KR20220148456A - Film Bulk Acoustic Resonator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 RF(Radio Frequency) 대역의 통신을 위해 사용하는 공진기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에어갭(Air Gap)형 박막 벌크 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator: FBAR)에 관한 것이다.The present invention relates to a resonator used for communication in a radio frequency (RF) band, and more particularly, to an air gap type thin film bulk acoustic resonator (FBAR).
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, 복수의 주파수 대역들 중에 이용자가 필요로 하는 신호를 선택하거나 전송하고자 하는 신호를 필터링함으로써 고품질의 통신을 가능하게 한다.Wireless mobile communication technology requires various RF (Radio Frequency) components that can efficiently transmit information in a limited frequency band. In particular, among RF components, a filter is one of the core components used in mobile communication technology, and enables high-quality communication by selecting a signal required by a user from among a plurality of frequency bands or filtering a signal to be transmitted.
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(3㎓ 이상) 대역을 커버하기는 불가능하다는 문제점이 있으며, 근본적으로 반도체기판에서 이루어지는 MMIC구조와 단일칩을 구성하는 데는 어려움이 따른다.Currently, the most widely used RF filters for wireless communication are dielectric filters and surface acoustic wave (SAW) filters. The dielectric filter has the advantages of high dielectric constant, low insertion loss, stability at high temperature, vibration resistance and shock resistance. However, dielectric filters have limitations in miniaturization and MMIC (Monolithic Microwave IC), which are recent technological development trends. In addition, the SAW filter has advantages in that it is smaller than the dielectric filter, facilitates signal processing, has a simple circuit, and can be mass-produced by using a semiconductor process. In addition, the SAW filter has a higher side rejection in the pass band than the dielectric filter, so it has an advantage in that high-quality information can be exchanged. However, since the SAW filter process includes a process of exposing using ultraviolet (UV) light, the IDT (InterDigital Transducer) line width is limited to about 0.5 μm. Therefore, there is a problem that it is impossible to cover the ultra-high frequency (3 GHz or more) band using the SAW filter, and there is a difficulty in fundamentally constructing an MMIC structure and a single chip formed on a semiconductor substrate.
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.In order to overcome the above limitations and problems, a FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) filter that can be integrated with other active elements on an existing semiconductor (Si, GaAs) substrate to completely MMIC the frequency control circuit has been proposed.
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 is a thin film device that can be used in various frequency bands (900 MHz to 10 GHz) for wireless communication devices, military radars, etc. In addition, it can be downsized to one hundredth the size of a dielectric filter and a concentrated water filter (LC) filter, and has a very small insertion loss than a SAW filter. Therefore, FBAR can be said to be the most suitable device for MMICs that require high stability and high quality coefficients.
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.The FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) filter deposits piezoelectric materials such as zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (AlN) on silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs), which are semiconductor substrates, by RF sputtering, and has piezoelectric properties. cause resonance due to That is, the FBAR is to deposit a piezoelectric thin film between both electrodes and induce a bulk acoustic wave to generate resonance.
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.FBAR structures have been studied in various forms so far. In the membranous FBAR, a membrane layer is formed through a cavity formed by depositing a silicon oxide film (SiO2) on a substrate and performing anisotropic etching on the opposite surface of the substrate. Then, a lower electrode is formed on the upper portion of the silicon oxide film, and a piezoelectric material is deposited on the upper portion of the lower electrode layer by an RF magnetron sputtering method to form a piezoelectric layer, and an upper electrode is formed on the upper portion of the piezoelectric layer.
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.Membrane-type FBAR as described above has advantages of low substrate dielectric loss and low power loss due to the cavity. However, in the membrane-type FBAR, the area occupied by the device is large due to the orientation of the silicon substrate, and the structural stability during the subsequent packaging process is low, so that the yield decrease due to breakage is a problem. Therefore, recently, air gap type and Bragg reflector type FBAR have appeared in order to reduce the loss due to the membrane and simplify the device manufacturing process.
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.The Breg reflective FBAR has a structure in which a reflective layer is formed by depositing a material with a large difference in elastic impedance on a substrate, and a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode are sequentially stacked. It is not possible to generate an efficient resonance by reflecting all of it in the reflective layer. Such a Breg reflective FBAR is structurally strong, there is no stress due to bending, but it is difficult to form a reflective layer having an accurate thickness for total reflection of four or more, and it has disadvantages in that it requires a lot of time and cost for manufacturing.
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.On the other hand, the conventional air gap FBAR having a structure that uses an air gap instead of a reflective layer to isolate the substrate and the resonator is anisotropically etched the silicon substrate surface to implement a sacrificial layer, and after surface polishing by CMP, the insulating layer and the lower electrode , a piezoelectric layer, and an upper electrode are sequentially deposited, a sacrificial layer is removed through a via hole, and an air gap is formed to implement FBAR.
종래의 FBAR 구조의 경우, 압전층의 Keff^2값을 늘이기 위해서 스칸듐(Sc)같은 도핑(doping) 물질을 사용한다. 이러한, 도핑 물질과 질화 알루미늄(AlN)의 함량 비율에 따라서 Keff^2 값이 결정된다. 그런데, 압전층에 도핑 물질을 사용하는 경우는 stiffness (C) 값이 감소하고, 따라서 물질 자체의 loss가 증가하여 Q 값을 저하시키게 되는 문제점이 있다.In the case of the conventional FBAR structure, a doping material such as scandium (Sc) is used to increase the
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 박막 벌크 음향 공진기를 구성하는 압전층에 대해 스칸듐(Sc) 물질의 포함여부에 따라 다층 구조를 형성하도록 하는 박막 벌크 음향 공진기에 관한 것이다.SUMMARY The present invention relates to a thin film bulk acoustic resonator that forms a multi-layered structure depending on whether a scandium (Sc) material is included in the piezoelectric layer constituting the thin film bulk acoustic resonator.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 박막 벌크 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator)는 캐비티(cavity)가 형성된 기판; 상기 기판의 상부에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극의 상부에 형성된 압전층; 상기 압전층의 상부에 형성된 상부 전극을 포함하고, 상기 압전층은, 상기 하부 전극과 접하여 형성되되, AlN 물질로 구성된 제1 압전층; 상기 제1 압전층의 상부에 형성되되, Al1-xScxN 물질로 구성된 제2 압전층; 및 상기 제2 압전층의 상부에 형성되되, 상기 AlN 물질로 구성된 제3 압전층을 포함한다.A thin film bulk acoustic resonator according to the present invention for solving the above problems includes: a substrate having a cavity; a lower electrode formed on the substrate; a piezoelectric layer formed on the lower electrode; an upper electrode formed on the piezoelectric layer, the piezoelectric layer comprising: a first piezoelectric layer formed in contact with the lower electrode and made of an AlN material; a second piezoelectric layer formed on the first piezoelectric layer and made of Al 1-x Sc x N material; and a third piezoelectric layer formed on the second piezoelectric layer and made of the AlN material.
상기 압전층은, 상기 제2 압전층의 부분 두께 a와 상기 제1 압전층, 상기 제2 압전층 및 상기 제3 압전층의 전체 두께 b의 두께 비율 a/b는 0.2 이상에서 0.6 이하인 것을 특징으로 한다. 상기 두께 비율 a/b는 0.45인 것을 특징으로 한다.In the piezoelectric layer, a thickness ratio a/b of a partial thickness a of the second piezoelectric layer and a total thickness b of the first piezoelectric layer, the second piezoelectric layer, and the third piezoelectric layer is 0.2 to 0.6. do it with The thickness ratio a/b is characterized in that 0.45.
상기 제1 압전층 및 상기 제3 압전층은, 상기 AlN 물질에 Sc 물질이 도핑되되, 상기 제2 압전층에 비해서 상대적으로 적은 양의 상기 Sc 물질이 도핑된 것을 특징으로 한다.In the first piezoelectric layer and the third piezoelectric layer, the AlN material is doped with a Sc material, and a relatively small amount of the Sc material is doped compared to the second piezoelectric layer.
본 발명에 따르면, 압전층이 하부 전극과 접하여 형성되되, AlN 물질로 구성된 제1 압전층; 제1 압전층의 상부에 형성되되, Al1-xScxN 물질로 구성된 제2 압전층; 및 제2 압전층의 상부에 형성되되, AlN 물질로 구성된 제3 압전층을 포함하도록 하고, 압전층에 스칸듐(Sc) 도핑물질을 사용함으로써, Keff^2 값을 향상시키면서도, 다층 구조의 두께 비율을 최적화하여 Q값도 함께 증가시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 이러한 구조의 FBAR을 이용한 필터는 Insertion loss와 필터의 skirt 특성을 개선시킬 수 있다.According to the present invention, the piezoelectric layer is formed in contact with the lower electrode, the first piezoelectric layer made of AlN material; a second piezoelectric layer formed on the first piezoelectric layer and made of Al 1-x Sc x N material; and a third piezoelectric layer formed on the second piezoelectric layer and made of an AlN material, and by using a scandium (Sc) doped material for the piezoelectric layer, while improving the Keff^2 value, the thickness ratio of the multilayer structure By optimizing , the Q value can also be increased. In addition, the filter using the FBAR of this structure can improve the insertion loss and the skirt characteristics of the filter.
도 1은 본 발명에 따른 박막 벌크 음향 공진기를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 압전층에 대한 세부 구조를 나타내는 참조도이다.
도 3a는 두께 비율 a/b에 따른 Keff^2 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3b는 Q값의 지표가 되는 |
도 4는 두께 비율 a/b에 따른 Q 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 박막 벌크 음향 공진기의 dispersion curve 특성을 나타내는 참조도이다.1 is a cross-sectional view for explaining a thin film bulk acoustic resonator according to the present invention.
FIG. 2 is a reference diagram illustrating a detailed structure of the piezoelectric layer shown in FIG. 1 .
3A is a graph showing a change in the value of Keff^2 according to the thickness ratio a/b.
3B is an index of the Q value |
4 is a graph illustrating a change in Q value according to a thickness ratio a/b.
5 is a reference diagram illustrating dispersion curve characteristics of a thin film bulk acoustic resonator.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
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. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following embodiments can be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited. It is not limited to the following examples. Rather, these examples are provided so that this disclosure will be more thorough and complete, and will fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art.
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. The terminology used herein is used to describe specific embodiments, not to limit the present invention. As used herein, the singular form may include the plural form unless the context clearly dictates otherwise. Also, as used herein, the term “and/or” includes any one and all combinations of one or more of those listed items. Further, the embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings schematically showing the embodiments of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 박막 벌크 음향 공진기(100)을 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view for explaining a thin film bulk
도 1을 참조하면, 본 발명의 박막 벌크 음향 공진기(100)는 기판(110), 에어갭부(110-1), 하부 전극(120), 압전층(130), 상부 전극(140), 및 보호층(150)을 포함한다.Referring to FIG. 1 , the thin film bulk
박막 벌크 음향 공진기(100)는 하부 전극(120)과 상부 전극(140) 사이에 외부에서 신호가 인가되면 두 전극 사이에 입력 전달된 전기적 에너지의 일부가 압전효과에 따른 기계적 에너지로 변환된고, 이를 다시 전기적 에너지로 변환하는 과정에서 압전층(130)의 두께에 따른 고유진동의 주파수에 대하여 공진을 하게 된다. In the thin film bulk
기판(110)은 반도체 기판으로서, 통상의 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 고저항 실리콘기판(HRS)이 사용될 수 있다. 기판(110)은 일부 영역에 캐비티(cavity:110-1)가 형성되어 있다. 또한, 기판(110)의 상면에는 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 절연층은 기판(110) 상에 용이하게 성장시킬 수 있는 열산화막을 채용하거나, 화학기상증착 등의 통상의 증착공정을 이용한 산화막 또는 질화막을 선택적으로 채용할 수 있다.The substrate 110 is a semiconductor substrate, and a conventional silicon wafer may be used, and preferably a high resistance silicon substrate (HRS) may be used. A cavity 110 - 1 is formed in a portion of the substrate 110 . In addition, an insulating layer (not shown) may be formed on the upper surface of the substrate 110 . As the insulating layer, a thermal oxide film that can be easily grown on the substrate 110 may be employed, or an oxide film or a nitride film using a conventional deposition process such as chemical vapor deposition may be selectively employed.
캐비티(110-1)는 기판(110)에 에어갭(air gap)를 형성한 후에, 에어갭에 절연층을 형성하고, 절연층 상부에 희생층(sacrificial layer)을 증착시킨 후, 식각하여 평면화하고, 이후 희생층을 제거함으로써 형성된다. 여기서, 희생층은 폴리실리콘이나 TEOS(Tetraethyl orthosilicate), PSG(Phophosilicate glass) 등 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.The cavity 110-1 is planarized by forming an air gap in the substrate 110, forming an insulating layer in the air gap, depositing a sacrificial layer on the insulating layer, and then etching and then formed by removing the sacrificial layer. Here, the sacrificial layer uses a material having excellent surface roughness, such as polysilicon, tetraethyl orthosilicate (TEOS), or phophosilicate glass (PSG), and easy to form and remove the sacrificial layer. For example, polysilicon may be employed as the sacrificial layer, and the polysilicon has excellent surface roughness and easy formation and removal of the sacrificial layer, and in particular, may be removed by dry etching in a subsequent process.
하부 전극(120)은 캐비티(110-1)의 상부에 형성된다. 하부 전극(120)은 기판(110)의 상부에 소정 물질을 증착시킨 후, 패터닝하여 형성한다. 하부전극(120)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), 루세륨(Ru), 레니움(Rhenium (Re)) 및 몰리브덴(Mo) 중 하나를 사용할 수 있다. 하부 전극(120)의 두께는 10 ~ 1000 nm일 수 있다.The
압전층(130)은 하부전극(120)의 상부에 형성된다. 압전층(130)은 하부전극(120)의 상부에 압전물질을 증착시킨 후에 패터닝하여 형성할 수 있다. 압전층(130)은 RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering) 방법, 에바포레이션(Evaporation) 방법 등이 이용하여 증착할 수 있다. 압전층(130)의 두께는 5~500 nm일 수 있다. 압전층(130)의 세부 내용은 후술한다.The
상부 전극(140)은 압전층(130)의 상부에 형성된다. 상부 전극(140)은 압전층(130) 상부의 소정 영역에 상부전극용 금속막을 증착시키고, 패터닝하여 형성할 수 있다. 상부전극(140)은 하부전극(120)과 동일한 물질, 동일한 증착방법 및 패터닝 방법을 사용할 수 있다. 상부전극(400)의 두께는 5~1000nm일 수 있다.The
상부 전극(140)의 일측 끝 부분에는 엣지부가 형성되어 있다. 엣지부는 상부전극(140)을 구성하는 전극구조체 중 다른 부분과 비교하여 상대적으로 두꺼운 전극두께를 갖는 전극구조체일 수 있다. 이러한 엣지부는 상부 전극(140)의 엣지 프레임에 해당하는 것으로, 측면부로 빠져나가는 에너지를 차단시키는 기능을 수행한다. An edge portion is formed at one end of the
보호층(150)은 상부 전극(140)의 상부에 위치하고 있다. 보호층(150)은 하부전극(120), 압전층(130) 및 상부 전극(140)을 보호하기 위한 패시베이션 기능을 수행한다. 이러한, 보호층(150)의 끝단에 해당하는 보호 엣지는 상부 전극(140)의 엣지부와 끝단이 일치하는 것일 수 있다. The
따라서, 이러한 구성에 의해, 상부전극(140)과 보호층(150)이 공기 중에 노출되어 cantilever를 형성하고, 이 cantilever의 공진을 이용하여, active 영역 안에서 빠져나오는 lateral wave를 가두어 Quality factor를 향상시킬 수 있다.Therefore, with this configuration, the
도 2는 도 1에 도시된 압전층(130)에 대한 세부 구조를 나타내는 참조도이다. FIG. 2 is a reference diagram illustrating a detailed structure of the
도 2를 참조하면, 압전층(130)은 제1 압전층(130-1), 제2 압전층(130-2) 및 제3 압전층(130-3)을 포함한다.Referring to FIG. 2 , the
제1 압전층(130-1)은 하부 전극(120)과 접하여 형성되되, 질화알루미늄(AlN) 물질로 구성된다. 이때, 제1 압전층(130-1)은 AlN 물질에 Sc 물질이 도핑될 수도 있으며, 이때, 제1 압전층(130-1)에 도핑되는 Sc 물질의 중량은 제2 압전층(130-2)에 도핑되는 Sc 물질에 비해서 상대적으로 적은 양의 Sc 물질이 도핑된 것일 수 있다.The first piezoelectric layer 130 - 1 is formed in contact with the
제2 압전층(130-2)은 제1 압전층(130-1)의 상부에 형성되되, Al1-xScxN 물질로 구성된다. 즉, 제2 압전층(130-2)은 질화알루미늄(AlN) 물질에 Sc 물질이 도핑된 것이다. 이때, Al, N 및 Sc 사이의 조성비는 Al : Sc : N = 1-x : x : 1의 비율을 갖는다.The second piezoelectric layer 130-2 is formed on the first piezoelectric layer 130-1, and is made of Al 1-x Sc x N material. That is, the second piezoelectric layer 130 - 2 is an aluminum nitride (AlN) material doped with a Sc material. In this case, the composition ratio between Al, N, and Sc has a ratio of Al:Sc:N=1-x:x:1.
제3 압전층(130-3)은 제2 압전층(130-2)의 상부에 형성되되, 상기 AlN 물질로 구성된다. 이때, 제3 압전층(130-3)은 AlN 물질에 Sc 물질이 도핑될 수도 있으며, 이때, 제3 압전층(130-3)에 도핑되는 Sc 물질의 중량은 제2 압전층(130-2)에 도핑되는 Sc 물질에 비해서 상대적으로 적은 양의 Sc 물질이 도핑된 것일 수 있다.The third piezoelectric layer 130-3 is formed on the second piezoelectric layer 130-2, and is made of the AlN material. In this case, in the third piezoelectric layer 130-3, an AlN material may be doped with an Sc material. In this case, the weight of the Sc material doped into the third piezoelectric layer 130-3 is the second piezoelectric layer 130-2. ) may be doped with a relatively small amount of the Sc material compared to the Sc material doped with.
제1 압전층(130-1), 제2 압전층(130-2) 및 제3 압전층(130-3)의 전체 두께 b와 제2 압전층의 부분 두께 a의 두께 비율 a/b는 0.2 이상에서 0.6 이하인 것일 수 있으며, 바람직하게는 두께 비율 a/b는 0.45인 것일 수 있다.The thickness ratio a/b of the total thickness b of the first piezoelectric layer 130-1, the second piezoelectric layer 130-2, and the third piezoelectric layer 130-3 to the partial thickness a of the second piezoelectric layer is 0.2 In the above, it may be 0.6 or less, and preferably, the thickness ratio a/b may be 0.45.
도 3a는 두께 비율 a/b에 따른 Keff^2 값의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 3b는 Q값의 지표가 되는 |
도 3a를 참조하면, 두께 비율 a/b이 증가할수록 Keff^2 값이 증가함을 확인할 수 있다. 즉 Sc doping된 layer의 두께가 증가 할수록 Keff^2값이 커짐을 알 수 있다.도 3b에서도, a/b가 증가함에 따라 |
따라서, Q_index 값이 최대값을 갖는 stack구조를 설계해야 한다. 도 4는 두께 비율 a/b에 따른 Q 값의 변화를 나타내는 그래프이다.Therefore, it is necessary to design a stack structure in which the Q_index value has the maximum value. 4 is a graph illustrating a change in Q value according to a thickness ratio a/b.
도 4를 참조하면, 두께 비율 a/b이 증가할수록 Q 값이 증가하다가, 두께 비율 a/b이 0.45 부근을 기점으로 해서, Q 값이 다시 하강함을 확인할 수 있다. 따라서, 두께 비율 a/b를 증가시킴으로써 Keff^2 값이 증가하도록 하되, 두께 비율 a/b가 0.45 을 만족하도록 함으로써, Q 값의 최대치를 확보할 수 있도록 한다. Referring to FIG. 4 , it can be seen that the Q value increases as the thickness ratio a/b increases, and the Q value decreases again with the thickness ratio a/b near 0.45 as a starting point. Therefore, by increasing the thickness ratio a/b, the value of Keff^2 is increased, but by making the thickness ratio a/b satisfy 0.45, it is possible to secure the maximum value of the Q value.
도 5는 박막 벌크 음향 공진기의 dispersion curve 특성을 나타내는 참조도이다. dispersion 이란 물질의 acoustic파의 진행 속도가 주파수에 따라 변화하는 경우를 말한다.5 is a reference diagram illustrating dispersion curve characteristics of a thin film bulk acoustic resonator. Dispersion is a case in which the propagation speed of acoustic waves in a material changes with frequency.
도 5를 참조하면, 박막 벌크 음향 공진기의 경우에, 일반적으로 x축은 wave number (rad/s)와 Y축은 주파수 (Hz)로 나타낸다. Acoustic파의 속도는 v = Frequency/wave number 이므로 dispersion curve의 각 point에서 기울기가 속도가 된다. dispersion curve가 일직선이 아니고 curve형태이므로 각각의 주파수에서 속도가 변화됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 5 , in the case of a thin film bulk acoustic resonator, in general, the x-axis represents a wave number (rad/s) and the Y-axis represents a frequency (Hz). Since the velocity of the acoustic wave is v = Frequency/wave number, the slope at each point of the dispersion curve becomes the velocity. Since the dispersion curve is not a straight line but a curve shape, it can be seen that the speed changes at each frequency.
박막 벌크 음향 공진기의 경우에, 타입 1과 타입 2로 구분되는데, 타입 2는 도 5의 공진주파수 (Fs)에서 wave number가 증가할 때, dfreq/d
박막 벌크 음향 공진기의 경우에, dispersion curve에서 주파수 차 즉, (Fts2 - Fs) 값이 클 수록 stack에서 Q값을 증가시킬 수 있다. 이는 
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.So far, with respect to the present invention, the preferred embodiments have been looked at. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that it can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.
100: 박막 벌크 음향 공진기
110: 기판
120: 하부 전극
130: 압전층
130-1: 제1 압전층
130-2: 제2 압전층
130-3: 제3 압전층
140: 상부 전극
150: 보호층100: thin film bulk acoustic resonator
110: substrate
120: lower electrode
130: piezoelectric layer
130-1: first piezoelectric layer
130-2: second piezoelectric layer
130-3: third piezoelectric layer
140: upper electrode
150: protective layer
Claims (4)
상기 기판의 상부에 형성된 하부 전극;
상기 하부 전극의 상부에 형성된 압전층;
상기 압전층의 상부에 형성된 상부 전극을 포함하고,
상기 압전층은,
상기 하부 전극과 접하여 형성되되, AlN 물질로 구성된 제1 압전층;
상기 제1 압전층의 상부에 형성되되, Al1-xScxN 물질로 구성된 제2 압전층; 및
상기 제2 압전층의 상부에 형성되되, 상기 AlN 물질로 구성된 제3 압전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기.a substrate having a cavity formed thereon;
a lower electrode formed on the substrate;
a piezoelectric layer formed on the lower electrode;
an upper electrode formed on the piezoelectric layer;
The piezoelectric layer is
a first piezoelectric layer formed in contact with the lower electrode and made of an AlN material;
a second piezoelectric layer formed on the first piezoelectric layer and made of Al 1-x Sc x N material; and
and a third piezoelectric layer formed on the second piezoelectric layer and made of the AlN material.
상기 압전층은,
상기 제2 압전층의 부분 두께 a와 상기 제1 압전층, 상기 제2 압전층 및 상기 제3 압전층의 전체 두께 b의 두께 비율 a/b는 0.2 이상에서 0.6 이하인 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기.The method according to claim 1,
The piezoelectric layer is
The thickness ratio a/b of the partial thickness a of the second piezoelectric layer and the total thickness b of the first piezoelectric layer, the second piezoelectric layer and the third piezoelectric layer is 0.2 to 0.6. resonator.
상기 두께 비율 a/b는 0.45인 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기.3. The method according to claim 2,
The thin film bulk acoustic resonator, characterized in that the thickness ratio a / b is 0.45.
상기 제1 압전층 및 상기 제3 압전층은, 상기 AlN 물질에 Sc 물질이 도핑되되, 상기 제2 압전층에 비해서 상대적으로 적은 양의 상기 Sc 물질이 도핑된 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기.
The method according to claim 1,
In the first piezoelectric layer and the third piezoelectric layer, the AlN material is doped with a Sc material, and a relatively small amount of the Sc material is doped compared to the second piezoelectric layer.
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|---|---|---|---|
| KR1020210055498A KR20220148456A (en) | 2021-04-29 | 2021-04-29 | Film Bulk Acoustic Resonator |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040102390A (en) | 2003-05-27 | 2004-12-08 | 삼성전자주식회사 | Air-gap type FBAR fabrication method using poly-Silicon sacrificial layer and Etching-stop wall and FBAR fabricated by the same |
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2021
- 2021-04-29 KR KR1020210055498A patent/KR20220148456A/en not_active Application Discontinuation
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| KR20040102390A (en) | 2003-05-27 | 2004-12-08 | 삼성전자주식회사 | Air-gap type FBAR fabrication method using poly-Silicon sacrificial layer and Etching-stop wall and FBAR fabricated by the same |
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