JP7550757B2 - 薄膜ｓａｗデバイス - Google Patents

Description

次世代のモバイル通信デバイス（mobile communication device）は、高い電気機械結合係数（electromechanical coupling factor）ｋ^２及び低い周波数温度係数ＴＣＦ（temperature coefficient of frequency）のような優れた性能及び特性を必要とする。

サンドイッチ基板系上に具現化されたＳＡＷフィルタデバイスは、サジタル導波効果（sagittal wave guiding effect）を提供するので、それ自体高い結合係数（coupling coefficient）を提供する。一般的な多層基板系の層のうちの１つは、ＴＣＦの低減を提供するＳｉＯ_２層である。故に、そのようなＳｉＯ_２層は、ＴＣＦ補償層（compensating layer）として使用され、その厚さ（thickness）は、所望のＴＣＦ低減を達成するために調整されることができる。しかしながら、その補償効果（compensating effect）は、小さすぎることが多い。その上、貧弱な音響特性のみを有するＳｉＯ_２層のより高い厚さは、より多くのスプリアスモード（spurious mode）、例えば、より高い周波数にある近隣する周波数帯域において妨害共振（disturbing resonance）を生成するには望ましくないバルク音響モード（bulk acoustic mode）をもたらす。更に、サンドイッチ基板系における高結合（high coupling）は、より小さい帯域幅を必要とするある帯域にとって不利であり得る。これらの狭帯域では、帯域幅を再低減するためにキャパシタ（capacitor）のような外部回路が必要とされる。これは次に、一般的な小型化要件に反するより高い面積消費（higher area consumption）をもたらす。

故に、ＳｉＯ_２層の層厚さを高めることなく補償されたＴＣＦを有するＳＡＷデバイスが必要とされている。

この目的及び他の目的は、独立請求項に記載の薄膜ＳＡＷデバイス（thin film SAW device）及び製造方法によって解決される。特定の特徴及び有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

一般的な考えは、追加の機能層（functional layer）を備える薄膜ＳＡＷデバイスを提供することである。これは、薄膜ＳＡＷデバイスの圧電層（piezoelectric layer）の近く又は隣にあり、圧電層の機械的特性（mechanical property）に非常に類似した機械的特性を有する追加層（additional layer）であり得る。しかしながら、この機能層は、圧電性（piezoelectric）ではない。

そのような層は、次いで、優れた音響特性（acoustic property）を有し、音波（acoustic wave）は、この機能層において少なくとも部分的に伝搬する。故に、圧電効果（piezoelectric effect）がないことにより、結合（coupling）、及び故に電気機械結合係数ｋ^２が低減される。これは、狭帯域幅を有する帯域中で、それぞれ狭帯域で動作するように設計されたＳＡＷフィルタにとって有利である。さもなければ、帯域幅は、追加の空間及び／又はチップ面積を必要とするであろう外部キャパシタのような回路素子の助けを借りて低減されなければならなかった。その上、そのような外部素子は、それらの低い品質係数（quality factor）Ｑを原因として、デバイス全体の品質係数Ｑを低減する。提案された機能層、及びこのことから、低減された結合係数により、そのような回路は、狭帯域ＳＡＷフィルタを設計するときに必要とされない。

圧電性の温度依存性（temperature dependence）は、デバイスの負（negative）のＴＣＦの主な要因のうちの１つである。追加の機能層の圧電性の欠如は、組み合わされた層スタックのＴＣＦの改善をもたらす。このことから、かつては非常に負であったＴＣＦは、これまで一般的に使用されてきた層系（layer system）と比較してより正（positive）の値にシフトされる。故に、不十分なＴＣＦ補償を有する層系であっても、この機能層は、非常に低い結果として生じるＴＣＦを提供するためにＴＣＦ補償を改善することを可能にする。その上、機能層は、ＳｉＯ_２層である通常のＴＣＦ補償層の厚さを低減することを可能にする。機能層を挿入することによって、悪い音響特性を有するＳｉＯ_２層の厚さを低減することは、薄膜ＳＡＷデバイスの層系全体の音響特性を改善する。追加の利点として、スプリアスモードの発生が、全体的な層厚さがより低いことにより低減されることができる。

所望であれば、結合係数ｋ^２の低減は、圧電層の厚さを低減することによって補償されることができる。結果として、スプリアスプレート及びバルクモード（spurious plate and bulk modes）の発生が更に低減される。

そのような新しい薄膜ＳＡＷデバイスは、キャリア基板（carrier substrate）と、ＴＣＦ補償層と、圧電層と、圧電層の上部の電極構造（electrode structure）とを備える。機能層が、圧電層とＴＣＦ補償層との間に配置される。一般的な薄膜ＳＡＷデバイスと比較して、圧電層及びＴＣＦ補償層の厚さは、低減されることができ、それによって少なくとも同じＴＣＦ補償を達成する。

機能層の材料特性（material property）が、音響速度（acoustic velocity）、密度（density）、及び剛性（stiffness）の観点から圧電層の材料特性と１０％未満の偏差で一致すれば有利である。

より好ましくは、機能層は、圧電層などと同じ材料（material）を備えるが、例えば特別な熱的、機械的、電気的処理、又はイオン衝撃（ion bombardment）により圧電効果を示さない。

そのような機能層は、構造を損傷すること、及び故に単結晶圧電層（mono-crystalline piezoelectric layer）の損傷ゾーン（damage zone）中での圧電効果によって、形成されることができる。圧電層の上部から所望の深さまでイオン（ion）を注入（implant）することによって損傷ゾーンを形成することが可能である。しかしながら、圧電ウェハ（piezoelectric wafer）を多層基板系の表面に接合する前に、圧電ウェハ中に損傷ゾーンを形成することが好ましい。損傷ゾーンは、基板系に接合される表面の隣にあることが好ましい。

実施形態によると、圧電層は、ＬＴ又はＬＮの単結晶層（mono-crystalline layer）であり、厚さｄＰを有する。機能層は、同じ材料であるが圧電効果を有さない結晶層（crystalline layer）である。損傷層（damage layer）の厚さｄＤについて、以下の関係が有効である：
０．００５ｄＰ≦ｄＤ≦０．５ｄＰ。

特定の実施形態では、圧電層は、４００ｎｍ～７００ｎｍの厚さｄＰのタンタル酸リチウムＬＴ（lithium tantalate）の単結晶層である。次いで、機能層は、同じ材料であるがもう少しも圧電効果を有さない結晶ＬＴ層（crystalline LT layer）である。上述の関係によると、損傷層の厚さｄＤは次いで、
２ｎｍ≦ｄＤ≦３５０ｎｍに一致する。

機能層のＴＣＦ低減特性により、ＴＣＦ補償層の厚さは、通常ＳｉＯ_２から作られるそのような層を有する既知の薄膜ＳＡＷデバイスと比較して低減されることができる。ＴＣＦ補償層／ＳｉＯ_２層の例証的な厚さｄＣは、以下の関係に従う：
５０ｎｍ≦ｄＣ≦５００ｎｍ。

以下では、薄膜ＳＡＷデバイスは、特定の実施形態及び添付の図面を参照してより詳細に説明される。

薄膜ＳＡＷデバイスの概略断面図（schematic cross section）を示す。 機能層の厚さに依存する薄膜ＳＡＷデバイスのＴＣＦの経過を示す。 機能層の厚さに依存する薄膜ＳＡＷデバイスの結合係数（coupling factor）ｋ^２の経過を示す。 薄膜ＳＡＷデバイスのアドミタンス（admittance）の実部（real part）を示す。 薄膜ＳＡＷデバイスのアドミタンスの大きさ（magnitude）を示す。

図１は、薄膜ＳＡＷデバイスを断面図で示す。図は、概略的なものでしかなく、原寸通りに描かれていない。より良い理解のために、いくつかの詳細は、図から絶対的な寸法も相対的な寸法も取ることができないように拡大された形式で図示されている。

キャリア基板ＣＡは、好ましくは、機械的に安定した剛性材料から作られたウェハ（wafer）である。シリコンが、そのための好ましい材料である。キャリア基板ＣＡの上部に、音速（sound velocity）がＳｉＯ２よりも高いオプションの層が配置され得る。オプションの層は、例えば、ＡｌＮ、多結晶又はアモルファスシリコンのような硬い材料から作られる。

このオプションの層ＨＶの上に、又はキャリア基板ＣＡ上に直接、例えばＳｉＯ_２のＴＣＦ補償層ＣＬ（compensating layer）が適用される。これは、一般的なＰＶＤ又はＣＶＤプロセスによって行われ得る。しかし、任意の他の堆積方法も可能である。その上に次の層として、機能層ＦＬ及び圧電層ＰＬが配置される。好ましい実施形態によると、これらの２つの層を配置することは、その上面に一体的に形成された機能層ＦＬを有する圧電ウェハの、下にあるＴＣＦ補償層ＣＬに対するウェハ接合（wafer bonding）を備える。

圧電層ＰＬの厚さを所望の値ｄＰまで低減した後、圧電層ＰＬの上部に電極ＥＬ（electrode）が形成される。電極構造ＥＬは、薄膜ＳＡＷデバイスの機能を有効にし、インターデジタルトランスデューサ－ＩＤＴ（interdigital transducer）－反射器（reflector）、共振器（resonator）、又はフィルタ機能（filter function）のような電気音響ＳＡＷデバイス動作（electro-acoustic SAW device operation）に必要な任意の他の構造を備え得る。

図２は、上述した構造を有する薄膜ＳＡＷデバイスのＴＣＦの計算された経過を示す。ＴＣＦは、機能層ＦＬの様々な厚さｄＦに依存して図示される。第１の値は、０の厚さｄＦを有する機能層ＦＬのないデバイスに一致する。ここで、ＳＡＷデバイスは、ＳＡＷデバイスのＴＣＦに対する強い負のＴＣＦを有する圧電層ＰＬの影響によるものである負のＴＣＦを依然として示している。２０ｎｍの厚さｄＤで既に、ＴＣＦの大幅な低減が認められる。約５０ｎｍの厚さｄＦを有する機能層は、デバイスの元の負のＴＣＦを完全に補償する。厚さｄＦがより高くなると、ＴＣＦは正になる。総経過は、ほぼ線形であり、ＴＣＦ補償効果は、ＳＡＷデバイスの他の層の全ての他の幾何学的パラメータが一定に保たれる場合、機能層の厚さに比例することを示す。完全性のためにのみ、実際の値が層系及び層の厚さに依存することに留意されたい。しかしながら、機能層の厚さｄＦに対するＴＣＦの依存性は同じままである。

音響挙動（acoustic behavior）を制御する機械的特性が機能層ＦＬと圧電層とで同じであるという事実により、かなりの量の波エネルギーが、圧電効果を有さない機能層に集中される。故に、機能層ＦＬのないＳＡＷデバイスと比較して、結合係数が低減される。

図３は、機能層ＦＬの厚さｄＦに依存する薄膜ＳＡＷデバイスの結合係数ｋ^２の経過を示す。０の厚さで最も高い値が観測されることは明らかである。厚さｄＦのより高い値では、観察されたｋ^２値は低減する。この依存性も線形依存性であるので、それは、より小さい帯域幅、及び故により低いｋ^２を必要とするデバイスに対して所望のｋ^２を設定するために使用されることができる。図示されたグラフに従って、高すぎる結合係数ｋ^２を引き起こす機能層ＦＬの厚さｄＦで所望のＴＣＦが得られる場合、ＳＡＷデバイスの他の構造パラメータを変化させる必要がある。次いで、所望のｋ^２を最初に設定するために、機能層ＦＬの厚さｄＦを増加させなければならない。正すぎるＴＣＦは、次いで、ＴＣＦ補償ＳｉＯ_２層ＣＬの厚さｄＣの低減によって補償されることができ、逆もまた同様である。

提案されたＳＡＷデバイスは、所望の低い又は補償されたＴＣＦを見る必要なく、所望のパラメータを考慮して基板層系を最適化することを可能にする。まず、そのような最適化の後、ＴＣＦは、機能層に対して適切な厚さｄＦを選択することによって補償されることができる。それにより、全ての他の設計特徴及びそれに依存するそれぞれの物理的パラメータは一定に保たれることができ、それらが最適化の結果として残る。例えば、形状パラメータは、製造プロセスにおいて不可避である公差により敏感でない値に設定されることができる。既知の薄膜ＳＡＷデバイスでは、低いＴＣＦを達成するために、ＳｉＯ_２層の高い層厚さｄＣが結果として必要とされるであろう。しかしながら、これは、かなりの量の音響バルク及びプレートモードを励起し、望ましくない共振を発生させるであろう。

以下では、共振器として具現化された、提案された薄膜ＳＡＷデバイスの正の効果を示すために、３つのデバイスのアドミタンスが比較される。図４は、薄膜ＳＡＷデバイスのアドミタンスの実部を示す（一方、図５は、そのそれぞれの大きさを示す。第１のグラフ１は、完全なＴＣＦ補償を有していない技術による参照ＳＡＷデバイスに割り当てられている。第２のグラフ２は、完全なＴＣＦ補償を達成するように設計された提案されたＳＡＷデバイスに一致する。最後に、グラフ３は、ＴＣＦ補償ＳｉＯ_２層の厚さｄＣを相応に増大させることによって完全なＴＣＦ補償を達成するように設計された機能層ＦＬのないＳＡＷデバイスに一致する。

この例の場合、以下を備える層系が選ばれる：
－Ｓｉキャリア基板
－２００ｎｍのＳｉＯ_２
－非圧電（non-piezoelectric）ＬＴの基部上の５０ｎｍの損傷層
－６００ｎｍの圧電（piezoelectric）ＬＴ
－Ａｌ電極

グラフ３は、損傷層が存在せず、ＳｉＯ_２層の厚さｄＣが上記の例よりも２００ｎｍ大きい４００ｎｍまで増大していることを除いて、上述のものに従う層系に一致する。故に、５０ｎｍの損傷層は、２００ｎｍのＳｉＯ_２層などとほぼ同じＴＣＦ補償効果を有する。

本発明によるグラフ２と従来のＴＣＦ補償を有するＳＡＷデバイスによるグラフ３とを比較すると、最も顕著な効果が見られる。選択された例は、１９００ＭＨｚの共振周波数用に設計された薄膜ＳＡＷ共振器である。３つのグラフは全て、この周波数での最大値を示す。グラフ３は、約２１５０ＭＨｚにおける望ましくないスプリアスモードによる更なる共振ピークと、２２１０ＭＨｚにおけるより低い共振ピークとを示す。スプリアスモードは、波の局所的なエネルギー分布による相対的な厚いＳｉＯ_２層を有する基板の層構造から生じ、このことから、主にバルクモードであるスプリアスモードの発生を可能にする。グラフ２は、図５で最もよく見られるように、これらのピークを示さない。

約２８００ＭＨｚの周波数では、更なるポジティブな効果が見られる。ここでも、グラフ１及び３は、一致する従来のデバイスにおける更なるスプリアスモードによる共振を示す。しかしながら、グラフ２は、グラフ１及び３と比較して大幅に低減されたピークを示す。

図５のグラフ１及び２の共振ピーク及び反共振ピークを比較すると、極零点距離（pole zero distance）ＰＺＤ、及びこのことから結合係数は、新しい設計によるグラフ２では約１０ＭＨｚだけ低減されることが分かる。

故に、新しい薄膜ＳＡＷデバイスは、より高いＱ係数、完全なＴＣＦ補償、及びスプリアスモードの大幅な低減を提供する。更に、結合は、低減されるか又は低減されることができる。

本発明は、実施形態によって限定されず、特許請求の範囲によってのみ定義される。故に、示された例の更なる変形は、それらが特許請求の範囲によってカバーされる限り、本発明の範囲内であると見なされる。
以下に、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［Ｃ１］
薄膜ＳＡＷデバイスであって、
－キャリア基板（ＣＡ）と、
－ＴＣＦ補償層（ＣＬ）と、
－圧電層（ＰＬ）と、
－前記圧電層の上部のＩＤＴ電極（ＥＬ）と
を備え、機能層（ＦＬ）が、圧電層とＴＣＦ補償層との間に配置され、
前記機能層の材料特性は、音響速度、密度、及び剛性の観点から、圧電効果を有することなく、それらが１０％を超えて互いにずれないように前記圧電層の材料特性と一致する、薄膜ＳＡＷデバイス。
［Ｃ２］
前記機能層は、
－前記圧電層のような同じ材料を備え、
－いかなる圧電効果も提供しない、
Ｃ１に記載の薄膜ＳＡＷデバイス。
［Ｃ３］
前記圧電層は、厚さｄＰを有するＬＴ又はＬＮの単結晶層であり、
－前記機能層は、同じ材料であるが圧電効果を有することのない結晶層であり、
－前記機能層の厚さｄＦについて、以下が有効である：
０．００５ｄＰ≦ｄＦ≦０．５０ｄＰ、
Ｃ１又は２に記載の薄膜ＳＡＷデバイス。
［Ｃ４］
前記ＴＣＦ補償層（ＣＬ）よりも高い音速を有する１つ以上の追加層が、前記キャリア基板（ＣＡ）と前記ＴＣＦ補償層（ＣＬ）との間に追加される、Ｃ１～３のうちのいずれか一項に記載の薄膜ＳＡＷデバイス。
［Ｃ５］
前記圧電層は、４００～７００ｎｍの厚さｄＰのタンタル酸リチウムＬＴの単結晶層であり、
－前記機能層は、同じ材料であるが圧電効果を有することのない結晶ＬＴ層であり、前記機能層の厚さｄＦは、
２ｎｍ≦ｄＦ≦３５０ｎｍに一致する、
Ｃ１～４のうちのいずれか一項に記載の薄膜ＳＡＷデバイス。
［Ｃ６］
前記ＴＣＦ補償層（ＣＬ）は、
５０ｎｍ≦ｄＣ≦５００ｎｍ
による厚さｄＣを有するＳｉＯ _２ 層を備える、Ｃ１～５のうちのいずれか一項に記載の薄膜ＳＡＷデバイス。
［Ｃ７］
薄膜ＳＡＷデバイスを製造する方法であって、
－キャリア基板（ＣＡ）と、
－ＴＣＦ補償層（ＣＬ）と、
－機能層（ＦＬ）と、
－圧電層（ＰＬ）と、
－前記圧電層の上部のＩＤＴ電極（ＥＬ）と
を備え、前記方法は、その上面に一体的に形成された機能層ＦＬを有する圧電ウェハの、前記キャリア基板上に配置された下にある前記ＴＣＦ補償層ＣＬに対するウェハ接合を備え、
前記機能層（ＦＬ）は、イオン注入（ion implantation）、温度処理（temperature treatment）、又はレーザ処理によって、ウェハ接合より前に形成される、方法。

参照符号のリスト

１，２，３ 例及び参照のアドミタンス曲線
ＣＡ キャリア基板（Ｓｉウェハ）
ＣＬ ＴＣＦ補償層（ＳｉＯ_２層）
ｄＣ ＴＣＦ補償層の厚さ
ｄＦ 機能層の厚さ
ｄＰ 圧電層の厚さ
ＥＬ ＩＤＴ電極
ＦＬ 機能層
ＰＬ 圧電層

Claims (7)

1. 薄膜ＳＡＷデバイスであって、
   －キャリア基板（ＣＡ）と、
   －前記キャリア基板の上部に配置された周波数温度係数（ＴＣＦ）補償層（ＣＬ）と、
   －圧電層（ＰＬ）と、
   －前記圧電層の上部に配置されたＩＤＴ電極（ＥＬ）と
   を備え、機能層（ＦＬ）が、前記圧電層と前記ＴＣＦ補償層との間に配置され、前記機能層は、圧電効果を提供せず、
   前記機能層の材料特性は、圧電効果を有することなく、音響速度、密度、及び剛性の観点から、それらが１０％を超えて互いにずれないように前記圧電層の材料特性と一致する、薄膜ＳＡＷデバイス。
2. 前記機能層（ＦＬ）は、前記圧電層（ＰＬ）と同じ材料を備えるが、熱的、機械的、電気的処理、又はイオン衝撃により圧電効果を示さない、
   請求項１に記載の薄膜ＳＡＷデバイス。
3. －前記圧電層は、厚さｄＰを有するタンタル酸リチウム（ＬＴ）又はニオブ酸リチウム（ＬＮ）の単結晶層であり、
   －前記機能層は、同じ材料であるが圧電効果を有することのない結晶層であり、
   －前記機能層の厚さｄＦについて、以下が有効である：
   ０．００５ｄＰ≦ｄＦ≦０．５０ｄＰ、
   請求項１又は２に記載の薄膜ＳＡＷデバイス。
4. 前記ＴＣＦ補償層（ＣＬ）よりも高い音速を有する１つ以上の追加層が、前記キャリア基板（ＣＡ）と前記ＴＣＦ補償層（ＣＬ）との間に追加される、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の薄膜ＳＡＷデバイス。
5. 前記圧電層は、４００～７００ｎｍの厚さｄＰのタンタル酸リチウム（ＬＴ）の単結晶層であり、
   前記機能層は、同じ材料であるが圧電効果を有することのない結晶ＬＴ層であり、前記機能層の厚さｄＦは、２ｎｍ≦ｄＦ≦３５０ｎｍに一致する、
   請求項１～４のうちのいずれか一項に記載の薄膜ＳＡＷデバイス。
6. 前記ＴＣＦ補償層（ＣＬ）は、５０ｎｍ≦ｄＣ≦５００ｎｍによる厚さｄＣを有するＳｉＯ_２層を備える、請求項１～５のうちのいずれか一項に記載の薄膜ＳＡＷデバイス。
7. 薄膜ＳＡＷデバイスを製造する方法であって、
   －キャリア基板（ＣＡ）と、
   －ＴＣＦ補償層（ＣＬ）と、
   －機能層（ＦＬ）と、
   －圧電層（ＰＬ）と、
   －前記圧電層の上部のＩＤＴ電極（ＥＬ）と
   を備え、前記方法は、その上面に一体的に形成された機能層ＦＬを有する圧電ウェハの、前記キャリア基板上に配置された下にある前記ＴＣＦ補償層ＣＬに対するウェハ接合を備え、
   前記機能層の材料特性が、音響速度、密度、及び剛性の観点から、それらが１０％を超えて互いにずれないように前記圧電層の材料特性と一致するように、および前記機能層が圧電効果を提供しないように、前記機能層（ＦＬ）は、イオン注入（ion implantation）、温度処理（temperature treatment）、又はレーザ処理によって、ウェハ接合より前に形成される、方法。

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