KR100506729B1

KR100506729B1 - 박막 벌크 어코스틱 공진기（ＦＢＡＲｓ）소자 및 그제조방법

Info

Publication number: KR100506729B1
Application number: KR10-2002-0028142A
Authority: KR
Inventors: 이주호
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2005-08-08
Anticipated expiration: 2022-05-21
Also published as: JP2003347884A; US20030218518A1; US20040212458A1; US7128941B2; KR20030090142A; US6842089B2

Abstract

본 발명은 박막 벌크 어코스틱 공진기(film bulk acoustic resonator, 이하 'FBAR'라 한다) 소자에 관한 것으로,

본 발명은 멤브레인층을 갖는 FBAR 소자에서, 하부의 에어갭과 오버랩되는 멤브레인층의 복수의 활성영역중, 필터의 직렬 공진기 및 병렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께를 서로 다르게 형성하고, 이들 두께 조절을 통해서 서로 다른 공진 주파수를 제공하도록 구현함으로서, 동일 기판상에 공진 주파수가 서로 다른 복수의 FBAR 소자를 제작할 수 있고, 이에 따라 동일 기판상에서 송신 및 수신용 필터를 동시에 제작할 수 있으며, 또한, 구조적으로 안정하고, 재현성이 뛰어나며, 우수한 특성을 갖는 박막 벌크 어코스틱 공진기(FBARs) 소자 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

박막 벌크 어코스틱 공진기（ＦＢＡＲｓ）소자 및 그 제조방법{FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR AND METHOD FOR FABRICATION THEREOF}

본 발명은 박막 벌크 어코스틱 공진기(film bulk acoustic resonator, 이하 'FBAR'라 한다) 소자에 관한 것으로, 특히 멤브레인층을 갖는 FBAR 소자에서, 하부의 에어갭과 오버랩되는 멤브레인층의 복수의 활성영역중, 필터의 직렬 공진기 및 병렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께를 서로 다르게 형성하고, 이들 두께 조절을 통해서 서로 다른 공진 주파수를 제공하는 박막 벌크 어코스틱 공진기(FBARs) 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근, 고주파(RF: Radio frequency) 부품 등의 이동통신단말기용 부품기술은 이동통신단말기의 소형화 및 고기능화의 추세에 따라 급속하게 발전되고 있다. 상기 RF 이동통신 부품 중 핵심 수동부품인 필터는 무수히 많은 공중파 중에 이용자가 필요로 하는 신호를 선택하거나 특정 신호를 걸러주는 기능을 한다.

특히, 이동통신단말기의 사용주파수대역이 높아짐에 따라, 초고주파용 소자의 필요성이 증대되고 있다. 그러나, 이러한 초고주파 소자는 이동통신단말기에서 요구되는 소형화 및, 저가격화가 어렵다는 문제가 있다. 예를 들어, 1 GHz이상에서 동작하는 공진기나 필터를 종래의 집중소자를 이용해서 집적화하기에는 소자자체의 크다는 문제가 있다. 또한, 수정 공진기 및 표면탄성파 공진기는 유전체 공진기를 대처할 수 있는 소자로 사용되고 있으나, 근본적으로 삽입손실이 크고 집적화, 소형화, 저가격화의 문제점을 가지고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서, 압전박막의 두께진동을 이용한 FBAR(film bulk acoustic wave resonator) 또는 TFR(thin film resonator)로 불리는 공진기가 본격적으로 연구되고 있고 실용화 단계에 이루었다.

통상, FBAR 소자는 반도체 기판인 실리콘이나 GaAs 기판 위에 압전 유전체 물질인 ZnO, AlN 박막을 형성시켜 박막 자체의 압전 특성으로 인한 공진을 유발하는 박막 형태의 소자를 말한다. 이는 박막소자로 저가격, 초소형이면서 고품질(high Q) 계수의 특성이 가능하여, 각종 주파수 대역(900 MHz~10 GHz)의 무선통신기기, 군사용 레이더 등에도 사용될 수 있다. 또한, 유전체 필터 및 집중정수(LC) 필터보다 수백분의 1이하 크기로 초소형화가 가능하고 표면 탄성파(surface acoustic wave) 소자보다 삽입손실이 매우 작다는 특성을 가지고 있다.

도 1은 기존 박막 필터용 FBAR 소자의 단면도로서, 도 1에서는 1개의 직렬 공진기와 1개의 병렬 공진기가 연결된 FBAR 사다리 형태의 필터를 보이고 있는데, 여기서 11은 직렬 공진기를 나타내며, 12는 병렬 공진기를 나타낸다. 이와 같이 직렬 공진기와 병렬 공진기의 조합에 의해서 FBAR 필터가 제조되며, 여기서, 각기 다른 공진 주파수는 공진기의 압전층을 포함하는 공진기 스택(STACK)의 두께에 따라 결정된다. 이러한 직렬 공진기와 병렬 공진기의 중심 주파수의 차이는 상부 전극의 두께 차이로 얻어진다. 여기서 공진기 스택이란 공진 주파수를 결정하는 적층구조로서, 통상 하부전극, 압전층 및 상부전극을 포함한다.

즉, FBAR 소자는 압전층의 표면에서 생성된 기계적인 응력과 부하사이의 결합(coupling) 때문에 소자는 공진기의 거동을 보이는데, 기본적으로 공진 주파수(resonant frequency)는 압전층과 전극을 포함하는 공진기 스택의 총 두께와 같은 소자 내에 진행하는 음파의 반 파장 길이이며, 따라서 공진 주파수는 공진기의 하부전극, 압전층 및 상부전극을 포함하는 공진기 스택을 구성하는 여러 층들의 두께에 따라서 결정된다.

한편, 이러한 FBAR 필터는 사다리(ladder) 회로 형태로 제조되어 지며, 이러한 사다리 회로 형태의 FBAR 필터에 대해서는 아래의 논문에 기술되어 있다. Thin Film Bulk Acoustic Wave Filters for GPS”by K. M. Lakin et al. (Lakin), IEEE Ultrasonic Symposium, 1992, pp. 471-476. 위의 논문에서 기술된 것처럼, 사다리 형태의 FBAR 필터는 각기 다른 중심 주파수를 갖는 직렬 공진기(series resonator)와 병렬 공진기(shunt resonator)의 조합으로 이루어져 있다.

또한, FBAR 소자는, 실리콘 기판 상에 하부전극, 압전층 및 상부전극을 차례로 형성하여 구성되는데, 이 때, 고품질계수(high-Q)를 유지하기 위해 상부 및 하부전극으로 전계가 인가되어 압전층에 발생되는 체적파(bulk acoustic wave)가 실리콘 기판에 영향을 미치는 것을 방지하여야 위해서, 압전층을 기판으로부터 격리시키는 구조가 필요하다. 상기 기판에서 상기 공진기 스택을 격리시키는 구조는 삽입손실 및 전달이득과 같은 FBAR소자의 전기적 성능 및 그 제조의 실용화를 좌우하는 중요한 과제가 되는 것으로, 크게 브래그 반사(bragg reflect)를 이용한 반사막 구조와 에어갭(air gap) 구조로 분류된다. 이 중 반사막 방식은 제조공정이 복잡하고 장시간이 소요되고, 특성 또한 에어 갭 방식보다 삽입손실 및 반사특성 등이 저하되어 실효 대역폭이 감소되는 단점이 있다. 그래서 에어 갭을 형성하는 방법이 많이 연구되고 있다.

도 2는 종래 FBAR 소자의 단면도로서, 도 2를 참조하면, 종래 FBAR 소자(20)는 기판(26)에 의해 정의된 우물(well)(24)의 외주면에서 지지되는 압전층(22)을 포함한다. 상기 우물(24)과 오버랩(overlap)되는 압전층(22)의 영역의 표면에 전극(28,30)이 위치한다. 상기 전극(28,30)간의 전기적인 접속은 단자(36,38) 각각에 의해서 이루어진다. 상기 압전층(22)과 전극(28,30)은 압전 공진기 스택(stack)(32)을 형성한다. 여기서, 압전 공진기 스택(32)은 전극사이에 인가된 전압의 방향 및 크기에 응답하여 화살표(34) 방향으로 팽창(expand) 및 수축(contract)한다.

이와 같은 종래의 FBAR 소자에서는, 공진기의 중심주파수는 압전층(22) 및 전극(58,60)으로 이루어진 압전 공진기 스택(stack)(32)의 두께에 의존하므로, 서로 다른 중심주파수를 제공하기 위해서는 전극 또는 압전층의 두께를 조절한다.

그리고, 전극 또는 압전층의 두께 조절으로는 공진주파수의 정밀한 제어가 어려울 뿐만 아니라, 동일기판상에서 송신 및 수신용 필터를 동시에 제작하기도 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 따라서, 본 발명의 목적은 멤브레인층을 갖는 FBAR 소자에서, 하부의 에어갭과 오버랩되는 멤브레인층의 복수의 활성영역중, 필터의 직렬 공진기 및 병렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께를 서로 다르게 형성하고, 이들 두께 조절을 통해서 서로 다른 공진 주파수를 제공할 수 있는 박막 벌크 어코스틱 공진기(FBARs) 소자를 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 동일 기판상에 공진 주파수가 서로 다른 복수의 FBAR 소자를 제작할 수 있고, 이에 따라 동일 기판상에서 송신 및 수신용 필터를 동시에 제작할 수 있으며, 또한, 구조적으로 안정하고, 재현성이 뛰어나며, 우수한 특성을 갖는 박막 벌크 어코스틱 공진기(FBARs) 소자 제조방법을 제공한다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 복수의 직렬 공진기 및 병렬 공진기를 포함하는 래더(ladder)타입의 필터에 적용되는 FBAR 소자에 있어서, 기판; 상기 기판 상에 형성된 절연층; 상기 절연층 상에 형성되며 복수의 에어갭을 포함하는 멤브레인 지지층; 상기 멤브레인 지지층 상에 형성되며, 상기 에어갭과 오버랩되는 부분에 형성한 복수의 활성영역을 포함하는 멤브레인층; 상기 활성영역 각각 위에 형성된 복수의 하부전극; 상기 하부전극 각각 위에 형성된 복수의 압전층; 및 상기 압전층 각각 위에 형성된 복수의 상부전극을 구비하며, 상기 복수의 활성영역중에서 필터의 직렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께는 병렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께와 서로 다른 것을 특징으로 하는 FBAR 소자를 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 실시형태에서는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 절연층; 상기 절연층 상에 형성되며 복수의 에어갭을 포함하는 멤브레인 지지층; 상기 멤브레인 지지층 상에 형성되며, 상기 에어갭과 오버랩되는 부분에 형성한 복수의 활성영역을 포함하는 멤브레인층; 상기 활성영역 각각 위에 형성된 복수의 하부전극; 상기 하부전극 각각 위에 형성된 복수의 압전층; 및 상기 압전층 각각 위에 형성된 복수의 상부전극을 구비하며, 상기 복수의 활성영역중에서 필터의 직렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께는 병렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께와 서로 다르고, 또한, 상기 멤브레인층의 활성영역 두께 조절에 의해 병렬 공진기 및 직렬 공진기의 중심주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 FBAR 소자를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 FBAR 소자 제조방법을 제공한다. 상기 방법은 (a) 기판을 마련하는 단계; (b) 상기 기판 상에 절연층을 형성하는 단계; (c) 상기 절연층 상에 희생층을 형성하는 단계; (d) 상기 희생층의 일부를 제거하여 에어갭 형성을 위한 복수의 희생영역을 형성하는 단계; (e) 상기 희생층이 제거된 상기 절연층의 사면에 멤브레인 지지층을 형성하는 단계; (f) 상기 희생영역 및 상기 멤브레인 지지층의 상부에 멤브레인층을 형성하는 단계; (g) 상기 멤브레인층 상면중 상기 희생영역과 오버랩되는 부분에 복수의 활성영역을 형성하는데, 여기서, 이 복수의 활성영역중에서 필터의 직렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께를 병렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께와 서로 다르게 형성하는 단계; (h) 상기 활성영역을 포함하는 멤브레인층 상에 하부 전극을 형성하는 단계; (i) 상기 하부전극 상에 압전층을 형성하는 단계; (j) 상기 압전층 상에 상부전극을 형성하는 단계; 및, (k) 상기 희생영역을 제거하여 에어갭을 형성하는 단계를 구비한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시형태에서는, 상기 멤브레인층에 활성영역을 형성하는 단계(g)는 상기 멤브레인층이 형성된 후, 이 멤브레인층 중 상기 희생영역과 오버랩되는 부분을 식각하는 과정을 통해 각 멤브레인층의 활성영역 두께를 소정의 두께로 형성할 수 있다.

보다 바람직하게는 상기 멤브레인층의 활성영역의 두께는 상기 활성영역이 형성되지 않은 멤브레인층의 두께보다 얇으며, 여기서, 상기 멤브레인층의 활성영역 두께 조절에 의해 병렬 공진기 및 직렬 공진기의 중심주파수를 제어될 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 각 실시예에 대한 동작을 첨부도면에 의거하여 하기에 상세히 설명한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 FBAR 소자를 적용한 필터의 블록도 및 A-A'선 단면도이다.

도 3a를 참조하면, 본 발명의 FBAR 소자는 복수의 직렬 공진기(100)가 직렬로 접속되어 있고, 이들 직렬 공진기(100) 사이에서 접지로 접속한 복수의 병렬 공진기(200)를 포함하는 래더(ladder)타입의 필터에 적용되며, 여기서 본 발명의 FBAR 소자는 직렬 공진기 및 병렬 공진기로 동작하며, 이러한 직렬 공진기 및 병렬 공진기의 조합으로 필터를 구현할 수 있다.

도 3b는 도 3a에 도시한 복수의 직렬 공진기 및 병렬 공진기 중에서, 하나의 필터로 동작하는 직렬 공진기 및 병렬 공진기 쌍에 대한 A-A'선 단면도로서, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 FBAR 소자는 기판(310)과, 상기 기판(310) 상에 형성된 절연층(320)과, 상기 절연층(320) 상에 형성되며 복수의 에어갭(335)을 포함하는 멤브레인 지지층(340)과, 상기 멤브레인 지지층(340) 상에 형성되고, 상기 에어갭(335)과 오버랩되는 부분에 형성한 복수의 활성영역(351,352)을 포함하는 멤브레인층(350)과, 상기 활성영역 각각 위에 형성된 복수의 하부전극(110,210)과, 상기 하부전극(110,210) 각각 위에 형성된 복수의 압전층(120,220)과, 그리고, 상기 압전층(120,220) 각각 위에 형성된 복수의 상부전극(130,230)을 포함한다.

상기 멤브레인층(350)을 공진기 스택에 포함시켜, 공진 중심주파수를 효과적으로 제공하기 위해서, 상기 멤브레인층(350)의 활성영역의 두께(T1,T2)는 상기 활성영역이 형성되지 않은 멤브레인층(350)의 두께보다 얇은 것이 바람직하며, 또 상기 멤브레인층(350)의 활성영역의 두께(T1,T2)는 상기 활성영역이 형성되지 않은 멤브레인층(350)의 두께의 약 50%이내인 것이 더 바람직하다. 그리고 상기 멤브레인층(350)의 활성영역 두께(T1,T2)는 0.01-1.0mm 인 것이 더욱 바람직하다.

특히, 본 발명의 FBAR 소자는 직렬 공진기 및 병렬 공진기의 각 중심주파수를 서로 다르게 제공하기 위해서, 상기 멤브레인층(350)의 복수의 활성영역(351,352)중에서 필터의 직렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께(T1)는 병렬 공진기에 대응하는 멤브레인층(350)의 활성영역 두께(T2)와 서로 다르게 설정된다.

그리고, 상기 멤브레인층(350)의 활성영역(351,352)은 상기 멤브레인층(350)의 상면이 침하된 평면을 갖을 수 있는데, 이러한 활성영역의 침하된 평면은 식각 공정에 의해 형성될 수 있다. 여기서 식각 공정은 습식 식각이나 건식 식각이 적용될 수 있다.

상기 멤브레인층(350)의 활성영역 두께 조절로 병렬 공진기 및 직렬 공진기의 중심주파수를 제어할 수 있는데, 전술한 바와 같이, 도 3a에 도시한 직렬 공진기(100)에 대응하는 멤브레인층(350)의 활성영역 두께(T1)는 병렬 공진기(200)에 대응하는 멤브레인층(350)의 활성영역 두께(T2)와 서로 다르게 설정할 수 있으며, 이에 따라 서로 다른 공진 주파수를 제공하는 직렬 공진기(100) 및 병렬 공진기(200)에 의해서 FBAR 필터가 구현된다.

또한, 이러한 FBAR 필터를 동일 기판상에 2개로 구현하고, 각 FBAR 필터의 통과 주파수 대역을 송신 및 수신 주파수 대역으로 설정하는 경우에는, 동일 기판상에서 송신 및 수신용 필터를 동시에 제작할 수 있다.

나아가, 본 발명은 도 3b에 도시한 실시형태에 따른 FBAR 소자 제조방법을 제공하는데, 본 발명에 따른 FBAR 소자 제조방법은 멤브레인층의 활성영역중에서 직렬 공진기 및 병렬 공진기에 해당하는 활성영역의 두께를 서로 다르게 형성하여 하나의 동일 기판상에 필터를 구현할 수 있으며, 또한, 상기 활성영역의 두께를 조절함에 따라 상기 공진기의 중심주파수를 용이하게 제어할 수 있다.

도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 일실시예에 따른 FBAR소자의 제조공정의 각 단계별 단면도로서, 도 4a를 참조하면, 단계(a)에서는 기판(310)을 마련하고, 이후 단계(b)에서는 상기 기판(310) 상에 절연층(320)을 형성하는데, 상기 절연층(320)은 실리콘 기판 상에 용이하게 성장시킬 수 있는 열산화막(thermal oxide film)을 채용하거나, 화학기상증착등의 통상 증착공정을 이용한 산화막 또는 질화막 등을 선택적으로 채용할 수도 있다.

하기, 도 4b 내지 도 4d는 절연층(320)이 성장된 기판 전면에 에어갭을 형성하기 위한 희생영역(331)을 만들기 위한 과정을 도시하고 있으며, 먼저, 도 4b를 참조하면, 단계(c)에서는 상기 절연층(320) 상부 전체영역에 희생층(330)을 형성하고, 여기서 희생층(330)은 폴리실리콘이나 ZnO 등의 표면의 거칠기(roughness)가 우수하고 희생층 형성과 제거가 용이한 물질을 사용한다. 그 다음, 단계(d)에서는 상기 희생층의 일부를 제거하여 복수의 에어갭 형성을 위한 복수의 희생영역(331)을 형성한다. 일예로, 본 발명에서는, 희생층으로 폴리실리콘을 채용할 수 있고, 이러한 폴리실리콘은 표면의 거칠기(roughness)가 우수하고 희생층 형성 및 제거가 용이할 뿐만 아니라, 특히, 후속공정에서 건식 식각을 적용하여 제거할 수 있다는 장점이 있다.

이에 대해서 구체적으로 설명하면, 상기 희생층(330) 상면 중 에어갭 영역에 상응하는 위치에 포토 레지스트층을 형성하고, 건식 식각을 적용하여 노출된 희생층 영역을 제거함으로써, 에어갭에 상응하는 희생영역(331)을 형성하며, 이후, 상기 포토 레지스트층을 제거한다.

도 4c를 참조하면, 단계(e)에서는 상기 희생층(330)이 제거된 상기 절연층(320)의 상면에 멤브레인 지지층(340)이 형성되는데, 이는 상기 희생영역(331) 및 포토레지스트가 상기 기판(310) 전면에 형성된 후, 상기 기판(310)의 전 영역에 절연물질을 도포한 후, 리프트 오프(lift off) 공정으로 포토레지스트를 제거하여, 도 4c에 도시된 바와 같이, 멤브레인 지지층(340)을 형성한다. 여기서, 상기 멤브레인 지지층(340)은 SiO₂, SiN 또는 Al₂O₃로 구성된 그룹에서 선택되는 물질로 이루어질 수 있다.

도 4d를 참조하면, 단계(f)에서는 상기 희생영역 및 상기 멤브레인 지지층의 상부에 멤브레인층을 형성하는데, 이는 멤브레인 지지층(340)이 형성된 후, 희생영역 및 멤브레인 지지층(340)의 상부에 멤브레인층(350)을 형성한다. 여기서, 상기 멤브레인층(350)은 두께 0.01 ~ 1.0m 의 SiO₂층을 화학증착법(CVD)으로 증착할 수 있으며, 이외에 증발법(evaporating)이나 스파터링(sputtering)법 또한 가능하다. 그리고, 상기 멤브레인층(350)은 Si₃N₄ 나 Al₂0₃ 같은 산화막 또는 질화막이 사용가능하다.

도 4e를 참조하면, 단계(g)에서는 상기 멤브레인층(350) 상면중 상기 희생영역(331)과 오버랩되는 부분에 복수의 활성영역(351,352)을 형성하는데, 여기서, 이 복수의 활성영역(351,352)중에서 필터의 직렬 공진기에 대응하는 멤브레인층(350)의 활성영역 두께를 병렬 공진기에 대응하는 멤브레인층(350)의 활성영역 두께와 서로 다르게 형성하는데, 즉, 상기 멤브레인층(350)에 활성영역(351,352)을 형성하는 단계(g)는 상기 멤브레인층(350)이 형성된 후, 이 멤브레인층(350) 중 상기 희생영역(331)과 오버랩되는 부분을 식각하는 과정을 통해 각 멤브레인층(350)의 활성영역 두께를 소정의 두께로 형성한다.

상기 멤브레인층(350)의 활성영역(351,352)의 두께(T1,T2)는 상기 활성영역(351,352)이 형성되지 않은 멤브레인층(350)의 두께과 같거나, 얇은 것이 바람직하고, 상기 멤브레인층(350)의 활성영역(351,352)은 상기 멤브레인층(350)의 상면이 침하된 평면을 갖을 수 있는데, 이러한 상기 활성영역(351,352)의 침하된 평면은 식각에 의해 형성될 수 있다.

도 5a 내지 도 5c는 도 4d의 멤브레인층의 활성영역의 식각 공정을 보이는 단면도로서, 도 5a 및 5b를 참조하면, 활성층 영역의 멤브레인 층을 대략 0 ~ 1.0μm 의 두께가 남도록 건식 식각할 수 있으며, 그리고, 포토레지스트(PR)를 기판 전면에 형성한 후, 도 5d와 같이 직렬 공진기와 병렬 공진기의 멤브레인 층의 활성영역을 식각하여 상기 직렬 공진기와 병렬 공진기의 멤브레인 층의 활성영역의 두께(T1, T2)는 포토레지스트 도포 및 제거공정을 통하여 서로 다르게 형성될 수 있다.

일예로 건식 식각에 대하서 살펴보면, 포토레지스트(PR)를 기판 전면에 형성한 후, 건식 식각 전에 핫플레이트를 사용하여 110-200℃에서 1-20분간 하드베이킹한 후 RIE 장비를 이용하여 CF4가스를 10-100sccm 정도 불어넣고, 10-1000초간 시각 하였으며, 이와 같이, 도 5d와 같이 직렬 공진기와 병렬 공진기의 멤브레인 층의 활성영역의 두께(T1, T2)는 식각장비 종류, 식각 물질의 종류, 량 및 시간에 의존되며, 이러한 식각장비 종류, 식각 물질의 종류, 량 및 시간을 적절하게 조정하여 활성영역의 두께를 원하는 두께로 조절할 수 있다. 상기 멤브레인층의 활성영역 두께 조절에 의해 병렬 공진기 및 직렬 공진기의 중심주파수를 제어될 수 있다.

상기 멤브레인 층의 활성영역의 식각에 대해서 살펴보면, RIE(reactive ion etching), ICP(inductively coupled plasma), ECR(electron cyclotron resonance) 등의 식각 장비를 이용하여 단독 혹은 혼합한 종류(CxFy, SF6,Cl2, CCl2F2, XeF2, BrF2, H2, O2)의 식각 가스를 사용하여 식각할 수 있다.

전술한 멤브레인 층의 식각 공정을 통해서 직렬 공진기에 해당하는 멤브레인층의 활성영역의 두께와 병렬 공진기에 해당하는 멤브레인층의 직렬 공진기에 해당하는 멤브레인층의 활성영역의 두께를 서로 다르게 형성시킴으로서, FBAR 필터의 중심 주파수는 필터를 구성하는 직렬 공진기와 병렬 공진기의 중심 주파수를 제어할 수 있다. 여기서, 각 공진기의 중심 주파수는 하부전극, 압전층, 상부전극 및 멤브레인층의 활성영역을 포함하는 공진기 스택의 전체 두께에 따라 결정된다.

본 발명에서는 도 5d에 도시한 것과 같이 전극과 압전층을 포함하는 공진기 스택의 멤브레인층의 활성영역의 두께를 식각 공정을 통하여 'T1'와 'T2'와 같이 대략 0.0 ~ 1.0μm 정도의 범위내에서 서로 다르게 제어함으로써, 각기 다른 공진 주파수를 갖는 직렬 공진기와 병렬 공진기를 제조할 수 있다. 결국 재현성 있고, 간소화된 제조공정으로 직렬 공진기와 병렬 공진기의 중심 주파수를 제어할 수 있고, 또한 압전층을 포함하는 공진기 스택이 멤브레인 층을 포함하도록 형성함으로서 구조적으로 보다 견고한 FBAR 필터를 제조할 수 있다.

도 4f 내지 도 4h를 참조하면, 단계(h)에서는 상기 활성영역을 포함하는 멤브레인층 상에 하부 전극을 형성하고, 그 다음, 단계(i)에서는 상기 하부전극 상에 압전층을 형성하며, 그 다음, 단계(j)에서는 상기 압전층 상에 상부전극을 형성하는데, 즉, 상기 평탄하게 형성된 멤브레인층(350) 상부에 하부 전극(110,210)을 형성하고, 상기 하부 전극(110,210)의 위에 압전층(120,220)을 형성하며, 이어 상기 압전층(120,220)의 상부에 상부 전극(130,230)을 형성한다.

여기서, 하부 및 상부전극의 물질은 전도성을 가지는 물질(Ta, Al, W, Au, Mo, Pt, Ru, Ti)의 단독 또는 혼합층(Ta/Au/Mo, Ti/Au/Mo, Ta/Au, Ti/Au, Ti/Pt, Ti/W, Ta/W, Cr/W, Ta/Pt, Ta/Al)을 이용할 수 있다. 그 위에 압전층은 ZnO를 포함한 압전성을 가지는 물질(AlN, PZT 등)을 이용할 수 있다.

상기 압전층 위에 증착하는 상부 전극의 두께 차를 이용하여 각 필터의 중심 주파수를 제어할 수 있는데, 따라서, 멤브레인 층의 활성영역을 식각 후 남은 두께(T1 및 T2)와 상기 압전층 위에 증착하는 상부 전극의 두께 차를 이용하여 듀플렉서(duplexer) 제조시 필요한 수신단(transmit port) 및 송신단(receive port)의 넓은 주파수 범위(대략 100MHz)에 이르는 필터를 한 기판 안에 제조할 수 있다.

도 4i를 참조하면, 단계(k)에서는 상기 희생영역(331)을 제거하여 에어갭(335)을 형성하는데, 이는 희생영역(331)을 제거하여 복수의 에어갭(335)을 형성하며, 이때, 희생영역(331)의 제거는 희생영역(331)의 물질에 따라 습식 식각이나 건식 식각을 통하여 이루어질 수 있다. 일예로, 소자 외부와 희생영역을 연결하는 비아홀을 형성하고, 이 비아홀을 통해 희생영역에 에천트를 공급하는데, 이와 같이 희생영역(331)을 제거하기 위한 에천트는 압전층물질도 식각할 수 있으며, 또한, 비아홀은 활성영역(351,352) 외곽에 형성해야 한다. 이와 같이, 비아홀을 형성한 후에 비아홀을 통해 희생영역을 제거하고 에어갭을 형성할 수 있다. 여기서, 비아홀을 형성하는 기술은 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 주지된 기술이므로 그 상세한 설명을 생략한다.

도 6은 본 발명의 FBAR 소자의 주파수 응답 특성도로서, 도 6을 참조하면, 본 발명의 FBAR 소자에 대해서, 멤브레인층의 두께를 100Å만큼 변화시 공진 주파수는 10MHz가 변하고, 상부전극의 두께를 100Å만큼 변화시 공진 주파수는 18MHz가 변한다는 것을 알 수 있었으며, 이에 따르면, 상부전극의 두께에 비해서 민감도가 적은 멤브레인층의 두께를 조절하는 것이 주파수 조절이 용이하다는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 FBAR소자를 이용하면, 송신 및 수신 필터를 동일 기판에 형성할 수 있는데, 이 경우, 본 발명의 FBAR소자에서, 해당 멤브레인층, 하부전극, 압전층 및 상부전극의 각 두께가 하기 표1에 보인 바와 같을 때, 도 7에 도시한 바와같은 주파수 응답 특성을 얻을 수 있었다.

단위[Å]

	멤브레인층 두께		하부전극두께	압전층 두께	상부전극두께
	직렬 공진기	병렬 공진기	하부전극두께	압전층 두께	상부전극두께
송신 필터	1500	3500	1000	10300	3300
수신 필터	1500	3500	1000	10300	2100

도 7은 본 발명의 FBAR 소자로 구현한 송신 및 수신 필터에 대한 주파수 응답 특성도로서, 도 7을 참조하면, 본 발명의 FBAR 소자를 직렬 공진기 및 병렬 공진기로 구현하면 필터로서의 기능을 수행하는데, 이러한 필터의 통과대역을 멤브레인층의 활성영역의 두께 조절을 통해서 송신 필터 및 수신필터의 구현이 동일 기판상에서 가능해진다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의한 FBAR 소자는 각기 다른 두께를 가지는 여러 개의 층으로 구성되어 있고, 여러 개의 층 중에서 적어도 한 층의 두께에 따라 공진 주파수가 결정된다. 기존의 방법에서는 상부 전극의 두께 차이를 이용한 반면, 본 발명에서는 필터의 직렬 공진기와 병렬 공진기의 멤브레인층의 활성영역을 식각할 때, 두께를 서로 다르게 함으로써 FBAR 필터를 경제적이고, 재현성 있는 간단한 공정으로 제조할 수 있고, 또한 중심 주파수와 필터도 효과적으로 제어할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 멤브레인층을 갖는 FBAR 소자에서, 하부의 에어갭과 오버랩되는 멤브레인층의 복수의 활성영역중, 필터의 직렬 공진기 및 병렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께를 서로 다르게 형성하고, 이들 두께 조절을 통해서 서로 다른 공진 주파수를 제공하도록 구현함으로서, 동일 기판상에 공진 주파수가 서로 다른 복수의 FBAR 소자를 제작할 수 있고, 이에 따라 동일 기판상에서 송신 및 수신용 필터를 동시에 제작할 수 있으며, 또한, 구조적으로 안정하고, 재현성이 뛰어나며, 우수한 특성을 갖는다.

또한, 멤브레인 층의 활성층을 식각 후 남은 두께와 상기 압전층 위에 증착하는 상부전극의 두께 차를 이용하여 송신단 필터와 수신단 필터의 넓은 주파수 범위에 이르는 필터를 한 기판 위에 제조할 수 있다. 그래서 기존에 송신단 필터와 수신단 필터를 별도의 기판에서 제조하였던 것을 한 기판위에 제조할 수 있어 하나의 칩(chip)에 송신단 필터와 수신단 필터를 제조할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 구체적인 실시 예에 대한 설명에 불과하고, 본 발명은 이러한 구체적인 실시 예에 한정되지 않으며, 또한, 본 발명에 대한 상술한 구체적인 실시 예로부터 그 구성의 다양한 변경 및 개조가 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 기존 박막 필터용 FBAR 소자의 단면도이다.

도 2는 종래 FBAR 소자의 단면도이다.

도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 일실시예에 따른 FBAR소자의 제조공정의 각 단계별 단면도이다.

도 5a 내지 도 5c는 도 4d의 멤브레인층의 활성영역의 식각 공정을 보이는 단면도이다.

도 6은 본 발명의 FBAR 소자의 주파수 응답 특성도이다.

도 7은 본 발명의 FBAR 소자로 구현한 송신 및 수신 필터에 대한 주파수 응답 특성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 직렬 공진기(series resonator) 200 : 병렬 공진기(shunt resonator)

110,210 : 하부 전극(1st electrode) 120,220 : 압전층(piezoelectric layer)

130,230 : 상부 전극(2st electrode) 310 : 기판(substrate)

320 : 절연층 330 : 희생층(sacrificial layer)331 : 희생층335 : 에어갭(air-gap)

삭제

340 : 멤브레인 지지층(membrane support layer)

350 : 멤브레인 층(membrane layer)351,352 : 활성영역

PR : 포토레지스트(photoresist)

T1 : 직렬 공진기(series resonator)에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께

T2 : 병렬 공진기(shunt resonator)에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께

Claims

복수의 직렬 공진기(100) 및 병렬 공진기(200)를 포함하는 래더(ladder)타입의 필터에 적용되는 FBAR 소자에 있어서,

기판(310);

상기 기판(310) 상에 형성된 절연층(320);

상기 절연층(320) 상에 형성되며 복수의 에어갭(335)을 포함하는 멤브레인 지지층(340);

상기 멤브레인 지지층(340) 상에 형성되며, 상기 에어갭과 오버랩되는 부분에 형성한 복수의 활성영역을 포함하는 멤브레인층(350);

상기 활성영역 각각 위에 형성된 복수의 하부전극(110,210);

상기 하부전극(110,210) 각각 위에 형성된 복수의 압전층(120,220); 및

상기 압전층(120,220) 각각 위에 형성된 복수의 상부전극(130,230)을 구비하며,

상기 복수의 활성영역중에서 필터의 직렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께는 병렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께와 서로 다른 것을 특징으로 하는 FBAR 소자.
제1항에 있어서, 상기 멤브레인층의 활성영역의 두께는

상기 활성영역이 형성되지 않은 멤브레인층의 두께와 같거나, 얇은 것을 특징으로 하는 FBAR 소자.
제2항에 있어서, 상기 멤브레인층의 활성영역은

상기 멤브레인층의 상면이 침하된 평면을 갖는 것을 특징으로 하는 FBAR 소자.
제3항에 있어서, 상기 활성영역의 침하된 평면은

식각에 의해 형성된 것을 특징으로 FBAR소자.
제2항에 있어서,

상기 멤브레인층의 활성영역 두께 조절에 의해

병렬 공진기 및 직렬 공진기의 중심주파수를 제어되는 것을 특징으로 하는 FBAR소자.
제2항에 있어서,

상기 멤브레인층의 활성영역 두께는

0.0-1.0mm 인 것을 특징으로 하는 FBAR소자.
복수의 직렬 공진기(100) 및 병렬 공진기(200)를 포함하는 래더(ladder)타입의 필터에 적용되는 FBAR 소자에 있어서,

기판(310);

상기 기판(310) 상에 형성된 절연층(320);

상기 절연층(320) 상에 형성되며 복수의 에어갭(335)을 포함하는 멤브레인 지지층(340);

상기 멤브레인 지지층(340) 상에 형성되며, 상기 에어갭과 오버랩되는 부분에 형성한 복수의 활성영역을 포함하는 멤브레인층(350);

상기 활성영역 각각 위에 형성된 복수의 하부전극(110,210);

상기 하부전극(110,210) 각각 위에 형성된 복수의 압전층(120,220); 및

상기 압전층(120,220) 각각 위에 형성된 복수의 상부전극(130,230)을 구비하며,

상기 복수의 활성영역중에서 필터의 직렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께는 병렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께와 서로 다르며, 또한, 상기 멤브레인층의 활성영역 두께 조절에 의해 병렬 공진기 및 직렬 공진기의 중심주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 FBAR 소자.
직렬 공진기와 병렬 공진기를 포함하는 래더(ladder)타입의 필터에 적용되는 FBAR 소자에 있어서,

(a) 기판을 마련하는 단계;

(b) 상기 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;

(c) 상기 절연층 상에 희생층을 형성하는 단계;

(d) 상기 희생층중 일부 희생층을 제거하여 복수의 에어갭 형성을 위한 희생영역을 형성하는 단계;

(e) 상기 희생층이 제거된 상기 절연층의 상면에 멤브레인 지지층을 형성하는 단계;

(f) 상기 희생영역 및 상기 멤브레인 지지층의 상부에 멤브레인층을 형성하는 단계;

(g) 상기 멤브레인층 상면중 상기 희생영역과 오버랩되는 부분에 복수의 활성영역을 형성하는데, 여기서, 이 복수의 활성영역중에서 필터의 직렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께를 병렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께와 서로 다르게 형성하는 단계;

(h) 상기 활성영역을 포함하는 멤브레인층 상에 하부 전극을 형성하는 단계;

(i) 상기 하부전극 상에 압전층을 형성하는 단계;

(j) 상기 압전층 상에 상부전극을 형성하는 단계; 및,

(k) 상기 희생영역을 제거하여 에어갭을 형성하는 단계를 포함하는 FBAR 소자 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 멤브레인층에 활성영역을 형성하는 단계(g)는

상기 멤브레인층이 형성된 후, 이 멤브레인층 중 상기 희생영역과 오버랩되는 부분을 식각하는 과정을 통해 각 멤브레인층의 활성영역 두께를 소정의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 FBAR소자 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 멤브레인층의 활성영역의 두께는

상기 활성영역이 형성되지 않은 멤브레인층의 두께와 같거나, 얇은 것을 특징으로 하는 FBAR 소자 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 멤브레인층의 활성영역은

상기 멤브레인층의 상면이 침하된 평면을 갖는 것을 특징으로 하는 FBAR 소자 제조방법.
제11항에 있어서, 상기 활성영역의 침하된 평면은 식각에 의해 형성된 것을 특징으로 FBAR소자 제조방법.
제11항에 있어서, 상기 멤브레인층의 활성영역 두께 조절에 의해

병렬 공진기 및 직렬 공진기의 중심주파수를 제어되는 것을 특징으로 하는 FBAR소자 제조방법.
직렬 공진기와 병렬 공진기를 포함하는 래더(ladder)타입의 필터에 적용되는 FBAR 소자에 있어서,

(a) 기판을 마련하는 단계;

(b) 상기 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;

(c) 상기 절연층 상에 희생층을 형성하는 단계;

(d) 상기 희생층의 일부를 제거하여 에어갭 형성을 위한 복수의 희생영역을 형성하는 단계;

(e) 상기 희생층이 제거된 상기 절연층의 상면에 멤브레인 지지층을 형성하는 단계;

(f) 상기 희생영역 및 상기 멤브레인 지지층의 상부에 멤브레인층을 형성하는 단계;

(g) 상기 멤브레인층 상면중 상기 희생영역과 오버랩되는 부분에 식각 과정을 통해 복수의 활성영역을 형성하고, 이 멤브레인층의 활성영역 두께를 소정의 두께로 형성되며, 여기서, 상기 복수의 활성영역중에서 필터의 직렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께를 병렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께와 서로 다르게 형성하는 단계;

(h) 상기 활성영역을 포함하는 멤브레인층 상에 하부 전극을 형성하는 단계;

(i) 상기 하부전극 상에 압전층을 형성하는 단계;

(j) 상기 압전층 상에 상부전극을 형성하는 단계; 및,

(k) 상기 희생영역을 제거하여 에어갭을 형성하는 단계를 포함하는 FBAR 소자 제조방법.
직렬 공진기와 병렬 공진기를 포함하는 래더(ladder)타입의 필터에 적용되는 FBAR 소자에 있어서,

(a) 기판을 마련하는 단계;

(b) 상기 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;

(c) 상기 절연층 상에 희생층을 형성하는 단계;

(d) 상기 희생층의 일부를 제거하여 에어갭 형성을 위한 복수의 희생영역을 형성하는 단계;

(e) 상기 희생층이 제거된 상기 절연층의 상면에 멤브레인 지지층을 형성하는 단계;

(f) 상기 희생영역 및 상기 멤브레인 지지층의 상부에 멤브레인층을 형성하는 단계;

(g) 상기 멤브레인층 상면중 상기 희생영역과 오버랩되는 부분에 식각 과정을 통해 복수의 활성영역을 형성하고, 이 멤브레인층의 활성영역 두께를 소정의 두께로 형성되며, 여기서, 상기 복수의 활성영역중에서 필터의 직렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께를 병렬 공진기에 대응하는 멤브레인층의 활성영역 두께와 서로 다르게 형성하는 단계;

(h) 상기 활성영역을 포함하는 멤브레인층 상에 하부 전극을 형성하는 단계;

(i) 상기 하부전극 상에 압전층을 형성하는 단계;

(j) 상기 압전층 상에 상부전극을 형성하는 단계; 및,

(k) 상기 희생영역을 제거하여 에어갭을 형성하는 단계를 구비하며,

상기 멤브레인층의 활성영역 두께 조절에 의해 병렬 공진기 및 직렬 공진기의 중심주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 FBAR 소자 제조방법.