(57)【要約】【課題】電気機械結合係数が大きく、音響的品質係数（Ｑ値）に優れ、帯域幅、挿入損失などの特性面での向上に有利な圧電薄膜共振子を提供する。【解決手段】基板１２のビアホール２０に面する位置にて、酸化シリコンまたは窒化シリコンを主成分とする誘電体膜からなる絶縁体層１３、下部電極１５、圧電体薄膜１６および上部電極１７がこの順に積層された圧電積層構造体１４を備える。圧電体薄膜１６は、ｃ軸配向を示す厚さ０．５〜３．０μｍの窒化アルミニウム薄膜であって、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０゜以下である。下部電極１５は、タンタルを主成分とする厚さ２０００ｎｍ未満の金属薄膜であって、そのＸ線回折ピークにおいて、正方晶β相の（００２）回折ピークのピーク強度Ｉβと立方晶α相の（１１０）回折ピークのピーク強度Ｉαとの強度比Ｉα／Ｉβが０．１以下である。【選択図】  図２
2004312611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンタルを主成分とする厚さ２０００ｎｍ未満の金属薄膜の表面上に形成されたｃ軸配向を示す窒化アルミニウム薄膜であって、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０゜以下であることを特徴とする窒化アルミニウム薄膜。
【請求項２】
前記タンタルを主成分とする金属薄膜のＸ線回折ピークにおいて、正方晶β相の（００２）回折ピークのピーク強度Ｉβと立方晶α相の（１１０）回折ピークのピーク強度Ｉαとの強度比Ｉα／Ｉβが０．１以下であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化アルミニウム薄膜。
【請求項３】
前記タンタルを主成分とする金属薄膜の結晶化度が１０％以下であることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載する窒化アルミニウム薄膜。
【請求項４】
前記（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が１．０〜２．３゜であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜。
【請求項５】
前記タンタルを主成分とする金属薄膜の厚さが５０〜５００ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜。
【請求項６】
厚さが０．５〜３．０μｍであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜。
【請求項７】
圧電体薄膜が複数の金属電極の間に挟み込まれ、前記圧電体薄膜の周囲を支持することにより前記圧電体薄膜の中心部が橋架けされた構造を有する圧電薄膜共振子において、前記圧電体薄膜が（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０゜以下であるｃ軸配向の窒化アルミニウム薄膜であり、前記金属電極のうちの少なくとも１つは前記圧電体薄膜の表面と接する側に位置するタンタルを主成分とする厚さ２０００ｎｍ未満の金属薄膜を含んでなることを特徴とする圧電薄膜共振子。
【請求項８】
圧電体薄膜が複数の金属電極の間に挟み込まれ、前記圧電体薄膜の周囲を支持することにより前記圧電体薄膜の中心部が橋架けされた構造を有する圧電薄膜共振子において、前記圧電体薄膜が請求項１〜６のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜であり、前記金属電極のうちの少なくとも１つが請求項１〜６のいずれかに記載のタンタルを主成分とする金属薄膜を含んでなることを特徴とする圧電薄膜共振子。
【請求項９】
振動空間を有する半導体あるいは絶縁体からなる基板と、該基板の前記振動空間に面する位置にて下部電極、圧電体薄膜および上部電極がこの順に積層されている圧電積層構造体とを備えている圧電薄膜共振子において、前記圧電体薄膜が請求項１〜６のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜であり、前記下部電極が請求項１〜６のいずれかに記載のタンタルを主成分とする金属薄膜を含んでなることを特徴とする圧電薄膜共振子。
【請求項１０】
前記圧電積層構造体は前記振動空間に面する位置にて酸化シリコンおよび／または窒化シリコンを主成分とする誘電体膜からなる絶縁体層を有することを特徴とする、請求項９に記載の圧電薄膜共振子。
【請求項１１】
振動空間を有する半導体あるいは絶縁体からなる基板と、該基板の前記振動空間に面する位置にて下部電極、第１の圧電体薄膜、内部電極、第２の圧電体薄膜および上部電極がこの順に積層されている圧電積層構造体とを備えている圧電薄膜共振子において、前記第１及び第２の圧電体薄膜がいずれも請求項１〜６のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜であり、前記下部電極及び前記内部電極が請求項１〜６のいずれかに記載のタンタルを主成分とする金属薄膜を含んでなることを特徴とする積層型圧電薄膜共振子。
【請求項１２】
前記圧電積層構造体は前記振動空間に面する位置にて酸化シリコンおよび／または窒化シリコンを主成分とする誘電体膜からなる絶縁体層を有することを特徴とする、請求項１１に記載の積層型圧電薄膜共振子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体通信機等に利用される薄膜共振器、薄膜ＶＣＯ（電圧制御発振器）、薄膜フィルター、送受信切替器や各種センサーなど、広範な分野で用いられる圧電体薄膜を応用した素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電現象を応用した素子は広範な分野で用いられている。携帯機器の小型化と省力化が進む中で、ＲＦ用およびＩＦ用フィルターとして弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）素子の使用が拡大している。ＳＡＷフィルターは設計および生産技術の向上によりユーザーの厳しい要求仕様に対応してきたが、利用周波数の高周波数化と共に特性向上の限界に近づき、電極形成の微細化と安定した出力確保との両面で大きな技術革新が必要となってきている。一方、圧電体薄膜の厚み振動を利用した薄膜バルク波共振子（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｂｕｌｋ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ：以下ＦＢＡＲと略称）や、積層型薄膜バルク波共振器およびフィルター（Ｓｔａｃｋｅｄ    Ｔｈｉｎ    Ｆｉｌｍ    Ｂｕｌｋ    Ｗａｖｅ    Ａｃｏｕｓｔｉｃ    Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ    ａｎｄ  Ｆｉｌｔｅｒｓ：以下ＳＢＡＲと略称）は、基板に設けられた薄い支持膜の上に、主として圧電体より成る薄膜と、これを駆動する電極を形成したものであり、ギガヘルツ帯での基本共振が可能である。ＦＢＡＲまたはＳＢＡＲでフィルターを構成すれば、著しく小型化でき、かつ低損失・広帯域動作が可能な上に、半導体集積回路と一体化することができるので、将来の超小型携帯機器への応用が期待されている。
【０００３】
弾性波を利用した共振器、フィルター等に応用されるＦＢＡＲ、ＳＢＡＲなどの圧電体薄膜素子は、以下のようにして製造される。シリコンなどの半導体単結晶基板、シリコンウエハー上に多結晶ダイヤモンドを形成してなる基板、エリンバーなどの恒弾性金属などからなる基板上に、種々の薄膜形成方法によって、誘電体薄膜、導電体薄膜、またはこれらを積層したものからなる下地膜を形成する。この下地膜上に圧電体薄膜を形成し、さらに必要に応じた上部構造を形成する。各層の形成後に、または全層を形成した後に、各々の膜に物理的処理または化学的処理を施すことにより、微細加工、パターニングを行う。異方性エッチングにより基板から振動部の下に位置する部分を除去した浮き構造を作製した後、最後に１素子単位ごとに分離することにより圧電体薄膜素子を得る。
【０００４】
例えば、特開昭６０−１４２６０７号公報に記載された圧電体薄膜素子は、基板上に下地膜、下部電極、圧電体薄膜、上部電極を形成した後に、基板裏面から振動部となる部分の下にある基板部分を除去して、ビアホールを形成することにより製造されている。
【０００５】
圧電体薄膜素子用の圧電材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、チタン酸鉛［ＰＴ］（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛［ＰＺＴ］（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）などが用いられている。特にＡｌＮは、弾性波の伝播速度が速く、高周波帯域で動作する薄膜共振器、薄膜フィルター用の圧電材料として適している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これまで、ＡｌＮ薄膜をＦＢＡＲまたはＳＢＡＲに適用するために、種々の検討が行われてきた。しかしながら、未だ、ギガヘルツ帯域で十分な性能を発揮する薄膜共振器、薄膜フィルターは得られておらず、ＡｌＮ薄膜の音響的品質係数（Ｑ値）、周波数温度係数および挿入損失の改善が望まれている。音響的品質係数（Ｑ値）、広帯域動作、周波数温度特性の全てに優れ、高性能な共振特性を示す圧電体薄膜素子は提案されていない。電気機械結合係数は共振器やフィルターを構成する上での性能を左右する重要なパラメーターであり、使用する圧電体薄膜の膜品質に大きく依存する。
【０００７】
そこで、本発明は、弾性波の伝播速度が速いというＡｌＮ薄膜の特長を活かしつつ、電気機械結合係数が大きく、音響的品質係数（Ｑ値）に優れ、帯域幅、挿入損失などの特性面での向上に有利な圧電薄膜共振子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ＦＢＡＲまたはＳＢＡＲの共振特性に大きく影響を与える窒化アルミニウム薄膜（圧電体薄膜）の結晶性、配向性が、下部電極の材質や結晶性によってどのように影響を受けるか鋭意検討を行った結果、下部電極として、タンタルを主成分とする金属薄膜を使用し、この金属薄膜上に窒化アルミニウム薄膜を形成することにより、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０゜以下である高配向性、高結晶性のｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜が得られることを見出した。さらに、該金属薄膜を特定の結晶相または結晶化度に調製することにより、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が１．０〜２．３゜のさらに配向性、結晶性に優れたｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜が得られることを見出した。そして、これらの高配向性、高結晶性のｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜を使用することにより、低損失で、帯域幅、周波数温度特性に優れた高性能なＦＢＡＲまたはＳＢＡＲを実現できることを見出して、本発明に到達した。
【０００９】
即ち、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
タンタルを主成分とする厚さ２０００ｎｍ未満の金属薄膜の表面上に形成されたｃ軸配向を示す窒化アルミニウム薄膜であって、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０゜以下であることを特徴とする窒化アルミニウム薄膜、
が提供される。
【００１０】
本発明の一態様においては、前記タンタルを主成分とする金属薄膜のＸ線回折ピークにおいて、正方晶β相の（００２）回折ピークのピーク強度Ｉβと立方晶α相の（１１０）回折ピークのピーク強度Ｉαとの強度比Ｉα／Ｉβが０．１以下である。本発明の一態様においては、前記タンタルを主成分とする金属薄膜の結晶化度が１０％以下である。本発明の一態様においては、前記（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が１．０〜２．３゜である。本発明の一態様においては、前記タンタルを主成分とする金属薄膜の厚さが５０〜５００ｎｍである。本発明の一態様においては、前記窒化アルミニウム薄膜は、厚さが０．５〜３．０μｍである。
【００１１】
また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
圧電体薄膜が複数の金属電極の間に挟み込まれ、前記圧電体薄膜の周囲を支持することにより前記圧電体薄膜の中心部が橋架けされた構造を有する圧電薄膜共振子において、前記圧電体薄膜が（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０゜以下であるｃ軸配向の窒化アルミニウム薄膜であり、前記金属電極のうちの少なくとも１つは前記圧電体薄膜の表面と接する側に位置するタンタルを主成分とする厚さ２０００ｎｍ未満の金属薄膜を含んでなることを特徴とする圧電薄膜共振子、
が提供される。
【００１２】
更に、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
圧電体薄膜が複数の金属電極の間に挟み込まれ、前記圧電体薄膜の周囲を支持することにより前記圧電体薄膜の中心部が橋架けされた構造を有する圧電薄膜共振子において、前記圧電体薄膜が上記の窒化アルミニウム薄膜であり、前記金属電極のうちの少なくとも１つが上記のタンタルを主成分とする金属薄膜を含んでなることを特徴とする圧電薄膜共振子、
が提供される。
【００１３】
また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
振動空間を有する半導体あるいは絶縁体からなる基板と、該基板の前記振動空間に面する位置にて下部電極、圧電体薄膜および上部電極がこの順に積層されている圧電積層構造体とを備えている圧電薄膜共振子において、前記圧電体薄膜が上記の窒化アルミニウム薄膜であり、前記下部電極が上記のタンタルを主成分とする金属薄膜を含んでなることを特徴とする圧電薄膜共振子、
が提供され、更に
振動空間を有する半導体あるいは絶縁体からなる基板と、該基板の前記振動空間に面する位置にて下部電極、第１の圧電体薄膜、内部電極、第２の圧電体薄膜および上部電極がこの順に積層されている圧電積層構造体とを備えている圧電薄膜共振子において、前記第１及び第２の圧電体薄膜がいずれも上記の窒化アルミニウム薄膜であり、前記下部電極及び前記内部電極が上記のタンタルを主成分とする金属薄膜を含んでなることを特徴とする積層型圧電薄膜共振子、
が提供される。
【００１４】
これら本発明の一態様においては、前記圧電積層構造体は前記振動空間に面する位置にて酸化シリコンおよび／または窒化シリコンを主成分とする誘電体膜からなる絶縁体層を有する。
【００１５】
さらに、本発明によれば、以上のような圧電薄膜共振子や積層型圧電薄膜共振子を用いて構成されるＶＣＯ（電圧制御発振器）、フィルタおよび送受切替器が提供され、それらにおいて１ＧＨｚ以上の高い周波数での特性を著しく向上させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図であり、図２はそのＸ−Ｘ断面図である。これらの図において、圧電薄膜共振子１１は基板１２、該基板１２の上面上に形成された絶縁体層１３および該絶縁体層１３の上面上に形成された圧電積層構造体１４を有する。圧電積層構造体１４は絶縁体層１３の上面上に形成された下部電極１５、該下部電極１５の一部を覆うようにして絶縁体層１３の上面上に形成された圧電体薄膜１６および該圧電体薄膜１６の上面上に形成された上部電極１７からなる。基板１２には、空隙を形成するビアホール２０が形成されている。絶縁体層１３の一部はビアホール２０に向けて露出している。この絶縁体層１３の露出部分、およびこれに対応する圧電積層構造体１４の部分が振動部（振動ダイヤフラム）２１を構成する。また、下部電極１５および上部電極１７は、振動部２１に対応する領域内に形成された主体部１５ａ，１７ａ、及び該主体部１５ａ，１７ａと外部回路との接続のための端子部１５ｂ，１７ｂを有する。端子部１５ｂ，１７ｂは振動部２１に対応する領域以外の領域に位置する。
【００１８】
基板１２としては、Ｓｉ（１００）単結晶などの単結晶、またはＳｉ単結晶などの基材の表面にシリコン、ダイヤモンドその他の多結晶膜を形成したものを用いることができる。基板１２としては、その他の半導体さらには絶縁体を用いることも可能である。基板１２のビアホール２０の形成方法としては、基板下面側からの異方性エッチング法が例示される。なお、基板１２に形成される空隙は、ビアホール２０によるものには限定されず、振動部２１の振動を許容するものであればよく、該振動部２１に対応する基板上面領域に形成した凹部であってもよい。
【００１９】
絶縁体層１３としては、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）を主成分とする誘電体膜、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）を主成分とする誘電体膜、および酸化シリコンを主成分とする誘電体膜と窒化シリコンを主成分とする誘電体膜との積層膜を用いることができる。この絶縁体層１３の材質について、主成分とは、誘電体膜中の含有量が５０当量％以上である成分を指す。誘電体膜は、単層からなるものであってもよいし、基板との密着性を高めるための層などを付加した複数層からなるものであってもよい。絶縁体層１３の厚さは、例えば２０００ｎｍ未満であり、好ましくは１００〜３５０ｎｍである。絶縁体層１３の形成方法としては、シリコンからなる基板１２の表面の熱酸化法やＣＶＤ法が例示される。また、本発明においては、エッチングにより、振動部２１に対応する領域の絶縁体層１３を総て除去して、下部電極１５がビアホール２０に向けて露出した構造を採用することもできる。このように、振動部２１に対応する領域の絶縁体層１３を総て除去することにより、共振周波数の温度特性は若干悪化するものの、音響的品質係数（Ｑ値）が向上するという利点がある。
【００２０】
下部電極１５は、タンタルを主成分とする金属薄膜、或いはこれに必要に応じて該金属薄膜と絶縁体層１３との間に形成される密着金属層を積層したものにより構成され、その厚さは２０００ｎｍ未満で、例えば５０〜５００ｎｍであり、好ましくは１２０〜２５０ｎｍである。下部電極１５が厚すぎると、所定の共振周波数に調整して使用される圧電薄膜共振子の厚みに占める下部電極１５の厚さの割合が相対的に大きくなり、十分な帯域幅がとれなくなるばかりか、タンタルを主成分とする金属薄膜の表面が粗くなって、その上に形成する圧電体薄膜１６の結晶性の低下をもたらすことがある。圧電体薄膜１６は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成り、その厚さは例えば０．５〜３．０μｍであり、好ましくは１．２〜１．７μｍである。上部電極１７は、下部電極１５と同様のタンタルを主成分とする金属薄膜により構成することができるが、その他に、アルミニウム、白金、金などの材質から選ばれた金属からなる金属薄膜、或いはこれに必要に応じて該金属薄膜と圧電体薄膜１６との間に形成される密着金属層を積層したものにより構成され、その厚さは例えば５０〜５００ｎｍであり、好ましくは１００〜１８０ｎｍである。ここで、タンタルを主成分とする金属薄膜とは、９０原子％以上のタンタルを含有していることを意味する。上記の下部電極の密着金属層及び上部電極の密着金属層の材質としては、チタン、クロム、ニッケルなどが好適に利用される。
【００２１】
一般に圧電材料の圧電特性は、結晶性や配向性などの結晶性状に強く依存する。本発明で用いる圧電体薄膜においても、その圧電特性は薄膜を構成する結晶の粒子サイズ、配向性、結晶性などの結晶性状に依存すると考えられる。本明細書において単一配向膜とは、基板表面と平行に目的とする結晶面が揃っている結晶化膜のことを意味する。例えば、（０００１）単一配向膜は、膜面と平行に（０００１）面が成長している膜を意味する。具体的には、ディフラクトメーター法によるＸ線回折測定を行った場合に、ＡｌＮ結晶に起因した目的とする回折面以外の反射ピークがほとんど検出できないものを意味する。例えば、（０００Ｌ）単一配向膜、即ち、ｃ面単一配向膜は、θ−２θ回転のＸ線回折測定で（０００Ｌ）面以外の反射強度が（０００Ｌ）面反射の最大ピーク強度の５％未満、好ましくは２％未満、さらに好ましくは検出限界以下のものである。なお、（０００Ｌ）面は、（０００１）系列の面、即ち、（０００１）面、（０００２）面、（０００４）面などの等価な面を総称する表示である。
【００２２】
本発明者らは、図１及び図２に示す構成のＦＢＡＲにおいて、その共振特性が、下部電極１５の材質や結晶性とＡｌＮ薄膜１６の配向性、結晶性などの性状との両方にどのように依存するかについて検討した。図示のＦＢＡＲにおいて、下部電極１５として、スパッタ法または蒸着法により、必要に応じて形成される密着金属層と必須に形成されるタンタルを主成分とする金属薄膜とをこの順に積層した後、フォトリソグラフィ技術を用いてこれらの密着金属層及び金属薄膜を所定の形状にパターニングした。ＡｌＮ薄膜１６は、下部電極１５を形成した絶縁体層１３の上面に反応性スパッタ法により膜形成した後、フォトリソグラフィ技術を用いて、ビアホール２０上の部分を除く領域の一部分をエッチング除去することにより、所定の形状にパターニングした。上部電極１７は、ビアホール２０上に残ったＡｌＮ薄膜１６の上に形成した。上部電極１７は下部電極１５と同様にフォトリソグラフィ技術により所定の形状にパターニングした。
【００２３】
下部電極１５に使用されるタンタルを主成分とする金属薄膜は、スパッタ法や蒸着法で形成される。タンタルを主成分とする薄膜は、通常はＤＣマネトロンスパッタ法やＲＦマグネトロンスパッタ法により容易に形成できるが、蒸着法を用いる場合は融点が２９９０℃と高いため、抵抗加熱蒸着法では作製が困難で、電子ビーム蒸着法を用いることが必要である。結晶相としては、冶金的には立方晶α相がよく知られているが、薄膜特有の結晶相として凖安定相である正方晶β相も作製することができる。これらの２つの結晶相は、薄膜形成した場合、それぞれ（１１０）面と（００２）面とが基板面と平行に成長しやすい。また、成膜条件により、α相とβ相との混晶における相の割合（混晶比）や、α相またはβ相の単独の相の結晶化度を変化させることも可能である。さらには、一旦、凖安定相であるβ相を形成した後、熱処理やＡｌＮ薄膜を形成するときの基板加熱などの後工程を施すことにより、その結晶化度を低下させる（アモルファス状態に近づける）ことも可能である。この他に、混晶比や結晶化度の制御は、タンタルを主成分とする金属薄膜と絶縁体層１３との間の密着金属層の材質を変えることにより行ってもよい。
【００２４】
ここで、混晶比は、タンタルを主成分とする金属薄膜のＸ線回折測定の結果に基づき、正方晶β相タンタルの（００２）回折ピークのピーク強度Ｉβと立方晶α相（１１０）回折ピークのピーク強度Ｉαとの強度比Ｉα／Ｉβとして決定される。
【００２５】
また、結晶化度ｘ［％］は、Ｘ線回折測定（θ−２θスキャン）の結果に基づき、次式により決定される：
ｘ＝ΣＩｃ／ΣＩｃ１００×１００
ここで、
Ｉｃ：アモルファス相を含むα相及びβ相からの単位膜厚あたりの回折強度の和、
Ｉｃ１００：  アモルファス相を含まない１００％結晶質試料におけるα相及びβ相からの単位膜厚あたりの回折強度の和、
である。
【００２６】
本発明者らは、下部電極の材質、その結晶相の混晶比、及びその結晶化度に着目し、該下部電極上に形成した窒化アルミニウム薄膜の結晶性と、圧電薄膜共振子を構成した場合の電気機械結合係数ｋｔ２、音響的品質係数（Ｑ値）との関係を詳細に検討した。その結果、以下のことが判明した。
【００２７】
すなわち、下部電極１５としてタンタルを主成分とする金属薄膜を含むものを使用し、この金属薄膜上に窒化アルミニウム薄膜を形成することにより、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０゜以下である高配向性、高結晶性のｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜が得られ、これを用いて電気機械結合係数ｋｔ２と音響品質係数（Ｑ値）とが大きく、高性能の圧電薄膜共振子が作製できる。
【００２８】
さらに、この金属薄膜を特定の結晶相または結晶化度に調製することにより、以下に示すように、１．０〜２．３゜のさらに配向性、結晶性に優れたｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜が得られる。
【００２９】
即ち、タンタルを主成分とする金属薄膜の上記混晶比Ｉα／Ｉβを０．０２を越え０．１以下にすることにより、該金属薄膜上に形成されたｃ軸配向の窒化アルミニウム薄膜のＸ線回折により測定した（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）１．８〜２．３゜が得られ、これにより電気機械結合係数ｋｔ２と音響的品質係数（Ｑ値）とがさらに大きく、高性能の圧電薄膜共振子が作製できる。さらに好ましくは上記混晶比Ｉα／Ｉβを０．０２以下にすることにより、窒化アルミニウム薄膜のロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）１．０〜１．８゜が得られ、さらに電気機械結合係数ｋｔ２と音響的品質係数（Ｑ値）とが大きく、高性能の圧電薄膜共振子が作製できる。
【００３０】
また、上記混晶比に関する事項とは独立に、タンタルを主成分とする金属薄膜の結晶化度ｘが３％を越え１０％以下である場合、その金属膜上に形成されたｃ軸配向の窒化アルミニウム薄膜のＸ線回折により測定した（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）１．８〜２．３゜が得られ、これにより電気機械結合係数ｋｔ２と音響的品質係数（Ｑ値）とが大きく、高性能の圧電薄膜共振子が作製できる。さらに好ましくは、結晶化度ｘが３％以下になると、窒化アルミニウム薄膜のロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）１．０〜１．８゜が得られ、さらに電気機械結合係数ｋｔ２と音響的品質係数（Ｑ値）とが大きく、高性能の圧電薄膜共振子が作製できる。
【００３１】
図１及び図２に示す構成の圧電薄膜共振子では、圧電体薄膜１６の上下に位置する電極１５，１７間に電界を印加することで圧電体薄膜１６にバルク波を励振させている。この為、下部電極１５を端子電極とすべく、下部電極の一部を露出させることが必要である。この構成は共振器としてしか利用できず、フィルターにするには、２個以上の共振子を組み合わせる必要がある。
【００３２】
図３は本発明による圧電薄膜共振子の別の実施形態を示す模式的平面図であり、図４はそのＸ−Ｘ断面図である。これらの図においては、上記図１および図２におけると同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。
【００３３】
本実施形態では、下部電極１５は矩形に近い形状をなしており、上部電極１７は、第１の電極部１７Ａと第２の電極部１７Ｂとから成る。これら電極部１７Ａ，１７Ｂはそれぞれ主体部１７Ａａ，１７Ｂａと端子部１７Ａｂ，１７Ｂｂとを有する。主体部１７Ａａ，１７Ｂａは振動部２１に対応する領域内に位置しており、端子部１７Ａｂ，１７Ｂｂは振動部２１に対応する領域以外の領域に位置している。
【００３４】
本実施形態においても、上記図１及び図２の実施形態に関して説明したと同様な作用効果が得られる。
【００３５】
本実施形態では、上部電極１７のうちの一方（例えば第２の電極部１７Ｂ）と下部電極１５との間に入力電圧を印加し、上部電極１７のうちの他方（例えば第１の電極部１７Ａ）と下部電極１５との間の電圧を出力電圧として取り出すことができるので、これ自体をフィルターとして使用することができる。このような構成のフィルターを通過帯域フィルターの構成要素として使用することにより、阻止帯域減衰特性が良好となり、フィルターとしての周波数応答性が向上する。
【００３６】
図５は本発明による圧電薄膜共振子のさらに別の実施形態を示す模式的平面図であり、図６はそのＸ−Ｘ断面図である。これらの図においては、上記図１〜図４におけると同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。
【００３７】
本実施形態は、図１および図２に記載の実施形態の圧電積層構造体を２つ積層したものに相当する圧電積層構造体を有するＳＢＡＲである。即ち、絶縁体層１３上に下部電極１５、第１の圧電体薄膜１６−１、内部電極１７’、第２の圧電体薄膜１６−２および上部電極１８がこの順に形成されている。内部電極１７’は、第１の圧電体薄膜１６−１に対する上部電極としての機能と第２の圧電体薄膜１６−２に対する下部電極としての機能を有する。
【００３８】
本実施形態においても、上記図１及び図２の実施形態に関して説明したと同様な作用効果が得られる。
【００３９】
本実施形態では、下部電極１５と内部電極１７’との間に入力電圧を印加し、該内部電極１７’と上部電極１８との間の電圧を出力電圧として取り出すことができるので、これ自体を多極型フィルターとして使用することができる。このような構成の多極型フィルターを通過帯域フィルターの構成要素として使用することにより、阻止帯域の減衰特性が良好となり、フィルターとしての周波数応答性が向上する。
【００４０】
以上のような圧電薄膜共振子において、マイクロ波プローバーを使用して測定したインピーダンス特性における共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａと電気機械結合係数ｋｔ２との間には、以下の関係、
ｋｔ２＝φｒ／Ｔａｎ（φｒ）
φｒ＝（π／２）（ｆｒ／ｆａ）
がある。尚、簡単のため、電気機械結合係数ｋｔ２は、次式、
ｋｔ２＝４。８（ｆａ−ｆｒ）／（ｆａ＋ｆｒ）
から算出した。
【００４１】
図１及び図２、図３及び図４、並びに図５及び図６に示した構成のＦＢＡＲまたはＳＢＡＲにおいて、１．５〜２．５ＧＨｚの範囲における共振周波数と反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数ｋｔ２は例えば４．０〜６．５％であり好ましいものである。電気機械結合係数ｋｔ２が４．０％未満になると、作製したＦＢＡＲの帯域幅が小さくなり、高周波域で使用する圧電薄膜共振子として実用に供することが難しくなる傾向にある。
【００４２】
以下に実施例および比較例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
【００４３】
［実施例１］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００４４】
即ち、熱酸化法により、厚さ３００μｍの（１００）Ｓｉ基板１２の上下両面に厚さ１０００ｎｍのＳｉＯ２層を形成した後、第一面（上面）側のＳｉＯ２層のみをエッチングして、第一面側のＳｉＯ２層の厚さを３００ｎｍに調整した。このＳｉ基板の第一面上のＳｉＯ２絶縁体層１３上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法にて、ガス圧０．５Ｐａ、基板温度１５０℃の条件で厚さ２００ｎｍのＴａ薄膜を形成し、さらに、フォトリソグラフィーによりパターン化して下部電極１５を形成した。Ｘ線回折法により下部電極１５の結晶性を評価した結果、表２に示すごとく混晶比Ｉα／Ｉβは１．２１、結晶化度ｘは７２％であった。このＴａ薄膜からなる下部電極層１５上に、純度９９．９９９％のＡｌターゲットを用い、反応性ＲＦマグネトロンスパッタ法により、全ガス圧０．５Ｐａ、ガス組成Ａｒ／Ｎ２＝１／１、基板温度３００℃の条件で、厚さ１．３０μｍのＡｌＮ薄膜を形成した。Ｘ線回折法によりＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した結果、（０００２）面を初めとするｃ面に対応したピークのみ観測され、表２に示すごとくそのロッキングカーブ半値幅は２．９゜であった。次に、熱燐酸を使用した湿式エッチングにより、ＡｌＮ薄膜を所定の形状にパターン化して圧電体薄膜１６を形成した。次に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、厚さ１７０ｎｍ（Ｔｉ密着金属層を含む）のＡｌ／Ｔｉ層を形成し、フォトリソグラフィーにより、図１に示す形状にパターン化して上部電極１７を形成した。以上のようにして得られた構造体の上下部電極１５，１７とＡｌＮ圧電体薄膜１６との形成されている側をプロテクトワックスで被覆し、Ｓｉ基板１２の第二表面（下面）に形成された厚さ１０００ｎｍのＳｉＯ２層をパターニングして形成したマスクを用いて、振動部２１に対応するＳｉ基板１２の部分をＫＯＨ水溶液でエッチングしてビアホール２０を形成し、図１及び図２に記載の構造の薄膜圧電共振子を製造した。
【００４５】
表１に振動部２１を構成する各層の材質と厚み（但し、下部電極及び上部電極については、それらに付随する密着金属層をそれぞれ下部密着金属層及び上部密着金属層として分離して示す）を、表２に下部電極層１５のＴａを主成分とする金属薄膜の混晶比Ｉα／Ｉβ及び結晶化度ｘ、及びＡｌＮ圧電体薄膜１６の結晶性（即ち、（０００２）面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅）を記載した。
【００４６】
また、カスケード・マイクロテック社製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーとを使用して、上記薄膜圧電共振子の電極端子部１５ｂ，１７ｂ間のインピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から、電気機械結合係数ｋｔ２、および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数（共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａ）、電気機械結合係数ｋｔ２、および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
【００４７】
［実施例２］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００４８】
即ち、下部電極のためのＴａ薄膜を形成する時の基板温度を２００℃とした以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００４９】
［実施例３］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００５０】
即ち、下部電極のためのＴａ薄膜を形成する時の基板温度を２５０℃とした以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００５１】
［実施例４］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００５２】
即ち、下部電極のためのＴａ薄膜を形成する時に基板を加熱しなかった（基板温度１００℃以下）以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００５３】
［実施例５］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００５４】
即ち、下部電極１５に密着金属層としてのＣｒ層をも使用し、これをＤＣマグネトロンスパッタで形成した以外は、実施例４と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００５５】
［実施例６］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００５６】
即ち、絶縁体層１３として及びＳｉ基板１２の第二表面（下側）のビアホール形成用エッチングマスクとして低圧ＣＶＤ法によるＳｉＮｘ層を使用した以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００５７】
［実施例７］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００５８】
即ち、下部電極１５を形成した後にアルゴン雰囲気中で３００℃２時間の熱処理を行う工程を追加した以外は、実施例４と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００５９】
［実施例８］
本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００６０】
即ち、下部電極１５及び上部電極１７の形成に電子ビーム蒸着法を使用した以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００６１】
［実施例９］
本実施例では、以下のようにして、図３及び図４に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００６２】
即ち、上部電極１７を第１電極部１７Ａと第２電極部１７Ｂとからなるものとした以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。尚、インピーダンス特性の測定は、下部電極１５を共通電極（グランド）とし、上部電極第１電極部１７Ａと上部電極第２電極部１７Ｂとの間で行った。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００６３】
［実施例１０］
本実施例では、以下のようにして、図５及び図６に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００６４】
即ち、絶縁体層１３として及びＳｉ基板１２の第二表面（下側）のビアホール形成用エッチングマスクとして低圧ＣＶＤ法によるＳｉＮｘ層を使用した以外は実施例１と同様な方法で下部電極１５及び第１のＡｌＮ圧電体薄膜１６−１を形成した後、さらに下部電極１５と同様な条件で内部電極１７’を形成した。次に、第１のＡｌＮ圧電体薄膜１６−１と同様な条件で第２のＡｌＮ圧電体薄膜１６−２を形成した後、さらに実施例１と同様な方法で上部電極１８を形成することにより図５及び図６に記載の構造の薄膜圧電共振子を製造した。尚、インピーダンス特性の測定は、内部電極１７’を共通電極（グランド）とし、下部電極１５と上部電極１８との間で行った。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００６５】
［比較例１］
本比較例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００６６】
即ち、下部電極１５としてＡｕと密着金属層としてのＣｒとの積層体からなるものを使用した以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００６７】
［比較例２］
本比較例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００６８】
即ち、下部電極１５としてＰｔと密着金属層としてのＴｉとの積層体からなるものを使用した以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００６９】
［比較例３］
本比較例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００７０】
即ち、下部電極１５としてＡｌと密着金属層としてのＴｉとの積層体からなるものを使用した以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００７１】
［比較例４］
本比較例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の薄膜圧電共振子を作製した。
【００７２】
即ち、下部電極１５としてＮｉからなるものを使用した以外は、実施例１と同様な方法を用い、図１及び図２に記載の薄膜圧電共振子を製造した。詳細は、実施例１の場合と同様にして、表１及び表２に記載した。
【００７３】
尚、カスケード・マイクロテック社製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、上記薄膜圧電共振子の電極端子部１５ｂ，１７ｂ間のインピーダンス特性を測定したが、ＡｌＮ薄膜の結晶性が極端に悪いためか、共振ピークが観測されなかった。
【００７４】
【表１】
2004312611.tif 000003
【００７５】
【表２】
2004312611.tif 000004
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、タンタルを主成分とする金属薄膜を用いて下部電極を構成し、特にその結晶相及び／または結晶化度を所定の範囲にすることにより、それに接して形成されたｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜の配向性、結晶性を著しく向上させることができ、その結果、電気機械結合係数や音響品質係数（Ｑ値）に優れた圧電薄膜共振子が提供される。この圧電薄膜共振子を用いてＶＣＯ（電圧制御発振器）、フィルタおよび送受切替器を構成することにより、１ＧＨｚ以上の高い周波数での特性を著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ断面図である。
【図５】本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す模式的平面図である。
【図６】図５のＸ−Ｘ断面図である。
【符号の説明】
１１は圧電薄膜共振子
１２は単結晶または多結晶からなる基板
１３は絶縁体層
１４は圧電積層構造体
１５は下部電極
１５ａは下部電極主体部
１５ｂは下部電極端子部
１６は圧電体薄膜
１６−１は第１の圧電体薄膜
１６−２は第２の圧電体薄膜
１７は上部電極
１７ａは上部電極主体部
１７ｂは上部電極端子部
１７Ａは上部電極の第１電極部
１７Ａａは第１電極部の主体部
１７Ａｂは第１電極部の端子部
１７Ｂは上部電極の第２電極部
１７Ｂａは第２電極部の主体部
１７Ｂｂは第２電極部の端子部
１７’は内部電極
１８は上部電極
２０はエッチングによって基板に形成したビアホール
２１は振動部
【図１】
2004312611.tif 000005
【図２】
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【図３】
2004312611.tif 000007
【図４】
2004312611.tif 000008
【図５】
2004312611.tif 000009
【図６】
2004312611.tif 000010