KR20170045297A - 멤스 소자 - Google Patents

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KR20170045297A
KR20170045297A KR1020177008032A KR20177008032A KR20170045297A KR 20170045297 A KR20170045297 A KR 20170045297A KR 1020177008032 A KR1020177008032 A KR 1020177008032A KR 20177008032 A KR20177008032 A KR 20177008032A KR 20170045297 A KR20170045297 A KR 20170045297A
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KR1020177008032A
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미햐엘 슈툼버
베네딕트 슈타인
크리스토프 셸링
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 멤스 소자(102)의 층 구조 내에 전극(7)을 갖는 자가 지지식 구조 요소(31)를 구현하기에 매우 적합한 층 재료에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 자가 지지식 구조 요소(31)는 적어도 부분적으로 실리콘 카르보니트라이드(Si1-x-yCxNy)에 기반한 층으로 형성된다.

Description

멤스 소자{MEMS COMPONENT}
본 발명은 전반적으로, 하나 이상의 전극을 갖는 하나 이상의 자가 지지식(self-supporting) 구조 요소가 그 층 구조 내에 구현되는 멤스(MEMS) 소자에 관한 것이다.
자가 지지식 구조 요소는 예를 들어 압력 센서, 마이크로폰 또는 스피커의 멤브레인과 같은 자체 센서 기능 또는 액추에이터 기능을 갖춘 마이크로기계 부품일 수 있다. 그러나 상기 자가 지지식 구조 요소는, 예를 들어 열적 분리를 위해 멤브레인 상에 배치된 가열 저항들을 갖는 유량 센서의 경우에서와 같이, 센서 기능을 위한 지지부로만 이용될 수도 있다. 따라서, 자가 지지식 구조 요소의 전극은 측정 신호 검출 또는 진동 여기를 위한 커패시터 전극으로서 이용될 수 있거나, 간단하게는 전기 저항 또는 다른 회로 부품의 전기 접촉을 위해서도 이용될 수 있다. 어느 경우든, 구조 요소의 전극과, 인접한 지지부 재료 사이의 누설 전류가 소자 기능에 불리하게 작용한다.
멤스 소자의 마이크로기계 구조는 통상, 층 증착 공정 및 구조화 공정의 순서의 결과물인 층 구조 내에서 구현된다. 자가 지지식 구조는 후면 에칭 공정에서, 또는 전면 에칭 공정의 범주에서는 희생층 에칭 공정에서 생성된다. 두 경우 모두, 에칭 공정의 공간적 제한을 위한 에칭 정지층의 사용이 바람직한 것으로 증명되었다. 이는, 사전 설정 가능하게 규정된 기하학적 구조를 갖는 구조 요소의 구현과, 멤브레인 및 벤딩 빔과 같은 매우 얇은 구조 요소의 구현을 가능케 한다.
자가 지지식 구조 요소는, 그 기계적 특성이 구조 요소의 기능에 상응하거나 또는 일치하는 하나의 층 또는 복수의 층 내에 형성되어야 한다. 따라서, 센서 멤브레인 또는 마이크로폰 멤브레인으로서 이용되어야 하는 자가 지지식 구조 요소는 가급적 얇고 탄성적이어야 하는 반면, 마이크로폰 구조의 대응 고정 요소는 가급적 강성이어야 한다.
본 발명에 따라, 전극을 포함한 자가 지지식 멤스 구조 요소를 구현하기에 매우 적합한 층 재료가 제안된다.
본 발명에 따르면, 자가 지지식 구조 요소는 적어도 부분적으로 실리콘 카르보니트라이드(Si1-x-yCxNy)에 기반한 층으로 형성된다.
실리콘 카르보니트라이드는 매우 높은 비저항(specific resistance)을 가지므로, 즉, 전기적으로 고절연성으로 작용하므로, 멤스 소자의 구조 요소 상의 전극과 인접한 반도체 재료 사이에서 누설 전류가 효과적으로 억제된다.
또한, 실리콘 카르보니트라이드는 화학적으로 대체로 불활성이다. 적어도 이는, 예를 들어 HF와 같이, 통상 실리콘 산화물 희생층 에칭 시 사용되는 에칭제에 의해서는 그다지 부식되지 않는다. 즉, HF 가스상에서 실리콘 카르보니트라이드의 에칭율은 0.2nm/min 미만이다. 따라서, 실리콘 카르보니트라이드는 통상적인 희생층 에칭 공정을 위한 에칭 정지 재료로서 매우 적합하다.
실리콘 카르보니트라이드(Si1-x-yCxNy)에 기반한 층의 기계적 층 특성은 그의 재료 조성, 다시 말해, 개별 재료 구성 요소인 실리콘(Si), 탄소(C) 및 질소(N)의 분율에 따라서도 좌우되지만, 임의적인 추가 재료 성분에 의해서도 좌우된다. 그에 상응하게, 예를 들어 기계적 응력과 같은 결정된 층 특성이 간단하게 변경될 수 있고, 자가 지지식 구조 요소의 각각의 기능에 맞게 조정될 수 있다.
또한, 실리콘 카르보니트라이드에 기반한 층은 예를 들어 700 내지 900℃의 범위 내 온도에서 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition) 공정과 같은 표준 증착 공정에 의해 간단하게 생성될 수 있다. 대안적으로, 300 내지 800℃에서 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 공정에서도 상기 유형의 층이 증착될 수 있다. 이 경우, 실란(SiH4), 메탄(CH4) 또는 암모니아(NH3)가 출발 가스로서 사용될 수 있다. 실리콘 카르보니트라이드에 기반한 층의 구조화를 위해서도, 예를 들어 SF6를 이용하는 DRIE(deep reactive ion etching) 에칭과 같은 표준 공정이 이용될 수 있다.
자가 지지식 구조 요소의 구현을 위해, 40 내지 55at%의 Si 분율, 5 내지 40at%의 C 분율 및 55 내지 5at%의 N 분율을 포함하는 층 조성이 적합하다. 이러한 조성을 갖는 층들은 약간의 인장 응력 및 높은 파괴 응력을 가지므로, 기계적 내구성이 전체적으로 매우 우수하다.
특히 양호하게는, 실리콘 카르보니트로보라이드 층(Si1 -x-y- zCxNyBz)의 인장 상태가 x, y, z > 1% 로 설정될 수 있다. 예를 들어 35at%의 Si 분율, 35at%의 C 분율, 20at%의 N 분율 및 10at%의 B 분율을 갖는 층 조성이 바람직한 것으로서 증명되었다.
실리콘 카르보니트라이드에 기반한 층은 전기적으로 고절연성으로서, 커패시터 어셈블리의 전극을 위한 지지부로서 매우 적합하다. 이 경우, 자가 지지식 구조 요소의 전극과 함께 커패시터 어셈블리를 형성하는 하나 이상의 다른 전극이 멤스 소자의 층 구조 내에 형성된다. 커패시터 어셈블리의 두 전극 중 적어도 하나가 가동식으로 지지되는 경우, 이러한 유형의 커패시터 어셈블리는 멤스 소자의 기능에 따라, 바람직하게는 신호 검출 또는 진동 여기를 위해 사용될 수 있다. 자가 지지식 구조 요소는 커패시터 어셈블리의 가동 전극을 위한 지지부 또는 현수부로서 이용될 수 있으며, 또한 커패시터 어셈블리의 하나 이상의 전극을 위한 고정형 지지부 또는 고정형 연결부로서도 이용될 수 있다.
압력 센서 및 마이크로폰 소자들에서 신호 검출을 위해 상기 유형의 커패시터 어셈블리를 사용하는 점은 중요하다. 바람직하게는, 여기서 압력 센서 멤브레인 또는 마이크로폰 멤브레인은 자가 지지식 구조 요소로서 실리콘 카르보니트라이드에 기반한 층 내에 형성되며 전극을 구비한다. 커패시터 어셈블리의 대응 전극은 대개 멤스 층 구조의 고정되어 있는 대응 요소 상에 배치된다. 이러한 대응 요소도 마찬가지로 자가 지지식 구조 요소로서 실리콘 카르보니트라이드에 기반한 층 내에 구현될 수 있다.
센서 및/또는 액추에이터 기능을 가진 멤스 소자의 구현을 위해 중요한 본 발명의 또 다른 용례로서, 측정 신호 검출 또는 여기를 위한 전극을 갖는 벤딩 빔도 언급할 수 있다. 이러한 유형의 벤딩 빔은 예를 들어 관성 센서의 범주에서 사용되거나, 마이크로기계 스위치로도 사용될 수 있다.
이미 전술한 바와 같이, 본 발명을 바람직하게 구성하고 개선하는 여러 가능성이 존재한다. 이를 위해, 한편으로는 독립 청구항 제1항의 종속 청구항들이 참조되며, 다른 한편으로 도면에 기초한 본 발명의 여러 실시예의 하기 설명이 참조된다.
도 1a 및 도 1b는 각각 용량성 멤스 압력 센서 소자(101 또는 102)의 개략적 단면도이다.
도 2는 용량성 멤스 마이크로폰 소자(200)의 개략적 단면도이다.
도 3은 용량성 멤스 관성 센서 소자(300)의 개략적 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 추가 용량성 센서 소자(400)의 개략적 단면도 및 평면도이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 두 소자(101, 102)의 층 구조는 (여기에는 상세히 재현되지 않은) 회로 기능이 통합되어 있는 CMOS 기판(1)에서부터 각각 시작된다. 상기 소자들은 복수의 배선 평면(21) 및 이들 배선 평면(21) 사이의 스루홀들(22)을 갖는 백앤드 스택(2, backend stack)을 통해 서로 결선되고 전기적으로 접촉될 수 있다. 여기에 도시된 실시예에서 전기 접촉은, 소자 전면에서부터 백앤드 스택(2)의 최상부 배선 평면까지 연장되는 스루홀(6)을 통해 수행된다.
백앤드 스택(2) 상에는 실리콘 카르보니트라이드에 기반한 비교적 얇은 층(3)이 위치하며, 상기 층 내에 자가 지지식 압력 멤브레인(31)이 형성된다. 이 압력 멤브레인은 백앤드 스택(2) 내 공동(23) 위에 걸쳐 있다. 또한, 소자(101, 102)의 층 구조는 압력 멤브레인(31) 위쪽 영역에 구조화되는 비교적 두꺼운 기능층(4)을 포함한다. 이 기능층(4)은 압력 멤브레인(31)의 가압을 위한 관통 개구들(41)을 가지며, 이들 관통 개구는 압력 멤브레인(31)과 기능층(4) 사이의 중공 챔버(5) 내로 통한다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 소자 구조들의 제조를 위해, 실리콘 카르보니트라이드에 기반한 층(3) 상에 실리콘 산화물 희생층이 생성되었고, 구성 소자(101)의 경우에는, 기능층(4)이 증착되기 전에 상기 희생층이 구조화되었다. 기능층(4)의 구조화 이후에 비로소, HF 가스상 에칭 공정에서 기능층(4) 내 관통 개구들(41)을 통해 희생층 재료가 다시 제거되는 방식으로, 압력 멤브레인(31)이 드러났다.
이때, 실리콘 카르보니트라이드에 기반한 층(3)은 부식되지 않았다. 상기 층은 희생층 에칭 공정에서 에칭 정지부로서, 그리고 백앤드 스택(2)을 위한 패시베이션으로서 기능하였다.
구성 소자(101)의 경우뿐만 아니라, 구성 소자(102)의 경우에도, 압력 멤브레인(31)과 함께 편향되는 하나 또는 복수의 전극(7) 및 하나 또는 복수의 고정된 대응 전극(8)을 이용하여 압력 멤브레인(31)의 편향이 용량성으로 검출된다.
도 1a에 도시된 구성 소자(101)의 경우, 편향 가능 전극(7)뿐만 아니라, 고정 전극(8)도 기능층(4) 내에 형성된다. 편향 가능 전극(7)은 희생층의 구조화로 인해 기계적으로, 더 정확하게는 웨브(71)를 통해 압력 멤브레인(31)과 연결되어 있는 반면, 기능층(4)의 구조화로 인해서는 웨브로부터 분리되어 있다. 이와 달리, 고정 전극(8)은 기능층(4)에 연결되어 있다. 실리콘 카르보니트라이드에 기반한 층(3)의 매우 높은 비저항이 편향 가능 전극(7)과 구성 소자(101)의 층 구조 사이에서의 누설 전류의 발생을 방지한다.
도 1b에 도시된 구성 소자(102)의 경우에는 고정 전극(8)만 기능층(4) 내에 형성되어 있다. 여기서 편향 가능 전극(7)은 압력 멤브레인(31)의 금속층의 형태로 구현되어 있다. 여기서도, 실리콘 카르보니트라이드에 기반한 층(3)의 매우 높은 비저항이 편향 가능 전극(7)과 구성 소자(102)의 층 구조 사이에서의 누설 전류의 발생을 방지한다.
전술한 두 압력 센서 소자(101, 102)와 달리, 도 2에 도시된 마이크로폰 구성 소자(200)에서는 실리콘 카르보니트라이드에 기반한 층(230) 내에 마이크로폰 멤브레인(211)이 형성되지 않고, 고정 대응 요소(231)가 형성된다.
구성 소자(200)의 마이크로폰 멤브레인(211)은 구성 소자 기판(10) 상의 박막 폴리실리콘 층(210) 내에 구현된다. 마이크로폰 멤브레인은 구성 소자 후면 내 개구(240)에 걸쳐 있다. 마이크로폰 구조의 제조를 위해, 폴리실리콘 멤브레인 층(210) 상부에 실리콘 산화물 희생층(220)이 생성되었고, 그 두께에 의해 마이크로폰 멤브레인(211)과 대응 요소(231) 사이의 간격이 결정된다. 이러한 희생층(220)은 마이크로폰 멤브레인(211)의 에지 영역 상부에서, 멤브레인 편향의 제한을 위한 기계적 정지부(232)를 제공하도록 구조화되었다. 희생층은 마이크로폰 멤브레인(211)의 중앙 영역 상부에서는 구조화되지 않았다. 이러한 폐쇄된 층 영역 상에는, 예를 들어 도핑된 폴리실리콘 층 또는 금속층과 같은 전도성 층(235)이 적층되어 구조화되었다. 이렇게 구조화되고 코팅된 희생층(220) 상에 실리콘 카르보니트라이드에 기반한 비교적 두꺼운 층(230)이 증착되어 구조화되었다. 이때, 마이크로폰 멤브레인(211) 위쪽 영역 내에, 전도성 층(235)을 관통해서도 연장되는 관통 개구들(233)이 생성되었다.
이러한 구조화 공정 후에 비로소, HF 가스상 에칭 공정에서 실리콘 카르보니트라이드에 기반한 층(230) 내 관통 개구들(233)을 통해 희생층 재료가 다시 제거되는 방식으로, 마이크로폰 멤브레인(211) 및 대응 요소(231)가 드러났다. 이때, 대응 요소(231)의 에지 영역에 있는 기계적 정지부(232)도 드러나게 되었는데, 그 이유는 희생층 에칭 시 실리콘 카르보니트라이드에 기반한 층(230)의 재료가 부식되지 않았기 때문이다.
마이크로폰 멤브레인(211)의 음압(sound pressure) 가압은, 구성 소자(200)의 장착에 따라 구성 소자 기판(10) 내 후면 개구(240)를 통해 수행될 수 있거나, 대응 요소(231) 내 관통 개구들(233)를 통해서도 수행될 수 있다. 마이크로폰 멤브레인(211)의 편향은 마이크로폰 커패시터 어셈블리를 이용하여 전기 신호로 변환된다. 여기서, 폴리실리콘 마이크로폰 멤브레인(211)은 마이크로폰 커패시터의 편향 가능 전극으로서 기능하며, 전도성 층(235)에서 자가 지지식 대응 요소(231)의 하부 측에 형성된 대응 전극과 상호 작용한다. 대응 요소(231)가 관통 개구들(233)로 인해 음향 투과성을 가지므로, 대응 전극(235)의 위치는 마이크로폰 멤브레인(211)에 대해 고정되어 있다.
도 3에 도시된 구성 소자(300)의 센서 구조물도 실리콘 기판(10) 상의 층 구조 내에 구현된다. 이를 위해, 기판 표면에 먼저 실리콘 산화물 패시베이션(11)이 제공되었고, 그 위에 실리콘 카르보니트라이드 층(12)이 증착되었다. 센서 구조물의 전기 접촉은, 실리콘 카르보니트라이드 층(12) 상에 적층되어 적절한 방식으로 구조화된 배선층(13)을 통해 수행된다. 여기에 기술된 실시예에서는 얇은 도핑 폴리실리콘 층(13)이다. 또는, 센서 구조물의 전기 접촉이 금속층의 형태로도 구현될 수 있다. 구조화된 배선층(13) 상에 실리콘 산화물 희생층(14)이 적층되어 구조화되었다. 이때, 고정 전극(22)과 스루홀(30)의 영역에서 희생층(14)이 개방되었고, 상기 스루홀을 통해 배선층(13)이 접촉될 수 있다. 그 위에 두꺼운 기능층(15)이 마이크로기계 기능층으로서 증착되었다. 제1 구조화 공정에서, 전체 기능층(15)과, 부분적으로는 전체 희생층(14) 및 배선층(13)을 통해 실리콘 카르보니트라이드 층(12)까지 연장되는 제1 트렌치(16)가 생성되었다. 이렇게 구조화된 기능층(15) 상에 추가 실리콘 카르보니트라이드 층(17)이 증착되었고, 이때 트렌치들(16)이 채워졌다. 이에 의해, 기능층(15) 내 개별 영역들이 예를 들어 스루홀(30)과 같이 전기적으로 분리되었다. 이어서 실리콘 카르보니트라이드 층(17)에 추가로, 도체 스트립 및 접속 패드가 내부에 형성된 금속층(18)이 제공되었다. 그 이후에 비로소, 센서 구조물의 규정을 위한 추가 트렌치(19)를 상기 층 영역 내에 생성하기 위해, 실리콘 카르보니트라이드 층(17)이 적어도 국부적으로 다시 기능층(15)의 표면으로부터 제거되었다. 이때, 기능층(15)의 개별 층 영역들(21, 22)이 기계적으로 그리고 전기적으로도 분리되었다.
이렇게 규정된 센서 구조물은 최종적으로, 기능층(15) 하부의 희생층 재료가 트렌치(19)를 통해 적어도 국부적으로 제거되는 희생층 에칭 공정에서 드러나게 되었다. 상기 에칭 공정에서 실리콘 카르보니트라이드 층(17) 및 채워진 트렌치들(16)이 에칭 정지부로서 작용하였다.
이렇게 생성된 센서 구조물은 복수의 사이즈믹 질량체(21, seismic mass)를 포함하고, 이들 사이즈믹 질량체는 기능층(15) 내에 형성되어 실리콘 카르보니트라이드 층(17) 내 자가 지지식 구조 요소(171)를 통해 층 구조에 접합됨으로써, 층 평면 내에서, 즉, 횡방향으로 편향될 수 있다. 이들 사이즈믹 질량체(21)는 측정값 검출을 위한 커패시터 어셈블리의 편향 가능 전극으로서 기능한다. 상기 커패시터 어셈블리의 고정 대응 전극(22)도 마찬가지로 기능층(15) 내에 형성되며, 기계적으로도 그리고 전기적으로도 배선층(13)과 연결된다.
도 4에 도시된 구성 소자(400)의 센서 구조물은, 각각 3개의 자가 지지식 벤딩 빔(401, 402)을 가지며 빗살 형태로 맞물려 있는 2개의 벤딩 빔 어셈블리를 포함하며, 상기 자가 지지식 벤딩 빔들은 하나의 층 구조 내에서 하나의 구성 소자 기판(410) 상에 형성되어 기판(410) 내에서 공동(411)을 넘어 돌출한다. 상기 층 구조는 여기에는 상세히 규정되지 않은 복수의 층으로 구성되며, 금속층(430)을 갖는 실리콘 카르보니트라이드 층(420)으로써 종결된다. 금속층(430) 내에는 상기 두 벤딩 빔 어셈블리의 형태에 상응하여 2개의 교대 배치형 전극(431, 432)이 형성되며, 이들 교대 배치형 전극이 함께 벤딩 빔 어셈블리의 횡방향 편향의 검출을 위한 측정 커패시터 어셈블리를 형성한다.

Claims (7)

  1. 하나 이상의 전극(7)을 갖는 하나 이상의 자가 지지식 구조 요소(31)가 층 구조 내에 구현되는 멤스 소자(102)이며, 상기 자가 지지식 구조 요소(31)는 적어도 부분적으로 실리콘 카르보니트라이드(Si1-x-yCxNy)에 기반한 층(3)으로 형성되고, 상기 층 구조 내에 자가 지지식 구조 요소(31)의 전극(7)과 함께 커패시터 어셈블리를 형성하는 하나 이상의 추가 전극(8)이 형성되며, 커패시터 어셈블리의 두 개의 전극(7, 8) 중 적어도 하나는 가동형으로 지지되는, 멤스 소자에 있어서,
    자가 지지식 구조 요소(231)가 커패시터 어셈블리의 하나 이상의 전극(235)을 위한 고정형 지지부 또는 고정형 접속부로서 이용되는 것을 특징으로 하는, 멤스 소자(102).
  2. 제1항에 있어서, 자가 지지식 구조 요소의 실리콘 카르보니트라이드 기반 층은, 40 내지 55at%의 실리콘(Si) 분율, 5 내지 40at%의 탄소(C) 분율 및 55 내지 5at%의 질소(N) 분율을 포함하는 것을 특징으로 하는, 멤스 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 자가 지지식 구조 요소의 실리콘 카르보니트라이드 기반 층은 x, y, z > 1%인 실리콘 카르보니트로보라이드 층(Si1 -x-y- zCxNyBz)의 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는, 멤스 소자.
  4. 제1항에 있어서, 자가 지지식 구조 요소(31)는 커패시터 어셈블리의 가동형 전극(7)을 위한 지지부 또는 현수부로서 이용되는 것을 특징으로 하는, 멤스 소자(102).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 자가 지지식 구조 요소(31)는 압력 센서 멤브레인 또는 마이크로폰 멤브레인인 것을 특징으로 하는, 멤스 소자(102).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 자가 지지식 구조 요소(231)는 압력 센서 멤브레인 또는 마이크로폰 멤브레인에 대한 고정형 대응 요소인 것을 특징으로 하는, 멤스 소자(200).
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 자가 지지식 구조 요소(401, 402)는 벤딩 빔인 것을 특징으로 하는, 멤스 소자(400).
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