[发明专利]薄膜体声波谐振器和滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜体声波谐振器和滤波器，更具体地说，涉及包括空腔的薄膜体声波谐振器和滤波器，该空腔位于谐振区的下方，在该谐振区中上电极和下电极隔着压电薄膜彼此相对。

背景技术

因为诸如移动电话的无线装置的快速普及，所以对于小型且轻质的谐振器和具有该谐振器的滤波器的需求不断增加。到目前为止一直主要使用介质滤波器和表面声波(SAW)滤波器。近来，压电薄膜谐振器和包括压电薄膜谐振器的滤波器受到关注，它们尤其在高频方面具有很好的特性并且可以小型化并进行单片集成。

FBAR(薄膜体声波谐振器)型的谐振器被认为是压电薄膜谐振器的一种。FBAR具有在基板上由上电极、压电薄膜和下电极组成的叠层结构。为了抑制振动能量向基板扩散，FBAR设置有通孔或空腔(孔穴)，通孔或空腔(孔穴)在下电极的面向上电极的区域的下方。可以经由介电薄膜在下电极的下方形成空腔。如果对被用作元件基板(element substrate)的硅基板的背面进行蚀刻处理则形成通孔。如果在基板表面上的牺牲层图案上形成诸如复合薄膜的谐振元件并且最终去除该牺牲层，则形成空腔。在下文中，将包括通孔和作为孔穴的空腔的薄膜体声波谐振器称为通孔型或空腔型。

在向上电极和下电极之间提供高频电信号时，在位于上电极和下电极之间的压电薄膜中产生由逆压电效应激励的声波或由于压电效应导致的失真而产生的声波。这些声波被转化为电信号。因为声波在上电极表面和下电极表面(它们与空气接触)处被完全反射，所以这些声波被转化为在厚度方向上具有主要位移的纵向振动波。在该元件结构中，在形成在空腔上方的由上电极、压电薄膜和下电极组成的叠层结构的厚度H是声波波长的一半的整数倍的频率时发生谐振。声波的传播速度V依照材料决定。通过F＝nV/2H(“n”是给定值)获得谐振频率F。在利用谐振的情况下，可以使用厚度作为参数来控制谐振频率。并且可以制造使用期望频率特性的谐振器和滤波器。

上电极和下电极可以由诸如铝(Al)、铜(Cu)、钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、铱(Ir)、铬(Cr)或钛(Ti)的金属或由上述金属制成的叠层材料制成。压电薄膜可以由氮化铝(A1N)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、钛酸铅(PbTiO₃)等制成。具体地说，因为氮化铝和氧化锌在形成时具有沿(002)方向的定向轴，所以氮化铝和氧化锌适于所述压电薄膜。基板可以由硅(Si)、玻璃、砷化镓(GaAs)等制成。

图1例示了示出在Electron.Lett.，pages 507 to 509，volume 17，1981中所公开的通孔型薄膜体声波谐振器的剖视图。如图1所示，薄膜体声波谐振器具有以下层叠结构：在具有热氧化膜(SiO₂)12的(100)硅基板11上层叠有充当下电极13的金-铬薄膜、充当压电薄膜14的氧化锌薄膜和充当上电极15的铝膜。在层叠结构下方形成空腔(通孔)16。通过使用KOH水溶液或EDP水溶液(乙二胺、邻苯二酚和水的液体混合物)的各向异性蚀刻将空腔16形成在(100)硅基板11的背面。

图2例示了示出日本专利申请公报第60-189307号中公开的空腔型薄膜体声波谐振器的剖视图。如图2所示，薄膜体声波谐振器具有以下层叠结构：在具有热氧化膜(SiO₂)22的基板21上层叠有下电极23、压电薄膜24和上电极25。在该层叠结构下方形成有空腔26。通过以下处理来形成该空腔26：提前在基板21上形成岛状氧化锌牺牲层图案，在该牺牲层图案上形成该层叠结构，并通过诸如酸性的蚀刻液去除位于该层叠结构下方的牺牲层。

这些薄膜体声波谐振器具有谐振区，在谐振区中，下电极13和23与上电极15和25隔着压电薄膜14和24彼此相对。当将振动能量限制在谐振区中时获得高的质量因子Q。例如，日本专利申请公报第2002-223144(下文中，称之为文献1)公开了降低由于横向方向传播的声波导致的能量损失并提高质量因子的技术。