[논문]ALD와 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용한 FBAR 소자의 ZnO 박막증착 및 특성

신영화; 권상직; 윤영수

doi:10.4313/jkem.2005.18.2.164

문제 정의

일반적으로 알려진 것처럼 ALD 프로세스를 이용하였을 때 박막의 성장이 매우 느리기 때문에 100 A 이상의 박막을 증착할 경우 많은 시간이 소요된다. 따라서 본 연구에서는 증착 시간을 줄이기 위하여 적은 시간에 최적의 purge time을 찾기 위해 원료물질의 공급 시간을 1초로 고정시키고, 3~30초간 purge time을 변화시 켜 가면서 실험을 하였다. 기존의 연구 결과에서는 purge timee 보통 7~10초 사이였느亍데, 본 실험에 쓰인 장비는 결과에서 볼 수 있듯이 23초 이상이 되어야 ALD 반응이 일어났다.
본 논문에서는 ZnO 박막의 c-축 배향성이 우수하고 兵면이 평활한 박막을 얻기 위하여 ALD와 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용한 2-step 방법을 이용하였으며, 또한 FBAR 소자에 응용하여 공 진 특성을 살펴보았다.
본 연구에서는 고상 적증 공진기 (Solidly Mounted Resonator, SMR) 타입의 FBAR을 제작하여 2-step 증착 방법에 의한 ZnO 박막의 압전물질에 대한 특성을 고찰하였다. SMR 타입의 FBAR 의 구조는 그림 1과 같고 Al/SiO₂AV/SiOyw/ SiCh/Si의 5층 구조의 Braggs 반사기 (Braggs reflector)를 제즈]■하고 二 l 위에 하부전극으로 3 Wt% Cu Al선%을 증착하고 하부 죽 13위에 ALD를 이용한 ZnO buffer layer를 증착하고 다시 ZnO압 전증을 RF 마그丄네트론 스퍼터를 이용하여 증착을 하였다.

제안 방법

FBAR소자의 평면구조는 그림 7과 같으며 공진기의 성능에 영향을 주는 요소인 공진 면적에 대한 결과를 알기 위해 50 ㎛1사50 gm—300 /aux300 ㎛ 까 지 다양한 크기의 공진 면적을 가지는 공진기를 제 작하여 각각에 대한 S-parameter 들을 측정하였다. 그림 8은 2-step 증착 방법에 의한 FBAR(50 /zm><50 ㈣)의 S파라 미터를 나타낸 것이다.
본 연구에서는 고상 적증 공진기 (Solidly Mounted Resonator, SMR) 타입의 FBAR을 제작하여 2-step 증착 방법에 의한 ZnO 박막의 압전물질에 대한 특성을 고찰하였다. SMR 타입의 FBAR 의 구조는 그림 1과 같고 Al/SiO₂AV/SiOyw/ SiCh/Si의 5층 구조의 Braggs 반사기 (Braggs reflector)를 제즈]■하고 二 l 위에 하부전극으로 3 Wt% Cu Al선%을 증착하고 하부 죽 13위에 ALD를 이용한 ZnO buffer layer를 증착하고 다시 ZnO압 전증을 RF 마그丄네트론 스퍼터를 이용하여 증착을 하였다. ZnO Buffer layer# 증착하기 위해 diethyl zinc(DEZn)ZFU)를 원료물질로 사용하였고, 정화 개스(purge gas)로는 Ar 가스를 사용하였다.
증착된 버!■막들의 c-축 우선 배향성 및 우선 배 향성 정도를 분석하기 위해서 X-선 회절분석기(X ray Diffractometer, XRD)를 사용하여 록킹 커브 (rocking curve)U 분석하였고, 증착된 박막의 표면 형상을 분스1하기 위해서 주사 전자 현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM)을 사용하였다. 마지막으로 제작된 공진기의 주파수 특성을 알아보기 위하여 Agilent 사의 E 8364AA Network analyzer와 Cascade入卜으] 9000 analycal probe sta- ticm을 이용하였으며 측정 포인트는 1600회 이었 卫, 즉정 주파수는 1 GHz~2.
증착된 버!■막들의 c-축 우선 배향성 및 우선 배 향성 정도를 분석하기 위해서 X-선 회절분석기(X ray Diffractometer, XRD)를 사용하여 록킹 커브 (rocking curve)U 분석하였고, 증착된 박막의 표면 형상을 분스1하기 위해서 주사 전자 현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM)을 사용하였다. 마지막으로 제작된 공진기의 주파수 특성을 알아보기 위하여 Agilent 사의 E 8364AA Network analyzer와 Cascade入卜으] 9000 analycal probe sta- ticm을 이용하였으며 측정 포인트는 1600회 이었 卫, 즉정 주파수는 1 GHz~2.5 GHz이었다.
본 연구에서는 FBAR 제조를 위해 처음으로 ALD와 RF 마그네트론 sputtering으로 구성된 2-step 증착 방법을 사용하여 ZnO 압전 박막을 증착하였고 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
ZnO Buffer layer# 증착하기 위해 diethyl zinc(DEZn)ZFU)를 원료물질로 사용하였고, 정화 개스(purge gas)로는 Ar 가스를 사용하였다. 원료물질의 공급 시간은 0.5~2초까지 0.5초 간격이며, Ar 가스를 이용한 purge timee 3~30초까지 변화시 켜 가면서 실험을 하였다. 기판 온도는 150~225 ℃, 그리고 챔버(chamber) 내의 압력은 0.
그림 4는 기판 온도 변화에 따른 증착 속도를 나타낸 그래프이다. 원료의 exposure time을 1초로 하고 반응 물질 간의 purge time을 23초, 압력은 0.600 - 0.683 torr에서 실험하였다. ALD 반응온도 는 보통 200~400 ℃ 이라고 하는데 증착 온도가 너무 높으면 화학적 결합이 지속되지 못하거나 화 학반응 영역의 밀도가 감소하여 박막 증착 속도가 감소한다.

대상 데이터

SMR 타입의 FBAR 의 구조는 그림 1과 같고 Al/SiO₂AV/SiOyw/ SiCh/Si의 5층 구조의 Braggs 반사기 (Braggs reflector)를 제즈]■하고 二 l 위에 하부전극으로 3 Wt% Cu Al선%을 증착하고 하부 죽 13위에 ALD를 이용한 ZnO buffer layer를 증착하고 다시 ZnO압 전증을 RF 마그丄네트론 스퍼터를 이용하여 증착을 하였다. ZnO Buffer layer# 증착하기 위해 diethyl zinc(DEZn)ZFU)를 원료물질로 사용하였고, 정화 개스(purge gas)로는 Ar 가스를 사용하였다. 원료물질의 공급 시간은 0.
ZnO는 우수한 전기적, 광학적, 그리고 탄성파적 인 성질 때문에 많은 응용 분야에 있어서 관심을 끌고 있으며, 본 연구에서는 ZnO를 압전 유전체 물질로 사용하였다. 이동 통신에 쓰이는 우수한 성능의 FBAR 소자 제조를 위해서는 압전 박므}의 c-축 우선 배향성을 조절하는 것이 매우 중요하다 [3-5].

이론/모형

이동 통신에 쓰이는 우수한 성능의 FBAR 소자 제조를 위해서는 압전 박므}의 c-축 우선 배향성을 조절하는 것이 매우 중요하다 [3-5]. 본 연구에서는 이러한 c-축 우선 배향성을 높이기 위하여 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD)법에 의한 ZnO 완충층(buffer layer)를 증착하고, RF 마그네트론 스퍼 터 링 법에 의해 ZnO 압전층을 증착하는 2-step 증착 방법을 사용하였다. ALD 법은 정확한 두께 조절, 균일성, 그리고 우수한 물성을 지닌 박막을 얻을 수 있기 때문에 메모리나 반도체 산업에서 관심을 가지고 연구되고 있는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)의 일종으로 가장 최신 기술이라고 할 수 있다.

성능/효과

1. ALD를 이용한 ZnO buffer layer 증착에서는 원료 물질 공급 시간 1초, 각 원료를 격리시키는 purge time 23초, 챔버 압력 0.600 — 0.683 torr, 그리고 증착 온도 200 ℃일 경우 가장 특성이 우수한 박막을 증착할 수 있었다
그림 8은 2-step 증착 방법에 의한 FBAR(50 /zm><50 ㈣)의 S파라 미터를 나타낸 것이다. 2-step 증착 방법에 의한 SMR형태의 FBARe 공진주파수가 1.93 GHz, 반사 감쇠량(return loss)이 -17.35 dB, 품질 계수는 580 정도로서 1-step 증착 방법에 의한 return loss 값( -8 dB)이나 품질 계수 값(280)보다 우수한 성능을 나타내었다. 이는 2-step 증착 방법에 의하여 c 축 우선 배향성과표면 거칠기가 향상되어 음향 파 공진기 소자 성능을 개선한다고 사료된다.
2. 본 연구에서 처음으로 제안한 2-step 증착 방법을 사용하였을 경우 RF 마그네트론 스퍼터링만을 사용한 1-step 증착 방법보다 c-축 우선 배 향성 및 표면 형상이 우수한 ZnO 박막을 증착 할 수 있었다.
3. 제작된 SMR 형태의 FBAR(50 ㎛x50 ㎛)의 공진주파수는 1.93 GHz, return loss는 -17.35 dB, 품질 계수 값은 580 정도를 나타내었다. 이는 기존의 1-step 증착 방법에 의한 FBAR보다 우수한 품질 계수와 return Joss 값을 나타낸 것으로 향후 우수한 제품의 FBAR 소자로의 응용을 기대할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 증착 시간을 줄이기 위하여 적은 시간에 최적의 purge time을 찾기 위해 원료물질의 공급 시간을 1초로 고정시키고, 3~30초간 purge time을 변화시 켜 가면서 실험을 하였다. 기존의 연구 결과에서는 purge timee 보통 7~10초 사이였느亍데, 본 실험에 쓰인 장비는 결과에서 볼 수 있듯이 23초 이상이 되어야 ALD 반응이 일어났다.
이에 대한 분석으로 ALD 증착에 의한 ZnO buffer layer를 XRD와 SEM을 이용하여 c-축배 향성과 박막의 표면을 살펴보았으며 아주 조밀한 ZnO 박막의 표면과 (002) 방향에서 우수한 박막성 장을 확인할 수 있었다. 이렇게 우수한 buffer layer 위에 RF 스퍼터링에 의한 ZnO 박막 성장은 1-step보다 향상된 ZnO 박막이 형성될 수 있다.

후속연구

35 dB, 품질 계수 값은 580 정도를 나타내었다. 이는 기존의 1-step 증착 방법에 의한 FBAR보다 우수한 품질 계수와 return Joss 값을 나타낸 것으로 향후 우수한 제품의 FBAR 소자로의 응용을 기대할 수 있다.

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