FBAR 소자제작을 위한 Patterning 공정 연구

최승혁, 김종성*

경원대학교 화학공학과

(jskim@mail.kyungwon.ac.kr*)

Study of the patterning process for the FBAR device fabrication

Seung-Hyuk Choi and Jong Sung Kim

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University

서론

멤브레인 타입 체적파 박막형 공진기(FBAR:Film Bulk Acoustic wave Resonator)소자를 제작하기 위한 패터닝 공정을 연구하였다. FBAR는 일반적으로 동작주파수가 500MHz~10GHz 이며, 유전체 세라믹소자의 장점과 SAW소자의 장점을 동시에 갖고 있고, 특히 MMIC화가 가능한 차세대 고주파 수동소자로 주목받고 있다.  멤브레인 타입 FBAR 소자는 MEMS공정에 의해 Si membrane을 만들고, 그위에 전극막/압전박막/전극막의 구조로 제작되는데, 압전박막으로는 ZnO박막과 AlN등이 사용되며, 전극막으로는 Al, Au, Pt 등이 사용된다. FBAR소자의 특성을 결정하는데, 압전박막의 c축 우선 배향성이 매우 중요하며, 또한 전극막 및 압전박막의 공진 면적 등이 주요 변수가 된다.  본 연구에서는 Al 또는 Pt 전극막 상에 ZnO를 증착하고 열처리에 따른 전극막 또는 ZnO의 surface morphology를 AFM으로 관찰하였으며,  MEMS 공정에 의해 membrane 구조의 FBAR소자를 구현하였다.

본론

전극막에 따른 ZnO surface morphology

전극막에 따른 ZnO의 결정 성장을 관찰하기 위해 Si3N4/Si 기판위에 Al과 Pt를 전극막으로 증착하고 그 위에 ZnO를 증착하여 전기로에서 열처리 공정을 실시하였다. Pt 전극막의 경우 Sputtering공정으로 접착력을 위한 buffer layer인 Ti을 500Å내의 두께로 증착 후, 그 위에 2000Å의 두께로 증착하였다. 이때의 공정조건은 Power:100W, base-pressure: 3.2×10-6, Ar : 50Sccm, working-pressure: 5mtorr, 기판과 타겟의 거리: 25cm였다. Al은 E-beam evaporator를 사용하여 2000Å의 두께로 증착하였고, 공정조건은 base-pressure:6.4×10-7 torr  , 60mA(0.7Å/S)×10KV 였다.   ZnO는 rf sputter를 사용하여 증착하였으며 RF power:213W, working pressure:15mtorr, 기판과 타겟사이거리:10cm, Ar / O2를 각각 13Sccm 으로 하여 pre-sputtering 10분, total sputtering을 195분간 증착하였다. 증착된 시료를 전기로에서200℃, 400℃, 500℃로  열처리 한 후  SPM (PSIA, XE-100)으로 표면을 관찰하고 표면거칠기를 측정했다.  열처리는 rising rate: 1℃/2sec, falling rate:2℃/1min 조건으로 30분간 실시하였다. 표 1은 각 시료의 표면거칠기 값을 보여준다. 표면거칠기의 경우, Al상의 ZnO박막이 더욱 큰 거칠기를 보이는데, 이는 Al의 경우 e-beam evaporator로 증착하였고, Pt의 경우는 sputtering 공정으로 증착하였기 때문에 하부 전극막 자체의 거칠기가 상부 ZnO 박막의 거칠기에 영향을 준 것으로 사료된다. 또한 ZnO/Pt의 경우는 열처리 온도가 증가함에 따라 거칠기가 증가하나, ZnO/Al의 경우에는 400 ℃에서 가장 큰 표면거칠기를 나타내었다.

표 1. ZnO/Al, ZnO/Pt의 표면거칠기

	As deposited		200℃		400℃		500℃
	RMS	Average	RMS	Average	RMS	Average	RMS	Average
ZnO/Al	155	124	175	140	192	153	168	135
ZnO/Pt	126	101	133	107	140	113	143	115

그림 1은 Al 과 Pt 전극막상의 ZnO 박막의 열처리 온도에 따른 표면 SPM 사진을 보여준다. 같은 온도에서 열처리 하였어도, Pt 상에서 성장한 ZnO 박막의 입자의 크기가 더 작은 것을 알 수 있으며, 열처리 온도가 증가함에 따라, 결정이 커져가는 것을 관찰할 수 있다.

그림 1. 열처리 온도에 따른 ZnO/Al 과 ZnO/Pt의 SPM 사진

(As deposited, 200, 400, 500 ℃)

FBAR소자 제작 공정

그림2에 FBAR 소자의 제작 공정과 단면 구조를 나타내었다.

그림 2 .FBAR 제작 flow chart와 단면 구조

4인치 크기의 P-type Si(100) wafer를 아세톤, 메탄올, D.Iwater로  세척후 LPCVD공정으로 low stress Si3N4를  1㎛두께로 양면 증착하였다. 기판의 뒷면에  PR(AZ1512)을 coating 한 후 soft-bake를 95℃에서 35분 동안 실시하고 Aligner(SKM Karl Suss 사의 MA6/BA6)로 9초간 노광하였다. 노광후 AZ500MIF developer를 사용하여 3분간 developing 하였고 이때 PR의 두께는  1.4 ㎛이며  110℃에서 30분간 hard-bake를 실시하였다. RIE(Plasma-therm사의 790series)로 RFpower:175W, Pressure:40mtorr, O2와 CF4CHF3 rate가 각각 4.0 Sccm, 36.0 Sccm인 분위기에서 17분동안 건식 식각하였고, 아세톤으로 PR stripping 후, 메탄올, D.Iwater를 사용하여 각각 3분간 ultra-sonic에서 세척하였고, 5분간 건조기에서 건조하여 하부 passivation막을 완성하였다. 그림 3은 RIE 공정후 패턴 모습을 보여준다.

그림 3. RIE 후 패턴

Si 뒷면을  KOH를 사용하여 wet etching을 하였다. 그림 4는 80℃의 KOH(농도 45%)에서 30분간 1시간, 2시간, 3시간 식각한 후의 현미경 사진을 보여준다.시간을 4시간정도로 back-side etching을 실시하여 membrane 구조의 FBAR소자를 제작할수 있었다.

그림 4. 왼쪽부터 3시간, 2시간, 1시간, 30분 etching

membrane공정으로 하부패턴이 완성된 소자위에 하부전극으로 Al을 E-beam evaporator법으로 증착한 후 사진식각공정으로 패터닝하고 그 위에 PR도포 및 패터닝 후 ZnO,Al을 차례로 증착한 뒤 Lift-off 법으로 ZnO와 상부 전극패턴을 성형하였다. 그림 5는 제작된 FBAR의 상부구조를 현미경으로 관찰한 것이다.

그림 5.완성된 상부 패턴사진

결론

Al과 Pt를 전극막으로하여 ZnO를 증착후 SPM으로 관찰한 결과,  ZnO/Pt에 비해 ZnO/Al가 상대적으로 더 거칠었으며 열처리 온도가 증가함에 따라 거칠기가 증가하였다. 또한  Pt에서 보다 Al에서 성장한 ZnO박막의 결정이 더 크게 보였다. MEMS 공정에 의해 membrane 구조의 FBAR소자를 제작하였으며, Si하부는 80℃의 KOH(45%)로 식각하였으며, 상부의 Al/ZnO/Al 패턴은 Lift-off법을 이용하여 제작하였다.

감사

이 연구는 경원대학교 IT부품소재연구센터(ITRC) 의 지원을 받아 수행되었다.

참고문헌

1.이재빈, “ZnO 압전박막을 이용한 박막형 공진기소자의 제조”, 서울대학교 공학박사 학위논문(2001)

2.Rajan S. Naik, Joseph J. Lutsky, and Rafael Rief,"Measurements of the bulk, c-axis electromechanical coupling constants as a function of AlN film Quality, :IEEE Transaction

on Ultrasonics, Ferroelectrics, and frequency control, Vol. 47, NO 1, pp. 292-296(2000)

3.David M. Pozar , Microwave Engineering, Addison-wesley,inc,. 1990