JP2005333619A - 薄膜圧電共振器及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板11;この基板11に対して一部が中空状態で機械的に保持された下部電極14;平面パターン上、自己が占有する領域の内部に下部電極14のすべてを包含するように、下部電極14上に配置された圧電体15;この圧電体15上の上部電極16;基板11と圧電体15との間において、平面パターン上、圧電体15の占有する領域の境界に位置し、且つ占有する領域の内部において下部電極14と接続する中継電極13;占有する領域の境界から外部に延在した中継電極13に接続される下部電極配線17とを備える。
【選択図】 図3
Description
しかし、下部電極のエッチング選択比が十分であることを材料物性への要求に含めると、抵抗値、低弾性損失(内部摩擦)等との整合から、材料としての選択肢が狭くなる問題点がある。又、電極の厚さは共振特性そのものに影響が大きく、電極材料それぞれに最適膜厚がある。最適膜厚以外では共振周波数のシフトと共に、圧電性の強さの指標である電気機械結合係数kt 2の低下、共振の鋭さを表すQ値の劣化等が起きるため、過剰エッチングに対するマージンをとるために膜厚を厚くするにも限界がある。更に、終点を検出するためにエッチング速度を遅くすると、1回あたりの加工時間が長くなり、スループットの上昇を招くという問題点があった。
本発明の第1の実施の形態に係る薄膜圧電共振器は、図1に示すように、(イ)基板11;(ロ)この基板11に対して一部が中空状態で機械的に保持された下部電極14;(ハ)平面パターン上、自己が占有する領域の内部に下部電極14のすべてを包含するように、下部電極14上に配置された圧電体15;(ニ)この圧電体15上の上部電極16;(ホ)基板11と圧電体15との間において、平面パターン上、圧電体15の占有する領域の境界に位置し、且つ占有する領域の内部において下部電極14と接続する中継電極13;(ヘ)占有する領域の境界から外部に延在した中継電極13に接続される下部電極配線17とを備える。そして、圧電体15の厚み方向のバルク振動を利用する。
Ti合金は(0001)方位のhcp構造になる。但し、完全に結晶を組まない混晶状態でも構わない。又、主に接着層として用いる下地層として、Ti、TiNを用いて、その上にこれらの金属又は合金を採用しても良い。
図2を用いて、本発明の第1の実施の形態に係る薄膜圧電共振器の製造方法を説明する。なお、以下に述べる薄膜圧電共振器の製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。
この基板11上に形成された絶縁膜12,この絶縁膜12上に形成された下部電極14及び中継電極13と、この下部電極14及び中継電極13の上に形成された圧電体15と、この圧電体15上に形成された上部電極16と、中継電極13に電気的に接続された下部電極配線17とを備える点では図1と同様である。しかし、アモルファス金属層(非晶質金属層)が下部電極14の下に形成されている点が図1に示す構造とは異なる。アモルファス金属層37としては、厚さ5〜100nm、好ましくは15〜30nm程度のTa−Al合金膜やTiB2膜等が使用できる。即ち、下部電極14と絶縁膜12との間にアモルファス金属層37を形成することにより、この上に形成したAlN膜のc軸配向性が格段に向上し、アモルファス金属層37を形成しない場合に対し、薄膜圧電共振器の性能である電気機械結合係数kt 2及びQ値を高めることができる。例えば、Ta−Al合金膜は、Ta及びAlターゲットとアルゴンガスを使用し、基板温度を室温として、RFマグネトロンスパッタリング等で堆積できる。Ta−Al合金膜はエッチングガスとしてオクタフルオロシクロブタン(C4F8)などのフッ素系ガスを使用してRIEで選択的にエッチングできる。
増幅器105と帰還抵抗R1との並列回路が接続されている。増幅器105の入力端子には、帰還抵抗R1により増幅器105の出力端子の信号が正帰還し、薄膜圧電共振器101の共振周波数で発信する。バリアブルキャパシタンスC2は、可変容量ダイオード(バリキャップ)で構成すれば良く、バリアブルキャパシタンスC2により発振周波数の調整を行う。図7に示した、バリアブルキャパシタンスC2、固定キャパシタンスC1、薄膜圧電共振器101、抵抗R2,R1及び増幅器105は、同一基板上にモノリシックに構成しても良く、ハイブリッドに集積化しても構わない。
本発明の第2の実施の形態に係る薄膜圧電共振器は、図10に示すように、基板11と、この基板11上に形成された絶縁膜12,この絶縁膜12上にキャビティ(空洞)19を介して、一部が中空状態で機械的に保持された下部電極14と、下部電極14の片側端部の上部に一部を積層し、下部電極14に電気的に接続された中継電極13と、この下部電極14及び中継電極13の上に形成された圧電体15と、この圧電体15上に形成された上部電極16と、中継電極13に電気的に接続された下部電極配線17とを備える。図10では断面図のみを示し、平面パターンは、基本的に図1(a)と同様であるので図示を省略している。しかし、圧電体15は、平面パターン上、圧電体15が占有する領域の内部に下部電極14のすべてを包含している。そして、図1(a)に示す平面パターンと同様に、圧電体15の占有する領域の境界が中継電極13の上を横切り、圧電体15の境界(端部)の裾から中継電極13の一部が圧電体15の占有する領域の外部に延在している。
圧電体15の端部の裾から露出したMo犠牲層21のストライプ状の枝部がエッチングされる。ストライプ状の枝部のエッチングが進行するにつれ、圧電体15の底部(腹部)に埋め込まれたMo犠牲層21へのエッチング液経路が形成される。そして、エッチング液経路を介して、Mo犠牲層21をエッチングし、図10に示すようなキャビティ19が形成される。過酸化水素(H2O2)溶液によるエッチングの後、イソプロピルアルコールでリンスの後、乾燥させる。
第2の実施の形態に係る薄膜圧電共振器は、第1の実施の形態で図6を用いて説明した梯子型フィルタ41や、図7を用いて説明したVCOに利用することができる。更に、第1の実施の形態の図8及び図9に示したような携帯型情報端末において、第2の実施の形態に係る薄膜圧電共振器をマイクロメカニカルフィルタとして用い、RFフィルタ41やIFフィルタ42として用いることも可能である。
本発明の第3の実施の形態に係る薄膜圧電共振器は、図12に示すように、基板11と、この基板11上に形成された絶縁膜12,この絶縁膜12を貫通し基板11に至るように埋め込まれた舟形(逆台形)もしくはU字型溝の中継電極23、絶縁膜12上及び中継電極23上に形成された下部電極14と、この下部電極14及び中継電極23の上に形成された圧電体15と、この圧電体15上に形成された上部電極16と、中継電極23に電気的に接続された下部電極配線17とを備える。図12では断面図のみを示し、平面パターンは、基本的に図1(a)と同様であるので図示を省略している。しかし、圧電体15は、平面パターン上、圧電体15が占有する領域の内部に下部電極14のすべてを包含している。そして、図1(a)に示す平面パターンと同様に、圧電体15の占有する領域の境界が中継電極23の上を横切り、圧電体15の境界(端部)の裾から中継電極23の一部が圧電体15が占有する領域の外部に延在している。
本発明の第4の実施の形態に係る薄膜圧電共振器は、図14に示すように、基板11と、この基板11の表面に形成された舟形(逆台形)のキャビティ(空洞)20を介して、基板11に対して一部が中空状態で機械的に保持された下部電極14と、キャビティ20から離間した基板11の表面に形成され、下部電極14に電気的に接続された中継電極13と、この下部電極14及び中継電極13の上に形成された圧電体15と、この圧電体15上に形成された上部電極16と、中継電極13に電気的に接続された下部電極配線17とを備える。図14では断面図のみを示し、平面パターンは、基本的に図1(a)と同様であるので図示を省略している。しかし、圧電体15は、平面パターン上、圧電体15が占有する領域の内部に下部電極14のすべてを包含している。そして、図1(a)に示す平面パターンと同様に、圧電体15の占有する領域の境界が中継電極13の上を横切り、圧電体15の境界(端部)の裾から中継電極13の一部が圧電体15が占有する領域の外部に延在している。
図15を用いて、本発明の第4の実施の形態に係る薄膜圧電共振器の製造方法を説明する。なお、以下に述べる薄膜圧電共振器の製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。
第4の実施の形態に係る薄膜圧電共振器の製造方法においては、Mo膜からなる中継電極13について説明したが、中継電極13は、W、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt等の他の材料を採用しても良いことは勿論である。中継電極13として、これらのW、Mo、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt等の材料を採用することにより、圧電体材料膜とある程度のエッチング選択比が確保でき、中継電極13は、圧電体15のパターニングにおける下部電極14に対する間接的なエッチストッパ層として機能する。このため、第4の実施の形態に係る薄膜圧電共振器の製造方法によれば、下部電極14がエッチング過剰により薄くなったり、アフターコロージョンにより断線することもない。又、第4の実施の形態に係る薄膜圧電共振器の製造方法によれば、下部電極14がエッチング過剰により、設計値よりも直列抵抗が増大することも防止でき、GHz帯等における良好な高周波特性が容易に得られる。
第4の実施の形態に係る薄膜圧電共振器は、第1の実施の形態で図6を用いて説明した梯子型フィルタ41や、図7を用いて説明したVCOに利用することができる。更に、第1の実施の形態の図8及び図9に示したような携帯型情報端末において、第4の実施の形態に係る薄膜圧電共振器をマイクロメカニカルフィルタとして用い、RFフィルタ41やIFフィルタ42として用いることも可能である。
本発明の第5の実施の形態に係る薄膜圧電共振器は、図16に示すように、高比抵抗又は半絶縁性の半導体基板11と、この半導体基板11に対して一部が中空状態で機械的に保持された下部電極14と、平面パターン上、下部電極14と同一形状同一サイズで、下部電極14上に配置された圧電体15と、この圧電体15上の上部電極16と、半導体基板11の表面に埋め込まれ、平面パターン上、圧電体15の占有する領域の境界に位置し、且つ占有する領域の内部に位置し、下部電極14と接続する半導体基板11よりも低比抵抗の半導体領域からなる中継電極33と、中継電極33に接続される下部電極配線17とを備え、圧電体15の厚み方向のバルク振動を利用する。中継電極33は、半導体基板11の表面から内部に向かって形成された埋め込み領域である。
本発明の第6の実施の形態に係る薄膜圧電共振器は、図22に示すように、高比抵抗又は半絶縁性の半導体基板11と、この半導体基板11の表面から内部に向かって形成された中継電極(拡散領域)33と、半導体基板11の表面に中継電極(拡散領域)33に挟まれるように形成された舟形(逆台形)のキャビティ(空洞)20を介して、半導体基板11に対して一部が中空状態で機械的に保持された下部電極14と、この下部電極14上に、下部電極14と同一平面形状・同一サイズで形成された圧電体15と、圧電体15、圧電体15から露出した半導体基板11及び中継電極(拡散領域)33のそれぞれの上に形成された層間絶縁膜34と、層間絶縁膜34に形成されたコンタクトホールを介して、圧電体15上に形成された上部電極16と、層間絶縁膜34に形成されたコンタクトホールを介して、中継電極(拡散領域)33に電気的に接続された下部電極配線17とを備える。層間絶縁膜34としては、第5の実施の形態に係る薄膜圧電共振器と同様に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との複合膜等種々の絶縁膜が採用可能である。又、半導体基板11としては、第5の実施の形態に係る薄膜圧電共振器と同様に、600Ωcm〜10kΩcm程度(不純物密度2×1013cm-3〜1×1012cm-3程度)の(100)面を主表面とするp型シリコン基板が使用可能で、このp型シリコン基板を用いた場合は、中継電極(拡散領域)33としては0.001Ωcm〜0.02Ωcm程度(不純物密度1×1020cm-3〜5×1018cm-3程度)で、深さ300nm〜7μm程度のn型拡散領域が使用可能である。
(ヘ)引き続き、膜厚150〜600nm、好ましくは250〜350nm程度のAl膜をコンタクトホール36a、36bを介して層間絶縁膜34上に堆積する。その後、フォトリソグラフィ及び非酸化性の酸、例えば塩酸によるウェットエッチングにより、上部電極16及び下部電極配線17を形成する。図22に示すように、上部電極16は、コンタクトホール36aの底に露出した圧電体15の表面に、下部電極配線17は、コンタクトホール36bの底に露出した中継電極(拡散領域)33に、それぞれ電気的に接続される。
上記のように、本発明は第1〜第6の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
2…送信回路
3…レシーバLSIチップ
4…MMIC
5…変調器LSIチップ
11…基板
12…絶縁膜
13,13a,13f,13g,23,23f,23g…中継電極(金属中継電極)
14,14a,14c,14g…下部電極
15…圧電体(AlN膜)
16…上部電極
17,17c…下部電極配線
18,18p,19,20…キャビティ
21,32…犠牲層
31…溝部
33…中継電極(拡散領域)
33i…イオン注入領域
34…層間絶縁膜
35…レジスト
36…絶縁膜
36a,36b…コンタクトホール
37…アモルファス金属層
41…梯子型フィルタ(RFフィルタ)
42…IFフィルタ
43,44…ベースバンドフィルタ
45…第1アンテナ
46…第2アンテナ
47…アンテナスイッチ
48…ミキサ
49…局部発振器
50,53,54…増幅器
51,52…ミキサ
55,56…A−D変換器
57…IQ発信器
58…共振器
60…発振器
61,62…ベースバンドフィルタ
65,66…D−A変換器
81,82…マイクロ波用パワートランジスタ
83…増幅器
84…加算器
85,86…ミキサ
87…移相器
88,89、105…増幅器
201,202−2,204−1,212,213…上部電極
202−1,203,204−2…下部電極配線
210,211…下部電極
F1,F2,F3,F4,Fa,Fb,Fc,Fd,Fe,Ff,Fg…薄膜圧電共振器
Pin…入力ポート
Pout…出力ポート
Claims (13)
- 基板と、
該基板に対して一部が中空状態で機械的に保持された下部電極と、
平面パターン上、自己が占有する領域の内部に前記下部電極のすべてを包含するように、前記下部電極上に配置された圧電体と、
該圧電体上の上部電極と、
前記基板と前記圧電体との間において、平面パターン上、前記圧電体の占有する領域の境界に位置し、且つ前記占有する領域の内部において前記下部電極と接続する中継電極と、
前記占有する領域の境界から外部に延在し、且つ前記中継電極に接続される下部電極配線
とを備え、前記圧電体の厚み方向のバルク振動を利用することを特徴とする薄膜圧電共振器。 - 前記圧電体の配向方位と前記中継電極の配向方位が同一方向に沿っていることを特徴とする請求項1に記載の薄膜圧電共振器。
- 前記中継電極が、(110)配向のbcc構造或いは(111)配向のfcc構造或いは(0001)方位のhcp構造を有することを特徴とする請求項2に記載の薄膜圧電共振器。
- 前記中継電極が、Ta,Mo,W,Ni,Co,Cr,Cu,Ti,Ir,Ru,Ptから選ばれた少なくとも一種を含む金属膜であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜圧電共振器。
- 前記中継電極が前記圧電体に接する第1主面と該第1主面に平行で前記基板側に位置する第2主面と、該第2主面に45°以下のテーパ角度で交わり、前記第1主面と前記第2主面とを接続する傾斜端面を備えることを特徴とする請求項1に記載の薄膜圧電共振器。
- 前記第1主面はアモルファス金属層に接していることを特徴とする請求項5に記載の薄膜圧電共振器。
- 半導体基板と、
該半導体基板に対して一部が中空状態で機械的に保持された下部電極と、
平面パターン上、前記下部電極と同一形状同一サイズで、前記下部電極上に配置された圧電体と、
該圧電体上の上部電極と、
前記半導体基板の表面に埋め込まれ、平面パターン上、前記圧電体の占有する領域の境界に位置し、且つ前記占有する領域の内部に位置し、前記下部電極と接続する前記半導体基板よりも低比抵抗の半導体領域からなる中継電極と、
前記中継電極に接続される下部電極配線
とを備え、前記圧電体の厚み方向のバルク振動を利用することを特徴とする薄膜圧電共振器。 - 前記上部電極及び平面パターン上、前記圧電体の占有する領域から露出した前記中継電極及び前記半導体基板の表面を被覆する層間絶縁膜を更に備え、
前記下部電極配線は、前記層間絶縁膜中に開口されたコンタクトホールを介して、前記中継電極に接続されることを特徴とする請求項7に記載の薄膜圧電共振器。 - 基板上に中継電極を形成する工程と、
前記基板上に前記中継電極に接続される下部電極を形成する工程と、
平面パターン上、自己が占有する領域の境界が前記中継電極上を横切り、且つ前記占有する領域の内部において前記下部電極のすべてを包含するように、前記中継電極と前記下部電極の上に圧電体を形成する工程と、
前記圧電体上に上部電極を形成する工程と、
前記占有する領域の境界から外部に延在した前記中継電極に接続される下部電極配線を形成する工程
とを含むことを特徴とする薄膜圧電共振器の製造方法。 - 前記下部電極の下部にキャビティを設け、前記下部電極の一部を前記基板に対して中空状態で機械的に保持させる工程を更に含むことを特徴とする請求項9に記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
- 半導体基板の表面に、該半導体基板よりも低比抵抗の半導体領域からなる中継電極を埋め込む工程と、
前記半導体基板の上全面に前記中継電極を含んで下部電極用金属膜を形成する工程と、
前記下部電極の上全面に圧電体用絶縁膜を形成する工程と、
同一エッチングマスクを用いて、前記圧電体用絶縁膜と前記下部電極用金属膜を一括加工し、平面パターン上、同一形状同一サイズの下部電極及び圧電体を形成する工程と、
前記圧電体上に上部電極を形成する工程と、
前記中継電極に接続される下部電極配線を形成する工程
とを含むことを特徴とする薄膜圧電共振器の製造方法。 - 前記下部電極の下部にキャビティを設け、前記下部電極の一部を前記半導体基板に対して中空状態で機械的に保持させる工程を更に含むことを特徴とする請求項11に記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
- 前記下部電極及び圧電体を形成する工程の後、
前記上部電極及び平面パターン上、前記圧電体の占有する領域から露出した前記中継電極及び前記半導体基板の表面を被覆する層間絶縁膜を形成する工程と、
該層間絶縁膜中に前記圧電体の表面の一部及び前記中継電極の表面の一部を露出するコンタクトホールを開口する工程
とを更に含み、該コンタクトホールを介して、前記圧電体上に前記上部電極が、前記中継電極に前記下部電極配線が接続されることを特徴とする請求項11又は12に記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
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