KR20110096575A

KR20110096575A - 하이브리드 ｍｅｍｓｒｆ 스위치 및 이를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR20110096575A
Application number: KR1020117016116A
Authority: KR
Inventors: 앤서니 스탬퍼; 피터 제임스 린드그렌
Original assignee: 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2011-08-30
Also published as: TW201112297A; JP2012514292A; JP6016362B2; US20120098136A1; US8445306B2; WO2010072431A1; US8748207B2; US20130240336A1

Abstract

하이브리드 MEMS RF 스위치를 갖는 구조들 및 디바이스의 기존의 배선 층들을 사용하여 이러한 구조들을 제조하는 방법이 제공된다. MEMS 스위치를 제조하는 방법은 디바이스의 하부 배선 층으로부터 가동 전극을 형성하는 단계 및 상기 디바이스의 상부 배선 층으로부터 하부 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 가동 전극 및 하부 전극 위로 가요성 캔틸레버 암(flexible cantilever arm)을 형성하는 단계를 더 포함하되, 가동 전극에 전압을 인가하는 경우, 가요성 캔틸레버 암은 하부 전극과 접촉하여 MEMS 스위치가 닫히도록 형성된다.

Description

하이브리드 ＭＥＭＳＲＦ 스위치 및 이를 제조하는 방법{HYBRID MEMS RF SWITCH AND METHOD OF FABRICATING SAME}

본 발명은 집적 회로들 및 이들을 제조하는 방법들에 관한 것으로서, 더 상세하게는 하이브리드 MEMS RF 스위치를 갖는 구조들 및 디바이스의 기존 배선 층들을 사용하여 이러한 구조들을 제조하는 방법을 제공한다.

3D 및 다른 집적 회로들에서 사용되는 집적 회로 스위치들은, 고체(solid state) 구조들(예를 들면, 트랜지스터들) 또는 수동 배선들(passive wires)(MEMS)로 형성될 수 있다. MEMS 스위치들은 통상적으로 그들의 이상적인 절연(isolation) 때문에 사용되는데, 이러한 절연은 전력 증폭기들(PAs)의 모드 스위칭에 사용되는 무선 라디오 어플리케이션들의 주요 요구사항이기 때문이다.

MEMS는 다양한 다른 툴(tool)들을 사용하여 다양한 방법으로 제조될 수 있다. 그러나, 일반적으로 그러한 방법들 및 툴들은 마이크로미터 스케일(scale)을 갖는 작은 구조들을 형성하는데 사용된다. 또한, MEMS를 제조하는데 사용되는 많은 방법들, 즉 기술들(technologies)은 집적 회로(IC) 기술로부터 채용되어 온 것이다.

예를 들면, 모든 MEMS의 대부분은 웨이퍼들 상에 만들어지는데, 이들은 포토리소그래피 프로세스로 패턴된 재료들의 박막 내에(in thin films) 실현된다. 더 상세하게 설명하면, MEMS 제조는 다음의 세가지 기본 제조 단계들(three basic building blocks)을 사용한다. (1)기판 상에 재료의 박막들을 증착하는 단계 (2)상기 박막 상부(top)에 포토리소그래피 이미지로 패턴된 마스크를 적용하는 단계 및 (3)상기 박막들을 상기 마스크에 대하여 선택적으로 에칭하는 단계.

특정 어플리케이션 및 제조 기준에 따라, MEMS 구조들은 다양한 형태들을 갖는다. 예를 들면, MEMS는, 미국 특허 5,578,976에서 보는 것처럼 단일 캔틸레버(single cantilever) 구조의 형태로 구현될 수 있다. 이러한 캔틸레버 구조에서는, 단일 캔틸레버 암(cantilever arm)(떠 있는 전극)은 전압의 인가에 의해 고정된 전극을 향해 끌려온다(pulled). 하지만 이러한 캔틸레버 구조를 제조하기 위해서는, CMOS 구조 자체를 만드는 것 이외에도 몇몇 의 추가 처리 단계 및 고비용 처리 단계들이 요구된다. 예를 들어, 일단 모든 CMOS 배선이 완성되더라도, MEMS 스위치를 형성하기 위해서는 추가 프로세스들이 필요한데, 이는 상기 구조의 제조비용에 상당한 비용을 추가한다.

따라서, 전술한 결함 및 한계들을 극복할 방법이 필요하다.

본 발명의 한가지 목적은, MEMS 스위치를 제조하는 방법을 제공하는 것이며, 상기 방법은 디바이스의 하부 배선 층(lower wiring layer) 으로부터 가동 전극(forcing electrode)을 형성하는 단계 및 디바이스의 상부 배선 층(upper wiring layer)으로부터 하부 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 가동 전극에 전압이 인가되면, 가요성 캔틸레버 암이 상기 하부 전극에 접촉하여 MEMS 스위치가 닫히도록 상기 가동 전극 및 상기 하부 전극 위에 가요성(flexible) 캔틸레버 암을 형성하는 단계를 더 포함한다.

여러 실시 예들에서, 가동 전극 및 하부 전극은 디바이스의 구리 배선 레벨에서 제조된다. 가동 전극은 다마신(damascene) 프로세스에 의해 형성된 유전층 내에 매립된다. 하부 전극은, 유전체 층 상에 증착된 도전성 재료 층을 패터닝함으로써 형성된다. 상기 방법은 하부 전극을 형성하는 도전성 재료 상에 금 층(gold layer)을 상기 패터닝 전에 증착하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 하부 전극을 형성하는 도전성 재료 및 및 금 층 사이에 내화 재료(refractory material)를 상기 패터닝 전에 증착하는 단계를 더 포함한다.

상기 가요성 캔틸레버 암은 : 유전체 재료 및 하부 전극 위에 중합체(polymer) 또는 실리콘과 같은 희생 재료(sacrificial material)를 증착하는 단계; 및 희생 재료 상에 도전성 재료를 증착하는 단계에 의해서 형성된다. 상기 도전성 재료는 Cu, Au, TiN, 및 Al 중 적어도 하나인 것이 바람직하다. 상기 방법은 상기 가요성 캔틸레버 암을 밀봉하는 단계(sealing)를 더 포함하는데, 상기 단계는 : 상기 가요성 캔틸레버 암 상에 그리고 상기 가요성 캔틸레버 암을 형성하는데 사용된 상기 희생 재료 상에 희생 층을 증착하는 단계(depositing); 증착된 하드 캡 재료로 상기 희생 층을 캡핑하는 단계(capping); 상기 하드 캡 재료 내에 홀(hole)들을 만드는 단계(opening); 상기 희생 층 및 상기 희생 재료를 제거하는 단계(stripping); 및 상기 홀들을 밀봉하는 단계(sealing)를 포함한다.

본 발명의 다른 목적은, MEMS 구조를 제조하는 방법을 제공하는 것이며, 상기 방법은 하부 유전체 층(lower dielectric layer) 내에 하부 배선 층(lower wiring layer)을 형성하는 단계 ; 도전 재료의 증착 및 패터닝에 의해서 상부 유전체 층 내에 상부 배선 층(upper wiring layer)을 형성하는 단계 ; 상기 하부 배선 층 위에 그리고 상기 상부 배선 층의 한 패턴된 배선 상에는 완전히(completely on one patterned wiring), 그리고 상기 상부 배선 층의 다른 패턴된 배선 상에는 부분적으로(partially on another patterned wiring) 희생 중합체 재료를 증착하는 단계; 상기 희생 중합체 재료상에 도전성 재료를 증착하는 단계에 의해서 캔틸레버 암을 형성하는 단계 -상기 증착하는 단계는 상기 도전성 재료를 상기 하부 배선 층 위로 연장하여 상부 배선 층의 상기 다른 패턴된 배선과 접촉하게 하는 단계를 포함함- ; 및 상기 희생 중합체 재료를 스트리핑(stripping) 혹은 제거하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 목적은, MEMS 스위치를 제공하는 것이며, 상기 스위치는 디바이스의 가동 전극(forcing electrode)으로 기능하는 하부 배선 층과 디바이스의 하부 전극 접점(lower electrode contact)으로 기능하는 상부 배선 층을 포함한다. 스위치를 닫거나 또는 MEMS 스위치 회로가 완성되기(complete) 위해서는 높은 전압(즉, 10-200V)이 가동 전극에 인가된다. 상기 MEMS 스위치는 가동 전극 및 하부 전극 컨택 위에 위치한 캔틸레버 암을 더 포함하되, 상기 캔틸레버 암은, 상기 가동 전극에 전압이 인가되면, 상기 하부 전극에 접촉하여 상기 MEMS 스위치를 위한 회로가 완성되도록(complete) 한다.

실시 예들에서, 상기 MEMS 스위치는 밀봉된다(hermetically sealed). 상기 밀봉은 SiN 또는 SiCN 캡 층으로 이루어 지는데, 이들이 개구부들을 밀봉한다. 캔틸레버 암은 Al, Cu, AlCu 및 Au 및 TiN 중 적어도 하나로 구성된다. 상기 캔틸레버 암은 약 1 내지 20미크론의 두께를 갖고, 바람직하게는 10미크론의 두께를 갖는다. 또한, 상기 캔틸레버 암은 하부 전극 접점과는 약 1 내지 10 미크론, 바람직하게는 5미크론 이격되며, 가동 전극과는 약 2 내지 15 미크론, 바람직하게는 8미크론 이격된다.

본 발명의 다른 목적은, MEMS 스위치를 제공하는 것이며, 상기 스위치는: 디바이스의 하부 유전체 층 내에 형성된 가동 전극; 상기 디바이스의 패턴된 상부 배선 층; 및 캔틸레버 암을 포함하되, 상기 캔틸레버 암은 상기 패턴된 상부 배선 층의 제1 패턴된 배선과 접촉하도록 구성되고, 상기 패턴된 상부 배선 층의 제2 패턴된 배선 위에 근접하게 위치하며, 상기 가동 전극에 전압이 인가되었을 때 상기 캔틸리버 암이 힘을 받아 하부 전극 접점으로 기능하는 상기 제 2 패턴된 배선과 접촉하도록 상기 가동 전극으로부터의 거리에 위치한다.

본 발명은 다수의 도면들을 참조하여 아래에서 상세히 설명되며, 여기서 예시한 실시 예들에 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 9는 본 발명의 실시 예들 따른 중간 구조 및 각각의 처리 단계들을 나타낸 것을 도시한다.
도 10은 본 발명의 제1 실시 예를 따른 최종 MEMS 구조 및 각각의 처리 단계들을 나타낸 것을 도시한다.
도 11은 본 발명의 제2 실시 예를 따른 최종 MEMS 구조 및 각각의 처리 단계들을 나타낸 것을 도시한다.
도 12는 본 발명의 제3 실시 예를 따른 최종 MEMS 구조 및 각각의 처리 단계들을 나타낸 것을 도시한다.

본 발명은 집적 회로에 관한 것으로서, 더 상세하게는 하이브리드 MEMS RF 스위치를 갖는 구조들 및 디바이스의 기존 배선 층들을 사용하여 이러한 구조들을 제조하는 방법을 제공한다. 이를 구현함에 있어서, 본 발명은 몇몇의 새로운 MEMS 스위치들의 구조 및 이를 제조하는 방법들을 포함한다. MEMS 스위치들은 기존의 배선 레벨들을 사용하여 효율적으로 제조된다. 예를 들면, 실시 예들에서, 상기 스위치는 표준 CMOS 배선 레벨들을 사용하여 제조되지만, 상기 스위치 위에 밀봉된 돔(dome), 예를 들어 밀봉된 SiN 돔을 형성하기 위해 추가 프로세스를 사용한다. 또한, 실시 예들에서, 상기 스위치의 접점 영역들은 산화(즉, 영구적으로 스위치가 열린 상태를 만드는) 또는 스틱션(stiction)(즉, 영구적으로 스위치를 닫힌 상태로 만드는)를 방지하기 위해서 금박을 입힌다.

더 상세하게 설명하면, 본 발명의 MEMS 스위치들은 CMOS 웨이퍼의 배선 층(예를 들면, Cu last metal ’LM’)으로부터 형성된 가동 전극을 포함한다. 나머지 전극들, 예를 들면 접촉 전극 및 벤딩(캔틸레버) 전극(bending electrode)도 동일 도전체 층(예를 들면, Al, Cu)으로부터 형성 될 수 있는데, 이 도전체 층은 또한 다른 배선 구조들(예를 들어, 배선, 접점, 등)을 형성하는데 사용된다. 또한 상기 전극들은, 부식을 방지하기 위해 금박을 포함하는 적어도 상부 또는 하부 표면을 가질 수 있다. 실시 예들에서, 본 발명은 금의 두꺼운 층들을 형성하기 위해(예를 들어, 두꺼운 금 도금, 리프트-오프 프로세싱, 등을 위해) 특별한 프로세스를 사용할 필요가 없는데, 이는 가동 전극이 최종 배선 레벨 유전체 층 상에 형성된 금 층이 아니기 때문이다. MEMS 스위치를 형성하는데 기존 배선을 사용함으로써, 많은 추가 프로세스 단계들이 제거되었고, 따라서 전체적인 MEMS 스위치 제조 비용이 감소하였다. 설명을 단순하게 하기 위해서, 이하의 설명에서 희생 재료는 중합체(polymer)로 설명된다. 물론, 다른 재료들도 본 발명에 사용될 수 있다.

도 1 내지 9는 본 발명의 실시예에 따른 구조들 및 각각의 처리 단계들을 나타낸 것을 도시한다. 도 10은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 최종 구조 및 각각의 처리 단계들을 나타낸 것을 도시한다. 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자들은 여기서 설명된 프로세스들(예를 들면, 패터닝(patterning), 메탈라이제이션(metallization) 및/또는 증착 프로세스들)에 대한 몇몇의 수정들 및/또는 추가 사항들을 더하더라도 이해할 수 있을 것이다. 도 1 내지 9의 프로세스들은 여기서 설명된 모든 실시 예들을 제조하는데 사용될 수 있을 것이다. 이러한 수정들 및/또는 추가 사항들이 실시 예들 각각을 설명하고 나면 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 명확하게 이해될 수 있을지라도, 본 발명을 확실히 이해하기 위하여 본 명세서에서 그러한 추가된 및/또는 수정된 프로세스들에 관하여 좀 더 설명하기로 한다.

특히, 도 1은 금속층간 유전체 층(layer of inter-metal dielectric)(10)을 포함하는 초기 구조를 도시한다. 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 이해되도록, 유전체 재료(10)는 집적 회로 내의 M+1 배선 레벨일 수 있다. 도 1에 도시되어 있지 않더라도, 유전체 재료(10)는 집적 회로들의 형성에 사용된 어떤 종류의 알려진 웨이퍼 상에 제공될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들면, 상기 웨이퍼는 실리콘, BULK, SOI, SiGe, 석영, 유리 또는 갈륨 아세나이드일 수 있고, 75 mm, 150mm, 200mm, 300mm, 450mm 등의 직경을 가질 수 있다. 실시 예들에서, 유전체 층(10)은 SiO₂이다. 유전체 층(10)은 어떤 알려진 방법을 사용하여, 예를 들면 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)를 사용하여, 증착 될 수 있다.

배선들(12)은 알려진 방법들을 사용하여 유전체 층(10) 내에 형성된다. 예를 들면, 다수의 비아들은 종래의 리소그래피 프로세스들을 사용하여 형성된다. 예를 들면, 레지스트(resist)는 유전체 재료(10)상에 증착되고 레지스트의 선택적인 부분들은 개구부들을 형성하도록 노출된다. 후속되는 프로세스들에서, 유전체 재료(10)은 비아들을 형성하도록 종래의 프로세스, 예를 들면 반응성 이온 에칭(RIE)을 사용하여 에치된다. 상기 비아들은 배선들(12)를 형성하도록, 알려진 금속들 또는 금속 합금들로 채워진다.

실시예들에서, 배선들(12)은 듀얼 다마신 구리 배선 기술들을 사용하여 형성될 수 있다. 배선들(12)은 또한, 예를 들면 PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), ECP(electroplated deposition), MOCVD(metal-organo chemical vapor deposition) 등의 어떤 알려진 프로세스 조합을 사용하여 메탈라이즈(metallized) 될 수 있다.

한 예시적 실시 예에 있어서, 배선들은 TiN 라이너(liner)들을 갖는 텅스텐 플러그들이 될 수 있다. 다른 실시 예에서, 배선들(12)은 TaN/Ta 라이너들을 갖는 구리를 사용하여 형성될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 배선들(12)은 배선 레벨들 사이에 다마신 텅스텐 비아들 또는 테이퍼된(tapered) AlCu 비아들을 채용하는 서브-에치(sub-etch) AlCu 프로세스에 의해 형성될 수 있다.

도 2에서, SiN 층(14)은 종래의 어떤 증착 방법, 예를 들면 CVD, 를 사용하여 유전체 층(10) 위로 증착된다. 제2 금속층간 유전체 층(16)은 SiN 층(14) 상에 증착되고, 이는 유전체 층(10)과 관련하여 전술한 바와 같은 유사 방식으로 행해진다. 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 널리 알려진 싱글 또는 듀얼 다마신 프로세스를 사용하여, 배선 층(18 및 20)들은 SiN 층(14) 및 유전체 층(16)내에 형성되어 아래의 금속 배선 층(12)과 접촉한다. 상기 배선은, 예를 들면, 구리 배선이 될 수 있다. 실시 예들에서, 예를 들어, 0.13 미크론 기술을 사용하면, 배선 층(20)은 약 0.4미크론 높이 및 넓이의 최소 크기 프로파일을 가질 것이다.(물론, 다른 크기들 또한 본 발명에서 고려될 수 있다.)

아래의 설명에서 명확하게 이해할 수 있는 바와 같이, 금속 배선 층(20a)은 스위치의 바텀 전극(bottom electrode), 예를 들어 가동 전극이 될 것이다. 이로써, 상기 MEMS 스위치는 배선 층(20a)을 MEMS 스위치의 일부분으로 이용함으로써, 프로세스 비용과 시간을 절약한다. 다른 실시예들에서, 금속 배선 층(20)내의 다른 패턴들은 스위치의 배치 및 어플리케이션에 따라 가동 전극으로 사용될 수 있다.

도 3에서 도시한 바와 같이, 유전체 층(22)은 도 2의 구조 위에 증착된다. 유전체 층(22)은 약 0.5미크론의 높이를 가질 수 있고, 전술한 종래의 기술들을 사용하여 증착될 수 있다. 그 후에, 배선 층들(24,28)은 종래의 프로세스들을 사용하여 형성된다. 예를 들면, 종래의 리소그래피 및 에칭 프로세스들을 사용하여, 비아들이 유전체 층(22)내에 형성된다. 도전성 재료가, 비아들 내부를 포함하여, 유전체 층(22)상에 증착되어 블랭킷(blanket)이 된다. 도전성 재료는 예를 들면 Al, Cu, AlCu, TaN, Ta 또는 TiN일 수 있다.

실시 예들에서, 금박 층(30)은 도전성 재료 상에 증착될 수 있다. 실시 예들에서, 금박 층(30)은 대략 100nm이지만, 다른 크기들 또한 본 발명에서 고려된다. 금을 증착하는데는, 예를 들면, PVD, MOCVD, 증발, 전기도금, 또는 이와 유사한 어떤 알려진 방법이 사용될 수 있다.

배선 층(28)이 증착되면, 상기 배선 층은 도 3내에 도시된 패턴을 형성하도록 종래의 리소그래피 및 에칭 프로세스를 사용하여 패턴될 수 있다. 상기 패턴은 배선(28a)을 포함하는데, 상기 배선은 MEMS 스위치에 대한 하부 전극으로써 기능할(act) 것이다. 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자들은 다른 패턴들 또한 본 발명에서 고려될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 실시 예들에서, 아래의 금속(underlying metal), 예를 들면 TiN 또는 AlCu에 대해 선택적인 금 습식 에칭(gold wet etch)이 배선들(28)을 패턴하기 위해서 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, RIE 및 세척 후, 배선들(28)은 선택적으로 도금될 수 있다.

도 4에서, 유기 중합체(organic polymer)가 도 3의 구조 위에 증착된다. 유기 중합체(32)는 예를 들면, PMGI(Polymethylglutarimide) 또는 PSPI(photosensitive polyimide)가 될 수 있다. PMGI는 대부분의 g-라인, i-라인, 및 DUV 포토레지스트들과 양립할 수 있고, Si, SiN, NiFe, Cu, Au, GaAs, 및 다른 Ⅲ-Ⅴ/Ⅲ-Ⅵ 재료들에 대해 우수한 접착성(adhesion)을 갖고 있다. PMGI는 또한 높은 열 안정성을 보여주며, 종래의 어떠한 방식에도, 예를 들면, 스핀-코팅(spin-coating)이 PMGI에도 적용될 수 있다. 실시 예들에서, 유기 중합체는 배선(20a 및 28a)위를 지나가고 배선(28b)위로는 부분적으로 지나간다. 실시예들에서, 유기 중합체(32)는 약 50미크론의 폭 및 약 200미크론의 길이를 가질 수 있다. 또한, 유기 중합체(32)를 증착하기에 앞서, 배선 층들은 선택적으로 SiO₂로 덮일 수 있다. SiO₂로 배선들을 덮는 것은, 스위치들이 아닌 MEMS 스위치 캐패시터(capacitor)들을 형성하는 다음 프로세스를 용이하게 한다.

도 5에 도시된 것처럼, 도전성 재료(34)는 유기 중합체(32) 상에 형성되고, 상기 도전성 재료는 캔틸레버 빔(cantilever beam)(예를 들면, 스위치의 상부 전극)을 형성하도록 배선(28b)의 노출된 부분과 접촉한다. 상기 스위치의 상부 전극 내의 상기 도전성 재료는 예를 들면 증착, 패터닝 및 에칭; 또는 패터닝, 증착, 및 리프트-오프(lift-off) 방법을 사용함으로써 형성될 수 있다. 캔틸레버 빔(34)는 스위치의 가동 전극을 형성하는 배선 층(28)을 지나 연장된다. 실시 예들에서, 캔틸레버 빔(34)은 상기 구조에 특정 강도를 제공하도록 대략 100 미크론의 길이 및 10 미크론의 두께를 갖지만, 다른 크기들 또한 본 발명에서 고려될 수 있다.

캔틸레버 빔(34)는 또한 미리 정해진 거리 만큼 배선(20a)(예를 들면, 가동 전극)위로 연장된다. 한 실시 예에서, 배선(20a) 및 캔틸레버 빔(34) 바텀 표면(bottom surface) 사이의 미리 정해진 거리는, 약 8 미크론이다. 물론 다른 크기들 또한 본 발명에서 고려될 수 있다. 상기 8 미크론의 크기는 배선(20a)가 캔틸레버 빔(34)이 하부 전극(28a)(패턴된 배선(28)으로부터 형성된)과 접촉하도록 아래로 확실하게 끌어올 수 있는 크기이다. 또한, 캔틸레버 빔(34) 및 하부 전극(28a) 사이의 거리는 약 5 미크론이다.

실시 예들에서, 캔틸레버 빔(34)에 대한 재료는 모든 도전성 재료, 예를 들면 Al, Ti, TiN, Cu 또는 금 또는 그들의 모든 조합이 될 수 있다. 실시 예들에서, 캔틸레버 빔(34)은 예를 들면, 그 아래 편(underside)에 내화성 라이너(refractory liner)를 갖는 전기 도금된(ECP) 금이 될 수 있다. 또 다른 실시 예들에서, 캔틸레버 빔(34)은, PVD와 같은 종래의 프로세스들을 사용하여 형성되는, 아래 편에 금 라이너를 갖는 AlCu가 될 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 캔틸레버 빔(34)은 ECP 금 코팅(gold coating)을 갖는 AlCu가 될 수 있다. 이 후자의 실시 예에 있어서, 상기 ECP 금 코팅은 캔틸레버 빔(34)의 아래 편에 또는 캔틸레버 빔(34)의 아래 편 및 상부 표면 모두에 형성될 수 있다.

상기 배선들을 단순히 AlCu로 나타내더라도, 종래 기술에서 알려진 바와 같이, TiN과 같은 내화성 금속의 얇은 층들이 일반적으로 AlCu의 위와 아래에 사용되는 것으로 이해된다.

도 6에서, 희생 중합체(sacrificial polymer) (36)는 도 5의 구조 위에 증착된다. 희생 중합체(36)는 예를 들면, PSPI 또는 PMGI가 될 수 있다. 희생 중합체(36)는 따라서 유기 중합체(32)에 사용된 재료와 동일 재료가 되거나 다른 재료가 될 수 있다.

도 7에서, 캡(38)은 도 6의 구조 위로 형성된다. 더 상세하게 설명하면, 캡(38)은, 예를 들어 SiN 라이너와 같은 하드 캡(hard cap)이며, 상기 SiN 라이너는 희생 중합체(36) 및 상기 구조의 다른 부분들 상에 증착된다. 상기 SiN 라이너의 증착은, 예를 들면 CVD 또는 PVD 프로세스들과 같은 종래의 증착 프로세스들에 의해 행해질 수 있다. 실시예들에서, 캡(38)은 약 6 미크론의 두께를 갖는다.

도 8은 본 발명에 따른 에칭 프로세스를 도시한다. 더 상세하게 설명하면, 도 8에서, 개구부(40)는 RIE와 같은 종래의 에칭 프로세스들을 사용하여 캡(38)내에 형성된다. 개구부(40)는, 실시 예들에서, 대략 일정한 거리 간격으로 배치된다. 이 간격은, 예를 들면 약 4미크론이 될 수 있다. 상기 개구부는 약 1미크론의 폭과 약 100미크론의 길이를 가질 수 있다. 이 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자는 다른 크기들 또한 본 발명에서 고려될 수 있음을 쉽게 이해할 것이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 중합체 층(32,36))이 제거되면, 그 결과 캡(38) 내에 공간이 생기게 된다. 예를 들어, 상기 중합체는 개구부(40)를 통해 건식 또는 습식 에치 화학반응을 사용하여 제거될 수 있다. 더 상세하게 설명하면, PMGI의 경우는, 예를 들면 NMP(N-methyl-2-pyrrolidine) 및 DMSO(dimethysulfoxide)-기반 제거제로 제거될 수 있다. 또한 PMGI는, DUV, E-beam, 및 X선 민감성(sensitivity)일 뿐만 아니라, 다운스트림 애셔(downstream asher), 고밀도 플라즈마 RIE 챔버, 또는 평행판 RIE 챔버에서 사용되면, 산소 플라즈마에서 높은 에치 비율을 보인다. 전술한 바와 같이, 알려진 방법들(즉, PVD, CVD 등)에 의해 증착된 실리콘과 같은 다른 희생 재료들도 사용될 수 있다. 실리콘이 희생 재료로 사용되는 경우, 실리콘은 래터럴 다운스트림 실리콘 에치 툴(lateral downstream silicon etch tool), 예를 들면 종래 기술에서 알려진 XeF₂가스를 사용하는 툴을 사용하여 제거될 것이다. 또한, 실리콘이 희생 재료로 사용되는 경우, 실리콘 에천트(etchant) 가스 또는 액체에 노출되는 배선 및 비아 표면들은 실리콘 에치에 앞서 실리콘 에치에 의해 에치되지 않는 유전체 또는 도전체로 덮일 필요가 있을 것이다.

도 10은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 최종 구조 및 각각의 처리 단계들을 나타낸 것을 도시한다. 특히, 개구부는 종래의 증착 프로세스를 사용하여 SiN 재료(42)를 증착함으로써 밀봉된다. SiN 재료(42)는 예를 들면 약 2미크론의 두께를 가질 수 있다. 이 방법으로, MEMS 스위치는 캡(38,42) 내부에 밀봉된다.

도 11은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 최종 구조 및 각각의 처리 단계들을 나타낸 것을 도시한다. 이 실시 예에서, 배선 층(28)은 완전히 또는 대부분 유전체 층(22) 내에 매립된다. 선택적인 내화 재료(44), 예를 들면 CoWP는 배선 층(28) 상에 증착되고 후에 금(Au) 층이 증착된다. 실시 예들에서, Au 층(44)은 CoWP에 선택적인 ECP Au 층이 될 수 있는데, 약 0.5미크론의 두께를 갖는다. 배선 층(28)은 그 후 하부 전극(28a)를 형성하도록 전술한 것처럼 패턴될 수 있다. 예를 들면, 이 실시 예에서, TaN 또는 AlCu에 선택적인 Au 습식 에치는 알려진 화학반응들을 사용하여 배선 층(28)이 패턴되도록 수행될 수 있다. Au 층(46)은 캔틸레버 빔(34)의 아래편에 증착될 수 있다.

도 12는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 최종 구조 및 각각의 처리 단계들을 나타낸 것을 도시한다. 이 실시 예에서, 배선 층(28)은 유전체 층(22) 위에 있고 상기 배선 층은 본 명세서에서 논의된 프로세스들 중 어떤 것을 사용하여 금(Au)(30)으로 도금될 수 있다. 실시 예들에서, CoWP와 같은 내화 재료는 배선 층(28) 상에, Au 층(30)밑에 증착 될 수 있다. 배선 층(28)은 그 후 하부 전극(28a)를 형성하도록 전술한 것처럼 패턴될 수 있다. 예를 들면, 배선 층들을 패터닝하는 것은 예를 들면 본 명세서에 기술된 알려진 화학반응들 중 어떤 것을 사용하여 수행될 수 있다. Au 층(46)은 캔틸레버 빔(34)의 아래편에 증착될 수 있다. 또한, 배선 층들(18 및 24)은 텅스텐 스터드(stud)가 될 수 있고, 나머지 배선 층들은 예를 들면 Al, Cu, 또는 AlCu(다른 실시 예들에서도 사용될 수 있는)가 될 수 있다.

전술한 설명으로부터 알 수 있듯이, 본 발명은 디바이스(예를 들면, MEMS 스위치용 CMOS) 내의 기존 배선 층들을 사용한다. 즉, 가동 전극은 상기 디바이스의 하부 배선 층으로부터 형성될 수 있고, 하부 전극 접점은 상기 디바이스의 상부 배선 층으로부터 형성될 수 있다. 가요성 캔틸레버 암(arm)은 가동 전극 및 하부 전극 위로 형성되고, 상기 캔틸레버 암은 상기 디바이스의 패턴된 배선과 접촉한다. 사용 시에는, 가동 전극에 전압을 인가에 따라 상기 가요성 캔틸레버 암이 MEMS 스위치가 닫히도록 하부 전극과 접촉하게 된다.

전술한 바와 같이 상기 방법들은 집적 회로 칩들을 제조하는데 사용된다. 그 결과로 제조된 집적 회로 칩들은, 베어 다이(bare die)로, 가공되지 않은 웨이퍼 형태(즉, 다수의 언패키지된(unpackaged) 칩들을 갖는 싱글 웨이퍼로써)로, 또는 패키지(packaged)된 형태로 제조자에 의해 유통될 수 있다. 후자의 경우, 칩은 싱글 칩 패키지(예를 들어, 플라스틱 캐리어, -이 캐리어는 마더보드(motherboard) 또는 다른 더 높은 레벨의 캐리어에 부착되는 리드들(leads)을 갖고 있다)에 장착되거나(mounted) 또는 멀티 칩 패키지(예를 들어, 세라믹 캐리어, - 이 캐리어는 단면 혹은 양면에 배선들 갖고 있거나 또는 매립된 배선들을 갖고 있다)에 장착된다(mounted). 어느 경우이던지, 칩은 (a)마더보드와 같은 중간 제품 또는 (b)최종 제품의 부품으로써 다른 칩들, 개별 회로 소자들(discrete circuit elements), 및/또는 다른 신호 처리 디바이스들과 함께 집적된다(integrated). 최종 제품은 집적회로 칩들을 포함하는 모든 제품이 될 수 있다.

여기서 사용된 전문 용어는 오직 특정한 실시 예들을 묘사하기 위함이지, 본 발명을 한정하기 위한 의도가 아니다. 이 설명에서 사용된 단수 형태의 단어들은 문맥상 명백하게 단수임을 표시하는 경우가 아닌 한 복수 형태도 포함한다. “포함하다” 및/또는 “포함하는”이란 용어는, 본 명세서의 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 및/또는 구성들의 존재를 명시할 때 사용되지만, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 구성들 및/또는 그들의 그룹들의 추가사항을 배제하는 것은 아니다.

아래의 청구항들의 대응 구조들, 재료들, 동작들, 및 모든 수단 혹은 단계 플러스 기능 요소들의 균등물들은 모든 구조, 재료, 혹은 구체적으로 청구된 다른 청구된 요소들과 조합으로 기능을 수행하기 위한 동작을 포함한다. 본 발명의 설명은 예시 및 설명의 실시 예로 제공될 뿐이며, 개시된 형태로서 본 발명을 모두 포함하고 있다거나(exhaustive) 혹은 제한 하려 하는 것은 아니다. 많은 수정들 및 변형들은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 본 발명의 범위 및 취지를 벗어남이 없이 명백하게 이해될 것이다. 상기 실시 예들은 본 발명의 원리 및 명세서의 실시를 잘 설명하기 위해서 선택되고 기재되었다. 또한 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 특정 사용에 적합한 다양한 변형들을 갖는 다양한 실시 예들을 위해 본 발명을 이해하도록 기재되었다.

Claims

MEMS 스위치를 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은 :
디바이스의 하부 배선 층(lower wiring layer)으로부터 가동 전극(forcing electrode)을 형성하는 단계;
상기 디바이스의 상부 배선 층(upper wiring layer)으로부터 하부 전극을 형성하는 단계; 및
상기 가동 전극 및 상기 하부 전극 위로 가요성 캔틸레버 암(flexible cantilever arm)을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 가동 전극에 전압을 인가하는 경우, 상기 가요성 캔틸레버 암이 상기 하부 전극을 접촉하여 상기 MEMS 스위치가 닫히도록 하는,
방법.
제 1항에 있어서,
상기 가동 전극 및 상기 하부 전극은 상기 디바이스의 구리 배선 레벨들에 위치하는,
방법.
제 1항에 있어서,
상기 가동 전극은 다마신(damascene) 프로세스에 의해 형성된 유전체 층 내에 매립되는,
방법.
제 1항에 있어서,
상기 하부 전극은 유전체 층 상에 증착된 도전성 재료 층을 패터닝함으로써 형성되는,
방법.
제 4항에 있어서, 상기 방법은
패터닝 하기 전에 상기 하부 전극을 형성하는 도전성 재료 상에 금 층을 증착하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제 5항에 있어서, 상기 방법은
패터닝 하기 전에 상기 하부 전극을 형성하는 상기 도전성 재료 및 상기 금 층 사이에 내화 재료(refractory material)를 증착하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제 1항에 있어서,
상기 가요성 캔틸레버 암은 :
유전체 재료 및 상기 하부 전극 위로 희생 재료(sacrificial material)를 증착하는 단계; 및
상기 희생 재료 상에 도전성 재료를 증착하는 단계에 의해 형성되는,
방법.
제 7항에 있어서,
상기 도전성 재료는 Cu, Au, TiN, 및 Al 중 적어도 하나이고, 상기 희생 재료는 중합체(polymer) 및 실리콘 중 하나인,
방법.
제 1항에 있어서, 상기 방법은
가요성 캔틸레버 암을 밀봉하는 단계(hermetically sealing)를 더 포함하되, 상기 단계는:
상기 가요성 캔틸레버 암 상에 그리고 상기 가요성 캔틸레버 암의 형성에 사용된 희생재료 상에 희생 층을 증착하는 단계(depositing);
증착된 하드 캡(hard cap) 재료로 상기 희생 층을 캡핑하는 단계(capping);
상기 하드 캡 재료 내에 홀(hole)들을 만드는 단계(opening);
상기 희생 층 및 상기 희생 재료를 제거하는 단계(stripping); 및
상기 홀들을 밀봉하는 단계(sealing)를 포함하는,
방법.
MEMS 구조를 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은 :
하부 유전체 층 내에 하부 배선 층을 형성하는 단계;
도전성 재료를 증착하고 패터닝함으로써 상부 유전체 층 내에 상부 배선 층을 형성하는 단계;
상기 하부 배선 층 위로 희생 재료를 증착하고, 상기 상부 배선 층의 하나의 패턴된 배선 상에는 완전히, 그리고 상기 상부 배선 층의 다른 하나의 패턴된 배선 상에는 부분적으로 희생재료를 증착하는 단계;
상기 희생 재료 상에 도전성 재료를 증착하는 단계에 의해서 캔틸레버 암을 형성하는 단계 - 상기 도전성 재료를 증착하는 단계는 상기 도전 재료를 상기 하부 배선 층 위로 연장하여 상기 상부 배선 층의 상기 다른 하나의 패턴된 배선과 접촉하게 하는 단계를 포함함- ; 및
상기 희생 재료를 제거하는 단계를 포함하는,
방법.
제 10항에 있어서, 상기 방법은
패터닝 하기 전에 상기 상부 배선 층 상에 캡핑 층을 형성하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제 11항에 있어서,
상기 캡핑 층은 금 및 CoWP 중 적어도 하나인,
방법.
제 10항에 있어서,
상기 캔틸레버 암을 위한 상기 도전성 재료는 증착된 Au, Al, Cu, TiN, TaN, Ta 및 Ru 중 적어도 하나인,
방법.
제 10항에 있어서,
상기 상부 배선 층 및 상기 하부 배선 층은 주로 Al 또는 Cu 또는 AlCu를 포함하는,
방법.
제 10항에 있어서, 상기 방법은
상기 상부 배선 층 및 상기 캔틸레버 암을 밀봉하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제 15항에 있어서,
상기 밀봉하는 단계는 :
희생 층을 상기 캔틸레버 암 및 상기 중합체 재료상에 증착하는 단계;
상기 중합체 층을 캡핑 층으로 캡핑하는 단계;
상기 캡핑 층 내에 홀들을 만드는 단계;
상기 중합체 층 및 상기 희생 중합체 재료를 제거하는 단계; 및
상기 홀들을 밀봉하는 단계를 포함하는,
방법.
MEMS 스위치에서, 상기 스위치는
가동 전극(forcing electrode)으로 기능하는 디바이스의 하부 배선 층;
하부 전극 접점(lower electrode contact)으로 기능하는 상기 디바이스의 상부 배선 층; 및
상기 가동 전극 및 상기 하부 전극 접점 위에 위치하는 캔틸레버 암을 포함하되,
상기 가동 전극에 전압을 인가하는 경우, 상기 캔틸레버 암은 상기 하부 전극 접점을 접촉하여 상기 MEMS 스위치를 위한 회로가 완성되도록(complete) 하는,
MEMS 스위치.
제 17항에 있어서,
상기 MEMS 스위치는 밀봉되는,
MEMS 스위치.
제 18항에 있어서,
상기 밀봉은 개구부들(openings)을 밀봉하는 SiN 캡 층으로서 이루어지는
MEMS 스위치.
제 17항에 있어서,
상기 캔틸레버 암은 Al, Cu, AlCu 및 Au 및 TiN 중 적어도 하나로 구성되는,
MEMS 스위치.
제 17항에 있어서,
상기 캔틸레버 암은 약 10미크론의 두께를 갖고, 상기 하부 전극 접점으로부터 약 5미크론 및 상기 가동 전극으로부터 약 8미크론의 거리가 이격되어 있는,
MEMS 스위치.
MEMS 스위치에 있어서, 상기 스위치는 :
디바이스의 하부 유전체 층 내에 형성되는 가동 전극(forcing electrode);
상기 디바이스의 패턴된 상부 배선 층; 및
캔틸레버 암을 포함하되, 상기 캔틸레버 암은 산기 패턴된 상부 배선 층의 제1 패턴된 배선과 접촉하도록 구성되고, 상기 패턴된 상부 배선 층의 제2 패턴된 배선 위에 근접하여 위치하며, 그리고, 가동 전극에 전압이 인가되면, 상기 캔틸레버 암이 힘을 받아서(forced) 하부 전극 접점으로 기능하는 제2 패턴된 배선과 접촉하게 되도록 상기 가동 전극으로부터의 거리에 위치하는,
MEMS 스위치.
제 22항에 있어서,
상기 가동 전극은 상기 디바이스의 하부 배선 층이고, 상기 패턴된 상부 배선 층은 상기 디바이스의 배선 층을 포함하는,
MEMS 스위치.
제 22항에 있어서,
상기 캔틸레버 암은 도전성 재료로 구성된,
MEMS 스위치.
제 22항에 있어서,
상기 캔틸레버 암은 약 10미크론의 두께를 갖고, 제2 패턴된 배선으로부터 약 5미크론의 거리 및 강제 전극으로부터 약 8미크론의 거리로 이격된,
MEMS 스위치.