JP3953315B2 - Aluminum nitride thin film-metal electrode laminate and thin film piezoelectric resonator using the same - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体通信機等に利用される薄膜共振器、薄膜ＶＣＯ（電圧制御発振器）、薄膜フィルター、送受信分波器や各種センサーなど、広範な分野に応用される薄膜圧電共振子及び該薄膜圧電共振子の圧電体薄膜として有用な窒化アルミニウム薄膜を用いた積層体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電現象を応用した素子は広範な分野で用いられている。携帯機器の小型化と省力化が進む中で、ＲＦ用およびＩＦ用フィルターとして弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）素子の使用が拡大している。ＳＡＷフィルターは設計および生産技術の向上によりユーザーの厳しい要求仕様に対応してきたが、利用周波数の高周波数化と共に特性向上の限界に近づき、電極形成の微細化と安定した出力確保の両面で大きな技術革新が必要となってきている。一方、圧電体薄膜の厚み振動を利用した薄膜バルク波共振子（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ：以下ＦＢＡＲと略称）、積層型薄膜バルク波共振器およびフィルター（Ｓｔａｃｋｅｄ ＴｈｉｎＦｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ｗａｖｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ａｎｄ Ｆｉｌｔｅｒｓ：以下ＳＢＡＲと略称）は、基板に設けられた薄い支持膜の上に、主として圧電体より成る薄膜と、これを駆動する電極を形成したものであり、ギガヘルツ帯での基本共振が可能である。ＦＢＡＲまたはＳＢＡＲでフィルターを構成すれば、著しく小型化でき、かつ低損失・広帯域動作が可能な上に、半導体集積回路と一体化することができるので、将来の超小型携帯機器への応用が期待されている。
【０００３】
弾性表面波を利用した共振器、フィルター等に応用されるＳＡＷフィルターは、以下のようにして製造される。シリコンなどの半導体単結晶基板や、シリコンウエハー上に多結晶ダイヤモンドを形成してなる硬質基板などの上に、種々の薄膜形成方法によって圧電体薄膜を形成する。次に、微細加工、パターニングにより、該圧電体薄膜の表面に弾性表面波を励振させるための櫛形の電極や反射器を形成する。最後に、１素子単位に分離することによりＳＡＷフィルターを得る。
【０００４】
また、弾性波を利用した共振器、フィルター等に応用されるＦＢＡＲ、ＳＢＡＲなどの薄膜圧電素子は、以下のようにして製造される。シリコンなどの半導体単結晶基板や、シリコンウエハー上に多結晶ダイヤモンドを形成してなる基板や、エリンバーなどの恒弾性金属からなる基板の上に、種々の薄膜形成方法によって、誘電体薄膜、導電体薄膜、またはこれらの積層膜からなる下地膜を形成する。この下地膜上に圧電体薄膜を形成し、さらに必要に応じた構成の上部構造を形成する。各層の形成後に、または全層を形成した後に、各々の膜に物理的処理または化学的処理を施すことにより、微細加工、パターニングを行う。異方性エッチングにより基板から圧電体薄膜の振動部の下に位置する部分を除去した浮き構造を作製した後、最後に１素子単位に分離することにより薄膜圧電素子を得る。
【０００５】
例えば、特開昭６０−１４２６０７号公報に記載された薄膜圧電素子は、基板上に下地膜、下部電極、圧電体薄膜、上部電極を形成した後に、基板裏面から振動部となる部分の下にある基板部分を除去して、ビアホールを形成することにより製造されている。
【０００６】
薄膜圧電素子用の圧電材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、チタン酸鉛［ＰＴ］（ＰｂＴｉＯ3 ）、チタン酸ジルコン酸鉛［ＰＺＴ］（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 ）などが用いられている。特にＡｌＮは、弾性波の伝播速度が速く、高周波帯域で動作する薄膜共振器や薄膜フィルター用の圧電材料として適している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
これまで、ＡｌＮ薄膜をＦＢＡＲまたはＳＢＡＲに適用するために、種々の検討が行われてきた。しかしながら、未だ、ギガヘルツ帯域で十分な性能を発揮する薄膜共振器及び薄膜フィルターは得られておらず、ＡｌＮ薄膜の音響的品質係数（Ｑ値）、周波数温度係数および挿入損失の改善が望まれている。音響的品質係数（Ｑ値）、広帯域動作、周波数温度特性の全てに優れ、高性能な共振特性を示す薄膜圧電素子は提案されていない。電気機械結合係数は共振器やフィルターを構成する上での上記の様な性能を左右する重要なパラメーターであり、使用する圧電体薄膜の膜品質に大きく依存する。
【０００８】
そこで、本発明は、弾性波の伝播速度が速いというＡｌＮ薄膜の特長を活かしつつ、電気機械結合係数が大きく、従って音響的品質係数（Ｑ値）、帯域幅、周波数温度特性に優れ、従来に比べて著しく高特性、高性能なＦＢＡＲまたはＳＢＡＲを実現できる薄膜圧電共振子を提供することを目的とする。また、本発明は、このような薄膜圧電共振子を実現するために好適であって窒化アルミニウム薄膜を含んでなる積層体を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ＡｌＮ薄膜の配向性と結晶性が下地膜を構成する金属電極膜の配向性および結晶性に著しく依存することを見出した。また、本発明者らは、ＡｌＮ薄膜を圧電体薄膜としてＳｉ基板上に構成したＦＢＡＲまたはＳＢＡＲの共振特性が、下部電極となる金属薄膜の材質、弾性率、配向性、結晶性などの性状とＡｌＮ薄膜自体の配向性、結晶性、圧電性などの性状との両方に大きく依存することを見出した。即ち、高弾性かつ高配向性の金属薄膜より成る下部電極と高配向性、高結晶性のｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜との組み合わせを最適化して、両者の膜質を制御、向上させることにより、薄膜圧電共振子の電気機械結合係数及び音響的品質係数（Ｑ値）が大きくなり、薄膜圧電共振子や薄膜圧電フィルターとしての性能が著しく向上することを見出した。即ち、下部電極を体心立方構造の第１の金属層と面心立方構造の第２の金属層との積層を含む２以上の金属層から構成し、その上にＡｌＮより成る圧電体薄膜を形成することにより、該ＡｌＮ薄膜の配向性および結晶性が改善され、この様にして得られる積層体を用いてＦＢＡＲまたはＳＢＡＲを構成することにより、電気機械結合係数が大きく、Ｑ値、帯域幅、周波数温度特性に優れた高性能なＦＢＡＲまたはＳＢＡＲを実現できることを見出して、本発明を完成させた。
【００１０】
即ち、本発明によれば、以上の様な目的を達成するものとして、
金属電極と該金属電極の上に少なくとも一部が形成されたｃ軸配向を示す窒化アルミニウム薄膜との積層体であって、前記金属電極が体心立方構造を有する第１の金属層と面心立方構造を有する第２の金属層との積層を含む２以上の金属層から構成されており、前記第１の金属層の厚さが前記金属電極の厚さの０．５倍以上であって、前記窒化アルミニウム薄膜の少なくとも一部は前記第１の金属層と接して形成されていることを特徴とする窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体、
が提供される。
【００１１】
本発明の一態様においては、前記第１の金属層は、モリブデン、タングステン、モリブデンを主成分とする合金、およびタングステンを主成分とする合金のうちから選ばれる金属で構成されている。本発明の一態様においては、前記第２の金属層は、イリジウム、白金、金、アルミニウム、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、および銀を主成分とする合金のうちから選ばれる金属で構成されている。
【００１２】
本発明の一態様においては、前記窒化アルミニウム薄膜と前記第１の金属層との間に、前記金属電極の厚さの０．１倍以下の厚さの金属層または化合物層からなる界面層が形成されている。本発明の一態様においては、前記界面層は、アルミニウム、シリコン、アルミニウムを主成分とする合金または化合物、およびシリコンを主成分とする合金または化合物から選ばれる金属または化合物で構成されている。
【００１３】
本発明の一態様においては、前記第２の金属層の前記第１の金属層に面する側とは反対の側の面に、密着金属層が形成されている。本発明の一態様においては、前記密着金属層は、マグネシウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金から選ばれる金属で構成されている。
【００１４】
本発明の一態様においては、前記窒化アルミニウム薄膜の（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．３°未満である。本発明の一態様においては、前記第１の金属層の（１１０）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が４．５°未満である。
【００１５】
また、本発明によれば、以上の様な目的を達成するものとして、
圧電体薄膜が複数の電極の間に挟み込まれ、前記圧電体薄膜がその周囲の支持により中心部にて橋架けされてなる構造を有する薄膜圧電共振子において、前記圧電体薄膜と前記電極のうちの１つが以上の様な窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体で構成されていることを特徴とする薄膜圧電共振子、
が提供される。
【００１６】
また、本発明によれば、以上の様な目的を達成するものとして、
振動空間を有する半導体あるいは絶縁体からなる基板と、該基板の前記振動空間に面する位置にて下部電極、圧電体薄膜および上部電極がこの順に積層された積層構造体とを備えている薄膜圧電共振子において、前記圧電体薄膜と前記下部電極とが以上の様な窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体で構成されていることを特徴とする薄膜圧電共振子、
が提供される。
【００１７】
本発明の一態様においては、前記上部電極は互いに隔離して配置された２つの電極部からなる。
【００１８】
また、本発明によれば、以上の様な目的を達成するものとして、
振動空間を有する半導体あるいは絶縁体からなる基板と、該基板の前記振動空間に面する位置にて下部電極、第１の圧電体薄膜、内部電極、第２の圧電体膜および上部電極がこの順に積層された積層構造体とを備えている薄膜圧電共振子において、前記第１の圧電体薄膜と前記下部電極とが以上の様な窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体で構成されていることを特徴とする薄膜圧電共振子、
が提供される。
【００１９】
以上の本発明の一態様においては、前記振動空間に面する位置にて前記積層構造体には少なくとも一層の酸化シリコンおよび／または窒化シリコンを主成分とする絶縁層が付されている。
【００２０】
以上の本発明の一態様においては、前記上部電極や前記内部電極は、モリブデン、タングステン、ニオブ、アルミニウム、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、およびアルミニウムを主成分とする合金のうちから選ばれる金属を含んで構成されている。
【００２１】
以上の本発明の一態様においては、前記上部電極や前記内部電極は、モリブデン、タングステン、ニオブ、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、イリジウム、白金、金、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、銀を主成分とする合金、マグネシウム、アルミニウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金から選ばれる金属からなる金属層の２種類以上の積層を含んで構成されている。
【００２２】
本発明では、体心立方構造の第１の金属層と面心立方構造の第２の金属層との積層を含む２層以上の金属薄膜から構成された金属電極上にＡｌＮ薄膜を形成することにより窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体を作製する。典型的には、金属電極は所定の形状にパターニングされるので、ＡｌＮ薄膜の一部はシリコン基板またはシリコン基板上に形成された酸化シリコンおよび／または窒化シリコンを主成分とする絶縁層上に形成される。金属電極の弾性率を高めるためには、体心立方構造の高弾性率の第１の金属層の厚さは金属電極を構成する２層以上の金属薄膜全体の厚さの０．５倍以上にする必要がある。
【００２３】
面心立方構造の金属においては、（１１１）面の原子密度は（１００）面、（１１０）面などの他の方位の結晶面の原子密度よりも高いので、（１１１）面が表面エネルギーの小さな熱力学的に安定な結晶面として存在する。このため、面心立方構造の金属においては、（１１１）配向の高結晶性の薄膜が得られるので、結晶の配向性評価の指標となる（１１１）回折ピークのロッキング・カーブは急峻なピークとなり、その半値幅（ＦＷＨＭ）は小さな値となる。このような高配向性、高結晶性の金属薄膜と接して形成された窒化アルミニウムは、やはり高配向性、高結晶性の薄膜として成長し易いので、ロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）の小さな良質の窒化アルミニウム薄膜が得られる。しかしながら、面心立方構造の金属は、イリジウムおよびイリジウムを主成分とする合金を除けば、弾性率が小さいという難点がある。また、イリジウムおよびイリジウムを主成分とする合金には、高価で、微細加工が難しいという問題がある。
【００２４】
これに対して、体心立方構造の金属においては、（１１０）面の原子密度は（１００）面、（１１１）面などの他の方位の結晶面の原子密度よりも若干高い程度であり、必ずしも（１１０）面が安定に成長できるわけではない。このため、通常の薄膜形成手段では、（１１０）配向の高結晶性の薄膜を得ることは難しく、結晶の配向性評価の指標となる（１１０）回折ピークのロッキング・カーブが広がり、その半値幅（ＦＷＨＭ）は大きな値となる。
【００２５】
本発明においては、高配向性、高結晶性の薄膜が容易に得られる面心立方構造の第２の金属の薄膜の上に、体心立方構造の第１の金属の薄膜を形成することによって、（１１０）配向で高配向性、高結晶性の体心立方構造の第１の金属の薄膜を容易に得ることができる。面心立方構造の第２の金属としては、イリジウム、白金、金、アルミニウム、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、および銀を主成分とする合金のうちから選ばれる金属を採用することが好ましい。体心立方構造の第１の金属としては、モリブデン、タングステン、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金などの弾性率が２×１０11Ｎ／ｍ2 以上の高弾性金属を使用することが好ましい。これらの高弾性金属は、薄膜圧電共振子用の電極材質として望ましい特性を有している。例えば、モリブデンの熱弾性損失はアルミニウムの約１／５６より小さく、この点で、モリブデンは特に好適な電極材料である。以上のようにして作製された前記の第１の金属層の（１１０）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）は４．５°未満、好ましくは３．５°以下である。このような、（１１０）配向で高配向性、高結晶性の体心立方構造の金属薄膜と接して窒化アルミニウム薄膜を形成することにより、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．３°未満、好ましくは２．５°以下となる高配向性、高結晶性の窒化アルミニウム薄膜を容易に成長させることができ、ＦＢＡＲ、ＳＢＡＲなどの用途に適した高特性の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体を得ることができる。
【００２６】
また、本発明においては、窒化アルミニウム薄膜と体心立方構造の第１の金属層との間に、金属電極を構成する２層以上の金属薄膜全体の厚さの０．１倍以下の厚さの別の金属層または化合物層からなる界面層を形成させていても、前記と同様の高配向性、高結晶性の窒化アルミニウム薄膜を容易に成長させることができ、ＦＢＡＲ、ＳＢＡＲなどの用途に適した高特性の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体を得ることができる。窒化アルミニウム薄膜と体心立方構造の第１の金属層との間に形成される界面層となる金属層または化合物層は、アルミニウム、シリコン、アルミニウムを主成分とする合金または化合物、およびシリコンを主成分とする合金または化合物から選ばれる金属または化合物で構成されていることが好ましい。
【００２７】
本発明の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体は、典型的には、半導体あるいは絶縁体から成る基板の上に形成される。このため、基板と金属電極との密着性が重要となる。両者の密着度を改善するために、面心立方構造の第２の金属層と基板との間に密着金属層を介在させることが望ましい。密着金属層に使用する金属としては、マグネシウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金から選ばれる金属を採用することが好ましい。
【００２８】
本発明で提案した体心立方構造の金属層と面心立方構造の金属層との積層というような、結晶構造の異なる２種類以上の金属層を積層した多層金属薄膜電極の上に窒化アルミニウムを成長させることによって、窒化アルミニウム薄膜の配向性、結晶性などの膜質を改善しようとする試みは、これまで全く行われていない。また、このような多層金属薄膜と窒化アルミニウム薄膜との組み合わせにより、圧電体薄膜の品質を向上させて、共振器、フィルターなどの薄膜圧電素子としての性能を改善しようという試みも、これまで全く行われていない。
【００２９】
本発明によれば、２．０〜３．０ＧＨｚの範囲における共振周波数と反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数ｋt 2が４．５％以上たとえば４．５〜６．５％である高性能な薄膜圧電共振子が得られる。
【００３０】
また、本発明の薄膜圧電共振子においては、下部電極が、体心立方構造で（１１０）回折ピークのロッキング・カーブ半値値（ＦＷＨＭ）が４．５°未満となる第１の金属層と面心立方構造の第２の金属層との積層を含む２以上の金属層から構成されていると共に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜がｃ軸配向を示し、（０００２）面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．３°未満である場合に、薄膜圧電共振子の性能が一層向上する。
【００３１】
また、本発明の薄膜圧電共振子においては、下部電極、圧電体薄膜および上部電極がこの順に積層された積層構造体、または下部電極、第１の圧電体薄膜、内部電極、第２の圧電体膜および上部電極がこの順に積層された積層構造体に、振動空間に面する位置にて少なくとも一層の酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）および／または窒化シリコン（ＳｉＮx ）を主成分とする絶縁層を形成することにより、薄膜圧電共振子の周波数温度係数などの特性を更に改善することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３３】
図１は本発明による薄膜圧電共振子の実施形態を示す模式的平面図であり、図２はそのＸ−Ｘ断面図である。これらの図において、薄膜圧電共振子１１は基板１２、該基板１２の上面上に形成された絶縁体層１３および該絶縁体層１３の上面上に形成された圧電積層構造体１４を有する。圧電積層構造体１４は、絶縁体層１３の上面上に形成された下部電極１５、該下部電極１５の一部を覆うようにして絶縁体層１３の上面上に形成された圧電体薄膜１６および該圧電体薄膜１６の上面上に形成された上部電極１７からなる。基板１２には、空隙を形成するビアホール２０が形成されている。絶縁体層１３の一部はビアホール２０に向けて露出している。この絶縁体層１３の露出部分、およびこれに対応する圧電積層構造体１４の部分が振動部（振動ダイヤフラム）２１を構成する。また、下部電極１５および上部電極１７は、振動部２１に対応する領域内に形成された主体部１５ａ，１７ａと、該主体部１５ａ，１７ａと外部回路との接続のための端子部１５ｂ，１７ｂを有する。端子部１５ｂ，１７ｂは振動部２１に対応する領域外に位置する。
【００３４】
基板１２としては、Ｓｉ（１００）単結晶などの単結晶、またはＳｉ単結晶などの基材の表面にシリコン、ダイヤモンドその他の多結晶膜を形成したものを用いることができる。基板１２としては、その他の半導体さらには絶縁体を用いることも可能である。基板１２のビアホール２０の形成方法としては、基板下面側からの異方性エッチング法が例示される。なお、基板１２に形成される空隙は、ビアホール２０によるものには限定されず、振動部２１の振動を許容するものであればよく、該振動部２１に対応する基板上面領域に形成した凹部であってもよい。
【００３５】
絶縁体層１３としては、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）を主成分とする誘電体膜、窒化シリコン（ＳｉＮx ）を主成分とする誘電体膜、および酸化シリコンを主成分とする誘電体膜と窒化シリコンを主成分とする誘電体膜との積層膜を用いることができる。この絶縁体層１３の材質について、主成分とは、層中の含有量が５０当量％以上である成分を指す（他の層の材質についても同様）。誘電体膜は単層からなるものであってもよいし、密着性を高めるための層などを付加した複数層からなるものであってもよい。絶縁体層１３の厚さは、例えば２．０μｍ未満、好ましくは０．５μｍ以下である。絶縁体層１３の形成方法としては、シリコンから成る基板１２の表面の熱酸化法やＣＶＤ法が例示される。また、本発明においては、エッチングにより、振動部２１に対応する領域の絶縁体層１３を総て除去して、下部電極１５がビアホール２０に向けて露出した構造を採用することもできる。このように、振動部２１に対応する領域の絶縁体層１３を総て除去することにより、共振周波数の温度特性は若干悪化するものの、音響的品質係数（Ｑ値）が向上するという利点がある。
【００３６】
下部電極１５は、体心立方構造を有する第１の金属層と、面心立方構造を有する第２の金属層と、更に必要に応じて第２の金属層と基板１２との間に形成される密着金属層とを積層することにより構成されており、その厚さは例えば５０〜３００ｎｍである。圧電体薄膜１６はＡｌＮから成り、その厚さは例えば０．５〜３．０μｍである。上部電極１７は、例えば、モリブデン、タングステン、ニオブ、アルミニウム、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、およびアルミニウムを主成分とする合金のうちから選ばれる金属を含んで構成されている。あるいは、上部電極１７は、例えば、モリブデン、タングステン、ニオブ、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、イリジウム、白金、金、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、銀を主成分とする合金、マグネシウム、アルミニウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金から選ばれる金属からなる金属層の２種類以上の積層を含んで構成されている。上部電極１７の厚さは例えば５０〜３００ｎｍである。
【００３７】
一般に圧電材料の圧電特性は、結晶の分極の大きさ、分極軸の配列などに依存する。本発明で用いる圧電薄膜においても、その圧電性は薄膜を構成する結晶のドメイン構造、配向性、結晶性などの結晶性状に依存すると考えられる。本明細書において単一配向膜とは、基板表面と平行に目的とする結晶面が揃っている結晶化膜のことを意味する。例えば、（０００１）単一配向膜は、膜面と平行に（０００１）面が成長している膜を意味する。具体的には、ディフラクトメーター法によるＸ線回折測定を行った場合に、ＡｌＮ結晶に起因した目的とする回折面以外の反射ピークがほとんど検出できないものを意味する。例えば、（０００Ｌ）単一配向膜、即ち、ｃ軸単一配向膜は、θ−２θ回転のＸ線回折測定で（０００Ｌ）面以外の反射強度が（０００Ｌ）面反射の最大ピーク強度の５％未満、好ましくは２％未満、さらに好ましくは検出限界以下のものである。なお、（０００Ｌ）面は、（０００１）系列の面、即ち、（０００１）面、（０００２）面、（０００４）面などの等価な面を総称する表示である。
【００３８】
本発明者らは、図１及び図２に示す構成のＦＢＡＲにおいて、その共振特性が、電極を構成する多層金属薄膜の材質、弾性率、配向性、結晶性などの性状とＡｌＮ薄膜の配向性、結晶性などの性状との両方にどのように依存するのかについて検討した。図示されているＦＢＡＲでは、下部電極１５は、必要に応じて基板１２と接して形成される密着金属層、面心立方構造の第２の金属層および体心立方構造の第１の金属層をこの順に積層することにより構成されたものである。
【００３９】
下部電極１５として、スパッター法または蒸着法により、密着金属層、面心立方構造の第２の金属層、および体心立方構造の第１の金属層を順に形成した後、ドライエッチングによりこれらの金属層を所定の形状にパターン化した。ＡｌＮ薄膜１６は、下部電極１５を形成した基板１２の上面に反応性スパッター法により膜形成した後、フォトリソグラフィー技術を用いて、ビアホール２０上の部分を除く領域の一部分をエッチング除去することにより、所定の形状に加工した。この際、ＡｌＮ薄膜１６と体心立方構造の第１の金属層との間に、下部電極１５を構成する２以上の金属層全体の厚さの０．１倍以下の厚さの別の金属層または化合物層を形成しても、本発明の目的は達成される。上部電極１７は、ビアホール２０上に残ったＡｌＮ薄膜１６の上に形成した。上部電極１７は矩形に近い形状とした。
【００４０】
本発明者らは、高配向性の薄膜が容易に得られる面心立方構造の金属の薄膜と弾性率が２×１０11Ｎ／ｍ2 以上の高弾性金属の薄膜とを積層することにより、高弾性金属に由来する特定の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が４．５°未満である高配向性かつ高弾性の積層金属薄膜を形成し、この積層金属薄膜上に窒化アルミニウム薄膜を成長させることで、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．３°未満である高配向性、高結晶性のｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜を作製できることを見出した。
【００４１】
下部電極１５に使用される体心立方構造（空間群Ｉm-3m）の第１の金属層として好適な材料は、モリブデン、タングステン、モリブデンを主成分とする合金、およびタングステンを主成分とする合金などであり、これらの材料は、（１１０）配向を示し、膜面と平行に（１１０）面が成長している。これらの材料は熱弾性損失が低いという特性を有する。モリブデン（Ｍｏ）を主成分とする合金としては、９９．３８％Ｍｏ−０．５％Ｔｉ−０．０７％Ｚｒ−０．０５％Ｃという組成を有するＴＺＭ合金、９５％Ｍｏ−５％Ｒｅ合金、９０％Ｍｏ−１０％Ｗ合金などがある。タンスグテン（Ｗ）を主成分とする合金としては、９５％Ｗ−５％Ｒｅ合金、９０％Ｗ−１０％Ｍｏ合金、Ｗ−Ｃｕ−Ｎｉ合金などがある。
【００４２】
下部電極１５に使用される面心立方構造（空間群Ｆm-3m）の第２の金属層として好適な材料は、イリジウム、白金、金、アルミニウム、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、銀を主成分とする合金などであり、これらの材料は（１１１）配向を示し、膜面と平行に（１１１）面が成長している。イリジウム（Ｉｒ）を主成分とする合金としてはＩｒ−Ｐｔ合金などがある。白金（Ｐｔ）を主成分とする合金としてはＰｔとＲｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｗから選ばれる金属との合金などがある。金（Ａｕ）を主成分とする合金としてはＡｕとＰｄ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇから選ばれる金属との合金などがある。アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする合金としては、Ａｌに少量のＳｉ、Ｃｕを添加または固溶させたＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌに少量のＭｏ、Ｗを固溶させた合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｍｎ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金などがある。銀（Ａｇ）を主成分とする合金としては、ＡｇとＺｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｃｕから選ばれる金属との合金などがある。
【００４３】
ＡｌＮ薄膜１６と体心立方構造の第１の金属層との間に形成される別の金属または化合物の層（界面層）として使用される好適な材料は、アルミニウム、シリコン、アルミニウムを主成分とする合金または化合物、およびシリコンを主成分とする合金または化合物などである。アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする合金としては、前記のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｏ−Ｗ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｍｎ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金などがある。アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする化合物としては、ＡｌＯx Ｎy などがある。シリコン（Ｓｉ）を主成分とする化合物としてはＳｉ3 Ｎ4 、ＳｉＮx 、ＳｉＯx Ｎy 、ＳｉＯ2 などがある。
【００４４】
基板１２と面心立方構造の第２の金属層との間に形成される密着金属層として使用される好適な材料は、マグネシウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金などである。マグネシウム（Ｍｇ）を主成分とする合金としてはＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｎ合金、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｚｒ合金、Ｍｇ−希土類元素系合金などがある。チタン（Ｔｉ）を主成分とする合金としてはＴｉとＡｌ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅから選ばれる金属との合金などがある。ニオブ（Ｎｂ）を主成分とする合金としてはＮｂ−Ｓｉ−Ｔｉ−Ｆｅ合金などがある。タンタル（Ｔａ）を主成分とする合金としてはＴａとＣｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｔから選ばれる金属との合金などがある。クロム（Ｃｒ）を主成分とする合金としてはＣｒとＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏから選ばれる金属との合金などがある。ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする合金としてはＮｉとＡｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｏから選ばれる金属との合金などがある。
【００４５】
上部電極１７に使用される金属として好適な材料は、モリブデン、タングステン、ニオブ、アルミニウム、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、およびアルミニウムを主成分とする合金などである。また、上部電極１７として、モリブデン、タングステン、ニオブ、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、イリジウム、白金、金、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、銀を主成分とする合金、マグネシウム、アルミニウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金から選ばれる金属からなる層を２層以上積層してなる積層金属薄膜から構成されたものを使用することで、特性を安定化させることができる。
【００４６】
体心立方構造の第１の金属層と面心立方構造の第２の金属層との積層を含む２層以上の積層金属薄膜上に形成されたｃ軸配向の窒化アルミニウム薄膜のＸ線回折により測定した（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）は３．３°未満である。ロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．３°以上であると、電気機械結合係数ｋt 2と音響的品質係数（Ｑ値）が低下し、共振特性が悪化するので好ましくない。さらに、ロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が過度に大きくなると、下部電極端子部１５ｂと下部電極端子部１７ｂとの間に電流リークが発生しやすくなる傾向にある。
【００４７】
なお、図１及び図２に示す構成の薄膜圧電共振子では、圧電体薄膜の上下の電極に電界を印加して厚み方向に分極処理することでバルク波を励振させている。この為、下部電極を端子電極とすべく、下部電極の一部を露出させる必要がある。この構成は共振器としてしか利用できず、フィルターにするには、２個以上の素子を組合わせる必要がある。
【００４８】
図３は本発明による薄膜圧電共振子の別の実施形態を示す模式的平面図であり、図４はそのＸ−Ｘ断面図である。これらの図においては、上記図１および図２におけると同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。
【００４９】
本実施形態では、下部電極１５は矩形に近い形状をなしており、上部電極１７は、第１の電極部１７Ａと第２の電極部１７Ｂとから成る。これら電極部１７Ａ，１７Ｂはそれぞれ主体部１７Ａａ，１７Ｂａと端子部１７Ａｂ，１７Ｂｂとを有する。主体部１７Ａａ，１７Ｂａは振動部２１に対応する領域内に位置しており、端子部１７Ａｂ，１７Ｂｂは振動部２１に対応する領域以外の領域に位置している。
【００５０】
本実施形態では、上部電極１７のうちの一方（例えば第２の電極部１７Ｂ）と下部電極１５との間に入力電圧を印加し、上部電極１７のうちの他方（例えば第１の電極部１７Ａ）と下部電極１５との間の電圧を出力電圧として取り出すことができるので、これ自体をフィルターとして使用することができる。このような構成のフィルターを通過帯域フィルターの構成要素として使用することにより、素子内配線が不要となるので該配線に起因する損失がなく、阻止帯域の減衰特性が良好となり、フィルターとしての周波数応答性が向上する。
【００５１】
図５は本発明による薄膜圧電共振子のさらに別の実施形態を示す模式的平面図であり、図６はそのＸ−Ｘ断面図である。これらの図においては、上記図１〜図４におけると同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。
【００５２】
本実施形態は、図１および図２に記載の実施形態の圧電積層構造体を２つ積層したものに相当する圧電積層構造体を有する積層薄膜バルク音響共振子（Ｓｔａｃｋｅｄ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ）である。即ち、絶縁体層１３上に下部電極１５、第１の圧電体薄膜１６−１、内部電極１７’、第２の圧電体薄膜１６−２および上部電極１８がこの順に積層形成されている。内部電極１７’は、第１の圧電体薄膜１６−１に対する上部電極としての機能と第２の圧電体薄膜１６−２に対する下部電極としての機能を有する。
【００５３】
本実施形態では、下部電極１５と内部電極１７’との間に入力電圧を印加し、該内部電極１７’と上部電極１８との間の電圧を出力電圧として取り出すことができるので、これ自体を多極型フィルターとして使用することができる。このような構成の多極型フィルターを通過帯域フィルターの構成要素として使用することにより、素子内配線が不要となるので該配線に起因する損失がなく、阻止帯域の減衰特性が良好となり、フィルターとしての周波数応答性が向上する。
【００５４】
以上のような薄膜圧電共振子において、マイクロ波プローバーを使用して測定したインピーダンス特性における共振周波数ｆr および反共振周波数ｆa と電気機械結合係数ｋt 2との間には、以下の関係
ｋt 2＝φr ／Ｔａｎ（φr ）
φr ＝（π／２）（ｆr ／ｆa ）
がある。
【００５５】
簡単のため、電気機械結合係数ｋt 2として、次式
ｋt 2＝４．８（ｆa −ｆr ）／（ｆa ＋ｆr ）
から算出したものを用いることができ、本明細書では、電気機械結合係数ｋt 2の数値は、この式を用いて算出したものを採用している。
【００５６】
図１及び図２、図３及び図４、並びに図５及び図６のそれぞれに示した構成のＦＢＡＲまたはＳＢＡＲにおいて、２．０〜３．０ＧＨｚの範囲における共振周波数と反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数ｋt 2は４．５％以上たとえば４．５〜６．５％であるのが好ましい。電気機械結合係数ｋt 2が４．５％未満になると、作製したＦＢＡＲの帯域幅が小さくなり、高周波域で使用する薄膜圧電共振子として実用に供することが難しくなる傾向にある。
【００５７】
【実施例】
以下、実施例および比較例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
【００５８】
［実施例１］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００５９】
即ち、熱酸化法により、厚さ３５０μｍの（１００）Ｓｉ基板１２の上下両面に厚さ１．１μｍのＳｉＯ2 層を形成した後、上面側のＳｉＯ2 層のみをエッチングして、上面のＳｉＯ2 層の厚さを調整し、ＳｉＯ2 から成り表３に記載の厚さ値を有する絶縁体層１３を形成した。この絶縁体層１３の上面に、ＤＣマグネトロン・スパッター法により、厚さ６０ｎｍのＡｕ金属層（第２の金属層）および厚さ１５０ｎｍのＭｏ金属層（第１の金属層）をこの順番に形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化して、Ｍｏ／Ａｕ下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは、平面寸法１５０×１７０μｍの矩形に近い形状とした。Ａｕ金属層が（１１１）配向膜、即ち単一配向膜であり、Ｍｏ金属層が（１１０）配向膜、即ち単一配向膜であることは、Ｘ線回折測定により確認した。このＭｏ／Ａｕ下部電極１５を形成した基板１２上に、純度５Ｎの金属Ａｌをターゲットとして、反応性ＲＦマグネトロン・スパッター法により、表２に記載の条件で、ＡｌＮ薄膜を形成した。熱燐酸を使用した湿式エッチングにより、ＡｌＮ薄膜を所定の形状にパターン化して、ＡｌＮ圧電体薄膜１６を形成した。
【００６０】
その後、ＤＣマグネトロン・スパッター法とリフトオフ法を使用して、厚さ１９０ｎｍで主体部１７ａの平面寸法１３０×１５０μｍの矩形に近い形状のＡｌ上部電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。次に、以上のようにして得られた構造体の下部電極１５と上部電極１７と圧電体薄膜１６との形成されている側をプロテクトワックスで被覆し、Ｓｉ基板１２の下面に形成された厚さ１．１μｍのＳｉＯ2 層をパターニングして形成したマスクを用いて、振動部２１に対応するＳｉ基板１２の部分を加熱したＫＯＨ水溶液でエッチング除去して、空隙となるビアホール２０を形成した。
【００６１】
上記の工程によって製造されたＡｌＮ薄膜−金属電極積層体について、ＸＰＳ分光法により得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機能Ｘ線回折装置を使用して、ディフラクトメーター法による格子定数測定と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００６２】
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、上記の薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）の電極端子１５ｂ，１７ｂ間のインピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数ｆr および反共振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt 2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００６３】
［実施例２］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００６４】
即ち、実施例１と同様の操作により、ＳｉＯ2 から成る絶縁体層１３を形成した。この絶縁体層１３の上面に、ＤＣマグネトロン・スパッター法により表１に記載の厚さのＴｉ金属層（密着金属層）、Ｐｔ金属層（第２の金属層）及びＭｏ金属層（第１の金属層）をこの順番に形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化して、Ｍｏ／Ｐｔ／Ｔｉ下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは、平面寸法１５０×１７０μｍの矩形に近い形状とした。Ｐｔ金属層が（１１１）単一配向膜であり、Ｍｏ金属層が（１１０）単一配向膜であることは、Ｘ線回折測定により確認した。このＭｏ／Ｐｔ／Ｔｉ下部電極１５を形成した基板１２上に、実施例１と同様の操作により、圧電体薄膜１６を形成した。その後、ＤＣマグネトロンスパッター法とリフトオフ法を使用して、主体部１７ａの平面寸法１３０×１５０μｍの矩形に近い形状のＭｏ／Ｐｔ／Ｔｉ上部電極１７を形成した。Ｔｉ金属層は密着金属層として使用され、Ｐｔ金属層は面心立方構造の第４の金属層として使用され、Ｍｏ金属層は体心立方構造の第３の金属層として使用され、これらの厚さは表１に記載された通りとした。上部電極１７の主体部１７ａは、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。次に、実施例１と同様の操作により、空隙となるビアホール２０を形成した。
【００６５】
上記の工程によって製造されたＡｌＮ薄膜−金属電極積層体について、ＸＰＳ分光法により得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機能Ｘ線回折装置を使用して、ディフラクトメーター法による格子定数測定と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００６６】
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、上記の薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）の電極端子１５ｂ，１７ｂ間のインピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数ｆr および反共振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt 2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００６７】
［実施例３］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００６８】
即ち、実施例１と同様の操作により、ＳｉＯ2 から成る絶縁体層１３を形成した。この絶縁体層１３の上面に、ＤＣマグネトロン・スパッター法により表１に記載の厚さのＴｉ金属層（密着金属層）、Ａｕ金属層（第２の金属層）及びＭｏ金属層（第１の金属層）をこの順番に形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化して、Ｍｏ／Ａｕ／Ｔｉ下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは、平面寸法１５０×１７０μｍの矩形に近い形状とした。Ａｕ金属層が（１１１）単一配向膜であり、Ｍｏ金属層が（１１０）単一配向膜であることは、Ｘ線回折測定により確認した。このＭｏ／Ａｕ／Ｔｉ下部電極１５を形成した基板１２上に、実施例１と同様の操作により、圧電体薄膜１６を形成した。その後、ＤＣマグネトロンスパッター法とリフトオフ法を使用して、主体部１７ａの平面寸法１３０×１５０μｍの矩形に近い形状で厚さ１９５ｎｍのＭｏ上部電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。次に、実施例１と同様の操作により、空隙となるビアホール２０を形成した。さらに、ドライエッチングにより、振動部２１に対応する領域の絶縁体層１３をもエッチング除去して、下部電極１５の下面を露出させた。
【００６９】
上記の工程によって製造されたＡｌＮ薄膜−金属電極積層体について、実施例１と同様にして、ＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析、ディフラクトメーター法による格子定数測定、および（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００７０】
また、実施例１と同様にして、上記薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）の電極端子１５ｂ，１７ｂ間のインピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数ｆr および反共振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt 2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００７１】
［実施例４，５］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００７２】
即ち、低圧ＣＶＤ法により、厚さ３００μｍの（１００）Ｓｉ基板１２の上下両面に表３に記載した厚さのＳｉＮx 層を形成し、ＳｉＮx から成る絶縁体層１３を形成した。この絶縁体層１３の上面に、ＤＣマグネトロン・スパッター法により表１に記載の厚さのＴｉ金属層（密着金属層）、Ａｕ金属層（第２の金属層）及びＭｏ金属層（第１の金属層）をこの順番に形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化してＭｏ／Ａｕ／Ｔｉ下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは、平面寸法１５０×１７０μｍの矩形に近い形状とした。Ａｕ金属層が（１１１）単一配向膜であり、Ｍｏ金属層が（１１０）単一配向膜であることは、Ｘ線回折測定により確認した。このＭｏ／Ａｕ／Ｔｉ下部電極１５を形成した基板１２上に、表１に記載の厚さのＳｉＮx 層（界面層）またはＡｌ層（界面層）を形成した後、実施例１と同様の操作により圧電体薄膜１６を形成して、下部電極１５とＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）１６との界面に、ＳｉＮx 層またはＡｌ層が介在するような構成とした。
【００７３】
その後、ＤＣマグネトロン・スパッター法とリフトオフ法を使用して、主体部１７ａの平面寸法１３０×１５０μｍの矩形に近い形状のＭｏ／Ａｕ／Ｎｉ上部電極１７［実施例４］または厚さ１９５ｎｍのＭｏ上部電極１７［実施例５］を形成した。実施例４において、Ｔｉ金属層は密着金属層として使用され、Ｐｔ金属層は第４の金属層として使用され、Ｍｏ金属層は第３の金属層として使用され、これらの厚さは表１に記載された通りとした。上部電極１７の主体部１７ａは、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。次に、実施例１と同様の操作により、空隙となるビアホール２０を形成した。
【００７４】
上記の工程によって製造されたＡｌＮ薄膜−金属電極積層体について、実施例１と同様にして、ＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析、ディフラクトメーター法による格子定数測定、および（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００７５】
また、実施例１と同様にして、上記薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）の電極端子１５ｂ，１７ｂ間のインピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数ｆr および反共振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt 2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００７６】
［実施例６，７］
本実施例では、以下のようにして、図３及び図４に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００７７】
即ち、実施例４と同様の操作により、ＳｉＮx から成る絶縁体層１３を形成した。この絶縁体層１３の上面に、ＤＣマグネトロン・スパッター法により表１に記載の材質と厚さとを有する密着金属層、第２の金属層及び第１の金属層をこの順番に形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化して、Ｍｏ（ＴＺＭ合金）／Ａｕ／Ｖ下部電極１５［実施例６］またはＭｏ−Ｒｅ合金／Ａｕ／Ｃｒより成る下部電極１５［実施例７］を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは、振動部２１に対応する部分を含むように延びている平面寸法１２０×２８０μｍの矩形に近い形状とした。Ａｕ金属層が（１１１）単一配向膜であり、Ｍｏ（ＴＺＭ合金）金属層またはＭｏ−Ｒｅ合金金属層が（１１０）単一配向膜であることは、Ｘ線回折測定により確認した。このＭｏ（ＴＺＭ合金）／Ａｕ／Ｖ下部電極１５またはＭｏ−Ｒｅ合金／Ａｕ／Ｃｒ下部電極１５を形成した基板１２上に、実施例１と同様の操作により圧電体薄膜１６を形成した。
【００７８】
その後、ＤＣマグネトロン・スパッター法とリフトオフ法を使用して、平面寸法６５×８５μｍの矩形に近い形状の主体部１７Ａａ，１７Ｂａが間隔２０μｍをおいて配置されたＭｏ（ＴＺＭ合金）／Ａｕ上部電極１７［実施例６］またはＭｏ−Ｒｅ合金／Ａｕ／Ｔｉ上部電極１７［実施例７］を形成した。実施例６において、Ａｕ金属層は第４の金属層として使用され、Ｍｏ（ＴＺＭ合金）金属層は第３の金属層として使用され、これらの厚さは表１に記載された通りとした。また、実施例７において、Ｔｉ金属層は密着金属層として使用され、Ａｕ金属層は第４の金属層として使用され、Ｍｏ−Ｒｅ合金金属層は第３の金属層として使用され、これらの厚さは表１に記載された通りとした。上部電極１７の主体部１７Ａａ，１７Ｂａは、それぞれ下部電極１５に対応する位置に配置した。次に、実施例１と同様の操作により、空隙となるビアホール２０を形成した。
【００７９】
上記の工程によって製造されたＡｌＮ薄膜−金属電極積層体について、実施例１と同様にして、ＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析、ディフラクトメーター法による格子定数測定、および（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００８０】
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーを使用して、上記薄膜圧電共振子の下部電極１５の端子部（図３及び図４で左側の露出部分）を接地電極に接続し、上部電極１７Ａの端子部１７Ａｂから信号を入力し、上部電極１７Ｂの端子部１７Ｂｂから出力信号を取り出して、ネットワークアナライザーで信号強度・波形などを解析した。個々の共振子の共振周波数ｆr および反共振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt 2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００８１】
［実施例８］
本実施例では、以下のようにして、図３及び図４に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００８２】
即ち、絶縁体層１３、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６の材質及び厚さが表１〜表３に示されているようにされたこと以外は、実施例６と同様の工程を実行した。ここで、絶縁体層１３としては、熱酸化法により形成されたＳｉＯ2 層を用いた。
【００８３】
実施例６と同様にして、得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析とＸ線回折測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００８４】
また、実施例６と同様にして測定した、共振周波数ｆr および反共振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt 2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００８５】
［実施例９，１０］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００８６】
即ち、絶縁体層１３、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６の材質及び厚さが表１〜表３に示されているようにされたこと以外は、実施例２と同様の工程を実行した。
【００８７】
実施例２と同様にして、得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析とＸ線回折測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００８８】
また、実施例２と同様にして測定した、共振周波数ｆr および反共振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt 2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００８９】
［実施例１１，１２］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００９０】
即ち、絶縁体層１３、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６の材質、厚さが表１〜表３に示されているようにされたこと以外は、実施例４と同様の工程を実行した。
【００９１】
実施例４と同様にして、得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析とＸ線回折測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００９２】
また、実施例４と同様にして測定した、共振周波数ｆr および反共振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt 2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００９３】
［実施例１３］
本実施例では、以下のようにして、図３及び図４に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００９４】
即ち、絶縁体層１３、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６の材質、厚さが表１〜表３に示されているようにされ、空隙となるビアホール２０形成後に、ドライエッチングにより、振動部２１に対応する領域の絶縁体層１３をもエッチング除去して、下部電極１５の下面を露出させたこと以外は、実施例８と同様の工程を実行した。
【００９５】
実施例８と同様にして、得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析とＸ線回折測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００９６】
また、実施例８と同様にして測定した、共振周波数ｆr および反共振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt 2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００９７】
［実施例１４］
本実施例では、以下のようにして、図３及び図４に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００９８】
即ち、絶縁体層１３、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６の材質、厚さが表１〜表３に示されているようにされたこと以外は、実施例８と同様の工程を実行した。
【００９９】
実施例８と同様にして、得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析とＸ線回折測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【０１００】
また、実施例８と同様にして測定した、共振周波数ｆr および反共振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt 2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【０１０１】
［比較例１，２］
本比較例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【０１０２】
即ち、絶縁体層１３、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６の材質、厚さが表１〜表３に示されているようにされたこと以外は、実施例１と同様の工程を実行した。
【０１０３】
上記の工程によって製造されたＡｌＮ薄膜−金属電極積層体について、実施例１と同様にして、ＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析、ディフラクトメーター法による格子定数測定、および（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。ＸＰＳ分光法により測定したＡｌＮ薄膜の酸素含有量は、表２に示す通りであった。実施例１〜１４と同様の操作で分析評価を行ったのであるが、ＡｌＮ薄膜の品質が悪い為に、ＸＰＳ分析までに膜が酸化されて、酸素含有量が増加した可能性もある。
【０１０４】
また、実施例１と同様にして、上記薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）の電極端子１５ｂ，１７ｂ間のインピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数ｆr および反共振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt 2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【０１０５】
［比較例３］
本比較例では、以下のようにして、図３及び図４に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【０１０６】
即ち、絶縁体層１３、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６の材質、厚さが表１〜表３に示されているようにされたこと以外は、実施例８と同様の工程を実行した。
【０１０７】
実施例８と同様にして、得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析とＸ線回折測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【０１０８】
また、実施例８と同様にして測定した、共振周波数ｆr および反共振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt 2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【０１０９】
［比較例４］
本比較例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【０１１０】
即ち、絶縁体層１３、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６の材質、厚さが表１〜表３に示されているようにされたこと以外は、実施例１と同様の工程を実行した。
【０１１１】
実施例１と同様にして、得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析とＸ線回折測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【０１１２】
また、実施例１と同様にして測定した、共振周波数ｆr および反共振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt 2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【０１１３】
【表１】

Figure 0003953315
【０１１４】
【表２】
Figure 0003953315
【０１１５】
【表３】
Figure 0003953315
【０１１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体では、高配向性の薄膜が容易に得られる面心立方構造の金属の薄膜と高弾性の体心立方構造の金属の薄膜とを積層することにより、高配向性かつ高弾性の積層金属電極膜を形成し、この積層金属電極膜上に窒化アルミニウム薄膜を成長させているので、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブが急峻なピークで半値幅（ＦＷＨＭ）が小さく、従って高配向性、高結晶性のｃ軸配向の窒化アルミニウム薄膜が得られる。
【０１１７】
また、本発明の薄膜圧電共振子は、以上のような窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体により高弾性かつ高配向性の金属薄膜より成る一方の金属電極と高配向性、高結晶性のｃ軸配向窒化アルミニウム圧電薄膜との組合せを構成し、その上に他方の金属電極を形成することにより、電気機械結合係数、音響的品質係数（Ｑ値）などの性能が著しく向上する。その結果、従来に無い高特性のＦＢＡＲまたはＳＢＡＲを作製でき、これを用いて、高周波域で損失が少なく、利得、帯域特性の良好な圧電薄膜フィルター、薄膜ＶＣＯ、送受信分波器などの薄膜圧電素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による薄膜圧電共振子の実施形態を示す模式的平面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】本発明による薄膜圧電共振子の実施形態を示す模式的平面図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ断面図である。
【図５】本発明による薄膜圧電共振子の実施形態を示す模式的平面図である。
【図６】図５のＸ−Ｘ断面図である。
【符号の説明】
１１ 薄膜圧電共振子
１２ 単結晶または多結晶からなる基板
１３ 下地絶縁膜
１４ 圧電積層構造体
１５ 下部電極
１５ａ 下部電極主体部
１５ｂ 下部電極端子部
１６ 圧電体薄膜
１６−１ 第１の圧電体薄膜
１６−２ 第２の圧電体薄膜
１７ 上部電極
１７’ 内部電極
１７ａ 上部電極主体部
１７ｂ 上部電極端子部
１７Ａ 上部電極の第１電極部
１７Ａａ 第１電極部の主体部
１７Ａｂ 第１電極部の端子部
１７Ｂ 上部電極の第２電極部
１７Ｂａ 第２電極部の主体部
１７Ｂｂ 第２電極部の端子部
１８ 上部電極
２０ エッチングによって基板に形成したビアホール
２１ 振動部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film piezoelectric resonator applied to a wide range of fields such as a thin film resonator, a thin film VCO (Voltage Controlled Oscillator), a thin film filter, a transmission / reception demultiplexer, and various sensors used in a mobile communication device and the like. The present invention relates to a laminate using an aluminum nitride thin film useful as a piezoelectric thin film of a thin film piezoelectric resonator.
[0002]
[Prior art]
Devices applying the piezoelectric phenomenon are used in a wide range of fields. With the progress of downsizing and labor saving of portable devices, the use of surface acoustic wave (SAW) elements as RF and IF filters is expanding. SAW filters have been able to meet the strict requirements of users by improving the design and production technology. However, as the frequency of use increases, it approaches the limit of characteristic improvement, and it is a major technology in terms of both miniaturization of electrode formation and ensuring stable output. Innovation is needed. On the other hand, a thin film bulk acoustic resonator (hereinafter referred to as FBAR), a stacked thin film bulk wave resonator and a filter (hereinafter referred to as FBAR) using a thickness vibration of a piezoelectric thin film. Is a thin support film provided on a substrate, and a thin film mainly made of a piezoelectric material and an electrode for driving the thin film are formed. Basic resonance in the gigahertz band is possible. If the filter is configured with FBAR or SBAR, it can be remarkably miniaturized, and it can be operated with low loss and wideband, and can be integrated with a semiconductor integrated circuit, so it is expected to be applied to future ultra-compact portable devices. Has been.
[0003]
A SAW filter applied to a resonator, a filter and the like using a surface acoustic wave is manufactured as follows. A piezoelectric thin film is formed by various thin film forming methods on a semiconductor single crystal substrate such as silicon or a hard substrate formed by forming polycrystalline diamond on a silicon wafer. Next, comb-shaped electrodes and reflectors for exciting surface acoustic waves are formed on the surface of the piezoelectric thin film by fine processing and patterning. Finally, a SAW filter is obtained by separating the element unit.
[0004]
In addition, thin film piezoelectric elements such as FBAR and SBAR applied to resonators, filters and the like using elastic waves are manufactured as follows. Dielectric thin films and conductors by various thin film forming methods on a semiconductor single crystal substrate such as silicon, a substrate formed of polycrystalline diamond on a silicon wafer, or a substrate made of a constant elastic metal such as Elinvar. A base film made of a thin film or a laminated film thereof is formed. A piezoelectric thin film is formed on the base film, and an upper structure having a configuration as necessary is formed. After each layer is formed or after all layers are formed, each film is subjected to physical processing or chemical processing to perform fine processing and patterning. A floating structure is prepared by removing the portion located below the vibrating portion of the piezoelectric thin film from the substrate by anisotropic etching, and finally, the thin film piezoelectric element is obtained by separating into one element unit.
[0005]
For example, in the thin film piezoelectric element described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-142607, after a base film, a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode are formed on a substrate, the thin film piezoelectric element is formed under a portion that becomes a vibrating portion from the back surface of the substrate. It is manufactured by removing a certain substrate portion and forming a via hole.
[0006]
Piezoelectric materials for thin film piezoelectric elements include aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), cadmium sulfide (CdS), lead titanate [PT] (PbTiOThree ), Lead zirconate titanate [PZT] (Pb (Zr, Ti) OThree ) Etc. are used. In particular, AlN is suitable as a piezoelectric material for thin film resonators and thin film filters that have a high propagation speed of elastic waves and operate in a high frequency band.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Until now, various studies have been made to apply the AlN thin film to FBAR or SBAR. However, a thin film resonator and a thin film filter that exhibit sufficient performance in the gigahertz band have not yet been obtained, and improvement of the acoustic quality factor (Q value), frequency temperature coefficient, and insertion loss of the AlN thin film is desired. Yes. A thin film piezoelectric element that has excellent acoustic quality factor (Q value), wide band operation, and frequency temperature characteristics and exhibits high-performance resonance characteristics has not been proposed. The electromechanical coupling coefficient is an important parameter that influences the above-described performance in configuring a resonator and a filter, and greatly depends on the film quality of the piezoelectric thin film to be used.
[0008]
Therefore, the present invention has a large electromechanical coupling coefficient while taking advantage of the characteristics of the AlN thin film that the propagation speed of elastic waves is fast, and therefore has excellent acoustic quality factor (Q value), bandwidth, and frequency temperature characteristics. An object of the present invention is to provide a thin film piezoelectric resonator capable of realizing FBAR or SBAR with significantly higher characteristics and higher performance. Another object of the present invention is to provide a laminate that is suitable for realizing such a thin film piezoelectric resonator and includes an aluminum nitride thin film.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have found that the orientation and crystallinity of the AlN thin film are remarkably dependent on the orientation and crystallinity of the metal electrode film constituting the base film. In addition, the present inventors have found that the resonance characteristics of FBAR or SBAR formed on an Si substrate using an AlN thin film as a piezoelectric thin film are properties such as the material, elastic modulus, orientation, and crystallinity of the metal thin film serving as the lower electrode. The present inventors have found that the AlN thin film itself greatly depends on both the orientation, crystallinity, and piezoelectric properties. That is, by optimizing the combination of a lower electrode made of a highly elastic and highly oriented metal thin film and a highly oriented and highly crystalline c-axis oriented aluminum nitride thin film, and controlling and improving the film quality of both, the thin film It has been found that the electromechanical coupling coefficient and acoustic quality factor (Q value) of the piezoelectric resonator are increased, and the performance as a thin film piezoelectric resonator and a thin film piezoelectric filter is remarkably improved. That is, the lower electrode is composed of two or more metal layers including a laminate of a first metal layer having a body-centered cubic structure and a second metal layer having a face-centered cubic structure, and a piezoelectric thin film made of AlN is formed thereon. By forming, the orientation and crystallinity of the AlN thin film are improved, and by using the laminate obtained in this way, an FBAR or SBAR is formed, so that the electromechanical coupling coefficient is large, the Q value, the bandwidth The present invention was completed by finding that a high-performance FBAR or SBAR excellent in frequency temperature characteristics could be realized.
[0010]
  That is, according to the present invention, the above object is achieved as follows:
  A laminate of a metal electrode and an aluminum nitride thin film exhibiting c-axis orientation formed at least partially on the metal electrode, the metal electrode having a body-centered cubic structure and a face center It is composed of two or more metal layers including a laminate with a second metal layer having a cubic structure, and the thickness of the first metal layer is 0.5 times or more the thickness of the metal electrode.And at least a portion of the aluminum nitride thin film is formed in contact with the first metal layer.An aluminum nitride thin film-metal electrode laminate,
Is provided.
[0011]
  In one embodiment of the present invention, the first metal layer is made of a metal selected from molybdenum, tungsten, an alloy containing molybdenum as a main component, and an alloy containing tungsten as a main component. In one embodiment of the present invention, the second metal layer includes iridium, platinum, gold, aluminum, silver, an alloy containing iridium as a main component, an alloy containing platinum as a main component, an alloy containing gold as a main component, It is composed of a metal selected from an alloy mainly composed of aluminum and an alloy mainly composed of silver.Yes.
[0012]
In one aspect of the present invention, an interface layer composed of a metal layer or a compound layer having a thickness of 0.1 times or less the thickness of the metal electrode is provided between the aluminum nitride thin film and the first metal layer. Is formed. In one embodiment of the present invention, the interface layer is made of aluminum, silicon, an alloy or compound containing aluminum as a main component, and a metal or compound selected from an alloy or compound containing silicon as a main component.
[0013]
In one aspect of the present invention, an adhesion metal layer is formed on a surface of the second metal layer opposite to the side facing the first metal layer. In one embodiment of the present invention, the adhesion metal layer includes magnesium, titanium, vanadium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, chromium, nickel, an alloy mainly containing titanium, an alloy mainly containing titanium, and vanadium. Mainly alloy, zirconium-based alloy, hafnium-based alloy, niobium-based alloy, tantalum-based alloy, chromium-based alloy, and nickel-based alloy It is comprised with the metal chosen from the alloy used as a component.
[0014]
In one embodiment of the present invention, the rocking curve half-width (FWHM) of the (0002) diffraction peak of the aluminum nitride thin film is less than 3.3 °. In one embodiment of the present invention, the rocking curve half-width (FWHM) of the (110) diffraction peak of the first metal layer is less than 4.5 °.
[0015]
In addition, according to the present invention, the above object is achieved as follows:
In a thin film piezoelectric resonator having a structure in which a piezoelectric thin film is sandwiched between a plurality of electrodes, and the piezoelectric thin film is bridged at a central portion by support around the piezoelectric thin film, the piezoelectric thin film and the electrode A thin film piezoelectric resonator characterized in that one of the above is composed of an aluminum nitride thin film-metal electrode laminate as described above,
Is provided.
[0016]
In addition, according to the present invention, the above object is achieved as follows:
A thin film piezoelectric device comprising: a substrate made of a semiconductor or an insulator having a vibration space; and a laminated structure in which a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode are laminated in this order at a position facing the vibration space of the substrate. In the resonator, the piezoelectric thin film and the lower electrode are composed of an aluminum nitride thin film-metal electrode laminate as described above,
Is provided.
[0017]
In one aspect of the present invention, the upper electrode is composed of two electrode portions arranged separately from each other.
[0018]
In addition, according to the present invention, the above object is achieved as follows:
A substrate made of a semiconductor or insulator having a vibration space, and a lower electrode, a first piezoelectric thin film, an internal electrode, a second piezoelectric film, and an upper electrode in this order at a position facing the vibration space of the substrate. In the thin film piezoelectric resonator including the laminated structure, the first piezoelectric thin film and the lower electrode are formed of the aluminum nitride thin film-metal electrode laminate as described above. A thin film piezoelectric resonator,
Is provided.
[0019]
In the above aspect of the present invention, at least one layer of an insulating layer containing silicon oxide and / or silicon nitride as a main component is attached to the laminated structure at a position facing the vibration space.
[0020]
In the above embodiment of the present invention, the upper electrode and the internal electrode are molybdenum, tungsten, niobium, aluminum, an alloy containing molybdenum as a main component, an alloy containing tungsten as a main component, or an alloy containing niobium as a main component. And a metal selected from an alloy containing aluminum as a main component.
[0021]
In the above embodiment of the present invention, the upper electrode and the internal electrode may be molybdenum, tungsten, niobium, an alloy containing molybdenum as a main component, an alloy containing tungsten as a main component, an alloy containing niobium as a main component, or iridium. , Platinum, gold, silver, alloys based on iridium, alloys based on platinum, alloys based on gold, alloys based on silver, magnesium, aluminum, titanium, vanadium, zirconium, hafnium Alloys mainly composed of tantalum, chromium, nickel and magnesium, alloys based on aluminum, alloys based on titanium, alloys based on vanadium, alloys based on zirconium, mainly hafnium Alloys composed mainly of tantalum, alloys composed mainly of chrome, and nickel. It is comprise constituting two or more stacked metal layer made of a metal selected from an alloy and.
[0022]
In the present invention, an AlN thin film is formed on a metal electrode composed of two or more metal thin films including a stack of a first metal layer having a body-centered cubic structure and a second metal layer having a face-centered cubic structure. Thus, an aluminum nitride thin film-metal electrode laminate is produced. Typically, since the metal electrode is patterned into a predetermined shape, a part of the AlN thin film is formed on a silicon substrate or an insulating layer mainly composed of silicon oxide and / or silicon nitride formed on the silicon substrate. Is done. In order to increase the elastic modulus of the metal electrode, the thickness of the first metal layer having a high elastic modulus of the body-centered cubic structure is 0.5 times or more the total thickness of the two or more metal thin films constituting the metal electrode. It is necessary to.
[0023]
In a metal having a face-centered cubic structure, the atomic density of the (111) plane is higher than the atomic density of other orientation crystal planes such as the (100) plane and the (110) plane. It exists as a small thermodynamically stable crystal plane. For this reason, in a face-centered cubic structure metal, a (111) -oriented highly crystalline thin film can be obtained, and the rocking curve of the (111) diffraction peak, which is an index for evaluating crystal orientation, is a steep peak. The full width at half maximum (FWHM) is a small value. Aluminum nitride formed in contact with such a highly oriented and highly crystalline metal thin film is easy to grow as a highly oriented and highly crystalline thin film, so it has a good rocking curve half-width (FWHM) and good quality. An aluminum nitride thin film is obtained. However, a metal having a face-centered cubic structure has a drawback that its elastic modulus is small except for iridium and alloys containing iridium as a main component. In addition, iridium and alloys containing iridium as a main component are expensive and difficult to finely process.
[0024]
On the other hand, in the body-centered cubic metal, the atomic density of the (110) plane is slightly higher than the atomic density of the crystal planes in other orientations such as the (100) plane and the (111) plane, The (110) plane does not necessarily grow stably. For this reason, it is difficult to obtain a (110) -oriented highly crystalline thin film by ordinary thin-film forming means, and the (110) diffraction peak rocking curve, which serves as an index for evaluating crystal orientation, is widened and its half-value width is wide. (FWHM) is a large value.
[0025]
In the present invention, a first metal thin film having a body-centered cubic structure is formed on a second metal thin film having a face-centered cubic structure, from which a highly oriented and highly crystalline thin film can be easily obtained. A first metal thin film having a (110) orientation and a highly oriented, highly crystalline body-centered cubic structure can be easily obtained. The second metal having a face-centered cubic structure includes iridium, platinum, gold, aluminum, silver, an alloy containing iridium as a main component, an alloy containing platinum as a main component, an alloy containing gold as a main component, and aluminum as a main component. It is preferable to employ a metal selected from an alloy made of silver and an alloy containing silver as a main component. As the first metal having a body-centered cubic structure, the elastic modulus of molybdenum, tungsten, an alloy containing molybdenum as a main component, an alloy containing tungsten as a main component, or the like is 2 × 10.11N / m2 It is preferable to use the above highly elastic metal. These highly elastic metals have desirable characteristics as electrode materials for thin film piezoelectric resonators. For example, the thermoelastic loss of molybdenum is less than about 1/56 that of aluminum, and in this respect, molybdenum is a particularly preferred electrode material. The rocking curve half-width (FWHM) of the (110) diffraction peak of the first metal layer produced as described above is less than 4.5 °, preferably 3.5 ° or less. By forming an aluminum nitride thin film in contact with such a (110) oriented, highly oriented, highly crystalline metal thin film having a body-centered cubic structure, the rocking curve half-width (FWHM) of the (0002) diffraction peak is formed. Highly oriented and highly crystalline aluminum nitride thin film having an angle of less than 3.3 °, preferably 2.5 ° or less can be easily grown, and has high characteristics suitable for applications such as FBAR and SBAR A thin film-metal electrode laminate can be obtained.
[0026]
In the present invention, the thickness between the aluminum nitride thin film and the first metal layer having a body-centered cubic structure is not more than 0.1 times the total thickness of the two or more metal thin films constituting the metal electrode. Even if an interface layer made of another metal layer or compound layer is formed, a highly oriented and highly crystalline aluminum nitride thin film similar to the above can be easily grown, and for applications such as FBAR and SBAR. A suitable high-performance aluminum nitride thin film-metal electrode laminate can be obtained. The metal layer or compound layer that is an interface layer formed between the aluminum nitride thin film and the first metal layer having a body-centered cubic structure is mainly composed of aluminum, silicon, an alloy or compound containing aluminum as a main component, and silicon. It is preferably composed of a metal or compound selected from alloys or compounds as components.
[0027]
The aluminum nitride thin film-metal electrode laminate of the present invention is typically formed on a substrate made of a semiconductor or an insulator. For this reason, the adhesion between the substrate and the metal electrode is important. In order to improve the adhesion between the two, it is desirable to interpose an adhesion metal layer between the second metal layer having a face-centered cubic structure and the substrate. The metal used for the adhesion metal layer includes magnesium, titanium, vanadium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, chromium, nickel, magnesium-based alloys, titanium-based alloys, and vanadium as the main component. Alloys, alloys based on zirconium, alloys based on hafnium, alloys based on niobium, alloys based on tantalum, alloys based on chromium, and alloys based on nickel It is preferable to employ a metal selected from:
[0028]
Aluminum nitride is deposited on a multilayer metal thin film electrode in which two or more types of metal layers having different crystal structures are laminated, such as a laminate of a body-centered cubic structure metal layer and a face-centered cubic structure metal layer proposed in the present invention. No attempt has been made to improve the film quality such as orientation and crystallinity of the aluminum nitride thin film by growing it. In addition, attempts have been made to improve the performance of thin film piezoelectric elements such as resonators and filters by improving the quality of piezoelectric thin films by combining such multilayer metal thin films and aluminum nitride thin films. I have not been told.
[0029]
According to the present invention, the electromechanical coupling coefficient k determined from the measured values of the resonance frequency and the antiresonance frequency in the range of 2.0 to 3.0 GHz.t 2A high-performance thin film piezoelectric resonator having a thickness of 4.5% or more, for example, 4.5 to 6.5% is obtained.
[0030]
Further, in the thin film piezoelectric resonator of the present invention, the lower electrode has a body-centered cubic structure and a surface of the first metal layer having a rocking curve half value (FWHM) of (110) diffraction peak of less than 4.5 °. It is composed of two or more metal layers including a stack with a second metal layer having a centered cubic structure, and an aluminum nitride (AlN) thin film exhibits c-axis orientation, and a rocking curve of a diffraction peak on the (0002) plane When the full width at half maximum (FWHM) is less than 3.3 °, the performance of the thin film piezoelectric resonator is further improved.
[0031]
In the thin film piezoelectric resonator of the present invention, the lower electrode, the piezoelectric thin film, and the upper electrode are laminated in this order, or the lower electrode, the first piezoelectric thin film, the internal electrode, and the second piezoelectric body. The laminated structure in which the film and the upper electrode are laminated in this order is provided with at least one layer of silicon oxide (SiO 2) at a position facing the vibration space.2 ) And / or silicon nitride (SiN)x The characteristics such as the frequency temperature coefficient of the thin film piezoelectric resonator can be further improved.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0033]
FIG. 1 is a schematic plan view showing an embodiment of a thin film piezoelectric resonator according to the present invention, and FIG. 2 is an XX sectional view thereof. In these drawings, the thin film piezoelectric resonator 11 has a substrate 12, an insulator layer 13 formed on the upper surface of the substrate 12, and a piezoelectric laminated structure 14 formed on the upper surface of the insulator layer 13. The piezoelectric laminated structure 14 includes a lower electrode 15 formed on the upper surface of the insulating layer 13, a piezoelectric thin film 16 formed on the upper surface of the insulating layer 13 so as to cover a part of the lower electrode 15, and The upper electrode 17 is formed on the upper surface of the piezoelectric thin film 16. A via hole 20 that forms a gap is formed in the substrate 12. A part of the insulator layer 13 is exposed toward the via hole 20. The exposed portion of the insulator layer 13 and the portion of the piezoelectric multilayer structure 14 corresponding thereto constitute a vibrating portion (vibrating diaphragm) 21. The lower electrode 15 and the upper electrode 17 include main portions 15a and 17a formed in a region corresponding to the vibration portion 21, and terminal portions 15b and 17b for connecting the main portions 15a and 17a to an external circuit. Have The terminal portions 15 b and 17 b are located outside the region corresponding to the vibrating portion 21.
[0034]
As the substrate 12, a single crystal such as Si (100) single crystal, or a substrate in which a polycrystalline film such as silicon, diamond or the like is formed on the surface of a base material such as Si single crystal can be used. As the substrate 12, other semiconductors or insulators can be used. As a method for forming the via hole 20 of the substrate 12, an anisotropic etching method from the lower surface side of the substrate is exemplified. The space formed in the substrate 12 is not limited to that formed by the via hole 20, and may be any as long as it allows vibration of the vibration part 21, and is a recess formed in the upper surface region of the substrate corresponding to the vibration part 21. There may be.
[0035]
As the insulator layer 13, for example, silicon oxide (SiO2 ), A dielectric film composed mainly of silicon nitride (SiN)x ) And a laminated film of a dielectric film mainly composed of silicon oxide and a dielectric film mainly composed of silicon nitride can be used. As for the material of the insulator layer 13, the main component refers to a component having a content of 50 equivalent% or more in the layer (the same applies to the materials of other layers). The dielectric film may be composed of a single layer, or may be composed of a plurality of layers to which a layer for improving adhesion is added. The thickness of the insulator layer 13 is, for example, less than 2.0 μm, preferably 0.5 μm or less. Examples of the method for forming the insulator layer 13 include a thermal oxidation method and a CVD method for the surface of the substrate 12 made of silicon. In the present invention, a structure in which the insulating layer 13 in the region corresponding to the vibration part 21 is entirely removed by etching and the lower electrode 15 is exposed toward the via hole 20 may be employed. Thus, by removing all of the insulator layer 13 in the region corresponding to the vibration part 21, the temperature characteristic of the resonance frequency is slightly deteriorated, but there is an advantage that the acoustic quality factor (Q value) is improved. .
[0036]
The lower electrode 15 is formed between the first metal layer having a body-centered cubic structure, the second metal layer having a face-centered cubic structure, and, if necessary, between the second metal layer and the substrate 12. The thickness is 50 to 300 nm, for example. The piezoelectric thin film 16 is made of AlN and has a thickness of 0.5 to 3.0 μm, for example. The upper electrode 17 is made of, for example, molybdenum, tungsten, niobium, aluminum, an alloy mainly containing molybdenum, an alloy mainly containing tungsten, an alloy mainly containing niobium, and an alloy mainly containing aluminum. Consists of selected metals. Alternatively, the upper electrode 17 is mainly made of, for example, molybdenum, tungsten, niobium, an alloy containing molybdenum as a main component, an alloy containing tungsten as a main component, an alloy containing niobium as a main component, iridium, platinum, gold, silver, or iridium. Alloys as components, alloys based on platinum, alloys based on gold, alloys based on silver, magnesium, aluminum, titanium, vanadium, zirconium, hafnium, tantalum, chromium, nickel, magnesium Alloys composed of components, alloys composed mainly of aluminum, alloys composed mainly of titanium, alloys composed mainly of vanadium, alloys composed mainly of zirconium, alloys composed mainly of hafnium, and composed mainly of tantalum Selected from alloys made of chromium, alloys based on chromium, and alloys based on nickel It is configured to include two or more stack of Ranaru metal layer. The thickness of the upper electrode 17 is, for example, 50 to 300 nm.
[0037]
In general, the piezoelectric characteristics of a piezoelectric material depend on the magnitude of polarization of a crystal, the arrangement of polarization axes, and the like. Also in the piezoelectric thin film used in the present invention, the piezoelectricity is considered to depend on crystal properties such as the domain structure, orientation, and crystallinity of the crystal constituting the thin film. In this specification, the single alignment film means a crystallized film in which target crystal planes are aligned in parallel with the substrate surface. For example, a (0001) single orientation film means a film in which the (0001) plane is grown in parallel with the film plane. Specifically, it means that when the X-ray diffraction measurement by the diffractometer method is performed, the reflection peak other than the target diffraction surface due to the AlN crystal can hardly be detected. For example, in the (000L) single orientation film, that is, the c-axis single orientation film, the reflection intensity other than the (000L) plane is 5 which is the maximum peak intensity of the (000L) plane reflection in X-ray diffraction measurement of θ-2θ rotation. %, Preferably less than 2%, more preferably below the detection limit. The (000L) plane is a generic display of (0001) series planes, that is, equivalent planes such as the (0001) plane, the (0002) plane, and the (0004) plane.
[0038]
In the FBAR configured as shown in FIG. 1 and FIG. 2, the inventors of the present invention have resonance characteristics such as properties of the multilayer metal thin film constituting the electrode, properties such as elastic modulus, orientation, crystallinity, and orientation of the AlN thin film. We examined how it depends on both the crystallinity and other properties. In the FBAR shown in the figure, the lower electrode 15 includes an adhesion metal layer formed in contact with the substrate 12 as necessary, a second metal layer having a face-centered cubic structure, and a first metal layer having a body-centered cubic structure. It is configured by stacking in this order.
[0039]
As the lower electrode 15, an adhesion metal layer, a second metal layer having a face-centered cubic structure, and a first metal layer having a body-centered cubic structure are sequentially formed by sputtering or vapor deposition, and then these metals are formed by dry etching. The layer was patterned into a predetermined shape. After the AlN thin film 16 is formed on the upper surface of the substrate 12 on which the lower electrode 15 is formed by reactive sputtering, a part of the region excluding the part on the via hole 20 is removed by etching using a photolithography technique. Processed into a predetermined shape. At this time, another metal having a thickness of 0.1 times or less the entire thickness of the two or more metal layers constituting the lower electrode 15 between the AlN thin film 16 and the first metal layer having the body-centered cubic structure. Even if a layer or a compound layer is formed, the object of the present invention is achieved. The upper electrode 17 was formed on the AlN thin film 16 remaining on the via hole 20. The upper electrode 17 has a shape close to a rectangle.
[0040]
The inventors of the present invention have a face-centered cubic metal thin film that can easily obtain a highly oriented thin film and an elastic modulus of 2 × 10.11N / m2 By laminating the above thin film of highly elastic metal, a highly oriented and highly elastic laminated metal whose rocking curve half-width (FWHM) of a specific diffraction peak derived from the highly elastic metal is less than 4.5 ° By forming a thin film and growing an aluminum nitride thin film on this laminated metal thin film, the (0002) diffraction peak rocking curve full width at half maximum (FWHM) is less than 3.3 °. It has been found that a c-axis oriented aluminum nitride thin film can be produced.
[0041]
Body-centered cubic structure (space group I) used for the lower electrode 15m-3mSuitable materials for the first metal layer are molybdenum, tungsten, an alloy containing molybdenum as a main component, an alloy containing tungsten as a main component, and these materials exhibit (110) orientation and are films. A (110) plane grows parallel to the plane. These materials have the property of low thermoelastic loss. Alloys mainly composed of molybdenum (Mo) include TZM alloys having a composition of 99.38% Mo-0.5% Ti-0.07% Zr-0.05% C, 95% Mo-5% Re. Alloy, 90% Mo-10% W alloy and the like. Examples of the alloy mainly composed of tungsten (W) include 95% W-5% Re alloy, 90% W-10% Mo alloy, and W-Cu-Ni alloy.
[0042]
Face-centered cubic structure used in the lower electrode 15 (space group Fm-3mSuitable materials for the second metal layer are iridium, platinum, gold, aluminum, silver, alloys based on iridium, alloys based on platinum, alloys based on gold, and aluminum. Examples of such an alloy include an alloy containing silver and an alloy containing silver as a main component. These materials exhibit (111) orientation, and the (111) plane grows parallel to the film surface. An alloy containing iridium (Ir) as a main component includes an Ir—Pt alloy. An alloy containing platinum (Pt) as a main component includes an alloy of Pt and a metal selected from Rh, Ir, Ru, Pd, Au, Ni, and W. Examples of the alloy mainly composed of gold (Au) include an alloy of Au and a metal selected from Pd, Pt, Fe, Ni, Cu, and Ag. Alloys mainly composed of aluminum (Al) include Al—Si—Cu alloys, Al—Si alloys obtained by adding or dissolving a small amount of Si and Cu in Al, and a small amount of Mo and W in Al. There are a melted alloy, an Al—Cu—Mg—Mn alloy, an Al—Cu—Mg—Ni alloy, an Al—Mg alloy, an Al—Zn—Mg alloy, and the like. As an alloy containing silver (Ag) as a main component, there is an alloy of Ag and a metal selected from Zn, Al, Au, Sn, and Cu.
[0043]
Suitable materials used as another metal or compound layer (interface layer) formed between the AlN thin film 16 and the first metal layer having a body-centered cubic structure are mainly composed of aluminum, silicon, and aluminum. Alloy or compound, and an alloy or compound containing silicon as a main component. Examples of the alloy mainly composed of aluminum (Al) include the Al-Si-Cu alloy, Al-Si alloy, Al-Mo-W alloy, Al-Cu-Mg-Mn alloy, Al-Cu. -Mg-Ni alloys, Al-Mg alloys, Al-Zn-Mg alloys, and the like. As a compound mainly composed of aluminum (Al), AlOx Ny and so on. As a compound having silicon (Si) as a main component, Si is used.Three NFour , SiNx , SiOx Ny , SiO2 and so on.
[0044]
Suitable materials used as the adhesion metal layer formed between the substrate 12 and the second metal layer having a face-centered cubic structure are magnesium, titanium, vanadium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, chromium, nickel, Alloys based on magnesium, alloys based on titanium, alloys based on vanadium, alloys based on zirconium, alloys based on hafnium, alloys based on niobium, tantalum An alloy having a main component, an alloy having chromium as a main component, an alloy having nickel as a main component, and the like. Examples of alloys containing magnesium (Mg) as a main component include Mg—Al—Zn—Mn alloys, Mg—Zn—Zr alloys, and Mg—rare earth element alloys. An alloy mainly composed of titanium (Ti) includes an alloy of Ti and a metal selected from Al, Mo, V, Cr, Mn, and Fe. An alloy mainly composed of niobium (Nb) includes an Nb—Si—Ti—Fe alloy. An alloy containing tantalum (Ta) as a main component includes an alloy of Ta and a metal selected from Cr, Fe, Co, Ni, W, and Pt. An alloy containing chromium (Cr) as a main component includes an alloy of Cr and a metal selected from Fe, Co, Ni, and Mo. An alloy containing nickel (Ni) as a main component includes an alloy of Ni and a metal selected from Al, Si, Cr, Mn, Fe, Cu, and Mo.
[0045]
Suitable materials for the upper electrode 17 include molybdenum, tungsten, niobium, aluminum, an alloy containing molybdenum as a main component, an alloy containing tungsten as a main component, an alloy containing niobium as a main component, and aluminum. An alloy as a component. The upper electrode 17 includes molybdenum, tungsten, niobium, an alloy containing molybdenum as a main component, an alloy containing tungsten as a main component, an alloy containing niobium as a main component, iridium, platinum, gold, silver, iridium as a main component. Alloy, platinum-based alloy, gold-based alloy, silver-based alloy, magnesium, aluminum, titanium, vanadium, zirconium, hafnium, tantalum, chromium, nickel, magnesium Alloy, aluminum-based alloy, titanium-based alloy, vanadium-based alloy, zirconium-based alloy, hafnium-based alloy, tantalum-based alloy Made of a metal selected from a chromium-based alloy and a nickel-based alloy The Using those constructed from laminated metal thin film formed by laminating two or more layers, it is possible to stabilize the characteristics.
[0046]
X-ray diffraction of a c-axis oriented aluminum nitride thin film formed on two or more laminated metal thin films including a laminate of a first metal layer having a body-centered cubic structure and a second metal layer having a face-centered cubic structure The measured rocking curve half-width (FWHM) of the (0002) diffraction peak is less than 3.3 °. When the rocking curve half-width (FWHM) is 3.3 ° or more, the electromechanical coupling coefficient kt 2And the acoustic quality factor (Q value) is lowered, and the resonance characteristics are deteriorated. Furthermore, if the rocking curve half width (FWHM) becomes excessively large, current leakage tends to occur between the lower electrode terminal portion 15b and the lower electrode terminal portion 17b.
[0047]
In the thin film piezoelectric resonator having the configuration shown in FIGS. 1 and 2, bulk waves are excited by applying an electric field to the upper and lower electrodes of the piezoelectric thin film and performing polarization treatment in the thickness direction. For this reason, in order to use the lower electrode as a terminal electrode, it is necessary to expose a part of the lower electrode. This configuration can only be used as a resonator, and it is necessary to combine two or more elements to make a filter.
[0048]
FIG. 3 is a schematic plan view showing another embodiment of the thin film piezoelectric resonator according to the present invention, and FIG. 4 is an XX cross-sectional view thereof. In these drawings, members having the same functions as those in FIGS. 1 and 2 are given the same reference numerals.
[0049]
In the present embodiment, the lower electrode 15 has a shape close to a rectangle, and the upper electrode 17 includes a first electrode portion 17A and a second electrode portion 17B. These electrode portions 17A and 17B have main portions 17Aa and 17Ba and terminal portions 17Ab and 17Bb, respectively. The main portions 17Aa and 17Ba are located in a region corresponding to the vibrating portion 21, and the terminal portions 17Ab and 17Bb are located in a region other than the region corresponding to the vibrating portion 21.
[0050]
In the present embodiment, an input voltage is applied between one of the upper electrodes 17 (for example, the second electrode portion 17B) and the lower electrode 15, and the other of the upper electrodes 17 (for example, the first electrode portion 17A). ) And the lower electrode 15 can be taken out as an output voltage, so that it can be used as a filter. By using a filter with such a configuration as a component of the passband filter, no wiring inside the element is required, so there is no loss due to the wiring, the attenuation characteristics of the stopband are good, and the frequency response as a filter Improves.
[0051]
FIG. 5 is a schematic plan view showing still another embodiment of the thin film piezoelectric resonator according to the present invention, and FIG. 6 is an XX sectional view thereof. In these drawings, members having the same functions as those in FIGS. 1 to 4 are given the same reference numerals.
[0052]
The present embodiment is a stacked thin film bulk acoustic resonator having a piezoelectric multilayer structure equivalent to a stack of two piezoelectric multilayer structures according to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2. is there. That is, the lower electrode 15, the first piezoelectric thin film 16-1, the internal electrode 17 ', the second piezoelectric thin film 16-2, and the upper electrode 18 are laminated on the insulator layer 13 in this order. The internal electrode 17 'has a function as an upper electrode for the first piezoelectric thin film 16-1 and a function as a lower electrode for the second piezoelectric thin film 16-2.
[0053]
In the present embodiment, an input voltage is applied between the lower electrode 15 and the internal electrode 17 ′, and a voltage between the internal electrode 17 ′ and the upper electrode 18 can be taken out as an output voltage. It can be used as a multipole filter. By using a multipole filter with such a configuration as a component of the passband filter, no wiring in the element is required, so there is no loss due to the wiring, the attenuation characteristics of the stopband are good, and the filter Improves the frequency response.
[0054]
In the thin film piezoelectric resonator as described above, the resonance frequency f in the impedance characteristic measured using a microwave prober.r And anti-resonance frequency fa And electromechanical coupling coefficient kt 2The following relationship between
kt 2= Φr / Tan (φr )
φr = (Π / 2) (fr / Fa )
There is.
[0055]
For simplicity, electromechanical coupling coefficient kt 2As
kt 2= 4.8 (fa -Fr ) / (Fa + Fr )
In this specification, an electromechanical coupling coefficient k can be used.t 2The numerical value of is calculated using this equation.
[0056]
From the measured values of the resonance frequency and the antiresonance frequency in the range of 2.0 to 3.0 GHz in the FBAR or SBAR having the configurations shown in FIGS. 1 and 2, 3 and 4, and FIGS. 5 and 6, respectively. The obtained electromechanical coupling coefficient kt 2Is preferably 4.5% or more, for example, 4.5 to 6.5%. Electromechanical coupling coefficient kt 2If it is less than 4.5%, the bandwidth of the fabricated FBAR becomes small, and it tends to be difficult to put it into practical use as a thin film piezoelectric resonator used in a high frequency range.
[0057]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples.
[0058]
[Example 1]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0059]
That is, 1.1 μm thick SiO2 on both upper and lower surfaces of a (100) Si substrate 12 having a thickness of 350 μm by thermal oxidation2 After forming the layer, SiO on the upper surface side2 Etch only the layer to make the top SiO2 Adjust the thickness of the layer, SiO2 The insulator layer 13 having the thickness values shown in Table 3 was formed. A 60 nm thick Au metal layer (second metal layer) and a 150 nm thick Mo metal layer (first metal layer) are formed in this order on the top surface of the insulator layer 13 by DC magnetron sputtering. Then, the Mo / Au lower electrode 15 was formed by patterning by photolithography. The main portion 15a of the lower electrode 15 has a shape close to a rectangle with a planar size of 150 × 170 μm. It was confirmed by X-ray diffraction measurement that the Au metal layer was a (111) oriented film, ie, a single oriented film, and the Mo metal layer was a (110) oriented film, ie, a single oriented film. On the substrate 12 on which the Mo / Au lower electrode 15 was formed, an AlN thin film was formed under the conditions shown in Table 2 by a reactive RF magnetron sputtering method using a metal Al having a purity of 5N as a target. The AlN thin film 16 was formed by patterning the AlN thin film into a predetermined shape by wet etching using hot phosphoric acid.
[0060]
Thereafter, an Al upper electrode 17 having a thickness of 190 nm and a plane shape of 130 × 150 μm of the main portion 17a was formed using a DC magnetron sputtering method and a lift-off method. The main portion 17a of the upper electrode 17 is disposed at a position corresponding to the lower electrode main portion 15a. Next, the side where the lower electrode 15, the upper electrode 17 and the piezoelectric thin film 16 of the structure obtained as described above are formed is covered with protective wax, and the thickness formed on the lower surface of the Si substrate 12. 1.1μm SiO2 Using a mask formed by patterning the layer, a portion of the Si substrate 12 corresponding to the vibrating portion 21 was etched away with a heated KOH aqueous solution to form a via hole 20 serving as a void.
[0061]
For the AlN thin film-metal electrode laminate manufactured by the above process, composition analysis of the AlN thin film (piezoelectric thin film) obtained by XPS spectroscopy was performed, and a multi-functional X-ray diffractometer for surface structure evaluation was used. Then, the lattice constant measurement by the diffractometer method and the rocking curve half-width (FWHM) measurement of the (0002) diffraction peak were performed. Table 2 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN thin film.
[0062]
In addition, the impedance characteristic between the electrode terminals 15b and 17b of the thin film piezoelectric resonator (FBAR) is measured using a microwave prober and a network analyzer manufactured by Cascade Microtech, and the resonance frequency fr And anti-resonance frequency fa From the measured value of the electromechanical coupling coefficient kt 2And the acoustic quality factor Q was determined. Fundamental frequency of thickness vibration of obtained thin film piezoelectric resonator, electromechanical coupling coefficient kt 2The acoustic quality factor Q is shown in Table 3.
[0063]
[Example 2]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0064]
That is, by the same operation as in Example 1, SiO 22 An insulator layer 13 made of was formed. A Ti metal layer (adhesive metal layer), a Pt metal layer (second metal layer), and a Mo metal layer (first metal layer) having the thicknesses shown in Table 1 are formed on the upper surface of the insulator layer 13 by DC magnetron sputtering. Metal layers) were formed in this order, and patterned by photolithography to form the Mo / Pt / Ti lower electrode 15. The main portion 15a of the lower electrode 15 has a shape close to a rectangle with a planar size of 150 × 170 μm. It was confirmed by X-ray diffraction measurement that the Pt metal layer was a (111) single alignment film and the Mo metal layer was a (110) single alignment film. A piezoelectric thin film 16 was formed on the substrate 12 on which the Mo / Pt / Ti lower electrode 15 was formed by the same operation as in Example 1. Thereafter, using a DC magnetron sputtering method and a lift-off method, a Mo / Pt / Ti upper electrode 17 having a shape close to a rectangle with a planar size of 130 × 150 μm of the main body portion 17a was formed. The Ti metal layer is used as an adhesion metal layer, the Pt metal layer is used as a fourth metal layer having a face-centered cubic structure, and the Mo metal layer is used as a third metal layer having a body-centered cubic structure. The length was as described in Table 1. The main portion 17a of the upper electrode 17 is disposed at a position corresponding to the lower electrode main portion 15a. Next, via holes 20 serving as voids were formed by the same operation as in Example 1.
[0065]
For the AlN thin film-metal electrode laminate manufactured by the above process, composition analysis of the AlN thin film (piezoelectric thin film) obtained by XPS spectroscopy was performed, and a multi-functional X-ray diffractometer for surface structure evaluation was used. Then, the lattice constant measurement by the diffractometer method and the rocking curve half width (FWHM) measurement of the (0002) diffraction peak were performed. Table 2 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN thin film.
[0066]
In addition, the impedance characteristic between the electrode terminals 15b and 17b of the thin film piezoelectric resonator (FBAR) is measured using a microwave prober and a network analyzer manufactured by Cascade Microtech, and the resonance frequency fr And anti-resonance frequency fa From the measured value of the electromechanical coupling coefficient kt 2And the acoustic quality factor Q was determined. Fundamental frequency of thickness vibration of obtained thin film piezoelectric resonator, electromechanical coupling coefficient kt 2The acoustic quality factor Q is shown in Table 3.
[0067]
[Example 3]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0068]
That is, by the same operation as in Example 1, SiO 22 An insulator layer 13 made of was formed. A Ti metal layer (adhesive metal layer), an Au metal layer (second metal layer), and a Mo metal layer (first metal layer) having the thicknesses shown in Table 1 are formed on the upper surface of the insulator layer 13 by DC magnetron sputtering. Metal layers) were formed in this order and patterned by photolithography to form the Mo / Au / Ti lower electrode 15. The main portion 15a of the lower electrode 15 has a shape close to a rectangle with a planar size of 150 × 170 μm. It was confirmed by X-ray diffraction measurement that the Au metal layer was a (111) single alignment film and the Mo metal layer was a (110) single alignment film. A piezoelectric thin film 16 was formed on the substrate 12 on which the Mo / Au / Ti lower electrode 15 was formed by the same operation as in Example 1. Thereafter, using a DC magnetron sputtering method and a lift-off method, a Mo upper electrode 17 having a shape close to a rectangle having a planar dimension of 130 × 150 μm of the main body portion 17a and having a thickness of 195 nm was formed. The main portion 17a of the upper electrode 17 is disposed at a position corresponding to the lower electrode main portion 15a. Next, via holes 20 serving as voids were formed by the same operation as in Example 1. Further, the insulating layer 13 in the region corresponding to the vibrating portion 21 was also etched away by dry etching to expose the lower surface of the lower electrode 15.
[0069]
About the AlN thin film-metal electrode laminated body manufactured by said process, it carries out similarly to Example 1, the composition analysis of an AlN thin film (piezoelectric thin film), the lattice constant measurement by a diffractometer method, and a (0002) diffraction peak The rocking curve half-width (FWHM) was measured. Table 2 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN thin film.
[0070]
Similarly to Example 1, the impedance characteristic between the electrode terminals 15b and 17b of the thin film piezoelectric resonator (FBAR) is measured, and the resonance frequency fr And anti-resonance frequency fa From the measured value of the electromechanical coupling coefficient kt 2And the acoustic quality factor Q was determined. Fundamental frequency of thickness vibration of obtained thin film piezoelectric resonator, electromechanical coupling coefficient kt 2The acoustic quality factor Q is shown in Table 3.
[0071]
[Examples 4 and 5]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0072]
That is, the SiN having the thickness shown in Table 3 on both the upper and lower surfaces of the (100) Si substrate 12 having a thickness of 300 μm by low-pressure CVD.x Forming a layer, SiNx An insulator layer 13 made of was formed. A Ti metal layer (adhesive metal layer), an Au metal layer (second metal layer), and a Mo metal layer (first metal layer) having the thicknesses shown in Table 1 are formed on the upper surface of the insulator layer 13 by DC magnetron sputtering. Metal layers) were formed in this order and patterned by photolithography to form the Mo / Au / Ti lower electrode 15. The main portion 15a of the lower electrode 15 has a shape close to a rectangle with a planar size of 150 × 170 μm. It was confirmed by X-ray diffraction measurement that the Au metal layer was a (111) single alignment film and the Mo metal layer was a (110) single alignment film. On the substrate 12 on which the Mo / Au / Ti lower electrode 15 is formed, SiN having the thickness shown in Table 1 is formed.x After forming the layer (interface layer) or the Al layer (interface layer), the piezoelectric thin film 16 is formed by the same operation as in Example 1, and the interface between the lower electrode 15 and the AlN thin film (piezoelectric thin film) 16 is formed. , SiNx A layer or an Al layer is interposed.
[0073]
Thereafter, using a DC magnetron sputtering method and a lift-off method, the Mo / Au / Ni upper electrode 17 [Example 4] or a Mo upper portion having a thickness of 195 nm is formed in a shape close to a rectangle having a planar dimension of 130 × 150 μm of the main portion 17a. Electrode 17 [Example 5] was formed. In Example 4, the Ti metal layer is used as the adhesion metal layer, the Pt metal layer is used as the fourth metal layer, the Mo metal layer is used as the third metal layer, and the thicknesses are shown in Table 1. As described. The main portion 17a of the upper electrode 17 is disposed at a position corresponding to the lower electrode main portion 15a. Next, via holes 20 serving as voids were formed by the same operation as in Example 1.
[0074]
About the AlN thin film-metal electrode laminated body manufactured by said process, it carries out similarly to Example 1, the composition analysis of an AlN thin film (piezoelectric thin film), the lattice constant measurement by a diffractometer method, and a (0002) diffraction peak The rocking curve half-width (FWHM) was measured. Table 2 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN thin film.
[0075]
Similarly to Example 1, the impedance characteristic between the electrode terminals 15b and 17b of the thin film piezoelectric resonator (FBAR) is measured, and the resonance frequency fr And anti-resonance frequency fa From the measured value of the electromechanical coupling coefficient kt 2And the acoustic quality factor Q was determined. Fundamental frequency of thickness vibration of obtained thin film piezoelectric resonator, electromechanical coupling coefficient kt 2The acoustic quality factor Q is shown in Table 3.
[0076]
[Examples 6 and 7]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 3 and 4 was produced as follows.
[0077]
That is, by the same operation as in Example 4, SiNx An insulator layer 13 made of was formed. An adhesion metal layer, a second metal layer, and a first metal layer having the materials and thicknesses shown in Table 1 are formed in this order on the upper surface of the insulator layer 13 by DC magnetron sputtering, and photolithography is performed. Thus, the lower electrode 15 [Example 7] made of Mo (TZM alloy) / Au / V lower electrode 15 [Example 6] or Mo-Re alloy / Au / Cr was formed. The main portion 15a of the lower electrode 15 has a shape close to a rectangle having a planar size of 120 × 280 μm extending so as to include a portion corresponding to the vibrating portion 21. It was confirmed by X-ray diffraction measurement that the Au metal layer was a (111) single orientation film and the Mo (TZM alloy) metal layer or the Mo-Re alloy metal layer was a (110) single orientation film. On the substrate 12 on which the Mo (TZM alloy) / Au / V lower electrode 15 or the Mo-Re alloy / Au / Cr lower electrode 15 was formed, the piezoelectric thin film 16 was formed by the same operation as in Example 1.
[0078]
Thereafter, using a DC magnetron sputtering method and a lift-off method, a Mo (TZM alloy) / Au upper electrode 17 in which main portions 17Aa and 17Ba having a plane size of 65 × 85 μm and a shape close to a rectangle are arranged with a spacing of 20 μm. [Example 6] or an Mo-Re alloy / Au / Ti upper electrode 17 [Example 7] was formed. In Example 6, the Au metal layer was used as the fourth metal layer, the Mo (TZM alloy) metal layer was used as the third metal layer, and the thicknesses thereof were as described in Table 1. In Example 7, the Ti metal layer is used as the adhesion metal layer, the Au metal layer is used as the fourth metal layer, and the Mo-Re alloy metal layer is used as the third metal layer. The length was as described in Table 1. The main portions 17Aa and 17Ba of the upper electrode 17 are arranged at positions corresponding to the lower electrode 15, respectively. Next, via holes 20 serving as voids were formed by the same operation as in Example 1.
[0079]
About the AlN thin film-metal electrode laminated body manufactured by said process, it carries out similarly to Example 1, the composition analysis of an AlN thin film (piezoelectric thin film), the lattice constant measurement by a diffractometer method, and a (0002) diffraction peak The rocking curve half-width (FWHM) was measured. Table 2 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN thin film.
[0080]
Further, using a microwave prober made by Cascade Microtech, the terminal part (the exposed part on the left side in FIGS. 3 and 4) of the lower electrode 15 of the thin film piezoelectric resonator is connected to the ground electrode, and the upper electrode 17A A signal was input from the terminal portion 17Ab, an output signal was extracted from the terminal portion 17Bb of the upper electrode 17B, and the signal intensity, waveform, etc. were analyzed with a network analyzer. Resonant frequency f of individual resonatorr And anti-resonance frequency fa From the measured value of the electromechanical coupling coefficient kt 2And the acoustic quality factor Q was determined. Fundamental frequency of thickness vibration of the obtained piezoelectric thin film resonator, electromechanical coupling coefficient kt 2The acoustic quality factor Q is shown in Table 3.
[0081]
[Example 8]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 3 and 4 was produced as follows.
[0082]
That is, the same steps as in Example 6 except that the materials and thicknesses of the insulator layer 13, the lower electrode 15, the upper electrode 17, and the piezoelectric thin film 16 are as shown in Tables 1 to 3. Was executed. Here, as the insulator layer 13, SiO formed by a thermal oxidation method is used.2 Layers were used.
[0083]
In the same manner as in Example 6, composition analysis and X-ray diffraction measurement of the obtained AlN thin film (piezoelectric thin film) were performed. Table 2 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN thin film.
[0084]
Further, the resonance frequency f measured in the same manner as in Example 6 was used.r And anti-resonance frequency fa From the measured value of the electromechanical coupling coefficient kt 2And the acoustic quality factor Q was determined. Fundamental frequency of thickness vibration of obtained thin film piezoelectric resonator, electromechanical coupling coefficient kt 2The acoustic quality factor Q is shown in Table 3.
[0085]
[Examples 9 and 10]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0086]
That is, the same steps as in Example 2 except that the materials and thicknesses of the insulator layer 13, the lower electrode 15, the upper electrode 17, and the piezoelectric thin film 16 are as shown in Tables 1 to 3. Was executed.
[0087]
In the same manner as in Example 2, composition analysis and X-ray diffraction measurement of the obtained AlN thin film (piezoelectric thin film) were performed. Table 2 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN thin film.
[0088]
Further, the resonance frequency f measured in the same manner as in Example 2 was used.r And anti-resonance frequency fa From the measured value of the electromechanical coupling coefficient kt 2And the acoustic quality factor Q was determined. Fundamental frequency of thickness vibration of obtained thin film piezoelectric resonator, electromechanical coupling coefficient kt 2The acoustic quality factor Q is shown in Table 3.
[0089]
[Examples 11 and 12]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0090]
That is, the same steps as in Example 4 except that the materials and thicknesses of the insulator layer 13, the lower electrode 15, the upper electrode 17, and the piezoelectric thin film 16 are as shown in Tables 1 to 3. Was executed.
[0091]
In the same manner as in Example 4, composition analysis and X-ray diffraction measurement of the obtained AlN thin film (piezoelectric thin film) were performed. Table 2 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN thin film.
[0092]
Further, the resonance frequency f measured in the same manner as in Example 4 was used.r And anti-resonance frequency fa From the measured value of the electromechanical coupling coefficient kt 2And the acoustic quality factor Q was determined. Fundamental frequency of thickness vibration of obtained thin film piezoelectric resonator, electromechanical coupling coefficient kt 2The acoustic quality factor Q is shown in Table 3.
[0093]
[Example 13]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 3 and 4 was produced as follows.
[0094]
That is, the materials and thicknesses of the insulator layer 13, the lower electrode 15, the upper electrode 17 and the piezoelectric thin film 16 are as shown in Tables 1 to 3, and after the via hole 20 serving as a gap is formed, dry etching is performed. The same process as in Example 8 was performed except that the insulating layer 13 in the region corresponding to the vibration part 21 was also removed by etching to expose the lower surface of the lower electrode 15.
[0095]
In the same manner as in Example 8, composition analysis and X-ray diffraction measurement of the obtained AlN thin film (piezoelectric thin film) were performed. Table 2 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN thin film.
[0096]
Further, the resonance frequency f measured in the same manner as in Example 8 was used.r And anti-resonance frequency fa From the measured value of the electromechanical coupling coefficient kt 2And the acoustic quality factor Q was determined. Fundamental frequency of thickness vibration of obtained thin film piezoelectric resonator, electromechanical coupling coefficient kt 2The acoustic quality factor Q is shown in Table 3.
[0097]
[Example 14]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 3 and 4 was produced as follows.
[0098]
That is, the same steps as in Example 8 except that the materials and thicknesses of the insulator layer 13, the lower electrode 15, the upper electrode 17, and the piezoelectric thin film 16 are as shown in Tables 1 to 3. Was executed.
[0099]
In the same manner as in Example 8, composition analysis and X-ray diffraction measurement of the obtained AlN thin film (piezoelectric thin film) were performed. Table 2 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN thin film.
[0100]
Further, the resonance frequency f measured in the same manner as in Example 8 was used.r And anti-resonance frequency fa From the measured value of the electromechanical coupling coefficient kt 2And the acoustic quality factor Q was determined. Fundamental frequency of thickness vibration of the obtained piezoelectric thin film resonator, electromechanical coupling coefficient kt 2The acoustic quality factor Q is shown in Table 3.
[0101]
[Comparative Examples 1 and 2]
In this comparative example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0102]
That is, the same steps as in Example 1 except that the materials and thicknesses of the insulator layer 13, the lower electrode 15, the upper electrode 17, and the piezoelectric thin film 16 are as shown in Tables 1 to 3. Was executed.
[0103]
About the AlN thin film-metal electrode laminated body manufactured by said process, it carries out similarly to Example 1, the composition analysis of an AlN thin film (piezoelectric thin film), the lattice constant measurement by a diffractometer method, and a (0002) diffraction peak The rocking curve half-width (FWHM) was measured. Table 2 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN thin film. The oxygen content of the AlN thin film measured by XPS spectroscopy was as shown in Table 2. The analysis and evaluation were performed in the same manner as in Examples 1 to 14. However, since the quality of the AlN thin film was poor, there was a possibility that the film was oxidized by the XPS analysis and the oxygen content was increased.
[0104]
Similarly to Example 1, the impedance characteristic between the electrode terminals 15b and 17b of the thin film piezoelectric resonator (FBAR) is measured, and the resonance frequency fr And anti-resonance frequency fa From the measured value of the electromechanical coupling coefficient kt 2And the acoustic quality factor Q was determined. Fundamental frequency of thickness vibration of obtained thin film piezoelectric resonator, electromechanical coupling coefficient kt 2The acoustic quality factor Q is shown in Table 3.
[0105]
[Comparative Example 3]
In this comparative example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 3 and 4 was produced as follows.
[0106]
That is, the same steps as in Example 8 except that the materials and thicknesses of the insulator layer 13, the lower electrode 15, the upper electrode 17, and the piezoelectric thin film 16 are as shown in Tables 1 to 3. Was executed.
[0107]
In the same manner as in Example 8, composition analysis and X-ray diffraction measurement of the obtained AlN thin film (piezoelectric thin film) were performed. Table 2 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN thin film.
[0108]
Further, the resonance frequency f measured in the same manner as in Example 8 was used.r And anti-resonance frequency fa From the measured value of the electromechanical coupling coefficient kt 2And the acoustic quality factor Q was determined. Fundamental frequency of thickness vibration of obtained thin film piezoelectric resonator, electromechanical coupling coefficient kt 2The acoustic quality factor Q is shown in Table 3.
[0109]
[Comparative Example 4]
In this comparative example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0110]
That is, the same steps as in Example 1 except that the materials and thicknesses of the insulator layer 13, the lower electrode 15, the upper electrode 17, and the piezoelectric thin film 16 are as shown in Tables 1 to 3. Was executed.
[0111]
In the same manner as in Example 1, composition analysis and X-ray diffraction measurement of the obtained AlN thin film (piezoelectric thin film) were performed. Table 2 shows the evaluation results of the composition and crystallinity of the AlN thin film.
[0112]
Further, the resonance frequency f measured in the same manner as in Example 1 was used.r And anti-resonance frequency fa From the measured value of the electromechanical coupling coefficient kt 2And the acoustic quality factor Q was determined. Fundamental frequency of thickness vibration of obtained thin film piezoelectric resonator, electromechanical coupling coefficient kt 2The acoustic quality factor Q is shown in Table 3.
[0113]
[Table 1]
Figure 0003953315
[0114]
[Table 2]
Figure 0003953315
[0115]
[Table 3]
Figure 0003953315
[0116]
【The invention's effect】
As described above, in the aluminum nitride thin film-metal electrode laminate according to the present invention, a face-centered cubic structure metal thin film and a highly elastic body-centered cubic structure metal thin film from which a highly oriented thin film can be easily obtained. Is formed, and a highly oriented and highly elastic laminated metal electrode film is formed, and an aluminum nitride thin film is grown on this laminated metal electrode film, so that the rocking curve of the (0002) diffraction peak is steep. The peak half-value width (FWHM) is small, so that a highly oriented, highly crystalline c-axis oriented aluminum nitride thin film can be obtained.
[0117]
Further, the thin film piezoelectric resonator of the present invention includes a metal electrode composed of a highly elastic and highly oriented metal thin film by the aluminum nitride thin film-metal electrode laminate as described above and a highly oriented and highly crystalline c-axis. By forming a combination with the oriented aluminum nitride piezoelectric thin film and forming the other metal electrode thereon, the performance such as the electromechanical coupling coefficient and the acoustic quality factor (Q value) is remarkably improved. As a result, an unprecedented high-performance FBAR or SBAR can be manufactured. Using this, a thin-film piezoelectric element such as a piezoelectric thin-film filter, a thin-film VCO, a transmission / reception demultiplexer, etc. that has low loss at high frequencies and good gain and bandwidth characteristics An element can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view showing an embodiment of a thin film piezoelectric resonator according to the present invention.
2 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG.
FIG. 3 is a schematic plan view showing an embodiment of a thin film piezoelectric resonator according to the present invention.
4 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG.
FIG. 5 is a schematic plan view showing an embodiment of a thin film piezoelectric resonator according to the present invention.
6 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG.
[Explanation of symbols]
11 Thin film piezoelectric resonator
12 Substrate made of single crystal or polycrystal
13 Underlying insulating film
14 Piezoelectric laminated structure
15 Lower electrode
15a Lower electrode main part
15b Lower electrode terminal
16 Piezoelectric thin film
16-1 First piezoelectric thin film
16-2 Second piezoelectric thin film
17 Upper electrode
17 'internal electrode
17a Upper electrode main part
17b Upper electrode terminal part
17A First electrode portion of upper electrode
17Aa Main part of first electrode part
17Ab Terminal part of first electrode part
17B Second electrode portion of upper electrode
17Ba Main part of the second electrode part
17Bb Terminal part of second electrode part
18 Upper electrode
20 Via hole formed in substrate by etching
21 Vibrating part

Claims (19)

金属電極と該金属電極の上に少なくとも一部が形成されたｃ軸配向を示す窒化アルミニウム薄膜との積層体であって、前記金属電極が体心立方構造を有する第１の金属層と面心立方構造を有する第２の金属層との積層を含む２以上の金属層から構成されており、前記第１の金属層の厚さが前記金属電極の厚さの０．５倍以上であって、前記窒化アルミニウム薄膜の少なくとも一部は前記第１の金属層と接して形成されていることを特徴とする窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体。A laminate of a metal electrode and an aluminum nitride thin film exhibiting c-axis orientation formed at least partially on the metal electrode, the metal electrode having a body-centered cubic structure and a face center is composed of two or more metal layers comprising a stack of a second metal layer with a cubic structure, the thickness of the first metal layer is not more than 0.5 times the thickness of the metal electrode The aluminum nitride thin film-metal electrode laminate , wherein at least a part of the aluminum nitride thin film is formed in contact with the first metal layer . 前記第１の金属層は、モリブデン、タングステン、モリブデンを主成分とする合金、およびタングステンを主成分とする合金のうちから選ばれる金属で構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体。The said 1st metal layer is comprised with the metal chosen from molybdenum, tungsten, the alloy which has molybdenum as a main component, and the alloy which has tungsten as a main component, It is characterized by the above-mentioned. An aluminum nitride thin film-metal electrode laminate. 前記第２の金属層は、イリジウム、白金、金、アルミニウム、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、および銀を主成分とする合金のうちから選ばれる金属で構成されていることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体。The second metal layer includes iridium, platinum, gold, aluminum, silver, an alloy containing iridium as a main component, an alloy containing platinum as a main component, an alloy containing gold as a main component, an alloy containing aluminum as a main component, 3. The aluminum nitride thin film-metal electrode laminate according to claim 1, wherein the aluminum nitride thin film-metal electrode laminate is made of a metal selected from an alloy mainly composed of silver. 前記窒化アルミニウム薄膜と前記第１の金属層との間に、前記金属電極の厚さの０．１倍以下の厚さの金属層または化合物層からなる界面層が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体。An interface layer made of a metal layer or a compound layer having a thickness of 0.1 times or less the thickness of the metal electrode is formed between the aluminum nitride thin film and the first metal layer. The aluminum nitride thin film-metal electrode laminate according to any one of claims 1 to 3. 前記界面層は、アルミニウム、シリコン、アルミニウムを主成分とする合金または化合物、およびシリコンを主成分とする合金または化合物から選ばれる金属または化合物で構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体。The interface layer, aluminum, silicon, alloys or compounds mainly containing aluminum, and is characterized by being composed of a metal or compound selected from alloys or compounds mainly containing silicon, to claim 4 The aluminum nitride thin film-metal electrode laminated body of description. 前記第２の金属層の前記第１の金属層に面する側とは反対の側の面に、密着金属層が形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体。The adhesion metal layer is formed in the surface on the opposite side to the side which faces the said 1st metal layer of the said 2nd metal layer, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. An aluminum nitride thin film-metal electrode laminate. 前記密着金属層は、マグネシウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金から選ばれる金属で構成されていることを特徴とする、請求項６に記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体。The adhesion metal layer includes magnesium, titanium, vanadium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, chromium, nickel, magnesium-based alloy, titanium-based alloy, vanadium-based alloy, zirconium Metals selected from alloys based on main components, alloys based on hafnium, alloys based on niobium, alloys based on tantalum, alloys based on chrome, and alloys based on nickel The aluminum nitride thin film-metal electrode laminate according to claim 6 , wherein 前記窒化アルミニウム薄膜の（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．３°未満であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体。8. The aluminum nitride thin film-metal electrode according to claim 1 , wherein a rocking curve half-width (FWHM) of a (0002) diffraction peak of the aluminum nitride thin film is less than 3.3 °. Laminated body. 前記第１の金属層の（１１０）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が４．５°未満であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体。9. The aluminum nitride thin film according to claim 1, wherein a rocking curve half-width (FWHM) of a (110) diffraction peak of the first metal layer is less than 4.5 °. Metal electrode laminate. 圧電体薄膜が複数の電極の間に挟み込まれ、前記圧電体薄膜がその周囲の支持により中心部にて橋架けされてなる構造を有する薄膜圧電共振子において、前記圧電体薄膜と前記電極のうちの１つとが請求項１〜９のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体で構成されていることを特徴とする薄膜圧電共振子。In a thin film piezoelectric resonator having a structure in which a piezoelectric thin film is sandwiched between a plurality of electrodes, and the piezoelectric thin film is bridged at a central portion by support around the piezoelectric thin film, the piezoelectric thin film and the electrode one bets aluminum nitride thin film according to any one of claims 1 to 9 - thin-film piezoelectric resonator, characterized by being composed of a metal electrode stack. 振動空間を有する半導体あるいは絶縁体からなる基板と、該基板の前記振動空間に面する位置にて下部電極、圧電体薄膜および上部電極がこの順に積層された積層構造体とを備えている薄膜圧電共振子において、前記圧電体薄膜と前記下部電極とが請求項１〜９のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体で構成されていることを特徴とする薄膜圧電共振子。A thin film piezoelectric device comprising: a substrate made of a semiconductor or an insulator having a vibration space; and a laminated structure in which a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode are laminated in this order at a position facing the vibration space of the substrate. A thin film piezoelectric resonator, wherein the piezoelectric thin film and the lower electrode are formed of the aluminum nitride thin film-metal electrode laminate according to any one of claims 1 to 9 . 前記上部電極は互いに隔離して配置された２つの電極部からなることを特徴とする、請求項１１に記載の薄膜圧電共振子。The upper electrode is characterized in that it consists of two electrode portions which are arranged isolated from each other, thin film piezoelectric resonator of claim 11. 前記振動空間に面する位置にて前記積層構造体には少なくとも一層の酸化シリコンおよび／または窒化シリコンを主成分とする絶縁層が付されていることを特徴とする、請求項１１〜１２のいずれかに記載の薄膜圧電共振子。Wherein an insulating layer wherein the laminated structure is composed mainly of at least one layer of silicon oxide and / or silicon nitride at a position facing the vibration space is attached, any of claim 11 to 12 A thin film piezoelectric resonator according to claim 1. 前記上部電極は、モリブデン、タングステン、ニオブ、アルミニウム、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、およびアルミニウムを主成分とする合金のうちから選ばれる金属を含んで構成されていることを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれかに記載の薄膜圧電共振子。The upper electrode is selected from molybdenum, tungsten, niobium, aluminum, an alloy containing molybdenum as a main component, an alloy containing tungsten as a main component, an alloy containing niobium as a main component, and an alloy containing aluminum as a main component. The thin film piezoelectric resonator according to claim 11 , comprising a metal. 前記上部電極は、モリブデン、タングステン、ニオブ、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、イリジウム、白金、金、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、銀を主成分とする合金、マグネシウム、アルミニウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金から選ばれる金属からなる金属層の２種類以上の積層を含んで構成されていることを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれかに記載の薄膜圧電共振子。The upper electrode is made of molybdenum, tungsten, niobium, an alloy containing molybdenum as a main component, an alloy containing tungsten as a main component, an alloy containing niobium as a main component, an alloy containing iridium, platinum, gold, silver, or iridium as a main component. , Platinum-based alloys, gold-based alloys, silver-based alloys, magnesium, aluminum, titanium, vanadium, zirconium, hafnium, tantalum, chromium, nickel, magnesium-based alloys , Alloys based on aluminum, alloys based on titanium, alloys based on vanadium, alloys based on zirconium, alloys based on hafnium, alloys based on tantalum, chromium 2 of a metal layer made of a metal selected from an alloy containing Ni as a main component and an alloy containing Ni as a main component Characterized in that it is configured to include a stack of more than class, thin-film piezoelectric resonator according to any one of claims 11 to 13. 振動空間を有する半導体あるいは絶縁体からなる基板と、該基板の前記振動空間に面する位置にて下部電極、第１の圧電体薄膜、内部電極、第２の圧電体膜および上部電極がこの順に積層された積層構造体とを備えている薄膜圧電共振子において、前記第１の圧電体薄膜と前記下部電極とが請求項１〜９のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体で構成されていることを特徴とする薄膜圧電共振子。A substrate made of a semiconductor or insulator having a vibration space, and a lower electrode, a first piezoelectric thin film, an internal electrode, a second piezoelectric film, and an upper electrode in this order at a position facing the vibration space of the substrate. A thin film piezoelectric resonator including a laminated structure, wherein the first piezoelectric thin film and the lower electrode are the aluminum nitride thin film-metal electrode laminate according to any one of claims 1 to 9. A thin film piezoelectric resonator characterized by being configured. 前記振動空間に面する位置にて前記積層構造体には少なくとも一層の酸化シリコンおよび／または窒化シリコンを主成分とする絶縁層が付されていることを特徴とする、請求項１６に記載の薄膜圧電共振子。17. The thin film according to claim 16 , wherein the laminated structure is provided with at least one insulating layer mainly composed of silicon oxide and / or silicon nitride at a position facing the vibration space. Piezoelectric resonator. 前記上部電極及び前記内部電極のそれぞれは、モリブデン、タングステン、ニオブ、アルミニウム、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、およびアルミニウムを主成分とする合金のうちから選ばれる金属を含んで構成されていることを特徴とする、請求項１６〜１７のいずれかに記載の薄膜圧電共振子。Each of the upper electrode and the internal electrode has molybdenum, tungsten, niobium, aluminum, an alloy containing molybdenum as a main component, an alloy containing tungsten as a main component, an alloy containing niobium as a main component, and aluminum as a main component. The thin film piezoelectric resonator according to claim 16 , comprising a metal selected from among alloys. 前記上部電極及び前記内部電極のそれぞれは、モリブデン、タングステン、ニオブ、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、イリジウム、白金、金、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、銀を主成分とする合金、マグネシウム、アルミニウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金から選ばれる金属からなる金属層の２種類以上の積層を含んで構成されていることを特徴とする、請求項１６〜１７のいずれかに記載の薄膜圧電共振子。Each of the upper electrode and the internal electrode is composed of molybdenum, tungsten, niobium, molybdenum-based alloy, tungsten-based alloy, niobium-based alloy, iridium, platinum, gold, silver, iridium. Alloys mainly composed of platinum, alloys based on platinum, alloys based on gold, alloys based on silver, magnesium, aluminum, titanium, vanadium, zirconium, hafnium, tantalum, chromium, nickel, magnesium Alloy containing aluminum as a main component, alloy containing aluminum as a main component, alloy containing titanium as a main component, alloy containing vanadium as a main component, alloy containing zirconium as a main component, alloy containing hafnium as a main component, tantalum as a main component Choose from alloys containing components, alloys based on chromium, and alloys based on nickel Characterized in that it is configured to include two or more laminated metal layers made of that metal, a thin film piezoelectric resonator according to any one of claims 16 to 17.
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