JP2009055128A - Method for manufacturing thin film piezoelectric resonator and thin film piezoelectric resonator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄膜圧電共振器の製造方法及び薄膜圧電共振器に関し、特に反応性ガスを用いたドライエッチング(リアクティブイオンエッチング)法により製造する薄膜圧電共振器及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a thin film piezoelectric resonator and a thin film piezoelectric resonator, and more particularly to a thin film piezoelectric resonator manufactured by a dry etching (reactive ion etching) method using a reactive gas and a manufacturing method thereof.
薄膜圧電共振器には、圧電体薄膜の膜厚方向の縦振動を利用した共振器と、圧電体薄膜の形状で決まる輪郭モード振動を利用した共振器がある。前者はFBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)或いはBAW(Bulk Acoustic Wave)素子等とも呼ばれ、その共振周波数は圧電体薄膜の音速及び膜厚によって定まる。例えば、圧電体薄膜としてAlNやZnOを用いた場合、0.4〜2μmの膜厚で(膜厚に反比例して)2〜5GHzの共振周波数が得られる。後者は、圧電体薄膜の外形形状と寸法で共振周波数を規定できるため、異なる共振周波数の共振器を複数組み合わせる必要のあるフィルタ用途に適した共振器である(例えば、非特許文献1参照)。いずれもGHz帯で高いQ値と低インピーダンスの特長を持つために、高周波発振器やフィルタ用の共振器として有望である。さらに薄膜圧電共振器は、SAW(弾性表面波)共振器のように圧電性単結晶基板上でなく、シリコン基板上に形成できるために、LSI(Large Scale Integration)との一体化(ワンチップ化)が可能であり、移動体通信端末のRFフロントエンドの小型化・モジュール化に寄与できるため注目されている。 Thin film piezoelectric resonators include a resonator using longitudinal vibration in the film thickness direction of a piezoelectric thin film and a resonator using contour mode vibration determined by the shape of the piezoelectric thin film. The former is also called an FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) or a BAW (Bulk Acoustic Wave) element, and its resonance frequency is determined by the sound speed and film thickness of the piezoelectric thin film. For example, when AlN or ZnO is used as the piezoelectric thin film, a resonance frequency of 2 to 5 GHz is obtained with a film thickness of 0.4 to 2 μm (in inverse proportion to the film thickness). The latter is a resonator suitable for a filter application in which a plurality of resonators having different resonance frequencies need to be combined since the resonance frequency can be defined by the outer shape and size of the piezoelectric thin film (see, for example, Non-Patent Document 1). Since both have the features of high Q value and low impedance in the GHz band, they are promising as high-frequency oscillators and filter resonators. Furthermore, thin-film piezoelectric resonators can be formed on a silicon substrate instead of a piezoelectric single crystal substrate like SAW (surface acoustic wave) resonators, so integration with LSI (Large Scale Integration) (one-chip integration) ) And can contribute to the miniaturization and modularization of the RF front end of mobile communication terminals.
圧電体薄膜の膜厚方向の縦振動を利用するFBAR型薄膜圧電共振器と圧電体薄膜の形状で決まる輪郭モード振動を利用する輪郭振動型薄膜圧電共振器は、振動モードが異なるだけで、基本的な素子構造は同一であり、圧電体薄膜を上下の電極で挟んだ積層体を浮かせた構造を有する。そこで以下では、FBAR型薄膜圧電共振器について説明する。 The FBAR thin film piezoelectric resonator that uses the longitudinal vibration in the film thickness direction of the piezoelectric thin film and the contour vibration thin film piezoelectric resonator that uses the contour mode vibration determined by the shape of the piezoelectric thin film differ only in the vibration mode. The same element structure is the same, and it has a structure in which a laminated body sandwiching a piezoelectric thin film between upper and lower electrodes is floated. Therefore, the FBAR type thin film piezoelectric resonator will be described below.
特許文献1には、代表的なFBAR型の薄膜圧電共振器の構造並びにその製造方法が開示されている。特許文献1の素子構造を有するFBAR型薄膜圧電共振器の構造の一例を図10に示す。図10に示す薄膜圧電共振器は、シリコン等の基板10表面の略中央部に凹部11が形成され、この凹部11を覆うようにして下部電極12、圧電体薄膜13、上部電極14をこの順に積層した積層体15が形成され、下部電極12並びに上部電極14は外部接続端子(電極パッド)16a,16bにまで引き出されている。また基板10の表面に形成された凹部11は積層体15に覆われることで空隙部(空洞)17をなしている。薄膜圧電共振器の厚み方向に励振される弾性振動は、上部電極14と空気の境界面、ならびに下部電極12と空洞17の境界面で反射され、電極膜12、14と圧電体薄膜13ならびにそれらの膜厚によって決まる共振周波数で共振が起こる。
Patent Document 1 discloses a structure of a typical FBAR type thin film piezoelectric resonator and a manufacturing method thereof. An example of the structure of an FBAR thin film piezoelectric resonator having the element structure of Patent Document 1 is shown in FIG. In the thin film piezoelectric resonator shown in FIG. 10, a
この薄膜圧電共振器の下部ならびに上部電極12、14としては、モリブテン(Mo)、タングステン(W)などの音響インピーダンスが大きな金属が、また圧電体薄膜13としては窒化アルミニウム(AlN)あるいは酸化亜鉛(ZnO)等の圧電性多結晶膜が使用されている。
The lower electrode and the
この薄膜圧電共振器の製造は、次のようにして行われる。先ず、シリコン(Si)基板10表面に異方性エッチングを利用し窪み(凹部11)を形成し、引き続き基板10上に犠牲層を形成する。犠牲層には、例えばホウ素(B)及びリン(P)をドープしたシリケートガラス(BPSG)層が使用されている。その後、後述の実施の形態において図3に示しているように、シリコン基板10面が露出するまで犠牲層の表面を研磨し、犠牲層の表面が平坦化される。この結果、シリコン基板10にあらかじめ形成した窪みには犠牲層が埋め込まれ、その周辺にはシリコン基板10表面を露出することができる。引き続き、犠牲層上に下部電極12、圧電体薄膜13、上部電極14のそれぞれが順次成膜、パターニングを行って上下電極間12、14に圧電体薄膜13を挟んだ積層体15が形成される。その後、犠牲層に達するまで穴が穿けられ、この穴を通じて犠牲層を選択エッチングにより除去し、シリコン基板10と下部電極12との間に予め形成した窪みに相当する空洞(キャビティ)17を形成する。これら一連の製造工程を経て、FBAR型の薄膜圧電共振器が完成する。
The thin film piezoelectric resonator is manufactured as follows. First, a recess (recess 11) is formed on the surface of the silicon (Si)
前記空洞は基板10表面側を掘り込んで形成される必要はなく、例えば特許文献2にある、凸型キャビティを有するエアギャップ型、あるいは例えば特許文献3にある、基板裏面から開口部を設けたメンブレン型の空洞であっても構わない。なお、空洞を設ける代わりに例えば特許文献4にある、音響多層膜(音響ミラーあるいはブラッグリフレクターとも呼ばれる)を用いたSMR(Solidly Mounted Resonator)と呼ばれるFBAR型薄膜圧電共振器もある。
The cavity does not need to be formed by digging the surface side of the
薄膜圧電共振器のパターニングは露光(リソグラフィー)工程により薄膜上に形成したレジストパターンをマスクとして、薬液を用いたウエットエッチング法、あるいは反応性ガスを用いたドライエッチング(リアクティブイオンエッチング)法によって行われる。ドライエッチングにおいては、フッ素や塩素等のハロゲン原子を含む反応性ガスのプラズマを発生させ、プラズマ中に生成されるラジカルならびにイオンにより被エッチング材料を揮発性生成物とすることによってエッチングが進行する。 The patterning of the thin film piezoelectric resonator is carried out by a wet etching method using a chemical solution or a dry etching (reactive ion etching) method using a reactive gas with a resist pattern formed on the thin film by an exposure (lithography) process as a mask. Is called. In dry etching, a plasma of a reactive gas containing a halogen atom such as fluorine or chlorine is generated, and etching proceeds by making a material to be etched a volatile product by radicals and ions generated in the plasma.
一般に、薬液を用いたウエットエッチングではエッチングが等方的に進むため、レジストマスク端部下部にアンダーカットが生じ、レジストパターン寸法に比べて被エッチング材料のパターン寸法が小さくなる。またレジストマスク端部ではテーパーが発生し、レジストパターンの断面形状が台形状になりやすい。即ち、ウエットエッチングでは、レジストパターン寸法が小さい場合においては、レジストパターンの寸法ならびに形状のコントロールが難しい。また薬液の濃度や液温によってエッチングレートが変化するため、再現性の良いエッチングを行うのが容易ではない。 In general, since wet etching using a chemical solution proceeds isotropically, an undercut is generated at the lower portion of the resist mask end, and the pattern dimension of the material to be etched is smaller than the resist pattern dimension. Further, the end of the resist mask is tapered, and the cross-sectional shape of the resist pattern tends to be trapezoid. That is, in wet etching, when the resist pattern dimension is small, it is difficult to control the dimension and shape of the resist pattern. In addition, since the etching rate varies depending on the concentration of the chemical and the liquid temperature, it is not easy to perform etching with good reproducibility.
これに対し、ドライエッチング法では、ガスの種類やイオンエッチング時の種々のエッチングパラメータを調整することによって、異方的なエッチングを行うことができるという特長がある。即ち、ドライエッチングでは、レジストマスクのパターン寸法が忠実に転写されるのみならずパターンの断面形状を矩形にすることができるため、複雑なパターン形成や微細なパターン形成が行える。従来、薄膜圧電共振器の製造では、ウエットエッチングによるパターンが行われてきたが、例えば不要振動モードであるスプリアス抑制などのために、素子パターンの寸法ならびに形状の高精度制御が必要とされており、ドライエッチング法によるパターニングが行われるようになってきた。 On the other hand, the dry etching method has an advantage that anisotropic etching can be performed by adjusting various types of etching parameters during gas etching and ion etching. That is, in dry etching, not only the pattern dimension of the resist mask is faithfully transferred but also the cross-sectional shape of the pattern can be made rectangular, so that complex patterns and fine patterns can be formed. Conventionally, in the manufacture of thin film piezoelectric resonators, patterns by wet etching have been performed, but high-precision control of the dimensions and shape of the element pattern is required, for example, to suppress spurious noise, which is an unnecessary vibration mode. Patterning by a dry etching method has come to be performed.
また薄膜圧電共振器を構成する上部電極13及び下部電極11並びに圧電体薄膜12に適したドライエッチング用の反応性ガスとしては、例えばMo(あるいはW)電極膜には四フッ化炭素(CF4)、AlN圧電膜には塩素(Cl2)ガスあるいは塩素原子を成分に含むガス例えば三塩化ホウ素(BCl3)等が適している。しかしながら、AlN圧電体膜のパターニング工程において、例えばCl2ガスをプラズマ化した塩素プラズマでドライエッチングを行うと、MoはAlN以上に塩素の活性種に対する反応性が高いために、つまり塩素ガスを活性化したプラズマによるMo電極膜とAlN圧電膜とのエッチング選択比が近似しているため、AlNのエッチング終点を高精度に検出できない限り、圧電体薄膜12に引き続き下部電極11までもエッチングされ、下部電極11の膜厚が薄くなり、配線抵抗が増大するという問題がある。また、下部電極11の表面に圧電体薄膜13が形成されていない箇所では、AlNがエッチングされると略同時に、レジストでマスクされていない外部端子への引き出し部のMo電極膜がエッチングされ、当該電極膜の膜厚が薄くなり、極端な場合にはこの部分が消失してしまうという問題が生じる。
As the reactive gas for dry etching which is suitable for the
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は圧電体薄膜パターンの形成時にドライエッチングに起因する下部電極のダメージを防止できる薄膜圧電共振器の製造方法及び薄膜圧電共振器を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a thin film piezoelectric resonator and a thin film piezoelectric resonator capable of preventing damage to a lower electrode due to dry etching when forming a piezoelectric thin film pattern. It is to provide.
本発明は、基板上に下部電極、圧電体薄膜及び上部電極をこの順に積層してなる薄膜圧電共振器を製造する方法において、
前記基板の表面に金属からなる下部電極のパターンを形成する工程と、
この下部電極のパターンの表面であって、前記圧電体薄膜により被覆されない領域を含む領域に前記下部電極とは異なる材質のエッチングストップ層を形成する工程と、
次に前記基板の表面に圧電体薄膜を形成する工程と、
前記圧電体薄膜の表面に、所定の形状にパターニングされたレジストマスクを形成する工程と、
しかる後、ドライエッチング用の反応性ガスをプラズマ化し、このプラズマにより圧電体薄膜をエッチングして圧電体薄膜のパターンを形成する工程と、
その後、前記圧電体薄膜の表面に上部電極のパターンを形成する工程と、を備え、
前記エッチングストップ層は、圧電体薄膜をエッチングして除去したときに下部電極を保護することができるように前記プラズマ中のエッチャントに対して耐エッチング性が大きい材質からなることを特徴とする。
The present invention provides a method for manufacturing a thin film piezoelectric resonator in which a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode are laminated in this order on a substrate.
Forming a pattern of a lower electrode made of metal on the surface of the substrate;
Forming an etching stop layer made of a material different from that of the lower electrode in a region including a region not covered with the piezoelectric thin film on the surface of the pattern of the lower electrode;
Next, forming a piezoelectric thin film on the surface of the substrate;
Forming a resist mask patterned into a predetermined shape on the surface of the piezoelectric thin film;
Thereafter, the reactive gas for dry etching is turned into plasma, and the piezoelectric thin film is etched with this plasma to form a pattern of the piezoelectric thin film;
Then, forming a pattern of the upper electrode on the surface of the piezoelectric thin film,
The etching stop layer is made of a material having a high etching resistance to the etchant in the plasma so that the lower electrode can be protected when the piezoelectric thin film is removed by etching.
上述した薄膜圧電共振器において、前記下部電極は、例えばモリブテン、ニオブ、タンタル、タングステン及びルテニウム等から選ばれた金属であり、前記圧電体薄膜をエッチングするためのプラズマ中のエッチャントは、例えば塩素の活性種であることが好ましい。また前記エッチングストップ層は、例えばクロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅及び白金等から選ばれた一つ、ないしはこれらの元素により構成される合金であることが好ましい。また前記圧電体薄膜は、例えば窒化アルミニウムあるいは酸化亜鉛等からなることが好ましい。 In the above-described thin film piezoelectric resonator, the lower electrode is a metal selected from, for example, molybdenum, niobium, tantalum, tungsten and ruthenium, and an etchant in plasma for etching the piezoelectric thin film is, for example, chlorine. An active species is preferred. The etching stop layer is preferably one selected from, for example, chromium, iron, cobalt, nickel, copper, platinum, or an alloy composed of these elements. The piezoelectric thin film is preferably made of, for example, aluminum nitride or zinc oxide.
また本発明は、基板上に下部電極、圧電体薄膜及び上部電極をこの順に積層してなる薄膜圧電共振器において、
前記下部電極は塩素との化合物が揮発性を示す金属からなり、
前記下部電極のパターンの表面であって、前記圧電体薄膜により被覆されない領域を含む領域に、前記下部電極とは異なる金属で且つ塩素との化合物が揮発性を示さない金属が形成されていることを特徴とする。
上述した薄膜圧電共振器において、前記下部電極は、例えばモリブテン、ニオブ、タンタル、タングステン及びルテニウム等から選ばれた金属であることが好ましい。また前記塩素との化合物が揮発性を示さない金属は、例えばクロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅及び白金から選ばれた一つ、ないしはこれらの元素により構成される合金であることが好ましい。また前記塩素との化合物が揮発性を示さない金属の膜厚は、例えば1nm以上100nm以下であることが好ましい。
The present invention also relates to a thin film piezoelectric resonator in which a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode are laminated in this order on a substrate.
The lower electrode is made of a metal whose volatility with chlorine is volatile,
A metal that is different from the lower electrode and does not exhibit volatility of a compound with chlorine is formed on the surface of the lower electrode pattern, including a region that is not covered with the piezoelectric thin film. It is characterized by.
In the above-described thin film piezoelectric resonator, the lower electrode is preferably a metal selected from, for example, molybdenum, niobium, tantalum, tungsten, and ruthenium. Moreover, it is preferable that the metal in which the compound with chlorine does not show volatility is, for example, one selected from chromium, iron, cobalt, nickel, copper and platinum, or an alloy composed of these elements. Moreover, it is preferable that the film thickness of the metal in which the said compound with chlorine does not show volatility is 1 nm or more and 100 nm or less, for example.
本発明によれば、圧電体薄膜をドライエッチングするときにエッチングストップ層により下部電極が保護されるのでドライエッチング法による製造に適した薄膜圧電共振器の製造方法ならびに薄膜圧電共振器を提供することができる。また薄膜圧電共振器では、特に輪郭振動モードの場合、顕著であるが圧電体の形状(形、寸法)が変化してしまうと不要な振動モードによるスプリアスが主振動モードの共振周波数の近傍に出現してしまう。従って、形状を決めるためのエッチングのできふできが、素子特性に大きな影響を与えることになる。本発明によれば、微細かつ高精度の素子形状、素子寸法を有する薄膜圧電共振器を製造することができるために、不要振動モードであるスプリアスのない薄膜圧電共振器を提供できる。 According to the present invention, since a lower electrode is protected by an etching stop layer when a piezoelectric thin film is dry etched, a method for manufacturing a thin film piezoelectric resonator suitable for manufacturing by a dry etching method and a thin film piezoelectric resonator are provided. Can do. In the thin-film piezoelectric resonator, spurious due to unnecessary vibration mode appears near the resonance frequency of the main vibration mode, especially in the case of the contour vibration mode, but if the shape (shape, dimension) of the piezoelectric body changes. Resulting in. Therefore, the etching for determining the shape greatly affects the element characteristics. According to the present invention, since a thin film piezoelectric resonator having a fine and highly accurate element shape and element size can be manufactured, it is possible to provide a thin film piezoelectric resonator free of spurious which is an unnecessary vibration mode.
本発明に係る製造方法により製造される薄膜圧電共振器の一例を、図1を参照しながら説明する。図1は本実施の形態に係る薄膜圧電共振器を模式的に示した断面図であり、図2は平面図である。図1中の30は矩形状のシリコン製の基板であり、当該基板30表面の略中央部には、後述の圧電体薄膜33の横幅よりも少し左右にはみ出る大きさのテーパー付の凹部31が形成されている。前記基板30の表面には下部電極32が形成されており、当該下部電極32の形成領域はこの例では基板30の一端側から前記凹部31を跨いで当該凹部31の他縁側を少し越えた位置まで形成されている。なお、図2に示すように前記下部電極32は凹部31全体を覆っているのではなく、凹部31の一部が露出するようにして形成されている。前記下部電極32の表面全体には後述するように圧電体薄膜33のパターンの形成時にドライエッチングによる下部電極32のエッチングを防止するためにエッチングストップ層6が形成されている。このエッチングストップ層6については後で詳述する。
An example of a thin film piezoelectric resonator manufactured by the manufacturing method according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a thin film piezoelectric resonator according to the present embodiment, and FIG. 2 is a plan view. In FIG. 1,
また下部電極32及びエッチングストップ層6が形成された基板30の表面には矩形状の圧電体薄膜33が形成されており、当該圧電体薄膜33の形成領域はこの例では基板30の他端側から前記凹部31を跨いで当該凹部31の一縁側まで形成されている。また前記圧電体薄膜33の表面には上部電極34が形成されており、当該上部電極34の形成領域はこの例では圧電薄膜33の一端側から他端側まで形成されている。このように凹部31の上に下部電極32、圧電体薄膜33及び上部電極34の積層体が位置することにより、当該積層体の下方に空洞36が形成されることになる。さらに圧電体薄膜33の他端側に位置する上部電極35の表面には電極パッド35aが形成されていると共に、基板30の一端側に位置するエッチングストップ層6の表面には電極パッド35bが形成されている。なお、図1に示す薄膜圧電共振器を同一ウエハ内の隣接する回路素子に電気的に接続する場合は、必ずしも電極パッド35a,35bは必要ない。
In addition, a rectangular piezoelectric
前記下部電極32の材質としては、具体的には音響インピーダンスが高いモリブテン(Mo)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、ルテニウム(Ru)等の金属からなる。また前記圧電体薄膜33としては、例えば窒化アルミニウム(AlN)あるいは酸化亜鉛(ZnO)等が用いられる。
Specifically, the
また前記エッチングストップ層6は、圧電体薄膜33のパターン以外の部分がエッチングされた後に、そのエッチングに使用するプラズマから下部電極32を保護することができるように後述するプラズマ中のエッチャントに対して耐エッチング性が大きい材質からなる。この例では、後述するように塩素の活性種で圧電体薄膜33をエッチングすることから、前記エッチングストップ層6は、前記塩素との化合物が揮発性を示さない金属からなる。具体的には、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、白金(Pt)から選ばれた一つ、ないしはこれらの元素により構成される合金等からなる。図1ではエッチングストップ層6と下部電極11とは同一パターンで重なっているが、当該エッチングストップ層6のパターンが下部電極11パターンよりも大きくてもよい。前記エッチングストップ層6の膜厚は、後述する圧電体薄膜のパターンの形成時においてドライエッチングのストップ層として機能するためには、少なくとも1nm以上であることが好ましいが、薄膜圧電体共振器の特性あるいは圧電体薄膜に影響を及ぼさない膜厚範囲であれば特に制限されるものではなく、好ましくは100nm以下である。
In addition, the
このようにして構成された薄膜圧電共振器の発振動作は、上部電極34及び下部電極32間に電圧を印加することで圧電体薄膜33の厚み方向に励振された弾性振動が上部電極34と空気との境界面、並びに下部電極32と空隙部36との境界面で反射され、圧電体薄膜33の膜厚によって決まる共振周波数で共振が起こる。
In the oscillation operation of the thin film piezoelectric resonator configured as described above, the elastic vibration excited in the thickness direction of the piezoelectric
次に、図1に示す薄膜圧電共振器の製造方法について図3〜図5を参照しながら説明する。先ず、熱酸化膜41付のシリコン(100)基板30上にレジスト塗布、フォトリソグラフィーにより空洞36の開口部に相当する矩形サイズで熱酸化膜41をパターニングする(図3(a))。次に、シリコンの異方性エッチャントである、水酸化カリウム(KOH)水溶液あるいはTMAH(4メチル水酸化アンモニウム)を用いて熱酸化膜41開口部よりシリコン基板30をエッチングすると、図3(b)に示すようなテーパー付の凹部31が形成される。ここで、シリコンの等方性エッチャントであるフッ硝酸水溶液を用いれば、矩形断面の凹部31を形成することができる。また、SF6等を用いた反応性イオンエッチングにより凹部31を形成してもよい。
Next, a method for manufacturing the thin film piezoelectric resonator shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. First, a resist is applied on the silicon (100)
次に、CVD法により、ホウ素(B)及びリン(P)をドープしたシリケートガス(BPSG)等に代表されるSiO2系の犠牲層42を成膜してシリコン基板30上に形成した凹部31を完全に埋め込み(図3(c))、CMP(Chemical Mechanical Polishing)により、熱酸化膜41面あるいはシリコン基板30面が露出するまで犠牲層42表面を研磨し犠牲層42の表面を平坦化する(図3(d))。
Next, a
次に、平坦化されたシリコン基板30面上に、マグネトロンスパッタ法等により上述したようにMo、W、Ta、Nb、Ru等の音響インピーダンスが高い金属薄膜を成膜して、リソグラフィー及び硝酸によるウエットエッチングによりパターニングして上述した下部電極32を形成する(図3(e))。また下部電極32と基板30との密着性を確保するために、下部電極32の成膜に先立ち、チタン(Ti)やクロム(Cr)等を下地膜として成膜してもよい。なお、下部電極32の膜厚は0.1〜0.3μm程度が望ましい。
Next, a metal thin film having high acoustic impedance such as Mo, W, Ta, Nb, and Ru is formed on the
次に、上述したように塩素との化合物が揮発性を示さない金属、例えばCr、Fe、Co、Ni、Cu、Pt、あるいは、これらの元素より成る合金をエッチングストップ層として成膜して、リソグラフィー及びそれぞれに適したウエットエッチャントによりパターニングしてエッチングストップ層6を形成する(図4(a))。このエッチングストップ層6は、下部電極32のパターンと同一、あるいはオーバーラップするパターンとなるよう下部電極32のパターンを被覆するようにパターニングする。図4(a)では、エッチングストップ層6は下部電極32のパターンをオーバーラップするようにパターニングされている。
Next, as described above, a metal in which the compound with chlorine does not exhibit volatility, for example, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Pt, or an alloy made of these elements is formed as an etching stop layer, An
次に、基板30表面全体にRFマグネトロンスパッタ法により例えば膜厚が0.8〜1.5μmのAlNあるいはZnO等の圧電体薄膜33を形成する(図4(b))。この例ではAlNを用いている。そしてこの圧電体薄膜33の表面全体にレジスト膜47を形成し(図4(c))、フォトリソグラフィーにより圧電体薄膜33のパターンとなるレジスト膜47以外のレジスト膜47を剥離する(図4(d))。続いてこのレジスト膜47をマスクにして塩素(Cl2)ガスをプラズマ化したプラズマ(以下「塩素プラズマ」という)によりレジスト膜47に覆われていない圧電体薄膜33をエッチング(ドライエッチング(反応性イオンエッチング))し、圧電体薄膜33のパターンを形成する(図4(e))。
Next, a piezoelectric
ここでドライエッチングによる圧電体薄膜33のパターンの形成について詳述すると、レジスト膜47に覆われていない圧電体薄膜33の下に位置する層は、圧電体薄膜33のパターンのエッチングが完了すると同時に塩素プラズマに曝される。下部電極32に用いられる上記の金属は、塩素の活性種によりエッチングされるため、即ち塩素との化合物が揮発性を有するため、別の言い方をすれば塩素プラズマによる下部電極32と圧電体薄膜33とのエッチング選択比は近似しているため、圧電体薄膜33のパターンのエッチングが完了した時に下部電極32が露出していると、塩素プラズマにより下部電極32が瞬時にエッチングされる。そこで本発明では図4(a)に示すように、下部電極33の表面全体に前記塩素との化合物が揮発性を示さないエッチングストップ層6を形成しているため、このエッチングストップ層6によって下部電極32が保護されるので、塩素プラズマと下部電極32との接触を遮断することができる。
Here, the formation of the pattern of the piezoelectric
圧電体薄膜33のパターニングの後は、Mo等の上部電極を下部電極と同様、マグネトロンスパッタ法等により成膜し、リソグラフィーと、硝酸等のエッチャントによるウエットエッチングまたはCF4等の反応性ガスによるドライエッチングによりパターニングを行う(図5(a))。
次に必要であれば、外部への電気接続のための電極パッド35a,35bをリフトオフ法により形成する(図5(b))。最後に空洞36に埋め込んだシリケートガラス犠牲層42をエッチングするための開口部を有するレジストパターンをリソグラフィーで形成し、バッファードフッ酸によりシリケート系ガラス犠牲層42をエッチングする(図5(c))。こうして、下部電極32の下に空洞36が形成され、図1に示す薄膜圧電共振器が完成する。
After the patterning of the piezoelectric
Next, if necessary,
上述の実施の形態によれば、図4(a)に示すように下部電極32の表面全体にエッチングストップ層6を形成して下部電極32を保護しているので、図4(e)に示すようにドライエッチングによる圧電体薄膜33のパターン形成工程において、このエッチングストップ層6によって塩素の活性種と下部電極32との接触を遮断することができ、前記塩素との化合物が揮発性を示す下部電極32がエッチングされるといったおそれがない。
According to the above-described embodiment, as shown in FIG. 4A, the
次に本発明の薄膜圧電共振器の他の形態について図6及び図7を参照しながら説明する。図6は本実施の形態に係る薄膜圧電共振器を模式的に示した断面図であり、図7は平面図である。なお、図6及び図7において図1を用いて説明した薄膜圧電共振器と同じ構成部分には同じ符号を付している。図6に示すようにエッチングストップ層6は下部電極32のうち圧電体薄膜33に被覆されていない領域のみに被覆されている。ただし、エッチングストップ層6の一部は、圧電体薄膜33内まで延伸され、当該エッチングストップ層6の一部と圧電体薄膜33の端部とは重なり部分を有している。この重なり部分の長さは特に限定されるものではないが、数μm〜10μmあれば十分である。
Next, another embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the thin film piezoelectric resonator according to the present embodiment, and FIG. 7 is a plan view. In FIGS. 6 and 7, the same components as those of the thin film piezoelectric resonator described with reference to FIG. As shown in FIG. 6, the
この形態における薄膜圧電共振器の製造方法は、エッチングストップ層6の形成工程においてエッチングストップ層6のパターンが異なる他は、上述した製造方法と同様にして薄膜圧電共振器が製造される。また圧電体薄膜33のパターンの形成工程では、この圧電体薄膜33の端部はエッチングストップ層6の一部を覆うことになる。この形態では少なくともエッチングストップ層6に覆われていない下部電極32の表面に圧電体薄膜33のパターンが形成されることになる。つまり下部電極32はエッチングストップ層6及び圧電体薄膜33に覆われることになる。この形態であっても上述と同様の効果が得られる。
The manufacturing method of the thin film piezoelectric resonator in this embodiment is the same as the manufacturing method described above except that the pattern of the
また図8に示すように基板30表面に蒸着法により五酸化タンタル(Ta2O5)と二酸化シリコン(SiO2)とからなる音響多層膜5を形成するSMR型の薄膜圧電共振器においても音響多層膜5の上に形成された下部電極32の表面全体にエッチングストップ層6を形成してもよいし、図9に示すように下部電極32のうち圧電体薄膜33に被覆されていない領域のみにエッチングストップ層6を形成してもよい。この形態においても基板30の表面に音響多層膜5を形成した後、当該音響多層膜5の上に下部電極32を形成する他は、上述した製造方法と同様にして薄膜圧電共振器が製造される。このような形態であっても上述と同様の効果を得ることができる。なお、図8及び図9は当該薄膜圧電共振器を模式的に示した断面図であり、図8及び図9において図1を用いて説明した薄膜圧電共振器と同じ構成部分については同じ符号を付している。
Further, as shown in FIG. 8, acoustics are also obtained in an SMR type thin film piezoelectric resonator in which an
また前記音響多層膜(Ta2O5/SiO2)5の膜厚は、所望の薄膜圧電共振器の共振周波数と音速とから計算されるバルク弾性波の波長をλとすると、λ/4である。Ta2O5/SiO2の組み合わせを1周期としたとき、圧電体薄膜33内部に励起される厚み振動を閉じ込めるためには、少なくとも2周期、望ましくは3周期以上の積層が必要である。なお、前記音響多層膜5はTa2O5/SiO2に限定されるものではなく、高音響インピーダンスの材料と低音響インピーダンスの材料を組み合わせれば良く、例えばMo/Al、W/SiO2等であってもよい。また成膜方法も蒸着法に限定されるものではなく、用いる材料によって最適な成膜手法を採用すればよい。
The film thickness of the acoustic multilayer film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) 5 is λ / 4, where λ is the wavelength of the bulk acoustic wave calculated from the resonance frequency and sound velocity of the desired thin film piezoelectric resonator. is there. When the combination of Ta 2 O 5 / SiO 2 is defined as one cycle, in order to confine the thickness vibration excited inside the piezoelectric
なお、上述の実施の形態では、基板30表面に凹部31の空洞36を形成したFBAR型の薄膜圧電共振器及び音響多層膜を用いたSMR型の薄膜圧電共振器について説明したが、凸型キャビティを有するエアギャップ型、あるいは基板裏面から空洞を形成したメンブレン型の薄膜圧電共振器であっても構わない。
以上の説明においては、圧電体薄膜の膜厚方向の縦振動を利用するFBAR型薄膜圧電共振器に適用した場合について説明したが、圧電体薄膜の形状で決まる輪郭モード振動を利用する輪郭振動型薄膜圧電共振器にも適用することができる。
In the above-described embodiment, the FBAR type thin film piezoelectric resonator in which the
In the above description, the case where the present invention is applied to an FBAR type thin film piezoelectric resonator using the longitudinal vibration in the film thickness direction of the piezoelectric thin film has been described. However, the contour vibration type using the contour mode vibration determined by the shape of the piezoelectric thin film. The present invention can also be applied to a thin film piezoelectric resonator.
30 基板
31 凹部
32 下部電極
33 圧電体薄膜
34 上部電極
35a,35b 電極パッド
36 空隙部
37 隙間
41 熱酸化膜
42 犠牲層
47 レジスト膜
6 エッチングストップ層
30
6 Etching stop layer
Claims (8)
前記基板の表面に金属からなる下部電極のパターンを形成する工程と、
この下部電極のパターンの表面であって、前記圧電体薄膜により被覆されない領域を含む領域に前記下部電極とは異なる材質のエッチングストップ層を形成する工程と、
次に前記基板の表面に圧電体薄膜を形成する工程と、
前記圧電体薄膜の表面に、所定の形状にパターニングされたレジストマスクを形成する工程と、
しかる後、ドライエッチング用の反応性ガスをプラズマ化し、このプラズマにより圧電体薄膜をエッチングして圧電体薄膜のパターンを形成する工程と、
その後、前記圧電体薄膜の表面に上部電極のパターンを形成する工程と、を備え、
前記エッチングストップ層は、圧電体薄膜をエッチングして除去したときに下部電極を保護することができるように前記プラズマ中のエッチャントに対して耐エッチング性が大きい材質からなることを特徴とする薄膜圧電共振器の製造方法。 In a method of manufacturing a thin film piezoelectric resonator in which a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode are laminated in this order on a substrate,
Forming a pattern of a lower electrode made of metal on the surface of the substrate;
Forming an etching stop layer made of a material different from that of the lower electrode in a region including a region not covered with the piezoelectric thin film on the surface of the pattern of the lower electrode;
Next, forming a piezoelectric thin film on the surface of the substrate;
Forming a resist mask patterned into a predetermined shape on the surface of the piezoelectric thin film;
Thereafter, the reactive gas for dry etching is turned into plasma, and the piezoelectric thin film is etched with this plasma to form a pattern of the piezoelectric thin film;
Then, forming a pattern of the upper electrode on the surface of the piezoelectric thin film,
The etching stop layer is made of a material having a high etching resistance to an etchant in the plasma so that the lower electrode can be protected when the piezoelectric thin film is removed by etching. A method for manufacturing a resonator.
前記下部電極は塩素との化合物が揮発性を示す金属からなり、
前記下部電極のパターンの表面であって、前記圧電体薄膜により被覆されない領域を含む領域に、前記下部電極とは異なる金属で且つ塩素との化合物が揮発性を示さない金属が形成されていることを特徴とする薄膜圧電共振器。 In a thin film piezoelectric resonator formed by laminating a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode in this order on a substrate,
The lower electrode is made of a metal whose volatility with chlorine is volatile,
A metal that is different from the lower electrode and does not exhibit volatility of a compound with chlorine is formed on the surface of the lower electrode pattern, including a region that is not covered with the piezoelectric thin film. A thin film piezoelectric resonator characterized by the above.
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