(57)【要約】【課題】共振子のＱ値を向上させることが可能で且つ上部電極の形成のためのプロセス設計の自由度が高い共振装置の製造方法を提供する。【解決手段】支持基板１１の上記一表面側に音響ミラー１２を形成し（図１（ａ））、支持基板１１と音響ミラー１２とからなるベース基板１上に、下部電極３１を形成してから、下部電極３１上にＰＺＴ層からなる圧電層３２を形成し（図１（ｂ））、その後、上部電極３３を形成する（図１（ｄ））。上部電極３３の形成にあたっては、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側の全面に金属材料（例えば、Ｔａなど）からなる金属膜３３ａを形成する金属膜形成工程を行い、その後、金属膜３３ａをパターニングするパターニング工程を行い（図１（ｃ））、その後、金属膜３３ａの表面側を硬化させる表面処理工程を行うことで高硬度部３３ｂを形成する（図１（ｄ））。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板の一表面側に下部電極と圧電層と上部電極との積層構造を有する共振子を備えた共振装置の製造方法であって、上部電極の形成にあたっては、圧電層における下部電極側とは反対側に金属膜を形成する金属膜形成工程と、金属膜の表面側を硬化させる表面処理工程とを備えることを特徴とする共振装置の製造方法。
【請求項２】
前記表面処理工程では、前記金属膜の表面側を窒化処理することにより硬化させることを特徴とする請求項１記載の共振装置の製造方法。
【請求項３】
前記表面処理工程では、前記金属膜の表面側を浸炭処理することにより硬化させることを特徴とする請求項１記載の共振装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下部電極と圧電層と上部電極との積層構造を有する共振子を備えた共振装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、携帯電話機やＵＷＢ（Ultra  Wide  Band）用機器などの高周波機器の普及と、それらの高性能化・低損失化に対する強いニーズを背景とし、１ＧＨｚ以上の高周波帯で高いＱ値を得ることが可能な共振装置として、ＢＡＷ（Bulk  Acoustic  Wave）共振器が注目されている。
【０００３】
ＢＡＷ共振器は、ＡｌＮやＰＺＴなどの圧電材料により形成された圧電層が下部電極と上部電極とで挟まれた共振子を基本構成として備えており、上部電極および下部電極の材料としては、（１）抵抗値が小さい材料、（２）音響インピーダンスの高い材料が求められ、さらに、下部電極の材料としては、（３）圧電層の所望の配向が得られる材料が求められている。
【０００４】
ここにおいて、上部電極および下部電極の抵抗値が大きい場合、電気的な共振信号が減衰しやすくなって共振子のＱ値が低くなってしまい、シート抵抗が数Ω／□以上になると、共振特性が得られない。また、音響インピーダンスが高くないと、機械的な共振振動が減衰しやすくなってＱ値が低くなってしまう。また、下部電極の材料と圧電層の材料との格子整合性が良くないと、圧電層の所望の配向が得られなくなり、圧電性能が低下するので、高周波帯でのＱ値および電気機械結合係数の低下の原因となる。
【０００５】
ところで、上述のＢＡＷ共振器では、（１），（２）の２つの要件を満たさないと、Ｑ値が低くなってしまうが、現状では（１），（２）の２つの要件を満たす材料が存在しなかった。例えば、Ａｌは金属のなかで抵抗値が小さいが、音響インピーダンスが小さいため、上述のＢＡＷ共振器の上部電極の材料としてＡｌを採用した場合には上部電極のＱ値が低く共振子全体として高いＱ値が得られなかった。
【０００６】
これに対し、（１）の条件を満たす低抵抗の金属（例えば、Ａｌなど）からなる低抵抗金属膜と（２）の条件を満たす高音響インピーダンスの金属（例えば、Ｗなど）からなる高音響インピーダンス金属膜との積層膜により下部電極および上部電極それぞれを構成したＢＡＷ共振器が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
上記特許文献１に記載のＢＡＷ共振器は、図４に示すように、ベース基板１’の一表面側に下部電極３１’と圧電層３２’と上部電極３３’との積層構造を有する共振子３’が形成されたＳＭＲ（Solidly  Mounted  Resonator）であり、圧電層３２’がＡｌＮ層により構成され、下部電極３１’および上部電極３３’は、Ｗ膜からなる高音響インピーダンス金属膜１３１ａ’，１３３ａ’とＡｌ膜からなる低抵抗金属膜１３１ｂ’，１３３ｂ’との積層膜により構成され、高音響インピーダンス金属膜１３１ａ’，１３３ａ’が圧電層３２’に接するように形成されている。また、ベース基板１’は、シリコン基板からなる支持基板１１’と、支持基板１１’の一表面側に形成され圧電層３２’で発生したバルク弾性波を反射させる音響ミラー（音響多層膜）１２’とで構成してあり、音響ミラー１２’は、低音響インピーダンス層１２ａ’と高音響インピーダンス層１２ｂ’とが交互に積層されている。
【０００８】
なお、上記特許文献１には、ＢＡＷ共振器として、ＳＭＲ（Solidly  Mounted  Resonator）が記載されているが、ＢＡＷ共振器としては、ＳＭＲの他にＦＢＡＲ（Film  Bulk  Acoustic  Resonator）などが知られている。
【特許文献１】米国特許第６２９１９３１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、図４に示した構成のＢＡＷ共振器では、上部電極３３’が異種金属の積層膜により構成されているので、上部電極３３’を形成するにあたって、ベース基板１’の上記一表面側に下部電極３１’を形成してから圧電層３２’を形成した後、ベース基板１’の上記一表面側の全面に高音響インピーダンス金属膜１３３ａ’を形成する第１金属膜形成工程と、高音響インピーダンス金属膜１３３ａ’上の全面に低抵抗金属膜１３３ｂ’を形成する第２金属膜形成工程と、第２金属膜形成工程の後に低抵抗金属膜１３３ｂ’をパターニングする第１パターニング工程と、第１パターニング工程の後に高音響インピーダンス金属膜１３３ａ’をパターニングする第２パターニング工程とが必要であり、上部電極３３’の形成のためのプロセスが複雑になってしまうとともにプロセス設計の自由度が低く、製造コストも高くなってしまう。
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、共振子のＱ値を向上させることが可能で且つ上部電極の形成のためのプロセス設計の自由度が高い共振装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、支持基板の一表面側に下部電極と圧電層と上部電極との積層構造を有する共振子を備えた共振装置の製造方法であって、上部電極の形成にあたっては、圧電層における下部電極側とは反対側に金属膜を形成する金属膜形成工程と、金属膜形成工程にて形成した金属膜の表面側を硬化させる表面処理工程とを備えることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、上部電極の形成にあたっては、圧電層における下部電極側とは反対側に金属膜を形成する金属膜形成工程と、金属膜の表面側を硬化させる表面処理工程とを備えているので、金属膜の材料としてＴａ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｒｕなどの低抵抗の金属を採用しながらも上部電極のＱ値を向上させることでできて共振子全体のＱ値を向上させることが可能となり、また、金属膜の表面側を硬化させる表面処理工程は金属膜のパターニング前後のいずれの過程でも行うことができるので、上部電極の形成のためのプロセス設計の自由度が高い。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記表面処理工程では、前記金属膜の表面側を窒化処理することにより硬化させることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、前記表面処理工程を行うことにより前記金属膜の表面側に前記金属膜よりも硬度の高い導電性窒化膜からなる高硬度部が形成されるとともに上部電極の表面あらさが小さくなり、バルク弾性波が上部電極の表面と当該表面に接する媒質との界面で反射されやすくなり、より一層のＱ値の向上を図れる。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記表面処理工程では、前記金属膜の表面側を浸炭処理することにより硬化させることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、前記金属膜の表面側のみを安定して硬化させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明では、共振子のＱ値を向上させることが可能で且つ上部電極の形成のためのプロセス設計の自由度が高いという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本実施形態における共振装置は、図１（ｄ）に示すように、ベース基板１の一表面側に共振子３を備えたＢＡＷ共振器であり、共振子３が、ベース基板１１上に形成された下部電極３１と、下部電極３１上に形成された圧電層３２と、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に形成された上部電極３３とで構成されている。ここにおいて、本実施形態における共振装置は、ベース基板１が支持基板１１と支持基板１１の一表面側に形成された音響ミラー（音響多層膜）１２とで構成されたＳＭＲである。
【００１９】
本実施形態における共振装置は、圧電層３２の圧電材料としてＰＺＴを採用しており、支持基板１１として、上記一表面である主表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を用いているが、支持基板１１としては、シリコン基板に限らず、主表面が（１００）面のＭｇＯ基板や、主表面が（１００）面のＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）基板などを用いてもよい。なお、本実施形態では、圧電層３２の圧電材料として、ＰＺＴを採用しているので、圧電材料がＡｌＮである場合に比べて、電気機械結合係数を大きくすることができるが、圧電層３２の圧電材料は、ＰＺＴなどの鉛系圧電材料に限らず、例えば、ＡｌＮ、ＺｎＯなどでもよい。
【００２０】
音響ミラー１２は、相対的に音響インピーダンスの低い材料からなる低音響インピーダンス層１２ａと相対的に音響インピーダンスの高い材料からなる高音響インピーダンス層１２ｂとが交互に積層されており、上述の下部電極３１は、最上層の低音響インピーダンス層１２ａ上に形成されている。なお、低音響インピーダンス層１２ａおよび高音響インピーダンス層１２ｂそれぞれの膜厚は、圧電層３２の共振周波数の弾性波（バルク弾性波）の波長の４分の１の値に設定すればよい。
【００２１】
本実施形態では、低音響インピーダンス層１２ａの材料としてＳｉＯ２、高音響インピーダンス層１２ｂの材料としてＷを採用しているが、これらの材料は特に限定するものではなく、低音響インピーダンス層１２ａの材料としては、例えば、Ｓｉ，ｐｏｌｙ−Ｓｉ，Ａｌ，ポリマーなどを採用してもよく、高音響インピーダンス層１２ｂの材料としては、例えば、Ａｕ，Ｍｏ，ＡｌＮ，ＺｎＯなどを採用してもよい。
【００２２】
ところで、本実施形態における共振装置では、下部電極３１の材料としてＰｔを採用しているが、Ｐｔに限らず、Ｔａ，Ｉｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｒｕなどを採用してもよく、また、単層構造に限らず積層構造を採用してもよい。
【００２３】
また、上部電極３３は、圧電層３２上の金属膜３３ａと当該金属膜３３ａの表面側（ここでは、金属膜３３ａにおける圧電層３２側とは反対側の表面および側面）に形成され金属膜３３ａよりも硬度が高い導電性窒化膜からなる高硬度部３３ｂとで構成されている。ここにおいて、金属膜３３ａの材料としては、Ｔａを採用し、高硬度部３３ｂの材料としてＴａＮを採用しているが、金属膜３３ａの材料は、Ｔａに限らず、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｒｕなどを採用してもよく、高硬度部３３ｂは、金属膜３３ａの材料の窒化膜により形成されている。要するに、高硬度部３３ａは金属膜３３ａと同一の構成元素を含んでいる。
【００２４】
なお、本実施形態における共振装置では、共振子３の共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、下部電極３１の厚みを１００ｎｍ、圧電層３２の厚みを３００ｎｍ、上部電極３３の厚みを１００ｎｍ、低音響インピーダンス層１２ａの厚みを４００ｎｍ、高音響インピーダンス層１２ｂの厚みを３５０ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。また、共振周波数を３ＧＨｚ〜５ＧＨｚの範囲で設計する場合には、圧電層３２の厚みは２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で、低音響インピーダンス層１２ａの厚みは２５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲で、高音響インピーダンス層１２ｂの厚みは２００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲で、それぞれ適宜設定すればよい。
【００２５】
以下、本実施形態の共振装置の製造方法について図１を参照しながら説明する。
【００２６】
まず、単結晶のシリコン基板からなる支持基板１１の上記一表面側にＳｉＯ２膜からなる低音響インピーダンス層１２ａとＷ膜からなる高音響インピーダンス層１２ｂとを例えばスパッタ法やＣＶＤ法などにより交互に成膜することで音響ミラー（音響多層膜）１２を形成する音響ミラー形成工程を行うことによって、図１（ａ）に示す構造を得る。
【００２７】
その後、音響ミラー１２上（支持基板１１と音響ミラー１２とからなるベース基板１上）に、下部電極３１を例えばスパッタ法やＥＢ蒸着法などにより形成する下部電極形工程を行い、続いて、下部電極３１上にＰＺＴ層からなる圧電層３２を、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、ＥＢ蒸着法などにより形成する圧電層形成工程を行うことによって、図１（ｂ）に示す構造を得る。
【００２８】
次に、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側の全面に金属材料（例えば、Ｔａなど）からなる金属膜３３ａをスパッタ法、ＥＢ蒸着法、ＣＶＤ法などにより形成する金属膜形成工程を行い、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して金属膜３３ａをパターニングするパターニング工程を行うことによって、図１（ｃ）に示す構造を得る。なお、金属材料は、Ｔａに限らず、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｒｕなどでもよい。
【００２９】
その後、金属膜３３ａの表面側を硬化させる表面処理工程を行うことで高硬度部３３ｂを形成することによって、図１（ｄ）に示す構造を得る。ここにおいて、表面処理工程では、金属膜３３ａの表面側を窒化処理することにより硬化させており、表面処理工程を行うことにより金属膜３３ａの表面側（ここでは、金属膜３３ａにおける圧電層３２側とは反対側の表面および側面）に金属膜３３ａよりも硬度の高い導電性窒化膜（ここでは、ＴａＮ膜）からなる高硬度部３３ｂが形成される。ここで、窒化処理としては、例えば、プラズマ窒化処理や熱窒化処理などがあるが、プラズマ窒化処理を行った方が、金属膜３３ａの表面に微小な突起物があるような場合でも当該突起物が窒素プラズマによりエッチングされて上部電極３３の表面あらさが小さくなり、結果的に、上部電極３３の表面と当該表面が接する媒質との界面でバルク弾性波が反射されやすくなるので好ましい。なお、本実施形態では、金属膜形成工程とパターニング工程と表面処理工程とで上部電極形成工程を構成しているが、金属膜形成工程と表面処理工程との間のパターニング工程をなくして、表面処理工程の後に金属膜３３ａおよび高硬度部３３ｂをパターニングするパターニング工程を設けるようにしてもよい。
【００３０】
以上説明した共振装置の製造方法によれば、上部電極３３の形成にあたっては、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に金属膜３３ａを形成する金属膜形成工程と、金属膜３３ａの表面側を硬化させる表面処理工程とを備えているので、金属膜３３ａの材料としてＴａ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｒｕなどの低抵抗金属を採用しながらも上部電極３３のＱ値を向上させることができて共振子３全体のＱ値を向上させることが可能となり、また、金属膜３３ａの表面側を硬化させる表面処理工程は金属膜３３ａのパターニング前後のいずれの過程でも行うことができるので、プロセス設計の自由度が高い。ここで、上部電極３３における金属膜３３ａおよび高硬度部３３ｂそれぞれの厚さは共振子３全体のＱ値が最大となるように適宜設定すればよい。
【００３１】
また、表面処理工程では、金属膜３３ａの表面側を窒化処理することにより硬化させるので、表面処理工程を行うことにより金属膜３３ａの表面側に当該金属膜３３ａよりも硬度の高い導電性窒化膜からなる高硬度部３３ｂが形成されるとともに上部電極３３の表面あらさが小さくなり、バルク弾性波が上部電極３３の表面と当該表面に接する媒質との界面で反射されやすくなり、より一層のＱ値の向上を図れる。
【００３２】
また、上述の表面処理工程では、金属膜３３ａの表面側を窒化処理することにより硬化させているが、金属膜３３ａの金属材料としてＦｅを採用し、窒化処理の代わりに、浸炭処理（例えば、ガス浸炭処理）を行うようにしてもよく、この場合も、窒化処理の場合と同様に、金属膜３３ａの表面側のみを安定して硬化させることができる。
【００３３】
ところで、上述の共振装置は、支持基板１１に音響ミラー１２が形成されており、ＳＭＲを構成しているが、支持基板１１の一表面側に音響ミラー１２を設けることなく支持基板１１に厚み方向に貫通する開孔部や凹部を形成して共振子３の下部電極３１が接する媒質を気体（例えば、空気、不活性ガスなど）としたＦＢＡＲを構成するようにしてもよい。
【００３４】
また、上述の共振装置を、３ＧＨｚ以上の高周波帯においてカットオフ特性が急峻で且つ帯域幅の広い高周波フィルタ、例えば、ＵＷＢ用フィルタとして応用する場合には、図２に示すように、下部電極３１と圧電層３２と上部電極３３とで構成される共振子３を同一のベース基板１上に複数個形成するようにし（図２には２個しか記載されていないが、例えば、８個形成するようにし）、これらの共振子３を図示しない配線によって図３に示すようなラダー型フィルタを構成するように接続すれば、ＵＷＢ用フィルタの低コスト化および小型化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施形態における共振装置の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図２】同上の共振装置を応用したＵＷＢ用フィルタの概略断面図である。
【図３】同上の共振装置を応用したＵＷＢ用フィルタの回路図である。
【図４】従来例の共振装置を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  ベース基板
３  共振子
１１  支持基板
１２  音響ミラー
３１  下部電極
３２  圧電層
３３  上部電極
３３ａ  金属膜
３３ｂ  高硬度部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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