KR20180057382A - 전기기계적 스위칭 소자 및 제조 방법 - Google Patents

전기기계적 스위칭 소자 및 제조 방법 Download PDF

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KR20180057382A
KR20180057382A KR1020160155941A KR20160155941A KR20180057382A KR 20180057382 A KR20180057382 A KR 20180057382A KR 1020160155941 A KR1020160155941 A KR 1020160155941A KR 20160155941 A KR20160155941 A KR 20160155941A KR 20180057382 A KR20180057382 A KR 20180057382A
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서강대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 전기기계적 스위칭 소자에 관한 것으로, 상기 전기기계적 스위칭 소자는 스위칭 과정에서 절곡될 수 있는 도전성 빔 라인 및 상기 도전성 빔 라인을 중심으로 수평으로 대향하도록 배치되고 각각은 상기 스위칭 과정에서 서로 다른 전압이 인가되며 관통홀을 통해 절곡 부분과 비-절곡 부분으로 구분되는 복수의 전극들을 포함한다.

Description

전기기계적 스위칭 소자 및 제조 방법{ELECTROMECHANICAL SWITCHING DEVICES AND THEIR FABRICATION}
본 발명은 전기기계적 스위칭 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 동일 평면에 있는 도전성 빔 라인과 접촉 전극이 스위칭 과정에서 상호 절곡되어 스위칭 신뢰성과 동작 전압을 개선시킬 수 있는 수평 구동형 전기기계적 스위칭 소자 및 제조 방법을 개시한다.
최근 저전력 임베디드 메모리 칩에 대한 시장의 수요는 폭발적으로 증가하고 있다. 하지만 기존의 메모리 소자는 CMOS 기반의 공정 기술을 이용하여 구현되게 되는데 이는 면적의 손실, 성능 저하 및 수율 저하를 초래하게 된다. 이를 극복하기 위하여 최근 다양한 메모리 소자가 연구되고 있다. 특히, 그 중에서도 반도체 소자가 아닌 기계적으로 움직이는 전기기계 소자를 이용하여 메모리를 구현하려는 전기기계 메모리 소자에 대한 연구가 최근 활발히 진행되고 있다.
한국등록특허 제10-1383760(2014.04.03)호는 1층의 도전 층으로 수평 방향으로 쓰기 워드라인, 비트라인 및 읽기 워드라인을 형성하고 비트라인의 일측에 캔틸레버 전극을 일체로 형성하여 쓰기 워드라인과 읽기 워드라인 사이로 수평 구동할 수 있게 한 수평 구동형 전기기계 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공하고, 상기 수평 구동형 전기기계 메모리 소자를 단위 메모리 셀로 복수 개 배열한 2개 이상의 셀 스트링을 수평 및/또는 수직으로 적층하고, 상하층의 비트라인은 각 층의 라인 형성시 동시에 형성된 컨택 플러그를 통하여 수직하게 전기적으로 연결되는 구조를 갖는 수평 구동형 전기기계 메모리 소자 어레이를 제공한다.
이러한 종래 기술의 구조는 쓰기 워드라인과 읽기 워드라인이 절연막에 강하게 지지되어 움직일 수 없기 때문에 가운데 비트라인에 연결된 빔의 구동을 위해서는 더 큰 동작 전압을 필요로 하며 빔 자체의 휨으로 인한 응력도 크게 나타나는 단점을 가지고 있다.
한국등록특허 제10-1615556(2016.04.20)호는 디지털 비교기에 관한 것으로, 일정 전압이 인가된 하나 이상의 도전성 빔 아래에 복수 개의 비트 입력라인과 하나의 출력라인이 교차 되도록 함으로써, 비트 입력라인에 통해 디지털 입력신호가 인가될 때, 비트 입력라인과 교차하는 부분에서의 정전기력에 의한 인력과 빔 고유의 탄성력(복원력)으로 빔이 하방으로 휘어졌다가 복원하며 동작하는 전기기계 디지털 비교기를 제공한다.
1. 한국등록특허 제10-1383760(2014.04.03)호 2. 한국등록특허 제10-1615556(2016.04.20)호
본 발명의 일 실시예는 동일 평면에 있는 도전성 빔 라인과 접촉 전극이 스위칭 과정에서 상호 절곡되어 스위칭 신뢰성과 동작 전압을 개선시킬 수 있는 전기기계적 스위칭 소자를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 스위칭 과정에서 발생하는 응력을 저하시키어 내구성을 향상시킬 수 있는 전기기계적 스위칭 소자를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 전극간 접촉력(stiction force)을 이용하여 비휘발성 특성을 구현할 수 있어 기능 전환형 스위칭 소자로서 기능할 수 있는 전기기계적 스위칭 소자를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 전기기계적 스위칭 소자는 스위칭 과정에서 절곡될 수 있는 도전성 빔 라인 및 상기 도전성 빔 라인을 중심으로 수평으로 대향하도록 배치되고 각각은 상기 스위칭 과정에서 서로 다른 전압이 인가되며 관통홀을 통해 절곡 부분과 비-절곡 부분으로 구분되는 복수의 전극들을 포함한다.
상기 도전성 빔 라인은 상기 스위칭 과정에서 상기 복수의 전극들 중 하나인 접촉 전극과 상이한 전압을 가져서 해당 절곡 부분과 접촉하도록 절곡될 수 있다.
상기 접촉 전극의 해당 절곡 부분은 상기 스위칭 과정에서 상기 도전성 빔 라인 방향으로 절곡되어 상호 전기기계적으로 접촉될 수 있다.
상기 접촉 전극의 해당 절곡 부분은 상기 접촉 전극의 해당 비-절곡 부분과 전기적으로 연결되고 하부에 위치되는 기판과 이격될 수 있다.
상기 접촉 전극의 해당 비-절곡 부분은 절연막을 통해 상기 기판에 고정결합될 수 있다.
상기 도전성 빔 라인은 상기 스위칭 과정에서 상기 복수의 전극들 중 다른 하나인 비-접촉 전극과 동일한 전압을 가질 수 있다.
상기 복수의 전극들 각각의 관통홀은 하부에 위치되는 기판과 절연막 없이 이격될 수 있다.
상기 복수의 전극들 각각의 관통홀은 그 너비로서 0.1μm ~ 0.3μm를 가질 수 있다.
상기 도전성 빔 라인은 그 너비 및 두께로서 각각 0.1μm ~ 0.3μm를 가질 수 있다.
상기 도전성 빔 라인은 상기 복수의 전극들 각각과의 간극으로서 0.1μm ~ 0.3μm를 가질 수 있다.
상기 복수의 전극들 각각은 상기 비-절곡 부분을 절연막을 통해 하부에 있는 기판과 고정결합시키고 상기 관통홀 및 상기 절곡 부분을 상기 절연막 없이 상기 기판과 이격시킬 수 있다.
상기 비-절곡 부분의 너비는 상기 절곡 부분의 너비보다 클 수 있다.
실시예들 중에서, 전기기계적 스위칭 소자 제조 방법은 (a) 기판을 준비하는 단계, (b) 절연층을 상기 기판에 적층하는 단계 및 (c) 스위칭 과정에서 절곡될 수 있는 도전성 빔 라인과 상기 도전성 빔 라인을 중심으로 수평으로 대향하도록 배치되고 각각은 상기 스위칭 과정에서 서로 다른 전압이 인가되며 관통홀을 통해 절곡 부분과 비-절곡 부분으로 구분되는 복수의 전극들을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 도전성 빔 라인과 상기 복수의 전극들 각각의 절곡 부분은 상기 절연층 없이 상기 기판과 이격되도록 한다.
상기 (c) 단계는 (c1) 금속을 상기 절연층에 적층하는 단계, (c2) 사진 식각 공정을 통해 상기 금속을 패터닝하여 상기 도전성 빔 라인과 상기 복수의 전극들을 동시에 생성하는 단계 및 (c3) 식각 공정을 통해 상기 절연층의 잔여물을 선택적으로 제거하여 상기 도전성 빔 라인과 상기 복수의 전극들 각각의 절곡 부분을 상기 절연층 없이 상기 기판과 이격시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (c2) 단계는 상기 금속이 적층되면 전자빔 또는 이온빔(FIB : Focused Ion Beam) 공정을 통해 상기 금속에 상기 도전성 빔 라인과 복수의 전극들 사이의 간극을 형성하기 위한 복수의 간극 패턴들을 먼저 형성하고, 상기 금속에서 상기 간극 패턴들을 제외한 나머지 부분을 패터닝하여 상기 도전성 빔 라인과 상기 복수의 전극들을 동시에 생성할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기기계적 스위칭 소자는 동일 평면에 있는 도전성 빔 라인과 접촉 전극이 스위칭 과정에서 상호 절곡되어 스위칭 신뢰성과 동작 전압을 개선할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기기계적 스위칭 소자는 스위칭 과정에서 발생하는 응력을 저하시키어 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기기계적 스위칭 소자는 전극간 접촉력(stiction force)을 이용하여 비휘발성 특성을 구현할 수 있어 기능 전환형 스위칭 소자로서 기능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기기계적 스위칭 소자의 구조를 보여주는 단면도들을 나타낸다.
도 2는 제1 실시예에 따른 전기기계적 스위칭 소자를 제조하는 과정을 설명하는 공정도이다.
도 3은 제2 실시예에 따른 전기기계적 스위칭 소자를 제조하는 과정을 설명하는 공정도이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기기계적 스위칭 소자의 구조를 보여주는 단면도들을 나타낸다.
보다 구체적으로, 도 1a는 전기기계적 스위칭 소자의 사시도를 나타내고, 도 1b는 도 1a에 있는 전기기계적 스위칭 소자를 상부에서 본 단면도를 나타내며, 도 1c는 도 1a에 있는 전기기계적 스위칭 소자에 대한 A-B의 단면을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 전기기계적 스위칭 소자(100)는 기판(110), 절연막(120), 도전성 빔 라인(130) 및 복수의 전극들(140)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 반도체 기판에 해당한다. 일 실시예에서, 기판(110)은 실리콘 단결정층에 해당할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 기판(110)은 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 공정으로 제조된 집적 회로들을 포함하는 기판에 해당할 수 있다.
절연막(120)은 도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140) 각각의 하중을 지탱하는 수평 구조부재에 해당한다. 일 실시예에서, 절연막(120)은 절연막으로 사용되는 산화층(Oxide layer)에 해당한다. 다른 실시예에서, 절연막(120)은 금속 물질에 해당할 수 있다. 절연막(120)은 기판(110)의 상부에 형성되고 도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140) 각각의 일부의 하부에 위치하여 전기적 절연체의 역할뿐만 아니라 복수의 전극들(140) 각각의 하중을 지탱하는 보의 역할을 할 수 있다.
절연막(120)은 도전성 빔 라인(130) 또는 복수의 전극들(140) 각각을 지지하고 전기적으로 절연시키기 위해 기판(110)의 상부에 국부적으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 절연막(120)들 중에서 적어도 두 개의 절연막(120)들 각각은 기판(110)의 상부와 복수의 전극들(140) 각각의 하부에 길이 방향으로 연장되도록 형성될 수 있고, 절연막(120)들 중에서 다른 적어도 하나의 절연막(120)은 기판(110)의 다른 상부와 도전성 빔 라인(130)의 하부에 너비 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다.
도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140) 각각은 전기가 통할 수 있고 상호 전기적으로 연결될 수 있는 배선 라인에 해당한다. 일 실시예에서, 도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140)은 동종의 금속 물질로 제조될 수 있다.
도전성 빔 라인(130)은 스위칭 과정에서 절곡될 수 있다. 보다 구체적으로, 도전성 빔 라인(130)은 스위칭 과정에서 복수의 전극들(140) 중에서 하나의 전극 간에 정전기력이 발생하면 휘어질 수 있다. 일 실시예에서, 스위칭 과정은 도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140) 간의 전압 차이에 따라 발생하는 정전기력을 기반으로 시작될 수 있고, 스위칭 과정을 통해 도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140) 간에 전기적인 경로가 생성되거나 변경될 수 있다.
복수의 전극들(140) 각각은 스위칭 과정에서 서로 다른 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 스위칭 과정에서 복수의 전극들(140) 중에서 하나의 전극(140a)이 외부로부터 1V의 전압이 인가되면 다른 하나의 전극(140b)은 0V의 전압이 인가될 수 있고, 복수의 전극들(140) 각각과 도전성 빔 라인(130)에 인가된 전압 간의 차이에 따라 정전기력의 크기 및 방향에 차이가 발생할 수 있다.
복수의 전극들(140)은 도전성 빔 라인(130)을 중심으로 수평으로 대향하도록 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 도전성 빔 라인(130)은 상호 이격된 두 개의 절연막(120)들의 상부에 들보의 형태로 해당 두 개의 절연막(120)들을 건너지르며 길이 방향으로 연장되도록 형성될 수 있고, 복수의 전극들(140)은 도전성 빔 라인(130)과 동일한 높이로 형성되어 도전성 빔 라인(130)을 중심으로 상호 수평적으로 마주보도록 배치될 수 있다.
복수의 전극들(140)은 관통홀(142)을 통해 절곡 부분(144)과 비-절곡 부분(146)으로 구분될 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 전극들(140) 각각은 절연막(120)과 맞닿는 부분과 도전성 빔 라인(130) 사이에 위치하도록 형성된 관통홀(142)을 포함할 수 있고, 관통홀(142)은 상부와 하부가 관통된 직방형의 홀에 해당할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 전극들(140)은 관통홀(142)과 도전성 빔 라인(130) 사이에 위치하여 스위칭 과정에서 정전기력에 따라 휘어질 수 있는 일부인 절곡 부분(144)과 휘어지지 않도록 고정된 나머지 부분인 비-절곡 부분(146)으로 구분될 수 있다.
복수의 전극들(140) 각각의 관통홀(142)은 하부에 위치되는 기판(110)과 절연막 없이 이격될 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 전극들(140) 각각의 관통홀(142)은 그 너비로서 0.1μm ~ 0.3μm를 가질 수 있다.
도전성 빔 라인(130)은 스위칭 과정에서 복수의 전극들(140) 중 하나인 접촉 전극(140a)과 상이한 전압을 가져서 해당 절곡 부분(144a)과 접촉하도록 절곡될 수 있고, 복수의 전극들(140) 중 다른 하나인 비-접촉 전극(140b)과 동일한 전압을 가질 수 있다. 여기에서, 접촉 전극(140a)은 복수의 전극들(140) 중 하나의 전극으로서, 스위칭 과정에서 도전성 빔 라인(130)과의 전압 차이가 특정 전압차 이상 형성됨에 따라 도전성 빔 라인(130)과 접촉될 수 있는 전극에 해당하고, 비-접촉 전극(140b)은 그렇지 않아 도전성 빔 라인(130)과 접촉되지 않는 전극에 해당한다. 이하, 접촉 전극(140a)과 비-접촉 전극(140b)은, 도전성 빔 라인(130) 및 복수의 전극들(140) 각각에 인가되는 전압에 따라 각각 140a 또는 140b에 해당할 수 있으나, 편의상 접촉 전극은 140a에 해당하고 비-접촉 전극은 140b에 해당하는 것으로 가정한다.
접촉 전극(140a)의 해당 절곡 부분(144a)은 스위칭 과정에서 도전성 빔 라인(130) 방향으로 절곡되어 상호 전기기계적으로 접촉될 수 있다. 일 실시예에서, 도전성 빔 라인(130) 및 접촉 전극(140a)의 해당 절곡 부분(144a)은 스위칭 과정에서 각각이 상호 위치한 방향으로 휘어져 접촉될 수 있고, 접촉된 부분을 통해 전기적인 경로가 형성되도록 할 수 있다.
접촉 전극(140a)의 해당 절곡 부분(144a)은 접촉 전극(140a)의 해당 비-절곡 부분(144b)과 전기적으로 연결되고 하부에 위치되는 기판과 이격될 수 있다. 보다 구체적으로, 접촉 전극(140a)의 해당 절곡 부분(144a)은 관통홀(142)을 제외한 나머지 부분을 통해 해당 비-절곡 부분(144b)과 서로 직접 연결될 수 있고, 하부에 위치되는 기판(110) 사이에 상호 고정결합시키는 절연막(120) 없이 기판(110)과 이격되어 스위칭 과정에서 휘어질 수 있다.
접촉 전극(140a)의 해당 비-절곡 부분(146a)은 절연막(120)을 통해 기판(110)에 고정결합될 수 있다. 보다 구체적으로, 접촉 전극(140a)의 해당 비-절곡 부분(146a)은 하부에 위치되는 기판(110) 사이에서 상호 고정결합시키는 절연막(120)과 접합되어 스위칭 과정과 관계 없이 고정될 수 있다.
복수의 전극들(140) 각각은 비-절곡 부분(146)을 절연막(120)을 통해 하부에 있는 기판(120)과 고정결합시키고 관통홀(142) 및 절곡 부분(144)을 절연막(120) 없이 기판(120)과 이격시킬 수 있다. 즉, 비-절곡 부분(146)은 절연막(120)과 접합되어 스위칭 과정과 관계 없이 고정되고, 관통홀(142) 및 절곡 부분(144)은 하부에 위치되는 기판(110) 사이에 상호 고정결합시키는 절연막(120) 없이 기판(110)과 이격되어 스위칭 과정에서 휘어질 수 있다.
일 실시예에서, 비-절곡 부분(146)의 너비는 절곡 부분(144)의 너비보다 클 수 있고, 이에 따라 비-절곡 부분(146)은 스위칭 과정에서 절곡 부분(144)을 보다 안정적으로 지지할 수 있어 내구성을 향상시킬 수 있다.
도전성 빔 라인(130)의 일부는 상호 이격된 적어도 하나의 절연막(120)을 통해 기판(110)에 고정결합될 수 있다. 일 실시예에서, 도전성 빔 라인(130)의 일부는 절연막(120)과 접합되고, 다른 일부는 하부에 위치되는 기판(110)과 절연막(120) 없이 이격되어 스위칭 과정에서 휘어질 수 있다. 다른 일 실시예에서, 도전성 빔 라인(130)의 일부는 하나의 절연막(120)과 접합되고, 다른 일부는 이격된 다른 하나의 절연막(120)과 접합되며, 또 다른 일부는 길이 방향으로 복수의 전극들(140) 사이에 위치하여 해당 절연막(120)들을 건너지르도록 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 도전성 빔 라인(130)은 그 너비 및 두께로서 각각 0.1μm ~ 0.3μm를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 도전성 빔 라인(130)은 복수의 전극들(140) 각각과의 간극으로서 0.1μm ~ 0.3μm를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 전극들(140) 각각의 관통홀(142)의 너비, 도전성 빔 라인(130)의 너비와 두께 및 도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140) 각각과의 간극은 사진(photo) 공정 장비 상의 한계까지 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기기계적 스위칭 소자(100)는 스위칭 과정에서 도전성 빔 라인(130)과 접촉 전극(140a)을 상호 절곡 가능하도록 구조하여 동작 전압을 현저하게 낮추어 개선시킬 수 있고, 스위칭 과정에서 절곡에 따라 발생하는 응력을 저하시키어 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기기계적 스위칭 소자(100)는 스위칭 과정에서 도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140) 각각에 인가된 전압에 의해 발생되는 정전기력에 따라 도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140) 중에서 하나의 전극이 선택적으로 접촉될 수 있고, 이에 따라 새로운 전기적인 경로를 생성하거나 또는 기존의 경로를 변경할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기기계적 스위칭 소자(100)는 도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140) 중에서 하나의 전극이 접촉되면 전극간 접촉력(stiction force)을 이용하여 비휘발성 특성을 구현할 수 있고, 이에 따라 기능 전환형 스위칭 소자로서 기능할 수 있다.
도 2는 제1 실시예에 따른 전기기계적 스위칭 소자를 제조하는 과정을 설명하는 공정도이다.
기판(110)이 준비되고 절연층(210)은 기판(110)에 적층된다(단계 (a)). 여기에서, 적층된 절연층(210)은 절연막(120)을 형성하기 위한 산화막 층으로서, 이후의 단계들을 통해 식각되어 절연막(120)을 생성할 수 있다.
금속(220)은 절연막(120)에 적층될 수 있다(단계 (a)). 여기에서, 금속(220)은 도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140)을 형성하기 위한 금속 층으로서, 이후의 단계들을 통해 상호 이격된 도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140)을 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 금속(220)을 이루는 물질은 알루미늄에 해당할 수 있다. 적층된 절연층(210) 및 금속(220) 각각은 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 통해 평탄화될 수 있다.
스위칭 과정에서 절곡될 수 있는 도전성 빔 라인(130)과 도전성 빔 라인(130)을 중심으로 수평으로 대향하도록 배치되고 각각은 스위칭 과정에서 서로 다른 전압이 인가되며 관통홀(142)을 통해 절곡 부분(144)과 비-절곡 부분(146)으로 구분되는 복수의 전극들(140)은 동시에 생성될 수 있다(단계 (b)).
보다 구체적으로, 도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140)은 금속(220)의 사진 식각(Photo etching) 공정을 통해 패터닝되어 동시에 생성될 수 있고, 여기에서, 패터닝은 사진 식각 공정을 통해 각각에 해당하는 위치에 따라 식각하여 해당 패턴을 형성하는 과정에 해당할 수 있다. 공정 상의 편의를 위해, 상기의 단계 (b)는 미세한 사진 식각 공정이 가능한 경우를 가정하였다.
도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140) 각각의 절곡 부분(144)은 절연층(210)의 잔여물을 선택적으로 제거하는 식각 공정을 통해 절연층(210) 없이 기판(110)과 이격될 수 있다(단계 (c)). 동일 평면에서 이격된 복수의 절연막(120)들은 이러한 단계 (c)를 통해 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 절연층(210)은 습식 식각(Wet etch) 공정 또는 초임계 식각(supercritical etch) 또는 기화 불산 식각(HF vapor etch) 공정을 통해 그 잔여물이 선택적으로 제거될 수 있고, 이러한 제거 과정에서 금속(220)과 절연층(210) 각각을 형성하는 물질 간의 선택비를 고려하여 잔여물의 제거 효율을 개선할 수 있다. 이에 따라, 도전성 빔 라인(130)의 일부와 복수의 전극들(140) 각각의 절곡 부분(144)은 그 하부가 절연층(210)으로 지지되지 않도록 구조하게 되어 스위칭 과정에서 유연하게 휘어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기의 단계들을 통한 전기기계적 스위칭 소자 제조 방법은 공정 단계를 단축시킬 수 있고, 간단한 제조 공정으로 개선된 동작전압을 가지는 전기기계적 스위칭 소자(100)를 제조할 수 있다.
도 3은 제2 실시예에 따른 전기기계적 스위칭 소자를 제조하는 과정을 설명하는 공정도이다.
도 3은 도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140) 사이의 간극을 형성하기 위한 패터닝을 먼저 수행하고 이후에 도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140)을 동시에 형성하는 것을 가정하였다.
기판(110)이 준비되고 절연층(210)은 기판(110)에 적층되며 금속(220)은 절연막(120)에 적층될 수 있다(단계 (a)).
도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140) 사이의 간극을 형성하기 위한 복수의 간극 패턴들(310)은 먼저 형성될 수 있다(단계 (b)). 보다 구체적으로, 복수의 간극 패턴들(310)은 금속(220)의 전자빔이나 이온빔(FIB : Focused Ion Beam) 공정을 통해 도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140) 사이의 간극에 해당하는 위치들(이하, 간극 위치들)에 형성될 수 있다. 여기에서, 간극 위치들은 도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140) 사이의 간극의 일부에 해당할 수 있다.
도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140)은 금속(220)의 사진 식각 공정을 통해 금속(220)에서 복수의 간극 패턴들(310)을 제외한 나머지 부분이 패터닝되어 동시에 생성될 수 있다(단계 (c)).
도전성 빔 라인(130)과 복수의 전극들(140) 각각의 절곡 부분(144)은 절연층(210)의 잔여물을 선택적으로 제거하는 식각 공정을 통해 절연층(210) 없이 기판(110)과 이격될 수 있다(단계 (d)).
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 전기기계적 스위칭 소자
110: 기판 120: 절연막
130: 도전성 빔 라인 140: 전극들
142: 관통홀 144: 절곡 부분
146: 비-절곡 부분
210: 절연층 220: 금속
310: 간극 패턴들

Claims (15)

  1. 스위칭 과정에서 절곡될 수 있는 도전성 빔 라인; 및
    상기 도전성 빔 라인을 중심으로 수평으로 대향하도록 배치되고 각각은 상기 스위칭 과정에서 서로 다른 전압이 인가되며 관통홀을 통해 절곡 부분과 비-절곡 부분으로 구분되는 복수의 전극들을 포함하는 전기기계적 스위칭 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도전성 빔 라인은
    상기 스위칭 과정에서 상기 복수의 전극들 중 하나인 접촉 전극과 상이한 전압을 가져서 해당 절곡 부분과 접촉하도록 절곡되는 것을 특징으로 하는 전기기계적 스위칭 소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 접촉 전극의 해당 절곡 부분은
    상기 스위칭 과정에서 상기 도전성 빔 라인 방향으로 절곡되어 상호 전기기계적으로 접촉되는 것을 특징으로 하는 전기기계적 스위칭 소자.
  4. 제2항에 있어서, 상기 접촉 전극의 해당 절곡 부분은
    상기 접촉 전극의 해당 비-절곡 부분과 전기적으로 연결되고 하부에 위치되는 기판과 이격되는 것을 특징으로 하는 전기기계적 스위칭 소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 접촉 전극의 해당 비-절곡 부분은
    절연막을 통해 상기 기판에 고정결합되는 것을 특징으로 하는 전기기계적 스위칭 소자.
  6. 제2항에 있어서, 상기 도전성 빔 라인은
    상기 스위칭 과정에서 상기 복수의 전극들 중 다른 하나인 비-접촉 전극과 동일한 전압을 가지는 것을 특징으로 하는 전기기계적 스위칭 소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 전극들 각각의 관통홀은
    하부에 위치되는 기판과 절연막 없이 이격되는 것을 특징으로 하는 전기기계적 스위칭 소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복수의 전극들 각각의 관통홀은
    그 너비로서 0.1μm ~ 0.3μm를 가지는 것을 특징으로 하는 전기기계적 스위칭 소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 도전성 빔 라인은
    그 너비 및 두께로서 각각 0.1μm ~ 0.3μm를 가지는 것을 특징으로 하는 전기기계적 스위칭 소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 도전성 빔 라인은
    상기 복수의 전극들 각각과의 간극으로서 0.1μm ~ 0.3μm를 가지는 것을 특징으로 하는 전기기계적 스위칭 소자.
  11. 제1항에 있어서, 상기 복수의 전극들 각각은
    상기 비-절곡 부분을 절연막을 통해 하부에 있는 기판과 고정결합시키고 상기 관통홀 및 상기 절곡 부분을 상기 절연막 없이 상기 기판과 이격시키는 것을 특징으로 하는 전기기계적 스위칭 소자.
  12. 제11항에 있어서, 상기 비-절곡 부분의 너비는
    상기 절곡 부분의 너비보다 큰 것을 특징으로 하는 전기기계적 스위칭 소자.
  13. (a) 기판을 준비하는 단계;
    (b) 절연층을 상기 기판에 적층하는 단계; 및
    (c) 스위칭 과정에서 절곡될 수 있는 도전성 빔 라인과 상기 도전성 빔 라인을 중심으로 수평으로 대향하도록 배치되고 각각은 상기 스위칭 과정에서 서로 다른 전압이 인가되며 관통홀을 통해 절곡 부분과 비-절곡 부분으로 구분되는 복수의 전극들을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 도전성 빔 라인과 상기 복수의 전극들 각각의 절곡 부분은 상기 절연층 없이 상기 기판과 이격되도록 하는 전기기계적 스위칭 소자 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    (c1) 금속을 상기 절연층에 적층하는 단계;
    (c2) 사진 식각 공정을 통해 상기 금속을 패터닝하여 상기 도전성 빔 라인과 상기 복수의 전극들을 동시에 생성하는 단계; 및
    (c3) 식각 공정을 통해 상기 절연층의 잔여물을 선택적으로 제거하여 상기 도전성 빔 라인과 상기 복수의 전극들 각각의 절곡 부분을 상기 절연층 없이 상기 기판과 이격시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계적 스위칭 소자 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 (c2) 단계는
    상기 금속이 적층되면 전자빔 또는 이온빔(FIB : Focused Ion Beam) 공정을 통해 상기 금속에 상기 도전성 빔 라인과 복수의 전극들 사이의 간극을 형성하기 위한 복수의 간극 패턴들을 먼저 형성하고, 상기 금속에서 상기 간극 패턴들을 제외한 나머지 부분을 패터닝하여 상기 도전성 빔 라인과 상기 복수의 전극들을 동시에 생성하는 것을 특징으로 하는 전기기계적 스위칭 소자 제조 방법.
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