KR20040016457A - An Acoustic Resonator having an excellent crystallinity of the 'Piezoelectric layer/Conducting Oxide layer' - Google Patents
An Acoustic Resonator having an excellent crystallinity of the 'Piezoelectric layer/Conducting Oxide layer' Download PDFInfo
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Abstract
Description
본 발명은 음향파 공진기 특히 벌크형 음향파 공진기에 관한 것이며, 특히결정성 및 c-축 우선 배향성이 향상된 압전막으로 구성된 음향파 공진기에 관한 것이다.The present invention relates to an acoustic wave resonator, in particular a bulk acoustic wave resonator, and more particularly to an acoustic wave resonator composed of a piezoelectric film with improved crystallinity and c-axis preferential orientation.
좀 더 상세히 설명하면, 본 발명은 실리콘(Si) 또는 사파이어(sapphire)와 같은 결정성 기판이나, 유리 기판 상에 전극을 형성하고 그 형성된 전극상에 결정성이 우수한 ZnO 또는 AlN 압전막이 형성된 음향파 공진기 구조이다. 하부전극막으로는 ITO막 또는 인듐 아연 산화막 또는 Al이 도핑된 ZnO막 이나 Ga이 도핑된 ZnO 막을 사용하여 기판 상에 원자층 증착법(ALD : Atomic Layer Deposition)이나 스퍼터링(sputtering 방법)으로 형성한다. 하부전극막 위에 연속으로 ZnO 절연막을 형성시킴으로써 결정성 및 c-축 우선 배향성이 우수한 ZnO 압전막을 형성하며, 형성된 ZnO 절연막 상에 Al이 도핑된 ZnO막 이나 Ga이 도핑된 ZnO 막을 연속으로 형성시킴으로써 계면 특성이 우수한 상부 전극막이 형성된다.In more detail, the present invention relates to a crystalline substrate such as silicon (Si) or sapphire, or an acoustic wave in which an electrode is formed on a glass substrate and a ZnO or AlN piezoelectric film having excellent crystallinity is formed on the formed electrode. It is a resonator structure. As the lower electrode film, an ITO film, an indium zinc oxide film, a ZnO film doped with Al, or a ZnO film doped with Ga is formed on the substrate by atomic layer deposition (ALD: Atomic Layer Deposition) or sputtering (sputtering). By forming a ZnO insulating film continuously on the lower electrode film, a ZnO piezoelectric film having excellent crystallinity and c-axis preferential orientation is formed, and an Al-doped ZnO film or a Ga-doped ZnO film is continuously formed on the formed ZnO insulating film. An upper electrode film having excellent characteristics is formed.
이동통신 산업의 급속한 발전으로 초고주파수 대역에서 동작하는 통신소자들의 수요가 급증하고 있다. 현재까지는 표면탄성파(SAW : Surface Acoustic Wave) 소자와 유전체 세라믹 소자들이 고주파 수동소자로 주로 사용되어왔다. 그러나 SAW 소자의 경우 2GHz 이상의 고주파수화가 어렵고 고전력의 동작에 있어서 문제점이 많다. 따라서 500MHz 이상에서 10GHz 까지 동작가능하고 고전력 동작이 가능한 수동소자로서 박막 벌크형 음향 공진기(FBAR : Film Bulk Acoustic Resonator) 및 적층 박막형 벌크 음향 공진기(SBAR : Stacked film Bulk Acoustic Resonator)의 개발이 본격화되고 있다. 이와같은 박막 벌크형 공진소자의 구조는 하부전극(혹은 1차전극), 압전박막 및 상부전극(혹은 2차 전극)으로 구성되어 있다. 이때 압전박막의 결정성(특히, c-축 우선배향성 및 표면조도)이 음향파 에너지의 손실을 줄이고 공진특성을 우수하게 유지시키는데 매우 중요하다.The rapid development of the mobile communication industry is increasing the demand for communication devices operating in the ultra high frequency band. Until now, surface acoustic wave (SAW) devices and dielectric ceramic devices have been mainly used as high-frequency passive devices. However, in the case of SAW devices, it is difficult to achieve high frequency of 2 GHz or more and there are many problems in high power operation. Therefore, the development of a thin film bulk acoustic resonator (FBAR) and a stacked thin film bulk acoustic resonator (SBAR) as a passive device capable of operating from 500 MHz to 10 GHz and enabling high power operation is in full swing. The structure of such a thin film bulk resonant element is composed of a lower electrode (or primary electrode), a piezoelectric thin film and an upper electrode (or secondary electrode). At this time, the crystallinity of the piezoelectric thin film (particularly, c-axis preferential orientation and surface roughness) is very important for reducing the loss of acoustic wave energy and maintaining excellent resonance characteristics.
전자장치에 대한 가격하락 요구 및 소형화 추세에 따라서 소형 필터부품에 대한 요구가 증가하고 있다. 이동 전화기 및 소형 라디오와 같은 전자제품들은 내부에 포함되는 부품들의 크기 및 가격 면에서 상당한 제한을 받게된다. 이런 부품들 중의 상당수는 주파수에 정밀하게 공진되어야 하는 필터들을 이용한다. 이에 따라, 비싸지 않으며 컴팩트한 필터 유닛들을 제공하기 위한 노력들이 계속해서 진행되고 있다. 이러한 요구사항들을 만족시킬 수 있는 우수한 필터 부품들 중의 한 부류가 음향 공진기들로 구성되는 것들이다. 이 소자들은 박막의 압전물질에서의 벌크형 종단 음향파를 이용하며, 도 1 내지 도 4 에 예시된 바와 같이 다양한 구조를 갖는다. 즉, 압전층이 두 전극층 사이에서 샌드위치 형태를 이루거나(도 1), 샌드위치 구조가 공기층에 떠 있는 상태로 유지(도 2, 도 3)되거나, 도 4 와 같이 브래그 리플렉터(Bragg's reflector) 상에 놓여지는 구조를 갖는다.As the price reduction demand for electronic devices and the trend toward miniaturization increase, the demand for small filter components is increasing. Electronics such as mobile phones and small radios are subject to significant limitations in size and price of the components contained therein. Many of these components use filters that must be precisely resonant in frequency. Accordingly, efforts are underway to provide inexpensive and compact filter units. One class of good filter components that can meet these requirements is those consisting of acoustic resonators. These devices utilize bulk termination acoustic waves in the piezoelectric material of the thin film and have various structures as illustrated in FIGS. 1 to 4. That is, the piezoelectric layer forms a sandwich between the two electrode layers (FIG. 1), the sandwich structure remains in the air layer (FIGS. 2 and 3), or on the Bragg's reflector as shown in FIG. Has a structure to be placed.
이때, 두 전극 사이에 인가된 전압에 의해 전기장이 발생하면, 압전물질은 전기적인 에너지의 일부를 음향파의 형태인 기계적 에너지로 변환시킨다. 음향파는 전기장과 같은 방향인 종단(longitudinal) 방향으로 전파되며, 공기층 구조인 경우는 전극과 공기층과의 계면에서 반사되고 브래그 리플렉터 구조인 경우에는 이 반사층에 의해 음향파가 반사된다. 결국 소자는 전기적으로 커플링될 수 있는 기계적공진기이므로 필터로서 작용 가능하다. 이때 소자에서 종단으로 전파되는 음향파의 반파장이 소자의 전체 두께와 같으므로 GHz 범위의 응용을 위한 공진기는 크기가 100㎛ 이하이고 두께가 수 ㎛ 이하인 컴팩트한 형태로 제작될 수 있다.At this time, when the electric field is generated by the voltage applied between the two electrodes, the piezoelectric material converts some of the electrical energy into mechanical energy in the form of acoustic waves. Acoustic waves propagate in the longitudinal direction, which is the same as the electric field, in the case of the air layer structure, is reflected at the interface between the electrode and the air layer, and in the case of the Bragg reflector structure, the acoustic wave is reflected by the reflecting layer. After all, the device can act as a filter because it is a mechanical resonator that can be electrically coupled. In this case, since the half-wave length of the acoustic wave propagated from the device is equal to the overall thickness of the device, the resonator for the application in the GHz range may be manufactured in a compact form having a size of 100 μm or less and a thickness of several μm or less.
FBAR와 SBAR는 1 내지 2㎛ 정도의 두께를 가지는 압전막을 사이에 두고 상부전극 및 하부전극이 구성되어 있어 압전막을 통해 전장을 공급하게 되어있다. FBAR는 압전 박막이 한층으로 되어있으며, SBAR는 두 층 이상의 압전박막으로 구성되어 있고 압전막들 사이와 상부 및 하부에 전극들이 적층으로 구성되어 있다.FBAR and SBAR are composed of an upper electrode and a lower electrode with a piezoelectric film having a thickness of about 1 to 2㎛, so that the electric field is supplied through the piezoelectric film. FBAR is composed of one layer of piezoelectric thin film, and SBAR is composed of two or more layers of piezoelectric thin film and electrodes are stacked between the piezoelectric layers and between the upper and lower parts.
일반적으로 FBAR 제작은 기판(1)을 세정한 후 하부전극(2)을 증착함으로써 시작된다. 하부전극으로 사용되는 물질은 Mo, Al, W, Au, Pt 혹은 Ti 등이 사용된다. 하부전극의 증착은 일반적으로 전자선 증착법이나 스퍼터링 방법에 의해 이루어 진다. 하부전극을 증착 후 포토리쏘 그라피(photolithography) 공정을 통해 전극패턴을 형성하고 그 위에 압전박막(3)을 증착한다. 압전박막으로서는 AlN이나 ZnO가 사용되는데 두께는 공진 주파수에 따라 결정되며 0.1㎛에서 10㎛ 까지 형성된다. 압전박막의 증착으로서는 스퍼터링 방법을 주로 사용하며 원자층 증착법(ALD : Atomic Layer Deposition)에 의한 시도도 이루어지고 있다. 압전박막을 형성한 후 상부전극(4)이 형성되며 하부전극과 유사한 방법으로 증착된다.Generally, FBAR fabrication begins by cleaning the substrate 1 and then depositing the lower electrode 2. As the lower electrode, Mo, Al, W, Au, Pt, or Ti is used. Deposition of the lower electrode is generally performed by electron beam deposition or sputtering. After depositing the lower electrode, an electrode pattern is formed through a photolithography process and the piezoelectric thin film 3 is deposited thereon. AlN or ZnO is used as the piezoelectric thin film. The thickness is determined according to the resonance frequency and is formed from 0.1 μm to 10 μm. As the deposition of piezoelectric thin films, sputtering methods are mainly used, and attempts by atomic layer deposition (ALD) have been made. After forming the piezoelectric thin film, the upper electrode 4 is formed and deposited in a similar manner to the lower electrode.
이와같은 FBAR 구조에 있어서 압전막의 결정성 및 c-축 방향 우선배향성은 음향파 에너지의 손실을 줄이고 공진특성을 우수하게 유지시키는데 매우 중요하다. 또한 압전박막의 결정성 및 c-축 우선 배향성은 하부전극의 표면조도(surface roughness) 및 결정성에 매우 의존한다. 그런데 일반적인 금속전극은 결정성이 비정질 상태이며 표면조도가 수 nm 이상이므로 그 위에 증착되는 압전막의 결정성 및 c-축 우선배향성을 향상시키는데 한계가 있었다.In such FBAR structure, the crystallinity and the c-axis preferential orientation of the piezoelectric film are very important for reducing the loss of acoustic wave energy and maintaining excellent resonance characteristics. In addition, the crystallinity and c-axis preferential orientation of the piezoelectric thin film are highly dependent on the surface roughness and crystallinity of the lower electrode. However, since a typical metal electrode has an amorphous state and a surface roughness of several nm or more, there is a limit in improving the crystallinity and c-axis preferential orientation of the piezoelectric film deposited thereon.
본 발명에서는 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로써, 압전막으로 사용되는 ZnO 박막의 결정성 및 c-축 우선 배향성을 개선시키기 위해 하부전극으로 사용되는 물질을 ZnO와 같은 물질구조를 갖는 인듐 아연 산화막(Indium Zinc Oxide, 이하 "IZO막" 이라 한다) 또는 알루미늄(Al)이 도핑된 ZnO막(이하 "AZO"막) 또는 갈륨(Ga)이 도핑된 ZnO막(이하 "GZO"막) 또는 ITO막을 적용하였다. 즉, 예를 들어 AZO를 실리콘(Si)이나 사파이어(sapphire) 기판 상에 마그네트론 스퍼터링이나 ALD와 같은 방법으로 증착하면 증착된 AZO막은 결정성을 가지며 c-축 우선 배향성을 갖게 된다. 또한 AZO 전극막은 표면조도가 1nm(rms 값) 이하로 유지될 수 있도록 조절이 가능하다.In the present invention, to solve the problems of the prior art as described above, the material used as the lower electrode to improve the crystallinity and c-axis preferred orientation of the ZnO thin film used as a piezoelectric film material such as ZnO Indium Zinc Oxide (hereinafter referred to as "IZO film") or ZnO film doped with aluminum (Al) (hereinafter referred to as "AZO" film) or ZnO film doped with gallium (Ga) (hereinafter referred to as "GZO"). "Membrane) or ITO membrane was applied. That is, for example, when AZO is deposited on a silicon (Si) or sapphire substrate by a method such as magnetron sputtering or ALD, the deposited AZO film has crystallinity and c-axis preferential orientation. In addition, the AZO electrode film can be adjusted to maintain the surface roughness of less than 1nm (rms value).
따라서 이와 같이 우수한 표면조도 및 c-축 우선 배향된 전극상에 동일한 방법으로 ZnO 압전막을 증착시키면 ZnO 압전막의 결정성 및 c-축 우선 배향성도 최적화시킬 수 있다는 점에 착안하였다.Therefore, it was focused on optimizing the crystallinity and c-axis preferred orientation of the ZnO piezoelectric film by depositing the ZnO piezoelectric film in the same manner on the excellent surface roughness and the c-axis preferentially oriented electrode.
상부전극의 형성은 하부전극과 동일한 방법으로 AZO를 증착시킬 수도 있고 일반적인 금속물질을 증착시킬 수도 있다. 이와같은 'AZO/ZnO/AZO' 구조의 FBAR는 동일한 챔버 내에서 연속으로 형성될 수 있으며, 이런 경우 압전막과 전극막 간의 계면에서의 결정상태를 최적으로 유지시킬 수 있어 공진특성이 우수한 필터제작이가능하다. SBAR의 경우는 'AZO/ZnO/AZO/ZnO/AZO'와 같이 연속증착에 의해 필터제작이 가능하다. 마찬가지로 이때에도 상부전극은 AZO 대신 일반적으로 사용되는 금속물질을 적용할 수도 있다.The upper electrode may be deposited in the same manner as the lower electrode, or a general metal material may be deposited. FBARs of the 'AZO / ZnO / AZO' structure can be formed continuously in the same chamber. In this case, the filter can be manufactured with excellent resonance characteristics by optimally maintaining the crystal state at the interface between the piezoelectric film and the electrode film. This is possible. In the case of SBAR, the filter can be manufactured by continuous deposition, such as 'AZO / ZnO / AZO / ZnO / AZO'. Likewise, the upper electrode may also apply a metal material generally used instead of AZO.
도 1 은 본 발명에 의한 음향파 공진기의 일 실시예로써, 벌크(Bulk)형 공진기의 구조도이다.1 is a structural diagram of a bulk resonator according to an embodiment of an acoustic wave resonator according to the present invention.
도 2 는 본 발명에 의한 음향파 공진기의 다른 실시예로써, 공기층(Air gap)형 공진기의 구조도이다.2 is a structural diagram of an air gap resonator according to another embodiment of an acoustic wave resonator according to the present invention.
도 3 은 본 발명에 의한 음향파 공진기의 또 다른 실시예로써, 멤브레인(Membrane)형 공진기의 구조도이다.3 is a structural diagram of a membrane-type resonator as another embodiment of an acoustic wave resonator according to the present invention.
도 4 는 본 발명에 의한 음향파 공진기의 또 다른 실시예로써, 브래그 반사(Bragg's reflector)형 공진기의 구조도이다.4 is a structural diagram of a Bragg's reflector type resonator according to another embodiment of an acoustic wave resonator according to the present invention.
본 발명에 의한 음향파 공진기는 다음과 같은 구조로 이루어진다.The acoustic wave resonator according to the present invention has the following structure.
즉, 기판상에 형성된 하부전극막과, 상기 하부전극막상에 형성되며 ZnO(산화아연) 성분으로 이루어진 압전막과, 상기 압전막상에 형성된 상부전극막을 포함하여 이루어지는 음향파 공진기에 있어서,That is, in the acoustic wave resonator comprising a lower electrode film formed on a substrate, a piezoelectric film formed on the lower electrode film and composed of a ZnO (zinc oxide) component, and an upper electrode film formed on the piezoelectric film,
상기 하부전극막 및 상부전극막중 적어도 하부전극막은 결정성 및 표면조도 특성이 우수한 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.At least the lower electrode layer of the lower electrode layer and the upper electrode layer may be formed of a material having excellent crystallinity and surface roughness characteristics.
이때, 상기 하부전극막은 전도 산화막인 것이 바람직하다.In this case, the lower electrode film is preferably a conductive oxide film.
더욱 바람직하게는 상기 전도 산화막은 ITO(Indium Tin Oxide)막, 인듐 아연 산화막(Indium Zinc Oxide, 이하 "IZO막" 이라 한다), Al(알루미늄)이 도핑된 ZnO 막(Al-doped ZnO, 이하 "AZO막" 이라 한다), Ga(갈륨)이 도핑된 ZnO막(Ga-doped ZnO, 이하 "GZO막" 이라 한다) 등의 전도 산화막 중에서 선택되어지는 하나의 막으로 이루어진다.More preferably, the conductive oxide film is an indium tin oxide (ITO) film, an indium zinc oxide film (hereinafter referred to as "IZO film"), an Al (aluminum) doped ZnO film (Al-doped ZnO, " AZO film) and Ga (gallium) doped ZnO film (Ga-doped ZnO, hereinafter referred to as " GZO film ").
또한 본 발명은, 기판/ 하부전극막 / ZnO 압전막 / 제1 중간전극막 / ZnO 압전막 / 제2 중간전극막 / ZnO 압전막 / ... / 상부전극막 의 구조로 이루어지는 음향파 공진기에 있어서, 상기 하부전극막과 중간전극막이 ITO막, IZO막, AZO막,GZO막 등의 전도 산화막 중에서 선택되어지는 하나의 막인 것을 특징으로 한다.The present invention also relates to an acoustic wave resonator having a structure of a substrate / lower electrode film / ZnO piezoelectric film / first intermediate electrode film / ZnO piezoelectric film / second intermediate electrode film / ZnO piezoelectric film /.../ upper electrode film. The lower electrode film and the intermediate electrode film may be one film selected from conductive oxide films such as an ITO film, an IZO film, an AZO film, and a GZO film.
한편, 상기 구조의 음향파 공진기에 있어서, 압전막을 ZnO 대신 AlN(질화알미늄)으로 대체하는 것도 가능하다.On the other hand, in the acoustic wave resonator of the above structure, it is also possible to replace the piezoelectric film with AlN (aluminum nitride) instead of ZnO.
이들 모든 경우에 있어서, 상기 상부전극막은 ITO막, IZO막, AZO막, GZO막 AZO막 등의 전도 산화막이나, 일반금속전극막중에서 선택되어질 수 있다.In all these cases, the upper electrode film can be selected from conductive oxide films such as ITO film, IZO film, AZO film, GZO film and AZO film, or a general metal electrode film.
또한 상기 기판은 결정성 기판인 것이 바람직하다.In addition, the substrate is preferably a crystalline substrate.
이하 AZO막과 ZnO 압전막의 증착방법에 대해 기술한다.Hereinafter, the deposition method of the AZO film and the ZnO piezoelectric film will be described.
먼저, AZO막의 증착방법에 대해 기술한다.First, the deposition method of an AZO film is described.
Al이 도핑된 ZnO 막은 전도성을 가지는 투명물질로서, 증착방법에 따라 우수한 결정성을 유지한다. 증착방법은 마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering) 방법과 원자층 증착(Atomic Layer Deposition) 방법이 있다. 마그네트론 스퍼터링 방법은 Al2O3가 약 2 wt.% 포함된 ZnO 고체물질을 타겟으로 하여 RF 마그네트론, 펄스 마그네트론, 듀얼 펄스(dual pulse) 마그네트론, 혹은 대향타겟(Facing Target) 스퍼터링 등을 이용하여 증착시키는 방법이다. 반면에 ALD 방법은 아연 전구체(zinc precursor) 로서 Diethylzinc(DEZ)와 물 전구체(H2O precursor)로서 H2O 혹은 H2O/N2/O2를 사용하여 ZnO를 증착시킴과 동시에 알루미늄 전구체(aluminium precursor)로서 Trimethyl Aluminium(TMA)를 사용하여 Al을 도핑시킨다. 이때 결정성을 향상시키고 전도도를 높이기 위하여 각 전구체(precursor)의 출력단(outlet)에 연결되어 있는 밸브의 턴온(turn on) 펄스를 조절함으로써 전구체의 반응시간을 조절한다.Al-doped ZnO film is a transparent material having conductivity and maintains excellent crystallinity according to the deposition method. Deposition methods include a magnetron sputtering method and an atomic layer deposition method. Magnetron sputtering method is Al 2 O 3 is about 2 wt.% And the contained ZnO solid material to the target RF magnetron, pulsed magnetron, dual pulse (dual pulse) magnetron or counter target deposition by using a (Facing Target) sputtering This is how you do it. On the other hand, the ALD method deposits ZnO using H 2 O or H 2 O / N 2 / O 2 as a zinc precursor, and diethylzinc (DEZ) as a zinc precursor and H 2 O precursor. Doping Al using Trimethyl Aluminum (TMA) as the (aluminium precursor). At this time, the reaction time of the precursor is controlled by adjusting the turn on pulse of the valve connected to the output outlet of each precursor to improve crystallinity and increase conductivity.
다음으로, ZnO의 증착방법에 대해 기술한다.Next, the deposition method of ZnO is described.
AZO의 증착방법과 동일하며 스퍼터링의 경우 ZnO 물질을 타겟으로 사용한다는 것과 ALD의 경우 아연 전구체로서 Diethylzinc(DEZ)와, 물 전구체(H2O precursor)로서 H2O 혹은 H2O/N2/O2를 사용한다는 것이 다르다.It is the same as the deposition method of AZO. In case of sputtering, ZnO material is used as a target, and in case of ALD, diethylzinc (DEZ) as a zinc precursor and H 2 O or H 2 O / N 2 / as a water precursor (H 2 O precursor). The difference is that it uses O 2 .
본 발명에 의한 음향파 공진기를 적용하면 압전막의 탁월하고 안정적인 결정성 및 c-축 우선 배향성을 확보할 수 있어 음향파 에너지의 손실을 줄일 수 있고, 공진특성을 향상시킬 수 있다.Application of the acoustic wave resonator according to the present invention can ensure excellent and stable crystallinity and c-axis preferential orientation of the piezoelectric film, thereby reducing the loss of acoustic wave energy and improving the resonance characteristics.
즉, 본 발명에 의한 음향파 공진기를 통해 필터를 포함하는 전자제품의 필터성능을 크게 향상시키면서도 전자제품의 크기는 대폭적으로 줄일 수 있으며, 이에 따라 제품단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.That is, the acoustic wave resonator according to the present invention can significantly reduce the size of the electronic product while greatly improving the filter performance of the electronic product including the filter, thereby lowering the product cost.
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|---|---|---|---|---|
| KR100691153B1 (en) * | 2005-03-15 | 2007-03-09 | 삼성전기주식회사 | Film bulk acoustic resonator |
| KR101011029B1 (en) * | 2008-05-08 | 2011-01-26 | 오메가 비젼 주식회사 | Multifunction Digital Camera For Observing Skin of Ear |
| KR101011284B1 (en) * | 2008-07-16 | 2011-01-28 | 성균관대학교산학협력단 | A transparent piezoelectric device and method of forming the same |
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2002
- 2002-08-14 KR KR1020020047988A patent/KR20040016457A/en not_active Application Discontinuation
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