壓電薄膜諧振器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種壓電薄膜諧振器，所述壓電薄膜諧振器包括：基板；壓電膜，所述壓電膜設(shè)置在所述基板上，并且包括第一膜和第二膜，所述第一膜由含有添加元素的氮化鋁膜制成，所述第二膜設(shè)置在所述第一膜的上表面和下表面上，并由以低于第一膜的濃度含有所述添加元素的氮化鋁膜制成；和下電極和上電極，所述上電極和下電極設(shè)置成夾持所述壓電膜。
【專利說明】壓電薄膜諧振器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明的某些方面涉及壓電薄膜諧振器。
【背景技術(shù)】
[0002]小型輕質(zhì)化表面聲波(SAW)濾波器一直用于以移動電話為代表的移動通信設(shè)備中使用的濾波器。SAW濾波器包括壓電基板和設(shè)置在所述壓電基板上的IDT(叉指換能器)，并且在由IDT的電極指間距(pitch)決定的頻率下運行。
[0003]近年來，移動通信設(shè)備的傳輸速率一直增加。因此，已經(jīng)開發(fā)出在更高頻率下運行的濾波器，但是SAW濾波器的頻率依賴于IDT的電極指間距，所以，減少電極指間距上存在限制。因此，難以滿足高頻率的需要。所以，壓電薄膜諧振器引發(fā)關(guān)注。壓電薄膜諧振器具有諧振部分，該諧振部分在基板上層疊有下電極、壓電膜和上電極，并且其頻率由諧振部分的厚度決定。因此，容易使壓電薄膜諧振器在高頻率下運行。
[0004]例如，將氮化鋁膜用于壓電薄膜諧振器的壓電膜，但是氮化鋁的壓電常數(shù)和機電耦合系數(shù)小于其他壓電材料。為了增大壓電常數(shù)，已知在氮化鋁中添加鈧(Sc)的技術(shù)以及在基板和添加有Sc的氮化鋁膜之間提供Sc含有率不同的氮化鋁膜(例如，日本特開2009-10926 號公報)。
[0005]此外，已知通過形成第一壓電膜并對其進行熱處理，然后在所述第一壓電膜上形成第二壓電膜來形成壓電膜的方法獲得結(jié)晶性良好的壓電膜(例如，日本特開2007-277606號公報)。另外，已知通過在改變膜形成條件時形成壓電膜的方法來在壓電薄膜諧振器中釋放應(yīng)力，并獲得良好的諧振特性(例如，日本特開2003-60478號公報)。已知通過層疊具有正諧振頻率溫度系數(shù)的壓電膜和具有負(fù)諧振頻率溫度系數(shù)的壓電膜的方法獲得良好的溫度特性和良好的諧振特性(例如，日本特開2001-203558號公報)。
[0006]在將含有添加元素的氮化鋁膜用作壓電薄膜諧振器的壓電膜時，諸如壓電膜的取向和膜應(yīng)力以及壓電膜和電極之間的粘合性等因素可引起諸如耦合系數(shù)、Q值和FOM(品質(zhì)因數(shù)(Figure of Merit), Q值與稱合系數(shù)的積)等特性的劣化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種壓電薄膜諧振器，所述壓電薄膜諧振器包括:基板；壓電膜，所述壓電膜設(shè)置在所述基板上，并包括第一膜和第二膜，所述第一膜由含有添加元素的氮化鋁膜制成，所述第二膜設(shè)置在所述第一膜的上表面和下表面上，并由以低于第一膜的濃度含有所述添加元素的氮化鋁膜制成；和下電極和上電極，所述上電極和下電極設(shè)置成夾持所述壓電膜。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1不出了第一實施方式的FBAR,其中圖1 (a)是第一實施方式的FBAR的俯視圖，圖1(b)是沿著圖1(a)中的A-A線截取的截面圖，圖1(c)是是沿著圖1(a)中的B-B線截取的截面圖；
[0009]圖2是說明第一實施方式的FBAR的制造方法的截面圖；
[0010]圖3是說明模擬中使用的未摻雜AlN的結(jié)構(gòu)的圖；
[0011]圖4是說明AlN相對于二價元素和四價元素的總?cè)〈鷿舛鹊臋C電耦合系數(shù)的曲線圖；
[0012]圖5是第一比較例的FBAR的截面圖；
[0013]圖6是說明AlN膜相對于Mg和Zr的總?cè)〈鷿舛鹊哪?yīng)力的圖。
[0014]圖7是說明AlN膜相對于Mg和Zr的總?cè)〈鷿舛鹊膲弘姵?shù)的增加率的圖。
[0015]圖8是說明AlN相對于二價元素和四價元素的總?cè)〈鷿舛鹊膲弘姵?shù)的增加率的曲線圖；
[0016]圖9是說明AlN相對于二價元素和五價元素的總?cè)〈鷿舛鹊臋C電耦合系數(shù)的曲線圖。
[0017]圖10是包括溫度補償膜的FBAR的截面圖。
[0018]圖11示出了上述實施方式的FBAR的變型例，其中圖11(a)是上述實施方式的第一變型例的FBAR的截面圖；圖11 (b)是上述實施方式的第二變型例的FBAR的截面圖；和
[0019]圖12是SMR的截面圖。
【具體實施方式】
[0020]以下將參照附圖給出本發(fā)明實施方式的描述。
[0021]第一實施方式
[0022]第一實施方式描述了 FBAR(薄膜腔聲波諧振器)，其是作為實例的示例性壓電薄膜諧振器。圖1 (a)是第一實施方式的FBAR俯視圖，圖1 (b)是沿著圖1 (a)中的A-A線截取的截面圖，圖1(c)是是沿著圖1(a)中的B-B線截取的截面圖。如圖1(a)?圖1(c)所不，第一實施方式的FBAR100包括基板10、下電極12、壓電膜14和上電極16。
[0023]基板10可以例如是硅(Si)基板、砷化鎵(GaAs)基板或諸如玻璃基板等絕緣材料基板。
[0024]下電極12設(shè)置在基板10上。下電極12可以例如是包含鋁(Al)JIf (Cu)、鉻(Cr)、鑰(Mo)、鎢(W)、鉭(Ta)、鉬(Pt)、釕(Ru)、銠(Rh)和銥(Ir)中至少一種的金屬膜。下電極12可以是單層膜或多層膜。
[0025]壓電膜14設(shè)置在基板10和下電極12上。壓電膜14與例如下電極12的上表面接觸設(shè)置。壓電膜14具有c軸取向(其中c軸為主軸)的晶體結(jié)構(gòu)。壓電膜14包括第一膜14a和第二膜14b,第二膜14b與所述第一膜14a的上表面和下表面接觸設(shè)置。第一膜14a是含有添加兀素的氮化招(AlN)膜。第一實施方式描述了第一膜14a是含有二價兀素和四價元素的AlN膜的實例情形。第二膜14b是以低于第一膜14a的濃度含有添加元素的AlN膜。第一實施方式描述了第二膜14b是不含有添加兀素的AlN膜(即未摻雜AlN膜)的實例情形。
[0026]上電極16設(shè)置在壓電膜14上，以具有面向下電極12的區(qū)域。也就是說，下電極12和上電極16設(shè)置為夾持壓電膜14的至少一部分。上電極16與例如壓電膜14的上表面接觸設(shè)置。下電極12和上電極16在壓電膜14之間彼此面對的區(qū)域是諧振部18。上電極16也可以是包含下電極12中列出的Al、Cu、Cr、Mo、W、Ta、Pt、Ru、Rh和Ir中的至少一
種的金屬膜，并且可以是單層膜或多層膜。
[0027]具有圓頂狀隆起的氣隙20設(shè)置在基板10和諧振部18的下電極12之間。圓頂狀隆起是具有以下形狀的隆起:從氣隙20的周邊部開始離中心部的距離越近，氣隙20的高度越高。為了形成氣隙20而通過導(dǎo)入蝕刻劑形成的導(dǎo)入通路22設(shè)置在下電極12之下。導(dǎo)入通路22的末端附近未受到壓電膜14覆蓋，并且導(dǎo)入通路22的末端是孔洞24。孔洞24是導(dǎo)入形成氣隙20時使用的蝕刻劑的導(dǎo)入口。能夠與下電極12電連接的開口 26設(shè)置在壓電膜14中。
[0028]當(dāng)在下電極12和上電極16之間施加高頻電信號時，由下電極12和上電極16夾持的壓電膜14內(nèi)部將產(chǎn)生由逆壓電效應(yīng)激發(fā)的聲波，或因壓電效應(yīng)應(yīng)變導(dǎo)致的聲波。此種聲波在下電極12和上電極16與空氣接觸的表面上進行全反射，因此變成在厚度方向上具有主位移(primary displacement)的厚度振動波。
[0029]接下來將參照圖2 (a)~圖2 (h)說明第一實施方式的FBAR的制造方法。圖2 (a)~圖2(d)是對應(yīng)于沿著圖1(a)中的A-A截取部分的截面，圖2(e)~圖2(h)是對應(yīng)于沿著圖1(a)中的B-B截取部分的截面。
[0030]如圖2(a)和圖2(e)所示，通過例如濺射或蒸發(fā)在基板10上形成犧牲層28。犧牲層28可以由例如氧化鎂(MgO)膜形成，并且可以被形成為用于形成其中要形成氣隙20的區(qū)域。犧牲層28的膜厚可以例如為20nm。然后，通過例如在氬(Ar)氣氛圍下濺射在基板10和犧牲層28上形成金屬膜。金屬膜選自前文所述的Al、Cu、Cr、Mo、W、Ta、Pt、Ru、Rh和Ir中的至少一種。然后，通過例如將金屬膜光刻和蝕刻成所需形狀而形成下電極12。在這點上，將下電極12的一部分制成為具有覆蓋犧牲層28的形狀。
[0031]如圖2 (b)和圖2 (·f)所示，通過例如在Ar和氮氣(N2)的混合氣體下濺射鋁靶而在表面經(jīng)清潔的基板10和下電極12上形成作為未摻雜AlN膜的第二膜14b。然后，無需從反應(yīng)室移除基板10，通過在Ar和隊的混合氣體氛圍下同時濺射Al靶、二價元素靶和四價元素靶而在第二膜14b上形成作為含有二價元素和四價元素的AlN膜的第一膜14a。然后，無需從反應(yīng)室移除基板10，通過在Ar和N2的混合氣體氛圍下濺射Al靶而在第一膜14a上形成作為未摻雜AlN膜的第二膜14b。這一過程形成了壓電膜14,其包括第一膜14a和設(shè)置于第一膜14a的上表面和下表面上的第二膜14b。在第一膜14a和第二膜14b之間的界面附近可能存在二價元素和四價元素濃度的濃度梯度。
[0032]如上所述，優(yōu)選在同一反應(yīng)室中連續(xù)形成第一膜14a和第二膜14b。這是因為可以防止第一膜14a和第二膜14b之間的界面上形成諸如氧化膜等不需要的膜。當(dāng)在同一反應(yīng)室中連續(xù)形成膜時，在一直對Al靶放電的同時，可以通過調(diào)整施加至二價元素靶和四價元素靶的電功率，或者打開或關(guān)閉二價元素靶和四價元素靶的閘門(shutter)而連續(xù)形成第一膜14a和第二膜14b。此外，出于裝置的任何理由，可以通過不同裝置形成第一膜14a和第二膜14b。在該情況下，在接觸空氣的表面上將形成氧化膜，因此優(yōu)選在進行成膜前通過逆濺射除去氧化膜。此外，使用Al靶、二價元素靶和四價元素靶形成第一膜14a，但是也可以使用通過在Al中包含二價元素和四價元素而形成的Al合金靶。
[0033]如圖2(c)和圖2(g)所示，例如通過在Ar氣氛圍下濺射在壓電膜14上形成金屬膜。金屬膜也選自前文所述的六1、(:11、0^0、1、了&、？丨、1?11、詘和11'中的至少一種。然后，通過例如將金屬膜光刻和蝕刻成所需形狀而形成上電極16。然后，例如通過光刻和蝕刻將壓電膜14形成為所需形狀。此外，通過選擇性蝕刻下電極12和犧牲層28形成孔洞24。
[0034]如圖2 (d)和圖2 (f)所示，從孔洞24導(dǎo)入蝕刻劑以蝕刻犧牲層28。此處，將在包括下電極12、壓電膜14和上電極16的多層膜上的應(yīng)力預(yù)先設(shè)定為壓縮應(yīng)力。這使得該多層膜在犧牲層28的蝕刻完成時能夠隆起，由此在基板10和下電極12之間形成具有圓頂狀隆起的氣隙20。另外，還形成了連接氣隙20至孔洞24的導(dǎo)入通路22。通過上述制造過程形成第一實施方式的FBAR。
[0035]以下將說明優(yōu)選使用含有二價元素和四價元素的AlN膜作為FBAR的壓電膜的原因。圖3是說明模擬中使用的未摻雜AlN的結(jié)構(gòu)。使用所謂的第一性原理計算方法進行模擬。將不使用擬合參數(shù)等計算電子狀態(tài)的方法總稱為第一性原理計算，其可以通過僅使用構(gòu)成單位晶格或分子的原子序數(shù)和原子坐標(biāo)計算電子狀態(tài)。如圖3所示，模擬中使用的未摻雜AlN具有16個鋁原子30和16個氮原子32。也就是說，其具有纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)，其是含有16個鋁原子30和16個氮原子32的超晶胞，通過在a軸、b軸和c軸方向上將含有2個鋁原子30和2個氮原子32的單位晶格加倍而獲得。通過同時移動原子坐標(biāo)、晶胞(cell)體積和晶胞形狀而對具有該纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的AlN進行第一性原理計算，并計算出穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中的未摻雜AlN的電子狀態(tài)。然后，對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的未摻雜AlN的晶格強制施加微小應(yīng)變，以通過第一性原理計算從此時刻的全能量的微小變化計算出未摻雜AlN的壓電常數(shù)、彈性常數(shù)和介電常數(shù)。
[0036]除了未摻雜A1N，還對具有下述晶體結(jié)構(gòu)的摻雜AlN進行第一性原理計算，該晶體結(jié)構(gòu)中，圖3中的一個鋁原子30被二價元素取代，另一個鋁原子30被四價元素取代。也就是說，通過第一性原理計算進行計算的是具有下述纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)的摻雜AlN的壓電常數(shù)、彈性常數(shù)和介電常數(shù)等材料常數(shù)，所述晶體結(jié)構(gòu)含有14個鋁原子、I個二價元素、I個四價元素和16個氮原子。此處，所提及的取代濃度是在將鋁原子數(shù)和添加元素原子數(shù)的總和定義為100原子％時，添加元素的原子濃度。因此，模擬中使用的摻雜AlN的二價元素和四價元素的取代濃度是6.25原子％。在模擬中，使用鈣(Ca)、鎂(Mg)、鍶(Sr)或鋅(Zn)作為二價元素，使用鈦(Ti)、鋯(Zr)或鉿(Hf)作為四價元素。以相同的比率添加二價元素和四價元素，以確保絕緣性，這是因為二`價元素和四價元素取代了三價鋁的位置。
[0037]此處，通過以下關(guān)系式I表達(dá)c軸方向的壓電常數(shù)e33、彈性常數(shù)C33和介電常數(shù)ε33與機電耦合系數(shù)k2的關(guān)系。
[0038][關(guān)系式I]
[0039]K2 =

￡33 X C3J
[0040]因此，可以通過利用第一性原理計算來計算未摻雜AlN和摻雜AlN的壓電常數(shù)、彈性常數(shù)和介電常數(shù)，從而計算未摻雜AlN和摻雜AlN的機電耦合系數(shù)。
[0041]表1列出了未摻雜AlN和摻雜AlN的壓電常數(shù)e33的計算值和由關(guān)系式I計算出的機電耦合系數(shù)k2。如表1所示，含有二價元素和四價元素的A1N(實例I~實例10)的壓電常數(shù)e33和機電稱合系數(shù)k2大于未摻雜AlN的數(shù)值(表1中的未摻雜AlN)。二價兀素和四價元素不限于表1中列出的那些，還可以是其他元素。
[0042]表1
【權(quán)利要求】
1.一種壓電薄膜諧振器，所述壓電薄膜諧振器包括: 基板； 壓電膜，所述壓電膜設(shè)置在所述基板上，并且包括第一膜和第二膜，所述第一膜由含有添加元素的氮化鋁膜制成，所述第二膜設(shè)置在所述第一膜的上表面和下表面上，并由以低于所述第一膜的濃度含有所述添加元素的氮化鋁膜制成；和 下電極和上電極，所述上電極和下電極設(shè)置成夾持所述壓電膜。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電薄膜諧振器，其中， 所述添加元素是二價元素和四價元素，或者二價元素和五價元素。
3.如權(quán)利要求2所述的壓電薄膜諧振器，其中， 所述添加元素是二價元素和四價元素，所述二價元素包括鈣、鎂、鍶和鋅中的至少一種，所述四價元素包括鈦、鋯和鉿中的至少一種。
4.如權(quán)利要求2或3所述的壓電薄膜諧振器，其中， 所述添加元素是二價元素和四價元素，當(dāng)將所述第一膜中所述添加元素的原子數(shù)與所述氮化鋁膜的鋁原子數(shù)的總和定義為100原子％時，所述第一膜中所述添加元素的濃度為大于或等于3原子％且小于或等于30原子％。
5.如權(quán)利要求2所述的壓電薄膜諧振器，其中， 所述添加元素是二價元素和五價元素，所述二價元素包括鎂和鋅中的至少一種，所述五價元素二價元素包括鉭、鈮和釩中的至少一種。
6.如權(quán)利要求1?3中任一項所述的壓電薄膜諧振器，其中， 所述第二膜由不含添加元素的氮化鋁膜制成。
【文檔編號】H03H9/17GK103873009SQ201310692927
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月18日
【發(fā)明者】恩田陽介 申請人:太陽誘電株式會社