KR20120139744A - Ｍｅｍｓ 마이크로폰 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

2중 고정 전극을 포함하는 MEMS 마이크로폰의 개선된 제조 방법이 제공되며, 이러한 방법은 개선된 마이크로폰 특성을 유도한다.

Description

ＭＥＭＳ 마이크로폰 및 그 제조 방법{MEMS MICROPHONE AND METHOD FOR MANUFACTURE}
본 발명은 MEMS 마이크로폰 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
통신 응용물을 위해, MEMS-마이크로폰 (MEMS = micro electro mechanical system)의 사용이 증가하고 있는데, 이러한 마이크로폰은 마이크로기계적인 증착- 및 패턴 공정을 이용하여 특히 결정성 기판상에 구축될 수 있다. 마이크로폰은 고정 전극 및 이와 이격 배치되며 소리(sound)에 의해 편향될 수 있는 멤브레인(membrane)을 포함하고, 이 때 편향의 정도 또는 고정 전극과 멤브레인 사이의 변경된 간격은 전기적으로 판독(read-out)될 수 있다. 대부분, 이러한 MEMS 마이크로폰은 커패시턴스 원칙에 따라 기능하며, 이러한 원칙에서 고정전극과 멤브레인 사이의 커패시턴스는 판독되며, 이러한 커패시턴스는 멤브레인의 편향에 따라 변경된다.
MEMS 마이크로폰은 간단하고 비용 효과적으로 제조될 수 있으나, 일반적으로 민감도(sensitivity)가 낮다는 단점이 있다. 또한, 마이크로폰은 너무 높은 음압(sound pressure)에는 민감할 수 있다.
P. Rombach, M. Muellenborn, U. Klein 및 K. Rasmussen의 논문 "The first voltage, low noise differential Silicon microphone, technology development and measurement results" in Sensors and Actuators A3124 (2001), 1쪽~ 6쪽에는, 커패시턴스 원칙을 기초로 하는 MEMS 마이크로폰이 최초로 설명되며, 이러한 마이크로폰에서 멤브레인은 2개의 고정 전극 사이에서 대칭으로 배치되어 있다. 이러한 마이크로폰은 이제 차동적으로 구동할 수 있으며, 원칙적으로 2배 신호를 전송할 수 있고, 이러한 신호로 더욱 양호한 신호-잡음비 및 더 높은 민감도가 조절될 수 있다. 이러한 소개된 마이크로폰의 단점은 상기 문헌에서 제안된 복잡하고 소모적인 제조 방법인데, 이러한 제조 방법은 더 안정적인 재생산성 및 이로 인하여 대량 생산도 어렵게 만든다.
본 발명의 목적은 마이크로폰 특성과 관련하여 개선된 MEMS 마이크로폰을 제공하는 것으로, 이러한 마이크로폰은 간단하면서도 비허용 수준으로 증가하는 방법적 소모 없이 2중 고정 전극을 포함하여 제조될 수 있다.
이러한 과제는 본 발명에 따르면 제1항에 따른 마이크로폰에 의하여 해결된다. 본 발명의 바람직한 형성방식 및 마이크로폰의 제조 방법은 이후 청구항들에서 청구된다.
MEMS 구조의 마이크로폰이 제공되고, 이러한 마이크로폰은 기판상에 구축되며, 이러한 기판은 적어도 규소를 함유한다. 기판상에는 패턴된 층 구조물이 배치되어 있고, 층 구조물은 마이크로폰의 기능을 위해 필요한 다양한 기능층들을 포함한다: 하부 고정전극, 그 위에 멤브레인, 그리고 그 위에 상부 고정전극. 기능층들 각각은 하나 이상의 부분층들을 포함할 수 있다. 부분층들 중 적어도 하나의 부분층은 각각 전기 전도성으로 형성된다.
멤브레인은 다양한 면 영역들로 나눠지고, 이러한 영역들에는 서로 다른 기능이 부속한다. 멤브레인은 외부 가장자리 영역을 포함하고, 외부 가장자리 영역은 자유롭게 진동하는(oscillating) 영역을 완전히 둘러싼다. 자유롭게 진동하는 영역 내에서 멤브레인은 실질적으로 평면의 표면을 가진다. 외부 가장자리 영역의 실질적 비율은 앵커 영역(anchor region)으로부터 형성되며, 이러한 앵커 영역내에서 멤브레인은 하부 고정전극과 상부 고정전극 사이에서 수직 편향에 반하여 고정되어 있다. 앵커 영역에 의해 비워진 상태에서, 외부 가장자리 영역에는 연결 영역이 남아있고, 연결 영역 내에서 멤브레인으로 가는 전기적 공급 라인이 배치되어 있다.
기판에는 전체 층 두께를 관통하여 달하는 관통부가 제공되고, 이러한 관통부내에서 자유롭게 진동하는 멤브레인의 전체 영역은 면의 형태로 자유롭게 놓여있거나 하측으로부터 기판을 관통하여 접근 가능하다. 멤브레인의 앵커 영역은, 바람직하게는 관통부의 밖에서, 기판 표면에 걸쳐 또는 기판의 내부 가장자리 영역에 걸쳐 배치되어 있다.
이러한 배치에 의해, 멤브레인은 수직으로 양쪽의 고정 전극 사이에 고정됨으로써, 양쪽의 고정 전극 사이의 대칭 배치가 안정화되고, 멤브레인의 편향 이후에 항상 다시 조절될 수 있도록 보장된다. 이로써, 양쪽의 고정전극에서 상기 고정에 의해 정해지는 안정 상태로부터 멤브레인의 편향은 동일한 값의 신호를 야기하거나, 동일한 수치의 커패시턴스값 변화를 전송할 수 있다. 따라서, 적어도 작은 편향을 위해, 측정값의 실제 차동적인 판독이 가능하다.
측정 신호는 제1 및 제2 커패시턴스의 커패시턴스 변화로 이루어지며, 이러한 커패시턴스 변화는 하부 고정전극과 멤브레인 사이 또는 멤브레인과 상부 고정전극 사이에서 일어난다. 구동 중에, 두 커패시터 중 각각은 DC-BIAS 전압에 의해 "바이어스되며(biased)", 이 때 두 BIAS 전압은, 커패시턴스 변화로부터 발생하는 전압 변화가 서로 반대로 작용하여 차동 증폭기(difference amplifier)내에서 포지티브(positive)로 가산되도록 인가된다.
앵커 영역 내에 설명된 바와 같이 멤브레인이 고정됨으로써, 멤브레인이 100%가 안되는 대칭적 정전기적 힘에 의해, 멤브레인이 일측에 작용하는 정전기적 힘에 의해 대칭적 안정 상태로부터 편향되는 것을 방지한다. 이로써 음압에 의한 편향 시 이미 최대 신호가 판독될 수 있도록 보장된다.
마이크로폰은 개선된 SNR 비(신호-잡음비)를 포함하고, 이러한 비율은 3 dB까지 개선될 수 있다. 이는, 감도가 동일할 때 마이크로폰이 더 적은 칩 면상에 형성될 수 있도록 하거나, 칩 면이 동일할 때 더 높은 감도를 가지도록 할 수 있다.
또한, 측정 신호의 차동적 판독은, 이러한 판독이 두 커패시턴스에 대칭으로 작용하는 한, 장애요소를 제거할 수 있다. 민감도는 이에 상응하여 대면적으로 형성된 멤브레인에 의해, 본 발명에 따른 MEMS 마이크로폰이 더욱이 하이엔드(high-end) 영역을 위해 적합할만큼 증대될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 이러한 층 구조물의 모든 부분층들은 직접적으로 서로 포개어져 층 결합물로서 생성되며, 이 때 멤브레인은 적어도 앵커 영역내에서는 최초 층 결합물내에 고정되어 있다. 이러한 층 결합물은 기능층의 부분층이 아닌 부가적 층들을 포함할 수 있다. 앵커 영역에서 멤브레인의 고정은 인접한 기능층들의 부분층들 사이에 또는 상기 언급한 기능층들과 다른 다양한 층들과 멤브레인의 부분층들 사이에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 앵커 영역내의 멤브레인은 제1 돌출 만곡부를 포함하고, 제1 돌출 만곡부에 의해 멤브레인은 하부 고정 전극상에서 지지된다. 이러한 돌출 만곡부에 의해, 멤브레인은 층 평면에 대해 횡으로(transversal) 관찰되는 횡단면에서 높이 프로파일을 포함하고, 이러한 높이 프로파일은, 실질적으로 평면으로 형성되며 자유롭게 진동하는 영역 외에 적어도 하나의 돌출 만곡부를 포함한다. 돌출 만곡부는 이러한 만곡부가 하부 고정전극에 대한 멤브레인의 스페이서(spacer)로서 역할하도록 형성된다. 그러나, 돌출 만곡부의 하부 말단과 고정 전극 사이에는 기능층에 속하지 않는 부분층이 층 결합물 내에서 더 배치될 수 있다.
돌출 만곡부의 영역에서, 부분층들은 최초 층 결합물내에서 유지될 수 있고, 따라서 층 결합물의 구성에 의해 야기된 층 응집력을 가질 수 있다. 한편, 돌출 만곡부를 포함한 멤브레인은 느슨한 상태로 하부 고정 전극상에 안착할 수 있다.
또한, 상부 고정 전극은 멤브레인의 앵커 영역에서 제2 돌출 만곡부를 포함할 수 있으며, 제2 돌출 만곡부에 의해 상부 고정전극은 멤브레인상에서 지지된다. 이러한 제2 돌출 만곡부는 스페이서로서, 여기서는 멤브레인과 상부 고정 전극 사이의 스페이서로서 역할한다. 제2 돌출 만곡부도 최초 층 결합물 내에서 고정될 수 있으며, 이러한 결합물에서 부분층들은 차례로 직접적인 증착에 의해 상호 단단히 결합되어 있다. 제2 돌출 만곡부는 느슨한 상태로만 하부 고정전극상에 안착할 수 있다.
제1 및 제2 돌출 만곡부를 이용하여, 앵커 영역내에서 멤브레인의 확실한 수직 고정이 달성될 수 있다. 제1 및 제2 돌출 만곡부가 느슨한 상태로만 각각의 인접한 기능층들상에 안착하면, 멤브레인은 수직으로 고정되어 있긴 하나 래터럴로 자유롭게 움직인다. 이는, 멤브레인의 래터럴 움직임을 가능하게 하고, 이러한 동작은 특히 음압이 작용할 때 멤브레인의 편향을 보조한다. 이러한 방식으로, 마이크로폰의 특성선을 원하는 방식으로 변경할 수 있다.
가장자리 영역의 밖에, 그리고 이러한 가장자리 영역에 인접하여, 멤브레인을 형성하는 부분층들을 절개한 부분이 배치되고, 이러한 절개부는 멤브레인의 크기를 정의하며, 활성 영역을 전기적으로, 그 외 멤브레인을 형성하는 부분층들의 외부 면 영역으로부터 격리시킨다. 연결 영역에서만, 멤브레인의 적어도 하나의 부분층 내에서, 활성 영역의 밖에 배치된 콘택(contact)과의 도전적 연결이 제공된다.
본 발명의 일 실시 방식에 따르면, 절개부에 의해 둘러싸이는 활성 영역의 밖에는 하부 고정전극과 멤브레인 사이에 그리고 멤브레인과 상부 고정전극 사이에 절연층들이 배치되어 있다. 이러한 절연층은 특히 실리콘디옥사이드 SiO2로 형성될 수 있다.
기능층의 전기 전도 부분층은 폴리실리콘(polysilicon)으로 형성될 수 있으며, 폴리실리콘은 바람직하게는 도전성으로 도핑되어 있다. 폴리실리콘층들은 p형- 또는 n형 도핑을 포함할 수 있고, 예컨대 붕소 또는 인으로 고도핑될 수 있다. 그러나, 다른 도펀트들도, 이러한 도펀트들이 적합한 전도도를 가질 수 있는 한, 폴리실리콘층내에 있을 수 있다.
기능층의 부가적 부분층들은 특히 실리콘나이트라이드층들이며, 이러한 층들은 전기 절연층으로서뿐만 아니라 기계적 안정화층으로서도 역할할 수 있다. 그러므로 하부 고정전극은 바람직한 실시예에서, 실리콘나이트라이드층 및 폴리실리콘층으로 이루어진 이중층을 포함한다.
바람직하게는, 멤브레인은 대칭 구조물을 포함하고, 대칭 구조물은 양 방향으로 균일한 편향을 보조하며, 멤브레인의 기계적 안정성을 증대시킨다. 대칭적 구조물은 특히 3개의 부분층들로 구성되며, 이러한 부분층들에서 상기 언급한 고도핑 폴리실리콘층은 양측에서 각각 실리콘나이트라이드층에 인접해있다.
상부 고정전극은 하나 이상의 부분층들을 포함할 수 있는데, 이러한 부분층은 가장 단순한 실시방식에서 단일 부분층으로서 도전층, 특히 폴리실리콘층으로 구성된다.
본 발명의 다른 견지에 따르면, 본 발명에 따른 MEMS 마이크로폰의 개선된 제조 방법이 제공된다. 본 방법은 서두에 언급한 공지된 P. Rombach 등의 문헌에 설명된 방법에 비해, 층 구조물 및 층 결합물의 전체 부분층들이 순차적으로 포개어져 적층되고 위로부터 즉 일 측으로부터 패턴된다는 것을 특징으로 한다. 기판만이 기판 구조물의 제조 이후에 아래로부터 식각됨으로써, 자유롭게 진동하는 영역의 하부에 관통부가 생성된다.
반면 위와 아래에서 동시에 희생층이 식각되고, 희생층은 최초 층 결합물에서 기능층들 사이에 생성되어 있다. 희생층은, 적어도 멤브레인의 자유 진동 영역에서, 멤브레인과 두 기능층 사이의 층 영역에서 제거됨으로써, 이로 인하여 생성된 자유 공간에 의해 기능층들 상호간의 필수 간격이 보장된다.
본 방법은 특히 이하의 단계들을 포함한다:
a) 기판 상에 하부 고정전극을 위한 하나 이상의 부분층들을 포개어 증착한다.
b) 리소그래피 식각 공정에 의해 하부 고정전극의 부분층들을 패터닝한다.
c) 하부 고정전극 위에 제2절연층을 동형으로 증착하고, 제2절연층은 이후 예컨대 연마 단계에서 평탄화된다. 마찬가지로 멤브레인을 위한 하나 이상의 부분층들이 증착된다.
d) 멤브레인의 부분층들은 리소그래피 식각 공정에 의해 패턴된다.
e) 멤브레인 위에, 제3절연층, 및 상부 고정전극을 위한 적어도 하나 이상의 부분층이 증착된다.
f) 상부 고정전극의 적어도 하나의 부분층은 리소그래피 식각 공정에 의해 패턴된다.
g) 상부 고정전극 위에 제4절연층을 형성한다.
h) 하부 고정전극, 멤브레인 및 상부 고정전극의 전기 전도 부분층들 및 기판을 위한 콘택홀(contact holes)이 식각되고, 이후에 상기 홀 내에 콘택들이 생성된다.
i) 기판을 통과하여 멤브레인의 활성 영역 하부에서 연석되는 관통부가 식각된다.
j) 희생층으로 역할하는 절연층이 활성 영역 내에서 등방성 습식 식각에 의해 제거된다.
제1절연층은, 이러한 절연층이 관통부 식각을 위한 식각 중지층으로서 역할할 수 있도록 선택될 수 있으며, 이러한 관통부는 층 구조물에 대향된 실리콘 기판의 표면으로부터 관통된다. 바람직하게는, 제2 및 제3 절연층은 희생층으로서 형성되며, 희생층은 단계 j) 동안 활성 영역에서 식각에 의해 제거된다. 특히, 제4 절연층은, 콘택홀의 제조 동안, 콘택홀 내에 콘택들의 제조 동안, 실리콘 기판의 관통부 식각 동안 그리고 특히 제2 및 제3 절연층으로 형성되는 희생층의 제거 동안, 상부 고정전극의 보호부로서 역할한다. 전체 절연층 및 희생층을 위한 바람직한 물질은 실리콘옥사이드이며, 실리콘옥사이드는 LPCVD 방법(저압-CVD 방법) (CVD = chemical vapour deposition) 으로 적용될 수 있다. 그러나, 원칙적으로, 다른 절연층 및 희생층도, 특히 이들이 선택적으로 제거될 수 있는 경우에 적합하다.
제공된 MEMS 마이크로폰의 가장 간단한 실시를 위해, 층 결합물의 전체 부분층들은 각각 평평하거나 평탄화된 표면상에 전면적으로 적층된다. 각각의 기능층은 상기 적층 이후에 패턴되며, 이 때 패턴는 기능층의 전체 부분층들을 위해 동일한 방법으로 실시될 수 있다. 특히, 이를 위해 이방성으로 작용하는 상대적 이온 식각 방법(RIE- 방법)이 사용되며, 이러한 방법은, 상기 방법이 각각 그 아래 배치된 절연층들에 대해 선택성을 가지도록 조절될 수 있다. 그러므로, 패턴는 각각 아래에 위치한 절연층까지 매끄럽게 높은 종횡비(aspect ration)로 이루어질 수 있다.
패터닝 시, 상부 및 하부 고정전극은 면 형태로 한정되며, 활성 영역에서 연속홀의 패턴을 갖추며, 이러한 연속홀은 차후에 희생층의 제거를 가능하게 하고, 마이크로폰의 구동 동안 멤브레인을 위한 소리 통과용 채널을 형성한다.
기능층의 모든 부분층들의 패터닝 이후에, 절연층이 가장자리를 덮는 방식으로 적층되며, 바람직하게는 다시 LPCVD 방법으로 적층되고, 이 때 절연층으로서 바람직하게는 TEOS (TEOS = 테트라에틸오르토실리케이트 - Si (OC2H5)4)로 생성된 SiO2가 사용된다. 제2절연층의 표면은 그 아래 위치한 패턴된 고정 전극 및 가장자리를 덮는 적층 방법에 의해 평평하지 않은데, 이러한 표면은 평탄화 방법으로 평평해지며, 이를 위해 특히 기계적인 방법 또는 화학-기계적 방법 (예컨대 CMP = chemical mechanical polishing)이 사용될 수 있다. 이후, 하부 고정전극 위에서 제2절연층의 원하는 층 두께는 부가적 부분층의 증착에 의해 조절될 수 있다.
이에 상응하여 평평한 표면에 올려진 멤브레인은 상기 실시예에 따르면 마찬가지로 평편한 표면을 가짐으로써, 그 위에 증착된 제3절연층은 평탄화될 필요가 없다. 평평하지 않은 부분, 즉 멤브레인의 패터닝 이후 패턴 가장자리에 의해 발생하는 평평하지 않은 부분은 마이크로폰 내에서 어떠한 기능도 할당되지 않은 그러한 영역들에만 관련하므로, 이러한 곳에서 부분층의 엄격한 병렬성 또는 이에 상응하는 표면의 병렬성이 필요하지 않다.
기능층의 부분층은, 패터닝 이후 남은 면 영역들이 쌍방간 최대 중첩을 포함하면서 포개어지도록 패턴된다. 패터닝 이후에 잔류한 기능층의 면은 아래로부터 위로 가면서 감소함으로써, 멤브레인 및 상부 고정전극은 각각 완전히, 그 아래 위치한 기능층의 잔류한 면 영역 내에 배치되어 있다. 이러한 방식으로, 각각의 기능층에서, 그 위에 위치한 기능층에 의해 덮이지 않은 자리에는 콘택홀이 제공될 수 있다. 완전하거나 최대의 중첩은 최대 신호를 보장하고, 층 구조물 또는 층 결합물을 위해 최대 기계적 안정성을 보장한다.
이러한 실시 방식에 따르면, 전체 기능층의 전체 부분은 평평하고 상호 평행하게 배치되어 있다. 앵커 영역 및 이 영역 밖에 놓인 기능층의 층 영역에서는, 최초 층 결합물이 유지되고, 최초 층 결합물은 이러한 외부 영역에서뿐만 아니라 앵커 영역에서도, 부분층들이 직접적으로 포개어져 순차적으로 증착됨으로써 달성되는 층 결합물 강도를 유지하며, 이러한 강도는 이 위치에서 전체 구조물을 안정화한다. 이러한 실시 방식에서, 간단한 방식으로, 각각의 기능층이 정확히 원하는 기계적 응력을 가지고 제조될 수 있으며, 이러한 기계적 응력은 최적의 기능 및 특히 마이크로폰의 구동 동안 기능층의 변형을 위해 매우 중요한 의미가 있다.
마이크로폰의 활성 영역은, 멤브레인의 부분층들을 절개한 상기 절개부 내에 위치하며 통상적으로 면적이 더 큰 하부 고정 전극과, 그리고 상부 고정전극과의 중첩된 부분 내에서 시작되는 면에 의해 정해진다. 활성 영역의 면적은 멤브레인이 두 고정 전극과 각각 이루는 간격 외에 커패시턴스값을 결정한다.
상부 고정전극의 패터닝 이후, 각 기능층의 전기 전도 부분층들을 위한 콘택홀들이 생성된다. 이를 위해, 리소그래피가 실시되며, 콘택홀들은 원하는 깊이까지 식각된다. 다시 RIE 방법이 사용될 수 있으며, 이러한 방법은 기능층에 대해 절연층들을 선택적으로 식각시킨다. 멤브레인의 경우, 멤브레인의 최상부 부분층, 특히 실리콘나이트라이드층은 이후 별도의 식각 단계를 통해 콘택홀의 바닥 영역에서 제거될 수 있다.
콘택 자체는 바람직하게는 3개의 부분층들로 구성된다. 우선, 전면적으로 기초 금속배선이 예컨대 PVD 공정(PVD = Physical Vapour Deposition, 예컨대 스퍼터링 또는 증발(evaporation))으로 증착되고, 이후에 콘택홀의 밖에서 다시 제거되는데 예컨대 리소그래피 식각 공정으로 제거된다.
바람직하게는, 유체상으로부터의 비전류식 증착(화학적 금속 증착)에 의해, 기초 금속배선에 걸쳐, 전기적으로 양호한 전도성을 가지며 양호하게 증착 가능한 금속 소재의 도전층이 생성된다. 그 위에는, 덮개층으로서 선택적으로 덮개층이 올려지는데, 이러한 덮개층은 도전층의 패시베이션(passivation)을 위해, 그리고 본딩과 납땜이 가능한 표면의 제조를 위해 역할한다.
기초 금속배선을 위해 알루미늄 또는 폴리실리콘계의 양호한 부착성을 가진 다른 금속이 적합하다. 도전층을 위해 니켈이 바람직한 반면, 덮개층은 예컨대 금 또는 백금과 같은 귀금속을 포함한다.
이제 완성된 층 구조물은 이제 레지스트로 덮일 수 있고, 기판의 하측에서 관통부를 정의하기 위한 리소그래피가 실시될 수 있다. 리소그래피 래커 및 레지스트는 동일한 물질을 포함할 수 있다.
관통부는 이방성 식각 방법에 의해 제1절연층이 노출될 때까지 식각될 수 있다. 보쉬 공정(Bosch-process)으로도 공지되어 있는 DRIE( = deep reactive ion etching) 방법도 양호하게 적합하며, 이러한 방법으로는 상대적으로 두꺼운 기판의 식각 시 매우 높은 종횡비(aspect ratio)가 얻어질 수 있다. 관통부의 수직 측벽까지의 급경사는, 마이크로폰의구성을 위해 필수적인 칩의 면 수요를 최소화시킬 수 있다는 이점이 있다. 마이크로폰은 크기가 작으면 다방면으로 사용될 수 있고 비용을 절감시킨다. 칩 크기가 동일할 때, 관통부의 급경사 측벽에 의해 더 큰 활성면 및 이로 인하여 더 우수한 성능의 마이크로폰이 구현될 수 있다.
이후의 단계에서, 희생층은 멤브레인의 자유 진동 영역에서 제거된다. 이를 위해, 등방성 식각 방법이 사용되어, 희생층이 고정전극과 멤브레인 사이의 차폐된 영역에서도 완전히 제거된다. 예컨대 VHF(vapour HF etch) 방법도 양호하게 적합하며, 이러한 방법은 증기형 또는 가스형의 플루오르화 수소(hydrogen fluoride) 또는 플루오르화 수소산(hydrofluoric acid)으로 작업한다. 이러한 식각 방법은 선택적으로 실리콘디옥사이드 및 실리콘나이트라이드에 대하여 선택적으로 작업함으로써, 이에 상응하는 기능층의 부분층들은 이로 인하여 손상되지 않거나 근소한 정도로만 손상된다.
희생층의 제거는 자유 진동 영역에서만 일어나므로, 가장자리 영역, 즉 앵커 영역, 및 연결 영역에서의 최초 층 결합물은 유지된다. 그러므로 멤브레인은 사방으로 이러한 층 결합물내에 고정되어 있다.
이러한 단계에서, 모든 보호층들 및 잉여의 절연층들은 기판 및 층 구조물의 양쪽 표면으로부터 제거된다.
최종 단계에서, 반응성 표면이 패시베이션될 수 있고 비반응성 그룹으로 포화될 수 있다. 이를 위해 예컨대 소위 SAM ( = seif assembling monolayer) 방법이 적합하다. 이 때 길게 연장된 잔기를 포함하는 분자는 반응성 그룹을 이용하여 분자의 일 말단에서 마이크로폰의 반응 표면에 결합되고, 이 위치에서 모노층, 즉 분자 길이 두께의 단분자막을 형성한다. 잔기의 다른 말단은 화학적으로 비활성이며, 바람직하게는 다른 물질과 약간의 물리적 상호작용을 한다. 잔기가 예컨대 플루오르화 알킬잔기이면, 잔기는 비활성 말단에서 서로 평행하며 표면으로부터 수직으로 돌출된 상태로 정렬된다. 이를 통해, 표면은 패시베이션되고, 더 이상 산화되거나 부식될 수 없으며, 또한 소수성(hydrophobic) 및 방진성(dust-repellant) 이다.
이제 마이크로폰이 가용 상태가 된다. 이를 위해, 콘택들을 경유하여 해당하는 제어- 및 평가 회로와 연결될 수 있다. 이들은 별도의 소자 또는 모듈로서 구현될 수 있다. 그러나 또한, 이러한 회로의 적어도 일부분이 실리콘 기판의 반도체 몸체내에 집적될 수도 있다.
이하, 본 발명은 실시예들 및 그에 속한 도면들에 의거하여 더 상세히 설명된다.
도면은 본 발명을 구체저으로 설명하기 위한 역할일 뿐이며, 따라서 개략적으로만 도시되었고, 축척에 맞지 않다. 개별 부분들은 확대되거나 왜곡된 치수로 도시되어 있을 수 있다. 그러므로, 도면들에서는 절대적인 치수 정보 또는 상대적 치수 정보를 추론할 수 없다. 동일하거나 동일한 효과를 가진 부분들은 동일한 참조번호로 표시된다.
도 1은 제1부분층 구조물로 코팅된 기판의 횡단면을 도시한다.
도 2는 그 위에 패턴된 제1기능층을 포함하는 이 구조물의 횡단면을 도시한다.
도 3은 절연층이 가장자리를 덮도록 증착된 이후의 조립체를 도시한다.
도 4는 평탄화 이후의 조립체를 도시한다.
도 5는 제2기능층의 생성 이후의 조립체를 도시한다.
도 6a, 6b는 제2기능층의 패터닝 이후 조립체의 서로 다른 2개의 횡단면을 도시한다.
도 7은 제3기능층의 생성 이후의 조립체를 도시한다.
도 8은 제3기능층의 패터닝 이후의 조립체를 도시한다.
도 9는 부가적 절연층의 생성 및 그 내부에 콘택홀들의 개방 이후의 조립체를 도시한다.
도 10은 콘택홀 및 그 내부의 콘택 생성 이후의 조립체를 도시한다.
도 11은 실리콘 기판을 관통하는 관통부를 생성한 이후의 조립체를 도시한다.
도 12a, 12b는 멤브레인의 자유 진동 영역에서 희생층의 제거 이후 조립체의 다양한 횡단면을 도시한다.
도 13a 내지 13f는 제2실시예에 따른 마이크로폰의 제조 시 다양한 방법 단계를 도시한다.
도 14a, 14b는 제2실시예에 따른 완성된 마이크로폰의 2개의 서로 다른 횡단면을 도시한다.
도 15a, 15b는 제3실시예에 따른 마이크로폰의 2개의 서로 다른 횡단면을 도시한다.
도 16a, 16b는 다른 방법 변형예에 따른 마이크로폰의 2개의 서로 다른 횡단면을 도시한다.
도 17a, 17b는 제1변형예에 따른 완성된 마이크로폰의 2개의 서로 다른 횡단면을 도시한다.
도 18은 제1실시예에 따른 앵커 영역에서 절연층과 함께 멤브레인의 평면도를 도시한다.
도 19는 제2실시예에 따른 멤브레인의 평면도를 도시한다.
도 1은 제1부분층 구조물을 가진 기판(SU)을 개략적 횡단면도로 도시하는데, 제1부분층 구조물은 제1절연층(IS1) 및 하부 고정전극(FE1)의 2개의 부분층들을 포함한다. 기판으로서 예컨대 실리콘이 있으며, 실리콘은 약 400 ㎛의 두께일 때 적합한 안정성을 가진다. 그 위에, 제1LPCVD 방법으로 제1절연층(IS1)이 올려지고, 예컨대 1 ㎛ 두께의 SiO2층이 올려지며, 이러한 층은 TEOS 방법으로 증착된다.
제1기능층은 하부 고정전극(FE1)이고, 하부 고정전극을 위해 제1부분층(FE11)으로서 하나 이상의 실리콘나이트라이드 층들이 LPCVD 방법으로 예컨대 1 ㎛의 층 두께로 올려진다. 공정은, 실리콘나이트라이드층이 실리콘을 화학량론적으로 잉여의 함량으로 포함하도록 제어된다.
하부 고정전극의 제2부분층(FE12)으로서, 마찬가지로 LPCVD 방법으로 증착된 하나 이상의 폴리실리콘층들이 기능한다. 증착 중, 폴리실리콘층(FE12)은 제위치에서(in situ) n형- 또는 p형 도펀트(예컨대 붕소 또는 인)로 고도핑되고, 즉 B++ 도핑 또는 P++ 도핑을 포함한다. 도 1은 이러한 방법 단계에서의 조립체를 도시한다. 보이는 바와 같이, 기판(SU)은 선택된 코팅 방법으로 인하여 외부에서 층 구조물을 포함한 상측 및 기판(SU)의 하측에 함께 코팅된다. 한편으로는 하측에 코팅을 실시하는 것이 불필요하고, 마찬가지로 하측 코팅을 방지하는 것이 약간은 필요한데, 왜냐하면 이후에 뒤따르는 식각 단계에서 이러한 층들이 하부의 기판 표면으로부터 제거될 수 없기 때문이다. 부분적으로, 하측 코팅은, 이러한 방식으로 기판(SU)이 열 공정 동안 층 증착시 낮은 응력의 영향을 받는다는 점에서 유리하다. 따라서, 비대칭 층 구조물이 방지되고, 더 낮은 응력이 발생한다.
도 2는 하부 고정전극(FE1)의 패터닝 이후의 조립체를 도시한다. 간단함을 위해, 고정전극은 단일의 기능층으로서만 도시되어 있으나, 여전히 두 부분층들(FE11, FE12)을 포함한다(도 1 참조). 패터닝을 위해, 포토래커가 도포되고, 현상되며, 하부 고정전극(FE1)의 원하지 않는 층 영역이 제거된다. 특히, 하부 고정전극은 면 형태로 한정되며, 자유 진동 영역에서 홀(LO)을 구비하고, 홀은 한편으로는 소리 포트(sound port)로서 역할하며, 다른 한편으로 희생층의 차후 제거 시에 식각 수단의 접근을 가능하게 한다.
하부 고정전극(FE1)의 패터닝은 예컨대 RIE 식각 공정으로 이루어진다.
도 3은 부가적 절연층(IS)이 가장자리를 덮도록 적층된 이후의 조립체를 도시한다. 이는 다시 LPCVD 방법에서 TEOS 공정으로 실시한다. 이러한 부가적 절연층의 층 두께는, 한편으로 홀(LO)이 완전히 실리콘옥사이드로 덮이고 다른 한편으로는 절연층의 총 높이가 적어도, 하부 고정전극(FE1)의 상측의 레벨에 도달할만큼 산정된다. 선택된 예에서, 부가적 절연층을 위해 2.2 ㎛이 적합하다.
부가적 절연층(IS) 및 제1절연층(IS1)은 동일한 증착 조건으로 인하여 하나의 균일한 층이 되도록 결합하고, 이러한 점은 도면에서, 제1절연층과 부가적 절연층 사이에 어떠한 경계선도 더 이상 도시되어 있지 않음으로써 명확해진다.
도 4는 평탄화 공정 이후의 조립체를 도시하며, 이 때 절연층(IS)은 위로부터 하부 고정전극(FE1)의 상부 부분층(FE12)의 레벨까지 연마된다. 이를 위해, 예컨대 CMP 방법이 사용될 수 있다.
도 5는 제2절연층(IS2) 및 멤브레인(M)을 위한 3개의 부분층들의 증착 이후 조립체를 도시한다. 제2절연층(IS2)은 다시 SiO2층으로서 TEOS-LPCVD 방법으로 예컨대 2 ㎛의 층 두께로 적층된다. 멤브레인(M)을 위해 우선 제1부분층(TSM1)은 실리콘이 풍부한 실리콘나이트라이드층으로서 LPCVD 방법으로 예컨대 120 nm의 층 두께로 적층된다. 또한, 제2부분층(TSM2)으로서 약 300 nm 두께의 폴리실리콘층이 적층되며, 이 때 도펀트로 제위치에서 고도핑되며, 이는 다시 LPCVD 방법으로 실시할 수 있다. 멤브레인(M)의 최상부 및 제3부분층(TSM3)은 다시 120 nm두께의 실리콘나이트라이드층이고, 이러한 층은 공지된 방식으로 적층된다. 멤브레인이 횡단면에서 대칭 구조를 가지면, 부분층들이 비대칭으로 응력 형성되고 멤브레인이 식각 이후에 응력에 의해 휘어지는 경우를 방지한다.
도 6a는 멤브레인의 패터닝 이후의 조립체에 있어 제1횡단면을 도시한다. 이를 위해, 리소그래피가 실시되며, 패터닝은 RIE 식각 방법으로 실시되고, 이 방법은 폴리실리콘 및 실리콘나이트라이드의 식각을 위한 것이다. 경우에 따라서, 두 층들은 조건이 상이할 때 식각 분위기의 연속적 변화에 따라 식각될 수 있다. 패터닝 시, 멤브레인(M)은 특히 면 형태로 한정되며, 자유 진동 영역은 절단부(SL)의 생성에 의해 정의된다.
도 6b는 횡단면을 도시하는데, 이러한 횡단면에서 멤브레인은 절단부(SL)에 의해 빙 둘러 한정되거나, 절단부들 사이의 면으로서 정의된다. 절단부(SL)에 의해 빙 둘러 한정되는 면의 밖에서 층 영역의 일부는 외부 영역에서 층 결합물을 위해 잔류하며, 외부 영역은 마이크로폰의 전체 구조물을 기계적으로 안정화하고 지지한다.
도 6a는 멤브레인의 연결 영역에 대한 횡단면을 도시하며, 이러한 횡단면에서 멤브레인의 부분층들은 자유 진동 영역으로부터 삐져나와, 차후의 콘택을 위한 공급 라인을 형성한다.
도 7은 적어도 하나의 부가적 절연층(IS) 및 상부 고정전극(FE2)의 증착 이후의 조립체를 도시한다. 여기서 평탄화는 절단부(SL)의 구조폭이 작기 때문에 불필요하다. 이를 위해, 우선 제3절연층이 2 ㎛ 두께의 SiO2 층의 형태로 TEOS-LPCVD 방법에 의해 멤브레인(M)상에 적층된다. 상부 고정전극(FE2)을 위해 약 3 ㎛ 두께의 폴리실리콘층이 LPCVD 방법으로 제3절연층(IS3)상에 적층되고, 이 때 제위치에서 고도핑된다. 모든 증착 공정은 낮은 이방성으로만, 가장자리를 덮는 방식으로 이루어짐으로써, 포개어져 적층된 부분층들은 이러한 부분층들이 증착되는 표면의 지형(topography)을 따른다.
도 8은 상부 고정전극(FE2)의 패터닝 이후의 조립체를 도시하며, 이러한 패터닝은 다시 리소그래피 방식으로 보조되어, 폴리실리콘 식각을 위해 맞춰진 RIE 식각 방법을 이용하여 실시될 수 있다. 이 때, 제3절연층(IS3)은 식각 중지층으로서 기능한다.
상부 고정전극(FE2)은 활성 영역과 겹치고, 상기 고정전극이 절단부(SL)에 의해 정의된 멤브레인 영역보다 면적이 더 크도록 패턴된다. 자유 진동 영역에서 상부 고정전극(FE2)은 마찬가지로 홀(LO)을 구비하고, 홀은 하부 고정전극(FE1)의 홀과 동일한, 이미 언급한 목적을 충족한다.
다음 단계에서, 부가적 절연층(IS)은 패턴된 상부 고정전극 위에 적층되고, 예컨대 300 nm 두께의 SiO2층이 TEOS-LPCVD 방법으로 적층된다. 이러한 층은 패턴된 상부 고정전극(FE2)을 홀 및 패턴 에지에서 완전히 덮는다.
이후, 이제 서로 다른 콘택홀들(KL)은 절연층에 의해 식각되고, 콘택홀의 바닥에서 상부 고정전극, 멤브레인, 하부 고정전극 및 실리콘 기판으로부터 각각 도전 부분층들이 노출된다. 콘택홀의 정의는 부가적 리소그래피 단계에 의해 이루어진다. 콘택홀에서 SiO2층의 제거는 선택적으로 SiO2에 맞춰진 습식식각 단계에 의해 실시된다. 이 때, 상부 고정전극(FE2)의 폴리실리콘층, 실리콘나이트라이드를 함유한 멤브레인의 최상부 부분층(TSM3), 하부 고정전극의 폴리실리콘층(FE12) 및 기판의 벌크 실리콘 물질은 식각 중지층으로서 기능한다. 멤브레인의 폴리실리콘층을 노출시키기 위해, 이헤 상응하는 콘택홀에서 실리콘나이트라이드층이 더 제거되어야 하는데, 이는 RIE 식각 방법을 이용하여 실시된다.
도 9는 하부 고정전극(FE1)이 노출되어 있는 제1콘택홀(KL1), 멤브레인의 폴리실리콘층이 노출되어 있는 제2콘택홀(KL2) 및 상부 고정전극(FE2)의 폴리실리콘층이 노출되어 있는 제3콘택홀(KL3)을 도시한다. 언급한 기능층들 중 어느 하나 또는 예컨대 Si를 함유한 기판(SU)을 위해 가능한 부가적 콘택홀은 미도시되었다. 상기 기판내에 반도체 소자 또는 IC 회로가 집적될 수 있다.
다음 단계에서, 콘택(KO)은 콘택홀에서 생성된다. 콘택은 이미 설명한 방법으로 생성되며, 이러한 방법에서 기초 금속배선, 도전층 및 덮개층이 포개어져 생성된다. 기초층은 전면적으로 증착 및 패턴된다. 도전층 및 덮개층은 패턴된 기초 금속배선 위에서 선택적으로 성장한다. 적합한 층은 예컨대, 기초 금속배선을 위한 1 ㎛ 알루미늄, 도전층을 위한 3 ㎛ 니켈, 덮개층을 위한 300 nm Au이다.
다음 단계에서, 실리콘 기판(SU)의 관통부(DB)는 리소그래피식으로 정의되며, DRIE 방법을 이용하여 이방성으로 식각된다. 또한, 기판(SU)의 하측에서 관통부(DB)를 위해 제공된 면 영역을 위해, 모든 다른 표면은 보호층, 특히 리소그래피를 위해 사용된 래커로 덮인다. DRIE 방법에서, 제1절연층은 기판상에서 직접적으로, 식각 중지층으로서 역할한다. 도 11은 완성된 관통부(DB)의 제조 이후의 조립체를 도시한다.
다음 단계에서, 이제, 희생층 역할의 절연층(IS) 영역은 특히 하부 고정전극(FE1), 멤브레인 및 상부 고정전극(FE2) 사이의 자유 진동 영역에서 제거되며, 그리고 표면에 적층된 나머지 절연층이 제거된다. 이를 위해, 이미 설명한 VHF 방법이 사용된다.
도 12a는 이러한 방식으로 얻어진 구조물의 제1횡단면을 도시하는데, 이 때 마이크로폰은 거의 완성되어 있다. 도 12a의 횡단면이 멤브레인(M) 및 이에 속한 콘택(KO2)에 의해 안내되는 반면, 도 12b의 횡단면은, 멤브레인을 형성하는 부분층들의 외부 잔류 면 영역으로부터 양 측에서 절단부(SL)에 의해 전기적으로 분리된 멤브레인 영역을 도시한다. 등방성 VHF 식각 방법에 의해 절연층의 용이한 하부 식각이 이루어짐을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고, 절단부(SL)에 의해 정의된 멤브레인의 외부 가장자리 영역에 상응하는 앵커 영역에서 최초 층 결합물이 유지되며, 최초 층 결합물은 외부 가장자리 영역, 특히 앵커 영역을 상기 최초의 층 결합물 내에 고정한다.
도 17a, 17b는 이에 해당하는 횡단면을 다른 도면으로 도시한다. 도 17a는, 멤브레인의 가장자리 영역이 상기 횡단면 양 측에서 앵커 영역(AA)에 고정됨을 보여준다.
제2실시예에 따른 마이크로폰의 제조는 도 13에서 복수 개의 특이적 방법 단계에 의거하여 개략적 횡단면도로 도시되어 있다. 제2절연층(IS2)이 적층될 때까지, 제1실시예에서와 같은 공정이 실시되고, 도 4, 5 에 도시된 방법 단계들 사이에 있는 어느 방법 상태에 상응하여 그러하다. 이러한 변형예에서, 제2절연층(IS2)에는 이제 제1함몰부(V1)가 제조된다. 함몰부는 리소그래피에 의해 정의되며 RIE 식각 방법으로 생성된다. 식각 방법은, 함몰부(V1)가 원추형 횡단면을 가지고 함몰부의 바닥에 하부 고정전극의 최상부 부분층이 도달하도록 조절된다. 함몰부는 임의적 직경, 바람직하게는 원형 직경을 가지며, 외부 가장자리 영역에 대해 평행한 선분을 따라 나란히 간격을 두어 배치된다. 함몰부를 구비한 영역은 멤브레인을 위한 차후 앵커 영역에 상응한다. 도 13a는 개방된 함몰부(V1)를 도시한다.
다음 단계에서, 분리층(TR1)이 생성되고, 약 50 nm 두께의 SiO2층이 TEOS-LPCVD 방법으로 증착된다. 분리층(TR1)은, 하부 고정전극 위에 소정의 층 두께를 가진 SiO2층을 제공하는 역할이다. 도 13b는 이러한 방법 단계에서의 조립체를 도시한다.
다음 단계에서, 멤브레인(M)을 위한 3개의 부분층들이 전면적으로 생성 및 패턴된다. 증착 방법, 물질, 층 두께 및 패터닝은 제1실시예처럼 이루어진다. 도 13c는 1은 이러한 방법 단계에서의 조립체를 도시한다. 멤브레인의 부분층들이 가장자리를 덮도록 표면 동형 증착됨으로써, 이러한 부분층들은 제2절연층(IS2)의 지형학을 따르고, 함몰부의 영역에 멤브레인의 돌출 만곡부(SK1)가 형성된다. 멤브레인의 돌출 만곡부 및 하부 고정전극은 분리층(TS)에 의해서만 분리되며, 멤브레인의 나머지 영역들에서 제2절연층(IS2)의 완전한 층 두께가 멤브레인과 하부 고정전극 사이에 있다.
다음 단계에서, 제3절연층(IS3)은 제1실시예에서와 같이 2 ㎛ 두께의 SiO2층으로서 전면적으로 적층된다. 제2함몰부(V2)는 리소그래피 및 RIE 식각 방법으로 생성된다. 제2함몰부도 마찬가지로 원추형 횡단면을 가진 원형 개구부로서 생성되며, 제1돌출 만곡부(SK1)에 인접하나 이러한 돌출 만곡부와 멤브레인(M)의 외부 구조 가장자리 사이에 배치된 면 영역 내에 생성된다. 제3절연층이 동형으로 증착됨으로써, 제3절연층은 멤브레인의 지형학을 따르며, 제1돌출 만곡부 위에는 도 13d에 도시된 바와 같은 또 다른 함몰부들이 형성된다. 제2함몰부 내에 노출된 멤브레인 표면을 덮기 위해, 이제 제2분리층(TR2)이 생성되고, 이는 50 nm 두께의 TEOS-LPCVD 로 생성된 SiO2층이다. 도 13e는 이러한 방법 단계에서의 조립체를 도시한다.
다음 단계에서, 제1실시예에 상응하여 상부 고정전극(FE2)은 3 ㎛ 두께의 폴리실리콘층으로서 증착 및 패턴된다. 도 13f는 이러한 방법 단계에서의 조립체를 도시한다. 제2고정전극(FE2)의 폴리실리콘층은 제3절연층(IS3) 또는 그 위에 적층된 분리층(TR2)의 지형학을 따르므로, 상기 폴리실리콘층은 제2함몰부(V2)의 영역 및 그 옆에 배치되며 제1돌출 만곡부에 상응하는 함몰부에서 제2돌출 만곡부(SK2)를 형성한다.
콘택의 생성, 관통부(DB)의 식각 및 희생층의 제거는 제1실시예처럼 실시된다. 이러한 방식으로 제2실시예에 따라 완성된 마이크로폰은 도 14a, 14b에서 횡단면으로 도시되어 있다. 도면으로부터, 멤브레인이 앵커영역에서 수직으로 고정되되, 멤브레인(M)의 제1돌출 만곡부(SK1)가 하부 고정전극(FE1)상에 안착하고, 멤브레인이 상측으로부터 상부 고정전극(FE2)의 제2돌출 만곡부(SK2)를 관통하여 작은 수직 유격만을 포함하면서 고정되는 방식으로 이루어진다는 것을 잘 알 수 있다. 희생층으로서 역할하는 절연층(IS)은 상기 실시예에서, 멤브레인이 가장자리 영역에서도 완전히 노출되도록 에치백(etch back)된다. 이에 상응하여 도 14a에서 확인할 수 있는 바와 같은 멤브레인(M)은 래터럴로, 즉 층 평면내에서 자유롭게 움직인다.
도 14b는 제2콘택(KO2) 및 그에 속한 멤브레인(M)의 연결 영역의 단면을 도시하는데, 이 때 멤브레인층들은 외부쪽으로 안내되어 있다. 바람직하게는, 멤브레인은 최초의 층 결합물에서 연결 영역에서만, 즉 제2절연층과 제3절연층 사이에 고정되어 있다. 횡단면들의 합에 상응하는, 제1 및 제2 돌출 만곡부의 면 영역은 멤브레인과 두 고정전극 사이의 커패시턴스가 너무 심하게 영향을 받지 않도록 최소화되는데, 이는 여전히 실질적으로 고정전극과 멤브레인 사이의 간격에 의해 결정된다. 또한, 도 14에서는 나머지 콘택들과 함께 제조될 수 있는 기판 콘택(KOS)이 도시되어 있다. 이러한 방식으로, 기판(SU)에 통합된 소자를 콘택할 수 있다. 또한, 기판 표면에는 배선 구조물(wiring structure)만이 제공될 수 있고 콘택(KOS)과 연결될 수 있으며, 상기 콘택에 의해 마이크로폰이 회로화될 수 있다.
도 15a, 15b는 마이크로폰의 또 다른 실시 변형예에 따른 2개의 개략적 횡단면을 도시한다. 이는 제1실시예와 제2실시예의 조합이다. 한편으로, 멤브레인이 최초 층 결합물에서 가장자리 영역에 고정되는 것을 특징으로 하는데, 여기서 상기 가장자리 영역은 앵커 영역(AA)을 형성한다. 또한, 이러한 실시형태에서 멤브레인 부분층들에 제1돌출 만곡부가 제공되나, 제1돌출 만곡부는 절단부(SL)에 의해 정의되는 자유 진동 영역의 밖에 배치된다. 이를 위해, 제2절연층(IS2) 내에서 (멤브레인과 하부 고정전극 사이에서) 절단부 밖의 스트립형 영역에서 하부 고정전극이 노출된다. 이후, 분리층 없이 멤브레인이 생성되며, 멤브레인은 스트립형으로 패턴된 영역에서 하부 고정전극과 직접적인 접촉을 한다.
제3절연층에서, 마찬가지로 제2함몰부(V2)가 생성되며, 제2함몰부는 언급한 스트립형 영역에 인접하나 마찬가지로 멤브레인의 자유 진동 영역밖에, 그리고 절단부(SL)에 의해 정의된 멤브레인 구조 에지의 밖에 배치된다. 제3절연층에서 제2함몰부도 구조선분을 형성하며, 이러한 선분은 층 평면에 영사될 때 링형으로 멤브레인 둘레에 안내되며 멤브레인의 연결영역만을 비워둔다. 도 15a에 도시된 바와 같이, 이러한 패턴으로 인하여, 활성영역의 밖에서 하부 고정전극 및 멤브레인은 제1돌출 만곡부의 영역에서, 그리고 상부 고정전극(FE2)은 제2돌출 만곡부의 영역에서 상호간 직접 접촉한다. 이러한 직접적인 접촉은, 상부 고정전극과 멤브레인 아래에서 너무 심한 하부 식각 자체가 기능층들 중 어느 하나의 완전한 식각을 야기할 수 있도록 보장한다. 언급한 절연층들이 완전히 제거되더라도, 3개의 기능층들은 여전히 상호간 직접적 접촉에 의해 고정되어 있다. 도 15b는 다시 연결 영역 및 이에 속한 멤브레인의 콘택(KO2)의 단면을 도시한다. 연결 영역에서 멤브레인은 좁은 영역에서 활성 영역으로부터 나와 연장되고, 콘택(KO2)으로 이어진다.
도 16a는 마이크로폰의 패터닝을 위한 또 다른 변형예를 도시하며, 이 때 외부 가장자리 영역에서 멤브레인의 구조 에지는 완전히 식각된다. 앵커 영역(AA)에서 멤브레인은 제1돌출 만곡부에 의해 수직으로 하부 고정전극에 접하여 고정되는 반면, 상부 고정전극의 제2돌출 만곡부는 위로부터 멤브레인의 가장자리 영역으로 눌러서 상기 가장자리 영역을 위로부터 고정한다. 활성 영역의 밖에서 외부 영역에는 제2 및 제3절연층이 멤브레인의 적층 또는 상부 고정전극의 적층 전에 스트립형 영역으로 제거됨으로써, 이 위치에서 멤브레인은 직접적으로 하부 고정전극에 생성되고, 상부 고정전극은 직접적으로 멤브레인상에 생성되어, 이 위치에서 이들은 상호간 단단한 하나의 층 결합물을 형성할 수 있다.
도 16b는 연결 영역 및 멤브레인의 콘택의 단면을 도시하며, 연결 영역만이 다른 층 결합물을 포함한다. 멤브레인은 연결 영역에서만 완전히 절연층에 의해 둘러싸이며 두 고정전극에 반하여 양호하게 절연된다.
도 18은 멤브레인(M)의 가능한 패턴을 개략적 평면도로 도시한다. 멤브레인은 해치선으로(hatched) 도시된 제2절연층(IS2) 상부에 적층되며, 제2절연층의 덮인 구조 에지는 파선으로 도시되어 있다. 멤브레인의 가장자리 영역은 제2절연층상에 놓이고 앵커 영역을 형성할 수 있다. 절단부(SL)는 멤브레인 부분층의 외부 영역(AU)을 활성 멤브레인으로부터 분리한다(전기적으로 분리함). 연결 영역은 콘택(KO)쪽으로 안내된다. 미도시된 제3절연층(IS)은 제2절연층(IS)과 유사하게 패터닝될 수 있어서, 그 앵커 영역들은 면적이 동일하며, 멤브레인을 이 위치에서 상,하부로부터 고정한다.
도 19는 멤브레인(M)을 도시하고, 멤브레인의 가장자리 영역은 그 아래 위치한 제2절연층(IS2)을 포함하지 않는다. 앵커 영역은 멤브레인의 제1돌출 만곡부(SK1) 및 상부 고정전극의 미도시된 제2돌출 만곡부에 의해 형성된다. 제2절연층(IS2)은 멤브레인 부분층들의 외부 영역(AU) 하부에 위치하며, 즉 절단부(SL)에 의해 한정된 영역의 밖에 위치한다.
AA: 멤브레인 앵커 영역(membrane anchor region)
AU: 외부 영역(절단부의 밖에)
DB: 관통부(기판 내)
FE1: 하부 고정 전극
FE2: 상부 고정 전극
FS: 기능층
IS1-IS4: 제1 내지 제4 절연층
KL: 콘택 홀(contact hole)
KO: 콘택
LO: 홀
M: 멤브레인
SK1: 제1 돌출 만곡부(멤브레인 내)
SK2: 제2 돌출 만곡부(상부 고정 전극 내)
SL: 절단부
SU: 기판
TA: 멤브레인의 연결 영역
TS: 층 구조물의 부분층들
V1,V2: 제2 절연층 및 제3 절연층 내의 함몰부들
TR: 분리층
KOS: 기판 콘택

Claims (22)

  1. 소형화된 MEMS 구조의 마이크로폰에 있어서,
    실리콘 함유 기판(SU) 및 상기 기판 상에 배치되는 패턴된 층 구조물을 포함하고,
    상기 층 구조물은 기능층에 대한 부분층들이 서로 포개어져 배치되며,
    상기 기능층은, 하부 고정전극(FE1), 상기 하부 고정전극 상의 멤브레인(M) 및 상기 멤브레인(M) 상의 상부 고정전극(FE2)을 포함하고,
    상기 멤브레인은:
    외부 가장자리 영역;
    외부 가장자리 영역에 의해 완전히 둘러싸이며 멤브레인이 실질적으로 평면으로 형성되어 있는 자유 진동 영역;
    외부 가장자리 영역 내에 위치하며, 멤브레인이 하부와 상부 고정전극 사이에서 수직으로 고정되어 있는 앵커 영역(AA)으로서, 상기 외부 가장자리 영역은 실질적으로 앵커 영역으로 구성되는, 앵커 영역; 및
    외부 가장자리 영역 내에 위치하며 멤브레인을 위한 전기적 공급라인이 배치되어 있는 연결 영역으로 나누어지고,
    기판을 관통하여 전체 자유 진동 영역의 하부에 관통부(DU)가 배치되고,
    앵커 영역은 상기 관통부의 면 영역의 밖에서 상기 기판의 내부 가장자리 영역 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  2. 제1항에 있어서,
    층 구조물의 모든 부분층들은 직접적으로 포개어져 층 결합물로 형성되고,
    상기 멤브레인(M)은 최초의 층 결합물에서 상기 앵커 영역(AA)에 고정되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 멤브레인(M)은 상기 앵커 영역(AA)에서 제1돌출 만곡부(SK)를 포함하고,
    상기 멤브레인은 상기 하부 고정전극 상에서 상기 제1돌출 만곡부에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상부 고정전극(FE2)은 상기 앵커 영역(AA)에서 제2돌출 만곡부(SK2)를 포함하고,
    상기 상부 고정전극은 상기 멤브레인(M) 상에서 상기 제2돌출 만곡부에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2돌출 만곡부(SK1, SK2)는 느슨한 상태로만 상기 층 구조물의 각각 인접한 부분층 상에 안착하여, 상기 멤브레인(M)은 앵커 영역(AA) 내에서 평면에서 자유롭게 움직이나, 수직 편향에 반하여 고정되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    멤브레인(M)을 형성하는 부분층들은, 외부 가장자리 영역의 밖에 위치하며 연결 영역을 분리하는 절단부에 의해, 각각의 부분층들의 나머지 면 영역들로부터 전기적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 상기 절단부에 의해 둘러싸이는 영역의 밖에서 절연층은 하부 고정전극과 멤브레인 사이, 및 멤브레인과 상부 고정전극 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  8. MEMS 구조의 마이크로폰의 제조 방법에 있어서,
    a) 제1절연층 및 하부 고정전극을 위한 하나 이상의 부분층들을 기판 상에 포개어져 증착하는 단계;
    b) 하부 고정전극의 부분층들을 리소그래피 식각 공정에 의해 패터닝하는 단계;
    c) 하부 고정전극 상부에 제2절연층 및 멤브레인을 위한 하나 이상의 부분층들을 증착하는 단계;
    d) 상기 멤브레인의 부분층들을 리소그래피 식각 공정에 의해 패터닝하는 단계;
    e) 멤브레인 상부에 제3절연층 및 상부 고정전극을 위한 적어도 하나의 부분층을 증착하는 단계;
    f) 상부 고정전극의 적어도 하나의 부분층을 리소그래피 식각 공정에 의해 패터닝하는 단계;
    g) 상부 고정전극 상부에 제4절연층을 형성하는 단계;
    h) 하부 고정전극, 멤브레인 및 상부 고정전극의 전기 전도성 부분층들을 위한 콘택홀을 식각하고, 그 내부에 솔리드 콘택을 증착하는 단계;
    i) 기판을 통과하여 상기 멤브레인의 활성 영역의 하부에서 연속되는 관통부가 식각되는 단계; 및
    j) 활성 영역에서 등방성 습식 식각에 의해 절연층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조의 마이크로폰의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    단계 c)에서 상기 멤브레인의 적층 전에 상기 제2절연층의 표면이 평탄화되고,
    제2절연층에서 상기 활성 영역의 밖에 제1블라인드홀이 형성되고,
    제2절연층의 가장자리에 멤브레인의 부분층들이 증착되고,
    멤브레인의 부분층들은 블라인드홀에서 제2절연층의 지형을 유지하며, 상기 제1블라인드홀 위치에서 돌출 만곡부를 형성하고,
    멤브레인의 가장자리에 제3절연층이 형성되어, 제3절연층도 블라인드홀에서 상기 멤브레인의 지형을 유지하고,
    제3절연층에서 상기 활성 영역의 밖에 제2블라인드홀이 형성되고,
    제3절연층의 가장자리에 상부 고정전극의 적어도 하나의 부분층이 증착되고,
    상부 고정전극의 부분층은 블라인드홀에서 상기 제3절연층의 지형을 유지하며, 제2블라인드홀 위치에서 제2돌출 만곡부를 형성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조의 마이크로폰의 제조 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 부분층 및 절연층은 LPCVD 방법을 이용하여 증착되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조의 마이크로폰의 제조 방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 a)에서, 절연층으로서 SiO2층이, 상기 하부 고정전극의 부분층으로서 실리콘나이트라이드층 및 폴리실리콘층이 증착되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조의 마이크로폰의 제조 방법.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 c)에서, 멤브레인의 부분층으로서, 실리콘나이트라이드층, 상기 실리콘나이트라이드층 위에 폴리실리콘층, 및 상기 실리콘나이트라이드층 위에 또 다른 실리콘나이트라이드층이 증착되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조의 마이크로폰의 제조 방법.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    패터닝 단계에서 이방성 식각 방법이 사용되고,
    부분층들은 모든 기능층이 전체 활성 영역 내에서 겹쳐지도록 패터닝되고,
    상기 활성 영역 내에서 상기 하부 및 상부 고정전극의 부분층에는 패터닝 시 연속적 홀들이 생성되고,
    멤브레인의 모든 부분층에는 단계 d)에서 절단부가 형성되고,
    절단부는 연결 영역을 제외하고 멤브레인의 외부 가장자리 영역을 둘러싸며, 멤브레인의 활성 영역을 정의하며, 이 영역을 멤브레인의 나머지 층 영역으로부터 전기적으로 분리하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조의 마이크로폰의 제조 방법.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    절연층은 단계 j)에서 플루오르화수소 함유 증기를 이용하여 VHF 방법으로 식각되고,
    절연층은 적어도 상기 멤브레인의 자유 진동 영역에서 멤브레인과 상부 및 하부 고정전극 사이에서 제거되며,
    멤브레인은 상기 멤브레인의 외부 가장자리 영역 내의 앵커 영역에서 상부와 하부 고정전극 사이 또는 제2절연층 및 제3절연층 사이에 고정된 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조의 마이크로폰의 제조 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    단계 j)에서 상기 멤브레인은 가장자리 영역을 포함하여 상기 절단부에 의해 포위된 면 내에서, 연결 영역을 제외하고 인접한 절연층으로부터 완전히 식각됨으로써, 멤브레인은 층 평면에서 측 방향으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 MEMS 구조의 마이크로폰의 제조 방법.
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    단계 j)에서 상기 멤브레인은 절단부에서 식각되되, 멤브레인의 외부 가장자리 영역에서 전체 최초 층 결합물이 얻어진 채로 유지되고,
    멤브레인의 외부 가장자리 영역은 층 결합물 내에 고정된 상태로 유지되도록 식각되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조의 마이크로폰의 제조 방법.
  17. 제8항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2절연층 및 제3절연층은 적층된 후 패터닝되되, 각각의 절연층이 적어도 부분적으로 절단부의 밖에 배치된 외부 영역에서 제거되어, 모든 기능층들이 다른 층 위에 직접적으로 포개어져 적층될 수 있도록 패터닝되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조의 마이크로폰의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 외부 영역에서 각각의 절연층은, 절단부 이후에 간격을 두어 후속하며 닫혀있는 스트립을 따라 제거되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조의 마이크로폰의 제조 방법.
  19. 제8항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 j) 이후에, 표면은 불소를 함유한 반응 화합물로 처리되어, 반응성 표면에 불소 함유 패시베이션층이 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조의 마이크로폰의 제조 방법.
  20. 제8항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    층 증착은 적어도 개별 부분층으로 형성되어, 기판의 후방측에서 상응하는 부분층이 증착되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조의 마이크로폰의 제조 방법.
  21. 제8항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 b), d), f), h)의 식각 공정에서 반응성 이온 식각이 사용되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조의 마이크로폰의 제조 방법.
  22. 제8항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    콘택을 형성하기 위해 우선 기초 금속배선이 전면에 증착되고,
    기초 금속배선은 콘택홀의 밖에서 리소그래피 식각 공정에 의해 제거되고,
    기초 금속배선 상부에 갈바닉 또는 비전류식 방법에 의해 도전층이 증착되고,
    부가적 금속층 상부에 본딩 및 납땜 가능한 덮개층이 적층되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조의 마이크로폰의 제조 방법.
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