JP4690817B2

JP4690817B2 - 薄膜バルク音響共振器の製造方法

Info

Publication number: JP4690817B2
Application number: JP2005225686A
Authority: JP
Inventors: 高史夘野; 直大鶴見; 和宏八幡
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2025-08-03
Also published as: JP2007043498A

Description

本発明は、圧電体膜を下部電極および上部電極により挟んで形成された共振部が支持基板上に支持された構造を有する薄膜バルク音響共振器の製造方法に関する。

ＡｌＮ系化合物半導体は、膜中での信号伝達速度に関わる音速が１０．４ｋｍ／ｓｅｃと非常に早いので、薄膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）を構成して移動体通信用の高周波部品、特に不要な周波数を除去し、所望の周波数のみを通過させるフィルタ部品として広く用いられる。

また、圧電体として知られるＡｌＮ系化合物半導体膜を高周波フィルタとして用いる際に、ＡｌＮ系化合物半導体膜の結晶性がフィルタ内の信号伝達ロスと関係があり、結晶性の良い膜では信号伝達ロスを低減できることが一般的に知られている。

ＡｌＮ系化合物半導体膜は、格子整合する基板がなく、基板上にＡｌＮ系化合物半導体膜を結晶成長させた場合、格子不整合及び熱膨張係数の違いにより、ＡｌＮ系化合物半導体膜に転移と熱歪みが生じ、結晶性の良好な窒化物半導体膜を形成することは困難である。そのため、結晶性の良好な圧電体膜を得るために、まず、約１０％程度の格子不整合があるサファイア基板上にＧａＮ系化合物半導体膜を形成し、そのＧａＮ系化合物半導体膜上にＡｌＮ系化合物半導体膜を結晶成長させることが知られている。

ＦＢＡＲを用いたフィルタは、圧電体膜（ＡｌＮ系化合物半導体膜）を金属膜で挟んだキャパシタ構造であるため、下部電極上に圧電体膜を形成する必要がある。しかしながら、結晶性の良い窒化物半導体膜を形成するには、１０００℃以上の高温が必要であり、１０００℃以下の温度で形成した膜の結晶性は劣化する。そのためフィルタとして下部電極上に窒化物半導体膜を形成するには、下部電極として、１０００℃以上の温度に耐える金属膜を選択する必要があるが、実用的な金属では困難である。

この問題を解決するために、例えば特許文献１に記載のような方法が知られている。すなわち、まず、サファイア基板上にＧａＮ系化合物半導体膜と圧電体膜を積層形成し、圧電膜上に下部電極をパターニングし、共振部に空洞を設けた別基板と貼り合せる。その後、レーザリフトオフ工法を用い、レーザ照射によりサファイア基板上とＧａＮ系化合物半導体膜の界面を分離してサファイア基板を除去する。更に、ＧａＮ系化合物半導体膜をエッチング等で除去することにより、圧電体膜を露出させ、圧電体膜上に上部電極を形成する。このような方法によれば、圧電体膜を成膜した後に上部電極および下部電極を形成することになるので、電極の金属を考慮することなく、高温で圧電体膜を成膜して結晶性の膜を得ることができる。
特開２０００−３１５５２号公報（段落００１０〜００１１）

しかしながら、レーザリフトオフ工法によりサファイア基板を除去すると、露出したＧａＮ系化合物半導体の表面は非常に粗くなる。その後エッチングによりＧａＮ系化合物半導体を除去しても、除去前のＧａＮ系化合物半導体の表面の凹凸が反映され、圧電体膜の表面も粗面になっている。ＦＢＡＲは、膜厚により共振周波数が決定されるため、粗い表面の膜厚分布により局所的に共振周波数が乱れ、フィルタの特性を劣化させるという問題があった。

本発明は、圧電体膜を結晶成長させるための下地である半導体膜を除去した後の、上部電極が形成される圧電体膜の表面の平坦度が向上し、安定した共振特性を得ることが可能な薄膜バルク音響共振器の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の薄膜バルク音響共振器の製造方法は、圧電体膜を下部電極および上部電極により挟んで形成された共振器が、前記下部電極側に設けられた第１金属膜と支持基板上に設けられた第２金属膜の接合を介して、前記支持基板上に中空構造を形成して支持された薄膜バルク音響共振器を製造する方法である。

上記課題を解決するために本発明の製造方法は、結晶成長用基板上に半導体膜を結晶成長させる工程と、前記半導体膜上に前記圧電体膜を結晶成長させる工程と、前記圧電体膜上に前記下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に前記第１金属膜を形成する工程と、前記支持基板上に前記第２金属膜を形成する工程と、前記第１金属膜と前記第２金属膜を互いに接合させることにより、前記結晶成長用基板と前記支持基板とを結合させる工程と、前記結晶成長用基板の裏面から、前記結晶成長用基板では吸収されず前記半導体膜で吸収される波長のレーザ光を照射して、前記結晶成長用基板と前記半導体膜との界面の少なくとも一部において前記結晶成長用基板と前記半導体膜を分離させた後、前記結晶成長用基板を除去する工程と、前記結晶成長用基板が除去された前記半導体膜の表面を、ＣＭＰ（化学機械研磨）処理により平坦化する工程と、前記半導体膜をエッチングガスを用いたドライエッチングにより除去する工程と、前記半導体膜が除去された前記圧電体膜上に前記上部電極を形成する工程とを有する。

本発明の製造方法によれば、レーザリフトオフ工程で荒れた半導体膜の表面がＣＭＰ処理により平坦化され、ドライエッチングにより半導体膜を除去した後の圧電体膜表面は十分に平坦化されるので、その上に上部電極を形成すれば、圧電体膜の膜厚が十分に均一な共振部が得られて、安定した共振特性を得ることが可能である。

本発明の半導体装置の製造方法において好ましくは、前記半導体膜と前記圧電体膜の選択比が１０以上のエッチングガスで前記半導体膜を除去する。ＣＭＰによるＧａＮ系化合物半導体膜の平坦化により５０ｎｍの表面粗さＲｍｓが得られるので、エッチングの選択比を１０以上にすることで、ＧａＮ系化合物半導体膜除去後の圧電体膜表面のＲｍｓは５ｎｍ以下となり、非常に優れたフィルタ特性を実現できる。

前記半導体膜がＧａＮ、前記圧電体膜がＡｌＮにより形成される場合、前記半導体膜の除去に用いるエッチングガスとしてＳＦ_６とＳｉＣｌ_４の混合ガスを用いることが好ましい。Ｃｌ系ガスであるＳｉＣｌ_４によりＧａＮ系化合物半導体膜のエッチングレートを稼ぎ、さらにＦ系であるＳＦ_６により圧電体膜であるＡｌＮ系化合物半導体のＡｌとＦの反応生成物によりエッチングを止める効果が期待できるため、ＧａＮ系化合物半導体膜と圧電体膜との選択比が１０以上を実現できる。

また、ＳｉＣｌ_４の混合比がＳＦ_６より多く、且つＳＦ_６の５倍よりも少ないことが好ましい。この混合比によれば、ＳＦ_６による効果を十分に得ることができ、また、ＧａＮ系化合物半導体のエッチングレートを維持して、選択比１０以上を容易に実現できる。

また、前記半導体除去時のチャンバ内の圧力を１Ｐａよりも高くすることが好ましい。チャンバ内の圧力が高くなるとエッチングガスがウエハ上に滞在する時間が長くなり、効率よくエッチングを行える。

以下、本発明の実施形態ついて、図面を参照しながら説明する。図１Ａ〜１Ｇは、本発明の実施形態における薄膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）の製造方法の工程を示す断面図である。

図１Ｇに、本実施の形態の製造方法により作製されたＦＢＡＲの構造が示される。圧電体のＡｌＮ膜３と、ＡｌＮ膜３を挟んで形成されたＭｏ下部電極４およびＭｏ上部電極９により共振部が構成されている。共振部を支持するための基板であるＳｉＯ_２膜７を有するＳｉ基板６上に、共振部のＭｏ下部電極４側が、ＡｕＳｎ膜５、８を介して接合され、それにより中空部１０が形成されている。以下に、製造方法の各工程について説明する。

まず図１Ａに示すように、サファイア基板１上に、レーザ吸収層であるＧａＮ膜２をＭＯＣＶＤ法により、基板温度１０００℃の条件にて４μｍ結晶成長させる。サファイア基板１に代えて、他の適当な基板を用いることもできる。次に、ＧａＮ膜２上に、圧電体であるＡｌＮ膜３をＭＯＣＶＤ法により、基板温度１１００℃の条件にて５００ｎｍ結晶成長させる。次に、ＡｌＮ膜３上に、Ｍｏ膜をスパッタリング法により５００ｎｍ堆積させ、パターニングすることにより、共振器の下部電極となるＭｏ下部電極４を形成する。次に、Ｍｏ下部電極４上に、中空構造を支えるＡｕＳｎ膜５を、加熱蒸着により形成する。

次に、図１Ｂに示すように、ＦＢＡＲの基板となるＳｉ基板６上に、絶縁膜であるＳｉＯ_２膜７をウエハ全面に形成し、接着用のＡｕＳｎ膜８を形成する。その後、図1Ｃに示すように、図１Ａの工程で作製された要素と、図１Ｂの工程で作製された要素を、ＡｕＳｎ膜５、８を介して当接させ、ＡｕＳｎ膜の融点以上の３８０℃に加熱し、加圧して、ＡｕＳｎ膜５、８の共晶反応を利用して接合する。

さらに、サファイア基板１で吸収されずにＧａＮ膜２で吸収される波長のレーザ光、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波（３５５ｎｍ）を、サファイア基板１の裏面から照射し、サファイア基板１とＧａＮ膜２の界面付近のＧａＮ膜２を融解して、図１Ｄに示すように、サファイア基板１を除去する。この状態ではＧａＮ膜２の表面が非常に荒れている（表面粗さがＲｍｓで１５０ｎｍ程度）。

そこで、図１Ｅに示すように、コロイダルシリカ系などのスラリを用いて、レート０．４μｍ／ｍｉｎでＣＭＰ（化学機械研磨）処理することにより、ＧａＮ膜２の表面を、表面粗さＲｍｓが５０ｎｍ程度になるように平坦化する。

その後、図１Ｆに示すように、ＳＦ_６とＳｉＣｌ_４の混合ガスにより、ウエハ全面をエッチングし、ＡｌＮ膜３の表面を露出させる。その際、ＣＭＰによるＧａＮ膜２の平坦化後のＲｍｓは５０ｎｍであるため、選択比を１０以上にすることでＧａＮ膜２除去後のＡｌＮ膜３の表面粗さＲｍｓは５ｎｍ以下となる。例えば、ＳＦ_６：ＳｉＣｌ_４＝１：２、チャンバ内の圧力を２Ｐａとしてエッチングすることで、選択比が１７となり、効率的なエッチングを実現できる。その結果、Ｒｍｓ＝５ｎｍの平坦なＡｌＮ膜３が得られる。

このように、実用的に十分な平坦度を得るためには、ＧａＮ系化合物半導体膜とＡｌＮ系化合物半導体の選択比が１０以上のエッチャントでＧａＮ系化合物半導体膜を除去することが望ましい。さらにエッチャントとしてＳＦ_６とＳｉＣｌ_４の混合ガスを用いることにより、Ｃｌ系ガスであるＳｉＣｌ_４によりＧａＮ系化合物半導体膜のエッチングレートを稼ぎ、さらにＦ系であるＳＦ_６により圧電体膜であるＡｌＮ系化合物半導体のＡｌとＦの反応生成物によりエッチングを止める効果が得られる。そのため、ＧａＮ系化合物半導体膜と圧電体膜との選択比１０以上を実現できる。

図２に、チャンバ内圧力が１Ｐａの場合の、ＳＦ_６とＳｉＣｌ_４のガス比と、ＧａＮ系化合物半導体と圧電体の選択比の関係を示す。横軸がガス比、縦軸が選択比である。ＳｉＣｌ_４ガスが多すぎると、ＧａＮ系化合物半導体のエッチングレートは上がるが、同時に圧電体膜のエッチングレートも上がるため、ＳＦ_６による効果が少なくなる。また、ＳＦ_６ガスの割合を多すぎるとＳｉＣｌ_４ガスの効果がなくなり、ＧａＮ系化合物半導体のエッチングレートが極端に下がるため、ほとんど除去できなくなる。ＳｉＣｌ_４の混合比がＳＦ_６より多く、且つＳＦ_６の５倍よりも少なくすることにより、良好な選択比が得られる。

図３にチャンバ内の圧力と選択比の関係を示す。チャンバ内の圧力が高くなるとエッチングガスがウエハ上に滞在する時間が長くなり、効率よくエッチングを行えるので、選択比が向上する。ＧａＮ系化合物半導体エッチング時のチャンバ内の圧力は、１Ｐａよりも高くすれば、良好な選択比が得られることが判る。

以上のようにして平坦に露出されたＡｌＮ膜３の表面に、図１Ｇに示すように、Ｍｏ上部電極９を形成することで、薄膜バルク音響共振器を作製することができる。

以上の様にして得られた薄膜バルク音響共振器のＡｌＮ膜のＸＲＤ（Ｘ線回折）特性を（表１）に示す。

（表１）に示すとおり、本発明の実施例によれば、ＡｌＮ膜のＸＲＤの（０００２）面のロッキングカーブの半値幅は０．１度であった。一方、従来のスパッタ法で堆積したＡｌＮ膜は１度以上であり、本発明を用いることで膜質向上と、それに伴う共振特性の向上が得られることが判る。

本発明によれば、安定した共振特性を有する薄膜バルク音響共振器を得ることができ、フィルタ部品の製造に有用である。

本発明の実施の形態におけるＦＢＡＲの製造方法の工程を説明するための断面図同製造方法の次の工程を説明するための断面図同製造方法の次の工程を説明するための断面図同製造方法の次の工程を説明するための断面図同製造方法の次の工程を説明するための断面図同製造方法の次の工程を説明するための断面図同製造方法の次の工程を説明するための断面図ＳＦ_６とＳｉＣｌ_４のガス比とＧａＮ系化合物半導体と圧電体の選択比の関係を説明するための図チャンバ内の圧力と選択比の関係を説明するための図

符号の説明

１サファイア基板
２ＧａＮ膜
３ＡｌＮ膜
４Ｍｏ下部電極
５ＡｕＳｎ膜
６Ｓｉ基板
７ＳｉＯ２膜
８ＡｕＳｎ膜
９Ｍｏ上部電極
１０中空部

Claims

圧電体膜を下部電極および上部電極により挟んで形成された共振部が、前記下部電極側に設けられた第１金属膜と支持基板上に設けられた第２金属膜の接合を介して、前記支持基板上に中空構造を形成して支持された薄膜バルク音響共振器を製造する方法であって、
結晶成長用基板上に半導体膜を結晶成長させる工程と、
前記半導体膜上に前記圧電体膜を結晶成長させる工程と、
前記圧電体膜上に前記下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に前記第１金属膜を形成する工程と、
前記支持基板上に前記第２金属膜を形成する工程と、
前記第１金属膜と前記第２金属膜を互いに接合させることにより、前記結晶成長用基板と前記支持基板とを結合させる工程と、
前記結晶成長用基板の裏面から、前記結晶成長用基板では吸収されず前記半導体膜で吸収される波長のレーザ光を照射して、前記結晶成長用基板と前記半導体膜との界面の少なくとも一部において前記結晶成長用基板と前記半導体膜を分離させた後、前記結晶成長用基板を除去する工程と、
前記結晶成長用基板が除去された前記半導体膜の表面を、ＣＭＰ（化学機械研磨）処理により平坦化する工程と、
前記半導体膜をエッチングガスを用いたドライエッチングにより除去する工程と、
前記半導体膜が除去された前記圧電体膜上に前記上部電極を形成する工程とを有することを特徴とする薄膜バルク音響共振器の製造方法。
前記半導体膜と前記圧電体膜の選択比が１０以上のエッチングガスで前記半導体膜を除去する請求項１記載の薄膜バルク音響共振器の製造方法。
前記半導体膜がＧａＮ、前記圧電体膜がＡｌＮにより形成され、
前記半導体膜の除去に用いるエッチングガスがＳＦ₆とＳｉＣｌ₄の混合ガスである請求項２記載の薄膜バルク音響共振器の製造方法。
ＳｉＣｌ₄の混合比がＳＦ₆より多く、且つＳＦ₆の５倍よりも少ない請求項３記載の薄膜バルク音響共振器の製造方法。
前記半導体除去時のチャンバ内の圧力を１Ｐａよりも高くする請求項３記載の薄膜バルク音響共振器の製造方法。