KR100691153B1 - Film bulk acoustic resonator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막 벌크 음향 공진기(FBAR)에 관한 것으로서, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 하부전극막과, 상기 하부전극막 상에 형성된 압전층과, 상기 압전층 상에 형성된 상부전극막을 포함하며, 상기 하부전극막은 Mo 및 W으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지며, 상기 상부전극막은 Al, Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 FBAR소자를 제공한다. The present invention relates to a thin film bulk acoustic resonator (FBAR), comprising a substrate, a lower electrode film formed on the substrate, a piezoelectric layer formed on the lower electrode film, and an upper electrode film formed on the piezoelectric layer, The lower electrode film is made of at least one material selected from the group consisting of Mo and W, the upper electrode film is provided with at least one material selected from the group consisting of Al, Au and Pt provides an FBAR device.
박막 벌크 음향 공진기(film bulk acoustic resonator: FBAR), 알루미늄(Al), 금(Au), 플라티늄(Pt) Film bulk acoustic resonators (FBAR), aluminum (Al), gold (Au), platinum (Pt)
Description
도1은 본 발명의 일 측면에 따른 FBAR소자를 나타낸다.1 shows an FBAR device according to one aspect of the present invention.
도2는 본 발명의 구체적인 실시형태에 따른 FBAR소자를 나타낸다.2 shows an FBAR device according to a specific embodiment of the present invention.
도3은 본 발명의 다른 측면에 따른 FBAR소자를 나타낸다.3 shows an FBAR device according to another aspect of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>
11,21,31: 기판 12,22,32: 멤브레인층11,21,31:
14,24,34: 하부전극막 15,25,35: 압전층14,24,34:
16,26,36: 상부전극막16, 26, 36: upper electrode film
본 발명은 박막 벌크 음향 공진기(film bulk acoustic resonator)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극막의 저항을 개선함으로써 불필요한 에너지손실이 저감된 고품질(high quality)의 FBAR소자에 관한 것이다. The present invention relates to a film bulk acoustic resonator, and more particularly, to a high quality FBAR device in which unnecessary energy loss is reduced by improving resistance of an electrode film.
최근의 통신기술이 급속히 발전함에 따라, 그에 상응하는 신호처리기술과 고주파(RF: ratio frequency)부품의 발전이 요구되고 있다. 특히, 하드웨어적 측면인 고주파 부품기술은 이동통신기기의 소형화추세에 따라 필터부품도 박막 벌크 음향 공진기(film bulk acoustic wave resonator)(또는 TFR(thin film resonator)로 대체되고 있다.As the recent communication technology is rapidly developed, the development of corresponding signal processing technology and radio frequency (RF) components is required. In particular, the high-frequency component technology, which is a hardware aspect, is being replaced by a thin film bulk acoustic wave resonator (TFR) according to the trend of miniaturization of mobile communication devices.
일반적으로, 박막 벌크 음향 공진기(이하, FBAR소자라 함)는 반도체 기판 상에 상하부전극과 그 사이의 압전층을 구비된 박막형태 기본구조를 갖는다. FBAR소자에서는, 상하부전극에 전압이 인가되면, 압전층의 공진특성에 의해 전기 에너지 일부를 음향파인 기계적 에너지로 변환하는 원리가 이용된다. 또한, FBAR소자는 압전층에서 발생되는 음향파가 기판에 영향 받지 않도록 활성영역에 대응하는 위치에 브래그 반사막(bragg reflector)구조와 에어갭(air gap)구조와 같은 다양한 형태의 격리구조를 가질 수 있다.In general, a thin film bulk acoustic resonator (hereinafter referred to as an FBAR device) has a thin film basic structure having an upper and lower electrodes and a piezoelectric layer therebetween on a semiconductor substrate. In the FBAR device, when a voltage is applied to the upper and lower electrodes, a principle of converting a part of electrical energy into mechanical energy, which is acoustic waves, is used by the resonance characteristic of the piezoelectric layer. In addition, the FBAR device may have various types of isolation structures such as a Bragg reflector structure and an air gap structure at a position corresponding to the active region so that acoustic waves generated in the piezoelectric layer are not affected by the substrate. have.
이러한 FBAR소자의 특성은 음향공진부를 구성하는 압전층과 상하부전극막에 의해 결정될 수 있다. 특히, 압전층의 압전특성과 상하부전극막의 전기적 기계적 특성은 FBAR소자의 Q값을 결정하는 중요인자가 된다. The characteristics of the FBAR device may be determined by the piezoelectric layer and the upper and lower electrode films constituting the acoustic resonance unit. In particular, the piezoelectric properties of the piezoelectric layer and the electrical mechanical properties of the upper and lower electrode films are important factors for determining the Q value of the FBAR device.
미국특허등록 제5,587,620호(공고일: 1996.12.24)에서는, FBAR소자의 특성을 향상시키기 위해서, 압전층은 우수한 압전특성을 갖는 질화알루미늄(AlN)을 사용하고, 상하부전극막은 높은 음향 임피던스를 갖는 몰리브덴(Mo) 또는 텅스텐(W)을 사용하는 방안을 제시하고 있다. In US Patent No. 5,587,620 (published date: December 24, 1996), in order to improve the characteristics of the FBAR device, the piezoelectric layer uses aluminum nitride (AlN) having excellent piezoelectric properties, and the upper and lower electrode films have molybdenum having high acoustic impedance. It is proposed to use (Mo) or tungsten (W).
하지만, 상기 전극막물질로서 몰리브덴(Mo) 또는 텅스텐(W)은 음향 임피던스 특성이 우수할지라도, 상대적으로 높은 전기적 비저항을 가지므로, 전기적 손실이 크다는 단점을 가지고 있다. 또한, 몰리브덴(Mo) 또는 텅스텐(W)은 대기중에서 쉽게 산화되는 열악한 특성을 가지고 있으므로, 산화에 따른 주파수 변동을 방지하기 위해서 산화방지층이 추가로 요구되는 단점을 가지고 있다.However, although the molybdenum (Mo) or tungsten (W) as the electrode film material has excellent acoustic impedance characteristics, it has a disadvantage in that electrical loss is large because it has a relatively high electrical resistivity. In addition, since molybdenum (Mo) or tungsten (W) has a poor characteristic of being easily oxidized in the air, there is a disadvantage that an antioxidant layer is additionally required to prevent the frequency fluctuation due to oxidation.
이와 같이, 당기술분야에서는 몰리브덴(Mo) 또는 텅스텐(W)은 우수한 음향 임피던스특성에도 불구하고, 비교적 높은 전기적 비저항과 낮은 내산화성으로 인해 FBAR소자의 전극막으로서 유익하게 사용되는데 한계로 인식되어 왔다. As such, in the art, molybdenum (Mo) or tungsten (W) has been recognized as a limit to being advantageously used as an electrode film of an FBAR device due to its relatively high electrical resistivity and low oxidation resistance, despite excellent acoustic impedance characteristics. .
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 전극막의 구조 및 구성물질을 개선함으로써 전기적 전도도 및/또는 내산화성이 향상된 FBAR 소자를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide an FBAR device having improved electrical conductivity and / or oxidation resistance by improving the structure and material of the electrode film.
상기한 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명의 일 측면은, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 하부전극막과, 상기 하부전극막 상에 형성된 압전층과, 상기 압전층 상에 형성된 상부전극막을 포함하며, 상기 하부전극막은 Mo 및 W으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지며, 상기 상부전극막은 Al, Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 FBAR소자를 제공한다.In order to realize the above technical problem, an aspect of the present invention includes a substrate, a lower electrode film formed on the substrate, a piezoelectric layer formed on the lower electrode film, and an upper electrode film formed on the piezoelectric layer. The lower electrode layer is formed of at least one material selected from the group consisting of Mo and W, and the upper electrode layer is formed of at least one material selected from the group consisting of Al, Au, and Pt. do.
상기 상부전극막은 서로 다른 물질로 이루어진 복수의 층을 포함할 수 있다 이 경우에, 바람직하게는 상기 상부전극막은 상기 압전층 상에 형성된 제1층 및 상기 제1 층 상에 형성된 제2층으로 이루어지며, 상기 제1 층은 Al 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지며, 상기 제2 층은 Au 또는 Pt로 이루어질 수 있다.The upper electrode film may include a plurality of layers made of different materials. In this case, the upper electrode film may include a first layer formed on the piezoelectric layer and a second layer formed on the first layer. The first layer may be made of at least one material selected from the group consisting of Al and Au, and the second layer may be made of Au or Pt.
본 발명의 다른 측면은, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 하부전극막과, 상기 하부전극막 상에 형성된 압전층과, 상기 압전층 상에 형성된 상부전극막을 포함하며, 상기 상부 및 하부전극막 중 적어도 하나는, Mo 및 W으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 제1층과, Al, Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 제2층을 포함하는 것을 특징으로 하는 FBAR 소자를 제공한다. Another aspect of the present invention includes a substrate, a lower electrode film formed on the substrate, a piezoelectric layer formed on the lower electrode film, and an upper electrode film formed on the piezoelectric layer, wherein the upper and lower electrode films At least one FBAR comprising a first layer of at least one material selected from the group consisting of Mo and W and a second layer of at least one material selected from the group consisting of Al, Au and Pt Provided is an element.
본 발명의 특정 실시형태에서, 상기 하부전극막은 상기 제1 및 제2층을 포함하며, 상기 제2층은 상기 기판 상에 형성되고, 상기 제1층은 상기 제2층 상에 형성되어 상기 압전층에 접할 수 있다. 이 경우에, 상기 상부전극막은 Al, Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 나아가, 상기 상부전극막은 상기 압전층 상에 형성되며 Al 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 하부층과, 상기 하부층 상에 형성되며 Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 상부층을 포함할 수 있다.In a particular embodiment of the present invention, the lower electrode film includes the first and second layers, the second layer is formed on the substrate, and the first layer is formed on the second layer to form the piezoelectric body. Can touch the floor. In this case, the upper electrode film may be made of at least one material selected from the group consisting of Al, Au, and Pt. Further, the upper electrode film is formed on the piezoelectric layer and formed of at least one material selected from the group consisting of Al and Au, and at least one material formed on the lower layer and selected from the group consisting of Au and Pt. It may include an upper layer.
다른 특정 실시형태에서, 상기 상부전극막은 상기 제1 및 제2층을 포함하며, 상기 제2층은 상기 압전층 상에 형성되고, 상기 제1층은 상기 제2층 상에 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 상부전극막의 제1층은 Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 한 물질로 이루어질 수 있다.In another specific embodiment, the upper electrode film may include the first and second layers, the second layer may be formed on the piezoelectric layer, and the first layer may be formed on the second layer. In this case, the first layer of the upper electrode film may be made of at least one material selected from the group consisting of Au and Pt.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도1은 본 발명의 일 측면에 따른 FBAR소자를 나타낸다.1 shows an FBAR device according to one aspect of the present invention.
도1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 FBAR소자(10)는 기판(11)과 그 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 하부전극막(14), 압전층(15) 및 상부전극막(16)을 포함한다. 본 실시형태는 음향공진부와 기판을 격리하는 수단으로서 에어갭을 채용한 형태로서 예시되어 있다. 즉, 상기 상하부전극막(16,14)과 압전층(15)이 중첩된 활성영역에 대응하는 기판(11) 상면영역에 에어갭(C)이 형성되며, 그 기판(11) 상에는 멤브레인층(12)이 제공된 구조를 갖는다.Referring to FIG. 1, the
본 실시형태에서, 상기 하부전극막(14)은 Mo 및 W으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지며, 상기 상부전극막(16)은 Al, Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진다. 상기 하부전극막(14)은 음향 임피던스특성을 고려하여 Mo 또는 W으로 사용함으로써 높은 Q값을 크게 저하시키지 않으면서, 상기 상부전극막(16)을 우수한 Al, Au 및 Pt 중 적어도 하나를 선택하여 형성함으로써 전기적 손실과 산화로 인한 신뢰성 저하를 크게 완 화시킬 수 있다.In the present embodiment, the
보다 구체적으로, 본 실시형태의 상부전극막(16)으로 채용되는 Al 및 Au는 하부전극막(14)으로 사용되는 Mo 및 W에 비해 전기전도도가 높으므로, 전기적 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, Au 및 Pt의 경우에는, 상기 하부전극막(14)으로 사용되는 Mo 및 W에 비해 내산화성이 우수하므로, 추가적인 산화방지층없이도 원하지 않는 주파수 및 특성변화에 대한 신뢰성을 크게 개선할 수 있다. 이와 같이, 상부전극막(16)의 구성물질을 Al, Au 및 Pt로부터 적절히 선택하여 형성함으로써, 전기 전도도를 높히고, 내산화특성을 향상시킬 수 있다.More specifically, Al and Au employed as the
본 발명에 따른 FBAR소자(10)의 상부전극막(16)은 Al, Au 및 Pt로부터 선택된 서로 다른 물질로 이루어진 복수층 구조로 형성될 수 있다. The
이러한 실시형태에서는, 전기전도도 측면과 내산화특성측면을 모두 고려하여 상부전극막을 보다 효과적으로 개선시킬 수 있다. 도2에는 복층구조의 상부전극막(26)을 채용함으로써 전기전도도와 내산화특성을 동시에 향상시킨 FBAR소자가 도시되어 있다.In such an embodiment, the upper electrode film can be more effectively improved in consideration of both the electrical conductivity side and the oxidation resistance side. FIG. 2 shows an FBAR device which improves electrical conductivity and oxidation resistance at the same time by employing a multilayered
도2에 도시된 FBAR소자(20)는 도1과 유사하게 상부 일영역에 에어갭(C)이 형성된 기판(21)을 포함한다. 상기 기판(21) 상에는 멤브레인층(22)이 형성되고, 그 멤브레인층(22) 상에는 순차적으로 하부전극막(24), 압전층(25) 및 상부전극막(26)이 형성된다. The FBAR
본 실시형태에 따른 상부전극막(26)은 상기 압전층(25) 상에 형성된 제1층 (26a)과 상기 제1층(26a) 상에 형성된 제2층(26b)으로 구성된다. 상기 제2층(26b)은 노출가능한 영역이므로, 내산화특성을 우수한 Au 또는 Pt로 형성한다. 또한, 상기 제1층(26a)은 전기적 전도도를 우수한 Al 또는 Au로 형성함으로써 높은 비저항을 갖는 하부전극막으로 인한 전기적 손실을 보상할 수 있다. 이와 같이, 상기 상부전극막(26)을 복층구조(26a,26b)로 채용하고 그 층위치에 따라 적절한 특성을 갖는 금속물질로 형성함으로써, 내산화특성은 물론 전기적 전도도도 우수한 전극막 특성을 기대할 수 있다. The
본 발명의 다른 측면에서는, 상하부전극막 중 적어도 하나의 전극막을 높은 음향 임피던스특성을 갖는 Mo 및 W과 함께, Al, Au 및 Pt로부터 선택된 적어도 하나의 금속물질로 형성함으로써 높은 Q특성을 유지하면서도 전기적 전도도 및/또는 내산화특성을 향상시킬 수 있는 FBAR 구조를 제공한다. 도3에는 이러한 FBAR소자가 도시되어 있다.In another aspect of the present invention, at least one electrode film of the upper and lower electrode films together with Mo and W having high acoustic impedance characteristics is formed of at least one metal material selected from Al, Au and Pt to maintain high Q characteristics while maintaining electrical characteristics. Provided is an FBAR structure that can improve conductivity and / or oxidation resistance. 3 shows such an FBAR device.
도3에 도시된 FBAR소자(30)는 앞서 실시형태들과 유사하게 상부 일영역에 에어갭(C)이 형성된 기판(31)을 포함하며, 상기 기판(31) 상에는 멤브레인층(32)이 형성된다. 또한, 상기 FBAR소자(30)는 상기 멤브레인층(32) 상에는 순차적으로 형성된 하부전극막(34), 압전층(35) 및 상부전극막(36)을 포함한다.Similarly to the previous embodiments, the
본 실시형태에 따른 하부전극막(34)은 상기 멤브레인층(32) 상에 형성된 제2층(34b)과 상기 제2층(34b) 상에 형성된 제1층(34a)으로 구성된다. 상기 제2층 (34b)은 Al, Au 및 Pt 중 적어도 한 금속으로 형성할 수 있으며, 바람직하게는 전기적 전도도가 우수한 Al 또는 Au로 형성한다. 상기 제1층(34a)은 상기 압전층(35)과 직접 접촉하는 층으로서 우수한 음향임피던스특성을 갖는 Mo 또는 W으로 형성한다. 이러한 하부전극막(34) 구조에서는, 전기적 전도도가 높은 제2층(34b)을 통해 전기적 손실을 저감시키는 동시에, 높은 음향임피던스를 갖는 제1층(34a)을 통해 높은 Q값을 유지할 수 있다.The
이와 유사하게, 본 실시형태에 따른 상부전극막(36)은 상기 압전층(34) 상에 형성된 제1층(36a)과 상기 제1층(36a) 상에 형성된 제2층(36b)으로 구성된다. 압전층(35)과 직접 접촉하는 제1층(36a)은 음향임피던스가 우수한 Mo 또는 W으로 형성한다. 상기 제2층(36b)은 Al, Au 및 Pt 중 적어도 한 금속으로 형성할 수 있으며, 바람직하게는 노출가능한 영역이므로 내산화특성을 우수한 Au 또는 Pt로 형성한다. 보다 바람직하게는 내산화특성과 전기적 전도도가 모두 우수한 Au로 형성할 수 있다. 이러한 상부전극막(36) 구조에서는, 높은 음향임피던스를 갖는 제1층(34a)을 통해 높은 Q값을 유지하면서 제2층(36b)을 통해 전기적 전도도 및/또는 내산화성을 향상시킬 수 있다.Similarly, the
도3에 도시된 실시형태에서는, 상하부전극막에 대해 모두 Mo 및 W으로부터 선택된 적어도 하나의 금속물질로 이루어진 제1층과, Al, Au 및 Pt로부터 선택된 적어도 하나의 금속물질로 이루어진 제2층을 채용한 형태를 예시하였으나, 본 발명 은 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상부전극막 및 하부전극막 중 일 전극만을 본 발명에 따른 복층구조로 형성할 수 있으며, 이 또한 본 발명에 속한다고 할 수 있다.In the embodiment shown in Fig. 3, for the upper and lower electrode films, a first layer made of at least one metal material selected from Mo and W, and a second layer made of at least one metal material selected from Al, Au, and Pt, Although the form employ | adopted was illustrated, this invention is not limited to this. That is, only one electrode of the upper electrode film and the lower electrode film can be formed in a multilayer structure according to the present invention, which can also be said to belong to the present invention.
나아가, 도1 내지 도3에 도시된 FBAR소자는 기판과 음향공진부의 격리구조로서 에어갭 형성위치에 희생층을 형성하고 박막증착후에 비아홀을 통해 희생층을 제거하여 얻어진 에어-브릿지(air-bridge)구조의 일형태를 예시하였으나 다른 격리구조를 채용한 FBAR소자에서도 본 발명에 따른 전극막이 적용될 수 있다. In addition, the FBAR device shown in FIGS. 1 to 3 is an isolation structure of the substrate and the acoustic resonator unit. Although one embodiment of the structure is illustrated, the electrode film according to the present invention can be applied to an FBAR element employing another isolation structure.
예를 들어, 본 발명은 기판 후면을 에칭하여 캐비티를 형성하여 얻어진 에칭캐비티구조를 사용할 수 있으며, 다른 음향임피던스특성을 갖는 복수의 층을 교대로 형성하여 얻어진 브래그반사구조를 채용하는 다양한 FBAR소자에서 적용되어 유사한 전기적 손실 저감효과 및 산화로 인한 주파수변동 및 특성 저하를 방지할 수 있다.For example, the present invention can use an etching cavity structure obtained by etching a substrate backside to form a cavity, and in various FBAR devices employing Bragg reflection structures obtained by alternately forming a plurality of layers having different acoustic impedance characteristics. It can be applied to prevent similar electric loss reduction effect and frequency fluctuation and characteristic degradation due to oxidation.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.As such, the invention is not to be limited by the foregoing embodiments and the accompanying drawings, which are intended to be limited by the appended claims. Accordingly, various forms of substitution, modification, and alteration may be made by those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims, which are also within the scope of the present invention. something to do.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 상부전극막 또는 하부전극막의 금속물질을 전기적 전도도 및/또는 내산화특성이 우수한 Au, Al 및 Pt로부터 선택된 적어도 하나의 금속으로 부분적으로 대체함으로써 FBAR소자의 전기적 손실 및 산화로 인한 특성저하를 저감시킬 수 있다. 특히, 상부/하부전극막의 구조를 복층구조로 형성하고, 각 층의 위치에 따라 적절한 특성의 금속물질을 채용함으로써 전기적 전도도 및 내산화성이 우수한 고품질 FBAR소자를 제공할 수 있다.As described above, according to the present invention, the FBAR device is electrically replaced by partially replacing the metal material of the upper electrode film or the lower electrode film with at least one metal selected from Au, Al, and Pt having excellent electrical conductivity and / or oxidation resistance. Characteristic degradation due to loss and oxidation can be reduced. In particular, it is possible to provide a high quality FBAR device having excellent electrical conductivity and oxidation resistance by forming a structure of the upper / lower electrode film in a multilayer structure and employing a metal material having appropriate characteristics according to the position of each layer.
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JPH06350154A (en) * | 1993-06-08 | 1994-12-22 | Seiko Epson Corp | Piezoelectric thin film element |
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KR20040075546A (en) * | 2003-02-21 | 2004-08-30 | 엘지전자 주식회사 | Film Bulk Acoustic Resonator and duplexer filter having thereof and semiconductor package for it |
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2005
- 2005-03-15 KR KR1020050021452A patent/KR100691153B1/en not_active IP Right Cessation
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