JP2004064785A - 保護層を有する共振器 - Google Patents

Abstract

【課題】保護層を有する共振器を提供すること。
【解決手段】　保護層（５４）を有する薄膜共振器（５２）、および該薄膜共振器を製造する方法を開示する。共振器（５２）は、底部電極（１６）、圧電層（１８）、頂部電極（２０）、および保護層（５４）を有する。保護層（５４）は、頂部電極（２０）を覆い、頂部電極（２０）を空気および湿気から保護する。保護下層（５４）は、底部電極を空気および湿気から保護することに使用される。保護下層（３８）は、シード層としても働き、高品質な圧電層（１７）の製造を助ける。
【選択図】図２Ｂ

Description

　本発明は、音響共振器に関し、特に、電子回路のためにフィルタとして利用することができる共振器に関する。

　電子装置のコストおよび寸法の減少に対する要求により、ますます小さな電子フィルタ素子が継続して要求されている。セルラ電話及び小型ラジオのような消費者用電子装置は、ここに含まれる部品の寸法及びコスト両方に厳密な制限を加える。さらにこのような多くの装置は、電子フィルタを利用し、その電子フィルタは正確な周波数に同調しなければならない。フィルタは、所望の周波数範囲内にある電気信号のこれらの周波数成分を選択して通過させるが、一方所望の周波数範囲外にあるこれらの周波数成分を除去し又は減衰させる。

　これらの要求に合わせるための可能性を有する電子フィルタの１つのクラスは、薄膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）より構成される。これらの装置は、薄膜圧電（ＰＺ）材料内におけるバルク縦音響波を利用する。１つの簡単な構成において、ＰＺ材料の層は、２つの金属電極の間にサンドイッチ、すなわちはさまれる。このサンドイッチ構造は、望ましくは空中に浮かされる。共振器１２（例えばＦＢＡＲ）を有する装置１０の見本構造は、図１Ａ及び図１Ｂに示されている。図１Ａは、装置１０の平面図を示すが、一方図１Ｂは、図１Ａの線Ａ−Ａに沿った装置１０の側面図を示している。共振器１２は、基板１４の上に製造されている。順に底部電極層１５、圧電層１７及び頂部電極層１９が、基板１４上に堆積されかつエッチングされる。重なり合いかつ空洞２２の上に製造されたこれらの層――１５、１７及び１９――の部分（括弧１２によって示されたような）は、共振器１２を構成する。これらの部分は、底部電極１６、圧電部分１８及び頂部電極２０と称する。共振器１２において、底部電極１６及び頂部電極２０は、ＰＺ部分１８をサンドイッチしている。電極１６及び２０は導体であるが、一方ＰＺ部分は、典型的に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような結晶である。

　金属電極１６及び２０に電界が加えられると、ＰＺ部分１８は、いくらかの電気的なエネルギーを機械的な波の形の機械的なエネルギーに変換する。機械的な波は、電界と同じ方向に伝搬し、かつ電極／空気境界面から反射される。

　共振周波数において、共振器１２は、電子共振器として作用する。共振周波数は、装置内に伝搬する機械的な波の半波長が材料内の機械的な波の所定の位相速度に対して共振器１２の全厚さを含む多くの要因によって決められる周波数である。機械的な波の速度は、光の速度より４桁ほど大きさが小さいので、その結果生じる共振器は、かなりコンパクトにすることができる。ＧＨｚ領域において適用するための共振器は、横方向の大きさで１００ミクロン及び全体の厚みが数ミクロンより小さい程度の物理的寸法によって構成することができる。実現において例えば共振器１２は、周知の半導体製造プロセスを利用して製造され、かつ電子部品及びその他の共振器と組合わされ、電気信号のための電子フィルタを形成する。

　電子フィルタのためのＦＢＡＲの種々の設計のための利用及び製造技術は、当該技術分野において周知であり、かつ多数の特許が与えられている。例えばポール、Ｄ．ブラッドレイ他に与えられた特許文献１は、薄膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）を組込んだデュプレクサを開示している。ＦＢＡＲを製造する種々の方法も特許されており、例えばリチャード、Ｃ．ルビー他に与えられた特許文献２は、共振器を製造する種々の構造及び方法を開示しており、かつケネス、Ｍ．ラーキンに与えられた特許文献３は、囲まれた薄膜共振器を製造するための方法を開示している。
米国特許第６，２６２，６３７号 米国特許第６，０６０，１８１号 米国特許第６，２３９，５３６号

　しかしながらＦＢＡＲの品質及び信頼性を高めるための継続的な推進は、さらに良好な共振器品質、構成及び製造方法を要求する課題を提供する。例えば１つのこのような課題は、静電放電による損傷及び回りの回路からの電圧スパイクに対するＦＢＡＲの敏感さを除去し又は緩和することにある。その他の課題は、空気又は湿気のようなその環境との相互作用のため、周波数ドリフトに対する共振器の敏感さを除去し又は緩和することにある。

　本発明は、これら及びその他の技術的な課題に直面する。本発明の１つの態様によれば、基板上に製造された共振器は、底部電極、底部電極上の圧電部分、圧電部分上の頂部電極、及び頂部電極のすぐ上の保護層を有する。保護層は、共振器の環境から共振器を保護する。

　本発明の別の態様によれば、電子フィルタは、基板上に製造された共振器を含む。共振器は、底部電極、圧電部分、頂部電極及び保護層を有する。底部電極はモリブデンからなる。圧電部分は窒化アルミニウムからなる。頂部電極はモリブデンからなる。保護層は、３０オングストロームから２ミクロンまでの範囲にわたる厚さを有するアルミニウムオキシニトライドからなる。

　本発明のさらに別の態様によれば、共振器の製造方法が開示される。第１に底部電極、圧電部分及び頂部電極が、基板上に製造される。それから頂部電極のすぐ上に、保護層が製造され、保護層が、共振器の環境から共振器を保護する。

　本発明のその他の態様及び利点は、本発明の基本方式を例として示した添付の図面と組合せて行なわれる次の詳細な説明から明らかであろう。

　例示のために図面に示すように、本発明は、底部電極、圧電（ＰＺ）部分、頂部電極及び頂部電極上における保護層を有する共振器において実施されている。保護層がないと、頂部電極は、質量が変化するように空気及び湿気と反応し、それにより時間にわたって共振器の共振周波数を変化させる。保護層は、空気及び湿気から頂部電極を保護するので、共振周波数ドリフトの問題は最少になる。さらに共振器の下において底部電極と基板との間に保護下側層を製造することができる。下側層は、空気及び湿気との反応から底部電極を保護する。下側層は、底部電極及びＰＺ部分を製造することができるさらに良好な表面を提供するためにシード層として使うこともできる。

　図２Ａは、本発明の第１の実施例による装置３０の平面図を示している。図２Ｂは、線Ｂ−Ｂに沿って切断された図２Ａの装置３０の側面図である。図２Ａ及び図２Ｂにおける装置３０の部分は、図１Ａ及び図１Ｂの装置１０のものと同様である。便宜的に図１Ａ及び図１Ｂの装置１０の部分と類似の図２Ａ及び２Ｂにおける装置３０の部分は、同じ参照符号が割当てられており、異なる部分は異なる参照符号が割当てられている。図２Ａ及び図２Ｂによれば、本発明の１つの実施例による装置３０は、基板１４上に製造された共振器３２を含んでいる。装置３０は、第１に基板１４内に空洞３４をエッチングし、これを例えばホスホシリケート（phosphosilicate）ガラス（ＰＳＧ）のような適当な犠牲材料によって充填することによって製造される。そして充填された空洞３４を含む基板１４は、化学的機械的研磨のような周知の方法を利用して平面化される。空洞３４は、排出経路３５につながった排出トンネル部分３４ａを含むことができ、この排出経路を介して後に犠牲材料が排出される。

　次に平面化された基板１４上に、薄いシード層３８が製造される。典型的にはシード層３８は、平面化された基板１４上にスパッタリングされる。シード層３８は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、又はその他の同様な結晶性物質、例えばアルミニウムオキシニトライド（ＡＬＯＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）又は炭化シリコン（ＳｉＣ）を利用して製造することができる。図示した実施例において、シード層３８は、ほぼ１０オングストローム（又は１ナノメートル）から１０，０００オングストローム（又は１ミクロン）の厚さの範囲にある。シード層を製造する技術及びプロセスは、当該技術分野において周知である。例えば広く知られかつ利用されるスパッタリング技術は、この目的のために利用することができる。

　それからシード層３８の上に、層が、底部電極層１５、圧電層１７、及び頂部電極層１９、の順序で堆積される。重なり合いかつ空洞３４の上に配置されたこれらの層――３８、１５、１７及び１９――の部分（括弧３２によって表示されたような）は、共振器３２を構成している。これらの部分は、シード層部分４０、底部電極１６、圧電部分１８及び頂部電極２０と称する。底部電極１６及び頂部電極２０は、ＰＺ部分１８をサンドイッチ状にはさむ。

　電極１６及び２０は、モリブデンのような導体であり、かつ見本の実施例において、０．３ミクロンから０．５ミクロンの厚さの範囲にある。ＰＺ部分１８は、典型的には窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような結晶からなり、かつ見本の実施例において、０．５ミクロンから１．０ミクロンまでの厚さの範囲にある。図２Ａにおける共振器３２の平面図によれば、共振器は、ほぼ１５０ミクロンの幅かける１００ミクロンの長さであることができる。もちろんこれらの寸法は、制限なく、所望の共振周波数、利用される材料、利用される製造方法等のような多数の要因に依存して、広く変化することができる。これらの寸法を有する図示した共振器３２は、１．９２ＧＨｚの近所におけるフィルタにおいて有益であることができる。もちろん本発明は、これらの寸法又は周波数範囲に制限されるわけではない。

　シード層３８の製造は、その上にＰＺ層１７を製造することができるさらに良好な下側層を提供する。したがってシード層３８によれば、さらに高い品質のＰＺ層１７を製造することができ、したがってさらに高い品質の共振器３２となる。実際にこの見本の実施例において、シード層３８及びＰＺ層１７のための利用される材料は、同じ材料、ＡｌＮである。このことは、シード層３８が一層滑らかな一層均一な底部電極層１５の核を形成し、他方においてこの底部電極層がＰＺ層１７のためにさらに単結晶に近い品質の材料を促進するためである。したがってＰＺ層１７の圧電結合定数（piezoelectric coupling constant）が改善される。改善された圧電結合定数は、共振器３２によるさらに広い帯域幅の電気フィルタの形成を可能にし、かつさらに再現可能な結果も生じる。これは、ＡｌＮ材料に対する理論的な最大値に密に接近するからである。

　図３Ａは、本発明の第２の実施例による装置５０の平面図を示している。図３Ｂは、線Ｃ−Ｃに沿って切断された図３Ａの装置の側面図である。図３Ａ及び図３Ｂにおける装置５０の部分は、図２Ａ及び図２Ｂの装置３０のものと同様である。便宜的に図２Ａ及び図２Ｂの装置３０の部分と類似の図３Ａ及び図３Ｂにおける装置５０の部分は、同じ参照符号が割当てられており、異なる部分は異なる参照符号が割当てられている。

　図３Ａ及び図３Ｂによれば、本発明の装置５０は、基板１４上に製造された共振器５２を含んでいる。装置５０は、図２Ａ及び２Ｂの装置３０と同様に製造されており、上に記載されている。すなわち底部電極層１５、圧電層１７及び頂部電極層１９が、空洞３４を有する基板１４上に製造されている。選択的にシード層３８は空洞３４を含む基板１４と底部電極層１５との間に製造されている。これらの層の詳細は、上に記載されている。共振器５２は、重なり合いかつ空洞３４の上に配置されたこれらの層――３８、１５、１７及び１９――の部分（括弧５２によって表示されたような）を含む。これらの部分は、シード層部分４０、底部電極１６、圧電部分１８及び頂部電極２０と称する。最後に保護層５４が、頂部電極２０のすぐ上に製造されている。保護層５４は、少なくとも頂部電極２０を覆い、図示したように、頂部電極２０より大きな範囲を覆うことができる。さらに空洞３４の上に配置された保護層５４の部分は、共振器５２の一部でもある。すなわち保護層５４のその部分は、共振器５２に質量として寄与し、共振器５２のその他すべての部分――４０、１６、１８及び２０とともに共振する。

　保護層５４は、頂部電極２０の表面において吸収する材料の傾向を化学的に安定化し、かつ減少させる。吸収される材料は、共振器の共振周波数を変化させることがある。共振器３２の電気的なＱ値（ｑ）を最適化するために、厚さも調節することができる。

　保護層５４がないと、共振器５２の共振周波数は、時間にわたってドリフトの影響を比較的多く受けやすい。このことは、頂部電極２０、導体材料が、空気及び場合によっては湿気にさらされることによって酸化することがあるためである。頂部電極２０の酸化は、頂部電極２０の質量を変化させ、それにより共振周波数を変化させる。共振周波数のドリフトの問題を減少し又は最少にするために、保護層５４は、典型的にアルミニウムオキシニトライド（ＡＬＯＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）又は炭化シリコン（ＳｉＣ）のような、環境と反応する傾向をあまり持たない不活性材料を利用して製造される。実験において、３０オングストロームから２ミクロンまでの範囲にわたる厚さを有する保護層５４が製造された。保護層５４はＡｌＮ材料を含むことができ、この材料は、圧電層１７のためにも利用することができる。

　ここにおいてシード層部分４０は、共振器５２の結晶品質を改善するだけでなく、排出経路３５を介して底部電極１６に到達する環境からの空気及び場合によっては存在する湿気との反応から底部電極１６を保護する保護下側層としても使われる。

　図４Ａは、本発明の第３の実施例による装置の平面図を示している。図４Ｂは、線Ｄ−Ｄに沿って切断された図４Ａの装置６０の側面図を示している。図４Ｃは、装置６０を利用して形成することができる等価回路を部分的に示す簡単な略図である。図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃにおける装置６０の部分は、図１Ａ及び図１Ｂの装置１０及び図２Ａ及び図２Ｂの装置３０のものと同様である。便宜的に図１Ａ及び図１Ｂの装置１０の部分及び図２Ａ及び図２Ｂの装置３０の部分と類似の図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃにおける装置６０の部分は、同じ参照符号が割当てられており、かつ異なる部分は、異なる参照符号が割当てられている。

　図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃによれば、装置６０は、図１Ａ及び１Ｂの装置１０と同様に製造されており、上に記載されている。すなわち底部電極層１５、圧電層１７及び頂部電極層１９が、空洞２２を有する基板１４上に製造されている。これらの層は、図２Ａ及び図２Ｂの装置３０と同様に製造され、これらの層の詳細は、上に記載されている。共振器１２、望ましくはＦＢＡＲのような薄膜共振器は、重なり合いかつ空洞２２の上に配置されたこれらの層――１５、１７及び１９――の部分（括弧１２によって表示されたような）を含む。これらの部分は、底部電極１６、圧電部分１８及び頂部電極２０と称する。

　装置６０は、少なくとも１つのボンディングパッドを含む。第１のボンディングパッド６２及び第２のボンディングパッド６４が、図４Ａ及び図４Ｂに示されている。第１のボンディングパッド６２は、共振器１２にその頂部電極層１９によって接続されている。第１のボンディングパッド６２は、半導体基板１４に接触しており、それによりショットキー接合ダイオード６３を形成している。このようなダイオードの動作特性は、当該技術分野において周知である。

　共振器１２にその底部電極層１５によって接続された第２のボンディングパッド６４も図示されている。第２のボンディングパッド６４は、２つの場所において基板１４に接触するように示されており、それにより２つのショットキーダイオード接触６５を形成している。実際にボンディングパッドは、基板１４と組合せて、これが接続される共振器を保護するために複数のダイオード接触を形成するように製造することができる。単一パッド６４からなる接触６５は、電気的に単一のショットキーダイオードを形成する。

　ボンディングパッド６２、６４は、典型的に金、ニッケル、クロム、その他の適当な材料、又はこれらの組合せのような導体金属を利用して製造されている。

　図４Ｃは、共振器１２を有するフィルタ回路７２の動作を説明するために利用することができる。通常ダイオード６３が一方の方向に開いた回路として動作するが、一方ダイオード６５が反対の方向に閉じた回路として動作するので、ダイオード６３及び６５を通して電流は流れない。しかしながら静電電圧スパイクが共振器１２にそのボンディングパッド６４を介して（おそらくアンテナ６６から）与えられると、ダイオード６３はブレークダウンすなわち降伏する。ダイオード６３が降伏すると、これは、実効的に閉じた短絡回路であり、かつ電圧スパイクを基板１４に、場合によってはアース６８に転送することができ、それにより電圧スパイクから共振器１２を保護する。他方のダイオード６５は、フィルタ７２に接続された別の電子回路７０からの電圧スパイクから共振器１２を保護するために、同様に動作する。すなわち２つの金属パッド、例えば半導体基板上に製造された共振器１２の電気的に反対の側に接続されたパッド６２及び６４は、互いに背中合わせの２つのショットキーダイオードの電気回路を製造し、これらのショットキーダイオードによれば、高電圧の静電放電は、頂部及び底部電極、例えば電極１６及び２０を互いに分離する圧電層、例えばＰＺ層１７を不可逆的に降伏するのではなく、基板内に無害に消散することができる。図４の電子的な略図は、このような接続を図示している。

　代案実施例において、単一の装置は、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ及び図３Ｂに示したシード層３８及び保護層５４、及び図４Ａ及び図４Ｂに示したボンディングパッド６２及び６４（ショットキーダイオード６３及び６５を形成する）を含む前に議論したすべての特徴を有する共振器を含むことができる。代案実施例において、パッド６２及び６４は、頂部電極層１９及び底部電極層１５の上及びこれらを越えて数ミクロンのオーバハングを有するように、シード層３８上に形成することができる。

　前記のことから、本発明が新規であり、現在の技術を越える利点を提供することは明らかであろう。前に本発明の特定の実施例を説明し図示したとはいえ、本発明は、このように説明し図示した部分の特定の形又は配列に制限されるものではない。本発明は、特許請求の範囲によって制限される。

従来の技術において周知の共振器を含む装置の平面図。 線Ａ−Ａに沿って切断された図１Ａの装置の側面図。 本発明の第１の実施例による装置の平面図。 線Ｂ−Ｂに沿って切断された図２Ａの装置の側面図。 本発明の第２の実施例による装置の平面図。 線Ｃ−Ｃに沿って切断された図３Ａの装置の側面図。 本発明の第３の実施例による装置の平面図。 線Ｄ−Ｄに沿って切断された図４Ａの装置の側面図。 一部図４Ａの装置を利用して形成することができる回路を示す略図。

Claims (10)

1. 　基板上に製造される共振器であって、
   　底部電極と、
   　前記底部電極上の圧電部分と、
   　前記圧電部分上の頂部電極と、
   　前記頂部電極上の保護層と、
   を備え、前記保護層が、共振器の環境から該共振器を保護する共振器。
2. 　前記保護層が不活性材料を含む、請求項１に記載の共振器。
3. 　前記保護層が、窒化アルミニウム、アルミニウムオキシニトライド、二酸化シリコン、窒化シリコン、および炭化シリコンからなるグループから選択される材料を含む、請求項１に記載の共振器。
4. 　前記保護層が、３０オングストロームから２ミクロンまでの範囲の厚さを有する、請求項１又は２に記載の共振器。
5. 　前記保護層と前記圧電部分が同じ材料を含む、請求項１に記載の共振器。
6. 　前記保護層および前記圧電部分が窒化アルミニウムを含み、前記底部電極および前記頂部電極がモリブデンを含む、請求項１に記載の共振器。
7. 　前記共振器が、空洞の上に製造される、請求項１に記載の共振器。
8. 　前記底部電極の下にさらにシード層部分を備える、請求項１に記載の共振器。
9. 　前記シード層部分が窒化アルミニウムを含む、請求項７または８に記載の共振器。
10. 　基板上に製造された共振器を備える電子フィルタであって、前記共振器が、
    　モリブデンを含む底部電極と、
    　前記底部電極上の圧電部分であって、前記圧電部分は、窒化アルミニウムを含む圧電部と、
    　前記圧電部分上の頂部電極であって、前記頂部電極がモリブデンを含む頂部電極と、
    　３０オングストロームから２ミクロンまでの範囲にわたる厚さを有するアルミニウムオキシニトライドを含む保護層と、
    を備える電子フィルタ。
    

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