JP2006186900A - 弾性表面波素子複合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】弾性表面波素子の波が半導体装置に漏れないようにでき、半導体装置の電気的動作に影響を及ぼすことを防ぐ弾性表面波素子複合装置を提供すること。
【解決手段】半導体装置２１を有する基板２３と、基板２３に設けられた圧電膜と、圧電膜に配置されたくし歯電極３０を有する弾性表面波素子２０と、を備える弾性表面波素子複合装置１０であって、弾性表面波素子２０と基板２３の間には、エアーギャップ部１００が配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、弾性表面波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）を利用した弾性表面波素子複合装置に関する。

近年、電子部品の集積化が進み、また実装スペースの縮小化が進んでいる。このような中で、半導体装置と弾性表面波素子の複合化が検討されてきている。半導体装置と弾性表面波素子を複合した複合装置が提案されている（特許文献１）。
特開昭６１−９４４０９号公報（第２頁、第３頁、図２）

特許文献１に開示されている装置では、半導体と弾性表面波素子を複合化した際の問題として、弾性表面波素子の発生した波が半導体側に漏れることにより、半導体の動作に悪影響を与えてしまう。このために、弾性表面波素子の周りに、金属電極を設ける構造が提案されている。
しかし、半導体が弾性表面波素子の下面に積層して配置される場合には、弾性表面波素子の発生した波が半導体側に漏れてしまい、両者の分離ができないという問題がある。
そこで本発明は上記課題を解消し、弾性表面波素子の波が半導体装置に漏れないようにでき、半導体装置の電気的動作に影響を及ぼすことを防ぐ弾性表面波素子複合装置を提供することを目的としている。

上記目的は、第１にあっては、半導体装置を有する基板と、前記基板に設けられた圧電膜と、前記圧電膜に配置されたくし歯電極を有する弾性表面波素子と、を備える弾性表面波素子複合装置であって、前記弾性表面波素子と前記基板の間には、エアーギャップ部が配置されていることを特徴とする弾性表面波素子複合装置により、達成される。
第１の発明の構成によれば、弾性表面波素子と基板の間には、エアーギャップ部が配置されている。
これにより、エアーギャップ部は、弾性表面波素子の波（振動）を半導体装置側に漏れないようにすることができ、半導体装置の電気的動作に影響を及ぼさないようにして半導体装置の誤動作を防ぐことができる。

第２の発明は、第１の発明の構成において、前記エアーギャップ部は、前記弾性表面波素子に対応する領域に配置されていることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、エアーギャップ部は、弾性表面波素子に対応する領域に配置されている。
これにより、弾性表面波素子の発生する波（振動）を、エアーギャップ部の存在により半導体装置側に漏れないようにすることができる。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明の構成において、前記弾性表面波素子と前記基板の間には、金属膜が配置されていることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、弾性表面波素子と基板の間には、金属膜が配置されている。
これにより、金属膜により、弾性表面波素子の波（振動）が、半導体装置側にさらに漏れないようにすることができる。

第４の発明は、第３の発明の構成において、前記金属膜には、バイアス電圧が印加されることを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、金属膜にはバイアス電圧が印加される。
これにより、金属膜に対してバイアス電圧を印加すれば、弾性表面波素子の波（振動）がさらに漏れないようにすることができる。

第５の発明は第４の発明の構成において、前記金属膜の上には、前記圧電膜が配置されていることを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、金属膜の上には、圧電膜が配置されている。
これにより、金属膜は、弾性表面波素子の発生する波（振動）を防ぐことができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の弾性表面波素子複合装置の好ましい実施形態を示す平面図であり、図２は、図１のＥ−Ｅ線における断面構造例を示している。
図１と図２に示す弾性表面波素子複合装置１０は、弾性表面波素子２０と半導体装置２１を有している。この弾性表面波素子２０は、半導体装置２１の上に配置されており、半導体装置２１は基板２３の上に配置されている。すなわち基板２３は半導体装置２１を有していて、基板２３は、弾性表面波素子２０と半導体装置２１の共通の搭載用の基板である。

図１に示す弾性表面波素子２０は、くし歯電極３０と２つの反射器３１，３２を有している。くし歯電極３０は、すだれ状電極ともいい、ＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）ともいう。くし歯電極３０と２つの反射器３１，３２は、たとえばアルミニウム、またはアルミニウムを成分とする合金などにより作られている。

くし歯電極３０は、反射器３１，３２の間に配置されていて、反射器３１、くし歯電極３０、反射器３２の順に長さＬ方向に沿って直列に並ぶようにして配列されている。くし歯電極３０は、たとえば半導体装置２１内のＤＣ電源（直流電源２１Ａ）から供給される駆動電圧信号Ｓにより弾性表面波を励振して、所定の周波数の振動を出力する機能を有している。反射器３１，３２は、くし歯電極３０を挟むようにして形成されているが、これらの反射器３１，３２はくし歯電極３０が励振した弾性表面波を反射して、反射器３１，３２内に弾性表面波を閉じ込めるようになっている。

このように弾性表面波素子２０は、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するために圧電材料の表面を伝播する波を利用した振動デバイスである。この弾性表面波素子２０は、たとえば発振器として主に１００ＭＨｚないし３ＧＨｚの領域のダイレクト発振器として用い、ダイレクト発振器はＰＬＬ（フェーズロックループ）などの逓倍発振器に比べて低位相ノイズである。

図３は、図２に示す弾性表面波素子複合装置１０の断面構造をより詳しく示している。
図２の半導体装置２１は駆動用ＩＣ（集積回路）ともいい、半導体装置２１と弾性表面波素子２０は、共通の基板２３の上に一体的に形成されている。基板２３はたとえば半導体基板である。この基板２３は、シリコン，ＧａＡｓ，ＳｉＧｅ，ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）のいずれかにより作られた平板状の基板である。このＳＯＩは、絶縁膜上に形成した単結晶シリコン基板である。

この共通の基板２３の上には、半導体装置２１と弾性表面波素子２０が積層して配置されている。
基板２３の形成面４１の上には、層間絶縁膜４２が形成されている。層間絶縁膜４２は、たとえばＳｉＯ_２により作ることができる。層間絶縁膜４２は、たとえば２つの層４２Ａと４２Ｂから構成されている。

図３に示す半導体装置２１は、弾性表面波素子２０に対して駆動電圧を供給するためのＤＣ電源２１Ａを有していて、たとえばトランジスタのような素子４４が複数個設けられている。これらの素子４４は、基板２３の形成面４１に形成されている。形成面４１の上には幾つかの金属配線４５が所定のパターンで形成されている。この金属配線４５は、基板２３の形成面４１と層４２Ａの間に形成されている。もう１つの層４２Ｂには別の金属配線４７が形成されている。金属配線４７は、素子４４に対してコンタクトプラグ４６を通じて電気的に接続され、コンタクトプラグ４６Ａを通じて金属配線４５に接続されている。

この層間絶縁膜４２のもう１つの層４２Ｂの上には、支柱２００が形成されている。
この支柱２００は、下側に位置する層４２Ｂと上側に位置する層間絶縁膜６０の間に形成されていて、この支柱２００と層４２Ｂおよび層間絶縁膜６０は、エアーギャップ部１００を形成している。エアーギャップ部１００は、くし歯電極３０、反射器３１，３２に対応する領域と同じかそれよりも広い範囲で形成されている。

この支柱２００の上には、さらに層間絶縁膜６０が形成されている。この層間絶縁膜６０は、たとえばＳｉＯ_２である。層間絶縁膜６０の上には、圧電膜６１が形成されている。この圧電膜６１は、たとえばＺｎＯである。層間絶縁膜６０はあっても良いが、無くても良い。圧電膜６１は、ＺｎＯの他に、ＡｌＮやＰＺＴ（圧電性薄膜）などを用いても良い。
圧電膜６１の上には、上述したくし歯電極３０と反射器３１，３２がそれぞれ形成されている。この例では、くし歯電極３０の波長λはたとえば１０ミクロンメートルである。

図３に示すようにエアーギャップ部１００が形成されることにより、次のようなメリットがある。
半導体装置２１を有する基板２３の上に、弾性表面波素子２０が積層して設けられているので、弾性表面波素子２０の発生する波（振動）が半導体装置２１側と基板２３に影響を与えることが考えられ、半導体装置２１は電気的な誤動作をする恐れがある。

このため本発明の実施形態では、このような半導体装置２１の誤動作を避けるために、エアーギャップ部１００を設けると、エアーギャップ部１００は、弾性表面波素子２０が発生する表面波（振動）を吸収することができる。
これによって、弾性表面波素子２０の振動が、基板２３の半導体装置２１に漏れないために、半導体装置２１の電気的動作に影響を及ぼさない。

次に、図４を参照しながら、図３に示す弾性表面波素子複合装置１０の製造工程例について説明する。
図４に示すステップＳＴ１は、半導体（ＩＣ）基板の形成工程である。ステップＳＴ２は、半導体基板へのパッシベーション工程である。ステップＳＴ１とステップＳＴ２では、図４（Ａ）に示すように、基板２３の上に半導体装置２１と層間絶縁膜４２があらかじめ形成される。層間絶縁膜４２がステップＳＴ２のパッシベーション工程において半導体装置２１の上に形成されることにより、半導体装置２１の電気的な絶縁の確保と、耐湿性を与える。

次に、図４のステップＳＴ３はパッド部の抜き工程であり、ステップＳＴ４は犠牲層の成膜工程である。パッド部の抜き工程は、半導体装置２１に対して外部から電気的な接続を必要とする場合に、パッド部を形成するためにたとえば層間絶縁膜４２に対して穴（図示せず）を形成する。
ステップＳＴ４の犠牲層の成膜工程では、図４（Ｂ）に示すように、層間絶縁膜４２の層４２Ｂの上に、犠牲層３５０を形成する。この犠牲層３５０は、あらかじめ形成された犠牲層形成用の支柱２００である。支柱２００の中央には穴３６１が形成されている。

図４のステップＳＴ５では、図４（Ｃ）に示すように、層間絶縁膜６０と、圧電膜６１およびくし歯電極３０、反射器３１，３２を順次形成する。そしてステップＳＴ６の犠牲層のエッチング工程では、図４（Ｃ）に示すように、圧電膜６１と層間絶縁膜６０に対して孔３８０を形成して、犠牲層３５０をこの孔３８０を通じてエッチングして外部に取り去る。
これによって、図３に示すようなエアーギャップ部１００が層間絶縁膜６０と層４２Ｂの間に形成される。支柱２００の材質としては、たとえばポリシリコン等を採用することができる。犠牲層３５０は、たとえばＳｉＯ_２を用いることができる。

図４のステップＳＴ７では、基板２３とくし歯電極３０との間で必要なコンタクト電極の形成を行う。つまり半導体装置２１とくし歯電極３０の必要な電気的な接続を行う。
以上のようにして、図３に示す弾性表面波素子複合装置１０を製造することができる。

図５は、図３に示す弾性表面波素子２０の共振子としての特性例を示している。縦軸はインピーダンスを示していて、横軸は周波数を示している。
図６は、本発明の別の実施形態を示している。
図６に示す弾性表面波素子複合装置１０が、図３に示す弾性表面波素子複合装置１０と異なるのは、次の点である。図６に示す実施形態のそれ以外の構成要素の図３に示す対応する構成要素と同じ箇所には、同じ符号を記してその説明を用いることにする。

エアーギャップ部１００が層間絶縁膜６０と層４２Ｂの間に形成されていることは図３の実施形態と同じであるが、圧電膜６１の上には別の絶縁膜７０と金属シールド層７１が重ねて形成されている。
この絶縁膜７０は、くし歯電極３０と反射器３１，３２を覆ってしまう程度の厚みで形成されている。この絶縁膜７０はたとえばＳｉＯ_２で作ることができる。

絶縁膜７０の表面７０Ａは平坦になっていて、この平坦な表面７０Ａの上には金属シールド層７１が形成されている。この金属シールド層７１は、くし歯電極３０、反射器３１，３２に対して外部からの電磁波の影響を防ぐための電極シールド層の役目を果たす。金属シールド層７１は、たとえばアルミニウムなどにより形成することができる。このように、弾性表面波素子複合装置１０の表面側において、金属シールド層７１を設けることができ、外部からの不要な電磁波の影響を防ぐことができる。

絶縁膜７０がくし歯電極３０、反射器３１，３２を覆う程度の厚さで形成することにより、絶縁膜７０の表面７０Ａは平坦化することができる。このために金属シールド層７１は凹凸の影響を受けずに平坦にされた表面７０Ａに対して簡単に形成することができる。そして、この絶縁膜７０は、各くし歯電極３０と反射器３１，３２の相互の電気的な絶縁を図ることができる。

図７は、本発明のさらに別の実施形態を示している。
図７に示す弾性表面波素子複合装置１０が、図６に示す弾性表面波素子複合装置１０と異なるのは、層間絶縁膜６０と層４２Ｂの間に、さらに金属膜４５０が形成されていることである。この金属膜４５０は、支柱２００と層４２Ｂとともに、エアーギャップ部１００を形成している。この金属膜４５０は、たとえばアルミニウム膜等を採用することができ、たとえば０．５ミクロンメートルの厚みを有している。金属膜４５０は、電極パッド２０１に接続されている。この電極パッド２０１に対しては、たとえば外部からバイアス電圧ＢＶを印加することができる。バイアス電圧が印加された金属膜４５０をエアーギャップ部１００に加えて設けることにより、次のようなメリットがある。

半導体装置２１を有する基板２３の上に、弾性表面波素子２０が設けられているので、弾性表面波素子２０の発生する波（振動）が半導体装置２１側と基板２３に影響を与えることが考えられ、半導体装置２１は、電気的な誤動作をする恐れがある。このため本発明の実施形態では、半導体装置２１の誤動作を避けるために、エアーギャップ部１００に加えてさらに金属膜４５０を追加して形成している。これによって、弾性表面波素子２０の振動が基板２３の半導体装置２１側にさらに確実に漏れないようにすることができ、半導体装置２１の電気的動作に影響を及ぼさない。

本発明の実施形態においては、金属電極ともいう金属膜４５０は、弾性表面波素子２０と半導体装置２１との間に配置されていることから、いわゆるＭＩＳ（金属／絶縁体／半導体）構造になっており、この金属と半導体の間に印加されるバイアス電圧によって、弾性表面波素子２０が発生する波の伝播損失を大きく変えることができる。したがって、半導体装置２１と弾性表面波素子２０が音響的に分離可能となり、半導体装置２１に対して影響を与えなくなる。

図８と図９は本発明のさらに別の実施形態を示している。
図８は、本発明の第３の実施形態の弾性表面波素子複合装置１０の平面図であり、図９は図８におけるＫ−Ｋ線における断面図である。図８と図９に示す実施形態は、図１と図２に示す実施形態とほぼ同じ構造なので同じ符号を記してその説明を用いる。

図８と図９の実施形態が図１と図２に示す実施形態と異なるのは、くし歯電極３０が２つ設けられていることである。図１の実施形態ではくし歯電極３０が１つ設けられているいわゆる１ポート型の弾性表面波素子であり、１ポート共振子あるいは１ポートのＳＡＷデバイスとも呼ぶことができる。２つのくし歯電極３０，３０が設けられていることから、いわゆる２ポート共振子あるいは２ポートのＳＡＷデバイスと呼ぶことができる。
エアーギャップ部１００のみもしくはエアーギャップ部１００に加えて金属膜４５０を追加でき、エアーギャップ部１００と金属膜４５０は、２つのくし歯電極３０，３０と反射器３１，３２に対応する領域において、半導体装置２１と層間絶縁膜６０の間に形成されている。

本発明の実施形態では、エアーギャップ部は、弾性表面波素子の波（振動）を半導体装置側に漏れないようにすることができ、半導体装置の電気的動作に影響を及ぼさないようにして半導体装置の誤動作を防ぐことができる。
本発明の実施形態では、金属膜により、弾性表面波素子の波（振動）が、半導体装置側にさらに漏れないようにすることができる。金属膜に対してバイアス電圧を印加すれば、弾性表面波素子の波（振動）がさらに漏れないようにすることができる。

図７に示す本発明の実施形態において、金属膜４５０がエアーギャップ部１００に重ねて設けられることにより、この金属膜４５０は、少なくともくし歯電極３０、反射器３１，３２の形成領域に対応して形成されている。この金属膜４５０が弾性表面波素子２０のくし歯電極３０と反射器３１，３２に対応する下側に設けられることにより、くし歯電極３０、反射器３１，３２と金属膜４５０の間における電気的な結合係数を上げることができる。

各実施形態における圧電膜６１は、ＺｎＯ（酸化亜鉛）に限らず、たとえばＡｌＮ（窒化アルミニウム），ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛），ＫＮｂＯ_３（ニオブ酸カリウム）のいずれかを用いることもできる。
本発明の弾性表面波素子複合装置は、半導体弾性表面波素子複合装置とも呼ぶことができる。なお、絶縁膜のＳｉＯ_２膜は、たとえばスパッタやＣＶＤ（化学的蒸着法）により形成でき、ＺｎＯはスパッタやＣＶＤにより形成できる。基板は、半導体基板の他に、ガラス基板や水晶基板であってもよい。

本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。
上記実施形態の各構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせることができる。

本発明の弾性表面波素子複合装置の好ましい実施形態を示す平面図。 図１におけるＥ−Ｅ線における断面図。 図２の弾性表面波素子複合装置の断面構造例をより詳しく示す図。 図３の弾性表面波素子複合装置の製造工程を示す図。 図３の弾性表面波素子複合装置におけるインピーダンスと周波数の関係例を示す図。 本発明の別の実施形態を示す断面図。 本発明のさらに別の実施形態を示す断面図。 本発明のさらに別の実施形態を示す平面図。 図８のＫ−Ｋ線における断面図。

符号の説明

１０・・・弾性表面波素子複合装置、２０・・・弾性表面波素子、２１・・・半導体装置、２３・・・基板、３０・・・くし歯電極、３１，３２・・・反射器、２００・・・エアーギャップ部、４５０・・・金属膜

Claims (5)

1. 半導体装置を有する基板と、前記基板に設けられた圧電膜と、前記圧電膜に配置されたくし歯電極を有する弾性表面波素子と、を備える弾性表面波素子複合装置であって、
   前記弾性表面波素子と前記基板の間には、エアーギャップ部が配置されていることを特徴とする弾性表面波素子複合装置。
2. 前記エアーギャップ部は、前記弾性表面波素子に対応する領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子複合装置。
3. 前記弾性表面波素子と前記基板の間には、金属膜が配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の弾性表面波素子複合装置。
4. 前記金属膜には、バイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項３に記載の弾性表面波素子複合装置。
5. 前記金属膜の上には、前記圧電膜が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の弾性表面波素子複合装置。

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