KR101192412B1 - Ｒｆ 멤스 스위치 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 RF 멤스 스위치 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 기판, 기판 위에 배치되어 바이어스 전압을 공급하는 바이어스 전극, 기판 위에 배치되어 상호 이격 되어 일측에서 타측으로RF 신호를 전송하는 한 쌍의 신호 전극, 한 쌍의 신호 전극과 중첩하여 한 쌍의 신호 전극의 위에 형성된 유전체층, 한 쌍의 신호 전극 및 유전체층과 중첩하여 유전체층의 상부에 형성된 멤브레인 전극, 멤브레인 전극과 바이어스 전극 사이를 연결하는 바이어스 라인, 유전체층을 사이에 두고 멤브레인 전극과 중첩되게 형성된 적어도 하나의 풀링 전극, 및 한 쌍의 신호 전극 중 어느 하나와 풀링 전극을 연결하는 풀링 라인을 포함하는 RF 멤스 스위치 소자를 제공할 수 있다.

Description

ＲＦ 멤스 스위치 소자 및 이의 제조방법{RF MEMS SWITCH DEVICE AND MENUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 RF 멤스 스위치 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

MEMS스위치 소자는 기계적 부품들을 반도체 공정을 이용하여 전기적 스위치 소자로 구현하는 기술이다.

MEMS 스위치 소자는 반도체 스위치에 비해 스위치 온의 경우 낮은 삽입 손실과 스위치 오프의 경우 높은 감쇄 특성을 나타낸다. 또한, 스위치 구동 전력이 반도체 스위치 소자에 비해 적은 장점이 있다. 그러나, 정전 인력이 대향 전극 사이의 거리의 역수에 비례하므로 MEMS 스위치 소자는 대향 전극 사이의 거리가 멀어질수록 정전 인력이 작아져 큰 구동 전압을 필요로한다. 이때, 구동 전압을 낮추기 위해 정전 인력을 발생시키는 멤브레인 전극과 신호 전극 사이의 교차 면적을 크게 만들거나, 멤브레인 전극과 신호 전극 사이의 거리를 가깝게 할 경우 스위치 오프 시 전기적 절연 특성이 저하된다.

또한, 멤브레인 전극과 신호 전극 사이의 유전체에 전하가 축적되면 멤브레인 전극이 신호 전극으로부터 떨어지지 않는 접착(stiction) 현상이 발생한다. 이러한 접착 현상은 정전 인력을 제어하는 구동 전압의 크기와, 멤브레인 전극 및 신호 전극 사이의 교차 면적에 비례하여 심화된다.

따라서, 멤브레인 전극과 신호 전극 사이의 간격이 일정한 상태를 유지하고 작은 교차 면적으로 낮은 구동 전압 하에서 구동하는 MEMS 스위치 소자의 개발이 요구된다.

본 발명은 스위치 온/오프 특성이 개선된 RF 멤스 스위치 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 기판; 상기 기판 위에 배치되어 바이어스 전압을 공급하는 바이어스 전극; 상기 기판 위에 배치되어 상호 이격 되어 일측에서 타측으로RF 신호를 전송하는 한 쌍의 신호 전극; 상기 한 쌍의 신호 전극과 중첩하여 상기 한 쌍의 신호 전극의 위에 형성된 유전체층; 상기 한 쌍의 신호 전극 및 상기 유전체층과 중첩하여 상기 유전체층의 상부에 형성된 멤브레인 전극; 상기 멤브레인 전극과 상기 바이어스 전극 사이를 연결하는 바이어스 라인; 상기 유전체층을 사이에 두고 상기 멤브레인 전극과 중첩되게 형성된 적어도 하나의 풀링 전극; 및 상기 한 쌍의 신호 전극 중 어느 하나와 상기 풀링 전극을 연결하는 풀링 라인을 포함하는 RF 멤스 스위치 소자를 제공할 수 있다.

상기 풀링 전극은 상기 신호 전극과 동일 평면에 상기 신호 전극과 절연되게 형성될 수 있다.

상기 바이어스 라인 또는 상기 풀링 라인은 SiCr, Ti, TiW 중 어느 하나를 포함하는 고저항의 전도성 물질 또는 도핑된 Si, SiC 중 어느 하나를 포함하는 전도성 물질로 형성될 수 있다.

상기 멤브레인 전극은 상기 바이어스 전압이 인가되면 상기 유전체층과 접촉하여 상기 신호 전극 중 일측의 신호 전극에 인가된 RF 신호를 타측 신호 전극으로 전송할 수 있다.

본 발명의 제1 실시 예에 따른 RF 멤스 스위치 소자는 상기 멤브레인 전극과 연결되는 적어도 하나의 연결 전극을 더 포함하되, 상기 연결 전극은 상기 바이어스 라인과 전기적으로 연결될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판; 상기 기판 위에 배치되어 바이어스 전압을 공급하는 바이어스 전극; 상기 기판 위에 배치되어 일측단에 인가된 RF 신호를 타측단으로 전송하는 신호 전극; 상기 신호 전극 과 중첩하여 상기 한 쌍의 신호 전극의 위에 형성된 유전체층; 상기 신호 전극 및 유전체층과 중첩하여 상기 유전체층의 상부에 형성된 멤브레인 전극; 상기 멤브레인 전극의 양 끝단 중 적어도 어느 하나와 연결되는 그라운드 전극; 상기 멤브레인 전극과 상기 바이어스 전극 사이를 연결하는 바이어스 라인; 상기 유전체층을 사이에 두고 상기 멤브레인 전극과 중첩되게 형성된 적어도 하나의 풀링 전극; 및 상기 신호 전극의 양끝단 중 어느 하나와 상기 풀링 전극을 연결하는 풀링 라인을 포함하는 RF 멤스 스위치 소자를 제공할 수 있다.

상기 멤브레인 전극은 상기 바이어스 전압이 인가되면 상기 유전체층과 접촉하여 상기 신호 전극의 일단에 인가된 상기 RF 신호를 상기 그라운드 전극으로 바이패스 시키고, 상기 바이어스 전압이 제거되면 상기 유전체층으로부터 이격되어 복원될 수 있다.

상기 풀링 전극은 상기 신호 전극과 동일 평면에 상기 신호 전극과 절연되게 형성될 수 있다.

상기 바이어스 라인 또는 상기 풀링 라인은 SiCr, Ti, TiW 중 어느 하나를 포함하는 고저항의 전도성 물질 또는 도핑된 Si 및 도핑된 SiC 중 어느 하나를 포함하는 전도성 물질로 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 의하면, (a) 바이어스 라인, 풀링 라인 및 풀링 전극 중 어느 하나를 형성하는 단계; (b) 상기 바이어스 라인의 일단과 접속된 바이어스 전극, 상기 바이어스 라인의 타단과 연결된 연결 전극 및 서로 이격되며 어느 하나가 상기 풀링 라인과 연결되는 신호 전극 중 어느 하나의 전극을 형성하는 단계; (c) 상기 신호 전극과 중첩되는 유전체층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 연결 전극과 접속하며, 상기 풀링 전극, 상기 신호 전극 및 상기 유전체층과 중첩하도록 멤브레인 전극을 형성하는 단계를 포함하는 RF 멤스 스위치 소자의 제조 방법을 제공할 수 있다.상기 단계 (a)는 SiCr, Ti, TiW 등의 고저항 전도성 물질 또는 도핑된 Si, SiC 중 어느 하나를 포함하는 전도성 물질이 패터닝될 수 있다.

상기 단계 (b)는 Au, Al, Cu, Mo, W, Pt, Ru, Ni 중 어느 하나로 이루어지거나, Au, Al, Cu, Mo, W, Pt, Ru, Ni 중 어느 하나를 포함하는 합금 물질로 형성될 수 있다.

상기 단계 (d)는 상기 유전체층 상부에 희생층을 형성하는 단계; 상기 연결 전극과 중첩하는 영역의 상기 희생층과 상기 유전체층을 제거하여 상기 연결 전극의 상부를 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계; 상기 콘택홀을 통해 상기 연결 전극과 접속하고 상기 희생층의 위에 배치되는 상기 멤브레인 전극을 형성하는 단계; 및 상기 희생층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 멤브레인 전극은 Au, Al, Cu, Mo, W, Pt, Ru, Ni 중 어느 하나로 이루어지거나, Au, Al, Cu, Mo, W, Pt, Ru, Ni 중 어느 하나를 포함하는 합금 물질로 이루어질 수 있다.

상기 단계 (a) 이전에, 기판을 덮는 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 멤브레인 전극과 중첩되는 풀링 전극이 형성되어 스위치 온/오프 특성을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 멤스 스위치 소자를 도시한 평면도.
도 2는 도 1에 도시된 멤스 스위치의 I-I' 선을 따라 절단된 단면을 도시한 단면도.
도 3은 도 1에 도시된 멤스 스위치의 등가 회로를 도시한 회로도.
도 4 내지 도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 멤스 스위치의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들.
도 18는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 멤스 스위치를 도시한 평면도.
도 19는 도 18에 도시된 멤스 스위치의 II-II' 선을 따라 절단된 단면을 도시한 단면도.
도 20은 도 18에 도시된 멤스 스위치의 등가 회로를 도시한 회로도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 RF 멤스 스위치 소자 및 이의 제조방법에 관하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 멤스 스위치 소자를 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 멤스 스위치의 I-I' 선을 따라 절단된 단면을 도시한 단면도이다. 여기서 도 1은 연속 구조의 멤스 스위치 소자의 실시 예를 나타낸다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 멤스 스위치 소자는 기판(10), 버퍼층(20), 바이어스 전극(80), 신호 전극(70a, 70b), 유전체층(100), 멤브레인 전극(150), 바이어스 라인(30), 풀링 전극(60a, 60b), 풀링 라인(40) 및 외곽 그라운드(90)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 기판(10)은 RF 특성을 유지하기 위해 고저항 실리콘 웨이퍼, 글라스(Glass) 또는 GaAs 등의 반도체 공정에서 사용될 수 있는 재질로 구성될 수 있다.

버퍼층(20)은 후속하는 바이어스 전극(80), 신호 전극(70a, 70b), 바이어스 라인(30), 풀링 전극(60a, 60b) 또는 풀링 라인(40)과의 계면 특성을 향상시킨다. 이러한 버퍼층(20)은 화학 기상 증착법에 의해 기판(10) 상에 성막된다. 버퍼층(20)은 예컨대, SiNx, SiOx 또는 SiOxNx 등의 물질로 형성될 수 있다.

바이어스 전극(80)은 DC 바이어스 전압을 공급하기 위한 전극으로, 기판(10)의 일측에 형성될 수 있다. 바이어스 전극(80)은 외부로 노출되어 바이어스 전압이 공급될 수 있다. 바이어스 전극(80)은 고융점, 저저항 금속 물질로 형성될 수 있다. 바이어스 전극(80)은 Au, Cu, Al, Mo, W, Pt, Ru, Ni 등의 금속 물질 중 적어도 어느 하나로 이루어진 금속 패드 또는 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금일 수 있다.

신호 전극(70a, 70b)은 한 쌍으로 형성되어 일측에서 인가된 RF 신호를 타측으로 전송한다. 이때, 신호 전극(70a, 70b)은 소정 간격으로 이격될 수 있으며, RF 신호가 커플링 되지 않을 정도로 이격되는 것이 바람직하다. 신호 전극(70a, 70b)은 유전체층(100)을 사이에 두고 소정 영역이 멤브레인 전극(150)과 중첩되도록 형성될 수 있다. 신호 전극(70a, 70b)은 멤브레인 전극(150)과 중첩되는 영역에서 바이어스 전압이 인가되면 멤브레인 전극(150)과 커플링되어 일측 신호 전극(50a)에서 타측 신호 전극(50b)으로 RF 신호가 커플링될 수 있다. 신호 전극(70a, 70b)은 고융점, 저저항 금속 물질로 형성될 수 있다. 신호 전극(70a, 70b)은 Au, Cu, Al, Mo, W, Pt, Ru, Ni 등의 금속 물질 중 적어도 어느 하나로 이루어진 금속 패드 또는 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금일 수 있다.

멤브레인 전극(150)은 바이어스 전압이 인가되면 유전체층(100)과 접촉하도록 변형된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 멤브레인 전극(150)은 바이어스 전압이 인가되지 않을 경우 유전체층(100)의 상부와 맞닿지 않도록 위치하고, 바이어스 전압이 입력되면 멤브레인 전극(150)이 유전체층(100)과 맞닿도록 하부로 이동한다.

멤브레인 전극(150)은 상하로 이동이 가능하도록 탄성을 가져야 되며, 바이어스 전압이 제거될 경우 복원력을 가지는 물질로 형성된다. 예를 들면, 멤브레인 전극(150)은 Au, Al, Cu, Mo, W, Pt, Ru, Ni 중 어느 하나로 이루어지거나, Au, Al, Cu, Mo, W, Pt, Ru, Ni 중 어느 하나를 포함하는 금속 물질일 수 있다.

유전체층(100)은 신호 전극(70a, 70b), 바이어스 라인(30), 풀링 전극(60a, 60b) 및 풀링 라인(40)의 상부에 형성될 수 있다. 유전체층(100)은 고유전율 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 유전체층(100)은 SiO2, SiNx, ZrO2, TiO2, TaO2, BST, PZT 계열 물질 등이 사용될 수 있다.

유전체층(100)은 신호 전극(70a, 70b) 뿐만 아니라 풀링 전극(60a, 60b)의 상부를 덮도록 형성될 수도 있다.

바이어스 라인(30)은 멤브레인 전극(150)의 일측과 전기적으로 연결된다. 바이어스 라인(30)은 RF 신호가 바이어스 전극(80)으로 역류하는 것을 방지하도록 고저항 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 바이어스 라인(30)은 SiCr, Ti, TiW, 도핑된 Si, SiC등의 물질 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다. 이때, 바이어스 라인(30)과 멤브레인 전극(150)을 연결하기 위한 연결 전극(50a, 50b)이 더 형성될 수 있다.

연결 전극(50a, 50b)은 신호 전극(70a, 70b) 또는 풀링 전극(60a, 60b)과 동일 평면에 형성될 수 있으며, 고융점 저저항 금속 물질 또는 고정할 금속 물질 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 연결 전극(50a, 50b)은 바이어스 라인(30)과 연결되며, 콘택홀(120a, 120b)을 통해 멤브레인 전극(150)과 연결됨으로써 바이어스 전압을 멤브레인 전극(150)에 공급하도록 할 수 있다.

풀링 전극(60a, 60b)은 신호 전극(70a, 70b)과 동일 평면상에 신호 전극(70a, 70b)과 절연되게 형성될 수 있다. 풀링 전극(60a, 60b)은 소정의 면적을 가지도록 멤브레인 전극(150)과 유전체를 사이에 두고 중첩되게 형성되어 풀링 면적을 증가시키고, 멤스 스위치 소자의 커패시턴스 값을 증가시킨다. 여기서, 유전체는 유전체층(100) 또는 공기일 수 있다. 풀링 전극(60a, 60b)은 고융점, 저저항 금속 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 풀링 전극(60a, 60b)은 Au, Al, Cu, Mo, W, Pt, Ru, Ni 등의 금속 물질 중 적어도 어느 하나로 이루어진 금속 패드 또는 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금일 수 있다.

풀링 라인(40)은 신호 전극(70a, 70b) 중 어느 일측의 전극과 풀링 전극(60a, 60b)을 연결하도록 형성된다. 풀링 라인(40)은 신호 전극(70a, 70b)에 인가된 RF 신호가 풀링 전극(60a, 60b)으로 역류하는 것을 방지하도록 고저항 금속 물질로 형성된다. 예를 들면, 풀링 라인(40)은 바이어스 라인(30)과 동일하게 SiCr, Ti, TiW 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.

외곽 그라운드(90)는 기판(10)의 가장자리를 따라 버퍼층(20) 상에 형성된다.

도 3은 도 1에 도시된 멤스 스위치의 등가 회로를 도시한 회로도이다. 여기서는 도 1에 도시된 멤스 스위치의 구성 요소의 참조 번호를 인용하여 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 멤스 스위치는 바이어스 전극(80)에 소정의 직류 바이어스 전압을 인가하면 정전기력이 발생하여 멤브레인 전극(150)과 신호 전극(70a, 70b) 및 풀링 전극(60a, 60b) 사이에 인력이 발생된다. 이때, 신호 전극(70a, 70b)과 풀링 전극(60a, 60b)은 기판에 고정되므로 탄성을 갖는 멤브레인 전극(150)이 신호 전극(70a, 70b) 방향으로 휘어진다. 이때, 멤브레인 전극(150)이 유전체층(100)과 접촉하면 신호 전극(70a, 70b)의 일측에 인가된 RF 신호가 커플링에 의해 타측의 신호 전극에 전송된다. 풀링 전극(60a, 60b)은 커패시터로 작용하는 풀링 면적을 증가시켜 동일한 구동 전압을 인가받아도 증가된 면적만큼 정전기력을 증가시키므로 낮은 구동 전압으로 인가받아도 멤브레인 전극(150)을 휘어지게 만들 수 있다.

여기서, 풀링 전극(60a, 60b)과 신호 전극(70a, 70b) 사이에 연결된 풀링 라인(40)은 고저항 금속 물질로 형성되므로 풀링 전극과 신호 전극 사이에 형성되는 캐패시터에 의한 RF 신호 커플링을 방지할 수 있다.

본 발명의 제1 실시 예에 따른 RF 멤스 스위치 소자는 풀링 전극(60a, 60b)이 형성되어 풀링 전극(60a, 60b)이 형성되지 않을 경우보다 큰 커패시턴스 값을 가지기 때문에 구동 전압을 낮추면서도 고저항 풀링 라인을 도입하여 형성된 캐패시터에 의해 RF 신호 커플링이 방지된다. 이에 따라, RF 멤스 스위치 소자의 온/오프 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 RF 멤스 스위치 소자는 풀링 전극(60a, 60b)의 높이가 신호 전극(70a, 70b)의 높이보다 낮게 형성되기 때문에 스위치 온 시에 풀링 전극(60a, 60b)에 의한 접촉 면적의 증가없이 장시간 구동시에 발생되는 멤브레인 전극(150)과 신호 전극(70a, 70b)의 접착 문제를 해결 수 있다.

도 4 내지 도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 멤스 스위치 소자의 제조방법을 순차적으로 도시한 도면들이다. 도 3, 도 4, 도 6, 도 8, 도 9, 도 10, 도 12, 도 13, 도 14, 도 16 및 도 17은 RF 메스 스위치 소자의 제조 방법을 효과적으로 설명하기 위해 도 2와 같이 도 1에 도시된 I-I'선을 따라 절단된 단면으로 도시하였다.

도 4 내지 도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 멤스 스위치 소자의 제조방법은 버퍼층 형성 단계, 바이어스 라인, 풀링 라인 및 풀링 전극 형성 단계, 신호 전극 및 바이어스 전극 형성 단계, 유전체층 형성 단계, 희생층 형성 단계, 콘택홀의 형성과 전극 노출 단계, 패드 형성 단계 및 멤브레인 전극 형성 단계를 포함할 수 있다.

구체적으로, 도 4를 참조하면, 버퍼층 형성 단계에서는 기판(10)에 버퍼층(20)을 형성한다. 웨이퍼 등의 기판(10)에 5000Å 정도의 두께로 SiO2, SiNx 등의 절연 물질로 성막하여 버퍼층(20)을 형성한다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 바이어스 라인, 풀링 라인 및 풀링전극 형성 단계에서는 버퍼층(20)의 상부에 바이어스 라인(30)을 형성한다. 우선, 스퍼터링 등의 증착 방법을 이용하여 버퍼층(20)의 상부에 SiCr, Ti, TiW등의 금속 물질 또는 도핑된 Si, SiC 등의 물질로 금속층을 형성한다. 이어서, 포토 리소그라피 공정을 통해 금속층을 식각하여 바이어스 라인(30)을 형성한다. 이때, 동일 공정으로 풀링 라인(40)을 형성할 수 있다. 바이어스 라인(30)과 풀링 라인(40), 풀링 전극(60a, 60b)은 고저항을 갖도록 길이가 최대로 늘어나는 형태로 금속층을 패터닝하여 형성할 수 있다.

또한, 바이어스 라인(30), 풀링 라인(40) 및 풀링 전극(60a, 60b)은 포토 리소그라피 공정 이외에 프린트 또는 스크린 공정을 이용하여 형성할 수도 있다.

이어서, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 신호 전극 및 바이어스 전극 형성 단계에서는 신호 전극(70a, 70b) 및 바이어스 전극(80)을 포함하는 하부 전극층을 형성한다. 이때, 멤브레인 전극과 연결될 연결 전극(50a, 50b)을 하부 전극층으로 더 형성할 수 있다. 또한, 기판의 주변에 외곽 그라운드를 하부 전극층으로 더 형성할 수 있다.

하부 전극층은 Au, Al, Cu, Mo, W, Pt, Ru 중 어느 하나 또는 Au, Al, Cu, Mo, W, Pt, Ru 중 어느 하나를 포함하는 합금 물질을 이용하여 스퍼터링 등의 증착 방법으로 버퍼층(20) 상에 금속층을 형성한 후 포토 리소그라피 공정을 통해 금속층을 식각하여 형성한다. 여기서, 신호 전극(70a, 70b)의 일측은 풀링 전극(60a, 60b)과 연결된 풀링 라인(40)에 접속되도록 형성된다. 또한, 바이어스 전극(80)의 일측은 연결 전극(50a, 50b)의 일측과 연결되도록 형성된다.

다음으로, 도 9에 도시된 바와 같이 유전체층 형성 단계에서는 바이어스 라인(30), 풀링 라인(40), 바이어스 전극(80), 풀링 전극(60a, 60b), 신호 전극(70a, 70b) 또는 외곽 그라운드(90)를 덮는 유전체층(100)을 형성한다.

유전체층(100)은 CVD 및 스퍼터(Sputter) 공정 등의 박막 증착 공정을 통해 고유전율을 가지는 SiO2, SiNx, ZrO2, TiO2, TaO2, BST, PZT 계열 물질을 기판(10)의 전면에 약 500Å 내지 약 5000Å 의 두께로 증착하여 형성한다.

다음으로, 도 10에 도시된 바와 같이 희생층 형성 단계에서는 유전체층(100)의 상부에 수 마이크로미터 이상의 두께로 희생층(110)을 형성한다. 희생층(110)은 폴리 이미드, 포토레지스트 등의 폴리머 물질이나, SiO2, 폴리 실리콘 등으로 형성한다. 이러한, 희생층(110)은 스핀 코팅 및 박막 증착 등의 방법을 통해 형성된다.

이어서, 도 11, 도 12및 도 13에 도시된 바와 같이, 콘택홀의 형성과 전극 노출 단계는 희생층(110)을 식각하는 단계와 유전체층(100)을 식각하는 단계를 포함한다.

희생층(110)을 식각하는 단계에서는 소정의 감광제를 사용한 마스크 공정을 통해 연결 전극(50a, 50b), 바이어스 전극(80) 또는 외곽 그라운드(90)와 중첩하는 희생층(110)의 일부 영역을 식각한다.

유전체층(110)을 식각하는 단계에서는 식각된 희생층(110)을 통해 노출된 유전체층(110)을 식각한다. 유전체층(110)의 식각은 희생층(110)의 식각과 마찬가지로 소정의 감광제를 사용한 마스크 공정을 통해 진행할 수 있다. 이러한 유전체층(110)의 식각을 통해 연결 전극(50a, 50b)의 상부를 노출시키는 콘택홀(120a, 120b)을 형성한다. 또한, 유전체층(110)을 식각하는 단계에서는 유전체층(110)의 식각을 통해 바이어스 전극(80) 또는 외곽 그라운드(90)의 상부도 노출시킨다.

다음으로, 도 14에 도시된 바와 같이 패드 형성 단계에서는 노출된 바이어스 전극 및 외곽 그라운드와 결합하도록 금속층을 형성한 후 포토 리소그라피 공정으로 금속층을 패터닝하여 바이어스 전극 및 외곽 그라운드 각각을 금속 패드로 형성한다. 여기서 바이어스 전극 및 외곽 그라운드 전극 각각은 금속 패드로 형성되어 외부로 노출되고 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있다.

다음으로, 도 15, 도 16및 도17에 도시된 바와 같이, 멤브레인 전극 형성 단계에서는 멤브레인 전극(150)을 형성하고 희생층(110)을 제거한다.

구체적으로 도 15 및 도 16을 참조하여 희생층(110) 및 노출된 연결 전극(50a, 50b)의 상부에 스퍼터링 등의 방법을 이용하여 Au, Al, Cu, Mo, W, Pt, Ru, Ni 중 어느 하나 또는 Au, Al, Cu, Mo, W, Pt, Ru, Ni 중 어느 하나를 포함하는 금속 물질을 증착한다. 그리고, 패터닝 공정을 통해 연결 전극(50a, 50b)을 연결하는 멤브레인 전극(150)을 형성한다. 이때, 멤브레인 전극(150)은 콘택홀(120a, 120b)을 통해 연결 전극(50a, 50b)과 연결된다.

이어서 도 17을 참조하여 유전체층(100) 상에 형성된 희생층(110)을 제거한다. 희생층(110)이 제거되어 유전체층(100)이 노출된다.

여기서 희생층(110)의 식각은 희생층(110)의 종류에 따라 반응성 이온 식각 또는 습식 식각 방법을 이용할 수 있다.

도 18은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 RF 멤스 스위치 소자를 도시한 평면도이다. 도 19는 도 18에 도시된 멤스 스위치의 II-II' 선을 따라 절단된 단면을 도시한 단면도이다. 여기서 도 18은 분기 구조의 멤스 스위치 소자의 실시 예를 나타낸다.

도 18 및 도 19를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 RF멤스 스위치 소자는 기판(10), 버퍼층(20), 그라운드 전극(190a, 190b), 바이어스 전극(80), 신호 전극(70), 유전체층(100), 멤브레인 전극(150), 바이어스 라인(30), 풀링 전극(60a, 60b), 풀링 라인(40) 및 외곽 그라운드(90)를 포함할 수 있다. 여기서는 도 1 및 도 2와 비교하여 중복되는 구성 요소의 상세한 설명을 생략하거나 간략하게 서술한다.

구체적으로, 기판(10)은 RF 특성을 유지하기 위해 고저항 실리콘 웨이퍼, 글라스(Glass) 또는 GaAs 등의 반도체 공정에서 사용될 수 있는 재질로 구성될 수 있다.

버퍼층(20)은 기판(10) 상에 형성되어 기판(10)의 계면 특성을 향상시킨다.

바이어스 전극(80)은 바이어스 전압을 공급하기 위한 전극으로, 기판(10)의 일측에 형성될 수 있다.

신호 전극(70)은 일측단에 인가된 RF 신호를 타측단으로 전송한다. 신호 전극(70)은 긴 막대 형태로 형성될 수 있으며, 양측 끝단이 외부와 연결되도록 노출될 수 있다. 이때, 신호 전극(70)은 유전체층(100)을 사이에 두고 소정 영역이 멤브레인 전극(150)과 중첩되도록 형성될 수 있다. 신호 전극(70)은 고융점, 저저항 금속 물질로 형성될 수 있다. 신호 전극(70)은 Au, Cu, Al, Mo, W, Pt, Ru, Ni 등의 금속 물질 중 적어도 어느 하나로 이루어진 금속 패드 또는 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금일 수 있다.

그라운드 전극(190a, 190b)은 바이어스 전극(80) 및 신호 전극(70)과 이격되어 버퍼층(20) 상에 형성될 수 있다. 여기서, 그라운드 전극(190a, 190b)은 신호 전극(70)의 길이 방향을 따라 연장되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 그라운드 전극(190a, 190b)은 서로 마주하는 기판(10)의 양측 가장자리 각각에서 내측으로 연장되어 형성될 수 있다. 이러한 그라운드 전극(190a, 190b)은 고융점, 저저항 금속 물질로 형성될 수 있다. 그라운드 전극(190a, 190b)은 Au, Cu, Al, Mo, W, Pt, Ru, Ni 등의 금속 물질 중 적어도 어느 하나로 이루어진 금속 패드 또는 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금일 수 있다.

그라운드 전극(190a, 190b)은 바이어스 전압이 인가되기 이전에 신호 전극(70)의 일측에 인가된 RF 신호가 신호 전극(70)의 타측으로 인가되지 않도록 멤브레인 전극(150)으로 RF 신호를 입력시킨다.

멤브레인 전극(150)은 양측이 콘택홀(120a, 120b)을 통해 그라운드 전극(190a, 190b)에 연결되도록 일방향으로 연장되어 형성된다. 예를 들면, 멤브레인 전극(150)은 그라운드 전극(190a, 190b)의 길이 방향에 교차하는 방향으로 연장된다. 멤브레인 전극(150)은 바이어스 전압이 인가되면 유전체층(100)과 접촉하도록 변형된다. 멤브레인 전극(150)은 상하로 이동이 가능하도록 탄성을 가져야 되며, 바이어스 전압이 제거될 경우 복원력을 가지는 물질로 형성된다.

유전체층(100)은 신호 전극(70), 바이어스 라인(30), 풀링 전극(60a, 60b) 및 풀링 라인(40)의 덮도록 신호 전극(70) 상부에 형성될 수 있다. 유전체층(100)은 고유전율 물질로 형성될 수 있다.바이어스 라인(30)은 바이어스 전극(80)과 멤브레인 전극(150)의 일측을 연결한다. 예를 들어, 바이어스 라인(30)은 고저항을 갖도록 길이가 최대로 늘어나는 형태로 형성되어 바이어스 전극(80)을 멀리 이격된 그라운드 전극(190a)과 연결한다. 또한, 바이어스 라인(30)은 RF 신호가 바이어스 전극(80)으로 역류하는 것을 방지하도록 고저항 도전성 물질로 형성될 수 있다.

풀링 전극(60a, 60b)은 바이어스 전극(80), 신호 전극(70), 그라운드 전극(190a, 190b)으로부터 이격되어 버퍼층(20) 상에 형성될 수 있다. 예를 들면, 풀링 전극(60a, 60b)은 신호 전극(70)과 그라운드 전극(190a, 190b) 사이에 형성될 수 있다. 또한, 풀링 전극(60a, 60b)은 소정의 면적으로 형성되어 유전체층(100)을 사이에 두고 멤브레인 전극(150)과 중첩된다. 풀링 전극(60a, 60b)은 고융점, 저저항 금속 물질로 형성될 수 있다.풀링 라인(40)은 신호 전극(70)의 일측과 풀링 전극(60a, 60b)을 연결하도록 형성된다. 예를 들면, 풀링 전극(40)은 신호 전극(70)과 그라운드 전극(190a, 190b) 사이에서 고저항을 갖도록 길이가 최대로 늘어나는 형태로 형성되어 신호 전극(70)과 풀링 전극(60a, 60b)을 연결한다. 또한, 풀링 라인(40)은 신호 전극(70)에 인가된 RF 신호가 풀링 전극(60a, 60b)으로 역류하는 것을 방지하도록 고저항 금속 물질로 형성된다.한편, 도 18 및 도 19에 도시된 본 발명의 제2 실시 예에 따른 RF 멤스 스위치 소자의 제조방법은 도 4 내지 도 17에 도시된 공정과 유사한 공정으로 형성될 수 있다. 이때, 그라운드 전극이 더 형성되고, 바이어스 라인 및 풀링 라인이 그라운드 전극과 절연층을 사이에 두고 서로 절연되도록 형성되는 것을 제외하고는 동일한 공정으로 형성될 수 있다.

도 20은 도 18에 도시된 RF 멤스 스위치 소자의 등가회로를 도시한 회로도이다.

도 20에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 RF 멤스 스위치 소자는 바이어스 전압이 인가되면, 멤브레인 전극(150)에 바이어스 전압이 인가되고, 이에 상응하여 신호 전극(70)과 멤브레인 전극(150) 사이의 전위차가 발생한다. 또한, 멤브레인 전극(150)과 풀링 전극(60a, 60b) 사이에 전위차가 발생한다. 상기 전위차에 의한 인력이 발생되어 멤브레인 전극(150)이 유전체층(100) 방향으로 휘어지면서 유전체층(100)에 접촉한다. 멤브레인 전극(150)이 유전체층(100)과 접촉되면 신호 전극(70)으로 인가된 RF 신호는 멤브레인 전극(150)과 커플링되어 그라운드 전극(190a, 190b)으로 바이패스 된다.

이후, 바이어스 전압이 제거되면 멤브레인 전극(150)이 원상태로 복귀하여 신호 전극(70)의 일측단에 인가된 RF 신호가 타측단으로 전송된다.

풀링 전극(60a, 60b)은 커패시터로 작용하는 풀링 면적을 증가시켜 동일한 구동 전압을 인가받아도 증가된 면적만큼 정전기력을 증가시키므로 낮은 구동 전압으로 인가받아도 멤브레인 전극을 휘어지게 만들 수 있다.

또한, 풀링 전극과 신호 전극 사이에 연결된 풀링 라인은 고저항 금속 물질로 형성되므로 풀링 전극과 신호 전극 사이에 형성되는 캐패시터에 의한 RF 신호 커플링을 방지할 수 있다.

본 발명의 제2 실시 예에 따른 RF 멤스 스위치 소자는 풀링 전극(60a, 60b)이 형성되어 풀링 전극(60a, 60b)이 형성되지 않을 경우보다 큰 커패시턴스 값을 가지기 때문에 구동 전압을 낮추면서도 고저항 풀링 라인을 도입하여 형성된 캐패시터에 의해 RF 신호 커플링이 방지된다. 이에 따라, RF 멤스 스위치 소자의 온/오프 특성을 향상시킬 수 있다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 기판
20: 버퍼층
30: 바이어스 라인
40: 풀링 라인
50a, 50b: 연결 전극
60a, 60b: 풀링 전극
70a, 70b: 신호 전극
80: 바이어스 라인
150: 멤브레인 전극

Claims (15)

1. 기판;
   상기 기판 위에 배치되어 바이어스 전압을 공급하는 바이어스 전극;
   상기 기판 위에 배치되어 상호 이격 되어 일측에서 타측으로RF 신호를 전송하는 한 쌍의 신호 전극;
   상기 한 쌍의 신호 전극과 중첩하여 상기 한 쌍의 신호 전극의 위에 형성된 유전체층;
   상기 한 쌍의 신호 전극 및 상기 유전체층과 중첩하여 상기 유전체층의 상부에 형성된 멤브레인 전극;
   상기 멤브레인 전극과 상기 바이어스 전극 사이를 연결하는 바이어스 라인;
   상기 유전체층을 사이에 두고 상기 멤브레인 전극과 중첩되게 형성된 적어도 하나의 풀링 전극; 및
   상기 한 쌍의 신호 전극 중 어느 하나와 상기 풀링 전극을 연결하는 풀링 라인을 포함하는 RF 멤스 스위치 소자.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 풀링 전극은
   상기 신호 전극과 동일 평면에 상기 신호 전극과 절연되게 형성되는 것을 특징으로 하는 RF 멤스 스위치 소자.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 바이어스 라인 또는 상기 풀링 라인은
   SiCr, Ti, TiW 중 어느 하나를 포함하는 전도성 물질 또는 도핑된 Si, SiC 중 어느 하나를 포함하는 전도성 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 RF 멤스 스위치 소자.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 멤브레인 전극은
   상기 바이어스 전압이 인가되면 상기 유전체층과 접촉하여 상기 신호 전극 중 일측의 신호 전극에 인가된 RF 신호를 타측 신호 전극으로 전송하는 것을 특징으로 하는 RF 멤스 스위치 소자.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 멤브레인 전극과 연결되는 적어도 하나의 연결 전극을 더 포함하되,
   상기 연결 전극은 상기 바이어스 라인과 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 RF멤스 스위치 소자.
   
6. 기판;
   상기 기판 위에 배치되어 바이어스 전압을 공급하는 바이어스 전극;
   상기 기판 위에 배치되어 일측단에 인가된 RF 신호를 타측단으로 전송하는 신호 전극;
   상기 신호 전극과 중첩하여 상기 신호 전극의 위에 형성된 유전체층;
   상기 신호 전극 및 유전체층과 중첩하여 상기 유전체층의 상부에 형성된 멤브레인 전극;
   상기 멤브레인 전극의 양 끝단 중 적어도 어느 하나와 연결되는 그라운드 전극;
   상기 멤브레인 전극과 상기 바이어스 전극 사이를 연결하는 바이어스 라인;
   상기 유전체층을 사이에 두고 상기 멤브레인 전극과 중첩되게 형성된 적어도 하나의 풀링 전극; 및
   상기 신호 전극의 양끝단 중 어느 하나와 상기 풀링 전극을 연결하는 풀링 라인을 포함하는 RF 멤스 스위치 소자.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 멤브레인 전극은
   상기 바이어스 전압이 인가되면 상기 유전체층과 접촉하여 상기 신호 전극의 일단에 인가된 상기 RF 신호를 상기 그라운드 전극으로 바이패스 시키고,
   상기 바이어스 전압이 제거되면 상기 유전체층으로부터 이격되어 복원되는 것을 특징으로 하는 RF 멤스 스위치 소자.
   
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 풀링 전극은
   상기 신호 전극과 동일 평면에 상기 신호 전극과 절연되게 형성되는 것을 특징으로 하는 RF 멤스 스위치 소자.
   
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 바이어스 라인 또는 상기 풀링 라인은
   SiCr, Ti, TiW 중 어느 하나를 포함하는 고저항의 전도성 물질 또는 도핑된 Si, SiC 중 어느 하나를 포함하는 전도성 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 RF 멤스 스위치 소자.
   
10. (a) 바이어스 라인, 풀링 라인 및 풀링 전극을 형성하는 단계;
    (b) 상기 바이어스 라인의 일단과 접속된 바이어스 전극, 상기 바이어스 라인의 타단과 연결된 연결 전극 및 상기 풀링 라인과 연결되는 신호 전극을 형성하는 단계;
    (c) 상기 신호 전극과 중첩되는 유전체층을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 연결 전극과 접속하며, 상기 풀링 전극, 상기 신호 전극 및 상기 유전체층과 중첩하도록 멤브레인 전극을 형성하는 단계를 포함하는 RF 멤스 스위치 소자의 제조 방법.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 단계 (a)는
    SiCr, Ti, TiW 중 어느 하나를 포함하는 전도성 물질 또는 도핑된 Si, SiC 중 어느 하나를 포함하는 전도성 물질이 패터닝되는 것을 특징으로 하는 RF 멤스 스위치 소자의 제조 방법.
    
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 단계 (b)는
    Au, Al, Cu, Mo, W, Pt, Ru, Ni 중 어느 하나로 이루어지거나, Au, Al, Cu, Mo, W, Pt, Ru, Ni 중 어느 하나를 포함하는 합금 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 RF 멤스 스위치 소자의 제조 방법.
    
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 단계 (d)는
    상기 유전체층 상부에 희생층을 형성하는 단계;
    상기 연결 전극과 중첩하는 영역의 상기 희생층과 상기 유전체층을 제거하여 상기 연결 전극의 상부를 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계;
    상기 콘택홀을 통해 상기 연결 전극과 접속하고 상기 희생층의 위에 배치되는 상기 멤브레인 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 희생층을 제거하는 단계를 포함하는 RF 멤스 스위치 소자의 제조 방법.
    
14. 제 10 항에 있어서,
    상기 멤브레인 전극은
    Au, Al, Cu, Mo, W, Pt, Ru, Ni 중 어느 하나로 이루어지거나, Au, Al, Cu, Mo, W, Pt, Ru, Ni 중 어느 하나를 포함하는 합금 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 RF 멤스 스위치 소자의 제조 방법.
    
15. 제 10 항에 있어서,
    상기 단계 (a) 이전에,
    기판을 덮는 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 RF 멤스 스위치 소자의 제조 방법.

Images