KR102340338B1 - 마이크로-핫플레이트상의 cmos-기반 반도체 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

마이크로-핫플레이트상의 cmos-기반 반도체 장치 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

반도체 장치 및 반도체 장치를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 반도체 장치는 CMOS 또는 CMOS 기반 처리 단계를 부분적으로 사용하여 만들어지며, 상기 반도체 장치는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상의 유전체 영역, 상기 유전체 영역 내의 히터, 상기 유전체 영역 위의 귀금속으로 패터닝된 레이어를 포함한다. 상기 방법은 상기 유전체 영역 위에 포토레지스트 물질을 데포지션하는 단계, 상기 유전체 영역 위에 패터닝된 영역을 형성하도록 포토레지스트 물질을 패터닝하는 단계를 포함한다. 상기 포토레지스트 물질을 데포지션하는 단계 및 상기 포토레지스트 물질을 패터닝하는 단계는 CMOS 처리에서 사용되는 것에 대하여 유사한 포토리소그래피 및 에칭 단계를 사용하여 순차적으로 행해진다. 유전체 멤브레인 및 상기 멤브레인 내부의 금속 구조체가 유전체 영역 위의 패너닝된 영역에 형성되도록 하는 추가 처리 단계에 최종 반도체 장치가 놓여진다.

Description

마이크로-핫플레이트상의 CMOS-기반 반도체 장치 및 그 제조방법 {CMOS-BASED SEMICONDUCTOR DEVICE ON MICRO-HOTPLATE AND METHOD OF FABRICATION}
본 발명은 마이크로-핫플레이트에 기초한 반도체 장치 및 이를 제조하는 방법에 대한 것이며, 보다 자세하게는, 가스 센서에 대한 것이지만 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 CMOS 기술에 기초한 적외선(IR) 광원 및 이러한 광원에 대한 제조방법에 대한 것이다.
실리콘 기판상에 마이크로-핫플레이트 구조를 형성하는 것은 알려져 있다. 이러한 구조는 얇은 유전체 멤브레인 내에 매립된 마이크로-히터로 구성되되, 특히 실리콘 이산화물 및/또는 실리콘 질화물로 구성된다.
이러한 구조는 기체 반응 물질이 데포지션되는 상부에 전극을 형성함으로써 저항성 기체 센서에 사용된다. 예를 들어, 유 디베른 등, “마이크로전자기술의 박막 기체 센서에 대한 기판”, 센서 및 액튜에이터 B, 1990 논문은 산화질화물 멤브레인에서 히터 재료로서 NiFe 합금을 사용하는 마이크로-핫플레이트의 설계를 설명하고 있다. 상기 장치는 기체 센싱을 위하여 사용되며 상부에 전극을 가진다. 유사하게, 엠. 스탠코바 등, “마이크로-핫플레이트 센서에 기한한 WO3dp 의해 Co2 유동에서의 SO2 및 H2S의 탐지”, 센서 및 액튜에이터 B, 2004 논문은 산화질화물 멤브레인 내부의 폴리실리콘 히터에 기초한 마이크로-핫플레이스를 설명하고 있다. 엠.바론시니 등, “마이크로 가공된 기체 센서에 대한 마이크로 히터의 열적 특징”의 논문은 백금으로 만들어진 마이크로-히터를 가진 기체 센서를 설명하고 있다.
유사하게, 다양한 많은 보고서는 기체 센서에 대한 마이크로-핫플레이트 장치를 사용하는 것으로 알려져 있다. 이러한 것에 대한 참고자료는 아이. 사이먼 등 “마이크로 가공된 산화 금속 기체 센서: 센서 성능을 향상시키기 위한 기회”, 센서 및 액튜에이터 B (2001) 논문 및 에스.제트. 알리 등, “스마트 기체 센서에 대한 텅스텐 기반 SOI 마이크로핫플레이트” MEMS 저널, 2008 논문이 있다.
이러한 보고된 장치들 대부분은 표준 마이크로 전자 기술로서 제조되지는 않는다. 마이크로전자 기술은 집적 회로를 제조하는 기술인 것처럼 CMOS 기술로서 일반적인 형태인 것으로 언급된다.
CMOS 라는 용어는 마이크로 전자 기술에서는 잘 알려진 것이다. 그 다양한 의미에서, 이것은 집적 회로를 제조하는 실리콘 기술을 가리킨다. CMOS는 대량 제조, 저가 비용 및 다양한 레벨(위이퍼 레벨, 웨이퍼 대 웨이퍼, iot 대 iot)에서 높은 재생산성으로 동일한 트랜지서터를 매우 높은 속도(최대 10억)로 처리하게 한다.
CMOS 를 설명하는 많은 서적과 기사들이 있으며, CMOS 기술을 사용하여 제조될 수 있는 많은 다양한 CMOS 기술 및 장치가 존재한다. CMOS 에 대한 매우 기초적인 자료는 위키피디아(https://en.wikipedia.org/wiki/CMOS):에서도 발견된다.
“상보성 금속-산화-반도체(Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) 는 집적 회로를 구축하는 기술이다. CMOS 기술은 마이크로프로세서, 마이크로제어기, 정적 RAM, 및 다른 디지털 논리 회로에서 사용된다. CMOS 기술은 다양한 종류의 통신을 위한 고집적 트랜시버, 데이터 컨버터, 이미지 센서(CMOS 센서)와 같은 다수의 아날로그 회로에 사용되기도 한다. 프랭크 완라스는 1963년에 미국 특허 3,356,858호로서 CMOS 기술을 특허받았다. 디지털 장치와 함께, CMOS 기술은 아날로그 장치에서 사용된다. 예를 들어, 시장에서 구입할 수 있는 CMOS 작동 증폭기 IC가 존재한다. 트랜스미션 게이트는 신호 릴레이 대신에 사용될 수 있다. CMOS 기술은 혼합-신호(아날로그 및 디지털) 장치에서 마이크로웨이브 주파수로 모든 방향으로 RF 회로를 위하여 널리 사용된다.”
오늘날, CMOS 과정은 대형 마이크로전자 파운드리에 존재하는데, 그 대부분은 고객이 접근가능하다(즉, 하나의 회사, 법적 단체, 또는 개인에 의해 접촉될 수 있다). 이러한 과정은 보증과 함께 행해지며 극히 큰 규모로 전개될 수 있다.
모든 실리콘 기술이 CMOS 기술인 것은 아니다. 비- CMOS 기술의 예는 아래와 같다.
- 규모로 배치되지 않으며, 다수의 트랜지스터의 제조에 사용되지 않지만 작은 규모로 특정 분야에서 사용되는(연구 개발과 같은 분야) 연구소 기술
- 스크린 인쇄 기술
- 예를 들어 유체 채널을 형성하는데 채용되는 바이오 기술
- 가속도계 또는 자이로스코프에 사용되는 것과 같은 MEMS 기술
- 수직 쌍극 접합 트랜지스터 기술과 같은 초고압 수직 전력 장치 기술
- 금, 백금 또는 방사성 물질과 같은 CMOS 대체성이 없는 물질을 사용하는 기술
비- CMOS 와 같은 전술한 기술의 일부는 CMOS 과정에 영향을 주지 않고서도 후- CMOS 또는 전- CMOS 과정에서 채용될 수 있다고 언급될 수 있다.
전술한 바와 같이, 대부분의 센서는 CMOS 기술로 제조되지 않으며, 다수는 CMOS 기술에 대응되지 않는다. 예를 들어, 백금은 전술한 보고서에서는 히터로서 사용되지만, CMOS 과정에서의 물질로서는 유용하지 않다. CMOS 기술은 대규모로 낮은 제조 단가, 동일한 칩에 대한 회로 집적 가능성, 및 장치간의 양호한 재생산성과 같은 다양한 장점을 제공한다. 이러한 장점들은 호환성이 없는 물질이나 과정이 사용된다면 효용이 없다.
CMOS 기반 마이크로-핫플레이트에 대한 다수의 보고서가 존재한다. 예를 들어, 수엘 등, “CMOS 마이크로-핫플레이트 및 원위치에서의 처리를 사용하여 제조되는 산화 주석 기체 센서”, IEEE 전자 장치 논문 1993, 에프 우드리아 등, “SOI CMOS 마이크로핫플레이트 기체 센서의 설계 및 시뮬레이션”, 센서 및 액튜에이터 B 2001, 엠. 알프리디 등, “모놀리식 CMOS 마이크로-핫플레이트 기반 기체 센서 시스템”, IEEE 센서 저널 2002, 미국 특허 5464966, 엠. 그라프 “최대 섭씨 500도 온도에서 작동하는 CMOS 마이크로핫플레이트 센서 시스템” 센서 및 액튜에이터 B 2005, 에스.제트. 알리 등, “스마트 기체 센서를 위한 텅스텐 기반 SOI 마이크로핫플레이트” MEMS 저널 2008, CMOS 기술로 제조된 마이크로 핫플레이트의 다양한 예에 대한 보고서. 동일한 그룹에 의한 다른 보고서는 히터 물질로서 폴리실리콘, MOSFET, 단일 결정 실리콘, 및 텅스텐을 사용하는 유사한 장치에 대한 정보를 제공한다.
저항성 기체 센서에 대한 하나의 결정적인 특징은 물질을 센싱하는 저항을 측정하는데 사용되는 멤브레인의 상부에 전극을 형성한다는 것이다. 이상적으로, 이러한 전극들은 금이나 백금과 같은 귀금속으로 만들어져야 한다. 그러나, 이러한 금속들은 CMOS 과정에서 일반적으로 사용되지 않는다. 그 결과, 하나의 선택적인 사항은 수엘 등, “CMOS 마이크로-핫플레이트 및 원위치에서의 처리를 사용하여 제조되는 산화 주석 기체 센서”, IEEE 전자 장치 논문 1993의 논문에서 보고되었던 알루미늄과 같은 CMOS 에서 사용되는 금속을 사용하는 것이다. 그러나, 알루미늄은 그 표면에 산화 알루미늄을 형성하며, 그 결과 감지하는 물질에 대하여 양호한 전기적인 접촉을 형성하지 못한다.
다른 선택 사항은 별도의 후- CMOS 과정에서 금이나 백금을 데포지션하는 것이다. 이로 인하여 상기 장치는 CMOS 과정 동안에 센싱 물질에 대하여 양호한 접촉이 가능하게 된다. 그러나, 이러한 단계는 보기보다는 그다지 직선적이지 않다. 하나의 가능한 방법은 CMOS에서 장치를 제조하고 멤브레인을 방출하기 위하여 그것을 에칭하는 것이다. 그러면, 웨이퍼, 및 적절한 마스크를 사용하는 패턴상에 포토레지스트를 스피닝하는 것에 이어서 필요한 물질을 스퍼터링하거나 증발시키게 된다.
그러나, 이로 인하여 수율이 낮아지고 제조성이 열악해지는데, 그 이유는 포토레지스트 코팅 및 패터닝은 멤브레인에 손상을 일으킬 수 있기 때문이다. 사실, 상기 멤브레인은 매우 얇아서(10 마이크로미터 미만), 포토레지스트가 고속으로 스피닝될 때, 상기 멤브레인이 파손될 가능성이 있다. 포토레지스트 스피너상의 진공 상태로 인하여 멤브레인이 파손될 수도 있다. 또한, 제조된 멤브레인은 멤브레인 레이어 내의 잔류 응력에 의해 종종 약간 만곡되기도 한다. 이로 인하여 포토레지스트의 불균일한 분포가 나타나며, 마스크 패턴은 덜 정밀하게 된다.
또한, 일반적인 대부분의 파운드리와 반도체 설비는 표준 웨이퍼로 작동하는 것으로 설계되지 멤브레인을 가지는 웨이퍼로 작동하는 것으로 설계되지 않는다. 예를 들어, 몇가지 마스크 얼라이너는 전방측으로부터 웨이퍼를 들어올리도록 진동을 사용하게 되어, 멤브레인 웨이퍼가 멤브레인에 파손을 일으키게 된다. 이러한 이유로, 마이크로-핫플레이트 상에서 이러한 방법으로 금을 데포지션하는 것은 매우 어렵다.
데포지션을 수행하는 다른 방법은 전극을 패터닝하고 데포지션한 후에 벌트 에칭하는 것이다. 예를 들어, 엠. 그라프 “최대 섭씨 500도 온도에서 작동하는 CMOS 마이크로핫플레이트 센서 시스템” 센서 및 액튜에이터 B 2005 논문은 백금 전극을 데포지션하기 위하여 이러한 방법을 사용한다. 이러한 방식으로, 패터닝 및 금 데포지션은 표준 웨이퍼 상에서 행해지며, 후방 에칭 단계는 이후에 행해진다. 이러한 방법의 문제는 상기 웨이퍼 상에 데포지션된 백금은 벌크 에칭을 위하여 사용되는 설비를 오염시킬 수 있다는 점이다.
엠. 알프리디 등, “모놀리식 CMOS 마이크로-핫플레이트 기반 기체 센서 시스템”, IEEE 센서 저널 2002 논문은 약간 다르지만 비슷한 방법을 사용한다. 이 방법에서는 CMOS 처리 후에, 전체 웨이퍼 상에 금을 데포지션하고, 그 위에 레지스트를 스피닝하며 패터닝하게 된다. 상기 웨이퍼는 상기 멤브레인(이 경우에는 현수된 멤브레인)을 방출하도록 벌크 에칭된다. 이후 필요하지 않은 영역으로부터 그것을 제거하도록 금을 에칭하게 된다.
이러한 방법을 사용함으로써, 어떠한 리소그래피 또는 스피닝 작업이 벌크 에칭 이후에 웨이퍼 상에 행해질 필요가 없게 되어, 리소그래피 장비의 멤브레인을 취급하는데 따른 문제가 발생하지않는 장점이 있다. 그러나, 그라프에 의해 사용되는 방법에 유사하게, 벌크 에칭을 위해 기계에 설치되는 웨이퍼는 금을 함유하고 있고, 기계를 오염시킬 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 설명된 장치는 기계적으로 덜 안정적인 현수된 멤브레인이다.
IR 에미터는 공지된 것이다. 예를 들어 파라메스와란 등, “상업용 CMOS 처리로부터 얻어진 마이크로-가공된 열 에미터”, IEEE EDL 1991 논문, 및 산 등 “SOI웨이퍼에 기반한 실리콘 마이크로가공된 적외선 에미터” (SPIE 2007 과정), 은 현수된 브릿지 또는 멤브레인 상의 마이크로-핫플레이트에 기초한 IR 에미터 장치를 설명한다.
IR 에미터의 방사성능을 형상시키기 위하여, 물질들은 상부에 종종 데포지션된다. 이것은 탄소 또는 금속 흑색부와 같은 고방사성 물질의 코팅이거나 플라스모닉 구조일 수 있다. 제이. 달리 “스펙트로스코프 장치에 대한 튜닝된 적외선 방사를 위한 나노 구조 표면”, 마이크로 및 나노 포토닉 머티리얼즈 및 장치, 2000 또는 와이. 장 “다양한 격자 타입, 홀 형상 및 유전체 물질을 가진 은/다이일렉트릭/은 플라스모닉 열 에미터의 방사성능”, 어플라이드 피직스 서신 201302, 2009에 의해 설명된 플라스모닉 구조는 임의의 파장에 대한 IR 방사성을 향상시킬 수 있다. 이러한 것들은 반복되는 패턴으로 특히 설계된 상부 표면상에 하나 이상의 레이어로 구성된다.
이러한 플라스모닉 구조는 금 또는 백금으로 형성될 수 있으며, 이들의 데포지션 방법은 저항성 기체 센서에 대한 전극에 대한 동일한 문제에 직면하게 된다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하는 것이다.
본 발명의 일특징에 의하면, 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상의 유전체 영역, 상기 유전체 영역 내부의 저항성 히터를 구비하는 마이크로핫플레이트의 제조방법이 제공되되, 상기 방법은, 상보적인 산화 금속 반도체, 즉 CMOS 호환 처리 단계를 사용하여 상기 반도체 기판, 유전체 영역 및 저항성 히터를 형성하는 단계; 상기 CMOS 호환 처리 단계를 이용하여 상기 유전체 위에 포토레지스트 물질을 데포지션하는 단계; 상기 CMOS 호환 처리 단계를 시용하여 상기 유전체 영역 위에 패턴된 영역을 형성하도록 포토-레지스트 물질을 패터닝하는 단계; 후속하여 유전체 멤브레인을 형성하도록 상기 반도체 기판의 적어도 일부분을 에칭하는 단계를 포함하되, 상기 포토-레지스트 물질을 데포지션하는 단계, 상기 포토-레지스트 물질을 패터닝하는 단계, 및 상기 반도체 기판의 일부를 에칭하는 단계는 순차적으로 수행되며, 금속 구조가 상기 유전체 영역 위에 상기 패터닝된 영역에서 데포지션되는 것을 보장하도록 상기 유전체 멤브레인을 추가적인 과정에 놓이게 하는 단계를 포함한다.
본원에서 설명되는 바에 의하면, 마이크로핫플레이트는 에칭부를 구비하는 반도체 기판, 상기 반도체 기판상의 유전체 영역; 상기 유전체 영역 내부에 형성된 저항성 히터; 및 상기 유전체 영역 위에 형성된 패터닝된 금속 레이어를 포함한다. 상기 반도체 기판, 상기 유전체 영역, 상기 저항성 히터 및 상기 패터닝된 금속 레이어는 전술한 방법을 이용하여 형성된다.
본 발명의 추가적인 특징에 따르면, 에칭부를 가지는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 위의 유전체 영역, 상기 유전체 영역 내에 형성된 저항성 히터, 및 상기 유전체 영역 위에 형성되어 패터닝된 금속 레이어를 포함하는 마이크로핫플레이트가 제공된다. 상기 반도체 기판, 상기 유전체 영역, 상기 저항성 히터는 CMOS 호환 기술을 이용하여 형성된다. 패터닝된 금속 레이어의 패턴은 CMOS 호환 기술에 의해 형성되며, 상기 기판의 에칭부는 에칭 기술을 이용하여 형성되며, 패터닝된 금속 레이어는 추가적인 기술을 이용하여 형성된다.
추가적인 특징과 바람직한 구조는 제2항 등에 기재된다.
상기 유전체 영역은 하나 이상의 유전체 레이어를 포함한다. 상기 저항성 히터는 상기 유전체 영역 내에 편입되며, 하나의 유전체 레이어는 상기 저항성 히터의 양측면에 놓인다. “CMOS 호환 처리”의 용어는 CMOS 처리 내에서 사용되는 처리 단계를 커버할 뿐만 아니라 CMOS 처리로부터 분리되어 행해지는 임의의 처리 단계를 커버하지만, CMOS 처리 단계에서 사용될 수 있는 처리 공구를 이용한다. 예를 들어, 상기 기판, 상기 유전체 영역 및 상기 유전체 영역 내부의 저항성 히터를 형성하는 처리 단계는 CMOS 처리 단계 내에서 행해지며, 상기 포토 레지스트 물질을 데포지션하고 상기 포토레지스트 물질을 패터닝하는 단계는 CMOS 처리에서 사용될 수 있는 광식각 도구를 사용하여 별도로 (CMOS 처리 단계 밖에서) 행해질 수 있다. 선택적으로, “CMOS 호환 처리”의 용어는 상기 기판, 유전체 영역 및 상기 유전체 영역 내부의 저항성 히터와 패터닝된 포토레지스트 물질이 CMOS 처리를 직접 이용하여(또는 CMOS 처리 단계 내에서) 형성되는 처리 단계를 커버한다. “유전체 멤브레인”의 용어는 반도체 구조가 다시 에칭되는 장치 구조를 가리킨다. 상기 유전체 멤브레인 구조는 에칭된 기판, 상기 에칭된 기판 상의 유전체 영역, 저항성 히터를 포함하며, 상기 유전체 영역 상의 패터닝된 포토레지스트 및 유전체 영역 내부에서 상호 연결된다. 상기 유전체 멤브레인 구조는 CMOS 호환(후 CMOS 처리 또는 비-CMOS 처리) 처리가 아닌 처리에서 행해지는 금속 데포지션 단계를 받게 된다.
본 발명은 반도체 장치 및 상기 반도체 장치를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 반도체 장치는 CMOS 또는 CMOS 기반 처리 단계를 부분적으로 이용하여 형성되며, 반도체 기판 및 상기 반도체 기판 상의 하나 이상의 제1 유전체 레이어, 히터, 상기 히터 상의 하나 이상의 제 2 유전체 레이어, 하나 이상의 추가적인 유전체 레이어 위에 귀금속으로 된 하나 이상의 패터닝된 레이어를 포함한다. 상기 방법은 상기 반도체 구조의 제 2 유전체 레이어 위에 포토-레지스트 물질을 증착하고, 상기 유전체 레이어 위의 패터닝된 영역을 형성하도록 포토-레지스트를 패터닝하는 단계를 포함한다. 포토-레지스트 물질을 데포지션하고 패터닝하는 단계는 CMOS 에서 사용된 광식각 및 에칭 단계에 유사하게 순서대로 행해진다. 최종 반도체 장치는 상기 멤브레인 내부의 금속 구조 및 유전체 멤브레인은 제 2 유전체 레이어 위의 패터닝된 영역에 형성되는 것을 보장하는 추가적인 처리 단계를 거치게 된다.
상기 멤브레인은 배면 에칭에 의해, 바람직하게는 CMOS 및 CMOS 유사한 단계들이 완료된 후에 딥 반응성 이온 에칭(Deep Reaction Ion Etching)에 의해 형성된다.
상기 귀금속 구조는 금 또는 백금의 레이어이며, 유전체 멤브레인이 형성된 후에 데포지션되는 것이 바람직하다. 선택적으로, 상기 금속 구조는 금 또는 백금으로 된 구별되는 구조이다. 상기 귀금속 구조는 상호맞물림형 전극쌍으로서 사용되어서 상기 반도체 장치는 기체 센서로서 작용하되, 추가적인 화학적 반응 레이어는 상호맞물림형 전극쌍 위에 형성된다. 상기 금속 구조는 IR 광원의 플라스모닉 구조로서 사용된다. 이러한 장치에서, 저항성 히터는 제 1 유전체 레이어 및 제 2 유전체 레이어 사이에 (또는 상기 유전체 영역 내부에) 매립되며, 상기 유전체 멤브레인 내부에 배치되어, 상기 반도체 구조는 기체 센서 및/또는 IR 에미터로서 작동할 수 있다. 상기 반도체 장치는 상기 유전체 멤브레인 내부의 저항성 히터를 포섭하기 때문에, 마이크로핫플레이트로 불린다. 상기 반도체 장치는 CMOS 처리 단계 또는 CMOS 유사 단계로써 만들어지는 구조를 가리키며, 이들 방법은 귀금속을 포토레지스트 패터닝하는 것을 포함하며, 이어서 상기 멤브레인을 형성하기 위하여 상기 기판의 적어도 일부를 딥 에칭하게 되며, 사전에 패터닝된 포토레지스트를 사용하여 리프트 오프 및 귀금속 데포지션이 되게 된다. 배면 에칭, 귀금속 데포지션, 리프트 오프는 비-CMOS 처리 단계 또는 후- CMOS 처리 단계로 지칭된다. 비-CMOS 처리 단계 또는 후-CMOS 처리 단계에 의해, CMOS 제어의 부족 및 CMOS 단계에 관련된 공차 및/또는 공구의 오염 가능성으로 인하여 공지의 CMOS 처리 단계에 사용되지 않는 단계가 언급된다. 예를 들어, 금과 백금은 다른 CMOS 기반 장치 또는 회로의 성능에 영향을 줄 수 있는 반도체 밴드 갭에서의 딥 도펀트 또는 트랩으로서 작동하게 된다.
귀금속 레이어는 스퍼터링이나 증발에 의해 데포지션되는 것이 바람직하다. 리프트 오프 과정은 포토 레지스트 물질과, 상기 포토레지스트 물질의 상부에 금속 레이어의 일부를 제거하여, 패터닝된 영역에 형성된 금속 구조체가 제 2 유전체 레이어 위에 유지되도록 하는 단계를 포함한다. 상기 포토 레지스트 물질 및 상기 포토 레지스트 물질 상부의 금속 구조체는 화학적 용액 및/또는 용제를 사용하여 제거된다.
전술한 설명의 대부분은 리프트 오프 기술에 대한 것이지만, 리프트 오프 기술의 일부로서 일반적으로 사용되는 것과는 다른 조건하에 (포토 레지스트와 상기 포토 레지스트 상부의 물질을 제거하기 위하여) 화학적 용액 및/또는 용제를 사용하는 것도 가능하다는 것을 통상의 기술자는 알 수 있다.
바람직한 실시예에서, 배면 에칭에 의해 유전체 멤브레인 형성이 이루어진 후에 그리고 CMOS 이후에 금속 패턴을 정의하는 스퍼터링 또는 증발 및 후속 리프트 오프 과정에 의해 금속 데포지션이 행해지는 동안에, CMOS 처리 순서의 마지막 단계들 중 하나에서처럼 CMOS 처리 내부에서 포토리소그래피를 이용하여 또는 포토리소그래피 및 에칭에 대한 CMOS 유사 단계를 사용하여 패터닝되는 금이나 백금으로 형성되는 하나 이상의 금속 레이어를 사용하는 배면 에칭을 이용하여 형성되는 유전체 멤브레인 상에 걸려 있는 마이크로-핫플레이트가 개시된다. 따라서, CMOS 과정내에서 또는 CMOS 과정에 사용되는 것에 유사하게, 포토레지스트는 웨이퍼 상에서 스피닝되며 CMOS 처리에 특이한 재생산성 및 정밀성을 부여하는 표준 포토리소그래피에 의해 패터닝된다. 다음 단계는 유전체 멤브레인을 방출하도록 딥 작용성 이온 에칭(DRIE)를 시용하여 배면 에칭을 하는 것이 바람직하다. 이후에, 전술한 하나 이상의 금속 구조체는 스퍼터링 또는 증발에 의해 데포지션되며 추가적으로 리프트 오프 처리에 의해 원하는 패턴으로 만들어진다.
포토레지스트 물질을 패터닝하는 단계는 유전체 레이어 위에 패터닝된 영역을 형성하도록 마스크를 부착시키는 단계를 포함한다. 포토레지스트 물질을 패터닝하는 단계는 유전체 레이어 위에 패터닝된 영역을 형성하도록 CMOS 처리 단계 내에서 포토리소그래피 공구를 사용하는 단계를 포함한다. 반도체 기판을 에칭하는 단계는 에칭되는 반도체 기판의 일부를 정의하도록 반도체 기판(예를 들어 귀금속 구조체가 형성되는 그 위의 반도체 기판의 면이 아님)에 인접하게 마스크를 부착하는 단계를 포함한다. 반도체 기판을 에칭하는 단계는 딥 반응성 이온 에칭(DRIE) 를 적용하는 단계를 포함한다.
기판을 에칭한 이후 금속 구조체를 데포지션하기 이전에, 상기 방법은 포토레지스트 레이어의 상부에 그리고 상기 유전체 레이어 위의 패터닝된 영역 내에 하나 이상의 접착성 또는 확산 배리어 레이어를 데포지션하는 단계를 추가로 포함한다. 접착성 또는 디퓨션(diffusion) 배리어 레이어는 유전체 레이어 내부로 귀금속 원자가 접착이 충분하지 않거나 원하지 않게 확산되는 것과 같은 문제점을 해결하기 위하여 샌드위치 형태로된 금속으로 된다. 예를 들어 금 레이어는 그 아래에 크롬 및/또는 니켈을 가지거나, 티타늄 레이어와 연결되어 형성될 수 있다.
추가적인 실시예에서, 최종 제조 장치는 벌크 실리콘 스타팅 웨이퍼 또는 실리콘-온-인슐레이터(SOI) 웨이퍼를 가진, 부분적으로는 CMOS 기술로 제조된, 저항성 기체 센서이다. 벌크 실리콘 웨이퍼와 SOI 웨이퍼간의 차이점은 상기 벌크 실리콘 웨이퍼는 상기 장치 구조체 내에 형성된 매립된 산화물을 가지지 않는다는 점이다. 일실시예에서, 상기 히터는 폴리실리콘, 알루미늄, 단결정 실리콘, MOSFET, 또는 텅스텐이나 티타늄 또는 그 복합물과 같은 고온 CMOS 금속으로 형성된다.
금속 구조체 또는 전극의 형상은 원형이나 사각형 형상으로 서로 맞물려 있거나, 서로 2군데에서 접촉하고 있거나, 나선 형상으로 되거나, 동심 링을 구비한다. 다양한 전극 형상과 설계가 통상의 기술자에 의해 가능하다.
상기 전극 위에, 화학물 또는 기체 감지 레이어는 예를 들어 스크린 프린팅, 스퍼터링, 화학 증기 데포지션(CVD) 잉크 제트 또는 드롭 코팅에 의해 데포지션된다. 이러한 레이어가 히터에 의해 제어되는 특정 온도에서 기체에 노출될 때, 기체의 반응 또는 확산은 화합물 또는 기체 감지 레이어의 저항(또는 캐패시턴스)와 같은 전기적 특성을 수정함으로써 발생하게 된다. 이러한 화합물 또는 기체 감지 레이어는 산화 주석, 산화 아연, 산화 텅스텐 또는 폴리머계와 같은 전도성 금속 산화물이다. 상기 화합물 또는 기체 감지 레이어는 상기 전극 위의 드롭과 같이 되거나, 충분히 얇다면(예를 들어 2 마이크론 미만) 전극에 대하여 컨포멀(conformal) 될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 화학적 또는 기체 감지 레이어는 상기 장치의 전력 소비량을 증가시키는 열적 소산 및 응력 소산을 회피하기 위하여, 상기 전극 위에 상기 영역에 한정되어야 한다.
상기 유전체 멤브레인 자체는 원형, 사각형, 또는 코너에서 응력을 감소시키기 위하여 라운드진 코너를 가진 사각형 형상으로 될 수 있지만, 다른 형상도 가능하다. 상기 장치의 상부 패시베이션은 이산화실리콘 또는 질화실리콘일 수 있다.
상기 방법은 유전체 멤브레인 내에 매립된 온도 센서를 제조하는 방법을 포함한다. 금속, 폴리실리콘, 또는 단결정 실리콘으로 된 저항성 온도 센서이거나, 다이오드로 될 수 있다. 바람직하게는, 상기 다이오드는 n-채널 및 p-채널 FET 와 같은 트랜지스터를 만드는 CMOS 처리에 사용되는 동일한 CMOS 레이어로 만들어진다. 예를 들어, 반도체 구조는 CMOS 처리 단계를 사용하여 제조된 MOSFET 구조를 포함할 때 특히 관련성을 가진다. 상기 다이오드의 캐소드는 p-채널 MOSFET의 동일한 구조나 드레인 레이어를 사용하여 다이오드의 애노드가 형성되는 동안에 다이오드의 캐소드는 n-채널 MOSFET 의 드레인 레이어의 소스를 이용하여 형성된다.
상기 장치는 금속 또는 폴리실리콘으로 만들어진 열발산 플레이트를 가지거나, 절연 기판상의 실리콘의 경우에, 상기 장치는 단결정 플레이트를 가진다. 상기 발산 플레이트의 기능은 열을 균일하게 발산시키는 것이며, 히터 영역의 온도를 균일하게 하는 것이다.
추가적인 실시예에 있어서, IR CMOS 호환 에미터(IR CMOS compatible emitter)를 제조하는 장치 및 방법이 제공된다. 이것은 저항성 기체 센서에 유사하며, 전술한 경우, 마이크로-핫플레이트를 형성하는 유전체 멤브레인 내에 매립된 히터를 포함한다. 이 경우, 기체의 존재로 인하여 감지 레이어가 저항성에 대한 변화를 감지하도록 데포지션되는 전극 대신에, 상부 귀금속 구조 레이어는 상기 장치의 적외선 방사도(emissivity)를 증가시키는 플라스모틱 구조로 패터닝된다. 상기 플라스모닉 패턴은 특정 파장에서의 IR 방사 및/또는 원하는 방사 스펙트럼에 따라 원하지 않는 다른 파장에서 적외선 방사를 감소시키도록 도트, 구멍, 사각형, 사다리꼴, 또는 다른 구조로된 반복 구조(반드시 일반적인 구조일 필요없음)를 가리킨다. 이러한 플라스모닉 구조는 동일한 파장에 대한 IR 방사 촉진기 및/또는 다른 것에 대한 필터로서 기능하게 된다.
다른 실시예에서, 상기 방법은 동일한 칩(저항성 기체 센서 또는 IR 에미터) 상에 아날로그 또는 디지털 CMOS 회로를 집적하게 된다. 이러한 것은 마이크로-핫플레이트를 제조하는 기술을 사용하는 것에 의해 달성된다. 상기 회로는 히터가 일정전압, 일정전류, 또는 일정전력회로 또는 PWM 드라이브를 통하여 구동하게 하는 예를 들어 복합 회로, 전류 미러 회로를 이용하여 간단한 전류 공급부로서 구성되는 히터를 위한 구동 회로일 수 있다. 상기 멤브레인에서 온도 센서를 측정하는 회로가 존재하며, 히터의 일정한 온도 제어를 가능하게 하는 피드백 루프를 가지도록 사용한다. 양방향 전류 장치도 실시 가능하다.
다른 회로는 온도 센서 또는 감지 레이어에 대한 리드-아웃 회로(read-out circuitry)이다. 이것은 증폭기, 필터 및 아날로그-디지털 컨버터를 포함한다. 디지털 회로는 신호를 디지털 처리하도록 허용하도록 집적된다. 또한, 열다이오드에 기초한 오프-멤브레인 온도 센서, 저항성 온도 센서, Vptat 또는 Iptat 회로가 집적될 수도 있다.
본 발명에 의하면, 종래기술의 문제점이 해결된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 첨부한 도면을 참고하여 예시적으로 설명된다.
도 1은 저항성 기체 센서에 대한 후처리된 전극을 가진 CMOS SOI 처리에서 만들어지는 마이크로-핫플레이트의 개략적인 단면도이다.
도 2는 IR 에미터를 사용하는 후처리된 플라스모닉 구조를 가진 SOI 처리로서, 플라스모닉 구조는 방사를 증진하도록 사용되는 처리에서 만들어진 선택적인 마이크로-핫플레이트의 개략적인 단면도이다.
도 3은 에미터의 방사성을 증가시키도록 후처리 동안에 시트로서 데포지션되는 상부 금속을 가진 IR 에미터로서 사용하기 위한 SOI 처리에서 만들어지는 선택적인 마이크로-핫플레이트의 개략적인 단면도이다.
도 4는 저항성 기체 센싱을 위한 후처리된 전극을 가진 SOI 처리에서 만들어진 선택적인 마이크로-핫플레이트의 개략적인 단면도인데, 상기 히터는 히터의 접착성 및 신뢰도를 향상시키도록 히터 소재에 추가된 추가적인 접착 레이어를 가진다.
도 5는 저항성 기체 센싱을 위하여 후처리된 전극을 구비한 시작 벌크 웨이퍼로써 CMOS 처리에서 만들어진 선택적인 마이크로-핫플레이트의 개략적인 단면도이다.
도 6은 저항성 기체 센싱을 위한 후처리된 전극으로써 시작 벌크 웨이퍼(starting bulk wafer)로써 CMOS 처리에서 만들어진 선택적인 마이크로-핫플레이트의 개략적인 단면도이며, 레이어는 상부 표면으로의 확산을 감소/방지하거나 상부 표면에 대한 접착성을 향상시키도록 표면 금속 바로 아래에 데포지션된다.
도 7은 후처리된 전극으로써 CMOS 처리에서 만들어진 선택적인 마이크로-핫플레이트의 개략적인 단면도인데, 여기서 배면 에칭은 KOH 에칭에 의해 행해진다.
도 8은 SOI 마이크로-핫플레이트의 상부에 후처리되어 상호 맞물린 전극(IDE)를 데포지션하는 후처리된 방법의 단계를 도시한다.
도 9는 후처리된 IDE를 가진 사각형 마이크로-핫플레이트의 평면도이다.
도 10은 후처리된 IDE를 가진 원형 마이크로-핫플레이트의 평면도이다.
도 11은 저항성 기체 센서상의 센싱 물질의 저항을 측정하기 위한 다수의 가능한 전극 디자인에 대한 평면도이다.
도 12는 데포지션된 플라스모닉 구조를 가진 IR 에미터의 평면도이다.
도 13은 동일한 칩 상의 인터페이스 회로 및 마이크로-핫플레이트 기반 기체 센서를 가진 CMOS 칩의 평면도이다.
도 14는 드롭 레이어로서 데포지션된 화학적 또는 기체 감지 레이어 및 저항성 기체 센싱을 위한 후처리된 전극을 가진 CMOS SOI 처리에서 만들어진 마이크로-핫플레이트의 개략적인 단면도이다.
도 15는 컨포멀(conformal) 코팅으로서 데포지션된 기체 감지 레이어 또는 화학적 감지 레이어와 저항성 기체 센싱을 위하여 후처리된 전극을 가진 CMOS SOI에서 만들어진 마이크로-핫플레이트의 개략적인 단면도이다.
본 발명의 실시예는 장치 구조 위에 데포지션된 금 또는 백금 전극으로써 만들어진 CMOS 기반 마이크로-핫플레이트를 제조하는 방법을 설명한다. 이러한 방법에서, 상기 장치는 종래의 CMOS 처리에서 만들어진다. 이러한 처리는 벌크 CMOS, SOI CMOS 일 수 있다. 상기 히터는 텅스텐, 폴리실리콘, MOSFET, 알루미늄, 단결정 실리콘을 이용하여 만들어지되, 이들 모든 레이어는 CMOS 호환가능하다.
상기 마이크로-핫플레이트는 상기 멤브레인을 릴리즈(방출)하기 전에 금 전극의 데포지션을 위한 웨이퍼의 전방측(저항성 히터 인근) 상에 저항을 패터닝하고 스피닝함으로써 추가로 처리된다. 상기 웨이퍼는 딥 반응성 이온 에칭(DRIE)를 통한 건식 에칭, 또는 KOH 를 사용하는 습식 에칭을 사용하여 배면 에칭된다. 금 또는 백금은 금 전극을 형성하기 위하여 전면 상에 스퍼터링된다. 이러한 금속 레이어가 데포지션되기 이전에, 니켈, 크롬, 티타늄과 같은 금속의 다른 레이어는 유전체 레이어 또는 산화 레이어로의 확산을 최소화하고 접착성을 향상시키도록 형성되게 하는 것이 가능하다. 이러한 처리는 원하는 패턴을 달성하도록 리프트-오프가 행해질 때 완료된다(CMOS에서의 포토리소그래피 단계에 의해 시전에 정의됨).
이러한 방법을 사용하여, 바람직한 실시예에 따르면, 리소그래피는 멤브레인이 없이 표준 두께를 가진 웨이퍼 상에서 행해지며, 동시에, 금속 데포지션은 에칭 처리 이후에 행해져서, 에칭 설비는 오염되지 않게 된다. 백금 및 금은 오염되게 되는데, 따라서, CMOS 또는 에칭 설비에서 사용하는 것은 최선으로 회피되게 된다.
상기 멤브레인의 배면 에칭은 딥 반응성 이온 에칭(DRIE) 를 이용하여 행해지는 것이 바람직하다. 그 결과, 수직 별 및 감소된 영역 소비가 나타나게 되고, 추가하여, 웨이퍼를 가로질러 높은 재생산성을 번갈아 나타내게 되는 멤브레인 상의 최종 형상에 대한 양호한 제어를 가능하게 한다. 선택적으로, 상기 멤브레인은 예를 들어 수산화칼륨(KOH) 또는 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드(TMAH) 를 사용하는 습식 에칭에 의해 형성된다. 그 결과 보다 저렴하게 처리가 가능하게 된다.
일실시예에서, 전술한 상기 장치 및 방법은 저항성 기체 센서에 한정되지 않지만, 다른 멤브레인 기반 장치에도 적용될 수 있다. 추가적인 실시예에 따르면, 이를 제조하기 위한 이러한 장치 및 방법은 CMOS 기반 IR 에미터에도 적용될 수 있다.
도 1은 저항성 기체 센싱을 위한 후처리된 전극을 가진 SOI 처리에서 만들어진 마이크로-핫플레이트의 개략적인 단면도이다. 상기 장치는 실리콘 기판(1) 및 멤브레인으로 구성되되, 상기 멤브레인은 매립된 산화물(4), 유전체 레이어(5) 및 상기 기판에 의해 지지되는 패시베이션(6)을 구비한다. 상기 저항성 히터(2)는 상기 멤브레인 내부에 매립되며, 상기 트랙(3)은 상기 패드에 상기 히터를 연결하는데 사용된다. 패시베이션의 상부에, 상기 센싱 물질에 대한 접촉부를 형성하는데 사용되는 금 또는 백금으로된 전극(7)이 놓인다. 상기 에칭은 상기 트렌치의 인접한 수직 측벽을 달성하도록 딥 반응성 이온 에칭(DRIE) 에 의해 행해진다. 상기 히터(2)는 CMOS 순서 내에서 만들어진다. 상기 전극(7)의 포토리소그래피는 CMOS 처리에서의 마지막 단계이면서 DRIE 이전의 단계 중 하나로서 행해진다. 상기 전극(7)의 최종 패턴은 DRIE 이후에 (CMOS 내에서 행해진 포토리소그래피 단계를 이용하여) 리프트-오프 기술에 의해 최종 처리된다. 표준 실리콘 웨이퍼는 SOI 웨이퍼 대신에 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 실리콘 웨이퍼는 도 1의 구조에 사용된 매립된 산화물(4)를 가지지 않는다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는데, 이러한 실시예에서, 상기 장치는 장치의 IR 방서성을 향상시키도록 상부 표면 상의 금 또는 백금으로 형성된 플라스모닉 구조(8)를 가지는 IR 에미터이다.
이러한 구조에서, 8 은 도 1의 전극(7)으로써 유사한 방식으로 행해진다.
도 3은 상기 장치의 IR 방사성을 향상시키는 코닝(9)을 형성하는데 금이나 백금의 상부 금속 레이어가 사용되는 IR 에미터를 도시한다.
도 4는 저항성 기체 센싱을 위한 후처리된 전극을 가진 마이크로-핫플레이트를 도시한다. 이러한 장치에서, 상기 히터는 히터의 안정성 및 접착성을 향상시키도록 금속 레이어 아래에 추가 레이어(10)를 가진다. 상기 추가 레이어(10)는 그것이 IR 에미터 장치에서 사용될 경우 히터에 부착될 수 있다.
도 5는 시작 기판이 벌크 실리콘 기판인 처리를 이용하여 제조되는 저항성 기체 센싱에 대한 후처리된 전극을 가진 마이크로-핫플레이트를 도시한다. 이러한 장치에서 매립된 산화물 레이어는 존재하지 않는다.
도 6은 마이크로-핫플레이트를 도시하는데, 여기서, 후처리된 전극은 그 하부에 추가 레이어(11)를 구비한다. 이러한 레이어는 패시베이션에 대한 금속(금이나 백금)의 접착성을 향상시키게 된다. 이러한 레이어는 임의의 금속으로 만들어지며, 그러한 금속은 크롬, 니켈, 또는 티타늄일 수 있으며, 하나를 초과하는 물질 레이어일 수 있다.
도 7은 후처리된 전극을 가진 마이크로-핫플레이트를 도시하는데, 상기 배면 에칭은 습식 에칭(예를 들어 KOH 또는 TMAH 를 사용)에 의해 행해진다. 그 결과, DRIE 에 의해 생성되는 수직 측벽에 대향하여 트렌치의 측벽이 경사지게 된다.
도 8은 금 또는 텅스텐의 상부 금속 레이어 구조를 데포지션하는 주처리 단계를 도시한다. CMOS 처리 이후에, 상기 장치는 (a)에 도시된 것처럼 된다.
(a) 그것은 실리콘 기판(1), 매립된 산화물 레이어(4), 히터(2) 및 트랙(3), 유전체 산화물(5) 및 패시베이션(6)으로 구성된다. 이런 모든 레이어는 CMOS 순서 내에서 형성된다.
(b) 다음으로, 전방측 리소그래피 마스크(13) 및 후방측 리소그래피 마스크(12)는 상기 웨이퍼의 전방측 및 후방측 상에서 스피닝되고 패터닝된다. 이것은 CMOS 순서의 최종 단계 중 하나이며, 단계(d)에서 행해지는 미래의 금속(7)의 패턴을 정의하게 된다.
(c) 상기 장치는 이어서 DRIE 방법을 이용하여 배면 에칭된다.
(d) 상기 상부 금속 레이어(7) (금 또는 백금)는 스퍼터링 또는 증발을 이용하여 상기 장치에 데포지션된다. 필요하다면, 하나 이상의 레이어는 패시베이션 표면에 대한 금속 접착성을 향상시키도록 최종 금속 레이어(금 또는 백금)의 데포지션 이전에 데포지션되며, 산화물이나 패시베이션 레이어 아래로 확산이 일어나는 것을 방지하게 된다.
(e) 단계(b)에서 행해지는 포토레지스트는 상부 금속 레이어(금 또는 백금)의 원하지 않는 부분과 함께 제거되게 된다.
도 1(a)의 반도체 구조는 표준 CMOS 처리를 이용하여 제조된다. 자세한 CMOS 제조 단계의 예는 아래와 같이 설명된다.
간단한 금속 히터를 형성하는 처리의 CMOS 부분에 있어서 (간단한 마이크로-핫플레이트의 제조에 관련되는 단계들만 주어짐),
1. 시작 기판은 실리콘이거나 SOI 웨이퍼이다.
2. 시작 SOI 웨이퍼의 경우에 있어서만, 이러한 얇은 레이어를 패터닝하고 형성하고 나머지에서 산화물을 가지는 것. 마이크로-핫플레이트에 대하여, 설계는 실리콘을 산화물로 대체할 수 있다. 그러나, 몇가지 다른 패턴도 가능하다.
3. 유전체(5)의 레이어 (이산화실리콘, 또는 질화실리콘)는 전체 칩 (망,크로-핫플레이트 및 다른 회로)를 가로질러 데포지션된다.
4. 패터닝된 금속 레이어는 데포지션된다. 이것은 마이크로-핫플레이트 영역 내에 히터(2)를 형성한다.
5. 추가적인 유전체 레이어는 상기 히터(2)의 상부에 데포지션된다.
6. 다른 금속 레이어가 데포지션된다. 이것은 히터 위에 다른 패턴이나 플레이트를 형성하는데 선택적으로 사용된다.
7. 다른 유전체 레이어가 데포지션된다.
8. 다른 금속 레이어가 데포지션된다. 이것은 히터 위에 다른 패턴이나 플레이트를 형성하는데 선택적으로 사용된다.
9. 이산화실리콘 및/또는 질화실리콘의 패시베이션 레이어(6)가 데포지션된다.
이것은 단계들 중 하나의 순서를 제공하게 되며, 다양한 많은 변형예들이 가능하다는 점이 통상의 기술자에게 자명하다. 이러한 CMOS 처리는 이러한 간단한 장치를 위하여 다른 단계들을 포함하는데 (예를 들어, p 웰 도핑 및/또는 n 웰 도핑, 폴리실리콘 데포지션, MOSFET 를 형성하기 위한 고 p+ 도핑 및 고 n+ 도핑, 등), 이러한 것들은 마이크로-핫플레이트 영역에 영향을 주지 않을 것이지만, 동일한 칩상에 회로를 제조하는데 사용될 수 있다. 이러한 처리는 다양한 개수의 금속 레이어를 가진다.
추가적으로, 다른 레이어를 사용하는 것을 가변시킴으로써, 상기 히터는 단결정 실리콘( p 도핑 또는 n 도핑됨), 또는 폴리실리콘 (p 도핑 또는 n 도핑됨), 또는 다른 금속 레이어들 중 하나로 형성된다. 상기 금속 레이어는 하나 이상의 레이어 또는 그 위아래에 다른 물질을 가지며, 접착성과 신뢰성을 향상시키게 된다. 상기 장치는 단결정 실리콘, 폴리실리콘 또는 금속 레이어로 만들어진 저항성 온도 센서 또는 다이오드를 가진다.
도 9는 저항성 기체 센싱을 위한 맞물린 전극을 가진 마이크로-핫플레이트의 평면도를 도시한다. 도 10은 유사한 구조를 도시하되, 멤브레인, 히터, 및 전극은 원형으로 된다.
도 11은 저항성 기체 센싱을 위하여 사용되는 전극의 다른 형상을 도시한다. (a)는 원형으로 상호 맞물린(interdigitated) 형상을 도시한다. (b)는 맞물린 동심 링 형상을 도시한다. (c)는 나선 형상으로 된 전극을 도시한다. 다양한 다른 형상이 가능하다. 특히, 상기 전극은 사각형 형상일 수 있으며, 측면으로 나란한 전극일 수 있다. 이러한 도면은 몇가지 다른 가능한 예를 도시하는데, 통상의 기술자는 다른 형상이 가능하다는 것을 인식한다.
도 12는 방사성을 향상시키도록 금 또는 백금으로 된 플라스모닉 구조를 가진 IR 에미터의 평면도이다. 이러한 도면은 사각형 구조를 도시하고 있지만, 원하는 방사 스펙트럼 프로파일에 따라 원형, 삼각형, 사다리꼴, 등 다른 형상으로 될 수 있다.
도 13은 동일한 칩 상에 회로(16) 및 마이크로-핫플레이트를 가진 칩(15)의 평면도이다. 이것은 CMOS 처리를 사용함으로써 가능하게 되는데, 이를 통하여 센서 장치 및 회로는 동일한 칩 상에 놓일 수 있게 된다. CMOS 호환 후처리 방법을 사용함으로써, 금이나 백금으로 된 상기 상부 금속 레이어는 상기 멤브레인 상에 데포지션된다.
도 14는 저항성 기체 센싱을 위한 후처리된 전극을 가진 SOI 처리에서의 마이크로-핫플레이트의 개략적인 단면을 도시한다. 상기 장치는 금속 전극(7) 상에 데포지션된 화학적 또는 기체 감지 레이어(17)를 가진다. 상기 센싱 물질은 금속 전극 상의 드롭(drop)과 유사하다.
도 15는 저항성 기체 센싱을 위한 후처리된 전극을 가진 SOI 처리에서의 마이크로-핫플레이트의 개략적인 단면도이다. 상기 장치는 상기 금속 전극(7) 상에 데포지션된 화학적 또는 기체 감지 레이어를 구비한다. 상기 센싱 물질은 전극 위에 대응되게 코팅된다.
본 발명의 처리 과정/방법은 마이크로핫플레이트의 배열을 제조하는데 사용될 수 있다. 상기 배열은 서로 다른 멤브레인 상에서 만들어질 수 있거나, 단일 멤브레인 상에 하나 이상의 마이크로핫플레이트를 가지게 할 수 있다. 예를 들어, 제한된 상기 방법은 측방향으로 이격된 4개의 전극, 4개의 히터를 가진 하나의 멤브레인을 만들거나, 각각 1개의 히터, 1개의 전극을 가진 4개의 멤브레인을 가질 수 있다.
통상의 기술자는 전술한 설명 및 첨부된 청구범위에서, 위치에 관련된 용어인 '위', '아래', '전방', '후방', '수직', '밑' 등은 표준 단면 사시도를 나타내는 것과 같은 반도체 장치의 컨셉 도면을 참고하는 것이며, 이러한 것들은 첨부된 도면에 도시되어 있다. 이러한 용어들은 이해의 편의를 위한 것이며, 제한을 하기 위한 것이 아니다. 이러한 용어들은 첨부한 도면에서 도시된 바와 같은 방향에서 반도체 장치를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.
비록 본 발명은 전술한 바와 같은 실시예에 대하여 설명되었지만, 이러한 실시예들은 예시적인 것이며, 청구범위는 이러한 실시예에 한정되지 않는다. 통상의 기술자는 첨부한 청구범위의 범위에 속하는 것으로 이해되는 개시 사항의 관점에서 변화예나 선택적 실시예를 만들 수 있다. 본원에서 설명되거나 도시된 각각의 특징은 여기서 설명되거나 도시된 다른 특징과 조합하거나 단독으로 편입된다.
1: 기판 2: 히터
3: 트랙 4: 산화물
5: 유전체 레이어 6: 실리콘
7: 전극 10: 추가 레이어
14: 멤브레인

Claims (54)

  1. 반도체 기판, 상기 반도체 기판 위에 배치된 유전체 영역, 상기 유전체 영역 내부의 저항성 히터를 포함하는 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법으로서,
    상기 방법은,
    CMOS(상보성 금속 산화막 반도체:complementary metal oxide semiconductor) 호환 처리 단계를 이용하여 상기 반도체 기판, 상기 유전체 영역 및 상기 저항성 히터를 형성하는 단계;
    CMOS 호환 처리 단계를 사용하여 상기 유전체 영역 위에 포토레지스트 물질을 데포지션하는 단계;
    CMOS 호환 처리 단계를 사용하여 상기 유전체 영역 위에 패터닝된 영역을 형성하도록 포토레지스트 물질을 패터닝하는 단계;
    유전체 멤브레인을 형성하도록 상기 반도체 기판의 적어도 일부분을 에칭하는 단계를 포함하되, 상기 포토레지스트 물질을 데포지션하는 단계, 상기 포토레지스트 물질을 패터닝하는 단계, 상기 반도체 기판의 일부분을 에칭하는 단계는 순차적으로 행해지며,
    상기 반도체 기판의 일부를 에칭한 후에, 추가 단계를 사용하여 상기 유전체 영역 위에 패터닝된 영역에 금속 구조체를 데포지션하는 단계를 추가로 포함하되, 상기 추가 단계는 CMOS 호환 처리 단계가 아닌 것을 특징으로 하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 기판, 상기 유전체 영역, 및 저항성 히터를 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 물질을 데포지션하고 패터닝하는 단계는 CMOS 호환 처리 단계 내에서 행해지는 것을 특징으로 하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 기판, 상기 유전체 영역, 및 상기 저항성 히터를 형성하는 단계는 CMOS 호환 처리 단계 내에서 행해지며, 상기 포토레지스트를 데포지션하고 패터닝하는 단계는 CMOS 호환 처리 단계에서 사용될 수 있는 처리 공구를 이용하여 CMOS 호환 처리 단계와 별도로 행해지는 것을 특징으로 하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 추가 단계는 스퍼터링 기술 또는 증발 기술을 적용하여 상기 금속 구조체를 데포지션하는 단계를 포함하며, 또는 상기 추가 단계는 포토레지스트 물질의 상부 상에 그리고 패터닝된 영역 내부에 상기 금속 구조체를 데포지션하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 추가 단계는 패터닝된 영역 내에 형성된 상기 금속 구조체가 유전체 영역 위에 유지되도록 하기 위하여 상기 포토레지스트 물질의 상부의 금속 구조체의 일부와 상기 포토레지스트 물질을 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 포토레지스트 물질 및 상기 포토레지스트 물질의 상부 위의 금속 구조체는 화학적 용액 또는 화학적 용매를 이용하여 제거되며, 또는
    상기 포토레지스트 물질 및 상기 포토레지스트 물질의 상부 위의 금속 구조체의 일부는 리프트-오프 기술을 이용하여 제거되는 것을 특징으로 하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토레지스트 물질을 패터닝하는 단계는 상기 유전체 영역 위에 패터닝된 영역을 형성하도록 마스크를 부착하는 단계를 포함하며, 또는
    상기 포토레지스트 물질을 패터닝하는 단계는, 상기 유전체 영역 위에 패터닝되는 영역을 형성하도록 CMOS 호환 처리 단계 내에서 포토리소그래피 기술을 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 기판을 에칭하는 단계는, 에칭되는 반도체 기판의 일부분을 형성하도록 상기 반도체 기판에 인접하게 마스크를 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 기판을 에칭하는 단계는, 딥 반응성 이온 에칭(DRIE) 기술을 적용하는 단계를 포함하거나,
    상기 반도체 기판을 에칭하는 단계는, 습식 에칭 기술을 적용하는 단계를 포함하되, 선택적으로 수산화칼륨 (KOH), 또는 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드 (TMAH) 를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항성 히터는 텅스텐, 티타늄, 알루미늄, 폴리실리콘 및 단결정 실리콘을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나의 물질을 포함하며,
    상기 유전체 영역 내에 상기 저항성 히터에 인접하게 제 1 배리어 레이어를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 구조체를 데포지션하기 전에 상기 기판을 에칭한 후에, 상기 방법은 상기 유전체 영역 위에 패터닝된 영역 내에 그리고 상기 포토레지스트 영역의 상부 위에 제 2 확산 배리어 레이어를 데포지션하는 단계를 추가로 포함하며,
    선택적으로, 상기 제 2 확산 배리어 레이어 또는 제 2 접착 레이어는 텅스텐, 니켈 및 크롬을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    (1) 맞물려 배치된 전극,
    (2) 동심 링 형상으로 배치된 전극
    (3) 나선 형상으로 배치된 전극 및
    (4) 서로 인접한 단지 2개의 전극
    을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 형상으로 상기 금속 구조체를 패터닝하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 구조체를 도트 또는 구멍을 포함하는 플라스모닉 구조체로 패터닝하는 단계, 및
    상기 금속 구조체 상에 기체 감지 레이어를 데포지션하는 단계 중 적어도 하나를 추가로 포함하며,
    선택적으로, 상기 기체 감지 레이어는 산화주석, 산화텅스텐, 및 산화아연을 포함하는 그룹에서 선택되는 순수 또는 도핑된 산화 금속 물질을 포함하는 것을 특징으로하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 기체 감지 레이어는 스크린 프린팅, 스퍼터링, 화학적 증기 데포지션(CVD), 잉크젯 및 드롭 코팅을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나의 기술을 이용하여 데포지션되며,
    상기 기체 감지 레이어는 드롭 형상 또는 컨포멀 형상을 가지는 것을 특징으로하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로핫플레이트는 벌크 실리콘 웨이퍼 또는 실리콘-온-인슐레이터(SOI) 웨이퍼로 형성되는 것을 특징으로하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    CMOS 호환 처리 단계를 이용하여 상기 유전체 영역 상에 패시베이션 레이어를 형성하는 단계로서, 상기 금속 구조체는 상기 패시베이션 레이어 상에 데포지션되며, 선택적으로, 상기 패시베이션 레이어는 이산화실리콘 또는 질화실리콘을 포함하는 물질을 구비하는, 패시베이션 레이어를 형성하는 단계;
    CMOS 호환 처리 단계를 이용하여 상기 유전체 영역 내에 온도 센서를 형성하는 단계로서, 선택적으로, 상기 온도 센서는 다이오드 온도 센서, 및 단결정 실리콘, 폴리실리콘 또는 금속 저항성 온도 센서를 포함하는 그룹에서 선택되는, 온도 센서를 형성하는 단계;
    CMOS 호환 처리 단계를 이용하여 상기 유전체 영역 내에 열 확산(heat spread) 플레이트를 형성하는 단계로서, 선택적으로, 상기 열 확산 플레이트는 단결정 실리콘, 폴리실리콘, 및 금속을 포함하는 그룹에서 선택되는 물질을 포함하는, 열 확산 플레이트를 형성하는 단계; 및
    CMOS 호환 처리 단계를 이용하여 마이크로핫플레이트와 동일한 칩 상에 CMOS 회로를 집적하는 단계로서, 선택적으로, 상기 동일한 칩 내부에 그리고 상기 유전체 멤브레인 외측에 온도 센서를 집적하는 단계를 추가로 포함하는, CMOS 회로를 집적하는 단계; 중 적어도 하나의 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로핫플레이트는 원형 형상 또는 사각형 형상을 가지며, 또는
    상기 유전체 멤브레인은 원형 형상 또는 사각형 형상을 가지는 것을 특징으로하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  19. 에칭부를 가지는 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 위의 유전체 영역;
    상기 유전체 영역 내에 형성된 저항성 히터; 및
    상기 유전체 영역 사에 형성된 패터닝된 금속 레이어를 포함하되,
    상기 반도체 기판, 상기 유전체 영역, 상기 저항성 히터, 상기 기판의 에칭부, 상기 패터닝된 금속 레이어는 제 1 항 내지 제 12 항, 제 15 항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 따른 방법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로하는, 마이크로핫플레이트.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 저항성 히터는 텅스텐, 티타늄, 알루미늄, 폴리실리콘 및 단결정 실리콘을 포함하는 그룹에서 선택되는 물질을 포함하며,
    상기 패터닝된 금속 레이어는 금 또는 백금을 포함하며,
    선택적으로, 상기 패터닝된 금속 레이어 바로 아래에 제 2 확산 배리어 또는 접착 레이어를 추가로 포함하며, 상기 제 2 확산 배리어 또는 접착 레이어는 티타늄, 니켈 및 크롬을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하며, 상기 제 2 확산 배리어 또는 접착 레이어는 상기 패터닝된 금속 레이어를 형성하는데 사용되는 동일한 추가 단계를 사용하여 처리되는 것을 특징으로하는, 마이크로핫플레이트.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 유전체 영역 내에서 상기 저항성 히터에 인접한 제 1 배리어 레이어; 또는
    상기 유전체 영역의 상부에 패시베이션 레이어; 또는
    상기 패터닝된 금속 레이어의 상부에 기체 감지 레이어;를 추가로 포함하며,
    선택적으로, 상기 기체 감지 레이어는 드롭 또는 컨포멀 형상을 가지는 것을 특징으로하는, 마이크로핫플레이트.
  25. 제 19 항에 따른 마이크로핫플레이트를 포함한 IR 소스로서,
    상기 패터닝된 금속 레이어는 특정 파장에 대한 IR 방사성을 향상시키도록 또는 다른 특정 파장에 대한 IR 방사성을 감소시키도록 플라스모닉 금속 구조체를 형성하는데 사용되는 것을 특징으로 하는, IR 소스.
  26. 제 19 항에 따른 마이크로핫플레이트를 구비하는 기체 센서.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 구조체는 금 또는 백금을 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로핫플레이트를 제조하는 방법.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 플라스모닉 금속 구조체는 도트 또는 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는, IR 소스.
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