There have been a number of researches to integrate RF devices into a one-chip because the higher performance generally can be achieved by realizing a system with lower power consumption, better signal integrity, and smaller size. Recently, due to the considerable progress in microelectronics technology, most of the RF components such as power amplifier and mixer can be highly integrated. However, the RF filter is a main obstacle to prevent completion of a one-chip transceiver and thus it has been used only as a single off-chip component for wireless mobile systems. In this point of view, film bulk acoustic resonator (FBAR) can be a good candidate to integrate the RF filter with other RF components because materials and processing techniques used for FBAR device fabrication are very compatible with Si and GaAs wafer processing.
Since FBAR filter is composed of more than two series/parallel FBARs, the most important issue for an excellent filter is to maximize the performance of FBAR itself. Therefore, in this thesis, thermal annealing treatments on FBAR devices were investigated to improve the resonance characteristics. Thermal annealing is a heat treatment wherein the microstructure of a material is altered, causing changes in its properties such as strength and hardness. This treatment has been widely used in the semiconductor fabrication. Typically annealing results in softening of the metal through removal of crystal defects and the internal stresses which they cause.
FBAR is composed of many layers of different materials. Especially SMR-type FBAR has more layers than back-etched or air-gap type FBARs. Accordingly some researchers have performed thermal annealing processes on SMR-type FBAR devices to improve the resonance characteristics by eliminating imperfect microstructures and adhesions in FBAR devices. Those thermal treatments were named Bragg reflector-annealing, thermal treatment on only acoustic Bragg reflectors and post-annealing, annealing after the completion of the top electrode deposition. Even though both annealing methods could improve the return loss values, it was thought that the resonance characteristics of FBAR devices could be further enhanced because of following reasons. In the case of the Bragg reflector-annealing, the best annealing condition was $400\deg$C/30min. Since this method was done on only acoustic Bragg reflectors, the defects in microstructures of FBARs themselves might still exist. In the case of the post-annealing, thermal treatment was performed immediately after the deposition of the top electrodes of FBAR devices. This method might be able to eliminate the imperfect microstructures and adhesions of both FBARs themselves and acoustic Bragg reflectors at the same time. However since the FBAR devices by this treatment showed the best resonance characteristics at $200\deg$C/2hours, the performance of the acoustic Bragg reflectors might not be maximized. Therefore, the two-step annealing was proposed and applied to the SMR-type FBAR devices. The Bragg reflector-annealing was firstly given on only acoustic Bragg reflectors at $400\deg$C/30min and next the post-annealing was performed at $200\deg$C/2hours after the completion of the FBAR fabrication. Consequently, the resonance characteristics treated by proposed two-step annealing method were much better than those by Bragg reflector-annealing or post-annealing alone.
Besides, the effect of an additional thermal process named inter-fabrication annealing was investigated, which is done immediately after the deposition of the bottom electrodes of the FBAR devices. At the same time, influence of the gas supplied during the annealing process was examined by comparing the FBARs annealed in air and those annealed in Ar gas ambient. The size effect of the top electrodes was also studied by designing a variety of top electrodes and comparing the resonance characteristics of FBAR devices having different top electrode areas. As a result, it was proven that the resonance characteristics of FBAR devices could be remarkably improved by the two-step annealing with the inter-fabrication annealing process and thus the return loss value of more than 40dB was obtained. Additionally several important facts were verified and best efficient thermal annealing method was determined by this experiment. The Bragg reflector annealing is better than the inter-fabrication annealing to enhance the resonance characteristics. However, the inter-fabrication annealing also contributes the resonance characteristic improvement. Thermal annealing in Ar gas ambient is more effective than treatment in air. The return loss values can also be improved by the post-annealing. Therefore it is concluded that the resonance characteristics of FBAR devices can be enhanced considerably by the two-step annealing with the inter-fabrication annealing in Ar gas ambient during every thermal annealing process. Finally, various top electrodes with different sizes were fabricated and compared to confirm how significantly the size of the top electrode can affect on the resonance characteristics. Consequently it is thought that the resonance characteristics of FBAR devices can be optimized if their pattern areas are designed adequately.
In conclusion, the combined use of the two-step annealing method having the inter-fabrication annealing process in Ar gas ambient and the selection of the adequate top electrode size seems very helpful to effectively improve the resonance characteristics of the SMR-type FBAR devices with W/Si$O_2$ multi-layer acoustic Bragg reflectors.
여러 RF소자를 집적하면 낮은 전력소모, 높은 신호보존성, 작은 크기 등 좋은 특성을 얻을 수 있기 때문에 하나의 칩 안에 모든 RF용 단위소자를 집적하려는 연구가 꾸준히 이루어져 왔다. 최근 microelectronics 기술의 발전으로 인해 파워엠프나 믹서 등과 같은 대부분의 RF소자들이 하나로 집적화될 수 있었다. 그러나 RF필터 만은 크기나 가격 등의 여러가지 문제들로 인해 집적화가 불가능하여 개별소자 형태로 사용되어져 왔다. 그런데 FBAR의 경우는 다른 기술을 사용하여 제작하는 것 보다 훨씬 작은 크기로 필터를 제작할 수 있고 Si이나 GaAs 등의 반도체 기판 위에 직접적으로 집적이 가능한 재료나 제조 기술을 사용하기 때문에 차세대 RF 무선이동통신 필터를 개발하기 위한 가장 좋은 기술로 각광받고 있다.
FBAR 필터는 두 개 이상의 FBAR 공진기를 직렬과 병렬로 연결하여 구현하기 때문에 FBAR 필터의 성능을 향상시키기 위해서는 FBAR 공진기 자체의 성능을 개선할 필요가 있다. 이를 위해 본 논문에서는 SMR-type FBAR 공진기의 공진특성을 향상하기 위한 효율적인 thermal annealing 방법을 제안한다.
최근까지 SMR-type FBAR 소자의 성능을 개선하기 위해 Bragg reflector-annealing과 post-annealing의 두 가지 thermal annealing 방법이 연구되었다. Bragg reflector-annealing 방법의 경우 $400\deg$C/30 min의 annealing 조건에서 가장 좋은 공진특성을 보였다. 이러한 Bragg reflector-annealing 방법의 경우 단지 Bragg reflector에만 annealing이 가해졌기에 FBAR 소자 자체의 불완전한 미세구조 (microstructure)나 응착 (adhesion)을 제거할 수 없었다. 그리고 post-annealing 방법의 경우 FBAR의 상부전극 (top electrode)의 증착이 끝난 뒤에 $200\deg$C에서 2 시간 동안 annealing을 할 때 가장 좋은 공진특성을 보였다. post-annealing의 경우 한 번의 annealing으로 FBAR와 Bragg reflector의 결점을 제거할 수 있지만, Bragg reflector의 성능향상에 최적의 온도인 $400\deg$C에 미치지 못하기 때문에 전체적으로 최적의 성능을 얻었다고 볼 수 없었다.
따라서 공진특성을 더 향상시키기 위해 two-step annealing 방법이 제안되었다. 우선 Bragg reflector를 $400\deg$C/30min 의 조건에서 annealing하고 결점이 제거된 Bragg reflector 위에 FBAR를 증착한다. 그 후 $200\deg$C/2hours의 조건에서 다시 annealing하여 FBAR 소자 자체의 결점을 제거하고 동시에 Bragg reflector에 남아있을 수 있는 결점을 추가로 제거한다. 제안된 two-step annealing 방법을 사용한 SMR-type FBAR 소자는 Bragg reflector-annealing이나 post-annealing 방법만 사용한 FBAR 소자보다 훨씬 더 좋은 공진특성을 보였다.
또한 annealing 공정을 더 추가할 때 공진특성의 향상이 있는지 여부를 확인하기 위해 two-step annealing 방법과 함께 FBAR의 하부전극 (bottom electrode)의 증착이 끝난 후 추가적인 annealing을 가하였고 이 공정을 inter-fabrication annealing이라고 명명하였다. 또한 현재까지의 annealing 방법들은 모두 아르곤 (Ar) 가스를 공급하여 이루어 졌기 때문에 단순히 공기를 공급하며 annealing할 때 FBAR의 공진특성에 어떠한 영향이 있는지를 살펴보기 위한 실험도 이루어졌다. 마지막으로 상부전극의 면적에 따른 공진특성의 변화를 살펴보기 위해 다양한 크기의 상부전극을 갖는 FBAR를 제조하고 공진특성을 비교하였다.
그 결과로 inter-fabrication annealing이 추가된 two-step annealing을 사용할 때 FBAR 소자의 공진특성이 가장 많이 향상될 수 있음이 확인되었고 이 방법으로 40dB 이상의 반사손실 (return loss)을 얻을 수 있었다. 또한 Bragg reflector-annealing 방법만 사용한 FBAR 소자의 공진특성이 inter-fabrication annealing 방법만 사용한 FBAR 소자의 공진특성보다 좋았고 공기를 공급하며 annealing한 FBAR 보다 아르곤 가스를 공급하며 annealing한 FBAR 소자의 공진특성이 더 좋음도 보여졌다. 마지막으로 FBAR의 공진면적도 공진특성을 결정하는 중요한 요소임이 확인되었고 적절한 면적의 상부전극을 사용하면 더 좋은 공진특성을 얻을 수 있을 것이라고 추측되었다.
결과적으로 상부전극을 적절한 면적으로 결정하고 아르곤 가스를 공급하며 inter-fabrication annealing 방법을 추가한 two-step annealing 방법을 사용하여 SMR-type FBAR소자를 제조하면 매우 우수한 공진특성을 얻을 수 있고 이러한 효율적 thermal annealing 방법은 차세대 FBAR필터의 개발에 충분히 사용 가능하리라 사료된다.
