JP2014121025A

JP2014121025A - 圧電薄膜共振子

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Publication number: JP2014121025A
Application number: JP2012276177A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Onda; 陽介恩田
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2014-06-30
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: SG2013084629A; CN103873009B; US9374060B2; JP5957376B2; US20140167560A1; CN103873009A

Abstract

【課題】Ｑ値や結合係数といった特性の劣化を抑制すること。
【解決手段】本発明は、基板１０と、基板１０上に設けられ、添加元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる第１膜１４ａと、第１膜１４ａの上面及び下面に設けられ、第１膜１４ａよりも添加元素の濃度が低い窒化アルミニウム膜からなる第２膜１４ｂと、を有する圧電膜１４と、圧電膜１４を挟んで設けられた下部電極１２及び上部電極１６と、を備える圧電薄膜共振子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電薄膜共振子に関し、例えば添加元素を含有する窒化アルミニウム膜を用いた圧電薄膜共振子に関する。

携帯電話に代表される移動通信機器で使用されるフィルタには、例えば小型で軽量な弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic wave）フィルタが用いられている。ＳＡＷフィルタは、圧電基板と、該圧電基板上に設けられたＩＤＴ（InterDigital Transducer）と、を有して構成され、ＩＤＴの電極指のピッチに応じた周波数で動作する。

近年、移動通信機器の伝送速度の高速化が進んでいる。このため、フィルタの高周波化が進められているが、ＳＡＷフィルタは、ＩＤＴの電極指ピッチで周波数が決まり、電極指ピッチの微細化は限界があることから、高周波化への対応が難しい。そこで、圧電薄膜共振子が注目されている。圧電薄膜共振子は、基板上に下部電極、圧電膜、及び上部電極が積層された共振部を有し、共振部の厚さによって周波数が決まることから、高周波化が容易である。

圧電薄膜共振子の圧電膜には、例えば窒化アルミニウム膜が用いられているが、窒化アルミニウムは、他の圧電材料に比べて、圧電定数及び電気機械結合係数が小さい。圧電定数を高くするために、窒化アルミニウムにスカンジウム（Ｓｃ）を添加する技術、及び基板とＳｃを添加した窒化アルミニウム膜との間にＳｃの含有率の異なる窒化アルミニウム膜を設ける技術が知られている（例えば、特許文献１）。

また、圧電膜を第１圧電膜と第２圧電膜との２回に分けて形成し、第１圧電膜を形成して熱処理した後、第１圧電膜上に第２圧電膜を形成することで、結晶性の良好な圧電膜が得られることが知られている（例えば、特許文献２）。さらに、圧電薄膜共振子において、圧電膜の成膜条件を途中で変えて成膜することで、応力の緩和と良好な共振特性とが得られることが知られている（例えば、特許文献３）。共振周波数の温度係数が正の圧電膜と負の圧電膜とを積層させることで、良好な温度特性と共振特性とが得られることが知られている（例えば、特許文献４）。

特開２００９−１０９２６号公報特開２００７−２７７６０６号公報特開２００３−６０４７８号公報特開２００１−２０３５５８号公報

圧電薄膜共振子の圧電膜に添加元素を含有する窒化アルミニウム膜を用いた場合、圧電膜の配向性及び膜応力、並びに圧電膜と電極との密着性の要因によって、結合係数やＱ値やＦＯＭ（Figure of Merit：Ｑ値と結合係数の積）といった特性の劣化が生じてしまう。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、Ｑ値や結合係数といった特性の劣化を抑制することを目的とする。

本発明は、基板と、前記基板上に設けられ、添加元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる第１膜と、前記第１膜の上面及び下面に設けられ、前記第１膜よりも前記添加元素の濃度が低い窒化アルミニウム膜からなる第２膜と、を有する圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで設けられた下部電極及び上部電極と、を備えることを特徴とする圧電薄膜共振子である。本発明によれば、Ｑ値や結合係数といった特性の劣化を抑制することができる。

上記構成において、前記添加元素は、２価元素と４価元素、又は、２価元素と５価元素である構成とすることができる。

上記構成において、前記添加元素は２価元素と４価元素であり、前記２価元素は、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム、及び亜鉛のうちの少なくとも１つを含み、前記４価元素は、チタン、ジルコニウム、及びハフニウムのうちの少なくとも１つを含む構成とすることができる。

上記構成において、前記添加元素は２価元素と４価元素であり、前記第１膜における前記添加元素と前記窒化アルミニウム膜のアルミニウム原子数との総量を１００原子％とした場合に、前記第１膜に含有される前記添加元素の濃度は３原子％以上且つ３０原子％以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記添加元素は２価元素と５価元素であり、前記２価元素は、マグネシウム及び亜鉛の少なくとも一方を含み、前記５価元素は、タンタル、ニオブ、及びバナジウムのうちの少なくとも１つを含む構成とすることができる。

上記構成において、前記第２膜は、添加元素を含有しない窒化アルミニウム膜からなる構成とすることができる。

本発明によれば、Ｑ値や結合係数といった特性の劣化を抑制することができる。

図１（ａ）は、実施例１に係るＦＢＡＲの上面図であり、図１（ｂ）及び図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ間及びＢ−Ｂ間の断面図である。図２（ａ）から図２（ｈ）は、実施例１に係るＦＢＡＲの製造方法を示す断面図である。図３は、シミュレーションに用いたアンドープＡｌＮの構造を示す図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、２価元素と４価元素の合計置換濃度に対するＡｌＮの電気機械結合係数を示す図である。図５は、比較例１に係るＦＢＡＲの断面図である。図６は、ＭｇとＺｒの合計置換濃度に対するＡｌＮ膜の膜応力を示す図である。図７は、ＭｇとＺｒの合計置換濃度に対するＡｌＮ膜の圧電定数の増加率を示す図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、２価元素と４価元素の合計置換濃度に対するＡｌＮの圧電定数の増加率を示す図である。図９は、２価元素と５価元素の合計置換濃度に対するＡｌＮの電気機械結合係数を示す図である。図１０は、温度補償膜を備えたＦＢＡＲの断面図である。図１１（ａ）は、第１変形例に係るＦＢＡＲの断面図であり、図１１（ｂ）は、第２変形例に係るＦＢＡＲの断面図である。図１２は、ＳＭＲの断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

実施例１では、圧電薄膜共振子の１つであるＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）を例に説明する。図１（ａ）は、実施例１に係るＦＢＡＲの上面図であり、図１（ｂ）及び図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ間及びＢ−Ｂ間の断面図である。図１（ａ）から図１（ｃ）のように、実施例１のＦＢＡＲ１００は、基板１０、下部電極１２、圧電膜１４、及び上部電極１６を有する。

基板１０は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板、及びガラス基板等の絶縁体基板を用いることができる。

基板１０上に、下部電極１２が設けられている。下部電極１２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、及びイリジウム（Ｉｒ）のうちの少なくとも１つを含む金属膜を用いることができる。下部電極１２は、単層膜でもよいし、積層膜でもよい。

基板１０及び下部電極１２の上に、圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４は、例えば下部電極１２の上面に接して設けられている。圧電膜１４は、ｃ軸を主軸としたｃ軸配向性を有する結晶構造をしている。圧電膜１４は、第１膜１４ａと、第１膜１４ａの上面及び下面に接して設けられた第２膜１４ｂと、を有する。第１膜１４ａは、添加元素を含有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜である。実施例１では、第１膜１４ａは、２価元素と４価元素を含有するＡｌＮ膜である場合を例に説明する。第２膜１４ｂは、第１膜１４ａよりも添加元素の濃度が低いＡｌＮ膜である。実施例１では、第２膜１４ｂは、添加元素を含有しないＡｌＮ膜、即ち、アンドープＡｌＮ膜である場合を例に説明する。

圧電膜１４上に、下部電極１２と対向する領域を有して上部電極１６が設けられている。つまり、下部電極１２と上部電極１６とは圧電膜１４の少なくとも一部を挟んで設けられている。上部電極１６は、例えば圧電膜１４の上面に接して設けられている。圧電膜１４を挟んで下部電極１２と上部電極１６とが対向する領域が共振部１８となる。上部電極１６も、下部電極１２で列挙したＡｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、及びＩｒのうちの少なくとも１つを含む金属膜を用いることができ、単層膜でもよく、積層膜でもよい。

共振部１８において、基板１０と下部電極１２との間に、ドーム形状の膨らみを有する空隙２０が設けられている。ドーム形状の膨らみとは、空隙２０の高さが空隙２０の周辺部よりも中心部に近づくほど高くなるような形状の膨らみをいう。下部電極１２の下側には、空隙２０を形成する際にエッチャントを導入することで形成される導入路２２が設けられている。導入路２２の先端付近は圧電膜１４等で覆われてなく、導入路２２の先端は孔２４となっている。孔２４は、空隙２０を形成する際のエッチャントを導入する導入口である。圧電膜１４には、下部電極１２との電気的な接続を可能とするための開口２６が設けられている。

下部電極１２と上部電極１６との間に高周波数の電気信号が印加されると、下部電極１２と上部電極１６とに挟まれた圧電膜１４の内部に、逆圧電効果によって励振される弾性波又は圧電効果に起因する歪みによって生じる弾性波が発生する。このような弾性波は、下部電極１２と上部電極１６とがそれぞれ空気に接している面で全反射されるため、厚み方向に主変位を持つ厚み振動波となる。

次に、図２（ａ）から図２（ｈ）を用いて、実施例１に係るＦＢＡＲの製造方法について説明する。図２（ａ）から図２（ｄ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ間に相当する箇所の断面であり、図２（ｅ）から図２（ｈ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ間に相当する箇所の断面である。

図２（ａ）及び図２（ｅ）のように、基板１０上に、例えばスパッタ法又は蒸着法を用いて、犠牲層２８を形成する。犠牲層２８は、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜を用いることができ、少なくとも空隙２０が形成される領域を含んで設けられる。犠牲層２８の膜厚は、例えば２０ｎｍとすることができる。次いで、例えばアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気下でスパッタを行い、基板１０及び犠牲層２８の上に、金属膜を成膜する。金属膜は、前述のように、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、及びＩｒのうちの少なくとも１つから選択される。その後、例えばフォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて、前記金属膜を所望の形状にした下部電極１２を形成する。この際、下部電極１２の一部は犠牲層２８を覆う形状とする。

図２（ｂ）及び図２（ｆ）のように、例えばＡｒと窒素（Ｎ_２）の混合ガス雰囲気下でＡｌターゲットをスパッタして、表面をクリーニングした基板１０及び下部電極１２の上に、アンドープＡｌＮ膜である第２膜１４ｂを成膜する。続いて、基板１０をチャンバーから取り出すことなく、ＡｒとＮ_２の混合ガス雰囲気下でＡｌターゲット、２価元素ターゲット、４価元素ターゲットを同時にスパッタして、第２膜１４ｂ上に、２価元素と４価元素を含有するＡｌＮ膜である第１膜１４ａを成膜する。続いて、基板１０をチャンバーから取り出すことなく、ＡｒとＮ_２の混合ガス雰囲気下でＡｌターゲットをスパッタして、第１膜１４ａ上に、アンドープＡｌＮ膜である第２膜１４ｂを成膜する。これにより、第１膜１４ａと、第１膜１４ａの上面及び下面に設けられた第２膜１４ｂと、を有する圧電膜１４が形成される。なお、第１膜１４ａと第２膜１４ｂとの界面近傍では、２価元素と４価元素の濃度に濃度勾配を有していてもよい。

このように、第１膜１４ａと第２膜１４ｂとの成膜は、同一チャンバー内で連続して行うことが好ましい。第１膜１４ａと第２膜１４ｂとの界面に酸化膜等の不要な膜が形成されることを抑制できるためである。同一チャンバー内で連続して成膜をする場合、Ａｌターゲットの放電を常時行い、２価元素ターゲット及び４価元素ターゲットへの印加電力の調整、又は、２価元素ターゲット及び４価元素ターゲットのシャッターの開閉によって、第１膜１４ａと第２膜１４ｂとを連続して成膜してもよい。また、装置の事情等により、第１膜１４ａと第２膜１４ｂとを別々の装置で成膜する場合でもよい。この場合、大気に晒された面には酸化膜等が形成されるため、成膜の前に逆スパッタを行って酸化膜等を除去することが好ましい。また、第１膜１４ａの成膜において、Ａｌターゲットと２価元素ターゲットと４価元素ターゲットとを用いているが、Ａｌに２価元素と４価元素を含有させたＡｌ合金ターゲットを用いてもよい。

図２（ｃ）及び図２（ｇ）のように、例えばＡｒガス雰囲気下でスパッタを行い、圧電膜１４上に、金属膜を成膜する。この金属膜も、前述のように、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、及びＩｒのうちの少なくとも１つから選択される。その後、例えばフォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて、前記金属膜を所望の形状にして上部電極１６を形成する。続いて、例えばフォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて、圧電膜１４も所望の形状にする。さらに、下部電極１２と犠牲層２８とを選択的にエッチングして孔２４を形成する。

図２（ｄ）及び図２（ｆ）のように、孔２４からエッチャントを導入して犠牲層２８をエッチングする。ここで、下部電極１２、圧電膜１４、及び上部電極１６の積層膜の応力を予め圧縮応力になるようにしておく。これにより、犠牲層２８のエッチングが完了した時点で、積層膜は膨れ上がり、基板１０と下部電極１２との間に、ドーム形状の膨らみをした空隙２０が形成される。また、空隙２０と孔２４とを連結する導入路２２も形成される。このような製造工程を経て、実施例１のＦＢＡＲが形成される。

ここで、ＦＢＡＲの圧電膜に、２価元素と４価元素を含有するＡｌＮ膜を用いることが好ましい理由を説明する。図３は、シミュレーションに用いたアンドープＡｌＮの構造を示す図である。シミュレーションは、第１原理計算と呼ばれる手法を用いて行った。第１原理計算とは、フィッティングパラメータ等を使用しない電子状態計算方法の総称であり、単位格子又は分子等を構成する各原子の原子番号と座標だけで、電子状態計算が可能な手法である。図３のように、シミュレーションに用いたアンドープＡｌＮは、１６個のアルミニウム原子３０と１６個の窒素原子３２とを有する。即ち、２個のアルミニウム原子３０と２個の窒素原子３２とからなる単位格子を、ａ軸、ｂ軸、及びｃ軸方向に２倍した１６個のアルミニウム原子３０と１６個の窒素原子３２とからなるスーパーセルのウルツ鉱型結晶構造をしている。このウルツ鉱型結晶構造のアンドープＡｌＮに対して、原子座標、セル体積、及びセル形状の全てを同時に動かして第１原理計算を行い、安定構造のアンドープＡｌＮの電子状態を計算した。そして、安定構造のアンドープＡｌＮの結晶格子に微小な歪みを強制的に加え、その際の全エネルギーの微小変化から、アンドープＡｌＮの圧電定数、弾性定数、及び誘電率等の材料定数を、第１原理計算を用いて計算した。

また、図３のアルミニウム原子３０の１個を２価元素で置換し、別の１個のアルミニウム原子３０を４価元素で置換した結晶構造のドープＡｌＮに対しても、アンドープＡｌＮと同様に、第１原理計算による計算をした。つまり、アルミニウム原子１４個、２価元素１個、４価元素１個、及び窒素原子１６個からなるウルツ鉱型結晶構造のドープＡｌＮの圧電定数、弾性定数、及び誘電率等の材料定数を、第１原理計算を用いて計算した。ここで、アルミニウムの原子数と添加元素の原子数との総量を１００原子％とした場合の、添加元素の原子濃度を置換濃度と称すこととする。したがって、シミュレーションに用いたドープＡｌＮの２価元素と４価元素の置換濃度は共に６．２５原子％である。シミュレーションでは、２価元素としてカルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、又は亜鉛（Ｚｎ）を用い、４価元素としてチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、又はハフニウム（Ｈｆ）を用いた。なお、２価元素と４価元素を同じ比率で添加しているのは、２価元素と４価元素は共に３価のアルミニウムサイトに置換することから、絶縁性の確保を目的としたものである。

ここで、ｃ軸方向の圧電定数ｅ_３３、弾性定数Ｃ_３３、及び誘電率ε_３３と電気機械結合係数ｋ^２との間には、下記数１の関係式が成り立つ。

したがって、アンドープＡｌＮ及びドープＡｌＮの圧電定数、弾性定数、及び誘電率を第１原理計算で計算することで、それぞれの電気機械結合係数を算出することができる。

表１に、アンドープＡｌＮ及びドープＡｌＮの圧電定数ｅ_３３の計算値と数１から算出した電気機械結合係数ｋ^２の値とを示す。表１のように、２価元素と４価元素を含有するＡｌＮ（ケース１からケース１０）は、アンドープＡｌＮ（表１のアンドープＡｌＮ）に比べて、圧電定数ｅ_３３と電気機械結合係数ｋ^２が大きくなる結果が得られた。なお、２価元素と４価元素は、表１の場合に限らず、その他の元素を用いてもよい。

次に、２価元素と４価元素を含有するＡｌＮの電気機械結合係数の置換濃度依存性について説明する。電気機械結合係数の置換濃度依存性は、図３のウルツ鉱型結晶構造のスーパーセルの大きさ及び２価元素と４価元素で置換するアルミニウム原子の数を変えた複数のドープＡｌＮそれぞれに第１原理計算を行うことで評価した。なお、２価元素としてＭｇを、４価元素としてＨｆ又はＴｉを用い、２価元素と４価元素の置換濃度の比率は同じにした。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、２価元素と４価元素の合計置換濃度に対するＡｌＮの電気機械結合係数ｋ^２を示す図である。図４（ａ）は、２価元素にＭｇを、４価元素にＨｆを用いた場合のシミュレーション結果であり、図４（ｂ）は、２価元素にＭｇを、４価元素にＴｉを用いた場合のシミュレーション結果である。図４（ａ）及び図４（ｂ）のように、ＡｌＮに、ＭｇとＨｆを添加した場合であっても、ＭｇとＴｉを添加した場合であっても、置換濃度が高くなるに従い、電気機械結合係数ｋ^２が大きくなることが分かる。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）では、２価元素にＭｇを、４価元素にＨｆ又はＴｉを用いた場合を説明したが、その他の２価元素と４価元素を用いた場合でも同様の傾向を示す。

次に、２価元素と４価元素を含有するＡｌＮ膜を圧電膜に用いた比較例１に係るＦＢＡＲの実効的電気機械結合係数を調べたシミュレーションについて説明する。図５は、比較例１に係るＦＢＡＲの断面図である。図５のように、比較例１のＦＢＡＲは、基板５０上に、下部電極５２、圧電膜５４、及び上部電極５６がこの順に積層されている。下部電極５２は、基板５０側から膜厚１００ｎｍのＣｒと膜厚２２５ｎｍのＲｕとの積層金属膜とした。圧電膜５４は、２価元素と４価元素を含有する膜厚１０００ｎｍのＡｌＮ膜の単層とした。２価元素にはＣａ、Ｍｇ、Ｓｒ、又はＺｎを用い、４価元素にはＴｉ、Ｚｒ、又はＨｆを用い、２価元素と４価元素の置換濃度は共に６．２５原子％とした。なお、圧電膜５４の圧電定数、弾性定数、及び誘電率等の材料定数の値は第１原理計算で求めた値を用いた。上部電極５６は、基板５０側から膜厚２２５ｎｍのＲｕと膜厚３０ｎｍのＣｒとの積層金属膜とした。上部電極５６上には、膜厚５０ｎｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜６２が設けられている。圧電膜５４を挟んで下部電極５２と上部電極５６とが対向する領域の共振部５８において、基板５０と下部電極５２との間に、ドーム形状の膨らみを有する空隙６０が設けられている。

また、圧電膜５４に膜厚１１５０ｎｍのアンドープＡｌＮ膜を用い、他の構成については比較例１のＦＢＡＲと同じとした比較例２に係るＦＢＡＲについても、実効的電気機械結合係数を調べた。

表２に、比較例１及び比較例２のＦＢＡＲの実効的電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆ ^２のシミュレーション結果を示す。表２のように、２価元素と４価元素を含有するＡｌＮ膜を圧電膜５４に用いた比較例１のＦＢＡＲ（ケース１からケース１０）は、アンドープＡｌＮ膜を圧電膜５４に用いた比較例２のＦＢＡＲ（表２のアンドープＡｌＮ膜）に比べて、実効的電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆ ^２が大きくなる結果が得られた。なお、２価元素と４価元素は、表２の場合に限らず、その他の元素を用いてもよい。

以上のことから、電気機械結合係数の大きなＦＢＡＲを得るために、ＦＢＡＲの圧電膜に、２価元素と４価元素を含有するＡｌＮ膜を用いることが好ましいことが分かる。また、図４（ａ）及び図４（ｂ）から、より大きな電気機械結合係数を得るには、２価元素と４価元素の濃度を高くすることが好ましいことが分かる。

しかしながら、比較例１のＦＢＡＲでは、大きな電気機械結合係数が得られるとの利点だけでなく、欠点も生じてしまう。この欠点について以下に説明する。比較例１のＦＢＡＲでは、圧電膜５４は２価元素と４価元素を含有するＡｌＮ膜の単層であるため、大きな電気機械結合係数を得るために２価元素と４価元素の濃度を高めると、圧電膜５４全体の添加濃度が高くなる。下部電極５２の上面に圧電膜５４を形成するプロセスにおいて、添加元素の濃度が高いほど、ｃ軸配向性の良好な圧電膜５４を得ることが難しい。このため、ＦＢＡＲの結合係数の劣化が生じてしまう。

また、ＡｌＮ膜に元素を添加すると、膜応力が変化する。膜応力の変化について、ＡｌＮ膜にＭｇとＺｒを添加させた場合を例に説明する。膜応力の変化を調べるにあたり、まず、ＭｇとＺｒを含有するＡｌＮ膜をスパッタ法を用いて作製した。具体的には、ＡｒとＮ_２の混合ガス雰囲気下でＡｌターゲット、Ａｌ−Ｍｇ合金ターゲット、Ｚｒターゲットを別々に同時に放電し、各々のターゲットに印加する電力を変えることで、ＭｇとＺｒの濃度を異ならせた複数のＡｌＮ膜を基板上に作製した。そして、作製したＡｌＮ膜の膜応力を測定した。膜応力の測定は、薄膜ストレス評価装置で行い、成膜前後の基板の反り量から膜応力を評価した。

図６は、ＭｇとＺｒの合計置換濃度に対するＡｌＮ膜の膜応力を示す図である。図６の縦軸は膜応力を負の値で示しており、負の値は圧縮応力であることを意味している。図６のように、ＭｇとＺｒの合計置換濃度が少なくとも３原子％以上且つ３０原子％以下の範囲において、ＭｇとＺｒが添加されたＡｌＮ膜は、ＭｇとＺｒの合計置換濃度が増えるに従い、圧縮応力の大きさ（絶対値）がほぼ線形に増加することが確認された。このことから、ＭｇとＺｒが添加されたＡｌＮ膜は、アンドープＡｌＮ膜よりも圧縮応力が大きくなり、ＭｇとＺｒの合計置換濃度が増えるに従い圧縮応力が増加することが分かる。

このように、ＭｇとＺｒをＡｌＮ膜に添加することで圧縮応力が増加するのは以下の理由によるものと考えられる。即ち、ＭｇとＺｒはＡｌＮのアルミニウムサイトに置換される。結晶の幾何学的構造の議論において用いられるシャノンのイオン半径を考えると、ウルツ鉱型結晶構造のＡｌＮにおけるアルミニウムサイトの配位数は４であり、Ｍｇ^２＋、Ｚｒ^４＋、Ａｌ^３＋の配位数４の場合のイオン半径は、それぞれ０．５７ｎｍ、０．５９ｎｍ、０．３９ｎｍである。アルミニウムサイトにＡｌよりもイオン半径の大きいＭｇやＺｒが置換されることで結晶格子が膨張し、圧縮応力が大きくなるものと考えられる。なお、ＭｇとＺｒをＡｌＮ膜に添加した場合に限らず、その他の元素をＡｌＮ膜に添加した場合でも同様に、添加元素の濃度によって膜応力が変化する。

表３に、図６の各プロットにおけるＭｇとＺｒの置換濃度及び膜応力の測定値を示す。表３のように、ＭｇとＺｒの置換濃度の比が１：１近傍の場合に限らず、１：１からずれた場合でも、ＭｇとＺｒが添加されたＡｌＮ膜は、ＭｇとＺｒの合計置換濃度が増えるに従い圧縮応力が増加することが分かる。

このように、圧電膜５４に添加元素を含有するＡｌＮ膜を用いた場合、添加元素の濃度に応じて膜応力が変化する。圧電膜５４の膜応力が大き過ぎると、共振部５８が壊れてしまう。一方、圧電膜５４の膜応力が小さ過ぎると、ドーム形状の膨らみを有する空隙６０が形成され難くなり、ＦＢＡＲの特性が得られない。

さらに、圧電膜５４の添加元素の濃度が高くなるほど、圧電膜５４と下部電極５２及び上部電極５６との密着性が悪くなる。これにより、弾性波エネルギーの損失等が発生し、Ｑ値や結合係数といった特性の劣化が生じてしまう。

以上のことから、比較例１のように、圧電膜５４が２価元素と４価元素を含有するＡｌＮ膜の単層である場合、圧電膜５４の配向性及び膜応力、並びに圧電膜５４と下部電極５２及び上部電極５６との密着性の要因により、Ｑ値や結合係数といった特性の劣化が生じてしまう。

一方、実施例１によれば、図１（ａ）から図１（ｃ）のように、下部電極１２と上部電極１６とに挟まれた圧電膜１４は、添加元素を含有するＡｌＮ膜からなる第１膜１４ａと、第１膜１４ａの上面及び下面に設けられ、第１膜１４ａよりも添加元素の濃度が低い第２膜１４ｂと、を有する。大きな電気機械結合係数を得るために第１膜１４ａの添加元素の濃度を高くした場合であっても、下部電極１２の上面には第１膜１４ａよりも添加元素の濃度が低い第２膜１４ｂが形成される。このため、第１膜１４ａを下部電極１２の上面に直接形成する場合に比べて、圧電膜１４のｃ軸配向性を改善することができる。また、添加物を含有するＡｌＮ膜の膜応力をガス圧等の成膜条件で調整することは難しい。しかしながら、実施例１では、圧電膜１４は添加元素の濃度が異なる第１膜１４ａと第２膜１４ｂとを有するため、それぞれの添加元素の濃度等を調整することで、大きな電気機械結合係数を得つつ、膜応力を適切な大きさにすることができる。さらに、下部電極１２の上面及び上部電極１６の下面には、第１膜１４ａよりも添加元素の濃度が低い第２膜１４ｂが設けられるため、圧電膜１４と下部電極１２及び上部電極１６との密着性を向上させることができる。以上のことから、実施例１によれば、ＦＢＡＲのＱ値や結合係数といった特性の劣化を抑制することができる。

また、第１膜１４ａと第２膜１４ｂとは共にＡｌＮを主成分とする膜である。異なる圧電材料の積層膜の場合には、結晶構造的に不整合な界面が形成されてしまい、弾性波の散乱が起きて、特性が劣化してしまう。しかしながら、実施例１のように、第１膜１４ａと第２膜１４ｂとが共にＡｌＮを主成分とする膜であることで、界面での弾性波の散乱を起き難くでき、Ｑ値や結合係数といった特性の劣化を抑制することができる。

大きな電気機械結合係数を得る観点から、添加元素の濃度が高い第１膜１４ａの厚さは第２膜１４ｂよりも厚い場合が好ましい。例えば、２ＧＨｚ帯のＦＢＡＲを得るには、圧電膜１４の厚さを１０００ｎｍ程度とすればよいことから、第１膜１４ａの厚さを４００ｎｍ、第２膜１４ｂの厚さを３００ｎｍとすることができる。即ち、圧電膜１４は、厚さ３００ｎｍの第２膜１４ｂ、厚さ４００ｎｍの第１膜１４ａ、及び厚さ３００ｎｍの第２膜１４ｂの積層膜とすることができる。また、第１膜１４ａと第２膜１４ｂの膜厚比を変えることで、電気機械結合係数の調整を行うことができる。

実施例１のように、大きな電気機械結合係数を得るために、圧電膜１４に２価元素と４価元素を含有するＡｌＮ膜を用いることが好ましい。この場合、２価元素と４価元素は、表１及び表２の場合に限らず、その他の元素を用いてもよい。また、表１及び表２に記載の元素を用いる場合であっても、圧電膜１４は、２価元素としてＣａ、Ｍｇ、Ｓｒ、及びＺｎを複数種含有し、４価元素としてＴｉ、Ｚｒ、及びＨｆを複数種含有する場合でもよい。即ち、圧電膜１４は、２価元素としてＣａ、Ｍｇ、Ｓｒ、及びＺｎのうちの少なくとも１つを含有し、４価元素としてＴｉ、Ｚｒ、及びＨｆのうちの少なくとも１つを含有する場合でもよい。

ここで、２価元素と４価元素を含有するＡｌＮ膜を作製し、このＡｌＮ膜の圧電定数を測定した実験について説明する。２価元素と４価元素を含有するＡｌＮ膜は、抵抗率０．００２Ω以下の低抵抗シリコン基板上に、図６の膜応力の測定において説明した方法と同じ方法を用いて作製した。したがって、低抵抗シリコン基板上に、ＭｇとＺｒの濃度が異なる複数のＡｌＮ膜を作製した。その後、それぞれのＡｌＮ膜上に、直径３ｍｍ、膜厚１００ｎｍの白金電極をスパッタリング法を用いて形成した。白金電極を形成した後、これら複数のＡｌＮ膜の圧電定数を測定した。圧電定数の測定は、ピエゾメーターを用い、荷重０．２５Ｎ、周波数１１０Ｈｚの条件で行った。

図７は、ＭｇとＺｒの合計置換濃度に対するＡｌＮ膜の圧電定数の増加率を示す図である。図７の縦軸は、圧電定数の増加率を百分率で示しており、アンドープＡｌＮ膜の圧電定数を１００％として表している。図７のように、ＭｇとＺｒの合計置換濃度が少なくとも３原子％以上且つ３０原子％以下の範囲において、ＭｇとＺｒを含有するＡｌＮ膜の圧電定数がアンドープＡｌＮ膜よりも高くなることが確認された。また、ＭｇとＺｒの合計置換濃度が少なくとも３原子％以上且つ３０原子％以下の範囲において、ＡｌＮ膜の圧電定数は、ＭｇとＺｒの合計置換濃度に対してほぼ線形に増加することが確認された。

表４に、図７の各プロットにおけるＭｇとＺｒの置換濃度及び圧電定数の測定値を示す。表４のように、ＭｇとＺｒの置換濃度の比が１：１近傍の場合に限らず、１：１からずれた場合でも、ＭｇとＺｒが添加されたＡｌＮ膜は、アンドープＡｌＮ膜よりも圧電定数が高くなることが分かる。

次に、２価元素としてＭｇ又はＺｎを、４価元素としてＨｆ、Ｔｉ、及びＺｒのいずれかを含有するＡｌＮの圧電定数の置換濃度依存性について説明する。圧電定数の置換濃度依存性は、第１原理計算によって評価した。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は、２価元素と４価元素の合計置換濃度に対するＡｌＮの圧電定数の増加率を示す図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）の縦軸は、圧電定数の増加率を百分率で示しており、アンドープＡｌＮの圧電定数を１００％として表している。図８（ａ）は、２価元素としてＭｇを、４価元素としてＨｆ、Ｔｉ、及びＺｒのいずれかを添加した場合を示し、図８（ｂ）は、２価元素としてＺｎを、４価元素としてＨｆ、Ｔｉ、及びＺｒのいずれかを添加した場合を示している。図８（ａ）及び図８（ｂ）のように、２価元素としてＭｇ又はＺｎを、４価元素としてＨｆ、Ｔｉ、及びＺｒのいずれかを添加した全ての場合において、置換濃度に対して圧電定数が単調に増加している。この結果から、図７では、２価元素にＭｇを、４価元素にＺｒを用いた場合の測定結果を示したが、その他の２価元素と４価元素を用いた場合でも同様の傾向を示すと考えられる。

図７から図８（ｂ）の結果から、圧電膜１４の２価元素と４価元素の合計置換濃度は３原子％以上且つ３０原子％以下とすることが好ましい。これにより、圧電膜１４の圧電定数を大きくすることができ、ＦＢＡＲの電気機械結合係数を大きくすることができる。ＦＢＡＲの電気機械結合係数をより大きくする観点から、２価元素と４価元素の合計置換濃度は５原子％以上且つ３０原子％以下の場合がより好ましく、１０原子％以上且つ３０原子％以下の場合がさらに好ましい。ここで、圧電膜１４の第２膜１４ｂは、配向性の劣化等による結合係数の劣化を抑制するために添加元素の濃度は低く抑えたい。このことから、ＦＢＡＲの電気機械結合係数を大きくするには、圧電膜１４の第１膜１４ａの２価元素と４価元素の合計置換濃度が３原子％以上且つ３０原子％以下の場合が好ましく、５原子％以上且つ３０原子％以下の場合がより好ましく、１０原子％以上且つ３０原子％以下の場合がさらに好ましい。

圧電膜１４の配向性の劣化等によるＦＢＡＲの特性劣化を抑制する観点から、第２膜１４ｂは、添加元素の置換濃度が３原子％より小さい場合が好ましく、アンドープＡｌＮ膜である場合がより好ましい。第２膜１４ｂがアンドープＡｌＮ膜である場合、下部電極１２上にｃ軸配向性の良好なアンドープＡｌＮ膜を形成することは容易であることから、ｃ軸配向性が良好な圧電膜１４を得ることができるためである。また、アンドープＡｌＮ膜の膜応力を引張応力とすることができるため、第１膜１４ａの添加元素の濃度が高く圧縮応力が大きくなった場合でも、圧電膜１４全体の膜応力を低減させて、適切な大きさにすることが容易にできるためである。さらに、電極とアンドープＡｌＮ膜との密着性は良好であるため、圧電膜１４と下部電極１２及び上部電極１６との間で良好な密着性を得ることができるためである。

圧電膜１４のＡｌＮ膜に添加される元素は、２価元素と４価元素の場合に限らず、その他の元素の場合でもよい。例えば、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）等の３価元素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又は２価元素と５価元素の場合でもよい。これらの場合でも、ＦＢＡＲの電気機械結合係数を大きくできる等の効果が得られる。

ここで、２価元素と５価元素を含有するＡｌＮの圧電定数と電気機械結合係数とを求めたシミュレーションについて説明する。シミュレーションは、図３のアルミニウム原子３０の２個を２価元素で置換し、別の１個のアルミニウム原子３０を５価元素で置換した結晶構造のドープＡｌＮに対して第１原理計算を用いて行った。つまり、アルミニウム原子１３個、２価元素２個、５価元素１個、及び窒素原子１６個からなるウルツ鉱型結晶構造のドープＡｌＮに対して第１原理計算を用いて行った。したがって、シミュレーションに用いたドープＡｌＮの２価元素の置換濃度は１２．５原子％であり、５価元素の置換濃度は６．２５原子％である。２価元素としてＭｇ又はＺｎを用い、５価元素としてタンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、又はバナジウム（Ｖ）を用いた。なお、２価元素と５価元素を２：１の比率で添加しているのは、２価元素と５価元素は共に３価のアルミニウムサイトに置換することから、絶縁性の確保を目的としたものである。

表５に、アンドープＡｌＮ及びドープＡｌＮの圧電定数ｅ_３３の第１原理計算による計算値と数１から算出した電気機械結合係数ｋ^２の値とを示す。表５のように、２価元素と５価元素を含有するＡｌＮ（ケース１からケース６）は、アンドープＡｌＮ（表５のアンドープＡｌＮ）に比べて、圧電定数ｅ_３３と電気機械結合係数ｋ^２が大きくなる結果が得られた。なお、２価元素と５価元素は、表３の場合に限らず、その他の元素を用いてもよい。

次に、２価元素と５価元素を含有するＡｌＮの電気機械結合係数の置換濃度依存性について説明する。電気機械結合係数の置換濃度依存性は、図４（ａ）及び図４（ｂ）と同様な方法で評価した。なお、２価元素としてＭｇを、５価元素としてＴａを用い、２価元素と５価元素の置換濃度の比率は２：１にした。

図９は、２価元素と５価元素の合計置換濃度に対するＡｌＮの電気機械結合係数ｋ^２を示す図である。図９のように、２価元素のＭｇと５価元素のＴａを含有するＡｌＮの場合でも、図４（ａ）及び図４（ｂ）の２価元素と４価元素を含有するＡｌＮの場合と同様に、置換濃度が高くなるに従い、電気機械結合係数ｋ^２が大きくなることが分かる。なお、図９では、２価元素にＭｇを、５価元素にＴａを用いた場合を説明したが、その他の２価元素と５価元素を用いた場合でも同様の傾向を示す。

次に、２価元素と５価元素を含有するＡｌＮ膜を圧電膜に用いた比較例３に係るＦＢＡＲの実効的電気機械結合係数を調べたシミュレーションについて説明する。比較例３のＦＢＡＲは、図５の圧電膜５４に２価元素と５価元素を含有する膜厚８５０ｎｍのＡｌＮ膜を用いた点以外は比較例１と同じ構成をしている。圧電膜５４の圧電定数、弾性定数、及び誘電率等の材料定数の値は、比較例１と同様に、第１原理計算で求めた値を用いた。また、２価元素の置換濃度は１２．５原子％とし、５価元素の置換濃度は６．２５原子％とした。

表６に、比較例３のＦＢＡＲの実効的電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆ ^２のシミュレーション結果を示す。また、比較のために、上述した比較例２のＦＢＡＲの実効的電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆ ^２のシミュレーション結果も示す。表６のように、２価元素と５価元素を含有するＡｌＮ膜を圧電膜５４に用いた比較例３のＦＢＡＲ（ケース１からケース６）は、アンドープＡｌＮ膜を圧電膜５４に用いた比較例２のＦＢＡＲ（表６のアンドープＡｌＮ膜）に比べて、実効的電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆ ^２が大きくなる結果が得られた。なお、２価元素と５価元素は、表４の場合に限らず、その他の元素を用いてもよい。

以上のことから、圧電膜１４のＡｌＮ膜に２価元素と５価元素を添加した場合でも、電気機械結合係数の大きなＦＢＡＲを得ることができる。２価元素と５価元素の濃度を高くすることで、電気機械結合係数をより大きくすることができる。２価元素と５価元素は、表５及び表６の場合に限らず、その他の元素を用いてもよい。また、表５及び表６に記載の元素を用いる場合であっても、圧電膜１４は、２価元素としてＭｇ及びＺｎの両方を含有し、５価元素としてＴａ、Ｎｂ、及びＶを複数種含有する場合でもよい。即ち、圧電膜１４は、２価元素としてＭｇ及びＺｎの少なくとも一方を含有し、５価元素としてＴａ、Ｎｂ、及びＶのうちの少なくとも１つを含有する場合でもよい。

実施例１のＦＢＡＲ１００において、温度補償膜を備える場合でもよい。図１０は、温度補償膜を備えたＦＢＡＲの断面を示している。図１０のように、圧電膜１４の間に温度補償膜４０が挿入されている。温度補償膜４０は、圧電膜１４に接して設けられている。温度補償膜４０は、弾性定数の温度係数が圧電膜１４とは逆符号となる材料で形成されている。例えば、圧電膜１４の弾性定数の温度係数が負である場合、弾性定数の温度係数が正である温度補償膜４０が用いられる。このような温度補償膜４０を備えることで、ＦＢＡＲの温度特性を改善することができる。温度補償膜４０の一例として、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜が挙げられる。ＳｉＯ_２膜以外にも酸化シリコンを主成分とする膜を用いることができ、例えばフッ素（Ｆ）等の元素が添加された酸化シリコン膜を用いることができる。ここで、主成分とは、温度補償膜４０の弾性定数の温度係数が、圧電膜１４の弾性定数の温度係数に対して逆符号となる程度に元素を含むことをいう。

図１０では、温度補償膜４０は、圧電膜１４の間に挿入されているが、圧電膜１４に接していればその他の場所に設けられていてもよい。例えば、下部電極１２と圧電膜１４との間に設けられていてもよいし、圧電膜１４と上部電極１６との間に設けられていてもよい。

実施例１では、図１（ｂ）のように、空隙２０が、基板１０と下部電極１２との間のドーム形状の膨らみから形成される例を示したが、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示す形態を用いることもできる。図１１（ａ）は、第１変形例に係るＦＢＡＲの断面を示し、図１１（ｂ）は第２変形例に係るＦＢＡＲの断面を示している。図１１（ａ）のように、第１変形例のＦＢＡＲにあっては、空隙２０ａが、共振部１８における下部電極１２下の基板１０の一部を除去して設けられている。図１１（ｂ）のように、第２変形例のＦＢＡＲにあっては、空隙２０ｂが、共振部１８における下部電極１２下の基板１０を貫通して設けられている。

また、圧電薄膜共振子は、ＦＢＡＲの場合に限らず、ＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）の場合でもよい。図１２は、ＳＭＲの断面を示している。図１２のように、ＳＭＲにあっては、下部電極１２下に、空隙の代わりに、音響インピーダンスの高い膜と低い膜とをλ／４（λは弾性波の波長）の膜厚で交互に積層した音響反射膜４２が設けられている。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０基板
１２下部電極
１４圧電膜
１４ａ第１膜
１４ｂ第２膜
１６上部電極
１８共振部
２０、２０ａ、２０ｂ空隙
２２導入路
２４孔
２６開口
２８犠牲層
３０アルミニウム原子
３２窒素原子
４０温度補償膜
４２音響反射膜

Claims

基板と、
前記基板上に設けられ、添加元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる第１膜と、前記第１膜の上面及び下面に設けられ、前記第１膜よりも前記添加元素の濃度が低い窒化アルミニウム膜からなる第２膜と、を有する圧電膜と、
前記圧電膜を挟んで設けられた下部電極及び上部電極と、
を備えることを特徴とする圧電薄膜共振子。
前記添加元素は、２価元素と４価元素、又は、２価元素と５価元素であることを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振子。
前記添加元素は２価元素と４価元素であり、前記２価元素は、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム、及び亜鉛のうちの少なくとも１つを含み、前記４価元素は、チタン、ジルコニウム、及びハフニウムのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２記載の圧電薄膜共振子。
前記添加元素は２価元素と４価元素であり、前記第１膜における前記添加元素と前記窒化アルミニウム膜のアルミニウム原子数との総量を１００原子％とした場合に、前記第１膜に含有される前記添加元素の濃度は３原子％以上且つ３０原子％以下であることを特徴とする請求項２または３記載の圧電薄膜共振子。
前記添加元素は２価元素と５価元素であり、前記２価元素は、マグネシウム及び亜鉛の少なくとも一方を含み、前記５価元素は、タンタル、ニオブ、及びバナジウムのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２記載の圧電薄膜共振子。
前記第２膜は、添加元素を含有しない窒化アルミニウム膜からなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の圧電薄膜共振子。