KR20050068584A - 고주파 소자의 스위치 형성방법 - Google Patents

고주파 소자의 스위치 형성방법 Download PDF

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KR20050068584A
KR20050068584A KR1020030100173A KR20030100173A KR20050068584A KR 20050068584 A KR20050068584 A KR 20050068584A KR 1020030100173 A KR1020030100173 A KR 1020030100173A KR 20030100173 A KR20030100173 A KR 20030100173A KR 20050068584 A KR20050068584 A KR 20050068584A
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박상균
신찬수
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매그나칩 반도체 유한회사
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
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Abstract

본 발명은 고주파 소자의 스위치 형성방법에 관한 것으로, 용량형 전환 스위치에서 필수 구성 요소인 절연층을 산화 열처리 공정으로 하부전극 표면에 형성하므로, 절연층 형성을 위한 별도의 마스크 공정 및 식각 공정을 생략할 수 있어 공정을 단순화시킬 수 있다.

Description

고주파 소자의 스위치 형성방법{Method of switch in radio frequency integrated circuits}
본 발명은 고주파 소자의 스위치 형성방법에 관한 것으로, 특히 정전기력에 온 또는 오프(ON or OFF) 동작을 하는 용량형 전환 스위치(capacitive shunt switch)를 형성하는 방법에 관한 것이다.
MEMS(micro electro mechanical system) 기술을 이용한 고주파 소자(RF ICs) 중 현재 가장 널리 제작되고 있는 것은 스위치(switch)이다. RF 스위치는 마이크로파나 밀리미터파 대역의 무선통신 단말기 및 시스템에서 신호의 선별 전송(single routing)이나 임피던스 정합 회로(impedance matching networks) 등에서 많이 응용되는 소자이다.
기존의 MMIC 회로(monolithic microwave integrated circuits)에서는 RF 스위치를 구현하기 위해서 주로 GaAs FET나 혹은 PIN diode 등을 주로 이용하고 있었다. 그러나 이와 같은 소자를 이용하여 스위치를 구현하였을 경우 온 상태에서 삽입 손실(insertion loss)이 크고, 오프 상태에서의 신호 분리 특성이 나쁜 단점이 있다.
이러한 단점을 개선하기 위하여 기계적 스위치에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔으며, 특히 최근 이동통신 단말기 시장의 폭발적인 증가에 따라 RF MEMS 스위치가 더욱 요구되고 있다.
고주파 소자의 스위치는 정전기력을 이용하여 스위칭 하는 저항형 전환 스위치와 용량형 전환 스위치 등이 있다. 저항형 전환 스위치는 서로 끊어진 신호라인을 정전기력에 의해 움직이는 상부전극이 아래로 이동하여 상기 신호라인 연결시킴으로서 스위칭이 이루어지고, 용량형 전환 스위치는 정전기력에 의해 움직이는 상부전극을 아래로 이동시켜 하부전극 위에 형성된 절연층 위에 놓여지게 되어 상부전극과 하부전극간에 커패시턴스의 변화로 스위칭이 이루어진다.
도 1a 내지 도 1b는 일반적인 정전기력을 이용한 용량형 전환 스위치의 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 용량형 전환 스위치에 정전기력이 인가되지 않아 움직이는 상부전극(16)이 공중에 떠있는 형태로서 스위치가 오프(off)인 상태이다. 이때 오프 커패시턴스는 상부전극(16)과 하부전극(12) 사이에 절연층(13)과 에어(air)가 직렬로 연결되어 있는 경우로 커패시턴스 값은 매우 작다. 도 1a와 같은 용량형 전환 스위치에 전압을 인가하면 도 1b와 같이 상부전극(16)이 아래로 이동하게 되어 하부전극(12)과 접촉된 형태로 스위치가 온(on)인 상태가 된다.
이와 같이 용량형 전환 스위치는 하부전극(12)과 상부전극(16) 사이에 절연층(13)을 형성하는 것이 필수적이다. 종래 고주파 소자의 스위치 형성방법에서는 도전성 물질 증착 공정, 마스크 공정 및 식각 공정으로 기판(11) 상에 하부전극(12)을 형성하고, 하부전극(12)을 포함한 기판(11) 상에 절연물질을 증착한 후, 마스크 공정 및 식각 공정을 실시하여 전환 영역(shunt region)인 하부전극(12) 상에 패터닝된 절연층(13)을 형성하고 있다. 이후, 금속기둥(14), 힌지(hinge; 15) 및 상부전극(16)을 형성한다.
종래 방법은 절연층(13)을 패터닝하기 위한 마스크 공정 및 식각 공정이 추가로 필요하여 공정이 복잡하고, 또한 용량형 전환 스위치의 특성 중 온 커패시턴스가 큰 것이 바람직한데 절연층(13)의 두께를 감소시키는데 한계가 있어 구동 전압의 한계 및 이에 따른 신뢰성 저하의 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 용량형 전환 스위치의 필수 구성 요소인 절연층의 형성 공정을 단순화할 수 있는 고주파 소자의 스위치 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 고주파 소자의 스위치 형성방법은 절연 기판 상에 도전성 물질층을 형성하는 단계; 산화 열처리 공정을 실시하여 도전성 물질층 표면에 절연층을 형성하는 단계; 절연층 및 도전성 물질층의 일부분을 패터닝하여 상부에 절연층을 갖는 하부전극을 형성하는 단계; 및 하부전극 양측으로 일정 거리 이격된 위치에 금속기둥들을 형성하고, 양측의 금속기둥들을 잇는 힌지를 형성하고, 하부전극과 중첩된 위치의 힌지 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 다른 고주파 소자의 스위치 형성방법은 절연 기판 상에 도전성 물질층을 형성하는 단계; 도전성 물질층의 일부분을 패터닝하여 하부전극을 형성하는 단계; 산화 열처리 공정을 실시하여 하부전극 표면에 절연층을 형성하는 단계; 및 하부전극 양측으로 일정 거리 이격된 위치에 금속기둥들을 형성하고, 양측의 금속기둥들을 잇는 힌지를 형성하고, 하부전극과 중첩된 위치의 힌지 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기에서, 도전성 물질층은 비저항이 낮고 양질의 금속 산화 절연층을 얻을 수 있는 재료로, Al, Cu, Ta, Ni, Cr, Ti으로 구성되는 그룹에서 선택되는 하나의 금속 또는 이들의 혼합물 또는 이들의 합금으로 형성한다.
절연층은 금속 산화물질이다.
산화 열처리 공정은 100 내지 600 ℃의 온도와 상압에서 순수 산소 가스나 산소를 포함한 혼합 가스 분위기에서 실시하거나, 100 내지 600 ℃의 온도와 1 내지 100 torr의 저압에서 산소 함유 플라즈마를 이용하여 실시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의하여 이해되어야 한다.
한편, 어떤 막이 다른 막 또는 반도체 기판의 '상'에 있다라고 기재되는 경우에 상기 어떤 막은 상기 다른 막 또는 반도체 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는 그 사이에 제 3의 막이 개재되어질 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되어질 수도 있다. 도면상에서 동일 부호는 동일 요소를 지칭한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고주파 소자의 스위치 형성방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 절연 기판(21) 상에 도전성 물질층(22A)을 증착 공정을 통해 형성한다. 산화 열처리 공정을 실시하여 도전성 물질층(22A) 표면에 절연층(23)을 형성한다.
상기에서, 도전성 물질층(22A)은 비저항이 낮고 양질의 금속 산화 절연층을 얻을 수 있는 재료로 형성하는데, 예를 들어 Al, Cu, Ta, Ni, Cr, Ti으로 구성되는 그룹에서 선택되는 하나의 금속 또는 이들의 혼합물 또는 이들의 합금으로 형성한다. 이에 따라 산화 열처리 공정으로 형성되는 절연층(23)은 금속 산화물질이다. 산화 열처리 공정은 100 내지 600 ℃의 온도와 상압에서 순수 산소 가스나 산소를 포함한 혼합 가스 분위기에서 실시하거나, 100 내지 600 ℃의 온도와 1 내지 100 torr의 저압에서 산소 함유 플라즈마를 이용하여 실시한다.
도 2b를 참조하면, 절연층(23) 및 도전성 물질층(22A)을 마스크 공정 및 식각 공정을 통해 패터닝 하고, 이로 인하여 상부에 절연층(23)이 형성된 하부전극(22)이 형성된다.
도 2c를 참조하면, 하부전극(22) 양측으로 일정 거리 이격된 위치에 금속기둥들(24)을 형성하고, 양측의 금속기둥들(24)을 잇는 힌지(25)를 형성하고, 하부전극(22)과 중첩된 위치의 힌지(25) 상에 상부전극(26)을 형성한다. 금속기둥(24), 힌지(25) 및 상부전극(26)은 표준 실리콘 반도체 기술이나 MEMS 기술을 이용하는 통상의 기술을 통해 형성할 수 있다. 즉, 절연층(23) 형성 공정 이후의 공정은 통상의 기술을 이용하여 형성하기 때문에 본 발명에서는 상세히 설명하지 않는다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고주파 소자의 스위치 형성방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 절연 기판(31) 상에 도전성 물질층(32A)을 증착 공정을 통해 형성한다.
상기에서, 도전성 물질층(32A)은 비저항이 낮고 양질의 금속 산화 절연층을 얻을 수 있는 재료로 형성하는데, 예를 들어 Al, Cu, Ta, Ni, Cr, Ti으로 구성되는 그룹에서 선택되는 하나의 금속 또는 이들의 혼합물 또는 이들의 합금으로 형성한다.
도 3b를 참조하면, 도전성 물질층(32A)을 마스크 공정 및 식각 공정을 통해 패터닝 하고, 이로 인하여 기판(31) 상에 하부전극(32)이 형성된다.
도 3c를 참조하면, 산화 열처리 공정을 실시하여 하부전극(32) 표면에 절연층(33)을 형성한다.
상기에서, 산화 열처리 공정으로 형성되는 절연층(33)은 금속 산화물질이다. 산화 열처리 공정은 100 내지 600 ℃의 온도와 상압에서 순수 산소 가스나 산소를 포함한 혼합 가스 분위기에서 실시하거나, 100 내지 600 ℃의 온도와 1 내지 100 torr의 저압에서 산소 함유 플라즈마를 이용하여 실시한다.
도 3d를 참조하면, 하부전극(32) 양측으로 일정 거리 이격된 위치에 금속기둥들(34)을 형성하고, 양측의 금속기둥들(34)을 잇는 힌지(35)를 형성하고, 하부전극(32)과 중첩된 위치의 힌지(35) 상에 상부전극(36)을 형성한다. 금속기둥(34), 힌지(35) 및 상부전극(36)은 표준 실리콘 반도체 기술이나 MEMS 기술을 이용하는 통상의 기술을 통해 형성할 수 있다. 즉, 절연층(33) 형성 공정 이후의 공정은 통상의 기술을 이용하여 형성하기 때문에 본 발명에서는 상세히 설명하지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 용량형 전환 스위치의 필수 구성 요소인 절연층을 별도의 마스크 공정 및 식각 공정을 거치지 않고 단지 산화 열처리 공정으로 형성하므로 공정의 단순화를 통한 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 일반적인 고주파 소자의 용량형 전환 스위치가 오프(off) 상태일 경우의 단면도;
도 1b는 일반적인 고주파 소자의 용량형 전환 스위치가 온(on) 상태일 경우의 단면도;
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고주파 소자의 용량형 전환 스위치 형성방법을 설명하기 위한 소자의 단면도; 및
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고주파 소자의 용량형 전환 스위치 형성방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 21, 31: 기판 12, 22, 32: 하부전극
22A, 32A: 도전성 물질층 13, 23, 33: 절연층
14, 24, 34: 금속기둥 15, 25, 35: 힌지
16, 26, 36: 상부전극

Claims (7)

  1. 절연 기판 상에 도전성 물질층을 형성하는 단계;
    산화 열처리 공정을 실시하여 상기 도전성 물질층 표면에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층 및 상기 도전성 물질층의 일부분을 패터닝하여 상부에 상기 절연층을 갖는 하부전극을 형성하는 단계; 및
    상기 하부전극 양측으로 일정 거리 이격된 위치에 금속기둥들을 형성하고, 양측의 상기 금속기둥들을 잇는 힌지를 형성하고, 상기 하부전극과 중첩된 위치의 상기 힌지 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 고주파 소자의 스위치 형성방법.
  2. 절연 기판 상에 도전성 물질층을 형성하는 단계;
    상기 도전성 물질층의 일부분을 패터닝하여 하부전극을 형성하는 단계;
    산화 열처리 공정을 실시하여 상기 하부전극 표면에 절연층을 형성하는 단계; 및
    상기 하부전극 양측으로 일정 거리 이격된 위치에 금속기둥들을 형성하고, 양측의 상기 금속기둥들을 잇는 힌지를 형성하고, 상기 하부전극과 중첩된 위치의 상기 힌지 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 고주파 소자의 스위치 형성방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 도전성 물질층은 비저항이 낮고 양질의 금속 산화 절연층을 얻을 수 있는 재료로 형성하는 고주파 소자의 스위치 형성방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 도전성 물질층은 Al, Cu, Ta, Ni, Cr, Ti으로 구성되는 그룹에서 선택되는 하나의 금속 또는 이들의 혼합물 또는 이들의 합금으로 형성하는 고주파 소자의 스위치 형성방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 절연층은 금속 산화물질인 고주파 소자의 스위치 형성방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 산화 열처리 공정은 100 내지 600 ℃의 온도와 상압에서 순수 산소 가스나 산소를 포함한 혼합 가스 분위기에서 실시하는 고주파 소자의 스위치 형성방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 산화 열처리 공정은 100 내지 600 ℃의 온도와 1 내지 100 torr의 저압에서 산소 함유 플라즈마를 이용하여 실시하는 고주파 소자의 스위치 형성방법.
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