WO2022202615A1 - 弾性バルク波装置 - Google Patents

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哲也 木村
健太郎 中村
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株式会社村田製作所
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    • H03H9/172—Means for mounting on a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
    • H03H9/173—Air-gaps

Definitions

  • the present invention relates to an acoustic bulk wave device using an aluminum nitride film containing scandium.
  • Patent Document 1 discloses a BAW device using an aluminum nitride film to which scandium is added.
  • Patent Document 2 listed below also discloses an elastic bulk wave device having a similar structure.
  • An object of the present invention is to provide an acoustic bulk wave device using an ScAlN film whose characteristics are less likely to deteriorate.
  • An acoustic bulk wave device includes a first electrode, a scandium-containing aluminum nitride film provided on the first electrode, and a scandium-containing aluminum nitride film provided on the scandium-containing aluminum nitride film. a second electrode overlapping the first electrode with the scandium-containing aluminum nitride film interposed therebetween; and a substrate supporting the scandium-containing aluminum nitride film, wherein the scandium is In the aluminum nitride film containing the When the central region in the thickness direction between the first region and the third region is the second region, the orientation ratio in the first region is lower than the orientation ratio in the second region. It is an elastic bulk wave device.
  • the region located on the first electrode side is called the first region
  • the region located on the second electrode side is called the third region
  • the orientation ratio in the third region is higher than the orientation ratio in the second region.
  • an acoustic bulk wave device using a scandium-containing aluminum nitride film whose characteristics are less likely to deteriorate.
  • FIG. 1(a) and 1(b) are a front cross-sectional view and a plan view of an acoustic bulk wave device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining first to third regions in the ScAlN film of the acoustic bulk wave device of this embodiment.
  • FIG. 1(a) is a front cross-sectional view of an elastic bulk wave device according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 1(b) is a plan view thereof.
  • the elastic bulk wave device 1 has a substrate 2 .
  • a concave portion is provided on the upper surface of the substrate 2 .
  • An aluminum nitride (ScAlN) film 3 containing scandium is laminated so as to cover the concave portion of the upper surface of the substrate 2 .
  • ScAlN film 3 has a first main surface 3a and a second main surface 3b opposite to first main surface 3a.
  • a first main surface 3 a is laminated on the upper surface of the substrate 2 .
  • a cavity 6 is thereby provided.
  • a first electrode 4 is provided on the first main surface 3a.
  • a second electrode 5 is provided on the second main surface 3b.
  • the first electrode 4 is the lower electrode and the second electrode 5 is the upper electrode.
  • the first electrode 4 and the second electrode 5 overlap each other with the ScAlN film 3 interposed therebetween. This overlapping area is the excitation area.
  • a BAW Bulk Acoustic Wave
  • the bulk acoustic wave device 1 is a bulk acoustic wave device in which the acoustic waves propagating through the ScAlN film 3 are mainly BAW.
  • the cavity 6 is provided so as not to interfere with BAW excitation in the ScAlN film 3 . Therefore, the hollow portion 6 is positioned below the first and second electrodes 4 and 5 .
  • the substrate 2 is made of an appropriate insulator or semiconductor. Examples of such materials include silicon, glass, GaAs, ceramics, and crystal. In this embodiment, the substrate 2 is a high resistance silicon substrate.
  • the first electrode 4 and the second electrode 5 are made of an appropriate metal or alloy. Such materials include metals such as Ti, Mo, Ru, W, Al, Pt, Ir, Cu, Cr, and Sc, and alloys using these metals. Also, the first and second electrodes 4 and 5 may be a laminate of a plurality of metal films.
  • the ScAlN film 3 can be formed by an appropriate method such as sputtering or CVD.
  • the ScAlN film 3 is formed using an RF magnetron sputtering apparatus.
  • a first target made of Al and a second target made of Sc are used, and the sputtering is performed in a nitrogen gas atmosphere. That is, the ScAlN film is formed by the binary sputtering method.
  • the orientation ratio of the ScAlN film can be controlled by adjusting the sputtering conditions.
  • Sputtering conditions include RF power magnitude, gas pressure, gas flow path, and target material composition or purity.
  • the orientation ratio of the formed ScAlN film can be confirmed using ASTAR (registered trademark).
  • This ASTAR utilizes the ACOM-TEM method (Automated Crystal Orientation Mapping-TEM method).
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining the first to third regions in the ScAlN film of the acoustic bulk wave device of this embodiment.
  • the ScAlN film 3 has first to third regions 11 to 13 in the thickness direction.
  • the second region 12 is a region located in the center of the ScAlN film 3 in the thickness direction.
  • the first region 11 is a region located on the first electrode 4 side.
  • the third region 13 is a region located on the second electrode 5 side.
  • the orientation ratio of the first regions 11 is lower than that of the second regions 12 .
  • the orientation ratio in the third region 13 is set higher than the orientation ratio in the second region 12 .
  • the film stress of the ScAlN film 3 can be reduced. Therefore, the ScAlN film 3 is less likely to separate from the first electrode 4 and less likely to warp. Therefore, it is difficult for deterioration of characteristics to occur.
  • the orientation ratio in the third region 13 is higher than the orientation ratio in the second region 12, the orientation of the second electrode 5 formed on the third region 13 is enhanced. Therefore, the second electrode 5 can be formed with few crystal defects. Therefore, piezoelectric properties can be enhanced.
  • the orientation ratio of the first region 11 is lower than that of the second region 12, and the orientation ratio of the third region 13 is higher than that of the second region 12. In that case, deterioration of characteristics can be suppressed more effectively.
  • the above orientation ratio is a value measured by the Automated Crystal Orientation Mapping-TEM method. In this case the tolerance is ⁇ 2.5.
  • the "orientation ratio" referred to in this application is defined as follows. First, an inverse pole figure is obtained by the ACOM-TEM method. From the obtained inverse pole figure, a region where the crystal is misaligned with respect to the reference crystal axis was confirmed. At this time, "(the region where the deviation of the crystal axis is within a range of 5 degrees)/(the entire target region)" is defined as the "orientation rate”. Regarding the “deviation of the crystal axis”, for example, when Si (100) is used as the support substrate, ScAlN has a c-axis orientation in which the normal direction is ⁇ 0001> with respect to the Si (100) plane. Conceivably, this deviation from the c-axis orientation is defined as "crystal axis deviation".
  • the thickness of the second region 12, which is the central region varies depending on the thickness of the ScAlN film 3, it is preferably in the range of 58% or more and 86% or less of the film thickness. In that case, good resonance characteristics can be obtained.
  • the thickness of the first region 11 is preferably 7% or more and 21% or less of the total thickness of the ScAlN film 3, and its absolute value is preferably 50 nm or more and 80 nm or less. In that case, the ScAlN film 3 is less likely to warp or peel off, and thus the deterioration of the characteristics is even less likely to occur.
  • the thickness of the third region 13 is preferably 7% or more and 21% or less of the total thickness of the ScAlN film 3, and the absolute value is preferably 50 nm or more and 80 nm or less. If the thickness of the third region 13 is 7% or more of the thickness of the ScAlN film 3, the crystallinity of the second electrode 5 can be improved more effectively. If the thickness of the third region 13 is 21% or less of the thickness of the ScAlN film 3, deterioration of the piezoelectric characteristics of the ScAlN film 3 is even less likely to occur.
  • the ScAlN film 3 having a thickness of 540 nm was formed on the first electrode 4 by the RF magnetron sputtering apparatus.
  • a sample 1 with a scandium concentration of 6.8 atomic % and a sample 2 with a scandium concentration of 11.7 atomic % were prepared.
  • the orientation ratio of the first region 11 was 99.5%
  • the orientation ratio of the second region 12 was 99.7%
  • the orientation ratio of the third region 13 was 99.9%.
  • the orientation ratio of the first region 11 was 98.2%
  • the orientation ratio of the second region 12 was 99.5%
  • the orientation ratio of the third region 13 was 100%.
  • an acoustic bulk wave device 1 was manufactured.
  • the material of the first and second electrodes 4 and 5 was Mo.

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  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

特性の劣化が生じ難い、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜を用いた、弾性バルク波装置を提供する。　基板２上に、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜３が設けられており、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜３は、第１の電極４上に設けられており、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜３上に第２の電極５が設けられており、第１の電極４と第２の電極５とが、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜３を介して重なり合っており、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜３において、厚み方向に沿って、第１の電極４側に位置している第１の領域１１、第２の電極５側に位置している第３の領域１３、第１の領域１１と第３の領域１３との間の厚み方向中央領域である第２の領域１２において、第１の領域１１における配向率が、第２の領域１２における配向率よりも低い、あるいは第３の領域１３における配向率が、第２の領域１２における配向率よりも高い、弾性バルク波装置１。

Description

弾性バルク波装置
　本発明は、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜を用いた弾性バルク波装置に関する。
　従来、圧電膜としてスカンジウム（Ｓｃ）を含有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜、すなわちＳｃＡｌＮ膜を用いた弾性バルク波装置が知られている。例えば、下記の特許文献１では、スカンジウムが添加された窒化アルミニウム膜を用いたＢＡＷ装置が開示されている。また、下記の特許文献２にも同様の構造を有する弾性バルク波装置が開示されている。
特開２００９－０１０９２６号公報 ＵＳ２０１５／００８４７１９　Ａ１
　特許文献１や特許文献２に記載の弾性バルク波装置では、Ｓｃ濃度が高くなると圧電性が高められるとされている。
　しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載の弾性バルク波装置では、弾性バルク波装置の特性が劣化することがあった。
　本発明の目的は、特性の劣化が生じ難い、ＳｃＡｌＮ膜を用いた弾性バルク波装置を提供することにある。
　本発明に係る弾性バルク波装置は、第１の電極と、前記第１の電極上に設けられている、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜と、前記スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜上に設けられており、前記第１の電極と前記スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜を介して重なり合っている第２の電極と、前記スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜を支持している基板と、を備え、前記スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜において、厚み方向に沿って、前記第１の電極側に位置している領域を第１の領域、前記第２の電極側に位置している領域を第３の領域、前記第１の領域と前記第３の領域との間の厚み方向中央領域を第２の領域としたときに、前記第１の領域における配向率が、前記第２の領域における配向率よりも低い、弾性バルク波装置である。
　また、本発明では、第１の電極と、前記第１の電極上に設けられている、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜と、前記スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜上に設けられており、前記第１の電極と前記スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜を介して重なり合っている第２の電極と、前記スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜を支持している基板と、を備え、前記スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜において、厚み方向に沿って、前記第１の電極側に位置している領域を第１の領域、前記第２の電極側に位置している領域を第３の領域、前記第１の領域と前記第３の領域との間の厚み方向中央領域を第２の領域としたときに、前記第３の領域における配向率が、前記第２の領域における配向率よりも高い、弾性バルク波装置も提供される。
　本発明によれば、特性の劣化が生じ難い、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜を用いた弾性バルク波装置を提供することができる。
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る弾性バルク波装置の正面断面図及び平面図である。 図２は、本実施形態の弾性バルク波装置のＳｃＡｌＮ膜における第１の領域～第３の領域を説明するための模式的断面図である。
　以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
　なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、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を指摘しておく。
　図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る弾性バルク波装置の正面断面図であり、図１（ｂ）は、その平面図である。
　弾性バルク波装置１は、基板２を有する。基板２の上面には、凹部が設けられている。基板２の上面の凹部を覆うように、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム（ＳｃＡｌＮ）膜３が積層されている。ＳｃＡｌＮ膜３は、第１の主面３ａと、第１の主面３ａとは反対側の第２の主面３ｂとを有する。第１の主面３ａが、基板２の上面に積層されている。それによって、空洞部６が設けられている。
　第１の主面３ａ上に、第１の電極４が設けられている。第２の主面３ｂ上に第２の電極５が設けられている。第１の電極４が下部電極であり、第２の電極５が上部電極とされている。第１の電極４と、第２の電極５とは、ＳｃＡｌＮ膜３を介して重なり合っている。この重なり合っている領域が励振領域である。第１の電極４と第２の電極５との間に交流電界を印加することにより、弾性波としてのＢＡＷ（Ｂｕｌｋ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｗａｖｅ）が励振される。弾性バルク波装置１は、ＳｃＡｌＮ膜３を伝搬する弾性波がＢＡＷを主体とする、弾性バルク波装置である。
　空洞部６は、ＳｃＡｌＮ膜３におけるＢＡＷの励振を妨げないために設けられている。従って、第１，第２の電極４，５の下方に空洞部６が位置している。
　基板２は、適宜の絶縁体または半導体からなる。このような材料としては、シリコン、ガラス、ＧａＡｓ、セラミックス、水晶などを挙げることができる。本実施形態では、基板２は、高抵抗のシリコン基板である。
　なお、第１の電極４及び第２の電極５は、適宜の金属もしくは合金からなる。このような材料としては、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｗ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｃｕ、ＣｒもしくはＳｃなどの金属やこれらの金属を用いた合金が挙げられる。また、第１，第２の電極４，５は、複数の金属膜の積層体であってもよい。
　ＳｃＡｌＮ膜３は、スパッタリングやＣＶＤなどの適宜の方法により形成することができる。本実施形態では、ＳｃＡｌＮ膜３は、ＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて成膜されている。
　上記スパッタリングに際し、Ａｌからなる第１のターゲットと、Ｓｃからなる第２のターゲットとを用い、窒素ガス雰囲気中でスパッタリングを行う。すなわち、二元スパッタリング法により、ＳｃＡｌＮ膜を形成する。この場合、ＳｃＡｌＮ膜の配向率については、スパッタリング条件を調整することによりコントロールすることができる。スパッタリング条件としては、ＲＦ電力の大きさ、ガス圧、ガスの流路、ターゲットの材料の組成もしくは純度が挙げられる。
　なお、成膜されたＳｃＡｌＮ膜の配向率については、ＡＳＴＡＲ（登録商標）を用いて確認することができる。このＡＳＴＡＲは、ＡＣＯＭ－ＴＥＭ法（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｍａｐｐｉｎｇ－ＴＥＭ法）を利用している。
　弾性バルク波装置１の特徴を、図２を参照して説明する。
　図２は、本実施形態の弾性バルク波装置のＳｃＡｌＮ膜における第１の領域～第３の領域を説明するための模式的断面図である。
　図２に示すように、ＳｃＡｌＮ膜３は、厚み方向において、第１の領域１１～第３の領域１３を有する。第２の領域１２は、ＳｃＡｌＮ膜３の厚み方向において中央に位置する領域である。第１の領域１１は、第１の電極４側に位置している領域である。第３の領域１３は、第２の電極５側に位置している領域である。　
　弾性バルク波装置１では、第２の領域１２の配向率に比べて、第１の領域１１の配向率が低くされている。また、第２の領域１２の配向率よりも、第３の領域１３における配向率が高くされている。それによって、特性の劣化を抑制することができる。
　第１の領域１１における配向率が、第２の領域１２における配向率より低い場合には、ＳｃＡｌＮ膜３の膜応力を小さくすることができる。そのため、ＳｃＡｌＮ膜３が、第１の電極４から剥離し難く、また反りも生じ難い。よって、特性の劣化が生じ難い。
　他方、第２の領域１２における配向率よりも、第３の領域１３における配向率が高い場合には、第３の領域１３上に形成される第２の電極５の配向性が高められる。そのため、結晶欠陥が少ない、第２の電極５を形成することができる。従って、圧電特性を高めることができる。
　より好ましくは、第１の領域１１の配向率は、第２の領域１２の配向率よりも低く、かつ第３の領域１３の配向率が、第２の領域１２の配向率よりも高い。その場合には、特性の劣化をより効果的に抑制することができる。
　なお、上記配向率は、Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｍａｐｐｉｎｇ－ＴＥＭ法で計測された値である。この場合、許容誤差は±２．５である。
　ここで、本願でいうところの「配向率」に関し、以下のように定義する。まず、上記ＡＣＯＭ－ＴＥＭ法で、逆極点図を取得する。得られた逆極点図から、基準の結晶軸に対し、結晶のずれがある領域を確認した。このとき、「（結晶軸のずれがレンジで５度以内の領域）／（対象領域全体）」を、「配向率」とする。また、「結晶軸のずれ」については、例えば、支持基板としてＳｉ（１００）を用いたとき、ＳｃＡｌＮは、Ｓｉ（１００）面に対し、法線方向が＜０００１＞となるｃ軸配向をすると考えられるが、このｃ軸配向からのずれを、「結晶軸のずれ」と定義している。
　ここで、中央領域である第２の領域１２の厚みは、ＳｃＡｌＮ膜３の膜厚によっても異なるが、膜厚の５８％以上、８６％以下の範囲にあることが好ましい。その場合には、良好な共振特性を得ることができる。第１の領域１１の厚みは、ＳｃＡｌＮ膜３の全体の膜厚の７％以上、２１％以下、また、絶対値では５０ｎｍ以上、８０ｎｍ以下であることが好ましい。その場合には、ＳｃＡｌＮ膜３の反りや剥がれが生じ難く、従って特性の劣化がより一層生じ難い。
　第３の領域１３の厚みは、ＳｃＡｌＮ膜３の全体の膜厚の７％以上、２１％以下、また、絶対値では５０ｎｍ以上、８０ｎｍ以下であることが好ましい。第３の領域１３の厚みがＳｃＡｌＮ膜３の膜厚の７％以上であれば、第２の電極５の結晶性をより効果的に高めることができる。第３の領域１３の厚みがＳｃＡｌＮ膜３の膜厚の２１％以下であれば、ＳｃＡｌＮ膜３の圧電特性の劣化がより一層生じ難い。
　次に、より具体的な実験例に基づき説明する。上述したように、ＲＦマグネトロンスパッタ装置により、第１の電極４上に、厚み５４０ｎｍのＳｃＡｌＮ膜３を成膜した。この場合の、スパッタリングの条件をコントロールすることにより、スカンジウム濃度が全体の６．８原子％の試料１と、スカンジウム濃度が全体の１１．７原子％の試料２を用意した。
　なお、試料１では、第１の領域１１の配向率は９９．５％、第２の領域１２の配向率は９９．７％、第３の領域１３の配向率は９９．９％であった。
　他方、試料２では、第１の領域１１の配向率は９８．２％、第２の領域１２の配向率は９９．５％、第３の領域１３の配向率は１００％であった。
　上記試料１及び試料２のＳｃＡｌＮ膜３を用い、弾性バルク波装置１を作製した。なお、第１，第２の電極４，５の材料はＭｏとした。
　その結果、試料１及び試料２のＳｃＡｌＮ膜３を用いたいずれの弾性バルク波装置１においても、ＳｃＡｌＮ膜３の反りや剥がれを抑制することができた。また、第２の電極５の結晶性も効果的に高められた。従って、いずれの場合においても、特性の劣化が生じ難いことがわかる。
１…弾性バルク波装置
２…基板
３…ＳｃＡｌＮ膜
３ａ…第１の主面
３ｂ…第２の主面
４…第１の電極
５…第２の電極
６…空洞部
１１…第１の領域
１２…第２の領域
１３…第３の領域

Claims (4)

  1. 　第１の電極と、
    　前記第１の電極上に設けられている、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜と、
    　前記スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜上に設けられており、前記第１の電極と前記スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜を介して重なり合っている第２の電極と、
    　前記スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜を支持している基板と、
    　を備え、
    　前記スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜において、厚み方向に沿って、前記第１の電極側に位置している領域を第１の領域、前記第２の電極側に位置している領域を第３の領域、前記第１の領域と前記第３の領域との間の厚み方向中央領域を第２の領域としたときに、前記第１の領域における配向率が、前記第２の領域における配向率よりも低い、弾性バルク波装置。
  2. 　前記第１の電極が、下部電極である、請求項１に記載の弾性バルク波装置。
  3. 　第１の電極と、
    　前記第１の電極上に設けられている、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜と、
    　前記スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜上に設けられており、前記第１の電極と前記スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜を介して重なり合っている第２の電極と、
    　前記スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜を支持している基板と、
    　を備え、
    　前記スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜において、厚み方向に沿って、前記第１の電極側に位置している領域を第１の領域、前記第２の電極側に位置している領域を第３の領域、前記第１の領域と前記第３の領域との間の厚み方向中央領域を第２の領域としたときに、前記第３の領域における配向率が、前記第２の領域における配向率よりも高い、弾性バルク波装置。
  4. 　前記第１の領域の配向率が、前記第２の領域の配向率よりも低い、請求項３に記載の弾性バルク波装置。
PCT/JP2022/012314 2021-03-24 2022-03-17 弾性バルク波装置 WO2022202615A1 (ja)

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