JP4629492B2 - 圧電薄膜共振子およびフィルタ - Google Patents
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Description
本発明は圧電薄膜共振子およびフィルタに関し、特に圧電膜を挟み上部電極と下部電極の重なる圧電薄膜共振子およびフィルタに関する。
携帯電話に代表される高周波無線機器の急速な普及により、９００ＭＨｚから５ＧＨｚという高周波で使用される小型で軽量な高周波フィルタの需要が増大している。このような分野では、主に弾性表面波装置を用い形成されたフィルタが使用されている。しかし、最近、特に高周波での特性が良好で、小型化、モノリシック化が可能な素子として、圧電薄膜共振子およびこれを用いたフィルタが注目されつつある。
圧電薄膜共振子として、例えば、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプやＳＭＲ(Solidly Mounted Resonator)タイプがある。ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振子としては、特許文献１の図１に開示されている。圧電膜の両側に上部電極と下部電極を設けている。圧電膜を挟んだ上部電極と下部電極の対向する領域がメンブレン領域である。特許文献１には図示されていないが、下部電極、圧電膜、上部電極は基板上に設けられ、下部電極と上部電極の対向する領域（メンブレン領域）下の基板に空隙を設けている。この空隙は基板を裏面からエッチングすることにより実現される。また、犠牲層を用い表面から形成することもできる。ＳＭＲタイプの圧電薄膜共振子は、特許文献１の図２に開示されている。基板の空隙の代わりに、音響インピーダンスが高い膜と低い膜を交互に弾性波の波長の１／４の膜厚で積層し音響反射膜として利用する構造を有している。
これらの圧電薄膜共振子は、上部電極と下部電極間に高周波の電気信号を印加すると、上部電極と下部電極に挟まれた圧電膜内部に、逆圧電効果によって、弾性波が励振される。逆に、圧電効果によって、弾性波による歪が、電気信号に変換される。この弾性波は、上部電極と下部電極がそれぞれ空気に接している面で全反射される。上部電極、圧電薄膜および下部電極の合計膜厚Ｈが、弾性波の１／２波長の整数倍（ｎ倍）になる周波数において、共振が起こる。材料によって決まる弾性波の伝搬速度をＶとすると、共振周波数Ｆは、Ｆ＝ｎＶ／２Ｈとなる。このように、膜厚によって共振周波数を制御することにより、所望の周波数特性を有する圧電薄膜共振子となる。
さらに、ラダー型フィルタは、このような圧電薄膜共振子を直列腕と並列腕にラダー型に配置したもので、所定の通過領域を有するバンドパスフィルタである。
高周波無線機器では、情報の大容量化の進展を受けて、フィルタの広帯域化への要望が強い。広帯域化を実現するためには、電気機械結合係数（ｋ２）の大きな共振子が必要となる。そこで、以下のような従来技術がある。
第１に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）に比べ、大きな電気機械結合係数を有し、圧電セラミックとして広く用いられているチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）を圧電膜として用いることが知られている(従来技術１)。
第２に、圧電膜の配向性を向上させることにより電気機械結合係数を向上させることが知られている(従来技術２)。例えば非特許文献１には圧電膜として窒化アルミニウムを用いた場合の配向性と電気機械結合係数の相関関係が開示されている。
圧電膜と上部電極、下部電極の膜厚比を制御することにより電気機械結合係数を向上させる。例えば、特許文献１には、上部電極および下部電極をタングステン、アルミニウム、金、銅としたときの、上部電極と下部電極の膜厚の和と圧電膜の比（膜厚比）に対する電気機械結合係数の関係が開示されている（従来技術３）。
米国特許６２９１９３１号明細書
Ｈ．Ｐ．ロゥブル（H. P. Lobl）、外６名、「ＢＡＷ共振子およびフィルタ用圧電材料(Piezoelectric materials for BAW resonators and filters)」、２００１ ＩＥＥＥ ウルトラソニックス シンポジュウム(2001 IEEE Ultrasonics Symposium)、米国、ＩＥＥＥ、ｐ８０７−８１１
しかしながら、従来技術１は、ＰＺＴやＰｂＴｉＯ３の高品質な薄膜の成膜が困難であり、実用的な共振特性は得られていない。従来技術２は、電気機械結合係数の向上のため、良好な配向性を有する圧電膜を得るには、圧電膜の下地の材料、下地の表面ラフネス、圧電膜の成膜条件等多くの制御や管理を必要とする要因がある。これらの制御や管理が不十分な場合には、ウェハ面内、ロット間での配向性の揺らぎが生じ、共振特性が揺らいでしまう場合がある。従来技術３は、電気機械結合係数の向上のため、上部電極と下部電極の膜厚の和と圧電膜の比を小さくする必要がある。しかし、上部電極や下部電極の膜厚が薄くなり、電極の抵抗が増大し、挿入損失とトレードオフになってしまう。
本発明は、上記課題に鑑み、簡単な手法により、他の特性を劣化させることなく電気機械結合係数の向上を図り、電気機械結合係数の大きな圧電薄膜共振子およびフィルタを提供することを目的とする。
本発明は、基板上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された圧電膜と、該圧電膜上に形成された上部電極と、を具備し、前記上部電極の膜厚は前記下部電極の膜厚より厚く、前記圧電膜は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなり、前記上部電極および前記下部電極は、ルテニウム（Ｒｕ）を主に含み、前記上部電極と前記下部電極の膜厚の和をｄ１、前記圧電膜の膜厚をｄ２としたとき、０．１＜ｄ１／ｄ２＜１であることを特徴とする圧電薄膜共振子である。本発明によれば、上部電極の膜厚を下部電極の膜厚より厚くするという簡単な手法により、他の特性を劣化させることなく、共振抵抗の増大を抑えつつ、電気機械結合係数の大きな圧電薄膜共振子を提供することができる。
本発明は、前記上部電極の膜厚をｔ１、前記下部電極の膜厚をｔ２としたとき、１＜ｔ１／ｔ２＜３、であることを特徴とする圧電薄膜共振子とすることができる。本発明によれば、電気機械結合係数の大きな圧電薄膜共振子を提供することができる。
本発明は、前記下部電極の下には薄膜層を有し、前記上部電極の上には薄膜層を有さないことを特徴とする圧電薄膜共振子とすることができる。
本発明は、前記下部電極の下および前記上部電極の上の少なくとも一方に薄膜層を有することを特徴とする圧電薄膜共振子とすることができる。本発明によれば、エッチングストッパ層、配向性制御層、補強層、周波数調整膜または保護膜等を用いる場合も、電気機械結合係数を大きな圧電薄膜共振子を提供することができる。
本発明は、前記圧電膜は、（００２）方向を主軸とする配向性を有する窒化アルミニウムであることを特徴とする圧電薄膜共振子とすることができる。本発明によれば、高品質な薄膜が得られ、安定した共振特性を有することができる。
本発明は、前記圧電膜を挟み、前記上部電極と前記下部電極の対向する領域が楕円状である圧電薄膜共振子とすることができる。本発明によれば、不要なスプリアスの少ない共振特性が得ることができる。
本発明は、前述の圧電薄膜共振子を複数具備することを特徴とするフィルタである。本発明によれば、上部電極の膜厚を下部電極の膜厚より厚くするという簡単な手法により、挿入損失等の劣化を伴わず、電気機械結合係数が大きく通過帯域の広いフィルタを提供することができる。
本発明によれば、簡単な手法により、他の特性を劣化させることなく電気機械結合係数の大きな圧電薄膜共振子およびフィルタを提供することができる。
以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。
実施例１は約２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振子の例である。図１は実施例１に係る圧電薄膜共振子の構成を示す。図１（ａ）は上視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。この圧電薄膜共振子は、基板１０上に形成された下部電極１２と、下部電極１２上に形成された圧電膜１４と、圧電膜１４上に形成された上部電極１６と、を有している。圧電膜１４には下部電極１２を電気的に接続するための開口部２０が設けられている。上部電極１６と下部電極１２が対向する領域（メンブレン領域）２２下の基板１４に、この領域２２よりやや大きい空隙１８が形成されている。上部電極１６、圧電膜１４、下部電極１２の膜厚は、それぞれｔ１、ｄ２、ｔ２とし、ｔ１＋ｔ２をｄ１とした。上部電極１６と下部電極１２の対向する領域は２２８×１６３μｍの楕円状とした。
次に、この圧電薄膜共振器の製造方法につき説明する。まず、シリコン基板１０上に、下部電極１２としてモリブデン（Ｍｏ）膜を、スパッタリング法により成膜した。次に、通常の露光技術およびエッチング技術を用い所定領域を除去し下部電極１２を形成した。次に、圧電膜１４として（００２）方向を主軸とする配向性を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜、上部電極１６としてモリブデン（Ｍｏ）膜をそれぞれスパッタリング法により成膜した。その後、通常の露光技術およびエッチング技術を用い、所定領域の除去し上部電極１６を形成した。さらに、通常の露光技術およびエッチング技術を用い、所定領域を除去し上部電極１６を形成した。
次に、シリコン基板１０の裏面に、通常の露光技術により、バイアホール形成するドライエッチング用のレジストパターンを形成した。シリコン基板１０をドライエッチングし、基板１０の空隙１８となるバイアホールを形成した。ドライエッチングは、ＳＦ6によるエッチングとＣ４Ｆ８による側壁保護膜形成を、交互に繰り返す条件で行った。これによって、側壁形状が、Ｓｉ基板面に対して略垂直になるように、空隙１８を形成することができた。以上により、実施例１に係る圧電薄膜共振子が完成した。
この構成の圧電薄膜共振子として、表１に示す、共振子１および共振子２を作製した。いずれの共振子も、圧電膜１４の膜厚は１２５０ｎｍである。共振子１は、上部電極１６の厚さが３２０ｎｍ、下部電極１２の厚さが２６０ｎｍと、上部電極１６の膜厚が下部電極１２よりも厚い。一方、共振子２は上部電極１６および下部電極１２の膜厚はともに２９０ｎｍと同じである。なお、共振子１および２の作製方法は、上部電極１６および下部電極１２の膜厚が異なる以外は同じである。
両共振子の電気機械結合係数を評価したところ、共振子１は７．０％、共振子２は６．７％であった。このように、上部電極１６の膜厚を下部電極１２より厚くすることにより、電気機械結合係数を大きくすることができた。
実施例２は、約２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振子の例であり、上部電極１６の上および下部電極１２の下に薄膜層を有し、各電極の材料をルテニウムに代えた例である。図２は実施例２に係る圧電薄膜共振子を示した断面図である。下部電極１２および上部電極１６をルテニウムで形成したこと、下部電極１２の下に下部薄膜層２４および上部電極１６の上に上部薄膜層２６を形成したこと、上部電極１６と下部電極１２の対向する領域を２４８×１７７μｍの楕円状としたこと、以外は実施例１と同じである。
この構成の圧電薄膜共振子として、表２に示すような、共振子１、共振子２、共振子３を作製した。いずれの共振子も、圧電膜１４は膜厚が１１５０ｎｍ、上部薄膜層２６はクロムを用い膜厚が２０ｎｍ、下部薄膜層２４はクロムを用い膜厚１００ｎｍである。共振子１は、上部電極１６の膜厚が２６３ｎｍ、下部電極１２の膜厚が２３７ｎｍと、上部電極１６の膜厚が下部電極１２よりも厚い。共振子２は上部電極１６および下部電極１２の膜厚はともに２５０ｎｍと同じである。共振子３は上部電極１６の膜厚が２３７ｎｍ、下部電極１２の膜厚が２６３ｎｍと、上部電極１６の膜厚が下部電極１２よりも薄い。なお、共振子１、２および３の作製方法は、上部電極１６および下部電極１２の膜厚が異なる以外は同じである。
３つの共振子の電気機械結合係数を評価したところ、共振子１は７．０％、共振子２は６．８％、共振器３は６．７％であった。このように、上部電極１６の膜厚を下部電極１２より厚くすることにより、電気機械結合係数を大きくすることができた。
実施例３は、約２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振子の例であり、上部電極１６および下部電極１２としてルテニウムを用い、下部電極１２の下に薄膜層２４を有した例である。図３は実施例３に係る圧電薄膜共振子を示した断面図である。上部電極１６の上に上部薄膜層２６が形成されていないこと以外は、実施例２と同じである。すなわち、下部電極１２の下には薄膜層２４を有し、上部電極１６の上には薄膜層２６を有していない。
この構成の圧電薄膜共振子として、表３に示すような、共振子１および共振子２を作製した。いずれの共振子も、下部薄膜層２４はクロムを用い膜厚５０ｎｍである。共振子１は、上部電極１６の膜厚をｔ１ｎｍ、下部電極１２の膜厚をｔ２ｎｍ、圧電膜１４の膜厚を１２１０ｎｍとし、ｔ１＋ｔ２＝５００ｎｍとなるように作製した。共振子２は上部電極１６の膜厚をｔ１、下部電極１２の膜厚をｔ２ｎｍ、圧電膜１４の膜厚をｄ２ｎｍとし、ｔ１／ｔ２＝１．１となるように作製した。上部電極１６と下部電極１２の膜厚の和であるｔ１＋ｔ２をｄ１とした。
図４に、共振子１において、ｔ１／ｔ２に対する電気機械結合係数の関係を示す。電気機械結合係数はｔ１／ｔ２が大きくなると大きくなり、約１．６をピークに減少する。ここで、上部電極１６と下部電極１２の膜厚が同じであるｔ１／ｔ２＝１の電気機械結合係数は７．０であり、ｔ１／ｔ２＞３では電気機械結合係数は７．０％を下回る。よって、電気機械結合係数が７．０％を上回るためには、１＜ｔ１／ｔ２＜３が好ましい。さらに、電気機械結合係数が７．０５％を上回るためには、１．１＜ｔ１／ｔ２＜２．６がより好ましい。さらに、電気機械結合係数が７．１％を上回るためには、１．２＜ｔ１／ｔ２＜２．３がさらに好ましい。
図５に、共振子２において、ｄ１／ｄ２に対する電気機械結合係数の関係を示す。図５より、ｄ１／ｄ２が小さくなると、電気機械結合係数は大きくなる。そこで、共振子１と同様に、電気機械結合係数が７．０％を上回るためには，ｄ１／ｄ２＜１であることが好ましい。さらに、電気機械結合係数が７．０５％を上回るためには、ｄ１／ｄ２＜０．７がより好ましい。さらに、電気機械結合係数が７．１％を上回るためには、ｄ１／ｄ２＜０．５がさらにより好ましい。
図６に、共振子２において、ｄ１／ｄ２に対する共振抵抗の関係を示す。共振抵抗が大きくなると、挿入損失が大きくなってしまう。図６よりｄ１／ｄ２が小さくなると、共振抵抗が大きくなる。これは、ｄ１／ｄ２が小さくなると、上部電極１６および下部電極１２の膜厚が、相対的に薄くなるためである。ｄ１／ｄ２が０．１以下になると共振抵抗は急激に大きくなり２Ωを越えてしまい挿入損失が大きくなる。そこで、０．１＜ｄ１／ｄ２が好ましい。さらに、ｄ１／ｄ２が０．２以下になると共振抵抗は大きくなり１．５Ωを越えてしまうため、０．２＜ｄ１／ｄ２がより好ましい。さらに、ｄ１／ｄ２が０．５以下になると共振抵抗は徐々に大きくなり１Ωを越えてしまうため、０．５＜ｄ１／ｄ２がさらにより好ましい。
以上のように、上部電極１６および下部電極１２がルテニウムを主に含み、０．１＜ｄ１／ｄ２＜１とすることにより、共振抵抗を抑制し、電気機械結合係数を向上させることができた。
図７に実施例２および実施例３の変形例に係る圧電薄膜共振子の断面図を示す。上部電極１６の上に薄膜層２６を有し、下部電極１２の下には薄膜層を有さない。その他の構成は、実施例２および実施例３と同じである。このような構成であっても、上部電極１６膜厚を下部電極１２の膜厚より厚くすることにより、電気機械結合係数を大きくすることができる。
実施例２、実施例３およびその変形例によれば、下部電極１２の下および上部電極１６の上の少なくとも一方に薄膜層を有する場合であっても、上部電極１６膜厚を下部電極１２の膜厚より厚くすることにより、電気機械結合係数を大きくすることができる。下部薄膜層２４としては、基板１０に空隙１８を形成する場合のエッチングストッパ層、圧電膜１４の配向性を制御するため表面を制御した配向性制御層、上部電極１６と下部電極１２の対向した領域の補強のための補強層等があり、金属膜や絶縁膜が使用される。また、上部薄膜層２６としては、共振周波数を調整するための周波数調整膜、圧電薄膜共振子を保護するための保護膜等があり、金属膜や絶縁膜が使用される。実施例２、実施例３においては、上部薄膜層２６は周波数調整膜であり、下部薄膜層２４はエッチングストッパ層である。
実施例１、実施例２および実施例３によれば、上部電極１６および下部電極１２の材料によらず、上部電極１６の膜厚を下部電極１２の膜厚より厚くすることにより、電気機械結合係数を大きくすることができる。また、１＜ｔ１／ｔ２＜３とすることにより、電気機械結合係数をより大きくすることができる。さらに、実施例４に示すように、挿入損失が劣化することはない。このように、上部電極の膜厚を下部電極の膜厚より厚くするという簡単な手法により、他の特性を劣化させることなく、電気機械結合係数の大きな圧電薄膜共振子を提供することができた。
上部電極１６の膜厚を下部電極１２より厚くすることにより電気機械結合係数が大きくなる理由は明確ではないが、例えば、共振する下部電極１２、圧電膜１４、上部電極１６の積層膜において、定在波の中心が、中心よりやや下方にずれており、上部電極１６の膜厚を厚くすることにより、定在波の中心が、圧電膜１４の中心に近づくことが挙げられる。
実施例４は実施例２で作製した共振子１の構造を有するラダー型フィルタを作製した例である。すなわち、圧電薄膜共振子を複数具備するフィルタの例である。また、比較例として、実施例２で作製した共振子２の構造を有するラダー型フィルタも作製した。図８に実施例４と比較例に係るフィルタの構成を示す。図８（ａ）は上視図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。各符号は実施例２と同じであり、共振子の構成は、上部薄膜層２６の膜厚を除いては実施例２と同じである。圧電薄膜共振子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４を直列腕に、圧電薄膜共振子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３を並列腕に配置した。並列腕の圧電薄膜共振子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３の上部薄膜層２６の膜厚は、並列腕の共振周波数を直列腕より低くするため１００ｎｍとした。これは、バンドパスフィルタ特性を得るためである。
図９に実施例４および比較例の通過帯域付近の挿入損失の図を示す。実線は実施例４、破線は比較例を示す。２ｄＢの通過帯域幅は、実施例４が７２．３ＭＨｚに対し、比較例が６６．７ＭＨｚと、実施例４は５．６ＭＨｚ拡がった。さらに、通過帯域での挿入損失の劣化もない。これは、実施例４に用いた実施例２の共振子１が電気機械結合係数を大きくできたことによる。このように、上部電極の膜厚を下部電極の膜厚より厚くするという簡単な手法により、他の特性を劣化させることなく、電気機械結合係数が大きく通過帯域の広いフィルタを提供することができた。
実施例４は実施例２の共振子１をラダー型フィルタに適用した例であったが、実施例１や実施例３の共振子を用いることもできる。また、ラダー型フィルタ以外のフィルタに適用することもできる。その場合も、実施例４と同様の効果が得られる。また、実施例４ではフィルタの表面に保護膜を形成していないが、保護膜を形成することもできる。
実施例１ないし実施例４において、上部電極１６および下部電極１２としては、音響インピーダンスの大きな材料を用いれば、主に反共振特性が向上し、電気抵抗の低い材料を用いれば、共振特性が向上する。そこで、音響インピーダンスの大きな材料として、実施例で用いたモリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）以外に、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）、タングステン（Ｗ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）およびタンタル（Ｔａ）の少なくとも１つを主に含む材料を用いることができる。また、電気抵抗の低い材料として、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）およびアルミニウム（Ａｌ）の少なくとも１つを主に含む材料を用いることができる。また、実施例１ないし４のように、上部電極１６と下部電極１２を同じ材料とすることにより、より確実に電気機械結合係数を大きくすることができる。
また、実施例１ないし実施例４の圧電膜１４は、（００２）方向を主軸とする配向性を有する窒化アルミニウムである。これにより、高品質な薄膜が得られ、安定した共振特性を有することができる。同様な理由から、圧電膜１４として、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いることもできる。
さらに、圧電膜１４を挟み、上部電極１６と下部電極１２の対向する領域が楕円状を有している。これにより、上部電極１６および下部電極１２の面に平行に伝搬し、上部電極１６および下部電極１２の端部で反射する不要な横モードを抑制できる。これにより、不要なスプリアスの少ない共振特性が得られる。
さらに、基板１０の裏面よりバイアホールを形成し、空隙１８とした例であるが、犠牲層を用い基板表面にキャビティを形成し、空隙１８とすることもできる。さらに、実施例１から実施例３はＦＢＡＲタイプの例であるが、ＳＭＲタイプの圧電薄膜共振子であってもよい。この場合もＦＢＡＲタイプと同様の効果が得られる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 基板
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
１８ 基板表面の空隙
２２ メンブレン領域
２４ 下部薄膜層
２６ 上部薄膜層
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
１８ 基板表面の空隙
２２ メンブレン領域
２４ 下部薄膜層
２６ 上部薄膜層
Claims (7)
- 基板上に形成された下部電極と、
該下部電極上に形成された圧電膜と、
該圧電膜上に形成された上部電極と、を具備し、
前記上部電極の膜厚は前記下部電極の膜厚より厚く、
前記圧電膜は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなり、
前記上部電極および前記下部電極は、ルテニウム（Ｒｕ）を主に含み、
前記上部電極と前記下部電極の膜厚の和をｄ１、前記圧電膜の膜厚をｄ２としたとき、
０．１＜ｄ１／ｄ２＜１
であることを特徴とする圧電薄膜共振子。 - 前記上部電極の膜厚をｔ１、前記下部電極の膜厚をｔ２としたとき、
１＜ｔ１／ｔ２＜３
であることを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振子。 - 前記下部電極の下には薄膜層を有し、前記上部電極の上には薄膜層を有さないことを特徴とする請求項１または２記載の圧電薄膜共振子。
- 前記下部電極の下および前記上部電極の上の少なくとも一方に薄膜層を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振子。
- 前記圧電膜は、（００２）方向を主軸とする配向性を有する窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振子。
- 前記圧電膜を挟み、前記上部電極と前記下部電極の対向する領域が楕円状である請求項１から５のいずれか一項記載の圧電薄膜共振子。
- 請求項１から６記載の圧電薄膜共振子を複数具備することを特徴とするフィルタ。
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