KR100799391B1 - 박막 음향공진기 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실리콘웨이퍼(51)의 표면에 산화실리콘 박층(53)이 형성된 기판에 홈(52)이 형성되어 있다. 홈(52)을 지나치도록 압전체층(62)과 그 양면에 접합된 하방전극(61) 및 상방전극(63)으로 이루어지는 끼워맞춤구조체(60)가 배치되어 있다. 하방전극(61)의 상면 및 이것과 접합되어 있는 압전체층(62)의 하면은 높이의 RMS 변동이 25nm 이하이다. 하방전극(61)의 두께는 150nm 이하이다. 이로 인하여, 전기기계결합계수 및 음향품질계수 등이 우수한 고성능 박막 음향공진기가 제공된다.
실리콘웨이퍼, 압전체층, 박막 음향공진기

Description

박막 음향공진기 및 그 제조방법{THIN FILM ACOUSTIC RESONATOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE RESONATOR}
본 발명은 압전체 박막의 전기음향효과를 이용한 박막 음향공진기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 통신기용 필터의 구성요소로서 사용할 수 있는 박막 음향공진기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
또, 본 발명은 이동체 통신기 등에 이용되는 박막 진동자, 박막 VC0(전압제어발신기), 박막필터, 송수신전환기나 각종 센서 등, 광범위한 분야에서 이용되는 압전체 박막을 이용한 소자에 관한 것이다.
전자기기의 가격 및 치수를 감소시키기 위해, 그 회로구성요소로서의 필터의 치수를 작게 하는 시도가 일관되게 계속되고 있다. 셀식 전화 및 미니추어ㆍ라디오와 같은 일반용 전자장치는 내장되는 구성요소의 크기 및 가격에 관하여 엄격한 요구를 받고 있다. 이들 전자장치에 포함되는 회로는 정밀한 주파수에 동조시켜야하는 필터를 이용하고 있다. 따라서, 염가이고 소형인 필터를 제공하는 노력이 끊임없이 계속되고 있다.
또, 압전현상을 이용하는 소자는 광범위한 분야에서 이용되고 있다. 휴대전화기 등의 휴대기기의 소형화와 저소비전력화가 진행되는 중에, 그 기기에 사용되 는 RF용 및 IF용 필터로서 탄성표면파(Surface Acoustic Wave : SAW) 소자의 사용이 확대되고 있다. 이 SAW 필터는 설계 및 생산기술의 향상에 의해 사용자의 엄격한 요구사양에 대응하여 왔지만, 이용하는 주파수가 고주파수화함에 따라 특성향상의 한계에 가까워지고 있고, 전극형성의 미세화와 안정된 출력확보의 양면에서 많은 기술혁신이 필요해지고 있다.
한편, 압전체 박막의 두께진동을 이용한 박막 음향공진기, 즉 박막 벌크 음향공진기 또는 박막 벌크파 음향공진자(Thin Film Bulk Acoustic Resonators 또는 Film Bulk Acoustic Resonator : 이하 FBAR라 함)는 기판에 설치된 얇은 지지막 위에 주로 압전체로 이루어지는 박막과, 이것을 구동하는 전극을 형성한 것이며, 기가헤르츠대에서의 기본 공진이 가능하다. FBAR로 필터를 구성하면, 현저하게 소형화할 수 있고, 또 저손실ㆍ광대역동작이 가능한 데다가 반도체 집적회로와 일체화할 수 있으므로, 장래의 초소형 휴대기기로의 응용이 기대되고 있다.
박막 음향공진기의 하나의 간단한 구성으로는, 압전체(PZ) 박막재료의 층이 두개의 금속전극 사이에 끼워진 끼워맞춤구조를 형성하고 있다. 이 끼워맞춤구조는 양단부가 지지되고 중앙부가 공중에 달아 매여진 브리징구조로 지지된다. 두개의 전극 사이에 인가되는 전압에 의해 전계가 발생하면, 압전체(PZ) 박막재료는 전기에너지를 의 얼마간을 음파형태의 기계에너지로 변환한다. 음파는 전계와 동일한 방향으로 전파하고, 전극과 공기의 경계면에서 반사한다. 또, 이하에서 압전체를 PZ으로 약기(略記)하기로 한다.
기계적으로 공진하고 있을 때, PZ 박막재료의 전기에너지/기계에너지 변환기 능에 의해, 박막 음향공진기는 전기공진기로서의 역할을 한다. 따라서, 이것을 이용하여 필터를 구성할 수 있다. 박막 음향공진기의 기계적 공진은 음파가 전파하는 재료의 두께가 음파의 반파장과 같아지는 주파수로 발생한다. 음파의 주파수는 전극에 인가되는 전기신호의 주파수와 같다. 음파의 속도는 빛의 속도보다 5∼6자릿수 작기 때문에, 얻어지는 공진기를 매우 소형으로 할 수 있다. 이 때문에, ㎓대의 용도를 위한 공진기를 평면치수 200미크론 미만, 두께 수미크론 미만의 구조로 구성할 수 있다.
이상과 같은 박막 음향공진기 및 상기 끼워맞춤구조를 적층한 형태의 적층형 박막 음향공진기, 즉 적층형 박막 벌크 음향공진기 및 필터(Stacked Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonators and Filters : 이하 SBAR이라 함)에 있어서, 끼워맞춤구조의 중심부는 스퍼터법으로 제작된 두께 약 1∼2미크론 정도의 압전체 박막이다. 상방 및 하방의 전극은 전기리드로서 작용하고, 압전체 박막을 끼워넣어 압전체 박막을 관통하는 전계를 부여한다. 압전체 박막은 전계에너지의 일부를 역학에너지로 변환한다. 시간변화하는 인가전계에너지에 응답하여 시간변화하는 「응력/왜곡」 에너지가 형성된다.
이러한 탄성파를 이용한 공진기나 필터 등에 응용되는 압전체 박막소자는 다음과 같이 하여 제조된다. 실리콘 등의 반도체 단결정기판이나, 실리콘웨이퍼 등의 위에 다결정 다이아몬드나 엘린버 등의 항탄성 금속의 막을 형성하여 이루어지는 기판의 표면 상에 각종 박막형성방법에 의해 유전체 박막, 도전체 박막 또는 이들의 적층막으로 이루어지는 바탕막을 형성한다. 이 바탕막 상에 압전체 박막을 형성 하고, 다시 필요에 따라 상부구조를 형성한다. 각 막을 형성한 후에, 또는 모든 막을 형성한 후에 각각의 막에 물리적 처리 또는 화학적 처리를 실시함으로써, 미세가공이나 패터닝을 행한다.
FBAR 또는 SBAR을 박막 음향공진기로서 동작시키려면, 압전체 박막을 포함하는 끼워맞춤구조를 브리징구조에 의해 지지하고, 음파를 끼워맞춤구조 내에 가두기 위한 공기/결정 경계면을 형성해야 한다. 끼워맞춤구조는 통상, 기판 표면 상에 하방전극(하부전극), 압전체층(압전체막, 압전체 박막층) 및 상방전극(상부전극)을 이 순서로 퇴적시킴으로써 만들어진다. 따라서, 끼워맞춤구조의 상측에는 공기/결정 경계면이 이미 존재하고 있다. 끼워맞춤구조의 하측에도 공기/결정 경계면을 설치해야 한다. 이 끼워맞춤구조의 하측의 공기/결정 경계면을 얻는 데에, 종래에는 이하에 나타내는 바와 같은 몇가지 방법이 이용되고 있다.
제 1 방법은 예를 들어, 일본 특개소 58-153412호 공보나 일본 특개소 60-142607호 공보에 기재된 바와 같이, 기판을 형성하고 있는 웨이퍼의 에칭제거를 이용하고 있고, 기판이 실리콘으로 이루어지는 것이면 가열 KOH 수용액을 사용하여 실리콘 기판의 일부를 이면측으로부터 에칭하여 제거하여 구멍을 형성한다. 기판의 상면 상에 바탕막, 하부전극, 압전체 박막 및 상부전극을 형성한 후에, 기판의 하면으로부터 진동부가 되는 부분의 아래에 있는 기판부분을 제거한다. 이로 인하여, 끼워맞춤구조의 가장자리를 실리콘기판의 전면측의 구멍 주위의 부분에서 지지한 형태의 공진기가 얻어진다. 그러나, 이러한 웨이퍼를 관통하여 형성된 구멍은 웨이퍼를 매우 섬세하게 하고, 또한, 매우 파괴되기 쉽게 한다. 또, 기판 표면에 대하 여 54.7도의 에칭 경사로 KOH를 이용한 습식 에칭을 행하면, 최종 제품의 취득량, 즉, 웨이퍼 상의 FBAR/SBAR의 제조수율을 향상시키기 어렵다. 예를 들어, 250㎛ 두께의 실리콘웨이퍼 상에 구성되는 약 150㎛ ×150㎛의 횡치수(평면치수)를 갖는 끼워맞춤구조는 약 450㎛ ×450㎛의 이면측 에칭구멍 개구부를 필요로 한다. 따라서, 웨이퍼의 약 1/9을 생산에 이용할 수 있을 뿐이다. 이방성 에칭에 의해 기판으로부터 압전체 박막의 진동부 아래에 위치하는 부분을 제거한 부유구조를 제작한 후에, 1소자단위별로 분리하여 PZ 박막소자인 박막 음향공진기(이것은 압전 박막공진자라고도 함)를 얻는다.
끼워맞춤구조 하에 공기/결정 경계면을 설치하는 종래의 제 2 방법은 예를 들어, 일본 특개평 2-13109호 공보에 기재된 바와 같이, 공기브리지식 FBAR 소자를 만드는 것이다. 통상, 처음에 희생층(Sacrificial layer)을 설치하고, 다음에 그 희생층 상에 끼워맞춤구조를 제작한다. 프로세스의 마지막 또는 마지막 가까이에서 희생층을 제거한다. 처리는 전부 웨이퍼의 전면측에서 행해지기 때문에, 이 방법은 웨이퍼 양면측의 위치맞춤이나 넓은 면적의 이면측 개구를 필요로 하지 않는다.
일본 특허공개 2000-69594호 공보에는, 희생층으로서 인산석영유리(PSG)를 사용한 공기브리지식 FBAR/SBAR의 구성과 제조방법이 기재되어 있다. 동 공보에서는, PSG층이 실리콘웨이퍼 상에 퇴적되어 있다. PSG는 실란 및 P2O5를 사용하여 약 450℃까지의 온도에서 퇴적되며, 인의 함유량이 약 8%인 연질유리와 같은 물질을 형성한다. PSG는 비교적 저온에서로 퇴적시킬 수 있으며, 또한, 희석 H2O : HF 용액 에서 매우 빠른 속도로 에칭된다.
그러나, 동 공보에서는 PSG 희생층의 표면 조도를 나타내는 높이의 RMS(2승평균평방근) 변동이 0.5㎛ 미만이라고 기재되어 있지만, 구체적으로는 0.1㎛보다 작은 오더의 RMS 변동에 대한 구체적인 기재는 없다. 이 0.1㎛ 오더의 RMS 변동은 원자적 레벨에서 보면 매우 거친 요철이다. FBAR/SBAR 형식의 박막 음향공진기는 결정이 전극평면에 수직인 기둥형상 결정을 이루어 성장하는 압전체 재료를 필요로 한다. 일본 특허공개 2000-69594호 공보에서는 PSG층의 표면에 평행한 도전(導電)시트를 형성하고 있고, 상기 도전시트의 높이의 RMS 변동은 2㎛ 미만으로 기재되어 있지만, 구체적으로는 0.1㎛보다 작은 오더의 RMS 변동에 대한 구체적인 기재는 없다. 이 0.1㎛ 오더의 RMS 변동은 박막 음향공진기용 압전체 박막을 형성하는 표면으로서는 불충분한 표면거칠기이다. 압전체 박막을 성장시키는 시도가 행해졌지만, 조면(粗面) 상의 다수의 요철의 영향으로 다양한 방향으로 결정이 성장하므로, 얻어진 압전체 박막의 결정품질이 반드시 충분한 것은 아니었다.
이상과 같은 공기/결정 경계면을 설치하는 대신에, 적절한 고체음향미러를 설치하는 방법도 있다. 이 방법은, 예를 들어 일본 특개평 6-295181호 공보에 기재된 바와 같이, 끼워맞춤구조 하에 음향적 블랙반사경으로 이루어지는 큰 음향 임피던스가 만들어진다. 블랙반사경은 고저의 음향 임피던스재료층을 교대로 적층함으로써 만들어진다. 각 층의 두께는 공진주파수의 파장의 1/4로 고정된다. 충분한 층수에 의해 압전체/전극 경계면에서의 유효 임피던스를 소자의 음향 임피던스보다 훨씬 높게 할 수 있고, 따라서, 압전체 내의 음파를 효율적으로 가둘 수 있다. 이 방법에 의해 얻어지는 음향공진기는 끼워맞춤구조 하에 공극(空隙)이 존재하지 않으므로, 고체음향미러부설 공진기(SMR)라고 불린다.
이 방법은, 양단부가 고정되고 중심부가 자유롭게 진동할 수 있는 막을 만든다는 상술한 제 1 방법 및 제 2 방법의 문제점을 해결하고 있지만, 이 방법에도 다수의 문제점이 있다. 즉, 금속층은 필터의 전기성능을 열화시키는 기생콘덴서를 형성하므로, 블랙반사경의 층에 사용할 수 없기 때문에, 블랙반사경에 사용하는 재료의 선택에는 제한이 있다. 이용 가능한 재료로 만들어지는 층의 음향 임피던스의 차는 크지 않다. 따라서, 음파를 가두기 위해서는 다수의 층이 필요하다. 이 방법은 각 층에 걸리는 응력을 정밀하게 제어해야 하므로, 제작공정이 복잡하다. 또, 10 내지 14라는 다수의 층을 관통하는 바이어를 만들기가 어렵기 때문에, 이 방법에 의해 얻어지는 음향공진기는 다른 능동요소와의 집적화에는 적합하지 않다. 또, 지금까지 보고된 예에서는, 이 방법에 의해 얻어지는 음향공진기는 공기브리지를 갖는 음향공진기보다 유효결합계수가 상당히 낮다. 그 결과, SMR에 기초하는 필터는 공기브리지식의 음향공진기를 이용한 것에 비해 유효대역폭이 좁다.
그런데, 상기한 바와 같이, 박막 음향공진기에서는 시간변화하는 인가전계 에너지에 응답하여, 끼워맞춤구조에 시간변화하는 「응력/왜곡」 에너지가 형성된다. 따라서, 기판과 끼워맞춤구조의 하방전극 사이의 밀착력이 낮은 경우에는 기판과 끼워맞춤구조가 박리되어 내구성이 저하된다. 즉, 박막 음향공진기의 수명이 줄어든다.
상기의 일본 특허공개 2000-69594호 공보 등에는 적합한 전극재료로서 Mo가 기재되어 있지만, 기판이 되는 실리콘웨이퍼 등과의 밀착성 향상에 관한 다른 특별한 기재는 없다.
또, 예를 들어 일본 특개평 2-309708호 공보 등에는 하방전극층으로서 Au/Ti 등의 2층으로 이루어지는 것을 이용하는 것이 기재되어 있다. 이 경우, Ti층은 Au층과 기판의 밀착성을 높이는 층으로서 존재한다. 즉, 이 Ti 밀착층은 박막 음향공진기 본래의 동작면에서는 필수적인 전극층이 아니지만, Ti 밀착층을 형성하지 않고 Au 전극층을 단독으로 형성한 경우에는 기판과 Au 전극층 사이의 밀착력이 부족하게 되어, 박리 등의 발생에 의해 박막 음향공진기의 동작시의 내구성을 현저히 손상시키게 된다.
이상과 같은 박막 음향공진기에서는, 전극면에 대하여 직각방향으로 전파하는 필요로 하는 종방향진동 외에, 전극면에 평행한 방향으로 전파하는 횡방향진동도 존재하며, 이 횡방향진동 중에는 박막 음향공진기의 필요로 하는 진동에 스퓨리어스(spurious)를 여진하여 공진기의 특성을 열화시키는 것이 있다.
본 발명의 목적은 개량된 성능을 갖는 FBAR/SBAR을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 압전체(PZ) 박막의 결정품질을 향상시킴으로써, 전기기계결합계수, 음향품질계수(Q값), 온도특성 등이 우수한 고성능의 FBAR/SBAR을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상방전극의 형상을 고안함으로써, 전기기계결합계수, 음향품질계수(Q값), 온도특성 등이 우수한 고성능의 FBAR/SBAR을 제공하는 것이다.
또, 본 발명의 다른 목적은 특히 스퓨리어스 여진이 감소된 FBAR/SBAR을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 하방전극층과 기판의 밀착성(접합강도)을 향상시킴으로써 FBAR/SBAR의 내구성을 향상시켜 장수명화를 도모하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 하방전극층과 기판의 밀착성을 향상시키는 동시에, 하방전극층 상에서의 결정품질 및 배향성이 양호한 압전체 박막의 형성을 가능하게 함으로써, 전기기계결합계수나 음향품질계수(Q값) 등이 우수한 고성능 FBAR/SBAR을 제공하는 것이다.
압전체 박막소자용 압전체 재료로서는 질화알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO), 카드뮴설파이드(CdS), 티탄산납[PT](PbTiO3), 티탄산지르콘산납[PZT](Pb(Zr, Ti)O3) 등이 이용되고 있다. 특히, AlN은 탄성파의 전파속도가 빠르고, 고주파대역에서 동작하는 박막 음향공진기나 필터의 압전 박막공진자의 압전체 재료로서 적합하다.
FBAR은 박막 중에서의 탄성파의 전파에 의해 공진을 얻고 있기 때문에, 압전체 박막의 진동특성은 물론, 전극층이나 바탕막의 진동특성이 FBAR의 공진 특성에 크게 영향을 준다. 지금까지 AlN 박막을 FBAR에 적용하기 위해 각종 검토를 행하였다. 그러나, 아직 기가헤르츠대역에서 충분한 성능을 발휘하는 박막 음향공진기나 박막필터는 얻어지고 있지 않다. 따라서, AlN 박막 뿐만아니라, 전극층이나 바탕막을 포함시킨 진동부의 전기기계결합계수, 음향품질계수, 또 공진주파수의 온도안정성이 우수한 압전 박막공진자, 즉 박막 음향공진기의 실현이 강하게 요구되고 있 다.
그래서, 본 발명은 탄성파의 전파속도가 빠르다는 AlN 박막의 특징을 살리면서, 전기기계결합계수 및 음향품질계수를 손상시키지 않고, 공진주파수의 온도안정성을 향상시킨 압전 박막공진자, 즉 박막 음향공진기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의하면, 이상과 같은 목적을 달성하는 것으로서,
압전체층과, 상기 압전체층의 제 1 표면에 접합된 제 1 전극과, 상기 압전체층의 상기 제 1 표면과 반대측의 제 2 표면에 접합된 제 2 전극을 갖고 있고, 상기 압전체층의 제 1 표면은 높이의 RMS 변동이 25nm 이하, 바람직하게는 20nm 이하인 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기가 제공된다.
본 발명에 있어서, 높이의 RMS 변동은 일본공업규격 JIS BO601 : 2001 「제품의 기하특성사양(GPS) - 표면상태 : 윤곽곡선방식 - 용어, 정의 및 표면상태 파라미터」에 기재된 2승평균평방근거칠기 : Rq이다(이하에 기재된 발명에 대해서도 동일).
또, 본 발명에 의하면, 이상과 같은 목적을 달성하는 것으로서,
압전체층과, 상기 압전체층의 제 1 표면에 접합된 제 1 전극과, 상기 압전체층의 상기 제 1 표면과 반대측의 제 2 표면에 접합된 제 2 전극을 갖고 있고, 상기 제 1 전극의 상기 압전체층 쪽의 표면은 높이의 RMS 변동이 25nm 이하, 바람직하게는 20nm 이하인 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기가 제공된다.
본 발명의 한 형태에서는, 상기 압전체층의 상기 제 2 표면은 높이의 RMS 변동이 상기 압전체층의 두께의 5% 이하이다. 본 발명의 한 형태에서는, 상기 제 2 전극 표면의 파형높이는 상기 압전체층의 두께의 25% 이하이다.
본 발명의 한 형태에서는, 상기 제 2 전극은 중앙부와 그 중앙부보다 두꺼운 외주부를 갖는다. 본 발명의 한 형태에서는, 상기 외주부는 상기 중앙부의 주위에 프레임형상으로 위치한다. 본 발명의 한 형태에서는, 상기 제 2 전극은 상기 중앙부의 두께변동이 그 중앙부의 두께의 1% 이하이다. 본 발명의 한 형태에서는, 상기 외주부의 두께는 상기 중앙부의 높이의 1.1배 이상이다. 본 발명의 한 형태에서는, 상기 외주부는 상기 제 2 전극의 외부가장자리로부터 40㎛까지의 거리의 범위 내에 위치한다. 본 발명의 한 형태에서는, 상기 중앙부 표면의 파형높이는 상기 압전체층의 두께의 25% 이하이다.
본 발명의 한 형태에서는, 상기 압전체층과 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극으로 이루어지는 끼워맞춤구조체는 기판의 표면에 형성된 홈을 지나치도록 상기 기판에 의해 가장자리부가 지지되어 있다. 본 발명의 한 형태에서는, 상기 기판의 표면 상에는 상기 홈을 지나치도록 형성된 절연체층이 배치되어 있으며, 그 절연체층 상에 상기 끼워맞춤구조체가 형성되어 있다.
또, 본 발명에 의하면, 이상과 같은 목적을 달성하는 것으로서,
압전체층과, 상기 압전체층의 제 1 표면에 접합된 제 1 전극과, 상기 압전체층의 상기 제 1 표면과 반대측의 제 2 표면에 접합된 제 2 전극을 갖는 박막 음향공진기를 제조하는 방법으로서,
기판의 표면에 홈을 형성하고, 그 홈 내에 희생층을 충전하며, 상기 희생층의 표면을 높이의 RMS 변동이 25nm 이하, 바람직하게는 20nm 이하가 되도록 연마하고, 상기 희생층 표면의 일부 영역과 상기 기판 표면의 일부 영역에 걸쳐서 그들 위에 상기 제 1 전극을 형성하고, 상기 제 1 전극 상에 상기 압전체층을 형성하며, 상기 압전체층 상에 상기 제 2 전극을 형성하고, 상기 홈 내로부터 상기 희생층을 에칭제거하는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 한 형태에서는, 상기 제 1 전극을 두께 150nm 이하로 형성하고, 상기 제 1 전극의 상면을 높이의 RMS 변동이 25nm 이하, 바람직하게는 20nm 이하가 되도록 한다.
본 발명의 한 형태에서는, 상기 희생층 위에 상기 제 1 전극을 형성하기에 앞서 절연체층을 형성한다.
다음에, 본 발명에 의하면, 이상과 같은 목적을 달성하는 것으로서,
기판과, 상기 기판 상에 배치되고 상기 기판측의 하방전극층 및 이것과 쌍을 이루는 상방전극층 사이에 압전체 박막층(압전체층)을 끼우도록 적층하여 이루어지는 끼워맞춤구조체를 구비하는 박막 음향공진기로서,
상기 끼워맞춤구조체는 상기 하방전극층과 상기 기판 사이에 추가로 위치하면서 상기 하방전극층과 접합된 밀착전극층을 갖고 있으며, 그 밀착전극층은 상기 기판에 상기 끼워맞춤구조체의 진동을 허용하도록 형성된 홈의 주위에서 상기 기판과 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기가 제공된다.
본 발명의 한 형태에서는, 상기 밀착전극층은 환상(環狀)으로 형성되어 있 고, 상기 밀착전극층의 상기 하방전극층과 접하는 부분의 평면면적을 S1로 하고, 상기 하방전극층의 평면면적을 S2로 하였을 때, 0.01 ×S2
Figure 112003042344419-pct00001
S1
Figure 112003042344419-pct00002
0.5 ×S2의 관계가 성립하고, 상기 상방전극층은 상기 밀착전극층의 내측에 대응하는 영역에 위치하고 있다.
본 발명의 한 형태에서는, 상기 밀착전극층은 Ti, Cr, Ni, Ta로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 재료로 구성되어 있고, 상기 하방전극층은 Au, Pt, W, Mo로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 재료로 구성되어 있으며, 상기 압전체 박막층은 AlN 또는 ZnO로 구성되어 있다.
또, 본 발명에 의하면, 이상과 같은 목적을 달성하는 것으로서,
홈이 형성되어 있는 기판의 표면에서, 상기 홈의 주위에 밀착전극층을 형성하고, 상기 밀착전극층보다 내측의 상기 홈에 대응하는 영역에서 상기 기판의 표면 상에 희생층을 형성하고, 상기 희생층의 표면을 연마하여 높이의 RMS 변동이 25nm 이하, 바람직하게는 20nm 이하가 되도록 평활화하고, 상기 희생층 및 상기 밀착전극층 위에 하방전극층, 압전체 박막층 및 상방전극층을 차례로 형성한 후에 상기 희생층을 제거하는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 한 형태에서는, 상기 희생층의 형성은, 우선 상기 기판 및 상기 밀착전극층을 덮도록 희생층재료의 층을 형성하고, 이어서 상기 희생층재료의 층을 상기 밀착전극층의 표면이 노출되도록 연마함으로써 행해지며, 상기 희생층의 제거는 에칭에 의해 행해지며, 상기 희생층으로서 유리 또는 플라스틱을 이용한다.
본 발명자들은 AlN을 주성분으로 하는 압전체 박막의 양면에 탄성율이 금, 백금, 알루미늄 및 동 등의 일반적인 전극재료에 비해 크고, 열탄성 손실이 현저하게 작은 몰리브덴(Mo)을 주성분으로 하는 전극을 형성하며, 또, 상기 압전체 박막의 공진주파수의 온도계수와 다른 부호의 온도계수를 갖는 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(Si3N4)을 주성분으로 하는 절연층을 진동부에 포함시켜 형성함으로써, 높은 전기기계결합계수와 높은 음향품질계수를 유지하면서 공진주파수의 온도안정성을 개선할 수 있는 것을 발견하여 본 발명에 이르렀다. 또, 질화알루미늄을 주성분으로 하는 압전체 박막의 두께를 t로 하고, 상기 산화실리콘 또는 질화실리콘을 주성분으로 하는 절연층의 두께(절연층이 복수인 경우에는 그들 두께의 합계)를 t'로 했을 때에 0.1
Figure 112003042344419-pct00003
t'/t
Figure 112003042344419-pct00004
0.5, 바람직하게는 0.2
Figure 112003042344419-pct00005
t'/t
Figure 112003042344419-pct00006
0.4를 만족하도록 각 층의 두께를 설정함으로써, 높은 전기기계결합계수와 높은 음향품질계수를 갖고, 온도안정성이 현저하게 양호한 고성능 FBAR을 실현할 수 있는 것을 발견하였다.
즉, 본 발명에 의하면, 상기의 목적을 달성하는 것으로서,
기판과, 상기 기판 상에 형성된 압전 적층구조체를 갖고 있고, 상기 압전 적층구조체의 일부를 포함하여 진동부가 구성되어 있으며, 상기 압전 적층구조체는 하부전극(하방전극), 압전체막(압전체층) 및 상부전극(상방전극)을 상기 기판 측으로부터 이 순서대로 적층하여 이루어지는 것이며, 상기 기판은 상기 진동부에 대응하는 영역에서 상기 진동부의 진동을 허용하는 공극을 형성하고 있는 압전 박막공진자에 있어서,
상기 압전체막이 질화알루미늄을 주성분으로 하는 것이고, 상기 하부전극 및 상기 상부전극이 몰리브덴을 주성분으로 하는 것이며, 상기 진동부는 상기 압전 적층구조체에 접합된 적어도 1층의 산화실리콘 또는 질화실리콘을 주성분으로 하는 절연층의 적어도 일부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 박막공진자가 제공된다. 또, 본 명세서에서, 용어「압전 박막공진자」는 용어「박막 음향공진기」와 동의어이다.
본 발명의 한 형태에서는, 상기 압전체막의 두께 t와 상기 적어도 1층의 절연층의 두께의 합계 t' 가 0.1
Figure 112003042344419-pct00007
t'/t
Figure 112003042344419-pct00008
0.5의 관계를 만족한다.
본 발명의 한 형태에서는, 상기 압전체막은 상기 질화알루미늄의 함유량이 90당량% 이상이다. 본 발명의 한 형태에서는, 상기 절연층은 상기 산화실리콘 또는 질화실리콘의 함유량이 50당량%(mol%) 이상이다. 본 발명의 한 형태에서는, 상기 하부전극 및 상기 상부전극은 상기 몰리브덴의 함유량이 80당량%(mol%) 이상이다.
본 발명의 한 형태에서는, 상기 절연층 중 하나가 상기 기판의 표면 상에 형성되어 있다. 본 발명의 한 형태에서는, 상기 절연층 중 하나가 상기 압전 적층구조체의 상기 기판과 반대쪽의 표면 상에 형성되어 있다.
본 발명의 한 형태에서는, 상기 기판은 실리콘 단결정으로 이루어진다. 본 발명의 한 형태에서는, 상기 상부전극은 서로 격리하여 형성된 제 1 전극부와 제 2 전극부로 이루어진다.
본 발명의 한 형태에서는, 2.0㎓ 근방에서의 공진주파수 및 반공진주파수의 측정값으로부터 구한 전기기계결합계수가 4.0∼6.5%이고, 음향품질계수가 750∼2000이며, 공진주파수의 온도계수가 -20∼20ppm/℃이다.
또, 본 발명에 의하면, 이상과 같은 압전 박막공진자를 이용하여 구성되는 VCO(전압제어발진기), 필터 및 송수신전환기가 제공되고, 그 기기에서 1㎓ 이상의 높은 주파수에서의 특성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 박막 음향공진기인 FBAR의 기본 구성을 설명하기 위한 모식적 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 박막 음향공진기인 SBAR의 기본 구성을 설명하기 위한 모식적 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 박막 음향공진기인 FBAR의 제조방법 및 그것에 의해 구해진 FBAR의 실시예를 설명하기 위한 모식적 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 박막 음향공진기인 FBAR의 제조방법 및 그것에 의해 구해진 FBAR의 실시예를 설명하기 위한 모식적 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 박막 음향공진기인 FBAR의 제조방법 및 그것에 의해 구해진 FBAR의 실시예를 설명하기 위한 모식적 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 박막 음향공진기인 FBAR의 제조방법 및 그것에 의해 구해진 FBAR의 실시예를 설명하기 위한 모식적 단면도.
도 7은 본 발명에 의한 박막 음향공진기인 FBAR의 제조방법 및 그것에 의해 구해진 FBAR의 실시예를 설명하기 위한 모식적 평면도.
도 8은 본 발명에 의한 박막 음향공진기인 FBAR의 제조방법 및 그것에 의해 구해진 FBAR의 실시예를 설명하기 위한 모식적 단면도.
도 9는 본 발명에 의한 박막 음향공진기인 FBAR의 제조방법 및 그것에 의해 구해진 FBAR의 실시예를 설명하기 위한 모식적 단면도.
도 10은 본 발명에 의한 박막 음향공진기인 FBAR의 제조방법 및 그것에 의해 구해진 FBAR의 실시예를 설명하기 위한 모식적 단면도.
도 11은 본 발명에 의한 박막 음향공진기인 FBAR의 제조방법 및 그것에 의해 구해진 FBAR의 실시예를 설명하기 위한 모식적 단면도.
도 12는 본 발명에 의한 박막 음향공진기인 FBAR의 제조방법 및 그것에 의해 구해진 FBAR의 상방전극의 평면도.
도 13은 본 발명에 의한 FBAR의 모식적 단면도.
도 14는 본 발명에 의한 SBAR의 모식적 단면도.
도 15는 본 발명에 의한 FBAR 및 그 제조방법을 설명하기 위한 모식적 단면도.
도 16은 본 발명에 의한 FBAR 및 그 제조방법을 설명하기 위한 모식적 단면도.
도 17은 본 발명에 의한 FBAR 및 그 제조방법을 설명하기 위한 모식적 단면도.
도 18은 본 발명에 의한 FBAR 및 그 제조방법을 설명하기 위한 모식적 단면도.
도 19는 본 발명에 의한 FBAR 및 그 제조방법을 설명하기 위한 모식적 단면도.
도 20은 본 발명에 의한 FBAR 및 그 제조방법을 설명하기 위한 모식적 단면도.
도 21은 본 발명에 의한 FBAR 및 그 제조방법을 설명하기 위한 모식적 평면도.
도 22는 본 발명에 의한 압전 박막공진자의 실시예를 도시하는 모식적 평면도.
도 23은 도 22의 X-X 단면도.
도 24는 본 발명에 의한 압전 박막공진자의 실시예를 도시하는 모식적 평면도.
도 25는 도 24의 X-X 단면도.
도 26은 본 발명에 의한 압전 박막공진자의 실시예를 도시하는 모식적 평면도.
도 27은 도 26의 X-X 단면도.
도 28은 본 발명에 의한 압전 박막공진자의 실시예를 도시하는 모식적 평면도.
도 29는 도 28의 X-X 단면도.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명에 의한 박막 음향공진기인 FBAR 및 SBAR의 기본 구성을 설명하기 위한 모식적 단면도이다.
도 1에서, FBAR(20)은 상방전극(21) 및 하방전극(23)을 구비하며, 이들은 압전체(PZ)재료의 층(22)의 일부를 끼워 끼워맞춤구조를 형성하고 있다. 적합한 PZ 재료는 질화알루미늄(AlN) 또는 산화아연(ZnO)이다. FBAR(20)에 사용되는 전극(21, 23)은 적합하게는 몰리브덴으로 만들어지지만, 다른 재료를 사용하는 것도 가능하다.
이 소자는 박막 PZ 재료 내의 벌크 탄성음향파의 작용을 이용하고 있다. 인가전압에 의해 2개의 전극(21, 23) 사이에 전계가 발생되면 PZ 재료는 전기에너지의 일부를 음파형태의 기계적 에너지로 변환한다. 음파는 전계와 동일한 방향으로 전파되어 전극/공기 경계면에서 반사된다.
기계적으로 공진하고 있을 때, PZ 재료의 전기에너지/기계에너지 변환기능에 의해, 음향공진기는 전기공진기로서의 역할을 한다. 따라서, 소자는 노치필터로서 동작할 수 있다. 소자의 기계적 공진은 음파가 전파하는 재료의 두께가 해당 음파의 반파장과 같아지는 주파수에서 발생한다. 음파의 주파수는 전극(21, 23) 사이에 인가되는 전기신호의 주파수이다. 소리의 속도는 빛의 속도보다 5∼6자릿수 작기 때문에, 소형의 공진기를 얻을 수 있다. ㎓대의 용도에 대한 공진기를 평면치수가 약 100㎛ 및 두께가 수㎛인 오더로 구성할 수 있다.
다음에, 도 2를 참조하여 SBAR에 대하여 설명한다. SBAR(40)은 대역필터와 유사한 전기적 기능을 부여한다. SBAR(40)은 기본적으로는 기계적으로 결합되어 있는 2개의 FBAR 필터이다. 압전체층(41)의 공진주파수로 전극(43, 44)을 횡단하는 신호는 음향에너지를 압전체층(42)에 전한다. 압전체층(42) 내의 기계적 진동은 전 극(44, 45)을 횡단하는 전기신호로 변환된다.
도 3∼도 8은 본 발명에 의한 박막 음향공진기인 FBAR의 제조방법 및 그것에 의해 얻어진 FBAR의 실시예를 설명하기 위한 모식적 단면도(도 3∼도 6, 도 8) 및 모식적 평면도(도 7)이다.
우선, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 집적회로제작에 이용되고 있는 통상의 실리콘웨이퍼(51)에, 에칭에 의해 홈을 형성한다. 홈의 깊이는 적합하게는 1.5∼30㎛, 더욱 바람직하게는 1.5∼10㎛ 또는 경우에 따라서는 3∼30㎛이다. FBAR의 끼워맞춤구조 하의 공동(空洞)의 깊이는 압전체층에 의해 생기는 변위를 허용하면 된다는 것을 생각하면, 공동의 깊이는 수㎛이면 충분하다.
웨이퍼(51)의 표면에 열산화에 의해 산화실리콘의 박층(53)을 형성하고, 이로 인하여, 그 위에 이후의 공정에서 형성되는 희생층의 PSG로부터 웨이퍼(51) 내로 인이 확산되지 않도록 한다. 이 박층(53)으로서는 산화실리콘층 대신에 저압 CVD법으로 형성한 질화실리콘층을 이용해도 된다. 이와 같이, 웨이퍼 내로 인이 확산되는 것을 억제함으로써, 실리콘웨이퍼가 도체로 변환되는 것이 저지되어, 제작된 소자의 전기적 동작에 대한 악영향을 없앨 수 있다. 이상과 같이 하여 웨이퍼(51) 표면에 산화실리콘 또는 질화실리콘의 박층(53)을 형성한 것을 기판으로서 이용한다. 즉, 도 3은 기판의 표면에 깊이가 적합하게는 1.5∼30㎛, 더욱 바람직하게는 1.5∼10㎛ 또는 경우에 따라서는 3∼30㎛의 홈(52)을 형성한 상태를 나타낸다.
다음에, 도 4에 도시되는 바와 같이, 기판의 산화실리콘 또는 질화실리콘의 박층(53) 상에 인산석영유리(PSG)층(55)을 퇴적시킨다. PSG는 실란 및 P2O5원이 되는 물질을 원료에 사용하여 약 450℃까지의 온도에서 퇴적되고, 인의 함유량이 약 8%인 연질유리와 같은 물질을 형성한다. 실란의 예로서는 모노실란(Monosilane : SiH4), 트리클로르실란(Trichlorosilane SiHCl3), 테트라메톡시실란(Silicon tetramethoxide : Si(OCH3)4), 테트라에톡시실란(Silicon tetraethoxide : Si(OC2H5)4) 등을 들 수 있다. P2O5원이 되는 물질의 예로서는 P2O5 외에, 포스핀(PH3), 아인산트리메틸(Trimethyl phosphite : P(OCH3)3), 아인산트리에틸(Triethyl phosphite : P(OC2H5)3), 인산트리메틸(Trimethyl phosphate : PO(OCH3)3), 인산트리에틸(Triethyl phosphate : PO(OC2H 5)3) 등을 들 수 있다. 이 저온 프로세스는 당업자에게 주지사항이다. PSG는 비교적 저온에서 퇴적시킬 수 있고, 또한, 희석 H2O : HF 용액으로 매우 높은 에칭속도로 에칭되는 매우 깨끗한 비활성 재료이기 때문에, 희생층의 재료로서 적합하다. 이후의 공정에서 실행되는 에칭에서 10:1의 희석비율로 매분 약 3㎛의 에칭속도를 얻을 수 있다.
퇴적한 채로의 PSG 희생층(55)의 표면은 원자레벨로 보면 매우 거칠다. 따라서, 퇴적한 채로의 PSG 희생층(55)은 음향공진기를 형성하는 기초체로서는 불충분하다. FBAR/SBAR 형식의 음향공진기는 결정이 전극면에 수직인 기둥형상결정을 이루어 성장하는 압전재료를 필요로 한다. 미세한 연마입자를 포함하는 연마슬러리를 이용하여 PSG 희생층(55)의 표면을 연마하여 매끄럽게 함으로써, 우수한 결정의 압 전재료의 박막을 형성한다.
즉, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, PSG층(55)의 표면을 조면마감 슬러리로 연마함으로써 전체적으로 평면화하여, 홈(52)의 외측의 PSG층 부분을 제거한다. 다음에, 남아 있는 PSG층(55)을 더욱 미세한 연마입자를 포함하는 슬러리로 연마한다. 대체방법으로서, 연마시간이 걸려도 괜찮다면 하나의 더욱 미세한 슬러리를 이용하여 상기 2단계의 연마단계를 실행해도 된다. 목표는 거울면마감이다.
본 발명에서는 PSG층을 연마하기 전에 치밀화와 리플로우를 겸하여, PSG층을 고온으로 열처리하는 것이 바람직하다. 이 PSG층의 열처리는 RTA(Rapid Thermal Anneal)법으로 행할 수 있다. 이것은, 질소분위기 중 또는 질소-산소 혼합분위기 중에서 750℃∼950℃의 온도에서 행해진다. 또는, 고온열처리를 확산로 또는 램프가열에 의해 행해도 된다. 본 발명에서는 PSG층을 고온으로 열처리함으로써, PSG층을 보다 치밀한 구조로 하는 동시에, 그 경도를 높인다. 경도를 높임으로써, 그 후의 CMP(화학적 기계적 연마)에서, PSG막 표면에 스크래치 등의 연마상처가 생기는 것을 억제하여 표면을 양호하게 평탄화할 수 있다.
이상과 같이 하여 홈(52)에 대응하는 위치에 PSG층(55)을 잔류시킨 기판의 클리닝도 중요하다. 슬러리는 웨이퍼 상에 소량의 실리카 조면분말을 남긴다. 이 조면분말을 제거시켜야 한다. 본 발명의 적합한 실시예에서는, 이 조면분말을 폴리텍스(Polytex(상표) : 로델ㆍ니터사)와 같은 견고한 패드가 부착된 제 2 연마구를 사용하여 제거한다. 그 때의 윤활제로서, 탈이온수를 사용하고, 연마하고나서 최종 클리닝단계의 준비가 완료될 때까지 웨이퍼를 탈이온수 내에 넣어둔다. 기판을 마 지막 연마단계와 마지막 클리닝단계 사이에서 건조시키지 않도록 주의한다. 마지막 클리닝단계는 기판을 여러가지 화학약품이 들어 있는 일련의 탱크에 담그는 것으로 이루어진다. 각 탱크에 초음파 교반을 가한다. 이러한 클리닝수단은 당업자에게 주지사항이다.
연마제는 실리카 미립자로 구성되어 있다. 본 발명의 적합한 실시예에서는 실리카 미립자의 암모니아 주체 슬러리(Rodel Klebosol #30N : 로델ㆍ니터사)를 이용한다.
이상의 설명에서는 특정한 연마 및 클리닝의 양식을 나타내었지만, 원하는 매끄러운 표면을 부여하는 어떤 연마 및 클리닝양식도 이용할 수 있다. 본 발명의 적합한 실시예에서는, 최종 표면은 원자간력 현미경 프로브로 측정한 높이의 RMS 변동이 25nm 이하(바람직하게는 2Onm 이하)이다.
이상과 같이 하여 표면을 깨끗하게 하고 나서, 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 끼워맞춤구조체(60)의 하방전극(61)을 퇴적시킨다. 하방전극(61)의 적합한 재료는 몰리브덴(Mo)이다. 그러나, 하방전극(61)을 다른 재료, 예를 들어 Al, W, Au, Pt 또는 Ti로 구성할 수도 있다. 열탄성 손실이 적기 때문에 몰리브덴(Mo)이 적합하다. 예를 들어, Mo의 열탄성 손실은 Al의 약 1/56이다.
하방전극(61)의 두께도 중요하다. 두꺼운 층은 얇은 층보다 표면이 거칠게 된다. 압전체층(62)의 퇴적을 위한 매끄러운 표면을 유지하는 것은, 얻어지는 공진기의 성능에 있어서 매우 중요하다. 따라서, 하방전극의 두께는 적합하게는 150nm 이하이다. Mo는 적합하게는 스퍼터링에 의해 퇴적된다. 이로 인하여, 표면 높이의 RMS 변동이 25nm 이하(바람직하게는 20nm 이하)인 Mo층을 얻을 수 있다.
하방전극(61)을 모두 퇴적하고나서 압전체층(62)을 퇴적한다. 압전체층(62)의 적합한 재료는 AlN 또는 Zn0이고, 이것도 스퍼터링에 의해 퇴적된다. 본 발명의 적합한 실시예에서는, 압전체층(62)의 두께는 0.1㎛ 내지 10㎛ 사이(바람직하게는 0.5㎛∼2㎛)에 있다. 압전체층(62)의 상면은 높이의 RMS 변동이 압전체층 두께(평균값)의 5% 이하인 것이 바람직하다.
마지막으로, 상방전극(63)을 퇴적시킨다. 상방전극(63)은 하방전극(61)과 동일한 재료로 구성되고, 적합하게는 Mo로 구성된다.
이상과 같이 하여, 하방전극(61), 압전체층(62) 및 상방전극(63)으로 이루어지고, 원하는 형상으로 패터닝된 끼워맞춤구조체(60)를 형성하고 나서 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 끼워맞춤구조체(60)의 단부 또는 끼워맞춤구조체(60)에 의해 덮이지 않고 노출되어 있는 희생층(55) 부분으로부터 희석 H2O : HF 용액으로 에칭함으로써, 끼워맞춤구조체(60)의 하방의 PSG를 제거한다. 이로 인하여, 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 홈(52) 위에 브리징된 끼워맞춤구조체(60)가 남는다. 즉, 끼워맞춤구조체(60)는 기판의 표면에 형성된 홈(52)을 지나치도록 기판에 의해 가장자리부가 지지되어 있다.
이상과 같이 하여 얻어진 FBAR에서는, 희생층(55)의 표면(높이의 RMS 변동이 25nm 이하(바람직하게는 20nm 이하))에 따라서, 그 위에 형성된 하방전극(61)의 하면 높이의 RMS 변동이 25nm 이하(바람직하게는 20nm 이하)이고, 또, 상기 하방전극(61)은 두께가 얇기 때문에 상면도 높이의 RMS 변동이 25nm 이하(바람직하게는 20nm 이하)이다. 그리고, 이 하방전극(61)의 상면에 따라서, 그 위에 형성된 압전체층(62) 하면의 높이의 RMS 변동이 25nm 이하(바람직하게는 20nm 이하)이다. 하방전극(61)의 매끄러운 상면은 압전체층(62)의 성장핵이 되는 결정구조를 구비하고 있지 않음에도 불구하고, 형성되는 압전체층(62)에 매우 규칙적인 구조의 c축 배향을 형성하여 우수한 압전특성을 부여한다.
도 9∼도 10은 본 발명에 의한 음향공진기인 FBAR의 제조방법 및 그것에 의해 얻어진 FBAR의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 모식적 단면도이다. 이 실시예에서는 상기 도 3∼도 5에 관하여 설명한 바와 같은 공정 후에, 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 절연체층(54)을 형성한다. 절연체층(54)은 예를 들어 SiO2막이고, CVD법으로 퇴적할 수 있다. 또, 희생층(55)을 제거하기 위한 에칭액에 대한 내성을 고려하면, 절연체층(54)으로서는 SiO2막보다 저압 CVD법으로 형성된 Si3N4막을 사용하는 편이 바람직하다. 절연체층(54)으로서 SiO2막을 사용하는 경우에는 희생층(55)을 제거하기 위한 에칭시에 SiO2막의 노출면에 적절한 프로텍트를 실시하면 된다.
또, 상기 도 6에 관하여 설명한 바와 같은 공정을 행하여 끼워맞춤구조체(60)를 형성한다. 이어서, 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 도 7 및 도 8에 관하여 설명한 바와 같은 공정을 행하여 FBAR을 얻는다. 그 때, 희생층(55)을 에칭제거하기 위해, 끼워맞춤구조체(60)의 단부 또는 끼워맞춤구조체(60)에 의해 덮여있지 않은 절연체층(54) 부분이고 희생층(55)의 상 방부분에 적절한 크기의 개구부를 형성하고, 그 개구부로부터 에칭액을 공급한다.
본 실시예의 FBAR은 끼워맞춤구조체(60)와 공동(52) 사이에 절연체층(54)이 배치되어 있고, 끼워맞춤구조체(60)에 덧붙여 절연체층(54)을 포함하여 진동부가 구성되므로, 상기 진동부의 강도가 향상되고 진동부의 진동에서의 주파수 온도특성이 더욱 개선된다.
절연체층(54)의 두께 t'는 바람직하게는 50∼1000nm의 범위 내의 값이다. 이것은 압전체층(62)의 두께 t에 대한 절연체층(54)의 두께 t'의 비 t'/t가 0.1 이상 0.5 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하고, 압전체층(62)의 두께 t는 상기한 바와 같이 500nm∼2000nm의 범위 내에 있는 것이 바람직하기 때문이다. 비 t'/t가 0.1 이상 0.5 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직한 이유로서는, t'/t를 0.1 이상으로 함으로써, 절연체층(54)을 포함하는 진동부의 진동에서의 주파수 온도특성을 개선하는 효과가 높여지고, t'/t를 0.5 이하로 함으로써 절연체층(54)을 포함하는 진동부의 진동에서의 전기기계결합계수 및 음향품질계수(Q값)의 저하를 저지할 수 있기 때문이다. 절연체층(54)의 상면은 높이의 RMS 변동이 예를 들어, 25nm 이하(바람직하게는 20nm 이하)이다.
이상의 실시예에서, 한층 높은 음향품질계수(Q값)를 얻기 위해서는 절연체층(54)이나, 하방전극(61), 압전체층(62) 및 상방전극(63)의 각 층에서의 두께의 균일성이 한층 양호한 것이 필요하다. 이 두께의 균일성은 상방전극(63)의 표면의 파형높이에 반영된다(즉, 상방전극(63)의 표면의 파형높이가 높은 경우에는 적어도 하나의 층의 두께균일성이 낮다). 그래서 한층 높은 음향품질계수(Q값)를 얻기 위해, 상방전극(63)의 표면의 파형높이는 압전체층(62)의 두께의 25% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 또, 다른 관점에서는, 상방전극(63)의 표면의 파형높이는 측정길이의 0.5% 이하가 되도록 하는(측정길이가 150㎛인 경우에는 파형높이 0.75㎛ 이하) 것이 바람직하다.
이상의 실시예는 FBAR에 관한 것이다. 그러나, 당업자는 이상의 설명에서, 동일한 프로세스를 이용하여 SBAR을 제작하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. SBAR의 경우에는 또 하나의 압전체층(제 2 압전체층) 및 그 위의 전극(제 2 상방전극)을 퇴적해야 한다. 제 2 압전체층은 상기 실시예에서 나타나 있는 바와 같은 「FBAR」의 상방전극 위에 형성되어 있기 때문에, 그 상방전극의 두께를 150nm 이하로 유지하여 제 2 압전체층을 퇴적하기 위한 적절한 표면(제 1 압전체층의 하방전극의 표면과 동일)을 부여해야 한다.
도 11은 본 발명에 의한 음향공진기인 FBAR의 제조방법 및 그것에 의해 얻어진 FBAR의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 모식적 단면도이고, 도 12는 그 상방전극의 평면도이다. 이 실시예에서는 상방전극(63)의 형상만이 상기 도 3∼도 8에 관하여 설명한 실시예와 다르다.
본 실시예에서는 상방전극(63)이 중앙부(631)와 상기 중앙부의 주위에 프레임형상으로 위치하되 중앙부(631)보다 두꺼운 외주부(632)를 갖는다. 중앙부(631)와 외주부(632)의 경계는 단차에 의해 형성되어 있다.
외주부(632)의 두께는 중앙부(631)의 두께의 1.1배 이상인 것이 바람직하다. 또, 중앙부(631)의 두께변동은 상기 중앙부의 두께(평균값)의 1% 이하인 것이 바람 직하다. 상방전극(63)의 치수 a는 예를 들어 100㎛이다. 외주부(632)는 상방전극(63)의 외부가장자리로부터 거리 b까지의 범위 내에 위치하고 있고, 거리 b는 예를 들어 40㎛까지의 값이다.
이러한 상방전극구조로 함으로써, 상방전극 외주부에서의 횡방향의 진동발생을 억제하고, 음향공진기의 진동에 여분의 스퓨리어스진동이 겹치는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 음향공진기 및 필터의 공진특성이나 품질계수가 개선된다.
본 실시예에서는 한층더 높은 음향품질계수(Q값)를 얻기 위해, 상방전극(63)의 중앙부(631) 표면의 파형높이는 압전체층(62)의 두께의 25% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 또, 다른 관점에서는 상방전극(63)의 중앙부(631) 표면의 파형높이는 측정길이의 0.5% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 상술한 실시예에서는 PSG로 구성된 희생층을 이용하고 있지만, 희생층에는 다른 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, BPSG(Boron-Phosphor-Silicate-Glass : 붕소-인-실리콘-유리), 또는 스핀ㆍ유리와 같은 다른 형태의 유리를 이용할 수도 있다. 이 외에도, 스피닝에 의해 재료 상에 퇴적되는 폴리비닐, 폴리프로필렌 및 폴리스티렌과 같은 플라스틱이 있다. 퇴적한 이들 재료의 표면은 원자적 레벨에서 보면 매끄럽지 않으므로, 이들 재료로부터 희생층을 구성하는 경우에도 PSG 희생층의 경우와 같이, 연마에 의한 표면평활화가 중요하다. 이들 희생층은 유기제거재 또는 O2 플라즈마 에칭에 의해 제거할 수도 있다.
다음에, 도 13 및 도 14는 각각 본 발명에 의한 박막 음향공진기인 FBAR 및 SBAR의 단면도이다.
도 13에서, FBAR(20)은 상방전극층(21), 하방전극층(23) 및 밀착전극층(24)을 구비하며, 이들은 압전체 박막층(22)의 일부를 끼워 끼워맞춤구조체를 형성하고 있다. 압전체 박막층(22)의 적합한 재료는 질화 알루미늄(AlN) 또는 산화아연(ZnO)이다. FBAR(20)에 사용되는 밀착전극층(24)은 적합하게는 Ti, Cr, Ni, Ta로 만들어지지만, 다른 재료를 사용하는 것도 가능하다. 상방 및 하방의 전극층(21, 23)은 적합하게는 Au, Pt, W, Mo로 만들어지지만, 다른 재료를 사용하는 것도 가능하다. 끼워맞춤구조체는 기판(11)의 상면에 형성된 홈(12)의 주위에서 상기 기판(11) 상에 밀착전극층(24)이 위치하도록 하여 배치되어 있다.
이 소자는 압전체 박막층 내의 벌크 탄성 음향파의 작용을 이용하고 있다. 인가전압에 의해 2개의 전극(21, 23) 사이에 전계가 생기면 압전체 박막은 전기에너지의 일부를 음파형태의 기계적 에너지로 변환한다. 음파는 전계와 동일한 방향으로 전파하고, 전극/공기 경계면에서 반사된다.
기계적으로 공진하고 있을 때, PZ 재료의 전기에너지/기계에너지 변환기능에 의해 음향공진기는 전기공진기로서의 역할을 한다. 따라서, 소자는 노치필터로서 동작할 수 있다. 소자의 기계적 공진은 음파가 전파하는 재료의 두께가 해당 음파의 반파장과 같아지는 주파수에서 발생한다. 음파의 주파수는 전극(21, 23) 사이에 인가되는 전기신호의 주파수이다. 음파의 속도는 빛의 속도보다 5∼6자릿수 작기 때문에, 매우 소형의 공진기를 얻을 수 있다. ㎓대의 용도에 대한 공진기를 평면치수가 약 100㎛, 두께가 수㎛인 오더의 치수로 구성할 수 있다.
다음에, 도 14를 참조하여 SBAR에 대하여 설명한다. SBAR(40)은 대역필터와 유사한 전기적 기능을 부여한다. SBAR(40)은 기본적으로는 기계적으로 결합되어 있는 2개의 FBAR 필터이다. 압전체 박막층(42)의 공진주파수로 밀착전극층(24) 및 하방전극층(45)과 전극층(44)을 횡단하는 신호는 음향에너지를 압전체 박막층(41)에 전한다. 압전체 박막층(41) 내의 기계적 진동은 전극층(44)과 전극층(43)을 횡단하는 전기신호로 변환된다.
도 15∼도 21은 본 발명에 의한 박막 음향공진기인 FBAR의 제조방법 및 그것에 의해 구해진 FBAR의 실시예를 설명하기 위한 모식적 단면도(도 15∼도 20) 및 모식적 평면도(도 21)이다.
우선, 도 15에 도시되어 있는 바와 같이, 집적회로제작에 이용되고 있는 통상의 실리콘웨이퍼(51)에 에칭으로 홈을 형성한다. 홈의 깊이는 적합하게는 1.5∼30㎛, 더욱 바람직하게는 1.5∼10㎛, 또는 경우에 따라서는 3∼30㎛이다. FBAR의 끼워맞춤구조체 아래의 공동의 깊이는 압전체 박막층에 의해 생기는 변위를 허용하면 된다. 따라서, 공동의 깊이는 수㎛이면 충분하다.
웨이퍼(51)의 표면에 열산화에 의해 산화실리콘의 박층(53)을 형성하고, 이로 인하여, 그 위에 이후의 공정에서 형성되는 희생층의 PSG로부터 웨이퍼(51) 내로 인이 확산되지 않도록 한다. 이 박층(53)으로서는 산화실리콘층 대신에, 저압 CVD법으로 형성한 질화실리콘층을 이용해도 된다. 이와 같이, 웨이퍼(51) 내로 인이 확산되는 것을 억제함으로써, 실리콘웨이퍼가 도체로 변환되는 것이 저지되고, 제작된 소자의 전기적 동작에 대한 악영향을 없앨 수 있다. 이상과 같이 하여 웨이 퍼(51) 표면에 산화실리콘 또는 질화실리콘의 박층(53)을 형성한 것을 기판으로서 이용한다. 즉, 도 15는 기판의 표면에 깊이가 적합하게는 1.5∼30㎛, 더욱 바람직하게는 1.5∼10㎛ 또는 경우에 따라서는 3∼30㎛의 홈(52)을 형성한 상태를 나타낸다.
다음에, 도 16에 도시되어 있는 바와 같이, 기판 상에 홈(52)을 둘러싸도록 하여 밀착전극층(161)을 접합형성한다. 밀착전극층(161) 상면의 면적(평면면적)을 S1로 하고, 그 위에 형성하는 하방전극의 평면면적을 S2로 하였을 때, S1이 0.01 ×S2
Figure 112003042344419-pct00009
S1
Figure 112003042344419-pct00010
0.5 ×S2의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. S1 < 0.01 ×S2의 경우에는 기판과 하방전극의 밀착력이 약해져서, 본 발명의 효과가 충분히 발현되지 않는 경향이 있다. 또, S1 > 0.5 ×S2의 경우에는 밀착전극층(161)이 박막 음향공진기의 동작에 영향을 주어, 양호한 공진특성이 얻어지지 않는 경향이 있다. 밀착전극층(161)의 두께는 그 위에 형성하는 하방전극층을 유지하기에 충분한 것이면 되고, 예를 들어 20nm 내지 1㎛까지의 범위 내이면 된다. 또한, 밀착전극층(161)의 재료는 적합하게는, Ti, Cr, Ni, Ta로부터 선택되는 적어도 한 종류를 포함하는 것이면 된다.
이상과 같이, 밀착전극층(161)을 기판의 홈(52의) 주위에 설치함으로써, 박막 음향공진기에서의 횡방향의 진동발생을 억제하고, 박막 음향공진기의 진동에 여분의 스퓨리어스진동이 겹치는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 박막 음향공진기 및 필터의 공진특성, 품질계수가 개선된다. 또, Au, Pt, W, Mo 등으로 이루어지는 하방전극층의 중앙부의 하측에는 Ti, Cr, Ni, Ta 등으로 이루어지는 밀착전극층(161) 이 존재하지 않기 때문에, 이 부분에서는 하방전극층의 배향성 및 결정성을 높일 수 있고, 그 결과, 로킹커브에서의 회절피크 반값폭(FWHM)이 작고, 배향성 및 결정품질이 우수한 압전체 박막층을 형성할 수 있는 것이 발견되었다. 압전체 박막층의 높은 배향성 및 양질의 결정화에 의해, 본 발명의 박막 음향공진기 및 필터의 공진특성 및 품질계수가 개선된다.
그런데, 다음에, 도 17에 도시되어 있는 바와 같이, 밀착전극층(161)이 형성된 기판의 산화실리콘 또는 질화실리콘의 박층(53) 상에 PSG로 이루어지는 희생층(55)을 퇴적시킨다. 상기한 바와 같이, PSG는 실란 및 P2O5원이 되는 물질을 원료에 사용하여 약 450℃까지의 온도에서 퇴적되고, 인의 함유량이 약 8%인 연질유리와 같은 물질을 형성한다. 실란의 예로서는, 모노실란(Monosilane : SiH4), 트리클로로실란(Trichlorosilane : SiHCl3), 테트라메톡시실란(Silicon tetramethoxide : Si(OCH3)4), 테트라에톡시실란(silicon tetraethoxide : Si(OC2H5)4) 등을 들 수 있다. P2O5원이 되는 물질의 예로서는, P2O5 외에 포스핀(PH3), 아인산트리메틸(Trimethyl phosphite : P(OCH3)3), 아인산트리에틸(Triethyl phosphite : P(OC2H5)3), 인산트리메틸(Trimethyl phosphate : PO(OCH3)3), 인산트리에틸(Triethyl phosphate : PO(OC2H 5)3) 등을 들 수 있다. 이 저온 프로세스는 당업자에게 주지사항이다. PSG는 비교적 저온에서 퇴 적시킬 수 있으면서 희석 H2O : HF 용액으로 매우 빠른 에칭속도로 에칭되는 매우 깨끗한 비활성 재료이기 때문에, 희생층의 재료로서 적합하다. 이후의 공정에서 실행되는 에칭에 있어서 10:1의 희석비율로 매분 약 3㎛의 에칭속도를 얻을 수 있다.
퇴적한 채로의 PSG 희생층(55)의 표면은 원자레벨로 보면 매우 거칠다. 따라서, 퇴적한 채로의 PSG 희생층(55)은 박막 음향공진기를 형성하는 기체로서는 불충분하다. FBAR/SBAR 형식의 박막 음향공진기는 결정이 전극면에 수직인 기둥형상결정을 이루어 성장하는 압전체재료를 필요로 한다. 미세한 연마입자를 포함하는 연마슬러리를 이용하여 PSG 희생층(55)의 표면을 연마하여 매끄럽게 함으로써, 우수한 배향성 및 결정품질을 갖는 하방전극층을 형성할 수 있게 되고, 나아가서는 우수한 배향성 및 결정품질을 갖는 압전체 박막층을 형성할 수 있게 된다.
즉, 도 18에 도시되어 있는 바와 같이, PSG 희생층(55)의 표면을 조면마감 슬러리로 연마함으로써 평면화하여, 밀착전극층(161) 위에 퇴적한 PSG 층의 부분을 제거한다. 다음에, 남아 있는 PSG층(55)을 더욱 미세한 연마입자를 포함하는 정밀마감 슬러리를 사용하여 연마할 수 있다. 대체방법으로서, 연마시간이 오래 걸려도 괜찮다면, 하나의 미세한 정밀마감 슬러리를 2단계의 연마단계에서 사용할 수도 있다. 목표는 「미러」형상마감(거울면마감)을 실현하는 것이다.
본 발명에서는 PSG층을 연마하기 전에, 치밀화와 리플로우를 겸하여, PSG층을 고온에서 열처리하는 것이 바람직하다. 이 PSG층의 열처리는 RTA(Rapid Thermal Anneal)법으로 행할 수 있다. 이것은 질소분위기 중 또는 질소-산소 혼합분위기 중 에서 750℃∼950℃의 온도에서 행해진다. 또는, 고온열처리를 확산로 또는 램프가열에 의해 행해도 된다. 본 발명에서는 PSG층을 고온에서 열처리함으로써, PSG층을 보다 치밀한 구조로 하는 동시에, 그 경도를 높인다. 경도를 높임으로써, 그 후의 CMP(화학적 기계적 연마)에 있어서, PSG막 표면에 스크래치 등의 연마상처가 발생하는 것을 억제하여, 표면을 양호하게 평탄화할 수 있다.
이상과 같이 하여 실행된 연마 후의 기판의 클리닝도 중요하다. 슬러리는 기판 상에 소량의 실리카 조면분말을 남기므로, 이 조면분말을 제거해야 한다. 본 발명의 적합한 실시예에서는, 이 실리카 조면분말을 폴리텍스(Polytex(상표) : 로델ㆍ니터사)와 같은 견고한 패드가 부착된 제 2 연마구를 사용하여 제거한다. 그 때의 윤활제로서 탈이온수를 사용하고, 연마하고나서 최종 클리닝단계의 준비가 완료될 때까지 기판을 탈이온수 내에 넣어둔다. 기판을, 마지막 연마단계와 마지막 클리닝단계 사이에서 건조시키지 않도록 주의한다. 마지막 클리닝단계는 기판을 여러가지 화학약품이 들어 있는 일련의 탱크에 담그는 것으로 이루어진다. 각 탱크에서는 초음파교반이 가해진다. 이러한 클리닝수단은 당업자에게 주지사항이다.
연마제는 실리카 미립자로 구성되어 있다. 본 발명의 적합한 실시예에서는, 실리카 미립자의 암모니아 주체 슬러리(Rodel Klebosol #30N : 로델ㆍ니터사)를 이용한다.
이상의 설명에서는 특정한 연마 및 클리닝의 양식을 나타내었지만, 원하는 매끄러운 표면을 부여하는 어떤 연마 및 클리닝 양식이라도 이용할 수 있다. 본 발명의 적합한 실시예에서는, 최종 표면은 원자간력 현미경 프로브로 측정한 높이의 RMS 변동이 25nm 이하, 바람직하게는 2Onm 이하, 더욱 바람직하게는 1Onm 이하의 표면조도이다.
이상과 같이 하여 표면을 평활하게 하고, 또 밀착전극층(161)의 표면을 플라즈마 에칭에 의해 청정화처리한 후, 도 19에 도시되어 있는 바와 같이, 끼워맞춤구조체(60)의 하방전극층(162)을 퇴적시킨다. 하방전극층(162)의 적합한 재료는 Au, Pt, W, Mo이다. 이 하방전극층(162)의 배향성 및 결정성이 그 위에 형성되는 압전체 박막층(163)의 배향성 및 결정품질에 반영된다.
하방전극층(162)의 두께도 중요하다. 두꺼운 층은 얇은 층보다 표면이 거칠게 된다. 상기한 바와 같이, 압전체 박막층(163)을 퇴적하기 위한 매끄러운 표면을 유지하는 것은, 얻어지는 공진기의 성능에 있어서 매우 중요하다. 따라서, 하방전극층(162)의 두께는 적합하게는 200nm 미만이다. Au, Pt, W, Mo는 적합하게는 스퍼터링에 의해 퇴적된다. 이 방법에 의해, 표면의 높이의 RMS 변동이 25nm 이하, 바람직하게는 20nm 이하, 더욱 바람직하게는 10nm 이하의 표면조도의 하방전극층(162)을 얻을 수 있다.
하방전극층(162)을 모두 퇴적하고나서, 하방전극층(162)의 주위에 남은 PSG 희생층을 제거하고, 압전체 박막층(163)을 퇴적한다. 압전체 박막층(163)의 적합한 재료는 AlN 또는 ZnO이고, 이것도 스퍼터링에 의해 퇴적된다. 본 발명의 적합한 실시예에서는, 압전체 박막층(163)의 두께는 0.1㎛ 내지 10㎛ 사이, 바람직하게는 0.5㎛ 내지 2㎛ 사이에 있다.
마지막으로, 상방전극층(164)을 퇴적시킨다. 상방전극층(164)은 하방전극층(162)과 동일한 재료로 구성되고, 적합하게는 Au, Pt, W, Mo로 구성된다.
이상과 같이 하여, 밀착전극층(161), 하방전극층(162), 압전체 박막층(163) 및 상방전극층(164)이 접합된 것으로 이루어지고, 원하는 형상으로 패터닝된 끼워맞춤구조체(60)를 형성하고나서, RIE(반응성 이온에칭) 등의 건식 에칭법에 의해, 상방전극층(164)의 주변부에서 하방으로 향하여, 상기 상방전극층(164), 압전체 박막층(163) 및 하방전극층(162)을 통해 희생층(55)에까지 도달하는 관통소공을 형성하고, 희석 H2O : HF 용액으로 에칭함으로써, 끼워맞춤구조체(60)의 하방의 PSG를 제거한다. 이로 인하여, 도 20 및 도 21에 도시되어 있는 바와 같이, 홈(52) 위에 브리징된 끼워맞춤구조체(60)가 남는다. 즉, 끼워맞춤구조체(60)는 기판의 표면에 형성된 홈(52)의 주위에 밀착전극층(161)이 위치하고, 홈(52)을 지나치도록 하여, 가장자리부가 기판에 의해 지지되어 있다.
이상과 같이 하여 얻어진 박막 음향공진기에서는, 끼워맞춤구조체(60)의 주변부에서는 밀착전극층(161)의 분량만큼 질량이 커지므로, 횡방향의 진동발생이 억제되어, 박막 음향공진기의 진동에 여분의 스퓨리어스진동이 겹치는 것을 방지할 수 있다. 또, 홈(52)의 주위에 밀착전극층(161)을 형성함으로써, 종래의 공동 상에 단독으로는 퇴적할 수 없었던 Au, Pt 등으로 이루어지는 하방전극층을 퇴적하는 것이 가능해져, W, Mo 등으로 이루어지는 하방전극층에 대해서도 바탕기판과의 밀착성이 개선된다.
또, 이상과 같은 박막 음향공진기의 제조방법에 의하면, Au, Pt, W, Mo 등으로 이루어지는 하방전극층(162)의 중앙부를 실리카유리, 인산석영유리 등의 유리질의 희생층 상에 형성하므로, 종래의 Ti 등으로 이루어지는 밀착층 상에 Au, Pt, W, Mo 등의 전극층을 전체적으로 형성하는 경우보다 하방전극층의 배향성 및 결정성이 우수한 것이 되어, 로킹커브에서의 회절피크 반값폭(FWHM)이 작은 양질의 결정막을 얻을 수 있다. 이렇게 하여 하방전극층(162)의 배향성 및 결정품질을 개량함으로써, 그 위에 형성되는 압전체 박막층의 배향성 및 결정품질의 향상이 실현된다.
이상의 실시예는 FBAR에 관한 것이다. 그러나, 당업자는 이상의 설명에서, 동일한 공정을 이용하여 SBAR을 제작할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. SBAR의 경우에는, 또 하나의 압전체층(제 2 압전체층) 및 그 위의 전극층을 퇴적해야 한다. 제 2 압전체층은 상기 실시예에서 나타나 있는 바와 같은 「FBAR」의 상방전극층 상에 형성되어 있기 때문에, 이 상방전극층의 두께를 예를 들어, 100nm로 유지하여 제 2 압전체층을 퇴적하기 위한 적절한 표면상태를 부여하도록 한다. 예를 들어, 높이의 RMS 변동이 25nm 이하, 바람직하게는 20nm 이하, 더욱 바람직하게는 10nm 이하의 표면조도인 평활한 표면으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 상술한 실시예에서는 PSG로 구성된 희생층을 이용하고 있지만, 희생층에는 다른 재료를 사용할 수도 있다. 예를 들어, BPSG(Boron-Phosphor-silicate-Glass : 붕소-인-실리콘-유리) 또는 스핀 ·유리와 같은 다른 형태의 유리를 이용할 수도 있다. 이 외에도, 스피닝에 의해 기판 상에 퇴적되는 폴리비닐, 폴리프로필렌 및 폴리스티렌과 같은 플라스틱이 있다. 이들 재료로 희생층을 구성 하는 경우에도 PSG 희생층의 경우와 같이, 연마에 의한 표면평활화가 중요하다. 이들 희생층은 유기제거재 또는 O2 플라즈마 에칭에 의해 제거할 수도 있다.
다음에, 도 22는 본 발명에 의한 압전 박막공진자(박막 음향공진기)의 실시예를 나타내는 모식적 평면도이고, 도 23은 그 X-X 단면도이다. 이들 도면에서 압전 박막공진자(111)는 기판(112), 상기 기판(112)의 상면 상에 형성된 절연층(13) 및 상기 절연층(13)의 상면 상에 접합된 압전 적층구조체(14)를 갖는다. 압전 적층구조체(14)는 절연층(13)의 상면 상에 형성된 하부전극(15), 상기 하부전극(15)의 일부를 덮도록 하여 바탕막(13)의 상면 상에 형성된 압전체막(16) 및 상기 압전체막(16)의 상면 상에 형성된 상부전극(17)으로 이루어진다. 기판(112)에는 공극을 형성하는 비어홀(120)이 형성되어 있다. 절연층(13)의 일부는 비어홀(120)을 향하여 노출되어 있다. 이 절연층(13)의 노출부분 및 이것에 대응하는 압전 적층구조체(14) 부분이 진동부(진동다이어프램)(121)를 구성한다. 또, 하부전극(15) 및 상부전극(17)은 진동부(121)에 대응하는 영역 내에 형성된 주체부(15a, 17a)와, 그 주체부(15a, 17a)와 외부회로를 접속하기 위한 단자부(15b, 17b)를 갖는다. 단자부(15b, 17b)는 진동부(121)에 대응하는 영역 외에 위치한다.
기판(112)으로서는 Si (100) 단결정 등의 단결정, 또는 Si 단결정 등의 기초재의 표면에 실리콘, 다이아몬드 그 밖의 다결정막을 형성한 것을 이용할 수 있다. 기판(112)의 비어홀(120)의 형성방법으로서는 기판하면측으로부터의 이방성 에칭법 이 예시된다. 또, 기판(112)에 형성되는 공극은 비어홀(120)에 의한 것으로 한정되지는 않으며, 진동부(121)의 진동을 허용하는 것이면 되고, 상기 진동부(121)에 대응하는 기판의 상면영역에 형성한 오목부여도 된다.
절연층(13)은 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(SiNx)을 주성분으로 하는(바람직하게는 함유량이 50당량% 이상인) 유전체막이다. 유전체막은 단층으로 이루어지는 것이어도 되고, 밀착성을 높이기 위한 층 등을 부가한 복수층으로 이루어지는 것이어도 된다. 복수층으로 이루어지는 유전체막의 예로서는 SiO2층의 한면 또는 양면에 질화실리콘층을 부가한 것이 예시된다. 절연층(13)의 두께는, 예를 들어 0.2∼2.0㎛이다. 절연층(13)의 형성방법으로서는, 실리콘으로 이루어지는 기판(112)의 표면의 열산화법이나 CVD법이나 저압 CVD법이 예시된다.
하부전극(15) 및 상부전극(17)은 몰리브덴(Mo)을 주성분으로 하는(바람직하게는 함유량이 80당량% 이상인) 도전막이다. Mo는 열탄성 손실이 낮기(Al의 약 1/56) 때문에, 특히 고주파로 진동하는 진동부를 구성하는 데 적합하다. Mo 단체(單體) 뿐만아니라, Mo를 주성분으로 하는 합금을 사용하는 것도 가능하다. 하부전극(15) 및 상부전극(17)의 두께는 예를 들어 50∼200nm이다. 하부전극(15) 및 상부전극(17)의 형성방법으로서는 스퍼터법 또는 증착법이 예시되고, 필요에 따라 원하는 형상으로 패터닝하기 위해 포토리소그래피 기술이 추가로 이용된다.
압전체막(16)은 AlN을 주성분으로 하는(바람직하게는 함유량이 90당량% 이상인) 압전막으로 이루어지고, 그 두께는 예를 들어 0.5∼2.5㎛이다. 압전체막(16)의 형성방법으로서는, 반응성 스퍼터법이 예시되고, 필요에 따라 원하는 형상으로 패터닝하기 위해 포트리소그래피 기술이 추가로 이용된다.
본 발명자들은 도 22 및 도 23에 도시하는 구성으로 AlN을 주성분으로 하는 압전체막(16)을 갖고 2㎓ 근방에 기본모드의 공진을 갖는 FBAR에 대하여 탄성파의 전파속도가 빠르다는 AlN 박막의 특징을 살리면서, 전기기계결합계수 및 음향품질계수를 손상시키지 않고 공진주파수의 온도안정성을 높이기 위해, 검토한 결과, 절연층(13)으로서 SiO2 또는 SiNx를 주성분으로 하는 것을 이용하면서 상하부전극(15, 17)으로서 Mo를 주성분으로 하는 것을 이용하는 것이 유효하다는 것을 발견하였다. 또, 압전체막(16)의 두께 t와 절연층(13)의 두께 t'가 0.1
Figure 112003042344419-pct00011
t'/t
Figure 112003042344419-pct00012
0.5, 바람직하게는 0.2
Figure 112003042344419-pct00013
t'/t
Figure 112003042344419-pct00014
0.4를 만족함으로써, 전기기계결합계수, 음향품질계수 및 공진주파수의 온도안정성이 모두 한층더 양호하게 되는 것을 발견하였다. t'/t
Figure 112003042344419-pct00015
0.1이 되면, 전기기계결합계수 및 음향품질계수는 약간 향상되는 경우가 있지만, 공진주파수의 온도계수의 절대값이 커져, FBAR로서의 특성이 저하되는 경향이 있다. 또, t'/t
Figure 112003042344419-pct00016
0.5가 되면, 전기기계결합계수 및 음향품질계수가 저하되고, 공진주파수의 온도계수의 절대값이 커져, FBAR로서의 특성이 저하되는 경향이 있다.
도 24는 본 발명에 의한 압전 박막공진자의 또 다른 실시예를 나타내는 모식적 평면도이고, 도 25는 그 X-X 단면도이다. 이들 도면에서, 상기 도 22 및 도 23에서와 동일한 기능을 갖는 부재에는 동일한 부호가 부여되어 있다.
본 실시예에서는 절연층(13) 외에도 SiO2 또는 SiNx를 주성분으로 하는(바람 직하게는 함유량이 50당량% 이상인) 절연층(18)이 압전 적층구조체(14)에 접합되어 있다. 절연층(18)은 상부전극(17)의 주체부(17a) 상에 형성되어 있다. 절연층(18)은 진동부(121)에 대응하는 영역 이외로 연장되고, 압전체막(16) 상에서 넓은 범위에 걸쳐 형성되어 있어도 된다. 또, 산화실리콘 또는 질화실리콘을 주성분으로 하는 절연층(18)이 형성되는 경우에는 절연층(13)을 생략할 수도 있다. 단, 이 경우, 하부전극(15)의 주체부(15a)를 기판(112)의 상면에서의 비어홀(120)의 직사각형상 개구부의 2변을 통해 상기 개구부 내로 연장시키고, 하부전극(15)에 의한 진동부(121)를 유지하는 것이 바람직하다.
도 24, 도 25의 실시예에서도 도 22, 도 23의 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 26은 본 발명에 의한 압전 박막공진자의 또 다른 실시예를 나타내는 모식적 평면도이고, 도 27은 그 X-X 단면도이다. 이들 도면에서, 상기 도 22∼도 25에서와 같은 기능을 갖는 부재에는 동일한 부호가 부여되어 있다.
본 실시예에서는 하부전극(15)은 직사각형상을 이루고 있고, 상부전극(17)은 제 1 전극부(17A)와 제 2 전극부(17B)로 이루어진다. 이들 전극부(17A, 17B)는 각각 주체부(17Aa, 17Ba)와 단자부(17Ab, 17Bb)를 갖는다. 주체부(17Aa, 17Ba)는 진동부(121)에 대응하는 영역 내에 위치하고 있고, 단자부(17Ab, 17Bb)는 진동부(121)에 대응하는 영역 외에 위치하고 있다.
도 28은 본 발명에 의한 압전 박막공진자의 또 다른 실시예를 나타내는 모식적 평면도이고, 도 29는 그 X-X 단면도이다. 이들 도면에서, 상기 도 22∼도 27에 서와 같은 기능을 갖는 부재에는 동일한 부호가 부여되어 있다.
본 실시예에서는 하부전극(15)은 직사각형상을 이루고 있고, 상부전극(17)은 제 1 전극부(17A)와 제 2 전극부(17B)로 이루어진다. 이들 전극부(17A, 17B)는 각각 주체부(17Aa, 17Ba)와 단자부(17Ab, 17Bb)를 갖는다. 주체부(17Aa, 17Ba)는 진동부(121)에 대응하는 영역 내에 위치하고 있고, 단자부(17Ab, 17Bb)는 진동부(121)에 대응하는 영역 외에 위치하고 있다. 본 실시예에서는, 절연층(18)은 제 1 전극부의 주체부(17Aa)와 제 2 전극부의 주체부(17Ba)를 모두 덮도록 형성되어 있다.
도 26, 도 27의 실시예 및 도 28, 도 29의 실시예에서도 도 22, 도 23의 실시예 및 도 24, 도 25의 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 도 26, 도 27 및 도 28, 도 29의 실시예는 다중모드공진자라고 불리는 것이며, 상부전극(17) 중의 한쪽(예를 들어, 제 2 전극부(17B))과 하부전극(15) 사이에 입력전압을 인가하고, 상부전극(17) 중의 다른쪽(예를 들어, 제 1 전극부(17A))과 하부전극(15) 사이의 전압을 출력전압으로서 인출할 수 있다.
이상과 같은 압전 박막공진자에 있어서, 마이크로파 프로버를 사용하여 측정한 임피던스특성에서의 공진주파수 fr 및 반공진주파수 fa와 전기기계결합계수 kt 2 사이에는 이하의 관계,
kt 2 =
Figure 112003042344419-pct00017
r /Tan(
Figure 112003042344419-pct00018
r )
Figure 112003042344419-pct00019
r=(π/2)(fr/fa)
가 있다.
간단히 하기 위해, 전기기계결합계수 kt 2로서, 다음식,
kt 2 = 4.8(fa-fr)/(fa+fr)
로부터 산출한 것을 이용할 수 있고, 본 명세서에서는 전기기계결합계수 kt 2의 수치는 이 식을 이용하여 산출한 것을 이용하고 있다.
도 22, 도 23, 도 24, 도 25, 도 26, 도 27 및 도 28, 도 29에 도시한 구성의 FBAR에서, 2.0㎓ 근방에서의 공진주파수 및 반공진주파수의 측정값으로부터 구한 전기기계결합계수 kt 2는 4.0∼6.5%이다. 전기기계결합계수 kt 2 가 4.0% 미만이 되면, 제작한 FBAR의 대역폭이 작아지고, 고주파역에서 실용적으로 제공하기가 어렵게 되는 경향이 있다.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
(제 1 실시예)
도 3∼도 8에 기재되어 있는 바와 같이 하여, 박막 음향공진기를 제작하였다.
우선, Si 웨이퍼(51)의 표면을 Pt/Ti 보호막으로 피복하고, 에칭에 의해 상기 보호막을 홈을 형성하기 위한 소정의 패턴형상으로 형성하여, Si 웨이퍼(51)를 에칭하기 위한 마스크를 형성하였다. 그 후, Pt/Ti 패턴마스크를 이용하여 습식 에칭을 행하고, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 깊이 20㎛이고 폭 150㎛인 홈을 형성하였다. 이 에칭부는 5중량%의 KOH 수용액을 이용하고, 액체온도 70℃에서 실시하였다. 또, 홈의 깊이를 3㎛로 해도 된다.
그 후, Pt/Ti 패턴마스크를 제거하고, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 열산화에 의해 Si 웨이퍼(51)의 표면에 두께 1㎛의 SiO2층(53)을 형성하고, Si 웨이퍼(51) 및 SiO2층(53)으로 이루어지는 기판 상에 홈(52)이 형성되어 있는 구조를 얻었다.
이어서, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 홈(52)이 형성되어 있는 SiO2층(53) 상에 두께 30㎛의 PSG 희생층(55)을 퇴적시켰다. 이 퇴적은 450℃에서 실란 및 P2O5를 원료로서 이용한 열CVD법으로 행하였다. 또, PSG 희생층(55)의 두께를 5㎛로 해도 되고, 열CVD법에서의 원료로서 실란 및 인산트리메틸(PO(OCH3)3)을 이용해도 되며, 또, 퇴적한 PSG층을 1% 산소/질소혼합분위기 중에서 850℃에서 20분간 열처리하여 리플로우시켜 경도를 높여도 된다.
이어서, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 하여, PSG 희생층(55)의 표면을 연마하고, 홈(52) 이외의 영역의 PSG 희생층(55)을 제거하였다. 계속해서, 홈(52) 내에 잔류하는 PSG 희생층(55)의 표면을 미세한 연마입자를 포함하는 슬러리를 이용하여 연마하고, 그 표면거칠기를 높이의 RMS 변동이 10nm가 되도록 하였다.
이어서, 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, PSG 희생층(55) 상에 두께 100nm이고 치수 200 ×200㎛인 Mo막으로 이루어지는 하부전극(61)을 형성하였다. Mo막의 형성은 스퍼터가스로서 Ar을 이용하고, 실온에서 DC 마그네트론 스퍼터법으로 행하였다. 그리고, 리프트오프법에 의해 Mo막을 패터닝하였다. 형성된 Mo막의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 15nm였다.
이어서, 하부전극(61) 상에 Zn0막으로 이루어지는 1.0㎛ 두께의 압전체층(62)을 형성하였다. Zn0막의 형성은 스퍼터링 타겟으로서 ZnO를 이용하고, 스퍼터가스로서 Ar과 O2의 혼합가스를 이용하며, 스퍼터가스압을 5mTorr로 하고, 기판온도 400℃에서 RF 마그네트론 스퍼터법으로 행하였다. 형성된 ZnO막의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 막두께의 5% 이하인 11nm였다. 습식 에칭에 의해 Zn0막을 소정형상으로 패터닝하여 압전체층(62)을 얻었다.
이어서, 압전체층(62) 상에 두께 100nm의 Mo막으로 이루어지는 상부전극(63)을 형성하였다. Mo막의 형성 및 패터닝은 하부전극(61)의 형성시와 동일하게 하였다. 상부전극(63)의 표면에 대하여 측정길이 150㎛에서 파형높이를 조사한 바, 압전체층(62)의 막두께의 25% 이하이면서 측정길이의 0.5% 이하인 0.2㎛였다.
이어서, 희석 H2O : HF 용액으로 에칭함으로써 PSG 희생층(55)을 제거하였다. 이로 인하여, 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 홈(52) 상에 Mo/Zn0/Mo의 끼워맞춤구조체(60)가 브리징된 형태를 형성하였다.
얻어진 압전체층(62)의 박막 XRD 분석을 행한 바, 막의 c축은 막면에 대하여 88.5도의 방향이고, 로킹커브에 의해 배향도를 조사한 결과, 피크의 반값폭은 2.5도이며, 양호한 배향성을 나타내고 있었다.
이상과 같이 하여 얻어진 음향공진기에 대하여, 마이크로파 프로버를 사용하여 상부전극(63)과 하부전극(61) 사이의 임피던스특성을 측정하는 동시에, 공진주파수 fr 및 반공진주파수 fa를 측정하고, 이들의 측정값에 기초하여 전기기계결합계수 kt 2를 산출하였다. 전기기계결합계수 kt 2는 5.5%이고, 음향품질계수는 700이었다. 제 1 실시예에서 얻어진 FBAR의 구성 및 음향공진기로서의 특성을 표 1에 나타낸다.
(비교예 1)
PSG 희생층(55)의 표면거칠기를 높이의 RMS 변동이 70nm가 되도록 연마한 것 외에는 제 1 실시예와 동일한 방법으로 음향공진기를 제작하였다.
하부전극(61)의 Mo막의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 80nm였다. 또, Zn0막의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 막두께의 5%를 넘는 75nm였다. 상부전극(63)의 표면에 대하여 측정길이 150㎛에서 파형높이를 조사한 바, 측정길이의 0.5%를 넘는 1.0㎛였다.
구해진 압전체층(62)의 박막 XRD 분석을 행한 바, 막의 c축은 막면에 대하여 85.0도로 크게 기울어져 있고, 로킹커브에 의해 배향도를 조사한 결과, 피크의 반값폭은 7.0도였다.
이상과 같이 하여 구해진 음향공진기의 전기기계결합계수 kt 2는 3.0%이고, 음향품질계수는 400이었다. 비교예 1에서 구해진 FBAR의 구성 및 음향공진기로서의 특성을 표 1에 나타낸다.
(제 2 실시예)
압전체층(62)으로서 Zn0막 대신에 AlN막으로 이루어지는 것을 이용한 것 외에는 제 1 실시예와 동일한 방법으로 음향공진기를 제작하였다. 즉, 하부전극(61) 상에 AlN막으로 이루어지는 1.2㎛ 두께의 압전체층(62)을 형성하였다. AlN막의 형성은 스퍼터링 타겟으로서 Al을 이용하고, 스퍼터가스로서 Ar과 N2의 혼합가스를 이용하며, 기판온도 400℃에서 RF 마그네트론 스퍼터법으로 행하였다. 형성된 AlN막의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 막두께의 5% 이하인 14nm였다. 상부전극(63)의 표면에 대하여 측정길이 150㎛에서 파형높이를 조사한 바, 압전체층(62)의 막두께의 25% 이하이면서 측정길이의 0.5% 이하인 0.2㎛였다.
구해진 압전체층(62)의 박막 XRD 분석을 행한 바, 막의 c축은 막면에 대하여 88.5도의 방향이고, 로킹커브에 의해 배향도를 조사한 결과, 피크의 반값폭은 2.8도이고, 양호한 배향성을 나타내고 있었다.
이상과 같이 하여 구해진 음향공진기의 전기기계결합계수 kt 2는 6.5%이고, 음향품질계수는 900이었다. 제 2 실시예에서 구해진 FBAR의 구성 및 음향공진기로서의 특성을 표 1에 나타낸다.
(비교예 2)
PSG 희생층(55)의 표면거칠기를 높이의 RMS 변동이 70nm가 되도록 연마한 것 외에는 제 2 실시예와 동일한 방법으로 음향공진기를 제작하였다.
하부전극(61)의 Mo막의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 85nm였다. 또, AlN막의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 막두께의 5%를 넘는 80nm였다. 상부전극(63)의 표면에 대하여 측정길이 150㎛에서 파형높이를 조사한 바, 측정길이의 0.5%를 넘는 1.25㎛였다.
구해진 압전체층(62)의 박막 XRD 분석을 행한 바, 막의 c축은 막면에 대하여 83.0도로 크게 기울어져 있고, 로킹커브에 의해 배향도를 조사한 결과, 피크의 반값폭은 8.5도였다.
이상과 같이 하여 얻어진 음향공진기의 전기기계결합계수 kt 2는 3.5%이고, 음향품질계수는 450이었다. 비교예 2에서 구해진 FBAR의 구성 및 음향공진기로서의 특성을 표 1에 나타낸다.
(제 3 실시예)
도 3∼도 5, 도 9∼도 10에 기재되어 있는 바와 같이 하여, 박막 음향공진기를 제작하였다.
우선, 제 1 실시예와 동일한 방법으로, 도 5에 도시되는 구조체를 얻었다. 단, 홈(52) 내에 잔류하는 PSG 희생층(55)의 표면을 미세한 연마입자를 포함하는 슬러리를 이용하여 연마하고, 그 표면거칠기를 높이의 RMS 변동이 5nm가 되도록 하 였다.
이어서, 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, PSG 희생층(55)의 표면을 덮도록 기판 상에 CVD법으로 두께 500nm의 SiO2막으로 이루어지는 절연체층(54)을 형성하였다. 형성된 절연체층(54)의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 10nm였다.
이어서, 절연체층(54) 상에 제 1 실시예와 동일한 방법으로, 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, Mo막으로 이루어지는 하부전극(61)을 형성하였다. 형성된 Mo막의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 15nm였다.
이어서, 제 1 실시예와 동일한 방법으로, 하부전극(61) 상에 Zn0막으로 이루어지는 압전체층(62)을 형성하였다. 형성된 Zn0막의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 막두께의 5% 이하인 10nm였다. 습식 에칭에 의해 Zn0막을 소정의 형상으로 패터닝하여 압전체층(62)을 얻었다.
이어서, 제 1 실시예와 동일한 방법으로, 압전체층(62) 상에 Mo막으로 이루어지는 상부전극(63)을 형성하였다. 상부전극(63)의 표면에 대하여 측정길이 150㎛에서 파형높이를 조사한 바, 압전체층(62)의 막두께의 25% 이하이면서 측정길이의 0.5% 이하인 0.2㎛였다.
이어서, 절연체층(54)이 노출되어 있는 부분에 PSG 희생층(55)에 달하는 비어홀을 개구하고, 그 개구를 통해 희석 H2O : HF 용액으로 에칭함으로써 PSG 희생층(55)을 제거하였다. 이로 인하여, 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 홈(52) 위에 절연체층(54)과 Mo/Zn0/Mo의 끼워맞춤구조체(60)의 적층체가 브리징된 형태를 형성하였다.
구해진 압전체층(62)의 박막 XRD 분석을 행한 바, 막의 c축은 막면에 대하여 88.5도의 방향이고, 로킹커브에 의해 배향도를 조사한 결과, 피크의 반값폭은 2.3도이고, 양호한 배향성을 나타내고 있었다.
이상과 같이 하여 얻어진 음향공진기에 대하여, 마이크로파 프로버를 사용하여 상부전극(63)과 하부전극(61) 사이의 임피던스특성을 측정하는 동시에, 공진주파수 fr 및 반공진주파수 fa를 측정하고, 이들 측정값에 기초하여 전기기계결합계수 kt 2를 산출하였다. 전기기계결합계수 kt 2는 4.5%이고, 음향품질계수는 650이었다. 제 3 실시예에서 구해진 FBAR의 구성 및 음향공진기로서의 특성을 표 1에 나타낸다.
(비교예 3)
PSG 희생층(55)의 표면거칠기를 높이의 RMS 변동이 70nm가 되도록 연마한 것 외에는 제 3 실시예와 동일한 방법으로 음향공진기를 제작하였다.
절연체층(54)의 SiO2막의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 85nm였다. 또, 하부전극(61)의 Mo막의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 90nm였다. 또, ZnO막의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 막두께의 5%를 넘는 85nm였다. 상부전극(63)의 표면에 대하여, 측정길이 150㎛에서 파형높이를 조사한 바, 측정길이의 0.5%를 넘는 1.0㎛였다.
구해진 압전체층(62)의 박막 XRD 분석을 행한 바, 막의 c축은 막면에 대하여 83.0도로 크게 기울어져 있고, 로킹커브에 의해 배향도를 조사한 결과, 피크의 반 값폭은 9.5도였다.
이상과 같이 하여 구해진 음향공진기의 전기기계결합계수 kt 2는 2.8%이고, 음향품질계수는 360이었다. 비교예 3에서 구해진 FBAR의 구성 및 음향공진기로서의 특성을 표 1에 나타낸다.
(제 4 실시예)
상부전극(63)의 형성 이외에는 제 2 실시예와 동일한 방법으로 음향공진기를 제작하였다. 즉, 제 2 실시예와 동일한 방법으로 압전체층(62) 상에 두께 100nm의 Mo막을 형성한 후에, 그 외부가장자리로부터 30㎛ 폭의 영역에서, 리프트오프법으로 두께 20nm의 Mo막을 추가로 형성하여, 도 11에 도시되어 있는 바와 같은 상부전극(63)을 형성하였다.
상부전극(63)의 중앙부(631)의 표면에 대하여, 측정길이 100㎛에서 파형높이를 조사한 바, 압전체층(62)의 막두께의 25% 이하이면서 측정길이의 0.5% 이하인 0.15㎛였다.
이상과 같이 하여 구해진 음향공진기의 전기기계결합계수 kt 2는 7.5%이고, 음향품질계수는 950이었다. 제 4 실시예에서 구해진 FBAR의 구성 및 음향공진기로서의 특성을 표 1에 나타낸다.
(제 5 실시예)
도 3∼도 8에 기재되어 있는 바와 같이 하여, 박막 음향공진기를 제작하였 다.
우선, Si 웨이퍼(51)의 표면을 SiO2 보호막으로 피복하고, 에칭에 의해 대응보호막은 홈을 형성하기 위한 소정의 패턴형상으로 형성하여, Si 웨이퍼(51)를 에칭하기 위한 마스크를 형성하였다. 그 후, 상기 마스크를 이용하여 습식 에칭을 행하고, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 깊이 3㎛이고 폭 150㎛인 홈을 형성하였다. 이 에칭은 제 1 실시예와 동일한 방법으로 실시하였다.
그 후, 습식 에칭에 의해 SiO2 패턴마스크를 제거하고, 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, Si 웨이퍼(51)의 표면에 두께 200nm의 Si3N4층(53)을 형성하고, Si 웨이퍼(51) 및 Si3N4층(53)으로 이루어지는 기판 상에 홈(52)이 형성되어 있는 구조를 얻었다. 이 Si3N4층(53)의 퇴적은 800℃에서, 모노실란(SiH4) 및 암모니아(NH 3)를 원료로서 이용한 저압 CVD법으로 행하였다.
이어서, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 홈(52)이 형성되어 있는 Si3N4층(53) 상에 두께 5㎛의 PSG 희생층(55)을 퇴적시켰다. 이 퇴적은 450℃에서, 테트라에톡시실란(Si(OC2H5)4) 및 인산트리메틸(PO(OCH3)3 )을 원료로서 이용한 열CVD법으로 행하였다. 또, 퇴적한 PSG층을 1% 산소/질소 혼합분위기 중에서 850℃에서 20분간 열처리하여 리플로우시켜 경도를 높였다.
이어서, 제 1 실시예와 동일한 방법으로, 도 5에 도시되어 있는 구조를 얻었다. 단, 연마입자를 선택함으로써, 홈(52) 내에 잔류하는 PSG 희생층(55)의 표면거 칠기를 높이의 RMS 변동이 5nm가 되도록 하였다.
이어서, 제 1 실시예와 동일한 방법으로, 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, Mo막으로 이루어지는 하부전극(61)을 형성하였다. 형성된 Mo막의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 13nm였다.
이어서, 제 2 실시예와 동일한 방법으로, 하부전극(61) 상에 AlN막으로 이루어지는 1.2㎛ 두께의 압전체층(62)을 형성하였다. 형성된 AlN막의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 막두께의 5% 이하인 10nm였다.
이어서, 제 1 실시예와 동일한 방법으로, 압전체층(62) 상에 Mo막으로 이루어지는 상부전극(63)을 형성하였다. 상부전극(63)의 표면에 대하여, 측정길이 150㎛에서 파형높이를 조사한 바, 압전체층(62)의 막두께의 25% 이하이면서 측정길이의 0.5% 이하인 0.15㎛였다.
이어서, 제 1 실시예와 동일한 방법으로, PSG 희생층(55)을 제거하고, 이로 인하여, 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 홈(52) 위에 Mo/AlN/Mo의 끼워맞춤구조체(60)가 브리징된 형태를 형성하였다.
구해진 압전체층(62)의 박막 XRD 분석을 행한 바, 막의 c축은 막면에 대하여 89.5도의 방향이고, 로킹커브에 의해 배향도를 조사한 결과, 피크의 반값폭(FWHM)은 2.2도이고, 양호한 배향성을 나타내고 있었다.
이상과 같이 하여 얻어진 음향공진기에 대하여, 마이크로파 프로버를 사용하여 상부전극(63)과 하부전극(61) 사이의 임피던스특성을 측정하는 동시에, 공진주 파수 fr 및 반공진주파수 fa를 측정하고, 이들의 측정값에 기초하여 전기기계결합계수 kt 2를 산출하였다. 전기기계결합계수 kt 2는 6.7%이고, 음향품질계수는 980이었다. 제 5 실시예에서 구해진 FBAR의 구성 및 음향공진기로서의 특성을 표 1에 나타낸다.
(제 6 실시예)
도 3∼도 5, 도 9∼도 10에 기재되어 있는 바와 같이 하여, 박막 음향공진기를 제작하였다.
우선, 제 5 실시예와 동일한 방법으로, 도 5에 도시되는 구조를 얻었다. 단, 연마입자를 선택함으로써, 홈(52) 내에 잔류하는 PSG 희생층(55)의 표면거칠기를 높이의 RMS 변동이 10nm가 되도록 하였다.
이어서, 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, PSG 희생층(55)의 표면을 덮도록 기판 상에 두께 50Onm의 Si3N4막으로 이루어지는 절연체층(54)을 형성하였다. 이 Si3N4막으로 이루어지는 절연체층(54)의 퇴적은 800℃에서, 모노실란(SiH4) 및 암모니아(NH3)를 원료로서 이용한 저압 CVD법으로 행하였다. 형성된 절연체층(54)의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 12nm였다.
이어서, 절연체층(54) 상에 제 5 실시예와 동일한 방법으로, 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, Mo막으로 이루어지는 하부전극(61)을 형성하였다. 형성된 Mo막의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 17nm였다.
이어서, 제 5 실시예와 동일한 방법으로, 하부전극(61) 상에 AlN막으로 이루어지는 압전체층(62)을 형성하였다. 형성된 AlN막의 표면거칠기를 측정한 바, 높이의 RMS 변동은 막두께의 5% 이하인 15nm였다.
이어서, 제 5 실시예와 동일한 방법으로, 압전체층(62) 상에 Mo막으로 이루어지는 상부전극(63)을 형성하였다. 상부전극(63)의 표면에 대하여, 측정길이 150㎛에서 파형높이를 조사한 바, 압전체층(62)의 막두께의 25% 이하이면서 측정길이의 0.5% 이하인 0.21㎛였다.
이어서, 제 3 실시예와 동일한 방법으로, PSG 희생층(55)을 제거하고, 이로 인하여, 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 홈(52) 위에 절연체층(54)과 Mo/AlN/Mo의 끼워맞춤구조체(60)의 적층체가 브리징된 형태를 형성하였다.
구해진 압전체층(62)의 박막 XRD 분석을 행한 바, 막의 c축은 막면에 대하여 88.4도의 방향이고, 로킹커브에 의해 배향도를 조사한 결과, 피크의 반값폭(FWHM)은 2.8도이고, 양호한 배향성을 나타내고 있었다.
이상과 같이 하여 얻어진 음향공진기에 대하여, 마이크로파 프로버를 사용하여 상부전극(63)과 하부전극(61) 사이의 임피던스특성을 측정하는 동시에, 공진주파수 fr 및 반공진주파수 fa를 측정하고, 이들 측정값에 기초하여 전기기계결합계수 kt 2를 산출하였다. 전기기계결합계수 kt 2는 5.2%이고, 음향품질계수는 700이었다. 제 6 실시예에서 얻어진 FBAR의 구성 및 음향공진기로서의 특성을 표 1에 나타낸다.
(제 7 실시예)
도 15∼도 21에 기재되어 있는 바와 같이 하여, 박막 음향공진기를 제작하였다.
우선, Si 웨이퍼(51)의 표면을 SiO2 보호막으로 피복하고, 에칭에 의해 상기보호막은 홈을 형성하기 위한 소정의 패턴형상으로 형성하며, Si 웨이퍼(51)를 에칭하기 위한 마스크를 형성하였다. 그 후, 상기 마스크를 이용하여 습식 에칭을 행하고, 도 15에 도시되어 있는 바와 같이, 깊이 20㎛의 홈을 형성하였다. 에칭은 에칭액으로서 5wt%의 KOH 수용액을 이용하고, 액체온도 70℃에서 행하였다. 또, 홈의 깊이를 3㎛로 해도 된다.
그 후, 열산화에 의해, 웨이퍼(51)의 표면에 다시 SiO2층(53)을 형성하였다. 이로 인하여, Si 웨이퍼(51) 및 SiO2층(53)으로 이루어지는 기판 상에 홈(52)이 형성되어 있는 구조를 얻었다.
그 후, 기판의 표면(상면)에 Cr막을 형성하고, 그 Cr막 중의 홈(52)의 주위를 둘러싸는 부분만을 환상으로 남기도록 패턴 에칭하였다. 이로 인하여, 도 16에 도시되어 있는 바와 같이, 홈(52)의 주위를 둘러싸도록 Cr막으로 이루어지는 밀착전극층(161)이 형성되었다. Cr막의 형성은 DC 마그네트론 스퍼터법을 이용하고, 스퍼터가스로서 Ar를 이용하며, 기판온도를 실온으로 하여 행하였다. Cr 밀착전극층(161)은 상면의 하방전극층과의 접촉면이 되는 평면의 면적(S1)이 4500㎛2이고, 막두께가 1OOnm가 되도록 형성되었다.
그 후, 도 17에 도시되어 있는 바와 같이, 홈(52)이 형성되어 있는 SiO2층(53) 및 Cr 밀착전극층(61) 위에 실란 및 포스핀(PH3)을 사용하여 450℃에서 PSG를 퇴적시켰다. 또, 퇴적한 PSG층을 1% 산소/질소 혼합분위기 중에서 850℃에서 20분간 열처리하여 리플로우시켜 경도를 높여도 된다.
이어서, 도 18에 도시되어 있는 바와 같이, 퇴적한 PSG의 표면을 연마하여 밀착전극층(161) 위의 PSG층 부분을 제거하고, 계속해서 PSG층(55)의 표면을 미세한 연마입자를 포함하는 슬러리를 이용하여 연마하고, 역스퍼터링처리에 의해 Cr 밀착전극층(161)의 표면을 청정화하였다. 이로 인하여, PSG 희생층(55)의 표면은 높이의 RMS 변동이 8nm가 되는 표면거칠기였다.
그 후, 도 19에 도시되어 있는 바와 같이, Cr 밀착전극층(161) 및 PSG 희생층(55) 위에 Au로 이루어지는 하방전극층(162)을 형성하였다. 상기 하방전극층(162)의 패터닝에는 리프트오프법을 채용하고, Cr 밀착전극층(161)의 바깥둘레부에 대응하는 바깥둘레부를 갖는 소정 형상의 하방전극층(162)을 얻었다. Au막의 형성은 DC 마그네트론 스퍼터법을 이용하고, 스퍼터가스로서 Ar를 이용하며, 기판온도를 실온으로서 행하였다. 하방전극층(162)은 평면면적(S2)이 27225㎛2이고, 막두께가 100nm가 되도록 형성되었다. 구해진 Au막의 표면거칠기를 조사한 결과, 높이의 RMS 변동은 7nm였다.
다음에, 하방전극층(162)의 주위에 남은 PSG 희생층을 제거하고, 하방전극층(162) 상에 Zn0로 이루어지는 압전체 박막층(163)을 형성하였다. Zn0막의 형성은 RF 마그네트론 스퍼터법을 이용하고, 스퍼터링 타겟으로서 ZnO를 이용하 며, 스퍼터가스로서 Ar:02가 9:1인 Ar-O2 혼합가스를 이용하고, 스퍼터가스압을 5mTorr로 하며, 기판온도를 400℃로 하여 행하였다. Zn0막의 막두께는 1.0㎛였다. 구해진 ZnO막의 표면거칠기를 조사한 결과, 높이의 RMS 변동은 4nm였다.
계속해서, Zn0 압전체 박막층(163)을 습식 에칭하여, 결합전극을 인출하는데에 필요한 개구부 이외에는 Cr 밀착전극층(161)의 바깥둘레부 및 하방전극층(162)의 바깥둘레부에 대응하는 바깥둘레부를 갖는 소정의 형상으로 패터닝하였다. 그리고, Zn0 압전체 박막(163) 상에 Au로 이루어지는 상부전극층(164)을 형성하였다. 이 상부전극층(164)은 리프트오프법에 의한 패터닝으로, 바깥둘레부가 Cr 밀착전극층(161)의 안둘레부보다 내측이 되는 소정의 형상으로 되었다(도 21 참조). Au막의 형성은 DC 마그네트론 스퍼터법을 이용하고, 스패터가스로서 Ar을 이용하며, 기판온도를 실온으로 하여 행하였다. Au막의 막두께는 100nm로 하였다.
이어서, RIE(반응성 이온에칭)에 의해, 상방전극층(164)의 주변부에서 하방으로 향하여, 상기 상방전극층(164), 압전체 박막층(163) 및 하방전극층(162)을 통해 희생층(55)까지 관통하는 작은 구멍을 형성하고, 희석 H2O : HF 용액으로 에칭함으로써 PSG 희생층(55)을 제거하였다. 이로 인하여, 도 20에 도시되어 있는 바와 같이, 홈(52) 위에 Cr/Au/ZnO/Au의 끼워맞춤구조체(60)가 브리징된 형태를 형성하였다. 구해진 끼워맞춤구조체(60)에 대하여, 스카치테이프로 필링테스트를 행한 바, 기판과의 사이에서 박리는 관찰되지 않았다.
구해진 ZnO 압전체 박막층(163)에 대하여, 박막 XRD 분석을 행한 결과, 막의 c축은 막면 내에 대하여 88.6도의 방향이고, 로킹커브에 의해 배향도를 조사한 결과, (0002) 피크의 반값폭(FWHM)은 2.3도이고, 양호한 배향성을 나타내고 있었다.
또, 이렇게 하여 구해진 도 20 및 도 21에 도시되는 박막 음향공진기에 대하여, 마이크로파 프로버를 사용하여, 상방전극층(164)과 하방전극층(162) 및 밀착전극층(161) 사이의 임피던스특성을 측정하는 동시에, 공진주파수 fr 및 반공진주파수 fa를 측정하고, 이들 측정값에 기초하여 전기기계결합계수 kt 2를 산출하였다. 이 때, 스퓨리어스는 여진하지 않고, 기계결합계수 kt 2는 5.5%이며 음향품질계수는 1145였다. 제 7 실시예에서 구해진 FBAR의 구성, 밀착강도 및 음향공진기로서의 특성을 표 2에 나타낸다.
(제 8 실시예)
밀착전극층(161)으로서 Cr 대신에 Ti로 이루어지는 것을 이용한 것 외에는, 제 7 실시예와 동일한 방법으로 박막 음향공진기를 제작하였다. Ti막의 형성은 DC 마그네트론 스퍼터법을 이용하고, 스퍼터링 타겟으로서 Ti를 이용하며, 스퍼터가스로서 Ar을 이용하고, 기판온도를 실온으로 하여 행하였다. Ti막의 막두께는 20nm로 하였다. 구해진 ZnO 압전체 박막층(163)의 표면거칠기를 조사한 결과, 높이의 RMS 변동은 9nm였다. 스카치테이프로 필링테스트를 행한 바, 기판과 끼워맞춤구조체(60) 사이에서의 박리는 관찰되지 않았다. 또, 박막 XRD 분석을 행한 결과, Zn0 압전체 박막층(163)의 c축은 막면 내에 대하여 89.2도의 방향이고, 로킹커브에 의해 배향도를 조사한 결과, 피크의 반값폭은 2.1도로 양호한 배향성을 나타내고 있었다.
이렇게 하여 구해진 박막 음향공진기는 스퓨리어스의 여진은 없고, 전기기계결합계수 kt 2는 5.9%이고, 음향품질계수는 772였다. 제 8 실시예에서 구해진 FBAR의 구성, 밀착강도 및 음향공진기로서의 특성을 표 2에 나타낸다.
(제 9 실시예)
하방전극층(162) 및 상방전극층(164)으로서 Au 대신에 Pt로 이루어지는 것을 이용하고, 또 Cr 밀착전극층(161)의 두께를 60nm로 한 것 외에는 제 7 실시예와 동일한 방법으로 박막 음향공진기를 제작하였다. Pt막의 형성은 DC 마그네트론 스퍼터법을 이용하고, 스퍼터링 타겟으로서 Pt를 이용하며, 스퍼터가스로서 Ar을 이용하고, 기판온도를 실온으로 하여 행하였다. Pt막의 막두께는 100nm로 하였다. 구해진 Zn0 압전체 박막층(163)의 표면거칠기를 조사한 결과, 높이의 RMS 변동은 6nm였다. 스카치테이프로 필링테스트를 행한 바, 기판과 끼워맞춤구조체(60) 사이에서의 박리는 관찰되지 않았다. 또, 박막 XRD 분석을 행한 결과, Zn0 압전체 박막층(163)의 c축은 막면 내에 대하여 88.8도의 방향이고, 로킹커브에 의해 배향도를 조사한 결과, 피크의 반값폭은 2.5도로 양호한 배향성을 나타내고 있었다.
이렇게 하여 구해진 박막 음향공진기는 스퓨리어스의 여진은 없고, 전기기계결합계수 kt 2는 5.2%이고, 음향품질계수는 898이었다. 제 9 실시예에서 구해진 FBAR 의 구성, 밀착강도 및 음향공진기로서의 특성을 표 2에 나타낸다.
(제 10 실시예)
밀착전극층(161)으로서 Cr 대신에 Ni로 이루어지는 것을 이용하고, 그 평면면적 S1을 15000㎛2로 확대하여 하방전극층(162)의 평면면적 S2와의 비율 S1/S2를 0.55로 한 것 외에는, 제 7 실시예와 동일한 방법으로 박막 음향공진기를 제작하였다. Ni막의 형성은 DC 마그네트론 스퍼터법을 이용하고, 스퍼터링 타겟으로서 Ni를 이용하며, 스퍼터가스로서 Ar를 이용하고, 기판온도를 실온으로 하여 행하였다. Ni막의 막두께는 50nm로 하였다. 구해진 Zn0 압전체 박막층(163)의 표면거칠기를 조사한 결과, 높이의 RMS 변동은 11nm였다. 스카치테이프로 필링테스트를 행한 바, 기판과 끼워맞춤구조체(60) 사이에서의 박리는 관찰되지 않았다. 또한, 박막 XRD 분석을 행한 결과, ZnO 압전체 박막층(163)의 c축은 막면 내에 대하여 89.0도의 방향이고, 로킹커브에 의해 배향도를 조사한 결과, 피크의 반값폭은 2.9도로 양호한 배향성을 나타내고 있었다.
이렇게 하여 구해진 박막 음향공진기는 스퓨리어스의 여진은 없고, 전기기계결합계수 kt 2는 4.8%이고, 음향품질계수는 707이었다. 제 10 실시예에서 구해진 FBAR의 구성, 밀착강도 및 음향공진기로서의 특성을 표 2에 나타낸다.
(제 11 실시예)
상방 및 하방의 전극층(162, 164)으로서 Au 대신에 Pt로 이루어지는 것을 이용하고, 압전 박막층(163)으로서 ZnO 대신에 AlN으로 이루어지는 것을 이용하며, 또한 Ti 밀착전극층(161)의 평면면적 S1을 4000㎛2로 하고 두께를 30nm으로 한 것 외에는 제 8 실시예와 동일한 방법으로 박막 음향공진기를 제작하였다. Pt막의 형성은 제 9 실시예와 동일하게 행하였다. 또, AlN막의 형성은 RF 마그네트론 스퍼터법을 이용하고, 스퍼터링 타겟으로서 Al을 이용하며, 스퍼터가스로서 Ar:N2가 1:1인 Ar-N2 혼합가스를 이용하고, 기판온도를 400℃로 하여 행하였다. AlN막의 막두께는 1.4㎛로 하였다. 구해진 AlN막의 표면거칠기를 조사한 결과, 높이의 RMS 변동은 7nm였다. 스카치테이프로 필링테스트를 행한 바, 기판과 끼워맞춤구조체(60) 사이에서의 박리는 관찰되지 않았다. 또, 박막 XRD 분석을 행한 결과, AlN 압전체 박막층(163)의 c축은 막면 내에 대하여 90.0도의 방향이고, 로킹커브에 의해 배향도를 조사한 결과, 피크의 반값폭은 2.7도로 양호한 배향성을 나타내고 있었다.
이렇게 하여 구해진 박막 음향공진기는 스퓨리어스의 여진은 없고, 전기기계결합계수 kt 2는 6.4%이며, 음향품질계수는 984였다. 제 11 실시예에서 구해진 FBAR의 구성, 밀착강도 및 음향공진기로서의 특성을 표 2에 나타낸다.
(제 12 실시예)
밀착전극층(161)으로서 Cr로 이루어지는 것을 이용하고, 상방 및 하방의 전극층(162, 164)으로서 Mo로 이루어지는 것을 이용하며, 또한 Cr 밀착전극층(161)의 평면면적 S1을 5000㎛2로 하고 두께를 40nm으로 한 것 외에는, 제 11 실시예와 동일한 방법으로 박막 음향공진기를 제작하였다. 구해진 AlN막의 표면거칠기를 조사한 결과, 높이의 RMS 변동은 5nm였다. 스카치테이프로 필링테스트를 행한 바, 기판과 끼워맞춤구조체(60) 사이에서의 박리는 관찰되지 않았다. 또, 박막 XRD 분석을 행한 결과, AlN 압전체 박막층(163)의 c축은 막면 내에 대하여 89.8도의 방향이고, 로킹커브에 의해 배향도를 조사한 결과, 피크의 반값폭은 2.9도로 양호한 배향성을 나타내고 있었다.
이렇게 하여 구해진 박막 음향공진기는 스퓨리어스의 여진은 없고, 전기기계결합계수 kt 2는 6.1%이며, 음향품질계수는 1140이었다. 제 12 실시예에서 구해진 FBAR의 구성, 밀착강도 및 음향공진기로서의 특성을 표 2에 나타낸다.
(비교예 4)
Si 웨이퍼(51) 및 Si02층(53)으로 이루어지는 기판 상에 홈(52)이 형성되어 있는 구조 상에 PSG를 퇴적시키고, 그 표면을 연마하여 홈(52) 이외의 영역의 PSG층 부분을 제거하고, 홈(52) 영역의 PSG층의 표면을 높이의 RMS 변동이 38nm가 되는 표면거칠기로 하고, 그 위에 Cr막 및 Au막을 형성하고, 이들 막을 동일한 형상으로 패터닝하여, 밀착전극층(161)을 하방전극층(162)의 전면에 접합한 형태를 얻은 것 외에는, 제 7 실시예와 동일한 방법으로 박막 음향공진기를 제작하였다. 구해진 Zn0막의 표면거칠기를 조사한 결과, 높이의 RMS 변동은 30nm였다. 스카치테이프로 필링테스트를 행한 바, 기판과 끼워맞춤구조체(6O) 사이에서의 박리는 관찰되지 않았다. 또, 박막 XRD 분석을 행한 결과, Zn0 압전체 박막층(163)의 c축은 막면 내에 대하여 87.5도의 방향이고, 로킹커브에 의해 배향도를 조사한 결과, 피크의 반값폭은 4.8도로, 제 7 실시예에 비해 2.5도 정도의 열화를 나타내었다.
또, 이렇게 하여 구해진 박막 음향공진기는 스퓨리어스가 여진하고, 전기기계결합계수 kt 2는 2.5%이며, 음향품질계수는 404였다. 비교예 4에서 구해진 FBAR의 구성, 밀착강도 및 음향공진기로서의 특성을 표 2에 나타낸다.
(비교예 5)
밀착전극층(161)을 설치하지 않은 것 외에는, 비교예 4와 동일한 방법으로 박막 음향공진기를 제작하였다. 단, 홈(52) 영역의 PSG층의 표면을 높이의 RMS 변동이 33nm가 되는 표면거칠기로 하였다. 구해진 ZnO막의 표면거칠기를 조사한 결과, 높이의 RMS 변동은 23nm였다. 박막 XRD 분석을 행한 결과, ZnO 압전체 박막층(163)의 c축은 막면 내에 대하여 88.4도의 방향이고, 로킹커브에 의해 배향도를 조사한 결과, 피크의 반값폭은 4.2도이며, 스카치테이프에 의한 필링테스트에서, 기판과 끼워맞춤구조체(60) 사이에서의 박리가 관찰되었다.
또, 이렇게 하여 구해진 박막 음향공진기는 스퓨리어스가 여진하고, 전기기계결합계수 kt 2는 3.2이며, 음향품질계수는 446이었다. 비교예 5에서 구해진 FBAR의 구성, 밀착강도 및 음향공진기로서의 특성을 표 2에 나타낸다.
(제 13 실시예∼제 15 실시예)
본 실시예에서는 다음과 같이 하여, 도 22, 도 23에 도시되어 있는 구조의 압전 박막공진자를 제작하였다.
즉, 두께가 250㎛인 (100) Si 기판(112)의 상면 및 하면에 열산화법으로 두께 0.3∼0.6㎛의 산화실리콘(SiO2)층을 형성하였다. 상면측의 SiO2층을 절연층(13)으로 하였다. 또, 하면측의 SiO2층은 기판(112)에 대한 후술하는 비어홀을 형성하기 위한 마스크의 패턴으로 형성하였다.
절연층(13)의 표면에 DC 마그네트론 스퍼터법에 의해 두께 0.1㎛의 Mo층을 형성하고, 포토리소그래피에 의해 패턴화하여 하부전극(15)을 형성하였다. 하부전극(15)의 주체부(15a)는 평면치수 140 ×160㎛의 직사각형에 가까운 형상으로 하였다. 이 Mo 하부전극(15) 상에 결정면이 C축으로 배향된 두께 1.3∼2.0㎛의 AlN 박막을 형성하였다. AlN 박막의 형성은 반응성 RF 마그네트론 스퍼터법으로 행하였다. 열인산을 사용한 습식 에칭에 의해, AlN 박막을 소정의 형상으로 패턴화하여 압전체막(16)을 형성하였다. 그 후, DC 마그네트론 스퍼터법 및 리프트오프법을 사용하여, 두께 0.1㎛의 Mo로 이루어지는 상부전극(17)을 형성하였다. 상부전극(17)의 주체부(17a)는 평면치수 140 ×160㎛의 직사각형에 가까운 형상으로 하고, 하부전극 주체부(15a)에 대응하는 위치에 배치하였다.
다음에, 이상과 같이 하여 구해진 구조체의 상하부전극(15, 17) 및 압전체막(16)이 형성되어 있는 쪽을 PMMA 수지로 피복하고, Si 기판(112)의 하면에 형성한 패턴형상 SiO2층을 마스크로 하여, 진동부(121)에 대응하는 Si 기판(112)의 부분을 KOH 수용액으로 에칭제거하여 공극이 되는 비어홀(120)을 형성하였다. Si 기판(112)의 상면에 형성된 비어홀 개구부의 치수(진동부(21)의 평면치수)는 200 ×200㎛였다.
이상의 공정에 의해 얻어진 박막압전공진자(FBAR)에 대하여, 캐스캐이드 ·마이크로테크제 마이크로파 프로버 및 네트워크 측정기를 사용하여, 상기 박막압전공진자의 전극단자(15b, 17b) 사이의 임피던스특성을 측정하는 동시에, 공진주파수 fr 및 반공진주파수 fa의 측정값으로부터 전기기계결합계수 kt 2나 주파수온도특성
Figure 112003042344419-pct00020
f 및 음향품질계수 Q를 구하였다. 구해진 압전 박막공진자의 두께진동의 기본주파수, 전기기계결합계수 kt 2, 주파수온도특성
Figure 112003042344419-pct00021
f 및 음향품질계수 Q는 표 3에 나타내는 바와 같았다.
(제 16 실시예∼제 18 실시예)
본 실시예에서는 다음과 같이 하여, 도 24, 도 25에 도시되어 있는 구조의 압전 박막공진자를 제작하였다.
즉, 상부전극(17)의 형성 후이고 비어홀(120)의 형성 전에 상부전극(17) 상에 RF 마그네트론 스퍼터법으로 두께 0.1∼0.3㎛의 SiO2층을 형성하고, 진동부(121)에 대응하도록 패턴화하여 상부절연층(18)을 형성하는 것, 및 하부절연층(13)의 두께 및 압전체막(16)의 두께를 표 3에 나타내는 바와 같이 하는 것 외에는, 제 13 실시예∼제 15 실시예와 동일한 공정을 실시하였다.
이상의 공정에 의해 얻어진 박막압전공진자(FBAR)에 대하여, 제 13 실시예∼제 15 실시예와 마찬가지로, 압전 박막공진자의 두께진동의 기본 주파수, 전기기계 결합계수 kt 2, 주파수온도특성
Figure 112003042344419-pct00022
f 및 음향품질계수 Q는 표 3에 나타내는 바와 같았다.
(제 19 실시예∼제 22 실시예)
본 실시예에서는 다음과 같이 하여, 도 26, 도 27에 도시되어 있는 구조의 압전 박막공진자 및 도 28, 도 29에 도시되어 있는 구조의 압전 박막공진자를 제작하였다.
즉, 상하부절연층(13, 18)의 두께 및 압전체막(16)의 두께를 표 3에 나타나 있는 바와 같이 하는 것, 및 상하부전극(15, 17)의 형상 및 치수를 제외하고, 제 13 실시예∼제 15 실시예와 동일한 공정(제 19 실시예, 제 20 실시예) 및 제 16 실시예∼제 18 실시예와 동일한 공정(제 21 실시예, 제 22 실시예)을 실시하였다. 하부전극(15)은 진동부(121)에 대응하는 영역을 포함하도록 연장되어 있는 평면치수 150 ×300㎛의 직사각형상의 것으로 하고, 상부전극(17)은 각각 평면치수 70 ×90㎛의 직사각형에 가까운 형상의 주체부(17Aa, 17Ba)가 20㎛의 간격을 두고 배치된 것으로 하였다.
이상의 공정에 의해 얻어진 박막압전공진자(FBAR)에 대하여, 제 13 실시예∼ 제 15 실시예 및 제 16 실시예∼제 18 실시예와 마찬가지로, 압전 박막공진자의 두께진동의 기본주파수, 전기기계결합계수 kt 2, 주파수온도특성
Figure 112003042344419-pct00023
f 및 음향품질계수 Q는 표 3에 나타내는 바와 같았다.
(제 23 실시예∼제 25 실시예)
본 실시예에서는 다음과 같이 하여, 도 22, 도 23에 도시되어 있는 구조의 압전 박막공진자 및 도 24, 도 25에 도시되어 있는 구조의 압전 박막공진자를 제작하였다.
즉, 압전체막(16)의 두께 및 상하절연층(13, 18)의 두께를 표 3에 나타내는 바와 같이 하는 것을 제외하고, 제 13 실시예와 동일한 공정(제 23 실시예, 제 24 실시예) 및 제 16 실시예와 동일한 공정(제 25 실시예)을 실시하였다.
이상의 공정에 의해 얻어진 박막압전공진자(FBAR)에 대하여, 제 13 실시예 및 제 16 실시예와 동일한 방법으로 압전 박막공진자의 두께진동의 기본 주파수, 전기기계결합계수 kt 2, 주파수온도특성
Figure 112003042344419-pct00024
f 및 음향품질계수 Q는 표 3에 나타내는 바와 같았다.
(비교예 6, 7)
상하전극층의 재료로서 Mo 대신에 알루미늄(Al)을 이용하고, 압전체막(16)의 두께 및 절연층(13)의 두께를 표 3에 나타내는 바와 같이 하는 것을 제외하고, 제 13 실시예와 동일한 공정을 실시하였다.
이상의 공정에 의해 얻어진 박막압전공진자(FBAR)에 대하여, 제 13 실시예와 마찬가지로, 압전 박막공진자의 두께진동의 기본 주파수, 전기기계결합계수 kt 2, 주파수온도특성
Figure 112003042344419-pct00025
f 및 음향품질계수 Q는 표 3에 나타내는 바와 같았다.
(비교예 8)
절연층(13)을 진동부(121)에 대응하는 영역 외에만 형성한 것을 제외하고, 제 13 실시예와 동일한 공정을 실시하였다.
이상의 공정에 의해 얻어진 박막압전공진자(FBAR)에 대하여, 제 13 실시예와 동일한 방법으로 압전 박막공진자의 두께진동의 기본 주파수, 전기기계결합계수 kt 2, 주파수온도특성
Figure 112003042344419-pct00026
f 및 음향품질계수 Q는 표 3에 나타내는 바와 같았다.
(비교예 9, 10)
압전체막(16)의 재료로서 AlN 대신에 산화아연(ZnO)을 이용하고, 압전체막(16)의 두께 및 절연층(13)의 두께를 표 3에 나타내는 바와 같이 하는 것을 제외하고, 제 13 실시예와 동일한 공정을 실시하였다.
이상의 공정에 의해 얻어진 박막압전 공진자(FBAR)에 대하여, 제 13 실시예와 동일한 방법으로 압전 박막공진자의 두께진동의 기본 주파수, 전기기계결합계수 kt 2, 주파수온도특성
Figure 112003042344419-pct00027
f 및 음향품질계수 Q는 표 3에 나타내는 바와 같았다.
이상의 결과에서, 몰리브덴을 주성분으로 하는 전극과 질화알루미늄을 주성분으로 하는 압전체막으로 구성된 압전 적층구조체의 일부를 포함하는 진동부의 공진주파수의 온도계수와는 다른 부호의 온도계수를 갖는 산화실리콘을 주성분으로 하는 절연층을 압전 적층구조체에 접합하여 추가함으로써, 전기기계결합계수와 음향품질계수를 유지한 채로 공진주파수의 온도안정성이 양호한 압전 박막공진자를 실현할 수 있고, 특히, 1㎓ 이상의 고주파역에서 사용되는 VCO(압전 박막공진자), 필터, 송수신전환기에 적용한 경우에, 그 성능을 현저히 향상시킬 수 있다.
Figure 112003042344419-pct00028
Figure 112003042344419-pct00029
Figure 112003042344419-pct00030
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 높이의 RMS 변동이 25nm이하, 바람직하게는 20nm 이하라는 원자레벨로 보아 평활한 희생층 표면 상에 직접 또는 절연체층을 개재하여 제 1 전극을 형성하고, 그 제 1 전극의 표면을 높이의 RMS 변동이 25nm 이하, 바람직하게는 20nm 이하가 되도록 하고, 그 위에 압전체층을 형성하므로, 제 1 전극의 결정성이 향상되고, 이에 따라 압전체층의 배향성 및 결정품질이 현저하게 개선되고, 이로 인하여, 전기기계결합계수 및 음향품질계수가 우수한 고성능 박막 음향공진기가 제공된다.
또, 이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 하방전극층과 기판 사이에 밀착전극층을 설치하고 있고, 그 밀착전극층은 기판에 형성된 홈의 주위에서 기판과 접합되어 있으므로, 박막 음향공진기에서의 횡방향의 진동발생이 억제되고, 박막 음향공진기의 진동에 여분의 스퓨리어스진동이 겹치는 것이 방지되어, 박막 음향공진기 및 필터의 공진특성, 품질계수가 개선된다. 또, 하방전극층의 중앙부의 하측(즉, 밀착전극층에 의해 둘러싸인 내측부분)에는 밀착전극층이 존재하지 않기때문에, 하방전극층의 중앙부를 평활도가 매우 높은 희생층 표면 상에서 형성하여 배향성 및 결정성을 높일 수 있고, 이것에 기초하여 배향성 및 결정품질이 우수한 압전체 박막층을 형성할 수 있으며, 전기기계결합계수나 음향품질계수(Q값) 등이 우수한 고성능 박막 음향공진기가 제공된다. 또, 밀착전극층을 이용함으로써, 하방전극층과 기판의 밀착성(접합강도)을 향상시킬 수 있고, 하방전극층의 재료선택의 폭이 넓어져서, 박막 음향공진기의 내구성을 향상시켜 수명을 연장시킬 수 있다.
또, 이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 압전 박막공진자에 의하면, 몰리브덴을 주성분으로 하는 전극과 질화알루미늄을 주성분으로 하는 압전체막과 산화실리콘 또는 질화실리콘을 주성분으로 하는 절연층과의 조합을 이용하고 있으므로, 전기기계결합계수, 음향품질계수(Q값) 및 주파수 온도특성을 향상시킬 수 있다.

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  13. 압전체층과, 상기 압전체층의 제 1 표면에 접합된 제 1 전극과, 상기 압전체층의 상기 제 1 표면과 반대측의 제 2 표면에 접합된 제 2 전극을 갖고 있고, 상기 제 1 전극의 상기 압전체층 쪽의 표면은 높이의 RMS 변동이 25nm 이하이고, 상기 압전체층의 상기 제 2 표면은 높이의 RMS 변동이 상기 압전체층의 두께의 5% 이하이고, 상기 제 2 전극의 표면의 파형높이는 상기 압전체층의 두께의 25% 이하인 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기.
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  17. 압전체층과, 상기 압전체층의 제 1 표면에 접합된 제 1 전극과, 상기 압전체층의 상기 제 1 표면과 반대측의 제 2 표면에 접합된 제 2 전극을 갖고 있고, 상기 제 1 전극의 상기 압전체층 쪽의 표면은 높이의 RMS 변동이 25nm 이하이고, 상기 제 2 전극은 중앙부와 그 중앙부보다 두꺼운 외주부를 갖으며, 상기 제 2 전극은 상기 중앙부의 두께변동이 그 중앙부의 두께의 1% 이하이고, 상기 중앙부의 표면의 파형높이는 상기 압전체층의 두께의 25% 이하이고, 상기 외주부의 두께는 상기 중앙부의 높이의 1.1배 이상인 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 외주부는 상기 중앙부의 주위에 프레임형상으로 위치하는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기.
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  21. 제 17항에 있어서,
    상기 외주부는 상기 제 2 전극의 외부가장자리로부터 40㎛까지의 거리의 범위 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기.
  22. 삭제
  23. 제 13항 또는 제 17항에 있어서,
    상기 압전체층과 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극으로 이루어지는 끼워맞춤구조체는 기판의 표면에 형성된 홈을 지나치도록 상기 기판에 의해 가장자리부가 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 기판의 표면 상에는 상기 홈을 지나치도록 형성된 절연체층이 배치되어 있고, 그 절연체층 상에 상기 끼워맞춤구조체가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기.
  25. 압전체층과, 상기 압전체층의 제 1 표면에 접합된 제 1 전극과, 상기 압전체층의 상기 제 1 표면과 반대측의 제 2 표면에 접합된 제 2 전극을 갖는 박막 음향공진기를 제조하는 방법에 있어서,
    기판의 표면에 홈을 형성하고, 그 홈 내에 희생층을 충전하고, 그 희생층의 표면을 높이의 RMS 변동이 20nm 이하가 되도록 연마하며, 상기 희생층 표면의 일부 영역과 상기 기판 표면의 일부 영역에 걸쳐 그들 위에 상기 제 1 전극을 형성하고, 상기 제 1 전극 상에 상기 압전체층을 그 압전체층의 제 2 표면 높이의 RMS 변동이 상기 압전체층의 두께의 5% 이하로 되도록 형성하며, 상기 압전체층 상에 상기 제 2 전극을 그 제 2 전극 표면의 파형높이가 상기 압전체층의 두께의 25% 이하로 되도록 형성하고, 상기 압전체층과 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극으로 이루어진 끼워맞춤구조체의 단부에 맞게 상기 희생층의 상측 부분에 개구를 형성하고, 상기 개구로 에칭액을 공급하고, 상기 홈 내에서 상기 희생층을 에칭제거하는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기의 제조방법.
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  27. 제 25항에 있어서,
    상기 제 1 전극을 두께 150nm 이하로 형성하고, 상기 제 1 전극의 상면을 높이의 RMS 변동이 20nm 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기의 제조방법.
  28. 삭제
  29. 제 25항에 있어서,
    상기 희생층 위에 상기 제 1 전극을 형성하기에 앞서 절연체층을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기의 제조방법.
  30. 기판과, 그 기판 상에 배치되고, 그 기판측의 하방전극층 및 이것과 쌍을 이루는 상방전극층 사이에 압전체 박막층을 끼우도록 적층하여 이루어지는 끼워맞춤구조체를 구비하는 박막 음향공진기에 있어서,
    상기 끼워맞춤구조체는 상기 하방전극층과 상기 기판 사이에 위치하며 또한 상기 하방전극층과 접합된 밀착전극층을 추가로 갖고 있고, 그 밀착전극층은 상기 기판에 상기 끼워맞춤구조체의 진동을 허용하도록 형성된 홈의 주위에서 상기 기판과 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기.
  31. 제 30항에 있어서,
    상기 밀착전극층은 환상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기.
  32. 제 30항에 있어서,
    상기 밀착전극층의 상기 하방전극층과 접하는 부분의 평면면적을 S1로 하고, 상기 하방전극층의 평면면적을 S2로 하였을 때, 0.01 ×S2
    Figure 112003042344419-pct00031
    S1
    Figure 112003042344419-pct00032
    0.5 ×S2의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기.
  33. 제 30항에 있어서,
    상기 상방전극층은 상기 밀착전극층의 내측에 대응하는 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기.
  34. 제 30항에 있어서,
    상기 밀착전극층은 Ti, Cr, Ni, Ta로부터 선택되는 적어도 한 종류를 포함하는 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기.
  35. 제 30항에 있어서,
    상기 하방전극층은 Au, Pt, W, Mo로부터 선택되는 적어도 한 종류를 포함하는 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기.
  36. 제 30항에 있어서,
    상기 압전체 박막층은 AlN 또는 Zn0로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기.
  37. 제 30항에 기재된 박막 음향공진기를 제조하는 방법에 있어서,
    홈이 형성되어 있는 기판의 표면에서 상기 홈의 주위에 밀착전극층을 형성하며, 그 밀착전극층보다 내측의 상기 홈에 대응하는 영역에서 상기 기판의 표면 상에 희생층을 형성하고, 그 희생층의 표면을 연마하여 높이의 RMS 변동이 25nm 이하가 되도록 평활화하고, 상기 희생층 및 상기 밀착전극층 위에 하방전극층, 압전체 박막층 및 상방전극층을 차례로 형성한 후에 상기 희생층을 제거하는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기의 제조방법.
  38. 제 37항에 있어서,
    상기 희생층의 표면을 연마하여 높이의 RMS 변동이 20nm 이하가 되도록 평활화하는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기의 제조방법.
  39. 제 37항에 있어서,
    상기 희생층의 형성은, 우선 상기 기판 및 상기 밀착전극층을 덮도록 희생층재료의 층을 형성하고, 이어서 그 희생층재료의 층을 상기 밀착전극층의 표면이 노출되도록 연마함으로써 행해지는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기의 제조방법.
  40. 제 37항에 있어서,
    상기 희생층의 제거는 에칭에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기의 제조방법.
  41. 제 37항에 있어서,
    상기 희생층으로서 유리 또는 플라스틱을 이용하는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기의 제조방법.
  42. 기판과, 그 기판 상에 형성된 압전 적층구조체를 갖고 있고, 상기 압전 전극구조체의 일부를 포함하여 진동부가 구성되어 있으며, 상기 압전 전극구조체는 하부전극, 압전체막 및 상부전극을 상기 기판측에서 이 순서대로 적층하여 이루어지는 것이며, 상기 기판은 상기 진동부에 대응하는 영역에서 그 진동부의 진동을 허용하는 공극을 형성하고 있는 압전 박막공진자에 있어서,
    상기 압전체막이 질화알루미늄을 주성분으로 하는 것이고, 상기 하부전극 및 상기 상부전극이 몰리브덴을 주성분으로 하는 것이며, 상기 진동부는 상기 압전 적층구조체에 접합된 적어도 1층의 산화실리콘 또는 질화실리콘을 주성분으로 하는 절연층의 적어도 일부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 박막공진자.
  43. 제 42항에 있어서,
    상기 압전체막의 두께 t와 상기 적어도 1층의 절연층의 두께의 합계 t'가 0.1
    Figure 112003042344419-pct00033
    t'/t
    Figure 112003042344419-pct00034
    0.5의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 압전 박막공진자.
  44. 제 42항에 있어서,
    상기 압전체막은 상기 질화알루미늄의 함유량이 90당량% 이상인 것을 특징으로 하는 압전 박막공진자.
  45. 제 42항에 있어서,
    상기 절연층은 상기 산화실리콘 또는 질화실리콘의 함유량이 50당량% 이상인 것을 특징으로 하는 압전 박막공진자.
  46. 제 42항에 있어서,
    상기 하부전극 및 상기 상부전극은 상기 몰리브덴의 함유량이 80당량% 이상인 것을 특징으로 하는 압전 박막공진자.
  47. 제 42항에 있어서,
    상기 절연층 중의 하나가 상기 기판의 표면 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막공진자.
  48. 제 42항에 있어서,
    상기 절연층 중의 하나가 상기 압전 적층구조체의 상기 기판과 반대쪽의 표면 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막공진자.
  49. 제 42항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘단결정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 박막공진자.
  50. 제 42항에 있어서,
    상기 상부전극은 서로 격리되어 형성된 제 1 전극부와 제 2 전극부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 박막공진자.
  51. 제 42항에 있어서,
    2.0㎓ 근방에서의 공진주파수 및 반공진주파수의 측정값으로부터 구한 전기기계결합계수가 4.0∼6.5%이고, 음향품질계수가 750∼2000이며, 공진주파수의 온도계수가 -20∼20ppm/℃인 것을 특징으로 하는 압전 박막공진자.
  52. 제 13항 또는 제 17항에 있어서,
    상기 제1전극의 두께가 150nm 이하인 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기.
  53. 제 24항에 있어서,
    상기 압전체층의 두께 t와 상기 절연층의 두께 t'는 0.1≤t'/t≤0.5 의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기.
  54. 제 25항에 있어서,
    상기 희생층의 표면을 연마하기 전에, 상기 희생층을 RTA(Rapid Thermal Anneal)법으로 750~950℃의 온도에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 박막 음향공진기의 제조방법.
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