JPWO2007119643A1 - Piezoelectric thin film resonator, piezoelectric thin film device, and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

圧電薄膜共振子(10)は、振動空間(20)を有する基板(11,12)と、振動空間(20)に面するように配置された圧電積層構造体(14)とを含む。圧電積層構造体(14)は、振動空間(20)に近い側から順に配置された下部電極(15)、圧電薄膜(16)および上部電極(17)を少なくとも有する。下部電極(15)の下面に接して下部絶縁層(13)が形成されており、上部電極(17)の下面に接して上部絶縁層(23)が形成されている。下部電極(15)および上部電極(17)の外周部の周囲に、電極とは材質の異なるサイドスペーサー(26)が配置されている。サイドスペーサー(26)と電極(15,17)との界面における段差は25nm未満である。圧電薄膜(16)は窒化アルミニウムからなる。サイドスペーサー(26)の音響インピーダンスは電極(15,17)の音響インピーダンスよりも大きい。The piezoelectric thin film resonator (10) includes a substrate (11, 12) having a vibration space (20), and a piezoelectric laminated structure (14) disposed so as to face the vibration space (20). The piezoelectric laminated structure (14) has at least a lower electrode (15), a piezoelectric thin film (16), and an upper electrode (17) arranged in this order from the side close to the vibration space (20). A lower insulating layer (13) is formed in contact with the lower surface of the lower electrode (15), and an upper insulating layer (23) is formed in contact with the lower surface of the upper electrode (17). Side spacers (26) made of a different material from the electrodes are disposed around the outer periphery of the lower electrode (15) and the upper electrode (17). The step at the interface between the side spacer (26) and the electrodes (15, 17) is less than 25 nm. The piezoelectric thin film (16) is made of aluminum nitride. The acoustic impedance of the side spacer (26) is larger than the acoustic impedance of the electrodes (15, 17).

Description

本発明は、移動体通信機等に利用される薄膜共振器、薄膜VCO(電圧制御発振器)、薄膜フィルタ及び送受信切替器や、各種センサーなど、広範な分野で用いられる圧電薄膜共振子と、それを応用した素子である圧電薄膜デバイスに関する。   The present invention relates to a piezoelectric thin film resonator used in a wide range of fields such as a thin film resonator, a thin film VCO (voltage controlled oscillator), a thin film filter, a transmission / reception switch, and various sensors used in mobile communication devices, etc. The present invention relates to a piezoelectric thin film device that is an element to which is applied.

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が進む中で、RF用およびIF用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の両面で大きな技術革新が必要となってきている。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、Solidly Mounted Bulk Acoustic Wave Resonator:以下SMR)、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,SMRまたはSBARでフィルタを構成すれば、著しく小型化でき、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。   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 RF and IF filters is expanding. SAW filters have been able to meet the strict requirements of users by improving design and production technology. However, as the frequency of use increases, it approaches the limit of improvement in characteristics, and it is a major technology in terms of both miniaturization of electrode formation and ensuring stable output. Innovation is needed. On the other hand, a thin film bulk acoustic wave resonator (Thin Film Bulk Acoustic Resonator: hereinafter referred to as FBAR, Solid Mounted Bulk Acoustic Resonator: hereinafter referred to as SMR), a stacked thin film bulk acoustic wave resonator and a filter (Stack) using thickness vibration of a piezoelectric thin film. Thin Film Bulk Wave Acoustic Resonators and Filters (hereinafter referred to as SBAR) is a thin support film provided on a substrate on which a thin film mainly composed of a piezoelectric material and an electrode for driving the thin film are formed. Basic resonance is possible. If the filter is configured with FBAR, SMR, or SBAR, it can be remarkably miniaturized, and can be operated with low loss and wideband, and can be integrated with a semiconductor integrated circuit. Is expected.

弾性波を利用した共振器及びフィルタ等に応用されるFBAR、SMR及びSBARなどの圧電体薄膜素子は、以下のようにして製造される。シリコンなどの半導体単結晶からなる基板、及びシリコンウェハー上に多結晶ダイヤモンドを形成してなる基板などの上に、種々の薄膜形成方法によって、誘電体薄膜、導電体薄膜、またはこれらを積層した下地膜を形成する。この下地膜上に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。各層の形成後に、または全層を形成した後に、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またはパターニングを行う。振動領域の下方に位置する基板部分を異方性エッチングにより除去して浮き構造を作製した後、最後に1素子単位に分離することにより圧電体薄膜素子を得る。   Piezoelectric thin film elements such as FBAR, SMR, and SBAR, which are applied to resonators and filters using elastic waves, are manufactured as follows. A dielectric thin film, a conductive thin film, or a laminate of these is formed on a substrate made of a semiconductor single crystal such as silicon and a substrate formed of polycrystalline diamond on a silicon wafer by various thin film forming methods. Forms a basement film. A piezoelectric thin film is formed on the base film, and an upper structure is formed if necessary. After each layer is formed or after all layers are formed, each film is subjected to physical processing or chemical processing to perform fine processing or patterning. A substrate portion located below the vibration region is removed by anisotropic etching to produce a floating structure, and finally, a piezoelectric thin film element is obtained by separating into one element unit.

例えば、特許文献1に記載された圧電薄膜素子(FBAR)は、基板上に下地膜、下部電極、圧電体薄膜及び上部電極を形成した後に、振動領域となる部分の下にある基板部分を基板裏面側から除去して振動空間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(PbTiO))、及びチタン酸ジルコン酸鉛(PZT(Pb(Zr,Ti)O))などを用いることができる。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 a piezoelectric thin film element (FBAR) described in Patent Document 1, a base film, a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode are formed on a substrate, and then a substrate portion under a portion that becomes a vibration region is formed on the substrate. It is manufactured by removing from the back side to form a vibration space. Piezoelectric materials for piezoelectric thin film elements include aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), cadmium sulfide (CdS), lead titanate (PT (PbTiO 3 )), and lead zirconate titanate (PZT (Pb ( Zr, Ti) O 3 )) and the like can be 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.

特許文献2には、エアーブリッジ式のFBAR/SBARデバイスの構成と製造方法が記載されている。同公報によれば、最初に、シリコンウェハーの上に犠牲層(Sacrificial layer)として燐石英ガラス(PSG)を堆積し、CMP研磨後、この犠牲層の上に圧電共振器を製作する。PSGは、比較的低温で堆積させることができ、且つ、希釈HO:HF溶液で非常に高いエッチング速度でエッチングされる。したがって、プロセスの終点または終点近くに、犠牲層をエッチングにより除去して、振動領域を形成する。処理はすべてウェハー前面で行なわれるから、この方法は、ウェハー両面におけるパターンの整列および大面積のウェハー裏面側開口部を必要としない。Patent Document 2 describes the configuration and manufacturing method of an air bridge type FBAR / SBAR device. According to the publication, first, phosphor quartz glass (PSG) is deposited on a silicon wafer as a sacrificial layer, and after CMP, a piezoelectric resonator is fabricated on the sacrificial layer. PSG can be deposited at relatively low temperatures and is etched with dilute H 2 O: HF solution at very high etch rates. Therefore, the sacrificial layer is removed by etching near or at the end point of the process to form a vibration region. Because all processing is done on the front side of the wafer, this method does not require pattern alignment on both sides of the wafer and large area wafer backside openings.

空気/結晶境界面を設ける代わりに、適切な音響ミラーを設ける方法もある。この方法では、例えば特許文献3に記載のように、下部電極、圧電体薄膜及び上部電極より構成される挟み込み構造の下に音響的ブラッグ反射鏡からなる大きな音響インピーダンスが作り出される。ブラッグ反射鏡は、音響インピーダンスの高い材料の層と音響インピーダンスの低い材料の層とを交互に積層することにより作られる。各層の厚さは共振周波数の波長の1/4に固定される。十分な層数の積層膜を形成することにより、圧電体/電極境界面における有効インピーダンスを、素子の音響インピーダンスよりはるかに高くすることができ、したがって、圧電体内の音波を有効に閉じ込めることができる。低音響インピーダンス層は酸化シリコンまたはアルミニウムから構成することができ、高音響インピーダンス層はタングステン、プラチナ、モリブデンまたは金から構成することができる。この方法により得られる音響共振器は、挟み込み構造の下に空隙が存在しないので、固体音響ミラー取付け共振器(SMR)と呼ばれる。   An alternative to providing an air / crystal interface is to provide a suitable acoustic mirror. In this method, as described in Patent Document 3, for example, a large acoustic impedance composed of an acoustic Bragg reflector is created under a sandwich structure composed of a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode. The Bragg reflector is made by alternately laminating layers of a material having a high acoustic impedance and layers of a material having a low acoustic impedance. The thickness of each layer is fixed to 1/4 of the wavelength of the resonance frequency. By forming a laminated film having a sufficient number of layers, the effective impedance at the piezoelectric body / electrode interface can be made much higher than the acoustic impedance of the element, and therefore, the acoustic wave in the piezoelectric body can be effectively confined. . The low acoustic impedance layer can be composed of silicon oxide or aluminum, and the high acoustic impedance layer can be composed of tungsten, platinum, molybdenum or gold. The acoustic resonator obtained by this method is called a solid acoustic mirror mounted resonator (SMR) because there is no air gap under the sandwich structure.

前記のいずれの圧電薄膜共振子の構造および製造法においても、下部電極、圧電体薄膜および上部電極が、この順番に形成されていることに変わりは無い。また、下部電極の下側および上部電極の上側に絶縁体層を設け、半導体基板上に絶縁体層/下部電極/圧電体薄膜/上部電極/絶縁体層より成る5層構造を実現することも一般的に採用されている。さらに、下部電極の下側に設けた絶縁体層を結晶成長のためのシード層として利用することや上部電極の上側に設けた絶縁体層を保護層として利用することも知られている。   In any of the piezoelectric thin film resonator structures and manufacturing methods described above, the lower electrode, the piezoelectric thin film, and the upper electrode are still formed in this order. It is also possible to provide an insulator layer on the lower side of the lower electrode and the upper side of the upper electrode and realize a five-layer structure comprising an insulator layer / lower electrode / piezoelectric thin film / upper electrode / insulator layer on the semiconductor substrate. Generally adopted. Furthermore, it is also known that an insulator layer provided below the lower electrode is used as a seed layer for crystal growth, and an insulator layer provided above the upper electrode is used as a protective layer.

圧電体薄膜として利用されるAlN及びZnOなどの薄膜を形成する方法には種々の改良が試みられており、電気機械結合係数、音響的品質係数(Q値)及び周波数温度係数などの圧電特性に優れた、高配向性で均質な圧電薄膜の形成が望まれている。反応性スパッタリング法などの薄膜形成方法により成膜されるAlN薄膜の品質は、AlNが堆積する下地層の性状に強い影響を受けることが知られている。本発明者らによる特許文献4によれば、AlN薄膜形成においては、下地層となる下部電極の表面の高さのRMS変動を50nm以下、好ましくは20nm以下に制御して、下部電極表面を著しく平坦なものとすることにより、高配向性のAlN薄膜を堆積させることができる。得られたAlN薄膜のX線回折測定によれば、(0002)回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FWHM)は3.0゜未満であり、良好な圧電特性を示す。   Various improvements have been made to methods for forming thin films such as AlN and ZnO that are used as piezoelectric thin films, and the piezoelectric properties such as electromechanical coupling coefficient, acoustic quality factor (Q value), and frequency temperature coefficient have been improved. It is desired to form an excellent, highly oriented and homogeneous piezoelectric thin film. It is known that the quality of an AlN thin film formed by a thin film forming method such as reactive sputtering is strongly influenced by the properties of the underlying layer on which AlN is deposited. According to Patent Document 4 by the present inventors, in forming an AlN thin film, the RMS fluctuation of the height of the surface of the lower electrode serving as the underlayer is controlled to 50 nm or less, preferably 20 nm or less, and the surface of the lower electrode is remarkably increased. By making it flat, a highly oriented AlN thin film can be deposited. According to the X-ray diffraction measurement of the obtained AlN thin film, the rocking curve full width at half maximum (FWHM) of the (0002) diffraction peak is less than 3.0 °, indicating good piezoelectric characteristics.

特許文献4には、リフトオフ法により下部電極のパターン形成を行うことが記載されている。これによれば、必然的に、下部電極の外周部に緩やかな傾斜たとえば10°未満のテーパー角を有する傾斜が生ずる。ここで、テーパー角とは、下部電極外周部の上面が下面(即ち、下地絶縁層と接する面であってシリコン基板に平行な面)と為す角度(傾斜角)である。   Patent Document 4 describes that the pattern of the lower electrode is formed by a lift-off method. Accordingly, a gradual inclination, for example, an inclination having a taper angle of less than 10 ° is generated on the outer peripheral portion of the lower electrode. Here, the taper angle is an angle (inclination angle) between the upper surface of the lower electrode outer peripheral portion and the lower surface (that is, a surface in contact with the base insulating layer and parallel to the silicon substrate).

一方、湿式エッチングにより電極のパターン形成を行う場合には、その外周部はテーパー角70°以上の急峻な傾斜を生ずる。電極外周部の傾斜角が急峻な圧電薄膜共振子の一例を、図1A〜1Cに示す。図1Aは圧電薄膜共振子の一例を示す模式的平面図であり、図1BはそのX−X断面図であり、図1Cは図1Bにおける点線で囲った部分の拡大図である。これらの図において、圧電薄膜共振子10は、基板11、該基板11の上面上に形成された絶縁体層12,13および該絶縁体層12の一部を除去して形成した振動空間20を跨ぐよう形成された圧電積層構造体14を有する。圧電積層構造体14は、絶縁体層13の上面上に形成された下部電極15、該下部電極15の一部を覆うようにして絶縁体層13の上面上に形成された圧電薄膜16および該圧電薄膜16の上面上に形成された上部電極17からなる。基板11上には、振動空間を形成する空洞20が形成されている。絶縁体層13の一部は振動空間20に向けて露出している。   On the other hand, when the electrode pattern is formed by wet etching, the outer periphery thereof has a steep inclination with a taper angle of 70 ° or more. An example of a piezoelectric thin film resonator in which the inclination angle of the electrode outer peripheral portion is steep is shown in FIGS. 1A is a schematic plan view showing an example of a piezoelectric thin film resonator, FIG. 1B is an XX cross-sectional view thereof, and FIG. 1C is an enlarged view of a portion surrounded by a dotted line in FIG. 1B. In these drawings, the piezoelectric thin film resonator 10 includes a substrate 11, insulator layers 12 and 13 formed on the upper surface of the substrate 11, and a vibration space 20 formed by removing a part of the insulator layer 12. It has the piezoelectric laminated structure 14 formed so that it might straddle. The piezoelectric laminated structure 14 includes a lower electrode 15 formed on the upper surface of the insulator layer 13, a piezoelectric thin film 16 formed on the upper surface of the insulator layer 13 so as to cover a part of the lower electrode 15, and the piezoelectric thin film 16 The upper electrode 17 is formed on the upper surface of the piezoelectric thin film 16. A cavity 20 that forms a vibration space is formed on the substrate 11. A part of the insulator layer 13 is exposed toward the vibration space 20.

下部電極外周部の傾斜角が45度を超えて急峻になると、図1Cに示すように下部電極外周部のエッジで圧電薄膜であるAlNの異常成長(分離成長)が起こり、隣り合う柱状のAlN粒子間に深いクレータ状の欠陥30を生ずる。このクレータ状欠陥はAlN膜の破壊の原因となり、圧電薄膜共振子の信頼性が損なわれることとなる。   When the inclination angle of the lower electrode outer periphery exceeds 45 degrees and becomes steep, as shown in FIG. 1C, abnormal growth (separated growth) of AlN as a piezoelectric thin film occurs at the edge of the lower electrode outer periphery, and adjacent columnar AlN Deep crater-like defects 30 are generated between the particles. This crater-like defect causes destruction of the AlN film, and the reliability of the piezoelectric thin film resonator is impaired.

同様に、傾斜角がほぼ90°に近い上部電極外周部のエッジからも上部絶縁体層として使用するAlNの異常成長が起こり、隣り合う柱状のAlN粒子間に深いクレータ状の欠陥31を生ずる。   Similarly, abnormal growth of AlN used as the upper insulator layer also occurs from the edge of the outer periphery of the upper electrode whose inclination angle is approximately 90 °, and deep crater-like defects 31 are generated between adjacent columnar AlN grains.

図2Aは前記と異なる別の圧電薄膜共振子の一例を示す模式的平面図であり、図2Bおよび図2CはそれぞれそのX−X断面図およびY−Y断面図である。これらの図においては、上記図1A〜図1Cにおけるもの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。   2A is a schematic plan view showing an example of another piezoelectric thin film resonator different from the above, and FIGS. 2B and 2C are an XX sectional view and a YY sectional view, respectively. In these drawings, members having the same functions as those in FIGS. 1A to 1C are denoted by the same reference numerals.

これらの図においては、圧電薄膜共振子10は、基板11、該基板11の上面上に形成された絶縁体層13および該絶縁体層13の上面上に形成された圧電積層構造体14を有する。圧電積層構造体14は、絶縁体層13の上面上に形成された下部電極15、該下部電極15の一部を覆うようにして絶縁体層13の上面上に形成された圧電薄膜16および該圧電薄膜16の上面上に形成された上部電極17からなる。   In these drawings, the piezoelectric thin film resonator 10 includes a substrate 11, an insulator layer 13 formed on the upper surface of the substrate 11, and a piezoelectric laminated structure 14 formed on the upper surface of the insulator layer 13. . The piezoelectric laminated structure 14 includes a lower electrode 15 formed on the upper surface of the insulator layer 13, a piezoelectric thin film 16 formed on the upper surface of the insulator layer 13 so as to cover a part of the lower electrode 15, and the piezoelectric thin film 16 The upper electrode 17 is formed on the upper surface of the piezoelectric thin film 16.

下部電極外周部の傾斜角が90°(垂直)に近い急峻度であるために、図2Cに示すように下部電極外周部のエッジでAlNの異常成長が起こり、隣り合う柱状のAlN粒子間に深いクレータ状の欠陥30を生ずる。このクレータ状欠陥はAlN膜の破壊の原因となり、圧電薄膜共振子の信頼性が損なわれることとなる。   Since the inclination angle of the outer periphery of the lower electrode is a steepness close to 90 ° (vertical), abnormal growth of AlN occurs at the edge of the outer periphery of the lower electrode as shown in FIG. 2C, and between adjacent columnar AlN particles. A deep crater-like defect 30 is produced. This crater-like defect causes destruction of the AlN film, and the reliability of the piezoelectric thin film resonator is impaired.

Rubyらによる特許文献5には、エッチングガスとして酸素(O)および六フッ化イオウ(SF)を用いたドライエッチング法により下部電極端部に傾斜を設けて、テーパー角を60°以下に制御する方法が開示されている。同公報によれば、テーパー角を60°以下に制御することで、その上に堆積・成長させるAlN薄膜のエッジ(下部電極端部)近傍におけるボイド及び不連続境界の発生を抑制できることが記載されている。しかしながら、同公報においては、AlN薄膜中のボイド及び不連続境界の低減の効果として、絶縁耐力(Dielectric breakdown strength)、耐電力特性(Power handling capacity)および静電気放電(Electrostatic discharge(ESD))の改善効果が挙げられているに過ぎない。In Patent Document 5 by Ruby et al., The end of the lower electrode is inclined by a dry etching method using oxygen (O 2 ) and sulfur hexafluoride (SF 6 ) as an etching gas so that the taper angle is 60 ° or less. A method of controlling is disclosed. According to the publication, by controlling the taper angle to 60 ° or less, it is possible to suppress the occurrence of voids and discontinuous boundaries in the vicinity of the edge (lower electrode end) of the AlN thin film deposited and grown thereon. ing. However, in this publication, as an effect of reducing voids and discontinuous boundaries in the AlN thin film, improvement in dielectric strength, power handling capacity, and electrostatic discharge (ESD) is improved. The effect is only mentioned.

同様に、Ginsburgらによる特許文献6にも、ドライエッチング法により下部電極端部に傾斜を設けて、テーパー角を30°以下に制御する方法が開示されている。同公報によれば、テーパー角を30°以下に制御することで、その上に堆積・成長させるAlN薄膜のエッジ近傍におけるクラックの発生を抑制できることが記載されている。しかしながら、同公報においても、AlN薄膜中のクラック低減の効果として、圧電薄膜共振子となるダイの製造歩留りが15〜80%改善されることが報告されているのみである。   Similarly, Patent Document 6 by Ginsburg et al. Discloses a method in which a taper angle is controlled to 30 ° or less by providing a slope at a lower electrode end by a dry etching method. According to the publication, it is described that by controlling the taper angle to 30 ° or less, the generation of cracks in the vicinity of the edge of the AlN thin film deposited and grown thereon can be suppressed. However, this publication only reports that the production yield of a die that becomes a piezoelectric thin film resonator is improved by 15 to 80% as an effect of reducing cracks in the AlN thin film.

以上の公知文献等から明らかなように、圧電薄膜共振子の製造においては、下部電極の外周部に緩やかな傾斜を設けて、圧電薄膜の分離成長によるクレータ状の欠陥の発生を防止することが重要である。   As is clear from the above-mentioned known literatures and the like, in the manufacture of a piezoelectric thin film resonator, it is possible to prevent the occurrence of crater-like defects due to the separate growth of the piezoelectric thin film by providing a gentle slope on the outer periphery of the lower electrode. is important.

図2A〜2Cに示した圧電薄膜共振子において、下部電極外周部の断面形状を変更し緩やかな傾斜を設けて、AlN薄膜成長に際して電極外周部のエッジから発生するクレータ状の分離成長を防止した例を、図3に示す。下部電極15の外周部における上面の下面に対する傾斜角θを30°以下にすることによって、クレータ状の分離成長が防止される。なお、図2A〜2Cおよび図3のそれぞれに示した圧電薄膜共振子においては、上部電極端部の傾斜角はほぼ90°に近く、しかも上部電極外周部は振動空間20の上にあるメンブラン21の外周縁を超えて外側に広がっており、絶縁体層13を介して厚い基板11により支えられた位置にある。   In the piezoelectric thin film resonator shown in FIGS. 2A to 2C, the cross-sectional shape of the outer periphery of the lower electrode is changed to provide a gentle inclination to prevent crater-like separated growth that occurs from the edge of the outer periphery of the electrode during AlN thin film growth. An example is shown in FIG. By making the inclination angle θ with respect to the lower surface of the upper surface at the outer peripheral portion of the lower electrode 15 equal to or less than 30 °, crater-like separation growth is prevented. 2A to 2C and FIG. 3, the membrane 21 has an inclination angle of the upper electrode end portion close to about 90 ° and an outer peripheral portion of the upper electrode above the vibration space 20. It spreads outside beyond the outer peripheral edge, and is in a position supported by the thick substrate 11 via the insulator layer 13.

特開昭60−142607号公報JP 60-142607 A 特開2000−69594号公報JP 2000-69594 A 特開平6−295181号公報JP-A-6-295181 特開2005−236337号公報JP 2005-236337 A 米国特許出願公開20030141946号公報US Patent Application Publication No. 20030141946 米国特許出願公開20040263287号公報US Patent Application Publication No. 20040263287

これまで、AlN薄膜をFBAR、SMRまたはSBARに適用するために、種々の検討が行われてきた。しかしながら、未だ、ギガヘルツ帯域で十分な性能を発揮する圧電薄膜共振器および圧電薄膜フィルタは得られておらず、共振器の音響的品質係数(Q値)および挿入損失の改善が望まれている。音響的品質係数(Q値)の改善には、高配向性で均質なAlN薄膜を形成する必要がある。このため、基板上に形成される下部電極の外周部に緩やかな傾斜を設けて、AlN薄膜の成長におけるクレータ状の分離成長を防止する方法が採用されてきた。   Until now, various studies have been made to apply an AlN thin film to FBAR, SMR, or SBAR. However, piezoelectric thin film resonators and piezoelectric thin film filters that exhibit sufficient performance in the gigahertz band have not yet been obtained, and improvements in the acoustic quality factor (Q value) and insertion loss of the resonators are desired. In order to improve the acoustic quality factor (Q value), it is necessary to form a highly oriented and uniform AlN thin film. For this reason, a method has been adopted in which a gradual slope is provided on the outer periphery of the lower electrode formed on the substrate to prevent crater-like separation growth in the growth of the AlN thin film.

しかしながら、下部電極外周部に傾斜を設けるということは、共振子の中央部と外周部とで弾性波の振動状態が微妙に異なってくるということを意味する。その結果、下部電極外周部の傾斜が過度に緩やかなものになると、傾斜部の水平距離が長くなり過ぎて、圧電薄膜共振子の音響品質係数(Q値)が著しく低下するという問題がある。また、インピーダンス特性における共振ピーク付近に数多くのノイズが発生するようになる。このように、圧電特性に種々の影響を生ずるので好ましくない。また、上部電極外周部の傾斜についても、同様の影響が認められる。   However, providing the outer peripheral portion of the lower electrode with an inclination means that the vibration state of the elastic wave is slightly different between the central portion and the outer peripheral portion of the resonator. As a result, when the inclination of the outer peripheral portion of the lower electrode becomes excessively gentle, the horizontal distance of the inclined portion becomes too long, and there is a problem that the acoustic quality factor (Q value) of the piezoelectric thin film resonator is remarkably reduced. In addition, many noises are generated near the resonance peak in the impedance characteristic. As described above, various effects are caused on the piezoelectric characteristics, which is not preferable. Further, the same influence is observed on the inclination of the outer periphery of the upper electrode.

そこで、本発明は、下部電極または上部電極の外周部に傾斜を設けることに付随する以上のような特性面の問題点を解決することによって、AlN薄膜の特長を活かしつつ、電気機械結合係数が大きく、音響的品質係数(Q値)に優れ、挿入損失などの特性面で従来に比べて著しく高性能な圧電薄膜共振子、及びそれを用いた圧電薄膜デバイスを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention solves the above-mentioned characteristic problems associated with the provision of the slopes on the outer periphery of the lower electrode or the upper electrode, thereby taking advantage of the characteristics of the AlN thin film and reducing the electromechanical coupling coefficient. An object of the present invention is to provide a piezoelectric thin film resonator that is large, excellent in acoustic quality factor (Q value), and extremely high in performance in terms of characteristics such as insertion loss, and a piezoelectric thin film device using the same.

本発明者らは、FBAR、SMRまたはSBARの共振特性に大きく影響を与える窒化アルミニウム薄膜の性状が、下部電極または上部電極の外周部の形状や材質によってどのように影響を受けるかについて鋭意検討を行った。その結果、下部電極または上部電極の外周部に隣接して、前記下部電極または上部電極とは異なる材質のサイドスペーサーを設け、該サイドスペーサーと前記下部電極または上部電極の外周部との界面における段差を25nm未満とすることで、下部電極及び上部電極の間に形成される窒化アルミニウム薄膜をクレータ状の分離成長の無い高結晶性でロッキング・カーブ半値幅(FWHM)2.0゜以下の高配向性のc軸配向窒化アルミニウム薄膜とすることができ、下部電極または上部電極の外周部の傾斜に起因する圧電特性への悪影響を解消できることを突き止めた。さらに、下部電極または上部電極を構成する金属薄膜を特定の材質、構造および結晶相となるように調製することによって、ロッキング・カーブ半値幅(FWHM)が0.8〜1.6゜の、さらに配向性及び結晶性に優れたc軸配向窒化アルミニウム薄膜が得られることを見出した。そして、このような高配向性及び高結晶性のc軸配向窒化アルミニウム薄膜を使用することにより、電気機械結合係数が大きく、音響的品質係数(Q値)が大きく、低損失で、高性能なFBAR、SMRまたはSBARを実現できることを見出し、本発明に到達した。   The present inventors have intensively studied how the properties of an aluminum nitride thin film that greatly affects the resonance characteristics of FBAR, SMR, or SBAR are affected by the shape and material of the outer periphery of the lower electrode or upper electrode. went. As a result, a side spacer made of a material different from that of the lower electrode or the upper electrode is provided adjacent to the outer peripheral portion of the lower electrode or the upper electrode, and a step at the interface between the side spacer and the outer periphery of the lower electrode or the upper electrode is provided. By setting the thickness to less than 25 nm, the aluminum nitride thin film formed between the lower electrode and the upper electrode has a high crystallinity and no rocking curve half-width (FWHM) of 2.0 ° or less without crater-like separation growth. It has been found that a negative c-axis oriented aluminum nitride thin film can be obtained, and the adverse effect on the piezoelectric characteristics due to the inclination of the outer peripheral portion of the lower electrode or the upper electrode can be eliminated. Furthermore, by preparing the metal thin film constituting the lower electrode or the upper electrode to have a specific material, structure and crystal phase, the rocking curve half-width (FWHM) is 0.8 to 1.6 °, It has been found that a c-axis oriented aluminum nitride thin film having excellent orientation and crystallinity can be obtained. By using such a highly oriented and highly crystalline c-axis oriented aluminum nitride thin film, the electromechanical coupling coefficient is large, the acoustic quality factor (Q value) is large, the loss is low, and the performance is high. The present inventors have found that FBAR, SMR or SBAR can be realized and have reached the present invention.

本発明によれば、上記の目的を達成するものとして、
振動空間または音響反射層を有する基板と、前記振動空間または音響反射層に面するように配置された圧電積層構造体とを含んでなり、該圧電積層構造体は振動空間または音響反射層に近い側から順に配置された下部電極、圧電薄膜および上部電極を少なくとも有する圧電薄膜共振子であって、
前記下部電極および上部電極のうちの少なくとも一方の電極の外周部の周囲に該電極とは材質の異なるサイドスペーサーが配置されており、該サイドスペーサーと前記電極との界面における段差は25nm未満であることを特徴とする圧電薄膜共振子、
が提供される。
According to the present invention, the above object is achieved as follows:
A substrate having a vibration space or an acoustic reflection layer; and a piezoelectric multilayer structure disposed so as to face the vibration space or the acoustic reflection layer, the piezoelectric multilayer structure being close to the vibration space or the acoustic reflection layer A piezoelectric thin film resonator having at least a lower electrode, a piezoelectric thin film and an upper electrode arranged in order from the side,
A side spacer made of a material different from that of the electrode is disposed around an outer peripheral portion of at least one of the lower electrode and the upper electrode, and a step at an interface between the side spacer and the electrode is less than 25 nm. A piezoelectric thin film resonator characterized by
Is provided.

本発明の一態様においては、前記圧電薄膜は窒化アルミニウム(AlN)からなる。本発明の一態様においては、前記窒化アルミニウムからなる圧電薄膜の(0002)回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FWHM)が0.8〜1.6゜である。   In one aspect of the present invention, the piezoelectric thin film is made of aluminum nitride (AlN). In one aspect of the present invention, the piezoelectric thin film made of aluminum nitride has a rocking curve half-width (FWHM) of a (0002) diffraction peak of 0.8 to 1.6 °.

本発明の一態様においては、前記サイドスペーサーと前記電極との界面における段差は3nm未満である。本発明の一態様においては、前記サイドスペーサーは上面が下面に対してスロープ状に形成されている。本発明の一態様においては、前記サイドスペーサーは前記下面に対する上面の傾斜角が3〜45度である。本発明の一態様においては、前記サイドスペーサーの音響インピーダンスは前記電極の音響インピーダンスよりも大きい。   In one aspect of the present invention, the step at the interface between the side spacer and the electrode is less than 3 nm. In one aspect of the present invention, the side spacer has an upper surface formed in a slope shape with respect to the lower surface. In one aspect of the present invention, the side spacer has an inclination angle of the upper surface with respect to the lower surface of 3 to 45 degrees. In one aspect of the present invention, the acoustic impedance of the side spacer is larger than the acoustic impedance of the electrode.

本発明の一態様においては、前記サイドスペーサーは絶縁体からなる。本発明の一態様においては、前記サイドスペーサーは、二酸化ケイ素(SiO)、窒化ケイ素(SiN)、酸窒化ケイ素(SiON)、窒化アルミニウム(AlN)、酸窒化アルミニウム(AlO)、酸化アルミニウム(Al)、酸化ジルコニウム(ZrO)および酸化タンタル(Ta)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からなる。In one aspect of the present invention, the side spacer is made of an insulator. In one embodiment of the present invention, the side spacer includes silicon dioxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN x ), silicon oxynitride (Si 2 ON 2 ), aluminum nitride (AlN), and aluminum oxynitride (AlO x N). y ), an insulator mainly composed of at least one material selected from the group consisting of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ).

本発明の一態様においては、前記サイドスペーサーは導電体からなる。本発明の一態様においては、前記サイドスペーサーは、タングステン(W)、タングステンシリサイド(WSi)およびイリジウム(Ir)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導電体からなる。In one aspect of the present invention, the side spacer is made of a conductor. In one aspect of the present invention, the side spacer is made of a conductor whose main component is at least one material selected from the group consisting of tungsten (W), tungsten silicide (WSi x ), and iridium (Ir).

本発明の一態様においては、前記上部電極および下部電極の少なくとも一方はモリブデンからなる。本発明の一態様においては、前記上部電極および下部電極の少なくとも一方は、モリブデン、ルテニウム、アルミニウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、白金および銅からなる群から選ばれる2種類の金属の積層体で構成されている。   In one aspect of the present invention, at least one of the upper electrode and the lower electrode is made of molybdenum. In one aspect of the present invention, at least one of the upper electrode and the lower electrode is composed of a laminate of two kinds of metals selected from the group consisting of molybdenum, ruthenium, aluminum, iridium, cobalt, nickel, platinum, and copper. ing.

本発明の一態様においては、前記下部電極は厚さd1の下側金属層と厚さd2の上側金属層との積層体であり、d1/d2>1であり且つ150nm<(d1+d2)<450nmである。本発明の一態様においては、前記上部電極は厚さd3の下側金属層と厚さd4の上側金属層との積層体であり、d4/d3>1であり且つ150nm<(d3+d4)<450nmである。   In one embodiment of the present invention, the lower electrode is a laminate of a lower metal layer having a thickness d1 and an upper metal layer having a thickness d2, where d1 / d2> 1 and 150 nm <(d1 + d2) <450 nm. It is. In one embodiment of the present invention, the upper electrode is a laminate of a lower metal layer having a thickness d3 and an upper metal layer having a thickness d4, d4 / d3> 1, and 150 nm <(d3 + d4) <450 nm. It is.

本発明の一態様においては、前記圧電積層構造体の厚み方向に見て、前記下部電極と上部電極とが互いに重なる領域として定義される振動領域は前記振動空間または音響反射層の外周縁より内側に位置する。本発明の一態様においては、前記圧電積層構造体の厚み方向に見た前記振動領域の端部と前記振動空間または音響反射層の外周縁との間の距離w、および前記振動領域での圧電積層構造体の厚みと絶縁層の厚みとの合計tが、関係式0<w/t≦2を満たす。   In one aspect of the present invention, the vibration region defined as a region where the lower electrode and the upper electrode overlap with each other when viewed in the thickness direction of the piezoelectric multilayer structure is inside the vibration space or the outer peripheral edge of the acoustic reflection layer. Located in. In one aspect of the present invention, the distance w between the end of the vibration region and the outer periphery of the vibration space or the acoustic reflection layer, as viewed in the thickness direction of the piezoelectric multilayer structure, and the piezoelectric in the vibration region The total t of the thickness of the laminated structure and the thickness of the insulating layer satisfies the relational expression 0 <w / t ≦ 2.

本発明の一態様においては、前記圧電積層構造体の上面または下面に絶縁層が付されている。本発明の一態様においては、前記絶縁層は前記下部電極の下面に接して形成されている。本発明の一態様においては、前記絶縁層は前記上部電極の上面に接して形成されている。本発明の一態様においては、前記絶縁層は、窒化アルミニウム(AlN)、酸窒化アルミニウム(AlO)、酸化アルミニウム(Al)、窒化ケイ素(SiN)、酸窒化ケイ素(SiON)、酸化ジルコニウム(ZrO)および酸化タンタル(Ta)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ものである。In one aspect of the present invention, an insulating layer is attached to the upper surface or the lower surface of the piezoelectric multilayer structure. In one aspect of the present invention, the insulating layer is formed in contact with the lower surface of the lower electrode. In one aspect of the present invention, the insulating layer is formed in contact with the upper surface of the upper electrode. In one embodiment of the present invention, the insulating layer includes aluminum nitride (AlN), aluminum oxynitride (AlO x N y ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon nitride (SiN x ), silicon oxynitride (Si 2 ON 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) as a main component.

本発明の一態様においては、前記下部電極の下面に接して形成される下部絶縁層の厚さd5が25〜300nmである。本発明の一態様においては、前記上部電極の上面に接して形成される上部絶縁層の厚さd6が40〜600nmである。本発明の一態様においては、状部絶縁層の厚さd6と下部絶縁体層の厚さd5との比率d6/d5が関係式1≦d6/d5<4を満たす。   In one embodiment of the present invention, the thickness d5 of the lower insulating layer formed in contact with the lower surface of the lower electrode is 25 to 300 nm. In one embodiment of the present invention, the thickness d6 of the upper insulating layer formed in contact with the upper surface of the upper electrode is 40 to 600 nm. In one embodiment of the present invention, the ratio d6 / d5 between the thickness d6 of the insulating portion and the thickness d5 of the lower insulating layer satisfies the relational expression 1 ≦ d6 / d5 <4.

さらに本発明の一態様においては、前記圧電薄膜共振子は、インピーダンス曲線における反共振ピークの音響品質係数(Q値)が1000以上である。   Furthermore, in one aspect of the present invention, the piezoelectric thin film resonator has an anti-resonance peak acoustic quality factor (Q value) of 1000 or more in an impedance curve.

また、本発明によれば、上記の圧電薄膜共振子を複数個組み合せて構成される圧電薄膜デバイスが提供される。前記圧電薄膜共振子は、積層型圧電薄膜共振子も含む。圧電薄膜デバイスとしては、以上のような圧電薄膜共振子や積層型圧電薄膜共振子を用いて構成されるVCO(電圧制御発振器)、フィルタおよび送受切替器などが挙げられるがこれに限定されるものではない。このような圧電薄膜デバイスでは、1GHz以上の高い周波数での特性を著しく向上させることができる。   The present invention also provides a piezoelectric thin film device configured by combining a plurality of the above-described piezoelectric thin film resonators. The piezoelectric thin film resonator includes a stacked piezoelectric thin film resonator. Examples of the piezoelectric thin film device include, but are not limited to, a VCO (Voltage Controlled Oscillator), a filter, and a transmission / reception switch configured using the piezoelectric thin film resonator and the laminated piezoelectric thin film resonator as described above. is not. In such a piezoelectric thin film device, characteristics at a high frequency of 1 GHz or more can be remarkably improved.

更に、本発明によれば、上記の目的を達成するものとして、
上記の圧電薄膜共振子を製造する方法であって、
基板上に下部絶縁層を形成する第1の工程と、
前記下部絶縁層上に前記下部電極を形成する第2の工程と、
前記下部電極および下部絶縁層の露出面に前記下部電極とは材質の異なる絶縁体または導電体を堆積させた後、エッチバックにより前記下部電極の上面を露出させ、前記下部電極の外周部の周囲に下部電極用の前記サイドスペーサーを形成する第3の工程と、
前記下部電極、下部電極用サイドスペーサーおよび下部絶縁層の露出面に圧電材料層を形成する第4の工程と、
前記圧電材料層上に前記上部電極を形成する第5の工程と、
前記圧電材料層をパターニングして前記圧電薄膜を形成する第6の工程と、
前記圧電薄膜および上部電極上に上部絶縁層を形成する第7の工程とを有することを特徴とする、圧電薄膜共振子の製造方法、
が提供される。
Furthermore, according to the present invention, the above object is achieved as follows:
A method of manufacturing the above piezoelectric thin film resonator,
A first step of forming a lower insulating layer on the substrate;
A second step of forming the lower electrode on the lower insulating layer;
After depositing an insulator or a conductor having a different material from that of the lower electrode on the exposed surfaces of the lower electrode and the lower insulating layer, the upper surface of the lower electrode is exposed by etch back, and the periphery of the outer periphery of the lower electrode A third step of forming the side spacer for the lower electrode in
A fourth step of forming a piezoelectric material layer on the exposed surfaces of the lower electrode, the lower electrode side spacer and the lower insulating layer;
A fifth step of forming the upper electrode on the piezoelectric material layer;
A sixth step of patterning the piezoelectric material layer to form the piezoelectric thin film;
A method for manufacturing a piezoelectric thin film resonator, comprising: a seventh step of forming an upper insulating layer on the piezoelectric thin film and the upper electrode;
Is provided.

本発明の一態様においては、前記第5の工程と第6の工程との間に、前記上部電極および圧電材料層の露出面に前記上部電極とは材質の異なる絶縁体または導電体を堆積させた後、エッチバックにより前記上部電極の上面を露出させ、前記上部電極の外周部の周囲に上部電極用の前記サイドスペーサーを形成する工程を介在させる。   In one embodiment of the present invention, an insulator or a conductor having a different material from that of the upper electrode is deposited on the exposed surfaces of the upper electrode and the piezoelectric material layer between the fifth step and the sixth step. Thereafter, an upper surface of the upper electrode is exposed by etch back, and a step of forming the side spacer for the upper electrode around the outer peripheral portion of the upper electrode is interposed.

更にまた、本発明によれば、上記の目的を達成するものとして、
上記の圧電薄膜共振子を製造する方法であって、
基板上に下部絶縁層を形成する第1の工程と、
前記下部絶縁層上に前記下部電極をその端部がスロープ状となるように形成する第2の工程と、
前記下部電極および下部絶縁層の露出面に圧電材料層を形成する第3の工程と、
前記圧電材料層上に前記上部電極を形成する第4の工程と、
前記圧電材料層をパターニングして前記圧電薄膜を形成する第5の工程と、
前記上部電極および圧電薄膜の露出面に前記上部電極とは材質の異なる絶縁体または導電体を堆積させた後、エッチバックにより前記上部電極の上面を露出させ、前記上部電極の外周部の周囲に上部電極用の前記サイドスペーサーを形成する第6の工程と、
前記圧電薄膜および上部電極上に上部絶縁層を形成する第7の工程とを有することを特徴とする、圧電薄膜共振子の製造方法、
が提供される。
Furthermore, according to the present invention, the above object is achieved as follows:
A method of manufacturing the above piezoelectric thin film resonator,
A first step of forming a lower insulating layer on the substrate;
A second step of forming the lower electrode on the lower insulating layer so that the end thereof has a slope shape;
A third step of forming a piezoelectric material layer on the exposed surfaces of the lower electrode and the lower insulating layer;
A fourth step of forming the upper electrode on the piezoelectric material layer;
A fifth step of patterning the piezoelectric material layer to form the piezoelectric thin film;
After depositing an insulator or a conductor having a different material from that of the upper electrode on the exposed surfaces of the upper electrode and the piezoelectric thin film, the upper surface of the upper electrode is exposed by etch back, and around the outer periphery of the upper electrode. A sixth step of forming the side spacer for the upper electrode;
A method for manufacturing a piezoelectric thin film resonator, comprising: a seventh step of forming an upper insulating layer on the piezoelectric thin film and the upper electrode;
Is provided.

基板上に配置された下部電極、圧電薄膜および上部電極を少なくとも有する圧電薄膜共振子において、前記下部電極および上部電極のうちの少なくとも一方の電極の外周に該電極とは異なる材質のサイドスペーサーを設け、該サイドスペーサーと電極との界面の段差が25nm未満となるように加工方法を制御して作製された上下部電極の間に窒化アルミニウム薄膜を形成することにより、クレータ状の分離成長の無い高配向性、高結晶性のc軸配向窒化アルミニウム薄膜が得られる。さらに、該電極を構成する金属薄膜を特定の材質、構造または結晶相となるように調製することによって、(0002)回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FWHM)が2.0゜以下、好ましくは0.8〜1.6°である高配向性、高結晶性のc軸配向窒化アルミニウム薄膜を形成できる。   In a piezoelectric thin film resonator having at least a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode disposed on a substrate, a side spacer made of a material different from the electrode is provided on the outer periphery of at least one of the lower electrode and the upper electrode. By forming an aluminum nitride thin film between the upper and lower electrodes produced by controlling the processing method so that the step at the interface between the side spacer and the electrode is less than 25 nm, a high crater-like separation and growth can be achieved. An oriented and highly crystalline c-axis oriented aluminum nitride thin film is obtained. Furthermore, by preparing the metal thin film constituting the electrode to have a specific material, structure or crystal phase, the rocking curve half-width (FWHM) of the (0002) diffraction peak is 2.0 ° or less, preferably A highly oriented and highly crystalline c-axis oriented aluminum nitride thin film of 0.8 to 1.6 ° can be formed.

ここで、前記のサイドスペーサーは電極外周部の側壁に接して、該電極の周囲に形成されるものである。   Here, the side spacer is formed around the electrode in contact with the side wall of the outer periphery of the electrode.

前記のサイドスペーサーを設けることにより、従来の圧電薄膜共振子で問題となっていた下部電極また上部電極端部の傾斜に起因する圧電特性への悪影響を解消でき、更に電気機械結合係数k と音響品質係数(Q値)に優れた高性能かつ高信頼性の圧電薄膜共振子が提供できる。したがって、それを用いて構成されるVCO(電圧制御発振器)、フィルタおよび送受切替器等の圧電薄膜デバイスにおいて1GHz以上の高い周波数での特性を著しく向上させることができる。By providing the side spacer, the adverse effect on the piezoelectric characteristics caused by the inclination of the lower electrode or the upper electrode end, which has been a problem in the conventional piezoelectric thin film resonator, can be eliminated, and the electromechanical coupling coefficient k t 2 And a high-performance and high-reliability piezoelectric thin film resonator excellent in acoustic quality factor (Q value). Therefore, characteristics at a high frequency of 1 GHz or more can be remarkably improved in piezoelectric thin film devices such as a VCO (Voltage Controlled Oscillator), a filter, and a transmission / reception switch configured using the same.

圧電薄膜共振子の一例を示す模式的平面図である。1 is a schematic plan view showing an example of a piezoelectric thin film resonator. 図1AのX−X断面図である。It is XX sectional drawing of FIG. 1A. 図1Bにおける点線で囲った部分の拡大図である。It is an enlarged view of the part enclosed with the dotted line in FIG. 1B. 圧電薄膜共振子の一例を示す模式的平面図である。1 is a schematic plan view showing an example of a piezoelectric thin film resonator. 図2AのX−X断面図である。It is XX sectional drawing of FIG. 2A. 図2AのY−Y断面図である。It is YY sectional drawing of FIG. 2A. 図2A〜2Cの圧電薄膜共振子において、下部電極外周部の断面形状を変更し緩やかな傾斜を設けた例を示す断面図である。2A to 2C are cross-sectional views showing an example in which a gentle slope is provided by changing the cross-sectional shape of the outer peripheral portion of the lower electrode in the piezoelectric thin film resonator of FIGS. 本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図である。1 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention. 図4AのX−X断面図である。It is XX sectional drawing of FIG. 4A. 図4Bにおける点線で囲った部分の拡大図である。FIG. 4B is an enlarged view of a portion surrounded by a dotted line in FIG. 4B. 下部電極の側壁の周囲にサイドスペーサーを形成する工程を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the process of forming a side spacer around the side wall of a lower electrode. 下部電極の側壁の周囲にサイドスペーサーを形成する工程を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the process of forming a side spacer around the side wall of a lower electrode. 下部電極の側壁の周囲にサイドスペーサーを形成する工程を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the process of forming a side spacer around the side wall of a lower electrode. 下部電極の側壁の周囲にサイドスペーサーを形成する工程を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the process of forming a side spacer around the side wall of a lower electrode. 本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図である。1 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention. 図7AのX−X断面図である。It is XX sectional drawing of FIG. 7A. 図7AのY−Y断面図である。It is YY sectional drawing of FIG. 7A. 図7Cにおける点線で囲った部分の拡大図である。It is an enlarged view of the part enclosed with the dotted line in FIG. 7C. 本発明による積層型圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図である。1 is a schematic plan view showing an embodiment of a laminated piezoelectric thin film resonator according to the present invention. 図8AのX−X断面図である。It is XX sectional drawing of FIG. 8A. 本発明の圧電薄膜デバイスの一実施形態としての薄膜圧電フィルタの模式的平面図である。It is a typical top view of the thin film piezoelectric filter as one embodiment of the piezoelectric thin film device of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 圧電薄膜共振子
11 単結晶または多結晶からなる基板
12 基板絶縁層
13 下部絶縁体層(下部絶縁層)
14 圧電積層構造体
15 下部電極
15a 下部電極主体部
15b 下部電極端子部
16,16−1,16−2 圧電体薄膜(圧電薄膜)
17 上部電極
17a 上部電極主体部
17b 上部電極端子部
17’ 内部電極
18 積層型圧電薄膜共振子における上部電極
18a 積層型圧電薄膜共振子における上部電極の主体部
18b 積層型圧電薄膜共振子における上部電極の端子部
19 エッチング用のビアホール
20 エッチングによって基板に形成した振動空間
21 振動空間上方に位置するメンブラン
23 上部絶縁体層(上部絶縁層)
25 サイドスペーサー形成のために堆積された薄膜
26 電極外周部に隣接して形成されたサイドスペーサー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piezoelectric thin film resonator 11 Substrate 12 made of single crystal or polycrystal Substrate insulating layer 13 Lower insulating layer (lower insulating layer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 14 Piezoelectric laminated structure 15 Lower electrode 15a Lower electrode main-body part 15b Lower electrode terminal part 16, 16-1, 16-2 Piezoelectric thin film (piezoelectric thin film)
17 Upper electrode 17a Upper electrode main part 17b Upper electrode terminal part 17 'Internal electrode 18 Upper electrode 18a in laminated piezoelectric thin film resonator Upper electrode main part 18b in laminated piezoelectric thin film resonator Upper electrode in laminated piezoelectric thin film resonator Terminal part 19 of etching via hole 20 vibration space 21 formed in substrate by etching membrane 23 located above vibration space upper insulator layer (upper insulation layer)
25 Thin film deposited for side spacer formation 26 Side spacer formed adjacent to electrode outer periphery

以下に、本発明の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

図4Aは本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図であり、図4BはそのX−X断面図である。図4Cは図4Bにおける点線で囲った部分の拡大図である。これらの図において、圧電薄膜共振子10は、基板11、該基板11の上面上に形成された絶縁層12、下部絶縁層13、および絶縁層12の一部を除去して形成した空洞からなる振動空間20を跨ぐよう形成された圧電積層構造体14を有する。なお、基板11と絶縁層12とからなる部材により本発明でいう基板が構成されるものと見なすことができる。この意味で、絶縁層12を基板絶縁層という。かくして、本発明でいう基板に、振動空間20が形成されている。圧電積層構造体14は、下部絶縁層13の上面上に形成された下部電極15、該下部電極15の一部を覆うようにして下部絶縁層13の上面上に形成された圧電薄膜16、および該圧電薄膜16の上面上に形成された上部電極17を含んでなる。下部絶縁層13の一部は振動空間20に向けて露出している。この下部絶縁層13の露出部分、およびこれに対応する圧電積層構造体14の部分がメンブラン(振動メンブラン)21を構成する。尚、以上のように圧電積層構造体14と振動空間20との間には下部絶縁層13が介在するのであるが、このような形態をも含めて、圧電積層構造体14が振動空間20に面しているものとする。また、下部電極15および上部電極17は、メンブラン21に対応する領域内に形成された主体部15a,17a、および該主体部15a,17aと外部回路との接続のための端子部15b,17bを有する。端子部15b,17bはメンブラン21に対応する領域外に位置する。   FIG. 4A is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention, and FIG. 4B is an XX sectional view thereof. FIG. 4C is an enlarged view of a portion surrounded by a dotted line in FIG. 4B. In these drawings, the piezoelectric thin film resonator 10 includes a substrate 11, an insulating layer 12 formed on the upper surface of the substrate 11, a lower insulating layer 13, and a cavity formed by removing a part of the insulating layer 12. The piezoelectric laminated structure 14 is formed so as to straddle the vibration space 20. In addition, it can be considered that the board | substrate said by this invention is comprised by the member which consists of the board | substrate 11 and the insulating layer 12. FIG. In this sense, the insulating layer 12 is referred to as a substrate insulating layer. Thus, the vibration space 20 is formed on the substrate referred to in the present invention. The piezoelectric laminated structure 14 includes a lower electrode 15 formed on the upper surface of the lower insulating layer 13, a piezoelectric thin film 16 formed on the upper surface of the lower insulating layer 13 so as to cover a part of the lower electrode 15, and An upper electrode 17 formed on the upper surface of the piezoelectric thin film 16 is included. A part of the lower insulating layer 13 is exposed toward the vibration space 20. The exposed portion of the lower insulating layer 13 and the portion of the piezoelectric laminated structure 14 corresponding thereto constitute a membrane (vibrating membrane) 21. As described above, the lower insulating layer 13 is interposed between the piezoelectric multilayer structure 14 and the vibration space 20. The piezoelectric multilayer structure 14 is included in the vibration space 20 including such a configuration. It shall be facing. The lower electrode 15 and the upper electrode 17 include main portions 15a and 17a formed in a region corresponding to the membrane 21, and terminal portions 15b and 17b for connecting the main portions 15a and 17a to an external circuit. Have. The terminal portions 15 b and 17 b are located outside the region corresponding to the membrane 21.

基板11としては、Si(100)単結晶などの単結晶、またはSi単結晶などの基材の表面にシリコン、ダイヤモンドその他の多結晶膜を形成したものを用いることができる。基板11としては、その他の半導体さらには絶縁体からなるものを用いることも可能である。基板11の固有抵抗値は、たとえば3kΩ・cm以上、好ましくは5kΩ・cm以上、さらに好ましくは7kΩ・cm以上である。振動空間20の形成方法としては、前記圧電積層構造体の各層および下部絶縁層13を貫通するビアホール19を開け、ビアホール19からフッ酸水溶液などのエッチング液を注入して、基板絶縁層12の一部を含む前記圧電積層構造体の下方領域の一部を湿式エッチングにより除去する方法が挙げられる。後述するように、基板11の下面側からの深堀りエッチング(Deep RIE)により振動空間を形成しても良い。なお、振動空間は、メンブラン21の振動を許容するものであれば、どのような形状の空洞または凹部であってもよい。さらに、以上のような振動空間を形成してエアーギャップタイプの圧電薄膜共振子とする代わりに、高音響インピーダンス材料層と低高音響インピーダンス材料層とを交互に積層することにより音響反射層(音響的ブラッグ反射鏡)を形成して音響ミラータイプの圧電薄膜共振子とすることも可能である。シリコンからなる基板11を用いる場合には、基板絶縁層12としては、基板11の表面の熱酸化により形成される酸化シリコン膜を使用することができる。   As the substrate 11, a single crystal such as Si (100) single crystal or a substrate in which a polycrystalline film such as silicon, diamond or the like is formed on the surface of a base material such as Si single crystal can be used. As the substrate 11, it is possible to use other semiconductors or those made of an insulator. The specific resistance value of the substrate 11 is, for example, 3 kΩ · cm or more, preferably 5 kΩ · cm or more, and more preferably 7 kΩ · cm or more. As a method for forming the vibration space 20, a via hole 19 penetrating each layer of the piezoelectric multilayer structure and the lower insulating layer 13 is opened, and an etching solution such as a hydrofluoric acid aqueous solution is injected from the via hole 19 to form one of the substrate insulating layers 12. And a method of removing a part of the lower region of the piezoelectric laminated structure including the portion by wet etching. As will be described later, the vibration space may be formed by deep etching from the lower surface side of the substrate 11 (Deep RIE). The vibration space may be any shape of cavity or recess as long as it allows vibration of the membrane 21. Furthermore, instead of forming the vibration space as described above to form an air gap-type piezoelectric thin film resonator, an acoustic reflection layer (acoustic layer) is formed by alternately stacking a high acoustic impedance material layer and a low high acoustic impedance material layer. It is also possible to form an acoustic mirror type piezoelectric thin film resonator by forming an optical Bragg reflector. In the case where the substrate 11 made of silicon is used, a silicon oxide film formed by thermal oxidation of the surface of the substrate 11 can be used as the substrate insulating layer 12.

下部絶縁層13としては、弾性率の高い材料からなるものが好ましい。下部絶縁層13としては、例えば、窒化ケイ素(SiN)を主成分とする誘電体膜、酸窒化ケイ素(SiON)を主成分とする誘電体膜、窒化アルミニウム(AlN)を主成分とする誘電体膜、酸窒化アルミニウム(AlO)を主成分とする誘電体膜、酸化アルミニウム(Al)を主成分とする誘電体膜、酸化ジルコニウム(ZrO)を主成分とする誘電体膜、酸化タンタル(Ta)を主成分とする誘電体膜、およびこれらの誘電体膜を重ね合わせた積層膜を用いることができる。この下部絶縁層13の材質について、主成分とは、誘電体膜中の含有量が50当量%以上である成分を指す。誘電体膜は単層からなるものであっても良いし、積層体であっても良い。さらに、密着性を高めるための層などを付加した複数層からなるものであってもよい。The lower insulating layer 13 is preferably made of a material having a high elastic modulus. Examples of the lower insulating layer 13 include a dielectric film mainly composed of silicon nitride (SiN x ), a dielectric film mainly composed of silicon oxynitride (Si 2 ON 2 ), and aluminum nitride (AlN) as a main component. A dielectric film containing aluminum oxynitride (AlO x N y ) as a main component, a dielectric film containing aluminum oxide (Al 2 O 3 ) as a main component, and zirconium oxide (ZrO 2 ) as a main component And a dielectric film mainly composed of tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), and a laminated film in which these dielectric films are stacked can be used. Regarding the material of the lower insulating layer 13, the main component refers to a component whose content in the dielectric film is 50 equivalent% or more. The dielectric film may be a single layer or a laminate. Further, it may be composed of a plurality of layers to which a layer for improving adhesion is added.

下部絶縁層13を形成する方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法およびCVD法などが例示される。また、本発明においては、エッチングにより、メンブラン21に対応する領域の下部絶縁層13を総て除去して、下部電極15が振動空間20に向けて露出した構造(すなわちメンブランが下部絶縁層13を含まない構造)の圧電薄膜共振子も採用することができる。このように、メンブラン21に対応する領域の絶縁層13を総て除去することにより、共振周波数の温度特性は若干悪化するものの、電気機械結合係数が向上するという利点がある。   Examples of the method for forming the lower insulating layer 13 include sputtering, vacuum deposition, and CVD. In the present invention, the lower insulating layer 13 in the region corresponding to the membrane 21 is completely removed by etching, and the lower electrode 15 is exposed toward the vibration space 20 (that is, the membrane removes the lower insulating layer 13). A piezoelectric thin film resonator having a structure not included) can also be employed. Thus, removing all the insulating layer 13 in the region corresponding to the membrane 21 has an advantage that the electromechanical coupling coefficient is improved, although the temperature characteristic of the resonance frequency is slightly deteriorated.

下部電極15は、たとえば、モリブデン(Mo)を主成分とする金属薄膜、ルテニウム(Ru)を主成分とする金属薄膜、アルミニウム(Al)を主成分とする金属薄膜、イリジウム(Ir)を主成分とする金属薄膜、コバルト(Co)を主成分とする金属薄膜、ニッケル(Ir)を主成分とする金属薄膜、白金(Pt)を主成分とする金属薄膜、銅(Cu)を主成分とする金属薄膜から選ばれる少なくとも1種類の金属薄膜、及びモリブデンを主成分とする金属薄膜とルテニウム、アルミニウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、白金および銅からなる群から選ばれる少なくとも1種類の金属を主成分とする金属薄膜との積層体からなる。ここで、例えば、モリブデンを主成分とする金属薄膜とは、90%以上のモリブデンを含有していることを意味する。下部電極15は、また、必要に応じて、以上のような金属薄膜と下部絶縁層13との間に形成される密着金属層(密着層)を積層したものであっても良い。密着金属層以外の下部電極の部分を下部電極主層という。下部電極15の厚さは、150〜450nmが好ましい。   The lower electrode 15 is, for example, a metal thin film containing molybdenum (Mo) as a main component, a metal thin film containing ruthenium (Ru) as a main component, a metal thin film containing aluminum (Al) as a main component, or iridium (Ir) as a main component. A metal thin film containing cobalt (Co) as a main component, a metal thin film containing nickel (Ir) as a main component, a metal thin film containing platinum (Pt) as a main component, and copper (Cu) as a main component. At least one metal thin film selected from metal thin films, a metal thin film mainly composed of molybdenum, and at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, aluminum, iridium, cobalt, nickel, platinum and copper as a main component It consists of a laminate with a metal thin film. Here, for example, a metal thin film mainly composed of molybdenum means that 90% or more of molybdenum is contained. The lower electrode 15 may be formed by laminating an adhesive metal layer (adhesive layer) formed between the metal thin film and the lower insulating layer 13 as necessary. The portion of the lower electrode other than the adhesion metal layer is referred to as a lower electrode main layer. The thickness of the lower electrode 15 is preferably 150 to 450 nm.

また、本発明においては、下部電極15として、厚さd2の金属薄膜(第2金属層:上側金属層)と厚さd1の金属薄膜(第1金属層:下側金属層)との積層体を用いることができる。上側金属層または下側金属層としては、モリブデンを主成分とする金属薄膜や、ルテニウム、アルミニウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、白金または銅からなる群から選ばれる1種類の金属を主成分とする金属薄膜が例示できる。ここで、下側金属層と下部絶縁層13との間に密着層を有している場合には、厚さd1は密着層の厚さを含んだ値である。上側金属層の厚さd2と下側金属層の厚さd1との関係として、d1/d2>1かつ150nm<(d1+d2)<450nmとなるような膜厚構成を採用するのが好ましい。これは、とくに、下側金属層(例えばアルミニウムを主成分とする金属薄膜)と圧電薄膜との間に音響インピーダンスが高くて高配向性の上側金属層(例えばモリブデンを主成分とする金属薄膜)を介在させる場合に、好ましい。これにより、得られる圧電薄膜共振子の電極ロス[挿入損失](I.L.)や音響品質係数(Q値)を向上させることができる。特に、インピーダンス特性における反共振ピークの音響品質係数(Q値)が改善され、複数の圧電薄膜共振子を組み合わせて作製される圧電薄膜フィルタの通過帯域の高域側におけるロール・オフ特性が向上する。   In the present invention, the lower electrode 15 is a laminate of a metal thin film (second metal layer: upper metal layer) having a thickness d2 and a metal thin film (first metal layer: lower metal layer) having a thickness d1. Can be used. As the upper metal layer or the lower metal layer, a metal thin film mainly composed of molybdenum, or a metal mainly composed of one kind of metal selected from the group consisting of ruthenium, aluminum, iridium, cobalt, nickel, platinum or copper A thin film can be exemplified. Here, when an adhesion layer is provided between the lower metal layer and the lower insulating layer 13, the thickness d1 is a value including the thickness of the adhesion layer. As a relationship between the thickness d2 of the upper metal layer and the thickness d1 of the lower metal layer, it is preferable to adopt a film thickness configuration such that d1 / d2> 1 and 150 nm <(d1 + d2) <450 nm. This is particularly because the upper metal layer with high acoustic impedance and high orientation between the lower metal layer (for example, a metal thin film mainly composed of aluminum) and the piezoelectric thin film (for example, a metal thin film mainly composed of molybdenum). It is preferable when intervening. Thereby, the electrode loss [insertion loss] (IL) and the acoustic quality factor (Q value) of the obtained piezoelectric thin film resonator can be improved. In particular, the acoustic quality factor (Q value) of the anti-resonance peak in the impedance characteristic is improved, and the roll-off characteristic on the high band side of the pass band of the piezoelectric thin film filter manufactured by combining a plurality of piezoelectric thin film resonators is improved. .

圧電薄膜16は、窒化アルミニウム(AlN)からなるものが好ましく、その厚さは、例えば0.5〜3.0μmである。1GHz程度の周波数で使用する場合には膜厚を厚くし、5GHz付近の高周波数で使用する場合には膜厚を薄くする。   The piezoelectric thin film 16 is preferably made of aluminum nitride (AlN), and the thickness thereof is, for example, 0.5 to 3.0 μm. When used at a frequency of about 1 GHz, the film thickness is increased. When used at a high frequency near 5 GHz, the film thickness is decreased.

上部電極17は、下部電極15と同様に、モリブデンを主成分とする金属薄膜の他に、ルテニウムを主成分とする金属薄膜、アルミニウムを主成分とする金属薄膜、イリジウムを主成分とする金属薄膜、コバルトを主成分とする金属薄膜、ニッケルを主成分とする金属薄膜、白金を主成分とする金属薄膜、銅を主成分とする金属薄膜から選ばれる少なくとも1種類の金属薄膜、及びモリブデンを主成分とする金属薄膜とルテニウム、アルミニウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、白金および銅からなる群から選ばれる少なくとも1種類の金属を主成分とする金属薄膜との積層体を用いることができる。また、上部電極17は、必要に応じて、以上のような金属薄膜と圧電薄膜16との間に形成される密着金属層(密着層)を積層したものであっても良い。密着金属層以外の上部電極の部分を上部電極主層という。上部電極17の厚さは、150〜450nmが好ましい。   Similar to the lower electrode 15, the upper electrode 17 has a metal thin film mainly composed of ruthenium, a metal thin film mainly composed of aluminum, and a metal thin film mainly composed of iridium in addition to a metal thin film mainly composed of molybdenum. A metal thin film containing cobalt as a main component, a metal thin film containing nickel as a main component, a metal thin film containing platinum as a main component, a metal thin film containing copper as a main component, and molybdenum as a main component. A laminate of a metal thin film as a component and a metal thin film containing as a main component at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, aluminum, iridium, cobalt, nickel, platinum, and copper can be used. Further, the upper electrode 17 may be formed by laminating an adhesion metal layer (adhesion layer) formed between the metal thin film and the piezoelectric thin film 16 as described above. The portion of the upper electrode other than the adhesion metal layer is referred to as an upper electrode main layer. The thickness of the upper electrode 17 is preferably 150 to 450 nm.

また、本発明においては、上部電極17として、厚さd3の金属薄膜(第3金属層:下側金属層)と厚さd4の金属薄膜(第4金属層:上側金属層)との積層体を用いることができる。下側金属層または上側金属層としては、モリブデンを主成分とする金属薄膜や、ルテニウム、アルミニウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、白金または銅からなる群から選ばれる1種類の金属を主成分とする金属薄膜が例示できる。ここで、下側金属層と圧電薄膜16との間に密着層を有している場合には、厚さd3は密着層の厚さを含んだ値である。また、上側金属層に密着層が付されている場合には、厚さd4は密着層の厚さを含んだ値である。下側金属層の厚さd3と上側金属層の厚さd4との関係として、d4/d3>1かつ150nm<(d3+d4)<450nmとなるような膜厚構成を採用するのが好ましい。これは、とくに、上側金属層(例えばアルミニウムを主成分とする金属薄膜)と圧電薄膜との間に音響インピーダンスが高くて高配向性の下側金属層(例えばモリブデンを主成分とする金属薄膜)を介在させる場合に、好ましい。これにより、得られる圧電薄膜共振子の電極ロス[挿入損失](I.L.)や音響品質係数(Q値)を向上させることができる。特に、インピーダンス特性における反共振ピークの音響品質係数(Q値)が改善され、複数の圧電薄膜共振子を組み合わせて作製される圧電薄膜フィルタの通過帯域の高域側におけるロール・オフ特性が向上する。   In the present invention, the upper electrode 17 is a laminate of a metal thin film having a thickness d3 (third metal layer: lower metal layer) and a metal thin film having a thickness d4 (fourth metal layer: upper metal layer). Can be used. As the lower metal layer or the upper metal layer, a metal thin film mainly composed of molybdenum, or a metal mainly composed of one kind of metal selected from the group consisting of ruthenium, aluminum, iridium, cobalt, nickel, platinum or copper A thin film can be exemplified. Here, when an adhesion layer is provided between the lower metal layer and the piezoelectric thin film 16, the thickness d3 is a value including the thickness of the adhesion layer. Moreover, when the adhesion layer is attached to the upper metal layer, the thickness d4 is a value including the thickness of the adhesion layer. As the relationship between the thickness d3 of the lower metal layer and the thickness d4 of the upper metal layer, it is preferable to adopt a film thickness configuration in which d4 / d3> 1 and 150 nm <(d3 + d4) <450 nm. This is particularly because the lower metal layer (for example, a metal thin film mainly composed of molybdenum) having high acoustic impedance and high orientation between the upper metal layer (for example, a metal thin film mainly composed of aluminum) and the piezoelectric thin film. It is preferable when intervening. Thereby, the electrode loss [insertion loss] (IL) and the acoustic quality factor (Q value) of the obtained piezoelectric thin film resonator can be improved. In particular, the acoustic quality factor (Q value) of the anti-resonance peak in the impedance characteristic is improved, and the roll-off characteristic on the high band side of the pass band of the piezoelectric thin film filter manufactured by combining a plurality of piezoelectric thin film resonators is improved. .

本発明においては、必要に応じて、上部電極17の上に窒化アルミニウム(AlN)、酸窒化アルミニウム(AlO)、酸化アルミニウム(Al)、窒化ケイ素(SiN)、酸窒化ケイ素(SiON)、酸化ジルコニウム(ZrO)および酸化タンタル(Ta)からなる群から選ばれる少なくと一種の材質を主成分とする上部絶縁層23を積層する。この場合、メンブラン21は、下部絶縁層13の露出部分、ならびにこれに対応する圧電積層構造体14および上部電極層23の部分により構成される。In the present invention, aluminum nitride (AlN), aluminum oxynitride (AlO x N y ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon nitride (SiN x ), oxynitride is formed on the upper electrode 17 as necessary. An upper insulating layer 23 mainly composed of at least one material selected from the group consisting of silicon (Si 2 ON 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) is laminated. In this case, the membrane 21 is composed of an exposed portion of the lower insulating layer 13 and portions corresponding to the piezoelectric laminated structure 14 and the upper electrode layer 23 corresponding thereto.

本発明者らは、これらの図に示した構成の圧電薄膜共振子において、その共振特性が、下部電極の材質、形状、結晶性、あるいはAlN薄膜の配向性、結晶性などの性状にどのように依存するかについて検討した。   In the piezoelectric thin film resonator having the configuration shown in these drawings, the present inventors determine how the resonance characteristics depend on the material, shape and crystallinity of the lower electrode, or the properties such as the orientation and crystallinity of the AlN thin film. It was examined whether it depends on.

本発明においては、圧電積層構造体14は、前記下部電極15および上部電極17のうちの少なくとも一方の電極の外周部の周囲に形成され、当該電極とは材質の異なるサイドスペーサー26を有している。サイドスペーサー26は、絶縁体または導電体からなり、スロープ形状に形成されている。また、サイドスペーサー26に用いる絶縁体または導電体は、嵩密度が1.6g/cm以上であるのが好ましく、樹脂以外の材質を用いるのが好ましい。In the present invention, the piezoelectric laminated structure 14 is formed around the outer periphery of at least one of the lower electrode 15 and the upper electrode 17 and has a side spacer 26 made of a material different from that of the electrode. Yes. The side spacer 26 is made of an insulator or a conductor and has a slope shape. The insulator or conductor used for the side spacer 26 preferably has a bulk density of 1.6 g / cm 3 or more, and preferably uses a material other than resin.

以上のような絶縁体または導電体より成るサイドスペーサー26を形成する方法としては、MOS(Metal−Oxide−Semiconductor)型トランジスターのゲート電極、ゲート絶縁膜(ゲート酸化膜)の側壁層形成に一般的に適用されているサイドウォールスペーサー技術を採用することができる。サイドウォールスペーサー技術により電極の外周部の周囲に絶縁体より成るサイドスペーサーを形成する方法の概要は、以下の通りである。   As a method of forming the side spacers 26 made of the insulator or the conductor as described above, it is general to form a gate electrode of a MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) type transistor and a sidewall layer of a gate insulating film (gate oxide film). The side wall spacer technology applied to the can be adopted. An outline of a method of forming a side spacer made of an insulator around the outer peripheral portion of the electrode by the side wall spacer technique is as follows.

図5A,図5Bは、下部電極の外周部(側壁)の周囲にサイドスペーサーを形成する工程を説明するための模式的断面図である。サイドスペーサー形成においては、まず、図5Aに示されているように、パターニングされた下部電極15を覆うようにして下部絶縁層13の全面に低圧CVD法により酸化シリコン(SiO)(LP−TEOS)からなる絶縁膜25を300〜900nmの厚さに堆積させる。絶縁膜形成の他の手法としては、低圧CVD法によるSiN(LP−SiN)膜形成、低圧CVD法によるBPSG(Boron Phosphor Silicate Glass)膜形成、さらに、LP−SiN膜上にLP−TEOS膜を積層したSiO/SiN積層膜形成などを例示することができる。5A and 5B are schematic cross-sectional views for explaining a step of forming a side spacer around the outer peripheral portion (side wall) of the lower electrode. In forming the side spacer, first, as shown in FIG. 5A, silicon oxide (SiO 2 ) (LP-TEOS) is formed on the entire surface of the lower insulating layer 13 by low-pressure CVD so as to cover the patterned lower electrode 15. Is deposited to a thickness of 300 to 900 nm. Other methods for forming the insulating film include SiN x (LP-SiN x ) film formation by low-pressure CVD, BPSG (Boron Phosphorate Silicate Glass) film formation by low-pressure CVD, and LP-SiN x on the LP-SiN x film. Examples thereof include formation of a SiO 2 / SiN x laminated film in which TEOS films are laminated.

その後、図5Bに示されているように、ICPプラズマを用いた異方性ドライエッチング法で、下部電極15の上面が露出し該上面とSiO膜の表面とが平滑に繋がるようになるまでエッチバックすることにより、下部電極15の側壁の周囲のみにSiO膜を残して、サイドスペーサー26を形成する。サイドスペーサー26の傾斜角を緩やかにするために、異方性ドライエッチングと表面研磨法(CMP)とを併用することも可能である。Thereafter, as shown in FIG. 5B, until the upper surface of the lower electrode 15 is exposed and the upper surface of the lower electrode 15 is smoothly connected to the surface of the SiO 2 film by anisotropic dry etching using ICP plasma. By etching back, the side spacers 26 are formed leaving the SiO 2 film only around the side walls of the lower electrode 15. In order to make the inclination angle of the side spacer 26 gentle, anisotropic dry etching and surface polishing (CMP) can be used in combination.

図6A,図6Bも、下部電極の側壁の周囲にサイドスペーサーを形成する工程を説明するための模式的断面図である。サイドスペーサー形成においては、まず、図6Aに示されているように、パターニングされた下部電極15を覆うようにして下部絶縁層13の全面に低温CVD法によりタングステン(W)(LT−W)からなる導電膜25を300〜900nmの厚さに堆積させる。導電膜形成の他の手法としては、低温CVD法によるモノシラン系のWSi(LT−WSi)膜形成を例示することができる。6A and 6B are also schematic cross-sectional views for explaining the process of forming the side spacer around the side wall of the lower electrode. In forming the side spacer, first, as shown in FIG. 6A, the entire surface of the lower insulating layer 13 is covered with tungsten (W) (LT-W) by a low temperature CVD method so as to cover the patterned lower electrode 15. A conductive film 25 to be formed is deposited to a thickness of 300 to 900 nm. As another method of forming the conductive film, a monosilane-based WSi x (LT-WSi x ) film formation by a low temperature CVD method can be exemplified.

その後、図6Bに示されているように、ECRプラズマを用いた異方性ドライエッチング法または表面研磨法(CMP)とドライエッチング法との併用により、下部電極15の上面が露出し該上面とSiO膜の表面とが平滑に繋がるようになるまでエッチバックすることにより、下部電極15の側壁の周囲のみにW膜を残して、サイドスペーサー26を形成する。Thereafter, as shown in FIG. 6B, the upper surface of the lower electrode 15 is exposed by using an anisotropic dry etching method using ECR plasma or a combination of a surface polishing method (CMP) and a dry etching method. Etching back is performed until the surface of the SiO 2 film is smoothly connected, thereby forming the side spacer 26 leaving the W film only around the side wall of the lower electrode 15.

前記のサイドスペーサー形成において重要なことは、電極とサイドスペーサーとの界面における段差が25nm未満、好ましくは10nm未満、さらに好ましくは3nm未満となるようにエッチバックの条件を制御することである。両者の界面の段差が25nm以上になると、該段差に起因するAlNの異常成長が起こりやすくなり、隣り合う柱状のAlN粒子間に深いクレータ状の欠陥を生ずることがある。このクレータは、AlN膜の破壊の原因となり、圧電薄膜共振子としての信頼性を損なうこととなるので好ましくない。   What is important in the formation of the side spacer is to control the etch back conditions so that the step at the interface between the electrode and the side spacer is less than 25 nm, preferably less than 10 nm, and more preferably less than 3 nm. When the level difference between the two interfaces is 25 nm or more, abnormal growth of AlN due to the level difference tends to occur, and a deep crater-like defect may occur between adjacent columnar AlN particles. This crater is not preferable because it causes destruction of the AlN film and impairs reliability as a piezoelectric thin film resonator.

下部電極の下面に接して形成される下部絶縁層13の厚さd5は、25〜300nm、好ましくは30〜200nmであることが望ましい。下部絶縁層13の厚さが25nm未満になると、その上に堆積するモリブデン、ルテニウム、アルミニウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、白金、銅などを主成分とする金属薄膜の結晶配向性が悪化しやすくなり、対応するX線回折ピークのロッキング・カーブ半値幅が広くなりがちである。下部電極となる金属薄膜のロッキング・カーブ半値幅の広がりは、その上面に堆積するAlN薄膜の結晶配向性の低下をもたらす。下部絶縁層13の厚さが300nmを超えると、得られる圧電薄膜共振子の電気機械結合係数が低下しやすくなり、圧電特性が悪化しがちである。   The thickness d5 of the lower insulating layer 13 formed in contact with the lower surface of the lower electrode is 25 to 300 nm, preferably 30 to 200 nm. When the thickness of the lower insulating layer 13 is less than 25 nm, the crystal orientation of the metal thin film mainly composed of molybdenum, ruthenium, aluminum, iridium, cobalt, nickel, platinum, copper, etc. deposited thereon is likely to deteriorate. The half-width of the rocking curve of the corresponding X-ray diffraction peak tends to be wide. The widening of the full width at half maximum of the rocking curve of the metal thin film serving as the lower electrode brings about a decrease in the crystal orientation of the AlN thin film deposited on the upper surface thereof. When the thickness of the lower insulating layer 13 exceeds 300 nm, the electromechanical coupling coefficient of the obtained piezoelectric thin film resonator tends to decrease, and the piezoelectric characteristics tend to deteriorate.

また、上部電極の上面に接して形成される上部絶縁層23の厚さd6は、40〜600nmであることが好ましい。さらに、下部電極の下面に接して形成される下部絶縁層13の厚さd5と上部電極の上面に接して形成される上部絶縁層23の厚さd6との比率d6/d5が、1≦d6/d5≦4という関係を満足するように、厚さd5および厚さd6を制御することが好ましい。   The thickness d6 of the upper insulating layer 23 formed in contact with the upper surface of the upper electrode is preferably 40 to 600 nm. Further, the ratio d6 / d5 between the thickness d5 of the lower insulating layer 13 formed in contact with the lower surface of the lower electrode and the thickness d6 of the upper insulating layer 23 formed in contact with the upper surface of the upper electrode is 1 ≦ d6. It is preferable to control the thickness d5 and the thickness d6 so that the relationship / d5 ≦ 4 is satisfied.

上部電極の上面に接する上部絶縁層23を形成することにより、得られる圧電薄膜共振子の共振ピーク付近におけるスプリアスが減少する。特に、d6/d5が、1≦d6/d5≦4という関係を満足する場合に、スプリアスの低減効果が大きい。上部絶縁層23の厚さd6が40nm未満になると、スプリアス抑制効果が著しく低下しがちである。逆に、上部絶縁層23の厚さd6が600nmを超えると、得られる圧電薄膜共振子の電気機械結合係数および音響品質係数(Q値)などの圧電特性が悪化しがちである。また、上部絶縁層23は化学的に安定な材質で構成されており、得られる圧電薄膜共振子の耐環境性が向上するという効果もある。以上のようなスプリアス低減効果および耐環境性改善効果を高めるには、上部電極の上面に接して形成される上部絶縁層23の結晶配向性を向上させることが重要である。本発明においては、上部電極17を構成するモリブデンなどの金属薄膜のロッキング・カーブ半値幅を3°以下となるように制御することにより、高配向性の上部絶縁層を形成して、良好なスプリアス低減効果と優れた耐環境性を実現することができる。   By forming the upper insulating layer 23 in contact with the upper surface of the upper electrode, spurious near the resonance peak of the obtained piezoelectric thin film resonator is reduced. In particular, when d6 / d5 satisfies the relationship 1 ≦ d6 / d5 ≦ 4, the spurious reduction effect is great. When the thickness d6 of the upper insulating layer 23 is less than 40 nm, the spurious suppressing effect tends to be remarkably reduced. Conversely, when the thickness d6 of the upper insulating layer 23 exceeds 600 nm, the piezoelectric characteristics such as the electromechanical coupling coefficient and the acoustic quality factor (Q value) of the obtained piezoelectric thin film resonator tend to deteriorate. Further, the upper insulating layer 23 is made of a chemically stable material, and there is an effect that the environmental resistance of the obtained piezoelectric thin film resonator is improved. In order to enhance the spurious reduction effect and the environmental resistance improvement effect as described above, it is important to improve the crystal orientation of the upper insulating layer 23 formed in contact with the upper surface of the upper electrode. In the present invention, by controlling the half-width of the rocking curve of a metal thin film such as molybdenum constituting the upper electrode 17 to be 3 ° or less, a highly oriented upper insulating layer is formed and good spurious A reduction effect and excellent environmental resistance can be realized.

振動空間20の形成は、次のようにして行うことができる。すなわち、基板11の上面に基板絶縁層12を形成した後に、該基板絶縁層12の振動空間形成領域上にパターン状の犠牲層を形成する。その上に、下部絶縁層13および圧電積層構造体14(および上部絶縁層23)を形成する。ビアホール19は、深堀りエッチング(Deep RIE(Reactive Ion Etching))により、図中の上側から(上部絶縁層23および)圧電積層構造体14を構成する層および絶縁体層13を貫通し犠牲層に達する穴を開けたものであり、このビアホール19からエッチング液を注入して、振動空間形成領域の犠牲層および基板絶縁層12を除去して、空洞からなる振動空間20を形成する。振動空間20の上にて積層された薄膜がメンブラン21を構成している。この圧電薄膜共振子において、振動空間20上のAlN薄膜16と、これを挟む下部電極15および上部電極17とが、圧電積層構造体14を構成し、前記のように、圧電積層構造体14の少なくとも一方には、窒化アルミニウム(AlN)、酸窒化アルミニウム(AlO)、酸化アルミニウム(Al)、窒化ケイ素(SiN)、酸窒化ケイ素(SiON)、酸化ジルコニウム(ZrO)および酸化タンタル(Ta)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層13,23が存在している。The vibration space 20 can be formed as follows. That is, after forming the substrate insulating layer 12 on the upper surface of the substrate 11, a patterned sacrificial layer is formed on the vibration space forming region of the substrate insulating layer 12. A lower insulating layer 13 and a piezoelectric laminated structure 14 (and an upper insulating layer 23) are formed thereon. The via hole 19 penetrates through the layers constituting the piezoelectric laminated structure 14 and the insulator layer 13 from the upper side in the drawing (Deep RIE (Reactive Ion Etching)) into the sacrificial layer. An etching solution is injected from the via hole 19 to remove the sacrificial layer and the substrate insulating layer 12 in the vibration space forming region, thereby forming a vibration space 20 including a cavity. A thin film laminated on the vibration space 20 constitutes the membrane 21. In this piezoelectric thin film resonator, the AlN thin film 16 on the vibration space 20, the lower electrode 15 and the upper electrode 17 sandwiching the AlN thin film constitute a piezoelectric laminated structure 14, and as described above, the piezoelectric laminated structure 14 At least one of aluminum nitride (AlN), aluminum oxynitride (AlO x N y ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon nitride (SiN x ), silicon oxynitride (Si 2 ON 2 ), zirconium oxide ( Insulating layers 13 and 23 mainly containing at least one material selected from ZrO 2 ) and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) are present.

下部電極15および上部電極17に使用されるモリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、アルミニウム(Al)、イリジウム(Ir)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)および銅(Cu)から成る群から選ばれる少なくとも1種類の金属を主成分とする金属薄膜を形成する方法としては、スパッタリング法および真空蒸着法などが例示される。   Molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), aluminum (Al), iridium (Ir), cobalt (Co), nickel (Ni), platinum (Pt) and copper (Cu) used for the lower electrode 15 and the upper electrode 17 Examples of the method for forming a metal thin film containing as a main component at least one metal selected from the group consisting of: sputtering and vacuum deposition.

これらの金属を主成分とした薄膜は、通常はDCマグネトロンスパッタ法やRFマグネトロンスパッタ法により容易に形成できる。しかし、真空蒸着法を用いる場合は、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)およびイリジウム(Ir)については、融点が高いため(ルテニウムの融点2310℃、モリブデンの融点2620℃、タングステンの融点3410℃)、抵抗加熱蒸着法では薄膜作製が困難であるので、電子ビーム蒸着法を用いることが必要である。結晶相としては、ルテニウムは六方晶系、モリブデン、アルミニウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、白金および銅は立方晶系であることが知られている。従来技術によりこれらの金属結晶相の薄膜を形成した場合には、X線回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FWHM)が3.0°以下というような高配向性の金属結晶膜を堆積させることは困難であった。   A thin film containing these metals as a main component can be easily formed usually by a DC magnetron sputtering method or an RF magnetron sputtering method. However, when the vacuum deposition method is used, molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), and iridium (Ir) have high melting points (ruthenium melting point 2310 ° C., molybdenum melting point 2620 ° C., tungsten melting point 3410 ° C.). Since it is difficult to produce a thin film by resistance heating vapor deposition, it is necessary to use electron beam vapor deposition. As the crystal phase, ruthenium is known to be hexagonal, and molybdenum, aluminum, iridium, cobalt, nickel, platinum and copper are known to be cubic. When thin films of these metal crystal phases are formed by conventional techniques, a highly oriented metal crystal film having a rocking curve half-width (FWHM) of an X-ray diffraction peak of 3.0 ° or less is deposited. Was difficult.

本発明においては、下部電極の材質、厚さ及び結晶配向性に着目し、該金属薄膜上に形成した窒化アルミニウム薄膜の結晶配向性との相関を詳細に検討した。その結果、下地層となる絶縁膜の厚さと微細構造(結晶配向性、表面粗さ)を制御すると共に、超高真空のスパッタリング装置(到達真空度:10−6Pa以下、好ましくは4x10−7Pa以下)を使用し、成膜圧力、成膜温度、DC出力またはRF出力などの成膜条件を最適化することにより、高配向性の金属結晶膜を堆積させることが可能となった。この他に、成膜前の熱処理やソフトエッチングなどの前処理を施すことによりその結晶配向性を向上させることも可能である。In the present invention, paying attention to the material, thickness and crystal orientation of the lower electrode, the correlation with the crystal orientation of the aluminum nitride thin film formed on the metal thin film was examined in detail. As a result, the thickness and fine structure (crystal orientation, surface roughness) of the insulating film serving as the base layer are controlled, and an ultra-high vacuum sputtering apparatus (degree of ultimate vacuum: 10 −6 Pa or less, preferably 4 × 10 −7) It is possible to deposit a highly oriented metal crystal film by optimizing film formation conditions such as film formation pressure, film formation temperature, DC output or RF output. In addition, the crystal orientation can be improved by performing pretreatment such as heat treatment or soft etching before film formation.

さらに、本発明者らは、下部電極15として使用される金属薄膜の成膜条件を制御して、結晶配向性を向上させた後、前記の金属薄膜または金属薄膜積層体上に窒化アルミニウム薄膜を形成することにより、(0002)回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FWHM)が0.8〜1.6゜である高配向性および高結晶性のc軸配向窒化アルミニウム薄膜が得られることを見出した。高配向性および高結晶性のc軸配向窒化アルミニウム薄膜を使用することにより、低損失で、帯域幅および周波数温度特性に優れた高性能なFBAR、SMRまたはSBARを実現できる。   Furthermore, the present inventors controlled the film forming conditions of the metal thin film used as the lower electrode 15 to improve the crystal orientation, and then placed the aluminum nitride thin film on the metal thin film or metal thin film laminate. It has been found that a highly oriented and highly crystalline c-axis oriented aluminum nitride thin film having a rocking curve half width (FWHM) of a (0002) diffraction peak of 0.8 to 1.6 ° can be obtained by forming the film. It was. By using a highly oriented and highly crystalline c-axis oriented aluminum nitride thin film, it is possible to realize a high performance FBAR, SMR or SBAR with low loss and excellent bandwidth and frequency temperature characteristics.

下部電極15は、必要に応じて堆積される密着金属層、および前記の各種金属から成る群から選ばれる少なくとも1種類の金属を主成分とする金属薄膜をこの順に形成した後、フォトリソグラフィ技術を用いて、これらの金属薄膜を所定の形状にパターニングすることで形成される。AlN薄膜16は、下部電極15を形成した下部絶縁層13の上面に反応性スパッタリング法により形成できる。上部電極17は、前記の各種金属から成る群から選ばれる少なくとも1種類の金属を主成分とする金属薄膜を形成した後、下部電極15と同様にフォトリソグラフィ技術を用いて、これらの金属薄膜を所定の形状(例えば、円形に近い形状)にパターニングすることで形成される。上部電極のパターニング後に、フォトリソグラフィ技術を用いて、AlN薄膜16の振動空間20上の部分を除く領域の一部分をエッチング除去することにより、AlN薄膜16を所定の形状にパターニングする。   The lower electrode 15 is formed by forming a metal thin film mainly composed of at least one kind of metal selected from the group consisting of an adhesion metal layer deposited as necessary and the above-mentioned various metals in this order. It is formed by patterning these metal thin films into a predetermined shape. The AlN thin film 16 can be formed by reactive sputtering on the upper surface of the lower insulating layer 13 on which the lower electrode 15 is formed. The upper electrode 17 is formed by forming a metal thin film mainly composed of at least one kind of metal selected from the group consisting of the various metals described above, and then using the photolithography technique in the same manner as the lower electrode 15. It is formed by patterning into a predetermined shape (for example, a shape close to a circle). After the patterning of the upper electrode, the AlN thin film 16 is patterned into a predetermined shape by etching away a part of the region excluding the part on the vibration space 20 of the AlN thin film 16 using a photolithography technique.

下部電極15の端部の傾斜角が急峻になると、図2Cに示したように下部電極端部のエッジ部でAlNの異常成長が起こり、隣り合う柱状のAlN粒子間に深いクレータ状の欠陥を生ずる。このクレータはAlN膜の破壊の原因となり、圧電薄膜共振子としての信頼性を損なうこととなる。このため、図3に示したように、下部電極端部における金属薄膜と窒化アルミニウム薄膜とが接する面の基板に対する傾斜を緩やかにして、クレータ状分離成長を防止する必要がある。しかしながら、下部電極端部の傾斜角が緩やかなものになると、傾斜部の水平距離が長くなり過ぎて、圧電薄膜共振子の音響品質係数(Q値)が低下して、インピーダンス特性における共振ピーク付近に数多くのノイズが発生するようになるという問題がある。   When the inclination angle of the end portion of the lower electrode 15 becomes steep, as shown in FIG. 2C, abnormal growth of AlN occurs at the edge portion of the lower electrode end portion, and deep crater-like defects are formed between adjacent columnar AlN particles. Arise. This crater causes destruction of the AlN film and impairs reliability as a piezoelectric thin film resonator. Therefore, as shown in FIG. 3, it is necessary to make the inclination of the surface of the lower electrode end where the metal thin film and the aluminum nitride thin film are in contact with the substrate gentle to prevent crater-like separation growth. However, when the tilt angle of the lower electrode end becomes gentle, the horizontal distance of the tilted portion becomes too long, and the acoustic quality factor (Q value) of the piezoelectric thin film resonator decreases, and the vicinity of the resonance peak in the impedance characteristics There is a problem that many noises are generated.

本発明者らは、図4Bおよび図4Cに示されるように、下部電極15または上部電極17の外周部の周囲に該電極とは異なる材質のサイドスペーサー26を設け、該サイドスペーサー26をスロープ状の形状に形成すると共に、電極とサイドスペーサー26との界面の段差が25nm未満となるように加工方法を制御することによって作製された上下部電極の間に窒化アルミニウム薄膜を形成することにより、クレータ状の分離成長の無い高配向性および高結晶性のc軸配向窒化アルミニウム薄膜が得られ、下部電極また上部電極の端部の傾斜に起因する圧電特性への悪影響を解消できることを見出した。   As shown in FIGS. 4B and 4C, the present inventors provide a side spacer 26 made of a material different from the electrode around the outer periphery of the lower electrode 15 or the upper electrode 17, and the side spacer 26 has a slope shape. And forming an aluminum nitride thin film between the upper and lower electrodes produced by controlling the processing method so that the step at the interface between the electrode and the side spacer 26 is less than 25 nm. It has been found that a highly oriented and highly crystalline c-axis oriented aluminum nitride thin film having no separate growth can be obtained, and that adverse effects on the piezoelectric characteristics due to the inclination of the end of the lower electrode or the upper electrode can be eliminated.

前記サイドスペーサー26は、絶縁体または導電体で形成される。絶縁体からなるサイドスペーサー26は、たとえば、二酸化ケイ素(SiO)、窒化ケイ素(SiN)、酸窒化ケイ素(SiON)、窒化アルミニウム(AlN)、酸窒化アルミニウム(AlO)、酸化アルミニウム(Al)、酸化ジルコニウム(ZrO)および酸化タンタル(Ta)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ができる。The side spacer 26 is formed of an insulator or a conductor. The side spacers 26 made of an insulator include, for example, silicon dioxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN x ), silicon oxynitride (Si 2 ON 2 ), aluminum nitride (AlN), and aluminum oxynitride (AlO x N y ). Further, it can be formed of an insulator mainly composed of at least one material selected from the group consisting of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ).

導電体からなるサイドスペーサー26は、タングステン(W)、タングステンシリサイド(WSi)およびイリジウム(Ir)からなる群から選ばれる少なくと一種の材質を主成分とする導電体で形成することができる。The side spacer 26 made of a conductor can be formed of a conductor whose main component is at least one material selected from the group consisting of tungsten (W), tungsten silicide (WSi x ), and iridium (Ir).

絶縁体または導電体より成るサイドスペーサー26はスロープ状に形成されており、スロープ上面の下面に対する傾斜角は3〜45°であるのが好ましい。傾斜角が3°よりも小さくなると、スロープ長が長くなり過ぎ、圧電薄膜共振子を構成する各層の平面方向の寸法精度を確保することが難しくなり、得られる圧電薄膜共振子の電気機械結合係数および音響的品質係数(Q値)などの圧電特性が悪化する傾向にある。傾斜角が45°を超えると、電極とサイドスペーサー26との境界部またはサイドスペーサー26外周端縁から窒化アルミニウム薄膜のクレータ状の分離成長が起こる傾向にある。   The side spacer 26 made of an insulator or a conductor is formed in a slope shape, and the inclination angle with respect to the lower surface of the upper surface of the slope is preferably 3 to 45 °. When the inclination angle is smaller than 3 °, the slope length becomes too long, and it becomes difficult to ensure the dimensional accuracy of each layer constituting the piezoelectric thin film resonator in the plane direction, and the electromechanical coupling coefficient of the obtained piezoelectric thin film resonator In addition, piezoelectric characteristics such as acoustic quality factor (Q value) tend to deteriorate. When the inclination angle exceeds 45 °, crater-like separation growth of the aluminum nitride thin film tends to occur from the boundary between the electrode and the side spacer 26 or the outer peripheral edge of the side spacer 26.

また、サイドスペーサー26と接する電極端部の形状については、電極側壁面の電極下面に対する傾斜角が70〜90°(即ち大略垂直)であることが好ましい。傾斜角を70〜90°とすることにより、得られる圧電薄膜共振子の音響的品質係数(Q値)が向上し、挿入損失、ロール・オフの急峻性および遮断特性などの特性に優れた高性能な圧電薄膜共振子を製造することができる。   In addition, regarding the shape of the electrode end portion in contact with the side spacer 26, it is preferable that the inclination angle of the electrode side wall surface with respect to the electrode lower surface is 70 to 90 ° (that is, substantially vertical). By setting the tilt angle to 70 to 90 °, the acoustic quality factor (Q value) of the obtained piezoelectric thin film resonator is improved, and the characteristics such as insertion loss, roll-off steepness and cut-off characteristics are excellent. A high performance piezoelectric thin film resonator can be manufactured.

即ち、本発明の圧電薄膜共振子は、上記のような共振子であり、振動空間または音響反射層を有する半導体あるいは絶縁体からなる基板と、該基板の振動空間または音響反射層に面する位置に、順に配置された下部電極、窒化アルミニウム圧電薄膜および上部電極とを少なくとも有する圧電薄膜共振子において、前記下部電極および上部電極のうちの少なくとも一方の電極は、その外周部に材質の異なる別の層を有し、電極(電極本体)とその周囲に配置されたサイドスぺーサーとの界面の段差が25nm未満であることを特徴とする。   That is, the piezoelectric thin film resonator of the present invention is a resonator as described above, and is a substrate made of a semiconductor or an insulator having a vibration space or an acoustic reflection layer, and a position of the substrate facing the vibration space or the acoustic reflection layer. In addition, in the piezoelectric thin film resonator having at least a lower electrode, an aluminum nitride piezoelectric thin film, and an upper electrode arranged in order, at least one of the lower electrode and the upper electrode has another material made of a different material on the outer periphery thereof. It has a layer, and the step of the interface between the electrode (electrode body) and the side spacer disposed therearound is less than 25 nm.

このような圧電積層構造体は、圧電特性に優れ、信頼性も高くて、これを使用した圧電薄膜共振子は、低損失の優れた周波数特性を有する。   Such a piezoelectric laminated structure has excellent piezoelectric characteristics and high reliability, and a piezoelectric thin film resonator using the piezoelectric laminated structure has excellent frequency characteristics with low loss.

また、本発明の圧電薄膜共振子の圧電積層構造体14は、下部電極15と上部電極17とが厚み方向で(即ち、圧電積層構造体14の厚み方向に見て)互いに重なる領域として定義される振動領域が、メンブラン21の端縁(即ち、振動空間20の外周縁)よりも内側にあるのが好ましい。このような位置関係を保持することにより、圧電薄膜共振子のQ値を大きくすることが可能である。前記振動領域が前記メンブラン端縁よりも外側に広がると、圧電薄膜共振子のQ値が低下する傾向にある。   In addition, the piezoelectric multilayer structure 14 of the piezoelectric thin film resonator of the present invention is defined as a region where the lower electrode 15 and the upper electrode 17 overlap each other in the thickness direction (that is, when viewed in the thickness direction of the piezoelectric multilayer structure 14). It is preferable that the vibration region to be located is inside the edge of the membrane 21 (that is, the outer peripheral edge of the vibration space 20). By maintaining such a positional relationship, the Q value of the piezoelectric thin film resonator can be increased. When the vibration region spreads outside the membrane edge, the Q value of the piezoelectric thin film resonator tends to decrease.

さらに、前記振動領域の端部(端縁)と前記メンブラン端縁(振動空間の外周縁に対応)との間隔をwとし、前記振動領域の圧電積層構造体14の厚みと絶縁層(下部絶縁層および上部絶縁層)の厚みとの合計をtとしたときに、w/tの値を0<w/t≦2の範囲内とすることにより、電気機械結合係数が大きく、高いQ値を有する圧電薄膜共振子を実現することができる。また、このような位置関係の圧電薄膜共振子においては、通過帯域におけるスプリアスの発生が抑制されている。w/t>2の範囲においては、不要な横音響モードによるスプリアスが発生する傾向にある。   Further, the distance between the edge (edge) of the vibration region and the membrane edge (corresponding to the outer periphery of the vibration space) is w, and the thickness of the piezoelectric laminated structure 14 in the vibration region and the insulating layer (lower insulation) When the total thickness of the layer and the upper insulating layer is t, the value of w / t is set within the range of 0 <w / t ≦ 2, thereby increasing the electromechanical coupling coefficient and increasing the Q value. A piezoelectric thin film resonator can be realized. Moreover, in the piezoelectric thin film resonator having such a positional relationship, spurious generation in the passband is suppressed. In the range of w / t> 2, spurious due to unnecessary lateral acoustic mode tends to occur.

下部電極15および上部電極17の抵抗は、共振特性の損失に影響する。このため、本発明においては、入力信号の損失の要因となる下部電極および上部電極の比抵抗が十分に小さな値となるように金属薄膜の形成条件を制御するのが好ましい。例えば、電極の比抵抗が5〜20μΩ・cmとなるように制御する。比抵抗がこの範囲の値となるようにすることで、入力される高周波信号の損失を低減し、良好な共振特性を実現することができる。   The resistance of the lower electrode 15 and the upper electrode 17 affects the loss of resonance characteristics. Therefore, in the present invention, it is preferable to control the formation conditions of the metal thin film so that the specific resistance of the lower electrode and the upper electrode, which cause the loss of the input signal, becomes a sufficiently small value. For example, the specific resistance of the electrode is controlled to be 5 to 20 μΩ · cm. By setting the specific resistance to a value in this range, it is possible to reduce the loss of the input high-frequency signal and realize good resonance characteristics.

図4Aおよび図4Bに示す構成の圧電薄膜共振子では、圧電薄膜16の上下の電極15,17に電圧を印加することでバルク弾性波を励振させている。この為、下部電極15を、端子電極とすべく露出させることが必要である。この構成をもつ共振子を用いてフィルタを構成するには、2個以上の共振子を組み合わせ接続する必要がある。この場合、金属薄膜の電気抵抗が大きい場合には、接続配線に起因する損失が生ずる。このため、本発明においては、入力信号の損失の要因となる下部電極15および上部電極17の比抵抗が十分に小さな値となるように、金属薄膜の形成条件を制御する。例えば、電極の比抵抗が5〜20μΩ・cmとなるように制御することで、入力される高周波信号の損失を低減し、良好なフィルタ性能を実現することができる。   In the piezoelectric thin film resonator having the configuration shown in FIGS. 4A and 4B, a bulk acoustic wave is excited by applying a voltage to the upper and lower electrodes 15 and 17 of the piezoelectric thin film 16. For this reason, it is necessary to expose the lower electrode 15 as a terminal electrode. In order to configure a filter using a resonator having this configuration, it is necessary to connect two or more resonators in combination. In this case, when the electric resistance of the metal thin film is large, a loss due to the connection wiring occurs. For this reason, in the present invention, the conditions for forming the metal thin film are controlled so that the specific resistances of the lower electrode 15 and the upper electrode 17 that cause the loss of the input signal have a sufficiently small value. For example, by controlling the specific resistance of the electrode to be 5 to 20 μΩ · cm, it is possible to reduce the loss of the input high-frequency signal and realize good filter performance.

図7Aは本発明による圧電薄膜共振子の別の実施形態を示す模式的平面図であり、図7Bおよび図7CはそれぞれそのX−X断面図およびY−Y断面図である。図7Dは図7Cにおける点線で囲った部分の拡大図である。これらの図においては、上記図4A、図4Bおよび図4C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。   FIG. 7A is a schematic plan view showing another embodiment of the piezoelectric thin film resonator according to the present invention, and FIGS. 7B and 7C are an XX sectional view and a YY sectional view, respectively. FIG. 7D is an enlarged view of a portion surrounded by a dotted line in FIG. 7C. In these drawings, members having the same functions as those in FIGS. 4A, 4B, and 4C are given the same reference numerals.

本実施形態では、圧電薄膜共振子10は、基板11、該基板11の上面上に形成された下部絶縁層13および該下部絶縁層13の上面上に形成された圧電積層構造体14更には該圧電積層構造体14の上面上に形成された上部絶縁層23を有する。圧電積層構造体14は、絶縁体層13の上面上に形成された下部電極15、該下部電極15の一部を覆うようにして下部絶縁層13の上面上に形成された圧電薄膜16および該圧電薄膜16の上面上に形成された上部電極17を含んでなる。下部電極15は矩形に近い形状をなしており、主体部15aおよび該主体部15aと外部回路との接続のための端子部15bとを有する。   In this embodiment, the piezoelectric thin film resonator 10 includes a substrate 11, a lower insulating layer 13 formed on the upper surface of the substrate 11, a piezoelectric laminated structure 14 formed on the upper surface of the lower insulating layer 13, and the An upper insulating layer 23 is formed on the upper surface of the piezoelectric laminated structure 14. The piezoelectric laminated structure 14 includes a lower electrode 15 formed on the upper surface of the insulator layer 13, a piezoelectric thin film 16 formed on the upper surface of the lower insulating layer 13 so as to cover a part of the lower electrode 15, and the piezoelectric thin film 16 An upper electrode 17 formed on the upper surface of the piezoelectric thin film 16 is included. The lower electrode 15 has a shape close to a rectangle, and includes a main portion 15a and a terminal portion 15b for connecting the main portion 15a to an external circuit.

上部電極17は、振動空間20に対応する領域内に形成された主体部17aと、該主体部17aと外部回路との接続のための端子部17bとを有する。端子部15b,17bは振動空間20に対応する領域外に位置する。   The upper electrode 17 includes a main body portion 17a formed in a region corresponding to the vibration space 20, and a terminal portion 17b for connecting the main body portion 17a and an external circuit. The terminal portions 15 b and 17 b are located outside the region corresponding to the vibration space 20.

下部電極15および上部電極17の少なくとも一方はモリブデンを主成分とする層を含む厚さ150nm〜450nmの金属薄膜で形成されている。例えば、下部電極15は、モリブデンを主成分とする金属薄膜で構成され、その厚さは150〜450nmである。上部電極17は、モリブデンを主成分とする厚さd3の金属薄膜とアルミニウムを主成分とする厚さd4の金属薄膜との積層体であり、それぞれの金属薄膜の厚さd3,d4は、d4/d3>1かつ150nm<(d3+d4)<450nmという関係を満足している。音響インピーダンスが高くて、高配向性のモリブデン薄膜を主成分とする厚さd3の金属薄膜は、アルミニウムを主成分とする厚さd4の金属薄膜と圧電薄膜との間に介在させることが好ましい。また、窒化アルミニウム(AlN)、酸窒化アルミニウム(AlO)、酸化アルミニウム(Al)、窒化ケイ素(SiN)、酸窒化ケイ素(SiON)、酸化ジルコニウム(ZrO)および酸化タンタル(Ta)からなる群から選ばれる少なくと一種の材質を主成分とする下部絶縁層13が下部電極の下面に接して形成され、同様に、必要に応じて、窒化アルミニウム(AlN)、酸窒化アルミニウム(AlO)、酸化アルミニウム(Al)、窒化ケイ素(SiN)、酸窒化ケイ素(SiON)、酸化ジルコニウム(ZrO)および酸化タンタル(Ta)からなる群から選ばれる少なくと一種の材質を主成分とする上部絶縁層23が上部電極の上面に接して形成されている。At least one of the lower electrode 15 and the upper electrode 17 is formed of a metal thin film having a thickness of 150 nm to 450 nm including a layer mainly composed of molybdenum. For example, the lower electrode 15 is made of a metal thin film mainly composed of molybdenum and has a thickness of 150 to 450 nm. The upper electrode 17 is a laminate of a metal thin film having a thickness of d3 containing molybdenum as a main component and a metal thin film having a thickness of d4 containing aluminum as a main component, and the thicknesses d3 and d4 of the respective metal thin films are d4. / D3> 1 and 150 nm <(d3 + d4) <450 nm are satisfied. A metal thin film having a high acoustic impedance and a thickness d3 mainly composed of a highly oriented molybdenum thin film is preferably interposed between the metal thin film having a thickness d4 mainly composed of aluminum and the piezoelectric thin film. In addition, aluminum nitride (AlN), aluminum oxynitride (AlO x N y ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon nitride (SiN x ), silicon oxynitride (Si 2 ON 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) And a lower insulating layer 13 mainly composed of at least one material selected from the group consisting of tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) is formed in contact with the lower surface of the lower electrode, and similarly, if necessary, aluminum nitride (AlN), aluminum oxynitride (AlO x N y ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon nitride (SiN x ), silicon oxynitride (Si 2 ON 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) and tantalum oxide ( An upper insulating layer 23 mainly composed of at least one material selected from the group consisting of Ta 2 O 5 ) is in contact with the upper surface of the upper electrode. Is formed.

以上のようにして圧電積層構造体14を形成した基板11の下面のSiO層を、フォトリソグラフィーにより所定の形状にパターン化し、必要に応じて、さらに、マイクロマシン加工用フォトレジストを塗布して、フォトリソグラフィーにより基板下面SiOマスクと同一形状のレジストマスクを形成する。マスクを形成した基板11をDeep RIE(深彫り型反応性イオンエッチング)仕様のドライエッチング装置に装入し、装置内部にSFガスとCガスとを交互に導入してエッチングと側壁保護とを繰り返すことにより、側面と底面とのエッチング速度比を制御して、側壁を垂直に立てた深い角柱状または円柱状の振動空間20を形成する。その結果、図7Bおよび図7Cに示すように、メンブラン21と基板裏面の開口部とがほぼ等しい平面形状および寸法となる振動空間を得ることができる。The SiO 2 layer on the lower surface of the substrate 11 on which the piezoelectric multilayer structure 14 is formed as described above is patterned into a predetermined shape by photolithography, and if necessary, a photoresist for micromachining is further applied, by photolithography to form a lower surface of the substrate SiO 2 resist mask mask the same shape. The substrate 11 on which the mask is formed is loaded into a deep etching reactive ion etching (DEEP RIE) specification dry etching apparatus, and SF 6 gas and C 4 F 8 gas are alternately introduced into the apparatus to etch and sidewalls. By repeating the protection, the etching rate ratio between the side surface and the bottom surface is controlled to form a deep prismatic or columnar vibration space 20 with the side walls standing vertically. As a result, as shown in FIGS. 7B and 7C, it is possible to obtain a vibration space in which the membrane 21 and the opening on the back surface of the substrate have substantially the same planar shape and dimensions.

本発明においては、下部電極または上部電極の外周部の周囲に該電極とは異なる材質のサイドスペーサーを設け、該サイドスペーサーをスロープ状の形状に形成すると共に、該電極と該サイドスペーサーとの界面における段差が25nm未満となるように加工方法を制御することによって作製された上下部電極の間に窒化アルミニウム圧電薄膜を形成することにより、クレータ状の分離成長の無い高配向性および高結晶性のc軸配向窒化アルミニウム薄膜が得られ、下部電極また上部電極の端部の傾斜に起因する圧電特性への悪影響を解消できる。   In the present invention, a side spacer made of a material different from the electrode is provided around the outer periphery of the lower electrode or the upper electrode, the side spacer is formed in a slope shape, and the interface between the electrode and the side spacer By forming the aluminum nitride piezoelectric thin film between the upper and lower electrodes produced by controlling the processing method so that the step in the layer is less than 25 nm, high orientation and high crystallinity without crater-like separation growth A c-axis oriented aluminum nitride thin film can be obtained, and the adverse effect on the piezoelectric characteristics due to the inclination of the end of the lower electrode or the upper electrode can be eliminated.

図7Dに示したように、前記電極本体端部における上面の下面に対する傾斜角をθ2と定義し、スロープ状に形成されたサイドスペーサーにおけるスロープ上面の下面に対する傾斜角をθ1と定義する。前記のサイドスペーサーのスロープ上面の下面に対する傾斜角θ1は3〜45°である。傾斜角θ1が3°よりも小さくなると、スロープ長が長くなり過ぎ、圧電薄膜共振子を構成する各層の平面方向の寸法精度を確保することが難しくなり、得られる圧電薄膜共振子の電気機械結合係数および音響的品質係数(Q値)などの圧電特性が悪化する。傾斜角θ1が45°を超えると、電極本体とサイドスペーサーとの境界部またはサイドスペーサー端部から窒化アルミニウム圧電薄膜のクレータ状の分離成長が起こりやすくなる傾向にある。   As shown in FIG. 7D, an inclination angle with respect to the lower surface of the upper surface at the end portion of the electrode body is defined as θ2, and an inclination angle with respect to the lower surface of the upper surface of the slope in the side spacer formed in a slope shape is defined as θ1. The inclination angle θ1 of the side spacer with respect to the lower surface of the slope upper surface is 3 to 45 °. When the inclination angle θ1 is smaller than 3 °, the slope length becomes too long, and it becomes difficult to ensure the dimensional accuracy in the plane direction of each layer constituting the piezoelectric thin film resonator, and the resulting electromechanical coupling of the piezoelectric thin film resonator Piezoelectric properties such as coefficient and acoustic quality factor (Q value) deteriorate. When the inclination angle θ1 exceeds 45 °, crater-like separation growth of the aluminum nitride piezoelectric thin film tends to occur easily from the boundary portion between the electrode body and the side spacer or the end portion of the side spacer.

また、サイドスペーサーと接する電極本体端部の形状については、電極本体上面の下面に対する傾斜角θ2が70〜90°(即ち垂直)であることが好ましい。傾斜角θ2を70〜90°とすることにより、得られる圧電薄膜共振子の音響的品質係数(Q値)が向上し、挿入損失、ロール・オフの急峻性および遮断特性などの特性に優れた高性能な圧電薄膜共振子を製造することができる。   Regarding the shape of the end of the electrode main body in contact with the side spacer, the inclination angle θ2 with respect to the lower surface of the upper surface of the electrode main body is preferably 70 to 90 ° (ie vertical). By setting the tilt angle θ2 to 70 to 90 °, the acoustic quality factor (Q value) of the obtained piezoelectric thin film resonator is improved, and characteristics such as insertion loss, roll-off steepness, and cutoff characteristics are excellent. A high-performance piezoelectric thin film resonator can be manufactured.

本発明の圧電薄膜共振子の構成を利用して、本発明の圧電薄膜共振子を有する積層型圧電薄膜共振子を作製することができる。即ち、本発明の積層型圧電薄膜共振子は、図8Aおよび8Bに示したように、振動空間20を有する半導体あるいは絶縁体からなる基板11と、該基板上にて、少なくとも振動空間20に面する領域を含む領域に、順に配置された下部絶縁層13および圧電積層構造体を有する。該圧電積層構造体は、下部電極15、第1の窒化アルミニウム圧電薄膜16−1、内部電極17’、第2の窒化アルミニウム圧電薄膜16−2、および上部電極18を有する。下部電極15、内部電極17’および上部電極18のうちの少なくとも1つの電極は、その外周部の周囲に材質の異なる別の層であるサイドスペーサー26を有し、電極本体部とサイドスペーサー26との界面における段差が25nm未満である。   Using the structure of the piezoelectric thin film resonator of the present invention, a multilayer piezoelectric thin film resonator having the piezoelectric thin film resonator of the present invention can be manufactured. That is, as shown in FIGS. 8A and 8B, the multilayer piezoelectric thin film resonator of the present invention has a substrate 11 made of a semiconductor or an insulator having a vibration space 20 and a surface facing at least the vibration space 20 on the substrate. The lower insulating layer 13 and the piezoelectric laminated structure are sequentially arranged in a region including the region to be processed. The piezoelectric multilayer structure includes a lower electrode 15, a first aluminum nitride piezoelectric thin film 16-1, an internal electrode 17 ′, a second aluminum nitride piezoelectric thin film 16-2, and an upper electrode 18. At least one of the lower electrode 15, the internal electrode 17 ′, and the upper electrode 18 has a side spacer 26, which is another layer made of a different material, around the outer periphery thereof. The level difference at the interface is less than 25 nm.

本実施形態は、図7〜図7Dに記載の実施形態の圧電積層構造体を2つ積層したものに相当する圧電積層構造体を有するSBARである。即ち、下部絶縁層13上に下部電極15、第1の圧電薄膜16−1、内部電極17’、第2の圧電薄膜16−2および上部電極18がこの順に形成されている。内部電極17’は、第1の圧電薄膜16−1に対する上部電極としての機能と第2の圧電薄膜16−2に対する下部電極としての機能を有する。即ち、本発明の積層型圧電薄膜共振子(SBAR)は、本発明の下部電極、圧電体層、および上部電極の構成を含む構造を有しているとともに、本発明の圧電薄膜共振子の一実施形態である。   The present embodiment is an SBAR having a piezoelectric multilayer structure corresponding to a laminate of two piezoelectric multilayer structures according to the embodiments described in FIGS. 7 to 7D. That is, the lower electrode 15, the first piezoelectric thin film 16-1, the internal electrode 17 ', the second piezoelectric thin film 16-2, and the upper electrode 18 are formed on the lower insulating layer 13 in this order. The internal electrode 17 'has a function as an upper electrode for the first piezoelectric thin film 16-1 and a function as a lower electrode for the second piezoelectric thin film 16-2. That is, the multilayer piezoelectric thin film resonator (SBAR) of the present invention has a structure including the configuration of the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode of the present invention, and is one of the piezoelectric thin film resonators of the present invention. It is an embodiment.

本実施形態では、下部電極15と内部電極17’との間に入力電圧を印加し、該内部電極17’と上部電極18との間の電圧を出力電圧として取り出すことができるので、これ自体を多極型フィルタとして使用することができる。このような構成の多極型フィルタを通過帯域フィルタの構成要素として使用することにより、阻止帯域の減衰特性が良好となり、フィルタとしての周波数応答性が向上する。   In the present embodiment, an input voltage is applied between the lower electrode 15 and the internal electrode 17 ′, and a voltage between the internal electrode 17 ′ and the upper electrode 18 can be taken out as an output voltage. It can be used as a multipole filter. By using the multipole filter having such a configuration as a constituent element of the pass band filter, the attenuation characteristic of the stop band is improved and the frequency response as the filter is improved.

以上のような圧電薄膜共振子において、マイクロ波プローバーを使用して測定したインピーダンス特性における共振周波数fおよび反共振周波数fと電気機械結合係数k との間には、以下の関係がある。
=φ/Tan(φ
φ=(π/2)(f/f
簡単のため、電気機械結合係数k は、次式から算出した。
=4.8(f−f)/(f+f
In the piezoelectric thin-film resonator as described above, between the resonance frequency f r and the antiresonance frequency f a and the electromechanical coupling coefficient k t 2 in the impedance characteristic measured by using microwave prober, the following relationship is there.
k t 2 = φ r / Tan (φ r )
φ r = (π / 2) (f r / f a )
For simplicity, the electromechanical coupling coefficient k t 2 was calculated from the following equation.
k t 2 = 4.8 (f a -f r) / (f a + f r)

図4A〜4C、図7A〜7Dならびに図8Aおよび8Bに示した構成の圧電薄膜共振子または積層型圧電薄膜共振子において、1.5〜2.5GHzの範囲における共振周波数と反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数k は6.0%以上である。電気機械結合係数k が6.0%未満になると、これらの圧電薄膜共振子を組み合わせて作製される圧電薄膜フィルタの帯域幅が小さくなり、高周波域で使用する圧電薄膜デバイスとして実用に供することが難しくなる傾向にある。Measurement of resonance frequency and anti-resonance frequency in the range of 1.5 to 2.5 GHz in the piezoelectric thin film resonator or laminated piezoelectric thin film resonator having the configuration shown in FIGS. 4A to 4C, FIGS. 7A to 7D, and FIGS. 8A and 8B. The electromechanical coupling coefficient k t 2 obtained from the value is 6.0% or more. When the electromechanical coupling coefficient k t 2 is less than 6.0%, the bandwidth of the piezoelectric thin film filter manufactured by combining these piezoelectric thin film resonators is reduced, and is practically used as a piezoelectric thin film device used in a high frequency range. Tend to be difficult.

本発明によれば、本発明の圧電薄膜共振子およびその一形態である、積層型圧電薄膜共振子を使用して、VCO(電圧制御発振器)、フィルタおよび送受切替器などの圧電薄膜共振子を有する優れた圧電薄膜デバイスを提供することができる。   According to the present invention, a piezoelectric thin film resonator such as a VCO (Voltage Controlled Oscillator), a filter, and a duplexer is used by using the piezoelectric thin film resonator of the present invention and a laminated piezoelectric thin film resonator which is one form thereof. An excellent piezoelectric thin film device can be provided.

図9に、本発明の圧電薄膜デバイスの一実施形態としての薄膜圧電フィルタの模式的平面図を示す。本実施形態では、共通の基板を用いて、5つの圧電薄膜共振子210,220,230,240,250が形成されている。これらの圧電薄膜共振子は、いずれも上記図7Aおよび7Bの実施形態のものである。圧電薄膜共振子210、220および240の下部電極端子部15b同士が接続されており、圧電薄膜共振子220、230および250の上部電極端子部17b同士が接続されている。圧電薄膜共振子210の上部電極端子部および圧電薄膜共振子230の下部電極端子部が入出力端子とされ、圧電薄膜共振子240の上部電極端子部および圧電薄膜共振子250の下部電極端子部が接地される。なお、図9では、圧電薄膜共振子220についてのみ圧電積層構造体14が図示されているが、他の圧電薄膜共振子についても同様である。また、図9でにはサイドスぺーサーが図示されていないが、図7Aおよび7Bに関し説明したような上部電極用および下部電極用のサイドスぺーサーが設けられている。   FIG. 9 shows a schematic plan view of a thin film piezoelectric filter as an embodiment of the piezoelectric thin film device of the present invention. In the present embodiment, five piezoelectric thin film resonators 210, 220, 230, 240, 250 are formed using a common substrate. These piezoelectric thin film resonators are all of the embodiment shown in FIGS. 7A and 7B. The lower electrode terminal portions 15b of the piezoelectric thin film resonators 210, 220, and 240 are connected to each other, and the upper electrode terminal portions 17b of the piezoelectric thin film resonators 220, 230, and 250 are connected to each other. The upper electrode terminal portion of the piezoelectric thin film resonator 210 and the lower electrode terminal portion of the piezoelectric thin film resonator 230 are input / output terminals, and the upper electrode terminal portion of the piezoelectric thin film resonator 240 and the lower electrode terminal portion of the piezoelectric thin film resonator 250 are Grounded. In FIG. 9, the piezoelectric multilayer structure 14 is shown only for the piezoelectric thin film resonator 220, but the same applies to other piezoelectric thin film resonators. Further, although the side spacers are not shown in FIG. 9, side spacers for the upper electrode and the lower electrode as described with reference to FIGS. 7A and 7B are provided.

本発明の圧電薄膜デバイスは、圧電薄膜共振子およびその一形態である積層型圧電薄膜共振子を有していれば特に上記のデバイスに限定されない。   The piezoelectric thin film device of the present invention is not particularly limited to the above device as long as it has a piezoelectric thin film resonator and a laminated piezoelectric thin film resonator which is one form thereof.

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。以下の実施例および比較例においては、エアーギャップタイプの圧電薄膜共振子を作製しているが、音響ミラータイプの圧電薄膜共振子も、同様の技術で作製することができる。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. In the following examples and comparative examples, an air gap type piezoelectric thin film resonator is manufactured, but an acoustic mirror type piezoelectric thin film resonator can also be manufactured by the same technique.

(実施例1)
本実施例では、以下のようにして、図4A、4Bおよび4Cに示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
(Example 1)
In this example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 4A, 4B and 4C was produced as follows.

即ち、熱酸化法により、厚さ625μmのSiウェハの両面に、厚さ1500nmのSiO層を形成した後、Siウェハ上面上のSiO層上に犠牲層となる厚さ50nmのTi薄膜を堆積して、フォトリソグラフィにより、所望のエアーブリッジ形状(すなわち所望の振動空間に対応する形状)にパターン形成した。次に、反応性スパッタリング法により、犠牲層およびSiO層の露出面上に、表1に記載した厚さの下部絶縁層(下部絶縁体層)となるAl薄膜を形成した。この下部絶縁層上に、DCマグネトロンスパッタ法にて、表1に記載した厚さのMo薄膜を堆積して下部電極(下部電極層:下部電極本体)を形成し、さらに、フォトリソグラフィによりパターン化した。続いて、TEOS(Tera-ethoxy silane)を原料とする低圧CVD法により、下部電極および下部絶縁層の露出面上に酸化シリコン(SiO)膜を厚さ300〜900nmに堆積させた。ICPプラズマを用いた異方性ドライエッチングで、下部電極の表面が露出し、下部電極側壁に接したSiO膜の表面が下部電極表面と平滑に繋がるまでエッチバックすることにより、パターニングされた下部電極の側壁の周囲のみにSiO膜を残して、所望の構造のサイドスペーサーを形成した。That is, after forming a 1500 nm thick SiO 2 layer on both sides of a 625 μm thick Si wafer by thermal oxidation, a 50 nm thick Ti thin film serving as a sacrificial layer is formed on the SiO 2 layer on the upper surface of the Si wafer. Deposited and patterned by photolithography into the desired air bridge shape (ie, the shape corresponding to the desired vibration space). Next, an Al 2 O 3 thin film serving as a lower insulating layer (lower insulating layer) having the thickness shown in Table 1 was formed on the exposed surfaces of the sacrificial layer and the SiO 2 layer by reactive sputtering. On this lower insulating layer, a Mo thin film having a thickness shown in Table 1 is deposited by DC magnetron sputtering to form a lower electrode (lower electrode layer: lower electrode body), and further patterned by photolithography. did. Subsequently, a silicon oxide (SiO 2 ) film was deposited to a thickness of 300 to 900 nm on the exposed surfaces of the lower electrode and the lower insulating layer by low pressure CVD using TEOS (Tera-ethoxy silane) as a raw material. By etching back until the surface of the lower electrode is exposed by anisotropic dry etching using ICP plasma and the surface of the SiO 2 film in contact with the side wall of the lower electrode is smoothly connected to the surface of the lower electrode, the patterned lower portion Side spacers having a desired structure were formed by leaving the SiO 2 film only around the side walls of the electrodes.

X線回折装置により下部電極の結晶配向性を評価した結果、表1に示すごとくMo(110)面のロッキング・カーブFWHMは2.3degであった。下部Mo電極およびサイドスペーサーならびにAl薄膜の露出面上に、純度99.999%のAlターゲットを用い、反応性RFマグネトロンスパッタ法により、表3に記載の条件で、圧電薄膜(圧電体薄膜)としての厚さ1.0μmのAlN薄膜を形成した。X線回折法によりAlN薄膜の結晶性を評価した結果、(0002)面を初めとするc面に対応したピークのみ観測され、表3に示すごとく、そのロッキング・カーブ半値幅(FWHM)は1.6゜であった。次に、DCマグネトロンスパッタ法により、圧電体薄膜上に表2に記載した厚さのMo薄膜を堆積して上部電極(上部電極層:上部電極本体)を形成し、フォトリソグラフィにより、図4Aに示すごとく平面寸法150×170μmの矩形に近い形状(対辺は若干非平行)にパターン化した。次に、ドライエッチングにより、圧電体薄膜を所定の形状にパターン化した。下部電極およびそのサイドスペーサー、圧電体薄膜、上部電極、ならびに下部絶縁層の露出面上に、上部絶縁層(上部絶縁体層)となる表2に記載した厚さのAl薄膜を堆積して、パターン形成した。次に、下部電極およびそのサイドスペーサー、圧電体薄膜、上部電極、上部絶縁層、ならびに下部絶縁層の露出面上に、フォトレジストを塗布し、図4Bに示した振動空間を形成するためのビアホールに対応した位置にビアホールパターンを形成し、ClとArとの混合ガスを用いたドライエッチングによりビアホールを開けた。フォトレジストを剥離することなく、Siウェハの下面側のSiO層もフォトレジストで被覆した。エッチング液として希釈フッ酸水溶液を用い、ビアホールを通じたエッチング液の循環により、Ti犠牲層とその下方に位置する厚さ1500nmのSiO層とをエッチング除去した。酸素プラズマ中でのアッシングによりレジストを除去して、図4Bに示した振動空間20を作製した。以上の製造工程により、図4A、4B及び4Cに記載の構造の圧電薄膜共振子を製造した。表1〜表3に振動領域の各層の材質と厚みを、表1に下部電極のロッキング・カーブ半値幅(FWHM)を、表3に圧電体薄膜の形成条件とロッキング・カーブ半値幅(FWHM)等の結晶性状を記載した。As a result of evaluating the crystal orientation of the lower electrode with an X-ray diffractometer, as shown in Table 1, the rocking curve FWHM of the Mo (110) plane was 2.3 deg. A piezoelectric thin film (piezoelectric material) was formed by reactive RF magnetron sputtering using an Al target with a purity of 99.999% on the exposed surfaces of the lower Mo electrode, the side spacer, and the Al 2 O 3 thin film under the conditions shown in Table 3. An AlN thin film having a thickness of 1.0 μm was formed as a thin film. As a result of evaluating the crystallinity of the AlN thin film by the X-ray diffraction method, only peaks corresponding to the c-plane including the (0002) plane were observed. As shown in Table 3, the rocking curve half-width (FWHM) was 1 It was 6 °. Next, a Mo thin film having a thickness described in Table 2 is deposited on the piezoelectric thin film by DC magnetron sputtering to form an upper electrode (upper electrode layer: upper electrode main body). As shown, it was patterned into a shape close to a rectangle with a plane size of 150 × 170 μm (the opposite side was slightly non-parallel). Next, the piezoelectric thin film was patterned into a predetermined shape by dry etching. On the exposed surfaces of the lower electrode and its side spacers, the piezoelectric thin film, the upper electrode, and the lower insulating layer, an Al 2 O 3 thin film having the thickness described in Table 2 serving as the upper insulating layer (upper insulating layer) is deposited. Then, a pattern was formed. Next, a photoresist is applied on the exposed surface of the lower electrode and its side spacer, piezoelectric thin film, upper electrode, upper insulating layer, and lower insulating layer, and a via hole for forming the vibration space shown in FIG. 4B. A via hole pattern was formed at a position corresponding to 1 and a via hole was opened by dry etching using a mixed gas of Cl 2 and Ar. The SiO 2 layer on the lower surface side of the Si wafer was also covered with the photoresist without peeling off the photoresist. A dilute hydrofluoric acid aqueous solution was used as an etching solution, and the Ti sacrificial layer and the 1500 nm thick SiO 2 layer located therebelow were removed by etching by circulation of the etching solution through the via hole. The resist was removed by ashing in oxygen plasma to produce the vibration space 20 shown in FIG. 4B. The piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 4A, 4B and 4C was manufactured by the above manufacturing process. Tables 1 to 3 show the material and thickness of each layer in the vibration region, Table 1 shows the bottom electrode rocking curve half width (FWHM), and Table 3 shows the piezoelectric thin film formation conditions and rocking curve half width (FWHM). Etc. were described.

表1および表2に、サイドスペーサーの端面の傾斜角θ1および電極本体の端面の傾斜角θ2を記載した。これらは、それぞれ、図7Dに図示された各層の端部表面(端面または上面)と下面との為す角度である。   Tables 1 and 2 list the inclination angle θ1 of the end face of the side spacer and the inclination angle θ2 of the end face of the electrode body. These are angles formed by the end surface (end surface or upper surface) and the lower surface of each layer shown in FIG. 7D.

また、カスケード・マイクロテック製GSGマイクロプローバーとネットワークアナライザーを使用して、上記圧電薄膜共振子の電極端子15b,17b間のインピーダンス特性を測定してスキャッタリング・パラメータを求めると共に、共振周波数fおよび反共振周波数fの測定値から、電気機械結合係数k を、インピーダンス特性における共振ピークおよび反共振ピークのピーク波形(ピークトップから3dB離れた位置におけるピーク幅)から共振ピークおよび反共振ピークの音響品質係数Qを求めた。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k 、音響品質係数Q、挿入損失最小値(順方向伝送係数、S21の共振点における値)およびスプリアス特性は、表3に示す通りであった。Further, using a cascade microtech GSG micro prober and a network analyzer, the impedance characteristic between the electrode terminals 15b and 17b of the piezoelectric thin film resonator is measured to obtain a scattering parameter, and the resonance frequency fr and from the measured values of the anti-resonance frequency f a, the electromechanical coupling coefficient k and t 2, the resonance peak and anti-resonance peak from the resonance peak in the impedance characteristic and the anti-resonance peak of the peak waveform (peak width at a position away 3dB from the peak top) The acoustic quality factor Q was determined. The thickness frequency fundamental frequency, electromechanical coupling coefficient k t 2 , acoustic quality factor Q, insertion loss minimum value (forward transmission coefficient, value at the resonance point of S 21 ) and spurious characteristics of the obtained piezoelectric thin film resonator are: It was as shown in Table 3.

(実施例2)
本実施例では、以下のようにして、図4A、4Bおよび4Cに示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。即ち、下部絶縁層および上部絶縁層の材質と厚さ、下部電極の形成条件および厚さ、サイドスペーサーの材質と傾斜角、AlN圧電薄膜の形成条件および厚さ、ならびに上部電極の材質と厚さを変えた以外は、実施例1と同様な方法を用い、図4A、4Bおよび4Cに記載の圧電薄膜共振子を製造した。表1〜表3に振動領域の各層の材質と厚みを、表1に下部電極のロッキング・カーブ半値幅(FWHM)を、表3に圧電体薄膜の形成条件とロッキング・カーブ半値幅(FWHM)等の結晶性状を記載した。
(Example 2)
In this example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 4A, 4B and 4C was produced as follows. That is, the material and thickness of the lower insulating layer and the upper insulating layer, the formation condition and thickness of the lower electrode, the material and inclination angle of the side spacer, the formation condition and thickness of the AlN piezoelectric thin film, and the material and thickness of the upper electrode The piezoelectric thin film resonator shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C was manufactured using the same method as in Example 1 except that was changed. Tables 1 to 3 show the material and thickness of each layer in the vibration region, Table 1 shows the bottom electrode rocking curve half width (FWHM), and Table 3 shows the piezoelectric thin film formation conditions and rocking curve half width (FWHM). Etc. were described.

また、カスケード・マイクロテック製GSGマイクロプローバーとネットワークアナライザーを使用して、上記圧電薄膜共振子の電極端子15b,17b間のインピーダンス特性を測定してスキャッタリング・パラメータを求めると共に、共振周波数fおよび反共振周波数fの測定値から、電気機械結合係数k を、インピーダンス特性における共振ピークおよび反共振ピークのピーク波形(ピークトップから3dB離れた位置におけるピーク幅)から共振ピークおよび反共振ピークの音響品質係数Qを求めた。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k 、音響品質係数Q、挿入損失最小値(順方向伝送係数、S21の共振点における値)およびスプリアス特性は、表3に示す通りであった。Further, using a cascade microtech GSG micro prober and a network analyzer, the impedance characteristic between the electrode terminals 15b and 17b of the piezoelectric thin film resonator is measured to obtain a scattering parameter, and the resonance frequency fr and from the measured values of the anti-resonance frequency f a, the electromechanical coupling coefficient k and t 2, the resonance peak and anti-resonance peak from the resonance peak in the impedance characteristic and the anti-resonance peak of the peak waveform (peak width at a position away 3dB from the peak top) The acoustic quality factor Q was determined. The thickness frequency fundamental frequency, electromechanical coupling coefficient k t 2 , acoustic quality factor Q, insertion loss minimum value (forward transmission coefficient, value at the resonance point of S 21 ) and spurious characteristics of the obtained piezoelectric thin film resonator are: It was as shown in Table 3.

(実施例3)
本実施例では、以下のようにして、図4A、4Bおよび4Cに示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。即ち、熱酸化法により、厚さ625μmのSiウェハの両面に、厚さ1000nmのSiO層を形成した後、Siウェハ上面上のSiO層上に犠牲層となる厚さ80nmのTi薄膜を堆積して、フォトリソグラフィにより、所望のエアーブリッジ形状にパターン形成した。次に、反応性スパッタリング法により、犠牲層およびSiO層の露出面上に、表1に記載した材質と厚さの下部絶縁層を形成した。この下部絶縁層上に、DCマグネトロンスパッタ法にて、表1に記載した厚さのMo薄膜を堆積して下部電極を形成し、さらに、フォトリソグラフィによりパターン化した。パターン形成に際しては、意図的にデフォーカスさせた紫外光でレジストを露光し、現像して、レジストの形状をなだらかな蒲鉾型形状にした。レジスト端面になだらかな傾斜を持たすことで、ドライエッチング時に、電極パターン端面(側壁)の傾斜角θ2を制御することに注力した。
(Example 3)
In this example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 4A, 4B and 4C was produced as follows. That is, by forming a 1000 nm thick SiO 2 layer on both sides of a 625 μm thick Si wafer by thermal oxidation, an 80 nm thick Ti thin film serving as a sacrificial layer is formed on the SiO 2 layer on the upper surface of the Si wafer. It was deposited and patterned into the desired air bridge shape by photolithography. Next, a lower insulating layer having the material and thickness described in Table 1 was formed on the exposed surfaces of the sacrificial layer and the SiO 2 layer by reactive sputtering. On this lower insulating layer, a Mo thin film having a thickness shown in Table 1 was deposited by DC magnetron sputtering to form a lower electrode, and further patterned by photolithography. When forming the pattern, the resist was exposed to ultraviolet light that was intentionally defocused and developed to form a gentle saddle shape. Focusing on controlling the inclination angle θ2 of the electrode pattern end face (side wall) during dry etching by giving the resist end face a gentle inclination.

X線回折装置により下部電極の結晶配向性を評価した結果、表1に示すごとくMo(110)面のロッキング・カーブFWHMは1.5degであった。この下部Mo電極および下部絶縁層の露出面上に、純度99.999%のAlターゲットを用い、反応性RFマグネトロンスパッタ法により、表3に記載の条件で、圧電体薄膜としてのAlN薄膜を形成した。X線回折法によりAlN圧電体薄膜の結晶性を評価した結果、(0002)面を初めとするc面に対応したピークのみ観測され、表3に示すごとくそのロッキング・カーブ半値幅(FWHM)は1.0゜であった。次に、DCマグネトロンスパッタ法により、圧電体薄膜上に表2に記載した厚さのMo薄膜を堆積して上部電極を形成し、フォトリソグラフィにより、図4Aに示すごとく平面寸法150×170μmの矩形に近い形状(対辺は若干非平行)にパターン化した。   As a result of evaluating the crystal orientation of the lower electrode with an X-ray diffractometer, as shown in Table 1, the rocking curve FWHM of the Mo (110) plane was 1.5 deg. An AlN thin film as a piezoelectric thin film is formed on the exposed surfaces of the lower Mo electrode and the lower insulating layer by reactive RF magnetron sputtering using an Al target having a purity of 99.999% under the conditions shown in Table 3. did. As a result of evaluating the crystallinity of the AlN piezoelectric thin film by the X-ray diffraction method, only peaks corresponding to the c-plane including the (0002) plane were observed, and as shown in Table 3, the rocking curve half-width (FWHM) was It was 1.0 °. Next, a Mo thin film having a thickness shown in Table 2 is deposited on the piezoelectric thin film by DC magnetron sputtering to form an upper electrode, and a rectangular shape having a plane size of 150 × 170 μm is formed by photolithography as shown in FIG. 4A. It was patterned into a shape close to (the opposite side is slightly non-parallel).

続いて、下部電極、圧電体薄膜、上部電極および下部絶縁層の露出面上に、低圧CVD法により酸窒化ケイ素(SiON)膜を300〜900nm堆積させた。ICPプラズマを用いた異方性ドライエッチングで、上部電極の表面が露出し、上部電極側壁に接したSiON膜の表面が上部電極表面と平滑に繋がるまでエッチバックすることにより、パターニングされた上部電極の側壁の周囲のみにSiON膜を残して、所望の構造のサイドスペーサーを形成した。Subsequently, a silicon oxynitride (Si 2 ON 2 ) film having a thickness of 300 to 900 nm was deposited on the exposed surfaces of the lower electrode, the piezoelectric thin film, the upper electrode, and the lower insulating layer by a low pressure CVD method. By anisotropic dry etching using ICP plasma, patterning is performed by etching back until the surface of the upper electrode is exposed and the surface of the Si 2 ON 2 film in contact with the side wall of the upper electrode is smoothly connected to the surface of the upper electrode. A side spacer having a desired structure was formed by leaving the Si 2 ON 2 film only around the side wall of the upper electrode.

次に、ドライエッチングとそれに続くウェットエッチングにより、圧電体薄膜を所定の形状にパターン化した。下部電極、圧電体薄膜、上部電極およびそのサイドスペーサー、ならびに下部絶縁層の露出面上に、上部絶縁層となる表2に記載した材質と厚さの薄膜を堆積して、パターン形成した。次に、下部電極、圧電体薄膜、上部電極およびそのサイドスペーサー、上部絶縁層、ならびに下部絶縁層の露出面上に、フォトレジストを塗布し、図4Bに示した振動空間を形成するためのビアホールに対応した位置にビアホールパターンを形成し、ClとArとの混合ガスを用いたドライエッチングによりビアホールを開けた。フォトレジストを剥離することなく、Siウェハの下面側のSiO層もフォトレジストで被覆した。エッチング液として希釈フッ酸水溶液を用い、ビアホールを通じたエッチング液の循環により、Ti犠牲層とその下方に位置する厚さ1000nmのSiO層とをエッチング除去した。酸素プラズマ中でのアッシングによりレジストを除去して、図4Bに示した振動空間20を作製した。以上の製造工程により、図4A、4B及び4Cに記載の構造の圧電薄膜共振子を製造した。表1〜表3に振動領域の各層の材質と厚みを、表1に下部電極のロッキング・カーブ半値幅(FWHM)を、表3に圧電体薄膜の形成条件とロッキング・カーブ半値幅(FWHM)等の結晶性状を記載した。Next, the piezoelectric thin film was patterned into a predetermined shape by dry etching and subsequent wet etching. On the exposed surface of the lower electrode, the piezoelectric thin film, the upper electrode and its side spacers, and the lower insulating layer, a thin film having the material and thickness described in Table 2 serving as the upper insulating layer was deposited to form a pattern. Next, a photoresist is applied on the exposed surfaces of the lower electrode, the piezoelectric thin film, the upper electrode and its side spacer, the upper insulating layer, and the lower insulating layer, and a via hole for forming the vibration space shown in FIG. 4B. A via hole pattern was formed at a position corresponding to 1 and a via hole was opened by dry etching using a mixed gas of Cl 2 and Ar. The SiO 2 layer on the lower surface side of the Si wafer was also covered with the photoresist without peeling off the photoresist. Diluted hydrofluoric acid aqueous solution was used as an etching solution, and the Ti sacrificial layer and the 1000 nm thick SiO 2 layer located therebelow were removed by etching by circulation of the etching solution through the via hole. The resist was removed by ashing in oxygen plasma to produce the vibration space 20 shown in FIG. 4B. The piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 4A, 4B and 4C was manufactured by the above manufacturing process. Tables 1 to 3 show the material and thickness of each layer in the vibration region, Table 1 shows the bottom electrode rocking curve half width (FWHM), and Table 3 shows the piezoelectric thin film formation conditions and rocking curve half width (FWHM). Etc. were described.

また、実施例1と同様のインピーダンス特性測定により、圧電薄膜共振子の高周波特性および共振特性を評価した。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k 、音響品質係数Q、挿入損失最小値(順方向伝送係数、S21の共振点における値)およびスプリアス特性は、表3に示す通りであった。Further, the high frequency characteristics and resonance characteristics of the piezoelectric thin film resonator were evaluated by the same impedance characteristic measurement as in Example 1. The thickness frequency fundamental frequency, electromechanical coupling coefficient k t 2 , acoustic quality factor Q, insertion loss minimum value (forward transmission coefficient, value at the resonance point of S 21 ) and spurious characteristics of the obtained piezoelectric thin film resonator are: It was as shown in Table 3.

(実施例4)
本実施例では、以下のようにして、図7Aおよび7Bに示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。
即ち、熱酸化法により、厚さ300μmの(100)Si基板の両面に、厚さ1000nmのSiO層を形成した後、Si基板下面上のSiO層上に所望の振動空間20の形状に対応したマスクパターンを形成し、該パターンに対応した領域のSiO層をエッチング除去した。同時に、Si基板上面上のSiO層を総てエッチング除去した。次に、反応性スパッタリング法により、Si基板上面上のSiO層上に、表1に記載した材質と厚さの下部絶縁層を形成した。この下部絶縁層上に、DCマグネトロンスパッタ法にて、表1に記載した材質と厚さのCr密着層とMo薄膜を順番に堆積して下部電極を形成し、さらに、フォトリソグラフィによりパターン化した。パターン形成に際しては、意図的にデフォーカスさせた紫外光でレジストを露光し、現像して、レジストの形状をなだらかな蒲鉾型形状にした。レジスト端面になだらかな傾斜を持たすことで、ドライエッチング時に、電極パターン端面(側壁)の傾斜角θ2を制御することに注力した。
(Example 4)
In this example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 7A and 7B was produced as follows.
That is, after a SiO 2 layer having a thickness of 1000 nm is formed on both surfaces of a (100) Si substrate having a thickness of 300 μm by a thermal oxidation method, a desired vibration space 20 is formed on the SiO 2 layer on the lower surface of the Si substrate. A corresponding mask pattern was formed, and the SiO 2 layer in the region corresponding to the pattern was removed by etching. At the same time, the entire SiO 2 layer on the upper surface of the Si substrate was removed by etching. Next, a lower insulating layer having the material and thickness shown in Table 1 was formed on the SiO 2 layer on the upper surface of the Si substrate by reactive sputtering. On this lower insulating layer, the lower electrode was formed by sequentially depositing the Cr adhesion layer and the Mo thin film having the materials and thicknesses shown in Table 1 by the DC magnetron sputtering method, and patterning by photolithography. . When forming the pattern, the resist was exposed to ultraviolet light that was intentionally defocused and developed to form a gentle saddle shape. Focusing on controlling the inclination angle θ2 of the electrode pattern end face (side wall) during dry etching by giving the resist end face a gentle inclination.

X線回折装置により下部電極の結晶配向性を評価した結果、表1に示すごとくMo(110)面のロッキング・カーブFWHMは1.8degであった。下部Mo電極および下部絶縁層の露出面上に、純度99.999%のAlターゲットを用い、反応性RFマグネトロンスパッタ法により、表3に記載の条件で、圧電体薄膜としてのAlN薄膜を形成した。X線回折法によりAlN圧電体薄膜の結晶性を評価した結果、(0002)面を初めとするc面に対応したピークのみ観測され、表3に示すごとく、そのロッキング・カーブ半値幅(FWHM)は1.3゜であった。   As a result of evaluating the crystal orientation of the lower electrode using an X-ray diffractometer, as shown in Table 1, the rocking curve FWHM of the Mo (110) plane was 1.8 deg. An AlN thin film as a piezoelectric thin film was formed on the exposed surfaces of the lower Mo electrode and the lower insulating layer by reactive RF magnetron sputtering using an Al target having a purity of 99.999% under the conditions shown in Table 3. . As a result of evaluating the crystallinity of the AlN piezoelectric thin film by the X-ray diffraction method, only peaks corresponding to the c-plane including the (0002) plane were observed. As shown in Table 3, the rocking curve half-width (FWHM) Was 1.3 °.

次に、DCマグネトロンスパッタ法により、圧電体薄膜上に表2に記載した厚さのMo薄膜とAl薄膜を順番に堆積させて上部電極を形成し、フォトリソグラフィにより、図7Aに示すごとく平面寸法140×160μmの矩形に近い形状(対辺は若干非平行)にパターン化した。続いて、下部電極、圧電体薄膜、上部電極、ならびに下部絶縁層の露出面上に、プラズマCVD法により酸化ケイ素(SiO)膜を300〜900nm堆積させた。ICPプラズマを用いた異方性ドライエッチングで上部電極の表面が露出し、上部電極側壁に接したSiO膜の表面が下部電極表面と平滑に繋がるまでエッチバックすることにより、パターニングされた下部電極の外周部側壁の周囲のみにSiO膜を残して、サイドスペーサーを形成した。次に、ドライエッチングにより、圧電体薄膜を所定の形状にパターン化した。Next, an upper electrode is formed by sequentially depositing a Mo thin film and an Al thin film having the thicknesses shown in Table 2 on the piezoelectric thin film by DC magnetron sputtering, and a planar dimension is formed by photolithography as shown in FIG. 7A. It was patterned into a shape close to a 140 × 160 μm rectangle (the opposite side was slightly non-parallel). Subsequently, a silicon oxide (SiO 2 ) film was deposited to 300 to 900 nm on the exposed surfaces of the lower electrode, the piezoelectric thin film, the upper electrode, and the lower insulating layer by a plasma CVD method. By etching back until the surface of the upper electrode is exposed by anisotropic dry etching using ICP plasma and the surface of the SiO 2 film in contact with the side wall of the upper electrode is smoothly connected to the surface of the lower electrode, the patterned lower electrode is obtained. Side spacers were formed by leaving the SiO 2 film only around the periphery of the outer peripheral portion. Next, the piezoelectric thin film was patterned into a predetermined shape by dry etching.

さらに、下部電極、圧電体薄膜、上部電極およびそのサイドスペーサー、ならびに下部絶縁層の露出面上に、反応性スパッタリング法により、上部絶縁層となる表2に記載した材質と厚さの薄膜を堆積して、リフトオフ法によってパターン形成した。   Further, a thin film having the material and thickness described in Table 2 is deposited on the exposed surface of the lower electrode, the piezoelectric thin film, the upper electrode and its side spacers, and the lower insulating layer by reactive sputtering. Then, a pattern was formed by a lift-off method.

下部電極、圧電体薄膜、上部電極およびそのサイドスペーサー、上部絶縁層、ならびに下部絶縁層の露出面を、プロテクトワックスで被覆し、Si基板下面上のパターニングされたSiO層をマスクとして、SFガスとCガスとを交互に用いて深堀エッチングを行うDeep RIE(Reactive Ion Etching)法により、メンブランに対応した領域のSi基板をエッチング除去して、振動空間を形成し、図7A、7Bおよび7Cに記載の構造の圧電薄膜共振子を製造した。表1〜表3に振動領域の各層の材質と厚みを、表1に下部Mo/Cr積層電極のロッキング・カーブ半値幅(FWHM)を、表3にAlN圧電体薄膜の形成条件およびロッキング・カーブ半値幅(FWHM)等の結晶性状を記載した。Lower electrode, a piezoelectric thin film, the upper electrode and the side spacers, the upper insulating layer, and the exposed surface of the lower insulating layer, coated in protected wax, a SiO 2 layer is patterned on a Si substrate lower surface as masks, SF 6 A deep space etching is performed by using a deep RIE (Reactive Ion Etching) method in which a gas and a C 4 F 8 gas are alternately used to etch and remove a Si substrate in a region corresponding to a membrane, thereby forming a vibration space. Piezoelectric thin film resonators having the structure described in 7B and 7C were manufactured. Tables 1 to 3 show the material and thickness of each layer in the vibration region, Table 1 shows the rocking curve half-width (FWHM) of the lower Mo / Cr laminated electrode, and Table 3 shows the formation conditions and rocking curve of the AlN piezoelectric thin film. Crystal properties such as half width (FWHM) are described.

また、実施例1と同様のインピーダンス特性測定により、圧電薄膜共振子の高周波特性および共振特性を評価した。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k 、音響品質係数Q、挿入損失最小値(順方向伝送係数、S21の共振点における値)およびスプリアス特性は、表3に示す通りであった。Further, the high frequency characteristics and resonance characteristics of the piezoelectric thin film resonator were evaluated by the same impedance characteristic measurement as in Example 1. The thickness frequency fundamental frequency, electromechanical coupling coefficient k t 2 , acoustic quality factor Q, insertion loss minimum value (forward transmission coefficient, value at the resonance point of S 21 ) and spurious characteristics of the obtained piezoelectric thin film resonator are: It was as shown in Table 3.

(実施例5および6)
本実施例では、以下のようにして、図7A、7Bおよび7Cに示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。即ち、下部絶縁体層および上部絶縁体層の材質と厚さ、下部電極および上部電極の材質と形成条件と厚さ、AlN圧電薄膜の形成条件を変え、下部電極および上部電極の双方につき外周端部の周囲にサイドスペーサーを設けた以外は、実施例4と同様な方法を用い、図7A、7Bおよび7Cに記載の圧電薄膜共振子を製造した。表1〜表3に振動領域の各層の材質と厚みを、表1に下部電極のロッキング・カーブ半値幅(FWHM)を、表3に圧電体薄膜の形成条件とロッキング・カーブ半値幅(FWHM)等の結晶性状を記載した。
(Examples 5 and 6)
In this example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 7A, 7B and 7C was produced as follows. That is, changing the material and thickness of the lower and upper insulator layers, the material and forming conditions and thickness of the lower and upper electrodes, and the forming conditions of the AlN piezoelectric thin film, A piezoelectric thin film resonator shown in FIGS. 7A, 7B and 7C was manufactured using the same method as in Example 4 except that side spacers were provided around the part. Tables 1 to 3 show the material and thickness of each layer in the vibration region, Table 1 shows the bottom electrode rocking curve half width (FWHM), and Table 3 shows the piezoelectric thin film formation conditions and rocking curve half width (FWHM). Etc. were described.

また、実施例1と同様のインピーダンス特性測定により、圧電薄膜共振子の高周波特性および共振特性を評価した。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k 、音響品質係数Q、挿入損失最小値(順方向伝送係数、S21の共振点における値)およびスプリアス特性は、表3に示す通りであった。Further, the high frequency characteristics and resonance characteristics of the piezoelectric thin film resonator were evaluated by the same impedance characteristic measurement as in Example 1. The thickness frequency fundamental frequency, electromechanical coupling coefficient k t 2 , acoustic quality factor Q, insertion loss minimum value (forward transmission coefficient, value at the resonance point of S 21 ) and spurious characteristics of the obtained piezoelectric thin film resonator are: It was as shown in Table 3.

Figure 2007119643
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(実施例7)
本実施例では、以下のようにして、図4A、4Bおよび4Cに示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。即ち、下部絶縁体層として低圧CVD法によるSiN層を使用し、上下部絶縁体層の材質と厚さ、下部電極および上部電極の形成条件と材質と厚さ、AlN圧電薄膜の形成条件を変え、下部電極および上部電極の双方につき外周端部の周囲にサイドスペーサーを設けた以外は、実施例3と同様な方法を用い、図4A、4Bおよび4Cに記載の圧電薄膜共振子を製造した。表1〜表3に振動領域の各層の材質と厚みを、表1に下部電極のロッキング・カーブ半値幅(FWHM)を、表3に圧電体薄膜の形成条件とロッキング・カーブ半値幅(FWHM)等の結晶性状を記載した。
(Example 7)
In this example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 4A, 4B and 4C was produced as follows. That is, the SiN x layer formed by the low pressure CVD method is used as the lower insulator layer, and the material and thickness of the upper and lower insulator layers, the formation condition and material and thickness of the lower electrode and the upper electrode, and the formation condition of the AlN piezoelectric thin film are as follows. The piezoelectric thin film resonator shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C was manufactured by using the same method as in Example 3 except that side spacers were provided around the outer peripheral edge for both the lower electrode and the upper electrode. . Tables 1 to 3 show the material and thickness of each layer in the vibration region, Table 1 shows the bottom electrode rocking curve half width (FWHM), and Table 3 shows the piezoelectric thin film formation conditions and rocking curve half width (FWHM). Etc. were described.

また、実施例1と同様のインピーダンス特性測定により、圧電薄膜共振子の高周波特性および共振特性を評価した。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k 、音響品質係数Q、挿入損失最小値(順方向伝送係数、S21の共振点における値)およびスプリアス特性は、表3に示す通りであった。Further, the high frequency characteristics and resonance characteristics of the piezoelectric thin film resonator were evaluated by the same impedance characteristic measurement as in Example 1. The thickness frequency fundamental frequency, electromechanical coupling coefficient k t 2 , acoustic quality factor Q, insertion loss minimum value (forward transmission coefficient, value at the resonance point of S 21 ) and spurious characteristics of the obtained piezoelectric thin film resonator are: It was as shown in Table 3.

(実施例8および9)
本実施例では、以下のようにして、図4A、4Bおよび4Cに示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。即ち、下部絶縁体層および上部絶縁体層の材質と厚さ、下部電極および上部電極の形成条件と材質と厚さ、サイドスペーサーの材質と傾斜角、AlN圧電薄膜の形成条件を変え、下部電極および上部電極の双方につき外周端部の周囲にサイドスペーサーを設けた以外は、実施例3と同様な方法を用い、図4A、4Bおよび4Cに記載の構造の圧電薄膜共振子を製造した。表1〜表3に振動領域の各層の材質と厚みを、表1に下部電極のロッキング・カーブ半値幅(FWHM)を、表3に圧電体薄膜の形成条件とロッキング・カーブ半値幅(FWHM)等の結晶性状を記載した。
(Examples 8 and 9)
In this example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 4A, 4B and 4C was produced as follows. That is, the material and thickness of the lower insulator layer and the upper insulator layer, the formation condition and material and thickness of the lower electrode and the upper electrode, the material and inclination angle of the side spacer, and the formation condition of the AlN piezoelectric thin film are changed. A piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C was manufactured in the same manner as in Example 3 except that side spacers were provided around the outer peripheral edge for both the upper electrode and the upper electrode. Tables 1 to 3 show the material and thickness of each layer in the vibration region, Table 1 shows the bottom electrode rocking curve half width (FWHM), and Table 3 shows the piezoelectric thin film formation conditions and rocking curve half width (FWHM). Etc. were described.

また、実施例1と同様のインピーダンス特性測定により、圧電薄膜共振子の高周波特性および共振特性を評価した。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k 、音響品質係数Q、挿入損失最小値(順方向伝送係数、S21の共振点における値)およびスプリアス特性は、表3に示す通りであった。Further, the high frequency characteristics and resonance characteristics of the piezoelectric thin film resonator were evaluated by the same impedance characteristic measurement as in Example 1. The thickness frequency fundamental frequency, electromechanical coupling coefficient k t 2 , acoustic quality factor Q, insertion loss minimum value (forward transmission coefficient, value at the resonance point of S 21 ) and spurious characteristics of the obtained piezoelectric thin film resonator are: It was as shown in Table 3.

(実施例10および11)
本実施例では、以下のようにして、図4A、4Bおよび4Cに示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。即ち、実施例3と同様な方法で、但し下部電極および上部電極の双方につき外周端部の周囲にサイドスペーサーを設け、下部絶縁体層、下部電極、サイドスペーサーおよびAlN薄膜を形成しパターン化した後、上部電極、サイドスペーサーおよび上部絶縁体層を形成することにより、図4A、4Bおよび4Cに記載の構造の圧電薄膜共振子を製造した。表1〜表3に振動領域の各層の材質と厚みを、表1に下部電極のロッキング・カーブ半値幅(FWHM)を、表3に圧電体薄膜の形成条件とロッキング・カーブ半値幅(FWHM)等の結晶性状を記載した。
(Examples 10 and 11)
In this example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 4A, 4B and 4C was produced as follows. That is, in the same manner as in Example 3, except that both the lower electrode and the upper electrode were provided with side spacers around the outer peripheral edge, and the lower insulator layer, the lower electrode, the side spacer, and the AlN thin film were formed and patterned. Thereafter, the piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C was manufactured by forming an upper electrode, a side spacer, and an upper insulator layer. Tables 1 to 3 show the material and thickness of each layer in the vibration region, Table 1 shows the bottom electrode rocking curve half width (FWHM), and Table 3 shows the piezoelectric thin film formation conditions and rocking curve half width (FWHM). Etc. were described.

また、実施例1と同様のインピーダンス特性測定により、圧電薄膜共振子の高周波特性および共振特性を評価した。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k 、音響品質係数Q、挿入損失最小値(順方向伝送係数、S21の共振点における値)およびスプリアス特性は、表3に示す通りであった。Further, the high frequency characteristics and resonance characteristics of the piezoelectric thin film resonator were evaluated by the same impedance characteristic measurement as in Example 1. The thickness frequency fundamental frequency, electromechanical coupling coefficient k t 2 , acoustic quality factor Q, insertion loss minimum value (forward transmission coefficient, value at the resonance point of S 21 ) and spurious characteristics of the obtained piezoelectric thin film resonator are: It was as shown in Table 3.

(実施例12〜14)
本実施例では、以下のようにして、図4A、4Bおよび4Cに示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。即ち、下部絶縁体層および上部絶縁体層の材質と厚さ、下部電極の材質、形成条件および厚さ、サイドスペーサーの材質と傾斜角、AlN圧電薄膜の形成条件、ならびに上部電極の材質と厚さを変え、下部電極および上部電極の双方につき外周端部の周囲にサイドスペーサーを設けた以外は、実施例3と同様な方法を用い、図4A、4Bおよび4Cに記載の圧電薄膜共振子を製造した。表1〜表3に振動領域の各層の材質と厚みを、表1に下部電極のロッキング・カーブ半値幅(FWHM)を、表3に圧電体薄膜の形成条件とロッキング・カーブ半値幅(FWHM)等の結晶性状を記載した。
(Examples 12 to 14)
In this example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 4A, 4B and 4C was produced as follows. That is, the material and thickness of the lower insulator layer and the upper insulator layer, the material of the lower electrode, the formation condition and thickness, the material and inclination angle of the side spacer, the formation condition of the AlN piezoelectric thin film, and the material and thickness of the upper electrode The piezoelectric thin film resonator shown in FIGS. 4A, 4B and 4C was changed using the same method as in Example 3 except that side spacers were provided around the outer peripheral edge for both the lower electrode and the upper electrode. Manufactured. Tables 1 to 3 show the material and thickness of each layer in the vibration region, Table 1 shows the bottom electrode rocking curve half width (FWHM), and Table 3 shows the piezoelectric thin film formation conditions and rocking curve half width (FWHM). Etc. were described.

また、実施例1と同様のインピーダンス特性測定により、圧電薄膜共振子の高周波特性および共振特性を評価した。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k 、音響品質係数Q、挿入損失最小値(順方向伝送係数、S21の共振点における値)およびスプリアス特性は、表3に示す通りであった。Further, the high frequency characteristics and resonance characteristics of the piezoelectric thin film resonator were evaluated by the same impedance characteristic measurement as in Example 1. The thickness frequency fundamental frequency, electromechanical coupling coefficient k t 2 , acoustic quality factor Q, insertion loss minimum value (forward transmission coefficient, value at the resonance point of S 21 ) and spurious characteristics of the obtained piezoelectric thin film resonator are: It was as shown in Table 3.

(比較例1)
本比較例では、以下のようにして、図4A、4Bおよび4Cに示されている構造との比較のための圧電薄膜共振子を作製した。即ち、下部絶縁体層として低圧CVD法によるSiN層を、下部電極密着層としてCrを、下部電極主層としてMoを使用するなど、下部絶縁体層および上部絶縁体層の材質と厚さ、下部電極および上部電極の材質と厚さを変え、サイドスペーサーを設けなかった以外は、実施例3記載の方法で図4A、4Bおよび4Cに記載の構造に似た構造の圧電薄膜共振子を製造した。表1〜表3に振動領域の各層の材質と厚みを、表1に下部電極のロッキング・カーブ半値幅(FWHM)を、表3に圧電体薄膜の形成条件とロッキング・カーブ半値幅(FWHM)等の結晶性状を記載した。
(Comparative Example 1)
In this comparative example, a piezoelectric thin film resonator for comparison with the structure shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C was produced as follows. That is, the material and thickness of the lower insulator layer and the upper insulator layer, such as using a SiN x layer by a low pressure CVD method as the lower insulator layer, using Cr as the lower electrode adhesion layer, and Mo as the lower electrode main layer, A piezoelectric thin film resonator having a structure similar to that shown in FIGS. 4A, 4B and 4C is manufactured by the method described in Example 3 except that the material and thickness of the lower electrode and the upper electrode are changed and no side spacer is provided. did. Tables 1 to 3 show the material and thickness of each layer in the vibration region, Table 1 shows the bottom electrode rocking curve half width (FWHM), and Table 3 shows the piezoelectric thin film formation conditions and rocking curve half width (FWHM). Etc. were described.

また、実施例1と同様のインピーダンス特性測定により、圧電薄膜共振子の高周波特性および共振特性を評価した。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k 、音響品質係数Q、挿入損失最小値(順方向伝送係数、S21の共振点における値)およびスプリアス特性は、表3に示す通りであった。Further, the high frequency characteristics and resonance characteristics of the piezoelectric thin film resonator were evaluated by the same impedance characteristic measurement as in Example 1. The thickness frequency fundamental frequency, electromechanical coupling coefficient k t 2 , acoustic quality factor Q, insertion loss minimum value (forward transmission coefficient, value at the resonance point of S 21 ) and spurious characteristics of the obtained piezoelectric thin film resonator are: It was as shown in Table 3.

(比較例2)
本比較例では、以下のようにして、図4A、4Bおよび4Cに示されている構造との比較のための圧電薄膜共振子を作製した。即ち、下部絶縁体層および上部絶縁体層の材質と厚さ、下部電極および上部電極の材質と厚さを変えた以外は、比較例1と同様な方法で、図4A、4Bおよび4Cに記載の構造に似た構造の圧電薄膜共振子を製造した。表1〜表3に振動領域の各層の材質と厚みを、表1に下部電極のロッキング・カーブ半値幅(FWHM)を、表3に圧電体薄膜の形成条件とロッキング・カーブ半値幅(FWHM)等の結晶性状を記載した。
(Comparative Example 2)
In this comparative example, a piezoelectric thin film resonator for comparison with the structure shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C was produced as follows. 4A, 4B and 4C in the same manner as in Comparative Example 1 except that the material and thickness of the lower insulator layer and the upper insulator layer and the material and thickness of the lower electrode and the upper electrode were changed. A piezoelectric thin film resonator having a structure similar to that of the above was manufactured. Tables 1 to 3 show the material and thickness of each layer in the vibration region, Table 1 shows the bottom electrode rocking curve half width (FWHM), and Table 3 shows the piezoelectric thin film formation conditions and rocking curve half width (FWHM). Etc. were described.

また、実施例1と同様のインピーダンス特性測定により、圧電薄膜共振子の高周波特性および共振特性を評価した。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k 、音響品質係数Q、挿入損失最小値(順方向伝送係数、S21の共振点における値)およびスプリアス特性は、表3に示す通りであった。Further, the high frequency characteristics and resonance characteristics of the piezoelectric thin film resonator were evaluated by the same impedance characteristic measurement as in Example 1. The thickness frequency fundamental frequency, electromechanical coupling coefficient k t 2 , acoustic quality factor Q, insertion loss minimum value (forward transmission coefficient, value at the resonance point of S 21 ) and spurious characteristics of the obtained piezoelectric thin film resonator are: It was as shown in Table 3.

(比較例3〜6)
本比較例では、以下のようにして、図4A、4Bおよび4Cに示されている構造との比較のための圧電薄膜共振子を作製した。即ち、下部絶縁体層および上部絶縁体層の材質と厚さ、下部電極および上部電極の材質と厚さを変えた以外は、比較例1と同様な方法で、図4A、4Bおよび4Cに記載の構造に似た構造の圧電薄膜共振子を製造した。表1〜表3に振動領域の各層の材質と厚みを、表1に下部電極のロッキング・カーブ半値幅(FWHM)を、表3に圧電体薄膜の形成条件とロッキング・カーブ半値幅(FWHM)等の結晶性状を記載した。
(Comparative Examples 3-6)
In this comparative example, a piezoelectric thin film resonator for comparison with the structure shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C was produced as follows. 4A, 4B and 4C in the same manner as in Comparative Example 1 except that the material and thickness of the lower insulator layer and the upper insulator layer and the material and thickness of the lower electrode and the upper electrode were changed. A piezoelectric thin film resonator having a structure similar to that of the above was manufactured. Tables 1 to 3 show the material and thickness of each layer in the vibration region, Table 1 shows the bottom electrode rocking curve half width (FWHM), and Table 3 shows the piezoelectric thin film formation conditions and rocking curve half width (FWHM). Etc. were described.

また、実施例1と同様のインピーダンス特性測定により、圧電薄膜共振子の高周波特性および共振特性を評価した。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k 、音響品質係数Q、挿入損失最小値(順方向伝送係数、S21の共振点における値)およびスプリアス特性は、表3に示す通りであった。Further, the high frequency characteristics and resonance characteristics of the piezoelectric thin film resonator were evaluated by the same impedance characteristic measurement as in Example 1. The thickness frequency fundamental frequency, electromechanical coupling coefficient k t 2 , acoustic quality factor Q, insertion loss minimum value (forward transmission coefficient, value at the resonance point of S 21 ) and spurious characteristics of the obtained piezoelectric thin film resonator are: It was as shown in Table 3.

(比較例7)
本比較例では、以下のようにして、図4A、4Bおよび4Cに示されている構造の圧電薄膜共振子を作製した。即ち、下部絶縁体層および上部絶縁体層の材質と厚さ、下部電極および上部電極の材質と厚さを変えたことに加え、下部電極本体部とその外周端部の周囲に形成するサイドスペーサーとの界面の段差が30nmという大きな値となるようにした以外は、実施例1記載の方法で、図4A、4Bおよび4Cに記載の構造の圧電薄膜共振子を製造した。表1〜表3に振動領域の各層の材質と厚みを、表1に下部電極のロッキング・カーブ半値幅(FWHM)を、表3に圧電体薄膜の形成条件とロッキング・カーブ半値幅(FWHM)等の結晶性状を記載した。
(Comparative Example 7)
In this comparative example, a piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C was manufactured as follows. That is, in addition to changing the material and thickness of the lower insulator layer and the upper insulator layer, the material and thickness of the lower electrode and the upper electrode, side spacers formed around the lower electrode main body and its outer peripheral edge A piezoelectric thin film resonator having the structure shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C was manufactured by the method described in Example 1 except that the step at the interface with the substrate had a large value of 30 nm. Tables 1 to 3 show the material and thickness of each layer in the vibration region, Table 1 shows the bottom electrode rocking curve half width (FWHM), and Table 3 shows the piezoelectric thin film formation conditions and rocking curve half width (FWHM). Etc. were described.

また、実施例1と同様のインピーダンス特性測定により、圧電薄膜共振子の高周波特性および共振特性を評価した。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数k 、音響品質係数Q、挿入損失最小値(順方向伝送係数、S21の共振点における値)およびスプリアス特性は、表3に示す通りであった。Further, the high frequency characteristics and resonance characteristics of the piezoelectric thin film resonator were evaluated by the same impedance characteristic measurement as in Example 1. The thickness frequency fundamental frequency, electromechanical coupling coefficient k t 2 , acoustic quality factor Q, insertion loss minimum value (forward transmission coefficient, value at the resonance point of S 21 ) and spurious characteristics of the obtained piezoelectric thin film resonator are: It was as shown in Table 3.

Claims (27)

振動空間または音響反射層を有する基板と、前記振動空間または音響反射層に面するように配置された圧電積層構造体とを含んでなり、該圧電積層構造体は振動空間または音響反射層に近い側から順に配置された下部電極、圧電薄膜および上部電極を少なくとも有する圧電薄膜共振子であって、
前記下部電極および上部電極のうちの少なくとも一方の電極の外周部の周囲に該電極とは材質の異なるサイドスペーサーが配置されており、該サイドスペーサーと前記電極との界面における段差は25nm未満であることを特徴とする圧電薄膜共振子。
A substrate having a vibration space or an acoustic reflection layer; and a piezoelectric multilayer structure disposed so as to face the vibration space or the acoustic reflection layer, the piezoelectric multilayer structure being close to the vibration space or the acoustic reflection layer A piezoelectric thin film resonator having at least a lower electrode, a piezoelectric thin film and an upper electrode arranged in order from the side,
A side spacer made of a material different from that of the electrode is disposed around an outer peripheral portion of at least one of the lower electrode and the upper electrode, and a step at an interface between the side spacer and the electrode is less than 25 nm. A piezoelectric thin film resonator.
前記圧電薄膜は窒化アルミニウム(AlN)からなることを特徴とする、請求項1に記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film is made of aluminum nitride (AlN). 前記窒化アルミニウムからなる圧電薄膜の(0002)回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FWHM)が0.8〜1.6゜であることを特徴とする、請求項2に記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to claim 2, wherein a rocking curve half-width (FWHM) of a (0002) diffraction peak of the piezoelectric thin film made of aluminum nitride is 0.8 to 1.6 °. 前記サイドスペーサーと前記電極との界面における段差は3nm未満であることを特徴とする、請求項1に記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein a step at an interface between the side spacer and the electrode is less than 3 nm. 前記サイドスペーサーは上面が下面に対してスロープ状に形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の圧電薄膜共振子。 2. The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein the side spacer has an upper surface formed in a slope shape with respect to a lower surface. 前記サイドスペーサーは前記下面に対する上面の傾斜角が3〜45度であることを特徴とする、請求項1に記載の圧電薄膜共振子。 2. The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein the side spacer has an inclination angle of an upper surface with respect to the lower surface of 3 to 45 degrees. 前記サイドスペーサーの音響インピーダンスは前記電極の音響インピーダンスよりも大きいことを特徴とする、請求項1に記載の圧電薄膜共振子。 2. The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein an acoustic impedance of the side spacer is larger than an acoustic impedance of the electrode. 前記サイドスペーサーは絶縁体からなることを特徴とする、請求項1に記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein the side spacer is made of an insulator. 前記サイドスペーサーは、二酸化ケイ素(SiO)、窒化ケイ素(SiN)、酸窒化ケイ素(SiON)、窒化アルミニウム(AlN)、酸窒化アルミニウム(AlO)、酸化アルミニウム(Al)、酸化ジルコニウム(ZrO)および酸化タンタル(Ta)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からなることを特徴とする、請求項8に記載の圧電薄膜共振子。The side spacer includes silicon dioxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN x ), silicon oxynitride (Si 2 ON 2 ), aluminum nitride (AlN), aluminum oxynitride (AlO x N y ), and aluminum oxide (Al 2 The insulator according to claim 8, comprising an insulator mainly composed of at least one material selected from the group consisting of O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ). Piezoelectric thin film resonator. 前記サイドスペーサーは導電体からなることを特徴とする、請求項1に記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein the side spacer is made of a conductor. 前記サイドスペーサーは、タングステン(W)、タングステンシリサイド(WSi)およびイリジウム(Ir)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導電体からなることを特徴とする、請求項10に記載の圧電薄膜共振子。The side spacer is made of a conductor mainly composed of at least one material selected from the group consisting of tungsten (W), tungsten silicide (WSi x ), and iridium (Ir). The piezoelectric thin film resonator as described. 前記上部電極および下部電極の少なくとも一方はモリブデンからなることを特徴とする、請求項1に記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein at least one of the upper electrode and the lower electrode is made of molybdenum. 前記上部電極および下部電極の少なくとも一方は、モリブデン、ルテニウム、アルミニウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、白金および銅からなる群から選ばれる2種類の金属の積層体で構成されていることを特徴とする、請求項1に記載の圧電薄膜共振子。 At least one of the upper electrode and the lower electrode is composed of a laminate of two kinds of metals selected from the group consisting of molybdenum, ruthenium, aluminum, iridium, cobalt, nickel, platinum and copper, The piezoelectric thin film resonator according to claim 1. 前記下部電極は厚さd1の下側金属層と厚さd2の上側金属層との積層体であり、d1/d2>1であり且つ150nm<(d1+d2)<450nmであることを特徴とする、請求項1に記載の圧電薄膜共振子。 The lower electrode is a laminate of a lower metal layer having a thickness d1 and an upper metal layer having a thickness d2, wherein d1 / d2> 1 and 150 nm <(d1 + d2) <450 nm. The piezoelectric thin film resonator according to claim 1. 前記下部電極の厚さd1の下側金属層はアルミニウムを主成分とする金属薄膜であり、前記下部電極の厚さd2の上側金属層はモリブデンを主成分とする金属薄膜であることを特徴とする、請求項14に記載の圧電薄膜共振子。 The lower metal layer having a thickness d1 of the lower electrode is a metal thin film mainly containing aluminum, and the upper metal layer having a thickness d2 of the lower electrode is a metal thin film mainly containing molybdenum. The piezoelectric thin film resonator according to claim 14. 前記上部電極は厚さd3の下側金属層と厚さd4の上側金属層との積層体であり、d4/d3>1であり且つ150nm<(d3+d4)<450nmであることを特徴とする、請求項1に記載の圧電薄膜共振子。 The upper electrode is a laminate of a lower metal layer having a thickness of d3 and an upper metal layer having a thickness of d4, wherein d4 / d3> 1 and 150 nm <(d3 + d4) <450 nm. The piezoelectric thin film resonator according to claim 1. 前記上部電極の厚さd3の下側金属層はモリブデンを主成分とする金属薄膜であり、前記上部電極の厚さd4の上側金属層はアルミニウムを主成分とする金属薄膜であることを特徴とする、請求項16に記載の圧電薄膜共振子。 The lower metal layer having a thickness d3 of the upper electrode is a metal thin film containing molybdenum as a main component, and the upper metal layer having a thickness d4 of the upper electrode is a metal thin film containing aluminum as a main component. The piezoelectric thin film resonator according to claim 16. 前記圧電積層構造体の厚み方向に見て、前記下部電極と上部電極とが互いに重なる領域として定義される振動領域は前記振動空間または音響反射層の外周縁より内側に位置することを特徴とする、請求項1に記載の圧電薄膜共振子。 A vibration region defined as a region where the lower electrode and the upper electrode overlap each other when viewed in the thickness direction of the piezoelectric multilayer structure is located inside the vibration space or the outer peripheral edge of the acoustic reflection layer. The piezoelectric thin film resonator according to claim 1. 前記圧電積層構造体の厚み方向に見た前記振動領域の端部と前記振動空間または音響反射層の外周縁との間の距離w、および前記振動領域での圧電積層構造体の厚みと絶縁層の厚みとの合計tが、関係式0<w/t≦2を満たすことを特徴とする、請求項18に記載の圧電薄膜共振子。 The distance w between the end of the vibration region and the outer periphery of the vibration space or the acoustic reflection layer as viewed in the thickness direction of the piezoelectric multilayer structure, and the thickness of the piezoelectric multilayer structure and the insulating layer in the vibration region 19. The piezoelectric thin film resonator according to claim 18, wherein a total t with the thickness satisfies a relational expression 0 <w / t ≦ 2. 前記圧電積層構造体の上面または下面に絶縁層が付されていることを特徴とする、請求項1に記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein an insulating layer is attached to an upper surface or a lower surface of the piezoelectric multilayer structure. 前記絶縁層は前記下部電極の下面に接して形成されていることを特徴とする、請求項20に記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to claim 20, wherein the insulating layer is formed in contact with a lower surface of the lower electrode. 前記絶縁層は前記上部電極の上面に接して形成されていることを特徴とする、請求項20に記載の圧電薄膜共振子。 The piezoelectric thin film resonator according to claim 20, wherein the insulating layer is formed in contact with an upper surface of the upper electrode. 前記絶縁層は、窒化アルミニウム(AlN)、酸窒化アルミニウム(AlO)、酸化アルミニウム(Al)、窒化ケイ素(SiN)、酸窒化ケイ素(SiON)、酸化ジルコニウム(ZrO)および酸化タンタル(Ta)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ものであることを特徴とする、請求項20に記載の圧電薄膜共振子。The insulating layer includes aluminum nitride (AlN), aluminum oxynitride (AlO x N y ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon nitride (SiN x ), silicon oxynitride (Si 2 ON 2 ), zirconium oxide ( The piezoelectric thin film resonator according to claim 20, wherein the piezoelectric thin film resonator is mainly composed of at least one material selected from the group consisting of ZrO 2 ) and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ). 請求項1〜23のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振子を複数個組み合せて構成される圧電薄膜デバイス。 A piezoelectric thin film device configured by combining a plurality of piezoelectric thin film resonators according to any one of claims 1 to 23. 請求項1に記載の圧電薄膜共振子を製造する方法であって、
基板上に下部絶縁層を形成する第1の工程と、
前記下部絶縁層上に前記下部電極を形成する第2の工程と、
前記下部電極および下部絶縁層の露出面に前記下部電極とは材質の異なる絶縁体または導電体を堆積させた後、エッチバックにより前記下部電極の上面を露出させ、前記下部電極の外周部の周囲に下部電極用の前記サイドスペーサーを形成する第3の工程と、
前記下部電極、下部電極用サイドスペーサーおよび下部絶縁層の露出面に圧電材料層を形成する第4の工程と、
前記圧電材料層上に前記上部電極を形成する第5の工程と、
前記圧電材料層をパターニングして前記圧電薄膜を形成する第6の工程と、
前記圧電薄膜および上部電極上に上部絶縁層を形成する第7の工程とを有することを特徴とする、圧電薄膜共振子の製造方法。
A method for manufacturing the piezoelectric thin film resonator according to claim 1, comprising:
A first step of forming a lower insulating layer on the substrate;
A second step of forming the lower electrode on the lower insulating layer;
After depositing an insulator or a conductor having a different material from that of the lower electrode on the exposed surfaces of the lower electrode and the lower insulating layer, the upper surface of the lower electrode is exposed by etch back, and the periphery of the outer periphery of the lower electrode A third step of forming the side spacer for the lower electrode in
A fourth step of forming a piezoelectric material layer on the exposed surfaces of the lower electrode, the lower electrode side spacer and the lower insulating layer;
A fifth step of forming the upper electrode on the piezoelectric material layer;
A sixth step of patterning the piezoelectric material layer to form the piezoelectric thin film;
And a seventh step of forming an upper insulating layer on the piezoelectric thin film and the upper electrode.
前記第5の工程と第6の工程との間に、前記上部電極および圧電材料層の露出面に前記上部電極とは材質の異なる絶縁体または導電体を堆積させた後、エッチバックにより前記上部電極の上面を露出させ、前記上部電極の外周部の周囲に上部電極用の前記サイドスペーサーを形成する工程を介在させることを特徴とする、請求項25に記載の圧電薄膜共振子の製造方法。 Between the fifth step and the sixth step, an insulator or a conductor having a different material from that of the upper electrode is deposited on the exposed surfaces of the upper electrode and the piezoelectric material layer, and then the upper portion is etched back. 26. The method of manufacturing a piezoelectric thin film resonator according to claim 25, wherein an upper surface of the electrode is exposed and a step of forming the side spacer for the upper electrode is provided around the outer periphery of the upper electrode. 請求項1に記載の圧電薄膜共振子を製造する方法であって、
基板上に下部絶縁層を形成する第1の工程と、
前記下部絶縁層上に前記下部電極をその端部がスロープ状となるように形成する第2の工程と、
前記下部電極および下部絶縁層の露出面に圧電材料層を形成する第3の工程と、
前記圧電材料層上に前記上部電極を形成する第4の工程と、
前記圧電材料層をパターニングして前記圧電薄膜を形成する第5の工程と、
前記上部電極および圧電薄膜の露出面に前記上部電極とは材質の異なる絶縁体または導電体を堆積させた後、エッチバックにより前記上部電極の上面を露出させ、前記上部電極の外周部の周囲に上部電極用の前記サイドスペーサーを形成する第6の工程と、
前記圧電薄膜および上部電極上に上部絶縁層を形成する第7の工程とを有することを特徴とする、圧電薄膜共振子の製造方法。
A method for manufacturing the piezoelectric thin film resonator according to claim 1, comprising:
A first step of forming a lower insulating layer on the substrate;
A second step of forming the lower electrode on the lower insulating layer so that the end thereof has a slope shape;
A third step of forming a piezoelectric material layer on the exposed surfaces of the lower electrode and the lower insulating layer;
A fourth step of forming the upper electrode on the piezoelectric material layer;
A fifth step of patterning the piezoelectric material layer to form the piezoelectric thin film;
After depositing an insulator or a conductor having a different material from that of the upper electrode on the exposed surfaces of the upper electrode and the piezoelectric thin film, the upper surface of the upper electrode is exposed by etch back, and around the outer periphery of the upper electrode. A sixth step of forming the side spacer for the upper electrode;
And a seventh step of forming an upper insulating layer on the piezoelectric thin film and the upper electrode.
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