KR20190034838A

KR20190034838A - 에어갭형 fbar 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20190034838A
Application number: KR1020170123341A
Authority: KR
Inventors: 최환준
Original assignee: (주)와이솔
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2019-04-03
Also published as: CN109560789A; KR102418744B1; US20190097603A1; US10784838B2

Abstract

본 발명에 따른 에어갭형 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)는 상면에 에어갭부을 포함하는 기판; 상기 기판의 상부에 형성된 하부전극; 상기 하부 전극의 상부에 형성된 압전층; 및 상기 압전층의 상부에 형성된 상부전극을 포함하고, 상기 하부전극은, 상기 기판 중 상기 에어갭부에서 이격되어 형성된 제1 하부전극; 및 상기 제1 하부전극과 분리되어 상기 기판에 형성되되, 상기 에어갭부의 상부 중 일부만을 에워싸도록 적층하여 상기 에어갭부에 대한 비적층 영역을 형성하는 제2 하부전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

에어갭형 FBAR 및 이의 제조방법{AIR-GAP TYPE FBAR AND METHOD FOR FABRICATING BY THE SAME}

본 발명은 RF(Radio Frequency) 대역의 통신을 위한 필터, 듀플렉서 등에 사용 가능한 박막 벌크 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator: FBAR)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에어갭(Air Gap)형 FBAR 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

무선이동통신기술은 한정된 주파수 대역에서 효율적으로 정보를 전달할 수 있는 다양한 RF(Radio Frequency)부품들이 요구된다. 특히, RF 부품들 중 필터는 이동통신기술에 사용되는 핵심 부품 중 하나로서, 무수히 많은 공중파 중에 이용자가 필요로 하는 신호를 선택하거나 전송하고자 하는 신호를 필터링 하여 줌으로서 고품질의 통신을 가능하게 한다.

현재 무선통신용 RF 필터로 가장 많이 사용되고 있는 것이 유전체 필터와 표면탄성파(Surface Acoustic wave: 이하, SAW라 한다) 필터이다. 유전체 필터는 높은 유전율, 저삽입 손실, 높은 온도에서의 안정성, 내진동, 내충격에 강한 장점을 가지고 있다. 그러나 유전체 필터는 최근의 기술 발전 동향인 소형화 및 MMIC(MMIC: Monolithic Microwave IC)화에는 한계성을 가지고 있다. 또한, SAW 필터는 유전체 필터에 비해 소형이면서 신호처리가 용이하고 회로가 단순하며, 반도체 공정을 이용함으로써 대량생산이 가능한 이점을 가지고 있다. 또한, SAW 필터는 유전체 필터에 비해 통과 대역 내의 사이드 리젝션(Side Rejection)이 높아 고품위의 정보를 주고받을 수 있는 장점이 있다. 그러나 SAW 필터 공정에는 자외선(UV)을 사용하여 노광을 하는 공정이 포함되므로 IDT(InterDigital Transducer) 선폭이 0.5㎛ 정도가 한계라는 단점이 있다. 따라서 SAW필터를 이용하여 초고주파(5㎓ 이상) 대역을 커버하기는 불가능하다는 문제점이 있으며, 근본적으로 반도체기판에서 이루어지는 MMIC구조와 단일칩을 구성하는 데는 어려움이 따른다.

위와 같은 한계 및 문제점들을 극복하기 위하여 기존 반도체(Si, GaAs)기판에 다른 능동소자들과 함께 집적되어 주파수 제어회로를 완전히 MMIC화할 수 있는 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 필터가 제안되었다.

FBAR는 박막(Thin Film)소자로 저가격, 소형이면서 고품질(High Q)계수의 특성이 가능하므로 각종 주파수 대역(9백㎒∼10㎓)의 무선통신기기, 군용 레이더 등에 사용 가능하다. 또한, 유전체 필터 및 집중 정수(LC) 필터보다 수백분의 1 크기로 소형화가 가능하고, SAW 필터보다 삽입손실이 매우 작다는 특성을 가지고 있다. 따라서 FBAR는 안정성이 높고 고품질계수를 요구하는 MMIC에 가장 적합한 소자라 할 수 있다.

FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 필터는 반도체 기판인 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs)에 압전유전체 물질인 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN) 등을 RF 스퍼터링 방법으로 증착하고, 압전 특성으로 인한 공진을 유발한다. 즉, FBAR는 양 전극 사이에 압전박막을 증착하고, 체적파(Bulk Acoustic Wave)를 유발시켜 공진을 발생시키는 것이다.

FBAR 구조는 지금까지 다양한 형태로 연구되어 왔다. 멤브레인형 FBAR는 기판 위에 실리콘산화막(SiO2)을 증착하고, 기판 반대면을 이방성 에칭(Isotropic Etching)하여 형성된 공동부(Cavity)를 통해 멤브레인층을 형성한다. 그리고 실리콘산화막 상부로 하부전극을 형성하고, 이 하부전극층 상부로 압전물질을 RF 마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering)방법으로 증착하여 압전층을 형성하며, 압전층 상부로 상부전극을 형성하고 있다.

위와 같은 멤브레인형 FBAR는 캐버티에 의해 기판 유전손실이 적으며, 전력손실이 작은 장점을 가지고 있다. 하지만, 멤브레인형 FBAR는 실리콘 기판의 방향성에 의하여 소자가 차지하는 면적이 크며, 후속 패키징 공정시 구조적 안정성이 낮아 파손에 의한 수율 저하가 문제점이 되고 있었다. 따라서, 최근 멤브레인에 의한 손실을 줄이고 소자 제조공정을 단순화 하기 위해 에어갭(Air Gap)형과 브래그 리플렉터(Bragg Reflector)형 FBAR가 등장했다.

브레그 반사형 FBAR은 기판상에 탄성 임피던스차가 큰 물질을 격층으로 증착하여 반사층을 구성하고 하부전극, 압전층 및 상부전극을 차례로 적층한 구조로써, 압전층을 통과한 탄성파에너지가 기판 방향으로 전달되지 못하고 반사층에서 모두 반사되어 효율적인 공진을 발생시킬수 있게 한 것이다. 이러한 브레그 반사형 FBAR은 구조적으로 견고하며, 휨에 의한 stress가 없지만 전반사를 위한 두께가 정확한 4층 이상의 반사층을 형성하기가 어려우며, 제작을 위한 시간과 비용이 많이 필요하다는 단점이 있다.

한편, 반사층 대신에 에어갭을 이용하여 기판과 공진부를 격리시키는 구조를 가지는 종래의 에어갭형 FBAR은 실리콘 기판 표면을 이방성 에칭하여 희생층을 구현하고 CMP로 표면연마를 한 후, 절연층, 하부전극, 압전층, 및 상부전극을 차례로 증착하고 비아홀을 통하여 희생층을 제거, 에어갭을 형성하여 FBAR을 구현하고 있다.

종래의 경우 하부 전극 에지 영역 일부에 전극 기울기에 따라 Z축 방향이 아닌 다른 방향으로 성장된 압전층 자체를 그대로 사용하고 있다. 그에 따른 문제점은 우리가 원하는 수직방향에 성분이 아닌 다른 방향 성분이 발생하여 원하지 않는 주파수에서 공진이 발생한다. 이를 해결 하려고 기존에는 불완전한 영역에 해당하는 구간에 전극을 압전층에 닿지 않게 하여 전압강하 및 기계적인 공진이 전달되지 않도록 하였다. 하지만 근본적으로 불완전한 영역을 제거하지 않아서 발생하는 다른 모드 에 대한 문제점이 존재 한다. 다시 말해 Z축 이외에 방향으로 성장한 압전층 이 가지고 있는 다양한 모드가 불필요한 공진을 발생시키는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 공진 특성을 향상시킬 수 있도록 하는 에어갭(Air Gap)형 FBAR 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 에어갭형 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)는 상면에 에어갭부을 포함하는 기판; 상기 기판의 상부에 형성된 하부전극; 상기 하부 전극의 상부에 형성된 압전층; 및 상기 압전층의 상부에 형성된 상부전극을 포함하고, 상기 하부전극은, 상기 기판 중 상기 에어갭부에서 이격되어 형성된 제1 하부전극; 및 상기 제1 하부전극과 분리되어 상기 기판에 형성되되, 상기 에어갭부의 상부 중 일부만을 에워싸도록 적층하여 상기 에어갭부에 대한 비적층 영역을 형성하는 제2 하부전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 비적층 영역은, 상기 에어갭부의 갭 엣지와 상기 제2 하부전극의 전극 엣지 사이의 이격 거리에 대응하는 영역인 것을 특징으로 한다.

상기 압전층은, 상기 비적층 영역의 주변에서 상기 하부전극과 상기 상부전극 사이에 에어 공간이 형성된 채널부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 채널부는, 상기 하부전극의 상측 일부와 상기 상부전극의 하측 일부가 모두 노출되어 완전 에어공간을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 채널부는, 상기 상부전극의 하측 일부가 노출되고 상기 하부전극의 상측이 노출되지 않은 부분 에어 공간을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 채널부는, 상기 에어 공간을 형성하는 일측의 채널 경계벽에서 연장된 수직면 또는 수직 가상면이 상기 기판 또는 상기 에어갭부의 상기 비적층 영역과 만나는 것을 특징으로 한다.

상기 채널부는, 상기 수직면 또는 상기 수직 가상면이 상기 기판과 만나서 형성되는 제1 가상 선분은 상기 제1 하부전극의 전극 엣지와 상기 에어갭부의 갭 엣지 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 채널부는, 상기 수직면 또는 상기 수직 가상면이 상기 비적층 영역과 만나서 형성되는 제2 가상 선분은 상기 에어갭부의 갭 엣지와 상기 제2 하부 전극의 전극 엣지 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 에어갭형 FBAR의 제조방법은 기판의 상면에 공동(cavity)을 형성한 후에, 상기 공동에 제1 희생층을 형성하는 단계; 상기 제1 희생층이 형성된 상기 기판의 상부에 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부 전극의 상부에 압전층을 형성하는 단계; 상기 압전층의 상부에 상부전극을 형성하는 단계; 및 상기 제1 희생층을 제거하여 상기 공동에 대응하는 에어갭부를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 하부전극을 형성하는 단계는, 상기 기판 중 상기 에어갭부에서 이격된 영역에 제1 하부전극을 형성하고, 상기 제1 하부전극과 분리되어 상기 기판에 형성되되, 상기 에어갭부의 상부 중 일부만을 에워싸도록 적층하여 상기 에어갭부에 대한 비적층 영역을 포함하는 제2 하부 전극을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 압전층의 형성 후에, 상기 비적층 영역의 주변에서 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이가 노출되도록 상기 압전층을 식각하여 에어 공간을 갖는 채널부를 형성하는 단계; 상기 형성된 채널부에 제2 희생층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 희생층이 형성된 상기 압전층의 상부에 상기 상부전극을 형성한 후에, 상기 제1 희생층과 상기 제2 희생층을 제거하는 것을 특징으로 한다.

상기 채널부를 형성하는 단계는, 상기 하부전극의 상측 일부와 상기 상부전극의 하측 일부가 모두 노출되어 완전 에어공간을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 채널부를 형성하는 단계는, 상기 상부전극의 하측 일부가 노출되고 상기 하부전극의 상측이 노출되지 않은 부분 에어공간을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 채널부를 형성하는 단계는, 상기 에어 공간을 형성하는 일측의 채널 경계벽에서 연장된 수직면 또는 수직 가상면이 상기 기판 또는 상기 에어갭부의 상기 비적층 영역과 만나도록 상기 채널부가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 채널부를 형성하는 단계는, 상기 수직면 또는 상기 수직 가상면이 상기 기판과 만나서 형성하는 제1 가상 선분이 상기 제1 하부전극의 전극 엣지와 상기 에어갭부의 갭 엣지 사이에 위치하도록 상기 채널부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 채널부를 형성하는 단계는, 상기 수직면 또는 상기 수직 가상면이 상기 비적층 영역과 만나서 형성하는 제2 가상 선분이 상기 에어갭부의 갭 엣지와 상기 제2 하부전극의 전극 엣지 사이에 위치하도록 상기 채널부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 종래에 문제가 되는 불완전한 영역의 압전층 자체를 식각하는 구조로 형성됨에 따라, 전극과 닿아 있지 않아 자연적으로 전압강하가 이루어지며 또한 불완전 영역을 제거함으로써 기계적인 공진 또한 상하 방향 뿐만 아니라 다양한 모드를 가지고 있는 압전층의 인접한 모든 방향에 불필요한 기계적인 공진이 전달 되지 않도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 에어갭형 FBAR를 설명하기 위한 일 실시예의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 에어갭형 FBAR를 상부에서 바라본 평면도이다.
도 3a은 본 발명에 따른 일 실시예의 에어갭형 FBAR을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3b는 본 발명에 따른 다른 실시예의 에어갭형 FBAR을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 에어갭형 FBAR을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 에어갭형 FBAR을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 에어갭형 FBAR의 제조방법을 설명하기 위한 플로차트이다.
도 6a 내지 도 6g는 본 발명에 따른 에어갭형 FBAR의 제조 공정을 순차적으로 나타내는 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.　

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 아래의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.　

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.　또한, 이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 에어갭형 FBAR을 설명하기 위한 일 실시예의 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 에어갭형 FBAR를 상부에서 바라본 평면도이다. 이하의 참조 번호 중 동일한 참조 번호는 동일한 기능 또는 구조를 갖는 구성요소에 해당함을 정의한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 에어갭형 FBAR은 기판(100), 에어갭부(110), 하부 전극(200), 압전층(300), 상부 전극(400)을 포함한다. 에어갭형 FBAR은 하부 전극(200)과 상부 전극(400) 사이에 외부에서 신호가 인가되면 두 전극 사이에 입력 전달된 전기적 에너지의 일부가 압전효과에 따른 기계적 에너지로 변환된고, 이를 다시 전기적 에너지로 변환하는 과정에서 압전층(300)의 두께에 따른 고유진동의 주파수에 대하여 공진을 하게 된다.

기판(100)은 반도체 기판으로서, 통상의 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 고저항 실리콘기판(HRS)이 사용될 수 있다. 기판(100)의 상면에는 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 절연층은 기판(100) 상에 용이하게 성장시킬 수 있는 열산화막을 채용하거나, 화학기상증착 등의 통상의 증착공정을 이용한 산화막 또는 질화막을 선택적으로 채용할 수 있다.

에어갭부(110)는 기판(100)에 공동(cavity)을 형성한 후에, 공동에 절연층을 형성하고, 절연층 상부에 희생층(sacrificial layer)을 증착시킨 후, 식각하여 평면화하고, 이후 희생층을 제거함으로써 형성된다. 여기서, 희생층은 폴리실리콘이나 ZnO 등의 표면의 거칠기(roughness)가 우수하고 희생층의 형성과 제거가 용이한 물질을 사용한다. 일예로, 희생층으로 폴리실리콘을 채용할 수 있고, 이러한 폴리실리콘은 표면의 거칠기가 우수하고 희생층 형성 및 제거가 용이할 뿐만 아니라, 특히, 후속공정에서 건식 식각을 적용하여 제거할 수 있다.

하부 전극(200)은 공동에 희생층이 존재하는 기판(100)의 상부에 형성된다. 하부 전극(200)은 기판(100)의 상부에 소정 물질을 증착시킨 후, 패터닝하여 형성한다. 하부전극(200)으로 사용되는 물질은 금속과 같은 통상의 도전물질을 사용하는데, 바람직하게는 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd) 및 몰리브덴(Mo) 중 하나를 사용할 수 있다. 하부 전극(200)의 두께는 10 ~ 1000 nm일 수 있다.

하부 전극(200)은 패터닝에 의해, 복수의 즉, 제1 하부 전극(210) 및 제2 하부 전극(220)이 기판(100)의 절연층 및 희생층 상부에 형성될 수 있다. 제1 하부 전극(210) 및 제2 하부 전극(220)은 각각 소정 거리만큼 이격되어 형성된다.

제1 하부 전극(210)은 기판(100) 중 에어갭부(110)에 이격되어 형성될 수 있다. 즉, 제1 하부 전극(210)은 기판(100)의 상부에 형성되되, 제1 하부 전극(210)의 일단에 해당하는 전극 엣지(EE1)가 에어갭부(110)의 갭 엣지(GE)와 일정 거리 이상 이격되도록 형성될 수 있다. 이때, 제1 하부 전극(210)의 전극 엣지(EE1)는 기판(100)에 형성될 때, 사선 방향으로 경사지게 형성될 수 있다.

제2 하부 전극(220)은 제1 하부 전극(210)과 분리되어 기판(100)에 형성된다. 이때, 제2 하부 전극(220)은 기판(100) 중 에어갭부(110)의 상부 중 일부만을 에워싸도록 적층하여 에어갭부(110)에 대한 비적층 영역(NA)을 형성한다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 비적층 영역(NA)은 에어갭부(110)의 갭 엣지(GE)과 제2 하부 전극(220)의 전극 엣지(EE2) 사이에 형성된 영역일 수 있다.

압전층(300)은 하부 전극(200)의 상부에 형성된다. 압전층(300)은 하부전극(200)의 상부에 압전물질을 증착시킨 후에 패터닝하여 형성할 수 있다. 통상의 압전물질로는 질화알루미늄(AIN) 또는 산화아연 (ZnO)을 사용할 수 있다. 증착방법은 RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering) 방법, 에바포레이션(Evaporation) 방법 등이 이용된다. 압전층(300)의 두께는 5~500 nm일 수 있다.

압전층(300)은 에어갭부(110)의 비적층 영역(NA)의 주변에서 하부 전극(200)과 상부 전극(400) 사이에 에어 공간이 형성된 채널부를 포함할 수 있다. 채널부는 압전층(300)의 일부 영역을 식각하여 공동(cavity)을 형성한 후에, 공동의 상부에 희생층(sacrificial layer)을 증착시킨 후에 평면화하고, 이후 희생층을 제거함으로써 형성된다. 여기서, 희생층은 폴리실리콘이나 ZnO 등의 표면의 거칠기(roughness)가 우수하고 희생층의 형성과 제거가 용이한 물질을 사용한다. 이때, 채널부는 하부 전극(200)의 상측 일부와 상부 전극(400)의 하측 일부가 모두 노출된 완전 에어공간을 형성할 수 있다. 또한, 채널부는 상부 전극(400)의 하측 일부가 노출되고 하부 전극(200)의 상부가 노출되지 않은 부분 에어 공간을 형성할 수 있다.

도 3a은 본 발명에 따른 일 실시예의 에어갭형 FBAR을 설명하기 위한 단면도이다.

도 3a를 참조하면, 채널부(310a)는 하부 전극(200)의 상측 일부(220a)와 상부 전극(400)의 하측 일부(400a)가 모두 노출되어 완전 에어공간을 형성할 수 있다. 즉, 압전층(300)의 일부 영역에서 압전 물질이 제거되어 상부 전극(400)의 일부가 에어 공간에 완전히 노출되어 있으며, 하부 전극(200) 중 제2 하부 전극(220)의 일부분이 에어 공간에 완전히 노출되어 있는 형태를 예시하고 있다. 또한, 도 3a를 참조하면, 압전층(300)의 채널부(310a)가 완전 에어공간을 형성함으로 인해, 채널부(310a)의 완전 에어 공간과 기판(100)에 형성된 에어갭부(110)의 에어 공간이 에어갭부(110)의 비적층 영역(NA)를 통해 상호 연통되는 구조를 갖는다.

한편, 채널부(310a)는 완전 에어 공간을 형성하는 일측의 채널 경계벽에서 연장된 수직면(VS1)이 기판(100)과 만날 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 채널 경계벽에서 연장된 수직면(VS1)이 기판(100)과 만나서 형성되는 선분을 제1 가상 선분(VL1)이라 할 때, 제1 가상 선분(VL1)은 제1 하부 전극(210)의 전극 엣지(EE1)와 에어갭부(110)의 갭 엣지(GE) 사이에 위치할 수 있다.

도 3b는 본 발명에 따른 다른 실시예의 에어갭형 FBAR을 설명하기 위한 단면도이다.

도 3b를 참조하면, 채널부(310b)는 상부 전극(400)의 하측 일부(400b)가 노출되어 부분 에어공간을 형성할 수 있다. 즉, 압전층(300)의 일부 영역에서 압전 물질이 제거되어 상부 전극(400)의 일부가 에어 공간에 노출되어 있으며, 하부 전극(200)은 에어 공간에 노출되지 않은 형태이다. 또한, 도 3b를 참조하면, 압전층(300)의 채널부(310b)가 부분 에어공간을 형성함으로 인해, 채널부(310b)의 부분 에어공간과 기판(100)에 형성된 에어갭부(110)의 에어 공간은 압전층(300)의 압전 물질로 인해 차단된 형태일 수 있다.

한편, 채널부(310b)는 부분 에어공간을 형성하는 일측의 채널 경계벽에서 연장된 수직 가상면(VS2)이 기판(100)과 만날 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 채널 경계벽에서 연장된 수직 가상면(VS2)이 기판(100)과 만나서 형성되는 선분을 제2 가상 선분(VL2)이라 할 때, 제2 가상 선분(VL2)은 제1 하부 전극(210)의 전극 엣지(EE1)와 에어갭부(110)의 갭 엣지(GE) 사이에 위치할 수 있다.

도 4a는 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 에어갭형 FBAR을 설명하기 위한 단면도이다.

도 4a를 참조하면, 채널부(310c)는 하부 전극(200)의 상측 일부(220b)와 상부 전극(400)의 하측 일부(400c)가 모두 노출되어 완전 에어공간을 형성할 수 있다. 즉, 압전층(300)의 일부 영역에서 압전 물질이 제거되어 상부 전극(400)의 일부가 에어 공간에 완전히 노출되어 있으며, 하부 전극(200) 중 제2 하부 전극(220)의 일부분이 에어 공간에 완전히 노출되어 있는 형태를 예시하고 있다. 또한, 도 4a를 참조하면, 압전층(300)의 채널부(310c)가 완전 에어공간을 형성함으로 인해, 채널부(310c)의 완전 에어 공간과 기판(100)에 형성된 에어갭부(110)의 에어 공간이 에어갭부(110)의 비적층 영역(NA)의 일부 영역(NA-1)을 통해 상호 연통되는 구조를 갖는다.

한편, 채널부(310c)는 완전 에어 공간을 형성하는 일측의 채널 경계벽에서 연장된 수직면(VS3)이 에어갭부(110)의 상부 에어 공간과 만날 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 채널 경계벽에서 연장된 수직면(VS3)이 에어갭부(110)의 상부 에어 공간과 만나서 형성되는 선분을 제3 가상 선분(VL3)이라 할 때, 제3 가상 선분(VL3)은 에어갭부(110)의 갭 엣지(GE)와 제2 하부 전극(220)의 전극 엣지(EE2) 사이에 위치할 수 있다.

도 4b는 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 에어갭형 FBAR을 설명하기 위한 단면도이다.

도 4b를 참조하면, 채널부(310d)는 상부 전극(400)의 하측 일부(400d)가 노출되어 부분 에어공간을 형성할 수 있다. 즉, 압전층(300)의 일부 영역에서 압전 물질이 제거되어 상부 전극(400)의 일부가 에어 공간에 완전히 노출되어 있으며, 하부 전극(200)은 에어 공간에 노출되지 않은 형태이다. 또한, 도 4b를 참조하면, 압전층(300)의 채널부(310d)가 부분 에어공간을 형성함으로 인해, 채널부(310d)의 부분 에어공간과 기판(100)에 형성된 에어갭부(110)의 에어 공간은 압전층(300)의 압전 물질로 인해 차단된 형태일 수 있다.

한편, 채널부(310d)는 부분 에어 공간을 형성하는 일측의 채널 경계벽에서 연장된 수직 가상면(VS4)이 에어갭부(110)의 상부 에어 공간과 만날 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 채널 경계벽에서 연장된 수직 가상면(VS4)이 에어갭부(110)의 상부 에어 공간과 만나서 형성되는 선분을 제4 가상 선분(VL4)이라 할 때, 제4 가상 선분(VL4)은 에어갭부(110)의 갭 엣지(GE)와 제2 하부 전극(220)의 전극 엣지(EE2) 사이에 위치할 수 있다.

상부 전극(400)은 압전층(300)의 상부에 형성된다. 만일, 압전층(300)에 채널부(310a, 310b, 310c 또는 310d)의 형성을 위해 희생층을 형성한 경우에는 희생층 상부에도 상부 전극(400)이 형성될 수 있다. 상부 전극(400)은 압전층(300) 상부의 소정 영역에 상부전극용 금속막을 증착시키고, 패터닝하여 형성할 수 있다. 상부전극(400)은 하부전극(200)과 동일한 물질, 동일한 증착방법 및 패터닝 방법을 사용할 수 있다. 상부전극(400)의 두께는 5~1000nm일 수 있다.

한편, 도시되지 않았지만, 전술한 하부전극(200), 압전층(300) 및 상부 전극(400)의 일부를 도포하기 위한 패드층을 형성할 수도 있다. 패드층은은 하부전극(200), 압전층(300) 및 상부 전극(400)을 보호하기 위한 덮개 역할을 한다.

전술한 바와 같은 에어갭형 FBAR은 상부전극(400)으로 입력된 RF 신호가 압전층(300)를 통하여 하부 전극(200)으로 출력되는 구조를 갖는다. 이때, 압전층(300)이 일정한 공진 주파수를 가지고 있으므로, 입력된 RF 신호 중에서 압전층(300)과 일치하는 주파수를 갖는 RF 신호만 출력되고 다른 주파수는 소멸된다. 따라서, 하부 전극(200), 압전층(300) 및 상부 전극(400)을 전술한 바와 같이 구성함으로써, 일정한 중심주파수와 대역폭을 갖는 FBAR 필터를 구현할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 에어갭형 FBAR의 제조방법을 설명하기 위한 일 실시예의 플로차트이고, 도 6a 내지 도 6g는 본 발명에 따른 에어갭형 FBAR의 제조 공정을 순차적으로 나타내는 단면도이다.

먼저, 기판의 상면에 공동(cavity)을 형성한 후에, 상기 공동에 제1 희생층을 형성한다(S500 단계). 도 6a를 참조하면, 기판의 소정 영역을 2~3 μm의 깊이로 이방성 에칭하여 공동을 형성한다. 공동이 형성된 기판에 위에 소정 두께의 절연층을 적층할 수도 있다. 이러한 절연층은 이산화규소(SiO2)나 산화알루미늄(Al2O2) 등을 사용할 수 있으며, RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering)법이나 에바포레이션(Evaporation) 법 등이 사용될 수 있다. 그 후, 동공이 형성된 기판에 제1 희생층(SL1)을 형성한 후에 제1 희생층(SL1)을 식각하여 평면화한다.

S500 단계 후에, 상기 공동이 형성된 상기 기판의 상부에 하부 전극을 형성한다(S502 단계). 하부전극(200)은 에어갭부(210)의 상부에 위치해야 공진 효율이 양호하므로, 에어갭부(210)를 일정 영역 만큼 에워싸도록 패터닝되어야 한다. 하부전극(200)으로 사용되는 물질은 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd) 및 몰리브덴(Mo)중 하나를 사용할 수 있다.

하부 전극(200)은 제1 하부 전극(210) 및 제2 하부 전극(220)을 형성하는 과정을 포함한다. 도 6b를 참조하면, 기판(100) 중 에어갭부(110)를 형성하기 위해 제1 희생층(SL1)이 형성된 공동과 일정 거리만큼 이격된 영역에 제1 하부 전극(210)을 형성한다. 또한, 제1 하부 전극(210)과 분리되어 기판(100)에 형성되되, 기판(100)에서 에어갭부(110)의 상부 중 일부만을 에워싸도록 적층하여 제2 하부 전극(220)을 형성할 수 있다. 제2 하부 전극(220)은 상기 에어갭부(110)의 일부만을 에워싸도록 적층하여 비적층 영역(NA)을 형성할 수 있다. 비적층 영역(NA)은 공동의 갭 엣지(GE)와 제2 하부 전극(220)의 전극 엣지(EE2) 사이의 영역일 수 있다.

S502 단계 후에, 상기 하부 전극(200)의 상부에 압전층(300)을 형성한다(S504 단계). 도 6c를 참조하면, 하부전극(200) 및 제1 희생층을 포함하는 기판(100)의 일부 영역 위에 압전층(300)이 증착된다. 통상의 압전 물질로는 질화알루미늄(AlN) 또는 산화아연(ZnO)을 사용될 수 있다. 증착방법은 RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering)법 및 에바포레이션(Evaporation)법 등의 방법 중 어느하나가 이용될수 있다.

S504 단계 후에, 상기 비적층 영역(NA)의 주변에서 하부 전극(200)과 상부 전극(400) 사이가 노출되도록 압전층(300)을 식각하여 에어 공간을 갖는 채널부를 형성할 수 있다(S506 단계). 이때, 채널부는 하부전극(200)의 상측 일부와 상부전극(400)의 하측 일부가 모두 노출되어 완전 에어공간을 형성할 수도 있고, 상부전극(400)의 하측 일부가 노출되고 하부전극9200)의 상측이 노출되지 않은 부분 에어공간을 형성할 수도 있다.

이러한 채널부는 에어 공간을 형성하는 일측의 채널 경계벽에서 연장된 수직면 또는 수직 가상면이 상기 기판(100) 또는 상기 에어갭부(110)와 만나도록 형성될 수 있다. 채널부는 상기 수직면 또는 상기 수직 가상면이 상기 기판(100)과 만나서 형성되는 제1 가상 선분이 상기 제1 하부 전극(210)의 전극 엣지와 상기 에어갭부(110)의 갭 엣지 사이에 위치할 수 있다. 또한, 채널부는, 상기 수직면 또는 상기 수직 가상면이 상기 기판과 만나서 형성되는 제2 가상 선분이 상기 에어갭부(110)의 갭 엣지와 상기 제2 하부 전극(220)의 전극 엣지 사이에 위치할 수도 있다. 도 6d에 도시된 바와 같이, 압전층(300)에 채널부(310a)가 형성된 것을 예시하고 있다. 도 6d를 참조하면, 채널부(310a)는 에어 공간을 형성하는 일측의 채널 경계벽에서 연장된 수직면(VS1)이 상기 기판(100)과 만나는 것을 확인할 수 있다. 이때, 수직면(VS1)이 기판(100)과 만나서 형성하는 제1 가상 선분(VL1)은 상기 제1 하부 전극(210)의 전극 엣지(EE1)와 상기 에어갭부(110)의 갭 엣지(GE) 사이에 위치할 수 있다. 도 6d에 도시된 사항은 전술한 도 3a의 채널부를 형성하는 과정을 예시한 것이다. 따라서, 전술한 도 3b 내지 도 3d의 채널부의 형성 과정도 도 6d에 도시된 내용과 동일한 과정을 통해 형성되므로, 이하에서는 도 6d를 중심으로 설명하기로 한다.

S506 단계 후에, 압전층(300)에 형성된 채널부에 제2 희생층을 형성한다(S508 단계). 도 6e를 참조하면, 채널부(310a)는 압전층(300)의 일부 영역을 식각하여 공동(cavity)을 형성한 후에, 공동의 상부에 제2 희생층(SL2)을 증착시킨 후에 평면화한다. 여기서, 제2 희생층(SL2)은 제1 희생층(SL1)과 동일 또는 유사한 물질을 사용할 수 있다. 즉, 폴리실리콘이나 ZnO 등의 표면의 거칠기(roughness)가 우수하고 희생층의 형성과 제거가 용이한 물질을 사용될 수 있다.

한편, 전술한 채널부를 형성하고, 제2 희생층을 형성하는 단계(S506 단계 및 S508 단계)는 필수적인 과정이 아니라는 점에서 생략가능하며, S504 단계 후에 후술하는 S510 단계를 수행할 수도 있다.

S508 단계 후에, 상기 압전층(300)의 상부에 상부 전극(400)을 형성한다(S510 단계). 압전층(300)에 채널부의 형성을 위해 제2 희생층을 형성한 경우에는 제2 희생층 상부에도 상부 전극(400)이 형성될 수 있다. 도 6f를 참조하면, 채널부(310a)의 형성을 위해 제2 희생층(SL2)이 형성된 압전층(300)의 상부에 상부 전극(400)이 형성됨을 예시하고 있다. 상부 전극(400)은 압전층(300) 상부의 소정 영역에 상부전극용 금속막을 증착시키고, 패터닝하여 형성할 수 있다. 상부전극(400)은 하부전극(200)과 동일한 물질, 동일한 증착방법 및 패터닝 방법을 사용할 수 있다.

한편, 도시되지 않았지만, 전술한 하부전극(200), 압전층(300) 및 상부 전극(400)의 일부를 도포하기 위한 패드층을 형성할 수도 있다. 패드층은 하부전극(200), 압전층(300) 및 상부 전극(400)을 보호하기 위한 덮개 역할을 할 수 있다.

S510 단계 후에, 기판(100)의 공동에 형성된 제1 희생층(SL1)을 제거하여 공통에 대응하는 에어갭부(110)를 형성한다(S512 단계). 또한, 압전층(300)의 채널부에 제2 희생층(SL2)이 형성된 경우에는 제2 희생층(SL2)을 제거하여 에어 공간을 갖는 채널부(310a)를 형성할 수 있다. 도 6g를 참조하면, 기판(100) 또는 압전층(300)의 일부를 제거하여 에칭 홀을 형성한다.

에칭 홀은 건식 식각 또는 습식 식각 방법을 통하여 형성한다. 에칭 홀의 내경은 10μm 내지 100μm 수준이다. 이와 같이 형성된 에칭 홀을 통해 제1 희생층(SL1)을 제거하여 에어갭부(110)을 형성할 수 있으며, 제2 희생층(SL2)을 제거하여 채널부(310a)을 형성할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 기판
110: 에어갭부
200: 하부 전극
210: 제1 하부 전극
220: 제2 하부 전극
300: 압전층
310a, 310b, 310c, 310d: 채널부
400: 상부 전극

Claims

상면에 에어갭부을 포함하는 기판;
상기 기판의 상부에 형성된 하부전극;
상기 하부 전극의 상부에 형성된 압전층; 및
상기 압전층의 상부에 형성된 상부전극을 포함하고,
상기 하부전극은,
상기 기판 중 상기 에어갭부에서 이격되어 형성된 제1 하부전극; 및
상기 제1 하부전극과 분리되어 상기 기판에 형성되되, 상기 에어갭부의 상부 중 일부만을 에워싸도록 적층하여 상기 에어갭부에 대한 비적층 영역을 형성하는 제2 하부전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator).
청구항 1에 있어서,
상기 비적층 영역은,
상기 에어갭부의 갭 엣지와 상기 제2 하부전극의 전극 엣지 사이의 이격 거리에 대응하는 영역인 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR.
청구항 1에 있어서,
상기 압전층은,
상기 비적층 영역의 주변에서 상기 하부전극과 상기 상부전극 사이에 에어 공간이 형성된 채널부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR.
청구항 3에 있어서,
상기 채널부는,
상기 하부전극의 상측 일부와 상기 상부전극의 하측 일부가 모두 노출되어 완전 에어공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR.
청구항 3에 있어서,
상기 채널부는,
상기 상부전극의 하측 일부가 노출되고 상기 하부전극의 상측이 노출되지 않은 부분 에어 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR.
청구항 3에 있어서,
상기 채널부는,
상기 에어 공간을 형성하는 일측의 채널 경계벽에서 연장된 수직면 또는 수직 가상면이 상기 기판 또는 상기 에어갭부의 상기 비적층 영역과 만나는 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR.
청구항 6에 있어서,
상기 채널부는,
상기 수직면 또는 상기 수직 가상면이 상기 기판과 만나서 형성되는 제1 가상 선분은 상기 제1 하부전극의 전극 엣지와 상기 에어갭부의 갭 엣지 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR.
청구항 6에 있어서,
상기 채널부는,
상기 수직면 또는 상기 수직 가상면이 상기 비적층 영역과 만나서 형성되는 제2 가상 선분은 상기 에어갭부의 갭 엣지와 상기 제2 하부 전극의 전극 엣지 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR.
기판의 상면에 공동(cavity)을 형성한 후에, 상기 공동에 제1 희생층을 형성하는 단계;
상기 제1 희생층이 형성된 상기 기판의 상부에 하부전극을 형성하는 단계;
상기 하부 전극의 상부에 압전층을 형성하는 단계;
상기 압전층의 상부에 상부전극을 형성하는 단계; 및
상기 제1 희생층을 제거하여 상기 공동에 대응하는 에어갭부를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 하부전극을 형성하는 단계는,
상기 기판 중 상기 에어갭부에서 이격된 영역에 제1 하부전극을 형성하고, 상기 제1 하부전극과 분리되어 상기 기판에 형성되되, 상기 에어갭부의 상부 중 일부만을 에워싸도록 적층하여 상기 에어갭부에 대한 비적층 영역을 포함하는 제2 하부 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 압전층의 형성 후에, 상기 비적층 영역의 주변에서 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이가 노출되도록 상기 압전층을 식각하여 에어 공간을 갖는 채널부를 형성하는 단계;
상기 형성된 채널부에 제2 희생층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
상기 제2 희생층이 형성된 상기 압전층의 상부에 상기 상부전극을 형성한 후에, 상기 제1 희생층과 상기 제2 희생층을 제거하는 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR 제조방법.
청구항 10에 있어서,
상기 채널부를 형성하는 단계는,
상기 하부전극의 상측 일부와 상기 상부전극의 하측 일부가 모두 노출되어 완전 에어공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR 제조방법.
청구항 10에 있어서,
상기 채널부를 형성하는 단계는,
상기 상부전극의 하측 일부가 노출되고 상기 하부전극의 상측이 노출되지 않은 부분 에어공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR 제조방법.
청구항 10에 있어서,
상기 채널부를 형성하는 단계는,
상기 에어 공간을 형성하는 일측의 채널 경계벽에서 연장된 수직면 또는 수직 가상면이 상기 기판 또는 상기 에어갭부의 상기 비적층 영역과 만나도록 상기 채널부가 형성된 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR 제조방법.
청구항 13에 있어서,
상기 채널부를 형성하는 단계는,
상기 수직면 또는 상기 수직 가상면이 상기 기판과 만나서 형성하는 제1 가상 선분이 상기 제1 하부전극의 전극 엣지와 상기 에어갭부의 갭 엣지 사이에 위치하도록 상기 채널부가 형성되는 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR 제조방법.
청구항 13에 있어서,
상기 채널부를 형성하는 단계는,
상기 수직면 또는 상기 수직 가상면이 상기 비적층 영역과 만나서 형성하는 제2 가상 선분이 상기 에어갭부의 갭 엣지와 상기 제2 하부전극의 전극 엣지 사이에 위치하도록 상기 채널부가 형성되는 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR 제조방법.