KR20030073842A

KR20030073842A - 박막용적 탄성공진기 필터 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20030073842A
Application number: KR1020020013594A
Authority: KR
Inventors: 문선희
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2003-09-19

Abstract

본 발명은 FBAR 필터 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 제1 공진 주파수를 가지는 다수개의 박막 용적 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator, 이하 FBAR라 함)가 직렬 연결되어 형성되는 제1 공진부와, 제2 공진 주파수를 가지며 상기 제1 공진부의 다수개의 FBAR와 병렬 연결되는 다수개의 FBAR로 이루어지는 제2 공진부와, 제3 공진 주파수를 가지며 상기 제1 공진부의 다수개의 FBAR와 병렬 연결되는 다수개의 FBAR로 이루어지는 제3 공진부로 구성되어, 상기 제1 내지 3 공진부의 전극의 재질 및 두께를 상이하게 형성하여, 대역 통과 특성 향상을 위한 기능을 복수개의 FBAR를 이용하여 필터 내부에 형성하여 반도체 공정에서 동시에 제조가 가능하기 때문에 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)가 가능하여 필터 소자의 크기가 감소되고, 이로 인해 공정이 간소화되어 비용이 절감되는 효과가 있다.

Description

박막용적 탄성공진기 필터 및 그 제조방법{Flim bulk acoustic resonator filter and manufacturing method for the same}

본 발명은 원하는 주파수 대역의 신호를 통과시키는 박막용적 탄성공진기(Film Bulk Acoustic Resonator, 이하 FBAR라 함) 필터에 관한 것으로서, 특히 원하지 않는 주파수 대역의 신호가 통과하는 것을 방지하고 필터 특성이 향상되도록 하는 기능을 FBAR 필터 내부에 형성함으로써 필터의 크기가 감소함과 동시에 필터의 특성이 향상되는 FBAR 필터에 관한 것이다.

일반적으로 대역 통과 필터(Band Pass Filter)는 원하는 주파수 대역의 신호를 통과시키는 역할을 수행하는 RF 부품으로 기지국이나 단말기를 통해 신호를 송수신할 때 필요한 신호만 걸러내고 불필요한 신호는 제거하는 역할을 수행한다.

이러한 필터로 많이 사용되고 있는 SAW(Surface Acoustic Wave) 필터는 소형이면서 신호 처리가 용이하고 회로가 간략하여 소형화 및 반도체 공정을 이용함으로써 대량 생산이 가능하나, 고주파 대역에서의 파워 핸들링이 어려워 사용되기 어려운 문제점이 있다.

한편, FBAR 필터는 RF 능동 소자들과 자유로운 결합이 가능하여 초경량 및 초경박이며 반도체 공정을 이용하여 대량생산이 가능하고, 특히 안정성 및 뛰어난 신호대 잡음비를 보이기 때문에 이동 통신 단말기의 통화 품질을 향상시킬 수 있다.

일반적인 FBAR의 구조는 도1 내지 도3에 도시된 바와 같이, Membrane 타입, SMR(Solidly Mounted Resonator)타입 및 Air-Gap 타입이 있다.

먼저, Membrane 타입은 도1 에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(11)에 지지층(12)을 형성한 후 하부 전극(13), 압전층(14) 및 상부 전극(15)을 위치시키고, 기계적 진동을 향상시키기 위해 상기 반도체 기판(11)의 일부분을 백사이드 에칭(Backside Etching)이용하여 제거한 구조이다.

또한, 상기 SMR(Solidly Mounted Resonator) 타입은 도2 에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(21)상에 어쿠스틱 임피던스(Acoustic Impedance)의 차가 큰 두 물질(22, 23)을 격층으로 형성후 하부 전극(24), 압전층(25) 및 상부 전극(26)을 위치시킴으로써, 브래그반사(Bragg Reflection)을 통해 음파의 손실을 최소화한 구조이다.

마지막으로 상기 Air-Gap 타입은 도3 에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(31)과 지지층(32)사이에 Surface Micromachining를 이용하여 희생층(31a)를 형성한 다음 하부 전극(33), 압전층(34) 및 상부 전극(35)를 위치시킨 구조로써,Bulk micro-machining을 이용한 백사이드에칭(Backside etching) 공정이 필요하지 않기 때문에 공정이 간소화될 수 있는 구조이다.

상기와 같은 Membrane타입, SMR(Solidly Mounted Resonator)타입 및 Air-Gap 타입의 FBAR는 상기 압전층(14, 25, 34)이 진동함에 따라 임피던스가 거의 무한대 및 "0" 이 되는 공진 특성이 나타나는 주파수가 발생하게 되는데, 임피던스가 낮은 영역의 주파수가 통과되고 나머지 대역의 주파수는 차단되게 된다.

그리고, 상기와 같은 Membrane타입, SMR(Solidly Mounted Resonator)타입 및 Air-Gap 타입으로 형성된 복수개의 FBAR를 직렬 및 병렬로 연결하여 원하는 통과 주파수 대역의 신호를 통과시킬 수 있는 FBAR 필터가 형성된다.

도4 는 종래의 기술에 따른 제1 FBAR 필터의 구조가 도시된 구성도이다.

종래의 기술에 따른 제1 FBAR 필터는 도4 에 도시된 바와 같이, 복수개의 FBAR(41a, 41b, 41c)가 직렬 연결되어 제1 공진 특성을 가지는 직렬 공진부(41)와, 제2 공진 특성을 가지며 상기 직렬 필터부(41)와 병렬 연결되는 복수개의 FBAR(42a, 42b, 42c, 42d)로 이루어지는 병렬 공진부(42)와, 상기 직렬 공진부(41) 및 병렬 공진부(42)를 통해 신호가 전달될 수 있도록 형성된 배선(43)으로 구성된다.

여기서, 상기 배선(43)은 외부로부터 신호가 입력되는 입력단자(43a)와 외부로 신호가 출력되는 출력단자(43b) 그리고 잡음이 제거될 수 있도록 하는 복수개의 접지단자(43c, 43d, 43e, 43f)로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 종래의 기술에 따른 제1 FBAR 필터의 임피던스 특성은도5 에 도시된 바와 같이, 상기 직렬 공진부(41)과 병렬 공진부(42)에 의해 각각 직렬 및 병렬 임피던스 응답 곡선(44, 45)이 나타나게 되고, 상기 직렬 및 병렬 임피던스 응답 곡선(44, 45)는 각각 f1, f3 및 f2, f4 의 주파수에서 직렬 공진 및 병렬 공진(44a, 45a, 44b, 45b)이 발생하게 된다.

이때, 상기 f2 와 f3의 주파수의 일치되도록 하면 도6 에 도시된 바와 같이, 중심주파수가 f2 및 f3 이고 주파수 통과대역이 f1 내지 f4 인 대역 통과 필터 특성이 나타나게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 기술에 따른 제1 FBAR 필터는 이상적인 FBAR 필터인 경우 대역 통과 특성이 손실이 없기 때문에 대역 통과 특성이 사각형 형태를 이루지만 실제적인 경우 완만한 경사를 가지는 형태를 이루기 때문에 원하지 않는 주파수 대역의 신호가 통과하게 된다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래의 기술에 따른 제2 FBAR 필터 구조는 도7 에 도시된 바와 같이, 직렬 연결된 복수개의 FBAR(51a, 51b, 51c)로 이루어진 직렬 공진부(51)와, 상기 직렬 공진부(51)와 병렬 연결된 복수개의 FBAR(52a, 52b, 52c, 52d)로 이루어진 병렬 공진부(52)와, 상기 병렬 공진부(52)를 이루는 복수개의 FBAR(52a, 52b, 52c, 52d)에 각각 직렬 연결된 복수개의 인덕터(L1, L2, L3, L4)로 이루어진다.

그러나, 상기와 같은 종래의 기술에 따른 제2 FBAR 필터는 입력단자(53)를 통해 필터링되어 출력 단자(54)를 통해 출력되는 외부 신호의 대역 통과 특성은 향상되는 반면에 인덕터와 같은 개별소자가 추가되어야 하므로, MMIC(MonolithicMicrowave Integrated Circuit) 공정에 의한 필터의 단일칩화가 용이하지 않다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 FBAR 필터의 대역 통과 특성을 향상시키고 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)공정에 의해 단일칩화가 가능하도록 외부에 개별소자를 사용하지 않고, 필터 내부에 대역 통과 특성을 향상시키기 위한 기능을 추가하여 FBAR 필터의 크기를 줄이고 비용 절감 및 공정을 간소화시키는데 있다.

도1 내지 도3 은 일반적인 FBAR 의 구조가 도시된 단면도,

도4 는 종래의 기술에 따른 제1 FBAR 필터의 구조가 도시된 구성도,

도5 는 종래의 기술에 따른 제1 FBAR 필터의 임피던스 특성이 도시된 그래프,

도6 은 종래의 기술에 따른 제1 FBAR 필터의 대역 통과 특성이 도시된 그래프,

도7 은 종래의 기술에 따른 제2 FBAR 필터의 구조가 도시된 회로도,

도8 은 본 발명에 따른 FBAR 필터의 구조가 도시된 구성도,

도9 는 본 발명에 따른 FBAR 필터의 구조가 도시된 회로도,

도10 은 본 발명에 따른 FBAR 필터의 임피던스 특성이 도시된 그래프,

도11a 내지 도11f 는 본 발명에 따른 FBAR 필터의 제1 제조방법이 도시된 도면,

도12a 내지 도12g 는 본 발명에 따른 FBAR 필터의 제2 제조방법이 도시된 도면이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

61: 제1 공진부61a, 61b, 61c: FBAR

62: 제2 공진부62a, 62b: FBAR

63: 제3 공진부63a, 63b: FBAR

64: 배선64a: 입력단

64b: 출력단64c,64d,64e,64f: 접지단

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 FBAR 필터의 특징에 따르면, 복수개의 FBAR가 직렬 연결되어 제1 공진 특성을 가지는 제1 공진부와, 상기 제1 공진부와 병렬로 연결된 복수개의 FBAR로 이루어지고 제2 공진 특성을 가지는 제2 공진부와, 상기 제1 공진부와 병렬로 연결된 복수개의 FBAR로 이루어지고 제3 공진 특성을 가지는 제3 공진부로 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 FBAR 필터의 또 다른 특징에 따르면, 지지층이 형성된 반도체 기판에 하부 전극을 형성하는 1 단계와, 상기 제1 단계에서 형성된 하부 전극에 제1, 제2 및 제3 공진부에 사용될 제1, 제2 및 제3 압전층을 형성하는 2 단계와, 상기 제1, 제2 및 제3 공진부의 공진 주파수에 해당하는 두께와 재질로 이루어진 상부 전극을 상기 제1, 제2 및 제3 압전층에 형성하는 3 단계로 이루어진다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도8 은 본 발명에 따른 FBAR 필터의 구조가 도시된 도면이고, 도9 는 본 발명에 따른 FBAR 필터의 구조의 등가회로가 도시된 회로도이다.

본 발명에 의한 FBAR 필터는 도8 및 도9에 도시된 바와 같이, 직렬로 연결되는 복수개의 FBAR(61a, 61b, 61c)로 이루어지며 제1 공진 특성을 가지는 제1 공진부(61)와, 상기 제1 공진부(61)와 병렬 연결되는 복수개의 FBAR(62a, 62b)로 이루어지고 제2 공진 특성을 가지는 제2 공진부(62)와, 상기 제1 공진부(61)와 병렬로 연결되는 복수개의 FBAR(63a, 63b)로 이루어지며 제3 공진 특성을 가지는 제3 공진부(63)로 구성된다.

이때, 상기 제1 내지 제3 공진부(61, 62, 63)는 상기 제1 내지 제3 공진부(61, 62, 63)을 이루고 있는 FBAR(61a, 61b, 61c, 62a, 62b, 63a, 63b)는 전극의 재질 및 두께를 상이하게 형성함으로써, 직렬 및 병렬 공진 특성이 나타나는 주파수가 결정된다. 즉, 상기 제1 내지 제3 공진부(61, 62, 63)은 상하부에 상부 및 하부 전극이 형성되는 압전층으로 이루어지는데, 상기 상부 전극의 두께와 재질에 따라 직렬 및 병렬 공진 특성이 나타나는 주파수가 결정되게 되는 것이다.

또한, 상기 FBAR 필터는 상기 제1 내지 제3 공진부(61, 62, 63)간에 신호가 전달될 수 있도록 배선(64)이 형성되며, 상기 배선(64)은 신호가 입출력되는 입출력단(64a, 64b)과 신호의 잡음이 제거될 수 있도록 하는 접지단(64c, 64d, 64e,64f)로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 FBAR 필터의 임피던스 특성 곡선은 도10 에 도시된 바와 같이, 상기 제1 공진부(61)는 f7 의 주파수에서 임피던스가 무한히 감소하는 제1 직렬공진(65a)과 f8 의 주파수에서 임피던스가 무한히 증가하는 제1 병렬공진(65b)이 형성되는 임피던스 특성 곡선(65)이 나타난다.

한편, 제2 및 제3 공진부(62, 63)도 상기 제1 필터부(61)과 마찬가지로 각각 f5 와 f9 의 주파수에서 임피던스가 무한히 감소하는 제2 및 제3 직렬 공진(66a, 67a)과 f6 과 f10 의 주파수에서 임피던스가 무한히 증가하는 제2 및 제3 병렬 공진(66b, 67b)이 형성되는 임피던스 특성 곡선(66, 67)이 나타난다.

여기서, 상기 임피던스 특성 곡선(65, 66, 67)에서 공진 특성이 나타나는 주파수를 조절하여 신호의 주파수 통과 대역 특성을 변화시킬 수 있다.

따라서, 상기와 같은 본 발명에 따른 FBAR 필터는 외부에 별도의 소자를 형성하기 않고, 상기 FBAR 필터를 구성하는 제1 내지 제3 공진부(61, 62, 63)를 통해 주파수 통과 대역 특성을 조절할 수 있기 때문에 소자의 크기가 감소됨과 동시에 필터의 주파수 통과 대역 특성이 향상되게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 FBAR 필터의 제1 제조 방법은 먼저 1 단계에서 도11a 및 11b 에 도시된 바와 같이, 상하부에 지지층(72, 73)이 형성된 반도체 기판(71)에 하부 전극(74)를 형성한다.

2 단계는 상기1 단계에서 형성된 상기 하부 전극(74)에 상기 제1 내지 제3 공진부(61, 62, 63)를 형성하기위해 도11c 에 도시된 바와 같이, 각각 제1, 제2 및제3 압전층(75a, 75b, 75c)을 형성한다.

3 단계는 상기2 단계에서 형성된 상기 제1 및 제2 압전층(75a, 75b)에 도11d 및 도11e 에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 압전층(75a, 76b) 각각에 제1 상부전극(76)를 형성한 다음 상기 제1 및 제3 압전층(75b, 75c)에 제2 상부 전극(77)을 형성한다.

이때, 상기 제2 상부 전극(77)는 두께를 조절하여 상기 제1 및 제3 공진부(61, 62)의 공진 주파수를 결정하게 된다.

따라서, 상기 제1 내지 제3 압전층(75a, 75b, 75c)에 형성된 상부 전극의 재질 및 두께를 상이하게 형성함으로써, 공진 특성이 나타나는 주파수를 모두 다르게 하여 그에 따른 주파수 통과 대역 특성을 결정하게 된다.

마지막으로 , 도11f 에 도시된 바와 같이, 상기 FBAR 필터의 기계적 진동 특성을 향상시키기 위해 상기 반도체 기판(71)의 하면을 에칭(Etching)을 통해 일부분을 제거한다.

한편, 본 발명에 따른 FBAR 필터의 제2 제조 방법은 먼저 1 단계에서 도12a 내지 도12c 에 도시된 바와 같이, 상하부에 지지층(82, 83)이 형성된 반도체 기판(81)에 하부 전극(84)를 형성한 다음, 상기 제1 내지 제3 공진부(61, 62, 63)을 형성하기 위해 제1 내지 제3 압전층(85a, 85b, 85c)를 형성한다.

2 단계는 도12d 및 도12e 에 도시된 바와 같이, 상기1 단계에서 형성된 제1 및 제2 압전층(85a, 85b)에 제1 상부 전극(86)을 형성한후 상기 제2 압전층(85b)에 공진 주파수 조정층(87)를 형성한다.

3 단계는 도12f 에 도시된 바와 같이, 상기 제3 압전층(85c)에 제2 상부 전극(88)을 형성한다.

마지막으로, 도12g 에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(81)의 일부분을 에칭하여 제거함으로써, FBAR 필터의 기계적 진동을 향상시키게 된다.

따라서, 상기 제1 내지 제3 공진부(61, 62, 63)에서 상부 전극의 두께 및 재질이 모두 다르게 되어 공진 특성이 나타나는 공진 주파수가 다르게 되고 상기 공진 주파수를 조절함으로써, 필터의 대역 통과 특성을 조절하기가 용이할 뿐만 아니라 필터 내부의 형성되는 복수개의 FBAR를 이용하여 필터의 대역 통과 특성을 조절할 수있기 때문에 필터 소자의 크기가 감소되게 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 FBAR 필터는 복수개의 FBAR 직렬 및 병렬로 이루어지고, 대역 통과 특성 향상을 위해 복수개의 FBAR를 이용하여 필터 내부에 형성하여 반도체 공정에서 동시에 제조가 가능하기 때문에 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)가 가능하여 필터 소자의 크기가 감소되고, 이로 인해 공정이 간소화되어 비용이 절감되는 효과가 있다.

Claims

제1 공진 주파수를 가지는 다수개의 박막 용적 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator, 이하 FBAR라 함)가 직렬 연결되어 형성되는 제1 공진부와;

제2 공진 주파수를 가지며 상기 제1 공진부의 다수개의 FBAR와 병렬 연결되는 다수개의 FBAR로 이루어지는 제2 공진부와;

제3 공진 주파수를 가지며 상기 제1 공진부의 다수개의 FBAR와 병렬 연결되는 다수개의 FBAR로 이루어지는 제3 공진부로 구성되는 것을 특징으로 하는 FBAR 필터.
제1 항에 있어서,

상기 FBAR 필터는 상기 제1 내지 제3 공진부간에 신호가 전달될 수 있도록 배선이 형성되며, 상기 배선은 신호가 입출력되는 입출력단과 신호의 잡음이 제거될 수 있도록 하는 접지단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 FBAR 필터.
FBAR 필터의 제조방법에 있어서,

반도체 기판상에 하부 전극을 형성하는 제1 단계와; 상기 제1 단계에서 형성된 하부 전극에 제1, 제2 및 제3 압전층을 형성하는 제2 단계와; 상기 제2 단계에서 형성된 상기 제 1, 제 2 및 제 3 압전층의 공진 주파수가 상이하게 설정되도록 제 1, 제 2 및 제 3 압전층에 상부 전극을 형성하는 제3 단계와; 상기 FBAR 필터의 기계적 진동 특성을 향상시키기 위해 상기 반도체 기판의 하면을 에칭을 통해 일부분 제거하는 제4 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 FBAR 필터 제조 방법.
제3 항에 있어서,

상기 제3 단계는 상기 제1 및 제2 압전층에 제1 상부 전극을 형성하는 제1 과정과; 상기 제1 및 제3 압전층에 제2 상부전극을 형성하는 제2 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 FBAR 필터 제조 방법.
제 4 항에 있어서,

상기 제2 상부전극의 두께를 조절하여 상기 제1 및 제3 압전층의 공진주파수를 결정하는 것을 특징으로 하는 FBAR 필터 제조 방법.
FBAR 필터 제조 방법에 있어서,

반도체 기판상에 하부 전극을 형성하는 제1 단계와; 상기1 단계에서 형성되는 상기 하부 전극에 제1, 제2 및 제3 압전층을 형성하는 제2 단계와; 상기 제1 내지 제3 압전층에 상부 전극 및 공진주파수조정층을 형성하는 제3 단계와; 상기 반도체 기판의 기계적 진동을 향상시키기 위하여 상기 반도체 기판의 하면을 에칭을 통해 일부분 제거하는 제4 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 FBAR 필터 제조 방법.
제6 항에 있어서,

상기 제3 단계는 상기 제1 및 제2 압전층에 제1 상부 전극을 형성하는 제1 과정과; 상기 제2 압전층에 공진주파수조정층을 형성하는 제2 과정과; 상기 제3 압전층에 제2 상부 전극을 형성하는 제3 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 FBAR 필터 제조 방법.
제7 항에 있어서,

상기 제2 압전층은 상기 공진주파수조정층의 두께에 따라 공진주파수가 결정되는 것을 특징으로 하는 FBAR 필터 제조 방법.
제3 항 또는 제6 항에 있어서,

상기 반도체 기판과 상기 하부 전극 사이에는 지지층이 개재되는 것을 특징으로 하는 FBAR 필터 제조 방법.