(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属電極と該金属電極の上に少なくとも一部が形成されたｃ軸配向を示す窒化アルミニウム薄膜との積層体であって、前記金属電極が体心立方構造を有する第１の金属層と面心立方構造を有する第２の金属層との積層を含む２以上の金属層から構成されており、前記第１の金属層の厚さが前記金属電極の厚さの０．５倍以上であって、前記窒化アルミニウム薄膜の少なくとも一部は前記第１の金属層と接して形成されていることを特徴とする窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体。
【請求項２】
前記第１の金属層は、モリブデン、タングステン、モリブデンを主成分とする合金、およびタングステンを主成分とする合金のうちから選ばれる金属で構成されてい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−金属電極積層体。
【請求項３】
前記第２の金属層は、イリジウム、白金、金、アルミニウム、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、および銀を主成分とする合金のうちから選ばれる金属で構成されていることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体。
【請求項４】
前記窒化アルミニウム薄膜と前記第１の金属層との間に、前記金属電極の厚さの０．１倍以下の厚さの金属層または化合物層からなる界面層が形成されてい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−金属電極積層体。
【請求項５】
前記界面層は、アルミニウム、シリコン、アルミニウムを主成分とする合金または化合物、およびシリコンを主成分とする合金または化合物から選ばれる金属または化合物で構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体。
【請求項６】
前記第２の金属層の前記第１の金属層に面する側とは反対の側の面に、密着金属層が形成されてい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−金属電極積層体。
【請求項７】
前記密着金属層は、マグネシウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金から選ばれる金属で構成されていることを特徴とする、請求項６に記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体。
【請求項８】
前記窒化アルミニウム薄膜の（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．３°未満であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体。
【請求項９】
前記第１の金属層の（１１０）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が４．５°未満であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体。
【請求項１０】
圧電体薄膜が複数の電極の間に挟み込まれ、前記圧電体薄膜がその周囲の支持により中心部にて橋架けされてなる構造を有する薄膜圧電共振子において、前記圧電体薄膜と前記電極のうちの１つとが請求項１〜９のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体で構成されていることを特徴とする薄膜圧電共振子。
【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、圧電体薄膜および上部電極がこの順に積層された積層構造体とを備えている薄膜圧電共振子において、前記圧電体薄膜と前記下部電極とが請求項１〜９のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体で構成されていることを特徴とする薄膜圧電共振子。
【請求項１２】
前記上部電極は互いに隔離して配置された２つの電極部からなることを特徴とする、請求項１１に記載の薄膜圧電共振子。
【請求項１３】
前記振動空間に面する位置にて前記積層構造体には少なくとも一層の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絶縁層が付されていることを特徴とする、請求項１１〜１２のいずれかに記載の薄膜圧電共振子。
【請求項１４】
前記上部電極は、モリブデン、タングステン、ニオブ、アルミニウム、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、およびアルミニウムを主成分とする合金のうちから選ばれる金属を含んで構成されていることを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれかに記載の薄膜圧電共振子。
【請求項１５】
前記上部電極は、モリブデン、タングステン、ニオブ、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、イリジウム、白金、金、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、銀を主成分とする合金、マグネシウム、アルミニウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金から選ばれる金属からなる金属層の２種類以上の積層を含んで構成されていることを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれかに記載の薄膜圧電共振子。
【請求項１６】
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の圧電体膜および上部電極がこの順に積層された積層構造体とを備えている薄膜圧電共振子において、前記第１の圧電体薄膜と前記下部電極とが請求項１〜９のいずれかに記載の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体で構成されていることを特徴とする薄膜圧電共振子。
【請求項１７】
前記振動空間に面する位置にて前記積層構造体には少なくとも一層の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絶縁層が付されていることを特徴とする、請求項１６に記載の薄膜圧電共振子。
【請求項１８】
前記上部電極及び前記内部電極のそれぞれは、モリブデン、タングステン、ニオブ、アルミニウム、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、およびアルミニウムを主成分とする合金のうちから選ばれる金属を含んで構成されていることを特徴とする、請求項１６〜１７のいずれかに記載の薄膜圧電共振子。
【請求項１９】
前記上部電極及び前記内部電極のそれぞれは、モリブデン、タングステン、ニオブ、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、イリジウム、白金、金、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、銀を主成分とする合金、マグネシウム、アルミニウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金から選ばれる金属からなる金属層の２種類以上の積層を含んで構成されていることを特徴とする、請求項１６〜１７のいずれかに記載の薄膜圧電共振子。
【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、送受信分波器や各種センサーなど、広範な分野に応用される薄膜圧電共振子及び該薄膜圧電共振子の圧電体薄膜として有用な窒化アルミニウム薄膜を用いた積層体に関するものである。
【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）、積層型薄膜バルク波共振器およびフィルター（Ｓｔａｃｋｅｄ  ＴｈｉｎＦｉｌｍ  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】
弾性表面波を利用した共振器、フィルター等に応用されるＳＡＷフィルターは、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や、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硬質基板などの上に、種々の薄膜形成方法によって圧電体薄膜を形成する。次に、微細加工、パターニングにより、該圧電体薄膜の表面に弾性表面波を励振させるための櫛形の電極や反射器を形成する。最後に、１素子単位に分離することによりＳＡＷフィルターを得る。
【０００４】
また、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などの薄膜圧電素子は、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や、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や、エリンバーなどの恒弾性金属からなる基板の上に、種々の薄膜形成方法によって、誘電体薄膜、導電体薄膜、またはこれらの積層膜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構成の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圧電体薄膜の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素子単位に分離することにより薄膜圧電素子を得る。
【０００５】
例えば、特開昭６０−１４２６０７号公報に記載された薄膜圧電素子は、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。
【０００６】
薄膜圧電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や薄膜フィルター用の圧電材料として適している。
【０００７】
【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及び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薄膜圧電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上記の様な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。
【０００８】
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、従って音響的品質係数（Ｑ値）、帯域幅、周波数温度特性に優れ、従来に比べて著しく高特性、高性能なＦＢＡＲまたはＳＢＡＲを実現できる薄膜圧電共振子を提供することを目的とする。また、本発明は、このような薄膜圧電共振子を実現するために好適であって窒化アルミニウム薄膜を含んでなる積層体を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ＡｌＮ薄膜の配向性と結晶性が下地膜を構成する金属電極膜の配向性および結晶性に著しく依存することを見出した。また、本発明者らは、ＡｌＮ薄膜を圧電体薄膜としてＳｉ基板上に構成したＦＢＡＲまたはＳＢＡＲの共振特性が、下部電極となる金属薄膜の材質、弾性率、配向性、結晶性などの性状とＡｌＮ薄膜自体の配向性、結晶性、圧電性などの性状との両方に大きく依存することを見出した。即ち、高弾性かつ高配向性の金属薄膜より成る下部電極と高配向性、高結晶性のｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜との組み合わせを最適化して、両者の膜質を制御、向上させることにより、薄膜圧電共振子の電気機械結合係数及び音響的品質係数（Ｑ値）が大きくなり、薄膜圧電共振子や薄膜圧電フィルターとしての性能が著しく向上することを見出した。即ち、下部電極を体心立方構造の第１の金属層と面心立方構造の第２の金属層との積層を含む２以上の金属層から構成し、その上にＡｌＮより成る圧電体薄膜を形成することにより、該ＡｌＮ薄膜の配向性および結晶性が改善され、この様にして得られる積層体を用いてＦＢＡＲまたはＳＢＡＲを構成することにより、電気機械結合係数が大きく、Ｑ値、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、本発明を完成させた。
【００１０】
即ち、本発明によれば、以上の様な目的を達成するものとして、
金属電極と該金属電極の上に少なくとも一部が形成されたｃ軸配向を示す窒化アルミニウム薄膜との積層体であって、前記金属電極が体心立方構造を有する第１の金属層と面心立方構造を有する第２の金属層との積層を含む２以上の金属層から構成されており、前記第１の金属層の厚さが前記金属電極の厚さの０．５倍以上であって、前記窒化アルミニウム薄膜の少なくとも一部は前記第１の金属層と接して形成されていることを特徴とする窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体、
が提供される。
【００１１】
本発明の一態様においては、前記第１の金属層は、モリブデン、タングステン、モリブデンを主成分とする合金、およびタングステンを主成分とする合金のうちから選ばれる金属で構成されている。本発明の一態様においては、前記第２の金属層は、イリジウム、白金、金、アルミニウム、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、および銀を主成分とする合金のうちから選ばれる金属で構成されている。
【００１２】
本発明の一態様においては、前記窒化アルミニウム薄膜と前記第１の金属層との間に、前記金属電極の厚さの０．１倍以下の厚さの金属層または化合物層からなる界面層が形成されている。本発明の一態様においては、前記界面層は、アルミニウム、シリコン、アルミニウムを主成分とする合金または化合物、およびシリコンを主成分とする合金または化合物から選ばれる金属または化合物で構成されている。
【００１３】
本発明の一態様においては、前記第２の金属層の前記第１の金属層に面する側とは反対の側の面に、密着金属層が形成されている。本発明の一態様においては、前記密着金属層は、マグネシウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金から選ばれる金属で構成されている。
【００１４】
本発明の一態様においては、前記窒化アルミニウム薄膜の（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．３°未満である。本発明の一態様においては、前記第１の金属層の（１１０）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が４．５°未満である。
【００１５】
また、本発明によれば、以上の様な目的を達成するものとして、
圧電体薄膜が複数の電極の間に挟み込まれ、前記圧電体薄膜がその周囲の支持により中心部にて橋架けされてなる構造を有する薄膜圧電共振子において、前記圧電体薄膜と前記電極のうちの１つが以上の様な窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体で構成されていることを特徴とする薄膜圧電共振子、
が提供される。
【００１６】
また、本発明によれば、以上の様な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た積層構造体とを備えている薄膜圧電共振子において、前記圧電体薄膜と前記下部電極とが以上の様な窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体で構成されていることを特徴とする薄膜圧電共振子、
が提供される。
【００１７】
本発明の一態様においては、前記上部電極は互いに隔離して配置された２つの電極部からなる。
【００１８】
また、本発明によれば、以上の様な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、第１の圧電体薄膜、内部電極、第２の圧電体膜および上部電極がこの順に積層された積層構造体とを備えている薄膜圧電共振子において、前記第１の圧電体薄膜と前記下部電極とが以上の様な窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体で構成されていることを特徴とする薄膜圧電共振子、
が提供される。
【００１９】
以上の本発明の一態様においては、前記振動空間に面する位置にて前記積層構造体には少なくとも一層の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絶縁層が付されている。
【００２０】
以上の本発明の一態様においては、前記上部電極や前記内部電極は、モリブデン、タングステン、ニオブ、アルミニウム、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、およびアルミニウムを主成分とする合金のうちから選ばれる金属を含んで構成されている。
【００２１】
以上の本発明の一態様においては、前記上部電極や前記内部電極は、モリブデン、タングステン、ニオブ、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、イリジウム、白金、金、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、銀を主成分とする合金、マグネシウム、アルミニウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金から選ばれる金属からなる金属層の２種類以上の積層を含んで構成されている。
【００２２】
本発明では、体心立方構造の第１の金属層と面心立方構造の第２の金属層との積層を含む２層以上の金属薄膜から構成された金属電極上にＡｌＮ薄膜を形成することにより窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体を作製する。典型的には、金属電極は所定の形状にパターニングされるので、ＡｌＮ薄膜の一部はシリコン基板またはシリコン基板上に形成された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絶縁層上に形成される。金属電極の弾性率を高めるためには、体心立方構造の高弾性率の第１の金属層の厚さは金属電極を構成する２層以上の金属薄膜全体の厚さの０．５倍以上にする必要がある。
【００２３】
面心立方構造の金属においては、（１１１）面の原子密度は（１００）面、（１１０）面などの他の方位の結晶面の原子密度よりも高いので、（１１１）面が表面エネルギーの小さな熱力学的に安定な結晶面として存在する。このため、面心立方構造の金属においては、（１１１）配向の高結晶性の薄膜が得られるので、結晶の配向性評価の指標となる（１１１）回折ピークのロッキング・カーブは急峻なピークとなり、その半値幅（ＦＷＨＭ）は小さな値となる。このような高配向性、高結晶性の金属薄膜と接して形成された窒化アルミニウムは、やはり高配向性、高結晶性の薄膜として成長し易いので、ロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）の小さな良質の窒化アルミニウム薄膜が得られる。しかしながら、面心立方構造の金属は、イリジウムおよびイリジウムを主成分とする合金を除けば、弾性率が小さいという難点がある。また、イリジウムおよびイリジウムを主成分とする合金には、高価で、微細加工が難しいという問題がある。
【００２４】
これに対して、体心立方構造の金属においては、（１１０）面の原子密度は（１００）面、（１１１）面などの他の方位の結晶面の原子密度よりも若干高い程度であり、必ずしも（１１０）面が安定に成長できるわけではない。このため、通常の薄膜形成手段では、（１１０）配向の高結晶性の薄膜を得ることは難しく、結晶の配向性評価の指標となる（１１０）回折ピークのロッキング・カーブが広がり、その半値幅（ＦＷＨＭ）は大きな値となる。
【００２５】
本発明においては、高配向性、高結晶性の薄膜が容易に得られる面心立方構造の第２の金属の薄膜の上に、体心立方構造の第１の金属の薄膜を形成することによって、（１１０）配向で高配向性、高結晶性の体心立方構造の第１の金属の薄膜を容易に得ることができる。面心立方構造の第２の金属としては、イリジウム、白金、金、アルミニウム、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、および銀を主成分とする合金のうちから選ばれる金属を採用することが好ましい。体心立方構造の第１の金属としては、モリブデン、タングステン、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金などの弾性率が２×１０11Ｎ／ｍ2 以上の高弾性金属を使用することが好ましい。これらの高弾性金属は、薄膜圧電共振子用の電極材質として望ましい特性を有している。例えば、モリブデンの熱弾性損失はアルミニウムの約１／５６より小さく、この点で、モリブデンは特に好適な電極材料である。以上のようにして作製された前記の第１の金属層の（１１０）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）は４．５°未満、好ましくは３．５°以下である。このような、（１１０）配向で高配向性、高結晶性の体心立方構造の金属薄膜と接して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３．３°未満、好ましくは２．５°以下となる高配向性、高結晶性の窒化アルミニウム薄膜を容易に成長させることができ、ＦＢＡＲ、ＳＢＡＲなどの用途に適した高特性の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体を得ることができる。
【００２６】
また、本発明においては、窒化アルミニウム薄膜と体心立方構造の第１の金属層との間に、金属電極を構成する２層以上の金属薄膜全体の厚さの０．１倍以下の厚さの別の金属層または化合物層からなる界面層を形成させていても、前記と同様の高配向性、高結晶性の窒化アルミニウム薄膜を容易に成長させることができ、ＦＢＡＲ、ＳＢＡＲなどの用途に適した高特性の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体を得ることができる。窒化アルミニウム薄膜と体心立方構造の第１の金属層との間に形成される界面層となる金属層または化合物層は、アルミニウム、シリコン、アルミニウムを主成分とする合金または化合物、およびシリコンを主成分とする合金または化合物から選ばれる金属または化合物で構成されていることが好ましい。
【００２７】
本発明の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体は、典型的には、半導体あるいは絶縁体から成る基板の上に形成される。このため、基板と金属電極との密着性が重要となる。両者の密着度を改善するために、面心立方構造の第２の金属層と基板との間に密着金属層を介在させることが望ましい。密着金属層に使用する金属としては、マグネシウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金から選ばれる金属を採用することが好ましい。
【００２８】
本発明で提案した体心立方構造の金属層と面心立方構造の金属層との積層というような、結晶構造の異なる２種類以上の金属層を積層した多層金属薄膜電極の上に窒化アルミニウムを成長させることによって、窒化アルミニウム薄膜の配向性、結晶性などの膜質を改善しようとする試みは、これまで全く行われていない。また、このような多層金属薄膜と窒化アルミニウム薄膜との組み合わせにより、圧電体薄膜の品質を向上させて、共振器、フィルターなどの薄膜圧電素子としての性能を改善しようという試みも、これまで全く行われていない。
【００２９】
本発明によれば、２．０〜３．０ＧＨｚ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が４．５％以上たとえば４．５〜６．５％である高性能な薄膜圧電共振子が得られる。
【００３０】
また、本発明の薄膜圧電共振子においては、下部電極が、体心立方構造で（１１０）回折ピークのロッキング・カーブ半値値（ＦＷＨＭ）が４．５°未満となる第１の金属層と面心立方構造の第２の金属層との積層を含む２以上の金属層から構成されていると共に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜がｃ軸配向を示し、（０００２）面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．３°未満である場合に、薄膜圧電共振子の性能が一層向上する。
【００３１】
また、本発明の薄膜圧電共振子においては、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た積層構造体、または下部電極、第１の圧電体薄膜、内部電極、第２の圧電体膜および上部電極がこの順に積層された積層構造体に、振動空間に面する位置にて少なくとも一層の酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）および／または窒化シリコン（ＳｉＮx ）を主成分とする絶縁層を形成することにより、薄膜圧電共振子の周波数温度係数などの特性を更に改善することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３３】
図１は本発明による薄膜圧電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、薄膜圧電共振子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と、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に対応する領域外に位置する。
【００３４】
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。
【００３５】
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、層中の含有量が５０当量％以上である成分を指す（他の層の材質についても同様）。誘電体膜は単層からなるものであってもよいし、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２．０μｍ未満、好ましくは０．５μｍ以下である。絶縁体層１３の形成方法としては、シリコンから成る基板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。
【００３６】
下部電極１５は、体心立方構造を有する第１の金属層と、面心立方構造を有する第２の金属層と、更に必要に応じて第２の金属層と基板１２との間に形成される密着金属層とを積層することにより構成されており、その厚さは例えば５０〜３００ｎｍである。圧電体薄膜１６はＡｌＮから成り、その厚さは例えば０．５〜３．０μｍである。上部電極１７は、例えば、モリブデン、タングステン、ニオブ、アルミニウム、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、およびアルミニウムを主成分とする合金のうちから選ばれる金属を含んで構成されている。あるいは、上部電極１７は、例えば、モリブデン、タングステン、ニオブ、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、イリジウム、白金、金、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、銀を主成分とする合金、マグネシウム、アルミニウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金から選ばれる金属からなる金属層の２種類以上の積層を含んで構成されている。上部電極１７の厚さは例えば５０〜３００ｎｍである。
【００３７】
一般に圧電材料の圧電特性は、結晶の分極の大きさ、分極軸の配列などに依存する。本発明で用いる圧電薄膜においても、その圧電性は薄膜を構成する結晶のドメイン構造、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軸単一配向膜は、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。
【００３８】
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、電極を構成する多層金属薄膜の材質、弾性率、配向性、結晶性などの性状とＡｌＮ薄膜の配向性、結晶性などの性状との両方にどのように依存するのかについて検討した。図示されているＦＢＡＲでは、下部電極１５は、必要に応じて基板１２と接して形成される密着金属層、面心立方構造の第２の金属層および体心立方構造の第１の金属層をこの順に積層することにより構成されたものである。
【００３９】
下部電極１５として、スパッター法または蒸着法により、密着金属層、面心立方構造の第２の金属層、および体心立方構造の第１の金属層を順に形成した後、ドライエッチングによりこれらの金属層を所定の形状にパターン化した。ＡｌＮ薄膜１６は、下部電極１５を形成した基板１２の上面に反応性スパッター法により膜形成した後、フォトリソグラフィー技術を用いて、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、所定の形状に加工した。この際、ＡｌＮ薄膜１６と体心立方構造の第１の金属層との間に、下部電極１５を構成する２以上の金属層全体の厚さの０．１倍以下の厚さの別の金属層または化合物層を形成しても、本発明の目的は達成される。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は矩形に近い形状とした。
【００４０】
本発明者らは、高配向性の薄膜が容易に得られる面心立方構造の金属の薄膜と弾性率が２×１０11Ｎ／ｍ2 以上の高弾性金属の薄膜とを積層することにより、高弾性金属に由来する特定の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が４．５°未満である高配向性かつ高弾性の積層金属薄膜を形成し、この積層金属薄膜上に窒化アルミニウム薄膜を成長させることで、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．３°未満である高配向性、高結晶性のｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜を作製できることを見出した。
【００４１】
下部電極１５に使用される体心立方構造（空間群Ｉm-3m）の第１の金属層として好適な材料は、モリブデン、タングステン、モリブデンを主成分とする合金、およびタングステンを主成分とする合金などであり、これらの材料は、（１１０）配向を示し、膜面と平行に（１１０）面が成長している。これらの材料は熱弾性損失が低いという特性を有する。モリブデン（Ｍｏ）を主成分とする合金としては、９９．３８％Ｍｏ−０．５％Ｔｉ−０．０７％Ｚｒ−０．０５％Ｃという組成を有するＴＺＭ合金、９５％Ｍｏ−５％Ｒｅ合金、９０％Ｍｏ−１０％Ｗ合金などがある。タンスグテン（Ｗ）を主成分とする合金としては、９５％Ｗ−５％Ｒｅ合金、９０％Ｗ−１０％Ｍｏ合金、Ｗ−Ｃｕ−Ｎｉ合金などがある。
【００４２】
下部電極１５に使用される面心立方構造（空間群Ｆm-3m）の第２の金属層として好適な材料は、イリジウム、白金、金、アルミニウム、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、銀を主成分とする合金などであり、これらの材料は（１１１）配向を示し、膜面と平行に（１１１）面が成長している。イリジウム（Ｉｒ）を主成分とする合金としてはＩｒ−Ｐｔ合金などがある。白金（Ｐｔ）を主成分とする合金としてはＰｔとＲｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｗから選ばれる金属との合金などがある。金（Ａｕ）を主成分とする合金としてはＡｕとＰｄ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇから選ばれる金属との合金などがある。アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする合金としては、Ａｌに少量のＳｉ、Ｃｕを添加または固溶させたＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌに少量のＭｏ、Ｗを固溶させた合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｍｎ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金などがある。銀（Ａｇ）を主成分とする合金としては、ＡｇとＺｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｃｕから選ばれる金属との合金などがある。
【００４３】
ＡｌＮ薄膜１６と体心立方構造の第１の金属層との間に形成される別の金属または化合物の層（界面層）として使用される好適な材料は、アルミニウム、シリコン、アルミニウムを主成分とする合金または化合物、およびシリコンを主成分とする合金または化合物などである。アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする合金としては、前記のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｏ−Ｗ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｍｎ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金などがある。アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする化合物としては、ＡｌＯx Ｎy などがある。シリコン（Ｓｉ）を主成分とする化合物としてはＳｉ3 Ｎ4 、ＳｉＮx 、ＳｉＯx Ｎy 、ＳｉＯ2 などがある。
【００４４】
基板１２と面心立方構造の第２の金属層との間に形成される密着金属層として使用される好適な材料は、マグネシウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金などである。マグネシウム（Ｍｇ）を主成分とする合金としてはＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｎ合金、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｚｒ合金、Ｍｇ−希土類元素系合金などがある。チタン（Ｔｉ）を主成分とする合金としてはＴｉとＡｌ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅから選ばれる金属との合金などがある。ニオブ（Ｎｂ）を主成分とする合金としてはＮｂ−Ｓｉ−Ｔｉ−Ｆｅ合金などがある。タンタル（Ｔａ）を主成分とする合金としてはＴａとＣｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｔから選ばれる金属との合金などがある。クロム（Ｃｒ）を主成分とする合金としてはＣｒとＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏから選ばれる金属との合金などがある。ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする合金としてはＮｉとＡｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｏから選ばれる金属との合金などがある。
【００４５】
上部電極１７に使用される金属として好適な材料は、モリブデン、タングステン、ニオブ、アルミニウム、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、およびアルミニウムを主成分とする合金などである。また、上部電極１７として、モリブデン、タングステン、ニオブ、モリブデンを主成分とする合金、タングステンを主成分とする合金、ニオブを主成分とする合金、イリジウム、白金、金、銀、イリジウムを主成分とする合金、白金を主成分とする合金、金を主成分とする合金、銀を主成分とする合金、マグネシウム、アルミニウム、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、クロム、ニッケル、マグネシウムを主成分とする合金、アルミニウムを主成分とする合金、チタンを主成分とする合金、バナジウムを主成分とする合金、ジルコニウムを主成分とする合金、ハフニウムを主成分とする合金、タンタルを主成分とする合金、クロムを主成分とする合金、およびニッケルを主成分とする合金から選ばれる金属からなる層を２層以上積層してなる積層金属薄膜から構成されたものを使用することで、特性を安定化させることができる。
【００４６】
体心立方構造の第１の金属層と面心立方構造の第２の金属層との積層を含む２層以上の積層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）は３．３°未満である。ロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．３°以上であると、電気機械結合係数ｋt2と音響的品質係数（Ｑ値）が低下し、共振特性が悪化するので好ましくない。さらに、ロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が過度に大きくなると、下部電極端子部１５ｂと下部電極端子部１７ｂとの間に電流リークが発生しやすくなる傾向にある。
【００４７】
なお、図１及び図２に示す構成の薄膜圧電共振子では、圧電体薄膜の上下の電極に電界を印加して厚み方向に分極処理することでバルク波を励振させている。この為、下部電極を端子電極とすべく、下部電極の一部を露出させる必要がある。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個以上の素子を組合わせる必要がある。
【００４８】
図３は本発明による薄膜圧電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。
【００４９】
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。
【００５０】
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、素子内配線が不要となるので該配線に起因する損失がなく、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。
【００５１】
図５は本発明による薄膜圧電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。
【００５２】
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積層薄膜バルク音響共振子（Ｓｔａｃｋｅｄ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｂｕｌｋ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ）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がこの順に積層形成されている。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。
【００５３】
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、素子内配線が不要となるので該配線に起因する損失がなく、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。
【００５４】
以上のような薄膜圧電共振子において、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。
【００５５】
簡単のため、電気機械結合係数ｋt2として、次式
ｋt2＝４．８（ｆa −ｆr ）／（ｆa ＋ｆr ）
から算出したものを用いることができ、本明細書では、電気機械結合係数ｋt2の数値は、この式を用いて算出したものを採用している。
【００５６】
図１及び図２、図３及び図４、並びに図５及び図６のそれぞれに示した構成のＦＢＡＲまたはＳＢＡＲにおいて、２．０〜３．０ＧＨｚ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４．５％以上たとえば４．５〜６．５％であるのが好ましい。電気機械結合係数ｋt2が４．５％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薄膜圧電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。
【００５７】
【実施例】
以下、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。
【００５８】
［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。
【００５９】
即ち、熱酸化法により、厚さ３５０μｍの（１００）Ｓｉ基板１２の上下両面に厚さ１．１μｍのＳｉＯ2 層を形成した後、上面側のＳｉＯ2 層のみをエッチングして、上面のＳｉＯ2 層の厚さを調整し、ＳｉＯ2 から成り表３に記載の厚さ値を有する絶縁体層１３を形成した。この絶縁体層１３の上面に、ＤＣマグネトロン・スパッター法により、厚さ６０ｎｍのＡｕ金属層（第２の金属層）および厚さ１５０ｎｍのＭｏ金属層（第１の金属層）をこの順番に形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化して、Ｍｏ／Ａｕ下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは、平面寸法１５０×１７０μｍの矩形に近い形状とした。Ａｕ金属層が（１１１）配向膜、即ち単一配向膜であり、Ｍｏ金属層が（１１０）配向膜、即ち単一配向膜であることは、Ｘ線回折測定により確認した。このＭｏ／Ａｕ下部電極１５を形成した基板１２上に、純度５Ｎの金属Ａｌをターゲットとして、反応性ＲＦマグネトロン・スパッター法により、表２に記載の条件で、ＡｌＮ薄膜を形成した。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、ＡｌＮ圧電体薄膜１６を形成した。
【００６０】
その後、ＤＣマグネトロン・スパッター法とリフトオフ法を使用して、厚さ１９０ｎｍで主体部１７ａの平面寸法１３０×１５０μｍの矩形に近い形状のＡｌ上部電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。次に、以上のようにして得られた構造体の下部電極１５と上部電極１７と圧電体薄膜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の下面に形成された厚さ１．１μｍ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の部分を加熱したＫＯＨ水溶液でエッチング除去して、空隙となるビアホール２０を形成した。
【００６１】
上記の工程によって製造されたＡｌＮ薄膜−金属電極積層体について、ＸＰＳ分光法により得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機能Ｘ線回折装置を使用して、ディフラクトメーター法による格子定数測定と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００６２】
また、カスケード・マイクロテック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、上記の薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）の電極端子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。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００６３】
［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。
【００６４】
即ち、実施例１と同様の操作により、ＳｉＯ2 から成る絶縁体層１３を形成した。この絶縁体層１３の上面に、ＤＣマグネトロン・スパッター法により表１に記載の厚さのＴｉ金属層（密着金属層）、Ｐｔ金属層（第２の金属層）及びＭｏ金属層（第１の金属層）をこの順番に形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化して、Ｍｏ／Ｐｔ／Ｔｉ下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは、平面寸法１５０×１７０μｍの矩形に近い形状とした。Ｐｔ金属層が（１１１）単一配向膜であり、Ｍｏ金属層が（１１０）単一配向膜であることは、Ｘ線回折測定により確認した。このＭｏ／Ｐｔ／Ｔｉ下部電極１５を形成した基板１２上に、実施例１と同様の操作により、圧電体薄膜１６を形成した。その後、ＤＣマグネトロンスパッター法とリフトオフ法を使用して、主体部１７ａの平面寸法１３０×１５０μｍの矩形に近い形状のＭｏ／Ｐｔ／Ｔｉ上部電極１７を形成した。Ｔｉ金属層は密着金属層として使用され、Ｐｔ金属層は面心立方構造の第４の金属層として使用され、Ｍｏ金属層は体心立方構造の第３の金属層として使用され、これらの厚さは表１に記載された通りとした。上部電極１７の主体部１７ａは、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。次に、実施例１と同様の操作により、空隙となるビアホール２０を形成した。
【００６５】
上記の工程によって製造されたＡｌＮ薄膜−金属電極積層体について、ＸＰＳ分光法により得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機能Ｘ線回折装置を使用して、ディフラクトメーター法による格子定数測定と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００６６】
また、カスケード・マイクロテック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、上記の薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）の電極端子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。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００６７】
［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。
【００６８】
即ち、実施例１と同様の操作により、ＳｉＯ2 から成る絶縁体層１３を形成した。この絶縁体層１３の上面に、ＤＣマグネトロン・スパッター法により表１に記載の厚さのＴｉ金属層（密着金属層）、Ａｕ金属層（第２の金属層）及びＭｏ金属層（第１の金属層）をこの順番に形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化して、Ｍｏ／Ａｕ／Ｔｉ下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは、平面寸法１５０×１７０μｍの矩形に近い形状とした。Ａｕ金属層が（１１１）単一配向膜であり、Ｍｏ金属層が（１１０）単一配向膜であることは、Ｘ線回折測定により確認した。このＭｏ／Ａｕ／Ｔｉ下部電極１５を形成した基板１２上に、実施例１と同様の操作により、圧電体薄膜１６を形成した。その後、ＤＣマグネトロンスパッター法とリフトオフ法を使用して、主体部１７ａの平面寸法１３０×１５０μｍの矩形に近い形状で厚さ１９５ｎｍのＭｏ上部電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。次に、実施例１と同様の操作により、空隙となるビアホール２０を形成した。さらに、ドライエッチングにより、振動部２１に対応する領域の絶縁体層１３をもエッチング除去して、下部電極１５の下面を露出させた。
【００６９】
上記の工程によって製造されたＡｌＮ薄膜−金属電極積層体について、実施例１と同様にして、ＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析、ディフラクトメーター法による格子定数測定、および（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００７０】
また、実施例１と同様にして、上記薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）の電極端子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。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００７１】
［実施例４，５］
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。
【００７２】
即ち、低圧ＣＶＤ法により、厚さ３００μｍの（１００）Ｓｉ基板１２の上下両面に表３に記載した厚さのＳｉＮx 層を形成し、ＳｉＮx から成る絶縁体層１３を形成した。この絶縁体層１３の上面に、ＤＣマグネトロン・スパッター法により表１に記載の厚さのＴｉ金属層（密着金属層）、Ａｕ金属層（第２の金属層）及びＭｏ金属層（第１の金属層）をこの順番に形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化してＭｏ／Ａｕ／Ｔｉ下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは、平面寸法１５０×１７０μｍの矩形に近い形状とした。Ａｕ金属層が（１１１）単一配向膜であり、Ｍｏ金属層が（１１０）単一配向膜であることは、Ｘ線回折測定により確認した。このＭｏ／Ａｕ／Ｔｉ下部電極１５を形成した基板１２上に、表１に記載の厚さのＳｉＮx 層（界面層）またはＡｌ層（界面層）を形成した後、実施例１と同様の操作により圧電体薄膜１６を形成して、下部電極１５とＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）１６との界面に、ＳｉＮx 層またはＡｌ層が介在するような構成とした。
【００７３】
その後、ＤＣマグネトロン・スパッター法とリフトオフ法を使用して、主体部１７ａの平面寸法１３０×１５０μｍの矩形に近い形状のＭｏ／Ａｕ／Ｎｉ上部電極１７［実施例４］または厚さ１９５ｎｍのＭｏ上部電極１７［実施例５］を形成した。実施例４において、Ｔｉ金属層は密着金属層として使用され、Ｐｔ金属層は第４の金属層として使用され、Ｍｏ金属層は第３の金属層として使用され、これらの厚さは表１に記載された通りとした。上部電極１７の主体部１７ａは、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。次に、実施例１と同様の操作により、空隙となるビアホール２０を形成した。
【００７４】
上記の工程によって製造されたＡｌＮ薄膜−金属電極積層体について、実施例１と同様にして、ＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析、ディフラクトメーター法による格子定数測定、および（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００７５】
また、実施例１と同様にして、上記薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）の電極端子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。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００７６】
［実施例６，７］
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。
【００７７】
即ち、実施例４と同様の操作により、ＳｉＮx から成る絶縁体層１３を形成した。この絶縁体層１３の上面に、ＤＣマグネトロン・スパッター法により表１に記載の材質と厚さとを有する密着金属層、第２の金属層及び第１の金属層をこの順番に形成し、フォトリソグラフィーによりパターン化して、Ｍｏ（ＴＺＭ合金）／Ａｕ／Ｖ下部電極１５［実施例６］またはＭｏ−Ｒｅ合金／Ａｕ／Ｃｒより成る下部電極１５［実施例７］を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは、振動部２１に対応する部分を含むように延びている平面寸法１２０×２８０μｍの矩形に近い形状とした。Ａｕ金属層が（１１１）単一配向膜であり、Ｍｏ（ＴＺＭ合金）金属層またはＭｏ−Ｒｅ合金金属層が（１１０）単一配向膜であることは、Ｘ線回折測定により確認した。このＭｏ（ＴＺＭ合金）／Ａｕ／Ｖ下部電極１５またはＭｏ−Ｒｅ合金／Ａｕ／Ｃｒ下部電極１５を形成した基板１２上に、実施例１と同様の操作により圧電体薄膜１６を形成した。
【００７８】
その後、ＤＣマグネトロン・スパッター法とリフトオフ法を使用して、平面寸法６５×８５μｍの矩形に近い形状の主体部１７Ａａ，１７Ｂａが間隔２０μｍをおいて配置されたＭｏ（ＴＺＭ合金）／Ａｕ上部電極１７［実施例６］またはＭｏ−Ｒｅ合金／Ａｕ／Ｔｉ上部電極１７［実施例７］を形成した。実施例６において、Ａｕ金属層は第４の金属層として使用され、Ｍｏ（ＴＺＭ合金）金属層は第３の金属層として使用され、これらの厚さは表１に記載された通りとした。また、実施例７において、Ｔｉ金属層は密着金属層として使用され、Ａｕ金属層は第４の金属層として使用され、Ｍｏ−Ｒｅ合金金属層は第３の金属層として使用され、これらの厚さは表１に記載された通りとした。上部電極１７の主体部１７Ａａ，１７Ｂａは、それぞれ下部電極１５に対応する位置に配置した。次に、実施例１と同様の操作により、空隙となるビアホール２０を形成した。
【００７９】
上記の工程によって製造されたＡｌＮ薄膜−金属電極積層体について、実施例１と同様にして、ＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析、ディフラクトメーター法による格子定数測定、および（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００８０】
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーを使用して、上記薄膜圧電共振子の下部電極１５の端子部（図３及び図４で左側の露出部分）を接地電極に接続し、上部電極１７Ａの端子部１７Ａｂから信号を入力し、上部電極１７Ｂの端子部１７Ｂｂから出力信号を取り出して、ネットワークアナライザーで信号強度・波形などを解析した。個々の共振子の共振周波数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、電気機械結合係数ｋt2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００８１】
［実施例８］
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。
【００８２】
即ち、絶縁体層１３、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６の材質及び厚さが表１〜表３に示されているようにされたこと以外は、実施例６と同様の工程を実行した。ここで、絶縁体層１３としては、熱酸化法により形成されたＳｉＯ2 層を用いた。
【００８３】
実施例６と同様にして、得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析とＸ線回折測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００８４】
また、実施例６と同様にして測定した、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。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００８５】
［実施例９，１０］
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。
【００８６】
即ち、絶縁体層１３、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６の材質及び厚さが表１〜表３に示されているようにされたこと以外は、実施例２と同様の工程を実行した。
【００８７】
実施例２と同様にして、得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析とＸ線回折測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００８８】
また、実施例２と同様にして測定した、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。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００８９】
［実施例１１，１２］
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。
【００９０】
即ち、絶縁体層１３、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６の材質、厚さが表１〜表３に示されているようにされたこと以外は、実施例４と同様の工程を実行した。
【００９１】
実施例４と同様にして、得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析とＸ線回折測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００９２】
また、実施例４と同様にして測定した、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。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００９３】
［実施例１３］
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。
【００９４】
即ち、絶縁体層１３、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６の材質、厚さが表１〜表３に示されているようにされ、空隙となるビアホール２０形成後に、ドライエッチングにより、振動部２１に対応する領域の絶縁体層１３をもエッチング除去して、下部電極１５の下面を露出させたこと以外は、実施例８と同様の工程を実行した。
【００９５】
実施例８と同様にして、得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析とＸ線回折測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【００９６】
また、実施例８と同様にして測定した、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。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【００９７】
［実施例１４］
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。
【００９８】
即ち、絶縁体層１３、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６の材質、厚さが表１〜表３に示されているようにされたこと以外は、実施例８と同様の工程を実行した。
【００９９】
実施例８と同様にして、得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析とＸ線回折測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【０１００】
また、実施例８と同様にして測定した、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、電気機械結合係数ｋt2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【０１０１】
［比較例１，２］
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。
【０１０２】
即ち、絶縁体層１３、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６の材質、厚さが表１〜表３に示されているようにされたこと以外は、実施例１と同様の工程を実行した。
【０１０３】
上記の工程によって製造されたＡｌＮ薄膜−金属電極積層体について、実施例１と同様にして、ＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析、ディフラクトメーター法による格子定数測定、および（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。ＸＰＳ分光法により測定したＡｌＮ薄膜の酸素含有量は、表２に示す通りであった。実施例１〜１４と同様の操作で分析評価を行ったのであるが、ＡｌＮ薄膜の品質が悪い為に、ＸＰＳ分析までに膜が酸化されて、酸素含有量が増加した可能性もある。
【０１０４】
また、実施例１と同様にして、上記薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ）の電極端子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。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【０１０５】
［比較例３］
本比較例では、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。
【０１０６】
即ち、絶縁体層１３、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６の材質、厚さが表１〜表３に示されているようにされたこと以外は、実施例８と同様の工程を実行した。
【０１０７】
実施例８と同様にして、得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析とＸ線回折測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【０１０８】
また、実施例８と同様にして測定した、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。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【０１０９】
［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。
【０１１０】
即ち、絶縁体層１３、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６の材質、厚さが表１〜表３に示されているようにされたこと以外は、実施例１と同様の工程を実行した。
【０１１１】
実施例１と同様にして、得られたＡｌＮ薄膜（圧電体薄膜）の組成分析とＸ線回折測定を行った。ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表２に示す。
【０１１２】
また、実施例１と同様にして測定した、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。得られた薄膜圧電共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋt2、および音響的品質係数Ｑを表３に示す。
【０１１３】
【表１】
0003953315.tif 000002
【０１１４】
【表２】
0003953315.tif 000003
【０１１５】
【表３】
0003953315.tif 000004
【０１１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体では、高配向性の薄膜が容易に得られる面心立方構造の金属の薄膜と高弾性の体心立方構造の金属の薄膜とを積層することにより、高配向性かつ高弾性の積層金属電極膜を形成し、この積層金属電極膜上に窒化アルミニウム薄膜を成長させているので、（０００２）回折ピークのロッキング・カーブが急峻なピークで半値幅（ＦＷＨＭ）が小さく、従って高配向性、高結晶性のｃ軸配向の窒化アルミニウム薄膜が得られる。
【０１１７】
また、本発明の薄膜圧電共振子は、以上のような窒化アルミニウム薄膜−金属電極積層体により高弾性かつ高配向性の金属薄膜より成る一方の金属電極と高配向性、高結晶性のｃ軸配向窒化アルミニウム圧電薄膜との組合せを構成し、その上に他方の金属電極を形成することにより、電気機械結合係数、音響的品質係数（Ｑ値）などの性能が著しく向上する。その結果、従来に無い高特性のＦＢＡＲまたはＳＢＡＲを作製でき、これを用いて、高周波域で損失が少なく、利得、帯域特性の良好な圧電薄膜フィルター、薄膜ＶＣＯ、送受信分波器などの薄膜圧電素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による薄膜圧電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】本発明による薄膜圧電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】本発明による薄膜圧電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    薄膜圧電共振子
１２    単結晶または多結晶からなる基板
１３    下地絶縁膜
１４    圧電積層構造体
１５    下部電極
１５ａ    下部電極主体部
１５ｂ    下部電極端子部
１６    圧電体薄膜
１６−１    第１の圧電体薄膜
１６−２    第２の圧電体薄膜
１７    上部電極
１７’    内部電極
１７ａ    上部電極主体部
１７ｂ    上部電極端子部
１７Ａ    上部電極の第１電極部
１７Ａａ    第１電極部の主体部
１７Ａｂ    第１電極部の端子部
１７Ｂ    上部電極の第２電極部
１７Ｂａ    第２電極部の主体部
１７Ｂｂ    第２電極部の端子部
１８    上部電極
２０    エッチングによって基板に形成したビアホール
２１    振動部
【図１】
0003953315.tif 000005
【図２】
0003953315.tif 000006
【図３】
0003953315.tif 000007
【図４】
0003953315.tif 000008
【図５】
0003953315.tif 000009
【図６】
0003953315.tif 000010