JP2009505489A - バルク音波デバイスにおけるチタン−タングステン合金を母材とするミラー及び電極 - Google Patents

Abstract

バルク音波デバイス内のチタン−タングステン合金を母材とするミラー及び電極は、接着層とバリア層とシード層の必要性を排除することで製法を簡単化し、タングステン層の利点を保持する。高低の音響インピーダンス材料の交互層を使用するが、ここで高音響インピーダンス層は好ましくは物理蒸着法により堆積し、湿式エッチングを用いて等方的にパターン形成したチタン−タングステン合金層とする。好ましくは、低音響インピーダンス層にＳｉＯ₂を用いるが、必要に応じて他の低音響インピーダンス材料を用いることもできる。電極と負荷もまた、チタン−タングステン合金とすることができる。チタン重量比３〜１５％の範囲のチタン−タングステン合金が、好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、バルク音波デバイスの分野に関する。

本発明は、その主要な用途が信号濾波と基準発振器である圧電共振器とフィルタとに関する。これらの共振器は一般に、薄膜バルク音響共振器（Film bulk acoustic resonator：ＦＢＡＲ或いはバルク音波共振器（bulk acoustic wave resonator：ＢＡＷ）と呼ばれる。用語ＢＡＷは、積層共振器や全体結合（積層結晶フィルタすなわちＳＣＦ(Stack Crystal Filter)）或いは一部結合（結合共振器フィルタすなわちＣＲＦ(Coupled Resonator Filter)）もまた包含する。

共振器は、機械基板（通常はシリコンウェーハ）から音響的に絶縁させねばならない。これは、空隙（ＦＢＡＲ）や或いは対象となる波長の１／４に設計された高低の音響インピーダンス材料の交互層からなるブラッグミラー（ＢＡＷ）により達成されてきた。高音響インピーダンス材料もまた、電極に望ましいものである。これらのデバイスは新規なものではなく、文献に十分に詳しく記載されている。例えば、下記の特許文献１及び非特許文献１〜４を参照されたい。

Ｌ．Ｎ．Ｄｗｏｒｓｋｙ及びＬ．Ｃ．Ｂ．Ｍａｎｇによる米国特許第５，３７３，２６８号明細書、「Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｈａｖｉｎｇ Ｓｔａｃｋｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｌａｙｅｒｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ（積層音響反射インピーダンス整合層を有する薄膜共振器及び方法）」、１９９４年１２月１３日 Ｗ．Ｅ．Ｎｅｗｅｌｌ著、「Ｆａｃｅ−ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ（表面装着圧電共振器）」、ＩＥＥＥ会報第５３巻、１９６５年６月、頁５７５〜５８１ Ｋ．Ｍ．ＬａｋｉｎとＧ．Ｒ．ＫｌｉｎｅとＲ．Ｓ．ＫｅｔｃｈａｍとＪ．Ｔ．Ｍａｒｔｉｎとの共著、「Ｓｔａｃｋｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｌｔｅｒｓ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ（薄膜実装積層結晶フィルタ）」、第４３回年次周波数制御シンポジウム、１９８９年５月、頁５３６〜５４３ Ｒ．ＡｉｇｎｅｒとＪ．ＥｌｌａとＨ．−Ｊ．ＴｉｍｍｅとＬ．ＥｌｂｒｅｃｈｔとＷ．ＮｅｓｓｌｅｒとＳ．Ｍａｒｋｓｔｅｉｎｅｒとの共著、「Ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ＭＥＭＳ ｉｎｔｏ ＲＦ−Ｆｉｌｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（ＲＦフィルタ用途へのＭＥＭＳの進歩）」、２００２年度ＩＥＤＭ会報、サンフランシスコ市、２００２年１２月８日〜１１日、頁８９７〜９００ Ｒ．ＡｉｇｎｅｒとＪ．ＫａｉｔｉｌａとＪ．ＥｌｌａとＬ．ＥｌｂｒｅｃｈｔとＷ．ＮｅｓｓｌｅｒとＭ．ＨａｎｄｔｍａｎｎとＴ．−Ｒ．ＨｅｒｚｏｇとＷ．Ｍａｒｋｓｔｅｉｎｅｒとの共著、「Ｂｕｌｋ−Ａｃｏｕｓｔｉｃ−Ｗａｖｅ Ｆｉｌｔｅｒｓ： Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｖｏｌｕｍｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ（バルク音波フィルタ：性能最適化及び大量製造法）」、ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ国際マイクロ波シンポジウム会報第３巻、２００３年、

タングステンは、高音響インピーダンス材料用の一般的なブラッグ反射器材料である。それは、その高音響インピーダンスが故に普及している。タングステンの主な堆積方法は、気相成長法（ＣＶＤ）によるものである。ＣＶＤタングステン堆積は、接着層とバリア層とシード層（例えば、チタンと窒化チタン）を必要とし、製法が複雑化する。また、ＣＶＤタングステンは粗表面を有し、それによって通常電極材料としての使用が制限される。また、ＣＶＤタングステン薄膜のストレスも高い。タングステンはＰＶＤ法により堆積できるが、接着性と粒状性が重要な課題となる。

本発明は、ブラッグミラー積層体における高音響インピーダンス材料としてかつ／又は電極組成として或いはＦＢＡＲやＢＡＷデバイスの製造における電極積層体の一部（すなわち、共振器と共振器から構築されるフィルタ）として、ＴｉＷ（チタン−タングステン）の使用を含む。従来のＩＣ製造方法は、堆積、フォトリソグラフィ、エッチングを含む基本的な製造手順が使用される。パッケージ化と基板からの共振器音響絶縁用に、ＭＥＭＳ（微小電気機械素子）技術もまた用いることができる。低音響インピーダンス材料はＳｉＯ２（ＳｉＯ₂）であるが、必要に応じて他の低音響インピーダンス層、例えばカーボンを母材とする誘電体やシリコンを母材とするポリマーやポリシリコン、或いはとりわけ他の材料の中でもポリイミド等の他の低損失ポリマーを使用することもできる。ＴｉＷは、チタンとタングステンの二元合金を指す。通常、チタン含有量は、重量比で１５％を上回るべきではない。等価的に有効な成果が、チタン重量比３％と１０％とで得られる。ＴｉＷは、商用利用可能な任意のスパッター堆積システム内での物理蒸着法（ＰＶＤ）により堆積される。ＰＶＤのＴｉＷは低コスト材料であり、高音響インピーダンスと、酸化物層に対する秀逸な接着性と、チューナブル膜ストレスと、比較的平滑な表面とを有する。ＴｉＷに対するレジスト接着性は良好であり、長時間の湿式エッチングパターン形成を可能にする。ＴｉＷは等方性湿式エッチング法により簡単にパターン形成されるため、平面化設計は不要である。すなわち、ＴｉＷは先行技術において使用されているほぼ純粋なタングステン（Ｗ）との比較において、より秀逸な特性を有する良好なブラッグミラー層又は電極材料であることが分かっている。

かくして、本発明の好適な実施形態は、ＰＶＤＴｉＷ材料をＦＢＡＲやＢＡＲ用の並列共振器上での高音響インピーダンスブラッグ反射器層や電極層及び／又は並列負荷として活用することである。ＣＶＤタングステンとは対照的に、ＴｉＷはシード層と接着層の必要性を取り除き、そのことが平滑な薄膜をもたらし、膜ストレスは一般的なＰＶＤ法パラメータ（例えば、温度や圧力やバイアス等）により簡単に調整される。ＴｉＷの音響速度は、特に接着層とシード層とを含む完全ＣＶＤタングステン積層体と比べたときに著しく損なわれることはない。ＴｉＷ上で成長させたときのＡｌＮ（窒化アルミニウム）圧電品質は、良好である。ＴｉＷはＣＶＤタングステンよりも簡単にパターン形成されるが、それは除去すべき接着層もバリア層もシード層も存在しないからである。例えば、Ｔｉ／ＴｉＮパターン形成は通常異方性プラズマエッチングを必要とし、したがって、デバイスの完全な平面化を必要とする。完全平面化設計はより複雑であり、受容可能なデバイス均質性を生み出す可能性はより低いものである（すなわち、ダイ産出量が損なわれることになる）。

本発明を組み込んだ典型的な構造は、この種のデバイスにおいてタングステンを高音響インピーダンス層として使用する構造と同一又は類似とすることができるが、本発明を用いる製法における比較的簡便さが一部の困難と必要な余分な処理工程を排除し、タングステンだけを用いた所望の成果を得ることができる。一例を挙げるに、例示構造の断面を図１に見ることができる。この例示構造は、成長させ、堆積した酸化物（ＳｉＯ₂）層２２を有するシリコン基板２０上に製造する。次に、物理蒸着法（ＰＶＤ）によりＴｉＷ層を載せ、従来のフォトレジスト工程と湿式エッチング工程を用いてパターン形成し、高音響インピーダンス層２４を形成する。接着層やバリア層、シード層が一切不要であって一切使用されないことに留意されたい。次に、別のＳｉＯ₂層２６を低音響インピーダンス層として堆積し、続いてＴｉＷの別の層を堆積させ、パターン形成して、第２の高音響インピーダンス層２８を形成する。ＴｉＷは等方性湿式エッチング法により簡単にパターン形成されるため、平面化設計は不要である。その点で、パターン化層ＴｉＷ２４は、後続のＴｉＷ層すなわち等方性層がパターンの側面を被覆し、第２のＴｉＷ層の側部領域の完全除去に追加のエッチング時間を必要とするように、酸化物層２６を介して「印刷」され、パターンを複製した非平面化面が作成される。しかしながら、ＴｉＷの湿式エッチングの簡便さに結び付く接着層やバリア層及び／又はシード層の不在が、この製法を平面化を伴なわない比較的簡単なものとすることができる。別の低音響インピーダンスＳｉＯ₂層３０の堆積がこれに続き、この層の上に電極層３２を堆積してパターン形成し、続いて圧電層３４を堆積し、別の電極層３６を堆積してパターン形成する。必ずしも必要ではないが、好ましくは、電極層も同様にＴｉＷ層とすることである。層２４，２６，２８，３０は、通常は用途に応じて肉厚を最適化する層である。全ての用途ではないが多くの用途において、これは、好ましくは層２２であり、反射器積層体の一部である対象の周波数において波長の１／４の肉厚である。本実施形態では、二つのＴｉＷ層を使用するが、１個だけの少数のＴｉＷ合金層や４個以上の多数のＴｉＷ層を使用するというように、異なる数を基板上の高低の音響インピーダンス材料の交互層の積層体に使用することもできる。酸化物層はパターン形成する必要はない。それは同じ基板上の他のどんなＢＡＷの性能にも影響を及ぼさないからである。好適な実施形態では、圧電層はＡｌＮ（窒化アルミニウム）であるが、他の圧電層も必要に応じて使用し得る。同様に、好ましくはＳｉＯ₂を使用したが、カーボンを母材とする誘電体やシリコンを母材とするポリマーやポリシリコン、或いはポリイミド等の低損失ポリマー等の他の低音響インピーダンス層も必要に応じて使用し得る。

ここで図２を参照するに、本発明の別の実施形態を見ることができる。本実施形態は、結合解除し、積層したバルク音響共振器、具体的には結合共振器フィルタと呼ばれる、第１の共振器上に積層した第２の共振器を示す。図示の如く、第１の共振器は基板３８内のキャビティ４０を覆うように支持された圧電層４４と電極層４２，４６とを備え、第１の圧電層４４と基板との間を絶縁する。この特定の実施形態では、電極４６の上には、電極層５４，５８間に挟まれた圧電層５６を備える別の共振器を支持している、低音響インピーダンス材料と高音響インピーダンス材料の交互層積層体がある。図示の特定の実施形態では、積層体は低音響インピーダンス材料４８層と、高音響インピーダンス材料層５０と、さらなる低音響インピーダンス材料５２の層とで構成される。図示の実施形態では、高音響インピーダンス材料５０及び／又は電極５４と５８及び／又は電極４２と４６の層を本発明になるチタン・タングステン合金で構成することができる。一定限度内で、層４８，５０，５２の積層体は単層チタン・タングステン合金で構成することができ、或いは単一のチタン・タングステン合金層を上回るものを含む交互層積層体で構成することができ、いずれにせよここでは集合的に結合層と呼ぶ。層数と結合層内の層の音響肉厚の選択は、必要に応じて共振器間を絶縁し、或いは制御された結合とする。

本発明を組み込んだ典型的にデバイスにあっては、電極層と圧電層にパターン形成して１以上の音響デバイスを形成することになるが、便宜上、この種の複数の音響デバイスをここでは本願明細書と添付特許請求の範囲において共振器又は共振器群と呼ぶ。

かくして、本発明ではＣＶＤタングステンの固有の製法関連の課題、すなわち粗表面と高ストレスと劣悪な接着は解決される。この点で、ストレス・チューナブルに処理されたチタン−タングステンＰＶＤ薄膜を用い、堆積温度、圧力、堆積速度を制御することで、チタン−タングステンＰＶＤ薄膜のストレスを必要に応じて設定することができる。同時に、タングステンの秀逸な音響特性が完全に保たれる。ＰＶＤによるＴｉＷの利点は、それが平滑面となり、全体的な統合化方式を最適化するようストレスを調整することができ、接着／シード層は必要ない点にある。かくして、ＴｉＷは同等以上の性能と増大した工程統合化自由度と共に低コスト製法を提供する。

本発明の幾つかの好適な実施形態は、限定目的ではなく例示目的にてここに開示し説明してきたが、本発明の趣旨ならびに範囲を逸脱することなく形態と細部における各種変形を為し得ることが当業者には理解されよう。

本発明の例示実施形態の断面図である。 本発明を組み込んだ結合共振器フィルタの断面図である。

Claims (37)

1. 基板と、
   前記基板上の高低の音響インピーダンス材料の交互の層からなる積層体と、
   前記積層体上に設けた、第１の側と第２の側に電気接点を含む圧電層とを備え、
   前記高音響インピーダンス材料をチタン−タングステン合金とした、ことを特徴とする圧電共振器。
2. 前記チタン−タングステン層を物理蒸着法により堆積させた請求項１記載の共振器。
3. 前記チタン−タングステン合金はチタン重量比１５％未満である請求項１記載の共振器。
4. 前記チタン−タングステン合金はチタン重量比３％未満である請求項３記載の共振器。
5. 前記高低の音響材料の交互積層体内の高低の音響インピーダンス材料層は両者間に介在層を用いることなく直接当接させた請求項１記載の共振器。
6. 前記電気接点はチタン−タングステン合金で構成した請求項１記載の共振器。
7. 並列負荷を有する並列共振器をさらに備え、その並列負荷もまたチタン−タングステン合金で構成した請求項１記載の共振器。
8. 前記積層体は二層のチタン−タングステン層を含む請求項１記載の共振器。
9. 前記低音響インピーダンス材料はＳｉＯ₂である請求項１記載の共振器。
10. 前記低音響インピーダンス材料はカーボンを母材とする誘電体である請求項１記載の共振器。
11. 前記低音響インピーダンス材料は低損失ポリマーである請求項１記載の共振器。
12. 前記低音響インピーダンス材料はシリコンを母材とするポリマー、ポリシリコン、ポリイミドからなる群から選択した請求項１記載の共振器。
13. 前記基板はシリコン基板である請求項１記載の共振器。
14. 前記チタン−タングステン層はストレス・チューナブルに処理したチタン−タングステンＰＶＤ薄膜である請求項１記載の共振器。
15. シリコン基板と、
    高低の音響インピーダンス材料の交互の層からなり、用途に応じて各層を最適化した、前記基板上に設けた積層体と、
    前記積層体上に設けた、第１と第２の側に電気接点を含む圧電層とを備え、
    前記高音響インピーダンス材料をＰＶＤ堆積チタン−タングステン合金とした、ことを特徴とする圧電共振器。
16. 前記チタン−タングステン合金はチタン重量比１５％未満である請求項１５記載の共振器。
17. 前記チタン−タングステン合金は少なくともチタン重量比３％未満である請求項１６記載の共振器。
18. 前記高低の音響材料交互積層体の高低の音響インピーダンス材料層は両者間に介在層を用いることなく直接当接させた請求項１５記載の共振器。
19. 前記電気接点もまた全体或いは一部をチタン−タングステン合金である請求項１５記載の共振器。
20. 並列負荷を有する並列共振器をさらに備え、その並列負荷もまたチタン−タングステン合金である請求項１５記載の共振器。
21. 前記積層体は２層のチタン−タングステンを含む請求項１５記載の共振器。
22. 前記低音響インピーダンス材料はＳｉＯ₂である請求項１５記載の共振器。
23. 前記低音響インピーダンス材料はカーボンを母材とする誘電体である請求項１５記載の共振器。
24. 前記低音響インピーダンス材料は窒化珪素である請求項１５記載の共振器。
25. 前記チタン−タングステンはストレス・チューナブルに処理したチタン−タングステンＰＶＤ薄膜を用いた堆積層である請求項１５記載の共振器。
26. 圧電共振器の製造方法であって、
    ａ）低音響インピーダンス層を配設する工程と、
    ｂ）前記低音響インピーダンス層上に物理蒸着法によりチタン−タングステン層を直接堆積する工程と、
    ｃ）チタン−タングステン合金層にパターン形成する工程と、
    ｄ）前記チタン−タングステン合金層上に低音響インピーダンス層を直接堆積する工程と、
    ｅ）前記工程ｂ），ｃ），ｄ）を少なくとも一回反復する工程と、
    ｆ）第１の電極層を堆積する工程と、
    ｇ）圧電層を堆積する工程と、
    ｈ）第２の電極層を堆積する工程とを含み、
    前記低音響インピーダンス層と前記チタン−タングステン合金層を用途に応じて最適化したことを特徴とする方法。
27. 前記第１の電極層を先ず堆積してパターン形成し、前記圧電層を堆積し、次に前記第２の電極層を堆積してパターン形成する請求項２６記載の方法。
28. 前記電極層は物理蒸着法により堆積したチタン−タングステン合金層とした請求項２６記載の方法。
29. 前記低音響インピーダンス層はＳｉＯ₂層である請求項２６記載の方法。
30. 前記チタンータングステン合金はチタン重量比１５％未満である請求項２６記載の方法。
31. 前記チタン−タングステン合金はチタン重量比３％未満である請求項３０記載の方法。
32. 並列負荷を有する並列共振器をさらに備え、その並列負荷もまたチタン−タングステン合金である請求項２６記載の方法。
33. 前記低音響インピーダンス材料はカーボンを母材とする誘電体である請求項２６記載の方法。
34. 前記低音響インピーダンス材料は低損失ポリマーである請求項２６記載の方法。
35. 前記低損失音響インピーダンス材料はシリコンを母材とするポリマーとポリシリコンとポリイミドからなる群から選択した請求項２６記載の方法。
36. 前記工程ａ）において、前記低音響インピーダンス層をシリコン基板上に形成する請求項２６記載の方法。
37. 積層共振器間結合層が少なくとも一つのチタン−タングステン合金層を備える、ことを特徴する結合共振器フィルタ。

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