JP2008172713A - 圧電薄膜共振器および圧電薄膜共振器フィルタおよびその製造方法 - Google Patents

圧電薄膜共振器および圧電薄膜共振器フィルタおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】共振器を構成する各層に対して、不純物の内部混入を抑圧できる素子構造と製造方法を提供する。これにより、膜質向上による高Ｑ化が実現可能な圧電薄膜バルク波共振器および圧電薄膜バルク波共振器フィルタ、薄膜音叉型屈曲振動子を得ることを目的とする。
【解決手段】圧電薄膜と、該圧電薄膜の少なくとも一部を挟んで存在する第１の金属電極膜及び第２の金属電極膜を含み基板上に形成された積層構造と、該積層構造に対応する位置の前記基板に形成された音響絶縁層とを備えて成り、前記基板上に前記第１の金属電極膜が形成され、該第１の金属電極膜上に前記第２の金属電極膜が、前記圧電薄膜を挟んで形成されて成り、前記第２の金属電極膜の上面を覆うように該第２の金属電極膜上に積層された保護膜を有して成ることを特徴とする圧電薄膜共振器。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、圧電薄膜共振器および圧電薄膜共振器フィルタおよびその製造方法に係り、特に、薄膜圧電体の圧電/反圧電効果を用い且つバルク弾性波の共振現象を利用した共振器(以下圧電薄膜バルク波共振器と略す)及びそれを用いた圧電薄膜バルク波共振器フィルタおよび薄膜音叉型屈曲振動子および高周波モジュール、さらにはそれらの製造方法に関する。
圧電薄膜バルク波共振器は、一般に薄膜形成装置で成膜された圧電薄膜と、前記圧電薄膜の少なくとも一部を挟んで上下に存在する第１の金属電極膜と第２の金属電極膜で構成される共振器部を具備している。第１の金属電極膜は下部電極として、第２の金属電極膜は上部電極として機能する。圧電薄膜は、厚さ方向に分極している。下部電極と上部電極との間に印加した交流電圧により発生する交流電界が、圧電/反圧電効果により、圧電薄膜の厚さ方向の伸縮、すなわち弾性波を引き起こす。
圧電薄膜と下部電極と上部電極とで構成される共振器の上下には音響絶縁層が存在する。高周波フィルタに適した圧電薄膜バルク波共振器は、バルク弾性波を圧電薄膜内に封じ込める方法によって分類され、ＦＢＡＲ（Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）と、ＳＭＲ（Ｓｏｌｉｄｌｙ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）が広く知られている。固体と気体（または真空）との界面は、効率のよい音響絶縁層として機能するため、ＦＢＡＲでは共振器の上下を気体（または真空）としている。ＳＭＲでは、上部電極の上に気体（または真空）を、下部電極の下にブラッグ反射器を設置している。
特許文献１には、ＳＭＲのデバイス構成とそのプロセスフローが開示されている。特許文献２には、ＡｌＮ高配向のため下部電極上のみにＡｌＮを形成し、上部電極に段差を作らない共振器子構造が提案されている。また、特許文献３には、下部電極と圧電膜の連続成膜によるＡｌＮの配向性向上および電気機械結合係数に関する記載がある。下部電極表面は不純物の吸着などにより、成膜直後の平坦性及び清浄性を維持していないと記載されている。
さらに、特許文献４には、支持膜をＡｌＮによって構成し、振動空間を形成するための犠牲層、支持膜、下部電極膜、圧電体薄膜、上部電極膜を、同一装置内で連続成膜することでコストダウンを図った製造方法が開示されている。
また、非特許文献１には、ＦＢＡＲのデバイス構成とそのプロセスフローが開示されている。
一方、薄膜音叉型屈曲振動子は、圧電薄膜バルク波共振器と同様に、薄膜形成装置で成膜された圧電薄膜と、前記圧電薄膜の一部を挟んで上下に存在する第１の金属電極膜と第２の金属電極膜で構成され、圧電薄膜が音叉型にパターニングされた屈曲振動子である。
特許文献５には、薄膜音叉型屈曲振動子の共振デバイス構成とその製造方法が開示されている。
特開２００２−２５１１９０号公報 特開２００５−３０３５７３号公報 特開２００５−３１８４２０号公報 特開２００４−２００８４３号公報 特開２００４−０７９８６９号公報 Park et al. , "Comparison of Micromachined FBAR Band Pass Filters with Different Structural Geometry",２００３ IEEE MTT-S Digest, pp. ２００５-２００８
圧電薄膜バルク波共振器は、一般的にＱ値が高いことが特徴であるが、新たなシステムの動向により更なる高Ｑ値化が要求されている。同様に、薄膜音叉型屈曲振動子にも、システムを小型化すること、固有振動周波数が高いこと、帯域幅が広いこと、プロセス変動に対して電気特性のバラツキが小さいこと、低コストであることと共に、高Ｑ値化も要求されている。
圧電薄膜バルク波共振器を用いた圧電薄膜バルク波共振器フィルタを作製するためには、異なる共振周波数を持つ２つ以上の圧電薄膜バルク波共振器を電気的に接続する必要がある。そのためには、圧電薄膜の下層に位置する下部電極層を複数の共振器間で接続するような任意形状に形成した後、圧電層や上部電極層を形成する製造工程が一般的であり、前記特許文献１や特許文献２及び非特許文献１にその製造過程が開示されている。
以下に、非特許文献１に記載された製造過程を従来技術として説明する。まず、シリコン基板上を覆うように下部電極を成膜し、任意の形状にパターニングする。次いで、下部電極パターンの表面と下部電極を除去し露出したシリコン基板表面とを覆うように、圧電薄膜を成膜し、任意の形状にパターニングする。圧電薄膜をパターニングすることで下部電極の一部を露出させる。次いで、圧電薄膜の表面と圧電薄膜を除去し露出したシリコン基板表面とを覆うように、下部電極を成膜し、任意の形状にパターニングする。最後にシリコン基板の裏面の一部をエッチングすることにより、共振器部の直下に空隙部を形成する。以上の製造方法により圧電薄膜バルク波共振器が得られる。
この素子構造では、第１の金属電極膜と圧電薄膜及び第２の金属電極膜のいずれもが製造過程でパターニングのために大気暴露される。これにより、圧電薄膜内部や金属電極膜内部への酸素および窒素の混入を生ずる。これに伴い、圧電膜層あるいは金属電極膜層の、各々の層の内部（バルク部分）と表皮部分とは組成の異なった材料の層となり、これらの層が界面を介して接することになる。このような圧電膜層あるいは金属電極膜層の表皮部分における材質の変化が、圧電薄膜バルク波共振器の素子特性に悪影響を与えることが懸念される。
一方、前記特許文献３では第１の金属電極膜と圧電薄膜を連続成膜する、前記特許文献４では第１の金属電極膜と圧電薄膜及び第２の金属電極膜を連続成しており、前者の製造方法に比べて、圧電薄膜バルク波共振器の素子特性に及ぼす影響は軽減されることが考えられる。しかしながら、後者の製造方法においても、圧電薄膜と第２の金属電極膜（特許文献３）、あるいは第２の金属電極膜（特許文献４）が製造過程で大気暴露され、これに伴い、圧電薄膜内部や第２の金属電極膜内部への酸素および窒素の混入により、圧電薄膜バルク波共振器の素子特性に悪影響を与えることの懸念は残る。
薄膜音叉型屈曲振動子に関しても、特許文献５に開示されている従来技術は、前記圧電薄膜バルク波共振器と同様の課題を持つ。
本発明は、上述のような共振器構造形成技術に係る従来の問題点を解決することを課題とし、良好な膜質特性の実現を可能とする圧電薄膜バルク波共振器もしくは薄膜音叉型屈曲振動子、およびそれらの製造方法を提供することを目的とする。
本発明の代表的なものの一例を示せば以下の通りである。即ち、本発明に係る圧電薄膜共振器は、圧電薄膜と、該圧電薄膜の少なくとも一部を挟んで存在する第１の金属電極膜及び第２の金属電極膜を含み基板上に形成された積層構造と、該積層構造に対応する位置の前記基板に形成された音響絶縁層とを備えて成り、前記基板上に前記第１の金属電極膜が形成され、該第１の金属電極膜上に前記第２の金属電極膜が、前記圧電薄膜を挟んで形成されて成り、前記第２の金属電極膜を覆うように該第２の金属電極膜上に積層された保護膜を有して成ることを特徴とする。
本発明によれば、各薄膜の酸化による膜質劣化を最小限に抑止でき、良好な膜質特性の圧電薄膜共振器を提供することができる。
以下、本発明に係る圧電薄膜共振器および圧電薄膜共振器フィルタおよびその製造方法を、図面に示した幾つかの好ましい実施形態を参照して、更に詳細に説明する。
なお、本発明で述べている薄膜とは、成膜装置で作成した膜である。また、本発明で述べている成膜装置とは、スパッタ装置、蒸着装置、ＣＶＤ装置に代表される装置であり、分子、原子、イオン、またはそれらのクラスタを基板上に直接積層させることにより、または化学反応を伴って積層させることにより、膜を作成する装置である。
従って、本発明で述べている薄膜には、成膜装置で作成した膜以外の部材、例えば、焼結により作成した焼結体や、水熱合成法、チョコラルスキー法などで形成されたバルク体は、厚さにかかわらず、含まれない。
本発明に係る圧電薄膜バルク波共振器の第１実施例について、図１〜図６で説明する。
まず、図１（図１Ａ、図１Ｂ）で第１実施例の圧電薄膜バルク波共振器の構造を説明する。図１Ａは、第１実施例の圧電薄膜バルク波共振器の縦断面構造図であり、図１Ｂは、図１Ａに示した圧電薄膜バルク波共振器の上面図である。
実施例１の圧電薄膜バルク波共振器は、絶縁基板１上に作製された音響絶縁層２０の上にＡｌＮによって構成された支持膜２が設けられ、その上に、圧電薄膜４とこの圧電薄膜４の少なくとも一部を挟んで存在する第１の金属電極膜３と第２の金属電極膜５とを含む積層構造を有している。第１の金属電極膜３と第２の金属電極膜５の材料としては例えばＭｏを用い、圧電薄膜４の材料としてはＡｌＮを用いる。上部電極となる第２の金属電極膜５の上面を覆うように、絶縁材料からなる保護膜６、ここではＳｉＯ２の薄膜が形成されている。一対のパッド電極７（７ａ、７ｂ）のうち、第１のパッド電極７ａが第１の金属電極膜３上に形成され、支持膜２上に形成された第２のパッド電極７ｂが、第２の金属電極膜５の上面に接続されている。１３は平坦化層、３０は絶縁膜である。第２の金属電極膜５は、その上面の少なくとも前記積層構造が実質的に共振器としての機能を果たす領域の全面にわたって、保護膜６で覆われている。実施例では、保護膜６と第２のパッド電極７ｂとで第２の金属電極膜５の上面全体が覆われている。
なお、支持膜２と、第１の金属電極膜３と、圧電薄膜４と、第２の金属電極膜５、及び保護膜６は、後で詳細に述べるように、真空中で連続成膜され、大気暴露されることはない。これにより、支持膜２と第１の金属電極膜３、第１の金属電極膜３と圧電薄膜４、圧電薄膜４と第２の金属電極膜５、第２の金属電極膜５と保護膜６の各膜は、夫々界面を介して接する。すなわち、上記各膜間に、酸素や窒素あるいは水分が混入し各々の層の内部（バルク部分）とは組成の異なった表皮層が存在し、圧電膜層あるいは金属電極膜層の表皮部分と内部との間に界面が形成されること、換言すると成膜過程における各薄膜の酸化や窒化による膜質劣化が最小限に抑止される。そのため、良好な膜質特性を有し、素子特性の優れた圧電薄膜バルク波共振器の作製が可能となる。
実施例１は、ＳＭＲ型圧電薄膜バルク波共振器を例に取った実施例であり、絶縁基板１上に音響絶縁層２０として、低音響インピーダンス膜１１と高音響インピーダンス膜１０を交互に形成し、高音響インピーダンス膜１０を共振器の形状にパターニングした後、低音響インピーダンス膜１０を埋め込むことで平坦化を行なっている。
以下、図２に沿って、第１実施例の圧電薄膜バルク波共振器の製造方法の一例を説明する。
まず、絶縁基板１としての高抵抗シリコン基板上に、音響絶縁層２０を形成する。ここではＳＭＲ型圧電薄膜バルク波共振器を例としているため、成膜装置により低音響インピーダンス膜１１としてＳｉＯ２を７００ｎｍ堆積し、次いで高音響インピーダンス膜１０としてＷを７００ｎｍ堆積する。さらに、ＳｉＯ２を７００ｎｍ堆積し、Ｗを７００ｎｍ堆積し、ＳｉＯ２を７００ｎｍ堆積し、２層のＷ膜と３層のＳｉＯ２膜を交互に堆積した音響絶縁層２０が出来る。（ステップａ）
次いで、高音響インピーダンス層１０と第１の金属電極膜３、第２の金属電極膜５との間の寄生容量結合を抑圧するために、共振器直下となる箇所以外の高音響インピーダンス層１０のをエッチングにより除去する。（ステップｂ）
次いで厚い平坦化層１３として、成膜装置によりＳｉＯ２を３０００ｎｍ以上の膜厚で堆積する。次いで、化学的機械的ポリッシング法（ＣＭＰ）により音響絶縁層２０の上部まで研磨することで表面を平坦化した音響絶縁層２０が完成する。（ステップｃ）
なお、音響絶縁層２０の作製方法は、前記した以外の方法であっても問題ないことは言うまでもない。
次いで、共振器層の作製工程を行う。まず成膜装置により、支持層２としてＡｌＮを３０ｎｍ堆積し、次いで第１の金属電極膜３としてＭｏを４００ｎｍ堆積し、次いで圧電薄膜４としてＡｌＮを９５０ｎｍ堆積し、次いで第２の金属電極膜５としてＭｏを４００ｎｍ堆積し、次いで保護膜６としてのＳｉＯ２を１００ｎｍ堆積する。（ステップｄ）
なお、共振器層を構成する上記５層の作製（ステップｄ）に関しては、成膜の途中で大気開放することなく、真空中で連続成膜して実施する。
その後、通常のホトレジ工程、およびエッチング工程によって、（工程の途中で適宜大気開放される）、保護膜６としてのＳｉＯ２のパターニングを行ない、所望の領域の保護膜６を得る。
さらに、通常のホトレジ工程、およびエッチング工程によって、第２の金属電極膜５としてＭｏ、および圧電薄膜４としてＡｌＮのパターニングを行ない、所望の領域の第２の金属電極膜５および圧電薄膜４を得る。さらに、通常のホトレジ工程、およびエッチング工程によって、第１の金属電極膜３としてＭｏのパターニングを行い、所望の領域の第１の金属電極膜３を得る。このとき、各金属電極膜に接続される一対の電極パットを形成する領域についても、同時に、ホトレジ工程及びエッチング工程によりパターニングを行う。（ステップｅ）
次いで、第１の金属電極膜３と圧電薄膜４と第２の金属電極膜５が同一面でパターニングされている領域に、絶縁層３０としてＳｉＯ２をリフトオフ法により選択的に形成する。（ステップｆ）
次いで、パッド電極７および配線としてＡｌを４００ｎｍの膜厚でリフトオフ法により選択的に形成する。（ステップｇ）
以上の製造方法により、第１実施例による圧電薄膜バルク波共振器を得ることができる。
本実施例によれば、支持膜２と、第１の金属電極膜３と、圧電薄膜４と、第２の金属電極膜５と、保護膜６とを、真空中で連続成膜することにより、低コストでかつ良好な膜質特性を実現すると共に、Ｑ値の高い圧電薄膜バルク波共振器を得ることができる。
図３および図４は、本発明の実施例に係る圧電薄膜バルク波共振器の第１の金属電極膜３と圧電薄膜４の酸素含有量および水素含有量を示す分析データである。分析手法にはＳＩＭＳを適用し、素子表面から保護膜６、続いて第２の金属電極膜５をエッチングしながら、成分分析を行なったものである。これらの測定結果を得た試料の保護膜６にはＡｌＮを使用し、膜厚は約１０００nmとした。また第２の金属電極膜５にはＭｏを使用し、膜厚は２５０nmとした。
特許文献１などに開示された従来法では、第1の金属電極膜３を通常のホトレジ工程にてエッチングマスクを形成し、通常のエッチング工程によりパターニングしたのち、圧電薄膜４を形成している。その後，圧電薄膜４を通常のホトレジ工程にてエッチングマスクを形成し、通常のエッチング工程によりパターニングしたのち，第２の金属電極膜５を形成している。その後，第２の金属電極膜５を通常のホトレジ工程にてエッチングマスクを形成し、通常のエッチング工程によりパターニングし第２の金属電極膜５を形成している。そのため、第1の金属電極膜３と圧電薄膜４と第２の金属電極膜５が製造過程で大気暴露される。
一方、本発明においては、第１の金属電極膜３と圧電薄膜４、第２の金属電極膜５及び保護膜６は真空中で連続的に成膜された後、通常のホトレジ工程にてエッチングマスクが形成される。その後、保護膜６、第２の金属電極膜５，圧電薄膜４、及び第１の金属電極膜３を通常のエッチング工程によりパターニングしている。そのため、第２の金属電極膜と保護膜６とを含む積層構造の各膜間が界面を介して接する。
図３および図４の結果から明らかなように、本発明の構造によれば、保護膜（ＡｌＮ）およびＭｏ（第２の金属電極膜）に含有される酸素量と水素量が低下していることが分かる。このことは、第２の金属電極膜と保護膜の膜間が界面を介して接し、金属電極膜層の表皮部分における材質の変化が阻止されていることを示している。
一方、従来法の場合、圧電薄膜内部および金属電極膜内部への酸素および窒素の混入から、圧電膜層あるいは金属電極膜層の、各々の層の内部と表皮部分とが組成の異なった材料の層となり、圧電薄膜バルク波共振器の素子特性に悪影響を与えていることが明らかである。これは、抵抗値の増加に直結するため、圧電薄膜バルク波共振器のＱ値の劣化を招くこととなる。Ｑ値の劣化した圧電薄膜バルク波共振器を適用することは、圧電薄膜バルク波共振器フィルタの特徴である急峻なフィルタ特性を損なうため、大きな問題となる。
図５は、図３および図４に関して述べた、本実施例の連続成膜方式による圧電薄膜バルク波共振器（ＳＭＲ１）と従来の不連続成膜方式による圧電薄膜バルク波共振器（ＳＭＲ２）の、インピーダンス−周波数特性の関係の一例を示す図である。従来の方式に対して、本実施例ではＱ値が大幅に改善されている。
なお、保護膜６は、薄すぎると保護膜としての機能が十分でなく、厚すぎると周波数特性等に影響を及ぼすので、５０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度の範囲とするのが望ましい。
また、本実施例の構造において，保護膜６としてＳｉＯ２膜を共振子素子の第２の金属電極膜５上に積層すると共に，この保護膜の膜厚を最適化することで、共振周波数の特性や温度特性を改善させる効果もある。このＳｉＯ２膜厚と温度特性の関係に基づき保護膜６の膜厚を決定し、温度特性等の改善を図るためには保護膜６の厚みを、５００ｎｍ程度以内の範囲で調整するのが良い。よって、保護膜６の厚みは、全体として５０ｎｍ〜６００ｎｍ程度の範囲で適宜設定するのが望ましい。
このように、本実施例によれば、第１の金属電極膜と、圧電薄膜と、第２の金属電極膜と、保護膜を同一の装置で連続成膜することで、各薄膜の酸化による膜質劣化を最小限に抑止でき、良好な膜質特性の圧電薄膜バルク波共振器を形成することができる。さらに、保護膜の膜厚を調整することで、共振周波数の特性や温度特性を改善することもできる。
図６は、本発明に係る第２実施例になる圧電薄膜バルク波共振器の一例を示す断面構造図である。実施例２は、圧電薄膜４と圧電薄膜４の少なくとも一部を挟んで存在する第１の金属電極膜３と第２の金属電極膜５とを含む積層構造を作製し、上部電極となる前記第２の金属電極膜５を覆うように保護膜６としてＡｌＮ薄膜を形成することを特徴とする。
また、このときに、支持膜２と、第１の金属電極膜３と、圧電薄膜４と、第２の金属電極膜５と、保護膜６のＡｌＮと、を真空中で連続成膜することで、各薄膜の酸化による膜質劣化を最小限に抑止できることで、良好な膜質特性の圧電薄膜バルク波共振器の作製が可能となることを特徴とする。
実施例２は、ＦＢＡＲ型圧電薄膜バルク波共振器を例に取った実施例であり、共振器直下の絶縁基板１を裏面からエッチングして空隙部６０を形成することにより音響絶縁層２０としている。
以下、図７に沿って第２実施例の圧電薄膜バルク波共振器の製造方法の一例を説明する。
まず、絶縁基板１として高抵抗シリコン基板上に、まず支持層２としてＡｌＮを３０ｎｍ堆積し、次いで第１の金属電極膜２としてＭｏを４００ｎｍ堆積し、次いで、圧電薄膜４としてＡｌＮを９５０ｎｍ堆積し、次いで第２の金属電極膜５としてＭｏを４００ｎｍ堆積し、次いで保護膜６としてＡｌＮを５０ｎｍ堆積する。以上の５層に関しては、成膜の途中で大気開放することなく、真空中で連続成膜して実施する。（ステップａ）
その後、通常のホトレジ工程、およびエッチング工程によって、保護膜６としてＡｌＮのパターニングを行ない、所望の領域の保護膜６を得る、さらに、通常のホトレジ工程、およびエッチング工程によって、第２の金属電極膜５としてＭｏ、および圧電薄膜４としてＡｌＮのパターニングを行ない、所望の領域の上部電極および圧電薄膜４を得る。さらに、通常のホトレジ工程、およびエッチング工程によって、第１の金属電極膜３としてＭｏのパターニングを行い、所望の領域の下部電極を得る。（ステップｂ）
次いで、第１の金属電極膜３と圧電薄膜４と第２の金属電極膜５が同一面でパターニングされている領域に絶縁層３０としてＳｉＯ２をリフトオフ法により選択的に形成する。（ステップｃ）
次いで、パッド電極７および配線としてＡｌを、４００ｎｍの膜厚でリフトオフ法により選択的に形成する。（ステップｄ）
次いで、圧電薄膜バルク波共振器の下部領域の空隙部６０の形成を行うため、絶縁基板１の裏面の圧電薄膜バルク波共振器に対応する領域に沿って、エッチングマスクとしてレジストを形成し、次いでＤｅｅｐ−ＲＩＥによるドライエッチングにて、絶縁基板１の裏面からエッチングを行い、略垂直形状の空隙部６０を形成する。（ステップｅ）
以上の製造方法により、第２実施例による圧電薄膜バルク波共振器を得ることが出来る。
本実施例でも、第１の金属電極膜と、圧電薄膜と、第２の金属電極膜と、保護膜を同一の装置で連続成膜することで、各薄膜の酸化による膜質劣化を最小限に抑止でき、良好な膜質特性の圧電薄膜バルク波共振器を形成することができる。さらに、保護膜の膜厚を調整することで、共振周波数の特性を改善することもできる。
図８は、本発明に係る第３実施例になる圧電薄膜バルク波共振器の製造方法の一例を示したものである。まず、絶縁基板である高抵抗シリコン基板１上に、通常のホトレジ工程、およびエッチング工程によって、深さ８００ｎｍの空隙部６０を設ける。次いで絶縁基板１上の空隙部６０を形成した面上に、成膜装置によりバリア層４０としてＳｉ３Ｎ４を１００ｎｍ堆積し、さらに犠牲層５０としてリン酸シリケートガラス（ＰＳＧ）を１０００ｎｍ堆積する。（ステップａ）
次いで、犠牲層５０を絶縁基板１上に形成したバリア層４０の表面が露出するように、化学的機械的ポリッシング法（ＣＭＰ）により平坦化し、空隙部６０のみに犠牲層５０を充填する。（ステップｂ）
次いで、犠牲層５０により空隙部６０が充填され、表面平坦化された絶縁基板１上に、まず支持層２としてＡｌＮを３０ｎｍ堆積し、次いで第１の金属電極膜３としてＭｏを４００ｎｍ堆積し、次いで、圧電薄膜４としてＡｌＮを９５０ｎｍ堆積し、次いで第２の金属電極膜５としてＭｏを４００ｎｍ堆積し、次いで保護膜６としてＳｉＯ２を１００ｎｍ堆積する。支持層２、第１の金属電極膜３、圧電薄膜４、第２の金属電極膜５及び保護膜６の全５層の形成に関しては、成膜の途中で大気開放することなく、真空中で連続成膜して実施する。（ステップｃ）
その後、通常のホトレジ工程、およびエッチング工程によって、保護膜６としてＳｉＯ２のパターニングを行ない、所望の領域の保護膜６を得る。さらに、通常のホトレジ工程、およびエッチング工程によって、第２の金属電極膜５としてＭｏ、および圧電薄膜４としてＡｌＮのパターニングを行ない、所望の領域の第２の金属電極膜５および圧電薄膜４を得る。さらに、通常のホトレジ工程、およびエッチング工程によって、第１の金属電極膜３としてＭｏのパターニングを行い、所望の領域の第１の金属電極膜３を得る。（ステップｄ）
次いで、第１の金属電極膜３と圧電薄膜４と第２の金属電極膜５が同一面でパターニングされている領域に絶縁層３０としてＳｉ３Ｎ４をリフトオフ法により選択的に形成する。（ステップｅ）
次いで、パッド電極７および配線としてＡｌを４００ｎｍの膜厚でリフトオフ法により選択的に形成する。
次いで、圧電薄膜バルク波共振器の下部領域の空隙部６０の形成を行うため、フッ化水素酸（ＨＦ）を含む溶液で、犠牲層５０のＰＳＧを除去する。この犠牲層５０の除去工程において、保護膜６のＳｉＯ２も同時に除去可能となる。（ステップｆ）
保護膜６のＳｉＯ２が除去された圧電薄膜バルク波共振器は、速やかに気密封止処理される。そのため、第２の金属電極膜５に酸素や窒素あるいは水分が混入することに伴う薄膜の酸化や窒化による膜質劣化は最小限に抑止される。
以上の製造方法により、各薄膜の酸化による膜質劣化を最小限に抑止でき、良好な膜質特性の圧電薄膜バルク波共振器を得ることが出来る。
なお、本実施例でも、図６に示したような特性を利用するために、保護膜６の材料を犠牲層の材料と異なるものとして残し、共振周波数の特性や温度特性を改善することもできる。
次に、本発明の第４実施例として、薄膜音叉型屈曲振動子に適用した例について、図９及び図１０で説明する。
まず、図９は、本発明の第４実施例になる薄膜音叉型屈曲振動子の外観を示す斜視図である。薄膜音叉型屈曲振動子は、絶縁基板１としての高抵抗シリコン基板上に、絶縁基板１の表面と平行に薄膜屈曲振動子が設置されることにより構成されており、振動子は音叉形状をしている。ただし、本発明を適用するために下部電極である第１の金属電極膜は、圧電薄膜４の全面に配置された構造となる。すなわち、薄膜音叉型屈曲振動子は、絶縁基板１上にＡｌＮによって構成された支持膜２が設けられ、その上に、圧電薄膜４とこの圧電薄膜４を挟んで存在する第１の金属電極膜３と第２の金属電極膜５とを含む積層構造を有し、上部電極となる第２の金属電極膜５を覆うように保護膜６としてＳｉＯ２薄膜が形成されている。６０は積層構造に対応して絶縁基板１に設けられた空隙部である。
図１０は、本発明の第４実施例になる薄膜音叉型屈曲振動子の製造方法の一例を示したものである。以下、第４実施例の薄膜音叉型屈曲振動子の製造方法の一例を説明する。
絶縁基板１として高抵抗のシリコン基板上に、まず支持層２としてＡｌＮを３０ｎｍ堆積し、次いで第１の金属電極膜３としてＭｏを４００ｎｍ堆積し、次いで、圧電薄膜４としてＡｌＮを９５０ｎｍ堆積し、次いで第２の金属電極膜５としてＭｏを４００ｎｍ堆積し、次いで保護膜６としてＳｉＯ２を１００ｎｍ堆積する。以上の５層に関しては、成膜の途中で大気開放することなく、真空中で連続成膜して実施する。（ステップａ）
その後、通常のホトレジ工程、およびエッチング工程によって、保護膜６としてＳｉＯ２のパターニングを行ない、所望の領域の保護膜６を得る。さらに、通常のホトレジ工程、およびエッチング工程によって、第２の金属電極膜５としてＭｏのパターニングを行い、所望の形状の第２の金属電極膜５を得る。さらに、圧電薄膜４としてＡｌＮ、第１の金属電極膜３としてＭｏ、支持層２としてＡｌＮのパターニングを行い、所望の音叉型形状の圧電薄膜４および第１の金属電極膜３および支持膜２を得る。（ステップｂ）
次いで、第１の金属電極膜３と圧電薄膜４と第２の金属電極膜５が同一面でパターニングされている少なくとも１辺の領域に、絶縁層３０としてのＳｉＯ２層をリフトオフ法により選択的に形成する。（ステップｃ）
次いで、パッド電極７および配線として、Ａｌを４００ｎｍの膜厚でリフトオフ法により選択的に形成する。（ステップｄ）
次いで、薄膜音叉型屈曲振動子の下部領域の空隙部６０の形成を行うため、絶縁基板１の裏面の薄膜音叉型屈曲振動子に対応する領域に沿って、エッチングマスクとしてレジストを形成し、次いでＤｅｅｐ−ＲＩＥによるドライエッチングにて、絶縁基板１の裏面からエッチングを行い、側壁が略垂直で断面が矩形の形状をした空隙部６０を形成する。（ステップｅ）
以上の製造方法により、第４実施例による薄膜音叉型屈曲振動子を得ることが出来る。
本実施例によれば、第１の金属電極膜と、圧電薄膜と、第２の金属電極膜と、保護膜を同一の装置で連続成膜することで、各薄膜の酸化による膜質劣化を最小限に抑止でき、良好な膜質特性の薄膜音叉型屈曲振動子を形成することができる。さらに、保護膜の膜厚を調整することで、共振周波数の特性や温度特性を改善することもできる。
［変形例］
以上のべた本発明の各実施例においては、絶縁基板１には高抵抗シリコン基板を使用しているが、絶縁基板１は、例えばガラス基板、化合物半導体基板、高抵抗シリコン基板、圧電体基板などの絶縁材料で形成されたものでも適用可能である。また絶縁基板１は、酸化ケイ素に代表される絶縁膜で表面を覆った半導体基板、半絶縁体基板、又は導電体基板でも適用可能である。
また、第１の金属電極膜３と第２の金属電極膜５の材料としてＭｏを使用しているが、他の導電材料、例えば、Ｔａ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｔｉ、Wなども同様に使用可能である。
また、圧電薄膜４の材料としてはＡｌＮを使用しているが、他にもＺｎＯ、ＰＺＴ、ＰｂＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３も同様に使用可能である
また、犠牲層５０としてリン酸シリケートガラスを使用しているが、他にも、ＳｉＯ２、Ｇｅ、Ｔｉ等フッ化水素酸でエッチングしやすい材料であれば同様に使用可能である。
なお上記各層の厚さは一例であり、使用する材料、必要とする共振周波数に応じて適宜設計変更できることは言うまでもない。
また、圧電薄膜バルク波共振器およびそれを用いたフィルタの実装密度を高め小型化を実現するために、基板上に２つの圧電薄膜バルク波共振器を上下２段に積層して構成することもある。この場合は、基板上に同一の成膜装置で、下の段と上の段の圧電薄膜バルク波共振器を連続成膜するのみならず、同一の装置で連続して、上の段の圧電薄膜バルク波共振器の第２の金属電極膜の上に保護膜を成膜する。これにより、各薄膜の酸化による膜質劣化を最小限に抑止でき、良好な膜質特性の圧電薄膜バルク波共振器を形成することができる。
図１１は、一般的な携帯電話における高周波モジュールを含むブロック回路図の一例を示す。ここでは、単一基板の上に圧電薄膜バルク波共振器を用いた圧電薄膜バルク波共振器フィルタを構成する場合について説明する。
７８は送信フィルタ、７９は受信フィルタである。また、１３０は位相器、１５０は低雑音増幅器、１５１は電力増幅器モジュール、１５２は送信ミキサ、１５３は受信ミキサ、１５４はシンセサイザである。１５５はベースバンド部である。１６０は送受切替器モジュール、１６１は高周波集積回路モジュールである。送受切替器モジュール１６０、高周波集積回路部モジュール１６１、および電力増幅器モジュール１５１は携帯電話用チップセットとして夫々単独に、あるいは一体的にモジュール化されている。実施例の１乃至４で説明した圧電薄膜共振器を夫々、例えば各直列椀及び並列椀を構成するラダー型の共振素子として用いることで、送信フィルタ７８や受信フィルタ７９を構成することができる。
図１１において、アンテナＡＮＴで受信された高周波の受信信号Ｒｘは位相器１３０を通り、さらにイメージ周波数信号を除去して所定の受信帯域の周波数信号だけを通すための受信フィルタ７９を介して、高周波受信信号Ｒｘを増幅するために低雑音増幅器１５０へ入力される。低雑音増幅器１５０において増幅された高周波受信信号Ｒｘは、ベースバンドに変換するために受信ミキサ１５３を介して、ベースバンド部１５５へ送られる。
一方、ベースバンド部１５５から送られてきた高周波の送信信号Ｔｘは変調無線周波数信号を作るための送信ミキサ１５２を介して、高周波送信信号Ｔｘを増幅するために電力増幅器モジュール１５１に入力される。電力増幅器モジュール１５１で増幅された高周波送信信号Ｔｘは、所定の送信周波数帯域の送信信号だけを通す送信フィルタ７８を介してアンテナより電波として放射される。一般的な携帯電話では、受信部と送信部のアンテナの共用を可能にする位相器１３０とシンセサイザ１５４と受信信号および送信信号の信号処理を行うベースバンド部１５５を含んでいる。
ここで、このようなフロントエンド部で使用される高周波信号用の送信フィルタ７８と受信フィルタ７９のそれぞれは、複数の圧電薄膜バルク波共振器の集合によって構成することができる。図１１で示したブロック図はシングルバンド携帯電話の場合を示しているが、デュアルバンド、トリプルバンド、クアッドバンドなどのマルチバンド携帯電話の構成においても、同様に適用可能であり、特に実施例で示した構成に限定されない。
本実施例では、一例として、送信周波数Ｔｘが１．８５ＧＨｚから１．９１ＧＨｚ、受信周波数Ｒｘが１．９３ＧＨｚから１．９９ＧＨｚの場合を例に、複数個の圧電薄膜バルク波共振器からなる圧電薄膜バルク波共振器フィルタにより構成する送信フィルタ７８及び受信フィルタ７９について説明する。
図１２は、図１１に示した送受切替器モジュール１６０の回路ブロック図の一例である。送信フィルタ７８は破線で囲った圧電薄膜バルク波共振器７１〜７７の配列によって、受信フィルタ７９は破線で囲った圧電薄膜バルク波共振器１２０〜１２６の配列によってそれぞれ構成される。ここで示した共振器の配列は一例であり、共振器の配列は所望のフィルタ特性によって決定されるため、特に実施例で示した配列に限定されない。また、位相器１３０として用いる回路は周知であり、インダクタおよびコンダクタもしくはλ／４伝送線路によって構成される。
図１３Ａに、一例として送信フィルタ７８が単一基板７０上に作製された場合の模式的な外観斜視図を示す。また、図１３Ｂとして、図１３Ａのａ−ａ断面を示す。
ここで、圧電薄膜バルク波共振器７１〜７７は四辺形で示されているが、圧電薄膜バルク波共振器の形状は所望のフィルタ特性によって決定されるため、四辺形に限定されない。配線８０を介して接続された圧電薄膜バルク波共振器７１〜７３が直列共振器を構成し、圧電薄膜バルク波共振器７４〜７７が並列共振器を構成する。
図１３Ａ、図１３Ｂにおいて、圧電薄膜バルク波共振器を接続している実線は圧電薄膜バルク波共振器の上部電極層５がパッド電極７により接続される配線８０を、点線は圧電薄膜バルク波共振器の下部電極層３で構成される（もしくは下部電極層と接続される）配線８０を表している。
また、参照符号Ｐ１は不図示の内部回路からの送信信号が伝送されてくる入力配線パッドであり、送信フィルタ７８の圧電薄膜バルク波共振器７１に接続されたフィルタの入力パッドＰ１１（＝パッド電極７ａ）とボンディングワイヤＢＷにより接続され、さらに配線８０（パッド電極７ｂ及び下部電極層３）で直列接続された圧電薄膜バルク波共振器７２、７３を介してフィルタの出力パッドＰ２２（＝パッド電極７ｂ）に接続されている。フィルタの出力パッドＰ２２と、不図示のアンテナに接続されているパッドＰ２とがボンディングワイヤＢＷにより接続されている。圧電薄膜バルク波共振器７４、７６の上部電極層５に接続された配線パッドＰ３３、Ｐ４４と、圧電薄膜バルク波共振器７５、７７の下部電極層３に接続された配線パッドＰ５５、Ｐ６６は、それぞれボンディングワイヤＢＷにより不図示のグランドパッドに接続されている。
このようにして、図１２の回路図に示した送信フィルタ７８が単一の基板７０上に形成される。同様にして、受信フィルタ７９も単一の基板７０上に形成し得る。したがって、送受切替器モジュール１６０、高周波集積回路部モジュール１６１、および電力増幅器モジュール１５１を携帯電話用チップセットとして夫々単独に、あるいは一体的にモジュール化することが容易である。
本実施例では、既に述べた本発明のいずれかの実施例の圧電薄膜共振器フィルタを使用していることから、素子面積の低減を図り、高周波モジュールの小型化および低価格化を実現することができる。
なお、ここで示した実施例は、内部回路と送信フィルタの接続にボンディングワイヤＢＷを使用場合の例であり、バンプボンディング等、他の実装方法にも適用可能であることは言うまでもなく、上記実施例に限定されるものではない。また、本発明は、携帯電話用に限らず、無線通信用のフィルタとして、種々の用途に適用可能であることは言うまでもない。
本発明の第１実施例になる圧電薄膜バルク波共振器の縦断面構造図である。 図１Ａに示した圧電薄膜バルク波共振器の上面図である。 第１実施例の圧電薄膜バルク波共振器の、製造方法の一例を工程順に示す断面構造図である。 本発明の第１実施例に係るデバイス構造の効果を示す金属電極膜と圧電薄膜の酸素含有量を示す分析データである。 本発明の第１実施例に係るデバイス構造の効果を示す金属電極膜と圧電薄膜の水素含有量を示す分析データである。 本発明の第１実施例による圧電薄膜バルク波共振器と従来の不連続成膜方式による圧電薄膜バルク波共振器の、インピーダンス−周波数特性の関係の一例を示す図である。 本発明に係る第２実施例として圧電薄膜バルク波共振器の一例を示す断面構造図である。 図６に示した圧電薄膜バルク波共振器の製造方法の一例を工程順に示す断面構造図である。 本発明に係る第３実施例として圧電薄膜バルク波共振器の製造方法の一例を工程順に示す断面構造図である。 本発明の第４実施例になる薄膜音叉型屈曲振動子の外観を示す斜視図である。 本発明に係る第４実施例として薄膜音叉型屈曲振動子の製造方法の一例を工程順に示す断面構造図である。 一般的な携帯電話におけるフロントエンド部分回路のブロック図である。 図１１に示したフロントエンド分の圧電薄膜バルク波共振器の配列によって構成された送信フィルタおよび受信フィルタ部分の回路ブロック図である。 圧電薄膜バルク波共振器から成る送信フィルタを単一基板上に作製した模式的な外観斜視図である。 図１３Ａのａ−ａ断面を示す図である。
符号の説明
１…絶縁基板、２…支持膜、３…第１の金属電極膜、４…圧電薄膜、５…第２の金属電極膜、６…保護膜、７…パッド電極、１０…高音響インピーダンス膜、１１…低音響インピーダンス膜、１３…平坦化層、２０…音響絶縁層、３０…絶縁膜、４０…バリア層、５０…犠牲層、６０…空隙層、７１〜７３…直列接続の圧電薄膜バルク波共振器、７４〜７７…分路接続の圧電薄膜バルク波共振器、７８…送信フィルタ、７９…受信フィルタ、１００…圧電層、１２０〜１２２…直列接続の圧電薄膜バルク波共振器、１２３〜１２６…分路接続の圧電薄膜バルク波共振器、１３０…位相器、１５０…低雑音増幅器、１５１…電力増幅器モジュール、１５２…送信ミキサ、１５３…受信ミキサ、１５４…シンセサイザ、１５５…ベースバンド部、１６０…送受切替器モジュール、１６１…高周波集積回路モジュール。

Claims (20)

  1. 圧電薄膜と、
    該圧電薄膜の少なくとも一部を挟んで存在する第１の金属電極膜及び第２の金属電極膜を含み基板上に形成された積層構造と、
    該積層構造に対応する位置の前記基板に形成された音響絶縁層とを備えて成り、
    前記基板上に前記第１の金属電極膜が形成され、該第１の金属電極膜上に前記第２の金属電極膜が、前記圧電薄膜を挟んで形成されて成り、
    前記第２の金属電極膜を覆うように該第２の金属電極膜上に積層された保護膜を有して成る
    ことを特徴とする圧電薄膜共振器。
  2. 請求項１において、
    前記圧電薄膜と前記第２の金属電極膜の平面形状が実質的に同じであり、
    前記保護膜は、前記第２の金属電極膜の上面でかつ、前記積層構造が実質的に共振器としての機能を果たす領域の全面を覆うように形成されて成る
    ことを特徴とする圧電薄膜共振器。
  3. 請求項２において、
    前記第２の金属電極膜に接続された電極パットを備えて成り、
    前記第２の金属電極膜は、実質的に上面の全体が、前記保護膜と前記電極パットとで覆われて成る
    ことを特徴とする圧電薄膜共振器。
  4. 請求項１において、
    前記第２の金属電極膜と前記保護膜とが界面を介して接する
    ことを特徴とする圧電薄膜共振器。
  5. 請求項４において、
    前記圧電薄膜共振器が圧電薄膜バルク波共振器であり、
    前記音響絶縁層の上に形成された支持膜を有して成り、
    該支持膜上に、前記積層構造を有して成る
    ことを特徴とする圧電薄膜共振器。
  6. 請求項４において、
    前記圧電薄膜共振器が薄膜音叉型屈曲振動子であり、
    前記音響絶縁層の上に形成された支持膜を有して成り、
    該支持膜上に、前記積層構造を有して成る
    ことを特徴とする圧電薄膜共振器。
  7. 請求項４において、
    前記積層構造に対応する位置の前記基板に形成された音響絶縁層を有して成り、
    前記音響絶縁層が、低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層を交互に積層したブラッグ反射層である
    ことを特徴とする圧電薄膜共振器。
  8. 請求項４において、
    前記積層構造に対応する位置の前記基板に形成された音響絶縁層を有して成り、
    前記音響絶縁層が、基板に形成された空隙部である
    ことを特徴とする圧電薄膜共振器。
  9. 請求項１において、
    前記保護膜が二酸化珪素を含み、かつ、５０ｎｍ〜６００ｎｍの厚みを有する
    ことを特徴とする圧電薄膜共振器。
  10. 請求項１において、
    前記保護膜が窒化アルミニウムを含み、かつ、５０ｎｍ〜６００ｎｍの厚みを有する
    ことを特徴とする圧電薄膜共振器。
  11. 請求項１において、
    前記積層構造が上下２段に積層されて成り、
    上の段の前記積層構造における前記第２の金属電極膜の上面に前記保護膜が形成されて成る
    ことを特徴とする圧電薄膜共振器。
  12. 圧電薄膜共振器の製造方法であって、
    前記圧電薄膜共振器は、
    少なくとも１つの平面を持つ基板と、
    圧電薄膜と、
    該圧電薄膜の少なくとも一部を挟んで存在する第１の金属電極膜及び第２の金属電極膜を含み前記基板上に形成された積層構造と、
    該積層構造に対応する位置の前記基板に形成された音響絶縁層とを備えて成り、
    前記基板上に支持膜を堆積する工程と、
    前記支持膜上に前記第１の金属電極膜を堆積する工程と、
    前記第１の金属電極膜上に前記圧電薄膜を堆積する工程と、
    前記圧電薄膜の上に前記第２の金属電極膜を堆積する工程と、
    前記第２の金属電極膜の上に保護膜を堆積する工程と、
    堆積された前記保護膜と前記第２の金属電極膜と前記圧電薄膜を、前記第１の金属電極膜及び前記各金属電極膜に接続される一対の電極パット形成領域を露出させた形状にエッチングする工程と、
    前記第１の金属電極膜及び前記一対の電極パットを任意の形状にエッチングする工程とを含み、
    前記支持膜と、前記第１の金属電極膜と、前記圧電薄膜と、前記第２の金属電極膜と、前記保護膜とを真空中で連続成膜する
    ことを特徴とする圧電薄膜共振器の製造方法。
  13. 請求項１２において、
    前記基板上に前記音響絶縁層を形成する工程と、
    前記音響絶縁層を含む前記基板上に前記支持膜を堆積する工程とを含む
    ことを特徴とする圧電薄膜共振器の製造方法。
  14. 請求項１２において、
    前記基板の裏面から前記音響絶縁層としての空隙部を形成する工程を含む
    ことを特徴とする圧電薄膜共振器の製造方法。
  15. 請求項１２において、
    前記基板上に空洞部を設ける工程と、
    前記空洞部を形成した前記基板上に犠牲層を堆積する工程と、
    前記空洞部のみに前記犠牲層を充填し表面を平坦化する工程と、
    前記犠牲層を充填した前記基板上に、前記支持膜、前記第１の金属電極膜、前記圧電薄膜、前記第２の金属電極膜、及び前記保護膜を順次堆積する工程と、
    堆積された前記保護膜と前記第２の金属電極膜と前記圧電薄膜を、同一の形状でかつ前記第１の金属電極膜を露出させた形状にエッチングする工程と、
    前記第１の金属電極膜をエッチングする工程と、
    前記空洞に充填した前記犠牲層と前記保護膜を同時にエッチングする工程とを含み、
    前記犠牲層と前記保護膜の材料が、酸化珪素もしくはリン酸シリケートガラスである
    ことを特徴とする圧電薄膜共振器の製造方法。
  16. 基板と、該基板上に設けられた複数の圧電薄膜バルク波共振器とを含んで成り、
    少なくとも１つの前記圧電薄膜バルク波共振器が、
    圧電薄膜と、該圧電薄膜の少なくとも一部を挟んで存在する第１の金属電極膜及び第２の金属電極膜を含み前記基板上に形成された積層構造と、該積層構造に対応する位置の前記基板に形成された音響絶縁層とを備えて成り、
    前記基板上に前記第１の金属電極膜が形成され、該第１の金属電極膜上に前記第２の金属電極膜が、前記圧電薄膜を挟んで形成されて成り、
    前記第２の金属電極膜を覆うように該第２の金属電極膜上に積層された保護膜を有して成る
    ことを特徴とする圧電薄膜バルク波共振器フィルタ。
  17. 請求項１６において、
    前記保護膜が二酸化珪素を含む
    ことを特徴とする圧電薄膜バルク波共振器フィルタ。
  18. 請求項１６において、
    前記保護膜が窒化アルミニウムを含む
    ことを特徴とする圧電薄膜バルク波共振器フィルタ。
  19. 請求項１６において、
    前記第２の金属電極膜と前記保護膜とが界面を介して接する
    ことを特徴とする圧電薄膜バルク波共振器フィルタ。
  20. 請求項１９において、
    直列に接続された複数の第１の圧電薄膜バルク波共振器と、並列に接続された複数の第２の圧電薄膜バルク波共振器とを含み、
    少なくとも１つの前記圧電薄膜バルク波共振器が、
    前記第１の金属電極膜に接続された第１の電極パット及び前記第２の金属電極膜に接続された第２の電極パットを備えて成り、
    前記第２の金属電極膜は、実質的に上面の全体が、前記保護膜と前記第２の電極パットとで覆われて成る
    ことを特徴とする圧電薄膜バルク波共振器フィルタ。
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