WO2004090203A1

WO2004090203A1 - 窒化アルミニウム薄膜及びそれを用いた圧電薄膜共振子

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Publication number: WO2004090203A1
Application number: PCT/JP2004/005052
Authority: WO
Inventors: Keigo Nagao; Eiji Masui; Tetsuo Yamada; Morito Akiyama; Naohiro Ueno; Hiroshi Tateyama
Original assignee: Ube Industries, Ltd.; National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2004-10-21
Also published as: JP4186685B2; JP2004312611A

Abstract

基板（１２）のビアホール（２０）に面する位置にて、酸化シリコンまたは窒化シリコンを主成分とする誘電体膜からなる絶縁体層（１３）、下部電極（１５）、圧電体薄膜（１６）および上部電極（１７）がこの順に積層された圧電積層構造体（１４）を備える圧電薄膜共振子。圧電体薄膜（１６）は、ｃ軸配向を示す厚さ０．５～３．０μｍの窒化アルミニウム薄膜であって、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（FWHM）が３．０゜以下である。下部電極（１５）は、タンタルを主成分とする厚さ２０００ｎｍ未満の金属薄膜であって、そのＸ線回折ピークにおいて、正方晶β相の（００２）回折ピークのピーク強度Ｉβと立方晶α相の（１１０）回折ピークのピーク強度Ｉαとの強度比Ｉα／Ｉβが０．１以下である。

Description

明細書窒化アルミニウム薄膜及びそれを用いた圧電薄膜共振子技術分野：

本発明は、移動体通信機等に利用される薄膜共振器、薄膜 V C O (電圧制御発振器）、薄膜フィルター、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体薄膜を応用した素子に関する。背景技術：

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、 R F用おょぴ I F用フィルタ一として弾性表面波（Surface Acoust ic Wave： S AW) 素子の使用が拡大している。 S AWフィルタ一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、利用周波数の髙周波数化と共に特性向上の限界に近づき、電極形成の微細化と安定した出力確保との両面で大きな技術革新が必要となってきている。一方、圧電体薄膜の厚み振動を利用した薄膜バルク波共振子（Thin Fi lm Bulk Acoustic Resonator：以下 F B A Rと略称）や、積層型薄膜バルタ波共振器およびフィルタ ' ~ ( Stacked Thin Fi lm Bulk Wave Acoust ic Resonators and Filters：以下 S B A Rと略称）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、ギガへルツ帯での基本共振が可能である。 F B A Rまたは S B A Rでフィルターを構成すれば、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。

弾性波を利用した共振器、フィルタ一等に応用される F B A R、 S B A R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基板、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、エリンパーなどの恒弾性金属などからなる基板上に、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ものからなる下地膜を形成する。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、パターニングを行う。異方性エッチングにより基板から振動部の下に位置する部分を除去した浮き構造を作製した後、最後に 1素子単位ごとに分離することにより圧電体薄膜素子を得る。

例えば、特開昭 6 0— 1 42607号公報に記載された圧電体薄膜素子は、基板上に下地膜、下部電極、圧電体薄膜、上部電極を形成した後に、基板裏面から振動部となる部分の下にある基板部分を除去して、ビアホールを形成することにより製造されている。

圧電体薄膜素子用の圧電材料として、窒化アルミニウム（A 1 N) 、酸化亜鉛 (Z n O) 、硫化力ドミゥム（C d S) 、チタン酸鉛 [P T] (P b T i 0₃) 、チタン酸ジルコン酸鉛 [P Z T] (P b (Z r， T i ) 0₃) などが用いられている。特に A I N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、薄膜フィルター用の圧電材料として適している。

これまで、 A 1 N薄膜を F BARまたは S BAR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、ギガへルツ帯域で十分な性能を発揮する薄膜共振器、薄膜フィルタ一は得られておらず、 A 1 N薄膜の音響的品質係数 (Q値）、周波数温度係数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）、広帯域動作、周波数温度特性の全てに優れ、高性能な共振特性を示す圧電体薄膜素子は提案されていない。電気機械結合係数は共振器やフィルターを構成する上での性能を左右する重要なパラメーターであり、使用する圧電体薄膜の膜品質に大きく依存する。発明の開示：

そこで、本発明は、弾性波の伝播速度が速いという A 1 N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、帯域幅、揷入失などの特性面での向上に有利な圧電薄膜共振子を提供することを目的とする。

本発明者らは、 F BARまたは S B A R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（圧電体薄膜）の結晶性、配向性が、下部電極の材質や結晶性によってどのように影響を受けるか鋭意検討を行った結果、下部電極として、タンタルを主成分とする金属薄膜を使用し、この金属薄膜上に窒化アルミニウム薄膜を形成することにより、（0 0 0 2) 回折ピークのロッキング 'カープ半値幅 (FWHM) が 3. 0。以下である高配向性、高結晶性の c軸配向窒化アルミニウム薄膜が得られることを見出した。さらに、該金属薄膜を特定の結晶相または結晶化度に調製することにより、（0 0 0 2) 回折ピークのロッキング 'カープ半値幅（FWHM) が 1. 0〜2. 3° のさらに配向性、結晶性に優れた c軸配向窒化ァルミニゥム薄膜が得られることを見出した。そして、これらの高配向性、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、周波数温度特性に優れた髙性能な F BARまたは S BARを実現できることを見出して、本発明に到達した。

即ち、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、

タンタルを主成分とする厚さ 2 0 0 0 nm未満の金属薄膜の表面上に形成された c軸配向を示す窒化アルミニウム薄膜であって、（0 0 0 2) 回折ピークの口ッキング 'カーブ半値幅（FWHM) が 3. 0° 以下であることを特徴とする窒化ァルミニゥム薄膜、

が提供される。

本発明の一態様においては、前記タンタルを主成分とする金属薄膜の X線回折ピークにおいて、正方晶 /3相の（0 0 2) 回折ピークのピーク強度 I _βと立方晶 α相の（ 1 1 0) 回折ピークのピーク強度 I _αとの強度比 I _α_ I ₀が 0. 1以下である。本発明の一態様においては、前記タンタルを主成分とする金属薄膜の結晶化度が 1 0 %以下である。本発明の一態様においては、前記（0 0 0 2) 回折ピークのロッキング 'カープ半値幅（FWHM) が 1. 0〜 2. 3° である。本発明の一態様においては、前記タンタルを主成分とする金属薄膜の厚さが 5 0〜 5 0 O nmである。本発明の一態様においては、前記窒化アルミニウム薄膜は、厚さ力 S O . 5〜 3. Ο μ πιである。

また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、

圧電体薄膜が複数の金属電極の間に挟み込まれ、前記圧電体薄膜の周囲を支持することにより前記圧電体薄膜の中心部が橋架けされた構造を有する圧電薄膜共振子において、前記圧電体薄膜が（0 0 0 2) 回折ピークのロッキング ·カーブ半値幅（FWHM) が 3 . 0 ° 以下である c軸配向の窒化アルミニウム薄膜であり、前記金属電極のうちの少なくとも 1つは前記圧電体薄膜の表面と接する側に位置するタンタルを主成分とする厚さ 2 0 0 0 n m未満の金属薄膜を含んでなることを特徴とする圧電薄膜共振子、

が提供される。

更に、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、

圧電体薄膜が複数の金属電極の間に挟み込まれ、前記圧電体薄膜の周囲を支持することにより前記圧電体薄膜の中心部が橋架けされた構造を有する圧電薄膜共振子において、前記圧電体薄膜が上記の窒化アルミニウム薄膜であり、前記金属電極のうちの少なくとも 1つが上記のタンタルを主成分とする金属薄膜を含んでなることを特徴とする圧電薄膜共振子、

が提供される。

振動空間を有する半導体あるいは絶縁体からなる基板と、該基板の前記振動空間に面する位置にて下部電極、圧電体薄膜おょぴ上部電極がこの順に積層されている圧電¾層構造体とを備えている圧電薄膜共振子において、前記圧電体薄膜が上記の窒化アルミニウム薄膜であり、前記下部電極が上記のタンタルを主成分とする金属薄膜を含んでなることを特徴とする圧電薄膜共振子、

が提供され、更に

振動空間を有する半導体あるい"は絶縁体からなる基板と、該基板の前記振動空間に面する位置にて下部電極、第 1の圧電体薄膜、内部電極、第 2の圧電体薄膜および上部電極がこの順に積層されている圧電積層構造体とを備えている圧電薄膜共振子において、前記第 1及び第 2の圧電体薄膜がいずれも上記の窒化アルミニゥム薄膜であり、前記下部電極及び前記内部電極が上記のタンタルを主成分とする金属薄膜を含んでなることを特徴とする積層型圧電薄膜共振子、

が提供される。

これら本発明の一態様においては、前記圧電積層構造体は前記振動空間に面する位置にて酸化シリコンおよび/または窒化シリコンを主成分とする誘電体膜からなる絶縁体層を有する。

さらに、本発明によれば、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 v c o (電圧制御発振器）、フィルターおよび送受切替器が提供され、それらにおいて 1 G H z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。図面の簡単な説明：

図 1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る。図 2は、図 1の X— X断面図である。

図 3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る。図 4は、図 3の X— X断面図である。

図 5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る。図 6は、図 5の X— X断面図である。発明を実施するための最良の形態：

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図 1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 2はその X- X断面図である。これらの図において、圧電薄膜共振子 1 1は基板 1 2、該基板 1 2の上面上に形成された絶縁体層 1 3および該絶縁体層 1 3の上面上に形成された圧電積層構造体 1 4を有する。圧電積層構造体 1 4は絶縁体層 1 3の上面上に形成された下部電極 1 5、該下部電極 1 5の一部を覆うようにして絶縁体層 1 3の上面上に形成された圧電体薄膜 1 6および該圧電体薄膜 1 6の上面上に形成された上部電極 1 7からなる。基板 1 2には、空隙を形成するビアホール 2 0が形成されている。絶縁体層 1 3の一部はビアホール 2 0に向けて露出している。この絶縁体層 1 3の露出部分、およびこれに対応する圧電積層構造体 1 4の部分が振動部（振動ダイヤフラム） 2 1を構成する。また、下部電極 1 5および上部電極 1 7は、振動部 2 1に対応する領域内に形成された主体部 1 5 a , 1 7 a、及ぴ該主体部 1 5 a， 1 7 aと外部回路との接続のための端子部 1 5 b , 1 7 bを有する。端子部 1 5 b， 1 7 bは振動部 2 1に対応する領域以外の領域に位置する。

基板 1 2としては、 S i ( 1 0 0 ) 単結晶などの単結晶、または S i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 W 200 いることができる。基板 1 2としては、その他の半導体さらには絶縁体を用いることも可能である。基板 1 2のビアホール 20の形成方法としては、基板下面側からの異方性エッチング法が例示される。なお、基板 1 2に形成される空隙は、ビアホール 20によるものには限定されず、振動部 2 1の振動を許容するものであればよく、該振動部 2 1に対応する基板上面領域に形成した凹部であってもよい。

絶縁体層 1 3としては、例えば酸化シリコン（S i 0₂) を主成分とする誘電体膜、窒化シリコン (S i NJ を主成分とする誘電体膜、および酸化シリコンを主成分とする誘電体膜と窒化シリコンを主成分とする誘電体膜との積層膜を用いることができる。この絶縁体層 1 3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よいし、基板との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レ、。絶縁体層 1 3の厚さは、例えば 2000 nm未満であり好ましくは 1 00〜350 nmである。絶縁体層 1 3の形成方法としては、シリコンからなる基板 1 2の表面の熱酸化法や CVD法が例示される。また、本発明においては、エッチングにより、振動部 2 1に対応する領域の絶縁体層 1 3を総て除去して、下部電極 1 5がビアホール 20に向けて露出した構造を採用することもできる。このように、振動部 2 1に対応する領域の絶縁体層 1 3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、音響的品質係数 (Q値）が向上するという利点がある。

下部電極 1 5は、タンタルを主成分とする金属薄膜、或いはこれに必要に応じて該金属薄膜と絶縁体層 1 3との間に形成される密着金属層を積層したものにより構成され、その厚さは 2000 nm未満で、例えば 50〜500 nmであり、好ましくは 1 20〜 250 n mである。下部電極 1 5が厚すぎると、所定の共振周波数に調整して使用される圧電薄膜共振子の厚みに占める下部電極 1 5の厚さの割合が相対的に大きくなり、十分な帯域幅がとれなくなるばかりか、タンタルを主成分とする金属薄膜の表面が粗くなつて、その上に形成する圧電体薄膜 1 6 の結晶性の低下をもたらすことがある。圧電体薄膜 1 6は窒化アルミニウム（A I N) から成り、その厚さは例えば 0. 5〜 3. 0 μ mであり、好ましくは 1. 2〜 1. 7 mである。上部電極 1 7は、下部電極 1 5と同様のタンタルを主成分とする金属薄膜により構成することができるが、その他に、アルミニウム、白金、金などの材質から選ばれた金属からなる金属薄膜、或いはこれに必要に応じて該金属薄膜と圧電体薄膜 1 6 との間に形成される密着金属層を積層したものにより構成され、その厚さは例えば 5 0〜5 0 0 nmであり、好ましくは 1 0 0〜 1 8 0 n mである。ここで、タンタルを主成分とする金属薄膜とは、 9 0原子％以上のタンタルを含有していることを意味する。上記の下部電極の密着金属層及ぴ上部電極の密着金属層の材質としては、チタン、クロム、ニッケルなどが好適に利用される。

一般に圧電材料の圧電特性は、結晶性や配向性などの結晶性状に強く依存する。本発明で用いる圧電体薄膜においても、その圧電特性は薄膜を構成する結晶の粒子サイズ、配向性、結晶性などの結晶性状に依存すると考えられる。本明細書において単一配向膜とは、基板表面と平行に目的とする結晶面が揃っている結晶化膜のことを意味する。例えば、（0 0 0 1 ) 単一配向膜は、膜面と平行に（0 0 0 1 ) 面が成長している膜を意味する。具体的には、ディフラクトメーター法による X線回折測定を行った場合に、 A 1 N結晶に起因した目的とする回折面以外の反射ピークがほとんど検出できないものを意味する。例えば、（0 0 0 L) 単一配向膜、即ち、 c面単一配向膜は、 0— 2 0 回転の X線回折測定で（0 0 0 L) 面以外の反射強度が（ 0 0 0 L) 面反射の最大ピーク強度の 5 %未満、好ましくは 2 %未満、さらに好ましくは検出限界以下のものである。なお、（0 0 0 L) 面は、（0 0 0 1 ) 系列の面、即ち、（0 0 0 1 ) 面、（0 0 0 2 ) 面、 (0 0 0 4) 面などの等価な面を総称する表示である。

本発明者らは、図 1及ぴ図 2に示す構成の F BARにおいて、その共振特性が、下部電極 1 5の材質や結晶性と A 1 N薄膜 1 6の配向性、結晶性などの性状との両方にどのように依存するかについて検討した。図示の F BARにおいて、下部電極 1 5として、スパッタ法または蒸着法により、必要に応じて形成される密着金属層と必須に形成されるタンタルを主成分とする金属薄膜とをこの順に積層した後、フォトリソグラフィー技術を用いてこれらの密着金属層及ぴ金属薄膜を所定の形状にパターニングした。 A 1 N薄膜 1 6は、下部電極 1 5を形成した絶縁体層 1 3の上面に反応性スパッタ法により膜形成した後、フォトリソグラフィー技術を用いて、ビアホール 2 0上の部分を除く領域の一部分をエッチング除去するるここととにによよりり、、所所定定のの形形状状ににパパタターーニニンンググししたた。。上上部部電電極極 11 77はは、、ビビアアホホーールル 22 00上上にに残残っったた AA 11 NN薄薄膜膜 11 66のの上上にに形形成成ししたた。。上上部部電電極極 11 77はは下下部部電電極極 11 55とと同同様様ににフフォォトトリリソソググララフフィィーー技技術術にによよりり所所定定のの形形状状ににパパタターーニニンンググししたた。。

下下部部電電極極 11 55にに使使用用さされれるるタタンンタタルルをを主主成成分分ととすするる金金属属薄薄膜膜はは、、ススパパッッタタ法法ゃゃ

55 蒸蒸着着法法でで形形成成さされれるる。。タタンンタタルルをを主主成成分分ととすするる薄薄膜膜はは、、通通常常はは DD CCママネネトトロロンンススパパッッタタ法法やや RR FFママググネネトトロロンンススパパッッタタ法法にによよりり容容易易にに形形成成ででききるるがが、、蒸蒸着着法法をを用用いいるる場場合合はは融融点点がが 22 99 99 00 °°CCとと高高いいたためめ、、抵抵抗抗加加熱熱蒸蒸着着法法でではは作作製製がが困困難難でで、、電電子子ビビーームム蒸蒸着着法法をを用用いいるるここととがが必必要要ででああるる。。結結晶晶相相ととししててはは、、冶冶金金的的ににはは立立方方晶晶 αα相相ががよよくく知知らられれてていいるるがが、、薄薄膜膜特特有有のの結結晶晶相相ととししてて準準安安定定相相ででああるる正正方方晶晶 ββ相相

1100 もも作作製製すするるここととががででききるる。。ここれれららのの..22つつのの結結晶晶相相はは、、薄薄膜膜形形成成ししたた場場合合、、そそれれぞぞれれ（（11 11 00 )) 面面とと（（00 00 22 )) 面面ととがが基基板板面面とと平平行行にに成成長長ししややすすいい。。ままたた、、成成膜膜条条件件にによよりり、、 aa相相とと相相ととのの混混晶晶ににおおけけるる相相のの割割合合（（混混晶晶比比））やや、、 αα相相ままたたはは JJ33相相のの単単独独のの相相のの結結晶晶化化度度をを変変化化ささせせるるこことともも可可能能ででああるる。。ささららににはは、、ーー且且、、準準安安定定相相ででああるる ii33相相をを形形成成ししたた後後、、熱熱処処理理やや AA 11 NN薄薄膜膜をを形形成成すするるととききのの基基板板加加熱熱ななどど

1155 のの後後工工程程をを施施すすここととにによよりり、、そそのの結結晶晶化化度度をを低低下下ささせせるる（（アアモモルルフファァスス状状態態にに近近づづけけるる））こことともも可可能能ででああるる。。ここのの他他にに、、混混晶晶比比ゃゃ結結晶晶化化度度のの制制御御はは、、タタンンタタルルをを主主成成分分ととすするる金金属属薄薄膜膜とと絶絶縁縁体体層層 11 33ととのの間間のの密密着着金金属属層層のの材材質質をを変変ええるるここととにによよりり行行っっててももよよいい。。

ここここでで、、混混晶晶比比はは、、タタンンタタルルをを主主成成分分ととすするる金金属属薄薄膜膜のの XX線線回回折折測測定定のの結結果果にに 2200 基基づづきき、、正正方方晶晶相相タタンンタタルルのの（（00 00 22 )) 回回折折ピピーーククののピピーークク強強度度 II øøとと立立方方晶晶 α_α相相（（11 11 00 )) 回回折折ピピーーククののピピーークク強強度度 II _ααととのの強強度度比比 II _αα ΖΖ II ββととししてて決決定定さされれるる。。

ままたた、、結結晶晶化化度度 XX [[%% ]] はは、、 XX線線回回折折測測定定 (( ΘΘ -- 22 00ススキキャャンン））のの結結果果にに基基づづきき、、次次式式にによよりり決決定定さされれるる：：

I _c ：アモルファス相を含む α相及び 3相からの単位膜厚あたりの回折強度の和、

I c 。。：アモルファス相を含まない 1 0 0 %結晶質試料における α相

30 及び i3相からの単位膜厚あたりの回折強度の和である。

本発明者らは、下部電極の材質、その結晶相の混晶比、及ぴその結晶化度に着目し、該下部電極上に形成した窒化アルミニウム薄膜の結晶性と、圧電薄膜共振子を構成した場合の電気機械結合係数 k _t ²、音響的品質係数（Q値）との関係 5 を詳細に検討した。その結果、以下のことが判明した。

すなわち、下部電極 1 5としてタンタルを主成分とする金属薄膜を含むものを使用し、この金属薄膜上に窒化アルミニウム薄膜を形成することにより、（0 0 0 2 ) 回折ピークの口ッキング 'カープ半値幅 (FWHM) が 3. 0 ° 以下である高配向性、高結晶性の c軸配向窒化アルミニウム薄膜が得られ、これを用いて電気0 機械結合係数 k _t ²と音響品質係数（Q値）とが大きく、高性能の圧電薄膜共振子が作製できる。

さらに、この金属薄膜を特定の結晶相または結晶化度に調製することにより、以下に示すように、 1. 0 ~ 2. 3° のさらに配向性、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。

5 即ち、タンタルを主成分とする金属薄膜の上記混晶比 I _αΖ I _βを 0. 0 2を越え 0. 1以下にすることにより、該金属薄膜上に形成された c軸配向の窒化ァルミニゥム薄膜の X線回折により測定した（ 0 0 0 2 ) 回折ピークのロッキング -カーブ半値幅（FWHM) 1. 8〜 2. 3 ° が得られ、これにより電気機械結合係数 k _t ²と音響的品質係数（Q値）とがさらに大きく、高性能の圧電薄膜共振D 子が作製できる。さらに好ましくは上記混晶比 I _α/ I を 0. 0 2以下にすることにより、窒化アルミニウム薄膜のロッキング .カープ半値幅（FWHM) 1. 0 〜 1. 8 ° が得られ、さらに電気機械結合係数 k _t ²と音響的品質係数（Q値）とが大きく、高性能の圧電薄膜共振子が作製できる。

また、上記混晶比に関する事項とは独立に、タンタルを主成分とする金属薄膜5 の結晶化度 Xが 3%を越え 1 0%以下である場合、その金属膜上に形成された c 軸配向の窒化アルミニウム薄膜の X線回折により測定した（0 0 0 2) 回折ピークのロッキング 'カープ半値幅（FWHM) 1， 8〜 2. 3° が得られ、これにより電気機械結合係数 k _t ²と音響的品質係数（Q値）とが大きく、高性能の圧電薄膜共振子が作製できる。さらに好ましくは、結晶化度 Xが 3 %以下になると、窒D 化アルミニウム薄膜のロッキング 'カープ半値幅（FWHM) 1. 0〜 1. 8 ° が得られ、さらに電気機械結合係数 k _t ²と音響的品質係数（Q値）とが大きく、高性能の圧電薄膜共振子が作製できる。

図 1及ぴ図 2に示す構成の圧電薄膜共振子では、圧電体薄膜 1 6の上下に位置する電極 1 5 , 1 7間に電界を印加することで圧電体薄膜 1 6にバルク波を励振させている。この為、下部電極 1 5を端子電極とすべく、下部電極の一部を露出させることが必要である。この構成は共振器としてしか利用できず、フィルターにするには、 2個以上の共振子を組み合わせる必要がある。

図 3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 4はその: X - X断面図である。これらの図においては、上記図 1およぴ図 2におけると同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。

本実施形態では、下部電極 1 5は矩形に近い形状をなしており、上部電極 1 7 は、第 1の電極部 1 7 Aと第 2の電極部 1 7 Bとから成る。これら電極部 1 7 A , 1 7 Bはそれぞれ主体部 1 7 A a， 1 7 B aと端子部 1 7 A b， 1 7 B bとを有する。主体部 1 7 A a， 1 7 B aは振動部 2 1に対応する領域内に位置しており、端子部 1 7 A b， 1 7 B bは振動部 2 1に対応する領域以外の領域に位置している。

本実施形態においても、上記図 1及び図 2の実施形態に関して説明したと同様な作用効果が得られる。

本実施形態では、上部電極 1 7のうちの一方（例えば第 2の電極部 1 7 B ) と下部電極 1 5 との間に入力電圧を印加し、上部電極 1 7のうちの他方（例えば第 1の電極部 1 7 A) と下部電極 1 5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、これ自体をフィルタ一として使用することができる。このような構成のフィルターを通過帯域フィルターの構成要素として使用することにより、阻止帯域減衰特性が良好となり、フィルターとしての周波数応答性が向上する。図 5は本発明による圧電薄膜共振子のさらに別の実施形態を示す模式的平面図であり、図 6はその X- X断面図である。これらの図においては、上記図 1〜図 4におけると同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。

本実施形態は、図 1およぴ図 2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 S B A Rである。即ち、絶縁体層 1 3上に下部電極 1 5、第 1の圧電体薄膜 1 6 - 1、内部電極 1 7，、第 2の圧電体薄膜 1 6- 2および上部電極 1 8がこの順に形成されている。内部電極 1 7 ' は、第 1の圧電体薄膜 1 6- 1に対する上部電極としての機能と第 2の圧電体薄膜 1 6- 2に対する下部電極としての機能を有する。

本実施形態においても、上記図 1及び図 2の実施形態に関して説明したと同様 5 な作用効果が得られる。

本実施形態では、下部電極 1 5と内部電極 1 7 ' との間に入力電圧を印加し、該内部電極 1 7 ' と上部電極 1 8 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ー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ーを通過帯域フィルターの構成要素として使用するこ 10 とにより、阻止帯域の減衰特性が良好となり、フィルターとしての周波数応答性が向上する。

以上のような圧電薄膜共振子において、マイクロ波プローパーを使用して測定したィンピーダンス特性における共振周波数 f rおよぴ反共振周波数 f _aと電気機械結合係数 k t ²との間には、以下の関係、

15 k _t ²= φ _r/T a n (φ _r)

Φ _r = (π/2) ( f ノ f J

がある。尚、簡単のため、電気機械結合係数 k _t ²は、次式、

k _t ²= 4. 8 ( f _a— f _r) / ( f _a+ f _r)

から算出した。

2D 図 1及ぴ図 2、図 3及ぴ図 4、並びに図 5及ぴ図 6に示した構成の F BARまたは S BARにおいて、 1. 5〜 2. 5 GH z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 _t ²は例えば 4. 0〜 6. 5 % であり好ましいものである。電気機械結合係数 k _t ²が 4. 0 %未満になると、作製した F BARの帯域幅が小さくなり、高周波域で使用する圧電薄膜共振子と Z して実用に供することが難しくなる傾向にある。

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。

[実施例 1 ]

本実施例では、以下のようにして、図 1及び図 2に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。

30 即ち、熱酸化法により、厚さ 3 0 0 μ ηιの（ 1 0 0) S i基板 1 2の上下両面に厚さ 1 0 0 0 n mの S i 0₂層を形成した後、第一面（上面）側の S i 0₂層のみをエッチングして、第一面側の S i 0₂層の厚さを 3 0 0 に調整した。この S i基板の第一面上の S i〇 ₂絶縁体層 1 3上に、 D Cマグネト口ンスパッタ法にて、ガス圧 0. 5 P a、基板温度 1 5 0 °Cの条件で厚さ 2 0 0 n mの T a 薄膜を形成し、さらに、フォトリソグラフィ一によりパターン化して下部電極 1 5を形成した。 X線回折法により下部電極 1 5の結晶性を評価した結果、表 2に示すごとく混晶比 I _α/ I βは 1 . 2 1、結晶化度 Xは 7 2 %であった。この Τ a薄膜からなる下部電極層 1 5上に、純度 9 9. 9 9 9 %の 1 ターゲットを用い、反応性 R Fマグネトロンスパッタ法により、全ガス圧 0. 5 P a、ガス組成 A r /N₂= 1 / 1、基板温度 3 0 0 °Cの条件で、厚さ 1. 3 0 11₁の 1 1>1薄膜を形成した。 X線回折法により A 1 N薄膜の結晶性を評価した結果、（0 0 0 2 ) 面を初めとする c面に対応したピークのみ観測され、表 2に示すごとくそのロッキングカープ半値幅は 2. 9 ° であった。次に、熱燐酸を使用した湿式エツチングにより、 A 1 N薄膜を所定の形状にパターン化して圧電体薄膜 1 6を形成した。次に、 D Cマグネト口ンスパッタ法により、厚さ 1 7 0 n m (T i密着金属層を含む）の A l ZT i層を形成し、フォトリソグラフィ一により、図 1に示す形状にパターン化して上部電極 1 7を形成した。以上のようにして得られた構造体の上下部電極 1 5， 1 7と A 1 N圧電体薄膜 1 6 との形成されている側をプロテクトワックスで被覆し、 S i基板 1 2の第二表面（下面）に形成された厚さ l O O O n mの S i O ₂層をパターユングして形成したマスクを用いて、振動部 2 1に対応する S i基板 1 2の部分を KOH水溶液でエッチングしてビアホール 2 0を形成し、図 1及び図 2に記載の構造の薄膜圧電共振子を製造した。

表 1に振動部 2 1を構成する各層の材質と厚み（但し、下部電極及び上部電極については、それらに付随する密着金属層をそれぞれ下部密着金属層及ぴ上部密着金属層として分離して示す）を、表 2に下部電極層 1 5の T aを主成分とする金属薄膜の混晶比 I _a/ I _e及び結晶化度 x、及び A 1 N圧電体薄膜 1 6の結晶性（即ち、（0 0 0 2 ) 面の回折ピークのロッキング 'カープ半値幅）を記載した。

また、カスケ一ド ' マイクロテック社製マイク口波プロ一バーとネットワークアナライザーとを使用して、上記薄膜圧電共振子の電極端子部 1 5 b， 1 7 b間のィンピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数 f _r及び反共振周波数 f _a の測定値から、電気機械結合係数 k _t ²、および音響的品質係数 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（共振周波数 f _rおよび反共振周波数 f J 、電気機械結合係数 k _t ²、および音響的品質係数 Qは表 2に示す通り 5 であった。

[実施例 2 ]

本実施例では、以下のようにして、図 1及ぴ図 2に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。

即ち、下部電極のための T a薄膜を形成する時の基板温度を 2 0 0 °Cとした以 10 外は、実施例 1 と同様な方法を用い、図 1及び図 2に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例 1の場合と同様にして、表 1及ぴ表 2に記載した。 ' [実施例 3 ]

15 即ち、下部電極のための T a薄膜を形成する時の基板温度を 2 5 0 °Cとした以外は、実施例 1 と同様な方法を用い、図 1及び図 2に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例 1の場合と同様にして、表 1及び表 2に記載した。

[実施例 4 ]

本実施例では、以下のようにして、図 1及び図 2に示されている構造の薄膜圧 3D 電共振子を作製した。

即ち、下部電極のための T a薄膜を形成する時に基板を加熱しなかった（基板温度 1 0 0 °C以下）以外は、実施例 1と同様な方法を用い、図 1及び図 2に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例 1の場合と同様にして、表 1及び表 2に記載した。

S [実施例 5 ]

即ち、下部電極 1 5に密着金属層としての C r層をも使用し、これを D Cマグネトロンスパッタで形成した以外は、実施例 4と同様な方法を用い、図 1及び図 30 2に記载の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例 1の場合と同様にして、表 1及ぴ表 2に記載した。

[実施例 6 ]

即ち、絶縁体層 1 3として及ぴ S i基板 1 2の第二表面（下側）のビアホール形成用エッチングマスクとして低圧 C V D法による S i N _x層を使用した以外は、実施例 1と同様な方法を用い、図 1及び図 2に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例 1の場合と同様にして、表 1及ぴ表 2に記载した。

[実施例 7 ]

即ち、下部電極 1 5を形成した後にアルゴン雰囲気中で 3 0 0 °C 2時間の熱処理を行う工程を追加した以外は、実施例 4と同様な方法を用い、図 1及ぴ図 2に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例 1の場合と同様にして、表 1 及び表 2に記載した。

[実施例 8 ]

即ち、下部電極 1 5及ぴ上部電極 1 7の形成に電子ビーム蒸着法を使用した以外は、実施例 1と同様な方法を用い、図 1及び図 2に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例 1の場合と同様にして、表 1及ぴ表 2に記載した。

[実施例 9 ]

本実施例では、以下のようにして、図 3及ぴ図 4に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。

即ち、上部電極 1 7を第 1電極部 1 7 Aと第 2電極部 1 7 Bとからなるものとした以外は、実施例 1と同様な方法を用い、図 1及び図 2に記載の薄膜圧電共振子を製造した。尚、インピーダンス特性の測定は、下部電極 1 5を共通電極（グランド）とし、上部電極第 1電極部 1 7 Aと上部電極第 2電極部 1 7 Bとの間で行った。詳細は、実施例 1の場合と同様にして、表 1及ぴ表 2に記载した。

[実施例 1 0 ] 本実施例では、以下のようにして、図 5及ぴ図 6に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。

即ち、絶縁体層 1 3として及び S i基板 1 2の第二表面（下側）のビアホール形成用エッチングマスクとして低圧 C V D法による S i N _x層を使用した以外は実施例 1と同様な方法で下部電極 1 5及ぴ第 1の A 1 N圧電体薄膜 1 6— 1を形成した後、さらに下部電極 1 5と同様な条件で内部電極 1 7 ' を形成した。次に、第 1の A 1 N圧電体薄膜 1 6— 1と同様な条件で第 2の A 1 N圧電体薄膜 1 6— 2を形成した後、さらに実施例 1と同様な方法で上部電極 1 8を形成することにより図 5及び図 6に記載の構造の薄膜圧電共振子を製造した。尚、インピーダンス特性の測定は、内部電極 1 7 ' を共通電極 (グランド) とし、下部電極 1 5と上部電極 1 8との間で行った。詳細は、実施例 1の場合と同様にして、表 1及び表 2に記載した。

[比較例 1 ]

本比較例では、以下のようにして、図 1及び図 2に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。

即ち、下部電極 1 5として A uと密着金属層としての C r との積層体からなるものを使用した以外は、実施例 1と同様な方法を用い、図 1及び図 2に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例 1の場合と同様にして、表 1及ぴ表 2 に記載した。

[比較例 2 ]

本比較例では、以下のようにして、図 1及ぴ図 2に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。

即ち、下部電極 1 5として P t と密着金属層としての T i との積層体からなるものを使用した以外は、実施例 1と同様な方法を用い、図 1及び図 2に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例 1の場合と同様にして、表 1及び表 2 に記載した。

[比較例 3 ]

即ち、下部電極 1 5として A 1 と密着金属層としての T i との積層体からなるものを使用した以外は、実施例 1と同様な方法を用い、図 1及ぴ図 2に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例 1の場合と同様にして、表 1及び表 2 に ii載した。

[比較例 4 ]

即ち、下部電極 1 5として N iからなるものを使用した以外は、実施例 1 と同様な方法を用い、図 1及ぴ図 2に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例 1の場合と同様にして、表 1及び表 2に記載した。

尚、カスケ一ド 'マイク口テック社製マイク口波プロ一バーとネットワークァナライザ一を使用して、上記薄膜圧電共振子の電極端子部 1 5 b， 1 7 b間のィンピーダンス特性を測定したが、 A 1 N薄膜の結晶性が極端に悪いためか、共振ピークが観測されなかった。

FBAR 絶縁体層下部密豪金属層下部 (内部)電極 A1N薄膜上部密着金属層上部電極構成材質 ^;厚さ（nm) 材質厚さ（nm) 材質厚さ（rnn) 厚さ（μπι) 材質厚さ（nm) 材質厚さ (nm) 実施例 1 図 1,2 Si0₂ 300 ― ― Ta 200 1.30 Ti 30 Al 140

実施例 2 図 1,2 Si0₂ 310 ― ― Ta 200 1.32 Ti 30 Al 135

実施例 3 図 1'2 Si0₂ 295 ― ― Ta 195 1.35 Ti 30 Al 150

実施例 4 図 1,2 Si0₂ 305 ― ― Ta 195 1.45 Ti 30 Al 140

実施例 5 図 1,2 Si0₂ 300 Cr 30 Ta 185 1.36 Ti 30 Al 155

実施例 6 図 1,2 SiN_x 145 ― ― Ta 220 1.34 Ti 30 Al 160

実施例 7 図 1,2 Si0₂ 280 ― ― Ta 200 1.39 Ti 30 Al 150

実施例 8 図 1,2 Si0₂ 300 ― ― Ta 180 1.45 ― ― Ta 145

実施例 9 図 3， 4 Si0₂ 305 ― ― Ta 180 1.40 Ti 30 Al 150

実施例 10 図 5， 6 SiN_x 150 ― ― Ta (Ta) 150 (160) 1.60X2 一 ― Ta 150

比較例 1 図 1,2 Si0₂ 310 Cr 30 Au 100 1.25 Ti 30 Al 145

比較例 2 図 1'2 Si0₂ 280 Ti 30 Pt 100 1.34 Ti 30 Al 150

比較例 3 図 1,2 Si0₂ 300 Ti 30 Al 140 1.30 Ti 30 Al 140

比較例 4 図 1，2 Si0₂ 300 ― ― Ni 185 1.42 Ti 30 Al 150

〕 sl 結晶化度 A1N結晶性 * 共振周波数反共振周波数音響的品質 X (%) FWHM (deg) f_r (GHz) f_a (GHz) 係数 k_t ² (-) 係数 Q (-) 実施例 1 1.21 72 2.9 1.819 1.850 4.05 一 910— 一実施例 2 3.85 40 2.8 1.800 1.833 4.31 880 実施例 3 4.18 9 2.3 1.772 1.808 4.80 1020 実施例 4 0.01 98 1.6 1.713 1.758 6.25 1100 実施例 5 2.54 3 1.7 1.736 1.779 5.82 1080 実施例 6 0.10 51 2.2 1.935 1.975 4.87 1210 実施例 7 0.02 1 1.1 1.759 1.807 6.45 1050 実施例 8 1.00 2 1.4 1.897 1.946 6.13 1100 実施例 9 1.59 68 3.0 1.865 1.898 4.24 960 実施例 10 0.09 62 2.3 2.260 2.311 5.33 920 比較例 1 一 ― 3.5 1.568 1.594 3.88 680 比較例 2 一 ― 4.2 1.623 1.643 3.01 650 比較例 3 一 ― 6.9 1.765 1.772 0.98 310 比 ¾例 4 ― ― 15.2 共振ピーク観測不能 ― 一

') A1N (0002)面のロッキングカーブ半値幅

産業上の利用可能性：

以上説明したように、本発明によれば、タンタルを主成分とする金属薄膜を用いて下部電極を構成し、特にその結晶相及び/または結晶化度を所定の範囲にすることにより、それに接して形成された c軸配向窒化アルミニウム薄膜の配向性、結晶性を著しく向上させることができ、その結果、電気機械結合係数や音響品質係数（Q値）に優れた圧電薄膜共振子が提供される。この圧電薄膜共振子を用いて V C O (電圧制御発振器）、フィルターおよび送受切替器を構成することにより、 1 G H z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。

9

Claims

請求の範囲

1. タンタルを主成分とする厚さ 2 0 0 0 n m未満の金属薄膜の表面上に形成された c軸配向を示す窒化アルミニウム薄膜であって、 (0 0 0 2) 回折ピークのロッキング . カーブ半値幅 (FWHM) が 3. 0° 以下であることを特徴とする窒化アルミニウム薄膜。

2. 前記タンタルを主成分とする金属薄膜の X線回折ピークにおいて、正方晶相の（0 0 2) 回折ピークのピーク強度 I _eと立方晶 α相の（1 1 0) 回折ピークのピーク強度 I ₀との強度比 I 。 / I ₀が 0 · 1以下であることを特徴とする、請求項 1に記載の窒化アルミニウム薄膜。

3. 前記タンタルを主成分とする金属薄膜の結晶化度が 1 0 %以下であることを特徴とする、請求項 1に記載する窒化アルミニウム薄膜。

4. 前記（0 0 0 2) 回折ピークのロッキング 'カープ半値幅（FWHM) が 1. 0〜 2. 3° であることを特徴とする、請求項 1に記載の窒化アルミニウム薄膜。

5. 前記タンタルを主成分とする金属薄膜の厚さが 5 0〜 5 0 0 nmであることを特徴とする、請求項 1に記载の窒化アルミニウム薄膜。

6. 厚さが 0. 5〜 3. 0 mであることを特徴とする、請求項 1に記載の窒化アルミニウム薄膜。

7. 圧電体薄膜が複数の金属電極の間に挟み込まれ、前記圧電体薄膜の周囲を支持することにより前記圧電体薄膜の中心部が橋架けされた構造を有する圧電薄膜共振子において、前記圧電体薄膜が（ 0 0 0 2 ) 回折ピークのロッキング .カープ半値幅（FWHM) が 3. 0° 以下である c軸配向の窒化アルミニウム薄膜であり、前記金属電極のうちの少なくとも 1つは前記圧電体薄膜の表面と接する側に位置するタンタルを主成分とする厚さ 2 0 0 0 EL m未満の金属薄膜を含んでなることを特徴とする圧電薄膜共振子。

8. 圧電体薄膜が複数の金属電極の間に挟み込まれ、前記圧電体薄膜の周囲を支持することにより前記圧電体薄膜の中心部が橋架けされた構造を有する圧電薄膜共振子において、前記圧電体薄膜が請求項 1 ~ 6のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜であり、前記金属電極のうちの少なくとも 1つが請求項 1〜6 のいずれかに記載のタンタルを主成分とする金属薄膜を含んでなることを特徴とする圧電薄膜共振子。

9 . 振動空間を有する半導体あるいは絶縁体からなる基板と、該基板の前記振動空間に面する位置にて下部電極、圧電体薄膜おょぴ上部電極がこの順に積

5 層されている圧電積層構造体とを備えている庄電薄膜共振子において、前記圧電体薄膜が請求項 1〜 6のいずれかに記载の窒化アルミニウム薄膜であり、前記下部電極が請求項 1〜 6のいずれかに記載のタンタルを主成分とする金属薄膜を含んでなることを特徴とする圧電薄膜共振子。

1 0 . 前記圧電積層構造体は前記振動空間に面する位置にて酸化シリコン0 および/または窒化シリコンを主成分とする誘電体膜からなる絶縁体層を有することを特徴とする、請求項 9に記載の圧電薄膜共振子。

1 1 . 振動空間を有する半導体あるいは絶縁体からなる基板と、該基板の前記振動空間に面する位置にて下部電極、第 1の圧電体薄膜、内部電極、第 2の圧電体薄膜および上部電極がこの順に積層されている圧電積層構造体とを備えて5 いる圧電薄膜共振子において、前記第 1及び第 2の圧電体薄膜がいずれも請求項：!〜 6のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜であり、前記下部電極及ぴ前記内部電極が請求項 1〜6のいずれかに記載のタンタルを主成分とする金属薄膜を含んでなることを特徴とする積層型圧電薄膜共振子。

1 2 . 前記圧電積層構造体は前記振動空間に面する位置にて酸化シリコンおよぴ Zまたは窒化シリコンを主成分とする誘電体膜からなる絶縁体層を有することを特徴とする、請求項 1 1に記載の積層型圧電薄膜共振子。

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