JP4520415B2 - 圧電薄膜共振器及びその製作方法 - Google Patents

圧電薄膜共振器及びその製作方法 Download PDF

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Description

本発明は、フィルタとして用いられる圧電薄膜共振器(Film Bulk Acoustic Resonator:以下、‘FBAR’と称する)及びその製作方法に関する。
最近、携帯電話として代表される移動通信機器が急速に普及されるに伴い、このような機器に用いられる小型軽量フィルタの需要も増加しつつある。
一方、このような小型軽量フィルタに適した手段として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、超小型化が図られる。また、フィルタの主要な特性である高い品質係数(Quality Factor)値を実現することができ、マイクロ周波数帯域でも使用可能である。特に、PCS(Personal Communication System)とDCS(Digital Cordless System)帯域までも実現することができる。
一般に、FBAR素子は、基板上に下部電極、圧電層(Piezoelectric layer)、及び上部電極が順に積層される。FBAR素子の動作原理は、電極に電気的エネルギーを印加することで圧電層内に時間的に変化する電界を誘起し、この電界は圧電層内で全層共振部の振動方向と同じ方向に音響波(Bulk Acoustic Wave)を誘発させることで共振を発生させる。
図1Aは、FBAR素子の一種であるブラッグ反射(Bragg Reflector)型FBARの断面図である。同図に示すように、ブラッグ反射型FBARは、基板10、反射層11、下部電極12、圧電層13、及び上部電極14を備える。ブラッグ反射型FBARは、圧電層13から発生した弾性波が基板の方向に向かって伝達されず、反射層11で全て反射されることにより効率的な共振が発生される。その製作過程は、まず、基板10上に弾性インピーダンスの差が大きい物質を交互に蒸着して反射層11を形成し、次に、下部電極12、圧電層13、及び上部電極14を順に積層して反射層11の上部に共振部を形成する。ブラッグ反射型FBARは、構造的に堅固で歪みによるストレス(stress)がないものの、全反射のために必要となる正確な厚さになるように、4層以上の反射層を形成することが困難であり、製作のための時間とコストがかなりかかる短所がある。
これにより、反射層の代わりにエアギャップを利用して基板と共振部を離間させるエアギャップ型FBARに対する研究が進行している。図1Bは、従来のエアギャップ型FBARの構造を説明するための断面図である。
図1Bに図示した構造のFBARは、下部電極23、圧電層24、及び上部電極25が順に積層された共振部の下部にエアギャップ21を形成することにより、共振部と基板20を互いに離間させる。その製作過程において、まず、基板20上の所定の領域にのみ犠牲層(図示せず)が取り残されるように、基板20上に犠牲層を蒸着/パターニングする。次に、犠牲層及び基板20の上部に絶縁膜22を蒸着し、下部電極23、圧電層24、及び上部電極25を順に積層して共振部を形成する。絶縁膜22は共振部を支持するメンブレイン層の役割を果たす。最終的に、犠牲層を除去することによりエアーギャップ21が形成される方式で製作される。すなわち、素子外部から素子内部にある犠牲層まで連結されるビアホールを形成した後、これを介してエッチング液を投与することで犠牲層を除去すれば、犠牲層があったところにエアギャップ21が形成される。一方、特許文献1(US6355498号)によれば、図1Bに図示した構造のエアギャップ型FBARを製作することにおいて、基板20の上部にエッチング防止物質を用いてエアギャップの大きさや位置を調節する。
しかしながら、このような方式で製作する場合、犠牲層を必要とするので製作工程が複雑となる問題がある。また、共振器の周辺のメンブレイン層上に位置してビアホールを形成する必要があり、フィルタ設計に制約を受けるという問題がある。また、共振部の近傍に形成されたビアホールを利用してエッチング作業を行うので、共振部に化学的なダメージを与える恐れがある。
一方、最近、上記の如き既存のFBARの問題を鑑みて、基板上に下部電極、圧電層、及び上部電極を蒸着して共振部を形成した後、基板の下部をエッチングしてエアギャップを形成したエアギャップ型FBARが開発されている。ところで、このようなエアギャップ型FBARの場合、基板の下部をエッチングする過程において前記共振部にダメージを与え得るため、共振特性が劣化する問題がある。
米国特許第6355498号明細書
本発明は、前記のような問題を鑑みてなされたものであって、その目的は共振部のダメージを減らしながらエッチング工程を通じてエアギャップを形成することのできるエアギャップ型FBAR及びその製作方法を提供することにある。
前記目的を達成するため本発明に係る圧電薄膜共振器は、所定の大きさのエアギャップがエッチングされ貫通形成された基板と、前記エアギャップの上部に位置し、第1電極、圧電膜及び第2電極が順に積層された共振部と、前記エアギャップと前記共振部との間に設けられ、前記エアギャップの形成時にエッチング深さを制限して前記共振部の損傷を防止するエッチング阻止層とを含むことを特徴とする。
ここで、前記エッチング阻止層は、前記基板に対してエッチング選択比の高い金属物質で形成されることが好ましい。
また、前記エッチング阻止層は前記第1電極と同じ物質で形成されることが好ましい。
また、前記エッチング阻止層はクロム(Cr)で形成されることが好ましい。
また、前記エッチング阻止層は前記第1電極と前記基板との間に積層されることが好ましい。
また、前記基板と前記エッチング阻止層との間に絶縁層が積層されることが好ましい。
また、前記エッチング阻止層は誘電物質で形成され、より好ましくは、窒化アルミニウム(AlN)物質で形成されることが好ましい。
また、前記エッチング阻止層は前記圧電膜と接するように設けられることが好ましい。
また、前記目的を達成するため本発明に係る圧電薄膜共振器の製作方法は、(a)基板の上部表面に絶縁層を蒸着するステップと、(b)前記絶縁層上にエッチング阻止膜を積層するステップと、(c)前記絶縁層及び/または前記エッチング阻止膜上に第1電極、圧電膜、及び第2電極を順に積層することで共振部を製作するステップと、(d)前記共振部の下部に該当する前記基板をエッチングすることでエアギャップを形成するステップとを含むことが好ましい。
また、前記(b)ステップは、前記絶縁層上に金属物質を蒸着するステップと、前記金属物質の一部をパターニングし前記絶縁膜上の一部にエッチング阻止膜を形成するステップとを含むことが好ましい。
また、前記(c)ステップは、前記パターニングされたエッチング阻止膜の上部に第1電極を積層するステップと、前記第1電極及び前記露出した絶縁膜上に圧電膜を積層するステップと、前記圧電膜上に第2電極を積層するステップとを含むことが好ましい。
また、前記(d)ステップにおいて、前記共振部に対応する前記基板の下部から前記エッチング阻止膜までエッチングすることで、前記エアギャップを形成することが好ましい。
また、前記(d)ステップにおいて、ドライエッチング方法を利用することが好ましい。
また、前記(d)ステップにおいて、前記エアギャップの角部がラウンドされたエッチングパターンを有するマスクを用いて前記基板及び絶縁層をエッチングすることが好ましい。
また、前記(c)ステップは、前記エッチング阻止層の一部を覆うよう前記第1電極を積層するステップと、前記第1電極と前記露出したエッチング阻止層の上部に前記圧電膜を積層するステップと、前記圧電膜の上部に前記第2電極を積層するステップとを含むことが好ましい。
また、前記(d)ステップにおいて、前記共振部に対応する前記基板の下部から前記エッチング阻止膜までエッチングすることで、前記エアギャップを形成することが好ましい。
本発明によると、共振部の下部にエッチング阻止層を形成することで、エッチング工程を通してエアギャップを形成する際に、共振部が損傷されることを防止する。
また、エッチング阻止層を第1電極と同じ金属物質で形成する場合、エッチング阻止層が第1電極と同じ機能を有するため、共振部全体の厚さが増加することを抑えることができる。
また、エッチング阻止層を圧電膜と同じ物質で形成することで、圧電膜との親密性及び結合性が向上する。また、共振部の一部としてエッチング阻止層を形成するので、共振部全体の厚さが増加することを抑えることができる。これにより、共振部の特性が向上する。
以下、添付した図面に基づいて本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
図2は、本発明の実施形態による圧電薄膜共振器の断面図である。
同図に示すように、本発明に係るFBARは、エアギャップ111の形成された基板110、絶縁層120、エッチング阻止層130及び共振部140を備える。
基板110としては、通常のシリコン基板が用いられる。基板110の上部表面には絶縁層120が設けられる。絶縁層120は基板110に対してエッチング阻止層130と共振部140を電気的に絶縁する。絶縁層120としては、二酸化ケイ素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al23)などが用いられる。絶縁層120を基板110上に形成するための方法としては、RFマグネトロンスパッタリング(RF Magnetron Sputtering)法、蒸着(Evaporation)法が用いられる。
また、基板110には上下部に貫通形成されたエアギャップ111が形成される。エアギャップ111は基板110を貫通し絶縁層120まで貫通するようエッチングして形成され、エッチング阻止層130の外部に露出するよう形成される。エアギャップ111は共振部140に対応する下部に形成され、ドライエッチング工程により形成される。
エッチング阻止層130は、少なくともエアギャップ111の上部に位置するよう絶縁層120の上部に所定の厚さで蒸着される。エッチング阻止層130は、基板110、例えば、ケイ素(Si)対比エッチング選択比の比較的高い物質で形成されることが好ましい。さらに好ましくは、エッチング阻止層130はケイ素対比3000以上のエッチング選択比を有する物質で形成される。したがって、エアギャップ111を形成するためのエッチング工程時、エッチング阻止層130によりエッチングされる深さが制限されることにより、共振部140の損傷を防止できることが好ましい。このように、エッチング選択比の高い材質の一例として、後述する第1電極141と電気的に接続可能な金属物質、例えば、クロム(Cr)でエッチング阻止層130が形成されることが好ましい。
共振部140は、エアギャップ111の上部に位置するように、順に積層された第1電極141、圧電膜143及び第2電極145を備える。
このような共振部140は、圧電膜143の圧電効果を利用して無線信号をフィルタリングする部分を意味する。すなわち、第2電極145を介して印加されるRF(Radio Frequency)信号は、共振部140を介して第1電極141の方向に出力される。この場合、共振部140は圧電膜143に発生する振動に従う一定の共振周波数を有するので、入力されたRF信号のうち共振部140の共振周波数と一致する信号のみが出力される。
このような共振部140は、第1電極141がエッチング阻止層130の上面に積層されて支持され、圧電膜143が絶縁層120と第1電極143の上面を覆うよう積層されることにより、基板110エアギャップ111の上部に支持される。
第1電極及び第2電極141、145は金属と同じ通常の導電物質を用いて形成される。具体的には、第1電極及び第2電極141、145として、アルミニウム(Al)、タングステン(W)、金(Au)、プラチナ(Pt)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、パラジウム(Pd)、モリブデン(Mo)などが用いられる。
また、圧電膜143は、上述したように、電気的エネルギーを弾性波形態の機械的エネルギーに変換する圧電効果を起こす部分であって、圧電膜143を形成する圧電物質として、窒化アルミニウム(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)などが用いられる。
上記のような構成を有する本発明の実施形態によるFBARは、エッチング阻止層130が金属物質、好ましくは、エッチング選択比の高いクロム(Cr)で形成されることにより、第1電極141のように金属物質で形成される。したがって、実質的に、エッチング阻止層130と第1電極141とにより共振部140の下部電極をなす。そして、エッチング阻止層130が共振部140の一部として形成されるため共振部140の全体厚さを増加することなく、また、窒化アルミニウム(AlN)から形成される圧電膜143の厚さを低減しなくても、共振部140を形成することができるので共振特性が向上する。また、エアギャップ111の形成時、共振部140がエッチング工程により破損したり損傷することを防止できる。また、エッチング阻止層130としてクロム(Cr)を用いることにより、エアギャップ111の形成時に角部に生じるノッチ発生を最小化することができる。
以下、図3A〜3Cに基づいて図2に図示したFBARの段階別製作工程を説明する。
まず、図3Aに示すように、基板110の上部全面にわたって絶縁層120を蒸着する。絶縁層120の材質や蒸着方法については上述した通りである。
次に、図3Bに示すように、絶縁層120の上部の所定部分にエッチング阻止層130を蒸着する。このため、まず、絶縁層120の上部全体にわたって金属材質、好ましくは、クロム(Cr)物質を蒸着した後、パターニングして所定の絶縁層120を露出させる。パターニングとは、フォトレジスト膜(photo−resist film)を用いて、フォトレジスト膜が形成されていない領域のみをエッチングすることで、所定のパターンにエッチングする工程を意味する。
次に、図3Cに示すように、露出した絶縁層120及びエッチング阻止層130の上部に第1電極141、絶縁膜143及び第2電極145を順に積層して共振部140を形成する。
このため、まず、露出した絶縁層120及びエッチング阻止層130の上部全面にわたって第1電極141を蒸着した後、パターニングして絶縁層120の一定領域を露出させる。
次に、露出した絶縁層120及び第1電極141上の全面にわたって圧電層143を蒸着した後、パターニングして第1電極141の一定領域を露出させる。
そして、露出した第1電極141と圧電層143の上部全面にわたって第2電極145を蒸着した後、パターニングして第1電極141を露出させ、圧電層143上の所定領域にのみ第2電極145を積層する。
最後に、基板110の下部をドライエッチングによりエッチングし、図3Cにおける2点鎖線で表示した領域を除去することで、図2のエアギャップ111が形成される。ドライエッチング方法として、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)法が用いられる。RIE法とは、プラズマ状態で反応性ガスを活性化させてエッチングする物質と化学反応を起こし、揮発性物質を生成してエッチングする方法である。特に、誘導結合プラズマ(Inductive Coupled Plasma:ICP)を活性源とする反応性イオンエッチング法(以下、‘ICP−RIE法’と称する)が用いられる。基板110の下部をICP−RIE法によりエッチングする時、SFとArガスが用いられる。エッチング断面傾斜(slope of etched cross−section)を大きくするため前記ガスにCFが加えられる。前記ICP−RIE法において、パワーと圧力はそれぞれ500〜1500W及び20〜30mTorrの範囲に調整することが好ましい。ICP−RIE法は、ドライエッチング方法の一種であって、エッチング異方性がないためウェットエッチング方法に比べ構造体形状の自由度を格段に増加させる利点がある。
このように、ドライエッチング方法を利用してエアギャップ111を形成する時、絶縁層120まで除去されていればエッチング阻止層130が露出するまでエッチング工程が行われるので、所望の形状及び深さにエアギャップ111を形成しながら、共振部140の損傷をエッチング阻止層130により防止できる。
このような方法により、図2に図示したFBARを最終的に製作する。製作されたFBARは所定の周波数帯域のRF信号のみをフィルタリングする。これにより、複数のFBARを直列及び並列形態に適切に組み合わせると、一定の中心周波数と周波数帯域幅を持つバンドパスフィルタを実現することができる。また、このようなバンドパスフィルタと、インダクタ及びキャパシタの組み合わせで構成された位相遷移器(Phase shifter)とを組み合わせることによりデュプレクサを実現することができる。
図4は、本発明の他の実施形態によるFBARの断面図である。
同図に示すように、本発明の他の実施形態によるFBARは、基板210上に絶縁層220が蒸着され、基板210と絶縁層220を通過して後述するエッチング阻止層230を露出させるエアギャップ211が形成される。
エッチング阻止層230は、絶縁層220の上部全面にわたって蒸着されている。エッチング阻止層230は、後工程により基板210の底面をエッチングする時、エッチングされる深さを制限するため設けられたものであって、基板210に対して選択比が高く、非電導性物質である窒化アルミニウム(AlN)で形成される。
エッチング阻止層230の上部にはエアギャップ211に対応する部位に共振部240が形成される。共振部240は、図2に基づいて説明した共振部140と同じ機能を有するものであって、第1電極241、圧電膜243及び第2電極245が順に積層されて設けられる。
ここで、第1電極及び第2電極241、245は導電性物質であって、図2に基づいて説明した第1電極及び第2電極141、145と同じ物質で形成されるので、詳細な説明は省く。
圧電膜243は、図2に図示した圧電膜143と同じ機能を有し、同じ圧電物質で形成される。本実施形態の場合は、圧電膜243は、第1電極241とエッチング阻止層230の上部表面にわたって所定の領域に形成される。したがって、圧電膜243とエッチング阻止層230は相互間の親和力及び結晶性の向上のため同じ物質で形成されることが好ましい。それで、窒化アルミニウム(AlN)物質で形成されることが良い。
このように、窒化アルミニウム(AlN)物質でエッチング阻止層230を形成すれば、第1電極241を他の部位に対して電気的に絶縁する役割を果たすので、絶縁層220の上部表面全体にわたって蒸着した後パターニングする必要はない。
また、圧電膜243と同じ物質でエッチング阻止層230を形成することで、エッチング阻止層230はエッチング深さを阻止する機能と、圧電膜243と共に圧電機能とを有するため、共振部240の共振機能を助ける。
したがって、実質的に、エッチング阻止層243も共振部240の全体厚さに含まれるので、共振部240を支持するための別のメンブレインが不要となる。これにより、共振特性が向上する。
以下、上記の構成を有する本発明の他の実施形態によるFBARを製作する方法を各段階別に図5A〜図5Cおよび図6に基づいて詳細に説明する。
まず、図5Aに示すように、基板210の上部表面全体にわたって絶縁層220を蒸着する。
次に、図5Bに示すように、絶縁層220の上部表面全体にわたってエッチング阻止層230を蒸着する。エッチング阻止層230は一連の蒸着法を利用して蒸着し、窒化アルミニウム(AlN)物質で形成される。
そして、図5Cに示すように、エッチング阻止層230の上部の所定領域に第1電極241、圧電膜243、及び第2電極245を順に蒸着して共振部240を形成する。
具体的には、エッチング阻止層230の上部表面全体にわたって第1電極241を蒸着した後、パターニングしてエッチング阻止層230の一部領域を露出させる。
次に、露出したエッチング阻止層230と第1電極241の上部全体にわたって圧電膜243を蒸着した後、パターニングして第1電極241の一部領域を露出させ、一部領域の上に圧電膜243を残す。もちろん、圧電膜243は、エッチング阻止層230の上部を覆うよう蒸着され、エッチング阻止層230と同じ物質で蒸着される。
そして、露出した第1電極241と圧電膜243の上部全体にわたって第2電極245を蒸着した後、パターニングして圧電膜243の一定領域にのみ第2電極を残す。このような方法により、共振部240を形成した後、基板210の下部をドライエッチング方法により一定の深さでエッチングして、図4に図示したエアギャップ211を形成する。すなわち、図5Cに示すように、共振部240に対応する一定の部分(2点鎖線で表示された部分)をエッチング阻止層230が露出するまでエッチングして、所定の深さ及び形状のエアギャップ211を形成する。このように、ドライエッチングによりエアギャップ211を形成することにおいて、共振部240の下部にエッチング阻止層230を設けることにより、共振部240の化学的、機械的損傷なしにエアギャップ211を容易に形成することができる。
また、図6に示すように、エアギャップ211を形成する際に用いられるマスク(M)のエアギャップ211用パターン(P)において、角部をラウンド形状にすることで、エアギャップ211の形成時に発生するノッチ(Notch)を防止できる。
以上、説明したような本発明の他の実施形態によるFBARの場合、エッチング阻止層230を絶縁層220の上に蒸着し、パターニングする過程を省略してよいことから工程を簡略化することができる。また、エッチング阻止層230を圧電膜243と同じ物質で形成することで、圧電膜243との膜の結晶性及び親和性を向上することができる。
本発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではない。実際、当業者であれば、上記の説明に基づき、特許請求の範囲に記載されている本発明の技術的範囲を逸脱することなく、本発明の実施形態に対し、種々の変更及び修正を施すことが可能であろう。従って、そのような変更及び修正は当然に、本発明の技術的範囲に含まれるべきである。
従来のブラッグ反射型FBARの断面図である。 従来の方式で製作されたエアギャップ型FBARの断面図である。 本発明の実施形態によるFBARの断面図である。 図2に図示したFBARの製作工程を説明するための断面図である。 図2に図示したFBARの製作工程を説明するための断面図である。 図2に図示したFBARの製作工程を説明するための断面図である。 本発明の他の実施形態によるFBARの断面図である。 図4に図示したFBARの製作工程を説明するための断面図である。 図4に図示したFBARの製作工程を説明するための断面図である。 図4に図示したFBARの製作工程を説明するための断面図である。 図4に図示したFBARの製作工程を説明するための説明図である。
符号の説明
110、210 基板
111、211 エアギャップ
120、220 絶縁層
130、230 エッチング阻止層
140、240 共振部
141、241 第1電極
143、243 圧電膜
145、245 第2電極

Claims (8)

  1. (a)基板の上部表面に絶縁層を蒸着するステップと、
    (b)前記絶縁層上にエッチング阻止膜を積層するステップと、
    (c)前記絶縁層及び/または前記エッチング阻止膜上に第1電極、圧電膜、及び第2電極を順次に積層することで共振部を製作するステップと、
    (d)前記共振部の下部に該当する前記基板をエッチングすることでエアギャップを形成するステップと、
    を含み、前記(d)ステップにおいて、前記共振部に対応する前記基板の下部から前記エッチング阻止膜までエッチングすることで、前記エアギャップを形成し、
    前記エアギャップは角部がラウンドされた長方形状に形成されたエッチングパターンを有するマスクを用いて前記基板及び絶縁層をエッチングすることで形成されたことを特徴とする圧電薄膜共振器の製作方法。
  2. 前記(b)ステップは、
    前記絶縁層上に金属物質を蒸着するステップと、
    前記金属物質の一部をパターニングし前記絶縁膜上の一部にエッチング阻止膜を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項に記載の圧電薄膜共振器の製作方法。
  3. 前記エッチング阻止膜はクロム(Cr)物質であることを特徴とする請求項に記載の圧電薄膜共振器の製作方法。
  4. 前記(c)ステップは、
    前記パターニングされたエッチング阻止膜の上部に第1電極を積層するステップと、
    前記第1電極及び前記露出した絶縁膜上に圧電膜を積層するステップと、
    前記圧電膜上に第2電極を積層するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項2または3に記載の圧電薄膜共振器の製作方法。
  5. 前記(d)ステップにおいて、ドライエッチング方法を利用することを特徴とする請求項に記載の圧電薄膜共振器の製作方法。
  6. 前記(c)ステップは、
    前記エッチング阻止層の一部を覆うよう前記第1電極を積層するステップと、
    前記第1電極と前記露出したエッチング阻止層の上部に前記圧電膜を積層するステップと、
    前記圧電膜の上部に前記第2電極を積層するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項に記載の圧電薄膜共振器の製作方法。
  7. 前記エッチング阻止層は誘電物質で形成されることを特徴とする請求項1または6に記載の圧電薄膜共振器の製作方法。
  8. 前記エッチング阻止層は窒化アルミニウム(AlN)物質で形成されることを特徴とする請求項に記載の圧電薄膜共振器の製作方法。
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