JP2009124695A - Resonance device and manufacturing method therefor - Google Patents
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Description
本発明は、下部電極と圧電層と上部電極との積層構造を有する共振子を備えた共振装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a resonance device including a resonator having a laminated structure of a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode, and a manufacturing method thereof.
従来から、携帯電話機やUWB(Ultra Wide Band)用機器などの高周波機器の普及と、それらの高性能化・低損失化に対する強いニーズを背景とし、1GHz以上の高周波帯で電気機械結合係数が大きく、Q値が高い共振装置として、BAW(Bulk Acoustic Wave)共振器が注目されている。特に、UWB用フィルタでは、広帯域のバンド幅が必要であることから、より大きな電気機械結合係数を有するBAW共振器の研究開発が各所で行われている。 Conventionally, with the widespread use of high-frequency devices such as mobile phones and UWB (Ultra Wide Band) devices, and the strong need for their high performance and low loss, the electromechanical coupling coefficient is large in the high frequency band of 1 GHz and higher. As a resonance device having a high Q value, a BAW (Bulk Acoustic Wave) resonator has attracted attention. In particular, since a UWB filter requires a wide bandwidth, research and development of a BAW resonator having a larger electromechanical coupling coefficient has been performed in various places.
ここにおいて、BAW共振器としては、例えば、図5に示すように、支持基板1’と、支持基板1’の一表面側に形成された音響ミラー2’と、音響ミラー2’上に形成された共振子3’とを備えたSMR(Solidly Mounted Resonator)が提案されている(例えば、特許文献1参照)。ここにおいて、音響ミラー2’は、低音響インピーダンス層21’と高音響インピーダンス層22’とを交互に積層した積層構造を有し、共振子3’は、下部電極31’と圧電層32’と上部電極33’との積層構造を有し、圧電層32’の材料としてAlN、ZnO、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などが用いられている。なお、BAW共振器では、共振周波数が圧電層32’の膜厚に反比例し、圧電層32’の膜厚を薄くするほど共振周波数を高くすることができる。
Here, as the BAW resonator, for example, as shown in FIG. 5, the
上記特許文献1には、BAW共振器として、SMRが記載されているが、BAW共振器としては、SMRの他にFBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)などが知られている。
In
ところで、BAW共振器の電気機械結合係数は圧電層の圧電材料によって決まるといってもよく、PZT、PTO、PMN、PLZTなどの鉛酸化物系の圧電材料が、AlNやZnOなどの他の一般的な圧電材料に比べて、大きな電気機械結合係数を有することが知られている。また、BAW共振器では、圧電層の膜厚を最適化することにより電気機械結合係数を最大化できることが知られている。 By the way, it can be said that the electromechanical coupling coefficient of a BAW resonator is determined by the piezoelectric material of the piezoelectric layer. It is known that it has a large electromechanical coupling coefficient compared to a typical piezoelectric material. Further, it is known that the BAW resonator can maximize the electromechanical coupling coefficient by optimizing the film thickness of the piezoelectric layer.
また、従来から、SAW(Surface Acoustic Wave)フィルタの分野において、SAW共振器に直列に接続されるインダクタンス要素(例えば、ボンディングワイヤ、マイクロストリップラインなど)を付加することにより、共振周波数付近でのアドミッタンスの極大値と極小値との差が大きくなって、見かけ上の電気機械結合係数が大きくなることが知られており(特許文献2参照)、上記特許文献2に記載のインダクタンス要素を付加する構成を、BAW共振器やBAW共振器を応用したBAWフィルタに適用することが考えられる。
図5に示した構成のBAW共振器では、圧電層32’が高いQ値(機械的品質係数Qm)を得ることができなかった。また、電気機械結合係数を大きくするために、インダクタンス要素を付加する構成をBAW共振器やBAWフィルタに適用した場合には、部品点数が増加し、大型化および製造コスト上昇の要因となってしまう。
In the BAW resonator having the configuration shown in FIG. 5, the
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、Q値を向上でき且つ低コストで電気機械結合係数を向上させることが可能な共振装置およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide a resonance apparatus capable of improving the Q value and improving the electromechanical coupling coefficient at a low cost, and a method for manufacturing the same. is there.
請求項1の発明は、支持基板の一表面側に第1の導電性薄膜からなる下部電極と圧電層と第2の導電性薄膜からなる上部電極との積層構造を有する共振子を備えた共振装置であって、下部電極および上部電極それぞれが、ばね形状に形成されてなることを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a resonator including a resonator having a laminated structure of a lower electrode made of a first conductive thin film, a piezoelectric layer and an upper electrode made of a second conductive thin film on one surface side of a support substrate. The apparatus is characterized in that each of the lower electrode and the upper electrode is formed in a spring shape.
この発明によれば、下部電極および上部電極それぞれが、ばね形状に形成されているので、共振子が圧電層の膜厚方向に振動しやすくなりQ値を向上させることができ、しかも下部電極および上部電極それぞれにインダクタンス成分を持たせることができ、別途にインダクタンス要素を付加する必要がないから、低コストで電気機械結合係数を向上させることが可能となる。 According to the present invention, since each of the lower electrode and the upper electrode is formed in a spring shape, the resonator can easily vibrate in the film thickness direction of the piezoelectric layer, and the Q value can be improved. Since each of the upper electrodes can have an inductance component and it is not necessary to add an inductance element separately, the electromechanical coupling coefficient can be improved at low cost.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記下部電極および前記上部電極は、前記ばね形状がコイルばね状であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the lower electrode and the upper electrode are characterized in that the spring shape is a coil spring shape.
この発明によれば、前記下部電極および前記上部電極それぞれのインダクタンス成分を大きくでき、電気機械結合係数をより大きくすることが可能となる。 According to the present invention, the inductance components of the lower electrode and the upper electrode can be increased, and the electromechanical coupling coefficient can be further increased.
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記圧電層の圧電材料がKNNであることを特徴とする。 A third aspect of the invention is characterized in that, in the first or second aspect of the invention, the piezoelectric material of the piezoelectric layer is KNN.
この発明によれば、前記圧電層の圧電材料がAlNである場合に比べて電気機械結合係数を大きくでき、AlNに比べて電気機械結合係数が大きなPZTなどの鉛酸化物系の圧電材料である場合に比べて環境負荷を低減することができる。 According to the present invention, the piezoelectric material of the lead layer such as PZT which can increase the electromechanical coupling coefficient compared to the case where the piezoelectric material of the piezoelectric layer is AlN and has a larger electromechanical coupling coefficient than AlN. The environmental burden can be reduced compared to the case.
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の共振装置の製造方法であって、支持基板の一表面側に第1の導電性薄膜からなる下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極形成工程の後で支持基板の前記一表面側の全面に圧電層の基礎となる圧電材料層を形成する圧電材料層形成工程と、圧電材料層上に上部電極の下地となる犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、犠牲層形成工程の後で支持基板の前記一表面側に第2の導電性薄膜からなる上部電極を形成する上部電極形成工程と、上部電極形成工程の後で犠牲層をエッチング除去する犠牲層除去工程と、犠牲層除去工程の後で圧電材料層をパターニングして当該圧電材料層の一部からなる圧電層を形成するパターニング工程とを備えることを特徴とする。 A fourth aspect of the present invention is the method of manufacturing a resonance device according to any one of the first to third aspects, wherein the lower electrode made of the first conductive thin film is formed on one surface side of the support substrate. A lower electrode forming step, a piezoelectric material layer forming step for forming a piezoelectric material layer as a basis of the piezoelectric layer on the entire surface of the one surface side of the support substrate after the lower electrode forming step, and an upper electrode on the piezoelectric material layer A sacrificial layer forming step for forming a sacrificial layer as a base of the substrate, an upper electrode forming step for forming an upper electrode made of a second conductive thin film on the one surface side of the support substrate after the sacrificial layer forming step, and an upper portion A sacrificial layer removing step for etching away the sacrificial layer after the electrode forming step, and a patterning step for patterning the piezoelectric material layer after the sacrificial layer removing step to form a piezoelectric layer made of a part of the piezoelectric material layer. It is characterized by providing.
この発明によれば、一般的な半導体製造技術およびマイクロマシニング技術を利用して共振装置を製造することができ、Q値を向上でき且つ低コストで電気機械結合係数を向上させることが可能な共振装置を提供することができる。 According to the present invention, a resonance device can be manufactured by using general semiconductor manufacturing technology and micromachining technology, the Q value can be improved, and the electromechanical coupling coefficient can be improved at low cost. An apparatus can be provided.
請求項1の発明では、Q値を向上でき且つ低コストで電気機械結合係数を向上させることが可能となるという効果がある。
In the invention of
請求項4の発明では、Q値を向上でき且つ低コストで電気機械結合係数を向上させることが可能な共振装置を提供することができるという効果がある。
According to the invention of
本実施形態の共振装置は、図1に示すように、支持基板1と、支持基板1の一表面側に形成された共振子3とを備えたBAW共振器であり、共振子3が、支持基板1の上記一表面側に形成された第1の導電性薄膜(例えば、Pt膜など)からなる下部電極31と、下部電極31における支持基板1側とは反対側に形成された圧電層32と、圧電層32における下部電極31側とは反対側に形成された第2の導電性薄膜(例えば、Pt膜など)からなる上部電極33とで構成されている。また、本実施形態の共振装置は、支持基板1の上記一表面に凹所1aが形成されており、下部電極31と下部電極31直下の媒質との音響インピーダンス比を大きくすることにより支持基板1側への弾性波エネルギの伝搬を抑制するようにしたFBARを構成している。
As shown in FIG. 1, the resonance device of the present embodiment is a BAW resonator including a
ここにおいて、本実施形態の共振装置は、圧電層32の圧電材料としてPZTを採用しており、支持基板1として、上記一表面である主表面が(100)面のMgO基板を用いているが、支持基板1としては、MgO基板に限らず、主表面が(100)面のSTO(SrTiO3)基板や主表面が(100)面で主表面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜が形成されたシリコン基板などを用いてもよい。ここで、本実施形態では、圧電層32の圧電材料として、PZTを採用しているので、圧電材料がAlNである場合に比べて、電気機械結合係数を大きくすることができる。ただし、圧電層32の圧電材料は、PZTに限らず、他の鉛酸化物系の圧電材料(例えば、PZT−PMTや適宜の不純物を添加したPZTなど)などを採用してもよい。また、圧電層32の圧電材料として、鉛フリーのKNN(二オブ酸カリウムナトリウム)を採用してもよく、KNNを採用すれば、圧電材料がAlNである場合に比べて、電気機械結合係数を大きくすることができ、しかも、鉛酸化物系の圧電材料を採用する場合に比べて環境負荷を低減できる。KNNの組成は、KxNa1−xNbO3なる化学式で表され、例えば、x=0.5とすればよいが、この値は一例であって特に限定するものではない。また、KNNについては、例えば、Li,Nb,Ta,Sb,Cuなどの不純物を添加してもよい。
Here, the resonance device of the present embodiment employs PZT as the piezoelectric material of the
本実施形態では、下部電極31の材料としてPt、上部電極33の材料としてPtを採用しているが、これらの材料は特に限定するものではなく、後述の製造方法から明らかなように、圧電層32の圧電材料がPZTの場合にはフッ酸に対するエッチング耐性を有する金属材料であればよい。
In this embodiment, Pt is used as the material of the
なお、本実施形態の共振装置では、共振子3の共振周波数を4GHzに設定してあり、下部電極31の厚みを100nm、圧電層32の厚みを300nm、上部電極33の厚みを100nmに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。また、共振周波数を3GHz〜5GHzの範囲で設計する場合には、圧電層32の厚みは200nm〜600nmの範囲で適宜設定すればよい。
In the resonance device of this embodiment, the resonance frequency of the
ところで、共振子3の上部電極33および下部電極31は、それぞれがコイルばね状(本実施形態では、円錐コイルばね状)のばね形状に形成されている。ここにおいて、上部電極33と下部電極31とは平面視において逆向きに巻回されている。なお、上部電極33および下部電極31は、円錐コイルばね状に限らず、ばね形状であればよく、例えば、板ばね状でもよいし、線ばね状でもよい。
By the way, the
また、共振子3は、圧電層32が厚み方向を軸方向とする円柱状に形成されており、下部電極31および上部電極33それぞれの中心側の一端部が圧電層32に結合されている。ここで、下部電極31の他端部は、支持基板1の上記一表面において凹所1aの周部上に形成され、上部電極33の他端部は、支持基板1上に圧電層32と同じ圧電材料により形成された圧電材料膜34上のシリコン酸化膜からなる絶縁層44上に形成されている。要するに、上部電極33は、支持基板1上の圧電材料膜34と絶縁層44との積層膜を介して支持基板1に支持されている。
In the
以上説明した本実施形態の共振装置では、下部電極31および上部電極33それぞれが、ばね形状に形成されているので、共振子3が圧電層32の膜厚方向に振動しやすくなりQ値を向上させることができ、しかも下部電極31および上部電極33それぞれにインダクタンス成分を持たせることができ、別途にインダクタンス要素を付加する必要がないから、低コストで電気機械結合係数を向上させることが可能となる。また、本実施形態の共振装置では、下部電極31および上部電極33それぞれのばね形状がコイルばね状であるので、下部電極31および上部電極33それぞれのインダクタンス成分を大きくでき、電気機械結合係数をより大きくすることが可能となる。
In the resonance device of the present embodiment described above, each of the
以下、本実施形態の共振装置の製造方法について図2〜図4を参照しながら説明するが、図2(a)〜(c)、図3(a)〜(c)および図4(a),(b)それぞれにおける上側の図は概略平面、下側の図は上側の図のA−A’概略断面を示している。 Hereinafter, the manufacturing method of the resonance device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 4. FIGS. 2 (a) to (c), FIGS. 3 (a) to (c), and FIG. 4 (a). , (B), the upper drawing shows a schematic plane, and the lower drawing shows a schematic cross section AA ′ of the upper drawing.
まず、MgO基板からなる支持基板1の上記一表面側に所定形状(ここでは、平面コイル状)にパターニングされた第1の導電性薄膜(Pt膜)からなる下部電極31を形成する下部電極形成工程を行うことによって、図2(a)に示す構造を得る。ここにおいて、下部電極形成工程では、支持基板1の上記一表面側の全面に第1の導電性薄膜をスパッタ法などにより形成してから、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術(例えば、イオンミリング技術、反応性イオンエッチング技術など)を利用して第1の導電性薄膜をパターニングすることにより、所定形状の下部電極31を形成する。なお、第1の導電性薄膜の成膜方法はスパッタ法に限らず、例えばEB蒸着法などを採用してもよい。
First, a lower electrode is formed to form a
下部電極形成工程の後、支持基板1の上記一表面側の全面に圧電層32の基礎となるPZT層からなる圧電材料層30aを形成する圧電材料層形成工程を行うことによって、図2(b)に示す構造を得る。なお、圧電材料層形成工程では、圧電材料層30aをスパッタ法により形成しているが、スパッタ法に限らず、例えば、CVD法、ゾルゲル法などにより形成してもよい。また、圧電材料層形成工程では、PZT層からなる圧電材料層30aの配向を制御するために、PLT層やSRO層などからなるシード層を形成してから圧電材料層30aを形成するようにしてもよい。
After the lower electrode forming step, a piezoelectric material layer forming step for forming a
圧電材料層形成工程の後、圧電材料層30a上に上部電極33の下地となるシリコン酸化膜からなる犠牲層4を形成する犠牲層形成工程を行うことによって、図2(c)に示す構造を得る。ここにおいて、犠牲層形成工程では、圧電材料層30aのうち圧電層32となる部分を露出させる円形状の開孔部4aを有する犠牲層4を形成する。この犠牲層4の形成にあたっては、圧電材料層30aのうち圧電層32となる部分の上にレジスト層を形成してから、圧電材料層30aの露出部位上およびレジスト層上にシリコン酸化膜をスパッタ法により成膜し、その後、レジスト層およびレジスト層上のシリコン酸化膜を除去している。要するに、犠牲層形成工程では、犠牲層4を、リフトオフ法を利用して形成している。
After the piezoelectric material layer forming step, the sacrificial layer forming step of forming the
犠牲層形成工程の後、支持基板1の上記一表面側に所定形状(ここでは、平面コイル状)にパターニングされた第2の導電性薄膜(Pt膜)からなる上部電極を形成する上部電極形成工程を行うことによって、図3(a)に示す構造を得る。ここにおいて、上部電極形成工程では、支持基板1の上記一表面側の全面に第2の導電性薄膜をスパッタ法などにより形成してから、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術(例えば、イオンミリング技術、反応性イオンエッチング技術など)を利用して第2の導電性薄膜をパターニングすることにより、所定形状の上部電極33を形成する。なお、第2の導電性薄膜の成膜方法はスパッタ法に限らず、例えばEB蒸着法などを採用してもよい。
After the sacrificial layer forming step, upper electrode formation for forming an upper electrode made of a second conductive thin film (Pt film) patterned in a predetermined shape (here, planar coil shape) on the one surface side of the
上部電極形成工程の後、犠牲層4および圧電材料層30aをパターニングして上述の圧電材料膜34と絶縁層44との積層膜を形成するためのマスクとしてのレジスト層5を支持基板1の上記一表面側に形成する積層膜形成用マスク形成工程を行うことによって、図3(b)に示す構造を得る。
After the upper electrode forming step, the resist
その後、レジスト層5をマスクとして犠牲層4を上述の絶縁層44となる部分を残してエッチング除去する犠牲層除去工程、レジスト層5をマスクとして圧電材料層30aをパターニングしてそれぞれ当該圧電材料層30aの一部からなる圧電層32および圧電材料膜34を形成するパターニング工程を連続して行い、続いて、レジスト層5を除去するレジスト除去工程を行うことによって、図3(c)に示す構造を得る。ここにおいて、犠牲層除去工程およびパターニング工程では、エッチャントとしてフッ酸を利用しているが、エッチャントは犠牲層4および圧電層32の材料に応じて適宜選択すればよい。なお、犠牲層除去工程およびパターニング工程を行うことによって、上部電極33が、当該上部電極33の内部応力によって、円錐コイルばね状のばね形状となる。
Thereafter, a sacrificial layer removing step of etching and removing the
上述のパターニング工程の後、支持基板1の上記一表面に凹所1aを形成するためのマスクとしてレジスト層6を支持基板1の上記一表面側に形成する凹所形成用マスク形成工程を行うことによって、図4(a)に示す構造を得る。
After the patterning step described above, a recess forming mask forming step for forming a resist
凹所形成用マスク形成工程の後、レジスト層6をマスクとして支持基板1の上記一表面に凹所1aを形成してからレジスト層6を除去する凹所形成工程を行うことによって、図4(b)に示す構造の共振装置を得る。ここにおいて、凹所1aを形成する際のエッチャントとしては、燐酸を採用しているが、エッチャントは支持基板1の材料に応じて適宜選択すればよい。なお、凹所形成工程を行うことによって、下部電極31が、当該下部電極31の内部応力によって、円錐コイルばね状のばね形状となる。
After the recess forming mask forming step, the recess forming step of removing the resist
上述の共振装置の製造方法によれば、一般的な半導体製造技術およびマイクロマシニング技術を利用して共振装置を製造することができ、Q値を向上でき且つ低コストで電気機械結合係数を向上させることが可能な共振装置を提供することができる。 According to the above-described method for manufacturing a resonance device, the resonance device can be manufactured using general semiconductor manufacturing technology and micromachining technology, the Q value can be improved, and the electromechanical coupling coefficient can be improved at low cost. It is possible to provide a resonance device that can perform the above-described operation.
ところで、上述の共振装置を、3GHz以上の高周波帯においてカットオフ特性が急峻で且つ帯域幅の広いフィルタ、例えば、UWB用フィルタとして応用する場合には、複数個(例えば、8個)の共振子3を支持基板1の上記一表面側に形成し、これら複数個の共振子3をラダー型フィルタを構成するように接続すれば、UWB用フィルタの低コスト化および小型化を図れる。
By the way, when the above-described resonance device is applied as a filter having a sharp cutoff characteristic and a wide bandwidth in a high frequency band of 3 GHz or more, for example, a UWB filter, a plurality of (for example, eight) resonators. 3 is formed on the one surface side of the
1 支持基板
1a 凹所
3 共振子
4 犠牲層
30a 圧電材料層
31 下部電極
32 圧電層
33 上部電極
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