(57)【要約】【課題】鉛系圧電材料からなる圧電層の結晶性および圧電特性を向上させることが可能なＢＡＷ共振装置を提供する。【解決手段】ＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３からなる支持基板１の一表面側に形成された音響ミラー層２と、音響ミラー層２上に形成された共振子３とを備える。共振子３は、音響ミラー層２上に形成されたＳｒＲｕＯ３からなる下部電極３１と、下部電極３１上に形成された鉛系圧電材料（例えば、ＰＭＮ−ＰＺＴなど）からなる圧電層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とを有する。音響ミラー層２は、下部電極３１と同じ材料により形成された高音響インピーダンス層２１と圧電層３２と同じ材料により形成された低音響インピーダンス層２２とが交互に積層され下部電極３１側の最上層が低音響インピーダンス層２２により構成されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３からなる支持基板の一表面側に形成された音響ミラー層と、音響ミラー層における支持基板側とは反対側に形成された共振子とを備え、共振子は、音響ミラー層における支持基板側とは反対側に形成されたＳｒＲｕＯ３からなる下部電極と、下部電極における音響ミラー層側とは反対側に形成された鉛系圧電材料からなる圧電層と、圧電層における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを有し、音響ミラー層は、下部電極と同じ材料により形成された高音響インピーダンス層と圧電層と同じ材料により形成された低音響インピーダンス層とが交互に積層され下部電極側の最上層が低音響インピーダンス層により構成されてなることを特徴とするＢＡＷ共振装置。
【請求項２】
音響ミラー層と下部電極との間に両者の格子不整合性を緩和するバッファ層としてＰｔ層が形成されてなることを特徴とする請求項１記載のＢＡＷ共振装置。
【請求項３】
支持基板と音響ミラー層との間に両者の格子不整合性を緩和するバッファ層としてＰｔ層が形成されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のＢＡＷ共振装置。
【請求項４】
上部電極の材料は、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｔの群から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のＢＡＷ共振装置。
【請求項５】
音響ミラー層上に共振子を複数個形成してＵＷＢ用フィルタを構成してなり、音響ミラー層は、隣り合う共振子が高音響インピーダンス層を介して容量結合しないように高音響インピーダンス層がパターニングされてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のＢＡＷ共振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電層の厚み方向の縦振動モードを利用する共振子を備えたＢＡＷ（Bulk  Acoustic  Wave）共振装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、携帯電話機などの移動体通信機器の分野において、２ＧＨｚ以上の高周波帯で利用する高周波フィルタに適用可能な共振装置として、図４に示すように、支持基板１’と、支持基板１’の一表面側に形成された音響ミラー層２’と、音響ミラー層２’上に形成された共振子３’とを備えたＢＡＷ共振装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここにおいて、音響ミラー層２’は、金属材料（例えば、Ｗ、Ｍｏなど）からなる高音響インピーダンス層２１’と誘電体材料（例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４など）からなる低音響インピーダンス層２２’とを交互に積層した積層構造を有し、共振子３’は、下部電極３１’と圧電層３２’と上部電極３３’との積層構造を有し、圧電層３２’の圧電材料としてＡｌＮなどが用いられている。なお、上記特許文献１に記載されたＢＡＷ共振装置は、音響ミラー層２’上に複数個の共振子３’が形成されて適宜接続されており、フィルタを構成している。
【０００３】
ところで、上述のＢＡＷ共振装置では、圧電層３２’の圧電材料としてＡｌＮを採用し、支持基板１’の材料としてＳｉもしくはＧａＡｓもしくはガラスを採用しているが、ＵＷＢ（Ultra  Wide  Band）用フィルタに応用する場合、圧電層３２’の圧電材料として、帯域幅が中心周波数に対して４〜５％しか広帯域化できないＡｌＮに比べて中心周波数に対して１０％程度の帯域幅を得ることが可能な鉛系圧電材料（例えば、ＰＺＴ、ＰＭＮ−ＰＺＴなど）を採用し、圧電層３２’の結晶性を向上させるために支持基板１’の材料としてＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３を採用することが考えられる。なお、上記特許文献１に記載されたＢＡＷ共振装置は、音響ミラー層２’を備えたＳＭＲ（Solidly  Mounted  Resonator）であり、音響ミラー層２’を設けずに支持基板１’に空洞を形成したＦＢＡＲ（Film  Bulk  Acoustic  Resonator）に比べて堅牢化できるという利点がある。
【特許文献１】特開２００２−２５１１９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、図４に示した構成のＢＡＷ共振装置では、圧電層３２’の圧電材料として鉛系圧電材料を採用し、支持基板１’の材料としてＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３を採用したとしても、音響ミラー層２’を構成する高音響インピーダンス層２１’がＷやＭｏなどの金属材料により形成され、低音響インピーダンス層２２’がＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４などの誘電体材料により形成されているので、圧電層３２’の結晶性を十分に向上させることができず、圧電特性（電気機械結合係数など）の向上が望まれていた。
【０００５】
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、鉛系圧電材料からなる圧電層の結晶性および圧電特性を向上させることが可能なＢＡＷ共振装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、ＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３からなる支持基板の一表面側に形成された音響ミラー層と、音響ミラー層における支持基板側とは反対側に形成された共振子とを備え、共振子は、音響ミラー層における支持基板側とは反対側に形成されたＳｒＲｕＯ３からなる下部電極と、下部電極における音響ミラー層側とは反対側に形成された鉛系圧電材料からなる圧電層と、圧電層における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを有し、音響ミラー層は、下部電極と同じ材料により形成された高音響インピーダンス層と圧電層と同じ材料により形成された低音響インピーダンス層とが交互に積層され下部電極側の最上層が低音響インピーダンス層により構成されてなることを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、圧電層の材料として鉛系圧電材料を採用し、支持基板がＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３により形成されるとともに、下部電極がＳｒＲｕＯ３により形成され、音響ミラー層は、下部電極と同じ材料により形成された高音響インピーダンス層と圧電層と同じ材料により形成された低音響インピーダンス層とが交互に積層され下部電極側の最上層が低音響インピーダンス層により構成されているので、鉛系圧電材料からなる圧電層の結晶性および圧電特性を向上させることが可能となる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、音響ミラー層と下部電極との間に両者の格子不整合性を緩和するバッファ層としてＰｔ層が形成されてなることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、下部電極の結晶性を向上でき、圧電層の結晶性をより向上させることが可能となる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、支持基板と音響ミラー層との間に両者の格子不整合性を緩和するバッファ層としてＰｔ層が形成されてなることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、音響ミラー層の高音響インピーダンス層および低音響インピーダンス層それぞれの結晶性を向上できて、下部電極の結晶性を向上でき、圧電層の結晶性をより向上させることが可能となる。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、上部電極の材料は、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｔの群から選択される少なくとも１種であることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、上部電極の材料が代表的な電極材料であるＡｌやＡｕの場合に比べて、上部電極の機械的品質係数を高めることができ、共振子全体の機械的品質係数を高めることが可能となる。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、音響ミラー層上に共振子を複数個形成してＵＷＢ用フィルタを構成してなり、音響ミラー層は、隣り合う共振子が高音響インピーダンス層を介して容量結合しないように高音響インピーダンス層がパターニングされてなることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、音響ミラー層の高音響インピーダンス層を介した共振子間の容量結合を防止することができ、フィルタ特性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明では、鉛系圧電材料からなる圧電層の結晶性および圧電特性を向上させることが可能となるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（実施形態１）
本実施形態のＢＡＷ共振装置は、図１に示すように、支持基板１と、支持基板１の一表面側に形成された音響ミラー層（音響多層膜）２と、音響ミラー層２上に形成された共振子３とを備えたＢＡＷ共振装置であり、共振子３が音響ミラー層２上に形成された下部電極３１と、下部電極３１における支持基板１側とは反対側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との積層構造を有しており、圧電層３２が、鉛系圧電材料（例えば、ＰＭＮ−ＰＺＴ、ＰＺＴなど）により形成されている。
【００１８】
また、本実施形態のＢＡＷ共振装置は、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に上部電極３３と圧電層３２との接触面積を規定する開孔部４ａを有する絶縁層４が形成されており、圧電層３２のうち下部電極３１と上部電極３３との両方と接する領域が共振領域を構成している。
【００１９】
本実施形態のＢＡＷ共振装置は、圧電層３２の圧電材料として、ＰＭＮ−ＰＺＴを採用しており、圧電層３２として（００１）配向のＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜からなる圧電薄膜が得られるように、支持基板１として、上記一表面である主表面が（００１）面の単結晶ＭｇＯ基板を用いているが、支持基板１としては、上記一表面である主表面が（００１）面の単結晶ＳＴＯ（：ＳｒＴｉＯ３）基板を用いてもよい。また、ＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜は、単結晶膜もしくは単一配向膜であればよく、配向は（００１）配向に限らず、例えば、（１１１）配向でもよい。また、本実施形態のＢＡＷ共振装置では、圧電層３２の結晶配向を単一配向に制御するとともに圧電層３２の格子歪を抑制するために下部電極３１の材料として、導電性酸化物材料の一種であるＳＲＯ（：ＳｒＲｕＯ３）を採用している。
【００２０】
本実施形態では、上部電極３３の材料としてＡｌを採用しているが、上部電極３３の材料はＡｌに限定するものではなく、例えば、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｔの群から選択される少なくとも１種を採用すれば、上部電極３３の材料が代表的な電極材料であるＡｌやＡｕの場合に比べて、上部電極３３の機械的品質係数を高めることができ、共振子３全体の機械的品質係数を高めることが可能となる。また、絶縁層４の材料としてＳｉＯ２を採用しているが、ＳｉＯ２に限らず、例えば、Ｓｉ３Ｎ４を採用してもよい。
【００２１】
また、圧電層３２は、（００１）配向のＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜からなる圧電薄膜により構成されている。ここにおいて、ＰＭＮ−ＰＺＴの組成は、ｘ（Ｐｂ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−（１−ｘ）（ＰｂＺｒｙＴｉ１−ｙＯ３）なる化学式で表され、本実施形態では、ｘ＝０．１０、ｙ＝０．５２としてあるが、これらの値は一例であって特に限定するものではない。なお、本実施形態では、圧電層３２の圧電材料として、鉛系圧電材料を採用しているので、圧電材料がＡｌＮやＺｎＯ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。
【００２２】
音響ミラー層２は、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２１と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２２とが交互に積層されており、下部電極３１側の最上層が低音響インピーダンス層２２により構成されている。
【００２３】
なお、本実施形態のＢＡＷ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、高音響インピーダンス層２１の厚みを３５０ｎｍ、低音響インピーダンス層２２の厚みを４００ｎｍ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、高音響インピーダンス層２１の厚みは２００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲で、低音響インピーダンス層２２の厚みは２５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲で、それぞれ適宜設定すればよい。
【００２４】
ところで、本実施形態では、高音響インピーダンス層２１の材料として、下部電極３１と同じ材料であるＳｒＲｕＯ３を採用し、低音響インピーダンス層２２の材料として、圧電層３２と同じ材料であるＰＭＮ−ＰＺＴを採用しているが、低音響インピーダンス層２２の材料は、圧電層３２と同じ材料であればよく、例えば、圧電層３２の材料がＰＺＴの場合には、ＰＺＴを採用すればよい。
【００２５】
以下、本実施形態のＢＡＷ共振装置の製造方法について簡単に説明する。
【００２６】
まず、上記一表面が（００１）面の単結晶ＭｇＯ基板からなる支持基板１の上記一表面側の全面に（１１０）配向のＳｒＲｕＯ３からなる高音響インピーダンス層２１を形成する工程と（００１）配向のＰＭＮ−ＰＺＴからなる低音響インピーダンス層２１を形成する工程とを交互に繰り返すことにより音響ミラー層２を形成する音響ミラー層形成工程を行う。ここにおいて、高音響インピーダンス層２１は、例えば、スパッタ法やＣＶＤ法などにより形成すればよく、低音響インピーダンス層２２は、例えば、スパッタ法やＣＶＤ法やゾルゲル法などにより形成すればよい。
【００２７】
上述の音響ミラー層形成工程の後、音響ミラー２の表面側に（１１０）配向のＳｒＲｕＯ３からなる下部電極３１をスパッタ法やＣＶＤ法などにより形成する下部電極形成工程を行う。
【００２８】
上述の下部電極形成工程の後、下部電極の表面側の全面に（００１）配向のＰＭＮ−ＰＺＴからなる圧電層３２をスパッタ法やＣＶＤ法やゾルゲル法などにより形成する圧電層形成工程を行う。
【００２９】
この圧電層形成工程の後、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圧電層３２を所望の平面形状にパターニングする圧電層パターニング工程を行い、続いて、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下部電極３１を所望の平面形状にパターニングする下部電極パターニング工程を行う。
【００３０】
その後、支持基板１の上記一表面に上述の開孔部４ａを有する絶縁層４を形成する絶縁層形成工程を行い、続いて、上部電極３３を形成する上部電極形成工程を行うことによって、ＢＡＷ共振装置を得る。ここにおいて、絶縁層形成工程では、支持基板１の上記一表面側の全面に例えばＳｉＯ２からなる絶縁層４をスパッタ法やＣＶＤ法などにより形成してから、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開孔部４ａを形成する。また、上部電極形成工程では、支持基板１の上記一表面側の全面に、上部電極３３をスパッタ法や蒸着法などによって形成し、続いて、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上部電極３３を所望の平面形状にパターニングする。
【００３１】
上述のＢＡＷ共振装置の製造にあたっては、上述の支持基板１としてウェハを用いてウェハレベルで多数のＢＡＷ共振装置を形成した後、ダイシング工程で個々のＢＡＷ共振装置に分割すればよい。
【００３２】
以上説明した本実施形態のＢＡＷ共振装置は、音響ミラー層２を備えたＳＭＲなので、ＦＢＡＲに比べて堅牢化できるのは勿論、圧電層３２の材料として鉛系圧電材料を採用し、支持基板１がＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３により形成されるとともに、下部電極３１がＳｒＲｕＯ３により形成され、音響ミラー層２は、下部電極３１と同じ材料により形成された高音響インピーダンス層２１と圧電層３２と同じ材料により形成された低音響インピーダンス層２２とが交互に積層され下部電極３１側の最上層が低音響インピーダンス層２２により構成されており、支持基板１と音響ミラー層２と下部電極３１との全てが圧電層３２と格子定数の近い材料で形成されているので、鉛系圧電材料からなる圧電層３２の結晶性および圧電特性を向上させることが可能となる。
【００３３】
ところで、上述のＢＡＷ共振装置において、音響ミラー層２と下部電極３１との間に両者の格子不整合性を緩和するバッファ層として（００１）配向のＰｔ層（以下、第１のＰｔ層と称する）を形成するようにすれば、下部電極３１の結晶性を向上でき、圧電層３２の結晶性をより向上させることが可能となり、また、支持基板１と音響ミラー層２との間に両者の格子不整合性を緩和するバッファ層として（００１）配向のＰｔ層（以下、第２のＰｔ層と称する）を形成するようにすれば、音響ミラー層２の高音響インピーダンス層２１および低音響インピーダンス層２２それぞれの結晶性を向上できて、下部電極３１の結晶性を向上でき、圧電層３２の結晶性をより向上させることが可能となる。なお、上述の第１のＰｔ層や第２のＰｔ層は、スパッタ法や蒸着法などにより成膜すればよく、第１のＰｔ層と第２のＰｔ層との両者を設けてもよいし、一方のみを設けてもよい。
【００３４】
また、本実施形態のＢＡＷ共振装置では、圧電層３２の圧電材料がＰＭＮ−ＰＺＴであり、上部電極３３の電極材料として、例えば、Ａｌや他の金属材料を採用してもよいが、例えば、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｔの群から選択される少なくとも１種を採用すれば、代表的な電極材料であるＡｕの場合に比べて、上部電極３３の機械的品質係数を高めることができ、共振子３全体の機械的品質係数を高めることが可能となる。なお、本実施形態では、圧電層３２の圧電材料として、ＰＭＮ−ＰＺＴを採用しているが、圧電材料は、鉛系圧電材料であればよく、例えば、ＰＺＴや適宜の不純物を添加したＰＺＴなどのＰＺＴ系材料を採用すればよい。
【００３５】
（実施形態２）
本実施形態のＢＡＷ共振装置は、実施形態１にて説明した共振子３を図２および図３に示すように支持基板１の上記一表面側の音響ミラー層２上に複数個形成してフィルタ（ＢＡＷフィルタ）を構成してある点が相違する。ここにおいて、本実施形態のＢＡＷ共振装置は、これら複数個の共振子３がラダー型フィルタを構成するように接続されており、２ＧＨｚ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フィルタ、例えば、ＵＷＢ用フィルタとして用いることができる。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３６】
ところで、本実施形態のＢＡＷ共振装置における音響ミラー層２は、隣り合う共振子３が高音響インピーダンス層２１を介して容量結合しないように高音響インピーダンス層２１がパターニングされている。ここで、本実施形態のＢＡＷ共振装置は、下部電極３１同士が電気的に接続された２個１組の共振子３の組を複数組（図示例では、９組）備えており、各組の２個の共振子３では、下部電極３１と圧電層３２とが連続して形成される一方で上部電極３３同士が絶縁分離されるようにパターニングされており、下部電極３１同士が電気的に接続され同電位となるので、高音響インピーダンス層２１は、各組の２個の共振子３に跨り且つ２個の共振子３の組ごとに独立した島状のパターンとなるようにパターニングしてある。ここにおいて、隣り合う組間では、隣接する２個の共振子３の上部電極３３同士が上部電極３３と連続して形成された金属配線３４を介して電気的に接続されている。また、各組の２個の共振子３に跨って形成された圧電層３２のうち下部電極３１と上部電極３３との両方と接する領域が各共振領域を構成しており、各共振領域は、高音響インピーダンス層２１の投影領域内に位置している。
【００３７】
なお、本実施形態のＢＡＷ共振装置では、支持基板１の厚み方向において重なる高音響インピーダンス層２１の平面サイズを支持基板１から離れるにつれて徐々に小さくなるように設定してあるので、音響ミラー層２の最上層の低音響インピーダンス層２２の表面の平坦性を向上でき（表面の凹凸の高低差を低減でき）、圧電層３２の結晶性を向上させることができる。
【００３８】
以上説明した本実施形態のＢＡＷ共振装置では、音響ミラー層２の高音響インピーダンス層２１を介した共振子３間の容量結合を防止することができ、フィルタ特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施形態１のＢＡＷ共振装置の概略断面図である。
【図２】実施形態２のＢＡＷ共振装置の概略平面図である。
【図３】同上のＢＡＷ共振装置を示し、（ａ）は要部概略平面図、（ｂ）は（ａ）の概略断面図である。
【図４】従来例を示すＢＡＷ共振装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  支持基板
２  音響ミラー層
３  共振子
４  絶縁層
４ａ  開孔部
２１  高音響インピーダンス層
２２  低音響インピーダンス層
３１  下部電極
３２  圧電層
３３  上部電極
【図１】
2009290369.tif 000003
【図２】
2009290369.tif 000004
【図３】
2009290369.tif 000005
【図４】
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