JP2018125792A

JP2018125792A - バルク弾性波共振器の製造方法

Info

Publication number: JP2018125792A
Application number: JP2017018413A
Authority: JP
Inventors: 王義山崎; Kimiyoshi Yamazaki; 博行口地; Hiroyuki Kouchi; 尚己桝本; Naomi Masumoto
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2018-08-09

Abstract

【課題】高品質の圧電膜を形成することができるバルク弾性波共振器の製造方法を提供する。【解決手段】支持基板１を用意し、平坦な基板上に下部電極膜４と圧電膜５とを連続して形成し、特性に優れた圧電膜５を成長させる。下部電極膜４と圧電膜５の積層膜を所望の形状にパターニングした後、積層膜の周囲に絶縁膜１１を形成して平坦化する。その後、上部電極膜６を形成し、パターニングする。【選択図】図５

Description

本発明は、バルク弾性波共振器の製造方法に関するものである。

近年、スマートフォンの世界的な普及や、ウェアラブルやＩｏＴ（Internet of Things）と通称されるマイクロ波を用いた無線通信サービスの留まることのない旺盛な需要の拡大に伴い、限られた資源である電波（マイクロ波）を有効に利用するため、空間にあふれるマイクロ波の中から必要な周波数の電波を選択的に抽出することが求められている。例えば、現在、２．５ＧＨｚ帯以下の周波数帯だけでなく３ＧＨｚ以上の高周波帯を利用するサービスに拡大しており、所定の周波数帯域の電波を選択的に抽出するため高周波フィルタが使用されている。この種の高周波フィルタでは、温度ドリフトがなく、急峻なスカート特性を有する等、高性能化が要求されている。

また、世界各地で使用されている周波数帯域に対応できるようにするため、１台のスマートフォンに１０個を超える高周波フィルタが搭載されるようになり、小型でフィルタ特性に優れていることから、高周波フィルタとして、ＳＡＷ（表面弾性波）共振器が多用されている。

一方、ＳＡＷ共振器では３ＧＨｚ以上の高周波帯域や広い通過帯域で使用するには限界があり、高性能を要求されるフィルタにはバルク弾性波（ＢＡＷ）共振器が使われるようになってきている。今後、３ＧＨｚ帯以上の高周波帯でも、使用される周波数帯域が込み合ってくるとの予測を踏まえると、バルク弾性波共振器の需要はさらに拡大することが期待される。

現在、圧電膜を上部電極膜と下部電極膜で挟んだ構造のバルク弾性波共振器として、下部電極膜の下部に空気層（キャビティ部）を設けて音響反応器とする薄膜バルク弾性波共振器（FBAR：Film Bulk Acoustic Resonator）と、下部電極膜の下部に音響インピーダンスの異なる２種類の薄膜を多層に積層して構成する音響反応器を備える音響ミラー型バルク弾性波共振器（SMR:Solidly Mounted Resonator）が知られている。これらのバルク弾性波共振器は、下部電極膜の直下に形成される音響反応器の構造が異なるものの、下部電極膜を含む上部の構造は同一で、いずれも下部電極膜上に圧電膜が積層し、この圧電膜上に上部電極膜が積層している。

このようなバルク弾性波共振器をラダー状に複数個接続することで所望のマイクロ波フィルタを構成することができる。ところで、バルク弾性波共振器の共振周波数の高周波化に伴い、インピーダンス整合の観点から小型化されるとともに、圧電膜の特性（例えば、圧電結合係数、Ｑ値等）に対する要求が厳しくなってきている。また、製造コストを低減するためにも小型化が望まれている。

従来のバルク弾性波共振器の製造方法について、キャビティ部を備えた薄膜バルク弾性波共振器を例にとり説明する。まず、支持基板となるシリコン基板１を用意し、シリコン基板１表面の一部をエッチング除去して凹部２を形成する。その後、凹部２内に犠牲層３を充填する。例えば犠牲層３としてリン酸シリケートガラス（ＰＳＧ）を使用する場合には、凹部２内にＰＳＧを充填し、表面を平坦化した状態でエッチバックすることで、表面が平坦化された犠牲層３を形成できる。その後、シリコン基板１表面に下部電極膜４を積層し、所望のパターニングを行う（図８）。

その後、全面に圧電膜５を形成し、さらに圧電膜５上に上部電極膜６を積層し、上部電極膜６をパターニングする（図９）。

上部電極膜６、圧電膜５および下層電極膜４の一部を除去し、犠牲層３表面の一部を露出する開口部７を形成し、この開口部７を通してエッチング液を供給し犠牲層３を選択的に除去する。犠牲層３が除去された空間がキャビティ部８となり、薄膜バルク弾性波共振器が完成する（図１０）（特許文献１、２）。

以上のように従来の薄膜バルク弾性波共振器の製造方法では、下部電極膜４をパターニングした後、圧電膜５を形成するのが一般的である。図１１は下部電極膜４端部の断面図を示している。図１１に示すように、下部電極膜４端部には段差が生じることになる。

一方下部電極膜４上に形成する圧電膜は、良好な圧電特性を得るために結晶配向（ｃ軸）が表面に対して垂直方向に揃った柱状多結晶とする必要がある。そこで柱状多結晶が成長する条件で、段差のある下部電極膜４上に圧電膜５を積層形成すると、下部電極膜４の表面の内、シリコン基板１表面と平行な表面では、結晶配向がその表面に対して垂直方向に揃った柱状多結晶が形成される。しかしながら、下部電極膜４端部のシリコン基板１表面と垂直な表面（側面）では、下部電極膜４端部から斜めに結晶が成長してしまう。結晶配向が斜めとなって成長した圧電膜は、表面に垂直方法に成長した圧電膜と比較して、バルク弾性波共振器の特性を劣化させてしまう。また斜めに成長した圧電膜５は、シリコン基板１表面に形成される圧電膜５とは不連続となってしまう。

その後、不連続となった表面に上部電極膜６を形成しパターニングすると、図１１に示すように不連続部に深く入り込んだ上部電極膜の一部が残渣６ａとして残り、上部電極膜６と下部電極膜４の短絡や耐圧劣化を招いてしまう。

そこでこのような問題を解消するため、下部電極膜４をパターニングした後、圧電膜５の形成前に全面を絶縁膜１０で被覆し、化学機械研磨（ＣＭＰ）法により平坦化し、下部電極膜４の段差をなくす方法も提案されている(図１２)（特許文献２）。このように平坦化すると、平坦な表面に圧電膜５を形成することが可能となり、上記問題点は解消されるように思われる。

しかしながら、ＣＭＰ法により平坦化する方法では、下部電極膜４表面が研磨され、下部電極膜４表面が変質してしまう。その結果、変質した下部電極膜４上に形成される圧電膜５の特性が劣化してしまうという新たな問題が生じてしまう。

このような問題は、薄膜バルク弾性波共振器に限らず、音響ミラー型バルク弾性波共振器においても解決しなければならない問題である。

特許第３８７８０３２号公報特許第４０３７３６６号公報

以上説明したように従来提案されているバルク弾性波共振器の製造方法は、圧電膜を形成する際、下部電極膜の側面に異常な膜が成長したり、平坦化する場合でも下部電極膜表面が変質してしまい、均一で高品質の圧電膜を形成するのが難しかった。本発明はこれらの問題点を解消し、高品質の圧電膜を形成することができるバルク弾性波共振器の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、バルク弾性波共振器の製造方法において、支持基板を用意する工程と、平坦な前記基板上に下部電極膜と圧電膜とを連続して形成し、前記下部電極膜および前記圧電膜の積層膜をパターニングする工程と、該パターニングされた前記積層膜の周囲に絶縁膜を形成して平坦化する工程と、平坦化された前記積層膜および前記絶縁膜上に、前記上部電極膜を形成し、パターニングする工程と、を含むことを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載のバルク弾性波共振器の製造方法において、前記圧電膜を形成する工程は、結晶配向が表面に対して垂直方向に揃った柱状多結晶構造の圧電膜を形成する工程であることを特徴とする。

本発明によれば、下部電極膜と圧電膜を連続して積層形成することで、平坦な表面に均一で高品質な圧電膜を形成することができ、特性の優れたバルク弾性波共振器を形成することが可能となる。

また上部電極膜を形成する際、平坦化された表面に上部電極膜を形成することになるため、上部電極膜６と下部電極膜４の短絡や耐圧劣化の原因となる上部電極膜６の残渣６ａが発生することもなく、信頼性に優れ、歩留まり低下のないバルク弾性波共振器の製造方法となる。

特に本発明によれば、結晶配向が表面に対して垂直方向に揃った柱状多結晶構造の圧電膜を形成することができるため、優れた特性のバルク弾性波共振器を構成することができるという利点がある。

本発明のバルク弾性波共振器の製造方法を説明する図である。本発明のバルク弾性波共振器の製造方法を説明する図である。本発明のバルク弾性波共振器の製造方法を説明する図である。本発明のバルク弾性波共振器の製造方法を説明する図である。本発明のバルク弾性波共振器の製造方法を説明する図である。本発明のバルク弾性波共振器の製造方法を説明する図である。本発明のバルク弾性波共振器の製造方法を説明する図である。従来のバルク弾性波共振器の製造方法を説明する図である。従来のバルク弾性波共振器の製造方法を説明する図である。従来のバルク弾性波共振器に製造方法を説明する図である。従来のバルク弾性波共振器の製造方法の課題を説明する図である。従来のバルク弾性波共振器に製造方法を説明する図である。

本発明のバルク弾性波共振器の製造方法は、平坦で清浄な下部電極膜上に連続して圧電膜を積層形成する構成とすることで、均一で高品質な圧電膜を備えたバルク弾性波共振器を形成することが可能となる。また上部電極膜６は、平坦化した表面に形成するため、上部電極膜６の一部が残渣として残ることもない。以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。

本発明の実施例について、キャビティ部を備えた薄膜バルク弾性波共振器を例にとり説明する。まず支持基板となるシリコン基板１上のキャビティ部形成予定領域にシリコン窒化膜９を堆積させる。シリコン窒化膜９の厚さは１ミクロン程度とする。その後全面にシリコン酸化膜等の絶縁膜１０を形成し、エッチバックすることにより平坦化する。（図１）。この工程は、表面が平坦となることと、キャビティ部形成予定領域に犠牲層を形成し、後工程で犠牲層を除去することでキャビティ部を形成することができれば、別の材料を選択したり、その他の方法であっても良い。例えば、キャビティ部形成予定領域のシリコン基板１の表面を凹状に除去し、その凹部内に犠牲層を充填する方法であってもよい。

次に、バルク弾性波共振器を構成する多層膜を形成する。この多層膜は、キャビティ部形成予定領域となるシリコン窒化膜９上を覆い、絶縁膜１０に達するように形成する。例えば、モリブデン（Ｍｏ）からなる下部電極膜４、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる圧電膜５を積層形成する。ここで本発明では、下部電極膜４を形成した後、パターニングを行わずに、下部電極膜４形成後に連続して圧電膜５を形成する。具体的には、下部電極膜４と圧電膜５の形成は、共にスパッタリング法を利用し、下部電極膜４を形成した後、真空を破ることなく（大気中に取り出すことなく）、圧電膜５を形成する（図２）。

このように連続して形成すると、大気中に取り出すことで下部電極膜４表面に酸素が吸着しその酸素が圧電膜５中に放出されるようなことがなく、圧電膜の品質を損なわずに形成することができる。特に高周波領域で使用する場合、圧電膜５を薄膜化（例えば２ＧＨｚでは１μｍ程度）する必要があるため、その効果は大きい。

また、下部電極膜４には段部がないため、下部電極膜４上に形成される圧電膜５を、結晶配向（ｃ軸）が基板表面に対して垂直方向にそろった柱状多結晶とする場合、均一で高品質な膜となる。

その後、圧電膜５と下部電極膜４の積層膜を所望の形状にパターニングする（図３）。なお、下部電極膜４に接続する引き出し電極は図示を省略している。

次に、改めてシリコン酸化膜等からなる別の絶縁膜１１を全面に積層し、平坦化する。この平坦化は、エッチバック法の他、ＣＭＰ法により行うことができる。圧電膜５はすでに均一な柱状結晶で構成されているため、ＣＭＰ法による圧電膜５の特性劣化という問題は生じない。

その後、全面にモリブデンなどからなる上部電極膜６を、例えばスパッタリング法により形成し、所望の形状にパターニングする（図５）。上部電極膜６は平坦な表面でパターニングすることができ、残渣等の発生はない。なお、上部電極膜６に接続する引き出し電極は図示を省略している。

このように本発明によれば、下部電極膜４と上部電極膜６に挟まれた圧電膜５は、均質な柱状結晶となり、特性の優れたバルク弾性波共振器を形成することが可能となる。

以下通常の製造工程に従い、ドライエッチング法により上部電極膜６、圧電膜５および下部電極膜４の一部をエッチング除去し、シリコン窒化膜９表面の一部を露出する開口部１２を形成する（図６）。開口部１２の数や配置位置は適宜設定すればよい。

その後、フッ素系のガスを用いた等方的なドライエッチング法であるプラズマエッチング法により、開口部１２を介してシリコン窒化膜９を選択的にエッチング除去する。その結果、キャビティ部１３が形成され、バルク弾性波共振器が完成する（図７）。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。具体的には、圧電膜として窒化アルミニウムに限定されるものでなく、窒化スカンジウムアルミニウム（Ａｌ_1-xＳｃ_xＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）も利用することが可能である。また、上部電極膜あるいは下部電極膜は、モリブデン（Ｍｏ）の代わりに、プラチナ（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の金属薄膜で形成することができる。

また、キャビティ型バルク弾性波共振器に限らず、多層薄膜ミラー型バルク弾性波共振器に適用することも可能である。

１：シリコン基板、２：凹部、３：犠牲層、４：下部電極膜、５：圧電膜、６：上部電極膜、６ａ：残渣、７：開口部、１０、１１：絶縁膜、９：シリコン窒化膜、１２：開口部、８、１３：キャビティ部

Claims

バルク弾性波共振器の製造方法において、
支持基板を用意する工程と、
平坦な前記基板上に下部電極膜と圧電膜とを連続して形成し、前記下部電極膜および前記圧電膜の積層膜をパターニングする工程と、
該パターニングされた前記積層膜の周囲に絶縁膜を形成して平坦化する工程と、
平坦化された前記積層膜および前記絶縁膜上に、前記上部電極膜を形成し、パターニングする工程と、を含むことを特徴とするバルク弾性波共振器の製造方法。
請求項１記載のバルク弾性波共振器の製造方法において、
前記圧電膜を形成する工程は、結晶配向が表面に対して垂直方向に揃った柱状多結晶構造の圧電膜を形成する工程であることを特徴とするバルク弾性波共振器の製造方法。