KR20220161680A - 박막 벌크 음향 공진기 - Google Patents

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문아영
이철화
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(주)와이솔
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Abstract

본 발명에 따른 기판; 상기 기판의 상부에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극의 상부에 형성된 압전층; 상기 압전층의 상부에 형성된 상부 전극; 및 상기 상부 전극의 상부에 형성된 제1 보호층을 포함하고, 상기 제1 보호층은, 상기 상부 전극을 에워싸되, 상기 상부 전극 일측 끝단의 측면을 따라 하부 방향으로 연장되어 상기 압전층의 일정 영역까지 에워싸는 것을 특징으로 한다.

Description

박막 벌크 음향 공진기{Film Bulk Acoustic Resonator}
본 발명은 RF(Radio Frequency) 대역의 통신을 위해 사용하는 공진기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막 벌크 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator: FBAR)에 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, 복수의 주파수 대역들 중에 이용자가 필요로 하는 신호를 선택하거나 전송하고자 하는 신호를 필터링함으로써 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(3㎓ 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 브래그 리플렉터(Bragg Reflector)형 FBAR가 사용되기도 한다.
그런데, 종래의 FBAR은 상부 전극의 일측이 FBAR 제조 시 후속 공정 상에서 손상 발생 가능성이 높다. 또한, 이러한 상부 전극과 압전층 사이에 형성된 에어 갭 내에 이물질 또는 습기 등의 침투가 발생할 우려가 있으며, 이러한 이물질이나 습기의 침투로 인해 설정 공진 주파수를 변동시키는 문제점을 야기시킨다.
대한민국 공개특허공보 10-2005-0034052호(공개일 2005년 4월 14일)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 박막 벌크 음향 공진기를 구성하는 상부 전극을 보호할 수 있도록 하는 비(non) 외팔보 구조를 포함하는 박막 벌크 음향 공진기에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 박막 벌크 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator)는 기판; 상기 기판의 상부에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극의 상부에 형성된 압전층; 상기 압전층의 상부에 형성된 상부 전극; 및 상기 상부 전극의 상부에 형성된 제1 보호층을 포함하고, 상기 제1 보호층은, 상기 상부 전극을 에워싸되, 상기 상부 전극 일측 끝단의 측면을 따라 하부 방향으로 연장되어 상기 압전층의 일정 영역까지 에워싸는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 보호층은, SiOx 및 SiNx (여기서, x는 0보다 큰 양의 실수) 중 적어도 하나 이상의 유전체 물질로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 제1 보호층은, 상기 상부 전극 일측 끝단의 하단부와 상기 압전층 사이에 형성된 에어 갭을 밀폐시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 보호층은, 상기 압전층을 에워싸는 층 두께가 적어도 상기 에어 갭의 갭 높이보다 더 큰 것을 특징으로 한다.
상기 제1 보호층과 상기 상부 전극 사이에 상기 상부 전극을 에워싸는 제2 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 보호층은, AlNx, SiOx 및 SiNx (여기서, x는 0보다 큰 양의 실수) 중 적어도 하나 이상의 유전체 물질로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상부 전극의 상부에 형성된 제1 보호층이 상부 전극을 에워싸되, 상부 전극의 일측 끝단 측면을 따라 하부 방향으로 연장되어 상기 압전층의 일정 영역까지 에워싸도록 함으로써, 공진기 제조 과정에서 발생할 수 있는 상부 전극의 손상를 방지할 수 있도록 한다.
또한, 상부 전극의 일측 끝단의 하부에 형성된 에어 갭 내에 이물질 또는 습기 등의 침투하는 것을 방지함으로써, 실제 공진 주파수 특성이 변동되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 신뢰도 테스트에 따른 주파수 변동 여부를 나타내는 참조도이다.
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 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기(100)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 박막 벌크 음향 공진기(100)는 기판(110), 하부 전극(120), 압전층(130), 상부 전극(140), 및 제1 보호층(150)을 포함한다.
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.
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: 미도시)가 형성된 것일 수도 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.
캐비티는 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.
하부 전극(120)은 기판(110)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.
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.
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.
상부 전극(140)의 일측 끝단(140-1)은 일측이 고정되어 있고 타측이 고정되어 있지 않은 형태를 가질 수 있다. 상부 전극(140)의 일측 끝단(140-1)은 압전층(130)의 상면으로부터 이격되어 연장되되, 압전층(130)과의 사이에 에어 갭(140-2)을 형성한다. 일측 끝단(140-1)의 이러한 구조에 따른 공진을 이용하여, active 영역 안에서 빠져나오는 lateral wave를 가두어 Quality factor를 향상시킬 수 있다. 에어 갭(140-2)은 에어 상태를 유지할 수도 있고, 유전체로 채워져 있을 수도 있다.
제1 보호층(150)은 상부 전극(140)의 상부에 위치하고 있다. 제1 보호층(150)은 하부전극(120), 압전층(130) 및 상부 전극(140)을 보호하기 위한 패시베이션 기능을 수행한다.
제1 보호층(150)은 상부 전극(140)을 에워싸되, 일측 끝단(140-1)의 측면(140-11)을 따라 하부 방향으로 연장되어 압전층(130)의 일정 영역까지 에워싸고 있다.
이러한, 제1 보호층(150)은 SiOx, SiNx (여기서, x는 0보다 큰 양의 실수) 등의 유전체 물질로 구성된 것일 수 있다.
제1 보호층(150)은 일측 끝단(140-1)의 측면(140-11)을 따라 하부 방향으로 연장됨에 따라, 일측 끝단(140-1)의 하단부와 압전층(130) 사이에 형성된 에어 갭(140-2)을 밀폐시키며, 상부 전극(140)과 제1 보호층(150)이 합쳐진 비(non)외팔보 구조를 형성한다. 상기 에어 갭(140-2) 부분은 에어 대신 유전체 물질로 채워질 수도 있다.
제1 보호층(150)은 압전층(130)을 에워싸는 층 두께(T1)가 적어도 에어 갭(140-2)의 갭 높이(H1)보다 더 큰 것일 수 있다. 압전층(130)을 에워싸는 제1 보호층(150)의 층 두께(T1)가 에어 갭(140-2)의 갭 높이(H1)보다 더 크기 때문에, 에어 갭(140-2)을 밀폐시키기 위한 제1 보호층(150)의 내구성을 확보할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기(200)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 박막 벌크 음향 공진기(200)는 기판(210), 하부 전극(220), 압전층(230), 상부 전극(240), 제1 보호층(250) 및 제2 보호층(260)을 포함한다.
도 2의 박막 벌크 음향 공진기(200)에서 기판(210), 하부 전극(220), 압전층(230) 및 상부 전극(240)의 구조는 도 1의 기판(110), 하부 전극(120), 압전층(130) 및 상부 전극(140)과 대응하므로, 이하에서는 제1 보호층(250) 및 제2 보호층(260)을 위주로 설명한다.
설명의 편의를 위해, 제2 보호층(260)을 먼저 설명한다.
제2 보호층(260)은 제1 보호층(250)과 상부 전극(240) 사이에 형성되어 상부 전극(240)을 에워싸고 있다. 이때, 제2 보호층(260)은 상부 전극(240)의 상부면만을 에워싸는 구조이며, 상부 전극(240)의 일측 끝단(240-1)의 측면(240-11)을 따라 하부 방향으로 연장되거나 압전층(230)의 일정 영역까지 에워싸는 것은 아니다.
제2 보호층(260)은 AlNx, SiNx, SiOx (여기서, x는 0보다 큰 양의 실수) 등의 유전체 물질로 구성된 것일 수 있다.
제1 보호층(250)은 제2 보호층(260)의 상부에 위치하고 있다. 제1 보호층(250)은 하부전극(220), 압전층(230), 상부 전극(240) 및 제2 보호층(260)을 보호하기 위한 패시베이션 기능을 수행한다.
제1 보호층(250)은 제2 보호층(260)을 에워싸되, 제2 보호층(260)의 일측 끝단(260-1)의 측면(260-11)과 상부 전극(240)의 일측 끝단(240-1)의 측면(240-11)을 따라 하부 방향으로 연장되어 압전층(230)의 일정 영역까지 에워싸고 있다.
이러한, 제1 보호층(250)은 SiOx 및 SiNx (여기서, x는 0보다 큰 양의 실수) 등의 유전체 물질로 구성된 것일 수 있다.
제1 보호층(250)은 제2 보호층(260)의 일측끝단(260-1)의 측면(260-11)과 상부 전극(240)의 일측끝단(240-1)의 측면(240-11)을 따라 하부 방향으로 연장됨에 따라, 상부 전극(240)의 일측끝단(240-1)의 하단부와 압전층(230) 사이에 형성된 에어 갭(240-2)을 밀폐시킨다.
제1 보호층(250)은 압전층(230)을 에워싸는 층 두께(T2)가 적어도 에어 갭(240-2)의 갭 높이(H2)보다 더 큰 것일 수 있다. 압전층(230)을 에워싸는 제1 보호층(250)의 층 두께(T2)가 에어 갭(240-2)의 갭 높이(H2)보다 더 크기 때문에, 에어 갭(240-2)을 밀폐시키기 위한 제1 보호층(250)의 내구성을 확보할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 신뢰도 테스트에 따른 주파수 변동 여부를 나타내는 참조도이다.
도 3의 (a)는 종래의 보호층이 상부 전극의 상부면만을 에워싸는 경우의 박막 벌크 음향 공진기의 주파수 특성을 나타내고, 도 3의 (b)는 본 발명에 따른 제1 보호층이 상부 전극의 상부면 뿐만 아니라 상부 전극 일측 끝단의 측면을 따라 에어 갭을 에워싸는 경우의 박막 벌크 음향 공진기의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3의 (a)에서, 종래의 박막 벌크 음향 공진기에 의한 주파수 특성을 살펴보면, 종래의 오픈된 에어 갭에 이물질 또는 수분이 침투함으로 인해, 실제 공진 주파수(310)가 박막 벌크 음향 공진기에서 요구되는 설정 공진 주파수(300)에서 변경된 주파수 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
이에 비해, 도 3의 (b)에서, 본 발명의 박막 벌크 음향 공진기(100, 200)에 의한 주파수 특성을 살펴보면, 본 발명의 실시예들에 따른 에어 갭(140-2, 240-2)이 제1 보호층에 의해 밀폐되어 이물질 또는 수분이 침투하는 것을 차단함으로 인해, 박막 벌크 음향 공진기에서 요구되는 설정 공진 주파수(300)와 실제 공진 주파수(320)의 주파수 특성이 거의 유사함을 확인할 수 있다. 본 발명의 박막 벌크 음향 공진기(100, 200)는 종래의 박막 벌크 음향 공진기에 비해서, 25[%] 이하의 주파수 변동 특성을 갖는다.
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, 200: 박막 벌크 음향 공진기
110, 210: 기판
120, 220: 하부 전극
130, 230: 압전층
140, 240: 상부 전극
150, 250: 제1 보호층
260: 제2 보호층

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판의 상부에 형성된 하부 전극;
    상기 하부 전극의 상부에 형성된 압전층;
    상기 압전층의 상부에 형성된 상부 전극; 및
    상기 상부 전극의 상부에 형성된 제1 보호층을 포함하고,
    상기 제1 보호층은,
    상기 상부 전극을 에워싸되, 상기 상부 전극 일측 끝단의 측면을 따라 하부 방향으로 연장되어 상기 압전층의 일정 영역까지 에워싸는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 보호층은,
    SiOx 및 SiNx (여기서, x는 0보다 큰 양의 실수) 중 적어도 하나 이상의 유전체 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 보호층은,
    상기 상부 전극 일측 끝단의 하단부와 상기 압전층 사이에 형성된 에어 갭을 밀폐시키는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 보호층은,
    상기 압전층을 에워싸는 층 두께가 적어도 상기 에어 갭의 갭 높이보다 더 큰 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 보호층과 상기 상부 전극 사이에 상기 상부 전극을 에워싸는 제2 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 보호층은,
    AlNx, SiOx 및 SiNx (여기서, x는 0보다 큰 양의 실수) 중 적어도 하나 이상의 유전체 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기.
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