KR102460752B1 - Film bulk acoustic resonator and filter including the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판; 상기 기판의 상부에 배치되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 배치되며, 도핑 원소가 첨가된 질화 알루미늄을 포함하는 복수의 압전층을 포함하는 압전체; 상기 압전체 상에 배치되며, 상기 압전체를 사이에 두고 상기 제1 전극과 서로 대향하는 제2 전극;을 포함하고, 상기 압전층 중 적어도 하나는 압축 응력 하에서 형성되는 압축층인 박막 벌크 음향 공진기에 관한 것이다.The present invention is a substrate; a first electrode disposed on the substrate; a piezoelectric body disposed on the first electrode and including a plurality of piezoelectric layers including aluminum nitride to which a doping element is added; and a second electrode disposed on the piezoelectric body and opposite to the first electrode with the piezoelectric body interposed therebetween, wherein at least one of the piezoelectric layers is a compression layer formed under compressive stress. will be.
Description
본 발명은 박막 벌크 음향 공진기 및 이를 포함하는 필터에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film bulk acoustic resonator and a filter comprising the same.
최근 이동통신기기, 화학 및 바이오기기 등의 급속한 발달에 따라, 이러한 기기에서 사용되는 소형 경량필터, 오실레이터(Oscillator), 공진소자(Resonant element), 음향공진 질량센서(Acoustic Resonant Mass Sensor) 등의 수요가 증가하고 있다.With the recent rapid development of mobile communication devices, chemical and bio devices, etc., the demand for small and lightweight filters, oscillators, resonant elements, acoustic resonant mass sensors, etc. used in these devices is increasing
이러한 소형 경량필터, 오실레이터, 공진소자, 음향공진 질량센서 등을 구현하는 수단으로는 박막 벌크 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator: FBAR)가 알려져 있다. A thin film bulk acoustic resonator (FBAR) is known as a means for implementing such a small and lightweight filter, an oscillator, a resonance element, an acoustic resonance mass sensor, and the like.
FBAR은 최소한의 비용으로 대량 생산이 가능하며, 초소형으로 구현할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 필터의 주요한 특성인 높은 품질 계수 (Quality Factor: Q)값을 구현하는 것이 가능하고, 마이크로주파수 대역에서도 사용이 가능하며, 특히 PCS(Personal Communication System)와 DCS(Digital Cordless System) 대역까지도 구현할 수 있다는 장점이 있다.FBAR has the advantage that it can be mass-produced at a minimum cost and can be implemented in a very small size. In addition, it is possible to implement a high quality factor (Q) value, which is the main characteristic of the filter, and can be used in the micro frequency band, especially in the PCS (Personal Communication System) and DCS (Digital Cordless System) bands. There are advantages to being able to
일반적으로, FBAR은 기판상에 제1 전극, 압전체 및 제2 전극을 차례로 적층하여 구현되는 공진부를 포함하는 구조로 이루어진다.In general, the FBAR has a structure including a resonance part implemented by sequentially stacking a first electrode, a piezoelectric body, and a second electrode on a substrate.
FBAR의 동작원리를 살펴보면, 먼저 제1 및 2전극에 전기에너지를 인가하여 압전층 내에 전계를 유기시키면, 이 전계는 압전층의 압전 현상을 유발시켜 공진부가 소정 방향으로 진동하도록 한다. 그 결과, 진동방향과 동일한 방향으로 음향파(Bulk Acoustic Wave)가 발생하여 공진을 일으키게 된다Looking at the operating principle of the FBAR, first, when electric energy is applied to the first and second electrodes to induce an electric field in the piezoelectric layer, the electric field induces a piezoelectric phenomenon in the piezoelectric layer so that the resonator vibrates in a predetermined direction. As a result, a bulk acoustic wave is generated in the same direction as the vibration direction to cause resonance.
즉, FBAR은 체적 탄성파(Bulk Acoustic Wave: BAW)를 이용하는 소자로, 압전체의 전기 기계 결합 상수(Effective electromechanical coupling coefficient, Kt2)가 커짐으로써 탄성파 소자의 주파수 특성이 개선되고, 또 광대역화도 가능하게 된다.That is, the FBAR is a device that uses a bulk acoustic wave (BAW), and as the effective electromechanical coupling coefficient (Kt2) of the piezoelectric body increases, the frequency characteristic of the acoustic wave device is improved and broadband is possible. .
본 발명의 일 목적 중 하나는 압전체의 전기 기계 결합 상수를 향상시키면서, 동시에 압전체를 구성하는 압전층에 포함되는 도핑 원소가 첨가된 질화 알루미늄의 이상성장을 방지할 수 있는 박막 벌크 음향 공진기를 제공하고자 한다.One object of the present invention is to provide a thin film bulk acoustic resonator capable of improving the electromechanical coupling constant of a piezoelectric body and at the same time preventing abnormal growth of aluminum nitride to which a doping element contained in a piezoelectric layer constituting the piezoelectric body is added. do.
상술한 과제를 해결하기 위한 방법으로, 본 발명은 일 예를 통하여 박막 벌크 음향 공진기의 신규한 구조를 제안하고자 하며, 구체적으로, 기판; 상기 기판의 상부에 배치되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 배치되며, 도핑 원소가 첨가된 질화 알루미늄을 포함하는 복수의 압전층을 포함하는 압전체; 상기 압전체 상에 배치되며, 상기 압전체를 사이에 두고 상기 제1 전극과 서로 대향하는 제2 전극;을 포함하고, 상기 압전층 중 적어도 하나는 압축 응력 하에서 형성되는 압축층이다.As a method for solving the above problems, the present invention is to propose a novel structure of a thin film bulk acoustic resonator through an example, specifically, a substrate; a first electrode disposed on the substrate; a piezoelectric body disposed on the first electrode and including a plurality of piezoelectric layers including aluminum nitride to which a doping element is added; and a second electrode disposed on the piezoelectric body and facing the first electrode with the piezoelectric body interposed therebetween, wherein at least one of the piezoelectric layers is a compression layer formed under compressive stress.
또한, 본 발명은 다른 실시 형태를 통하여 상술한 구조를 갖는 박막 벌크 음향 공진기를 포함하는 필터를 제안하고자 하며, 구체적으로, 복수의 박막 벌크 음향 공진기를 포함하는 필터에 있어서, 상기 복수의 박막 벌크 음향 공진기는, 기판; 상기 기판의 상부에 배치되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 배치되며, 도핑 원소가 첨가된 질화 알루미늄을 포함하는 복수의 압전층을 포함하는 압전체; 상기 압전체 상에 배치되며, 상기 압전체를 사이에 두고 상기 제1 전극과 서로 대향하는 제2 전극;을 포함하고, 상기 압전층 중 적어도 하나는 압축 응력 하에서 형성되는 압축층이다.In addition, the present invention intends to propose a filter including a thin film bulk acoustic resonator having the above-described structure through another embodiment. Specifically, in a filter including a plurality of thin film bulk acoustic resonators, the plurality of thin film bulk acoustic resonators The resonator may include a substrate; a first electrode disposed on the substrate; a piezoelectric body disposed on the first electrode and including a plurality of piezoelectric layers including aluminum nitride to which a doping element is added; and a second electrode disposed on the piezoelectric body and facing the first electrode with the piezoelectric body interposed therebetween, wherein at least one of the piezoelectric layers is a compression layer formed under compressive stress.
본 발명의 일 예에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 경우, 압전체가 복수의 압전층을 포함하고, 압전층 중 적어도 한 층은 압축 응력 하에서 성장된 압축층이므로 도핑 물질이 첨가된 질화 알루미늄의 이상성장을 방지하고, 동시에 높은 전기 기계 결합 상수를 가질 수 있다.In the case of the thin film bulk acoustic resonator according to an embodiment of the present invention, the piezoelectric body includes a plurality of piezoelectric layers, and at least one of the piezoelectric layers is a compressive layer grown under compressive stress. and can have a high electromechanical coupling constant at the same time.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 A의 확대도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 압전체의 잔류 응력에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 전기 기계 결합 상수(Kt2) 값의 변화를 나타낸 것이다.
도 4은 스칸듐이 도핑된 질화알루미늄의 이상성장이 발생한 것을 SEM에 의해 관찰된 사진이다.
도 5는 표 1의 샘플들의 XRD 락킹 커브(Rocking Curve)를 측정한 것이다.
도 6은 표 1의 샘플들의 XRD 락킹 커브의 반치폭(FWHM)과 이상성장의 단위 면적당 발생 개수를 측정한 것이다.
도 7은 압전층의 성장시에 인가된 응력에 따른 밀도 및 굴절률을 측정한 것이다.
도 8은 제1 전극의 성장 조건에 따른 압전체의 XRD 락킹 커브의 반치폭(FWHM)을 측정한 것이다.
도 9은 제1 전극의 성장 조건에 따른 제1 전극의 XRD 락킹 커브의 반치폭(FWHM)을 측정한 것이다.
도 10은 제1 전극의 성장 조건에 따른 압전체의 이상성장의 단위 면적당 개수를 나타낸 것이다.
도 11a 내지 도 11c는 제1 전극 및 압전체를 인장 응력하에 성장시킨 경우, 제1 전극 및 압전체의 경계를 배율에 따라 TEM에 의해 관찰된 사진이다.
도 12a 내지 도 12c는 제1 전극을 인장 응력하에 성장시키고 압전체 중 압축층이 제1 전극과 접하는 위치에 배치시킨 경우, 제1 전극 및 압전체의 경계를 배율에 따라 TEM에 의해 관찰된 사진이다.
도 13a 내지 도 13c는 제1 전극을 압축 응력하에 성장시키고 압전체 중 압축층이 제1 전극과 접하는 위치에 배치시킨 경우, 제1 전극 및 압전체의 경계를 배율에 따라 TEM에 의해 관찰된 사진이다.
도 14은 제1 전극과 압전체의 격자구조가 서로 매칭되는 모식도를 도시한 것이다.
도 15는 제1 전극의 형성 조건 및 압전체의 형성 조건에 따라, XRD theta-2theta 스캔을 통해 압전체의 c축의 격자 상수와 제1 전극의 a축의 격자 상수를 측정한 것이다.
도 16은 압전체의 잔류 응력에 따른 c 격자 상수를 XRD theta-2theta 스캔을 통해 측정한 것이다.
도 17은 제1 전극와 인접한 압전층을 HR-TEM을 이용하여 관찰한 사진이다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 필터의 개략적인 회로도이다.
도 20은 압전체 및 전극을 성장시키는 장치의 스퍼터 공정의 모식도를 도시한 것이다.1 schematically shows a cross-sectional view of a thin film bulk acoustic resonator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 schematically shows an enlarged view of A of FIG. 1 .
3 is a graph showing the change in the electromechanical coupling constant (Kt2) value of the thin film bulk acoustic resonator according to the residual stress of the piezoelectric body.
4 is a photograph observed by SEM that abnormal growth of aluminum nitride doped with scandium occurs.
5 is a measurement of the XRD rocking curve (Rocking Curve) of the samples of Table 1.
6 is a measurement of the half maximum width (FWHM) of the XRD rocking curve of the samples of Table 1 and the number of occurrences per unit area of abnormal growth.
7 shows measurements of density and refractive index according to stress applied during growth of the piezoelectric layer.
8 is a graph showing the measurement of the full width at half maximum (FWHM) of the XRD locking curve of the piezoelectric body according to the growth conditions of the first electrode.
9 is a graph showing the measurement of the full width at half maximum (FWHM) of the XRD locking curve of the first electrode according to the growth conditions of the first electrode.
10 shows the number of abnormal growths per unit area of the piezoelectric body according to the growth conditions of the first electrode.
11A to 11C are photographs of the boundary between the first electrode and the piezoelectric body observed by TEM according to magnification when the first electrode and the piezoelectric body are grown under tensile stress.
12A to 12C are photographs observed by TEM according to magnifications of the boundary between the first electrode and the piezoelectric body when the first electrode is grown under tensile stress and a compressive layer of the piezoelectric body is disposed in contact with the first electrode.
13A to 13C are photographs observed by TEM according to magnifications of the boundary between the first electrode and the piezoelectric body when the first electrode is grown under compressive stress and the compressive layer of the piezoelectric body is placed in contact with the first electrode.
14 is a schematic diagram showing a lattice structure of a first electrode and a piezoelectric body matching each other.
15 is a graph illustrating measurements of the c-axis lattice constant of the piezoelectric body and the a-axis lattice constant of the first electrode through XRD theta-2theta scan according to the formation conditions of the first electrode and the formation conditions of the piezoelectric body.
16 is a graph showing the c lattice constant according to the residual stress of the piezoelectric body measured through XRD theta-2theta scan.
17 is a photograph of observing the piezoelectric layer adjacent to the first electrode using HR-TEM.
18 and 19 are schematic circuit diagrams of filters according to other embodiments of the present invention.
20 shows a schematic diagram of a sputtering process of an apparatus for growing a piezoelectric body and an electrode.
이하, 구체적인 실시형태 및 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to specific embodiments and the accompanying drawings. However, the embodiment of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Further, the embodiments of the present invention are provided in order to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for a clearer description, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하고, 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다. 나아가, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and the thickness is enlarged to clearly express various layers and regions, and components having the same function within the scope of the same idea are referred to as the same. It is explained using symbols. Furthermore, throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.1 schematically shows a cross-sectional view of a thin film bulk acoustic resonator according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 음향 공진기는 박막 벌크 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator)일 수 있으며, 기판(110), 절연층(120), 에어 캐비티(112), 및 공진부(135)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 , the acoustic resonator of the present invention may be a thin film bulk acoustic resonator, and includes a
기판(110)은 실리콘 기판으로 구성될 수 있고, 기판(110)의 상면에는 절연층(120)이 마련되어, 기판(110)과 공진부(135)를 전기적으로 격리시킬 수 있다. The
절연층(120)은 이산화규소(SiO2), 실리콘 나이트라이드(Si3N4), 산화 알루미늄(Al2O2), 및 질화 알루미늄(AlN) 중 적어도 하나를 화학 기상 증착(Chemical vapor deposition), RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering), 및 에바포레이션(Evaporation) 중 하나의 공정을 이용하여 기판(110)에 형성하여 제작될 수 있다.The
에어 캐비티(112)는 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 에어 캐비티(112)는 공진부(135)가 소정 방향으로 진동할 수 있도록 공진부(135)의 하부에 위치한다. 에어 캐비티(112)는 절연층(120) 상에 에어 캐비티 희생층 패턴을 형성한 다음 에어 캐비티 희생층 패턴상에 멤브레인(130)을 형성한 후 에어 캐비티 희생층 패턴을 에칭하여 제거하는 식각 공정에 의해 형성될 수 있다. 멤브레인(130)은 산화 보호막으로 기능하거나, 기판(110)을 보호하는 보호층으로 기능할 수 있다. 도 1에 도시되어 있지 않으나, 멤브레인(130) 상에는 질화 알루미늄(AlN)으로 제조되는 시드층이 형성될 수 있다. 구체적으로 시드층은 멤브레인(130)과 제1 전극(140) 사이에 배치될 수 있다.The
도 1에 도시되어 있지 않으나, 절연층(120) 상에는 식각 저지층이 추가적으로 형성될 수 있다. 식각 저지층은 희생층 패턴을 제거하기 위한 식각 공정으로부터 기판(110) 및 절연층(120)을 보호하고, 식각 저지층 상에 다른 여러 층이 증착되는데 필요한 기단 역할을 할 수 있다. Although not shown in FIG. 1 , an etch stop layer may be additionally formed on the
공진부(135)는 제1 전극(140), 압전체(150) 및 제2 전극(160)을 포함할 수 있다. 제1 전극(140), 압전체(150) 및 제2 전극(160)은 순차적으로 적층될 수 있다. The
제1 전극(140)은 절연층(120)의 일 영역의 상부로부터 에어 캐비티(112) 상부의 멤브레인(130)으로 연장되어 형성되고, 압전체(150)는 에어 캐비티(112) 상부의 제1 전극(140) 상에 형성되고, 제2 전극(160)은 절연층(120)의 타 영역의 상부로부터 에어 캐비티(112) 상부의 압전체(150) 상에 형성될 수 있다. 제1 전극(140), 압전체(150) 및 제2 전극(160)의 수직 방향으로 중첩된 공통 영역은 에어 캐비티(112)의 상부에 위치할 수 있다. The
압전체(150)는 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로서, 도핑 원소가 첨가된 질화 알루미늄(AlN)을 포함하는 압전층을 포함한다. 도핑 원소는 희토류 금속(Rare earth metal)일 수 있으며, 예를 들어, 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는, 도핑 원소는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 및 하프늄(Hf) 중 적어도 하나 일 수 있다. 압전층에 포함되는 도핑 물질의 함량은 1 내지 20at% 일 수 있다.The
공진부(135)는 활성 영역과 비활성 영역으로 구획될 수 있다. 공진부(135)의 활성 영역은 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에 무선 주파수 신호와 같은 전기 에너지가 인가되는 경우 압전체(150)에서 발생하는 압전 현상에 의해 소정 방향으로 진동하여 공진하는 영역으로, 에어 캐비티(112) 상부에서 제1 전극(140), 압전체(150) 및 제2 전극(160)이 수직 방향으로 중첩된 영역에 해당한다. 공진부(135)의 비활성 영역은 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에 전기 에너지가 인가되더라도 압전 현상에 의해 공진하지 않는 영역으로, 활성 영역 외측의 영역에 해당한다.The
공진부(135)는 압전 현상을 이용하여 특정 주파수를 가지는 무선 주파수 신호를 출력하는데, 구체적으로 공진부(135)는 압전체(150)의 압전 현상에 따른 진동에 대응하는 공진 주파수를 가지는 무선 주파수 신호를 출력할 수 있다. The
보호층(170)은 공진부(135)의 제2 전극(160)상에 배치되어, 제2 전극(160)이 외부에 노출되어 산화되는 것을 방지할 수 있으며, 외부로 노출된 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에는 전기적 신호를 인가하기 위한 전극 패드(180)가 형성될 수 있다.The
도 2은 도 1의 A의 확대도를 개략적으로 도시한 것이다. FIG. 2 schematically shows an enlarged view of A of FIG. 1 .
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 공진부(135)는 제1 전극(140), 압전체(150) 및 제2 전극(160)의 적층 구조를 가진다. Referring to FIG. 2 , the
제1 전극(140), 압전체(150) 및 제2 전극(160)는 도 20에 도시한 스퍼터링 장치를 이용하여 형성될 수 있다. The
스퍼터링 장치는 챔버(11), 지지부재(12) 및 타겟(13)을 포함한다. 지지 부재(12)의 상부에는 성장시키고자 하는 물질의 기초가 되는 기초 부재(14)가 배치되고, 스퍼터링 공정이 진행됨에 따라 기초 부재(14)의 상부에 성장시키고자 하는 물질이 증착되어 형성층(15)이 성장된다. 챔버(11)로 아르곤(Ar)과 질소(N2)를 주입하여, 제1 전극(140), 압전체(150) 및 제2 전극(160)을 성장시키는 과정에서 챔버(11) 내의 분위기를 조절할 수 있다.The sputtering apparatus includes a
지지부재(12)는 RF 바이어스 파워부와 연결되어, 제1 전극(140), 압전체(150) 및 제2 전극(160)을 성장시키는 과정에서 성장되는 물질의 응력을 압축 응력 또는 인장 응력으로 조절할 수 있다.The
제1 전극(140)을 성장시키는 단계는 몰리브덴(Mo)을 타겟(13)으로 사용하여 수행될 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 금(Au), 티탄(Ti), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 및 이리듐(Ir) 중 하나 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다. 이 때, 성장되는 제1 전극(140)의 응력을 압축 응력으로 하여 결정 배향성을 향상시킬 수 있다. The step of growing the
제1 전극(140)을 형성한 후, 제1 전극(140)의 상부에 압전체(150)를 형성하는 단계가 수행된다.After forming the
도 3는 압전체(150)의 잔류 응력에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 전기 기계 결합 상수(Kt2) 값의 변화를 나타낸 것이다. 압전체(150)의 전기 기계 결합 상수(Kt2)가 커짐으로써 탄성파 소자의 주파수 특성이 개선되고, 또한 광대역화도 가능하게 된다.3 illustrates a change in the electromechanical coupling constant (Kt2) value of the thin film bulk acoustic resonator according to the residual stress of the
도 3을 참조하면, 압전체(150)의 잔류 응력이 인장 응력으로 점점 커질수록 이에 비례하여 압전체(150)의 전기 기계 결합 상수(Kt2)가 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 압전체(150)로 질화 알루미늄(AlN)을 이용하는 경우에 비해, 도핑 물질이 첨가된 질화 알루미늄을 이용하는 경우의 전기 기계 결합 상수가 높은 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 도핑 물질은 스칸듐 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Referring to FIG. 3 , it can be seen that the electromechanical coupling constant Kt2 of the
하지만, 도핑 물질이 첨가된 질화 알루미늄을 포함하는 압전체는 잔류 응력을 인장 응력이 되도록 형성하는 경우, 압전체(150)에서 도 4과 같이 이상 성장(155)이 발생하는 개수가 증가하는 문제가 있다.However, when a piezoelectric body including aluminum nitride to which a doping material is added is formed such that residual stress becomes tensile stress, there is a problem in that the number of
이러한 이상 성장은 결장 성장(Crystal growth) 시에 표면 에너지(Surface energy)를 낮출 수 있는 위치에서 주로 발생하게 되며, 압전체(150)에 이상 성장(155) 개수가 증가할수록 박막 벌크 음향 공진기에서 종 방향 및 횡 방향의 파동의 손실이 증가하는 문제가 있다.Such abnormal growth mainly occurs at a position where the surface energy can be lowered during crystal growth, and as the number of
따라서, 도핑 물질이 첨가된 질화 알루미늄으로 압전체(150)를 형성하여, 압전체(150)의 전체적인 잔류 응력을 인장 응력으로 유지하면서 이상 성장을 방지할 필요가 있다. Therefore, it is necessary to form the
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기는 도핑 물질이 첨가된 질화 알루미늄으로 압전체(150)를 형성하는 과정에서 압전체(150)를 구성하는 복수의 압전층(151, 152) 중 적어도 하나를 압축 응력 하에서 형성시킴으로써, 이상 성장이 발생하는 것을 방지하고, 동시에 높은 전기 기계 결합 상수를 가질 수 있다.The thin film bulk acoustic resonator according to an embodiment of the present invention includes at least one of the plurality of
이와 같이, 압전체를 형성하는 과정에서 압전체(150)를 구성하는 복수의 압전층 중 적어도 하나를 압축 응력 하에서 형성된 압전층을 압축층이라 할 수 있다. As such, in the process of forming the piezoelectric body, a piezoelectric layer formed under compressive stress in at least one of the plurality of piezoelectric layers constituting the
후술하는 바와 같이, 압축층은 압축 응력이 인가되지 않은 상태에서 형성된 압전층보다 a축 방향의 격자 상수와 c 축 방향의 격자 상수의 비가 커지게 되며, 압축층의 밀도는 3.4681g/cm3을 초과하게 되고, 압축층의 굴절률은 2.1135를 초과한다. 또한, 압축층은 다른 압전층 보다 큰 c 격자 상수를 가진다.As will be described later, in the compression layer, the ratio of the lattice constant in the a-axis direction to the lattice constant in the c-axis direction becomes larger than that of the piezoelectric layer formed in a state where no compressive stress is applied, and the density of the compression layer is 3.4681 g/cm 3 . and the refractive index of the compressive layer exceeds 2.1135. Also, the compression layer has a larger c lattice constant than other piezoelectric layers.
또한, 압축층은 압전체(150)의 하부에 제1 전극(140)과 접하도록 배치되어 도핑 물질을 첨가한 질화 알루미늄으로 압전체(150)를 형성하는 과정에서 이상 성장이 발생하는 것을 최소화하거나, 이상 성장이 발생하지 않도록 할 수 있다.In addition, the compression layer is disposed in contact with the
압전체(150)를 형성한 후, 압전체(150)의 상부에 제2 전극(160)이 형성된다.After the
제2 전극(160)은 압전체(150)를 사이에 두고 제1 전극(140)과 서로 대향하도록 배치된다.The
제2 전극(160)은 제1 전극(140)과 마찬가지로 몰리브덴으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제2 전극(160)은 금(Au), 티탄(Ti), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 및 이리듐(Ir) 중 하나 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다.Like the
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 이는 발명의 구체적인 이해를 돕기 위한 것으로 본 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through Examples and Comparative Examples, but these are intended to help a specific understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the Examples.
하기의 표 1과 같이, 압전체를 형성하는 단계를 4층의 압전층을 형성하는 단계로 나누었다. 다만, 압전층의 층수는 이에 제한되는 것이 아니다. As shown in Table 1 below, the step of forming the piezoelectric body was divided into the step of forming the piezoelectric layer of four layers. However, the number of layers of the piezoelectric layer is not limited thereto.
각 압전층을 형성하는 단계는 도 20의 스퍼터링 장치의 지지 부재에 RF 바이어스 파워를 조절하여 압축 응력 또는 인장 응력을 인가한 상태에서 압전층을 성장시키는 방법으로 수행되었다. The step of forming each piezoelectric layer was performed by adjusting the RF bias power to the support member of the sputtering apparatus of FIG. 20 to grow the piezoelectric layer in a state where compressive stress or tensile stress was applied.
표 1에서 각 샘플의 압전체는 실리콘 웨이퍼의 상부에서 성장되었다. In Table 1, the piezoelectric body of each sample was grown on top of a silicon wafer.
표 1의 제1층 내지 제4층은 압전체를 구성하는 복수의 압전층 중 제1 전극으로부터 적층 방향으로 순서대로 정의한 것이다.압전체의 목표 잔류 응력은 압전체를 형성한 후, 압전체가 가지는 전체적인 잔류 응력을 의미한다.The first to fourth layers in Table 1 are sequentially defined in the stacking direction from the first electrode among the plurality of piezoelectric layers constituting the piezoelectric body. The target residual stress of the piezoelectric body is the overall residual stress of the piezoelectric body after the piezoelectric body is formed. means
또한, 표 1의 ◇, ◆, □, ■는 하기 표 2와 같은 조건을 의미한다.In addition, ◇, ◆, □, and ■ in Table 1 mean the same conditions as in Table 2 below.
표 2에서 RF 바이어스는 도 15의 스퍼터링 장치에서 지지 부재에 인가되는 바이어스를 의미하는 것이며, 스트레스는 RF 바이어스에 따라 성장하는 압전층에 인가되는 스트레스를 의미하는 것이다.In Table 2, RF bias means a bias applied to the support member in the sputtering apparatus of FIG. 15, and stress means a stress applied to the piezoelectric layer growing according to the RF bias.
도 5는 표 1의 각 샘플의 XRD 락킹 커브(Rocking Curve)를 측정한 것으로, 락킹 커프의 측정 결과는 다음 표 3과 같다.5 is a measurement of the XRD rocking curve of each sample in Table 1, and the measurement result of the locking cuff is shown in Table 3 below.
표 3을 참조하면, 모든 샘플에서 반치폭이 1.41 ~ 1.5 정도로 우수한 값을 보여, 높은 결정 배향성을 가짐을 알 수 있다.Referring to Table 3, it can be seen that all samples showed excellent values of about 1.41 to 1.5 at half maximum width, indicating that they had high crystal orientation.
특히, 샘플 #1-2의 경우, 반치폭이 가장 낮아 가장 높은 결정 배향성을 가지는 것을 확인할 수 있다.In particular, in the case of Sample #1-2, it can be confirmed that the half width is the lowest and has the highest crystal orientation.
또한, 샘플 #1-2의 경우에는 반치폭은 가장 낮고, 가장 높은 인텐시티를 보이는 것을 확인할 수 있었다. In addition, in the case of Sample #1-2, it was confirmed that the half width was the lowest and showed the highest intensity.
압전체를 구성하는 압전층 중 제1층, 즉 제1 전극과 접하도록 배치되는 압전층을 압축층으로 형성하는 경우, 반치폭이 가장 낮아 가장 높은 결정 배향성을 가지는 효과를 얻을 수 있다.When the first layer of the piezoelectric layers constituting the piezoelectric body, ie, the piezoelectric layer disposed to be in contact with the first electrode, is formed as a compression layer, it is possible to obtain the effect of having the highest crystal orientation due to the lowest half width.
이는, 압전체를 형성하기 시작할 때, 가장 기초가 되는 최하층인 제1층을 조밀하게 형성한 경우, 제1층의 위로 성장되는 나머지 압전층의 배열도 개선되기 때문인 것으로 판단된다. This is considered to be because the arrangement of the remaining piezoelectric layers grown above the first layer is also improved when the first layer, which is the lowest layer, is densely formed when the piezoelectric body is formed.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기는 압축층을 압전체의 하부에 제1 전극과 접하도록 배치 또는 형성함으로써, 결정 배향성을 높여 박막 벌크 음향 공진기의 성능을 향상시킬 수 있다.That is, in the thin film bulk acoustic resonator according to an embodiment of the present invention, the performance of the thin film bulk acoustic resonator can be improved by increasing the crystal orientation by disposing or forming the compression layer to be in contact with the first electrode under the piezoelectric body.
도 6은 표 1의 샘플들의 XRD 락킹 커브의 반치폭(FWHM)과 이상성장의 단위 면적당 발생 개수를 측정한 것으로, 그 결과는 표 4와 같다.6 is a measurement of the half maximum width (FWHM) of the XRD rocking curve of the samples of Table 1 and the number of occurrences per unit area of abnormal growth, and the results are shown in Table 4.
이상 성장 개수는 14㎛ × 12㎛의 면적에서 이상 성장된 개수를 측정한 것이다.도 6 및 표 4를 참조하면, 제1층을 압축층으로 형성한 샘플 #1-2가 반치폭이 가장 낮아 가장 우수한 결정 배향성을 보였으며, 동시에 이상 성장도 발견되지 않았음을 알 수 있다.The number of abnormal growths is a measure of the number of abnormal growths in an area of 14 μm × 12 μm. Referring to FIG. 6 and Table 4, Sample #1-2, in which the first layer is formed as a compression layer, has the lowest half width and the most It can be seen that excellent crystal orientation was exhibited and, at the same time, abnormal growth was not found.
전술한 바와 같이, 압전체를 형성하기 시작할 때, 가장 기초가 되는 최하층인 제1층을 조밀하게 형성한 경우, 제1층의 위로 성장되는 나머지 압전층의 배열도 개선되어 이상 성장이 최소화 되는 것으로 판단된다.As described above, when the first layer, which is the lowest layer, which is the most basic, is densely formed when the piezoelectric body is formed, the arrangement of the remaining piezoelectric layers grown on the first layer is also improved, so that abnormal growth is minimized. do.
도 6 및 표 4의 결과에 따르면, 압전체의 형성시에 초기에 증착되는 압전층의 증착 조건을 RF 바이어스의 출력을 향상시켜 이온 봄바딩 에너지(ion bombarding energy)를 높인 압축 응력 조건인 경우, 압전체의 전체적인 잔류 응력이 인장 응력임에도 불구하고 우수한 결정 배향성 및 이상 성장을 억제할 수 있음을 확인할 수 있다.According to the results of FIGS. 6 and 4, when the deposition condition of the piezoelectric layer initially deposited during the formation of the piezoelectric body is a compressive stress condition in which the ion bombarding energy is increased by improving the output of the RF bias, the piezoelectric body It can be confirmed that excellent crystal orientation and abnormal growth can be suppressed despite the overall residual stress of the tensile stress.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기는 스칸듐을 도핑한 질화 알루미늄을 압전체로 사용하면서, 잔류 응력이 인장 응력이기 때문에 매우 높은 전기 기계 결합 상수를 가진다. 동시에, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기는 압전체를 구성하는 복수의 압전층 중 적어도 한층, 바람직하게는 제1 전극과 접하는 압전층을 압축층으로 형성하여 우수한 결정 배향성 및 이상 성장을 방지하는 효과를 가질 수 있다.Accordingly, the thin film bulk acoustic resonator according to an embodiment of the present invention uses scandium-doped aluminum nitride as a piezoelectric body, and has a very high electromechanical coupling constant because residual stress is tensile stress. At the same time, in the thin film bulk acoustic resonator according to an embodiment of the present invention, at least one of the plurality of piezoelectric layers constituting the piezoelectric body, preferably the piezoelectric layer in contact with the first electrode, is formed as a compression layer to achieve excellent crystal orientation and abnormal growth. may have a preventive effect.
도 7은 압전층의 성장시에 인가된 응력에 따른 밀도 및 굴절률을 측정한 것이며, 표 5는 도 7의 측정 결과를 나타낸 것이다.FIG. 7 is a measurement of density and refractive index according to stress applied during growth of the piezoelectric layer, and Table 5 shows the measurement results of FIG. 7 .
도 7 및 표 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기에 포함되는 압축층에 대해 상세히 살펴보도록 한다.With reference to FIG. 7 and Table 5, the compression layer included in the thin film bulk acoustic resonator according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
표 5의 샘플 #2-1, #2-2 및 #2-3은 스칸듐이 도핑된 질화 알루미늄을 각각 -600MPa (압축 응력), 0MPa 및 600MPa (인장 응력) 하에서 형성한 것이다.밀도(Density)는 XRR(X-ray Reflectometry)을 이용하여 측정한 것이며, 굴절률은 Ellipsometer를 이용하여 측정하였다.Samples #2-1, #2-2, and #2-3 in Table 5 are obtained by forming scandium-doped aluminum nitride under -600 MPa (compressive stress), 0 MPa and 600 MPa (tensile stress), respectively. Density was measured using X-ray reflectometry (XRR), and the refractive index was measured using an ellipsometer.
도 7을 참조하면, 형성시 인가된 압력에 따른 밀도의 변화와 굴절률의 변화의 경향성이 서로 같은 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 7 , it can be seen that the tendency of a change in density and a change in refractive index according to pressure applied during formation are the same.
압축 응력 하에서 형성된 압축층의 격자 상수의 변화의 경향성을 파악하기 위하여 질화 알루미늄을 압축 응력하에서 형성시킨 경우를 살펴보면 다음과 같다. A case in which aluminum nitride is formed under compressive stress in order to understand the tendency of the lattice constant change of the compressive layer formed under compressive stress is as follows.
질화 알루미늄은 HCP 구조를 가지며, c축의 격자 상수가 4.986Å이며, a축의 격자 상수가 3.116Å이다. 즉, 질화 알루미늄의 c축의 격자 상수에 대한 a축의 격자 상수의 비(c/a)는 1.6이 된다.Aluminum nitride has an HCP structure, and has a c-axis lattice constant of 4.986 Å and an a-axis lattice constant of 3.116 Å. That is, the ratio (c/a) of the a-axis lattice constant to the c-axis lattice constant of aluminum nitride becomes 1.6.
질화 알루미늄을 압축 응력 하에서 형성하는 경우, c축의 격자 상수에 대한 a축의 격자 상수의 비(c/a)가 1.6보다 커지게 된다. 이와 반대로, 질화 알루미늄을 인장 응력 하에서 형성하는 경우, c축의 격자 상수에 대한 a축의 격자 상수의 비(c/a)가 1.6보다 작아지게 된다. When aluminum nitride is formed under compressive stress, the ratio (c/a) of the lattice constant of the a-axis to the lattice constant of the c-axis becomes larger than 1.6. Conversely, when aluminum nitride is formed under tensile stress, the ratio (c/a) of the lattice constant of the a-axis to the lattice constant of the c-axis becomes smaller than 1.6.
스칸듐을 도핑한 질화 알루미늄은 결정 구조에서 알루미늄의 일부가 스칸튬으로 치환하게되어 질화 알루미늄가 격자 상수가 달라지게 된다. 하지만, 스칸듐을 도핑한 질화 알루미늄의 결정 구조도 HCP이며 형성시 인가되는 압력에 대해 질화 알루미늄의 c축의 격자 상수에 대한 a축의 격자 상수의 비(c/a)의 변화가 유사한 경향성을 보이게 된다.In the aluminum nitride doped with scandium, a part of aluminum is substituted with scantium in the crystal structure, so that the lattice constant of aluminum nitride changes. However, the crystal structure of aluminum nitride doped with scandium is also HCP, and the ratio (c/a) of the a-axis lattice constant to the c-axis lattice constant of aluminum nitride (c/a) shows a similar tendency with respect to the pressure applied during formation.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축층은 응력이 인가되지 않은 상태에서 형성된 압전층보다 a축 방향의 격자 상수와 c 축 방향의 격자 상수의 비가 크게 된다.Accordingly, the ratio of the lattice constant in the a-axis direction to the lattice constant in the c-axis direction of the compression layer according to an embodiment of the present invention is greater than that of the piezoelectric layer formed in a state in which no stress is applied.
또한, 도 7 및 표 5와 같이, 압축층의 밀도는 3.4681g/cm3을 초과하게 되고, 압축층의 굴절률은 2.1135를 초과하게 된다.In addition, as shown in FIGS. 7 and 5, the density of the compression layer exceeds 3.4681 g/cm 3 , and the refractive index of the compression layer exceeds 2.1135.
하기의 표 6은 제1 전극의 형성 조건에 따른 샘플들을 표시한 것이다. 표 6의 제1 전극의 형성 조건에 따라 몰리브덴을 이용하여 제1 전극을 형성하였으며, 제1 전극의 상부에 스칸듐을 포함하는 질화 알루미늄을 이용하여 4층의 압전층을 가지는 압전체를 형성하였다.Table 6 below shows samples according to the formation conditions of the first electrode. A first electrode was formed using molybdenum according to the formation conditions of the first electrode shown in Table 6, and a piezoelectric body having four piezoelectric layers was formed using aluminum nitride including scandium on the upper portion of the first electrode.
압전체는 표 1과 달리 실리콘 웨이퍼가 아닌 제1 전극의 상부에 형성되었다.Unlike Table 1, the piezoelectric body was formed on the first electrode instead of the silicon wafer.
표 6에서 사용된 ◇, ◆, □, ■는 전술한 표 2와 같은 조건을 의미한다.◇, ◆, □, and ■ used in Table 6 mean the same conditions as in Table 2 above.
하기의 표 7은 표 6의 샘플들의 압전체의 반치폭과 제1 전극의 반치폭을 각각 측정한 것이다.Table 7 below shows the measurements of the full width at half maximum of the piezoelectric body and the half maximum width of the first electrode of the samples of Table 6, respectively.
도 8은 제1 전극의 성장 조건에 따른 압전체의 XRD 락킹 커브의 반치폭(FWHM)을 측정한 것이며, 도 9은 제1 전극의 성장 조건에 따른 제1 전극의 XRD 락킹 커브의 반치폭(FWHM)을 측정한 것이고, 도 10는 제1 전극의 성장 조건에 따른 압전체의 이상성장의 단위 면적당 개수를 나타낸 것이다.도 8, 9 및 표 7을 참조하면, 제1 전극이 높은 압축 응력 하에서 형성될수록, 압전체와 제1 전극의 반치폭이 감소하여 결정 배향성이 향상되는 것을 알 수 있다.8 is a measurement of the full width at half maximum (FWHM) of the XRD locking curve of the piezoelectric body according to the growth conditions of the first electrode, and FIG. measured, and FIG. 10 shows the number of abnormal growths per unit area of the piezoelectric body according to the growth conditions of the first electrode. Referring to FIGS. 8, 9 and Table 7, as the first electrode is formed under high compressive stress, the piezoelectric body It can be seen that the half width at half maximum of the first electrode is decreased, and thus the crystal orientation is improved.
구체적으로, 제1 전극이 몰리브덴(Mo)인 경우에 몰리브덴의 결정 구조에서 110 면의 결정 배향성이 향상되며, 압전체가 스칸듐이 도핑된 질화 알루미늄인 경우에 스칸듐이 도핑된 질화 알루미늄의 결정구조에서 0002 면의 결정 배향성이 향상되는 것을 알 수 있다.Specifically, when the first electrode is molybdenum (Mo), crystal orientation of 110 planes is improved in the crystal structure of molybdenum, and when the piezoelectric body is aluminum nitride doped with scandium, 0002 in the crystal structure of aluminum nitride doped with scandium. It can be seen that the crystal orientation of the surface is improved.
또한, 도 10을 참조하면, 그룹 1 및 2는 모두 제1 전극이 높은 압축 응력 하에서 형성될수록, 이상 성장 개수가 감소하는 것을 확인할 수 있다.Also, referring to FIG. 10 , in both
즉, 압전체가 형성되기 전에 기초가 되는 제1 전극이 조밀하게 형성되어, 제1 전극에 위로 성장하는 압전체도 높은 결정 배향성을 가지며 형성되고, 이에 따라 이상 성장 개수도 감소하게 되는 것을 알 수 있다. That is, before the piezoelectric body is formed, it can be seen that the underlying first electrode is densely formed, and the piezoelectric body that grows upward on the first electrode is also formed with high crystal orientation, and thus the number of abnormal growths is also reduced.
도 11a 내지 도 11c는 제1 전극 및 압전체를 인장 응력하에 성장시킨 경우(샘플 #3-1), 제1 전극 및 압전체의 경계를 배율에 따라 TEM에 의해 관찰된 사진이며, 도 12a 내지 도 12c는 제1 전극을 인장 응력하에 성장시키고 압전체 중 압축층이 제1 전극과 접하는 위치에 배치시킨 경우(샘플 #3-4), 제1 전극 및 압전체의 경계를 배율에 따라 TEM에 의해 관찰된 사진이며, 도 13a 내지 도 13c는 제1 전극을 압축 응력하에 성장시키고 압전체 중 압축층이 제1 전극과 접하는 위치에 배치시킨 경우(샘플 #3-6), 제1 전극 및 압전체의 경계를 배율에 따라 TEM에 의해 관찰된 사진이다.11A to 11C are photographs of the boundary between the first electrode and the piezoelectric body observed by TEM according to the magnification when the first electrode and the piezoelectric body are grown under tensile stress (Sample #3-1), FIGS. 12A to 12C is a photograph observed by TEM according to the magnification when the first electrode was grown under tensile stress and the compressive layer of the piezoelectric body was placed in contact with the first electrode (Sample #3-4). 13A to 13C show that when the first electrode is grown under compressive stress and the compressive layer of the piezoelectric body is placed in contact with the first electrode (Sample #3-6), the boundary between the first electrode and the piezoelectric body is shown in magnification. It is a photograph observed by TEM.
도 11 내지 13은 고해상도의 TEM으로 제1 전극(Mo)과 압전체(ScAlN)의 계면을 촬영한 것이다.11 to 13 are images of the interface between the first electrode (Mo) and the piezoelectric body (ScAlN) with high-resolution TEM.
도 11a, 12a 및 13a를 참조하면, 제1 전극이 어두운 색의 층으로 나타나며, 압전체가 비교적 밝은 색의 두꺼운 층으로 나타나게 된다.11A, 12A, and 13A , the first electrode is shown as a dark layer, and the piezoelectric body is shown as a relatively light colored thick layer.
도 11b를 참조하면 압전체 부분에 결함(defect)을 나타내는 검정색 반점들이 도 12b 및 13b보다 현저히 많이 나타나는 것을 알 수 있으며, 도 13b에서 검정색 반점들이 가장 적은 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 11B , it can be seen that black spots indicating defects in the piezoelectric part appear significantly more than FIGS. 12B and 13B , and it can be seen that the black spots are the smallest in FIG. 13B .
또한, 도 12b 및 도 12c를 참조하면, 제1 전극과 압전체가 접하는 계면이 굴곡진 형상을 가지는 것을 알 수 있다. 이와 같이 제1 전극과 압전체가 접하는 계면이 굴곡진 형상을 가지는 경우, 필름 벌크 음향 공진기의 성능이 감소하게 된다.Also, referring to FIGS. 12B and 12C , it can be seen that the interface between the first electrode and the piezoelectric body has a curved shape. As described above, when the interface between the first electrode and the piezoelectric body has a curved shape, the performance of the film bulk acoustic resonator is reduced.
이와 달리, 도 13b 및 도 13c를 참조하면, 제1 전극 및 압전체가 접하는 계면이 평탄한 것을 확인할 수 있다.Alternatively, referring to FIGS. 13B and 13C , it can be seen that the interface between the first electrode and the piezoelectric body is flat.
도 14는 제1 전극과 압전체의 격자구조가 서로 매칭되는 모식도를 도시한 것이다. 도 14를 참조하여, 몰리브덴인 제1 전극에 스칸듐이 도핑된 질화 알루미늄이 성장하는 것을 설명하도록 한다.14 is a schematic diagram showing a lattice structure of a first electrode and a piezoelectric body matched with each other. Referring to FIG. 14 , it will be described that aluminum nitride doped with scandium is grown on the first electrode made of molybdenum.
몰리브덴의 경우, 결정구조가 BCC이며, 110 면의 면밀도가 가장 높다.In the case of molybdenum, the crystal structure is BCC, and the areal density of 110 planes is the highest.
이와 달리, 스칸듐이 도핑된 질화 알루미늄은 결정구조가 HCP이다.In contrast, aluminum nitride doped with scandium has a crystal structure of HCP.
제1 전극에 압전체를 형성하는 경우, 110면의 몰리브덴 원소 중에서 가운데 하나의 몰리브덴을 중심으로 주위의 몰리브덴 원소의 중심을 서로 연결하면 도 13과 같이 육각형이 나타나게 된다.When the piezoelectric body is formed on the first electrode, when the centers of the surrounding molybdenum elements are connected to each other around one of the 110 molybdenum elements among the molybdenum elements, a hexagon appears as shown in FIG. 13 .
이러한 육각형에 스칸듐이 도핑된 질화 알루미늄의 HCP의 0002 면이 배치된다. The 0002 side of HCP of aluminum nitride doped with scandium is placed in this hexagon.
도 15는 압전체의 잔류 응력에 따른 c 격자 상수를 XRD theta-2theta scan을 통해 얻었다. 도 15를 참조하면, 압축 응력일수록 c 격자 상수가 증가하며 인장 응력일수록 c 격자 상수가 감소하는 것을 확인할 수 있다.15 shows the c lattice constant according to the residual stress of the piezoelectric body was obtained through XRD theta-2theta scan. Referring to FIG. 15 , it can be seen that the c lattice constant increases as the compressive stress increases, and the c lattice constant decreases as the tensile stress increases.
도 16은 제1 전극의 형성 조건 및 압전체의 형성 조건에 따라, 압전체의 c축의 격자 상수와 제1 전극의 a축의 격자 상수를 측정한 것이다. 16 illustrates measurements of the lattice constant of the c-axis of the piezoelectric body and the lattice constant of the a-axis of the first electrode according to the formation conditions of the first electrode and the formation conditions of the piezoelectric body.
도 16을 참조하면, 압전체의 전체 잔류 응력은 인장 응력 (300MPa)이기 때문에 스칸듐이 도핑된 질화 알루미늄의 c 격자 상수 값은 일정한 값을 내고 있음을 알 수 있다. 하지만 제1 전극의 경우, 잔류 응력이 압축 응력일수록 a 격자 상수가 크게 증가하는 것을 알 수 잇다.Referring to FIG. 16 , it can be seen that the c lattice constant value of the aluminum nitride doped with scandium has a constant value because the total residual stress of the piezoelectric body is the tensile stress (300 MPa). However, in the case of the first electrode, it can be seen that the lattice constant a greatly increases as the residual stress is the compressive stress.
즉, 잔류 응력이 압축 응력인 제1 전극의 격자 상수는 3.12 Å보다 큰 값을 가질 수 있다.That is, the lattice constant of the first electrode in which the residual stress is the compressive stress may have a value greater than 3.12 Å.
도 17은 제1 전극와 인접한 스칸듐 질화 알루미늄의 층(도 2의 ‘151’ 참조)의 HR-TEM image이다(그림 순서대로 #3-1, #3-4, #3-6). XRD theta-2theta 스캔으로는 스칸듐 질화 알루미늄의 a 격자 상수 측정이 어렵기 때문에 HR-TEM으로 a 격자 상수를 측정하였다. FIG. 17 is an HR-TEM image of a layer of scandium aluminum nitride adjacent to the first electrode (see '151' in FIG. 2) (#3-1, #3-4, #3-6 in the order of the figure). Since it is difficult to measure the a lattice constant of scandium aluminum nitride by XRD theta-2theta scan, the a lattice constant was measured by HR-TEM.
하기 표 8은 a축에 따른 격자 상수를 측정하여 제1 전극과 압전체의 격자의 부정합도(Lattice mismatch)를 계산한 것이다.Table 8 below shows the calculation of lattice mismatch between the lattice of the first electrode and the piezoelectric body by measuring the lattice constant along the a-axis.
격자의 부정합도(%)1 stool
Grid mismatch (%)
격자의 부정합도(%)6 stools
Grid mismatch (%)
도 15 내지 17 및 표 8을 참조하면, 제1 전극을 압축 응력 하에서 형성하고, 동시에 제1 전극과 접하는 압전층이 압축 응력하에서 형성된 압축층인 경우에 격자의 부정합도가 가장 낮은 것을 알 수 있다. 즉, 제1 전극을 압축 응력 하에서 형성하고, 동시에 제1 전극과 접하는 압전층이 압축 응력하에서 형성된 압축층인 경우에 압전체의 결정 배향성이 향상되어 박막 벌크 음향 공진기의 성능이 향상될 수 있다.15 to 17 and Table 8, it can be seen that the lattice mismatch is the lowest when the first electrode is formed under compressive stress and the piezoelectric layer in contact with the first electrode is a compressive layer formed under compressive stress. . That is, when the first electrode is formed under compressive stress and the piezoelectric layer in contact with the first electrode is a compressive layer formed under compressive stress, crystal orientation of the piezoelectric body is improved, thereby improving the performance of the thin film bulk acoustic resonator.
도 18 및 도 19는 본 발명의 일 실시예들에 따른 필터의 개략적인 회로도이다.18 and 19 are schematic circuit diagrams of a filter according to embodiments of the present invention.
도 18 및 도 19의 필터에 채용되는 복수의 체적 음향 공진기 각각은 도 1에 도시된 박막 벌크 음향 공진기에 대응한다. Each of the plurality of volumetric acoustic resonators employed in the filters of FIGS. 18 and 19 corresponds to the thin film bulk acoustic resonator shown in FIG. 1 .
도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터(1000)는 래더 타입(ladder type)의 필터 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 필터(1000)는 복수의 박막 벌크 음향 공진기(1100, 1200)를 포함한다. Referring to FIG. 18 , the
제1 박막 벌크 음향 공진기(1100)는 입력 신호(RFin)가 입력되는 신호 입력단과 출력 신호(RFout)가 출력되는 신호 출력단 사이에 직렬 연결될 수 있고, 제2 박막 벌크 음향 공진기(1200)는 상기 신호 출력단과 접지 사이에 연결된다. The first thin film bulk
도 19를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터(2000)는 래티스 타입(lattice type)의 필터 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 필터(2000)는 복수의 박막 벌크 음향 공진기(2100, 2200, 2300, 2400)를 포함하여, 밸런스드(balanced) 입력 신호(RFin+,RFin-)를 필터링하여 밸런스드 출력 신호(RFout+, RFout-)를 출력할 수 있다. Referring to FIG. 19 , the
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.In the above, the present invention has been described with specific matters such as specific components and limited embodiments and drawings, but these are provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments. , those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can devise various modifications and variations from these descriptions.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, and not only the claims described below, but also all modifications equivalently or equivalently to the claims described below belong to the scope of the spirit of the present invention. will do it
110: 기판
112: 에어 캐비티
120: 절연층
130: 멤브레인
135: 공진부
140: 제1 전극
150: 압전체
151, 152: 압전층
155: 이상결정
160: 제2 전극
170: 보호층
180: 전극 패드
1000, 2000: 필터
1100, 1200, 2100, 2200, 2300, 2400: 박막 벌크 음향 공진기110: substrate
112: air cavity
120: insulating layer
130: membrane
135: resonance unit
140: first electrode
150: piezoelectric body
151, 152: piezoelectric layer
155: abnormal determination
160: second electrode
170: protective layer
180: electrode pad
1000, 2000: filter
1100, 1200, 2100, 2200, 2300, 2400: thin film bulk acoustic resonators
Claims (14)
상기 기판의 상부에 배치되는 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 배치되며, 도핑 물질이 첨가된 질화 알루미늄을 포함하는 압전체; 및
상기 압전체 상에 배치되는 제2 전극;을 포함하고,
상기 압전체는 제1 및 제2 영역을 포함하며, 상기 제1 영역이 상기 제2 영역보다 상기 제1 전극에 가깝고,
상기 제1 및 제2 영역은 HCP 결정 구조를 포함하며, 상기 제1 영역에 포함된 HPC 결정 구조는 상기 제2 영역에 포함된 HPC 결정 구조보다 a축 방향의 격자 상수와 c 축 방향의 격자 상수의 비(c/a)가 큰 박막 벌크 음향 공진기.
Board;
a first electrode disposed on the substrate;
a piezoelectric body disposed on the first electrode and including aluminum nitride to which a doping material is added; and
a second electrode disposed on the piezoelectric body;
The piezoelectric body includes first and second regions, wherein the first region is closer to the first electrode than the second region;
The first and second regions include an HCP crystal structure, and the HPC crystal structure included in the first region has a lattice constant in the a-axis direction and a lattice constant in the c-axis direction compared to the HPC crystal structure included in the second region. A thin film bulk acoustic resonator with a large ratio (c/a) of
상기 기판과 상기 제1 전극 사이에 배치되는 에어 캐비티를 더 포함하는 박막 벌크 음향 공진기.
According to claim 1,
The thin film bulk acoustic resonator further comprising an air cavity disposed between the substrate and the first electrode.
상기 도핑 물질은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 란탄(La), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 및 하프늄(Hf)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 박막 벌크 음향 공진기.
According to claim 1,
The doping material is one or a combination thereof selected from the group consisting of scandium (Sc), erbium (Er), yttrium (Y), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr), and hafnium (Hf). A thin film bulk acoustic resonator comprising
상기 압전체에 포함되는 도핑 물질의 함량은 1 내지 20at%인 박막 벌크 음향 공진기.
According to claim 1,
The content of the doping material included in the piezoelectric material is 1 to 20 at% thin film bulk acoustic resonator.
상기 제1 영역은 상기 제2 영역보다 큰 c 격자 상수를 가지는 박막 벌크 음향 공진기.
According to claim 1,
wherein the first region has a larger c lattice constant than the second region.
상기 제1 전극은 금(Au), 티탄(Ti), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 및 이리듐(Ir) 중 하나 또는 이들의 합금을 포함하는 박막 벌크 음향 공진기.
According to claim 1,
The first electrode may include gold (Au), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), platinum (Pt), tungsten (W), aluminum (Al), nickel (Ni), and a thin film bulk acoustic resonator comprising one of iridium (Ir) or an alloy thereof.
상기 제1 전극은 BCC 결정 구조를 포함하는 박막 벌크 음향 공진기.
According to claim 1,
The first electrode is a thin film bulk acoustic resonator including a BCC crystal structure.
상기 기판의 상부에 배치되는 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 배치되며, 도핑 물질이 첨가된 질화 알루미늄을 포함하는 압전체; 및
상기 압전체 상에 배치되는 제2 전극;을 포함하고,
상기 압전체는 제1 및 제2 영역을 포함하며, 상기 제1 영역이 상기 제2 영역보다 상기 제1 전극에 가깝고,
상기 제1 및 제2 영역은 HCP 결정 구조를 포함하며, 상기 제1 영역에 포함된 HPC 결정 구조는 상기 제2 영역에 포함된 HPC 결정 구조보다 a축 방향의 격자 상수와 c 축 방향의 격자 상수의 비(c/a)가 크고,
상기 제1 전극은 a축 방향의 격자 상수가 3.12 Å보다 큰 박막 벌크 음향 공진기.
Board;
a first electrode disposed on the substrate;
a piezoelectric body disposed on the first electrode and including aluminum nitride to which a doping material is added; and
a second electrode disposed on the piezoelectric body;
The piezoelectric body includes first and second regions, wherein the first region is closer to the first electrode than the second region;
The first and second regions include an HCP crystal structure, and the HPC crystal structure included in the first region has a lattice constant in the a-axis direction and a lattice constant in the c-axis direction compared to the HPC crystal structure included in the second region. has a large ratio (c/a) of
The first electrode is a thin film bulk acoustic resonator having a lattice constant greater than 3.12 Å in the a-axis direction.
상기 기판과 상기 제1 전극 사이에 배치되는 에어 캐비티를 더 포함하는
박막 벌크 음향 공진기.
10. The method of claim 9,
Further comprising an air cavity disposed between the substrate and the first electrode
Thin-film bulk acoustic resonators.
상기 제1 전극은 금(Au), 티탄(Ti), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 및 이리듐(Ir) 중 하나 또는 이들의 합금을 포함하는 박막 벌크 음향 공진기.
10. The method of claim 9,
The first electrode may include gold (Au), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), platinum (Pt), tungsten (W), aluminum (Al), nickel (Ni), and a thin film bulk acoustic resonator comprising one of iridium (Ir) or an alloy thereof.
상기 제1 전극은 BCC 결정 구조를 포함하는 박막 벌크 음향 공진기.
10. The method of claim 9,
The first electrode is a thin film bulk acoustic resonator including a BCC crystal structure.
상기 복수의 박막 벌크 음향 공진기 중 하나 이상은 제1항 내지 제6항, 제8항 내지 제11항, 및 제13항에서 선택된 어느 하나의 박막 벌크 음향 공진기인 필터.
A filter comprising a plurality of thin film bulk acoustic resonators, comprising:
At least one of the plurality of thin film bulk acoustic resonators is a thin film bulk acoustic resonator selected from any one of claims 1 to 6, 8 to 11, and 13.
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