(57)【要約】【課題】  高抵抗基板を使用せずにも基板の誘電損失を低減しながら、基板のエッチングなしにエアギャップを形成できるようにすることによって、共振特性を向上させる。【解決手段】  半導体基板111の上部に積層され、エアギャップ130が形成された第1抵抗層112と、エアギャップ及び第1抵抗層の上面に沿って積層された第2抵抗層114と、エアギャップ上部に第2抵抗層の上面に積層されたメンブレン層116と、メンブレン層の上部に下部電極117・圧電層118・上部電極119が順に積層されて形成された共振器120と、を含む。【選択図】    図３ｋ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上部に蒸着され、一部領域に凹部が形成された抵抗層と、
前記抵抗層の上部に積層され、前記抵抗層の凹部底面との間にエアギャップを形成するメンブレン層と、
前記メンブレン層の上部に形成された第1電極と、
前記第1電極が形成された前記メンブレン層の上部に形成された圧電層と、
前記圧電層の上部に形成された第2電極と
を含むことを特徴とする薄膜のバルク音響共振器。
【請求項２】
前記半導体基板は、前記抵抗層を蒸着するために所定の厚さをエッチングすることを特徴とする、請求項1に記載の薄膜のバルク音響共振器。
【請求項３】
前記抵抗層の凹部上面及び前記抵抗層の上面に沿って形成された所定の厚さの第2抵抗層をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の薄膜のバルク音響共振器の製造方法。
【請求項４】
(a)半導体基板の上部表面に積層された抵抗層の所定位置に凹部を形成するステップと、
(b)前記抵抗層の凹部に犠牲物質を埋め込むステップと、
(c)前記犧牲物質及び前記抵抗層の上部表面にメンブレン層を積層するステップと、
(d)前記メンブレン層の上部に第1電極を形成するステップと、
(e)前記第1電極及び前記メンブレン層の上部に圧電層を形成するステップと、
(f)前記圧電層の上部に第2電極を形成するステップと、
(g)前記第2電極の形成後に前記犧牲物質を除去し、前記抵抗層の凹部底面と前記メンブレン層との間にエアギャップを形成するステップと、
を含むことを特徴とする、薄膜のバルク音響共振器の製造方法。
【請求項５】
前記(a)ステップは、
前記半導体基板の上部に前記抵抗層を蒸着するステップと、
前記抵抗層の上面にパターニング物質を積層してパターニングするステップと、
前記凹部を形成する位置の抵抗層をエッチングするステップと、
を含むことを特徴とする、請求項4に記載の薄膜のバルク音響共振器の製造方法。
【請求項６】
前記凹部を形成する位置の抵抗層をエッチングした後、前記パターニング物質を除去するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項5に記載の薄膜のバルク音響共振器の製造方法。
【請求項７】
前記抵抗層を蒸着する前に、前記半導体基板を所定の厚さにエッチングするステップをさらに含むことを特徴とする、請求項4に記載の薄膜のバルク音響共振器の製造方法。
【請求項８】
前記凹部を形成する位置の抵抗層をエッチングした後、前記凹部及び前記抵抗層の上面に沿って第2抵抗層を蒸着するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項4に記載の薄膜のバルク音響共振器の製造方法。
【請求項９】
前記抵抗層の凹部に前記犧牲物質を埋め込んだ後、前記抵抗層及び前記犧牲物質の表面を平坦化するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項4に記載の薄膜のバルク音響共振器の製造方法。
【請求項１０】
前記犧牲物質はポリシリコンであることを特徴とする、請求項4に記載の薄膜のバルク音響共振器の製造方法。
【請求項１１】
前記(g)ステップは、ドライエッチングにより前記犧牲物質を除去することを特徴とする、請求項４に記載の薄膜のバルク音響共振器の製造方法。
【請求項１２】
前記ドライエッチングは、前記犧牲物質に対してフッ化化合物気体を非プラズマ状態で利用することを特徴とする、請求項11に記載の薄膜のバルク音響共振器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響共振器及びその製造方法に関し、特に、圧電体を利用した薄膜のバルク音響共振器(Film Bulk Acoustic Resonator:以下、「FBAR」と記す)及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線移動通信の技術には限定された周波数帯域において効率よく情報を伝達できる多様なRF(Radio Frequency)部品が要求される。特に、RF部品のうち、フィルタは移動通信技術に用いられる核心部品の一つであって、無数に多い空中波の中から利用者が必要とする信号を選択するか、伝送しようとする信号をフィルタリングすることによって、高品質の通信を可能にする。
【０００３】
現在無線通信用RFフィルタに最も多く用いられるものが誘電体フィルタと表面弾性波(Surface Acoustic wave: 以下、「SAW」と記す)フィルタである。誘電体フィルタは、高誘電率、低挿入損失、高温での安定性、耐振動、耐衝撃に強いという長所を持っている。しかし、誘電体フィルタは、最近の技術発展の動向である小型化及びMMIC(MMIC: Monolithic Microwave IC)化には限界性を持っている。
【０００４】
また、SAWフィルタは、誘電体フィルタに比べて小型でありながら信号処理が容易であり、かつ回路が単純であって、半導体工程を利用することによって大量生産が可能であるという長所がある。また、SAWフィルタは、誘電体フィルタに比べて通過帯域内のサイドリジェクション(Side Rejection）が高いため、高品位の情報交換が可能であるという長所がある。しかし、SAWフィルタ工程には紫外線(UV）を用いて露光する工程が含まれているので、IDT(Inter Digital Transducer)線幅が0.5μｍ程度が限界であるという短所がある。したがって、SAWフィルタを利用して超高周波(5GHz以上)帯域をカバーすることは不可能であるという問題点があり、根本的に半導体基板に構成されるMMIC構造と単一チップを構成するには困難さがある。
【０００５】
上述したような限界及び問題点を解消するため、従来の半導体(Si、GaAs)基板に他の能動素子らと共に集積されて周波数の制御回路を完全にMMIC化することのできるFBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)フィルタが提案されている。
【０００６】
FBARは、薄膜(Thin Film)素子であって、低コスト、小型、かつ高品質(High Q)係数の特性を有しているため、各種周波数帯域(9百MHz〜10GHz）の無線通信機器、軍用レーダーなどに使用可能である。また、誘電体フィルタ及び集中浄水(LC)フィルタより数百分の1の大きさで小型化が可能であり、SAWフィルタより挿入損失が非常に小さいという特性を持っている。したがって、FBARは安定性が高く高品質係数を要求するMMICに好適の素子と言える。
【０００７】
FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)フィルタは、半導体基板であるシリコン(Si)やガリウム砒素(GaAs)に圧電誘電体物質である酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)などをRFスパッタリング方法により蒸着し、圧電特性による共振を誘発する。すなわち、FBARは両電極の間に圧電薄膜を蒸着し、体積波(Bulk Acoustic Wave)を誘発させて共振を発生させるものである。
【０００８】
図1は、従来のメンブレイン型(Bulk micro machining型)FBARの構造を示す図面であって、メンブレイン型FBARは基板11上にシリコン抵抗層(SiO2）12を蒸着し、基板11の反対面を異方性エッチング(Isotropic Etching)して形成されたキャビティ(Cavity)16を通じてメンブレン層12を形成する。また、シリコン抵抗層12の上部に下部電極13を形成し、この下部電極層13の上部に圧電物質14をRFマグネトロンスパッタリング(Magnetron Sputtering)方法により蒸着して圧電層14を形成し、圧電層14の上部に上部電極15を形成している。
【０００９】
前記のようなメンブレイン型FBARは、キャビティ16により基板11の誘電損失が小さく、かつ電力損失が小さな長所を持っている。しかし、メンブレイン型FBARはシリコン基板の方向性によって素子が占める面積が大きく、後続パッケージング工程の際、構造的安定性が低いため、破損による収率低下が問題点となっていた。したがって、最近メンブレインによる損失を低減するための素子製造工程を単純化するため、エアギャップ(Air Gap)型とブラックリフレクター(Bragg Reflector)型FBARが登場した。
【００１０】
図2は、従来のエアギャップ型FBARの構造を示す断面図である。FBARは、半導体基板41の上部にメンブレン層42を形成し、下部電極43と、圧電層44及び上部電極45のための各物質を順に積層する。この場合、メンブレン層42はエッチング液を投入するための所定個数の貫通ホール42´を形成し、貫通ホール42´を通してエッチング液を投入することによって、基板41の一部領域を陥没させて、基板とメンブレインとの間にエアギャップ41´を形成する。
【００１１】
しかし、従来のエアギャップ型FBARは、基板をエッチングする工程により多くの不良を起こすという問題点があった。すなわち、基板エッチング工程には通常ウェットエッチング方法が利用されているが、エッチング過程を終えた後、エッチング液の除去が困難であり、微細な残存エッチング液により微細なエッチングが進行されて、共振器の共振周波数を変化させるという問題点を持っていた。また、エッチング液により基板のみでなく電極の一部、または圧電物質のエッチングが発生して、同様に共振器の共振周波数を変化させる恐れがあった。このような問題点らは所望の周波数を設定するため、追加のチューニング工程を要求し、そのような工程を省略する場合、製品の信頼性を大きく低下させる。
【００１２】
また、基板エッチングを通してエアギャップを形成する従来のFBARは、基板が有する誘電損失を低減するため、高抵抗の基板を使用するか、メンブレン層を非常に厚く蒸着しなければならないという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、前記の従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高抵抗基板を使用せずにも基板の誘電損失を低減しながら、基板のエッチングなしにエアギャップを形成できるようにすることによって、共振特性を向上させ得る薄膜のバルク音響共振器及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成するため、本発明のFBARは、
・半導体基板、
・前記半導体基板の上部に蒸着され、一部領域に凹部が形成された抵抗層、
・前記抵抗層の上部に積層され、前記抵抗層の凹部底面との間にエアギャップを形成するメンブレン層、
・前記メンブレン層の上部に形成された第1電極、
・前記第1電極が形成された前記メンブレン層の上部に形成された圧電層、
・前記圧電層の上部に形成された第2電極
を含む。このＦＢＡＲは、半導体基板そのものをエッチングすることなくエアギャップを形成しているので、基板の誘電率損失が少なく、優れた共振特性を有している。また、エアギャップが基板に対してフローティングした状態であるため、基板の集積度を高めることができる。
また、前記目的を達成するため、前記半導体基板は、抵抗層を蒸着するために所定の厚さにエッチングして利用することができる。
【００１５】
前記目的を達成するため、前記FBARは、前記抵抗層の凹部上面及び前記抵抗層の上面に沿って所定の厚さに積層された第2抵抗層をさらに含む。
【００１６】
前記目的を達成するため、本発明に係るFBARの製造方法は、
(a)半導体基板の上部表面に積層された抵抗層の所定位置に凹部を形成するステップと、
(b)前記抵抗層の陥没された領域に犠牲物質を埋め込むステップと、
(c)前記犧牲物質及び前記抵抗層の上部表面にメンブレン層を積層するステップと、
(d)前記メンブレン層の上部に第1電極を形成するステップと、
(e)前記第1電極及び前記メンブレン層の上部に圧電層を形成するステップと、
(f)前記圧電層の上部に第2電極を形成するステップと、
(g)前記第2電極の形成後に前記犧牲物質を除去し、前記抵抗層の凹部底面と前記メンブレン層との間にエアギャップを形成するステップと、
を含む。この方法では、半導体基板そのものをエッチングすることなくエアギャップを形成するので、基板の誘電率損失が少なく、共振特性を損なわない。また、エアギャップが基板に対してフローティングした状態であるため、基板の集積度を高めることができる。
【００１７】
この場合、前記(a)ステップは、
前記半導体基板の上部に前記抵抗層を蒸着するステップと、
前記抵抗層の上面にパターニング物質を積層してパターニングするステップと、
前記凹部を形成する位置の抵抗層をエッチングするステップと、
を含むことが好ましい。
【００１８】
また、好ましくは、前記凹部を形成する位置の抵抗層をエッチングした後、前記パターニング物質を除去するステップをさらに含むことができる。
【００１９】
さらに好ましくは、前記抵抗層を蒸着する前に前記半導体基板を所定の厚さにエッチングするステップをさらに含むことができる。
【００２０】
また、前記凹部を形成する位置の抵抗層をエッチングした後、前記凹部及び前記抵抗層の上面に沿って第2抵抗層を蒸着するステップをさらに含むことができ、前記犧牲物質を埋め込んだ後、前記抵抗層及び前記犧牲物質の表面を平坦化するステップをさらに含むことができる。
【００２１】
また、前記(g)ステップは、ドライエッチングにより前記犠牲物質を除去することができる。この場合、前記犧牲物質にはポリシリコンを利用でき、前記犧牲物質に対してフッ化化合物気体を非プラズマ状態で利用できる。ドライエッチングで犠牲物質を除去することにより、電極及び圧電物質への影響を抑制し、初期設定した共振特性を維持することができる。
【発明の効果】
【００２２】
上述したような本発明のFBAR及びその製造方法に係ると、基板のエッチングなしにエアギャップを形成できるため、共振特性を向上させることができ、高抵抗の基板を使用せずにも基板損失を低減でき、能動素子をエアギャップの下部に集積できるため、集積度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付した図面を参照して、本発明に係る最も好ましい実施例を詳細に説明する。
【００２４】
図３ｋは、本発明に係るFBARの構造を示す断面図である。FBARは、半導体基板111上にエアギャップ130が形成された第1抵抗層112と、エアギャップ130及び第1抵抗層112の上面に沿って積層された第2抵抗層114と、エアギャップ130の上部に第2抵抗層114の上面に積層されたメンブレン層116と、メンブレン層116の上部に下部電極117、圧電層118、上部電極119が順に積層されて形成された共振器120を含む。
【００２５】
以上のようなFBARは、半導体基板111のエッチングなしにエアギャップ130を形成するため、共振を行う時、基板損失を減少させ得るし、能動素子をエアギャップの下部に形成できるため、集積度を高めることができる。
【００２６】
図３ａないし図３ｋは、本発明の実施例に係るFBARの製造工程を順に示す断面図である。FBARの製造は、まず、図３ａのような半導体基板111に対して、上層部を所定の厚さにエッチングした後、図３ｂのように抵抗層112を蒸着する。次に抵抗層の上部にフォトレジスト113を塗布し、図３ｃのようにフォトレジスタ113の上面に露光及び現像を通してエアギャップの形成位置をパターニングする。
【００２７】
次に、エアギャップの形成位置に対して第1抵抗層112を上部表面から半導体基板111に到達するようにエッチングすることによって、凹部を形成する。形成された凹部は、エアギャップの形成部112´となる。凹部112´、すなわちエアギャップの形成部112´の製作が完了されると、フォトレジスタ113を除去する(図示せず)。
【００２８】
次に、図３ｄのように、第1抵抗層112及びエアギャップ形成部112´の上面に沿って第2抵抗層114を形成する。次に、図３ｅのように、エアギャップの形成部112´に犧牲物質115を埋め込む。この場合、犧牲物質115はポリシリコンを利用する。次に、図３ｆのように、犧牲物質115と第2抵抗層114との上面が均一するように平坦化工程を行う。このような平坦化工程はCMP(Chemical Mechanical Polishing)工程を利用する。
【００２９】
次に、図３ｇのように、平坦化工程された第2抵抗層114及び犧牲物質115の上部に、エアギャップの形成部112´を覆うメンブレン層116を積層する。次に、図３ｈのように、エアギャップの形成部112´に対応する領域の一部を含むメンブレン層116上の所定領域に金属膜を積層し、下部電極117を形成する。次に、図３ｉのように、メンブレン層116上の前記所定領域に対応する下部電極117上の位置に圧電物質を積層し、圧電層118を形成する。次に、図３ｊのように、メンブレン層116上の前記所定領域に対応する圧電層118上の位置に金属膜を積層し、上部電極119を形成する。従って、メンブレン層116の所定領域上には、共振器120が形成される。この共振器120は、エアギャップの形成部112´と平面位置が部分的に重複する。次に、図３ｋに示すように、エアギャップの形成部112´に埋め込まれた犧牲物質115を除去して、エアギャップの形成部112´の底面と第１抵抗層112との間にエアギャップ130を形成する。犠牲物質がポリシリコンであれば、エアギャップの形成部112´に埋め込まれた犧牲物質115として、フッ化化合物気体を非プラズマ状態で利用したドライエッチングを通して除去するとよい。エッチングガスを投入するために、共振器120が形成されていない領域においてメンブレン層116を貫通するビアホールを形成する。
【００３０】
以上のFBAR製造工程において、犧牲物質115を除去する場合、ウェットエッチングでないドライエッチングをすることによって、電極及び圧電物質に影響を及ぼさないので、初期設定した共振特性を維持し、エアギャップ形成にともなう破損の恐れを除去できる。
【００３１】
一方、以上のようなFBARにおいて、半導体基板をエッチングして第1抵抗層を蒸着するようにしているが、この場合、半導体基板のエッチングは必ず行わなければならない必須要求事項ではない。また、凹部112´、すなわちエアギャップの形成部112´が形成された第1抵抗層の上面に沿って所定の厚さに第2抵抗層を積層するようにしたが、必ず第2抵抗層が要求されるのではない。例えば、凹部112´形成のために第1抵抗層112をエッチングする場合、半導体基板の上面を露出しないようにエッチングして凹部の下部に第１抵抗層112を残し、第２抵抗層の代わりとすることができる。言い換えれば、第1抵抗層の上面から半導体基板の上面より高い所定の位置までエッチングすることによって、第2抵抗層を代替することができる。図4は、図3に示す第2抵抗層を代替することができるように、第1抵抗層がエッチングされた形状を示す。また、犧牲物質に対しても必ずポリシリコンを使用すべきことではなく、犧牲物質を除去するにあってもフッ化化合物の非プラズマ状態を利用すること以外に、別のドライエッチングが可能である。また、犧牲物質除去において、ドライエッチング及びウェットエッチングの両方を用いることができ、前述したように好ましくはドライエッチングを用いるが、ウェットエッチングを利用することも可能であることは周知の事実であろう。
【００３２】
上述したような本発明のFBAR及びその製造方法は、半導体基板のエッチングなしにエアギャップを形成して基板の誘電率損失を減少させることができるため、共振特性を向上させることができる。また、エアギャップが基板に対してフローティングされた状態を有することによって、もう一つの能動及び受動素子などと集積できるため、集積度を高めることができる。
【００３３】
また、FBAR製造工程において、エアギャップ形成のための犧牲物質の除去時、ドライエッチングを利用することによって、電極及び圧電物質に及ぼす影響を除去できるため、初期設定した共振特性を維持させることができ、収率を向上させることができる。
【００３４】
本発明は、上述した特定の実施例に限定されるものではなく、請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく当該発明の属する技術分野における通常の知識を有するものであれば誰でも各種の変更実施が可能であることはもとより、そのような変更は、請求の範囲記載の範囲内にあることが自明である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明に係るFBARは、無線移動通信に用いられる多様な核心部の一つであるフィルタとして用いられることができる。また、フィルタを利用して製作されるデュープレクサーとしても用いられることができる。一方、本発明に係るFBARは小型軽量化されたフィルタを具現できるため、最近の技術発展動向である小型軽量化及びMMIC化に有利である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来のメンブレイン型FBARの断面図である。
【図２】従来のエアギャップ型FBARの断面図である。
【図３ａ】本発明の一実施例に係るFBARの製造工程を順に示す断面図である。
【図３ｂ】本発明の一実施例に係るFBARの製造工程を順に示す断面図である。
【図３ｃ】本発明の一実施例に係るFBARの製造工程を順に示す断面図である。
【図３ｄ】本発明の一実施例に係るFBARの製造工程を順に示す断面図である。
【図３ｅ】本発明の一実施例に係るFBARの製造工程を順に示す断面図である。
【図３ｆ】本発明の一実施例に係るFBARの製造工程を順に示す断面図である。
【図３ｇ】本発明の一実施例に係るFBARの製造工程を順に示す断面図である。
【図３ｈ】本発明の一実施例に係るFBARの製造工程を順に示す断面図である。
【図３ｉ】本発明の一実施例に係るFBARの製造工程を順に示す断面図である。
【図３ｊ】本発明の一実施例に係るFBARの製造工程を順に示す断面図である。
【図３ｋ】本発明の一実施例に係るFBARの製造工程を順に示す断面図である。
【図４】図３ｄの第2抵抗層を代替できるように第1抵抗層のもう一つのエッチング形態を示す断面図である。
【図１】
2004328739.tif 000003
【図２】
2004328739.tif 000004
【図３ａ】
2004328739.tif 000005
【図３ｂ】
2004328739.tif 000006
【図３ｃ】
2004328739.tif 000007
【図３ｄ】
2004328739.tif 000008
【図３ｅ】
2004328739.tif 000009
【図３ｆ】
2004328739.tif 000010
【図３ｇ】
2004328739.tif 000011
【図３ｈ】
2004328739.tif 000012
【図３ｉ】
2004328739.tif 000013
【図３ｊ】
2004328739.tif 000014
【図３ｋ】
2004328739.tif 000015
【図４】
2004328739.tif 000016