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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