KR20040052851A - Mems 기술을 이용한 fbar 소자 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 MEMS(Micro Electro Mechanical System)기술을 이용하여 이동통신 단말기의 RF단에 장착되는 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 단결정(single crystal) 기판에 압전층을 직접적으로 증착하여 압전층의 특성을 개선하므로 공진특성이 우수한 FBAR소자를 제공하고, 또한, 상기 압전층과 하부전극 사이에 일정한 두께의 기판이 존재로 구조적으로 안정하게 에어갭(air gap)을 실현하며, 공정 과정에서 압전층과 하부전극에 존재하는 기판의 두께 조절로 공진주파수를 조절하므로 수율이 향상된 FBAR 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.

Description

MEMS 기술을 이용한 FBAR 소자 제조 방법{THE METHOD OF FBAR DEVICE FABRICATION USING MEMS TECHNOLOGY}

본 발명은, 이동통신 부품인 박막 필터용 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 결정성(crystallization) 및 우선배향성(prefered orientation)이 우수한 압전층(piezoelectric layer)의 성장 및 구조적으로 안정하고 주파수 조절이 가능한 박막 필터용 FBAR 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

오늘날 통신기술의 급격한 발전으로 그에 상응하는 신호처리기술과 고주파(RF) 부품기술의 발전이 요구되고 있다. 최근 고성능, 고집적 RF소자 및 시스템들의 경박단소화 추세에 따라 RF 무선 통신 분야에도 초소형 미세가공기술인 MEMS(Micro Electro Mechanical System)가 크게 주목받고 있다.

일반적으로 FBAR 소자는 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs) 반도체 기판위에 상부전극, 압전층 및 하부전극을 차례로 증착하여 박막형태로 구현한 것으로써, 이 때 고품질계수를 유지하기 위하여 상부전극과 하부전극을 통해 전계가 인계될 때에 압전층에 발생하는 음향파(acoustic wave)가 기판의 영향을 받지 않도록 기판과 상부전극, 하부전극, 압전층을 격리시키는 구조가 필요한데, 이러한 격리구조는 FBAR소자의 성능과 그 제조의 수율을 좌우하는 중요한 과제이다.

이런 공진영역과 기판을 격리시키는 위한 방법은 크게 기판 뒷면을 에칭 하여 에어갭(air gap)을 형성한 멤브레인형(membrane type)과 기판 상부에 희생층(sacrificed layer)을 형성한 후, 나중에 희생층을 제거한 에어갭형(air gap type), 그리고 어쿠스틱 임피던스(acoustic impedance) 차가 큰 물질을 격층으로 증착하여 브래그 반사(bragg reflection)를 이용한 반사막 방식(bragg type)으로나눈다.

상기 방식중 멤브레인을 이용하여 에어갭을 형성한 종래의 방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 기판에 SiO₂, Si₃N₄등의 절연체를 증착하여 멤브레인(12)을 형성하고, 상기 기판의 뒷면을 이방성 에칭 하여 에어갭을 형성한 후, 상기 멤브레인층 위에 하부전극(10), 압전층(5), 상부전극(9)을 차례로 증착하였다. 그러나 이 방법은 비정질(amorphous) 또는 다결정(polycrystalline)인 멤브레인층 위에 전극층 및 압전층을 증착함으로 인해 전극층과 압전층의 결정성 및 기판에 수직한 방향으로 박막이 성장하는 우선배향성이 떨어져 FBAR 소자의 특성이 저하되는 문제점이 있으며, 개별소자 절단시 구조적으로 취약하여 소자로서 제조시 수율이 낮다는 문제점이 있다. 또한, 멤브레인으로 인한 음파 에너지(acoustic energy)의 손실로 공진 특성을 약화시키는 점 때문에 실용화가 어렵다.

희생층을 이용하여 에어갭을 형성하는 방법은 도 2에 도시한 바와 같이 기판 상의 공진영역위치에 희생층을 형성하고, 그 희생층 및 기판위에 절연막(14)을 형성한 후, 그 위에 하부전극(10), 압전층(5), 상부전극(9)을 차례로 증착한다. 이어서, 비아홀(via hole)을 이용하여 희생층을 제거함으로써 에어갭(13)을 형성한다. 이 방법도 FBAR소자의 특성에 커다란 영향을 줄 수 있는 압전층의 우선배향성 및 결정성의 특성이 저하되며,, 개별소자로 절단시 구조물의 붕괴가 발생하여 수율이 현저히 떨어진다는 문제점이 있다.

나머지 한 방법으로, 도3는 에어갭을 이용한 방식과는 달리 브래그반사막(bragg reflector;15,16) 방식을 이용한 FBAR소자를 도시한 것이다. 이 방법은 구조적으로는 안정하지만, 기판 위에 음향 임피던스(acoustic impedance) 차가 큰 물질을 λ/4의 공진두께로 정확히 조절해야 하며, 교대로 적층으로 증착함으로써 각층의 계면 평활도 및 응력(stress)에 대하여 고려해야 한다. 또한, 다층박막의 응력 차이에 의한 탄성파 왜곡 및 박막사이의 부착력 감소에 따른 소자의 파괴를 초래하는 등의 문제점이 있다.

본 발명은, FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 소자를 구현하는데 있어서, 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서 그 목적은, 단결정 기판위에 압전층을 직접 성장함으로써 압전층의 우선배향성 및 결정성을 향상시키며, 일정 부분 남겨 놓은 기판의 두께 조절에 따른 주파수 변동을 이용하여 수율을 향상시키고, 에어갭구조의 구조적 취약성을 보완하여 FBAR소자를 견고하게 그리고 간단히 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

도 1 은 종래의 기술에 의한 멤브레인 형태의 FBAR 소자의 단면도.

도 2 는 종래의 기술에 의한 에어갭 형태의 FBAR 소자의 단면도.

도 3 는 종래의 기술에 의한 브래그 반사막 형태의 FBAR 소자의 단면도

도 4(a)∼(i) 는 본 발명에 의한 FBAR 소자의 각 제조 공정별 단면도.

도 5 는 본 발명에 따른 FBAR 소자의 단면도.

도 6 는 FBAR 소자의 공진 주파수에 영향을 주는 압전층, 상하부 전극층, 잔류 기판의 두께를 나타내는 단면도.

도 7 은 실리콘 기판 두께에 따라 공진주파수의 변화를 나타내는 그래프

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1. 단결정 기판(single crystal substrate) 2. 압전층(piezoelectric layer)

7. 잔류 기판(residual substrate) 8. 비아홀(via hole)

12. 멤브레인층(membrane layer) 14. 절연층

상기 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명에 의한 에어갭을 갖는 FBAR소자의 제조방법에 있어서

기판의 상부에 압전층을 형성하는 단계; 상기 압전층 상부에 포토레지스트(photo resist, PR)를 도포하는 단계; 상기 포토레지스트에 패턴(pattern)을 형성하는 단계; 패턴이 된 상기 압전층을 에칭하는 단계; 상기 포토레지스트를 제거 하는 단계; 상기 기판의 뒷면을 에칭하기 위하여 포토레지스트도포 및 패턴하는 단계; 상기 패턴을 이용하여 기판의 뒷면을 적당한 두께를 남겨놓고 이방성(anisotropy) 에칭하는 단계; 외부에 전기적인 연결을 위하여 비아홀(via hole)을 형성하는 단계; 상기 압전층 상하부에 전극을 형성하는 단계로 이루어진다.

상기의 전 공정은 6인치 또는 8인치의 웨이퍼(wafer) 상태로 가능하며, 사용되는 웨이퍼의 종류는 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs) 등이며, 상기에 형성된 압전체는 AIN, ZnO등이 가능하다.

더하여 본 발명에 의한 제조방법은 압전층 밑에 존재하는 기판의 두께를 수∼수십㎛정도에서 조절하여 공진 주파수의 조정을 할 수 있으며, 주파수 조정에 의해 송신단과 수신단의 신호를 하나의 소자에서 구현하는 듀플렉스(duplexer)를 제조 할 수 있다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 FBAR 소자의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

도 4(a) 내지 (i)는 본 발명에 따른 FBAR소자의 제조방법을 공정별로 도시한 단면도이다.

제조 공정순으로 이를 설명하면, 도 4(a) 내지 (e)는 기판 상에 원하는 형태의 압전층을 형성하는 과정을 도시한다. 도 4(a)는 기판(1)상부의 전체 영역에 압전층(2)을 증착하는 것을 나타낸다. 상기 기판은 일반적으로 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs) 단결정(single crystal) 웨이퍼를 사용하며, 압전층은 AIN, ZnO, PZT등의 압전계수(piezoelectric coefficient)가 큰 세라믹(ceramic) 물질이 가능하다.그리고 증착하는 방법은 스퍼터링(sputtering)이나 진공 증착법(evaporation)등이며 상기 방법에 한정되지 않는다. 직접적인 단결정 구조의 기판(1)의 증착되는 물질과의 상호작용으로 인하여 압전층의 결정성(crystallization) 및 우선배향성(prefered orientation)이 기존의 방법 보다 현저히 향상된 좋은 특성을 제품을 얻을 수 있다. 4(b) 내지 (c)는 상기 증착된 압전층(2) 전면에 원하는 패턴을 만들기 위하여 포토레지스트(3)를 도포하고 사진공정을 통하여 원하는 영역 이외의 공간의 포토레지스트를 제거한 것을 나타낸다. 상기에서 사용되는 포토레지스트는 포지티브(positive)나 네거티브(negative) 모두 가능하며, 두께는 2㎛ 이상이면 바람직하다. 4(d) 내지 (e)는 상기에서 형성된 포토레지스트 패턴(4)이 형성되지 않은 영역의 압전층을 습식(wet) 및 건식(dry) 에칭(etching)하여 제거한 후, 포토레지스트를 제거한 것을 나타낸다.

그 다음 4(f) 내지 (h)는 상기 공진(resonant) 영역에 해당하는 곳에 에어갭 형성을 위하여 기판의 뒷면에 패턴한 후, 에칭하는 과정을 나타낸 것이다. 상기 패턴의 영역(6)은 전극 및 전송선로 형성을 위하여 공진영역 보다 다소 크게 형성한다. 기판 뒷면 및 비아홀(via hole;8)의 에칭은 건식(dry) 식각을 이용하여 이방성 에칭을 하며, 차후에 비아홀(8)에는 도금 및 증착 등의 방법으로 RF신호를 위한 전송전로(11)를 형성 한다. 건식 식각은 ICP(inductively coupled plasma)방식을 이용하여 수백 ㎛의 깊이로 에칭 한다. 일정부분 에칭 되지 않고 남겨진 기판(7)은 소자의 구조적, 기계적 안정성에 기여하며, 두께에 따라 소자의 공진주파수가 영향을 미치므로 두께조정에 의해 소자의 동작 주파수를 조절할 수 있다. 상기에서 잔류 기판(7)의 두께는 최소 5㎛이상이 바람직하다. 4(i)는 상기에 형성된 영역에 전극(9,10)을 형성하는 것을 나타낸다. 전극의 영역은 공진영역보다 넓을 수 있으며, 이 때 사용되는 물질은 Al, Mo, Au등 이며, 전극 형성 방법으로는 스퍼터링(sputtering) 이나 진공 증착법(evaporation)이 가능하다.

도 5는 본 발명에 의하여 제조된 FBAR소자의 단면도이다. 상기에 설명한 바와 같이 FABR소자의 압전층은 단결정 기판(1)위에 구현되면 압전층(5)과 하부전극(10) 사이에 일정한 두께의 기판(7)이 존재하여 구조적으로 안정한 형태를 나타낸다. 또한 도 6은 FBAR소자의 공진 주파수에 영향을 미치는 상부전극(d₂), 압전층(d₁), 잔류기판의 두께(d₃)를 나타낸 것이다. 이중 공진주파수에 민감하게 작용하는 압전층의 두께는 원하는 주파수 근처에서 고정시키고 잔류 기판의 두께(d₃) 조절로 원하는 주파수의 FBAR소자를 제작할 수 있다.

도 7은 예를 들어 실리콘기판을 사용했을 경우, 기판두께에 따른 주파수의 변화 정도를 나타낸 그래프이다. 대략 실리콘 두께 5㎛를 기준으로 두께 증가에 따라 공진 주파수의 변동이 작아짐을 알 수 있다. 이러한 두께에 따라서 주파수가 변동하는 특성을 이용하여 원하는 주파수에서의 조정이 가능하다.

상기와 같이, 본 발명에 의한 박막필터용 FBAR 및 그 제조 방법은 소자의 특성에 커다란 영향을 미치는 압전층 막질의 향상에 영향을 주는 구조이며, 종래의 멤브레인(도1) 형태 및 희생층을 이용하여 에어갭(도2)을 구현한 형태보다 기판을이용한 지지층의 존재로 구조적, 기계적으로 안정된 FBAR소자를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 하부전극과 압전층 사이에 존재하는 잔류 기판의 두께에 따라 공진주파수(resonant frequency)를 조절함으로써 공정이 간단해지며 수율을 현저히 상승시킬 수 있다.

이상 본 발명의 상세한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공 되었으며, 상기 설명에 비추어 당 기술 분야의 숙련자는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 개량과 변형이 가능하다.

Claims (3)

1. 기판의 상부에 압전층을 형성하는 단계;

   상기 압전층 상부에 포토레지스트를 도포하는 단계;

   상기 도포된 포토레지스트에 패턴을 형성하는 단계;

   패턴된 상기 압전층을 에칭하는 단계;

   상기 도포된 포토레지스트를 제거 하는 단계;

   상기 기판의 뒷면을 에칭하기 위하여 포토레지스트 도포 및 패턴하는 단계;

   상기 패턴을 이용하여 기판의 뒷면을 적당한 두께를 남겨놓고 이방성 에칭하는 단계;

   외부에 전기적인 연결을 위하여 비아홀(via hole)을 형성하는 단계;

   상기 압전층 상하부에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 FBAR 소자의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 단결정 기판의 직접적인 접촉으로 기판에 수직한 방향으로 압전막이 성장되도록 하는 것을 특징으로 하는 FBAR 소자의 제조 방법
3. 제 1항에 있어서, 상기 하부전극과 압전층 사이에 존재하는 기판의 두께 조절에 의해 주파수를 조정하는 것을 특징으로 하는 FBAR소자의 제조 방법