(57)【要約】【課題】窒化アルミニウム膜に含まれる４族元素に対する２族元素または１２族元素の原子組成比を適切な値にすること。【解決手段】本発明は、４族元素と２族元素または１２族元素を含み、４族元素に対する２族元素または１２族元素の原子組成比が１未満である窒化アルミニウム膜である。また、本発明は、上記窒化アルミニウム膜と、前記窒化アルミニウム膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を具備する弾性波デバイスである。さらに、本発明は、基板と、前記基板上に設けられた上記窒化アルミニウム膜と、前記窒化アルミニウム膜の少なくとも一部を挟み対向する下部電極および上部電極と、を備える共振器を具備する弾性波デバイスである。【選択図】図４
2019009771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４族元素と２族元素または１２族元素とを含み、４族元素に対する２族元素または１２族元素の原子組成比が１未満である窒化アルミニウム膜。
【請求項２】
前記原子組成比は０．５以上である請求項１に記載の窒化アルミニウム膜。
【請求項３】
アルミニウム、前記４族元素および前記２族元素または１２族元素の合計に対する４族元素の比率は５原子％以下である請求項１または２に記載の窒化アルミニウム膜。
【請求項４】
前記４族元素および前記２族元素または１２族元素はアルミニウムに置換している請求項１から３のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム膜。
【請求項５】
前記４族元素は、チタン、ジルコニウムおよびハフニウムの少なくとも１つであり、前記２族元素または１２族元素は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムおよび亜鉛の少なくとも１つである請求項１から４のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム膜。
【請求項６】
前記４族元素は、ハフニウムである請求項５に記載の窒化アルミニウム膜。
【請求項７】
前記４族元素は、３価の４族元素と４価の４族元素を含む請求項１から６のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム膜。
【請求項８】
前記３価の４族元素と前記４価の４族元素との合計に対する前記４価の４族元素の原子比は０．５以上かつ０．９９以下である請求項７に記載の窒化アルミニウム膜。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム膜と、
前記窒化アルミニウム膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、
を具備する弾性波デバイス。
【請求項１０】
基板と、
前記基板上に設けられた請求項１から８のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム膜と、
前記窒化アルミニウム膜の少なくとも一部を挟み対向する下部電極および上部電極と、
を備える共振器を具備する弾性波デバイス。
【請求項１１】
請求項１０に記載の弾性波デバイスを含むフィルタ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化アルミニウム膜、弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電薄膜共振器等の弾性波デバイスには圧電膜として窒化アルミニウム膜が用いられている。窒化アルミニウム膜にスカンジウムを添加することで、圧電性が向上することが知られている（例えば特許文献１）。窒化アルミニウム膜に４族元素と２族元素とを同じ比率で添加することで圧電性が向上することが知られている（例えば特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１５１４８号公報
【特許文献２】特開２０１３−２１９７４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献２では、窒化アルミニウム膜の好ましい４族元素と２族元素または１２族元素との原子比率について十分には検討されていない。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、窒化アルミニウム膜に含まれる４族元素に対する２族元素または１２族元素の原子組成比を適切な値にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、４族元素と２族元素または１２族元素とを含み、４族元素に対する２族元素または１２族元素の原子組成比が１未満である窒化アルミニウム膜である。
【０００７】
上記構成において、前記原子組成比は０．５以上である構成とすることができる。
【０００８】
上記構成において、アルミニウム、前記４族元素および前記２族元素または１２族元素の合計に対する４族元素の比率は５原子％以下である構成とすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記４族元素および前記２族元素または１２族元素はアルミニウムに置換している構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記４族元素は、チタン、ジルコニウムおよびハフニウムの少なくとも１つであり、前記２族元素または１２族元素は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムおよび亜鉛の少なくとも１つである構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記４族元素は、ハフニウムである構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記４族元素は、３価の４族元素と４価の４族元素を含む構成とすることができる。
【００１３】
上記構成において、前記３価の４族元素と前記４価の４族元素との合計に対する前記４価の４族元素の原子比は０．５以上かつ０．９９以下である構成とすることができる。
【００１４】
本発明は、上記窒化アルミニウム膜と、前記窒化アルミニウム膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を具備する弾性波デバイスである。
【００１５】
本発明は、基板と、前記基板上に設けられた上記窒化アルミニウム膜と、前記窒化アルミニウム膜の少なくとも一部を挟み対向する下部電極および上部電極と、を備える共振器を具備する弾性波デバイスである。
【００１６】
本発明は、上記弾性波デバイスを含むフィルタである。
【００１７】
本発明は、上記フィルタを含むマルチプレクサである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、窒化アルミニウム膜に含まれる４族元素に対する２族元素または１２族元素の原子組成比を適切な値にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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２】図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、それぞれＭｇ／ＨｆおよびＨｆ濃度に対する電気機械結合係数ｋ２を示す図である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれＭｇ／ＨｆおよびＨｆ濃度に対するＦＯＭを示す図である。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）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】図６（ａ）および図６（ｂ）は、実施例１の変形例２および３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。
【図７】図７（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図、図７（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】図８は、サンプルＢにおける結合エネルギーに対する信号強度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
特許文献２のように、主成分が窒化アルミニウムである窒化アルミニウム膜に２族元素（例えばマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）またはストロンチウム（Ｓｒ））または１２族元素（例えば亜鉛（Ｚｎ））と４族元素（例えばハフニウム（Ｈｆ）、チタニウム（Ｔｉ）またはジルコニウム（Ｚｒ））とを同じ原子比率で添加すると、電気機械結合係数が向上する。２族元素または１２族元素と４族元素との原子比率を同じとすることで電気的中性を保つことができると考えられている。しかしながら、好ましい２族元素または１２族元素と４族元素との原子比率については検討されていない。そこで、２族元素または１２族元素と４族元素との好ましい原子比率について検討した。なお、元素の族の名称は、ＩＵＰＡＣ（International Union of Pure and Applied Chemistry）の表記による。
【実施例１】
【００２１】
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、図１（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。
【００２２】
図１（ａ）から図１（ｃ）を参照し、直列共振器Ｓの構造について説明する。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。基板１０は例えばＳｉ（シリコン）基板である。下部電極１２は下層１２ａと上層１２ｂとを含んでいる。下層１２ａおよび上層１２ｂは例えばそれぞれＣｒ（クロム）膜およびＲｕ（ルテニウム）膜である。
【００２３】
下部電極１２上に、圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４は、（００２）方向を主軸とする窒化アルミニウムを主成分とする窒化アルミニウム膜であり、２族元素または１２族元素と４族元素とが添加されている。圧電膜１４内に挿入膜２８が設けられている。挿入膜２８は例えば酸化シリコン膜である。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。挿入膜２８は、外周領域５２から共振領域５０外まで連続して設けられている。挿入膜２８には、孔部３５に対応する孔部３４が設けられている。
【００２４】
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。上部電極１６は下層１６ａおよび上層１６ｂを含んでいる。下層１６ａおよび上層１６ｂは例えばそれぞれＲｕ膜およびＣｒ膜である。
【００２５】
上部電極１６上には周波数調整膜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、挿入膜２８、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。
【００２６】
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。
【００２７】
図１（ａ）および図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。
【００２８】
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。
【００２９】
２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器の場合、下部電極１２のＣｒ膜からなる下層１２ａの膜厚は１００ｎｍ、Ｒｕ膜からなる上層１２ｂの膜厚は２５０ｎｍである。ＡｌＮ膜からなる圧電膜１４の膜厚は１１００ｎｍである。酸化シリコン膜からなる挿入膜２８の膜厚は１５０ｎｍである。上部電極１６のＲｕ膜からなる下層１６ａの膜厚は２５０ｎｍ、Ｃｒ膜からなる上層１６ｂの膜厚は５０ｎｍである。酸化シリコン膜からなる周波数調整膜２４の膜厚は５０ｎｍである。Ｔｉ膜からなる質量負荷膜２０の膜厚は１２０ｎｍである。各層の膜厚は、所望の共振特性を得るため適宜設定することができる。
【００３０】
基板１０としては、Ｓｉ基板以外に、サファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板、石英基板、ガラス基板、セラミック基板または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。
【００３１】
挿入膜２８は、圧電膜１４よりヤング率および／または音響インピーダンスが小さい材料である。挿入膜２８は、酸化シリコン以外に、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、ＴａまたはＣｒ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。
【００３２】
周波数調整膜としては、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。
【００３３】
図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係る直列共振器の製造方法を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、平坦主面を有する基板１０上に空隙を形成するための犠牲層３８を形成する。犠牲層３８の膜厚は、例えば１０〜１００ｎｍであり、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＧｅまたはＳｉＯ２等のエッチング液またはエッチングガスに容易に溶解できる材料から選択される。その後、犠牲層３８を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。犠牲層３８の形状は、空隙３０の平面形状に相当する形状であり、例えば共振領域５０となる領域を含む。次に、犠牲層３８および基板１０上に下部電極１２として下層１２ａおよび上層１２ｂを形成する。犠牲層３８および下部電極１２は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い成膜される。その後、下部電極１２を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。下部電極１２は、リフトオフ法により形成してもよい。
【００３４】
図２（ｂ）に示すように、下部電極１２および基板１０上に圧電膜１４ａおよび挿入膜２８を、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。挿入膜２８を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。挿入膜２８は、リフトオフ法により形成してもよい。
【００３５】
図２（ｃ）に示すように、圧電膜１４ｂ、上部電極１６の下層１６ａおよび上層１６ｂを、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。圧電膜１４ａおよび１４ｂから圧電膜１４が形成される。上部電極１６を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。上部電極１６は、リフトオフ法により形成してもよい。
【００３６】
圧電膜１４として、２族元素または１２族元素と４族元素とが添加された窒化アルミニウム膜を成膜する方法として、例えば反応性スパッタリング法がある。例えば、窒素（Ｎ２）ガスを含む雰囲気（例えばアルゴン（Ａｒ）と窒素の混合ガス）中でＡｌ−２族元素または１２族元素−４族元素合金のターゲットから原子をスパタッリングさせ原子と窒素とを反応させ堆積させる。ターゲットへの電圧の印加方法としては例えば、ターゲットに交流（ＡＣ：Alternating Current)電圧を印加するＡＣマグネトロンスパッタリング方式を用いることができる。Ａｌ−２族元素または１２族元素−４族元素の合金のターゲットおよびＡｌターゲットの２つのターゲットに同時に放電する２元系反応性スパッタリング法を用いてもよい。Ａｌターゲット、２族元素または１２族元素ターゲットおよび４族元素ターゲットの３つのターゲットに同時に放電する多元系反応性スパッタリング法を用いてもよい。
【００３７】
なお、図１（ｄ）に示す並列共振器においては、下層１６ａを形成した後に、質量負荷膜２０を、例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。質量負荷膜２０をフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。その後、上層１６ｂを形成する。
【００３８】
周波数調整膜２４を例えばスパッタリング法またはＣＶＤ法を用い形成する。フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い周波数調整膜２４を所望の形状にパターニングする。
【００３９】
その後、孔部３５および導入路３３（図１（ａ）参照）を介し、犠牲層３８のエッチング液を下部電極１２の下の犠牲層３８に導入する。これにより、犠牲層３８が除去される。犠牲層３８をエッチングする媒体としては、犠牲層３８以外の共振器を構成する材料をエッチングしない媒体であることが好ましい。特に、エッチング媒体は、エッチング媒体が接触する下部電極１２がエッチングされない媒体であることが好ましい。積層膜１８（図１（ｃ）、図１（ｄ）参照）の応力を圧縮応力となるように設定しておく。これにより、犠牲層３８が除去されると、積層膜１８が基板１０の反対側に基板１０から離れるように膨れる。下部電極１２と基板１０との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成される。以上により、図１（ａ）および図１（ｃ）に示した直列共振器Ｓ、および図１（ａ）および１（ｄ）に示した並列共振器Ｐが作製される。
【００４０】
[実験]
圧電膜１４として、ＭｇおよびＨｆを添加した窒化アルミニウム膜を用い、ＭｇとＨｆの原子比率を変えた圧電薄膜共振器のサンプルを作製した。作製条件は以下である。
下部電極１２の下層１２ａ：膜厚が１００ｎｍのＣｒ膜
下部電極１２の上層１２ｂ：膜厚が２１０ｎｍのＲｕ膜
圧電膜１４：膜厚が１１５０ｎｍの窒化アルミニウム膜
挿入膜２８：膜厚が１５０ｎｍの酸化シリコン膜
上部電極１６の下層１６ａ:膜厚が２３０ｎｍのＲｕ膜
上部電極１６の上層１６ｂ：膜厚が２０ｎｍのＣｒ膜
周波数調整膜２４：膜厚が５０ｎｍの酸化シリコン膜
質量負荷膜２０：なし
【００４１】
窒化アルミニウム膜の成膜方法は、ＡＣマグネトロンスパッタリング方式を用いた反応性スパッタリング法を用いた。Ａｌ−Ｍｇ−Ｈｆ合金ターゲットおよびＡｌターゲットの２つのターゲットを用いた。Ａｌ−Ｍｇ−Ｈｆ合金ターゲット中のＭｇとＨｆの原子比率を変えることで、ＭｇとＨｆの原子比率の異なるサンプルを作製した。Ａｌ−Ｍｇ−Ｈｆ合金ターゲットとＡｌターゲットとに印加するＡＣ電力を変えることで窒化アルミニウム中のＭｇおよびＨｆの濃度を変化させた。
【００４２】
Ａｌ−Ｍｇ−Ｈｆ合金ターゲットは、以下の５つの組成のターゲットを用いた。表１は、ターゲットＡからＥにおけるＭｇ、ＨｆおよびＡｌの組成比（原子％）を示す表である。
【表１】
2019009771.tif 000003
【００４３】
作製したサンプルの電気機械結合係数ｋ２およびＦＯＭを測定した。ＦＯＭは、電気機械結合係数×√（共振点のＱ値×反共振点のＱ値）から導出される。各サンプルの圧電膜１４内のＭｇおよびＨｆの濃度は、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）法を用い測定した。Ｍｇ／Ｈｆは、Ｈｆに対するＭｇの原子比を示す。Ｈｆ濃度は窒化アルミニウム膜内のＡｌ、ＭｇおよびＨｆの合計に対するＨｆの原子濃度を示す。
【００４４】
図３（ａ）および図３（ｂ）は、それぞれＭｇ／ＨｆおよびＨｆ濃度に対する電気機械結合係数ｋ２を示す図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれＭｇ／ＨｆおよびＨｆ濃度に対するＦＯＭを示す図である。電気機械結合係数ｋ２およびＦＯＭは、圧電膜１４がＭｇおよびＨｆを添加していない純窒化アルミニウム膜で規格化している。図３（ａ）から図４（ｂ）において、純窒化アルミニウム膜の値を太破線で示す。
【００４５】
図３（ａ）に示すように、Ｍｇ／Ｈｆが０のときは、規格化したｋ２は１または１よりやや小さい。これは、Ｈｆのみを窒化アルミニウム膜に添加してもｋ２が向上しないことを示している。Ｍｇ／Ｈｆが１でｋ２が最も大きくなる。Ｍｇ／Ｈｆが０．４から１．５３の範囲でｋ２は１以上である。図３（ｂ）に示すように、ターゲットＣおよびＤを用いたサンプルではＨｆ濃度が高くなるとｋ２が大きくなる傾向があるが、その他のターゲットのサンプルではＨｆ濃度に対するｋ２の傾向はあまりみられない。
【００４６】
図４（ａ）に示すように、ＦＯＭはＭｇ／Ｈｆが０．６から０．８の範囲で最も大きくなる。また、ＦＯＭはＭｇ／Ｈｆが０．５以上１．０未満で純窒化アルミニウムより大きくなる。ターゲットＣのＦＯＭが１の点が臨界点とすると、Ｍｇ／Ｈｆが約０．５８以上でＦＯＭが純窒化アルミニウムより大きくなる。図４（ｂ）に示すように、ＦＯＭはＨｆ濃度に対し単調に減少している。
【００４７】
図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、電気機械結合係数ｋ２およびＦＯＭはＨｆ濃度にはあまり依存しない。図３（ａ）のように、電気機械結合係数ｋ２はＭｇ／Ｈｆが１程度で最も大きくなる。図４（ａ）のように、ＦＯＭはＭｇ／Ｈｆが１未満において大きくなる。
【００４８】
Ｍｇ／Ｈｆが１未満でＦＯＭが最大となる理由は明確ではないが例えば以下のように考えられる。ＭｇおよびＨｆは窒化アルミニウム膜内のＡｌに置換する。Ａｌ、ＭｇおよびＨｆはそれぞれ３価、２価および４価のため、ＭｇとＨｆの原子比率を同じとすることで、電荷が補償され、電気的に中和する。しかし、Ｈｆは４価以外にも３価および２価となりうる。一方、Ｍｇは２価以外にはなりにくい。例えば反応性スパッタリングによりＨｆがＮ２と反応し、３価のＨｆを含むＨｆＮが生成されうる。窒化アルミニウム膜内のＨｆの一部が３価の状態となっていると、Ｍｇ／Ｈｆが１では電子が過多となり電気的に中性とならない。これにより窒化アルミニウム膜内の絶縁性が低下する。これにより、Ｑ値が低下することでＦＯＭが低下すると考えられる。よって、窒化アルミニウム膜内の電気的中性を保つためにはＭｇ／Ｈｆを１未満とすることが好ましいと考えられる。例えばＭｇ／Ｈｆ＝０．５で電気的に中性となり、Ｈｆの価数が４価と３価とすると、４価のＨｆと３価のＨｆとの比率は１となる。
【００４９】
Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆ等の４族元素は、４価以外にも３価および２価をとりうる。一方、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ、Ｃａ、ＳｒおよびＢａ（バリウム）等の２族元素は２価以外をとることは稀である。よって、圧電膜１４として用いる窒化シリコン膜を、４族元素と２族元素を含み、４族元素に対する２族元素の原子組成比を１未満とする。これにより、ＦＯＭを向上できる。また、１２族元素は、２価以外に１価となりうる。１２族元素が１価の場合には、１２族元素が少なくても４族元素の電荷を補償できる。よって、４族元素に対する１２族元素の原子組成比を１未満とすることで、ＦＯＭを向上できる。４族元素に対する２族元素または１２族元素の原子組成比は０．９以下が好ましく０．８以下がより好ましい。
【００５０】
図４（ａ）のように、４族元素に対する２族元素または１２族元素の原子組成比は０．５以上が好ましく０．６以上がより好ましい。
【００５１】
図４（ｂ）のように、ＦＯＭを１以上とするためには、Ｈｆ濃度は５原子％以下が好ましく、４原子％以下がより好ましい。また、Ｈｆ濃度は、１原子％以上が好ましく、２原子％以上がより好ましい。
【００５２】
４族元素および２族元素または１２族元素はアルミニウムに置換している。これにより、ＦＯＭを向上できる。
【００５３】
窒化アルミニウム膜を容易に形成するため、４族元素はＴｉ、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１つであることが好ましく、２族元素または１２族元素は、Ｍｇ、ＣａおよびＳｒの少なくとも１つであることが好ましい。
【００５４】
［実施例１の変形例１］
図５（ａ）および図５（ｂ）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５（ａ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図５（ｂ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。
【００５５】
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、挿入膜２８は設けられていなくてもよい。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【００５６】
［実施例１の変形例２］
実施例１の変形例２および３は、空隙の構成を変えた例である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、実施例１の変形例２および３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、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。
【００５７】
［実施例１の変形例３］
図６（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。
【００５８】
実施例１およびその変形例１において、実施例１の変形例２と同様に空隙３０を形成してもよく、実施例１の変形例３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。
【００５９】
実施例１およびその変形例１および２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３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。
【００６０】
実施例１およびその変形例２および３において、挿入膜２８が共振領域５０の外周領域５２に設けられているが、挿入膜２８は共振領域５０の外周領域５２の少なくとも一部に設けられていればよい。挿入膜２８は共振領域５０の外側に設けられてなくてもよい。実施例１の変形例１のように挿入膜２８は設けられていなくてもよい。共振領域５０の平面形状として楕円形状を例に説明したが、四角形状または五角形状等の多角形状でもよい。
【００６１】
実施例１およびその変形例では、窒化アルミニウム膜を用いる弾性波デバイスとして圧電薄膜共振器を例に説明したが、窒化アルミニウム膜を伝搬する弾性波を励振する電極を有する弾性波デバイスでもよい。例えば、窒化アルミニウム膜上に櫛型電極が設けられたラム波を利用する共振器でもよい。２族元素または１２族元素に対する４族元素の組成比が１未満の窒化アルミニウム膜を弾性波デバイスに用いることで、ＦＯＭの大きな共振器を実現できる。
【００６２】
２族元素または１２族元素に対する４族元素の組成比が１未満の窒化アルミニウム膜を、弾性波デバイス以外にもセンサまたはアクチュエーター等の圧電体に用いてもよい。
【実施例２】
【００６３】
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７（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図７（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。
【００６４】
図７（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７（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。
【００６５】
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。
【００６６】
［窒化アルミニウム膜内のハフニウムの価数の評価］
上記実験において作製した窒化アルミニウム膜内のハフニウムの価数をＳｐｒｉｎｇ８におけるＨＡＸＰＥＳ（Hard X-ray PhotoElectron Spectroscopy）を用い評価した。通常のＸＰＳ（X-ray Photo electron Spectroscopy）ではＸ線の励起エネルギーが約３ｋｅＶであり、窒化アルミニウム膜へのＸ線の侵入深さが１０ｎｍ程度である。ＨＡＸＰＥＳを用いＸ線の励起エネルギーを８ｋｅＶとした。これによりＸ線の侵入深さを８０ｎｍから１００ｎｍとすることができる。これにより、窒化アルミニウム膜のより深い領域の価数を精度よく評価することができる。
【００６７】
評価したサンプルＡからＣのＭｇ濃度およびＨｆ濃度を表２に示す。
【表２】
2019009771.tif 000004
【００６８】
表２に示すように、サンプルＡのＭｇ濃度およびＨｆ濃度はそれぞれ６．５原子％および６．５原子％である。サンプルＢのＭｇ濃度およびＨｆ濃度はそれぞれ１．５９原子％および３．３８原子％である。サンプルＣのＭｇ濃度およびＨｆ濃度はそれぞれ１．９９原子％および３．１９原子％である。
【００６９】
ＨＡＸＰＥＸの評価条件を以下に示す。
励起エネルギー：８ｋｅＶ
光電子取り出し角度：８９°
光サイズ：３０μｍ×３０μｍ
【００７０】
図８は、サンプルＢにおける結合エネルギーに対する信号強度を示す図である。図８において、「測定」は測定したスペクトルである。「ベース」は測定したスペクトルのうち信号のないベース部分である。４ｆ５／２（Ｈｆ４＋）および４ｆ７／２（Ｈｆ４＋）は、４価のＨｆの４ｆ５／２軌道および４ｆ７／２軌道のピークである。４ｆ５／２（Ｈｆ３＋）および４ｆ７／２（Ｈｆ３＋）は、３価のＨｆの４ｆ５／２軌道および４ｆ７／２軌道のピークである。「フィッティング」は、４つのピークを合わせた曲線である。「測定−フィッティング」は「測定」から「フィッティング」を引いた信号である。「測定−フィッティング」と「ベース」の差が最も小さくなるように４個のピークの大きさを変え「フィッティング」曲線を決めた。
【００７１】
フィッティング条件は以下である。
各ピークの関数：６０％Ｇａｕｓｓ−Ｌｏｒｅｎｔｓ
４ｆ５／２ピークと４ｆ７／２とのエネルギー差：１．７１ｅＶ
Ｈｆ４＋ピークとＨｆ３＋ピークとのエネルギー差：１．９０ｅＶ
４ｆ５／２ピーク面積／４ｆ７／２ピーク面積：０．７５
【００７２】
４ｆ５／２（Ｈｆ４＋）ピークおよび４ｆ７／２（Ｈｆ４＋）ピークの高さと４ｆ５／２（Ｈｆ３＋）ピークおよび４ｆ７／２（Ｈｆ３＋）ピークの高さの比から、４価のＨｆ／（４価のＨｆと３価とのＨｆとの合計）原子比（すなわちＨｆ４＋／（Ｈｆ４＋＋Ｈｆ３＋））を算出した。サンプルＡからＣのＨｆ４＋／（Ｈｆ４＋＋Ｈｆ３＋）を表２に示す。Ｈｆ４＋／（Ｈｆ４＋＋Ｈｆ３＋）は０．９から０．９３程度であり、Ｍｇ濃度およびＨｆ濃度によらずほぼ同程度である。
【００７３】
以上の評価のように、窒化アルミニウム膜内のＨｆはほとんどが４価であり、一部３価が含まれている。０価のＨｆは含まれていない。このように、４族元素が３価の４族元素と４価の４族元素を含むとき、実施例１のように、４族元素と２族元素または１２族元素とを含み、４族元素に対する２族元素または１２族元素の原子組成比が１未満とする。これにより、窒化アルミニウム膜は電気的な中性に近くなりＦＯＭを向上できる。３価の４族元素と４価の４族元素との合計に対する４価の４族元素の原子比（４族元素をＭとしたとき、Ｍ４＋／（Ｍ４＋＋Ｍ３＋））は、例えば０．５以上かつ０．９９以下である。Ｍ４＋／（Ｍ４＋＋Ｍ３＋）は０．７以上かつ０．９７以下がより好ましく、０．８以上かつ０．９５以下がさらに好ましい。
【００７４】
窒化アルミニウム膜内の４族元素をハフニウムとした場合、３価となりやすい。よって、４族元素に対する２族元素または１２族元素の原子組成比が１未満とすることでＦＯＭを向上できる。また、反応性スパッタリングにより窒化アルミニウム膜を成膜する場合、ターゲット表面で４族元素がＮ２と反応し、３価の４族元素Ｍを含むＭＮがターゲット表面に生成されうる。スパッタ粒子の価数はスパッタリングされる前のターゲットの価数の影響を受けるため、３価の４族元素Ｍを含むターゲットをスパッタリングすると、形成された窒化アルミニウム膜中のＡｌサイトに置換されたＭの中にも３価の状態が存在しうる。よって、４族元素に対する２族元素または１２族元素の原子組成比が１未満とすることでＦＯＭを向上できる。
【００７５】
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。
【符号の説明】
【００７６】
１０  基板
１２  下部電極
１４  圧電膜
１６  上部電極
【図１】
2019009771.tif 000005
【図２】
2019009771.tif 000006
【図３】
2019009771.tif 000007
【図４】
2019009771.tif 000008
【図５】
2019009771.tif 000009
【図６】
2019009771.tif 000010
【図７】
2019009771.tif 000011
【図８】
2019009771.tif 000012