JP2007295304A - バルク弾性波共振器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に下部電極、圧電膜、上部電極を形成し、前記圧電膜に機械結合係数の高いＰＺＴを用いることで通過帯域を広くすることができるバルク弾性波共振器において、電極と圧電膜とのインピーダンスを容易にマッチングさせられるようにする。
【解決手段】基板１２に外部への引出し電極となる貫通孔配線１７を形成し、その上に下部電極２０を形成した後、ＰＺＴ膜２１および上部電極２２を形成する。したがって、ＰＺＴ膜２１にダメージを与えることのない該ＰＺＴ膜２１の形成前に、貫通孔配線１７および下部電極２０を寸法精度の得易い任意の手法で形成して高精度にインピーダンスを制御することができ、電極２０，２２とＰＺＴ膜２１とのインピーダンスを容易にマッチングさせることができる。また、下部電極２０の引き回しを無くせるので、従来のように引き回し部分で上部電極と２層に形成する必要は無く、素子面積を縮小することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、バルク弾性波共振器およびその製造方法に関する。

前記バルク弾性波（ＢＡＷ: Bulk Acoustic Wave）共振器は、大略的に、圧電膜を上下の電極で挟み、その電極で挟まれた部分に高周波信号を与えることで、前記圧電膜の厚みに対応した特定の周波数だけ大きく振動し、前記特定の周波数の信号だけを通す共振器フィルタを構成するものである。このため、前記圧電膜の厚みを制御することで、数ＧＨｚの高周波帯で、所望の周波数の信号だけを通過させる帯域通過フィルタを実現することができ、高周波の通信機器などで広く用いられている。このバルク弾性波共振器の一例は、たとえば特許文献１などで示されている。

ところで、従来のバルク弾性波共振器における圧電膜には、前記特許文献１に示されるＡｌＮや、ＺｎＯなどが用いられている。このため、通過帯域が狭く、ＵＷＢ（Ultra WideBand）通信などには使用できないという問題がある。この場合、前記圧電膜に機械結合係数の高いＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いることで、そのような問題に対応することができる。

図７は、そのＰＺＴを用いる典型的な従来技術のバルク弾性波共振器１の図であり、（ａ）が縦断面図であり、（ｂ）が平面図である。また、図８にその製造方法を示す。先ず、図８（ａ）で示すように、半導体基板２上に、下部電極４となる金属膜がスパッタ等によって形成される。このとき、下部電極４の金属膜としては、ＰｔとＴｉとの多層膜が用いられることが多い。

続いて、図８（ｂ）で示すように、ＰＺＴ膜５がスパッタやゾル・ゲル法によって形成され、さらにそのＰＺＴ膜５および下部電極４がパターン化される。このＰＺＴ膜５および下部電極４のパターン化は、たとえば前記ＰＺＴ膜５上に、該ＰＺＴ膜５の形状に対応してレジストを塗布し、露光、現像を行うことで前記レジストをパターン化した後、ＰＺＴ膜５をウェットエッチングし、前記レジストを除去することで、先ずＰＺＴ膜５をパターン化した後、下部電極４の形状に対応してレジストを塗布し、露光、現像を行うことで前記レジストをパターン化した後、イオンミリングで下部電極４をパターン化することで行われる。また、前記ＰＺＴ膜５および下部電極４のパターン化は、たとえば下部電極４の形状に対応してレジストを塗布し、露光、現像を行うことで前記レジストをパターン化した後、ＰＺＴ膜５をウェットエッチングし、露出した下部電極４をそのままイオミリングしてパターン化を行い、レジスト除去することで、ＰＺＴ膜５および下部電極４を一旦同じパターン形状に形成した後、ＰＺＴ膜５の形状に対応してレジストを塗布し、露光、現像を行うことで前記レジストをパターン化した後、ウェットエッチングすることで、前記下部電極４のパターン形状になっていたＰＺＴ膜５膜を、本来の該ＰＺＴ膜５のパターンにパターン化することで行われる。

続いて、図８（ｃ）で示すように、レジスト６がスピンコートなどによって形成され、フォトリソグラフィなどによってパターン化される。このとき、後の上部電極１０部分となる微小開口８を形成するために、ＰＺＴ膜５上には、レジスト６ａが柱状にパターニングされている。

続いて、さらに、図８（ｄ）で示すように、ＳｉＯ_２などの絶縁膜７がスパッタ等によって形成され、前記レジスト６の開口部に埋込まれる。その絶縁膜７をリフトオフ法によってパターン化することで、絶縁膜７には前記レジスト６ａによる微小開口８が形成される。

その後、図８（ｅ）で示すように、金属膜９が真空蒸着やスパッタ等によって形成され、その金属膜９をパターン化することで、前記上部電極１０およびその引出し部１０ａが形成される。このようにして、バルク弾性波共振器１の圧電膜および電極が形成されている。
特開２００５−２９５２５０号公報

上述のように構成されるバルク弾性波共振器１において、圧電膜に用いられるＰＺＴは、前述のように機械結合係数は高いけれども、比誘電率も高く、３３０位程度である。ここで、高周波フィルタを構成するためのバルク弾性波共振器において、圧電膜を挟んだ回路のインピーダンスは、一般に５０Ωに設計される。一方、圧電膜に前記ＰＺＴを用いると、圧電膜を挟んだ２つの対向する電極の重なりが、たとえば５０μｍ径で前記インピーダンスは１Ωとなる。したがって、前記５０Ωなら、少なくとも一方の電極を１０〜数μｍ径のサイズに形成する必要があり、前記微小開口８が形成され、その微小開口８に上部電極１０が埋込まれている。

しかしながら、シリコン酸化膜の絶縁膜７に、比較的精度の得易いドライエッチングを行って前記微小開口８を形成すると、ＰＺＴ膜５にダメージを与えてしまう。このため、上述のようにレジスト６ａを形成し、リフトオフ法によって微小開口８が形成されているが、その面積を高精度に作製するのは困難である。

本発明の目的は、圧電膜にＰＺＴを用いても、電極と圧電膜とのインピーダンスを容易にマッチングさせられるようにしたバルク弾性波共振器およびその製造方法を提供することである。

本発明のバルク弾性波共振器は、圧電膜にＰＺＴを用いるバルク弾性波共振器において、外部への引出し電極となる貫通孔配線が形成される基板と、前記基板の一表面側で、前記貫通孔配線上に形成される下部電極と、前記下部電極を被覆するように基板上に形成される前記ＰＺＴ膜と、前記ＰＺＴ膜上に形成される上部電極とを含むことを特徴とする。

また、本発明のバルク弾性波共振器の製造方法は、基板に貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔に電極を充填して貫通孔配線を形成する工程と、前記基板の一表面側で、前記貫通孔配線上に下部電極を形成する工程と、前記下部電極を被覆するようにＰＺＴ膜を基板上に形成する工程と、前記ＰＺＴ膜上に上部電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、基板上に下部電極、圧電膜、上部電極を形成し、前記圧電膜に機械結合係数の高いＰＺＴを用いることで通過帯域を広くすることができるバルク弾性波共振器およびその製造方法において、基板に貫通孔配線を形成し、その貫通孔配線において、基板の一表面側には前記下部電極を形成し、他方の表面側は外部への引出し電極とする。

したがって、ＰＺＴ膜にダメージを与えることのない該ＰＺＴ膜の形成前に、貫通孔配線および下部電極を、寸法精度の得易い任意の手法で形成し、高精度にインピーダンスを制御することができ、電極と圧電膜とのインピーダンスを容易にマッチングさせることができる。また、貫通孔配線を介して下部電極を引出すので、下部電極は電極として寄与する最小限の面積とすることができ、該下部電極の重量も小さくなり、共振効率を高くすることができる。さらにまた、基板の前記ＰＺＴ膜が形成される一表面上で、下部電極の引き回しを無くせるので、従来のように引き回し部分で上部電極と２層に形成する必要は無く、素子面積を縮小することができ、特に多段のフィルタを形成する場合のように基板上に多数の共振器を形成する場合に好適である。

さらにまた、本発明のバルク弾性波共振器では、前記基板とＰＺＴ膜とは、音響ミラー層を介して接合されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記基板とＰＺＴ膜との間に、音響インピーダンスが高い材料と低い材料とを交互に重ねた多層膜から成る音響ミラー層を介在することで、ＰＺＴ膜の共振によって発生する超音波を基板側に逃がさないようにすることができ、効率良く共振させることができる。

また、本発明のバルク弾性波共振器は、前記基板とＰＺＴ膜との間の少なくとも一部に、ギャップ層を有することを特徴とする。

さらにまた、本発明のバルク弾性波共振器の製造方法は、前記基板の一表面側にギャップを形成する工程と、そのギャップに犠牲層を形成する工程とを前記貫通孔を形成する工程の前に有し、前記ＰＺＴ膜を形成する工程と上部電極を形成する工程との間に、前記犠牲層を除去する工程をさらに有することを特徴とする。

上記の構成によれば、ＰＺＴ膜が基板と接する面積が少なくなるので、一層効率良く共振させることができる。

また、本発明のバルク弾性波共振器では、前記基板は絶縁性基板から成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、貫通孔配線の寄生容量を小さくし、より高精度にインピーダンスマッチングを行うことができる。

本発明のバルク弾性波共振器およびその製造方法は、以上のように、基板上に下部電極、圧電膜、上部電極を形成し、前記圧電膜に機械結合係数の高いＰＺＴを用いることで通過帯域を広くすることができるバルク弾性波共振器およびその製造方法において、基板に貫通孔配線を形成し、その貫通孔配線において、基板の一表面側には前記下部電極を形成し、他方の表面側は外部への引出し電極とする。

それゆえ、ＰＺＴ膜にダメージを与えることのない該ＰＺＴ膜の形成前に、貫通孔配線および下部電極を、寸法精度の得易い任意の手法で形成し、高精度にインピーダンスを制御することができ、電極と圧電膜とのインピーダンスを容易にマッチングさせることができる。また、貫通孔配線を介して下部電極を引出すので、下部電極は電極として寄与する最小限の面積とすることができ、該下部電極の重量も小さくなり、共振効率を高くすることができる。さらにまた、基板の前記ＰＺＴ膜が形成される一表面上で、下部電極の引き回しを無くせるので、従来のように引き回し部分で上部電極と２層に形成する必要は無く、素子面積を縮小することができ、特に多段のフィルタを形成する場合のように基板上に多数の共振器を形成する場合に好適である。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の第１の形態に係るバルク弾性波共振器１１の図であり、（ａ）が縦断面図であり、（ｂ）が平面図である。また、図２にその製造方法を示す。本実施の形態では、基板１２として、半導体基板であるシリコン（Ｓｉ）基板を例にとって説明する。先ず、図２（ａ）で示すように、その半導体（シリコン）基板１２の厚さ方向に、ＲＩＥ等の方法によって貫通孔１３が形成され、熱酸化やＣＶＤ等の方法によって、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）から成る絶縁膜１４が形成される。

続いて、図２（ｂ）で示すように、半導体基板１２の裏面である他方の表面側から、真空蒸着法等によって金属層１５が形成され、この金属層１５をめっきシード層として使用してめっき層１６が形成され、前記裏面から貫通孔１３が閉じられ、続けて一表面側へボトムアップめっきによって貫通孔配線１７が充填される。前記貫通孔配線１７の材料としては、銅（Ｃｕ）が用いられることが多い。この場合、半導体基板１２の一表面に突出する茸形状の銅１８と、半導体基板１２の裏面のめっき層１６とが、ＣＭＰ等によって、図２（ｃ）で示すように研磨される。

その後、図２（ｄ）で示すように、スパッタ等によって電極パッド用薄膜１９ａと下部電極用薄膜２０ａとが、半導体基板１２の裏面および表面にそれぞれ形成される。この際、電極パッド用薄膜１９ａの材料としては銅、下部電極用薄膜２０ａの材料としては、白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）との多層膜が用いられる。チタンは、白金と半導体基板１２との密着性を向上するために用いられる。その後、それらの電極パッド用薄膜１９ａおよび下部電極用薄膜２０ａが、電極パッド１９および下部電極２０へと、それぞれパターン形成される。

続いて、図２（ｅ）で示すように、ＰＺＴ膜２１が、スパッタ法やゾル・ゲル法によって形成され、そのＰＺＴ膜２１がパターン化される。その後、図２（ｆ）で示すように、上部電極用金属膜２２ａが、真空蒸着やスパッタ等によって形成され、その上部電極用金属膜２２ａがパターン化されて上部電極２２が形成される。上部電極用金属膜２２ａとしては、アルミ（Ａｌ）が用いられることが多い。

したがって、圧電膜に機械結合係数の高いＰＺＴを用いることで通過帯域を広くすることができるバルク弾性波共振器において、貫通孔配線１７を用いることで、そのＰＺＴ膜２１にダメージを与えることなく、下部電極２０をＰＺＴ膜２１とのインピーダンスを５０Ωにマッチングさせることができる前記１０〜数μｍ径の任意のサイズに、容易に、かつエッチングなどで高精度に形成することができる。

また、貫通孔配線１７を介して下部電極２０を引出すので、下部電極２０は電極として寄与する最小限の面積とすることができ、該下部電極２０の重量も小さくなり、共振効率を高くすることができる。さらにまた、半導体基板１２の前記ＰＺＴ膜２１が形成される一表面上で、下部電極２０の引き回しを無くせるので、従来のように引き回し部分で上部電極と２層に形成する必要は無く、素子面積を縮小することができ、特に多段のフィルタを形成する場合のように基板上に多数の共振器を形成する場合に好適である。

［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の第２の形態に係るバルク弾性波共振器３１の縦断面図である。このバルク弾性波共振器３１は、上述のバルク弾性波共振器１１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、このバルク弾性波共振器３１では、先ず半導体基板１２の一表面側に、音響ミラー層３２が形成された後、前記図２（ａ）で示すように貫通孔１３および絶縁膜１４が形成されて、図２（ｂ）から図２（ｃ）で示すように貫通孔配線１７が形成されることである。

前記音響ミラー層３２は、音響インピーダンスが高い材料と低い材料とを、たとえば５〜１１層、交互に重ねた多層膜から成る。前記音響インピーダンスの低い材料としては、たとえば二酸化珪素（ＳｉＯ_２）がある。前記音響インピーダンスの高い材料としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、タングステン（Ｗ）、タンタル酸（Ｔａ_２Ｏ_５）およびイリジウム（Ｉｒ）がある。これらの何れかと上記二酸化珪素との組み合わせを音響ミラー層３２に用いることができる。

［実施の形態３］
図４は、本発明の実施の第３の形態に係るバルク弾性波共振器４１の図であり、（ａ）が縦断面図であり、（ｂ）が平面図である。また、図５にその製造方法を示す。このバルク弾性波共振器４１は、前述のバルク弾性波共振器１１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、このバルク弾性波共振器４１では、先ず図５（ａ）で示すように、半導体基板４２の一表面側に、厚さ方向に異方性エッチング等の方法によってギャップ４３が形成されることである。その後、熱酸化やＣＶＤ等の方法によって前記絶縁膜１４が形成され、図５（ｂ）で示すように、前記ギャップ４３に犠牲層４４が形成された後、前記貫通孔１３が形成され、熱酸化やＣＶＤ等の方法によって絶縁膜１４ａが形成される。

続いて、前記図２（ｂ）と同様に、図５（ｃ）で示すように、半導体基板４２の裏面である他方の表面側から、真空蒸着法等によって前記金属層１５が形成され、この金属層１５をめっきシード層として使用して前記めっき層１６が形成され、前記裏面から貫通孔１３が閉じられ、続けて一表面側へボトムアップめっきによって貫通孔配線１７が充填される。前記貫通孔配線１７の材料としては、銅（Ｃｕ）が用いられることが多い。また、半導体基板４２の一表面に突出する茸形状の銅１８と、半導体基板４２の裏面のめっき層１６とが、ＣＭＰ等によって、前記図２（ｃ）と同様に、図５（ｄ）で示すように研磨される。

その後、前記図２（ｄ）と同様に、図５（ｅ）で示すように、スパッタ等によって電極パッド用薄膜１９ａと下部電極用薄膜２０ａとが、半導体基板４２の裏面および表面にそれぞれ形成される。この際、電極パッド用薄膜１９ａの材料としては銅、下部電極用薄膜２０ａの材料としてはＰｔとＴｉとの多層膜が用いられる。その後、それらの電極パッド用薄膜１９ａおよび下部電極用薄膜２０ａが、電極パッド１９および下部電極２０へと、それぞれパターン形成される。

続いて、図２（ｅ）と同様に、図５（ｆ）で示すように、ＰＺＴ膜２１が、スパッタ法やゾル・ゲル法によって形成され、そのＰＺＴ膜２１がパターン化される。この後、本実施の形態では、前記犠牲層４４のエッチングが行われ、エアーギャップ４５となる。その後、前記図２（ｆ）と同様に、図５（ｇ）で示すように、上部電極用金属膜２２ａが、真空蒸着やスパッタ等によって形成され、その上部電極用金属膜２２ａがパターン化されて上部電極２２が形成される。上部電極用金属膜２２ａとしては、アルミ（Ａｌ）が用いられることが多い。

このように構成することで、ＰＺＴ膜２１が半導体基板４１と接する面積が少なくなるので、一層効率良く共振させることができる。

［実施の形態４］
図６は、本発明の実施の第４の形態に係るバルク弾性波共振器５１の縦断面図であり、平面図は前述の図１（ｂ）と同様に表れ、省略している。このバルク弾性波共振器５１は、前述のバルク弾性波共振器５１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態では、基板５２として、絶縁性基板であるガラス基板が用いられていることである。したがって、前記絶縁膜１４は形成する必要がない。前記貫通孔１３は、サンドブラスト等の方法によって形成される。以降の工程は、図２と同様であり、その説明を省略する。

このようにシリコンよりも絶縁性の高いガラス基板５２を用いることで、貫通孔配線１７の寄生容量を小さくし、より高精度にインピーダンスマッチングを行うことができる。

本発明の実施の第１の形態に係るバルク弾性波共振器の図である。 図１で示すバルク弾性波共振器の製造方法を示す図である。 本発明の実施の第２の形態に係るバルク弾性波共振器の縦断面図である。 本発明の実施の第３の形態に係るバルク弾性波共振器の図である。 図４で示すバルク弾性波共振器の製造方法を示す図である。 本発明の実施の第４の形態に係るバルク弾性波共振器の縦断面図である。 典型的な従来技術のバルク弾性波共振器の図である。 図７で示すバルク弾性波共振器の製造方法を示す図である。

符号の説明

１１，３１，４１，５１ バルク弾性波共振器
１２，４２ 半導体基板
１３ 貫通孔
１４，１４ａ 絶縁膜
１５ 金属層
１６ めっき層
１７ 貫通孔配線
１８ 銅
１９ 電極パッド
２０ 下部電極
２１ ＰＺＴ膜
２２ 上部電極
３２ 音響ミラー層
４３ ギャップ
４４ 犠牲層
５２ ガラス基板

Claims (6)

1. 圧電膜にＰＺＴを用いるバルク弾性波共振器において、
   外部への引出し電極となる貫通孔配線が形成される基板と、
   前記基板の一表面側で、前記貫通孔配線上に形成される下部電極と、
   前記下部電極を被覆するように基板上に形成される前記ＰＺＴ膜と、
   前記ＰＺＴ膜上に形成される上部電極とを含むことを特徴とするバルク弾性波共振器。
2. 前記基板とＰＺＴ膜とは、音響ミラー層を介して接合されていることを特徴とする請求項１記載のバルク弾性波共振器。
3. 前記基板とＰＺＴ膜との間の少なくとも一部に、ギャップ層を有することを特徴とする請求項１または２記載のバルク弾性波共振器。
4. 前記基板は絶縁性基板から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のバルク弾性波共振器。
5. 基板に貫通孔を形成する工程と、
   前記貫通孔に電極を充填して貫通孔配線を形成する工程と、
   前記基板の一表面側で、前記貫通孔配線上に下部電極を形成する工程と、
   前記下部電極を被覆するようにＰＺＴ膜を基板上に形成する工程と、
   前記ＰＺＴ膜上に上部電極を形成する工程とを含むことを特徴とするバルク弾性波共振器の製造方法。
6. 前記基板の一表面側にギャップを形成する工程と、そのギャップに犠牲層を形成する工程とを前記貫通孔を形成する工程の前に有し、
   前記ＰＺＴ膜を形成する工程と上部電極を形成する工程との間に、前記犠牲層を除去する工程をさらに有することを特徴とする請求項５記載のバルク弾性波共振器の製造方法。

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