KR102320644B1 - 범프 스토퍼를 포함하는 마이크로 전자 기계 시스템 디바이스 및 이를 형성하는 방법 - Google Patents
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Abstract
마이크로 전자 기계 시스템(Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 디바이스는, MEMS 기판; MEMS 기판 위에 놓이는 매트릭스층 내에 측방향으로 구속되는 적어도 하나의 가동 엘리먼트; 및 매트릭스층에 본딩되는 캡 기판을 포함한다. 적어도 하나의 가동 엘리먼트 중에 선택되는 제1 가동 엘리먼트는, 매트릭스층에 의해 측방향으로 경계를 이루고 제1 가동 엘리먼트 위에 놓이는 제1 캡핑 표면에 의해 수직으로 경계를 이루는 제1 챔버 내부에 위치한다. 제1 캡핑 표면은 유전체 재료층의 각각의 부분을 포함하는 하향 돌출 범프의 어레이를 포함한다. 하향 돌출 범프 각각은 뒤집힌 힐록의 수직 단면 프로파일을 가진다. MEMS 디바이스는 예를 들어 가속도계를 포함할 수 있다.
Description
마이크로 전자 기계 시스템(Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 디바이스는, 기계적 및 전기적 특징부를 반도체 기술을 사용하여 형성함으로써 제조되는 디바이스를 포함한다. MEMS 디바이스는 미크론 또는 서브 미크론 치수를 갖는 이동부, 그리고 이동부를 전기 신호에 전기적으로 연결시키기 위한 메커니즘을 포함할 수 있으며, 여기서 전기 신호는 이동부의 이동을 유도하는 입력 신호 또는 이동부의 이동에 의해 생성되는 출력 신호일 수 있다. MEMS 디바이스는 반도체 디바이스와 같은 다른 디바이스와 통합되어, 센서 또는 액추에이터로서 기능할 수 있는 유용한 디바이스이다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 미국 특허출원공개공보 US2018/0305201호(2018.10.25.)에 개시되어 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 미국 특허출원공개공보 US2018/0305201호(2018.10.25.)에 개시되어 있다.
본 개시의 양상들은 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 읽으면 가장 잘 이해할 수 있다. 본 산업계에서의 표준 관행에 따라, 다양한 특징부는 일정한 비율로 도시되지 않았다는 점에 유의한다. 실제로, 다양한 특징부의 치수는 설명의 명료성을 위해 임의로 증가 또는 감소될 수 있다.
도 1a는 본 개시의 일 실시예에 따라 매트릭스 재료층 위에 제1 유전체 재료층을 형성한 이후에 MEMS 구조물을 형성하기 위한 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 1b는 본 개시의 일 실시예에 따라 제1 도전성 재료층을 형성한 이후의 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 1c는 본 개시의 일 실시예에 따라 제2 유전체 재료층을 형성한 이후의 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 1d는 본 개시의 일 실시예에 따라 제2 도전성 재료층을 형성한 이후의 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 1e는 본 개시의 일 실시예에 따라 제3 유전체 재료층을 형성하고 MEMS 기판을 부착한 이후의 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 1f는 본 개시의 일 실시예에 따라 매트릭스 재료층을 박형화(thinning)한 이후의 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 1g는 본 개시의 일 실시예에 따라 매트릭스측 본딩 유전체층을 형성한 이후의 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 1h는 본 개시의 일 실시예에 따라 매트릭스 재료층을 가동 엘리먼트 및 매트릭스층으로 패터닝한 이후의 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 1i은 본 개시의 일 실시예에 따라 제1 유전체 재료층의 일부를 제거함으로써 가동 엘리먼트를 제1 유전체 재료층으로부터 분리한 이후의 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2a는 본 개시의 일 실시예에 따라 제1 리세스 영역을 형성한 이후에 캡 구조물을 형성하기 위한 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2b는 본 개시의 일 실시예에 따라 캡측 본딩 유전체층을 형성한 이후의 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2c는 본 개시의 일 실시예에 따라 제1 리세스 영역에 캡측 본딩 유전체층을 통한 개구부를 형성한 이후의 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2d는 본 개시의 일 실시예에 따라 캡측 본딩 유전체층을 관통하는 개구부 아래에 트렌치를 형성한 이후의 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2e는 도 2d의 영역 E의 확대도이다.
도 2f는 도 2d의 제1 예시적 구조물의 제1 구성물의 평면도이다.
도 2g는 도 2d의 제1 예시적 구조물의 제2 구성물의 평면도이다.
도 2h는 본 개시의 일 실시예에 따라 범프 포함 재료층을 형성한 이후의 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2i는 도 2h의 영역 I의 확대도이다.
도 2j는 도 2h의 제1 예시적 구조물의 제1 구성물의 평면도이다.
도 2k는 도 2h의 제1 예시적 구조물의 제2 구성물의 평면도이다.
도 2l은 본 개시의 일 실시예에 따라 범프 포함 재료층의 최상 수평부를 제거한 이후의 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2m은 본 개시의 일 실시예에 따라 캡측 본딩 유전체층에 제1 에칭 마스크층 및 개구부를 형성한 이후의 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2n은 본 개시의 일 실시예에 따라 제2 에칭 마스크층을 형성하고 캡 기판의 일부를 수직으로 리세스한 이후의 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2o는 본 개시의 일 실시예에 따라 제2 리세스 영역을 형성한 이후의 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 제1 예시적 마이크로 전자 기계 시스템(Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 디바이스이다.
도 4a는 본 개시의 일 실시예에 따라 패터닝된 하드 마스크층을 형성한 이후에 캡 구조물을 형성하기 위한 제2 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 4b는 본 개시의 일 실시예에 따라 패터닝된 에칭 마스크층을 형성한 이후의 제2 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 4c는 본 개시의 일 실시예에 따라 제1 트렌치 및 공정 중 리세스 영역을 형성한 이후의 제2 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 4d는 본 개시의 일 실시예에 따라 제1 리세스 영역 및 그로부터 수직으로 연장되는 제2 트렌치를 형성한 이후의 그리고 제2 리세스 영역을 형성한 이후의 제2 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 4e는 본 개시의 일 실시예에 따라 범프 포함 재료층을 형성한 이후의 제2 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 4f는 도 4e의 영역 F의 확대도이다.
도 4g는 도 4e의 제2 예시적 구조물의 제1 구성물의 평면도이다.
도 4h는 도 4e의 제2 예시적 구조물의 제2 구성물의 평면도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 제2 예시적 마이크로 전자 기계 시스템(Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 디바이스이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따라 MEMS 디바이스 어셈블리를 형성하는 작업을 도시하는 공정 흐름도이다.
도 7은 본 개시의 다른 일 실시예에 따라 MEMS 디바이스 어셈블리를 형성하는 작업을 도시하는 공정 흐름도이다.
도 1a는 본 개시의 일 실시예에 따라 매트릭스 재료층 위에 제1 유전체 재료층을 형성한 이후에 MEMS 구조물을 형성하기 위한 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 1b는 본 개시의 일 실시예에 따라 제1 도전성 재료층을 형성한 이후의 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 1c는 본 개시의 일 실시예에 따라 제2 유전체 재료층을 형성한 이후의 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 1d는 본 개시의 일 실시예에 따라 제2 도전성 재료층을 형성한 이후의 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 1e는 본 개시의 일 실시예에 따라 제3 유전체 재료층을 형성하고 MEMS 기판을 부착한 이후의 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 1f는 본 개시의 일 실시예에 따라 매트릭스 재료층을 박형화(thinning)한 이후의 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 1g는 본 개시의 일 실시예에 따라 매트릭스측 본딩 유전체층을 형성한 이후의 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 1h는 본 개시의 일 실시예에 따라 매트릭스 재료층을 가동 엘리먼트 및 매트릭스층으로 패터닝한 이후의 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 1i은 본 개시의 일 실시예에 따라 제1 유전체 재료층의 일부를 제거함으로써 가동 엘리먼트를 제1 유전체 재료층으로부터 분리한 이후의 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2a는 본 개시의 일 실시예에 따라 제1 리세스 영역을 형성한 이후에 캡 구조물을 형성하기 위한 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2b는 본 개시의 일 실시예에 따라 캡측 본딩 유전체층을 형성한 이후의 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2c는 본 개시의 일 실시예에 따라 제1 리세스 영역에 캡측 본딩 유전체층을 통한 개구부를 형성한 이후의 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2d는 본 개시의 일 실시예에 따라 캡측 본딩 유전체층을 관통하는 개구부 아래에 트렌치를 형성한 이후의 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2e는 도 2d의 영역 E의 확대도이다.
도 2f는 도 2d의 제1 예시적 구조물의 제1 구성물의 평면도이다.
도 2g는 도 2d의 제1 예시적 구조물의 제2 구성물의 평면도이다.
도 2h는 본 개시의 일 실시예에 따라 범프 포함 재료층을 형성한 이후의 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2i는 도 2h의 영역 I의 확대도이다.
도 2j는 도 2h의 제1 예시적 구조물의 제1 구성물의 평면도이다.
도 2k는 도 2h의 제1 예시적 구조물의 제2 구성물의 평면도이다.
도 2l은 본 개시의 일 실시예에 따라 범프 포함 재료층의 최상 수평부를 제거한 이후의 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2m은 본 개시의 일 실시예에 따라 캡측 본딩 유전체층에 제1 에칭 마스크층 및 개구부를 형성한 이후의 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2n은 본 개시의 일 실시예에 따라 제2 에칭 마스크층을 형성하고 캡 기판의 일부를 수직으로 리세스한 이후의 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 2o는 본 개시의 일 실시예에 따라 제2 리세스 영역을 형성한 이후의 제1 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 제1 예시적 마이크로 전자 기계 시스템(Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 디바이스이다.
도 4a는 본 개시의 일 실시예에 따라 패터닝된 하드 마스크층을 형성한 이후에 캡 구조물을 형성하기 위한 제2 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 4b는 본 개시의 일 실시예에 따라 패터닝된 에칭 마스크층을 형성한 이후의 제2 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 4c는 본 개시의 일 실시예에 따라 제1 트렌치 및 공정 중 리세스 영역을 형성한 이후의 제2 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 4d는 본 개시의 일 실시예에 따라 제1 리세스 영역 및 그로부터 수직으로 연장되는 제2 트렌치를 형성한 이후의 그리고 제2 리세스 영역을 형성한 이후의 제2 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 4e는 본 개시의 일 실시예에 따라 범프 포함 재료층을 형성한 이후의 제2 예시적 구조물의 수직 단면도이다.
도 4f는 도 4e의 영역 F의 확대도이다.
도 4g는 도 4e의 제2 예시적 구조물의 제1 구성물의 평면도이다.
도 4h는 도 4e의 제2 예시적 구조물의 제2 구성물의 평면도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 제2 예시적 마이크로 전자 기계 시스템(Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 디바이스이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따라 MEMS 디바이스 어셈블리를 형성하는 작업을 도시하는 공정 흐름도이다.
도 7은 본 개시의 다른 일 실시예에 따라 MEMS 디바이스 어셈블리를 형성하는 작업을 도시하는 공정 흐름도이다.
아래의 개시는 본 개시의 다양한 특징부를 구현하기 위한 많은 다양한 실시예 또는 예를 제공한다. 본 개시를 간단히 하도록 컴포넌트 및 배열의 특정 예가 이하에 설명된다. 물론, 이는 단지 예일 뿐이며, 한정하려는 의도가 아니다. 예를 들어, 다음의 설명에서 제2 특징부 상의 또는 그 위의 제1 특징부의 형성은, 제1 및 제2 특징부가 직접 접촉하여 형성되는 실시예를 포함할 수도 있고, 또한 부가적인 특징부가 제1 및 제2 특징부 사이에 형성되어 제1 및 제2 특징부가 직접 접촉하지 않는 실시예를 포함할 수도 있다. 또한, 본 개시는 다양한 예에서 참조 번호 및/또는 문자를 반복할 수 있다. 이러한 반복은 단순성 및 명료성을 위한 것이며, 논의되는 다양한 실시예 및/또는 구성 간의 관계를 그 자체로 나타내지 않는다.
또한, "하에(beneath)", "아래에(below)", "하부의(lower)", "위에(above)", "상부의(upper)" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어가, 도면에 도시된 하나의 엘리먼트 또는 특징부와 다른 엘리먼트(들) 또는 특징부(들) 간의 관계를 설명하는 데 있어서, 설명의 편의를 위해 이용될 수도 있다. 공간적으로 상대적인 용어는, 도면에 나타난 방향 외에도, 이용 또는 작업 중인 디바이스의 다른 방향을 망라한다. 장치는 다른 방향으로(90도 회전되거나 다른 방향으로 회전) 배치될 수 있고, 본 명세서에서 사용되는 공간적으로 상대적인 서술어는 이에 따라 마찬가지로 해석될 수 있다.
본 개시는 범프 스토퍼 구조물을 포함하는 마이크로 전자 기계 시스템(Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 디바이스 및 이를 형성하는 방법에 관한 것이다. 일부 MEMS 디바이스는 MEMS 어셈블리층 및 캡 구조물층을 포함할 수 있다. MEMS 어셈블리는 디바이스의 가속도 또는 디바이스의 각속도를 등록하는 이동판(즉, 가동 엘리먼트) 또는 센싱 엘리먼트를 포함할 수 있다. 때때로, MEMS 어셈블리의 이동판은 마이크로미터 단위이므로, 이동판은, MEMS 어셈블리와 공동으로 이동판을 포함하는 상보형 캡 구조물에 정지 마찰(stiction)로 인해 부착될 수 있다. 마이크로미터 단위 미만의 면적을 갖는 두 개의 표면이 밀접해 있는 상황(가속도계(accelerometer)에서와 같이)에서, 두 개의 표면은 서로 달라붙을 수 있다. 이 단위에서는, 정전기 및/또는 반 데르 발스와 수소 결합력이 중요해진다. 전술한 두 개의 표면이 이러한 방식으로 함께 달라붙는 현상을 정지 마찰이라고도 한다. 정지 마찰은 수소 결합 또는 잔류 오염과 관련이 있을 수 있다. 본 명세서에 설명된 다양한 실시예는 캡 구조물 내의 범프 구조물을 제공한다. 범프 구조물은 MEMS 어셈블리의 이동판과 접촉할 수 있는 캡 구조물의 표면적을 감소시킨다. 접촉하는 표면의 표면적을 감소시킴으로써, 정지 마찰 가능성 또한 감소될 수 있다.
도 1a를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 MEMS 어셈블리를 형성하기 위한 예시적 구조물이 도시된다. 예시적 구조물은 매트릭스 재료층(10L)을 포함한다. 매트릭스 재료층(10L)은, 전기적 도전성을 국부적으로 변경하도록 도핑될 수 있는 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄 합금 또는 화합물 반도체 재료, 또는 본 명세서에서 고려하는 범위 내의 다른 적절한 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 매트릭스 재료층(10L)은 30미크론 내지 1 mm 범위의 두께를 가질 수 있지만, 더 작거나 더 큰 두께 또한 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 매트릭스 재료층(10L)의 상부는, 이후에 매트릭스 재료층(10L)의 하부의 클리빙을 가능하게 하기 위해 수소 주입층을 포함할 수 있다. 이 경우에, 매트릭스 재료층(10L)의 최상부 표면으로부터의 수소 주입층의 깊이는 100 nm 내지 3미크론, 예를 들어 300 nm 내지 1,000 nm의 범위일 수 있지만, 더 작거나 더 큰 깊이 또한 사용될 수 있다. 예시적 구조물은 적어도 하나의 마이크로 전자 기계 시스템(Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 디바이스를 포함하는 다양한 디바이스를 형성하기 위한 다양한 영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 예시적 구조물은 제1 디바이스 영역(101) 및 제2 디바이스 영역(102)을 포함할 수 있다. 비제한적인 예시적인 일 예에서, 선가속도를 측정하기 위한 가속도계를 위한 컴포넌트가 제1 디바이스 영역(101)에 형성되고, 각속도를 측정하기 위한 자이로스코프가 제2 디바이스 영역(102)에 형성될 수 있다. 다른 비제한적인 실시예에서, 구조물은 반복적인 제1 디바이스 영역(101) 또는 제2 디바이스 영역(102)으로 이루어져 복수의 동일 유형의 센서를 형성할 수 있다.
제1 유전체 재료층(20)이 매트릭스 재료층(10L)의 최상부 표면 위에 형성될 수 있다. 제1 유전체 재료층(20)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 유기 실리케이트 유리, 다공성 저-k 유전체 재료, 또는 스핀 온 유리(Spin-On Glass, SOG) 재료와 같은 유전체 재료를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 고려하는 범위 내의 다른 적절한 재료 또한 사용될 수 있다. 제1 유전체 재료층(20)은 화학적 기상 증착, 물리적 기상 증착 또는 스핀 온 코팅에 의해 퇴적될 수 있다. 제1 유전체 재료층(20)의 두께는 100 nm 내지 600 nm의 범위일 수 있지만, 더 작거나 더 큰 두께 또한 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 유전체 재료층(20)은 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate, TEOS)의 분해에 의해 형성된, 치밀화되고 미도핑된 실리케이트 유리 재료를 포함할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 제1 유전체 재료층(20)은, 리소그래피 공정 및 적어도 하나의 에칭 공정의 조합에 의해 패터닝되어 다양한 캐비티를 형성할 수 있으며, 다양한 캐비티는 라인 캐비티 및 비아 캐비티를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 포토 레지스트층(미도시)이 제1 유전체 재료층(20) 위에 도포될 수 있고, 리소그래피 패터닝되어 이를 관통하는 비아 개구부를 형성할 수 있다. 제1 이방성 에칭이 수행되어, 비아 개구부의 패턴을 제1 유전체 재료층(20)의 상부를 통해 전사하여 비아 캐비티를 형성할 수 있다. 제1 포토 레지스트층은 제거될 수 있고, 제2 포토 레지스트층(미도시)이 제1 유전체 재료층(20) 위에 도포될 수 있다. 제2 포토 레지스트층은 리소그래피 패터닝되어 이를 관통하는 라인형 개구부를 형성할 수 있다. 제2 이방성 에칭 공정이 수행되어, 라인형 개구부의 패턴을 제1 유전체 재료층(20)의 상부를 통해 전사하여 라인 캐비티를 형성하고, 비아 캐비티를 매트릭스 재료층(10L)의 최상부 표면까지 연장시킬 수 있다. 제2 포토 레지스트층은, 예를 들어 애싱 또는 다른 적절한 공정에 의해 제거될 수 있다. 비아 캐비티 및 라인 캐비티에는 적어도 하나의 도전성 재료(22)가 퇴적될 수 있다. 적어도 하나의 도전성 재료(22)의 과잉 부분은 제1 유전체 재료층(20)의 최상부 표면을 포함하는 수평 평면 위로부터 제거될 수 있다. 제1 유전체 재료층(20)에서 적어도 하나의 도전성 재료의 나머지 부분은 제1 도전성 구조물(22)을 구성한다. 제1 도전성 구조물(22)은, 도핑된 반도체 재료(예컨대, 도핑된 폴리 실리콘), 또는 원소형 금속, 금속간 합금, 도전성 금속 질화물 재료 또는 금속 반도체 화합물(예컨대, 금속 실리사이드)와 같은 금속 재료를 포함할 수 있다.
도 1c를 참조하면, 제2 유전체 재료층(30)이 제1 도전성 구조물(22) 및 제1 유전체 재료층(20) 위에 퇴적될 수 있다. 제2 유전체 재료층(30)은, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 유기 실리케이트 유리, 다공성 저-k 유전체 재료, 또는 스핀 온 유리(Spin-On Glass, SOG) 재료와 같은 유전체 재료를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 고려하는 범위 내의 다른 적절한 재료 또한 사용될 수 있다. 제2 유전체 재료층(30)은 화학적 기상 증착, 물리적 기상 증착 또는 스핀 온 코팅에 의해 퇴적될 수 있다. 제2 유전체 재료층(30)의 두께는 100 nm 내지 600 nm의 범위일 수 있지만, 더 작거나 더 큰 두께 또한 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 유전체 재료층(30)은, 실리콘 질화물층 또는 알루미늄 산화물층과 같은 에칭 정지층을 포함하는 다수의 유전체 재료층을 포함하는 층 스택을 포함할 수 있다. 층 스택이 제2 유전체 재료층(30)에 사용되는 경우, 층 스택 내의 상부층은 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS)의 분해에 의해 형성된, 치밀화되고 미도핑된 실리케이트 유리 재료를 포함할 수 있다. 제2 유전체 재료층(30)은 패터닝되어 다양한 비아 캐비티를 형성할 수 있다. 각각의 제1 도전성 구조물(22)의 최상부 표면은 제2 유전체 재료층(30)을 통해 각각의 비아 캐비티의 최하부에서 물리적으로 노출될 수 있다.
도 1d을 참조하면, 적어도 하나의 도전성 재료가, 제2 유전체 재료층(30)을 통해서 비아 캐비티에, 그리고 제2 유전체 재료층(30) 위에 퇴적될 수 있다. 적어도 하나의 도전성 재료는, 예를 들어 적어도 하나의 도전성 재료 위에 포토 레지스트층을 도포 및 패터닝하고, 포토 레지스트층의 패턴을 적어도 하나의 도전성 재료를 통해 전사함으로써 패터닝될 수 있다. 포토 레지스트층은, 예를 들어 애싱 또는 다른 적절한 공정에 의해 이후에 제거될 수 있다. 적어도 하나의 도전성 재료의 나머지 패터닝된 부분은 제2 도전성 구조물(32)을 구성할 수 있다. 제2 도전성 구조물(32)은, 도핑된 반도체 재료(예컨대, 도핑된 폴리 실리콘), 또는 원소형 금속, 금속간 합금, 도전성 금속 질화물 재료 또는 금속 반도체 화합물(예컨대, 금속 실리사이드)와 같은 금속 재료를 포함할 수 있다.
일반적으로, 적어도 하나의 레벨의 도전성 구조물(22, 32)이 매트릭스 재료층(10L) 위의 각각의 유전체 재료층(20, 30) 위에 또는 내에 형성될 수 있다. 적어도 하나의 레벨의 도전성 구조물(22, 32) 및 적어도 하나의 유전체 재료층(20, 30)의 조합을 형성하기 위해 다양한 패터닝 방법이 사용될 수 있다. 이러한 패터닝 방법은, 단일 다마신 패터닝 방법, 이중 다마신 패터닝 방법, 층 퇴적 및 패터닝 방법 등을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 수소 주입층(미도시)이 매트릭스 재료층(10L)에 존재하는 경우, 처리 온도는 수소 주입층 내의 수소 원자가 클리빙(500℃ 내지 600℃의 온도 범위에서 일어날 수 있음)을 허용할 수 있는 온도 미만 중에 선택될 수 있다. 단지 두 개의 레벨의 도전성 구조물(22, 32)만이 본 명세서에 설명되어 있지만, 필요에 따라 더 많은 레벨의 도전성 구조물이 실시예 구조물에 형성될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 도전성 구조물(22, 32)의 패턴은, 이후에 형성될 다양한 MEMS 디바이스의 기능이 인에이블링될 수 있도록 최적화될 수 있다.
도 1e를 참조하면, 유전체 재료층이 가장 상측의 도전성 구조물(예컨대, 제2 도전성 구조물(32)) 위에 퇴적될 수 있다. 본 명세서에서, (퇴적된 유전체 재료층이 제2 도전성 구조물(32) 상에 형성되는 실시예에서) 퇴적된 유전체 재료층은 원위(distal) 유전체 재료층 또는 제3 유전체 재료층(40)이라 한다. 일 실시예에서, 퇴적된 유전체 재료층은 100 nm 내지 1,000 nm 범위의 두께를 갖는 실리콘 산화물층일 수 있다.
기판이 제3 유전체 재료층(40)의 최상부 표면 위에 형성되거나 이에 부착될 수 있다. 부착된 기판은, 매트릭스 재료층(10L), 제1 유전체 재료층(20), 제1 도전성 구조물(22), 제2 유전체 재료층(30), 제2 도전성 구조물(32), 및 제3 유전체 재료층(40)을 포함하는 아래에 놓인 재료층에 기계적 지지를 제공하기 위해 이후에 사용되는 핸들 기판일 수 있다. 부착된 기판은, 이후에 매트릭스 재료층을 MEMS 디바이스를 위한 가동 엘리먼트로 패터닝하는 것을 고려하여, 본 명세서에서 MEMS 기판(50)이라 한다. MEMS 기판(50)은 30미크론 내지 3 mm, 예를 들어 100미크론 내지 1 mm 범위의 두께를 가질 수 있지만, 더 작거나 더 큰 두께 또한 사용될 수 있다. MEMS 기판(50)은 반도체 기판, 도전성 기판, 절연성 기판, 또는 다수의 층을 포함하는 복합 기판일 수 있다. 일 실시예에서, MEMS 기판(50)은 시판되는 실리콘 기판과 같은 반도체 기판일 수 있다. MEMS 기판(50)은, 예를 들어 산화물 대 반도체 본딩을 사용하여 제3 유전체 재료층(40) 위에 형성되거나 이에 부착될 수 있다.
도 1f를 참조하면, 매트릭스 재료층(10L)이 박형화되어 박형화된 매트릭스 재료층(10T)을 제공할 수 있다. 박형화된 매트릭스 재료층(10T)의 두께는 100 nm 내지 10미크론, 예를 들어 300 nm 내지 5미크론의 범위일 수 있지만, 더 작거나 더 큰 두께 또한 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 매트릭스 재료층(10L)의 박형화는, 연삭, 연마, 등방성 에칭 공정, 이방성 에칭 공정 또는 이의 조합에 의해 수행될 수 있다. 수소 주입층이 매트릭스 재료층(10L) 내에 제공될 수 있는 실시예에서, 수소 주입층보다 MEMS 기판(50)으로부터 더 먼 매트릭스 재료층(10L)의 원위 부분을 제거하기 위해 클리빙 공정이 사용될 수 있다. 매트릭스 재료층(10L) 내의 수소 주입층의 레벨에서 클리빙 공정이 수소 원자의 버블링을 유도하도록, 500℃ 내지 600℃ 범위로 상승된 공정에서 어닐링이 수행될 수 있다. 예시적 구조물은, 박형화된 매트릭스 재료층(10T)이 위를 향하고 MEMS 기판(50)이 아래를 향하도록 이후에 뒤집힐 수 있다.
도 1g를 참조하면, 본딩 재료가 박형화된 매트릭스 재료층(10T)의 최상부 표면 상에 퇴적되어 본딩 유전체층을 형성할 수 있고, 본딩 유전체층은 본 명세서에서 매트릭스측 본딩 유전체층(62)이라 한다. 매트릭스측 본딩 유전체층(62)의 본딩 재료는 실리콘 산화물, 폴리머 재료 또는 유전체 접착 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 매트릭스측 본딩 유전체층(62)은 실리콘 산화물을 포함하고, 100 nm 내지 1,000 nm 범위의 두께를 갖지만, 더 작거나 더 큰 두께 또한 사용될 수 있다. 매트릭스측 본딩 유전체층(62)이 패터닝되어, 가동 엘리먼트가 박형화된 매트릭스 재료층(10T)으로부터 이후에 패터닝될 영역(예를 들어, 영역(101 및 102))에, 그리고 박형화된 매트릭스 재료층(10T)을 관통하여 이후에 에칭제 액세스 홀이 형성될 영역에 개구부가 형성될 수 있다.
도 1h을 참조하면, 포토 레지스트층(미도시)이 박형화된 매트릭스 재료층(10T) 및 매트릭스측 본딩 유전체층(62) 위에 도포될 수 있고, 리소그래피 패터닝되어 박형화된 매트릭스 재료층(10T)으로부터 이후에 패터닝될 가동 엘리먼트와 매트릭스층 사이의 갭(19)을 정의하는 영역에 개구부를 형성할 수 있다. 다시 말해서, 포토 레지스트층의 개구부의 패턴은, 박형화된 매트릭스 재료층(10T)으로부터 이후에 패터닝될 가동 엘리먼트와 매트릭스층 사이의 갭들(19)의 패턴을 포함할 수 있다. 또한, 포토 레지스트층의 개구부의 패턴은, 박형화된 매트릭스 재료층(10T)을 관통하여 이후에 형성될 에칭제 액세스 홀의 패턴을 포함할 수 있다.
이방성 에칭 공정이 수행되어, 포토 레지스트층의 개구부의 패턴을 박형화된 매트릭스 재료층(10T)을 통해 전사할 수 있다. 박형화된 매트릭스 재료층(10T)은, 가동 엘리먼트(10a, 10b), 및 가동 엘리먼트(10a, 10b) 각각을 측방향으로 둘러싸는 매트릭스층(10)을 포함하는 다수의 부분으로 나누어질 수 있다. 일반적으로, 가동 엘리먼트(10a, 10b)는, 벤딩, 진동, 변형, 변위, 회전, 비틀림, 및 임의의 다른 유형의 형상, 위치 및/또는 배향상의 변화가 가능한 임의의 엘리먼트를 포함할 수 있다. 예시적인 일 예에서, 가동 엘리먼트(10a, 10b)는, 가속도계에 사용하기 위한 제1 가동 엘리먼트(10a) 및 자이로스코프에 사용하기 위한 제2 가동 엘리먼트(10b)를 포함할 수 있다. 추가적인 가동 엘리먼트(미도시)이 박형화된 매트릭스 재료층(10T)으로부터 패터닝될 수 있다. 가동 엘리먼트(10a, 10b) 각각을 측방향으로 둘러싸는 박형화된 매트릭스 재료층(10T)의 연속하는 나머지 부분은, 이를 기준으로 가동 엘리먼트(10a, 10b)의 상대적 이동을 측정할 수 있는 MEMS 디바이스의 고정부를 구성한다. MEMS 디바이스의 고정된 나머지 부분은 본 명세서에서 매트릭스층(10)이라 한다. 가동 엘리먼트(10a, 10b) 및 매트릭스층(10)은 동일한 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 가동 엘리먼트(10a, 10b) 및 매트릭스층(10)은 동일한 반도체 재료를 포함할 수 있으며, 이 반도체 재료는 본 명세서에서 제1 반도체 재료라고 지칭한다. 가동 엘리먼트(10a, 10b)의 서브 세트 및/또는 부분은 필요에 따라 p형 도펀트 및/또는 n형 도펀트로 도핑될 수 있다. 제1 유전체 재료층(20)까지 아래로 연장되는 갭(19)은 매트릭스층(10)과 다양한 가동 엘리먼트(10a, 10b) 사이에 형성될 수 있다.
도 1i을 참조하면, 매트릭스층(10)과 다양한 가동 엘리먼트(10a, 10b) 사이에서 수직으로 연장되는 갭(19)을 통해 외부(the ambient)로 연결되는 제1 유전체 재료층(20)의 부분을 제거함으로써, 가동 엘리먼트(10a, 10b)는 제1 유전체 재료층(20)으로부터 분리될 수 있다. 매트릭스층(10)의 재료, 가동 엘리먼트(10a, 10b), 매트릭스측 본딩 유전체층(62), 제1 도전성 구조물(22) 및 선택적으로 제2 유전체 재료층(30) 내의 가장 상측의 서브층(에칭 정지 유전층일 수 있음)에 선택적으로, 제1 유전체 재료층(20)의 재료를 에칭하는 등방성 에칭제가 갭(19) 내로 도포되어 갭(19)에 연결된 제1 유전체 재료층(20)의 부분을 제거할 수 있다. 예를 들어, 제1 유전체 재료층(20)은, 보로실리케이트 유리, 유기 실리케이트 유리, 다공성 저-k 유전체 재료, 또는 유기 용매에 용해되는 폴리머 재료를 포함할 수 있고, 매트릭스측 본딩 유전체층(62)은 치밀화되고 미도핑된 실리케이트 유리를 포함할 수 있고, 제2 유전체 재료층(30)의 가장 상측의 서브층은 실리콘 질화물 또는 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다. 측방향으로 연장되는 캐비티(29)가 가동 엘리먼트(10a, 10b) 아래에 형성되어, 가동 엘리먼트(10a, 10b)를 아래에 놓인 구조물(예컨대, 제1 도전성 구조물(22), 제1 유전체 재료층(20) 등)로부터 분리할 수 있다. MEMS 어셈블리가 제공되며, MEMS 어셈블리는 MEMS 기판(50), 유전체 재료층(20, 30, 40) 위에 또는 내에 형성되고 MEMS 기판(50) 위에 놓이는 도전성 구조물(22, 32), 및 매트릭스층(10)과 그 안에서 둘러싸이고 유전체 재료층(20, 30, 40) 위에 놓이는 가동 엘리먼트(10a, 10b)의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로, 적어도 하나의 가동 엘리먼트(10a, 10b)가, MEMS 기판(50) 위의 매트릭스층(10) 내에서 측방향으로 구속(confine)될 수 있고, 패터닝된 매트릭스측 본딩 유전체층(62)은 매트릭스층(10)의 최상부 표면 상에 위치할 수 있다.
도 2a를 참조하면, 캡 구조물을 형성하기 위한 제1 예시적 구조물이 도시된다. 제1 예시적 구조물은, 본 명세서에서 캡 기판(70)으로 지칭되는 기판을 포함한다. 캡 기판(70)은, 반도체 재료, 절연성 재료 및/또는 도전성 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 캡 기판(70)은 본 명세서에서 제2 반도체 재료로 지칭되는 반도체 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 캡 기판(70)은 실리콘 기판을 포함할 수 있다. 캡 기판(70)의 두께는 60미크론 내지 1 mm의 범위일 수 있지만, 더 작거나 더 큰 두께 또한 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 전계 효과 트랜지스터(미도시)와 같은 상보형 금속 산화물 반도체(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS) 디바이스가 캡 기판(70)의 후면(backside) 상에 제공될 수 있다.
캡 기판(70)은, 도 1i에 도시된 MEMS 어셈블리의 다양한 디바이스 영역(101, 102)의 패턴의 거울상 패턴에 배열되는 다수의 디바이스 영역을 가질 수 있다. 예를 들어, 캡 기판(70)은, 제1 디바이스 영역(201), 제2 디바이스 영역(202) 및 선택적인 추가적인 디바이스 영역(미도시)을 포함할 수 있다. 캡 기판(70)의 제1 디바이스 영역(201)은 도 1i의 MEMS 어셈블리의 제1 디바이스 영역(101)의 거울상 형상을 가질 수 있고, 캡 기판(70)의 제2 디바이스 영역(202)은 도 1i의 MEMS 어셈블리의 제2 디바이스 영역(102)의 거울상 형상을 가질 수 있다.
포토 레지스트층(77)이 캡 기판(70)의 최상부 표면 위에 도포될 수 있다. 포토 레지스트층(77)은 이후에 리소그래피 패터닝되어 이를 관통하는 개구부를 형성할 수 있다. 포토 레지스트층(77)의 개구부 중 하나는, 도 1i의 MEMS 어셈블리의 제1 가동 엘리먼트(10a)의 영역의 거울상 영역에 형성될 수 있다. 포토 레지스트층(77)에 의해 덮이지 않은, 캡 기판(70)의 최상부 표면의 리세스부에 에칭 공정이 수행될 수 있다. 예를 들어, 포토 레지스트층(77)에 의해 마스킹되지 않은 영역에서, 캡 기판(70)의 최상부 표면의 부분들을 수직으로 리세스하도록, 이방성 에칭 공정이 수행될 수 있다. 캡 기판(70)의 전면(front side) 상의 제1 디바이스 영역(201)의 영역 내에 제1 리세스 영역(71a)이 형성될 수 있다. 수평의 리세스된 표면이 제1 리세스 영역(71a)의 부피 아래에 형성될 수 있다. 제1 리세스 영역(71a)의 수평 리세스된 표면과 캡 기판(70)의 가장 상측의 표면 사이의 수직 오프셋 거리(이는 수직 리세스 거리임)는 300 nm 내지 6미크론, 예를 들어 600 nm 내지 3미크론의 범위일 수 있지만, 더 작거나 더 큰 수직 오프셋 거리도 사용될 수 있다. 포토 레지스트층(77)은 예를 들어 애싱에 의해 이후에 제거될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 본딩 재료가 캡 기판(70)의 최상측 상에 퇴적되어 본딩 유전체층을 형성할 수 있고, 이 본딩 유전체층은 본 명세서에서 캡측 본딩 유전체층(72)으로 지칭된다. 캡측 본딩 유전체층(72)의 본딩 재료는 실리콘 산화물, 폴리머 재료 또는 유전체 접착 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 캡측 본딩 유전체층(72)은 매트릭스측 본딩 유전체층(62)과 동일한 본딩 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 캡측 본딩 유전체층(72)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있고, 100 nm 내지 1,000 nm 범위의 두께를 가질 수 있지만, 더 작거나 더 큰 두께 또한 사용될 수 있다. 캡측 본딩 유전체층(72)은 컨포멀하게(conformally) 또는 넌-컨포멀하게(non-conformally) 퇴적될 수 있다. 예를 들어, 캡측 본딩 유전체층(72)은 테트라에틸오르토실리케이트의 분해에 의해 형성되는, 미도핑된 실리케이트 유리를 포함할 수 있다. 캡측 본딩 유전체층(72)은 캡 기판(70)의 가장 상측의 (리세스되지 않은) 표면 및 리세스된 표면 위에 형성될 수 있다.
도 2c를 참조하면, 포토 레지스트층(78)이 캡측 본딩 유전체층(72) 위에 도포될 수 있고, 리소그래피 패터닝되어 이를 관통하는 개구부(73)의 어레이를 형성할 수 있다. 다양한 실시예에서, 포토 레지스트층(78)의 개구부(73)의 어레이는, 하나의 주기적 라인 앤드 스페이스 패턴, 교차점을 형성하도록 서로 교차하는 두 개의 주기적 라인 앤드 스페이스 패턴, 또는 이산 개구부(discrete opening)의 2차원 주기적 어레이를 가질 수 있다. 두 개의 주기적 라인 앤드 스페이스 패턴이 서로 교차하는 경우, 길이 방향의 라인 패턴들은 제1 주기적 라인 앤드 스페이스 패턴과 제2주기적 라인 앤드 스페이스 패턴 간에 서로 수직일 수 있다. 각각의 개구부의 폭은 30 nm 내지 600 nm의 범위일 수 있고, 각각의 스페이스의 폭은 30 nm 내지 1,200 nm의 범위일 수 있지만, 더 작거나 더 큰 치수 또한 사용될 수 있다. 제1 이방성 에칭 공정과 같은 에칭 공정이 수행되어, 포토 레지스트층(78)의 패턴을 캡측 본딩 유전체층(72)을 통해 전사할 수 있다.
도 2d, 2e, 2f 및 2g을 참조하면, 캡측 본딩 유전체층(72)의 개구부(73)의 패턴이, 제2 이방성 에칭 공정에 의해, 그 패턴의 아래에 놓인 캡 기판(70)의 일부에 전사된다. 제2 이방성 에칭 공정은 포토 레지스트층(78)을 에칭 마스크층으로 사용할 수 있다. 일 실시예에서, 포토 레지스트층(78)은 제2 이방성 에칭 공정 동안 소모될 수 있고, 캡측 본딩 유전체층(72)은 에칭 마스크층으로 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 포토 레지스트층(78)은 예를 들어 애싱에 의해 제거될 수 있고, 캡측 본딩 유전체층(72)은 에칭 마스크층으로 사용될 수 있다. 트렌치(75)의 어레이는 캡측 본딩 유전체층(72)을 관통하여 개구부의 어레이 아래에 형성될 수 있다. 트렌치(75)는 캡측 본딩 유전체층(72)을 관통하여 개구부 아래에 형성될 수 있고, 캡측 본딩 유전체층(72)의 개구부의 패턴을 복제한다. 제1 리세스 영역(71a)의 캡측 본딩 유전체층(72)의 최상부 표면과 트렌치(75)의 가장 하측의 표면 사이에서 측정되는 바와 같은, 트렌치(75)의 깊이는 200 nm 내지 4,000 nm의 범위일 수 있다. 트렌치(75)의 깊이는 제조 비용 및 아웃개싱 용량의 균형을 맞추도록 최적화될 수 있다. 예를 들어, 트렌치(75)의 깊이가 4,000 nm를 초과하면, 이방성 에칭 공정의 지속 시간이 상당히 연장될 수 있고, 이방성 에칭 단계의 처리 비용이 비경제적으로 높아질 수 있다. 트렌치(75)의 깊이가 200 nm 미만인 경우, 트렌치(75)에 제공될 수 있는 아웃개싱 재료의 부피가 충분한 아웃개싱을 제공하기에 불충분할 수 있고, 아웃개싱 후에도 캐비티 내부의 압력이 허용할 수 없을 정도로 낮아질 수 있다.
트렌치(75)는 캡측 본딩 유전체층(72)을 관통하여 제1 리세스 영역(71a) 내의 캡 기판(70) 내로 연장될 수 있다. 트렌치(75)는 도 2f에 도시된 1차원 어레이로서, 또는 도 2g에 도시된 2차원 어레이로서 형성될 수 있다. 단위 패턴(예컨대, 단일 트렌치(75)의 패턴)이 1차원 어레이에서 일방향으로 반복되고, 단위 패턴(예컨대, 두 개의 수직 트렌치(75)가 교차하는 교차점의 패턴)이 2차원 어레이에서 두 방향으로 반복된다.
도 2h, 2i, 2j, 및 2k을 참조하면, 범프 포함 재료층(82)이 넌-컨포멀 퇴적 공정에 의해 퇴적될 수 있다. 범프 포함 재료층(82)은 후술하는 바와 같이 범프의 어레이를 포함한다. 범프 포함 재료층(82)은 버퍼 재료를 포함할 수 있으며, 버퍼 재료는 반도체 재료 및 아웃개싱 유전체 재료 중 적어도 하나를 포함한다. 버퍼 재료는 반도체 재료로 구성될 수 있거나, 아웃개싱 유전체 재료로 구성될 수 있거나, 반도체 재료와 아웃개싱 유전체 재료의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 범프 포함 재료층(82)은 비정질 실리콘을 포함하고 및/또는 이로 필수적으로 구성될 수 있으며, 여기서 비정질 실리콘은 미도핑된 비정질 실리콘 또는 도핑된 비정질 실리콘일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 범프 포함 재료층(82)은 아웃개싱 유전체 재료를 포함하고, 및/또는 이로 필수적으로 구성될 수 있다. 아웃개싱 유전체 재료는 미도핑된 실리케이트 유리, 도핑된 실리케이트 유리, 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 범프 포함 재료층(82)이 아웃개싱 유전체 재료를 포함하는 경우, 가스는 범프 포함 재료층(82)을 퇴적하는 동안 범프 포함 재료층(82)에 포획될 수 있고, 이후에 진공 캐비티(예컨대, 도 1i에 도시된 제1 가동 엘리먼트(10a)를 포함하도록 이후에 형성될 제1 캐비티)로 방출될 수 있다. 예시적인 일 예에서, 범프 포함 재료층(82)은 테트라에틸오르토실리케이트의 플라즈마 분해에 의해 형성되는, 미도핑된 실리케이트 유리를 포함할 수 있다. 대안적으로, 범프 포함 재료층(82)은 실리콘 산화질화물 또는 다른 적절한 유전체 아웃개싱 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 범프 포함 재료층(82)은 약 500℃ 이하의 온도에서 퇴적될 수 있다. 예를 들어, 범프 포함 재료층(82)은 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) 공정에서 퇴적될 수 있다. 퇴적 온도는 약 300℃ 내지 약 500℃의 범위일 수 있고, 실란, 디실란, 테트라에틸오르토실리케이트 또는 버퍼 재료를 위한 다른 적절한 전구체 가스가 플라즈마 환경에서 분해될 수 있다. 평평한 수평 표면 상의 범프 포함 재료층(82)의 두께는 30 nm 내지 600 nm, 예를 들어 60 nm 내지 300 nm의 범위일 수 있다. 일반적으로, 범프 포함 재료층(82)의 두께는 트렌치(75)의 폭의 절반보다 클 수 있으며, 트렌치(75) 위의 시일(seal)의 형성에 의해 야기되는 지형 변화(범프)를 보존하도록 선택된다. 이 경우, 범프 포함 재료층(82)의 두께는 트렌치(75)의 폭보다 작을 수 있다. 트렌치(75)가 60 nm 내지 600 nm 범위의 폭을 갖는 경우, 범프 포함 재료층(82)의 두께는 트렌치(75)의 폭의 절반보다 클 수 있고(예컨대, 30 nm 초과), 트렌치(75)의 폭의 4배보다 작을 수 있다(예컨대, 600 nm 미만).
범프 포함 재료층(82)은 캡측 본딩 유전체층(72) 위에 형성될 수 있다. 범프 포함 재료층(82)을 형성하는 퇴적 공정의 넌-컨포멀 특성은 트렌치(75) 내에 공동(void)(79)의 형성을 유도한다. 구체적으로, 넌-컨포멀 퇴적 공정은, 범프 포함 재료층(82)의 버퍼 재료를 트렌치(75)의 측벽 상에 퇴적하여, 트렌치(75)의 측벽이 버퍼 재료로 라이닝되도록 한다. 범프 포함 재료층(82)의 버퍼는 넌-컨포멀 퇴적 공정 동안 트렌치(75)의 최하부에서보다 더 높은 퇴적 속도로 트렌치(75)의 상부 주변부에 축적되므로, 핀치 오프는 각각의 트렌치(75)의 최상부에서 발생한다. 따라서, 넌-컨포멀 퇴적 공정은 버퍼 재료로 충전되지 않은 트렌치(75)의 부피에 공동(79)을 형성한다.
또한, 트렌치(75)의 최상부에 위치하는 퇴적된 버퍼 재료의 핀치 오프는 범프 포함 재료층(82)의 최상부 표면의 국부적인 상승을 야기함으로써, 힐록 또는 범프를 형성한다. 따라서, 트렌치(75) 위에 놓이는 범프 포함 재료층(82)의 일부는 상향 돌출 범프(82B)의 어레이를 형성한다. 일반적으로, 범프 포함 재료층(82)은, 힐록의 수직 단면 프로파일을 갖는 상향 돌출 범프(82B) 각각을 형성하는 넌-컨포멀 퇴적 공정에 의해 형성될 수 있다. 각각의 상향 돌출 범프(82B)는 공동(79)의 각각의 것 위에 놓인다. 상향 돌출 범프(82B)의 가장 상측 표면과, 캡측 본딩 유전체층(72) 및 범프 포함 재료층(82)의 수평으로 연장되는 부분 사이의 계면을 포함하는 수평 표면 사이의 수직 거리는, 범프 포함 재료층(82)의 수평으로 연장되는 부분의 두께의 105 % 내지 150 %, 예컨대 31.5 nm 내지 900 nm의 범위일 수 있다.
일 실시예에서, 상향 돌출 범프(82B)는 힐록의 수직 단면 프로파일을 가질 수 있다. 캡 기판(70)의 제1 디바이스 영역(201)은, 캡 기판(70)의 가장 상측의 수평 표면으로부터 수직으로 상향 오프셋된, 수직으로 리세스된 수평 표면을 가질 수 있다. 트렌치(75)는, 캡 기판(70)의 수직으로 리세스된 수평 표면으로부터 캡 기판(70) 내로 수직으로 하향 연장되고, 상향 돌출 범프(82B) 각각의 것 아래에 놓인다. 트렌치(75) 내의 공동(79)에는 임의의 고체상 재료 또는 임의의 액상 재료가 없을 수 있다. 공동(79)은 트렌치(75)의 측벽 내에 포함될 수 있고, 각각의 상향 돌출 범프(82B) 아래에 위치할 수 있다. 트렌치(75)의 표면은 범프 포함 재료층(82)의 버퍼 재료로 라이닝될 수 있다. 각각의 공동(79)은, 관통하는 구멍이 없는 범프 포함 재료층(82)의 버퍼 재료의 각각의 연속적인 표면에 의해 정의되는, 캡슐화된 캐비티(encapsulated cavity)를 포함한다.
도 2l을 참조하면, 범프 포함 재료층(82)의 최상부 수평부는 캡측 본딩 유전체층(72)의 수평 최상부 표면 위로부터 제거될 수 있다. 예를 들어, 화학적 기계적 평탄화 공정이 수행되어, 캡측 본딩 유전체층(72) 위에 놓이는 범프 포함 재료층(82)의 수평 부분을 제거할 수 있다. 범프 포함 재료층(82)의 나머지 부분은 제1 리세스 영역(71a)의 주변부 내에 측방향으로 구속될 수 있다.
도 2m을 참조하면, 제1 에칭 마스크층(92)이 범프 포함 재료층(82) 및 캡측 본딩 유전체층(72) 위에 형성될 수 있다. 제1 에칭 마스크층(92)은 실리콘 질화물 또는 유전체 금속 산화물과 같은 하드 마스크 재료를 포함할 수 있다. 제1 에칭 마스크층(92)은 제2 디바이스 영역(202) 내에 개구부를 형성하도록 패터닝될 수 있다. 등방성 에칭 공정 또는 이방성 에칭 공정과 같은 에칭 공정이 수행되어, 제1 에칭 마스크층(92)의 개구부 아래에 놓이는 캡측 본딩 유전체층(72)의 물리적으로 노출된 부분을 관통하여 에칭할 수 있다. 따라서, 제2 디바이스 영역(202)의 캡측 본딩 유전체층(72)을 관통하여 개구부(91)가 형성될 수 있다.
도 2n을 참조하면, 제2 에칭 마스크층(93)이 캡측 본딩 유전체층(72)을 통해 개구부(91)의 영역의 일부를 덮도록 형성될 수 있다. 제2 에칭 마스크층(93)은 패터닝된 하드 마스크층일 수 있거나, 패터닝된 소프트 마스크층(예컨대, 패터닝된 포토 레지스트층)일 수 있다. 일 실시예에서, 제2 에칭 마스크층(93)은 제2 디바이스 영역(202)에서 캡측 본딩 유전체층(72)의 개구부의 중심 영역을 덮을 수 있다. 제1 에칭 마스크층(92)에 의해 또는 제2 에칭 마스크층(93)에 의해 덮이지 않은, 캡 기판(70)의 마스킹되지 않은 부분은 이방성 에칭 공정에 의해 수직으로 리세스되어 리세스 영역을 형성할 수 있으며, 여기서 리세스 영역은 공정 중 리세스 영역(81)으로 지칭된다. "공정 중 리세스”엘리먼트는 이후에 수정되는 엘리먼트를 말한다. 제2 에칭 마스크층(93)은 이후에 제1 에칭 마스크층(92)에 선택적으로 제거될 수 있다.
도 2o를 참조하면, 이방성 에칭 공정이 수행되어, 제1 에칭 마스크층(92)에 의해 마스킹되지 않은 캡 기판(70)의 부분을 수직으로 리세스한다. 제2 리세스 영역(71b)이, 캡측 본딩 유전체층(72)을 관통하여 개구부(91)의 영역 내에 형성될 수 있다. 제1 에칭 마스크층(92)은, 캡측 본딩 유전체층(72) 및 범프 포함 재료층(82)에 선택적으로, 이후에 제거될 수 있다.
제2 리세스 영역(71b)(제공되는 경우)은, 제1 리세스 영역(71a)에 인접하여 형성될 수 있는 추가적인 리세스 영역이다. 제2 리세스 영역(71b)은 제2 리세스 영역(71b)의 리세스된 표면으로부터 상향 돌출하는 추가적인 상향 돌출 범프를 포함한다. 제2 리세스 영역(71b)의 리세스된 표면은 공정 중 리세스 영역(81)의 영역 내에 위치할 수 있고, 추가적인 상향 돌출 범프는 제2 리세스 영역(71b)의 리세스된 표면의 영역에 의해 측방향으로 둘러싸일 수 있다. 일 실시예에서, 추가적인 상향 돌출 범프의 최상부 표면은 캡 기판(70)의 가장 상측의 표면으로부터 수직으로 리세스된 캡 기판(70)의 평면의 수평 표면을 포함한다. 추가적인 상향 돌출 범프의 최상부 표면의 리세스 깊이는 도 2o의 처리 단계에서 이방성 에칭 공정의 수직 에칭 거리일 수 있다. 도 1i의 MEMS 어셈블리와의 본딩 이후에 챔버가 형성될 때, 추가적인 상향 돌출 범프의 최상부 표면은 도 1i에 도시된 제2 가동 엘리먼트와 같은 가동 엘리먼트의 수직 이동을 정지시키는 캐핑면으로서 기능할 수 있다. 캡측 본딩 유전층(72)은 캡 기판(70)의 가장 상측의 표면 위에서 연장될 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 2o의 제1 예시적 구조물은 도 1i의 MEMS 어셈블리에 본딩되어 제1 예시적 마이크로 전자 기계 시스템(Micro-Electro Mechanical System, MEMS)을 형성할 수 있다. 이 예시된 실시예에서, 캡 기판(70)의 전면(즉, 도 2o에 도시된 상측)이 매트릭스층(10)을 마주하도록(실질적으로, 도 2o에 도시된 캡 기판(70)을 거꾸로 뒤집어서) 캡 기판(70)이 매트릭스층(10)에 본딩될 수 있다. 일 실시예에서, 캡 기판(70)을 매트릭스층(10)에 본딩하는 것은, 매트릭스측 본딩 유전체층(62)을 캡측 본딩 유전체층(72)에 본딩함으로써 달성될 수 있다. 매트릭스측 본딩 유전체층(62)은 매트릭스층(10)의 최상부 표면 상에 위치할 수 있다. 캡측 본딩 유전체층(72)은 캡 기판(70)의 최하부 표면 하에서(beneath) 연장되고, 매트릭스측 본딩 유전체층(62)에 본딩될 수 있다.
제1 가동 엘리먼트(10a)를 포함하는 제1 챔버(109)가 매트릭스층(10) 및 캡 기판(70)에 의해 형성될 수 있다. 제1 챔버(109)는 제1 가동 엘리먼트(10a) 위에 놓이는 제1 헤드 부피(57a)을 포함한다. 도 2h 내지 도 2k의 처리 단계에서 형성된 바와 같은 상향 돌출 범프(82B)의 어레이의 표면은 제1 챔버(109) 내의 제1 가동 엘리먼트(10a) 위에 제1 캡핑 표면을 제공한다. 캡 기판(70)이 도 3의 처리 단계에서 거꾸로 되기 때문에, 도 2h 내지 도 2k의 처리 단계에서 형성된 바와 같은 상향 돌출 범프(82B)의 어레이는 도 3의 제1 예시적 MEMS 디바이스(300) 내의 하향 돌출 범프의 어레이가 된다. 제1 챔버(109)는 매트릭스층(10)에 의해 측방향으로 경계를 이루고, 제1 가동 엘리먼트(10a) 위에 놓이는 제1 캡핑층에 의해 수직으로 경계를 이룰 수 있다. 제1 캡핑 표면은 범프 포함 재료층(82)의 각각의 부분을 포함하는 하향 돌출 범프(82B)의 어레이를 포함한다. 제1 디바이스 영역(201) 내에서 수직으로 리세스된 수평 표면은 수직으로 상승된 수평 표면(70S)이 된다. 상향 돌출 범프(82B)는 하향 돌출 범프(82B)가 된다. 트렌치(75)는 뒤집힌(inverted) 트렌치(75)가 된다. 제1 MEMS 디바이스(100)는 제1 가동 엘리먼트(10a), 제1 챔버(109) 및 제1 캡핑 표면을 포함한다. 제1 MEMS 디바이스(100)는 가속도계를 형성할 수 있다.
제2 가동 엘리먼트(10b)를 포함하는 제2 챔버(209)는, 캡 기판(70)을 매트릭스층(10)에 본딩하는 동안 캡 기판(70)의 제2 리세스 영역(71b)을 제2 가동 엘리먼트(10b) 위에 정렬시킴으로써 형성될 수 있다. 제2 챔버(209)는 제2 가동 엘리먼트(10b) 위에 놓이는 제2 헤드 부피(57b)을 포함할 수 있다. 제2 챔버(209)는 제2 가동 엘리먼트(10b) 위에 놓이는 제2 캡핑 표면에 의해 수직으로 경계를 이룰 수 있다. 제2 캡핑 표면은 제2 리세스 영역(71b) 내에 위치하는 캡 기판(70)의 평면의 수평 표면을 포함할 수 있다. 제2 챔버(209)는 제2 가동 엘리먼트(10b) 위에 놓이는 제2 캡핑 표면에 의해 수직으로 경계를 이룰 수 있다. 제2 MEMS 디바이스(200)는 제2 가동 엘리먼트(10b), 제2 챔버(209) 및 제2 캡핑 표면을 포함한다. 본 개시의 MEMS 디바이스는 (가속도계를 포함할 수 있는) 제1 MEMS 디바이스(100) 및 (자이로스코프를 포함할 수 있는) 제2 MEMS 디바이스(200)를 포함하는 복합 MEMS 디바이스일 수 있다.
도 4a를 참조하면, 캡 구조물을 형성하기 위한 제2 예시적 구조물은 캡 기판(70)을 포함하며, 이는 도 2a의 캡 기판(70)과 동일할 수 있다. 패터닝된 하드 마스크층(182)이 캡 기판(70)의 최상부 표면 상에 형성될 수 있다. 패터닝된 하드 마스크층(182)은, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및/또는 유전체 금속 산화물과 같은 하드 마스크 재료를 퇴적하고, 퇴적된 하드 마스크 재료를 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 퇴적된 하드 마스크 재료는, 예를 들어 포토 레지스트층(미도시)을 도포 및 패터닝하고, 캡 기판(70)의 재료에 선택적으로, 퇴적된 하드 마스크 재료를 에칭하는 에칭 공정을 사용하여 포토 레지스트층의 패턴을 퇴적된 하드 마스크 재료를 통해 전사함으로써 패터닝될 수 있다. 예를 들어, 이방성 에칭 공정이 수행되어, 포토 레지스트층의 패턴을 퇴적된 하드 마스크 재료를 통해 전사할 수 있다. 포토 레지스트층은, 예를 들어 애싱에 의해 이후에 제거될 수 있다.
패터닝된 하드 마스크층(182)의 개구부는 제1 디바이스 영역(201)에 형성된 제1 개구부 및 제2 디바이스 영역(202)에 형성된 제2 개구부를 포함할 수 있다. 캡 기판(70)의 제1 디바이스 영역(201)은 도 1i의 MEMS 어셈블리의 제1 디바이스 영역(101)의 거울상 형상을 가질 수 있고, 캡 기판(70)의 제2 디바이스 영역(202)은 도 1i의 MEMS 어셈블리의 제2 디바이스 영역(102)의 거울상 형상을 가질 수 있다.
도 4b를 참조하면, 패터닝된 에칭 마스크층(95)이 패터닝된 하드 마스크층(182) 위에 그리고 캡 기판(70)의 전면 위에 형성될 수 있다. 패터닝된 에칭 마스크층(95)은 패터닝된 소프트 마스크층(예컨대, 패터닝된 포토 레지스트층)일 수 있다. 일 실시예에서, 패터닝된 에칭 마스크층(95)은, 제1 디바이스 영역(201)의 개구부(73)의 어레이 및 제2 디바이스 영역(202)의 패터닝된 하드마스크층(182)의 개구부의 영역 내의 개구부를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 제1 디바이스 영역(201) 내의 패터닝된 에칭 마스크층(95)의 개구부(73)의 어레이는, 하나의 주기적 라인 앤드 스페이스 패턴, 교차점을 형성하도록 서로 교차하는 두 개의 주기적 라인 앤드 스페이스 패턴, 또는 이산 개구부(discrete opening)의 2차원 주기적 어레이를 가질 수 있다. 두 개의 주기적 라인 앤드 스페이스 패턴이 서로 교차하는 경우, 길이 방향의 라인 패턴들은 제1 주기적 라인 앤드 스페이스 패턴과 제2주기적 라인 앤드 스페이스 패턴 간에 서로 수직일 수 있다. 각각의 개구부(73)의 폭은 30 nm 내지 600 nm의 범위일 수 있고, 각각의 스페이스의 폭은 30 nm 내지 1,200 nm의 범위일 수 있지만, 더 작거나 더 큰 치수 또한 사용될 수 있다. 패터닝된 에칭 마스크층(95)은 제2 디바이스 영역(202)에서 패터닝된 하드 마스크층(182)의 개구부의 중심 영역을 덮을 수 있다.
도 4c를 참조하면, 일 실시예에서, 제1 이방성 에칭 공정이 수행되어, 패터닝된 에칭 마스크층(95)과 패터닝된 하드 마스크층(182)의 조합에 의해 마스킹되지 않은 캡 기판(70)의 부분을 에칭할 수 있다. 제1 트렌치(75a)의 어레이가 패터닝된 에칭 마스크층(95)의 개구부의 어레이 아래에 형성될 수 있다. 캡 기판(70)의 최상부 표면과 제1 트렌치(75a)의 가장 하측의 표면 사이에서 측정되는 바와 같은, 제1 트렌치(75a)의 깊이는 200 nm 내지 4,000 nm의 범위일 수 있지만, 더 작거나 더 큰 깊이도 사용될 수 있다. 제1 트렌치(75a)의 깊이는 제조 비용 및 디개싱(degassing) 용량의 균형을 맞추도록 최적화될 수 있다. 예를 들어, 제1 트렌치(75a)의 깊이가 4,000 nm를 초과하면, 이방성 에칭 공정의 지속 시간이 상당히 연장될 수 있고, 이방성 에칭 단계의 처리 비용이 비경제적으로 높아질 수 있다. 제1 트렌치(75a)의 깊이가 200 nm 미만인 경우, 제1 트렌치(75a)에 제공될 수 있는 아웃개싱 재료의 부피가 충분한 아웃개싱을 제공하기에 불충분할 수 있고, 아웃개싱 후에도 캐비티 내부의 압력이 허용할 수 없을 정도로 낮아질 수 있다. 제1 트렌치(75a)는 1차원 어레이로서, 또는 2차원 어레이로서 형성될 수 있다. 1차원 어레이를 실행하는 실시예에서는 단위 패턴(예컨대, 단일 제1 트렌치의 패턴)이 일방향으로 반복되고, 2차원 어레이를 실행하는 실시예에서는 단위 패턴(예컨대, 두 개의 수직하는 제1 트렌치가 교차하는 교차점의 패턴)이 두 방향으로 반복된다.
제2 디바이스 영역(202)에서, 패터닝된 에칭 마스크층(95)과 패터닝된 하드 마스크층(182)의 조합에 의해 덮이지 않은 캡 기판(70)의 마스킹되지 않은 부분은 제1 이방성 에칭 공정에 의해 수직으로 리세스되어 리세스 영역을 형성할 수 있으며, 여기서 리세스 영역은 공정 중 리세스 영역(81)으로 지칭된다. 패터닝된 에칭 마스크층(95)은, 패터닝된 하드 마스크층(182)에 대해 선택적으로, 이후에 제거될 수 있다.
도 4d를 참조하면, 패터닝된 하드 마스크층(182)을 에칭 마스크로 사용하여 제2 이방성 에칭 공정이 수행될 수 있다. 제1 트렌치(75a)를 포함하는 캡 기판(70)의 영역은 제2 이방성 에칭 공정에 의해 이방성 에칭되고 수직으로 리세스되어 제1 리세스 영역(71a)을 형성할 수 있다. 제1 트렌치(75a)는 제2 이방성 에칭 공정 동안 추가로 에칭되어, 제1 리세스 영역(71a)의 리세스된 수평 표면으로부터 하향 연장되는 제2 트렌치(75b)를 형성할 수 있다. 제2 트렌치(75b)는 제1 트렌치(75a)의 패턴을 복제하고, 제1 디바이스 영역(201)의 리세스된 수평 표면으로부터 수직으로 하향 연장된다. 제2 트렌치(75b)의 깊이는 200 nm 내지 4,000 nm의 범위일 수 있지만, 더 작거나 더 큰 깊이도 사용될 수 있다.
제2 이방성 에칭 공정은, 패터닝된 하드 마스크층(182)에 의해 마스킹되지 않은, 제2 디바이스 영역(202)의 캡 기판(70)의 일부를 수직으로 리세스한다. 제2 리세스 영역(71b)은, 공정 중 리세스 영역(81) 위에 놓이는, 패터닝된 하드 마스크층(182)을 관통하는 개구부의 영역 내에 형성된다. 제2 리세스 영역(71b)(제공되는 경우)은, 제1 리세스 영역(71a)에 인접하여 형성되는 추가적인 리세스 영역이다. 제2 리세스 영역(71b)은 제2 리세스 영역(71b)의 리세스된 표면으로부터 상향 돌출하는 상향 돌출 범프를 포함한다. 상향 돌출 범프는 제2 리세스 영역(71b)의 리세스된 표면의 영역에 의해 측방향으로 둘러싸일 수 있다. 상향 돌출 범프의 최상부 표면의 리세스 깊이는 제2 이방성 에칭 공정의 수직 에칭 거리일 수 있다. 패터닝된 하드 마스크층(182)은, 예를 들어 습식 에칭 공정에 의해, 캡 기판(70)에 선택적으로, 이후에 제거될 수 있다
도 4e, 4f, 4g, 및 4h을 참조하면, 범프 포함 재료층(192)이 넌-컨포멀 퇴적 공정에 의해 퇴적될 수 있다. 범프 포함 재료층(192)은 본딩 재료를 포함하고, 본딩 재료는 실리콘 산화물, 폴리머 재료 또는 유전체 접착제 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 범프 포함 재료층(192)은 매트릭스측 본딩 유전체층(62)과 동일한 본딩 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 범프 포함 재료층(192)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있고, 30 nm 내지 300 nm, 예컨대 60 nm 내지 150 nm 범위의 수직 두께를 가지지만, 더 작고 더 큰 두께 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 범프 포함 재료층(192)은, 넌-컨포멀 퇴적 공정인 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) 공정에서 테트라에틸오르토실리케이트의 분해에 의해 형성되는, 미도핑된 실리케이트 유리를 포함할 수 있다. 범프 포함 재료층(192)은 캡 기판(70)의 전면 상에 위치하는 캡 기판(70)의 모든 물리적으로 노출된 표면 상에 형성될 수 있다.
범프 포함 재료층(192)을 형성하는 퇴적 공정의 넌-컨포멀 특성은 제2 트렌치(75b) 내에 공동(void)(79)의 형성을 유도할 수 있다. 구체적으로, 넌-컨포멀 퇴적 공정은, 범프 포함 재료층(192)의 유전체 재료를 제2 트렌치(75b)의 측벽 상에 퇴적하여, 제2 트렌치(75b)의 측벽이 유전체 재료로 라이닝되도록 할 수 있다. 범프 포함 재료층(192)의 유전체 재료는 넌-컨포멀 퇴적 공정 동안 제2 트렌치(75b)의 최하부에서보다 더 높은 퇴적 속도로 제2 트렌치(75b)의 상부 주변부에 축적되므로, 핀치 오프는 각각의 제2 트렌치(75b)의 최상부에서 발생한다. 따라서, 넌-컨포멀 퇴적 공정은 유전체 재료로 충전되지 않은 제2 트렌치(75b)의 부피에 공동(79)을 형성한다.
또한, 제2 트렌치(75b)의 최상부에 위치하는 퇴적된 유전체 재료의 핀치 오프는 범프 포함 재료층(192)의 최상부 표면의 국부적인 상승을 야기함으로써, 힐록 또는 범프를 형성한다. 따라서, 제2 트렌치(75b) 위에 놓이는 범프 포함 재료층(192)의 부분들은 상향 돌출 범프(192B)의 어레이를 형성한다. 일반적으로, 범프 포함 재료층(192)은, 힐록의 수직 단면 프로파일을 갖는 상향 돌출 범프(192B) 각각을 형성하는 넌-컨포멀 퇴적 공정에 의해 형성될 수 있다. 각각의 상향 돌출 범프(192B)는 공동(79)의 각각의 것 위에 놓인다.
일 실시예에서, 상향 돌출 범프(192B)는 힐록의 수직 단면 프로파일을 가질 수 있다. 캡 기판(70)의 제1 디바이스 영역(201)은, 캡 기판(70)의 가장 상측의 수평 표면으로부터 수직으로 상향 오프셋된, 수직으로 리세스된 수평 표면을 가질 수 있다. 제2 트렌치(75b)는, 캡 기판(70)의 수직으로 리세스된 수평 표면으로부터 캡 기판(70) 내로 수직으로 하향 연장되고, 상향 돌출 범프(192B) 각각의 것 아래에 놓인다. 제2 트렌치(75b) 내의 공동(79)에는 임의의 고체상 재료 또는 임의의 액상 재료가 없을 수 있다. 공동(79)은 제2 트렌치(75b)의 측벽 내에 포함될 수 있고, 각각의 상향 돌출 범프(192B) 아래에 놓일 수 있다. 제2 트렌치(75b)의 표면은 범프 포함 재료층(192)의 유전체 재료로 라이닝될 수 있다. 각각의 공동(79)은, 관통하는 구멍이 없는 범프 포함 재료층(192)의 유전체 재료의 각각의 연속적인 표면에 의해 정의되는, 캡슐화된 캐비티(encapsulated cavity)를 포함한다.
도 5를 참조하면, 도 4e 내지 도 4h의 제2 예시적 구조물이 도 1i의 MEMS 어셈블리에 본딩되어 제2 예시적 마이크로 전자 기계 시스템(Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 디바이스(400)를 형성할 수 있다. 이 경우에, 캡 기판(70)의 전면(front side)(즉, 도 4e에 도시된 상측)이 매트릭스층(10)을 마주하도록, 캡 기판(70)이 매트릭스층(10)에 본딩될 수 있다. 일 실시예에서, 캡 기판(70)을 매트릭스층(10)에 본딩하는 것은, 매트릭스측 본딩 유전체층(62)을 범프 포함 재료층(192)에 본딩함으로써 달성될 수 있다. 매트릭스측 본딩 유전체층(62)은 매트릭스층(10)의 최상부 표면 상에 위치할 수 있다. 범프 포함 재료층(192)은 캡 기판(70)의 최하부 표면 하에서 연장되고, 매트릭스측 본딩 유전체층(62)에 본딩될 수 있다.
제1 가동 엘리먼트(10a)를 포함하는 제1 챔버(109)가 매트릭스층(10) 및 캡 기판(70)에 의해 형성될 수 있다. 제1 챔버(109)는 제1 가동 엘리먼트(10a) 위에 놓이는 제1 헤드 부피(57a)을 포함한다. 도 4e 내지 4h의 처리 단계에서 형성된 바와 같은 상향 돌출 범프(192B)의 어레이의 표면은 제1 챔버(109) 내의 제1 가동 엘리먼트(10a) 위에 제1 캡핑 표면을 제공한다. 캡 기판(70)이 도 5의 처리 단계에서 거꾸로 되기 때문에, 도 4e 내지 4h의 처리 단계에서 형성된 바와 같은 상향 돌출 범프(192B)의 어레이는 도 5의 제2 예시적 MEMS 디바이스(400) 내의 하향 돌출 범프의 어레이가 된다. 제1 챔버(109)는 매트릭스층(10)에 의해 측방향으로 경계를 이루고, 제1 가동 엘리먼트(10a) 위에 놓이는 제1 캡핑층에 의해 수직으로 경계를 이룰 수 있다. 제1 캡핑 표면은, 범프 포함 재료층(192)일 수 있는 유전체 재료층의 각각의 부분을 포함하는 하향 돌출 범프(192B)의 어레이를 포함한다. 제1 디바이스 영역(201) 내의 수직으로 리세스된 수평 표면은 수직으로 상승된 수평 표면(70S)이 된다. 상향 돌출 범프(192B)는 하향 돌출 범프(192B)가 된다. 제2 트렌치(75b)는 뒤집힌 트렌치(75b)가 된다. 제1 MEMS 디바이스(100)는 제1 가동 엘리먼트(10a), 제1 챔버(109) 및 제1 캡핑 표면을 포함한다.
제2 가동 엘리먼트(10b)를 포함하는 제2 챔버(209)는, 캡 기판(70)을 매트릭스층(10)에 본딩하는 동안 캡 기판(70)의 제2 리세스 영역(71b)을 제2 가동 엘리먼트(10b) 위에 정렬시킴으로써 형성될 수 있다. 제2 챔버(209)는 제2 가동 엘리먼트(10b) 위에 놓이는 제2 헤드 부피(57b)을 포함한다. 제2 챔버(209)는 제2 가동 엘리먼트(10b) 위에 놓이는 제2 캡핑 표면에 의해 수직으로 경계를 이룰 수 있다. 제2 캡핑 표면은 제2 리세스 영역(71b) 내에 위치하고 캡 기판(70)의 가장 하측의 표면으로부터 수직으로 상향 오프셋하는 범프 포함 재료층(192)의 평평한 (수평) 최하부 표면을 포함할 수 있다. 제2 챔버(209)는 제2 가동 엘리먼트(10b) 위에 놓이는 제2 캡핑 표면에 의해 수직으로 경계를 이룰 수 있다. 제2 MEMS 디바이스(200)는 제2 가동 엘리먼트(10b), 제2 챔버(209) 및 제2 캡핑 표면을 포함한다. 본 개시의 MEMS 디바이스는 (가속도계를 포함할 수 있는) 제1 MEMS 디바이스(100) 및 (자이로스코프를 포함할 수 있는) 제2 MEMS 디바이스(200)를 포함하는 복합 MEMS 디바이스(400)일 수 있다.
도 6은 MEMS 디바이스(300)를 형성하는 방법(600)의 작업을 도시하는 공정 흐름도이다. MEMS 디바이스(300)는 제1 MEMS 디바이스(100) 및/또는 제2 MEMS 디바이스(200)를 포함할 수 있고, 동일한 MEMS 기판(50) 상에 제공되는 추가적인 MEMS 디바이스를 선택적으로 포함할 수 있다. 단계(610)에서, 적어도 하나의 가동 엘리먼트(10a, 10b)가 도 1a 내지 도 1i를 참조하여 도시되고 위에서 더 상세히 설명한 공정 단계에 따라 MEMS 기판(50) 위에 놓이는 매트릭스 층(10) 내에 형성될 수 있다. 적어도 하나의 가동 엘리먼트(10a, 10b)는 먼저 형성되어 확보되거나, 도 2a 내지 도 2o에 도시된 캡 구조물과 동시에 또는 이후에 형성될 수 있다. 도 6은 단계(620 내지 660)에서의 캡 구조물의 형성을 도시하지만, 당업자는, 다양한 실시예가 개시된 단계를 다양한 순서로 수행할 수 있음을 인식할 것이다. 단계(620)에서, 제1 리세스 영역(71a)이 캡 기판(70)의 전면 상에 형성될 수 있다. 단계(630)에서, 캡측 본딩 유전체층(72)이, 캡 기판(70)의 가장 상측의 표면 위에 그리고 캡 기판(70)의 제1 리세스 영역(71a)에 형성될 수 있다. 단계(640)에서, 캡측 본딩 유전체층(72)을 관통하여 캡 기판(70) 내로 연장되는 트렌치(75)가 제1 리세스 영역의 영역 내에 형성될 수 있다. 단계(650)에서, 범프 포함 재료층(82)이 캡측 본딩 유전체층(72) 위에 형성될 수 있다. 도 2a 내지 2o를 참조하여 전술한 바와 같이, 트렌치(75) 위에 놓이는 범프 포함 재료층(82)의 부분은 상향 돌출 범프(82B)의 어레이를 형성할 수 있다. 또한, 범프 포함 재료층(82)은, 힐록의 수직 단면 프로파일을 갖는 상향 돌출 범프(82B) 각각을 형성하는 넌-컨포멀 퇴적 공정에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 넌-컨포멀 퇴적 공정은, 범프 포함 재료층(82)의 버퍼 재료를 트렌치(75)의 측벽 상에 퇴적하여 트렌치의 측벽이 버퍼 재료로 라이닝되도록 할 수 있고, 버퍼 재료로 충전되지 않은 트렌치(75)의 부피에 공동(79)을 형성한다. 각각의 상향 돌출 범프(82B)는 공동의 각각의 것 위에 놓인다.
단계(670)에서, 캡 기판(70)의 전면이 매트릭스층(10)과 마주하도록 캡 기판(70)이 매트릭스층(10)에 본딩되고, 제1 가동 엘리먼트(10a)(적어도 하나의 가동 엘리먼트(10a, 10b) 중 하나임)를 포함하는 제1 챔버(109)가 매트릭스층(10) 및 캡 기판(70)에 의해 형성되며, 여기서 상향 돌출 범프(82B)의 어레이의 표면은 본딩하는 동안 제1 가동 엘리먼트(10a) 위에 거꾸로 놓인 이후에 제1 챔버(109) 내에 제1 캡핑 표면을 제공한다.
도 7은 MEMS 디바이스(400)를 형성하는 다른 실시예 방법(700)의 작업을 도시하는 공정 흐름도이다. MEMS 디바이스(400)는 제1 MEMS 디바이스(100) 및/또는 제2 MEMS 디바이스(200)를 포함할 수 있고, 동일한 MEMS 기판(50) 상에 제공되는 추가적인 MEMS 디바이스를 선택적으로 포함할 수 있다. 단계(610)에서, 적어도 하나의 가동 엘리먼트(예를 들어, 10a)가, 도 1a 내지 도 1i를 참조하여 도시되고 위에서 더 상세히 설명한 공정 단계에 따라, MEMS 기판(50) 위에 놓이는 매트릭스 층(10) 내에 형성될 수 있다. 적어도 제2 가동 엘리먼트(예를 들어, 10b)가, 도 1a 내지 도 1i를 참조하여 도시되고 위에서 더 상세히 설명한 공정 단계에 따라, MEMS 기판(50) 위에 놓이는 매트릭스 층(10) 내에 형성될 수 있다. 매트릭스층의 최상부 표면에 위치하는 매트릭스측 본딩 유전체 층(62)이 형성될 수 있다. 적어도 제1 및 제2 가동 엘리먼트(예를 들어, 10a, 10b)는 먼저 형성되어 확보되거나, 캡 구조물과 동시에 또는 이후에 형성될 수 있다.
도 7은 단계(720 내지 750)에서의 캡 구조물의 형성을 도시하지만, 당업자는 다양한 실시예가 다양한 순서로 개시된 단계를 수행할 수 있음을 인식할 것이다. 단계(720)에서, 제1 트렌치(75a)가 캡 기판(70)의 전면 상에 형성될 수 있다. 선택적으로, 공정 중 리세스 영역(81)이 단계(720) 중에 선택적으로 형성될 수 있다. 단계(730)에서, 제1 리세스 영역(71a)이 제1 트렌치(75a)를 포함하는 캡 기판(70)의 영역을 수직으로 리세스함으로써 형성될 수 있고, 제1 리세스 영역(71a)은 이로부터 하향 연장되는 제2 트렌치(75b)를 갖는다. 캡 기판(70)의 제1 리세스 영역(71a)에는 리세스된 수평 표면이 형성될 수 있다. 제1 트렌치(75a)의 패턴을 복제하는 제2 트렌치(75b)가 리세스된 수평 표면으로부터 수직으로 하향 연장된다. 제2 리세스 영역(71b)은 선택적으로 형성될 수 있다. 단계(740)에서, 범프 포함 재료층(192)이, 캡 기판(70)의 가장 상측의 표면 위에 그리고 캡 기판(70)의 제1 리세스 영역(71a)에 형성된다. 제2 리세스 영역(71b)이 제공되면, 범프 포함 재료층(192)은 제2 리세스 영역(71b)의 모든 표면 상에 형성된다. 제2 트렌치(75b) 위에 놓이는 범프 포함 재료층(192)의 부분은 상향 돌출 범프(192B)의 어레이를 갖는다. 단계(750)에서, 캡 기판(70)의 전면이 매트릭스층(10)을 마주하도록 캡 기판(70)이 매트릭스층(10)에 본딩되고, 적어도 하나의 가동 엘리먼트(10a, 10b)로부터 선택되는 제1 가동 엘리먼트(10a)를 포함하는 제1 챔버(109)가 매트릭스층(10) 및 캡 기판(70)에 의해 형성되며, 여기서 상향 돌출 범프(192B)의 어레이의 표면은, 본딩하는 동안 제1 가동 엘리먼트(10a) 위에 거꾸로 놓인 후에, 제1 챔버(109) 내에 제1 캡핑 표면을 제공한다.
모든 도면을 참조하고 본 개시의 다양한 실시예에 따르면, 마이크로 전자 기계 시스템(Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 디바이스가 제공되며, MEMS 디바이스는, MEMS 기판(50); MEMS 기판(50) 위에 놓이는 매트릭스층(10) 내에 측방향으로 구속되는 적어도 하나의 가동 엘리먼트(10a, 10b); 및 매트릭스층(10)에 본딩되는 캡 기판(70)을 포함하고, 적어도 하나의 가동 엘리먼트(10a, 10b) 중에 선택되는 제1 가동 엘리먼트(10a)는, 매트릭스층(10)에 의해 측방향으로 경계를 이룰 수 있고 제1 가동 엘리먼트(10a) 위에 놓이는 제1 캡핑 표면에 의해 수직으로 경계를 이룰 수 있는 제1 챔버(109) 내부에 위치할 수 있고, 제1 캡핑 표면은, 범프 포함 재료층(82) 또는 범프 포함 재료층(192)일 수 있는 범프 포함 재료층(82 또는 192)의 각각의 부분을 포함하는 하향 돌출 범프(82B 또는 192B)의 어레이를 포함한다.
일 실시예에서, 하향 돌출 범프(82B 또는 192B) 각각은 뒤집힌 힐록의 수직 단면 프로파일을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 캡 기판(70)은, 제1 챔버(109) 위에 놓이고 캡 기판(70)의 근접한 수평 표면으로부터 수직으로 상향 오프셋된, 수직으로 상승된 수평 표면(70S)을 포함할 수 있다. 캡 기판(70)의 근접한 수평 표면은 매트릭스층(10) 위에 놓이며 캡 기판(70)의 모든 표면 중에 선택되어 매트릭스층(10)에 가장 근접한 것이다. 본 명세서에서, 엘리먼트의 근접한 표면이란 매트릭스측 본딩 유전체층(62)과 범프 포함 재료층(82 또는 192) 사이의 경계에 가장 근접한 엘리먼트의 표면을 지칭한다. 본 명세서에서, 엘리먼트의 원위 표면이란 매트릭스측 본딩 유전체층(62)과 범프 포함 재료층(82 또는 192) 사이의 경계에서 가장 먼 엘리먼트의 표면을 지칭한다
일 실시예에서, MEMS 디바이스는 캡 기판(70)의 수직으로 상승된 수평 표면(70S)에서 캡 기판(70) 내로 수직으로 상향 연장되고 하향 돌출 범프(82B 또는 192B) 각각의 것 위에 놓이는 뒤집힌 트렌치(75 또는 75b)를 포함한다. 일 실시예에서, MEMS 디바이스는, 임의의 고체상 재료 또는 임의의 액상 재료가 없고, 뒤집힌 트렌치(75 또는 75b)의 측벽 내에 포함되며, 각각의 하향 돌출 범프(82B 또는 192B) 위에 놓이는 공동(79)을 포함한다. 일 실시예에서, 뒤집힌 트렌치(75 또는 75b)의 표면은 범프 포함 재료층(82 또는 192)의 재료로 라이닝되고; 공동(79) 각각은, 관통하는 홀이 없는 범프 포함 재료층(82 또는 192)의 재료의 각각의 연속적인 표면에 의해 정의되는 캡슐화된 캐비티를 포함한다.
일 실시예에서, MEMS 디바이스는, 매트릭스층(10)의 최상부 표면 상에 위치하는 매트릭스측 본딩 유전체층(62)을 포함한다. 범프 포함 재료층(예컨대, 범프 포함 재료층(192))은 캡 기판(70)의 최하부 표면 하에서(beneath) 연장되고 매트릭스측 본딩 유전체층(62)에 본딩된다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 가동 엘리먼트(10a, 10b)는, 제2 캡핑 표면에 의해 수직으로 경계를 이루는 제2 챔버(209) 내부에 위치하는 제2 가동 엘리먼트(10b)를 포함하며, 제2 캡핑 표면은 제2 가동 엘리먼트(10b) 위에 놓인다. 제2 캡핑 표면은 범프 포함 재료층(예컨대, 범프 포함 재료층(192))의 일부를 포함하고 평평한 최하부 표면을 갖는다.
일 실시예에서, 매트릭스측 본딩 유전체층(62)이 매트릭스층(10)의 최상부 표면 상에 위치한다. 캡측 본딩 유전체층(72)이 범프 포함 재료층(예컨대, 범프 포함 재료층(82))과 캡 기판(70)의 수직으로 상승된 수평 표면(70S) 사이에 위치하고, 캡 기판(70)의 최하부 표면 하에서 연장되며, 매트릭스측 본딩 유전체층(62)에 본딩될 수 있다.
일 실시예에서, 하향 돌출 범프(82B 또는 192B)의 어레이는 1차원 어레이 또는 2차원 어레이를 포함한다. 적어도 하나의 가동 엘리먼트(10a, 10b) 및 매트릭스층(10)은 제1 반도체 재료를 포함하고, 캡 기판(70)은 제2 반도체 재료를 포함한다.
일 실시예에서, 제1 가동 엘리먼트(10a), 제1 챔버(109) 및 하향 돌출 범프(82B 또는 192B)의 어레이를 포함하는 디바이스는 가속도계를 포함한다. 제2 가동 엘리먼트(10b), 제2 챔버(209) 및 제2 캡핑 표면을 포함하는 디바이스는 자이로스코프를 포함한다.
하향 돌출 범프(82B 또는 192B)의 어레이는 제1 가동 엘리먼트에 대한 제1 캡핑 표면으로서 기능하고, 이는 제1 가동 엘리먼트(10a)에 대한 정지 표면으로서 기능한다. 하향 돌출 범프(82B 또는 192B)의 어레이는, 예를 들어 과도한 가속 중에 제1 가동 엘리먼트(10a)가 제1 캡핑 표면에 부딪칠 때 접촉 면적을 감소시키는 데 유리하게 사용될 수 있다. 다시 말해서, 하향 돌출 범프(82B 또는 192B)는, 제1 가동 엘리먼트(10a)가 캡 기판의 제1 캡핑 표면과 충돌하는 경우 제1 가동 엘리먼트(10a)에 감소된 접촉 영역을 제공한다. 제1 가동 엘리먼트(10a)와 캡 기판 사이의 접촉 면적의 감소는, 충돌시 제1 가동 엘리먼트(10a)가 캡 기판에 달라붙을(stick) 확률을 감소시킨다. 캡 기판과 접촉할 때 제1 가동 엘리먼트(10a)의 달라붙음을 억제함으로써, 제1 가동 엘리먼트(10a)를 포함하는 MEMS 디바이스(예컨대, 가속도계)의 신뢰성 및 정확성이 향상될 수 있다. 또한, 범프 포함 재료층(192)이 사용되는 경우, 제2 MEMS 디바이스(예컨대, 자이로스코프)를 위한 제2 캡핑 표면은 제2 가동 엘리먼트(10b)에 더 작은 접촉 표면을 제공하여 제2 MEMS 디바이스의 신뢰성 및 정확성을 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서, 본딩 유전체층(62, 72 또는 192)을 통해 MEMS 기판(50)을 캡 기판(70)에 본딩하는 동안, 대기압 또는 대기압보다 높은 압력의 대기(ambient)가 사용될 수 있다. MEMS 기판(50)을 캡 기판(70)에 본딩하는 동안, 질소 대기 또는 다른 불활성 대기가 사용될 수 있다. 범프 포함 재료층(82)이 아웃개싱 재료를 포함하는 경우, MEMS 기판(50)을 캡 기판(70)에 본딩하는 동안 또는 이후에 범프 포함 재료층(82)으로부터 방출된 가스는 제1 챔버(109)의 압력을 증가시킬 수 있다. 이러한 증가된 압력은, 제1 가동 엘리먼트(10a)가 이동하는 동안 제1 가동 엘리먼트(10a)의 기계적 제동(damping)을 증가시키는 이점을 제공할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 마이크로 전자 기계 시스템(Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 디바이스가 제공된다. MEMS 디바이스는, MEMS 기판(50) 및 하나 이상의 가동 엘리먼트(10a, 10b)를 포함할 수 있다. 각각의 가동 엘리먼트(10a, 10b)는 MEMS 기판(50) 위에 놓이는 매트릭스층(10) 내에 측방향으로 구속된다. 캡 기판(70)은, 예를 들어 본딩 유전체층(62, 72 또는 192)를 통해 매트릭스층(10)에 본딩된다. 제1 가동 엘리먼트(10a)는, 매트릭스층(10)에 의해 측방향으로 경계를 이루고 제1 가동 엘리먼트(10a) 위에 놓이는 제1 캡핑 표면에 의해 수직으로 경계를 이루는 제1 챔버(109) 내부에 위치한다. 제1 캡핑 표면은, 범프 포함 재료층(82, 192)의 부분들일 수 있는 범프 포함 재료층의 각각의 부분을 포함하는 하향 돌출 범프(82B 또는 192B)의 어레이를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 마이크로 전자 기계 시스템(Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 디바이스를 형성하는 방법이 제공된다. 매트릭스층(10) 내에 측방향으로 구속되는 적어도 하나의 가동 엘리먼트(10a, 10b)가 MEMS 기판(50) 위에 형성될 수 있다. 리세스 영역(71a)가 캡 기판(70)의 전면(front side) 상에 형성될 수 있다. 캡측 본딩 유전체층(72)이 캡 기판(70)의 가장 상측의 표면 위에 그리고 캡 기판(70)의 리세스 영역(71a)에 형성될 수 있다. 캡측 본딩 유전체층(72)을 관통하여 연장되는 트렌치들(75)이 리세스 영역(71a) 내의 캡 기판(70) 내로 형성된다. 범프 포함 재료층(82)이 캡측 본딩 유전체층(72) 위에 형성될 수 있다. 트렌치들(75) 위에 놓이는 범프 포함 재료층(82)의 부분들이 상향 돌출 범프(82B)의 어레이를 형성한다. 캡 기판(70)의 전면이 매트릭스층(10)을 마주하도록 캡 기판(70)이 매트릭스층(10)에 본딩될 수 있다. 제1 가동 엘리먼트(10a)를 포함하는 제1 챔버(109)가 매트릭스층(10) 및 캡 기판(70)에 의해 형성될 수 있다. 상향 돌출 범프의 어레이(82B)의 표면은, 본딩하는 동안 제1 가동 엘리먼트(10a) 위에 거꾸로 놓인 이후에 제1 챔버(109) 내에 제1 캡핑 표면을 제공한다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 마이크로 전자 기계 시스템(Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 디바이스를 형성하는 방법이 제공된다. 매트릭스층(10) 내에 측방향으로 구속되는 적어도 하나의 가동 엘리먼트(10a, 10b)가 MEMS 기판(50) 위에 형성될 수 있다. 제1 트렌치들(75a)이 캡 기판(70)의 전면 상에 형성될 수 있다. 제1 트렌치들(75a)을 포함하는 캡 기판(70)의 영역이 수직으로 리세스될 수 있다. 리세스된 수평 표면이 캡 기판(70)의 리세스 영역에 형성될 수 있고, 제1 트렌치들(75a)의 패턴을 복제하는 제2 트렌치들(75b)이 리세스된 수평 표면으로부터 수직으로 하향 연장된다. 범프 포함 재료층(192)이 캡 기판(70)의 가장 상측의 표면 및 캡 기판(70)의 리세스 영역(71a)에 형성된다. 또한, 제2 트렌치들(75b) 위에 놓이는 범프 포함 재료층(192)의 부분들이 상향 돌출 범프(192B)의 어레이를 갖는다. 캡 기판(70)의 전면이 매트릭스층(10)을 마주하도록 캡 기판(70)이 매트릭스층(10)에 본딩될 수 있다. 제1 가동 엘리먼트(10a)를 포함하는 제1 챔버(109)가 매트릭스층(10) 및 캡 기판(70)에 의해 형성될 수 있다. 상향 돌출 범프(192B)의 어레이의 표면은, 본딩하는 동안 제1 가동 엘리먼트(10a) 위에 거꾸로 놓인 이후에 제1 챔버(109) 내에 제1 캡핑 표면을 제공한다.
전술한 바는 몇몇 실시예의 특징부를 개략적으로 설명하여 당업자가 본 개시의 양태를 더 잘 이해할 수 있도록 한다. 당업자는 본 명세서에서 소개하는 실시예와 동일한 목적을 수행하고 및/또는 동일한 장점을 달성하기 위한 다른 공정 및 구조물을 설계 또는 변화하기 위한 기초로서 본 개시를 용이하게 이용할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 당업자는 또한 이러한 균등 구성물이 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않는다는 것과, 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경, 치환 및 수정을 행할 수 있음을 알 것이다.
실시예들
실시예 1. 마이크로 전자 기계 시스템(micro-electro mechanical system; MEMS) 디바이스에 있어서,
MEMS 기판;
상기 MEMS 기판 위에 놓이는 매트릭스층 내에 측방향으로 구속되는(confined) 적어도 하나의 가동 엘리먼트(movable element); 및
상기 매트릭스층에 본딩되는 캡 기판(cap substrate)
을 포함하고, 상기 적어도 하나의 가동 엘리먼트 중에 선택되는 제1 가동 엘리먼트는, 상기 매트릭스층에 의해 측방향으로 경계를 이루고 상기 제1 가동 엘리먼트 위에 놓이는 제1 캡핑 표면에 의해 수직으로 경계를 이루는 제1 챔버 내부에 위치하고, 상기 제1 캡핑 표면은 범프 포함 재료층의 각각의 부분을 포함하는 하향 돌출 범프의 어레이를 포함하는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
실시예 2. 실시예 1에 있어서, 상기 하향 돌출 범프 각각은 뒤집힌 힐록(inverted hillock)의 수직 단면 프로파일을 갖는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
실시예 3. 실시예 1에 있어서, 상기 캡 기판은, 상기 제1 챔버 위에 놓이고 상기 캡 기판의 근접한(proximal) 수평 표면으로부터 수직으로 상향 오프셋된, 수직으로 상승된 수평 표면을 포함하고, 상기 캡 기판의 근접한 수평 표면은 상기 매트릭스층 위에 놓이며 상기 캡 기판의 모든 표면 중에 선택되어 상기 매트릭스층에 가장 근접한 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
실시예 4. 실시예 3에 있어서, 상기 캡 기판의 수직으로 상승된 수평 표면으로부터 상기 캡 기판 내로 수직으로 상향 연장되고 상기 하향 돌출 범프 각각 위에 놓이는 뒤집힌 트렌치를 더 포함하는, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
실시예 5. 실시예 4에 있어서, 임의의 고체상 재료 또는 임의의 액상 재료가 없고, 상기 뒤집힌 트렌치의 측벽 내에 포함되며, 각각의 하향 돌출 범프 위에 놓이는 공동(void)을 더 포함하는, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
실시예 6. 실시예 5에 있어서,
상기 뒤집힌 트렌치의 표면은 상기 범프 포함 재료층의 재료로 라이닝되고,
상기 공동 각각은, 관통하는 홀이 없는 상기 범프 포함 재료층의 재료의 각각의 표면에 의해 정의되는 캡슐화된 캐비티(encapsulated cavity)를 포함하는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
실시예 7. 실시예 1에 있어서, 상기 매트릭스층의 최상부 표면 상에 위치하는 매트릭스측 본딩 유전체층을 더 포함하고, 상기 범프 포함 재료층은 상기 캡 기판의 최하부 표면 하에서 연장되고 상기 매트릭스측 본딩 유전체층에 본딩되는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
실시예 8. 실시예 7에 있어서, 상기 적어도 하나의 가동 엘리먼트는, 제2 캡핑 표면에 의해 수직으로 경계를 이루는 제2 챔버 내부에 위치하는 제2 가동 엘리먼트를 포함하고, 상기 제2 캡핑 표면은 상기 제2 가동 엘리먼트 위에 놓이며, 상기 제2 캡핑 표면은 상기 범프 포함 재료층의 일부를 포함하고 평평한 최하부 표면을 갖는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
실시예 9. 실시예 1에 있어서,
상기 매트릭스층의 최상부 표면 상에 위치하는 매트릭스측 본딩 유전체층; 및
상기 범프 포함 재료층과 상기 캡 기판의 수직으로 상승된 수평 표면 사이에 위치하고, 상기 캡 기판의 최하부 표면 하에서 연장되며, 상기 매트릭스측 본딩 유전체층에 본딩되는 캡측 본딩 유전체층
을 더 포함하는, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
실시예 10. 실시예 1에 있어서,
상기 하향 돌출 범프의 어레이는 1차원 어레이 또는 2차원 어레이를 포함하고;
상기 적어도 하나의 가동 엘리먼트 및 상기 매트릭스층은 제1 반도체 재료를 포함하며;
상기 캡 기판은 제2 반도체 재료를 포함하는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
실시예 11. 실시예 1에 있어서, 상기 제1 가동 엘리먼트, 상기 제1 챔버 및 상기 하향 돌출 범프의 어레이를 포함하는 디바이스는 가속도계를 포함하는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
실시예 12. 마이크로 전자 기계 시스템(micro-electro mechanical system; MEMS) 디바이스를 형성하는 방법에 있어서,
매트릭스층 내에 측방향으로 구속되는 적어도 하나의 가동 엘리먼트를 MEMS 기판 위에 형성하는 단계;
리세스 영역을 캡 기판의 전면(front side) 상에 형성하는 단계;
캡측 본딩 유전체층을 상기 캡 기판의 가장 상측의 표면 위에 그리고 상기 리세스 영역에 형성하는 단계;
상기 캡측 본딩 유전체층을 관통하여 상기 리세스 영역 내의 상기 캡 기판 내로 연장되는 트렌치들을 형성하는 단계;
범프 포함 재료층을 상기 캡측 본딩 유전체층 위에 형성하는 단계 - 상기 트렌치들 위에 놓이는 상기 범프 포함 재료층의 부분들이 상향 돌출 범프의 어레이를 형성함 -; 및
상기 캡 기판의 전면이 상기 매트릭스층을 마주하고, 상기 적어도 하나의 가동 엘리먼트 중에 선택되는 제1 가동 엘리먼트를 포함하는 제1 챔버는 상기 매트릭스층 및 상기 캡 기판에 의해 형성되도록 상기 캡 기판을 상기 매트릭스층에 본딩하는 단계
를 포함하고, 상기 상향 돌출 범프의 어레이의 표면은, 본딩하는 동안 상기 제1 가동 엘리먼트 위에 거꾸로 놓인 이후에 상기 제1 챔버 내에 제1 캡핑 표면을 제공하는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스를 형성하는 방법.
실시예 13. 실시예 12에 있어서, 상기 범프 포함 재료층은, 힐록의 수직 단면 프로파일을 갖는 상기 상향 돌출 범프 각각을 형성하는 넌-컨포멀(non-conformal) 퇴적 공정에 의해 형성되는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스를 형성하는 방법.
실시예 14. 실시예 13에 있어서,
상기 범프 포함 재료층은, 반도체 재료 또는 유전체 재료 중 적어도 하나를 포함하는 버퍼 재료를 포함하고,
상기 넌-컨포멀 퇴적 공정은, 상기 버퍼 재료를 상기 트렌치들의 측벽 상에 퇴적하여 상기 트렌치들의 측벽이 상기 버퍼 재료로 라이닝되도록 하고, 상기 버퍼 재료로 충전되지 않은 상기 트렌치들의 부피(volumes)에 공동을 형성하며, 상기 상향 돌출 범프 각각은 상기 공동 각각 위에 놓이는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스를 형성하는 방법.
실시예 15. 실시예 12에 있어서,
매트릭스측 본딩 유전체층을 상기 매트릭스층의 최상부 표면 상에 형성하는 단계; 및
상기 매트릭스측 본딩 유전체층과 상기 캡측 본딩 유전체층을 본딩하는 단계
를 더 포함하는, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스를 형성하는 방법.
실시예 16. 실시예 12에 있어서,
상기 리세스 영역에 인접한 추가적인 리세스 영역을 형성하여, 상기 추가적인 리세스 영역이, 상기 추가적인 리세스 영역의 리세스된 표면으로부터 상향 돌출하는 추가적인 상향 돌출 범프를 포함하도록 하는 단계 - 상기 추가적인 상향 돌출 범프의 최상부 표면은 상기 캡 기판의 가장 상측의 표면으로부터 수직으로 리세스된 상기 캡 기판의 평면 수평 표면을 포함함 -; 및
상기 캡 기판을 상기 매트릭스층에 본딩하는 동안 상기 추가적인 리세스 영역을 상기 적어도 하나의 가동 엘리먼트 중에 선택되는 제2 가동 엘리먼트 위에 정렬함으로써, 상기 제2 가동 엘리먼트를 포함하는 제2 챔버를 형성하는 단계
를 더 포함하고, 상기 제2 챔버는, 상기 제2 가동 엘리먼트 위에 놓이고 상기 캡 기판의 평면 수평 표면을 포함하는 제2 캡핑 표면에 의해 수직으로 경계를 이루는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스를 형성하는 방법.
실시예 17. 마이크로 전자 기계 시스템(micro-electro mechanical system; MEMS) 디바이스를 형성하는 방법에 있어서,
매트릭스층 내에 측방향으로 구속되는(confined) 적어도 하나의 가동 엘리먼트를 MEMS 기판 위에 형성하는 단계;
제1 트렌치들을 캡 기판의 전면 상에 형성하는 단계;
상기 제1 트렌치들을 포함하는 상기 캡 기판의 영역을 수직으로 리세스하는 단계 - 리세스된 수평 표면이 상기 캡 기판의 리세스 영역에 형성되고, 상기 제1 트렌치들의 패턴을 복제하는(replicate) 제2 트렌치들이 상기 리세스된 수평 표면으로부터 수직으로 하향 연장됨 -;
범프 포함 재료층을 상기 캡 기판의 가장 상측의 표면 위에 그리고 상기 리세스 영역에 형성하는 단계 - 상기 제2 트렌치들 위에 놓이는 상기 범프 포함 재료층의 부분들이 상향 돌출 범프의 어레이를 가짐 -; 및
상기 캡 기판의 전면이 상기 매트릭스층을 마주하고, 상기 적어도 하나의 가동 엘리먼트 중에 선택되는 제1 가동 엘리먼트를 포함하는 제1 챔버가 상기 매트릭스층 및 상기 캡 기판에 의해 형성되도록 상기 캡 기판을 상기 매트릭스층에 본딩하는 단계
를 포함하고, 상기 상향 돌출 범프의 어레이의 표면은, 본딩하는 동안 상기 제1 가동 엘리먼트 위에 거꾸로 놓인 이후에 상기 제1 챔버 내에 제1 캡핑 표면을 제공하는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스를 형성하는 방법.
실시예 18. 실시예 17에 있어서, 상기 범프 포함 재료층은, 힐록의 수직 단면 프로파일을 갖는 상기 상향 돌출 범프 각각을 형성하는 넌-컨포멀 퇴적 공정에 의해 형성되는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스를 형성하는 방법.
실시예 19. 실시예 18에 있어서, 상기 넌-컨포멀 퇴적 공정은, 상기 범프 포함 재료층의 유전체 재료를 상기 트렌치들의 측벽 상에 퇴적하여 상기 트렌치들의 측벽이 상기 유전체 재료로 라이닝되도록 하고, 상기 유전체 재료로 충전되지 않은 상기 트렌치들의 부피에 공동을 형성하며, 상기 상향 돌출 범프 각각은 상기 공동 각각 위에 놓이는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스를 형성하는 방법.
실시예 20. 실시예 17에 있어서,
패터닝된 에칭 마스크층을 상기 캡 기판의 전면 위에 형성하는 단계 - 상기 패터닝된 에칭 마스크층은 이를 관통하는 개구부를 포함함 -;
제1 이방성 에칭 공정을 수행함으로써 상기 캡 기판의 재료를 상기 패터닝된 에칭 마스크층의 개구부를 통해 이방성 에칭하는 단계 - 이 단계에 의해 상기 제1 트렌치들이 형성됨 -;
패터닝된 하드 마스크층을 에칭 마스크로 사용하여 제2 이방성 에칭 공정을 수행함으로써, 상기 제1 트렌치들을 포함하는 상기 캡 기판의 영역을 이방성 에칭하는 단계; 및
상기 범프 포함 재료층의 형성 이전에 상기 패터닝된 하드 마스크층을 제거하는 단계
를 더 포함하는, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스를 형성하는 방법.
Claims (10)
- 마이크로 전자 기계 시스템(micro-electro mechanical system; MEMS) 디바이스에 있어서,
MEMS 기판;
상기 MEMS 기판 위에 놓이는 매트릭스층 내에 측방향으로 구속되는(confined) 적어도 하나의 가동 엘리먼트(movable element);
상기 매트릭스층에 본딩되는 캡 기판(cap substrate); 및
캡측 본딩 유전체층을 포함하고,
상기 적어도 하나의 가동 엘리먼트 중에 선택되는 제1 가동 엘리먼트는, 상기 매트릭스층에 의해 측방향으로 경계를 이루고 상기 제1 가동 엘리먼트 위에 놓이는 제1 캡핑 표면에 의해 수직으로 경계를 이루는 제1 챔버 내부에 위치하고, 상기 제1 캡핑 표면은 범프 포함 재료층의 각각의 부분을 포함하는 하향 돌출 범프의 어레이를 포함하며, 상기 캡측 본딩 유전체층은, 상기 캡 기판의 수직으로 상승된 수평 표면과 상기 범프 포함 재료층 사이에 위치되고, 상기 캡 기판의 최하부 표면 하에서 연장되는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스. - 제1항에 있어서, 상기 하향 돌출 범프 각각은 뒤집힌 힐록(inverted hillock)의 수직 단면 프로파일을 갖는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 캡 기판은, 상기 최하부 표면 및 상기 수직으로 상승된 수평 표면을 포함하고, 상기 수직으로 상승된 수평 표면은, 상기 제1 챔버 위에 놓이고 상기 최하부 표면으로부터 수직으로 상향 오프셋되며, 상기 최하부 표면은 상기 매트릭스층을 마주하는(facing) 상기 캡 기판의 모든 표면들 중에서 상기 매트릭스층에 가장 근접한 표면인 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
- 제3항에 있어서, 상기 캡 기판의 수직으로 상승된 수평 표면으로부터 상기 캡 기판 내로 수직으로 상향 연장되고 상기 하향 돌출 범프 각각 위에 놓이는 뒤집힌 트렌치를 더 포함하는, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
- 제4항에 있어서, 임의의 고체상 재료 또는 임의의 액상 재료가 없고, 상기 뒤집힌 트렌치의 측벽 내에 포함되며, 각각의 하향 돌출 범프 위에 놓이는 공동(void)을 더 포함하는, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 매트릭스층의 최상부 표면 상에 위치하는 매트릭스측 본딩 유전체층을 더 포함하고, 상기 범프 포함 재료층은 상기 캡 기판의 최하부 표면 하에서 연장되고 상기 매트릭스측 본딩 유전체층에 본딩되는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
- 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가동 엘리먼트는, 제2 캡핑 표면에 의해 수직으로 경계를 이루는 제2 챔버 내부에 위치하는 제2 가동 엘리먼트를 포함하고, 상기 제2 캡핑 표면은 상기 제2 가동 엘리먼트 위에 놓이며, 상기 제2 캡핑 표면은 상기 범프 포함 재료층의 일부를 포함하고 평평한 최하부 표면을 갖는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스.
- 제1항에 있어서,
상기 매트릭스층의 최상부 표면 상에 위치하는 매트릭스측 본딩 유전체층을 더 포함하고,
상기 캡측 본딩 유전체층은 상기 매트릭스측 본딩 유전체층에 본딩되는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스. - 마이크로 전자 기계 시스템(micro-electro mechanical system; MEMS) 디바이스를 형성하는 방법에 있어서,
매트릭스층 내에 측방향으로 구속되는 적어도 하나의 가동 엘리먼트를 MEMS 기판 위에 형성하는 단계;
리세스 영역을 캡 기판의 전면(front side) 상에 형성하는 단계;
캡측 본딩 유전체층을 상기 캡 기판의 가장 상측의 표면 위에 그리고 상기 리세스 영역에 형성하는 단계;
상기 캡측 본딩 유전체층을 관통하여 상기 리세스 영역 내의 상기 캡 기판 내로 연장되는 트렌치들을 형성하는 단계;
범프 포함 재료층을 상기 캡측 본딩 유전체층 위에 형성하는 단계 - 상기 트렌치들 위에 놓이는 상기 범프 포함 재료층의 부분들이 상향 돌출 범프의 어레이를 형성함 -; 및
상기 캡 기판의 전면이 상기 매트릭스층을 마주하고, 상기 적어도 하나의 가동 엘리먼트 중에 선택되는 제1 가동 엘리먼트를 포함하는 제1 챔버는 상기 매트릭스층 및 상기 캡 기판에 의해 형성되도록 상기 캡 기판을 상기 매트릭스층에 본딩하는 단계
를 포함하고, 상기 상향 돌출 범프의 어레이의 표면은, 본딩하는 동안 상기 제1 가동 엘리먼트 위에 거꾸로 놓인 이후에 상기 제1 챔버 내에 제1 캡핑 표면을 제공하는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스를 형성하는 방법. - 마이크로 전자 기계 시스템(micro-electro mechanical system; MEMS) 디바이스를 형성하는 방법에 있어서,
매트릭스층 내에 측방향으로 구속되는(confined) 적어도 하나의 가동 엘리먼트를 MEMS 기판 위에 형성하는 단계;
제1 트렌치들을 캡 기판의 전면 상에 형성하는 단계;
상기 제1 트렌치들을 포함하는 상기 캡 기판의 영역을 수직으로 리세스하는 단계 - 리세스된 수평 표면이 상기 캡 기판의 리세스 영역에 형성되고, 상기 제1 트렌치들의 패턴을 복제하는(replicate) 제2 트렌치들이 상기 리세스된 수평 표면으로부터 수직으로 하향 연장됨 -;
범프 포함 재료층을 상기 캡 기판의 가장 상측의 표면 위에 그리고 상기 리세스 영역에 형성하는 단계 - 상기 제2 트렌치들 위에 놓이는 상기 범프 포함 재료층의 부분들이 상향 돌출 범프의 어레이를 가짐 -; 및
상기 캡 기판의 전면이 상기 매트릭스층을 마주하고, 상기 적어도 하나의 가동 엘리먼트 중에 선택되는 제1 가동 엘리먼트를 포함하는 제1 챔버가 상기 매트릭스층 및 상기 캡 기판에 의해 형성되도록 상기 캡 기판을 상기 매트릭스층에 본딩하는 단계
를 포함하고, 상기 상향 돌출 범프의 어레이의 표면은, 본딩하는 동안 상기 제1 가동 엘리먼트 위에 거꾸로 놓인 이후에 상기 제1 챔버 내에 제1 캡핑 표면을 제공하는 것인, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 디바이스를 형성하는 방법.
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