JP2008011140A

JP2008011140A - 薄膜圧電共振器及びその製造方法

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Publication number: JP2008011140A
Application number: JP2006179108A
Authority: JP
Inventors: Masaji Takayama; 正司高山; Hironobu Shibata; 浩延柴田; Keiko Kawamura; 圭子河村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2008-01-17

Abstract

【課題】共振部の共振特性に影響を与えることなく電極における電気抵抗の低減を図れる薄膜圧電共振器及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】下部電極２と、上部電極３と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられた圧電体膜４と、を備え、前記下部電極及び前記上部電極の少なくともいずれかは、中空部５、６を有することを特徴とする薄膜圧電共振器を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜圧電共振器及びその製造方法に関する。

例えば、移動体通信機器における高周波フィルタとして、従来より弾性表面波素子が使用されているが、弾性表面波素子は、近年求められている利用周波数の高周波数化への対応が難しくなってきている。そこで、圧電薄膜の厚み方向の縦振動を利用した薄膜圧電共振器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

薄膜圧電共振器の特性は、圧電体膜を挟んで設けられた上下の電極の材質や膜厚に大きく依存する。例えば、電極の膜厚を厚くすると電気抵抗は低下し、これにより、共振のするどさを表す品質係数Ｑ値は向上する。しかし、電極が厚くなると、共振部の質量が増大し、所望の共振周波数を維持するため、電極を厚くした分、圧電体膜を薄くする必要がある。電極を厚くし、圧電体膜を薄くすると、電気機械結合係数は低下してしまう。
特開２００３−１６３５６６号公報

本発明は、共振部の共振特性に影響を与えることなく電極における電気抵抗の低減を図れる薄膜圧電共振器及びその製造方法を提供する。

本発明の一態様によれば、下部電極と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられた圧電体膜と、を備え、前記下部電極及び前記上部電極の少なくともいずれかは、中空部を有することを特徴とする薄膜圧電共振器が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、基板に凹部を形成する工程と、前記凹部の内壁面に第１の下部電極を形成する工程と、前記内壁面に前記第１の下部電極が形成された凹部に、犠牲層を埋め込む工程と、前記第１の下部電極に接続させて、前記犠牲層上に第２の下部電極を形成する工程と、前記第２の下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、前記圧電体膜上に上部電極を形成する工程と、前記凹部から前記犠牲層を除去する工程と、を有することを特徴とする薄膜圧電共振器の製造方法が提供される。

また、本発明のさらに他の一態様によれば、下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、前記圧電体膜上に第１の上部電極を形成する工程と、前記第１の上部電極上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を貫通すると共に前記第１の上部電極に接続する第２の上部電極を形成する工程と、前記第２の上部電極を介して前記第１の上部電極に接続する第３の上部電極を、前記第１の上部電極に対向させて形成する工程と、前記第１の上部電極上の前記犠牲層を除去する工程と、を有することを特徴とする薄膜圧電共振器の製造方法が提供される。

本発明によれば、共振部の共振特性に影響を与えることなく電極における電気抵抗の低減を図れる薄膜圧電共振器及びその製造方法が提供される。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る薄膜圧電共振器の模式図である。

本実施形態に係る薄膜圧電共振器は、圧電体膜４を、下部電極２と、上部電極３と、で挟んだ構造を有する。下部電極２及び上部電極３のそれぞれには、各内部に中空部５、６を設けている。

下部電極２は、中空部５と圧電体膜４との間に設けられ圧電体膜４の一方の面に接している内側電極部２ａと、中空部５を挟んで内側電極部２ａに対向する外側電極部２ｂとを有する。上部電極３は、中空部６と圧電体膜４との間に設けられ圧電体膜４の他方の面に接している内側電極部３ａと、中空部６を挟んで内側電極部３ａに対向する外側電極部３ｂとを有する。

下部電極２及び上部電極３のいずれか一方に高周波数信号が印加されると、圧電体膜４が励振され厚み方向に共振振動し、他方の電極から特定周波数の信号が取り出される。圧電体膜４の両面にそれぞれ接して設けられた下部電極２の内側電極部２ａ及び上部電極３の内側電極部３ａも、圧電体膜４と共に共振する。この振動による生ずるバルク弾性波（bulk acoustic wave）は、電極の音響インピーダンスと空気の音響インピーダンスとの違いから、内側電極部２ａ、３ａと中空部５、６との界面で反射されるため、外側電極部２ｂ、３ｂは振動しない。したがって、圧電体膜４と、内側電極部２ａ、３ａと、が共振部として機能する。その共振部は、上下を空気層（中空部５、６）で挟まれることで、振動エネルギーが閉じこめられ、高い品質係数Ｑ値を実現することができる。

圧電体膜４と共に共振する内側電極部２ａ、３ａのそれぞれの厚さｔ１、ｔ２は、所望の共振周波数や電気機械結合係数を実現するために適切に設定する必要がある。外側電極部２ｂ、３ｂは、共振振動しない部分であるので、図２に表されるように、外側電極部２ｂ、３ｂを内側電極部２ａ、３ａよりも厚くして電気抵抗の低減を図っても、外側電極部２ｂ、３ｂの厚膜化に伴う共振周波数の低下をきたすことがない。よって所望の共振周波数を維持するために圧電体膜４を薄くする必要もなく、電気機械結合係数の低下を防止することができる。外側電極部２ｂ、３ｂを厚くして下部電極２、上部電極３における電気抵抗を低減することで、Ｑ値を向上できる。

また、内側電極部２ａ、３ａと、外側電極部２ｂ、３ｂとは、同一材料から構成することに限らず、それぞれの材料をそれそれに適した材料にすることで、薄膜圧電共振器の特性の最適化を図ることができる。例えば、内側電極部２ａ、３ａには比較的Ｑ値の高い材料を用い、外側電極部２ｂ、３ｂには比較的抵抗の低い材料を用いることで、Ｑ値のよりいっそうの向上が図れる。

内側電極部２ａ、３ａにおける中空部５、６に臨む面（外側電極部２ｂ、３ｂに対向する面）２ｃ、３ｃに、例えば酸化膜が形成されるなど外部環境からの影響により不所望に質量が付加されると、共振部の質量が変動し、共振振動数が設計値からずれてしまう。本実施形態では、中空部５、６が電極材で囲まれた構造であるため、共振部の共振に影響を与える物質が、外部から中空部５、６へ入り込んで、内側電極部２ａ、３ａにおける中空部５、６に臨む面２ｃ、３ｃに付着するのを防ぐことができる。これにより、共振部の質量変動による共振振動数の変動を生じさせることなく、信頼性の高い薄膜圧電共振器を提供できる。

次に、本発明の実施形態に係る薄膜圧電共振器の具体例について説明する。
図３は、本発明の第１の具体例に係る薄膜圧電共振器の要部断面構造を例示する模式図である。
図４は、同第１の具体例に係る薄膜圧電共振器において、下部電極、圧電体膜、上部電極の平面的な配置関係を例示する模式図である。ここで、図３は、図４の線Ａ−Ａに沿った断面図である。

例えばシリコンからなる基板１５に凹部が形成され、その凹部の内壁面に酸化膜１７を介して、第１の下部電極１８が形成されている。その凹部の開口部には、第２の下部電極２２が設けられている。第２の下部電極２２は、第１の下部電極１８の上端に接して、それら両者は電気的に接続されている。第１の下部電極１８における凹部底面に形成された部分は、図１または図２に表される前述した下部電極２の外側電極部２ｂに対応し、第２の下部電極２２は、同下部電極２の内側電極部２ａに対応する。第２の下部電極２２（内側電極部）の下面は、中空部５に臨んでいる。

第２の下部電極２２の上面上には、圧電体膜２３が形成されている。この圧電体膜２３の上面上には、第１の上部電極２５が形成されている。第１の上部電極２５は、図１または図２に表される前述した上部電極３の内側電極部３ａに対応する。

第１の上部電極２５の上には、質量付加膜２６、パッシベーション膜２７を介して、中空部６が設けられている。中空部６の側壁には、第２の上部電極３４が設けられ、中空部６の開口部には、この開口部を覆うようにして第３の上部電極３７、３８が設けられている。第２の上部電極３４の下端は、第１の上部電極２５の表面に接し、第２の上部電極３４の上端は、第３の上部電極３７、３８の下面に接している。すなわち、第１〜第３の上部電極２５、３４、３７、３８は、互いに電気的に接続され、内部に中空部６を設けた前述した図１または図２に表される上部電極３を構成する。第３の上部電極３７、３８は、外側電極部３ｂに対応する。

後述するように、下部電極の中空部５は、凹部に埋め込まれた犠牲層を、ビア４３を介してエッチング除去することにより得られ、上部電極の中空部６は、第１の上部電極２５、質量付加膜２６、パッシベーション膜２７を覆うように圧電体膜２３上に設けられた犠牲層２８の一部を、ビア４２を介してエッチング除去することにより得られる。ビア４３、４２は、それぞれ封止材４５、４４で塞がれて、中空部５、６は外部環境から遮断される。

次に、第１の具体例に係る薄膜圧電共振器の製造方法の一例について説明する。
図５〜図１１は、第１の具体例に係る薄膜圧電共振器の製造工程の要部を例示する模式図である。

まず、図５（ａ）に表されるように、例えば高抵抗シリコンからなる基板１５に、凹部１６を形成する。具体的には、基板１５の表面上に、図示しない熱酸化膜をパターニングして、その熱酸化膜をマスクとして、基板１５を例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法でエッチングして、凹部１６を形成する。凹部１６の深さｄは、例えば３マイクロメータ（μｍ）ほどである。

凹部１６を形成した後、マスクとして用いた熱酸化膜を除去して、図５（ｂ）に表されるように、基板１５の表面及び凹部１６の内壁面を熱酸化してシリコン酸化膜１７を形成し、さらに、このシリコン酸化膜１７の表面に、第１の下部電極１８を形成する。第１の下部電極１８は、例えば、厚さ０．８マイクロメータ（μｍ）ほどのタングステン膜からなる。また、このタングステン膜と、シリコン酸化膜１７との間には、例えば厚さ５０ナノメータ（ｎｍ）ほどの窒化チタン膜が介在される。窒化チタン膜及びタングステン膜は、いずれも例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成される。

この後、図５（ｃ）に表されるように、凹部１６を埋め込むように、基板１５の全面に、犠牲層１９を形成する。犠牲層１９は、例えば、ＳＯＧ（spin on glass）法により塗布されるガラス、またはＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法により形成されるＴＥＯＳ（tetraethoxysilane）からなる。

この後、図６（ａ）に表されるように、犠牲層１９を、例えばＣＭＰ（chemical mechanical polishing）法により平坦化する。なお、図６は、図５に続く工程を例示する模式図であり、（ｂ）はその平面図、（ａ）は（ｂ）の線Ｘ−Ｘに沿った断面図である。

次に、図７は、図６に続く工程を例示する模式図であり、（ｂ）はその平面図、（ａ）は（ｂ）の線Ｘ−Ｘに沿った断面図である。図７（ａ）及びこの平面図に対応する図７（ｂ）に表されるように、犠牲層１９上に第２の下部電極２２を形成する。第２の下部電極２２の材料としては、例えば、タングステン、モリブデン、チタン、アルミニウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、白金などを用いることができる。

第２の下部電極２２は、第１の下部電極１８の上端に接しており、第１の下部電極１８と第２の下部電極２２とは電気的に接続されている。第２の下部電極２２は、犠牲層１９のすべてを覆っておらず、犠牲層１９の一部は、第２の下部電極２２から露出されている。第２の下部電極２２の一部（犠牲層１９が露出された一端側の反対側部分）は、基板１５の表面上（酸化膜１７表面上）にまで延びて形成されている。

次に、図８（ａ）に表されるように、第２の下部電極２２を含む基板１５上に、圧電体膜２３が形成される。圧電体膜２３は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）などからなる。

さらに、その圧電体膜２３の上に、第１の上部電極２５が形成される。第１の上部電極２５は、犠牲層１９上の第２の下部電極２２に対向する位置に形成される。第１の上部電極２５の材料としては、例えば、タングステン、モリブデン、チタン、アルミニウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、白金などを用いることができる。

次に、図８（ｂ）に表されるように、第１の上部電極２５上に、質量付加膜２６が形成され、さらに、この質量付加膜２６及び第１の上部電極２５を覆うようにパッシベーション膜２７が形成される。質量付加膜２６の材料としては、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）等の絶縁材料、又は、アルミニウム、モリブデン等の金属材料を用いることができる。パッシベーション膜２７の材料としては、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒素添加炭化シリコン（ＳｉＣＮ）などを用いることができる。

次に、図９（ａ）に表されるように、圧電体膜２３上に犠牲層２８が形成された後、この犠牲層２８は、例えばＣＭＰ法により平坦化される。そして、犠牲層２８に、リング状のビア３１及び同じくリング状のビア３２が形成される。犠牲層２８は、例えば、ＳＯＧ（spin on glass）法により塗布されるガラス、またはＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法により形成されるＴＥＯＳ（tetraethoxysilane）からなる。

ビア３１は、犠牲層２８、パッシベーション膜２７及び質量付加膜２６を貫通して、第１の上部電極２５における縁部近傍の表面に達する。ビア３２は、第１の上部電極２５の側方の犠牲層２８を貫通して、圧電体膜２３の表面に達する。

次に、ビア３１、３２の内壁面及び犠牲層２８の表面上に、例えば窒化チタン膜を形成した後、ビア３１及びビア３２を埋め込むように、例えばタングステンを犠牲層２８の全面に形成した後、窒化チタン膜及びタングステンをＣＭＰ法により平坦化する。これにより、図９（ｂ）に表されるように、ビア３１内に、例えばタングステンからなる第２の上部電極３４が充填され、また、ビア３２内に、例えばタングステンからなる導電材３５が充填される。

次に、図１０（ａ）に表されるように、犠牲層２８及び圧電体膜２３を貫通して第２の下部電極２２に達するビア３６を形成する。さらに、犠牲層２８の表面に、Ｔｉ／Ｎｉ膜３７を形成する。

次に、図示しないめっき用レジストを、Ｔｉ／Ｎｉ膜３７上に選択的に形成した後、そのレジストをマスクとして、例えば金（Ａｕ）の電解めっきを行う。これにより、図１０（ｂ）に表されるように、ビア３６の内壁面、およびＴｉ／Ｎｉ膜３７の表面上に、Ａｕめっき膜３８が形成される。さらに、Ａｕめっき膜３８が形成されていない部分のＴｉ／Ｎｉ膜３７をエッチング除去する。ここで、めっき用レジストとしては、例えば数マイクロメートル〜数十マイクロメートルと厚く塗布可能で、めっき液中でも化学的に安定なものを用いればよい。

第２の下部電極２２は、ビア３６の底部にて、めっき膜３８に接続されて、犠牲層２８の表面上に引き出される。また、第１の上部電極２５は、第２の上部電極３４を介して、Ｔｉ／Ｎｉ膜３７及びめっき膜３８に接続される。第２の上部電極３４に接すると共に、第１の上部電極２５に対向するＴｉ／Ｎｉ膜３７及びめっき膜３８は、第３の上部電極として機能する。

次に、図１１（ａ）に表されるように、ビア３５の内側の犠牲層２８及びその下の圧電体膜２３を貫通して、第２の下部電極２２に覆われていない犠牲層１９の露出部表面に達する犠牲層除去用ビア４３を形成する。犠牲層除去用ビア４３は、１箇所または複数箇所（図４では例えば２箇所であるがこれに限らない）に形成される。あるいは、スリット状の犠牲層除去用ビア４３を形成してもよい。

次に、犠牲層除去用ビア４３を介して、基板１５に形成した凹部内の犠牲層１９を除去する。例えば、犠牲層１９がシリコン酸化膜系材料からなり、凹部内壁面に形成された第１の下部電極１８がタングステンからなる場合、バッファードフッ酸（ＨＦ＋ＮＨ_４Ｆ）を用いたウェットエッチングにより、凹部内の犠牲層１９のみを除去することができる。これにより、図１１（ｂ）に表されるように、第１の下部電極５と、第２の下部電極２２との間に、中空部５が形成される。

また、第１の上部電極２５、第２の上部電極３４、および第３の上部電極３７、３８に囲まれた部分の犠牲層２８ａを、第３の上部電極３７、３８に開口されたビア４２を介して除去する。前述した犠牲層１９のエッチングと同様、例えば、犠牲層２８ａがシリコン酸化膜系材料からなる場合には、バッファードフッ酸（ＨＦ＋ＮＨ_４Ｆ）を用いたウェットエッチングにより、犠牲層２８ａのみを除去することができる。これにより、図１１（ｂ）に表されるように、第１の上部電極２５、第２の上部電極３４、および第３の上部電極３７、３８に囲まれた中空部６が形成される。

また、犠牲層１９、２８ａに接する電極材として、タングステンではなく、例えば銅を用いた場合には、例えばＨＦ蒸気を用いたドライエッチングにより犠牲層１９、２８ａを除去することができる。

次に、下部電極１８、２２、または上部電極２５、３４、３７、３８に高周波信号を印加して、共振部（圧電体膜２３、第２の下部電極２２、第１の上部電極２５、質量付加膜２６、パッシベーション膜２７）を共振振動させて、各種特性評価を行う。この特性評価の結果を見ながら、ビア４３、４２を介して、中空部５、６物質のトリミングを行い、所望の特性が得られるように調整を行う。

その後、図３に表されるように、例えば金属粒子を分散させた樹脂からなる封止材４５、４４で、ビア４３、４２を塞ぐ。この封止工程は、例えば空気中で行われ、中空部５、６内に空気が充填される。あるいは、上記封止工程を、例えば窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中で行って、中空部５、６内を不活性ガスで置換してもよい。また、例えば金属粒子分散樹脂からなる封止材４５、４４の表面には、無電解めっきにより、めっき膜４７、４６が形成される。

以上説明した中空電極構造を有する薄膜圧電体共振器を製造するにあたっては特別な技術を用いることなく、半導体プロセスにおいて広く用いられているシリコン基板上に、既存の半導体技術を用いて製造することができ、低コスト且つ大量生産が可能になる。

次に、図１２は、本発明の第２の具体例に係る薄膜圧電共振器の要部断面構造を例示する模式図である。なお、前述の第１の具体例と同一の構成部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本具体例では、第３の上部電極（外側電極部）を形成してから、犠牲層をエッチング除去して中空部６を形成するのではなく、第２の上部電極３４を形成した後、この内側の犠牲層２８を除去して中空部６を形成してから、第３の上部電極として例えば銅からなるプレート４９で中空部６の開口を塞ぐ。銅プレート（第３の上部電極）４９は、Ｔｉ／Ｎｉ膜３７、金めっき膜３８、ＡｕＳｎ／Ｎｉ膜４８を介して、第２の上部電極３４に接続される。また、銅プレート４９は、下部電極用の犠牲層除去ビア４３を塞ぐ封止材としても機能し、部品点数及び工程数の削減によるコスト低減が図れる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

電極を中空構造とするのは、下部電極と上部電極のいずれか一方のみであっても、抵抗低減によるＱ値の向上を図ることはできる。また、質量付加膜２６は、必ずしも設けなくてもよい。また、基板の抵抗率はＲＦ信号の漏洩防止のため、１０００オーム・センチメートル以上であることが望ましい。

本発明の実施形態に係る薄膜圧電共振器の模式図である。図１に表される薄膜圧電共振器において、外側電極部の厚さを、内側電極部の厚さよりも厚くした薄膜圧電共振器の模式図である。本発明の第１の具体例に係る薄膜圧電共振器の要部断面構造を例示する模式図である。同第１の具体例に係る薄膜圧電共振器において、下部電極、圧電体膜、および上部電極の平面的な配置関係を例示する模式図である。同第１の具体例に係る薄膜圧電共振器の製造工程の要部を例示する模式図である。図５に続く工程を例示する模式図である。図６に続く工程を例示する模式図である。図７に続く工程を例示する模式図である。図８に続く工程を例示する模式図である。図９に続く工程を例示する模式図である。図１０に続く工程を例示する模式図である。本発明の第２の具体例に係る薄膜圧電共振器の要部断面構造を例示する模式図である。

符号の説明

２…下部電極、３…上部電極、２ａ，３ａ…内側電極部、２ｂ，３ｂ…外側電極部、４…圧電体膜、５，６…中空部

Claims

下部電極と、
上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極との間に設けられた圧電体膜と、
を備え、
前記下部電極及び前記上部電極の少なくともいずれかは、中空部を有することを特徴とする薄膜圧電共振器。
前記下部電極及び前記上部電極の前記少なくともいずれかにおいて、前記中空部と前記圧電体膜との間の内側電極部の厚さよりも、前記中空部を挟んで前記内側電極部に対向する外側電極部の厚さのほうが大なることを特徴とする請求項１記載の薄膜圧電共振器。
前記下部電極及び前記上部電極の前記少なくともいずれかにおいて、前記中空部と前記圧電体膜との間の内側電極部の材料と、前記中空部を挟んで前記内側電極部に対向する外側電極部の材料と、が異なることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜圧電共振器。
基板に凹部を形成する工程と、
前記凹部の内壁面に第１の下部電極を形成する工程と、
前記内壁面に前記第１の下部電極が形成された凹部に、犠牲層を埋め込む工程と、
前記第１の下部電極に接続させて、前記犠牲層上に第２の下部電極を形成する工程と、
前記第２の下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜上に上部電極を形成する工程と、
前記凹部から前記犠牲層を除去する工程と、
を備えたことを特徴とする薄膜圧電共振器の製造方法。
下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜上に第１の上部電極を形成する工程と、
前記第１の上部電極上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層を貫通すると共に前記第１の上部電極に接続する第２の上部電極を形成する工程と、
前記第２の上部電極を介して前記第１の上部電極に接続する第３の上部電極を、前記第１の上部電極に対向させて形成する工程と、
前記第１の上部電極上の前記犠牲層を除去する工程と、
を備えたことを特徴とする薄膜圧電共振器の製造方法。