JP2002344279A - 圧電薄膜共振子 - Google Patents
圧電薄膜共振子Info
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Abstract
(Q値)及び周波数温度特性に優れ高特性で高性能な圧
電薄膜共振子を提供する。 【解決手段】 シリコン単結晶からなる基板12と、そ
の上に形成された酸化シリコンを主成分とする誘電体膜
からなる下地膜13と、その上に形成された圧電積層構
造体14とを有する。下地膜13の一部と圧電積層構造
体14の一部とを含んで振動部21が構成されている。
圧電積層構造体14は、下部電極15、圧電体膜16お
よび上部電極17をこの順に積層してなる。基板12は
振動部21に対応する領域にて振動部21の振動を許容
する空隙を形成するビアホール20を有する。圧電体膜
16は、アルカリ土類金属及び/または希土類金属を
0.2〜3.0原子%含有する窒化アルミニウム薄膜で
ある。
Description
利用される薄膜振動子、薄膜VCO(電圧制御発信
器)、薄膜フィルター、送受切替器や各種センサーな
ど、広範な分野で用いられる圧電体薄膜を利用した素子
に関する。
用いられている。携帯電話機などの携帯機器の小型化と
低消費電力化が進む中で、該機器に使用されるRF用お
よびIF用フィルターとして弾性表面波(Surfac
e Acoustic Wave:SAW)素子の使用
が拡大している。このSAWフィルターは設計および生
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、利用周波数が高周波数化するに従って特性向
上の限界に近づいており、電極形成の微細化と安定した
出力確保との両面で大きな技術革新が必要となってきて
いる。
膜バルク波音響共振子(FilmBulk Acous
tic Resonator:FBAR)は、基板に設
けられた薄い支持膜の上に、主として圧電体より成る薄
膜と、これを駆動する電極とを形成したものであり、ギ
ガヘルツ帯での基本共振が可能である。FBARでフィ
ルターを構成すれば、著しく小型化でき、かつ低損失・
広帯域動作が可能な上に、半導体集積回路と一体化する
ことができるので、将来の超小型携帯機器への応用が期
待されている。
ルター等に応用される圧電体薄膜素子は、以下のように
して製造される。シリコンなどの半導体単結晶基板や、
シリコンウエハーなどの上に多結晶ダイヤモンドやエリ
ンバーなどの恒弾性金属の膜を形成してなる基板の表面
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の積層膜からなる下地膜を形成す
る。この下地膜上に圧電体薄膜を形成し、さらに必要に
応じた上部構造を形成する。各膜の形成後に、または全
ての膜を形成した後に、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、微細加工やパターニングを
行う。異方性エッチングにより基板から圧電体薄膜の振
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
後に、1素子単位ごとに分離して圧電体薄膜素子を得
る。
や特開昭60−142607号公報に記載された圧電体
薄膜素子は、基板の上面上に下地膜、下部電極、圧電体
薄膜及び上部電極を形成した後に、基板の下面から振動
部となる部分の下にある基板部分を除去することにより
製造されている。
窒化アルミニウム(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)、硫
化カドミウム(CdS)、チタン酸鉛[PT](PbT
iO 3 )、チタン酸ジルコン酸鉛[PZT](Pb(Z
r,Ti)O3 )などが用いられている。特に、AlN
は、弾性波の伝播速度が速く、高周波帯域で動作する薄
膜共振器やフィルターの圧電薄膜共振子の圧電体材料と
して適している。
をFBARに適用するために、種々の検討が行われてき
た。しかしながら、未だ、ギガヘルツ帯域で十分な性能
を発揮する薄膜共振器や薄膜フィルターは得られておら
ず、AlN薄膜の音響的品質係数(Q値)、周波数温度
係数および挿入損失の改善が望まれている。音響的品質
係数(Q値)、広帯域動作及び周波数温度特性の全てに
優れ、高性能な共振特性を示す薄膜圧電素子は提案され
ていない。電気機械結合係数は、共振器やフィルターを
構成する際にその性能を左右する重要なパラメーターで
あり、使用する圧電体薄膜の膜品質に大きく依存する。
電気機械結合係数を改善することで、音響的品質係数
(Q値)を改善することができる。
いというAlN薄膜の特長を活かしつつ、電気機械結合
係数が大きく、音響的品質係数(Q値)、帯域幅及び周
波数温度特性に優れ、従来のものに比べて著しく高特性
で高性能な圧電薄膜共振子を提供することを目的とす
る。
膜を圧電体薄膜としてSiなどの基板上に備えたFBA
Rの共振特性が、AlN薄膜にアルカリ土類金属や希土
類金属などの第三成分を添加することにより著しく改善
されることを見出した。そして、第三成分を添加した高
品質のAlN薄膜をFBARに使用することにより、電
気機械結合係数が大きく、Q値、帯域幅及び周波数温度
特性に優れた高性能なFBARを実現できることを見出
し、本発明に到達した。
するものとして、基板と、該基板上に形成された圧電積
層構造体とを有しており、前記圧電積層構造体の一部を
含んで振動部が構成されており、前記圧電積層構造体は
下部電極、圧電体膜および上部電極を前記基板の側から
この順に積層してなるものであり、前記基板は前記振動
部に対応する領域にて該振動部の振動を許容する空隙を
形成している圧電薄膜共振子において、前記圧電体膜が
アルカリ土類金属及び/または希土類金属を含有する窒
化アルミニウム薄膜であることを特徴とする圧電薄膜共
振子、が提供される。
における前記アルカリ土類金属及び前記希土類金属の含
有量は0.2〜3.0原子%である。本発明の一態様に
おいては、前記圧電体膜は、C軸配向を示し、(000
2)面のX線回折ピークのロッキング・カーブ半値幅が
3.0°以下である。本発明の一態様においては、前記
圧電体膜は、C軸長が0.4978〜0.4993nm
である。本発明の一態様においては、前記圧電体膜は、
(0002)面のX線回折ピークの2θ回転角の半値幅
が0.6°以下である。
記圧電積層構造体との間には下地膜が形成されており、
前記振動部は前記下地膜の一部をも含んで構成されてい
る。本発明の一態様においては、前記下地膜は酸化シリ
コンを主成分とする誘電体膜、窒化シリコンを主成分と
する誘電体膜または酸化シリコンを主成分とする誘電体
膜と窒化シリコンを主成分とする誘電体膜との積層膜で
ある。
リコン単結晶からなる。本発明の一態様においては、前
記上部電極は互いに離隔して形成された第1の電極部と
第2の電極部とからなる。
0GHzの範囲における共振周波数及び***振周波数の
測定値から求めた電気機械結合係数が4.5%以上であ
る。
料としてアルカリ土類金属または希土類金属を添加する
ことにより、これらの第三成分を含有するAlN薄膜を
形成し、これをFBARの圧電体膜となす。アルカリ土
類金属または希土類金属の添加により、AlNの結晶格
子に固溶する酸素の濃度を低減できるばかりでなく、C
軸配向AlN粒子の粒界の結合強度を高めることがで
き、共振子及びフィルターとしての性能が大幅に向上す
るものと考えられる。
いて詳細に説明する。
形態を示す模式的平面図であり、図2はそのX−X断面
図である。これらの図において、圧電薄膜共振子11は
基板12、該基板12の上面上に形成された下地膜13
及び該下地膜13の上面上に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、下地膜13の上
面上に形成された下部電極15、該下部電極15の一部
を覆うようにして下地膜13の上面上に形成された圧電
体膜16および該圧電体膜16の上面上に形成された上
部電極17からなる。基板12には、空隙を形成するビ
アホール20が形成されている。下地膜13の一部はビ
アホール20に向けて露出している。この下地膜13の
露出部分、及びこれに対応する圧電積層構造体14の部
分が振動部(振動ダイヤフラム)21を構成する。ま
た、下部電極15及び上部電極17は、振動部21に対
応する領域内に形成された主体部15a,17aと、該
主体部15a,17aと外部回路との接続のための端子
部15b,17bを有する。端子部15b,17bは振
動部21に対応する領域外に位置する。
などの単結晶、または、Si単結晶などの基材の表面に
シリコン、ダイヤモンドその他の多結晶膜を形成したも
のを用いることができる。基板12のビアホール20の
形成方法としては、基板下面側からの異方性エッチング
法が例示される。尚、基板12に形成される空隙は、ビ
アホール20によるものには限定されず、振動部21の
振動を許容するものであればよく、該振動部21に対応
する基板上面領域に形成した凹部であってもよい。
化シリコン(SiO2 )を主成分とする誘電体膜、窒化
シリコン(SiNx )を主成分とする誘電体膜及び酸化
シリコンを主成分とする誘電体膜と窒化シリコンを主成
分とする誘電体膜との積層膜を用いることができる。こ
の下地膜13の材質について、主成分とは、誘電体膜中
の含有量が50原子%以上である成分を指す。誘電体膜
は単層からなるものであってもよいし、密着性を高める
ための層などを付加した複数層からなるものであっても
よい。下地膜13の厚さは、例えば0.2〜2.0μm
である。下地膜13の形成方法としては、シリコンから
なる基板12の表面の熱酸化法やCVD法が例示され
る。
モリブデン(Mo)、タングステン(W)、白金(P
t)とチタン(Ti)との積層膜(Pt/Ti)、アル
ミニウム(Al)、金(Au)とクロム(Cr)との積
層膜(Au/Cr)などを用いることができる。熱弾性
損失が低いことから、Moが好適である。例えば、Mo
の熱弾性損失はAlの約1/56である。Mo単体だけ
でなく、Mo合金または適当な密着層の上にMo電極を
形成して使用することも可能である。下部電極15及び
上部電極17の厚さは、例えば50〜200nmであ
る。下部電極15及び上部電極17の形成方法として
は、スパッタ法または蒸着法が例示され、更に必要に応
じて所要の形状へのパターニングのためにフォトリソグ
ラフィー技術が用いられる。
上面におけるビアホール20の矩形状開口の2辺を通っ
て該開口内へと延出させた場合には、下部電極15によ
る振動部21の保持が可能となるので、下地膜13を省
略することも可能である。
厚さは例えば0.3〜3.0μmである。圧電体膜16
のAlN膜は、カルシウム、ストロンチウム及びバリウ
ムなどのアルカリ土類金属またはイットリウム、ユーロ
ピウム、ガドリニウム、ディスプロシウム、エルビウ
ム、イッテルビウムなどの希土類金属を第三成分として
含有している。圧電体膜16の形成方法としては、反応
性スパッタ法が例示され、更に必要に応じて所要の形状
へのパターニングのためにフォトリソグラフィー技術が
用いられる。
の大きさや分極軸の配列などに依存する。本発明の圧電
薄膜共振子の圧電体膜においても、その圧電性は薄膜を
構成する結晶のドメイン構造、配向性及び結晶性などの
結晶性状に依存すると考えられる。本明細書において単
一配向膜とは、基板表面と平行に目的とする結晶面が揃
っている結晶化膜のことを意味する。例えば、(000
1)単一配向膜は、膜面と平行に(0001)面が成長
している膜を意味する。具体的には、ディフラクトメー
タ法によるX線回折測定を行った場合に、AlN結晶に
起因した目的とする回折面以外の反射ピークがほとんど
検出できないものを意味する。例えば、(000L)単
一配向膜、即ち、C軸単一配向膜は、θ−2θ回転のX
線回折測定で(000L)面以外の反射強度が(000
L)面反射の最大ピーク強度の5%未満、好ましくは2
%未満、さらに好ましくは検出限界以下のものである。
なお(000L)面は、(0001)系列の面、即ち
(0001)面、(0002)面及び(0004)面な
どの等価な面を総称する表示である。
FBARにおいて、その共振特性がAlN薄膜の組成や
結晶性にどのように依存するのかについて検討した。そ
の結果、AlN薄膜からなる圧電体膜を有するFBAR
の共振特性が、AlN薄膜の組成や結晶性に大きく依存
することを見出した。即ち、良好な共振特性を得るため
には、AlN薄膜にカルシウム、ストロンチウム、バリ
ウムなどのアルカリ土類金属、またはイットリウム、ユ
ーロピウム、ガドリニウム、ディスプロシウム、エルビ
ウム、イッテルビウムなどの希土類金属の添加が有効で
ある。その含有量は、好ましくは0.2〜3.0原子%
(Atom%)である。0.2Atom%未満の場合に
は第三成分添加による共振特性改善の効果が低下し、一
方3.0Atom%を越える場合には結晶粒界に偏析す
る第三成分の量が多くなり音響波を散乱させ共振特性の
劣化が生ずる傾向にある。
するAlN薄膜は、C軸配向を示し、X線回折法により
測定した(0002)面の回折ピークのロッキング・カ
ーブ半値幅(FWHM)は3.0°以下である。ロッキ
ング・カーブ半値幅(FWHM)が3.0°を超える
と、電気機械結合係数kt 2が低下し、共振特性が劣化す
る傾向にある。さらに、ロッキング・カーブ半値幅(F
WHM)が過度に大きくなると、下部電極端子部15b
と上部電極端子部17bとの間に電流リークが発生しや
すくなる傾向にある。
するAlN薄膜のC軸長は0.4978〜0.4993
nmであることが好ましい。C軸長が0.4978より
小さくても、0.4993nmより大きくても、電気機
械結合係数kt 2及び音響的品質係数(Q値)が低下し、
共振特性が悪化する傾向にある。また、ディフラクトメ
ータ法により測定した(0002)面のX線回折ピーク
の2θ回転角の半値幅(FWHM)は0.6°以下であ
ることが好ましい。2θ回転角の半値幅(FWHM)が
0.6°を超えると、やはり、電気機械結合係数kt 2及
び音響的品質係数(Q値)が低下し、共振特性が悪化す
る傾向にある。
別の実施形態を示す模式的平面図であり、図4はそのX
−X断面図である。これらの図において、上記図1及び
図2におけると同様の機能を有する部材には同一の符号
が付されている。
なしており、上部電極17は、第1の電極部17Aと第
2の電極部17Bとからなる。これら電極部17A,1
7Bはそれぞれ主体部17Aa,17Baと端子部17
Ab,17Bbとを有する。主体部17Aa,17Ba
は振動部21に対応する領域内に位置しており、端子部
17Ab,17Bbは振動部21に対応する領域外に位
置している。
方(例えば第2の電極部17B)と下部電極15との間
に入力電圧を印加し、上部電極17のうちの他方(例え
ば第1の電極部17A)と下部電極15との間の電圧を
出力電圧として取り出すことができるので、スプリアス
を十分に低減することができる。
イクロ波プローバを使用して測定したインピーダンス特
性における共振周波数fr および***振周波数fa と電
気機械結合係数kt 2との間には、以下の関係 kt 2=φr /Tan(φr ) φr =(π/2)(fr /fa ) がある。
て、次式 kt 2=4.8(fa −fr )/(fa +fr ) から算出したものを用いることができ、本明細書では、
電気機械結合係数kt 2の数値は、この式を用いて算出し
たものを用いている。
BARにおいて、2.0〜3.0GHzの範囲における
共振周波数及び***振周波数の測定値から求めた電気機
械結合係数kt 2は4.5〜6.5%である。電気機械結
合係数kt 2が4.5%未満になると、作製したFBAR
の帯域幅が小さくなり、高周波域で実用に供することが
難しくなる傾向にある。
をさらに詳細に説明する。
して、図1,2に示されている構造の圧電薄膜共振子を
作製した。
板12の上面及び下面に、低圧CVD法により厚さ0.
55μmの窒化シリコン(SiNx )層を形成した。上
面側のSiNx 層を下地膜13とした。また、下面側の
SiNx 層は基板12に対する後述のビアホール形成の
ためのマスクのパターンに形成した。
パッタ法により厚さ200nmのMo層を形成し、フォ
トリソグラフィーによりパターン化して下部電極15を
形成した。下部電極15の主体部15aは平面寸法14
0×160μmの矩形に近い形状とした。下部電極15
が単一配向膜であることは、X線回折測定により確認し
た。このMo下部電極15上に、組成中に表1に示す第
三成分を含む厚さ1.55μmのAlN薄膜を形成し
た。AlN薄膜の形成は、適宜の組成を有するAl合金
または金属Alの一部に希土類金属塊を埋め込んだもの
をターゲットとして用いた、反応性RFマグネトロンス
パッタ法により行った。熱燐酸を使用した湿式エッチン
グにより、AlN薄膜を所定の形状にパターン化して圧
電体膜16を形成した。その後、DCマグネトロンスパ
ッタ法及びリフトオフ法を使用して、厚さ200nmの
Moからなる上部電極17を形成した。上部電極17の
主体部17aは平面寸法140×160μmの矩形に近
い形状とし、下部電極主体部15aに対応する位置に配
置した。
上下部電極15,17及び圧電体膜16の形成されてい
る側をPMMA樹脂で被覆し、Si基板12の下面に形
成したパターン状SiNx 層をマスクとして、振動部2
1に対応するSi基板12の部分をKOH水溶液でエッ
チング除去して、空隙となるビアホール20を形成し
た。Si基板12の上面に形成されたビアホール開口の
寸法(振動部21の平面寸法)は、200×200μm
であった。
(FBAR)について、XPS分光法によりAlN圧電
体膜16の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機
能X線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法によ
る薄膜X線回折測定(θ−2θ回転による格子定数測定
とKα1回折ピークの半値幅(FWHM)測定)と(0
002)回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FW
HM)測定とを行った。XPS分光法により測定したA
lN圧電体膜16の酸素含有量は0.5Atm%未満で
あった。AlN圧電体膜16の組成および結晶性の評価
結果を表1に示す。
クロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用し
て、上記薄膜圧電共振子の電極端子15b,17b間の
インピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数fr
および***振周波数fa の測定値から、電気機械結合係
数kt 2、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Qを求
めた。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波
数、電気機械結合係数kt 2、周波数温度特性τf 及び音
響的品質係数Qは表2に示す通りであった。
うにして、図1,2に示されている構造の圧電薄膜共振
子を作製した。
面及び下面に、熱酸化法により厚さ0.2〜0.7μm
の範囲内の酸化シリコン(SiO2 )層を形成した。上
面側のSiO2 層を下地膜13とした。また、下面側の
SiO2 層は基板12に対する後述のビアホール形成の
ためのマスクのパターンに形成した。
パッタ法により厚さ15nmのTi層とその上の厚さ1
00nmのPt層との積層膜を形成し、フォトリソグラ
フィーによりパターン化して下部電極15を形成した。
下部電極15の主体部15aは平面寸法140×160
μmの矩形に近い形状とした。下部電極15が単一配向
膜であることは、X線回折測定により確認した。即ち、
θ−2θ回転ディフラクトメータ法において、(11
1)系列の面以外の回折ピーク強度は検出限界以下、す
なわち、(111)面の最大ピーク強度の0.5%以下
であった。このPt/Ti下部電極15上に、組成中に
表1に示す第三成分を含むAlN薄膜を形成した。Al
N薄膜の厚さは、表2に示す通りである。AlN薄膜の
形成は、適宜の組成を有するAl合金または金属Alの
一部に希土類金属塊を埋め込んだものをターゲットとし
て用いた、反応性RFマグネトロンスパッタ法により行
った。熱燐酸を使用した湿式エッチングにより、AlN
薄膜を所定の形状にパターン化して圧電体膜16を形成
した。その後、DCマグネトロンスパッタ法及びリフト
オフ法を使用して、厚さ100nmのAlからなる上部
電極17を形成した。上部電極17の主体部17aは平
面寸法140×160μmの矩形に近い形状とし、下部
電極主体部15aに対応する位置に配置した。
上下部電極15,17及び圧電体膜16の形成されてい
る側をPMMA樹脂で被覆し、Si基板12の下面に形
成したパターン状SiO2 層をマスクとして、振動部2
1に対応するSi基板12の部分をKOH水溶液でエッ
チングして、空隙となるビアホール20を形成した。S
i基板12の上面に形成されたビアホール開口の寸法
(振動部21の平面寸法)は、200×200μmであ
った。
(FBAR)について、XPS分光法によりAlN圧電
体膜16の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機
能X線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法によ
る薄膜X線回折測定(θ−2θ回転による格子定数測定
とKα1回折ピークの半値幅(FWHM)測定)と(0
002)回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FW
HM)測定とを行った。XPS分光法により測定したA
lN圧電体膜16の酸素含有量は0.5Atm%未満で
あった。AlN圧電体膜16の組成および結晶性の評価
結果を表1に示す。
クロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用し
て、上記薄膜圧電共振子の電極端子15b,17b間の
インピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数fr
および***振周波数fa の測定値から、電気機械結合係
数kt 2、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Qを求
めた。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波
数、電気機械結合係数kt 2、周波数温度特性τf 及び音
響的品質係数Qは表2に示す通りであった。
して、図3,4に示されている構造の圧電薄膜共振子を
作製した。
いて実施例1と同様の工程を実施した。下部電極15は
振動部21に対応する領域を含むように延びている平面
寸法120×280μmの矩形状のものとし、上部電極
17はそれぞれ平面寸法65×85μmの矩形に近い形
状の主体部17Aa,17Baが間隔20μmをおいて
配置されたものとした。
(FBAR)について、XPS分光法によりAlN圧電
体膜16の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機
能X線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法によ
る薄膜X線回折測定(θ−2θ回転による格子定数測定
とKα1回折ピークの半値幅(FWHM)測定)と(0
002)回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FW
HM)測定とを行った。XPS分光法により測定したA
lN圧電体膜16の酸素含有量は0.5Atm%未満で
あった。AlN圧電体膜16の組成および結晶性の評価
結果を表1に示す。
クロ波プローバを使用して、上記薄膜圧電共振子の下部
電極15の端子部(図3,4で左側の露出部分)を接地
電極に接続し、上部電極17Aの端子部17Abから信
号を入力し、上部電極17Bの端子部17Bbから出力
信号を取り出して、ネットワークアナライザで信号の強
度及び波形などを解析した。共振周波数fr および***
振周波数fa の測定値から、電気機械結合係数kt 2、周
波数温度特性τf 及び音響的品質係数Qを求めた。得ら
れた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械
結合係数kt 2、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数
Qは表2に示す通りであった。
うにして、図3,4に示されている構造の圧電薄膜共振
子を作製した。
いて実施例2〜4と同様の工程を実施した。下部電極1
5は振動部21に対応する領域を含むように延びている
平面寸法150×300μmの矩形状のものとし、上部
電極17はそれぞれ平面寸法70×90μmの矩形に近
い形状の主体部17Aa,17Baが間隔20μmをお
いて配置されたものとした。
(FBAR)について、XPS分光法によりAlN圧電
体膜16の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機
能X線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法によ
る薄膜X線回折測定(θ−2θ回転による格子定数測定
とKα1回折ピークの半値幅(FWHM)測定)と(0
002)回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FW
HM)測定とを行った。XPS分光法により測定したA
lN圧電体膜16の酸素含有量は0.5Atm%未満で
あった。AlN圧電体膜16の組成および結晶性の評価
結果を表1に示す。
クロ波プローバを使用して、上記薄膜圧電共振子の下部
電極15の端子部(図3,4で左側の露出部分)を接地
電極に接続し、上部電極17Aの端子部17Abから信
号を入力し、上部電極17Bの端子部17Bbから出力
信号を取り出して、ネットワークアナライザで信号の強
度及び波形などを解析した。共振周波数fr および***
振周波数fa の測定値から、電気機械結合係数kt 2、周
波数温度特性τf 及び音響的品質係数Qを求めた。得ら
れた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械
結合係数kt 2、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数
Qは表2に示す通りであった。
成分であるアルカリ土類金属や希土類金属を添加しない
こと以外は、それぞれ実施例1,5と同様の工程を実行
して、図1,2に示されている構造の圧電薄膜共振子ま
たは図3,4に示されている構造の圧電薄膜共振子を作
製した。
(FBAR)について、XPS分光法によりAlN圧電
体膜の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機能X
線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法による薄
膜X線回折測定(θ−2θ回転による格子定数測定とK
α1回折ピークの半値幅(FWHM)測定)と(000
2)回折ピークのロッキング・カーブ半値幅(FWH
M)測定とを行った。XPS分光法により測定したAl
N薄膜の酸素含有量は比較例1,2とも約2.5Atm
%であった。実施例1〜8と同様の操作で分析評価を行
ったが、AlN薄膜の品質が悪い為に、XPS分析まで
に膜が酸化されて酸素含有量が増加した可能性もある。
AlN薄膜の組成および結晶性の評価結果を表1に示
す。
クロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用し
て、それぞれ実施例1,5と同様にしてインピーダンス
特性を測定すると共に、共振周波数fr および***振周
波数fa の測定値から、電気機械結合係数kt 2、周波数
温度特性τf 及び音響的品質係数Qを求めた。得られた
圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合
係数kt 2、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Qは
表2に示す通りであった。
の組成の(0001)配向AlN結晶のC軸格子定数の
測定結果が記載されている。薄膜においては、冷却過程
でのSi基板との熱膨張係数差、下部電極との格子のミ
スマッチによる残留応力、AlN結晶内部の格子欠陥の
存在などにより、バルクのAlN結晶とは異なる格子定
数を示す。
希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜を用いたF
BARは従来にない高特性を示すことが明らかとなっ
た。これは、アルカリ土類金属または希土類金属を添加
することにより、圧電体膜である窒化アルミニウムの結
晶格子に固溶する酸素濃度を低減でき、配向性、結晶性
ならびに粒界強度が改善されることに基づくものと考え
られる。このアルカリ土類金属または希土類金属を含有
する窒化アルミニウム薄膜を共振子やフィルター等に適
用した場合には、音響的品質係数(Q値)や周波数温度
特性などの性能が向上する。
共振子によれば、圧電体膜としてアルカリ土類金属また
は希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜を用いて
いるので、電気機械結合係数、音響的品質係数(Q値)
及び周波数温度特性の向上が可能となる。
模式的平面図である。
模式的平面図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 基板と、該基板上に形成された圧電積層
構造体とを有しており、前記圧電積層構造体の一部を含
んで振動部が構成されており、前記圧電積層構造体は下
部電極、圧電体膜および上部電極を前記基板の側からこ
の順に積層してなるものであり、前記基板は前記振動部
に対応する領域にて該振動部の振動を許容する空隙を形
成している圧電薄膜共振子において、 前記圧電体膜がアルカリ土類金属及び/または希土類金
属を含有する窒化アルミニウム薄膜であることを特徴と
する圧電薄膜共振子。 - 【請求項2】 前記圧電体膜における前記アルカリ土類
金属及び前記希土類金属の含有量は0.2〜3.0原子
%であることを特徴とする、請求項1に記載の圧電薄膜
共振子。 - 【請求項3】 前記圧電体膜は、C軸配向を示し、(0
002)面のX線回折ピークのロッキング・カーブ半値
幅が3.0°以下であることを特徴とする、請求項1〜
2のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 - 【請求項4】 前記圧電体膜は、C軸長が0.4978
〜0.4993nmであることを特徴とする、請求項1
〜3のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 - 【請求項5】 前記圧電体膜は、(0002)面のX線
回折ピークの2θ回転角の半値幅が0.6°以下である
ことを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の圧
電薄膜共振子。 - 【請求項6】 前記基板と前記圧電積層構造体との間に
は下地膜が形成されており、前記振動部は前記下地膜の
一部をも含んで構成されていることを特徴とする、請求
項1〜5のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 - 【請求項7】 前記下地膜は酸化シリコンを主成分とす
る誘電体膜、窒化シリコンを主成分とする誘電体膜また
は酸化シリコンを主成分とする誘電体膜と窒化シリコン
を主成分とする誘電体膜との積層膜であることを特徴と
する、請求項6に記載の圧電薄膜共振子。 - 【請求項8】 前記基板はシリコン単結晶からなること
を特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の圧電薄
膜共振子。 - 【請求項9】 前記上部電極は互いに離隔して形成され
た第1の電極部と第2の電極部とからなることを特徴と
する、請求項1〜8のいずれかに記載の圧電薄膜共振
子。 - 【請求項10】 2.0〜3.0GHzの範囲における
共振周波数及び***振周波数の測定値から求めた電気機
械結合係数が4.5%以上であることを特徴とする、請
求項1〜9のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
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