KR20200137272A - Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer and method of fabricating the same - Google Patents

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Abstract

An objective of the present invention is to provide a capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) capable of increasing transceiving sensitivity by increasing average displacement and an economic manufacturing method thereof. According to one perspective of the present invention, the manufacturing method of a capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) comprises: a step of forming a protection layer exposing a cavity region limiting a nano-post region on a semiconductor substrate; a step of etching the semiconductor substrate exposed by the protection layer to form a vertical cavity on the cavity region, and forming a nano-post limited by the vertical cavity on the semiconductor substrate; a step of forming a passivation layer on the nano-post exposed by the vertical cavity; a step of forming a sacrificial layer on the passivation layer to cover at least the vertical cavity; a step of forming a membrane layer on the sacrificial layer; a step of forming an etching hole exposing the sacrificial layer on the membrane layer; a step of removing the sacrificial layer through the etching hole; a step of forming a sealing layer sealing the etching hole to form a vacuum gap between the membrane layer and the semiconductor substrate; and a step of forming an upper electrode layer on the membrane layer.

Description

정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서 및 그 제조방법{Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer and method of fabricating the same} Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer and method of fabricating the same}

본 발명은 초음파 장치에 관한 것으로서, 특히 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer, CMUT) 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic device, and in particular, to a capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) and a method of manufacturing the same.

초음파 트랜스듀서(또는 초음파 탐촉자)는 전기적 신호를 초음파 신호로 변환시키거나 또는 초음파 신호를 전기적 신호로 변환시키는 장치를 말한다. 종래에는 압전 소재를 이용하여 초음파 신호를 처리하는 압전형 미세가공 초음파 트랜스듀서(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer, PMUT)가 많이 사용되었으나, 최근에는 동작 주파수 범위를 넓히고 트랜스듀서의 대역폭을 넓힐 수 있으며 반도체 공정을 통해서 집적화가 가능한 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer, CMUT)에 대한 연구가 진행되고 있다.An ultrasonic transducer (or ultrasonic transducer) refers to a device that converts an electrical signal into an ultrasonic signal or converts an ultrasonic signal into an electrical signal. In the past, piezoelectric micromachined ultrasonic transducers (PMUTs) that process ultrasonic signals using piezoelectric materials have been widely used, but recently, the operating frequency range can be widened, the bandwidth of the transducer can be widened, and semiconductor processing can be improved. Research is being conducted on a Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer (CMUT) that can be integrated.

하지만, 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 경우, 전극간 한정된 갭 높이와 한정된 전압으로 인해서 발생할 수 있는 평균 변위가 작아서 높은 송신 및 수신 감도를 갖기 어려운 문제가 있다. 즉, 종래 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 구조에서는 이동셀의 밀도도 낮지만 이동셀의 가장자리가 모두 고정되어 있어서 중심부에서만 큰 변위를 가지고 주변부는 변위가 작아서 평균 범위가 낮게 된다. 이러한 평균 변위를 높이기 위해서 갭을 높이면 높은 전압을 인가해야 해서 이 역시 어려움이 있다. However, in the case of a capacitive microfabricated ultrasonic transducer (CMUT), there is a problem in that it is difficult to have high transmission and reception sensitivity because the average displacement that may occur due to the limited gap height and the limited voltage between electrodes is small. That is, in the structure of the conventional capacitive micromachining ultrasonic transducer (CMUT), the density of the moving cell is low, but all the edges of the moving cell are fixed, so that only the center has a large displacement and the peripheral portion has a small displacement, so the average range is low. In order to increase the average displacement, if the gap is increased, a high voltage must be applied.

1. 공개특허공보 10-2017-0029497 (2017. 03. 15)1. Unexamined Patent Publication 10-2017-0029497 (2017. 03. 15) 2. 공개특허공보 10-2018-0030777 (2018. 03. 26)2. Unexamined Patent Publication 10-2018-0030777 (2018. 03. 26)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 평균 변위를 높여 송수신 감도를 높일 수 있는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 및 그 경제적인 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention is to solve various problems including the above problems, and an object of the present invention is to provide a capacitive microfabricated ultrasonic transducer (CMUT) capable of increasing transmission and reception sensitivity by increasing an average displacement and an economical manufacturing method thereof To do. However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.

본 발명의 일 관점에 의한 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법은 반도체 기판 상에 나노포스트 영역을 한정하는 캐비티 영역을 노출하는 보호층을 형성하는 단계와, 상기 보호층에 의해서 노출된 상기 반도체 기판을 식각하여 상기 캐비티 영역에 수직 캐비티를 형성하고, 상기 반도체 기판에 상기 수직 캐비티에 의해서 한정된 나노포스트를 형성하는 단계와, 상기 수직 캐비티에 의해서 노출된 상기 나노포스트 상에 패시베이션층을 형성하는 단계와, 상기 패시베이션층 상에 적어도 상기 수직 캐비티를 덮도록 희생층을 형성하는 단계와, 상기 희생층 상에 멤브레인층을 형성하는 단계와, 상기 멤브레인층에 상기 희생층을 노출하는 식각홀을 형성하는 단계와, 상기 식각홀을 통해서 상기 희생층을 제거하는 단계와, 상기 식각홀을 실링하는 실링층을 형성하여, 상기 멤브레인층과 상기 반도체 기판 사이에 진공 갭을 형성하는 단계와, 상기 멤브레인층 상에 상부 전극층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a capacitive microfabricated ultrasonic transducer (CMUT) according to an aspect of the present invention comprises the steps of forming a protective layer exposing a cavity region defining a nanopost region on a semiconductor substrate, and by the protective layer. Etching the exposed semiconductor substrate to form a vertical cavity in the cavity region, forming a nanopost defined by the vertical cavity in the semiconductor substrate, and a passivation layer on the nanopost exposed by the vertical cavity Forming, forming a sacrificial layer on the passivation layer to cover at least the vertical cavity, forming a membrane layer on the sacrificial layer, and etching exposing the sacrificial layer to the membrane layer Forming a hole, removing the sacrificial layer through the etch hole, and forming a sealing layer sealing the etch hole to form a vacuum gap between the membrane layer and the semiconductor substrate, It may include forming an upper electrode layer on the membrane layer.

상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법에 따르면, 상기 진공 갭은 상기 실링층, 상기 멤브레인층, 및 상기 패시베이션층에 의해서 둘러싸일 수 있다.According to the manufacturing method of the capacitive microfabricated ultrasonic transducer (CMUT), the vacuum gap may be surrounded by the sealing layer, the membrane layer, and the passivation layer.

상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법에 따르면, 상기 희생층은 상기 나노포스트 상의 상기 보호층 및 상기 패시베이션층의 높이까지 형성되고, 상기 진공 갭은 상기 나노포스트의 측벽을 둘러싸는 상기 수직 캐비티 및 상기 수직 캐비티와 연결되어 상기 나노포스트 상의 상기 보호층 및 상기 패시베이션층의 측방향으로 연장된 수평 캐비티를 포함할 수 있다.According to the manufacturing method of the capacitive microfabricated ultrasonic transducer (CMUT), the sacrificial layer is formed up to the height of the protective layer and the passivation layer on the nanopost, and the vacuum gap surrounds the sidewall of the nanopost. May include a horizontal cavity connected to the vertical cavity and the vertical cavity and extending in a lateral direction of the protective layer and the passivation layer on the nanopost.

상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법에 따르면, 상기 보호층을 형성하는 단계는, 상기 나노포스트 영역 상에 제 1 절연층을 형성하는 단계와, 상기 캐비티 영역을 노출하도록 상기 반도체 기판 상에 제 2 절연층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.According to the manufacturing method of the capacitive micro-machining ultrasonic transducer (CMUT), the forming of the protective layer includes forming a first insulating layer on the nanopost region, and exposing the cavity region. It may include forming a second insulating layer on the semiconductor substrate.

상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법에 따르면, 상기 멤브레인층을 형성하는 단계 전에, 상기 희생층 상에 식각 채널을 형성하는 단계를 더 제공할 수 있다. 상기 멤브레인층은 일부가 상기 식각 채널 내로 하방 돌출되도록 형성될 수 있다.According to the manufacturing method of the capacitive microfabricated ultrasonic transducer (CMUT), before the forming of the membrane layer, a step of forming an etching channel on the sacrificial layer may be further provided. A portion of the membrane layer may be formed to protrude downward into the etching channel.

상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법에 따르면, 상기 실링층은 상기 식각홀을 통해서 상기 식각 채널 내로 하방 돌출된 상기 멤브레인층 부분까지 형성될 수 있다.According to the manufacturing method of the capacitive microfabricated ultrasonic transducer (CMUT), the sealing layer may be formed to a portion of the membrane layer protruding downward into the etching channel through the etching hole.

상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법에 따르면, 상기 상부 전극층은 상기 식각 채널 방향으로 일부 하방 돌출되도록 상기 멤브레인층 상에 형성될 수 있다.According to the manufacturing method of the capacitive microfabricated ultrasonic transducer (CMUT), the upper electrode layer may be formed on the membrane layer to partially protrude downward in the direction of the etching channel.

상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법에 따르면, 상기 보호층, 상기 패시베이션층 및 상기 멤브레인층은 동일 물질로 형성할 수 있다. 나아가, 상기 보호층, 상기 패시베이션층 및 상기 멤브레인층은 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.According to the manufacturing method of the capacitive microfabricated ultrasonic transducer (CMUT), the protective layer, the passivation layer, and the membrane layer may be formed of the same material. Further, the protective layer, the passivation layer, and the membrane layer may include silicon nitride.

본 발명의 다른 관점에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 일부분을 식각하여 형성된 수직 캐비티에 의해서 상기 반도체 기판에 한정된 나노포스트와, 상기 나노포스트 상의 보호층과, 상기 나노포스트의 측벽 및 상기 수직 캐비티에 의해서 노출된 상기 반도체 기판 상에 형성된 패시베이션층과, 상기 나노포스트의 측벽을 둘러싸는 상기 수직 캐비티 및 상기 수직 캐비티와 연결되어 상기 나노포스트 상의 상기 보호층 및 상기 패시베이션층의 측방향으로 연장된 수평 캐비티를 포함하는 진공 갭에 의해서 상기 반도체 기판 상으로 이격되게 상기 보호층 상에 형성된 멤브레인층과, 상기 진공 갭의 일부 및 상기 멤브레인층 상의 실링층과, 상기 멤브레인층 상의 상부 전극층을 포함한다.A capacitive microfabricated ultrasonic transducer (CMUT) according to another aspect of the present invention includes a semiconductor substrate, a nanopost limited to the semiconductor substrate by a vertical cavity formed by etching a portion of the semiconductor substrate, and protection on the nanopost. The protection on the nanopost is connected to a layer, a passivation layer formed on the semiconductor substrate exposed by a sidewall of the nanopost and the vertical cavity, and the vertical cavity surrounding the sidewall of the nanopost and the vertical cavity. A membrane layer formed on the protective layer to be spaced apart on the semiconductor substrate by a vacuum gap including a layer and a horizontal cavity extending in the lateral direction of the passivation layer, a part of the vacuum gap and a sealing layer on the membrane layer, And an upper electrode layer on the membrane layer.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예들에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)는 나노포스트를 이용하여 전극간 평균 변위를 크게 하여 송수신 감도를 높일 수 있다. 나아가, 본 발명의 실시예들에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조 방법에 따르면 반도체 기판을 이용하여 나노포스트 및 진공 갭을 경제적으로 제조할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The capacitive micro-machining ultrasonic transducer (CMUT) according to the embodiments of the present invention made as described above may increase transmission/reception sensitivity by increasing an average displacement between electrodes using a nanopost. Further, according to the manufacturing method of the capacitive microfabricated ultrasonic transducer (CMUT) according to embodiments of the present invention, nanoposts and vacuum gaps can be economically manufactured using a semiconductor substrate. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 및 그 제조방법 보여주는 개략적인 단면도들이다.1 to 9 are schematic cross-sectional views showing a capacitive microfabricated ultrasonic transducer (CMUT) and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, various exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.The embodiments of the present invention are provided to more completely describe the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is as follows. It is not limited to the examples. Rather, these embodiments are provided to make the present disclosure more faithful and complete, and to completely convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. In addition, in the drawings, the thickness or size of each layer is exaggerated for convenience and clarity of description.

도 1 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 및 그 제조방법 보여주는 개략적인 단면도들이다.1 to 9 are schematic cross-sectional views showing a capacitive microfabricated ultrasonic transducer (CMUT) and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 반도체 기판(105)의 나노포스트가 형성될 영역(이하, 나노포스트 영역) 상에 제 1 절연층(110)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 1, a first insulating layer 110 may be formed on a region of a semiconductor substrate 105 in which a nanopost is to be formed (hereinafter, a nanopost region).

예를 들어, 반도체 기판(105)은 반도체 물질, 예컨대 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄 등을 포함할 수 있다. 이러한 반도체 물질은 도전성을 갖도록 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다. 나아가, 반도체 기판(105)은 반도체 웨이퍼를 소정 두께로 가공하여 제공할 수도 있다. For example, the semiconductor substrate 105 may include a semiconductor material such as silicon, germanium, silicon-germanium, or the like. Such a semiconductor material may be doped with n-type or p-type to have conductivity. Furthermore, the semiconductor substrate 105 may be provided by processing a semiconductor wafer to a predetermined thickness.

예를 들어, 반도체 기판(105) 상에 제 1 절연층(110)을 전체적으로 형성할 수 있다. 제 1 절연층(110)은 실리콘 질화물(silicon nitride), 예컨대 Si3N4을 포함할 수 있으며, 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)법으로 균일하게 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 CVD법으로는 저진공 CVD(LP CVD) 또는 플라즈마 강화 CVD(PE CVD)법을 이용할 수 있다.For example, the first insulating layer 110 may be formed entirely on the semiconductor substrate 105. The first insulating layer 110 may include silicon nitride, such as Si 3 N 4 , and may be uniformly formed by a chemical vapor deposition (CVD) method. More specifically, as the CVD method, a low vacuum CVD (LP CVD) or plasma enhanced CVD (PE CVD) method may be used.

이어서 포토리소그래피(photo lithography)를 이용하여 나노포스트 영역을 덮는 포토레지스트 패턴을 형성하고 이를 보호막으로 하여 제 1 절연층(110)의 노출된 부분을 식각하여 나노 포스트 영역 상에 제 1 절연층(110)이 남도록 형성할 수 있다. 예를 들어, 식각은 이방성 식각 특성을 갖는 플라즈마 건식 식각, 예컨대 반응성 이온 에칭(reactive ion etching, RIE)법을 이용할 수 있다.Subsequently, a photoresist pattern covering the nanopost region is formed using photolithography, and the exposed portion of the first insulating layer 110 is etched using this as a protective film to form the first insulating layer 110 on the nanopost region. ) Can be formed. For example, the etching may be performed by plasma dry etching having anisotropic etching characteristics, for example, reactive ion etching (RIE).

도 2를 참조하면, 반도체 기판(105) 내에 나노포스트 영역을 한정하는 캐비티가 형성될 영역(이하, 캐비티 영역이라 함)을 노출하도록 반도체 기판(105) 상에 제 2 절연층(115)을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 2, a second insulating layer 115 is formed on the semiconductor substrate 105 to expose a region in the semiconductor substrate 105 in which a cavity defining a nanopost region is to be formed (hereinafter referred to as a cavity region). can do.

예를 들어, 반도체 기판(105) 상에 제 2 절연층(115)을 전체적으로 형성할 수 있다. 제 2 절연층(115)은 실리콘 질화물(silicon nitride), 예컨대 Si3N4을 포함할 수 있으며, 화학기상증착(CVD)법으로 균일하게 형성될 수 있다. For example, the second insulating layer 115 may be formed entirely on the semiconductor substrate 105. The second insulating layer 115 may include silicon nitride, such as Si 3 N 4 , and may be uniformly formed by a chemical vapor deposition (CVD) method.

이어서 포토리소그래피(photo lithography)를 이용하여 캐비티 영역을 노출하는 포토레지스트 패턴을 형성하고 이를 보호막으로 하여 제 2 절연층(115)의 노출된 부분을 식각하여 캐비티 영역을 노출하는 제 2 절연층(115)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 식각은 이방성 식각 특성을 갖는 플라즈마 건식 식각, 예컨대 반응성 이온 에칭(RIE)법을 이용할 수 있다.Subsequently, a photoresist pattern exposing the cavity area is formed using photolithography, and the exposed portion of the second insulating layer 115 is etched using this as a protective layer to expose the cavity area. ) Can be formed. For example, the etching may be performed using plasma dry etching, for example, reactive ion etching (RIE) having anisotropic etching characteristics.

여기에서, 제 1 절연층(110)과 제 2 절연층(115)이 합해진 구조는 반도체 기판(105) 상에 나노포스트 영역을 한정하는 캐비티 영역을 노출하는 보호층을 형성할 수 있다. 이하에서는, 제 1 절연층(110)과 제 2 절연층(115)이 합해진 구조를 보호층(110, 115)으로 지칭한다.Here, in a structure in which the first insulating layer 110 and the second insulating layer 115 are combined, a protective layer exposing the cavity region defining the nanopost region may be formed on the semiconductor substrate 105. Hereinafter, a structure in which the first insulating layer 110 and the second insulating layer 115 are combined will be referred to as the protective layers 110 and 115.

이러한 점에서, 도 1 및 도 2는 반도체 기판(105) 상에 나노포스트 영역을 한정하는 캐비티 영역을 노출하는 보호층(110, 115)을 형성하는 단계를 도시하고 있다. 이에 따르면, 보호층(110, 115)을 형성하는 단계는 나노포스트 영역 상에 제 1 절연층(110)을 형성하는 단계와, 캐비티 영역을 노출하도록 반도체 기판(105) 상에 제 2 절연층(115)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In this regard, FIGS. 1 and 2 illustrate the steps of forming the protective layers 110 and 115 exposing the cavity regions defining the nanopost regions on the semiconductor substrate 105. According to this, the forming of the protective layers 110 and 115 includes forming the first insulating layer 110 on the nanopost region and the second insulating layer on the semiconductor substrate 105 to expose the cavity region. 115).

이에 따라, 나노포스트 영역 상의 보호층(110, 115)의 높이는 다른 부분의 높이보다 제 1 절연층(110)의 높이만큼 높을 수 있다.Accordingly, the height of the protective layers 110 and 115 on the nanopost region may be as high as the height of the first insulating layer 110 than the height of other portions.

도 3을 참조하면, 보호층(110, 115)에 의해서 노출된 반도체 기판(105)을 식각하여 캐비티 영역에 수직 캐비티(120)를 형성할 수 있다. 이에 따라, 반도체 기판(105)에 수직 캐비티(120)에 의해서 한정된 나노포스트(128)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 식각은 이방성 식각 특성을 갖는 플라즈마 건식 식각, 예컨대 반응성 이온 에칭(reactive ion etching, RIE)법 또는 깊은 반응성 이온 에칭(deep reactive ion etching, DRIE)법을 이용할 수 있다.Referring to FIG. 3, a vertical cavity 120 may be formed in the cavity region by etching the semiconductor substrate 105 exposed by the protective layers 110 and 115. Accordingly, a nanopost 128 defined by the vertical cavity 120 may be formed in the semiconductor substrate 105. For example, the etching may be performed using plasma dry etching having anisotropic etching characteristics, for example, reactive ion etching (RIE) method or deep reactive ion etching (DRIE) method.

나노포스트(128)는 반도체 기판(105) 내에 수직 캐비티(120)에 의해서 측벽이 노출된 나노 크기의 기둥 구조이되 그 바닥은 반도체 기판(105)의 소정 깊이에 고정된 형태일 수 있다. 나노포스트(128)는 좁게는 반도체 기판(105)으로 구성된 나노 크기의 기둥 구조를 의미하지만, 넓게는 이러한 기둥 구조 상의 보호층(110, 115)을 포함하는 것으로 해석될 수도 있다.The nanopost 128 may have a nano-sized pillar structure in which the sidewalls are exposed by the vertical cavity 120 in the semiconductor substrate 105, but the bottom thereof may be fixed to a predetermined depth of the semiconductor substrate 105. The nanopost 128 narrowly refers to a nano-sized pillar structure composed of the semiconductor substrate 105, but may broadly be interpreted as including the protective layers 110 and 115 on the pillar structure.

도 1 내지 도 3에서는 하나의 나노포스트(128) 구조를 도시하고 있지만, 이는 일부 구조를 도시한 것이고, 나노포스트(128)의 개수는 복수개일 수 있고 그 개수는 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.1 to 3 illustrate one nanopost 128 structure, but this shows some structures, and the number of nanoposts 128 may be plural, and the number limits the scope of the present invention. no.

도 4를 참조하면, 수직 캐비티(120)에 의해서 노출된 나노포스트(128) 상에 패시베이션층(125)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 4, a passivation layer 125 may be formed on the nanoposts 128 exposed by the vertical cavity 120.

예를 들어, 도 3의 구조 상에 화학기상증착(CVD)법으로 전체적으로 패시베이션층(125)을 형성할 수 있다. 패시베이션층(125)은 수직 캐비티(120)를 채우지 않도록 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 패시베이션층(125)은 실리콘 질화물(silicon nitride), 예컨대 Si3N4을 포함할 수 있으며, 화학기상증착(CVD)법으로 균일하게 형성할 수 있다. For example, the passivation layer 125 may be entirely formed on the structure of FIG. 3 by chemical vapor deposition (CVD). The passivation layer 125 may be formed to have a thin thickness so as not to fill the vertical cavity 120. For example, the passivation layer 125 may include silicon nitride, for example, Si 3 N 4 , and may be uniformly formed by a chemical vapor deposition (CVD) method.

예를 들어, 패시베이션층(125)은 나노포스트(128) 내부뿐만 아니라 나노포스트(128) 상의 보호층(110, 115) 및 패시베이션층(125) 상에도 형성될 수 있다.For example, the passivation layer 125 may be formed not only inside the nanopost 128 but also on the protective layers 110 and 115 and the passivation layer 125 on the nanopost 128.

이어서, 패시베이션층(125) 상에 수직 캐비티(120)를 적어도 덮도록 희생층(130)을 형성할 수 있다. 희생층(130)은 패시베이션층(125)에 대해서 식각 선택비를 갖는 물질로 선택될 수 있다. 예를 들어, 희생층(130)은 비정질 실리콘을 포함할 수 있다.Subsequently, the sacrificial layer 130 may be formed on the passivation layer 125 to cover at least the vertical cavity 120. The sacrificial layer 130 may be selected as a material having an etch selectivity with respect to the passivation layer 125. For example, the sacrificial layer 130 may include amorphous silicon.

구체적으로 보면, 화학기상증착(CVD)법으로 비정질 실리콘층을 수직 캐비티(120) 및 보호층(110, 115)을 덮도록 두껍게 증착한 후, 이를 평탄화하여 보호층(110, 115)의 높은 부분, 즉 나노포스트(128) 상의 보호층(110, 115) 및 패시베이션층(125) 높이의 희생층(130)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 평탄화는 에치백(etch back) 또는 화학기계연마(chemical mechanical polishing, CMP)법을 이용할 수 있다.Specifically, the amorphous silicon layer is thickly deposited to cover the vertical cavity 120 and the protective layers 110 and 115 by chemical vapor deposition (CVD), and then flattened to the high portion of the protective layers 110 and 115. That is, the sacrificial layer 130 having a height of the protective layers 110 and 115 and the passivation layer 125 on the nanopost 128 may be formed. For example, planarization may be performed using an etch back or chemical mechanical polishing (CMP) method.

도 5를 참조하면, 희생층(130) 상에 식각 채널(135)을 형성하고, 희생층(130)을 소정 크기로 패터닝할 수 있다. 식각 채널(135)은 희생층(130)의 가장자리부분에서 소정 거리만큼 안쪽에 위치하여, 이후 형성되는 층이 하방으로 돌출되어 형성되도록 해줄 수 있다.Referring to FIG. 5, an etching channel 135 may be formed on the sacrificial layer 130 and the sacrificial layer 130 may be patterned to have a predetermined size. The etch channel 135 may be positioned inside the sacrificial layer 130 by a predetermined distance from the edge of the sacrificial layer 130 so that a layer formed thereafter protrudes downward.

이러한 식각 채널(135)은 포토리소그래피 및 식각 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 식각은 이방성 식각 특성을 갖는 플라즈마 건식 식각, 예컨대 반응성 이온 에칭(RIE)법을 이용할 수 있다.The etching channel 135 may be formed using photolithography and etching processes. For example, the etching may be performed using plasma dry etching, for example, reactive ion etching (RIE) having anisotropic etching characteristics.

도 6을 참조하면, 희생층(130) 상에 멤브레인층(140)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 화학기상증착(CVD)법으로 희생층(130) 및 보호층(110, 115) 상에 전면적으로 멤브레인층(140)을 증착할 수 있다. 멤브레인층(140)은 실리콘 질화물(silicon nitride), 예컨대 Si3N4을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6, a membrane layer 140 may be formed on the sacrificial layer 130. For example, the membrane layer 140 may be entirely deposited on the sacrificial layer 130 and the protective layers 110 and 115 by a chemical vapor deposition (CVD) method. The membrane layer 140 may include silicon nitride, such as Si 3 N 4 .

멤브레인층(140)은 희생층(130) 상에 컨포멀(conformal)하게 형성되며, 따라서 희생층(130)의 식각 채널(135)의 모양을 따라서 이 부분이 식각 채널(135) 내로 하방 돌출되도록 형성될 수 있다.The membrane layer 140 is conformally formed on the sacrificial layer 130 so that this portion protrudes downward into the etching channel 135 along the shape of the etching channel 135 of the sacrificial layer 130. Can be formed.

도 7을 참조하면, 멤브레인층(140)에 희생층(130)을 노출하는 식각홀(145)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 식각홀(145)은 포토리소그래피 및 식각 기술을 이용하여 형성될 수 있다.Referring to FIG. 7, an etching hole 145 exposing the sacrificial layer 130 may be formed in the membrane layer 140. For example, the etching hole 145 may be formed using photolithography and etching techniques.

식각홀(145)은 이후 실링 단계를 고려하여 희생층(130)의 가장자리 부분을 노출하도록 형성될 수 있다.The etching hole 145 may be formed to expose an edge portion of the sacrificial layer 130 in consideration of a subsequent sealing step.

도 8을 참조하면, 식각홀(145)을 통해서 희생층(130)을 제거할 수 있다. 예를 들어, 희생층(130)의 제거는 등방성 식각을 이용할 수 있고, 예컨대 습식 식각법을 이용하여 식각액이 식각홀(145)로부터 수직 캐비티(120) 내부까지 침투하여 희생층(130)을 전체적으로 제거하도록 수행할 수 있다. 예를 들어, 희생층(130)이 비정질 실리콘인 경우 식각액은 KOH 용액을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 8, the sacrificial layer 130 may be removed through the etch hole 145. For example, the sacrificial layer 130 may be removed by isotropic etching. For example, using a wet etching method, the etchant penetrates from the etching hole 145 to the inside of the vertical cavity 120 to completely penetrate the sacrificial layer 130. Can be done to remove. For example, when the sacrificial layer 130 is amorphous silicon, the etchant may include a KOH solution.

도 9를 참조하면, 식각홀(145)을 실링하는 실링층(150)을 형성하여, 멤브레인층(140)과 반도체 기판(105) 사이에 진공 갭(155)을 형성할 수 있다. 실링층(150)을 형성하는 단계는 실질적으로 진공 공정을 이용하므로, 진공 갭(155) 내부는 소정 압력의 진공 상태가 될 수 있다.Referring to FIG. 9, by forming a sealing layer 150 sealing the etch hole 145, a vacuum gap 155 may be formed between the membrane layer 140 and the semiconductor substrate 105. Since the forming of the sealing layer 150 substantially uses a vacuum process, the inside of the vacuum gap 155 may be in a vacuum state of a predetermined pressure.

예를 들어, 실링층(150)은 실리콘 질화물(silicon nitride), 예컨대 Si3N4을 포함할 수 있으며, 모서리 도포성(step coverage)이 우수한 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)법으로 균일하게 형성될 수 있다. 실링층(150)은 식각홀(145)의 바닥으로부터 성정하여 실링층(150)을 막을 때까지 형성될 수 있다. For example, the sealing layer 150 may include silicon nitride, such as Si 3 N 4 , and is uniform by a chemical vapor deposition (CVD) method with excellent step coverage. Can be formed. The sealing layer 150 may be formed until the sealing layer 150 is formed by forming from the bottom of the etching hole 145.

이 경우, 멤브레인층(140)의 하방 돌출 부분이 실링층(150)이 진공 갭(155) 내에서 성장을 정지하는 가이드 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 실링층(150)은 식각홀을 통해서 식각 채널(135) 내로 하방 돌출된 멤브레인층(140) 부분까지 형성될 수 있다.In this case, the lower protruding portion of the membrane layer 140 may serve as a guide for stopping the growth of the sealing layer 150 within the vacuum gap 155. For example, the sealing layer 150 may be formed to a portion of the membrane layer 140 protruding downward into the etching channel 135 through the etching hole.

진공 갭(155)은 나노포스트(128)의 측벽을 둘러싸는 수직 캐비티(120)와 수직 캐비티(120)와 연결되며 나노포스트(128) 상의 보호층(110, 115) 및 패시베이션층(125)의 측방향으로 연장된 수평 캐비티(153)를 포함할 수 있다. The vacuum gap 155 is connected to the vertical cavity 120 and the vertical cavity 120 surrounding the sidewall of the nanopost 128, and the protective layers 110 and 115 and the passivation layer 125 on the nanopost 128 It may include a horizontal cavity 153 extending in the lateral direction.

나아가, 진공 갭(155)은 실링층(150), 멤브레인층(140) 및 패시베이션층(125)에 의해서 둘러싸일 수 있다.Furthermore, the vacuum gap 155 may be surrounded by the sealing layer 150, the membrane layer 140 and the passivation layer 125.

이러한 진공 갭(155), 보다 구체적으로는 수평 캐비티(153)에 의해서 멤브레인층(140)의 일부분이 반도체 기판(105) 상으로부터 이격 배치될 수 있다.A portion of the membrane layer 140 may be spaced apart from the semiconductor substrate 105 by the vacuum gap 155, more specifically, the horizontal cavity 153.

도 10을 참조하면, 멤브레인층(140) 상에 상부 전극층(160)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상부 전극층(160)은 도전성 금속 물질로 형성할 수 있다. 상부 전극층(160)은 멤브레인층(140)의 구조를 따라서 형성되므로, 식각 채널(135) 방향으로 일부 하방 돌출되도록 형성될 수 있다.Referring to FIG. 10, an upper electrode layer 160 may be formed on the membrane layer 140. For example, the upper electrode layer 160 may be formed of a conductive metal material. Since the upper electrode layer 160 is formed along the structure of the membrane layer 140, it may be formed to partially protrude downward in the direction of the etching channel 135.

일부 실시예에서, 보호층(110, 115), 패시베이션층(125), 멤브레인층(140) 및 실링층(150)의 일부 또는 전부는 동일 물질, 예컨대 실리콘 질화물로 형성될 수 있다.In some embodiments, some or all of the protective layers 110 and 115, the passivation layer 125, the membrane layer 140, and the sealing layer 150 may be formed of the same material, such as silicon nitride.

전술한 실시예에 따르면, 반도체 기판(105) 내에 수직 캐비티(120)를 형성하여 나노포스트(128) 구조를 제조할 수 있고, 나아가 희생층(130)의 식각을 이용하여 고가의 실리콘-온-절연체(silicon on insulator, SOI) 기판을 이용하지 않고서도 진공 갭(155)을 갖는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)를 제조할 수 있다.According to the above-described embodiment, the structure of the nanopost 128 can be manufactured by forming the vertical cavity 120 in the semiconductor substrate 105, and further, expensive silicon-on- A capacitive microfabricated ultrasonic transducer (CMUT) having a vacuum gap 155 can be manufactured without using a silicon on insulator (SOI) substrate.

전술한 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)에 의하면, 나노포스트들(128)은 상부 전극(160) 및 반도체 기판(105) 사이에 전원이 인가되면 상부 전극(160) 및/또는 멤브레인층(140)이 진동될 때 길이 방향으로 압축 및 인장이 가능할 수 있다. 이에 따라, 나노포스트들(128)은 스프링의 역할을 하여 상부 전극(160) 및/또는 멤브레인층(140)이 보다 큰 변위로 진동할 수 있도록 해준다.According to the above-described capacitive microfabricated ultrasonic transducer (CMUT), when power is applied between the upper electrode 160 and the semiconductor substrate 105, the nanoposts 128 are applied to the upper electrode 160 and/or the membrane layer. When 140 is vibrated, compression and tension in the longitudinal direction may be possible. Accordingly, the nanoposts 128 act as a spring to allow the upper electrode 160 and/or the membrane layer 140 to vibrate with a greater displacement.

나노포스트들(128)은 반도체 물질로 형성될 수 있다. 반도체 단결정은 벌크 구조에서는 낮은 인장율 및 압축율을 보이나, 나노미터 레벨의 직경을 갖는 단결정 와이어는 이론적인 한계인 약 20% 부근까지 압축 및 신장될 수 있다고 알려져 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들에서, 나노포스트들(128)은 상부 전극(160) 및/또는 멤브레인층(140)이 보다 큰 변위로 진동할 수 있도록 하는 스프링의 기능을 수행할 수 있다.The nanoposts 128 may be formed of a semiconductor material. It is known that semiconductor single crystals show low tensile and compressibility in a bulk structure, but single crystal wires having nanometer-level diameters can be compressed and stretched to around 20%, which is the theoretical limit. Accordingly, in embodiments of the present invention, the nanoposts 128 may function as a spring to allow the upper electrode 160 and/or the membrane layer 140 to vibrate with a greater displacement.

따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)은 전극간 평균 변위를 크게 하여 초음파 송수신 감도를 높일 수 있다.Accordingly, the capacitive microfabricated ultrasonic transducer (CMUT) according to embodiments of the present invention may increase the ultrasonic transmission/reception sensitivity by increasing the average displacement between electrodes.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those of ordinary skill in the art will appreciate that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

105: 반도체 기판
110, 115: 보호층
125: 패시베이션층
128: 나노포스트
130: 희생층
140: 멤브레인층
150: 실링층
155: 진공 갭
160: 상부 전극105: semiconductor substrate
110, 115: protective layer
125: passivation layer
128: nanopost
130: sacrificial layer
140: membrane layer
150: sealing layer
155: vacuum gap
160: upper electrode

Claims (10)

반도체 기판 상에 나노포스트 영역을 한정하는 캐비티 영역을 노출하는 보호층을 형성하는 단계;
상기 보호층에 의해서 노출된 상기 반도체 기판을 식각하여 상기 캐비티 영역에 수직 캐비티를 형성하고, 상기 반도체 기판에 상기 수직 캐비티에 의해서 한정된 나노포스트를 형성하는 단계;
상기 수직 캐비티에 의해서 노출된 상기 나노포스트 상에 패시베이션층을 형성하는 단계;
상기 패시베이션층 상에 적어도 상기 수직 캐비티를 덮도록 희생층을 형성하는 단계;
상기 희생층 상에 멤브레인층을 형성하는 단계;
상기 멤브레인층에 상기 희생층을 노출하는 식각홀을 형성하는 단계;
상기 식각홀을 통해서 상기 희생층을 제거하는 단계;
상기 식각홀을 실링하는 실링층을 형성하여, 상기 멤브레인층과 상기 반도체 기판 사이에 진공 갭을 형성하는 단계; 및
상기 멤브레인층 상에 상부 전극층을 형성하는 단계;를 포함하는
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법.Forming a protective layer on a semiconductor substrate to expose a cavity region defining a nanopost region;
Etching the semiconductor substrate exposed by the protective layer to form a vertical cavity in the cavity region, and forming a nanopost defined by the vertical cavity in the semiconductor substrate;
Forming a passivation layer on the nanopost exposed by the vertical cavity;
Forming a sacrificial layer on the passivation layer to cover at least the vertical cavity;
Forming a membrane layer on the sacrificial layer;
Forming an etching hole exposing the sacrificial layer in the membrane layer;
Removing the sacrificial layer through the etching hole;
Forming a sealing layer sealing the etch hole to form a vacuum gap between the membrane layer and the semiconductor substrate; And
Including; forming an upper electrode layer on the membrane layer
Method of manufacturing a capacitive microfabricated ultrasonic transducer. 제 1 항에 있어서,
상기 진공 갭은 상기 실링층, 상기 멤브레인층, 및 상기 패시베이션층에 이해서 둘러싸인,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법.The method of claim 1,
The vacuum gap is surrounded by the sealing layer, the membrane layer, and the passivation layer,
Method of manufacturing a capacitive microfabricated ultrasonic transducer. 제 1 항에 있어서,
상기 희생층은 상기 나노포스트 상의 상기 보호층 및 상기 패시베이션층의 높이까지 형성되고,
상기 진공 갭은 상기 나노포스트의 측벽을 둘러싸는 상기 수직 캐비티 및 상기 수직 캐비티와 연결되어 상기 나노포스트 상의 상기 보호층 및 상기 패시베이션층의 측방향으로 연장된 수평 캐비티를 포함하는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법.The method of claim 1,
The sacrificial layer is formed up to the height of the protective layer and the passivation layer on the nanopost,
The vacuum gap includes the vertical cavity surrounding a sidewall of the nanopost and a horizontal cavity connected to the vertical cavity and extending in a lateral direction of the protective layer and the passivation layer on the nanopost,
Method of manufacturing a capacitive microfabricated ultrasonic transducer. 제 1 항에 있어서,
상기 보호층을 형성하는 단계는,
상기 나노포스트 영역 상에 제 1 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 캐비티 영역을 노출하도록 상기 반도체 기판 상에 제 2 절연층을 형성하는 단계;를 포함하는
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법.The method of claim 1,
The step of forming the protective layer,
Forming a first insulating layer on the nanopost region; And
Forming a second insulating layer on the semiconductor substrate to expose the cavity region; including
Method of manufacturing a capacitive microfabricated ultrasonic transducer. 제 1 항에 있어서,
상기 멤브레인층을 형성하는 단계 전에, 상기 희생층 상에 식각 채널을 형성하는 단계;를 더 포함하고,
상기 멤브레인층은 일부가 상기 식각 채널 내로 하방 돌출되도록 형성되는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법.The method of claim 1,
Before forming the membrane layer, forming an etching channel on the sacrificial layer; further comprising,
The membrane layer is partially formed to protrude downward into the etching channel,
Method of manufacturing a capacitive microfabricated ultrasonic transducer. 제 5 항에 있어서,
상기 실링층은 상기 식각홀을 통해서 상기 식각 채널 내로 하방 돌출된 상기 멤브레인층 부분까지 형성된,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법.The method of claim 5,
The sealing layer is formed to a portion of the membrane layer protruding downward into the etching channel through the etching hole,
Method of manufacturing a capacitive microfabricated ultrasonic transducer. 제 5 항에 있어서,
상기 상부 전극층은 상기 식각 채널 방향으로 일부 하방 돌출되도록 상기 멤브레인층 상에 형성된,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법.The method of claim 5,
The upper electrode layer is formed on the membrane layer to partially protrude downward in the etching channel direction,
Method of manufacturing a capacitive microfabricated ultrasonic transducer. 제 1 항에 있어서,
상기 보호층, 상기 패시베이션층 및 상기 멤브레인층은 동일 물질로 형성하는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법.The method of claim 1,
The protective layer, the passivation layer, and the membrane layer are formed of the same material,
Method of manufacturing a capacitive microfabricated ultrasonic transducer. 제 8 항에 있어서,
상기 보호층, 상기 패시베이션층 및 상기 멤브레인층은 실리콘 질화물을 포함하는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법.The method of claim 8,
The protective layer, the passivation layer, and the membrane layer include silicon nitride,
Method of manufacturing a capacitive microfabricated ultrasonic transducer. 반도체 기판;
상기 반도체 기판의 일부분을 식각하여 형성된 수직 캐비티에 의해서 상기 반도체 기판에 한정된 나노포스트;
상기 나노포스트 상의 보호층;
상기 나노포스트의 측벽 및 상기 수직 캐비티에 의해서 노출된 상기 반도체 기판 상에 형성된 패시베이션층;
상기 나노포스트의 측벽을 둘러싸는 상기 수직 캐비티 및 상기 수직 캐비티와 연결되어 상기 나노포스트 상의 상기 보호층 및 상기 패시베이션층의 측방향으로 연장된 수평 캐비티를 포함하는 진공 갭에 의해서 상기 반도체 기판 상으로 이격되게 상기 보호층 상에 형성된 멤브레인층;
상기 진공 갭의 일부 및 상기 멤브레인층 상의 실링층; 및
상기 멤브레인층 상의 상부 전극층;을 포함하는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서.
A semiconductor substrate;
A nanopost limited to the semiconductor substrate by a vertical cavity formed by etching a portion of the semiconductor substrate;
A protective layer on the nanopost;
A passivation layer formed on the semiconductor substrate exposed by the sidewall of the nanopost and the vertical cavity;
The vertical cavity surrounding the sidewall of the nanopost and the vertical cavity are separated from the semiconductor substrate by a vacuum gap including a horizontal cavity extending in the lateral direction of the protective layer and the passivation layer on the nanopost. A membrane layer formed on the protective layer;
A part of the vacuum gap and a sealing layer on the membrane layer; And
Including; an upper electrode layer on the membrane layer
Capacitive micromachined ultrasonic transducer.
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