JPWO2017155032A1 - 窒化ガリウム構造体、圧電素子、圧電素子の製造方法、及び圧電素子を用いた共振子 - Google Patents
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Abstract
ＧａＮを圧電体として用いた窒化ガリウム構造体において、容易なプロセスで形成できる下部電極を提供することができる。基板と、基板と対向して設けられ、窒化ガリウムを主成分とする窒化ガリウム層と、窒化ガリウム層と基板との間に設けられ、ハフニウムの単体金属を主成分とする少なくとも１層以上のハフニウム層を含み、少なくとも１層以上のハフニウム層において窒化ガリウム層と接触する第１電極と、を備える。
Description
本発明は、窒化ガリウム構造体、圧電素子、圧電素子の製造方法、及び圧電素子を用いた共振子に関する。
ＬＥＤ等の原料として用いられるＧａＮ（窒化ガリウム）は、Ｑ値が良好な圧電体である。ＧａＮ膜の成膜方法は、ＭＯＶＰＥやＭＢＥ、ＭＰＣＶＤのような手法が一般的である。これらの手法において、ＧａＮ膜の成膜温度は９００℃以上であるため、ＧａＮ膜を圧電材料として用いた場合、基板とＧａＮ膜との間に下部電極を形成することが非常に困難である。
非特許文献１には、ＧａＮ膜とＳｉ基板との間に下部電極を形成する方法が開示されている。非特許文献１では、まずＳｉ基板上にＧａＮ膜を成膜させる。その後、成膜したＧａＮ膜の一部をエッチング等によって除去して形成した孔に、Ｗ（タングステン）を充填し、さらに充填したＷの上にＳｉＯ2を蒸着させ、その上に再度、ＧａＮ膜を形成する。
Azadeh Ansari, Che-Yu Liu, Chien-Chung Lin, Hao-Chung Kuo, Pei-Cheng Ku and Mina Rais-Zadeh, "GaN Micromechanical Resonators with Meshed Metal Bottom Electrode", Materials 2015, 8, p1204-1212
非特許文献１に記載の方法では、ＧａＮの成膜にＭＯＣＶＤ法を用いており、その成膜温度は１０７０℃と高温である。また、非特許文献１の記載の方法で圧電素子を形成する場合、その製造プロセスが非常に複雑になる。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ＧａＮを用いた窒化ガリウム構造体において、例えば成膜温度が６００℃以下である容易なプロセスで形成できる下部電極を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る窒化ガリウム構造体は、基板と、基板と対向して設けられ、窒化ガリウムを主成分とする窒化ガリウム層と、窒化ガリウム層と基板との間に設けられ、ハフニウムの単体金属を主成分とする少なくとも１層以上のハフニウム層を含み、少なくとも１層以上のハフニウム層において窒化ガリウム層と接触する第１電極と、を備える。
本発明によれば、ＧａＮを用いた窒化ガリウム構造体において、容易なプロセスで形成できる下部電極を提供することができる。
［第１の実施形態］
（１．共振子の構成）
以下、添付の図面を参照して本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る窒化ガリウム構造体の一例である圧電素子を用いて形成した共振子１０の一例を概略的に示す平面図である。共振子１０は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ振動子であり、図１の直交座標系におけるＸＹ平面内で面内振動する。なお、本発明に係る圧電素子が用いられるのは図１に示される厚み広がり振動モードを用いた共振子に限定されず、厚み縦振動モード、ラム波振動モード、屈曲振動モード、表面波振動モードに用いられても良い。これらはタイミングデバイス、ＲＦフィルタ、デュプレクサ、超音波トランスデューサーに応用される。さらに、アクチュエーター機能を持った圧電ミラーや圧電ジャイロ、圧力センサー機能を持った圧電マイクロフォンや超音波振動センサー等に用いられても良い。
（１．共振子の構成）
以下、添付の図面を参照して本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る窒化ガリウム構造体の一例である圧電素子を用いて形成した共振子１０の一例を概略的に示す平面図である。共振子１０は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ振動子であり、図１の直交座標系におけるＸＹ平面内で面内振動する。なお、本発明に係る圧電素子が用いられるのは図１に示される厚み広がり振動モードを用いた共振子に限定されず、厚み縦振動モード、ラム波振動モード、屈曲振動モード、表面波振動モードに用いられても良い。これらはタイミングデバイス、ＲＦフィルタ、デュプレクサ、超音波トランスデューサーに応用される。さらに、アクチュエーター機能を持った圧電ミラーや圧電ジャイロ、圧力センサー機能を持った圧電マイクロフォンや超音波振動センサー等に用いられても良い。
図１に示すように、共振子１０は、振動部１２０（圧電素子の一例である。）と、保持部１４０と、保持腕１１０を備えている。
振動部１２０は、ＸＹ平面に沿って平面状に広がる板状の輪郭を有している。振動部１２０は、保持部１４０の内側に設けられており、振動部１２０と保持部１４０との間には、所定の間隔で空間が形成されている。
保持部１４０は、ＸＹ平面に沿って振動部１２０の外側を囲むように、矩形の枠状に形成される。例えば、保持部１４０は、角柱形状の枠体から一体に形成されている。なお、保持部１４０は、振動部１２０の周囲の少なくとも一部に設けられていればよく、枠状の形状に限定されない。
保持腕１１０は、保持部１４０の内側に設けられ、振動部１２０と保持部１４０とを接続する。
（２．振動部の積層構造）
次に、図２を用いて本実施形態に係る振動部１２０の積層構造について説明する。図２は、図１のＡＡ´断面図である。
次に、図２を用いて本実施形態に係る振動部１２０の積層構造について説明する。図２は、図１のＡＡ´断面図である。
本実施形態において、振動部１２０は、基板Ｆ１上に、下部電極Ｅ１（第１電極、及びハフニウム層の一例である。）が積層されて形成される。そして、下部電極Ｅ１の上には下部電極Ｅ１を覆うように圧電薄膜Ｆ２（窒化ガリウム層、圧電体層の一例である。）が積層されており、さらに圧電薄膜Ｆ２の上には、上部電極Ｅ２（第２電極の一例である。）が積層されている。
基板Ｆ１は、例えば、厚さ１０μｍ程度の縮退したｎ形Ｓｉ（シリコン）半導体から形成されている。ｎ型ドーパントとしてＰ（リン）やＡｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）などを含むことができる。なお、基板Ｆ１は縮退したＳｉを主成分とする基板であることが好ましいがこれに限定されない。例えば基板Ｆ１は、非縮退のＳｉや、サファイア等の単結晶から形成されてもよいし、ガラスや酸化膜付きのSiといった非晶質な材料から形成されても良い。
下部電極Ｅ１は、Ｈｆ（ハフニウム）の単体金属を主成分とするハフニウム層から形成される。ハフニウム層は、基板Ｆ１との接触面及び圧電薄膜Ｆ２との接触面を有している。
上部電極Ｅ２は、例えばＭｏ（モリブデン）やＡｌ（アルミニウム）、Ａu（金）、Ｗ(タングステン)、Ｐｔ（プラチナ）等を用いて形成される。
圧電薄膜Ｆ２は、ＧａＮ（窒化ガリウム）を主成分とし、印加された電圧を振動に変換する圧電体の薄膜である。圧電薄膜Ｆ２は、下部電極Ｅ１、上部電極Ｅ２によって圧電薄膜Ｆ２に印加される電界に応じて、ＸＹ平面の面内方向に伸縮する。この圧電薄膜Ｆ２の伸縮によって、振動部１２０は、Ｙ軸方向に輪郭振動する。
なお、図２に示す積層構造は、半導体素子に用いられてもよい。当該積層構造は、例えば、トランジスタや発光素子などの半導体素子において、図２における圧電薄膜Ｆ２が半導体層として、また、下部電極Ｅ１が当該半導体層に接続される電極ないし配線層として用いられてもよい。
（３．成膜方法）
次に、本実施形態に係る、振動部１２０のうち、下部電極Ｅ１及び圧電薄膜Ｆ２の成膜方法について説明する。
本実施形態では、下部電極Ｅ１及び圧電薄膜Ｆ２は、スパッタ法によって成膜される。まず、基板Ｆ１上に以下の条件でスパッタリングを行い、下部電極Ｅ１を成膜する。
・ターゲット Ｈｆの単体金属
・圧力 ０．２５Ｐａ
・温度 ４００℃
・出力 １８０Ｗ
・時間 ０．２５時間
次に、本実施形態に係る、振動部１２０のうち、下部電極Ｅ１及び圧電薄膜Ｆ２の成膜方法について説明する。
本実施形態では、下部電極Ｅ１及び圧電薄膜Ｆ２は、スパッタ法によって成膜される。まず、基板Ｆ１上に以下の条件でスパッタリングを行い、下部電極Ｅ１を成膜する。
・ターゲット Ｈｆの単体金属
・圧力 ０．２５Ｐａ
・温度 ４００℃
・出力 １８０Ｗ
・時間 ０．２５時間
次に、形成された下部電極Ｅ１上に以下の条件でスパッタリングを行い、圧電薄膜Ｆ２を成膜する。
・ターゲット ＧａＮ焼結
・圧力 ０．２５Ｐａ
・温度 ５００℃
・窒素濃度 ５０％（Ａｒ：Ｎ2＝１：１）
・出力 １００Ｗ
・時間 ３時間
圧電薄膜Ｆ２上に上部電極Ｅ２を形成した後、上部電極Ｅ２をエッチング等によって所望の形状に加工する。
・ターゲット ＧａＮ焼結
・圧力 ０．２５Ｐａ
・温度 ５００℃
・窒素濃度 ５０％（Ａｒ：Ｎ2＝１：１）
・出力 １００Ｗ
・時間 ３時間
圧電薄膜Ｆ２上に上部電極Ｅ２を形成した後、上部電極Ｅ２をエッチング等によって所望の形状に加工する。
以上のように、本実施形態に係る振動部１２０は、下部電極Ｅ１と圧電薄膜Ｆ２とをスパッタリングによって成膜する。従って、ＧａＮを低温で成膜することが可能になるため、下部電極Ｅ１を簡易な装置ないしプロセスによって形成することができる。
（４．比較例）
図３を参照し、本実施形態に係る下部電極Ｅ１上に形成した圧電薄膜Ｆ２の配向性と、比較例の下部電極上に形成したＧａＮ膜の配向性とを、Ｘ線回折によって検証した結果を説明する。比較例の下部電極は、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＨｆＮ（窒化ハフニウム）をそれぞれ用いて形成したものである。図３Ａ〜３Ｄにおいて、横軸は反射面に対する入射波の角度を示し、縦軸は反射波の強度を示している。
図３を参照し、本実施形態に係る下部電極Ｅ１上に形成した圧電薄膜Ｆ２の配向性と、比較例の下部電極上に形成したＧａＮ膜の配向性とを、Ｘ線回折によって検証した結果を説明する。比較例の下部電極は、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＨｆＮ（窒化ハフニウム）をそれぞれ用いて形成したものである。図３Ａ〜３Ｄにおいて、横軸は反射面に対する入射波の角度を示し、縦軸は反射波の強度を示している。
図３Ａは、Ｔｉを用いて形成した下部電極上に形成したＧａＮ膜に対して、ロッキングカーブ測定を行った結果を示すグラフである。同様に、図３Ｂは下部電極にＴｉＮを用いた場合、図３Ｃは下部電極にＨｆＮを用いた場合におけるロッキングカーブ測定の結果を示している。図３Ａ〜３Ｃから明らかなように、いずれの場合もロッキングカーブの半値幅は１０ｄｅｇ以上である。
他方で、図３Ｄは本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２に対してロッキングカーブ測定を行った結果を示している。この場合、Ｈｆ（００２）のロッキングカーブの半値幅は２ｄｅｇ程度である。このように本実施形態によれば、下部電極Ｅ１としてＨｆを用いることで、下部電極Ｅ１上に形成される、ＧａＮを主成分とする圧電薄膜Ｆ２の結晶性を高めることができる。なお、Ｈｆは六方晶構造をとり、Ｈｆ（００２）のピークがＸＲＤ（Ｘ―ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ、Ｘ線回折）で強く観測される。
次に、図４を参照して、振動部１２０がＨｆを主成分とする下部電極Ｅ１を備えることの効果を検証した結果をさらに説明する。
図４Ａは、下部電極Ｅ１を形成せずに基板上に直接形成した比較例のＧａＮ膜に対してＸ線回折を行った結果を示すグラフである。また、図４Ｂは本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２に対してＸ線回折を行った結果）を示すグラフである。図４Ａ、４Ｂにおいて、横軸は入射波に対する反射波の角度を示し、縦軸は反射波の強度を示している。
図４Ａ及び４Ｂから明らかなように、比較例、すなわち、下部電極を有さないＧａＮ膜における回折ピークの最大強度が１１２９ｃｐｓであるのに対して、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２における回折ピークの最大強度は、２７６３９６ｃｐｓである。従って図４のグラフから、本実施形態に係る振動部１２０はＨｆを主成分とする下部電極Ｅ１を備えることによって、回折ピークの強度が向上することから、圧電薄膜Ｆ２の結晶性が高まっていることが分かる。
さらに、比較例のＧａＮ膜では、ＧａＮ（００２）のロッキングカーブ測定における半値幅は１０．５５ｄｅｇ、圧電定数の平均値は０．８３ｐｃ／Ｎであった。他方で本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２においては、ロッキングカーブ測定における半値幅は２ｄｅｇ程度、圧電定数の平均値は３．１８ｐｃ／Ｎであった。なお、ＧａＮはウルツ鉱型構造をとり、ＧａＮ（００２）のピークがＸＲＤで強く観測される。
これらの結果から、本実施形態に係る振動部１２０はＨｆを主成分とする下部電極Ｅ１の上に、ＧａＮを主成分とする圧電薄膜Ｆ２を形成することによって、良好な結晶性と、良好な圧電定数を得られることが分かる。
［第２の実施形態］
第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
図５は、本実施形態に係る振動部１２０の積層構造を示す図である。本実施形態に係る下部電極Ｅ１は、Ｈｆの単体金属を主成分とし、基板Ｆ１と接触する面を有する第１層Ｅ１１（第１ハフニウム層の一例である。）と、Ｈｆの単体金属を主成分とし、圧電薄膜Ｆ２と接触する面を有する第２層Ｅ１３（第２ハフニウム層の一例である。）と、第１層と第２層との間に形成された中間層Ｅ１２（アルミニウム層の一例である。）とから形成される。なお、中間層Ｅ１２はＡｌ（アルミニウム）を主成分とする層であることが好ましいがこれに限定されず、例えばＡｌＣｕ（アルミニウム−銅）合金やＣｕ（銅）等、Ｈｆよりも低い抵抗率を持つ金属層であってもよい。
第１層Ｅ１１、第２層Ｅ１３、及び中間層Ｅ１２はいずれもスパッタ法によって形成されることが好ましい。なお、第１層Ｅ１１、及び第２層Ｅ１３のスパッタリングにおける成膜条件は、第１実施形態における下部電極Ｅ１の成膜条件と同一である。他の成膜方法として、蒸着法で形成しても良い。
本実施形態に係る振動部１２０は、下部電極Ｅ１に中間層Ｅ１２を備えることによって、抵抗値を下げることができる。従って本実施形態に係る振動部１２０を用いることで、低損失な圧電共振子を製造することが可能になる。
次に、図６を用いて本実施形態に係る振動部１２０が、中間層Ｅ１２を有することによる圧電薄膜Ｆ２の結晶性への影響について説明する。図６Ａは、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２に対してＸ線回折を行った結果を示すグラフである。図６Ｂは第１実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２に対してＸ線回折を行った結果を示すグラフである。図６Ｃは比較例として、振動部１２０が第１層Ｅ１１を備えない構成である場合のＧａＮ膜に対してＸ線回折を行った結果を示すグラフである。図６Ａ〜６Ｃにおいて、横軸は入射波に対する反射波の角度を示し、縦軸は反射波の強度を示している。
図６Ａ、６Ｂの結果から明らかなように、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２と第１実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２とでは、回折ピークにおける最大強度はいずれも約１０5ｃｐｓを示している。従って、振動部１２０が中間層Ｅ１２を備えた場合でも、圧電薄膜Ｆ２の結晶性への影響はほとんどないといえる。
他方で、図６Ｃの結果から、比較例のＧａＮ膜では、第１層Ｅ１１を備えずに、基板Ｆ１上に直接、中間層Ｅ１２が形成されることによって、回折ピークにおける最大強度は約１０3ｃｐｓまで低下している。これは、基板Ｆ１に直接中間層Ｅ１２を形成した場合には、中間層Ｅ１２の配向性が悪くなるため、その結果、中間層Ｅ１２上に形成される第２層Ｅ１３及びＧａＮ膜の配向性が悪くなってしまうためであると考えられる。
以上のように、本実施形態に係る振動部１２０は、Ｈｆから形成される第１層Ｅ１１、第２層Ｅ１３の間に中間層Ｅ１２を備えることで、圧電薄膜Ｆ２の結晶性を劣化させずに、下部電極Ｅ１の抵抗値を下げることができる。
以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。本発明の一実施形態に係る振動部１２０は、基板Ｆ１と、基板Ｆ１と対向して設けられ、窒化ガリウムを主成分とする圧電薄膜Ｆ２と、圧電薄膜Ｆ２と基板Ｆ１との間に設けられ、ハフニウムの単体金属を主成分とする少なくとも１層以上のハフニウム層を含み、少なくとも１層以上のハフニウム層において、圧電薄膜Ｆ２と接触する下部電極Ｅ１を備える。これによって本発明の一実施形態に係る振動部１２０は、スパッタ法を用いて簡易なプロセスで形成することができる。ＨｆはＧａＮとの格子整合が良いことが、振動部１２０が良好な結晶性と圧電性を得ることができる主な理由と考えられる。また、図３に示したように、Ｈｆと同様に格子のミスマッチが小さいＴｉＮ、Ｔｉ又はＨｆＮを主成分とする膜と比較しても、Ｈｆが最も良好であった。なお、最近接原子間隔は、ＧａＮが３．２Å、ＴｉＮが3.０Å、 Ｔｉが３．０Å、ＨｆＮが３．２Å、Ｈｆが３．２Åである。
さらに、上述の少なくとも１層以上のハフニウム層は、基板Ｆ１と接触する面を有する第１層Ｅ１１と、圧電薄膜Ｆ２と接触する面を有する第２層Ｅ１３とから形成され、下部電極Ｅ１は、第１層Ｅ１１と第２層Ｅ１３との間に形成された、アルミニウムを主成分とする中間層Ｅ１２をさらに有することが好ましい。下部電極Ｅ１が中間層Ｅ１２を備えることによって、振動部１２０は抵抗値を下げることができる。
また、振動部１２０は、圧電薄膜Ｆ２を挟んで下部電極Ｅ１と対向して設けられた上部電極Ｅ２をさらに備えることが好ましい。
さらに本発明の一実施形態に係る共振子１０は、上述の振動部１２０を備えることによって、スパッタ法を用いて簡易なプロセスで形成することができる。
また、本発明の一実施形態に係る圧電素子製造方法は、基板Ｆ１の上に、ハフニウムを主成分とするハフニウム層を含む下部電極Ｅ１をスパッタリングによって形成する工程と、下部電極Ｅ１の上に窒化ガリウムを主成分とする圧電薄膜Ｆ２をスパッタリングによって形成する工程と、を含む。これによって、ＧａＮを主成分とする圧電薄膜Ｆ２を低温で成膜することができるため、下部電極Ｅ１を簡易な装置ないしプロセスによって形成することができる。
なお、以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
１０ 共振子
１２０ 振動部
Ｆ１ 基板
Ｆ２ 圧電薄膜
Ｅ１ 下部電極
Ｅ１１ 第１層
Ｅ１２ 中間層
Ｅ１３ 第２層
Ｅ２ 上部電極
１２０ 振動部
Ｆ１ 基板
Ｆ２ 圧電薄膜
Ｅ１ 下部電極
Ｅ１１ 第１層
Ｅ１２ 中間層
Ｅ１３ 第２層
Ｅ２ 上部電極
Claims (6)
- 基板と、
前記基板と対向して設けられ、窒化ガリウムを主成分とする窒化ガリウム層と、
前記窒化ガリウム層と前記基板との間に設けられ、ハフニウムを主成分とする少なくとも１層以上のハフニウム層を含み、前記少なくとも１層以上のハフニウム層において前記窒化ガリウム層と接触する第１電極と、
を備える窒化ガリウム構造体。 - 請求項１に記載の窒化ガリウム構造体を備える圧電素子。
- 前記少なくとも１層以上のハフニウム層は、
前記基板と接触する第１ハフニウム層と、前記窒化ガリウム層と接触する第２ハフニウム層と、を含み、
前記第１電極は、
前記第１ハフニウム層と前記第２ハフニウム層との間に形成された、アルミニウムを主成分とするアルミニウム層をさらに有する、請求項２に記載の圧電素子。 - 前記窒化ガリウム層を挟んで前記第１電極と対向して設けられた第２電極をさらに備える、請求項２または３に記載の圧電素子。
- 請求項２〜４いずれか一項記載の圧電素子を備える共振子。
- 基板の上に、ハフニウムを主成分とするハフニウム層を含む電極をスパッタリングによって形成する工程と、
前記電極の上に窒化ガリウムを主成分とする圧電体層をスパッタリングによって形成する工程と、
を含む圧電素子製造方法。
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