(57)【要約】【課題】下部電極表面の清浄性、平滑性を保持する保護膜を形成することで、配向性に優れた圧電体層の形成を可能とする。【解決手段】少なくとも１層の導電層から成る下部電極１５と、該下部電極１５の上面に形成された少なくとも１層から成る圧電体層１６と、該圧電体層１６の上面に形成された少なくとも１層の導電層から成る上部電極１７との積層体で構成された薄膜バルク音響共振器１０の製造方法において、前記下部電極１５を形成するための下部電極層１３を形成した後でその下部電極層１３をパターニングして下部電極１５を形成する前に、前記下部電極層１３上に保護膜１４を形成する工程と、前記保護膜１４とともに前記下部電極層１３をパターニングして前記保護膜１４に被覆された下部電極１５を形成する工程とを備えた製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１層の導電層から成る下部電極と、該下部電極の上面に形成された少なくとも１層から成る圧電体層と、該圧電体層の上面に形成された少なくとも１層の導電層から成る上部電極との積層体で構成された薄膜バルク音響共振器の製造方法において、
前記下部電極を形成するための下部電極層を形成した後でその下部電極層をパターニングして下部電極を形成する前に、前記下部電極層上に保護膜を形成する工程と、
前記保護膜とともに前記下部電極層をパターニングして前記保護膜に被覆された下部電極を形成する工程と
を備えたことを特徴とする薄膜バルク音響共振器の製造方法。
【請求項２】
前記保護膜を前記圧電体層と同じ材質の膜で形成する
ことを特徴とする請求項１記載の薄膜バルク音響共振器の製造方法。
【請求項３】
前記保護膜および前記圧電体層を窒化アルミニウムもしくは酸化亜鉛で形成する
ことを特徴とする請求項１記載の薄膜バルク音響共振器の製造方法。
【請求項４】
前記保護膜を３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の膜厚に形成する
ことを特徴とする請求項１記載の薄膜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、圧電体層が示す電気音響効果を利用した薄膜バルク音響共振器の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話や個人用携帯情報端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistance）機器の高機能化・高速化に伴い、これら通信機器に内蔵される数１００ＭＨｚ−数ＧＨｚ動作の高周波フィルタにはこれまでに増して小型化・低コスト化の要求がある。この要求を満たす高周波フィルタの有力候補が、半導体製造技術を用いて形成できる薄膜バルク音響共振器（Thin Film Bulk Acoustic Resonator、以下ＦＢＡＲと記す）を用いたフィルタである。
【０００３】
このＦＢＡＲの代表例として空気ブリッジ型と呼ばれる構造がある（例えば、非特許文献１参照。）。この構造を図６によって説明する。なお、図６（１）は平面レイアウト図を示し、図６（２）は（１）図中のＢ−Ｂ’線断面の概略構成断面図を示す。また（１）図では、下部電極１１１と上部電極１１３の配置を示し、圧電体層１１２の図示は省略している。
【０００４】
図６に示すように、高抵抗シリコンや高抵抗ガリウム砒素から成る支持基板１１０上に、厚さ０．５μｍ−３μｍ程度の空気層１２１を包含するように、厚さ０．１μｍ−０．５μｍ程度の下部電極１１１が形成され、その上部に厚さ１μｍ−２μｍ程度の圧電体層１１２、厚さ０．１μｍ−０．５μｍ程度の上部電極１１３が形成されて、薄膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）１００が構成されている。上記下部電極１１１、圧電体層１１２、上部電極１１３は、半導体製造分野で周知のスパッタ堆積技術やレジストをマスクとした各種エッチング技術を用いて順次に形成される。
【０００５】
上記各電極材料には、例えば、モリブテン、タングステン、タンタル、チタン、白金、ルテニウム、金、アルミニウム、銅などの金属材料が用いられ、圧電体材料には、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化カドニウム、チタン酸ジルコン酸鉛〔Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3：ＰＺＴ〕などが用いられる。
【０００６】
上記上部電極１１３と下部電極１１１とが空間的に重なり合った領域（すなわちＦＢＡＲとして動作する領域）の直下には上記空気層１２１が形成されているので、上部電極１１３と同様に下部電極１１１も空気と接する境界面を持っている。この空気層１２１は、支持基板１１０の上面に空気層１２１の形状に形成されたシリコン酸化膜、リンシリケートガラス（ＰＳＧ）膜、ホウ素リンシリケートガラス（ＢＰＳＧ）膜、ＳＯＧ（Spin on ｇlass）膜などをビアホール１３１を通してフッ酸（ＨＦ）水溶液でエッチング除去することで形成される。
【０００７】
次に、ＦＢＡＲの動作を概説する。上部電極１１３と下部電極１１１との間に交流電圧を印加して時間的に変化する電界を圧電体層１１２の内部に生じさせると、圧電体層１１２は電気的エネルギーの一部を弾性波（以下、音波と記す）という形の機械的エネルギーへ変換する。この機械的エネルギーは、電極面の垂直方向である圧電体層１１２の膜厚方向に伝搬され、再び電気的エネルギーへと変換される。
【０００８】
この電気／機械のエネルギー変換過程でその効率が優れる特定の周波数が存在し、この周波数を持つ交流電圧を印加したとき、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）は極めて低いインピーダンスを示す。この特定の周波数は一般に共振周波数（γ）と呼ばれ、その値は、一次近似として上部電極１１３と下部電極１１１の存在を無視したとき、γ＝Ｖ／（２ｔ）で与えられる。ここで、Ｖは圧電体層１１２中の音波の速度、tは圧電体層１１２の厚さである。音波の波長をλとすると、Ｖ＝γλの関係式が成立することから、t＝λ／２となる。これは圧電体層１１２中で誘起された音波が圧電体層／電極の境界面で上下に反射を繰り返し、丁度その半波長に対応した定在波が形成されていることを意味する。換言すれば、半波長の定在波が立っている音波の周波数と交流電圧の周波数が一致したときが共振周波数γとなる。
【０００９】
上記共振周波数でＦＢＡＲのインピーダンスが極めて小さくなることを利用した電子機器として、複数のＦＢＡＲをラダー構成に組み、所望の周波数帯域にある電気信号のみを低損失で通過させるバンドパスフィルタが非特許文献１で開示されている。
【００１０】
この低損失のバンドパスフィルタを実現するに当たり、圧電体層の配向性を如何に高めるかが大きな課題となる。配向性が高いほど圧電体層を構成する微小領域の結晶軸がそろっており、効率的に電気／機械のエネルギー変換が行われ、損失係数であるＱ値が上がるからである。配向性を示す指標として、例えば圧電体層が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）で形成されている場合、結晶軸であるＣ軸と直交する(０００２)面にＸ線を入射し、その回折光が示す強度分布の半値幅（以下、ＦＷＨＭと記す。ＦＷＨＭはFull Width Half Maximumの略）を用いるのが一般的である。このＦＷＨＭによる評価を用い、圧電体層の配向性がその下地膜である下部電極の表面の凹凸に強く影響されることが示されている（例えば、非特許文献２参照。）。
【００１１】
この非特許文献２は下部電極自身の表面の凹凸に注目した結果のみに言及しているが、たとえ下部電極の表面が平坦化された状態で形成されたとしても、製造工程中に異物等が表面に付着し、結果的に表面が粗くなると、その上に堆積する圧電体層の配向性が低下する。事実、ＦＢＡＲの製造工程では、圧電体層を堆積する前に、リソグラフィー工程、レジストをマスクとしたエッチング工程、レジスト除去工程など各種工程を経て下部電極を所望の平面形状に加工するため、下部電極の表面に異物等が付着する可能性が極めて高い。これを実験で確認した一例を示す。
【００１２】
下部電極となる厚さ３００ｎｍ前後のモリブデン（Ｍｏ）をスパッタ堆積後、所望の平面形状に加工せず、連続して厚さ１μｍ前後の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜をスパッタ堆積した場合の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜のＦＷＨＭと、モリブデン（Ｍｏ）をスパッタ堆積後に下部電極形成に必要な各種工程を通した後、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜をスパッタ堆積した場合の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜のＦＷＨＭを比較した。明らかに、実際の製造に沿った工程を経ると、ＦＷＨＭは２倍近く増大しており、配向性が大きく低下している。
【００１３】
前記の実験結果が示すように、従来の製造工程で下部電極を形成すると、その表面は平坦で且つ清浄面でなく、下部電極の上面に堆積した圧電体層の配向性が低下する。その結果、ＦＢＡＲの電気的特性指標であるＱ値も低下し、ＦＢＡＲで構成したバンドパスフィルタの挿入損が増大していた。
【００１４】
【非特許文献１】K. M. Lakin著「Thin Film Resonators and Filters」Proceedings of the 1999 IEEE Ultrasonics Symposium, Vol.2, p.895-906  １９９９年１０月
【非特許文献２】Jae Bin Lee, Sang Hyun Kwak and Hyeong Joon Kim著「Effects of surface roughness of substrates on the c-axis preferred orientation of ZnO films deposited by r.f. magnetron sputtering」Thin Solid Films, Vol.423, p.262-266  ２００３年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
解決しようとする問題点は、下部電極表面の清浄性を保持することができないために下部電極の上面に堆積した圧電体層の配向性が低下していた結果、ＦＢＡＲの電気的特性指標であるＱ値も低下し、ＦＢＡＲで構成したバンドパスフィルタの挿入損が増大していた点である。
【００１６】
本発明は、下部電極表面の清浄性を保持して下部電極上に圧電体層を形成することを可能にして、ＦＢＡＲの電気的特性指標であるＱ値を向上させ、ＦＢＡＲで構成したバンドパスフィルタの挿入損を低減することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の薄膜バルク音響共振器の製造方法は、少なくとも１層の導電層から成る下部電極と、該下部電極の上面に形成された少なくとも１層から成る圧電体層と、該圧電体層の上面に形成された少なくとも１層の導電層から成る上部電極との積層体で構成された薄膜バルク音響共振器の製造方法において、前記下部電極を形成するための下部電極層を形成した後でその下部電極層をパターニングして下部電極を形成する前に、前記下部電極層上に保護膜を形成する工程と、前記保護膜とともに前記下部電極層をパターニングして前記保護膜に被覆された下部電極を形成する工程とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
本発明の薄膜バルク音響共振器の製造方法は、下部電極を形成するための下部電極層を形成した後でその下部電極層をパターニングして下部電極を形成する前に、下部電極層上に保護膜を形成するため、下部電極層をパターニングして下部電極を形成する際に下部電極層表面は保護膜で保護されるので、下部電極表面の清浄性が保持される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の薄膜バルク音響共振器の製造方法は、下部電極を形成するための下部電極層を形成した後でその下部電極層をパターニングして下部電極を形成する前に、下部電極層上に保護膜を形成するため、下部電極層をパターニングして下部電極を形成する際に下部電極層表面は保護膜により各種工程で薬品や空気などに曝露されることなく保護されて、下部電極表面の清浄性が保持されるので、電気的特性指標であるＱ値を向上させた薄膜バルク音響共振器を構成することができる。これによって、挿入損失が小さい高品質のバンドパスフィルタを高歩留まりで製造できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の薄膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）の製造方法に係る一実施の形態の一例を、図１および図２の製造工程断面図によって説明する。
【００２１】
図１（１）に示すように、支持基板１１の上面に後の工程で空気層を形成するための犠牲層を成膜した後、通常のリソグラフィー技術によるレジストマスクの形成とこのレジストマスクを用いたエッチング技術により上記犠牲層をパターニングして、犠牲層パターン１２を形成する。この犠牲層パターン１２は、例えば角錐台状に形成される。上記犠牲層パターン１２は、例えばフッ酸でエッチングが可能な、例えば酸化シリコン系の膜で形成する。例えば、ＳＯＧ（Spin on ｇlass）膜を１μｍの厚さに成膜して形成する。その他、ＣＶＤ法によるシリコン酸化膜、リンシリケートガラス（ＰＳＧ）膜、ホウ素リンシリケートガラス（ＢＰＳＧ）膜等で形成することもできる。
【００２２】
次に、図１（２）に示すように、上記犠牲層パターン１２を被覆するように、上記支持基板１１上に下部電極層１３を形成する。この下部電極層１３は、例えばＤＣマグネトロンスパッタリング法等により、例えばモリブデン（Ｍｏ）を、例えば２３０ｎｍの厚さに堆積して形成する。上記下部電極層１３には、モリブテンの他に、タングステン、タンタル、チタン、白金、ルテニウム、金、アルミニウム、銅などの金属材料を用いることができる。また、上記下部電極層１３は複数層の電極材料で形成することもできる。
【００２３】
続いて、上記下部電極層１３を形成した雰囲気の真空を破らずに、上記下部電極層１３上に保護膜１４を成膜する。この保護膜１４は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を、例えば１００ｎｍの厚さに堆積して形成する。上記保護膜１４は、上記窒化アルミニウムの他に、例えば酸化亜鉛で形成することができる。また、上記保護膜１４の膜厚は、例えば、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下に形成することが好ましい。この理由については、後に詳述する。
【００２４】
次に、上記保護膜１４上にレジスト塗布およびリソグラフィー技術によって薄膜バルク音響共振器パターンに加工する際に用いるレジストマスク（図示せず）を形成する。その後、図１（３）に示すように、レジストマスク（図示せず）を用いたエッチングにより上記保護膜１４および下部電極層１３を加工する。上記エッチングは、例えばハロゲン系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる保護膜１４とモリブデン（Ｍｏ）膜からなる下部電極層１３を順次にエッチングし、薄膜バルク音響共振器パターンを構成する所望の平面形状を有する下部電極１５を形成する。この下部電極１５上には下部電極１５と平面レイアウト的にみて同形状の保護膜１４が形成されている。その後、上記レジストマスクを例えば酸素プラズマおよび薬液洗浄で除去する。
【００２５】
次に、図１（４）に示すように、上記保護膜１４を被覆するように圧電体層１６を形成する。この圧電体層１６は、例えばＤＣパルススパッタリング法により、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を、例えば１．１μｍの厚さに堆積して形成する。これにより窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜の厚さは、先に形成した保護膜１４と併せて全体として１．２μｍとなる。この厚電体層１６の膜厚でＦＢＡＲの共振周波数がほぼ決定される。この窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜のスパッタ成膜条件は、一例として、成膜雰囲気の圧力を約０．２６７ｍＰａ、アルゴンガスと窒素ガスの流量比を１：７、スパッタパワーを５ｋＷ〜１０ｋＷ、基板バイアス電圧を３０Ｖ〜４０Ｖに設定する。
【００２６】
下記の表１に示すように、上記製造方法で形成される下部電極１５の場合、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜の配向性を示すＦＷＨＭは１．２度〜１．３度の範囲に収まっており、保護膜１４を形成しない従来技術により下部電極を形成した場合に得られた１．７度と比較してかなり小さくなる。この結果から下部電極１５の表面を薄い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜からなる保護膜１４で保護した効果が現われているといえる。すなわち、下部電極１５表面の清浄性、平滑性が保持された状態で、圧電体層１６と同材料からなる保護膜１４が形成されているので、下部電極１５表面の清浄性、平滑性を保持された状態で圧電体層１６が形成されたことになる。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
次に、図２（５）に示すように、上記圧電体層１６上に上部電極を形成するための上部電極層を形成する。この上部電極層は、例えばＤＣマグネトロンスパッタリング法により、例えばモリブデン（Ｍｏ）を、例えば２８０ｎｍの厚さに堆積して形成する。上記上部電極層には、モリブテンの他に、タングステン、タンタル、チタン、白金、ルテニウム、金、アルミニウム、銅などの金属材料を用いることができる。また、上記上部電極層は複数層の電極材料で形成することもできる。その後、レジスト塗布およびリソグラフィー技術によって、上部電極を形成するためのレジストマスク（図示せず）を形成した後、このレジストマスク用いたエッチング技術により、上記上部電極層をパターニングして上部電極１７を形成する。このエッチングは、一例として、エッチングガスにハロゲン系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で行う。その後、上記レジストマスクを除去する。
【００２９】
次に、図２（６）に示すように、レジスト塗布およびリソグラフィー技術によって、犠牲層パターン１２を除去する際に必要となるビアホールを形成するためのレジストマスク（図示せず）を形成した後、このレジストマスク用いたエッチング技術により、上記圧電体層１６（保護膜１４も含む）および下部電極１５を貫通して犠牲層パターン１２に達するビアホール１８を形成する。このエッチングは、一例として、エッチングガスにハロゲン系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で行う。
【００３０】
次に、図２（７）に示すように、上記レジストマスクを除去する。その後、ビアホール１８を通して犠牲層パターン１２〔前記図２（６）参照〕を除去する。この犠牲層パターンの除去加工は、例えばフッ酸（ＨＦ）水溶液によるウエットエッチングによる。このエッチングによりで犠牲層パターン１２が完全に除去され、この除去された部分に空間１９が形成される。すなわち、上記支持基板１１と下部電極１５との間に上記空間１９が形成される。
【００３１】
このようにして、図３（１）、（２）に示すように、支持基板１１上に空間１９を包含するように形成された下部電極１５と、上記下部電極１５を覆うように上記支持基板１１の一部領域上に形成された圧電体層１６と、上記空間１９上部の圧電体層１６上より上記支持基板１１の一部領域上にかけて形成された上部電極１７と、犠牲層パターン１２〔前記図１の（１）参照〕をエッチング除去するためのビアホール１８とから、空気ブリッジ型構造の薄膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）１０が構成される。なお、図３（１）は平面レイアウト図を示し、図３（２）は（１）図中のＡ−Ａ’線断面の概略構成断面図を示す。また（１）図では、下部電極１５と上部電極１７の配置を示し、圧電体層１６および保護膜１４の図示は省略している。
【００３２】
上記説明した本発明の製造方法の特徴は、圧電体層１６を構成する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜の配向性の向上が得られることと、バンドパスフィルタに本発明の製造方法により形成されたＦＢＡＲ１０を適用した結果もたらされる品質係数Ｑ値の大幅な改善である。このＱ値が大きいほど、バンドパスフィルタの通過周波数帯域における挿入損失が小さくなり、バンドパスフィルタの性能が向上する。
【００３３】
次に、実測に基づく窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜の配向性とＱ値との関係を図４に示す。
【００３４】
図４に示すように、本発明の製造方法では、下部電極１５の直上に、圧電体層１６と同材質の窒化アルミニウムからなる薄膜の保護膜１４を形成することで、ＦＷＨＭとして１．２度〜１．３度が得られており、Ｑ値として１３００〜２０００が達成されている。従来の製造方法で得られていたＦＷＨＭが１．７度ではＱ値が５００程度であり、２倍以上の高Ｑ値が達成されていることが分かる。
【００３５】
次に、実測に基づく（２００）配向の窒化アルミニウム膜の配向性（ＦＷＨＭ）と保護膜の膜厚との関係を図５に示す。
【００３６】
図５に示すように、本発明の製造方法では、保護膜１４の膜厚が３０ｎｍ以上に形成することで、ＦＷＨＭとして１．２度〜１．３度が得られる。前記図４によって説明したように、ＦＷＨＭが１．２度〜１．３度でＱ値が１３００〜２０００となり、従来の製造方法で得られていた２倍以上の高Ｑ値が達成される。また、保護膜１４の膜厚は、この保護膜１４を圧電体層１６の一部として用いることから、１００ｎｍ程度を上限とすることが好ましい。さらに、確実に１．２度〜１．３度程度のＦＷＨＭを得るためには、安全率を見込んで、保護膜１４の膜厚は５０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００３７】
以上説明したように、本発明の薄膜バルク音響共振器の製造方法では、下地層の表面凹凸に品質が強く依存する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜からなる圧電体層１６を高配向で形成するために、圧電体層１６の下地となる下部電極表面が、下部電極１５を形成する際に用いるホトリソグラフィー工程やエッチング工程、更には洗浄工程を経ても平滑で且つ清浄な表面を保てるように、下部電極１５を形成する下部電極層１３〔前記図１（２）参照〕と、圧電体層１６と同材質の保護膜１４とを成膜雰囲気の真空を破ることなく連続して形成することによって、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜が擬似エピタキシャル成長できるように、下部電極層１３の表面に薄い窒化アルミニウムからなる保護膜１４を設けることが極めて有効となる。この保護膜１４としては窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜以外に、酸化亜鉛膜を用いることができ、酸化亜鉛膜を用いても、窒化アルミニウム膜と同様の効果が期待できる。保護膜１４を酸化亜鉛膜で形成した場合には、保護膜１４上面に堆積する圧電体層１６は保護膜１４と同じ材質の酸化亜鉛となる。
【００３８】
本発明の薄膜バルク音響共振器の製造方法により製造された薄膜バルク音響共振器は、通信機器に使用される小型高周波フィルタの主要構成素子として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の薄膜バルク音響共振器の製造方法に係る一実施の形態の一例を示した製造工程断面図である。
【図２】本発明の薄膜バルク音響共振器の製造方法に係る一実施の形態の一例を示した製造工程断面図である。
【図３】本発明の薄膜バルク音響共振器に係る一実施の形態の一例を示した平面レイアウト図および概略構成断面図である。
【図４】窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜の配向性とＱ値との関係図である。
【図５】保護膜の膜厚と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜の配向性との関係図である。
【図６】従来の薄膜バルク音響共振器に係る一例を示した平面レイアウト図および概略構成断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…薄膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）、１３…下部電極層、１４…保護膜、１５…下部電極、１６…圧電体層、１７…上部電極
【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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