(57)【要約】電極が１つの導電層を備える薄膜すなわちＦＢＡＲ型（１）または強固実装すなわちＳＢＡＲ型（８）、あるいは、電極が複数の導電層を備える所謂サンドイッチ構造（１７）の電気音響共振器（１，８，１７）であって、結合係数ｋｒが最適であり、したがって、フィルタ帯域幅が大きい電気音響共振器（１，８，１７）。最適な結合係数ｋｒは、上端電極（６，１５，２５）が下端電極（４，１３，２３）よりも薄い構造によって得られる。結合係数は、マスクによって規定される共振器のレイアウトとは無関係である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電層と、上端電極層と、下端電極層とを備えた層構造を有し、前記２つの電極層の厚さが等しくない電気音響共振器において、前記上端電極層が前記下端電極層よりも薄い、電気音響共振器。
【請求項２】
前記電気音響共振器は、強固実装共振器すなわちＳＢＡＲであり、あるいは、薄膜構造ＦＢＡＲを有している、請求項１に記載の電気音響共振器。
【請求項３】
前記電極層のうちの少なくとも１つは、導電材料の積層体によって形成されている、請求項１または２に記載の電気音響共振器。
【請求項４】
前記電極層における各層間には、導電性の薄い拡散バリアが形成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気音響共振器。
【請求項５】
前記積層体において、前記圧電層と接触する導電材料は、前記圧電層と接触しない導電材料よりも高い音響インピーダンスを有している、請求項３に記載の電気音響共振器。
【請求項６】
前記積層体において、前記圧電層と接触する導電材料は、前記圧電層と接触しない導電材料よりも低い音響インピーダンスを有している、請求項３に記載の電気音響共振器。
【請求項７】
低い音響インピーダンスを有する前記導電材料がアルミニウム（Ａｌ）を含んでいる、請求項５または６に記載の電気音響共振器。
【請求項８】
高い音響インピーダンスを有する前記導電材料は、白金（Ｐｔ）、ウォルフラム（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン−ウォルフラム（ＴｉｘＷ１−ｘ，０＜ｘ＜１）、金（Ａｕ）を含んでいる、請求項５または６に記載の電気音響共振器。
【請求項９】
前記電極層における各層間にある拡散バリアは、窒化チタン（ＴｉＮ）またはチタン（Ｔｉ）から成り、あるいは、窒化チタン（ＴｉＮ）とチタン（Ｔｉ）との組み合わせから成る、請求項５または６に記載の電気音響共振器。
【請求項１０】
前記電極層がモリブデン（Ｍｏ）を含み、２ＧＨｚの範囲の共振周波数において、上端モリブデン層の厚さは２００ｎｍの範囲にあり、下端モリブデン層の厚さは３００ｎｍの範囲にあり、これらの厚さは共振周波数とほぼ反比例して増減する、請求項１から９のいずれか一項に記載の電気音響共振器。
【請求項１１】
前記電極層が白金（Ｐｔ）を含み、２ＧＨｚの範囲の共振周波数において、上端白金層の厚さは５０ｎｍの範囲にあり、下端白金層の厚さは１５０ｎｍの範囲にあり、これらの厚さは共振周波数にほぼ反比例して増減する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気音響共振器。
【請求項１２】
無線周波数（ＲＦ）フィルタの部品として、あるいは、センサまたは超音波振動子または超音波振動子配列で使用される部品としての電気音響共振器、特に請求項１に記載された音響共振器の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気音波共振器に関する。共振器は、フィルタの基本的な構成要素である。
【背景技術】
【０００２】
薄膜バルク音波（ＢＡＷ）共振器フィルタは、特に２Ｇおよび３Ｇ携帯電話等の無線用途での無線周波数（ＲＦ）初期段階選択（ｆｒｏｎｔ−ｅｎｄ  ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）において関心が高まっている。この技術は、一体化および小型化において最良の可能性を与える。電気音響共振器の重要なパラメータのうちの１つは、その結合係数ｋｒであり、ｋｒ２＝［１−（ｆｒ／ｆａ）２］によって規定される。この方程式において、ｆｒおよびｆａは、共振器の共振および反共振、すなわち、最小インピーダンスの周波数および最大インピーダンスの周波数である。得られる最大のフィルタ帯域幅はｋｒ２に比例する。
【０００３】
ＢＡＷ共振器は、基本的に、圧電層に隣接する２つの電極層を備える層配列から成る。ＲＦ用途の場合、圧電層は、一般に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の材料から成る堆積層で構成される。堆積時間を減らすためには、適度に薄い圧電層が望ましい。薄膜圧電材料の欠点は、そのかなり低い結合率ｋｔである。共振器の結合係数ｋｒは結合率ｋｔに比例するため、電気音響共振器の設計は、薄膜圧電材料のかなり低い結合率ｋｔを補償するように最適化されなければならない。例えば、３Ｇ  ＵＭＴＳ受信（ＲＸ）帯域および送信（ＴＸ）帯域においては、高い結合係数ｋｒが必要である。
【０００４】
国際公開第０２／２３７２０Ａ１号は、第１の電極と、第２の電極と、これらの電極間に配置された圧電層とを備える共振器を開示している。圧電層と第１の電極との間には、第１の電極よりも高い音響インピーダンスを有する第１の音響圧縮層が配置されている。電極の十分に低い抵抗を保証するため、この文献は、電極が少なくとも２００ｎｍの厚さを有している点を明らかにしている。この場合、電極は、３００〜６００ｎｍの厚さを有するアルミニウム（Ａｌ）から成ることが好ましい。そのような電極により、電気抵抗が低くなり、音響圧縮層を設けることにより得られる結合率の僅かな低下が生じる。
【０００５】
米国特許第６，０５１，９０７号は、ウエハ上に配置された圧電薄膜音波共振器（ＦＢＡＲ（ｆｉｌｍ  ｂｕｌｋ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｗａｖｅ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ））を調整するための方法を開示している。この方法は、中心周波数が目標値と異なる場合には微調整のために使用され、上端電極をエッチングすることによって行なわれる。米国特許第６，０５１，９０７号において、ウエハ上に形成される前記圧電薄膜音波共振器の構造は、ウエハがダイスカットされる前に変更される。この方法によれば、ＦＢＡＲは、設計の許容誤差内にある直列共振周波数または並列共振周波数を示す。米国特許第６，０５１，９０７号の一実施例において、上端および下端電極の両方は、厚さが３００ｎｍのモリブデン（Ｍｏ）を含んでいる。この文献における微調整方法はＦＢＡＲの上端電極の薄化に基づいており、その結果、ＦＢＡＲの直列抵抗が大きくなるため、（Ｍｏの）上端電極を４００ｎｍの厚さに設計し、それに伴って、圧電材料、この場合には酸化亜鉛（ＺｎＯ）から成る層を薄くすることが提案されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、フィルタ帯域幅が大きい電気音響共振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、圧電層と上端および下端電極層とを備えた層構造を有し、前記２つの電極層の厚さが等しくなく、上端電極層が下端電極層よりも薄い電気音響共振器によって達成される。この構造においては、最大の共振器結合係数が得られる。加えられた電界（層に対して垂直な方向でほぼ一定）の空間的分布と音波（薄い電極間の中間面の周囲ではほぼコサイン波形であるが、最適な電極厚さにおいてはほぼ一定）に対して直接に結び付けられた電界の空間的分布との間における圧電層の内側の適合（整合）性の改善により、向上が見られる。
【０００８】
電気音響共振器は、強固実装薄膜共振器（ＳＢＡＲ（ｓｏｌｉｄｌｙ−ｍｏｕｎｔｅｄ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ））であっても良く、あるいは、圧電薄膜音波共振器（ＦＢＡＲ（ｆｉｌｍ  ｂｕｌｋ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｗａｖｅ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ））とも呼ばれる膜構造を有していても良い。ＦＢＡＲの層配列は、一般に、エッチング停止層／下端電極層／圧電層／上端電極層である。共振器の上下の自由空間界面に完全反射体を有することにより、エネルギが閉じ込められる。ＳＢＡＲの層配列は、一般に、基板／ブラッグ反射体／下端電極層／圧電層／上端電極層である。ブラッグ反射体は、機械インピーダンスが高い層と機械インピーダンスが低い層とが交互に配置されて成り、共振器の下側で必要な反射を行なう。上端電極の上側のマスローディング層は、一般的なフィルタ構造の共振器の一部に含まれている。マスローディング共振器は、非マスローディング共振器よりも僅かに低いｆｒ，ｆａを有している。全ての場合において、共振周波数は、圧電層の厚さにほぼ反比例する。一般的なＲＦ用途において、全ての層の厚さは、１００ｎｍ〜２０００ｎｍ程度である。基板の厚さは一般に０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度である。
【０００９】
電気音響共振器の電極層のうちの少なくとも１つは、２つ（またはそれ以上）の導電材料の積層体によって形成することができる。そのような構造をここでは「サンドイッチ」構造と称する。導電材料は、それが電気損失および帯域幅に影響を与えるため、注意深く選択しなければならない。
【００１０】
電気音響共振器の一実施形態において、電極層同士の間には、導電性の薄い拡散バリアが形成される。
【００１１】
更なる実施形態において、圧電層と接触する前記積層体の導電材料は、圧電層と接触しない導電材料よりも高い音響インピーダンスを有している。
【００１２】
他の実施形態において、圧電層と接触する前記積層体の導電材料は、圧電層と接触しない外側の導電材料よりも低い音響インピーダンスを有している。外側の導電材料は、共振器の表面を保護する金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）等の貴金属であることが好ましい。
【００１３】
低い音響インピーダンスを有する導電材料は、アルミニウム（Ａｌ）を含んでいることが好ましい。
【００１４】
高い音響インピーダンスを有する導電材料は、例えば、白金（Ｐｔ）、ウォルフラム（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン−ウォルフラム（ＴｉｘＷ１−ｘ，０＜ｘ＜１）、または、金（Ａｕ）を含んでいる。
【００１５】
電極層同士の間または電極同士の間にある拡散バリアは、窒化チタン（ＴｉＮ）またはチタン（Ｔｉ）から成っていても良く、あるいは、窒化チタン（ＴｉＮ）とチタン（Ｔｉ）との組み合わせから成っていても良い。
【００１６】
例えば、本発明の電気音響共振器は、中心周波数が１．９５ＧＨｚのフィルタにおいて使用することができる。これは、ＵＭＴＳ  ３Ｇ規格の送信（ＴＸ）帯域に対応する中心周波数である。この用途において、必要な帯域幅は、圧電層において窒化アルミニウムを使用して得られる最大値に非常に近い。
【００１７】
２ＧＨｚの範囲の中心周波数を有するフィルタにおいて使用する場合、１つの好ましい実施形態は、その電極層がモリブデンを含みかつ２ＧＨｚの範囲の共振周波数において上端層の厚さが２００ｎｍの範囲にあり下端層の厚さが３００ｎｍの範囲にあると共にこれらの厚さが共振周波数とほぼ反比例して増減する電気音響共振器である。
【００１８】
他の好ましい実施形態は、その電極層が白金を含みかつ２ＧＨｚの範囲の共振周波数において上端層の厚さが５０ｎｍの範囲にあり下端層の厚さが１５０ｎｍの範囲にあると共にこれらの厚さが共振周波数とほぼ反比例して増減する電気音響共振器である。
【００１９】
本発明の電気音響共振器は、無線周波数（ＲＦ）フィルタの部品として、あるいは、センサまたは超音波振動子または超音波振動子配列で使用される部品として使用されても良い。
【００２０】
本発明のこれらの態様および他の態様は後述する実施形態から明らかとなり、以下、当該実施形態を参照して前記態様について説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１はＦＢＡＲ１における層配列を示している。ＦＢＡＲ１は、下端から上端に向かって、基板２と、エッチング停止層３と、下端電極層４と、圧電層５と、上端電極層６と、マスローディング（ｍａｓｓ−ｌｏａｄｉｎｇ）層７とから成る。図示のように、ＦＢＡＲ１においては、電極層４，６の厚さが等しくなく、上端電極６がＴ１の厚さを有し、下端電極４がＴ２の厚さを有している。本発明において、Ｔ１はＴ２よりも小さい。この非対称な構成により、共振器は、最大結合係数を得ることができ、したがって、最大のフィルタ帯域幅を与えることができる。
【００２２】
図２はＳＢＡＲ８における層配列を示している。ＳＢＡＲ８は、下端から上端に向かって、基板９と、機械インピーダンスが高い層１１と機械インピーダンスが低い層１２とが交互に配置されて成るブラッグ反射鏡等の音響ミラー１０と、下端電極層１３と、圧電層１４と、上端電極層１５と、マスローディング層１６とから成る。図示のように、ＳＢＡＲ８においては、電極層１３，１５の厚さが等しくなく、上端電極１５がＴ３の厚さを有し、下端電極１３がＴ４の厚さを有している。本発明において、Ｔ３はＴ４よりも小さい。
【００２３】
図３はサンドイッチＳＢＡＲ１７の層配列を示している。ＳＢＡＲ１７は、下端から上端に向かって、基板１８と、機械インピーダンスが高い層２０と機械インピーダンスが低い層２１とが交互に配置されて成るブラッグ反射鏡等の音響ミラー１９と、下端外側電極層２２と、下端内側電極層２３と、圧電層２４と、上端内側電極層２５と、上端外側電極層２６と、マスローディング層２７とから成る。図示のように、サンドイッチＳＢＡＲ１７においては、外側電極層２２，２６の厚さが等しく、内側電極層２３，２５の厚さが等しくない。この場合、内側上端電極２５がＴ５の厚さを有し、内側下端電極２３がＴ６の厚さを有している。電極２２，２３同士の間および／または電極２５，２６同士の間には、例えばＴｉＮ層から成る拡散バリアまたはＴｉ層とＴｉＮ層との組み合わせから成る拡散バリアが存在していても良い。この拡散バリアは、２つの電極材料２２，２３または２５，２６のそれぞれの相互拡散を回避するものである。薄い拡散バリアの厚さは、１０〜３０ｎｍであり、共振器の性能を実質的に変化させない。
【００２４】
マスローディング層（図１の７、図２の１６、図３の２７）は、典型的なフィルタの複数ある共振器の一部に含まれている。残りの共振器はマスローディングされない。
【００２５】
本発明では、ＵＭＴＳ  ３Ｇ規格のＴＸ帯域において１．９５ＧＨｚフィルタが例として挙げている。この用途の場合、必要な帯域幅は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を使用して得られる最大値に非常に近い。基本的に、マスローディング共振器および非マスローディング共振器においては、異なる最適な層の組み合わせが必要である。最適な組み合わせは、ラダー形態のフィルタおよびラティス形態のフィルタの両方に適用することができる。
【００２６】
図４は、図２に示されるフィルタの非マスローディングＳＢＡＲ８の上端電極１５の厚さＴ３および下端電極１３の厚さＴ４と結合係数ｋｒとの間の関係を表わす表を示している。電極材料は、窒化アルミニウムの音響インピーダンスの約２倍の音響インピーダンスを有するモリブデン（Ｍｏ）であり、また、その上に非常に質の高い窒化アルミニウム層を成長させることができる。ブラッグ反射鏡の高インピーダンス層および低インピーダンス層として五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）および二酸化珪素（ＳｉＯ２）が使用される。表によれば、モリブデンの最適な厚さは、上端電極１５に関してはＴ３＝２００ｎｍの範囲にあり、下端電極１３に関してはＴ４＝３００ｎｍの範囲にあるのが分かる。この組み合わせにおいて、窒化アルミニウムの対応する厚さは１４１０ｎｍであり、ｋｒの対応する最大値は０．２２６である。
【００２７】
図５は、フィルタのマスローディング共振器ＳＢＡＲ８における上端電極１５の厚さＴ３および下端電極１３の厚さＴ４と結合係数ｋｒとの間の関係を表わす表を示している。この場合も、モリブデンの最適な厚さは、上端電極１５に関してはＴ３＝２００ｎｍの範囲にあり、下端電極１３に関してはＴ４＝３００ｎｍの範囲にあるのが分かる。その結果、ｋｒの最大値は０．２２２である。マスローディング層厚は１５０ｎｍである。他の層厚は、図４で説明した非マスローディングＳＢＡＲの場合と同じである。
【００２８】
前述した最適な等しくない厚さＴ３，Ｔ４を使用する結合係数ｋｒの増大は、モリブデンの代わりにウォルフラム（Ｗ）が使用される場合に更に大きくなる。これは、ウォルフラムがモリブデンの機械インピーダンスよりも約７０％高い機械インピーダンスを有しているからである。
【００２９】
次に、サンドイッチＳＢＡＲを使用する同じ中心周波数におけるフィルタの実施について考える。
【００３０】
図６は、フィルタの非マスローディングサンドイッチＳＢＡＲ１７における上端電極２５の厚さＴ５および下端電極２３の厚さＴ６と結合係数ｋｒとの間の関係を表わす表を示している。外側電極層２２，２６はアルミニウムから成り、圧電（ＡｌＮ）層２４に隣接する内側電極層２３，２５は白金（Ｐｔ）から成る。低い電気抵抗を適切に得るために、アルミニウム層２２，２６を同じ厚さにすることを提案する。ここでは、アルミニウム層２２，２６の厚さが２００ｎｍに設定される。上端電極層２５および下端電極層２３は可変である。最適な結合係数ｋｒは、上端電極２５に関しては約Ｔ５＝５０ｎｍの値を用いて得られ、下端電極２３に関しては約Ｔ６＝１５０ｎｍの値を用いて得られる。電極２２，２３同士の間および／または電極２５，２６同士の間には、例えばＴｉＮ層から成る拡散バリアまたはＴｉ層とＴｉＮ層との組み合わせから成る拡散バリアが存在していても良い。この拡散バリアは、２つの電極材料２２，２３または２５，２６のそれぞれの相互拡散を回避するものである。薄い拡散バリアの厚さは、１０〜３０ｎｍであり、共振器の性能を実質的に変化させない。
【００３１】
図７は、フィルタのマスローディングＳＢＡＲ１７における上端電極２５の厚さＴ５および下端電極２３の厚さＴ６と結合係数ｋｒとの間の関係を表わす表を示している。この場合も同様に、最適な結合係数ｋｒは、上端電極２５に関しては約Ｔ５＝５０ｎｍの値を用いて得られ、下端電極２３に関しては約Ｔ６＝１５０ｎｍの値を用いて得られる。他の層厚は、図６で説明した非マスローディングサンドイッチＳＢＡＲの場合と同じである。
【００３２】
マスローディングおよび非マスローディングの両方のサンドイッチＳＢＡＲにおいて、内側Ｐｔ電極の最適な厚さは、Ａｌ外側電極２２，２６の厚さとはほぼ無関係である。１００ｎｍ，２００ｎｍ，３００ｎｍの最適なＰｔ層厚およびＡｌ層厚において、結合係数はそれぞれｋｒ＝０．２２０，０．２１６，０．２０２である。
【００３３】
簡単に言うと、本発明は、結合係数ｋｒが最適な、単層電極（１，８）を有する薄膜すなわちＦＢＡＲ型（１）または強固実装すなわちＳＢＡＲ型（８）あるいは多層電極サンドイッチ構成（１７）から成る圧電薄膜（薄膜バルク）音波共振器（１，８，１７）であると言える。したがって、このような共振器を組み込んだフィルタの帯域幅は大きくなる。最適な結合係数ｋｒは、上端電極（６，１５，２５）が下端電極（４，１３，２３）よりも薄い構造によって得られる。結合係数は共振器のレイアウトとは無関係である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】ＦＢＡＲにおける層配列を示している。
【図２】ＳＢＡＲにおける層配列を示している。
【図３】サンドイッチＳＢＡＲにおける層配列を示している。
【図４】非マスローディングＳＢＡＲにおける上端および下端電極の厚さと結合係数との間の関係を表わす表を示している。
【図５】マスローディングＳＢＡＲにおける上端および下端電極の厚さと結合係数との間の関係を表わす表を示している。
【図６】非マスローディングサンドイッチＳＢＡＲにおける上端および下端電極の厚さと結合係数との間の関係を表わす表を示している。
【図７】マスローディングサンドイッチＳＢＡＲにおける上端および下端電極の厚さと結合係数との間の関係を表わす表を示している。
【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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【国際調査報告】
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2006510296.tif 000011
2006510296.tif 000012