KR100996157B1

KR100996157B1 - Ｍｅｍｓ 센서 및 제조방법

Info

Publication number: KR100996157B1
Application number: KR1020077025705A
Authority: KR
Inventors: 프란츠 슈랑크
Original assignee: 오스트리아마이크로시스템즈 아게
Priority date: 2006-01-11
Filing date: 2007-01-10
Publication date: 2010-11-24
Also published as: US20090309171A1; JP5032501B2; EP1874678A1; WO2007082662A1; DE102006001493A1; US7923792B2; JP2009523341A; KR20080006579A; DE102006001493B4; EP1874678B1

Abstract

본 발명에 따르면, 베이스 칩 상에 구성되고 정전용량 동작방식을 가지며, 상기 베이스 칩상에 도포된 패턴층 구조를 갖는 MEMS 센서가 제안된다. 상기 층 구조에 컷아웃이 형성되고, 상기 이동가능 전극, 예컨대, 멤브레인이 상기 컷아웃내에 배열된다. 상기 컷아웃은 상기 컷아웃 주위로 상기 층 구조상에 형성되고 배후전극을 구비하는 커버층에 의해 메워져 있다.

MEMS 센서, 배후전극, 베이스 칩

Description

ＭＥＭＳ 센서 및 제조방법{MEMS Sensor And Production Method}

특히 관성센서, 압력센서 또는 마이크로폰으로서 사용될 수 있는 정전용량 동작방식을 갖는 MEMS 센서는 주로 이동가능한 전극으로서 결정되는 물리적 양만큼 이동될 수 있는 멤브레인(membrane) 또는 리드(reed)를 갖는다. 상대전극(counter electrode) 또는 배후전극(back electrode)이 이에 대해 정의된 거리에 배치된다.

공지된 MEMS 센서에서, 지지하는 기계적 안정층(mechanically stable layer)과 함께 배후전극은 캡타입(cap-type) 형태로 베이스 칩(base chip) 위로 돌출한 구조를 형성한다. 이 경우, 기계적 안정층의 구성을 위해 한가지 알려진 물질은 실리콘 질화물이다. 화학양론적 형태로, 실리콘 질화물은 일정한 특성을 가지며 안정적인 공정으로 생산될 수 있다. 그러나, 단점은 화학양론적으로 생산된 실리콘 질화물은 MEMS 센서의 3차원 구성에 작용하고 왜곡과 이에 따라 또한 배후전극의 위치에 변화를 초래하는 인장응력(tensile stress)을 야기한다는 것이다. 그 결과, 이동가능 전극과 배후 전극 간의 거리가 변경되고 특히 감소된다. 이는 Z 방향으로 왜곡된 구성으로 인해 더 이상 배후전극과 이동가능 전극 사이에 거리가 정의되지 않아 센서의 감도에 악영향을 끼친다. 이는 피측정 물리적 량을 정확히 측정할 수 없게 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 관련한 문제를 방지하는 MEMS 센서를 명시하는 것이다.

이 목적은 특허청구범위의 제 1 항에 따른 MEMS 센서에 의해 달성된다. 본 발명의 이점적인 구성과 또한 MEMS 센서 제조방법이 다른 청구항들로부터 취합될 수 있다.

베이스 칩상에 구성된 정전용량 동작방식을 갖는 MEMS 센서가 명시되어 있다. MEMS 센서는 중앙 컷아웃(cutout)을 갖는 패턴층 구조를 구비한다. 이동가능 전극이 베이스 칩 부근에서 컷아웃내에 형성된다. 컷아웃 자체는 층 구조에 형성되고 배후전극을 구비하는 커버층에 의해 메워져 있다.

이 센서는 커버층이 평평한 형태로 층 구조에 형성되고 상기 베이스 칩 위에 3차원적으로 상승되거나 상기 층 구조를 높인 구성을 갖지 않는 이점이 있다. 따라서, 커버층 형성동안 발생될 가능성이 있는 인장응력이 커버층의 평면에만 작용된다. 동시에, 커버층은 컷아웃을 둘러싼 층 구조에 의해 유지되므로, 이에 의해 상기 커버층, 특히 배후전극층의 왜곡이 방지된다. 반대로, 커버층내에 발생한 인장응력은 층 구조의 안정화를 야기하고 배후전극의 강도를 증가시키게 하는 것이 관찰되었다. 이는 배후전극을 구비하는 커버층의 필요한 기계적 안정성과 강도가 공지된 MEMS 센서에서보다 더 작은 층 두께로도 달성될 수 있게 한다.

이러한 배열로 달성된 또 다른 이점은 커버층에 대해 공지된 MEMS 센서에서 미리 회피된 물질들에 의지할 수 있다는 것이다. 예로써, 서두에 이미 언급하였고 제조동안 실리콘 과잉으로 인해 비화학양론적 실리콘 질화물보다 상당히 더 큰 인장응력을 야기하는 화학양론적 실리콘 질화물이 이제 커버층용으로 사용될 수 있다. 화학양론적 실리콘 질화물은 기계적으로 안정적이고 일정한 형태로 균일하고 재생산될 수 있는 층 특성을 갖는 안정한 공정으로 제조될 수 있다는 이점이 있다. 대조적으로, 부화학양론적 실리콘 질화물(substoichiometric silicon nitride)은 공정이 복잡한 방식으로만 제어될 수 있고 일반적으로 불균일하거나 정확하게 재생산될 수 없는 물질적 특성을 초래하는 결과를 갖는 불안정 공정으로만 제조될 수 있다.

제안된 MEMS 센서에서, 컷아웃 영역내 커버층은 전기 도전적이거나 적어도 하나의 전기 도전성 부분층을 구비한다. 부분층은 충분한 전기 전도도를 나타내도록 짙게 도핑될 수 있는 폴리실리콘으로 구성될 수 있다. 그런 후 기계적 안정층이 실리콘 질화물로부터 형성될 수 있다. 그 후에 커버층은 적어도 2개의 층을 구비한다. 그러나, 상기 커버층은 매우 많은 층들로 구현되고 특히 대칭 층 구조로 구현되게 할 수 있다. 한가지 가능성은 실리콘 질화물로 구성된 2개의 부분층들 사이에 구현된 적어도 하나의 폴리실리콘층을 상기 커버층에 형성되게 하는 것이다. 대칭 구조를 갖는 이러한 다중층에서, 응력은 최적으로 보상될 수 있고, 하여간 어떠한 왜곡도 나타날 수 없는 기계적으로 안정한 다층 구조가 이에 따라 획득될 수 있다.

상기 층 구조내의 컷아웃 주위 영역에, 상기 커버층 또는 상기 커버층의 적어도 일부분층이 베이스 칩의 표면까지 이어져 있고, 상기 베이스 칩과 함께 종료된다. 따라서, 컷아웃의 모든 측면 영역들이 완전히 또는 상기 커버층 또는 상기 커버층의 한 부분층 또는 복수의 부분층들에 의해 측면과 상단에 경계가 지어진다. 이동가능 전극의 일부분만이 컷아웃을 둘러싸고 베이스 칩의 표면 아래에까지 인출되어 있는 부분층 또는 커버층을 통해 지향되고 밖에서 전기적으로 접촉연결되어 있다. 이 영역 바로 부근에, 즉, 컷아웃으로부터 훨씬 멀리, 커버층이 층 구조의 표면상에 이어져 있어, 인장응력이 최적으로 보상될 수 있는 전체적으로 대략 평평한 면을 형성하게 된다.

이동가능한 전극은 베이스 칩의 표면으로부터 명확한 소정거리에 배치되고 있고 예컨대 층 구조내에 일단에 고정되는 리드(reed)로서 형성될 수 있다. 그러나, 또한 베이스 칩의 표면에 바로 형성되는 멤브레인(membrane)으로서 이동가능 전극을 형성할 수도 있다. 이 경우, 멤브레인 아래의 베이스 칩에 관통부(perforation)가 형성되고, 상기 관통부는 멤브레인에 의해 덮여진다. 따라서, 압력차 검출을 위해 또는 마이크로폰으로서 멤브레인을 이용할 수 있다.

이동가능 전극 또는 멤브레인의 전극 특성은 도전 형태로 확립된 폴리실리콘에 의해 획득될 수 있다. 이 경우, 폴리실리콘으로부터 완전히 이동가능한 전극을 형성하기 위해서 또는 폴리실리콘층과, 필요하다면 대칭 구조를 갖는 하나 또는 복수의 기계적으로 안정한 캐리어 층의 조합으로 구현될 수 있다.

마이크로폰 또는 압력센서로서 형성된 MEMS 센서는 컷아웃 영역내에 있는 커버층에 개구들의 패턴을 가질 수 있어, 이동가능 전극이 커버층에 의해 기계적 영향으로부터 보호되나 개구를 통해 주변 기압에 연결되어 있다.

멤브레인으로서 형성된 이동가능 전극이 관통부 위에 있는 베이스 칩의 표면에 자유로이 형성되나, 바람직하게는 이 위치에 고정되고 멤브레인 홀더에 의해 베이스 칩에 대하여 가압될 수 있다. 이를 위해, 멤브레인 면 바로 위까지 도달되고 이에 따라 배후전극 또는 커버층 방향으로 이동 여지를 최소화하는 컷아웃으로의 돌출부가 멤브레인의 에지 영역내에 있는 커버층에 형성될 수 있다. 오로지 에지 영역내 멤브레인 고정은 소정 영역내 방해없이 편향할 수 있음을 보장한다.

커버층의 하부에지까지 멤브레인의 편향은 제조공정 동안 및 동작 동안 모두에서 발생할 수 있고, 특히 커버층 아래와 멤브레인의 상단면이 동일한 재료, 특히 폴리실리콘으로 형성된 경우, 함께 멤브레인 고리고정 또는 심지어 커버층과 함께 용접되어 질 수 있다. 이는 멤브레인을 봉쇄하게 되어 이에 따라 MEMS 센서의 오기능을 초래할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 내부로 지향된 돌출부 형태인 스페이서(spacers)가 커버층내에 형성될 수 있고, 상기 스페이서는 상기 멤브레인 위쪽 영역내에 있는 커버층내에 규칙적으로 분포되어 있다. 2개 재료를 함께 베이킹하는 것을 방지하기 위해, 상기 돌출부는 폴리실리콘으로 구성하기 보다는 바람직하게는 실리콘 질화물로 구성된다.

층 구조는 희생층, 전극층 및 필요하다면 각 경우에 제조동안 전체 면적 위로 도포될 수 있는 구조 재료층을 구비한다. 전극과 구조 재료층은 각 경우 전체 면적 도포후에 소정의 방식으로 패턴화될 수 있거나 평탄화될 수 있다. 희생물질의 사용은 특히 층 구조가 완전히 형성된 후에 희생층 물질을 벗겨내거나 에칭함으로써 컷아웃을 만드는데 이용된다. 희생층용으로 적절한 물질은 실리콘 산화물이며, 상기 실리콘 산화물은 특히 다른 많은 재료들에 대해 에칭될 수 있다. 도핑된 글래스 층이 습식화학적으로 특별히 간단한 방식으로 벗겨질 수 있다.

본 발명은 예시적인 실시예와 관련 도면들을 기초로 하기에 더 상세히 설명된다. 도면은 단지 본 발명을 예시하기 위해 이용되며 따라서 다만 개략적으로 실제 척도가 아니게 도시되어 있다.

도면에서,

도 1 내지 도 10은 제 1 제조변형에 따른 다양한 방법 단계들을 도시한 것이다.

도 11 내지 도 15는 또 다른 제조변형에 따른 다양한 방법 단계들을 도시한 것이다.

도 16은 공지된 센서들에 비하여 MEMS 센서에서 발생한 인장 및 압축응력의 도면을 도시한 것이다.

마이크로폰으로 형성된 MEMS 센서의 제조가 하기에 기술되어 있다. MEMS 센서의 기초는 적어도 하나의 기계적 지지 기능을 수행하는 베이스 칩(BC)이다. 따라서, 기계적으로 안정적이며 특히 뒤틀림 내성(warpage-resistance) 재료로, 바람직하게는 결정재료로 형성되고, 예컨대 실리콘 웨이퍼를 구비한다. 따라서, 본 발명에 따른 MEMS 센서도 또한 개개의 구성부품으로서 제조되기 보다는, 웨이퍼 수준에서, 웨이퍼 면에 병행 진행되는 다수의 MEMS 센서로서 제조된다.

복수의 층 증착 및 패턴 단계를 포함하는 층 구조(SA)가 먼저 형성된다. 이를 위해, 본 예시적인 실시예에서, 적어도 하나의 제 1 희생층(OS)이 형성되고, 그 위에 제 1 폴리실리콘 층이 형성되며, 멤브레인(ME)이 상기 제 1 폴리실리콘층으로부터 패턴화되며 그 위에 제 2 희생층이 형성된다. 선택적으로, 평탄화 공정, 예컨대, 다른 층 형성공정을 위해 특히 커버층용으로 평평한 면을 얻기 위해, CMP 공정(화학적 기계적 연마)이 연이어 수행될 수 있다.

도 1은 개략적인 횡단면을 기초로 각각의 MEMS 센서의 영역내 배열을 도시한 것으로, 트렌치(trench)(GR)가 이미 층 구조(SA)내 멤브레인(ME) 주위로 이미 형성되어 있고, 베이스 칩(BC)의 표면이 상기 트렌치에 드러나 있다. 멤브레인(ME)은 임의의, 바람직하게는 원형 또는 직사각형 기반의 영역을 가지며 (도면에 미도시된) 좁은 리드선이 상기 층 구조(SA)에 이어져 있다. 따라서, 멤브레인 기반의 영역에 따르는 식으로 트렌치(GR)도 또한 멤브레인 주위로 닫힌 원 또는 닫힌 사각형이 된다.

다음 단계에서, 상기 트렌치(GR)가 측벽과 바닥에서 폴리실리콘층에 의해 정렬되도록 제 2 폴리실리콘층(PS)이 에지 커버(edge-covering) 형태로 표면에 증착된다. 도 2는 이 방법 단계의 배열을 도시한 것이다.

상기 폴리실리콘층(PS)은 예컨대 도 4를 참조로 예시적인 형태로 하기에 예시된 바와 같이 짙게 도핑된 형태로 제조되거나 적절한 방법에 의해 연이어 도핑될 수 있다.

도 3은 패턴 레지스트층(RS1)에 의해 수행되는 제 2 폴리실리콘층(PS)의 패터닝을 도시한 것이다. 그리고, 예컨대 반응성 이온 에칭과 같이 실리콘 에칭에 적합한 임의의 방법이 패터닝을 위해 사용될 수 있다.

도 4는 유전체 보조층, 바람직하게는 레지스트층(RS1)의 제거 후 에지 커버 형태로 전체 면상에 도포되는 또 다른 희생층을 도시한 것이다. 한가지 변형방법으로, 상기 희생층(DS)은 짙게 도핑된 실리콘 산화물층일 수 있으며, 이 희생층의 도움으로 인해 도판트가 어닐링 단계에서 제 2 폴리실리콘층(PS)에 연이어 주입될 수 있다. 이 경우, 제 2 폴리실리콘층(PS)에 의해 좁아진 트렌치 폭은 상기 유전체 희생층이 충분히 채워질 수 있게 선택된다. 일 예시적인 실시예에서, 유전체 희생층(DS)은 포스포실리케이트 글래스(phosphosilicate glass)로 구성된다.

도 5는 예컨대 일단 다시 한번 CMP 방법에 의해 행해질 수 있는 표면 평탄화 후의 배열을 도시한 것이다. 제 2 폴리실리콘층(PS)의 면이 이 경우에 드러나 있다. 가능하게 나머지 트렌치(GR)에도 같은 방식으로, 제 2 폴리실리콘층의 패터닝 트렌치에 유전체 희생층(DS)이 채워지고, 상기 패터닝 트렌치는 폴리실리콘층의 나머지 영역으로부터 배후전극(RE)을 분리시킨다.

도 6에 도시된 단계에서, 폴리실리콘층(PS)으로부터 패턴화된 배후전극 영역에 균일하게 분포되어 있는 블라인드 홀(blind holes)(SL1) 형태의 개구 패턴이 층 구조 희생층에 바로 폴리실리콘 층의 표면에 도달하는 식으로 만들어진다.

이를 위해, 패턴 레지스트층(RS2)이 사용되고 폴리실리콘 및 밑에 있는 희생층에 적절한 에칭 방법이 사용된다.

다음 단계로, 멤브레인 장착을 형성하기 위해 또 다른 블라인드 홀(SL2)이 에칭된다. 배후전극(RE)을 형성하기 위해 패턴화된 제 2 폴리실리콘층(PS) 외부에 형성된 또 다른 레지스트층(RS3)이 이를 위해 사용된다.

또 다른 블라인드 홀(SL2)은 가능한 한 멤브레인(ME)의 표면 바로 위에 에칭된다. 2D 배열에 있어서, 상기 또 다른 블라인드 홀(SL2)은 바람직하게는 멤브레인(ME)의 에지 영역위에 균일하게 분포되어 있다.

레지스트층(RS3)의 제거 후, 커버층의 기계적으로 안정적인 부분층이 증착되며, 특히, 화학양론적 실리콘 질화물이 상기 용도로 사용된다. 실리콘 질화물에 대한 대안으로서, 특히 희생물질에 대해 그리고 특히 이를 위해 사용된 실리콘 질화물에 대해 에칭될 수 있는 임의의 다른 기계적 안정화 물질이 사용될 수 있다.

증착은 에지커버 형태로 달성되며, 도 8에 도시된 바와 같이, 제 1 블라인드 홀과 제 2 블라인드 홀 모두에 실리콘 질화물(NS)이 측벽과 바닥에 한줄로 늘어서 있다. 상기 층들은 그런 후 제 1 블라인드 홀에 스페이서(spacers)(AH)를 형성하고 이와는 대조로 제 2 블라인드 홀에 멤브레인 홀더(MH)를 형성한다. 스페이서(AH)와 멤브레인 홀더(MH)는 특히 층 구조(SA)에 도달하는 깊이가 다르며 다른 경우로는 동일하게 형성될 수 있다. 따라서, 해당 블라인더 홀 제조시 순서도 또한 상호변경될 수 있다. 상술한 제조변형에 대한 대안으로, 제 2 블라인드 홀들이 서로 다른 패터닝 단계에서 제 1 블라인드 홀 전에 형성될 수 있다. 양 경우 모두 도 8에 도시된 구성이 된다.

도 9에 도시된 다음 방법 단계에서, 개구 패턴(OE)이 배후전극(RE) 영역내 제 2 폴리실리콘층(PS)과 실리콘 질화물층(NS)을 구비하는 커버층을 통해 에칭된다. 이 경우, 개구는 스페이서들 사이에 배열된다. 개구(OE)는 바람직하게는 마찬 가지로 임의의, 예컨대, 원형 또는 직사각형 횡단면을 갖는 블라인드 홀의 형태로 형성된다. 블라인드 홀의 깊이는 이 경우에 중요하지 않으므로, 임의의, 적절한 경우, 또한 비특정 에칭 방법이 사용될 수 있다. 또 다른 레지스트층(RS4)이 패터닝을 위해 여기에 사용된다.

다음 단계로, 희생층 물질이 멤브레인(ME)과 배후전극(RE) 영역에서 제거된다. 이 경우, 멤브레인(ME)과 커버층 사이 영역이 개구(OE)를 통해 접속될 수 있다. 멤브레인(ME)과 베이스 칩의 표면 간의 비교적 작은 거리로 인해, 희생층 물질은 멤브레인 아래에 그러나 바람직하게는 베이스 칩(BC)의 측면으로부터 에칭된다. 이를 위해, 관통부(DB)가 후면 또는 아랫면으로부터 베이스 칩(BC)에 만들어지고, 맨아래 희생층 면이 상기 관통부에 드러나게 된다. 관통부는 횡단면으로 대략 배후전극 크기에 해당하나, 어떤 경우에는 멤브레인(ME)보다 더 작은 횡단면적을 가져, 멤브레인이 관통부(DB) 주위 에지 영역에 있는 베이스 칩상에 형성될 수 있다.

관통부(DB)는 예시된 대략적인 수직 측벽들이 형성되는 이방성 에칭(anisotropic etching)방법에 의해 만들어질 수 있다. 그러나, 비스듬한 측벽이 또한 예컨대 실리콘에서와 같이 베이스 칩의 결정 재료에 형성될 수 있는 결정축 특정(crystal-axis-specific) 에칭방법을 사용할 수 있다. 그런 후 에칭제(etchant)가 위와 아래로부터 부식시킬 수 있어, 맨 아래 희생층이 제거되고 멤브레인(ME)이 베이스 칩상에 자유로이 위치되어 더 이상 베이스 칩에 고정연결되지 않게 된다. 폴리실리콘이 채워진 트렌치(GR)에 의해 컷아웃(AN)이 완전히 경계가 결정되어 상기 멤브레인(ME)위에 놓이는 희생층도 또한 완전히 제거된다.

실리콘 질화물과 폴리실리콘에 특정한 에칭방법이 희생물질을 에칭하기 위해 사용되므로, 트렌치(GR)내 폴리실리콘이 에칭 스톱으로서 역할할 수 있다.

도 10은 전기 도전성 폴리실리콘으로 형성되는 자유로이 진동하는 멤브레인(ME)과 기계적으로 안정적인 실리콘 질화물층상에 폴리실리콘으로 구성된 전기 도전성 부분층으로서 도포되고 실리콘 질화물층과 함께 커버층을 형성하는 배후전극(RE)으로 완성되는 MEMS 센서를 도시한 것이다. 멤브레인 홀더(MH)가 베이스 칩의 표면에 있는 에지영역내에 멤브레인(ME)을 고정시키는 반면에, 멤브레인으로부터 상당한 거리에 있는 스페이서(AH)는 멤브레인(ME)이 지나치게 크게 편향되는 경우 멤브레인(ME)과 커버층의 제 2 폴리실리콘층(PS) 사이의 직접적인 접촉을 방지한다.

트렌치(GR)에 의해 둘러싸인 컷아웃(AN) 외부의, 층 구조(SA)는 에칭 단계들 중 하나에 의해 손상되거나 침식되지 않는다. 안정적인 식으로 컷아웃을 둘러싸고 그 위에 형성된 커버층에 대한 수준을 기정의하며 외부와 상단에서 대략 평평하다. 단지 점형태(punctiform)로 위치된 멤브레인 홀더와 스페이서들을 제외하고, 실리콘 질화물층과 제 2 폴리실리콘층을 포함하는 커버층도 마찬가지로 평평하고 대략 균일층 두께로 형성된다. 따라서, 인장 및 압축응력도 균일하게 분포되고 나머지 층 구조(SA)에 대한 지지로써 보상되어, 멤브레인(ME) 방향이 어떻든지 간에 커버층과 특히 배후전극이 어떠한 휨도 받지 않게 된다. 커버층을 나머지 층 구조(SA)와 고정시킴으로써 기계적으로 안정화를 제공하는 실리콘 질화물층이 이전에 알려진 것보다 더 얇게 형성될 수 있다. 그럼에도 불구하고 커버층의 충분한 강도가 달성된다. 예컨대, 두께가 약 1.5㎛인 층내에 실리콘 과잉을 갖는 비화학양론적 실리콘 질화물이 공지의 MEMS 마이크로폰에 사용되고, 상기 질화물은 약 100MPa의 응력을 야기하는 반면에, 이에 비해, 두께가 약 0.5㎛인 층내 화학양론적 표준 실리콘 질화물이 사용될 수 있고, 상기 표준 실리콘 질화물은 명백히 약 1.3 GPa의 응력을 야기하지만, 그럼에도 불구하고 제안된 구조에 의해 커버층이 휘지 않고 손상없이 보상될 수 있다. 더 얇은 재료층은 제조 및 패턴 동안 재료와 시간이 절약되게 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 MEMS 센서가 또한 보다 더 비용효과적으로 구현될 수 있다.

대칭적으로 구성된 커버층을 갖는 MEMS 센서를 제조하기 위한 방법변형은 도 11 내지 도 15를 참조로 설명된다. 폴리실리콘층(PS)의 증착 후(도 8에 해당함) 도 11에 예시된 방법 단계로부터의 진행되는 다음 단계로, 먼저 또 다른 폴리실리콘층(PS3)이 실리콘 질화물층 위에 에지커버 형태로 도포되고, 필요한 경우, 연이어 평탄화된다. 도 12는 이 방법단계에서의 배열을 도시한 것이다. 제 2 실리콘 질화물층(NS2)이 평평한 표면 위에, 바람직하게는, 제 1 실리콘 질화물층(NS1)과 동일한 층 두께를 갖게 형성된다.

도 9에서와 유사한 방식으로, 리지스트층(RS4)의 도움으로 개구들(OE)이 이 3중층에 에칭되며, 상기 3중층은 심지어 아래에 있는 제 2 폴리실리콘층(PS2)에 의해 4중층이 된다. 개구의 깊이는 희생층의 표면이 상기 개구들의 바닥에서 노출되는 치수이다. 여기서, 역시 희생층(OS)의 영역내라면 과도하게 깊은 에칭은 손상을 입히지 않는다.

도 10을 참조로 설명된 방식와 유사한 방식으로, 여기서 또한 관통부(DB)가 멤브레인(ME) 아래의 베이스 칩(BC)에서 만들어지고 희생층이 연이어 컷아웃 영역에서 벗겨진다. 여기서, 역시, 적절한 선택적 에칭방법이 이를 위해 사용될 수 있다. 짙게 도핑된 실리콘 산화물층과 예컨대 포스포실리케이트 글래스가 희생층으로서 사용되는 경우, 플루오르산(hydrofluoric acid)에 기초한 습식화학 에칭방법이 실행될 수 있다. 그러나, 기체성 플루오르화 수소(hydrogen fluoride) 가스를 이용한 에칭방법을 실행하는 것도 가능하다. 이 경우, 컷아웃 영역에 바람직하지 못한 잔여물을 형성할 수 있는 기체상 에칭동안 도판트와 플루오르화 수소가스의 임의의 고형 부산물을 획득하지 않도록 희생층 물질은 과도하게 짙게 도핑되지 않는 것이 유리하다.

도 15는 실리콘 질화물/폴리실리콘/실리콘 질화물 3중층을 포함하는 커버층을 갖는 상기 에칭 단계후에 완성된 MEMS 센서의 구조를 도시한 것이다.

도면에 미도시된 MEMS 센서의 전기연결은 멤브레인(ME)의 폴리실리콘층과 배후전극(RE)을 형성하는 제 2 폴리실리콘층(PS)에 대한 패턴화 단계 동안 동시에 패턴화된다. 특히, 해당하는 연결패드에 전기연결되는 전기 리드선들이 이 경우에 만들어 진다. 상기 연결패드는 층 구성의 표면에 형성될 수 있다. 그러나, 베이스 칩의 표면에 부분적으로 또는 완전하게 연결부들을 배열할 수 있다. 이를 위해, 도면에 도시된 센서영역 밖에, 층 구조가 베이스 칩의 표면이 드러날 정도로 적소에 제거된다. 해당 전기연결패드, 특히, 신뢰할 수 있는 표면들이 만들어지고, 적절한 방식으로 제 2 폴리실리콘층(PS)과 멤브레인(ME)에 연결된다.

상술한 제조방법은 다수의 개개의 센서들에 대해 병렬로 웨이퍼 수준에서 수행되는 반면, 각 센서소자들에 대한 싱귤레이션(singulation)이 마지막 단계에서 이루어질 수 있고, 이 경우, 예컨대 분리를 위해 절단방법(sawing method)이 수행될 수 있다.

도 16은 공지의 센서 구성에 비해 본 발명에 따른 구성의 이점 및 이점적인 효과들을 다시 도시한 것이다. 도 16a는 베이스 칩상에 안착되어 있고 센서 영역내 3D 구성을 가지며, 상기 베이스 칩의 표면 위로 올라오거나 밖으로 돌출한 공지의 커버층을 개략적으로 도시한 것이다. 특히 실리콘 질화물층의 증착동안 제조된 제조지시 인장응력(ZS)이 2개의 수평 배열 화살표에 의해 도시되어 있다. 인장응력은 커버층의 3차원 구성이 공지의 센서내에 휘어지는 효과를 가지며, 베이스 칩(BC)의 표면을 향해 커버층이 편향(AL)되게 하거나 거기에 배열된 전극들이 움직이는 결과를 가져온다. 상기 편향은 화살표(AL)로 표시된다.

대조적으로, 도 16b는 대략적으로 전체에 평평한 형태로 형성된 커버층(DS)이 모든 측벽상의 나머지 층 구조(SA)에 제공되는 본 발명에 따른 MEMS 센서의 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 여기서 발생된 인장응력(ZS)도 역시 이에 의해 보상되고 컷아웃(AN) 지역내 커버층의 편향이 조금도 발생하지 않는다. 그 결과, 센서 치수, 특히, 예컨대 멤브레인(ME)에 대해 배후전극(RE)과 이동가능전극 간의 거리가 일정하게 유지된다. 신뢰가능한 방식으로 설정될 수 있는 배후전극과 멤브레인 간의 거리는 예컨대 멤브레인 상에 작용하는 음압에 대해 관찰된 물리적 양의 정확한 측정을 가능하게 한다.

본 발명은 도시된 예시적인 실시예들에 국한되지 않는다. 본 발명에 따른 MEMS 센서의 정확한 구조와 정확한 구성은 단지 특허청구범위에 의해서만 정의되며 예시된 실시예로부터 벗어날 수 있다.

참조부호 리스트

BC 베이스 칩

SA 층 구조

AN 컷아웃

GR 트렌치

ME 이동가능 전극

DS 커버층

DB 관통부

RE 배후전극

OS 희생층

NS 실리콘 질화물층

PS 폴리실리콘층

RS 레지스트층

AH 스페이서

MH 멤브레인 홀더

SL 블라인드 홀

OE 개구

ZS 인장응력

AL 편향

본 발명의 상세한 설명에 포함됨.

Claims

베이스 칩(BC)과,

상기 베이스 칩(BC)의 표면에 도포되는 패턴화된 층 구조(SA)와,

상기 층 구조(SA)의 에지 영역에 의해 둘러싸이며 상기 층 구조(SA) 내에 있는 컷아웃(AN)과,

상기 컷아웃(AN) 내에 배열되고 상기 층 구조(SA)에 연결되는 이동가능 전극(ME)과,

배후전극(RE)을 구비하고, 상기 컷아웃(AN) 주위로 상기 층 구조(SA)에 지지되며, 상기 컷아웃(AN)에 놓여있는 커버층(DS)을 구비하고,

상기 커버층(DS) 또는 상기 커버층(DS)의 부분층이 상기 베이스 칩(BC)의 표면까지 상기 층 구조(SA)내의 상기 컷아웃(AN)을 둘러싸는 영역을 만들고, 상기 베이스 칩(BC)에서 종료되어서 사방으로 상기 컷아웃(AN)의 측면 경계를 정하는 정전용량 동작방식을 갖는 MEMS 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 커버층(DS)은 상기 컷아웃(AN) 영역내 전기 도전성 부분층을 구비하는 MEMS 센서.
제 2 항에 있어서,

상기 커버층(DS)은 폴리실리콘으로 구성된 부분층을 구비하는 MEMS 센서.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 컷아웃(AN) 영역내 상기 커버층(DS)의 상단면과 이를 둘러싼 에지 영역이 상기 베이스 칩(BC)의 표면 위에 동일한 수준에 있는 MEMS 센서.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 이동가능 전극(ME) 또는 커버층(DS)의 전기 도전층 또는 부분층이 폴리실리콘으로 형성되는 MEMS 센서.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 커버층(DS)은 컷아웃(AN) 영역내 개구들(OE)의 패턴을 갖는 MEMS 센서.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 커버층(DS)은 실리콘 질화물 층을 구비하는 MEMS 센서.
제 7 항에 있어서,

상기 커버층(DS)은 사이에 폴리실리콘층(PS)이 배열되는 2개의 실리콘 질화물 층을 구비하는 MEMS 센서.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 이동가능 전극(ME)은 멤브레인으로서 형성되고, 상기 에지 영역내의 상기 컷아웃(AN)에 있는, 상기 커버층(DS) 또는 상기 커버층(DS)의 부분층은 상기 멤브레인 바로 위까지 도달하는 베이스 칩(BC) 방향으로 돌출부를 갖는 MEMS 센서.
제 9 항에 있어서,

상기 멤브레인은 상기 베이스 칩(BC)의 전체 두께를 관통하는 관통부(DB) 위에 배열되는 MEMS 센서.
삭제
A)일련의 층 형성 및 층 패터닝 단계들을 포함하여 베이스 칩(BC) 상에, 상기 베이스 칩(BC) 위 중앙에 배열되며 2개의 희생층(OS) 사이에 배열되어 있는 이동가능 전극(ME)을 구비하는 평평한 면을 갖는 층 구조(SA)를 도포하는 단계와,

B)상기 층 구조(SA)에 소정 거리에서 상기 이동가능 전극(ME)을 둘러싸고 상기 베이스 칩(BC) 표면에 이르는 트렌치(GR)를 에칭하는 단계와,

C)상기 층 구조(SA)의 전체 표면과 상기 트렌치(GR)에 커버층(DS)을 도포하는 단계와,

D)상기 이동가능 전극(ME) 위에 있는 상기 커버층(DS)에 개구들(OE)의 패턴을 형성하는 단계와,

E)에칭에 의해 상기 이동가능 전극(ME) 위와 아래에 있는 상기 희생층(OS)을 제거하는 단계를 포함하며,

상기 커버층(DS)은 적어도 상기 트렌치(GR)와 경계지어져서 에칭 스톱(etching stop)으로 작용하며, 컷아웃(AN)은 상승한 상기 층 구조(SA)의 환형 에지 영역에 의해 둘러싸이며, 상기 커버층(DS)에 의해 이어져 있고, 상기 이동가능 전극(ME)이 배열되어 있는 MEMS 센서 제조방법.
제 12 항에 있어서,

상기 희생층(OS)은 실리콘 산화물을 구비하고, 에칭제 함유 플루오르화 수소가 상기 희생층을 제거하는데 사용되는 MEMS 센서 제조방법.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,

상기 커버층(DS)을 도포하는 C 단계에서 상기 커버층(DS)을 형성하기 위해 적어도

C1)에지를 커버하는 제 2 폴리실리콘층(PS2)을 증착하는 단계와,

C2)배후전극을 형성하기 위해 상기 제 2 폴리실리콘층을 패턴화하는 단계와,

C3)산화물층을 증착하고 평탄화하는 단계와,

C4)제 1 실리콘 질화물층(NS)을 증착하는 단계가 사용되는 MEMS 센서 제조방법.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,

상기 층 구조(SA)를 도포하는 A 단계는,

A1)적어도 하나의 하부 희생층(OS)을 형성하는 단계와,

A2)상기 하부 희생층(OS) 위에 도핑된 제 1 폴리실리콘층을 형성하는 단계와,

A3)이동가능 전극(ME)을 형성하기 위해 상기 제 1 폴리실리콘층을 패턴화하는 단계와,

A4)적어도 하나의 상부 희생층(OS)을 형성하는 단계와,

A5)상기 층 구조(SA)를 평탄화하는 단계들이 수행되는 MEMS 센서 제조방법.
제 15 항에 있어서,

상기 제 1 폴리실리콘층을 패턴화하는 A3 단계에서, 제 1 폴리실리콘층이 멤브레인을 형성하기 위해 패턴화되고,

상기 상부 희생층에 바로 이르는 블라인드 홀들(SL)과 상기 멤브레인까지 이르는 또 다른 블라인드 홀들이 연이어 상기 제 2 폴리실리콘층(PS2)에 에칭되며,

상기 제 1 실리콘 질화물층(NS)을 증착하는 C4 단계에서, 상기 실리콘 질화물층(NS)이 에지를 커버하는 형태로 이에 따라 또한 모든 블라인드 홀들에 증착되는 MEMS 센서 제조방법.
제 14 항에 있어서,

상기 산화물층을 증착하고 평탄화하는 C3 단계 후에, 상기 제 1 실리콘 질화물층(NS)을 증착하는 C4 단계에서, 상기 실리콘 질화물층 위에 또 다른 폴리실리콘층(PS)이 형성되고,

상기 단계 C5)에서, 그 위에 또 다른 실리콘 질화물층(NS)이 형성되는 MEMS 센서 제조방법.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,

상기 이동가능 전극 위와 아래에 있는 상기 희생층(OS)을 제거하는 E 단계 전에, 상기 층 구조(SA) 맞은편 배후면으로부터 상기 베이스 칩에 관통부(DB)가 에칭되고, 상기 관통부에서는 멤브레인으로서 형성된 상기 이동가능 전극(ME) 아래에 상기 희생층(OS)이 드러나는 MEMS 센서 제조방법.