JP2009290369A - Baw resonance device - Google Patents
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Description
本発明は、圧電層の厚み方向の縦振動モードを利用する共振子を備えたBAW(Bulk Acoustic Wave)共振装置に関するものである。 The present invention relates to a BAW (Bulk Acoustic Wave) resonance device including a resonator using a longitudinal vibration mode in a thickness direction of a piezoelectric layer.
従来から、携帯電話機などの移動体通信機器の分野において、2GHz以上の高周波帯で利用する高周波フィルタに適用可能な共振装置として、図4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層2’と、音響ミラー層2’上に形成された共振子3’とを備えたBAW共振装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。ここにおいて、音響ミラー層2’は、金属材料(例えば、W、Moなど)からなる高音響インピーダンス層21’と誘電体材料(例えば、SiO2、Si3N4など)からなる低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’の圧電材料としてAlNなどが用いられている。なお、上記特許文献1に記載されたBAW共振装置は、音響ミラー層2’上に複数個の共振子3’が形成されて適宜接続されており、フィルタを構成している。
Conventionally, as shown in FIG. 4, as a resonance device applicable to a high frequency filter used in a high frequency band of 2 GHz or more in the field of mobile communication devices such as mobile phones, a support substrate 1 ′ and a support substrate 1 ′ are provided. There is proposed a BAW resonator including an
ところで、上述のBAW共振装置では、圧電層32’の圧電材料としてAlNを採用し、支持基板1’の材料としてSiもしくはGaAsもしくはガラスを採用しているが、UWB(Ultra Wide Band)用フィルタに応用する場合、圧電層32’の圧電材料として、帯域幅が中心周波数に対して4〜5%しか広帯域化できないAlNに比べて中心周波数に対して10%程度の帯域幅を得ることが可能な鉛系圧電材料(例えば、PZT、PMN−PZTなど)を採用し、圧電層32’の結晶性を向上させるために支持基板1’の材料としてMgOもしくはSrTiO3を採用することが考えられる。なお、上記特許文献1に記載されたBAW共振装置は、音響ミラー層2’を備えたSMR(Solidly Mounted Resonator)であり、音響ミラー層2’を設けずに支持基板1’に空洞を形成したFBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)に比べて堅牢化できるという利点がある。
しかしながら、図4に示した構成のBAW共振装置では、圧電層32’の圧電材料として鉛系圧電材料を採用し、支持基板1’の材料としてMgOもしくはSrTiO3を採用したとしても、音響ミラー層2’を構成する高音響インピーダンス層21’がWやMoなどの金属材料により形成され、低音響インピーダンス層22’がSiO2やSi3N4などの誘電体材料により形成されているので、圧電層32’の結晶性を十分に向上させることができず、圧電特性(電気機械結合係数など)の向上が望まれていた。
However, in the BAW resonator having the configuration shown in FIG. 4, even if a lead-based piezoelectric material is used as the piezoelectric material of 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、鉛系圧電材料からなる圧電層の結晶性および圧電特性を向上させることが可能なBAW共振装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described reasons, and an object thereof is to provide a BAW resonance device capable of improving the crystallinity and piezoelectric characteristics of a piezoelectric layer made of a lead-based piezoelectric material.
請求項1の発明は、MgOもしくはSrTiO3からなる支持基板の一表面側に形成された音響ミラー層と、音響ミラー層における支持基板側とは反対側に形成された共振子とを備え、共振子は、音響ミラー層における支持基板側とは反対側に形成されたSrRuO3からなる下部電極と、下部電極における音響ミラー層側とは反対側に形成された鉛系圧電材料からなる圧電層と、圧電層における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを有し、音響ミラー層は、下部電極と同じ材料により形成された高音響インピーダンス層と圧電層と同じ材料により形成された低音響インピーダンス層とが交互に積層され下部電極側の最上層が低音響インピーダンス層により構成されてなることを特徴とする。 The invention of claim 1 includes an acoustic mirror layer formed on one surface side of a support substrate made of MgO or SrTiO 3, and a resonator formed on the opposite side of the support substrate side in the acoustic mirror layer. The child includes a lower electrode made of SrRuO 3 formed on the opposite side of the acoustic mirror layer to the support substrate side, and a piezoelectric layer made of a lead-based piezoelectric material formed on the opposite side of the lower electrode to the acoustic mirror layer side. The upper electrode formed on the opposite side of the piezoelectric layer from the lower electrode side, and the acoustic mirror layer is formed of the same material as the piezoelectric layer and the high acoustic impedance layer formed of the same material as the lower electrode The low acoustic impedance layers are alternately laminated, and the uppermost layer on the lower electrode side is constituted by a low acoustic impedance layer.
この発明によれば、圧電層の材料として鉛系圧電材料を採用し、支持基板がMgOもしくはSrTiO3により形成されるとともに、下部電極がSrRuO3により形成され、音響ミラー層は、下部電極と同じ材料により形成された高音響インピーダンス層と圧電層と同じ材料により形成された低音響インピーダンス層とが交互に積層され下部電極側の最上層が低音響インピーダンス層により構成されているので、鉛系圧電材料からなる圧電層の結晶性および圧電特性を向上させることが可能となる。 According to the present invention, a lead-based piezoelectric material is used as the material of the piezoelectric layer, the support substrate is formed of MgO or SrTiO 3 , the lower electrode is formed of SrRuO 3 , and the acoustic mirror layer is the same as the lower electrode Since the high acoustic impedance layer made of material and the low acoustic impedance layer made of the same material as the piezoelectric layer are alternately laminated and the uppermost layer on the lower electrode side is composed of the low acoustic impedance layer, lead-based piezoelectric It becomes possible to improve the crystallinity and piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer made of the material.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、音響ミラー層と下部電極との間に両者の格子不整合性を緩和するバッファ層としてPt層が形成されてなることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、下部電極の結晶性を向上でき、圧電層の結晶性をより向上させることが可能となる。 According to this invention, the crystallinity of the lower electrode can be improved, and the crystallinity of the piezoelectric layer can be further improved.
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、支持基板と音響ミラー層との間に両者の格子不整合性を緩和するバッファ層としてPt層が形成されてなることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, a Pt layer is formed between the support substrate and the acoustic mirror layer as a buffer layer that relaxes the lattice mismatch between the two. And
この発明によれば、音響ミラー層の高音響インピーダンス層および低音響インピーダンス層それぞれの結晶性を向上できて、下部電極の結晶性を向上でき、圧電層の結晶性をより向上させることが可能となる。 According to this invention, the crystallinity of each of the high acoustic impedance layer and the low acoustic impedance layer of the acoustic mirror layer can be improved, the crystallinity of the lower electrode can be improved, and the crystallinity of the piezoelectric layer can be further improved. Become.
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、上部電極の材料は、Mo、W、Ir、Cr、Ru、Ptの群から選択される少なくとも1種であることを特徴とする。 The invention of claim 4 is the invention of claims 1 to 3, wherein the material of the upper electrode is at least one selected from the group of Mo, W, Ir, Cr, Ru, and Pt. To do.
この発明によれば、上部電極の材料が代表的な電極材料であるAlやAuの場合に比べて、上部電極の機械的品質係数を高めることができ、共振子全体の機械的品質係数を高めることが可能となる。 According to the present invention, the mechanical quality factor of the upper electrode can be increased and the mechanical quality factor of the entire resonator can be increased compared to the case where the material of the upper electrode is Al or Au, which are typical electrode materials. It becomes possible.
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4の発明において、音響ミラー層上に共振子を複数個形成してUWB用フィルタを構成してなり、音響ミラー層は、隣り合う共振子が高音響インピーダンス層を介して容量結合しないように高音響インピーダンス層がパターニングされてなることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the present invention, a plurality of resonators are formed on the acoustic mirror layer to form a UWB filter, and the acoustic mirror layer includes adjacent resonators. The high acoustic impedance layer is patterned so as not to be capacitively coupled through the high acoustic impedance layer.
この発明によれば、音響ミラー層の高音響インピーダンス層を介した共振子間の容量結合を防止することができ、フィルタ特性を向上させることができる。 According to the present invention, capacitive coupling between the resonators via the high acoustic impedance layer of the acoustic mirror layer can be prevented, and the filter characteristics can be improved.
請求項1の発明では、鉛系圧電材料からなる圧電層の結晶性および圧電特性を向上させることが可能となるという効果がある。 According to the first aspect of the invention, there is an effect that it is possible to improve crystallinity and piezoelectric characteristics of a piezoelectric layer made of a lead-based piezoelectric material.
(実施形態1)
本実施形態のBAW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音響ミラー層(音響多層膜)2と、音響ミラー層2上に形成された共振子3とを備えたBAW共振装置であり、共振子3が音響ミラー層2上に形成された下部電極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上部電極33との積層構造を有しており、圧電層32が、鉛系圧電材料(例えば、PMN−PZT、PZTなど)により形成されている。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the BAW resonator of the present embodiment is formed on a support substrate 1, an acoustic mirror layer (acoustic multilayer film) 2 formed on one surface side of the support substrate 1, and the
また、本実施形態のBAW共振装置は、圧電層32における下部電極31側とは反対側に上部電極33と圧電層32との接触面積を規定する開孔部4aを有する絶縁層4が形成されており、圧電層32のうち下部電極31と上部電極33との両方と接する領域が共振領域を構成している。
Further, in the BAW resonance device of the present embodiment, the insulating layer 4 having the opening 4a that defines the contact area between the
本実施形態のBAW共振装置は、圧電層32の圧電材料として、PMN−PZTを採用しており、圧電層32として(001)配向のPMN−PZT薄膜からなる圧電薄膜が得られるように、支持基板1として、上記一表面である主表面が(001)面の単結晶MgO基板を用いているが、支持基板1としては、上記一表面である主表面が(001)面の単結晶STO(:SrTiO3)基板を用いてもよい。また、PMN−PZT薄膜は、単結晶膜もしくは単一配向膜であればよく、配向は(001)配向に限らず、例えば、(111)配向でもよい。また、本実施形態のBAW共振装置では、圧電層32の結晶配向を単一配向に制御するとともに圧電層32の格子歪を抑制するために下部電極31の材料として、導電性酸化物材料の一種であるSRO(:SrRuO3)を採用している。
The BAW resonator of the present embodiment employs PMN-PZT as the piezoelectric material of the
本実施形態では、上部電極33の材料としてAlを採用しているが、上部電極33の材料はAlに限定するものではなく、例えば、Mo、W、Ir、Cr、Ru、Ptの群から選択される少なくとも1種を採用すれば、上部電極33の材料が代表的な電極材料であるAlやAuの場合に比べて、上部電極33の機械的品質係数を高めることができ、共振子3全体の機械的品質係数を高めることが可能となる。また、絶縁層4の材料としてSiO2を採用しているが、SiO2に限らず、例えば、Si3N4を採用してもよい。
In this embodiment, Al is adopted as the material of the
また、圧電層32は、(001)配向のPMN−PZT薄膜からなる圧電薄膜により構成されている。ここにおいて、PMN−PZTの組成は、x(Pb(Mn1/3Nb2/3)O3−(1−x)(PbZryTi1−yO3)なる化学式で表され、本実施形態では、x=0.10、y=0.52としてあるが、これらの値は一例であって特に限定するものではない。なお、本実施形態では、圧電層32の圧電材料として、鉛系圧電材料を採用しているので、圧電材料がAlNやZnO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。
The
音響ミラー層2は、相対的に音響インピーダンスの高い材料からなる高音響インピーダンス層21と相対的に音響インピーダンスの低い材料からなる低音響インピーダンス層22とが交互に積層されており、下部電極31側の最上層が低音響インピーダンス層22により構成されている。
The
なお、本実施形態のBAW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、高音響インピーダンス層21の厚みを350nm、低音響インピーダンス層22の厚みを400nm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、高音響インピーダンス層21の厚みは200nm〜450nmの範囲で、低音響インピーダンス層22の厚みは250nm〜550nmの範囲で、それぞれ適宜設定すればよい。
In the BAW resonator of this embodiment, the resonance frequency of the
ところで、本実施形態では、高音響インピーダンス層21の材料として、下部電極31と同じ材料であるSrRuO3を採用し、低音響インピーダンス層22の材料として、圧電層32と同じ材料であるPMN−PZTを採用しているが、低音響インピーダンス層22の材料は、圧電層32と同じ材料であればよく、例えば、圧電層32の材料がPZTの場合には、PZTを採用すればよい。
By the way, in this embodiment, SrRuO 3 which is the same material as the
以下、本実施形態のBAW共振装置の製造方法について簡単に説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing the BAW resonator according to the present embodiment will be briefly described.
まず、上記一表面が(001)面の単結晶MgO基板からなる支持基板1の上記一表面側の全面に(110)配向のSrRuO3からなる高音響インピーダンス層21を形成する工程と(001)配向のPMN−PZTからなる低音響インピーダンス層21を形成する工程とを交互に繰り返すことにより音響ミラー層2を形成する音響ミラー層形成工程を行う。ここにおいて、高音響インピーダンス層21は、例えば、スパッタ法やCVD法などにより形成すればよく、低音響インピーダンス層22は、例えば、スパッタ法やCVD法やゾルゲル法などにより形成すればよい。
First, a step of forming a high
上述の音響ミラー層形成工程の後、音響ミラー2の表面側に(110)配向のSrRuO3からなる下部電極31をスパッタ法やCVD法などにより形成する下部電極形成工程を行う。
After the acoustic mirror layer forming step described above, a lower electrode forming step is performed in which a
上述の下部電極形成工程の後、下部電極の表面側の全面に(001)配向のPMN−PZTからなる圧電層32をスパッタ法やCVD法やゾルゲル法などにより形成する圧電層形成工程を行う。
After the lower electrode formation step described above, a piezoelectric layer formation step is performed in which the
この圧電層形成工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して圧電層32を所望の平面形状にパターニングする圧電層パターニング工程を行い、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して下部電極31を所望の平面形状にパターニングする下部電極パターニング工程を行う。
After this piezoelectric layer forming step, a piezoelectric layer patterning step for patterning the
その後、支持基板1の上記一表面に上述の開孔部4aを有する絶縁層4を形成する絶縁層形成工程を行い、続いて、上部電極33を形成する上部電極形成工程を行うことによって、BAW共振装置を得る。ここにおいて、絶縁層形成工程では、支持基板1の上記一表面側の全面に例えばSiO2からなる絶縁層4をスパッタ法やCVD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を利用して開孔部4aを形成する。また、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、上部電極33をスパッタ法や蒸着法などによって形成し、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上部電極33を所望の平面形状にパターニングする。
Thereafter, an insulating layer forming step for forming the insulating layer 4 having the above-described
上述のBAW共振装置の製造にあたっては、上述の支持基板1としてウェハを用いてウェハレベルで多数のBAW共振装置を形成した後、ダイシング工程で個々のBAW共振装置に分割すればよい。 In manufacturing the BAW resonance device described above, a large number of BAW resonance devices may be formed at the wafer level using a wafer as the support substrate 1 described above, and then divided into individual BAW resonance devices in a dicing process.
以上説明した本実施形態のBAW共振装置は、音響ミラー層2を備えたSMRなので、FBARに比べて堅牢化できるのは勿論、圧電層32の材料として鉛系圧電材料を採用し、支持基板1がMgOもしくはSrTiO3により形成されるとともに、下部電極31がSrRuO3により形成され、音響ミラー層2は、下部電極31と同じ材料により形成された高音響インピーダンス層21と圧電層32と同じ材料により形成された低音響インピーダンス層22とが交互に積層され下部電極31側の最上層が低音響インピーダンス層22により構成されており、支持基板1と音響ミラー層2と下部電極31との全てが圧電層32と格子定数の近い材料で形成されているので、鉛系圧電材料からなる圧電層32の結晶性および圧電特性を向上させることが可能となる。
Since the BAW resonator of the present embodiment described above is an SMR having the
ところで、上述のBAW共振装置において、音響ミラー層2と下部電極31との間に両者の格子不整合性を緩和するバッファ層として(001)配向のPt層(以下、第1のPt層と称する)を形成するようにすれば、下部電極31の結晶性を向上でき、圧電層32の結晶性をより向上させることが可能となり、また、支持基板1と音響ミラー層2との間に両者の格子不整合性を緩和するバッファ層として(001)配向のPt層(以下、第2のPt層と称する)を形成するようにすれば、音響ミラー層2の高音響インピーダンス層21および低音響インピーダンス層22それぞれの結晶性を向上できて、下部電極31の結晶性を向上でき、圧電層32の結晶性をより向上させることが可能となる。なお、上述の第1のPt層や第2のPt層は、スパッタ法や蒸着法などにより成膜すればよく、第1のPt層と第2のPt層との両者を設けてもよいし、一方のみを設けてもよい。
By the way, in the above-described BAW resonator, a (001) -oriented Pt layer (hereinafter referred to as a first Pt layer) is used as a buffer layer for relaxing the lattice mismatch between the
また、本実施形態のBAW共振装置では、圧電層32の圧電材料がPMN−PZTであり、上部電極33の電極材料として、例えば、Alや他の金属材料を採用してもよいが、例えば、Mo、W、Ir、Cr、Ru、Ptの群から選択される少なくとも1種を採用すれば、代表的な電極材料であるAuの場合に比べて、上部電極33の機械的品質係数を高めることができ、共振子3全体の機械的品質係数を高めることが可能となる。なお、本実施形態では、圧電層32の圧電材料として、PMN−PZTを採用しているが、圧電材料は、鉛系圧電材料であればよく、例えば、PZTや適宜の不純物を添加したPZTなどのPZT系材料を採用すればよい。
In the BAW resonance device of the present embodiment, the piezoelectric material of the
(実施形態2)
本実施形態のBAW共振装置は、実施形態1にて説明した共振子3を図2および図3に示すように支持基板1の上記一表面側の音響ミラー層2上に複数個形成してフィルタ(BAWフィルタ)を構成してある点が相違する。ここにおいて、本実施形態のBAW共振装置は、これら複数個の共振子3がラダー型フィルタを構成するように接続されており、2GHz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用フィルタとして用いることができる。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 2)
In the BAW resonator according to the present embodiment, a plurality of the
ところで、本実施形態のBAW共振装置における音響ミラー層2は、隣り合う共振子3が高音響インピーダンス層21を介して容量結合しないように高音響インピーダンス層21がパターニングされている。ここで、本実施形態のBAW共振装置は、下部電極31同士が電気的に接続された2個1組の共振子3の組を複数組(図示例では、9組)備えており、各組の2個の共振子3では、下部電極31と圧電層32とが連続して形成される一方で上部電極33同士が絶縁分離されるようにパターニングされており、下部電極31同士が電気的に接続され同電位となるので、高音響インピーダンス層21は、各組の2個の共振子3に跨り且つ2個の共振子3の組ごとに独立した島状のパターンとなるようにパターニングしてある。ここにおいて、隣り合う組間では、隣接する2個の共振子3の上部電極33同士が上部電極33と連続して形成された金属配線34を介して電気的に接続されている。また、各組の2個の共振子3に跨って形成された圧電層32のうち下部電極31と上部電極33との両方と接する領域が各共振領域を構成しており、各共振領域は、高音響インピーダンス層21の投影領域内に位置している。
By the way, the
なお、本実施形態のBAW共振装置では、支持基板1の厚み方向において重なる高音響インピーダンス層21の平面サイズを支持基板1から離れるにつれて徐々に小さくなるように設定してあるので、音響ミラー層2の最上層の低音響インピーダンス層22の表面の平坦性を向上でき(表面の凹凸の高低差を低減でき)、圧電層32の結晶性を向上させることができる。
In the BAW resonator of the present embodiment, the plane size of the high
以上説明した本実施形態のBAW共振装置では、音響ミラー層2の高音響インピーダンス層21を介した共振子3間の容量結合を防止することができ、フィルタ特性を向上させることができる。
In the BAW resonance device of the present embodiment described above, capacitive coupling between the
1 支持基板
2 音響ミラー層
3 共振子
4 絶縁層
4a 開孔部
21 高音響インピーダンス層
22 低音響インピーダンス層
31 下部電極
32 圧電層
33 上部電極
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