KR102473421B1 - 음향 공진기 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기는, 기판; 상기 기판 상에 제1 전극, 압전층, 제2 전극이 순차적으로 적층된 중앙부; 및 상기 중앙부에서 외측으로 연장되는 영역으로, 상기 압전층 하부에 삽입층이 배치되는 확장부;를 포함하며, 상기 제1 전극과 상기 압전층 사이에는 배리어층이 배치된다.
Description
본 발명은 음향 공진기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
무선 통신 기기의 소형화 추세에 따라 고주파 부품기술의 소형화가 적극적으로 요구되고 있으며, 일례로 반도체 박막 웨이퍼 제조기술을 이용하는 벌크 음향 공진기(BAW, Bulk Acoustic Wave) 형태의 필터를 들 수 있다.
벌크 음향 공진기(BAW)란 반도체 기판인 실리콘 웨이퍼 상에 압전 유전체 물질을 증착하여 그 압전특성을 이용함으로써 공진을 유발시키는 박막형태의 소자를 필터로 구현한 것이다.
벌크 음향 공진기의 이용분야로는 이동통신기기, 화학 및 바이오 기기 등의 소형 경량필터, 오실레이터, 공진소자, 음향공진 질량센서 등이 있다.
한편, 벌크 음향 공진기의 특성과 성능을 높이기 위한 여러 가지 구조적 형상 및 기능에 대한 연구가 이루어지고 있으며, 그에 따른 제조 방법에 대해서도 지속적인 연구가 이루어지고 있다.
본 발명의 목적은 성능을 향상시킬 수 있는 음향 공진기 및 그 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기는, 기판; 상기 기판 상에 제1 전극, 압전층, 제2 전극이 순차적으로 적층된 중앙부; 및 상기 중앙부에서 외측으로 연장되는 영역으로, 상기 압전층 하부에 삽입층이 배치되는 확장부;를 포함하며, 상기 제1 전극과 상기 압전층 사이에는 배리어층이 배치된다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기 제조 방법은, 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 배리어층을 형성하는 단계; 상기 배리어층 상에 부분적으로 삽입층을 형성하는 단계; 상기 배리어층과 상에 적층되는 압전부와 상기 삽입층 상에 적층되는 굴곡부를 포함하는 압전층을 형성하는 단계; 및 상기 압전층 상에 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 음향 공진기는 제1 전극 상에 배리어층을 배치하여 제1 전극의 유실에 의한 주파수 산포를 개선한다. 또한 제1 전극의 표면 거칠기 증가를 억제함으로써, 압전층의 결정 배향성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 평면도.
도 2는 도 1의 I-I′에 따른 단면도.
도 3은 도 1의 II-II′에 따른 단면도.
도 4 는 도 1의 III-III′에 따른 단면도.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향 공진기의 단면도.
도 2는 도 1의 I-I′에 따른 단면도.
도 3은 도 1의 II-II′에 따른 단면도.
도 4 는 도 1의 III-III′에 따른 단면도.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향 공진기의 단면도.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
아울러, 명세서 전체에서, 어떤 구성이 다른 구성과 '연결'되어 있다 함은 이들 구성들이 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 구성을 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함하는 것을 의미한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 평면도이고, 도 2는 도 1의 I-I′에 따른 단면도이다. 또한 도 3은 도 1의 II-II′에 따른 단면도이고, 도 4 는 도 1의 III-III′에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기(100)는 체적 음향 공진기(BAW, Bulk Acoustic Wave Resonator) 일 수 있으며, 기판(110), 희생층(140), 공진부(120), 삽입층(170) 및 배리어층(160)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 실리콘 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(110)으로는 실리콘 웨이퍼가 이용되거나, SOI(Silicon On Insulator) 타입의 기판이 이용될 수 있다.
기판(110)의 상면에는 절연층(115)이 마련되어 기판(110)과 공진부(120)를 전기적으로 격리시킬 수 있다. 또한 절연층(115)은 음향 공진기 제조 과정에서 캐비티(C)를 형성할 때, 에칭가스에 의해 기판(110)이 식각되는 것을 방지한다.
이 경우, 절연층(115)은 이산화규소(SiO2), 실리콘 나이트라이드(Si3N4), 산화 알루미늄(Al2O3), 및 질화 알루미늄(AlN) 중 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 화학 기상 증착(Chemical vapor deposition), RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering), 및 에바포레이션(Evaporation) 중 어느 하나의 공정을 통해 기판(110)에 형성될 수 있다.
희생층(140)은 절연층(115) 상에 형성되며, 희생층(140)의 내부에는 캐비티(C)와 식각 방지부(145)가 배치된다.
캐비티(C)는 빈 공간으로 형성되며, 희생층(140)의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다.
캐비티(C)가 희생층(140)에 내에 형성됨에 따라, 희생층(140)의 상부에 형성되는 공진부(120)는 전체적으로 편평하게 형성될 수 있다.
식각 방지부(145)는 캐비티(C)의 경계를 따라 배치된다. 식각 방지부(145)는 캐비티(C) 형성 과정에서 캐비티 영역 이상으로 식각이 진행되는 것을 방지하기 위해 구비된다. 따라서, 캐비티(C)의 수평 면적은 식각 방지부(145)에 의해 규정되고, 수직 면적(예컨대 높이)은 희생층(140)의 두께에 의해 규정된다.
멤브레인층(150)은 희생층(140) 상에 형성되어 기판(110)과 함께 캐비티(C)의 두께(또는 높이)를 규정한다. 따라서 멤브레인층(150)도 캐비티(C)를 형성하는 과정에서 쉽게 제거되지 않는 재질로 형성된다.
예를 들어, 희생층(140)의 일부(예컨대, 캐비티 영역)을 제거하기 위해 불소(F), 염소(Cl) 등의 할라이드계 에칭가스를 이용하는 경우, 멤브레인층(150)은 상기한 에칭가스와 반응성이 낮은 재질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 멤브레인층(150)은 이산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 멤브레인층(150)은 산화마그네슘(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 적어도 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer)으로 이루어지거나, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 백금(Pt), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf) 중 적어도 하나의 재질을 함유하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
멤브레인층(150) 상에는 질화 알루미늄(AlN)으로 제조되는 시드층(미도시)이 형성될 수 있다. 구체적으로 시드층은 멤브레인층(150)과 제1 전극(121) 사이에 배치될 수 있다. 시드층은 AlN 이외에도 HCP 구조를 가지는 유전체 또는 금속을 이용하여 형성될 수 있다. 금속일 경우, 예를 들어 시드층은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.
공진부(120)는 제1 전극(121), 압전층(123), 및 제2 전극(125)을 포함한다. 공진부(120)는 아래에서부터 제1 전극(121), 압전층(123), 및 제2 전극(125)이 순서대로 적층된다. 따라서 공진부(120)에서 압전층(123)은 제1 전극(121)과 제2 전극(125) 사이에 배치된다.
공진부(120)는 멤브레인층(150) 상에 형성되므로, 결국 기판(110)의 상부에는 멤브레인층(150), 제1 전극(121), 압전층(123) 및 제2 전극(125)이 차례로 적층되어 공진부(120)를 형성한다.
공진부(120)는 제1 전극(121)과 제2 전극(125)에 인가되는 신호에 따라 압전층(123)을 공진시켜 공진 주파수 및 반공진 주파수를 발생시킬 수 있다.
공진부(120)는 제1 전극(121), 압전층(123), 및 제2 전극(125)이 대략 편평하게 적층된 중앙부(S), 그리고 제1 전극(121)과 압전층(123) 사이에 삽입층(170)이 개재되는 확장부(E)로 구분될 수 있다.
중앙부(S)는 공진부(120)의 중심에 배치되는 영역이고 확장부(E)는 중앙부(S)의 둘레를 따라 배치되는 영역이다. 따라서 확장부(E)는 중앙부(S)에서 외측으로 연장되는 영역을 의미한다.
삽입층(170)은 중앙부(S)에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지는 경사면(L)을 구비한다.
확장부(E)에서 압전층(123)과 제2 전극(125)은 삽입층(170) 상에 배치된다. 따라서 확장부(E)에 위치한 압전층(123)과 제2 전극(125)은 삽입층(170)의 경사면(L)형상을 따라 형성되는 경사면을 구비한다.
한편, 본 실시예에서는 확장부(E)가 공진부(120)에 포함되는 것으로 정의하고 있으며, 이에 따라 확장부(E)에서도 공진이 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 확장부(E)의 구조에 따라 확장부(E)에서는 공진이 이루어지지 않고 중앙부(S)에서만 공진이 이루어질 수도 있다.
제1 전극(121) 및 제2 전극(125)은 도전체로 형성될 수 있으며, 예를 들어 금, 몰리브덴, 루테늄, 이리듐, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 탄탈륨, 크롬, 니켈 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 금속으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극(121)은 제2 전극(125)보다 넓은 면적으로 형성되며, 제1 전극(121) 상에는 제1 전극(121)의 외곽을 따라 제1 금속층(180)이 배치된다. 따라서 제1 금속층(180)은 제2 전극(125)을 둘러 싸는 형태로 배치될 수 있다.
제1 전극(121)은 멤브레인층(150) 상에 배치되므로 전체적으로 편평하게 형성된다. 반면에 제2 전극(125)은 압전층(123) 상에 배치되므로, 압전층(123)의 형상에 대응하여 굴곡이 형성될 수 있다.
제2 전극(125)은 중앙부(S) 내에 전체적으로 배치되며, 확장부(E)에 부분적으로 배치된다. 이에, 제2 전극(125)은 후술되는 압전층(123)의 압전부(123a) 상에 배치되는 부분과, 압전층(123)의 굴곡부(123b) 상에 배치되는 부분으로 구분될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에서 제2 전극(125)은 압전부(123a) 전체와, 압전층(123)의 경사부(1231) 중 일부분을 덮는 형태로 배치된다. 따라서 확장부(E) 내에 배치되는 제2 전극(도 4의 125a)은, 경사부(1231)의 경사면보다 작은 면적으로 형성되며, 공진부(120) 내에서 제2 전극(125)은 압전층(123)보다 작은 면적으로 형성된다.
압전층(123)은 제1 전극(121)과 후술되는 삽입층(170) 상에 형성된다.
압전층(123)의 재료로는 산화 아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN), 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride), 지르콘 티탄산 납(Lead Zirconate Titanate), 쿼츠(Quartz) 등이 선택적으로 이용될 수 있다. 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride) 경우 희토류 금속(Rare earth metal) 또는 전이 금속을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 전이 금속은 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 및 마그네늄(Mg) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 압전층(123)은 중앙부(S)에 배치되는 압전부(123a), 그리고 확장부(E)에 배치되는 굴곡부(123b)를 포함한다.
압전부(123a)는 제1 전극(121)의 상부면에 직접 적층되는 부분이다. 따라서 압전부(123a)는 제1 전극(121)과 제2 전극(125) 사이에 개재되어 제1 전극(121), 제2 전극(125)과 함께 편평한 형태로 형성된다.
굴곡부(123b)는 압전부(123a)에서 외측으로 연장되어 확장부(E) 내에 위치하는 영역으로 정의될 수 있다.
굴곡부(123b)는 후술되는 삽입층(170) 상에 배치되며, 삽입층(170)의 형상을 따라 융기되는 형태로 형성된다. 이에 압전층(123)은 압전부(123a)와 굴곡부(123b)의 경계에서 굴곡되며, 굴곡부(123b)는 삽입층(170)의 두께와 형상에 대응하여 융기된다.
굴곡부(123b)는 경사부(1231)와 연장부(1232)로 구분될 수 있다.
경사부(1231)는 후술되는 삽입층(170)의 경사면(L)을 따라 경사지게 형성되는 부분을 의미한다. 그리고 연장부(1232)는 경사부(1231)에서 외측으로 연장되는 부분을 의미한다.
경사부(1231)는 삽입층(170) 경사면(L)과 평행하게 형성되며, 경사부(1231)의 경사각은 삽입층(170) 경사면(L)의 경사각(도 4의 θ)과 동일하게 형성될 수 있다.
삽입층(170)은 멤브레인층(150)과 제1 전극(121), 그리고 식각 방지부(145)에 의해 형성되는 표면을 따라 배치된다.
삽입층(170)은 중앙부(S)의 주변에 배치되어 압전층(123)의 굴곡부(123b)를 지지한다. 따라서 압전층(123)의 굴곡부(123b)는 삽입층(170)의 형상을 따라 경사부(1231)와 연장부(1232)로 구분될 수 있다.
삽입층(170)은 중앙부(S)를 제외한 영역에 배치된다. 예를 들어 삽입층(170)은 중앙부(S)를 제외한 영역 전체에 배치되거나, 일부 영역에 배치될 수 있다.
또한 삽입층(170)은 적어도 일부가 압전층(123)과 제1 전극(121) 사이에 배치된다.
중앙부(S)의 경계를 따라 배치되는 삽입층(170)의 측면은 중앙부(S)에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지는 형태로 형성된다. 이로 인해 삽입층(170)은 중앙부(S)와 인접하게 배치되는 측면이 일정한 경사각(θ)을 갖는 경사면(L)으로 형성된다.
삽입층(170) 측면의 경사각(θ)이 5°보다 작게 형성되면, 이를 제조하기 위해서는 삽입층(170)의 두께를 매우 얇게 형성하거나 경사면(L)의 면적을 과도하게 크게 형성해야 하므로, 실질적으로 구현이 어렵다.
또한 삽입층(170) 측면의 경사각(θ)이 70°보다 크게 형성되면, 삽입층(170) 상에 적층되는 압전층(123)의 경사부(1231) 경사각도 70°보다 크게 형성된다. 이 경우 압전층(123)이 과도하게 굴곡되므로, 압전층(123)의 굴곡 부분에서 크랙(crack)이 발생될 수 있다.
따라서, 본 실시예에서 상기 경사면(L)의 경사각(θ)은 5°이상, 70°이하의 범위로 형성된다.
삽입층(170)은 산화규소(SiO2), 질화알루미늄(AlN), 산화알루미늄(Al2O3), 질화규소(SiN), 산화마그네슘(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO)등의 유전체로 형성될 수 있으나, 압전층(123)과는 다른 재질로 형성된다. 또한, 필요에 따라 삽입층(170)이 구비되는 영역을 빈 공간(air)으로 형성하는 것도 가능하다. 이는 제조 과정에서 공진부(120)를 모두 형성한 후, 삽입층(170)을 제거함으로써 구현될 수 있다.
본 실시예에서 삽입층(170)의 두께는 제1 전극(121)의 두께와 동일하거나, 유사하게 형성될 수 있다. 또한 압전층(123)과 유사하거나 압전층(123) 보다 얇게 형성될 수 있다. 예를 들어 삽입층(170)은 100Å 이상의 두께로 형성되되 압전층(123)의 두께보다는 얇게 형성될 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 본 실시예에 따른 음향 공진기는 제1 전극(121) 상에 배리어층(160)이 배치된다. 따라서 배리어층(160)은 제1 전극(121)과 압전층(123) 사이에 배치되며, 확장부(E)에서 제1 전극(121)과 삽입층(170) 사이에 배치된다.
이로 인해 삽입층(170)은 실질적으로 배리어층(160) 상에 배치된다. 또한 삽입층(170)이 없는 부분에서 압전층(123)도 배리어층(160) 상에 배치된다.
배리어층(160)이 없는 경우, 제1 전극(121) 상에 직접 삽입층(170)이 배치된다. 이 경우, 음향파 디바이스 제조 과정에서 제1 전극(121) 상에 삽입층(170)을 증착하고 패터닝하는 공정이 수행된다.
그런데 삽입층(170)을 패터닝하는 과정에서 사용되는 식각 가스(예컨대, O2, Cl)에 의해 제1 전극(121)의 일부가 함께 제거될 수 있다. 이로 인해 중앙부(S)에 위치하는 제1 전극(121)은 표면 거칠기(roughness)가 증가하게 되며, 이는 압전층(123) 증착/성장 시 결정 배향성에 다소 불리한 조건으로 작용할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 삽입층(170)의 재료와 건식 식각 선택성(dry etch selectivity)이 높은 재료로 배리어층(160)을 형성한다. 이 경우, 제1 전극(121)의 유실에 의한 주파수 산포를 개선할 수 있다.
또한 제1 전극(121)과의 결정 배향성 뿐만 아니라 압전층(123)의 결정 배향성에 도움이 되는 재료로 배리어층(160)을 형성하는 경우, 제1 전극(121)의 표면 거칠기 개선으로 인한 압전층(123) 결정 배향성도 개선될 수 있다.
본 실시예에 따른 배리어층(160)은 질화 알루미늄(AlN)으로 제조될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 질화 알루미늄(AlN) 이외에도 HCP 구조를 가지는 유전체 또는 금속을 이용하여 형성될 수 있다. 금속일 경우 예를 들어, 배리어층(160)은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.
질화 알루미늄(AlN)과 같은 HCP 구조를 가지는 유전체 재료 경우, 삽입층(170)과의 건식 식각 선택성(dry etch selectivity)도 높고 압전층(123)과 동일한 재료이므로 배리어층(160)의 기능을 효과적으로 수행할 수 있다.
또한 티타늄(Ti)으로 배리어층(160)을 형성하는 경우, 삽입층(170)과의 건식 식각 선택성(dry etch selectivity)가 우수하고, 제1 전극(121)과 압전층(123) 간의 격자 불일치(lattice mismatch)도 적어 결정 배향성 개선에 기여할 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 공진부(120)는 빈 공간으로 형성되는 캐비티(C)를 통해 기판(110)과 이격 배치된다.
캐비티(C)는 음향 공진기 제조 과정에서 에칭 가스(또는 에칭 용액)을 유입 홀(도 1, 도 3의 H)로 공급하여 희생층(140)의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다.
보호층(127)은 음향 공진기(100)의 표면을 따라 배치되어 음향 공진기(100)를 외부로부터 보호한다. 보호층(127)은 제2 전극(125), 압전층(123)의 굴곡부(123b), 그리고 삽입층(170)이 형성하는 표면을 따라 배치될 수 있다.
보호층(127)은 실리콘 옥사이드 계열, 실리콘 나이트라이드 계열, 알루미늄 옥사이드 계열 및 알루미늄 나이트라이드 계열 중의 어느 하나의 절연 물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전극(121)과 제2 전극(125)은 공진부(120)의 외측으로 연장 형성되며, 연장 형성된 부분의 상부면에는 각각 제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)이 배치된다.
제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)은 금(Au), 금-주석(Au-Sn) 합금, 구리(Cu), 구리-주석(Cu-Sn) 합금 등의 재질로 이루어질 수 있다.
제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)은 본 실시예에 따른 음향 공진기의 전극(121, 125)과 인접하게 배치된 다른 음향 공진기의 전극을 전기적으로 연결하는 연결 배선으로 기능하거나, 외부 접속 단자로 기능할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 2에는 제 2 금속층(190)의 하부에 삽입층(170)이 배치되는 경우를 도시하고 있으나, 본 발명의 구성은 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 제 2 금속층(190) 하부에는 삽입층(170)이 제거된 구조로도 음향 공진기를 구현하는 것도 가능하다.
제1 금속층(180)은 삽입층(170)과 보호층(127)을 관통하여 제1 전극(121)에 접합된다.
또한 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전극(121)은 제2 전극(125)보다 넓은 면적으로 형성되며, 제1 전극(121)의 둘레 부분에는 제1 금속층(180)이 형성된다.
따라서, 제1 금속층(180)은 공진부(120)의 둘레를 따라 배치되며, 이에 제2 전극(125)을 둘러싸는 형태로 배치된다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 제2 전극(125)은 압전층(123)의 압전부(123a)와 경사부(1231) 상에 적층 배치된다. 그리고, 제2 전극(125) 중 압전층(123)의 경사부(1231) 상에 배치되는 부분(도 4의 125a), 즉 확장부(E)에 배치되는 제2 전극(125a)은 경사부(1231)의 경사면의 전체가 아닌, 경사면 일부분에만 배치된다.
그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 전극(125)을 압전층(123)의 압전부(123a)와 경사부(1231) 전체에 배치하거나, 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 전극(125)을 중앙부(S)와 확장부(E) 전체에 배치하는 등 다양한 변형이 가능하다.
이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 음향 공진기는, 삽입층(170)에 의해 공진부(120)의 확장부(E)가 중앙부(S)보다 두꺼운 두께로 형성되므로, 중앙부(S)에서 발생한 진동이 외곽으로 빠져 나가는 것을 억제하여 음향 공진기의 Q-factor를 증가시킬 수 있다.
또한 제2 전극(125)을 확장부(E)에 부분적으로 배치함으로써, 비약적으로 개선된 공진 성능을 제공할 수 있다.
또한 배리어층(160) 상에 삽입층(170)이 배치되므로, 제조 과정에서 제1 전극(121)의 일부가 유실됨에 따라 발생하는 주파수 산포를 개선할 수 있으며, 제1 전극의 표면 거칠기가 개선되므로 압전층(123)의 결정 배향성도 개선할 수 있다.
또한 배리어층(160)으로 특정 재료를 사용하는 경우, 압전층(123)인 AlN와의 격자 불일치(lattice mismatch)를 개선할 수 있어 추가적으로 압전층(123)의 결정 배향성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어 <표 1>을 참조하면, 티타늄(Ti)으로 배리어층(160)을 형성하고, 질화알루미늄(AlN)으로 압전층(123)을 형성하는 경우, 배리어층(160)과 압전층(123) 간의 격자 불일치(lattice mismatch)는 6% 정도이다. 반면에, 몰리브덴(Mo)으로 형성한 제1 전극(121) 상에 배리어층(160) 없이 직접 압전층(123)을 형성한 경우, 몰리브덴(Mo)과 질화알루미늄(AlN)과의 격자 불일치(lattice mismatch)는 13%이다. 따라서 제1 전극(121)과 압전층(123) 사이에 배리어층(160)을 배치하는 경우, 격자 불일치(lattice mismatch)가 개선되는 것을 알 수 있다.
구분 | 재질 | 압전층 재질 | 격자 불일치 (Lattice mismatch, %) |
배리어층 | Ti (0002) | AlN (0002) | 6 |
제1 전극 | Mo (110) | AlN (0002) | 13 |
또한, 본 실시예와 같이 Ti를 배리어층(160)으로 사용하게 되면 압전층(123)의 결정 배향성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과를 확인하기 위해, 배리어층(160)으로 Ti을 사용하고, 몰리브덴(Mo)으로 형성된 제1 전극(121) 위에 500Å의 두께로 증착하여 기존 구조와의 결정 배향성 차이를 비교하였다.
하기의 <표 2>를 참조하면, 비교예는 배리어층을 적용하지 않은 구조로, 제1 전극(121) 위에 직접 삽입층(170)을 증착/패터닝하였다. 이로 인해 일부가 유실되고 거칠어진 제1 전극(121)의 표면에 압전층(123)을 1um의 두께로 증착하였다.
이후 제2 전극(135)으로 몰리브덴(Mo)을 3000Å 두께로 증착하여 일정 면적을 가지는 커패시터(capacitor) 구조를 형성한 후, 누설 전류(leakage current)를 측정하였다.
누설 전류(leakage current)는 100, 150, 200V로 제1, 제2 전극(121, 125)에 전압을 인가하여 측정하였으며, 이를 기반으로 통해 압전층(123)의 결정 배향성을 비교하였다. 압전층의 결정 배향성이 향상될 경우 유전 손실(dielectric loss) 값이 낮아져 누설 전류 값은 낮은 값을 나타낸다.
비교예 | 본 발명의 실시예 | |
Leakage current (nA) | ||
100V | 23.54 | 20.97 |
150V | 222.69 | 204 |
200V | 1513.25 | 1389.26 |
Rocking curve (0002) | ||
FWHM (degree) | 1.321 | 1.304 |
또한 XRD(X-Ray Diffraction)의 요동 곡선(rocking curve)를 측정하여 AlN(0002) 결정면의 결정 배향성을 비교하였다.
배리어층(160)을 적용한 경우 100, 150, 200V의 전압을 인가했을 때 기존 구조에 비해 누설 전류가 낮은 값을 보이는 것을 확인할 수 있으며, XRD의 요동 곡선(rocking curve) 측정 결과로도 기존 대비 0.02 degree 정도 개선 되는 것을 확인할 수 있다.
이 실험 결과를 통해, 티타늄(Ti) 재질의 배리어층(160)을 적용할 경우 삽입층(170) 증착/패터닝 시 몰리브덴(Mo)으로 형성된 제1 전극(121)의 표면 거칠기가 증가되는 것을 억제할 수 있으며, Ti/AlN간 격자 상부 불일치(lattice parameter mismatch)가 개선되어 질화알루미늄(AlN) 재질인 압전층(123)의 결정 배향성이 향상됨을 알 수 있다.
이어서 본 실시예에 따른 음향 공진기의 제조 방법을 설명한다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기 제조 방법은 먼저 기판(110) 상에 절연층(115), 및 희생층(140)을 형성하고, 희생층(140)을 관통하는 패턴(P)을 형성한다. 따라서 절연층(115)은 패턴(P)을 통해 외부로 노출된다.
절연층(115)은 산화마그네슘(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 질화실리콘(SiN) 또는 산화실리콘(SiO2) 등으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
희생층(140)에 형성되는 패턴(P)은 상면의 폭은 하면의 폭 보다 넓은 사다리꼴 형태의 단면을 갖도록 형성될 수 있다.
희생층(140)은 추후의 식각 공정을 통해 일부가 제거되어 캐비티(도 2의 C)을 형성한다. 따라서 희생층(140)은 식각에 용이한 폴리실리콘 또는 폴리머 등의 재질이 이용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 희생층(140) 상에 멤브레인층(150)을 형성한다. 멤브레인층(150)은 희생층(140)이 표면을 따라 일정한 두께로 형성된다. 멤브레인층(150)의 두께는 희생층(140)의 두께 보다 얇을 수 있다.
멤브레인층(150)은 이산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 산화마그네슘(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 적어도 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer) 또는 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 백금(Pt), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf) 중 적어도 어느 하나의 재질을 함유하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도시되어 있지 않지만, 멤브레인층(150) 상에 시드층이 형성될 수 있다.
시드층은 멤브레인층(150)과 후술되는 제1 전극(121) 사이에 배치될 수 있다. 시드층은 질화 알루미늄(AlN)으로 제조될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 HCP 구조를 가지는 유전체 또는 금속을 이용하여 형성할 수도 있다. 예를 들어 금속으로 시드층을 형성하는 경우 시드층은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.
이어서, 도 6에 도시된 바와 같이 멤브레인층(150) 상에 식각 방지층(145a)을 형성한다. 식각 방지층(145a)은 패턴(P)의 내부에도 충진된다.
식각 방지층(145a)은 패턴(P)을 완전히 채우는 두께로 형성된다. 따라서 식각 방치층(145a)은 희생층(140)보다 두껍게 형성될 수 있다.
식각 방지층(145a)은 절연층(115)과 동일한 재료로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 멤브레인층(150)이 외부로 노출되도록 식각 방지층(145a)을 제거한다.
이때 패턴(P)의 내부에 충진된 부분은 남겨지며, 남겨진 식각 방지층(145a)은 식각 방지부(145)로 기능한다.
이어서, 도 7에 도시된 바와 같이 멤브레인층(150) 상면에 제1 전극(121)을 형성한다.
본 실시예에 있어서 제1 전극(121)은 도전체로 형성될 수 있으며, 예를 들어 금, 몰리브덴, 루테늄, 이리듐, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 탄탈륨, 크롬, 니켈 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 금속으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극(121)은 캐비티(도 3의 C)가 형성될 영역의 상부에 형성된다.
제1 전극(121)은 멤브레인층(150) 전체를 덮는 형태로 도전체층을 형성한 후, 불필요한 부분을 제거함으로써 형성할 수 있다. 이 과정에서 배리어층(160)이 함께 형성될 수 있다.
배리어층(160)은 제1 전극(121) 상에 형성되며, 예컨대 질화 알루미늄(AlN)으로 제조될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며 HCP 구조를 가지는 유전체 또는 금속을 이용하여 형성할 수도 있다. 예를 들어 금속으로 배리어층(160)을 형성하는 경우 배리어층(160)은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.
배리어층(160)은 제1 전극(121)을 완성하기 전에, 상기한 도전체층 상에 형성된 후, 제1 전극(121)의 불필요한 부분을 제거하는 과정에서 배리어층(160)의 불필요한 부분도 함께 제거될 수 있다. 이에 따라 배리어층(160)은 제1 전극(121)의 상부 표면에만 배치된다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 제1 전극(121)을 완성한 후, 제1 전극(121) 위에 배리어층(160)을 형성하는 등 다양한 변형이 가능하다.
이어서, 삽입층(170)을 형성한다. 삽입층(170)은 제1 전극(121)과 배리어층(160)상에 형성되며, 필요에 따라 멤브레인층(150)의 상부로 확장될 수 있다.
삽입층(170)은 멤브레인층(150)과 제1 전극(121), 배리어층(160), 그리고 식각 방지부(145)가 형성하는 표면 전체를 덮도록 증착한 후, 중앙부(S)에 해당하는 영역에 배치된 부분을 제거하는 패터닝 공정을 통해 완성될 수 있다.
이에 따라 중앙부(S)를 구성하는 제1 전극(121)의 중심부는 삽입층(170)의 외측으로 노출된다. 또한 삽입층(170)은 제1 전극(121)의 둘레를 따라 제1 전극(121)의 일부를 덮는 형태로 형성된다. 따라서 확장부(E)에 배치되는 제1 전극(121)의 테두리 부분은 삽입층(170)의 하부에 배치된다.
중앙부(S)와 인접하게 배치되는 삽입층(170)의 측면은 경사면(L)으로 형성된다. 삽입층(170)은 중앙부(S) 측으로 갈수록 두께가 얇아지는 형태로 형성되며, 이에 삽입층(170)의 하부면은 삽입층(170)의 상부면보다 중앙부(S) 측으로 더 확장된 형태로 형성된다. 이때, 삽입층(170) 경사면(L)의 경사각은 전술한 바와 같이 5°~ 70°의 범위로 형성될 수 있다.
삽입층(170)은 예를 들어, 산화규소(SiO2), 질화알루미늄(AlN), 산화알루미늄(Al2O3), 질화규소(SiN), 산화마그네슘(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO)등의 유전체로 형성될 수 있으나, 압전층(123)과는 다른 재질로 형성된다.
이어서, 제1 전극(121)과 삽입층(170) 상에 압전층(123)을 형성한다.
본 실시예에 있어서 압전층(123)은 질화 알루미늄(AlN)으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 압전층(123)의 재료로는 산화 아연(ZnO), 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride), 지르콘 티탄산 납(Lead Zirconate Titanate), 쿼츠(Quartz) 등이 선택적으로 이용될 수 있다. 또한 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride) 경우 희토류 금속(Rare earth metal) 또는 전이 금속을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 전이 금속은 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb) 및 마그네늄(Mg) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한 압전층(123)은 삽입층(170)과 다른 재질로 형성된다.
압전층(123)은 제1 전극(121)과 배리어층(160), 삽입층(170)이 형성하는 표면 전체에 압전 물질을 형성한 후, 불필요한 부분을 부분적으로 제거함에 따라 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 제2 전극(125)을 형성한 후, 압전 물질의 불필요한 부분을 제거하여 압전층(123)을 완성한다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 전극(125) 형성 전에 압전층(123)을 완성하는 것도 가능하다.
압전층(123)은 제1 전극(121)과 삽입층(170)의 일부를 덮는 형태로 형성되며, 이에 압전층(123)은 제1 전극(121)과 삽입층(170)이 이루는 표면의 형상을 따라 형성된다.
전술한 바와 같이 제1 전극(121)은 중앙부(S)에 해당하는 부분에서 삽입층(170)의 외부로 노출된다. 따라서 제1 전극(121)의 배리어층(160) 상에 형성되는 압전층(123)은 중앙부(S) 내에 위치하게 된다. 그리고 삽입층(170) 상에 형성되는 굴곡부(123b)는 확장부(E)내에 위치하게 된다.
이어서, 압전층(123) 상부에 제2 전극(125)을 형성한다. 본 실시예에 있어서 제2 전극(125)은 도전체로 형성될 수 있으며, 예를 들어 금, 몰리브덴, 루테늄, 이리듐, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 탄탈륨, 크롬, 니켈 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 금속으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 전극(125)은 압전층(123)의 압전부(123a) 상에 형성된다. 전술한 바와 같이, 압전층(123)의 압전부(123a)는 중앙부(S) 내에 위치한다. 따라서 압전층(123) 상에 배치되는 제2 전극(125)도 중앙부(S) 내에 배치된다.
또한 본 실시예에서 제2 전극(125)은 압전층(123)의 경사부(1231) 상에도 형성된다. 이에 전술한 바와 같이, 제2 전극(125)은 중앙부(S) 전체와 확장부(E) 내에 부분적으로 배치된다.
이어서, 도 8에 도시된 바와 같이 보호층(127)을 형성한다.
보호층(127)은 제2 전극(125)과 압전층(123)이 형성하는 표면을 따라 형성된다. 또한 도시되어 있지 않지만, 보호층(127)은 외부로 노출된 삽입층(170) 상에도 형성될 수 있다.
보호층(127)은 실리콘 옥사이드 계열, 실리콘 나이트라이드 계열, 알루미늄 옥사이드 계열 및 알루미늄 나이트라이드 계열 중의 하나의 절연 물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 보호층(127)과 압전층(123)을 부분적으로 제거하여 제1 전극(121)과 제2 전극(125)을 부분적으로 노출시키고, 노출된 부분에 각각 제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)을 형성한다.
제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)은 금(Au), 금-주석(Au-Sn) 합금, 구리(Cu), 구리-주석(Cu-Sn) 합금 등의 재질로 이루어질 수 있고, 제1 전극(121) 또는 제2 전극(125) 상에 증착하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 캐비티(C)를 형성한다.
캐비티(C)는 희생층(140)에서 식각 방지부(145)의 내부에 위치한 부분을 제거함에 따라 형성되며, 이에 도 2 및 도 3에 도시된 음향 공진기(100)가 완성된다. 이 과정에서 제거되는 희생층(140)은 식각(etching) 방식에 의해 제거될 수 있다.
희생층(140)이 폴리실리콘 또는 폴리머 등의 재질로 형성되는 경우, 희생층(140)은 불소(F), 염소(Cl) 등의 할라이드계의 에칭가스(예컨대, XeF2)를 이용하는 건식 식각(dry etching) 방법을 통해 제거될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100: 음향 공진기
110: 기판
120: 공진부
121: 제1 전극 123: 압전층
125: 제2 전극 127: 보호층
140: 희생층 150: 멤브레인층
160: 배리어층 170: 삽입층
110: 기판
120: 공진부
121: 제1 전극 123: 압전층
125: 제2 전극 127: 보호층
140: 희생층 150: 멤브레인층
160: 배리어층 170: 삽입층
Claims (14)
- 기판;
상기 기판 상에 제1 전극, 압전층, 제2 전극이 순차적으로 적층된 중앙부; 및
상기 중앙부에서 외측으로 연장되는 영역으로, 상기 압전층 하부에 삽입층이 배치되는 확장부;
를 포함하며,
상기 제1 전극과 상기 압전층 사이에는 배리어층이 배치되고,
상기 삽입층은 상기 배리어층 상에 직접 적층되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 배리어층은,
상기 확장부에서 상기 제1 전극과 상기 삽입층 사이에 배치되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 배리어층은,
HCP 구조를 가지는 유전체 또는 금속으로 형성되는 음향 공진기.
- 제3항에 있어서,
상기 배리어층은 티타늄(Ti)으로 형성되는 음향 공진기.
- 제4항에 있어서,
상기 제1 전극은 몰리브덴(Mo)으로 형성되고, 상기 압전층은 질화알루미늄(AlN)으로 형성되는 음향 공진기.
- 제3항에 있어서,
상기 배리어층은 질화알루미늄(AlN)으로 형성되는 음향 공진기.
- 제3항에 있어서,
상기 배리어층은 상기 압전층과 동일한 재질로 형성되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 배리어층은 상기 압전층이나 상기 제1 전극보다 얇은 두께로 형성되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 압전층은,
상기 중앙부 내에 배치되는 압전부; 및
상기 확장부 내에 배치되고 상기 삽입층의 형상을 따라 상기 압전부에서 경사지게 연장되는 굴곡부;
를 포함하는 음향 공진기.
- 제8항에 있어서, 상기 제2 전극은,
적어도 일부가 상기 확장부 내에 배치되는 음향 공진기.
- 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극 상에 배리어층을 형성하는 단계;
상기 배리어층 상에 부분적으로 삽입층을 적층하는 단계;
상기 배리어층과 상에 적층되는 압전부와 상기 삽입층 상에 적층되는 굴곡부를 포함하는 압전층을 형성하는 단계; 및
상기 압전층 상에 제2 전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 음향 공진기 제조 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 배리어층은,
HCP 구조를 가지는 유전체 또는 금속으로 형성되는 음향 공진기 제조 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 배리어층은,
티타늄(Ti) 또는 질화알루미늄(AlN)으로 형성되는 음향 공진기 제조 방법.
- 제13항에 있어서,
상기 제1 전극은 몰리브덴(Mo)으로 형성되고, 상기 압전층은 질화알루미늄(AlN)으로 형성되는 음향 공진기 제조 방법.
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