JP4478910B2 - 圧電薄膜共振子 - Google Patents
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- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
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振動子、薄膜ＶＣＯ（電圧制御発信器）、薄膜フィルター、送受切替器や各種センサーなど、広範な分野で用いられる圧電体薄膜を利用した素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電現象を利用する素子は広範な分野で用いられている。携帯電話機などの携帯機器の小型化と低消費電力化が進む中で、該機器に使用される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。この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、利用周波数が高周波数化するに従って特性向上の限界に近づいており、電極形成の微細化と安定した出力確保との両面で大きな技術革新が必要となってきている。
【０００３】
一方、圧電体薄膜の厚み振動を利用した薄膜バルク波音響共振子（Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ：ＦＢＡＲ）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と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。
【０００４】
このような弾性波を利用した共振器やフィルター等に応用される圧電体薄膜素子は、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、シリコンウエハーなどの上に多結晶ダイヤモンドやエリンバーなどの恒弾性金属の膜を形成してなる基板の表面上に、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上部構造を形成する。各膜の形成後に、または全ての膜を形成した後に、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、微細加工や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に、１素子単位ごとに分離して圧電体薄膜素子を得る。
【０００５】
例えば、特開昭５８−１５３４１２号公報や特開昭６０−１４２６０７号公報に記載された圧電体薄膜素子は、基板の上面上に下地膜、下部電極、圧電体薄膜及び上部電極を形成した後に、基板の下面から振動部となる部分の下にある基板部分を除去することにより製造されている。
【０００６】
圧電体薄膜素子用の圧電体材料としては、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フィルターの圧電薄膜共振子の圧電体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や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）、広帯域動作及び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際にその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。電気機械結合係数を改善することで、音響的品質係数（Ｑ値）を改善することができる。
【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、音響的品質係数（Ｑ値）、帯域幅及び周波数温度特性に優れ、従来のものに比べて著しく高特性で高性能な圧電薄膜共振子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薄膜を圧電体薄膜としてＳｉなどの基板上に備えたＦＢＡＲの共振特性が、ＡｌＮ薄膜にアルカリ土類金属や希土類金属などの第三成分を添加することにより著しく改善されることを見出した。そして、第三成分を添加した高品質のＡｌＮ薄膜をＦＢＡＲに使用することにより、電気機械結合係数が大きく、Ｑ値、帯域幅及び周波数温度特性に優れた高性能なＦＢＡＲを実現できることを見出し、本発明に到達した。
【００１０】
即ち、本発明によれば、上記の目的を達成するものとして、
基板と、該基板上に形成された圧電積層構造体とを有しており、前記圧電積層構造体の一部を含んで振動部が構成されており、前記圧電積層構造体は下部電極、圧電体膜および上部電極を前記基板の側からこの順に積層してなるものであり、前記基板は前記振動部に対応する領域にて該振動部の振動を許容する空隙を形成している圧電薄膜共振子において、
前記圧電体膜がアルカリ土類金属及び／または希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜であることを特徴とする圧電薄膜共振子、
が提供される。
【００１１】
本発明の一態様においては、前記圧電体膜における前記アルカリ土類金属及び前記希土類金属の含有量は０．２〜３．０原子％である。本発明の一態様においては、前記圧電体膜は、Ｃ軸配向を示し、（０００２）面のＸ線回折ピークのロッキング・カーブ半値幅が３．０°以下である。本発明の一態様においては、前記圧電体膜は、Ｃ軸長が０．４９７８〜０．４９９３ｎｍである。本発明の一態様においては、前記圧電体膜は、（０００２）面のＸ線回折ピークの２θ回転角の半値幅が０．６°以下である。
【００１２】
本発明の一態様においては、前記基板と前記圧電積層構造体との間には下地膜が形成されており、前記振動部は前記下地膜の一部をも含んで構成されている。本発明の一態様においては、前記下地膜は酸化シリコンを主成分とする誘電体膜、窒化シリコンを主成分とする誘電体膜または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である。
【００１３】
本発明の一態様においては、前記基板はシリコン単結晶からなる。本発明の一態様においては、前記上部電極は互いに離隔して形成された第１の電極部と第２の電極部とからなる。
【００１４】
本発明の一態様においては、２．０〜３．０ＧＨｚの範囲における共振周波数及び反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数が４．５％以上である。
【００１５】
本発明では、ＡｌＮ薄膜形成時に、薄膜原料としてアルカリ土類金属または希土類金属を添加することにより、これらの第三成分を含有するＡｌＮ薄膜を形成し、これをＦＢＡＲの圧電体膜となす。アルカリ土類金属または希土類金属の添加により、ＡｌＮの結晶格子に固溶する酸素の濃度を低減できるばかりでなく、Ｃ軸配向ＡｌＮ粒子の粒界の結合強度を高めることができ、共振子及びフィルターとしての性能が大幅に向上するものと考えられる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明による圧電薄膜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、圧電薄膜共振子１１は基板１２、該基板１２の上面上に形成された下地膜１３及び該下地膜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、下地膜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下地膜１３の上面上に形成された圧電体膜１６および該圧電体膜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。下地膜１３の一部はビアホール２０に向けて露出している。この下地膜１３の露出部分、及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及び上部電極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。
【００１８】
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。尚、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。
【００１９】
下地膜１３としては、絶縁膜、たとえば酸化シリコン（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及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。この下地膜１３の材質について、主成分とは、誘電体膜中の含有量が５０原子％以上である成分を指す。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。下地膜１３の厚さは、例えば０．２〜２．０μｍである。下地膜１３の形成方法としては、シリコンからなる基板１２の表面の熱酸化法やＣＶＤ法が例示される。
【００２０】
下部電極１５及び上部電極１７としては、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）との積層膜（Ｐｔ／Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）とクロム（Ｃｒ）との積層膜（Ａｕ／Ｃｒ）などを用いることができる。熱弾性損失が低いことから、Ｍｏが好適である。例えば、Ｍｏの熱弾性損失はＡｌの約１／５６である。Ｍｏ単体だけでなく、Ｍｏ合金または適当な密着層の上にＭｏ電極を形成して使用することも可能である。下部電極１５及び上部電極１７の厚さは、例えば５０〜２００ｎｍである。下部電極１５及び上部電極１７の形成方法としては、スパッタ法または蒸着法が例示され、更に必要に応じて所要の形状へのパターニングのためにフォトリソグラフィー技術が用いられる。
【００２１】
下部電極１５の主体部１５ａを基板１２の上面におけるビアホール２０の矩形状開口の２辺を通って該開口内へと延出させた場合には、下部電極１５による振動部２１の保持が可能となるので、下地膜１３を省略することも可能である。
【００２２】
圧電体膜１６は、ＡｌＮ膜からなり、その厚さは例えば０．３〜３．０μｍである。圧電体膜１６のＡｌＮ膜は、カルシウム、ストロンチウム及びバリウムなどのアルカリ土類金属またはイットリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、ディスプロシウム、エルビウム、イッテルビウムなどの希土類金属を第三成分として含有している。圧電体膜１６の形成方法としては、反応性スパッタ法が例示され、更に必要に応じて所要の形状へのパターニングのためにフォトリソグラフィー技術が用いられる。
【００２３】
一般に圧電材料の圧電特性は、結晶の分極の大きさや分極軸の配列などに依存する。本発明の圧電薄膜共振子の圧電体膜においても、その圧電性は薄膜を構成する結晶のドメイン構造、配向性及び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）面及び（０００４）面などの等価な面を総称する表示である。
【００２４】
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ＡｌＮ薄膜の組成や結晶性にどのように依存するのかについて検討した。その結果、ＡｌＮ薄膜からなる圧電体膜を有するＦＢＡＲの共振特性が、ＡｌＮ薄膜の組成や結晶性に大きく依存することを見出した。即ち、良好な共振特性を得るためには、ＡｌＮ薄膜にカルシウム、ストロンチウム、バリウムなどのアルカリ土類金属、またはイットリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、ディスプロシウム、エルビウム、イッテルビウムなどの希土類金属の添加が有効である。その含有量は、好ましくは０．２〜３．０原子％（Ａｔｏｍ％）である。０．２Ａｔｏｍ％未満の場合には第三成分添加による共振特性改善の効果が低下し、一方３．０Ａｔｏｍ％を越える場合には結晶粒界に偏析する第三成分の量が多くなり音響波を散乱させ共振特性の劣化が生ずる傾向にある。
【００２５】
アルカリ土類金属または希土類金属を含有するＡｌＮ薄膜は、Ｃ軸配向を示し、Ｘ線回折法により測定した（０００２）面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）は３．０°以下である。ロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０°を超えると、電気機械結合係数ｋt 2が低下し、共振特性が劣化する傾向にある。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と上部電極端子部１７ｂとの間に電流リークが発生しやすくなる傾向にある。
【００２６】
アルカリ土類金属または希土類元素を含有するＡｌＮ薄膜のＣ軸長は０．４９７８〜０．４９９３ｎｍであることが好ましい。Ｃ軸長が０．４９７８より小さくても、０．４９９３ｎｍより大きくても、電気機械結合係数ｋt 2及び音響的品質係数（Ｑ値）が低下し、共振特性が悪化する傾向にある。また、ディフラクトメータ法により測定した（０００２）面のＸ線回折ピークの２θ回転角の半値幅（ＦＷＨＭ）は０．６°以下であることが好ましい。２θ回転角の半値幅（ＦＷＨＭ）が０．６°を超えると、やはり、電気機械結合係数ｋt 2及び音響的品質係数（Ｑ値）が低下し、共振特性が悪化する傾向にある。
【００２７】
図３は本発明による圧電薄膜共振子の更に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、上記図１及び図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。
【００２８】
本実施形態では、下部電極１５は矩形状をなしており、上部電極１７は、第１の電極部１７Ａと第２の電極部１７Ｂとからなる。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に対応する領域外に位置している。
【００２９】
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、スプリアスを十分に低減することができる。
【００３０】
以上のような圧電薄膜共振子において、マイクロ波プローバ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。
【００３１】
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用いている。
【００３２】
図１，２および図３，４に示した構成のＦＢＡＲにおいて、２．０〜３．０ＧＨｚの範囲における共振周波数及び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４．５〜６．５％である。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、高周波域で実用に供することが難しくなる傾向にある。
【００３３】
【実施例】
以下に、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。
【００３４】
［実施例１］
本実施例では、以下のようにして、図１，２に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
【００３５】
即ち、厚さ２５０μｍの（１００）Ｓｉ基板１２の上面及び下面に、低圧ＣＶＤ法により厚さ０．５５μｍの窒化シリコン（ＳｉＮx ）層を形成した。上面側のＳｉＮx 層を下地膜１３とした。また、下面側のＳｉＮx 層は基板１２に対する後述のビアホール形成のためのマスクのパターンに形成した。
【００３６】
下地膜１３の表面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により厚さ２００ｎｍのＭｏ層を形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化して下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは平面寸法１４０×１６０μｍの矩形に近い形状とした。下部電極１５が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下部電極１５上に、組成中に表１に示す第三成分を含む厚さ１．５５μｍのＡｌＮ薄膜を形成した。ＡｌＮ薄膜の形成は、適宜の組成を有するＡｌ合金または金属Ａｌの一部に希土類金属塊を埋め込んだものをターゲットとして用いた、反応性ＲＦマグネトロンスパッタ法により行った。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圧電体膜１６を形成した。その後、ＤＣマグネトロンスパッタ法及びリフトオフ法を使用して、厚さ２００ｎｍのＭｏからなる上部電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは平面寸法１４０×１６０μｍの矩形に近い形状とし、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。
【００３７】
次に、以上のようにして得られた構造体の上下部電極１５，１７及び圧電体膜１６の形成されている側をＰＭＭＡ樹脂で被覆し、Ｓｉ基板１２の下面に形成したパターン状ＳｉＮx 層をマスクとして、振動部２１に対応するＳｉ基板１２の部分を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。Ｓｉ基板１２の上面に形成されたビアホール開口の寸法（振動部２１の平面寸法）は、２００×２００μｍであった。
【００３８】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電体膜１６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法による薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡｌＮ圧電体膜１６の酸素含有量は０．５Ａｔｍ％未満であった。ＡｌＮ圧電体膜１６の組成および結晶性の評価結果を表１に示す。
【００３９】
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用して、上記薄膜圧電共振子の電極端子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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
【００４０】
［実施例２〜４］
本実施例では、以下のようにして、図１，２に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
【００４１】
即ち、厚さ３００μｍのＳｉ基板１２の上面及び下面に、熱酸化法により厚さ０．２〜０．７μｍの範囲内の酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）層を形成した。上面側のＳｉＯ2 層を下地膜１３とした。また、下面側のＳｉＯ2 層は基板１２に対する後述のビアホール形成のためのマスクのパターンに形成した。
【００４２】
下地膜１３の表面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により厚さ１５ｎｍのＴｉ層とその上の厚さ１００ｎｍのＰｔ層との積層膜を形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化して下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは平面寸法１４０×１６０μｍの矩形に近い形状とした。下部電極１５が単一配向膜であることは、Ｘ線回折測定により確認した。即ち、θ−２θ回転ディフラクトメータ法において、（１１１）系列の面以外の回折ピーク強度は検出限界以下、すなわち、（１１１）面の最大ピーク強度の０．５％以下であった。このＰｔ／Ｔｉ下部電極１５上に、組成中に表１に示す第三成分を含むＡｌＮ薄膜を形成した。ＡｌＮ薄膜の厚さは、表２に示す通りである。ＡｌＮ薄膜の形成は、適宜の組成を有するＡｌ合金または金属Ａｌの一部に希土類金属塊を埋め込んだものをターゲットとして用いた、反応性ＲＦマグネトロンスパッタ法により行った。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圧電体膜１６を形成した。その後、ＤＣマグネトロンスパッタ法及びリフトオフ法を使用して、厚さ１００ｎｍのＡｌからなる上部電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは平面寸法１４０×１６０μｍの矩形に近い形状とし、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。
【００４３】
次に、以上のようにして得られた構造体の上下部電極１５，１７及び圧電体膜１６の形成されている側をＰＭＭＡ樹脂で被覆し、Ｓｉ基板１２の下面に形成したパターン状ＳｉＯ2 層をマスクとして、振動部２１に対応するＳｉ基板１２の部分をＫＯＨ水溶液でエッチングして、空隙となるビアホール２０を形成した。Ｓｉ基板１２の上面に形成されたビアホール開口の寸法（振動部２１の平面寸法）は、２００×２００μｍであった。
【００４４】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電体膜１６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法による薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡｌＮ圧電体膜１６の酸素含有量は０．５Ａｔｍ％未満であった。ＡｌＮ圧電体膜１６の組成および結晶性の評価結果を表１に示す。
【００４５】
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用して、上記薄膜圧電共振子の電極端子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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
【００４６】
［実施例５］
本実施例では、以下のようにして、図３，４に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
【００４７】
上下部電極１５，１７の形状及び寸法を除いて実施例１と同様の工程を実施した。下部電極１５は振動部２１に対応する領域を含むように延びている平面寸法１２０×２８０μｍの矩形状のものとし、上部電極１７はそれぞれ平面寸法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ものとした。
【００４８】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電体膜１６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法による薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡｌＮ圧電体膜１６の酸素含有量は０．５Ａｔｍ％未満であった。ＡｌＮ圧電体膜１６の組成および結晶性の評価結果を表１に示す。
【００４９】
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバを使用して、上記薄膜圧電共振子の下部電極１５の端子部（図３，４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で信号の強度及び波形などを解析した。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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
【００５０】
［実施例６〜８］
本実施例では、以下のようにして、図３，４に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
【００５１】
上下部電極１５，１７の形状及び寸法を除いて実施例２〜４と同様の工程を実施した。下部電極１５は振動部２１に対応する領域を含むように延びている平面寸法１５０×３００μｍの矩形状のものとし、上部電極１７はそれぞれ平面寸法７０×９０μｍ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ものとした。
【００５２】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電体膜１６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法による薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡｌＮ圧電体膜１６の酸素含有量は０．５Ａｔｍ％未満であった。ＡｌＮ圧電体膜１６の組成および結晶性の評価結果を表１に示す。
【００５３】
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバを使用して、上記薄膜圧電共振子の下部電極１５の端子部（図３，４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で信号の強度及び波形などを解析した。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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
【００５４】
［比較例１，２］
ＡｌＮ薄膜形成時に第三成分であるアルカリ土類金属や希土類金属を添加しないこと以外は、それぞれ実施例１，５と同様の工程を実行して、図１，２に示されている構造の圧電薄膜共振子または図３，４に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
【００５５】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電体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法による薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡｌＮ薄膜の酸素含有量は比較例１，２とも約２．５Ａｔｍ％であった。実施例１〜８と同様の操作で分析評価を行ったが、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。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表１に示す。
【００５６】
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用して、それぞれ実施例１，５と同様にして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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
【００５７】
尚、表１には、各実施例におけるそれぞれの組成の（０００１）配向ＡｌＮ結晶のＣ軸格子定数の測定結果が記載されている。薄膜においては、冷却過程でのＳｉ基板との熱膨張係数差、下部電極との格子のミスマッチによる残留応力、ＡｌＮ結晶内部の格子欠陥の存在などにより、バルクのＡｌＮ結晶とは異なる格子定数を示す。
【００５８】
以上の結果から、アルカリ土類金属または希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜を用いたＦＢＡＲは従来にない高特性を示すことが明らかとなった。これは、アルカリ土類金属または希土類金属を添加することにより、圧電体膜である窒化アルミニウムの結晶格子に固溶する酸素濃度を低減でき、配向性、結晶性ならびに粒界強度が改善されることに基づくものと考えられる。このアルカリ土類金属または希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜を共振子やフィルター等に適用した場合には、音響的品質係数（Ｑ値）や周波数温度特性などの性能が向上する。
【００５９】
【表１】
【００６０】
【表２】
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧電薄膜共振子によれば、圧電体膜としてアルカリ土類金属または希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜を用いているので、電気機械結合係数、音響的品質係数（Ｑ値）及び周波数温度特性の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による圧電薄膜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】本発明による圧電薄膜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。
【符号の説明】
１１ 圧電薄膜共振子
１２ 基板
１３ 下地膜
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 圧電体膜
１７ 上部電極
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
２０ ビアホール
２１ 振動部
【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振動子、薄膜ＶＣＯ（電圧制御発信器）、薄膜フィルター、送受切替器や各種センサーなど、広範な分野で用いられる圧電体薄膜を利用した素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電現象を利用する素子は広範な分野で用いられている。携帯電話機などの携帯機器の小型化と低消費電力化が進む中で、該機器に使用される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。この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、利用周波数が高周波数化するに従って特性向上の限界に近づいており、電極形成の微細化と安定した出力確保との両面で大きな技術革新が必要となってきている。
【０００３】
一方、圧電体薄膜の厚み振動を利用した薄膜バルク波音響共振子（Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ：ＦＢＡＲ）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と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。
【０００４】
このような弾性波を利用した共振器やフィルター等に応用される圧電体薄膜素子は、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、シリコンウエハーなどの上に多結晶ダイヤモンドやエリンバーなどの恒弾性金属の膜を形成してなる基板の表面上に、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上部構造を形成する。各膜の形成後に、または全ての膜を形成した後に、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、微細加工や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に、１素子単位ごとに分離して圧電体薄膜素子を得る。
【０００５】
例えば、特開昭５８−１５３４１２号公報や特開昭６０−１４２６０７号公報に記載された圧電体薄膜素子は、基板の上面上に下地膜、下部電極、圧電体薄膜及び上部電極を形成した後に、基板の下面から振動部となる部分の下にある基板部分を除去することにより製造されている。
【０００６】
圧電体薄膜素子用の圧電体材料としては、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フィルターの圧電薄膜共振子の圧電体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や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）、広帯域動作及び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際にその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。電気機械結合係数を改善することで、音響的品質係数（Ｑ値）を改善することができる。
【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、音響的品質係数（Ｑ値）、帯域幅及び周波数温度特性に優れ、従来のものに比べて著しく高特性で高性能な圧電薄膜共振子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薄膜を圧電体薄膜としてＳｉなどの基板上に備えたＦＢＡＲの共振特性が、ＡｌＮ薄膜にアルカリ土類金属や希土類金属などの第三成分を添加することにより著しく改善されることを見出した。そして、第三成分を添加した高品質のＡｌＮ薄膜をＦＢＡＲに使用することにより、電気機械結合係数が大きく、Ｑ値、帯域幅及び周波数温度特性に優れた高性能なＦＢＡＲを実現できることを見出し、本発明に到達した。
【００１０】
即ち、本発明によれば、上記の目的を達成するものとして、
基板と、該基板上に形成された圧電積層構造体とを有しており、前記圧電積層構造体の一部を含んで振動部が構成されており、前記圧電積層構造体は下部電極、圧電体膜および上部電極を前記基板の側からこの順に積層してなるものであり、前記基板は前記振動部に対応する領域にて該振動部の振動を許容する空隙を形成している圧電薄膜共振子において、
前記圧電体膜がアルカリ土類金属及び／または希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜であることを特徴とする圧電薄膜共振子、
が提供される。
【００１１】
本発明の一態様においては、前記圧電体膜における前記アルカリ土類金属及び前記希土類金属の含有量は０．２〜３．０原子％である。本発明の一態様においては、前記圧電体膜は、Ｃ軸配向を示し、（０００２）面のＸ線回折ピークのロッキング・カーブ半値幅が３．０°以下である。本発明の一態様においては、前記圧電体膜は、Ｃ軸長が０．４９７８〜０．４９９３ｎｍである。本発明の一態様においては、前記圧電体膜は、（０００２）面のＸ線回折ピークの２θ回転角の半値幅が０．６°以下である。
【００１２】
本発明の一態様においては、前記基板と前記圧電積層構造体との間には下地膜が形成されており、前記振動部は前記下地膜の一部をも含んで構成されている。本発明の一態様においては、前記下地膜は酸化シリコンを主成分とする誘電体膜、窒化シリコンを主成分とする誘電体膜または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である。
【００１３】
本発明の一態様においては、前記基板はシリコン単結晶からなる。本発明の一態様においては、前記上部電極は互いに離隔して形成された第１の電極部と第２の電極部とからなる。
【００１４】
本発明の一態様においては、２．０〜３．０ＧＨｚの範囲における共振周波数及び反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数が４．５％以上である。
【００１５】
本発明では、ＡｌＮ薄膜形成時に、薄膜原料としてアルカリ土類金属または希土類金属を添加することにより、これらの第三成分を含有するＡｌＮ薄膜を形成し、これをＦＢＡＲの圧電体膜となす。アルカリ土類金属または希土類金属の添加により、ＡｌＮの結晶格子に固溶する酸素の濃度を低減できるばかりでなく、Ｃ軸配向ＡｌＮ粒子の粒界の結合強度を高めることができ、共振子及びフィルターとしての性能が大幅に向上するものと考えられる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明による圧電薄膜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、圧電薄膜共振子１１は基板１２、該基板１２の上面上に形成された下地膜１３及び該下地膜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、下地膜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下地膜１３の上面上に形成された圧電体膜１６および該圧電体膜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。下地膜１３の一部はビアホール２０に向けて露出している。この下地膜１３の露出部分、及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及び上部電極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。
【００１８】
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。尚、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。
【００１９】
下地膜１３としては、絶縁膜、たとえば酸化シリコン（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及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。この下地膜１３の材質について、主成分とは、誘電体膜中の含有量が５０原子％以上である成分を指す。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。下地膜１３の厚さは、例えば０．２〜２．０μｍである。下地膜１３の形成方法としては、シリコンからなる基板１２の表面の熱酸化法やＣＶＤ法が例示される。
【００２０】
下部電極１５及び上部電極１７としては、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）との積層膜（Ｐｔ／Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）とクロム（Ｃｒ）との積層膜（Ａｕ／Ｃｒ）などを用いることができる。熱弾性損失が低いことから、Ｍｏが好適である。例えば、Ｍｏの熱弾性損失はＡｌの約１／５６である。Ｍｏ単体だけでなく、Ｍｏ合金または適当な密着層の上にＭｏ電極を形成して使用することも可能である。下部電極１５及び上部電極１７の厚さは、例えば５０〜２００ｎｍである。下部電極１５及び上部電極１７の形成方法としては、スパッタ法または蒸着法が例示され、更に必要に応じて所要の形状へのパターニングのためにフォトリソグラフィー技術が用いられる。
【００２１】
下部電極１５の主体部１５ａを基板１２の上面におけるビアホール２０の矩形状開口の２辺を通って該開口内へと延出させた場合には、下部電極１５による振動部２１の保持が可能となるので、下地膜１３を省略することも可能である。
【００２２】
圧電体膜１６は、ＡｌＮ膜からなり、その厚さは例えば０．３〜３．０μｍである。圧電体膜１６のＡｌＮ膜は、カルシウム、ストロンチウム及びバリウムなどのアルカリ土類金属またはイットリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、ディスプロシウム、エルビウム、イッテルビウムなどの希土類金属を第三成分として含有している。圧電体膜１６の形成方法としては、反応性スパッタ法が例示され、更に必要に応じて所要の形状へのパターニングのためにフォトリソグラフィー技術が用いられる。
【００２３】
一般に圧電材料の圧電特性は、結晶の分極の大きさや分極軸の配列などに依存する。本発明の圧電薄膜共振子の圧電体膜においても、その圧電性は薄膜を構成する結晶のドメイン構造、配向性及び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）面及び（０００４）面などの等価な面を総称する表示である。
【００２４】
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ＡｌＮ薄膜の組成や結晶性にどのように依存するのかについて検討した。その結果、ＡｌＮ薄膜からなる圧電体膜を有するＦＢＡＲの共振特性が、ＡｌＮ薄膜の組成や結晶性に大きく依存することを見出した。即ち、良好な共振特性を得るためには、ＡｌＮ薄膜にカルシウム、ストロンチウム、バリウムなどのアルカリ土類金属、またはイットリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、ディスプロシウム、エルビウム、イッテルビウムなどの希土類金属の添加が有効である。その含有量は、好ましくは０．２〜３．０原子％（Ａｔｏｍ％）である。０．２Ａｔｏｍ％未満の場合には第三成分添加による共振特性改善の効果が低下し、一方３．０Ａｔｏｍ％を越える場合には結晶粒界に偏析する第三成分の量が多くなり音響波を散乱させ共振特性の劣化が生ずる傾向にある。
【００２５】
アルカリ土類金属または希土類金属を含有するＡｌＮ薄膜は、Ｃ軸配向を示し、Ｘ線回折法により測定した（０００２）面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）は３．０°以下である。ロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０°を超えると、電気機械結合係数ｋt 2が低下し、共振特性が劣化する傾向にある。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と上部電極端子部１７ｂとの間に電流リークが発生しやすくなる傾向にある。
【００２６】
アルカリ土類金属または希土類元素を含有するＡｌＮ薄膜のＣ軸長は０．４９７８〜０．４９９３ｎｍであることが好ましい。Ｃ軸長が０．４９７８より小さくても、０．４９９３ｎｍより大きくても、電気機械結合係数ｋt 2及び音響的品質係数（Ｑ値）が低下し、共振特性が悪化する傾向にある。また、ディフラクトメータ法により測定した（０００２）面のＸ線回折ピークの２θ回転角の半値幅（ＦＷＨＭ）は０．６°以下であることが好ましい。２θ回転角の半値幅（ＦＷＨＭ）が０．６°を超えると、やはり、電気機械結合係数ｋt 2及び音響的品質係数（Ｑ値）が低下し、共振特性が悪化する傾向にある。
【００２７】
図３は本発明による圧電薄膜共振子の更に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、上記図１及び図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。
【００２８】
本実施形態では、下部電極１５は矩形状をなしており、上部電極１７は、第１の電極部１７Ａと第２の電極部１７Ｂとからなる。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に対応する領域外に位置している。
【００２９】
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、スプリアスを十分に低減することができる。
【００３０】
以上のような圧電薄膜共振子において、マイクロ波プローバ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。
【００３１】
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用いている。
【００３２】
図１，２および図３，４に示した構成のＦＢＡＲにおいて、２．０〜３．０ＧＨｚの範囲における共振周波数及び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４．５〜６．５％である。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、高周波域で実用に供することが難しくなる傾向にある。
【００３３】
【実施例】
以下に、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。
【００３４】
［実施例１］
本実施例では、以下のようにして、図１，２に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
【００３５】
即ち、厚さ２５０μｍの（１００）Ｓｉ基板１２の上面及び下面に、低圧ＣＶＤ法により厚さ０．５５μｍの窒化シリコン（ＳｉＮx ）層を形成した。上面側のＳｉＮx 層を下地膜１３とした。また、下面側のＳｉＮx 層は基板１２に対する後述のビアホール形成のためのマスクのパターンに形成した。
【００３６】
下地膜１３の表面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により厚さ２００ｎｍのＭｏ層を形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化して下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは平面寸法１４０×１６０μｍの矩形に近い形状とした。下部電極１５が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下部電極１５上に、組成中に表１に示す第三成分を含む厚さ１．５５μｍのＡｌＮ薄膜を形成した。ＡｌＮ薄膜の形成は、適宜の組成を有するＡｌ合金または金属Ａｌの一部に希土類金属塊を埋め込んだものをターゲットとして用いた、反応性ＲＦマグネトロンスパッタ法により行った。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圧電体膜１６を形成した。その後、ＤＣマグネトロンスパッタ法及びリフトオフ法を使用して、厚さ２００ｎｍのＭｏからなる上部電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは平面寸法１４０×１６０μｍの矩形に近い形状とし、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。
【００３７】
次に、以上のようにして得られた構造体の上下部電極１５，１７及び圧電体膜１６の形成されている側をＰＭＭＡ樹脂で被覆し、Ｓｉ基板１２の下面に形成したパターン状ＳｉＮx 層をマスクとして、振動部２１に対応するＳｉ基板１２の部分を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。Ｓｉ基板１２の上面に形成されたビアホール開口の寸法（振動部２１の平面寸法）は、２００×２００μｍであった。
【００３８】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電体膜１６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法による薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡｌＮ圧電体膜１６の酸素含有量は０．５Ａｔｍ％未満であった。ＡｌＮ圧電体膜１６の組成および結晶性の評価結果を表１に示す。
【００３９】
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用して、上記薄膜圧電共振子の電極端子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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
【００４０】
［実施例２〜４］
本実施例では、以下のようにして、図１，２に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
【００４１】
即ち、厚さ３００μｍのＳｉ基板１２の上面及び下面に、熱酸化法により厚さ０．２〜０．７μｍの範囲内の酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）層を形成した。上面側のＳｉＯ2 層を下地膜１３とした。また、下面側のＳｉＯ2 層は基板１２に対する後述のビアホール形成のためのマスクのパターンに形成した。
【００４２】
下地膜１３の表面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により厚さ１５ｎｍのＴｉ層とその上の厚さ１００ｎｍのＰｔ層との積層膜を形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化して下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは平面寸法１４０×１６０μｍの矩形に近い形状とした。下部電極１５が単一配向膜であることは、Ｘ線回折測定により確認した。即ち、θ−２θ回転ディフラクトメータ法において、（１１１）系列の面以外の回折ピーク強度は検出限界以下、すなわち、（１１１）面の最大ピーク強度の０．５％以下であった。このＰｔ／Ｔｉ下部電極１５上に、組成中に表１に示す第三成分を含むＡｌＮ薄膜を形成した。ＡｌＮ薄膜の厚さは、表２に示す通りである。ＡｌＮ薄膜の形成は、適宜の組成を有するＡｌ合金または金属Ａｌの一部に希土類金属塊を埋め込んだものをターゲットとして用いた、反応性ＲＦマグネトロンスパッタ法により行った。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圧電体膜１６を形成した。その後、ＤＣマグネトロンスパッタ法及びリフトオフ法を使用して、厚さ１００ｎｍのＡｌからなる上部電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは平面寸法１４０×１６０μｍの矩形に近い形状とし、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。
【００４３】
次に、以上のようにして得られた構造体の上下部電極１５，１７及び圧電体膜１６の形成されている側をＰＭＭＡ樹脂で被覆し、Ｓｉ基板１２の下面に形成したパターン状ＳｉＯ2 層をマスクとして、振動部２１に対応するＳｉ基板１２の部分をＫＯＨ水溶液でエッチングして、空隙となるビアホール２０を形成した。Ｓｉ基板１２の上面に形成されたビアホール開口の寸法（振動部２１の平面寸法）は、２００×２００μｍであった。
【００４４】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電体膜１６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法による薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡｌＮ圧電体膜１６の酸素含有量は０．５Ａｔｍ％未満であった。ＡｌＮ圧電体膜１６の組成および結晶性の評価結果を表１に示す。
【００４５】
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用して、上記薄膜圧電共振子の電極端子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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
【００４６】
［実施例５］
本実施例では、以下のようにして、図３，４に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
【００４７】
上下部電極１５，１７の形状及び寸法を除いて実施例１と同様の工程を実施した。下部電極１５は振動部２１に対応する領域を含むように延びている平面寸法１２０×２８０μｍの矩形状のものとし、上部電極１７はそれぞれ平面寸法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ものとした。
【００４８】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電体膜１６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法による薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡｌＮ圧電体膜１６の酸素含有量は０．５Ａｔｍ％未満であった。ＡｌＮ圧電体膜１６の組成および結晶性の評価結果を表１に示す。
【００４９】
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバを使用して、上記薄膜圧電共振子の下部電極１５の端子部（図３，４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で信号の強度及び波形などを解析した。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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
【００５０】
［実施例６〜８］
本実施例では、以下のようにして、図３，４に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
【００５１】
上下部電極１５，１７の形状及び寸法を除いて実施例２〜４と同様の工程を実施した。下部電極１５は振動部２１に対応する領域を含むように延びている平面寸法１５０×３００μｍの矩形状のものとし、上部電極１７はそれぞれ平面寸法７０×９０μｍ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ものとした。
【００５２】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電体膜１６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法による薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡｌＮ圧電体膜１６の酸素含有量は０．５Ａｔｍ％未満であった。ＡｌＮ圧電体膜１６の組成および結晶性の評価結果を表１に示す。
【００５３】
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバを使用して、上記薄膜圧電共振子の下部電極１５の端子部（図３，４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で信号の強度及び波形などを解析した。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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
【００５４】
［比較例１，２］
ＡｌＮ薄膜形成時に第三成分であるアルカリ土類金属や希土類金属を添加しないこと以外は、それぞれ実施例１，５と同様の工程を実行して、図１，２に示されている構造の圧電薄膜共振子または図３，４に示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
【００５５】
以上の工程により得られた薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電体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法による薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡｌＮ薄膜の酸素含有量は比較例１，２とも約２．５Ａｔｍ％であった。実施例１〜８と同様の操作で分析評価を行ったが、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。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表１に示す。
【００５６】
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用して、それぞれ実施例１，５と同様にして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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数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、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
【００５７】
尚、表１には、各実施例におけるそれぞれの組成の（０００１）配向ＡｌＮ結晶のＣ軸格子定数の測定結果が記載されている。薄膜においては、冷却過程でのＳｉ基板との熱膨張係数差、下部電極との格子のミスマッチによる残留応力、ＡｌＮ結晶内部の格子欠陥の存在などにより、バルクのＡｌＮ結晶とは異なる格子定数を示す。
【００５８】
以上の結果から、アルカリ土類金属または希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜を用いたＦＢＡＲは従来にない高特性を示すことが明らかとなった。これは、アルカリ土類金属または希土類金属を添加することにより、圧電体膜である窒化アルミニウムの結晶格子に固溶する酸素濃度を低減でき、配向性、結晶性ならびに粒界強度が改善されることに基づくものと考えられる。このアルカリ土類金属または希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜を共振子やフィルター等に適用した場合には、音響的品質係数（Ｑ値）や周波数温度特性などの性能が向上する。
【００５９】
【表１】
【表２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧電薄膜共振子によれば、圧電体膜としてアルカリ土類金属または希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜を用いているので、電気機械結合係数、音響的品質係数（Ｑ値）及び周波数温度特性の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による圧電薄膜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】本発明による圧電薄膜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。
【符号の説明】
１１ 圧電薄膜共振子
１２ 基板
１３ 下地膜
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 圧電体膜
１７ 上部電極
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
２０ ビアホール
２１ 振動部
Claims (9)
- 基板と、該基板上に形成された圧電積層構造体とを有しており、前記圧電積層構造体の一部を含んで振動部が構成されており、前記圧電積層構造体は下部電極、圧電体膜および上部電極を前記基板の側からこの順に積層してなるものであり、前記基板は前記振動部に対応する領域にて該振動部の振動を許容する空隙を形成している圧電薄膜共振子において、
前記圧電体膜がアルカリ土類金属または希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜であり、
前記圧電体膜における前記アルカリ土類金属または前記希土類金属の含有量は０．２〜３．０原子％であることを特徴とする圧電薄膜共振子。 - 前記圧電体膜は、Ｃ軸配向を示し、（０００２）面のＸ線回折ピークのロッキング・カーブ半値幅が３．０°以下であることを特徴とする、請求項１に記載の圧電薄膜共振子。
- 前記圧電体膜は、Ｃ軸長が０．４９７８〜０．４９９３ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
- 前記圧電体膜は、（０００２）面のＸ線回折ピークの２θ回転角の半値幅が０．６°以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
- 前記基板と前記圧電積層構造体との間には下地膜が形成されており、前記振動部は前記下地膜の一部をも含んで構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
- 前記下地膜は酸化シリコンを主成分とする誘電体膜、窒化シリコンを主成分とする誘電体膜または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であることを特徴とする、請求項５に記載の圧電薄膜共振子。
- 前記基板はシリコン単結晶からなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
- 前記上部電極は互いに離隔して形成された第１の電極部と第２の電極部とからなることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
- ２．０〜３．０ＧＨｚの範囲における共振周波数及び反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数が４．５％以上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圧電薄膜共振子。
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