KR100314610B1 - 산화막다공성실리콘기판을이용한초고주파소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화막 다공성 실리콘 기판을 이용한 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 구현을 위한 인덕터(inductor), 커패시터(capacitor), 저항(resistor) 등의 초고주파 소자에 관한 것으로서, 1GHz 이상의 초고주파 영역에서 발생하는 얇은 실리콘 산화막 아래에 있는 실리콘 기판의 반전도(semi-conducting) 특성에 기인한 신호 손실을 방지하기 위하여 실리콘 기판위에 종래에 이용되던 얇은 산화막 대신에 두꺼운 산화된 다공성 실리콘 층을 이용하여 소자를 집적시키는 것이다.
Description
본 발명은 산화막 다공성 실리콘 기판을 이용한 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 구현을 위한 인덕터(inductor), 커패시터(capacitor), 저항(resistor) 등의 산화막 다공성 실리콘 기판을 이용한 고주파 소자에 관한 것이다.
실리콘 기판은 공정 기술의 발달에 의해 수 십 GHz 에서도 동작하는 능동소자의 개발이 보고되었으나 수동소자, 특히 인덕터의 경우에 있어 실리콘 기판의 반전도(semi-conducting) 특성에 의한 성능 저하를 야기하였다.
이러한 문제점을 해결하고자 실리콘 기판에 있어 많은 기술들이 개발되었는데 고저항을 가지는 실리콘 기판에서의 기판 식각 방법, 두꺼운 폴리이미드(polyimide) 막의 사용, 유리(glass) 물질의 국부적 이용 방법 등이 있다.
도 1은 얇은 두께(약 1.7㎛)를 가지는 실리콘 산화막(12)위에 에어 브리지(air-bridge : 14)를 가진 평면 인덕터(13)이다.
여기서, 실리콘 산화막은 실리콘 기판(11)을 실리콘 산화로의 고온과 산소 주입에 의해 만들어 지거나 화학기상증착법(CVD : Chemical Vapor Deposition)에 따라 만들 수 있다. 그러나, 이런 방법에 의한 실리콘 산화막의 형성은 성장할 수 있는 두께 한계로 말미암아 10㎛ 이상의 산화막을 얻기 힘들다.
따라서 1GHz 이상의 초고주파 영역에는 얇은 실리콘 산화막 아래에 있는 실리콘 기판에 의한 신호 손실이 발생하는데 이는 실리콘 기판의 반전도 특성에 기인한 것이다. 또한 도 1의 경우 초고주파 영역에 있어 인덕터의 자체 공진 주파수 및 Q계수(Quality factor)가 낮아 초고주파 영역에 사용하는데 제약이 따른다.
한편, 초고주파 영역에서 흔히 사용되는 세라믹 또는 알루미나 기판은 표면의 자연적인 거칠기에 의해 반도체 공정에 의한 소동소자들의 집적에 제한이 있으며, 기판 가격이 다소 높다는 문제점이 있다.
본 발명은 1GHz 이상의 초고주파 영역에서 발생하는 얇은 실리콘 산화막 아래에 있는 실리콘 기판의 반전도 특성에 기인한 신호 손실을 방지하여 수 십 GHz의 초고주파 영역에서도 동작하는 초고주파 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 위해 본 발명은 실리콘 기판위에 종래에 이용되던 얇은 산화막 대신 산화된 다공성 실리콘층 위에 소자를 집적시키는 것을 특징으로 한다.
도 1은 얇은 실리콘 산화막을 가지는 실리콘 기판위에 만들어진 평면 인덕터를 보인 사시도
도 2는 두꺼운 산화된 다공성 실리콘 층을 가지는 실리콘 기판위에 만들어진 평면 인덕터를 보인 사시도
도 3은 산화된 다공성 실리콘 층을 가지는 실리콘 기판위에 만들어진 적층된 인덕터를 보인 사시도
도 4는 산화된 다공성 실리콘 층을 가지는 실리콘 기판위에 만들어진 박막의 절연층을 가지는 MIM 커패시터를 보인 사시도
도 5는 산화된 다공성 실리콘 층을 가지는 실리콘 기판위에 만들어진 깍지낀 모양의 커패시터를 보인 사시도
도 6은 산화된 다공성 실리콘 층을 가지는 실리콘 기판위에 만들어진 박막 증착에 의한 저항을 보인 사시도
도 7은 산화된 다공성 실리콘 층을 가지는 실리콘 기판위에 접지면을 가지는 코플레이너 스트립라인 페치 안테나를 보인 사시도
도 8은 산화된 다공성 실리콘 층을 가지는 실리콘 기판위에 접지면 또는 신호선을 상호 연결하기 위한 금속 에어 브리지를 보인 사시도
도 9는 본 발명의 평면 인덕터와 기존의 갈륨비소 기판위에 만들어진 평면 인덕터(GEC-Marconi사, TriQint사)의 최대 Q계수를 측정한 그래프
도 10은 본 발명의 평면 인덕터와 기존의 갈륨비소 기판위에 만들어진 평면 인덕터(GEC-Marconi사, TriQint사)의 공진주파수를 측정한 그래프
도 11a, 도 11b는 본 발명의 평면 인덕터와 기존의 갈륨비소 기판위에 만들어진 평면 인덕터(GEC-Marconi사, TriQint사)의 Q계수를 측정한 그래프
도 12a, 도 12b는 본 발명의 평면 인덕터와 기존의 갈륨비소 기판위에 만들어진 평면 인덕터(GEC-Marconi사, TriQint사)의 삽입손실을 측정한 그래프
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81 : 실리콘 기판
12 : 실리콘 산화막 13, 23 : 평면 인덕터의 금속선
14, 24, 84 : 에어 브리지
22, 32, 42, 52, 62, 72, 82 : 산화된 다공성 실리콘층
33, 44 : 절연층 34 : 하부 1차 인덕터
35 : 비아 홀 36 : 상부 2차 인덕터
43 : 하부 전극용 금속판 45 : 상부 전극용 금속판
53 : 깍지낀 모양의 금속판 63 : 박막저항
64 : 금속선 73, 83 : 접지면
74 : 페치 안테나 85 : 신호선
본 발명의 초고주파 소자는 도 1 내지 도 9에 나타낸 바와 같이 산화된 다공성 실리콘층(22)(32)(42)(52)(62)(72)(82)을 갖는 실리콘 기판(11)(21)(31)(41)(51)(61)(71)(81) 위에 만들어지는 것을 특징으로 한다.
실리콘 산화 공정은 공정 온도가 높거나 공정 시간이 길수록 실리콘 산화막의 성장 두께가 증가되는데, 실리콘 산화 공정 시간이 습식 산화(wet oxidaton)의 경우 1050℃에서 약 10시간을 하더라도 약 2㎛ 정도밖에 되지 않는다. 즉, 두꺼운 실리콘 산화막을 형성하기 위해서는 다공성 실리콘 층의 형성이 필요하게 된다.
다공성 실리콘 기판에 의해 형성된 실리콘 산화막은 종래의 산화로에 의한 열적 산화막이나 화학기상증착법(CVD)에 의한 산화막 증착 등에 비해 저가로 공정 구현이 가능하며 공정 시간도 짧아서 수십 ㎛ 두께의 산화막을 용이하게 형성할 수 있다.
다공성 실리콘의 형성은 1958년 Tumer에 의해 처음 시도되었으며 다공성 실리콘 기판의 형성 방법은 양극화에 의한 전기화학법으로 형성시킬 수 있는데 이는 불산용액 속에서 테플론 재질의 양극화 반응기로 만들어 진다.
양극화 반응시 발생되는 수소 거품을 실리콘 기판으로부터 제거시킬 수 있는 방법은 초음파(ultrasonic) 교란을 반응액에 가해 주거나 정전류원을 사용하지 않고 펄스파를 이용하거나 에탄올 용액을 첨가시키면 표면 상태가 균일한 더 좋은 특성을 얻을 수 있다. 이와 같이하여 얻어진 산화막 다공성 실리콘 기판을 이용한 본 발명의 실시예에 따른 초고주파 소자를 설명한다.
(실시예 1)
도 2는 두꺼운 (약 30㎛) 산화된 다공성 실리콘층(22)을 가지는 실리콘 기판(21)위에 만들어진 평면 인덕터를 나타낸 것으로서, 산화된 다공성 실리콘 층의 두꺼운 실리콘 산화막 때문에 아래층의 실리콘 기판(21)의 반전도 특성을 무시할 수 있다.
따라서 도 1의 같은 구조에 비해 높은 자체 공진 주파수 및 Q계수를 높일 수 있다. 여기서, 인덕터를 구성하는 금속선(23)은 알루미늄(A1)이나 티타늄(Ti)/금(Au) 등의 증착 뒤 플래팅(plating) 공정으로 에어 브리지(24)를 형성할 수 있다. 여기서 플래팅 공정에 사용되는 물질을 알루미늄(A1)이나 금(Au)등이 이용될 수 있다.
도 9 내지 도 12b는 산화막 다공성 실리콘 기판 위에 만들어진 평면 인덕터(도 2 참조)와 기존의 갈륨비소 기판 위에 만들어진 평면 인덕터(GEC-Marconi사, TriQint사)의 최대 Q계수, 자체 공진주파수, 주파수에 따른 Q계수 및 삽입손실 특성을 보인 것으로 본 발명의 평면 인덕터가 자체 공진주파수가 높고 최대 Q계수, 주파수에 따른 Q계수 및 삽입손실이 대등한 좋은 특성결과를 나타내고 있음을 알 수 있다.
(실시예 2)
도 3은 높은 인덕턴스 값을 얻고자 먼저 금속을 산화된 다공성 실리콘층(32)이 있는 실리콘 기판(31)위에 올려 하부 1차 인덕터(34)를 만들고 중간층에 SOG 및 폴리이미드와 같은 절연층(33)을 두고 식각에 의한 비아 홀(via hole : 35)에 연결 부위를 형성한 다음 그 위에 다시 상부 2 차 인덕터(36)를 만들기 위해 금속을 적층한 적층 인덕터를 나타낸 것이다.
이 구조 또한 두꺼운 산화된 다공성 실리콘 기판층에 의한 실리콘의 반전도 특성을 무시할 수 있어 매우 좋은 특성을 가진다. 이 인덕터는 작은 면적에 금속을 적층함으로써 10nH 이상의 인덕터를 구현할 수 있으며 상하부 금속 인덕터의 내경 및 회전수에 따라 적절한 인덕턴스 값을 가지는 여러 종류의 적층 인덕터를 만들 수 있다.
(실시예 3)
도 4는 산화된 다공성 실리콘층(42)을 가지는 실리콘 기판(41)위에 만들어진 MIM 커패시터를 나타낸 것으로서, 하부 전극용 금속판(43)을 형성하고 화학기상증착법에 의해 만들어진 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막이나 SOG 또는 폴리이미드와 같은 절연층(44) 위에 다시 상부 전극용 금속판(45)을 형성한 것으로 수 pF 이상의 커패시터를 만들 수 있다. 여기서, 커패시턴스의 값은 상하부의 금속의 면적 및 절연막의 두께에 의해 결정된다.
(실시예 4)
도 5는 산화된 다공성 실리콘 층(52)을 가지는 실리콘 기판(51)위에 만들어진 깍지낀 모양(interdigitated)의 커패시터를 나타낸 것으로서 제 4도의 MMI 커패시터에 비해 절연층이 필요없다. 따라서, 공정이 간단하며 수 pF 이하의 커패시터를 만드는데 주로 사용되고 절연된 두 금속판(53)의 손가락(finger)수 및 두 금속 사이의 폭에 의해 커패시턴스 값이 결정된다.
(실시예 5)
도 6은 산화된 다공성 실리콘층(62)를 가지는 실리콘 기판(61)위에 니켈-크롬과 같은 금속을 고진공 열증착 방법 등에 의해 만들어진 것으로 초고주파 영역에서의 박막 저항(63)소자로 사용할 수 있다. 저항의 양 끝에 적층되어 있는 금속선(64)은 저항의 양끝을 이어주는 금속으로 흔히 알루미늄(A1)이나 티타늄(Ti)/금(Au) 등으로 만들어 진다.
(실시예 6)
도 7은 산화된 다공성 실리콘층(72)을 가지는 실리콘 기판(71)위에 접지면(73)을 가지는 코플레이너 스트립라인 페치 안테나(coplanar stripline patch antenna)를 나타낸 것으로서, 금속 증착 및 패턴닝에 의해 안테나를 만들 수 있다. 이 구조의 안테나는 전장(electric field)이 주로 페치 안테나(74)와 접지면(73) 사이의 작은 틈에 주로 몰려 있어 인접선간의 상호 커플링(coupling)을 줄일 수 있으면 피드 라인(feed line)에 의한 크로스 폴러라이즈드 라디에이션(cross-polarized radiation)을 크게 감소 시킬 수 있고, 스트립라인 안테나에 비해 만들기가 용이하여 상대적으로 저가격으로 안테나를 실현할 수 있다.
(실시예 7)
상기한 코플레이너 스트립라인 페치 안테나를 산화된 다공성 실리콘층을 가지는 실리콘 기판위에 2×2,3×3에서부터 500×500 까지 가로 세로 같은 비율로 나열하거나, 2×1,2×3에서부터 499×500 까지 가로 세로 다른 비율로 조합하여 나열하여 배열 안테나(미도시)를 구현할 수도 있다.
(실시예 8)
도 8은 산화된 다공성 실리콘층(82)을 가지는 실리콘 기판(81)위에 접지면(83) 또는 신호선(85)을 상호 연결하기 위한 금속 에어 브리지(84)로 알루미늄(A1)이나 티타늄(Ti)/금(Au) 등으로 만들 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명은 산화막 다공성 실리콘 기판을 이용하여 초고주파 소자를 구현함으로써 1GHz 이상의 초고주파 영역에서 발생하는 얇은 실리콘 산화막 아래에 있는 실리콘 기판의 반전도 특성에 기인한 신호 손실을 방지할 수 있다.
또한, 산화막 다공성 실리콘 기판은 실리콘과 실리콘 산화막의 장점을 복합적으로 갖추고 있으므로 기존에 이용되던 알루미나 기판에 비해 열전도도, 높은 평탄도를 갖는 초고주파 소자를 저가격으로 구현할 수 있다.
Claims (7)
- 실리콘 기판(21)과, 상기 실리콘 기판(21) 위에 형성되고 상기 실리콘 기판(21)의 반전도 특성이 무시될 수 있는 30㎛의 두께를 갖는 산화된 다공성 실리콘층(22)과, 인턱터를 구성하는 금속선(23) 및 상기 인덕터의 금속선(23)을 상호 이어주는 에어브리지(24)를 포함하며, 상기 인덕터를 구성하는 금속선(23)을 산화된 다공성 실리콘층(22)을 가지는 실리콘 기판(21) 위에 증착시킨 다음 플래팅 공정으로 에어 브리지(24)를 형성시켜 인덕터의 금속선(23)을 상호 이어줌으로서 이루어지는 것을 특징으로 하는 평면 인덕터.
- 실리콘 기판(31)과, 상기 실리콘 기판(31) 위에 형성되고 상기 실리콘 기판(31)의 반전도 특성이 무시될 수 있는 두께를 갖는 산화된 다공성 실리콘층(32)과, 상기 산화된 다공성 실리콘층(32) 위에 순차적으로 형성되는 1차 인덕터(34), 절연층(33), 비아 홀(35) 및 상부 2차 인덕터(36)를 포함하며, 금속을 산화된 다공성 실리콘층(32)이 있는 실리콘 기판(31) 위에 올려 하부 1차 인덕터(34)를 만들고 중간층으로 절연층(33)을 두고, 식각에 의한 비아 홀(35)에 연결 부위를 형성한 다음, 그 위에 다시 상부 2차 인덕터(36)를 만들기 위해 금속을 적충하여 이루어짐으로서 10nH 이상의 인덕턴스를 갖는 것을 특징으로 하는 적층 인덕터.
- 실리콘 기판(41)과, 상기 실리콘 기판(41) 위에 형성되고 상기 실리콘 기판(41)의 반전도 특성이 무시될 수 있는 두께를 갖는 산화된 다공성 실리콘층(42)과, 상기 산화된 다공성 실리콘층(42) 위에 순차적으로 형성되는 하부 전극용 금속판(43), 절연층(44) 및 상부 전극용 금속판(45)을 포함하며, 금속을 산화된 다공성 실리콘층(42)을 가지는 실리콘 기판(41) 위에 올려 하부 전극용 금속판(43)을 형성하고, 그 위에 CVD 방법에 의해 만들어진 절연층(44)을 두며, 그 위에 다시 상부 전극용 금속판(45)을 형성하여 이루어짐으로써 수 pF 이상의 커패시턴스를 갖는 것을 특징으로 하는 MIM 커패시터.
- 실리콘 기판(51)과, 상기 실리콘 기판(51) 위에 형성되고 상기 실리콘 기판(51)의 반전도 특성이 무시될 수 있는 두께를 갖는 산화된 다공성 실리콘층(52)과, 상기 산화된 다공성 실리콘층(52) 위에 손가락을 깍지낀(interdigitated) 모양의 금속판(53)을 형성하여 이루어짐으로써 수 pF 이하의 커패시턴스를 갖는 것을 특징으로 하는 커패시터.
- 실리콘 기판(61)의 반전도 특성이 무시될 수 있는 두께를 갖는 산화된 다공성 실리콘층(62)을 가지는 실리콘 기판(61) 위에 금속을 고진공 열증착하여 박막 저항(63)을 만들고 상기 박막 저항(63)의 양끝을 이어주는 금속선(64)을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저항.
- 실리콘 기판(71)의 반전도 특성이 무시될 수 있는 두께를 갖는 산화된 다공성 실리콘층(72)을 가지는 실리콘 기판(72) 위에 금속 증착 및 패턴닝에 의해 만들어지는 페치 안테나(74)와, 상기 페치 안테나(74)를 둘러싸는 접지면(73)을 형성함으로써 인접선간의 상호 커플링(coupling)을 줄이는 동시에 피드(feed) 라인에 의한 크로스 폴러라이즈드 라디에이션(cross-polarized radiation)을 감소시키는 것을 특징으로 하는 코플레이너 스트립라인 페치 안테나.
- 실리콘 기판(81)의 반전도 특성이 무시도리 수 있는 두께를 갖는 산화된 다공성 실리콘층(82) 위에 형성되는 접지면(83) 또는 신호선(85)을 에어 브리지(84)를 이용하여 상호 연결하는 것을 특징으로 하는 금속 에어 브리지.
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1996
- 1996-08-09 KR KR1019960033270A patent/KR100314610B1/ko not_active IP Right Cessation
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