JP2005233981A

JP2005233981A - Thin film acoustic resonator and method of producing the same

Info

Publication number: JP2005233981A
Application number: JP2001182194A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Yamada; 哲夫山田; Tomonori Hashimoto; 智仙橋本; Keigo Nagao; 圭吾長尾
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2005-09-02
Anticipated expiration: 2021-06-15
Also published as: JP3918464B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film acoustic resonator which is reduced in spurious excitation and improved in characteristic and durability. <P>SOLUTION: The thin film acoustic resonator has a sandwich structure formed by laminating layers so that a piezoelectric thin film layer 22 is sandwiched between a lower electrode layer 23 and an upper electrode layer 21 and further joining a contact electrode layer 24 to the lower electrode layer 23. The contact electrode layer 24 is formed annularly around a pit 12 formed in a substrate 11 so as to allow the sandwich structure to vibrate, and joined to the substrate 11. Here, 0.01×S2≤S1≤0.5×S2, where S1 represents the plane area of a part of the contact electrode layer 24 which comes into contact with the substrate 11 and S2 represents the plane area of the lower electrode layer 23. The contact electrode layer 24 is made of a material containing at least one kind selected out of Ti, Cr, Ni and Ta and the lower electrode layer is made of a material containing at least one kind selected out of Au, Pt, W and Mo. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜音響共振器に関し、更に詳細に記せば、通信機用フィルタとして使用できる薄膜音響共振器及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器のコストおよび寸法を減らす必要性から、その回路構成要素としてのフィルタの寸法を小さくする試みが、一貫して続けられている。セル式電話およびミニチュア・ラジオのような民生用電子装置は、内蔵される構成要素の大きさおよびコストの双方に関して厳しい要求を受けている。これらの電子装置に含まれる回路は、精密な周波数に同調させなければならないフィルタを利用している。したがって、廉価でコンパクトなフィルタを提供する努力が、絶えず続けられている。
【０００３】
低価格及び小型化という要求を満たす可能性のある一つのフィルタは、薄膜音響共振器を用いて構成されたものである。薄膜音響共振器は、圧電体薄膜材料内のバルク弾性音響波を利用している。薄膜音響共振器の一つの簡単な構成では、圧電体薄膜材料の層が二つの金属電極の間に挟み込まれた挟み込み構造を形成している。この挟み込み構造は、周辺部を支持され中央部が空中に吊された橋架け構造により支持される。二つの電極の間に印加される電圧により電界が発生すると、圧電体薄膜材料は、電気エネルギーの幾らかを音波の形の機械エネルギーに変換する。音波は、電界と同じ方向に伝播し、電極／空気境界面で反射する。
【０００４】
機械的に共振している時、薄膜音響共振器は電気共振器の役割を果たし、したがって、これを用いてフィルタを構成することができる。薄膜音響共振器の機械的共振は、音波が伝播する材料の厚さが音波の半波長と等しくなる周波数で発生する。音波の周波数は、電極に印加される電気信号の周波数に等しい。音波の速度は光の速度より５〜６桁小さいから、得られる共振器を極めてコンパクトにすることができる。このため、ＧＨｚ帯の用途のための共振器を、平面寸法２００ミクロン未満、厚さ数ミクロン未満の構造で構成することができる。
【０００５】
以上のような薄膜音響共振器すなわち薄膜バルク音響共振器（ＴｈｉｎＦｉｌｍＢｕｌｋＡｃｏｕｓｔｉｃＲｅｓｏｎａｔｏｒｓ：以下ＦＢＡＲという）、及び上記挟み込み構造を積層した形態の積層型薄膜音響共振器すなわち積層型薄膜バルク音響共振器およびフィルタ（ＳｔａｃｋｅｄＴｈｉｎＦｉｌｍＢｕｌｋＷａｖｅＡｃｏｕｓｔｉｃＲｅｓｏｎａｔｏｒｓａｎｄＦｉｌｔｅｒｓ：以下ＳＢＡＲという）において、挟み込み構造の中心部はスパッタ法により作製された厚さ約１〜２ミクロン程度の圧電体薄膜である。上方および下方の電極は、電気リードとして働き、圧電体薄膜を挟み込んで圧電体薄膜を貫く電界を与える。圧電体薄膜は、電界エネルギーの一部を力学エネルギーに変換する。時間変化する印加電界エネルギーに応答して、時間変化する「応力／歪み」エネルギーが形成される。
【０００６】
ＦＢＡＲまたはＳＢＡＲを薄膜音響共振器として動作させるには、圧電体薄膜を含む挟み込み構造を橋架け構造により支持して、音波を挟み込み構造内に閉じ込めるための空気／結晶境界面を形成しなければならない。挟み込み構造は、通常、基板表面上に下方電極、圧電体薄膜層、および上方電極をこの順に堆積させることにより作られる。したがって、挟み込み構造の上側には、空気／結晶境界面が既に存在している。挟み込み構造の下側にも空気／結晶境界面を設けなければならない。この挟み込み構造の下側の空気／結晶境界面を得るのに、従来、以下に示すような幾つかの方法が用いられている。
【０００７】
第１の方法は、例えば特開昭５８−１５３４１２号公報に記載のように、基板を形成しているウェーハのエッチング除去を利用している、基板がシリコンからなるものであれば、加熱ＫＯＨ水溶液を使用してシリコン基板の一部を裏側からエッチングして取り去って孔を形成する。これにより、挟み込み構造の縁をシリコン基板の前面側において孔の周囲の部分で支持した形態を有する共振器が得られる。しかし、このようなウェーハを貫いて開けられた孔は、ウェーハを非常に繊細にし、且つ、非常に破壊しやすくする。更に、基板表面に対して５４．７度のエッチング傾斜でＫＯＨを用いた湿式エッチングを行うと、最終製品の取得量、即ち、ウェーハ上のＦＢＡＲ／ＳＢＡＲの歩留まりの向上が困難である。たとえば、２５０μｍ厚さのシリコンウェーハの上に構成される約１５０μｍ×１５０μｍの横寸法（平面寸法）を有する挟み込み構造は、約４５０μｍ×４５０μｍの裏側エッチング孔開口を必要とする。したがって、ウェーハの約１／９を生産に利用できるだけである。
【０００８】
挟み込み構造の下に空気／結晶境界面を設ける従来の第２の方法は、例えば特開平２−１３１０９号公報に記載のように、空気ブリッジ式ＦＢＡＲ素子を作ることである。通常、最初に犠牲層（Ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌｌａｙｅｒ）を設置し、次にこの犠牲層の上に挟み込み構造を作製する。プロセスの終りまたは終り近くに犠牲層を除去する。処理はすべてウェーハの前面側で行われるから、この方法は、ウェーハ両面側の位置合わせも大面積の裏側開口も必要としない。
【０００９】
特開２０００−６９５９４号公報には、犠牲層として燐酸石英ガラス（ＰＳＧ）を使用した空気ブリッジ式ＦＢＡＲ／ＳＢＡＲの構成と製造方法とが記載されている。同公報においては、ＰＳＧ層がシリコンウェーハ上に堆積されている。ＰＳＧは、シランおよびホスフィン（ＰＨ₃ ）を使用して約４５０℃までの温度で堆積され、燐含有量約８％である軟ガラス様物質を形成する。ＰＳＧは、比較的低温で堆積させることができ、且つ、希釈Ｈ₂ Ｏ：ＨＦ溶液で非常に高い速度でエッチングされる。
【００１０】
しかしながら、同公報においては、ＰＳＧ犠牲層の表面粗度を示す高さのＲＭＳ（２乗平均平方根）変動が０．５μｍ未満と記載されているものの、具体的には０．１μｍより小さいオーダーのＲＭＳ変動の具体的記載はない。この０．１μｍオーダーのＲＭＳ変動は、原子的にみると非常に粗い凹凸である。ＦＢＡＲ／ＳＢＡＲ形式の薄膜音響共振器は、結晶が電極平面に垂直な柱状晶を成して成長する圧電体材料を必要とする。特開２０００−６９５９４号公報では、ＰＳＧ層の表面に平行な導電シートを形成しており、該導電シートの高さのＲＭＳ変動は２μｍ未満と記載されているものの、具体的には０．１μｍより小さいオーダーのＲＭＳ変動の具体的記載はない。この０．１μｍオーダーのＲＭＳ変動は、薄膜音響共振器用の圧電体薄膜を形成する表面としては不十分な表面粗さである。圧電体薄膜を成長させる試みが行われたが、粗面上の多数の凹凸の影響で多様な方向に結晶が成長するので、得られた圧電体薄膜の結晶品質は必ずしも十分でなかった。
【００１１】
以上のような空気／結晶境界面を設ける代わりに、適切な固体音響ミラーを設ける方法もある。この方法は、例えば特開平６−２９５１８１号公報に記載のように、挟み込み構造の下に音響的ブラッグ反射鏡からなる大きな音響インピーダンスが作り出される。ブラッグ反射鏡は、高低の音響インピーダンス材料の層を交互に積層することにより作られる。各層の厚さは共振周波数の波長の１／４に固定される。十分な層数により、圧電体／電極境界面における有効インピーダンスを、素子の音響インピーダンスよりはるかに高くすることができ、したがって、圧電体内の音波を有効に閉じ込めることができる。この方法により得られる音響共振器は、挟み込み構造の下に空隙が存在しないので、固体音響ミラー取付け共振器（ＳＭＲ）といわれる。
【００１２】
この方法は、周辺部が固定され中心部が自由に振動できる膜を作るという前述の第１の方法及び第２の方法の問題を回避しているが、この方法にも多数の問題点がある。即ち、金属層はフィルタの電気性能を劣化させる寄生コンデンサを形成するのでブラッグ反射鏡の層に使用できないから、ブラッグ反射鏡に使用する材料の選択には制限がある。利用可能な材料から作られる層の音響インピーダンスの差は大きくない。したがって、音波を閉じ込めるには、多数の層が必要である。この方法は、各層にかかる応力を精密に制御しなければならないので、製作プロセスが複雑である。また、１０ないし１４といった多数の層を貫くバイアを作るのは困難であるから、この方法により得られる音響共振器は他の能動要素との集積化には不都合である。更に、これまでに報告された例では、この方法により得られる音響共振器は、空気ブリッジを有する音響共振器より有効結合係数がかなり低い。その結果、ＳＭＲに基づくフィルタは、空気ブリッジ式の音響共振器を用いたものに比較して、有効帯域幅が狭い。
【００１３】
ところで、上記のように、薄膜音響共振器においては、時間変化する印加電界エネルギーに応答して、挟み込み構造に時間変化する「応力／歪み」エネルギーが形成される。従って、基板と挟み込み構造の下方電極との間の密着力が低い場合には、基板と挟み込み構造とが剥離して耐久性が低下し即ち薄膜音響共振器の寿命が短くなる。
【００１４】
上記の特開２０００−６９５９４号公報等には、好適な電極材料としてＭｏが記載されているが、基板となるシリコンウェーハ等との更なる密着性の向上に関する特別の記載はない。
【００１５】
また、例えば特開平２−３０９７０８号公報等には、下方電極層としてＡｕ／Ｔｉ等の２層からなるものを用いることが記載されている。この場合、Ｔｉ層はＡｕ層と基板との密着性を高める層として存在している。即ち、このＴｉ密着層は薄膜音響共振器の本来の動作の点からは必須の電極層ではないが、Ｔｉ密着層を形成せずにＡｕ電極層を単独で形成した場合には、基板とＡｕ電極層との間の密着力が乏しくなり、剥離等の発生により薄膜音響共振器の動作時の耐久性を著しく損なうこととなる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような薄膜音響共振器では、電極面に対し直角の方向に伝搬する所要の縦方向振動の他に、電極面に平行の方向に伝搬する横方向振動も存在し、この横方向振動のうちには薄膜音響共振器の所要の振動にスプリアスを励振して共振器の特性を劣化させるものがある。
【００１７】
本発明の目的は、改良された性能を有するＦＢＡＲ／ＳＢＡＲを提供することである。
【００１８】
本発明の他の目的は、特にスプリアス励振が低減されたＦＢＡＲ／ＳＢＡＲを提供することにある。
【００１９】
本発明の他の目的は、下方電極層と基板との密着性（接合強度）を向上させることでＦＢＡＲ／ＳＢＡＲの耐久性を向上させ長寿命化を図ることにある。
【００２０】
本発明の更なる目的は、下方電極層と基板との密着性を向上させると共に、下方電極層上での結晶品質及び配向性の良好な圧電体薄膜の形成を可能とすることで、電気機械結合係数や音響品質係数（Ｑ値）などに優れた高性能なＦＢＡＲ／ＳＢＡＲを提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
基板と、該基板上に配置され該基板側の下方電極層及びこれと対をなす上方電極層の間に圧電体薄膜層を挟み込むように積層してなる挟み込み構造体とを備える薄膜音響共振器であって、
前記挟み込み構造体は更に前記下方電極層と前記基板との間に位置し且つ前記下方電極層と接合された密着電極層を有しており、該密着電極層は前記基板に前記挟み込み構造体の振動を許容するように形成された窪みの周囲において前記基板と接合されていることを特徴とする薄膜音響共振器、
が提供される。
【００２２】
本発明の一態様においては、前記密着電極層は環状に形成されており、前記密着電極層の前記下方電極層と接する部分の平面面積をＳ１とし、前記下方電極層の平面面積をＳ２としたとき、０．０１×Ｓ２≦Ｓ１≦０．５×Ｓ２の関係が成り立ち、前記上方電極層は前記密着電極層の内側に対応する領域に位置している。
【００２３】
本発明の一態様においては、前記密着電極層はＴｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔａより選ばれる少なくとも一種を含む材料で構成されており、前記下方電極層はＡｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏより選ばれる少なくとも一種を含む材料で構成されており、前記圧電体薄膜層はＡｌＮまたはＺｎＯで構成されている。
【００２４】
また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
窪みが形成されている基板の表面において前記窪みの周囲に密着電極層を形成し、該密着電極層より内側の前記窪みに対応する領域にて前記基板の表面上に犠牲層を形成し、該犠牲層の表面を研磨して高さのＲＭＳ変動が２０ｎｍ以下となるように平滑化し、前記犠牲層及び前記密着電極層の上に下方電極層、圧電体薄膜層及び上方電極層を順次形成し、しかる後に前記犠牲層を除去することを特徴とする、薄膜音響共振器の製造方法、が提供される。
【００２５】
本発明において、高さのＲＭＳ変動は、日本工業規格ＪＩＳＢ０６０１：２００１「製品の幾何特性仕様（ＧＰＳ）−表面性状：輪郭曲線方式−用語、定義及び表面性状パラメータ」に記載の二乗平均平方根粗さ：Ｒｑである。
【００２６】
本発明の一態様においては、前記犠牲層の形成は、先ず前記基板及び前記密着電極層を覆うように犠牲層材料の層を形成し、次いで該犠牲層材料の層を前記密着電極層の表面が露出するように研磨することで行われ、前記犠牲層の除去はエッチングにより行われ、前記犠牲層としてガラス又はプラスチックを用いる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２８】
図１および図２は、それぞれ、本発明による薄膜音響共振器であるＦＢＡＲおよびＳＢＡＲの断面図である。
【００２９】
図１において、ＦＢＡＲ２０は、上方電極層２１、下方電極層２３及び密着電極層２４を備え、これらは圧電体薄膜層２２の一部を挟み込んで挟み込み構造体を形成している。圧電体薄膜層２２の好適な材料は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）である。ＦＢＡＲ２０に使用される密着電極層２４は、好適にはＴｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔａから作られるが、他の材料を使用することも可能である。上方及び下方の電極層２１，２３は、好適にはＡｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏから作られるが、他の材料を使用することも可能である。挟み込み構造体は、基板１１の上面に形成された窪み１２の周囲において該基板１１上に密着電極層２４が位置するようにして、配置されている。
【００３０】
この素子は、圧電体薄膜層内のバルク弾性音響波の作用を利用している。印加電圧により二つの電極２１，２３の間に電界が生ずると、圧電体薄膜は電気エネルギーの一部を音波の形の機械的エネルギーに変換する。音波は電界と同じ方向に伝播し、電極／空気境界面で反射される。
【００３１】
機械的に共振している時、素子は電気共振器として機能し、したがって、素子は、ノッチフィルタとして動作することができる。素子の機械的共振は、音波が伝播する材料の厚さが当該音波の半波長と等しくなる周波数において発生する。音波の周波数は電極２１，２３間に印加される電気信号の周波数である。音波の速度は光の速度より５〜６桁小さいから、得られる共振器を極めてコンパクトにすることができる。ＧＨｚ帯の用途に対する共振器を、平面寸法が約１００μｍ、厚さが数μｍのオーダーの寸法で構成することができる。
【００３２】
次に、図２を参照してＳＢＡＲについて説明する。ＳＢＡＲ４０は、帯域フィルタと類似の電気的機能を与える。ＳＢＡＲ４０は、基本的には機械的に結合されている二つのＦＢＡＲフィルタである。圧電体薄膜層４２の共振周波数で密着電極層２４及び下方電極層４５と電極層４４とを横断する信号は、音響エネルギーを圧電体薄膜層４１に伝える。圧電体薄膜層４１内の機械的振動は、電極層４４と電極層４３とを横断する電気信号に変換される。
【００３３】
図３〜図９は、本発明による薄膜音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図（図３〜図８）及び模式的平面図（図９）である。
【００３４】
先ず、図３に示されているように、集積回路製作に利用されている通常のシリコンウェーハ５１に、エッチングにより窪みを形成する。窪みの深さは好適には３〜３０μｍである。ＦＢＡＲの挟み込み構造体の下の空洞の深さは圧電体薄膜層により生ずる変位を許容すればよい。したがって、空洞の深さは数μｍあれば十分である。
【００３５】
ウェーハ５１の表面に熱酸化により酸化シリコンの薄層５３を形成し、これにより、その上に以後の工程で形成される犠牲層のＰＳＧからウェーハ５１内に燐が拡散しないようにする。このようにウェーハ５１内への燐の拡散を抑制することにより、シリコンウェーハが導体に変換されることが阻止され、作製された素子の電気的動作に対する悪影響をなくすことができる。以上のようにしてウェーハ５１の表面に酸化シリコン薄層５３を形成したものを、基板として用いる。即ち、図３は、基板の表面に深さが好適には３〜３０μｍの窪み５２を形成した状態を示す。
【００３６】
次に、図４に示されているように、基板上に窪み５２を取り囲むようにして密着電極層６１を接合形成する。密着電極層６１の上面の面積（平面面積）をＳ１とし、その上に形成する下方電極の平面面積をＳ２としたとき、Ｓ１が０．０１×Ｓ２≦Ｓ１≦０．５×Ｓ２の範囲内にあることが好ましい。Ｓ１＜０．０１×Ｓ２の場合には、基板と下方電極との密着力が弱くなり、本発明の効果が十分に発現しなくなる傾向にある。また、Ｓ１＞０．５×Ｓ２の場合には、密着電極層６１が薄膜音響共振器の動作に影響を与え、良好な共振特性が得られなくなる傾向にある。密着電極層６１の厚さは、その上に形成する下方電極層を保持するに十分なものであれば良く、例えば２０ｎｍから１μｍまでの範囲内であれば良い。また、密着電極層６１の材料は、好適には、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔａより選ばれる少なくとも一種を含みさえすれば良い。
【００３７】
以上のように密着電極層６１を基板の窪み５２の周囲に設けることで、薄膜音響共振器における横方向の振動発生を抑制し、薄膜音響共振器の振動に余分なスプリアス振動が重なることを防止することができる。その結果、薄膜音響共振器およびフィルタの共振特性、品質係数が改善される。また、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏなどからなる下方電極層の中央部の下側には、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔａなどからなる密着電極層６１が存在しないため、この部分では下方電極層の配向性及び結晶性を高めることができ、その結果、ロッキングカーブにおける回折ピーク半値幅（ＦＷＨＭ）が小さく、配向性及び結晶品質に優れた圧電体薄膜層を形成できることが見出された。圧電体薄膜層の高配向性及び良質結晶化により、本発明の薄膜音響共振器およびフィルタの共振特性及び品質係数が改善される。
【００３８】
さて、次に、図５に示されているように、密着電極層６１の形成された基板の酸化シリコン薄層５３上にＰＳＧからなる犠牲層５５を堆積させる。ＰＳＧは、シランおよびホスフィン（ＰＨ₃ ）を使用して約４５０℃までの温度で堆積され、燐含有量約８％の軟ガラス様物質を形成する。この低温形成プロセスは、当業者に周知である。ＰＳＧは、比較的低温で堆積させることができ、且つ、希釈Ｈ₂ Ｏ：ＨＦ溶液で高速度でエッチングされる非常にクリーンな不活性材料であるから、犠牲層の材料として好適である。以後の工程で実行されるエッチングにおいて１０：１の希釈割合で毎分約３μｍのエッチング速度が得られる。
【００３９】
堆積したままのＰＳＧ犠牲層５５の表面は、原子レベルでみると非常に粗い。従って、堆積したままのＰＳＧ犠牲層５５は、薄膜音響共振器を形成する基体としては不十分である。ＦＢＡＲ／ＳＢＡＲ形式の薄膜音響共振器は、結晶が電極面に垂直な柱状晶を成して成長する圧電体材料を必要とする。微細な研磨粒子を含む研磨スラリーを用いてＰＳＧ犠牲層５５の表面を磨いて滑らかにすることにより、優れた配向性及び結晶品質を持つ下方電極層の形成が可能となり、ひいては優れた配向性及び結晶品質を持つ圧電体薄膜層の形成が可能となる。
【００４０】
即ち、図６に示されているように、ＰＳＧ犠牲層５５の表面を粗仕上げスラリーで磨くことにより平面化して、密着電極層６１の上に堆積したＰＳＧ層の部分を除去する。次に、残っているＰＳＧ層５５を更に微細な研磨粒子を含む精密仕上げスラリーを使用して磨くことができる。代替方法として、磨き時間が長くかかっても良ければ、一つの微細な精密仕上げスラリーを二つの磨きステップにて使用することもできる。目標は、「ミラー」状仕上げ（鏡面仕上げ）を実現することである。
【００４１】
以上のようにして実行された研磨の後の基板のクリーニングも重要である。スラリーは基板上に少量のシリカ粗粉を残すので、この粗粉を除去せねばならない。本発明の好適な実施形態では、このシリカ粗粉の除去をポリテックス（Ｐｏｌｙｔｅｘ（商標）：ロデール・ニッタ社）のような堅いパッドの付いた第２の研磨具を使用して行う。その際の潤滑剤として、脱イオン水を使用し、磨いてから最終クリーニングステップの準備が完了するまで基板を脱イオン水中に入れておく。基板を、最後の磨きステップと最後のクリーニングステップとの間で乾燥させないように注意する。最後のクリーニングステップは、基板を色々な化学薬品の入っている一連のタンクに漬けることから成る。各タンクでは超音波撹拌が加えられる。このようなクリーニング手段は当業者には周知である。
【００４２】
研磨剤は、シリカ微粒子から構成されている。本発明の好適な実施形態では、シリカ微粒子のアンモニア主体スラリー（ＲｏｄｅｌＫｌｅｂｏｓｏｌ＃３０Ｎ：ローデル・ニッタ社）を利用する。
【００４３】
以上の説明では特定の研磨およびクリーニングの様式を示したが、必要な滑らかさの表面を与えるどんな研磨およびクリーニングの様式をも利用することができる。本発明の好適な実施形態では、最終表面は、原子間力顕微鏡プローブで測った高さのＲＭＳ変動が２０ｎｍ未満、好ましくは１０ｎｍ未満の表面粗度である。
【００４４】
以上のようにして表面を平滑にし、さらに密着電極層６１の表面をプラズマエッチングにより清浄化処理した後、図７に示されているように、挟み込み構造体６０の下方電極層６２を堆積させる。下方電極層６２の好適な材料は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏである。この下方電極層６２の配向性及び結晶性が、その上に形成される圧電体薄膜層６３の配向性及び結晶品質に反映される。
【００４５】
下方電極層６２の厚さも重要である。厚い層は、薄い層より表面が粗くなる。上記のように、圧電体薄膜層６３の堆積のための滑らかな表面を維持することは、得られる共振器の性能にとって非常に重要である。したがって、下方電極層６２の厚さは、好適には２００ｎｍ未満である。Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏは好適にはスパッタリングにより堆積される。この方法により、表面の高さのＲＭＳ変動が２０ｎｍ未満、好ましくは１０ｎｍ未満の表面粗度の下方電極層６２が得られる。
【００４６】
下方電極層６２を堆積し終わってから、下方電極層６２の周囲に残ったＰＳＧ犠牲層を除去し、圧電体薄膜層６３を堆積する。圧電体薄膜層６３の好適な材料は、ＡｌＮまたはＺｎＯであり、これもスパッタリングにより堆積される。本発明の好適な実施形態では、圧電体薄膜層６３の厚さは、０．１μｍから１０μｍの間、好ましくは０．５μｍから２μｍの間にある。
【００４７】
最後に、上方電極層６４を堆積させる。上方電極層６４は、下方電極層６２と同様な材料から構成され、好適にはＡｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏから構成される。
【００４８】
以上のようにして、密着電極層６１、下方電極層６２、圧電体薄膜層６３及び上方電極層６４の接合されたものからなり所要の形状にパターニングされた挟み込み構造体６０を形成してから、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などの乾式エッチング法により、上方電極層６４の周辺部から下方へ向かって、該上方電極層６４、圧電体薄膜層６３及び下方電極層６２を通って犠牲層５５にまで到達するような貫通小孔を開け、希釈Ｈ₂ Ｏ：ＨＦ溶液でエッチングすることにより、挟み込み構造体６０の下方のＰＳＧを除去する。これにより、図８及び図９に示されているように、窪み５２の上に橋架けされた挟み込み構造体６０が残る。即ち、挟み込み構造体６０は、基板の表面に形成された窪み５２の周囲に密着電極層６１が位置し、窪み５２をまたぐようにして、縁部が基板により支持されている。
【００４９】
以上のようにして得られた薄膜音響共振器においては、挟み込み構造体６０のの周辺部では密着電極層６１の分だけ質量が大きくなるので、横方向の振動発生が抑制され、薄膜音響共振器の振動に余分なスプリアス振動の重なりが生ずるのを防止することができる。また、窪み５２の周囲に密着電極層６１を形成することにより、従来空洞上に単独では堆積できなかったＡｕ、Ｐｔなどからなる下方電極層を堆積することが可能となり、Ｗ、Ｍｏなどからなる下方電極層についても下地基板との密着性が改善される。
【００５０】
また、以上のような薄膜音響共振器の製造方法によれば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏなどからなる下方電極層６２の中央部をシリカガラス、燐酸石英ガラスなどのガラス質の犠牲層上に形成するので、従来のＴｉ等からなる密着層上にＡｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏなどの電極層を全体的に形成する場合よりも、下方電極層の配向性及び結晶性が優れたものとなり、ロッキングカーブにおける回折ピーク半値幅（ＦＷＨＭ）の小さな良質な結晶膜が得られる。このようにして下方電極層６２の配向性及び結晶品質を改良することにより、その上に形成される圧電体薄膜層の配向性及び結晶品質の向上が実現される。
【００５１】
以上の実施形態は、ＦＢＡＲに関するものである。しかし、当業者には、以上の説明から、同様なプロセスを用いてＳＢＡＲを作製することが可能であることが明らかであろう。ＳＢＡＲの場合には、もう一つの圧電体層（第２の圧電体層）およびその上の電極層を堆積しなければならない。第２の圧電体層は上記実施形態で示されているような「ＦＢＡＲ」の上方電極層の上に形成されているから、この上方電極層の厚さをも例えば１００ｎｍに維持して第２の圧電体層を堆積するための適切な表面状態を与えるようにする。例えば、高さのＲＭＳ変動が２０ｎｍ未満、好ましくは１０ｎｍ未満の表面粗度である平滑な表面とするのが好ましい。
【００５２】
本発明の上述の実施形態では、ＰＳＧから構成された犠牲層を利用しているが、犠牲層には他の材料をも使用することができる。例えば、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ−Ｐｈｏｓｐｈｏｒ−ｓｉｌｉｃａｔｅ−Ｇｌａｓｓ：ボロン−燐−シリコン−ガラス）または、スピン・ガラスのような他の形態のガラスを利用することもできる。これ以外にも、スピニングにより基板上に堆積できるポリビニール、ポリプロピレン、およびポリスチレンのようなプラスチックがある。これらの材料から犠牲層を構成する場合にも、ＰＳＧ犠牲層の場合のように、研磨による表面平滑化が重要である。これらの犠牲層は、有機除去材あるいはＯ₂ プラズマエッチングによって取り去ることもできる。
【００５３】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【００５４】
（実施例１）
図３〜図９に記載されているようにして、薄膜音響共振器を作製した。
【００５５】
まず、Ｓｉウェーハ５１の表面をＳｉＯ₂ 保護膜により被覆し、エッチングにより該保護膜を窪み形成のための所定のパターン状に形成し、Ｓｉウェーハ５１のエッチングのためのマスクを形成した。その後、該マスクを用いて湿式エッチングを行い、図３に示されているように、深さ２０μｍの窪みを形成した。エッチングは、エッチング液として５ｗｔ％のＫＯＨ水溶液を用い、液温７０℃で行った。その後、熱酸化により、ウェーハ５１の表面に再度ＳｉＯ₂ 層５３を形成した。これにより、Ｓｉウェーハ５１及びＳｉＯ₂ 層５３からなる基板上に窪み５２の形成されている構造を得た。
【００５６】
その後、基板の表面（上面）にＣｒ膜を形成し、該Ｃｒ膜のうちの窪み５２の周囲を取り囲む部分のみを環状に残すようにようパターンエッチングした。これにより、図４に示されているように、窪み５２の周囲を取り囲むようにＣｒ膜からなる密着電極層６１が形成された。Ｃｒ膜の形成は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用い、スパッタガスとしてＡｒを用い、基板温度を室温として行った。Ｃｒ密着電極層６１は、上面の下方電極層との接触面となる平面の面積（Ｓ１）が４５００μｍ² で、膜厚が１００ｎｍとなるように形成された。
【００５７】
その後、図５に示されているように、窪み５２の形成されているＳｉＯ₂ 層５３及びＣｒ密着電極層６１の上に、シランおよびおよびホスフィン（ＰＨ₃ ）を使用して４５０℃でＰＳＧを堆積させた。
【００５８】
次いで、図６に示されているように、堆積したＰＳＧの表面を研磨して密着電極層６１の上のＰＳＧ層の部分を除去し、続いてＰＳＧ層５５の表面を微細な研磨粒子を含むスラリーを用いて研磨し、逆スパッタリング処理によりＣｒ密着電極層６１の表面を清浄化した。これにより、ＰＳＧ犠牲層５５の表面は、高さのＲＭＳ変動が８ｎｍとなる表面粗さであった。
【００５９】
その後、図７に示されているように、Ｃｒ密着電極層６１及びＰＳＧ犠牲層５５の上に、Ａｕからなる下方電極層６２を形成した。該下方電極層６２のパターニングにはリフトオフ法を採用し、Ｃｒ密着電極層６１の外周縁に対応する外周縁を有する所定形状の下方電極層６２を得た。Ａｕ膜の形成は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用い、スパッタガスとしてＡｒを用い、基板温度を室温として行った。下方電極層６２は、平面面積が２７２２５μｍ² で、膜厚が１００ｎｍととなるように形成された。得られたＡｕ膜の表面粗さを調べた結果、高さのＲＭＳ変動は７ｎｍであった。
【００６０】
次に、下方電極層６２の周囲に残ったＰＳＧ犠牲層を除去し、下方電極層６２上にＺｎＯからなる圧電体薄膜層６３を形成した。ＺｎＯ膜の形成は、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用い、スパッタリングターゲットとしてＺｎＯを用い、スパッタガスとしてＡｒ：Ｏ₂ が９：１のＡｒ−Ｏ₂ 混合ガスを用い、スパッタガス圧を５ｍＴｏｒｒとし、基板温度を４００℃として行った。ＺｎＯ膜の膜厚は１．０μｍであった。得られたＺｎＯ膜の表面粗さを調べた結果、高さのＲＭＳ変動は４ｎｍであった。
【００６１】
続いて、ＺｎＯ圧電体薄膜層６３を湿式エッチングして、結合電極引き出しに必要な開口部以外はＣｒ密着電極層６１の外周縁及び下方電極層６２の外周縁に対応する外周縁を有する所定形状にパターニングした。そして、ＺｎＯ圧電体薄膜６３上にＡｕからなる上部電極層６４を形成した。該上部電極層６４は、リフトオフ法によるパターニングで、外周縁がＣｒ密着電極層６１の内周縁より内側となるような所定形状とされた（図９参照）。Ａｕ膜の形成は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用い、スパッタガスとしてＡｒを用い、基板温度を室温として行った。Ａｕ膜の膜厚は１００ｎｍとした。
【００６２】
次いで、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、上方電極層６４の周辺部から下方へ向かって、該上方電極層６４、圧電体薄膜層６３及び下方電極層６２を通って犠牲層５５まで貫通する小さな穴を開け、希釈Ｈ₂ Ｏ：ＨＦ溶液でエッチングすることによりＰＳＧ犠牲層５５を除去した。これにより、図８に示されているように、窪み５２の上にＣｒ／Ａｕ／ＺｎＯ／Ａｕの挟み込み構造体６０が橋架けされた形態を形成した。得られた挟み込み構造体６０について、スコッチテープによるピーリングテストを行ったところ、基板との間での剥離は観察されなかった。
【００６３】
得られたＺｎＯ圧電体薄膜層６３について、薄膜ＸＲＤ分析を行った結果、膜のｃ軸は膜面内に対して８８．６度の方向であり、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、（０００２）ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）は２．３度であり、良好な配向性を示していた。
【００６４】
また、このようにして得られた図８及び図９に示される薄膜音響共振器について、マイクロ波プローバを使用して、上方電極層６４と下方電極層６２及び密着電極層６１との間のインピーダンス特性を測定するとともに、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａを測定し、これらの測定値に基づき電気機械結合係数ｋ_t ²を算出した。このとき、スプリアスは励振せず、電気機械結合係数係数ｋ_t ²は５．５％で音響的品質係数は１１４５であった。実施例１において得られたＦＢＡＲの構成、密着強度および音響共振器としての特性を表１に示す。
【００６５】
（実施例２）
密着電極層６１としてＣｒに代えてＴｉからなるものを用いたこと以外は、実施例１と同様にして薄膜音響共振器を作製した。Ｔｉ膜の形成は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用い、スパッタリングターゲットとしてＴｉを用い、スパッタガスとしてＡｒを用い、基板温度を室温として行った。Ｔｉ膜の膜厚は、２０ｎｍとした。得られたＺｎＯ圧電体薄膜層６３の表面粗さを調べた結果、高さのＲＭＳ変動は９ｎｍであった。スコッチテープによるピーリングテストを行ったところ、基板と挟み込み構造体６０との間での剥離は観察されなかった。また、薄膜ＸＲＤ分析を行った結果、ＺｎＯ圧電体薄膜層６３のｃ軸は膜面内に対して８９．２度の方向であり、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は２．１度と良好な配向性を示していた。
【００６６】
このようにして得られた薄膜音響共振器は、スプリアスの励振はなく、電気機械結合係数ｋ_t ²は５．９％で、音響的品質係数は７７２であった。実施例２において得られたＦＢＡＲの構成、密着強度および音響共振器としての特性を表１に示す。
【００６７】
（実施例３）
下方電極層６２及び上方電極層６４としてＡｕに代えてＰｔからなるものを用い且つＣｒ密着電極層６１の厚みを６０ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして薄膜音響共振器を作製した。Ｐｔ膜の形成は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用い、スパッタリングターゲットとしてＰｔを用い、スパッタガスとしてＡｒを用い、基板温度を室温として行った。Ｐｔ膜の膜厚は１００ｎｍとした。得られたＺｎＯ圧電体薄膜層６３の表面粗さを調べた結果、高さのＲＭＳ変動は６ｎｍであった。スコッチテープによるピーリングテストを行ったところ、基板と挟み込み構造体６０との間での剥離は観察されなかった。また、薄膜ＸＲＤ分析を行った結果、ＺｎＯ圧電体薄膜層６３のｃ軸は膜面内に対して８８．８度の方向であり、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は２．５度と良好な配向性を示していた。
【００６８】
このようにして得られた薄膜音響共振器は、スプリアスの励振はなく、電気機械結合係数ｋ_t ²は５．２％で、音響的品質係数は８９８であった。実施例３において得られたＦＢＡＲの構成、密着強度および音響共振器としての特性を表１に示す。
【００６９】
（実施例４）
密着電極層６１としてＣｒに代えてＮｉからなるものを用い、その平面面積Ｓ１を１５０００μｍ² に広げて下方電極層６２の平面面積Ｓ２との比率Ｓ１／Ｓ２を０．５５にしたこと以外は、実施例１と同様にして薄膜音響共振器を作製した。Ｎｉ膜の形成は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用い、スパッタリングターゲットとしてＮｉを用い、スパッタガスとしてＡｒを用い、基板温度を室温として行った。Ｎｉ膜の膜厚は５０ｎｍとした。得られたＺｎＯ圧電体薄膜層６３の表面粗さを調べた結果、高さのＲＭＳ変動は１１ｎｍであった。スコッチテープによるピーリングテストを行ったところ、基板と挟み込み構造体６０との間での剥離は観察されなかった。また、薄膜ＸＲＤ分析を行った結果、ＺｎＯ圧電体薄膜層６３のｃ軸は膜面内に対して８９．０度の方向であり、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は２．９度と良好な配向性を示していた。
【００７０】
このようにして得られた薄膜音響共振器は、スプリアスの励振はなく、電気機械結合係数ｋ_t ²は４．８％で、音響的品質係数は７０７であった。実施例４において得られたＦＢＡＲの構成、密着強度および音響共振器としての特性を表１に示す。
【００７１】
（実施例５）
上方及び下方の電極層６２，６４としてＡｕに代えてＰｔからなるものを用い、圧電薄膜層６３としてＺｎＯに代えてＡｌＮからなるものを用い、且つＴｉ密着電極層６１の平面面積Ｓ１を４０００μｍ² とし厚みを３０ｎｍとしたこと以外は、実施例２と同様にして薄膜音響共振器を作製した。Ｐｔ膜の形成は、実施例３と同様に行った。また、ＡｌＮ膜の形成は、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用い、スパッタリングターゲットとしてＡｌを用い、スパッタガスとしてＡｒ：Ｎ₂ が１：１のＡｒ−Ｎ₂ 混合ガスを用い、基板温度を４００℃として行った。ＡｌＮ膜の膜厚は１．４μｍとした。得られたＡｌＮ膜の表面粗さを調べた結果、高さのＲＭＳ変動は７ｎｍであった。スコッチテープによるピーリングテストを行ったところ、基板と挟み込み構造体６０との間での剥離は観察されなかった。また、薄膜ＸＲＤ分析を行った結果、ＡｌＮ圧電体薄膜層６３のｃ軸は膜面内に対して９０．０度の方向であり、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は２．７度と良好な配向性を示していた。
【００７２】
このようにして得られた薄膜音響共振器は、スプリアスの励振はなく、電気機械結合係数ｋ_t ²は６．４％で、音響的品質係数は９８４であった。実施例５において得られたＦＢＡＲの構成、密着強度および音響共振器としての特性を表１に示す。
【００７３】
（実施例６）
密着電極層６１としてＣｒからなるものを用い、上方及び下方の電極層６２，６４としてＭｏからなるものを用い、且つＣｒ密着電極層６１の平面面積Ｓ１を５０００μｍ² とし厚みを４０ｎｍとしたこと以外は、実施例５と同様にして薄膜音響共振器を作製した。得られたＡｌＮ膜の表面粗さを調べた結果、高さのＲＭＳ変動は５ｎｍであった。スコッチテープによるピーリングテストを行ったところ、基板と挟み込み構造体６０との間での剥離は観察されなかった。また、薄膜ＸＲＤ分析を行った結果、ＡｌＮ圧電体薄膜層６３のｃ軸は膜面内に対して８９．８度の方向であり、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は２．９度と良好な配向性を示していた。
【００７４】
このようにして得られた薄膜音響共振器は、スプリアスの励振はなく、電気機械結合係数ｋ_t ²は６．１％で、音響的品質係数は１１４０であった。実施例６において得られたＦＢＡＲの構成、密着強度および音響共振器としての特性を表１に示す。
【００７５】
（比較例１）
Ｓｉウェーハ５１及びＳｉＯ₂ 層５３からなる基板上に窪み５３の形成されている構造の上にＰＳＧを堆積させ、その表面を研磨して窪み５３以外の領域のＰＳＧ層の部分を除去し、窪み５３の領域のＰＳＧ層の表面を高さのＲＭＳ変動が８ｎｍとなるような表面粗さにし、その上にＣｒ膜及びＡｕ膜を形成し、これらの膜を同一形状にパターニングして、密着電極層６１を下方電極層６２の全面に接合した形態を得たこと以外は、実施例１と同様にして薄膜音響共振器を作製した。得られたＺｎＯ膜の表面粗さを調べた結果、高さのＲＭＳ変動は３０ｎｍであった。スコッチテープによるピーリングテストを行ったところ、基板と挟み込み構造体６０との間での剥離は観察されなかった。また、薄膜ＸＲＤ分析を行った結果、ＺｎＯ圧電体薄膜層６３のｃ軸は膜面内に対して８７．５度の方向であり、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は４．８度と実施例１に比べて２．５度ほどの劣化を示した。
【００７６】
また、このようにして得られた薄膜音響共振器は、スプリアスが励振し、電気機械結合係数ｋ_t ²は２．５％で、音響的品質係数は４０４であった。比較例１において得られたＦＢＡＲの構成、密着強度および音響共振器としての特性を表１に示す。
【００７７】
（比較例２）
密着電極層６１を設けなかったこと以外は、実施例１と同様にして薄膜音響共振器を作製した。得られたＺｎＯ膜の表面粗さを調べた結果、高さのＲＭＳ変動は２３ｎｍであった。薄膜ＸＲＤ分析を行った結果、ＺｎＯ圧電体薄膜層６３のｃ軸は膜面内に対して８８．４度の方向であり、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は２．９度と実施例４と同等値を示したが、スコッチテープによるピーリングテストにおいて、基板と挟み込み構造体６０との間での剥離が観察された。
【００７８】
また、このようにして得られた薄膜音響共振器は、スプリアスが励振し、電気機械結合係数ｋ_t ²は３．２で、音響的品質係数は４４６であった。比較例２において得られたＦＢＡＲの構成、密着強度および音響共振器としての特性を表１に示す。
【００７９】
【表１】

【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、下方電極層と基板との間に密着電極層を設けており、該密着電極層は基板に形成された窪みの周囲において基板と接合されているので、薄膜音響共振器における横方向の振動発生が抑制され、薄膜音響共振器の振動に余分なスプリアス振動が重なることが防止され、薄膜音響共振器およびフィルタの共振特性、品質係数が改善される。また、下方電極層の中央部の下側（すなわち密着電極層により囲まれた内側部分）には密着電極層が存在しないため、下方電極層の中央部を極めて平滑度の高い犠牲層表面上にて形成して配向性及び結晶性を高めることができ、これに基づき配向性及び結晶品質に優れた圧電体薄膜層を形成でき、電気機械結合係数や音響品質係数（Ｑ値）などに優れた高性能な薄膜音響共振器が提供される。更に、密着電極層を用いることで、下方電極層と基板との密着性（接合強度）を向上させることができ、下方電極層の材料選択の幅が広くなり、薄膜音響共振器の耐久性を向上させ長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＦＢＡＲの模式的断面図である。
【図２】本発明によるＳＢＡＲの模式的断面図である。
【図３】本発明によるＦＢＡＲ及びその製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図４】本発明によるＦＢＡＲ及びその製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図５】本発明によるＦＢＡＲ及びその製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図６】本発明によるＦＢＡＲ及びその製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図７】本発明によるＦＢＡＲ及びその製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図８】本発明によるＦＢＡＲ及びその製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図９】本発明によるＦＢＡＲ及びその製造方法を説明するための模式的平面図である。
【符号の説明】
１１基板
１２，５２窪み
２０，４０薄膜音響共振器
２１，４３，４４，６４上方電極層
２２，４１，４２，６３圧電体薄膜層
２３，４５，６２下方電極層
２４，６１密着電極層
５１シリコンウェーハ
５３酸化シリコン層
５５犠牲層（犠牲材料の層）
６０挟み込み構造体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film acoustic resonator, and more particularly to a thin film acoustic resonator that can be used as a filter for a communication device and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Because of the need to reduce the cost and size of electronic equipment, attempts to reduce the size of the filter as its circuit component have continued. Consumer electronic devices such as cellular telephones and miniature radios have severe demands regarding both the size and cost of the components built in. Circuits included in these electronic devices utilize filters that must be tuned to a precise frequency. Thus, efforts to provide inexpensive and compact filters are continually continued.
[0003]
One filter that may meet the demand for low cost and miniaturization is constructed using a thin film acoustic resonator. The thin film acoustic resonator uses a bulk acoustic wave in a piezoelectric thin film material. In one simple configuration of the thin film acoustic resonator, a sandwiched structure in which a layer of piezoelectric thin film material is sandwiched between two metal electrodes is formed. This sandwiching structure is supported by a bridge structure in which the peripheral part is supported and the central part is suspended in the air. When an electric field is generated by a voltage applied between the two electrodes, the piezoelectric thin film material converts some of the electrical energy into mechanical energy in the form of sound waves. Sound waves propagate in the same direction as the electric field and are reflected at the electrode / air interface.
[0004]
When mechanically resonating, the thin film acoustic resonator acts as an electrical resonator and can therefore be used to construct a filter. The mechanical resonance of the thin film acoustic resonator occurs at a frequency at which the thickness of the material through which the sound wave propagates is equal to the half wavelength of the sound wave. The frequency of the sound wave is equal to the frequency of the electrical signal applied to the electrode. Since the speed of sound waves is 5 to 6 orders of magnitude smaller than the speed of light, the resulting resonator can be made very compact. Therefore, a resonator for use in the GHz band can be configured with a structure having a planar dimension of less than 200 microns and a thickness of less than several microns.
[0005]
The above-described thin film acoustic resonator, that is, a thin film bulk acoustic resonator (hereinafter referred to as FBAR), and a stacked thin film acoustic resonator, that is, a stacked thin film bulk acoustic resonator, in which the sandwiched structure is stacked, and In a filter (Stacked Thin Film Wave Acoustic Resonators and Filters: hereinafter referred to as SBAR), the central portion of the sandwich structure is a piezoelectric thin film having a thickness of about 1 to 2 microns produced by sputtering. The upper and lower electrodes serve as electrical leads, and provide an electric field through the piezoelectric thin film with the piezoelectric thin film interposed therebetween. The piezoelectric thin film converts part of the electric field energy into mechanical energy. In response to time-varying applied electric field energy, time-varying “stress / strain” energy is formed.
[0006]
In order to operate the FBAR or SBAR as a thin film acoustic resonator, the sandwich structure including the piezoelectric thin film must be supported by a bridge structure to form an air / crystal interface for trapping the sound wave in the sandwich structure. . The sandwich structure is usually made by depositing a lower electrode, a piezoelectric thin film layer, and an upper electrode in this order on the substrate surface. Therefore, an air / crystal interface already exists above the sandwich structure. An air / crystal interface must also be provided on the underside of the sandwich structure. In order to obtain the air / crystal interface below the sandwich structure, several methods as described below have been conventionally used.
[0007]
The first method is, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-15312. If the substrate is made of silicon and uses etching removal of the wafer forming the substrate, a heated KOH aqueous solution is used. Is used to etch away a portion of the silicon substrate from the back side to form a hole. Thus, a resonator having a configuration in which the edge of the sandwich structure is supported by the portion around the hole on the front surface side of the silicon substrate is obtained. However, such holes drilled through the wafer make the wafer very delicate and very fragile. Further, when wet etching using KOH is performed with an etching inclination of 54.7 degrees with respect to the substrate surface, it is difficult to improve the acquisition amount of the final product, that is, the yield of FBAR / SBAR on the wafer. For example, a sandwich structure having a lateral dimension (planar dimension) of about 150 μm × 150 μm configured on a 250 μm thick silicon wafer requires a backside etching hole opening of about 450 μm × 450 μm. Therefore, only about 1/9 of the wafer can be used for production.
[0008]
A second conventional method for providing an air / crystal interface under the sandwich structure is to make an air bridge type FBAR element as described in, for example, JP-A-2-13109. Usually, a sacrificial layer is first installed, and then a sandwich structure is formed on the sacrificial layer. Remove the sacrificial layer at or near the end of the process. Since all processing takes place on the front side of the wafer, this method does not require alignment on either side of the wafer or a large area backside opening.
[0009]
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2000-69594 describes the structure and manufacturing method of an air bridge type FBAR / SBAR using quartz phosphate glass (PSG) as a sacrificial layer. In the publication, a PSG layer is deposited on a silicon wafer. PSG is composed of silane and phosphine (PH_Three ) To form a soft glass-like material having a phosphorus content of about 8%. PSG can be deposited at relatively low temperatures and diluted H₂ Etched at a very high rate with O: HF solution.
[0010]
However, in this publication, although the RMS (root mean square) variation of the height indicating the surface roughness of the PSG sacrificial layer is described as less than 0.5 μm, specifically, it is of the order of less than 0.1 μm. There is no specific description of RMS variation. This RMS fluctuation on the order of 0.1 μm is very rough asperities when viewed atomically. An FBAR / SBAR type thin film acoustic resonator requires a piezoelectric material in which a crystal grows in a columnar crystal perpendicular to an electrode plane. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-69594, a conductive sheet parallel to the surface of the PSG layer is formed, and the RMS variation of the height of the conductive sheet is described as less than 2 μm. There is no specific description of smaller order RMS fluctuations. This RMS fluctuation of the order of 0.1 μm is a surface roughness that is insufficient as a surface for forming a piezoelectric thin film for a thin film acoustic resonator. Attempts were made to grow a piezoelectric thin film, but crystals grew in various directions under the influence of numerous irregularities on the rough surface, so the crystal quality of the obtained piezoelectric thin film was not always sufficient.
[0011]
There is also a method of providing an appropriate solid acoustic mirror instead of providing the air / crystal interface as described above. In this method, for example, as described in JP-A-6-295181, a large acoustic impedance made of an acoustic Bragg reflector is created under the sandwiching structure. Bragg reflectors are made by alternating layers of high and low acoustic impedance materials. The thickness of each layer is fixed to 1/4 of the wavelength of the resonance frequency. With a sufficient number of layers, the effective impedance at the piezoelectric / electrode interface can be made much higher than the acoustic impedance of the element, thus effectively confining acoustic waves within the piezoelectric. The acoustic resonator obtained by this method is called a solid acoustic mirror mounted resonator (SMR) because there is no air gap under the sandwich structure.
[0012]
Although this method avoids the problems of the first method and the second method described above, in which the peripheral part is fixed and the center part can freely vibrate, this method also has many problems. . That is, since the metal layer forms a parasitic capacitor that degrades the electrical performance of the filter and cannot be used for the Bragg reflector layer, there are limitations on the selection of materials used for the Bragg reflector. The difference in acoustic impedance of layers made from available materials is not great. Therefore, multiple layers are required to confine sound waves. This method complicates the fabrication process because the stress on each layer must be precisely controlled. Also, since it is difficult to make vias through many layers such as 10 to 14, the acoustic resonator obtained by this method is inconvenient for integration with other active elements. Furthermore, in the examples reported so far, the acoustic resonator obtained by this method has a much lower effective coupling coefficient than an acoustic resonator with an air bridge. As a result, the filter based on SMR has a narrower effective bandwidth than that using an air bridge type acoustic resonator.
[0013]
By the way, as described above, in the thin film acoustic resonator, “stress / strain” energy that changes with time is formed in the sandwich structure in response to the applied electric field energy that changes with time. Therefore, when the adhesion between the substrate and the lower electrode of the sandwich structure is low, the substrate and the sandwich structure are peeled off to reduce the durability, that is, the life of the thin film acoustic resonator is shortened.
[0014]
In the above Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2000-69594 and the like, Mo is described as a suitable electrode material, but there is no specific description regarding further improvement in adhesion to a silicon wafer or the like as a substrate.
[0015]
Further, for example, JP-A-2-309708 discloses that a lower electrode layer composed of two layers such as Au / Ti is used. In this case, the Ti layer exists as a layer that improves the adhesion between the Au layer and the substrate. That is, this Ti adhesion layer is not an indispensable electrode layer from the viewpoint of the original operation of the thin film acoustic resonator, but when the Au electrode layer is formed alone without forming the Ti adhesion layer, the substrate and the Au The adhesion between the electrode layers becomes poor, and the durability during operation of the thin-film acoustic resonator is remarkably impaired by the occurrence of peeling or the like.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
In the above thin film acoustic resonator, in addition to the required longitudinal vibration propagating in the direction perpendicular to the electrode surface, there is also lateral vibration propagating in a direction parallel to the electrode surface. Some of them degrade the characteristics of the resonator by exciting spurious vibrations to the required vibration of the thin film acoustic resonator.
[0017]
It is an object of the present invention to provide an FBAR / SBAR with improved performance.
[0018]
Another object of the present invention is to provide an FBAR / SBAR with reduced spurious excitation.
[0019]
Another object of the present invention is to improve the durability of FBAR / SBAR and improve the life by improving the adhesion (bonding strength) between the lower electrode layer and the substrate.
[0020]
A further object of the present invention is to improve the adhesion between the lower electrode layer and the substrate and to form a piezoelectric thin film with good crystal quality and orientation on the lower electrode layer. It is to provide a high-performance FBAR / SBAR excellent in a coupling coefficient, an acoustic quality factor (Q value), and the like.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the object as described above is achieved.
A thin film acoustic resonator comprising: a substrate; and a sandwiched structure formed by sandwiching a piezoelectric thin film layer between the lower electrode layer disposed on the substrate and the lower electrode layer on the substrate side and the upper electrode layer paired therewith Because
The sandwich structure further includes a contact electrode layer positioned between the lower electrode layer and the substrate and joined to the lower electrode layer, and the contact electrode layer is formed on the substrate. A thin film acoustic resonator, wherein the thin film acoustic resonator is bonded to the substrate around a recess formed to allow vibration;
Is provided.
[0022]
In one aspect of the present invention, the contact electrode layer is formed in an annular shape, and the plane area of the portion of the contact electrode layer in contact with the lower electrode layer is S1, and the plane area of the lower electrode layer is S2. In this case, a relationship of 0.01 × S2 ≦ S1 ≦ 0.5 × S2 is established, and the upper electrode layer is located in a region corresponding to the inner side of the contact electrode layer.
[0023]
In one aspect of the present invention, the contact electrode layer is made of a material containing at least one selected from Ti, Cr, Ni, and Ta, and the lower electrode layer is at least selected from Au, Pt, W, and Mo. The piezoelectric thin film layer is made of AlN or ZnO.
[0024]
In addition, according to the present invention, the object as described above is achieved.
Forming a contact electrode layer around the recess on the surface of the substrate where the recess is formed, forming a sacrificial layer on the surface of the substrate in a region corresponding to the recess inside the contact electrode layer, The surface of the sacrificial layer is polished and smoothed so that the RMS fluctuation in height is 20 nm or less, and a lower electrode layer, a piezoelectric thin film layer, and an upper electrode layer are sequentially formed on the sacrificial layer and the contact electrode layer. There is provided a method of manufacturing a thin film acoustic resonator, characterized in that the sacrificial layer is removed thereafter.
[0025]
In the present invention, the height RMS fluctuation is the root mean square roughness described in Japanese Industrial Standard JIS B0601: 2001 “Product Geometrical Specification (GPS) —Surface Property: Contour Curve Method—Terminology, Definition, and Surface Property Parameter”. S: Rq.
[0026]
In one embodiment of the present invention, the sacrificial layer is formed by first forming a layer of a sacrificial layer material so as to cover the substrate and the adhesive electrode layer, and then forming the layer of the sacrificial layer material on the surface of the adhesive electrode layer The sacrificial layer is removed by etching, and glass or plastic is used as the sacrificial layer.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0028]
1 and 2 are cross-sectional views of FBAR and SBAR, respectively, which are thin film acoustic resonators according to the present invention.
[0029]
In FIG. 1, the FBAR 20 includes an upper electrode layer 21, a lower electrode layer 23, and a contact electrode layer 24, which form a sandwich structure by sandwiching a part of the piezoelectric thin film layer 22. A suitable material for the piezoelectric thin film layer 22 is aluminum nitride (AlN) or zinc oxide (ZnO). The contact electrode layer 24 used for the FBAR 20 is preferably made of Ti, Cr, Ni, Ta, but other materials can also be used. The upper and lower electrode layers 21, 23 are preferably made of Au, Pt, W, Mo, although other materials can be used. The sandwich structure is arranged so that the contact electrode layer 24 is positioned on the substrate 11 around the recess 12 formed on the upper surface of the substrate 11.
[0030]
This element utilizes the action of bulk acoustic waves in the piezoelectric thin film layer. When an electric field is generated between the two

electrodes

21 and 23 by the applied voltage, the piezoelectric thin film converts a part of the electric energy into mechanical energy in the form of sound waves. Sound waves propagate in the same direction as the electric field and are reflected at the electrode / air interface.
[0031]
When mechanically resonating, the element functions as an electrical resonator, and thus the element can operate as a notch filter. The mechanical resonance of the element occurs at a frequency where the thickness of the material through which the sound wave propagates is equal to the half wavelength of the sound wave. The frequency of the sound wave is the frequency of an electric signal applied between the

electrodes

21 and 23. Since the speed of sound waves is 5 to 6 orders of magnitude smaller than the speed of light, the resulting resonator can be made very compact. Resonators for GHz band applications can be constructed with dimensions in the order of about 100 μm in plane dimension and several μm in thickness.
[0032]
Next, SBAR will be described with reference to FIG. SBAR 40 provides an electrical function similar to a bandpass filter. The SBAR 40 is basically two FBAR filters that are mechanically coupled. A signal that traverses the contact electrode layer 24 and the lower electrode layer 45 and the electrode layer 44 at the resonance frequency of the piezoelectric thin film layer 42 transmits acoustic energy to the piezoelectric thin film layer 41. The mechanical vibration in the piezoelectric thin film layer 41 is converted into an electrical signal traversing the electrode layer 44 and the electrode layer 43.
[0033]
3 to 9 are schematic sectional views (FIGS. 3 to 8) and schematic planes for explaining an embodiment of an FBAR that is a thin film acoustic resonator according to the present invention and an FBAR obtained thereby. It is a figure (FIG. 9).
[0034]
First, as shown in FIG. 3, a recess is formed by etching in a normal silicon wafer 51 used for integrated circuit fabrication. The depth of the depression is preferably 3 to 30 μm. The depth of the cavity below the sandwiched structure of the FBAR may allow a displacement caused by the piezoelectric thin film layer. Therefore, it is sufficient that the cavity has a depth of several μm.
[0035]
A thin layer 53 of silicon oxide is formed on the surface of the wafer 51 by thermal oxidation, thereby preventing phosphorus from diffusing into the wafer 51 from the PSG which is a sacrificial layer formed thereon. By suppressing the diffusion of phosphorus into the wafer 51 in this way, the silicon wafer is prevented from being converted into a conductor, and the adverse effect on the electrical operation of the fabricated element can be eliminated. A substrate in which the silicon oxide thin layer 53 is formed on the surface of the wafer 51 as described above is used as a substrate. That is, FIG. 3 shows a state in which a recess 52 having a depth of preferably 3 to 30 μm is formed on the surface of the substrate.
[0036]
Next, as shown in FIG. 4, the contact electrode layer 61 is formed on the substrate so as to surround the recess 52. When the area (planar area) of the upper surface of the contact electrode layer 61 is S1, and the planar area of the lower electrode formed thereon is S2, S1 is within the range of 0.01 × S2 ≦ S1 ≦ 0.5 × S2. It is preferable that it exists in. In the case of S1 <0.01 × S2, the adhesive force between the substrate and the lower electrode is weakened, and the effect of the present invention tends not to be sufficiently exhibited. In the case of S1> 0.5 × S2, the contact electrode layer 61 affects the operation of the thin film acoustic resonator, and there is a tendency that good resonance characteristics cannot be obtained. The thickness of the contact electrode layer 61 may be sufficient to hold the lower electrode layer formed thereon, and may be within a range of, for example, 20 nm to 1 μm. In addition, the material of the contact electrode layer 61 preferably includes at least one selected from Ti, Cr, Ni, and Ta.
[0037]
As described above, the close contact electrode layer 61 is provided around the substrate recess 52, thereby suppressing the occurrence of lateral vibration in the thin film acoustic resonator and preventing excessive spurious vibration from overlapping the vibration of the thin film acoustic resonator. can do. As a result, the resonance characteristics and quality factor of the thin film acoustic resonator and the filter are improved. Further, since there is no adhesion electrode layer 61 made of Ti, Cr, Ni, Ta or the like below the central portion of the lower electrode layer made of Au, Pt, W, Mo or the like, in this part, It has been found that the orientation and crystallinity can be improved, and as a result, the diffraction peak half-width (FWHM) in the rocking curve is small, and a piezoelectric thin film layer excellent in orientation and crystal quality can be formed. Due to the high orientation and good quality crystallization of the piezoelectric thin film layer, the resonance characteristics and quality factor of the thin film acoustic resonator and filter of the present invention are improved.
[0038]
Next, as shown in FIG. 5, a sacrificial layer 55 made of PSG is deposited on the silicon oxide thin layer 53 of the substrate on which the contact electrode layer 61 is formed. PSG is composed of silane and phosphine (PH_Three ) At a temperature up to about 450 ° C. to form a soft glass-like material with a phosphorus content of about 8%. This low temperature forming process is well known to those skilled in the art. PSG can be deposited at relatively low temperatures and diluted H₂ Since it is a very clean inert material that is etched at a high rate with an O: HF solution, it is suitable as a material for the sacrificial layer. In the etching performed in the subsequent steps, an etching rate of about 3 μm per minute is obtained at a dilution ratio of 10: 1.
[0039]
The surface of the PSG sacrificial layer 55 as deposited is very rough when viewed at the atomic level. Therefore, the as-deposited PSG sacrificial layer 55 is insufficient as a substrate for forming a thin film acoustic resonator. An FBAR / SBAR type thin film acoustic resonator requires a piezoelectric material in which a crystal grows in a columnar crystal perpendicular to the electrode surface. By polishing and smoothing the surface of the PSG sacrificial layer 55 using a polishing slurry containing fine abrasive particles, it becomes possible to form a lower electrode layer having excellent orientation and crystal quality, and thus excellent orientation and A piezoelectric thin film layer having crystal quality can be formed.
[0040]
That is, as shown in FIG. 6, the surface of the PSG sacrificial layer 55 is planarized by polishing with a rough finish slurry, and the portion of the PSG layer deposited on the contact electrode layer 61 is removed. The remaining PSG layer 55 can then be polished using a precision finish slurry containing finer abrasive particles. As an alternative, one fine precision finishing slurry can be used in two polishing steps if the polishing time can be long. The goal is to achieve a “mirror” -like finish (mirror finish).
[0041]
It is also important to clean the substrate after polishing performed as described above. Since the slurry leaves a small amount of coarse silica powder on the substrate, this coarse powder must be removed. In a preferred embodiment of the present invention, this silica coarse powder removal is performed using a second polishing tool with a hard pad such as Polytex ™ (Rodel Nitta). Deionized water is used as a lubricant at that time, and the substrate is placed in deionized water until it is polished and ready for the final cleaning step. Care is taken not to dry the substrate between the last polishing step and the last cleaning step. The final cleaning step consists of immersing the substrate in a series of tanks containing various chemicals. In each tank, ultrasonic agitation is applied. Such cleaning means are well known to those skilled in the art.
[0042]
The abrasive is composed of silica fine particles. In a preferred embodiment of the present invention, an ammonia-based slurry of silica fine particles (Rodel Klebosol # 30N: Rodel Nitta) is used.
[0043]
Although the above description has shown a specific polishing and cleaning mode, any polishing and cleaning mode that provides the required smooth surface can be utilized. In a preferred embodiment of the invention, the final surface has a surface roughness with a RMS variation in height as measured with an atomic force microscope probe of less than 20 nm, preferably less than 10 nm.
[0044]
After smoothing the surface as described above and further cleaning the surface of the contact electrode layer 61 by plasma etching, the lower electrode layer 62 of the sandwich structure 60 is deposited as shown in FIG. Suitable materials for the lower electrode layer 62 are Au, Pt, W, and Mo. The orientation and crystallinity of the lower electrode layer 62 are reflected in the orientation and crystal quality of the piezoelectric thin film layer 63 formed thereon.
[0045]
The thickness of the lower electrode layer 62 is also important. A thick layer has a rougher surface than a thin layer. As mentioned above, maintaining a smooth surface for the deposition of the piezoelectric thin film layer 63 is very important for the performance of the resulting resonator. Therefore, the thickness of the lower electrode layer 62 is preferably less than 200 nm. Au, Pt, W, and Mo are preferably deposited by sputtering. By this method, a lower electrode layer 62 having a surface roughness with a surface height RMS variation of less than 20 nm, preferably less than 10 nm, is obtained.
[0046]
After the deposition of the lower electrode layer 62 is completed, the PSG sacrificial layer remaining around the lower electrode layer 62 is removed, and a piezoelectric thin film layer 63 is deposited. A suitable material for the piezoelectric thin film layer 63 is AlN or ZnO, which is also deposited by sputtering. In a preferred embodiment of the present invention, the thickness of the piezoelectric thin film layer 63 is between 0.1 μm and 10 μm, preferably between 0.5 μm and 2 μm.
[0047]
Finally, the upper electrode layer 64 is deposited. The upper electrode layer 64 is made of the same material as that of the lower electrode layer 62, and is preferably made of Au, Pt, W, and Mo.
[0048]
As described above, after forming the sandwich structure 60 composed of the bonded electrode layer 61, the lower electrode layer 62, the piezoelectric thin film layer 63, and the upper electrode layer 64, which is patterned into a required shape, By a dry etching method such as RIE (reactive ion etching), the sacrificial layer 55 passes through the upper electrode layer 64, the piezoelectric thin film layer 63, and the lower electrode layer 62 from the periphery of the upper electrode layer 64 downward. Open a small hole to reach the₂ The PSG below the sandwich structure 60 is removed by etching with O: HF solution. As a result, as shown in FIGS. 8 and 9, the sandwich structure 60 bridged on the depression 52 remains. That is, in the sandwich structure 60, the contact electrode layer 61 is positioned around the recess 52 formed on the surface of the substrate, and the edge is supported by the substrate so as to straddle the recess 52.
[0049]
In the thin film acoustic resonator obtained as described above, since the mass is increased by the amount of the contact electrode layer 61 in the peripheral portion of the sandwich structure 60, the occurrence of lateral vibration is suppressed, and the thin film acoustic resonator. It is possible to prevent an excess of spurious vibrations from overlapping with each other. Further, by forming the contact electrode layer 61 around the recess 52, it becomes possible to deposit a lower electrode layer made of Au, Pt, etc., which could not be deposited alone on the cavity, and made of W, Mo, etc. Adhesion with the underlying substrate is also improved for the lower electrode layer.
[0050]
Further, according to the method for manufacturing a thin film acoustic resonator as described above, the central portion of the lower electrode layer 62 made of Au, Pt, W, Mo or the like is placed on a glassy sacrificial layer such as silica glass or quartz phosphate glass. Since it is formed, the orientation and crystallinity of the lower electrode layer is superior to the case of forming an electrode layer such as Au, Pt, W, and Mo as a whole on the adhesion layer made of Ti or the like, A high-quality crystal film having a small diffraction peak half width (FWHM) in the rocking curve can be obtained. By improving the orientation and crystal quality of the lower electrode layer 62 in this manner, the orientation and crystal quality of the piezoelectric thin film layer formed thereon can be improved.
[0051]
The above embodiment relates to FBAR. However, it will be apparent to those skilled in the art from the above description that SBAR can be made using a similar process. In the case of SBAR, another piezoelectric layer (second piezoelectric layer) and an electrode layer thereon must be deposited. Since the second piezoelectric layer is formed on the upper electrode layer of “FBAR” as shown in the above embodiment, the thickness of the upper electrode layer is maintained at, for example, 100 nm, and the second piezoelectric layer is formed. An appropriate surface condition for depositing the piezoelectric layer is provided. For example, it is preferable that the surface has a smooth surface with a surface roughness of less than 20 nm, preferably less than 10 nm, with an RMS variation in height.
[0052]
In the above-described embodiment of the present invention, a sacrificial layer made of PSG is used, but other materials can be used for the sacrificial layer. For example, BPSG (Boron-Phosphor-silicate-Glass) or other forms of glass such as spin glass may be utilized. There are other plastics such as polyvinyl, polypropylene, and polystyrene that can be deposited on the substrate by spinning. Even when the sacrificial layer is formed of these materials, surface smoothing by polishing is important as in the case of the PSG sacrificial layer. These sacrificial layers can be organic removal materials or O₂ It can also be removed by plasma etching.
[0053]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0054]
(Example 1)
A thin film acoustic resonator was fabricated as described in FIGS.
[0055]
First, the surface of the Si wafer 51 is made of SiO.₂ The protective film was covered with a protective film, and the protective film was formed into a predetermined pattern for forming a recess by etching, and a mask for etching the Si wafer 51 was formed. Thereafter, wet etching was performed using the mask to form a recess having a depth of 20 μm, as shown in FIG. Etching was performed at a liquid temperature of 70 ° C. using a 5 wt% KOH aqueous solution as an etchant. Thereafter, the surface of the wafer 51 is again SiO by thermal oxidation.₂ Layer 53 was formed. Thereby, the Si wafer 51 and the SiO₂ A structure in which a depression 52 was formed on the substrate made of the layer 53 was obtained.
[0056]
Thereafter, a Cr film was formed on the surface (upper surface) of the substrate, and pattern etching was performed so as to leave only a portion surrounding the periphery of the recess 52 in the Cr film. As a result, as shown in FIG. 4, the contact electrode layer 61 made of a Cr film was formed so as to surround the periphery of the recess 52. The Cr film was formed by using a DC magnetron sputtering method, using Ar as the sputtering gas, and setting the substrate temperature to room temperature. The Cr contact electrode layer 61 has a plane area (S1) of 4500 μm as a contact surface with the lower electrode layer on the upper surface.² The film thickness was 100 nm.
[0057]
Thereafter, as shown in FIG. 5, the SiO in which the recess 52 is formed is formed.₂ On the layer 53 and the Cr adhesive electrode layer 61, silane and phosphine (PH_Three ) Was used to deposit PSG at 450 ° C.
[0058]
Next, as shown in FIG. 6, the surface of the deposited PSG is polished to remove the portion of the PSG layer on the adhesion electrode layer 61, and then the surface of the PSG layer 55 includes fine abrasive particles. Polishing was performed using the slurry, and the surface of the Cr adhesion electrode layer 61 was cleaned by reverse sputtering. As a result, the surface of the PSG sacrificial layer 55 had a surface roughness with an RMS fluctuation of 8 nm.
[0059]
Thereafter, as shown in FIG. 7, a lower electrode layer 62 made of Au was formed on the Cr adhesion electrode layer 61 and the PSG sacrificial layer 55. For patterning the lower electrode layer 62, a lift-off method was employed to obtain a lower electrode layer 62 having a predetermined shape having an outer peripheral edge corresponding to the outer peripheral edge of the Cr adhesion electrode layer 61. The Au film was formed by using a DC magnetron sputtering method, using Ar as a sputtering gas, and setting the substrate temperature to room temperature. The lower electrode layer 62 has a planar area of 27225 μm.² Thus, the film thickness was 100 nm. As a result of examining the surface roughness of the obtained Au film, the RMS fluctuation of the height was 7 nm.
[0060]
Next, the PSG sacrificial layer remaining around the lower electrode layer 62 was removed, and a piezoelectric thin film layer 63 made of ZnO was formed on the lower electrode layer 62. The formation of the ZnO film uses an RF magnetron sputtering method, ZnO is used as a sputtering target, and Ar: O is used as a sputtering gas.₂ 9: 1 Ar-O₂ A mixed gas was used, the sputtering gas pressure was 5 mTorr, and the substrate temperature was 400 ° C. The thickness of the ZnO film was 1.0 μm. As a result of examining the surface roughness of the obtained ZnO film, the RMS fluctuation of the height was 4 nm.
[0061]
Subsequently, the ZnO piezoelectric thin film layer 63 is wet-etched to have a predetermined shape having outer peripheral edges corresponding to the outer peripheral edge of the Cr adhesion electrode layer 61 and the outer peripheral edge of the lower electrode layer 62 except for the opening necessary for extracting the coupling electrode. Patterned. Then, an upper electrode layer 64 made of Au was formed on the ZnO piezoelectric thin film 63. The upper electrode layer 64 was patterned by a lift-off method so as to have a predetermined shape such that the outer peripheral edge was inside the inner peripheral edge of the Cr adhesion electrode layer 61 (see FIG. 9). The Au film was formed by using a DC magnetron sputtering method, using Ar as a sputtering gas, and setting the substrate temperature to room temperature. The film thickness of the Au film was 100 nm.
[0062]
Next, by RIE (reactive ion etching), from the periphery of the upper electrode layer 64 downward, the small electrode penetrates to the sacrificial layer 55 through the upper electrode layer 64, the piezoelectric thin film layer 63, and the lower electrode layer 62. Make a hole and dilute H₂ The PSG sacrificial layer 55 was removed by etching with an O: HF solution. As a result, as shown in FIG. 8, a structure in which a Cr / Au / ZnO / Au sandwich structure 60 was bridged on the depression 52 was formed. When the obtained sandwich structure 60 was subjected to a peeling test using a scotch tape, no peeling from the substrate was observed.
[0063]
As a result of conducting a thin film XRD analysis on the obtained ZnO piezoelectric thin film layer 63, the c-axis of the film was in the direction of 88.6 degrees with respect to the film plane, and as a result of examining the orientation degree by a rocking curve, ( The 0002) peak had a full width at half maximum (FWHM) of 2.3 degrees, indicating good orientation.
[0064]
Further, for the thin film acoustic resonator shown in FIGS. 8 and 9 obtained in this manner, the impedance between the upper electrode layer 64, the lower electrode layer 62, and the close contact electrode layer 61 using a microwave prober. In addition to measuring the characteristics, the resonance frequency fr and the antiresonance frequency fa are measured, and the electromechanical coupling coefficient k is measured based on these measured values._t ²Was calculated. At this time, the spurious is not excited and the electromechanical coupling coefficient coefficient k_t ²Was 5.5% and the acoustic quality factor was 1145. Table 1 shows the configuration, adhesion strength, and characteristics of the acoustic resonator of the FBAR obtained in Example 1.
[0065]
(Example 2)
A thin film acoustic resonator was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the contact electrode layer 61 was made of Ti instead of Cr. The Ti film was formed using a DC magnetron sputtering method, using Ti as a sputtering target, using Ar as a sputtering gas, and setting the substrate temperature to room temperature. The thickness of the Ti film was 20 nm. As a result of examining the surface roughness of the obtained ZnO piezoelectric thin film layer 63, the RMS fluctuation of the height was 9 nm. When a peeling test using a scotch tape was performed, no peeling between the substrate and the sandwich structure 60 was observed. Further, as a result of thin film XRD analysis, the c-axis of the ZnO piezoelectric thin film layer 63 is in the direction of 89.2 degrees with respect to the film surface, and as a result of examining the orientation degree by a rocking curve, the half width of the peak is The orientation was as good as 2.1 degrees.
[0066]
The thin film acoustic resonator thus obtained has no spurious excitation and has an electromechanical coupling coefficient k._t ²Was 5.9% and the acoustic quality factor was 772. Table 1 shows the structure, adhesion strength, and characteristics of the acoustic resonator of the FBAR obtained in Example 2.
[0067]
Example 3
A thin film acoustic resonator was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the lower electrode layer 62 and the upper electrode layer 64 were made of Pt instead of Au, and the thickness of the Cr adhesion electrode layer 61 was 60 nm. . The Pt film was formed using a DC magnetron sputtering method, using Pt as a sputtering target, using Ar as a sputtering gas, and setting the substrate temperature to room temperature. The thickness of the Pt film was 100 nm. As a result of examining the surface roughness of the obtained ZnO piezoelectric thin film layer 63, the RMS fluctuation of the height was 6 nm. When a peeling test using a scotch tape was performed, no peeling between the substrate and the sandwich structure 60 was observed. As a result of thin film XRD analysis, the c-axis of the ZnO piezoelectric thin film layer 63 is in the direction of 88.8 degrees with respect to the film surface, and as a result of examining the degree of orientation by a rocking curve, the half width of the peak is The orientation was as good as 2.5 degrees.
[0068]
The thin film acoustic resonator thus obtained has no spurious excitation and has an electromechanical coupling coefficient k._t ²Was 5.2% and the acoustic quality factor was 898. Table 1 shows the structure, adhesion strength, and characteristics of the acoustic resonator of the FBAR obtained in Example 3.
[0069]
(Example 4)
The contact electrode layer 61 is made of Ni instead of Cr, and its planar area S1 is 15000 μm.² A thin film acoustic resonator was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the ratio S1 / S2 to the planar area S2 of the lower electrode layer 62 was 0.55. The Ni film was formed using a DC magnetron sputtering method, using Ni as a sputtering target, using Ar as a sputtering gas, and setting the substrate temperature to room temperature. The film thickness of the Ni film was 50 nm. As a result of examining the surface roughness of the obtained ZnO piezoelectric thin film layer 63, the RMS fluctuation of the height was 11 nm. When a peeling test using a scotch tape was performed, no peeling between the substrate and the sandwich structure 60 was observed. Further, as a result of the thin film XRD analysis, the c-axis of the ZnO piezoelectric thin film layer 63 is in the direction of 89.0 degrees with respect to the film surface. As a result of examining the orientation degree by the rocking curve, the half width of the peak is It showed a good orientation of 2.9 degrees.
[0070]
The thin film acoustic resonator thus obtained has no spurious excitation and has an electromechanical coupling coefficient k._t ²Was 4.8% and the acoustic quality factor was 707. Table 1 shows the structure, adhesion strength, and characteristics of the acoustic resonator of the FBAR obtained in Example 4.
[0071]
(Example 5)
The upper and lower electrode layers 62 and 64 are made of Pt instead of Au, the piezoelectric thin film layer 63 is made of AlN instead of ZnO, and the planar area S1 of the Ti adhesion electrode layer 61 is 4000 μm.² A thin film acoustic resonator was fabricated in the same manner as in Example 2 except that the thickness was 30 nm. The Pt film was formed in the same manner as in Example 3. The AlN film is formed by RF magnetron sputtering, Al is used as a sputtering target, and Ar: N is used as a sputtering gas.₂ Is 1: 1 Ar-N₂ A mixed gas was used and the substrate temperature was set to 400 ° C. The thickness of the AlN film was 1.4 μm. As a result of examining the surface roughness of the obtained AlN film, the RMS fluctuation of the height was 7 nm. When a peeling test using a scotch tape was performed, no peeling between the substrate and the sandwich structure 60 was observed. Further, as a result of the thin film XRD analysis, the c-axis of the AlN piezoelectric thin film layer 63 is in the direction of 90.0 degrees with respect to the film surface, and as a result of examining the orientation degree by the rocking curve, the half width of the peak is The orientation was as good as 2.7 degrees.
[0072]
The thin film acoustic resonator thus obtained has no spurious excitation and has an electromechanical coupling coefficient k._t ²Was 6.4% and the acoustic quality factor was 984. Table 1 shows the structure, adhesion strength, and characteristics of the acoustic resonator of the FBAR obtained in Example 5.
[0073]
(Example 6)
The contact electrode layer 61 is made of Cr, the upper and lower electrode layers 62, 64 are made of Mo, and the planar area S1 of the Cr contact electrode layer 61 is 5000 μm.² A thin film acoustic resonator was manufactured in the same manner as in Example 5 except that the thickness was 40 nm. As a result of examining the surface roughness of the obtained AlN film, the RMS fluctuation of the height was 5 nm. When a peeling test using a scotch tape was performed, no peeling between the substrate and the sandwich structure 60 was observed. Further, as a result of the thin film XRD analysis, the c-axis of the AlN piezoelectric thin film layer 63 is in the direction of 89.8 degrees with respect to the film surface. As a result of examining the orientation degree by the rocking curve, the half width of the peak is It showed a good orientation of 2.9 degrees.
[0074]
The thin film acoustic resonator thus obtained has no spurious excitation and has an electromechanical coupling coefficient k._t ²Was 6.1% and the acoustic quality factor was 1140. Table 1 shows the structure, adhesion strength, and characteristics of the acoustic resonator of the FBAR obtained in Example 6.
[0075]
(Comparative Example 1)
Si wafer 51 and SiO₂ PSG is deposited on the structure in which the depression 53 is formed on the substrate made of the layer 53, the surface thereof is polished to remove the portion of the PSG layer other than the depression 53, and the PSG layer in the depression 53 area The surface of the substrate is made to have a surface roughness such that the RMS fluctuation of the height is 8 nm, a Cr film and an Au film are formed on the surface, and these films are patterned into the same shape to form the contact electrode layer 61 as the lower electrode layer. A thin-film acoustic resonator was manufactured in the same manner as in Example 1 except that a form bonded to the entire surface of 62 was obtained. As a result of examining the surface roughness of the obtained ZnO film, the RMS fluctuation of the height was 30 nm. When a peeling test using a scotch tape was performed, no peeling between the substrate and the sandwich structure 60 was observed. Further, as a result of thin film XRD analysis, the c-axis of the ZnO piezoelectric thin film layer 63 is in the direction of 87.5 degrees with respect to the film surface. As a result of examining the orientation degree by a rocking curve, the half width of the peak is The deterioration was about 4.8 degrees and about 2.5 degrees compared to Example 1.
[0076]
In addition, the thin film acoustic resonator thus obtained is excited by a spurious and has an electromechanical coupling coefficient k._t ²Was 2.5% and the acoustic quality factor was 404. Table 1 shows the structure, adhesion strength, and characteristics of the acoustic resonator of the FBAR obtained in Comparative Example 1.
[0077]
(Comparative Example 2)
A thin film acoustic resonator was produced in the same manner as in Example 1 except that the adhesion electrode layer 61 was not provided. As a result of examining the surface roughness of the obtained ZnO film, the RMS fluctuation of the height was 23 nm. As a result of thin film XRD analysis, the c-axis of the ZnO piezoelectric thin film layer 63 is in the direction of 88.4 degrees with respect to the film surface. As a result of examining the orientation degree by a rocking curve, the half width of the peak is 2. Although 9 degrees and the same value as in Example 4 were shown, peeling was observed between the substrate and the sandwich structure 60 in a peeling test using a scotch tape.
[0078]
In addition, the thin film acoustic resonator thus obtained is excited by a spurious and has an electromechanical coupling coefficient k._t ²Was 3.2 and the acoustic quality factor was 446. Table 1 shows the structure, adhesion strength, and acoustic resonator characteristics of the FBAR obtained in Comparative Example 2.
[0079]
[Table 1]

[0080]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the adhesion electrode layer is provided between the lower electrode layer and the substrate, and the adhesion electrode layer is bonded to the substrate around the depression formed in the substrate. The occurrence of lateral vibrations in the thin film acoustic resonator is suppressed, and excessive spurious vibrations are prevented from overlapping the vibration of the thin film acoustic resonator, and the resonance characteristics and quality factor of the thin film acoustic resonator and filter are improved. In addition, since there is no contact electrode layer below the center portion of the lower electrode layer (that is, the inner portion surrounded by the contact electrode layer), the center portion of the lower electrode layer is placed on the surface of the sacrificial layer with extremely high smoothness. The piezoelectric thin film layer having excellent orientation and crystal quality can be formed based on this, and the electromechanical coupling coefficient and acoustic quality factor (Q value) are excellent. A high performance thin film acoustic resonator is provided. Furthermore, by using the close contact electrode layer, the adhesion (bonding strength) between the lower electrode layer and the substrate can be improved, the range of material selection for the lower electrode layer is widened, and the durability of the thin film acoustic resonator is improved. It is possible to improve and extend the service life.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an FBAR according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an SBAR according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining an FBAR and a manufacturing method thereof according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining an FBAR and a manufacturing method thereof according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining an FBAR and a manufacturing method thereof according to the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining an FBAR and a manufacturing method thereof according to the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining an FBAR and a manufacturing method thereof according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining an FBAR and a manufacturing method thereof according to the present invention.
FIG. 9 is a schematic plan view for explaining the FBAR and the manufacturing method thereof according to the present invention.
[Explanation of symbols]
11 Substrate
12,52 hollow
20, 40 Thin film acoustic resonator
21, 43, 44, 64 Upper electrode layer
22, 41, 42, 63 Piezoelectric thin film layer
23, 45, 62 Lower electrode layer
24, 61 Adhesive electrode layer
51 Silicon wafer
53 Silicon oxide layer
55 Sacrificial layer (layer of sacrificial material)
60 sandwich structure

Claims

A thin film acoustic resonator comprising: a substrate; and a sandwiched structure formed by sandwiching a piezoelectric thin film layer between the lower electrode layer disposed on the substrate and the lower electrode layer on the substrate side and a pair of the upper electrode layer Because
The sandwich structure further includes a contact electrode layer positioned between the lower electrode layer and the substrate and bonded to the lower electrode layer, and the contact electrode layer is formed on the substrate. A thin-film acoustic resonator, wherein the thin-film acoustic resonator is bonded to the substrate around a recess formed to allow vibration.

The thin film acoustic resonator according to claim 1, wherein the contact electrode layer is formed in an annular shape.

The relationship of 0.01 × S2 ≦ S1 ≦ 0.5 × S2 is established, where S1 is the plane area of the contact electrode layer in contact with the lower electrode layer and S2 is the plane area of the lower electrode layer. The thin film acoustic resonator according to claim 1, characterized in that:

The thin film acoustic resonator according to any one of claims 1 to 3, wherein the upper electrode layer is located in a region corresponding to the inside of the contact electrode layer.

The thin film acoustic resonator according to claim 1, wherein the contact electrode layer is made of a material containing at least one selected from Ti, Cr, Ni, and Ta.

The thin film acoustic resonator according to claim 1, wherein the lower electrode layer is made of a material including at least one selected from Au, Pt, W, and Mo.

The thin film acoustic resonator according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film layer is made of AlN or ZnO.

A method of manufacturing the thin film acoustic resonator according to claim 1,
Forming a contact electrode layer around the recess on the surface of the substrate where the recess is formed, forming a sacrificial layer on the surface of the substrate in a region corresponding to the recess inside the contact electrode layer, The surface of the sacrificial layer is polished and smoothed so that the RMS fluctuation in height is 20 nm or less, and a lower electrode layer, a piezoelectric thin film layer, and an upper electrode layer are sequentially formed on the sacrificial layer and the contact electrode layer. Then, the sacrificial layer is removed thereafter, and the method of manufacturing a thin film acoustic resonator.

The sacrificial layer is formed by first forming a sacrificial layer material layer so as to cover the substrate and the contact electrode layer, and then polishing the sacrificial layer material layer so that the surface of the contact electrode layer is exposed. The method for manufacturing a thin film acoustic resonator according to claim 8, wherein:

10. The method for manufacturing a thin film acoustic resonator according to claim 8, wherein the sacrificial layer is removed by etching.

11. The method for manufacturing a thin film acoustic resonator according to claim 8, wherein glass or plastic is used as the sacrificial layer.