KR100586771B1 - Ｃｍｏｓ 호환 기판 상에 마이크로 전자기계 스위치를제조하는 방법 - Google Patents

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티모시 제이. 달톤
로버트 에이. 그로브스
케빈 에스. 페트라카
케네쓰 제이. 스타인
세샤드리 수반나
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Abstract

유전체(150) 내에 상감 세공한 금속 도체로 구리 다마신 상호접속 층을 만드는 것으로 시작하는 공정을 사용하는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치 제조 방법이 개시된다. 상호 접속부들 모두 혹은 일부들은, 스위치가 폐쇄될 때 용량성 에어 갭을 제공하기 위해, 그리고 예를 들면, Ta/TaN으로 된 보호층을 위한 공간을 제공하기 위해 충분할 정도로 리세스된다. 스위치에 의해 지정된 영역 내에 정의된 금속 구조들은 이동가능한 도전체 빔(160)을 아래로 당기기 위한 액츄에이터 전극들로서 작용하고 스위칭된 신호들이 횡단하기 위한 하나 이상의 경로들을 제공한다. 에어 갭의 이점은 신뢰성 문제 및 전압 부동 문제를 유발하는 전하 저장이나 트랩핑을 받지 않는다는 것이다. 갭을 제공하기 위해 전극들을 리세스하는 것 대신에, 전극 주위 및/또는 전극 상에 유전체를 단지 추가할 수 있다. 그 다음 층은 스위칭 장치를 형성하는 이동가능 빔(160)과 하부 전극들 사이에 형성된 갭의 바람직한 두께로 피착되는 또 다른 유전체 층이다. 비아들이 이 유전체 층을 통해 형성되어 금속 상호접속 층과, 스위칭가능 빔을 역시 포함하게 될 그 다음 금속 층 사이에 접속을 제공한다. 그런 다음 비아 층은 패터닝되고 에칭되어 신호 경로들 뿐만 아니라 하부 활성화 전극들을 포함하는 캐비티 영역을 제공한다. 그런 다음 캐비티는 희생 릴리스 물질로 도로 매워진다.
마이크로 전기기계(MEM) 스위치, 상감 세공, 구리 다마신 상호접속 층, 도전체 빔, 유전체 층, 비아, 희생 릴리스 물질, 에어 갭

Description

ＣＭＯＳ 호환 기판 상에 마이크로 전자기계 스위치를 제조하는 방법 {METHOD OF FABRICATING MICRO-ELECTROMECHANICAL SWITCHES ON CMOS COMPATIBLE SUBSTRATES}
본 발명은 대략적으로 마이크로 전자기계 스위치(micro-electromechanical switches: MEMS)의 제조에 관한 것이고, 더 구체적으로는, 현재 기술의 반도체 제조 공정에 결합될 수 있는 MEMS의 제조에 관한 것이다.
스위칭 동작들은 많은 전자, 기계, 및 전자기계 에플리케이션들의 기본적인 부분이다. MEM 스위치들은 지난 몇년에 걸쳐 상당한 관심을 끌었다. MEMS 기술을 이용하는 제품들은 생물의학, 항공우주, 및 통신 시스템들에 광범위하게 펴져있다.
통상의 MEMS는 전형적으로 캔틸레버 스위치, 멤브레인 스위치, 및 튜닝가능한 캐패시터 구조를 이용하는데, 이에 대해서는 MacMillan et al.의 미국특허 제6,160,230호, Feng et al.의 미국특허 제6,143,997호, Carley et al.의 미국특허 제5,970,315호, Tham et al.의 미국특허 5,880,921호에 설명되어 있다. MEMS 장치들은 마이크로 전자기계 기술을 이용하여 제조되고 전기적, 기계적, 혹은 광학적 플로우를 제어하기 위해 사용된다. 그러나, 그러한 장치들은, 그들의 구조와 본질적인 물질 성질에 기인하여 그들이 통상의 반도체 공정과 분리된 라인들에서 제조 될 것을 필요로 하기 때문에, 많은 문제점들을 제시한다. 이것은, 통상적으로, 상이한 물질들이어서 그리고 호환적이지 않아서, 표준 반도체 제조 공정에 결합될 수 없는 공정들 때문이다.
MEMS의 제조에 전형적으로 사용되는 물질, 예를 들어 금 등은 온-칩 에플리케이션에 장치들을 직접 집적하는 데 있어서, 명백한 집적 문제들을 야기한다. 문헌들에서 널리 발견되는 폴리실리콘의 사용 조차도, 온도 사이클과, 실제 반도체 장치들이 제조되는 선공정 (front-end of the line:FEOL) 툴들과 상호 접속 금속들이 처리되는 후공정(back-end of the line)의 분리에 기인한 문제들을 야기한다. 전형적으로, 두개의 세트들은 활성 장치의 금속 오염을 방지하기 위해, 하나로부터 다른 하나로의 공정 교차를 갖는 것이 허용되지 않는다. 그러므로, 후공정에서 폴리실리콘 피착을 보기가 쉽지 않다.
대부분의 기존의 공정들은, 표준 금속화를 사용함에 의해, 금속을 보호하기 위하여 어떠한 캡슐화도 제공되지 않는다는 심각한 결점에 의해 문제가 있다. 또한, 대응하는 고유의 결점을 갖는 하나 이상의 기판이, 종종 서로 연결되어 사용된다.
다른 기존의 기술들은 단지 구조의 최상면에 스위칭 기능을 제공하기만 하여, 모든 레벨들에서 집적이 달성될 수 없게 하는데, 이에 대해서는 하기에서 본 발명과 관련하여 설명된다.
따라서, MEMS 장치들이 통상의 BEOL 혹은 상호접속 레벨들과 관련하여 또는 이에 대한 애드-온 모듈(add-on module)로서 제조될 수 있도록, 완전히 집적될 수 있는 공정에 연관되는 확증된 BEOL 물질을 사용하는 MEMS 장치들을 제공할 수 있는 공정이 필요하다.
본 발명을 보다 더 잘 이해하기 위해, 이제 종래의 MEM 스위치가 도 1을 참조하여 설명될 것인데, 도 1은 변형가능 빔(1)이 유전체(4)에 고정된 양 끝을 갖는 MEM 스위치의 단면도를 나타낸다. 최하 레벨은 도전성 소자들(2, 2a, 및 3)을 포함하는 유전체 물질(5)로 구성되는데, 도전성 소자들(2, 2a, 및 3)은 후속적으로 장치의 다양한 전기적 부분들에 접속하기 위해 혹은 이러한 다양한 전기적 부분들을 형성하기 위해 사용될 것이다. 도면 부호 2와 2a에 의해 참조되는 도전체들은 빔이 변형되도록 야기하는 동작 전위를 제공하기 위해 사용된다. 도전체(3)는 신호를 전도하는데, 동작 중일때 빔에 차례로 접속된다.
도 2는 도 1의 종래 기술의 MEM 장치의 평면도를 나타낸다. 전형적인 구현에 있어서, 변형가능 빔(1)은 유전체(4), 예를 들면 SiO2 위의 폴리실리콘에 의해 형성되고, 둘러싸는 물질은 에칭되어 융기 구조로 남는데, 즉, 이전에 형성되었던, 혹은 그 자체가 폴리실리콘으로 만들어진 도전체 위에 매달린 빔이 남는다. 그런 다음, 장치는 도전체 소자들(1, 2, 2a, 및 3)을 형성하는 폴리실리콘에 부착하는, 통상적인 무전해 금도금을 받게 된다. 스위치는 빔과 전극들(2 및 2a) 사이의 전위차를 제공함에 의해 작동된다. 이 전압은, 전극(3)과 접촉하게 빔(1)을 당기는 정전기 인력을 생성하여, 스위치를 폐쇄한다.
이들은 통상의 반도체 장치들과 비교할 때 큰 토포그래피(topography)를 갖 는 모두 전형적으로 융기된 구조들임을 주목한다. 이것은 그 자체로 그들을 반도체 칩 제조 공정에 통합하는 것을 사실상 불가능하게 만든다. 이 장치들은 포토레지스트 상에 형성하거나 실리콘 등의 기판 상에 형성하고, 그런 다음 그 장치 아래의 기판 부분을 기판의 후면으로부터 제거하는 표면 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 전형적으로 만들어져서, 표준 반도체 공정과의 통합을 역시 배제한다.
도 3은 통상의 MEM 스위치의 다른 버전의 단면도를 나타내는데, 빔(1)의 단지 한쪽 끝만이 유전체(4)에 고정된다. 다른 모든 부분들은 도 1과 관련하여 설명된 것과 같이 수행된다. 이는, 도 3에 도시된 해당 장치를 위에서 아래를 향해 본 도면을 나타내는 도 4에도 같게 적용된다. 후자의 경우에, 스위치는 빔(1)과 제어 전극(2) 사이에 전압을 인가함에 의해 작동된다. 이는, 빔이 신호 전극(3)과 접촉하게 아래로 당겨지도록 야기한다. 전압이 강하될 때, 빔(1)은 그의 원래 위치로 되돌아 간다.
전형적으로, 빔과 제어 전극 사이의 갭은 빔을 아래로 당기는데 필요한 전압을 실질적으로 결정한다. 대부분의 문헌들은 1 마이크로미터로부터 수 마이크로미터까지의 범위의 갭들을 갖는 장치들을 설명한다. 이 갭들은 크고, 따라서 필요한 전압은 대부분의 소비재 응용에 바람직한 것보다 더 높다. 보고된 활성화 전압은 약 30V 내지 75V 범위이다. 이것은 전형적으로 3V 내지 5V 사이에서 작동하는 셀 폰과 같은 응용에는 너무 지나치게 높다. 본 발명의 구조는 200Å으로부터 수천 Å까지 범위의 갭을 이용하여 작동하고, 활성화 전압이 5V 이하인 스위치들을 만든다.
상술한 예시적인 스위치 구성은 당해 분야에 공지된 많은 가능한 구조들 중의 일부만을 나타낸다. MEM 스위치들은 다양한 조합으로 배선된 다수의 빔들의 구조로 구성될 수도 있음을 주목할 필요가 있다.
스틱션(stiction)은 MEMS 장치들에 있어서 주요한 관심사이다. 스틱션은 장치에 어떠한 데미지를 야기하지 않으면서 떼어 지지는 않을 둘 이상의 표면들이 만드는 컨택트로서 정의된다. 충돌은 이 현상의 주요한 원인이다. 본 발명은 도 19A를 참조하여 상세히 설명되는 바와 같이, 스위치가 폐쇄될 때 에어 갭(200)을 제공함에 의해, 적어도 일 실시예에서 이 문제를 해결한다. 표면 장력도 스틱션의 또 다른 주요 원인일 것으로 생각된다. 이것은 본 발명이 움직이는 부품들의 떼어 내기와 후속 공정을 위해 건식 식각과 공정들을 사용하는 이유를 설명한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 CMOS, 바이폴라 혹은 BiCMOS 웨이퍼들 내에 완전히 집적되는 MEM 스위치들 및 다른 유사한 구조들을 형성하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 변경된 다마신(damascene) 공정으로 MEM 스위치 및 다른 유사한 구조들을 제조하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 금속을 보호하기 위해 베리어 물질 내에 캡슐화된 구리를 이용하여 MEM 스위치 및 다른 유사한 구조들을 제조하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 그러한 공정과 양립할 수 있는 온도에서 캡슐화가 BEOL 구리 내로 집적될 수 있도록 보장하는 것이다.
이러한 그리고 그 외의 목적들은, 본 발명에 의해, 호환가능한 공정들 및 물 질들을 이용하여 통상의 반도체 상호접속 레벨들과 집적되는 MEMS 스위치들을 제조하는 방법을 제공함에 의해 달성된다.
본 명세서에서 설명된 본 발명은 컨택트 스위칭 및/또는 금속-유전체-금속 스위치들을 위해 사용되는 다양한 구성들을 생성하도록 개조가능한 용량성 스위치를 제조하는 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 공정은 유전체 내에 상감 세공한 금속 도체로 구리 다마신 상호접속 층을 만드는 것으로 시작한다. 구리 상호 접속부들 모두 혹은 일부들은, 스위치가 폐쇄될 때 용량성 에어 갭을 제공하기 위해, 그리고 추가적으로, 필요하다면, Ta/TaN으로 된 보호층을 위한 공간을 제공하기 위해 충분할 정도로 리세스된다. 스위치에 의해 지정된 영역 내에 정의된 금속 구조들은, 스위칭 신호들이 횡단하기 위한 하나 이상의 경로들을 제공하는 이동가능한 도전체 빔을 아래로 당기기 위한 액츄에이터 전극들로서 작용한다. 이러한 에어 갭의 이점은 신뢰성 문제 및 전압 부동 문제를 유발하는 전하 저장이나 트랩핑을 받지 않는다는 것이다.
본 발명은 실리콘 다이옥사이드 또는 실리콘 나이트라이드 등의 임의의 수의 유전체 물질들을 이용하여 실시될 수 있는데, 이들 모두는 하부 전극과 용량성 스위치의 변형가능 빔 사이에 바람직하게 배치될 수 있다.
갭을 제공하기 위해 전극들을 리세스하는 것 대신에, 전극 주위 및/또는 전극 상에 유전체를 단지 추가할 수 있다는 점에 주목할 필요가 있다. 그런 다음 두번째 유전체 층이 하부 전극들과 이동가능 빔 사이에 형성된 바람직한 두께의 갭에 피착된다. 상술한 금속 상호접속 층과, 이동가능 빔을 포함한 그 다음 금속층 사이에 접속을 제공하기 위해 두번째 유전체 층을 통해 비아들이 형성된다. 그런 다음 비아들을 포함한 층이 패터닝되고 에칭되어, 신호 경로들 뿐만 아니라 하부 활성화 전극들을 포함하는 캐비티 영역을 제공하게 된다. 그런 다음 캐비티는, 감마-부티로락톤, B-스테이지형 폴리머 및 메시틸렌으로 구성된 폴리머 수지의 형태의 반도체 유전체인 희생 릴리스 물질로, 바람직하게는, SiLK로 도로 매워진다. 그런 다음 이 릴리스 물질은 바람직하게 화학-기계적 연마(CMP)에 의해 실질적으로 평탄화되어 유전체의 최상부와 정렬된다. 또한, 캐비티를 정의하기 위해 사용되었던 것과 같은 마스크를 반대 극성의 포토레지스트를 이용하여 재-이미징한 다음, 캐비티가 형성되어 있는 유전체와 실질적으로 동평면으로 되도록 상부 표면을 에칭함에 의해 릴리스 물질을 평탄화하는 것도 가능하다. 이것은 빔 층이 구성될 수 있는 평탄한 표면을 제공한다.
이동가능 빔을 포함하는 층은 표준 CMOS 장치들의 제조에 전형적으로 사용되는 다른 상호접속 층들과 유사하다. 빔 구조는 바람직하게 부분적으로 혹은 완전히, 사전에 정의된 캐비티 영역을 가로질러 연장되어, 스위치가 작동 중인 때, 원하는 전기 접속을 제공한다. 또한, 홀들이 이동가능 빔들에 연결될 수 있다는 점을 주목한다. 이 홀들은, 빔을 포함하는 층을 형성하는 것과 같은 유전체로 처음에 충전된다. 그런 다음, 빔 내의 이 유전체 영역들은 에칭되어, 빔 아래의 희생 물질에 더 큰 액세스를 제공하게 되어 릴리스 공정을 돕게 된다. 그런 다음, 캐비티 영역의 패턴 또는 그 패턴의 일부 서브셋이 정의되고, 빔 내의 홀들을 통한 영 역들을 포함하여 빔 주의의 유전체 물질이 제거되어, 하부 릴리스 물질에 액세스를 제공한다. 이 시점에서 릴리스 물질은 제거될 수 있다. 캐비티 영역 위에 걸린 스위치는 이제 완전히 기능적으로 된다.
도 1과 도 2는 종래 기술의 MEM 스위치의 빔의 길이를 따라 위에서부터 아래로 본 단면도를 각각 나타내며, 빔의 양 끝은 고정된다.
도 3과 4는, 각각, 종래 기술의 다른 타입의 MEM 스위치의 단면도와 위에서 아래로 본 도면을 나타내며, 빔의 단지 하나의 끝만이 고정된다.
도 5와 6은, 각각, 본 발명에 따라 제조된 MEM 스위치의 단면도와 위에서 아래로 본 도면을 나타내며, 빔의 양끝이 고정된다.
도 7과 8은, 각각, 본 발명에 따라 제조된 MEM 스위치의 단면도와 위에서 아래로 본 도면을 나타내며, 빔의 단지 한 끝만이 고정된다.
도 9 내지 도 19는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, MEM 장치를 제조하기 위해 필요한 일련의 단계들을 나타낸 도면들이다.
도 19A는 본 발명에 따른, 폐쇄 위치에 있는, 완성된 MEM 스위치를 나타낸다.
도 20 내지 도 25는 본 발명의 바람직한 실시예의 MEM 스위치의 완전히 캡슐화된 버전을 제공하는 대안적인 공정 흐름을 나타낸다.
도 26과 도 27은 캐비티와 비아들의 유전체 층을 전적으로 릴리스 물질로부터 만드는 대안적인 공정을 나타낸다.
본 발명을 실시하기 위한 바람직한 실시 형태
주 실시예는 표준 CMOS, 바이폴라, BiCMOS 혹은 다른 통상의 반도체 칩 공정내로 완전히 통합될 수 있는 방식으로 MEM 스위치를 만드는 기술을 개시한다.
도 5는 초기 구조, 즉, 구리 다마신 상호접속 층을 나타낸다. 이것 아래에, TFTs, NPN 트랜지스터, 혹은 HBTs(Hetero-junction Bipolar Transistors), 저항 등이 실리콘 기판 상에, 대안적으로는, 저손실 기판, 예를 들면 SiO2 상에 배치될 수 있다. 이것은 바람직하게 SiO2로 만들어진 유전체 층(20) 내에 매립된 구리 배선(30, 40 및 50)을 포함한다. 도면 부호 30으로 참조되는 영역은 유전체 층(100) 내에 매립된 비아들(110)에 대한 랜딩 금속을 나타낸다. 도면 부호 40으로 참조되는 금속은 액츄에이터 혹은 제어 전극들을 형성하고, 금속(50)은 신호 전극을 나타낸다. 금속의 두께는 전형적으로 3000Å 내지 5000Å이지만, 이 범위로만 제한되지는 않는다. 유전체 층(150) 내에 형성된 빔(60)은 양끝에서 고정된다. 빔의 센터는 캐비티(120) 위로 수직으로 이동하게 설계된다(도 19A를 참조).
도 5를 다시 참조하면, 구리 배선들(30, 40 및 50)의 최상 표면(60)은, 바람직하게 습식 에칭에 의해, 스틱션을 최소화하기 위해 리세스되지만, 다른 수단들도 적합할 수 있다. 리세스의 정도는 원하는 최종 구조에 달렸다. 바람직한 실시예에서, 아세트산과 과산화수소의 묽은 용액을 포함하는 습식 에칭이 일반적으로 사용된다. 구리는 바람직하게 약 800Å의 깊이로 에칭된다.
도 6은 도 5에 도시된 MEMS 장치의 위에서 아래로 본 도면을 나타낸다. 캐 비티(120) 위에 매달린 빔(160)은 공정 설명 (도 9 내지 도 19) 중에 보다 상세히 설명될 복수의 홀들(175)을 갖는다. 이 홀들은 캐비티(120)를 구성할 때 희생 물질의 제거를 용이하게 하는 데에 유용하다.
도 7은 또 다른 타입의 MEMS 장치의 단면도이며, 스위치의 단지 한쪽 끝만이 고정된다. 도 5에서와 같이, 구리 배선들(30, 40 및 50)은 유전체 층(20) 내에 형성되지만, 비아들은 유전체 층(100) 내에 형성된다. 빔(160)은 한쪽 끝에서 부속되어 있지 않아서, 캐비티(120) 위로 수직 운동으로 자유롭게 이동할 수 있게 해준다.
도 8은 도 7에서 설명된 MEMS 장치에 대응하여 위에서 아래로 본 도면이고, 역시 홀들(175)이 제공되어 있는 이동가능 빔(160)을 갖는다.
도 5-6 및 도 7-8에 도시된 MEM 스위치를 구성하기 위해 사용되는 공정이 이제 더 상세히 설명될 것이다.
도 9를 참조하면, 유전체 층(20) 내에 형성된 구리 배선들(30, 40 및 50)이 도시되어 있는데, 배선의 최상 표면은 유전체 층(20)의 최상 표면과 실질적으로 평탄하다.
그 다음으로, 도 10을 참조하면, 배선의 최상 표면(60)은 유전체 층(20)의 최상 표면에 대해 리세스되어 있다. 금속을 리세스하기 위한 한 방법은, 원하는 깊이를 달성하기 위해 필요한 시간 동안 그 금속에 대해 효과적인 습식 에칭을 하는 것이다. 예를 들면, 바람직한 실시예에 있어서, 물, 아세트산 및 과산화수소로 구성된 (각각 3 리터, 15㎖, 9㎖) 용액이 2.5분 동안 가해지게 되면, 깊이 600Å 내지 800Å을 얻을 수 있다.
이제 도 11을 참조하면, 배리어 물질(70)의 층이 구리를 캡슐화하기 위해 피착되어 후속 공정 동안 그것을 보호한다. 바람직한 실시예는 100Å 두께의 Ta에 뒤따라 연속된 400Å 두께의 TaN의 층을 결합한다. 대안적으로, 배리어 물질은 또한 유전체 혹은 임의의 수의 다른 적당한 금속 배리어들로 구성될 수도 있다.
도 12는 유전체(80)의 최상 표면으로부터 배리어(70)를 제거한 결과를 나타낸다. 이것은 화학-기계적 연마(CMP)에 의해 최적으로 달성된다. 배리어 물질(75)은 이제 리세스된 영역 내에만 남겨진다. CMP 공정이 유전체(20)의 일부를 침식할 수 있으므로, 스위치가 폐쇄될 때 적당한 갭(200)을 유지하고자 한다면, 유전체의 침식을 최소화하기 위해 주의를 기울여야 한다. CMP 공정이 완료된 때, 상부 유전체(80)로부터 아래로 배리어(75)까지의 깊이는 약 200Å이 될 것이다. 이것은 용량성 스위치에 대해 최종 갭을 형성하기 위해 맞추어질 수 있다.
도전체들을 캡슐화하는 다른 방법은 블랭킷 배리어(70)를 도전체들을 정의한 것과 같은 마스크로 그러나 반대 극성의 포토레지스트로 패턴하고, 배리어 층을 최상 표면으로부터 에칭하는 것이다.
바람직한 실시예의 변형예에 있어서, 도 5 내지 도 8 중 임의의 도면을 참조하면, 금속-금속 스위치 혹은 금속-유전체-금속 스위치를 제조하기 위한 평탄한 또는 융기된 금속 컨택트를 달성하기 위해 리세스 및/또는 피착을 변경할 수 있다. 금속 컨택트 스위치의 경우에, 하부 전극(들)(특히, 50)을, 유전체(20)와 실질적으로 평탄한 수준으로 혹은 그 표면 위로 약간 융기된 수준으로 캡슐화할 수 있다. 이 구성에 있어서, 스위치가 폐쇄된 때, 직접 금속-금속 컨택트가 신호 전극(50)과 빔(160) 사이에 설정된다. 유사하게, 금속-절연체-금속 스위치를 만들기 위해, 하부 전극들은 유전체 물질, 바람직하게는 높은 유전 상수를 갖는 물질로 캡슐화될 수 있다. 이것은 컨택트 영역이 줄어드는 이점이 없이 바람직한 에어 갭 스위치 및 유사한 용량성 스위치를 생성한다.
도 13을 참조하면, 추가적인 다른 유전체 층(100)이 도시되어 있는데, 이 내부에는 비아들이 표준 공정 기술들을 이용하여 제조된다. 유전체 층(100)의 두께는 하부 전극들과 나중에 형성될 상부 빔 사이에 필요한 간격에 의존한다. 바람직한 실시예에 있어서, 유전체(100)은 두께가 약 1000Å이다. 비아들(110)은 표준 다마신 공전에 따라 패턴되고, 에칭되고, 충전되고, 평탄화된다.
도 14는 유전체(100) 내에 에칭된 캐비티(120)의 형성을 도시한다. 이 캐비티는 통상의 포토리소그래피와 반응성-이온-에칭(Reactive-Ion-Etching: RIE)을 이용하여 제조된다. 하부 전극들(90)의 원래 구조가 보존되도록 보장하기 위해, 즉 하부 유전체 표면(80)과 리세스된 금속(75) 사이의 관계가 변경되지 않도록 보장하기 위해, 주의가 필요하다. 이 관계는 MEMS 장치의 금속-금속 혹은 금속-절연체-금속 버전들을 구성할 때에는 중요하지 않다.
도 15는 희생 물질, 예를 들어 SiLK 혹은 DLC를 도포한 후의 구조를 도시한다. (주의: SiLK는 Dow Chemical Corp.에 의해 제조된 반도체 유전체이다.) 이 물질은 다양한 형태의 제품들이 있으며, 다공성 SiLK라는 이름으로도 널리 공지되어 있다. 이것은 감마-부티로락톤, B-스테이지형 폴리머 및 메시틸렌으로 구성된 폴 리머 수지이다. 바람직하게 사용되는 또 다른 물질은 위에서 언급했던 DLC, 즉 다이아몬드와 유사한 탄소인데, 이것은 일부 탄소 원자들이 다이아몬드와 유사한 방식으로 결합되어 있는 코팅을 포함하는 비정질 탄소이고, 여러가지 면에서 다이아몬드와 닮았다. 유사한 방식으로 휘발될 수 있는 다른 유기 물질들이 논의될 것이다. 다이아몬드-유사 탄소는 탄소가 강력한 충돌로 피착될 때 생성된다. 순간적인 국부적 고온과 압력은 탄소 원자들이 다이아몬드처럼 결합하도록 유도한다. 이 조건들은 플라즈마 이용 화학 증착(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition: PACVD) 동안 달성된다. 피착은 예를 들면 아세틸렌과 같은 가스를 포함하는 탄소로 이루어지는데, 이것은 강력한 탄소 이온들을 제공하기 위해 도입된다. 이 물질들은, 노출되는 산화성 물질이 없다면, 산소 플라즈마 노출에 의해 제거될 수 있다. 유기 물질의 제조 동안에 노출될 산화성 물질이 있다면, H2/CO2/CO/N2 타입 플라즈마 제거가 사용된다. 이 가스 혼합물들은 반응성 이온 에칭 공정의 당업자가 알 수 있을 것이다. 이 구조는 유전체(100)의 상부 표면에 대해 실질적으로 정렬되는 정도로 최종적으로 평탄화된다.
도 16에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 전체 유전체 층(100A)은 예를 들면 SiLK와 같은 릴리스 물질로 형성된다. 이것은, 도 26 및 도 27과 관련하여 설명되는 바와 같이, 캡슐화된 영역이 나중에 정의될 수 있기 때문에, 최하부 캐비티(120)(도 14 참조)를 형성하는 단계를 제거하게 해준다. 캐비티의 에지들은 릴리스 물질의 횡적인 제거에 의해 정의된다. 이 물질은 이것을 분해하는 산소 혹 은 수소 플라즈마에 노출시킴에 의해 방출(release)된다. 더 상세한 사항들은 Materials Research Society에 의해, Journal of Materials Research., Vol. 6, No. 7, p.1484, 1996에 공개된 A. Joshi와 R. Nimmagadda의 논문 "Erosion of diamond films and graphite in oxygen plasma"에서 찾아볼 수 있다.
도 17은 빔(160)을 위해 보존된 수평면(level)이 형성된 것을 도시한다. 이 구조를 더 잘 이해하기 위해 도 5-8을 다시 참고하는 것이 유용할 수 있다. 빔 수평면에, 유전체 물질(150)이 다시 피착된다. 금속 빔(160)은 바람직하게 유전체(150) 내에 제조된다. 빔은 도 5-6에 도시된 바와 같이 양끝에서 고정될 수 있으며, 또는 도 7-8에 도시된 바와 같이 한쪽 끝에서만 고정될 수 있다. 앞서 논의한 바와 같이, 빔에는 홀들(175)이 구비될 수 있는데, 홀들(175)은 후속적으로 희생 물질의 제거를 용이하게 하기 위해 유용하다. 빔은 또한 구리를 보호하기 위해, 도면 부호 75가 병기되어, 도 11 내지 도 12와 관련하여 앞서 논의했던 바와 같이, 캡슐화될 수도 있다.
도 18은 빔 주위의 그리고 빔을 통해 그리고 캐비티 위의 유전체를 에칭하기 위한, 포토리소그래피와 RIE 단계들을 도시한다. 이것은 빔(160)의 이동가능한 섹션을 상부 유전체(150)로부터 자유롭게 하고, 릴리스 물질(130)에 대한 액세스를 제공한다.
도 19는 릴리스 물질(130)의 제거 후의 구조를 도시한다. 이것은 바람직하게 산소 플라즈마를 이용하여, 수행되어 존재하는 유기 물질들을 파괴하여 이들이 배출되도록 해준다. 이 단계에 이어서, 전체 장치의 캡슐화가 통상의 방법을 사용 하여, 혹은, 대안적으로, 이하에서 도 22 내지 도 25를 참조하여 설명될 유전체 커버 내의 릴리스 홀들을 핀칭 오프함(pinching off)에 의해 수행될 수 있다.
도 19A는 폐쇄된 상태의 완성된 장치를 도시한다. 양끝에서 고정된 빔(160)은 그의 중심이 아래로 굽어져 있다. 도면들에는 스케일이 표시되어 있지 않다. 따라서, 최종 장치를 더 잘 상상하고 그의 작동을 더 잘 이해하기 위해, 장치의 여러 부분들의 실제 스케일이 설명된다. 예를 들어, 두께가 10,000Å인 이동가능 빔의 경우에 빔이 이동할 거리는 단지 200Å 내지 1000Å일 수 있다. 따라서, 빔의 변형은 아주 사소한 것이다.
도 20 내지 도 23은 도 17로부터 계속해서 앞으로 삽입될 수 있는 대안적인 방법을 도시하는데, MEMS 장치를 어떻게 캡슐화하는지를 설명하는데 유용하다. 도 20을 참조하면, 이제 또 다른 유전체 층(210)이 부가되어 빔(220) 위에 또 다른 캐비티를 형성한다(도 21 참조). 상부 캐비티(220)를 에칭할 때, 유전체는 빔을 통해 그리고 빔 주위의 캐비티 영역으로부터 제거된다.
그 다음, 도 22를 참조하면, 앞서 설명했던 바와 같이, 에칭된 영역들이 많은 릴리스 물질(230), 예를 들어 SiLK 혹은 DLC로 충전되고, 평탄화된다. 아래에 배치되었던 동일한 희생 물질이 이제 다시 사용되어, 릴리스 공정이 릴리스 물질의 모든 층들을 제거한다.
도 23은 비아들이 패터닝되고 에칭되어 있는 또 다른 유전체 층(240)을 도시한다. 이 비아들은 제거될 릴리스 물질에 대한 액세스를 제공한다.
도 24는 앞서 설명된 바와 같이, 비아들(250)을 통해 제거될 릴리스 물질을 갖는 장치를 도시한다.
도 25는 작은 비아들(250)을 핀치 오프하는 또 다른 유전체(260)를 피착하는 최종 캡슐화 단계를 나타낸다.
도 26 및 도 27은 도 16에서 참조된 바와 같은, 전적으로 릴리스 물질(100A)에서 캐비티/비아 유전체 층을 만드는 대안적인 방법을 도시한다. 도 26은 도 21을 참조하여 설명된 바와 같은, 이미 형성된 빔과 패터닝되고 에칭된 상부 캐비티 영역(220)을 나타낸다.
그 다음으로, 플라즈마 공정을 이용하는 릴리스 공정이 도 27에 도시된다. 릴리스 공정은 등방적이고, 따라서, 횡적인 제거 레이트를 갖는다. 횡적인 레이트는 사용된 릴리스 물질과, 그것을 제거하는 공정에 의존한다. 릴리스 물질은 각 경계로부터 소정의 횡적인 거리(250)를 두고, 그 뿐만 아니라 개방 영역 아래에서 직접 제거된다.
본 발명은 바람직한 실시예를 들어 설명되었으나, 많은 대안적인 구성들, 변형 및 변경들이 상술한 설명에 비추어 가능함을 당업자는 잘 알 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위의 사상 및 범위 내에 들어오는 그러한 모든 대안적인 구성들, 변형 및 변경들을 포함한다. 본 명세서에서 설명된 혹은 첨부 도면들에 도시된 모든 사항들 예시적이고 비제한적인 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 통신 분야에서 사용되고, 특히 셀 폰 등에 사용된다.

Claims (17)

  1. a) 기판 상에 제1 유전체 층을 피착하는 단계 -상기 제1 유전체 층은 그 내부에 형성된 복수의 도전성 상호접속 라인들을 가짐-;
    b) 도전성 비아들이 형성되는 제2 유전체 층을 피착하는 단계 -상기 비아들은 상기 복수의 도전성 상호접속 라인들 중 적어도 하나와 접촉함-;
    c) 상기 제2 유전체 층으로부터 깎여진 제1 캐비티를 형성하는 단계;
    d) 상기 제1 캐비티를 희생 물질(sacrificial material)로 충전하고 상기 희생 물질을 평탄화하는 단계; 및
    e) 상기 제2 유전체 층 및 상기 제1 캐비티 상에 제3 유전체 층을 피착하고, 상기 제3 유전체 층 내에 상기 도전성 비아들에 접촉하는 도전성 빔을 형성하는 단계
    를 포함하는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    f) 상기 제3 유전체 층 및 상기 도전성 빔 상에 제4 유전체 층을 피착하고, 상기 제4 유전체 층 내에 상기 제1 캐비티에 정합하는 제2 캐비티를 패터닝하는 단계;
    g) 상기 제2 캐비티를 희생 물질로 충전하고 상기 희생 물질을 평탄화하는 단계;
    h) 상기 제4 유전체 층 및 상기 제2 캐비티 상에 제5 유전체 층을 피착하여 상기 제2 캐비티를 커버하는 단계;
    i) 상기 제2 캐비티에 대응되는 상기 제5 유전체 층을 패터닝 및 에칭하여 복수의 홀들을 형성하는 단계; 및
    j) 상기 복수의 홀들을 통해 상기 제1 캐비티 및 상기 제2 캐비티의 상기 희생 물질을 선택적으로 제거하여 상기 도전성 빔이 적어도 한쪽 끝에서 고정되고, 상기 도전성 빔의 나머지는 에어에 의해 둘러싸이도록 남기는 단계
    를 더 포함하는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 도전성 빔의 노출된 부분을 보호하기 위해, 상기 제5 유전체 층 내의 복수의 홀들이 폐쇄되어 상기 제2 캐비티가 봉해지도록 상기 제5 유전체 층 상에 제6 유전체 층을 피착하는 단계를 더 포함하는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보호층은 Ta 또는 TaN으로 형성되는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 e)는 상기 제1 캐비티의 형상에 정합하도록 상기 제2 유전체 층으로부터 상기 희생 물질을 선택적으로 제거하는 단계로 대체되는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 캐비티는 상기 도전성 빔 주위로부터 유전체 물질을 선택적으로 제거함에 의해 형성되는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    e1) 상기 도전성 빔을 상기 제3 유전체 층으로부터 선택적으로 자유롭게 하기 위해 상기 제3 유전체 층을 패터닝하는 단계; 및
    e2) 상기 제2 유전체 층 내의 상기 희생 물질을 제거하는 단계
    를 더 포함하는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 상호접속 라인들은 구리로 만들어지고, 상기 도전성 상호접속 라인들은 유전체 내에 상감 세공되는(inlaid) 마이크로 전기기계(MEM) 스위치 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 구리로 된 상호접속 라인들의 모두 또는 일부들은 상기 MEM 스위치가 폐쇄 상태에 있을 때 용량성 에어 갭을 제공하기에 충분할 정도로 리세스되는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 라인들은 상기 제1 유전체 층의 최상 표면에 대해 리세스되어 스틱션(stiction) 효과를 최소화하는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 리세스된 도전성 라인들을 캡슐화하는 단계를 더 포함하는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치 제조 방법.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 도전성 빔은 그의 한쪽 끝 또는 양끝에서 고정되는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 MEM 스위치는 여러 구성으로 배열되는 복수의 다른 금속-유전체-금속 스위치들에 결합되는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 캐비티의 노출된 영역 내에 형성된 상기 도전성 상호접속 라인들은 상기 도전성 빔을 아래로 당기기 위한 액츄에이터 전극들로서 작용하고 하나 이상의 전기 신호 경로를 제공하는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유전체 층은 하부 전극으로서 작용하는 상기 복수의 도전성 상호접속 라인들과 상기 도전성 빔 사이에 형성되는 갭의 사이즈에 의해 결정되는 두께로 피착되는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치 제조 방법.
  16. 기판 상에 피착된 제1 유전체 층 내에 매립된 도전성 라인들 -상기 도전성 라인들은 상기 제1 유전체 층의 최상 표면에 대해 리세스되어 있음-;
    상기 제1 유전체 층 상에 피착된 제2 유전체 층;
    상기 제2 유전체 층 내에 형성된 제1 캐비티;
    상기 제2 유전체 층 및 상기 제1 캐비티 상에 피착된 제3 유전체 층 및 상기 제3 유전체 층 내에 형성된 도전성 빔 -상기 도전성 빔은 제3 유전체 층에 의해 상기 도전성 빔의 적어도 한쪽 끝에서 고정됨-;
    상기 제3 유전체 층의 최상부 상에 겹쳐진 제4 유전체 층에서 깎여진 제2 캐비티 -상기 제2 캐비티는 상기 제1 캐비티의 둘레에 정합하는 둘레를 가짐-; 및
    상기 도전성 빔을 보호하기 위해 상기 제4 유전체 층 상에 겹쳐진 제5 유전체 층
    을 포함하는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 도전성 빔은 그의 한쪽 끝 또는 양끝에서 고정된 마이크로 전기기계(MEM) 스위치.
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