專利名稱：壓電薄膜器件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及在壓電器件中使用的壓電薄膜器件，更具體地說涉及在高頻帶中使用的壓電薄膜器件及其制造方法。
背景技術：
最近，在GHz范圍中的高頻帶正用于無線通信系統比如移動通信器件和在計算機之間以較高的傳輸速率傳輸數據的局域網(LAN)。壓電薄膜器件在比如這種無線通信系統的高頻電子儀器的高頻(RF)器件的應用中正在受到人們的重視。作為比如諧振器、可變電容器、微型開關的器件的應用，希望使用壓電薄膜器件。以與用于半導體器件(比如金屬絕緣半導體(MIS)集成電路)相同的方式使用薄膜微型制造工藝，制造根據微型機電系統(MEMS)技術的壓電薄膜器件。因此，可以將MEMS壓電薄膜器件和半導體器件集成在公共半導體襯底上。
例如表面聲波(SAW)器件一般用作高頻諧振器。然而，SAW器件的諧振頻率具有與在梳狀電極之間的間距成反比的關系。由于，在超過1GHz的頻率范圍上，在SAW器件的梳狀電極之間的間距是1微米或更小，因此難以適應最近的更高使用頻率需求。
作為SAW器件的替代，利用在壓電薄膜的厚度方向上的縱向諧振的模式的薄膜體聲波諧振器(FBAR)作為諧振器最近引起了人們的注意。使用壓電薄膜的FBAR偶爾也稱為體聲波(BAW)器件。在FBAR中，通過壓電器件的聲速和膜厚度調節諧振頻率。例如，壓電膜對應于在2GHz的頻帶上大約1微米到大約2微米的平均膜厚度或者在5GHz的頻帶上大約0.4微米到大約0.8微米的膜厚度。通過使壓電薄膜更薄，可以增加頻率幾十GHz。
在當前的有代表性的FBAR的結構中，材料比如氮化鋁(AlN)或氧化鋅(ZnO)的壓電膜夾在兩個相對的電極之間，更具體地說，在頂部電極和底部電極之間。為改善性能，設置FBAR型諧振器以懸在一個空腔上。公開了一種具有空腔的FBAR的制造方法(參考日本出版的未審查申請No.2000-69594)。例如，通過在硅(Si)襯底上各向異性蝕刻可以形成空的部分。接著，容易被蝕刻的材料(比如摻硼和磷的硅玻璃(BPSG))的犧牲層填充到空的部分中并被平面化。然后將底部電極、壓電膜和頂部電極分別順序地層疊在平面化的犧牲層的頂部上。此后，從在犧牲層上形成的頂部電極中鉆個孔以延伸到犧牲層。通過有選擇性地蝕刻清除犧牲層，形成空腔。
在FBAR中使用的壓電膜的壓電特性取決于取向。例如在AlN壓電膜中，在AlN晶體的C軸取向的半高寬(FWHM)和機電耦合常數之間存在較強的交互關系(參見Rajan S.Naik等人的“Measurements of Bulk，C-Axis Electromechanical CouplingConstant as Function on AlN Film Quality”，IEEE transactions onultrasonics，ferroelectrics，and frequency control，Vol.47，No.1，pp.292-296)。為了實現所需的壓電質量，關鍵是形成壓電膜以使c-軸方向沿底部電極和頂部電極彼此相對的方向上取向。然而，對于在犧牲層的頂部上形成的AlN壓電膜的取向存在限制，這種限制導致了機電耦合常數較小的問題。
為了改善壓電晶體的取向，提出了通過在襯底上外延生長壓電膜的FBAR的制造方法(參見日本出版的未審查專利申請No.2001-94373)。在日本出版的未審查專利申請No.2001-94373公開的方法中，AlN壓電膜在(0001)取向上(更具體地說，在c-軸方向上)外延生長，在(111)取向的Si襯底上。頂部電極形成在AlN壓電膜的頂部上。此后，從襯底的下側通過各向異性地蝕刻清除Si襯底直到暴露AlN壓電膜，形成通孔。在已經暴露了AlN壓電膜之后，從襯底的下側形成底部電極。因此，使用外延AlN壓電膜的諧振器形成在該空腔之上。
在上述的制造方法中，為了沿c-軸取向AlN壓電膜，關鍵是在(111)取向上使用Si襯底。但使用(111)取向的襯底可能存在問題，因為這種(111)取向的襯底不同于在半導體器件的一般制造方法中使用的(100)取向的襯底。
此外，壓電薄膜器件比如可變電容器或者微型開關在致動器上提供有可動電極和在與致動器相對的襯底的表面上提供的固定電極。致動器支撐在一端上以懸在襯底上。致動器改變在可動電極和固定電極之間的距離。當前正在測試使用壓電膜的電致伸縮效應或反壓電效應作為驅動力的壓電致動器。
鋯鈦酸鉛(PZT)是公知的具有較大的電致伸縮效應的壓電膜的材料。在PZT上，為了實現良好質量的膜，關鍵是在室溫下形成膜之后在大約600℃的溫度下進行退火。因為由于退火引起的體積收縮，PZT膜的殘余變形不可避免地增加。壓電致動器懸在空氣中，并具有較長且薄的束型結構，這種結構包含了在頂部和底部電極之間夾著的壓電層。因此，難以抑制由殘余變形引起PZT壓電膜的翹曲。因為在接近室溫下可以淀積材料比如為AlN或ZnO的壓電膜，因此，與PZT壓電膜相比，通過膜淀積條件可以精確地控制殘余應力。然而，與PZT相比，材料比如AlN或ZnO的電致伸縮效應較小。因此，壓電膜的機電耦合常數可能較小，這種較小的常數對于不夠確保壓電致動器的足夠的驅動范圍。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種具有可以被提高的機電耦合常數的壓電薄膜器件及其制造方法。
本發明的第一方面的特征在于這樣的一種壓電薄膜器件，包括設置在襯底上面的非晶態金屬膜；和設置在非晶態金屬上的壓電膜，以及壓電膜的一個晶軸在與非晶態金屬的表面垂直的方向上對齊。
本發明的第二方面的特征在于一種制造壓電薄膜器件的方法，包括在襯底的上面形成非晶態金屬膜；在非晶態金屬上形成壓電膜，以使壓電膜的一個晶軸在與非晶態金屬的表面垂直的方向上對齊；和在壓電膜的表面上形成頂部金屬膜，該頂部金屬膜而對著非晶態金屬膜以將壓電膜夾在中間。
附圖1所示為根據本發明的實施例的壓電膜的實例的橫截面視圖。
附圖2所示為說明根據本發明的實施例的壓電薄膜的取向的評估的實例的表。
附圖3所示為根據本發明的實施例壓電薄膜的另一實例的橫截面視圖。
附圖4所示為說明根據本發明的實施例的壓電薄膜的取向的另一評估的實例的表。
附圖5所示為根據本發明的第一實施例的FBAR的實例的平面視圖。
附圖6所示為在附圖5中所示的FBAR的線XI-XI的橫截面視圖。
附圖7至10所示為根據本發明的第一實施例的FBAR的制造方法的實例的橫截面視圖。
附圖11所示為根據本發明的第一實施例的第一改型的FBAR的實例的橫截面視圖。
附圖12至16所示為根據本發明的第一實施例的第一改型的FBAR的制造方法的實例的橫截面視圖。
附圖17所示為根據本發明的第一實施例的第二改型的FBAR的實例的橫截面視圖。
附圖18至21所示為根據本發明的第一實施例的第二改型的FBAR的制造方法的實例的橫截面視圖。
附圖22所示為根據本發明的第一實施例的第三改型的FBAR的實例的橫截面視圖。
附圖23至26所示為根據本發明的第一實施例的第三改型的FBAR的制造方法的實例的橫截面視圖。
附圖27所示為根據本發明的第一實施例的第四改型的FBAR的實例的橫截面視圖。
附圖28至33所示為根據本發明的第一的第四改型的FBAR的制造方法的實例的橫截面視圖。
附圖34所示為根據本發明的第一實施例的第五改型的FBAR的實例的橫截面視圖。
附圖35至38所示為根據本發明的第一的第五改型的FBAR的制造方法的實例的橫截面視圖。
附圖39所示為根據本發明的第一實施例的第六改型的FBAR的實例的橫截面視圖。
附圖40至44所示為根據本發明的第一的第六改型的FBAR的制造方法的實例的橫截面視圖。
附圖45所示為根據本發明的第一實施例的第七改型的FBAR的實例的橫截面視圖。
附圖46至51所示為根據本發明的第一的第七改型的FBAR的制造方法的實例的橫截面視圖。
附圖52所示為根據本發明的第一實施例的應用實例的鎖相環電路的實例的方塊圖。
附圖53所示為根據本發明的第一實施例的應用實例的壓電控制發射器的實例的方塊圖。
附圖54所示為根據本發明的第一實施例的應用實例在可變頻率濾波器中使用的FBAR的連接的實例的方塊圖。
附圖55所示為根據本發明的第一實施例的應用實例在可變頻率濾波器中使用的FBAR的設置的實例的視圖。
附圖56所示為根據本發明的第二實施例的可變電容器的實例的平面視圖。
附圖57所示為在附圖56中所示的可變電容器的線LVII-LVII截取的橫截面視圖。
附圖58至61所示為根據本發明的第二實施例的可變電容器的制造方法的實例的橫截面視圖。
附圖62所示為根據本發明的第二實施例的改型的微型開關的實例的平面視圖。
附圖63所示為在附圖62中所示的可變電容器的線LXIII-LXIII上的橫截面視圖。
附圖64至67所示為根據本發明的第二實施例的微型開關的實例的橫截面視圖。
具體實施例方式
參考附圖描述本發明的各種實施例。注意，在所有的附圖中相同或類似的參考編號應用于相同或類似的部件和器件，并省去或簡化對相同或類似的部件和器件的描述。
如附圖1所示，在根據本發明的第一和第二實施例的壓電薄膜器件中使用的壓電薄膜15提供在非晶態金屬膜22的表面上，該非晶態金屬膜22是提供在襯底11的頂部上的底層。半導體襯底比如Si用作襯底11。金屬比如鉭化鋁(AlxTa1-x)或二硼化鈦(TiB2)用作非晶態金屬膜22。使通過X-射線衍射(XRD)、反射高能量電子衍射(RHEED)等已經證實，通過在接近室溫下濺射淀積的具有從大約0.1到大約0.9的范圍的Al摩爾分數x的AlxTa1-x合金非晶化。
壓電薄膜15的性能可以通過指示壓電效應的幅值的機電耦合常數Kt2和作為在諧振頻率中的機械振蕩的銳度的指示器的品質因素Q表示。為改善壓電薄膜15的機電耦合常數，重要的是使在壓電薄膜15的厚度方向上的壓電晶體的極化軸對齊。此外，通過使用高純度的壓電晶體使壓電薄膜15的晶體取向在極化方向上對齊，可以實現較高的品質因素Q。
例如，在使用FBAR的FR濾波器或電壓控制的振蕩器(VCO)中，可以與機電耦合常數一樣大地增加帶寬。品質因素Q與RF濾波器的插入損失和VCO的振蕩純度的程度有關。存在與品質因素Q相關的彈性波吸收的各種現象。此外，在壓電致動器中，因為驅動范圍與壓電薄膜一樣大地增加機電耦合常數，因此可以實現較低的驅動電壓和致動器的較大的可變范圍。
用作壓電薄膜15的材料比如AlN或ZnO的壓電晶體是六方體。六方晶體具有在c-軸取向上容易對齊的固有的晶體特性。通過使壓電薄膜15在壓電晶體的極化方向的c-軸(更具體地說是(001)方向)規則地取向可以使極化軸對齊。結果，可以確保壓電薄膜的品質因素Q和機電耦合常數。
AlN和ZnO壓電薄膜形成在各種底層的頂部上，并且使用技術比如XRD評估壓電薄膜的取向。所有的底層和壓電薄膜都在室溫下通過磁控管濺射淀積。每個壓電薄膜的厚度大約500納米。如附圖2所示，在使用Al0.4TA0.6非晶態金屬膜作為底層的試樣A和B中，AlN和ZnO壓電薄膜在垂直于底層的表面的c-軸方向上分別以2.3°和2.6°的半寬高(FWHM)高度取向。在使用TiB2非晶態金屬膜作為底層的試樣C和D中，AlN和ZnO壓電薄膜在c-軸方向上分別以2.3°和2.6°的半寬高(FWHM)高度取向。
此外，在使用材料比如氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)的非晶態絕緣層用于底層的試樣E至H中，AlN和ZnO壓電薄膜在c-軸方向上取向。每個試樣E至H的取向的FWHM處于大約4.1°至大約5.1°的范圍，這個范圍更寬，并且與試樣A至D相比取向較差。此外，在使用Al多晶金屬和多晶硅半導體(poly-Si)用于底層的試樣I至L中，AlN和ZnO壓電薄膜非特定地取向，而是成為具有較小取向或者沒有取向的多晶膜。因此，在這些層之下的非晶態金屬對增加壓電薄膜的取向特性的影響非常大。
多晶金屬的表面通過分別具有許多取向的晶粒形成，并且根據晶粒的不同存在表面不規則的許多情況。相應地，以均勻的非晶表面形成非晶態金屬。在多晶金屬表面的情況下通過比如粗糙度測量和原子力顯微鏡(AFM)的技術檢測的方均根粗糙度例如是3納米或大于3納米，而在非晶表面的情況下是3納米或下于3納米。因此，因為以非晶態金屬實現了非常平的且均勻的表面，因此六方晶比如AlN和ZnO在c-表面 上的取向中生長，該c-表面是通過晶體特性形成的六方晶的固有的表面。結果，可以改善在非晶態金屬膜的頂部上形成的AlN和ZnO壓電薄膜的取向。
此外，在與SiO2等(通常用作在襯底的表面上的底層或犧牲層)的非晶絕緣層相比較時，非晶態金屬的表面能量通常高于非晶態絕緣層。就其本質而言，在非晶態金屬膜上提供的晶體易于在層中生長以降低表面能量。因此，可以進一步改善在非晶態金屬膜上的壓電薄膜的取向。
此外，如附圖3所示，壓電薄膜15淀積在作為底層的非晶態金屬膜22的表面上提供的取向金屬膜23上。取向金屬膜23的一個晶軸可以在垂直于非晶態金屬22的表面的方向上對齊。取向金屬膜23在非晶態金屬膜22表面的頂部上高度取向地生長。作為取向金屬膜23，可以使用通過晶體特性在(111)取向上高度對齊的面心立方晶格(fcc)金屬(比如Al、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、銥(Ir)、鎳(Ni)或鉑(Pt))和通過晶體特性在(110)取向上高度對齊的體心立方晶格(bcc)金屬(比如鉬(Mo)、鎢(W))。可以形成AlN(0001)或ZnO(0001)的高度取向的壓電薄膜，這些壓電薄膜可以淀積在高度取向的Al(111)、Cu(111)、Au(111)、Ag(111)、Ir(111)、Ni(111)、Pt(111)、Mo(110)、W(110)等的取向金屬膜23上以繼承取向金屬膜23的取向。
Al金屬膜和AlN壓電薄膜形成在各種底層的頂部上，使用比如XRD技術評估壓電薄膜的取向。底層、金屬膜和壓電薄膜都在室溫下通過磁控管濺射淀積。每個壓電薄膜的厚度大約是500納米。如附圖4所示，在使用Al0.4TA0.6非晶態金屬膜作為底層的試樣M中，Al金屬膜和AlN壓電薄膜分別以1.0°和1.5°的FWHM在(111)取向和c-軸方向上高度取向。此外，在使用TiB2非晶態金屬膜作為底層的試樣N中，Al金屬膜和AlN壓電薄膜分別以1.6°和1.9°的FWHM在(111)取向和c-軸方向上高度取向。
此外，在使用比如SiO2和Al2O3的材料的非晶態絕緣層用于底層的試樣O和P中，Al金屬膜分別以4.2°和4.0°的FWHM在(111)取向上取向，AlN壓電薄膜分別以4.6°和4.1°的FWHM在c-軸方向上取向。試樣O和P的Al金屬膜和AlN壓電薄膜中的每個都比試樣M和N差。此外，在使用Al多晶金屬或多晶硅用于底層的試樣Q至R中，Al金屬膜和AlN壓電薄膜不取向但成為具有特別小或者沒有取向的多晶膜。
因此，通過在非晶態金屬膜22和壓電薄膜15之間提供取向金屬膜23，可以進一步高度取向壓電薄膜。
第一實施例作為根據本發明的第一實施例的壓電薄膜器件的FBAR包括提供在襯底11的表面上的非晶態金屬膜的底部電極14、提供在底部電極14的表面上的壓電薄膜15和提供在壓電薄膜15的表面的頂部上的頂部電極(頂部金屬膜)16，如附圖5所示。諧振器20被界定作為這樣的區域其中底部電極14和頂部電極16彼此相對著，包括通過相面對的底部電極14和頂部電極16夾著的壓電薄膜15。
此外，如附圖6所示，在襯底11的頂部上提供的空腔17周圍提供阻擋層13。諧振器20設置在空腔17的頂部上以便被投射到自由空間中。底部電極14從襯底11的表面延伸到阻擋層13的表面。例如，襯底11是具有高于大約1000Ω/□的高電阻率的Si半導體襯底。阻擋層13是SiO2膜。底部電極14是AlTa非晶態金屬膜。壓電薄膜15是AlN。頂部電極16是Al金屬膜。
在諧振器20的壓電薄膜15中，高頻信號通過由施加到底部或頂部電極14、16的高頻信號激勵的體聲波的振動而發射。例如，從底部電極14施加的GHz范圍的高頻信號通過壓電薄膜15發送給頂部電極16。在非晶底部電極14上，壓電薄膜15在壓電晶體的極化方向的c-軸方向上高度取向。因此，可以確保壓電薄膜15具有較大的機電耦合常數和較高的品質因素Q。
根據第一實施例，可以在c-軸方向上使壓電薄膜15高度取向，并且改善機電耦合常數和品質因素Q。結果，可以實現FBAR的諧振器20的理想的諧振特性。
接著，參考附圖7至10的橫截面視圖描述根據本發明的第一實施例的FBAR的制造方法。在本說明書中使用的每個橫截面視圖對應于從在附圖5中的IV-IV線的橫截面。
通過RF磁控管濺射等將氧化镥鍶(SrRuO3)層形成在Si襯底11的表面上大約1微米的厚度。如附圖7所示，然后通過光刻、濕蝕刻等清除SrRuO3層以形成犧牲層12。隨后，通過RF磁控管濺射等將SiO2層淀積在其中形成犧牲層12的襯底11的表面上并淀積大約50納米的厚度。通過光刻、濕蝕刻等，有選擇性地清除SiO2層以形成阻擋層13。
通過RF磁控管濺射等將Al0.4Ta0.6等的非晶態金屬層淀積在襯底11的頂部上。如附圖8所示，通過光刻、使用基于氟化物氣體的活性離子蝕刻(RIE)，有選擇性地清除非晶態金屬層以形成底部電極14。
通過活性RF磁控管濺射等將AlN等的壓電層淀積在襯底11上大約1.4微米的厚度。如附圖9所示，通過光刻、使用基于氯化物氣體的RIE，有選擇性地清除壓電層以形成覆蓋底部電極14端部的壓電薄膜15。此后，通過RF磁控管濺射等將Al等的金屬層淀積在襯底11的頂部上。通過光刻、RIE等，有選擇性地清除金屬層以形成頂部電極16，該頂部電極16延伸到被壓電薄膜15覆蓋的底部電極14的端部的側面。
如附圖10所示，通過使用3％濃度的硝酸鈰銨(Ce(NH4)2(NO3)6)蝕刻，從犧牲層12暴露在襯底11(未示)的頂部的部分起有選擇性地清除犧牲層12以形成空腔17。因此，在空腔17中形成了具有底部電極14、壓電薄膜15和頂部電極16的諧振器20，如附圖6所示。
在根據第一實施例的FBAR的制造方法中，使用非晶態金屬層作為底部電極14。在對應于諧振器20的區域中，壓電薄膜15淀積在底部電極14的表面上。結果，在諧振器20的該區域中的壓電薄膜15在作為極化方向的c-軸方向上高度取向。
使用網絡分析儀等測量所制造的FBAR的頻率特性。例如，根據第一實施例的FBAR的諧振頻率大約2.1GHz。此外，壓電薄膜15的機電耦合常數和品質因素Q從FBAR的諧振特性中估計。例如，機電耦合常數大約6.4％。在諧振點下品質因素Q大約700，在反諧振點上大約620。與使用外延生長的單晶壓電膜的FBAR相比，機電耦合常數和品質因素Q大致相同。因此，根據第一實施例的FBAR的壓電薄膜15可以提供理想的壓電特性。
根據第一實施例，在不使用昂貴且復雜的生長技術比如外延生長的情況下，可以使壓電薄膜15在c-軸方向上高度取向。因此，可以實現其中改善了機電耦合常數和品質因素Q的FBAR。
(第一實施例的第一改型)根據本發明的第一實施例的第一改型的FBAR包括提供在襯底11表面上的絕緣膜32上的底部電極14、提供在底部電極14表面的頂部上的壓電薄膜15和提供在壓電薄膜15表面的頂部上的頂部電極16，如附圖11所示。諧振器20淀積在絕緣膜32的表面上提供的非晶態金屬膜22和底部電極14之間的空腔17上。絕緣膜32是SiO2膜、氮化硅(Si3N4)膜或SiO2膜和氮化硅(Si3N4)膜的復合膜。底部電極14是取向金屬膜比如Mo。非晶態金屬膜22是AlTa。頂部電極16是金屬膜比如Mo。
第一實施例的第一改進與第一實施例不同之處在于提供非晶態金屬膜22以包圍空腔17并面對著底部電極14。其它的結構與第一實施例一樣，因此省去相同的描述。
相對于用于底部電極14的金屬材料能夠被有選擇性地清除的金屬比如Al形成在非晶態金屬膜22上。在非晶態金屬膜22上，Al金屬膜在垂直于非晶態金屬膜22的表面的方向的(111)取向上高度對齊。用于底部電極14的Mo在(111)取向的Al金屬膜的(110)取向上高度對齊，壓電薄膜15相對于作為壓電晶體的極化方向的c-軸方向高度對齊。因此，可以確保壓電薄膜15具有較大的機電耦合常數和較高的品質因素Q。
根據第一實施例的第一改型的FBAR的制造方法參考附圖12至16中所示的橫截面視圖描述。
如附圖12所示，通過熱氧化等將絕緣膜32比如SiO2形成在襯底11的表面上大約1微米的厚度。通過RF磁控管濺射等將Al0.4Ta0.6等的非晶態金屬膜22淀積在絕緣膜32的表面上大約0.2微米的厚度。
通過RF磁控管濺射等淀積具有大約0.1微米的厚度的Al等的金屬層。通過光刻、使用基于氯化物的氣體的RIE等有選擇性地清除Al金屬層以形成犧牲層12a，如附圖13所示。
通過RF磁控管濺射等淀積金屬層比如Mo。如附圖14所示，通過光刻、使用基于氯化物的氣體的RIE等，有選擇性地清除Mo金屬層以形成底部電極14。
通過RF磁控管濺射等將壓電層比如AlN淀積到大約1.4微米的厚度。如附圖15所示，通過光刻、使用基于氯化物的氣體的RIE等，AlN壓電層被有選擇性地清除以形成壓電薄膜15。此外，通過RF磁控管濺射等將金屬層比如Mo淀積在壓電薄膜15上。通過光刻、RIE等有選擇性地清除Mo層以形成頂部電極16。
如附圖16所示，通過使用10％濃度的鹽酸等的濕蝕刻，在Al犧牲層12a暴露在襯底11(未示)的表面上的地方，犧牲層12a被有選擇性地清除以形成空腔17。因此，具有底部電極14、壓電薄膜15、頂部電極16的諧振器20形成在空腔17的頂部上，如附圖11所示。
在第一實施例的第一改型中，由于在非晶態金屬膜22上的犧牲層12a高度取向，因此可以形成高度取向的壓電薄膜15，甚至包圍諧振器20。結果，在空腔17上方的整個區域中在c-軸方向上可以使壓電薄膜15高度取向，并可以增加壓電薄膜15的機械強度。
使用網絡分析儀等測量所制造的FBAR的頻率特性。例如，FBAR的諧振頻率大約2.1GHz。此外，壓電薄膜15的機電耦合常數和品質因素Q從FBAR的諧振特性中估計。例如，機電耦合常數大約6.5％。在諧振點下品質因素Q大約800，在反諧振點上大約750。機電耦合常數和品質因素Q都增加了。因此，根據第一實施例的第一改型的FBAR的壓電薄膜15可以提供理想的壓電特性。
根據第一實施例的第一改型，在不使用昂貴且復雜的生長技術比如外延生長的情況下，可以使壓電薄膜15在c-軸方向上高度取向。因此，可以實現其中改善了機電耦合常數和品質因素Q的FBAR。
(第一實施例的第二改型)根據本發明的第一實施例的第二改型的FBAR所包括的底部電極14具有提供在絕緣膜32表面上的非晶態金屬膜22和提供在非晶態金屬膜22表面上的取向金屬膜23，如附圖17所示。底部電極14、壓電薄膜15和頂部電極16由襯底11和絕緣膜32支撐，其中襯底11和絕緣膜32都包括空腔17a。通過提供在空腔17a上的底部電極14、壓電薄膜15和頂部電極16形成諧振器20。空腔17a具有傾斜的側壁以使空腔在從襯底11的底部表面朝絕緣膜32的方向上變窄。
底部電極14的非晶態金屬膜22例如是AlTa。取向金屬膜23是Al等，它在垂直于非晶態金屬膜22的表面的(111)取向上取向。
第一實施例的第二改型與第一實施例的第一改型不同之處在于包括非晶態金屬膜22和取向金屬膜23的底部電極14置于提供在襯底11和絕緣膜32中的空腔17a上。其它的結構與第一實施例和第一實施例的第一改型一樣，因此省去相同的描述。
在第一實施例的第二改型中，在(111)取向方向上取向的取向金屬膜23比如Al提供在底部電極14的非晶態金屬膜22上。形成在取向金屬膜23上的壓電薄膜15可以在c-軸方向上強烈地對齊。因此，可以確保壓電薄膜15具有較大的機電耦合常數和較高的品質因素Q。此外，由于底部電極14在空腔17a的整個表面上延伸到絕緣膜32上的位置，因此可以從結構上增加壓電薄膜15的機械強度。此外，在空腔17a之上，壓電薄膜15遠離底部電極14端部的臺階而均勻地形成。因此，可以防止在諧振器20附近的壓電薄膜15的取向的劣化并防止FBAR的諧振特性的寄生振蕩的產生。
接著，參考附圖18至21所示的橫截面視圖描述根據第一實施例的第二改型的FBAR的制造方法。
通過熱氧化等，絕緣膜32、32a比如SiO2形成在襯底11的頂面和背面上大約1微米的厚度，如附圖18所示。非晶態金屬膜22比如Al0.4Ta0.6通過RF磁控管濺射等淀積到大約0.2微米的厚度。
如附圖19所示，取向金屬膜23比如Al通過RF磁控管濺射等淀積。通過光刻、使用基于氯化物或基于氟化物的氣體的RIE等，取向金屬膜23和非晶態金屬膜22被有選擇性地清除以形成底部電極14。
通過RF磁控管濺射等淀積壓電薄膜15比如AlN到大約1.7微米，如附圖20所示。通過光刻、使用基于氯化物的氣體等，有選擇性地清除壓電薄膜15。通過RF磁控管濺射等將金屬層比如Al進一步淀積在壓電薄膜15上。通過光刻、RIE等有選擇性地清除Al金屬膜以形成頂部電極16。
通過光刻、蝕刻等，絕緣膜32a被有選擇性地清除以形成開口，在該開口中襯底11的底部表面暴露在底部電極14之下。如附圖21所示，通過使用該底部表面的開口作為掩模通過各向異性蝕刻等，從在該開口中襯底11的暴露的底部表面起有選擇性地清除襯底11以形成溝槽。通過使用氟化銨(NH4F)溶液的濕蝕刻等經由襯底11的溝槽，在底部電極14下的絕緣膜32被有選擇性地清除以形成空腔17a。因此，具有底部電極14、壓電薄膜15和頂部電極16的諧振器20形成在空腔17a的頂部上，如附圖17所示。
在第一實施例的第二改型中，非晶態金屬膜22均勻地淀積在絕緣膜32的表面上。在均勻的非晶態金屬膜22的表面上，取向金屬膜23比如Al可以被淀積以在(111)取向方向上高度取向。因此，可以淀積在c-軸方向上高度取向的壓電薄膜15。此外，由于底部電極14被形成為覆蓋空腔17a，因此可以增加壓電薄膜15的機械強度。底部電極14的端部部分與空腔17a的朝上的區域間隔開。因此，可以將壓電薄膜15均勻地淀積在空腔17a上。
使用網絡分析儀等測量所制造的FBAR的頻率特性。例如，FBAR的諧振頻率大約2.1GHz。此外，壓電薄膜15的機電耦合常數和品質因素Q從FBAR的諧振特性中估計。例如，機電耦合常數大約6.8％。在諧振點下品質因素Q大約950，在反諧振點上大約900。機電耦合常數和品質因素Q都增加了。因此，根據第一實施例的第二改型的FBAR的壓電薄膜15可以提供理想的壓電特性。
根據第一實施例的第二改型，在不使用昂貴且復雜的生長技術比如外延生長的情況下，可以使壓電薄膜15在c-軸方向上高度取向。因此，可以實現其中改善了機電耦合常數和品質因素Q的FBAR。
(第一實施例的第三改型)根據本發明的第一實施例的第三改型的FBAR包括底部電極14，具有提供在絕緣膜32的表面上的非晶態金屬膜22和提供在非晶態金屬膜22的表面上的取向金屬膜23，如附圖22所示。底部電極14、壓電薄膜15和頂部電極16由襯底11和絕緣膜32支撐，其中襯底11和絕緣膜32都包括空腔17b。通過提供在空腔17b上的底部電極14、壓電薄膜15和頂部電極16形成諧振器20。空腔17b具有基本垂直于從襯底11的底部表面朝絕緣膜32延伸的方向的側壁。
底部電極14的非晶態金屬膜22例如是AlTa。取向金屬膜23是Al等，它在垂直于非晶態金屬膜22的表面的(111)取向上取向。
第一實施例的第三改型與第一實施例的第二改型不同之處在于包括非晶態金屬膜22和取向金屬膜23的底部電極14置于提供在襯底11和絕緣膜32中的空腔17b上。其它的結構與第一實施例的第二改型一樣，因此省去相同的描述。
在第一實施例的第三改型中，例如在(111)取向方向上取向的取向金屬膜23比如Pt提供在底部電極14的非晶態金屬膜22上。形成在取向的取向金屬膜23上的壓電薄膜15可以在c-軸方向上強烈地對齊。因此，可以確保壓電薄膜15具有較大的機電耦合常數和較高的品質因素Q。此外，由于底部電極14在空腔17a的整個表面上延伸到絕緣膜32上的位置，因此可以從結構上增加壓電薄膜15的機械強度。此外，在空腔17b之上，均勻地形成壓電薄膜15并與底部電極14的端部的臺階間隔開。因此，可以防止在諧振器20附近的壓電薄膜15的取向的劣化并防止FBAR的諧振特性的寄生振蕩的產生。
接著，參考附圖23至26所示的橫截面視圖描述根據第一實施例的第三改型的FBAR的制造方法。
通過熱氧化等，絕緣膜32、32a比如SiO2形成在襯底11的頂面和底面上大約1微米的厚度，如附圖23所示。通過RF磁控管濺射等將非晶態金屬膜22比如Al0.4Ta0.6淀積到大約0.2微米的厚度。
通過RF磁控管濺射等淀積金屬層比如Pt。如附圖24所示，通過光刻、使用基于氯化物或基于氟化物的氣體的RIE等，Pt金屬膜和非晶態金屬膜22被有選擇性地清除以形成底部電極14。
通過RF磁控管濺射等淀積壓電層比如AlN到大約1.7微米，如附圖25所示。通過光刻、使用基于氯化物的氣體等，有選擇性地清除AlN壓電層，以形成壓電薄膜15。通過RF磁控管濺射等將金屬層比如Pt進一步形成在壓電薄膜15上。通過光刻、RIE等有選擇性地清除Pt金屬膜以形成頂部電極16。
通過從在襯底11的底部表面上的絕緣膜32a拋光使襯底11變薄到大約200微米的厚度。如附圖26所示，通過光刻、使用基于氟化物的蝕刻等，襯底11被有選擇性地清除以形成溝槽。通過使用NH4F溶液的濕蝕刻等經由襯底11的溝槽，在底部電極14下的絕緣膜32被有選擇性地清除以形成空腔17b。因此，具有底部電極14、壓電薄膜15和頂部電極16的諧振器20形成在空腔17b的頂部上，如附圖22所示。
在第一實施例的第三改型中，非晶態金屬膜22均勻地淀積在絕緣膜32的表面上。在均勻的非晶態金屬膜22的表面上，取向金屬膜23比如Pt可以被淀積以在(111)取向方向上高度取向。因此，在c-軸方向上可以淀積高度取向的壓電薄膜15。此外，由于底部電極14被形成為覆蓋空腔17b，因此可以增加壓電薄膜15的機械強度。底部電極14的端部部分與空腔17a的朝上的區域間隔開。因此，可以將壓電薄膜15均勻地淀積在空腔17b上。
使用網絡分析儀等測量所制造的FBAR的頻率特性。例如，FBAR的諧振頻率大約2.1GHz。此外，壓電薄膜15的機電耦合常數和品質因素Q從FBAR的諧振特性中估計。例如，機電耦合常數大約6.7％。在諧振點下品質因素Q大約900，在反諧振點上大約950。機電耦合常數和品質因素Q都增加了。因此，根據第一實施例的第三改型的FBAR的壓電薄膜15可以提供理想的壓電特性。
根據第一實施例的第三改型，在不使用昂貴且復雜的生長技術比如外延生長的情況下，可以使壓電薄膜15在c-軸方向上高度取向。因此，可以實現其中改善了機電耦合常數和品質因素Q的FBAR。
(第一實施例的第四改型)根據本發明的第一實施例的第四改型的FBAR包括具有從襯底11延伸到在襯底11上提供的空腔17的頂部的非晶態金屬膜和在非晶態金屬膜22上的表面上提供的取向金屬膜23的底部電極14。諧振器20由面對著的底部和頂部電極14、16和在空腔17上提供的在頂部和頂部電極14、16之間的壓電薄膜15形成。
底部電極14的非晶態金屬膜22例如是AlTa。取向金屬膜23是Al等，它在垂直于非晶態金屬膜22的表面的(111)取向上取向。
第一實施例的第四改型與第一實施例的第二改型不同之處在于底部電極14的端部位于在襯底11的空腔17上。其它的結構與第一實施例的第一和第二改型一樣，因此省去相同的描述。
在第一實施例的第四改型中，例如在(111)取向方向上取向的取向金屬膜23比如Pt提供在底部電極14的非晶態金屬膜22上。形成在取向的取向金屬膜23上的壓電薄膜15可以在c-軸方向上強烈地對齊。因此，可以確保壓電薄膜15具有較大的機電耦合常數和較高的品質因素Q。此外，底部電極14的端部位于空腔17上。因此，可以防止在除了諧振器20的區域之外還形成電容器結構，在這種電容器結構中壓電薄膜15被夾在底部和頂部電極14、16之間。結果，可以防止在高頻區段中FBAR的諧振特性的劣化。
接著，參考附圖28至33所示的橫截面視圖描述根據第一實施例的第四改型的FBAR的制造方法。
如附圖28所示，通過光刻、使用基于氟化物的氣體的RIE等，蝕刻襯底11以形成開口27。
如附圖29所示，通過等離子體化學汽相淀積(CVD)等，犧牲層12比如SiO2淀積在襯底11的表面上到大約1.2微米的厚度。如附圖30所示，通過化學機械拋光(CMP)，犧牲層12被平面化以暴露襯底11的表面。此外，作為犧牲層12，可以使用金屬比如Mo、Al和W、半導體比如鍺(Ge)或多晶硅、絕緣體比如BPSG和Si3N4等。
如附圖31所示，通過RF磁控管濺射等將非晶態金屬膜22比如Al0.4Ta0.6淀積在其中嵌入了犧牲層12的襯底11的表面上大約0.2微米的厚度。通過RF磁控管濺射等淀積例如Pt的取向金屬層23。通過光刻、使用基于氯化物的氣體的RIE等，有選擇性地清除取向金屬膜23和非晶態金屬膜22以形成底部電極14。
如附圖32所示，通過活性RF磁控管濺射等淀積壓電薄膜15比如AlM到大約1.7微米。通過光刻、使用基于氯化物的氣體的RIE等，可以有選擇性地清除壓電薄膜15。通過RF磁控管濺射等將金屬層比如Ir進一步淀積在壓電薄膜15上。通過光刻、使用基于氟化物的RIE等有選擇性地清除Ir金屬膜以形成頂部電極16。
通過光刻、使用基于氯化物的氣體等，壓電薄膜15被有選擇性地清除以形成通孔(未示)以暴露位于襯底11的表面之上的犧牲層12。如附圖33所示，經通孔通過使用NH4F溶液的濕蝕刻等有選擇性地溶解犧牲層12以形成空腔17。
在第一實施例的第四改型中，非晶態金屬膜22均勻地淀積在其中嵌入了犧牲層12的均勻的襯底11的表面上。取向金屬膜23比如Pt也被淀積成在非晶態金屬膜22的均勻的表面上在(111)取向方向上高度對齊。結果，可以在c-軸方向上淀積高度對齊的壓電薄膜15。底部電極14的端部部分與空腔17的朝上的區域間隔開。因此，可以在空腔17上均勻地淀積壓電薄膜15。
使用網絡分析儀等測量所制造的FBAR的頻率特性。例如，FBAR的諧振頻率大約2.1GHz。此外，壓電薄膜15的機電耦合常數和品質因素Q從FBAR的諧振特性中進行估計。例如，機電耦合常數大約6.9％。在諧振點下品質因素Q大約1100，在反諧振點上大約1150。機電耦合常數和品質因素Q都增加了。因此，根據第一實施例的第四改型的FBAR的壓電薄膜15可以提供理想的壓電特性。
根據第一實施例的第四改型，在不使用昂貴且復雜的生長技術比如外延生長的情況下，可以使壓電薄膜15在c-軸方向上高度取向。因此，可以實現其中改善了機電耦合常數和品質因素Q的FBAR。
(第一實施例的第五改型)在根據本發明的第一實施例的第五改型的FBAR中，底部電極14、壓電薄膜15和頂部電極16都提供在襯底11上提供的聲反射層38上，如附圖34所示。諧振器20由面對著的底部和頂部電極和在聲反射層38上的低部和頂部電極14、16之間的壓電薄膜15形成。
在聲反射層38中，具有較高的聲阻抗的第一聲阻抗層36a，36b和具有較低的聲阻抗的第二聲阻抗層37a，37b交替地層疊。第一和第二聲阻抗層36a，37a，36b，37b每個的厚度是由諧振器20激勵的體聲波的波長的大約1/4。體聲波被以該聲波波長的大約1/4的厚度周期性地放置的第一和第二聲阻抗層36a，37a，36b，37b所反射。聲阻抗由材料的密度和彈性常數確定。具有較高的聲阻抗的材料的適合的實例包括絕緣體比如AlN、氧化鉭(Ta2O5)或Al2O3和金屬比如W、Mo、Pt、Ir、Ru、銠(Rh)或鉭(Ta)。具有較低的聲阻抗的材料的適合的實例包括絕緣體比如SiO2或Si3N4、半導體比如Si和金屬比如Al或鈦(Ti)。
對于聲反射層38，第一和第二聲阻抗層36a，37a，36b，37b被層疊。然而，對聲反射層38的疊層的數量沒有限制。根據要使用的材料確定疊層的數量以使盡最大可能地增加品質因素Q。
第一實施例的第五改型不同于第一實施例的第四改型之處在于諧振器20提供在襯底11的聲反射層38上。其它的結構與第一實施例的第四改型一樣，因此省去了相同的描述。
在第一實施例的第五改型中，通過在諧振器20下提供的聲反射層38，在壓電薄膜15中激勵的壓電振蕩被反射并有效地局限在諧振器20內。因此可以防止諧振器的諧振特性劣化。此外，高度取向的取向金屬膜23提供在底部電極14的非晶態金屬膜22上。在取向的取向金屬膜23上提供的壓電薄膜15在c-軸方向上強烈地對齊。因此，可以確保壓電薄膜15具有較大的機電耦合常數和較高的品質因素Q。此外，由于底部電極14置于均勻的聲反射層38上，因此可以從結構上增加壓電薄膜15的機械強度。
接著，參考附圖35至38所示的橫截面視圖描述根據第一實施例的第五改型的FBAR的制造方法。
如附圖35所示，通過濺射、CVD等順序地淀積第一聲阻抗層36a、第二聲阻抗層37a、第一聲阻抗層36b和第二聲阻抗層37b以在襯底11的表面上形成聲反射層38。聲反射層38的表面通過CMP等平面化以在聲反射層38上提供均勻的表面。此外，至少對于作為最上層的第二聲阻抗層37b，可以理想地使用絕緣體。
如附圖36所示，通過RF磁控管濺射等將非晶態金屬膜22比如Al0.4Ta0.6淀積在聲反射層38的表面上到大約20納米的厚度。此后，通過DC磁控管濺射等淀積取向金屬膜23比如Ni到大約250納米的厚度。通過光刻、蝕刻等可以有選擇性地清除取向金屬膜23和非晶態金屬膜22以形成底部電極14。
如附圖37所示，通過反應RF磁控管濺射等淀積壓電層比如AlN到大約2微米的厚度。通過光刻、使用基于氯化物的氣體的RIE等有選擇性地清除AlN壓電層以形成壓電薄膜15。
如附圖38所示，通過DC磁控管濺射等將金屬層比如Mo淀積在壓電薄膜15上。通過光刻、濕蝕刻等有選擇性地清除Mo金屬層以形成頂部電極16。
通過XRD確定在非晶態金屬膜22的表面上淀積的Ni取向金屬膜23的取向。這證實Ni取向金屬膜23在大約0.7°的取向FBAR上在(111)取向方向上高度對齊。
在第一實施例的第五改型中，均勻的非晶態金屬膜22淀積在均勻的非晶態金屬膜23表面上。在非晶態金屬膜22的均勻的表面上，可以將取向金屬膜23比如Ni淀積成在(111)取向方向上高度對齊。因此，可以淀積在c-軸方向上高度對齊的壓電薄膜15。由于底部電極14形成在聲反射層38的均勻的表面上，因此可以從結構上增加壓電薄膜15的機械強度。
使用網絡分析儀等測量所制造的FBAR的頻率特性。例如，FBAR的諧振頻率大約2GHz。此外，壓電薄膜15的機電耦合常數和品質因素Q從FBAR的諧振特性中估計。例如，機電耦合常數大約6.5％至6.7％。在諧振點下品質因素Q大約900至大約1000，在反諧振點上大約800至大約900。與使用外延生長單晶體壓電膜的FBAR相比，機電耦合常數和品質因素Q都增加了。因此，根據第一實施例的第五改型的FBAR的壓電薄膜15可以提供理想的壓電特性。
根據第一實施例的第五改型，在不使用昂貴且復雜的生長技術比如外延生長的情況下，可以使壓電薄膜15在c-軸方向上高度取向。因此，可以實現其中改善了機電耦合常數和品質因素Q的FBAR。
(第一實施例的第六改型)根據本發明的第一實施例的第六改型的FBAR包括的底部電極14具有置于絕緣膜32的表面上的低電阻金屬膜21、置于低電阻金屬膜21的表面上的非晶態金屬膜22和置于非晶態金屬膜22的表面上的取向金屬膜23，如附圖39所示。底部電極14、壓電薄膜15和頂部電極16由襯底11和絕緣膜32支撐，襯底11和絕緣膜32兩者都包括空腔17b。以壓電薄膜15覆蓋的底部電極14的端部部分相對于絕緣膜32的表面以小于直角的角度傾斜。諧振器20由在空腔17b上提供的底部電極14、壓電薄膜15和頂部電極16形成。空腔17b具有與從襯底11的底部表面朝絕緣膜32延伸的方向基本垂直的側壁。
底部電極14的低電阻金屬膜21是具有較低的電阻的金屬。在室溫下的低電阻金屬膜21的電阻率的范圍是大約1×10-8Ωm至大約10×10-8Ωm，理想的是大約1×10-8Ωm至大約5×10-8Ωm，更理想的是大約1×10-8Ωm至大約3×10-8Ωm。作為低電阻金屬膜21，可以使用比如包括Al、Cu、Au、Ag、Ir、Ni、Pt、Mo、W等的金屬。此外，還可以使用添加了在組分上大約10％或更少(理想的大約5％或更少)的金屬比如Ni、Pt、Mo、W等的且主要包含低電阻的金屬比如Al、Cu、Au或Ag的合金。此外，還允許增加在組分上大約為5％或更少的量的Si、碳(C)等到合金中。
第一實施例的第六改型與第一實施例的第三改型不同之處在于在絕緣膜32的表面上包括低電阻金屬膜21、非晶態金屬膜22和取向金屬膜23的底部電極14置于在襯底11和絕緣膜32中提供的空腔17b上。其它的結構與第一實施例的第三改型一樣，因此省去了相同的描述。
在第一實施例的第六改型中，取向金屬膜23提供在底部電極14的非晶態金屬膜22上。形成在取向的取向金屬膜23的壓電薄膜15可以在c-軸方向上強烈地對齊。因此，可以確保壓電薄膜15具有較大的機電耦合常數和較高的品質因素Q。此外，由于在非晶態金屬膜22下提供的低電阻金屬膜21可以具有較低的電阻，因此可以防止高頻特性劣化。
接著，參考附圖28至33的橫截面視圖描述根據第一實施例的第六改型的FBAR的制造方法。
如附圖40所示，通過熱氧化等在襯底11的表面上形成絕緣膜32比如SiO2大約1微米的厚度。例如，通過濺射等將Al合金、AlTa非晶態金屬和Al金屬分別淀積大約200納米的厚度、100納米的厚度和5納米的厚度，同時維持襯底的溫度接近室溫。
如附圖41所示，通過光刻、RIE等有選擇性地清除Al金屬層、AlTa非晶態金屬層和Al合金層以形成具有低電阻金屬膜21、非晶態金屬膜22和取向金屬膜23的底部電極14。此外，通過調節光刻條件，使用具有傾斜的端部部分的抗蝕劑掩模可以傾斜底部電極14的端部部分。
通過濺射等可以將壓電層比如AlN淀積到理想的厚度。如附圖42所示，通過光刻、RIE等有選擇性地清除AlN壓電層以形成壓電薄膜15。此外，AlN壓電層的蝕刻也可以是使用堿性溶液的濕蝕刻。
Al合金層通過濺射等淀積在壓電薄膜15上。如附圖43所示，通過光刻、濕蝕刻等有選擇性地清除Al合金層以形成頂部電極16。
通過從襯底11的底部表面拋光等使襯底11變薄到大約200微米的厚度。如附圖44所示，通過光刻、RIE等從底部表面有選擇性地清除襯底11以形成溝槽。通過濕蝕刻等經襯底11的溝槽有選擇性地清除在底部電極14下面的絕緣膜32以形成空腔17b。因此，具有底部電極14、壓電薄膜15和頂部電極16的諧振器20形成在空腔17b的頂部上，如附圖39所示。
在淀積了低電阻金屬膜21的Al合金層或非晶態金屬膜22的AlTa非晶態金屬層之后，處理襯底11可以一次暴露到大氣中以在Al合金層或AlTa非晶態金屬層的表面上形成氧化膜。表面氧化膜的形成可以改善壓電薄膜15的AlN壓電層和取向金屬膜23的Al金屬膜的取向。
此外，可以清除沒有被壓電薄膜15覆蓋的暴露的非晶態金屬膜22。接著在壓電薄膜15的蝕刻之后，例如可以通過RIE或化學干蝕刻(CDE)等清除非晶態金屬膜22。
根據上文的描述，低電阻金屬膜21淀積大約200納米的厚度。隨著低電阻金屬膜21的厚度的增加，電阻降低。因此，對于低電阻金屬膜21，更厚的膜比較理想。此外，非晶態金屬膜22淀積大約100納米的厚度。在壓電薄膜15的蝕刻過程中非晶態金屬膜22可以用作蝕刻停止層。例如，用于AlN或AlTa的蝕刻的電阻率根據蝕刻的條件變化。因此，非晶態金屬膜22的厚度可以根據壓電薄膜15到非晶態金屬膜22的蝕刻的選擇性確定。此外，為確保非晶態金屬膜22的均勻性，大約5納米的厚度比較理想。此外，取向金屬膜23淀積大約5納米的厚度。然而，對取向金屬膜23的厚度沒有限制。取向金屬膜23的厚度范圍可以是大約3納米到大約10納米。
在FBAR的諧振頻率和用于底部和頂部電極14、16的金屬都確定時，通過金屬的密度和彈性常數實質唯一地確定了底部和頂部金屬14、16的電極厚度。在金屬的密度和彈性常數較小時，電極厚度可能較大。因此，為了降低底部和頂部電極14、16的電阻，具有較小密度和較小彈性常數的較低的電阻率的金屬比較理想。例如，金屬比如Al和Cu和包含Al、Cu等的合金大部分都是理想的。
用作非晶態金屬膜22的AlTa的電阻率比低電阻率金屬比如Al大約高兩個數量級。在壓電薄膜15的蝕刻的過程中，清除在壓電薄膜15正下方的取向金屬膜23。由于在壓電薄膜15的蝕刻的過程中非晶態金屬膜22起蝕刻停止層的作用，因此不蝕刻在非晶態金屬膜22之下的低電阻金屬膜21。在第一實施例的第六改型中，作為低電阻金屬膜21，可以使用具有低電阻率、小密度和小彈性常數的Al合金。因此，可以增加電極厚度以降低底部和頂部電極14、16的電阻。因此，可以防止在高頻區段中諧振特性的劣化。
在第一實施例的第六改型中，低電阻金屬膜21和非晶態金屬膜22均勻地淀積在絕緣膜32表面上。在非晶態金屬膜22的均勻表面上，可以淀積取向金屬膜23比如Al以使在(111)取向方向上高度對齊。結果，可以淀積壓電薄膜15以使其在c-軸方向上高度取向。此外，由于底部電極14被形成為覆蓋空腔17b，因此可以增加壓電薄膜15的機械強度。
(第一實施例的第七改型)根據本發明的第一實施例的第七改型的FBAR包括底部電極14，該底部電極具有通過阻擋膜34嵌入在絕緣膜32中的低電阻金屬膜21a、置于嵌入的低電阻金屬膜21a和絕緣膜32的均勻表面上的非晶態金屬膜22和置于非晶態金屬膜22的表面上的取向金屬膜23，如附圖45所示。以壓電薄膜15覆蓋的底部電極14的端部部分相對于絕緣膜32的表面以小于直角的角度傾斜。壓電薄膜15延伸到底部電極14的傾斜的端部部分一側。提供頂部電極16以延伸到壓電薄膜15的表面上。諧振器20由在空腔17b上提供的底部電極14、壓電薄膜15和頂部電極16形成。
第一實施例的第七改型與第一實施例的第六改型不同之處在于低電阻金屬膜21a通過嵌入在絕緣膜32中而被提供。其它的結構與第一實施例的第六改型一樣，因此省去了相同的描述。
在第一實施例的第七改型中，取向金屬膜23提供在底部電極14的非晶態金屬膜22上。形成在取向的取向金屬膜23上的壓電薄膜15可以在c-軸方向上強烈地對齊。因此，可以確保壓電薄膜15具有較大的機電耦合常數和較高的品質因素Q。此外，由于低電阻金屬膜21被嵌入在絕緣膜32中，因此底部電極14的傾斜的端部部分的臺階部分可以減少。因此，可以防止在諧振器20附近的壓電薄膜15的取向劣化，并且在FBAR的諧振特性方面可以防止寄生振蕩的產生。
接著，參考附圖46至51的橫截面視圖描述根據第一實施例的第七改型的FBAR的制造方法。
如附圖46所示，通過熱氧化等在襯底11的表面上形成絕緣膜32比如SiO2大約1.3微米的厚度。如附圖47所示，通過光刻、RIE等有選擇性地清除絕緣膜32以形成凹槽27a。通過CVD等將阻擋膜34比如Si3N4淀積在具有凹槽27a的絕緣膜32的表面上。
如附圖48所示，通過濺射等將低電阻金屬膜21a比如Cu淀積在阻擋膜34的表面上以便嵌入凹槽25a。低電阻金屬膜21a通過CMP等平面化以使絕緣膜32的表面暴露。
如附圖49所示，例如，通過濺射等淀積Al合金膜、AlTa非晶態金屬層和Al金屬膜分別大約200納米、大約100納米和大約5納米的厚度。通過光刻、RIE等有選擇性地清除Al金屬層、AlTa非晶態金屬層和Al合金層以形成包括低電阻金屬膜21、非晶態金屬膜22和取向金屬膜23的底部電極14。此外，通過調節光刻條件，使用具有傾斜的端部部分的抗蝕劑掩模可以使非晶態金屬膜22和取向金屬膜23的端部部分傾斜。
如附圖50所示，通過濺射等可以將壓電層比如AlN淀積到理想的厚度。通過濺射等在壓電薄膜15上淀積Cu合金層等例如300納米。通過光刻、濕蝕刻等有選擇性地清除Cu合金層以形成頂部電極16。隨后，通過光刻、RIE等有選擇性地清除AlN壓電層以形成壓電薄膜15。
通過從襯底11的底部表面拋光等使襯底11變薄到大約200微米的厚度。如附圖51所示，通過光刻、RIE等從底部表面有選擇性地清除襯底11以形成溝槽。通過濕蝕刻等經襯底11的溝槽有選擇性地清除在底部電極14下面的絕緣膜32以形成空腔17b。因此，具有底部電極14、壓電薄膜15和頂部電極16的諧振器20形成在空腔17b的頂部上，如附圖45所示。
在第一實施例的第七改型中，作為低電阻金屬膜21a，可以使用具有低電阻率、小密度和小彈性常數的Al合金。因此，可以增加電極厚度以降低底部和頂部電極14、16的電阻。因此，可以防止在高頻區段中諧振特性的劣化。
(第一實施例的應用)作為根據本發明的第一實施例的FBAR的應用，將描述鎖相環(PLL)電路。PLL電路產生用于蜂窩電話等的頻率合成器的參考頻率。
如附圖52所示，PLL電路包括具有頻率可變濾波器130、放大器131和緩沖放大器132的VCO 141、頻分器142、相位比較器143、電荷泵144、環路濾波器145、低噪聲放大器(LNA)146、頻率可變濾波器130a和混合器147。
VCO 141僅將通過頻率可變濾波器130的頻率分量反饋回放大器131的輸入。VCO 141具有多個FBAR 120a，120b，120c和120d和多個可變電容器C1，C2。作為FBAR 120a至120d，可以使用根據第一實施例和第一實施例的第一至第七改型的FBAR。
例如，如附圖54所示，FBAR 120a，120b從輸入側串聯連接到輸出側。FBAR 120c，120d從串聯的FBAR 120a，120b的輸出側分別并聯連接到公共引線。
例如，如附圖55所示，連接到輸入引線122的FBAR 120a通過連接引線126串聯連接到已連接到輸出引線124的FBAR 120b。連接到連接引線126的FBAR 120c連接到公共引線128。連接到輸出引線124的FBAR 120d連接到公共引線128。
如附圖52所示，在VCO 141的振蕩頻率大于或小于理想的頻率時，PLL電路檢測到在振蕩頻率和理想的頻率之間的差值以將對應于該頻率差值的直流(DC)控制電壓Vctrl反饋到在頻率可變濾波器130中的可變電容器C1。因此，反饋環通常工作達到穩定狀態并鎖定振蕩頻率的相位。在鎖定相位時，VCO 141的振蕩頻率與所需的頻率對應。
PLL電路使用與VCO 141的頻率可變濾波器130相同的頻率可變濾波器130a作為對通信信號進行濾波的帶通濾波器。例如，輸入RF信號發送給LNA 146。在LNA 146中放大的信號發送給頻率可變濾波器130a。在頻率可變濾波器130a中經濾波的RF信號發送給下變換混合器147的輸入端子。
在另一方面，在VCO 141中產生的參考信號作為局部振動(LO)信號發送給混合器147的輸入端子。混合器147產生在RF信號和LO信號之間的差值以將RF信號下變換到在中頻(IF)中的基帶信號。
在第一實施例的應用中，通過環路濾波器145產生的相同DC控制電壓Vctrl增加到在VCO 141中的頻率可變濾波器130a和頻率可變濾波器130兩者中。結果，可以使VCO 141的振蕩頻率與頻率可變濾波器130a的通帶的中心頻率對應。
第二實施例如附圖56所示，作為根據本發明的第二實施例的壓電薄膜器件的可變電容器包括壓電致動器40和固定電極46。如附圖57所示，壓電致動器40的固定端部部分(第一端部部分)48保持在襯底11的絕緣膜32的表面上提供的固定器42上。壓電致動器40的工作端部部分(第二端部部分)49凸伸到自由空間中以面對著放置在絕緣膜32的表面上的固定電極46。
壓電致動器40包括底部電極14、壓電薄膜15、頂部電極16和支持膜。提供底部電極14以從固定器42的表面延伸到固定電極46之上的位置。壓電薄膜15置于底部電極14的表面上。頂部電極16面對著底部電極14以與底部電極14夾著壓電薄膜15。支持膜19置于頂部電極16的表面上。固定電極46包括電介質膜45和被電介質膜45覆蓋的導體膜44。
對于固定器42、支持膜19和電介質膜45，可以使用絕緣體比如Si3N4或SiO2。對于底部電極14，可以使用非晶態金屬比如AlTa。對于壓電薄膜15，可以使用壓電材料比如AlN或ZnO。此外，對于頂部電極16和導體膜44，理想地，使用具有較低的電阻并且容易處理的金屬比如Al、Au、Pt、Cu、Ir、W和Mo。
根據第二實施例的可變電容器的壓電致動器40與根據第一實施例的FBAR的結構不同之處在于壓電致動器包括在頂部電極16上的支持膜19。底部電極14、壓電薄膜15和頂部電極16的結構與第一實施例的結構相同，因此省去了相同的描述。
根據第二實施例的可變電容器使用在底部電極14的導體膜44和工作端部部分49之間的可調電容Cvar。該電容Cvar根據在固定電極46和底部電極24(它是可動電極)之間的變化而改變。在給壓電致動器40的頂部電極16和底部電極14之間施加電壓時，由于壓電效應的作用，壓電薄膜15變形以伸展或壓縮。在頂部電極16上提供的支持膜19沒有壓電效應。因此，通過壓電薄膜15的伸展或壓縮，壓電致動器40在垂直于襯底11的表面的方向上移位。例如，通過施加電壓由張應力引起的壓電薄膜15的伸展，壓電致動器40在遠離襯底11表面的方向上彎曲。在另一方面，通過由壓引力引起的壓電薄膜15的壓縮，壓電致動器40朝襯底11的表面彎曲。
壓電致動器40的可動范圍取決于壓電薄膜15的機電耦合常數。在壓電致動器40中，在機電耦合常數較大時，以較低的驅動電壓，工作端部部分49就可能具有較大的移位。
在根據第二實施例的壓電致動器40中，由于壓電薄膜15被提供在非晶態金屬膜的底部電極14的表面上，因此壓電薄膜15在作為極化方向的c-軸方向上高度取向。結果，機電耦合常數增加以延伸壓電致動器40的可動范圍。因此，使用壓電致動器40的可變電容器的可變電容范圍可以增加。
接著，參考附圖58至61的橫截面視圖描述根據第二實施例的可變電容器的制造方法。
如附圖58所示，通過熱氧化等將絕緣膜32比如SiO2形成在襯底11的表面上。通過CVD等將絕緣層比如Si3N4淀積在絕緣膜32的表面上。通過光刻、使用NH4F溶液的蝕刻等有選擇性地清除絕緣層以形成固定器42。
金屬層比如Al通過濺射等被淀積在絕緣膜32的表面上。通過光刻、蝕刻等有選擇性地清除Al金屬膜以形成導體膜44。電介質層比如Si3N4被淀積在絕緣膜32上。通過光刻、蝕刻等有選擇性地清除電介質層以形成覆蓋導體膜44的電介質膜45。因此，形成了固定電極46。
如附圖59所示，犧牲層12b比如多晶硅通過保形CVD等被淀積在具有固定器42和固定電極46的絕緣膜32的表面上。犧牲層12b通過CMP等平面化，以暴露固定器42的表面。非晶態金屬層比如Al0.4Ta0.6、壓電層比如AlN、金屬層比如Al和絕緣層比如SiO2通過磁控管濺射等淀積在犧牲層12b的表面上。如附圖60所示，通過光刻、RIE等有選擇性地清除絕緣層、金屬層、壓電層和非晶態金屬層以形成具有底部電極14、壓電薄膜15、頂部電極16和支持膜19的壓電致動器40。
如附圖61所示，通過使用氟化氙(XeF2)的干蝕刻等有選擇性地清除犧牲層12b。因此，制造了具有保持在固定器42上并延伸到固定電極46之上的位置的壓電致動器40的可變電容器。
在第二實施例中，均勻的非晶態金屬膜的底部電極14被淀積在平面化到固定器42表面的水平的犧牲層12b的表面上。在非晶態金屬膜的均勻的表面上，壓電薄膜15可以在c-軸方向上高度取向。通過XRD評估壓電薄膜15以確定取向FWHM。所測量的結果顯示壓電薄膜15具有大約2.1°的取向FWHM。因此，確定壓電薄膜15在c-軸方向上高度取向。
測量所制造的可變電容器的電容的可變特性。例如，在底部和頂部電極14、16之間施加從0V到3V的范圍的壓電致動器40的調諧電壓。在固定電極46和底部電極14之間的電容從0.34pF的最小值到51pF的最大值變化。最大與最小的電容比率大約是150。因此，實現了較大的可變電容范圍。
根據第二實施例，在不使用昂貴且復雜的生長技術比如外延生長的情況下，可以使壓電薄膜15在c-軸方向上高度取向。因此，可以實現其中通過較低調諧電壓即可增加可變電容范圍的可變電容器。
此外，在第二實施例中，在包括具有以電介質膜45覆蓋的導體膜44的固定電極46的可變電容器中使用壓電致動器40作為壓電薄膜器件。然而，可以將壓電致動器40應用到包括具有單獨的導體膜的固定電極的微型開關中。
(第二實施例的改型)作為根據本發明的第二實施例的改型的壓電薄膜器件的微型開關包括壓電致動器40a和固定電極46a，如附圖62所示。如附圖63所示，壓電致動器40a的固定端部部分48被保持在襯底11上的絕緣膜32的表面上提供的固定器42中。壓電致動器40a的工作端部部分49凸伸到自由空間中以面對著置于絕緣膜32的表面上的固定電極46a。
壓電致動器40a包括底部電極14、壓電薄膜15、頂部電極16和支持膜。提供底部電極14以從固定器42的表面延伸到固定電極46a之上的位置。壓電薄膜15置于底部電極14的表面上。頂部電極16對著底部電極14以與底部電極14夾著壓電薄膜15。支持膜19置于頂部電極16上。底部電極14具有非晶態金屬膜22和取向金屬膜23。
底部電極14的非晶態金屬膜22是非晶態金屬比如AlTa。取向金屬膜23是在(111)取向或(110)取向方向上容易取向的金屬，比如fcc金屬或bcc金屬。固定電極46a是具有較低的電阻并且容易處理的金屬，比如Al、Au、Pt、Cu、Ir、W或Mo。
根據本發明的第二實施例的改型的微型開關的壓電致動器40a與第二實施例不同之處在于底部電極14包括非晶態金屬膜22和取向金屬膜23。其它的結構與第二實施例中的結構相同，因此省去了相同的描述。
在壓電致動器40a的底部電極14和頂部電極16之間施加電壓時，由于壓電效應的緣故，壓電薄膜15變形以伸展或壓縮。例如，通過由所施加的電壓的壓應力引起的壓電薄膜15的壓縮，壓電致動器40a朝襯底11的表面彎曲。壓電致動器40a的底部電極14與固定電極46a接觸以將微型開關切換到導通狀態。
壓電致動器40a的可動范圍取決于壓電薄膜15的機電耦合常數。在機電耦合常數較大時，在壓電致動器40a中通過施加較低的驅動電壓，可以使工作端部部分49產生極大的移位。
在根據本發明的改型的壓電致動器40a中，由于壓電薄膜15提供在非晶態金屬膜22上的在(111)取向或(110)取向方向上高度對齊的取向金屬膜23的表面上，因此壓電薄膜15在作為極化方向的c-軸方向上高度取向。結果，機電耦合常數增加以擴展壓電致動器40a的可動范圍。因此，可以以較低的控制電壓驅動具有壓電致動器40a的微型開關。
接著，參考附圖64至67所示的橫截面視圖描述根據第二實施例的改型的微型開關的制造方法。
如附圖64所示，通過熱氧化等將絕緣膜32比如SiO2形成在襯底11的表面上。通過CVD等將絕緣層比如Si3N4淀積在絕緣膜32的表面上。通過光刻、使用NH4F溶液的蝕刻等有選擇性地清除絕緣層以形成固定器42。此外，通過濺射、升離處理(lift-off processing)等，淀積在絕緣膜32的表面上的金屬膜比如Au被有選擇性地清除以形成固定電極46a。
如附圖65所示，通過保形CVD等將犧牲層12n比如多晶硅淀積在包括固定器42和固定電極46a的絕緣膜32的表面上。犧牲層12b通過CMP等平面化以使固定器42的表面暴露。
通過磁控管濺射等將非晶態金屬層比如Al0.4Ta0.6、底部金屬層比如Al、壓電層比如AlN、頂部金屬層比如Al和絕緣層比如SiO2淀積在犧牲層12b的表面上。如附圖66所示，通過光刻、RIE等有選擇性地清除絕緣層、頂部金屬層、壓電層、底部金屬層和非晶態金屬層以形成具有底部電極14、壓電薄膜15、頂部電極16和支持膜19的壓電致動器40a。底部電極14包括非晶態金屬膜22和取向金屬膜23。
如附圖67所示，通過使用XeF2的干蝕刻等有選擇性地清除犧牲層12b。因此，制造了包括在固定器42上保持并延伸到固定電極46a之上的位置的壓電致動器40a的微型開關。
在第二實施例的改型中，均勻的非晶態金屬膜淀積在被平面化到固定器42的表面的水平的犧牲層12b的表面上。在非晶態金屬膜22的均勻的表面上，取向金屬膜23可以被淀積到在(111)取向方向上高度取向。結果，壓電薄膜15在c-軸方向上可以高度取向。淀積的壓電薄膜15通過XRD評估以確定取向FWHM。測量結果顯示壓電薄膜15具有大約2.4°的取向FWHM。因此，確定壓電薄膜15在c-軸方向上高度取向。
測量所制造的微型開關的電特性。例如，壓電致動器40a的控制電壓施加在頂部和底部電極14、16之間以評估在2GHz的頻率下的絕緣電阻和“接通”電阻。在0V的控制電壓下，在固定電極46a和底部電極14之間的絕緣電阻大約28dB。在3V的控制電壓下，在固定電極46a和底部電極14之間的“接通”電阻大約0.3dB。因此，在根據第二實施例的改型的微型開關中，可以在較高的頻率區段中實現低控制電壓驅動、小“接通”電阻和高絕緣電阻。
根據第二實施例的改型，在不使用昂貴且復雜的生長技術比如外延生長的情況下，可以使壓電薄膜15在c-軸方向上高度取向。因此，可以實現具有改善的高頻特性并通過低控制電壓驅動的微型開關。
此外，在第二實施例的改型中，在具有作為固定電極46a的金屬膜的微型開關中使用壓電致動器40a。然而，也可以將壓電致動器40應用到具有其中如附圖57所示通過電介質膜覆蓋的導體膜的固定電極的可變電容器中。
其它實施例上文已經描述了本發明。然而，構成本發明的公開的描述和附圖不應該看作對本發明的限制。本領域普通技術人員從本發明的公開將會清楚各種變型實施例和操作技術。
權利要求
1.一種壓電薄膜器件，包括設置在襯底上面的非晶態金屬膜；和設置在非晶態金屬上的壓電膜，并且所述壓電膜的一個晶軸在與非晶態金屬的表面垂直的方向上對齊。
2.權利要求1所述的壓電薄膜器件，其中壓電膜設置在非晶態金屬的表面上。
3.權利要求1所述的壓電薄膜器件，進一步包括設置在非晶態金屬膜和壓電膜之間的取向金屬膜，該取向金屬膜的一個晶軸在垂直于非晶態金屬的表面的方向上對齊。
4.權利要求1所述的壓電薄膜器件，進一步包括在壓電膜的表面上設置的頂部金屬膜。
5.權利要求1所述的壓電薄膜器件，其中非晶態金屬膜是鉭鋁合金。
6.權利要求1所述的壓電薄膜器件，其中壓電膜是氮化鋁和氧化鋅中的一種。
7.權利要求3所述的壓電薄膜器件，其中取向金屬膜是面心立方晶格金屬和體心立方晶格金屬中的一種。
8.權利要求3所述的壓電薄膜器件，進一步包括面對著取向金屬膜以與取向金屬膜一起將非晶態金屬膜夾在中間的低電阻金屬膜。
9.權利要求4所述的壓電薄膜器件，其中一個由非晶態金屬膜和頂部金屬膜的相面對部分和在非晶態金屬膜和頂部金屬膜之間夾著的壓電膜的部分所界定的區域凸伸到自由空間中。
10.權利要求4所述的壓電薄膜器件，其中非晶態金屬膜的第一端部部分由襯底支撐，非晶態金屬膜的第二端部部分凸伸到自由空間中。
11.權利要求8所述的壓電薄膜器件，其中低電阻金屬膜具有從大約1×10-8Ωm至大約10×10-8Ωm的范圍的電阻率。
12.權利要求10所述的壓電薄膜器件，其中第二端部部分面對著在襯底的表面上放置的固定電極。
13.一種制造壓電薄膜器件的方法，包括在襯底的上面形成非晶態金屬膜；在非晶態金屬上形成壓電膜，以使壓電膜的一個晶軸在與非晶態金屬的表面垂直的方向上對齊；和在壓電膜的表面上形成頂部金屬膜，該頂部金屬膜面對著非晶態金屬膜以將壓電膜夾在中間。
14.權利要求13所述的方法，進一步包括在形成壓電膜之前在非晶態金屬膜的表面上形成取向金屬膜，以使取向金屬膜的一個晶軸在垂直于非晶態金屬的表面的方向上對齊。
15.權利要求13所述的方法，進一步包括通過交替地層疊具有高聲阻抗的第一聲阻抗層和具有低聲阻抗的第二阻抗層，在襯底上形成聲反射層。
16.權利要求15所述的方法，其中第一和第二聲阻抗層每個的厚度是大約由諧振器激勵的體聲波的波長的四分之一，該諧振器由非晶態金屬膜和頂部金屬膜的相面對部分和在非晶態金屬膜和頂部金屬膜之間夾著的壓電膜的部分所界定。
17.權利要求13所述的方法，進一步包括在形成非晶態金屬膜之前在襯底上形成犧牲層；和在形成頂部金屬膜之后有選擇性地清除犧牲層。
18.權利要求14所述的方法，其中取向金屬膜是面心立方晶格金屬和體心立方晶格金屬中的一種。
19.權利要求14所述的方法，進一步包括在形成非晶態金屬膜之前在襯底上形成低電阻金屬膜。
20.權利要求17所述的方法，其中低電阻金屬膜具有從大約1×10-8Ωm至大約10×10-8Ωm的范圍的電阻率。
全文摘要
一種壓電薄膜器件包括設置在襯底上的非晶態金屬膜和設置在非晶態金屬膜上的壓電膜。壓電膜的一個晶軸在垂直于非晶態金屬的表面的方向上對齊。
文檔編號H03H9/02GK1652458SQ20051000685
公開日2005年8月10日 申請日期2005年1月28日 優先權日2004年1月28日
發明者佐野賢也, 尾原亮一, 梁瀨直子, 安本恭章, 板谷和彥, 川久保隆, 豐田啟, 蓮沼正彥, 長野利彥, 阿部和秀, 西垣亨彥, 柴田浩延 申請人:株式會社東芝