JP5299676B2 - Piezoelectric thin film acoustic resonator and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電薄膜音響共振器およびその製造方法に関するものであり、特に振動エネルギーの漏洩を効率よく抑制することを企図した圧電薄膜音響共振器およびその製造方法に関する。圧電薄膜音響共振器はたとえば圧電薄膜フィルタ及び圧電薄膜デュプレクサを構成するのに使用され、これら圧電薄膜フィルタ及び圧電薄膜デュプレクサはたとえば通信機器等を構成するのに使用される。 The present invention relates to a piezoelectric thin film acoustic resonator and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a piezoelectric thin film acoustic resonator and a method for manufacturing the same that are intended to efficiently suppress leakage of vibration energy. The piezoelectric thin film acoustic resonator is used, for example, to constitute a piezoelectric thin film filter and a piezoelectric thin film duplexer, and these piezoelectric thin film filter and piezoelectric thin film duplexer are used, for example, to constitute a communication device.
圧電現象を応用した素子は広範な分野で用いられている。携帯機器の小型化と省力化とが進む中で、ＲＦ用およびＩＦ用のフィルタとして弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）素子の使用が拡大している。ＳＡＷフィルタは設計および生産技術の向上によりユーザーの厳しい要求仕様に対応してきたが、利用周波数の高周波数化と共に特性向上の限界に近づき、電極形成の微細化と安定した出力確保との両面で大きな技術革新が必要となってきている。 Devices applying the piezoelectric phenomenon are used in a wide range of fields. With the progress of miniaturization and labor saving of portable devices, the use of surface acoustic wave (SAW) elements as filters for RF and IF is expanding. SAW filters have been able to meet the strict requirements of users by improving design and production technology, but approaching the limit of characteristics improvement with higher frequency of use, it is significant in both miniaturization of electrode formation and ensuring stable output Technological innovation is needed.
一方、圧電体薄膜の厚み振動を利用した薄膜バルク弾性波共振子（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ：以下ＦＢＡＲ）、積層型薄膜バルク弾性波共振器およびフィルタ（Ｓｔａｃｋｅｄ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ｗａｖｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ａｎｄ Ｆｉｌｔｅｒｓ：以下ＳＢＡＲ）は、基板上に設けられた薄い支持膜の上に、主として圧電体より成る薄膜と、これを駆動する電極とを形成したものであり、ギガヘルツ帯での基本共振が可能である。ＦＢＡＲまたはＳＢＡＲを用いて構成されるフィルタは、著しい小型化が可能で、かつ低損失・広帯域動作が可能な上に、半導体集積回路と一体化することができるので、将来の超小型携帯機器への応用が期待されている。 On the other hand, a thin film bulk acoustic wave resonator (hereinafter referred to as “FBAR”), a stacked thin film bulk acoustic wave resonator and a filter (hereinafter referred to as “Stacked Thin Film Bulk Acoustic Resonators” and below) that utilize the thickness vibration of the piezoelectric thin film. SBAR) is obtained by forming a thin film mainly made of a piezoelectric material and an electrode for driving the thin film on a thin support film provided on a substrate, and is capable of fundamental resonance in the gigahertz band. A filter configured using FBAR or SBAR can be significantly reduced in size, can be operated with low loss and wideband, and can be integrated with a semiconductor integrated circuit. The application of is expected.
このような弾性波を利用したＦＢＡＲ及びＳＢＡＲなどの圧電薄膜素子は、例えば、以下のようにして製造される。 Piezoelectric thin film elements such as FBAR and SBAR using such elastic waves are manufactured as follows, for example.
シリコンなどの半導体の単結晶からなる基板、或いはシリコンウエハ上に多結晶ダイヤモンド膜を形成してなる基板の上に、種々の薄膜形成方法によって、誘電体薄膜、導電体薄膜、またはこれらの積層膜からなる下地膜を形成する。この下地膜上にて圧電体薄膜を形成し、さらに必要に応じた上部構造を形成する。各膜の形成後に、または全膜を形成した後に、各々の膜に物理的処理または化学的処理を施すことにより、微細加工及びパターニングを行う。異方性エッチングにより基板から振動部の下に位置する部分を除去した浮き構造を作製した後、最後に１素子単位毎に分離することにより圧電薄膜素子を得る。 A dielectric thin film, a conductive thin film, or a laminated film thereof is formed on a substrate made of a semiconductor single crystal such as silicon, or a substrate formed by forming a polycrystalline diamond film on a silicon wafer by various thin film forming methods. A base film made of is formed. A piezoelectric thin film is formed on the base film, and an upper structure is formed if necessary. After each film is formed, or after the entire film is formed, each film is subjected to physical processing or chemical processing to perform fine processing and patterning. A floating structure in which a portion located below the vibrating portion is removed from the substrate by anisotropic etching, and finally, a piezoelectric thin film element is obtained by separation for each element unit.
例えば、特許文献１に記載された圧電薄膜素子は、基板表面上に下地膜、下部電極、圧電体薄膜及び上部電極を形成した後に、基板裏面から振動部となる部分の下にある基板部分を除去して、ビアホールを形成することにより製造されている。圧電薄膜素子用の圧電材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、チタン酸鉛（ＰＴ（ＰｂＴｉＯ３））、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３））などが用いられている。特にＡｌＮは、弾性波の伝播速度が速く、高周波帯域で動作する薄膜共振器及び薄膜フィルタ用の圧電材料として適している。 For example, in the piezoelectric thin film element described in Patent Document 1, after a base film, a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode are formed on a substrate surface, a substrate portion under a portion that becomes a vibrating portion is formed from the back surface of the substrate. It is manufactured by removing and forming a via hole. Piezoelectric materials for piezoelectric thin film elements include aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), cadmium sulfide (CdS), lead titanate (PT (PbTiO 3 )), lead zirconate titanate (PZT (Pb (Zr) , Ti) O 3 )) and the like are used. In particular, AlN is suitable as a piezoelectric material for a thin film resonator and a thin film filter that have a high propagation speed of elastic waves and operate in a high frequency band.
圧電薄膜デバイスに応用されるＦＢＡＲ及びＳＢＡＲなどの圧電薄膜共振器を製造する従来の第２の方法は、空気ブリッジ式ＦＢＡＲデバイスを作ることである（例えば、特許文献２参照）。通常、最初に犠牲層（Ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｌａｙｅｒ）を設置し、次にこの犠牲層の上に圧電薄膜構造を形成する。プロセスの終わりまたは終わり近くに、犠牲層を除去して、振動用空間を形成する。処理はすべて基板上面側で行なわれるから、この方法は、基板両面におけるパターンの整列および大面積の基板下面側開口部を必要としない。 A second conventional method for manufacturing piezoelectric thin film resonators such as FBAR and SBAR applied to piezoelectric thin film devices is to make an air bridge type FBAR device (see, for example, Patent Document 2). Usually, a sacrificial layer is first installed, and then a piezoelectric thin film structure is formed on the sacrificial layer. At or near the end of the process, the sacrificial layer is removed to form a vibrating space. Since all processing is performed on the upper surface side of the substrate, this method does not require pattern alignment on both surfaces of the substrate and a large area lower surface side opening.
前記特許文献２には、金属やポリマーを犠牲層の材料として用いることにより、基板上面への空洞形成やＣＭＰ研磨による基板上面の平坦化の工程を必要とせず、比較的単純な工程で振動用空間を形成する、空気ブリッジ式のＦＢＡＲ／ＳＢＡＲデバイスの構成と製造方法とが記載されている。 In Patent Document 2, the use of metal or polymer as a sacrificial layer material eliminates the need for forming a cavity in the upper surface of the substrate or flattening the upper surface of the substrate by CMP polishing. The structure and manufacturing method of an air bridge type FBAR / SBAR device that forms a space is described.
一方、特許文献３には、薄膜バルク音響共振器において、横振動モードに起因するスプリアスの低減を目的として、第２の電極の外周端近傍に位置する圧電体層を除去することで、該圧電体層の端面を出現させ、この端面の少なくとも一部を第２の電極の内側に位置させ、これにより反共振周波数近傍で生じるスプリアスを抑制することが記載されている。 On the other hand, in Patent Document 3, in a thin film bulk acoustic resonator, for the purpose of reducing spurious due to the transverse vibration mode, the piezoelectric layer located in the vicinity of the outer peripheral end of the second electrode is removed to thereby remove the piezoelectric layer. It is described that the end face of the body layer appears and at least a part of the end face is positioned inside the second electrode, thereby suppressing spurious generated near the anti-resonance frequency.
また、特許文献４には、薄膜バルク音響共振器において、横方向伝搬モードを抑圧することを目的として、圧電膜において、該圧電膜の両面に一対の電極が付されて形成される共振器の周囲に位置する外領域の一部に、音波を減衰させるための音響減衰領域を設けることが記載されている。
しかしながら、上記特許文献１及び２には、ＦＢＡＲおよびＳＢＡＲの構造や製造方法についての記載はあるものの、ＦＢＡＲおよびＳＢＡＲにおける共振器特性のなかで最も重要な特性のひとつである反共振特性の向上、及びそのための方法や対策については記されていない。 However, although Patent Documents 1 and 2 describe the structure and manufacturing method of FBAR and SBAR, improvement of anti-resonance characteristics, which is one of the most important characteristics among resonator characteristics in FBAR and SBAR, And the method and measures for that are not described.
反共振特性が高い共振器を用いてフィルタを作製した場合、通過帯域端における応答性が急峻となり、挿入損失の小さい通過特性に優れたフィルタを作製することができる。また、反共振特性が低下する要因は、圧電薄膜音響共振器の反共振モードでの振動エネルギーの漏洩であり、この振動エネルギーの漏洩を抑え、振動エネルギーを閉じ込めておくことが特性向上の鍵となる。 When a filter is manufactured using a resonator with high anti-resonance characteristics, the response at the end of the pass band becomes steep, and a filter with excellent insertion characteristics with low insertion loss can be manufactured. Moreover, the cause of the decrease in the anti-resonance characteristics is leakage of vibration energy in the anti-resonance mode of the piezoelectric thin film acoustic resonator. The key to improving the characteristics is to suppress the leakage of vibration energy and confine the vibration energy. Become.
上記特許文献３には、圧電体層の端面の少なくとも一部を第２の電極の内側に位置させることで、反共振周波数近傍で生じるスプリアスを抑制するための方法として、第２の電極形成後に露出した圧電体層を厚み方向につき一部残すようにエッチング除去することが記載されている。しかし、この方法では、所要の特性を持つ薄膜バルク音響共振器を安定して得るためには、製造条件の厳しい制御が必要となる。 In Patent Document 3, as a method for suppressing spurious generated near the anti-resonance frequency by positioning at least a part of the end face of the piezoelectric layer inside the second electrode, the second electrode is formed after the second electrode is formed. It describes that the exposed piezoelectric layer is removed by etching so as to leave a part in the thickness direction. However, this method requires strict control of manufacturing conditions in order to stably obtain a thin film bulk acoustic resonator having required characteristics.
また、上記特許文献４には、スプリアスを抑制するために、音響減衰領域の圧電膜のＸ線回折のロッキングカーブ半値幅を、共振器領域の圧電膜のＸ線回折のロッキングカーブ半値幅より大きくすることが記載されている。具体的には、共振器領域のロッキングカーブ半値幅が１．０〜１．５度程度の場合に、音響減衰領域のロッキングカーブ半値幅を５度以上としている。しかし、この方法でも、反共振特性の向上は未だ十分ではない。 Further, in Patent Document 4, in order to suppress spurious, the X-ray diffraction rocking curve half-value width of the piezoelectric film in the acoustic attenuation region is larger than the X-ray diffraction rocking curve half-value width of the piezoelectric film in the resonator region. It is described to do. Specifically, when the rocking curve half width of the resonator region is about 1.0 to 1.5 degrees, the rocking curve half width of the acoustic attenuation region is set to 5 degrees or more. However, even with this method, the improvement of anti-resonance characteristics is not sufficient.
本発明の目的は、振動エネルギーの漏れを抑え、振動エネルギーを効率よく閉じ込めることができるよう改良された、反共振特性に優れ高い音響品質を有する高性能の圧電薄膜音響共振器を製造条件の厳しい制御を要することなく安定して提供することである。 An object of the present invention is to manufacture a high-performance piezoelectric thin film acoustic resonator having excellent anti-resonance characteristics and high acoustic quality, which is improved so as to suppress leakage of vibration energy and efficiently confine vibration energy. It is to provide stably without requiring control.
本発明のさらに他の目的は、そのような圧電薄膜音響共振器を含むフィルタおよびデュプレクサを提供することである。 Still another object of the present invention is to provide a filter and duplexer including such a piezoelectric thin film acoustic resonator.
上記特許文献３及び４に示されるように、従来、スプリアス抑制のためには、圧電体層または圧電膜を１対の電極により挟み込んで形成される共振構造の周辺において、圧電体層または圧電膜の端面形状を意図的に荒らしたものとしたり、圧電体層または圧電膜の結晶性を意図的に低下させたりすることが、有効であるとされていた。 As shown in Patent Documents 3 and 4, conventionally, in order to suppress spurious vibrations, a piezoelectric layer or a piezoelectric film is formed around a resonance structure formed by sandwiching a piezoelectric layer or a piezoelectric film with a pair of electrodes. It has been considered effective to intentionally roughen the shape of the end face or to intentionally lower the crystallinity of the piezoelectric layer or the piezoelectric film.
しかしながら、本発明者は、このような従来の常識とは異なり、共振器の特性をさらに向上させるためには、共振構造の周辺において圧電体層または圧電膜の結晶性を十分に高めることが有効であることを見出し、本発明に到達した。 However, unlike the conventional common sense, the present inventor is effective to sufficiently increase the crystallinity of the piezoelectric layer or the piezoelectric film around the resonance structure in order to further improve the characteristics of the resonator. As a result, the present invention has been reached.
すなわち、本発明によれば、以上の如き目的のいずれかを達成するものとして、
圧電体層とその上下両面にそれぞれ形成された上部電極および下部電極とを含んでなる圧電積層構造体、及び
前記圧電積層構造体の圧電体層と上部電極及び下部電極とが重畳する領域の少なくとも一部からなる振動部の振動を許容するように前記圧電積層構造体を支持する支持体とを備えており、
前記圧電積層構造体の積層方向から見たときに、前記圧電体層が形成されている領域は、前記下部電極が存在する電極領域と前記下部電極が不在の周辺領域とからなり、
前記周辺領域の圧電体層のＸ線回折のロッキングカーブ半値幅が２．０度以下であることを特徴とする圧電薄膜音響共振器、
が提供される。
That is, according to the present invention, to achieve any of the above objects,
A piezoelectric layered structure including a piezoelectric layer and upper and lower electrodes formed on both upper and lower surfaces thereof, and at least a region where the piezoelectric layer of the piezoelectric layered structure overlaps with the upper and lower electrodes A support body for supporting the piezoelectric laminated structure so as to allow vibration of a vibration portion made of a part,
When viewed from the stacking direction of the piezoelectric multilayer structure, the region where the piezoelectric layer is formed includes an electrode region where the lower electrode is present and a peripheral region where the lower electrode is absent,
Piezoelectric thin film acoustic resonator, wherein a rocking curve half-value width of X-ray diffraction of the piezoelectric layer in the peripheral region is 2.0 degrees or less,
Is provided.
本発明の一態様においては、前記電極領域の圧電体層のＸ線回折のロッキングカーブ半値幅が１．５度以下である。 In one aspect of the present invention, the full width at half maximum of the rocking curve of the X-ray diffraction of the piezoelectric layer in the electrode region is 1.5 degrees or less.
本発明の一態様においては、前記周辺領域の圧電体層の下地の上面は高さのＲＭＳ変動で表される表面粗さが２ｎｍ以下である。本発明の一態様においては、前記下部電極の上面は高さのＲＭＳ変動で表される表面粗さが１ｎｍ以下である。本発明において、高さのＲＭＳ変動は、日本工業規格ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１「製品の幾何特性仕様（ＧＰＳ）−表面性状：輪郭曲線方式−用語、定義及び表面性状パラメータ」に記載の二乗平均平方根粗さ：Ｒｑである。 In one aspect of the present invention, the upper surface of the base of the piezoelectric layer in the peripheral region has a surface roughness represented by an RMS variation in height of 2 nm or less. In one embodiment of the present invention, the upper surface of the lower electrode has a surface roughness represented by an RMS variation in height of 1 nm or less. In the present invention, the RMS fluctuation of the height is the root mean square roughness described in Japanese Industrial Standard JIS B0601: 2001 “Product Geometric Specification (GPS) —Surface Property: Contour Curve Method—Terminology, Definition, and Surface Property Parameter”. S: Rq.
本発明の一態様においては、前記圧電積層構造体の振動部の下面は空間に接している。本発明の一態様においては、前記圧電積層構造体の振動部の下面と前記支持体の上面との間に空間層が形成されている。本発明の一態様においては、前記圧電積層構造体の振動部の下面は、前記支持体に形成された音響反射層の上面に接している。 In one aspect of the present invention, the lower surface of the vibrating portion of the piezoelectric multilayer structure is in contact with the space. In one aspect of the present invention, a space layer is formed between the lower surface of the vibrating portion of the piezoelectric multilayer structure and the upper surface of the support. In one aspect of the present invention, the lower surface of the vibration part of the piezoelectric multilayer structure is in contact with the upper surface of the acoustic reflection layer formed on the support.
本発明の一態様においては、前記圧電積層構造体は複数の前記圧電体層を備えている。本発明の一態様においては、互いに隣接する下側圧電体層及び上側の圧電体層の組の少なくとも１つにおいて、前記下側圧電体層に関する上部電極が前記上側圧電体層に関する下部電極として機能する。 In one aspect of the present invention, the piezoelectric multilayer structure includes a plurality of the piezoelectric layers. In one aspect of the present invention, in at least one of the pair of the lower piezoelectric layer and the upper piezoelectric layer adjacent to each other, the upper electrode related to the lower piezoelectric layer functions as the lower electrode related to the upper piezoelectric layer. To do.
本発明の一態様においては、前記支持体は、基板と、該基板の上面上に形成された支持層とを含み、前記圧電積層構造体の周辺領域の下面は前記支持層の上面に接しており、
前記支持層の上面の高さのＲＭＳ変動で表される表面粗さが２ｎｍ以下である。
In one aspect of the present invention, the support includes a substrate and a support layer formed on the upper surface of the substrate, and the lower surface of the peripheral region of the piezoelectric multilayer structure is in contact with the upper surface of the support layer. And
The surface roughness expressed by the RMS variation of the height of the upper surface of the support layer is 2 nm or less.
また、本発明によれば、以上の如き目的のいずれかを達成するものとして、
上記の圧電薄膜音響共振器を製造する方法であって、
熱酸化により基板の表面に酸化物からなる支持層を形成する工程と、
前記支持層上に導電層を形成する工程と、
前記導電層の一部を除去することにより、前記支持層の一部を露出させるとともに、前記導電層の残留する部分からなる前記下部電極を形成する工程と、
露出した前記支持層の表面を清浄化する工程と、
前記下部電極及び露出した前記支持層の上に前記圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層上に前記上部電極を形成する工程と
を有することを特徴とする、圧電薄膜音響共振器の製造方法、
が提供され、更に、
上記の圧電薄膜音響共振器を製造する方法であって、
熱酸化により基板の表面に酸化物からなる支持層を形成する工程と、
前記支持層の一部の上にマスクを形成する工程と、
露出した前記支持層及び前記マスクの上に導電層を形成する工程と、
前記マスクを除去することにより、前記支持層の一部を露出させるとともに、前記導電層の残留する部分からなる前記下部電極を形成する工程と、
露出した前記支持層の表面を清浄化する工程と、
前記下部電極及び露出した前記支持層の上に前記圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層上に前記上部電極を形成する工程と
を有することを特徴とする、圧電薄膜音響共振器の製造方法、
が提供される。
In addition, according to the present invention, to achieve any of the above objects,
A method of manufacturing the above piezoelectric thin film acoustic resonator,
Forming a support layer made of an oxide on the surface of the substrate by thermal oxidation;
Forming a conductive layer on the support layer;
Removing a part of the conductive layer to expose a part of the support layer, and forming the lower electrode composed of the remaining part of the conductive layer;
Cleaning the exposed surface of the support layer;
Forming the piezoelectric layer on the lower electrode and the exposed support layer;
Forming the upper electrode on the piezoelectric layer, and a method of manufacturing a piezoelectric thin film acoustic resonator,
Is provided, and
A method of manufacturing the above piezoelectric thin film acoustic resonator,
Forming a support layer made of an oxide on the surface of the substrate by thermal oxidation;
Forming a mask on a portion of the support layer;
Forming a conductive layer on the exposed support layer and the mask;
Removing the mask to expose a part of the support layer and forming the lower electrode composed of the remaining part of the conductive layer;
Cleaning the exposed surface of the support layer;
Forming the piezoelectric layer on the lower electrode and the exposed support layer;
Forming the upper electrode on the piezoelectric layer, and a method of manufacturing a piezoelectric thin film acoustic resonator,
Is provided.
本発明の一態様においては、前記露出した支持層の表面を清浄化する工程は、有機溶剤、アルカリ溶液、酸溶液および／または純水による洗浄を含んで行われる。本発明の一態様においては、前記露出した支持層の表面を清浄化する工程は、エッチングを含んで行われる。本発明の一態様においては、前記露出した支持層の表面を清浄化する工程は、１００℃以上５００℃以下の温度での加熱を含んで行われる。 In one aspect of the present invention, the step of cleaning the exposed surface of the support layer includes washing with an organic solvent, an alkaline solution, an acid solution and / or pure water. In one embodiment of the present invention, the step of cleaning the surface of the exposed support layer includes etching. In one aspect of the present invention, the step of cleaning the surface of the exposed support layer is performed including heating at a temperature of 100 ° C. or higher and 500 ° C. or lower.
また、本発明によれば、以上の如き目的のいずれかを達成するものとして、
複数の上記の圧電薄膜音響共振器を電気的に接続してなることを特徴とする圧電薄膜フィルタ、
が提供され、更に、
複数の上記の圧電薄膜音響共振器を電気的に接続してなることを特徴とする圧電薄膜デュプレクサ、
が提供される。
In addition, according to the present invention, to achieve any of the above objects,
A piezoelectric thin film filter comprising a plurality of the piezoelectric thin film acoustic resonators electrically connected;
Is provided, and
A piezoelectric thin film duplexer characterized by electrically connecting a plurality of the above piezoelectric thin film acoustic resonators,
Is provided.
本発明によれば、圧電積層構造体の積層方向を横切る横方向に伝播する振動エネルギーを効率よく閉じ込めて振動エネルギーの漏洩を抑制するよう改良された、反共振特性に優れ高い音響品質を有する高性能の圧電薄膜音響共振器、並びに複数の該圧電薄膜音響共振器を電気的に接続してなる圧電薄膜フィルタ及び圧電薄膜デュプレクサを、製造条件の厳しい制御を要することなく安定して提供することができる。 According to the present invention, the vibration energy propagating in the transverse direction across the stacking direction of the piezoelectric multilayer structure is efficiently confined to suppress the leakage of vibration energy, and has excellent anti-resonance characteristics and high acoustic quality. A piezoelectric thin film acoustic resonator having high performance, and a piezoelectric thin film filter and a piezoelectric thin film duplexer formed by electrically connecting a plurality of the piezoelectric thin film acoustic resonators are stably provided without requiring severe control of manufacturing conditions. it can.
以下に、本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
図１は本発明による圧電薄膜音響共振器の一実施形態を示す模式的縦断面図であり、図２はその模式的平面図である。図１は、図２のＸ−Ｘ断面に相当する。 FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing an embodiment of a piezoelectric thin film acoustic resonator according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic plan view thereof. 1 corresponds to the XX cross section of FIG.
これらの図において、圧電薄膜音響共振器１０１は、基板１、該基板１の上面上に形成された支持層２、該支持層の一部を除去して形成した振動用空間３を跨ぐよう形成された圧電積層構造体５１を有する。基板１及び支持層２が、圧電積層構造体５１を支持する支持体として機能する。また、圧電積層構造体５１は、下部電極４、圧電体層５（圧電体層５Ａ，５Ｂからなる）、および上部電極６からなる。 In these drawings, the piezoelectric thin film acoustic resonator 101 is formed so as to straddle the substrate 1, the support layer 2 formed on the upper surface of the substrate 1, and the vibration space 3 formed by removing a part of the support layer. The piezoelectric laminated structure 51 is provided. The substrate 1 and the support layer 2 function as a support that supports the piezoelectric multilayer structure 51. The piezoelectric laminated structure 51 includes a lower electrode 4, a piezoelectric layer 5 (consisting of piezoelectric layers 5 A and 5 B), and an upper electrode 6.
上記支持体は、圧電積層構造体５１の圧電体層５Ａと上部電極６及び下部電極４とが重畳する領域の少なくとも一部であって振動用空間３に対応する部分からなる振動部５２の厚み振動を許容するように、圧電積層構造体５１を支持している。かくして、圧電積層構造体５１の積層方向から見たときに、圧電体層５が形成されている領域は、下部電極４が存在する電極領域（圧電体層５Ａに相当）と、下部電極が不在の周辺領域（圧電体層５Ｂに相当）とからなる。 The support is a thickness of the vibrating portion 52 which is at least a part of a region where the piezoelectric layer 5A of the piezoelectric multilayer structure 51 overlaps with the upper electrode 6 and the lower electrode 4 and which corresponds to the vibration space 3. The piezoelectric laminated structure 51 is supported so as to allow vibration. Thus, when viewed from the stacking direction of the piezoelectric multilayer structure 51, the region where the piezoelectric layer 5 is formed is an electrode region where the lower electrode 4 is present (corresponding to the piezoelectric layer 5A) and the lower electrode is absent. And a peripheral region (corresponding to the piezoelectric layer 5B).
本実施形態では、圧電積層構造体５１の振動部５２の下面は振動用空間３に接しており、すなわち、圧電積層構造体５１の振動部５２の下面と基板１の上面により形成される支持体の上面との間に空間層が形成されている。 In the present embodiment, the lower surface of the vibration part 52 of the piezoelectric multilayer structure 51 is in contact with the vibration space 3, that is, a support formed by the lower surface of the vibration part 52 of the piezoelectric multilayer structure 51 and the upper surface of the substrate 1. A space layer is formed between the upper surface and the upper surface.
基板１としては、（１００）Ｓｉなどの単結晶ウエハ、またはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハを用いることができる。また、ヒ素化ガリウムなどの半導体単結晶ウエハ、さらには石英ガラスなどの絶縁体基板を用いることも可能である。 As the substrate 1, a single crystal wafer such as (100) Si or an SOI (Silicon on Insulator) wafer can be used. It is also possible to use a semiconductor single crystal wafer such as gallium arsenide, or an insulating substrate such as quartz glass.
支持層２としては、例えば珪酸ガラス（ＳｉＯ２）を主成分とする絶縁体膜又はＢＰＳＧ膜（boron phosphorus silicate glass：ホウ素とリンを添加したシリカガラス膜）等を用いることができる。支持層２の厚さは５００ｎｍ以上且つ３０００ｎｍ以下の程度が好ましい。５００ｎｍより薄くなると、圧電積層構造体５１の振動部５２が振動する際の撓みにより、振動部５２の一部が基板１の上面に接触し特性に悪影響を与える可能性が著しく増加する。３０００ｎｍを超えると、製造に際して、振動用空間３を形成するためのエッチング時間が長くなり、横方向へのエッチングが進行し、振動用空間３の形状精度が低下する。そのため、特性に悪影響を与えたり、下部電極４の剥離により、圧電積層構造体５１の歩留まりが悪化する等の可能性が増加する。 As the support layer 2, for example, an insulator film mainly composed of silicate glass (SiO 2 ) or a BPSG film (boron phosphorus silicate glass: a silica glass film to which boron and phosphorus are added) can be used. The thickness of the support layer 2 is preferably about 500 nm to 3000 nm. When the thickness is less than 500 nm, the possibility that a part of the vibration part 52 contacts the upper surface of the substrate 1 due to the bending when the vibration part 52 of the piezoelectric multilayer structure 51 vibrates significantly increases the characteristics. If the thickness exceeds 3000 nm, the etching time for forming the vibration space 3 becomes long during manufacturing, the etching in the lateral direction proceeds, and the shape accuracy of the vibration space 3 decreases. For this reason, there is an increase in the possibility that the characteristics will be adversely affected or the yield of the piezoelectric multilayer structure 51 will deteriorate due to the peeling of the lower electrode 4.
圧電体層５Ａ，５Ｂは、同一の材料からなるものであり、同一工程で形成されるが、それらが形成される下地が異なる。すなわち、圧電体層５Ａは、圧電積層構造体５１の積層方向（すなわち図１における上下方向）から見た時に、下部電極４が形成されている領域においてその上面上に形成された圧電体層であり、圧電体層５Ｂは上記積層方向から見た時に下部電極４が形成されていない領域において支持層２の上面上に形成された圧電体層である。圧電体層５Ａ，５Ｂの材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、チタン酸鉛（ＰＴ（ＰｂＴｉＯ３））、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３））等の圧電材料が挙げられる。特に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、弾性波の伝播速度が速く、高周波帯域で動作する圧電薄膜音響共振器及び圧電薄膜フィルタなどの圧電薄膜デバイス用の圧電体薄膜として適している。 The piezoelectric layers 5A and 5B are made of the same material and are formed in the same process, but the ground on which they are formed is different. That is, the piezoelectric layer 5A is a piezoelectric layer formed on the upper surface in the region where the lower electrode 4 is formed when viewed from the stacking direction of the piezoelectric multilayer structure 51 (that is, the vertical direction in FIG. 1). The piezoelectric layer 5B is a piezoelectric layer formed on the upper surface of the support layer 2 in a region where the lower electrode 4 is not formed when viewed from the stacking direction. As the material of the piezoelectric layers 5A and 5B, aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), cadmium sulfide (CdS), lead titanate (PT (PbTiO 3 )), lead zirconate titanate (PZT (Pb (Pb (PbT))) Examples thereof include piezoelectric materials such as Zr, Ti) O 3 )). In particular, aluminum nitride (AlN) is suitable as a piezoelectric thin film for piezoelectric thin film devices such as a piezoelectric thin film acoustic resonator and a piezoelectric thin film filter that have a high acoustic wave propagation speed and operate in a high frequency band.
圧電体層５Ｂの結晶性は、Ｘ線回折のロッキングカーブ半値幅が２．０度以下である。このような圧電体層５Ｂは、たとえば、下地の支持層２の上面の高さのＲＭＳ変動で表される表面粗さを２ｎｍ以下とすることで、形成することができる。 As for the crystallinity of the piezoelectric layer 5B, the full width at half maximum of the rocking curve of X-ray diffraction is 2.0 degrees or less. Such a piezoelectric layer 5B can be formed, for example, by setting the surface roughness expressed by the RMS fluctuation of the height of the upper surface of the underlying support layer 2 to 2 nm or less.
一方、圧電体層５Ａの結晶性は、Ｘ線回折のロッキングカーブ半値幅が１．５度以下である。このような圧電体層５Ａは、たとえば、下地の下部電極４の上面の高さのＲＭＳ変動で表される表面粗さを１ｎｍ以下とすることで、形成することができる。 On the other hand, the crystallinity of the piezoelectric layer 5A has a rocking curve half width of X-ray diffraction of 1.5 degrees or less. Such a piezoelectric layer 5A can be formed, for example, by setting the surface roughness expressed by the RMS fluctuation of the height of the upper surface of the underlying lower electrode 4 to 1 nm or less.
圧電体層５Ａ，５Ｂの厚さは、所望の共振周波数に応じて適宜選択され、例えば５００〜３０００ｎｍである。 The thicknesses of the piezoelectric layers 5A and 5B are appropriately selected according to a desired resonance frequency, and are, for example, 500 to 3000 nm.
下部電極４および上部電極６の材料としては、特に制限はないが、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）などが挙げられる。特に、モリブデン（Ｍｏ）は、比較的安価であり、製造工程における取り扱いの容易さからも好ましい。下部電極４および上部電極６の厚さは、例えば５０〜５００ｎｍである。 The material of the lower electrode 4 and the upper electrode 6 is not particularly limited, but gold (Au), platinum (Pt), titanium (Ti), aluminum (Al), molybdenum (Mo), tungsten (W), tantalum ( Ta), iridium (Ir), ruthenium (Ru) and the like. In particular, molybdenum (Mo) is relatively inexpensive and is preferable from the viewpoint of ease of handling in the manufacturing process. The thickness of the lower electrode 4 and the upper electrode 6 is, for example, 50 to 500 nm.
以下、本発明の圧電薄膜音響共振器の製造方法の一実施形態として、上記実施形態に係る圧電薄膜音響共振器の製造方法について、図３乃至９を用いて説明する。 Hereinafter, as an embodiment of the method for manufacturing a piezoelectric thin film acoustic resonator of the present invention, a method for manufacturing a piezoelectric thin film acoustic resonator according to the above embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図３に示すように、基板１の上面上に支持層２を形成する。基板１としてシリコン基板を用いる場合は、シリコン基板の表面を熱酸化することによりシリコン酸化物からなる絶縁体膜（すなわち、珪酸ガラスを主成分とする絶縁体膜）としての支持層２を形成できる。支持層２としては、熱酸化膜のほかにも、ＣＶＤ法により堆積させたＢＰＳＧ膜等を用いることができる。 First, as shown in FIG. 3, the support layer 2 is formed on the upper surface of the substrate 1. When a silicon substrate is used as the substrate 1, the support layer 2 as an insulator film made of silicon oxide (that is, an insulator film containing silicate glass as a main component) can be formed by thermally oxidizing the surface of the silicon substrate. . As the support layer 2, in addition to the thermal oxide film, a BPSG film deposited by the CVD method can be used.
次に、図４に示すように、支持層２上にて、振動用空間３に対応した領域上に犠牲層２１を形成する。犠牲層２１は、ある特定の化学物質によるエッチング速度が支持層２のエッチング速度に比べて大きい物質から選択される。支持層２として珪酸ガラスまたは珪酸塩ガラスを主成分とする絶縁層を用いる場合には、犠牲層２１の材質としてチタン（Ｔｉ）が好適に利用できる。エッチング液としてはふっ化水素酸やふっ化水素酸緩衝液を利用できる。これらのエッチング液に対して、チタン（Ｔｉ）は、珪酸ガラスに比べ、数倍以上のエッチング速度を有する。支持層２として珪酸ガラスを主成分とする絶縁層を用いる場合のその他の犠牲層２１の材質としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）を用いることができる。この場合、エッチング液としては、ふっ化水素酸と過酸化水素水との混合溶液が好適に利用できる。犠牲層２１の厚みは２０〜６００ｎｍ、好ましくは２０〜９０ｎｍである。厚みが２０ｎｍよりも薄くなると、エッチング液の浸透が遅く、支持層２をエッチングするのに長時間を要し、犠牲層２１の端部に対応して位置する支持層２の部分において横方向へのエッチングが進み、形成される振動用空間３の形状精度が低下する傾向にある。厚さが６００ｎｍ以上になると、得られる圧電薄膜デバイスの共振特性が若干低下する傾向にある。また、犠牲層２１を所定の形状にパターニングする方法としては、ドライエッチングやウェットエッチングなどのフォトリソグラフィー技術や、リフトオフ法を適宜使用することができる。 Next, as shown in FIG. 4, a sacrificial layer 21 is formed on the support layer 2 in a region corresponding to the vibration space 3. The sacrificial layer 21 is selected from materials whose etching rate by a specific chemical substance is larger than that of the support layer 2. When an insulating layer mainly composed of silicate glass or silicate glass is used as the support layer 2, titanium (Ti) can be suitably used as the material for the sacrificial layer 21. As the etchant, hydrofluoric acid or hydrofluoric acid buffer can be used. For these etching solutions, titanium (Ti) has an etching rate several times higher than that of silicate glass. As the material of the other sacrificial layer 21 when an insulating layer mainly composed of silicate glass is used as the support layer 2, germanium (Ge) can be used. In this case, as the etching solution, a mixed solution of hydrofluoric acid and hydrogen peroxide water can be suitably used. The thickness of the sacrificial layer 21 is 20 to 600 nm, preferably 20 to 90 nm. When the thickness is less than 20 nm, the penetration of the etching solution is slow, and it takes a long time to etch the support layer 2. As the etching progresses, the shape accuracy of the vibration space 3 to be formed tends to decrease. When the thickness is 600 nm or more, the resonance characteristics of the obtained piezoelectric thin film device tend to be slightly lowered. As a method for patterning the sacrificial layer 21 into a predetermined shape, a photolithography technique such as dry etching or wet etching, or a lift-off method can be used as appropriate.
次に、図５に示すように、犠牲層２１を跨ぐように下部電極４を形成する。下部電極４の形成は、スパッタ法や蒸着法で支持層２上に導電層を形成し、該導電層の一部を除去すること（パターニング）により、支持層２の一部を露出させるとともに、導電層の残留する部分を下部電極となすことで行われる。導電層の材質すなわち下部電極４の材質は、後述の工程で犠牲層２１をエッチングするエッチング液への耐性と、圧電体層５Ａの結晶品質に悪影響を与えないように適宜選択する。導電層を所定の形状にパターニングする方法としては、ドライエッチングやウェットエッチングなどのフォトリソグラフィー技術や、リフトオフ法を適宜使用することができる。 Next, as shown in FIG. 5, the lower electrode 4 is formed so as to straddle the sacrificial layer 21. The lower electrode 4 is formed by forming a conductive layer on the support layer 2 by sputtering or vapor deposition, and removing a part of the conductive layer (patterning) to expose a part of the support layer 2, The remaining portion of the conductive layer is used as a lower electrode. The material of the conductive layer, that is, the material of the lower electrode 4 is appropriately selected so as not to adversely affect the resistance to an etchant that etches the sacrificial layer 21 in the process described later and the crystal quality of the piezoelectric layer 5A. As a method for patterning the conductive layer into a predetermined shape, a photolithography technique such as dry etching or wet etching, or a lift-off method can be used as appropriate.
下部電極４の形成の別法として、支持層２の一部であって下部電極４を形成しない領域の上にマスクを形成し、露出した支持層２及びマスクの上に導電層を形成し、マスクを除去することにより、支持層２の一部を露出させるとともに、導電層の残留する部分からなる下部電極４を形成するリフトオフ法が挙げられる。 As another method of forming the lower electrode 4, a mask is formed on a part of the support layer 2 where the lower electrode 4 is not formed, and a conductive layer is formed on the exposed support layer 2 and the mask. By removing the mask, a part of the support layer 2 is exposed, and a lift-off method for forming the lower electrode 4 composed of a portion where the conductive layer remains can be cited.
次に、図６に示すように、下部電極４の上面上および、下部電極４をパターニング形成する際に露出した支持層２の上面上に、それぞれ圧電体層５Ａ，５Ｂを堆積させる。 Next, as shown in FIG. 6, piezoelectric layers 5A and 5B are deposited on the upper surface of the lower electrode 4 and on the upper surface of the support layer 2 exposed when the lower electrode 4 is formed by patterning.
圧電体層５Ｂの結晶性は支持層２の表面の清浄度の影響を受けるので、圧電体層５Ａ，５Ｂの堆積に先立ち、支持層２の表面を清浄化する。清浄化の手法としては、次のようなものが例示される。すなわち、露出した支持層２の表面を、有機溶剤、アルカリ溶液、酸溶液および／または純水により洗浄したり、Ａｒによるドライエッチングを行ったり、ハロゲンランプにより１００℃以上５００℃以下の温度で２分から１０分程度加熱したりすることで、表面に付着している有機物等の除去を行う。 Since the crystallinity of the piezoelectric layer 5B is affected by the cleanliness of the surface of the support layer 2, the surface of the support layer 2 is cleaned prior to the deposition of the piezoelectric layers 5A and 5B. Examples of the cleaning method include the following. That is, the exposed surface of the support layer 2 is washed with an organic solvent, an alkali solution, an acid solution and / or pure water, dry-etched with Ar, or heated at a temperature of 100 ° C. to 500 ° C. with a halogen lamp. The organic substances adhering to the surface are removed by heating for about 10 minutes to 10 minutes.
圧電体層５Ａ，５Ｂは同一工程で形成される。この際、圧電体層５Ｂの結晶性は、下部電極４をパターニング形成する際に露出した支持層２の表面状態の影響を受け、支持層２の表面粗さが大きいと圧電体層５Ｂの結晶性は悪くなり、逆に支持層２の表面粗さが小さいと圧電体層５Ｂの結晶性は良くなる。支持層２の上面の表面粗さを２ｎｍ以下とすることで、圧電体層５ＢのＸ線回折のロッキングカーブ半値幅を２．０度以下とすることができる。上記のような清浄化により、支持層２の上面の表面粗さを低減し、たとえば２ｎｍ以下にすることができる。尚、圧電体層５Ａの結晶性は、下地の下部電極４の表面状態の影響を受け、下部電極４の上面の表面粗さを１ｎｍ以下とすることで、圧電体層５ＡのＸ線回折のロッキングカーブ半値幅を１．５度以下とすることができる。 The piezoelectric layers 5A and 5B are formed in the same process. At this time, the crystallinity of the piezoelectric layer 5B is affected by the surface state of the support layer 2 exposed when the lower electrode 4 is formed by patterning. If the surface roughness of the support layer 2 is large, the crystal of the piezoelectric layer 5B On the contrary, when the surface roughness of the support layer 2 is small, the crystallinity of the piezoelectric layer 5B is improved. By setting the surface roughness of the upper surface of the support layer 2 to 2 nm or less, the full width at half maximum of the rocking curve of the X-ray diffraction of the piezoelectric layer 5B can be set to 2.0 degrees or less. By the above cleaning, the surface roughness of the upper surface of the support layer 2 can be reduced, for example, 2 nm or less. The crystallinity of the piezoelectric layer 5A is affected by the surface state of the underlying lower electrode 4, and the surface roughness of the upper surface of the lower electrode 4 is set to 1 nm or less, so that the X-ray diffraction of the piezoelectric layer 5A is reduced. The full width at half maximum of the rocking curve can be 1.5 degrees or less.
次に、図７に示すように、下部電極４の場合と同様にして、上部電極６を形成する。これにより、下部電極４、圧電体層５Ａ，５Ｂ、及び上部電極６からなる圧電積層構造体５１が形成される。 Next, as shown in FIG. 7, the upper electrode 6 is formed in the same manner as the lower electrode 4. Thereby, a piezoelectric laminated structure 51 including the lower electrode 4, the piezoelectric layers 5A and 5B, and the upper electrode 6 is formed.
次に、図８に示すように、上部電極６、圧電体層５Ａ及び下部電極４を上下方向に貫通して犠牲層２１の一部を露出するように貫通孔２２を設ける。 Next, as shown in FIG. 8, a through hole 22 is provided so as to penetrate the upper electrode 6, the piezoelectric layer 5 </ b> A, and the lower electrode 4 in the vertical direction to expose a part of the sacrificial layer 21.
次に、図９に示すように、貫通孔２２から犠牲層２１及び支持層２をエッチングするためのエッチング液（上記特定の化学物質）を導入し、振動用空間３を形成する。 Next, as illustrated in FIG. 9, an etching solution (the above-described specific chemical substance) for etching the sacrificial layer 21 and the support layer 2 is introduced from the through hole 22 to form the vibration space 3.
図１０は本発明による圧電薄膜音響共振器の他の実施形態を示す模式的縦断面図である。この図は、上記図１に対応する部分を示す。図１０において、図１乃至９におけると同様の機能を有する部材には、同一の符号が付されている。本実施形態では、基板１及び支持層２を貫通する振動用空間３が形成されている。本実施形態の圧電薄膜音響共振器は、上記図１及び２に係る実施形態のものと同様にして、但し犠牲層２１及び貫通孔２２を形成せずに基板１の下面側からのエッチングで振動用空間３を形成することで、製造される。 FIG. 10 is a schematic longitudinal sectional view showing another embodiment of the piezoelectric thin film acoustic resonator according to the present invention. This figure shows a portion corresponding to FIG. 10, members having the same functions as those in FIGS. 1 to 9 are denoted by the same reference numerals. In this embodiment, a vibration space 3 penetrating the substrate 1 and the support layer 2 is formed. The piezoelectric thin film acoustic resonator of the present embodiment is the same as that of the embodiment according to FIGS. 1 and 2, except that the sacrificial layer 21 and the through hole 22 are not formed and the substrate 1 vibrates by etching from the lower surface side. It is manufactured by forming the working space 3.
図１１は本発明による圧電薄膜音響共振器の更に別の実施形態を示す模式的縦断面図である。この図は、上記図１に対応する部分を示す。図１１において、図１乃至１０におけると同様の機能を有する部材には、同一の符号が付されている。本実施形態では、圧電積層構造体５１の振動部５２の下面は、支持体の上面側領域に形成された音響反射層１１の上面に接している。音響反射層１１は、低インピーダンス層と高インピーダンス層との交互積層体からなる。低インピーダンス層としてはＳｉＯ２やＡｌＮなどの音響インピーダンスの小さな材料からなるものが使用され、高インピーダンス層としてはＭｏ、Ｗ、Ｔａ２Ｏ５などの音響インピーダンスの大きな材料からなるものが使用され、これらの低インピーダンス層及び高インピーダンス層の厚みが弾性波の４分の１波長に相当するように設定される。 FIG. 11 is a schematic longitudinal sectional view showing still another embodiment of the piezoelectric thin film acoustic resonator according to the present invention. This figure shows a portion corresponding to FIG. 11, members having the same functions as those in FIGS. 1 to 10 are denoted by the same reference numerals. In the present embodiment, the lower surface of the vibrating portion 52 of the piezoelectric multilayer structure 51 is in contact with the upper surface of the acoustic reflection layer 11 formed in the upper surface side region of the support. The acoustic reflection layer 11 is composed of an alternating laminate of low impedance layers and high impedance layers. The low impedance layer is made of a material having a small acoustic impedance such as SiO 2 or AlN, and the high impedance layer is made of a material having a large acoustic impedance such as Mo, W, Ta 2 O 5 , The thicknesses of these low impedance layer and high impedance layer are set so as to correspond to a quarter wavelength of the elastic wave.
本実施形態の圧電薄膜音響共振器は、次のようにして製造することができる。先ず、シリコン基板などの半導体基板１の上面に支持層２を形成し、ここに湿式エッチング等の技術によりピット部を形成し、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法などの成膜技術により音響反射層１１を形成する。その後、ＣＭＰ法などの平坦化技術により表面平坦化を行う。その後、上記実施形態と同様にして下部電極４、圧電体層５Ａ，５Ｂ、および上部電極６を形成する。 The piezoelectric thin film acoustic resonator of this embodiment can be manufactured as follows. First, a support layer 2 is formed on the upper surface of a semiconductor substrate 1 such as a silicon substrate, a pit portion is formed thereon by a technique such as wet etching, and an acoustic reflection layer is formed by a film formation technique such as sputtering, vapor deposition or CVD. 11 is formed. Thereafter, surface planarization is performed by a planarization technique such as CMP. Thereafter, the lower electrode 4, the piezoelectric layers 5A and 5B, and the upper electrode 6 are formed in the same manner as in the above embodiment.
以上のような圧電薄膜音響共振器を複数、共通の基板上に形成し、これらを適宜電気的に接続し、必要に応じて更に他の素子を使用することで、圧電薄膜フィルタ及び圧電薄膜デュプレクサを構成することができる。このようなフィルタ及びデュプレクサにおける具体的な電気的接続の形態例としては、特開２００８−１２４６３８号公報の特に図４、５及び９を参照して説明されているようなものが挙げられる。 A plurality of piezoelectric thin film acoustic resonators as described above are formed on a common substrate, these are electrically connected as appropriate, and other elements are used as necessary, so that a piezoelectric thin film filter and a piezoelectric thin film duplexer are used. Can be configured. Specific examples of the electrical connection in such a filter and duplexer include those described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-124638, with particular reference to FIGS.
以下に実施例および比較例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples.
（実施例１）
本実施例１では、以下のようにして図１および図２に示されている構造の圧電薄膜音響共振器を製造した。
Example 1
In Example 1, a piezoelectric thin film acoustic resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
Ｓｉ基板１上に、熱酸化法により、厚さ１５００ｎｍのＳｉＯ２からなる支持層２を形成した。続いて、支持層２の上に、スパッタリング法により、空洞を形成するための厚さ５０ｎｍのＴｉ犠牲層２１を堆積した。このＴｉ犠牲層２１を、エッチングにより、圧電薄膜音響共振器の振動部５２の形状にパターニングした。 A support layer 2 made of SiO 2 having a thickness of 1500 nm was formed on the Si substrate 1 by thermal oxidation. Subsequently, a Ti sacrificial layer 21 having a thickness of 50 nm for forming a cavity was deposited on the support layer 2 by sputtering. This Ti sacrificial layer 21 was patterned by etching into the shape of the vibrating portion 52 of the piezoelectric thin film acoustic resonator.
続いて、スパッタリング法によりＭｏを約３００ｎｍ堆積し、所望の形状とするためにエッチングによりパターニングを行って下部電極４を形成した。 Subsequently, about 300 nm of Mo was deposited by a sputtering method, and the lower electrode 4 was formed by patterning by etching to obtain a desired shape.
続いて、下部電極４の形成の際のＭｏパターニングにより露出した支持層２の表面を清浄化するため、１／５００に希釈したフッ化水素水溶液を用い洗浄した後、さらに純水により洗浄した。この処理により、支持層２の表面粗さを高さのＲＭＳ変動の値で１．５ｎｍ以下に制御した。 Subsequently, in order to clean the surface of the support layer 2 exposed by Mo patterning when the lower electrode 4 was formed, the surface of the support layer 2 was washed with an aqueous solution of hydrogen fluoride diluted to 1/500, and further washed with pure water. By this treatment, the surface roughness of the support layer 2 was controlled to 1.5 nm or less by the value of the RMS fluctuation of the height.
続いて、圧電材料としてＡｌＮを用い、ＡｌＮをスパッタリング法により約１２００ｎｍ堆積し、圧電体層５Ａおよび５Ｂを形成した。その際、ＡｌＮを堆積する前にスパッタリング装置内でハロゲンランプにより支持層２の表面及び下部電極４の表面を４５０℃で１０分加熱処理し、表面の吸着水および有機物を除去した。さらに、ＡｌＮを堆積する直前に支持層２の表面及び下部電極４の表面をＡｒプラズマによりエッチング処理し、下部電極４のＭｏをパターニングにより除去して露出した支持層２の表面を清浄化するとともに平坦化した。この処理により、支持層２の表面粗さを高さのＲＭＳ変動の値で１．０ｎｍ以下に制御した。 Subsequently, AlN was used as a piezoelectric material, and AlN was deposited by about 1200 nm by a sputtering method to form the piezoelectric layers 5A and 5B. At that time, before depositing AlN, the surface of the support layer 2 and the surface of the lower electrode 4 were heat-treated at 450 ° C. for 10 minutes with a halogen lamp in a sputtering apparatus to remove adsorbed water and organic substances on the surface. Further, immediately before depositing AlN, the surface of the support layer 2 and the surface of the lower electrode 4 are etched with Ar plasma, and Mo of the lower electrode 4 is removed by patterning to clean the exposed surface of the support layer 2. Flattened. By this treatment, the surface roughness of the support layer 2 was controlled to 1.0 nm or less by the RMS fluctuation value of the height.
以上の加熱処理およびＡｒプラズマ処理により、周辺領域の圧電体層５ＢのＸ線回折のロッキングカーブ半値幅を１．４９度にすることができた。 By the above heat treatment and Ar plasma treatment, the half-value width of the rocking curve of the X-ray diffraction of the piezoelectric layer 5B in the peripheral region could be 1.49 degrees.
続いて、下部電極４の場合と同様の方法で、Ｍｏを約３００ｎｍ堆積し、パターニングを行って上部電極６を形成した。 Subsequently, about 300 nm of Mo was deposited by the same method as in the case of the lower electrode 4 and patterned to form the upper electrode 6.
続いて、振動用空間３を作製するために、エッチングにより、犠牲層２１まで到達するように４個の１０μｍφ程度の貫通孔２２を開けた。 Subsequently, in order to produce the vibration space 3, four through-holes 22 of about 10 μmφ were opened so as to reach the sacrificial layer 21 by etching.
続いて、エッチング液としてふっ化水素酸緩衝液を貫通孔２２より犠牲層２１に注入し、犠牲層２１を除去すると共に、その下に接した支持層２の部分を除去することで、圧電薄膜音響共振器の振動部５２の形状に振動用空間３を形成し、本発明による圧電薄膜音響共振器を得た。 Subsequently, a hydrofluoric acid buffer solution as an etching solution is injected into the sacrificial layer 21 through the through-hole 22, and the sacrificial layer 21 is removed and the portion of the support layer 2 that is in contact with the sacrificial layer 21 is removed. The vibration space 3 was formed in the shape of the vibration part 52 of the acoustic resonator, and the piezoelectric thin film acoustic resonator according to the present invention was obtained.
このようにして得た圧電薄膜音響共振器のインピーダンス特性を図１２に示す。また、表１に前処理条件と圧電体層５Ａ，５Ｂの結晶性（Ｘ線回折のロッキングカーブ半値幅）および下地の表面粗さ並びに反共振特性の測定結果を示す。表１及び図１２からも分かるとおり、反共振特性のＱ値が６８０以上と高い、特性に優れた共振器を得ることができた。 FIG. 12 shows the impedance characteristics of the piezoelectric thin film acoustic resonator thus obtained. Table 1 shows measurement results of pretreatment conditions, crystallinity of the piezoelectric layers 5A and 5B (rocking curve half-value width of X-ray diffraction), surface roughness of the base, and anti-resonance characteristics. As can be seen from Table 1 and FIG. 12, a resonator having a high antiresonance characteristic Q value of 680 or more and excellent characteristics could be obtained.
（比較例１）
比較例１として、支持層表面の洗浄と、圧電体層を形成する前にスパッタリング装置内で行うハロゲンランプによる加熱処理およびＡｒプラズマ処理とをしなかったこと以外は、実施例１と同様にして圧電薄膜音響共振器を作製した。
(Comparative Example 1)
As Comparative Example 1, the same procedure as in Example 1 was performed, except that the surface of the support layer was not cleaned, the heat treatment using a halogen lamp and the Ar plasma treatment were performed in the sputtering apparatus before forming the piezoelectric layer. A piezoelectric thin film acoustic resonator was fabricated.
得られた共振器のインピーダンス特性を図１３に示すとともに、前処理条件と圧電体層５Ｂの結晶性（Ｘ線回折のロッキングカーブ半値幅）および反共振特性の測定結果を表１に示す。実施例１に比べ、圧電体層５Ｂの結晶性が２．５１度と悪く、反共振特性のＱ値が３５０以下と低い結果であった。図１２に示した本発明の圧電薄膜音響共振器の特性に比べ、明らかに特性が劣っており、好ましい特性は得られなかった。 FIG. 13 shows impedance characteristics of the obtained resonator, and Table 1 shows pretreatment conditions, crystallinity of the piezoelectric layer 5B (rocking curve half-value width of X-ray diffraction), and measurement results of anti-resonance characteristics. Compared with Example 1, the crystallinity of the piezoelectric layer 5B was poor at 2.51 degrees, and the Q value of the antiresonance characteristics was as low as 350 or less. Compared with the characteristics of the piezoelectric thin film acoustic resonator of the present invention shown in FIG. 12, the characteristics were clearly inferior, and preferable characteristics were not obtained.
（実施例２、３及び４、並びに比較例２及び３）
実施例２、３及び４、並びに比較例２及び３として、圧電体層を形成する前の前処理条件を種々変えて作製した圧電薄膜音響共振器について、前処理条件と圧電体層５Ｂの結晶性および反共振特性の測定結果を表１に示す。
(Examples 2, 3 and 4 and Comparative Examples 2 and 3)
As the examples 2, 3 and 4 and the comparative examples 2 and 3, the piezoelectric thin film acoustic resonator manufactured by variously changing the pretreatment conditions before forming the piezoelectric layer, the pretreatment conditions and the crystal of the piezoelectric layer 5B Table 1 shows the measurement results of the property and antiresonance characteristics.
表１に示す実施例および比較例からも分かるとおり、周辺領域に圧電体層を堆積させる前の前処理条件を好適化することにより、下部電極のパターニング時に露出した支持層２上に堆積する圧電体層５Ｂの結晶性を２．０度以下に制御することができる。これにより、反共振インピーダンスの高い特性の優れた圧電薄膜音響共振器を作製することができた。 As can be seen from the examples and comparative examples shown in Table 1, piezoelectrics deposited on the support layer 2 exposed during patterning of the lower electrode by optimizing pretreatment conditions before depositing the piezoelectric layer in the peripheral region. The crystallinity of the body layer 5B can be controlled to 2.0 degrees or less. As a result, a piezoelectric thin film acoustic resonator excellent in characteristics with high anti-resonance impedance could be manufactured.
図１４に、周辺領域の圧電体層５Ｂの結晶性と反共振特性との関係をまとめて示す。これより、周辺領域の圧電体層５Ｂの結晶性を２．０度以下にすることで、反共振特性のＱ値が４００以上と高い特性を有する圧電薄膜音響共振器が得られることが分かる。 FIG. 14 collectively shows the relationship between the crystallinity of the piezoelectric layer 5B in the peripheral region and the anti-resonance characteristics. From this, it can be seen that by setting the crystallinity of the piezoelectric layer 5B in the peripheral region to 2.0 degrees or less, a piezoelectric thin film acoustic resonator having a high antiresonance Q value of 400 or more can be obtained.
１０１ 圧電薄膜音響共振器
１ 基板
２ 支持層
３ 振動用空間
４ 下部電極
５，５Ａ，５Ｂ 圧電体層
５１ 圧電積層構造体
５２ 振動部
６ 上部電極
２１ 犠牲層
１１ 音響反射層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Piezoelectric thin film acoustic resonator 1 Substrate 2 Support layer 3 Vibration space 4 Lower electrode 5, 5A, 5B Piezoelectric layer 51 Piezoelectric laminated structure 52 Vibrating part 6 Upper electrode 21 Sacrificial layer 11 Acoustic reflection layer
Claims (11)
前記圧電積層構造体の圧電体層と上部電極及び下部電極とが重畳する領域の少なくとも一部からなる振動部の振動を許容するように前記圧電積層構造体を支持する支持体とを備えており、
前記圧電積層構造体の積層方向から見たときに、前記圧電体層が形成されている領域は、前記下部電極が存在する電極領域と前記下部電極が不在の周辺領域とからなり、
前記周辺領域の圧電体層のＸ線回折のロッキングカーブ半値幅が２．０度以下である圧電薄膜音響共振器を製造する方法であって、
熱酸化により基板の表面に酸化物からなる支持層を形成する工程と、
前記支持層上に導電層を形成する工程と、
前記導電層の一部を除去することにより、前記支持層の一部を露出させるとともに、前記導電層の残留する部分からなる前記下部電極を形成する工程と、
露出した前記支持層の表面を清浄化する工程と、
前記下部電極及び露出した前記支持層の上に前記圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層上に前記上部電極を形成する工程とを有し、
前記露出した支持層の表面を清浄化する工程は、有機溶剤、アルカリ溶液、酸溶液および／または純水による洗浄を含んで行われることを特徴とする、圧電薄膜音響共振器の製造方法。 A piezoelectric laminated structure comprising a piezoelectric layer and upper and lower electrodes formed on both upper and lower surfaces thereof, and
And a support for supporting the piezoelectric multilayer structure so as to allow vibration of a vibration part composed of at least a part of a region where the piezoelectric layer of the piezoelectric multilayer structure overlaps with the upper electrode and the lower electrode. ,
When viewed from the stacking direction of the piezoelectric multilayer structure, the region where the piezoelectric layer is formed includes an electrode region where the lower electrode is present and a peripheral region where the lower electrode is absent,
A method of manufacturing a piezoelectric thin film acoustic resonator in which the rocking curve half-value width of the X-ray diffraction of the piezoelectric layer in the peripheral region is 2.0 degrees or less,
Forming a support layer made of an oxide on the surface of the substrate by thermal oxidation;
Forming a conductive layer on the support layer;
Removing a part of the conductive layer to expose a part of the support layer, and forming the lower electrode composed of the remaining part of the conductive layer;
Cleaning the exposed surface of the support layer;
Forming the piezoelectric layer on the lower electrode and the exposed support layer;
Forming the upper electrode on the piezoelectric layer,
The method of manufacturing a piezoelectric thin film acoustic resonator, wherein the step of cleaning the exposed surface of the support layer includes cleaning with an organic solvent, an alkaline solution, an acid solution and / or pure water.
前記圧電積層構造体の圧電体層と上部電極及び下部電極とが重畳する領域の少なくとも一部からなる振動部の振動を許容するように前記圧電積層構造体を支持する支持体とを備えており、
前記圧電積層構造体の積層方向から見たときに、前記圧電体層が形成されている領域は、前記下部電極が存在する電極領域と前記下部電極が不在の周辺領域とからなり、
前記周辺領域の圧電体層のＸ線回折のロッキングカーブ半値幅が２．０度以下である圧電薄膜音響共振器を製造する方法であって、
熱酸化により基板の表面に酸化物からなる支持層を形成する工程と、
前記支持層の一部の上にマスクを形成する工程と、
露出した前記支持層及び前記マスクの上に導電層を形成する工程と、
前記マスクを除去することにより、前記支持層の一部を露出させるとともに、前記導電層の残留する部分からなる前記下部電極を形成する工程と、
露出した前記支持層の表面を清浄化する工程と、
前記下部電極及び露出した前記支持層の上に前記圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層上に前記上部電極を形成する工程とを有し、
前記露出した支持層の表面を清浄化する工程は、有機溶剤、アルカリ溶液、酸溶液および／または純水による洗浄を含んで行われることを特徴とする、圧電薄膜音響共振器の製造方法。 A piezoelectric laminated structure comprising a piezoelectric layer and upper and lower electrodes formed on both upper and lower surfaces thereof, and
And a support for supporting the piezoelectric multilayer structure so as to allow vibration of a vibration part composed of at least a part of a region where the piezoelectric layer of the piezoelectric multilayer structure overlaps with the upper electrode and the lower electrode. ,
When viewed from the stacking direction of the piezoelectric multilayer structure, the region where the piezoelectric layer is formed includes an electrode region where the lower electrode is present and a peripheral region where the lower electrode is absent,
A method of manufacturing a piezoelectric thin film acoustic resonator in which the rocking curve half-value width of the X-ray diffraction of the piezoelectric layer in the peripheral region is 2.0 degrees or less,
Forming a support layer made of an oxide on the surface of the substrate by thermal oxidation;
Forming a mask on a portion of the support layer;
Forming a conductive layer on the exposed support layer and the mask;
Removing the mask to expose a part of the support layer and forming the lower electrode composed of the remaining part of the conductive layer;
Cleaning the exposed surface of the support layer;
Forming the piezoelectric layer on the lower electrode and the exposed support layer;
Forming the upper electrode on the piezoelectric layer,
The method of manufacturing a piezoelectric thin film acoustic resonator, wherein the step of cleaning the exposed surface of the support layer includes cleaning with an organic solvent, an alkaline solution, an acid solution and / or pure water.
前記支持層の上面の高さのＲＭＳ変動で表される表面粗さが２ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の圧電薄膜音響共振器の製造方法。 The support includes a substrate and a support layer formed on the upper surface of the substrate, and the lower surface of the peripheral region of the piezoelectric multilayer structure is in contact with the upper surface of the support layer,
The method for manufacturing a piezoelectric thin film acoustic resonator according to any one of claims 1 to 10 , wherein a surface roughness expressed by RMS fluctuation of the height of the upper surface of the support layer is 2 nm or less. .
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