JP4924993B2 - 薄膜圧電共振器とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜圧電共振器とその製造方法に関するものである。薄膜圧電共振器は、例えば通信機器を構成するのに利用される。

セルラ電話機等の通信機器のＲＦ回路部には常に小型化が求められる。最近では、セルラ電話機に多様な機能を付与することが要望されており、その実現のためにはできるだけ多くのコンポーネントを組み込むことが好ましい。一方でセルラ電話機の大きさには制約があるので、結局、通信機器におけるＲＦ回路部の専有面積（実装面積）及び高さの低減の要求が厳しい。従って、ＲＦ回路部を構成するコンポーネントについても専有面積が小さく高さの低いものが求められている。

このような事情から、ＲＦ回路に使用される帯域通過フィルタとして、小型でかつ軽量化が可能である薄膜圧電共振器を用いた薄膜圧電フィルタが利用されるようになっている。薄膜圧電共振器は、半導体基板上に上下の電極で挟まれるように窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の圧電層を形成し、且つ弾性波エネルギーが半導体基板中に漏洩しないように、その直下に振動空間または音響反射層を設けたものである。

前述したように薄膜圧電共振器は大別して２種類が存在する。第１番目のものは、上部電極、下部電極および圧電層からなる圧電共振器スタックの直下に空洞を設けたＦｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ（ＦＢＡＲ）である。第２番目のものは、基板上に音響インピーダンスが異なる２種類の層を交互に積層してなる音響反射層上に圧電共振器スタックを形成したＳｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ（ＳＭＲ）である。

非特許文献１および２には、以上のような薄膜圧電共振器は、半導体基板の導電性の影響により、共振器特性の劣化、特に、反共振周波数におけるインピーダンスの低下を招くことが指摘されている。また、特許文献１には、半導体基板の上表面の全体に絶縁層を設けることにより、共振器特性に対する半導体基板の導電性の影響を低減する手法が述べられている。

特開２００３−３１８６９６号公報 「ＩＮＦＬＵＥＮＣＥ ＯＦ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ ＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ ＯＮ ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＳ ＯＦ ＺｎＯ／ＳｉＯ２−ＤＩＡＰＨＲＡＧＭ ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣ ＲＥＳＯＮＡＴＯＲＳ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９８３、Ｖｏｌ．１９、ｐｐ．５２１−５２２ 「ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＥＤ ＨＩＧＨ ＣＯＵＰＬＩＮＧ ＡＮＤ ＨＩＧＨ ＱＵＡＬＩＴＹ ＦＡＣＴＯＲ ＺｎＯ／ＳｉＯ２ ＢＵＬＫ ＷＡＶＥ ＲＥＳＯＮＡＴＯＲＳ ＯＮ ＨＩＧＨ ＲＥＳＩＳＴＡＮＣＥ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ １９８４、ｐｐ．４０５−４１０

薄膜圧電フィルタには、通過帯域での挿入損失を低減することと通過帯域外での減衰を大きくすることとが求められている。そのため、薄膜圧電共振器としては、共振周波数におけるインピーダンスを小さくし且つＱ値を高めるとともに、反共振周波数におけるインピーダンスを大きくし且つＱ値を高めることが求められている。

前述したように、薄膜圧電共振器の共振特性、特に、反共振周波数におけるインピーダンスは、圧電共振器スタックを支持する半導体基板の導電性の影響を受ける。非特許文献２に記載されるように半導体基板として高抵抗のＧａＡｓ基板を用いることにより、共振特性に対する半導体基板の影響を小さくすることはできるが、ＧａＡｓ基板は、Ｓｉ基板に比べ高価であるとともに、ウェハサイズの大径化が困難であるため、製造工程においても低価格化が困難である。

また、特許文献１に述べられているように薄膜圧電共振器において半導体基板上に絶縁層を形成し該絶縁層上に圧電共振器スタックを形成しても、それのみでは、薄膜圧電共振器の共振器特性、特に、反共振周波数におけるインピーダンスの低下を十分には抑えられず、薄膜圧電フィルタの特性の向上は未だ十分ではない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、反共振周波数におけるインピーダンスの低下を抑制した高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を提供することを目的としたものである。

本発明によれば、
半導体基板と、該半導体基板の表面上に該半導体基板に接するように形成された絶縁層と、該絶縁層の上方に形成され、絶縁層側から順に下部電極と圧電層と上部電極とを有する圧電共振器スタックと、を有する薄膜圧電共振器において、前記絶縁層中の固定電荷密度が１×１０^１１ｃｍ^−２以下であることを特徴とする薄膜圧電共振器、
が提供される。

本発明の一態様においては、前記絶縁層が二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムおよび酸化タンタルからなる群から選ばれる少なくとも一種の材質を主成分とする絶縁体で形成されている。

本発明の一態様においては、前記絶縁層の厚さが０．０１乃至３．０μｍである。

本発明の一態様においては、前記半導体基板が結晶方位（１００）の表面を持つシリコン単結晶基板である。

本発明の一態様においては、前記半導体基板がシリコン単結晶基板の表面上にノンドープ多結晶シリコン層を形成した基板であり、前記絶縁層が前記ノンドープ多結晶シリコン層上に形成されている。

本発明の一態様においては、前記半導体基板の電気抵抗率が２０００Ω・ｃｍ以上である。

本発明の一態様においては、前記圧電共振器スタックが、前記上部電極の上、および／又は前記下部電極の下に、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、窒化ケイ素、およびサイアロンからなる群より選択される少なくとも一種の材質を主成分とする誘電体層を有する。

また、本発明によれば、以上のような薄膜圧電共振器を製造する方法であって、半導体基板に接して絶縁層を形成した後、非酸化性ガス雰囲気下、３００℃以上の熱処理をすることを特徴とする薄膜圧電共振器の製造方法、が提供される。

また、本発明によれば、以上のような薄膜圧電共振器を製造する方法であって、半導体基板に接して絶縁層を形成した後、紫外光照射処理をすることを特徴とする薄膜圧電共振器の製造方法、が提供される。

本発明の薄膜圧電共振器によれば、絶縁層中の固定電荷密度を１×１０^１１ｃｍ^−２以下とすることにより、反共振周波数におけるインピーダンスの低下を招くことなく、高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を実現することができる。

本発明の薄膜圧電共振器において、絶縁層を二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムおよび酸化タンタルからなる群から選ばれる少なくとも一種の材質を主成分とする絶縁体で形成することにより、特に固定電荷密度を低減させた良質の絶縁層を形成することができる。

本発明の薄膜圧電共振器において、絶縁層の厚さを０．０１乃至３．０μｍとすることにより、特に固定電荷密度を低減させた良質の絶縁層を形成することができる。

本発明の薄膜圧電共振器において、半導体基板として結晶方位（１００）の表面を持つシリコン単結晶基板を用いることにより、特に固定電荷密度を低減させた良質の絶縁層を形成することができる。

本発明の薄膜圧電共振器において、半導体基板としてシリコン単結晶基板の表面上にノンドープ多結晶シリコン層を形成した基板を用い、絶縁層をノンドープ多結晶シリコン層上に形成することにより、共振器特性が絶縁層の固定電荷密度の影響を受けにくくなり、反共振周波数におけるインピーダンスの低下を容易に抑制できる。

本発明の薄膜圧電共振器において、半導体基板の電気抵抗率を２０００Ω・ｃｍ以上とすることにより、反共振周波数におけるインピーダンスをより大きくすることができる。

本発明の薄膜圧電共振器において、圧電共振器スタックの上部電極の上、および／又は下部電極の下に、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、窒化ケイ素、およびサイアロンからなる群より選択される少なくとも一種の材質を主成分とする誘電体層を形成することことにより、薄膜圧電共振器の共振特性の劣化を招くことなく、下部電極および／又は上部電極の保護が可能となる。

また、本発明の薄膜圧電共振器の製造方法によれば、半導体基板に接して絶縁層を形成した後、非酸化性ガス雰囲気下、３００℃以上の熱処理をすることにより、絶縁層中の固定電荷密度の低減が容易になる。

また、本発明の薄膜圧電共振器の製造方法によれば、半導体基板に接して絶縁層を形成した後、紫外光照射処理をすることにより、絶縁層中の固定電荷密度の低減が容易になる。

本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す模式的平面図である。 図１ＡのＸ−Ｘ断面図である。 本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す断面図である。 本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す断面図である。 本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す断面図である。 本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す模式的平面図である。 図５ＡのＸ−Ｘ断面図である。 本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す断面図である。 ｎ型半導体基板及び絶縁層における固定電荷の影響を示す模式図である。 ｐ型半導体基板及び絶縁層における固定電荷の影響を示す模式図である。 ｐ型半導体基板及び絶縁層における固定電荷の影響を示す模式図である。 金属／絶縁層／ｎ型半導体基板におけるＣ−Ｖ曲線を示す模式図である。 金属／絶縁層／ｐ型半導体基板におけるＣ−Ｖ曲線を示す模式図である。 実施例１で得られた薄膜圧電共振器の周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）―インピーダンスの関係を示す図である。 絶縁層中の固定電荷密度と薄膜圧電共振器の反共振周波数におけるインピーダンスとの関係を示す図である。 比較例１で得られた薄膜圧電共振器の周波数―インピーダンスの関係を示す図である。

符号の説明

２ 圧電層
４ 振動空間
６ 絶縁層
８ 半導体基板
８Ａ シリコン単結晶基板
８Ｂ ノンドープ多結晶シリコン層
１０ 下部電極
１０Ａ 下部電極主体部
１０Ｂ 下部電極接続端子部
１２ 上部電極
１２Ａ 上部電極主体部
１２Ｂ 上部電極接続端子部
１４ 圧電共振器スタック
１８ 犠牲層エッチング用貫通孔
２２ 下部誘電体層
２４ 上部誘電体層
２６ 音響反射層

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。尚、以下に説明する図面においては同等の機能を有する部材又は部分には同一または対応する符号が付されている。

図１Ａは本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す模式的平面図であり、図１Ｂは図１ＡのＸ−Ｘ断面図である。本実施形態の薄膜圧電共振器は、シリコン等の半導体からなる半導体基板８と、該半導体基板８の表面（上面）上に半導体基板８に接するように形成された絶縁層６と、該絶縁層６の上方に形成され、絶縁層６側から順に下部電極１０と圧電層２と上部電極１２とを有する圧電共振器スタック１４と、を有する。

半導体基板８と圧電共振器スタック１４との間には、絶縁層６の存在しない空洞領域として振動空間４が形成されている。この振動空間４は、圧電共振器スタック１４の下部電極１０と上部電極１２とが厚み方向で重なる領域すなわち振動領域に対応して位置している。圧電共振スタック１４の上方側は全体的に大気と接している。従って、振動空間４に対応する圧電共振スタック１４の振動領域は、振動が許容される。圧電共振スタック１４の振動領域及び振動空間４は、平面形状（上下方向に見たときの形状）が円形であり、直径がたとえば５０μｍ〜４００μｍである。本実施形態では圧電共振スタック１４の振動領域及び振動空間４の平面形状が円形であるが、本発明においては、圧電共振スタック１４の振動領域及び振動空間の平面形状は、正方形、長方形及び台形などの矩形状、あるいはその他の規則的または不規則的な曲線または直線により構成される形状であってもよい。

下部電極１０は、パターン状に形成されており、円形状の主体部１０Ａと接続端子部１０Ｂとからなる。同様に、上部電極１２は、パターン状に形成されており、円形状の主体部１２Ａと接続端子部１２Ｂとからなる。下部電極主体部１０Ａは、振動空間４より僅かに大きな平面寸法（上下方向に見たときの寸法）すなわち僅かに大きな直径を持ち、振動空間４を上方から塞いでいる。上部電極主体部１２Ａは、振動空間４より僅かに小さな平面寸法すなわち僅かに小さな直径を持ち、振動空間４及び下部電極主体部１０Ａに対応して位置する。圧電共振スタック１４の振動領域は、下部電極主体部１０Ａと上部電極主体部１２Ａとが圧電層２を介して重畳している領域である。このように、圧電共振スタック１４は、振動領域の全体においては下部電極１０と圧電層２と上部電極１２との積層構造を持つが、それ以外の領域においては、圧電層２のみの単独構造、圧電層２と下部電極１０との積層構造、あるいは圧電層２と上部電極１２との積層構造を持つ。

振動空間４は、圧電共振器スタック１４の上部電極１２、圧電層２及び下部電極１０の積層構造を上下方向に貫通するように形成された貫通小孔１８を介して、外気と連通している。

本実施形態の薄膜圧電共振器では、絶縁層６中の固定電荷密度は１×１０^１１ｃｍ^−２以下である。以下、絶縁層６における固定電荷及びその密度につき説明する。

図７Ａ〜図７Ｃは、半導体基板に接するように形成された絶縁層中に発生する固定電荷の様子を模式的に示したものである。半導体基板に接するように絶縁層を形成した場合、絶縁層中の半導体基板との界面近傍に固定電荷と呼ばれる通常正電荷が存在することが知られている。本発明者は、この固定電荷が薄膜圧電共振器の特性に影響することを見いだした。本発明は、この知見に基づき、絶縁層中の固定電荷の密度を適正化することで反共振周波数におけるインピーダンスの低下を抑制した高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を提供するものである。

絶縁層の半導体基板との界面近傍に正電荷が存在した場合、半導体基板がｎ型半導体からなるものであれば、図７Ａに示すように半導体基板の多数キャリアである電子が界面近傍に集まることになる。この現象を蓄積と呼ぶ。半導体基板の表面に形成された蓄積層は、電気抵抗率が低い低抵抗層として働き、蓄積層が形成された半導体基板上の絶縁層上に圧電共振スタックを形成して薄膜圧電共振器を作製した場合、反共振周波数におけるインピーダンスの低下を招く。また、半導体基板がｐ型半導体からなるものの場合には、図７Ｂに示すように、多数キャリアである正孔は、クーロン力により半導体基板表面から排斥され、空乏層が形成される。さらに絶縁層の固定電荷が増加すると、図７Ｃに示すように少数キャリアである電子が半導体表面に集まり、反転層を形成する。半導体表面に形成された反転層は、電気抵抗率が低い低抵抗層として作用し、蓄積層と同様に、薄膜圧電共振器の特性劣化を引き起こす。

本発明の薄膜圧電共振器では、絶縁層６中の固定電荷密度を１×１０^１１ｃｍ^−２以下としているので、蓄積層または反転層のキャリア密度を低減させることができ、反共振周波数におけるインピーダンスの低下を招くことなく高いＱ値を実現することができる。絶縁層６中の固定電荷密度の下限値は、理論上の下限値である０ｃｍ^−２である。

絶縁層６中の固定電荷の密度は以下のようにして求めることができる。図８Ａは、半導体基板がｎ型半導体からなる場合の絶縁層６上に形成した電極と半導体基板との間のＣ−Ｖ特性を示す図である。図中、破線で示すのが、固定電荷が生成していない場合の理論的Ｃ−Ｖ曲線である。また、実線で示すのが、固定電荷が生成している場合に実測されるＣ−Ｖ曲線である。絶縁層６中に固定電荷が生成している場合、Ｃ−Ｖ曲線は右側（プラス電圧側）にシフトすることになり、フラットバンド電圧の理論値からのシフト量ΔＶ及び絶縁層の誘電率及び厚みから算出される絶縁層容量Ｃ_ｉｎｓに基づき、下記の式（１）を用いて固定電荷密度を求めることができる。図８Ｂは、ｐ型半導体基板を用いた場合のＣ−Ｖ曲線である。ｐ型半導体基板においても、固定電荷が生成した場合に実測されるＣ−Ｖ曲線は右側（プラス電圧側）にシフトすることになり、ｎ型半導体基板を用いた場合と同様に、フラットバンド電圧のシフト量ΔＶ及び絶縁層容量Ｃ_ｉｎｓに基づき、式（１）を用いて固定電荷密度を求めることができる。

ΔＶ＝Ｑ_ｆ／Ｃ_ｉｎｓ （１）
ΔＶ：理論的Ｃ−Ｖ曲線からのフラットバンド電圧のシフト量
Ｑ_ｆ：固定電荷密度
Ｃ_ｉｎｓ：絶縁層容量

本発明の薄膜圧電共振器においては、絶縁層６を二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸窒化ケイ素（Ｓｉ_２ＯＮ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘＮ_ｙ（ここで、ｘ及びｙは例えば、０．９＜ｘ＜１．４、０．１＜ｙ＜０．５を満たす。））、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）および酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）からなる群から選ばれる少なくとも一種の材質を主成分とする絶縁体で形成すること、及び／または、絶縁層６の厚さを０．０１乃至３．０μｍとすることは、さらに絶縁層６中に生成する固定電荷密度を小さくすることができるので好ましい。本発明において、「主成分とする」とは、層中における含有量が５０モル％以上であることを示す。また、半導体基板８として結晶方位（１００）面のシリコン単結晶基板を用いることは、さらに絶縁層６中に生成する固定電荷密度が小さくなるので好ましい。

また、本発明の薄膜圧電共振器においては、絶縁層６中の固定電荷密度を１×１０^１１ｃｍ^−２以下とすることと組み合わせて、半導体基板８の電気抵抗率を２０００Ω・ｃｍ以上とすることは、半導体基板８の低抵抗層の影響を排除することが可能となり、反共振周波数におけるインピーダンスを低下させること無く高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を得られるので好ましい。半導体基板８の電気抵抗率の上限値としては、実際的に５０万Ω・ｃｍが例示される。

本実施形態の薄膜圧電共振器は、例えば次のように作製することができる。シリコン基板などの半導体基板８上に、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の成膜技術により絶縁層を形成する。絶縁層がＳｉＯ_２からなる場合には熱酸化により絶縁層を形成することも可能である。その後、スパッタリング法、蒸着法などの成膜法により、エッチング液にて容易に溶解する犠牲層を形成し、湿式エッチング、ＲＩＥ、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて、振動空間４を形成すべき位置に犠牲層を残留させるように、パターニングする。犠牲層としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）などの金属またはそれらの酸化物が適当である。その後、スパッタリング法、蒸着法などの成膜方法で下部電極１０、圧電層２、上部電極１２を成膜するとともに、湿式エッチング、ＲＩＥ、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて各層をパターニングする。下部電極および上部電極は、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）のような、薄膜として製造でき、パターニングが可能な金属材料、または、それらの積層体からなるものでよい。その後、前記パターニング技術を用いて、上部電極上面から犠牲層にまで達する貫通孔１８を形成した後、該貫通孔１８を介して供給されるエッチング液にて犠牲層を除去する。さらに、絶縁層のエッチングが可能なエッチング液を選択し、絶縁層をエッチングすることにより、犠牲層と同一パターンで絶縁層をエッチングすることができる。これにより除去された犠牲層及び絶縁層の部分に振動空間４が形成される。

固定電荷密度を１×１０^１１ｃｍ^−２以下に低減させた絶縁層６を形成する方法として、主に、２つの製造方法が挙げられる。一つは、半導体基板８に接して絶縁層を形成した後、非酸化性ガス雰囲気下、３００℃以上で熱処理する方法である。この熱処理は、半導体基板８に接して絶縁層が形成されていれば、その上に圧電共振器スタックが存在するかどうかは関係なく、行うことができる。従って、熱処理は、薄膜圧電共振器の基本構成を形成しつつあるときに行ってもよく、圧電薄膜共振器の基本構成が完成した後に行ってもよい。すなわち、絶縁層形成工程以降に、Ｎ_２、Ａｒ、Ｎ_２／Ｈ_２混合ガス、Ａｒ／Ｈ_２混合ガスなどの非酸化性ガスの雰囲気下にて、３００℃以上の温度で熱処理する。熱処理温度は３００℃以上であればよいが、６００℃以下が好ましい。これは、熱処理温度が６００℃を超える場合には、固定電荷密度の低減幅が小さくなるとともに、圧電共振器を構成する電極材料としてアルミニウム（Ａｌ）を用いた場合に、高温での熱処理により粒成長が起こる傾向があるからである。

固定電荷密度を１×１０^１１ｃｍ^−２以下に低減させた絶縁層６を形成するもう一つの方法は、半導体基板８に接して絶縁層を形成した後、紫外線照射する方法である。この紫外線照射は、半導体基板８に接して絶縁層が形成されていれば、その上に圧電共振器スタックが存在するかどうかは関係なく、行うことができる。従って、紫外線照射は、薄膜圧電共振器の基本構成を形成しつつあるときに行ってもよく、圧電薄膜共振器の基本構成が完成した後に行ってもよい。すなわち、絶縁層形成工程以降に、１００ｍＷ／ｃｍ^２以上の照射強度で紫外線を照射する。紫外線の照射強度は１００ｍＷ／ｃｍ^２以上であればよいが１０Ｗ／ｃｍ^２以下が好ましい。これは、紫外線照射強度が１０Ｗ／ｃｍ^２を超える場合には、固定電荷密度の低減幅が小さくなる傾向があるからである。

また、本発明の実施形態として、図１Ａ及び図１Ｂに示した実施形態以外に、図２および図３に示すような実施形態もある。図２及び図３は、それぞれ本発明の薄膜圧電共振器の他の実施形態を示す断面図である。図１Ａ及び図１Ｂの実施形態では絶縁層６に振動空間４を形成していたが、図２の実施形態では半導体基板８に振動空間４を形成している。その他は図１Ａ及び図１Ｂの実施形態と同様である。図３の実施形態は、半導体基板８に振動空間４を形成している点は図２と同様であるが、振動空間４を半導体基板８を貫通するように形成している点が異なる。また、その作製に際しては犠牲層を使用しないので、圧電共振器スタック１４にエッチング用貫通孔は設けられていない。その他は図１Ａ及び図１Ｂの実施形態と同様である。従って、図２の実施形態及び図３の実施形態では、絶縁層６は振動空間４の上方にも存在する。

図２に示した薄膜圧電共振器は、例えば次のようにして作製することができる。シリコン基板などの半導体基板８の表面に湿式エッチング等の技術によりピット部を形成した後、ＣＶＤ法等の成膜技術により犠牲層を形成する。その後、ＣＭＰ法などの平坦化技術により犠牲層及び基板の全体表面を平坦化し、ピット部内にのみ犠牲層を残留させる。犠牲層としては、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ−ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）のように、容易にエッチングされる材料が適当である。スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法などの成膜方法、または熱酸化法により絶縁層を形成した後、前述の成膜方法により下部電極１０、圧電層２、上部電極１２を成膜するとともに、湿式エッチング、ＲＩＥ、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて各層をパターニングする。更に、前記パターニング技術を用いて、基板上面から犠牲層まで達する貫通孔１８を形成した後、該貫通孔１８を介して供給されるエッチング液により犠牲層を除去する。これにより、ピット部は振動空間４となる。尚、固定電荷密度を１×１０^１１ｃｍ^−２以下に低減させた絶縁層６を形成する方法は、前述のものと同様である。

図３に示した薄膜圧電共振器は、例えば次のようにして作製することができる。シリコン基板などの半導体基板８上に、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法等の成膜技術、または熱酸化により絶縁層を形成する。その後、前述の成膜方法で下部電極１０、圧電層２、上部電極１２を成膜するとともに、湿式エッチング、ＲＩＥ、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて各層をパターニングする。その後、半導体基板８の裏面（下面）より、異方性湿式エッチング、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ等の深掘エッチング技術にて絶縁層下までエッチングすることにより振動空間４を形成することができる。尚、固定電荷密度を１×１０^１１ｃｍ^−２以下に低減させた絶縁層６を形成する方法は、前述のものと同様である。

また、本発明における別の実施形態として、図４に示すように、半導体基板８がシリコン単結晶基板８Ａ上にノンドープ多結晶シリコン層８Ｂを形成した基板であり、絶縁層６をノンドープ多結晶シリコン層８Ｂ上に形成した薄膜圧電共振器もある。絶縁層６をノンドープ多結晶シリコン層８Ｂ上に形成した場合、ノンドープ多結晶シリコン層８Ｂはキャリアトラップ層として作用し、前記蓄積層や反転層が形成されにくい。このため、反共振周波数におけるインピーダンスを低下させること無く、高いＱ値を有する薄膜圧電共振器が得られる。図４記載の薄膜圧電共振器は、ノンドープ多結晶シリコン層８Ｂを形成する点以外は、図１Ａ及び図１Ｂの実施形態と同様であり、同様の方法にて作製することができる。

また、本発明における更に別の実施形態として、図５Ａ及び図５Ｂに示すような実施形態もある。図５Ａは本実施形態の模式的平面図であり、図５Ｂは図５ＡのＸ−Ｘ断面図である。図１Ａ及び図１Ｂから図４までのそれぞれの実施形態では、圧電共振スタック１４の下側に振動空間４が形成されていたが、図５Ａ及び図５Ｂに示す実施形態では、圧電共振スタック１４の下側に音響反射層２６が形成されている。その他は図１Ａ及び図１Ｂの実施形態と同様である。

図５Ａ及び図５Ｂに示すような薄膜圧電共振器は、例えば次のようにして作製することができる。Ｓｉ基板などの半導体基板８上にスパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法などの成膜技術、または熱酸化法により絶縁層を形成した後、湿式エッチング等の技術により絶縁層および半導体基板８にピット部を形成した後、前述の成膜技術により音響反射層２６を形成する。その後、ＣＭＰ法などの平坦化技術により基板上の絶縁層および音響反射層２６の全体表面を平坦化し、ピット部内にのみ音響反射層２６が堆積された形態とする。音響反射層２６において、低インピーダンス層としてはＳｉＯ_２やＡｌＮなどの音響インピーダンスの小さな材料が好ましく、高インピーダンス層としてはＭｏ、Ｗ、Ｔａ_２Ｏ_５などの音響インピーダンスの大きな材料が好ましい。音響反射層２６は、低インピーダンス層と高インピーダンス層とを、それぞれの厚みが弾性波の４分の１波長に相当するように交互に積層することにより、作製される。スパッタリング法、蒸着法などの成膜方法で下部電極１０、圧電層２、上部電極１２を成膜するとともに、湿式エッチング、ＲＩＥ、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて各層をパターニングすることにより、図５Ａ及び図５Ｂに記載の薄膜圧電共振器を作製できる。尚、固定電荷密度を１×１０^１１ｃｍ^−２以下に低減させた絶縁層６を形成する方法は、前述のものと同様である。

本発明における薄膜圧電共振器には、図６に示すように、下部電極１０の下側に誘電体層２２を形成し、上部電極１２の上側に誘電体層２４を形成した実施形態もある。誘電体層は、下部電極の下側及び上部電極の上側のどちらか一方だけに形成してもよい。本実施形態では、誘電体層も含めたものが圧電共振器スタック１４を構成する。絶縁層６と下部誘電体層２２との区別に関しては、本発明では、半導体基板８と直接接していない誘電体層を下部誘電体層２２とし、半導体基板と直接接している誘電体層を絶縁層６としている。下部誘電体層２２及び上部誘電体層２４としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘＮ_ｙ（ここで、ｘ及びｙは例えば、０．９＜ｘ＜１．４、０．１＜ｙ＜０．５を満たす。））、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、およびサイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）などの比較的弾性率の大きな材料からなるものが好ましく、これらからなる群より選択される少なくとも一種の材質を主成分とする誘電体層から形成されることが好ましい。その他は図１Ａ及び図１Ｂの実施形態と同様であり、同様の方法にて作製することができる。

図６に示す下部誘電体層２２および／又は上部誘電体層２４を有した薄膜圧電共振器であっても、図１Ａ及び図１Ｂから図５Ａ及び図５Ｂまでのそれぞれの実施形態の薄膜圧電共振器と同様に、反共振周波数におけるインピーダンスの低下を抑制した高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を得ることができる。さらに、下部誘電体層２２および／又は上部誘電体層２４を設けることにより、下部電極１０および／又は上部電極１２を保護することができる。

（実施例１）
振動領域の直径を２００μｍとした図１Ａ及び図１Ｂの形態の薄膜圧電共振器を作製した。本実施例での各構成層の材質及び厚みは次のように設定した。絶縁層６をＳｉＯ_２からなる厚み１μｍのものとし、下部電極１０をＭｏからなる厚み３００ｎｍのものとし、圧電層２をＡｌＮからなる厚み１２００ｎｍのものとし、上部電極１２をＭｏからなる厚み１５０ｎｍの層とＡｌからなる厚み１５０ｎｍの層との積層電極とした。また、本実施例で使用した半導体基板８としては、電気抵抗率が２０００Ω・ｃｍで結晶方位（１００）の表面を持つｎ型Ｓｉ基板を用いた。本実施例では、製造工程の最終段階で、Ｎ_２／Ｈ_２混合ガス雰囲気下、４００℃の条件で熱処理を行った。図８Ａに関して説明したように、下部電極１０とＳｉ基板８との間のＣ−Ｖ特性を測定し、固定電荷密度を求めたところ、３×１０^１０ｃｍ^−２であった。図９に作製した薄膜圧電共振器の周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）―インピーダンス（Ｚ）の関係を示す。反共振周波数におけるインピーダンスが２７００Ωで、Ｑ値が９８０であり、良好な共振器特性を示している。

図１０には、Ｎ_２／Ｈ_２混合ガス雰囲気下での熱処理条件、または、熱処理に代わって又はそれと共に行われる紫外線照射の条件を種々変化させた場合の、固定電荷密度と反共振周波数におけるインピーダンスとの関係を示す。図１０より明らかなように、固定電荷密度が１×１０^１１ｃｍ^−２以下では、反共振周波数におけるインピーダンスの低下は小さく、良好な共振特性が得られることがわかる。

（比較例１）
Ｎ_２／Ｈ_２混合ガス雰囲気下での熱処理を行わないこと以外は実施例１と同様にして薄膜圧電共振器を作製した。固定電荷密度を求めたところ、５×１０^１１ｃｍ^−２であった。図１１に作製した薄膜圧電共振器の周波数―インピーダンスの関係を示す。反共振周波数におけるインピーダンスが１２００Ωであり実施例１に比較して低下するとともに、Ｑ値が６００であり実施例１に比較して劣化している。

Claims (6)

1. 半導体基板と、該半導体基板の表面上に該半導体基板に接するように形成された絶縁層と、該絶縁層の上方に形成され、絶縁層側から順に下部電極と圧電層と上部電極とを有する圧電共振器スタックと、を有する薄膜圧電共振器において、
   前記半導体基板がシリコン単結晶基板の表面上にノンドープ多結晶シリコン層を形成した基板であり、
   前記絶縁層が前記ノンドープ多結晶シリコン層上に形成されており、
   前記絶縁層中の固定電荷密度が１×１０^１１ｃｍ^−２以下であり、
   前記半導体基板の電気抵抗率が２０００Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする薄膜圧電共振器。
2. 前記絶縁層が二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムおよび酸化タンタルからなる群から選ばれる少なくとも一種の材質を主成分とする絶縁体で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜圧電共振器。
3. 前記絶縁層の厚さが０．０１乃至３．０μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜圧電共振器。
4. 前記圧電共振器スタックが、前記上部電極の上、および／又は前記下部電極の下に、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、窒化ケイ素、およびサイアロンからなる群より選択される少なくとも一種の材質を主成分とする誘電体層を有することを特徴とする、請求項１に記載の薄膜圧電共振器。
5. 請求項１に記載の薄膜圧電共振器を製造する方法であって、半導体基板に接して絶縁層を形成した後、非酸化性ガス雰囲気下、３００℃以上の熱処理をすることを特徴とする薄膜圧電共振器の製造方法。
6. 請求項１に記載の薄膜圧電共振器を製造する方法であって、半導体基板に接して絶縁層を形成した後、紫外光照射処理をすることを特徴とする薄膜圧電共振器の製造方法。