JP2021190985A - バルク音響共振器及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高電圧／高電力の条件下でも安定した特性を維持することができるバルク音響共振器及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の実施形態によるバルク音響共振器は、基板と、上記基板上に第１電極、圧電層、及び第２電極が順に積層される共振部と、を含み、上記圧電層は、スカンジウム（Ｓｃ）を含有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成され、上記圧電層の漏れ電流に関連し、下記式１及び式２を満たすことができる。（式１）漏れ電流特性＜２０（式２）漏れ電流特性＝漏れ電流の密度（μＡ／ｃｍ２）×スカンジウム（Ｓｃ）の含有量（ｗｔ％）【選択図】図２
Description
本発明は、バルク音響共振器及びその製造方法に関する。
無線通信機器の小型化の傾向に伴い、高周波部品技術の小型化が積極的に要求されつつある。一例として、半導体薄膜ウェハの製造技術を用いるバルク音響共振器（ＢＡＷ、Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）の形のフィルタを挙げることができる。
バルク音響共振器（ＢＡＷ）とは、半導体基板であるシリコンウェハ上に圧電誘電体物質を蒸着し、その圧電特性を用いることで共振を誘発させる薄膜の形の素子をフィルタとして実現したものである。
最近、５Ｇ通信技術に対する関心が増加し、候補帯域における実現可能なバルク音響共振器の技術開発が活発に行われている。
ところが、Ｓｕｂ ６ＧＨｚ（４〜６ＧＨｚ）周波数帯域を用いる５Ｇ通信の場合、帯域幅（ｂａｎｄ ｗｉｄｔｈ）が増加し、通信距離は短くなるため、信号の強度やパワー（ｐｏｗｅｒ）が増加する可能性がある。また、周波数が高くなるにつれて、圧電層や共振部で発生する損失が増加するおそれもある。
そこで、高電圧／高電力の条件下でも安定した特性を維持することができるバルク音響共振器が求められている。
本発明の目的は、高電圧／高電力の条件下でも安定した特性を維持することができるバルク音響共振器及びその製造方法を提供することである。
本発明の一実施形態によるバルク音響共振器は、基板と、上記基板上に第１電極、圧電層、及び第２電極が順に積層される共振部と、を含み、上記圧電層は、スカンジウム（Ｓｃ）を含有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成され、上記圧電層の漏れ電流に関連し、下記式１及び式２を満たすことができる。
（式１）漏れ電流特性＜２０
（式２）漏れ電流特性＝漏れ電流の密度（μＡ／ｃｍ２）×スカンジウム（Ｓｃ）の含有量（ｗｔ％）
（式１）漏れ電流特性＜２０
（式２）漏れ電流特性＝漏れ電流の密度（μＡ／ｃｍ２）×スカンジウム（Ｓｃ）の含有量（ｗｔ％）
また、本発明の他の実施形態によるバルク音響共振器の製造方法は、基板上に第１電極、圧電層、及び第２電極を順に積層して共振部を形成する段階を含み、上記圧電層を形成する段階は、ＡｌＳｃＮ薄膜を形成した後、上記ＡｌＳｃＮ薄膜にＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）工程を行う段階を含むことができる。
本発明によるバルク音響共振器は、Ｋｔ ２を増加させるとともに、高電圧／高電力の条件下でも安定した特性を維持することができる。
以下、具体的な実施形態及び添付された図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は、いくつかの他の形態に変形することができ、本発明の範囲が以下説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために拡大縮小表示（又は強調表示や簡略化表示）がされることがあり、図面上の同一の符号で示される要素は同一の要素である。
併せて、明細書全体において、ある構成が他の構成と「連結」されるというのは、かかる構成が「直接的に連結」される場合だけでなく、他の構成を挟んで「間接的に連結」される場合も含まれることを意味する。また、ある構成要素を「含む」というのは、特に反対される記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
図１は本発明の一実施形態による音響共振器を示す平面図であり、図２は図１のＩ−Ｉ'線に沿った断面図であり、図３は図１のＩＩ−ＩＩ'線に沿った断面図であり、図４は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ'線に沿った断面図である。
図１〜図４を参照すると、本発明の一実施形態による音響共振器１００は、バルク音響共振器（ＢＡＷ、Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）であってもよく、基板１１０、犠牲層１４０、共振部１２０、及び挿入層１７０を含むことができる。
基板１１０はシリコン基板であることができる。例えば、基板１１０として、シリコンウェハを用いてもよく、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）タイプの基板を用いてもよい。
基板１１０の上面には絶縁層１１５が設けられ、基板１１０と共振部１２０とを電気的に絶縁させることができる。また、絶縁層１１５は、音響共振器の製造過程においてキャビティＣを形成する際に、エッチングガスによって基板１１０がエッチングされることを防止する。
この場合、絶縁層１１５は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のうち少なくとも一つで形成されることができ、化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＲＦマグネトロンスパッタリング（ＲＦ Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、及び蒸発（Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）のうちいずれか一つの工程を介して形成されることができる。
犠牲層１４０は絶縁層１１５上に形成され、犠牲層１４０の内部にはキャビティＣ及びエッチング防止部１４５が配置される。
キャビティＣは、空き空間に形成され、犠牲層１４０の一部を除去することによって形成されることができる。
キャビティＣが犠牲層１４０内に形成されることにより、犠牲層１４０の上部に形成される共振部１２０は全体的に平らに形成されることができる。
エッチング防止部１４５は、キャビティＣの境界に沿って配置される。エッチング防止部１４５は、キャビティＣの形成過程において、キャビティ領域を超えてエッチングが進行することを防止するために備えられる。
膜層１５０は、犠牲層１４０上に形成され、キャビティＣの上部面を形成する。これにより、膜層１５０もキャビティＣを形成する過程において容易に除去されない材料で形成される。
一例として、犠牲層１４０の一部（例えば、キャビティ領域）を除去するためにフッ素（Ｆ）や塩素（Ｃｌ）などのハロゲン化物系エッチングガスを用いる場合、膜層１５０は、上述したエッチングガスと反応性が低い材料からなることができる。この場合、膜層１５０は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）及び窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）のうち少なくとも一つを含むことができる。
また、膜層１５０は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）のうち少なくとも一つの材料を含有する誘電体層（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌａｙｅｒ）からなるか、又はアルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、ガリウム（Ｇａ）、及びハフニウム（Ｈｆ）のうち少なくとも一つの材料を含有する金属層からなることができる。
共振部１２０は、第１電極１２１、圧電層１２３、及び第２電極１２５を含む。共振部１２０は、下から第１電極１２１、圧電層１２３、及び第２電極１２５が順に積層される。これにより、共振部１２０における圧電層１２３は、第１電極１２１と第２電極１２５との間に配置される。
共振部１２０は膜層１５０上に形成されるため、結果として、基板１１０の上部には膜層１５０、第１電極１２１、圧電層１２３、及び第２電極１２５が順に積層されて共振部１２０を形成する。
共振部１２０は、第１電極１２１及び第２電極１２５に印加される信号に応じて圧電層１２３を共振させることにより共振周波数及び反共振周波数を発生させることができる。
共振部１２０は、第１電極１２１、圧電層１２３、及び第２電極１２５がおおむね平らに積層される中央部Ｓと、第１電極１２１と圧電層１２３との間に挿入層１７０が介在する拡張部Ｅに区分されることができる。
中央部Ｓは、共振部１２０の中心に配置される領域であり、拡張部Ｅは、中央部Ｓの周囲に沿って配置される領域である。すなわち、拡張部Ｅとは、中央部Ｓから外側に延長される領域であって、中央部Ｓの周囲に沿って連続した環状に形成される領域を意味する。但し、必要に応じて、一部の領域が断絶された不連続な環状に構成されてもよい。
それに応じて、図２に示すように、中央部Ｓを横切るように共振部１２０を切断した断面において、中央部Ｓの両端にはそれぞれ拡張部Ｅが配置される。また、中央部Ｓの両端に配置される拡張部Ｅの両方に挿入層１７０が配置される。
挿入層１７０は、中央部Ｓから離れるほど厚さが厚くなる傾斜面Ｌを備える。
拡張部Ｅにおける圧電層１２３及び第２電極１２５は挿入層１７０上に配置される。そのため、拡張部Ｅに位置する圧電層１２３及び第２電極１２５は、挿入層１７０の形状に沿って傾斜面を備える。
一方、本実施形態では、拡張部Ｅが共振部１２０に含まれるものと定義する。これにより、拡張部Ｅにおいても共振が行われることができる。しかし、これに限定されるものではなく、拡張部Ｅの構造により、拡張部Ｅでは共振が行われず、中央部Ｓでだけ共振が行われることもできる。
第１電極１２１及び第２電極１２５は、導電体で形成されることができ、例えば、金、モリブデン、ルテニウム、イリジウム、アルミニウム、白金、チタン、タングステン、パラジウム、タンタル、クロム、ニッケル、又はこれらのうち少なくとも一つを含む金属で形成されることができるが、これに限定されるものではない。
共振部１２０における第１電極１２１は、第２電極１２５よりも広い面積で形成され、第１電極１２１上には第１電極１２１の外側に沿って第１金属層１８０が配置される。これにより、第１金属層１８０は、第２電極１２５と一定距離離隔配置され、共振部１２０を囲む形で配置されることができる。
第１電極１２１は、膜層１５０上に配置されるため、全体的に平らに形成される。これに対し、第２電極１２５は、圧電層１２３上に配置されるため、圧電層１２３の形状に対応して屈曲が形成されることができる。
第１電極１２１は、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号などの電気信号を入出力する入力電極及び出力電極のいずれかとして用いられることができる。
第２電極１２５は、中央部Ｓ内に全体的に配置され、拡張部Ｅに部分的に配置される。これにより、第２電極１２５は、後述する圧電層１２３の圧電部１２３ａ上に配置される部分と、圧電層１２３の屈曲部１２３ｂ上に配置される部分に区分されることができる。
より具体的には、本実施形態において、第２電極１２５は、圧電部１２３ａの全体、及び圧電層１２３の傾斜部１２３１のうち一部を覆う形で配置される。これにより、拡張部Ｅ内に配置される第２電極（図４の１２５ａ）は、傾斜部１２３１の傾斜面よりも小さい面積で形成され、共振部１２０内における第２電極１２５は、圧電層１２３よりも小さい面積で形成される。
それに応じて、図２に示すように、中央部Ｓを横切るように共振部１２０を切断した断面において、第２電極１２５の先端は拡張部Ｅ内に配置される。また、拡張部Ｅ内に配置される第２電極１２５の先端は少なくとも一部が挿入層１７０と重なるように配置される。ここで、重なるとは、挿入層１７０が配置される平面に第２電極１２５を投影した際に、上記平面に投影された第２電極１２５の形状が挿入層１７０と重なることを意味する。
第２電極１２５は、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号などの電気信号を入出力する入力電極及び出力電極のうちいずれかとして用いられることができる。すなわち、第１電極１２１が入力電極として用いられる場合には第２電極１２５は出力電極として用いられ、第１電極１２１が出力電極として用いられる場合には第２電極１２５は入力電極として用いられることができる。
一方、図４に示すように、第２電極１２５の先端が後述する圧電層１２３の傾斜部１２３１上に位置する場合、共振部１２０の音響インピーダンス（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）は、局部的な構造が中央部Ｓから疎／密／疎／密の構造で形成されるため、水平波を共振部１２０の内側に反射させる反射界面が増加する。その結果、ほとんどの水平波（ｌａｔｅｒａｌ ｗａｖｅ）が共振部１２０の外部に抜け出せず、共振部１２０の内部に反射されて入るため、音響共振器の性能が向上することができる。
圧電層１２３は、電気的エネルギーを弾性波の形の機械的エネルギーに変換する圧電効果を引き起こす部分的であって、第１電極１２１及び後述する挿入層１７０上に形成される。
圧電層１２３の材料として、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ドープされた窒化アルミニウム（Ｄｏｐｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）、ジルコンチタン酸鉛（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）、クォーツ（Ｑｕａｒｔｚ）などが選択的に用いられることができる。ドープされた窒化アルミニウム（Ｄｏｐｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）の場合には、希土類金属（Ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｍｅｔａｌ）、遷移金属、又はアルカリ土類金属（ａｌｋａｌｉｎｅ ｅａｒｔｈ ｍｅｔａｌ）をさらに含むことができる。上記希土類金属は、スカンジウム（Ｓｃ）、エルビウム（Ｅｒ）、イットリウム（Ｙ）、及びランタン（Ｌａ）のうち少なくとも一つを含むことができる。上記遷移金属は、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、及びニオブ（Ｎｂ）のうち少なくとも一つを含むことができる。また、アルカリ土類金属は、マグネシウム（Ｍｇ）を含むことができる。
圧電特性を向上させるために窒化アルミニウム（ＡｌＮ）にドープされる元素の含有量が０．１ａｔ％よりも少ない場合には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）よりも高い圧電特性を実現することができず、元素の含有量が３０ａｔ％を超える場合、蒸着のための製作及び組成の調整（ｃｏｎｔｒｏｌ）が難しく、不均一相が形成される可能性がある。
したがって、本実施形態において、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）にドープされた元素の含有量は０．１〜３０ａｔ％の範囲で構成されることができる。
本実施形態において、圧電層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）にスカンジウム（Ｓｃ）をドープして用いる。この場合、圧電定数が増加し、音響共振器のＫｔ ２を増加させることができる。
本実施形態による圧電層１２３は、中央部Ｓに配置される圧電部１２３ａ、及び拡張部Ｅに配置される屈曲部１２３ｂを含む。
圧電部１２３ａは、第１電極１２１の上部面に直接積層される部分である。これにより、圧電部１２３ａは、第１電極１２１と第２電極１２５との間に介在し、第１電極１２１及び第２電極１２５と平らな形で形成される。
屈曲部１２３ｂは、圧電部１２３ａから外側に延長されて、拡張部Ｅ内に位置する領域として定義することができる。
屈曲部１２３ｂは、後述する挿入層１７０上に配置され、挿入層１７０の形状に沿って上部面が隆起される形で形成される。これにより、圧電層１２３は圧電部１２３ａと屈曲部１２３ｂとの境界で屈曲され、屈曲部１２３ｂは挿入層１７０の厚さ及び形状に対応して隆起される。
屈曲部１２３ｂは、傾斜部１２３１と延長部１２３２に区分されることができる。
傾斜部１２３１とは、後述する挿入層１７０の傾斜面Ｌに沿って傾斜するように形成される部分を意味する。そして、延長部１２３２とは、傾斜部１２３１から外側に延長される部分を意味する。
傾斜部１２３１は、挿入層１７０の傾斜面Ｌと平行に形成され、傾斜部１２３１の傾斜角は、挿入層１７０の傾斜面Ｌの傾斜角と同一に形成されることができる。
挿入層１７０は、膜層１５０、第１電極１２１、及びエッチング防止部１４５によって形成される表面に沿って配置される。これにより、挿入層１７０は、共振部１２０内に部分的に配置され、第１電極１２１と圧電層１２３との間に配置される。
挿入層１７０は、中央部Ｓの周囲に配置され、圧電層１２３の屈曲部１２３ｂを支持する。これにより、圧電層１２３の屈曲部１２３ｂは、挿入層１７０の形状に沿って傾斜部１２３１と延長部１２３２に区分されることができる。
本実施形態において、挿入層１７０は、中央部Ｓを除いた領域に配置される。例えば、挿入層１７０は、基板１１０上の中央部Ｓを除いた領域全体に配置されてもよく、又は一部の領域に配置されてもよい。
挿入層１７０は、中央部Ｓから離れるほど厚さが厚くなる形状に形成される。これにより、挿入層１７０は、中央部Ｓと隣接するように配置される側面が一定の傾斜角θを有する傾斜面Ｌに形成される。
挿入層１７０の側面の傾斜角θが５°よりも小さく形成されると、これを製造するために、挿入層１７０の厚さを非常に薄く形成するか、又は傾斜面Ｌの面積を過度に大きく形成する必要があるため実質的な実現が難しくなる。
また、挿入層１７０の側面の傾斜角θが７０°よりも大きく形成されると、挿入層１７０上に積層される圧電層１２３又は第２電極１２５の傾斜角が７０°よりも大きく形成される。この場合、傾斜面Ｌに積層される圧電層１２３又は第２電極１２５が過度に屈曲されるため、屈曲部分においてクラック（ｃｒａｃｋ）が発生する可能性がある。
したがって、本実施形態における上記傾斜面Ｌの傾斜角θは、５°以上７０°以下の範囲で形成される。
一方、本実施形態において、圧電層１２３の傾斜部１２３１は、挿入層１７０の傾斜面Ｌに沿って形成され、挿入層１７０の傾斜面Ｌと同一の傾斜角で形成される。したがって、傾斜部１２３１の傾斜角も挿入層１７０の傾斜面Ｌと同様に５°以上７０°以下の範囲で形成される。このような構成は、挿入層１７０の傾斜面Ｌに積層される第２電極１２５にも同様に適用されることは言うまでもない。
挿入層１７０は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの誘電体で形成されてもよいが、圧電層１２３とは異なる材料で形成される。
また、挿入層１７０は金属材料で実現可能である。本実施形態のバルク音響共振器が５Ｇ通信に用いられる場合には、共振部において熱が多く発生するため、かかる熱が円滑に放出されるようにする必要がある。このために、本実施形態の挿入層１７０は、スカンジウム（Ｓｃ）を含有するアルミニウム合金材料からなることができる。
さらに、挿入層１７０は、窒素（Ｎ）やフッ素（Ｆ）を注入したＳｉＯ２薄膜で形成されることができる。
共振部１２０は、空き領域に形成されるキャビティＣを介して基板１１０と離隔配置される。
キャビティＣは、音響共振器の製造過程においてエッチングガス（又はエッチング溶液）を流入ホール（図１のＨ）に供給して犠牲層１４０の一部を除去することによって形成されることができる。
保護層１６０は、音響共振器１００の表面に沿って配置され、音響共振器１００を外部から保護する。保護層１６０は、第２電極１２５、及び圧電層１２３の屈曲部１２３ｂが形成される表面に沿って配置されることができる。
一方、第１電極１２１及び第２電極１２５は、共振部１２０の外側に延長されることができる。そして、延長形成される部分の上部面にはそれぞれ第１金属層１８０及び第２金属層１９０が配置されることができる。
第１金属層１８０及び第２金属層１９０は、金（Ａｕ）、金−スズ（Ａｕ−Ｓｎ）合金、銅（Ｃｕ）、銅−スズ（Ｃｕ−Ｓｎ）合金、アルミニウム（Ａｌ）、及びアルミニウム合金のうちいずれか一つの材料からなることができる。ここで、アルミニウム合金は、アルミニウム−ゲルマニウム（Ａｌ−Ｇｅ）合金又はアルミニウム−スカンジウム（Ａｌ−Ｓｃ）合金であってもよい。
第１金属層１８０及び第２金属層１９０は、基板１１０上において、本実施形態による音響共振器の第１電極１２１及び第２電極１２５と、隣接するように配置される他の音響共振器の電極とを電気的に連結する連結配線としての機能を行うことができる。
第１金属層１８０は、保護層１６０を貫通して第１電極１２１に接合される。
また、共振部１２０における第１電極１２１は、第２電極１２５よりも広い面積で形成され、第１電極１２１の周囲の部分には第１金属層１８０が形成される。
これにより、第１金属層１８０は、共振部１２０の周囲に沿って配置され、第２電極１２５を囲む形で配置される。しかし、これに限定されるものではない。
また、本実施形態において、共振部１２０上に位置する保護層１６０は、少なくとも一部が第１金属層１８０及び第２金属層１９０と接触するように配置される。第１金属層１８０及び第２金属層１９０は、熱伝導率が高い金属材料で形成され、且つ体積が大きいため熱放出効果が大きい。
これにより、圧電層１２３で発生した熱が保護層１６０を経由して第１金属層１８０及び第２金属層１９０に迅速に伝達されることができるように、保護層１６０は、第１金属層１８０及び第２金属層１９０と連結される。
本実施形態において、保護層１６０は、少なくとも一部が第１金属層１８０及び第２金属層１９０の下部に配置される。具体的には、保護層１６０は、第１金属層１８０と圧電層１２３との間、及び第２金属層１９０と第２電極１２５及び圧電層１２３との間にそれぞれ挿入されて配置される。
このように構成される本実施形態によるバルク音響共振器１００は、共振部１２０の帯域幅（ｂａｎｄ ｗｉｄｔｈ）を広げるために、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）にスカンジウム（Ｓｃ）のような元素をドープして圧電層１２３を形成することができる。
上述のように、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）にスカンジウム（Ｓｃ）をドープして圧電層１２３を形成する場合には、圧電定数が増加し、音響共振器のＫｔ ２を増加させることができる。
本実施形態のバルク音響共振器が５Ｇ通信に用いられるようにするために、 圧電層１２３は、該当周波数において円滑に動作できる高圧電定数を有する必要がある。測定の結果、圧電層１２３が５Ｇ通信に用いられるようにするためには、１０ｗｔ％以上のスカンジウム（Ｓｃ）を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に含有させる必要があることが分かった。そのため、本実施形態において、圧電層１２３は、スカンジウム（Ｓｃ）の含有量が１０ｗｔ％以上であるＡｌＳｃＮ材料で形成することができる。
ここで、スカンジウム（Ｓｃ）の含有量は、アルミニウム及びスカンジウムの重量を基準に規定される。すなわち、スカンジウム（Ｓｃ）の含有量が１０ｗｔ％の場合には、アルミニウム及びスカンジウムの全重量が１００ｇである際に、スカンジウムの重量が１０ｇであることを意味する。
一方、圧電層１２３の形成は、スパッタリング（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）工程を介して行われ、スパッタリング工程に用いられるスパッタリングターゲット（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ）は、アルミニウム−スカンジウム（ＡｌＳｃ）をターゲットに、アルミニウム及びスカンジウムを溶融させた後、硬化させる溶融（ｍｅｌｔｉｎｇ）法を用いて製作することができる。
ところが、スカンジウム（Ｓｃ）の含有量が４０ｗｔ％以上であるアルミニウム−スカンジウム（ＡｌＳｃ）ターゲットを製造する場合には、Ａｌ３Ｓｃ相だけでなくＡｌ２Ｓｃ相が形成されるため、脆いＡｌ２Ｓｃ相によってターゲットの取り扱い過程においてターゲットが容易に破損するという問題がある。また、スパッタリング工程においてスパッタリング装置に装着されたスパッタリングターゲットに１ｋＷ以上の高い電力が印加される場合には、スパッタリングターゲットにクラック（ｃｒａｃｋ）が発生する可能性もある。
したがって、本実施形態では、スカンジウム（Ｓｃ）の含有量が１０ｗｔ％〜４０ｗｔ％からなるＡｌＳｃＮ材料で圧電層１２３を形成することができる。
一方、ＡｌＳｃＮ薄膜内のＳｃ元素の含有量は、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）のＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析を介して確認可能であるが、これに限定されるものではなく、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析などを用いることも可能である。
一方、スカンジウム（Ｓｃ）が含有された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で圧電層１２３を構成する場合には、スカンジウム（Ｓｃ）の含有量が増加するにつれて、圧電層１２３で発生する漏れ電流（ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）も増加することが測定された。
漏れ電流の密度は、単位面積当たりの漏れ電流を示すものであって、圧電層１２３で発生する漏れ電流が主な因子である。圧電層１２３内の漏れ電流の発生は、電極界面とのショットキー放出（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）、及び圧電層内部に発生するプールフレンケル効果（Ｐｏｏｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）の二つを原因としてみなすことができる。
また、漏れ電流は、ＡｌＳｃＮからなる圧電層の結晶構造であるＨＣＰ（ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｃｌｏｓｅｄ ｐａｃｋｅｄ）結晶構造から（０００２）結晶面への配向性が悪い場合にも増加する可能性がある。ＡｌＳｃＮからなる圧電層１２３は、アルミニウム（Ａｌ）原子よりも大きいスカンジウム（Ｓｃ）原子がアルミニウム（Ａｌ）のサイト（ｓｉｔｅ）に置換されることによって、ＡｌＳｃＮ単位格子に変形が発生することがある。その結果、圧電層１２３内にボイド（ｖｏｉｄ）や転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）などの欠陥サイト（ｄｅｆｅｃｔ ｓｉｔｅ）が増加する際に漏れ電流が増加する可能性がある。
圧電層１２３におけるスカンジウム（Ｓｃ）の含有量が増加する場合、圧電層１２３内には欠陥サイトが増加する可能性があり、かかる欠陥サイトは、圧電層１２３の異常成長の要因として作用するおそれがある。
したがって、ＡｌＳｃＮ材料で圧電層１２３を形成する場合には、漏れ電流の密度だけでなく、圧電層１２３のスカンジウム（Ｓｃ）の含有量も考慮する必要がある。
また、５Ｇ通信用バルク音響共振器は、周波数が高くなるにつれて、共振部１２０の厚さが薄くなるようにする必要がある。これにより、本実施形態のバルク音響共振器は、圧電層の厚さを５０００Å以下に形成することができる。しかし、圧電層１２３の厚さが薄くなると、圧電層１２３から漏れる電流（ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）の量が増加する傾向がある。
上記漏れ電流が大きい場合には、圧電層１２３の破壊電圧（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ）が低くなり、高電圧／高電力の環境下で圧電層が容易に破損する可能性がある。
そこで、本実施形態のバルク音響共振器は、高電圧／高電力の環境下で安定して動作できるように、圧電層の漏れ電流及びスカンジウム（Ｓｃ）の含有量に関連し、下記式１及び式２を満たすように構成される。
（式１）漏れ電流特性＜２０
（式２）漏れ電流特性＝漏れ電流の密度（μＡ／ｃｍ２）×スカンジウム（Ｓｃ）の含有量（ｗｔ％）
ここで、漏れ電流の密度（Ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）は圧電層の漏れ電流の密度を意味し、スカンジウム（Ｓｃ）の含有量は圧電層に含有されるスカンジウム（Ｓｃ）の含有量である。また、上記した漏れ電流特性は、５Ｇ通信でフィルタとして利用可能なバルク音響共振器の性能を規定する要素である。
（式１）漏れ電流特性＜２０
（式２）漏れ電流特性＝漏れ電流の密度（μＡ／ｃｍ２）×スカンジウム（Ｓｃ）の含有量（ｗｔ％）
ここで、漏れ電流の密度（Ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）は圧電層の漏れ電流の密度を意味し、スカンジウム（Ｓｃ）の含有量は圧電層に含有されるスカンジウム（Ｓｃ）の含有量である。また、上記した漏れ電流特性は、５Ｇ通信でフィルタとして利用可能なバルク音響共振器の性能を規定する要素である。
本実施形態のバルク音響共振器は、漏れ電流特性が２０未満の場合、圧電層の漏れ電流の密度が純粋な窒化アルミニウムにおける漏れ電流の密度と同一のサイズを有する。これにより、圧電層１２３における損失が最小限に抑えられるため、バルク音響共振器は、５Ｇ通信フィルタとして最適な性能を提供することができる。
これに対し、漏れ電流特性が２０以上の場合には、漏れ電流が過度に増加（例えば、２μＡ／ｃｍ２以上）して圧電層の破壊電圧が非常に低くなったり、スカンジウム（Ｓｃ）の含有量が過多（例えば、４０ｗｔ％以上）になって圧電層１２３で異常成長が増加したりして、結果として、バルク音響共振器の特性が劣化するため、上記したフィルタとしての性能を確保することが難しい。
そのため、本実施形態のバルク音響共振器は、ＡｌＳｃＮ材料の圧電層１２３における漏れ電流の密度を最小限にすることで上記式１を満たすように構成される。
圧電層１２３の漏れ電流を最小限に抑えるために、本実施形態のバルク音響共振器は、製造過程において圧電層１２３を熱処理することができる。
圧電層の熱処理は、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）工程を介して行うことができる。本実施形態におけるＲＴＡ工程は、４００℃以上の温度で１分〜３０分間行われることができる。
図５は圧電層のスカンジウム（Ｓｃ）の含有量に応じた漏れ電流の密度を測定して示した表であって、図６は図５の漏れ電流特性に基づいて作成されたグラフである。ここで、漏れ電流の密度（Ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）は、第１電極１２１と第２電極１２５との間に０．１Ｖ／ｎｍの同一の電界を形成して測定を行った。
図５を参照すると、本実施形態の圧電層は、スカンジウム（Ｓｃ）の含有量が０である純粋な窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の場合には漏れ電流の密度が０．３３μＡ／ｃｍ２と測定され、スカンジウム（Ｓｃ）を含有する場合には２．３５μＡ／ｃｍ２、２．８１μＡ／ｃｍ２、４．４０μＡ／ｃｍ２などのように漏れ電流の密度が大幅に増加することが分かった。
これに対し、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）にスカンジウム（Ｓｃ）をドープした後、５００℃以上の温度で熱処理を行った場合には、漏れ電流の密度が０．７８μＡ／ｃｍ２、０．００１μＡ／ｃｍ２、０．４７μＡ／ｃｍ２、０．２７μＡ／ｃｍ２などであった。したがって、熱処理を行った場合には、スカンジウム（Ｓｃ）が含まれていない純粋な窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と同一のレベルの漏れ電流の密度が測定された。
また、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）にスカンジウム（Ｓｃ）をドープした後、５００℃以下の温度で熱処理を行った場合には、ＲＴＡ工程を介しても漏れ電流の密度が依然として増加することが確認された。
尚、図６に示すように、熱処理を行わなかった圧電層又は５００℃未満の温度で熱処理を行った圧電層は、漏れ電流特性がすべて２０以上であることが分かった。これにより、本実施形態によるバルク音響共振器は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）にスカンジウム（Ｓｃ）をドープした後、５００℃以上の温度で熱処理を行った圧電層を含むことができる。
上述のように、圧電層における漏れ電流の密度が大きい場合には、高電圧／高電力の環境下で圧電層が容易に破損する可能性がある。そのため、これを防止し、且つバルク音響共振器を５Ｇ通信でフィルタとして用いられるようにするために、本実施形態のバルク音響共振器は、漏れ電流特性が２０未満の圧電層を備えるようにすることができる。
一方、スカンジウム（Ｓｃ）を含有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を５００℃以上の温度で熱処理した場合、漏れ電流特性はすべて１０未満と測定された。そのため、熱処理を行った測定データに基づいて、本実施形態のバルク音響共振器は、圧電層の漏れ電流特性を１０未満に規定することも可能である。
また、図５を参照すると、熱処理が行われていない圧電層及び５００℃以下の温度で熱処理を行った圧電層の場合には、漏れ電流の密度がすべて２μＡ／ｃｍ２以上と測定された。これにより、漏れ電流の密度が２μＡ／ｃｍ２以下の範囲で漏れ電流特性が２０以下であることを確認することができる。したがって、本実施形態における圧電層の漏れ電流の密度は２μＡ／ｃｍ２以下と規定することができる。
一方、５００℃以上の温度で熱処理が行われたＡｌＳｃＮ材料の圧電層は、漏れ電流の密度がすべて１μＡ／ｃｍ２以下と測定された。したがって、５００℃以上の温度で熱処理が行われた圧電層だけを考慮した場合、圧電層の漏れ電流の密度を１μＡ／ｃｍ２以下と規定することも可能である。
また、本実施形態において、圧電層がスカンジウム（Ｓｃ）を含有する場合、圧電層の破壊電圧（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ）は１００Ｖ以上であることができる。
図５に示すように、漏れ電流特性が２０以下の場合、圧電層の破壊電圧はすべて１００Ｖ以上であると測定された。これにより、本実施形態の圧電層は、スカンジウム（Ｓｃ）を含有し、且つ破壊電圧が１００Ｖ以上の場合、フィルタとしての活用が可能であることが分かる。
また、圧電層の厚さと関連し、漏れ電流特性が２０以下の場合、圧電層の厚さに対する圧電層の破壊電圧（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ）の比（Ｖ／Å）はすべて０．０２５以上と測定された。
そこで、本実施形態において、圧電層の厚さに対する圧電層の破壊電圧（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ）の比（Ｖ／Å）が０．０２５以上になるように圧電層を形成することができる。
一方、圧電層は、熱処理温度に応じて漏れ電流特性を変化させることができる。
図７は、ＲＴＡ工程温度に応じた漏れ電流を測定したグラフであって、スカンジウム（Ｓｃ）が１０ｗｔ％含有されたＡｌＳｃＮからなる圧電層を４０００Åの厚さで形成し、様々な温度で熱処理を行ってから漏れ電流を測定したものである。
これを参照すると、熱処理工程を行っていない場合に比べて熱処理を行った場合、漏れ電流が大幅に減少することが分かる。また、熱処理温度が高くなるにつれて、漏れ電流がさらに減少することが分かる。
そのため、スカンジウム（Ｓｃ）の含有量が多くなる場合でも、熱処理温度を最適化して上記式１を満たす圧電層を製造することができる。
図８は、本実施形態のバルク音響共振器を用いたフィルタの特性を測定したグラフであって、周波数帯域に応じた挿入損失を示す。また、図８には、熱処理を介して上記式１を満たすバルク音響共振器、及び上記式１を満たさないバルク音響共振器（熱処理未実施）のグラフがともに示されている。
図８を参照すると、上記式１を満たすバルク音響共振器は、上記式１を満たさないバルク音響共振器に比べて挿入損失（ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｌｏｓｓ）が−１．２３ｄＢから−１．１２ｄＢに改善され、３．６ＧＨｚの特性が−１．５５ｄＢから−１．３６ｄＢに改善されることが確認された。
これにより、漏れ電流特性が上記式１を満たすように圧電層を形成する場合には、圧電層の損失が最小限に抑えられ、バルク音響共振器フィルタの特性も改善されることが分かる。
このように構成される本実施形態によるバルク音響共振器１００は、図２に示すように、基板１１０上に、第１電極１２１、圧電層１２３、及び第２電極１２５を順に積層して共振部１２０を形成することができる。また、共振部１２０を形成する段階は、第１電極１２１の下部、又は第１電極１２１と圧電層１２３との間に挿入層１７０を配置する段階を含むことができる。
これにより、挿入層１７０を第１電極１２１上に積層配置するか、又は第１電極１２１を挿入層１７０上に積層配置することができる。
圧電層１２３及び第２電極１２５は挿入層１７０の形状に沿って部分的に隆起することができ、圧電層１２３は第１電極１２１又は挿入層１７０上に形成されることができる。
また、圧電層１２３を製造する段階は、アルミニウム−スカンジウム（ＡｌＳｃ）ターゲットにスパッタリング（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）工程を介してスカンジウム（Ｓｃ）が含有されたＡｌＳｃＮ薄膜を形成する段階と、ＡｌＳｃＮ薄膜にＲＴＡ工程を行って圧電層１２３を完成する段階と、を含むことができる。
上述した本実施形態によるバルク音響共振器１００は、ＲＴＡ工程を介してＡｌＳｃＮからなる圧電層内に形成される欠陥が除去されることができるため、漏れ電流特性が２０未満の圧電層を備えることができる。これにより、圧電層がスカンジウム（Ｓｃ）を含有しても、純粋な窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のレベルで漏れ電流が発生するため、バルク音響共振器のＫｔ ２を増加させるとともに、高電圧／高電力の条件下でも安定した特性を維持することができる。
図９は本発明の他の実施形態によるバルク音響共振器を概略的に示す断面図である。
本実施形態に示されるバルク音響共振器は、共振部１２０内で第２電極１２５が圧電層１２３の上面全体に配置され、結果として、第２電極１２５は、少なくとも一部が圧電層１２３の傾斜部１２３１と同様に延長部１２３２上にも形成されることができる。
図１０は本発明のさらに他の実施形態によるバルク音響共振器を概略的に示す断面図である。
図１０を参照すると、本実施形態による音響共振器は、中央部Ｓを横切るように共振部１２０を切断した断面において、第２電極１２５の先端部分が圧電層１２３の圧電部１２３ａの上面にのみ形成され、屈曲部１２３ｂ上には形成されない。これにより、第２電極１２５の先端は、圧電部１２３ａと傾斜部１２３１との境界に沿って配置されることができる。
このように、本発明によるバルク音響共振器は、必要に応じて、様々な形態に変形することができる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれ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技術的思想を逸脱しない範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは、当技術分野における通常の知識を有する者には自明である。
１００ 音響共振器
１１０ 基板
１２０ 共振部
１２１ 第１電極
１２３ 圧電層
１２５ 第２電極
１４０ 犠牲層
１５０ 膜層
１６０ 保護層
１７０ 挿入層
１１０ 基板
１２０ 共振部
１２１ 第１電極
１２３ 圧電層
１２５ 第２電極
１４０ 犠牲層
１５０ 膜層
１６０ 保護層
１７０ 挿入層
Claims (16)
- 基板と、
前記基板上に第１電極、圧電層、及び第２電極が順に積層される共振部と、
を含み、
前記圧電層は、スカンジウム（Ｓｃ）を含有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成され、
前記圧電層の漏れ電流に関連し、下記式１及び式２、
（式１）漏れ電流特性＜２０
（式２）漏れ電流特性＝漏れ電流の密度（μＡ／ｃｍ２）×スカンジウム（Ｓｃ）の含有量（ｗｔ％）
を満たす、バルク音響共振器。 - 前記圧電層は１０ｗｔ％〜４０ｗｔ％のスカンジウム（Ｓｃ）を含有する、請求項１に記載のバルク音響共振器。
- 前記圧電層の漏れ電流の密度は２μＡ／ｃｍ２以下である、請求項１または２に記載のバルク音響共振器。
- 前記圧電層の破壊電圧（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ）と前記圧電層の厚さの比（Ｖ／Å）は０．０２５以上である、請求項１から３のいずれか一項に記載のバルク音響共振器。
- 前記共振部内に部分的に配置され、前記圧電層の下部に配置される挿入層をさらに含み、
前記圧電層及び前記第２電極は前記挿入層によって少なくとも一部が隆起する、請求項１から４のいずれか一項に記載のバルク音響共振器。 - 前記共振部は中心領域に配置される中央部、及び前記中央部の周囲に沿って配置される拡張部を含み、
前記挿入層は前記共振部のうち前記拡張部にのみ配置され、
前記挿入層は前記中央部から離れるほど厚さが厚くなる傾斜面を備え、
前記圧電層は前記傾斜面上に配置される傾斜部を含む、請求項５に記載のバルク音響共振器。 - 前記共振部を横切るように切断した断面において、前記第２電極の先端は、前記中央部と前記拡張部との境界、又は前記傾斜部上に配置される、請求項６に記載のバルク音響共振器。
- 前記圧電層は前記中央部内に配置される圧電部、及び前記傾斜部の外側に延長される延長部を含み、
前記第２電極は少なくとも一部が前記圧電層の前記延長部上に配置される、請求項６または７に記載のバルク音響共振器。 - 基板上に第１電極、圧電層、及び第２電極を順に積層して共振部を形成する段階を含み、
前記圧電層を形成する段階は、ＡｌＳｃＮ薄膜を形成した後、前記ＡｌＳｃＮ薄膜にＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）工程を行う段階を含み、
前記圧電層の漏れ電流に関連し、下記式１及び式２、
（式１）漏れ電流特性＜２０
（式２）漏れ電流特性＝漏れ電流の密度（μＡ／ｃｍ２）×スカンジウム（Ｓｃ）の含有量（ｗｔ％）
を満たす、バルク音響共振器の製造方法。 - 前記圧電層は１０ｗｔ％〜４０ｗｔ％のスカンジウム（Ｓｃ）を含有する、請求項９に記載のバルク音響共振器の製造方法。
- 前記ＡｌＳｃＮ薄膜を形成する段階は、アルミニウム−スカンジウム（ＡｌＳｃ）ターゲットにするスパッタリング（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）工程を介して行われる、請求項９または１０に記載のバルク音響共振器の製造方法。
- 前記圧電層の漏れ電流の密度は２μＡ／ｃｍ２以下である、請求項９から１１のいずれか一項に記載のバルク音響共振器の製造方法。
- 前記圧電層の破壊電圧（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ）と前記圧電層の厚さの比（Ｖ／Å）は０．０２５以上である、請求項９から１２のいずれか一項に記載のバルク音響共振器の製造方法。
- 前記圧電層の下部に配置される挿入層を形成する段階をさらに含み、
前記圧電層及び前記第２電極は前記挿入層によって少なくとも一部が隆起する、請求項９から１３のいずれか一項に記載のバルク音響共振器の製造方法。 - 前記挿入層は傾斜面を備え、
前記共振部を横切るように切断した断面において、前記第２電極の先端は、少なくとも一部が前記挿入層と重なるように配置される、請求項１４に記載のバルク音響共振器の製造方法。 - 前記共振部は中心領域に配置される中央部、及び前記中央部の周囲に沿って配置される拡張部を含み、
前記第２電極の先端は前記拡張部に配置される、請求項１５に記載のバルク音響共振器の製造方法。
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| C22 | Notice of designation (change) of administrative judge |
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| A521 | Request for written amendment filed |
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| A045 | Written measure of dismissal of application [lapsed due to lack of payment] |
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