膜体声学谐振器及其制造方法

专利名称：膜体声学谐振器及其制造方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种膜体声学谐振器(film bulk acousticresonator)以及一种制造该膜体声学谐振器的方法，更具体地，涉及一种膜体声学谐振器，其具有一通过利用含氟气体进行刻蚀而形成的空腔，还涉及一种制造该膜体声学谐振器的方法。
背景技术：
近年来，随着诸如便携式电话设备的移动通信设备迅速普及，对于利用诸如声表面波(SAW)器件的器件所形成的体积小、重量轻的滤波器的需求不断增加。特别地，由于具有陡的截止特性并且小而轻，声表面波滤波器(以下称作SAW滤波器)正被广泛用作便携式电话设备的RF(射频)滤波器和IF(中频)滤波器。
SAW滤波器包括一压电基板和形成在该压电基板主表面上的多个叉指式换能器(IDT)。当向IDT施加交流电压时，就在压电基板的表面上激发出某一频带的声波。
当向这种SAW滤波器中的IDT施加一高压时，由于声波引起的基板的变形，导致IDT被物理地损坏。对于具有较窄电极指宽度(electrodefinger width)(即，具有较高频率)的滤波器的IDT，这个问题显得更为严重。
有鉴于此，SAW滤波器存在电力耐受性(power resistance)低的问题，难以用作天线双工器的前端滤波器。
为解决这一问题，作为对构成耐受大量电力的滤波器有用的装置，已开发出了膜体声学谐振器(以下称作FBAR)。FBAR包括基板；压电薄膜；上电极和下电极，它们是夹着压电薄膜的金属薄膜；以及形成在与基板接触的下电极之下的空腔。当在该结构中的上、下电极之间产生电势差时，夹在上电极与下电极之间的压电薄膜由于压电效应的作用在厚度方向上振动，由此显示出电谐振特性。
具有这种特性的FBAR可以梯型方式连接，以形成带通滤波器。目前已知由以这种带通滤波器为代表的FBAR滤波器比SAW滤波器具有高得多的电力耐受性。
带通滤波器需要在通带中具有低损耗并在阻带中表现出高抑制度。有鉴于此，用于上电极和下电极的电极材料成为制造具有FBAR的带通滤波器时的一个重要因素。
对于电极材料，具有低电阻和高的声阻抗是必要的。到现在为止已提出下列电极结构。
美国专利No.5,587,620(专利文献1)公开了一种电极结构，其采用钼(Mo)作为电极材料。钼制膜具有低的电阻和高的声阻抗。因此，通过在膜体声学谐振器中使用钼膜可以获得极好的谐振特性。
然而，钼容易被含氟气体或酸性化学物质刻蚀，因此使得在下电极下形成空腔的方法的变化范围变窄。
日本专利申请公报No.6-204776(专利文献2)公开了在下电极之下形成空腔的一种方法。通过这种方法，在单晶硅基板上利用KOH溶液等进行各向异性刻蚀，以从基板底面形成一通孔。钼(Mo)不能被KOH溶液刻蚀。因此，含有作为电极材料的钼(Mo)的下电极没有受损，并且可容易地形成空腔。
日本专利申请公报No.2000-69594(专利文献3)公开了在下电极之下形成空腔的另一种方法。通过这种方法，在基板上形成的凹腔中淀积一牺牲层(sacrifice layer)。在形成下电极、压电薄膜和上电极之后，去除所述牺牲层。更具体地，在第一步骤中，通过刻蚀硅(Si)基板的表面形成一凹腔。在第二步骤中，在硅基板的表面上形成一热氧化膜(thermal oxide film)，以防止用作牺牲层的PSG(磷硅玻璃)中所含的磷扩散至硅基板中。在形成热氧化膜之后，在第三步骤中，淀积PSG以形成牺牲层。在第四步骤中，通过抛光和清洗在所淀积的牺牲层的表面上进行镜面加工(mirror finishing)，从而去除凹腔以外的牺牲层部分。在第五步骤中，在硅基板的表面上顺序淀积下电极、压电薄膜以及上电极，其中所述硅基板包括通过与所述硅基板表面相同的平面暴露的牺牲层。在第六步骤(最后一步)中，去除牺牲层以形成位于下电极之下的空腔。例如，在第六步骤中，可以通过使用稀释的H2O:HF溶液来进行牺牲层(PSG层)的去除。这样，能够以极高的刻蚀速率对PSG进行刻蚀。因此，即使使用钼作为电极材料，也可以在下电极之下形成所述空腔。
但是，具有利用专利文献2中公开的方法所形成的通孔的基板的机械强度很差。因此，产品合格率低，很难进行晶片切割工序以及封装安装工序。另外，通过各向异性刻蚀形成的通孔具有大约55度的倾斜角。因此，难于以梯状方式连接彼此靠近的谐振器。结果，不能实现小尺寸设备。
专利文献3中公开的方法包括大量的生产工序，并且，利用这种方法，难于以低生产成本来制造设备。另外，抛光工序会产生诸如浆料残留(slurry remnants)的问题。结果，生产合格率降低。

发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种膜体声学谐振器以及一种制造该膜体声学谐振器的方法，其中消除了以上的缺点。
本发明的一个更具体的目的是提供一种膜体声学谐振器，其易于以高合格率来制造，并且成本更低、体积更小，并且具有良好的特性。本发明的另一个具体的目的是提供一种制造这种膜体声学谐振器的方法。
本发明的上述目的可通过一种膜体声学谐振器来实现，该膜体声学谐振器包括形成在一基板的第一表面上的一压电薄膜；以及一下电极和一上电极，其被布置得夹着所述压电薄膜，所述压电薄膜由氮化铝制成，并且所述上电极和所述下电极中的至少一个包含一钌或钌合金层。
本发明的上述目的还可通过一种制造膜体声学谐振器的方法来实现，该方法包括以下步骤在基板上形成一下电极；在所述基板上形成一氮化铝的压电薄膜，使该压电薄膜覆盖所述下电极；以及在所述压电薄膜上形成一上电极，所述下电极包含一钌或钌合金层。


结合附图阅读以下详细说明，本发明的其他目的、特征以及优点将变得更加清楚，其中图1A是根据本发明第一实施例的FBAR的平面图；图1B是沿图1A中的线A-A所截取的FBAR的截面图；图2A至2E示出了根据本发明第一实施例的FBAR的制造方法；图3A至3C示出了根据本发明第一实施例的FBAR的制造方法；图4示出了在根据本发明第一实施例的FBAR的衰减极点处的抑制度；图5是根据本发明第一实施例的带通滤波器的平面图；图6是沿图5中的线A′-A′所截取的带通滤波器的截面图；图7是表示图5和图6中所示带通滤波器10的等效电路；图8A是根据本发明第二实施例的FBAR的平面图；图8B是沿图8A中的线B-B所截取的FBAR的截面图；图9示出了根据本发明第二实施例的FBAR的谐振特性；图10A是根据本发明第三实施例的FBAR的平面图；图10B是沿图10A中的线C-C所截取的FBAR的截面图；图11A至11E示出了根据本发明第三实施例的FBAR的制造方法；图12A至12C示出了所述根据本发明第三实施例的FBAR的制造方法；图13示出了根据本发明第三实施例的FBAR的谐振特性；以及图14是表示本发明第四实施例中的各钌膜的弹性模量与衰减极点处的抑制度之间的关系的图。
具体实施例方式
以下是参照附图对本发明优选实施例的说明。
(第一实施例)首先，详细说明本发明的第一实施例。图1A和1B示出了根据本实施例的一种膜体声学谐振器(FBAR)1A的结构。图1A是FBAR 1A的平面图，而图1B是沿图1A中的线A-A所截取的FBAR 1A的截面图。
如图1A和1B所示，FBAR 1A具有一形成在基板11的主表面上的压电薄膜12。例如，基板11是硅(Si)基板。在压电薄膜12中用于形成谐振器的区域内，形成一下电极13和一上电极14，它们从上部和下部夹着压电薄膜12。基板11具有一形成在内部的空腔15，而且下电极13的整个表面面对该空腔15。空腔15用于防止在把高频信号施加给下电极13和上电极14时压电薄膜12的振动的中断。
为了实现良好的谐振特性，并且为了简化该结构的生产工序，以如下方式形成压电薄膜12以及夹着该压电薄膜12的下电极13和上电极14。
压电薄膜12由钛酸铅(PbTiO3)、PZT、氮化铝(AlN)或其它材料制成，不过更优选是采用AlN薄膜。这是因为PbTiO3和PZT含有很多组份(包含三种或更多种元素)，而且这些材料中所含的铅(Pb)会扩散。因此，很难进行成分控制，并且无法高效地进行批量生产。另一方面，AlN只含有两种元素，且不含有会扩散的铅。因此，通过采用AlN薄膜，可以简化生产过程，并可实现更高的合格率。
在本实施例中，将下电极13和上电极14的总膜厚d1与压电薄膜12的膜厚d2的比值d1/d2限制在1/12到1之间，以使FBAR 1A的通频带落在100MHz至10GHz的频带内。
通常，使用适于刻蚀AlN(压电薄膜12)和硅(基板11)的含氟气体或酸性化学物质，来对压电薄膜12进行构图和形成空腔15。然而，一些通常采用的电极材料，例如钼，对含氟气体和酸性化学物质没有耐受性，很容易被这种化学药剂刻蚀。为了解决这个问题，本实施例采用对含氟气体和酸性化学物质具有耐受性的钌或钌合金作为电极材料，并且至少下电极13或上电极14包括一钌或钌合金薄膜层。更具体地，下电极13和上电极14中的一个或全部二个由钌或钌合金单层膜形成。另选地，下电极13和上电极14中的一个或全部二个由含有钌或钌合金膜的多层膜形成。
钌合金是一种以钌为主要成分的材料。钌合金的例子包括含大约2％铜(Cu)的钌的合金、含大约2％铝(Al)的钌的合金，以及含大约2％铬(Cr)的钌的合金。
下电极13和上电极14的电阻对谐振特性损失起作用，而下电极13和上电极14的声阻抗对反谐振特性损失起作用。
首先，造成输入信号损耗的下电极13和上电极14的电阻率被控制为50μΩ·cm或更低。通过满足此条件，可降低作为高频信号的输入信号的损耗，并可获得良好的谐振特性。例如，所述电阻率的下限可设为1μΩ·cm。
为了获得良好的反谐振特性，下电极13和上电极14的声阻抗需要很大。这里，用弹性模量和密度的乘积的平方根来表示声阻抗。这意味着具有高弹性模量的膜将表现出高的声阻抗。有鉴于此，将具有大弹性模量的电极膜用于下电极13和上电极14，以获得具有良好反谐振特性的谐振器。例如，利用弹性模量为4×1011N/m或更大的电极膜形成下电极13和/或上电极14，以获得良好的反谐振特性。
与通常采用的电极材料相比，本实施例所用的钌或钌合金具有更小的电阻率和更高的声阻抗。因此，采用钌或钌合金电极膜，可以容易地满足上述条件。在本实施例中，下电极13和上电极14中的至少一个由含有由钌或钌合金中的至少一种制成的膜的电极膜形成，从而可以获得具有良好谐振特性和反谐振特性的FBAR。
然而，当把AlN用于压电薄膜12时，为获得良好的谐振特性，AlN膜表现出(002)取向((002)-orientation)是必需的。下电极13的取向在使压电薄膜12表现出(002)取向中起重要作用。这是因为，由于压电薄膜12形成在下电极13之上，所以下电极13的取向在很大程度上影响着压电薄膜12的取向。因此，与压电薄膜12类似，使下电极13以(002)方向为主取向轴进行取向。由此，可以获得具有良好(002)取向的AlN薄膜。
如图1B中所示，在下电极13下形成有空腔15。如前所述，使用含氟气体或诸如缓冲氢氟酸的酸性化学物质对作为下电极13和压电薄膜12的基础的基板11进行刻蚀。另一方面，钌和钌合金对含氟气体和酸性化学物质具有很好的耐受性。因此，含钌或钌合金膜的下电极13不会被刻蚀，从而可以顺利地制造FBAR 1A。
特别地，在下述情况下使用含氟气体基板11为硅基板，并且沿垂直于基板11的主表面的方向对基板11进行干法刻蚀(以在基本上垂直于基板11的主表面的方向上形成空腔15的多个侧面)。在这种情况下，通过对于下电极13采用钌或钌合金电极膜，可便于形成空腔15。由此，可以防止由于对下电极13的刻蚀而导致的合格率下降。
如上所述，钌和钌合金对含氟气体和酸性化学物质具有耐受性，因此，不必使用KOH溶液等进行各向异性刻蚀以在基板11中形成空腔15。相反，可以进行使用含氟气体的干法刻蚀，以在基本垂直于基板11的主表面的方向上形成空腔15的多个侧面。因此，与进行各向异性刻蚀以相对基板11的主表面倾斜地形成空腔15的侧面的情况相比，可以将多个谐振器放置得彼此更靠近。结果，整个装置可以加工得更小。另外，这种结构不需要为形成空腔15而形成牺牲层的步骤，也不需要对牺牲层进行抛光的步骤。因此，可以简化生产过程，并且可以降低生产成本。
对于在基板11中预先形成了牺牲层，并且通过在在基板11上形成下电极13、压电薄膜12和上电极14后去除牺牲层来形成空腔15的情况，含钌或钌合金的电极膜同样可以防止对下电极13的刻蚀。因此，可以防止合格率降低，并且可以实现顺利的装置制造。另外，在进行湿法刻蚀以对压电薄膜12进行构图的情况下，不能刻蚀含钌或钌合金的电极膜。由此，可以防止合格率下降，并且可以实现顺利的装置制造。此外，对于进行干法刻蚀以对压电薄膜12进行构图的情况，可以实现如上的相同效果。
在本实施例中，空腔15需要具有使下电极13完全暴露的大小。因此，将基板11位于下电极13下的部分通过刻蚀完全去除。由此，可以防止基板11对激励造成妨碍。这里，压电薄膜12需要比空腔15大，以牢固地置于基板11上。
接下来详细说明根据本实施例的FBAR 1A的一种制造方法。在下面的示例情况中，将上电极14形成为钌(Ru)的单层膜；将下电极13形成为钼(Mo)和铝(Al)的多层膜，其中钼在铝上方；压电薄膜12由氮化铝(AIN)制成；基板11为硅基板。
首先，如图2A所示，制备硅基板11A。如图2B所示，通过溅射等在硅基板11A的一主表面上形成要通过构图形成为下电极13的导电膜13A。导电膜13A具有一多层结构，其具有一形成在硅基板11A上的50nm厚的铝膜和一形成在该铝膜上的100nm厚的钼膜。
然后，通过光刻技术等在导电膜13A上形成具有预定形状的抗蚀剂膜(用于形成下电极13)，并且通过干法刻蚀或湿法刻蚀在该抗蚀剂膜上进行构图，以形成具有希望形状的下电极13，如图2C所示。这里，与此同时可以形成其他的布线图案和接地图案(ground pattern)。在干法刻蚀或湿法刻蚀中，如前所述可以使用含氟气体或酸性化学物质。
接下来，如图2D所示，通过溅射技术等在下电极13和硅基板11A上形成压电薄膜12A。而且，如图2E所示，通过溅射技术等在压电薄膜12A上形成将要通过构图形成为上电极14的导电层14A。例如，压电薄膜12A是500nm厚的氮化铝(AIN)膜。例如，导电层14A具有一单层结构，其具有形成在压电薄膜12A上的100nm厚的钌(Ru)膜。
然后，通过光刻技术等在导电层14A上形成具有预定形状的抗蚀剂膜(用于形成上电极14和压电薄膜12)，并且通过干法刻蚀或湿法刻蚀进行构图以形成具有希望形状的上电极14(见图3A)和压电薄膜12(见图3B)。这里，在干法刻蚀或湿法刻蚀中，可以使用含氟气体或酸性化学物质。在此过程中，可进行移除(lift-off)以形成上电极14。
在按照上述方式形成包括下电极13、压电薄膜12以及上电极14的谐振器之后，通过光刻技术等在硅基板11A的底面上形成具有预定形状的抗蚀剂膜(用于形成空腔15)。然后，在该抗蚀剂膜上进行干法刻蚀以制造其内形成有空腔15的基板11。由此，获得如图1A、1B以及3C中所示的FBAR 1A。
在形成空腔15的过程中，交替重复进行利用CF6(为含氟气体)进行刻蚀和形成C4F8的侧壁保护膜这两个工序，以使空腔15的侧面基本上垂直于硅基板11A的底面。然而，可以使用其他方法来形成空腔15。
在上述方法中，可以利用溅射技术之外的一些其他技术，如真空气相淀积技术、湿法刻蚀技术、离子铣削(ion milling)技术、使用含氧气体的反应离子刻蚀，或者这些技术中的两种或更多种的组合，来形成下电极13和/或上电极14中所含的钌或钌合金层。在应用湿法刻蚀技术的情况下，可以使用硝酸或硝酸铈铵(cerium diammonium nitrate)作为刻蚀液体。
图4示出了在由上述制造方法制造的每个FBAR 1A的衰减极点处的抑制度。在图4所示的示例中，谐振频率为5GHz，下电极13和上电极14的激发区域横截面(即，平行于基板11的主表面的平面上的横截面)具有圆形形状，并且每个横截面的半径为80μm。用于上电极14的电极材料为铝(Al)、钛(Ti)、铜(Cu)、铬(Cr)、钼(Mo)，以及钌(Ru)。图4示出了针对这些电极材料中的每一种所观察到的衰减极点处的抑制度。
如在图4中可看到的，FBAR 1A的谐振特性随上电极14的电极材料不同而变化很大。更具体地，当上电极14由具有高的声阻抗的电极材料制成时，衰减极点处的抑制度也很高。因此，通过采用具有高的声阻抗的钌作为电极材料可以制出具有良好谐振特性的FBAR。
接下来，详细说明采用多个本实施例的FBAR 1A的带通滤波器10。图5是根据本实施例的带通滤波器10的平面图。图6是沿图5中的线A′-A′所截取的带通滤波器10的截面图。图7是表示图5和图6中的带通滤波器10的等效电路。
如图5和7中所示，带通滤波器10包括布置在一串联支路(seriesarm)上的四个谐振器S1至S4(以下称为串联支路谐振器S1到S4)；布置在多个并联支路上的三个谐振器P1到P3(以下称为并联支路谐振器P1至P3)。串联支路谐振器S1至S4和并联支路谐振器P1至P3中的每一个都具有与如图1A和1B中所示的FBAR 1A相同的结构。
设置在带通滤波器10的输入端和输出端的串联支路谐振器S1和S4中的每一个的上电极14连接到布线24。在每个布线24上形成有一凸起连接焊盘22，其例如具有包括一金属层和一钛层的层叠结构。在每个凸起连接焊盘22上形成有金属凸起23，并且将该金属凸起23设计为可连接到位于封装(未示出)的小片连接(die-attach)面上的一信号输出端子或一信号输入端子。将带通滤波器10面向下地接合到所述封装的小片连接面。
所述输入端与串联支路谐振器S1之间的布线24分支出来，并且也连接到并联支路谐振器P1的上电极14。并联支路谐振器P1的下电极13连接到一延伸至压电薄膜12之外的区域的布线21。在位于压电薄膜12外的该区域中的布线21上形成相同的凸起连接焊盘22，并将该凸起连接焊盘22设计为可连接到所述小片连接面上的接地端子。类似地，所述输出端与串联支路谐振器S4之间的布线24分支出来，并且也连接到并联支路谐振器P3的上电极14。并联支路谐振器P3的下电极13连接到一延伸至压电薄膜12之外的区域的布线21。在位于压电薄膜12外的所述区域中的布线21上形成相同的凸起连接焊盘22，并将该凸起连接焊盘22设计为可连接到所述小片连接面的接地端子。
串联支路谐振器S1和S2的下电极13通过对应的布线21相互连接。类似地，串联支路谐振器S3和S4的下电极13通过对应的布线21相互连接。而且，串联支路谐振器S2和S3的上电极14通过对应的布线24相互连接。
连接串联支路谐振器S2和S3的布线24也分支出来，并连接到并联支路谐振器P2的上电极14。并联支路谐振器P2的下电极13连接到一延伸至压电薄膜12外的区域的布线21。在位于压电薄膜12之外的所述区域中的布线21上形成相同的凸起连接焊盘22，并将该凸起连接焊盘22设计为可连接到所述小片连接面上的接地端子。
如上所述，通过使用本实施例的FBAR，可以获得表现出低插入损耗和良好滤波特性的带通滤波器10。
在上述示例中，压电薄膜12可由氧化锌(ZnO)而非AIN制成。而且，下电极13和上电极14可由铱(Ir)或铱合金或者铑(Rh)或铑合金而非钌或钌合金制成。
(第二实施例)
接下来，说明本发明的第二实施例。在上述第一实施例中，下电极13和上电极14中的至少一个包括一含钌或钌合金层的电极膜。然而在本实施例中，下电极13和上电极14都包括一含钌或钌合金层的电极膜。在本实施例中，采用与第一实施例中相同的标号来表示与第一实施例中相同的组件，因此在此省略了对它们的解释。
图8A和8B示出了根据本实施例的FBAR 1B的结构。图8A是FBAR 1B的平面图，而图8B是沿图8A中的线B-B所截取的FBAR 1B的截面图。
如图8A和8B中所示，除了将下电极13和上电极14替换为下电极13b和上电极14b之外，本实施例的FBAR 1B具有与第一实施例的FBAR 1A相同的结构，其中下电极13b和上电极14b由各含一钌或钌合金层的多个电极膜形成。
采用这种结构，可以在进行刻蚀以制作压电薄膜12(以及上电极14b)时和在进行刻蚀以形成空腔15时，减小对上电极14b和下电极13b的损伤。从而，可以实现更高的合格率。
图9示出了本实施例的FBAR 1B的谐振特性(S(2，1))。在图9所示的示例中，上电极14b由100nm厚的钌膜形成，压电薄膜12由430nm厚的AIN膜形成，而下电极13b由100nm厚的钌膜形成。
如从图9可看到的，FBAR 1B表现出良好的谐振特性，在谐振点处具有-3dB或更低的抑制度。FBAR 1B还表现出良好的反谐振特性，在反谐振点处具有-20dB或更高的抑制度。这样，利用由均含钌或钌合金层的多个电极膜形成的下电极13b和上电极14b，可以获得表现出良好谐振特性和良好反谐振特性的FBAR。利用均含钌或钌合金层的多个电极膜，可以如在第一实施例中那样降低损耗。
本实施例的其他方面以及制造方法与第一实施例中的相同，因此在此省略对它们的解释。
(第三实施例)接下来，详细说明本发明的第三实施例。在上述第一实施例中，下电极13和上电极14中的至少一个由一含钌或钌合金层的电极膜形成。而在本实施例中，向位于空腔15侧的下电极13提供一用于防止由刻蚀而导致的对下电极13的损伤的薄膜层。在本实施例中，采用与第一实施例中相同的标号来表示与第一实施例中相同的组件，并且在此省略了对它们的解释。
图10A和10B示出了根据本实施例的FBAR 1C的结构。图10A是FBAR1C的平面图，图10B是沿图10A中的线C-C所截取的FBAR 1C的截面图。
如图10A和10B所示，在下电极13下(即，在空腔15的顶部)形成有一薄膜层16，除此之外，本实施例的FBAR 1C具有与第一实施例的FBAR 1A相同的结构。采用这种结构，使得下电极13没有暴露给空腔15，并且可以防止由为形成空腔15而进行的刻蚀所导致的对下电极13的损伤。本实施例的其它方面与第一实施例的FBAR 1A的其它方面相同。
用于薄膜层16的示例性材料包括纯金属，如铝(Al)、铜(Cu)及铬(Cr)；合金，如铝合金、铜合金及铬合金；氧化物，如氧化铝、氧化铜以及氧化铬；以及氮化物，如氮化铝、氮化铜及氮化铬。然而，用于薄膜层16的材料不限于上述材料，可以采用任何其他材料，只要其对使用含氟气体的刻蚀表现出足够的耐受性即可。在下述示例中，薄膜层16由氧化铝(Al2O3)制成。
采用以上结构，可以确实地防止由于为形成空腔15而进行的刻蚀所导致的对下电极13的损伤。因此，可以实现更高的合格率。
接下来，详细说明根据本实施例的FBAR 1C的一种制造方法。在下述示例中，薄膜层16由氧化铝制成，并且该结构的其他方面与图2A至3C所示结构的其他方面相同。
首先，如图11A所示，制备硅基板11A。如图11B所示，通过溅射技术等在硅基板11A的主表面上形成将要通过构图形成为薄膜层16的薄膜层16C和将要通过构图形成为下电极13的导电膜13C。该薄膜层16C具有一形成在硅基板上的50nm厚的氧化铝膜的单层结构。导电膜13C具有一形成在薄膜层16C上的100nm厚的钌膜的单层结构。
接着，如图11C所示，通过光刻技术等在导电膜13C上形成具有预定形状的抗蚀剂膜(用于形成下电极13和薄膜层16)，并在该抗蚀剂膜上通过干法刻蚀或湿法刻蚀进行构图以形成具有希望形状的薄膜层16和下电极13。这里，同时可以形成其他布线图案和接地图案。在干法刻蚀或湿法刻蚀过程中，如前所述可以使用含氟气体或酸性化学物质。
接下来，如图11D所示，通过溅射技术等在下电极13和硅基板11A上形成压电薄膜12A。另外，如图11E所示，通过溅射技术等在压电薄膜12A上形成将要通过构图形成为上电极14的导电层14A。例如，压电薄膜12A包括一420nm厚的氮化铝(AlN)膜。例如，导电层14A具有一形成在压电薄膜12A上的100nm厚的钌膜的单层结构。
然后，通过光刻技术等在导电层14A上形成具有预定形状的抗蚀剂膜(用于形成上电极14和压电薄膜12)，并且通过干法刻蚀或湿法刻蚀进行构图以形成具有希望形状的上电极14(见图12A)和压电薄膜12(见图12B)。这里，如前所述可以在干法刻蚀或湿法刻蚀中使用含氟气体或酸性化学物质。在此过程中，可以进行移除工艺以形成上电极14。
在以上述方式形成一包括薄膜层16、下电极13、压电薄膜12以及上电极14的谐振器之后，通过光刻技术等在硅基板11A的底面上形成具有预定形状的抗蚀剂膜(用于形成空腔15)。然后，在该抗蚀剂膜上进行干法刻蚀以对基板11进行加工，以在该基板11内形成空腔15。由此，获得图10A、10B和12C中所示的FBAR 1C。
图13示出了本实施例的FBAR 1C的谐振特性(S(2，1))。在图13的示例中，上电极14由一100nm厚的钌膜形成，压电薄膜12由一420nm厚的AlN膜形成，而薄膜层1由一50nm厚的氧化铝膜形成。
如可从图13中看到的，FBAR 1C表现出了良好的谐振特性，在谐振点处具有-3dB或更低的抑制度。FBAR 1C还表现出良好的反谐振特性，在反谐振点处具有-20dB或更高的抑制度。这样，由各含钌或钌合金层的多个电极膜形成下电极13和上电极14，并在下电极13之下提供用于保护下电极13不受刻蚀的薄膜层16。由此，可以获得表现出良好谐振特性和反谐振特性的FBAR。采用各含一钌或钌合金层的多个电极膜，使得可以如在第一实施例中那样降低损耗。
本实施例的其他方面以及制造方法与第一实施例中的相同，因此在此省略对它们的解释。
(第四实施例)接下来，作为本发明的第四实施例，详细说明用于下电极和/或上电极的钌膜的弹性模量与衰减极点处的抑制度之间的关系。在下述的示例中，用于形成第二实施例的FBAR 1B的下电极13b和上电极14b的钌膜的弹性模量是变化的。
图14是示出钌膜的弹性模量与衰减极点处的抑制度之间的关系的图。如从图14中明显看出的，钌膜的弹性模量越大，衰减极点处的抑制度就越高。因此，当下电极13b和上电极14b具有更高的弹性模量时，可以实现更优选的特性。
可以通过改变钌膜的形成条件来控制钌膜的弹性模量，并且制造钌膜的步骤与根据第一实施例的过程相同。
本实施例的其他方面以及制造过程与第一实施例中的相同，因此在此省略了对它们的解释。
(第五实施例)接下来，详细说明本发明的第五实施例。在下电极13和/或上电极14由钌膜形成的情况下，钌膜的内应力影响所述装置(FBAR或采用FBAR的滤波器)的强度。在下述示例中，使用第一实施例中的FBAR 1A。
在根据本实施例进行的实验中，改变了钌膜的形成条件，并且制造了包括作为下电极13和/或上电极14的具有不同内应力的钌膜的FBAR1A。利用该FBAR 1A，对各钌膜的内应力与装置的强度之间的关系进行了检验。
当施加约5 GHz的输入信号时，大多数各含一具有3 GPa或更大内应力的钌膜的FBAR 1A损坏了。尤其是，当在溅射压力为0.5Pa或更低的条件下形成钌膜时，装置更易于损坏。
如从该结果可明显看出的，当下电极13和/或上电极14由含有钌或钌合金层的电极膜形成时，优选地将钌或钌合金膜的内应力限制在3GPa或更小。这样，可以获得不易于损坏的FBAR。
所以，为了控制下电极13的内应力，也可以在下电极13下(在空腔15的顶部)形成一薄膜层。例如，该薄膜层可由以下材料制成纯金属，如铝(Al)、铜(Cu)或铬(Cr)；包含铝(Al)、铜(Cu)或铬(Cr)的合金；包含铝(Al)、铜(Cu)或铬(Cr)的氧化物；或者，包含铝(Al)、铜(Cu)或铬(Cr)的氮化物。有了这样的薄膜层，就可以实现与在把下电极13的内应力限制在3GPa或更小的情况下相同的效果。
第五实施例的其他方面以及制造方法与第一实施例中的相同，因此在此省略了对它们的解释。
尽管已示出和说明了本发明的一些优选实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行修改，而本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种膜体声学谐振器，其包括形成在一基板的第一表面上的一压电薄膜；以及一下电极和一上电极，其被布置得夹着所述压电薄膜，所述压电薄膜由氮化铝制成，并且所述上电极和所述下电极中的至少一个包含一钌或钌合金层。
2.根据权利要求1所述的膜体声学谐振器，其中所述基板具有一位于所述下电极之下的空腔。
3.根据权利要求1所述的膜体声学谐振器，还包括一薄膜层，其位于所述下电极之下并面对所述空腔。
4.根据权利要求3所述的膜体声学谐振器，其中所述薄膜层包含以下材料纯金属，如铝、铜或铬；包含铝、铜或铬的合金；包含铝、铜或铬的氧化物；或者包含铝、铜或铬的氮化物。
5.根据权利要求1所述的膜体声学谐振器，还包括一多层膜，其包括至少两种层叠的薄膜，并包括所述下电极。
6.根据权利要求1所述的膜体声学谐振器，其中，所述压电薄膜中的氮化铝具有作为主取向轴的(002)取向。
7.根据权利要求1所述的膜体声学谐振器，其中所述下电极包含一钌或钌合金层；并且所述钌或钌合金层具有作为主取向轴的(002)取向。
8.根据权利要求1所述的膜体声学谐振器，其中，所述下电极和所述上电极的总膜厚与所述压电薄膜的膜厚的比值在1/12到1的范围内。
9.一种制造膜体声学谐振器的方法，包括以下步骤在一基板上形成一下电极；在所述基板上形成一氮化铝的压电薄膜，使得该压电薄膜覆盖所述下电极；以及在所述压电薄膜上形成一上电极，所述下电极包含一钌或钌合金层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中形成所述下电极的步骤包括以下步骤形成以(002)取向作为主取向轴的钌或钌合金层；以及形成所述压电薄膜的步骤包括以下步骤形成以(002)取向作为主取向轴的氮化铝膜。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤形成一薄膜层，其面对所述空腔并且位于所述下电极之下。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述薄膜层的步骤包括一形成一包含以下材料的层的步骤纯金属，如铝、铜或铬；包含铝、铜或铬的合金；包含铝、铜或铬的氧化物；或者包含铝、铜或铬的氮化物。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，形成所述下电极的步骤包括以下步骤利用溅射技术以0.5Pa或更高的溅射压力形成所述钌或钌合金层。
14.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤在所述基板上将一空腔形成得位于所述下电极之下。
全文摘要
膜体声学谐振器及其制造方法。一种膜体声学谐振器包括形成在一基板的主表面上的一压电薄膜；以及一下电极和一上电极，其被布置得夹着所述压电薄膜。在该膜体声学谐振器中，所述压电薄膜由氮化铝制成，并且所述上电极和所述下电极中的至少一个包含一钌或钌合金层。
文档编号H03H9/17GK1592100SQ20041005729
公开日2005年3月9日 申请日期2004年8月27日 优先权日2003年8月27日
发明者横山刚, 坂下武, 西原时弘, 宫下勉, 佐藤良夫 申请人:富士通媒体部品株式会社, 富士通株式会社