JP7068011B2 - Piezoelectric thin film resonators, filters and multiplexers - Google Patents
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Description
本発明は、圧電薄膜共振器、フィルタおよびマルチプレクサに関する。 The present invention relates to piezoelectric thin film resonators, filters and multiplexers.
圧電薄膜共振器を用いた弾性波デバイスは、例えば携帯電話等の無線機器のフィルタおよびデュプレクサとして用いられている。圧電薄膜共振器は、圧電膜を挟み下部電極と上部電極が対向する構造を有している。圧電膜を挟み下部電極と上部電極が対向する領域が共振領域である。 Elastic wave devices using piezoelectric thin film resonators are used as filters and duplexers for wireless devices such as mobile phones. The piezoelectric thin film resonator has a structure in which the lower electrode and the upper electrode face each other with the piezoelectric film interposed therebetween. The region where the lower electrode and the upper electrode face each other across the piezoelectric film is the resonance region.
圧電薄膜共振器の電気機械結合係数を大きくするため、窒化アルミニウムを主成分とする圧電膜に窒素およびアルミニウム以外の元素を添加することが知られている（例えば特許文献１－３）。上部電極上にＡｌＮ膜を設けることが知られている（例えば特許文献４）。共振領域の端部から外側にかけての上部電極上に引張応力の膜を設けることが知られている（例えば特許文献５）。 It is known to add elements other than nitrogen and aluminum to a piezoelectric membrane containing aluminum nitride as a main component in order to increase the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric thin film resonator (for example, Patent Documents 1-3). It is known to provide an AlN film on the upper electrode (for example, Patent Document 4). It is known that a film of tensile stress is provided on the upper electrode from the end of the resonance region to the outside (for example, Patent Document 5).
圧電薄膜共振器の特性向上のため圧電膜を圧縮応力とすることがある。例えば、特許文献１から３のように、窒化アルミニウムを主成分とする圧電膜に窒素およびアルミニウム以外の元素を添加することで、圧電膜の圧電性が向上し電気機械結合係数等の圧電薄膜共振器の特性が向上する。特許文献１に記載されているように、このとき、圧電膜の残留応力は圧縮応力となる。圧電膜の残留応力が圧縮応力となると、圧電膜にクラックが生じる、または圧電膜等が剥がれる等の破壊が生じる可能性がある。 The piezoelectric membrane may be used as a compressive stress to improve the characteristics of the piezoelectric thin film resonator. For example, as in Patent Documents 1 to 3, by adding an element other than nitrogen and aluminum to a piezoelectric film containing aluminum nitride as a main component, the piezoelectricity of the piezoelectric film is improved and the piezoelectric thin film resonance such as the electromechanical coupling coefficient is improved. The characteristics of the vessel are improved. As described in Patent Document 1, at this time, the residual stress of the piezoelectric film becomes a compressive stress. When the residual stress of the piezoelectric film becomes a compressive stress, there is a possibility that the piezoelectric film may be cracked or the piezoelectric film or the like may be peeled off.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧電膜等に加わる応力を抑制することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to suppress stress applied to a piezoelectric film or the like.
本発明は、基板と、前記基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられ、窒化アルミニウムを主成分とし、スカンジウムもしくはボロン、または、２族元素もしくは１２族元素と４族元素もしくは５族元素とである元素が添加され、残留応力が圧縮応力である圧電膜と、前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する領域である共振領域が形成されるように設けられた上部電極と、前記共振領域における前記圧電膜上に設けられ、アルゴン濃度が前記圧電膜のアルゴン濃度より高く、窒化アルミニウムを主成分とし、残留応力が引張応力である付加膜と、前記基板と前記下部電極との間に設けられ、前記圧電膜内に励振された弾性波を反射する音響反射層と、を備え、前記付加膜における前記元素の濃度は前記圧電膜における前記元素の濃度より低い、または、前記付加膜には前記元素が実質的に添加されていない圧電薄膜共振器である。
In the present invention, a substrate, a lower electrode provided on the substrate, and aluminum nitride as a main component provided on the lower electrode, scandium or boron, or a
上記構成において、前記付加膜には、前記元素が実質的に添加されていない構成とすることができる。 In the above configuration, the additional film may be configured such that the element is not substantially added.
上記構成において、前記付加膜は前記上部電極上に設けられている構成とすることができる。 In the above configuration, the additional film may be configured to be provided on the upper electrode.
上記構成において、前記付加膜は、前記圧電膜と前記上部電極との間に設けられている構成とすることができる。 In the above configuration, the additional film may be provided between the piezoelectric film and the upper electrode.
上記構成において、前記上部電極上に設けられた前記付加膜の材料と異なる材料からなる絶縁膜を更に備え、前記付加膜は、前記上部電極と前記絶縁膜との間に設けられている構成とすることができる。 In the above configuration, an insulating film made of a material different from the material of the additional film provided on the upper electrode is further provided, and the additional film is provided between the upper electrode and the insulating film. can do.
上記構成において、前記付加膜は、前記共振領域内のうち少なくとも中央領域における前記圧電膜上に設けられている構成とすることができる。 In the above configuration, the additional film may be configured to be provided on the piezoelectric film in at least the central region of the resonance region.
上記構成において、前記付加膜のヤング率は、前記下部電極および前記上部電極内の少なくとも１つの層のヤング率より大きい構成とすることができる。 In the above configuration, the Young's modulus of the additional film can be larger than the Young's modulus of at least one layer in the lower electrode and the upper electrode.
上記構成において、前記付加膜の膜厚は、前記圧電膜の膜厚の８％以上である構成とすることができる。 In the above configuration, the film thickness of the additional film may be 8% or more of the film thickness of the piezoelectric film.
上記構成において、前記音響反射層は空隙であり、前記上部電極が前記共振領域から引き出される領域における前記下部電極の端は、前記空隙と前記圧電膜との間に位置する構成とすることができる。 In the above configuration, the acoustic reflection layer is a void, and the end of the lower electrode in the region where the upper electrode is drawn out from the resonance region can be configured to be located between the void and the piezoelectric film. ..
本発明は、上記圧電薄膜共振器を含むフィルタである。 The present invention is a filter including the above-mentioned piezoelectric thin film resonator.
本発明は、上記フィルタを含むマルチプレクサである。 The present invention is a multiplexer including the above filter.
本発明によれば、圧電膜等に加わる応力を抑制することができる。 According to the present invention, the stress applied to the piezoelectric film or the like can be suppressed.
以下図面を参照し、本発明の実施例について説明する。 Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）は、挿入膜および空隙の平面図、図１（ｃ）および図１（ｄ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図１（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器を、図１（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器を示している。 1 (a) is a plan view of the piezoelectric thin film resonator according to the first embodiment, FIG. 1 (b) is a plan view of an insertion membrane and a gap, and FIGS. 1 (c) and 1 (d) are FIGS. 1 (A) is a sectional view taken along the line AA. FIG. 1C shows, for example, a series resonator of a ladder type filter, and FIG. 1D shows, for example, a parallel resonator of a ladder type filter.
図１（ａ）および図１（ｃ）を参照し、直列共振器Ｓの構造について説明する。シリコン（Ｓｉ）基板である基板１０上に、下部電極１２が設けられている。基板１０の平坦主面と下部電極１２との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成されている。ドーム状の膨らみとは、例えば空隙３０の周辺では空隙３０の高さが小さく、空隙３０の内部ほど空隙３０の高さが大きくなるような形状の膨らみである。空隙３０は、圧電膜１４に励振された弾性波を反射する音響反射層として機能する。下部電極１２は下層１２ａと上層１２ｂとを含んでいる。下層１２ａは例えばＣｒ（クロム）膜であり、上層１２ｂは例えばＲｕ（ルテニウム）膜である。
The structure of the series resonator S will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (c). The
下部電極１２上に、（００２）方向を主軸とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４は、下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂを備えている。下部圧電膜１４ａは下部電極１２上に設けられ、上部圧電膜１４ｂは下部圧電膜１４ａと上部電極１６との間に設けられている。下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入膜２８が設けられている。
A
図１（ｂ）に示すように、挿入膜２８は、共振領域５０内の外周領域５２に設けられ中央領域５４に設けられていない。外周領域５２は、共振領域５０内の領域であって、共振領域５０の外周を含み外周に沿った領域である。外周領域５２は、例えばリング状である。中央領域５４は、共振領域５０内の領域であって、共振領域５０の中央を含む領域である。中央は幾何学的な中心でなくてもよい。
As shown in FIG. 1 (b), the
圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向する領域（共振領域５０）を有するように圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。共振領域５０は、楕円形状を有し、厚み縦振動モードの弾性波が共振する領域である。平面視において空隙３０は共振領域５０を含むように設けられる。これにより、圧電膜１４に励振された弾性波は空隙３０により反射される。上部電極１６は下層１６ａおよび上層１６ｂを含んでいる。下層１６ａは例えばＲｕ膜であり、上層１６ｂは例えばＣｒ膜である。
The
共振領域５０内の上部電極１６上には窒化アルミニウムを主成分とする付加膜２６が設けられている。付加膜２６上に周波数調整膜２４として酸化シリコン膜が形成されている。共振領域５０内の積層膜１８は、下部電極１２、圧電膜１４、上部電極１６および周波数調整膜２４を含む。周波数調整膜２４はパッシベーション膜として機能してもよい。
An
図１（ａ）のように、下部電極１２には犠牲層をエッチングするための導入路３３が形成されている。犠牲層は空隙３０を形成するための層である。導入路３３の先端付近は圧電膜１４で覆われておらず、下部電極１２は導入路３３の先端に孔部３５を有する。また、図１（ｂ）のように、挿入膜２８は孔部３５に連通する孔部３４を有する。
As shown in FIG. 1A, the
図１（ｄ）を参照し、並列共振器Ｐの構造について説明する。並列共振器Ｐは直列共振器Ｓと比較し、上部電極１６の下層１６ａと上層１６ｂとの間に、Ｔｉ（チタン）層からなる質量負荷膜２０が設けられている。よって、積層膜１８は直列共振器Ｓの積層膜に加え、共振領域５０内の全面に形成された質量負荷膜２０を含む。その他の構成は直列共振器Ｓの図１（ｃ）と同じであり説明を省略する。
The structure of the parallel resonator P will be described with reference to FIG. 1 (d). Compared with the series resonator S, the parallel resonator P is provided with a
直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの共振周波数の差は、質量負荷膜２０の膜厚を用い調整する。直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの両方の共振周波数の調整は、周波数調整膜２４の膜厚を調整することにより行なう。
The difference in resonance frequency between the series resonator S and the parallel resonator P is adjusted by using the film thickness of the
基板１０としては、Ｓｉ基板以外に、石英基板、ガラス基板、セラミック基板、サファイア基板、スピネル基板、水晶基板またはＧａＡｓ基板等を用いることができる。下部電極１２および上部電極１６としては、ＲｕおよびＣｒ以外にもＡｌ（アルミニウム）、Ｔｉ、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）またはＩｒ（イリジウム）等の単層膜またはこれらの積層膜を用いることができる。例えば、上部電極１６の下層１６ａをＲｕ、上層１６ｂをＭｏとしてもよい。
As the
圧電膜１４は、窒化アルミニウム以外にも、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＰｂＴｉＯ3（チタン酸鉛）等を用いることができる。また、例えば、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、共振特性の向上または圧電性の向上のため他の元素を含んでもよい。圧電膜１４の残留応力は例えば圧縮応力である。
As the
挿入膜２８のヤング率は圧電膜１４より小さいことが好ましい。密度がほぼ同じであれば、ヤング率は音響インピーダンスと相関することから、挿入膜２８の音響インピーダンスは圧電膜１４より小さいことが好ましい。これにより、Ｑ値を向上できる。さらに、挿入膜２８の音響インピーダンスを圧電膜１４より小さくするため、圧電膜１４が窒化アルミニウムを主成分とする場合、挿入膜２８は、Ａｌ膜、Ａｕ膜、Ｃｕ膜、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、Ｔａ膜、Ｃｒ膜または酸化シリコン膜であることが好ましい。
The Young's modulus of the
付加膜２６としては、窒化アルミニウム膜以外にも酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化アルミニウム膜等の絶縁膜を用いることができる。付加膜２６は金属膜でもよい。付加膜２６の残留応力は、例えば引張応力である。
As the
周波数調整膜２４としては、酸化シリコン膜以外にも窒化シリコン膜または窒化アルミニウム等を用いることができる。質量負荷膜２０としては、Ｔｉ以外にも、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、ＲｈもしくはＩｒ等の単層膜を用いることができる。また、例えば窒化シリコンまたは酸化シリコン等の窒化金属または酸化金属からなる絶縁膜を用いることもできる。質量負荷膜２０は、上部電極１６の層間（下層１６ａと上層１６ｂとの間）以外にも、下部電極１２の下、下部電極１２の層間、上部電極１６の上、下部電極１２と圧電膜１４との間または圧電膜１４と上部電極１６との間に形成することができる。質量負荷膜２０は、共振領域５０を含むように形成されていれば、共振領域５０より大きくてもよい。
As the
[比較例１]
図２は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の断面拡大図である。図２は、上部電極が共振領域から引き出される領域付近の断面図である。図２に示すように、空隙３０の端部と下部電極１２との端部が略一致しており、下部電極１２の端は空隙３０と圧電膜１４との間に位置する。圧電膜１４の圧縮応力が大きい場合、下部電極１２の端部５６に応力が集中する。このため、圧電膜１４にクラックが生じる、および／または圧電膜１４が剥がれてしまう。
[Comparative Example 1]
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the piezoelectric thin film resonator according to Comparative Example 1. FIG. 2 is a cross-sectional view of the vicinity of the region where the upper electrode is pulled out from the resonance region. As shown in FIG. 2, the end of the
[比較例１における実験]
そこで、付加膜２６を設けていない構造Ｂの圧電薄膜共振器を作製した。圧電膜１４の応力を変え、圧電膜１４のクラックおよび／または剥がれ等の破壊の有無を調査した。構造Ｂの作製条件は以下である。
下部電極１２の下層１２ａ：膜厚が９８ｎｍのＣｒ膜
下部電極１２の上層１２ｂ：膜厚が１９２ｎｍのＣｒ膜
圧電膜１４：膜厚が１２５０ｎｍのＡｌＮ膜
挿入膜２８：膜厚が１５０ｎｍの酸化シリコン膜
挿入膜２８は、圧電膜１４の厚さ方向の中心に設けた。
上部電極１６の下層１６ａ：膜厚が２３２ｎｍのＲｕ膜
上部電極１６の上層１６ｂ：膜厚が３５ｎｍのＣｒ層
周波数調整膜２４：膜厚が５０ｎｍの酸化シリコン膜
共振領域５０の形状：長軸が２１１μｍ、短軸が１５１μｍの楕円形状
[Experiment in Comparative Example 1]
Therefore, a piezoelectric thin film resonator having a structure B without an
圧電膜１４の成膜方法は以下である。圧力を０．３Ｐａとし、Ａｒ（アルゴン）ガスとＮ２（窒素ガス）の混合ガス雰囲気においてスパッタリングを行った。Ａｒ／Ｎ２混合ガスにおける、Ａｒ＋Ｎ２の流量に対するＡｒの流量の比（Ａｒ流量比）を変えることで圧電膜１４の残留応力を変化させた。圧電膜１４には、窒素およびアルミニウム以外の元素を意図的に添加していない。
The film forming method of the
圧電薄膜共振器の圧電膜１４を成膜する条件と同じ条件でシリコン基板上に圧電膜を成膜した。室温におけるシリコン基板の反りから残留応力を測定した。圧電膜１４の残留応力が引張応力のときは、圧電膜１４を設けた面が凹むようにシリコン基板が反る。圧電膜１４の残留応力が圧縮応力のときは、圧電膜１４を設けた面が膨らむようにシリコン基板が反る。残留応力の符号は、引張応力のとき正であり、圧縮応力のとき負である。なお、残留応力は内部応力ともいう。
The piezoelectric film was formed on the silicon substrate under the same conditions as the conditions for forming the
作製した圧電薄膜共振器のサンプルにおいて、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）を用い圧電膜１４の破壊を観察した。圧電膜１４にクラックおよび／または剥離が生じているサンプルを圧電膜１４の破壊が「有」とし、圧電膜１４にクラックおよび剥離のいずれも生じていないサンプルを圧電膜１４の破壊が「無」とした。
In the prepared sample of the piezoelectric thin film resonator, the fracture of the
図３は、実験における圧電膜の残留応力と圧電膜の破損を示す図である。図３に示すように、圧電膜１４の残留応力が－２００ＭＰａ以下では圧電膜１４の破壊が生じ、残留応力が－１５０ＭＰａ以上では圧電膜１４の破壊は生じない。
FIG. 3 is a diagram showing the residual stress of the piezoelectric film and the breakage of the piezoelectric film in the experiment. As shown in FIG. 3, when the residual stress of the
［シミュレーション］
付加膜２６としてＡｌＮ膜を設けた構造Ａと付加膜２６を設けない構造Ｂについて、下部電極１２の端部５６（図２参照）に加わる応力を２次元の有限要素法を用い算出した。シミュレーション条件は、実験の条件と同じとした。図３の実験結果より、構造Ｂでは、圧電膜１４の残留応力が－１５０Ｍｐａのときが圧電膜１４の破損の有無の臨界値となる。そこで、下部電極１２の端部５６に加わる応力は、構造Ｂにおける残留応力が－１５０ＭＰａのときの端部５６に加わる応力で規格化した。規格化した応力を応力比とし１００分率で表した。応力比が１００％以上の構造では圧電膜１４に破壊が生じ、１００％未満では圧電膜１４に破壊が生じないと考えられる。
[simulation]
For the structure A provided with the AlN film as the
図４は、シミュレーションにおける応力比を示す図である。図４に示すように、構造Ｂでは、圧電膜１４の残留応力が－２００ＭＰａ以下で応力比が１００％以上となり、圧電膜１４の残留応力が－１００ＭＰａ以下で応力比が１００％未満となる。これは図３の結果と一致している。このように、シミュレーションにより、圧電膜１４の破損の有無が予想できる。
FIG. 4 is a diagram showing the stress ratio in the simulation. As shown in FIG. 4, in the structure B, the residual stress of the
構造Ａでは、引張応力の付加膜２６を設けることで、応力比を１００％未満にできる。すなわち、圧電膜１４の破損を抑制できる。付加膜２６の膜厚が大きいほど応力比を小さくでき、付加膜２６の残留応力が大きいほど応力比を小さくできる。圧電膜１４の残留応力の絶対値が大きくなる（すなわち圧縮応力が大きくなる）と、付加膜２６の膜厚を大きくしかつ残留応力を大きくしないと応力比は１００％未満とならない。
In the structure A, the stress ratio can be made less than 100% by providing the
図４のように、応力比を１００％未満とするため、付加膜２６の膜厚は１００ｎｍ以上が好ましい。これは圧電膜１４の膜厚の８％以上に相当する。このように、付加膜２６の膜厚は圧電膜１４の膜厚の８％以上が好ましく、１０％以上がより好ましく、１５％以上がさらに好ましい。付加膜２６が厚すぎると付加膜２６または圧電膜１４との剥がれ等が生じる。よって、付加膜２６の膜厚は圧電膜１４の膜厚の５０％以下が好ましく、４０％以下がより好ましく、３０％以下がさらに好ましい。
As shown in FIG. 4, since the stress ratio is less than 100%, the film thickness of the
また、応力比を１００％未満とするため、付加膜２６の残留応力の絶対値は、圧電膜１４の残留応力の絶対値の５０％以上が好ましく、７５％以上がより好ましく、１００％以上がさらに好ましい。付加膜２６の引張応力が大きすぎると付加膜２６または圧電膜１４との剥がれ等が生じる。よって、付加膜２６の残留応力の絶対値は、圧電膜１４の残留応力の絶対値の５００％以下が好ましく、３００％以下がより好ましく、２００％以下がさらに好ましい。
Further, since the stress ratio is less than 100%, the absolute value of the residual stress of the
付加膜２６の残留応力を設定するためのＡｌＮ膜の成膜方法を検討した。ＡｌＮをターゲットとし、スパッタリングガスをＡｒ／Ｎ２混合ガスとした。Ｎ２は、Ａｌと反応させＡｌＮとするためのガスである。ターゲットのスパッタリングには主にＡｒが寄与する。圧力を０．３Ｐａとし、Ｎ２流量を８０ｓｃｃｍの一定値とし、Ａｒ流量を変えＡｌＮ膜を成膜した。ＡｌＮ膜には窒素およびアルミニウム以外の元素を意図的には添加していない。
A method for forming an AlN film for setting the residual stress of the
図５は、Ａｒ流量に対する残留応力を示す図である。図５に示すように、Ａｒ流量が小さいと、残留応力は圧縮応力である。Ａｒ流量が大きくなると、残留応力が大きくなり引張応力となる。このように、Ａｒ流量を変えることで付加膜２６の残留応力を制御できる。Ａｒ流量の大きい（すなわち残留応力が大きい）付加膜２６のＡｒ濃度はＡｒ流量の小さい（すなわち残留応力の小さい）付加膜２６のＡｒ濃度より高いと考えられる。
FIG. 5 is a diagram showing residual stress with respect to Ar flow rate. As shown in FIG. 5, when the Ar flow rate is small, the residual stress is a compressive stress. When the Ar flow rate becomes large, the residual stress becomes large and becomes a tensile stress. In this way, the residual stress of the
圧電膜１４が圧縮応力となる原因としては、例えば圧電膜１４に圧電膜１４の圧電性が向上するような元素を添加することが挙げられる。特許文献２に記載されているように、圧電膜１４に、２族元素または１２族元素と４族元素を添加する、または２族元素と５族元素とを添加する。なお、元素の族の名称は、ＩＵＰＡＣ（International Union of Pure and Applied Chemistry）の表記による。２族元素は、例えばカルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）またはストロンチウム（Ｓｒ）である。１２族元素は例えば亜鉛（Ｚｎ）である。４族元素は、例えばチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）またはハフニウム（Ｈｆ）である。５族元素は、例えばタンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）またはバナジウム（Ｖ）である。特許文献３に記載されているように、圧電膜１４は、窒化アルミニウム膜を主成分とし、スカンジウム（Ｓｃ）が添加されていてもよい。また、圧電膜１４は窒化アルミニウムを主成分とし、ボロン（Ｂ）が添加されていてもよい。
The cause of the
２族元素もしくは１２族元素と４族元素もしくは５族元素、スカンジウムおよびボロンを仮に元素Ｍとすると、元素ＭはＡｌＮのＡｌに置換する。すなわち、元素ＭはＡｌサイトに位置する。これにより、圧電膜１４の圧電性が向上し圧電薄膜共振器の電気機械結合係数等の特性が向上する。このとき、圧電膜１４は圧縮応力となる。
Assuming that the
圧電薄膜共振器の電気機械結合係数を構造させるため、元素Ｍの濃度（Ｍ＋Ａｌに対するＭの濃度）は、５原子％以上が好ましく、１０原子％以上がより好ましく、２０原子％以上がさらに好ましい。また、圧電膜１４をＡｌＮ膜とするため、元素Ｍの濃度は５０原子％以下が好ましく、４０原子％以下がより好ましい。なお、圧電膜１４が窒化アルミニウム膜を主成分とするとは、本明細書の効果が得られる程度に窒化アルミニウムを含むことであり、例えば圧電膜１４の５０原子％以上がＡｌおよびＮであることである。
In order to structure the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric thin film resonator, the concentration of the element M (concentration of M with respect to M + Al) is preferably 5 atomic% or more, more preferably 10 atomic% or more, still more preferably 20 atomic% or more. Further, since the
以上説明したように、付加膜２６を設けない比較例１では、圧電膜１４を圧縮応力とした場合、圧電膜１４に加わる応力が大きくなってしまう。
As described above, in Comparative Example 1 in which the
実施例１によれば、圧電膜１４を、窒化アルミニウムを主成分とし、窒素、アルミニウムおよびアルゴン以外から選択される元素を意図的に添加する。これにより、圧電膜１４の圧電性が向上する。しかし、圧電膜１４の残留応力が圧縮応力となる。そこで、付加膜２６を、共振領域５０における圧電膜１４上に設ける。付加膜２６を、アルゴン濃度が圧電膜１４のアルゴン濃度より低く、窒化アルミニウムを主成分とする膜とする。これにより、付加膜２６が引張応力となり、下部電極１２の端部等において圧電膜１４に加わる応力を抑制できる。よって、圧電膜１４の破壊を抑制できる。
According to the first embodiment, the
付加膜２６は、窒素、アルミニウムおよびアルゴン以外から選択される元素が実質的に（すなわち意図的に）添加されていない。これにより、付加膜２６をより引張応力とすることができる。
The
窒素、アルミニウムおよびアルゴン以外から選択される元素は、スカンジウムもしくはボロン、または、２族元素もしくは１２族元素と４族元素もしくは５族元素とである。これにより、圧電膜１４の圧電性がより向上する。しかし、圧電膜１４が圧縮応力となりやすく下部電極１２の端部に応力が集中しやすい。そこで、付加膜２６を設けることが好ましい。
Elements selected from other than nitrogen, aluminum and argon are scandium or boron, or
圧電膜１４が窒化アルミニウムを主成分とし、ボロンが添加されている場合、圧電膜１４が硬くなる。よって、圧電膜１４に応力が加わるとクラック等の破損が生じやすい。よって、付加膜２６を設けることが好ましい。
When the
また、実施例１によれば、圧電薄膜共振器の特性向上等のため、圧電膜１４の残留応力を圧縮応力とする。このとき、共振領域５０における圧電膜１４上に、残留応力が引張応力である付加膜２６を設ける。これにより、下部電極１２の端部等において圧電膜１４に加わる応力を抑制できる。よって、圧電膜１４の破壊を抑制できる。
Further, according to the first embodiment, the residual stress of the
付加膜２６は、共振領域５０外に設けられていてもよいが、少なくとも共振領域５０の全体と重なるように設ける。これにより、下部電極１２の端部の圧電膜１４に加わる応力を抑制できる。付加膜２６は、共振領域５０の一部と重なり、共振領域５０の他の部分に重ならなくてもよい。下部電極１２の端部への応力の集中を抑制するため、付加膜２６は、共振領域５０内の少なくとも中央領域５４における圧電膜１４上に設けられていることが好ましい。
The
付加膜２６のヤング率が小さいと、付加膜２６が歪んでしまう。これにより、圧電膜１４の応力を緩和することが難しくなる。そこで、付加膜２６のヤング率は、下部電極１２および上部電極１６内の少なくとも１つの層のヤング率より大きいことが好ましい。例えば、下部電極１２および上部電極１６として用いるルテニウムおよびクロムのヤング率は、それぞれ４４７ＧＰａおよび２７９ＧＰａである。二酸化シリコンおよび窒化アルミニウムのヤング率はそれぞれ７９ＧＰａおよび３９５ＧＰａである。よって、付加膜２６としては、酸化シリコン膜より窒化アルミニウム膜が好ましい。
If the Young's modulus of the
図２のように、上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域における下部電極１２の端は、空隙３０と圧電膜１４との間に位置する。このような構造では、下部電極１２の端部に応力が集中する。よって、圧電膜１４が破壊されやすくなる。そこで、付加膜２６を設ける。これにより、下部電極１２の端部への応力の集中を抑制できる。下部電極１２の端は、空隙３０と圧電膜１４との間に位置しない場合であっても、下部電極１２の端部には応力が集中するため、付加膜２６を設けることが好ましい。
As shown in FIG. 2, the end of the
［実施例１の変形例１］
図６（ａ）は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図６（ａ）に示すように、付加膜２６は圧電膜１４と上部電極１６との間に設けられている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
[Modification 1 of Example 1]
FIG. 6A is a cross-sectional view of the piezoelectric thin film resonator according to the first modification of the first embodiment. As shown in FIG. 6A, the
実施例１のように、付加膜２６は、上部電極１６の上に設けられていてもよい。実施例１の変形例１のように、付加膜２６は、圧電膜１４と上部電極１６との間に設けられていてもよい。また、実施例１のように、付加膜２６は、共振領域５０に設けられ、共振領域５０以外には設けられていなくてもよい。実施例１の変形例１のように、付加膜２６は、共振領域５０以外に設けられていてもよい。
As in the first embodiment, the
例えば付加膜２６の主成分が圧電膜１４の主成分と異なる場合、実施例１の変形例１のように、付加膜２６を圧電膜１４と上部電極１６との間に設けると、圧電薄膜共振器の特性が劣化してしまう。よって、実施例１のように、付加膜２６を上部電極１６上に設けることが好ましい。上部電極１６上に設けられた付加膜２６の材料と異なる材料からなる周波数調整膜２４（絶縁膜）が設けられている場合、付加膜２６は、上部電極１６と周波数調整膜２４との間に設けることが好ましい。これにより、付加膜２６が圧電膜１４の近くに位置するため、応力をより緩和できる。
For example, when the main component of the
付加膜２６の主成分が圧電膜１４の主成分と同じ場合、例えば付加膜２６および圧電膜１４の主成分が窒化アルミニウムの場合、実施例１の変形例１のように付加膜２６を圧電膜１４と上部電極１６との間に設けてもよい。これにより、実施例１より、付加膜２６が圧電膜１４の近くに位置するため、応力をより緩和できる。
When the main component of the
[実施例１の変形例２]
図６（ｂ）は、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図６（ｂ）に示すように、下部電極１２の引き出し領域において、上部圧電膜１４ｂの端面は共振領域５０の輪郭に略一致する。下部圧電膜１４ａの端面は共振領域５０の輪郭より外側に位置する。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
[
FIG. 6B is a cross-sectional view of the piezoelectric thin film resonator according to the second modification of the first embodiment. As shown in FIG. 6B, in the extraction region of the
実施例１の変形例２のように、実施例１およびその変形例１において、圧電膜１４は階段状に設けられていてもよい。
As in the second modification of the first embodiment, in the first embodiment and the first modification thereof, the
［実施例１の変形例３］
図７（ａ）は、実施例１の変形例３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図７（ａ）に示すように、基板１０の上面に窪みが形成されている。下部電極１２は、基板１０上に平坦に形成されている。これにより、空隙３０が、基板１０の窪みに形成されている。空隙３０は共振領域５０を含むように形成されている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。空隙３０は、基板１０を貫通するように形成されていてもよい。なお、下部電極１２の下面に絶縁膜が接して形成されていてもよい。すなわち、空隙３０は、基板１０と下部電極１２に接する絶縁膜との間に形成されていてもよい。絶縁膜としては、例えば窒化アルミニウム膜を用いることができる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
[Modification 3 of Example 1]
FIG. 7A is a cross-sectional view of the piezoelectric thin film resonator according to the third modification of the first embodiment. As shown in FIG. 7A, a recess is formed on the upper surface of the
［実施例１の変形例４］
図７（ｂ）は、実施例１の変形例４に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図７（ｂ）に示すように、共振領域５０の下部電極１２下に音響反射膜３１が形成されている。音響反射膜３１は、音響インピーダンスの低い膜３０ａと音響インピーダンスの高い膜３０ｂとが交互に設けられている。膜３０ａおよび３０ｂの膜厚は例えばそれぞれほぼλ／４（λは弾性波の波長）である。膜３０ａと膜３０ｂの積層数は任意に設定できる。音響反射膜３１は、音響特性の異なる少なくとも２種類の層が間隔をあけて積層されていればよい。また、基板１０が音響反射膜３１の音響特性の異なる少なくとも２種類の層のうちの１層であってもよい。例えば、音響反射膜３１は、基板１０中に音響インピーダンスの異なる膜が一層設けられている構成でもよい。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。
[Modified Example 4 of Example 1]
FIG. 7B is a cross-sectional view of the piezoelectric thin film resonator according to the modified example 4 of the first embodiment. As shown in FIG. 7B, the
実施例１およびその変形例１、２において、実施例１の変形例３と同様に空隙３０を形成してもよく、実施例１の変形例４と同様に空隙３０の代わりに音響反射膜３１を形成してもよい。
In Example 1 and the modified examples 1 and 2, the void 30 may be formed in the same manner as in the modified example 3 of the first embodiment, and the acoustic
実施例１およびその変形例１から３のように、圧電薄膜共振器は、共振領域５０において空隙３０が基板１０と下部電極１２との間に形成されているＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）でもよい。また、実施例１の変形例４のように、圧電薄膜共振器は、共振領域５０において下部電極１２下に圧電膜１４を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜３１を備えるＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）でもよい。共振領域５０を含む音響反射層は、空隙３０または音響反射膜３１を含めばよい。
As in the first embodiment and the first to third modifications thereof, the piezoelectric thin film resonator may be an FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) in which a
共振領域５０が楕円形状の例を説明したが、他の形状でもよい。例えば、共振領域５０は、四角形または五角形等の多角形でもよい。
Although the example in which the
実施例２は、実施例１およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いたフィルタおよびデュプレクサの例である。図８（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図８（ａ）に示すように、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に、１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４が直列に接続されている。入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に、１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４が並列に接続されている。１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４および１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４の少なくとも１つの共振器に実施例１およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いることができる。ラダー型フィルタの共振器の個数等は適宜設定できる。 Example 2 is an example of a filter and a duplexer using a piezoelectric thin film resonator of Example 1 and its modifications. FIG. 8A is a circuit diagram of the filter according to the second embodiment. As shown in FIG. 8A, one or a plurality of series resonators S1 to S4 are connected in series between the input terminal T1 and the output terminal T2. One or more parallel resonators P1 to P4 are connected in parallel between the input terminal T1 and the output terminal T2. The piezoelectric thin film resonators of Example 1 and its modifications can be used for at least one resonator of one or more series resonators S1 to S4 and one or more parallel resonators P1 to P4. The number of resonators of the ladder type filter can be set as appropriate.
図８（ｂ）は、実施例２の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。図８（ｂ）に示すように、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ４０が接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ４２が接続されている。送信フィルタ４０は、送信端子Ｔｘから入力された信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔから入力された信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方を実施例２のフィルタとすることができる。
FIG. 8B is a circuit diagram of the duplexer according to the first modification of the second embodiment. As shown in FIG. 8B, a
マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したがトリプレクサまたはクワッドプレクサでもよい。 Although the duplexer has been described as an example as the multiplexer, a triplexer or a quadplexer may be used.
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかか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。 Although the examples of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific examples, and various modifications and variations are made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
１０ 基板
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１４ａ 下部圧電膜
１４ｂ 上部圧電膜
１６ 上部電極
２４ 周波数調整膜
２６ 付加膜
２８ 挿入膜
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
５０ 共振領域
10
Claims (11)
前記基板上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられ、窒化アルミニウムを主成分とし、スカンジウムもしくはボロン、または、２族元素もしくは１２族元素と４族元素もしくは５族元素とである元素が添加され、残留応力が圧縮応力である圧電膜と、
前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する領域である共振領域が形成されるように設けられた上部電極と、
前記共振領域における前記圧電膜上に設けられ、アルゴン濃度が前記圧電膜のアルゴン濃度より高く、窒化アルミニウムを主成分とし、残留応力が引張応力である付加膜と、
前記基板と前記下部電極との間に設けられ、前記圧電膜内に励振された弾性波を反射する音響反射層と、
を備え、
前記付加膜における前記元素の濃度は前記圧電膜における前記元素の濃度より低い、または、前記付加膜には前記元素が実質的に添加されていない圧電薄膜共振器。 With the board
The lower electrode provided on the substrate and
It is provided on the lower electrode and contains aluminum nitride as a main component, and scandium or boron, or an element which is a group 2 or group 12 element and a group 4 or group 5 element is added, and the residual stress is a compressive stress. With a piezoelectric film that is
An upper electrode provided so as to form a resonance region which is a region facing the lower electrode and sandwiching the piezoelectric film,
An additional film provided on the piezoelectric film in the resonance region, having an argon concentration higher than that of the piezoelectric film, having aluminum nitride as a main component, and having a residual stress of tensile stress .
An acoustic reflection layer provided between the substrate and the lower electrode and reflecting elastic waves excited in the piezoelectric film,
Equipped with
A piezoelectric thin film resonator in which the concentration of the element in the additional film is lower than the concentration of the element in the piezoelectric film, or the element is not substantially added to the additional film.
前記付加膜は、前記上部電極と前記絶縁膜との間に設けられている請求項１または２に記載の圧電薄膜共振器。 Further, an insulating film made of a material different from the material of the additional film provided on the upper electrode is provided.
The piezoelectric thin film resonator according to claim 1 or 2 , wherein the additional film is provided between the upper electrode and the insulating film.
前記上部電極が前記共振領域から引き出される領域における前記下部電極の端は、前記空隙と前記圧電膜との間に位置する請求項１から８のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。 The acoustic reflection layer is a void and
The piezoelectric thin film resonator according to any one of claims 1 to 8 , wherein the end of the lower electrode in the region where the upper electrode is drawn out from the resonance region is located between the gap and the piezoelectric membrane.
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