Zinc Oxide (ZnO) is the II-VI group compound semiconductor composed of abundant elements, and has many interesting properties, thereby leading to various and large-scale applications of ZnO in the aspects of the mechanical, electrical, optical devices and so on. Especially, the FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) devices based on the piezoelectric characteristics of the ZnO have attracted a great attention as a promising novel filter technology mainly because it may be fully integrated with the conventional complementary metal oxide semiconductor/radio frequency integrated circuit (CMOS/RFIC) fabrication technologies, eventually allowing for the realization of a single-chip radio or a transceiver in the future. In order to achieve a good FBAR performance by reducing the insertion loss of the devices, it is essential to make the high quality piezoelectric film which has perfect c-axis texture, extremely smooth surface, sharp interface, and high electrical resistivity.
On the other hand, intrinsic ZnO has been observed to be natively n-type with the compensated electron concentrations reduced to less than $10^{14} cm^{-3}$ on bulk samples grown hydrothermally. Thus, the compensatory doping of the ZnO films is required to obtain the high resistivity piezoelectric thin films, hence leading to the performance improvement of FBAR devices.
In this research, the compensatory nitrogen [N] doping into the ZnO films by an RF magnetron sputtering system using $N_2O$ gas as a doping source was attempted in an effort to achieve a good return loss ($S_{11}$) characteristics of the FBAR device. Interestingly, it was observed that the nitrogen doping could cause the micro-structural change of the ZnO films. From this standpoint, a micro-structural analysis was done for more precise control of the N-incorporated ZnO films, thereby contributing to the improvement of devices.
In this thesis, the micro-structural effects of the N-incorporation into the ZnO films were inspected in detail, as compared to the intrinsic ZnO films sputter-deposited in $O_2$/Ar gas mixture ambient. Also, various N-incorporated ZnO thin films were sputter-deposited under various process conditions and some of them were thermally treated after deposited. Then, it was evaluated how the variation of process condition as well as the post-annealing treatment affects the structural properties of the ZnO films. Finally, we fabricated the FBAR devices applying the compensatory N-doped ZnO piezoelectric thin films with a variety of post thermal annealing treatments. The resonance characteristics of the fabricated FBAR devices were evaluated in various terms of the return loss ($S_{11}$) and the effects of using the N-incorporated ZnO films as a piezoelectric film layer of the FBAR device were also discussed in the microstructure point of view.
Based on the analysis of experiment results, it can be concluded as follows: the N-incorporation into ZnO films seems to slightly reduce the crystal quality of a ZnO piezoelectric film itself, which can probably lead to the poor performance of FBAR devices. With introducing N atoms into ZnO films, nevertheless, the piezoelectric films can have the extraordinarily smooth and flat surface in addition to the high resistivity characteristics. Smooth and flat surfaces of piezoelectric thin films in AW (acoustic wave) devices including FBAR devices were reported to induce the low insertion loss of the devices. Moreover, the surface morphology highly influences adhesion property of the interface between a ZnO film and a top electrode, as well as the quality of just top electrode. Thus, it is very critical to form the piezoelectric thin films with the very smooth surface for the better performance FBAR devices.
On the other hand, the annealing treatments at the optimal temperature, despite of a slight degradation in the crystal quality of the N-incorporated ZnO film itself, definitely improve the performance of the Bragg reflector, enhance the adhesion between the layers, and especially intensify the adhesion between the N-incorporated ZnO film with the very smooth and flat surfaces and the top electrodes, thus creating a synergistic improvement of device characteristics together with N-incorporation into the ZnO film. In addition, it is supposed that the thermal treatments can help make the incorporated N atoms into the film electrically more active, further compensating the native n-type conductivity characteristics of the ZnO film.
산화아연 (ZnO)은 2-6족 화합물 반도체 물질로서 다양하고 흥미로운 물성적 특성으로 인해 전기적, 광학적, 기계적 소자 등으로 광범위하게 활용된다. 특히, ZnO의 압전 특성 (piezoelectricity)을 활용하는 박막 음향 공진기 (Film Bulk Acoustic Resonator) 소자는 주로 무선 통신 분야의 차세대 필터 기술로서 많은 관심을 받아왔다. 이는 FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) 소자의 공정기술이 CMOS/RFID (conventional complementary metal oxide semiconductor/radio frequency integrated circuit)의 공정기술과 호환성을 가짐으로 인해 CMOS/RFID 회로와 함께 집적화될 수 있으며 따라서 single-chip radio 또는 transceiver를 구현하여 궁극적으로 무선 통신 시스템의 초소형화를 가능하게 하기 때문이다. 이때, FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) 소자에서 발생하는 insertion loss를 감소시켜 우수한 성능의 FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) 소자를 구현하기 위해서는 완벽한 c축 우선 배향 특성, 매우 매끄러운 표면 특성, 전기적인 고저항 특성을 가지는 고품위의 압전 박막의 형성이 필수적이다. 한편, FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) 소자의 압전 박막 층으로 활용되는 ZnO는 인위적인 도핑 (doping) 처리 없이 자연발생적으로 n-type 전도 (conductivity) 특성을 지니므로, 소자의 성능향상을 위한 고저항의 ZnO 압전 박막을 형성하기 위해서는 보상 도핑 (compensatory doping) 처리가 필요하다.
본 논문에서는 질소 (N) 원자를 억셉터 (acceptor)로 하여 ZnO 박막의 보상도핑 (compensatory doping)이 이루어 졌다. 도핑 소스 (doping source)로 아산화 질소 ($N_2O$) 가스를 사용하여 RF/DC 마그네트론 스퍼터링 시스템 (magnetron sputtering system)에 의해 질소 (N) 원자가 주입된 ZnO 박막이 증착 되었으며, 이때 질소 도핑 처리는 ZnO 박막의 전기적 특성 변화뿐만 아니라 미세 구조적 특성 변화를 가져온다.
따라서, 본 논문에서는 ZnO 박막의 질소 (N) 보상 도핑 처리가 박막의 미세 구조적 특성에 미치는 영향이 조사되었다. 더불어, RF power 또는 $N_2O$ 가스 비율 [$N_2O$/($N_2O$+Ar)]과 같은 스퍼터링 증착 (sputtering deposition) 조건을 다양하게 변화시켜가며, 다양한 공정 조건하에서 질소 (N) 원자가 주입된 ZnO 박막의 미세 구조 특성 및 최적 공정 조건이 조사되었다. 또한, 후열처리 (post-annealing treatments) 조건에 따른 질소 (N) 원자가 주입된 ZnO 박막의 미세 구조적 특성 변화가 조사되었다. 마지막으로 이러한 질소 (N) 원자가 주입된 ZnO 박막을 이용한 FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) 소자를 제작함과 더불어 제작된 소자에 대해 다양한 조건으로 후열처리 (post-annealing treatments)를 수행하여 ZnO 박막으로 질소 (N) 원자를 주입함으로써 FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) 소자의 공진 특성 (resonance characteristics)에 어떠한 영향을 미치는지가 return loss ($S_{11}$)의 측정과 분석에 의해 평가되었다.
최종적으로 실험 결과 분석을 통해 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다. ZnO 박막으로 질소 (N) 원자를 주입시킴으로써 박막 자체의 결정성 및 c 축 우선 배향 특성은 다소 감소되는 경향을 보이나, 질소 (N) 원자의 주입으로 인해 고저항의 전기적 특성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 매우 매끄럽고 평탄한 표면의 박막을 얻을 수 있다. ZnO 박막층의 압전 (piezoelectric) 특성을 이용하여 공진 소자로 활용되는 FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) 소자에 있어서는 고품위의 압전 박막층의 형성이 매우 중요하다. 특히 매끄럽고 평탄한 표면 특성의 압전 박막을 형성함으로써 압전 박막층에 연속하여 증착되는 상부 전극 (top electrode) 층과의 계면 접합 (adhesion) 특성을 상당히 향상시킬 수 있으므로 소자의 insertion loss를 감소시켜 FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) 소자의 성능 향상을 기대할 수 있다. 한편, 본 논문에서 제작된 FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) 소자의 경우 공진 부위 (resonant part)에서 기판 (substrate)으로의 음향 에너지 손실 (acoustic energy loss)을 감소시키기 위해 multi-layered Bragg reflector를 기반으로 한 SMR-type (solidly-mounted resonator-type) 구조를 채용하였다. 이때 질소 원자가 주입된 ZnO 박막을 이용하여 제작된 SMR-type의 FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) 소자를 적절한 온도와 산소 ($O_2$) 가스 분위기에서 후열 처리하는 경우, Bragg reflector의 성능 향상뿐만 아니라, 층간의 접합 특성이 향상되는 효과를 가져오며 또한 ZnO 압전 박막 층에 주입된 질소 (N) 원자를 전기적으로 더 활성화시켜 보상 도핑의 효과를 보다 증대시킬 수 있다. 결과적으로 질소 (N) 원자가 주입된 ZnO 압전 박막을 이용하여 제작된 SMR-type의 FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) 소자의 경우, 후열처리 (post-annealing treatments) 기법을 함께 적용함으로써 고저항 특성 및 우수한 표면 특성, 층간의 향상된 접합 특성을 가지는 ZnO 박막을 형성할 뿐만 아니라 이후 FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) 소자의 후열처리 효과와 함께 시너지 효과를 창출하며 이는 소자의 공진 특성을 향상시키는 결과로 이어질 수 있다.
