JP4797772B2

JP4797772B2 - Ｂａｗ共振器

Info

Publication number: JP4797772B2
Application number: JP2006117059A
Authority: JP
Inventors: 嘉城早崎
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-04-20
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2026-04-20
Also published as: JP2007295025A

Description

本発明は、圧電薄膜の厚み方向の縦振動モードを利用するＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave）共振器に関するものである。

従来から、携帯電話機などの移動体通信機器の分野において、３ＧＨｚ以上の高周波帯で利用する高周波フィルタとして、圧電薄膜の材料としてＡｌＮを採用したＢＡＷ共振器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。なお、上記特許文献１には、ＢＡＷ共振器としてＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）が記載されているが、ＢＡＷ共振器としては、近年、ＦＢＡＲの他にＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）が注目されている。なお、ＢＡＷ共振器では、共振周波数が圧電薄膜の膜厚に反比例し、圧電薄膜の膜厚を薄くするほど共振周波数を高くすることができる。
特開２００２−１４００７５号公報

ところで、本願発明者は、ＢＡＷ共振器をより広帯域の高周波フィルタとして例えばＵＷＢ（Ultra Wide Band）方式の機器に適用することを考えた。そこで、圧電薄膜の材料として、帯域幅が１８０ＭＨｚまでしか広帯域化できないＡｌＮに比べて機械的品質係数Ｑｍが低く３００ＭＨｚよりも広い帯域幅を得ることが可能なＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に着目したが、〔１１１〕方向が厚み方向に配向した（１１１）配向のＰＺＴ膜を圧電薄膜として備えたＢＡＷ共振器では、フィルタのカットオフ特性の急峻さ（共振特性の立ち上がりおよび立ち下がりの急峻さ）を示す指標であるＱ値、電気エネルギを機械的エネルギに変換する効率を表す電気機械結合係数が低いという問題があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、３ＧＨｚ以上の高周波帯における帯域幅の広帯域化を図りつつ、Ｑ値および電気機械結合係数を高めることができるＢＡＷ共振器を提供することにある。

本願発明者は、鋭意研究の結果、晶系が菱面体晶系で〔１１１〕方向が厚み方向に配向した（１１１）配向のＰＺＴ膜を圧電薄膜として備えたＢＡＷ共振器では、圧電薄膜に、自発分極の方向が圧電薄膜の厚み方向に沿っている１８０°ドメインと、自発分極の方向が圧電薄膜の厚み方向に直交する面に沿っている９０°ドメインとが混在しているので、９０°ドメインで横振動モードの振動が発生してエネルギを有効に利用できず、Ｑ値および電気機械結合係数が低くなるという知見を得て、この知見に基づいて本願発明を行った。

請求項１の発明は、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された下部電極と、下部電極におけるベース基板側とは反対側に形成された圧電薄膜と、圧電薄膜における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備えたＢＡＷ共振器であって、圧電薄膜は、正方晶系で〔００１〕方向が当該圧電薄膜の厚み方向に配向した（００１）配向のＰＺＴ膜からなり、圧電薄膜における下部電極側とは反対側に積層された絶縁層を備え、当該絶縁層は、上部電極から離れるほど開口面積が徐々に大きくなるテーパ状の開孔部を有し、上部電極は、絶縁層の表面と絶縁層における開孔部の内側面と圧電薄膜の表面とに跨って形成されており、開孔部の開口面積によって規定される上部電極と圧電薄膜との接触面積により、圧電薄膜における共振領域のインピーダンスが決められていることを特徴とする。

この発明によれば、圧電薄膜がＡｌＮ膜により構成されている場合に比べて３ＧＨｚ以上の高周波帯における帯域幅の広帯域化を図れ、また、圧電薄膜が（１１１）配向のＰＺＴ膜により構成されている場合に比べて、圧電薄膜の９０°ドメインを低減することができてＱ値および電気機械結合係数が高くなるので、圧電薄膜の膜厚を適宜設定することにより、３ＧＨｚ以上の高周波帯においてカットオフ特性が急峻で且つ帯域幅の広いフィルタとして利用することが可能となる。

また、この発明によれば、圧電薄膜における下部電極側とは反対側に積層された絶縁層を備え、当該絶縁層は、上部電極から離れるほど開口面積が徐々に大きくなるテーパ状の開孔部を有し、上部電極は、絶縁層の表面と絶縁層における開孔部の内側面と圧電薄膜の表面とに跨って形成されており、開孔部の開口面積によって規定される上部電極と圧電薄膜との接触面積により、圧電薄膜における共振領域のインピーダンスが決められているので、開孔部の開口面積によって規定される上部電極と圧電薄膜との接触面積によってインピーダンスを設計することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記圧電薄膜と前記下部電極との間に前記圧電薄膜の結晶配向を制御するためのシード層を備えてなることを特徴とする。

この発明によれば、（００１）配向のＰＺＴ膜を容易に得ることが可能となる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記ベース基板は、前記圧電薄膜で発生したバルク弾性波を反射させる音響多層膜が前記一表面側に形成されてなり、前記下部電極は、音響多層膜上に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、エネルギ変換効率を高めることができる。

請求項４の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記ベース基板は、前記下部電極における前記圧電薄膜側とは反対側に空洞が形成されてなることを特徴とする。

請求項１の発明では、３ＧＨｚ以上の高周波帯における帯域幅の広帯域化を図りつつ、Ｑ値および電気機械結合係数を高めることができるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態のＢＡＷ共振器は、図１に示すように、ベース基板１０と、ベース基板１０の一表面側に形成された下部電極２０と、下部電極２０におけるベース基板１０側とは反対側に形成された圧電薄膜３０と、圧電薄膜３０における下部電極２０側とは反対側に形成された上部電極４０とを備えている。

ここにおいて、本実施形態のＢＡＷ共振器は、ベース基板１０を、主表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板１１と、シリコン基板１１の主表面上に形成され圧電薄膜３０で発生したバルク弾性波を反射させる音響多層膜１２とで構成してある。要するに、本実施形態のＢＡＷ共振器は、ベース基板１０の一表面側の音響多層膜１２上に下部電極２０が形成されたＳＭＲを構成している。

音響多層膜１２は、相対的に音響インピーダンスの低い材料からなる低音響インピーダンス層１２ａと相対的に音響インピーダンスの高い材料からなる高音響インピーダンス層１２ｂとが交互に積層されており、上述の下部電極２０は、最上層の低音響インピーダンス層１２ａ上に形成されている。なお、低音響インピーダンス層１２ａおよび高音響インピーダンス層１２ｂの膜厚は、圧電薄膜３０の共振周波数の弾性波（バルク弾性波）の波長の４分の１の値に設定すればよい。

ところで、本実施形態のＢＡＷ共振器では、下部電極２０と圧電薄膜３０との間に圧電薄膜３０の結晶配向を制御するためのシード層２５が形成されており、圧電薄膜３０は、晶系が正方晶系で〔００１〕方向が当該圧電薄膜３０の厚み方向に配向した（００１）配向のＰＺＴ膜により構成されている。ここにおいて、圧電薄膜３０は、自発分極の方向が当該圧電薄膜３０の厚み方向に揃っており、（１１１）配向のＰＺＴ膜に比べて９０°ドメインが低減されている。また、本実施形態では、下部電極２０の材料として、例えばＰｔ、Ｉｒなどを採用し、シード層２５の材料として、例えばＰｂＴｉＯ_３、ＰｂＬａＴｉＯ_３などを採用しており、低音響インピーダンス層１２ａの材料としてＳｉＯ_２、高音響インピーダンス層１２ｂの材料としてＷを採用している。また、上部電極４０の材料としてＡｌを採用しているが、上部電極４０の材料はＡｌに限定するものではない。

なお、本実施形態のＢＡＷ共振器では、共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、下部電極２０の厚みを１００ｎｍ、シード層２５の厚みを３０ｎｍ、圧電薄膜３０の厚みを３００ｎｍ、上部電極４０の厚みを１００ｎｍ、低音響インピーダンス層１２ａの厚みを４００ｎｍ、高音響インピーダンス層１２ｂの厚みを３５０ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。また、共振周波数を３ＧＨｚ〜５ＧＨｚの範囲で設計する場合には、圧電薄膜３０の厚みは２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で、低音響インピーダンス層１２ａの厚みは２５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲で、高音響インピーダンス層１２ｂの厚みは２００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲で、それぞれ適宜設定すればよい。

また、本実施形態のＢＡＷ共振器は、圧電薄膜３０の材料としてＰＺＴを採用しているが、ＰＺＴはＡｌＮに比べて誘電率が大きくインピーダンス設計が難しい。そこで、本実施形態では、圧電薄膜３０における下部電極２０側とは反対側にＳｉＯ_２膜もしくはＳｉ_３Ｎ_４膜からなる絶縁層３５を積層し、絶縁層３５に形成した開孔部３６を通して上部電極４０を圧電薄膜３０と接するようにすることで、圧電薄膜３０における共振領域３０ａを小面積化してある。言い換えれば、本実施形態では、圧電薄膜３０において所望のインピーダンスとなるように面積を設定した所定の共振領域３０ａのみに上部電極４０が接するように絶縁層３５をパターニングしてある。ここにおいて、絶縁層３５の開孔部３６は、上部電極４０から離れるほど開口面積が徐々に大きくなるテーパ状であり、上部電極４０は、ベース基板１０の上記一表面側において、絶縁層３５の表面と絶縁層３５における開孔部３６の内側面と圧電薄膜３０の表面とに跨って形成されている。したがって、本実施形態では、開孔部３６の開口面積によって規定される上部電極４０と圧電薄膜３０との接触面積によってインピーダンスを設計することができる。なお、本実施形態では、絶縁層３５の厚みを５００ｎｍ、開孔部３６の開口面積を２０μｍ^２〜６０μｍ^２の範囲で設定してあるが、これらの数値は特に限定するものではない。また、本実施形態では、開孔部３６の開口形状は矩形状であるが、矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。また、圧電薄膜３０における共振領域３０ａの平面形状は特に限定するものではなく、絶縁層３５は所定の共振領域３０ａの平面形状に基づいて適宜パターニングすればよい。

以下、本実施形態のＢＡＷ共振器の製造方法について図２および図３を参照しながら説明する。

まず、ベース基板１０の基礎となる単結晶のシリコン基板１１の主表面側に、ＳｉＯ_２膜からなる低音響インピーダンス層１２ａとＷ膜からなる高音響インピーダンス層１２ｂとを例えばスパッタ法やＣＶＤ法などにより交互に成膜することで音響多層膜１２を形成することによって、図２（ａ）に示す構造を得る。

その後、シリコン基板１１と音響多層膜１２とからなるベース基板１０の一表面側（図２（ａ）における上面側）の全面に、金属層（例えば、Ｐｔ層、Ｉｒ層など）からなる下部電極２０を例えばスパッタ法や蒸着法などにより成膜することによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。

次に、ベース基板１０の上記一表面側の全面（ここでは、下部電極２０の表面）に、圧電材料（例えば、ＰｂＴｉＯ_３、ＰｂＬａＴｉＯ_３など）からなるシード層２５をスパッタ法やゾルゲル法やＭＯＣＶＤ法などによって成膜することによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。

その後、ベース基板１０の上記一表面側の全面（ここでは、シード層２５の表面）に、ＰＺＴ層をスパッタ法やゾルゲル法やＭＯＣＶＤ法などによって成膜し、続いて、７００℃程度の基板温度でＰＺＴ層を焼結することで（００１）配向のＰＺＴ膜からなる圧電薄膜３０を形成することによって、図２（ｄ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、シード層２５上に圧電薄膜３０を形成するようにしているので、（００１）配向のＰＺＴ膜を容易に得ることができる。

次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して圧電薄膜３０およびシード層２５を所望の平面形状にパターニングすることによって、図２（ｅ）に示す構造を得る。

続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して下部電極２０を所望の平面形状にパターニングすることによって、図３（ａ）に示す構造を得る。

その後、ベース基板１０の上記一表面側の全面にフォトレジストを回転途布した後、当該フォトレジストをパターニングすることで絶縁層３５の開孔部３６の形成予定領域に対応する部分にレジスト層５０を残存させることによって、図３（ｂ）に示す構造を得る。なお、レジスト層５０は、圧電薄膜３０から離れるにつれて断面積が徐々に大きくなる逆テーパ状の形状としてある。

次に、ベース基板１０の上記一表面側の全面に絶縁層（例えば、ＳｉＯ_２膜、Ｓｉ_３Ｎ_４膜など）３５をＣＶＤ法などにより成膜することによって、図３（ｃ）に示す構造を得る。

その後、リフトオフ法によりレジスト層５０を除去することで絶縁層３５に開孔部３６を形成することによって、図３（ｄ）に示す構造を得る。

さらにその後、ベース基板１０の上記一表面側の全面に上部電極４０をスパッタ法や蒸着法などによって成膜し、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上部電極４０を所望の平面形状にパターニングすることによって、図３（ｅ）に示す構造のＢＡＷ共振器を得る。なお、ＢＡＷ共振器の製造にあたっては、ウェハレベルで多数のＢＡＷ共振器を形成した後、ダイシング工程で個々のＢＡＷ共振器に分割すればよい。

以上説明した本実施形態のＢＡＷ共振器では、圧電薄膜３０が、正方晶系で〔００１〕方向が当該圧電薄膜３０の厚み方向に配向した（００１）配向のＰＺＴ膜により構成されているので、ＡｌＮ膜からなる圧電薄膜を備えたＢＡＷ共振器に比べて３ＧＨｚ以上の高周波帯における帯域幅の広帯域化を図れ、また、（１１１）配向のＰＺＴ膜からなる圧電薄膜を備えたＢＡＷ共振器に比べて、圧電薄膜３０の９０°ドメインを低減することができてＱ値および電気機械結合係数が高くなるので、圧電薄膜３０の膜厚を適宜設定することにより、３ＧＨｚ以上の高周波帯においてカットオフ特性が急峻で且つ帯域幅の広いフィルタ（高周波フィルタ）として利用することが可能となる。

また、本実施形態のＢＡＷ共振器では、下部電極２０が音響多層膜１２上に形成されているので、圧電薄膜３０側からベース基板１０側へ伝搬しようとする弾性波を音響多層膜１２により圧電薄膜３０側へ反射することができ、弾性波のエネルギ損失（音響エネルギの損失）を低減できるから、音響多層膜１２を備えていない場合に比べてエネルギ変換効率を高めることができる。

（実施形態２）
図４に示す本実施形態のＢＡＷ共振器の基本構成は実施形態１と略同じであり、ベース基板１０として、一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を採用しており、ベース基板１０の上記一表面に（つまり、下部電極２０における圧電薄膜３０側とは反対側に）、空洞（凹所）１３が形成されている点が実施形態１とは相違する。要するに、本実施形態のＢＡＷ共振器は、下部電極２０と下部電極２０直下の媒質との音響インピーダンス比を大きくすることによりベース基板１０側への弾性波エネルギの伝搬を抑制するようにしたＦＢＡＲを構成している。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

以下、本実施形態のＢＡＷ共振器の製造方法について図５および図６を参照しながら説明する。

まず、単結晶のシリコン基板からなるベース基板１０の両面に例えば熱酸化法によりＳｉＯ_２膜を成膜した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してベース基板１０の上記一表面側のＳｉＯ_２膜のうち空洞１３の形成予定領域に対応する部分をエッチング除去してから、各ＳｉＯ_２膜をマスクとしてアルカリ系溶液を用いた異方性エッチングによりベース基板１０の上記一表面に空洞１３を形成し、続いて、ベース基板１０の両面のＳｉＯ_２膜を除去することによって、図５（ａ）に示す構造を得る。

その後、ベース基板１０の上記一表面側の全面に、例えばＣＶＤ法によりＳｉＯ_２膜からなる犠牲層１４を成膜することによって、図５（ｂ）に示す構造を得る。

続いて、ベース基板１０の上記一表面側をＣＭＰ（化学的機械研磨）法などにより空洞１３内のみに犠牲層１４が形成された状態に平坦化することによって、図５（ｃ）に示す構造を得る。

その後、ベース基板１０の上記一表面側の全面に、金属層（例えば、Ｐｔ層、Ｉｒ層など）からなる下部電極２０を例えばスパッタ法や蒸着法などにより成膜することによって、図５（ｄ）に示す構造を得る。

次に、ベース基板１０の上記一表面側の全面（ここでは、下部電極２０の表面）に、圧電材料（例えば、ＰｂＴｉＯ_３、ＰｂＬａＴｉＯ_３など）からなるシード層２５をスパッタ法やゾルゲル法やＭＯＣＶＤ法などによって成膜することによって、図５（ｅ）に示す構造を得る。

その後、ベース基板１０の上記一表面側の全面（ここでは、シード層２５の表面）に、ＰＺＴ層をスパッタ法やゾルゲル法やＭＯＣＶＤ法などによって成膜し、続いて、７００℃程度の基板温度でＰＺＴ層を焼結することで（００１）配向のＰＺＴ膜からなる圧電薄膜３０を形成することによって、図５（ｆ）に示す構造を得る。なお、本実施形態においても、シード層２５上に圧電薄膜３０を形成するようにしているので、（００１）配向のＰＺＴ膜を容易に得ることができる。
次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して圧電薄膜３０およびシード層２５を所望の平面形状にパターニングすることによって、図６（ａ）に示す構造を得る。

続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して下部電極２０を所望の平面形状にパターニングすることによって、図６（ｂ）に示す構造を得る。なお、下部電極２０は、犠牲層１４の一部が露出するようにパターニングする。

その後、ベース基板１０の上記一表面側の全面に、後に犠牲層１４をエッチングする際に圧電薄膜３０を保護するためのＳｉ_３Ｎ_４膜からなる保護層６０をＣＶＤ法などにより成膜することによって、図６（ｃ）に示す構造を得る。

続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して保護層６０に犠牲層１４をエッチングするためのエッチング孔を形成してから、気相エッチング法などによりエッチング孔を通して犠牲層１４をエッチング除去することによって、図６（ｄ）に示す構造を得る。

その後は、実施形態１にて説明した製造方法と同様に、ベース基板１０の上記一表面側の全面にフォトレジストを回転途布してから、当該フォトレジストをパターニングすることで絶縁層３５の開孔部３６の形成予定領域に対応する部分に逆テーパ状のレジスト層を残存させ、続いて、ベース基板１０の上記一表面側の全面に絶縁層３５をＣＶＤ法などにより成膜し、引き続き、リフトオフ法によりレジスト層を除去することで絶縁層３５に開孔部３６を形成し、さらにその後、ベース基板１０の上記一表面側の全面に上部電極４０をスパッタ法や蒸着法などによって成膜し、次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上部電極４０を所望の平面形状にパターニングすることによって、図６（ｅ）に示す構造のＢＡＷ共振器を得る。なお、ＢＡＷ共振器の製造にあたっては、ウェハレベルで多数のＢＡＷ共振器を形成した後、ダイシング工程で個々のＢＡＷ共振器に分割すればよい。

以上説明した本実施形態のＢＡＷ共振器においても、実施形態１と同様に、圧電薄膜３０が、正方晶系で〔００１〕方向が当該圧電薄膜３０の厚み方向に配向した（００１）配向のＰＺＴ膜により構成されているので、３ＧＨｚ以上の高周波帯における帯域幅の広帯域化を図りつつ、Ｑ値および電気機械結合係数を高めることができる。

また、本実施形態のＢＡＷ共振器では、下部電極２０における圧電薄膜３０側とは反対側に空洞１３が形成されているので、下部電極２０および上部電極４０それぞれにおいて圧電薄膜３０の共振領域３０ａに重なる各部分それぞれが空気と接することとなり、エネルギ変換効率を高めることができる。

実施形態１のＢＡＷ共振器の概略断面図である。同上のＢＡＷ共振器の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上のＢＡＷ共振器の製造方法を説明するための主要工程断面図である。実施形態２のＢＡＷ共振器の概略断面図である。同上のＢＡＷ共振器の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上のＢＡＷ共振器の製造方法を説明するための主要工程断面図である。

符号の説明

１０ベース基板
１１シリコン基板
１２音響多層膜
１３空洞
２０下部電極
２５シード層
３０圧電薄膜
３５絶縁層
３６開孔部
４０上部電極

Claims

ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された下部電極と、下部電極におけるベース基板側とは反対側に形成された圧電薄膜と、圧電薄膜における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備えたＢＡＷ共振器であって、圧電薄膜は、正方晶系で〔００１〕方向が当該圧電薄膜の厚み方向に配向した（００１）配向のＰＺＴ膜からなり、圧電薄膜における下部電極側とは反対側に積層された絶縁層を備え、当該絶縁層は、上部電極から離れるほど開口面積が徐々に大きくなるテーパ状の開孔部を有し、上部電極は、絶縁層の表面と絶縁層における開孔部の内側面と圧電薄膜の表面とに跨って形成されており、開孔部の開口面積によって規定される上部電極と圧電薄膜との接触面積により、圧電薄膜における共振領域のインピーダンスが決められていることを特徴とするＢＡＷ共振器。
前記圧電薄膜と前記下部電極との間に前記圧電薄膜の結晶配向を制御するためのシード層を備えてなることを特徴とする請求項１記載のＢＡＷ共振器。
前記ベース基板は、前記圧電薄膜で発生したバルク弾性波を反射させる音響多層膜が前記一表面側に形成されてなり、前記下部電極は、音響多層膜上に形成されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のＢＡＷ共振器。
前記ベース基板は、前記下部電極における前記圧電薄膜側とは反対側に空洞が形成されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のＢＡＷ共振器。