JP2008048040A - Piezoelectric thin film resonator and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、携帯電話に代表される無線通信機能を備えた携帯型電子機器等に用いられ、アンテナ共用器や高周波フィルタ、発信器などとして使用される、圧電薄膜共振器とその製造方法に関する。 The present invention relates to a piezoelectric thin film resonator used in portable electronic devices having a wireless communication function typified by a mobile phone and used as an antenna duplexer, a high frequency filter, a transmitter, and the like, and a method of manufacturing the same.
無線通信システムの多様化に伴い、携帯型電子機器に内蔵される部品は、ますます高性能が求められて要る。例えば、携帯電話に使用される高周波信号を選別するフィルタや共用器では、小型であり、挿入損失が小さいことが要求される。これらの要求を満たすフィルタの1つとして、圧電薄膜共振器(FBAR;Film Bulk Acoustic Resonator)が知られている。 With the diversification of wireless communication systems, parts built into portable electronic devices are required to have higher performance. For example, a filter or duplexer for selecting a high-frequency signal used in a mobile phone is required to be small and have a small insertion loss. As one of filters that satisfy these requirements, a piezoelectric thin film resonator (FBAR) is known.
図12は、従来の圧電薄膜共振器の断面図を示したものである。図12において、51は基板であり、その上面部に空洞51aが設けられている。基板51の上部には、空洞51aを跨いで下部電極52が設けられ、その上部に圧電体53、上部電極54が順次設けられて、圧電薄膜共振器55が形成されている。その製造工程は、以下のとおりである。
FIG. 12 shows a cross-sectional view of a conventional piezoelectric thin film resonator. In FIG. 12,
基板51はシリコンからなり、図示されていないが、その上面には通常、熱酸化膜などの絶縁体層を形成し、空洞51aとなる部分にシリコンの異方性エッチングなどを用いて窪みを形成する。次に、形成された窪みに、犠牲層材料である易溶性の酸化膜やガラスなどを充填し、平坦化する。その後、下部電極層としてモリブデン(Mo)などの金属層をスパッタなどにより所定の厚さに堆積し、通常のフォトリソグラフィ手法によりパターン形成して、下部電極52を形成する。
Although the
次に、窒化アルミニウム(AlN)などからなる圧電体層を形成し、同様にパターン形成することにより、圧電体53を形成する。さらに、下部電極52と同様、モリブデン(Mo)などの金属からなる上部電極54をパターン形成する。最後に、上部電極54や、圧電体53、下部電極52にあらかじめパターン形成されていたエッチング孔(図示せず)を通じて、窪みに充填された犠牲層材料を溶融除去することにより空洞51aを形成し、圧電薄膜共振器55を完成する。(例えば、特許文献1参照)
図13は、従来の他の構成の圧電薄膜共振器の断面図を示したものである。圧電共振器を2段積層することによりフィルタ(SCF;Stacked Crystal Filter)が構成されている。この圧電薄膜共振器では、基板51上に、互いに音響インピーダンスの異なる材料56a、56bを交互に積層した音響ミラー56が形成されている。音響ミラー56の上部に下部電極52が設けられ、さらに、下部圧電体53a、中間電極57、上部圧電体53b、および上部電極54を設けて、圧電薄膜共振器フィルタ58が形成されている。
Next, a piezoelectric layer made of aluminum nitride (AlN) or the like is formed, and similarly, a
FIG. 13 is a sectional view of a piezoelectric thin film resonator having another conventional configuration. A filter (SCF: Stacked Crystal Filter) is configured by stacking two stages of piezoelectric resonators. In this piezoelectric thin film resonator, an
この圧電薄膜共振器フィルタ58では、圧電振動を効果的に閉じ込めるために、空洞ではなく音響ミラー56を使用しており、基板51上にスパッタ法やCVD(Chemical Vapor Deposition)法などにより堆積される。通常、高音響インピーダンス層には、タングステン(W)やモリブデン(Mo)などの材料が使用される。一方、低音響インピーダンス層には、酸化ケイ素(SiO2)やSi(シリコン)などが使用される。
The piezoelectric thin
製造工程では、音響ミラー56上に、必要に応じて絶縁体層(図示せず)を形成した後、Moなどからなる下部電極52をパターン形成し、AlNなどからなる下部圧電体53aを堆積する。次いで、Moからなる中間電極57、さらに上部圧電体53b、上部電極54を順次パターン形成し、圧電薄膜共振器フィルタ58を完成する。(例えば、特許文献2参照)
以上のように、基板上に圧電薄膜共振器の構成要素である、電極および圧電体層を順次パターン形成し、製造容易な圧電薄膜共振器を実現していた。
As described above, an electrode and a piezoelectric layer, which are constituent elements of a piezoelectric thin film resonator, are sequentially formed on a substrate to realize a piezoelectric thin film resonator that is easy to manufacture.
しかしながら、図12や図13に示す従来の構成では、下部電極をパターン形成した後に圧電体を堆積するため、下部電極のパターン形成時、すなわち、下部電極のエッチングやレジスト除去工程などで導入される、電極表面の酸化や、粗面化などにより影響を受けて、圧電体の結晶性が劣化するといった課題を有していた。 However, in the conventional configuration shown in FIGS. 12 and 13, since the piezoelectric body is deposited after the patterning of the lower electrode, it is introduced at the time of patterning the lower electrode, that is, in the etching of the lower electrode, the resist removal process, or the like. In addition, there has been a problem that the crystallinity of the piezoelectric body is deteriorated due to the influence of oxidation or roughening of the electrode surface.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、下部電極をパターン形成する工程に起因する圧電体の結晶性の劣化を回避し、低損失で製造性に優れた圧電薄膜共振器を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and provides a piezoelectric thin film resonator excellent in manufacturability with low loss, avoiding deterioration of crystallinity of a piezoelectric body caused by a patterning process of a lower electrode. For the purpose.
上記課題を解決するために、本発明の圧電薄膜共振器は、基板と、前記基板の一方の主面上に所定の平面形状に形成された下部電極と、前記下部電極の上部であって、前記下部電極の平面形状の領域内に設けられた圧電体と、前記圧電体の上部に配置された上部電極とを備え、前記下部電極、前記圧電体および前記上部電極により共振子の機能部が構成される。 In order to solve the above problems, a piezoelectric thin film resonator according to the present invention includes a substrate, a lower electrode formed in a predetermined planar shape on one main surface of the substrate, and an upper portion of the lower electrode. A piezoelectric body provided in a planar region of the lower electrode; and an upper electrode disposed on the upper side of the piezoelectric body, and a functional portion of a resonator is formed by the lower electrode, the piezoelectric body, and the upper electrode. Composed.
本発明の圧電薄膜共振器の製造方法は、基板の一方の主面上に下部電極層を形成する工程と、前記下部電極層上に圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に上部電極層を形成する工程と、以上の工程の終了後、前記上部電極層を所定の形状にパターニングし上部電極を形成する工程と、前記圧電体層を所定の形状にパターニングし圧電体を形成する工程と、前記下部電極層を所定の形状にパターニングし下部電極を形成する工程とを備える。 The method for manufacturing a piezoelectric thin film resonator of the present invention includes a step of forming a lower electrode layer on one main surface of a substrate, a step of forming a piezoelectric layer on the lower electrode layer, and a step of forming on the piezoelectric layer. A step of forming an upper electrode layer, a step of patterning the upper electrode layer into a predetermined shape after completion of the above steps, and forming an upper electrode; and a patterning of the piezoelectric layer into a predetermined shape to form a piezoelectric body And a step of patterning the lower electrode layer into a predetermined shape to form a lower electrode.
本発明の圧電薄膜共振器によれば、成膜後加工を施されていない下部電極上に形成された圧電体膜により圧電体が形成されるので、圧電体の結晶性が良好で、Q値(共振尖鋭度)の高い共振器を得ることができる。また、電極材料の表面酸化を防止することができ、電気抵抗の劣化がなく、また、他の配線とのコンタクト抵抗が小さく、低損失な圧電薄膜共振器を得ることができる。 According to the piezoelectric thin film resonator of the present invention, since the piezoelectric body is formed by the piezoelectric film formed on the lower electrode that has not been processed after film formation, the crystallinity of the piezoelectric body is good and the Q value is good. A resonator having a high (resonance sharpness) can be obtained. Further, the surface oxidation of the electrode material can be prevented, the electrical resistance is not deteriorated, the contact resistance with other wiring is small, and a low-loss piezoelectric thin film resonator can be obtained.
本発明の電子部品の製造方法によれば、下部電極、圧電体、上部電極を一括で成膜することにより製造期間を大幅に短縮し、また、結晶性に優れた圧電体を得て、低廉で高周波特性に優れた圧電薄膜共振器を得ることができる。 According to the method for manufacturing an electronic component of the present invention, the lower electrode, the piezoelectric body, and the upper electrode are collectively formed, so that the manufacturing period is greatly shortened, and a piezoelectric body having excellent crystallinity is obtained. Thus, a piezoelectric thin film resonator having excellent high frequency characteristics can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態における圧電薄膜共振器の基本的な構造を模式的に示した断面図である。図1において、1は基板であり、その一方の主面上に所定の形状で下部電極2が形成されている。基板1における下部電極2の下部には、空洞1aが設けられている。下部電極2の上部には、圧電体3、上部電極4が順次設けられて、圧電薄膜共振器5が構成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the basic structure of a piezoelectric thin film resonator according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1,
圧電体3は、平面形状において、下部電極2の領域内に設けられている。平面形状とは、基板1の主面に対する投影形状、すなわち、基板1の主面に平行な面の形状をいう。また、上部電極4は、圧電体3の平面形状の領域内に設けられている。下部電極2、圧電体3、および上部電極4により共振子の機能部が構成されている。この構造によれば、後述するように、良好な結晶性を備えた圧電体3を形成することができ、共振特性に優れた圧電薄膜共振器を得ることができる。
The
また、図2は、図1の圧電薄膜共振器の構造の変形例を模式的に示した断面図である。この構造では、下部電極2と基板1の間に絶縁層6が設けられている。絶縁層6を設けることにより、基板1にシリコンなどの半導体を用いた場合でも、良好な高周波特性を備えた圧電薄膜共振器を得ることができる。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a modification of the structure of the piezoelectric thin film resonator of FIG. In this structure, an
次に、本実施の形態における圧電薄膜共振器の製造方法について、図3を参照して詳細に説明する。図3は製造工程の断面摸式図であり、図2に示したように絶縁体層6を備えた圧電薄膜共振器について、配線電極も含めた製造工程を順に示す。また、図4は、図3に示す工程で形成された圧電薄膜共振器の概略構成を示す上面図である。図4における、A−A’線に沿った断面図が、図3(i)に相当する。
Next, a method for manufacturing the piezoelectric thin film resonator in the present embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the manufacturing process. The piezoelectric thin film resonator including the
先ず、図3(a)に示すように、シリコン熱酸化膜あるいは窒化珪素からなる絶縁膜6を備えたシリコンからなる基板1に、異方性エッチングの手法を用いて窪みを形成する。さらに、易溶性のりん珪酸ガラス(PSG)からなる材料を前記窪みに充填し犠牲層1axを形成する。犠牲層1axを平坦化した後、モリブデン(Mo)などからなる下部電極層2xをスパッタ法により成膜する。
First, as shown in FIG. 3A, a recess is formed in a
次に、図3(b)に示すように、下部電極層2xに対してパターン形成などの加工を施すことなく、連続して、窒化アルミニウムなどからなる圧電体層3xを下部電極同様スパッタ法により形成する。
Next, as shown in FIG. 3B, without subjecting the
次に、図3(c)に示すように、圧電体層3xに対してパターン形成などの加工を施すことなく、下部電極層2xと同様、Moからなる上部電極層4xを圧電体層3x上に成膜する。
Next, as shown in FIG. 3 (c), the
次に、デバイスの形成工程に入る。先ず、通常のフォトリソグラフィ手法により上部電極層4xをパターン加工し、図3(d)に示すように、上部電極4を形成する。次いで、圧電体層3xを同様にパターン加工して、図3(e)に示すように、圧電体3を形成し、さらに下部電極層2xを同様にパターン加工して、図3(f)に示すように、下部電極2を形成する。
Next, a device forming process is started. First, the
次に図3(g)に示すように、下部電極2との絶縁を図って上部電極4に対する配線を行うために、絶縁体7を形成する。絶縁体7には、窒化珪素や、酸化ケイ素、TEOS(Tetraethyl orthosilicate)膜、窒化アルミニウムなどを用いることが好ましい。
Next, as shown in FIG. 3G, an
次に図3(h)に示すように、絶縁体7の上部に配線電極8を形成する。同時に、下部電極2に対する配線電極9を形成することもできる。配線電極8、9の材料には何ら制約はないが、上下部電極4、2よりも厚く設定することが好ましい。これにより、圧電薄膜共振器を構成する薄膜層の周縁部において、カバレッジ不足による断線が発生することがなく、信頼性の高い圧電薄膜共振器を得ることができる。
Next, as shown in FIG. 3H, the
最後に、犠牲層1axを適当な溶剤により溶解除去することにより、図3(i)に示すように空洞1aを形成し、圧電薄膜共振器5を得る。なお、さらに、機能部を保護するための絶縁体層や、周波数調整のためのトリミング層などを設けてもよい。
Finally, the sacrificial layer 1ax is dissolved and removed with a suitable solvent to form the
以上のように、図3(a)および(b)の工程においては、下部電極層2xに対してパターン形成などの加工を施さないため、下部電極層2xの表面粗さは劣化することがない。したがって、続いて成膜される圧電体層3xの結晶性が損なわれることがない。同様に、通常のエッチングプロセスやレジスト除去工程、洗浄工程など多くの湿式プロセスを経ることなく圧電体層3xが形成されるため、圧電体層3xを結晶性に優れた状態で得ることができる。
As described above, in the steps of FIGS. 3A and 3B, the
本実施の形態とは異なり、下部電極2をパターン形成した後に圧電体3を形成した場合には、圧電体層3xの結晶性を示す指標であるX線回折のロッキングカーブの半値幅が1.3°程度であったのに対して、本実施の形態のように連続して圧電体層3xを形成した場合には、その値が1.1°程度と向上した。また、同一の真空成膜装置を用いれば、大気に触れることなく圧電体層3xを形成できるため、下部電極層3xの表面酸化を防止することができ、下部電極2の抵抗率が増大することを防止できる。
Unlike the present embodiment, when the
また、図3(b)および(c)の工程に示したように、圧電体層3xにもなんらパターン形成することなく上部電極層4xを形成するため、品質の高い上部電極層4xを得ることができる。また、圧電体層3xにより段差部が形成されていないため、上部電極層4xの厚みが薄い場合であっても、電極膜のカバレッジなどの問題がなく、信頼性の高い製造方法といえる。
Further, as shown in the steps of FIGS. 3B and 3C, since the
また、図3(c)までの工程により、基板1上に下部電極層2x、圧電体層3x、上部電極層4xを連続して成膜した基板を得ることができる。途中で、パターン形成等の工程が入らないため、一括して同一の成膜装置内で、大気に曝すことなく成膜を行うことができる。したがって、製造工程を大幅に短縮することができるとともに、外来異物などの混入がなく品質の高い多層膜を得ることができる。
Further, through the steps up to FIG. 3C, a substrate in which the
以上のとおり、上部電極4より順次パターン形成していくため、各パターン形状は、より上方にあるパターン形状の範囲の外側に広がるように形成される。逆に言えば、各パターン形状は、より下方にあるパターン形状の範囲内に配置される。したがって、例えば圧電体3が形成する段差と交差して、上部電極4と下部電極2が導通するといった不具合を未然に防止できる。また、上部電極4が圧電体3に比べて薄い場合や、圧電体3の断面形状が急峻な場合においても、カバレッジが不十分になるなどの問題を回避できる。
As described above, since the pattern is sequentially formed from the
本実施の形態では、圧電体3として窒化アルミニウム(AlN)を用いた例を示したが、酸化亜鉛(ZnO)やチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)など、他の圧電薄膜を用いても同様のデバイスを実現できる。また、上下部電極2、4としてモリブデン(Mo)を用いた例を示したが、これに限るものではない。また、基板1としてシリコン基板を用いた例を示したが、サファイア基板やガラス基板などを用いてもよく、このような絶縁基板を用いる場合には、基板1と下部電極2との間の絶縁体層6は必ずしも必要ではない。
In the present embodiment, an example in which aluminum nitride (AlN) is used as the
また、上記構成では、犠牲層エッチングにより形成した空洞1aを備えた共振器について示したが、図5に示すように、図1と同様の機能部を形成した後、基板1の裏面より基板1をエッチングして空洞1bを形成してもよい。この場合、Deep−RIEなどの手法を用いると、垂直な空洞1bを形成することができる。また、図6に示すように、互いに音響インピーダンスの異なる材料10a、10bを交互に積層した音響ミラー10を形成し、その上に、図1と同様の機能部を形成してもよいことは言うまでもない。
Further, in the above configuration, the resonator including the
本実施の形態における圧電薄膜共振器は、図3に示した製造方法に代えて、図7A〜7Cに示す製造方法により作製することもできる。図7A〜7Cに示す製造方法は、図1に示したような、圧電体3が平面形状において下部電極2の領域内に形成され、上部電極4が圧電体3の平面形状の領域内に形成された構造を有する圧電薄膜共振器を、基板貼り合わせ技術を利用して製造する方法である。
The piezoelectric thin film resonator in the present embodiment can be manufactured by the manufacturing method shown in FIGS. 7A to 7C instead of the manufacturing method shown in FIG. In the manufacturing method shown in FIGS. 7A to 7C, as shown in FIG. 1, the
まず、図7A(a)に示すように、犠牲基板11の上に、犠牲層12を積層する。次に、図7A(b)に示すように、犠牲層12の上に、圧電薄膜13xを成膜する。ここで、犠牲基板11とは、圧電薄膜共振器を形成する過程で一時的に利用される基板であり、製造後の圧電薄膜共振器には含まれない構成要素である。この犠牲基板11としては、例えばサファイアを用いる。犠牲層12は、後述する貼り合わせ工程の後に、犠牲基板11を圧電薄膜13xから剥離するために設けられるバッファ層である。犠牲層12としては、例えば窒化ガリウム(GaN)を用いる。
First, as shown in FIG. 7A (a), a
圧電薄膜13xは、窒化アルミニウム(AlN)からなり、MOCVD法によって犠牲層12の上に成膜される。このように、MOCVD法を用いることにより、膜質に優れた圧電体層を形成することができる。なお、MOCVD法は、1050℃という高温下で行われるが、この製造方法においては、高融点材料である窒化ガリウムを犠牲層12として用いているので、1050℃という高温に十分に耐えられる。従って、圧電薄膜13xの成膜にMOCVD法を用いることは、製造プロセス上何ら問題とならない。なお、犠牲層12には、窒化ガリウム以外にモリブデンを使用することも可能である。
The piezoelectric
次に、図7A(c)に示すように、圧電薄膜13xの上に、導電体である電極層14xを積層する。次に、積層した電極層14xをパターニングして、図7A(d)に示すように、下部電極14を成形する。次に、図7A(e)に示すように、成形した下部電極14及び圧電薄膜13xの上に、犠牲層15xを積層する。このとき、犠牲層15xを、下部電極14よりも厚く積層する。そして、この積層した犠牲層15xをパターニングして、図7A(f)に示すように、犠牲部15yを成形する。この犠牲部15yは、後述する空洞部形成工程において除去される部分であり、除去されることで圧電薄膜共振器の空洞部を形成する。犠牲層15xの材料としては、例えばモリブデンやタングステンシリサイド、酸化珪素、PSGなどのガラス系材料等を使用することができる。なお、犠牲層15xの材料としてモリブデンを用いる場合には、下部電極14の材料にモリブデン以外のアルミニウム等が使用されることとなる。
Next, as shown in FIG. 7A (c), an
次に、図7B(g)に示すように、犠牲部15y、下部電極14及び圧電薄膜13xの上に、保持層16を積層する。保持層16としては、酸化珪素(SiO2)や窒化珪素(Si3N4)等の絶縁体が望ましい。そして、図7B(h)に示すように、積層した保持層16の表面に段差がなくなるように、平坦化処理を行う。この平坦化処理は、後述する貼り合わせ工程において、半導体基板を全面均一に張り合わせることを可能にするために行われる。平坦化処理には、CMP等を用いることが可能であり、表面のラフネスをRMS2000A以下とすることで、均一な貼り合わせを行うことができる。
Next, as shown in FIG. 7B (g), the holding
次に、図7B(i)に示すように、例えばシリコンからなる半導体基板17に金錫の合金からなる貼り合わせ層18を形成したものを作製して、貼り合わせ層18の面で保持層16と貼り合わせる。この例では、貼り合わせ層18として金錫の合金膜を成膜することにより、金錫の共晶接合を利用した貼り合わせを行う。具体的には、保持層16と貼り合わせ層18とを対向させて、15N/cm2の圧力を加えた状態で375℃の温度を10分間加えることにより、犠牲基板11と半導体基板17を貼り合わせる。なお、共晶接合可能な材料であれば、金錫以外の合金で同様の効果を得ることができる。なお、半導体基板17と貼り合わせ層18との間に、酸化珪素又は窒化珪素等からなる絶縁体層を形成することも可能である。
Next, as shown in FIG. 7B (i), a
次に、犠牲基板11の裏面からイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)・レーザを照射して、バンドギャップの小さい窒化ガリウムからなる犠牲層12の接合を切ることにより、図7B(j)に示すように、犠牲層12と圧電薄膜13xの間を剥離して、犠牲基板11を半導体基板17から分離する。その結果、犠牲層12より上側に形成されていた圧電薄膜13x、下部電極14、犠牲部15y、及び保持層16は、半導体基板17に転写される。なお、剥離に用いたYAGレーザは、使用する犠牲基板11及び犠牲層12の膜厚や種類に応じてレーザ波長を選択することにより、犠牲層12の厚さによるバンドギャップの変化や、他の材料を選択した場合にも対応が可能である。
Next, irradiation with yttrium, aluminum, garnet (YAG), and laser is performed from the back surface of the
次に、図7C(k)に示すように、剥離されて表面に現れた圧電薄膜13xの面上に、導電体である電極層19xを積層する。その後、積層した電極層19xをパターニングして、図7C(l)に示すように、上部電極19を成形する。さらに、図7C(m)に示すように、圧電薄膜13xをパターニングして、圧電体13を成形する。圧電体13のパターニングは、圧電体13が平面形状において下部電極14の領域内に配置され、上部電極19が平面形状において圧電体13の領域内に配置されるように行われる。最後に、犠牲部15yをエッチング等により除去して、図7C(n)に示すように、空洞部15を形成する。このようにして、図1に示したものと同様の構成を有する圧電薄膜共振器が完成する。
Next, as shown in FIG. 7C (k), an
なお、犠牲基板として、サファイア基板の代わりに、シリコン基板を用いてもよく、この場合は、通常のウエットエッチングまたはドライエッチング手法により犠牲基板を除去しても良い。さらに、犠牲基板としてシリコンを用いる場合には、犠牲層12として窒化ガリウム以外に、酸化ケイ素や窒化アルミニウムなどを用いることができ、犠牲層を形成しなくても犠牲基板をエッチング除去することができることは言うまでもない。
As the sacrificial substrate, a silicon substrate may be used instead of the sapphire substrate. In this case, the sacrificial substrate may be removed by a normal wet etching or dry etching technique. Further, when silicon is used as the sacrificial substrate, silicon oxide, aluminum nitride, or the like can be used as the
また、本実施の形態では、金錫共晶を用いて基板同士を全面貼り合わせを行ったが、犠牲層15yを形成する代わりに、下部電極上であって、振動部の周囲にパターニングされた金錫層を形成し、半導体基板に貼り合わせ空洞を形成しても良い。この場合、保持層16の形成や平坦化といった工程を省くことができ、製造期間を大幅に短縮することができる。
In the present embodiment, the substrates are bonded together using gold-tin eutectic, but instead of forming the
図8は、上記構成の圧電薄膜共振器5を縦続に接続したフィルタの概略断面図を示したものである。基板1上の左右にそれぞれ、上記構成の圧電薄膜共振器5が形成され、配線電極8により縦続接続されている。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a filter in which the piezoelectric
図8に示されるように、平面方向に展開された個々の圧電薄膜共振器5は、互いに分離して形成されることになり、互いに圧電振動が漏れ伝わることがなく、高周波特性に優れたフィルタを得ることができる。本実施の形態では、不要スプリアスの影響がなく、圧電薄膜共振器の特性も向上するとともに、配線電極の低効率の劣化がないため、フィルタの通過損失として、2GHzにおいて0.3dBの改善が得られた。
As shown in FIG. 8, the individual piezoelectric
圧電薄膜共振器の接続の形態としては、図9A、9Bの回路図に示すものが知られており、直列腕、並列腕の共振周波数を適当に選ぶことにより、帯域通過型のフィルタを構成することができる。図9Aのフィルタは、入出力端子21a、21b間において、圧電薄膜共振器22a、22b、22cが直列腕に接続され、圧電薄膜共振器23a、23bが並列腕に、接地との間にインダクタ24a、24bを介在させて接続されている。また、図9Bのフィルタは、入出力端子21a、21b間において、圧電薄膜共振器22が直列腕に接続され、圧電薄膜共振器23a、23bが並列腕に、接地との間にインダクタ24a、24bを介在させて接続されている。さらに、圧電薄膜共振器23aとインダクタ24a間のノード、および圧電薄膜共振器23bとインダクタ24b間のノード間に、圧電薄膜共振器25が挿入されている。ただし、共振器の接続方法はこれに限られることはない。
As a connection form of the piezoelectric thin film resonator, those shown in the circuit diagrams of FIGS. 9A and 9B are known, and a band-pass filter is configured by appropriately selecting the resonance frequency of the series arm and the parallel arm. be able to. In the filter of FIG. 9A, the piezoelectric
図10は、これらのフィルタを用いた共用器を示すブロック図である。送信端子30と、受信端子31の間に、アンテナ端子32が接続され、アンテナ端子32と送信端子30の間に送信フィルタ33が介在し、アンテナ端子32と受信端子31の間に、移相回路34および受信フィルタ35が挿入されて、共用器36を構成している。
FIG. 10 is a block diagram showing a duplexer using these filters. An
このような共用器は、図11に示すように、無線機器49の高周波部品として利用される。この無線機器49において、アンテナ48に接続された共用器46を介して、送信端子40からの信号が送信され、受信端子41に受信信号が送られる。共用器46は、送信フィルタ44および受信フィルタ45を含む。送信端子40からの信号は、ベースバンド部42およびパワーアンプ43を経て送信フィルタ44に供給される。受信信号は、受信フィルタ45を通った後、ローノイズアンプ47およびベースバンド部42を経て受信端子41から出力される。
Such a duplexer is used as a high-frequency component of the
なお、上記圧電薄膜共振器の構成は、図13に示す従来の圧電薄膜共振器フィルタ(共振器を積み重ねた構成)の場合にも適用できる。 The configuration of the piezoelectric thin film resonator can also be applied to the case of the conventional piezoelectric thin film resonator filter (configuration in which resonators are stacked) shown in FIG.
以上のように、本発明の基本構成の圧電薄膜共振器は、基板と、前記基板の一方の主面上に所定の平面形状に形成された下部電極と、前記下部電極の上部であって、前記下部電極の平面形状の領域内に設けられた圧電体と、前記圧電体の上部に配置された上部電極とを備え、前記下部電極、前記圧電体および前記上部電極により共振子の機能部が構成される。それにより、成膜後加工を施されていない下部電極上に形成された圧電体膜により圧電体が形成されるので、圧電体の結晶性が良好で、共振特性に優れた圧電薄膜共振器を得ることができる。 As described above, the piezoelectric thin film resonator of the basic configuration of the present invention includes a substrate, a lower electrode formed in a predetermined planar shape on one main surface of the substrate, and an upper portion of the lower electrode, A piezoelectric body provided in a planar region of the lower electrode; and an upper electrode disposed on the upper side of the piezoelectric body, and a functional portion of a resonator is formed by the lower electrode, the piezoelectric body, and the upper electrode. Composed. As a result, since the piezoelectric body is formed by the piezoelectric film formed on the lower electrode that has not been processed after film formation, a piezoelectric thin film resonator having excellent crystallinity and excellent resonance characteristics of the piezoelectric body is obtained. Obtainable.
前記上部電極は、前記圧電体の平面形状の領域内に配置されていることが好ましい。それにより、各薄膜層端部に上部電極が配置されることがないため、カバレッジ不足による導通不良などを防止でき、信頼性に優れた圧電薄膜共振器を得ることができる。従来の構造では、実際には下部電極端部にテーパ部を設けたエッチング加工を施すなどにより、カバレッジの課題を克服することができたが、本実施の形態によれば、上部電極、下部電極ともにプロセス条件を変更することなく、電極端部の形状を自由に選ぶことができる。 It is preferable that the upper electrode is disposed in a planar area of the piezoelectric body. Thereby, since the upper electrode is not disposed at the end of each thin film layer, a conduction failure due to insufficient coverage can be prevented, and a piezoelectric thin film resonator having excellent reliability can be obtained. In the conventional structure, the problem of coverage could be overcome by actually performing etching with a tapered portion at the end of the lower electrode, but according to the present embodiment, the upper electrode and the lower electrode In both cases, the shape of the electrode end can be freely selected without changing the process conditions.
また、前記基板、前記下部電極、前記圧電体、および前記上部電極の何れかの層間に絶縁体を備え、前記絶縁体の上部に形成された前記下部電極、前記圧電体または前記上部電極は、前記絶縁体の平面形状の領域内に配置されていることが好ましい。それにより、基板にシリコンなどの半導体を用いた場合でも、良好な高周波特性を備えた圧電薄膜共振器を得ることができる。 In addition, an insulator is provided between any of the substrate, the lower electrode, the piezoelectric body, and the upper electrode, and the lower electrode, the piezoelectric body, or the upper electrode formed on the insulator is It is preferable that the insulator is disposed in a planar area. Thereby, even when a semiconductor such as silicon is used for the substrate, a piezoelectric thin film resonator having good high-frequency characteristics can be obtained.
また、前記基板における前記機能部が形成された主面に接して、前記基板に空洞部が設けられた構成とすることができる。それにより、圧電振動を阻害することなく、良好な共振特性を備えた圧電薄膜共振器を得ることができる。 Further, the substrate may be configured such that a cavity portion is provided in contact with the main surface of the substrate where the functional portion is formed. Thereby, a piezoelectric thin film resonator having good resonance characteristics can be obtained without inhibiting the piezoelectric vibration.
また、前記基板における前記機能部が形成された主面上に、互いに音響インピーダンスの異なる材料を交互に積層して形成された音響ミラー層を備え、前記音響ミラー層上に前記機能部が形成された構成とすることができる。それにより、圧電振動を効果的に閉じ込め、共振特性に優れた圧電薄膜共振器を得ることができる。 In addition, an acoustic mirror layer formed by alternately stacking materials having different acoustic impedances on the main surface of the substrate on which the functional unit is formed is provided, and the functional unit is formed on the acoustic mirror layer. Can be configured. Thereby, piezoelectric vibration can be effectively confined and a piezoelectric thin film resonator having excellent resonance characteristics can be obtained.
また、前記機能部の上に形成された絶縁体と、前記絶縁体上に形成され、前記上部電極と電気的に導通する配線電極とを備えた構成とすることができる。それにより、配線電極を機能部以外の領域で、別途形成することができ、上部電極や下部電極に比べて十分に厚い電極を形成することができる。したがって、各薄膜層の端部を基板に対して垂直に加工した場合でも、カバレッジの課題を克服することができ信頼性に優れ、製造歩留まりの高い圧電薄膜共振器を得ることができる。 Moreover, it can be set as the structure provided with the insulator formed on the said function part, and the wiring electrode formed on the said insulator and electrically connected with the said upper electrode. Accordingly, the wiring electrode can be separately formed in a region other than the functional part, and an electrode that is sufficiently thicker than the upper electrode and the lower electrode can be formed. Therefore, even when the end of each thin film layer is processed perpendicularly to the substrate, the problem of coverage can be overcome, and a piezoelectric thin film resonator with excellent reliability and high manufacturing yield can be obtained.
本発明の圧電薄膜共振器の製造方法は、上記圧電薄膜共振器を得るため、基板の一方の主面上に下部電極層を形成する工程と、前記下部電極層上に圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に上部電極層を形成する工程と、以上の工程の終了後、前記上部電極層を所定の形状にパターニングし上部電極を形成する工程と、前記圧電体層を所定の形状にパターニングし圧電体を形成する工程と、前記下部電極層を所定の形状にパターニングし下部電極を形成する工程とを備える。それにより、信頼性が高く、工程歩留まりの高い製造方法を提供することができる。すなわち、圧電体の結晶性が高く、電極抵抗の劣化がないため、高周波特性、共振特性に優れた圧電薄膜共振器の製造方法を提供することができる。さらに、フォトリソグラフィ工程でのレジスト残渣等の発生もなく、工程歩留まりと信頼性に優れた圧電薄膜共振器を得ることができる。 In the method of manufacturing a piezoelectric thin film resonator according to the present invention, in order to obtain the piezoelectric thin film resonator, a step of forming a lower electrode layer on one main surface of a substrate and a piezoelectric layer on the lower electrode layer are formed. A step, a step of forming an upper electrode layer on the piezoelectric layer, a step of patterning the upper electrode layer into a predetermined shape after completion of the above steps, and forming an upper electrode; and a step of forming the piezoelectric layer Patterning to form a piezoelectric body, and patterning the lower electrode layer to a predetermined shape to form a lower electrode. Accordingly, a manufacturing method with high reliability and high process yield can be provided. That is, since the crystallinity of the piezoelectric body is high and the electrode resistance is not deteriorated, a method for manufacturing a piezoelectric thin film resonator excellent in high frequency characteristics and resonance characteristics can be provided. Furthermore, there is no generation of resist residue or the like in the photolithography process, and a piezoelectric thin film resonator excellent in process yield and reliability can be obtained.
上記製造方法において、前記基板の一方の主面上に、互いに音響インピーダンスの異なる材料を交互に積層して音響ミラー層を形成する工程を備え、前記下部電極層を前記音響ミラー層上に形成することができる。それにより、製造コストを低減することができるとともに、良好な結晶性、配向性を備えた薄膜層を得ることができ、共振特性に優れた圧電薄膜共振器の製造方法を提供することができる。 The manufacturing method includes a step of alternately stacking materials having different acoustic impedances on one main surface of the substrate to form an acoustic mirror layer, and forming the lower electrode layer on the acoustic mirror layer. be able to. Accordingly, the manufacturing cost can be reduced, and a thin film layer having good crystallinity and orientation can be obtained, and a method for manufacturing a piezoelectric thin film resonator having excellent resonance characteristics can be provided.
また、前記音響ミラー層を形成する材料を、絶縁体とすることができる。それにより、圧電薄膜共振器を接続してフィルタを構成した場合などにおいても、音響ミラー層での電気的結合を防止することができ、高周波特性に優れた圧電薄膜共振器の製造方法を提供することができる。 Further, the material forming the acoustic mirror layer can be an insulator. Thereby, even when a piezoelectric thin film resonator is connected to form a filter, electrical coupling in the acoustic mirror layer can be prevented, and a method for manufacturing a piezoelectric thin film resonator having excellent high frequency characteristics is provided. be able to.
本発明の圧電薄膜共振器は、圧電体の結晶性に優れ、共振特性、高周波特性に優れ、低損失で小型な圧電振動デバイス、フィルタ、アンテナ共用器、アクチュエータ、メカニカルスイッチなどの機能デバイス等に有用である。 The piezoelectric thin-film resonator of the present invention is excellent in the crystallinity of a piezoelectric material, excellent in resonance characteristics and high-frequency characteristics, and in low-loss and small piezoelectric vibration devices, filters, antenna duplexers, actuators, mechanical switches, and other functional devices. Useful.
1 基板
1a、1b 空洞
2 下部電極
2x 下部電極層
3 圧電体
3x 圧電体層
4 上部電極
4x 上部電極層
5 圧電薄膜共振器
6 絶縁体層
7 絶縁体
8、9 配線電極
10 音響ミラー
10a 低音響インピーダンス層
10b 高音響インピーダンス層
11 犠牲基板
12 犠牲層
13 圧電体
13x 圧電薄膜
14 下部電極
14x 電極層
15 空洞部
15x 犠牲層
15y 犠牲部
16 保持層
17 半導体基板
18 貼り合わせ層
19 上部電極
19x 電極層
21a、21b 入出力端子
22、22a、22b、22c 圧電薄膜共振器
23a、23b 圧電薄膜共振器
24a、24b インダクタ
25 圧電薄膜共振器
30 送信端子
31 受信端子
32 アンテナ端子
33 送信フィルタ
34 移相回路
35 受信フィルタ
36 共用器
40 送信端子
41 受信端子
42 ベースバンド部
43 パワーアンプ
44 送信フィルタ
45 受信フィルタ
46 共用器
47 ローノイズアンプ
48 アンテナ
49 無線機器
51 基板
51a 空洞
52 下部電極
53 圧電体
54 上部電極
55 圧電薄膜共振器
56 音響ミラー
56a 低音響インピーダンス層
56b 高音響インピーダンス層
57 中間電極
58 圧電薄膜共振器フィルタ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記基板の一方の主面上部に所定の平面形状に形成された下部電極と、
前記下部電極の上部であって、前記下部電極の平面形状の領域内に設けられた圧電体と、
前記圧電体の上部に配置された上部電極とを備え、
前記下部電極、前記圧電体および前記上部電極により共振子の機能部が構成された圧電薄膜共振器。 A substrate,
A lower electrode formed in a predetermined planar shape on one main surface of the substrate;
A piezoelectric body provided in an upper portion of the lower electrode and in a planar shape region of the lower electrode;
An upper electrode disposed on the piezoelectric body;
A piezoelectric thin film resonator in which a functional portion of a resonator is constituted by the lower electrode, the piezoelectric body, and the upper electrode.
前記絶縁体の上部に形成された前記下部電極、前記圧電体または前記上部電極は、前記絶縁体の平面形状の領域内に配置されている請求項1に記載の圧電薄膜共振器。 An insulator is provided between any layers of the substrate, the lower electrode, the piezoelectric body, and the upper electrode,
2. The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein the lower electrode, the piezoelectric body, or the upper electrode formed on an upper portion of the insulator is disposed in a planar area of the insulator.
前記下部電極層上に圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層上に上部電極層を形成する工程と、
以上の工程の終了後、前記上部電極層を所定の形状にパターニングし上部電極を形成する工程と、
前記圧電体層を所定の形状にパターニングし圧電体を形成する工程と、
前記下部電極層を所定の形状にパターニングし下部電極を形成する工程とを備えた圧電薄膜共振器の製造方法。 Forming a lower electrode layer on one main surface of the substrate;
Forming a piezoelectric layer on the lower electrode layer;
Forming an upper electrode layer on the piezoelectric layer;
After completing the above steps, patterning the upper electrode layer into a predetermined shape to form an upper electrode;
Patterning the piezoelectric layer into a predetermined shape to form a piezoelectric body;
And a step of patterning the lower electrode layer into a predetermined shape to form a lower electrode.
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