KR20070055578A - 마이크로머신 디바이스 - Google Patents

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KR20070055578A
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film
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polysilicon
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KR1020077007440A
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히로시 오구라
세이지 우에다
가츠히로 마키하타
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

마이크로머신 디바이스는, 불순물을 도핑한 폴리실리콘으로 이루어지는 패드(107a) 및 패드(107b)를 구비한다.
마이크로머신 디바이스, 박막가공, 전극구조, 불순물 도핑 폴리실리콘, 기생용량의 억제

Description

마이크로머신 디바이스{MICROMACHINE DEVICE}
본 발명은, 박막가공을 이용하여 제작하는 디바이스에 관하며, 특히 마이크로머신 또는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)로 불리는 마이크로머신 디바이스에 관한 것이다.
종래, 반도체소자 등의 디바이스와 기판과의 전기적 접속에는 Au(금) 또는 Al(알루미늄) 등으로 이루어진 와이어를 이용하여 와이어본딩을 실시하는 배선방법이 널리 사용되어왔다. 일반적으로 반도체소자 등의 디바이스 접속용 패드는 알루미늄막으로 구성되며, 당해 패드의 알루미늄막에 금 또는 알루미늄으로 이루어진 와이어가 볼 본딩 또는 쐐기형 본딩(wedge bonding)을 이용한 와이어본딩 공법으로 접합된다. 이는 반도체소자에서 패드 및 배선을 형성하는 재료로서 알루미늄막을 이용하기 때문이다.
한편, 근래엔 종래의 기계가공으로 제작되는 디바이스의 소형화를 도모하기 위해, 반도체소자의 제조방법을 응용한 마이크로머시닝 기술이라 불리는 수법을 사용하여 마이크로머신 디바이스의 제작이 이루어지게 되었다. 마이크로머신 디바이스에서는, 배선재료(도통재료)로서 알루미늄막 또는 불순물이 도핑된 폴리실리콘막이 일반적으로 사용된다. 마이크로머신 디바이스는, 다른 기판 또는 다른 디바이 스와 전기적으로 접속되어 처음으로 그 기능이 발현된다. 때문에 마이크로머신 디바이스에 전기적 접속을 취하기 위한 전극을 형성하고, 와이어본딩으로 당해 마이크로머신 디바이스와 다른 기판 또는 다른 디바이스를 전기적으로 접속한다. 마이크로머신 디바이스의 배선재료로서 알루미늄막을 이용할 경우, 알루미늄막이 와이어본딩 배선재료인 금선 또는 알루미늄선과 양호하게 접속되므로, 전극구조에 특별한 구조적 배려를 할 필요는 없다. 이에 반해 마이크로머신 디바이스의 배선재료로서 불순물을 도핑한 폴리실리콘막을 사용할 경우에는, 일반적으로 도 4에 나타낸 전극구조가 이용된다(특허문헌1; 일특개소 63-318756호 공보 참조).
도 4에 나타낸 바와 같이, 실리콘기판(1) 상에 절연막(2)이 형성됨과 더불어, 절연막(2) 상에 불순물이 도핑된 폴리실리콘막으로 된 배선(3)이 형성된다. 배선(3)을 피복하도록 절연막(4)이 형성된다. 절연막(4)에는, 배선(3)을 부분적으로 노출시키는 개구부가 형성됨과 더불어, 당해 개구부에 금으로 된 패드(5)가 배선(3)과 접속되도록 형성된다. 패드(5)에는 금 또는 알루미늄으로 된 와이어(6)가 접속된다.
[발명의 개시]
[발명이 해결하고자 하는 과제]
그러나 마이크로머신 디바이스의 배선재료로서 불순물을 도핑한 폴리실리콘막을 사용할 경우, 전술한 바와 같은 배선방법에서는, 다음과 같은 문제가 발생한다.
즉 도 4에 나타낸 바와 같은 전극구조에서는, 패드(5)로서 금막 또는금막을 최상층으로 하는 금속복합막을 형성하기 위한 처리가 필요하다. 때문에 처리공정이 증가하여 제조원가가 상승한다. 또 도 4에 나타낸 전극구성에서는, 절연막(4)을 개재하고 서로 대향하는 배선(3)(폴리실리콘막)과 패드(5)(금막 또는 금속복합막)가 콘덴서를 형성하는 결과, 기생용량이 발생한다. 이 기생용량은 디바이스의 특성을 열화시킨다. 즉 이 기생용량은 마이크로머신 디바이스의 기능을 저해한다.
상기에 감안하여 본 발명은, 처리공정을 증가시키는 일없이 기생용량을 저감할 수 있는 마이크로머신 디바이스의 전극구조 실현을 목적으로 한다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 관한 제 1 마이크로머신디바이스는, 불순물을 도핑한 폴리실리콘으로 이루어지는 본딩패드를 구비한다.
본 발명의 제 1 마이크로머신디바이스에 의하면, 불순물을 도핑한 폴리실리콘으로 된 배선재료를 본딩패드의 재료로 이용하므로, 배선재료와 다른 금속재료를 이용하여 새로 본딩패드를 형성하는 경우에 비해 공정을 생략할 수 있으므로, 제조원가를 저감할 수 있다. 또 본딩패드 재료로서 금속을 이용하지 않음으로써, 본딩패드와 배선 또는 전극이 절연막을 개재하고 서로 대향하는 구성을 회피할 수 있으므로, 기생용량을 대폭으로 억제할 수 있다.
본 발명에 관한 제 2 마이크로머신디바이스는, 제 1 전극과 제 2 전극으로 이루어지는 컨덴서를 갖는 마이크로머신디바이스이며, 상기 제 1 전극에 형성된 본딩패드와, 상기 제 1 전극 상에 형성되며 또 상기 본딩패드 상에 개구부를 갖는 보호절연막을 구비하며, 상기 제 1 전극 및 상기 본딩패드는 모두, 불순물을 도핑한 폴리실리콘으로 이루어진다.
본 발명의 제 2 마이크로머신디바이스에 의하면, 불순물을 도핑한 폴리실리콘으로 이루어지는 배선재료를 본딩패드의 재료로 이용하므로, 배선재료와 다른 금속재료를 이용하여 새로 본딩패드를 형성하는 경우에 비해 공정을 생략할 수 있으므로, 제조원가를 저감할 수 있다. 또 본딩패드 재료로 금속을 이용하지 않음으로써, 본딩패드와 배선 또는 전극이 절연막을 개재하고 서로 대향하는 구성을 회피할 수 있으므로, 기생용량을 대폭으로 억제할 수 있다.
본 발명의 제 1 또는 제 2 마이크로머신디바이스에 있어서, 상기 본딩패드에 알루미늄으로 이루어지는 와이어가 공정(共晶)반응에 의해 직접 접속되는 것이 바람직하다.
이와 같이 하면, 알루미늄으로 된 와이어와, 본딩패드 즉 불순물을 도핑한 폴리실리콘을 보다 견고하게 접속할 수 있으므로, 디바이스의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
[발명의 효과]
본 발명에 의하면, 처리공정의 증가 즉, 제조원가의 상승을 억제할 수 있다. 또 불순물을 도핑한 폴리실리콘으로 된 배선의 일부인 본딩패드에 직접 와이어를 접속함으로써, 본딩패드 주변에서의 기생용량을 억제할 수 있으므로 디바이스의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 마이크로머신 디바이스의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 관한 마이크로머신 디바이스에서의 본딩 조건인 본딩파워의 정의를 설명하는 도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 관한 마이크로머신 디바이스에서의 패드부 확대사진이다.
도 4는 종래 마이크로머신 디바이스에서의 패드부를 나타낸 단면도이다.
[부호의 설명]
101 : 실리콘기판 102 : 하부전극
103 : 층간절연막 104 : 상부전극
105 : 공간 106 : 보호막
107a, 107b : 패드 108a, 108b : 와이어
이하 본 발명의 실시형태에 관한 마이크로머신 디바이스에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 마이크로머신 디바이스의 개념을 나타낸 단면도이며, 마이크로머신 디바이스의 기본적 구조를 나타낸다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 실리콘기판(101) 상에 하부전극(102)이 형성된다. 여기서 하부전극(102)의 이면은, 실리콘기판(101)의 일부분을 제거함으로써 부분적으로 노출된다. 하부전극(102)의 위를 포함하는 실리콘기판(101) 상에 층간절연막(103)을 개재하고 상부전극(104)이 형성된다. 층간절연막(103)의 적어도 실리콘기판(101) 제거영역과 겹치는 부분은 제거되며, 이로써 하부전극(102)과 상부전극(104) 사이에 공간(105)이 형성된다. 여기서 하부전극(102) 및 상부전극(104)은 불순물을 도핑한 폴리실리콘으로 이루어진다. 또한 상부전극(104) 상에는 보호막(106)이 형성된다. 보호막(106)에는, 상부전극(104)의 단부가 노출되어 패드(107a)가 될, 개구부가 형성된다. 또 보호막(106) 및 층간절연막(103)에는, 하부전극(102)의 단부가 노출되어 패드(107b)가 될, 개구부가 형성된다. 이들 패드(107a) 및 패드(107b)에는 각각, 알루미늄으로 된 와이어(108a 및 108b)가 쐐기형 본딩(wedge bonding)에 의한 공정반응(eutectic)을 이용하여 접속된다.
본 실시형태의 마이크로머신 디바이스 기본구조는, 도 1에 나타낸 바와 같은 2매의 평행평판 전극인 하부전극(102) 및 상부전극(104)을 갖는 구조이다. 즉, 상부전극(104)과 하부전극(102) 사이에 공간(air gap)(105)이 존재하는 구조에 의해, 본 실시형태의 마이크로머신 디바이스는, 디바이스 주변의 압력변화를 검지하는 압력센서로서 기능한다.
예를 들어, 하부전극(102)에 공기압력 등의 압력이 가해지면, 그 압력에 의해 하부전극(102)이 휘고, 하부전극(102)과 상부전극(104) 사이의 거리(즉 공간(105)의 두께)가 변화한다. 한편, 하부전극(102)과 상부전극(104)은, 공기를 유전체로 하는(즉 공간(105)을 유전체층으로 하는) 평행평판형 콘덴서를 구성하므로, 하부전극(102)과 상부전극(104) 사이의 거리가 변화하면, 당해 컨덴서의 용량이 변화한다. 이 용량변화를 검지하여 출력함으로써, 압력변화를 출력값으로 하여 취해 낼 수 있다.
하부전극(102) 및 상부전극(104)은 전기적으로 도통하는 재료로 이루어지며, 마이크로머신 디바이스에서는, 불순물이 확산된 폴리실리콘막을 사용하는 경우가 많다. 그 이유는, 폴리실리콘막의 막 응력을 성막조건 또는 열처리 조건 등으로 조정하기가 가능하기 때문이다. 여기서, 예를 들어 도 1에 나타낸 디바이스구조에 있어서, 압력을 받는 하부전극(102)의 폴리실리콘막 응력은 중요하다. 구체적으로는 하부전극(102)이 될 폴리실리콘막의 장력은, 당해 폴리실리콘막의 응력과 당해 폴리실리콘막 막 두께와의 곱에 비례한다. 또 당해 폴리실리콘막의 장력은, 압력변화를 검지하는 감도를 좌우하므로, 결과적으로 당해 폴리실리콘막의 응력을 조정함으로써, 압력센서의 감도를 정할 수 있다. 예를 들어 폴리실리콘막의 장력을 작게 하여 미소한 압력을 검지하는 센서를 구성하거나, 역으로 폴리실리콘막의 장력을 크게 하여 커다란 압력을 검지하는 센서를 구성하기가 가능하다.
다음으로, 도 1에 나타낸 패드(107a 및 107b)에 각각 와이어(108a, 108b)를 접속하기 위한 방법에 대해 설명한다.
본 실시형태에서 이용하는 웨지본더 쐐기형 본딩 조건의 주된 파라미터는, 초음파 발진주파수, 본딩하중, 본딩시간 및 본딩파워이다. 이하 본원 발명자들이, 불순물을 도핑한 폴리실리콘막에 알루미늄 와이어를 접속하는 실험을 실시한 결과에 대해 설명한다.
실험에 사용한 장치는, WEST BOND사제의 모델 7400D 웨지본더이다. 또 사용 웨지는, 45도 타입의 웨지인 DEWELY사제 CKNOE-1/16-750-52-F2525-MP이다. 또한 사용한 알루미늄 와이어는, Al-Si합금(실리콘 함유율 1at%)으로 된 직경(φ) 30㎛ 의 와이어이다. 또 발진주파수는 64kHz이며, 본딩하중은 1∼60gf(9.8×1∼9.8×60mN)이며, 본딩파워는 1∼13V이고, 본딩시간은 1∼100msec이다. 즉 본딩하중, 본딩시간 및 본딩파워에 대해서는, 설정값을 변화시켜 실험을 실시했다. 그리고 접합온도는 상온이다.
여기서 본딩파워의 정의에 대해 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 2에 나타낸 파형은, 64kHz의 초음파 발진주파수의 파형이며, 당해 파형의 피크간(peak to peak) 전압값(V)을 본 실험의 본딩파워라 칭한다.
또 본딩하중에 대해서는, 와이어 접합의 가능 불가능에 상관없이 60gf를 초과하면 디바이스에 손상을 일으키는 경우가 있다. 여기서 본 실험에 있어서는, 본딩하중을 60gf 이하로 설정한다. 또한 본딩시간에 대해서는 생산성을 고려하여 0.1초(100msec) 이하의 조건으로 설정한다. 본딩파워에 대해서는, 초음파발진기가 갖는 최대출력 13V까지의 범위를 실험조건으로 설정한다.
본 실험에 의하면, 본딩하중을 25∼60gf, 본딩파워를 3.9∼13V, 본딩시간을 42∼100msec로 했을 때, 불순물을 도핑한 폴리실리콘막에 대해 알루미늄 와이어 접속이 가능하다.
여기서 본 실험에서의 폴리실리콘막과 알루미늄 와이어의 접합 가부에 대해서는, 풀 테스트(full test) 시험에 의한 접합강도가 5gf(9.8×5mN) 이상인 경우에 [접합 가능]으로 판단했다.
도 3에 나타낸 사진은, 본딩하중 30gf, 본딩시간 47msec, 본딩파워 2V의 조건에서, 불순물을 도핑한 폴리실리콘막과 알루미늄 와이어를 접합한 양상을 나타낸 확대사진이다. 여기서 도 3에 나타낸 접합은, 불순물을 도핑한 폴리실리콘막과 알루미늄 와이어의 공정반응에 의한 것이며, 풀 테스트 시험에 따른 접합강도는 15gf(9.8×15mN)이다.
또 본 실험에서, 실용적인 본딩조건으로서, 본딩하중 28∼32gf(9.8×28∼9.8×32mN), 본딩시간 45∼50msec, 본딩파워를 4.2∼5.0V로 설정하는 것이 바람직함을 알았다.
이상 설명한 바와 같이 본 실시형태에 의하면, 불순물을 도핑한 폴리실리콘으로 된 패드(107a 및 107b)에 각각, 알루미늄 와이어(108a 및 108b) 접속이 가능하다. 또 불순물을 도핑한 폴리실리콘으로 된 배선재료를 패드(107a 및 107b) 즉 본딩 재료로서 이용하므로, 배선재료와 다른 금속재료를 이용하여 새로 본딩패드를 형성하는 경우와 비교하여 공정을 생략할 수 있으므로 제조원가를 저감할 수 있다. 또한 본딩패드 재료로서 금속을 이용하지 않음으로써, 본딩패드와 배선 또는 전극이 절연막을 개재하고 서로 대향하는 구성을 회피할 수 있으므로, 기생용량을 대폭으로 억제할 수 있다.
즉, 제조원가가 저가이며 또 패드부에서의 기생용량이 발생하지 않는 마이크로머신 디바이스의 제조가 가능하다.
본 발명은 마이크로머신 디바이스에 관하며, 불순물을 도핑한 폴리실리콘으로 이루어진 배선 또는 전극에 직접 와이어를 접속함으로써, 본딩패드 주변에서의 기생용량을 억제하여 신뢰성을 실현할 수 있다는 효과를 얻을 수 있어, 매우 유용 하다.

Claims (3)

  1. 제 1 전극부와 제 1 패드부를 갖는 제 1 도전막과,
    제 2 전극부와 제 2 패드부를 갖는 제 2 도전막을 구비하고,
    상기 제 1 전극부와 상기 제 2 전극부는 공간(air gap)을 개재하고 서로 대향하며,
    상기 제 1 도전막과 상기 제 2 도전막은 각각, 불순물을 도핑한 폴리실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로머신 디바이스.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 패드부 및 상기 제 2 패드부에 각각, 알루미늄으로 이루어지는 와이어가 공정반응(eutectic)에 의해 직접 접속되는 것을 특징으로 하는 마이크로머신 디바이스.
  3. 상기 제 1 도전막에서의 상기 제 2 도전막과 반대쪽인 표면에는 상기 제 1 패드부를 제외하고 보호막이 형성되며,
    상기 제 2 도전막은, 공기압력의 변화에 따라 휘어지는 것을 특징으로 하는 마이크로머신 디바이스.
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