KR100201823B1 - 균일한 스트레스 분포를 갖는 광로 조절장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
광학적인 화상 투영 시스템에 사용되는 것으로 균일한 스트레스 분포를 갖는 광로 조절 장치(Thin Film Actuated Mirror Array; TFAMA) 및 이의 제조 방법이 개시되어 있다. 광로 조절 장치는, 화상 신호 전압이 인가되는 활성 매트릭스(Active Matrix)를 마련한 후, 인가된 화상 신호 전압에 의해서 작동되는 캔틸레버 구조물(Cantilever Structure)을 형성하고, 활성 매트릭스에 인가되는 화상 신호 전압을 캔틸레버 구조물로 전달하기 위한 비어 콘택(Via Contact)을 형성함으로써 제조된다. 활성 매트릭스를 제공하기 위해서, 실리콘(Si) 기판 상에 두께가 보강된 티타늄(Ti) 층을 증착시킨후 열처리 하여 제 1 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층을 형성한다. 그런 후에, 열처리에 의해서 얻어진 최초 두께의 절반 두께만큼 제 1 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층을 식각 제거하여 균일한 두께의 제 2 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층을 형성한다. 제 2 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층 상에는 광전류의 침투를 방지하기 위한 질화 티타늄(TiN) 층이 증착되고, 질화 티타늄(TiN) 층 상에는 박막형 광로 조절 장치의 드레인을 형성하는 텅스텐(W) 층이 부분적으로 증착된다.
Description
본 발명은 균일한 스트레스 분포를 갖는 광로 조절 장치 및 이의 제조방법에 관한 것이며, 특히 멤브레인 층 형성 공정의 온도를 저하시킴으로써 균일한 스트레스 분포를 갖는 광로 조절 장치(Thin Film Actuated Mirror Array) 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 광 파동들(light waves)의 파두(wave front)를 조종하는 장치인 공간적인 광 모듈레이터(spatial light modulator)는 광학적인 커뮤니케이션, 화상 처리 및 정보 디스플레이 장치와 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다.
통상적으로, 이러한 장치들은 그들의 광학적인 특성에 따라서 2 개의 그룹으로 나뉠 수 있다. 즉, 액정 광 밸브들(liquid crystal light valves)과 같은 장치는 전송 광 모듈레이터(transmissive spatial light modulators)로 분류될 수 있는데 반해서, 디포머블 미러 어레이(Deformable Mirror Array; 이하, DMD라 칭함) 및 AMA는 반사 광 모듈레이터(reflective spatial light modulators)로 분류될 수 있다.
전술한 바와 같은 전송 광 모듈레이터는 매우 간단한 광학 장치이지만, 빛의 극성으로 인하여 광 효율이 낮으며, 액정 재료에 고유하게 존재하는 문제, 예를들면 느린 반응 및 과열과 같은 결점을 갖는다. 또한, 현존하는 전송 광 모듈레이터의 최대 광 효율은 1 내지 2 % 범위로 한정되며, 수용 가능한 디스플레이 품질을 제공하기 위해서 암실 조건을 필요로 한다.
DMD 및 AMA와 같은 3광로 조절 장치는 위와 같은 LCD 타입의 광로 조절 장치가 안고 있는 문제점들을 해결하기 위해서 개발되었다.
DMD는 각각의 미러가 정전력에 의해서 기울어지는 마이크로미러 어레이(micromirror array)이다. 그런데, DMD는 5% 이상의 높은 광 효율을 나타낼 것으로 기대되었지만, 기대치 보다 낮은 광 효율을 나타낸다. 또한, DMD에 채용되는 비틀린 힌지 구조물은 심각한 피로 문제를 야기한다. 게다가, DMD에서는 매우 복잡하고 값비싼 구동 회로가 요구되는 온/오프(on/off) 미러들의 불가피한 변조 제어가 필요하다.
이에 비해서, AMA는 압전식으로 구동하는 미러 어레이로서, 단순한 구조 와 작동 원리를 가지며, 10% 이상의 높은 광 효율을 제공한다. 또한, 보통의 실온 광 조건하에서 밝고 선명한 화상을 제공하기에 충분한 콘트라스트 비를 제공한다. 게다가, AMA는 빛의 극성에 의해서 영향을 받지 않을 뿐만 아니라, 빛의 극성에 영향을 끼치지 않는다. 그러므로, AMA는 LCD 장치보다 효율적이다. 또한, AMA의 반사 특성은 온도에 상대적으로 덜 민감하기 때문에, AMA는 고 전력의 광원에 의해서 쉽게 영향을 받는 다른 장치들에 비해서 스크린의 밝기를 향상시키는 잇점을 제공한다.
이와같은 AMA는 개발 초기에 디스플레이 장치로서 활용되었는데, 주로 수직한 두 형태소의 구조물로 이루어진 마이크로액튜에이터(microactuator)로 사용되었다. 즉, 결합된 수직의 벌크(bulk) 압전 웨이퍼 구조물인 벌크형 AMA로 사용되었다.
이러한 벌크형 AMA는 1992 년 12 월 29 일자로 그레고리 엄(Gregory Um)등에게 허여된 미합중국 특허 제 5,175,465 호에 개시된 바 있다. 벌크형 AMA는 2 개의 압전 층들 사이에 중앙 전극을 구비한다. 중앙 전극은 신호 전압을 위한 도전성 에폭시를 갖는 활성 매트릭스에 연결된다. 벌크형 AMA의 상부에는 거울 층이 위치하는데, 이 거울 층은 최대 30 볼트의 전압하에서 +/-0.25도의 경사각을 갖는다. 이로 인하여, 이러한 벌크형 AMA는 설계 및 제조에 있어서 매우 높은 정밀도가 요구되고, 구조물의 조립에 있어서도 많은 어려움이 있었다.
그러므로, 최근에는 미러 어레이들의 질을 완전하게 하기 위해서 박막형 광로 조절 장치가 새롭게 개발되었다. 예를들면, 대우전자주식회사(DAEWOO ELECTRONICS CO., LTD.)가 광로 조절 장치(OPTICAL PROJECTION SYSTEM)라는 발명의 명칭으로 1995 년 5 월 26 일에 출원한 바 있는 한국 특허 출원 제 95-13358 호에는 이러한 박막형 광로 조절 장치가 개시되어 있다.
박막형 광로 조절 장치는 반도체 산업 분야에서 널리 알려진 박막 공정을 이용하여 제조된다. 박막형 광로 조절 장치는 보통의 실내 조명 조건하에서 디지탈 화상을 고 휘도(high brightness)와 고 콘트라스트(high contrast)로 디스플레이 하기에 충분한 빛을 스크린상에 전송하기 위하여 개발된 것이다. 박막형 광로 조절 장치는 100μ×100μ 크기의 현미경적인 미러들과 관련하여 박막 압전 액튜에이터(thin film piezo-electric actuators)를 이용하는 반사형 광 모듈레이터이다. 박막형 광로 조절 장치는 고 콘트라스트를 위한 향상된 경사 각, 고 휘도를 위한 충분한 광 효율 및 단일 패널로 이루어진 미러의 300,000 개의 화소(pixel)에 결쳐서 대규모 집적의 균등도를 갖도록 개발되어 왔다.
박막형 광로 조절 장치는 각각 적색, 녹색 및 청색을 나타내는 640×480 화소의 3 개의 패널로 구성된다. 박막형 광로 조절 장치의 개별적인 화소의 크기는 100μm×100μm 이다. 이러한 화소의 크기는 고화질 TV에 요구되는 해상도를 만족시키기 위해서 50μm×50μm 로 쉽게 축소할 수 있다. 일반적으로, 단일 박막형 광로 조절 장치 모듈을 만들기 위해서 4''실리콘 웨이퍼상에 640×480 화소들이 조립된다. 다중의 박막형 광로 조절 장치 모듈은 양호한 생산성 및 낮은 생산비를 위해서 필요한 거울 화소 크기로 축소한 6'' 또는 8''의 웨이퍼상에 조립될 수 있다. 화소들은 광효율을 높이도록 거울 표면적을 최대화하기 위해서 캔틸레버(cantilever) 구조물로 고안된다. 캔틸레버 구조물들은 미세 기계 가공 및 박막 제조 기술을 사용하여 만들어 진다.
도 4, 도 5A 및 도 5B 에는 캔틸레버 구조물의 형태로 제작된 종래의 광로 조절 장치(10)가 도시되어 있다. 광로 조절 장치(10)는 크게 화상 신호 전압이 인가되는 활성 매트릭스(Active Matrix)(12) 및 인가된 신호 전압에 의해서 작동되는 캔틸레버 구조물(40)을 포함한다. 캔틸레버 구조물(40)은 멤브레인(membrane) 층(20), 하부 전극(22), 압전 층인 활성 층(24) 및 상부 전극(26)을 포함한다.
도 5A 및 도 5B를 참조하여 종래의 광로 조절 장치(10)의 제조 과정을 간단하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 활성 매트릭스(12) 위에 패시베이션 포스포실리케이트 글래스(Passivation Phosphosilicate Glass)로 이루어진 보호 층(14)을 약 1μm의 두께로 형성한다. 다음에는, 보호 층(14) 위에 질화 규소(Si3N4) 층인 에칭 스토퍼(etching stopper)(16)를 약 2000Å 정도의 두께로 증착 시킨다. 에칭 스토퍼(16)가 증착된 후에는, 고 농도의 인 실리케이트 유리(PSG)로 이루어진 희생 층(18)을 증착 시킨다. 한편, 희생 층(18)은 활성 매트릭스(12)의 표면을 덮고 있으므로, 표면의 평탄도가 매우 안 좋다. 따라서, 통상의 스핀 온 글래스(Spin on Glass; SOG) 층을 이용하는 공정이나 케미컬 미캐니컬 폴리싱(Chemical Mechanical Polishing; CMP)을 이용하여 희생 층(18) 표면을 평탄화 하는데, 바람직하게는 CMP 공정을 이용하여 희생 층(18) 표면을 평탄화 시킨 후 스크러빙(scrubbing)처리를 한다.
다음으로는, 드라이 프로세스(Dry Process) 또는 웨트 프로세스(Wet Process)를 이용하여 희생 층(18)을 패터닝(Patterning)하여 지지부 형성 위치를 만든다. 그런후에는, 질화 규소(SiNx)로 이루어진 멤브레인 층(20)을 약 1μm∼2μm 정도의 두께로 형성한다. 멤브레인 층(20)은 약 700 내지 800℃의 로내에서 저압 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; 이하, LPCVD라 칭함) 공정을 이용하여 증착된다. 멤브레인 층(20)을 형성한 후에는, 완충된 산화물 식각제(Bufferd Oxide Etchant)를 사용하여 멤브레인 층(20) 표면을 세정한다. 다음에는, 고온 스퍼터링(Sputtering) 공정을 이용하여 백금(Pt) 또는 백금(Pt)/탄탈륨(Ta)을 멤브레인 층(20)상에 약 500 내지 2000Å의 두께만큼 증착 시킨다. 그 결과, 신호 전극인 하부 전극(22)이 형성된다.
하부 전극(22)을 형성한 후에는, 하부 전극(22)을 각각의 화소 별로 분리하기 위하여 건식 에칭한 후 패터닝한다. 그런 후에, 졸-겔(sol-gel)법을 이용하여 PZT(=Pb(Zr,Ti)O3)를 약 0.7 내지 2μm의 두께로 적층하여 활성 층(24)을 형성한다. 다음에는, RTA(Rapid Temperature Annealing)를 이용하여 열처리하여 캔틸레버 구조물(40)을 상변이 시킨다. 그런 후에, 캔틸레버 구조물(40)의 반사도를 높이기 위해서, 활성 층(24)의 표면상에 반사도가 좋은 알루미늄(Al)이나 백금(Pt)을 스퍼터링한다. 그 결과, 공통 전극인 상부 전극(26)이 형성된다. 또한, 박막형 광로 조절 장치의 광효율을 높이기 위해서, 상부 전극(26)의 가운데 부분을 끊어주어 홈(27)을 형성한다.
이와같은 단계를 거쳐서 박막형 광로 조절 장치의 적층이 완료되면, 상부 전극(26), 활성 층(24), 하부 전극(22), 멤브레인 층(20)을 화소 형상으로 순차적으로 패터닝 한다. 다음에는, 활성 매트릭스(12)의 드레인(32)과 하부 전극(22)을 전기적으로 연결시키기 위한 비어 콘택(via contact)(30)을 형성하기 위해서, 멤브레인 층(20), 에칭 스토퍼(16) 및 보호 층(14)을 식각한다. 식각이 끝나면, 비어 홀(28)이 형성된다. 비어 홀(28)을 형성한 후에는 리프트-오프(lift-off) 방법을 이용하여 비어 콘택(30)을 형성한다. 즉, 비어 홀(28)의 내부에 도전성 재료(36), 예를들면 텅스텐(W)이나 티타늄(Ti)을 충전하여 드레인(32)과 하부 전극(22)을 전기적으로 연결 시킨다. 이에의해, 비어 콘택(30)이 형성된다.
다음에는, 스퍼터링 공정을 이용하여 반도체 기판의 뒷면, 즉 활성 매트릭스(12)의 하면에 Pt/Ta 등의 금속 박막을 형성한다. 이에의해, 저항 콘택(ohmic contact)을 형성한다. 다음에는, 추후의 열 압착법(TCP bonding)을 위하여 실리콘(Si) 기판을 원하는 형상으로 잘라낸다. 그후, 열 압착법을 위한 아웃 본딩 패드(out bonding pad)를 노출시키기 위해서, 패드부위의 희생 층(18), 에칭 스토퍼(16), 보호 층(14)을 건식 에칭한다. 이때, 희생 층(18) 위에는 장치에 손상을 주지 않도록 포토레지스트로 보호 층(passivation layer)이 도포된다. 불화수소(HF) 증기를 이용하여 희생 층(18)을 제거하면, 에어 갭(18')이 형성된다. 희생 층(18)을 제거한 후에는, 헹굼/건조(rinse/dry) 처리를 수행한다. 끝으로, 박막형 광로 조절 장치가 형성된 기판을 원하는 형상으로 완전히 잘라낸 후, TCP 본딩을 하여 박막 광로 조절 장치 모듈을 제조한다.
한편, 전술한 바와같이 제조되는 종래의 광로 조절 장치(10)에 있어서, 활성 매트릭스(12)는 간단한 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 스위치 어레이가 만들어지는 반도체 웨이퍼이다. 활성 매트릭스(12)는 M×N 개(M,N은 정수)의 트랜지스터를 내장하고 있다.
도 6A 및 6B 에는 활성 매트릭스(12)의 일부 내부 구조가 개략적으로 도시되어 있다. 도면을 참조하여 활성 매트릭스(12)의 형성 과정을 간략하게 설명한다. 설명의 편의를 위해서, MOS 스위치 어레이의 형성 과정에 대한 설명은 생략한다. 활성 매트릭스(12)를 형성하기 위해서는, 먼저 실리콘(Si) 기판(42)의 표면을 산화 시켜서 산화 규소(SiO2) 층(43)을 형성한다. 산화 규소 층(43)은 일반적으로 전기로 내에 반도체 웨이퍼를 장입한 후, 산소(O2) 가스 또는 산소 가스와 수증기의 혼합체를 공급하는 상태하에서 약 1,000 내지 1,200℃의 높은 온도로 가열하여 형성한다.
다음에는, 산화 규소 층(43) 위에 포토레지스트(PR) 보호층(도시되지 않음)을 도포하여 산화 규소 층(43)을 패터닝한다. 그런 후에, 산화 규소 층(43)이 선택적으로 제거된 영역에 n-타입의 불순물을 확산시키기 위해서, 로내에 반도체 웨이퍼를 장입한 후 안티몬(Sb)과 같은 불순물 소오스를 주입하여 증착시킨다. 그런 후에는, 침적된 불순물을 반도체 웨이퍼 내부에 적당한 두께와 농도로 분포시키기 위해서, 확산로 내에서 고온의 열을 가한다. 이에의해, 정크션(junction)(54)이 형성된다. 바람직하게는, 정크션(54)은 트랜지스터의 저항을 줄이기 위해 고 농도의 n-타입 불순물을 확산시킨 매립층이다.
정크션(54)이 형성된 다음에는, 약 300Å의 두께로 티타늄(Ti) 층(44)을 증착시킨다. 티타늄 층(44)이 증착되면, 실리콘 기판(42)의 Si 원자들은 티타늄(Ti) 원자들과 결합하여 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층(46)을 형성한다. 그 결과, Si 원자들의 확산이 저하된다.
티타늄 실리케이트(TiSi2) 층(46) 상에는 약 1200Å의 두께로 질화 티타늄(TiN) 층(48)을 증착한다. 질화 티타늄 층(48)을 증착한 후에는, 질화 티타늄 층(48) 상에 포토레지스트(PR) 보호층을 도포하여 패터닝한 후, 드레인 형성을 위해서 약 4,000Å의 두께로 텅스텐(W) 층(50)을 부분적으로 증착한다.
이상에서 간략하게 설명한 바와같이 활성 매트릭스(12)의 적층이 이루어지는데, 통상적으로 활성 매트릭스(12)의 Si 원자들은 온도가 증가함에 따라 질화 티타늄 층(48)을 통과하여 텅스텐 층(50)까지 확산될 수 있다. 예를들면, 전술한 바와같은 종래의 박막형 광로 조절 장치 제조 공정에 있어서, 멤브레인 층(20)(도 5A 및 5B 참조)은 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 공정을 이용하여 형성된다. 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 공정은 0.1 내지 10Torr의 압력하에서 약 700℃∼800℃의 온도로 수행된다.
그러므로, 멤브레인 층(20)을 형성하는 경우, 활성 매트릭스(12)의 Si 원자들은 고온으로 인하여 화살표(52)로 나타낸 바와같이 국부적인 지역으로 수평이동한 후, 상방향으로 수직 확산되어 텅스텐(W) 원자들과 결합한다. 이와같이, Si 원자들의 확산 운동이 국부적으로 깊게 일어나면, PN접합의 파괴로 이어진다. 즉, Si 원자들의 수평이동으로 인한 가로 방향의 스파이크(spike) 현상(H) 및 Si 원자들의 수직이동으로 인한 세로 방향의 스파이크 현상(L)이 발생한다. 통상적으로, 스파이크 현상은 약 500℃ 이상의 온도에서 활발하게 일어나며, 또한 그레인 사이즈가 작고 Si 함량이 적을수록 활발하게 발생한다. 이러한 스파이크 현상이 발생하면, 정크션(54)에 균열이 생겨서 정크션(54)이 파괴될 수 있다. 그 결과, MOS 반도체 스위치 어레이는 불량이 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 제1의 목적은 균일한 스트레스 분포를 갖는 광로 조절 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 제2의 목적은 균일한 스트레스 분포를 갖는 광로 조절 장치의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 제1의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은,
(a) 화상 신호 전압이 인가되는 활성 매트릭스로서, 실리콘(Si) 기판, 활성 매트릭스의 편평도를 향상시키기 위해서 실리콘(Si) 기판상에 증착된 티타늄(Ti) 층, 티타늄(Ti) 층의 열처리에 의해서 형성되며 티타늄(Ti) 층에 의해서 보강된 두께를 갖는 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층, 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층 상에 증착되며 광전류의 침투를 방지하기 위한 질화 티타늄(TiN) 층 및 질화 티타늄(TiN) 층 상에 부분적으로 증착되며 드레인을 형성하는 텅스텐(W) 층을 구비하는 활성 매트릭스;
(b) 활성 매트릭스로부터 화상 신호 전압을 전달 받아서 작동하는 캔틸레버 구조물; 및
(c) 활성 매트릭스에 인가되는 화상 신호 전압을 캔틸레버 구조물로 전달하기 위한 비어 콘택을 포함하는 광로 조절 장치를 제공한다.
바람직하게는, 활성 매트릭스는 P-MOS 스위치 어레이가 만들어지는 반도체 웨이퍼로 이루어지며, M×N 개의 트랜지스터를 내장한다.
바람직하게는, 티타늄(Ti) 층은 약 600 내지 800Å의 두께를 가지며, 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층은 약 300 내지 400Å의 두께를 갖는다.
바람직하게는, 질화 티타늄(TiN) 층은 약 1200 내지 1600Å의 두께를 가지며, 텅스텐(W) 층은 약 4,000 내지 5,000Å의 두께를 갖는다.
또한, 상기한 본 발명의 제2의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,
(a) 실리콘(Si) 기판상에 편평도를 향상시키기 위해서 티타늄(Ti) 층을 증착시키는 단계;
(b) 상기 티타늄(Ti) 층을 열처리하여 상기 티타늄(Ti) 층에 의해서 보강된 두께를 갖는 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층을 형성하는 단계;
(c) 상기 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층 상에 광전류의 침투를 방지하기 위한 질화 티타늄(TiN) 층을 증착시키는 단계;
(d) 상기 질화 티타늄(TiN) 층의 일부상에 드레인 전극의 역할을 하는 텅스텐(W) 층을 형성하여 활성 매트릭스를 완성하는 단계;
(e) 상기 활성 매트릭스로부터 상기 화상 신호 전압을 전달 받아서 작동하는 캔틸레버 구조물을 형성하는 단계; 및
(f) 상기 활성 매트릭스에 인가되는 상기 화상 신호 전압을 상기 캔틸레버 구조물로 전달하기 위한 비어 콘택을 형성하는 단계를 포함하는 광로 조절 장치의 제조 방법을 제공한다.
티타늄(Ti) 층은 실리콘(Si) 기판 상에 포토레지스트(PR) 보호 층을 도포한 후 고온 스퍼터링 공정을 이용하여 티타늄(Ti)을 증착시켜 형성시킨다. 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층은 상기 티타늄(Ti) 층이 증착된 실리콘(Si) 기판을 로 내에서 약 700 내지 750℃의 온도로 5 분 동안 열처리하고, 포토레지스트(PR) 보호 층을 도포한 후, 상기 열처리에 의해서 얻어진 최초 두께의 절반 두께만큼 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층을 식각하여 제거하여 형성한다.
질화 티타늄(TiN) 층은 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층 상에 포토레지스트(PR) 보호 층을 도포한 후 고온 스퍼터링 공정을 이용하여 질화 티타늄(TiN)을 증착시켜 형성하고, 상기 텅스텐(W)으로 구성된 드레인 전극은 질화 티타늄(TiN) 층 상에 포토레지스트(PR) 보호 층을 형성하고, 이를 패터닝한 후, 고온 스퍼터링 공정을 이용하여 텅스텐(W)을 증착시키고, 상기 포토 레지스트 층을 제거하여 형성시킨다.
이상에서 설명한 바와같이, 본 발명에 따른 광로 조절 장치 및 이의 제조 방법에서는, 실리콘(Si) 기판 상에 종래의 티타늄(Ti) 층 보다 적어도 2 배 이상 되는 두께를 갖는 티타늄(Ti) 층을 증착시킨후 열처리하여 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층을 형성한다. 그런 후에, 열처리에 의해서 얻어진 최초 두께의 절반 두께만큼 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층을 식각하여 제거한다. 다음에는, 광전류의 침투를 방지하기 위한 질화 티타늄(TiN) 층 및 드레인을 형성하기 위한 텅스텐(W) 층을 순차적으로 증착 시킨다.
이에 의해, Si 원자들의 확산을 봉쇄하여 활성 매트릭스의 정크션 스파이크 현상을 효과적으로 방지할 수 있으며, 박막형 광로 조절 장치의 스트레스를 균일하게 유지할 수 있어서 캔틸레버 구조물의 편평도가 향상된다.
도 1 은 본 발명에 따른 광로 조절 장치의 단면도이다.
도 2 는 도 1 에 도시된 희생 층을 제거하기 전의 상태를 보여주는 단면도이다.
도 3 은 도 1 및 도 2 에 도시된 활성 매트릭스의 형성 과정을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4 는 종래의 광로 조절 장치의 사시도이다.
도 5A 는 도 4 의 선 Ⅴ-Ⅴ를 따라 도시한 단면도이다.
도 5B 는 도 5A 에 도시된 희생 층을 제거하기 전의 상태를 보여주는 단면도이다.
도 6A 는 도 5A 에 도시된 활성 매트릭스의 적층 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6B 는 도 6A 의 선 Ⅵ-Ⅵ을 따라 도시한 단면도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10,100 : 광로 조절 장치12,112 : 활성 매트릭스
14,114 : 보호 층16,116 : 에칭 스토퍼
18,118 : 희생 층18',118' : 에어 갭
20,120 : 멤브레인 층22,122 : 하부 전극
24,124 : 활성 층26,126 : 상부 전극
28,128 : 비어 홀30,130 : 비어 콘택
32,132 : 드레인36,136 : 도전성 재료
40,140 : 캔틸레버 구조물42,142 : 실리콘 기판
44,144 : 티타늄 층46 : 티타늄 실리케이트 층
48,148 : 질화 티타늄 층50,150 : 텅스텐 층
54 : 정크션146 : 제 1 티타늄 실리케이트 층
146' : 제 2 티타늄 실리케이트 층
이하, 첨부된 도면들을 참조로하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예들을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2 에는 본 발명에 따른 광로 조절 장치(100)가 개략적으로 도시되어 있다. 광로 조절 장치(100)는 활성 매트릭스(112) 및 캔틸레버 구조물(140)을 포함한다. 활성 매트릭스(112)는 간단한 MOS 스위치 어레이가 만들어지는 반도체 웨이퍼이며, LCD 패널상에 사용되는 활성 매트릭스와 유사하다. 활성 매트릭스(112)는 M×N 개의 트랜지스터를 내장하고 있다.
캔틸레버 구조물(140)은 멤브레인 층(120), 하부 전극(122), 압전 층인 활성 층(124), 상부 전극(126)을 포함한다. 캔틸레버 구조물(140)의 경사각은 인가된 전압에 따라서 선형적으로 변하며, 거의 순간적인 주파수 반응 특성을 갖는다. 캔틸레버 구조물(140)은 10V의 최대 전압이 인가되는 경우에 3 도의 최대 경사각을 갖는다. 바람직하게는, 캔틸레버 구조물(140)은 5 도의 최대 경사각을 갖는다.
도 1 내지 도 3 을 참조하여 본 발명에 따른 광로 조절 장치(100)의 제조 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 집적도를 높일 수 있는 특징을 가지며 반도체 기억 소자로서 대규모 집적 회로에 널리 쓰이는 MOS인 활성 매트릭스(112)를 제공한다. 제3도에 도시된 바와같이, 활성 매트릭스(112)를 제공하기 위해서는 먼저 고온 스퍼터링 공정을 이용하여 실리콘(Si) 기판(142) 상에 약 600∼800Å의 두께로 티타늄(Ti) 층(144)을 증착시킨다(단계(a) 참조). 티타늄 층(144)은 실리콘 기판(142)의 Si 원자들이 추후의 박막형 광로 조절 장치 제조 공정 동안에 실리콘 기판(142)으로부터 상부 층으로 확산 침투하는 것을 방지한다.
다음에는, 티타늄 층(144)이 증착된 실리콘(Si) 기판(142)을 로내에서 약 700℃의 온도로 약 5 분 동안 열처리를 하여 제 1 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층(146)을 형성한다(단계(b) 참조). 열적으로 성장한 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층(146)은 두께가 균일하지 않기 때문에, 포토레지스트(PR) 보호층(도시되지 않음)을 도포한 후 식각하여 약 300 내지 400Å 두께의 균일한 제 2 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층(146')을 얻는다(단계(c) 참조).
다음에는, 고온 스퍼터링 공정을 이용하여 균일한 제 2 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층(146') 위에 질화 티타늄(TiN) 층(148)을 약 1,200 내지 1600Å의 두께만큼 증착 시킨다(단계(d) 참조). 질화 티타늄 층(148)은 광학 에너지가 광학 소오스로부터 박막형 광로 조절 장치로 조사되는 과정중에 발생하는 광전류가 활성 매트릭스(112) 내로 침투하여 MOS 스위치 어레이에 손상을 입히는 것을 방지하기 위하여 증착된다.
질화 티타늄 층(148)을 증착한 후에는, 질화 티타늄 층(148) 상에 포토레지스트(PR) 보호 층(도시되지 않음)을 도포한후 패터닝한다. 그런 후에, 고온 스퍼터링 공정을 이용하여 질화 티타늄 층(148) 상에 약 4,000 내지 5,000Å의 두께로 텅스텐(W) 층(150)을 증착 시킨다(단계(e) 참조).
이렇게 하여 P-타입의 MOS가 형성된 실리콘 웨이퍼 위에 보호 층(114)을 약 1μm 정도의 두께로 형성한다. 보호 층(114)은 실리콘 산화막(SiO2)의 표면에 인을 확산하여 만든 패시베이션 포스포실리케이트 글래스로 이루어진다.
다음에는, 보호 층(114) 위에 질화 규소(Si3N4) 층인 에칭 스토퍼(116)를 약 2000Å 정도의 두께로 증착 시킨다. 에칭 스토퍼(116)는 박막을 증착시키는 저압 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD) 공정을 이용하여 증착 시킨다. 즉, 저압(200∼700 mTorr)의 반응용기 내에서 단순한 열 에너지에 의한 화학 반응을 이용하여 보호 층(114) 위에 질화물 층을 증착시킴으로써 에칭 스토퍼(116)를 형성한다.
에칭 스토퍼(116)가 증착된 후에는, 희생 층(118)을 증착 시킨다. 희생 층(118)은 박막형 광로 조절 장치 모듈을 형성하기 위한 적층을 용이하게하는 기능을 수행하며, 적층이 완료된 후에는 플루오르화 수소(HF) 용액에 의해서 제거된다. 희생 층(118)은 고 농도의 인 실리케이트 유리(PSG)이며, 대기압 화학 기상 증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD) 공정을 이용하여 약 1μm 정도의 두께로 형성된다. 즉, 대기압(760 mm Torr)하의 반응 용기내에서 단순한 열 에너지에 의한 화학 반응을 이용하여 희생 층(118)을 증착 시킨다. 한편, 희생 층(118)은 P-MOS가 형성된 활성 매트릭스(112) 의 표면을 덮고 있으므로, 표면의 평탄도가 매우 안 좋다. 따라서, 알코올-기지 솔벤트에 혼합된 실록산 또는 실리케이트로 이루어진 스핀 온 글래스(SOG) 층을 이용하여 희생 층(118) 표면을 평탄화하거나, 또는 케미컬 미캐니컬 폴리싱(CMP)을 이용하여 희생 층(118) 표면을 평탄화 한다. 바람직하게는, CMP 공정을 이용하여 희생 층(118) 표면을 평탄화 시킨 후 스크러빙 처리를 수행한다.
다음으로는, 드라이 프로세스 또는 웨트 프로세스를 이용하여 희생 층(118)을 패터닝하여 지지부 형성 위치를 만든다. 즉, 예를들어 플루오르화 수소(HF) 용액과 같은 에칭 용액을 이용하여 희생 층(118)을 식각하거나, 또는 플라즈마나 이온 빔을 이용하여 희생 층(118)을 식각하여 지지부 형성 위치를 만든다.
그런후에는, 질화규소로 이루어진 멤브레인 층(120)을 약 1μm∼2μm 정도의 두께로 형성한다. 멤브레인 층(120)은 에칭 스토퍼인 질화물 층(116)의 형성 방법과 유사하게 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 공정을 이용하여 증착 시킨다. 이때, 저압의 반응용기 내에서 반응성 가스의 비(ratio)를 시간별로 변화시키면서 멤브레인 층(120)을 형성함으로써, 박막형 광로 조절 장치의 스트레스(stress)를 조절한다. 질화 규소로 이루어진 멤브레인 층(120)은 캔틸레버 구조물(140)을 안정화 시키며, 필드 영역의 산화막 성장시에 활성 영역의 산화막 성장을 차단하는 기능을 한다.
멤브레인 층(120)을 형성한 후에는, NH4F와 HF가 혼합된 화학물질로서 산화물 식각에 주로 사용되는 완충된 산화물 식각제를 사용하여 멤브레인 층(120) 표면을 세정한다. 다음에는, 고온 스퍼터링 공정을 이용하여 백금(Pt) 또는 백금(Pt)/탄탈륨(Ta)을 멤브레인 층(120)상에 약 500 내지 2000Å의 두께만큼 증착 시킨다. 그 결과, 신호 전극인 하부 전극(122)이 형성된다.
하부 전극(122)을 형성한 후에는, 하부 전극(122)을 각각의 화소 별로 분리하기 위하여 건식 에칭한 후 패터닝한다. 그후, 졸-겔(Sol-Gel)법을 이용하여 압전 세라믹 또는 전왜 세라믹을 적층하여 활성 층(124)을 형성한다. 예를들면, 압전 세라믹인 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3또는 (Pb,La)(Zr,Ti)O3를 증착시키거나, 전왜 세라믹인 Pb(Mg,Nb)O3를 증착시킨다. 바람직하게는, PZT(=Pb(Zr,Ti)O3)를 약 0.7 내지 2μm의 두께로 적층하여 활성 층(124)을 형성한다. 다음에는, RTA(Rapid Temperature Annealing)를 이용하여 열처리하여 상변이 시킨다. 그런 후에, 캔틸레버 미러(140)의 반사도를 높이기 위해서, 활성 층(124)의 표면상에 반사도가 좋은 알루미늄(Al)이나 백금(Pt)을 스퍼터링한다. 그 결과, 공통 전극인 상부 전극(126)이 형성된다. 또한, 박막형 광로 조절 장치의 광효율을 높이기 위해서, 상부 전극(126)의 가운데 부분을 끊어준다.
다음에는, 화소를 형성하기 위해서, 상부 전극(126), 활성 층(124), 하부 전극(122), 멤브레인 층(120)을 순차적으로 패터닝 한다. 즉, 상부 전극(126) 위에 식각될 재료에 대해서 내성을 갖는 포토레지스트(PR) 보호 층(134)을 마스크로 이용하여 상부 전극(126)을 식각한다. 상부 전극(126)을 식각한 후에는, 상부 전극(126)과 활성 층(124) 위에 포토레지스트(PR) 보호 층(134)을 도포한 후, 활성 층(124)을 식각한다. 이와같은 방식으로, 활성 층(124)을 식각한 후에는, 하부 전극(122)과 멤브레인 층(120)을 화소 형상으로 순차적으로 패터닝 한다.
전술한 바와같이 패터닝이 완료된 후에는, 완전한 비어 홀(128)을 형성하기 위하여 비어 홀(128)의 형성 위치에서, 멤브레인 층(120), 에칭 스토퍼(116) 및 보호 층(114)을 상기와 같은 방식으로 순차적으로 식각한다.
식각이 종료되어 비어 홀(128)이 형성되면, 비어 홀(128) 내부에 포토레지스트(PR) 보호층을 도포하고 고온 스퍼터링 공정을 이용하여 비어 홀(128) 내부에 도전성 재료(136)를 충전 시킨다. 즉, 도전성이 좋은 텅스텐(W) 이나 티타늄(Ti)을 금속 스퍼터링 공정을 이용하여 비어 홀(128) 내부를 충전시킨다. 이와같이, 도전성 재료(136)로서 텅스텐(W) 이나 티타늄(Ti)을 비어 홀(128) 내에 충전함으로써, 드레인(132)과 하부 전극(122)이 전기적으로 연결된다. 이에의해, 비어 콘택(130)이 형성된다.
이와같은 단계를 거쳐서 박막형 광로 조절 장치의 적층이 완료되면, P-MOS 회로의 전기적인 특성을 위하여 스퍼터링 공정을 이용하여 반도체 기판의 뒷면, 즉 활성 매트릭스(112)의 하면에 Pt/Ta 등의 금속 박막을 형성한다. 이에의해, 저항 콘택을 형성한다. 다음에는, 장치를 보호하기 위하여 멤브레인 층(120) 까지 화소 형상으로 패터닝된 기판의 전면에 포토레지스트(PR) 보호 층을 피복한 후, 추후의 열 압착법(TCP bonding)을 위하여 원하는 형상으로 실리콘(Si) 기판을 잘라낸다. 그런데, 기판을 자를때는 기판을 완전히 잘라 내는 것이 아니라, 후속 공정을 위하여 3 분의 1 정도의 두께까지만 잘라낸다.
다음에는, 열 압착법을 위한 아웃 본딩 패드를 노출시키기 위해서, 패드부위의 희생충(118), 에칭 스토퍼(116), 보호 층(114)을 건식 에칭한다. 한편, 희생 층(118) 제거시에는 장치에 손상을 주지 않기 위하여 포토레지스트로 보호 층을 도포한다. 그 후, 불화수소(HF) 증기를 이용하여 희생 층(118)을 제거한후, 헹굼/건조(rinse/dry) 처리를 수행한다. 희생 층(118)이 제거되면, 에어 갭(118')이 형성된다. 끝으로, 박막형 광로 조절 장치가 형성된 기판을 원하는 형상으로 완전히 잘라낸 후, TCP 본딩을 하여 박막 광로 조절 장치 모듈을 제조한다.
이상에서 설명한 바와같이, 본 발명에 따른 광로 조절 장치에서는, 실리콘(Si) 기판 상에 종래의 티타늄 층 보다 적어도 2 배 이상 되는 두께를 갖는 티타늄(Ti) 층을 증착시킨후 열처리하여 제 1 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층을 형성한다. 그런 후에, 열처리에 의해서 얻어진 최초 두께의 절반 두께만큼 제 1 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층을 식각하여 균등한 두께를 갖는 제 2 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층을 형성한다. 다음에는, 광전류의 침투를 방지하기 위한 질화 티타늄(TiN) 층 및 드레인을 형성하기 위한 텅스텐(W) 층을 순차적으로 증착 시킨다.
이에 의해, Si 원자들의 확산을 봉쇄하여 활성 매트릭스(112)의 정크션 스파이크 현상을 효과적으로 방지할 수 있으며, 박막형 광로 조절 장치의 스트레스를 균일하게 유지할 수 있어서 캔틸레버 구조물의 편평도가 향상된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할수 있을 것이다.
Claims (10)
- (a) 화상 신호 전압이 인가되는 활성 매트릭스(112)로서, 실리콘 기판(142), 상기 활성 매트릭스(112)의 편평도를 향상시키기 위해서 상기 실리콘 기판(142)상에 증착된 티타늄(Ti) 층(144), 상기 티타늄(Ti) 층(144)의 열처리에 의해서 형성되며 상기 티타늄(Ti) 층(144)에 의해서 보강된 두께를 갖는 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층(146'), 상기 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층(146') 상에 증착되며 광전류의 침투를 방지하기 위한 질화 티타늄(TiN) 층(148) 및 상기 질화 티타늄(TiN) 층(148) 상에 부분적으로 증착되며 드레인을 형성하는 텅스텐(W) 층(150)을 구비하는 활성 매트릭스(112);(b) 상기 활성 매트릭스(112)로부터 상기 화상 신호 전압을 전달 받아서 작동하는 캔틸레버 구조물(140); 및(c) 상기 활성 매트릭스(112)에 인가되는 상기 화상 신호 전압을 상기 캔틸레버 구조물(140)로 전달하기 위한 비어 콘택(130)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광로 조절 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 활성 매트릭스(112)는 P-MOS 스위치 어레이가 만들어지는 반도체 웨이퍼로 이루어지며, M×N 개의 트랜지스터를 내장하는 것을 특징으로 하는 광로 조절 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 티타늄(Ti) 층(144)이 600 내지 800Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광로 조절 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층(146')이 300 내지 400Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광로 조절 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 질화 티타늄(TiN) 층(148)이 1200 내지 1600Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광로 조절 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 텅스텐(W) 층(150)이 4,000 내지 5,000Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광로 조절 장치.
- (a) 실리콘(Si) 기판상에 편평도를 향상시키기 위해서 티타늄(Ti) 층을 증착시키는 단계;(b) 상기 티타늄(Ti) 층을 열처리하여 상기 티타늄(Ti) 층에 의해서 보강된 두께를 갖는 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층을 형성하는 단계;(c) 상기 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층 상에 광전류의 침투를 방지하기 위한 질화 티타늄(TiN) 층을 증착시키는 단계;(d) 상기 질화 티타늄(TiN) 층의 일부상에 드레인 전극의 역할을 하는 텅스텐(W) 층을 형성하여 활성 매트릭스를 완성하는 단계;(e) 상기 활성 매트릭스로부터 상기 화상 신호 전압을 전달 받아서 작동하는 캔틸레버 구조물을 형성하는 단계; 및(f) 상기 활성 매트릭스에 인가되는 상기 화상 신호 전압을 상기 캔틸레버 구조물로 전달하기 위한 비어 콘택을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광로 조절 장치의 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 티타늄(Ti) 층을 증착시키는 단계는, 상기 실리콘(Si) 기판 상에 포토레지스트(PR) 보호 층을 도포한 후 고온 스퍼터링 공정을 이용하여 티타늄(Ti)을 증착시키는 것을 특징으로 하는 광로 조절 장치의 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층을 형성하는 단계는, 상기 티타늄(Ti) 층이 증착된 상기 실리콘(Si) 기판을 로 내에서 700 내지 750℃의 온도로 5 분 동안 열처리하고, 포토레지스트(PR) 보호 층을 도포한 후, 상기 열처리에 의해서 얻어진 최초 두께의 절반 두께만큼 상기 티타늄 실리케이트 층을 식각하여 제거하는 것을 특징으로 하는 광로 조절 장치의 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 질화 티타늄(TiN) 층을 증착시키는 단계는 상기 티타늄 실리케이트(TiSi2) 층 상에 포토레지스트(PR) 보호 층을 도포한 후 고온 스퍼터링 공정을 이용하여 질화 티타늄(TiN)을 증착시키며, 상기 활성 매트릭스를 완성하는 단계는 상기 질화 티타늄(TiN) 층 상에 포토레지스트(PR) 보호 층을 도포하고 식각 용액을 이용하여 패터닝한 후, 고온 스퍼터링 공정을 이용하여 텅스텐(W)을 증착시키고 상기 포토레지스트(PR) 보호 층을 제거하여 상기 드레인 전극을 형성시키는 것을 특징으로 하는 광로 조절 장치의 제조 방법.
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