JP4115439B2 - 薄膜バルク音響共振器及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、無線通信装置に用いられる音響フィルタに関し、特に、特定高周波成分のみを通過させる高周波フィルタを具現するための薄膜バルク音響共振器及びその製造方法に関する。
最近、携帯電話を代表とする移動通信機器が急速に普及されることによって、この機器で使用される小型軽量フィルタの需要も増加しつつある。一方、このような小型フィルタを具現する手段としては薄膜バルク音響共振器（Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ：以下、ＦＢＡＲ）が知られている。ＦＢＡＲは最小限のコストで大量生産が可能であり、且つ超小型に具現できる長所を持つ。さらに、フィルタの主な特性である品質係数（Ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）値が具現でき、マイクロ周波数帯域においても使用できる。特に、ＰＣＳ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）とＤＣＳ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｒｄｌｅｓｓ Ｓｙｓｔｅｍ）帯域までも対応できる長所も有している。
一般に、ＦＢＡＲ素子は、基板上に第１の電極と圧電層と第２の電極とを順次蒸着して具現される積層共振部を含む構造からなる。ＦＢＡＲ素子の動作原理は、電極に電気的エネルギーを印加して圧電層内に時間的変化する電界を誘導し、この電界が圧電層内で前記積層共振部の振動方向と同じ方向へと体積音響波を誘発して共振を発生させるのである。
係るＦＢＡＲ素子の種類としては、図１に示したように、ブラッグ反射型ＦＢＡＲとエアーギャップ型ＦＢＡＲとがある。
図１Ａに示したブラッグ反射型ＦＢＡＲは、基板１０上に弾性インピーダンス差の大きい物質を交互に蒸着して反射層１１を構成している下部電極１２、圧電層１３、及び上部電極１４を順次に蒸着した構造である。圧電層１３を介した弾性波エネルギーが基板１０の方向には伝達されず、反射層で全反射され、より効率的に共振を発生させたものである。このブラッグ反射型ＦＢＡＲは構造的に堅固しているので曲げ応力等はかからないが、しかしながら全反射をさせるために、反射層は厚さが４層以上となってしまう。結果、製造時間やコストがかかってしまう。
一方、反射層の代わりにエアーギャップを用いて基板と共振部とを隔離させたエアーギャップ型ＦＢＡＲがある。このエアーギャップＦＢＡＲは、図１Ｂから図１Ｄに示すように、その製造方法に従って幾つかの種類に分離される。
図１Ｂに示した構造のＦＢＡＲは、バルクマイクロマシニング型ＦＢＡＲである。基板２０上に二酸化珪素（ＳｉＯ２）などの物質でメンブレイン層２１を形成し、前記基板の裏面を異方性エッチングして空洞部２３を形成した後、前記メンブレイン層上に音響共振器２２を具現する方法で製造される。この方法により製造されたバルクマイクロマシニング型ＦＢＡＲは構造的に極めて弱く収率が低いため実用化が難しい。
図１Ｃに示した構造のＦＢＡＲは、表面マイクロマシニング型ＦＢＡＲである。基板３０上に犠牲層を形成し、該犠牲層及び基板上に絶縁膜３２を形成してから、第１の電極３３と圧電層３４と第２の電極３５とを順次蒸着し、最終的には犠牲層を取除くことによりエアーギャップ３１を形成する方法で製造される。即ち、素子外部から素子内にある犠牲層まで連結されるビアホール（図示せず）を形成し、前記ビアホールを介してエッチング液を投与することにより犠牲層を取除きエアーギャップ３１を形成するようになる。さらに、メンブレインである絶縁膜の形成時に犠牲層の構造を斜めに形成すべきであるが、この場合メンブレイン層の大きな残留応力の影響により、その構造が衰えてしまう。
図１Ｄに示した構造のＦＢＡＲは、基板４０をフォトレジスト膜を用いてエッチングし空洞部４５を形成し、前記空洞部４５に犠牲層(図示せず)を蒸着し、前記犠牲層及び基板４０上にメンブレイン層４１と、第１の電極４２と、圧電層４３と、第２の電極４４とを順次蒸着した後、前記犠牲層をエッチングすることによりエアーギャップ４５を有する構造で製造される。この製造方式においてエアーギャップを形成する時にウェットエッチング方法及びドライエッチング方法を用いる。ウェットエッチング方法を使用する時はエッチング液除去が難しく、もしエッチング液が全て除去されなければ素子が堅固にならず、共振周波数の変化を誘発するという問題点がある。一方、ドライエッチング方法を使用する時はプラズマ状態で気体の作用によりエッチングされることになるが、この場合は、イオンや分子などによる物理的衝撃が加えられる恐れがあり、また発熱により高熱が発生する恐れもある。
そこで、本発明の目的は、基板の一部をＬＯＣＯＳ工程を用いて酸化させ、エッチング防止膜を使用し酸化されない残り基板の中の一部をエッチングしてエアーギャップを形成することによって、素子の集積度が向上された、構造の単純な薄膜バルク音響共振器及びその製造方法を提供することにある。
前述の目的を達成するための本発明に係る薄膜バルク音響共振器は、基板と、前記基板の上部に形成されたメンブレイン層と、と、前記メンブレイン層上に形成された積層共振部と、前記メンブレイン層の両側に選択酸化工程を介して前記基板上に形成された保護層と、前記メンブレイン層の下であって前記保護層の間に位置する前記基板の部分をエッチングして形成されたエアーギャップと、を含み、前記メンブレイン層は、前記保護層の尖端形状からなる端部分上に形成されている。これにより、応力のかからず構造が単純なメンブレイン層が形成される。また、基板の表面に素子を形成することにより素子が占めている面積が最小化され、素子の集積度が向上する。
ここで、前記積層共振部は、前記メンブレイン層の上部に蒸着された下部電極と、前記下部電極上に蒸着された圧電層と、前記圧電層の上部に蒸着された上部電極と、を含むことが好ましい。また、前記下部電極は一方の前記保護層の上部まで延長され、前記上部電極は他方の前記保護層の上部まで延長される。ここで、前記下部電極及び前記上部電極は上記圧電層に電界を印加する役割を担う。そして、圧電層は、電界が印可されて圧電現象を引き起こして共振効果を増大させる。
そして、前記メンブレイン層は単層の窒化膜であるか、窒化膜、酸化膜、及び窒化膜の順に蒸着された複層からなることができる。
一方、本発明に係る薄膜バルク音響共振器の製造方法は、基板上にメンブレイン層を蒸着するステップと、酸化工程を介して前記基板上に前記メンブレイン層の両側に保護層を形成するステップと、前記メンブレイン層の上部に積層共振部を蒸着するステップと、前記メンブレイン層の下に前記保護層の間に位置する前記基板の一部を取除いて、エアーギャップを形成するステップと、を含む。
これにより、応力のかからない、構造が単純なメンブレイン層が形成される。
また、前記積層共振部を蒸着するステップにおいて、前記メンブレイン層の上部に下部電極を蒸着するステップと、前記メンブレイン層の上部に下部電極を蒸着するステップと、前記下部電極の上部に圧電層を蒸着するステップと、前記圧電層の上部に上部電極を蒸着するステップとを含む。ここで、前記下部電極及び前記上部電極は上記圧電層に電界を印加する役割を担う。そして、圧電層は、電界が印可されて圧電現象を引き起こして共振効果を増大させる。
そして、前記エアーギャップの形成は、ドライエッチングまたはウェットエッチングによりなされることができる。
これらの製造工程では、従来のような平坦化工程が排除されるなど前製造工程が簡単である。
本発明によると、基板の表面に素子を形成することにより素子が占めている面積を最小化しつつ、素子の集積度を向上させることができる。また、ＬＯＣＯＳ工程を用いることにより応力のかからない構造の単純なメンブレイン層が形成される。さらには、全製造工程が簡単である。
以下、添付の図面を参照して本発明の好適なＦＢＡＲ及びその製造方法について詳述する。
＜ＦＢＡＲ＞
［構造と作用］
図２は、本発明の好適な実施例に係る薄膜バルク音響共振器の断面図である。図２に示したように、本発明に係るＦＢＡＲは、エアーギャップ１００ａを有する基板１００と、エアーギャップ１００ａ上部に基板１００と離隔されるように蒸着されたメンブレイン層１５０と、メンブレイン層１５０の上部に蒸着された積層共振部２００からなっている。
＜ＦＢＡＲ＞
［構造と作用］
図２は、本発明の好適な実施例に係る薄膜バルク音響共振器の断面図である。図２に示したように、本発明に係るＦＢＡＲは、エアーギャップ１００ａを有する基板１００と、エアーギャップ１００ａ上部に基板１００と離隔されるように蒸着されたメンブレイン層１５０と、メンブレイン層１５０の上部に蒸着された積層共振部２００からなっている。
前記基板１００上部に一定の空間を除いた部分には、保護層１１０ａ、１１０ｂが形成されている。保護層１１０ａ、１１０ｂは、基板１００をマスクを使用して酸化させるＬＯＣＯＳ工程で生成された層である。そして、後述するエアーギャップ１００ａを形成するエッチング過程において、保護層１１０ａ及び１１０ｂは、エッチング防止膜の役割をする。そして、基板１００上部の保護層１１０ａ、１１０ｂが形成されない一定の空間はエアギャップ１００ａをなしている部分である。即ち、基板１００上において、エアーギャップ１００ａが形成される場所以外の所に、保護膜１１０ａ及び１１０ｂが形成される。ここで、エアーギャップ１００ａは基板１００と積層共振部２００とを隔離させる役割を果す。そして、基板１００には、シリコンウェハーが使用できる。
基板１００上部に蒸着されている保護層１１０ａ、１１０ｂとの間に形成されたエアーギャップ１００ａの上部に、前記メンブレイン層１５０が蒸着される。メンブレイン層１５０は積層共振部２００を支持し、ＬＯＣＯＳ工程においては酸化防止膜の役割をする。メンブレイン層１５０は、窒化膜のみの単層か、あるいは、窒化膜、酸化膜、及び窒化膜を順次に蒸着して積層された複層で形成してもよい。従って、構造がシンプルでかつ応力のかかる要素がないメンブレイン層１５０の具現が可能となる。
前記積層共振部２００は、下部電極層２１０と、圧電層２２０と、上部電極２３０とからなる。下部電極層２１０は、メンブレイン層１５０及び一側の保護層１１０ａの上部に蒸着される。圧電層２２０は下部電極２１０及び他側保護層１１０ｂの上部に蒸着され、上部電極２３０は圧電層２２０の上部に蒸着される。尚、下部電極２１０及び上部電極２３０は、金属のような通常の導電体の物質を使用している。下部電極２１０及び上部電極２３０の間には圧電層２２０が挟まれており、従って、この下部電極２１０及び上部電極２３０は、圧電層２２０に電界を印加する役割を担っている。下部電極２１０及び上部電極２３０の好適な材料としてはアルミニウム、タングステン、金、白金、ニッケル、チタン、クロム、パラジウム、モリブデンなどがあげられる。
また、圧電層２２０に電界が印加されると、圧電層２２０は圧電現象を引き起こして音響波を発生させる。通常の圧電物質としては、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛があり、その他の圧電物質も使用できる。圧電層２２０で発生された音響波はエアーギャップ１００ａで反射されて大きな共振が起こる。つまり、共振効果が増大する。
本実施例によるＦＢＡＲは基板の表面に素子を形成しており、素子の閉めている面積がとても小さい。従って素子の集積度を向上することが出来る。
＜製造工程＞
次に、以下より、ＦＢＡＲの各製造のステップ別工程について、図を参照しながら詳説する。
次に、以下より、ＦＢＡＲの各製造のステップ別工程について、図を参照しながら詳説する。
図３Ａ乃至図３Ｃは、ＬＯＣＯＳ工程を用いて基板１００上にメンブレイン層１５０を蒸着し保護層１１０ａ、１１０ｂを形成する工程について示している。ここで、ＬＯＣＯＳ工程とは、シリコンに対する選択的な酸化工程である。具体的説明すると、酸化防止膜（例えば、窒化膜）は、酸素や水蒸気の拡散を阻止する効果を有するが、ＬＯＣＯＳ工程とは、この酸化防止膜（例えば、窒化膜）を有する領域とそうでない領域とを同一基板上に形成し、この領域における熱酸化膜の成長速度差を用いて、酸化防止膜を有しない領域に厚い酸化膜を形成する方法である。メンブレイン層１５０は前述のように、単層の窒化膜、もしくは窒化膜、酸化膜、及び窒化膜が順次積層された複層からなることができる。
まず、図３Ａに示した基板１００の上部に、図３Ｂに示したように、メンブレイン層１５０を蒸着する。次に、図３Ｃに示したように、基板１００およびメンブレイン層１５０の上に、酸化工程を経て保護層１１０ａ及び１１０ｂが形成される。尚、メンブレイン層１５０が蒸着された基板１００は、酸化工程を経ると、メンブレイン層１５０の下の部分はそのまま存在するが、その他の部分、すなわちメンブレイン層の両側には酸化されシリコン酸化物層である保護層１１０ａ、１１０ｂが形成されるようになる。
次に、図３Ｄ乃至図３Ｇは、自己整合性パシベーション工程を示したものである。特に、図３Ｄ乃至図３Ｆは、メンブレイン層１５０の上部に積層共振部２００を蒸着する工程を示している。
まず、基板１００上にメンブレイン層１５０及び保護層１１０ａ、１１０ｂが形成された後、図３Ｄに示すように、メンブレイン層１５０の上部及び一側の保護層１１０ａ上部に、下部電極２１０を蒸着させる。ここで、下部電極層２１０の蒸着方法としては、スパッタリング方法、及び蒸発方法を介してなされることができ、その他の蒸着方法でも可能である。
次に、図３Ｅに示すように、メンブレイン層の上部にあたる下部電極２１０の一部分及び下部電極２１０が蒸着されない他側である保護層１１０ｂの上部に、圧電層２２０を蒸着させる。圧電層２２０を蒸着させる方法としては、スパッタリング方法及び蒸発方法などが用いられる。
次に、図３Ｆに示すように、圧電層２２０の上部に上部電極２３０を蒸着する。上部電極２３０の蒸着は、下部電極２１０と同様にスパッタリング方法または蒸発方法などの蒸着方法が用いられる。
最後に、図３Ｇに示すように、基板１００上にエアーギャップ１００ａを形成する。つまり、エアーギャップ１００ａは、基板１００とメンブレイン１５０との間で、かつ一側の保護層１１０ａと他側の保護層１１０ｂとの間に形成される。更に詳しくは、メンブレイン層１５０の上部に積層共振部２００（図２参照）が蒸着されてから、メンブレイン層１５０の下部に配する基板１００にエッチングを施して基板の一部を取り除き、エアーギャップ１００ａを形成する。ここで、エアーギャップ１００ａを形成するためにはエッチング工程の前にビアホール（図示せず）を形成するステップが行なわれる。エッチング方法としては、ウェットエッチング方法やドライエッチング方法が用いられる。ウェットエッチングの場合は、酢酸水溶液、フッ化水素酸、リン酸水溶液などの化学溶液をビアホールに注入してメンブレイン層１５０下部の基板１００の一部を取除く。そして、ドライエッチングの場合は、ガス、プラズマ、イオンビームなどをビアホールに注入してメンブレイン層１５０下部の基板１００一部を取除きエアーギャップ１００ａを形成する。
前記エアーギャップ１００ａの形成ステップが終了されれば、図２に示しているような構造のＦＢＡＲが完成される。
これらの製造過程ではＬＯＣＯＳ工程を用いており、応力がかからずシンプルなメンブレイン層を形成できる。さらに、従来のような別の平坦化工程がいらず、前製造工程がとても簡単であり、かつＣＭＯＳ工程と互換性を有する。また、このような工程により完成したＦＢＡＲは、基板の表面に素子を形成しており、素子の閉めている面積の最小化と、素子の集積度の向上が実現する。
このようにして製造される本発明の薄膜バルク音響共振器及びその製造方法はシリコン基板の上部に特定層が蒸着され製造される種々の半導体素子及びその製造方法に用いることができる。
以上、図面を参照して本発明の好適な実施例を図示および説明してきたが、本発明の保護範囲は前述の実施例に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。
１００ 基板
１００ａ エアーギャップ
１１０ａ 保護層
１１０ｂ 保護層
１５０ メンブレイン層
２００ 積層共振部
２１０ 下部電極
２２０ 圧電層
２３０ 上部電極
１００ａ エアーギャップ
１１０ａ 保護層
１１０ｂ 保護層
１５０ メンブレイン層
２００ 積層共振部
２１０ 下部電極
２２０ 圧電層
２３０ 上部電極
Claims (9)
- 基板と、
前記基板の上部に形成されたメンブレイン層と、
前記メンブレイン層上に形成された積層共振部と、
前記メンブレイン層の両側に選択酸化工程を介して前記基板上に形成された保護層と、
前記メンブレイン層の下であって前記保護層の間に位置する前記基板の部分をエッチングして形成されたエアーギャップと、
を含み、
前記メンブレイン層は、前記保護層の尖端形状からなる端部分上に形成されていることを特徴とする、薄膜バルク音響共振器。 - 前記積層共振部は、
前記メンブレイン層の上部に蒸着された下部電極と、
前記下部電極上に蒸着された圧電層と、
前記圧電層の上部に蒸着された上部電極と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の薄膜バルク音響共振器。 - 前記下部電極は一方の前記保護層の上部まで延長され、前記上部電極は他方の保護層の上部まで延長されることを特徴とする、請求項２に記載の薄膜バルク音響共振器。
- 前記メンブレイン層は単層の窒化膜であることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜バルク音響共振器。
- 前記メンブレイン層は、窒化膜、酸化膜、窒化膜の順に蒸着された複層からなることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜バルク音響共振器。
- 基板上にメンブレイン層を蒸着するステップと、
酸化工程を介して前記基板上に前記メンブレイン層の両側に保護層を形成するステップと、
前記メンブレイン層の上部に積層共振部を蒸着するステップと、
前記メンブレイン層の下部に前記保護層の間に位置する前記基板の一部を取除いて、エアーギャップを形成するステップと、
を含むことを特徴とする、薄膜バルク音響共振器の製造方法。 - 前記積層共振部を蒸着するステップは、
前記メンブレイン層の上部に下部電極層を蒸着するステップと、
前記下部電極の上部に圧電層を蒸着するステップと、
前記圧電層の上部に上部電極を蒸着するステップと、
を含むことを特徴とする、請求項６に記載の薄膜バルク音響共振器の製造方法。 - 前記エアーギャップの形成は、ドライエッチングによりなされることを特徴とする、請求項６に記載の薄膜バルク音響共振器の製造方法。
- 前記エアーギャップの形成は、ウェットエッチングによりなされることを特徴とする、請求項６に記載の薄膜バルク音響共振器の製造方法。
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