JP4186685B2

JP4186685B2 - Aluminum nitride thin film and piezoelectric thin film resonator using the same

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Publication number: JP4186685B2
Application number: JP2003106549A
Authority: JP
Inventors: 圭吾長尾; 英治升井; 哲夫山田; 守人秋山; 直広上野; 博立山
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Ube Industries Ltd
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Ube Corp
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2023-04-10
Also published as: WO2004090203A1; JP2004312611A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体通信機等に利用される薄膜共振器、薄膜ＶＣＯ（電圧制御発振器）、薄膜フィルター、送受信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応用した素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電現象を応用した素子は広範な分野で用いられている。携帯機器の小型化と省力化が進む中で、ＲＦ用およびＩＦ用フィルターとして弾性表面波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）素子の使用が拡大している。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、利用周波数の高周波数化と共に特性向上の限界に近づき、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。一方、圧電体薄膜の厚み振動を利用した薄膜バルク波共振子（Thin Film Bulk Acoustic Resonator：以下ＦＢＡＲと略称）や、積層型薄膜バルク波共振器およびフィルター（Stacked Thin Film Bulk Wave Acoustic Resonators and Filters：以下ＳＢＡＲと略称）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またはＳＢＡＲ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。
【０００３】
弾性波を利用した共振器、フィルター等に応用されるＦＢＡＲ、ＳＢＡＲなどの圧電体薄膜素子は、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、シリコンウエハー上に多結晶ダイヤモンドを形成してなる基板、エリンバーなどの恒弾性金属などからなる基板上に、種々の薄膜形成方法によって、誘電体薄膜、導電体薄膜、またはこれらを積層したもの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。各層の形成後に、または全層を形成した後に、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、パターニングを行う。異方性エッチングにより基板から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、最後に１素子単位ごとに分離することにより圧電体薄膜素子を得る。
【０００４】
例えば、特開昭６０−１４２６０７号公報に記載された圧電体薄膜素子は、基板上に下地膜、下部電極、圧電体薄膜、上部電極を形成した後に、基板裏面から振動部となる部分の下にある基板部分を除去して、ビアホールを形成することにより製造されている。
【０００５】
圧電体薄膜素子用の圧電材料としては、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］（ＰｂＴｉＯ₃）、チタン酸ジルコン酸鉛［ＰＺＴ］（Ｐｂ（Ｚｒ，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、薄膜フィルター用の圧電材料として適している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これまで、ＡｌＮ薄膜をＦＢＡＲまたはＳＢＡＲ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、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、周波数温度特性の全てに優れ、高性能な共振特性を示す圧電体薄膜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上で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。
【０００７】
そこで、本発明は、弾性波の伝播速度が速いという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）に優れ、帯域幅、挿入損失などの特性面での向上に有利な圧電薄膜共振子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ＦＢＡＲまたはＳＢＡＲの共振特性に大きく影響を与える窒化アルミニウム薄膜（圧電体薄膜）の結晶性、配向性が、下部電極の材質や結晶性によってどのように影響を受けるか鋭意検討を行った結果、下部電極として、タンタルを主成分とする金属薄膜を使用し、この金属薄膜上に窒化アルミニウム薄膜を形成することにより、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（FWHM）が３．０゜以下である高配向性、高結晶性のｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜が得られることを見出した。さらに、該金属薄膜を特定の結晶相または結晶化度に調製することにより、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（FWHM）が１．０〜２．３゜のさらに配向性、結晶性に優れたｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜が得られることを見出した。そして、これらの高配向性、高結晶性のｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜を使用することにより、低損失で、帯域幅、周波数温度特性に優れた高性能なＦＢＡＲまたはＳＢＡＲを実現できることを見出して、本発明に到達した。
【０００９】
即ち、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
タンタルを主成分とする厚さ５０〜５００ｎｍの金属薄膜の表面上に形成されたｃ軸配向を示す厚さ０．５〜３．０μｍの窒化アルミニウム薄膜であって、前記タンタルを主成分とする金属薄膜のＸ線回折ピークにおいて、正方晶β相の（００２）回折ピークのピーク強度Ｉ _β と立方晶α相の（１１０）回折ピークのピーク強度Ｉ _α との強度比Ｉ _α ／Ｉ _β が０．１以下であり、前記窒化アルミニウム薄膜のＸ線回折ピークにおいて、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が１．０〜２．３°であることを特徴とする窒化アルミニウム薄膜、
が提供される。
【００１０】
また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
タンタルを主成分とする厚さ５０〜５００ｎｍの金属薄膜の表面上に形成されたｃ軸配向を示す厚さ０．５〜３．０μｍの窒化アルミニウム薄膜であって、前記タンタルを主成分とする金属薄膜の結晶化度が１０％以下であり、前記窒化アルミニウム薄膜のＸ線回折ピークにおいて、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が１．０〜２．３°であることを特徴とする窒化アルミニウム薄膜、
が提供される。
【００１１】
また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
圧電体薄膜が複数の金属電極の間に挟み込まれ、前記圧電体薄膜の周囲を支持することにより前記圧電体薄膜の中心部が橋架けされた構造を有する圧電薄膜共振子において、前記圧電体薄膜は、厚さが０．５〜３．０μｍで、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が１．０〜２．３°であるｃ軸配向の窒化アルミニウム薄膜であり、前記金属電極のうちの少なくとも１つは前記圧電体薄膜の表面と接する側に位置するタンタルを主成分とする厚さ５０〜５００ｎｍの金属薄膜を含んでなり、該金属薄膜のＸ線回折ピークにおいて、正方晶β相の（００２）回折ピークのピーク強度Ｉ _β と立方晶α相の（１１０）回折ピークのピーク強度Ｉ _α との強度比Ｉ _α ／Ｉ _β が０．１以下であることを特徴とする圧電薄膜共振子、
が提供され、更に、
圧電体薄膜が複数の金属電極の間に挟み込まれ、前記圧電体薄膜の周囲を支持することにより前記圧電体薄膜の中心部が橋架けされた構造を有する圧電薄膜共振子において、前記圧電体薄膜は、厚さが０．５〜３．０μｍで、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が１．０〜２．３°であるｃ軸配向の窒化アルミニウム薄膜であり、前記金属電極のうちの少なくとも１つは前記圧電体薄膜の表面と接する側に位置するタンタルを主成分とする厚さ５０〜５００ｎｍの金属薄膜を含んでなり、該金属薄膜の結晶化度が１０％以下であることを特徴とする圧電薄膜共振子、
が提供される。
【００１２】
更に、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
圧電体薄膜が複数の金属電極の間に挟み込まれ、前記圧電体薄膜の周囲を支持することにより前記圧電体薄膜の中心部が橋架けされた構造を有する圧電薄膜共振子において、前記圧電体薄膜が上記の窒化アルミニウム薄膜であり、前記金属電極のうちの少なくとも１つが上記のタンタルを主成分とする金属薄膜を含んでなることを特徴とする圧電薄膜共振子、
が提供される。
【００１３】
また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
振動空間を有する半導体あるいは絶縁体からなる基板と、該基板の前記振動空間に面する位置にて下部電極、圧電体薄膜および上部電極がこの順に積層されている圧電積層構造体とを備えている圧電薄膜共振子において、前記圧電体薄膜が上記の窒化アルミニウム薄膜であり、前記下部電極が上記のタンタルを主成分とする金属薄膜を含んでなることを特徴とする圧電薄膜共振子、
が提供され、更に
振動空間を有する半導体あるいは絶縁体からなる基板と、該基板の前記振動空間に面する位置にて下部電極、第１の圧電体薄膜、内部電極、第２の圧電体薄膜および上部電極がこの順に積層されている圧電積層構造体とを備えている圧電薄膜共振子において、前記第１及び第２の圧電体薄膜がいずれも上記の窒化アルミニウム薄膜であり、前記下部電極及び前記内部電極が上記のタンタルを主成分とする金属薄膜を含んでなることを特徴とする積層型圧電薄膜共振子、
が提供される。
【００１４】
これら本発明の一態様においては、前記圧電積層構造体は前記振動空間に面する位置にて酸化シリコンおよび／または窒化シリコンを主成分とする誘電体膜からなる絶縁体層を有する。
【００１５】
さらに、本発明によれば、以上のような圧電薄膜共振子や積層型圧電薄膜共振子を用いて構成されるＶＣＯ（電圧制御発振器）、フィルタおよび送受切替器が提供され、それらにおいて１ＧＨｚ以上の高い周波数での特性を著しく向上させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明による圧電薄膜共振子の実施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絶縁体層１３および該絶縁体層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は絶縁体層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絶縁体層１３の上面上に形成された圧電体薄膜１６および該圧電体薄膜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。絶縁体層１３の一部はビアホール２０に向けて露出している。この絶縁体層１３の露出部分、およ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および上部電極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、及び該主体部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に対応する領域以外の領域に位置する。
【００１８】
基板１２としては、Ｓｉ（１００）単結晶などの単結晶、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としては、その他の半導体さらには絶縁体を用いることも可能である。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。なお、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。
【００１９】
絶縁体層１３としては、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を主成分とする誘電体膜、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）を主成分とする誘電体膜、およ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。この絶縁体層１３の材質について、主成分とは、誘電体膜中の含有量が５０当量％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、基板との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。絶縁体層１３の厚さは、例えば２０００ｎｍ未満であり、好ましくは１００〜３５０ｎｍである。絶縁体層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。また、本発明においては、エッチングにより、振動部２１に対応する領域の絶縁体層１３を総て除去して、下部電極１５がビアホール２０に向けて露出した構造を採用することもできる。このように、振動部２１に対応する領域の絶縁体層１３を総て除去することにより、共振周波数の温度特性は若干悪化するものの、音響的品質係数（Ｑ値）が向上するという利点がある。
【００２０】
下部電極１５は、タンタルを主成分とする金属薄膜、或いはこれに必要に応じて該金属薄膜と絶縁体層１３との間に形成される密着金属層を積層したものにより構成され、その厚さは２０００ｎｍ未満で、例えば５０〜５００ｎｍであり、好ましくは１２０〜２５０ｎｍである。下部電極１５が厚すぎると、所定の共振周波数に調整して使用される圧電薄膜共振子の厚みに占める下部電極１５の厚さの割合が相対的に大きくなり、十分な帯域幅がとれなくなるばかりか、タンタルを主成分とする金属薄膜の表面が粗くなって、その上に形成する圧電体薄膜１６の結晶性の低下をもたらすことがある。圧電体薄膜１６は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成り、その厚さは例えば０．５〜３．０μｍであり、好ましくは１．２〜１．７μｍである。上部電極１７は、下部電極１５と同様のタンタルを主成分とする金属薄膜により構成することができるが、その他に、アルミニウム、白金、金などの材質から選ばれた金属からなる金属薄膜、或いはこれに必要に応じて該金属薄膜と圧電体薄膜１６との間に形成される密着金属層を積層したものにより構成され、その厚さは例えば５０〜５００ｎｍであり、好ましくは１００〜１８０ｎｍである。ここで、タンタルを主成分とする金属薄膜とは、９０原子％以上のタンタルを含有していることを意味する。上記の下部電極の密着金属層及び上部電極の密着金属層の材質としては、チタン、クロム、ニッケルなどが好適に利用される。
【００２１】
一般に圧電材料の圧電特性は、結晶性や配向性などの結晶性状に強く依存する。本発明で用いる圧電体薄膜においても、その圧電特性は薄膜を構成する結晶の粒子サイズ、配向性、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、（０００１）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ー法による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面単一配向膜は、θ−２θ回転のＸ線回折測定で（０００Ｌ）面以外の反射強度が（０００Ｌ）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、（０００４）面などの等価な面を総称する表示である。
【００２２】
本発明者らは、図１及び図２に示す構成のＦＢＡＲにおいて、その共振特性が、下部電極１５の材質や結晶性とＡｌＮ薄膜１６の配向性、結晶性などの性状との両方にどのように依存するかについて検討した。図示のＦＢＡＲにおいて、下部電極１５として、スパッタ法または蒸着法により、必要に応じて形成される密着金属層と必須に形成されるタンタルを主成分とする金属薄膜とをこの順に積層した後、フォトリソグラフィ技術を用いてこれらの密着金属層及び金属薄膜を所定の形状にパターニングした。ＡｌＮ薄膜１６は、下部電極１５を形成した絶縁体層１３の上面に反応性スパッタ法により膜形成した後、フォトリソグラフィ技術を用いて、ビアホール２０上の部分を除く領域の一部分をエッチング除去することにより、所定の形状にパターニングした。上部電極１７は、ビアホール２０上に残ったＡｌＮ薄膜１６の上に形成した。上部電極１７は下部電極１５と同様にフォトリソグラフィ技術により所定の形状にパターニングした。
【００２３】
下部電極１５に使用されるタンタルを主成分とする金属薄膜は、スパッタ法や蒸着法で形成される。タンタルを主成分とする薄膜は、通常はＤＣマネトロンスパッタ法やＲＦマグネトロンスパッタ法により容易に形成できるが、蒸着法を用いる場合は融点が２９９０℃と高いため、抵抗加熱蒸着法では作製が困難で、電子ビーム蒸着法を用いることが必要である。結晶相としては、冶金的には立方晶α相がよく知られているが、薄膜特有の結晶相として凖安定相である正方晶β相も作製することができる。これらの２つの結晶相は、薄膜形成した場合、それぞれ（１１０）面と（００２）面とが基板面と平行に成長しやすい。また、成膜条件により、α相とβ相との混晶における相の割合（混晶比）や、α相またはβ相の単独の相の結晶化度を変化させることも可能である。さらには、一旦、凖安定相であるβ相を形成した後、熱処理やＡｌＮ薄膜を形成するときの基板加熱などの後工程を施すことにより、その結晶化度を低下させる（アモルファス状態に近づける）ことも可能である。この他に、混晶比や結晶化度の制御は、タンタルを主成分とする金属薄膜と絶縁体層１３との間の密着金属層の材質を変えることにより行ってもよい。
【００２４】
ここで、混晶比は、タンタルを主成分とする金属薄膜のＸ線回折測定の結果に基づき、正方晶β相タンタルの（００２）回折ピークのピーク強度Ｉ_βと立方晶α相（１１０）回折ピークのピーク強度Ｉ_αとの強度比Ｉ_α／Ｉ_βとして決定される。
【００２５】
また、結晶化度ｘ［％］は、Ｘ線回折測定（θ−２θスキャン）の結果に基づき、次式により決定される：
ｘ＝ΣＩ_c／ΣＩ_c100×１００
ここで、
Ｉ_c：アモルファス相を含むα相及びβ相からの単位膜厚あたりの回折強度の和、
Ｉ_c100：アモルファス相を含まない１００％結晶質試料におけるα相及びβ相からの単位膜厚あたりの回折強度の和、
である。
【００２６】
本発明者らは、下部電極の材質、その結晶相の混晶比、及びその結晶化度に着目し、該下部電極上に形成した窒化アルミニウム薄膜の結晶性と、圧電薄膜共振子を構成した場合の電気機械結合係数ｋ_t ²、音響的品質係数（Ｑ値）との関係を詳細に検討した。その結果、以下のことが判明した。
【００２７】
すなわち、下部電極１５としてタンタルを主成分とする金属薄膜を含むものを使用し、この金属薄膜上に窒化アルミニウム薄膜を形成することにより、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（FWHM）が３．０゜以下である高配向性、高結晶性のｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜が得られ、これを用いて電気機械結合係数ｋ_t ²と音響品質係数（Ｑ値）とが大きく、高性能の圧電薄膜共振子が作製できる。
【００２８】
さらに、この金属薄膜を特定の結晶相または結晶化度に調製することにより、以下に示すように、１．０〜２．３゜のさらに配向性、結晶性に優れたｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜が得られる。
【００２９】
即ち、タンタルを主成分とする金属薄膜の上記混晶比Ｉ_α／Ｉ_βを０．０２を越え０．１以下にすることにより、該金属薄膜上に形成されたｃ軸配向の窒化アルミニウム薄膜のＸ線回折により測定した（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（FWHM）１．８〜２．３゜が得られ、これにより電気機械結合係数ｋ_t ²と音響的品質係数（Ｑ値）とがさらに大きく、高性能の圧電薄膜共振子が作製できる。さらに好ましくは上記混晶比Ｉ_α／Ｉ_βを０．０２以下にすることにより、窒化アルミニウム薄膜のロッキング・カーブ半値幅（FWHM）１．０〜１．８゜が得られ、さらに電気機械結合係数ｋ_t ²と音響的品質係数（Ｑ値）とが大きく、高性能の圧電薄膜共振子が作製できる。
【００３０】
また、上記混晶比に関する事項とは独立に、タンタルを主成分とする金属薄膜の結晶化度ｘが３％を越え１０％以下である場合、その金属膜上に形成されたｃ軸配向の窒化アルミニウム薄膜のＸ線回折により測定した（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（FWHM）１．８〜２．３゜が得られ、これにより電気機械結合係数ｋ_t ²と音響的品質係数（Ｑ値）とが大きく、高性能の圧電薄膜共振子が作製できる。さらに好ましくは、結晶化度ｘが３％以下になると、窒化アルミニウム薄膜のロッキング・カーブ半値幅（FWHM）１．０〜１．８゜が得られ、さらに電気機械結合係数ｋ_t ²と音響的品質係数（Ｑ値）とが大きく、高性能の圧電薄膜共振子が作製できる。
【００３１】
図１及び図２に示す構成の圧電薄膜共振子では、圧電体薄膜１６の上下に位置する電極１５，１７間に電界を印加することで圧電体薄膜１６にバルク波を励振させている。この為、下部電極１５を端子電極とすべく、下部電極の一部を露出させることが必要である。この構成は共振器としてしか利用できず、フィルターにするには、２個以上の共振子を組み合わせる必要がある。
【００３２】
図３は本発明による圧電薄膜共振子の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は、上記図１および図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。
【００３３】
本実施形態では、下部電極１５は矩形に近い形状をなしており、上部電極１７は、第１の電極部１７Ａと第２の電極部１７Ｂとから成る。これら電極部１７Ａ，１７Ｂはそれぞれ主体部１７Ａａ，１７Ｂａと端子部１７Ａｂ，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に対応する領域以外の領域に位置している。
【００３４】
本実施形態においても、上記図１及び図２の実施形態に関して説明したと同様な作用効果が得られる。
【００３５】
本実施形態では、上部電極１７のうちの一方（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、これ自体をフィルターとして使用することができる。このような構成のフィルターを通過帯域フィルターの構成要素として使用することにより、阻止帯域減衰特性が良好となり、フィルターとしての周波数応答性が向上する。
【００３６】
図５は本発明による圧電薄膜共振子のさらに別の実施形態を示す模式的平面図であり、図６はそのＸ−Ｘ断面図である。これらの図においては、上記図１〜図４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。
【００３７】
本実施形態は、図１および図２に記載の実施形態の圧電積層構造体を２つ積層したものに相当する圧電積層構造体を有するＳＢＡＲである。即ち、絶縁体層１３上に下部電極１５、第１の圧電体薄膜１６−１、内部電極１７’、第２の圧電体薄膜１６−２および上部電極１８がこの順に形成されている。内部電極１７’は、第１の圧電体薄膜１６−１に対する上部電極としての機能と第２の圧電体薄膜１６−２に対する下部電極としての機能を有する。
【００３８】
本実施形態においても、上記図１及び図２の実施形態に関して説明したと同様な作用効果が得られる。
【００３９】
本実施形態では、下部電極１５と内部電極１７’との間に入力電圧を印加し、該内部電極１７’と上部電極１８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、これ自体を多極型フィルターとして使用することができる。このような構成の多極型フィルターを通過帯域フィルターの構成要素として使用することにより、阻止帯域の減衰特性が良好となり、フィルターとしての周波数応答性が向上する。
【００４０】
以上のような圧電薄膜共振子において、マイクロ波プローバー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ｆ_rおよび反共振周波数ｆ_aと電気機械結合係数ｋ_t ²との間には、以下の関係、
ｋ_t ²＝φ_r／Ｔａｎ（φ_r）
φ_r＝（π／２）（ｆ_r／ｆ_a）
がある。尚、簡単のため、電気機械結合係数ｋ_t ²は、次式、
ｋ_t ²＝４。８（ｆ_a−ｆ_r）／（ｆ_a＋ｆ_r）
から算出した。
【００４１】
図１及び図２、図３及び図４、並びに図５及び図６に示した構成のＦＢＡＲまたはＳＢＡＲにおいて、１．５〜２．５ＧＨｚの範囲における共振周波数と反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数ｋ_t ²は例えば４．０〜６．５％であり好ましいものである。電気機械結合係数ｋ_t ²が４．０％未満になると、作製したＦＢＡＲの帯域幅が小さくなり、高周波域で使用する圧電薄膜共振子として実用に供することが難しくなる傾向にある。
【００４２】
以下に実施例および比較例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
【００４３】
［実施例１］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００４４】
即ち、熱酸化法により、厚さ３００μｍの（１００）Ｓｉ基板１２の上下両面に厚さ１０００ｎｍのＳｉＯ₂層を形成した後、第一面（上面）側のＳｉＯ₂層のみをエッチングして、第一面側のＳｉＯ₂層の厚さを３００ｎｍに調整した。このＳｉ基板の第一面上のＳｉＯ₂絶縁体層１３上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法にて、ガス圧０．５Ｐａ、基板温度１５０℃の条件で厚さ２００ｎｍのＴａ薄膜を形成し、さらに、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。Ｘ線回折法により下部電極１５の結晶性を評価した結果、表２に示すごとく混晶比Ｉ_α／Ｉ_βは１．２１、結晶化度ｘは７２％であった。このＴａ薄膜からなる下部電極層１５上に、純度９９．９９９％のＡｌターゲットを用い、反応性ＲＦマグネトロンスパッタ法により、全ガス圧０．５Ｐａ、ガス組成Ａｒ／Ｎ₂＝１／１、基板温度３００℃の条件で、厚さ１．３０μｍのＡｌＮ薄膜を形成した。Ｘ線回折法によりＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した結果、（０００２）面を初めとするｃ面に対応したピークのみ観測され、表２に示すごとくそのロッキングカーブ半値幅は２．９゜であった。次に、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薄膜１６を形成した。次に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、厚さ１７０ｎｍ（Ｔｉ密着金属層を含む）のＡｌ／Ｔｉ層を形成し、フォトリソグラフィーにより、図１に示す形状にパターン化して上部電極１７を形成した。以上のようにして得られた構造体の上下部電極１５，１７とＡｌＮ圧電体薄膜１６との形成されている側をプロテクトワックスで被覆し、Ｓｉ基板１２の第二表面（下面）に形成された厚さ１０００ｎｍのＳｉＯ₂層をパターニングして形成したマスクを用いて、振動部２１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ビアホール２０を形成し、図１及び図２に記載の構造の薄膜圧電共振子を製造した。
【００４５】
表１に振動部２１を構成する各層の材質と厚み（但し、下部電極及び上部電極については、それらに付随する密着金属層をそれぞれ下部密着金属層及び上部密着金属層として分離して示す）を、表２に下部電極層１５のＴａを主成分とする金属薄膜の混晶比Ｉ_α／Ｉ_β及び結晶化度ｘ、及びＡｌＮ圧電体薄膜１６の結晶性（即ち、（０００２）面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅）を記載した。
【００４６】
また、カスケード・マイクロテック社製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーとを使用して、上記薄膜圧電共振子の電極端子部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ｆ_rおよび反共振周波数ｆ_aの測定値から、電気機械結合係数ｋ_t ²、および音響的品質係数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（共振周波数ｆ_rおよび反共振周波数ｆ_a）、電気機械結合係数ｋ_t ²、および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
【００４７】
［実施例２］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００４８】
即ち、下部電極のためのＴａ薄膜を形成する時の基板温度を２００℃とした以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００４９】
［実施例３］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００５０】
即ち、下部電極のためのＴａ薄膜を形成する時の基板温度を２５０℃とした以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００５１】
［実施例４］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００５２】
即ち、下部電極のためのＴａ薄膜を形成する時に基板を加熱しなかった（基板温度１００℃以下）以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００５３】
［実施例５］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００５４】
即ち、下部電極１５に密着金属層としてのＣｒ層をも使用し、これをＤＣマグネトロンスパッタで形成した以外は、実施例４と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００５５】
［実施例６］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００５６】
即ち、絶縁体層１３として及びＳｉ基板１２の第二表面（下側）のビアホール形成用エッチングマスクとして低圧ＣＶＤ法によるＳｉＮ_x層を使用した以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００５７】
［実施例７］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００５８】
即ち、下部電極１５を形成した後にアルゴン雰囲気中で３００℃２時間の熱処理を行う工程を追加した以外は、実施例４と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００５９】
［実施例８］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００６０】
即ち、下部電極１５及び上部電極１７の形成に電子ビーム蒸着法を使用した以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００６１】
［実施例９］
本実施例では、以下のようにして、図３及び図４に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００６２】
即ち、上部電極１７を第１電極部１７Ａと第２電極部１７Ｂとからなるものとした以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。尚、インピーダンス特性の測定は、下部電極１５を共通電極（グランド）とし、上部電極第１電極部１７Ａと上部電極第２電極部１７Ｂとの間で行った。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００６３】
［実施例１０］
本実施例では、以下のようにして、図５及び図６に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００６４】
即ち、絶縁体層１３として及びＳｉ基板１２の第二表面（下側）のビアホール形成用エッチングマスクとして低圧ＣＶＤ法によるＳｉＮ_x層を使用した以外は実施例１と同様な方法で下部電極１５及び第１のＡｌＮ圧電体薄膜１６−１を形成した後、さらに下部電極１５と同様な条件で内部電極１７’を形成した。次に、第１のＡｌＮ圧電体薄膜１６−１と同様な条件で第２のＡｌＮ圧電体薄膜１６−２を形成した後、さらに実施例１と同様な方法で上部電極１８を形成することにより図５及び図６に記載の構造の薄膜圧電共振子を製造した。尚、インピーダンス特性の測定は、内部電極１７’を共通電極（グランド）とし、下部電極１５と上部電極１８との間で行った。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００６５】
［比較例１］
本比較例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００６６】
即ち、下部電極１５としてＡｕと密着金属層としてのＣｒとの積層体からなるものを使用した以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００６７】
［比較例２］
本比較例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００６８】
即ち、下部電極１５としてＰｔと密着金属層としてのＴｉとの積層体からなるものを使用した以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００６９】
［比較例３］
本比較例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００７０】
即ち、下部電極１５としてＡｌと密着金属層としてのＴｉとの積層体からなるものを使用した以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００７１】
［比較例４］
本比較例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００７２】
即ち、下部電極１５としてＮｉからなるものを使用した以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００７３】
尚、カスケード・マイクロテック社製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、上記薄膜圧電共振子の電極端子部１５ｂ，１７ｂ間のインピーダンス特性を測定したが、ＡｌＮ薄膜の結晶性が極端に悪いためか、共振ピークが観測されなかった。
【００７４】
【表１】

【００７５】
【表２】

【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、タンタルを主成分とする金属薄膜を用いて下部電極を構成し、特にその結晶相及び／または結晶化度を所定の範囲にすることにより、それに接して形成されたｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜の配向性、結晶性を著しく向上させることができ、その結果、電気機械結合係数や音響品質係数（Ｑ値）に優れた圧電薄膜共振子が提供される。この圧電薄膜共振子を用いてＶＣＯ（電圧制御発振器）、フィルタおよび送受切替器を構成することにより、１ＧＨｚ以上の高い周波数での特性を著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ断面図である。
【図５】本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図である。
【図６】図５のＸ−Ｘ断面図である。
【符号の説明】
１１は圧電薄膜共振子
１２は単結晶または多結晶からなる基板
１３は絶縁体層
１４は圧電積層構造体
１５は下部電極
１５ａは下部電極主体部
１５ｂは下部電極端子部
１６は圧電体薄膜
１６−１は第１の圧電体薄膜
１６−２は第２の圧電体薄膜
１７は上部電極
１７ａは上部電極主体部
１７ｂは上部電極端子部
１７Ａは上部電極の第１電極部
１７Ａａは第１電極部の主体部
１７Ａｂは第１電極部の端子部
１７Ｂは上部電極の第２電極部
１７Ｂａは第２電極部の主体部
１７Ｂｂは第２電極部の端子部
１７’は内部電極
１８は上部電極
２０はエッチングによって基板に形成したビアホール
２１は振動部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an element using a piezoelectric thin film used in a wide range of fields, such as a thin film resonator, a thin film VCO (voltage controlled oscillator), a thin film filter, a transmission / reception switch, and various sensors used in mobile communication devices. .
[0002]
[Prior art]
Devices applying the piezoelectric phenomenon are used in a wide range of fields. With the progress of miniaturization and labor saving of portable devices, the use of surface acoustic wave (SAW) elements as RF and IF filters is expanding. SAW filters have been able to meet the strict requirements of users by improving design and production technology. However, as the frequency of use increases, it approaches the limit of improvement in characteristics, and it is significant in terms of both miniaturization of electrode formation and ensuring stable output. Technological innovation is needed. On the other hand, a thin film bulk acoustic wave resonator (Thin Film Bulk Acoustic Resonator: hereinafter abbreviated as FBAR) using a thickness vibration of a piezoelectric thin film, or a stacked thin film bulk wave acoustic resonator and filter (Stacked Thin Film Bulk Wave Acoustic Resonators and Filters): (Hereinafter, abbreviated as SBAR) is a thin support film provided on a substrate on which a thin film mainly made of a piezoelectric material and an electrode for driving the thin film are formed, and fundamental resonance in the gigahertz band is possible. If the filter is configured with FBAR or SBAR, it can be remarkably miniaturized, and it can be operated with low loss and wideband, and can be integrated with a semiconductor integrated circuit, so it is expected to be applied to future ultra-compact portable devices. Has been.
[0003]
Piezoelectric thin film elements such as FBAR and SBAR applied to resonators, filters, and the like using elastic waves are manufactured as follows. A semiconductor single crystal substrate such as silicon, a substrate formed of polycrystalline diamond on a silicon wafer, a substrate made of a constant elastic metal such as Elinvar, etc., by various thin film forming methods, a dielectric thin film, a conductor thin film, Alternatively, a base film made of a laminate of these is formed. A piezoelectric thin film is formed on the base film, and an upper structure is formed if necessary. After each layer is formed or after all layers are formed, each film is subjected to physical processing or chemical processing to perform fine processing and patterning. A floating structure in which a portion located below the vibrating portion is removed from the substrate by anisotropic etching, and finally, a piezoelectric thin film element is obtained by separating each element.
[0004]
For example, in the piezoelectric thin film element described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-142607, after a base film, a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode are formed on a substrate, the lower part of the substrate becomes a vibrating portion. In other words, a via hole is formed by removing the substrate portion.
[0005]
Piezoelectric materials for piezoelectric thin film elements include aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), cadmium sulfide (CdS), lead titanate [PT] (PbTiO_Three), Lead zirconate titanate [PZT] (Pb (Zr, Ti) O_Three) Etc. are used. In particular, AlN is suitable as a piezoelectric material for thin film resonators and thin film filters that have a high propagation speed of elastic waves and operate in a high frequency band.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Until now, various studies have been made to apply the AlN thin film to FBAR or SBAR. However, thin film resonators and thin film filters that exhibit sufficient performance in the gigahertz band have not yet been obtained, and improvements in the acoustic quality factor (Q value), frequency temperature coefficient, and insertion loss of AlN thin films are desired. Yes. A piezoelectric thin film element that is excellent in all of the acoustic quality factor (Q value), wide band operation, and frequency temperature characteristics and exhibits high-performance resonance characteristics has not been proposed. The electromechanical coupling coefficient is an important parameter that affects the performance of the resonator and the filter, and greatly depends on the film quality of the piezoelectric thin film to be used.
[0007]
Therefore, the present invention takes advantage of the characteristics of the AlN thin film that the propagation speed of elastic waves is fast, has a large electromechanical coupling coefficient, excellent acoustic quality factor (Q value), and characteristics such as bandwidth and insertion loss. An object of the present invention is to provide a piezoelectric thin film resonator that is advantageous in improving the above.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have intensively studied how the crystallinity and orientation of an aluminum nitride thin film (piezoelectric thin film) that greatly affects the resonance characteristics of FBAR or SBAR are affected by the material and crystallinity of the lower electrode. As a result, a metal thin film mainly composed of tantalum was used as the lower electrode, and an aluminum nitride thin film was formed on the metal thin film, whereby the rocking curve half width (FWHM) of the (0002) diffraction peak was reduced. It was found that a highly oriented and highly crystalline c-axis oriented aluminum nitride thin film of 3.0 ° or less can be obtained. Furthermore, by preparing the metal thin film in a specific crystal phase or crystallinity, the orientation and crystallinity of the rocking curve half-width (FWHM) of the (0002) diffraction peak is 1.0 to 2.3 °. It was found that a c-axis oriented aluminum nitride thin film excellent in the above can be obtained. And by using these highly oriented and highly crystalline c-axis oriented aluminum nitride thin films, it was found that high performance FBAR or SBAR excellent in bandwidth and frequency temperature characteristics can be realized with low loss, The present invention has been reached.
[0009]
  That is, according to the present invention, the object as described above is achieved.
  Thickness based on tantalum50-500nmShows c-axis orientation formed on the surface of a thin metal film0.5-3.0 μm thickAn aluminum nitride thin film,In the X-ray diffraction peak of the metal thin film mainly containing tantalum, the peak intensity I of the (002) diffraction peak of the tetragonal β phase _β And peak intensity I of (110) diffraction peak of cubic α phase _α Intensity ratio I _α / I _β Is 0.1 or less, and in the X-ray diffraction peak of the aluminum nitride thin film,The rocking curve half-width (FWHM) of the (0002) diffraction peak is1.0-2.3 °An aluminum nitride thin film characterized by
Is provided.
[0010]
  In addition, according to the present invention, the object as described above is achieved.
  An aluminum nitride thin film having a thickness of 0.5 to 3.0 μm and having a c-axis orientation formed on the surface of a metal thin film having a thickness of 50 to 500 nm mainly composed of tantalum,The tantalum-based metal thin film has a crystallinity of 10% or lessAnd an X-ray diffraction peak of the aluminum nitride thin film, wherein the (0002) diffraction peak rocking curve half-width (FWHM) is 1.0 to 2.3 °,
Is provided.
[0011]
  In addition, according to the present invention, the object as described above is achieved.
  In the piezoelectric thin film resonator having a structure in which a piezoelectric thin film is sandwiched between a plurality of metal electrodes and a central portion of the piezoelectric thin film is bridged by supporting the periphery of the piezoelectric thin film, the piezoelectric thin filmHas a thickness of 0.5 to 3.0 μm,The rocking curve half-width (FWHM) of the (0002) diffraction peak is1.0-2.3 °A c-axis oriented aluminum nitride thin film, wherein at least one of the metal electrodes has a thickness mainly composed of tantalum located on the side in contact with the surface of the piezoelectric thin film50-500nmIncluding metal thin filmIn the X-ray diffraction peak of the metal thin film, the peak intensity I of the (002) diffraction peak of the tetragonal β phase _β And peak intensity I of (110) diffraction peak of cubic α phase _α Intensity ratio I _α / I _β Is 0.1 or lessA piezoelectric thin film resonator characterized by
Is provided, and
  In the piezoelectric thin film resonator having a structure in which a piezoelectric thin film is sandwiched between a plurality of metal electrodes and a central portion of the piezoelectric thin film is bridged by supporting the periphery of the piezoelectric thin film, the piezoelectric thin film Is a c-axis oriented aluminum nitride thin film having a thickness of 0.5 to 3.0 μm and a rocking curve half-width (FWHM) of a (0002) diffraction peak of 1.0 to 2.3 °, At least one of the metal electrodes includes a metal thin film having a thickness of 50 to 500 nm mainly composed of tantalum located on the side in contact with the surface of the piezoelectric thin film, and the crystallinity of the metal thin film is 10%. Piezoelectric thin film resonators characterized in that:
Is provided.
[0012]
Furthermore, according to the present invention, the object as described above is achieved.
In the piezoelectric thin film resonator having a structure in which a piezoelectric thin film is sandwiched between a plurality of metal electrodes and a central portion of the piezoelectric thin film is bridged by supporting the periphery of the piezoelectric thin film, the piezoelectric thin film Is the above-described aluminum nitride thin film, and at least one of the metal electrodes comprises the metal thin film mainly composed of the tantalum, a piezoelectric thin film resonator,
Is provided.
[0013]
In addition, according to the present invention, the object as described above is achieved.
A substrate made of a semiconductor or an insulator having a vibration space, and a piezoelectric laminated structure in which a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode are laminated in this order at a position facing the vibration space of the substrate. In the piezoelectric thin film resonator, the piezoelectric thin film is the aluminum nitride thin film, and the lower electrode includes the metal thin film mainly containing the tantalum,
Is further provided
A substrate made of a semiconductor or insulator having a vibration space, and a lower electrode, a first piezoelectric thin film, an internal electrode, a second piezoelectric thin film, and an upper electrode in this order at a position facing the vibration space of the substrate. In the piezoelectric thin film resonator including the laminated piezoelectric multilayer structure, both the first and second piezoelectric thin films are the aluminum nitride thin films, and the lower electrode and the internal electrode are the above-described aluminum thin films. A laminated piezoelectric thin film resonator comprising a metal thin film mainly composed of tantalum,
Is provided.
[0014]
In these aspects of the present invention, the piezoelectric laminated structure has an insulator layer made of a dielectric film mainly composed of silicon oxide and / or silicon nitride at a position facing the vibration space.
[0015]
Furthermore, according to the present invention, there are provided a VCO (voltage controlled oscillator), a filter, and a transmission / reception switch configured by using the piezoelectric thin film resonator and the laminated piezoelectric thin film resonator as described above, in which 1 GHz or more is provided. The characteristics at a high frequency can be remarkably improved.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention, and FIG. 2 is an XX cross-sectional view thereof. In these drawings, the piezoelectric thin film resonator 11 has a substrate 12, an insulator layer 13 formed on the upper surface of the substrate 12, and a piezoelectric laminated structure 14 formed on the upper surface of the insulator layer 13. The piezoelectric laminated structure 14 includes a lower electrode 15 formed on the upper surface of the insulator layer 13, a piezoelectric thin film 16 formed on the upper surface of the insulator layer 13 so as to cover a part of the lower electrode 15, and the piezoelectric thin film 16 The upper electrode 17 is formed on the upper surface of the piezoelectric thin film 16. A via hole 20 that forms a gap is formed in the substrate 12. A part of the insulator layer 13 is exposed toward the via hole 20. The exposed portion of the insulator layer 13 and the portion of the piezoelectric multilayer structure 14 corresponding thereto constitute a vibrating portion (vibrating diaphragm) 21. The lower electrode 15 and the upper electrode 17 include

main portions

15a and 17a formed in a region corresponding to the vibration portion 21, and

terminal portions

15b and 17b for connecting the

main portions

15a and 17a to an external circuit. Have The

terminal portions

15 b and 17 b are located in a region other than the region corresponding to the vibration unit 21.
[0018]
As the substrate 12, a single crystal such as Si (100) single crystal, or a substrate in which a polycrystalline film such as silicon, diamond or the like is formed on the surface of a base material such as Si single crystal can be used. As the substrate 12, other semiconductors or insulators can be used. As a method for forming the via hole 20 of the substrate 12, an anisotropic etching method from the lower surface side of the substrate is exemplified. The space formed in the substrate 12 is not limited to that formed by the via hole 20, and may be any as long as it allows vibration of the vibration part 21, and is a recess formed in the upper surface region of the substrate corresponding to the vibration part 21. There may be.
[0019]
As the insulator layer 13, for example, silicon oxide (SiO₂), A dielectric film composed mainly of silicon nitride (SiN)_x) And a laminated film of a dielectric film mainly composed of silicon oxide and a dielectric film mainly composed of silicon nitride can be used. As for the material of the insulator layer 13, the main component refers to a component whose content in the dielectric film is 50 equivalent% or more. The dielectric film may be composed of a single layer, or may be composed of a plurality of layers to which a layer for improving adhesion to the substrate is added. The thickness of the insulator layer 13 is, for example, less than 2000 nm, and preferably 100 to 350 nm. Examples of a method for forming the insulator layer 13 include a thermal oxidation method and a CVD method for the surface of the substrate 12 made of silicon. In the present invention, a structure in which the insulating layer 13 in the region corresponding to the vibration part 21 is entirely removed by etching and the lower electrode 15 is exposed toward the via hole 20 may be employed. Thus, by removing all of the insulator layer 13 in the region corresponding to the vibration part 21, the temperature characteristic of the resonance frequency is slightly deteriorated, but there is an advantage that the acoustic quality factor (Q value) is improved. .
[0020]
The lower electrode 15 is composed of a metal thin film mainly composed of tantalum, or a laminate of an adhesive metal layer formed between the metal thin film and the insulator layer 13 as necessary. Is less than 2000 nm, for example, 50 to 500 nm, preferably 120 to 250 nm. If the lower electrode 15 is too thick, the ratio of the thickness of the lower electrode 15 to the thickness of the piezoelectric thin film resonator used by adjusting to a predetermined resonance frequency becomes relatively large, and a sufficient bandwidth cannot be obtained. Alternatively, the surface of the metal thin film containing tantalum as a main component may become rough, resulting in a decrease in crystallinity of the piezoelectric thin film 16 formed thereon. The piezoelectric thin film 16 is made of aluminum nitride (AlN), and the thickness thereof is, for example, 0.5 to 3.0 μm, preferably 1.2 to 1.7 μm. The upper electrode 17 can be made of a metal thin film mainly composed of tantalum similar to the lower electrode 15, but in addition, a metal thin film made of a metal selected from materials such as aluminum, platinum, and gold, or this If necessary, the metal thin film and the piezoelectric thin film 16 are laminated to each other, and the thickness thereof is, for example, 50 to 500 nm, preferably 100 to 180 nm. Here, the metal thin film containing tantalum as a main component means that 90 atomic% or more of tantalum is contained. As materials for the adhesion metal layer of the lower electrode and the adhesion metal layer of the upper electrode, titanium, chromium, nickel, or the like is preferably used.
[0021]
In general, the piezoelectric characteristics of a piezoelectric material strongly depend on crystal properties such as crystallinity and orientation. Also in the piezoelectric thin film used in the present invention, the piezoelectric characteristics are considered to depend on the crystal properties such as the particle size, orientation, and crystallinity of the crystal constituting the thin film. In this specification, the single alignment film means a crystallized film in which target crystal planes are aligned in parallel with the substrate surface. For example, a (0001) single orientation film means a film in which the (0001) plane is grown in parallel with the film plane. Specifically, it means that when the X-ray diffraction measurement by the diffractometer method is performed, the reflection peak other than the target diffraction surface due to the AlN crystal can hardly be detected. For example, in the (000L) single orientation film, that is, the c-plane single orientation film, the reflection intensity other than the (000L) plane is 5 which is the maximum peak intensity of (000L) plane reflection in the X-ray diffraction measurement of θ-2θ rotation. %, Preferably less than 2%, more preferably below the detection limit. The (000L) plane is a generic display of (0001) series planes, that is, equivalent planes such as the (0001) plane, the (0002) plane, and the (0004) plane.
[0022]
In the FBAR configured as shown in FIG. 1 and FIG. 2, the present inventors determine how the resonance characteristics of both the material and crystallinity of the lower electrode 15 and the properties of the AlN thin film 16 such as orientation and crystallinity. It was examined whether it depends on. In the illustrated FBAR, as the lower electrode 15, an adhesion metal layer formed as necessary and a metal thin film mainly composed of tantalum formed in this order are laminated in this order by sputtering or vapor deposition. The adhesion metal layer and the metal thin film were patterned into a predetermined shape using a lithography technique. The AlN thin film 16 is formed by reactive sputtering on the upper surface of the insulator layer 13 on which the lower electrode 15 is formed, and then a part of the region except for the part on the via hole 20 is removed by etching using a photolithography technique. Thus, patterning was performed in a predetermined shape. The upper electrode 17 was formed on the AlN thin film 16 remaining on the via hole 20. The upper electrode 17 was patterned into a predetermined shape by a photolithography technique in the same manner as the lower electrode 15.
[0023]
The metal thin film mainly composed of tantalum used for the lower electrode 15 is formed by sputtering or vapor deposition. A thin film mainly composed of tantalum can usually be easily formed by a DC magnetron sputtering method or an RF magnetron sputtering method. However, since the melting point is as high as 2990 ° C. when using a vapor deposition method, it is difficult to produce by a resistance heating vapor deposition method. Therefore, it is necessary to use an electron beam evaporation method. As a crystal phase, a cubic α phase is well known in terms of metallurgy, but a tetragonal β phase, which is a stable phase, can also be produced as a crystal phase peculiar to a thin film. When these two crystal phases are formed as a thin film, the (110) plane and the (002) plane are likely to grow parallel to the substrate surface. In addition, the phase ratio (mixed crystal ratio) in the mixed crystal of the α phase and the β phase and the crystallinity of the single phase of the α phase or the β phase can be changed depending on the film forming conditions. Furthermore, once the β phase, which is a stable phase, is formed, a subsequent process such as heat treatment or substrate heating for forming the AlN thin film is performed to reduce the crystallinity (close to the amorphous state). It is also possible. In addition, the mixed crystal ratio and the degree of crystallinity may be controlled by changing the material of the adhesion metal layer between the metal thin film mainly composed of tantalum and the insulator layer 13.
[0024]
Here, the mixed crystal ratio is the peak intensity I of the (002) diffraction peak of tetragonal β-phase tantalum based on the result of X-ray diffraction measurement of a metal thin film mainly composed of tantalum._βAnd peak intensity I of cubic α phase (110) diffraction peak I_αIntensity ratio I_α/ I_βAs determined.
[0025]
The crystallinity x [%] is determined by the following equation based on the result of X-ray diffraction measurement (θ-2θ scan):
x = ΣI_c/ ΣI_c100× 100
here,
I_c: Sum of diffraction intensities per unit film thickness from α phase and β phase including amorphous phase,
I_c100: Sum of diffraction intensities per unit film thickness from α phase and β phase in 100% crystalline sample not containing amorphous phase,
It is.
[0026]
The inventors paid attention to the material of the lower electrode, the mixed crystal ratio of the crystal phase, and the crystallinity thereof, and constituted the crystallinity of the aluminum nitride thin film formed on the lower electrode and the piezoelectric thin film resonator. Electromechanical coupling coefficient k_t ²The relationship with the acoustic quality factor (Q value) was examined in detail. As a result, the following was found.
[0027]
That is, by using the lower electrode 15 including a metal thin film mainly composed of tantalum, and forming an aluminum nitride thin film on the metal thin film, the rocking curve half-width (FWHM) of the (0002) diffraction peak is reduced. A highly oriented and highly crystalline c-axis oriented aluminum nitride thin film of 3.0 ° or less is obtained, which is used for electromechanical coupling coefficient k._t ²The acoustic quality factor (Q value) is large, and a high-performance piezoelectric thin film resonator can be manufactured.
[0028]
Furthermore, by preparing this metal thin film in a specific crystal phase or crystallinity, a c-axis-oriented aluminum nitride thin film having excellent orientation and crystallinity of 1.0 to 2.3 ° as shown below. Is obtained.
[0029]
That is, the above mixed crystal ratio I of a metal thin film mainly composed of tantalum._α/ I_βIs set to more than 0.02 and not more than 0.1, and the rocking curve half-value width (FWHM) of the (0002) diffraction peak measured by X-ray diffraction of the c-axis oriented aluminum nitride thin film formed on the metal thin film. ) 1.8-2.3 ° is obtained, which gives an electromechanical coupling coefficient k_t ²And the acoustic quality factor (Q value) are larger, and a high-performance piezoelectric thin film resonator can be manufactured. More preferably, the above mixed crystal ratio I_α/ I_βWhen the value is 0.02 or less, the rocking curve half-width (FWHM) of the aluminum nitride thin film is 1.0 to 1.8 °, and the electromechanical coupling coefficient k is further increased._t ²And the acoustic quality factor (Q value) is large, and a high-performance piezoelectric thin film resonator can be manufactured.
[0030]
Independent of the above-mentioned mixed crystal ratio, when the crystallinity x of the metal thin film mainly composed of tantalum is more than 3% and 10% or less, the c-axis orientation formed on the metal film The rocking curve half-value width (FWHM) of the (0002) diffraction peak measured by X-ray diffraction of the aluminum nitride thin film is obtained in the range of 1.8 to 2.3 °, and thereby the electromechanical coupling coefficient k._t ²And the acoustic quality factor (Q value) is large, and a high-performance piezoelectric thin film resonator can be manufactured. More preferably, when the crystallinity x is 3% or less, a rocking curve half-value width (FWHM) of the aluminum nitride thin film of 1.0 to 1.8 ° is obtained, and an electromechanical coupling coefficient k is obtained._t ²And the acoustic quality factor (Q value) is large, and a high-performance piezoelectric thin film resonator can be manufactured.
[0031]
In the piezoelectric thin film resonator having the configuration shown in FIGS. 1 and 2, a bulk wave is excited in the piezoelectric thin film 16 by applying an electric field between the

electrodes

15 and 17 positioned above and below the piezoelectric thin film 16. For this reason, in order to use the lower electrode 15 as a terminal electrode, it is necessary to expose a part of the lower electrode. This configuration can only be used as a resonator, and two or more resonators need to be combined to make a filter.
[0032]
FIG. 3 is a schematic plan view showing another embodiment of the piezoelectric thin film resonator according to the present invention, and FIG. 4 is an XX sectional view thereof. In these drawings, members having the same functions as those in FIGS. 1 and 2 are given the same reference numerals.
[0033]
In the present embodiment, the lower electrode 15 has a shape close to a rectangle, and the upper electrode 17 includes a first electrode portion 17A and a second electrode portion 17B. These

electrode portions

17A and 17B have main portions 17Aa and 17Ba and terminal portions 17Ab and 17Bb, respectively. The main portions 17Aa and 17Ba are located in a region corresponding to the vibrating portion 21, and the terminal portions 17Ab and 17Bb are located in a region other than the region corresponding to the vibrating portion 21.
[0034]
Also in the present embodiment, the same operational effects as those described with respect to the embodiment of FIGS. 1 and 2 can be obtained.
[0035]
In the present embodiment, an input voltage is applied between one of the upper electrodes 17 (for example, the second electrode portion 17B) and the lower electrode 15, and the other of the upper electrodes 17 (for example, the first electrode portion 17A). ) And the lower electrode 15 can be taken out as an output voltage, so that it can be used as a filter. By using the filter having such a configuration as a component of the passband filter, the stopband attenuation characteristic is improved and the frequency response as a filter is improved.
[0036]
FIG. 5 is a schematic plan view showing still another embodiment of the piezoelectric thin film resonator according to the present invention, and FIG. 6 is an XX sectional view thereof. In these drawings, members having the same functions as those in FIGS. 1 to 4 are given the same reference numerals.
[0037]
The present embodiment is an SBAR having a piezoelectric multilayer structure corresponding to a laminate of two piezoelectric multilayer structures according to the embodiments described in FIGS. 1 and 2. That is, the lower electrode 15, the first piezoelectric thin film 16-1, the internal electrode 17 ', the second piezoelectric thin film 16-2, and the upper electrode 18 are formed in this order on the insulator layer 13. The internal electrode 17 'has a function as an upper electrode for the first piezoelectric thin film 16-1 and a function as a lower electrode for the second piezoelectric thin film 16-2.
[0038]
Also in the present embodiment, the same operational effects as those described with respect to the embodiment of FIGS. 1 and 2 can be obtained.
[0039]
In the present embodiment, an input voltage is applied between the lower electrode 15 and the internal electrode 17 ′, and a voltage between the internal electrode 17 ′ and the upper electrode 18 can be taken out as an output voltage. It can be used as a multipole filter. By using the multipole filter having such a configuration as a component of the pass band filter, the attenuation characteristic of the stop band is improved and the frequency response as the filter is improved.
[0040]
In the piezoelectric thin film resonator as described above, the resonance frequency f in the impedance characteristic measured using a microwave prober._rAnd anti-resonance frequency f_aAnd electromechanical coupling coefficient k_t ²The following relationship between
k_t ²= Φ_r/ Tan (φ_r)
φ_r= (Π / 2) (f_r/ F_a)
There is. For simplicity, the electromechanical coupling coefficient k_t ²Is:
k_t ²= 4.8 (f_a-F_r) / (F_a+ F_r)
Calculated from
[0041]
In the FBAR or SBAR configured as shown in FIGS. 1, 2, 3, 4, 5, and 6, the resonance frequency and the anti-resonance frequency were measured in the range of 1.5 to 2.5 GHz. Electromechanical coupling coefficient k_t ²Is, for example, 4.0 to 6.5%, which is preferable. Electromechanical coupling coefficient k_t ²If it is less than 4.0%, the bandwidth of the manufactured FBAR becomes small, and it tends to be difficult to put it into practical use as a piezoelectric thin film resonator used in a high frequency range.
[0042]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples.
[0043]
[Example 1]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0044]
That is, 1000 nm thick SiO2 on both upper and lower surfaces of a (100) Si substrate 12 having a thickness of 300 μm by thermal oxidation.₂After forming the layer, SiO on the first surface (upper surface) side₂Etch only the layer, SiO on the first side₂The layer thickness was adjusted to 300 nm. SiO on the first surface of this Si substrate₂A 200 nm-thick Ta thin film is formed on the insulator layer 13 by DC magnetron sputtering under conditions of a gas pressure of 0.5 Pa and a substrate temperature of 150 ° C., and further patterned by photolithography to form the lower electrode 15. did. As a result of evaluating the crystallinity of the lower electrode 15 by the X-ray diffraction method, as shown in Table 2, the mixed crystal ratio I_α/ I_βWas 1.21 and the crystallinity x was 72%. On the lower electrode layer 15 made of the Ta thin film, an Al target having a purity of 99.999% is used, and the total gas pressure is 0.5 Pa, the gas composition is Ar / N by the reactive RF magnetron sputtering method.₂An AlN thin film having a thickness of 1.30 μm was formed under the conditions of = 1/1 and a substrate temperature of 300 ° C. As a result of evaluating the crystallinity of the AlN thin film by the X-ray diffraction method, only peaks corresponding to the c-plane including the (0002) plane were observed. As shown in Table 2, the rocking curve half-width was 2.9 °. It was. Next, the AlN thin film was patterned into a predetermined shape by wet etching using hot phosphoric acid to form the piezoelectric thin film 16. Next, an Al / Ti layer having a thickness of 170 nm (including a Ti adhesion metal layer) was formed by DC magnetron sputtering, and the upper electrode 17 was formed by patterning into the shape shown in FIG. 1 by photolithography. The side where the upper and

lower electrodes

15 and 17 and the AlN piezoelectric thin film 16 formed on the structure obtained as described above are formed is covered with a protective wax and formed on the second surface (lower surface) of the Si substrate 12. 1000 nm thick SiO₂Using a mask formed by patterning a layer, a portion of the Si substrate 12 corresponding to the vibrating portion 21 is etched with a KOH aqueous solution to form a via hole 20, and the thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. Manufactured.
[0045]
Table 1 shows the material and thickness of each layer constituting the vibration part 21 (however, for the lower electrode and the upper electrode, the adhesion metal layer associated therewith is separately shown as a lower adhesion metal layer and an upper adhesion metal layer, respectively). Table 2 shows a mixed crystal ratio I of a metal thin film containing Ta as a main component of the lower electrode layer 15._α/ I_βThe crystallinity x, and the crystallinity of the AlN piezoelectric thin film 16 (namely, the rocking curve half-value width of the diffraction peak of the (0002) plane) are described.
[0046]
In addition, the impedance characteristic between the

electrode terminal portions

15b and 17b of the thin film piezoelectric resonator is measured using a microwave prober and a network analyzer manufactured by Cascade Microtech, and the resonance frequency f_rAnd anti-resonance frequency f_aFrom the measured value of the electromechanical coupling coefficient k_t ²And an acoustic quality factor Q. The fundamental frequency (resonance frequency f) of thickness vibration of the obtained piezoelectric thin film resonator_rAnd anti-resonance frequency f_a), Electromechanical coupling coefficient k_t ²The acoustic quality factor Q was as shown in Table 2.
[0047]
[Example 2]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0048]
That is, the thin film piezoelectric resonator shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured using the same method as in Example 1 except that the substrate temperature when forming the Ta thin film for the lower electrode was 200 ° C. Details are shown in Tables 1 and 2 in the same manner as in Example 1.
[0049]
[Example 3]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0050]
That is, the thin film piezoelectric resonator shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured using the same method as in Example 1 except that the substrate temperature when forming the Ta thin film for the lower electrode was 250 ° C. Details are shown in Tables 1 and 2 in the same manner as in Example 1.
[0051]
[Example 4]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0052]
That is, except that the substrate was not heated when the Ta thin film for the lower electrode was formed (the substrate temperature was 100 ° C. or lower), the thin film piezoelectric resonance described in FIGS. A child was manufactured. Details are shown in Tables 1 and 2 in the same manner as in Example 1.
[0053]
[Example 5]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0054]
That is, the thin film piezoelectric resonance shown in FIGS. 1 and 2 is used in the same manner as in Example 4 except that a Cr layer as an adhesion metal layer is also used for the lower electrode 15 and this is formed by DC magnetron sputtering. A child was manufactured. Details are shown in Tables 1 and 2 in the same manner as in Example 1.
[0055]
[Example 6]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0056]
That is, SiN formed by low pressure CVD as the insulator layer 13 and as an etching mask for forming a via hole on the second surface (lower side) of the Si substrate 12._xA thin film piezoelectric resonator shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the layer was used. Details are shown in Tables 1 and 2 in the same manner as in Example 1.
[0057]
[Example 7]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0058]
That is, the thin film piezoelectric resonator shown in FIGS. 1 and 2 was used in the same manner as in Example 4 except that a step of performing a heat treatment at 300 ° C. for 2 hours in an argon atmosphere after forming the lower electrode 15 was used. Manufactured. Details are shown in Tables 1 and 2 in the same manner as in Example 1.
[0059]
[Example 8]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0060]
That is, the thin film piezoelectric resonator shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured using the same method as in Example 1 except that the electron beam evaporation method was used to form the lower electrode 15 and the upper electrode 17. Details are shown in Tables 1 and 2 in the same manner as in Example 1.
[0061]
[Example 9]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 3 and 4 was produced as follows.
[0062]
That is, the thin film piezoelectric resonator shown in FIGS. 1 and 2 is manufactured using the same method as in Example 1 except that the upper electrode 17 is composed of the first electrode portion 17A and the second electrode portion 17B. did. The impedance characteristics were measured between the upper electrode first electrode portion 17A and the upper electrode second electrode portion 17B using the lower electrode 15 as a common electrode (ground). Details are shown in Tables 1 and 2 in the same manner as in Example 1.
[0063]
[Example 10]
In this example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 5 and 6 was manufactured as follows.
[0064]
That is, SiN formed by low pressure CVD as the insulator layer 13 and as an etching mask for forming a via hole on the second surface (lower side) of the Si substrate 12._xAfter the lower electrode 15 and the first AlN piezoelectric thin film 16-1 were formed by the same method as in Example 1 except that the layer was used, the internal electrode 17 'was further formed under the same conditions as the lower electrode 15. Next, after the second AlN piezoelectric thin film 16-2 is formed under the same conditions as the first AlN piezoelectric thin film 16-1, the upper electrode 18 is further formed by the same method as in the first embodiment. A thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 5 and 6 was manufactured. The impedance characteristics were measured between the lower electrode 15 and the upper electrode 18 with the internal electrode 17 ′ as a common electrode (ground). Details are shown in Tables 1 and 2 in the same manner as in Example 1.
[0065]
[Comparative Example 1]
In this comparative example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0066]
That is, the thin-film piezoelectric resonator shown in FIGS. 1 and 2 was formed using the same method as in Example 1 except that the lower electrode 15 was made of a laminate of Au and Cr as the adhesion metal layer. Manufactured. Details are shown in Tables 1 and 2 in the same manner as in Example 1.
[0067]
[Comparative Example 2]
In this comparative example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0068]
That is, the thin film piezoelectric resonator shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured using the same method as in Example 1 except that the lower electrode 15 was made of a laminate of Pt and Ti as the adhesion metal layer. Manufactured. Details are shown in Tables 1 and 2 in the same manner as in Example 1.
[0069]
[Comparative Example 3]
In this comparative example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0070]
That is, the thin film piezoelectric resonator shown in FIGS. 1 and 2 was formed using the same method as in Example 1 except that the lower electrode 15 was made of a laminate of Al and Ti as the adhesion metal layer. Manufactured. Details are shown in Tables 1 and 2 in the same manner as in Example 1.
[0071]
[Comparative Example 4]
In this comparative example, a thin film piezoelectric resonator having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
[0072]
That is, the thin film piezoelectric resonator shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured using the same method as in Example 1 except that the lower electrode 15 was made of Ni. Details are shown in Tables 1 and 2 in the same manner as in Example 1.
[0073]
The impedance characteristics between the

electrode terminal portions

15b and 17b of the thin film piezoelectric resonator were measured using a microwave prober and a network analyzer manufactured by Cascade Microtech Co., but the crystallinity of the AlN thin film was extremely bad. Or, no resonance peak was observed.
[0074]
[Table 1]

[0075]
[Table 2]

[0076]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the lower electrode is formed by using a metal thin film containing tantalum as a main component, and in particular, the crystal phase and / or crystallinity thereof is set within a predetermined range, so that the lower electrode is in contact therewith. As a result, a piezoelectric thin film resonator excellent in electromechanical coupling coefficient and acoustic quality factor (Q value) can be provided. . By using this piezoelectric thin film resonator to configure a VCO (voltage controlled oscillator), a filter, and a transmission / reception switch, characteristics at a high frequency of 1 GHz or more can be remarkably improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention.
2 is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG.
FIG. 3 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention.
4 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG.
FIG. 5 is a schematic plan view showing an embodiment of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention.
6 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG.
[Explanation of symbols]
11 is a piezoelectric thin film resonator
12 is a substrate made of single crystal or polycrystal
13 is an insulator layer
14 is a piezoelectric laminated structure
15 is the lower electrode
15a is a lower electrode main part
15b is a lower electrode terminal portion
16 is a piezoelectric thin film
16-1 is a first piezoelectric thin film.
16-2 is a second piezoelectric thin film
17 is the upper electrode
17a is a main part of the upper electrode
17b is an upper electrode terminal portion
17A is the first electrode portion of the upper electrode
17Aa is the main part of the first electrode part
17Ab is the terminal part of the first electrode part
17B is the second electrode part of the upper electrode
17Ba is the main part of the second electrode part
17Bb is the terminal part of the second electrode part
17 'is an internal electrode
18 is the upper electrode
20 is a via hole formed in the substrate by etching.
21 is a vibrating part

Claims

An aluminum nitride thin film having a thickness of 0.5 to 3.0 μm and having a c-axis orientation formed on the surface of a metal thin film having a thickness of 50 to 500 nm mainly composed of tantalum , the tantalum being a main component. in X-ray diffraction peaks of the metal thin film, the tetragonal beta phase (002) is the intensity ratio I _alpha / I _beta between the peak intensity I _alpha peak intensities I _beta and cubic alpha phase (110) diffraction peak of the diffraction peak 0.1 or less, and in the X-ray diffraction peak of the aluminum nitride thin film, the rocking curve half-width (FWHM) of the (0002) diffraction peak is 1.0 to 2.3 ° Thin film.

An aluminum nitride thin film having a thickness of 0.5 to 3.0 μm and having a c-axis orientation formed on the surface of a metal thin film having a thickness of 50 to 500 nm mainly composed of tantalum , the tantalum being a main component. The crystallinity of the metal thin film is 10% or less, and the rocking curve half-width (FWHM) of the (0002) diffraction peak is 1.0 to 2.3 ° in the X-ray diffraction peak of the aluminum nitride thin film. An aluminum nitride thin film characterized by

In the piezoelectric thin film resonator having a structure in which a piezoelectric thin film is sandwiched between a plurality of metal electrodes and a central portion of the piezoelectric thin film is bridged by supporting the periphery of the piezoelectric thin film, the piezoelectric thin film Is a c-axis oriented aluminum nitride thin film having a thickness of 0.5 to 3.0 μm and a rocking curve half-width (FWHM) of a (0002) diffraction peak of 1.0 to 2.3 ° , At least one of the metal electrodes comprises a metal thin film having a thickness of 50 to 500 nm mainly composed of tantalum located on the side in contact with the surface of the piezoelectric thin film , and in the X-ray diffraction peak of the metal thin film, wherein the tetragonal beta phase (002) peak intensity of a diffraction peak I _beta and cubic alpha phase (110) intensity ratio of the peak intensity I _alpha diffraction peaks I _alpha / I _beta is 0.1 or less Piezoelectric thin film resonator .

In the piezoelectric thin film resonator having a structure in which a piezoelectric thin film is sandwiched between a plurality of metal electrodes and a central portion of the piezoelectric thin film is bridged by supporting the periphery of the piezoelectric thin film, the piezoelectric thin film Is a c-axis oriented aluminum nitride thin film having a thickness of 0.5 to 3.0 μm and a rocking curve half-width (FWHM) of a (0002) diffraction peak of 1.0 to 2.3 °, At least one of the metal electrodes includes a metal thin film having a thickness of 50 to 500 nm mainly composed of tantalum located on the side in contact with the surface of the piezoelectric thin film, and the crystallinity of the metal thin film is 10%. A piezoelectric thin film resonator characterized by the following.

In the piezoelectric thin film resonator having a structure in which a piezoelectric thin film is sandwiched between a plurality of metal electrodes and a central portion of the piezoelectric thin film is bridged by supporting the periphery of the piezoelectric thin film, the piezoelectric thin film The aluminum nitride thin film according to any one of claims 1 and 2 , wherein at least one of the metal electrodes comprises the metal thin film mainly comprising tantalum according to any one of claims 1 and 2. A piezoelectric thin film resonator.

A substrate made of a semiconductor or an insulator having a vibration space, and a piezoelectric laminated structure in which a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode are laminated in this order at a position facing the vibration space of the substrate. 3. A piezoelectric thin film resonator, wherein the piezoelectric thin film is the aluminum nitride thin film according to any one of claims 1 and 2 , and the lower electrode is a metal containing tantalum as a main component according to any one of claims 1 and 2. A piezoelectric thin film resonator comprising a thin film.

The piezoelectric layered structure according to claim 6 , wherein the piezoelectric laminated structure has an insulator layer made of a dielectric film mainly composed of silicon oxide and / or silicon nitride at a position facing the vibration space. Thin film resonator.

A substrate made of a semiconductor or insulator having a vibration space, and a lower electrode, a first piezoelectric thin film, an internal electrode, a second piezoelectric thin film, and an upper electrode in this order at a position facing the vibration space of the substrate. A piezoelectric thin film resonator comprising a laminated piezoelectric multilayer structure, wherein each of the first and second piezoelectric thin films is the aluminum nitride thin film according to any one of claims 1 and 2 , A laminated piezoelectric thin film resonator, wherein the lower electrode and the internal electrode comprise the metal thin film mainly comprising tantalum according to claim 1 .

The multilayer structure according to claim 8 , wherein the piezoelectric multilayer structure has an insulator layer made of a dielectric film mainly composed of silicon oxide and / or silicon nitride at a position facing the vibration space. Type piezoelectric thin film resonator.