(57)【要約】【課題】機械的品質係数並びに電気機械結合係数の双方を大きくする。【解決手段】例えば、ＡｌＮで形成した１層目の圧電薄膜３０とＰＺＴで形成した２層目の圧電薄膜３１を積層して圧電薄膜層３を構成し、この圧電薄膜層３を下部電極２０と上部電極４０で厚み方向に挟み込んでいる。従って、互いの分極率の大小関係と機械的品質係数の大小関係とが異なる複数種類の圧電材料（ＡｌＮとＰＺＴ）で各々形成された複数の圧電薄膜３０，３１を積層して圧電薄膜層３を構成しているので、単一の圧電材料で圧電薄膜を構成する場合と比較して、機械的品質係数並びに電気機械結合係数の双方を増大することができる。【選択図】図１
2008211392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された下部電極と、下部電極におけるベース基板側とは反対側に形成された圧電薄膜層と、圧電薄膜層における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備える共振器であって、
圧電薄膜層は、分極率並びに機械的品質係数が互いに異なる複数種類の圧電材料で各々形成された複数の圧電薄膜が積層されてなり、これら複数種類の圧電材料は、互いの分極率の大小関係と機械的品質係数の大小関係とが異なることを特徴とする共振器。
【請求項２】
複数種類の圧電材料として、窒化アルミニウムとチタン酸ジルコン酸鉛とを含むことを特徴とする請求項１記載の共振器。
【請求項３】
酸化アルミニウムで形成された圧電薄膜の膜厚に対してチタン酸ジルコン酸鉛で形成された圧電薄膜の膜厚を薄くしてなることを特徴とする請求項２記載の共振器。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項記載の共振器を製造する製造方法であって、ベース基板の一表面側に下部電極を形成する工程と、下部電極におけるベース基板側と反対側に何れか１種類の圧電材料からなる圧電薄膜を形成する工程と、当該圧電薄膜におけるベース基板側と反対側に前記１種類の圧電材料と異なる種類の圧電材料からなる圧電薄膜を形成する工程と、複数の圧電薄膜が積層されてなる圧電薄膜層における下部電極側と反対側に上部電極を形成する工程とを含むことを特徴とする共振器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルク弾性波を利用した共振器及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、携帯電話機などの移動体通信機器の分野において、３ＧＨｚ以上の高周波帯で利用する高周波フィルタとして、圧電薄膜の材料としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）を採用したＢＡＷ(Bulk Acoustic Wave:バルク弾性波)共振器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。なお、上記特許文献１には、ＢＡＷ共振器としてＦＢＡＲ(Film Bulk Acoustic Resonator))が記載されているが、ＢＡＷ共振器としては、近年、ＦＢＡＲの他にＳＭＲ(Solidly Mounted Resonator)が注目されている。
【特許文献１】特表２００３−５３４６９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、本願発明者は、ＢＡＷ共振器をより広帯域の高周波フィルタとして例えばＵＷＢ(Ultra Wide Band)方式の機器に適用することを考えた。そこで、圧電薄膜の材料として、実効的電気機械結合係数（電気エネルギを機械的エネルギに変換する効率を表す指標)が相対的に小さく帯域幅が中心周波数に対して４〜５％しか広帯域化できないＡｌＮに比べて実効的電気機械結合係数が相対的に大きく中心周波数に対して１０％程度の帯域幅を得ることが可能なＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に着目した。しかしながら、ＵＷＢ方式の機器に適用する高周波フィルタ（いわゆる、ＵＷＢフィルタ）ではフィルタのカットオフ特性の急峻さ（共振特性の立ち上がりおよび立ち下がりの急峻さ）に関わる機械的品質係数（圧電体が固有振動を起こしたときの共振周波数付近における機械的な振動の鋭さを示す定数）が３００以上、実効的電気機械結合係数が０．３５〜０．３９程度の特性が要求されるのに対し、ＰＺＴでは実効的電気機械結合係数が０．３５〜０．５程度のものが容易に製造可能ではあるが、機械的品質係数を３００以上とすることは音響損失が高いために困難である。一方、ＡｌＮでは機械的品質係数が１０００以上のものが比較的容易に製造可能であるが、実効的電気機械結合係数が０．２５以下となってしまう。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、機械的品質係数並びに電気機械結合係数の双方を大きくすることができる共振器及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された下部電極と、下部電極におけるベース基板側とは反対側に形成された圧電薄膜層と、圧電薄膜層における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備える共振器であって、圧電薄膜層は、分極率並びに機械的品質係数が互いに異なる複数種類の圧電材料で各々形成された複数の圧電薄膜が積層されてなり、これら複数種類の圧電材料は、互いの分極率の大小関係と機械的品質係数の大小関係とが異なることを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、複数種類の圧電材料として、窒化アルミニウムとチタン酸ジルコン酸鉛とを含むことを特徴とする。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、酸化アルミニウムで形成された圧電薄膜の膜厚に対してチタン酸ジルコン酸鉛で形成された圧電薄膜の膜厚を薄くしてなることを特徴とする。
【０００８】
請求項４の発明は、上記目的を達成するために、請求項１〜３の何れか１項記載の共振器を製造する製造方法であって、ベース基板の一表面側に下部電極を形成する工程と、下部電極におけるベース基板側と反対側に何れか１種類の圧電材料からなる圧電薄膜を形成する工程と、当該圧電薄膜におけるベース基板側と反対側に前記１種類の圧電材料と異なる種類の圧電材料からなる圧電薄膜を形成する工程と、複数の圧電薄膜が積層されてなる圧電薄膜層における下部電極側と反対側に上部電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、互いの分極率の大小関係と機械的品質係数の大小関係とが異なる複数種類の圧電材料で各々形成された複数の圧電薄膜を積層して圧電薄膜層を構成しているので、単一の圧電材料で圧電薄膜を構成する場合と比較して、機械的品質係数並びに電気機械結合係数の双方を増大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の技術思想をＢＡＷ共振器に適用した実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
（実施形態１）
本実施形態は、図１（ｈ）に示すように、ベース基板１０と、ベース基板１０の一表面側に形成された下部電極２０と、下部電極２０におけるベース基板１０側とは反対側に形成された圧電薄膜層３と、圧電薄膜層３における下部電極２０側とは反対側に形成された上部電極４０とを備えている。
【００１２】
ここにおいて、本実施形態は、ベース基板１０を、主表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板１１と、シリコン基板１１の主表面上に形成され圧電薄膜層３で発生したバルク弾性波を反射させる音響多層膜１２とで構成してある。要するに、本実施形態のＢＡＷ共振器は、ベース基板１０の一表面側の音響多層膜１２上に下部電極２０が形成されたＳＭＲを構成している。
【００１３】
音響多層膜１２は、相対的に音響インピーダンスの低い材料からなる低音響インピーダンス層１２ａと相対的に音響インピーダンスの高い材料からなる高音響インピーダンス層１２ｂとが交互に積層されており、上述の下部電極２０は、最上層の低音響インピーダンス層１２ａ上に形成されている。なお、低音響インピーダンス層１２ａおよび高音響インピーダンス層１２ｂの膜厚は、圧電薄膜層３の共振周波数の弾性波（バルク弾性波）の波長の４分の１の値に設定すればよい。
【００１４】
本実施形態では、低音響インピーダンス層１２ａの材料としてＳｉＯ２、高音響インピーダンス層１２ｂの材料としてＷ、下部電極２０の材料としてＰｔ、上部電極４０の材料としてＡｌを採用しているが、これらの材料は特に限定するものではなく、下部電極２０の材料としては、例えば、Ｉｒを採用してもよく、低音響インピーダンス層１２ａの材料としては、例えば、Ｓｉ，ｐｏｌｙ−Ｓｉ，Ａｌ，ポリマーなどを採用してもよく、高音響インピーダンス層１２ｂの材料としては、例えば、Ａｕ，Ｍｏ，ＡｌＮ，ＺｎＯなどを採用してもよく、上部電極４０の材料としては、例えば、Ｍｏなどを採用してもよい。また、ベース基板１０におけるシリコン基板１１の代わりに、主表面が（１００）面のＭｇＯ基板や、主表面が（１００）面のＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）基板などを用いてもよい。
【００１５】
ところで、本実施形態における圧電薄膜層３は、分極率並びに機械的品質係数が互いに異なる複数種類の圧電材料（ＡｌＮとＰＺＴ）で各々形成された複数（図示例では２層）の圧電薄膜３０，３１が積層されて構成されている。但し、各圧電薄膜３０，３１の自発分極の方向は膜の厚み方向に揃えてある。
【００１６】
従来技術で説明したように、ＡｌＮは機械的品質係数が相対的に大きいが電気機械結合係数が相対的に小さい圧電材料であり、その反対に、ＰＺＴは機械的品質係数が相対的に小さいが電気機械結合係数が相対的に大きい圧電材料であり、さらにＡｌＮの分極率に対してＰＺＴの分極率の方が大きいという特徴がある。つまり、ＡｌＮの分極率をＰｒ１、機械的品質係数をＱ１とし、ＰＺＴの分極率をＰｒ２、機械的品質係数をＱ２としたとき、両者の分極率Ｐｒ１，Ｐｒ２と機械的品質係数Ｑ１，Ｑ２との間にはＰｒ１＜Ｐｒ２、Ｑ１＞Ｑ２という関係がある。つまり、本実施形態で使用する２種類の圧電材料（ＡｌＮとＰＺＴ）は互いの分極率Ｐｒ１，Ｐｒ２の大小関係と機械的品質係数Ｑ１，Ｑ２の大小関係とが異なる（逆転している）。
【００１７】
ここで、本実施形態の製造方法について図１を参照しながら説明する。
【００１８】
まず、ベース基板１０の基礎となる単結晶のシリコン基板１１の主表面側に、ＳｉＯ２膜からなる低音響インピーダンス層１２ａとＷ膜からなる高音響インピーダンス層１２ｂとを例えばスパッタ法やＣＶＤ法などにより交互に成膜することで音響多層膜１２を形成することによって、図１（ａ）に示す構造を得る。
【００１９】
その後、シリコン基板１１と音響多層膜１２とからなるベース基板１０の一表面側（図１（ａ）における上面側）の全面に、第１の導電性材料（例えば、Ｐｔ，Ｉｒなど）からなり下部電極２０の基礎となる第１の導電性層２０ａを例えばスパッタ法や蒸着法などにより形成することによって、図１（ｂ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、第１の導電性層２０ａをＰｔ層により構成してあるが、第１の導電性層２０ａは、単層構造に限らず、例えば、音響多層膜１２上のＴｉ層と、当該Ｔｉ層上のＰｔ層とで構成してもよい。
【００２０】
次に、ベース基板１０の上記一表面側の全面（ここでは、第１の導電性層２０ａの表面）に、１層目の圧電薄膜３０ａを形成することによって、図１（ｃ）に示す構造を得る。但し、１層目の圧電薄膜３０ａを形成する圧電材料はＡｌＮとＰＺＴの何れでも構わない。さらに、１層目の圧電薄膜３０ａにおけるベース基板１０と反対側の表面（図１における上面）に、２層目の圧電薄膜３１ａを形成することによって、図１（ｄ）に示す構造を得る。但し、２層目の圧電薄膜３１ａを形成する圧電材料は１層目の圧電薄膜３０ａを形成する圧電材料と異なり、例えば、１層目の圧電薄膜３０ａをＡｌＮで形成する場合は２層目の圧電薄膜３１ａをＰＺＴで形成し、反対に１層目の圧電薄膜３０ａをＰＺＴで形成する場合は２層目の圧電薄膜３１ａをＡｌＮで形成する。
【００２１】
上述のように互いに異なる圧電材料からなる２層の圧電薄膜３０ａ，３１ａを積層した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して２層目の圧電薄膜３１ａを所望の平面形状にパターニングして圧電薄膜３１ａの一部からなる圧電薄膜３１を形成することによって、図１（ｅ）に示す構造を得る。同様に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して１層目の圧電薄膜３０ａを２層目の圧電薄膜３１と同一の平面形状にパターニングして圧電薄膜３０ａの一部からなる圧電薄膜３０を形成することによって、図１（ｆ）に示す構造を得る。
【００２２】
続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第１の導電性層２０ａを所望の平面形状にパターニングして導電性層２０ａの一部からなる下部電極２０を形成することによって、図１（ｇ）に示す構造を得る。
【００２３】
その後、ベース基板１０の上記一表面側の全面に、第２の導電性材料（例えば、Ａｌ，Ｍｏ，Ｐｔなど）からなり上部電極４０の基礎となる第２の導電性層をスパッタ法や蒸着法などによって形成し、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第２の導電性層を所望の平面形状にパターニングして第２の導電性層の一部からなる上部電極４０を形成することによって、図１（ｈ）に示す構造のＢＡＷ共振器を得る。なお、本実施形態では、第２の導電性層をＡｌ層により構成してあるが、第２の導電性層は、単層構造に限らず、多層構造でもよい。
【００２４】
上述のＢＡＷ共振器の製造にあたっては、上述のシリコン基板１１としてウェハを用いてウェハレベルで多数のＢＡＷ共振器を形成した後、ダイシング工程で個々のＢＡＷ共振器に分割すればよい。
【００２５】
以上説明した本実施形態のＢＡＷ共振器では、例えば、ＡｌＮで形成した１層目の圧電薄膜３０とＰＺＴで形成した２層目の圧電薄膜３１を積層して圧電薄膜層３を構成し、この圧電薄膜層３を下部電極２０と上部電極４０で厚み方向に挟み込んでいる。従って、互いの分極率の大小関係と機械的品質係数の大小関係とが異なる複数種類の圧電材料（ＡｌＮとＰＺＴ）で各々形成された複数の圧電薄膜３０，３１を積層して圧電薄膜層３を構成しているので、単一の圧電材料で圧電薄膜を構成する場合と比較して、機械的品質係数並びに電気機械結合係数の双方を増大することができる。ここで、圧電薄膜層３全体の分極率Ｐｒ０を分極率の高い方の圧電材料（この場合はＰＺＴ）の分極率Ｐｒ２に近付けるためには、分極率が高い方の圧電材料（ＰＺＴ）からなる圧電薄膜３１の膜厚を、分極率が低い方の圧電材料（ＡｌＮ）からなる圧電薄膜３０の膜厚よりも薄くすればよく、ＰＺＴからなる圧電薄膜３１の膜厚に対してＡｌＮからなる圧電薄膜３０の膜厚を３０〜４０倍程度とすることが望ましい。
【００２６】
ところで、上述のＢＡＷ共振器を、３ＧＨｚ以上の高周波帯においてカットオフ特性が急峻で且つ帯域幅の広いフィルタ、例えば、ＵＷＢ用フィルタとして応用する場合には、図２に示すように、下部電極２０と圧電薄膜層３と上部電極４０とで構成される共振子５を同一のベース基板１０に複数個形成するようにし（図２には２個しか記載されていないが、例えば、８個形成するようにし）、これらの共振子５を図３に示すようなラダー型フィルタを構成するように接続すれば、ＵＷＢ用フィルタの低コスト化および小型化が図れる。なお、同一ベース基板１０上に複数個の共振子５を形成する構成において、上述のように音響多層膜１２の低音響インピーダンス層１２ａの材料として絶縁材料であるＳｉＯ２、高音響インピーダンス層１２ｂの材料として金属材料であるＷを採用している場合には、隣り合う共振子５間で高音響インピーダンス層１２ｂを介したクロストークが発生するのを防止するために、例えば、高音響インピーダンス層１２ｂを共振子５ごとに分離したパターンとなるように製造時に適宜パターニングすればよい。
【００２７】
また、本実施形態では２層の圧電薄膜３０，３１を積層して圧電薄膜層３を構成しているが、３層以上の圧電薄膜を積層して圧電薄膜層３を構成してもよい。但し、３層以上を積層する場合においても異なる種類の圧電材料で形成された圧電薄膜を交互に積層する必要がある。さらに、本実施形態では２種類の圧電材料を用いて圧電薄膜層３を構成しているが、例えば、ＡｌＮとＰＺＴとＺｎＯの３種類の圧電材料で形成された圧電薄膜を積層することで圧電薄膜層３を構成しても構わない。なお、ＰＺＴからなる２層目の圧電薄膜３１とＡｌＮからなる１層目の圧電薄膜３０との間にＰＺＴからなる圧電薄膜３１の結晶配向を制御するためのシード層を形成しても構わない。シード層の材料としては、例えばＰｂＴｉＯ３、ＰｂＬａＴｉＯ３などを採用すればよい。
【００２８】
（実施形態２）
図４（ｈ）に示す本実施形態のＢＡＷ共振器の基本構成は実施形態１と略同じであり、ベース基板１０として、一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を採用しており、ベース基板１０に、下部電極２０における圧電薄膜層３側とは反対側の表面を露出させる開孔部１３が形成されている点が実施形態１とは相違する。要するに、本実施形態のＢＡＷ共振器は、下部電極２０と下部電極２０直下の媒質との音響インピーダンス比を大きくすることによりベース基板１０側への弾性波エネルギの伝搬を抑制するようにしたＦＢＡＲを構成している。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００２９】
以下、本実施形態のＢＡＷ共振器の製造方法について図４を参照しながら説明するが、実施形態１にて説明したＢＡＷ共振器の製造方法と同様の工程については簡単に説明する。
【００３０】
まず、上述の単結晶のシリコン基板からなるベース基板１０ベース基板１０の一表面側（図４（ａ）における上面側）の全面に、下部電極２０の基礎となる第１の導電性層２０ａを例えばスパッタ法や蒸着法などにより形成することによって、図４（ａ）に示す構造を得る。
【００３１】
次に、ベース基板１０の上記一表面側の全面（ここでは、第１の導電性層２０ａの表面）に、１層目の圧電薄膜３０ａを形成することによって、図４（ｂ）に示す構造を得る。さらに、１層目の圧電薄膜３０ａにおけるベース基板１０と反対側の表面（図４における上面）に、２層目の圧電薄膜３１ａを形成することによって、図４（ｃ）に示す構造を得る。
【００３２】
上述のように互いに異なる圧電材料からなる２層の圧電薄膜３０ａ，３１ａを積層した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して２層目の圧電薄膜３１ａを所望の平面形状にパターニングして圧電薄膜３１ａの一部からなる圧電薄膜３１を形成することによって、図４（ｄ）に示す構造を得る。同様に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して１層目の圧電薄膜３０ａを２層目の圧電薄膜３１と同一の平面形状にパターニングして圧電薄膜３０ａの一部からなる圧電薄膜３０を形成することによって、図４（ｅ）に示す構造を得る。
【００３３】
続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第１の導電性層２０ａを所望の平面形状にパターニングして導電性層２０ａの一部からなる下部電極２０を形成することによって、図４（ｆ）に示す構造を得る。
【００３４】
その後、ベース基板１０の上記一表面側の全面に、上部電極４０の基礎となる第２の導電性層をスパッタ法や蒸着法などによって形成し、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第２の導電性層を所望の平面形状にパターニングして第２の導電性層の一部からなる上部電極４０を形成することによって、図４（ｇ）に示す構造のＢＡＷ共振器を得る。
【００３５】
次に、ベース基板１０の他表面側に開孔部１３形成用にパターニングされたマスク層（例えば、レジスト層、ＳｉＯ２膜）を形成し、当該マスク層をマスクとしてアルカリ系溶液（例えば、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ＮａＯＨなどの水溶液）を用いた異方性エッチングや、誘導結合プラズマ型のエッチング装置を用いたドライエッチングを行うことにより開孔部１３を形成し、続いて、上記マスク層を除去することによって、図４（ｈ）に示す構造のＢＡＷ共振器を得る。なお、開孔部１３をアルカリ系溶液を用いた異方性エッチングにより形成する場合、上部電極４０の材料がＰｔであればベース基板１０の上記一表面側にマスクを設ける必要はないが、上部電極２０の材料がＡｌの場合にはベース基板１０の上記一表面側に上部電極２０を保護するマスクを設ける必要がある。
【００３６】
以上説明した本実施形態のＢＡＷ共振器においても、実施形態１と同様に、例えば、ＡｌＮで形成した１層目の圧電薄膜３０とＰＺＴで形成した２層目の圧電薄膜３１を積層して圧電薄膜層３を構成し、この圧電薄膜層３を下部電極２０と上部電極４０で厚み方向に挟み込んでおり、互いの分極率の大小関係と機械的品質係数の大小関係とが異なる複数種類の圧電材料（ＡｌＮとＰＺＴ）で各々形成された複数の圧電薄膜３０，３１を積層して圧電薄膜層３を構成しているので、単一の圧電材料で圧電薄膜を構成する場合と比較して、機械的品質係数並びに電気機械結合係数の双方を増大することができる。また、本実施形態のＢＡＷ共振器も実施形態１と同様にＵＷＢ用フィルタに応用できる。
【００３７】
また、本実施形態では２層の圧電薄膜３０，３１を積層して圧電薄膜層３を構成しているが、３層以上の圧電薄膜を積層して圧電薄膜層３を構成してもよい。但し、３層以上を積層する場合においても異なる種類の圧電材料で形成された圧電薄膜を交互に積層する必要がある。さらに、本実施形態では２種類の圧電材料を用いて圧電薄膜層３を構成しているが、例えば、ＡｌＮとＰＺＴとＺｎＯの３種類の圧電材料で形成された圧電薄膜を積層することで圧電薄膜層３を構成しても構わない。なお、ＰＺＴからなる２層目の圧電薄膜３１とＡｌＮからなる１層目の圧電薄膜３０との間にＰＺＴからなる圧電薄膜３１の結晶配向を制御するためのシード層を形成しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施形態１におけるＢＡＷ共振器の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図２】同上におけるＵＷＢ用フィルタの概略断面図である。
【図３】同上におけるＵＷＢ用フィルタの回路図である。
【図４】実施形態２におけるＢＡＷ共振器の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
３  圧電薄膜層
１０  ベース基板
２０  下部電極
３０  圧電薄膜（ＡｌＮ薄膜）
３１  圧電薄膜（ＰＺＴ薄膜）
４０  上部電極
【図１】
2008211392.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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