KR20030039446A - Ｆｂａｒ 제조방법 - Google Patents
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Abstract
FBAR 제조방법이 개시된다. 개시된 FBAR 제조방법은, 반도체 기판상에 하부전극을 적층하여 패터닝하는 제1단계와, 상기 하부전극상에 압전물질층을 적층하여 패터닝하는 제2단계와, 상기 압전물질층상에 상부전극을 적층하여 패터닝하는 제3단계와, 상기 상부전극, 압전물질층 및 하부전극을 관통하는 홀을 형성시키는 제4단계, 및 상기 반도체 기판에 에어갭이 형성되도록 상기 홀에 플로린 화합물을 주입하여 상기 반도체 기판을 비프라즈마 에칭하는 제5단계를 포함한다. 본 발명에 따른 제조방법은 제조공정상 희생층을 형성 및 제거하는 단계를 포함하지 않음으로써 제조공정이 단순하며, 주파수에 따라 무한대의 선택도를 가진 에어갭을 형성시킬 수 있어 성능이 향상된 FBAR를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에어갭형 FBAR 제조방법에 관한 것이다.
초고주파대역에 사용되는 공진기로는 유전체 공진기, 금속공동 공진기 및 압전박막공진기(FBAR)가 있다. 이들 공진기는 삽입손실이 작고 주파수 특성이나 온도 안정성은 우수하나 크기가 크고 반도체 기판위에 실장할 수 없기 때문에 소형화, 경량화 및 집적회로화가 어렵다. FBAR는 유전체 공진기나 금속공동 공진기에 비해 초소형으로 제작이 가능하며 실리콘 또는 GaAs 와 같은 기판상에 구현이 가능하며, 타 공진기에 비해 삽입손실이 작다는 장점이 있다.
이러한 공진기를 이용한 필터는 현재 무선이동통신 부품 중 핵심부품중의 하나이며, 이런 필터 제작기술은 무선이동통신의 휴대성을 고려한 단말기의 경박단소 및 저전력화에 있어서 필수적이다.
현재 무선통신용 RF(Radio Frequency) 필터로 가장 많이 사용되고 있는 것은 유전체 필터와 SAW(Surface Acoustic Wave)필터이다.
유전체 필터는 가정에서 사용하는 9백 MHz대역 무선 전화기용 필터와 PCS용 1.8~1.9GHz 대역의 듀플렉스 필터로 많이 사용되고 있으며, 높은 유전율, 저삽입손실, 높은 온도에서의 안정성, 내진동, 내충격에 강한 장점을 가지지만, 소형화 및MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)화에는 한계가 있다.
SAW필터는 유전체 필터보다 소형이며 신호처리가 용이하고 회로의 간략화, 무조정화 및 대량생산의 용이성등의 장점을 가지나, 제조공정상의 한계로 인해 초고주파(5GHz이상)의 대역에서 제작이 용이하지 않다는 단점이 있다.
이와 달리 FBAR 필터는 초경량 및 초경박이며 반도체 공정을 이용하여 대량생산이 용이하며 RF 능동소자들과 자유로운 결합이 가능하다는 장점이 있다.
FBAR 필터는 반도체 기판인 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs)에 압전물질인 ZnO 또는 AlN를 RF 스퍼터링 방법으로 직접 증착하여 압전특성으로 인한 공진을 유발하는 박막형태의 소자를 필터화한 것이다.
FBAR를 제작하는 공정으로는 멤브레인(membrane) 방식, 브래그 리프랙터(Brag reflector) 방식, 및 에어갭(Air Gap) 방식이 있다.
멤브레인 방식의 FBAR 제조방법은, 멤브레인으로서 실리콘 P+층을 이온성장법으로 실리콘 위에 증착하고 실리콘 기판 반대편을 이방성 에칭함으로써 에칭 정지가 일어나도록 하여 에칭공동을 형성하는 방법이다. 멤브레인 방식은 백 에칭을 하므로 공진기가 취약해지는 단점이 있다.
브래그 리프랙터 방식의 FBAR 제조방법은, 실리콘 기판위에 어쿠스틱 임피던스(Acoustic Impedence)차가 큰 물질을 격층으로 증착하고 브래그 반사를 유발시켜 음파 에너지가 전극층 사이에 집중되도록 하여 공진을 발생시키는 방법이다. 브래그 리프랙트 방식은 박막층의 두께 조절의 어려우며, 두께 조절을 실패할 경우 수신파의 위상변화에 의해 웨이브의 소멸이 일어날 수 있는 단점이 있다.
에어갭 방식의 FBAR 제조방법은, 가장 최근에 개발된 기술로 상기의 두 방법의 단점을 극복한 방법이다. 에어갭 방식의 FBAR 제조방법은 마이크로머시닝기술을 이용하여 실리콘과 같은 반도체 기판위에 희생층을 형성시켜 에어갭을 만들어 공진을 발생시키는 방법이다. 에어갭 방식의 FBAR 제조방법에서는 에어갭에 의해 공진기의 손실이 거의 일어나지 않으며, 제조공정상 처리과정이 비교적 용이하다.
도 1a 내지 도 1q는 종래의 에어갭형 FBAR 제조방법의 각 단계를 나타낸 도면이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 먼저 반도체 기판(11)을 마련한다. 다음으로 도 1b에 도시된 바와 같이 반도체 기판(11)에 감광제(12)를 도포한 다음 그 상부에 마스크를 마련하여 노광한다. 이 때 마스크는 도 1c에 도시된 바와 같은 반도체 기판(11)상의 식각부분이 형성되도록 소정형상을 가진다.
노광된 감광제를 현상한 다음 이온 반응 에칭법(ICPRIE; Inductive Coupled Plasma Reaction Ion Ethching)을 이용하여 도 1c에 도시된 같이 반도체 기판에 에어갭을 형성시킨다. 다음으로, 도 1d에 도시된 바와 같이 반도체 기판(11)상에 poly-Si와 같은 희생층(13)을 적층한다. 희생층(13)은 CMP(Chemical Mechanical Polishing)평탄화 공정에 의해 도 1e에 도시된 바와 같이 평탄화된다. 여기서, 희생층(13)은 압전물질층(15)이 AlN인 경우 ZnO가 되며, 압전물질층(15)이 ZnO인 경우 Poly-Si가 된다.
도 1f를 참조하면, 희생층이 포함되어 있는 반도체 기판(11)상에 하부전극(15)을 적층한다. 적층된 하부전극을 패터닝하기 위해 도 1g에서 도시된바와 같이 다시 포토공정을 행한다. 이와 같은 포토공정에 의해 형성된 하부전극(15)이 도 1h에 도시되어 있다.
도 1i에는 하부전극(15)상에 압전물질층(17)을 증착하는 과정이 도시되어 있다. 이와 같은 압전물질층(17)은 포토공정에 의해 패터닝되며, 이 과정은 도1j에 도시되어 있으며, 패터닝된 압전물질층(17)이 도 1k에 도시되어 있다.
이 압전물질층(17)에 다시 상부전극(19)이 적층되며 이것에 다시 포토공정을 행하여 패터닝하는 과정이 각각, 도 1l 및 도 1m에 도시되어 있다. 그 결과 형성된 상부전극(19)의 패턴이 도 1n에 형성되어 있다. 이 단계까지 희생층은 반도체 기판에 포함되어 있다.
도 1o에서는 희생층을 제거하기 위하여 상부전극(19), 압전물질층(17) 및 하부전극(15)을 차례로 통과하는 홀(10a)을 형성시키는 단계가 도시되어 있다. 이 홀(10a)에 KOH와 같은 에칭액(16)을 주입시켜 희생층(13)을 제거하는 과정이 도 1p에 도시되어 있다. 희생층은 습식방식이나 프라즈마를 동반한 건식방식이 모두 가능하다.
이러한 과정을 거쳐 제조된 에어갭형 FBAR가 도 1q에 도시되어 있다.
종래의 에어갭형 FBAR 제조방법은 상술한 바와 같은 17단계를 포함하므로, 그 단계가 매우 복잡하다. 또한 종래의 에어갭형 FBAR 제조방법은 반도체 기판을 에칭하고 다시 에칭한 부분을 희생층으로 채워야 하기 때문에 그 깊이가 깊으면 희생층을 제작하는데 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라, 에어갭을 깊게 제작하기가 어렵다.
더불어 희생층을 평탄화하기 위한 공정이 별도로 필요하여 제조공정이 복잡화되고 길어지며 평탄화의 정밀도를 원하는 수준으로 달성하기가 어렵다.
특히, 희생층을 제거하는 단계에서, FBAR를 구성하는 박막층이 함께 에칭되거나, 희생층 에칭후 세척액이 에어갭에 잔존하여 에칭이 진행되어 FBAR의 불량율 이 높아질 수 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 제작단가를 낮출 수 있도록 제작공정이 단순하며, 주파수에 따른 선택도가 무한인 에어갭을 형성하여 FBAR의 성능을 향상시킬 수 있는 FBAR 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1a 내지 도 1q는 종래의 에어갭형 FBAR 제조방법을 나타낸 도면,
도 2a 내지 도 2l은 본 발명의 실시예에 따른 FBAR 제조방법을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 FBAR를 채용한 필터를 나타낸 평면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 FBAR를 제작하기 위한 장치를 나타낸 도면,
도 5는 감광제를 마스크로 한 비프라즈마 에칭에 의해 반도체 기판에 형성되는 에어갭을 나타낸 사진,
도 6은 이산화규소막이 증착된 반도체 기판에 감광제를 마스크로 한 비프라즈마 에칭에 의해 형성되는 에어갭을 나타낸 사진.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
11, 21 : 반도체 기판 12, 22 : 감광제
13 : 희생층 13a, 30a : 에어갭
14, 24 : 마스크 15, 23 : 하부전극
17, 25 : 압전물질층 19, 27 : 상부전극
20a : 홀 41 : 소스챔버
43 : 익스팬션 챔버 45 : 에칭챔버
47 : 트랜스퍼 챔버 50 : 펌프
51, 52, 53, 54, 55, 56 : 밸브
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, FBAR 제조방법에 있어서, 반도체 기판상에 하부전극을 적층하여 패터닝하는 제1단계;와 상기 하부전극상에 압전물질층을 적층하여 패터닝하는 제2단계;와 상기 압전물질층상에 상부전극을 적층하여 패터닝하는 제3단계;와 상기 상부전극, 압전물질층 및 하부전극을 관통하는 홀을 형성시키는 제4단계; 및 상기 반도체 기판에 에어갭이 형성되도록 상기 홀에 플로린 화합물을 주입하여 상기 반도체 기판을 비프라즈마 에칭하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 FBAR 제조방법을 제공한다.
상기 제5단계에서, 상기 플로린 화합물이 상기 반도체 기판과 반응하기 전에 이것을 기체화시키는 단계가 더 포함된다. 또한, 상기 제5단계에서, 상기 플로린화합물과 반응하여 생성된 생성물질을 진공흡입하는 단계가 더 포함된다.
상기 비프라즈마 에칭은 화학적 건식에칭인 것이 바람직하다.
상기 플로린 화합물은 XeF2이다.
상기 에어갭의 폭은 상기 상부전극과 상기 기판이 만나는 최외각 지점에서 상기 하부전극과 상기 기판이 만나는 최외각 지점까지의 거리인 것이 바람직하다.
상기 에어갭의 깊이는 상기 에어갭의 폭의 절반과 일치하는 것이 바람직하다.
본 발명은 에어갭형 FBAR 제조방법에서, 제조단계를 단순화시켜 제조공정에 드는 시간과 단가를 낮추었으며, 플로린 화합물을 이용하는 비프라즈마 에칭법을 사용함으로써 무한도의 선택도를 가지는 에어갭을 형성시킬 수 있어 고주파(RF)의 진동수에 따라 다양한 폭과 깊이를 가진 에어갭을 가지는 FBAR를 제공하여 이를 채용하는 통신기구등의 성능을 전체적으로 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명에 따른 에어갭형 FBAR 제조방법의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 여기서, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 동일한 부호가 사용되고 있음에 유의해야 한다.
도 2a 내지 도 2l은 본 발명의 실시예에 따른 에어갭형 FBAR 제조방법을 나타낸 도면이다.
FBAR를 제조하기 위하여, 먼저 도 2a에 도시된 바와 같이 실리콘 또는 갈륨비소와 같은 반도체 기판(21)을 마련한다. 반도체 기판(21)상에 Al과 같은 도전성전극을 적층하여 하부전극(23)을 도 2b에 도시된 바와 같이 형성시킨다. 이것을 도 2c에 도시된 바와 같이 포토공정을 이용하여 패터닝한다. 포토공정은 상술한 바와 같이 먼저 감광제(22)를 하부전극(23)상에 도포하고 난 다음 패터닝하고자 하는 형상의 마스크를 그 상부에 위치시키고 노광 및 현상하는 과정으로 진행된다.
상기의 포토공정에 의해 패터닝된 하부전극(23)이 도 2d에 도시되어 있다. 다음으로 동일한 포토공정이 압전물질층(25)에 대해 이루어진다. 이 과정이 각각 도 2e, 도 2f 및 도2g에 도시되어 있다.
동일한 포토공정이 상부전극(25)에 대해서도 행해지며, 이 과정은 도 2h, 도2i 및 도2j에 도시되어 있다.
이와 같은 포토공정에 의해 형성된 상부전극(27), 압전물질층(25) 및 하부전극(23)을 차례로 통과하며 그 면에 대해 직교하도록 홀(20a)을 형성시키는 단계가 도 2k에 도시되어 있다. 이와 같이 형성된 홀(20a)을 통해 XeF2와 같은 플로린 화합물을 주입시켜 반도체 기판(21)을 에칭하는 과정이 도 2l에 도시되어 있다.
도 2l에 도시된 에칭은 플로린 화합물을 이용한 비프라즈마 에칭방식이며 화학식 1과 같은 화학적 반응을 이용한다. 여기서, 플로린 화합물은 기체상태이다.
[화학식 1]
XeF2→Xe + FeSix
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에어갭형 FBAR 제조방법에 따라 제조된 FBAR를 나타낸 정면도이다. 도 3을 참조하면, 하부전극(23)과 상부전극(27)사이에압전물질층(25)이 마련되어 있으며 상기 하부전극(23)과 상부전극(27)은 각각 콘택트 패드(32, 34)에 각각 연결되어 있다. FBAR 필터는 SAW 필터와 달리 표면파를 이용하지 않고 두께파를 이용한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에어갭형 FBAR를 제조하기 위하여 사용하는 장치를 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 소스챔버(41)에 펌프(50)와 익스팬션 챔버(43)가 연결되어 있으며, 익스팬션 챔버(43)에는 펌프(60)과 에칭챔버(45)가 연결되어 있으며, 에칭챔버(45)는 펌프(60)와 트랜스퍼챔버(47)가 연결되어 있으며, 트랜스퍼 챔버(47)에는 펌프(50)가 연결되어 있다. 각 연결부위에는 밸브(51, 52, 53, 54, 55, 56)가 위치한다.
본 발명의 실시예에 따른 에어갭형 FBAR를 제조하기 위하여, 먼저 소스챔버(41)에 고체상태의 플로린 화합물(XeF2)을 마련하여 4torr이하로 압력을 낮춘다. 챔버내의 온도는 일반적으로 상온이며, 챔버내 압력을 4torr 이하로 낮추어 플로린 화합물을 고체에서 기체로 승화시킨다. 이 때 원하는 기체상태의 플로린 화합물을 생성시킬 수 있도록 압력을 적절히 조절하여야 한다. 밸브(51)가 닫힌 상태에서 밸브(52)를 열고 펌프(50)를 사용하여 진공흡입함으로써 소스챔버내의 압력을 낮추어 플로린 화합물을 고체에서 기체로 승화시킨다.
다음에, 밸브(51, 54)를 열고 밸브(52)를 닫고 펌프(60)을 작동시켜 소스챔버(41)내의 플로린 화합물의 기체를 익스팬션 챔버(43)로 이동시킨다. 이 과정에서 익스팬션 챔버(43)에는 기체상태의 플로린 화합물이 가득 차게 된다. 적정한 양의 플로린 화합물이 챔버내에 채워지면, 밸브(53, 55)를 열고 밸브(51, 54)는 닫고 펌프(60)를 작동시켜 익스팬션챔버(43)내의 플로린 화합물의 기체를 에칭챔버(45)로 이동시킨다.
에칭챔버(45)에는 이미 상부전극, 하부전극, 압전물질이 형성된 반도체 기판(미도시)이 준비되어 있으며, 이것과 에칭챔버(45)내로 주입되는 플로린 화합물의 기체와 화학적 반응이 일어남으로써 반도체 기판이 에칭된다. 이 때 반도체 기판상에 형성시키고자 하는 에어갭의 크기에 따라 플로린화합물의 주입양을 적절히 조절하여야 한다. 플로린 화합물의 주입양은 진공흡입하는 펌프(60)의 작용에 의해 낮아지는 챔버내 압력과 밸브(53, 55)를 열고 닫는 시간에 따라 조절된다. 익스팬션 챔버(43)는 4torr 전후의 값을 갖도록 압력을 조절하며, 에칭챔버(45)는 20mtorr 정도의 압력을 가지도록 압력을 조절한다.
에칭챔버(45) 내의 반도체 기판에 원하는 크기의 에어갭이 형성된 다음 밸브(53)를 닫은 상태에서 밸브(55)를 열고 펌프(60)를 작동시켜 나머지 잔류하는 플로린 화합물의 기체를 배출시킨다.
에칭작업이 끝난 FBAR는 트랜스퍼 챔버(47)로 이송된다.
도 5 및 도 6은 플로린 화합물을 이용하는 비프라즈마에칭에 의해 반도체 기판상에 형성된 에어갭을 나타낸 사진이다.
도 5를 참조하면, 감광제가 마스크로 사용된 경우 감광제의 하단부에 에어갭이 반구형으로 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 감광제에는 어떤 손상도 일어나지 않고 반도체 기판상에 원하는 형태의 반구형을 형성시킬 수 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 에어갭형 FBAR 제조방법은 종래의 에어갭형 FBAR 제조방법과 달리 하부전극상에 어떠한 손상도 일으키지 않는다.
도 6은 사각형의 식각부분이 형성되어 있는 반도체 기판상에 이산화규소가 박막형태로 증착된 경우에 본 발명의 실시예에 따른 비프라즈마에칭방법을 행한 결과를 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 반도체기판상에 이산화규소막을 증착하고 그 상부에 감광제를 도포하고 비프라즈마에칭을 행한 경우 이산화규소막의 아래부분으로 원하는 반구형의 에어갭이 형성되는 것을 볼 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 에어갭형 FBAR 제조방법은 희생층을 필요로 하지 않으므로 제조공정이 단순화되며 이에 따라 하부전극의 부착력이 좋아지고 하부전극이 가지는 저항도 줄어든다. 이런 장점으로 인해 FBAR에 연결되는 칩의 Q(Quality factor)의 값이 향상된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 에어갭형 FBAR 제조방법은 무한대의 선택도를 가지는 플로린 화합물 비프라즈마 에칭을 이용하여 에어갭을 형성하므로 에어갭의 크기를 주파수에 따라 원하는 대로 형성시킬 수 있으며, 하부전극에 전혀 손상을 가하지 않는다.
더하여, 본 발명의 실시예에 따른 에어갭형 FBAR 제조방법은 기체를 사용하므로 별도의 세정공정이나 드라이 고정을 필요로 하지 않으며 에칭물질등이 잔류하지 않아 불량률을 최소화시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 에어갭형 FBAR 제조방법은 제조공정을 단순화시켜 제조시간을 획기적으로 단축시킬 수 있으며, 플로린 화합물을 이용한 비프라즈마 에칭에 의해 에어갭을 형성시킴으로써 주파수에 따라 무한대의 선택도를 가지며, 하부전극의 부착력 및 저항의 완화로 인해 FBAR의 성능을 전체적으로 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
Claims (7)
- FBAR 제조방법에 있어서,반도체 기판상에 하부전극을 적층하여 패터닝하는 제1단계;상기 하부전극상에 압전물질층을 적층하여 패터닝하는 제2단계;상기 압전물질층상에 상부전극을 적층하여 패터닝하는 제3단계;상기 상부전극, 압전물질층 및 하부전극을 관통하는 홀을 형성시키는 제4단계; 및상기 반도체 기판에 에어갭이 형성되도록 상기 홀에 플로린 화합물을 주입하여 상기 반도체 기판을 비프라즈마 에칭하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 FBAR 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제5단계에서 상기 플로린 화합물이 상기 반도체 기판과 반응하기 전에 이것을 기체화시키는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 FBAR 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 제5단계에서 상기 플로린 화합물과 반응하여 생성된 생성물질을 진공흡입하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 FBAR 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 비프라즈마 에칭은 화학적 건식에칭인 것을 특징으로 하는 FBAR 제조방법.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 플로린 화합물은 XeF2인 것을 특징으로 하는 FBAR 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 에어갭의 폭은 상기 상부전극과 기판이 만나는 최외각 지점에서 상기 하부전극과 상기 기판이 만나는 최외각 지점까지의 거리인 것을 특징으로 하는 FBAR 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 에어갭의 깊이는 상기 에어갭의 폭의 절반과 일치하는 것을 특징으로 하는 FBAR 제조방법.
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