JP5096695B2 - Thin film acoustic resonator - Google Patents
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本発明は、音響反射部を備えた薄膜音響共振器に関する。 The present invention relates to a thin film acoustic resonator provided with an acoustic reflecting portion.
近年、携帯電話端末のマルチバンド化に伴い、共用器及び段間フィルタ等は、従来よりもさらに低挿入損失で且つ急峻な減衰特性が要求されている。薄膜音響共振器(Film Bulk Acoustic Resonator:FBAR)は圧電薄膜中を伝播する弾性波の厚さ方向の共振を利用した音響共振器で、これをラダー接続したFBARフィルタは、低損失と急峻な減衰特性が実現できるフィルタとして注目されている。 In recent years, with the increase in the number of mobile phone terminals, duplexers, interstage filters, and the like are required to have a lower insertion loss and a steep attenuation characteristic than before. A thin film acoustic resonator (FBAR) is an acoustic resonator that uses resonance in the thickness direction of an elastic wave propagating in a piezoelectric thin film. A ladder-connected FBAR filter has low loss and sharp attenuation. It has attracted attention as a filter that can realize the characteristics.
薄膜音響共振器は、圧電膜並びに圧電膜の上面及び下面に配置された上部電極及び下部電極からなる共振部を備えている。さらに、圧電膜を励振させることにより発生した音響波を共振部内に閉じ込めるため、共振部の上下に空洞部又は音響反射部等を設ける必要がある。音響反射部は、基板の上に交互に積層された低音響インピーダンス層と、低音響インピーダンス層と比べて音響インピーダンスが大きい高音響インピーダンス層とからなる。 The thin-film acoustic resonator includes a piezoelectric film and a resonance part including an upper electrode and a lower electrode disposed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric film. Furthermore, in order to confine the acoustic wave generated by exciting the piezoelectric film in the resonance part, it is necessary to provide a cavity part or an acoustic reflection part above and below the resonance part. The acoustic reflection unit includes a low acoustic impedance layer that is alternately stacked on the substrate, and a high acoustic impedance layer that has a larger acoustic impedance than the low acoustic impedance layer.
薄膜音響共振器の共振特性は、圧電体の結晶性に影響され、優れたフィルタ特性を実現するためには、結晶性の良好な圧電膜が不可欠である。さらに、良好な結晶性を有する圧電膜を得るためには、下地である下部電極、さらにはその下部電極の下地となる音響反射部の上面を平滑にする必要があることが一般的に知られている。 The resonance characteristics of the thin-film acoustic resonator are affected by the crystallinity of the piezoelectric body, and a piezoelectric film with good crystallinity is indispensable for realizing excellent filter characteristics. Furthermore, it is generally known that in order to obtain a piezoelectric film having good crystallinity, it is necessary to smooth the upper surface of the lower electrode that is the base and the acoustic reflection portion that is the base of the lower electrode. ing.
通常の化学気相堆積(CVD)法又はスパッタ法等を用いて基板の上に低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層とを交互に堆積して音響反射部を形成した場合には、各層の表面の凹凸が積層により増長され、音響反射部の表面を平滑にすることが非常に困難である。このため、音響反射部を形成した後に、化学機械的研磨(CMP)法を用いて音響反射部の表面を平滑化したり、バイアススパッタ法を用いて音響反射部を堆積することにより音響反射部の表面を平滑したりする方法が試みられている(例えば、特許文献1を参照。)。
しかしながら、前記従来の音響反射部の形成方法においては、得られた音響反射部の上面の平滑性が十分でないという問題や、CMP法を用いて音響共振器の上面を平滑化する場合には、工程が複雑化してしまうという問題がある。 However, in the conventional method of forming the acoustic reflection portion, the problem that the smoothness of the upper surface of the obtained acoustic reflection portion is not sufficient, or when the upper surface of the acoustic resonator is smoothed using the CMP method, There is a problem that the process becomes complicated.
本発明は、前記従来の問題を解決し、平滑な表面の上に形成された結晶性が良好な圧電膜を備えた薄膜音響共振器を実現できるようにすることを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems and to realize a thin film acoustic resonator including a piezoelectric film having a good crystallinity formed on a smooth surface.
前記の目的を達成するため、本発明は薄膜音響共振器を、音響反射部と音響共振部との間に形成された平滑化層を備えている構成とする。 In order to achieve the above object, the present invention has a configuration in which a thin film acoustic resonator is provided with a smoothing layer formed between an acoustic reflector and an acoustic resonator.
具体的に、本発明に係る薄膜音響共振器は、基板と、基板の上に低音響インピーダンス層及び該低音響インピーダンス層と比べて音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス層が交互に積層されてなる音響反射部と、音響反射部の上に下部電極と圧電膜と上部電極とが順次積層されてなる音響共振部とを備え、音響反射部は、該音響反射部の上部に平滑化層を含むことを特徴とする。 Specifically, the thin film acoustic resonator according to the present invention includes a substrate, a low acoustic impedance layer on the substrate, and a high acoustic impedance layer having a higher acoustic impedance than the low acoustic impedance layer. A reflection unit, and an acoustic resonance unit in which a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are sequentially stacked on the acoustic reflection unit, and the acoustic reflection unit includes a smoothing layer above the acoustic reflection unit. It is characterized by.
本発明の薄膜音響共振器は、音響反射部がその上部に平滑化層を含むため、音響反射部の上面の平滑性が向上する。これにより、音響反射部上に形成する圧電膜の結晶性が向上し、優れた共振特性を持つ薄膜音響共振器が実現できる。 In the thin film acoustic resonator of the present invention, since the acoustic reflection part includes a smoothing layer on the upper part, the smoothness of the upper surface of the acoustic reflection part is improved. Thereby, the crystallinity of the piezoelectric film formed on the acoustic reflector is improved, and a thin film acoustic resonator having excellent resonance characteristics can be realized.
薄膜音響共振器において、平滑化層は、音響反射部の最上部に形成されていることが好ましい。この場合において、平滑化層は、低音響インピーダンス層として機能することが好ましい。 In the thin film acoustic resonator, the smoothing layer is preferably formed on the uppermost portion of the acoustic reflection portion. In this case, the smoothing layer preferably functions as a low acoustic impedance layer.
薄膜音響共振器において、平滑化層は、音響反射部の最も上側に積層された高音響インピーダンス層と低音響インピーダンス層との間に形成されていてもよい。 In the thin film acoustic resonator, the smoothing layer may be formed between the high acoustic impedance layer and the low acoustic impedance layer that are stacked on the uppermost side of the acoustic reflection portion.
本発明の薄膜音響共振器において、平滑化層は、スピンコート可能な材料により形成された膜であることが好ましい。この場合において、スピンコート可能な材料により形成された膜は、スピンオングラス膜、フッ素系樹脂膜、シリコン系樹脂膜又はエポキシ系樹脂膜であることが好ましい。このような構成とすることにより、平滑化層の上面を確実に平滑にすることが可能となる。 In the thin film acoustic resonator of the present invention, the smoothing layer is preferably a film formed of a spin coatable material. In this case, the film formed of a spin coatable material is preferably a spin-on-glass film, a fluorine resin film, a silicon resin film, or an epoxy resin film. With such a configuration, the upper surface of the smoothing layer can be surely smoothed.
本発明の薄膜音響共振器において、平滑化層は、上面の二乗平均平方根粗さが1nm以下であることが好ましい。このような構成とすることにより、結晶性の良好な圧電膜を確実に形成することが可能となる。 In the thin film acoustic resonator of the present invention, the smoothing layer preferably has a root mean square roughness of 1 nm or less on the upper surface. With such a configuration, it is possible to reliably form a piezoelectric film with good crystallinity.
本発明の薄膜音響共振器において、高音響インピーダンス層は、絶縁性の材料からなることが好ましい。このような構成とすることにより、音響反射部の上に複数の音響共振部を形成した場合に、各音響共振部同士が電気的に結合することを防止できる。 In the thin film acoustic resonator of the present invention, the high acoustic impedance layer is preferably made of an insulating material. By setting it as such a structure, when a some acoustic resonance part is formed on an acoustic reflection part, it can prevent that each acoustic resonance part mutually couple | bonds.
本発明の薄膜音響共振器において、音響反射部の上には、複数の音響共振部が互いに間隔をおいて形成されており、音響反射部における音響共振部同士の間の領域において、高音響インピーダンス層が分離されていることが好ましい。このような構成とすることにより、高音響インピーダンス層に金属膜を用いた場合においても、各音響共振部同士が電気的に結合することを防止できる。 In the thin film acoustic resonator of the present invention, a plurality of acoustic resonance parts are formed on the acoustic reflection part at intervals, and a high acoustic impedance is provided in a region between the acoustic resonance parts in the acoustic reflection part. It is preferred that the layers are separated. By adopting such a configuration, even when a metal film is used for the high acoustic impedance layer, it is possible to prevent the acoustic resonance portions from being electrically coupled to each other.
本発明に係る薄膜音響共振器によれば、音響反射部の上面を平滑化でき、音響反射部の上に形成する圧電膜の結晶性を向上させることができるため、優れた共振特性が得られる。 According to the thin film acoustic resonator of the present invention, the upper surface of the acoustic reflecting portion can be smoothed, and the crystallinity of the piezoelectric film formed on the acoustic reflecting portion can be improved, so that excellent resonance characteristics can be obtained. .
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について、図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施形態に係る薄膜音響共振器の断面構成を示している。図1に示すように本実施形態の音響共振器は、シリコンからなる基板21の上にタングステンからなる高音響インピーダンス層22と酸化シリコンからなる低音響インピーダンス層23とを交互に4周期積層して形成した音響反射部24と、音響反射部24の上に下部電極25、圧電膜26及び上部電極27を順次積層して形成した音響共振部28とを備えている。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a thin film acoustic resonator according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the acoustic resonator according to the present embodiment has a high
音響反射部24は、最上部に形成されたスピンオングラス(SOG)膜である平滑化層29を有している。このため、音響反射部24の上面は非常に平滑な面となっている。これにより、下部電極25の平滑性を向上させることができ、下部電極25の上に形成する圧電膜の結晶性を向上させることができる。
The
本実施形態において、薄膜音響共振器の共振周波数を2GHzとするため、シリコンからなる基板21上に音響波長の4分の1に相当する600nmの厚さのタングステンからなる高音響インピーダンス層22と680nmの厚さの酸化シリコンからなる低音響インピーダンス層23とを4周期積層して音響反射部24を形成したところ、音響反射部24の最上部に形成した低音響インピーダンス層23の上面における二乗平均平方根粗さ(Rms)は2nmであった。Rmsが2nmの音響反射部24の上に厚さが100nmのSOG膜である平滑化層29を形成することにより、平滑化層29の上面におけるRmsは0.8nmとなった。このため、音響反射部24の上に平滑化層29を設けることにより結晶性に優れた圧電膜26を得ることができる。
In this embodiment, in order to set the resonance frequency of the thin film acoustic resonator to 2 GHz, a high
SOG膜はSOG液をスピンコートし、熱処理を行うことで、表面の凹凸を埋め込み、高い平坦性と膜厚の均一性を得ることができる。通常は、配線の凸凹を埋め込み、平坦化するために用いられるため、数μmの膜厚で使用されるのが一般的である。しかし、SOG液の溶液中の固体濃度を調整することにより、熱処理後の膜厚が100nm以下においても平坦性と膜厚の均一性を維持できることを本願出願人らは見出した。 The SOG film is spin-coated with an SOG solution and subjected to heat treatment, thereby embedding surface irregularities and obtaining high flatness and uniform film thickness. Usually, it is used for embedding and flattening the unevenness of the wiring, so it is generally used with a film thickness of several μm. However, the present applicants have found that by adjusting the solid concentration in the solution of the SOG solution, the flatness and the uniformity of the film thickness can be maintained even when the film thickness after the heat treatment is 100 nm or less.
図2はスピンコートの回転数を3000rpmとし、熱処理の温度を450℃として実際にSOG膜を形成した場合における、SOG溶液中の固体濃度と熱処理後のSOG膜の膜厚との関係を示している。図2に示すようにSOG溶液中の固体濃度を変化させることにより、SOG膜の膜厚を良好に制御できることが明らかである。また、今回の実験条件においては、SOG溶液中の固体濃度が5パーセントを下回るあたりにおいて、SOG膜の膜厚を100nm以下の薄膜とすることができた。このように、本願出願人らの知見により音響反射部24の上に薄く且つ非常に平滑な表面を有する平滑化層29を形成することが可能となった。
FIG. 2 shows the relationship between the solid concentration in the SOG solution and the film thickness of the SOG film after the heat treatment in the case where the SOG film was actually formed at a spin coating speed of 3000 rpm and a heat treatment temperature of 450 ° C. Yes. As shown in FIG. 2, it is apparent that the thickness of the SOG film can be controlled well by changing the solid concentration in the SOG solution. Also, under the present experimental conditions, the thickness of the SOG film could be reduced to 100 nm or less when the solid concentration in the SOG solution was less than 5 percent. As described above, the
また、平滑化層29はSOG膜の他に、スピンコーティング可能なフッ素系樹脂材料、シリコン系樹脂材料、エポキシ系樹脂材料等であってもよい。また、本実施形態においては低音響インピーダンス層23として酸化シリコンを用いたが、窒化シリコン等の絶縁物又はアルミニウム若しくはチタン等の金属材料であってもよい。また、高音響インピーダンス層22はタングステン、白金、イリジウム若しくはモリブデン等の高融点金属又は酸化ハフニウム若しくは窒化アルミニウム等の絶縁物であってもよい。
In addition to the SOG film, the
なお、本実施形態において平滑化層29を音響反射部24の最上部に形成したが、平滑化層29により平滑化した面の上に形成した層の上面も平滑化されるため、平滑化層29は必ずしも音響反射部24の最上部に形成する必要はない。例えば、高音響インピーダンス層22と低音響インピーダンス層23とが複数周期積層されている場合に、最も上側に形成された高音響インピーダンス層22と低音響インピーダンス層23との間に平滑化層29を形成してもよい。
In the present embodiment, the
本実施形態において、音響反射部24は高音響インピーダンス層22と低音響インピーダンス層23とを4周期積層して形成したが、高音響インピーダンス層22と低音響インピーダンス層23との積層周期は適宜変更することができる。また、高音響インピーダンス層22と低音響インピーダンス層23との積層順序は変更してもかまわない。
In the present embodiment, the
(第2の実施形態)
以下に、本発明の第2の実施形態について図面を参照して説明する。図3は第2の実施形態に係る薄膜音響共振器の断面構成を示している。図3において図1と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(Second Embodiment)
The second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 3 shows a cross-sectional configuration of the thin film acoustic resonator according to the second embodiment. In FIG. 3, the same components as those in FIG.
図3に示すように本実施形態の薄膜音響共振器は、平滑化層29が音響反射部24の最上層における低音響インピーダンス層23として用いられている。このように、平滑化層29を低音響インピーダンス層23として用いることで、平滑化層29が音響反射部24の一部として機能し、良好な特性を有する薄膜音響共振器が得られる。
As shown in FIG. 3, in the thin film acoustic resonator of the present embodiment, the smoothing
平滑化層29には第1の実施形態と同様に、SOG材料、フッ素系樹脂材料、シリコン系樹脂材料又はエポキシ系樹脂材料等を用いることができる。これらの材料は音響インピーダンスが、低音響インピーダンス層として広く用いられている酸化シリコン膜より低い。このため、酸化シリコン膜を用いた音響反射部24と比べて音響反射特性が向上し、さらに、下部電極の直下におけるRmsも低減できるため、良好な特性の薄膜音響共振器を実現できる。
As in the first embodiment, the smoothing
(第3の実施形態)
以下に、本発明の第3の実施形態について図面を参照して説明する。図4は第3の実施形態に係る薄膜音響共振器の断面構成を示している。図4において図1と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(Third embodiment)
The third embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 4 shows a cross-sectional configuration of the thin film acoustic resonator according to the third embodiment. In FIG. 4, the same components as those of FIG.
図4に示すように本実施形態の薄膜音響共振器は、低音響インピーダンス層23がSOG膜により形成されており、低音響インピーダンス層23と高音響インピーダンス層22との積層周期は1.5周期となっている。
As shown in FIG. 4, in the thin film acoustic resonator of this embodiment, the low
SOG膜は、低音響インピーダンス層として一般的に用いられるシリコン酸化膜と比べて音響インピーダンスが一桁低く、音響反射特性が良好である。このため、高音響インピーダンス層と低音響インピーダンス層とを通常4〜6周期積層しなければならない音響反射部を、1.5〜2周期程度積層することにより実現することが可能となる。これにより、音響反射部24の形成工程を大幅に低減できる。
The SOG film has an acoustic impedance that is an order of magnitude lower than a silicon oxide film that is generally used as a low acoustic impedance layer, and has good acoustic reflection characteristics. For this reason, it becomes possible to implement | achieve by accumulating the acoustic reflection part which should usually laminate | stack 4-6 periods of high acoustic impedance layers and low acoustic impedance layers about 1.5-2 periods. Thereby, the formation process of the
また、低音響インピーダンス層23の音響インピーダンスが低くなることにより、高音響インピーダンス層として従来のタングステン等に代えて酸化シリコンや窒化シリコン等を用いることが可能となる。これにより、音響反射部24の形成が容易となり、製造コストの低減も可能となる。
Further, since the acoustic impedance of the low
なお、低音響インピーダンス層23にはSOG膜に代えて、フッ素系樹脂膜、シリコン系樹脂材料又はエポキシ系樹脂材料等を用いてもよい。
For the low
(第4の実施形態)
以下に、本発明の第4の実施形態について図面を参照して説明する。図5は第4の実施形態に係る薄膜音響共振器の断面構成を示している。図5において図4と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 5 shows a cross-sectional configuration of the thin film acoustic resonator according to the fourth embodiment. In FIG. 5, the same components as those of FIG.
図5に示すように本実施形態の薄膜音響共振器は、音響反射部24の上に第1の音響共振部28Aと第2の音響共振部28Bとが形成されている。また、音響反射部24における低音響インピーダンス層23は、第1の音響共振部28Aが形成された領域と第2の音響共振部28Bが形成された領域とに一体に形成されているが、高音響インピーダンス層は、第1の音響共振部28Aが形成された領域と第2の音響共振部28Bが形成された領域とに互いに独立して形成されている。つまり、音響反射部24は、第1の音響共振部28Aと第2の音響共振部28Bとの間において、高音響インピーダンス層22が分離されている。これにより、高音響インピーダンス層22にタングステン等の金属材料を用いた場合でも、第1の音響共振部28Aの下部電極25と高音響インピーダンス層22との間の容量値と、第2の音響共振部28Bの下部電極25と高音響インピーダンス層22との間の容量値とを介して、第1の音響共振部28Aと第2の音響共振部28Bとが電気的に結合することを抑制できる。
As shown in FIG. 5, in the thin film acoustic resonator of the present embodiment, a first
なお、図5には2つの音響共振部が形成された例を示しているが、3つ以上の音響共振部が形成されていてもよい。また、第1の実施形態又は第2の実施形態の構成においても音響反射部の上に複数の音響共振部を形成し、各音響共振部同士の間の部分において高音響インピーダンス層22を形成しないようにすれば同様の効果が得られる。
Although FIG. 5 shows an example in which two acoustic resonance parts are formed, three or more acoustic resonance parts may be formed. Also in the configuration of the first embodiment or the second embodiment, a plurality of acoustic resonance portions are formed on the acoustic reflection portion, and the high
本発明に係る薄膜音響共振器は、平滑な表面の上に形成された結晶性が良好な圧電膜を備えた薄膜音響共振器を実現でき、音響反射部を備えた薄膜音響共振器等として有用である。 The thin film acoustic resonator according to the present invention can be realized as a thin film acoustic resonator including a piezoelectric film having a good crystallinity formed on a smooth surface, and useful as a thin film acoustic resonator including an acoustic reflector. It is.
21 基板
22 高音響インピーダンス層
23 低音響インピーダンス層
24 音響反射部
25 下部電極
26 圧電膜
27 上部電極
28 音響共振部
28A 第1の音響共振部
28B 第2の音響共振部
29 平滑化層
21
Claims (4)
前記基板の上に低音響インピーダンス層及び該低音響インピーダンス層と比べて音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス層が順次積層されてなる音響反射部と、
前記音響反射部の上に下部電極と圧電膜と上部電極とが順次積層されてなる音響共振部とを備え、
前記音響反射部は、前記音響反射部の最も上側に積層された前記高音響インピーダンス層と前記低音響インピーダンス層との間に形成された平滑化層を含み、
前記音響反射部の上には、複数の前記音響共振部が互いに間隔をおいて形成されており、
前記音響反射部における前記音響共振部同士の間の領域において、前記高音響インピーダンス層が分離され、
前記平滑化層は、厚さが100nm以下であり、上面の二乗平均平方根粗さが1nm以下であることを特徴とする薄膜音響共振器。 A substrate,
An acoustic reflector formed by sequentially laminating a low acoustic impedance layer and a high acoustic impedance layer having a higher acoustic impedance than the low acoustic impedance layer on the substrate;
An acoustic resonance unit in which a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are sequentially stacked on the acoustic reflection unit;
The acoustic reflection unit includes a smoothing layer formed between the high acoustic impedance layer and the low acoustic impedance layer stacked on the uppermost side of the acoustic reflection unit,
On the acoustic reflection portion, a plurality of the acoustic resonance portions are formed at intervals from each other,
In the region between the acoustic resonance parts in the acoustic reflection part, the high acoustic impedance layer is separated,
The smoothing layer is a thin film acoustic resonator, wherein the thickness is Ri der less 100 nm, the root-mean-square roughness of the upper surface is 1nm or less.
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