JP2003163566A

JP2003163566A - 薄膜圧電共振器及びその製造方法

Info

Publication number: JP2003163566A
Application number: JP2001358356A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kawakubo; 隆川久保; Yasuaki Yasumoto; 恭章安本; Kazuhide Abe; 和秀阿部; Kenya Sano; 賢也佐野; Tatsuo Shimizu; 達雄清水; Ryoichi Ohara; 亮一尾原; Naoko Yanase; 直子梁瀬
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-11-22
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2003-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】電気機械結合係数が大きく、且つ製造が容易
で素子サイズもコンパクトに形成できる薄膜圧電共振器
及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】単結晶基板（１）と、前記単結晶基板
の上に空隙（Ｖ）を挟んで設けられ下部電極（４）と強
誘電体層（５）と上部電極（６）とを積層してなる共振
器（８）と、を備え、前記共振器を構成する前記下部電
極及び前記強誘電体層は、前記単結晶基板に対してエピ
タキシャル成長関係にあり、前記共振器は、その周囲に
おいて前記単結晶基板に延設された前記強誘電体層によ
って前記単結晶基板の上に前記空隙を挟んで支持されて
なることを特徴とする薄膜圧電共振器を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜圧電共振器及
びその製造方法に関し、特に、単結晶の圧電体薄膜の厚
み縦振動を利用して、高周波フィルタや高周波発振器と
しての応用が可能な薄膜圧電共振器及びその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】移動体通信機器におけるＲＦ（radio fr
equency）およびＩＦ（intermediatefrequency）フィル
ターとしては、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：
ＳＡＷ）素子が、これまで一般に使用されてきた。しか
しながら、ＳＡＷ素子の共振周波数は、その櫛型電極の
電極間距離に対して反比例するという関係にあるため、
１ＧＨｚを超える周波数領域では、櫛型電極間距離を１
μｍ以下とする必要があり、近年求められている利用周
波数の高周波数化に対応が難しくなっている。

【０００３】その代わりに注目を集めているのが、圧電
薄膜の厚み縦振動モードを利用した薄膜圧電共振器であ
り、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）、ある
いはＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave）素子などとも呼ばれ
ている。薄膜圧電共振器の場合、その共振周波数は圧電
体の音速と膜厚とによって決定され、通常は、１〜２μ
ｍの膜厚が２ＧＨｚに、また０．４〜０．８μｍの膜厚
が５ＧＨｚに対応し、数十ＧＨｚまでの高周波数化が可
能である。

【０００４】この薄膜圧電共振器を用いて梯子型フィル
タを形成すれば、移動体通信機のＲＦフィルタとして利
用することができる。また、バリキャップおよび増幅器
を組合せれば、移動体通信機の電圧可変発振器（Voltag
e Controlled Oscillator：ＶＣＯ）として利用するこ
ともできる。

【０００５】さて、薄膜圧電共振器の性能は、電気機械
結合係数ｋt^２と、品質係数Ｑ値とで表すことができ
る。電気機械結合係数が大きいほど広帯域のフィルタ
や、広帯域のＶＣＯを作成することができる。電気機械
結合係数を上げるには、結晶固有の電気機械結合係数の
大きいものを使用し、かつ結晶の分極軸を膜の厚み方向
に揃えて共振器とすることが重要である。

【０００６】またＱ値は、フィルタを形成したときの挿
入損失や、発振器の発振の純度に関連する。Ｑ値は弾性
波を吸収するような多様な現象が関係しており、結晶の
純度を高め、結晶方位をそろえ、また分極方向の揃った
圧電膜を使用することで、大きなＱ値を得ることができ
る。

【０００７】従来の薄膜圧電共振器を開示した文献とし
ては、例えば、特開２０００−６９５９４号公報を挙げ
ることができる。

【０００８】図１０は、このような従来の薄膜圧電共振
器の断面構造を表す模式図である。

【０００９】すなわち、同図の共振器は、シリコン基板
１０１の表面が酸化膜１０３により覆われて空隙Ｖが形
成され、この空隙Ｖを跨ぐように、下部電極１１１、圧
電膜１１２、上部電極１１３が積層された構造を有す
る。

【００１０】図１１は、この薄膜圧電共振器の製造工程
の要部を表す工程断面図である。

【００１１】すなわちまず、同図（ａ）に表したよう
に、シリコン（Ｓｉ）基板１０１の表面に異方性エッチ
ングにより窪み１０２を形成する。さらに、その表面に
酸化層１０３を形成する。

【００１２】次に、図１１（ｂ）に表したように、シリ
コン基板１０１の上にエッチングしやすい犠牲層（例え
ば、ホウ素やリンをボープしたシリケートガラス、ＢＰ
ＳＧ）１０５を形成する。

【００１３】しかる後に、図１１（ｃ）に表したよう
に、その表面を酸化層１０２に達するまで研磨する。

【００１４】次に、図１１（ｄ）に表したように、この
犠牲層１０５の上を跨ぐように、下部電極１１１、圧電
膜１１２、上部電極１１３を順に形成する。

【００１５】次に、適当な箇所において犠牲層に達する
まで穴（図示せず）をあけて、選択エッチングにより犠
牲層１０５をエッチング除去すると、図１１（ｅ）に表
したように、空隙Ｖを有する薄膜圧電共振器が完成す
る。

【００１６】圧電膜１１２と上下電極１１１、１１３に
より構成される共振部は、その上下を空気層で挟まれる
ことで、振動エネルギが閉じ込められ、高いＱ値を実現
することができる。

【００１７】図１０及び図１１に表した薄膜圧電共振器
においては、圧電膜１１２として、結晶本来の電気機械
結合係数が小さい圧電結晶である窒化アルミニウム（Ａ
ｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの六方晶系の結晶を、
分極方向であるｃ軸、すなわち［０００１］方向に単一
配向させて設けることができる。すなわち、ＡｌＮやＺ
ｎＯなどの六方晶系の結晶は、本来ｃ軸配向しやすい性
質を持っており、ｃ軸配向させることによって分極軸を
そろえ、圧電膜としての電気機械結合係数やＱ値を確保
しやすい。しかし、それでも、電気機械結合係数につい
ては、数パーセント程度と比較的小さい。

【００１８】電気機械結合係数を大きく改善するために
は、圧電膜１１２として強誘電体を使用することが望ま
しい。例えば、ジルコン酸チタン酸塩（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔ
ｉ）Ｏ_３：ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉ
Ｏ_３）といったペロブスカイト結晶系の強誘電体を使用
することで、電気機械結合係数を２０％から４０％と画
期的に改善できる可能性がある。

【００１９】しかしながら、このようなペロブスカイト
系結晶は、３成分ないし４成分以上の組成を含むために
正確な組成制御が難しく、高品質な結晶を作成するのが
難しいという問題点がある。

【００２０】また、ペロブスカイト系結晶は、立方体を
わずかに歪ませた形状をしており、特定の面に配向させ
たり、分極軸を一方向に揃えることが非常に困難であ
る。したがって、現在までにこのようなペロブスカイト
系強誘電体を使用した薄膜圧電共振器を作成する試みは
多くなされてきたが、結果的に単一配向の強誘電体膜が
得られておらず、電気機械結合係数やＱ値も低いレベル
に留まっているのが現状である。

【００２１】強誘電体膜を薄膜圧電共振器として使いこ
なすひとつの方法は、強誘電体膜を基板に対してエピタ
キシャル成長させ、結晶方位や分極軸を単一配向ないし
単結晶化させることである。特開２０００−３３２５６
９号公報においては、ＰＺＴをエピタキシャル成長させ
て薄膜圧電共振器を作成する方法が開示されている。

【００２２】図１２は、同公報に開示されている薄膜圧
電共振器の構造を表す模式図である。すなわち、この薄
膜圧電共振器は、シリコン（１００）基板２０２の上
に、酸化シリコン層／酸化ジルコニウム層／酸化イット
リウム層からなる厚さ５０ｎｍのバッファ層２０３をエ
ピタキシャル成長し（但し正確には、酸化シリコン層
は、酸化ジルコニウム層がエピタキシャル成長した後で
基板が酸化することにより生成した非晶質層である）、
その上に白金（１００）からなる厚さ１００ｎｍの下部
電極２０４、厚さ０．５μｍの（１００）配向と（００
１）配向のダブルドメインからなるＰＺＴ薄膜２０５、
厚さ１００ｎｍの金（Ａｕ）からなる上部電極２０６を
作成し、基板２０２の裏面側からシリコンを異方性エッ
チングしてビアホール２０１を形成したものである。

【００２３】シリコン基板２０２の裏面は、ダイボンド
材２１０によりパッケージ２１１の底面に接着され、パ
ッケージ２１１の上部は蓋２１３により封止されてい
る。さらに、パッケージ２１１内には、外部と接続され
る外部接続端子Ａ、Ｂが設けられ、これらはワイヤ２１
２を介して下部電極２０４、上部電極２０６とそれぞれ
電気的に接続されている。

【００２４】このようにして、上下が空気層に接し、エ
ピタキシャルＰＺＴ薄膜を使用した共振子を形成でき
る。

【００２５】しかし、図１２に表した構造の大きな問題
点のひとつは、基板２０２の裏面側から異方性エッチン
グにより基板を貫通するビアホール２０１を形成しなけ
ればならない点にある。すなわち、ビアホール２０１を
作成するには、フッ酸を含む強酸中で長時間のエッチン
グを要する。また、強誘電体を使用した薄膜圧電共振器
では、強誘電体膜２０５の誘電率が大きいために、共振
子の寸法を数十μｍと小さくできる利点があるが、角度
を付けた異方性エッチングによりビアホール２０１を形
成するために、ビアホールのテーパー状の「はりだし」
ために素子寸法が大きくなってしまうという問題点があ
る。

【００２６】ビアホール２０１の形成のためのエッチン
グ工程の精度や歩留まりも問題である。また特に、シリ
コンを研磨によって薄膜化した場合には、割れやすくな
るという問題点もある。

【００２７】またさらに、シリコン基板を使う場合、ペ
ロブスカイト系強誘電体２０５とシリコン基板２０２と
の間に大きな熱膨張率差が生ずるため、高温の成膜過程
からの冷却時に強誘電体２０５に面内方向の引っ張り応
力が加わり、圧電性が弱くなるという問題もある。

【００２８】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の薄膜圧電共振器においては、犠牲層の上にｃ軸配
向させたＡｌＮやＺｎＯの圧電膜を使用した場合は、電
気機械結合係数が数％程度と小さい問題、逆に電気機械
結合係数が大きいペロブスカイト結晶系の強誘電体薄膜
を使用した場合はシリコン基板上にエピタキシャル成長
させる都合上から基板裏面から異方性エッチングにより
作成したビアホールを使用せざるを得ないという問題を
はじめとする各種の問題があった。

【００２９】本発明はかかる課題の認識に基づいてなさ
れたものであり、その目的は、電気機械結合係数が大き
く、且つ製造が容易で素子サイズもコンパクトに形成で
きる薄膜圧電共振器及びその製造方法を提供することに
ある。

【００３０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の薄膜圧電共振器は、単結晶基板と、前記単
結晶基板の上に空隙を挟んで設けられ下部電極と強誘電
体層と上部電極とを積層してなる共振器と、を備え、前
記共振器を構成する前記下部電極及び前記強誘電体層
は、前記単結晶基板に対してエピタキシャル成長関係に
あり、前記共振器は、その周囲において前記単結晶基板
に延設された前記強誘電体層によって前記単結晶基板の
上に前記空隙を挟んで支持されてなることを特徴とす
る。

【００３１】上記構成によれば、電気機械結合係数が大
きく、且つ製造が容易で素子サイズもコンパクトに形成
できる薄膜圧電共振器を提供できる。

【００３２】または、本発明の薄膜圧電共振器は、単結
晶基板と、前記単結晶基板の上に空隙を挟んで設けられ
下部電極と強誘電体層と上部電極とを積層してなる共振
器と、を備え、前記共振器を構成する前記下部電極及び
前記強誘電体層は、前記単結晶基板に対してエピタキシ
ャル成長関係にあり、前記共振器は、その周囲に設けら
れた犠牲層により前記単結晶基板の上に前記空隙を挟ん
で支持されてなり、前記犠牲層は、前記単結晶基板とも
前記強誘電体層とも異なる材料からなり、且つ前記単結
晶基板に対してエピタキシャル成長関係にあることを特
徴とする。

【００３３】上記構成によっても、電気機械結合係数が
大きく、且つ製造が容易で素子サイズもコンパクトに形
成できる薄膜圧電共振器を提供できる。

【００３４】なお、本願明細書において、「エピタキシ
ャル成長関係にある」とは、直接的あるいは他のエピタ
キシャル成長層を介してエピタキシャル成長されたこと
を意味するものとする。従って、例えば、犠牲層が基板
に対してエピタキシャル成長関係にあるとされる場合
は、犠牲層が基板の上に直接あるいは他のエピタキシャ
ル成長層を介してエピタキシャル成長された単結晶層で
あることを意味する。

【００３５】通常は、このようなエピタキシャル成長に
よる単結晶層は、その下地の単結晶層との間で結晶方位
に一定の関係を有する。

【００３６】さて、本発明においては、上記した薄膜圧
電共振器において、前記強誘電体層は、ペロブスカイト
型結晶構造を有する強誘電体からなり、正方晶型ペロブ
スカイト結晶構造の（００１）配向膜、斜方晶型ペロブ
スカイト結晶構造の（０１１）配向膜、及び菱面体晶型
ペロブスカイト結晶構造の（１１１）配向膜のいずれか
であるものとすることができる。

【００３７】一方、本発明の薄膜圧電共振器の製造方法
は、単結晶の基板の上に単結晶の犠牲層をエピタキシャ
ル成長する工程と、前記犠牲層の上に単結晶の下部電極
をエピタキシャル成長する工程と、前記下部電極の上に
単結晶の強誘電体層をエピタキシャル成長する工程と、
前記犠牲層の少なくとも一部を除去することにより、前
記基板と、前記下部電極及び前記強誘電体層との間に空
隙を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。

【００３８】上記構成によれば、単結晶からなる強誘電
体層を有する薄膜圧電共振器をコンパクトに形成するこ
とができる。

【００３９】またここで、前記空隙を形成する工程にお
いて、前記空隙の周囲に前記犠牲層を残留させてもよ
い。

【００４０】また一方、前記犠牲層は、ＳｒＲｕＯ_３ま
たはＭｇＯからなるものとすると、強誘電体層のエピタ
キシャル成長が容易であり、しかも選択エッチングも容
易となる点で有利である。

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、本発明
の実施の形態について詳細に説明する。

【００４２】図１は、本発明の実施の形態にかかる薄膜
圧電共振器の断面構造を表す模式図である。すなわち、
同図に表した共振器は、単結晶基板１の表面にバリア層
２を介して空隙Ｖが形成され、この空隙Ｖの上に、下部
電極４、単結晶の強誘電体層５、上部電極６が積層形成
されている。

【００４３】また、図２は、本発明の実施の形態にかか
るもうひとつの薄膜圧電共振器の断面構造を表す模式図
である。この構造の場合、空隙Ｖの周囲に支持体３が設
けられ、下部電極４、単結晶の強誘電体層５、上部電極
６は、この支持体３により基板１の上に支持されてい
る。

【００４４】本発明のひとつの特徴は、強誘電体層５が
基板１に対してエピタキシャル成長関係にある点にあ
る。すなわち、従来から用いられているような非晶質の
犠牲層に代わり、基板の上に単結晶の犠牲層をエピタキ
シャル成長させ、その上にペロブスカイト構造を持つ強
誘電体単結晶からなる薄膜圧電共振器をエピタキシャル
成長により形成した後に、基板上に空隙Ｖを形成する。

【００４５】空隙Ｖを介した単結晶強誘電体からなる薄
膜圧電共振器を使用することにより、大きな電気機械結
合係数や、大きな品質係数が得られる。

【００４６】しかも、本発明の構成によれば、共振器作
成プロセスを飛躍的に容易にすることができ、さらに、
共振器の寸法を小さくすると同時に、信頼性を高くする
ことが可能になる。また、単結晶基板１の材料として
も、シリコン（Ｓｉ）をはじめとして、ＳｒＴｉＯ_３な
どのペロブスカイト結晶の使用も可能になる。

【００４７】強誘電体層５としては、ＢａＴｉＯ_３、Ｐ
ＺＴ、ＰｂＴｉＯ_３などを主成分とするペロブスカイト
結晶構造を持つ強誘電体材料をエピタキシャル成長させ
て単結晶状に形成する。

【００４８】これらのペロブスカイト系強誘電体は、組
成や温度により、［００１］、［０１１］ないし［１１
１］方向の自発分極を持ち、結晶構造も立方晶からわず
かに分極方向に歪んだものとなる。すなわち、［００
１］分極の場合は正方晶、［０１１］分極の場合は斜方
晶、［０１１］分極の場合は菱面体晶となる。薄膜圧電
共振器は、厚み方向の共振を生ずるので、これら自発分
極の方向が厚み方向、すなわち強誘電体層５の膜面に対
して垂直な方向であることが望ましい。つまり、正方晶
型ペロブスカイト結晶構造の（００１）配向膜か、斜方
晶型ペロブスカイト結晶構造の（０１１）配向膜か、菱
面体晶型ペロブスカイト結晶構造の（１１１）配向膜と
することが望ましい。

【００４９】一方、単結晶の犠牲層の材料としては、比
較的容易に選択ウエットエッチングが可能であること
と、犠牲層の上に電極４や強誘電体層５をエピタキシャ
ル成長させるという２つの条件を満たすものとして、ペ
ロブスカイト構造の金属酸化物であるＳｒＲｕＯ_３や、
岩塩型構造のＭｇＯを用いることができる。ＳｒＲｕ
Ｏ_３を犠牲層３の材料として用いた場合は、例えば硝酸
セリウムアンモニウムの３％程度の水溶液により、１μ
ｍ／秒程度のエッチング速度が得られ、シリコンなどか
らなる基板１やＢａＴｉＯ_３などからなる強誘電体層５
には何の影響も与えない。また、強誘電体層５は同じペ
ロブスカイト構造を持ち、格子定数も近いので、エピタ
キシャル成長も容易である。

【００５０】一方、ＭｇＯを犠牲層３の材料として用い
た場合は、例えばリン酸の１０％程度の水溶液により、
５μｍ／秒程度のエッチング速度が得られ、シリコンな
どからなる基板１やＢａＴｉＯ_３などからなる強誘電体
層５には何の影響も与えない。また、この場合も、強誘
電体層５と格子定数の近い立方晶構造を持ち、電極４、
６として使用される白金（Ｐｔ）等の貴金属や強誘電体
層５のエピタキシャル成長も容易である。

【００５１】基板１としては、シリコン基板が使用可能
なのはもちろんである。犠牲層としてＭｇＯを使用した
場合は、蒸着法などによりシリコン基板上に直接エピタ
キシャル成長が可能である。犠牲層としてＳｒＴｉＯ_３
を使用する場合は、シリコン基板１の表面に何らかのバ
リア層２が必要である。一例を挙げれば、窒化チタン
（ＴｉＮ）とイリジウム（Ｉｒ）の２層からなるバリア
層２を使用することができる。

【００５２】その他の基板１としては、ＳｒＴｉＯ_３や
ＬａＡｌＯ_３などの酸化物基板を使用することができ
る。これらの酸化物基板はペロブスカイト構造を持ち、
犠牲層であるＳｒＲｕＯ_３やＭｇＯとも格子定数が近
く、これらの犠牲層を直接エピタキシャル成長させるこ
とが可能である。

【００５３】一方、図２に例示したように、犠牲層の一
部を除去せずに残して、支持体３として利用することも
できる。後に実施例３として詳述するように、この構造
の場合、略平坦な面の上に、下部電極４、強誘電体層
５、上部電極６を形成できるので、電極の段切れなどの
問題を解消することができる。

【００５４】以上説明したように、本発明によれば、単
結晶基板１の上に空隙Ｖを介して単結晶強誘電体層５を
有する薄膜圧電共振器を作成することができ、単結晶の
強誘電体を圧電膜としたときの長所である大きな電気機
械結合係数と大きな品質係数、さらには空隙上に作成す
ることによる作成プロセスの容易さ、共振器の寸法の小
ささ、信頼性の高さ、などの多くの特長を併せ持つ、薄
膜圧電共振器を実現できる。

【００５５】

【実施例】以下、実施例を参照しつつ、本発明の実施の
形態についてさらに詳細に説明する。

【００５６】（第１の実施例）まず、本発明の第１の実
施例として、シリコン基板上にエピタキシャル成長によ
り形成した単結晶ＢａＴｉＯ_３からなる強誘電体層を有
する薄膜圧電共振器について説明する。

【００５７】図３は、本実施例の薄膜圧電共振器の製造
工程を表す要部工程断面図である。

【００５８】まず、同図（ａ）に表したように、シリコ
ン（１００）基板１１（格子定数０．５４３ｎｍ）の全
面に、基板温度６００℃において、ＲＦマグネトロンス
パッタ法により窒化チタン（ＴｉＮ：立方晶：格子定数
０．４２３ｎｍ）およびイリジウム（Ｉｒ：立方晶：格
子定数０．３８４ｎｍ）からなるバリア層１２をエピタ
キシャル成長させた。

【００５９】次に、図３（ｂ）に表したように、ＲＦマ
グネトロンスパッタ法により基板温度６００℃におい
て、膜厚１μｍのＳｒＲｕＯ_３犠牲層（擬立方晶：格子
定数０．３９１ｎｍ）１３をエピタキシャル成長させた
後、リソグラフィおよび反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）によりパターニングした。

【００６０】次に、図３（ｃ）に表したように、ＲＦマ
グネトロンスパッタ法により基板温度６００℃におい
て、膜厚１００ｎｍの白金（Ｐｔ）からなる下部電極
（立方晶：格子定数０．３９２ｎｍ）１４をエピタキシ
ャル成長させた後、リソグラフィおよびＲＩＥによりパ
ターニングして、バリア層１２と犠牲層１３とに跨るよ
うに形成した。

【００６１】次に、図３（ｄ）に表したように、ＲＦマ
グネトロンスパッタ法により基板温度６００℃におい
て、膜厚１．２μｍのＢａＴｉＯ_３強誘電体層（正方
晶：ａ軸格子定数０．３９９ｎｍ）１５をｃ軸に配向さ
せてエピタキシャル成長させて犠牲層１３及び下部電極
１４を埋め込んだ。さらに、膜厚１００ｎｍの白金（Ｐ
ｔ）からなる上部電極１６をエピタキシャル成長させ、
リソグラフィおよびＲＩＥによりパターニングして下部
電極１４に対して対向させると同時に、異なる方向へ導
出部を形成した。

【００６２】次に、図３（ｅ）に表したように、ＳｒＲ
ｕＯ_３犠牲層１３を除去して空隙Ｖを形成した。具体的
には、犠牲層１３の一部を露出させて、その部分から、
３％の濃度の硝酸セリウムアンモニウムを使用して選択
エッチングを行うことにより、下部電極１４、強誘電体
層１５、上部電極１６からなる共振器１８の下部に空隙
Ｖを形成した。

【００６３】図４は、犠牲層１３、下部電極１４、強誘
電体層１５及び上部電極１６の平面的な配置関係を例示
する模式図である。同図に例示した配置構造の場合、犠
牲層１３がＨ字状に形成され、その上に下部電極１４、
強誘電体層１５、上部電極１６が順次積層されている。
下部電極１４と上部電極１６は、それぞれ反対方向から
導出されて対向部を形成し、ここにおいて強誘電体１５
に電圧を印加して振動を生ずる。

【００６４】そして、図４にハッチで表したように、犠
牲層１３の端部が露出しており、この部分からエッチン
グを進行させることにより、犠牲層１３を除去して空隙
Ｖを形成することができる。

【００６５】図５は、犠牲層１３、下部電極１４、強誘
電体層１５及び上部電極１６の平面的な配置関係のもう
ひとつの具体例を例示する模式図である。同図に例示し
た構造の場合、犠牲層１３は強誘電体層１５により覆わ
れている。また、この構造の場合も、下部電極１４と上
部電極１６は、それぞれ反対方向から導出されて対向部
を形成し、ここにおいて強誘電体１５に電圧を印加して
振動を生ずる。

【００６６】図５に表した構造の場合には、同図にハッ
チで表したように、強誘電体層１５の端部に開口Ｈを形
成し、この開口Ｈからエッチングを進行させることによ
り、犠牲層１３を除去して空隙Ｖを形成することができ
る。

【００６７】以上説明した工程により製造した場合、バ
リア層１２を構成する窒化チタン及びイリジウム、上下
電極１４、１６を構成する白金、強誘電体層１５を構成
するＢａＴｉＯ_３は、いずれもエピタキシャル成長によ
り単結晶として形成された。Ｘ線回折により、これら窒
化チタン、イリジウム、白金、ＢａＴｉＯ_３を評価する
と、これらいずれも基板面に対して（００１）方位でエ
ピタキシャル成長していることが確認できた。

【００６８】これらエピタキシャル成長層の（００２）
ピークのロッキングカーブを測定して半値幅を評価した
結果、窒化チタンは１．２度、イリジウムは１．２度、
白金は０．９度、ＢａＴｉＯ_３は１．３度であった。こ
れらはいずれも、従来の薄膜圧電共振器の部材として従
来用いられていたものと比較すると、飛躍的に優れた結
晶性を有するものであるといえる。

【００６９】また、本実施例の薄膜圧電共振器の周波数
特性を測定したところ、共振周波数は２．１ＧＨｚであ
り、電気機械結合係数は１８％、品質係数Ｑは７００と
共振特性に優れた共振器が得られたことが確認された。

【００７０】このような薄膜圧電共振器は、図６に例示
したように直列ないし並列に複数個並べて梯子型フィル
タを形成することにより、移動体通信機のＲＦフィルタ
として利用することができる。

【００７１】また、図７に例示したように、薄膜圧電共
振器１０、バリキャップおよび増幅器を組合せること
で、移動体通信機の電圧可変発振器（Voltage Controll
ed Oscillator：ＶＣＯ）として利用することもでき
る。

【００７２】（第２の実施例）次に、本発明の第２の実
施例として、ＳｒＴｉＯ_２単結晶からなる基板上に、エ
ピタキシャル成長により形成したＰＺＴ強誘電体層を用
いた薄膜圧電共振器について説明する。

【００７３】図８は、本実施例の薄膜圧電共振器の要部
製造工程を表す工程断面図である。まず、同図（ａ）に
表したように、ＳｒＴｉＯ_３（１１１）基板２１（格子
定数０．３９０５ｎｍ）の表面に、全てＲＦマグネトロ
ンスパッタ法により基板温度６００℃において、膜厚１
μｍのＳｒＲｕＯ_３犠牲層（擬立方晶：格子定数０．３
９１ｎｍ）２３をエピタキシャル成長させた後、リソグ
ラフィおよび反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により
パターニングを行った。

【００７４】次に、図８（ｂ）に表したように、ＲＦマ
グネトロンスパッタ法により基板温度６００℃におい
て、膜厚１００ｎｍの白金（Ｐｔ）からなる下部電極
（立方晶：格子定数０．３９２ｎｍ）２４をエピタキシ
ャル成長させた後、リソグラフィおよびＲＩＥによりパ
ターニングを行った。

【００７５】次に、図８（ｃ）に表したように、ＲＦマ
グネトロンスパッタ法により基板温度６００℃におい
て、膜厚１．２μｍのＰｂ（Ｚｒ_０．４Ｔｉ_０．６）Ｏ
_３強誘電体層（菱面体晶：ａ軸格子定数０．４０３ｎ
ｍ）２５をエピタキシャル成長させ、さらに膜厚１００
ｎｍの白金（Ｐｔ）をエピタキシャル成長させてリソグ
ラフィおよびＲＩＥによりパターニングを行って上部電
極２６を形成した。

【００７６】次に、図８（ｄ）に表したように、ＳｒＲ
ｕＯ３犠牲層２３を基板上に露出した部分（図４あるい
は図５に関して前述した如くである）から、３％の濃度
の硝酸セリウムアンモニウムを使用して選択エッチング
を行い、下部電極２４、強誘電体層２５、上部電極２６
からなる共振器２８の下部に空隙Ｖを作成した。

【００７７】Ｘ線回折により、上下電極の白金（Ｐｔ）
および強誘電体層のＰＺＴともに基板面に対して（１１
１）方位でエピタキシャル成長していることが確かめら
れた。また、各成長層の（１１１）ピークのロッキング
カーブを測定して半値幅を評価したところ、白金（Ｐ
ｔ）は０．３度であり、ＰＺＴは０．５度であった。こ
れらの値は、薄膜圧電共振器の要素として従来用いられ
ていたものと比較して飛躍的に優れた結晶性を示すもの
である。

【００７８】本実施例の薄膜圧電共振器の周波数特性を
測定したところ、共振周波数は１．９ＧＨｚであり、電
気機械結合係数は２５％、品質係数Ｑは４００と極めて
特性が優れた共振器が作成されていることが確認され
た。

【００７９】（第３の実施例）次に、本発明の第３の実
施例として、犠牲層の一部を支持体として残留させた薄
膜圧電共振器について説明する。

【００８０】図９は、本実施例の薄膜圧電共振器の要部
製造工程を表す工程断面図である。

【００８１】まず、同図（ａ）に表したように、ＳｒＴ
ｉＯ_３（１００）基板３１（格子定数０．３９０５ｎ
ｍ）の表面に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により基板
温度６００℃において、膜厚１μｍのＳｒＲｕＯ_３犠牲
層（擬立方晶：格子定数０．３９１ｎｍ）３３をエピタ
キシャル成長させた。

【００８２】次に、図９（ｂ）に表したように、ＲＦマ
グネトロンスパッタ法により基板温度６００℃におい
て、膜厚１００ｎｍの白金（Ｐｔ）をエピタキシャル成
長させた後、リソグラフィおよびＲＩＥによりパターニ
ングを行って下部電極（立方晶：格子定数０．３９２ｎ
ｍ）３４を形成した。

【００８３】次に、同図（ｃ）に表したように、ＲＦマ
グネトロンスパッタ法により基板温度６００℃におい
て、膜厚１．２μｍのＢａＴｉＯ_３強誘電体層（正方
晶：ａ軸格子定数０．３９９ｎｍ）３５をエピタキシャ
ル成長させ、さらに膜厚１００ｎｍの白金（Ｐｔ）をエ
ピタキシャル成長させ、リソグラフィおよびＲＩＥによ
りパターニングを行って上部電極３６を形成した。

【００８４】次に、同図（ｄ）に表したように、３％の
濃度の硝酸セリウムアンモニウムを使用してＳｒＲｕＯ
_３犠牲層３３の一部を選択的にエッチング除去して、下
部電極３４、強誘電体層３５、上部電極３６からなる共
振器３８の下部に空隙Ｖを作成した。ここで、犠牲層３
３をエッチングする際には、強誘電体層３５の一部にリ
ソグラフィおよびＲＩＥにより開口（図には示していな
い）を形成し、この開口を介して犠牲層３３をエッチン
グした。

【００８５】Ｘ線回折により、白金（Ｐｔ）およびＢａ
ＴｉＯ３ともに基板面に対して（００１）方位でエピタ
キシャル成長していることが確認できた。また、各成長
層の（００１）ピークのロッキングカーブを測定して半
値幅を測ったところ、白金（Ｐｔ）は０．２度、ＢａＴ
ｉＯ_３は０．３度であった。

【００８６】このようにして作成した、ＳｒＴｉＯ_３基
板上に空隙を介して作成された単結晶の圧電膜からなる
薄膜圧電共振器の周波数特性を測定したところ、共振周
波数は１．８ＧＨｚであり、電気機械結合係数は３３
％、品質係数Ｑは５００と大変特性に優れた共振器が作
成されていることが確認された。

【００８７】また、本実施例により得られる薄膜圧電共
振器は、ＳｒＲｕＯ_３犠牲層３３が周囲に残留し、その
上に形成される上下電極及び強誘電体層を支持する構造
を有する。すなわち、図９（ｂ）乃至（ｃ）に表したよ
うに、下部電極３４、強誘電体層３５、上部電極３６を
犠牲層３３の平坦面の上に形成し、適宜パターニングす
ることができる。このように、略平坦面の上に共振器構
造３８を形成することにより、電極３４、３６の段切れ
などの問題を解消することができる。

【００８８】以上、具体例を例示しつつ本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明は、上述した各
具体例に限定されるものではない。

【００８９】例えば、薄膜圧電共振器の具体的な構造、
及びそれを構成する各要素の形状、寸法、層厚、材料、
形成方法などに関しては、具体例として前述したものに
は限定されず、その他、当業者が本発明を適用しつつ設
計変更して得られる全ての変型例も、本発明の範囲に包
含される。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
単結晶基板の上に空隙を介して単結晶強誘電体層を有す
る薄膜圧電共振器を作成することができ、単結晶の強誘
電体を圧電膜としたときの長所である大きな電気機械結
合係数と大きな品質係数、さらには空隙上に作成する際
の作成プロセスの容易さ、共振器の寸法の小ささ、信頼
性の高さ、などの多くの特長を併せ持つ薄膜圧電共振器
を実現でき、産業上のメリットは多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかる薄膜圧電共振器の
断面構造を表す模式図である。

【図２】本発明の実施の形態にかかるもうひとつの薄膜
圧電共振器の断面構造を表す模式図である。

【図３】本発明の第１の実施例の薄膜圧電共振器の製造
工程を表す要部工程断面図である。

【図４】犠牲層１３、下部電極１４、強誘電体層１５及
び上部電極１６の平面的な配置関係を例示する模式図で
ある。

【図５】犠牲層１３、下部電極１４、強誘電体層１５及
び上部電極１６の平面的な配置関係のもうひとつの具体
例を例示する模式図である。

【図６】本発明の薄膜圧電共振器を直列ないし並列に複
数個並べて形成した梯子型フィルタを表す模式図であ
る。

【図７】本発明の薄膜圧電共振器１０をバリキャップお
よび増幅器を組合せることにより形成した移動体通信機
の電圧可変発振器を表す模式図である。

【図８】本発明の第２の実施例の薄膜圧電共振器の要部
製造工程を表す工程断面図である。

【図９】本発明の第３の実施例の薄膜圧電共振器の要部
製造工程を表す工程断面図である。

【図１０】従来の薄膜圧電共振器の断面構造を表す模式
図である。

【図１１】図１０の薄膜圧電共振器の製造工程の要部を
表す工程断面図である。

【図１２】従来の薄膜圧電共振器の断面構造を表す模式
図である。

【符号の説明】

１単結晶基板２バリア層３支持体（犠牲層）４下部電極５単結晶強誘電体層６上部電極１１基板１２バリア層１３犠牲層１４下部電極１５強誘電体層１６上部電極１８共振器２１基板２３犠牲層２４下部電極２５強誘電体層２６上部電極２８共振器３１基板３３犠牲層３４下部電極３５強誘電体層３６上部電極３８共振器１０１シリコン基板１０２窪み１０３酸化膜１０５犠牲層１１１下部電極１１２圧電膜１１３上部電極２０１ビアホール２０２シリコン基板２０３バッファ層２０４下部電極２０５強誘電体膜２０６上部電極２１０ダイボンド材２１１パッケージ２１２ワイヤ２１３蓋Ｈ開口Ｖ空隙

【手続補正書】

【提出日】平成１３年１２月１２日（２００１．１２．
１２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者阿部和秀神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者佐野賢也神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者清水達雄神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者尾原亮一神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者梁瀬直子神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内Ｆターム(参考） 5J108 AA07 BB04 CC11 DD01 DD06 DD07 FF01 KK01 KK02 MM04 MM11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶基板と、前記単結晶基板の上に空隙を挟んで設けられ下部電極と
強誘電体層と上部電極とを積層してなる共振器と、を備え、前記共振器を構成する前記下部電極及び前記強誘電体層
は、前記単結晶基板に対してエピタキシャル成長関係に
あり、前記共振器は、その周囲において前記単結晶基板に延設
された前記強誘電体層によって前記単結晶基板の上に前
記空隙を挟んで支持されてなることを特徴とする薄膜圧
電共振器。
【請求項２】単結晶基板と、前記単結晶基板の上に空隙を挟んで設けられ下部電極と
強誘電体層と上部電極とを積層してなる共振器と、を備え、前記共振器を構成する前記下部電極及び前記強誘電体層
は、前記単結晶基板に対してエピタキシャル成長関係に
あり、前記共振器は、その周囲に設けられた犠牲層により前記
単結晶基板の上に前記空隙を挟んで支持されてなり、前記犠牲層は、前記単結晶基板とも前記強誘電体層とも
異なる材料からなり、且つ前記単結晶基板に対してエピ
タキシャル成長関係にあることを特徴とする薄膜圧電共
振器。
【請求項３】前記強誘電体層は、ペロブスカイト型結晶
構造を有する強誘電体からなり、正方晶型ペロブスカイト結晶構造の（００１）配向膜、
斜方晶型ペロブスカイト結晶構造の（０１１）配向膜、
及び菱面体晶型ペロブスカイト結晶構造の（１１１）配
向膜のいずれかであることを特徴とする請求項１または
２に記載の薄膜圧電共振器。
【請求項４】単結晶の基板の上に単結晶の犠牲層をエピ
タキシャル成長する工程と、前記犠牲層の上に単結晶の下部電極をエピタキシャル成
長する工程と、前記下部電極の上に単結晶の強誘電体層をエピタキシャ
ル成長する工程と、前記犠牲層の少なくとも一部を除去することにより、前
記基板と、前記下部電極及び前記強誘電体層との間に空
隙を形成する工程と、を備えたことを特徴とする薄膜圧電共振器の製造方法。
【請求項５】前記空隙を形成する工程において、前記空
隙の周囲に前記犠牲層を残留させることを特徴とする請
求項４記載の製造方法。
【請求項６】前記犠牲層は、ＳｒＲｕＯ_３またはＭｇＯ
からなることを特徴とする請求項４または５に記載のの
薄膜圧電共振器の製造方法。