WO2005060091A1 - 圧電薄膜デバイスの製造方法および圧電薄膜デバイス - Google Patents
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- H10N30/076—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by vapour phase deposition
Definitions
- the present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric thin-film device manufactured by singly or in combination of a plurality of piezoelectric thin-film resonators using a piezoelectric thin film. More specifically, the present invention relates to a communication device filter. The present invention relates to a method of manufacturing a piezoelectric thin-film device used for the same and the like, and a piezoelectric thin-film device manufactured by the method.
- SAW Surface Acoustic Wave
- FBAR FBAR
- SBAR Thin Film Bulk Acoustic Resonators and Filters
- Piezoelectric thin-film resonators such as FBARs and SBARs applied to resonators, filters, and the like utilizing such elastic waves are manufactured as follows.
- a dielectric thin film, a conductive thin film, or a conductive thin film is formed on a substrate such as a semiconductor single crystal such as silicon, a polycrystalline diamond formed on a silicon wafer, and a constant elastic metal such as Elinvar by various thin film forming methods. Are formed to form a base film. On this base film A piezoelectric thin film is formed, and an upper structure is formed as necessary. After the formation of each layer or after the formation of all layers, each film is subjected to physical processing or chemical processing to perform fine processing and patterning.
- a floating structure is formed by removing a portion located below the vibrating portion from the substrate by anisotropic etching based on a wet method, and finally, a piezoelectric thin film resonator is obtained by separating the device into units of one device.
- one of the conventionally known methods for manufacturing a piezoelectric thin film resonator is to form a lower base film, a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode on the upper surface of a substrate and then vibrate from the lower surface side of the substrate.
- This is a method in which a via hole is formed by removing a substrate portion below a portion to be a part (for example, see Patent Documents 1 and 2). If the substrate is made of silicon, a via hole is formed by etching off a part of the silicon substrate from the back surface using a carothermal K ⁇ H aqueous solution. This makes it possible to manufacture a resonator having a configuration in which the edge of the structure in which the piezoelectric thin film is sandwiched between the plurality of metal electrodes is supported by the portion around the via hole on the upper surface side of the silicon substrate.
- the etching proceeds in parallel with the (111) plane, and the etching proceeds at an inclination of 54.7 degrees with respect to the (100) silicon substrate surface.
- the distance between adjacent resonators must be significantly greater.
- a device with a top dimension of about 150 ⁇ m x 150 ⁇ m, built on a silicon wafer with a thickness of 550 ⁇ m, requires a backside etching hole of about 930 ⁇ m x 930 ⁇ m and an adjacent side hole.
- the center-to-center distance of matching resonators is more than 930 / m.
- Patent Document 3 describes the configuration and manufacturing method of an air-barrier FBARZSBAR device using phosphorus-doped silicate glass (PSG) as a sacrificial layer.
- PSG phosphorus-doped silicate glass
- a cavity is formed on the upper surface of the substrate by etching, a sacrificial layer is deposited on the upper surface of the substrate by thermal CVD (Chemical Vapor Deposition), and CMP ( After a series of processes such as planarization and smoothing of the top surface of the substrate by polishing, deposition of the lower electrode, piezoelectric material and upper electrode on the sacrificial layer, and pattern formation, a via hole (hole) penetrating to the sacrificial layer.
- thermal CVD Chemical Vapor Deposition
- CMP Chemical Vapor Deposition
- Patent Document 4 discloses that an air bridge type FBAR device requires a step of forming a cavity in the upper surface of a substrate and flattening the upper surface of the substrate by CMP polishing by using a metal or a polymer as a sacrificial layer.
- the structure and manufacturing method of an air bridge type FBAR / SBAR device that forms a vibration space by relatively simple steps are described.
- the thickness of the sacrificial layer needs to be about 2000 nm. .
- the surface of the sacrificial layer becomes rougher due to the growth of metal crystal grains.
- the electromechanical coupling coefficient Kt 2 decreases due to the decrease in the crystal orientation of the piezoelectric thin film itself, and resonance occurs due to the increase in the surface roughness of the piezoelectric multilayer structure itself.
- Patent Document 5 discloses that an air-bridge type FBAR device does not require a step of forming a cavity in the upper surface of the substrate or flattening the upper surface of the substrate by CMP polishing. The configuration and manufacturing method of the air-bridge type FBARZSBAR device that can reduce the size of the device are described.
- the sacrificial layer is etched in advance with the first etching solution, and further, the second etching solution is introduced using the voids to etch the support film, thereby forming the vibration space. Therefore, it is necessary to use a material that is resistant to two types of etchants, which not only severely restricts the materials used, but also complicates the process and increases the manufacturing cost.
- Materials such as magnesium oxide and zinc oxide are used for the sacrificial layer.
- the surface of the sacrificial layer has a large surface roughness and is formed on the surface.
- the crystal orientation of the lower electrode and the piezoelectric thin film deteriorates. For example, in the case of a 50 nm-thick magnesium oxide thin film, its surface roughness (RMS variation in height) is usually 10 nm or more.
- Patent Document 1 JP-A-58-153412
- Patent Document 2 JP-A-60-142607
- Patent Document 3 JP-A-2000-69594
- Patent Document 4 Japanese Patent Publication No. 2002-509644
- Patent Document 5 JP-A-2003-32060
- FBARs and SBARs obtain resonance by the propagation of elastic waves generated by the piezoelectric effect of the piezoelectric material in the piezoelectric multilayer structure, the lower electrode, the piezoelectric thin film, and the upper
- the characteristics are greatly affected not only by the crystal quality of the electrodes and the like, but also by the accuracy of the formation of the vibration space. Furthermore, if the bending of the piezoelectric thin film is large, the strength of the piezoelectric thin film is reduced, and the reliability is significantly reduced. Therefore, it is extremely difficult to stably obtain a highly reliable piezoelectric thin film device having excellent characteristics.
- the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to simplify the process, to form a vibration space well below the piezoelectric laminated structure, and to improve the characteristics.
- An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an excellent and highly reliable piezoelectric thin film device, and a piezoelectric thin film device manufactured by the method. Means for solving the problem
- the present inventors have formed an insulating layer on a substrate which is etched in advance with a specific chemical substance, A sacrificial layer whose material strength is higher than that of the insulating layer by an etching rate by the specific chemical substance is formed in a region serving as a space, and the sacrificial layer is removed by etching and an insulating layer provided below the sacrificial layer is removed.
- Forming the vibration space by performing etching removal of the corresponding part using the above-mentioned specific chemical substance as an etchant is the most preferable solution in terms of both high performance and low cost of the piezoelectric thin film device. It was found to be a means.
- a piezoelectric laminated structure including a piezoelectric thin film and an upper electrode and a lower electrode formed on both upper and lower surfaces thereof is supported by a substrate, and a vibration space is formed so as to allow the piezoelectric laminated structure to vibrate.
- a method of manufacturing a formed piezoelectric thin film device comprising: forming an insulating layer on a substrate upper surface with a specific chemical substance; and forming the specific chemical substance on a partial region on the insulating layer.
- the via hole is formed to penetrate at least one of the lower electrode, the piezoelectric thin film, and the upper electrode so as to expose a part of the sacrificial layer.
- the via hole is formed through the substrate so as to expose a part of the insulating layer.
- the material of the insulating layer is mainly composed of silicate glass or silicate glass, and the material of the sacrificial layer is titanium.
- the material of the insulating layer is aluminum nitride, and the material of the sacrificial layer is aluminum.
- the method for manufacturing a piezoelectric thin-film device is characterized in that after the sacrificial layer is formed, etching is performed on the sacrificial layer and the insulating layer by the specific chemical substance. Laminating a second insulating layer made of a material having a lower speed than the insulating layer.
- One embodiment of the present invention is a nitride or oxynitride insulator mainly composed of aluminum nitride or silicon nitride.
- the thickness of the sacrificial layer is 20 nm to 600 nm, preferably 2 Onm to 90 nm.
- the surface roughness of the upper surface of the sacrificial layer is 5 nm or less in RMS variation in height.
- the thickness of the insulating layer is 500 nm to 3000 nm.
- a piezoelectric laminated structure including a piezoelectric thin film and an upper electrode and a lower electrode formed on both upper and lower surfaces thereof is supported by a substrate via an insulating layer, and allows the piezoelectric laminated structure to vibrate.
- a surface distance between an upper surface of the insulating layer and a lower surface of the lower electrode in the vibration space is 20 nm to 600 nm, preferably 20 nm to 90 nm. In one embodiment of the present invention, a surface distance between an upper surface of the insulating layer and a lower surface of the vibration space is 500 nm to 3000 nm.
- a polishing technique such as CMP can be realized.
- a vibration space can be favorably formed below the piezoelectric laminated structure by a simple process without using it, and a highly reliable piezoelectric thin film device having excellent characteristics can be stably manufactured.
- the piezoelectric thin film device of the present invention has a good vibration space below the piezoelectric multilayer structure, the piezoelectric thin film device has excellent characteristics and high reliability. Therefore, the piezoelectric thin film device having the obtained vibration space is combined. Therefore, it is suitable for producing a piezoelectric thin film device such as a filter and a duplexer.
- FIG. 1 is a schematic plan view showing a first embodiment of a piezoelectric thin film device (piezoelectric thin film resonator 10) according to the present invention
- FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.
- the upward and downward directions indicate the upward and downward directions in the figure when the piezoelectric thin film device is arranged as shown in FIG. Therefore, the expressions of the upper surface, the lower surface, etc. follow these directions.
- the piezoelectric thin-film resonator 10 is formed so as to straddle a substrate 11, an insulating layer 12 formed on the upper surface of the substrate 11, and a vibration space 20 formed by removing a part of the insulating layer.
- the piezoelectric laminated structure 14 is provided.
- the piezoelectric laminated structure 14 includes a lower electrode 15, a piezoelectric thin film 16 formed so as to cover a part of the lower electrode 15, and an upper electrode 17 formed on the piezoelectric thin film 16.
- FIG. 3 (a)-(e) are explanatory views showing a series of manufacturing steps of the first embodiment in a cross section XX similar to FIG.
- an insulating layer 12 is formed on a substrate 11.
- a sacrifice layer 13 in which the etching rate by a specific chemical substance is higher than that of the insulating layer 12 is formed on a region corresponding to the vibration space 20 on the insulating layer 12. I do.
- a piezoelectric laminated structure 14 including a lower electrode 15, a piezoelectric thin film 16, and an upper electrode 17 is formed on the sacrificial layer 13 and the insulating layer 12.
- a via hole 18 is provided so as to expose a part of the sacrificial layer 13 through the piezoelectric layer 16 and the lower electrode 15.
- an etching solution (the above-mentioned specific chemical substance) for etching the sacrificial layer and the insulating layer is introduced from the via hole. Since the sacrifice layer 13 is selected from a material having an etching rate higher than that of the insulating layer 12, the sacrifice layer 13 is first removed by etching faster than the insulating layer 12, and the etchant is favorably introduced into the voids formed thereby. Is done.
- the etching liquid is introduced into the gap from which the sacrificial layer 13 has been removed, so that the insulating layer 12 is mainly etched in the thickness direction and is located below the sacrificial layer 13.
- the portion of the insulating layer 12 to be etched is satisfactorily etched away. Since the etching of the portion of the insulating layer 12 corresponding to the end of the sacrificial layer 13 is isotropic, the force to be further etched in the lateral direction is about the thickness of the insulating layer 12.
- the vibration space 20 is substantially limited to a portion where the sacrificial layer 13 is removed and a portion of the insulating layer located below the portion.
- the sacrifice layer and the insulating layer are etched by the same etching liquid (specific chemical substance).
- the substrate 11 may be a single crystal ueno such as Si (100) or an SOI (Silicon on Insula). tor) wafers can be used. It is also possible to use a semiconductor single crystal wafer such as gallium arsenide and an insulating substrate such as quartz glass.
- the insulating layer 12 for example, an insulating film mainly composed of silicate glass (SiO 2)
- a minimum (A1N) film can be used.
- the main component means that the content in the film is 50 equivalents
- a thermal oxide film by a thermal oxidation method As a method for forming an insulating film mainly composed of silicate glass, when a silicon wafer is used as a substrate, formation of a thermal oxide film by a thermal oxidation method can be mentioned first.
- the surface roughness of the silicon wafer is less than 0.3 nm in RMS variation of height. Since the thermal oxide film is formed directly by oxidation of the silicon wafer, the surface roughness is almost the same as that of the silicon wafer, and compared with a method in which a sacrificial layer is deposited in advance and flattened by CMP polishing technology. This is also preferable because the surface roughness of the piezoelectric laminated structure can be reduced.
- silicate glass In addition to thermal oxide films, silicate glass, phosphorus-doped silicate glass (PSG), boron-doped silicate glass (BSG), and boron-doped silicate glass (BPSG), etc., deposited by CVD (Chemical Vapor Deposition) are also available. Selected.
- the aluminum nitride (A1N) film can be formed by, for example, a sputtering method. It is convenient to use an aluminum nitride film as the insulating layer because the same film forming apparatus can be used when the aluminum nitride film is used as the piezoelectric thin film.
- the piezoelectric laminate formed thereon can be obtained with a large electromechanical coupling coefficient. If the bandwidth of the piezoelectric thin film device can be widened, the resonance sharpness and the Q value that can be reduced by force increase, and the attenuation of the obtained piezoelectric thin film device can be increased.
- the insulating layer 12 may be a single layer, or may have a plurality of layers including a layer for improving adhesion and a protective layer for preventing the components of the original insulating layer from diffusing to the substrate side. It may be composed of layers.
- the thickness of the insulating layer 12 is preferably between 500 nm and 3000 nm.
- the thickness is less than 500 nm, the possibility that the part of the piezoelectric laminated structure comes into contact with the substrate due to the radius of the piezoelectric laminated structure and adversely affects the characteristics increases significantly.
- the thickness exceeds 3000 nm, the etching time becomes longer to form the vibration space, and the etching of the insulating layer corresponding to the end of the sacrificial layer proceeds in the lateral direction, and the accuracy of the vibration space is reduced. Not only adversely affects the piezoelectric layer structure, but also lowers the yield of the piezoelectric laminate structure due to the separation of the lower electrode.
- the sacrificial layer 13 is selected from a material whose etching rate by a specific chemical substance is larger than that of the insulating layer 12.
- titanium (Ti) can be suitably used as the material of the sacrificial layer 13.
- the silicate glass include phosphorus-doped silicate glass (PSG), boron-doped silicate glass (BSG), and boron-doped silicate glass (BPSG).
- hydrofluoric acid or a hydrofluoric acid buffer can be used as the etching solution.
- titanium (Ti) has an etching rate several times higher than that of silicate glass.
- the width of the etching of the insulating layer located corresponding to the end of the sacrifice layer can be reduced in the lateral direction, and the shape of the vibration space can be accurately controlled.
- germanium Ge
- a mixed solution of hydrofluoric acid and aqueous hydrogen peroxide can be suitably used as the etching solution.
- aluminum nitride is used as the material of the insulating layer 12
- aluminum can be suitably used as the material of the sacrificial layer 13.
- heated phosphoric acid or the like can be used as the etching solution.
- the sacrificial layer 13 may be a layer made of a single material, or may be composed of two or more layers if the lowermost layer in contact with the insulating layer 12 has a layer made of a substance having a high etching rate. May be different. Since the characteristics of the piezoelectric thin film resonator are greatly affected by the crystal quality of the piezoelectric thin film, it is preferable to improve the crystal quality of the lower electrode 15 and the piezoelectric thin film 16 by appropriately selecting the material of each layer of the sacrificial layer. .
- the thickness of the sacrificial layer 13 is 20-600 nm, preferably 20-90 nm.
- the thickness is less than 20 nm, the penetration of the etchant is slow.It takes a long time to etch the insulating layer, and the etching of the insulating layer located corresponding to the end of the sacrificial layer proceeds in the lateral direction, The accuracy of the vibration space is reduced.
- the thickness exceeds 90 nm, the resonance characteristics of the obtained piezoelectric thin film device tend to slightly decrease.
- the thickness exceeds 600 nm, the time required for forming the vibration space is shortened and the processing accuracy is improved, but the bending of the end of the piezoelectric laminated structure becomes large, so that the piezoelectric thin film is formed. As soon as cracks occur, the reliability decreases.
- photolithography such as dry etching or wet etching is used. A lithography technique or a lift-off method can be appropriately used.
- the lower electrode 15 is formed by laminating a metal layer formed by a sputtering method and a vapor deposition method and, if necessary, an adhesion metal layer formed between the metal layer and the insulating layer 12 and the sacrifice layer 13. It is composed of a metal layer and has a thickness of, for example, 50-500 nm.
- the material of the lower electrode 15 is not particularly limited, gold (Au), platinum (Pt), titanium (Ti), aluminum (A1), molybdenum (Mo), tungsten (W), iridium (Ir), Ruthenium (Ru) is preferably used.
- a sacrifice layer made of a single material when a sacrifice layer made of a single material is used, its material must be appropriately selected so as not to adversely affect the resistance to the etching solution and the crystal quality of the piezoelectric thin film.
- a photolithography technique such as dry etching or wet etching, or a lift-off method can be appropriately used.
- the materials of the piezoelectric thin film 16 include aluminum nitride (A1N), zinc oxide (ZnO), cadmium sulfide (CdS), lead titanate (PT (PbTi ⁇ )), and lead zirconate titanate (PZT (Pb (Zr
- A1N is a high-frequency band where the propagation speed of elastic waves is fast.
- piezoelectric thin film for a piezoelectric thin film device such as a piezoelectric thin film resonator or a piezoelectric thin film filter that operates. Its thickness is, for example, 500-3000 nm.
- a photolithography technique such as dry etching or wet etching can be appropriately used.
- the upper electrode 17 a metal layer formed by a sputtering method, a vapor deposition method, or the like is used in the same manner as the lower electrode 15.
- Materials for the upper electrode 17 include gold (Au), platinum (Pt), titanium (Ti), aluminum (A1), molybdenum (Mo), tungsten (W), tantalum (Ta), iridium (Ir), Ruthenium (Ru) is preferably used. Further, for reasons such as enhancing the adhesiveness, the force S for laminating the adhesive metal layer located between the metal layer and the piezoelectric thin film 16 can be provided as needed.
- the thickness of the upper electrode 17 including the adhesion layer is, for example, 50500 nm.
- a photolithography technique such as dry etching or wet etching or a lift-off method is appropriately used as in the case of the lower electrode 15.
- the via hole 18 is provided so as to expose a part of the sacrifice layer 13 so that the etchant is favorably introduced.
- the via holes 18 are arranged at the four corners of the sacrificial layer 13.
- the force S is not particularly limited.
- a photolithography technique such as dry etching or wet etching can be appropriately used.
- the vibration space 20 is formed by introducing an etchant from the via hole 18 and etching away the sacrificial layer 13 and the insulating layer 12 disposed thereunder. At this time, depending on the type of the etching liquid and the material of the piezoelectric laminated structure 14, it is necessary to protect portions other than the via holes 18 with a photoresist.
- a photoresist a novolak-based or cyclized rubber-based photoresist can be used as appropriate, depending on the material of the etching solution.
- FIG. 4 is a schematic plan view showing a second embodiment of the piezoelectric thin film device according to the present invention
- FIG. 5 is a sectional view taken along line XX of FIG.
- FIGS. 6 (a) and 6 (e) are explanatory views showing a series of manufacturing steps of the above-described second embodiment along a line XX similar to FIG.
- members having the same functions as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
- a via hole for exposing a portion of the sacrifice layer 13 or the insulating layer 12 located below the sacrifice layer 13 for forming the vibration space 20 is provided on the lower surface side of the substrate 11.
- a dry etching method using sulfur hexafluoride (SF) or the like, a method using SF and C318 (C F) gas are used.
- the Deep RIE method using alternately can be applied.
- the etching time for forming the vibration space 20 is the first time. This is shortened as compared with the embodiment of FIG.
- the etchant reaches the sacrificial layer 13
- the sacrificial layer 13 is instantaneously etched. Therefore, the position of the vibration space 20 is almost limited below the sacrificial layer 13 regardless of the shape of the via hole 18.
- FIG. 7 is a schematic plan view showing a third embodiment of the piezoelectric thin-film device according to the present invention
- FIG. 8 is a sectional view taken along line XX of FIG.
- members having the same functions as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
- the etching rate by a specific chemical substance is formed on the region corresponding to the vibration space 20 on the first insulating layer 12.
- a sacrifice layer (similar to the sacrifice layer 13 in the above embodiment) larger than the first insulating layer 12 is formed.
- a second insulating layer 12 ′ made of a different material from the first insulating layer 12 is laminated on the sacrificial layer and the first insulating layer 12.
- a piezoelectric laminated structure 14 including a lower electrode 15, a piezoelectric thin film 16, and an upper electrode 17 is formed.
- a via hole 18 is provided so as to expose a part of the sacrificial layer 13 through the piezoelectric layer 16, the lower electrode 15, and the second insulating layer 12 ', and the sacrificial layer and the insulating layer are etched from the via hole.
- An etchant is introduced. Since the sacrificial layer is selected from a substance having a higher etching rate than the insulating layer 12, the sacrificial layer 13 is first etched away faster than the insulating layer 12, and the etchant is favorably introduced into the voids formed thereby. . Although the etching itself is isotropic, the etching liquid is introduced in a planar manner into the gap from which the sacrifice layer 13 has been removed.
- the portion of the insulating layer 12 located is favorably etched away. Since the etching of the portion of the insulating layer 12 corresponding to the end of the sacrificial layer 13 is isotropic, the force to be further etched in the lateral direction is about the thickness of the insulating layer 13.
- the vibration space 20 is substantially limited to a portion from which the sacrificial layer is removed and a portion of the insulating layer located thereunder.
- a vibration space 20 having a desired shape can be formed by selecting an insulating material whose etching rate by a specific chemical substance is smaller than that of the first insulating layer 12. it can. As described above, in the present invention, the sacrificial layer and the insulating layer are etched by the same etchant (specific chemical substance).
- a nitride mainly containing aluminum nitride or silicon nitride, or an oxynitride-based insulator can be suitably used.
- an insulating layer etched with a specific chemical substance, and an etching rate for the specific chemical substance higher than that of the insulating layer By combining with the sacrificial layer, the insulating layer and the sacrificial layer can be removed by a single etching operation without using a polishing technique such as CMP, and a good space for vibration is formed under the piezoelectric multilayer structure by a simple process. can do.
- a polishing technique such as CMP
- the piezoelectric thin film device manufactured as described above is supported by the substrate, an insulating layer formed on the upper surface of the substrate, a vibration space formed in the insulating layer, and the insulating layer.
- a piezoelectric laminated structure disposed on the vibration space, wherein the piezoelectric laminated structure includes a piezoelectric thin film and electrodes respectively formed on both surfaces thereof, and the vibration space is
- the electromechanical coupling coefficient Kt 2 decreases due to the decrease in the crystal orientation of the piezoelectric thin film itself, and the piezoelectric product decreases. It is preferable because the resonance sharpness Q does not easily decrease as the surface roughness of the layer structure itself increases.
- a surface interval between an upper surface of the insulating layer and a lower surface of the lower electrode in the vibration space is 20 nm to 600 nm, preferably 20 nm to 90 nm.
- the piezoelectric thin film device has a surface interval between the upper surface of the insulating layer and the lower surface of the vibration space of 500 nm to 3000 ⁇ m.
- the piezoelectric thin-film device of the present invention has a favorable vibration space below the piezoelectric laminated structure, and therefore has excellent characteristics and high reliability.
- the piezoelectric thin film device having the structure shown in FIGS.
- a lift-off pattern for a sacrificial layer for forming a vibration space was formed.
- a gas pressure of 0.5 Pa and substrate pressure were applied to the upper surface of the Si wafer by DC magnetron sputtering.
- the sacrificial layer was patterned into a desired shape by applying ultrasonic waves in a resist stripper.
- a photoresist is applied on the upper surface of the Si wafer to form a lift-off pattern for the lower electrode as shown in FIG. 1, and the gas pressure is 0.5 Pa by DC magnetron sputtering and the substrate is not heated.
- a Mo layer of about 300 nm was formed as a lower electrode, and the lower electrode was patterned into a desired shape by applying ultrasonic waves in a resist stripper.
- the total gas pressure was 0.5 Pa
- the gas composition A r / N 1/1
- the substrate temperature was 300 ° C.
- the A1N piezoelectric thin film was patterned into a predetermined shape as shown in FIG. 1 by wet etching using heated phosphoric acid. Subsequently, a photoresist was applied, the resist was patterned into a predetermined shape using a photomask for the upper electrode, and a Mo layer having a thickness of about 300 nm was formed as an upper electrode by a DC magnetron sputtering method. Further, the upper electrode was patterned into the shape shown in FIG. 1 by applying ultrasonic waves in a resist stripping solution. Next, as shown in Fig. 1 by dry etching using a mixed gas of C1 and Ar.
- the photoresist is immersed in a buffer solution to remove the photoresist, and the sacrificial layer and the insulating layer below the sacrificial layer are removed by etching.
- piezoelectric thin film device piezoelectric thin film resonator
- This defect is mainly caused by cracks at the edges of the piezoelectric laminated structure, peeling of part of the lower electrode due to an increase in the lateral etching amount of the insulating layer corresponding to the edges of the sacrificial layer, and Structure This is caused by a part of the structure physically contacting the substrate.
- a piezoelectric thin film device (piezoelectric thin film resonator) having the structure shown in FIG. 12 was manufactured as follows. That is, the piezoelectric thin-film resonator shown in FIG. 12 was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the insulating layer was set to 100 nm.
- a piezoelectric thin film device having the structure shown in FIGS.
- piezoelectric thin film resonator (Piezoelectric thin film resonator) was produced. That is, the piezoelectric thin-film resonator shown in FIG. 12 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the insulating layer was formed by the CVD method and the thickness of the insulating layer was 3000 nm.
- a piezoelectric thin film device having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows. That is, the piezoelectric thin-film resonators shown in FIGS. 1 and 2 were produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the insulating layer was changed to 500 nm.
- a piezoelectric thin film device (piezoelectric thin film resonator) having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows. That is, except that the thickness of the sacrificial layer was changed to 20 nm, the piezoelectric thin film resonator shown in FIGS.
- a piezoelectric thin film device having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows. That is, the piezoelectric thin-film resonator shown in FIGS. 1 and 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the sacrificial layer was 90 nm.
- the piezoelectric thin film device having the structure shown in FIGS. (Piezoelectric thin film resonator) was produced. That is, the piezoelectric thin-film resonators shown in FIGS. 1 and 2 were produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the sacrificial layer was set to 500 nm.
- a piezoelectric thin film device (piezoelectric thin film resonator) having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows. That is, except that the thickness of the sacrificial layer was set to 600 nm, the piezoelectric thin-film resonator shown in FIGS.
- a piezoelectric thin film device having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows. That is, FIGS. 1 and 2 are the same as those shown in Example 1 except that the insulating layer was formed by a CVD method, the material of the insulating layer was PSG (phosphorus-doped silicate glass), and the thickness of the insulating layer was 3000 nm. Were fabricated.
- a piezoelectric thin film device having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
- Example 1 is the same as Example 1 except that the insulating layer was formed by the CVD method, the material of the insulating layer was BPSG (phosphorus boron-doped silicate glass), the thickness of the insulating layer was 2500 nm, and the thickness of the sacrificial layer was 500 nm.
- the piezoelectric thin film shown in Figs. A film resonator was manufactured.
- the piezoelectric thin film device having the structure shown in FIGS.
- An A1N insulating layer of 500 nm was formed.
- a photoresist was applied to the upper surface of the Si wafer to form a lift-off pattern for the sacrificial layer as shown in FIG.
- An A1 layer having a thickness of 50 nm was formed as a sacrificial layer on the upper surface of the Si wafer by DC magnetron sputtering under a gas pressure of 0.5 Pa and no substrate heating, and then ultrasonic waves were applied in a resist stripper. Thereby, the sacrificial layer was patterned into a desired shape.
- a photoresist is applied to the upper surface of the Si wafer to form a lift-off pattern for the lower electrode as shown in FIG.
- An A1N piezoelectric thin film with a thickness of about 1500 nm was formed at a plate temperature of 300 ° C.
- the A1N piezoelectric thin film was patterned into a predetermined shape as shown in FIG. 1 by wet etching using heated phosphoric acid.
- a photoresist was applied, the resist was patterned into a predetermined shape using a photomask for the upper electrode, and a Mo layer having a thickness of about 300 nm was formed as an upper electrode by DC magnetron sputtering.
- the upper electrode was patterned into a shape as shown in FIG.
- via holes were formed as shown in FIG. 1 by a dry etching method using a mixed gas of C12 and Ar.
- immerse in hot phosphoric acid without stripping the photoresist, After etching off the A1N insulating layer located below the layer,
- piezoelectric thin film device piezoelectric thin film resonator
- a piezoelectric thin film device (piezoelectric thin film resonator) having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows. That is, except that the thickness of the sacrificial layer was set to 500 nm, a piezoelectric thin-film resonator shown in FIGS.
- a piezoelectric thin film device having the structure shown in FIGS.
- a 500-nm-thick Si layer was formed on both sides of a 300- ⁇ m-thick 6-inch Si wafer by thermal oxidation, and a photoresist was applied to the upper surface of the Si wafer. As shown
- a lift-off pattern for a sacrificial layer for forming a working space was formed.
- a 50 nm Ti layer is formed as a sacrificial layer on the upper surface of this Si wafer by DC magnetron sputtering under a gas pressure of 0.5 Pa and no substrate heating, and then ultrasonic waves are applied in a resist stripper.
- the sacrificial layer was patterned into a desired shape.
- a photoresist is applied to the upper surface of the Si wafer to form a lift-off pattern for the lower electrode as shown in FIG. 4, and a DC magnetron sputtering method is used under the conditions of 0.5 Pa gas pressure and no substrate heating.
- an A1N piezoelectric thin film having a thickness of about 1500 nm was formed.
- the A1N piezoelectric thin film was patterned into the predetermined shape shown in FIG. 4 by wet etching using heated phosphoric acid.
- a photoresist was applied and the resist was patterned into a predetermined shape, and then a Mo layer having a thickness of about 300 nm was formed as an upper electrode by DC magnetron sputtering.
- the upper electrode was patterned into the shape shown in Fig. 4 by applying ultrasonic waves in the resist stripping solution.
- a photoresist is applied to both surfaces of the wafer, a pattern for forming a via hole as shown in FIG. 4 is formed on the lower surface of the wafer, and the thermal oxide film on the lower surface of the wafer is patterned by dipping in a hydrofluoric acid buffer solution. . Furthermore, via holes were formed by etching the Si wafer by Deep RIE using SF6 and C4F8 gases alternately until the insulating layer (thermal oxide film) formed on the upper surface of the wafer was exposed. Next, the photoresist was immersed in a buffer solution to remove the photoresist, and the sacrificial layer and the insulating layer located below the sacrificial layer were removed by etching.
- piezoelectric thin film device piezoelectric thin film resonator
- a piezoelectric thin film device (piezoelectric thin film resonator) having the structure shown in FIGS. 4 and 5 was manufactured as follows. That is, the piezoelectric thin-film resonators shown in FIGS. 4 and 5 were produced in the same manner as in Embodiment 13 except that the thickness of the insulating layer was set to 2000 nm.
- the piezoelectric thin film device having the structure shown in FIGS.
- An A1N second insulating layer having a thickness of 300 nm was formed at a plate temperature of 300 ° C. Further, a photoresist is applied on the upper surface of the A1N second insulating layer to form a lift-off pattern for the lower electrode as shown in FIG. 7, and the gas pressure is 0.5 Pa by DC magnetron sputtering and the substrate is not heated. Under these conditions, a Mo layer of about 300 nm was formed as a lower electrode, and the lower electrode was patterned into a desired shape by applying ultrasonic waves in a resist stripper.
- A1N piezoelectric thin film of OOnm was formed. Subsequently, the A1N piezoelectric thin film was patterned into a predetermined shape shown in FIG. 7 by wet etching using heated phosphoric acid. Next, apply a photoresist, use a photomask for the upper electrode, pattern the resist into a predetermined shape, and form a Mo layer with a thickness of about 300 nm as the upper electrode by DC magnetron sputtering. did. By applying ultrasonic waves in the resist stripper, the upper electrode was patterned into the shape shown in FIG. Then, via holes as shown in FIG. 7 were formed by dry etching using a mixed gas of C12 and Ar. Next, the photoresist is immersed in a buffer solution to remove the photoresist, and the sacrificial layer and the SiO insulating layer located below the sacrificial layer are etched.
- piezoelectric thin film device piezoelectric thin film resonator
- a piezoelectric thin film device having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows. That is, the piezoelectric thin-film resonator shown in FIGS. 1 and 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the force did not form a sacrificial layer. However, even if the etching treatment was performed for a long time, a vibration space could not be formed below the piezoelectric laminated structure, and the electrical characteristics could not be evaluated at all.
- FIG. 1 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film device (piezoelectric thin film resonator) according to the present invention.
- FIG. 2 is a sectional view taken along line XX of FIG. 1.
- FIG. 3 is an explanatory view showing a cross-sectional view of a manufacturing process of the piezoelectric thin film device shown in FIGS. 1 and 2.
- FIG. 4 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film device (piezoelectric thin film resonator) according to the present invention.
- FIG. 5 is a sectional view taken along line XX of FIG. 4.
- FIG. 6 is an explanatory view showing a cross-sectional view of a manufacturing process of the piezoelectric thin-film device shown in FIGS. 4 and 5.
- FIG. 7 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film device (piezoelectric thin film resonator) according to the present invention.
- FIG. 8 is a sectional view taken along line XX of FIG. 7.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
基板（１１）の上面に特定化学物質でエッチングされる絶縁層（１２）を形成する工程と、絶縁層上の一部の領域に特定化学物質によるエッチング速度が絶縁層よりも大きい物質からなる犠牲層（１３）を形成する工程と、犠牲層を含む領域に下部電極（１５）を形成する工程と、下部電極の一部を含む領域に圧電体薄膜（１６）を形成する工程と、圧電体薄膜の一部を含む領域に上部電極（１７）を形成する工程と、犠牲層の一部が露出するように圧電体薄膜及び下部電極を貫通するビアホール（１８）を設ける工程と、ビアホールから特定化学物質を導入することによって犠牲層及び絶縁層を同一の特定化学物質でエッチングすることにより振動用空間（２０）を形成する工程とを含む。
Description
明 細 書
圧電薄膜デバイスの製造方法および圧電薄膜デバイス
技術分野
[0001] 本発明は、圧電体薄膜を利用した圧電薄膜共振器を単独または複数個組み合せ ることにより作製される圧電薄膜デバイスの製造方法に関するものであり、更に詳細 に記せば、通信機用フィルタ等に使用される圧電薄膜デバイスの製造方法およびそ れによって製造された圧電薄膜デバイスに関する。
背景技術
[0002] 圧電現象を応用したデバイス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 Acou stic Wave : SAW)デバイス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。
[0003] 一方、圧電体薄膜の厚み振動を利用した薄膜バルタ波共振器 (Thin Film Bulk
Acoustic Resonator：以下 FBAR)、積層型薄膜バルタ波共振器およびフィルタ (Stacked Thin Film Bulk Acoustic Resonators and Filters：以下 SBA R)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なる薄膜と、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。 FB AR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。
[0004] このような弾性波を利用した共振器、フィルタ等に応用される FBAR、 SBARなどの 圧電薄膜共振器は、以下のようにして製造される。
[0005] シリコンなどの半導体単結晶、シリコンウェハ上に形成された多結晶ダイヤモンド、 エリンバーなどの恒弾性金属などの基板上に、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、パターユングを行う。次に、湿式法に基づく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デ バイス単位に分離することにより圧電薄膜共振器を得る。
[0006] 例えば、従来知られている圧電薄膜共振器の製造方法の 1つは、基板の上面に下 地膜、下部電極、圧電体薄膜および上部電極を形成した後に、基板の下面側から振 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方法である（ 例えば、特許文献 1および 2参照）。基板がシリコンからなるものであれば、カロ熱 K〇H 水溶液を使用してシリコン基板の一部を裏面からエッチングして取り去ることにより、 ビアホールを形成する。これにより、シリコン基板の上面側において、圧電体薄膜が 複数の金属電極の間に挟み込まれた構造体の縁部をビアホールの周囲の部分で支 持した形態を有する共振器を作製できる。
[0007] しかしながら、 KOHなどのアルカリを使用した湿式エッチングを行うと、（111)面に 平行にエッチングが進行するため、（100)シリコン基板表面に対して 54. 7度の傾斜 でエッチングが進行し、隣り合う共振器の間の距離を著しく遠くにしなければならない 。例えば、厚さ 550 μ mのシリコンウェハの上に構成された約 150 μ m X 150 μ mの 平面寸法を有するデバイスは、約 930 μ m X 930 μ mの裏面側エッチング孔を必要 とし、隣り合う共振器の中心間距離は 930 / m以上になってしまう。このことは、圧電 薄膜共振器の集積化を妨げるば力りでなぐ隣り合う圧電薄膜共振器を接続する金 属電極が長くなり、その電気抵抗が大きくなるために、圧電薄膜共振器を複数個組 み合わせて作製される圧電薄膜デバイスの挿入損失が著しく大きくなるという問題が ある。また、開口部 930 x mというような大きなビアホールは破損しやすいばかりでな ぐ最終製品の取得量、即ち、基板上の圧電薄膜デバイスの歩留まりも制限を受け、 基板の約 1Z15の領域をデバイス生産に利用できるだけとなる。一方、複数個の共 振器にまたがるような大きなビアホールを形成することも考えられるが、ビアホールは ますます大きくなり、デバイスの強度が著しく低下して、更に破損しやすくなる。
[0008] 圧電薄膜デバイスに応用される FBAR、 SBARなどの圧電薄膜共振器を製造する
従来技術の第 2の方法は、空気ブリッジ式 FBARデバイスを作ることである（例えば、 特許文献 3、 4、及び 5参照）。通常、最初に犠牲層（Sacrificial layer)を設置し、 次にこの犠牲層の上に圧電薄膜共振器を製作する。プロセスの終わりまたは終わり 近くに、犠牲層を除去して、振動用空間を形成する。処理はすべて基板上面側で行 なわれるから、この方法は、基板両面におけるパターンの整列および大面積の基板 下面側開口部を必要としなレ、。
[0009] 前記特許文献 3には、犠牲層として燐ドープ珪酸ガラス（PSG)を使用した空気プリ ッジ式の FBARZSBARデバイスの構成と製造方法が記載されている。
[0010] し力、しながら、この方法にぉレ、ては、エッチングによる基板上面への空洞形成、熱 C VD (Chemical Vapor Deposition)法による基板上面側への犠牲層の堆積、 C MP (Chemical Mechanical Polishing)研磨による基板上面の平坦化および平 滑化、犠牲層上への下部電極、圧電体および上部電極の堆積とパターン形成という 一連の工程の後に、犠牲層まで貫通するビアホール（穴）を開け、基板上面側に形 成した圧電積層構造体をレジスト等で保護して、ビアホールを通してエッチング液を 浸透させることにより犠牲層を空洞から除去する、という長くて複雑な工程を必要とし 、パターン形成に使用するマスク数も大幅に増加する。製造工程が長くて複雑になる と、それ自体、デバイスの高コスト化をもたらすと共に、製品の歩留りが低下して、更 にデバイスを高コストなものにしてしまうという深刻な問題がある。
[0011] 前記特許文献 4には、空気ブリッジ式 FBARデバイスとして、金属やポリマーを犠牲 層として用いることにより、基板上面への空洞形成や CMP研磨による基板上面の平 ±旦化の工程を必要とせず、比較的単純な工程で振動用空間を形成する、空気ブリツ 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。
[0012] し力、しながら、 150 z m X 150 z m程度のサイズを有する圧電積層構造体を基板に 接触させず良好に振動用空間を形成するためには犠牲層の厚みが 2000nm程度 必要である。 2000nmの金属を堆積させると、犠牲層の表面は金属結晶の粒子成長 によって、表面粗さが悪化する。この犠牲層上に圧電積層構造体を形成すると、圧 電体薄膜自体の結晶配向性の低下にともなう電気機械結合係数 Kt2の低下や、圧 電積層構造体自体の表面粗さ増大にともなう共振尖鋭度 Qの低下を発生し、良好な
特性を有する圧電薄膜デバイスの作製が困難となる。犠牲層として、ポリマーを使用 することも記載されている力 良好な結晶配向性を有する圧電体薄膜を形成するた めには、通常、高真空中で 300°C以上の温度で圧電体薄膜を形成する必要が有る ため、ポリマーの安定性に問題がある。さらには、圧電積層構造体の端部に 2000η mもの屈曲が生じるため、圧電体薄膜へのクラックの発生や強度の低下など、信頼性 が著しく悪化するという深刻な問題がある。
[0013] 前記特許文献 5には、空気ブリッジ式 FBARデバイスとして、基板上面への空洞形 成や CMP研磨による基板上面の平坦化の工程を必要とせず、さらに圧電積層構造 体の端部における屈曲を小さくできる、空気ブリッジ式の FBARZSBARデバイスの 構成と製造方法が記載されてレ、る。
[0014] し力 ながら、この方法においては、あらかじめ犠牲層を第 1のエッチング液でエツ チングし、さらにその空隙を利用して第 2のエッチング液を導入し支持膜をエッチング し、振動用空間を形成するため、 2種類のエッチング液に耐性がある材料で構成する 必要があり、使用する材料が著しく制限されるばかりか、工程が複雑になり製造コスト が増大するという問題があった。また、犠牲層として、酸化マグネシウム、酸化亜鉛な どの物質を使用しているが、蒸着法などによりこれらの物質を成膜すると、犠牲層表 面の表面粗さが大きくて、その上に形成される下部電極、圧電体薄膜の結晶配向性 が悪化するという問題があった。例えば、厚さ 50nmの酸化マグネシウム薄膜の場合 、その表面粗さ（高さの RMS変動）は、通常 10nm以上となる。
[0015] 特許文献 1 :特開昭 58— 153412号公報
特許文献 2：特開昭 60 - 142607号公報
特許文献 3：特開 2000 - 69594号公報
特許文献 4：特表 2002—509644号公報
特許文献 5：特開 2003 - 32060号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0016] FBARおよび SBARは圧電積層構造体における圧電体の圧電効果により発生した 弾性波の伝播によって共振を得ているため、基板上の下部電極、圧電体薄膜、上部
電極などの結晶品質はもとより、振動用空間の形成の精度により、特性は大きく影響 される。さらに、圧電体薄膜の屈曲が大きいと圧電体薄膜の強度が低下し、信頼性が 著しく低下する。このため、特性に優れた、信頼性の高い圧電薄膜デバイスを安定し て得ることが著しく困難になってレヽる。
[0017] このような理由により、ギガへルツ帯域で十分な性能を発揮する圧電薄膜デバイス は、未だ得られていない。したがって、工程が単純で、特性に優れ、信頼性の高い圧 電薄膜デバイスの製造方法の確立と、それによつて製造された圧電薄膜デバイスの 実現が強く望まれている。
[0018] 本発明は、上記問題点を鑑みてなされたもので、本発明の目的は、工程が単純で 、圧電積層構造体の下方に良好に振動用空間を形成することができ、特性に優れ、 信頼性の高い圧電薄膜デバイスを製造する方法と、この方法により製造された圧電 薄膜デバイスを提供することである。 課題を解決するための手段
[0019] 本発明者は、以上のごとき目的を達成すベぐ振動用空間の形成方法について鋭 意検討した結果、基板にあらかじめ特定の化学物質でエッチングされる絶縁層を形 成し、振動用空間となる領域に前記特定の化学物質によるエッチング速度が前記絶 縁層よりも大きい物質力もなる犠牲層を形成し、その犠牲層のエッチング除去と該犠 牲層の下方に設けられた絶縁層の対応部分のエッチング除去とを、エッチング液とし て上記特定の化学物質を用いて行うことにより、振動用空間を形成することが、圧電 薄膜デバイスの高性能化と低コスト化の両面で最も好ましい解決手段であることを見 出した。
[0020] 即ち、本発明によれば、上記の目的を達成するものとして、
圧電体薄膜とその上下両面にそれぞれ形成された上部電極及び下部電極とを含ん でなる圧電積層構造体が基板により支持されており、前記圧電積層構造体の振動を 許容するように振動用空間が形成されている圧電薄膜デバイスを製造する方法であ つて、前記基板上面に特定の化学物質でエッチングされる絶縁層を形成する工程と 、前記絶縁層上の一部の領域に前記特定の化学物質によるエッチング速度が前記 絶縁層よりも大きい物質からなる犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の一部また
は全部を含む領域に下部電極を形成する工程と、前記下部電極の一部を含む領域 に圧電体薄膜を形成する工程と、前記圧電体薄膜の一部を含む領域に上部電極を 形成する工程と、前記犠牲層または前記犠牲層の下方に設けられた前記絶縁層の 一部が露出するようにビアホールを設ける工程と、前記ビアホールから前記特定の化 学物質を導入することによって前記犠牲層及びその下方に設けられた前記絶縁層を 同一の前記特定の化学物質でエッチングすることにより前記振動用空間を形成する 工程とを含むことを特徴とする圧電薄膜デバイスの製造方法、
が提供される。
[0021] 本発明の一態様においては、前記ビアホールは前記犠牲層の一部を露出するよう に前記下部電極、前記圧電体薄膜、および前記上部電極の少なくとも一層を貫通し て形成される。
[0022] 本発明の一態様においては、前記ビアホールは前記絶縁層の一部を露出するよう に前記基板を貫通して形成される。
[0023] 本発明の一態様においては、前記絶縁層の材質が珪酸ガラスまたは珪酸塩ガラス を主成分とするものであり、前記犠牲層の材質がチタンである。
[0024] 本発明の一態様においては、前記絶縁層の材質が窒化アルミニウムであり、前記 犠牲層の材質がアルミニウムである。
[0025] 本発明の一態様においては、圧電薄膜デバイスの製造方法は、前記犠牲層を形 成した後、前記犠牲層および前記絶縁層の上に追加して、前記特定の化学物質に よるエッチング速度が前記絶縁層よりも小さな物質からなる第 2の絶縁層を積層する 工程を含む。
[0026] 本発明の一態様においては、前記第 2の絶縁層の材質力 窒化アルミニウムまたは 窒化ケィ素を主成分とする窒化物または酸窒化物系絶縁体である。
[0027] 本発明の一態様においては、前記犠牲層の厚みが 20nm 600nm、好ましくは 2 Onm 90nmで ¾>る。
[0028] 本発明の一態様においては、前記犠牲層上面の表面粗さが高さの RMS変動で 5 nm以下である。
[0029] 本発明の一態様においては、前記絶縁層の厚みが 500nm 3000nmである。
[0030] 更に、本発明によれば、上記の目的を達成するものとして、
圧電体薄膜とその上下両面にそれぞれ形成された上部電極及び下部電極とを含 んでなる圧電積層構造体が絶縁層を介して基板により支持されており、前記圧電積 層構造体の振動を許容するように振動用空間が形成されている圧電薄膜デバイスで あって、前記下部電極の下面の表面粗さが高さの RMS変動で 5nm以下であると共 に、前記絶縁層の上面が、前記振動用空間における前記下部電極の下面よりも下 方であって、前記振動用空間の下面よりも上方に位置することを特徴とする圧電薄膜 デバイス、
が提供される。
[0031] 本発明の一態様においては、前記絶縁層の上面と前記振動用空間における前記 下部電極の下面との面間隔が 20nm— 600nm、好ましくは 20nm 90nmである。 また、本発明の一態様においては、前記絶縁層の上面と前記振動用空間の下面と の面間隔が 500nm— 3000nmである。
発明の効果
[0032] 以上のように、特定の化学物質でエッチングされる絶縁層と、該絶縁層より上記特 定の化学物質によるエッチング速度が大きい犠牲層とを組み合わせることにより、 C MPなどの研磨技術を用いることなぐ単純な工程で圧電積層構造体の下方に良好 に振動用空間を形成することができ、特性に優れた、信頼性の高い圧電薄膜デバィ スを安定に製造することが可能となる。さらに、本発明の圧電薄膜デバイスは、圧電 積層構造体の下方に良好な振動用空間を有するため、特性に優れ、信頼性が高い ので、得られた振動空間を有する圧電積層構造体を組合わせて、フィルタ、デュプレ クサなどの圧電薄膜デバイスを作製するのに好適である。
発明を実施するための最良の形態
[0033] 以下に、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
[0034] 図 1は本発明による圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器 10)の第 1の実施形態を 示す模式的平面図であり、図 2は図 1の X— X断面図である。なお、本発明の説明に おいて、上、下の方向は、図 2のように圧電薄膜デバイスを配置した場合の図の上方 向、下方向を示している。従って、上面、下面等の表現もこれらの方向に従うものとす
る。
[0035] これらの図において、圧電薄膜共振器 10は基板 11、該基板 11の上面に形成され た絶縁層 12、該絶縁層の一部を除去して形成した振動用空間 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は下部電極 15、該下部電極 15の一部を覆うようにして形成された圧電体薄膜 16および該圧電体薄膜 16の上に 形成された上部電極 17からなる。
[0036] 次に、これらの図に示される第 1の実施形態の製造方法を説明する。図 3 (a)—（e) は上記第 1の実施形態の一連の製造工程を図 2と同様な X— X断面で示した説明図 である。
[0037] 本実施形態では、まず、図 3 (a)に示されるように、基板 11上に絶縁層 12を形成す る。次に、図 3 (b)に示されるように、絶縁層 12上の振動用空間 20に対応した領域上 に、ある特定の化学物質によるエッチング速度が絶縁層 12より大きな犠牲層 13を形 成する。次に、図 3 (c)に示されるように、犠牲層 13と絶縁層 12の上に下部電極 15、 圧電体薄膜 16、上部電極 17からなる圧電積層構造体 14を形成する。次に、図 3 (d) に示されるように、圧電体層 16と下部電極 15を通して犠牲層 13の一部を露出するよ うにビアホール 18を設ける。次に、図 3 (e)に示されるように、このビアホールから犠牲 層及び絶縁層をエッチングするためのエッチング液（上記特定の化学物質）を導入 する。犠牲層 13は絶縁層 12に比べ、エッチング速度が大きな物質から選定されるの で、まず犠牲層 13が絶縁層 12よりも速くエッチング除去され、それにより形成される 空隙にエッチング液が良好に導入される。エッチング自体は等方性である力 犠牲 層 13の除去された空隙にエッチング液が面状に導入されるため、絶縁層 12は厚さ 方向のエッチングが主体になり、犠牲層 13の下方に位置する絶縁層 12の部分が良 好にエッチング除去される。犠牲層 13の端部に対応して位置する絶縁層 12の部分 は、エッチングが等方性であるため、さらに横方向にもエッチングされる力 その量は 絶縁層 12の厚さ程度であり、振動用空間 20は犠牲層 13が除去された部分とその下 方に位置した絶縁層の部分にほぼ限定される。このように、本発明では、同一のエツ チング液（特定の化学物質）により犠牲層と絶縁層とがエッチングされる。
[0038] 基板 11としては、 Si (100)などの単結晶ウエノ、、または SOI (Silicon on Insula
tor)ウェハを用いることができる。また、ヒ素化ガリウムなどの半導体単結晶ウェハ、さ らには石英ガラスなどの絶縁体基板を用いることも可能である。
[0039] 絶縁層 12としては、例えば珪酸ガラス（SiO )を主成分とする絶縁体膜ゃ窒化アル
2
ミニゥム (A1N)膜を用いることができる。ここで、主成分とは、膜中の含有量が 50当量
%以上である成分を指す。珪酸ガラスを主成分とする絶縁体膜の形成方法としては、 シリコンウェハを基板として用いる場合は熱酸化法による熱酸化膜の形成がまず挙 げられる。シリコンウェハの表面粗さは高さの RMS変動で 0. 3nm以下である。熱酸 化膜は、シリコンウェハの酸化により直接形成されるため、表面粗さはシリコンウェハ と同程度であり、あらかじめ犠牲層を堆積し、 CMP研磨技術で平坦ィ匕する方法と比 較しても、圧電積層構造体の表面粗さを小さくすることができるので好ましい。熱酸化 膜の他にも CVD (Chemical Vapor Deposition)法により堆積させた、珪酸ガラ ス、燐ドープ珪酸ガラス（PSG)、ホウ素ドープ珪酸ガラス（BSG)、燐ホウ素ドープ珪 酸ガラス（BPSG)等が選択される。また、窒化アルミニウム (A1N)膜は例えばスパッ タ法で形成することができる。窒化アルミニウム膜を絶縁層として使用することは、圧 電体薄膜として窒化アルミニウム膜を使用する場合、同一の成膜装置を利用できる ので都合が良い。
[0040] 絶縁層を高弾性率の窒化アルミニウム、窒化ケィ素を主成分とする絶縁材料で構 成することにより、その上に形成する圧電積層体の電気機械結合係数が大きくなつて 、得られる圧電薄膜デバイスの帯域幅を広げることができるば力りでなぐ共振尖鋭 度、 Q値が高くなつて、得られる圧電薄膜デバイスの減衰量を大きくすることができる 。また、絶縁層 12は単層からなるものであってもよいし、密着性を高めるための層や 、本来の絶縁層の成分を基板側へ拡散させなレ、ための保護層を付加した複数層か らなるものであってもよレ、。絶縁層 12の厚さは、 500nm力ら 3000nm程度力 S好まし レ、。 500nmより薄くなると、圧電積層構造体の橈みにより、その一部が基板に接触し 、特性に悪影響を与える可能性が著しく増加する。 3000nmを超えると、振動用空間 を形成するためエッチングする時間が長くなり、犠牲層端部に対応する絶縁層部分 の横方向へのエッチングが進行し、振動用空間の精度が低下するため、特性に悪影 響を与えるばかりか、下部電極の剥離により、圧電積層構造体の歩留まりが悪化する
犠牲層 13は、ある特定の化学物質によるエッチング速度が絶縁層 12のエッチング 速度に比べて大きレ、物質から選択される。絶縁層 12として珪酸ガラスまたは珪酸塩 ガラスを主成分とする絶縁層を用いる場合には、犠牲層 13の材質としてチタン (Ti) が好適に利用できる。珪酸塩ガラスとしては、燐ドープ珪酸ガラス（PSG)、ホウ素ド 一プ珪酸ガラス（BSG)、燐ホウ素ドープ珪酸ガラス（BPSG)を例示することができる 。この場合、エッチング液としてはふつ化水素酸やふつ化水素酸緩衝液を利用できる 。これらのエッチング液に対して、チタン (Ti)は、珪酸ガラスに比べ、数倍以上のエツ チング速度を有する。このため、犠牲層端部に対応して位置する絶縁層のエツチン グの横方向への広がりを少なくすることができ、振動用空間の形状を精度よく制御で きる。珪酸ガラスを主成分とする絶縁層を用いる場合のその他の犠牲層の材質として は、ゲルマニウム（Ge)を用いることができる。この場合、エッチング液としては、ふつ 化水素酸と過酸化水素水の混合溶液が好適に利用できる。また、絶縁層 12の材質 として窒化アルミニウムを用いる場合は、犠牲層 13の材質としてアルミニウムが好適 に利用できる。この場合のエッチング液は、加熱りん酸などが使用できる。また、犠牲 層 13は、単一の材質からなる層であってもよいし、絶縁層 12と接する最下層にエツ チング速度の大きな物質からなる層をもてば、 2層以上の複数層からなるものであつ てもよい。圧電薄膜共振器の特性は圧電体薄膜の結晶品質により大きく影響される ので、犠牲層の各層の材質を好適に選択することにより、下部電極 15および圧電体 薄膜 16の結晶品質を高めるのが好ましい。犠牲層 13の厚みは 20— 600nm、好まし くは 20— 90nmである。厚みが 20nmよりも薄くなると、エッチング液の浸透が遅ぐ 絶縁層をエッチングするのに長時間を要し、犠牲層の端部に対応して位置する絶縁 層の横方向へのエッチングが進み、振動用空間の精度が低下する。厚さが 90nm以 上になると、得られる圧電薄膜デバイスの共振特性が若干低下する傾向にある。さら に、厚さが 600nmを超えると、振動用空間を形成するのに要する時間は短縮され、 加工精度も向上するが、圧電積層構造体の端部の屈曲が大きくなるため、圧電体薄 膜のクラックの発生を伴いやすぐ信頼性が低下する。また、犠牲層 13を所定の形状 にパターユングする方法としては、ドライエッチングやウエットエッチングなどのフォトリ
ソグラフィー技術や、リフトオフ法を適宜使用することができる。
[0042] 下部電極 15は、スパッタ法ゃ蒸着法で形成された金属層、及び必要に応じて該金 属層と絶縁層 12及び犠牲層 13との間に形成される密着金属層を積層した金属層に より構成され、その厚さは、例えば 50— 500nmである。下部電極 15の材質としては 、特に限定はないが、金 (Au)、白金 (Pt)、チタン (Ti)、アルミニウム (A1)、モリブデ ン (Mo)、タングステン (W)、イリジウム（Ir)、ルテニウム（Ru)などが好適に利用され る。ただし、その材質は、単一の材質からなる犠牲層を用いる場合は、エッチング液 への耐性と、圧電体薄膜の結晶品質に悪影響を与えないように適宜選択する必要が ある。所定の形状にパターユングする方法としては、ドライエッチングやウエットエッチ ングなどのフォトリソグラフィー技術や、リフトオフ法を適宜使用することができる。
[0043] 圧電体薄膜 16の材質としては、窒化アルミニウム (A1N)、酸化亜鉛 (ZnO)、硫化 カドミウム（CdS)、チタン酸鉛（PT (PbTi〇））、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT (Pb (Zr
3
、Ti)〇））などが用いられる。特に A1Nは、弾性波の伝播速度が速ぐ高周波帯域で
3
動作する圧電薄膜共振器、圧電薄膜フィルタなどの圧電薄膜デバイス用の圧電体薄 膜として適している。その厚さは、例えば 500— 3000nmである。所定の形状にパタ 一二ングする方法としては、ドライエッチングやウエットエッチングなどのフォトリソダラ フィー技術を適宜使用することができる。
[0044] 上部電極 17としては、下部電極 15と同様にスパッタ法ゃ蒸着法などにより形成さ れた金属層が使用される。上部電極 17の材質としては、金 (Au)、白金 (Pt)、チタン (Ti)、アルミニウム（A1)、モリブデン（Mo)、タングステン (W)、タンタル (Ta)、イリジ ゥム (Ir)、ルテニウム (Ru)などが好適に利用される。また、密着性を高めるなどの理 由から、必要に応じて該金属層と圧電体薄膜 16の間に位置する密着金属層を積層 すること力 Sできる。上部電極 17の厚さは、密着層も含め例えば 50 500nmである。 所定の形状にパターニングする方法としては、下部電極 15と同様にドライエッチング やウエットエッチングなどのフォトリソグラフィー技術や、リフトオフ法が適宜使用される
[0045] ビアホール 18は、犠牲層 13の一部を露出させ、エッチング液が良好に導入される ように設けられる。本実施形態においては、ビアホール 18は犠牲層 13の 4隅に配置
されている力 S、特にこれに限定されるものではない。所望の形状のビアホールを加工 する方法は、ドライエッチングやウエットエッチングなどのフォトリソグラフィー技術を適 宜使用することができる。
[0046] 振動用空間 20の形成は、ビアホール 18からエッチング液を導入し、犠牲層 13とそ の下に配置された絶縁層 12をエッチング除去することにより行われる。このとき、エツ チング液の種類や圧電積層構造体 14の材質によっては、フォトレジストでビアホール 18以外の部分を保護することが必要である。フォトレジストとしては、エッチング液の 材質によって、ノボラック系や環化ゴム系などのものを適宜使用できる。
[0047] 図 4は本発明による圧電薄膜デバイスの第 2の実施形態を示す模式的平面図であ り、図 5は図 4の X— X断面図である。また、図 6 (a) （e)は、上記第 2の実施形態の 一連の製造工程を図 5と同様な X-X断面で示した説明図である。これらの図におい ては、上記図 1および図 2における部材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。
[0048] 本実施形態では、振動用空間 20を形成するための、犠牲層 13または犠牲層 13の 下方に位置する絶縁層 12の一部を露出するためのビアホールが基板 11の下面側 力 設けられている。基板下面側から、ビアホールを形成する方法としては、六ふつ 化硫黄（SF )などを用いたドライエッチング法や、 SFとフロン一 C318 (C F )ガスを
6 6 4 8 交互に用いる Deep RIE法が適用できる。本実施形態では、ビアホールは絶縁層 1 3の一部が露出するのみであるが、第 1の実施形態に比べビアホールが大きくできる ため、振動用空間 20を形成するためのエッチング時間は、第 1の実施形態に比べむ しろ短縮される。また、エッチング液が犠牲層 13まで到達すると、犠牲層 13が瞬時に エッチングされるため、振動用空間 20の位置はビアホール 18の形状によらず、犠牲 層 13の下方にほぼ限定される。
[0049] 図 7は本発明による圧電薄膜デバイスの第 3の実施形態を示す模式的平面図であ り、図 8は図 7の X— X断面図である。これらの図においては、上記図 1および図 2にお ける部材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。
[0050] 本実施形態では、基板 11上に第 1の絶縁層 12を形成した後、第 1の絶縁層 12上 の振動用空間 20に対応した領域上に、ある特定の化学物質によるエッチング速度が
第 1の絶縁層 12より大きな犠牲層（上記実施形態の犠牲層 13と同様のもの）を形成 する。次に、この犠牲層と第 1の絶縁層 12の上に追加して、第 1の絶縁層 12と異なる 材質の第 2の絶縁層 12'を積層する。この第 2の絶縁層 12'の上に、下部電極 15、 圧電体薄膜 16、上部電極 17からなる圧電積層構造体 14を形成する。次に、圧電体 層 16、下部電極 15および第 2の絶縁層 12 'を通して犠牲層 13の一部を露出するよ うにビアホール 18を設け、このビアホールから犠牲層及び絶縁層をエッチングするた めのエッチング液を導入する。犠牲層は絶縁層 12に比べ、エッチング速度が大きな 物質から選定されるので、まず犠牲層 13が絶縁層 12よりも速くエッチング除去され、 それにより形成される空隙にエッチング液が良好に導入される。エッチング自体は等 方性であるが、犠牲層 13の除去された空隙にエッチング液が面状に導入されるため 、絶縁層 12は厚さ方向のエッチングが主体になり、犠牲層 13の下方に位置する絶 縁層 12の部分が良好にエッチング除去される。犠牲層 13の端部に対応して位置す る絶縁層 12の部分は、エッチングが等方性であるため、さらに横方向にもエッチング される力 その量は絶縁層 13の厚さ程度であり、振動用空間 20は犠牲層が除去され た部分とその下方に位置した絶縁層の部分にほぼ限定される。第 2の絶縁層 12'に は、ある特定の化学物質によるエッチング速度が第 1の絶縁層 12よりも小さな絶縁材 料を選択することにより、所望の形状の振動用空間 20を形成することができる。この ように、本発明では、同一のエッチング液（特定の化学物質）により犠牲層と絶縁層と がエッチングされる。
[0051] 第 2の絶縁層 12'の材料としては、窒化アルミニウムまたは窒化ケィ素を主成分とす る窒化物、または酸窒化物系絶縁体を好適に使用することができる。
[0052] 以上、第 1、第 2および第 3の実施形態で説明したように、ある特定の化学物質でェ ツチングされる絶縁層と、該絶縁層より上記特定の化学物質に対するエッチング速度 が大きな犠牲層とを組み合わせることにより、 CMPなどの研磨技術を用いることなぐ 絶縁層と犠牲層とを一度のエッチング操作で除去でき、単純な工程で圧電積層構造 体の下方に良好に振動用空間を形成することができる。また、圧電積層構造体の端 部の屈曲を小さく抑えることができるため、圧電体薄膜へのクラックの発生を防ぐこと ができ、特性に優れた、信頼性の高い圧電積層構造体を作製して、これを組合わせ
ることにより、フィルタ、デュプレクサなどの圧電薄膜デバイスを安定に製造することが 可能となる。
[0053] 上記のようにして製造された圧電薄膜デバイスは、基板と、該基板の上面に形成さ れた絶縁層と、該絶縁層に形成された振動用空間と、前記絶縁層により支持され前 記振動用空間上に配置された圧電積層構造体とを有しており、該圧電積層構造体 は、圧電体薄膜とその両面にそれぞれ形成された電極とを含み、前記振動用空間は 前記圧電積層構造体の振動を許容するように形成されてレ、る圧電薄膜デバイスであ つて、前記絶縁層の上面が、前記振動用空間にて、 P 接する前記下部電極の下面 よりも下方であって、前記振動用空間の下面よりも上方に位置している。ここで、前記 下部電極の下面の表面粗さとしての高さの RMS変動が 5nm以下であると、圧電体 薄膜自体の結晶配向性の低下にともなう電気機械結合係数 Kt2の低下や、圧電積 層構造体自体の表面粗さ増大にともなう共振尖鋭度 Qの低下が起こりにくいので好 ましい。
[0054] さらに、前記絶縁層の上面と前記振動用空間における前記下部電極の下面との面 間隔は 20nm— 600nm、好ましくは 20nm— 90nmであることが望ましレ、。また、好ま しくは、前記絶縁層の上面と前記振動用空間の下面との面間隔が 500nm— 3000η mである圧電薄膜デバイスである。
[0055] 本発明の圧電薄膜デバイスは、圧電積層構造体の下方に良好に振動用空間を有 するため、特性に優れ、信頼性が高い。
実施例
[0056] 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。
[0057] (実施例 1)
本実施例では、以下のようにして、図 1、 2に示されている構造の圧電薄膜デバイス
(圧電薄膜共振器)を作製した。
[0058] すなわち、厚さ 625 μ mの 6インチ Siウェハの両面に、絶縁層として熱酸化法により 厚さ 2000nmの Si〇層を形成した後、 Siウェハ上面にフォトレジストを塗布し、図 1に
2
示すごとき振動用空間を形成するための犠牲層用のリフトオフパターンを形成した。 この Siウェハの上面側に、 DCマグネトロンスパッタ法により、ガス圧 0. 5Pa、基板加
熱なしの条件で、犠牲層として 50nmの Ti層を形成したのち、レジスト剥離液中で超 音波を印加することにより犠牲層を所望の形状にパターンィ匕した。次に、この Siゥェ ハの上面に、フォトレジストを塗布し、図 1に示すごとき下部電極用のリフトオフパター ンを形成し、 DCマグネトロンスパッタ法により、ガス圧 0. 5Pa、基板加熱なしの条件 で、下部電極として約 300nmの Mo層を形成し、レジスト剥離液中で超音波を印加 することにより下部電極を所望の形状にパターン化した。次に、純度 99. 999%の A1 ターゲットを用レ、、反応性マグネトロンスパッタ法により、全ガス圧 0. 5Pa、ガス組成 A r/N = 1/1,基板温度 300°Cの条件で、厚さ約 1500nmの A1N圧電体薄膜を形
2
成した。次に、加熱りん酸を使用した湿式エッチングにより、 A1N圧電体薄膜を図 1に 示す所定の形状にパターン化した。続いて、フォトレジストを塗布し、上部電極用のフ オトマスクを用い、所定の形状にレジストをパターン化した後、 DCマグネトロンスパッ タ法により、上部電極として厚さ約 300nmの Mo層を形成した。さらに、レジスト剥離 液中で超音波を印加することにより、上部電極を図 1に示すごとき形状にパターンィ匕 した。次に、 C1と Arの混合ガスを用いたドライエッチング法により、図 1に示すごとき
2
ビアホールを形成した。次に、フォトレジストを剥離させることなぐふつ酸緩衝液に浸 漬し、犠牲層と犠牲層の下方に位置する絶縁層をエッチング除去したのち、 Oブラ
2 ズマ中でレジストをアツシング除去することにより、振動用空間を作製した。以上の製 造工程により、 6インチ Siウェハ上面に圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器)を作製 した。
[0059] 6インチ Siウェハ内に形成した圧電薄膜共振器の電気特性をネットワークアナライ ザを用いて評価した。共振器の I/O端子には GSGマイクロプローバを接触させた。
[0060] 本実施例における絶縁層の形成方法、材質および厚さ、犠牲層の材質および厚さ 、また得られた圧電薄膜共振器の電気機械結合係数 Kt2、共振尖鋭度 Q、および不 良率は表 1に示す通りであり、 Kt2 = 6. 4%、 Q = 1250であり、不良率は 0. 1 %であ つた。ここで、不良率とは、正常な共振波形を示さない圧電薄膜共振器の個数をゥェ ハ上に形成された全ての圧電薄膜共振器の個数で除したものである。主として、この 不良は、圧電積層構造体端部でのクラックの発生、犠牲層端部に対応する絶縁層部 分の横方向のエッチング量増大に伴う下部電極の一部の剥離、さらに、圧電積層構
造体の一部が基板に物理的に接触することにより発生したものである。
[0061] [表 1]
[0062] (実施例 2)
本実施例では、以下のようにして、図 1 2に示されている構造の圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器)を作製した。すなわち、絶縁層の厚さを lOOOnmとした以外は実 施例 1に示す方法と同様な方法で図 1 2に示す圧電薄膜共振器を作製した。
[0063] 本実施例における絶縁層の形成方法、材質および厚さ、犠牲層の材質および厚さ 、また得られた圧電薄膜共振器の電気機械結合係数 Kt2、共振尖鋭度 Q、および不 良率は表 1に示す通りであり、 Kt2=6. 2% Q = 1300であり、不良率は 0. 4%であ つに。
[0064] (実施例 3)
本実施例では、以下のようにして、図 1 2に示されている構造の圧電薄膜デバイス
(圧電薄膜共振器)を作製した。すなわち、絶縁層の形成方法を CVD法とし、および 絶縁層の厚さを 3000nmとした以外は実施例 1に示す方法と同様な方法で図 1 2に 示す圧電薄膜共振器を作製した。
[0065] 本実施例における絶縁層の形成方法、材質および厚さ、犠牲層の材質および厚さ
、また得られた圧電薄膜共振器の電気機械結合係数 Kt2、共振尖鋭度 Q、および不
良率は表 1に示す通りであり、 Kt2=6. 5%、 Q = 1070であり、不良率は 0. 3%であ つに。
[0066] (実施例 4)
本実施例では、以下のようにして、図 1、 2に示されている構造の圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器)を作製した。すなわち、絶縁層の厚さを 500nmとした以外は実施 例 1に示す方法と同様な方法で図 1、 2に示す圧電薄膜共振器を作製した。
[0067] 本実施例における絶縁層の形成方法、材質および厚さ、犠牲層の材質および厚さ 、また得られた圧電薄膜共振器の電気機械結合係数 Kt2、共振尖鋭度 Q、および不 良率は表 1に示す通りであり、 Kt2 = 6. 2%、 Q = 1360であり、不良率は 2. 5%であ つた。
[0068] (実施例 5)
本実施例では、以下のようにして、図 1、 2に示されている構造の圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器)を作製した。すなわち、犠牲層の厚さを 20nmとした以外は実施 例 1に示す方法と同様な方法で図 1、 2に示す圧電薄膜共振器を作製した。
[0069] 本実施例における絶縁層の形成方法、材質および厚さ、犠牲層の材質および厚さ 、また得られた圧電薄膜共振器の電気機械結合係数 Kt2、共振尖鋭度 Q、および不 良率は表 1に示す通りであり、 Kt2=6. 4%、 Q = 1100であり、不良率は 1. 0%であ つに。
[0070] (実施例 6)
本実施例では、以下のようにして、図 1、 2に示されている構造の圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器)を作製した。すなわち、犠牲層の厚さを 90nmとした以外は実施 例 1に示す方法と同様な方法で図 1、 2に示す圧電薄膜共振器を作製した。
[0071] 本実施例における絶縁層の形成方法、材質および厚さ、犠牲層の材質および厚さ 、また得られた圧電薄膜共振器の電気機械結合係数 Kt2、共振尖鋭度 Q、および不 良率は表 1に示す通りであり、 Kt2 = 6. 4%、 Q = 1310であり、不良率は 0. 4%であ つた。
[0072] (実施例 7)
本実施例では、以下のようにして、図 1、 2に示されている構造の圧電薄膜デバイス
(圧電薄膜共振器)を作製した。すなわち、犠牲層の厚さを 500nmとした以外は実施 例 1に示す方法と同様な方法で図 1、 2に示す圧電薄膜共振器を作製した。
[0073] 本実施例における絶縁層の形成方法、材質および厚さ、犠牲層の材質および厚さ 、また得られた圧電薄膜共振器の電気機械結合係数 Kt2、共振尖鋭度 Q、および不 良率は表 1に示す通りであり、 Kt2 = 5. 8%、 Q = 890であり、不良率は 2. 8%であつ た。
[0074] (実施例 8)
本実施例では、以下のようにして、図 1、 2に示されている構造の圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器)を作製した。すなわち、犠牲層の厚さを 600nmとした以外は実施 例 1に示す方法と同様な方法で図 1、 2に示す圧電薄膜共振器を作製した。
[0075] 本実施例における絶縁層の形成方法、材質および厚さ、犠牲層の材質および厚さ 、また得られた圧電薄膜共振器の電気機械結合係数 Kt2、共振尖鋭度 Q、および不 良率は表 1に示す通りであり、 Kt2= 5. 6%、 Q = 800であり、不良率は 4. 5%であつ た。
[0076] (実施例 9)
本実施例では、以下のようにして、図 1、 2に示されている構造の圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器)を作製した。すなわち、絶縁層の形成方法を CVD法、絶縁層の 材質を PSG (燐ドープ珪酸ガラス）、絶縁層の厚さを 3000nmとした以外は実施例 1 に示す方法と同様な方法で図 1、 2に示す圧電薄膜共振器を作製した。
[0077] 本実施例における絶縁層の形成方法、材質および厚さ、犠牲層の材質および厚さ 、また得られた圧電薄膜共振器の電気機械結合係数 Kt2、共振尖鋭度 Q、および不 良率は表 1に示す通りであり、 Kt2 = 6. 5%、 Q = 1020であり、不良率は 0. 1 %であ つた。
[0078] (実施例 10)
本実施例では、以下のようにして、図 1、 2に示されている構造の圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器)を作製した。すなわち、絶縁層の形成方法を CVD法、絶縁層の 材質を BPSG (燐ほう素ドープ珪酸ガラス）、絶縁層の厚さを 2500nm、犠牲層の厚 さを 500nmとした以外は実施例 1に示す方法と同様な方法で図 1、 2に示す圧電薄
膜共振器を作製した。
[0079] 本実施例における絶縁層の形成方法、材質および厚さ、犠牲層の材質および厚さ 、また得られた圧電薄膜共振器の電気機械結合係数 Kt2、共振尖鋭度 Q、および不 良率は表 1に示す通りであり、 Kt2 = 5. 7%、 Q = 940であり、不良率は 2. 8%であつ た。
[0080] (実施例 11)
本実施例では、以下のようにして、図 1、 2に示されている構造の圧電薄膜デバイス
(圧電薄膜共振器)を作製した。
[0081] すなわち、厚さ 625 μ mの 6インチ Siウェハの上面に、 DCマグネトロンスパッタ法に より、全ガス圧 0. 5Pa、ガス組成 ArZN = 1/1,基板温度 300°Cの条件で、厚さ 1
2
500nmの A1N絶縁層を形成した。次いで、 Siウェハ上面にフォトレジストを塗布し、 図 1に示すごとき犠牲層用のリフトオフパターンを形成した。この Siウェハの上面側に 、 DCマグネトロンスパッタ法により、ガス圧 0. 5Pa、基板加熱なしの条件で、犠牲層 として厚さ 50nmの A1層を形成したのち、レジスト剥離液中で超音波を印加すること により犠牲層を所望の形状にパターンィ匕した。次に、この Siウェハの上面に、フオトレ ジストを塗布し、図 1に示すごとき下部電極用のリフトオフパターンを形成し、 DCマグ ネトロンスパッタ法により、ガス圧 0. 5Pa、基板加熱なしの条件で、下部電極として厚 さ約 300nmの Mo層を形成し、レジスト剥離液中で超音波を印加することにより下部 電極を所望の形状にパターン化した。次に、純度 99. 999%の A1ターゲットを用レ、、 反応性マグネトロンスパッタ法により、全ガス圧 0. 5Pa、ガス組成 Ar/N = 1/1、基
2 板温度 300°Cの条件で、厚さ約 1500nmの A1N圧電体薄膜を形成した。次に、加熱 りん酸を使用した湿式エッチングにより、 A1N圧電体薄膜を図 1に示す所定の形状に パターン化した。続いて、フォトレジストを塗布し、上部電極用のフォトマスクを用い、 所定の形状にレジストをパターン化した後、 DCマグネトロンスパッタ法により、上部電 極として厚さ約 300nmの Mo層を形成した。さらに、レジスト剥離液中で超音波を印 加することにより、上部電極を図 1に示すごとき形状にパターン化した。次に、 C12と A rの混合ガスを用いたドライエッチング法により、図 1に示すごときビアホールを形成し た。次に、フォトレジストを剥離させることなぐ加熱りん酸中に浸漬し、犠牲層と犠牲
層の下方に位置する A1N絶縁層をエッチング除去したのち、〇プラズマ中でレジスト
2
をアツシング除去することにより、振動用空間を作製した。以上の製造工程により、 6 インチ Siウェハ上面に圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器)を作製した。
[0082] 本実施例における絶縁層の形成方法、材質および厚さ、犠牲層の材質および厚さ 、また得られた圧電薄膜共振器の電気機械結合係数 Kt2、共振尖鋭度 Q、および不 良率は表 1に示す通りであり、 Kt2 = 6. 7%、 Q = 1100であり、不良率は 0. 3%であ つた。
[0083] (実施例 12)
本実施例では、以下のようにして、図 1、 2に示されている構造の圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器)を作製した。すなわち、犠牲層の厚さを 500nmとした以外は実施 例 11に示す方法と同様な方法で図 1、 2に示す圧電薄膜共振器を作製した。
[0084] 本実施例における絶縁層の形成方法、材質および厚さ、犠牲層の材質および厚さ 、また得られた圧電薄膜共振器の電気機械結合係数 Kt2、共振尖鋭度 Q、および不 良率は表 1に示す通りであり、 Kt2= 5. 9%、 Q = 860であり、不良率は 3. 1%であつ た。
[0085] (実施例 13)
本実施例では、以下のようにして、図 4、 5に示されている構造の圧電薄膜デバイス
(圧電薄膜共振器)を作製した。
[0086] すなわち、厚さ 300 μ mの 6インチ Siウェハの両面に、熱酸ィ匕法により厚さ 500nm の Si〇層を形成した後、 Siウェハ上面にフォトレジストを塗布し、図 4に示すごとき振
2
動用空間を形成するための犠牲層用のリフトオフパターンを形成した。この Siウェハ の上面側に、 DCマグネトロンスパッタ法により、ガス圧 0. 5Pa、基板加熱なしの条件 で、犠牲層として 50nmの Ti層を形成したのち、レジスト剥離液中で超音波を印加す ることにより犠牲層を所望の形状にパターン化した。次に、この Siウェハの上面に、フ オトレジストを塗布し、図 4に示すごとき下部電極用のリフトオフパターンを形成し、 D Cマグネトロンスパッタ法により、ガス圧 0. 5Pa、基板加熱なしの条件で、下部電極と して約 300nmの Mo層を形成し、レジスト剥離液中で超音波を印加することにより下 部電極を所望の形状にパターン化した。次に、純度 99. 999%の A1ターゲットを用
レ、、反応性マグネトロンスパッタ法により、全ガス圧 0· 5Pa、ガス組成 Ar/N = 1/1
2
、基板温度 300°Cの条件で、厚さ約 1500nmの A1N圧電体薄膜を形成した。次に、 加熱りん酸を使用した湿式エッチングにより、 A1N圧電体薄膜を図 4に示す所定の形 状にパターンィ匕した。続いて、フォトレジストを塗布し、所定の形状にレジストをパター ン化した後、 DCマグネトロンスパッタ法により、上部電極として厚さ約 300nmの Mo 層を形成した。さらに、レジスト剥離液中で超音波を印加することにより、上部電極を 図 4に示すごとき形状にパターン化した。次に、ウェハ両面にフォトレジストを塗布し、 ウェハ下面側に図 4に示すごときビアホール形成用のパターンを形成し、ふつ酸緩衝 液に浸漬することによりウェハ下面側の熱酸化膜をパターンィ匕した。さらに、 SF6と C 4F8ガスを交互に用いる Deep RIE法により、ウェハ上面側に形成された絶縁層（ 熱酸化膜）が露出するまで、 Siウェハをエッチングすることにより、ビアホールを形成 した。次いで、フォトレジストを剥離させることなぐふつ酸緩衝液に浸漬し、犠牲層と 犠牲層の下方に位置する絶縁層をエッチング除去した。続いて、ウェハ両面のフォト レジストを 02プラズマ中でアツシング除去することにより、振動用空間を作製した。以 上の製造工程により、 6インチ Siウェハ上面に圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器） を作製した。
[0087] 本実施例における絶縁層の形成方法、材質および厚さ、犠牲層の材質および厚さ 、また得られた圧電薄膜共振器の電気機械結合係数 Kt2、共振尖鋭度 Q、および不 良率は表 1に示す通りであり、 Kt2=6. 2%、 Q = 1350であり、不良率は 0. 3%であ つに。
[0088] (実施例 14)
本実施例では、以下のようにして、図 4、 5に示されている構造の圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器)を作製した。すなわち、絶縁層の厚さを 2000nmとした以外は実 施例 13に示す方法と同様な方法で図 4、 5に示す圧電薄膜共振器を作製した。
[0089] 本実施例における絶縁層の形成方法、材質および厚さ、犠牲層の材質および厚さ 、また得られた圧電薄膜共振器の電気機械結合係数 Kt2、共振尖鋭度 Q、および不 良率は表 1に示す通りであり、 Kt2 = 6. 4%、 Q = 1220であり、不良率は 0. 2%であ つた。
[0090] (実施例 15)
本実施例では、以下のようにして、図 7、 8に示されている構造の圧電薄膜デバイス
(圧電薄膜共振器)を作製した。
[0091] すなわち、厚さ 625 μ mの 6インチ Siウェハの両面に、絶縁層として熱酸化法により 厚さ 2000nmの Si〇層を形成した後、 Siウェハ上面にフォトレジストを塗布し、図 7に
2
示すごとき犠牲層用のリフトオフパターンを形成した。この Siウェハの上面側に、 DC マグネトロンスパッタ法により、ガス圧 0. 5Pa、基板加熱なしの条件で、犠牲層として 50nmの Ti層を形成したのち、レジスト剥離液中で超音波を印加することにより犠牲 層を所望の形状にパターン化した。次に、厚さ 625 x mの 6インチ Siウェハの上面に 、 DCマグネトロンスパッタ法により、全ガス圧 0. 5Pa、ガス組成 Ar/N = 1/1、基
2
板温度 300°Cの条件で、厚さ 300nmの A1N第 2絶縁層を形成した。さらに、この A1 N第 2絶縁層の上面に、フォトレジストを塗布し、図 7に示すごとき下部電極用のリフト オフパターンを形成し、 DCマグネトロンスパッタ法により、ガス圧 0. 5Pa、基板加熱 なしの条件で、下部電極として約 300nmの Mo層を形成し、レジスト剥離液中で超音 波を印加することにより下部電極を所望の形状にパターンィ匕した。下部電極パターン 形成後、純度 99. 999%の A1ターゲットを用い、反応性マグネトロンスパッタ法により 、全ガス圧 0. 5Pa、ガス組成 Ar/N = 1/1、基板温度 300°Cの条件で、厚さ約 15
2
OOnmの A1N圧電体薄膜を形成した。続いて、加熱りん酸を使用した湿式エッチング により、 A1N圧電体薄膜を図 7に示す所定の形状にパターンィ匕した。次に、フォトレジ ストを塗布し、上部電極用のフォトマスクを用レ、、所定の形状にレジストをパターン化 した後、 DCマグネトロンスパッタ法により、上部電極として厚さ約 300nmの Mo層を 形成した。レジスト剥離液中で超音波を印加することにより、上部電極を図 7に示すご とき形状にパターン化した。その後、 C12と Arの混合ガスを用いたドライエッチング法 により、図 7に示すごときビアホールを形成した。次に、フォトレジストを剥離させること なぐふつ酸緩衝液に浸漬し、犠牲層と犠牲層の下方に位置する SiO絶縁層をエツ
2
チング除去した後、〇2プラズマ中でレジストをアツシング除去することにより、振動用 空間を作製した。以上の製造工程により、 6インチ Siウェハ上面に圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器)を作製した。
[0092] 本実施例における絶縁層の形成方法、材質および厚さ、犠牲層の材質および厚さ 、また得られた圧電薄膜共振器の電気機械結合係数 Kt2、共振尖鋭度 Q、および不 良率は表 1に示す通りであり、 Kt2=6. 5%、 Q = 1260であり、不良率は 0. 5%であ つた。
[0093] (比較例 1)
本比較例では、以下のようにして、図 1、 2に示されている構造の圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器)を作製した。すなわち、犠牲層を形成しな力 た以外は実施例 1 に示す方法と同様な方法で図 1、 2に示す圧電薄膜共振器を作製した。しかしながら 、長時間エッチング処理しても、圧電積層構造体の下方に振動用空間が形成できず 、電気的特性は全く評価できなかった。
図面の簡単な説明
[0094] [図 1]本発明による圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器)の実施形態を示す模式的 平面図である。
[図 2]図 1の X— X断面図である。
[図 3]図 1、図 2に示す圧電薄膜デバイスの製造工程を断面図で示した説明図である
[図 4]本発明による圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器)の実施形態を示す模式的 平面図である。
[図 5]図 4の X— X断面図である。
[図 6]図 4、図 5に示す圧電薄膜デバイスの製造工程を断面図で示した説明図である
[図 7]本発明による圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器)の実施形態を示す模式的 平面図である。
[図 8]図 7の X— X断面図である。
符号の説明
[0095] 10 圧電薄膜デバイス (圧電薄膜共振器）
11 基板
12 絶縁層
'第 2の絶縁層 犠牲層 圧電積層構造体 下部電極 圧電体薄膜 上部電極 ビアホール 振動用空間
Claims
[1] 圧電体薄膜とその上下両面にそれぞれ形成された上部電極及び下部電極とを含 んでなる圧電積層構造体が基板により支持されており、前記圧電積層構造体の振動 を許容するように振動用空間が形成されている圧電薄膜デバイスを製造する方法で あって、前記基板上面に特定の化学物質でエッチングされる絶縁層を形成する工程 と、前記絶縁層上の一部の領域に前記特定の化学物質によるエッチング速度が前 記絶縁層よりも大きい物質からなる犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の一部ま たは全部を含む領域に下部電極を形成する工程と、前記下部電極の一部を含む領 域に圧電体薄膜を形成する工程と、前記圧電体薄膜の一部を含む領域に上部電極 を形成する工程と、前記犠牲層または前記犠牲層の下方に設けられた前記絶縁層 の一部が露出するようにビアホールを設ける工程と、前記ビアホールから前記特定の 化学物質を導入することによって前記犠牲層及びその下方に設けられた前記絶縁 層を同一の前記特定の化学物質でエッチングすることにより前記振動用空間を形成 する工程とを含むことを特徴とする圧電薄膜デバイスの製造方法。
[2] 前記ビアホールは前記犠牲層の一部を露出するように前記下部電極、前記圧電体 薄膜、および前記上部電極の少なくとも一層を貫通して形成されることを特徴とする 請求項 1記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
[3] 前記ビアホールは前記絶縁層の一部を露出するように前記基板を貫通して形成さ れることを特徴とする請求項 1記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
[4] 前記絶縁層の材質が珪酸ガラスまたは珪酸塩ガラスを主成分とするものであり、前 記犠牲層の材質がチタンであることを特徴とする請求項 1に記載の圧電薄膜デバィ スの製造方法。
[5] 前記絶縁層の材質が窒化アルミニウムであり、前記犠牲層の材質がアルミニウムで あることを特徴とする請求項 1に記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
[6] 前記犠牲層を形成した後、前記犠牲層および前記絶縁層の上に追加して、前記特 定の化学物質によるエッチング速度が前記絶縁層よりも小さな物質からなる第 2の絶 縁層を積層する工程を含むことを特徴とする、請求項 1に記載の圧電薄膜デバイス の製造方法。
[7] 前記第 2の絶縁層の材質が、窒化アルミニウムまたは窒化ケィ素を主成分とする窒 化物または酸窒化物系絶縁体であることを特徴とする請求項 6記載の圧電薄膜デバ イスの製造方法。
[8] 前記犠牲層の厚みが 20nm 600nmであることを特徴とする請求項 1に記載の圧 電薄膜デバイスの製造方法。
[9] 前記犠牲層の厚みが 20nm 90nmであることを特徴とする請求項 1に記載の圧 電薄膜デバイスの製造方法。
[10] 前記犠牲層上面の表面粗さが高さの RMS変動で 5nm以下であることを特徴とする 請求項 1に記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
[11] 前記絶縁層の厚みが 500nm 3000nmであることを特徴とする請求項 1に記載の 圧電薄膜デバイスの製造方法。
[12] 圧電体薄膜とその上下両面にそれぞれ形成された上部電極及び下部電極とを含 んでなる圧電積層構造体が絶縁層を介して基板により支持されており、前記圧電積 層構造体の振動を許容するように振動用空間が形成されている圧電薄膜デバイスで あって、前記下部電極の下面の表面粗さが高さの RMS変動で 5nm以下であると共 に、前記絶縁層の上面が、前記振動用空間における前記下部電極の下面よりも下 方であって、前記振動用空間の下面よりも上方に位置することを特徴とする圧電薄膜 デバイス。
[13] 前記絶縁層の上面と前記振動用空間における前記下部電極の下面との面間隔が 20nm— 600nmであることを特徴とする請求項 12記載の圧電薄膜デバイス。
[14] 前記絶縁層の上面と前記振動用空間における前記下部電極の下面との面間隔が 20nm 90nmであることを特徴とする請求項 12記載の圧電薄膜デバイス。
[15] 前記絶縁層の上面と前記振動用空間の下面との面間隔が 500nm 3000nmで あることを特徴とする請求項 12に記載の圧電薄膜デバイス。
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