(57)【要約】【課題】配向助長膜に起因する特性低下を防ぐことができる薄膜圧電共振器及びその製造方法を提供する。【解決手段】中空部を有する支持体と、中空部の上に設けられた下部電極と、支持体に支持されて下部電極の上に設けられた圧電体膜と、圧電体膜の上における下部電極に対向する部分に設けられた上部電極とを備え、下部電極における圧電体膜に接する面の反対側の面のすべてが露出され中空部に臨んでいる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空部を有する支持体と、
前記中空部の上に設けられた下部電極と、
前記支持体に支持されて前記下部電極の上に設けられた圧電体膜と、
前記圧電体膜の上における前記下部電極に対向する部分に設けられた上部電極と、
を備え、
前記下部電極における前記圧電体膜に接する面の反対側の面のすべてが露出され前記中空部に臨んでいることを特徴とする薄膜圧電共振器。
【請求項２】
中空部を有する支持体と、
前記中空部の上に設けられた下部電極と、
前記支持体に支持されて前記下部電極の上に設けられた圧電体膜と、
前記圧電体膜の上における前記下部電極に対向する部分に設けられた上部電極と、
を備え、
前記下部電極は、前記支持体に対して浮いた状態で前記圧電体膜に支えられていることを特徴とする薄膜圧電共振器。
【請求項３】
支持体に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の上に配向助長膜を形成する工程と、
前記配向助長膜の上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜の上に上部電極を形成する工程と、
前記犠牲層を除去する工程と、
前記下部電極に接する前記配向助長膜をすべて除去する工程と、
を備えたことを特徴とする薄膜圧電共振器の製造方法。
【請求項４】
前記配向助長膜を、フッ酸とアルコールとの混合蒸気を用いて除去し、
前記下部電極は、フッ酸とアルコールとの混合蒸気に対してエッチング耐性を有する材料からなることを特徴とする請求項３記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
【請求項５】
前記配向助長膜は、タンタル、タングステンまたはモリブデンを含む材料からなり、
前記下部電極は、アルミニウムを含む材料からなることを特徴とする請求項４記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の電極間で圧電体膜を挟んだ構造を有する薄膜圧電共振器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電薄膜の厚み方向の縦振動を利用した薄膜圧電共振器において、例えば特許文献１には、圧電体膜の結晶の分極軸を厚み方向にそろえるための下地膜を下部電極の下に形成した後、その下地膜を選択的に除去することで、下部電極の周辺部のみに下地膜が額縁状に接触するようにして、下部電極と下地膜との二層構造に起因したスプリアス振動の抑制を図らんとしている。
【０００３】
しかし、特許文献１では、下部電極の周辺部の下に配向助長用の下地膜が残っており、その下地膜を介して下部電極の周辺部が支持体上に支持された構造となっている。このため、共振振動の振動エネルギーが、下地膜を通じて共振部以外にもれ伝わりやすく、また、寄生容量の増大もまねきやすい。
【特許文献１】特開２００６−５００２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、配向助長膜に起因する特性低下を防ぐことができる薄膜圧電共振器及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、中空部を有する支持体と、前記中空部の上に設けられた下部電極と、前記支持体に支持されて前記下部電極の上に設けられた圧電体膜と、前記圧電体膜の上における前記下部電極に対向する部分に設けられた上部電極と、を備え、前記下部電極における前記圧電体膜に接する面の反対側の面のすべてが露出され前記中空部に臨んでいることを特徴とする薄膜圧電共振器が提供される。
【０００６】
また、本発明の他の一態様によれば、中空部を有する支持体と、前記中空部の上に設けられた下部電極と、前記支持体に支持されて前記下部電極の上に設けられた圧電体膜と、前記圧電体膜の上における前記下部電極に対向する部分に設けられた上部電極と、を備え、前記下部電極は、前記支持体に対して浮いた状態で前記圧電体膜に支えられていることを特徴とする薄膜圧電共振器が提供される。
【０００７】
また、本発明のさらに他の一態様によれば、支持体に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の上に配向助長膜を形成する工程と、前記配向助長膜の上に下部電極を形成する工程と、前記下部電極の上に圧電体膜を形成する工程と、前記圧電体膜の上に上部電極を形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程と、前記下部電極に接する前記配向助長膜をすべて除去する工程と、を備えたことを特徴とする薄膜圧電共振器の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、配向助長膜に起因する特性低下を防ぐことができる薄膜圧電共振器及びその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。  
図１は、本発明の実施形態に係る薄膜圧電共振器における要部の拡大断面図である。
【００１０】
本実施形態に係る薄膜圧電共振器は、圧電体膜８を下部電極７と上部電極９とで挟んだ構造（共振部）を有する。その共振部は、中空部１５を有する支持体上に設けられている。
【００１１】
支持体は、例えば高抵抗シリコンからなり、その一部が中空部１５の底面として機能する基板１と、この基板１の表面上に中空部１５の周囲を囲むように形成された絶縁層２と、絶縁層２の内側に設けられ中空部１５の内側壁として機能する壁部４と、絶縁層２及び壁部４の上に設けられた例えばノンドープの多結晶シリコンからなる高抵抗層５とを有する。
【００１２】
下部電極７は、中空部１５の上に設けられている。圧電体膜８は、高抵抗層５及び下部電極７を覆うように設けられ、支持体上に支持されている。上部電極９は、圧電体膜８の上における下部電極７に対向する部分に設けられている。
【００１３】
圧電体膜８には厚さ方向を貫通して下部電極７に達するビア１１が形成され、そのビア１１内には下部電極配線１６が設けられ下部電極７の表面に接している。下部電極配線１６は圧電体膜８の表面上に引き出されている。すなわち、下部電極７は、下部電極配線１６に接続され、下部電極配線１６を介して外部回路と電気的に接続される。
【００１４】
下部電極７における圧電体膜８に接する面の反対側の面（図１において下面）は全面にわたって露出され中空部１５に臨んでいる。下部電極７において縁部７ａより内側の大部分の下面は、中空部１５に対して直接露出して臨んでいる。下部電極７の縁部７ａの下面と高抵抗層５との間には、中空部１５に通じる隙間１５ａが形成され、下部電極７の縁部７ａは、その隙間１５ａを通じて中空部１５に臨んでいる。
【００１５】
すなわち、下部電極７は、支持体に対して浮いた状態で、中空部１５に臨む面の反対側の面が圧電体膜８に対して付着され、その圧電体膜８に支えられている。
【００１６】
図２〜図７は、本実施形態に係る薄膜圧電共振器の製造方法を説明するための模式図である。なお、図２（ａ）は、図２（ｂ）におけるＡ−Ａ断面図に対応し、図４（ａ）は、図４（ｂ）におけるＢ−Ｂ断面図に対応し、図５（ａ）は、図５（ｂ）におけるＣ−Ｃ断面図に対応し、図６（ａ）は、図６（ｂ）におけるＤ−Ｄ断面図に対応し、図７（ａ）は、図７（ｂ）におけるＥ−Ｅ断面図に対応する。図２、４〜７における（ｂ）図は、要部構成の平面レイアウトを表す。
【００１７】
まず、図２に示すように、例えば高抵抗シリコンからなる基板１上に、例えばＴＥＯＳ（tetraethoxysilane）からなる絶縁層２を３（μｍ）の厚さで形成後、リソグラフィー及びＲＩＥ（Reactive Ion Etching）プロセスにより、絶縁層２を貫通して基板１の表面に至る幅０．８（μｍ）程度の溝３を形成する。溝３は、犠牲層除去用エッチャントの導入部２０（図２（ｂ）参照）を含む中空部形成領域を縁取るように形成され、絶縁層２において溝３で囲まれた部分は、後述する中空部形成工程にて除去される犠牲層２ａとして機能する。
【００１８】
次に、絶縁層２の上に、例えばノンドープの多結晶シリコン膜を、厚さ１．５（μｍ）ほど堆積し、溝３を完全に埋め込む。その後、絶縁層２表面上の多結晶シリコン膜をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）プロセスにより除去し平坦化する。これにより、図３（ａ）に示すように、犠牲層２ａを囲む壁部４が形成される。
【００１９】
次に、犠牲層２ａも含む絶縁層２および壁部４上に、例えばノンドープの多結晶シリコン膜を、厚さ３００（ｎｍ）ほど形成し、リソグラフィーおよびケミカルドライエッチングプロセスにより、その多結晶シリコン膜のパターニングを行い、図３（ｂ）に示すように犠牲層２ａを囲むようにして高抵抗層５が形成される。ケミカルドライエッチングプロセスは、（多結晶シリコン／ＴＥＯＳ）のエッチング選択比が高いため、下地ＴＥＯＳ膜（犠牲層２ａ）の平坦性は保たれる。また、高抵抗層５の加工端部はテーパー形状となる。
【００２０】
次に、犠牲層２ａを含む絶縁層２上に、高抵抗層５を覆うように、タンタル系アモルファス金属膜を数十（ｎｍ）の厚さで形成し、続いてその上にアルミニウム合金膜を数百（ｎｍ）の厚さで形成する。これら成膜は高真空チャンバーの内部において連続して行われる。そして、それら積層膜をリソグラフィー及びＲＩＥプロセスによりまとめて加工することで、図４に示すように、配向助長膜６及び下部電極７の積層構造が得られる。
【００２１】
配向助長膜６の縁部より内側の大部分は犠牲層２ａの表面上に形成され、配向助長膜６の縁部は高抵抗層５を覆っている。下部電極７は配向助長膜６の上に形成され、下部電極７の縁部７ａより内側の大部分は配向助長膜６を介して犠牲層２ａの上に設けられ、縁部７ａは配向助長膜６の縁部を介して高抵抗層５の上に設けられている。また、図４（ｂ）に示すように、配向助長膜６及び下部電極７は、犠牲層除去用エッチャントの導入部２０の上には形成されない。
【００２２】
次に、図５に示すように、下部電極７、配向助長膜６および高抵抗層５を覆うように支持体上に圧電体膜８を形成し、さらにその上に上部電極９を形成し、これにより、下部電極７と上部電極９との間に圧電体膜８を挟んだ構造が得られる。圧電体膜８としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などのウルツ鉱型の結晶構造をもつものを用いることができ、上部電極９としては、例えば、モリブデン、タングステン、チタン、アルミニウム、それらを含む合金を用いることができる。
【００２３】
下部電極７を配向助長膜６の上に形成する際、配向助長膜６によって下部電極７の分極軸が所望に配向され、これにより、その下部電極７の上に形成される圧電体膜８の膜厚方向の分極軸が、縦波弾性波の伝播方向となるように単一配向される。すなわち、配向助長膜６を設けることで、上記材料からなる圧電体膜８の膜厚方向の分極軸が、六方晶系のｃ軸方向に揃えられる。この結果、電気機械結合係数や品質係数の高い値を確保しやすくなる。
【００２４】
次に、図６に示すように、リソグラフィーとＲＩＥプロセスにて、圧電体膜８にビア１１、１２を形成する。ビア１１形成位置は、上部電極９形成位置から外側に外れた下部電極７の縁部寄りの部分に形成される。ビア１１は圧電体膜８を厚さ方向に貫通し、下部電極７の表面がそのビア１１より露出する。
【００２５】
ビア１１内には、図７（ａ）に示すように、下部電極配線１６が設けられ、下部電極７は下部電極配線１６と接続される。下部電極配線１６は圧電体膜８上を、図７（ｂ）に示すように共振部より外側へと引き出される。
【００２６】
また上部電極９は、図７（ｂ）に示すように上部電極配線１７と接続され、その上部電極配線１７も、共振部より外側へと引き出される。なお、上部電極９の材料として、後述するフッ酸（ＨＦ）とアルコールとの混合蒸気で侵される材料を用いる場合には、その混合蒸気に対して耐エッチング性を有する例えばアモルファスシリコン膜等で上部電極９を覆った状態で、以下で説明する犠牲層２ａ及び配向助長膜６のエッチングを行い、その後アモルファスシリコン膜を選択的に開口して上部電極９を上部電極配線１７に接続させる。
【００２７】
ビア１２は、圧電体膜８において犠牲層除去用エッチャント導入部２０の上の部分を厚さ方向に貫通して設けられ、犠牲層２ａの一部がそのビア１２より露出する。
【００２８】
ビア１２を介して導入されるエッチャント（エッチングガス）を用いたドライエッチングプロセスにより、犠牲層２ａ及び配向助長膜６が除去される。
【００２９】
具体的には、フッ酸（ＨＦ）とアルコールとの混合蒸気を用いて、犠牲層２ａ及びこの犠牲層２ａに続けてそのまま同工程にて配向助長膜６を除去する。すなわち、犠牲層２ａがまず除去されると、配向助長膜６の下面が露出しエッチャントにさらされ、その配向助長膜６が除去される。これにより、図７（ａ）及び図１に示すように、下部電極７の下方に中空部１５が形成され、下部電極７の、上部電極９及び圧電体膜８と一体となった機械的振動が許容される。
【００３０】
フッ酸とアルコールとの混合蒸気は、ＴＥＯＳからなる犠牲層２ａ及びタンタル系アモルファス金属膜からなる配向助長膜６のみをエッチングし、いずれも高抵抗シリコンからなる基板１、壁部４、高抵抗層５、およびアルミニウムを主とする合金からなる下部電極７は、上記混合蒸気に対してエッチング耐性を有しエッチングを受けることなく残る。
【００３１】
上記混合蒸気による（配向助長膜６／下部電極７）のエッチング選択比が高いため、下部電極７の質量減少、すなわち共振部の質量変動による共振周波数の変動をまねくことなく、下部電極７に接する配向助長膜６をすべて除去することができる。
【００３２】
したがって、下部電極７における圧電体膜８に接する面の反対側の面は全面にわたって露出されて中空部１５に臨み、他の膜などに触れていない。
【００３３】
共振部の形成後はその機能において不要となる配向助長膜６を除去することで、その配向助長膜６が下部電極７に付着し、重りのように機能することに起因する副振動（スプリアス振動）が抑制され、特に、優れたｃ軸配向性を持つＡｌＮからなる圧電体膜８による高周波特性向上の妨げが抑えられ、薄膜圧電共振器の特性を向上させることができる。さらに、（犠牲層２ａ／下部電極７）および（配向助長膜６／下部電極７）のエッチング選択比が高いため、下部電極７のエッチングを阻止するためのバリア層も不要であり、そのバリア層が重りのように機能することに起因する副振動（スプリアス振動）も抑制できる。
【００３４】
さらに、下部電極７は、その縁部７ａにおいても下面が露出されて下方の構成体（高抵抗層５）との間に、除去された配向助長膜６の厚さ（例えば１００〜２００オングストローム）分の隙間１５ａを形成して高抵抗層５には接しておらず、支持体に対して浮いた状態で圧電体膜８に支えられている。このため、共振振動の振動エネルギーが、下部電極７と他構成体との接触部を通じて共振部以外にもれ伝わることを抑制でき、さらに下部電極７と他構成体との間の寄生容量の低減も図れ、さらなる特性改善が図れる。
【００３５】
図８は、中空部の形成方法の他の具体例を表す模式図である。
【００３６】
まず、図８（ａ）に示すように、例えば高抵抗シリコンからなる基板４１に深さ３（μｍ）程度の凹部４２を形成する。この凹部４２は、犠牲層除去用エッチャントの導入部２０（図２（ｂ）参照）を含む中空部形成領域に形成される。
【００３７】
次に、図８（ｂ）に示すように、凹部４２に、高密度プラズマＣＶＤ（chemical vapor deposition）法や塗布法等により、例えば酸化シリコンからなる犠牲層４３を埋め込み、これをＣＭＰプロセスにて除去し平坦化する。
【００３８】
以降、前述した実施形態と同様、図８（ｃ）に示すように、犠牲層４３上に配向助長膜６、下部電極７が積層され、さらに圧電体膜８、上部電極９が積層される。その後、本具体例においても、フッ酸とアルコールとの混合蒸気を用いて、犠牲層４３及びこの犠牲層４３に続けてそのまま同工程にて配向助長膜６を除去し、下部電極７の下方に中空部が形成される。
【００３９】
本具体例においても、フッ酸とアルコールとの混合蒸気は、酸化シリコンからなる犠牲層４６及びタンタル系アモルファス金属膜からなる配向助長膜６のみをエッチングし、高抵抗シリコンからなる基板１およびアルミニウムを主とする合金からなる下部電極７は、上記混合蒸気に対してエッチング耐性を有しエッチングを受けることなく残る。
【００４０】
また、上記混合蒸気による（配向助長膜６／下部電極７）のエッチング選択比が高いため、下部電極７の質量減少、すなわち共振部の質量変動による共振周波数の変動をまねくことなく、下部電極７に接する配向助長膜６をすべて除去することができる。
【００４１】
上記実施形態で説明した薄膜圧電共振器を用いて、図９に示すようなフィルタを構成することができる。  
図９はそのフィルタの回路図であり、上記実施形態で説明した薄膜圧電共振器を、図９において符号Ｆ１〜Ｆ４で示している。
【００４２】
このフィルタは、例えば梯子（ラダー）型フィルタであり、例えば４つの薄膜圧電共振器Ｆ１〜Ｆ４が同一基板上にモノリシックに形成されている。入力ポートの一方の端子１１１と他方の端子１１２に、それぞれ薄膜圧電共振器Ｆ４の上部電極配線１７と下部電極配線１６が接続され、薄膜圧電共振器Ｆ４の上部電極配線１７に薄膜圧電共振器Ｆ３の上部電極配線１７が接続され、薄膜圧電共振器Ｆ３の下部電極配線１６に薄膜圧電共振器Ｆ１、Ｆ２それぞれの上部電極配線１７が接続され、薄膜圧電共振器Ｆ１の下部電極配線１６に、出力ポートの一方の端子１２１が接続され、薄膜圧電共振器Ｆ２の下部電極配線１６に出力ポートの他方の端子１２２が接続されている。
【００４３】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００４４】
フッ酸とアルコールとの混合蒸気によってエッチング可能な配向助長膜６の材料としては、タンタル、タングステン、またはモリブデンを含む材料（例えば、タンタル、タングステン、またはモリブデンを主とするアモルファス合金など）を用いることができる。また、それら材料からなる配向助長膜６は、例えば窒化アルミニウム、酸化亜鉛などのウルツ鉱型の結晶構造をもつ圧電体膜の膜厚方向の分極軸をｃ軸方向に配向させることが可能である。
【００４５】
また、配向助長膜６をエッチング除去するエッチャントとしては、フッ酸とアルコールとの混合蒸気に限らず、配向助長膜６と下部電極７に用いられる材料に応じて適宜選択される。要するに、エッチャントとしては、配向助長膜６はエッチングできるが、下部電極７は除去できないもの、あるいは、（配向助長膜６／下部電極７）のエッチング選択比が高く下部電極７がほとんどエッチングされないものであればよい。
【００４６】
前述した実施形態では、効率のよいプロセスを実現する観点から、上記エッチャントとして配向助長膜だけでなく犠牲層をもエッチング可能なものを用いて、犠牲層の除去と配向助長膜の除去とを同じエッチャントを用いた同工程にて続けて行ったが、犠牲層の除去を、配向助長膜の除去に使うエッチャントとは別のエッチャントを用いて行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態に係る薄膜圧電共振器における要部の拡大断面図。
【図２】同薄膜圧電共振器の製造方法を説明するための模式図。
【図３】図２に続く工程を表す模式図。
【図４】図３に続く工程を表す模式図。
【図５】図４に続く工程を表す模式図。
【図６】図５に続く工程を表す模式図。
【図７】図６に続く工程を表す模式図。
【図８】本発明の他の実施形態に係る薄膜圧電共振器の製造方法を説明するための模式図。
【図９】本発明の実施形態に係る薄膜圧電共振器を用いたフィルターの一例を表す回路図。
【符号の説明】
【００４８】
１，４１…基板、２ａ，４３…犠牲層、４…壁部、６…配向助長膜、７…下部電極、８…圧電体膜、９…上部電極、１２…犠牲層除去用ビア、１５…中空部、１６…下部電極配線、１７…上部電極配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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