压电薄膜谐振器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种压电薄膜谐振器，所述压电薄膜谐振器包括：基板；压电膜，所述压电膜设置在所述基板上，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铝膜制成，所述第二膜设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浓度含有所述添加元素的氮化铝膜制成；和下电极和上电极，所述上电极和下电极设置成夹持所述压电膜。
【专利说明】压电薄膜谐振器
【技术领域】
[0001 ] 本发明的某些方面涉及压电薄膜谐振器。
【背景技术】
[0002]小型轻质化表面声波(SAW)滤波器一直用于以移动电话为代表的移动通信设备中使用的滤波器。SAW滤波器包括压电基板和设置在所述压电基板上的IDT(叉指换能器)，并且在由IDT的电极指间距(pitch)决定的频率下运行。
[0003]近年来，移动通信设备的传输速率一直增加。因此，已经开发出在更高频率下运行的滤波器，但是SAW滤波器的频率依赖于IDT的电极指间距，所以，减少电极指间距上存在限制。因此，难以满足高频率的需要。所以，压电薄膜谐振器引发关注。压电薄膜谐振器具有谐振部分，该谐振部分在基板上层叠有下电极、压电膜和上电极，并且其频率由谐振部分的厚度决定。因此，容易使压电薄膜谐振器在高频率下运行。
[0004]例如，将氮化铝膜用于压电薄膜谐振器的压电膜，但是氮化铝的压电常数和机电耦合系数小于其他压电材料。为了增大压电常数，已知在氮化铝中添加钪(Sc)的技术以及在基板和添加有Sc的氮化铝膜之间提供Sc含有率不同的氮化铝膜(例如，日本特开2009-10926 号公报)。
[0005]此外，已知通过形成第一压电膜并对其进行热处理，然后在所述第一压电膜上形成第二压电膜来形成压电膜的方法获得结晶性良好的压电膜(例如，日本特开2007-277606号公报)。另外，已知通过在改变膜形成条件时形成压电膜的方法来在压电薄膜谐振器中释放应力，并获得良好的谐振特性(例如，日本特开2003-60478号公报)。已知通过层叠具有正谐振频率温度系数的压电膜和具有负谐振频率温度系数的压电膜的方法获得良好的温度特性和良好的谐振特性(例如，日本特开2001-203558号公报)。
[0006]在将含有添加元素的氮化铝膜用作压电薄膜谐振器的压电膜时，诸如压电膜的取向和膜应力以及压电膜和电极之间的粘合性等因素可引起诸如耦合系数、Q值和FOM(品质因数(Figure of Merit), Q值与稱合系数的积)等特性的劣化。
【发明内容】
[0007]根据本发明的一个方面，提供了一种压电薄膜谐振器，所述压电薄膜谐振器包括:基板；压电膜，所述压电膜设置在所述基板上，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铝膜制成，所述第二膜设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浓度含有所述添加元素的氮化铝膜制成；和下电极和上电极，所述上电极和下电极设置成夹持所述压电膜。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1不出了第一实施方式的FBAR,其中图1 (a)是第一实施方式的FBAR的俯视图，图1(b)是沿着图1(a)中的A-A线截取的截面图，图1(c)是是沿着图1(a)中的B-B线截取的截面图；
[0009]图2是说明第一实施方式的FBAR的制造方法的截面图；
[0010]图3是说明模拟中使用的未掺杂AlN的结构的图；
[0011]图4是说明AlN相对于二价元素和四价元素的总取代浓度的机电耦合系数的曲线图；
[0012]图5是第一比较例的FBAR的截面图；
[0013]图6是说明AlN膜相对于Mg和Zr的总取代浓度的膜应力的图。
[0014]图7是说明AlN膜相对于Mg和Zr的总取代浓度的压电常数的增加率的图。
[0015]图8是说明AlN相对于二价元素和四价元素的总取代浓度的压电常数的增加率的曲线图；
[0016]图9是说明AlN相对于二价元素和五价元素的总取代浓度的机电耦合系数的曲线图。
[0017]图10是包括温度补偿膜的FBAR的截面图。
[0018]图11示出了上述实施方式的FBAR的变型例，其中图11(a)是上述实施方式的第一变型例的FBAR的截面图；图11 (b)是上述实施方式的第二变型例的FBAR的截面图；和
[0019]图12是SMR的截面图。
【具体实施方式】
[0020]以下将参照附图给出本发明实施方式的描述。
[0021]第一实施方式
[0022]第一实施方式描述了 FBAR(薄膜腔声波谐振器)，其是作为实例的示例性压电薄膜谐振器。图1 (a)是第一实施方式的FBAR俯视图，图1 (b)是沿着图1 (a)中的A-A线截取的截面图，图1(c)是是沿着图1(a)中的B-B线截取的截面图。如图1(a)?图1(c)所不，第一实施方式的FBAR100包括基板10、下电极12、压电膜14和上电极16。
[0023]基板10可以例如是硅(Si)基板、砷化镓(GaAs)基板或诸如玻璃基板等绝缘材料基板。
[0024]下电极12设置在基板10上。下电极12可以例如是包含铝(Al)JIf (Cu)、铬(Cr)、钥(Mo)、钨(W)、钽(Ta)、钼(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)和铱(Ir)中至少一种的金属膜。下电极12可以是单层膜或多层膜。
[0025]压电膜14设置在基板10和下电极12上。压电膜14与例如下电极12的上表面接触设置。压电膜14具有c轴取向(其中c轴为主轴)的晶体结构。压电膜14包括第一膜14a和第二膜14b,第二膜14b与所述第一膜14a的上表面和下表面接触设置。第一膜14a是含有添加兀素的氮化招(AlN)膜。第一实施方式描述了第一膜14a是含有二价兀素和四价元素的AlN膜的实例情形。第二膜14b是以低于第一膜14a的浓度含有添加元素的AlN膜。第一实施方式描述了第二膜14b是不含有添加兀素的AlN膜(即未掺杂AlN膜)的实例情形。
[0026]上电极16设置在压电膜14上，以具有面向下电极12的区域。也就是说，下电极12和上电极16设置为夹持压电膜14的至少一部分。上电极16与例如压电膜14的上表面接触设置。下电极12和上电极16在压电膜14之间彼此面对的区域是谐振部18。上电极16也可以是包含下电极12中列出的Al、Cu、Cr、Mo、W、Ta、Pt、Ru、Rh和Ir中的至少一
种的金属膜，并且可以是单层膜或多层膜。
[0027]具有圆顶状隆起的气隙20设置在基板10和谐振部18的下电极12之间。圆顶状隆起是具有以下形状的隆起:从气隙20的周边部开始离中心部的距离越近，气隙20的高度越高。为了形成气隙20而通过导入蚀刻剂形成的导入通路22设置在下电极12之下。导入通路22的末端附近未受到压电膜14覆盖，并且导入通路22的末端是孔洞24。孔洞24是导入形成气隙20时使用的蚀刻剂的导入口。能够与下电极12电连接的开口 26设置在压电膜14中。
[0028]当在下电极12和上电极16之间施加高频电信号时，由下电极12和上电极16夹持的压电膜14内部将产生由逆压电效应激发的声波，或因压电效应应变导致的声波。此种声波在下电极12和上电极16与空气接触的表面上进行全反射，因此变成在厚度方向上具有主位移(primary displacement)的厚度振动波。
[0029]接下来将参照图2 (a)~图2 (h)说明第一实施方式的FBAR的制造方法。图2 (a)~图2(d)是对应于沿着图1(a)中的A-A截取部分的截面，图2(e)~图2(h)是对应于沿着图1(a)中的B-B截取部分的截面。
[0030]如图2(a)和图2(e)所示，通过例如溅射或蒸发在基板10上形成牺牲层28。牺牲层28可以由例如氧化镁(MgO)膜形成，并且可以被形成为用于形成其中要形成气隙20的区域。牺牲层28的膜厚可以例如为20nm。然后，通过例如在氩(Ar)气氛围下溅射在基板10和牺牲层28上形成金属膜。金属膜选自前文所述的Al、Cu、Cr、Mo、W、Ta、Pt、Ru、Rh和Ir中的至少一种。然后，通过例如将金属膜光刻和蚀刻成所需形状而形成下电极12。在这点上，将下电极12的一部分制成为具有覆盖牺牲层28的形状。
[0031]如图2 (b)和图2 (·f)所示，通过例如在Ar和氮气(N2)的混合气体下溅射铝靶而在表面经清洁的基板10和下电极12上形成作为未掺杂AlN膜的第二膜14b。然后，无需从反应室移除基板10，通过在Ar和队的混合气体氛围下同时溅射Al靶、二价元素靶和四价元素靶而在第二膜14b上形成作为含有二价元素和四价元素的AlN膜的第一膜14a。然后，无需从反应室移除基板10，通过在Ar和N2的混合气体氛围下溅射Al靶而在第一膜14a上形成作为未掺杂AlN膜的第二膜14b。这一过程形成了压电膜14,其包括第一膜14a和设置于第一膜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之间的界面附近可能存在二价元素和四价元素浓度的浓度梯度。
[0032]如上所述，优选在同一反应室中连续形成第一膜14a和第二膜14b。这是因为可以防止第一膜14a和第二膜14b之间的界面上形成诸如氧化膜等不需要的膜。当在同一反应室中连续形成膜时，在一直对Al靶放电的同时，可以通过调整施加至二价元素靶和四价元素靶的电功率，或者打开或关闭二价元素靶和四价元素靶的闸门(shutter)而连续形成第一膜14a和第二膜14b。此外，出于装置的任何理由，可以通过不同装置形成第一膜14a和第二膜14b。在该情况下，在接触空气的表面上将形成氧化膜，因此优选在进行成膜前通过逆溅射除去氧化膜。此外，使用Al靶、二价元素靶和四价元素靶形成第一膜14a，但是也可以使用通过在Al中包含二价元素和四价元素而形成的Al合金靶。
[0033]如图2(c)和图2(g)所示，例如通过在Ar气氛围下溅射在压电膜14上形成金属膜。金属膜也选自前文所述的六1、(:11、0^0、1、了&、？丨、1?11、诎和11'中的至少一种。然后，通过例如将金属膜光刻和蚀刻成所需形状而形成上电极16。然后，例如通过光刻和蚀刻将压电膜14形成为所需形状。此外，通过选择性蚀刻下电极12和牺牲层28形成孔洞24。
[0034]如图2 (d)和图2 (f)所示，从孔洞24导入蚀刻剂以蚀刻牺牲层28。此处，将在包括下电极12、压电膜14和上电极16的多层膜上的应力预先设定为压缩应力。这使得该多层膜在牺牲层28的蚀刻完成时能够隆起，由此在基板10和下电极12之间形成具有圆顶状隆起的气隙20。另外，还形成了连接气隙20至孔洞24的导入通路22。通过上述制造过程形成第一实施方式的FBAR。
[0035]以下将说明优选使用含有二价元素和四价元素的AlN膜作为FBAR的压电膜的原因。图3是说明模拟中使用的未掺杂AlN的结构。使用所谓的第一性原理计算方法进行模拟。将不使用拟合参数等计算电子状态的方法总称为第一性原理计算，其可以通过仅使用构成单位晶格或分子的原子序数和原子坐标计算电子状态。如图3所示，模拟中使用的未掺杂AlN具有16个铝原子30和16个氮原子32。也就是说，其具有纤锌矿型晶体结构，其是含有16个铝原子30和16个氮原子32的超晶胞，通过在a轴、b轴和c轴方向上将含有2个铝原子30和2个氮原子32的单位晶格加倍而获得。通过同时移动原子坐标、晶胞(cell)体积和晶胞形状而对具有该纤锌矿晶体结构的AlN进行第一性原理计算，并计算出稳定结构中的未掺杂AlN的电子状态。然后，对稳定结构的未掺杂AlN的晶格强制施加微小应变，以通过第一性原理计算从此时刻的全能量的微小变化计算出未掺杂AlN的压电常数、弹性常数和介电常数。
[0036]除了未掺杂A1N，还对具有下述晶体结构的掺杂AlN进行第一性原理计算，该晶体结构中，图3中的一个铝原子30被二价元素取代，另一个铝原子30被四价元素取代。也就是说，通过第一性原理计算进行计算的是具有下述纤锌矿型晶体结构的掺杂AlN的压电常数、弹性常数和介电常数等材料常数，所述晶体结构含有14个铝原子、I个二价元素、I个四价元素和16个氮原子。此处，所提及的取代浓度是在将铝原子数和添加元素原子数的总和定义为100原子％时，添加元素的原子浓度。因此，模拟中使用的掺杂AlN的二价元素和四价元素的取代浓度是6.25原子％。在模拟中，使用钙(Ca)、镁(Mg)、锶(Sr)或锌(Zn)作为二价元素，使用钛(Ti)、锆(Zr)或铪(Hf)作为四价元素。以相同的比率添加二价元素和四价元素，以确保绝缘性，这是因为二`价元素和四价元素取代了三价铝的位置。
[0037]此处，通过以下关系式I表达c轴方向的压电常数e33、弹性常数C33和介电常数ε33与机电耦合系数k2的关系。
[0038][关系式I]
[0039]K2 =
￡33 X C3J
[0040]因此，可以通过利用第一性原理计算来计算未掺杂AlN和掺杂AlN的压电常数、弹性常数和介电常数，从而计算未掺杂AlN和掺杂AlN的机电耦合系数。
[0041]表1列出了未掺杂AlN和掺杂AlN的压电常数e33的计算值和由关系式I计算出的机电耦合系数k2。如表1所示，含有二价元素和四价元素的A1N(实例I~实例10)的压电常数e33和机电稱合系数k2大于未掺杂AlN的数值(表1中的未掺杂AlN)。二价兀素和四价元素不限于表1中列出的那些，还可以是其他元素。
[0042]表1
【权利要求】
1.一种压电薄膜谐振器，所述压电薄膜谐振器包括: 基板； 压电膜，所述压电膜设置在所述基板上，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铝膜制成，所述第二膜设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浓度含有所述添加元素的氮化铝膜制成；和 下电极和上电极，所述上电极和下电极设置成夹持所述压电膜。
2.如权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其中， 所述添加元素是二价元素和四价元素，或者二价元素和五价元素。
3.如权利要求2所述的压电薄膜谐振器，其中， 所述添加元素是二价元素和四价元素，所述二价元素包括钙、镁、锶和锌中的至少一种，所述四价元素包括钛、锆和铪中的至少一种。
4.如权利要求2或3所述的压电薄膜谐振器，其中， 所述添加元素是二价元素和四价元素，当将所述第一膜中所述添加元素的原子数与所述氮化铝膜的铝原子数的总和定义为100原子％时，所述第一膜中所述添加元素的浓度为大于或等于3原子％且小于或等于30原子％。
5.如权利要求2所述的压电薄膜谐振器，其中， 所述添加元素是二价元素和五价元素，所述二价元素包括镁和锌中的至少一种，所述五价元素二价元素包括钽、铌和钒中的至少一种。
6.如权利要求1?3中任一项所述的压电薄膜谐振器，其中， 所述第二膜由不含添加元素的氮化铝膜制成。
【文档编号】H03H9/17GK103873009SQ201310692927
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2012年12月18日
【发明者】恩田阳介 申请人:太阳诱电株式会社