric laminated structure 14 is composed of the insulating layer 1
3, a lower electrode 15 formed on the upper surface of
The piezoelectric film 16 is formed on the upper surface of the insulator layer 13 so as to cover a part of the piezoelectric film 16 and the upper electrode 17 formed on the upper surface of the piezoelectric film 16. Via holes 20 are formed in the substrate 12 to form voids. Insulator layer 13
Are exposed toward the via hole 20. The exposed portion of the insulator layer 13 and the corresponding portion of the piezoelectric laminated structure 14 constitute a vibrating portion (vibrating diaphragm) 21. In addition, the lower electrode 15 and the upper electrode 17 are connected to the main portions 15a, 1 formed in a region corresponding to the vibrating portion 21.
7a and terminals 15b and 17b for connecting the main parts 15a and 17a to an external circuit. Terminal portion 15b,
17b is located outside the area corresponding to the vibration part 21.

【0022】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。基板12としては、その他の
半導体更には絶縁体を用いることも可能である。基板1
2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。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。
As the substrate 12, a single crystal such as a Si (100) single crystal, or a substrate in which a silicon, diamond or other polycrystalline film is formed on the surface of a substrate such as a Si single crystal can be used. As the substrate 12, other semiconductors or even insulators can be used. Substrate 1
An example of a method of forming the second via hole 20 is an anisotropic etching method from the lower surface side of the substrate. Note that the gap formed in the substrate 12 is not limited to the one formed by the via hole 20 and may be any that allows the vibration of the vibrating part 21, and may be a recess formed in the substrate upper surface area corresponding to the vibrating part 21. There may be.

【0023】絶縁体層13としては、たとえば酸化シリ
コン(SiO2 )を主成分とする誘電体膜、窒化シリコ
ン(SiNx )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。この絶縁
体層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。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。絶縁体層13の厚さは、例えば0.2〜2.0μm
である。絶縁体層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 the insulator layer 13, for example, a dielectric film mainly containing silicon oxide (SiO 2 ), a dielectric film mainly containing silicon nitride (SiN x ), and a dielectric film mainly containing silicon oxide A stacked film of a film and a dielectric film containing silicon nitride as a main component can be used. With respect to the material of the insulating layer 13, the main component refers to a component whose content in the dielectric film is 50 atomic% or more. The dielectric film may be composed of a single layer, or may be composed of a plurality of layers to which a layer or the like for improving adhesion is added. The thickness of the insulator layer 13 is, for example, 0.2 to 2.0 μm.
It is. Examples of a method for forming the insulator layer 13 include a thermal oxidation method and a CVD method on the surface of the substrate 12 made of silicon.

【0024】下部電極15及び上部電極17としては、
モリブデン(Mo)、タングステン(W)、白金(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)、金(Au)とチタン(Ti)との
積層膜(Au/Ti)などを用いることができる。熱弾
性損失が低いことから、Moが好適である。例えば、M
oの熱弾性損失はAlの約1/56である。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。下部電極15及
び上部電極17の厚さは、例えば50〜200nmであ
る。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 the lower electrode 15 and the upper electrode 17,
Molybdenum (Mo), tungsten (W), platinum (P
t) and a laminated film (Pt / Ti) of titanium (Ti), aluminum (Al), a laminated film (Au / Cr) of gold (Au) and chromium (Cr), and gold (Au) and titanium (Ti) And the like (Au / Ti). Mo is preferred because of its low thermoelastic loss. For example, M
The thermoelastic loss of o is about 1/56 of Al. Not only Mo alone, but also a Mo alloy or a Mo electrode formed on a suitable adhesion layer can be used. The thickness of the lower electrode 15 and the upper electrode 17 is, for example, 50 to 200 nm. Examples of a method for forming the lower electrode 15 and the upper electrode 17 include a sputtering method and a vapor deposition method, and a photolithography technique is used for patterning into a required shape as needed.

【0025】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、絶縁体層13を
省略することも可能である。
When the main portion 15a of the lower electrode 15 is extended into two sides of the rectangular opening of the via hole 20 on the upper surface of the substrate 12, the vibrating portion 21 is held by the lower electrode 15. Therefore, the insulator layer 13 can be omitted.

【0026】圧電体膜16は、AlNとGaNとの固溶
体またはAlNとInNとの固溶体からなり、その厚さ
は例えば0.3〜3.0μmである。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 piezoelectric film 16 is made of a solid solution of AlN and GaN or a solid solution of AlN and InN, and has a thickness of, for example, 0.3 to 3.0 μm. As a method for forming the piezoelectric film 16, a reactive sputtering method is exemplified, and a photolithography technique is used for patterning into a required shape as needed.

【0027】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。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。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。例えば、(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。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、一般式Al
1-x Gax N(但し、0<x<1)で表されるAlNと
GaNとの固溶体の結晶または一般式Al 1-y Iny
(但し、0<y<1)で表されるAlNとInNとの固
溶体の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。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線回折測定で(000L)面以外の反射
強度が(000L)面反射の最大ピーク強度の5%未
満、好ましくは2%未満、さらに好ましくは検出限界以
下のものである。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。
In general, the piezoelectric properties of a piezoelectric material depend on the polarization of the crystal.
And the arrangement of the polarization axes. Piezoelectric of the present invention
The piezoelectricity of a piezoelectric film of a thin-film resonator
Domain structure, orientation and crystallinity of the constituent crystals
It is considered to depend on the crystal properties. In this specification,
A mono-oriented film has a target crystal plane aligned parallel to the substrate surface.
Means a crystallized film. For example, (000
1) The (0001) plane grows in parallel with the film plane of the single alignment film
Means a film that has Specifically, the diffractomer
When an X-ray diffraction measurement is performed by the
1-x Gax N (where 0 <x <1) and AlN
Crystal of solid solution with GaN or general formula Al 1-y Iny N
(However, the solid state of AlN and InN represented by 0 <y <1)
Reflection peaks other than the target diffraction plane due to the crystal of the solution
It means that the mark can hardly be detected. For example,
The (000L) single alignment film, that is, the C-axis single alignment film has θ
Reflection other than (000L) plane in X-ray diffraction measurement at -2θ rotation
The intensity is less than 5% of the maximum peak intensity of (000L) surface reflection.
Full, preferably less than 2%, more preferably below the detection limit
The one below. The (000L) plane is (0001)
Series planes, that is, (0001) plane, (0002) plane and
This is a generic name of equivalent surfaces such as (0004) surface.

【0028】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系薄膜の組成
や結晶性にどのように依存するのかについて検討した。
その結果、AlN系薄膜からなる圧電体膜を有するFB
ARの共振特性が、AlN系薄膜の組成や結晶性に大き
く依存することを見出した。即ち、圧電体膜として、一
般式Al1-x Gax N(但し、0<x<1)で表される
窒化アルミニウムと窒化ガリウムとの固溶体、またはA
1-y Iny N(但し、0<y<1)で表される窒化ア
ルミニウムと窒化インジウムとの固溶体を使用して、電
極層の金属結晶との格子整合性を高めることが、圧電薄
膜共振子やこれを用いた圧電薄膜フィルターの性能を向
上させるために有効である。この性能向上のためには、
0<x<0.5,0<y<0.3であるのが好ましく、
更に好ましくは0.03<x<0.35,0.01<y
<0.15である。
The present inventors have studied how the resonance characteristics of the FBAR having the structure shown in FIGS. 1 and 2 depend on the composition and crystallinity of the AlN-based thin film.
As a result, the FB having a piezoelectric film composed of an AlN-based thin film
It has been found that the resonance characteristics of the AR greatly depend on the composition and crystallinity of the AlN-based thin film. That is, as the piezoelectric film, a solid solution of aluminum nitride and gallium nitride represented by the general formula Al 1-x Ga x N (where 0 <x <1) or A
The use of a solid solution of aluminum nitride and indium nitride represented by l 1-y In y N (where 0 <y <1) to improve the lattice matching with the metal crystal of the electrode layer is a piezoelectric thin film. This is effective for improving the performance of a resonator and a piezoelectric thin film filter using the same. To improve this performance,
It is preferable that 0 <x <0.5 and 0 <y <0.3,
More preferably, 0.03 <x <0.35, 0.01 <y
<0.15.

【0029】前記の電極材料のうち、MoまたはWの結
晶は、空間群Im-3mで表される体心立方格子に属し、P
tまたはAuの結晶は空間群Fm-3mで表される面心立方
格子に属する。スパッター法または蒸着法により形成し
た体心立方格子のMoやWの結晶は(110)配向を示
し、膜面と平行に(110)面が成長している。一方、
スパッター法または蒸着法により形成した面心立方格子
のPtやAuの結晶は(111)配向を示し、膜面と平
行に(111)面が成長している。Mo結晶の格子定数
(a軸長)は0.3147nm前後、(110)面間隔
は0.2225nm前後の値であり、W結晶の格子定数
(a軸長)は0.3165nm前後、(110)面間隔
は0.2238nm前後の値である。Pt結晶の格子定
数(a軸長)は0.3923nm前後、(111)面上
における(110)面間隔は0.2774nm前後の値
であり、Au結晶の格子定数(a軸長)は0.4079
nm前後、(111)面上における(110)面間隔は
0.2884nm前後の値である。
Among the above-mentioned electrode materials, a crystal of Mo or W belongs to a body-centered cubic lattice represented by a space group Im-3m.
The t or Au crystal belongs to a face-centered cubic lattice represented by the space group F m-3m . The crystal of Mo or W of the body-centered cubic lattice formed by the sputtering method or the vapor deposition method shows the (110) orientation, and the (110) plane grows in parallel with the film surface. on the other hand,
The crystal of Pt or Au of the face-centered cubic lattice formed by the sputter method or the vapor deposition method shows the (111) orientation, and the (111) plane grows in parallel with the film surface. The lattice constant (a-axis length) of the Mo crystal is about 0.3147 nm, the (110) plane spacing is about 0.2225 nm, and the lattice constant (a-axis length) of the W crystal is about 0.3165 nm, (110) The plane spacing is a value around 0.2238 nm. The lattice constant (a-axis length) of the Pt crystal is a value around 0.3923 nm, the (110) plane interval on the (111) plane is a value around 0.2774 nm, and the lattice constant (a-axis length) of the Au crystal is 0.10 nm. 4079
The (110) plane interval on the (111) plane is around 0.2884 nm.

【0030】本発明においては、電極層に使用する金属
が体心立方格子のMo結晶またはW結晶などの場合に
は、これらの結晶の格子定数(即ち(100)面間隔)
に注目し、電極金属結晶の格子定数(a軸長)LM100
前記のAl1-x Gax N(但し、0<x<1)系固溶体
結晶またはAl1-y Iny N(但し、0<y<1)系固
溶体結晶のa軸長LPZa との格子長のミスマッチを、1
00*(LM100−LPZa)/LM100[%]というパラメ
ーターで表す。一方、電極層に使用する金属が面心立方
格子のPt結晶またはAu結晶などの場合には、これら
の結晶の(111)面上における(110)面間隔に注
目し、電極金属結晶の(111)面上における(11
0)面間隔LM110と前記のAl1-x Gax N(但し、0
<x<1)系固溶体結晶またはAl1-y Iny N(但
し、0<y<1)系固溶体結晶の(10−10)面間隔
PZ1 との面間隔のミスマッチを、100*(LM110
PZ1 )/LM110[%]というパラメーターで表す。体
心立方格子のMo結晶またはW結晶などの(110)面
における原子配列とAl1-x Gax N(但し、0<x<
1)系固溶体結晶またはAl1-y Iny N(但し、0<
y<1)系固溶体結晶の(0001)面における原子配
列との整合性はあまり良くないので、Mo結晶またはW
結晶などとAl1-x Gax N(但し、0<x<1)系固
溶体結晶またはAl 1-y Iny N(但し、0<y<1)
系固溶体結晶との格子長のミスマッチ100*(LM100
−LPZa )/LM100[%]は1.0%以下であることが
好ましい。これに対して、面心立方格子のPt結晶また
はAu結晶などの(111)面における原子配列とAl
1-x Gax N(但し、0<x<1)系固溶体結晶または
Al1- y Iny N(但し、0<y<1)系固溶体結晶の
(0001)面における原子配列との整合性は比較的良
好であるため、Pt結晶またはAu結晶などとAl1-x
Gax N(但し、0<x<1)系固溶体結晶またはAl
1-y Iny N(但し、0<y<1)系固溶体結晶との格
子長のミスマッチ100*(LM110−LPZ1 )/LM110
は2.6%以下であることが好ましい。Mo結晶やW結
晶などの体心立方格子に関する格子長のミスマッチ10
0*(LM100−LPZa )/LM100が1.0%を超える
と、これらの金属結晶とAl1-x Gax N(但し、0<
x<1)系固溶体またはAl1-y Iny N(但し、0<
y<1)系固溶体との格子整合性が悪くなり、これらの
AlN−GaN系またはAlN−InN系の圧電体薄膜
の配向性及び結晶性が悪くなり、その結果、電気機械結
合係数kt 2及び音響的品質係数(Q値)が小さくなり、
圧電薄膜共振子や薄膜フィルターとしての性能が悪化す
る傾向にある。同様に、Pt結晶やAu結晶などの面心
立方格子に関する格子長のミスマッチ100*(LM110
−LPZ1 )/LM110が2.6%を超えると、これらの金
属結晶とAl1-x Gax N(但し、0<x<1)系固溶
体またはAl1-yIny N(但し、0<y<1)系固溶
体との格子整合性が悪くなり、これらのAlN−GaN
系またはAlN−InN系圧電体薄膜の配向性及び結晶
性が悪くなり、その結果、電気機械結合係数kt 2及び音
響的品質係数(Q値)が小さくなり、圧電薄膜共振子や
薄膜フィルターとしての性能が悪化する傾向にある。
In the present invention, the metal used for the electrode layer
Is a body-centered cubic Mo crystal or W crystal
Is the lattice constant of these crystals (ie, (100) plane spacing)
And the lattice constant (a-axis length) L of the electrode metal crystalM100When
Al1-x Gax N (however, 0 <x <1) solid solution
Crystal or Al1-y Iny N (however, 0 <y <1)
A-axis length L of solution crystalPZa The mismatch of the lattice length with
00 * (LM100-LPZa) / LM100Param [%]
Data. On the other hand, if the metal used for the electrode layer is
In the case of a lattice Pt crystal or Au crystal,
Note the spacing between (110) planes on the (111) plane of the crystal
(11) on the (111) plane of the electrode metal crystal.
0) Spacing LM110And the above Al1-x Gax N (however, 0
<X <1) system solid solution crystal or Al1-y Iny N (however
And (10-10) plane spacing of 0 <y <1) system solid solution crystal
LPZ1 100 * (LM110
LPZ1 ) / LM110It is represented by the parameter [%]. body
(110) plane of Mo crystal or W crystal with center cubic lattice
Arrangement in Al and Al1-x Gax N (however, 0 <x <
1) system solid solution crystal or Al1-y Iny N (however, 0 <
Atomic arrangement on (0001) plane of y <1) system solid solution crystal
Since the consistency with the row is not so good, the Mo crystal or W
Crystals and Al1-x Gax N (however, 0 <x <1)
Solution crystal or Al 1-y Iny N (however, 0 <y <1)
100 * (L) mismatch of lattice length with system solid solution crystalM100
-LPZa ) / LM100[%] Should be less than 1.0%
preferable. In contrast, a face-centered cubic Pt crystal or
Is the atomic arrangement on the (111) plane of Au crystal etc. and Al
1-x Gax N (where 0 <x <1) solid solution crystal or
Al1- y Iny N (where 0 <y <1) based solid solution crystal
Consistency with the atomic arrangement on the (0001) plane is relatively good
Pt crystal or Au crystal etc. and Al1-x
Gax N (however, 0 <x <1) system solid solution crystal or Al
1-y Iny N (however, 0 <y <1) type solid solution crystal
Child length mismatch 100 * (LM110-LPZ1 ) / LM110
Is preferably 2.6% or less. Mo crystal and W connection
Length mismatch 10 for body-centered cubic lattice such as crystal
0 * (LM100-LPZa ) / LM100Exceeds 1.0%
And these metal crystals and Al1-x Gax N (however, 0 <
x <1) system solid solution or Al1-y Iny N (however, 0 <
y <1) The lattice matching with the solid solution deteriorates.
AlN-GaN or AlN-InN piezoelectric thin film
Orientation and crystallinity deteriorate, resulting in electromechanical
Coefficient kt TwoAnd the acoustic quality factor (Q value) becomes smaller,
Deterioration of performance as a piezoelectric thin film resonator or thin film filter
Tend to be. Similarly, the face center of Pt crystal, Au crystal, etc.
Lattice mismatch 100 * (LM110
-LPZ1 ) / LM110Exceeds 2.6%, these gold
Genus crystals and Al1-x Gax N (however, 0 <x <1) solid solution
Body or Al1-yIny N (However, 0 <y <1) solid solution
The lattice matching with the body deteriorates, and these AlN-GaN
Orientation and crystal of AlN-based or AlN-InN-based piezoelectric thin film
And the electromechanical coupling coefficient kt TwoAnd sound
Acoustic quality factor (Q value) becomes smaller,
The performance as a thin film filter tends to deteriorate.

【0031】Al1-x Gax N(但し、0<x<1)系
固溶体薄膜またはAl1-y Iny N(但し、0<y<
1)系固溶体薄膜は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°以下であるのが好ま
しい。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kt 2が低下し、共振特
性が悪化する傾向にある。さらに、ロッキング・カーブ
半値幅(FWHM)が過度に大きくなると、下部電極端
子部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。
Al 1-x Ga x N (0 <x <1) based solid solution thin film or Al 1-y In y N (0 <y <
1) The system solid solution thin film exhibits c-axis orientation, and the rocking curve half width (FWHM) of the diffraction peak of the (0002) plane measured by the X-ray diffraction method is preferably 3.0 ° or less. Rocking curve half width (FWHM) is 3.0
When the angle exceeds °, the electromechanical coupling coefficient k t 2 decreases, and the resonance characteristics tend to deteriorate. Further, when the rocking curve half width (FWHM) is excessively large, current leakage tends to easily occur between the lower electrode terminal 15b and the upper electrode terminal 17b.

【0032】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
−X断面図である。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。
FIG. 3 is a schematic plan view showing still another embodiment of the piezoelectric thin film resonator according to the present invention, and FIG.
It is -X sectional drawing. In these drawings, members having the same functions as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.

【0033】本実施形態では、下部電極15は矩形に近
い形状をなしており、上部電極17は、第1の電極部1
7Aと第2の電極部17Bとからなる。これら電極部1
7A,17Bはそれぞれ主体部17Aa,17Baと端
子部17Ab,17Bbとを有する。主体部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。
In the present embodiment, the lower electrode 15 has a substantially rectangular shape, and the upper electrode 17 is
7A and a second electrode portion 17B. These electrode parts 1
7A and 17B have main parts 17Aa and 17Ba and terminal parts 17Ab and 17Bb, respectively. The main part 17Aa,
17Ba is located in a region corresponding to the vibrating portion 21, and the terminal portions 17Ab and 17Bb are located outside a region corresponding to the vibrating portion 21.

【0034】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、これ自体を
フィルターとして使用することができる。このような構
成のフィルターを通過帯域フィルターの構成要素として
使用することにより、阻止帯域の減衰特性が良好とな
り、フィルターとしての周波数応答性能が向上する。
In the present embodiment, an input voltage is applied between one of the upper electrodes 17 (for example, the second electrode portion 17B) and the lower electrode 15, and the other of the upper electrodes 17 (for example, the first electrode portion 17B). Since a voltage between the electrode portion 17A) and the lower electrode 15 can be taken out as an output voltage, the voltage itself can be used as a filter. By using the filter having such a configuration as a component of the pass band filter, the attenuation characteristics of the stop band are improved, and the frequency response performance of the filter is improved.

【0035】図5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6はそのX
−X断面図である。これらの図において、上記図1〜図
4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。
FIG. 5 is a schematic plan view showing still another embodiment of the piezoelectric thin film resonator according to the present invention, and FIG.
It is -X sectional drawing. In these drawings, members having the same functions as those in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals.

【0036】本実施形態は、上記実施形態の圧電積層構
造体を2つ積層したものに相当する圧電積層構造体を有
する積層薄膜バルク音響共振子(Stacked Th
inFilm Bulk Acoustic Reso
nators)である。即ち、絶縁体層13上に下部電
極15、第1の圧電体膜16−1、内部電極17’、第
2の圧電体膜16−2及び上部電極18がこの順に積層
形成されている。内部電極17’は、第1の圧電体膜1
6−1に対する上部電極としての機能と第2の圧電体膜
16−2に対する下部電極としての機能とを有する。
The present embodiment is directed to a laminated thin film bulk acoustic resonator (Stacked Th) having a piezoelectric laminated structure corresponding to a laminate of two piezoelectric laminated structures of the above embodiment.
inFilm Bulk Acoustic Reso
nators). That is, the lower electrode 15, the first piezoelectric film 16-1, the internal electrode 17 ', the second piezoelectric film 16-2, and the upper electrode 18 are laminated on the insulator layer 13 in this order. The internal electrode 17 ′ is the first piezoelectric film 1.
It has a function as an upper electrode for 6-1 and a function as a lower electrode for the second piezoelectric film 16-2.

【0037】本実施形態では、下部電極15と内部電極
17’との間に入力電圧を印加し、該内部電極17’と
上部電極18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、これ自体を多極型フィルターとして使
用することができる。この多極型フィルターを通過帯域
フィルターの構成要素として使用することにより、阻止
帯域の減衰特性が良好となり、フィルターとしての周波
数応答性能が向上する。
In this embodiment, an input voltage is applied between the lower electrode 15 and the internal electrode 17 ', and a voltage between the internal electrode 17' and the upper electrode 18 can be taken out as an output voltage. This can itself be used as a multipole filter. By using this multipole filter as a component of the pass band filter, the attenuation characteristics of the stop band are improved, and the frequency response performance of the filter is improved.

【0038】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fr および反共振周波数fa と電
気機械結合係数kt 2との間には、以下の関係 kt 2=φr /Tan(φr ) φr =(π/2)(fr /fa ) がある。
[0038] 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.

【0039】簡単のため、電気機械結合係数kt 2とし
て、次式 kt 2=4.8(fa −fr )/(fa +fr ) から算出したものを用いることができ、本明細書では、
電気機械結合係数kt 2の数値は、この式を用いて算出し
たものを用いている。
For simplicity, as the electromechanical coupling coefficient k t 2 , the one calculated from the following equation: k t 2 = 4.8 (f a −f r ) / (f a + f r ) can be used. In the statement,
Figures electromechanical coupling coefficient k t 2 is used as calculated using this equation.

【0040】図1,2、図3,4及び図5,6に示した
構成のFBARまたはSBAR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kt 2は4.5〜6.
5%であるのが好ましい。電気機械結合係数kt 2が4.
5%未満になると、作製したFBAR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。
In the FBAR or SBAR having the configuration shown in FIGS. 1, 2, 3, 4 and 5, 6, 2.0 to 3.
Electromechanical coupling coefficient k t 2 obtained from the measured value of the resonance frequency and anti-resonance frequency in the range of 0GHz is 4.5 to 6.
Preferably it is 5%. 3. The electromechanical coupling coefficient k t 2 is 4.
If it is less than 5%, the bandwidth of the manufactured FBAR becomes small, and it tends to be difficult to put the FBAR to practical use in a high frequency range.

【0041】[0041]

【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。
The present invention will be described in more detail with reference to the following Examples and Comparative Examples.

【0042】[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。
Example 1 In this example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.

【0043】即ち、熱酸化法により、厚さ350μmの
(100)Si基板12の上下両面に厚さ1.1μmの
SiO2 層を形成した後、上面側のSiO2 層のみをエ
ッチングして、上面のSiO2 層の厚さを0.28μm
に調整しSiO2 からなる絶縁体層13を形成した。こ
の絶縁体層13の上面に、DCマグネトロンスパッター
法により厚さ110nmのPt電極層(Ti密着層を含
む)を形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化
してPt/Ti下部電極15を形成した。下部電極15
の主体部15aは、平面寸法140×160μmの矩形
に近い形状とした。下部電極15が(111)配向膜即
ち単一配向膜であることは、X線回折測定により確認し
た。このPt/Ti下部電極15上に、適宜の組成を有
するAl−In合金をターゲットとして、反応性RFマ
グネトロンスパッター法により、表1に記載の条件で、
同表に示す組成のAl1-y Iny N系固溶体薄膜(圧電
体膜)を形成した。熱燐酸を使用した湿式エッチングに
より、Al1-y Iny N系固溶体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。その後、DCマ
グネトロンスパッター法とリフトオフ法を使用して、厚
さ110nmで主体部17aの平面寸法140×160
μmの矩形に近い形状のPt/Ti上部電極17を形成
した。上部電極17の主体部17aは、下部電極主体部
15aに対応する位置に配置した。次に、以上のように
して得られた構造体の下部電極15と上部電極17と圧
電体膜16との形成されている側をプロテクトワックス
で被覆し、Si基板12の下面に形成された厚さ1.1
μmのSiO2 層をパターニングして形成したマスクを
用いて、振動部21に対応するSi基板12の部分をK
OH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。
That is, after a SiO 2 layer having a thickness of 1.1 μm is formed on the upper and lower surfaces of a (100) Si substrate 12 having a thickness of 350 μm by thermal oxidation, only the SiO 2 layer on the upper surface is etched. The thickness of the upper SiO 2 layer is 0.28 μm
To form an insulator layer 13 made of SiO 2 . A Pt electrode layer (including a Ti adhesion layer) having a thickness of 110 nm was formed on the upper surface of the insulator layer 13 by a DC magnetron sputtering method, and was patterned by photolithography to form a Pt / Ti lower electrode 15. Lower electrode 15
The main portion 15a of this example has a shape close to a rectangle having a plane size of 140 × 160 μm. It was confirmed by X-ray diffraction measurement that the lower electrode 15 was a (111) oriented film, that is, a single oriented film. On this Pt / Ti lower electrode 15, using an Al—In alloy having an appropriate composition as a target by a reactive RF magnetron sputtering method under the conditions shown in Table 1,
An Al 1-y In y N-based solid solution thin film (piezoelectric film) having the composition shown in the same table was formed. The Al 1 -y In y N-based solid solution thin film was patterned into a predetermined shape by wet etching using hot phosphoric acid to form the piezoelectric film 16. Thereafter, using a DC magnetron sputtering method and a lift-off method, the main body 17a has a plane size of 140 × 160 with a thickness of 110 nm.
A Pt / Ti upper electrode 17 having a shape close to a rectangular shape of μm was formed. The main portion 17a of the upper electrode 17 was arranged at a position corresponding to the lower electrode main portion 15a. Next, the side on which the lower electrode 15, the upper electrode 17, and the piezoelectric film 16 of the structure obtained as described above are formed is covered with protect wax, and the thickness formed on the lower surface of the Si substrate 12 is formed. 1.1
Using a mask formed by patterning a μm SiO 2 layer, a portion of the Si substrate 12
The via hole 20 serving as a void was formed by etching and removing with an OH aqueous solution.

【0044】上記の工程によって製造された薄膜圧電共
振子(FBAR)について、XPS分光法によりAl
1-y Iny N系固溶体薄膜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
クトメーター法による格子定数測定と(0002)回折
ピークのロッキング・カーブ半値幅(FWHM)測定を
行った。Al1-y Iny N系固溶体薄膜の組成および結
晶性の評価結果を表1に示す。
The thin-film piezoelectric resonator (FBAR) manufactured by the above-described steps was subjected to XPS
The composition analysis of the 1-y In y N-based solid solution thin film is performed, and the lattice constant is measured by the diffractometer method and the rocking curve of the (0002) diffraction peak is measured using a multifunctional X-ray diffractometer for evaluating the surface structure. The value range (FWHM) was measured. Table 1 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the Al 1-y In y N-based solid solution thin film.

【0045】また、カスケード・マイクロテック製マイ
クロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用し
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fr
および反共振周波数fa の測定値から、電気機械結合係
数kt 2、周波数温度特性τf および音響的品質係数Qを
求めた。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kt 2、周波数温度特性τf および
音響的品質係数Qを表2に示す。
Further, using manufactured by Cascade Microtech Inc. microwave prober and a network analyzer, the electrode terminal 15b of the thin film piezoelectric resonator, the measured impedance characteristic between 17b, the resonance frequency f r
From the measured values of the anti-resonance frequency f a and the electromechanical coupling coefficient k t 2 , the frequency temperature characteristic τ f and the acoustic quality coefficient Q were determined. Fundamental frequency of the thickness vibration of the obtained piezoelectric thin film resonator, the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency-temperature characteristic tau f and acoustic quality factor Q shown in Table 2.

【0046】[実施例2]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。
Embodiment 2 In this embodiment, a piezoelectric thin-film resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.

【0047】即ち、熱酸化法により、厚さ350μmの
(100)Si基板12の上下両面に厚さ1.1μmの
SiO2 層を形成した後、上面側のSiO2 層のみをエ
ッチングして、上面のSiO2 層の厚さを表2に記載の
値に調整しSiO2 からなる絶縁体層13を形成した。
この絶縁体層13の上面に、DCマグネトロンスパッタ
ー法により表1に記載の厚さのPt電極層(Ti密着層
を含む)を形成し、フォトリソグラフィーによりパター
ン化してPt/Ti下部電極15を形成した。下部電極
15の主体部15aは、平面寸法140×160μmの
矩形に近い形状とした。下部電極15が(111)配向
膜即ち単一配向膜であることは、X線回折測定により確
認した。このPt/Ti下部電極15上に、適宜の組成
を有するAl−Ga合金をターゲットとして、反応性R
Fマグネトロンスパッター法により、表1に記載の条件
で、同表に示す組成のAl1-x Gax N系固溶体薄膜
(圧電体膜)を形成した。熱燐酸を使用した湿式エッチ
ングにより、Al1-x GaxN系固溶体薄膜を所定の形
状にパターン化して圧電体膜16を形成した。その後、
DCマグネトロンスパッター法とリフトオフ法を使用し
て、表1に記載の厚さで主体部17aの平面寸法140
×160μmの矩形に近い形状のPt/Ti上部電極1
7を形成した。上部電極17の主体部17aは、下部電
極主体部15aに対応する位置に配置した。次に、以上
のようにして得られた構造体の下部電極15と上部電極
17と圧電体膜16との形成されている側をプロテクト
ワックスで被覆し、Si基板12の下面に形成された厚
さ1.1μmのSiO2 層をパターニングして形成した
マスクを用いて、振動部21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。
That is, after a SiO 2 layer having a thickness of 1.1 μm is formed on both upper and lower surfaces of a (100) Si substrate 12 having a thickness of 350 μm by a thermal oxidation method, only the SiO 2 layer on the upper surface side is etched. The thickness of the SiO 2 layer on the upper surface was adjusted to the value shown in Table 2 to form the insulator layer 13 made of SiO 2 .
A Pt electrode layer (including a Ti adhesion layer) having a thickness shown in Table 1 is formed on the upper surface of the insulator layer 13 by DC magnetron sputtering, and is patterned by photolithography to form a Pt / Ti lower electrode 15. did. The main portion 15a of the lower electrode 15 has a shape close to a rectangle having a plane dimension of 140 × 160 μm. It was confirmed by X-ray diffraction measurement that the lower electrode 15 was a (111) oriented film, that is, a single oriented film. On this Pt / Ti lower electrode 15, a reactive R
An Al 1-x Ga x N-based solid solution thin film (piezoelectric film) having the composition shown in Table 1 was formed by F magnetron sputtering under the conditions shown in Table 1 . The piezoelectric film 16 was formed by patterning the Al 1-x Ga x N-based solid solution thin film into a predetermined shape by wet etching using hot phosphoric acid. afterwards,
Using the DC magnetron sputtering method and the lift-off method, the plane size 140 of the main portion 17a is formed at the thickness shown in Table 1.
Pt / Ti upper electrode 1 with a shape close to a rectangle of × 160 μm
7 was formed. The main portion 17a of the upper electrode 17 was arranged at a position corresponding to the lower electrode main portion 15a. Next, the side on which the lower electrode 15, the upper electrode 17, and the piezoelectric film 16 of the structure obtained as described above are formed is covered with protect wax, and the thickness formed on the lower surface of the Si substrate 12 is formed. Using a mask formed by patterning an SiO 2 layer having a thickness of 1.1 μm, portions of the Si substrate 12 corresponding to the vibrating portions 21 were removed by etching with a KOH aqueous solution to form via holes 20 serving as voids.

【0048】上記の工程によって製造された薄膜圧電共
振子(FBAR)について、XPS分光法によりAl
1-x Gax N系固溶体薄膜(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線回折装置を使用し
て、ディフラクトメーター法による格子定数測定と(0
002)回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FW
HM)測定を行った。Al1-x Gax N系固溶体薄膜の
組成および結晶性の評価結果を表1に示す。
The thin-film piezoelectric resonator (FBAR) manufactured by the above-described process was subjected to XPS
The composition analysis of the 1-x Ga x N-based solid solution thin film (piezoelectric film) was performed, and the lattice constant was measured by a diffractometer method using a multifunctional X-ray diffractometer for surface structure evaluation.
002) Rocking curve half width (FW) of diffraction peak
HM) measurements were taken. Table 1 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the Al 1-x Ga x N-based solid solution thin film.

【0049】また、カスケード・マイクロテック製マイ
クロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用し
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fr
および反共振周波数fa の測定値から、電気機械結合係
数kt 2、周波数温度特性τf および音響的品質係数Qを
求めた。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kt 2、周波数温度特性τf および
音響的品質係数Qを表2に示す。
[0049] Further, using manufactured by Cascade Microtech Inc. microwave prober and a network analyzer, the electrode terminal 15b of the thin film piezoelectric resonator, the measured impedance characteristic between 17b, the resonance frequency f r
From the measured values of the anti-resonance frequency f a and the electromechanical coupling coefficient k t 2 , the frequency temperature characteristic τ f and the acoustic quality coefficient Q were determined. Fundamental frequency of the thickness vibration of the obtained piezoelectric thin film resonator, the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency-temperature characteristic tau f and acoustic quality factor Q shown in Table 2.

【0050】[実施例3]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。
Example 3 In this example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 3 and 4 was manufactured as follows.

【0051】即ち、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120×280
μmの矩形状のものとされ、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17A
a,17Baが間隔20μmをおいて配置されたものと
され、更に絶縁体層13、下部電極15、上部電極17
及び圧電体膜16の厚さ及び材質や組成が表1及び表2
に示されているようにされたこと以外は、実施例2と同
様の工程を実行した。
That is, the lower electrode 15 has a plane size of 120 × 280 extending so as to include a region corresponding to the vibrating portion 21.
μm, and the upper electrode 17 has a main portion 17A having a plane size of 65 × 85 μm and a shape close to a rectangle.
a and 17Ba are arranged at intervals of 20 μm, and furthermore, the insulator layer 13, the lower electrode 15, the upper electrode 17
And the thickness, material and composition of the piezoelectric film 16 are shown in Tables 1 and 2.
The same steps as in Example 2 were performed, except as shown in Table 2.

【0052】実施例2と同様にして、得られた固溶体薄
膜(圧電体膜)の組成分析とX線回折測定を行った。固
溶体薄膜の組成および結晶性の評価結果を表1に示す。
In the same manner as in Example 2, the obtained solid solution thin film (piezoelectric film) was subjected to composition analysis and X-ray diffraction measurement. Table 1 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the solid solution thin film.

【0053】また、カスケード・マイクロテック製マイ
クロ波プローバーを使用して、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ーで信号
強度・波形などを解析した。共振周波数fr および反共
振周波数fa の測定値から、電気機械結合係数kt 2、周
波数温度特性τf および音響的品質係数Qを求めた。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kt 2、周波数温度特性τf および音響的品質
係数Qを表2に示す。
Further, using a microwave prober manufactured by Cascade Microtech, the terminal portion of the lower electrode 15 of the thin film piezoelectric resonator (the exposed portion on the left side in FIGS. 3 and 4) is connected to the ground electrode, and the upper electrode is connected to the upper electrode. A signal was input from the terminal portion 17Ab of the upper electrode 17A, an output signal was taken out from the terminal portion 17Bb of the upper electrode 17B, and the signal intensity and waveform were analyzed by a network analyzer. 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. Fundamental frequency of the thickness vibration of the obtained piezoelectric thin film resonator, the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency-temperature characteristic tau f and acoustic quality factor Q shown in Table 2.

【0054】[実施例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。
Embodiment 4 In this embodiment, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.

【0055】即ち、絶縁体層13、下部電極15、上部
電極17及び圧電体膜16の厚さ及び材質や組成が表1
及び表2に示されているようにされたこと以外は、実施
例2と同様の工程を実行した。ここで、絶縁体層13の
ためのSiNx 層の形成は低圧CVD法により行った。
That is, the thickness, material, and composition of the insulator layer 13, the lower electrode 15, the upper electrode 17, and the piezoelectric film 16 are shown in Table 1.
And the same steps as in Example 2 were performed, except as shown in Table 2. Here, the formation of the SiN x layer for the insulator layer 13 was performed by a low pressure CVD method.

【0056】実施例2と同様にして、得られた固溶体薄
膜(圧電体膜)の組成分析とX線回折測定を行った。固
溶体薄膜の組成および結晶性の評価結果を表1に示す。
In the same manner as in Example 2, the obtained solid solution thin film (piezoelectric film) was subjected to composition analysis and X-ray diffraction measurement. Table 1 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the solid solution thin film.

【0057】また、実施例2と同様にして得た共振周波
数fr および反共振周波数fa の測定値から、電気機械
結合係数kt 2、周波数温度特性τf および音響的品質係
数Qを求めた。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kt 2、周波数温度特性τf
および音響的品質係数Qを表2に示す。
[0057] Also, from the measured values of the resonance frequency f r and the antiresonance frequency f a which obtained in the same manner as in Example 2 to obtain the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q Was. Fundamental frequency of thickness vibration of the obtained piezoelectric thin film resonator, electromechanical coupling coefficient k t 2 , frequency temperature characteristic τ f
Table 2 shows the acoustic quality factor Q.

【0058】[実施例5]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。
Example 5 In this example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.

【0059】即ち、絶縁体層13、下部電極15、上部
電極17及び圧電体膜16の厚さ及び材質や組成が表1
及び表2に示されているようにされたこと以外は、実施
例4と同様の工程を実行した。
That is, the thickness, material, and composition of the insulator layer 13, the lower electrode 15, the upper electrode 17, and the piezoelectric film 16 are shown in Table 1.
And the same steps as in Example 4 were performed except as shown in Table 2.

【0060】実施例4と同様にして、得られた固溶体薄
膜(圧電体膜)の組成分析とX線回折測定を行った。固
溶体薄膜の組成および結晶性の評価結果を表1に示す。
In the same manner as in Example 4, the obtained solid solution thin film (piezoelectric film) was subjected to composition analysis and X-ray diffraction measurement. Table 1 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the solid solution thin film.

【0061】また、実施例4と同様にして得た共振周波
数fr および反共振周波数fa の測定値から、電気機械
結合係数kt 2、周波数温度特性τf および音響的品質係
数Qを求めた。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kt 2、周波数温度特性τf
および音響的品質係数Qを表2に示す。
[0061] Also, from the measured values of the resonance frequency f r and the antiresonance frequency f a which obtained in the same manner as in Example 4 to obtain the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q Was. Fundamental frequency of thickness vibration of the obtained piezoelectric thin film resonator, electromechanical coupling coefficient k t 2 , frequency temperature characteristic τ f
Table 2 shows the acoustic quality factor Q.

【0062】[実施例6]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。
Embodiment 6 In this embodiment, a piezoelectric thin-film resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.

【0063】即ち、絶縁体層13、下部電極15、上部
電極17及び圧電体膜16の厚さ及び材質や組成が表1
及び表2に示されているようにされたこと以外は、実施
例2と同様の工程を実行した。
That is, the thickness, material and composition of the insulator layer 13, the lower electrode 15, the upper electrode 17, and the piezoelectric film 16 are shown in Table 1.
And the same steps as in Example 2 were performed, except as shown in Table 2.

【0064】実施例2と同様にして、得られた固溶体薄
膜(圧電体膜)の組成分析とX線回折測定を行った。固
溶体薄膜の組成および結晶性の評価結果を表1に示す。
In the same manner as in Example 2, the obtained solid solution thin film (piezoelectric film) was subjected to composition analysis and X-ray diffraction measurement. Table 1 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the solid solution thin film.

【0065】また、実施例2と同様にして得た共振周波
数fr および反共振周波数fa の測定値から、電気機械
結合係数kt 2、周波数温度特性τf および音響的品質係
数Qを求めた。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kt 2、周波数温度特性τf
および音響的品質係数Qを表2に示す。
[0065] Also, from the measured values of the resonance frequency f r and the antiresonance frequency f a which obtained in the same manner as in Example 2 to obtain the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q Was. Fundamental frequency of thickness vibration of the obtained piezoelectric thin film resonator, electromechanical coupling coefficient k t 2 , frequency temperature characteristic τ f
Table 2 shows the acoustic quality factor Q.

【0066】[実施例7]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。
Embodiment 7 In this embodiment, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 3 and 4 was manufactured as follows.

【0067】即ち、絶縁体層13、下部電極15、上部
電極17及び圧電体膜16の厚さ及び材質や組成が表1
及び表2に示されているようにされたこと以外は、実施
例3と同様の工程を実行した。
That is, the thickness, material, and composition of the insulator layer 13, the lower electrode 15, the upper electrode 17, and the piezoelectric film 16 are shown in Table 1.
And the same steps as in Example 3 were performed except as shown in Table 2.

【0068】実施例3と同様にして、得られた固溶体薄
膜(圧電体膜)の組成分析とX線回折測定を行った。固
溶体薄膜の組成および結晶性の評価結果を表1に示す。
In the same manner as in Example 3, the obtained solid solution thin film (piezoelectric film) was subjected to composition analysis and X-ray diffraction measurement. Table 1 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the solid solution thin film.

【0069】また、実施例3と同様にして得た共振周波
数fr および反共振周波数fa の測定値から、電気機械
結合係数kt 2、周波数温度特性τf および音響的品質係
数Qを求めた。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kt 2、周波数温度特性τf
および音響的品質係数Qを表2に示す。
[0069] Also, from the measured values of the resonance frequency f r and the antiresonance frequency f a which obtained in the same manner as in Example 3 to obtain the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q Was. Fundamental frequency of thickness vibration of the obtained piezoelectric thin film resonator, electromechanical coupling coefficient k t 2 , frequency temperature characteristic τ f
Table 2 shows the acoustic quality factor Q.

【0070】[実施例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。
Example 8 In this example, a piezoelectric thin-film resonator having the structure shown in FIGS. 3 and 4 was manufactured as follows.

【0071】即ち、絶縁体層13、下部電極15、上部
電極17及び圧電体膜16の厚さ及び材質や組成が表1
及び表2に示されているようにされたこと以外は、実施
例3と同様の工程を実行した。
That is, the thickness, material, and composition of the insulator layer 13, the lower electrode 15, the upper electrode 17, and the piezoelectric film 16 are shown in Table 1.
And the same steps as in Example 3 were performed except as shown in Table 2.

【0072】実施例3と同様にして、得られた固溶体薄
膜(圧電体膜)の組成分析とX線回折測定を行った。固
溶体薄膜の組成および結晶性の評価結果を表1に示す。
In the same manner as in Example 3, the obtained solid solution thin film (piezoelectric film) was subjected to composition analysis and X-ray diffraction measurement. Table 1 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the solid solution thin film.

【0073】また、実施例3と同様にして得た共振周波
数fr および反共振周波数fa の測定値から、電気機械
結合係数kt 2、周波数温度特性τf および音響的品質係
数Qを求めた。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kt 2、周波数温度特性τf
および音響的品質係数Qを表2に示す。
[0073] Also, from the measured values of the resonance frequency f r and the antiresonance frequency f a which obtained in the same manner as in Example 3 to obtain the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q Was. Fundamental frequency of thickness vibration of the obtained piezoelectric thin film resonator, electromechanical coupling coefficient k t 2 , frequency temperature characteristic τ f
Table 2 shows the acoustic quality factor Q.

【0074】[実施例9]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。
Embodiment 9 In this embodiment, a piezoelectric thin-film resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.

【0075】即ち、絶縁体層13、下部電極15、上部
電極17及び圧電体膜16の厚さ及び材質や組成が表1
及び表2に示されているようにされたこと以外は、実施
例4と同様の工程を実行した。
That is, the thickness, material and composition of the insulator layer 13, the lower electrode 15, the upper electrode 17, and the piezoelectric film 16 are shown in Table 1.
And the same steps as in Example 4 were performed except as shown in Table 2.

【0076】実施例4と同様にして、得られた固溶体薄
膜(圧電体膜)の組成分析とX線回折測定を行った。固
溶体薄膜の組成および結晶性の評価結果を表1に示す。
In the same manner as in Example 4, the obtained solid solution thin film (piezoelectric film) was subjected to composition analysis and X-ray diffraction measurement. Table 1 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the solid solution thin film.

【0077】また、実施例4と同様にして得た共振周波
数fr および反共振周波数fa の測定値から、電気機械
結合係数kt 2、周波数温度特性τf および音響的品質係
数Qを求めた。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kt 2、周波数温度特性τf
および音響的品質係数Qを表2に示す。
[0077] Also, from the measured values of the resonance frequency f r and the antiresonance frequency f a which obtained in the same manner as in Example 4 to obtain the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q Was. Fundamental frequency of thickness vibration of the obtained piezoelectric thin film resonator, electromechanical coupling coefficient k t 2 , frequency temperature characteristic τ f
Table 2 shows the acoustic quality factor Q.

【0078】[実施例10]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。
Embodiment 10 In this embodiment, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 3 and 4 was manufactured as follows.

【0079】即ち、絶縁体層13、下部電極15、上部
電極17及び圧電体膜16の厚さ及び材質や組成が表1
及び表2に示されているようにされたこと以外は、実施
例8と同様の工程を実行した。
That is, the thickness, material and composition of the insulator layer 13, the lower electrode 15, the upper electrode 17, and the piezoelectric film 16 are shown in Table 1.
And the same steps as in Example 8 were performed, except as shown in Table 2.

【0080】実施例8と同様にして、得られた固溶体薄
膜(圧電体膜)の組成分析とX線回折測定を行った。固
溶体薄膜の組成および結晶性の評価結果を表1に示す。
In the same manner as in Example 8, the obtained solid solution thin film (piezoelectric film) was subjected to composition analysis and X-ray diffraction measurement. Table 1 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the solid solution thin film.

【0081】また、実施例8と同様にして得た共振周波
数fr および反共振周波数fa の測定値から、電気機械
結合係数kt 2、周波数温度特性τf および音響的品質係
数Qを求めた。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kt 2、周波数温度特性τf
および音響的品質係数Qを表2に示す。
[0081] Also, from the measured values of the resonance frequency f r and the antiresonance frequency f a obtained in the same manner as in Example 8, determine the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency temperature characteristic tau f and the acoustic quality factor Q Was. Fundamental frequency of thickness vibration of the obtained piezoelectric thin film resonator, electromechanical coupling coefficient k t 2 , frequency temperature characteristic τ f
Table 2 shows the acoustic quality factor Q.

【0082】[比較例1,2]本比較例では、以下のよ
うにして、図1,2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。
[Comparative Examples 1 and 2] In this comparative example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIG.

【0083】即ち、Al1-x Gax N系固溶体薄膜また
はAl1-y Iny N系固溶体薄膜に代えて反応性RFマ
グネトロンスパッター法によりAlN薄膜を形成し、絶
縁体層13、下部電極15、上部電極17及び圧電体膜
16の形状、厚さ及び材質が表1及び表2に示されてい
るようにされたこと以外は、実施例1または実施例8と
同様の工程を実行した。
That is, instead of the Al 1-x Ga x N-based solid solution thin film or the Al 1-y In y N-based solid solution thin film, an AlN thin film is formed by a reactive RF magnetron sputtering method, and the insulator layer 13 and the lower electrode 15 are formed. The same processes as in Example 1 or Example 8 were performed, except that the shape, thickness and material of the upper electrode 17 and the piezoelectric film 16 were as shown in Tables 1 and 2.

【0084】上記の工程によって製造された薄膜圧電共
振子(FBAR)について、XPS分光法によりAlN
薄膜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ー法による
格子定数測定と(0002)回折ピークのロッキング・
カーブ半値幅(FWHM)測定を行った。XPS分光法
により測定したAlN薄膜の酸素含有量は、表1に示す
通りであった。実施例1または実施例8と同様の操作で
分析評価を行ったのであるが、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。AlN薄膜の結晶性の評価結果を
表1に示す。
The thin film piezoelectric resonator (FBAR) manufactured by the above-described process was subjected to AlN by XPS spectroscopy.
Performs composition analysis of thin films and evaluates multi-function X for surface structure evaluation
Measurement of lattice constant by diffractometer method and locking of (0002) diffraction peak using X-ray diffractometer
Curve half width (FWHM) measurement was performed. The oxygen content of the AlN thin film measured by XPS spectroscopy was as shown in Table 1. The analysis and evaluation were performed by the same operation as in Example 1 or Example 8. However, because the quality of the AlN thin film was poor, there was a possibility that the film was oxidized before the XPS analysis and the oxygen content increased. Table 1 shows the evaluation results of the crystallinity of the AlN thin film.

【0085】また、実施例1または実施例8と同様にし
て得た共振周波数fr および反共振周波数fa の測定値
から、電気機械結合係数kt 2、周波数温度特性τf およ
び音響的品質係数Qを求めた。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kt 2、周波
数温度特性τf および音響的品質係数Qを表2に示す。
[0085] Also, from the measured values of the resonance frequency f r and the antiresonance frequency f a obtained in the same manner as in Example 1 or Example 8, the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency temperature characteristic tau f and the acoustic quality The coefficient Q was determined. Fundamental frequency of the thickness vibration of the obtained piezoelectric thin film resonator, the electromechanical coupling coefficient k t 2, the frequency-temperature characteristic tau f and acoustic quality factor Q shown in Table 2.

【0086】以上の結果から、圧電体膜として窒化アル
ミニウムと窒化ガリウムとの固溶体からなる薄膜または
窒化アルミニウムと窒化インジウムとの固溶体からなる
薄膜を用いたFBARやSBARは従来にない高特性を
示すことが明らかとなった。これは、このような圧電体
膜を使用することにより、電極に使用される金属結晶に
対する格子整合性が高められるこに基づくものと考えら
れる。その結果、圧電体膜の配向性及び結晶性が改善さ
れ、この圧電体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
の性能を向上させることができる。
From the above results, it is clear that FBARs and SBARs using a thin film made of a solid solution of aluminum nitride and gallium nitride or a thin film made of a solid solution of aluminum nitride and indium nitride as a piezoelectric film exhibit unprecedented high characteristics. Became clear. This is presumably because the use of such a piezoelectric film enhances the lattice matching with the metal crystal used for the electrode. As a result, the orientation and crystallinity of the piezoelectric film are improved, and when this piezoelectric film is applied to a resonator, a filter, or the like, performance such as an acoustic quality factor (Q value) and frequency temperature characteristics is improved. Can be done.

【0087】[0087]

【表1】 [Table 1]

【0088】[0088]

【表2】 [Table 2]

【0089】[0089]

【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、圧電体膜として窒化アルミニウムと窒
化ガリウムとの固溶体からなる薄膜または窒化アルミニ
ウムと窒化インジウムとの固溶体からなる薄膜を用いて
いるので、電気機械結合係数、音響的品質係数(Q値)
及び周波数温度特性などの性能の向上が可能である。
As described above, according to the piezoelectric thin film resonator of the present invention, a thin film made of a solid solution of aluminum nitride and gallium nitride or a thin film made of a solid solution of aluminum nitride and indium nitride is used as the piezoelectric film. Electromechanical coupling coefficient, acoustic quality coefficient (Q value)
In addition, it is possible to improve performance such as frequency temperature characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

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

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

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

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

【図5】本発明による薄膜圧電共振子の実施形態を示す
模式的平面図である。
FIG. 5 is a schematic plan view showing an embodiment of a thin film piezoelectric resonator according to the present invention.

【図6】図5のX−X断面図である。FIG. 6 is a sectional view taken along line XX of FIG. 5;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 薄膜圧電共振子 12 基板 13 絶縁体層 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 16−1 第1の圧電体膜 16−2 第2の圧電体膜 17 上部電極 17’ 内部電極 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 18 上部電極 20 ビアホール 21 振動部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Thin-film piezoelectric resonator 12 Substrate 13 Insulator layer 14 Piezoelectric laminated structure 15 Lower electrode 15a Lower electrode main part 15b Lower electrode terminal part 16 Piezoelectric film 16-1 First piezoelectric film 16-2 Second piezoelectric material Film 17 Upper electrode 17 'Internal electrode 17a Upper electrode main part 17b Upper electrode terminal part 17A First electrode part of upper electrode 17Aa Main part of first electrode part 17Ab Terminal part of first electrode part 17B Second electrode part of upper electrode 17Ba Main portion of second electrode portion 17Bb Terminal portion of second electrode portion 18 Upper electrode 20 Via hole 21 Vibrating portion

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長尾 圭吾 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 AA04 BB08 CC04 CC11 EE03 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Keigo Nagao 5F, 1978 Kogushi, Ube-shi, Ube-shi, Yamaguchi F-term in the Ube Research Laboratory, Ube Industries, Ltd. 5J108 AA04 BB08 CC04 CC11 EE03

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 圧電体膜とその両面にそれぞれ形成され
た電極とを含む圧電積層構造体の一部を含んで振動部が
構成される圧電薄膜共振子であって、 前記圧電体膜は一般式Al1-x Gax N(但し、0<x
<1)で表される窒化アルミニウムと窒化ガリウムとの
固溶体または一般式Al1-y Iny N(但し、0<y<
1)で表される窒化アルミニウムと窒化インジウムとの
固溶体よりなる配向性結晶膜であることを特徴とする圧
電薄膜共振子。
1. A piezoelectric thin-film resonator comprising a vibrating part including a part of a piezoelectric laminated structure including a piezoelectric film and electrodes formed on both surfaces thereof, wherein the piezoelectric film is generally Formula Al 1-x Ga x N (where 0 <x
<1) A solid solution of aluminum nitride and gallium nitride represented by <1) or a general formula Al 1-y In y N (where 0 <y <
A piezoelectric thin film resonator characterized in that it is an oriented crystal film made of a solid solution of aluminum nitride and indium nitride represented by 1).
【請求項2】 前記圧電積層構造体は複数の圧電体膜と
該複数の圧電体膜のそれぞれの両面にそれぞれ形成され
た電極とを含んでいることを特徴とする、請求項1に記
載の圧電薄膜共振子。
2. The piezoelectric laminate structure according to claim 1, wherein the piezoelectric laminated structure includes a plurality of piezoelectric films and electrodes formed on both surfaces of each of the plurality of piezoelectric films. Piezoelectric thin film resonator.
【請求項3】 前記圧電積層構造体はその周辺部が基板
に支持され且つ中央部が前記振動部を構成していること
を特徴とする、請求項1〜2のいずれかに記載の圧電薄
膜共振子。
3. The piezoelectric thin film according to claim 1, wherein a peripheral part of the piezoelectric laminated structure is supported by a substrate, and a central part constitutes the vibrating part. Resonator.
【請求項4】 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
の順に積層した構造を含んでなるものであり、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であって、 前記圧電体膜は一般式Al1-x Gax N(但し、0<x
<1)で表される窒化アルミニウムと窒化ガリウムとの
固溶体または一般式Al1-y Iny N(但し、0<y<
1)で表される窒化アルミニウムと窒化インジウムとの
固溶体よりなる配向性結晶膜であることを特徴とする圧
電薄膜共振子。
4. A piezoelectric laminated structure, comprising: a substrate; and a piezoelectric laminated structure formed on the substrate, wherein a vibrating portion includes a part of the piezoelectric laminated structure. Comprises a structure in which a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are stacked in this order from the side of the substrate, and the substrate has a gap that allows vibration of the vibrating portion in a region corresponding to the vibrating portion. Wherein the piezoelectric film has a general formula Al 1-x Ga x N (where 0 <x
<1) A solid solution of aluminum nitride and gallium nitride represented by <1) or a general formula Al 1-y In y N (where 0 <y <
A piezoelectric thin film resonator characterized in that it is an oriented crystal film made of a solid solution of aluminum nitride and indium nitride represented by 1).
【請求項5】 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4に記載の圧電薄膜共振子。
5. The piezoelectric thin-film resonator according to claim 4, wherein the upper electrode comprises a first electrode portion and a second electrode portion formed apart from each other.
【請求項6】 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、第1の圧電体膜、内部電極、第2の圧電体膜お
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
共振子であって、 前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜はいずれも
一般式Al1-x GaxN(但し、0<x<1)で表され
る窒化アルミニウムと窒化ガリウムとの固溶体または一
般式Al1-y Iny N(但し、0<y<1)で表される
窒化アルミニウムと窒化インジウムとの固溶体よりなる
配向性結晶膜であることを特徴とする圧電薄膜共振子。
6. A piezoelectric laminated structure, comprising: a substrate; and a piezoelectric laminated structure formed on the substrate, wherein a vibrating portion includes a part of the piezoelectric laminated structure. Is formed by laminating a lower electrode, a first piezoelectric film, an internal electrode, a second piezoelectric film, and an upper electrode in this order from the substrate side, and the substrate is located in a region corresponding to the vibrating portion. Wherein the first piezoelectric film and the second piezoelectric film each have a general formula Al 1-x Ga x N (However, a solid solution of aluminum nitride and gallium nitride represented by 0 <x <1) or aluminum nitride and indium nitride represented by a general formula Al 1-y In y N (where 0 <y <1) A piezoelectric thin film resonator characterized in that it is an oriented crystal film made of a solid solution of the above.
【請求項7】 前記基板と前記圧電積層構造体との間に
は絶縁体層が形成されており、前記振動部は前記絶縁体
層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3〜6のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
7. An insulating layer is formed between the substrate and the piezoelectric laminated structure, and the vibrating portion is configured to include a part of the insulating layer. Do
A piezoelectric thin-film resonator according to any one of claims 3 to 6.
【請求項8】 前記絶縁体層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7に記載の圧電薄膜共振子。
8. The insulator layer mainly comprises a silicon oxide-based dielectric film, a silicon nitride-based dielectric film, or a silicon oxide-based dielectric film and silicon nitride. The piezoelectric thin-film resonator according to claim 7, wherein the piezoelectric thin-film resonator is a laminated film with a dielectric film.
【請求項9】 前記基板は半導体または絶縁体からなる
ことを特徴とする、請求項3〜8のいずれかに記載の圧
電薄膜共振子。
9. The piezoelectric thin film resonator according to claim 3, wherein the substrate is made of a semiconductor or an insulator.
【請求項10】 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9に記載の圧電薄膜共振子。
10. The piezoelectric thin-film resonator according to claim 9, wherein the substrate is made of silicon single crystal.
【請求項11】 前記圧電体膜または前記第1の圧電体
膜及び前記第2の圧電体膜は、C軸配向を示し、(00
02)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1〜1
0のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
11. The piezoelectric film or the first piezoelectric film and the second piezoelectric film exhibit a C-axis orientation, and (00
The rocking curve half width of the X-ray diffraction peak of the (02) plane is 3.0 ° or less.
0. The piezoelectric thin-film resonator according to any one of 0 to 0.
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