KR20040035488A - Bulk Acoustic Wave Device and Process of The Same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 체적탄성파 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리콘 열산화막과 실리콘 질화막을 이용하여 빈 공간인 음향반사층을 형성하므로 제조가 용이하여 생산성이 향상되고 공진특성이 향상되는 체적탄성파 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a volume acoustic wave device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to form a volume acoustic wave layer using a silicon thermal oxide film and a silicon nitride film to facilitate production, thereby improving productivity and improving resonance characteristics. An element and a method of manufacturing the same.
최근 이동통신부품의 고주파수화, 고품질화, 초소형화 경향에 부합하는 차세대부품으로서 체적탄성파 소자 및 이를 이용한 대역통과필터, 듀플렉서 필터가 널리 개발되고 있다.Recently, volume acoustic wave devices, band pass filters and duplexer filters have been widely developed as next-generation components that meet the trend of high frequency, high quality, and miniaturization of mobile communication components.
상기한 체적탄성파 소자는 압전재료의 압전/역압전 현상을 이용한 것으로 압전박막과 상하부전극의 단순한 구조로 형성되는 것이 가장 이상적인 형태(에어갭(air gap)형태)이다. 즉 상하부전극 및 압전박막에 아무것도 접촉되지 않고 음향학적 반사층(또는 음향학적 절연층)으로 기능하는 공간이 존재하는 형태가 가장 이상적인 형태이다.The volume acoustic wave device uses a piezoelectric / reverse piezoelectric phenomenon of a piezoelectric material, and is ideally formed in a simple structure of a piezoelectric thin film and an upper and lower electrodes (air gap shape). That is, the form in which the space which functions as the acoustic reflective layer (or the acoustic insulating layer) without contacting the upper and lower electrodes and the piezoelectric thin film is the most ideal form.
그리고 브랙반사층을 이용한 SMR(solidly mounted resonator)구조와 낮은 음향학적 손실을 갖는 고가의 사파이어 기판을 이용한 HBAR(high overtone bulk acoustic wave resonator) 등도 체적탄성파 소자의 제조방법으로 많은 연구가 진행되고 있다.In addition, many studies have been conducted as a method of manufacturing a bulk acoustic wave device such as a solid-mounted resonator (SMR) structure using a black reflective layer and a high overtone bulk acoustic wave resonator (HBAR) using an expensive sapphire substrate having low acoustic loss.
또한 단순하면서 공진특성이 우수한 이상적인 형태인 에어갭형태의 압전박막과 상하부전극의 체적탄성파 소자를 제조하기 위한 방법이 여러가지 제안되고 있는 데, 크게는 MEMS 공정의 몸체미세가공공정과 표면미세가공공정으로 나눌 수 있다.In addition, various methods have been proposed for manufacturing volume gap acoustic wave devices of piezoelectric thin films and upper and lower electrodes in an airgap shape, which is an ideal type with excellent resonance characteristics, and is mainly used as a body microprocessing process and a surface microprocessing process of the MEMS process. Can be divided.
초기에는 몸체미세가공공정을 이용하여 체적탄성파 소자를 제조하는 방법이 제안되었으나, 제조공정이 까다롭고 유해하며 양산화가 용이하지 않고 후처리공정이 어려워 현재는 거의 사용하지 않고 있으며, 최근에는 표면미세가공공정을 이용한 체적탄성파 소자의 제조방법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Initially, a method of manufacturing a volume acoustic wave device using a body microfabrication process has been proposed, but the manufacturing process is difficult, harmful, not easy to mass-produce, and the post-treatment process is difficult. Research into a method for manufacturing a volume acoustic wave device using the process is actively progressing.
상기한 표면미세가공공정을 이용한 체적탄성파 소자의 제조방법은 주로 실리콘 기판에 홈을 형성하고, 그 홈 속에 PSG나 poli-Si 등의 희생층을 증착한 다음, CMP(chemical mechanical polishing) 방법으로 경면 연마하고, 그 위에 전극/압전박막/전극 구조를 만든 후, 희생층을 제거하여 에어갭 형태의 이상적인 체적탄성파 소자를 구현하는 방법이다.The method of manufacturing a volume acoustic wave device using the surface microfabrication process mainly forms a groove in a silicon substrate, deposits a sacrificial layer such as PSG or poli-Si in the groove, and then mirrors it by chemical mechanical polishing (CMP). After polishing and making an electrode / piezoelectric thin film / electrode structure thereon, the sacrificial layer is removed to implement an ideal volume acoustic wave device in the form of an air gap.
그러나 상기와 같은 표면미세가공공정을 이용한 체적탄성파 소자 제조방법은 희생층 증착공정, 경면연마공정, 공진부(전극/압전박막/전극 구조) 형성공정, 희생층 제거공정 등 과정 복잡하고 제어가 어려운 공정들이 많으므로 생산수율의 저하 및 품질 저하의 원인이 된다.However, the method for manufacturing a volume acoustic wave device using the surface microfabrication process is complicated and difficult to control, including a sacrificial layer deposition process, a mirror polishing process, a resonator (electrode / piezoelectric film / electrode structure) forming process, and a sacrificial layer removing process. Since there are many processes, it is the cause of the decrease in production yield and quality.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 간단하고 효율적인 방법으로 희생층을 형성하고 압전박막의 c-축 우선배향성을 향상시킬 수 있도록 실리콘 열산화막과 실리콘 질화막 등을 이용하여 형성하는 체적탄성파 소자를 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to solve the above problems, to form a sacrificial layer in a simple and efficient manner and to form using a silicon thermal oxide film and a silicon nitride film to improve the c-axis preferential orientation of the piezoelectric thin film The present invention provides a volume acoustic wave device.
또 본 발명의 다른 목적은 CMP공정이 필요없이 간단하고 효율적인 방법으로 표면이 평활한 희생층을 형성하므로 압전박막의 c-축 우선배향성을 크게 향상시켜 우수한 특성을 지닌 체적탄성파 소자를 제조할 수 있는 체적탄성파 소자 제조방법을 제공하기 위한 것이다.In addition, another object of the present invention is to form a sacrificial layer having a smooth surface in a simple and efficient manner without the need for a CMP process, thereby greatly improving the c-axis preferential orientation of the piezoelectric thin film, thereby manufacturing a volume acoustic wave device having excellent characteristics. It is to provide a method for manufacturing a volume acoustic wave device.
도 1은 본 발명에 따른 체적탄성파 소자의 일실시예를 나타내는 단면도.1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a volume acoustic wave device according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 체적탄성파 소자의 다른 실시예를 나타내는 단면도.2 is a cross-sectional view showing another embodiment of a volume acoustic wave device according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 체적탄성파 소자 제조방법의 일실시예를 나타내는 블럭도.Figure 3 is a block diagram showing one embodiment of a method for manufacturing a volume acoustic wave device according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 체적탄성파 소자 제조방법의 일실시예에 있어서 열산화공정을 나타내는 블럭도.Figure 4 is a block diagram showing a thermal oxidation process in one embodiment of a method for manufacturing a volume acoustic wave device according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 체적탄성파 소자 제조방법의 일실시예에 있어서 단면으로 나타내는 공정도.Figure 5 is a process diagram shown in cross section in one embodiment of a method for manufacturing a volume acoustic wave device according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 체적탄성파 소자 제조방법의 일실시예에 있어서 평면으로 나타내는 공정도.Figure 6 is a process diagram shown in plan in one embodiment of a method for manufacturing a volume acoustic wave device according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 체적탄성파 소자 제조방법의 다른 실시예에 있어서 열산화공정을 나타내는 블럭도.7 is a block diagram showing a thermal oxidation process in another embodiment of the method for manufacturing a bulk acoustic wave device according to the present invention.
도 8은 본 발명에 따른 체적탄성파 소자 제조방법의 다른 실시예에 있어서 단면으로 나타내는 공정도.8 is a cross-sectional view of another embodiment of the method for manufacturing a bulk acoustic wave device according to the present invention.
도 9는 본 발명에 따른 체적탄성파 소자 제조방법의 다른 실시예에 있어서평면으로 나타내는 공정도.9 is a process chart shown in plan in another embodiment of the method for manufacturing a bulk acoustic wave device according to the present invention.
본 발명이 제안하는 체적탄성파 소자는 압전특성을 보유하는 재료로 기판 위에 소정의 형상과 두께로 형성하는 압전박막과, 상기한 압전박막과 기판 사이에 실리콘 열산화막(SiO2)을 형성한 다음 제거하여 형성되는 빈 공간인 음향반사층과, 전도성 재료로 상기한 압전박막의 하면에 밀착되어 형성되는 하부전극과, 전도성 재료로 상기한 압전박막 위에 형성하는 상부전극을 포함하여 이루어진다.The volume acoustic wave device proposed by the present invention is a material having a piezoelectric characteristic, a piezoelectric thin film formed in a predetermined shape and thickness on a substrate, and a silicon thermal oxide film (SiO 2 ) formed between the piezoelectric thin film and the substrate and then removed. And a lower electrode formed in close contact with the lower surface of the piezoelectric thin film using a conductive material, and an upper electrode formed on the piezoelectric thin film using a conductive material.
또 본 발명이 제안하는 체적탄성파 소자 제조방법은 기판에 소정의 형상과 두께로 실리콘 열산화막을 형성하는 열산화공정과, 상기한 실리콘 열산화막과 기판 위에 소정의 패턴으로 전도성 재료를 도포하여 하부전극을 형성하는 하부전극형성공정과, 상기한 하부전극과 실리콘 열산화막 위에 소정의 패턴으로 압전특성을 보유하는 재료를 도포하여 압전박막을 형성하는 압전박막형성공정과, 상기한 압전박막 위에 소정의 패턴으로 전도성 재료를 도포하여 상부전극을 형성하는 상부전극형성공정과, 상기한 실리콘 열산화막을 제거하여 빈 공간인 음향반사층을 형성하는 음향반사층형성공정을 포함하여 이루어진다.In addition, the method for manufacturing a volume acoustic wave device proposed by the present invention includes a thermal oxidation process for forming a silicon thermal oxide film on a substrate in a predetermined shape and thickness, and applying a conductive material in a predetermined pattern on the silicon thermal oxide film and the substrate to form a lower electrode. A lower electrode forming step of forming a piezoelectric film, a piezoelectric thin film forming step of forming a piezoelectric thin film by applying a material having a piezoelectric characteristic in a predetermined pattern on the lower electrode and the silicon thermal oxide film, and a predetermined pattern on the piezoelectric thin film. Forming an upper electrode by applying a conductive material to the upper electrode; and forming an acoustic reflection layer that is an empty space by removing the silicon thermal oxide film.
상기한 열산화공정은 기판 위에 실리콘 열산화막을 형성하고, 그 위에 포토레지스트(PR)를 도포하여 피알막을 형성하고, 피알막을 소정의 패턴으로 패터닝하고, 패터닝된 피알막에 대응하는 형상으로 실리콘 열산화막을 패터닝하고, 피알막을 제거하는 단계로 이루어진다.In the thermal oxidation process, a silicon thermal oxide film is formed on a substrate, a photoresist (PR) is applied thereon to form a PI film, the PI film is patterned in a predetermined pattern, and the silicon thermal oxide is formed in a shape corresponding to the patterned PI film. Patterning the oxide film and removing the PAL film.
또 상기한 열산화공정은 기판 위에 응력완화용 실리콘 산화막을 형성하고, 그 위에 열산화방지용 실리콘 질화막을 형성하고, 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 소정의 패턴으로 패터닝하고, 패터닝된 응력완화용 실리콘 산화막 및 열산화방지용 실리콘 질화막에 대응하는 형상으로 소정의 두께로 실리콘 열산화막을 형성하는 단계로 이루어지는 것도 가능하다.In the thermal oxidation process, a stress relaxation silicon oxide film is formed on a substrate, a thermal oxidation prevention silicon nitride film is formed thereon, the silicon oxide film and the silicon nitride film are patterned in a predetermined pattern, and the patterned stress relaxation silicon oxide film and It is also possible to comprise the step of forming a silicon thermal oxide film with a predetermined thickness in a shape corresponding to the thermal oxidation prevention silicon nitride film.
다음으로 본 발명에 따른 체적탄성파 소자 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Next, a preferred embodiment of the bulk acoustic wave device and its manufacturing method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
먼저 본 발명에 따른 체적탄성파 소자의 일실시예는 도 1에 나타낸 바와 같이, 압전특성을 보유하는 재료로 기판(2) 위에 소정의 형상과 두께로 형성되는 압전박막(30)과, 상기한 압전박막(30)과 기판(2) 사이에 실리콘 열산화막을 형성한 다음 제거하여 형성되는 빈 공간인 음향반사층(10)과, 전도성 재료로 상기한 압전박막(30)의 하면에 밀착되어 형성되는 하부전극(20)과, 전도성 재료로 상기한 압전박막(30) 위에 형성하는 상부전극(40)을 포함하여 이루어진다.First, an embodiment of the bulk acoustic wave device according to the present invention is a piezoelectric thin film 30 formed on the substrate 2 with a material having piezoelectric properties and having a predetermined shape and thickness, as shown in FIG. An acoustic reflection layer 10, which is an empty space formed by forming and then removing a silicon thermal oxide film between the thin film 30 and the substrate 2, and a lower portion formed in close contact with the lower surface of the piezoelectric thin film 30 using a conductive material. And an upper electrode 40 formed on the piezoelectric thin film 30 made of a conductive material.
상기에서 기판(2)으로는 실리콘(Si) 기판 등을 사용한다.As the substrate 2, a silicon (Si) substrate or the like is used.
상기한 하부전극(20) 및/또는 상부전극(40)을 형성하는 전도성 재료로는 금(Au), 몰리브덴(Mo), 백금(Pt), 알루미늄(Al) 등을 사용한다. 또 상기한 하부전극(20) 및/또는 상부전극(40)은 증발증착법이나 스퍼터링법 등을 이용하여 증착 형성한다.Gold (Au), molybdenum (Mo), platinum (Pt), aluminum (Al) and the like are used as the conductive material for forming the lower electrode 20 and / or the upper electrode 40. In addition, the lower electrode 20 and / or the upper electrode 40 is formed by evaporation, evaporation, sputtering, or the like.
상기한 하부전극(20)은 상기한 압전박막(30)에 의해 덮여지도록 압전박막(30)보다 작은 면적으로 형성한다. 그리고 상기한 상부전극(40)은 완전하게 압전박막(30)이 형성된 부분에만 형성되도록 압전박막(30)보다 작은 면적으로 형성한다.The lower electrode 20 is formed to have a smaller area than the piezoelectric thin film 30 so as to be covered by the piezoelectric thin film 30 described above. The upper electrode 40 is formed to have a smaller area than the piezoelectric thin film 30 so as to be formed only at a portion where the piezoelectric thin film 30 is completely formed.
상기에서 하부전극(20)과 상부전극(40)은 동일한 면적으로 서로 대응되는 위치에 형성하는 것이 최적의 공진특성을 얻을 수 있으므로 바람직하다.In the above, the lower electrode 20 and the upper electrode 40 are preferably formed at positions corresponding to each other in the same area, so that an optimum resonance characteristic can be obtained.
상기한 압전박막(30)을 형성하는 압전특성을 보유하는 재료로는 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN), PZT(Lead Zirconuim Titanate) 박막 등을 사용하고, 고주파 마그네트론 스퍼터, 원자층 증착, 솔-젤 증착법 등을 이용하여 증착한다.As the material having the piezoelectric properties for forming the piezoelectric thin film 30, zinc oxide (ZnO), aluminum nitride (AlN), lead zirconuim titanium (PZT) thin film, or the like is used, and a high frequency magnetron sputter, atomic layer deposition, It deposits using the sol-gel vapor deposition method.
상기한 압전박막(30)의 두께는 필요로 하는 주파수에 따라 설정하며, 체적탄성파 파장의 0.5배가 되도록 설정하는 것이 바람직하다.The thickness of the piezoelectric thin film 30 is set in accordance with the required frequency, and preferably set to be 0.5 times the volume acoustic wave wavelength.
그리고 본 발명에 따른 체적탄성파 소자의 다른 실시예는 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기한 하부전극(20) 및 압전박막(30)과 기판(2) 사이에 상기한 음향반사층(10)을 형성하기 위하여 사용되는 응력완화용 실리콘 산화막(54)과 열산화방지용 실리콘 질화막(56)이 더 형성된다.In another embodiment of the volume acoustic wave device according to the present invention, the acoustic reflection layer 10 is formed between the lower electrode 20 and the piezoelectric thin film 30 and the substrate 2 as shown in FIG. The stress relaxation silicon oxide film 54 and the thermal oxidation prevention silicon nitride film 56 used for this purpose are further formed.
상기에서는 기판(2)의 표면 일부가 식각되면서 음향반사층(10)이 형성된다.In the above, an acoustic reflection layer 10 is formed while a part of the surface of the substrate 2 is etched.
상기한 다른 실시예에 있어서도 상기한 구성 이외에는 상기한 일실시예와 마찬가지의 구성으로 실시하는 것이 가능하므로, 상세한 설명은 생략한다.Also in the above-described other embodiments, the present invention can be implemented in the same configuration as the above-described embodiment except for the above-described configuration, and thus detailed description thereof will be omitted.
다음으로 상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 체적탄성파 소자를 제조하기 위한 체적탄성파 소자 제조방법의 일실시예를 도 3∼도 6을 참조하여 설명한다.Next, an embodiment of a volume acoustic wave device manufacturing method for manufacturing the volume acoustic wave device according to the present invention made as described above will be described with reference to FIGS.
본 발명에 따른 체적탄성파 소자 제조방법의 일실시예는 기판(2)에 소정의 형상과 두께로 실리콘 열산화막(12)을 형성하는 열산화공정(P10)과, 상기한 실리콘 열산화막(12)과 기판(2) 위에 소정의 패턴으로 전도성 재료를 도포하여 하부전극(20)을 형성하는 하부전극형성공정(P20)과, 상기한 하부전극(20)과 실리콘 열산화막(12) 위에 소정의 패턴으로 압전특성을 보유하는 재료를 도포하여 압전박막(30)을 형성하는 압전박막형성공정(P30)과, 상기한 압전박막(30) 위에 소정의 패턴으로 전도성 재료를 도포하여 상부전극(40)을 형성하는 상부전극형성공정(P40)과, 상기한 실리콘 열산화막(12)을 제거하여 빈 공간인 음향반사층(10)을 형성하는 음향반사층형성공정(P50)을 포함하여 이루어진다.One embodiment of the method for manufacturing a bulk acoustic wave device according to the present invention is a thermal oxidation process (P10) for forming a silicon thermal oxide film 12 on the substrate 2 in a predetermined shape and thickness, and the silicon thermal oxide film 12 described above. And a lower electrode forming step (P20) of forming a lower electrode 20 by applying a conductive material in a predetermined pattern on the substrate 2, and a predetermined pattern on the lower electrode 20 and the silicon thermal oxide film 12. The piezoelectric thin film forming step (P30) of forming a piezoelectric thin film 30 by applying a material having a piezoelectric characteristic, and by applying a conductive material in a predetermined pattern on the piezoelectric thin film 30 to the upper electrode 40 The upper electrode forming step (P40) to form, and the acoustic reflection layer forming step (P50) of removing the silicon thermal oxide film 12 to form an acoustic reflection layer 10 of the empty space.
상기한 열산화공정(P10)은 기판(2) 위에 실리콘 열산화막(11)을 형성하는 단계(P11)와, 상기한 실리콘 열산화막(11) 위에 포토레지스트(PR;photoresist)를 도포하여 피알막(15)을 형성하는 단계(P12)와, 피알막(15)을 소정의 패턴으로 패터닝(patterning)하는 단계(P13)와, 패터닝된 피알막(16)에 대응하는 형상으로 실리콘 열산화막(11)을 패터닝하는 단계(P14)와, 피알막(16)을 제거하여 소정의 형상과 두께를 갖는 실리콘 열산화막(12)만을 남기는 단계(P15)로 이루어진다.The thermal oxidation process P10 may include forming a silicon thermal oxide film 11 on the substrate 2 (P11), and applying a photoresist (PR; photoresist) onto the silicon thermal oxide film 11. (15) forming P12, patterning the PAL film 15 in a predetermined pattern (P13), and forming the silicon thermal oxide film 11 in a shape corresponding to the patterned PAL film 16. ) Is patterned (P14), and the PAL film 16 is removed to leave only the silicon thermal oxide film 12 having a predetermined shape and thickness (P15).
상기한 피알막(15)을 소정의 패턴으로 패터닝하는 단계(P13)는 기판(2)에 소정의 두께(예를 들면 1∼2㎛ 정도)로 포토레지스트를 도포하여 형성된 피알막(15)에 소정의 패턴을 갖는 마스크와 광원을 이용하여 노광을 행하고, 노광된피알막(15)을 식각(etching)하여 설정된 패턴만 남기고 나머지부분은 제거하는 현상을 행하는 과정으로 이루어진다.Patterning the PAL film 15 in a predetermined pattern (P13) is applied to the PAL film 15 formed by applying a photoresist with a predetermined thickness (for example, about 1 to 2 μm) on the substrate 2. Exposure is performed using a mask and a light source having a predetermined pattern, and the exposed PAL film 15 is etched to leave only the set pattern and to remove the remaining part.
상기에서 피알막(15)을 소정의 패턴으로 패터닝하는 과정은 피알막(15)을 음향반사층(10)이 형성될 부분인 공진영역과 하부전극(20) 또는 압전박막(30)의 일부가 기판(2)에 밀착되어 형성될 부분인 전극영역으로 나눈 다음, 전극영역에 대응되는 부분의 피알막(15)은 제거하고, 공진영역에 대응되는 부분의 피알막(16)만을 남기는 것으로 이루어진다.In the process of patterning the PAL film 15 in a predetermined pattern, the PEL film 15 is a resonant region in which the acoustic reflection layer 10 is to be formed, and a portion of the lower electrode 20 or the piezoelectric thin film 30 is formed on the substrate. After dividing into the electrode region that is to be formed in close contact with (2), the PI film 15 of the portion corresponding to the electrode region is removed, leaving only the PI film 16 of the portion corresponding to the resonance region.
상기한 실리콘 열산화막(11)은 세정하여 건조시킨 기판(2)을 열산화장비에 투입하여 습식산화방법에 의하여 산화막의 두께가 대략 2∼5㎛ 정도 되도록 산화시켜 형성한다.The silicon thermal oxide film 11 is formed by inserting the cleaned and dried substrate 2 into a thermal oxidation apparatus and oxidizing the oxide film to a thickness of about 2 to 5 μm by a wet oxidation method.
상기와 같이 형성된 실리콘 열산화막(11)은 공진영역에 대응되는 부분의 피알막(16)만이 남겨진 상태에서, HF용액과 NH4F용액에 의한 습식식각방법 또는 HF가스와 N2가스를 이용한 기상식각방법을 이용하여 공진영역에 대응되는 부분만 남기로 전극영역에 대응되는 부분을 식각하여 제거하는 것에 의하여 소정의 형상과 두께를 갖는 실리콘 열산화막(12)으로 형성된다.In the silicon thermal oxide film 11 formed as described above, the wet etching method using the HF solution and the NH 4 F solution or the gas phase using the HF gas and the N 2 gas in a state where only the PAL film 16 of the portion corresponding to the resonance region remains. The silicon thermal oxide film 12 having a predetermined shape and thickness is formed by etching and removing a portion corresponding to the electrode region by leaving only a portion corresponding to the resonance region by an etching method.
상기한 실리콘 열산화막(12)은 양쪽(도 5에서 보아서 좌우측) 측면을 경사면으로 식각하여 형성한다. 즉 하부전극(20) 및 상부전극(40)에 있어서 전극으로 기능하는 부분과 패드부로 기능하는 부분이 연결되는 지점에 해당하는 실리콘 열산화막(12)의 양쪽 측면을 경사면으로 식각하여 형성한다.The silicon thermal oxide film 12 is formed by etching both sides (left and right as seen in FIG. 5) to an inclined surface. That is, both side surfaces of the silicon thermal oxide film 12 corresponding to the point where the portion serving as the electrode and the portion serving as the pad in the lower electrode 20 and the upper electrode 40 are connected are formed by etching the inclined surface.
상기와 같이 실리콘 열산화막(12)의 양쪽 측면을 경사면으로 형성하면, 하부전극(20)을 형성하는 과정에서 전극영역과 공진영역에 형성되는 하부전극(20)이 끊김이 없이 연결되어 형성된다. 따라서 종래 별도로 행하던 전극영역의 하부전극과 공진영역의 하부전극을 서로 연결하는 비어(via) 공정이나 에어브릿지(air bridge) 공정을 사용하지 않아도 되므로, 체적탄성파 소자의 제조공정을 단순화하는 것이 가능하며, 하부전극(20)이 전체적으로 일체로 형성되므로 전기적 특성도 우수하다.As described above, when both side surfaces of the silicon thermal oxide film 12 are formed as the inclined surface, the lower electrode 20 formed in the electrode region and the resonance region is connected to each other in a process of forming the lower electrode 20 without disconnection. Therefore, it is not necessary to use a via process or an air bridge process that connects the lower electrode of the electrode region and the lower electrode of the resonance region, which are conventionally performed separately, thereby simplifying the manufacturing process of the volume acoustic wave device. Since the lower electrode 20 is formed integrally as a whole, the electrical characteristics are also excellent.
그리고 상기와 같이 형성된 실리콘 열산화막(12)은 종래 다른 어떤 공정에서 사용되는 기판보다도 표면이 평활하기 때문에, 그 위에 형성된 얇은 하부전극(20)과 실리콘 열산화막(12) 위에서 압전박막(30)이 성장하여 형성되어 종래 다른 기판 조건(예를 들면 CMP(chemical mechanical polishing) 공정이 사용된 기판 등)에서 성장하는 압전박막보다 훨씬 우수한 c-축 배향성을 갖는 압전박막(30)을 얻을 수 있다.Since the silicon thermal oxide film 12 formed as described above has a smoother surface than the substrate used in any conventional process, the piezoelectric thin film 30 is formed on the thin lower electrode 20 and the silicon thermal oxide film 12 formed thereon. It is possible to obtain a piezoelectric thin film 30 having a c-axis orientation much better than a piezoelectric thin film formed by growing and growing under other conventional substrate conditions (for example, a substrate using a chemical mechanical polishing (CMP) process).
상기한 하부전극형성공정(P20), 압전박막형성공정(P30), 상부전극형성공정(P40)은 각각 일반적으로 반도체 제조공정 등에서 많이 사용되는 사진식각(photo etching)공정을 이용하여 실시하는 것이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.The lower electrode forming step (P20), the piezoelectric thin film forming step (P30), and the upper electrode forming step (P40) may be performed using a photo etching process, which is generally used in a semiconductor manufacturing process. Therefore, detailed description is omitted.
상기한 하부전극형성공정(P20)은 전도성 재료를 상기한 열산화막(12) 및 기판(2) 위에 증착하여 전극막(21)을 형성하는 단계(P21)와, 상기한 전극막(21)을 사진식각방법으로 소정의 패턴으로 식각하여 하부전극(20)을 형성하는 단계(P22)로 이루어진다.The lower electrode forming process P20 is performed by depositing a conductive material on the thermal oxide film 12 and the substrate 2 to form the electrode film 21 (P21), and the electrode film 21. In operation P22, the lower electrode 20 is formed by etching a predetermined pattern by a photolithography method.
상기에서 하부전극(20) 및 상부전극(40)을 형성하는 전도성 재료는 금(Au), 몰리브덴(Mo), 백금(Pt), 알루미늄(Al) 등을 사용하며, 증착두께는 대략 200㎚ 정도로 설정한다. 또 상기한 하부전극(20) 및 상부전극(40)은 증발증착법이나 스퍼터링법 등을 이용하여 증착 형성한다.As the conductive material forming the lower electrode 20 and the upper electrode 40, gold (Au), molybdenum (Mo), platinum (Pt), aluminum (Al), and the like are used, and the deposition thickness is about 200 nm. Set it. In addition, the lower electrode 20 and the upper electrode 40 are formed by evaporation using a vapor deposition method, a sputtering method, or the like.
상기한 하부전극(20)은 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기한 압전박막(30)에 의해 덮여지도록 압전박막(30)보다 작은 면적으로 형성한다. 그리고 상기한 상부전극(40)은 완전하게 압전박막(30)이 형성된 부분에만 형성되도록 압전박막(30)보다 작은 면적으로 형성한다.As shown in FIG. 6, the lower electrode 20 is formed to have a smaller area than the piezoelectric thin film 30 so as to be covered by the piezoelectric thin film 30 described above. The upper electrode 40 is formed to have a smaller area than the piezoelectric thin film 30 so as to be formed only at a portion where the piezoelectric thin film 30 is completely formed.
상기에서 하부전극(20)과 상부전극(40)은 동일한 면적으로 서로 대응되는 위치에 형성하는 것이 최적의 공진특성을 얻을 수 있으므로 바람직하다.In the above, the lower electrode 20 and the upper electrode 40 are preferably formed at positions corresponding to each other in the same area, so that an optimum resonance characteristic can be obtained.
상기한 압전박막(30)을 형성하는 압전특성을 보유하는 재료로는 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN), PZT(Lead Zirconuim Titanate) 박막 등을 사용하고, 고주파 마그네트론 스퍼터, 원자층 증착, 솔-젤 증착법 등을 이용하여 증착한다.As the material having the piezoelectric properties for forming the piezoelectric thin film 30, zinc oxide (ZnO), aluminum nitride (AlN), lead zirconuim titanium (PZT) thin film, or the like is used, and a high frequency magnetron sputter, atomic layer deposition, It deposits using the sol-gel vapor deposition method.
상기한 압전박막(30)의 두께는 필요로 하는 주파수에 따라 설정하며, 체적탄성파 파장의 0.5배가 되도록 설정하는 것이 바람직하다.The thickness of the piezoelectric thin film 30 is set in accordance with the required frequency, and preferably set to be 0.5 times the volume acoustic wave wavelength.
상기한 압전박막형성공정(P30)은 압전 재료를 상기한 열산화막(12) 및 하부전극(20), 기판(2) 위에 증착하여 압전막(31)을 형성하는 단계(P31)와, 상기한 압전막(31)을 사진식각방법으로 소정의 패턴으로 식각하여 압전박막(30)을 형성하는 단계(P32)로 이루어진다.The piezoelectric thin film forming process P30 is performed by depositing a piezoelectric material on the thermal oxide film 12, the lower electrode 20, and the substrate 2 to form a piezoelectric film 31 (P31), and The piezoelectric film 31 is etched in a predetermined pattern by a photolithography method to form the piezoelectric thin film 30 (P32).
상기에서 상부전극(40)은 패턴을 형성하는 과정에서 lift-off 방법을 사용하는 것이 직접 식각법을 사용하는 것보다 제조가 용이하다.In the above, the upper electrode 40 is easier to manufacture than using the direct etching method using a lift-off method in the process of forming a pattern.
또 상기한 압전박막(30)은 경우에 따라서 압전박막(30)의 재료나 오염 등 공정시 발생될 수 있는 문제 때문에, 상부전극(40)의 패턴을 형성한 다음에 압전박막(30)을 식각하여 소정의 패턴으로 형성하는 방법도 적용 가능하다.In addition, the piezoelectric thin film 30 may etch the piezoelectric thin film 30 after forming a pattern of the upper electrode 40 due to a problem that may occur during a process such as material or contamination of the piezoelectric thin film 30. To form a predetermined pattern is also applicable.
그리고 본 발명에 따른 체적탄성파 소자 제조방법의 다른 실시예는 도 7∼도 9에 나타낸 바와 같이, 상기한 열산화공정(10)이 기판(2) 위에 응력완화용 실리콘 산화막(53)을 형성하는 단계(P16)와, 상기한 실리콘 산화막(53) 위에 열산화방지용 실리콘 질화막(55)을 형성하는 단계(P17)와, 실리콘 산화막(53) 및 실리콘 질화막(55)을 소정의 패턴으로 패터닝하는 단계(P18)와, 패터닝된 실리콘 산화막(54) 및 실리콘 질화막(56)에 대응하는 형상으로 실리콘 열산화막(13)을 형성하는 단계(P19)로 이루어진다.In another embodiment of the method for manufacturing a bulk acoustic wave device according to the present invention, the thermal oxidation process 10 described above forms a stress relaxation silicon oxide film 53 on the substrate 2 as shown in FIGS. Step P16, forming the silicon oxide film 55 for preventing thermal oxidation on the silicon oxide film 53, and patterning the silicon oxide film 53 and the silicon nitride film 55 in a predetermined pattern. And forming the silicon thermal oxide film 13 in a shape corresponding to the patterned silicon oxide film 54 and the silicon nitride film 56 (P19).
상기한 실리콘 산화막(53)은 실리콘 열산화막(13)을 형성하는 과정에서 응력완화용으로 이용되며, 대략 30∼50㎚ 정도의 두께로 형성한다.The silicon oxide film 53 is used for stress relaxation in the process of forming the silicon thermal oxide film 13 and is formed to a thickness of about 30 to 50 nm.
상기한 실리콘 산화막(53)은 로를 이용하여 형성하며, 대략 1,000℃ 정도의 분위기에서 O2, N2, TCE(Trichloroethylene) 등을 이용하여 형성한다.The silicon oxide film 53 is formed using a furnace, and is formed using O 2 , N 2 , TCE (Trichloroethylene) in an atmosphere of about 1,000 ° C.
상기한 실리콘 질화막(56)은 실리콘 열산화막(13)이 성장할 영역인 공진영역과 실리콘 열산화막(13)의 성장을 억제할 영역인 전극영역을 결정하는 구조로서, 실리콘 열산화막(13)과 식각 선택성이 우수하며, 실리콘 열산화막(13)을 형성하는 과정에서 파괴되지 않고, 산소공급을 차단할 수 있는 재료이다. 또 상기한 실리콘질화막(56)은 실리콘 공정과 호환이 가능한 저응력 실리콘 질화막이며, 열산화방지용으로 사용된다.The silicon nitride film 56 has a structure for determining a resonance region, which is a region in which the silicon thermal oxide film 13 is to be grown, and an electrode region, which is a region in which the growth of the silicon thermal oxide film 13 is to be suppressed, and etching the silicon thermal oxide film 13. It is excellent in selectivity and is a material capable of blocking oxygen supply without being destroyed in the process of forming the silicon thermal oxide film 13. The silicon nitride film 56 is a low stress silicon nitride film compatible with the silicon process and is used for thermal oxidation prevention.
상기한 실리콘 질화막(55)은 대략 1,000℃ 정도의 로 분위기에서 H2, Si 공급물질(SiH4등), N 공급물질(NH3등) 등을 이용하여 대략 80∼200㎚ 정도의 두께로 형성한다.The silicon nitride film 55 is formed to a thickness of about 80 to 200 nm using H 2 , Si supply material (SiH 4, etc.), N supply material (NH 3, etc.) in a furnace atmosphere of about 1,000 ° C. do.
상기와 같이 성장하여 형성된 실리콘 질화막(55)은 포토레지스트(PR)를 이용하여 공진영역과 전극영역을 구분하여 습식식각(인산 이용)이나 건식식각(RIE나 ICP 등)을 이용하여 공진영역 부분은 제거하고 전극영역부분만 남겨 소정의 패턴을 갖는 실리콘 질화막(56)으로 형성한다.The silicon nitride film 55 formed as described above may be divided into a resonance region and an electrode region by using photoresist (PR), and the resonance region may be formed by wet etching (using phosphoric acid) or dry etching (RIE or ICP, etc.). The silicon nitride film 56 having a predetermined pattern is removed, leaving only the electrode region portion.
상기와 같이 형성된 실리콘 질화막(56)은 실리콘 열산화막(13)을 형성하는 과정에서 산소공급을 차단하는 역할을 수행하여 실리콘 열산화막(13)의 성장을 억제한다.The silicon nitride film 56 formed as described above serves to block oxygen supply in the process of forming the silicon thermal oxide film 13, thereby inhibiting the growth of the silicon thermal oxide film 13.
상기에서 실리콘 질화막(56)을 형성하기 위하여 사용된 포토레지스트는 실리콘 열산화막(13)을 형성하기 전에 완전히 제거한다.The photoresist used to form the silicon nitride film 56 is completely removed before the silicon thermal oxide film 13 is formed.
또 상기한 실리콘 산화막(53)은 상기한 실리콘 질화막(56)과 마찬가지로 공진영역이 제거된 패턴을 갖는 실리콘 산화막(54)으로 형성한다.The silicon oxide film 53 is formed of a silicon oxide film 54 having a pattern in which the resonance region is removed similarly to the silicon nitride film 56 described above.
상기와 같이 실리콘 질화막(56)이 형성된 상태에서 열산화장비에 투입하여 습식산화방법에 의하여 실리콘 열산화막(13)의 두께가 대략 2∼5㎛ 정도로 되도록 산화시킨다. 이 과정에서 상기한 실리콘 질화막(55)이 제거된 공진영역에서는 실리콘 열산화막(13)이 성장하고, 실리콘 질화막(56)이 있는 전극영역에서는 실리콘 열산화막(13)이 성장하지 않으며, 그 경계부분에서는 실리콘 열산화막(13)이 경사져 성장한다. 이것은 실리콘 열산화막(13)이 성장하기 위해서는 실리콘 내부로 산소입자가 확산되어 들어가야 하는 데, 저응력 실리콘 질화막(56)의 경계부분에서 중심부로 이동할수록 산소입자의 확산이 어렵기 때문이다.In the state in which the silicon nitride film 56 is formed as described above, the silicon nitride film 56 is placed in a thermal oxidation apparatus and oxidized so that the thickness of the silicon thermal oxide film 13 is about 2 to 5 μm by a wet oxidation method. In this process, the silicon thermal oxide film 13 grows in the resonance region where the silicon nitride film 55 is removed, and the silicon thermal oxide film 13 does not grow in the electrode region where the silicon nitride film 56 is located, and the boundary portion thereof. In this case, the silicon thermal oxide film 13 is inclined to grow. This is because in order for the silicon thermal oxide film 13 to grow, oxygen particles must be diffused into the silicon, because diffusion of oxygen particles becomes more difficult as the silicon thermal oxide film 13 moves from the boundary portion of the low stress silicon nitride film 56 to the center portion.
상기와 같이 실리콘 열산화막(13)의 공진영역과 전극영역이 연결되는 양쪽 측면이 완만한 경사면으로 형성되므로, 하부전극형성공정(P20) 및 음향반사층형성공정(P50)을 효과적으로 진행하는 것이 가능하다.As described above, since both sides of the resonance region and the electrode region of the silicon thermal oxide film 13 are formed to have a gentle slope, it is possible to effectively proceed with the lower electrode forming step P20 and the acoustic reflection layer forming step P50. .
즉 하부전극형성공정(P20)에서 하부전극(20)을 형성하기 위하여 전도성 재료를 증착하여 전극막(21)을 형성하는 과정에서, 중간에 단절이 존재하지 않는 상태에서 전체적으로 자연스럽게 거의 일정한 두께를 갖도록 형성하는 것이 가능하다.That is, in the process of forming the electrode film 21 by depositing a conductive material in order to form the lower electrode 20 in the lower electrode forming process P20, it is possible to have an almost constant thickness naturally in the state where there is no disconnection in the middle. It is possible to form.
또 상기한 음향반사층형성공정(P50)에서 실리콘 열산화막(13)을 식각하는 과정에서 실리콘 열산화막(13)의 경사진 부분이 실리콘 질화막(56)과 하부전극(20)으로 보호되어 있으므로, 공진영역 하부의 실리콘 열산화막(13)만 제거되도록 하는 식각방지구조의 역할을 하게 된다.In addition, since the inclined portion of the silicon thermal oxide film 13 is protected by the silicon nitride film 56 and the lower electrode 20 in the process of etching the silicon thermal oxide film 13 in the acoustic reflection layer forming process P50, resonance is performed. It serves as an etch stop structure to remove only the silicon thermal oxide film 13 under the region.
상기한 다른 실시예에 있어서도 상기한 구성 이외에는 상기한 일실시예와 마찬가지의 공정과 조건으로 실시하는 것이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.Also in the above-described other embodiments, it is possible to carry out the same processes and conditions as the above-described embodiment except for the above-described configuration, and thus detailed description thereof will be omitted.
상기에서는 음향반사층(10)을 형성하기 위한 희생층으로 사용되는 실리콘 산화막(SiO2)을 열산화(thermal oxidation) 방법을 이용하여 실리콘 열산화막(12), (13)으로 형성하는 것으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 스퍼터링(sputtering) 증착방법, 원자층증착(atomic layer deposition) 방법, 화학기상증착(chemical vapor deposition) 방법 등을 이용하여 희생층인 실리콘 산화막(SiO2)을 형성하는 것도 가능하다.In the above description, the silicon oxide film (SiO 2 ) used as the sacrificial layer for forming the acoustic reflection layer 10 is formed as the silicon thermal oxide films 12 and 13 using a thermal oxidation method. The present invention is not limited thereto, and the silicon oxide film (SiO 2 ), which is a sacrificial layer, is formed by using a sputtering deposition method, an atomic layer deposition method, a chemical vapor deposition method, or the like. It is also possible.
상기한 실리콘 산화막(SiO2)의 두께는 음향반사층(10)을 형성하기 위하여 제거하는 과정에서 제거가 용이하도록 수㎛ 이상으로 형성하는 것이 바람직하며, 상기한 실리콘 열산화막(12), (13)의 형성방법은 건식산화방법 보다는 습식산화방법을 이용하는 것이 바람직하다.The silicon oxide film (SiO 2 ) may be formed to have a thickness of several μm or more to facilitate removal in the process of removing the silicon oxide film (SiO 2 ), and the silicon thermal oxide films 12 and 13 described above. It is preferable to use a wet oxidation method rather than a dry oxidation method of.
상기에서는 본 발명에 따른 체적탄성파 소자 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.In the above description of the preferred embodiment of the bulk acoustic wave device and its manufacturing method according to the present invention, the present invention is not limited to this, but the present invention is not limited to the claims and the detailed description of the invention and the various modifications are carried out within the scope of the accompanying drawings. It is possible and this also belongs to the scope of the present invention.
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 체적탄성파 소자 및 그 제조방법에 의하면, 평활한 표면을 갖는 실리콘 열산화막 위에 얇은 하부전극을 형성하고 압전박막을 형성하므로, 압전박막의 c-축 배향성이 향상되고 공진특성이 향상된다. 따라서 종래 다른 표면미세가공에서 필요로 하던 CMP(chemical mechanical polishing)공정이 필요하지 않으므로 제조공정이 매우 간단하며, 생산수율도 향상된다. 그리고 종래 경면연마된 표면보다 본 발명에 따른 습식산화된 실리콘 열산화막의 표면이 보다 평활하므로 그 위에서 성장한 압전박막의 품질 또한 향상되고,공진특성도 우수하다.According to the volume acoustic wave device and the method of manufacturing the same according to the present invention, a thin lower electrode is formed on the silicon thermal oxide film having a smooth surface and a piezoelectric thin film is formed, thereby improving the c-axis orientation of the piezoelectric thin film and resonating. Characteristics are improved. Therefore, since the CMP (chemical mechanical polishing) process, which is conventionally required for other surface fine processing, is not required, the manufacturing process is very simple and the production yield is improved. In addition, since the surface of the wet oxidized silicon thermal oxide film according to the present invention is smoother than the conventional mirror polished surface, the quality of the piezoelectric thin film grown thereon is also improved, and the resonance property is also excellent.
또 희생층으로 기능하는 실리콘 열산화막의 양쪽 측면이 경사면으로 형성되므로, 공진영역의 하부전극과 전극영역의 하부전극을 단일공정으로 연결하여 형성하는 것이 가능하다. 따라서 종래 하부전극의 공진영역과 전극영역을 연결하기 위하여 수행하던 연결공정이 생략되므로, 제조공정이 간단하며 생산성이 향상되고 하부전극이 중간에서 단락되는 불량이 감소한다.In addition, since both side surfaces of the silicon thermal oxide film serving as the sacrificial layer are formed as the inclined surface, it is possible to form the lower electrode of the resonance region by connecting the lower electrode of the electrode region in a single process. Therefore, the connection process, which is conventionally performed to connect the resonance region and the electrode region of the lower electrode, is omitted, thereby simplifying the manufacturing process, improving productivity, and reducing defects in which the lower electrode is shorted in the middle.
그리고 본 발명에서 이용되는 제조공정이나 재료들은 일반적인 반도체공정에서 주로 사용하는 기본공정과 재료를 사용하므로, 차후 생산 및 사용이 크게 증대될 것으로 기대되는 일체형 마이크로파 집적회로(MMIC)화에 용이하게 활용하는 것이 가능하다.In addition, since the manufacturing process or materials used in the present invention use the basic processes and materials mainly used in general semiconductor processes, they are easily utilized for the integrated microwave integrated circuit (MMIC), which is expected to be greatly increased in the future. It is possible.
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Legal Events
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20100407 Year of fee payment: 6 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |