KR100691153B1 - 박막 벌크 음향 공진기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막 벌크 음향 공진기(FBAR)에 관한 것으로서, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 하부전극막과, 상기 하부전극막 상에 형성된 압전층과, 상기 압전층 상에 형성된 상부전극막을 포함하며, 상기 하부전극막은 Mo 및 W으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지며, 상기 상부전극막은 Al, Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 FBAR소자를 제공한다.
박막 벌크 음향 공진기(film bulk acoustic resonator: FBAR), 알루미늄(Al), 금(Au), 플라티늄(Pt)

Description

박막 벌크 음향 공진기{FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR}
도1은 본 발명의 일 측면에 따른 FBAR소자를 나타낸다.
도2는 본 발명의 구체적인 실시형태에 따른 FBAR소자를 나타낸다.
도3은 본 발명의 다른 측면에 따른 FBAR소자를 나타낸다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
11,21,31: 기판 12,22,32: 멤브레인층
14,24,34: 하부전극막 15,25,35: 압전층
16,26,36: 상부전극막
본 발명은 박막 벌크 음향 공진기(film bulk acoustic resonator)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극막의 저항을 개선함으로써 불필요한 에너지손실이 저감된 고품질(high quality)의 FBAR소자에 관한 것이다.
최근의 통신기술이 급속히 발전함에 따라, 그에 상응하는 신호처리기술과 고주파(RF: ratio frequency)부품의 발전이 요구되고 있다. 특히, 하드웨어적 측면인 고주파 부품기술은 이동통신기기의 소형화추세에 따라 필터부품도 박막 벌크 음향 공진기(film bulk acoustic wave resonator)(또는 TFR(thin film resonator)로 대체되고 있다.
일반적으로, 박막 벌크 음향 공진기(이하, FBAR소자라 함)는 반도체 기판 상에 상하부전극과 그 사이의 압전층을 구비된 박막형태 기본구조를 갖는다. FBAR소자에서는, 상하부전극에 전압이 인가되면, 압전층의 공진특성에 의해 전기 에너지 일부를 음향파인 기계적 에너지로 변환하는 원리가 이용된다. 또한, FBAR소자는 압전층에서 발생되는 음향파가 기판에 영향 받지 않도록 활성영역에 대응하는 위치에 브래그 반사막(bragg reflector)구조와 에어갭(air gap)구조와 같은 다양한 형태의 격리구조를 가질 수 있다.
이러한 FBAR소자의 특성은 음향공진부를 구성하는 압전층과 상하부전극막에 의해 결정될 수 있다. 특히, 압전층의 압전특성과 상하부전극막의 전기적 기계적 특성은 FBAR소자의 Q값을 결정하는 중요인자가 된다.
미국특허등록 제5,587,620호(공고일: 1996.12.24)에서는, FBAR소자의 특성을 향상시키기 위해서, 압전층은 우수한 압전특성을 갖는 질화알루미늄(AlN)을 사용하고, 상하부전극막은 높은 음향 임피던스를 갖는 몰리브덴(Mo) 또는 텅스텐(W)을 사용하는 방안을 제시하고 있다.
하지만, 상기 전극막물질로서 몰리브덴(Mo) 또는 텅스텐(W)은 음향 임피던스 특성이 우수할지라도, 상대적으로 높은 전기적 비저항을 가지므로, 전기적 손실이 크다는 단점을 가지고 있다. 또한, 몰리브덴(Mo) 또는 텅스텐(W)은 대기중에서 쉽게 산화되는 열악한 특성을 가지고 있으므로, 산화에 따른 주파수 변동을 방지하기 위해서 산화방지층이 추가로 요구되는 단점을 가지고 있다.
이와 같이, 당기술분야에서는 몰리브덴(Mo) 또는 텅스텐(W)은 우수한 음향 임피던스특성에도 불구하고, 비교적 높은 전기적 비저항과 낮은 내산화성으로 인해 FBAR소자의 전극막으로서 유익하게 사용되는데 한계로 인식되어 왔다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 전극막의 구조 및 구성물질을 개선함으로써 전기적 전도도 및/또는 내산화성이 향상된 FBAR 소자를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명의 일 측면은, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 하부전극막과, 상기 하부전극막 상에 형성된 압전층과, 상기 압전층 상에 형성된 상부전극막을 포함하며, 상기 하부전극막은 Mo 및 W으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지며, 상기 상부전극막은 Al, Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 FBAR소자를 제공한다.
상기 상부전극막은 서로 다른 물질로 이루어진 복수의 층을 포함할 수 있다 이 경우에, 바람직하게는 상기 상부전극막은 상기 압전층 상에 형성된 제1층 및 상기 제1 층 상에 형성된 제2층으로 이루어지며, 상기 제1 층은 Al 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지며, 상기 제2 층은 Au 또는 Pt로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 하부전극막과, 상기 하부전극막 상에 형성된 압전층과, 상기 압전층 상에 형성된 상부전극막을 포함하며, 상기 상부 및 하부전극막 중 적어도 하나는, Mo 및 W으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 제1층과, Al, Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 제2층을 포함하는 것을 특징으로 하는 FBAR 소자를 제공한다.
본 발명의 특정 실시형태에서, 상기 하부전극막은 상기 제1 및 제2층을 포함하며, 상기 제2층은 상기 기판 상에 형성되고, 상기 제1층은 상기 제2층 상에 형성되어 상기 압전층에 접할 수 있다. 이 경우에, 상기 상부전극막은 Al, Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 나아가, 상기 상부전극막은 상기 압전층 상에 형성되며 Al 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 하부층과, 상기 하부층 상에 형성되며 Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 상부층을 포함할 수 있다.
다른 특정 실시형태에서, 상기 상부전극막은 상기 제1 및 제2층을 포함하며, 상기 제2층은 상기 압전층 상에 형성되고, 상기 제1층은 상기 제2층 상에 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 상부전극막의 제1층은 Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 한 물질로 이루어질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도1은 본 발명의 일 측면에 따른 FBAR소자를 나타낸다.
도1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 FBAR소자(10)는 기판(11)과 그 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 하부전극막(14), 압전층(15) 및 상부전극막(16)을 포함한다. 본 실시형태는 음향공진부와 기판을 격리하는 수단으로서 에어갭을 채용한 형태로서 예시되어 있다. 즉, 상기 상하부전극막(16,14)과 압전층(15)이 중첩된 활성영역에 대응하는 기판(11) 상면영역에 에어갭(C)이 형성되며, 그 기판(11) 상에는 멤브레인층(12)이 제공된 구조를 갖는다.
본 실시형태에서, 상기 하부전극막(14)은 Mo 및 W으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지며, 상기 상부전극막(16)은 Al, Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진다. 상기 하부전극막(14)은 음향 임피던스특성을 고려하여 Mo 또는 W으로 사용함으로써 높은 Q값을 크게 저하시키지 않으면서, 상기 상부전극막(16)을 우수한 Al, Au 및 Pt 중 적어도 하나를 선택하여 형성함으로써 전기적 손실과 산화로 인한 신뢰성 저하를 크게 완 화시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시형태의 상부전극막(16)으로 채용되는 Al 및 Au는 하부전극막(14)으로 사용되는 Mo 및 W에 비해 전기전도도가 높으므로, 전기적 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, Au 및 Pt의 경우에는, 상기 하부전극막(14)으로 사용되는 Mo 및 W에 비해 내산화성이 우수하므로, 추가적인 산화방지층없이도 원하지 않는 주파수 및 특성변화에 대한 신뢰성을 크게 개선할 수 있다. 이와 같이, 상부전극막(16)의 구성물질을 Al, Au 및 Pt로부터 적절히 선택하여 형성함으로써, 전기 전도도를 높히고, 내산화특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 FBAR소자(10)의 상부전극막(16)은 Al, Au 및 Pt로부터 선택된 서로 다른 물질로 이루어진 복수층 구조로 형성될 수 있다.
이러한 실시형태에서는, 전기전도도 측면과 내산화특성측면을 모두 고려하여 상부전극막을 보다 효과적으로 개선시킬 수 있다. 도2에는 복층구조의 상부전극막(26)을 채용함으로써 전기전도도와 내산화특성을 동시에 향상시킨 FBAR소자가 도시되어 있다.
도2에 도시된 FBAR소자(20)는 도1과 유사하게 상부 일영역에 에어갭(C)이 형성된 기판(21)을 포함한다. 상기 기판(21) 상에는 멤브레인층(22)이 형성되고, 그 멤브레인층(22) 상에는 순차적으로 하부전극막(24), 압전층(25) 및 상부전극막(26)이 형성된다.
본 실시형태에 따른 상부전극막(26)은 상기 압전층(25) 상에 형성된 제1층 (26a)과 상기 제1층(26a) 상에 형성된 제2층(26b)으로 구성된다. 상기 제2층(26b)은 노출가능한 영역이므로, 내산화특성을 우수한 Au 또는 Pt로 형성한다. 또한, 상기 제1층(26a)은 전기적 전도도를 우수한 Al 또는 Au로 형성함으로써 높은 비저항을 갖는 하부전극막으로 인한 전기적 손실을 보상할 수 있다. 이와 같이, 상기 상부전극막(26)을 복층구조(26a,26b)로 채용하고 그 층위치에 따라 적절한 특성을 갖는 금속물질로 형성함으로써, 내산화특성은 물론 전기적 전도도도 우수한 전극막 특성을 기대할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서는, 상하부전극막 중 적어도 하나의 전극막을 높은 음향 임피던스특성을 갖는 Mo 및 W과 함께, Al, Au 및 Pt로부터 선택된 적어도 하나의 금속물질로 형성함으로써 높은 Q특성을 유지하면서도 전기적 전도도 및/또는 내산화특성을 향상시킬 수 있는 FBAR 구조를 제공한다. 도3에는 이러한 FBAR소자가 도시되어 있다.
도3에 도시된 FBAR소자(30)는 앞서 실시형태들과 유사하게 상부 일영역에 에어갭(C)이 형성된 기판(31)을 포함하며, 상기 기판(31) 상에는 멤브레인층(32)이 형성된다. 또한, 상기 FBAR소자(30)는 상기 멤브레인층(32) 상에는 순차적으로 형성된 하부전극막(34), 압전층(35) 및 상부전극막(36)을 포함한다.
본 실시형태에 따른 하부전극막(34)은 상기 멤브레인층(32) 상에 형성된 제2층(34b)과 상기 제2층(34b) 상에 형성된 제1층(34a)으로 구성된다. 상기 제2층 (34b)은 Al, Au 및 Pt 중 적어도 한 금속으로 형성할 수 있으며, 바람직하게는 전기적 전도도가 우수한 Al 또는 Au로 형성한다. 상기 제1층(34a)은 상기 압전층(35)과 직접 접촉하는 층으로서 우수한 음향임피던스특성을 갖는 Mo 또는 W으로 형성한다. 이러한 하부전극막(34) 구조에서는, 전기적 전도도가 높은 제2층(34b)을 통해 전기적 손실을 저감시키는 동시에, 높은 음향임피던스를 갖는 제1층(34a)을 통해 높은 Q값을 유지할 수 있다.
이와 유사하게, 본 실시형태에 따른 상부전극막(36)은 상기 압전층(34) 상에 형성된 제1층(36a)과 상기 제1층(36a) 상에 형성된 제2층(36b)으로 구성된다. 압전층(35)과 직접 접촉하는 제1층(36a)은 음향임피던스가 우수한 Mo 또는 W으로 형성한다. 상기 제2층(36b)은 Al, Au 및 Pt 중 적어도 한 금속으로 형성할 수 있으며, 바람직하게는 노출가능한 영역이므로 내산화특성을 우수한 Au 또는 Pt로 형성한다. 보다 바람직하게는 내산화특성과 전기적 전도도가 모두 우수한 Au로 형성할 수 있다. 이러한 상부전극막(36) 구조에서는, 높은 음향임피던스를 갖는 제1층(34a)을 통해 높은 Q값을 유지하면서 제2층(36b)을 통해 전기적 전도도 및/또는 내산화성을 향상시킬 수 있다.
도3에 도시된 실시형태에서는, 상하부전극막에 대해 모두 Mo 및 W으로부터 선택된 적어도 하나의 금속물질로 이루어진 제1층과, Al, Au 및 Pt로부터 선택된 적어도 하나의 금속물질로 이루어진 제2층을 채용한 형태를 예시하였으나, 본 발명 은 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상부전극막 및 하부전극막 중 일 전극만을 본 발명에 따른 복층구조로 형성할 수 있으며, 이 또한 본 발명에 속한다고 할 수 있다.
나아가, 도1 내지 도3에 도시된 FBAR소자는 기판과 음향공진부의 격리구조로서 에어갭 형성위치에 희생층을 형성하고 박막증착후에 비아홀을 통해 희생층을 제거하여 얻어진 에어-브릿지(air-bridge)구조의 일형태를 예시하였으나 다른 격리구조를 채용한 FBAR소자에서도 본 발명에 따른 전극막이 적용될 수 있다.
예를 들어, 본 발명은 기판 후면을 에칭하여 캐비티를 형성하여 얻어진 에칭캐비티구조를 사용할 수 있으며, 다른 음향임피던스특성을 갖는 복수의 층을 교대로 형성하여 얻어진 브래그반사구조를 채용하는 다양한 FBAR소자에서 적용되어 유사한 전기적 손실 저감효과 및 산화로 인한 주파수변동 및 특성 저하를 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 상부전극막 또는 하부전극막의 금속물질을 전기적 전도도 및/또는 내산화특성이 우수한 Au, Al 및 Pt로부터 선택된 적어도 하나의 금속으로 부분적으로 대체함으로써 FBAR소자의 전기적 손실 및 산화로 인한 특성저하를 저감시킬 수 있다. 특히, 상부/하부전극막의 구조를 복층구조로 형성하고, 각 층의 위치에 따라 적절한 특성의 금속물질을 채용함으로써 전기적 전도도 및 내산화성이 우수한 고품질 FBAR소자를 제공할 수 있다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 하부전극막;
    상기 하부전극막 상에 형성된 압전층; 및
    상기 압전층 상에 형성된 상부전극막을 포함하며,
    상기 상부 및 하부전극막 중 적어도 하나는, Mo 및 W으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지며 일면이 상기 압전층에 접하는 제1층과, Al, Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지며 상기 제1층의 타면에 접하는 제2층을 포함하는 것을 특징으로 하는 FBAR 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하부전극막은 상기 제1 및 제2층을 포함하며,
    상기 제2층은 상기 기판 상에 형성되고, 상기 제1층은 상기 제2층 상에 형성되어 상기 압전층에 접하는 것을 특징으로 하는 FBAR 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상부전극막은 Al, Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 FBAR 소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 상부전극막은 상기 압전층 상에 형성되며 Al 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 하부층과, 상기 하부층 상에 형성되며 Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 상부층을 포함하는 것을 특징을 하는 FBAR 소자.
  8. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 상부전극막은 상기 제1 및 제2층을 포함하며,
    상기 제1층은 상기 압전층 상에 형성되고, 상기 제2층은 상기 제1층 상에 형성된 것을 특징으로 하는 FBAR 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 상부전극막의 제2층은 Au 및 Pt로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 FBAR 소자.
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