JP2008211394A - Resonator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、共振装置、特にBAW(Bulk Acoustic Wave;バルク弾性波)を利用した共振装置に関する。 The present invention relates to a resonance device, and more particularly to a resonance device using BAW (Bulk Acoustic Wave).
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、3GHz以上の高周波帯で利用する高周波フィルタとして、PZTや、AlN、ZnOなどの圧電材料により形成した圧電体薄膜を採用した共振装置(BAW共振器)が提案されている。 Conventionally, in the field of mobile communication devices such as cellular phones, as a high frequency filter used in a high frequency band of 3 GHz or more, a resonance device (BAW) that employs a piezoelectric thin film formed of a piezoelectric material such as PZT, AlN, ZnO or the like. Resonators) have been proposed.
例えば、特許文献1には、共振装置として、SMR(Solidly MountedResonator)型のものが記載されている。
For example,
この種の共振装置は、図5(a)に示すように、ベース基板1と、ベース基板1上に形成された複数の共振子2とを備えている。
As shown in FIG. 5A, this type of resonance device includes a
ベース基板1は、支持基板11と、支持基板11の主表面側(図5(a)における上面側)に形成されバルク弾性波を反射する音響多層膜(音響ミラー)12とで構成されている。音響多層膜12は、支持基板11の前記主表面にSiO2からなる低音響インピーダンス層13と、SiO2よりも音響インピーダンスが高い材料(例えば、タングステンなど)からなる高音響インピーダンス層14とを、最上層が低音響インピーダンス層13となるように交互に積層することで形成されている。
The
共振子2は、音響多層膜12における支持基板11側とは反対側(図5(a)における上面側)に形成された下部電極30と、下部電極30における音響多層膜12側とは反対側に形成された圧電体薄膜40と、圧電体薄膜40における下部電極30側とは反対側に形成された上部電極50とからなる複数の共振子2を備えている。
The
ところで上記の共振装置では、高音響インピーダンス層14が支持基板11の前記主表面側の全面を覆うように形成されているので、高音響インピーダンス層14の材料としてタングステンなどの導電性材料を用いた場合、下部電極30に最も近い高音響インピーダンス層14と下部電極30との間に寄生容量が生じて、下部電極30の電位が異なる共振子2間で、音響多層膜12を介したクロストークが発生するという問題があった。
By the way, in the above resonance apparatus, since the high
そこで、図5(b)に示すように、音響多層膜12の高音響インピーダンス層14を複数の共振子2それぞれに対応するようにパターニングすることにより、上記クロストークの発生を抑制した共振装置が提案されている。
しかしながら、図5(b)に示す共振装置の音響多層膜12では、高音響インピーダンス層14をパターニングしたことによって、音響多層膜12の厚みがばらついて、図6(a)に示すように、音響多層膜12の表面の平坦度が悪化してしまい、その結果、ゾルゲル法を用いて圧電体薄膜40を形成する際に、圧電体薄膜40にクラックなどの不良が生じることとなった。
However, in the
そこで、音響多層膜12の表面の平坦度を改善するために、CMP(化学的機械的研磨、ChemicalMechanical Polishing)により音響多層膜12の表面を平坦化することが提案されている。
Therefore, in order to improve the flatness of the surface of the
しかしながら、CMPによる平坦化処理によって図6(b)に示すような平坦度が良好な音響多層膜12を得るためには、音響多層膜12の最上層となる低音響インピーダンス層14を設計上の厚みよりも厚く形成する必要があり、しかも、厚く形成した部分をCMPによって全て除去しなくてはならないために非常に手間がかかるので、製造工程が複雑化して、製造コストが増加してしまうという問題があった。また、CMPによる平坦化処理は、終点検出が難しく、最上層の低音響インピーダンス層13の膜厚制御性が良くないので、所望の音響反射効率の音響多層膜12が得られないことがあった。
However, in order to obtain an
さらに、図5(b)に示すような共振装置であっても、高音響インピーダンス層14と下部電極30との間、高音響インピーダンス14間、それぞれにおいて寄生容量が生じる場合があり、共振子2間でのクロストークの発生を十分に抑制できていなかった。
Furthermore, even in the resonance device as shown in FIG. 5B, parasitic capacitance may occur between the high
本発明は上述の点に鑑みて為されたもので、その目的は、共振子間でのクロストークの発生を抑制できる上に、製造コストの低減が図れる共振装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a resonance apparatus that can suppress the occurrence of crosstalk between resonators and can reduce the manufacturing cost.
上述の課題を解決するために、請求項1の発明では、ベース基板と、ベース基板上に形成された複数の共振子とを備え、共振子は、ベース基板の主表面側に形成された下部電極と、下部電極におけるベース基板側とは反対側に形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜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で構成され、隣り合う2つの共振子の上部電極が共通に接続されてなる共振装置であって、ベース基板は、相対的に音響インピーダンスが低い材料からなる低音響インピーダンス層と、相対的に音響インピーダンスが高い材料からなる高音響インピーダンス層とを、支持基板の主表面側を覆う形で、最上層が低音響インピーダンス層となるように交互に積層することにより形成された音響多層膜を有し、隣り合う2つの共振子の一方と厚み方向で重なる部位に、音響多層膜における前記最上層以外の低音響インピーダンス層および高音響インピーダンス層と支持基板とを少なくとも貫通する空洞部が形成されていることを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, the invention of
請求項1の発明によれば、ベース基板は隣り合う2つの共振子の一方に対応する部位に空洞部が形成されているから、一方の共振子と音響多層膜との間の寄生容量を低減できて、隣り合う共振子間でのクロストークの発生を抑制できる。その上、製造時に、従来のように音響多層膜の高音響インピーダンス層を複数の下部電極それぞれに対応するようにパターニングする工程、およびCMPにより音響多層膜の表面を平坦化する工程が必要なく、ベース基板に空洞部を設けることにより寄生容量を低減できるから、従来に比べて製造工程を容易化できて、製造コストの低減が図れる。 According to the first aspect of the invention, since the cavity is formed in the base substrate at a portion corresponding to one of the two adjacent resonators, the parasitic capacitance between the one resonator and the acoustic multilayer film is reduced. Thus, it is possible to suppress the occurrence of crosstalk between adjacent resonators. In addition, at the time of manufacturing, there is no need for a step of patterning the high acoustic impedance layer of the acoustic multilayer film so as to correspond to each of the plurality of lower electrodes, and a step of planarizing the surface of the acoustic multilayer film by CMP, Since the parasitic capacitance can be reduced by providing the cavity portion in the base substrate, the manufacturing process can be simplified as compared with the conventional case, and the manufacturing cost can be reduced.
請求項2の発明では、請求項1の発明において、空洞部は、音響多層膜における最上層以外の低音響インピーダンス層および高音響インピーダンス層と支持基板とを厚み方向に貫通するように形成されていることを特徴とする。
In the invention of
請求項2の発明によれば、音響多層膜の最上層の低音響インピーダンスの厚みによって一方の共振子(空洞部側の共振子)の共振周波数の値を変更できる。また、音響多層膜の最上層の低音響インピーダンス層を空洞部側の共振子の共振周波数を変更するための層として利用しているから、空洞部側の共振子の共振周波数を変更するための層を別途設けなくて済み、製造工程を容易化できて、製造コストの低減が図れる。
According to invention of
本発明は、共振子間でのクロストークの発生を抑制できる上に、製造コストの低減が図れるという効果を奏する。 The present invention can suppress the occurrence of crosstalk between the resonators and can reduce the manufacturing cost.
(実施形態1)
本実施形態の共振装置は、図1に示すように、ベース基板1と、ベース基板1上に形成された複数の共振子2とを備えている。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the resonance device of the present embodiment includes a
ベース基板1は、図1に示すように、例えば、主表面が(100)面の単結晶のシリコン基板や、MgO基板、STO(SrTiO3)基板などの支持基板11と、支持基板11の主表面側(図1における上面側)に形成され共振子2が発生するバルク弾性波を反射する音響多層膜12とを有し、音響多層膜12の表面(図1における上面)が、ベース基板1の主表面となる。
As shown in FIG. 1, the
音響多層膜12は、相対的に音響インピーダンスが低い材料(例えば、SiO2)からなる低音響インピーダンス層13と、相対的に音響インピーダンスが高い材料(例えば、タングステン)からなる高音響インピーダンス層14とを備えている。低音響インピーダンス層13と高音響インピーダンス層14とは、支持基板11の前記主表面側の全面を覆う形で、最上層が低音響インピーダンス層13となるように交互に積層されている。なお、以下の説明では、最上層の低音響インピーダンス層13を必要に応じて符号13aで表す。
The
共振子2は、ベース基板1の主表面側(図1における上面側)に形成された下部電極30と、下部電極30におけるベース基板1側とは反対側に形成された圧電体薄膜40と、圧電体薄膜40における下部電極30側とは反対側に形成された上部電極50とで構成されている。また、本実施形態では、隣り合う2つの共振子2は、上部電極50が接続部51によって共通に(電位が等しくなるように)接続されている。
The
ところで、本実施形態におけるベース基板1には、図1に示すように、空洞部1aが設けられている。この空洞部1aは、隣り合う2つの共振子2の一方(図1に示す例では右側の共振子2)と厚み方向(図1における上下方向)で重なるベース基板1の部位に、ベース基板1を厚み方向に貫通する形で形成されている。
Meanwhile, as shown in FIG. 1, the
以下に、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を参照して説明する。 Below, the manufacturing method of the resonance apparatus of this embodiment is demonstrated with reference to FIG. 2 and FIG.
まず、支持基板11の前記主表面側に、低音響インピーダンス層13と、高音響インピーダンス層14とを、支持基板11の前記主表面側の全面を覆う形で、最上層が低音響インピーダンス層13となるように交互に積層することにより音響多層膜12を形成し、図2(a)に示す構造のベース基板1を得る。なお、高音響インピーダンス層14の材料としては、タングステン(W)の他に、Au、Moなどを用いてもよい。
First, the low
次に、スパッタ法などを用いて、音響多層膜12の前記表面側の全面を覆う形で下部電極30の基礎となる第1導電性層3を形成することによって、図2(b)に示す構造を得る。なお、本実施形態では、第1導電性層3をPt層により構成してあるが、第1の導電性層3は、単層構造に限らず、例えば、音響多層膜12上のTi層と、当該Ti層上のPt層とで構成してもよい。
Next, the first conductive layer 3 serving as the basis of the
第1導電性層3を形成した後には、第1導電性層3の表面側の全面に圧電体薄膜40の基礎となる圧電体層4を形成することによって図2(c)に示す構造を得る。本実施形態では、圧電体層4をPZT薄膜から構成してある。PZT薄膜を形成(作製)する方法としては、ゾルゲル法、CVD法、スパッタ法などを用いる方法が提案されているが、本実施形態では、CVD法やスパッタ法に比べて、高価な製造装置を必要とせず製造コストの低減が図れる点、膜厚の面内均一性が高いPZT薄膜を形成できて品質の向上が図れる点などの利点があるゾルゲル法を用いている。
After the formation of the first conductive layer 3, the piezoelectric layer 4 serving as the basis of the piezoelectric
ゾルゲル法によりPZT薄膜を形成するにあたっては、第1導電性層3の表面上に鉛化合物およびジルコニウム化合物およびチタン化合物を溶剤に溶解してなるPZT薄膜形成用組成物を塗布し例えば300℃で10分間仮焼成する工程を、所定の膜厚が得られるまで繰り返した後に、例えば600℃で10分間焼成する工程を行えばよい。 In forming a PZT thin film by the sol-gel method, a PZT thin film forming composition obtained by dissolving a lead compound, a zirconium compound and a titanium compound in a solvent is applied on the surface of the first conductive layer 3 and, for example, 10 ° C. at 10 ° C. After repeating the step of temporary baking for 5 minutes until a predetermined film thickness is obtained, a step of baking at 600 ° C. for 10 minutes, for example, may be performed.
なお、上記のようにPZT薄膜を形成するにあたっては、シード層(図示せず)を用いてもよく、この場合、第1導電性層3の表面上に、鉛化合物およびチタン化合物を溶剤に溶解してなるPbTiO3薄膜形成用組成物を塗布し、150〜400℃で乾燥する工程を所定の膜厚が得られるまで繰り返した後に、上記の方法にてPZT薄膜を形成すればよい。 In forming the PZT thin film as described above, a seed layer (not shown) may be used. In this case, a lead compound and a titanium compound are dissolved in a solvent on the surface of the first conductive layer 3. The PbTiO 3 thin film forming composition thus formed is applied, and the process of drying at 150 to 400 ° C. is repeated until a predetermined film thickness is obtained, and then the PZT thin film is formed by the above method.
圧電体層4を形成した後には、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して圧電体層4を所望の平面形状にパターニングして複数の圧電体薄膜40を形成し、図2(d)に示す構造を得る。なお、圧電体層4の不要部分をエッチング除去するにあたっては、フッ酸系エッチャントを用いればよい。
After the piezoelectric layer 4 is formed, the piezoelectric layer 4 is patterned into a desired planar shape using a photolithographic technique and an etching technique to form a plurality of piezoelectric
その後には、イオンミリング技術などを利用して第1導電性層3を所望の平面形状にパターニングして複数の下部電極3を形成し、図3(a)に示す構造を得る。 Thereafter, the first conductive layer 3 is patterned into a desired planar shape using an ion milling technique or the like to form a plurality of lower electrodes 3 to obtain the structure shown in FIG.
続いて、スパッタ法などを用いて音響多層膜12の前記表面側の全面に絶縁性層60を形成し、その後に、絶縁性層60の不要部分を除去して、図3(b)に示す構造を得る。ここで、絶縁性層60の不要部分を除去する方法としては、絶縁性層60を形成する前に、予め音響多層膜12の前記表面側において絶縁性層60が不要な部分にレジスト層を形成しておき、このレジスト層の除去とともに絶縁性層60の不要部分を除去する、いわゆるリフトオフ法を利用できる。また、絶縁性層60の不要部分を除去する方法としては、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用してもよい。
Subsequently, an insulating
このような絶縁性層60を形成するにあたっては、絶縁性層60の表面と、圧電体薄膜40の表面とが同一平面上に位置するように絶縁性層60の形成を行う。
In forming such an insulating
絶縁性層60を形成した後には、電子ビーム蒸着法(EB蒸着法)などを用いて、音響多層膜12の表面側の全面に上部電極50の基礎となる第2導電性層を形成し、その後に、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第2導電性層をパターニングして(不要部分を除去して)、それぞれ第2導電性層の一部からなる複数の上部電極50および隣り合う共振子2の上部電極50同士を電気的に接続する接続部51を形成し、図3(c)に示す構造を得る。
After the insulating
なお、本実施形態では、第2導電性層をAl層により構成してあるが、第2導電性層は、単層構造に限らず、複層構造にしてもよい。また、Al層からなる第2導電性層の不要部分をエッチング除去するにあたっては、燐酸系エッチャントを用いればよい。 In the present embodiment, the second conductive layer is composed of an Al layer, but the second conductive layer is not limited to a single layer structure, and may be a multilayer structure. Further, a phosphoric acid-based etchant may be used to remove unnecessary portions of the second conductive layer made of the Al layer by etching.
その後には、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching;RIE)などを用いて、隣り合う共振子2の一方(図3(c)における右側の共振子2)と厚み方向で重なるベース基板1の部位に、ベース基板1を厚み方向に貫通する形で空洞部1aを形成し、図3(d)に示す構造を得る。なお、本実施形態では、上部電極50を形成した後に空洞部1aの形成を行っているが、空洞部1aを形成するタイミングは、第1導電性層3を形成した後であればいつでもよい。
Thereafter, by using reactive ion etching (RIE) or the like, a portion of the
ところで、共振装置の製造にあたっては、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。 By the way, in manufacturing the resonance device, a large number of resonance devices may be formed at the wafer level and then divided into individual resonance devices in a dicing process.
以上述べたように本実施形態の共振装置によれば、ベース基板1は、隣り合う2つの共振子2の一方に対応する部位に、厚み方向においてベース基板1を貫通する空洞部1aが形成されているので、一方の共振子2と厚み方向で重なる高音響インピーダンス層14の面積を空洞部1aの開口面積の分だけ小さくできるから、一方の共振子2と音響多層膜12との間の寄生容量を低減できて、隣り合う共振子2間でのクロストークの発生を抑制できる。その上、製造時に、従来のように音響多層膜12の高音響インピーダンス層14を複数の下部電極30それぞれに対応するようにパターニングする工程、およびCMPにより音響多層膜12の表面を平坦化する工程が必要なく、ベース基板1に空洞部1aを設けることにより寄生容量を低減できるから、従来に比べて製造工程を容易化できて、製造コストの低減が図れる。
As described above, according to the resonance device of the present embodiment, the
また、本実施形態では、圧電材料のなかでも電気機械結合係数が比較的大きなPZTにより圧電体薄膜40を形成するから、高周波帯域で急峻な立ち上がり、立下り特性を有する共振装置を製造でき、このような共振装置は、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用フィルタなどの広帯域の高周波フィルタに好適に利用することができる。なお圧電体薄膜40の材料としてはPZTの他に、例えば、ZnOや、AlNなどの圧電材料を用いてもよい。
Further, in the present embodiment, since the piezoelectric
なお、本実施形態における共振装置では、共振周波数を4GHzに設定してあり、下部電極30の厚みを100nm、圧電体薄膜40の厚みを300nm、上部電極50の厚みを100nm、SiO2により形成した低音響インピーダンス層13の厚みを373nm、タングステンにより形成した高音響インピーダンス層14の厚みを327nm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の範囲で設定する場合には、圧電体薄膜40の厚みは200nm〜600nmの範囲で、低音響インピーダンス層13の厚みは250nm〜550nmの範囲で、高音響インピーダンス層14の厚みは200nm〜450nmの範囲で、それぞれ適宜設定すればよい。
In the resonance device according to the present embodiment, the resonance frequency is set to 4 GHz, the thickness of the
(実施形態2)
本実施形態の共振装置は、ベース基板1の構成が実施形態1と異なっており、その他の構成は実施形態1と同様であるから、同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 2)
In the resonance apparatus of the present embodiment, the configuration of the
本実施形態におけるベース基板1は、図4に示すように、隣り合う共振子2の一方と厚み方向で重なる部位に、支持基板11と、音響多層膜12における最上層以外の低音響インピーダンス層13および高音響インピーダンス層14とを貫通する空洞部1aが形成されている。すなわち、本実施形態における空洞部1aは、ベース基板1を厚み方向に貫通するのではなく、低音響インピーダンス層13aを除くベース基板1の部位である、支持基板11と、音響多層膜12における最上層以外の低音響インピーダンス層13および高音響インピーダンス層14とを貫通するように形成されている。
As shown in FIG. 4, the
したがって、一方の共振子2(図4における右側の共振子2)と空洞部1aとの間には、音響多層膜12の最上層となる低音響インピーダンス層13aが介在され、この低音響インピーダンス層13aが、一方の共振子2(すなわち空洞部1a側の共振子2)の共振周波数を変更する層として作用することになる。
Therefore, a low
つまり、本実施形態の共振装置によれば、音響多層膜12の最上層の低音響インピーダンス13aの厚みによって一方の共振子2の共振周波数の値を変更できる。また、音響多層膜12の最上層の低音響インピーダンス層13aを一方の共振子2の共振周波数を変更するための層として利用しているから、一方の共振子2の共振周波数を変更するための層を別途設けなくて済み、製造工程を容易化できて、製造コストの低減が図れる。
That is, according to the resonance device of the present embodiment, the value of the resonance frequency of one
ところで、圧電体薄膜40の材料となるPZTなどの圧電材料は、温度によって共振周波数が変化するが、本実施形態の共振装置では実施形態1とは異なり空洞部1a側の共振子2と空洞部1aとの間に低音響インピーダンス層13aを残しているから、低音響インピーダンス層13aの材料としてSiO2を用いれば、一方の共振子2の共振周波数が温度によって変化することを抑制できる。つまり、PZTなどの圧電材料は、一般に、共振周波数の温度係数(temperature coefficient of resonance frequency)が負であるから、低音響インピーダンス層13aの材料として共振周波数の温度係数が正であるSiO2を用いることにより、一方の共振子2および低音響インピーダンス層13a全体としては共振周波数の温度係数を0に近付けることができ、その結果、共振周波数の温度による変動を抑制できるのである。
By the way, although the resonance frequency of the piezoelectric material such as PZT used as the material of the piezoelectric
なお、本実施形態では、空洞部1aと一方の共振子2との間に低音響インピーダンス層13aが介在されているので、空洞部1aを形成した後でも共振子2の作成が行えるから、空洞部1aを形成するタイミングは、ベース基板1を形成した後であればいつでもよい。
In the present embodiment, since the low
また、本実施形態では、空洞部1a側の共振子2は低音響インピーダンス層13a上に形成されているから、空洞部1aの開口サイズを、空洞部1a側の共振子2の下部電極30のサイズよりも大きくしてもよく、このようにすれば、下部電極30と高音響インピーダンス層14とが厚み方向で重ならなくなるから、さらなる寄生容量の低減が図れる。
In this embodiment, since the
1 ベース基板
1a 空洞部
2 共振子
11 支持基板
12 音響多層膜
13,13a 低音響インピーダンス層
14 高音響インピーダンス層
30 下部電極
40 圧電体薄膜
50 上部電極
DESCRIPTION OF
Claims (2)
ベース基板は、相対的に音響インピーダンスが低い材料からなる低音響インピーダンス層と、相対的に音響インピーダンスが高い材料からなる高音響インピーダンス層とを、支持基板の主表面側を覆う形で、最上層が低音響インピーダンス層となるように交互に積層することにより形成された音響多層膜を有し、
隣り合う2つの共振子の一方と厚み方向で重なる部位に、音響多層膜における前記最上層以外の低音響インピーダンス層および高音響インピーダンス層と支持基板とを少なくとも貫通する空洞部が形成されていることを特徴とする共振装置。 A base substrate and a plurality of resonators formed on the base substrate, the resonator being formed on a lower electrode formed on the main surface side of the base substrate and on a side opposite to the base substrate side of the lower electrode A piezoelectric thin film, and an upper electrode formed on the opposite side of the piezoelectric thin film from the lower electrode side, wherein the upper electrodes of two adjacent resonators are connected in common,
The base substrate has a low acoustic impedance layer made of a material having a relatively low acoustic impedance and a high acoustic impedance layer made of a material having a relatively high acoustic impedance so as to cover the main surface side of the support substrate. Has an acoustic multilayer film formed by alternately laminating so as to be a low acoustic impedance layer,
A cavity that penetrates at least the low acoustic impedance layer and the high acoustic impedance layer other than the uppermost layer in the acoustic multilayer film and the support substrate is formed in a portion overlapping with one of the two adjacent resonators in the thickness direction. A resonance apparatus characterized by the above.
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