JPH02309708A - 圧電薄膜共振子を用いた回路装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は圧電薄膜を振動膜とする共振子に係り、特に
ＶＨＦおよびＵＨＦ用として好適な圧電薄膜共振子に関
する。

（従来の技術） ＶＨＦ、ＵＨＦ帯と℃）っな高い周波数帯で使用でき、
しかも半導体集積回路と一体化が可能な共振子として圧
電３膜共振子が注目されている。

特開昭６０−１８９３０７号および特開昭例↓４掻号公
報には、このような圧電薄膜共振子の例として、第６図
（ａ）、　（ｂ）に示すような共振子が記載されている
。

第６図（ａ）、（ｂ）においてｌは半導体基板であり、
この基板１との間に一部が開口した空隙層２が形成され
るように第１の誘電体膜３を設け、かつ空隙層２に対応
する部分を含んで圧電薄膜４を形成し、この圧電薄ＷＡ
４を挟んで空隙層２対応する位置に互いに対抗する一対
の下部電極５および上部型ｉｉ６を設け、さらにその上
に第２の誘電体膜７を形成している。

第６図の下部電極８および上部電極９の間に電気信号を
印加することによって、空隙層２に対応した部分の誘電
体膜３．７と圧電薄膜４との複合振動膜が振動すること
により共振子として動作するものである。

このような圧電薄膜共振子の電極としては金や金および
チタニウム、金およびクロムなどの二層金属膜が用いら
れている。第７図は従来の圧電薄膜共振子における電極
対向部に示す拡大断面図である。

圧電薄膜１１としてＺｎＯ膜を用いる場合には、下部電
極１０および上部電極１３はともに以下の理由からＡｕ
層がＺｎＯからなる電圧薄ｆＩＡ１１に接するように設
けられることが望ましい。

下部型［１０においてはＡｕ層の下にＴｉ層を設けると
、Ａｕ膜は強い（ＩＩ＋）軸配向性を示し、このＡｕＪ
ｌｌ上に圧電ＨｉｌｌのＺｎＯ膜を形成すると、ＺｎＯ
膜のＣ軸配向性が良くなり圧電性を高めることができる
からである。また、Ｔｉは第１の誘電体膜１２との密着
性を高める働きを兼ね備えている。

一方、上部型５１３においては、ＺｎＯよりなる圧電薄
膜１１上に化学的に安定なＡｕ層を形成することにより
、金属原子がＺｎＯ膜中に拡散して比抵抗が低下するの
を防止できるためである。

またＡｕ層上のＴｉ層は第２の誘電体膜１４との密着性
を高めるためのものである。

（発明か解決しようとする課Ｍ） しかしながら、上記電極構成には次のような問題の生じ
ることが新たに実験結果から判明しな。

すなわち、上記電極構成の圧電薄膜共振子を温度８５°
Ｃ、直流電圧３ｖ印加の条件で高温連続動作試験を実施
しなところ、数十時間後には上下電極間に絶縁破壊が発
生しな、この場合、上下電極に印加する電圧の極性を変
えても同様であった。

この現象は電圧印加後、ＺｎＯ膜内に電流が流れ、局部
的に温度上昇をきたし、再び電流が増加するという正の
フィードバック作用が働き最終的に絶縁破壊に至ったも
のと考えられる。従来、一般的なＺｎＯ膜の厚み方向の
耐電圧は１０’ｖ／ｍ程度であるが、前記試験結果によ
れば、用いなＺｎＯ膜厚は３μｍであるから１０６■／
ｍ以下と１桁以上耐電圧が低く実用に供することができ
ないという問題があった。

この発明は上記の問題点を解決するためになされたもの
で、耐電圧が高く安定でかつ信頼性の高い圧電薄膜共振
子を提供することを目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明の圧電薄膜共振子は、圧電薄膜を挟んで対向す
る少なくとも２個の電極を有し、圧て前記下部電極側が
前記上部電極側より高い電位を有するように構成したこ
とを特徴としている。

（作用） この発明の圧電薄形共振子は、耐電圧の高い構成として
いるので、直流電圧が印加される実装上の場合において
も安定に動作し、したがって高信頼性化を計ることがで
きる。また直流をカットするためのコンデンサが不要と
なり発振回路等を構成することが８４となる。

（実施例） 以下、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。

まず、従来の構成において前述した絶縁破壊現象の発生
するメカニズムを考察する。実験した圧電薄形共振子の
ＺｎＯ膜厚は３μｍであり、３Ｖの直流電圧を印加した
場合は１０６ｖ／ｍ以下の電界で絶縁破壊が生じた０通
常、この膜厚程度では１０’ｖ／ｍの耐電圧を示すなめ
ＺｎＯ膜の真性的な欠陥とは考えにくい。

そこで、第４図に示すように上部電極を化学的に最も安
定なＡｕ一層のみとし、直流電圧の極性を変えて同様の
動作試験を行った。

その結果、上記電極側を陽極、下部電極側を陰極とした
場合には２４時間経過後に絶縁破壊が生じたが、逆様性
１なわち上部電極側を陰極、下部電極側を陽極とした場
合には５００時間経過しても全く異常はなく共振子特性
も変動はなかった。さらに、３０ｖを印加しても絶縁破
壊は発生せず１０’ｖ／ｍの耐電圧を存していることが
判った。

また、第５図はこれに関連するＶ−Ｉ特性を示すもので
、■の特性は下部電極側を陽極とした場合、■の特性は
下部電極側を陰極とした場合である。■においては１０
−”　Ａ程度の微小電流しか流れておらず、高い抵抗値
を示している。これに対して、■においては急激な電流
が流れていることが判った。

以上の実験結果から、直流電圧印加後には次の様な物理
的現象が生じているものと考えられる。

すなわち、上部電極側を陽極とした場合には第４図にお
いて電子ｅ−の流れは右側の破壊線矢印で示すように下
部電極から上部電極へ向う。

この時に活性なＴｉ原子は電子ｅ−の流れの力によりＡ
ｕ層を突き抜けＺｎＯ膜中へ移動する。

ＺｎＯ圧電薄膜は結晶が繊維状多結晶であり無数の結晶
粒界が走っていることから、この粒界にそ啜 ってＴ　ｉ　ｉ子の移動が起りやすくなり、電界の集中
した部分で絶縁破壊が生じる。一方、上部電極側を陰極
とした場合には電子ｅ−の流れは左側の破、線矢印で示
すように上部電極から下部電極へいため、絶縁破壊は生
じにくい。

上記のように半導体のＡＩ配線でＦＭＩＭとなっている
エレクトロマイグレーションと類似した現象か生じるこ
とを明らかにしたとともに、上部電極をＡｕ一層とし、
直流電圧が印加される場合には上部電極側が陰極となる
ようにすることによって、絶縁破壊の問題を解決できる
ことがわかっな。

第１図（ａ）（ｂ）はこの発明の圧電薄膜共振子を用い
て発振器を構成した実施例の平面図および樅断面図であ
る。

この発振器は図示のように半導体基板２１上に圧電薄膜
共振子２２と集積回路２３が一体化して形成され、４個
所の配線パターン２／Ｉａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂに
よって接続されてワンタ・ソ÷化されている。

圧電薄膜共振子２２は、半導体基板２１上にＳ　１　ｖ
　Ｎ４　、　Ｓ　ｉ　０２等の保護［３１がまず形成さ
れ、この保護膜３１上に例えば５ｉｎ２からなる第１の
誘導体ｙｌＡ３２が保護膜３１と間に一部が３３ａ、３
３ｂで示す開口部を有する空隙層３３ができるように形
成されている。

さらに、この第１の誘導体膜　３２の上に第１の電極３
４１例えばＺｎＯ膜からなる圧電性薄膜３５、第２の電
極３６、および第２の誘電体膜３７を順次形成すること
によって構成される。

第１の電極３４と第２の電極３６は圧電性薄膜３５を挟
んで空隙層３３に対応する位置で互いに対向するように
設けられている。

空隙層３３の厚さは、共振子の動作周波数における振動
膜の振動変位の数倍以上あれば十分であり、作成の容易
さらに数百へ〜数μｍ程度が適当である。なお、第１図
（ａ）（ｂ）において３８．３９は接続口、４０は直流
電源電圧端子、４１ａ、４１ｂは出力端子、４２はアー
ス端子である。

このような構成の圧電薄膜共振子２２の第１の電極３４
と第２の電極３６との間に電気信号を印加すると、空隙
層３３上の第１の誘電体膜３２、圧電性薄膜３５および
第２の誘電体膜３７よりな−る複合振動膜が振動するこ
とにより共振器として動作するものである。

第２図にこの発振器の回路図を示す。この回路図かられ
かるように、圧電薄膜共振子２２にトランジスタＴｒの
バイアスのための直流電圧Ｅが印加されている。ここで
端子Ｃは正の電位、端子りは負の電位となることから端
子Ｃに圧電薄膜共振子２２の下部電極を接続し、端子り
には上部電極を接続する。第２図中、Ｒ，〜Ｒ１は↑ｋ
ａ　Ｃ、〜Ｃ１はコンデンサを示している。

第１図で説明すれば、下部電極すなわち、第１の電極３
４と接続されている端子は正の電イｉであり、第２図の
端子Ｃに対応し、上部電極すなわち第２の電極３６と接
続されている端子は負の電位であり、第２図の端子りに
対応する。

すなわち陽極側（端子Ｃ）にＡｕおよびＴｉからなる下
部の第１の電極３４、陰極側（端子Ｄ）にＡｕからなる
上部の第２の電極３６が接続されるように配置している
。

このように構成した発振器を　　　　　電源電圧６Ｖで
高温動作試験を行ったところ、長時間安定して動作して
実用上問題のないことがわかった。

なお、圧電薄膜共振子２２と集積回路２３をボンディン
グワイヤー等で接続する場合には、上部電極側はボンデ
ィング強度が弱いなめ、ポンディングパッド゛のみにＡ
　１１およびＴｉ、ＡｕおよびＣｒの構成をとって密着
性を高めることが望ましい。

次に第３図によりこの発明の他の実施例を説明する。第
３図は共通の下部電極４１に対して複数の上部電極４２
ａ、４２ｂを対向させて配設し、各電極対向部間の弾性
的結合を利用する帯域フィルタを構成したものである。

共通の下部電極４１をＡｕおよびＴｉによって構成し、
上部電極４２ａ、４２ｂをＡｕによって構成し、外部か
ら印加される直流電圧に対して上部電極４１側が負の電
位、下部電極側が正の電位となるように極性を選ぶこと
によって特性劣化を生じることか°ない。

なお、この発明は、上記各実施例に限定されるものでは
なく要旨を変更しない範囲において種々変形して実施す
ることができる。

例えば共通の下部電極に対して複数の上部電極を直交す
るように対向して配設し、各電極対向部間を弾性的結合
が無視できる程度に離すかあるいは各電極対向部間に講
や吸音剤を設けることによって独立した複数の共振子を
有する多素子型共振子を構成することも可能である。

さらに、圧電薄膜の材質は、Ｚｌｏに限らず、ＡＬＮ　
、Ｔａ２０１．ＰｂＴｉＯｘ等のＣ軸配向膜を用いても
子の発明を実施することができる。

［発明の効果］ この発明によれば、対電圧が高く、安定でかつ信頼性の
高い圧電薄膜共振子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の圧電薄膜共振子を用いて発振器を構
成した実施例を示すもので、（ａ）は同実施例の平面図
、（ｂ）は（ａ）図Ｂ−Ｂ’線部分において矢印の方向
に視た縦断面図、第２図は第１図の実施例の回路構成図
、第３図はこの発明の圧電薄膜共振子を用いてフィルタ
を構成した実施例の斜視図、第４図はこの発明の圧電薄
膜共振子の作用を従来の場合と対比して示す作用説明図
、第５図は第４図と関連するＶ−Ｉ特性図、第６図は従
来の圧電ぽ膜共振子の一例を示すもので（ａ）は平面図
、（ｂ）は（ａ）（ｉＢ−Ｂ′線部分において矢印の方
向に視た縦断面図、第７図は従来の圧電薄膜共振子にお
いて電極対向部の構成を示ず縦断面図である。 ２１・・・半導体基板 ２２・・・圧電薄膜共振子　　２３・・・集積回路２４
ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ　−・・配線パターン３１
・・・保護膜　　　　３２・・・第１図の誘伝体膜３３
・・・空隙層　　　　３３ａ、３３ｂ・・・開口部３４
・・・第１の電ｗ１３５・・・圧電性薄膜３６・・・第
２の電極　　３７・・・第２の誘電（ＩＦ、膜３８．３
９・・・接続口　　　４０−・・直流電源電圧端子４１
ａ、４１ｂ・・・出力端子　４２・・・アース端子ぢ隘
＃士 第２図 ４６１−１９１１１−）　　　　　　　４６　ｋ　９７
　＃ｊｈ４４ア９を声シ　　　　４３々Ｊ毫１ 第３図 第４ｐ １（Ａ） 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　圧電薄膜を挟んで対向する少なくとも２個の電極を有
   し、圧電薄膜下の下部電極が金およびチタニウムからな
   り上部電極が金からなるとともに、直流印加電圧に対し
   て前記下部電極側が前記上部電極側より高い電位を有す
   るように構成したことを特徴とする圧電薄膜共振子。