KR20040073227A - 실리콘 국부 산화를 이용한 멤브레인 구조 제조 방법 및멤브레인 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 멤스(MEMS)나 표면 마이크로머신(surface micromachine) 기술을 이용한 음향파 공진기, 음향파 트랜스듀서 등의 통신소자나 수동필터 및 센서에 관한 것으로, 실리콘 국부 산화(LOCOS)공정을 통해 멤브레인(membrane) 구조를 형성하는 새로운 공정기술에 관한 것이다. 특히 ZnO(산화아연) 성분으로 이루어진 압전막과, 상기 압전막의 아래에 형성되는 하부전극막 아래가 실리콘 표면 쪽에 LOCOS 공정기법을 적용함으로써 형성된 약 1~2 ㎛ 두께의 공기층 위에 형성되어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 멤스(MEMS: Micro-Electro-Mechanical System) 기술을 이용하여 공기층 상에 멤브레인(membrane) 구조를 제작하는 방법 및 그러한 방법에 의해 형성된 멤브레인 구조물에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 실리콘 국부 산화(LOCOS) 공정을 응용하여 보다 공정이 쉽고, 집적이 용이하며, 정밀한 공기층의 두께 제어가 가능한 멤브레인 구조를 제작하는 방법, 그러한 방법에 의하여 형성된 멤브레인 구조물, 및 이를 채용함으로써 음향파 에너지의 손실을 저감할 수 있는 등 향상된 공진특성을 갖는 벌크형 음향파 공진기(FBAR: Film Bulk Acoustic Resonator)에 관한 것이다.
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 하부전극 아래부분을 공기층으로 만들어 주는 것은 음향파 에너지의 손실을 줄이고 공진특성을 우수하게 유지시키는데 매우 중요한 요구 사항이다.
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 다양한 구조를 갖는다. 즉, 압전층이 두 전극층 사이에서 샌드위치 형태를 이루거나, 샌드위치 구조가 공기층에 떠 있는 상태로 유지되거나, 공진기가 브래그 리플렉터(Bragg's reflector) 상에 놓여지는 구조를 갖는다.
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 기계적 공진기이므로 필터로서 작용 가능하다. 이때 소자에서 종단으로 전파되는 음향파의반파장이 소자의 전체 두께와 같으므로 GHz 범위의 응용을 위한 공진기는 크기가 100㎛ 이하이고 두께가 수 ㎛ 이하인 컴팩트한 형태로 제작될 수 있다.
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.
가장 이상적인 FBAR의 구조는 공기층 상에 떠 있는 구조이며 이를 위해서는 멤스(MEMS)기술을 응용한 멤브레인 제작기술이 이용된다.
기존의 멤브레인 막은 도 1(b)에서와 같이 기판의 뒷면에 질화막의 사각 창문을 형성한 후 KOH나 TMAH와 같은 용액에 실리콘의 (100) 방향성 식각특성을 이용하여 기판 두께만큼 식각시킴으로써 앞면에 멤브레인 막을 형성하는 방법이다. 이를 위해서는 실리콘 양면에 대한 사진식각 공정이 필요하며 KOH나 TMAH 용액에 의한 식각 시간이 길고 식각의 균일성 및 재현성에도 어려움이 있다. 또한 실리콘 두께만큼의 구멍이 만들어 지기 때문에 MMIC화가 어렵고 소자의 집적도가 떨어진다.
본 발명은 상기와 같은 종래 멤브레인 제조기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로써, 본 발명은 실리콘(Si) 또는 사파이어(sapphire)와 같은 결정성 기판 상에 실리콘 질화막(Si3N4)을 증착하여 사진식각 방법(Photolithography)에 의해 사각패턴의 질화막 창(window)을 형성하고 산화(oxidation) 공정에 의해 질화막 창을 통해서만 성장된 새부리(bird's beak) 형태의 국부적 산화막(LOCOS:LOCal Oxidation) 상에 멤브레인 막으로 이용될 절연막 혹은 금속막을 증착한다. LOCOS 상에 증착된 막상에 사진식각 방법으로 패턴을 형성하여 LOCOS 산화막을 부분적으로 드러나게 함으로써 LOCOS 산화막을 습식이나 건식 식각에 의해 제거할 수 있다.
이렇게 함으로써 1 ~ 2㎛정도 두께의 공기층 상에 떠 있는 멤브레인 막을 형성할 수 있다. 다시, 형성된 멤브레인 막 상에 하부전극을 형성하고 그 형성된 전극상에 결정성이 우수한 ZnO 또는 AlN 압전막을 형성하고 상부전극을 형성함으로써 공진특성이 우수한 FBAR를 제작할 수 있다.
실리콘(Si) 기판 상에 증착된 실리콘 질화막(Si3N4)의 열린 창(open window)을 통해 산화(oxidation) 공정을 실시하면 질화막이 남아있는 부분은 산화가 방지되고 질화막이 없이 실리콘이 드러난 부분만 산화됨으로써 새부리(bird's beak) 모양의 산화막이 형성된다. 이 산화막을 반도체 공정기술에서는 실리콘 국부 산화(LOCOS)막이라 부른다. 이때, LOCOS 층의 전체 두께 중에서 절반은 원래의 Si 표면 아래로 형성되고 나머지 절반의 두께는 표면의 위쪽으로 형성된다.
이후, LOCOS 공정을 위해 적용되었던 실리콘 질화막(Si3N4)을 식각으로 제거하고 다시 멤브레인으로 사용될 절연막이나 금속막을 증착시킨다. 다시 사진식각 공정에 의해 LOCOS 상에 걸쳐서 멤브레인막의 패턴을 남긴다. 멤브레인 막의 패턴에 의해 가려지지 않은 부분을 통해 LOCOS 산화막을 식각시키면 멤브레인 막 아래부분에 공기층이 형성된다.
이와같은 LOCOS 공정은 반도체 집적회로 제조공정에서 이미 안정적으로 채택되고 있는 공정으로서 새부리(bird's beak) 모양의 형상을 가지기 때문에 경계부에서 급작스런 단차없이 완만한 표면형태를 유지한다. 따라서 그 상부에 형성되는 막들의 연결을 안정적으로 제공함으로써 다른 능동소자들과의 집적화를 유리하게 제공할 수 있다.
또한 공기층을 형성하기 위해 기존의 KOH나 TMAH와 같은 불안정한 용액으로 Si을 파내는 대신에 습식이나 건식으로 LOCOS 산화막(SiO2)을 식각시킴으로써 저절로 실리콘의 함몰층을 얻을 수 있어 공기층의 형성이 정확히 조절될 수 있다.
도 1 은 실리콘 표면쪽에 국부적으로 형성된 새부리(bird's beak) 모양의 공기층과 그 위에 형성된 벌크형 공진기(FBAR)의 구조를 보여주는 단면도이며 기존의 실리콘 후면 식각을 통한 멤브레인 구조와 비교되어 있다.
도 2 는 실리콘 질화막(Si3N4)의 창문을 통해 국부적으로 산화된 로커스(LOCOS) 산화막 상에 멤브레인 구조가 형성되는 공정흐름도 및 해당 마스크 레이아웃을 보여주는 그림이다.
도 3 은 실리콘 질화막(Si3N4)의 창문을 통해 실리콘의 건식식각 후 국부적으로 산화된 로커스(LOCOS) 산화막 상에 멤브레인 구조가 형성되는 공정흐름도 및 해당 마스크 레이아웃을 보여주는 그림이다.
도 4 는 다양한 구조의 멤브레인을 형성시키기 위한 마스크 레이아웃의 설계도이다.
도 5 는 다양한 구조의 멤브레인을 형성시키기 위한 마스크 레이아웃의 다른 설계도이다.
본 발명에 의한 멤브레인의 제조 방법은, 기판 표면에서, 하부에 공기층을 갖는 멤브레인 구조를 형성하기 위한 방법이며, 기판 표면에 실리콘 질화막을 증착하는 단계; 상기 실리콘 질화막을 패터닝(patterning)하는 단계; 상기 실리콘 질화막(Si3N4)의 패터닝에 의해 개방된 창(open window)을 통해 국부 산화막을 성장시키는 단계; 상기 실리콘 질화막의 일부 또는 전부를 제거하는 단계; 상기 국부 산화막 상에 절연막(Si3N4) 혹은 금속막(Cr, Mo)의 멤브레인 박막을 증착하는 단계; 상기 멤브레인 박막을 패터닝(patterning)하는 단계; 및 상기 패터닝에 의해 개방된 부분을 통하여 상기 국부 산화막을 식각하는 단계를 포함한다.
국부 산화막 형성 후의 평탄도를 높이기 위해서 상기 실리콘 질화막의 패터닝에 의해 개방된 창을 통하여 상기 국부 산화막을 형성하는 단계 이전에, 상기 성장시키고자 하는 산화막 두께의 절반 이하의 깊이로 상기 기판을 건식식각 하는 단계를 더 포함하도록 할 수도 있다.
또한, 상기 기판의 상기 멤브레인에 대한 지지 강도를 높이기 위하여 상기 멤브레인 박막을 패터닝하기 위한 레이아웃(layout)은 T-자형, Y-자형, + 자형 또는 x-자형의 형상을 가지도록 할 수도 있다.
또한, 본 발명의 멤브레인 구조물 및 이를 이용한 음향파 공진기는 위의 방법에 의하여 제조된 것임을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 보다 상세히 설명한다.
실시예의 음향파 공진기는 실리콘 기판의 표면상에 형성된 공기층 및 멤브레인을 포함하는 하부전극막과, 상기 하부전극막상에 형성되며 ZnO(산화아연) 성분으로 이루어진 압전막과, 상기 압전막상에 형성된 상부전극막을 포함하여 이루어지는 것이다.
LOCOS 공정에 의해 형성된 산화막 상에 멤브레인에 해당하는 절연막 혹은 금속막의 패턴을 두고 그 아래의 LOCOS 산화막을 식각해 냄으로써 상기 공기층 및 멤브레인 구조가 자동적으로 용이하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 멤브레인 막의 물질은 HF 용액에 영향을 받지 않는 Si3N4의 절연막 이거나 Cr, Mo와 같은 금속막인 것이 바람직하며 그 구조는 LOCOS 산화막의 일부가 드러남으로써 산화막을 식각해 낼 수 있어야 하고 일부는 실리콘 표면에 걸쳐 있어 자체를 지지할 수 있는 레이아웃(layout) 패턴이 바람직하다.
먼저, 도 2(a)의 실리콘 기판(1) 상에 얇은 산화막(2) 및 1000 ~ 2000Å 정도의 실리콘 질화막(3)을 증착시킨다. 도 2(b)의 M1과 같은 마스크 패턴을 이용하여 사진식각 공정(Photolithography)을 수행하여 2(b)와 같은 패턴을 형성한 후 산화(Oxidation) 공정을 수행하면 실리콘 질화막(Si3N4)은 실리콘이 산화되는 것을 방지해 주기 때문에 도 2(C)와 같은 형태의 두꺼운 산화막이 성장된다. 이렇게하여 형성된 산화막을 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 산화막이라 부른다. 특히 LOCOS 공정의 특징은 LOCOS 산화막 전체 두께가 1㎛라고 가정할 때 실리콘 기판 표면의 아래로 약 0.5㎛ 정도 산화막이 형성되며 표면 위로 약 0.5㎛ 정도 산화막이 형성되며 가장자리 부분이 새 부리(bird's beak) 모양을 하고 있어 전체적으로 완만한 단차를 유지할 수 있다.
LOCOS 공정을 위해 사용되었던 실리콘 질화막을 도 2(d)와 같이 식각에 의해 제거한 후 도 2(e)와 같이 Si3N4등의 절연막(5)과 Cr, Mo 등의 금속막(6)을 연속으로 증착한다. 이 때, 하나의 막만을 증착할 수도 있다.
도 2(f)의 M2와 같은 패턴의 마스크를 사용해 사진식각 공정에 의해 도 2(f)의 구조를 형성한다. 패턴의 드러난 부분을 통해 LOCOS 산화막을 식각시키면 산화막만 제거되고 도 2(g)와 같이 공기층 상에 멤브레인 막이 떠 있는 구조가 형성된다.
본 구조를 FBAR 공진기에 적용하기 위해서는 상기 금속막(6)을 하부전극으로 사용하고 그 위에 결정성이 우수한(c-축 방향 배열) ZnO나 AlN과 같은 압전막(7)을 0.5 내지 2.0㎛ 정도 증착한후 상부전극으로 이용될 금속막(8)을 연속증착하면 도 2(h)와 같은 구조가 된다. 다시 도 2(i)의 M4 마스크 팬턴을 이용하여 사진식각공정을 수행하면 도 2(i)의 공진기 구조가 완성된다.
더욱 바람직하게는 LOCOS 공정을 위한 실리콘 질화막의 패턴형성 후 도 3(a)에서와 같이 건식 식각(dry etching) 공정에 의해 실리콘의 일부(0.5 내지 1.0㎛)를 미리 파내고 나서, LOCOS 산화공정을 수행하면 도 3(b)와 같이 표면이 보다 평탄화된 LOCOS 구조를 얻을 수 있다. 그 이후 상기 도 2와 같은 방법으로 공정을 계속하면 도 2(f)와 같은 멤브레인 구조를 얻을 수 있다.
또한 도 4(a)와 같이 멤브레인 막(5)과 하부 전극막(6)을 각각 다른 마스크 패턴(M2, M3)를 이용하여 '도 4(a) - 도 4(c)' 처럼 따로 공정함으로써 보다 효과적인 멤브레인 구조 및 하부 전극막 구조를 얻을 수도 있다. 즉, 이렇게 하면 도 5와 같이 멤브레인이 안정하게 지지될 수 있는 T-자형 혹은 Y-자형과 같은 다양한 형태의 멤브레인 구조가 가능하다.
본 발명에 의한 멤브레인 구조의 제작은 기존의 실리콘 식각공정에 의한 불안정한 공정을 배제하고 LOCOS 산화막을 선택적으로 제거함으로써 자동적으로 공기층이 형성되는 방법으로서 정확한 공기층의 조절이 가능하며 완만한 평탄도를 유지함으로 집적화에 유리한 특성을 가진다. 이러한 멤브레인 구조를 음향파 공진기를 적용하면 음향파 에너지의 손실을 줄일 수 있고, 공진특성을 향상시킬 수 있다.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 부가적인 장점이 있다.
Claims (5)
- 기판 표면에서, 하부에 공기층을 갖는 멤브레인 구조를 형성하기 위한 방법에 있어서,기판 표면에 실리콘 질화막을 증착하는 단계;상기 실리콘 질화막을 패터닝(patterning)하는 단계;상기 실리콘 질화막(Si3N4)의 패터닝에 의해 개방된 창(open window)을 통해 국부 산화막을 성장시키는 단계;상기 실리콘 질화막의 일부 또는 전부를 제거하는 단계;상기 국부 산화막 상에 절연막(Si3N4) 혹은 금속막(Cr, Mo)의 멤브레인 박막을 증착하는 단계;상기 멤브레인 박막을 패터닝(patterning)하는 단계; 및상기 패터닝에 의해 개방된 부분을 통하여 상기 국부 산화막을 식각하는 단계를 포함하는 멤브레인 구조 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 실리콘 질화막의 패터닝에 의해 개방된 창을 통하여 상기 국부 산화막을 형성하는 단계 이전에, 상기 성장시키고자 하는 산화막 두께의 절반 이하의 깊이로 상기 기판을 건식식각 하는 단계를 더 포함하는 멤브레인 구조 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 기판의 상기 멤브레인에 대한 지지 강도를 높이기 위하여 상기 멤브레인 박막을 패터닝하기 위한 레이아웃(layout)은 T-자형, Y-자형, + 자형 또는 x-자형의 형상을 가지도록 한 것인 멤브레인 구조 형성 방법.
- 제1항 내지 제3항의 방법으로 제조된 멤브레인 구조물.
- 제1항 내지 제3항의 방법으로 제조된 멤브레인 구조물;상기 멤브레인 상에 형성된 하부전극;상기 하부전극 상에 형성된 압전막; 및상기 압전막 위에 형성된 상부전극을 포함하는 음향파 공진기.
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| KR1020030009226A KR20040073227A (ko) | 2003-02-13 | 2003-02-13 | 실리콘 국부 산화를 이용한 멤브레인 구조 제조 방법 및멤브레인 구조 |
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- 2003-02-13 KR KR1020030009226A patent/KR20040073227A/ko active IP Right Grant
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7205702B2 (en) | 2003-10-08 | 2007-04-17 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Film bulk acoustic resonator and method for manufacturing the same |
| US7793395B2 (en) | 2003-10-08 | 2010-09-14 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method for manufacturing a film bulk acoustic resonator |
| CN102728535A (zh) * | 2011-04-06 | 2012-10-17 | 佳能株式会社 | 电气机械换能器及其制造方法 |
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