JP4773836B2 - Thin film bulk acoustic wave oscillator and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、薄膜バルク弾性波発振器、および、その製造方法に関し、特に、トランジスタ等のアクティブ素子と薄膜バルク弾性波共振子を同一基板上に集積した高周波発振器、電圧可変高周波発振器、およびそれらの発振器を内部に含む半導体集積回路、および、その製造方法に関する。   The present invention relates to a thin film bulk acoustic wave oscillator and a method for manufacturing the same, and more particularly to a high frequency oscillator in which an active element such as a transistor and a thin film bulk acoustic wave resonator are integrated on the same substrate, a voltage variable high frequency oscillator, and an oscillator thereof. Integrated circuit and a manufacturing method thereof.

発振器は、様々な装置又は回路において、クロック源、周波数変換用局部発振器、その他の用途で頻繁に使用される素子である。   An oscillator is an element frequently used in various devices or circuits for a clock source, a local oscillator for frequency conversion, and other applications.

最も精度の良い発振源を必要とする時計や携帯電話の用途には、水晶を用いた発振器が使われている。水晶振動子は、結晶成長した後に特定の角度で結晶面をカットした後電極を両面に蒸着して作成する。振動子の厚みや形状で周波数が決まること、および水晶中音響波の速度が比較的遅いため、現在の技術では高周波領域では、155MHz程度の周波数を発生することが上限となっている。   Crystal and oscillators are used for watches and cellular phones that require the most accurate oscillation source. The crystal resonator is formed by cutting the crystal plane at a specific angle after crystal growth and then depositing electrodes on both sides. Since the frequency is determined by the thickness and shape of the vibrator and the speed of the acoustic wave in the quartz crystal is relatively slow, the upper limit of the current technology is to generate a frequency of about 155 MHz in the high frequency region.

低周波から高周波まで広い周波数範囲で発振させることが可能な発振器として、インダクタとキャパシタを用いたLC発振器、および抵抗とキャパシタを用いたRC発振器が、様々な回路・用途で使われている。ただし、これらの発振器は、発振の周波数純度や温度安定性が悪く、用途によっては充分な性能が出せないことも多い。   As an oscillator that can oscillate in a wide frequency range from a low frequency to a high frequency, an LC oscillator using an inductor and a capacitor and an RC oscillator using a resistor and a capacitor are used in various circuits and applications. However, these oscillators have poor oscillation frequency purity and temperature stability, and in many cases, sufficient performance cannot be obtained depending on applications.

数100kHz帯から数10MHzにかけて水晶振動子程の精度は必要としないが広範囲の同調ができて、LC発振器やRC発振器よりも周波数純度が高い発振を得るために、PZT等の強誘電体材料を用いたセラミック発振器が使われている。   A ferroelectric material such as PZT is used in order to obtain oscillation with a higher frequency purity than LC oscillators and RC oscillators, although it does not require the accuracy of a quartz crystal oscillator from several hundreds of kHz to several tens of MHz. The ceramic oscillator used is used.

また、数100MHz帯から1GHzにかけての高周波領域で周波数純度の高い発振を得る場合には、SAW振動子を用いた発振器が使われる。   In order to obtain oscillation with high frequency purity in a high frequency range from several hundred MHz band to 1 GHz, an oscillator using a SAW vibrator is used.

さらに、高い周波数のGHz帯では、誘電体共振子や同軸線路、マイクロストリップ線路で構成する共振器を用いた発振器が使われている。誘電体や線路を用いた発振器はサイズを小型化することが難しく、また、LC発振器を除いてシリコン基板上にトランジスタ回路と一緒に作りこむことは難しい。   Furthermore, in a high frequency GHz band, an oscillator using a resonator composed of a dielectric resonator, a coaxial line, and a microstrip line is used. It is difficult to reduce the size of an oscillator using a dielectric or a line, and it is difficult to make an oscillator together with a transistor circuit on a silicon substrate except for an LC oscillator.

米国特許5,075,641号明細書US Pat. No. 5,075,641 IEEE Microwave Symposium Digest, Vol.2,2003,p717−720IEEE Microwave Symposium Digest, Vol. 2,2003, p717-720

近年、薄膜堆積技術の進歩により、結晶性の良い圧電材料薄膜を成長させることが可能になってきた。この技術を用いて高周波の薄膜バルク弾性波フィルタ及び薄膜バルク弾性波デュプレクサ(分波器)が作製されている。   In recent years, it has become possible to grow a piezoelectric material thin film with good crystallinity by the progress of thin film deposition technology. Using this technique, a high-frequency thin film bulk acoustic wave filter and a thin film bulk acoustic wave duplexer (demultiplexer) are manufactured.

非特許文献1は、アクティブ素子と共振子は別々に作製された後にアルミ基板上で接続して、2GHzで実際に発振することが観測されている例である。   Non-Patent Document 1 is an example in which an active element and a resonator are separately manufactured and then connected on an aluminum substrate and actually oscillated at 2 GHz.

特許文献1に記載されているように、発振器についても、アクティブ素子と薄膜バルク弾性波共振子を同一基板に作りこんだ発振器が提案されている。   As described in Patent Document 1, an oscillator in which an active element and a thin film bulk acoustic wave resonator are formed on the same substrate has been proposed.

しかし、薄膜バルク弾性波共振子の下側を、裏面からのエッチングで削り中空にしている為構造上脆くて信頼性の確保が難しい点、製造する上で歩留まり向上が難しい点、発振器にとって有害なスプリアス振動を生じやすい点、共振器の下には配線も含めて何も配置できない点、といった欠点がある。   However, the lower side of the thin film bulk acoustic wave resonator is hollowed by etching from the back side, making it difficult to ensure reliability because it is brittle in structure, difficult to improve yield in manufacturing, and harmful to the oscillator There are drawbacks in that spurious vibrations are likely to occur and nothing can be placed under the resonator, including wiring.

そこで、本発明の目的は、集積化・小型化が可能で、信頼性の高い、薄膜バルク弾性波発振器、および、その製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a thin film bulk acoustic wave oscillator that can be integrated and miniaturized and that has high reliability, and a method for manufacturing the same.

また、本発明の他の目的は、数100MHzから10GHz付近までの高周波帯において、外付け振動子が不要で、周波数純度が高い、薄膜バルク弾性波発振器、および、その製造方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a thin-film bulk acoustic wave oscillator that does not require an external oscillator and has high frequency purity in a high-frequency band from several hundred MHz to around 10 GHz, and a method for manufacturing the same. is there.

さらに、本発明の他の目的は、広い周波数可変範囲をもつことが可能な、薄膜バルク弾性波発振器、および、その製造方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a thin film bulk acoustic wave oscillator capable of having a wide frequency variable range and a method for manufacturing the same.

本発明は、薄膜バルク弾性波発振器であって、基板上に、少なくともトランジスタ素子および容量素子を含む回路素子が形成された回路素子部と、該回路素子部に、高音響インピーダンス材料で構成される薄膜と低音響インピーダンス材料で構成される薄膜とが交互に積み重ねることによって音響ミラー層が形成された音響ミラー部と、前記音響ミラー部の前記音響ミラー層が形成された領域の直上に、圧電体薄膜と、該圧電体薄膜を上下方向から挟む2つの電極部とからなる薄膜バルク弾性波共振子が形成され、かつ、該薄膜バルク弾性波共振子は前記音響ミラー層を介して前記基板側の前記回路素子に対して音響的に分離して構成された共振子部とを具え、前記回路素子部の前記回路素子と、前記共振部の前記薄膜バルク弾性波共振子とを電気的に配線接続することによって、薄膜バルク弾性波発振器を構成する。   The present invention relates to a thin film bulk acoustic wave oscillator, in which a circuit element portion including at least a transistor element and a capacitor element is formed on a substrate, and the circuit element portion is made of a high acoustic impedance material. An acoustic mirror part in which an acoustic mirror layer is formed by alternately stacking thin films and thin films made of a low acoustic impedance material, and a piezoelectric body directly above the area of the acoustic mirror part where the acoustic mirror layer is formed A thin film bulk acoustic wave resonator comprising a thin film and two electrode portions sandwiching the piezoelectric thin film from above and below is formed, and the thin film bulk acoustic wave resonator is disposed on the substrate side via the acoustic mirror layer. A resonator unit acoustically separated from the circuit element, the circuit element of the circuit element unit, and the thin film bulk acoustic wave resonator of the resonance unit; By electrically wired connection, constituting the thin film bulk acoustic wave oscillator.

前記容量素子は、前記薄膜バルク弾性波共振子の発振周波数を所定値に設定するための、固定容量素子又は可変容量素子としてもよい。   The capacitive element may be a fixed capacitive element or a variable capacitive element for setting the oscillation frequency of the thin film bulk acoustic wave resonator to a predetermined value.

前記圧電体薄膜は、窒化アルミニウムとしてもよい。   The piezoelectric thin film may be aluminum nitride.

前記回路素子は、シリコンMOSトランジスタ、シリコンバイポーラトランジスタ、又は、シリコンゲルマニウムトランジスタとしてもよい。   The circuit element may be a silicon MOS transistor, a silicon bipolar transistor, or a silicon germanium transistor.

前記薄膜バルク弾性波共振子と前記容量素子との間の配線接続距離が、前記薄膜バルク弾性波共振子と前記トランジスタ素子との間の配線接続距離よりも長くなるように設定してもよい。   The wiring connection distance between the thin film bulk acoustic wave resonator and the capacitive element may be set to be longer than the wiring connection distance between the thin film bulk acoustic wave resonator and the transistor element.

前記薄膜バルク弾性波共振子を複数個用い、該各薄膜バルク弾性波共振子を並列に接続してもよい。   A plurality of the thin film bulk acoustic wave resonators may be used, and the thin film bulk acoustic wave resonators may be connected in parallel.

前記各薄膜バルク弾性波共振子による機械的振動および容量結合の変化が発振周波数特性に影響を及ぼさない領域であって、該各薄膜バルク弾性波共振子が前記回路素子の直上に配設してもよい。   Changes in mechanical vibration and capacitive coupling due to the thin film bulk acoustic wave resonators do not affect the oscillation frequency characteristics, and the thin film bulk acoustic wave resonators are disposed immediately above the circuit elements. Also good.

前記薄膜バルク弾性波共振子の前記2つの電極部に前記容量素子をそれぞれ接続する場合において、一方の容量素子の容量値又は素子数に対して、他方の容量素子の容量値又は素子数を非対称にしてもよい。   When the capacitive element is connected to the two electrode portions of the thin film bulk acoustic wave resonator, the capacitance value or the number of elements of the other capacitive element is asymmetric with respect to the capacitance value or the number of elements of one capacitive element. It may be.

前記薄膜バルク弾性波共振子が複数個からなる場合において、該各薄膜バルク弾性波共振子が互いに異なる共振周波数を持ってもよい。   When the thin film bulk acoustic wave resonator includes a plurality of thin film bulk acoustic wave resonators, the thin film bulk acoustic wave resonators may have different resonance frequencies.

前記薄膜バルク弾性波共振子の少なくとも一方の前記電極部に、前記容量素子を接続してもよい。   The capacitive element may be connected to at least one of the electrode portions of the thin film bulk acoustic wave resonator.

半導体基板上の集積回路の一部としてもよい。 本発明は、微細加工技術および薄膜形成技術を用いて、薄膜バルク弾性波発振器を作製する製造方法であって、基板上に、少なくともトランジスタ素子および容量素子を含む回路素子からなる回路素子部を形成する工程と、前記回路素子部の上部に、高音響インピーダンス材料で構成される薄膜と低音響インピーダンス材料で構成される薄膜とを交互に積み重ねることによって構成された音響ミラー層を有する音響ミラー部を形成する工程と、前記音響ミラー部の前記音響ミラー層が形成された領域の直上に、圧電体薄膜と、該圧電体薄膜を上下方向から挟む2つの電極部とからなる薄膜バルク弾性波共振子を形成し、該薄膜バルク弾性波共振子を前記音響ミラー層を介して前記基板側の前記回路素子に対して音響的に分離することによって共振子部を構成する工程と、前記回路素子部の前記回路素子と、前記共振子部の前記薄膜バルク弾性波共振子とを電気的に配線接続する工程とを具えることによって、薄膜バルク弾性波発振器の製造方法を提供する。   It may be a part of an integrated circuit on a semiconductor substrate. The present invention relates to a manufacturing method of manufacturing a thin film bulk acoustic wave oscillator using a microfabrication technique and a thin film formation technique, and a circuit element portion including at least a transistor element and a capacitor element is formed on a substrate. And an acoustic mirror portion having an acoustic mirror layer formed by alternately stacking a thin film made of a high acoustic impedance material and a thin film made of a low acoustic impedance material on the circuit element portion. A thin film bulk acoustic wave resonator comprising: a step of forming; and a piezoelectric thin film and two electrode portions sandwiching the piezoelectric thin film from above and below immediately above a region of the acoustic mirror portion where the acoustic mirror layer is formed And acoustically separating the thin film bulk acoustic wave resonator from the circuit element on the substrate side via the acoustic mirror layer Forming a pendulum part; and electrically wiring-connecting the circuit element of the circuit element part and the thin film bulk acoustic wave resonator of the resonator part, thereby providing a thin film bulk acoustic wave An oscillator manufacturing method is provided.

本発明によれば、微細加工技術を用いて基板上にトランジスタやキャパシタンスの回路素子が形成された回路素子部と、回路素子部の上層であって該回路素子部とは音響的に分離された領域に高音響インピーダンス材料で構成される薄膜と低音響インピーダンス材料で構成される薄膜とを交互に積み重ねて構成された音響ミラー層と、該音響ミラー層の直上に薄膜形成技術を用いて形成された圧電体薄膜を上部電極層と下部電極層とで挟み込んだ構造とされかつ基板側と音響的に分離された薄膜バルク弾性波共振子とからなり、回路素子と薄膜バルク弾性波共振子とを微細加工技術を用いて配線接続することによって、発振回路と共振子とを同一基板上に作り込むようにしたので、集積化・小型化した使い易いワンチップ発振器および電圧可変発振器を作製することができる。   According to the present invention, a circuit element portion in which a circuit element of a transistor or a capacitance is formed on a substrate using a microfabrication technique, and an upper layer of the circuit element portion that is acoustically separated from the circuit element portion An acoustic mirror layer is formed by alternately stacking thin films made of high acoustic impedance material and thin film made of low acoustic impedance material in the region, and formed using a thin film forming technique directly on the acoustic mirror layer. A thin film bulk acoustic wave resonator having a structure in which a piezoelectric thin film is sandwiched between an upper electrode layer and a lower electrode layer and acoustically separated from the substrate side. Since the oscillation circuit and the resonator are built on the same substrate by wiring connection using microfabrication technology, the integrated and miniaturized one-chip oscillator and voltage enable It is possible to fabricate the oscillator.

また、本発明によれば、数100MHzから10GHz付近までの高周波数帯において、高い周波数純度の原発振が得られ、かつ、スプリアスが少なく信頼性の高い、発振器を作製することができる。   Further, according to the present invention, it is possible to manufacture an oscillator with high frequency purity in a high frequency band from several hundreds of MHz to around 10 GHz and with low spurious and high reliability.

さらに、本発明によれば、分割して作製した複数の共振子を並列接続することにより、広帯域な周波数可変範囲をもつ薄膜バルク弾性波電圧可変発振器を作製することができる。   Furthermore, according to the present invention, a thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillator having a wide frequency variable range can be manufactured by connecting a plurality of divided resonators in parallel.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
[第1の例]
本発明の第1の実施の形態を、図1〜図4に基づいて説明する。
<断面構造>
図1は、本発明に係る薄膜バルク弾性波発振器100の構造の1例を示す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First example]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
<Cross-section structure>
FIG. 1 shows an example of the structure of a thin film bulk acoustic wave oscillator 100 according to the present invention.

薄膜バルク弾性波発振器100は、基板1(ここでは、シリコン基板)上に回路素子111が形成された回路素子部110と、回路素子部110上に音響ミラー層121が形成された音響ミラー部120と、音響ミラー部120上に薄膜バルク弾性波共振子131が形成された共振子部130とに大別される。   The thin film bulk acoustic wave oscillator 100 includes a circuit element unit 110 in which a circuit element 111 is formed on a substrate 1 (here, a silicon substrate), and an acoustic mirror unit 120 in which an acoustic mirror layer 121 is formed on the circuit element unit 110. And a resonator unit 130 in which a thin film bulk acoustic wave resonator 131 is formed on the acoustic mirror unit 120.

以下、各部の構成について具体的に説明する。   Hereinafter, the structure of each part is demonstrated concretely.

(回路素子部)
回路素子部110には、シリコン基板1上に、少なくともトランジスタ素子および容量素子を含む回路素子111が形成されている。
(Circuit element part)
In the circuit element unit 110, a circuit element 111 including at least a transistor element and a capacitor element is formed on the silicon substrate 1.

本例では、シリコン基板1上に、トランジスタ2、キャパシタンス3、配線層4が形成されている。このシリコン基板1にはウェル2a構造が形成されており、ゲート酸化、ゲート形成を行い、その後、ソース・ドレイン形成を行うことによってトランジスタとしてのMOSトランジスタ2を構成している。   In this example, a transistor 2, a capacitance 3, and a wiring layer 4 are formed on a silicon substrate 1. A well 2a structure is formed on the silicon substrate 1, and a MOS transistor 2 is formed as a transistor by performing gate oxidation and gate formation, and then performing source / drain formation.

(音響ミラー部)
音響ミラー部120は、回路素子部110の上部に位置している。ただし、図1の例では音響ミラー層121は、回路素子111が形成された領域の直上には当らない領域に対応して、高音響インピーダンス材料で構成される薄膜5aと低音響インピーダンス材料で構成される薄膜5bとが交互に積み重ねることによって形成されている。この音響ミラー層121は、共振子の弾性波が基板1側に漏れるのを防ぐ役割を果たしており、その機能については後述する。
(Acoustic mirror part)
The acoustic mirror unit 120 is located above the circuit element unit 110. However, in the example of FIG. 1, the acoustic mirror layer 121 is composed of a thin film 5a composed of a high acoustic impedance material and a low acoustic impedance material corresponding to a region not directly above the region where the circuit element 111 is formed. The thin films 5b to be formed are alternately stacked. The acoustic mirror layer 121 plays a role of preventing the acoustic wave of the resonator from leaking to the substrate 1, and the function thereof will be described later.

(共振部)
共振部130は、音響ミラー部120の音響ミラー層121が形成された領域の直上に、圧電体薄膜からなる圧電体層7と、下部電極6と、上部電極8とからなる薄膜バルク弾性波共振子131が形成されている。
(Resonant part)
The resonating unit 130 is a thin film bulk acoustic wave resonance composed of a piezoelectric layer 7 made of a piezoelectric thin film, a lower electrode 6, and an upper electrode 8 immediately above a region where the acoustic mirror layer 121 of the acoustic mirror unit 120 is formed. A child 131 is formed.

この薄膜バルク弾性波共振子131は、音響ミラー層121を介して基板1及び該基板上の回路素子111に対して音響的に分離された構造となっている。   The thin film bulk acoustic wave resonator 131 has a structure that is acoustically separated from the substrate 1 and the circuit element 111 on the substrate via the acoustic mirror layer 121.

上部電極8の上側は、空気層の中空パッケージとすることにより、自由端として音響エネルギーを閉じ込めた構造となっている。また、下部電極6の下側は、音響ミラー層121を用いた反射構造によって弾性波を閉じ込める構造になっている。   The upper side of the upper electrode 8 has a structure in which acoustic energy is confined as a free end by using a hollow package of an air layer. The lower electrode 6 has a structure in which an elastic wave is confined by a reflection structure using the acoustic mirror layer 121.

圧電体層7の圧電体材料としては、窒化アルミニウム、酸化亜鉛が有用である。この2つの材料だけに限られる訳ではないが、特に、窒化アルミニウムが高周波数領域での低損失、温度特性、シリコン半導体素子の製造ラインに入れても問題無い材料であること等の理由で好ましい。   As the piezoelectric material of the piezoelectric layer 7, aluminum nitride and zinc oxide are useful. Although not limited to these two materials, aluminum nitride is particularly preferable because of its low loss in the high frequency region, temperature characteristics, and the fact that it is a material that does not pose a problem even if it is put into a silicon semiconductor device production line. .

下部電極6は、白金、モリブデン、アルミニウム、ルテニウム、タングステン等の中から目的に応じて選択することができる。   The lower electrode 6 can be selected from platinum, molybdenum, aluminum, ruthenium, tungsten and the like according to the purpose.

上部電極8は、アルミニウム、モリブデン等の中から目的に応じて選択することができる。   The upper electrode 8 can be selected from aluminum, molybdenum and the like according to the purpose.

(配線部)
回路素子部110の回路素子111と、共振部130の薄膜バルク弾性波共振子131とは、電気的に配線接続される。図1の例の場合、薄膜バルク弾性波共振子131の一方の電極部、すなわち下部電極6又は上部電極8には、容量素子としてのキャパシタンス3が接続される。
(Wiring section)
The circuit element 111 of the circuit element unit 110 and the thin film bulk acoustic wave resonator 131 of the resonance unit 130 are electrically connected by wiring. In the case of the example of FIG. 1, a capacitance 3 as a capacitive element is connected to one electrode portion of the thin film bulk acoustic wave resonator 131, that is, the lower electrode 6 or the upper electrode 8.

本例では、上部電極8の電極に、キャパシタンス3が接続されている場合の例である。   In this example, the capacitance 3 is connected to the electrode of the upper electrode 8.

以上のようにして、シリコン基板1上に、薄膜バルク弾性波共振子131を形成して、基板側の回路素子111と共振子側の上下電極8,6とを配線接続した構造になっている。   As described above, the thin film bulk acoustic wave resonator 131 is formed on the silicon substrate 1, and the circuit element 111 on the substrate side and the upper and lower electrodes 8 and 6 on the resonator side are connected by wiring. .

<レイアウト>
図2は、図1の薄膜バルク弾性波発振器100のレイアウトの1例を示す。
21は、薄膜バルク弾性波共振子(図1の薄膜バルク弾性波共振子131)である。
22は、インバータ(図1のトランジスタ2等からなる)である。
23は、キャパシタンス(図1のキャパシタンス3等からなる)である。
24は、ポリシリコン抵抗である。
25,26は、出力ドライバ等の周辺回路、および、電極用のパッドである。
<Layout>
FIG. 2 shows an example of the layout of the thin film bulk acoustic wave oscillator 100 of FIG.
21 is a thin film bulk acoustic wave resonator (thin film bulk acoustic wave resonator 131 in FIG. 1).
Reference numeral 22 denotes an inverter (consisting of the transistor 2 and the like in FIG. 1).
Reference numeral 23 denotes a capacitance (consisting of the capacitance 3 and the like in FIG. 1).
Reference numeral 24 denotes a polysilicon resistor.
Reference numerals 25 and 26 denote peripheral circuits such as an output driver and electrode pads.

薄膜バルク弾性波共振子21およびキャパシタンス23は、インバータ22の近くに配置して、配線抵抗や寄生容量を小さくすることが好ましい。しかし、その一方で、周波数調整用のキャパシタンス23は、薄膜バルク弾性波共振子21による機械的振動や寄生容量を介した結合が干渉して位相雑音特性を悪化させることを避けることが必要である。   The thin film bulk acoustic wave resonator 21 and the capacitance 23 are preferably disposed near the inverter 22 to reduce wiring resistance and parasitic capacitance. However, on the other hand, it is necessary for the frequency adjusting capacitance 23 to avoid the deterioration of the phase noise characteristic due to the interference of the mechanical vibration by the thin film bulk acoustic wave resonator 21 and the coupling through the parasitic capacitance. .

従って、キャパシタンス23と薄膜バルク弾性波共振子21との間の距離は、キャパシタンス23とインバータ22との間の距離に比べて長くとることが好ましい。   Therefore, the distance between the capacitance 23 and the thin film bulk acoustic wave resonator 21 is preferably longer than the distance between the capacitance 23 and the inverter 22.

<回路例>
図3は、図1の薄膜バルク弾性波発振器100の回路構成の1例を示す。
ここでは、水晶発振器でもよく使われる、ピアース発振回路を例に挙げる。
13は、インバータ(図2のインバータ22)であり、反転増幅を行う機能を持つ。
14は、抵抗であり、増幅器のゲインの制御に用いる。
15は、薄膜バルク弾性波共振子(図1の薄膜バルク弾性波共振子131)であり、出力側から特定成分だけを取り出し、入力側にフィードバックする役割を果たす。
16は、キャパシタンス(図1のキャパシタンス3)である。
<Circuit example>
FIG. 3 shows an example of the circuit configuration of the thin film bulk acoustic wave oscillator 100 of FIG.
Here, a Pierce oscillation circuit often used in a crystal oscillator is taken as an example.
Reference numeral 13 denotes an inverter (inverter 22 in FIG. 2), which has a function of performing inverting amplification.
A resistor 14 is used to control the gain of the amplifier.
Reference numeral 15 denotes a thin film bulk acoustic wave resonator (thin film bulk acoustic wave resonator 131 in FIG. 1), which plays a role of extracting only a specific component from the output side and feeding it back to the input side.
Reference numeral 16 denotes a capacitance (capacitance 3 in FIG. 1).

薄膜バルク弾性波共振子15とキャパシタンス16との作用により、フィードバック信号が180度位相反転する周波数において発振が成長していき、飽和値に達した後一定の安定した発振になる。   Owing to the action of the thin film bulk acoustic wave resonator 15 and the capacitance 16, the oscillation grows at a frequency at which the feedback signal is 180 degrees in phase, and after reaching the saturation value, the oscillation becomes constant and stable.

共振子又はインダクタとキャパシタを用いた発振回路の基本形としては、本例の他にも、コルピッツ発振回路、ハートレー発振回路、およびこれらの変形回路等を用いることができ、用途・目的に応じて使い分けることが可能である。   In addition to this example, Colpitts oscillation circuits, Hartley oscillation circuits, and modified circuits thereof can be used as the basic form of an oscillation circuit using a resonator or an inductor and a capacitor. It is possible.

<周波数依存性>
図4は、図3に示す薄膜バルク弾性波発振器100において、共振周波数近傍のアドミッタンスの周波数依存性を示す。
<Frequency dependence>
FIG. 4 shows the frequency dependence of the admittance near the resonance frequency in the thin film bulk acoustic wave oscillator 100 shown in FIG.

図4において、左側のアドミッタンス最大になる点17が共振点であり、右側のアドミッタンスが最小、インピーダンスが最大となる点18を反共振点という。   In FIG. 4, the point 17 at which the left admittance is maximum is a resonance point, and the point 18 at which the right admittance is minimum and the impedance is maximum is called an antiresonance point.

共振点17と反共振点18との間が、共振子がインダクタとして動作する領域になる。発振周波数は、主に共振子で決まるが、発振回路のキャパシタンスの影響でも発振周波数が変化する。   A region between the resonance point 17 and the antiresonance point 18 is a region where the resonator operates as an inductor. The oscillation frequency is mainly determined by the resonator, but the oscillation frequency changes due to the influence of the capacitance of the oscillation circuit.

<圧電効果>
図1の薄膜バルク弾性波共振子131を構成する圧電体層7の圧電効果について説明する。
<Piezoelectric effect>
The piezoelectric effect of the piezoelectric layer 7 constituting the thin film bulk acoustic wave resonator 131 of FIG. 1 will be described.

圧電体の持つ圧電効果により、図1の外部から上下電極8,6間に電圧を印加した場合、上下電極8,6と圧電体層7とで構成される共振子に、弾性波(音響波)が誘起される。   When a voltage is applied between the upper and lower electrodes 8 and 6 from the outside of FIG. 1 due to the piezoelectric effect of the piezoelectric body, an elastic wave (acoustic wave) is applied to the resonator composed of the upper and lower electrodes 8 and 6 and the piezoelectric layer 7. ) Is induced.

電極も含めた圧電体構造の厚みが、弾性波の半波長に等しい周波数条件等で定在波が立ち、共振現象を起こして、共振子はインダクタとしての性質を示す。それ以外の周波数領域では、主にキャパシタの性質を示す。その特性から狭い特定の周波数で発振を起こすことに適しており、通常のLC発振回路に比べて遥かにQ値が高く、純度の高い発振が得られる。   A standing wave is generated under a frequency condition in which the thickness of the piezoelectric body structure including the electrode is equal to the half wavelength of the elastic wave, causing a resonance phenomenon, and the resonator exhibits properties as an inductor. In the other frequency regions, the characteristics of capacitors are mainly shown. Due to its characteristics, it is suitable for oscillation at a narrow specific frequency, and has a Q value much higher than that of a normal LC oscillation circuit, and high-purity oscillation can be obtained.

また、弾性波は、電磁波に比べて5〜6桁速度が遅い為波長が短く、電磁波をそのまま扱う素子よりも、遥かに小さな素子で共振現象を起こすことが可能になる。   In addition, since the elastic wave is 5 to 6 orders of magnitude slower than the electromagnetic wave, the wavelength is short, and it is possible to cause a resonance phenomenon with an element much smaller than an element that handles the electromagnetic wave as it is.

本例のように、シリコン基板1上に薄膜バルク弾性波共振子131を形成すれば、従来の圧電振動子と発振回路とを別々に作成して繋げる場合よりも、一層小型で、信頼性が高く、使い勝手の良い発振器を作製することが可能になる。   If the thin film bulk acoustic wave resonator 131 is formed on the silicon substrate 1 as in this example, it is smaller and more reliable than the case where the conventional piezoelectric vibrator and the oscillation circuit are separately created and connected. It is possible to manufacture a high-use and easy-to-use oscillator.

<音響ミラー効果>
図1の音響ミラー部120を構成する音響ミラー層121による音響ミラー効果について説明する。
<Acoustic mirror effect>
The acoustic mirror effect by the acoustic mirror layer 121 which comprises the acoustic mirror part 120 of FIG. 1 is demonstrated.

図1の薄膜バルク弾性波発振器100の例では、弾性波を閉じ込めるために、音響ミラー層121を使う場合の例を示した。   In the example of the thin film bulk acoustic wave oscillator 100 of FIG. 1, the example in which the acoustic mirror layer 121 is used to confine the acoustic wave is shown.

その一方で、従来技術でも説明したように、下部電極6の下方部分を、表面マイクロマシニング技術を用いて中空にすることによっても、同様の発振器を作成することが可能である。   On the other hand, as described in the prior art, a similar oscillator can be formed by hollowing the lower portion of the lower electrode 6 using the surface micromachining technique.

しかし、本発明のように、薄膜バルク弾性波共振子131の下方を音響ミラーとして構成する方が、以下の3つの理由に基づいて、より好ましいと考えられる。   However, as in the present invention, it is considered that the configuration below the thin film bulk acoustic wave resonator 131 as an acoustic mirror is more preferable based on the following three reasons.

第1の理由は、音響ミラーで閉じ込める方式の方が、スプリアスと呼ばれる余計な発振を抑制できることがある。スプリアスは発振の品質を下げる要因になるが、下部が中空で共振子を端で支える構造ではスプリアスが発生し易く、その抑制が難しいのに対して、音響ミラー方式ではほとんど問題にならない。   The first reason is that the method of confining with an acoustic mirror can suppress an extra oscillation called spurious. Spurious is a factor that lowers the quality of oscillation, but spurious is easily generated in the structure where the lower part is hollow and the resonator is supported at the end, and it is difficult to suppress the spurious.

第2の理由は、中空部が無い構造の方が落下や衝撃に対する耐性が高く、信頼性の面で有利である。これは持ち運ぶことの多い携帯機器では重要な特性である。   The second reason is that a structure without a hollow portion has higher resistance to dropping and impact, and is advantageous in terms of reliability. This is an important characteristic for portable devices that are often carried.

第3の理由は、共振子をトランジスタ回路の中の発振特性に影響を与えない部分の上に作りこむことにより、更に小型の発振器チップができることである。一方、中空構造の場合には、共振子の下には回路構造の一部を置くことはできない。ある程度試行錯誤が必要とはいえ、回路と共振子を重ねた構造を作ることができて一層の小型化が可能なことも、この音響ミラーを用いた発振器の利点の一つである。周知のように、小型化は携帯機器等に入れる際の実装上大変有利なだけでなく、半導体素子や部品の場合、同一ウェハから多数の製品を作ることができるので、製品1個当たりのコストを下げる上でも大変有効な手段である。   The third reason is that a smaller oscillator chip can be obtained by forming the resonator on a portion of the transistor circuit that does not affect the oscillation characteristics. On the other hand, in the case of a hollow structure, a part of the circuit structure cannot be placed under the resonator. One of the advantages of an oscillator using this acoustic mirror is that it is possible to make a structure in which a circuit and a resonator are overlapped, and further miniaturization is possible, although a certain amount of trial and error is required. As is well known, downsizing is not only very advantageous for mounting when it is put in a mobile device etc., but in the case of semiconductor elements and parts, many products can be made from the same wafer, so the cost per product It is also a very effective means for lowering.

ただし、音響ミラー層121を用いた閉じ込めの場合、音響ミラーの厚みを介して配線を行わなければならない。この部分が厚いと、薄膜バルク弾性波共振子131とトランジスタ2との間の接続が難しくなるので、できるだけ薄く、かつ、高性能の音響ミラーを作製することが重要になる。   However, in the case of confinement using the acoustic mirror layer 121, wiring must be performed through the thickness of the acoustic mirror. If this portion is thick, the connection between the thin film bulk acoustic wave resonator 131 and the transistor 2 becomes difficult. Therefore, it is important to produce an acoustic mirror that is as thin as possible and has a high performance.

この作製のためには、高音響インピーダンス材料で構成される薄膜5aと低音響インピーダンス材料で構成される薄膜5bとの音響インピーダンス差が大きく、かつ、これら両方の材料の音響速度が低いものを選択することが重要となる。   For this production, a material having a large acoustic impedance difference between the thin film 5a made of the high acoustic impedance material and the thin film 5b made of the low acoustic impedance material and a low acoustic velocity of both materials is selected. It is important to do.

[第2の例]
本発明の第2の実施の形態を、図5〜図6に基づいて説明する。なお、前述した第1の例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。
[Second example]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, about the same part as the 1st example mentioned above, the description is abbreviate | omitted and the same code | symbol is attached | subjected.

<断面構造>
図5は、前述した第1の例の図1に示した薄膜バルク弾性波発振器100の変形例を示す。
<Cross-section structure>
FIG. 5 shows a modification of the thin film bulk acoustic wave oscillator 100 shown in FIG. 1 of the first example described above.

本例は、回路素子111であるトランジスタ素子を、バイポーラトランジスタ12により構成した例である。   In this example, the transistor element which is the circuit element 111 is configured by the bipolar transistor 12.

シリコン基板1に埋め込みn+層10を形成し、その埋め込みn+層10上にエピ層11を成長させ、そのエピ層11上にコレクタ、ベース、エミッタからなるバイポーラトランジスタ12を形成している。   A buried n + layer 10 is formed on the silicon substrate 1, an epi layer 11 is grown on the buried n + layer 10, and a bipolar transistor 12 including a collector, a base, and an emitter is formed on the epi layer 11.

発振回路に用いるトランジスタとしては、シリコンバイポーラトランジスタでも、シリコンMOSトランジスタでも、シリコンゲルマニウム・ヘテロジャンクション・バイポーラトランジスタでも、その他シリコン基板上に形成できる高速トランジスタであれば構わない。用途や目的に応じて、最適なトランジスタを選べばよい。   The transistor used for the oscillation circuit may be a silicon bipolar transistor, a silicon MOS transistor, a silicon germanium heterojunction bipolar transistor, or any other high-speed transistor that can be formed on a silicon substrate. An optimum transistor may be selected depending on the application and purpose.

また、回路素子111である容量素子としてのオンチップキャパシタンス3は、シリコン酸化膜等の誘電体層をポリシリコン層で挟み込んで形成されている。   Further, the on-chip capacitance 3 as a capacitive element which is the circuit element 111 is formed by sandwiching a dielectric layer such as a silicon oxide film between polysilicon layers.

しかし、容量素子は、このような形成方法に限るものではなく、MOS容量や、さらにメタル間に挟んで形成したり、表面マイクロマシニング技術を用いて形成してもよい。   However, the capacitor element is not limited to such a formation method, and may be formed by sandwiching between a MOS capacitor and a metal, or using surface micromachining technology.

また、回路素子111である抵抗素子としてのポリシリコン抵抗24は、シリコン酸化膜上にポリシリコンを成膜し、その後、所定の抵抗率になるようにドーズ量を調節してドーパントをイオン注入で打ち込み、アニールをかけた後、パターンの形成を行う。レイアウト時にそのパターンの長さおよび幅を調節することにより、所望の抵抗値を得ることができる。   In addition, the polysilicon resistor 24 as a resistance element which is the circuit element 111 is formed by depositing polysilicon on a silicon oxide film, and then adjusting the dose so as to obtain a predetermined resistivity and implanting dopant by ion implantation. After implantation and annealing, a pattern is formed. A desired resistance value can be obtained by adjusting the length and width of the pattern during layout.

<レイアウト>
図6は、図5の薄膜バルク弾性波発振器100のレイアウトの1例を示す。
<Layout>
FIG. 6 shows an example of the layout of the thin film bulk acoustic wave oscillator 100 of FIG.

本例では、複数に分割した薄膜バルク弾性波共振子21の一部を、他の回路素子、例えばポリシリコン抵抗24の直上に配置して構成した場合の1例である。図6のレイアウト上でトランジスタ部(インバータ)22の下側に配置されている2個の共振子は、ポリシリコン抵抗24と上下に重ねて配置されている。その他のレイアウトの基本的な構成は、前述した図2のレイアウトの例と同様である。   This example is an example in which a part of the thin film bulk acoustic wave resonator 21 divided into a plurality is arranged directly on another circuit element, for example, the polysilicon resistor 24. The two resonators arranged on the lower side of the transistor section (inverter) 22 on the layout of FIG. The other basic configuration of the layout is the same as the layout example of FIG.

このように配置することにより、チップ面積を小さくして、小型で、コスト競争力のある薄膜バルク弾性波発振器を作製することができる。   By arranging in this way, the chip area can be reduced, and a thin film bulk acoustic wave oscillator having a small size and cost competitiveness can be manufactured.

[第3の例]
本発明の第3の実施の形態を、図7〜図8に基づいて説明する。なお、前述した各例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。
[Third example]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, about the same part as each example mentioned above, the description is abbreviate | omitted and the same code | symbol is attached | subjected.

<電圧可変発振器>
図7は、薄膜バルク弾性波電圧可変発振器200の構成の1例を示す。
<Voltage variable oscillator>
FIG. 7 shows an example of the configuration of the thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillator 200.

薄膜バルク弾性波電圧可変発振器200は、前述した図1の薄膜バルク弾性波発振器100と同様に、トランジスタ素子としてMOSトランジスタ2を用いて構成されているが、以下、図1の構成と異なる部分について説明する。   The thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillator 200 is configured by using the MOS transistor 2 as a transistor element, similarly to the thin film bulk acoustic wave oscillator 100 of FIG. 1 described above. explain.

本例では、容量素子として、可変容量素子を用いる。   In this example, a variable capacitor is used as the capacitor.

ここでは、可変容量素子として、MOSバラクタにより構成した例を示す。MOSバラクタは、ゲート酸化膜を挟んで、印加バイアスによりゲートと基板1との間の容量が変化することを利用した素子である。   Here, an example is shown in which a MOS varactor is used as the variable capacitance element. The MOS varactor is an element that utilizes a change in capacitance between the gate and the substrate 1 by an applied bias with a gate oxide film interposed therebetween.

可変容量素子としては、MOSバラクタに限定されるものではなく、ダイオードバラクタにより構成したり、表面マイクロマシニング技術を用いて作製された可変容量素子を用いてもよい。   The variable capacitance element is not limited to a MOS varactor, and a variable capacitance element configured by a diode varactor or manufactured by using surface micromachining technology may be used.

<回路例>
図8は、図7の薄膜バルク弾性波電圧可変発振器200の回路構成の1例を示す。
<Circuit example>
FIG. 8 shows an example of the circuit configuration of the thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillator 200 of FIG.

薄膜バルク弾性波電圧可変発振器200は、前述した図3とほぼ同じ構成であるが、キャパシタの代わりに、電圧可変容量素子としてのバラクタ19(例えば、図7のMOSバラクタ20等)を接続する。   The thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillator 200 has substantially the same configuration as that of FIG. 3 described above, but a varactor 19 (for example, a MOS varactor 20 of FIG. 7) as a voltage variable capacitance element is connected instead of the capacitor.

電圧制御によって、バラクタ19のキャパシタンス値が変わると、発振周波数がこのキャパシタンス値によりシフトすることを利用して、電圧で周波数を制御することが可能な発振器を作成できる。   When the capacitance value of the varactor 19 is changed by voltage control, an oscillator capable of controlling the frequency by voltage can be created by utilizing the fact that the oscillation frequency is shifted by this capacitance value.

また、図8の回路には含まれていないが、薄膜バルク弾性波共振子15に直列にオンチップインダクタを接続することにより、可変周波数の範囲を一段と広げることができる。ただし、オンチップインダクタのQ値は低いので、発振の純度が低下してしまうという点を留意する必要がある。   Although not included in the circuit of FIG. 8, the range of the variable frequency can be further expanded by connecting an on-chip inductor in series to the thin film bulk acoustic wave resonator 15. However, it should be noted that since the Q value of the on-chip inductor is low, the purity of oscillation is lowered.

[第4の例]
本発明の第4の実施の形態を、図9に基づいて説明する。なお、前述した各例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。
[Fourth example]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, about the same part as each example mentioned above, the description is abbreviate | omitted and the same code | symbol is attached | subjected.

<電圧可変発振器>
図9は、前述した第3の例の図7に示した薄膜バルク弾性波発振器200の変形例を示す。
<Voltage variable oscillator>
FIG. 9 shows a modification of the thin film bulk acoustic wave oscillator 200 shown in FIG. 7 of the third example.

薄膜バルク弾性波電圧可変発振器200は、前述した図7の薄膜バルク弾性波発振器200と同様に、可変容量素子(例えば、図7のMOSバラクタ20、図8のバラクタ19等)を用いて構成されているが、以下、図7の構成と異なる部分について説明する。   The thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillator 200 is configured using variable capacitance elements (for example, the MOS varactor 20 in FIG. 7, the varactor 19 in FIG. 8, etc.) in the same manner as the thin film bulk acoustic wave oscillator 200 in FIG. However, different parts from the configuration of FIG. 7 will be described below.

本例では、トランジスタ素子として、前述した第2の例の図5に示したようなバイポーラトランジスタ12を用いる。   In this example, the bipolar transistor 12 as shown in FIG. 5 of the second example is used as the transistor element.

このような構成により、第3の例と同様に電圧で周波数を制御することが可能な発振器を、バイポーラトランジスタ12を用いて作成できる。   With such a configuration, an oscillator capable of controlling the frequency with a voltage as in the third example can be created using the bipolar transistor 12.

[第5の例]
本発明の第5の実施の形態を、図10〜図12に基づいて説明する。なお、前述した各例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。
[Fifth Example]
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, about the same part as each example mentioned above, the description is abbreviate | omitted and the same code | symbol is attached | subjected.

本例は、複数の薄膜バルク弾性波共振子を並列接続した回路の例である。   This example is an example of a circuit in which a plurality of thin film bulk acoustic wave resonators are connected in parallel.

以下の説明では、薄膜バルク弾性波共振子として電圧可変可能な薄膜バルク弾性波電圧可変発振器を用い、容量素子として可変容量素子を用いた回路を例に挙げる。   In the following description, a thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillator capable of variable voltage is used as a thin film bulk acoustic wave resonator, and a circuit using a variable capacitive element as a capacitive element is taken as an example.

図10は、薄膜バルク弾性波電圧可変発振器300の回路構成の1例を示す。   FIG. 10 shows an example of the circuit configuration of the thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillator 300.

薄膜バルク弾性波電圧可変発振器300は、複数の薄膜バルク弾性波共振子42が並列接続されている。   The thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillator 300 has a plurality of thin film bulk acoustic wave resonators 42 connected in parallel.

各薄膜バルク弾性波共振子42は、前述した第1の例ないし第3の例と同様な構成であり、例えば、図3の薄膜バルク弾性波共振子15(図1の薄膜バルク弾性波共振子131)と同様に構成することができる。   Each thin film bulk acoustic wave resonator 42 has the same configuration as that of the first to third examples described above. For example, the thin film bulk acoustic wave resonator 15 of FIG. 3 (the thin film bulk acoustic wave resonator of FIG. 131).

容量素子は、前述した第3の例と同様に、可変容量素子20(例えば、図7のMOSバラクタ20、図8のバラクタ19等)を用いて構成されている。   The capacitive element is configured using the variable capacitive element 20 (for example, the MOS varactor 20 in FIG. 7, the varactor 19 in FIG. 8, etc.) as in the third example described above.

なお、その他の構成として、インバータ13、抵抗14は、前述した図3の薄膜バルク弾性波発振器100と同様である。   As other configurations, the inverter 13 and the resistor 14 are the same as those of the thin film bulk acoustic wave oscillator 100 of FIG.

<可変周波数範囲の拡大化>
薄膜バルク弾性波共振子42を用いて、可変周波数範囲の拡大化を図ることができる理由について説明する。
<Expansion of variable frequency range>
The reason why the variable frequency range can be expanded using the thin film bulk acoustic wave resonator 42 will be described.

図11は、薄膜バルク弾性波共振子42の等価回路を模式的に示す。
37は、直列共振インダクタンスLである。
38は、直列共振キャパシタンスCである。
39は、直列共振抵抗Rである。
40は、並列共振キャパシタンスCである。
41は、並列共振抵抗Rである。
FIG. 11 schematically shows an equivalent circuit of the thin film bulk acoustic wave resonator 42.
37 is a series resonant inductance L m.
38 is a series resonant capacitance C m.
39 is a series resonance resistance R m.
Reference numeral 40 denotes a parallel resonance capacitance CO .
41 is a parallel resonance resistance R O.

図11に示した薄膜バルク弾性波共振子42の等価回路は、修正バターワース・ファン・ダイクモデルと呼ばれる。   An equivalent circuit of the thin film bulk acoustic wave resonator 42 shown in FIG. 11 is called a modified Butterworth fan-Dyke model.

一般に、電圧可変発振器の特性に関しては、発振の立ち上がりが早いこと、低消費電力、耐プッシング性等用途に応じて様々な要求がある。その中でも、以下の2種類の要求が重要となる。   In general, regarding the characteristics of the voltage variable oscillator, there are various demands depending on applications such as quick rise of oscillation, low power consumption, and resistance to pushing. Among these, the following two types of requirements are important.

第1の要求は、可変周波数範囲は狭くてもよいが、薄膜バルク弾性波共振子のQ値を上げ、高い純度の発振を提供することである。   The first requirement is to increase the Q value of the thin film bulk acoustic wave resonator and provide high purity oscillation, although the variable frequency range may be narrow.

Q値は、等価回路の直列共振インダクタンスL、直列共振キャパシタンスC、直列共振抵抗Rを用いると、数式1のように表される。 The Q value is expressed as Equation 1 when using the series resonance inductance L m , the series resonance capacitance C m , and the series resonance resistance R m of the equivalent circuit.

Figure 0004773836
Figure 0004773836

この場合には、Rの値を小さくできる範囲でCを小さくLを大きくすることが効果的になる。Cは共振子面積と電気機械結合定数に比例するので、共振子の面積を大きくする必要はない。 In this case, to increase the reduced L m the C m within the range that can reduce the value of R m is effective. Since C m is proportional to the resonator area and the electromechanical coupling constant, it is not necessary to increase the area of the resonator.

第2の要求は、薄膜バルク弾性波共振子42のQ値は余り上げる必要は無いが、可変周波数範囲を広げたいというものである。   The second requirement is that the Q value of the thin film bulk acoustic wave resonator 42 does not need to be increased so much, but it is desired to expand the variable frequency range.

この場合には、薄膜バルク弾性波共振子42の共振周波数f、有効電気機械結合定数Keff 、並列共振キャパシタンスC、2個のバラクタを直列接続した場合の最大キャパシタンスCLmax、最小キャパシタンスCLminを用いると、可変周波数Δfは、数式2のように近似的に表せる。 In this case, the resonance frequency f r of the thin film bulk acoustic wave resonator 42, the effective electromechanical coupling constant K eff 2 , the parallel resonance capacitance C 0 , the maximum capacitance C Lmax and the minimum capacitance when two varactors are connected in series . When CLmin is used, the variable frequency Δf can be expressed approximately as shown in Equation 2.

Figure 0004773836
Figure 0004773836

この数式2から、有効電気機械結合定数Keff を大きく、最大キャパシタンスCLmaxをできるだけ大きく、最小キャパシタンスCLminをできるだけ小さくする方が良いことが理解できるが、さらに薄膜バルク弾性波共振子42の並列共振キャパシタンスCが小さすぎると、分子を小さくするので可変周波数幅は小さくなり、大きすぎると、C/(C*C)で分母が大きくなるので可変周波数幅が小さくなり、C値に関しては最適値が存在する。 From Equation 2, it can be understood that it is better to increase the effective electromechanical coupling constant K eff 2, to increase the maximum capacitance C Lmax as much as possible, and to reduce the minimum capacitance C Lmin as much as possible . When the parallel resonant capacitance C 0 is too small, since the small molecules variable frequency width is small, too large, the variable frequency range is reduced since the denominator is increased by C 0 / (C 0 * C 0), C There is an optimum value for the zero value.

図12は、並列共振キャパシタンスCの値と、可変周波数幅Δfとの関係の1例を示す。 FIG. 12 shows an example of the relationship between the value of the parallel resonant capacitance C 0 and the variable frequency width Δf.

可変周波数幅の極大値をとるC値は、数式2でΔfをCで偏微分して0になる値を求めることにより、数式3が得られる。 The C 0 value that takes the maximum value of the variable frequency width is obtained by obtaining a value that becomes 0 by partially differentiating Δf with C 0 in Equation 2 to obtain 0.

Figure 0004773836
Figure 0004773836

薄膜バルク弾性波電圧可変発振器300が広いチューニング範囲を得るために好ましいC値の範囲は、低C値側は最大チューニング範囲の半分のチューニング範囲となるC0maxの7分の1、高C値側は面積が増加してしまう不利な点を加味して最大チューニング範囲の4分の3のチューニング範囲となるC0maxの3倍までの範囲と考えられる。 The preferred C 0 value range for the thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillator 300 to obtain a wide tuning range is 1/7 of C 0max , which is a tuning range that is half the maximum tuning range on the low C 0 side, and a high C value. The 0 value side is considered to be a range up to three times C 0max , which is a three-quarter tuning range of the maximum tuning range, taking into account the disadvantage that the area increases.

電極の効果があるので近似的ではあるが、C値と薄膜バルク弾性波共振子42との面積は、数式4のような比例関係にある。 Although it is approximate because of the effect of the electrode, the area of the C 0 value and the thin film bulk acoustic wave resonator 42 is in a proportional relationship as shown in Equation 4.

Figure 0004773836
Figure 0004773836

ここで、Sは薄膜バルク弾性波共振の面積、vpiezoは圧電体薄膜内のバルク弾性波速度、εは圧電体の比誘電率、εは真空の誘電率、fは共振周波数を表す。 Where S is the area of the bulk acoustic wave resonance of the thin film, v piezo is the bulk acoustic wave velocity in the piezoelectric thin film, ε r is the relative dielectric constant of the piezoelectric material, ε 0 is the dielectric constant of vacuum, and f r is the resonant frequency. To express.

Figure 0004773836
Figure 0004773836

Figure 0004773836
Figure 0004773836

発振回路の可変容量の最大キャパシタンスをCLmax、最小キャパシタンスをCLminとして得られた数式5のSminと、数式6のSmaxの範囲に収まるように、薄膜バルク弾性波共振子42をレイアウトすることによって、幅広いチューニング範囲を持つ薄膜バルク弾性波電圧可変発振器300が得られる。 Laying maximum capacitance of C Lmax of the variable capacitance of the oscillation circuit, and S min of formula 5 obtained the minimum capacitance as C Lmin, as within the range of S max of Equation 6, the thin film bulk acoustic wave resonator 42 Thus, the thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillator 300 having a wide tuning range can be obtained.

発振させたい周波数と圧電体材料にもよるが、広い可変周波数にしようとすると、Cが大きい薄膜バルク弾性波共振子が必要になる。 Although depending on the frequency to be oscillated and the piezoelectric material, a thin film bulk acoustic wave resonator having a large C 0 is required to achieve a wide variable frequency.

共振子の面積を広げることによって、1個の共振子のみからなる回路構成でもその様な共振子を作製することは可能で選択肢の1つの方法と考えられる。   By expanding the area of the resonator, it is possible to produce such a resonator even in a circuit configuration composed of only one resonator, and it is considered as one of the options.

しかし、本例の図10に示した回路のように、複数個の薄膜バルク弾性波共振子42を作製し、これら複数個の共振子を並列に接続することによって、C値を増加したことと等価な効果を得ることが可能である。 However, the C 0 value was increased by fabricating a plurality of thin film bulk acoustic wave resonators 42 and connecting these resonators in parallel as in the circuit shown in FIG. 10 of this example. It is possible to obtain the equivalent effect.

従って、複数個の薄膜バルク弾性波共振子42を並列接続することによって、レイアウト上の自由度を向上させ、所望とする回路作製を実現するための選択肢を多様化することができる。   Therefore, by connecting a plurality of thin film bulk acoustic wave resonators 42 in parallel, the degree of freedom in layout can be improved, and options for realizing desired circuit fabrication can be diversified.

図10の回路において共振子の数がN個の場合、寄生成分を除くと、1個の共振子の場合と比較して、並列共振キャパシタンスCはN倍、直列共振キャパシタンスCはN倍、直列共振インダクタンスLは1/N倍になる。 If the number of resonators in the circuit of FIG. 10 is the N, excluding the parasitic components, as compared with the case of a single resonator, the parallel resonant capacitance C 0 is N times, the series resonant capacitance C m is N times , the series resonant inductance L m is to 1 / N times.

1個の共振子の面積は、数式5と数式6の範囲で定めた共振子面積の1/Nのサイズでも、共振子をN個並列に接続することにより、中心周波数を保ったまま、可変周波数範囲を拡大した薄膜バルク弾性波電圧可変発振器300を作製できる。   The area of one resonator can be varied while maintaining the center frequency by connecting N resonators in parallel, even if the size is 1 / N of the resonator area defined in the range of Equations 5 and 6. A thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillator 300 with an expanded frequency range can be manufactured.

このような回路構成が薄膜バルク弾性波発振器に最適なのは、1個の共振子を作製する場合でも、複数の共振子を作製する場合でも、プロセス工程数は変わらず、レイアウトの変更だけでよいことから判断すると、この複数の共振子に分けて並列接続する回路構成は、結晶から切り出す共振子の場合とは異なる薄膜バルク弾性波発振器の特徴の1つである。   Such a circuit configuration is most suitable for a thin film bulk acoustic wave oscillator, regardless of whether a single resonator or a plurality of resonators are manufactured. Judging from the above, the circuit configuration divided into a plurality of resonators and connected in parallel is one of the characteristics of a thin film bulk acoustic wave oscillator different from the case of a resonator cut out from a crystal.

また、複数の共振子に分けて並列接続する回路構成のもう1つの特徴は、前述した第1の例で説明したように回路部の上に共振子を置く場合にも有効になる。   Another feature of the circuit configuration in which a plurality of resonators are connected in parallel is also effective when the resonator is placed on the circuit portion as described in the first example.

薄膜バルク弾性波共振子からの機械振動や、共振子の電極の電位変化が容量結合を通して位相ノイズ等の発振特性に影響を与える可能性があるが、その影響を受け難い回路が広い範囲で存在することは少なく、いくつかの部分に分かれて存在することが多い。   Mechanical vibrations from thin film bulk acoustic wave resonators and potential changes in the electrodes of the resonators may affect oscillation characteristics such as phase noise through capacitive coupling. There are few things to do, and it often exists in several parts.

このような場合にも、適切なサイズに分割した共振子を適切な場所に配置することによって、チップの面積を小型化する有効な手段となる。   Even in such a case, it is an effective means for reducing the area of the chip by arranging the resonators divided into appropriate sizes at appropriate locations.

例えば、図3、図8、図10の各回路の場合には、薄膜バルク弾性波共振子と共にフィードバックループを形成するキャパシタンスや、バラクタを避けるのが好ましい。   For example, in the case of each circuit shown in FIGS. 3, 8, and 10, it is preferable to avoid a capacitance and a varactor that form a feedback loop together with the thin film bulk acoustic wave resonator.

[第6の例]
本発明の第6の実施の形態を、図13〜図15に基づいて説明する。なお、前述した各例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。
[Sixth example]
A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, about the same part as each example mentioned above, the description is abbreviate | omitted and the same code | symbol is attached | subjected.

<回路例>
本例は、薄膜バルク弾性波共振子の2つの電極部に容量素子をそれぞれ接続する場合において、一方の容量素子の容量値又は素子数に対して、他方の容量素子の容量値又は素子数を非対称にして構成した例である。
<Circuit example>
In this example, when a capacitive element is connected to each of two electrode portions of a thin film bulk acoustic wave resonator, the capacitance value or the number of elements of the other capacitive element is set to the capacitance value or the number of elements of the other capacitive element. This is an example of an asymmetric configuration.

図13は、薄膜バルク弾性波発振器400の回路構成の1例を示す。   FIG. 13 shows an example of the circuit configuration of the thin film bulk acoustic wave oscillator 400.

薄膜バルク弾性波発振器400の基本的な構成は、前述した図3の回路と同様であり、以下、異なる部分について説明する。
15は、薄膜バルク弾性波共振子(図1の薄膜バルク弾性波共振子131)である。
19は、電圧可変容量素子である。
44は、寄生容量成分である。
The basic configuration of the thin film bulk acoustic wave oscillator 400 is the same as that of the circuit of FIG. 3 described above, and different parts will be described below.
Reference numeral 15 denotes a thin film bulk acoustic wave resonator (thin film bulk acoustic wave resonator 131 in FIG. 1).
Reference numeral 19 denotes a voltage variable capacitance element.
Reference numeral 44 denotes a parasitic capacitance component.

(非対称回路の特性)
通常は電圧可変容量を大きくすることが、可変周波数範囲を広げる上で有効な手段であるが、高周波数領域の発振器においては、一概にその方向が好ましいとも言えない。
(Characteristics of asymmetric circuit)
Usually, increasing the voltage variable capacitance is an effective means for expanding the variable frequency range, but it cannot be said that the direction is generally preferable for an oscillator in a high frequency region.

前述した図3の回路構成において、負性抵抗(インバータと電圧可変容量を含めた回路の複素インピーダンスの実部)は、数式7の様に表せる。   In the circuit configuration of FIG. 3 described above, the negative resistance (the real part of the complex impedance of the circuit including the inverter and the voltage variable capacitor) can be expressed as Equation 7.

Figure 0004773836
Figure 0004773836

ここで、gmはインバータに用いたトランジスタの相互コンダクタンス、C1,C2は薄膜バルク弾性波共振子の左端と右端にそれぞれ接続した電圧可変容量素子の容量値、r1,r2はそれぞれ電圧可変容量素子の寄生抵抗を表す。   Here, gm is the mutual conductance of the transistor used in the inverter, C1 and C2 are the capacitance values of the voltage variable capacitive elements connected to the left end and the right end of the thin film bulk acoustic wave resonator, and r1 and r2 are the voltage variable capacitive elements, respectively. Represents parasitic resistance.

負性抵抗がゼロを越えて正の抵抗になると発振は生じない。また、負性抵抗値が負であっても、数Ωまで低下した場合には発振の立ち上りに時間が長くかかる、若しくは安定に発振しなくなる等の問題が生ずる。   When the negative resistance exceeds zero and becomes a positive resistance, oscillation does not occur. Further, even if the negative resistance value is negative, when it is lowered to several Ω, there are problems that it takes a long time for the oscillation to rise or that oscillation does not occur stably.

周波数が高くなると数式7の第4項の分母が大きくなり、また、トランジスタの相互コンダクタンスが低下するので、負性抵抗値が負の大きな値を保てなくなり、減少する。   As the frequency increases, the denominator of the fourth term of Equation 7 increases, and the transconductance of the transistor decreases, so the negative resistance value cannot maintain a large negative value and decreases.

このようなトランジスタの遮断周波数で制限される周波数領域において可変周波数範囲を広げる場合には、電圧可変容量素子よりもむしろ負性抵抗値で発振周波数範囲が制限されるので、電圧可変容量素子の寄生抵抗r1やr2を小さくする、又は、C1又はC2を小さくすることにより、却って発振周波数の上限を高周波数側に伸ばして、周波数の可変範囲を大きくすることができる。   When the variable frequency range is expanded in the frequency range limited by the cutoff frequency of such a transistor, the oscillation frequency range is limited by the negative resistance value rather than the voltage variable capacitance element. By reducing the resistances r1 and r2 or by reducing C1 or C2, the upper limit of the oscillation frequency can be extended to the high frequency side, and the frequency variable range can be increased.

電圧可変容量素子19を複数個接続した場合には、薄膜バルク弾性波共振子15の片側の電極に接続される電圧可変容量素子の数を減らすか、又は、図13の例に示すように、インバータ入力側の電圧可変容量素子19を省いてしまうと、片側の配線部分の寄生抵抗が無くなり、インバータ入力側のキャパシタンスは寄生容量成分だけになる。   When a plurality of voltage variable capacitance elements 19 are connected, the number of voltage variable capacitance elements connected to one electrode of the thin film bulk acoustic wave resonator 15 is reduced, or as shown in the example of FIG. If the voltage variable capacitance element 19 on the inverter input side is omitted, the parasitic resistance of the wiring portion on one side is eliminated, and the capacitance on the inverter input side is only the parasitic capacitance component.

これにより、C1の値が大幅に小さくなり、負性抵抗は高い周波数まで大きい値を維持できるようになり、発振可能な周波数範囲を高周波まで持っていくことができる。これは発振器の負荷容量を小さくすることで発振周波数をより高い周波数まで拡大できる構成例である。MOSトランジスタのゲート抵抗が影響し始める周波数領域では対称性を維持しつつある程度の発振余裕を保つことは難しいが(C1、C2の負荷容量をともに小にして対称性を保持)、本方法によれば比較的容易に実現できる。このような非対称な回路の特性をシミュレーションによって確認したものを、以下の図14と図15に示す。   As a result, the value of C1 is significantly reduced, the negative resistance can be maintained at a high value up to a high frequency, and the oscillatable frequency range can be taken up to a high frequency. This is a configuration example in which the oscillation frequency can be expanded to a higher frequency by reducing the load capacity of the oscillator. In the frequency region where the gate resistance of the MOS transistor starts to affect, it is difficult to maintain a certain degree of oscillation margin while maintaining symmetry (both C1 and C2 load capacitances are kept small to maintain symmetry). Can be realized relatively easily. What confirmed the characteristic of such an asymmetric circuit by simulation is shown in FIG. 14 and FIG. 15 below.

図14は、薄膜バルク弾性波共振子15に接続するMOS型電圧可変容量素子に3Vを印加した場合において、シミュレーションで求めた負性抵抗の周波数依存性を示す。   FIG. 14 shows the frequency dependence of the negative resistance obtained by simulation when 3 V is applied to the MOS type voltage variable capacitor connected to the thin film bulk acoustic wave resonator 15.

図15は、薄膜バルク弾性波共振子15に接続するMOS型電圧可変容量素子に0Vを印加した場合において、シミュレーションで求めた負性抵抗の周波数依存性を示す。   FIG. 15 shows the frequency dependence of the negative resistance obtained by simulation when 0 V is applied to the MOS type voltage variable capacitor connected to the thin film bulk acoustic wave resonator 15.

図14および図15は、図13の回路において、インバータ13をNMOSとPMOSのトランジスタ、電圧可変容量素子19をMOSバラクタによって構成した例である。   FIG. 14 and FIG. 15 show examples in which the inverter 13 is constituted by NMOS and PMOS transistors and the voltage variable capacitance element 19 is constituted by a MOS varactor in the circuit of FIG.

薄膜バルク共振子の両端にMOSバラクタを接続した場合と、片側(出力側)だけにMOSバラクタを接続した場合の比較を行っている。   A comparison is made between a case where a MOS varactor is connected to both ends of the thin film bulk resonator and a case where a MOS varactor is connected to only one side (output side).

MOSバラクタを省いた場合には、MOSトランジスタの寄生容量分だけが残る。このシミュレーションでは、この寄生容量はMOSバラクタの最小容量の約1/30と見積もっている。   When the MOS varactor is omitted, only the parasitic capacitance of the MOS transistor remains. In this simulation, this parasitic capacitance is estimated to be about 1/30 of the minimum capacitance of the MOS varactor.

図14は、MOSバラクタに3Vを印加した場合、図15は、MOSバラクタに0V印加した場合であり、横軸は周波数(GHz)、縦軸は発振器の負性抵抗(Ω)である。   14 shows a case where 3 V is applied to the MOS varactor, and FIG. 15 shows a case where 0 V is applied to the MOS varactor. The horizontal axis represents frequency (GHz) and the vertical axis represents the negative resistance (Ω) of the oscillator.

破線45は、通常のMOSバラクタを共振子の両端に接続した場合の従来例である。実線46は、片側だけにMOSバラクタを接続した場合の本発明の例である。   A broken line 45 is a conventional example when a normal MOS varactor is connected to both ends of the resonator. A solid line 46 is an example of the present invention when a MOS varactor is connected to only one side.

前者45の従来例場合は、800MHzを越えるところで、負性抵抗値が低下してしまい、安定な発振が難しくなる。これに対して、後者46の本発明の場合は、2.5GHz近くまで負性抵抗が維持できることがわかる。   In the case of the former 45 of the conventional example, the negative resistance value decreases at a frequency exceeding 800 MHz, and stable oscillation becomes difficult. On the other hand, in the case of the latter 46 of the present invention, it can be seen that the negative resistance can be maintained up to about 2.5 GHz.

薄膜バルク弾性波発振器400は、1GHz以上の高周波数領域で発振できることが特徴の1つなので、プロセス(最小ゲート長)を変更せずに、46の本発明のように、負性抵抗を高周波側に伸ばすことができることは、実際に設計する場合において大変有用なことである。   Since the thin film bulk acoustic wave oscillator 400 can oscillate in a high frequency region of 1 GHz or more, it is possible to oscillate the negative resistance on the high frequency side as in the present invention without changing the process (minimum gate length). It is very useful when actually designing.

[第7の例]
本発明の第7の実施の形態を、図16〜図21に基づいて説明する。なお、前述した各例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。
[Seventh example]
A seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, about the same part as each example mentioned above, the description is abbreviate | omitted and the same code | symbol is attached | subjected.

本例は、第1の例〜第6の例で説明した薄膜バルク弾性波発振器100〜400の製造方法を説明する例である。   This example is an example for explaining a method of manufacturing the thin film bulk acoustic wave oscillators 100 to 400 described in the first to sixth examples.

<製法の概要>
図16は、本発明の薄膜バルク弾性波発振器100〜400を作製するための製造方法の概要を示す。
<Outline of manufacturing method>
FIG. 16 shows an outline of a manufacturing method for manufacturing the thin film bulk acoustic wave oscillators 100 to 400 of the present invention.

ここでは、図1の薄膜バルク弾性波発振器100を用いて説明する。   Here, description will be made using the thin film bulk acoustic wave oscillator 100 of FIG.

ステップS1では、基板1上に、少なくともトランジスタ素子2および容量素子3を含む回路素子111からなる回路素子部110を形成する。   In step S <b> 1, the circuit element unit 110 including the circuit element 111 including at least the transistor element 2 and the capacitor element 3 is formed on the substrate 1.

ステップS2では、回路素子部110の上部に、高音響インピーダンス材料で構成される薄膜5aと低音響インピーダンス材料で構成される薄膜5bとを交互に積み重ねることによって構成された音響ミラー層121を有する音響ミラー部120を形成する。   In step S2, an acoustic having an acoustic mirror layer 121 formed by alternately stacking thin films 5a made of a high acoustic impedance material and thin films 5b made of a low acoustic impedance material on the circuit element unit 110. The mirror part 120 is formed.

ステップS3では、音響ミラー部120の音響ミラー層121が形成された領域の直上に、圧電体薄膜7と、圧電体薄膜7を上下方向から挟む2つの上下電極8,6とからなる薄膜バルク弾性波共振子131を形成し、薄膜バルク弾性波共振子131を音響ミラー層121を介して基板1側の回路素子111に対して音響的に分離することによって共振子部130を構成する。   In step S3, thin film bulk elasticity comprising the piezoelectric thin film 7 and the two upper and lower electrodes 8 and 6 sandwiching the piezoelectric thin film 7 from above and below, immediately above the region where the acoustic mirror layer 121 of the acoustic mirror unit 120 is formed. A wave resonator 131 is formed, and the thin film bulk acoustic wave resonator 131 is acoustically separated from the circuit element 111 on the substrate 1 side via the acoustic mirror layer 121 to constitute the resonator unit 130.

ステップS4では、回路素子部110の回路素子111と、共振子部130の薄膜バルク弾性波共振子131とを電気的に配線接続する。また、多くの場合薄膜バルク弾性波共振子131の少なくとも一方の電極8又は6に、容量素子3を接続する。   In step S4, the circuit element 111 of the circuit element unit 110 and the thin film bulk acoustic wave resonator 131 of the resonator unit 130 are electrically connected by wiring. In many cases, the capacitive element 3 is connected to at least one electrode 8 or 6 of the thin film bulk acoustic wave resonator 131.

これにより、図1の薄膜バルク弾性波発振器100を作製することができる。   Thereby, the thin film bulk acoustic wave oscillator 100 of FIG. 1 can be produced.

<製造例>
以下、微細加工技術および薄膜形成技術を用いて、薄膜バルク弾性波発振器を製造する例について説明する。
<Production example>
Hereinafter, an example of manufacturing a thin film bulk acoustic wave oscillator using a microfabrication technique and a thin film formation technique will be described.

図17は、図16の製造方法を製造工程毎に詳細に説明したフローチャートである。   FIG. 17 is a flowchart illustrating the manufacturing method of FIG. 16 in detail for each manufacturing process.

図18〜図21は、図17の製造プロセスに対応した薄膜バルク弾性波発振器100の断面構造を示す説明図である。この場合、製造プロセスは、MOSプロセスでもバイポーラプロセスでも構わないが、ここではMOSプロセスの例を挙げて説明する。   18 to 21 are explanatory views showing a cross-sectional structure of the thin film bulk acoustic wave oscillator 100 corresponding to the manufacturing process of FIG. In this case, the manufacturing process may be a MOS process or a bipolar process. Here, an example of a MOS process will be described.

(回路素子部)
回路素子部110の作製について説明する。
回路素子部110の作製は、図17のステップS10〜ステップS20に従って行う。
ステップS10〜ステップS12では、シリコン基板1上に素子分離形成領域を形成した後、Pウェル、Nウェルを形成する。
ステップS13〜ステップS14では、ゲート酸化膜を形成し、ポリシリコンのゲートを形成する。
ステップS15〜ステップ16では、キャパシタンス3、LDDを形成する。
ステップS17〜ステップ19では、ソース・ドレインの拡散層を形成し、シリサイド化の処理を行い、トランジスタ2の配線層を形成する。
ステップS20では、配線層上の表面平坦化を行う。
(Circuit element part)
The production of the circuit element unit 110 will be described.
The circuit element unit 110 is manufactured according to steps S10 to S20 in FIG.
In step S10 to step S12, an element isolation formation region is formed on the silicon substrate 1, and then a P well and an N well are formed.
In steps S13 to S14, a gate oxide film is formed, and a polysilicon gate is formed.
In steps S15 to S16, capacitance 3 and LDD are formed.
In steps S17 to S19, a source / drain diffusion layer is formed and silicidation is performed to form a wiring layer of the transistor 2.
In step S20, surface planarization on the wiring layer is performed.

図18は、回路素子部110の表面平坦化時の断面図である。   FIG. 18 is a cross-sectional view of the circuit element portion 110 when the surface is flattened.

27はメタル配線層、28はシリコン酸化膜の層間膜で、28をCMP(化学機械的研磨法)で平坦化する。
薄膜バルク弾性波共振子131を形成する際に、下地の平坦性は重要なので、犠牲シリコン酸化膜厚みとCMPの研磨厚みを調整して0.1〜0.2μ程度までの平坦性を実現することが望ましい。
27 is a metal wiring layer, 28 is an interlayer film of a silicon oxide film, and 28 is flattened by CMP (Chemical Mechanical Polishing).
When the thin film bulk acoustic wave resonator 131 is formed, since the flatness of the base is important, the sacrificial silicon oxide film thickness and the CMP polishing thickness are adjusted to achieve a flatness of about 0.1 to 0.2 μm. It is desirable.

(音響ミラー部)
音響ミラー部120の作製について説明する。
(Acoustic mirror part)
The production of the acoustic mirror unit 120 will be described.

音響ミラー部120の作製は、図17のステップS21〜ステップS22に従って行う。
ステップS21では、音響ミラー層121を形成する。
ステップS22では、音響ミラー層121上の表面平坦化を行う。
The acoustic mirror unit 120 is manufactured according to steps S21 to S22 in FIG.
In step S21, the acoustic mirror layer 121 is formed.
In step S22, surface flattening on the acoustic mirror layer 121 is performed.

図19は、音響ミラー層121の形成時の断面図を示す。   FIG. 19 is a cross-sectional view when the acoustic mirror layer 121 is formed.

29が高音響インピーダンス材料で構成される薄膜(5a)、30が低音響インピーダンス材料で構成される薄膜(5b)を表す。両者共にその材質固有の音響波速度があるが、中心周波数の1/4波長程度の厚みでそれぞれの層を形成する。   29 represents a thin film (5a) composed of a high acoustic impedance material, and 30 represents a thin film (5b) composed of a low acoustic impedance material. Both have acoustic wave velocities specific to the material, but each layer is formed with a thickness of about ¼ wavelength of the center frequency.

高音響インピーダンス材料で構成される薄膜29と低音響インピーダンス材料で構成される薄膜30とを交互に積み重ねることによって、特定の周波数帯域の音響波を効率良く反射させることができる。   By alternately stacking the thin film 29 made of the high acoustic impedance material and the thin film 30 made of the low acoustic impedance material, it is possible to efficiently reflect an acoustic wave in a specific frequency band.

低音響インピーダンス材料で構成される薄膜30は、現状ではシリコン酸化膜が最も適している。高音響インピーダンス材料で構成される薄膜29は、いくつか候補があり、タングステン、窒化アルミニウム、酸化タンタル等の密度が高く硬めの材料が適している。   At present, a silicon oxide film is most suitable for the thin film 30 made of a low acoustic impedance material. There are several candidates for the thin film 29 made of a high acoustic impedance material, and a material having a high density such as tungsten, aluminum nitride, or tantalum oxide is suitable.

高音響インピーダンス層は、コンタクト部を除きウエハ全面に形成する場合と、エッチングでパターンを形成しながら形成する場合がある。   The high acoustic impedance layer may be formed on the entire surface of the wafer except for the contact portion, or may be formed while forming a pattern by etching.

図19の例では、共振子と発振回路とを配線で結ぶ際に邪魔にならないように、共振子を形成する部分にだけ、音響ミラー層121を形成している。   In the example of FIG. 19, the acoustic mirror layer 121 is formed only in a portion where the resonator is formed so as not to interfere with the connection between the resonator and the oscillation circuit.

この例では、平坦化してから音響ミラー層121を形成しているが、それに加えて下部電極6の形成直前に平坦化を行うことも有効な方法である。   In this example, the acoustic mirror layer 121 is formed after planarization, but it is also effective to perform planarization immediately before the formation of the lower electrode 6 in addition to that.

(共振子部)
共振子部130の作製について説明する。
共振子部130の作製は、図17のステップS23〜ステップS27に従って行う。
ステップS23では、下部電極6を成膜する。
ステップS24では、下部電極6のパターンを形成する。
ステップS25では、圧電体薄膜7を成膜する。
ステップS26では、上部電極8を成膜する。
ステップS27では、上部電極8、圧電体薄膜7のパターンを形成する。
(Resonator part)
The production of the resonator unit 130 will be described.
The resonator unit 130 is manufactured according to steps S23 to S27 in FIG.
In step S23, the lower electrode 6 is formed.
In step S24, the pattern of the lower electrode 6 is formed.
In step S25, the piezoelectric thin film 7 is formed.
In step S26, the upper electrode 8 is formed.
In step S27, the pattern of the upper electrode 8 and the piezoelectric thin film 7 is formed.

図20は、圧電体層の形成時の断面図を示す。   FIG. 20 is a cross-sectional view when the piezoelectric layer is formed.

31は下部電極、32は圧電体薄膜を示す。下部電極31は、前述したように白金、モリブデン、アルミニウム、ルテニウム、タングステン等を使うことができる。スパッタ等の薄膜堆積法を用いてウェハ全面に堆積した後に、リソグラフィー技術を用いてパターン形成をする。   Reference numeral 31 denotes a lower electrode, and 32 denotes a piezoelectric thin film. As described above, platinum, molybdenum, aluminum, ruthenium, tungsten, or the like can be used for the lower electrode 31. After depositing on the entire surface of the wafer using a thin film deposition method such as sputtering, a pattern is formed using a lithography technique.

下部電極31は、圧電体薄膜32の成膜の際の下地となり、圧電体薄膜32の品質に大きな影響を与えるので、適切な材料と条件を選択する必要がある。圧電体薄膜32が窒化アルミニウムの場合、アルミニウムターゲットをスパッタして、同時にプラズマ中に窒素を導入して活性化させ、両者をウェハ上で反応させる反応性プラズマスパッタリング法により、c軸方向に結晶性が良く、特性の良い窒化アルミニウム薄膜を成長させることができる。   The lower electrode 31 serves as a base for forming the piezoelectric thin film 32 and greatly affects the quality of the piezoelectric thin film 32. Therefore, it is necessary to select appropriate materials and conditions. When the piezoelectric thin film 32 is made of aluminum nitride, it is crystallized in the c-axis direction by a reactive plasma sputtering method in which an aluminum target is sputtered and simultaneously activated by introducing nitrogen into the plasma and reacting both on the wafer. Therefore, it is possible to grow an aluminum nitride thin film with good characteristics.

(配線部)
配線部の作製について説明する。
(Wiring section)
The production of the wiring portion will be described.

配線部の作製は、図17のステップS28に従って行う。   The wiring portion is manufactured according to step S28 in FIG.

ステップS28では、回路素子部110のトランジスタ部と、共振子部130との配線を行う。   In step S28, wiring between the transistor part of the circuit element part 110 and the resonator part 130 is performed.

図21は、共振子部130とトランジスタ部を結ぶ配線工程の断面図を示す。   FIG. 21 is a cross-sectional view of a wiring process connecting the resonator unit 130 and the transistor unit.

33は、上部電極である。圧電体薄膜32を形成した後、その上に上部電極33を形成する。   33 is an upper electrode. After the piezoelectric thin film 32 is formed, the upper electrode 33 is formed thereon.

材料はアルミニウム又は耐エレクトロマイグレーション性を向上させる為の添加物を含んだアルミニウム合金が望ましいが、他にモリブデン等を使用することもできる。上部電極33を形成後、リソグラフィー技術を用いてパターン形成を行う。   The material is preferably aluminum or an aluminum alloy containing an additive for improving electromigration resistance, but molybdenum or the like can also be used. After forming the upper electrode 33, pattern formation is performed using a lithography technique.

図21の例では、このタイミングで圧電体薄膜32のエッチング、および、メタル配線層と接続をするためのホールを開けるためのシリコン酸化膜エッチングを行う。共振子部130の上部電極33を保護層34で覆った後、厚いアルミニウム配線層35を全面に堆積する。   In the example of FIG. 21, the piezoelectric thin film 32 is etched at this timing, and the silicon oxide film is etched to open a hole for connection to the metal wiring layer. After the upper electrode 33 of the resonator unit 130 is covered with the protective layer 34, a thick aluminum wiring layer 35 is deposited on the entire surface.

次に、フォトレジスト36で残す部分を保護した上で、エッチングで配線不要部を除去する。これにより、最終的に共振子―トランジスタ回路間の配線を形成し、保護層34を除去する。   Next, after protecting the portion left by the photoresist 36, the wiring unnecessary portion is removed by etching. Thereby, wiring between the resonator and the transistor circuit is finally formed, and the protective layer 34 is removed.

以上の工程により、共振子部130をトランジスタ部からなる回路素子部110と同一基板1に形成し、その間を配線接続することによって、アクティブ素子等の回路素子を動作させることが可能になる。   Through the above steps, the resonator unit 130 is formed on the same substrate 1 as the circuit element unit 110 including the transistor unit, and the circuit element such as the active element can be operated by wiring connection therebetween.

[第8の例]
本発明の第8の実施の形態を、図22基づいて説明する。なお、前述した各例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。
[Eighth Example]
An eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, about the same part as each example mentioned above, the description is abbreviate | omitted and the same code | symbol is attached | subjected.

本例は、薄膜バルク弾性波共振子が複数個からなる場合において、該各薄膜バルク弾性波共振子が互いに異なる共振周波数を持つ場合の例である。   This example is an example in the case where a plurality of thin film bulk acoustic wave resonators are formed and each of the thin film bulk acoustic wave resonators has a different resonance frequency.

前述した第1の例〜第7の例は、複数の共振子(薄膜バルク弾性波共振子131)の共振周波数が同一の場合について述べてきた。   The first to seventh examples described above have described the case where the resonance frequencies of the plurality of resonators (thin film bulk acoustic wave resonator 131) are the same.

しかし、図22に示すように、上部電極33の上に共振周波数のシフトを惹き起こす為の部材43、例えばシリコン酸化膜を成膜するステップと、その材料をフォトレジスト36を用いて選択的にエッチングするステップを追加することによって、共振周波数をシフトした共振子を得ることができる。   However, as shown in FIG. 22, a step of forming a member 43 for causing a resonance frequency shift on the upper electrode 33, for example, a silicon oxide film, and a material selectively using a photoresist 36. By adding an etching step, a resonator with a shifted resonance frequency can be obtained.

このように異なる共振周波数の共振子をトランジスタで構成される選択スイッチと接続して回路内で切り替える、又は組み合わせることによって、広帯域化した発振器を構成することも可能になる。   In this way, it is possible to configure an oscillator having a wide band by connecting resonators having different resonance frequencies to a selection switch including transistors and switching or combining them in a circuit.

以上の例以外にも、複数の共振子を別の目的で使用することも可能である。その場合にも、素子の配置を工夫することによって、小型化が可能になる。   In addition to the above examples, a plurality of resonators can be used for other purposes. Even in that case, it is possible to reduce the size by devising the arrangement of the elements.

[第9の例]
本発明の第9の実施の形態について説明する。なお、前述した各例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。
[Ninth example]
A ninth embodiment of the present invention will be described. In addition, about the same part as each example mentioned above, the description is abbreviate | omitted and the same code | symbol is attached | subjected.

本例は、半導体基板上の集積回路の一部として、前述した第1の例〜第8の例の薄膜バルク弾性波発振器を構成した場合の例である。   This example is an example in which the thin film bulk acoustic wave oscillators of the first to eighth examples described above are configured as part of an integrated circuit on a semiconductor substrate.

前述した第1の例〜第8の例では、薄膜バルク弾性波発振器100、および、薄膜バルク弾性波電圧可変発振器200,300,400について述べてきたが、これらの回路は、他の半導体集積回路と接続して使われる場合もあれば、他の半導体集積回路と同時に一体的に製造された方が好ましい場合も多い。   In the first to eighth examples, the thin film bulk acoustic wave oscillator 100 and the thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillators 200, 300, and 400 have been described. However, these circuits are not limited to other semiconductor integrated circuits. In some cases, it is preferable to be manufactured integrally with other semiconductor integrated circuits.

前述した第7の例および第8の例で説明した方法は、単体の薄膜バルク弾性波発振器100、および、薄膜バルク弾性波電圧可変発振器200,300,400だけでなく、その一部に薄膜バルク弾性波発振器100、および、薄膜バルク弾性波電圧可変発振器200,300,400を含む半導体集積回路に対しても同様に有効である。   The methods described in the seventh and eighth examples described above are not limited to the thin film bulk acoustic wave oscillator 100 and the thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillators 200, 300, and 400, but a thin film bulk as a part thereof. The same applies to the semiconductor integrated circuit including the acoustic wave oscillator 100 and the thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillators 200, 300, and 400.

本発明の第1の実施の形態である、薄膜バルク弾性波発振器の構造の1例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one example of the structure of the thin film bulk acoustic wave oscillator which is the 1st Embodiment of this invention. 薄膜バルク弾性波共振子と周波数調整用容量素子とを離間したレイアウトの1例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the layout which spaced apart the thin film bulk acoustic wave resonator and the capacitive element for frequency adjustment. 薄膜バルク弾性波発振器の回路構成の1例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows one example of the circuit structure of a thin film bulk acoustic wave oscillator. 薄膜バルク弾性波共振子のアドミッタンスの周波数特性の1例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one example of the frequency characteristic of the admittance of a thin film bulk acoustic wave resonator. 本発明の第2の実施の形態である、薄膜バルク弾性波発振器の構造の1例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one example of the structure of the thin film bulk acoustic wave oscillator which is the 2nd Embodiment of this invention. 複数に分割した薄膜バルク弾性波共振子を他の素子上に配置したレイアウトの1例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the layout which has arrange | positioned the thin film bulk acoustic wave resonator divided | segmented into plurality on another element. 本発明の第3の実施の形態である、薄膜バルク弾性波電圧可変発振器の構造の1例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one example of the structure of the thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillator which is the 3rd Embodiment of this invention. 薄膜バルク弾性波電圧可変発振器の回路構成の1例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows one example of the circuit structure of a thin film bulk elastic wave voltage variable oscillator. 本発明の第4の実施の形態である、薄膜バルク弾性波電圧可変発振器の構造の1例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one example of the structure of the thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillator which is the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施の形態である、並列に接続した薄膜バルク弾性波発振器の回路構成の1例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the circuit structure of the thin film bulk acoustic wave oscillator connected in parallel which is the 5th Embodiment of this invention. 薄膜バルク弾性波の等価回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the equivalent circuit of a thin film bulk acoustic wave. 可変周波数範囲と並列共振キャパシタンスの関係の1例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one example of the relationship between a variable frequency range and a parallel resonance capacitance. 本発明の第6の実施の形態である、薄膜バルク弾性波共振子の片側の電圧可変容量素子を省いた薄膜バルク弾性波発振器の1例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows one example of the thin film bulk acoustic wave oscillator which excluded the voltage variable capacitance element of the one side of the thin film bulk acoustic wave resonator which is the 6th Embodiment of this invention. 薄膜バルク弾性波共振子に接続するMOS型電圧可変容量素子に3Vを印加した場合において、シミュレーションで求めた負性抵抗の周波数依存性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the frequency dependence of the negative resistance calculated | required by simulation, when 3V is applied to the MOS type voltage variable capacitance element connected to a thin film bulk acoustic wave resonator. 薄膜バルク弾性波共振子に接続するMOS型電圧可変容量素子に0Vを印加した場合において、シミュレーションで求めた負性抵抗の周波数依存性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the frequency dependence of the negative resistance calculated | required by simulation, when 0V is applied to the MOS type voltage variable capacitance element connected to a thin film bulk acoustic wave resonator. 本発明の第7の実施の形態である、薄膜バルク弾性波発振器の製造方法の概略を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline of the manufacturing method of the thin film bulk acoustic wave oscillator which is the 7th Embodiment of this invention. 薄膜バルク弾性波発振器の製造工程を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing process of a thin film bulk acoustic wave oscillator. 回路素子部の表面平坦化時の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process at the time of the surface planarization of a circuit element part. 音響ミラー形成時の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process at the time of acoustic mirror formation. 圧電体層形成時の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process at the time of piezoelectric material layer formation. 配線工程時の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process at the time of a wiring process. 本発明の第8の実施の形態である、共振周波数をシフトするための製造工程の1例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one example of the manufacturing process for shifting the resonant frequency which is the 8th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 シリコン基板
2 トランジスタ部(MOSトランジスタ)
3 キャパシタンス部
4 トランジスタ間メタル配線層
5a 高音響インピーダンス材料で構成される薄膜
5b 低音響インピーダンス材料で構成される薄膜
6 下部電極
7 圧電体薄膜
8 上部電極
9 共振子―トランジスタ間メタル配線層
10 n+埋め込み層
11 エピ成長層
12 トランジスタ部(バイポーラトランジスタ)
13 インバータ増幅回路(負性抵抗部)
14 抵抗
15 薄膜バルク弾性波共振子
16 キャパシタンス
17 共振点
18 反共振点
19 電圧可変容量素子
20 電圧可変容量素子(MOSバラクタ)
21 薄膜バルク弾性波共振子
22 インバータ用トランジスタ領域
23 キャパシタンス
24 ポリシリコン抵抗
25 出力ドライバー等の周辺回路
26 電源/GND/出力パッド及び静電破壊防止回路
27 メタル配線層
28 酸化シリコン層間膜
29 高音響インピーダンス層
30 低音響インピーダンス層
31 下部電極
32 圧電体薄膜
33 上部電極
34 上部電極保護層
35 共振子―トランジスタ間配線層
36 フォトレジスト
37 直列共振インダクタンス
38 直列共振キャパシタンス
39 直列共振抵抗
40 並列共振キャパシタンス
41 並列共振抵抗
42 複数の薄膜バルク弾性波共振子の並列接続
43 共振周波数をシフトするために付加した膜
44 寄生容量成分
45 両側にMOSバラクタを接続した場合の特性曲線(破線)
46 片側だけにMOSバラクタを接続した場合の特性曲線(実線)
100 薄膜バルク弾性波発振器
110 回路素子部
111 回路素子
120 音響ミラー部
121 音響ミラー層
130 共振子部
131 薄膜バルク弾性波共振子
200,300,400 薄膜バルク弾性波電圧可変発振器
1 Silicon substrate 2 Transistor part (MOS transistor)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Capacitance part 4 Metal wiring layer between transistors 5a Thin film comprised with high acoustic impedance material 5b Thin film comprised with low acoustic impedance material 6 Lower electrode 7 Piezoelectric thin film 8 Upper electrode 9 Resonator-transistor metal wiring layer 10 n + Buried layer 11 Epi-grown layer 12 Transistor part (bipolar transistor)
13 Inverter amplifier circuit (negative resistance part)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 14 Resistance 15 Thin film bulk acoustic wave resonator 16 Capacitance 17 Resonance point 18 Antiresonance point 19 Voltage variable capacity element 20 Voltage variable capacity element (MOS varactor)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 Thin film bulk acoustic wave resonator 22 Inverter transistor area 23 Capacitance 24 Polysilicon resistance 25 Peripheral circuit, such as an output driver 26 Power supply / GND / Output pad and electrostatic breakdown prevention circuit 27 Metal wiring layer 28 Silicon oxide interlayer 29 High acoustic Impedance layer 30 Low acoustic impedance layer 31 Lower electrode 32 Piezoelectric thin film 33 Upper electrode 34 Upper electrode protective layer 35 Resonator-transistor wiring layer 36 Photoresist
37 Series Resonance Inductance 38 Series Resonance Capacitance 39 Series Resonance Resistance 40 Parallel Resonance Capacitance 41 Parallel Resonance Resistance 42 Parallel Connection of Multiple Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonators 43 Film Added to Shift Resonance Frequency 44 Parasitic Capacitance Component 45 On Both Sides Characteristic curve when MOS varactor is connected (broken line)
46 Characteristic curve when MOS varactor is connected to only one side (solid line)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Thin film bulk acoustic wave oscillator 110 Circuit element part 111 Circuit element 120 Acoustic mirror part 121 Acoustic mirror layer 130 Resonator part 131 Thin film bulk acoustic wave resonator 200,300,400 Thin film bulk acoustic wave voltage variable oscillator

Claims (15)

薄膜バルク弾性波発振器であって、
基板上に、少なくともトランジスタ素子および容量素子を含む回路素子が形成された回路素子部と、
前記回路素子部の上部に、高音響インピーダンス材料で構成される薄膜と低音響インピーダンス材料で構成される薄膜が交互に積み重ねることによって音響ミラー層が形成された音響ミラー部と、
前記音響ミラー部の前記音響ミラー層が形成された領域の直上に、圧電体薄膜と、該圧電体薄膜を上下方向から挟む2つの電極部とからなる薄膜バルク弾性波共振子が形成され、かつ、該薄膜バルク弾性波共振子は前記音響ミラー層を介して前記基板及び前記基板側の前記回路素子に対して音響的に分離して構成された共振子部と
を具え、
前記回路素子部の前記回路素子と、前記共振部の前記薄膜バルク弾性波共振子とを電気的に配線接続したことを特徴とする薄膜バルク弾性波発振器。
A thin film bulk acoustic wave oscillator,
A circuit element portion in which a circuit element including at least a transistor element and a capacitor element is formed on a substrate;
On the upper part of the circuit element part, an acoustic mirror part in which an acoustic mirror layer is formed by alternately stacking a thin film made of a high acoustic impedance material and a thin film made of a low acoustic impedance material,
A thin film bulk acoustic wave resonator comprising a piezoelectric thin film and two electrode portions sandwiching the piezoelectric thin film from above and below is formed immediately above the region where the acoustic mirror layer of the acoustic mirror portion is formed, and The thin film bulk acoustic wave resonator includes a resonator unit configured to be acoustically separated from the substrate and the circuit element on the substrate side via the acoustic mirror layer,
A thin film bulk acoustic wave oscillator, wherein the circuit element of the circuit element section and the thin film bulk acoustic wave resonator of the resonance section are electrically connected by wiring.
前記容量素子は、前記薄膜バルク弾性波共振子の発振周波数を所定値に設定するための、固定容量素子又は可変容量素子からなることを特徴とする請求項1記載の薄膜バルク弾性波発振器。   2. The thin film bulk acoustic wave oscillator according to claim 1, wherein the capacitive element comprises a fixed capacitive element or a variable capacitive element for setting an oscillation frequency of the thin film bulk acoustic wave resonator to a predetermined value. 前記圧電体薄膜は、窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項1又は2記載の薄膜バルク弾性波発振器。 3. The thin film bulk acoustic wave oscillator according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film is made of aluminum nitride. 前記回路素子は、シリコンMOSトランジスタ、シリコンバイポーラトランジスタ、又は、シリコンゲルマニウムトランジスタからなることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の薄膜バルク弾性波発振器。 Said circuit element is a silicon MOS transistor, a silicon bipolar transistor, or claims 1 to film bulk acoustic wave oscillator according to any one of 3, characterized in that it consists of silicon germanium transistors. 前記薄膜バルク弾性波共振子と前記容量素子との間の配線接続距離が、前記薄膜バルク弾性波共振子と前記トランジスタ素子との間の配線接続距離よりも長くなるように設定したことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の薄膜バルク弾性波発振器。 The wiring connection distance between the thin film bulk acoustic wave resonator and the capacitive element is set to be longer than the wiring connection distance between the thin film bulk acoustic wave resonator and the transistor element. The thin film bulk acoustic wave oscillator according to any one of claims 1 to 4 . 前記薄膜バルク弾性波共振子を複数個用い、該各薄膜バルク弾性波共振子を並列に接続したことを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の薄膜バルク弾性波発振器。 Wherein using a plurality of thin film bulk acoustic wave resonator according to claim 1 to a film bulk acoustic wave oscillator according to any one of 5, characterized in that connecting the respective film bulk acoustic wave resonators in parallel. 前記各薄膜バルク弾性波共振子による機械的振動および容量結合の変化が発振周波数特性に影響を及ぼさない領域であって、該各薄膜バルク弾性波共振子が前記回路素子の直上に配設したことを特徴とする請求項6記載の薄膜バルク弾性波発振器。 Changes in mechanical vibration and capacitive coupling due to the thin film bulk acoustic wave resonators do not affect the oscillation frequency characteristics, and the thin film bulk acoustic wave resonators are disposed immediately above the circuit elements. 6. Symbol mounting of the thin film bulk acoustic wave oscillator and said. 前記薄膜バルク弾性波共振子の前記2つの電極部に前記容量素子をそれぞれ接続する場合において、一方の容量素子の容量値又は素子数に対して、他方の容量素子の容量値又は素子数を非対称にしたことを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の薄膜バルク弾性波発振器。 When the capacitive element is connected to the two electrode portions of the thin film bulk acoustic wave resonator, the capacitance value or the number of elements of the other capacitive element is asymmetric with respect to the capacitance value or the number of elements of one capacitive element. claims 1, characterized in that the to film bulk acoustic wave oscillator according to any one of 7. 前記薄膜バルク弾性波共振子が複数個からなる場合において、該各薄膜バルク弾性波共振子が互いに異なる共振周波数を持つことを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の薄膜バルク弾性波発振器。 In the case where the thin film bulk acoustic wave resonators comprising a plurality thin film bulk acoustic according to any one of claims 1 to 8, characterized in that respective film bulk acoustic wave resonators have different resonance frequencies from each other Wave oscillator. 前記薄膜バルク弾性波共振子の少なくとも一方の前記電極部に、前記容量素子を接続したことを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の薄膜バルク弾性波発振器。 Wherein at least one of the electrodes of the thin film bulk acoustic wave resonator according to claim 1 to a film bulk acoustic wave oscillator according to any one of 9, characterized in that connecting the capacitive element. 半導体基板上の集積回路の一部として、請求項1ないし10記載の薄膜バルク弾性波発振器を構成したことを特徴とする半導体集積回路。 As part of an integrated circuit on a semiconductor substrate, a semiconductor integrated circuit, characterized in that it constitutes a film bulk acoustic wave oscillator according to claim 1 to 10 SL placement. 微細加工技術および薄膜形成技術を用いて、薄膜バルク弾性波発振器を作製する製造方法であって、
基板上に、少なくともトランジスタ素子および容量素子を含む回路素子からなる回路素子部を形成する工程と、
前記回路素子部の上部に、高音響インピーダンス材料で構成される薄膜と低音響インピーダンス材料で構成される薄膜とを交互に積み重ねることによって構成された音響ミラー層を有する音響ミラー部を形成する工程と、
前記音響ミラー部の前記音響ミラー層が形成された領域の直上に、圧電体薄膜と、該圧電体薄膜を上下方向から挟む2つの電極部とからなる薄膜バルク弾性波共振子を形成し、該薄膜バルク弾性波共振子を前記音響ミラー層を介して前記基板及び前記基板側の前記回路素子に対して音響的に分離することによって共振子部を構成する工程と、
前記回路素子部の前記回路素子と、前記共振子部の前記薄膜バルク弾性波共振子とを電気的に配線接続する工程と
を具えたことを特徴とする薄膜バルク弾性波発振器の製造方法。
A manufacturing method for manufacturing a thin film bulk acoustic wave oscillator using microfabrication technology and thin film formation technology,
Forming a circuit element portion including a circuit element including at least a transistor element and a capacitor element on a substrate;
Forming an acoustic mirror portion having an acoustic mirror layer formed by alternately stacking thin films made of a high acoustic impedance material and thin films made of a low acoustic impedance material on the circuit element portion; ,
A thin film bulk acoustic wave resonator including a piezoelectric thin film and two electrode portions sandwiching the piezoelectric thin film from above and below is formed immediately above the region where the acoustic mirror layer of the acoustic mirror portion is formed, Forming a resonator unit by acoustically separating a thin film bulk acoustic wave resonator from the substrate and the circuit element on the substrate side via the acoustic mirror layer; and
A method of manufacturing a thin film bulk acoustic wave oscillator, comprising the step of electrically connecting the circuit element of the circuit element section and the thin film bulk acoustic wave resonator of the resonator section.
前記容量素子は、前記薄膜バルク弾性波共振子の発振周波数を所定値に設定するための、固定容量素子又は可変容量素子からなることを特徴とする請求項12記載の薄膜バルク弾性波発振器の製造方法。 The capacitive element, said for setting the oscillation frequency of the film bulk acoustic wave resonator to a predetermined value, the thin film bulk acoustic wave oscillator according to claim 12 Symbol mounting characterized by comprising the fixed capacitance element or variable capacitance element Production method. 前記圧電体薄膜は、窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項12又は13記載の薄膜バルク弾性波発振器の製造方法。 The piezoelectric thin film, according to claim 12 or 13 Symbol mounting method of manufacturing a film bulk acoustic wave oscillator, characterized in that it consists of aluminum nitride. 前記回路素子は、シリコンMOSトランジスタ、シリコンバイポーラトランジスタ、又は、シリコンゲルマニウムトランジスタからなることを特徴とする請求項12ないし14のいずれかに記載の薄膜バルク弾性波発振器の製造方法。 15. The method of manufacturing a thin film bulk acoustic wave oscillator according to claim 12 , wherein the circuit element comprises a silicon MOS transistor, a silicon bipolar transistor, or a silicon germanium transistor.
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