KR20140053246A - 코팅된 정전용량형 센서 - Google Patents

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KR20140053246A
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안도 파이
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

일 실시예에서, MEMS 장치를 형성하는 방법은 기판을 제공하는 단계와, 기판층 상부에 희생층을 형성하는 단계와, 희생층 상에 실리콘계 작용부를 형성하는 단계와, 작용부가 적어도 하나의 노출된 외면을 포함하도록 희생층으로부터 실리콘계 작용부를 배출하는 단계와, 실리콘계 작용부의 적어도 하나의 노출된 외면 상에 제1 실리사이드 형성 금속층을 형성하는 단계와, 제1 실리사이드 형성 금속층으로 제1 실리사이드층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

코팅된 정전용량형 센서{COATED CAPACITIVE SENSOR}
본 발명은 미세가공된 정전용량형 센서 및 이런 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
표면의 미세가공은 다수의 미세전자기계 시스템(MEMS) 장치를 제조하기 위해 사용된다. 표면 미세가공의 경우, MEMS 장치의 구조물은 화학 기상 증착과 같은 공정을 사용하여 실리콘 기판 상에 구축될 수 있다. 이 공정에 의해 MEMS 구조물은 실질적으로 보다 큰 면내 치수를 갖는 수 미크론 미만의 층 두께를 포함할 수 있다. 흔히, 이들 장치는 해당 장치의 다른 부품에 대해 이동되도록 구성되는 부품을 포함한다. 이런 유형의 장치에서, 이동가능 구조물은 흔히 희생 재료층 상에 구축된다. 이동가능 구조물이 형성된 후에, 이동가능 구조물은 수성 플루오르화수소산(HF)으로 희생층을 습식 식각함으로써 배출될 수 있다. 식각 후에, 식각제와 식각 부산물을 제거하기 위해 탈이온수에서 배출된 MEMS 장치의 구조물을 세정할 수 있다.
다수의 이동가능 구조물의 표면적 대 부피비가 크기 때문에, 이런 구조물을 포함하는 MEMS 장치는 배출 공정 중이나(배출 접착) 차후 장치의 사용 중에(사용시 접착) 층간 접착 또는 층-기판 접착이 일어나기 쉽다. 이 접착 현상은 보다 일반적으로는 점착(stiction)이라 지칭된다. MEMS 장치의 포스트배출 공정 중이나 차후 사용시 공기에 노출되는 동안, 실리콘 기판 상에 5 옹스트롬 내지 30 옹스트롬 두께의 자연 산화물층이 즉석으로(ready) 형성됨으로써 점착은 더욱 악화된다. 실리콘 산화물은 친수성이어서 자연 산화물 표면에 수분층이 형성되도록 조장하며, 이는 작은 층간 간극이 고습도 환경에 노출될 때 강한 모세관력을 나타낼 수 있다. 또한 특정한 유기 잔류물의 존재에 기인하는 반데르발스힘, 수소 결합 및 정전력 또한 층간 인력에 기여한다. 이들 응집력은 배출된 자립형 층을 끌어당겨 다른 구조물과 접촉시키기에 충분할 정도로 강하여 비가역적인 래칭(latching)을 초래하고 MEMS 장치를 작동불가 상태로 만든다.
MEMS 장치의 접착을 최소화하려는 시도로서 다양한 방식이 사용되었다. 이들 방식은 배출 공정 중에 액체의 형성을 방지하여 모세관의 붕괴와 배출 접착을 방지하도록 의도된 것으로, 동결-승화와 초임계 이산화탄소 건조와 같은 건조 기술을 포함한다. 기상 HF 식각이 공정중 점착을 완화하기 위해 일반적으로 사용된다. 다른 방식은 접촉 표면적을 최소화하고, 면외 방향으로 강성인 MEMS 장치를 구성하고, 밀폐 패키징함으로써 점착을 저감하는 것을 지향한다.
사용 중의 점착 및 접착 문제를 저감하는 방식은 점착방지 코팅의 추가에 의한 장치의 표면 개질에 기반을 둔다. 개질된 표면은 재료 코팅을 추가하여 배출된 MEMS 장치의 사용중 접착을 억제함으로써 이상적으로 낮은 표면 에너지를 나타낸다. 대부분의 코팅 공정은 환경에 대한 소수성 표면을 제공하는 것으로, 자연 실리콘 산화물에 결합되는 얇은 표면층을 제조하는 것을 목적으로 한다. 특히, 소수성 테일군(tail group)를 갖는 자가조립형 단층(SAM)으로 MEMS 장치의 표면을 코팅하는 것이 사용중 접착을 저감하는 데 효과적인 것으로 드러났다. MEMS 장치가 배출된 후에, SAM은 비수성 용액으로부터 옥타데실트리클로로실란이나 퍼플루오로데실트리클로로실란과 같은 유기실란 커플링제의 증착을 통상적으로 수반한다. 점착방지 코팅이 없더라도 자연 산화물의 생성이 실리콘 표면 상에서 이루어진다.
이들 다양한 접근 방식에도 불구하고, 사용중 접착은 MEMS 장치에 여전히 심각한 신뢰성 문제를 야기한다. 문제의 일 양태는 점착방지 코팅이 도포되더라도 하부의 실리콘층이 다양한 전하를 보유할 수 있다는 점이다. 예컨대, 실리콘 자체는 도체가 아니다. 실리콘 구조물을 도전성이 되도록 개질하기 위해 소정 물질이 실리콘에 도핑된다. 그러나, 기능성 실리콘층에 유발되는 응력으로 인해 실현 가능한 도핑 수준에는 한계가 있다. 이에 따라, 제조 공정 중에 전하가 감지 요소의 실리콘 표면에 증착되고 즉시 이동하지 않는다. 다양한 구조물을 한정하기 위해 사용되는 트렌치 형성 공정으로 인해 전하는 불포화 결합(dangling bond)을 포함한다. 정전용량형 감지 장치에서는 이들 전하가 전부 국지적으로 결합되지 않기 때문에 신뢰성 문제를 초래할 수 있다. 일부의 전하는 약간의 이동성을 가지며 온도 또는 노화도에 따라 표류할 수 있다. 이는 예컨대 정전용량형 센서의 감도 또는 오프셋의 바람직하지 않은 표류 효과를 초래할 수 있다. 따라서, 표면의 전하를 축적하지 않기 위해서는 고도전성 작용층(실리콘의 경우에는 불가능)이나 적어도 고도전성 코팅을 구조물의 상부에 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 실리콘의 제한된 전도도는 정전용량형 센서를 포함하는 전자 평가 회로에 허용 불가능한 RC 시간 상수를 초래할 수 있다. 예컨대, 10 pF의 총정전용량(C)과 10 kOhm의 총저항(R)을 갖는 센서 요소는 약 1 MHz 미만의 주파수에서는 작동이 제한될 수 있다. 그러나, 특정 용례에서는 고주파수의 작동으로 인해 센서의 신호 대 잡음 성능이 우수해질 수 있기 때문에 고주파수에서의 작동이 바람직하다. 그러므로, 보다 낮은 RC 시간 상수의 달성이 가능하도록 MEMS 장치의 전도도를 증가시키는 것이 유익할 것이다.
따라서, 점착력, 표면 전하 및/또는 MEMS 구조물의 저항률을 저감하기 위해 사용될 수 있는 것으로, MEMS 제조 공정과 양립 가능한 신뢰성 있는 MEMS 장치용 코팅에 대한 요구가 여전히 존재한다.
일 실시예에 따르면, MEMS 장치를 형성하는 방법은, 기판을 제공하는 단계와, 기판층 상부에 희생층을 형성하는 단계와, 희생층 상에 실리콘계 작용부를 형성하는 단계와, 작용부가 적어도 하나의 노출된 외면을 포함하도록 희생층으로부터 실리콘계 작용부를 배출하는 단계와, 실리콘계 작용부의 적어도 하나의 노출된 외면 상에 제1 실리사이드 형성 금속층을 형성하는 단계와, 제1 실리사이드 형성 금속층으로 제1 실리사이드층을 형성하는 단계를 포함한다.
추가 실시예에서, MEMS 장치는 배출된 실리콘계 작용부와, 실리콘계 작용부의 모든 노출되었을 표면 상의 제1 실리사이드층을 포함한다.
도 1은 본 발명의 원리에 따라 실리사이드층이 장치의 작용부의 노출되었을 표면에 형성된 정전용량형 센서 장치의 측단면도를 도시한다.
도 2는 실리사이드층이 장치의 작용부의 노출된 표면에 형성되기 전의, 도 1의 장치와 유사한 정전용량형 센서 장치의 측단면도를 도시한다.
도 3은 실리사이드 형성재의 정합층이 장치의 모든 노출되었을 표면에 증착된 후의, 도 2의 장치의 측단면도를 도시한다.
도 4는 열처리에 의해 실리콘을 포함한 노출되었을 표면에 실리사이드층이 형성된 후의, 도 3의 장치의 측단면도를 도시한다.
이하, 본 발명의 원리에 대한 이해를 돕기 위해 도면에 예시되고 하기 명세사항에서 설명되는 실시예를 다룬다. 물론 이는 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되어 있지 않다. 또한, 본 발명은 예시된 실시예에 대한 일체의 수정 및 변경을 포함하며, 본 발명이 속한 기술분야의 기술자가 정상적으로 착안할 수 있는 본 발명의 원리의 추가적인 용례를 포함한다.
MEMS 센서(100)가 도 1에 도시되어 있다. MEMS 센서(100)는 기판(102)과, 하부 희생 산화물층(104)과, 매립 실리콘층(106)과, 상부 희생 산화물층(108)과, 작용층(110)을 포함한다. 기판(102)은 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 기판이거나 다른 유형의 기판일 수 있다. 본 실시예에서는 실리콘 웨이퍼인 기판(102)은 하나 이상의 센서(100)를 포함할 수 있다.
열에 의해 성장할 수 있는 하부 산화물층(104)은 매립 실리콘층(106)과 기판(102) 사이의 절연층으로서 기능한다. 예컨대, 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 공정에서 증착될 수 있는 상부 산화물층(108)은 매립 실리콘층(106)과 작용층(110) 사이의 절연층으로서 기능한다. 작용층(110)의 부분과 매립 실리콘층(106) 사이의 전기적 연통은 상부 희생 산화물층(108)에 형성되는 트렌치를 통해 연장되는 칼럼(112/114)에 의해 제공된다. 따라서, 매립 실리콘층(106)은 칼럼(112/114)을 통해 작용층(110)에 형성되는 다양한 구성요소 사이에 전기적 연통을 제공한다.
작용층(110)은 기판(102)에 대해 고정 배치되는 전극부(116)와 앵커부(118)를 포함한다. 접점(120)은 전극부(116)의 상면에 배치된다. 접점(120)은 금속성 재료로 형성될 수 있다.
앵커부(118)는 도 1에 도시되지 않은 구조물에 의해 작용부(122)를 지지한다. 지지 구조물(미도시)은 예컨대 캔틸레버식 아암일 수 있다. 본 명세서에서 사용하는 용어 "작용부"는 MEMS 센서(100)의 정상 작동 중에 기판(102)에 대해 이동하도록 되어 있는 MEMS 센서(100)의 부분을 의미한다. 도 1의 실시예의 작용부(122)는 작용층(110)의 평면 내에서 이동하는 정전용량형 부재이다. 다른 실시예에서, 작용부는 면외 이동을 위해 구성될 수 있다.
작용부(122)는 내측부(124)와, 작용부(122)의 외면에 배치되는 실리사이드층(126)을 포함한다. 도 1의 실시예에서는, 추가 실리사이드층(128, 130, 132, 134)이 작용층(110)의 외면의 노출되었을 부분에 형성된다. 용어 "노출되었을(otherwise exposed)" 부분은 구성요소의 어떤 부분도 실리사이드 또는 실리사이드 형성 금속과 접촉하지 않도록 관련 실리사이드층(또는 후술하는 실리사이드 형성 금속)이 외면에서 제거된다면 노출될 구성요소의 외면의 부분을 의미한다. 따라서, 접점(120) 바로 하부에 있는 작용층(110)의 부분은 "노출되었을" 부분이 아니다. 마찬가지로, 매립 실리콘층(106)과 인접한 전극부(116)의 하면과 칼럼(112)과 연결되는 전극부의 하면은 "노출되었을" 부분이 아니다.
도 1의 실시예에서는, 실리사이드층(136)이 기판(102)의 노출되었을 부분에도 형성되고, 실리사이드층(138)이 매립 실리콘층(106)의 노출되었을 부분에 형성된다. 실리사이드층(128)은 또한 매립 실리콘층(106)의 노출되었을 부분에 형성되는 부분(140)을 포함한다. 또한, 실리사이드층(132)은 매립 실리콘층(106)의 노출되었을 부분에 형성되는 부분(142)과 부분(144)을 포함한다.
도 1의 장치는 처음에 실리콘계 재료의 이동가능 부분이 형성되는 임의의 바람직한 접근방식을 사용하여 제조될 수 있다. 예로서, 도 2는 바람직한 제조 방법을 사용하여 제조될 수 있는 것으로, 실리사이드층이 없는 MEMS 센서(160)를 도시한다. MEMS 센서(160)는 기판(162)과, 하부 희생 산화물층(164)과, 매립 실리콘층(166)과, 상부 희생 산화물층(168)과, 작용층(170)을 포함한다.
칼럼(172/174)은 상부 희생 산화물층(168)에 형성되는 트렌치를 통해 연장된다. 칼럼(172)은 전극부(176)와 일체로 형성되고 칼럼(174)은 앵커부(178)와 일체로 형성된다. 전극부(176)와 앵커부(178)는 기판(162)에 대해 고정 배치된다. 접점(180)은 전극부(176)의 상면에 배치된다.
앵커부(178)는 도 2에 도시 안 된 구조물에 의해 작용부(182)를 지지한다. 작용부(182)는 MEMS 센서(160)의 정상 작동 중에 기판(162)에 대해 이동하도록 구성된다. 작용부(182)는 다수의 핑거(184, 186, 188, 190, 192)를 포함한다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 각각의 핑거(184, 186, 188, 190, 192)의 외면은 완전히 노출된다.
일단 작용부(182)가 상부 희생층(168)의 식각에 의해 배출되면, 실리사이드 형성재의 정합 코팅이 작용부(182)에 도포된다. 이로써 얻게 되는 구성이 도 3에 도시되어 있는데, 핑거(184, 186, 188, 190, 192)는 노출되었을 외면에 증착되는 각각의 실리사이드 형성층 부분(194, 196, 198, 200, 202)을 각각 가진다. 각각의 실리사이드 형성층 부분(194, 196, 198, 200, 202)은 장치(160)의 구성요소의 모든 노출되었을 부분을 코팅하는 실리사이드 형성재의 단일 정합층(204)의 부분이다.
실리사이드 형성재는 열의 존재 하에서 실리콘(Si)과 반응하여 실리사이드 형성재와 실리콘을 포함하는 실리사이드 화합물을 형성하는 재료이다. 이 범주에 속하는 몇몇 일반 금속은 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo) 및 백금(Pt)을 포함한다. 정합층(204)은 실리사이드 형성재의 원자층 증착(ALD)에 의해 형성될 수 있다. ALD는 상이한 여러 전구체에 기판을 연속적으로 노출하여 재료를 증착하기 위해 사용된다. 통상적인 증착 사이클은 포화상태에 이를 때까지 기판과 반응하는 전구체 "A"에 기판을 노출함으로써 개시된다. 이는 "자체 종결 반응"이라 칭한다. 다음으로, 기판은 포화상태에 이를 때까지 기판과 반응하는 전구체 "B"에 노출된다. 제2 자체 종결 반응은 기판을 재활성화한다. 재활성화는 전구체 "A"가 기판과 반응하도록 한다. 통상적으로, ALD에 사용되는 전구체는 유기금속 전구체와, 수증기나 오존과 같은 산화제를 포함한다.
이상적으로는 증착 사이클로 인해 하나의 원자층이 형성된다. 그 후, 다른 층이 공정을 반복함으로써 형성될 수 있다. 따라서, 정합층(204)의 최종 두께는 기판이 노출되는 사이클의 횟수에 의해 제어된다. 또한, ALD 공정을 사용하는 증착은 재료 증착 대상 특정 표면의 배향에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는다. 따라서, 극히 균일한 재료 두께가 상부 및 하부 수평면과 수직면에 실현될 수 있다.
원하는 양의 실리사이드 형성재가 작용부(182)의 노출되었을 표면 및 실리사이드층이 형성되는 것이 바람직한 임의의 다른 실리콘 함유 표면에 증착된 후에, MEMS 센서(160)는 예컨대 급속 열처리(RTA) 공정을 수행함으로써 가열된다. 열처리가 수행되는 온도와 해당 온도가 유지되는 시간은 특정한 실리사이드 형성재와 원하는 실리사이드층의 두께에 근거하여 결정된다. 공칭적으로, 250℃와 800℃ 사이의 온도면 충분하고, 열처리는 약 1초와 1분 사이의 시간 동안 지속된다. 몇몇 용례에서는 450℃ 미만의 열처리 온도가 바람직하다. 다수의 실리사이드 형성재는 450℃ 미만의 실리사이드화 온도를 가진다. 예로서, Ni이 약 250℃의 실리사이드화 온도 및 Si의 존재 하에서 실리사이드 재료로서 사용되면 Ni2Si가 형성된다.
몇몇 실리사이드 형성재는 실리사이드화 중에 부피 수축을 나타낸다. "부피 수축"은 형성된 실리사이드의 부피가 초기 실리콘 및 실리사이드 형성재의 부피 미만이 되는 현상이다. 위에 명시된 각각의 금속은 실리사이드를 형성하기 위해 사용될 때 이러한 현상을 나타낸다. 예로서, 위에서 설명한 Ni2Si 화합물은 원래의 Si 및 Ni 재료의 부피보다 23% 낮은 부피를 차지한다. 따라서, 부피 수축을 나타내는 실리사이드 형성재가 사용될 경우, MEMS 센서(160)의 구성요소의 초기 치수는 특정 실리사이드 형성재의 크기 변경을 고려하여 선택되어야 한다.
정합층(204)이 가열될 때, 가용 실리콘이 공급되는 정합층(204)의 일부는 실리사이드층으로 변환되며, 정합층(204)의 일부와 인접 실리콘 함유 구성요소로부터의 실리콘의 일부는 소모된다. 따라서, 열처리 후에는 도 4의 구성이 획득된다. 도 4에서는, 실리사이드부(210, 212, 214, 216, 218, 220, 222, 224, 226, 228, 230)가 형성되는데, 이는 실리사이드부(210 내지 230)가 형성되는 표면이 실리콘을 공여할 수 있기 때문이다. 그러나, 공여체 실리콘 없이 표면에 증착되는 정합층(204)의 일부는 변환되지 않는다. 따라서, 실리사이드 형성층(204)의 부분(232, 234, 236, 238, 240, 242)은 실리사이드 형성재로서 남아있다. 이어서 부분(232, 234, 236, 238, 240, 242)이 식각되어 도 1의 장치(100)의 구성이 이루어진다.
위에서 제시한 기본적인 방법은 특정 실시예에 따라 다양한 방식으로 변경될 수 있다. 예로서, 형성된 실리사이드층이 도전층인 실시예에서는 실리사이드층 자체가 접점으로 사용될 수 있다. 따라서, 도 1의 실시예의 접점(120)이 생략될 수 있고 실리사이드층(128)이 접점으로 사용될 수 있다.
또한, 몇몇 실리콘계 구성요소는 실리사이드층으로 코팅하지 않는 것이 바람직할 수 있다. 이런 실시예에서, 해당 구성요소는 실리사이드 형성재의 증착이 완료될 때까지 희생 재료에 의해 마스킹되거나 피복될 수 있다.
도면과 전술한 설명부에서 본 발명을 예시하고 상세히 설명하긴 했지만, 이는 성질상 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 물론 바람직한 실시예만이 제시되었으며 본 발명의 사상에 속하는 모든 수정, 변경 및 추가 용례는 보호 대상이 되는 것으로 요망된다.

Claims (16)

  1. MEMS 장치 형성 방법으로서,
    기판을 제공하는 단계와,
    상기 기판층 상부에 희생층을 형성하는 단계와,
    상기 희생층 상에 실리콘계 작용부를 형성하는 단계와,
    상기 작용부가 적어도 하나의 노출된 외면을 포함하도록 상기 희생층으로부터 상기 실리콘계 작용부를 배출하는 단계와,
    상기 실리콘계 작용부의 적어도 하나의 노출된 외면 상에 제1 실리사이드 형성 금속층을 형성하는 단계와,
    상기 제1 실리사이드 형성 금속층으로 제1 실리사이드층을 형성하는 단계를 포함하는 MEMS 장치 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1 실리사이드 형성 금속층을 형성하는 단계는,
    상기 실리콘계 작용부의 모든 노출된 외면 상에 상기 제1 실리사이드 형성 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 MEMS 장치 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서, 제1 실리사이드 형성 금속층을 형성하는 단계는,
    원자층 증착(ALD)에 의해 상기 제1 실리사이드 형성 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 MEMS 장치 형성 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 실리사이드층을 형성한 후에 실리사이드 형성 금속의 잔여부를 식각하는 단계를 추가로 포함하는 MEMS 장치 형성 방법.
  5. 제4항에 있어서, 제1 실리사이드층을 형성하는 단계는 급속 열처리(RTA)에 의해 제1 실리사이드 형성 금속층을 가열하는 단계를 포함하는 MEMS 장치 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 실리사이드 형성 금속층을 가열하는 단계는 상기 제1 실리사이드 형성 금속층을 약 250℃와 약 800℃ 사이의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 MEMS 장치 형성 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 실리사이드 형성 금속층을 가열하는 단계는 상기 제1 실리사이드 형성 금속층을 약 450℃ 미만의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 MEMS 장치 형성 방법.
  8. 제2항에 있어서, 제2 실리사이드층을 형성함으로써 접합 영역을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 MEMS 장치 형성 방법.
  9. 제2항에 있어서, 상기 제1 실리사이드층에 유기 점착방지 코팅을 도포하는 단계를 추가로 포함하는 MEMS 장치 형성 방법.
  10. 배출된 실리콘계 작용부와,
    상기 실리콘계 작용부의 모든 노출되었을 표면 상의 제1 실리사이드층을 포함하는 MEMS 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 실리사이드층은 상기 배출된 실리콘계 작용부에 대한 실리사이드 형성 금속의 원자층 증착(ALD)과 실리사이드를 형성하기 위한 후속 열처리에 의해 형성되는 MEMS 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 배출된 실리콘계 작용부 하부의 노출되었을 부분을 갖는 실리콘계 기판과,
    상기 실리콘계 기판의 노출되었을 부분 상의 제2 실리사이드층을 추가로 포함하는 MEMS 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 배출된 실리콘계 작용부는 실리콘계 작용층에 한정되고, 상기 MEMS 장치는 상기 실리콘계 작용층에 한정되는 앵커부와, 상기 앵커부의 모든 노출되었을 표면 상의 제2 실리사이드층을 추가로 포함하는 MEMS 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 실리콘계 작용층의 접합부의 상면에 형성되는 접합 패드와,
    상기 접합부의 모든 노출되었을 표면 상의 제3 실리사이드층을 추가로 포함하는 MEMS 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 실리콘계 작용층에 한정되는 접합부와,
    상기 접합부의 모든 노출되었을 표면 상의 제3 실리사이드층을 추가로 포함하는 MEMS 장치.
  16. 제10항에 있어서, 상기 제1 실리사이드층에 도포되는 유기 점착방지 코팅을 추가로 포함하는 MEMS 장치.
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