JP2018014643A - 圧電薄膜共振器、フィルタ、デュプレクサ、及び圧電薄膜共振器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気機械結合係数の向上とＱ値の低下の抑制とを両立させること。【解決手段】基板１０と、基板１０上に設けられ、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素又は第５族元素と、を含有し、厚さ方向の中央側の第１領域１４ａでは前記第４族元素又は前記第５族元素の濃度が前記第２族元素又は前記第１２族元素の濃度よりも高く、前記厚さ方向の端側の第２領域１４ｂでは前記第２族元素又は前記第１２族元素の濃度が前記第４族元素又は前記第５族元素の濃度よりも高い窒化アルミニウム膜を含む圧電膜１４と、圧電膜１４を挟んで対向した下部電極１２及び上部電極１６と、を備える圧電薄膜共振器。【選択図】図３

Description

本発明は、圧電薄膜共振器、フィルタ、デュプレクサ、及び圧電薄膜共振器の製造方法に関する。

携帯電話などの無線通信機器のフィルタに圧電薄膜共振器が用いられている。圧電薄膜共振器は、圧電膜と、圧電膜を挟んで対向する下部電極及び上部電極と、を備える。近年、無線通信機器の高性能化のために、フィルタ特性の広帯域化が求められている。フィルタ特性の広帯域化は、フィルタに用いられる圧電薄膜共振器の電気機械結合係数を大きくすることで実現できる。圧電薄膜共振器の電気機械結合係数を大きくすることは、電気機械結合係数の大きな圧電膜を用いることで実現できる。

例えば、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素又は第５族元素と、を含有する窒化アルミニウム膜を圧電膜に用いることで、電気機械結合係数を大きくできることが知られている（例えば、特許文献１）。また、添加元素を含有する窒化アルミニウム膜を用いた圧電膜の厚さ方向の端側での添加元素濃度を中央側よりも低くすることが知られている（例えば、特許文献２）。また、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜を圧電膜に用いることが知られている（例えば、特許文献３）。

特開２０１３−２１９７４３号公報 特開２０１４−１２１０２５号公報 特開２０１３−１２８２６７号公報

第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素又は第５族元素と、を含有する窒化アルミニウム膜を圧電膜に用いることで、電気機械結合係数を大きくできるが、電気機械結合係数とトレードオフの関係にあるＱ値は低下してしまう。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、電気機械結合係数の向上とＱ値の低下の抑制とを両立させることを目的とする。

本発明は、基板と、前記基板上に設けられ、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素又は第５族元素と、を含有し、厚さ方向の中央側では前記第４族元素又は前記第５族元素の濃度が前記第２族元素又は前記第１２族元素の濃度よりも高く、前記厚さ方向の端側では前記第２族元素又は前記第１２族元素の濃度が前記第４族元素又は前記第５族元素の濃度よりも高い窒化アルミニウム膜を含む圧電膜と、前記圧電膜を挟んで対向した下部電極及び上部電極と、を備える圧電薄膜共振器である。

上記構成において、前記窒化アルミニウム膜は、前記厚さ方向の両方の前記端側で前記第２族元素又は前記第１２族元素の濃度が前記第４族元素又は前記第５族元素の濃度よりも高い構成とすることができる。

上記構成において、前記窒化アルミニウム膜は、前記第２族元素又は前記第１２族元素と、前記第４族元素と、含み、前記第２族元素又は前記第１２族元素と、前記第４族元素と、の組み合わせは、マグネシウムとチタンと、カルシウムとチタン、亜鉛とチタン、マグネシウムとジルコニウム、カルシウムとジルコニウム、亜鉛とジルコニウム、マグネシウムとハフニウム、カルシウムとハフニウム、ストロンチウムとハフニウム、又は亜鉛とハフニウムである構成とすることができる。

上記構成において、前記窒化アルミニウム膜は、前記第２族元素又は前記第１２族元素と、前記第５族元素と、を含み、前記第２族元素又は前記第１２族元素と、前記第５族元素と、の組み合わせは、マグネシウムとタンタル、マグネシウムとニオブ、マグネシウムとバナジウム、亜鉛とタンタル、亜鉛とニオブ、又は亜鉛とバナジウムである構成とすることができる。

上記構成において、前記窒化アルミニウム膜は、前記下部電極側の前記端側での前記第２族元素又は前記第１２族元素と前記第４族元素又は前記第５族元素との合計濃度が前記中央側よりも低い構成とすることができる。

上記構成において、前記圧電膜は、前記窒化アルミニウム膜と前記下部電極との間に他の元素を含有しない窒化アルミニウム膜を含む構成とすることができる。

本発明は、上記のいずれかに記載の圧電薄膜共振器を含むフィルタである。

本発明は、上記に記載のフィルタを含むデュプレクサである。

本発明は、下部電極上に、アルミニウムと、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素又は第５族元素と、を含むターゲットを用いたスパッタリング法でスパッタリングパワーを厚さ方向の中央側と端側とで変えることで、前記中央側での前記第４族元素又は前記第５族元素の濃度が前記端側よりも高い窒化アルミニウム膜を含む圧電膜を形成する工程と、前記圧電膜上に、前記圧電膜を挟んで前記下部電極と対向する上部電極を形成する工程と、を備える圧電薄膜共振器の製造方法である。

本発明によれば、電気機械結合係数の向上とＱ値の低下の抑制とを両立することができる。

図１は、比較例に係る圧電薄膜共振器の断面図である。 図２（ａ）は、ＭｇとＨｆの合計濃度と電気機械結合係数ｋ^２との関係を示す図、図２（ｂ）は、ＭｇとＨｆの合計濃度とＱ値との関係を示す図である。 図３（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ間の断面図、図３（ｃ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ間の断面図である。 図４（ａ）から図４（ｈ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。 図５は、圧電膜の成膜に用いられるスパッタリング装置を示す図である。 図６は、スパッタリングパワーと、ＭｇとＨｆの濃度の比と、の関係を示す図である。 図７（ａ）は、ＭｇとＨｆの濃度の比と電気機械結合係数ｋ^２との関係を示す図、図７（ｂ）は、ＭｇとＨｆの濃度の比とＱ値との関係を示す図である。 図８は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の共振領域の断面図である。 図９（ａ）は、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器の共振領域の断面図、図９（ｂ）は、圧電膜の厚さ方向における第２族元素又は第１２族元素と第４族元素との合計濃度を示す図である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、空隙の他の例を示す圧電薄膜共振器の断面図、図１０（ｃ）は、ＳＭＲタイプの圧電薄膜共振器の断面図である。 図１１は、実施例３に係るフィルタの図である。 図１２は、実施例４に係るデュプレクサの図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１は、比較例に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１のように、比較例の圧電薄膜共振器５００は、基板７０上に下部電極７２が設けられている。基板７０及び下部電極７２上に圧電膜７４が設けられている。圧電膜７４上に、圧電膜７４を挟み下部電極７２と対向する領域（共振領域７８）を有して上部電極７６が設けられている。共振領域７８における基板７０と下部電極７２との間に空隙８０が設けられている。

圧電膜７４は、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素と、を含有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜である。第２族元素又は第１２族元素の濃度は圧電膜７４の全体で一定であり、第４族元素の濃度も圧電膜７４の全体で一定である。第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素と、はＡｌＮ膜のアルミニウムと置換している。第２族元素又は第１２族元素は第１３族元素のアルミニウムと置換し、第４族元素も第１３族元素のアルミニウムと置換しているため、ＡｌＮ膜の絶縁性が確保されている。

ここで、アルミニウムと添加元素（ここでは、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素）との原子数の総和を１００原子％としたときの、添加元素の原子数の割合を添加元素の濃度と称すこととする。例えば、１６個のアルミニウム原子と１６個の窒素原子とからなるＡｌＮにおいて、１個の第２族元素又は第１２族元素と１個の第４族元素とがアルミニウム原子と置換した場合（すなわち、アルミニウム原子が１４個、窒素原子が１６個、第２族元素又は第１２族元素が１個、第４族元素が１個の場合）の第２族元素又は第１２族元素の濃度は６．２５原子％であり、第４族元素の濃度も６．２５原子％である。

ここで、比較例の圧電薄膜共振器５００の電気機械結合係数ｋ^２及び反共振周波数のＱ値と、ＡｌＮ膜の添加元素の濃度と、の関係を調べた実験について説明する。実験では、下部電極７２は、基板側から膜厚１００ｎｍのクロム膜と膜厚２００ｎｍのルテニウム膜の２層構造とした。圧電膜７４は、第２族元素又は第１２族元素としてマグネシウム（Ｍｇ）を、第４族元素としてハフニウム（Ｈｆ）を含有した膜厚１１５０ｎｍのＡｌＮ膜とした。上部電極７６は、圧電膜７４に接する側から膜厚２００ｎｍのルテニウム膜と膜厚５０ｎｍのクロム膜の２層構造とした。なお、圧電膜７４は、アルミニウムターゲットと、アルミニウムとマグネシウムとハフニウムの合金ターゲットと、の２つのターゲットを用いた２元スパッタリング法によって作製した。ここで、アルミニウムとマグネシウムとハフニウムの合金ターゲットは、アルミニウムとマグネシウムとハフニウムの合計濃度を１００原子％とした時のアルミニウム８０原子％、マグネシウム１０原子％、ハフニウム１０原子％の組成のものを用いた。また、ＭｇとＨｆの合計濃度は上記構成のターゲットを用いて、アルミニウムターゲットと、アルミニウムとマグネシウムとハフニウムの合金ターゲットの成膜パワーを変えることで、合計濃度を変化させた。

図２（ａ）は、ＭｇとＨｆの合計濃度と電気機械結合係数ｋ^２との関係を示す図、図２（ｂ）は、ＭｇとＨｆの合計濃度とＱ値との関係を示す図である。図２（ａ）の横軸はＭｇとＨｆの合計濃度（Ｍｇの濃度＋Ｈｆの濃度）、縦軸は電気機械結合係数ｋ^２である。図２（ｂ）の横軸はＭｇとＨｆの合計濃度（Ｍｇの濃度＋Ｈｆの濃度）、縦軸は反共振周波数のＱ値である。なお、Ｍｇの濃度とＨｆの濃度の比は１：１になるようにした。図２（ａ）のように、ＭｇとＨｆの合計濃度が高くなるに従い、電気機械結合係数ｋ^２は大きくなる結果となった。一方、図２（ｂ）のように、ＭｇとＨｆの合計濃度が高くなるに従い、反共振周波数のＱ値は小さくなる結果となった。このことから、電気機械結合係数ｋ^２とＱ値とはトレードオフの関係にあることが分かる。

なお、上記実験では、第２族元素又は第１２族元素がＭｇで、第４族元素がＨｆである場合を例に示したが、この場合に限られ訳ではない。以下に、第２族元素又は第１２族元素、及び、第４族元素に様々な元素を用いた圧電薄膜共振器の電気機械結合係数ｋ^２のシミュレーション結果を示す。シミュレーションでは、下部電極７２は膜厚１００ｎｍのクロム（Ｃｒ）膜と膜厚２２５ｎｍのルテニウム（Ｒｕ）膜の積層膜とした。圧電膜７４は、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素と、を含有する膜厚１０００ｎｍのＡｌＮ膜とし、第２族元素又は第１２族元素としてマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、又は亜鉛（Ｚｎ）を用い、第４族元素としてチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、又はハフニウム（Ｈｆ）を用いた。第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素と、は共に濃度を６．２５原子％とした。なお、圧電膜７４の圧電定数、弾性定数、及び誘電率などの材料定数の値は第１原理計算で求めた値を用いた。上部電極７６は膜厚２２５ｎｍのＲｕ膜と膜厚３０ｎｍのＣｒ膜との積層膜とした。また、上部電極７６上に、膜厚５０ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜が設けられているとした。

表１は、圧電薄膜共振器の電気機械結合係数ｋ^２のシミュレーション結果である。なお、比較のために、圧電膜７４に膜厚１１５０ｎｍのノンドープＡｌＮ膜を用いた点以外は同じ構成をした圧電薄膜共振器の電気機械結合係数ｋ^２のシミュレーション結果も示している。表１のように、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素と、を含有するＡｌＮ膜を圧電膜に用いた場合（ケース１からケース１０）では、ノンドープＡｌＮ膜を圧電膜に用いた場合に比べて、電気機械結合係数ｋ^２が大きくなることが分かる。また、Ｑ値は電気機械結合係数ｋ^２とトレードオフの関係にあることから、第２族元素又は第１２族元素と第４族元素とを含有するＡｌＮ膜を圧電膜に用いた場合ではＱ値が小さくなることが分かる。

このように、放射性元素を除いた第２族元素又は第１２族元素と、放射性元素を除いた第４族元素と、を含有するＡｌＮ膜を圧電膜に用いた圧電薄膜共振器では、電気機械結合係数ｋ^２は向上するが、Ｑ値の低下が生じてしまう。そこで、電気機械結合係数ｋ^２の向上とＱ値の低下の抑制とを両立させることが可能な実施例を以下に説明する。

図３（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ間の断面図、図３（ｃ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ間の断面図である。図３（ａ）から図３（ｃ）のように、実施例１の圧電薄膜共振器１００は、基板１０、下部電極１２、圧電膜１４、及び上部電極１６を備える。

基板１０は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板、石英基板、ガラス基板、セラミック基板、又はガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板などを用いることができる。

基板１０上に下部電極１２が設けられている。下部電極１２は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、又はイリジウム（Ｉｒ）の金属単層膜、若しくは、これらの積層膜を用いることができる。

基板１０及び下部電極１２上に、圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４は、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素と、を含有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜であり、ｃ軸を主軸としたｃ軸配向性を有する結晶構造をしている。圧電膜１４は、厚さ方向の中央側と端側とで第４族元素の濃度が異なっている。圧電膜１４の厚さ方向の中央側の第１領域１４ａは、端側の第２領域１４ｂに比べて、第４族元素の濃度が高くなっている。また、第１領域１４ａでは第４族元素の濃度は第２族元素又は第１２族元素の濃度よりも高くなっている。第２領域１４ｂでは第２族元素又は第１２族元素の濃度が第４族元素の濃度よりも高くなっている。上述したように、第２族元素又は第１２族元素と第４族元素とをＡｌＮ膜に含有させることで絶縁性を確保することができる。第２族元素又は第１２族元素の濃度と第４族元素の濃度とが全く同じではない場合でも、ＡｌＮ膜の絶縁性を確保することができるため、第２族元素又は第１２族元素の濃度と第４族元素の濃度とが異なる場合でも、ＡｌＮ膜の絶縁性が確保される。

圧電膜１４上に、下部電極１２と対向する領域を有して上部電極１６が設けられている。上部電極１６は、下部電極１２で列挙した金属材料の金属単層膜、若しくは、それらの積層膜を用いることができる。圧電膜１４を挟んで下部電極１２と上部電極１６とが対向する領域が共振領域１８となる。共振領域１８は、例えば楕円形状をしていて、厚み縦振動モードが共振する領域である。なお、共振領域１８は、矩形状などの他の形状をしている場合でもよい。

共振領域１８において、基板１０の平坦上面と下部電極１２との間に、下部電極１２側にドーム状の膨らみを有する空隙２０が設けられている。ドーム状の膨らみとは、例えば空隙２０の周辺では空隙２０の高さが低く、空隙２０の内部ほど空隙２０の高さが高くなるような形状の膨らみである。下部電極１２の下側には、空隙２０を形成する際にエッチャントを導入することで形成される導入路２２が設けられている。導入路２２の先端付近は圧電膜１４などで覆われてなく、導入路２２の先端は孔２４となっている。孔２４は、空隙２０を形成する際のエッチャントを導入する導入口である。圧電膜１４には、下部電極１２との電気的な接続を可能とするための開口２６が設けられている。

次に、実施例１の圧電薄膜共振器１００の製造方法について説明する。図４（ａ）から図４（ｈ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図４（ａ）から図４（ｄ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ間に相当する箇所の断面図であり、図４（ｅ）から図４（ｈ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ間に相当する箇所の断面図である。

図４（ａ）及び図４（ｅ）のように、基板１０上に、例えばスパッタリング法、蒸着法、又は化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いて、犠牲層３０を形成する。犠牲層３０は、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜を用いることができ、少なくとも空隙２０が形成する領域を含んで設けられる。犠牲層３０の膜厚は、例えば２０ｎｍ程度である。次いで、例えばアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気下でスパッタリングを行い、基板１０及び犠牲層３０上に金属膜を成膜する。なお、金属膜の成膜は、蒸着法又はＣＶＤ法を用いて行ってもよい。金属膜は、下部電極１２で列挙した材料（Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、又はＩｒ）のうちの少なくとも１つから選択される。その後、例えばフォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて、金属膜を所望の形状として下部電極１２を形成する。この際、下部電極１２の一部は犠牲層３０を覆うようにする。なお、下部電極１２はリフトオフ法によって形成してもよい。

図４（ｂ）及び図４（ｆ）のように、基板１０及び下部電極１２上に、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素と、を含有するＡｌＮ膜からなる圧電膜１４を成膜する。圧電膜１４の成膜は、窒素を含む雰囲気下（例えば窒素と希ガス（Ａｒなど）の混合ガス雰囲気下）で、アルミニウムと、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素と、を含む合金ターゲットを用いた１元スパッタリング法によって行う。なお、このようなターゲットは、アルミニウムと、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素と、を原料として、真空溶解法又は真空焼結法によって作製することができる。

例えば、表１のケース１の元素が添加された圧電膜１４を形成するには、ＡｌとＣａとＴｉを含有する合金ターゲットを用いる。ケース２の場合ではＡｌとＣａとＺｒを含有する合金ターゲットを用い、ケース３の場合ではＡｌとＣａとＨｆを含有する合金ターゲットを用いる。ケース４の場合ではＡｌとＭｇとＴｉを含有する合金ターゲットを用い、ケース５の場合ではＡｌとＭｇとＺｒを含有する合金ターゲットを用い、ケース６の場合ではＡｌとＭｇとＨｆを含有する合金ターゲットを用いる。ケース７の場合ではＡｌとＳｒとＨｆを含有する合金ターゲットを用いる。ケース８の場合ではＡｌとＺｎとＴｉを含有する合金ターゲットを用い、ケース９の場合ではＡｌとＺｎとＺｒを含有する合金ターゲットを用い、ケース１０の場合ではＡｌとＺｎとＨｆを含有する合金ターゲットを用いる。

図５は、圧電膜の成膜に用いられるスパッタリング装置を示す図である。図５のように、スパッタリング装置は、反応性スパッタリング法における一般的な装置である。スパッタリング装置は、圧電膜１４の成膜が行われるチャンバー４０内において、基板１０とターゲット４２とが配置されている。基板１０とターゲット４２とは対向するように配置されている。ターゲット４２には、アルミニウムと、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素と、が含まれる合金ターゲットが用いられる。ターゲット４２は、チャンバー４０の外部に配置された直流又は高周波の電源４８に接続されており、電圧を調整することが可能となっている。また、チャンバー４０は、ガス供給部４４と真空ポンプ接続部４６とを有する。圧電膜１４の成膜は、チャンバー４０内を真空ポンプ接続部４６から真空ポンプによって排気した後、ガス供給部４４から窒素を含むガス（例えば窒素と希ガスの混合ガスなど）を導入して行われる。

なお、ターゲット４２下に磁石４９を配置してもよい。磁石４９を配置することで、ターゲット４２上のプラズマ密度を向上させることができ、成膜速度を向上させることができる。また、ターゲット４２を２つ備え、２つのターゲット４２の間を交互に電圧を印加するデュアルターゲットスパッタリング装置を用いてもよい。デュアルターゲットスパッタリング装置を用いることで、ターゲット４２の表面に生成される絶縁部のチャージアップを抑制し、ターゲット４２の表面のクリーニングを行うことができ、成膜を安定させることができる。

このようなスパッタリング法において、スパッタリングパワーを変化させることで、ターゲット４２内の各元素のスパッタ率の違いにより、圧電膜１４内の第２族元素又は第１２族元素の濃度と、第４族元素の濃度と、を変化させることができる。このことを調べた実験について説明する。実験には、第２族元素又は第１２族元素としてＭｇを、第４族元素としてＨｆを用い、Ａｌ、Ｍｇ、及びＨｆの合計含有量を１００原子％とした場合のＡｌの含有量を８０原子％、ＭｇとＨｆの含有量をそれぞれ１０原子％としたターゲット４２を用いた。そして、スパッタリングパワーを変化させてＡｌＮ膜を成膜し、膜中のＭｇとＨｆの濃度を測定した。

図６は、スパッタリングパワーと、ＭｇとＨｆの濃度の比と、の関係を示す図である。図６の横軸はスパッタリングパワー（ｋＷ）で、縦軸はＭｇとＨｆの濃度の比（Ｍｇの濃度／Ｈｆの濃度）である。図６のように、スパッタリングパワーが小さい場合ではＭｇの濃度がＨｆの濃度よりも高く、スパッタリングパワーが大きい場合ではＨｆの濃度がＭｇの濃度よりも低くなることが分かる。スパッタリングパワーを大きくすることでＨｆの濃度割合が高くなるのは、ＨｆはＭｇよりも重い（原子量が大きい）ことによるものと考えられる。これから、スパッタリングパワーを調整することで、膜中の添加元素の濃度を調整できることが分かる。

したがって、アルミニウムと、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素と、を含む合金ターゲットを用いたスパッタリング法においてスパッタリングパワーを調整することで、図４（ｂ）及び図４（ｆ）のように、第４族元素の濃度が高い第１領域１４ａと、第４族元素の濃度が低い第２領域１４ｂと、を有する圧電膜１４を形成することができる。また、図６から明らかなように、第１領域１４ａでは第４族元素の濃度が第２族元素又は第１２族元素の濃度よりも高くなることが生じる。第２領域１４ｂでは第２族元素又は第１２族元素の濃度が第４族元素の濃度よりも高くなることが生じる。

図４（ｃ）及び図４（ｇ）のように、例えばＡｒガス雰囲気下でスパッタリングを行い、圧電膜１４上に金属膜を成膜する。なお、金属膜の成膜は、蒸着法又はＣＶＤ法を用いて行ってもよい。この金属膜も、前述と同様に、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、又はＩｒのうちの少なくとも１つから選択される。その後、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて、金属膜を所望の形状として上部電極１６を形成する。なお、上部電極１６は、リフトオフ法によって形成してもよい。続いて、例えばフォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて、圧電膜１４を所望の形状にする。さらに、下部電極１２と犠牲層３０とを選択的にエッチングして孔２４を形成する。

図４（ｄ）及び図４（ｈ）のように、孔２４からエッチャントを導入して犠牲層３０をエッチングする。ここで、下部電極１２、圧電膜１４、及び上部電極１６の積層膜の応力を予め圧縮応力になるようにしておく。これにより、犠牲層３０のエッチングが完了した時点で、積層膜は膨れ上がり、基板１０と下部電極１２との間に、ドーム状の膨らみをした空隙２０が形成される。また、空隙２０と孔２４とを連結する導入路２２も形成される。これにより、実施例１の圧電薄膜共振器が形成される。

ここで、実施例１の圧電薄膜共振器１００の効果を説明するにあたり、比較例の圧電薄膜共振器５００に対して行った実験について説明する。実験では、下部電極７２は、基板側から膜厚１００ｎｍのクロム膜と膜厚２００ｎｍのルテニウム膜の２層構造とした。圧電膜７４は、第２族元素又は第１２族元素としてマグネシウム（Ｍｇ）を、第４族元素としてハフニウム（Ｈｆ）を含有した膜厚１１５０ｎｍのＡｌＮ膜とした。上部電極７６は、圧電膜７４に接する側から膜厚２００ｎｍのルテニウム膜と膜厚５０ｎｍのクロム膜の２層構造とした。なお、圧電膜７４は、アルミニウムターゲットと、アルミニウムとマグネシウムとハフニウムの合金ターゲット、の２つのターゲットを用いた２元スパッタリング法によって作製した。ここで、アルミニウムとマグネシウムとハフニウムの合金ターゲットは、アルミニウムとマグネシウムとハフニウムの合計濃度を１００原子％とした時のアルミニウム８０原子％、マグネシウム１０原子％、ハフニウム１０原子％の組成のものを用いた。

図７（ａ）は、ＭｇとＨｆの濃度の比と電気機械結合係数ｋ^２との関係を示す図、図７（ｂ）は、ＭｇとＨｆの濃度の比とＱ値との関係を示す図である。図７（ａ）の横軸はＭｇの濃度とＨｆの濃度の比（Ｍｇの濃度／Ｈｆの濃度）、縦軸は電気機械結合係数ｋ^２である。図７（ｂ）の横軸はＭｇの濃度とＨｆの濃度の比（Ｍｇの濃度／Ｈｆの濃度）、縦軸は反共振周波数のＱ値である。なお、Ｍｇの濃度を一定として、Ｈｆの濃度を変化させた場合の結果を示している。図７（ａ）のように、ＭｇとＨｆの濃度の比が小さくなるに従い、電気機械結合係数ｋ^２は大きくなる結果となった。一方、図７（ｂ）のように、ＭｇとＨｆの濃度の比が大きくなるに従い、反共振周波数のＱ値は大きくなる結果となった。このことから、Ｈｆの濃度がＭｇの濃度よりも高くなることで電気機械結合係数ｋ^２が大きくなり、Ｍｇの濃度がＨｆの濃度よりも高くなることでＱ値が大きくなることが分かる。なお、図７（ａ）及び図７（ｂ）では、ＭｇとＨｆを用いた場合の結果を示したが、他の第２族元素又は第１２族元素と、他の第４族元素と、を用いた場合でも同様の結果が得られる。また、他の第２族元素又は第１２族元素と、第５族元素と、を用いた場合でも同様の結果が得られる。

実施例１では、圧電膜１４の厚さ方向の中央側の第１領域１４ａでは、第４族元素の濃度が第２族元素又は第１２族元素の濃度よりも高くなっている。圧電膜１４の厚さ方向の端側の第２領域１４ｂでは、第２族元素又は第１２族元素の濃度が第４族元素の濃度よりも高くなっている。厚み縦振動の歪みエネルギーは圧電膜１４の中央付近に集中するため、第１領域１４ａで第４族元素の濃度を第２族元素又は第１２族元素の濃度よりも高くすることで、電気機械結合係数ｋ^２を効果的に向上させることができる。一方、圧電膜１４の厚さ方向の端付近では、厚み縦振動の歪みエネルギーが小さいため、係る部分で第４族元素の濃度を第２族元素又は第１２族元素の濃度より高くしても電気機械結合係数ｋ^２の向上への寄与が小さい。これに対し、Ｑ値は圧電膜１４全体の影響を受けるため、圧電膜１４の厚さ方向の端側の第２領域１４ｂで第２族元素又は第１２族元素の濃度を第４族元素の濃度よりも高くすることで、Ｑ値の低下を抑制できる。これにより、電気機械結合係数ｋ^２の向上とＱ値の低下の抑制とを両立させることができる。

また、実施例１によれば、アルミニウムと、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素と、を含むターゲットを用いたスパッタリング法でスパッタリングパワーを厚さ方向の中央側と端側とで変えることで、中央側の第１領域１４ａでの第４族元素の濃度が端側の第２領域１４ｂよりも高いＡｌＮ膜からなる圧電膜１４を形成している。これにより、第１領域１４ａで第４族元素の濃度を第２族元素又は第１２族元素の濃度よりも高くでき、第２領域１４ｂで第２族元素又は第１２族元素の濃度を第４族元素の濃度よりも高くすることができる。また、アルミニウムと、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素と、を含む１枚のターゲットを用いて圧電膜１４を形成することで、例えばアルミニウムターゲット、第２族元素又は第１２族元素ターゲット、第４族元素ターゲットの複数のターゲットを用いる場合に比べて、組成が安定した圧電膜１４を得ることができる。また、１枚のターゲットが装着できればよいため、一般的なスパッタリング装置を用いることができる。

また、実施例１では、圧電膜１４の厚さ方向の両方の端側の第２領域１４ｂで第２族元素又は第１２族元素の濃度が第４族元素の濃度よりも高い。いずれか一方の端側の第２領域１４ｂで第２族元素又は第１２族元素の濃度が第４族元素の濃度よりも高い場合でもよいが、両方の端側の第２領域１４ｂで第２族元素又は第１２族元素の濃度が第４族元素の濃度よりも高いことで、Ｑ値の低下を効果的に抑制することができる。

なお、表１から、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素と、の組み合わせは、マグネシウムとチタンと、カルシウムとチタン、亜鉛とチタン、マグネシウムとジルコニウム、カルシウムとジルコニウム、亜鉛とジルコニウム、マグネシウムとハフニウム、カルシウムとハフニウム、ストロンチウムとハフニウム、又は亜鉛とハフニウムである場合が好ましい。

なお、実施例１において、第１領域１４ａ及び第２領域１４ｂでの圧電膜１４の厚さ方向における第４族元素の濃度は一定である場合でもよいし、変化している場合でもよい。第２族元素又は第１２族元素においても同様である。

図８は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の共振領域の断面図である。図８のように、圧電膜１４は、下部電極１２と第２領域１４ｂとの間に下部電極１２に接する第３領域１４ｃを有する。第３領域１４ｃは、他の元素が添加されていないＡｌＮ膜（すなわち、ノンドープＡｌＮ膜）からなる。圧電膜１４は、第１領域１４ａ及び第２領域１４ｂのＡｌＮ膜を形成する前に、窒素を含む雰囲気下で、アルミニウムターゲットを用いたスパッタリング法によって形成することができる。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

下部電極１２の上面にＡｌＮ膜からなる圧電膜１４を形成するプロセスにおいて、ＡｌＮ膜に他の元素が添加され、当該他の元素の添加濃度が高いほど、ｃ軸配向性の良好な圧電膜１４を得ることが難しい。しかしながら、実施例１の変形例１によれば、第２族元素又は第１２族元素と第４族元素とを含有するＡｌＮ膜（第１領域１４ａ及び第２領域１４ｂ）と下部電極１２との間に、他の元素を含有しないノンドープＡｌＮ膜（第３領域１４ｃ）が設けられている。これにより、ｃ軸配向性の良好な圧電膜１４を得ることができ、圧電薄膜共振器の耐電力性を向上させることができる。また、下部電極１２の上面にノンドープＡｌＮ膜（第３領域１４ｃ）が設けられることで、下部電極１２と圧電膜１４の密着性を向上させることができる。

図９（ａ）は、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器の共振領域の断面図、図９（ｂ）は、圧電膜の厚さ方向における第２族元素又は第１２族元素と第４族元素との合計濃度を示す図である。図９（ｂ）の横軸は第２族元素又は第１２族元素と第４族元素との合計濃度で、縦軸は圧電膜の厚さ方向に対応している。図９（ａ）及び図９（ｂ）のように、圧電膜１４は、下部電極１２側の第２領域１４ｂでの第２族元素又は第１２族元素と第４族元素との合計濃度が中央側の第１領域１４ａよりも低い。このような圧電膜１４は、厚さ方向でスパッタリングパワーを適切に調整することで形成することができる。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

実施例１の変形例２によれば、下部電極１２側の第２領域１４ｂでの第２族元素又は第１２族元素と第４族元素との合計濃度が、中央側の第１領域１４ａよりも低い。これにより、実施例１の変形例１で述べた理由と同じ理由から、圧電膜１４のｃ軸配向性を良好にすることができる。

実施例１では、圧電膜１４が、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素と、を含有するＡｌＮ膜である場合を例に示したが、実施例２では、圧電膜１４が、第２族元素又は第１２族元素と、第５族元素と、を含有するＡｌＮ膜である場合について説明する。すなわち、実施例２に係る圧電薄膜共振器は、圧電膜１４に第４族元素の代わりに第５族元素が添加されている点以外は、実施例１と同じである。第５族元素は、第４族元素と同様に、ＡｌＮ膜のアルミニウムと置換している。また、実施例２に係る圧電膜共振器は、図５（ａ）から図７で説明した製造方法において、アルミニウムと、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素と、を含む合金ターゲットの代わりに、アルミニウムと、第２族元素又は第１２族元素と、第５族元素と、を含む合金ターゲットを用いることで作製することができる。

ここで、図１と同じ構造をし、且つ、圧電膜７４が第２族元素又は第１２族元素と、第５族元素と、を含有するＡｌＮ膜である圧電薄膜共振器の電気機械結合係数ｋ^２を調べたシミュレーションについて説明する。シミュレーションでは、下部電極７２は膜厚１００ｎｍのクロム（Ｃｒ）膜と膜厚２２５ｎｍのルテニウム（Ｒｕ）膜の積層膜とした。圧電膜７４は、第２族元素又は第１２族元素と、第５族元素と、を含有する膜厚１０００ｎｍのＡｌＮ膜とし、第２族元素又は第１２族元素としてマグネシウム（Ｍｇ）又は亜鉛（Ｚｎ）を用い、第５族元素としてタンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、又はバナジウム（Ｖ）を用いた。第２族元素又は第１２族元素の濃度を１２．５原子％とし、第５族元素の濃度を６．２５原子％とした。これは、圧電膜７４の絶縁性を確保するためである。なお、圧電膜７４の圧電定数、弾性定数、及び誘電率などの材料定数の値は第１原理計算で求めた値を用いた。上部電極７６は膜厚２２５ｎｍのＲｕ膜と膜厚３０ｎｍのＣｒ膜との積層膜とした。また、上部電極７６上に、膜厚５０ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜が設けられているとした。

表２は、圧電薄膜共振器の電気機械結合係数ｋ^２のシミュレーション結果である。なお、比較のために、圧電膜７４に膜厚１１５０ｎｍのノンドープＡｌＮ膜を用いた点以外は同じ構成をした圧電薄膜共振器の電気機械結合係数ｋ^２のシミュレーション結果も示している。表２のように、第２族元素又は第１２族元素と、第５族元素と、を含有するＡｌＮ膜を圧電膜に用いた場合（ケース１からケース６）では、ノンドープＡｌＮ膜を圧電膜に用いた場合に比べて、電気機械結合係数ｋ^２が大きくなることが分かる。また、上述したように、Ｑ値は電気機械結合係数ｋ^２とトレードオフの関係にあることから、第２族元素又は第１２族元素と、第５族元素と、を含有するＡｌＮ膜を圧電膜に用いた場合ではＱ値が小さくなることが分かる。

このように、放射性元素を除いた第２族元素又は第１２族元素と、放射性元素を除いた第５族元素と、を含有するＡｌＮ膜を圧電膜に用いた圧電薄膜共振器でも、電気機械結合係数ｋ^２は向上するが、Ｑ値の低下が生じてしまう。

したがって、実施例２の場合でも、圧電膜１４の厚さ方向の中央側の第１領域１４ａでは第５族元素の濃度を第２族元素又は第１２族元素の濃度よりも高くする。圧電膜１４の厚さ方向の端側の第２領域１４ｂでは第２族元素又は第１２族元素の濃度を第５族元素の濃度よりも高くする。これにより、実施例１と同じ理由から、電気機械結合係数ｋ^２の向上とＱ値の低下の抑制とを両立させることができる。

また、アルミニウムと、第２族元素又は第１２族元素と、第５族元素と、を含むターゲットを用いたスパッタリング法でスパッタリングパワーを厚さ方向の中央側と端側とで変えることで、中央側の第１領域１４ａでの第５族元素の濃度が端側の第２領域１４ｂよりも高いＡｌＮ膜からなる圧電膜１４を形成する。これにより、第１領域１４ａで第５族元素の濃度を第２族元素又は第１２族元素の濃度よりも高くでき、第２領域１４ｂで第２族元素又は第１２族元素の濃度を第５族元素の濃度よりも高くすることができる。

例えば、表２のケース１の元素が添加された圧電膜１４を形成するには、ＡｌとＭｇとＴａを含有する合金ターゲットを用いる。ケース２の場合ではＡｌとＭｇとＮｂを含有する合金ターゲットを用い、ケース３の場合ではＡｌとＭｇとＶを含有する合金ターゲットを用いる。ケース４の場合ではＡｌとＺｎとＴａを含有する合金ターゲットを用い、ケース５の場合ではＡｌとＺｎとＮｂを含有する合金ターゲットを用い、ケース６の場合ではＡｌとＺｎとＶを含有する合金ターゲットを用いる。

なお、表２から、第２族元素又は第１２族元素と、第５族元素と、の組み合わせは、マグネシウムとタンタル、マグネシウムとニオブ、マグネシウムとバナジウム、亜鉛とタンタル、亜鉛とニオブ、又は亜鉛とバナジウムである場合が好ましい。

実施例２においても、実施例１の変形例１のように、圧電膜１４は、下部電極１２の上面に他の元素を含有しないＡｌＮ膜からなる第３領域１４ｃを有していてもよい。また、実施例１の変形例２のように、圧電膜１４の下部電極１２側の第２領域１４ｂでの第２族元素又は第１２族元素と第５族元素との合計濃度が、中央側の第１領域１４ａよりも低い場合でもよい。

実施例１及び実施例２では、空隙２０が基板１０と下部電極１２との間のドーム状の膨らみから形成されている場合を例に示したが、これに限られない、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、空隙の他の例を示す圧電薄膜共振器の断面図である。なお、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）では、図の複雑化を抑制するために、圧電膜１４の第１領域１４ａ、第２領域１４ｂの図示を省略している。図１０（ａ）のように、空隙２０が、共振領域１８における下部電極１２下の基板１０の一部を除去して設けられていてもよい。図１０（ｂ）のように、空隙２０が、共振領域１８における下部電極１２下の基板１０を貫通して設けられていてもよい。

また、圧電薄膜共振器は、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプの場合に限られず、ＳＭＲ（Solid Mounted Resonator）タイプの場合でもよい。図１０（ｃ）は、ＳＭＲタイプの圧電薄膜共振器の断面図である。なお、図１０（ｃ）では、図の複雑化を抑制するために、圧電膜１４の第１領域１４ａ、第２領域１４ｂの図示を省略している。図１０（ｃ）のように、ＳＭＲタイプの圧電薄膜共振器では、下部電極１２下に、音響インピーダンスの高い膜５２と低い膜５４とを例えばλ／４（λは弾性波の波長）の膜厚で交互に積層した音響反射膜５０が設けられている。

図１１は、実施例３に係るフィルタの図である。図１１のように、実施例３のフィルタ３００は、入出力端子Ｔ１、Ｔ２の間に直列に接続された１又は複数の直列共振器Ｓ１〜Ｓ４と、並列に接続された１又は複数の並列共振器Ｐ１〜Ｐ４と、を備えたラダー型フィルタである。直列共振器Ｓ１〜Ｓ４及び並列共振器Ｐ１〜Ｐ４の少なくとも１つを、実施例１又は実施例２の圧電薄膜共振器とすることができる。

図１２は、実施例４に係るデュプレクサの図である。図１２のように、実施例４のデュプレクサ４００は、アンテナ端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘの間に接続された送信フィルタ６０と、アンテナ端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘの間に接続された受信フィルタ６２と、を含む。送信フィルタ６０と受信フィルタ６２は、通過帯域が異なっている。送信フィルタ６０は、送信端子Ｔｘから入力された信号のうち送信帯域の信号を送信信号としてアンテナ端子Ａｎｔに通過させ、他の帯域の信号を抑圧する。受信フィルタ６２は、アンテナ端子Ａｎｔから入力された信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の帯域の信号を抑圧する。送信フィルタ６０及び受信フィルタ６２の少なくとも一方を、実施例３のフィルタとすることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 基板
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１４ａ 第１領域
１４ｂ 第２領域
１４ｃ 第３領域
１６ 上部電極
１８ 共振領域
２０ 空隙
２２ 導入路
２４ 孔
２６ 開口
３０ 犠牲層
４０ チャンバー
４２ ターゲット
４４ ガス供給部
４６ 真空ポンプ接続部
４８ 電源
４９ 磁石
５０ 音響反射膜
５２ 音響インピーダンスの高い膜
５４ 音響インピーダンスの低い膜
６０ 送信フィルタ
６２ 受信フィルタ
Ｓ１〜Ｓ４ 直列共振器
Ｐ１〜Ｐ４ 並列共振器
１００ 圧電薄膜共振器
３００ フィルタ
４００ デュプレクサ

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられ、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素又は第５族元素と、を含有し、厚さ方向の中央側では前記第４族元素又は前記第５族元素の濃度が前記第２族元素又は前記第１２族元素の濃度よりも高く、前記厚さ方向の端側では前記第２族元素又は前記第１２族元素の濃度が前記第４族元素又は前記第５族元素の濃度よりも高い窒化アルミニウム膜を含む圧電膜と、
   前記圧電膜を挟んで対向した下部電極及び上部電極と、を備える圧電薄膜共振器。
2. 前記窒化アルミニウム膜は、前記厚さ方向の両方の前記端側で前記第２族元素又は前記第１２族元素の濃度が前記第４族元素又は前記第５族元素の濃度よりも高い、請求項１記載の圧電薄膜共振器。
3. 前記窒化アルミニウム膜は、前記第２族元素又は前記第１２族元素と、前記第４族元素と、含み、
   前記第２族元素又は前記第１２族元素と、前記第４族元素と、の組み合わせは、マグネシウムとチタンと、カルシウムとチタン、亜鉛とチタン、マグネシウムとジルコニウム、カルシウムとジルコニウム、亜鉛とジルコニウム、マグネシウムとハフニウム、カルシウムとハフニウム、ストロンチウムとハフニウム、又は亜鉛とハフニウムである、請求項１または２記載の圧電薄膜共振器。
4. 前記窒化アルミニウム膜は、前記第２族元素又は前記第１２族元素と、前記第５族元素と、を含み、
   前記第２族元素又は前記第１２族元素と、前記第５族元素と、の組み合わせは、マグネシウムとタンタル、マグネシウムとニオブ、マグネシウムとバナジウム、亜鉛とタンタル、亜鉛とニオブ、又は亜鉛とバナジウムである、請求項１または２記載の圧電薄膜共振器。
5. 前記窒化アルミニウム膜は、前記下部電極側の前記端側での前記第２族元素又は前記第１２族元素と前記第４族元素又は前記第５族元素との合計濃度が前記中央側よりも低い、請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
6. 前記圧電膜は、前記窒化アルミニウム膜と前記下部電極との間に他の元素を含有しない窒化アルミニウム膜を含む、請求項１から５のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
7. 請求項１から６のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器を含むフィルタ。
8. 請求項７記載のフィルタを含むデュプレクサ。
9. 下部電極上に、アルミニウムと、第２族元素又は第１２族元素と、第４族元素又は第５族元素と、を含むターゲットを用いたスパッタリング法でスパッタリングパワーを厚さ方向の中央側と端側とで変えることで、前記中央側での前記第４族元素又は前記第５族元素の濃度が前記端側よりも高い窒化アルミニウム膜を含む圧電膜を形成する工程と、
   前記圧電膜上に、前記圧電膜を挟んで前記下部電極と対向する上部電極を形成する工程と、を備える圧電薄膜共振器の製造方法。
   

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