(57)【要約】【課題】Ｑ値を向上させることが可能な共振装置を提供する。【解決手段】共振装置は、支持基板１の一表面側に下部電極３１と圧電層３２と上部電極３３とを有する共振子３を備え、支持基板１に下部電極３１のうち共振子３の共振領域に対応する部位を露出させる開孔部１ａが貫設されてなるＦＢＡＲ型のＢＡＷ共振器であり、共振子３のＱ値を調整するために共振子３の応力を制御する第１の応力制御膜５および第２の応力制御膜６が形成されている。ここで、第１の応力制御膜５は、支持基板１の他表面側に形成されてなり、支持基板１の上記他表面と開孔部１ａの内周面と下部電極３１の露出部位とを覆う形で形成されており、第２の応力制御膜６は、上部電極３３上に形成されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、支持基板に下部電極のうち共振子の共振領域に対応する部位を露出させる開孔部が貫設されてなる共振装置であって、共振子のＱ値を調整するために共振子の応力を制御する応力制御膜が、少なくとも支持基板の他表面側に形成されてなり、当該他表面側の応力制御膜は、支持基板の他表面と開孔部の内周面と下部電極の露出部位とを覆う形で形成されてなることを特徴とする共振装置。
【請求項２】
前記応力制御膜は、前記支持基板の上記一表面側にも形成されてなることを特徴とする請求項１記載の共振装置。
【請求項３】
前記応力制御膜の一方が前記圧電層に対して圧縮応力を付加し、他方が前記圧電層に対して引っ張り応力を付加していることを特徴とする請求項２記載の共振装置。
【請求項４】
前記応力制御膜は、導電性材料により形成されてな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項に記載の共振装置。
【請求項５】
前記導電性材料がＣｒであることを特徴とする請求項４記載の共振装置。
【請求項６】
前記圧電層の圧電材料がＫＮＮであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の共振装置。
【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Ｑ値が高い共振装置として、ＢＡＷ（Bulk  Acoustic  Wave）共振器が注目されている。
【０００３】
ここにおいて、ＢＡＷ共振器としては、例えば、図６に示すように、支持基板（例えば、ＭｇＯ基板、シリコン基板など）１の一表面側に第１の導電性材料（例えば、Ｐｔ，Ｉｒ，ＩｒＯ２，Ｍｏなど）からなる下部電極３１と圧電材料（例えば、ＰＺＴ，ＡｌＮ，ＺｎＯなど）からなる圧電層３２と第２の導電性材料（例えば、Ａｌ，Ｍｏなど）からなる上部電極３３とを有する共振子３を備え、支持基板１に下部電極３１を露出させる開孔部１ａが貫設されたＦＢＡＲ（Film  Bulk  Acoustic  Resonator）型のものが知られている。このようなＦＢＡＲ型のＢＡＷ共振器は、下部電極３１と下部電極３１直下の媒質との音響インピーダンス比を大きくすることにより支持基板１側への弾性波エネルギの伝搬を抑制することができる。なお、上述の共振装置をＵＷＢ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で且つ電気機械結合係数が大きなＰＺＴなどの鉛酸化物系圧電材料を採用することが考えられる。ここで、圧電層３２の圧電材料としてＰＺＴなどのＡｌＮに比べて誘電率の大きな材料を採用した場合にインピーダンス設計が難しくなるので、インピーダンス整合および加工精度の制約から、図６に示した構成のＦＢＡＲ型のＢＡＷ共振器のように、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を有する絶縁膜４が形成されていることが好ましい。
【０００４】
ところで、図６に示した構成のＦＢＡＲ型のＢＡＷ共振器の製造にあたっては、例えば、支持基板１の上記一表面側に下部電極３１をスパッタ法やＣＶＤ法などにより形成してから、支持基板１の上記一表面側に圧電層３２をスパッタ法やＣＶＤ法やゾルゲル法などにより形成し、続いて、支持基板１の上記一表面側に上述の開孔部４ａを有する絶縁膜４を形成し、その後、支持基板１の上記一表面側に上部電極３３の基礎となる導電層をスパッタ法やＥＢ蒸着法や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導電層をパターニングすることにより当該導電層の一部からなる上部電極３３を形成し、その後、フォトリソグラフィ技術および異方性エッチング技術を利用して支持基板１に厚み方向に貫通する開孔部１ａを形成している。なお、圧電層３２の形成前に圧電層３２の配向を制御するためのシード層を形成することもあり、圧電層３２の圧電材料がＰＺＴなどの鉛酸化物系圧電材料の場合には、シード層の材料として、例えば、ＰＴＯ，ＰＬＴ，ＳＲＯ，ＹＳＺなどが採用される。
【０００５】
しかしながら、図６に示した構成のＢＡＷ共振器では、支持基板１に開孔部１ａを形成する工程で共振子３の共振領域に応力緩和によって膨らみが発生するので、Ｑ値を制御することができず、Ｑ値が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
また、従来から、ＦＢＡＲ型のＢＡＷ共振器として、図７に示すように、シリコン基板からなる支持基板１の一表面側に開孔部１ａを閉塞する形で形成されたシリコン酸化膜からなる第１の誘電体膜１４を備え、第１の誘電体膜１４上に下部電極３１が形成され、下部電極３１上に圧電層３２が形成され、圧電層３２上に上部電極３３が形成され、上部電極３３上にシリコン酸化膜からなる第２の誘電体膜１５が形成されたものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
ここにおいて、図７に示した構成のＦＢＡＲ型のＢＡＷ共振器では、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が第１の誘電体膜１４と第２の誘電体膜１５とで挟まれているので、共振子３が反ることによる共振子３の共振周波数の変化を小さくすることができるという利点がある。ここで、図７に示した構成のＦＢＡＲ型のＢＡＷ共振器の製造にあたっては、支持基板１の上記一表面側に第１の誘電体膜１４を形成した後、第１の誘電体膜１４上に共振子３を形成し、その後、第２の誘電体膜１５を形成してから、第１の誘電体膜１４をエッチングストッパ層として支持基板１に開孔部１ａを形成している。
【特許文献１】特開２００４−１４７２４６号公報（段落〔００２７〕−〔００２９〕および図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、図７に示した構成のＢＡＷ共振器では、共振子３の厚み方向の両側に設けた誘電体膜１４，１５により共振子３の応力を制御することができるが、これらの誘電体膜１４，１５は共振周波数の変化を小さくすることを目的として設けたものであり、Ｑ値の向上を目的としたものではなかった。また、図７に示した構成のＢＡＷ共振器では、共振子３直下の第１の誘電体膜１４における露出部位の周辺部分が支持基板１と下部電極３１とで挟まれているので、共振子３の応力を制御する応力制御膜としては機能しにくかった。
【０００９】
また、図７に示した構成のＢＡＷ共振器では、開孔部１ａを形成する際に第１の誘電体膜１４をエッチングストッパ層として利用するので、第１の誘電体膜１４の材料の選択肢が少なかった。
【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、Ｑ値を向上させることが可能な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】
【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、支持基板に下部電極のうち共振子の共振領域に対応する部位を露出させる開孔部が貫設されてなる共振装置であって、共振子のＱ値を調整するために共振子の応力を制御する応力制御膜が、少なくとも支持基板の他表面側に形成されてなり、当該他表面側の応力制御膜は、支持基板の他表面と開孔部の内周面と下部電極の露出部位とを覆う形で形成されてなることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、共振子のＱ値を調整するために共振子の応力を制御する応力制御膜が、少なくとも支持基板の他表面側に形成されてなり、当該他表面側の応力制御膜は、支持基板の他表面と開孔部の内周面と下部電極の露出部位とを覆う形で形成されているので、当該他表面側の応力制御膜の材料選択肢および膜厚設計の自由度が高く、しかも、当該他表面側の応力制御膜の膜全体に応力を付加できて共振領域に応力を集中させることができ、Ｑ値を向上させることが可能となる。しかも、製造時にあたって、支持基板に開孔部を形成した後に、共振子のＱ値を調整するために共振子の応力を制御する応力制御膜を形成することができ、応力制御膜の材料の選択肢が多くなるとともに、Ｑ値を測定してから応力制御膜の一部のエッチングや追加成膜により応力制御膜の膜厚を変えることによりＱ値を容易に調整することが可能となる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記応力制御膜は、前記支持基板の上記一表面側にも形成されてなることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、Ｑ値をより調整しやすくなり、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２の発明において、前記応力制御膜の一方が前記圧電層に対して圧縮応力を付加し、他方が前記圧電層に対して引っ張り応力を付加していることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、Ｑ値の調整幅を広くでき、Ｑ値の向上を図れる。
【００１７】
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、前記応力制御膜は、導電性材料により形成されてなることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、前記応力制御膜が絶縁材料により形成されている場合に比べてＱ値が向上し、また、前記応力制御膜を配線として利用することが可能となり、配線設計の自由度が高くなる。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記導電性材料がＣｒであることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、前記応力制御膜をスパッタ法やＥＢ蒸着法などにより容易に形成できる。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記圧電層の圧電材料がＫＮＮであることを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、前記圧電層の圧電材料が鉛酸化物系圧電材料である場合に比べて環境負荷を低減することができる。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１の発明では、Ｑ値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】
【００２４】
本実施形態の共振装置は、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共振子３とを備えたＢＡＷ共振器であり、共振子３が、支持基板１の上記一表面側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とで構成されている。なお、本実施形態の共振装置は、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を有する絶縁膜４が形成されている。ここで、絶縁膜４の材料としては、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。
【００２５】
本実施形態の共振装置は、支持基板１に、下部電極３１のうち共振子３の共振領域に対応する部位を露出させる開孔部１ａが形成されている。要するに、本実施形態の共振装置は、下部電極３１と下部電極３１直下の媒質との音響インピーダンス比を大きくすることにより支持基板１側への弾性波エネルギの伝搬を抑制するようにしたＦＢＡＲを構成している。ここにおいて、開孔部１ａは、支持基板１の厚み方向において下部電極３１から離れるにつれて徐々に開口面積が大きくなる形状に開孔されている。
【００２６】
本実施形態の共振装置は、圧電層３２の圧電材料として鉛酸化物系圧電材料の一種であるＰＺＴを採用しており、支持基板１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１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。ここにおいて、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。ただし、圧電層３２の圧電材料は、ＰＺＴに限らず、共振子３に要求される共振特性などに応じて、他の鉛酸化物系圧電材料（例えば、ＰＺＴ−ＰＭＴや適宜の不純物を添加したＰＺＴなど）や、ＡｌＮ、ＺｎＯなどを採用してもよい。また、圧電層３２の圧電材料として、鉛フリーのＫＮＮ（二オブ酸カリウムナトリウム）を採用してもよく、ＫＮＮを採用すれば、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、しかも、鉛酸化物系圧電材料を採用する場合に比べて環境負荷を低減できる。ＫＮＮの組成は、ＫｘＮａ１−ｘＮｂＯ３なる化学式で表され、例えば、ｘ＝０．５とすればよいが、この値は一例であって特に限定するものではない。また、ＫＮＮについては、例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなどの不純物を添加してもよい。
【００２７】
また、共振子３は、下部電極３１および上部電極３３の材料としてＰｔ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、例えば、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｒｕなどの１種あるいは複数を採用してもよく、下部電極３１と上部電極３３とは異種材料でもよい。
【００２８】
なお、本実施形態の共振装置では、共振子３の共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、圧電層３２の厚みを３００ｎｍ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。例えば、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の範囲で適宜設定すればよい。
【００２９】
ところで、本実施形態の共振装置は、共振子３のＱ値を調整するために共振子３の応力を制御する第１の応力制御膜５および第２の応力制御膜６を備えている。ここにおいて、第１の応力制御膜５は、支持基板１の上記他表面側に形成され、第２の応力制御膜６は、支持基板１の上記一表面側に形成されている。
【００３０】
第１の応力制御膜５は、支持基板１の上記他表面と開孔部１ａの内周面と下部電極３１の露出部位とを覆う形で形成され、第２の応力制御膜６は、上部電極３３上に形成されている。ここで、本実施形態では、第１の応力制御膜５が絶縁材料（例えば、ＡｌＮなど）、第２の応力制御膜６が導電性材料（例えば、Ｃｒなど）により形成されており、各応力制御膜５，６の一方が圧電層３２に対して圧縮応力を付加し、他方が圧電層３２に対して引っ張り応力を付加している。また、本実施形態では、第２の応力制御膜６のうち上部電極３３を覆っている部分を上部電極３３と一体化することができて当該一体化した上部電極３３の抵抗を下げることができるので、Ｑ値が向上する。ここにおいて、第１の応力制御膜５は、絶縁材料に限らず、導電性材料（例えば、Ｃｒなど）により形成してもよく、第１の応力制御膜５を導電性材料により形成すれば、第１の応力制御膜５のうち下部電極３１を覆っている部分を下部電極３１と一体化することができて当該一体化した下部電極３１の抵抗を下げることができてＱ値のより一層の向上を図れるとともに、各応力制御膜５，６を配線として利用することが可能となり、配線設計の自由度が高くなるとともに、共振装置の小型化を図れる。また、各応力制御膜５，６の導電性材料としてＣｒを採用すれば、各応力制御膜５，６をスパッタ法やＥＢ蒸着法などにより容易に形成できる。
【００３１】
以下、本実施形態の共振装置の製造方法について図２および図３を参照しながら説明する。
【００３２】
まず、支持基板（例えば、シリコン基板、ＭｇＯ基板など）１の一表面側（図２（ａ）における上面側）の全面に、第１の導電層（例えば、Ｐｔ層）からなる下部電極３１を例えばスパッタ法やＥＢ蒸着法やＣＶＤ法などにより形成する下部電極形成工程を行うことによって、図２（ａ）に示す構造を得る。
【００３３】
その後、支持基板１の上記一表面側の全面に例えばＰＺＴ層からなる圧電層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ことによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。なお、圧電層３２の形成前に圧電層３２の配向を制御するためのシード層を形成することもある。また、圧電層形成工程では、圧電層３２としてＰＺＴ層に限らず、例えば、ＫＮＮ層を形成するようにしてもよく、この場合は、圧電層形成工程において、ＫＮＮ層を例えばゾルゲル法やスパッタ法やＭＯＤ（Metal Organic Decomposition）法やレーザアブレーション法などにより形成するようにすればよい。
【００３４】
続いて、支持基板１の上記一表面側の全面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜４をスパッタ法やＣＶＤ法などにより形成する絶縁膜形成工程を行ってから、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絶縁膜４に開孔部４ａなどを形成する第１のパターニング工程を行うことによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。
【００３５】
次に、支持基板１の上記一表面側の全面にＰｔ膜からなる上部電極３３をスパッタ法やＥＢ蒸着法やＣＶＤ法などにより形成する上部電極形成工程を行ってから、Ｃｒ膜からなる第２の応力制御膜６をスパッタ法やＥＢ蒸着法やＣＶＤ法などにより形成する第２応力制御膜形成工程を行うことによって、図２（ｄ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、上部電極３３と第２の応力制御膜６とを同一の成膜装置のチャンバ内で連続的に成膜している。
【００３６】
その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術（ウェットエッチング技術や、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング技術）を利用して第２の応力制御膜６をパターニングする第２のパターニング工程および上部電極３３をパターニングする第３のパターニング工程を行うことによって、図３（ａ）に示す構造を得る。
【００３７】
続いて、フォトリソグラフィ技術および異方性エッチング技術を利用して支持基板１に厚み方向に貫通する開孔部１ａを形成する開孔部形成工程を行うことによって、図３（ｂ）に示す構造を得る。なお、支持基板１として、シリコン基板を用いている場合には、異方性エッチング時のエッチャントとして例えばＫＯＨ溶液やＨＭＤＳなどを用い、ＭｇＯ基板を用いている場合には、異方性エッチング時のエッチャントとして例えば燐酸を用いればよい。
【００３８】
その後、支持基板１の上記他表面側の全面にＡｌＮ膜からなる第１の応力制御膜５をスパッタ法などにより形成する第１応力制御膜形成工程を行うことによって、図３（ｃ）に示す構造を得る。
【００３９】
上述の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共振装置を形成した後、ダイシング工程で個々の共振装置に分割すればよい。
【００４０】
以上説明した本実施形態の共振装置は、共振子３のＱ値を調整するために共振子３の応力を制御する第１の応力制御膜５および第２の応力制御膜６を備えているので、Ｑ値を向上させることが可能となる。ここにおいて、支持基板１の上記他表面側に形成された第１の応力制御膜５は、支持基板１の上記他表面と開孔部１ａの内周面と下部電極３１の露出部位とを覆う形で形成されているので、上記他表面側の第１の応力制御膜５の膜全体に応力を付加できて共振子３の共振領域に応力を集中させることができ、Ｑ値を向上させることが可能となり、しかも、製造時にあたって、支持基板１に開孔部１ａを形成した後に、共振子３のＱ値を調整するために共振子３の応力を制御する第１の応力制御膜５を形成することができ、第１の応力制御膜５の材料の選択肢が多くなるとともに、Ｑ値を測定してから第１の応力制御膜５の一部のエッチングや追加成膜により第１の応力制御膜５の膜厚を変えることによりＱ値を容易に調整することが可能となる。
【００４１】
また、本実施形態の共振装置では、支持基板１の上記一表面側に第２の応力制御膜６が形成されているので、Ｑ値をより調整しやすくなり、より一層のＱ値の向上を図れる。
【００４２】
また、本実施形態の共振装置では、第１の応力制御膜５がＡｌＮにより形成され、第２の応力制御膜６がＣｒにより形成されており、各応力制御膜５，６の一方が圧電層３２に対して圧縮応力を付加し、他方が圧電層３２に対して引っ張り応力を付加しているので、Ｑ値の調整幅を広くでき、Ｑ値の向上を図れる。なお、各応力制御膜５，６の一方が圧電層３２に対して圧縮応力を付加し、他方が圧電層３２に対して引っ張り応力を付加するように構成する場合、各応力制御膜５，６の膜厚を１００ｎｍ〜１０μｍの範囲で適宜設定することにより、応力制御しやすくなる。
【００４３】
ところで、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フィルタ、例えば、ＵＷＢ用フィルタとして応用する場合には、複数個（例えば、８個）の共振子３を支持基板１の上記一表面側に形成し、これら複数個の共振子３を図４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。
【００４４】
また、上述の実施形態では、支持基板１の上記一表面側に第２の応力制御膜６が設けられているが、図５に示すように少なくとも支持基板１の上記他表面側の第１の応力制御膜５が設けられていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施形態の共振装置の概略断面図である。
【図２】同上の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３】同上の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４】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５】同上の共振装置の他の構成例を示す概略断面図である。
【図６】従来例を示す共振装置の概略断面図である。
【図７】他の従来例を示す共振装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  支持基板
１ａ  開孔部
３  共振子
４  絶縁膜
５  第１の応力制御膜
６  第２の応力制御膜
３１  下部電極
３２  圧電層
３３  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】
2009124696.tif 000007
【図６】
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【図７】
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