JP2007228190A - バルク弾性波共振素子及び該製造方法並びにフィルタ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ＰＺＴ膜の（１１１）配向性を改善し、素子特性をより向上し得るバルク弾性波共振素子を提供する。
【解決手段】本発明のバルク弾性波共振素子１は、基板１１と、基板１１上に形成された第１電極１３と、第１電極１３上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電体薄膜１４と、圧電体薄膜１４上に形成された第２電極１５とを備え、第１電極１３は、第１密着層１３１、主導電層１３２、第２密着層１３３、副導電層１３４が基板１１から圧電体薄膜１４へ向けて積層されて成る。
【選択図】図１

Description

本発明は、素子特性をより向上し得るバルク弾性波共振素子及びその製造方法に関する。そして、このバルク弾性波共振素子を用いたフィルタ回路に関する。

例えば高周波フィルタや高周波発振器等として応用可能な素子として、バルク弾性波（Bulk Acoustic Wave、以下、「ＢＡＷ共振素子」と略記する。）共振素子が知られている。このＢＡＷ共振素子は、基板と、基板上に形成された第１電極と、第１電極上に形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２電極とを備えて構成されており、例えば、特許文献１に開示されている。そして、特許文献１に開示の圧電体薄膜素子における第１電極は、下地膜、密着層、下部電極が前記基板から前記圧電体薄膜へ向けて積層されて成っている。また、特許文献１の［００２１］段落の末尾には、「必要に応じて密着層３と下部電極４の間にさらに別の電極薄膜を備えてもよい。」と記載されている。

また、従来のＢＡＷ共振素子における圧電体薄膜には、特許文献２に示されるように、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等が用いられている。このため、通過帯域が狭く、ＵＷＢ（Ultra WideBand）通信等には使用することができないと言う問題がある。この場合には、圧電体薄膜に機械結合係数の高いチタン酸ジルコン酸鉛を用いることで、このような問題に対応することができる。
特開２００１−２５０９９５号公報 特開２００５−２９５２５０号公報

ところで、上記特許文献１に記載の圧電体薄膜素子では、圧電体にチタン酸ジルコン酸鉛（以下、「ＰＺＴ」と略記する。）を用いた場合、ＰＺＴ膜の（１１１）配向性が不充分であるという問題があった。

また、上記特許文献１の［００２１］段落には、上記記載があるが、その電極薄膜の作用効果や電極薄膜の材料に関する記載は、全くなく、単に上記記載があるだけであり、その具体性がない。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、ＰＺＴ膜の（１１１）配向性を改善し、素子特性をより向上し得るバルク弾性波共振素子を提供することを目的とする。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。即ち、本発明に係る一態様では、バルク弾性波共振素子は、基板と、前記基板上に形成された第１電極と、前記第１電極上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された第２電極とを備え、前記第１電極は、第１密着層、主導電層、第２密着層、副導電層が前記基板から前記圧電体膜へ向けて積層されて成ることを特徴とする。

そして、上述のバルク弾性波共振素子において、前記第１及び第２密着層は、チタン又はクロムを主成分として成り、前記主導電層は、イリジウム（Ｉｒ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）、ルビジウム（Ｒｕ）、酸化ルビジウム（ＲｕＯ）、酸化ランタンニッケル（ＬａＮｉＯ_３）、酸化イットリウムバリウム銅（ＹＢＣＯ）及び酸化ストロンチウムルテニウム（ＳｒＲｕＯ_３）の何れか１つを主成分として成り、前記副導電層は、白金を主成分として成ることを特徴とする。

また、これら上述のバルク弾性波共振素子において、前記基板と前記第１電極との間に音響ミラー層がさらに形成されていることを特徴とする。

さらに、これら上述のバルク弾性波共振素子において、前記基板に前記第１電極に至る開口が形成されていることを特徴とする。

そして、本発明に係る他の一態様では、基板と、前記基板上に形成された第１電極と、前記第１電極上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された第２電極とを備えたバルク弾性波共振素子の製造方法において、前記第１電極を形成する工程は、前記基板上に第１密着層を形成する工程と、前記第１密着層上に主導電層を形成する工程と、前記主導電層上に第２密着層を形成する工程と、前記第２密着層上に副導電層を形成する工程とを備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係る他の一態様では、フィルタ回路は、一対の入力端子と、前記一対の入力端子間に接続された直列接続の２個のバルク弾性波共振素子と、一方が前記２個のバルク弾性波共振素子間に接続され、他方が前記一対の入力端子の何れか一方に接続された一対の出力端子とを備え、前記バルク弾性波共振素子は、それら上述のバルク弾性波共振素子のうちの何れかであることを特徴とする。また、このフィルタ回路を複数縦続に接続してもよい。

このようなＢＡＷ共振素子及びＢＡＷ共振素子の製造方法では、ＰＺＴ膜の（１１１）配向性が改善し、素子特性をより向上することができる。そして、このようなフィルタ回路は、素子特性のよいＢＡＷ共振素子を用いるので、フィルタ特性が改善され得る。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

本実施形態のＢＡＷ共振素子は、互いに対向する一対の電極間にＰＺＴを主成分とする圧電体膜が形成された素子であって、かかる圧電体膜のバルク振動を利用した素子である。

図１は、実施形態に係るＢＡＷ共振素子の断面構造を示す模式図である。図１において、ＢＡＷ共振素子１は、基板１１と、基板１１上に形成された音響ミラー層１２と、音響ミラー層１２上に形成された第１電極１３と、第１電極１３上に形成されたＰＺＴを主成分とする圧電体薄膜１４と、圧電体薄膜１４上に形成された第２電極１５とを備えて構成されている。

基板１１は、例えば、シリコン（Ｓｉ）等の半導体材料から成る板状部材である。音響ミラー層１２は、音響振動、特に超音波を反射する層であり、音響インピーダンスの高い材料と音響インピーダンスの低い材料とが交互に積層された多層膜で構成されている。音響インピーダンスの低い材料としては、例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）がある。音響インピーダンスの高い材料としては、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、タングステン（Ｗ）、タンタル酸（Ｔａ_２Ｏ_５）及びイリジウム（Ｉｒ）がある。これらの何れかと上記二酸化珪素との組み合わせを音響ミラー層１２に用いることができる。

第１電極１３は、音響ミラー層１２上に形成された第１密着層１３１と、第１密着層１３１上に形成された主導電層１３２と、主導電層１３２上に形成された第２密着層１３３と、第２密着層１３３上に形成された副導電層１３４とを備えて構成され、圧電体薄膜１４の振動電極薄膜である。即ち、これら第１密着層１３１、主導電層１３２、第２密着層１３３、副導電層１３４が基板１１から圧電体薄膜１４へ向けて順次に積層されて成っている。

第１密着層１３１は、音響ミラー層１２と主導電層１３２との間のストレスを低減し、音響ミラー層１２と主導電層１３２との密着性を改善する薄膜であり、音響ミラー層１２及び主導電層１３２に対する密着性が良いチタン（Ｔｉ）を主成分として成っている。主導電層１３２は、高導電特性を得るための薄膜である。主導電層１３２は、例えば、イリジウム（Ｉｒ）を主成分として成る薄膜であり、その膜厚が１０ｎｍ未満とするとＰＺＴを均一に生成し難く、そして、１００ｎｍより厚くすると振動し難くなり素子特性が低下するので、その膜厚は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。第２密着層１３３は、主導電層１３２と副導電層１３４との間のストレスを低減し、主導電層１３２と副導電層１３４との密着性を改善する薄膜であり、主導電層１３２及び副導電層１３４に対する密着性が良いチタンを主成分として成っている。そして、副導電層１３４は、ＰＺＴを成長させるための薄膜である。副導電層１３４は、例えば、白金（Ｐｔ）を主成分として成る薄膜であり、その膜厚が２０ｎｍ未満とすると導電性が低下し、そして、１００ｎｍより厚くすると振動し難くなり素子特性が低下するので、その膜厚は、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。ここで、第１及び第２密着層１３１、１３３は、ゾルゲル法によって圧電体薄膜１４が形成される場合その焼成過程においてクラック（crack、ひび）が生じることも低減する。

なお、上記の他、第１及び第２密着層１３１、１３３は、クロム（Ｃｒ）を主成分として形成してもよい。主導電層１３２は、酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）、ルビジウム（Ｒｕ）、酸化ルビジウム（ＲｕＯ）、酸化ランタンニッケル（ＬａＮｉＯ_３）、酸化イットリウムバリウム銅（ＹＢＣＯ）及び酸化ストロンチウムルテニウム（ＳｒＲｕＯ_３）の何れか１つを主成分として形成してもよい。

圧電体薄膜１４は、圧電現象を生ずる圧電材料であるＰＺＴを主成分とする薄膜であり、第１及び第２電極に所定の電気信号が印加されることにより、バルク振動が生じる。第２電極１５は、上記第１電極１３つ一対となって圧電体薄膜１４に電気信号を印加するための、例えば金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）及びルビジウム（Ｒｕ）等の導電性金属材料（合金を含む）を主成分として成る振動電極薄膜である。また、第２電極１５は、圧電体薄膜１４との密着性を改善するために、例えばチタン又はクロムの密着層が圧電体薄膜１４との間にさらに設けられてもよい。

そして、このような構造のＢＡＷ共振素子は、例えば、次の各工程によって形成される。

まず、シリコン単結晶基板１１上にスパッタ法により音響ミラー層１２を形成した。この音響ミラー層１２は、低音響インピーダンスの二酸化珪素と高音響インピーダンスの酸化亜鉛又はタングステンとの組み合わせから成り、その膜厚は、約２μｍである。二酸化珪素、酸化亜鉛は、反応ガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガスと酸素とを用い、基板温度を約２００〜３００℃に設定して成膜を行い、タングステンは、反応ガスとしてアルゴンガスを用い、基板温度を約２００〜３００℃に設定して成膜を行った。

次に、この音響ミラー層１２上に、高周波マグネトロンスパッタ法によって、膜厚が約５〜１０ｎｍのチタンから成る第１密着層１３１を形成した。基板１１とターゲットとの間の距離を約６〜１２ｃｍに設定し、スパッタガスとしてアルゴンガス１００％を使用し、アルゴンガス流量が約３０〜５０ｓｃｃｍで、圧力が約５〜１０ｍＴｏｒｒで、成膜電力が約３００〜５００Ｗで、そして、室温で成膜した。

次に、この第１密着層１３１上に、高周波マグネトロンスパッタ法によって、膜厚が約２０〜８０ｎｍのイリジウムから成る主導電層１３２を形成した。基板１１とターゲットとの間の距離を約６〜１２ｃｍに設定し、スパッタガスとしてアルゴンガス１００％を使用し、アルゴンガス流量が約３０〜５０ｓｃｃｍで、圧力が約５〜１０ｍＴｏｒｒで、成膜電力が約１００〜３００Ｗで、そして、室温で成膜した。

次に、この主導電層１３２上に、上記第１密着層１３１と同様の条件で高周波マグネトロンスパッタ法によって、膜厚が約５〜１０ｎｍのチタンから成る第２密着層１３３を形成した。

次に、この第２密着層１３３上に、高周波マグネトロンスパッタ法によって、膜厚が約２０〜５０ｎｍの白金から成る副導電層１３４を形成した。基板１１とターゲットとの間の距離を約６〜１２ｃｍに設定し、スパッタガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガス１００％を使用し、アルゴンガス流量が約３０〜５０ｓｃｃｍで、圧力が約１〜５ｍＴｏｒｒで、成膜電力が約３００Ｗで、そして、室温で成膜した。

このような各工程によって第１電極１３を形成した。

次に、第１電極１３（副導電層１３４）上に、ゾルゲル法、ＣＶＤ又はＭＯＣＶＤによってＰＺＴから成る圧電体薄膜１４を形成し、高周波マグネトロンスパッタ法によって第２電極１５を形成した。

このような各工程によって図１に示す構造のＢＡＷ共振素子が形成される。

なお、上記工程において、必要な段階で化学的又は物理的な処理を施すことにより各層を所望の形状にすることができる。

このような構成のＢＡＷ共振素子１は、第１電極１３と第２電極１５とに所定の電気信号を印加することにより、圧電体薄膜１４がバルク振動し共振する。このため、ＢＡＷ共振素子１は、共振器、フィルタ及び発振器に応用可能である。また、この共振により発生する超音波は、音響ミラー層１２によって反射される。このため、この超音波が基板１１に逃げることが抑制されるので、即ち、ロスが低減されるので、効率がより向上する。

そして、第１電極１３が第１密着層１３１、主導電層１３２、第２密着層１３３及び副導電層１３４の４層構造であるので、圧電体薄膜１４のＰＺＴの（１１１）配向性が向上する。例えば、第１電極１３がＴｉの密着層／Ｉｒの主導電層／Ｐｔの電極層の積層構造である場合には、Ｘ線回折法によるとＰＺＴの（１１１）配向性が約５０％であるが、本実施形態では、Ｘ線回折法によるとＰＺＴの（１１１）配向性が約９０％であり、著しく向上している。また、第１電極１３の音響ミラー層１２との密着性も改善している。このため、ＰＺＴの圧電体薄膜１４が緻密で高結晶性に成膜されており、ＢＡＷ共振素子の素子特性がより向上する。なお、上記音響ミラー層１２が無く、基板１１上に第１電極１３を形成した場合も圧電体薄膜１４のＰＺＴの（１１１）配向性が向上している。

図２は、変形形態に係るＢＡＷ共振素子の断面構造を示す模式図である。ここで、上述の実施形態において、第１及び第２電極１３、１５によって挟まれている圧電体薄膜１４の領域では、図２に示すように、基板１１裏面からエッチングすることにより、例えば基板１１がシリコン基板である場合ではシリコンの異方性エッチングすることにより、その直下の基板１１を除去し、開口部１８を設けてもよい。

第１及び第２電極１３、１５に挟まれている圧電体薄膜１４の領域は、バルク振動する振動領域であるが、このような開口部１８を設けることにより、圧電体薄膜１４における第１及び第２電極１３、１５に挟まれている領域が、浮き構造となり、圧電体薄膜１４のバルク振動が基板１１（音響ミラー層１２）によって阻害されず、圧電体薄膜１４のバルク振動が容易となる。この結果、ＢＷＡ共振素子１’の素子特性がより向上し得る。

そして、このような構造のＢＡＷ共振素子１、１’を用いてフィルタ回路を構成することができる。図３は、フィルタ回路の構成を示す回路図である。図３（Ａ）は、１段のフィルタ回路の構成を示し、図３（Ｂ）は、３段のフィルタ回路の構成を示す。

図３（Ａ）において、フィルタ回路２は、一対の入力端子Ｔｉｎａ、Ｔｉｎｂと、２個のＢＡＷ共振素子２１、２２と、一対の出力端子Ｔｏｕｔａ、Ｔｏｕｔｂとを備えて構成される。

２個のＢＡＷ共振素子２１、２２は、図１及び図２に示す上記ＢＡＷ共振素子１、１’であり、直列に接続されている。そして、この直列接続の２個のＢＡＷ共振素子２１、２２は、一対の入力端子Ｔｉｎａ、Ｔｉｎｂ間に接続されている。そして、一対の出力端子Ｔｏｕｔａ、Ｔｏｕｔｂにおける一方、例えば出力端子Ｔｏｕｔａは、ＢＡＷ共振素子２１とＢＡＷ共振素子２２とが接続されている接続部ａに接続され、一対の出力端子Ｔｏｕｔａ、Ｔｏｕｔｂの他方の出力端子Ｔｏｕｔｂは、入力端子Ｔｉｎｂに接続されている。

また、このような構成のフィルタ回路２を複数縦続に接続することによってフィルタ回路を構成してもよい。一例として、フィルタ回路２を３個縦続に接続したフィルタ回路３を図３（Ｂ）に示す。このフィルタ回路３は、３個のフィルタ回路２−１、２−２、２−３を備えて構成される。これら３個のフィルタ回路２−１；２−２；２−３は、それぞれ、一対の入力端子Ｔｉｎａ−１、Ｔｉｎｂ−１；Ｔｉｎａ−２、Ｔｉｎｂ−２；Ｔｉｎａ−３、Ｔｉｎｂ−３と、２個のＢＡＷ共振素子２１−１、２２−１；２１−２、２２−２；２１−３、２２−３と、一対の出力端子Ｔｏｕｔａ−１、Ｔｏｕｔｂ−１；Ｔｏｕｔａ−２、Ｔｏｕｔｂ−２；Ｔｏｕｔａ−３、Ｔｏｕｔｂ−３とを備え、図３（Ａ）と同様に構成されている。そして、フィルタ回路２−１における一対の出力端子Ｔｏｕｔａ−１、Ｔｏｕｔｂ−１がフィルタ回路２−２における一対の入力端子Ｔｉｎａ−２、Ｔｉｎｂ−２にそれぞれ接続され、フィルタ回路２−２における一対の出力端子Ｔｏｕｔａ−２、Ｔｏｕｔｂ−２がフィルタ回路２−３における一対の入力端子Ｔｉｎａ−３、Ｔｉｎｂ−３にそれぞれ接続されることによって、フィルタ回路３が構成される。

このような構成のフィルタ回路２、３では、素子特性のよいＢＡＷ共振素子１、１’が用いられているので、フィルタ特性が改善され得る。

実施形態に係るＢＡＷ共振素子の断面構造を示す模式図である。 変形形態に係るＢＡＷ共振素子の断面構造を示す模式図である。 フィルタ回路の構成を示す回路図である。

符号の説明

１、１’、２１、２２ バルク弾性波共振素子
２、３ フィルタ回路
１１ 基板
１２ 音響ミラー層
１３ 第１電極
１４ 圧電体薄膜
１５ 第２電極
１８ 開口部
１３１ 第１密着層
１３２ 主導電層
１３３ 第２密着層
１３４ 副導電層
Ｔｉｎａ、Ｔｉｎｂ 入力端子
ＴｏｕｔａＴｏｕｔｂ 出力端子

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された第１電極と、
   前記第１電極上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電体膜と、
   前記圧電体膜上に形成された第２電極とを備え、
   前記第１電極は、第１密着層、主導電層、第２密着層、副導電層が前記基板から前記圧電体膜へ向けて積層されて成ること
   を特徴とするバルク弾性波共振素子。
2. 前記第１及び第２密着層は、チタン又はクロムを主成分として成り、
   前記主導電層は、イリジウム（Ｉｒ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）、ルビジウム（Ｒｕ）、酸化ルビジウム（ＲｕＯ）、酸化ランタンニッケル（ＬａＮｉＯ_３）、酸化イットリウムバリウム銅（ＹＢＣＯ）及び酸化ストロンチウムルテニウム（ＳｒＲｕＯ_３）の何れか１つを主成分として成り、
   前記副導電層は、白金を主成分として成ること
   を特徴とする請求項１に記載のバルク弾性波共振素子。
3. 前記基板と前記第１電極との間に音響ミラー層がさらに形成されていること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のバルク弾性波共振素子。
4. 前記基板に前記第１電極に至る開口が形成されていること
   を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のバルク弾性波共振素子。
5. 基板と、前記基板上に形成された第１電極と、前記第１電極上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された第２電極とを備えたバルク弾性波共振素子の製造方法において、
   前記第１電極を形成する工程は、
   前記基板上に第１密着層を形成する工程と、
   前記第１密着層上に主導電層を形成する工程と、
   前記主導電層上に第２密着層を形成する工程と、
   前記第２密着層上に副導電層を形成する工程とを備えること
   を特徴とするバルク弾性波共振素子の製造方法。
6. 一対の入力端子と、
   前記一対の入力端子間に接続された直列接続の２個のバルク弾性波共振素子と、
   一方が前記２個のバルク弾性波共振素子間に接続され、他方が前記一対の入力端子の何れか一方に接続された一対の出力端子とを備え、
   前記バルク弾性波共振素子は、請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のバルク弾性波共振素子であること
   を特徴とするフィルタ回路。
7. 請求項６に記載のフィルタ回路が複数縦続に接続されていること
   を特徴とするフィルタ回路。

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