JP2002251190A - パターン化された音響ミラーを固体的に取り付けられたマルチ共振器バルク音波フィルタ - Google Patents
パターン化された音響ミラーを固体的に取り付けられたマルチ共振器バルク音波フィルタInfo
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Abstract
供し、同じ基板の上に形成されて同じ音響ミラーを使用
する他の共振器への容量結合を発生しないような音響ミ
ラー形共振器を提供する。 【解決手段】 (a)音響ミラーとして働く誘電体材料
および金属材料を選択する工程と、(b)金属層がエッ
チング・プロセスによって離散的部分へパターン化さ
れ、前記エッチング・プロセスは、異なった共振器部分
が置かれるべき場所のあいだの金属層を充分に取り除い
て、異なった共振器部分の下にある層部分のあいだに電
気絶縁が提供されるようにする作製手順を介して少なく
とも1つの金属層を提供する工程とを備え、共振器のあ
いだの容量結合が減少されたマルチ共振器BAWフィル
タを提供する方法。
Description
関する。さらに具体的には、音響ミラーを有するマルチ
共振器バルク音波フィルタに関する。
バルク音波(BAW)共振器は、圧電材料、たとえばZ
nOまたはAlNの層をベースにし、場合によっては音
響ミラーを含む。そのような素子は、音波を電気信号
へ、またはその逆へ変換し、その周波数依存電気インピ
ーダンスのために電子回路におけるフィルタとして使用
することができる。一般的には、音響ミラーは、異なっ
た音響インピーダンスの材料の層を組み合わせて形成さ
れる。音響ミラーは、異なった材料の層のスタックを基
板上に形成するように、異なった材料の様々な層を堆積
することによって、たとえばガラスの基板の上に構築さ
れる。つぎに、下部電極が音響ミラーの上に堆積され、
つぎに圧電材料が下部電極の上に堆積されて、いわゆる
圧電体層が形成される。最後に、上部電極が圧電体層の
上に堆積される。上部電極、下部電極、および圧電体層
の組み合わせは、いわゆる素子の共振器部分を形成す
る。音響ミラーは、2つの電極のあいだに印加された電
圧に応答して圧電体層によって作り出された音波を反射
するように働き、それによって基板を圧電体層から絶縁
する。
年12月に公開された「ワイヤレス・アプリケーション
のためのミニチュア・フィルタの開発」(“Developmen
t ofMiniature Filters for Wireless Applications”,
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniq
ues, Vol.43, No.12, December 1995)と題する文献に
開示されている。そのような共振器における音響ミラー
は、低音響インピーダンスおよび約1/4波長の厚さを
有する下部層、および高音響インピーダンスを有する上
部層を含むことができる。そのような素子では、基板の
音響インピーダンスを非常に低い値へ変換することがで
きるので、(上下の)層のペアは「インピーダンス変圧
器」として働く。層の各々が約1/4波長の厚さを有す
る素子では、層のペアの変換ファクタは、それぞれのイ
ンピーダンスの比の2乗に等しい。
BAW共振器を被膜(membrane)の上に構成し、エア・
ギャップで共振器部分を基板から隔離することが当該技
術分野で知られている。被膜タイプのアプローチの欠点
は、層を被膜の上部に作り出して、被膜を破壊または折
り曲げるような機械的応力を充分に小さくした層を得る
ことが困難である点である。さらに、薄膜構造は機械的
に非常に強くはない。これは、準備の整ったウェハ(直
径が4〜8インチの、完全に処理されたガラスまたはシ
リコンのウェハで、何千という共振器ベースのフィルタ
を含む)の取り扱いおよび分割(ダイシング)を複雑に
する。被膜のタイプに依存して、使用することのできる
基板の材料に制限が生じるであろう。
造が基板の上に固体的に(solidly)取り付けられるの
で、明らかにより堅牢である。ミラーは、基本的にλ/
4変圧器として動作する。すなわち、それは高または低
の音響インピーダンス材料からなる交互の層の多数のペ
アから構成され、各々の層は音響的に約1/4波長の厚
さである。したがって、全体のスタックは基板の音響イ
ンピーダンスをミラー/下部電極インタフェースにおけ
る非常に低いインピーダンスへ変換し、被膜(membran
e)タイプの構造におけるエア・インタフェースに類似
した音響反射インタフェースを作り出す。ミラーの最適
動作は、高および低インピーダンスの差ができるだけ大
きいことを必要とする。現在利用可能な誘電体膜の音響
インピーダンスの差は大きくないので、誘電体だけから
なる音響ミラーのためには、多数の層が使用されなけれ
ばならない。多数の層の使用はミラーのバンド幅を減少
させ、その作製を複雑にする。
ーを作ることにより、インピーダンスの差をかなり増加
させることができる。しかし、そのようにすると、下部
電極およびミラーの上部金属層によって、大きなキャパ
シタンスを導入してしまう。図1に示されるように、そ
のようなキャパシタンスは、単一の基板の上で2つ以上
の共振器から構成されるフィルタのパフォーマンスを低
下させる。すなわち、ミラーの上部金属層は、各々の下
部電極からフィルタ内の他のすべての下部電極へキャパ
シタンスを作り出し、共振器のあいだに寄生容量結合を
生じる。
る金属層および誘電体層から構成され、比較的少数の層
によって良好な反射特性を提供し、同じ基板の上に形成
されて同じ音響ミラーを使用する他の共振器への容量結
合を発生しないような音響ミラー形共振器である。
ルチ共振器バルク音波(BAW)フィルタを作製する方
法およびそのような方法によって提供されるフィルタを
提供する。このフィルタは、複数の共振器部分のために
音響ミラーとして働く複数の材料層を有する。各々の共
振器部分は、圧電体層を挟む少なくとも上部電極および
下部電極を含む。前記方法は、音響ミラーとして働く幾
つかの材料層のための誘電体材料および他の層のための
金属材料を選択する工程と、エッチング・プロセスによ
って金属層が離散的部分へパターン化される作製手順に
よって少なくとも1つの金属層を提供し、エッチング・
プロセスが異なった共振器部分が置かれるべき場所のあ
いだの金属層を充分に取り除いて、異なった共振器部分
の下にある層部分のあいだに電気的絶縁が提供されるよ
うにする工程とを含み、それによって同じように作製さ
れる音響ミラーの金属層をパターン化するエッチング・
ステップを除外したこと以外では類似した他の方法で作
製されたマルチ共振器BAWフィルタに存在する容量結
合と比較して、共振器のあいだの容量結合が減少された
マルチ共振器BAWフィルタを提供する。
金属層は、異なった共振器部分の下にあるすべての層の
部分のあいだに電気絶縁を提供するように、離散的部分
へパターン化される。
徴、および利点は、添付の図面とともに提示される以下
の詳細な説明を考察することにより明らかになるであろ
う。
明の音響ミラー型マルチ共振器BAWフィルタは、音響
ミラー層14の上部に位置する共振器部分11および1
2から構成される。音響ミラー層14は金属層および誘
電体層を含み、金属ミラー層が1つを超える共振器部分
の下へ延長されないように基板15の上に堆積される。
のちに説明するように、そのような音響ミラー形マルチ
共振器BAWフィルタを作製するためには、音響ミラー
の少なくとも金属層が共振器部分のあいだから取り除か
れる。堆積された材料をそのように選択的に取り除くこ
とは、本明細書では、堆積された材料の「パターン化」
と呼ばれる。
を含み、少なくとも金属層がパターン化されるマルチ共
振器BAWフィルタを作製する方法としては、基本的に
2つの方法がある。ここで図4を参照する。1つの方法
は、音響ミラーを作り出す累積層を順次に堆積するとき
に、各々の金属層を堆積したのちであって、つぎの誘電
体層を堆積する前に、共振器部分が構築される各々の領
域のあいだから金属層を選択的に取り除くことである。
金属の堆積は、通常はスパッタリングによって行われ
る。誘電体層は、たとえば化学気相成長法(CVD)ま
たはプラズマ促進CVDによって成長させることができ
る。金属層の選択的除去(ここでは「パターン化」と呼
ぶ)は、ウェット・エッチングまたはドライ・エッチン
グによって行うことができる。どちらのエッチング方法
を使用しても、金属層の傾斜端を得ることができる。こ
れは、ステップ・カバレージ問題を回避する助けとな
る。1つの共振器に対する結果の層スタックは、図3に
示される。誘電性(低音響インピーダンス)の層として
好ましい材料は、SiO2またはSi3N4であり、金属
性(高インピーダンス)の層として好ましい材料は、W
またはMoである。とはいえ、他の材料も使用すること
ができる。圧電体層が堆積されたとき、それは基板表面
の全体にわたって広がる(すでに堆積された層の上部
で)。圧電体層は、たとえば2ステージ・バランスド・
フィルタを作製するときのように、パターン化されない
で(選択的に除去されないで)残されるか(バイア、す
なわち層をパターン化することによって作り出される誘
電体層内の孔を提供し、金属が誘電体層の上に堆積され
るとき、金属が孔を充填して誘電体層を通る接続を提供
する場合を除く)、または圧電体層は、各々のミラー・
スタックの上部を除くすべての場所で取り除かれてもよ
い。
(e)は、マルチ共振器BAWフィルタを作製する第2
の方法の作製工程を示している。すなわち、図5に示さ
れるように、まず、ミラーのすべての層の堆積工程を行
ない(図5(a)参照)、ついでミラー層のエッチング
工程を行ない(図5(b)参照)、ついで厚い平坦化層
の堆積工程を行ない(図5(c)参照)、ついでウェハ
の研磨工程を行ない(図5(d)の研磨後のウェハ参
照)、そののち共振器層の堆積工程を行なう(図5
(e)参照)。パターン化された金属層を音響ミラーが
有するマルチ共振器BAWフィルタを作製する第2の方
法は、先ずすべてのミラー層を堆積し、つぎに基板まで
すべての層をエッチングし、それによって、各共振器部
分のあいだの金属層のみでなく誘電体層もパターン化す
る(選択的に取り除く)。したがって、共振器のあいだ
の基板は露出したまま残され、基板表面からミラーの上
部まで大きな段差が存在する。大きな段差のために、露
出した基板の上部に乗っている個々の音響ミラーの構造
の全体が、平坦化されなければならない。すなわち、誘
電体材料、たとえばSiO2またはSi3N4の厚い層
が、構造の上に堆積され、たとえば化学的機械的ポリッ
シング(CPM)によって、ミラー・スタックの上部ま
で研磨されなければならない。構造を平坦化したのち
に、電極および圧電体層が、各々の埋め込まれた音響ミ
ラーの位置にしたがって、研磨された構造の上に堆積さ
れる。
業者にとって明らかであろう。図6(a)〜(f)は、
図5に示したマルチ共振器BAWフィルタの第2の作製
方法を改変した作製方法の作製工程を示している。すな
わち、図6に示されるように、まず、最上部層を除くミ
ラー層の堆積工程を行ない(図6(a)参照)、ついで
堆積したミラー層のエッチング工程を行ない(図6
(b)参照)、ついで厚い平坦化層の堆積工程を行ない
(図6(c)参照)、ついでウェハの研磨工程を行ない
(図6(d)の研磨後のウェハ参照)、ついで最終誘電
体層の堆積工程を行ない(図6(e)参照)、そののち
共振器セクションの堆積工程を行なう(図6(f)参
照)。たとえば、ここで図6を参照すると、第2の方法
は最後の誘電ミラー層を堆積する前に、ミラー・スタッ
クをエッチングおよび平坦化することによって改変する
ことができる。そのような改変は、いつポリッシングを
停止するかを決定することを容易にする(そのような修
正手順では、ポリッシングが停止されるときは最上部金
属ミラー層の表面に達したときであろう)。さらに、追
加の犠牲的な層を堆積して、ミラー層に窪みが形成され
るのを避けることができよう。すなわち、CMPプロセ
スでしばしば起こるように、ミラー層が皿の形状に曲が
るのを避けることができる。
明は、さらに、1つの共振器部分の下にある音響ミラー
材料の各々の誘電体層が、基板の表面全体に堆積され
て、すべての他の共振器部分の下に広がる図4の構成と
は対照的に、完全に分離した離散的音響ミラー(有利に
は、前述したように平坦化される)を、各々の共振器部
分の下に含むような方法で作製されたマルチ共振器BA
Wフィルタを包含する。
ーン化(共振器の下部以外がエッチング除去)され、誘
電体層はパターン化されない作製工程を示している。す
なわち、図4に示されるように、まず、基板(図4
(a)参照)を設け、ついでミラーの第1金属層を設け
(図4(b)参照)、ついでミラーの第1誘電体層を設
け(図4(c)参照)、ついでミラーの第2金属層を設
け(図4(d)参照)、ついでミラーの第2誘電体層を
設け(図4(e)参照)、ついでミラーの第3金属層を
設け(図4(f)参照)、ついでミラーの第3誘電体層
を設け(図4(g)参照)、ついで下部電極金属層を設
け(図4(h)参照)、ついで圧電体層を設け(図4
(i)参照)、ついで保護層を設け(図4(j)参
照)、ついで上部電極金属層を設け(図4(k)参
照)、そののち並列共振器の同調を行なう(図4(l)
参照)。
るかに関係なく、層の充分な部分のみをパターン化すれ
ばよいことを理解することが重要である。すなわち、層
の離散的部分を提供して、異なった共振器部分の下にあ
る層部分のあいだに電気絶縁を提供するように、共振器
部分が置かれるべき場所のあいだが取り除かれる。
ィルタを作製することによって、中心周波数から離れた
ところでフィルタの周波数応答が改善((不要)応答の
減少)されるだけでなく、中心周波数またはその近傍で
応答が改善されることを見出した。従来技術にかかわる
フィルタが、前述した寄生キャパシタンスの結果とし
て、中心周波数またはその近傍でときには高度に不規則
な(すなわち、深いノッチを有する)応答を示すのに対
し、本発明のフィルタの応答は比較的良好に挙動する帯
域フィルタの応答であり、中心周波数から離れた周波数
での応答は、従来技術にかかわるフィルタの応答より6
dBも下である。音響ミラー形マルチ共振器フィルタの
中心周波数に近いノッチは、本発明のような音響ミラー
金属層のパターン化を含まないステップによっても避け
ることができるが、そのようなステップは、多くの場
合、フィルタの帯域幅を減少させる結果となる。本発明
にしたがってフィルタを作製する場合、そのような帯域
幅の減少は起こらない。
応用を例示したものにすぎないことを理解すべきであ
る。多くの修正および代替構成が本発明の趣旨および範
囲から逸脱することなく当業者によって案出されてよ
く、添付の特許請求の範囲はそのような修正および構成
を含むように意図されている。
から構成されるマルチ共振器BAWのミラー層を共振器
ごとに分離して作製することにより、複数のBAWフィ
ルタ間の容量結合を減少させることができるので、BA
Wフィルタの周波数特性を改善することができる。
れる従来のマルチ共振器フィルタの略図であって、金属
層が音響ミラーの中で使用されたときの容量結合を示
す。
れた本発明のマルチ共振器フィルタの平面図である。
ある。
れた本発明のマルチ共振器フィルタを作製する1つのプ
ロセスを示す図であって、このプロセスでは、音響ミラ
ー材料層の中から、金属層のみがパターン化され(すな
わち、フィルタの表面の幾つかの選択された区域から取
り除かれ)、誘電体層はパターン化されない(しかしな
がら、フィルタを構成する他の層(上部電極および下部
電極を含む)はパターン化されるが)。
れる本発明のマルチ共振器フィルタを作製する代替プロ
セスを示す図であって、このプロセスは、寄生キャパシ
タンスの源を取り除く同じ最終結果を達成するが、各々
の共振器部分の下で音響ミラーの構成要素として働く金
属層および誘電体層の双方をパターン化する。
ロセスを示す図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 複数の共振器部分のために音響ミラーと
して働く複数の材料層を有し、各々の共振器部分が圧電
体層を挟む少なくとも上部電極と下部電極とを含むマル
チ共振器バルク音波(BAW)フィルタを作製する方法
であって、(a)音響ミラーとして働く幾つかの材料層
のための誘電体材料、および他の層のための金属材料を
選択する工程と、(b)金属層がエッチング・プロセス
によって離散的部分へパターン化され、前記エッチング
・プロセスは、異なった共振器部分が置かれるべき場所
のあいだの金属層を充分に取り除いて、異なった共振器
部分の下にある層部分のあいだに電気絶縁が提供される
ようにする作製手順を介して少なくとも1つの金属層を
提供する工程とを備え、それによって、類似の方法で作
製される音響ミラーの金属層をパターン化するエッチン
グ・ステップを除外したこと以外では類似した他の方法
で作製されたマルチ共振器BAWフィルタに存在する容
量結合と比較して、共振器のあいだの容量結合が減少さ
れたマルチ共振器BAWフィルタを提供する方法。 - 【請求項2】 音響ミラーのすべての金属層がエッチン
グ・プロセスによって離散的部分へパターン化され、エ
ッチング・プロセスは、異なった共振器部分が置かれる
べき場所のあいだの金属層を充分に取り除いて、異なっ
た共振器部分の下にあるすべての層部分のあいだに電気
絶縁が提供されるようにする請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 工程(b)が音響ミラーの異なった層を
順次に堆積するステップを含み、誘電体層が金属層と交
互に積層し共振器に最も近い層は誘電体層であり、各々
の金属層はつぎの誘電体層を堆積する前に工程(b)の
ようにパターン化される請求項1記載の方法。 - 【請求項4】 工程(b)が、(a)誘電体層が金属層
と交互に積層するように、音響ミラーの異なった層のす
べてを、金属層から開始して順次に堆積する工程、
(b)音響ミラーの異なった層からなるピルボックス型
構造を基板の上に残すように、音響ミラーのすべての層
を基板表面に達するまで下方へエッチングし、それによ
ってパターン化された金属層および誘電体層を提供する
工程、(c)音響ミラーから取り除かれた材料と置換す
るため、誘電体材料を充填材として基板上に堆積し、堆
積は音響ミラーの最上部層まで充填材を下方へ研磨する
のに充分な深さである工程とを備えた請求項1記載の方
法。 - 【請求項5】 工程(b)が、(a)音響ミラーの異な
った層を、金属層から開始して共振器に最も近い層ま
で、しかしその層を含むことなく順次に堆積して、誘電
体層が金属層と交互に積層するようにする工程と、
(b)音響ミラーの異なった堆積層からなるピルボック
ス型構造を基板上に残すように、音響ミラーのすべての
堆積層を基板表面まで下方へエッチングし、それによっ
て、パターン化された金属層およびパターン化された誘
電体層を提供する工程と、(c)音響ミラー層から取り
除かれた材料と置換するため、誘電体材料を充填材とし
て基板上に堆積し、堆積は、音響ミラーの最上部堆積層
まで充填材を下方へ研磨するのに充分な深さである工程
と、(d)音響材料のすでに堆積およびパターン化され
た層だけでなく充填材もカバーするように、音響ミラー
の最上部層を堆積するステップを備えた請求項1記載の
方法。 - 【請求項6】 共振器部分の少なくとも1つが、上部電
極、ときには接地される中間電極、および下部電極を含
む積み重ねられた結晶構造であり、さらに3つの電極の
あいだに挟まれた2つの圧電体層を含む請求項1記載の
方法。 - 【請求項7】 複数の共振器部分のために音響ミラーと
して働く複数の材料層を有し、各々の共振器部分が圧電
体層を挟む少なくとも上部電極と下部電極とを含むマル
チ共振器バルク音波(BAW)フィルタであって、音響
ミラーの幾つかの層は誘電体材料から作製され、他の層
は金属材料から作製され、さらに、少なくとも1つの金
属層はエッチング・プロセスによって離散的部分へパタ
ーン化され、前記エッチング・プロセスは、異なった共
振器部分が置かれるべき場所のあいだの金属層を充分に
取り除いて、異なった共振器部分の下にある層部分のあ
いだに電気絶縁が提供されるようにするマルチ共振器バ
ルク音波フィルタ。 - 【請求項8】 すべての金属層がエッチング・プロセス
によって離散的部分へパターン化され、エッチング・プ
ロセスは、異なった共振器部分が置かれるべき場所のあ
いだの金属層を充分に取り除いて、異なった共振器部分
の下にあるすべての層部分のあいだに電気絶縁が提供さ
れるようにする請求項7記載のマルチ共振器バルク音波
フィルタ。
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