KR20240042491A - 고체 상태 반도체 공정의 후공정 금속 레이어를 사용하여 제작되는 mems 압력 센서 - Google Patents

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조셉 몬타냐 실베스트르
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마누센스 에스엘
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Abstract

복수의 금속 레이어들 중 하나로 구성되는 멤브레인을 갖는 MEMS 압력 센서가 제공된다. 리드는 상기 멤브레인 위에 위치하고, 상기 멤브레인의 말단들에 있는 복수의 캐비티 벽들에 연결된다. 상기 리드는 상기 리드의 특정 영역에 위치하는 구멍들의 배열을 포함한다. 고정된 금속 전극은 상기 리드 아래에 위치한다.

Description

고체 상태 반도체 공정의 후공정 금속 레이어를 사용하여 제작되는 MEMS 압력 센서
본 출원은 2021년 8월 10일에 출원된 미국 임시출원 번호 제63/231,503호에 대한 우선권을 주장하며, 이 출원의 내용은 그 전부가 본 명세서에 포함되어 있다.
집적 회로는 포토리소그래피 기술을 사용하여 일련의 레이어가 증착된 반도체 물질의 기판을 갖는 반도체 장치이다. 레이어가 도핑되고 분극되어 전기 요소(예를 들어, 저항, 커패시터 또는 임피던스) 또는 전자 요소(예를 들어, 다이오드 또는 트랜지스터)가 생성된다. 이어서 다른 레이어가 증착되어 전기 연결에 필요한 상호 연결 레이어의 구조를 형성한다.
마이크로-전자-기계 또는 마이크로-전자-기계 시스템(Micro-Electro-Mechanical Systems; MEMS)은 포토리소그래피 기술을 기반으로 하는 레이어 증착 기술을 사용하여 만들어진 소형 전기 기계 장치이다. MEMS는 내부에 액체나 기체로 채워질 수 있는 캐비티(cavities) 또는 중공 공간을 제공할 수 있다. 기존의 집적 회로는 어떤 종류의 빈 공간도 없이 완전히 견고한 장치이다. 중공은 원자 또는 아원자 스케일에서의 중공보다 더 큰 캐비티로 정의될 수 있다. MEMS 내부에는 모바일 요소가 있을 수 있다. 모바일 요소는 그것의 단부 중 하나에 의해 MEMS 구조의 나머지 부분에 결합될 수 있거나, 적어도 부분적으로 폐쇄된(느슨한 부분이 MEMS에서 "탈출"되는 것을 방지하기 위해) 하우징 내부에서 완전히 느슨해 질 수 있다(즉, 그것의 주변 환경에 물리적으로 연결되어 있지 않음). 칩은 MEMS 장치와 집적 회로(Integrated Circuit; IC)를 포함할 수 있고, IC는 MEMS를 제어할 수 있다.
MEMS의 응용 분야 중 하나는 압력 센서이다. 압력 센서를 구축하려면 원칙적으로 한쪽에는 고정된 압력이 있고 다른 한쪽에는 측정해야 하는 압력으로 공기나 가스를 샘플링하는 멤브레인만 있으면 충분하다. 그러면 이러한 멤브레인은 양쪽의 압력차로 인해 휘어지거나 변형되고, 일 측에 움직이지 않는 고정된 전극이 있는 경우, 그러면 고정 전극과 가동 전극 사이의 전기 용량이 변하고, 이 용량 변화를 측정하여 압력 변화를 알 수 있다.
압력 센서를 구축하기 위한 기존 설계는 간단하게 구현할 수 있지만, CMOS 공정을 사용하여 개발된 이러한 최첨단 압력 센서는 거의 쓸모가 없을 정도로 센서 성능, 신뢰성 및 수율을 크게 제한하는 수많은 실질적인 단점을 가지고 있다.
CMOS 공정을 이용하여 개발된 기존 압력 센서의 또 다른 문제점은, 알루미늄 스퍼터링, PI 증착 또는 기타 물질과 같은 새로운 물질을 추가하여 밀봉하는 경우 이러한 구현으로 인해 멤브레인의 두께가 상당히 증가하여 센서의 감도가 크게 감소하는 것이다.
또 다른 문제점은 멤브레인이 밀봉되면 멤브레인 아래에 생성되는 이 챔버 내부의 기준 압력이 기준 압력이 된다는 것이다. 이는 모든 반도체 고정은 아니더라도 대부분의 CMOS와 마찬가지로 가스 방출이 있는 것으로 알려져 있기 때문에 문제가 된다. 이는 기준 캐비티로 들어가는 가스 분자가 있을 것이며 궁극적으로 캐비티가 완전히 밀봉되지 않을 것임을 의미한다. 따라서 캐비티와 외부 공기의 압력 차이에 따라 시간이 지남에 따라 압력에 약간의 변화가 있을 수 있다. 따라서 캐비티 내부의 기준 압력은 시간이 지남에 따라 표류하며 이 효과는 온도에 따라 가속화된다.
게다가 또 다른 잠재적인 문제는 멤브레인이 완전히 노출된다는 것이다. 센서 장치는 특히 먼지와 물을 포함한 가혹한 조건에 대한 저항력이 없다. 먼지, 물 또는 기타 오염 물질이 멤브레인에 떨어지면 민감도가 변하거나 드리프트되어 결국 장치가 영구적으로 손상될 수 있다. 애플리케이션에 따른 신뢰성이 부족하다. 이는 공기가 더러운 전자 담배나 타이어 공기압 모니터링 시스템(Tire Pressure Monitoring System; TPMS)과 같은 애플리케이션에서 문제가 될 수 있다. 또한, 기존 커패시티브형 센서와 마찬가지로 센싱 메커니즘을 단순화하여 비용 절감과 신뢰성을 향상하는 것이 바람직하다.
본 개시에 설명된 주제의 일 측면에 따른 MEMS 압력 센서가 제공된다. MEMS 센서는 복수의 금속 레이어들 중 하나로 구성되는 멤브레인을 포함한다. 리드(lid)는 멤브레인 위에 위치하고, 멤브레인의 말단들(distal ends)에서 복수의 캐비티 벽들에 연결된다. 리드는 리드의 영역 상에 위치하는 구멍들의 배역을 포함한다. 고정된 금속 전극은 리드 아래에 위치한다.
본 개시에 설명된 주제의 또 다른 측면에 따른 MEMS 압력 센서가 제공된다. MEMS 압력 센서는 복수의 금속 레이어들 중 하나로 구성되는 멤브레인을 포함한다. 멤브레인은 복수의 구멍들을 포함한다. 전극은, 적어도 상기 멤브레인의 복수의 구멍들이 위치하는 영역을 가로질러 연장하거나 상기 멤브레인과 동일한 형상을 갖는 복수의 금속 레이어들 중 상이한 금속 레이어로 구성되고, 상기 멤브레인 아래에 위치한다.
본 개시에 설명된 주제의 또 다른 측면에 따른 MEMS 압력 센서가 제공된다. MEMS 압력 센서는 복수의 금속 레이어들 중 하나로 구성되는 금속 레이어를 포함한다. 금속 레이어 아래에 위치하는 받침대는 복수의 금속 레이어들 중 상이한 금속 레이어들의 세트로 구성된다. 받침대는 금속 레이어 중심에서 커패시턴스 갭을 감소시킨다.
본 개시에 설명된 주제의 또 다른 측면에 따른 MEMS 압력 센서가 제공된다. MEMS 압력 센서는 복수의 금속 레이어들 중 하나로 구성되는 금속 레이어를 포함한다. 금속 레이어 아래에 위치하는 받침대는 복수의 금속 레이어들 중 상이한 금속 레이어들의 세트로 구성된다. 상이한 금속 레이어들의 세트는 복수의 날개 형상 전극을 포함한다.
본 개시에 설명된 주제의 또 다른 측면에 따른 MEMS 압력 센서가 제공된다. MEMS 압력 센서는 복수의 금속 레이어들 중 하나로 구성되는 금속 레이어를 포함한다. 금속 레이어 아래에 위치하는 피스톤은 복수의 금속 레이어들 중 상이한 금속 레이어들의 세트로 구성된다. 피스톤은 금속 레이어에 압력이 가해질 때 금속 레이어의 변위를 포착한다.
본 개시에 설명된 주제의 또 다른 측면에 따른 MEMS 압력 센서가 제공된다. MEMS 압력 센서는 복수의 금속 레이어들 중 하나로 구성되는 금속 레이어를 포함한다. 금속 레이어 아래에 위치하는 받침대는 복수의 금속 레이어들 중 상이한 금속 레이어들의 세트로 구성된다. 금속 레이어는 복수의 날개 형상 금속 레이어들 중 하나의 날개 형상 부분에 일체로 연결되는 멤브레인을 포함한다.
본 개시의 추가적인 특징 및 이점은 본 개시의 상세한 설명에 기재되어 있으며, 이로부터 명백해질 것이다.
본 개시는 유사한 참조 번호가 유사한 요소를 지칭하기 위해 사용되는 첨부 도면에서 제한이 아닌 예시로서 도시된다. 다양한 특징은 축척에 맞게 그려지지 않을 수 있으며 논의의 명확성을 위해 다양한 특징의 크기가 임의로 증가되거나 감소될 수 있음이 강조된다.
도 1a-1e는 일부 실시예들에 따른 이산화규소(silicon dioxide), 패시베이션(passivation) 및 기판을 도시하지 않은 MEMS 압력 센서를 형성하는 공정의 개략도이다.
도 2는 일부 실시예들에 따른 도 1a-1d의 MEMS 압력 센서의 단면도의 개략도이다.
도 3은 일부 실시예들에 따른 도 1a-1d의 MEMS 압력 센서의 SEM 이미지이다.
도 4a-4d는 일부 실시예들에 따른 이산화규소, 패시베이션 및 기판을 도시하지 않은 MEMS 압력 센서를 형성하는 공정의 개략도이다.
도 5는 일부 실시예들에 따른 도 4a-4d의 MEMS 압력 센서의 단면도의 개략도이다.
도 6은 일부 실시예들에 따른 MEMS 압력 센서의 단면도의 개략도이다.
도 7은 일부 실시예들에 따른 이산화규소, 패시베이션 및 기판을 도시하지 않은 MEMS 압력 센서의 분해도의 개략도이다.
도 8은 일부 실시예들에 따른 도 7의 MEMS 압력 센서의 단면도의 개략도이다.
도 9는 일부 실시예들에 따른 멤브레인 주변 주위에 구멍들의 배열을 갖는 MEMS 압력 센서의 단면도의 개략도이다.
도 10a-10b는 일부 실시예들에 따른 이산화규소, 패시베이션 및 기판을 도시하지 않은 MEMS 압력 센서의 전개도 및 측면도의 개략도이다.
도 11a-11b는 일부 실시들예에 따른 이산화규소, 패시베이션 및 기판을 도시하지 않은 MEMS 압력 센서의 금속 레이어의 전개도 및 측면도의 개략도이다.
도 11c는 일부 실시예들에 따른 도 11a-11b에 도시된 압력 센서의 단면도의 개략도이다.
도 12a-12b는 일부 실시예들에 따른 이산화규소, 패시베이션 및 기판을 도시하지 않은 MEMS 압력 센서의 금속 레이어의 전개도 및 측면도의 개략도이다.
여기에 제공된 도면과 설명은 여기에 설명된 장치, 시스템 및 방법의 명확한 이해와 관련된 측면을 설명하기 위해 단순화되었을 수 있으며, 명확성을 위해 일반적인 유사한 장치, 시스템 및 방법에서 발견될 수 있는 다른 측면을 제거했다. 당업자는 여기에 설명된 장치, 시스템 및 방법을 구현하는 데 다른 요소 및/또는 동작이 바람직하고 또는/추가로 필요할 수 있다는 것을 인식할 수 있다. 그러나 이러한 요소들과 동작들은 당업계에 잘 알려져 있고, 본 발명의 더 나은 이해를 용이하게 하지 않기 때문에, 그러한 요소들과 동작들에 대한 논의는 본 명세서에서 제공되지 않을 수 있다. 그러나, 본 개시 내용은 당업자에게 공지되어 있는 설명된 측면에 대한 이러한 모든 요소, 변형 및 수정을 본질적으로 포함하는 것으로 간주된다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 한정하려는 의도가 아니다. 예를 들어, 본 명세서에서 사용된 단수형 "하나(a)", "하나(an)" 및 "상기(the)"는 문맥상 명백히 달리 나타내지 않는 한 복수형도 포함하도록 의도될 수 있다. "포함하다(comprises)", "포함하는(comprising)", "포함하는(including)" 및 "갖는(having)"이라는 용어는 포괄적이므로 명시된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 구성 요소의 존재를 지정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소 및/또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 여기에 설명된 방법 단계, 프로세스 및 작업은 수행 순서로 구체적으로 식별되지 않는 한 논의되거나 설명된 특정 순서의 수행을 반드시 요구하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 추가적인 또는 대안적인 단계가 적용될 수도 있다는 것도 이해되어야 한다.
제1, 제2, 제3 등의 용어는 다양한 요소, 구성 요소, 영역, 레이어 및/또는 섹션을 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소, 구성 요소, 영역, 레이어 및/또는 섹션은 이러한 용어에 의해 제한되어서는 안 된다. 이러한 용어는 하나의 요소, 구성요소, 영역, 레이어 또는 섹션을 다른 요소, 구성요소, 영역, 레이어 또는 섹션과 구별하는 데에만 사용될 수 있다. 즉, 본 명세서에서 사용된 "제1", "제2" 등의 용어 및 기타 수치적 용어는 문맥상 명확하게 나타내지 않는 한 순서나 순서를 의미하지 않는다.
본 개시의 측면은 MEMS 압력 센서 및 그 형성에 관한 것이다. 압력 센서는 리드, 멤브레인 및 고정 전극을 포함한다. 또한, 센서는 리드 가장자리의 수직벽과 동일한 형상의 멤브레인을 포함하여 캐비티를 폐쇄할 수 있도록 결합될 수 있다. 이러한 캐비티에는 기준 압력이 포함될 수 있다. 센서의 상단 금속 레이어는 공정의 상단 금속 레이어일 수 있고, 또는 어떤 다른 레이어일 수도 있다. 일부 실시예에서, 두 개의 구멍 배열(array of holes)을 가질 수 있다.
압력 센서는 리드, 멤브레인 및 주변 벽으로 만들어진 캐비티 내부의 이산화규소를 에칭하기 위해 리드를 가로지르는 하나의 내부 구멍 배열(inner array of holes)이 포함한다. 또한 외부 구멍 배열(outer array of holes)은 이러한 캐비티 주변의 볼륨을 에칭하기 위한 것이다. 이러한 방식으로 멤브레인은 공정의 상단 금속 레이어가 아닐 수도 있는 금속 레이어로 만들어질 수 있다. 일부 실시예에서, 구멍이 없기 때문에 금속 레이어를 밀봉할 수 없다.
압력 센서는 고체-상태 반도체 공정의 BEOL(backend-of-the-line) 금속 레이어를 사용하여 제작되었다.
이를 위해, 예를 들어 플라즈마 및/또는 습식 식각과 HF 및 기타 화학 물질의 조합을 사용하여 다양한 솔루션이 제안되었다. 이러한 공정은 특히 습식 에칭과 관련된 경우 높은 수율로 대량 생산하기가 어렵다.
이전에 제안된 간단한 후처리 접근 방식은 단일 증기 HF(vHF) 마스크 없는 후처리 단계를 사용하는 것으로 구성된다. vHF는 BEOL의 금속 레이어 사이에 존재하는 산화규소를 에칭하여 제거하고 모든 금속을 남긴다. 이것은 Baolab이 제안한 것이다. 단순성으로 인해 이는 가장 저렴한 CMOS 후처리 접근 방식이다. 또한, 동일한 CMOS 파운드리나 패키징 또는 조립 하우스에서 구현할 수 있다.
이러한 접근 방식에서 MEMS 장치는 일반적으로 Al, AlCu 및 W와 같은 금속 레이어를 사용하여 제작되지만 Cu와 같은 다른 레이어도 있을 수 있다. 바람직한 설계를 통해 금속 케이스 내부에 산화물을 가두는 것이 가능하다. 다른 물질을 사용할 수도 있지만 CMOS BEOL에 존재해야 한다. 이전 접근 방식의 대부분은 MEMS를 보호하기 위해 LGA와 같은 라미네이트 패키지와 같은 특수 패키지를 사용했다. 이는 비용과 크기를 증가시켜 CMOS 공정을 사용하여 MEMS를 구축할 수 있는 크기와 비용 이점을 최소화하거나 제거한다.
Baolab은 MEMS를 보호하기 위해 최상층 금속 레이어를 사용하는 동시에 vHF가 MEMS 캐비티 내부로 들어갈 수 있도록 하는 작은 구멍을 가질 것을 제안했다. 이후에 MEMS 장치를 적절하게 밀봉하기 위해 Al 스퍼터링 및 패터닝으로 구성된 두 번째 후처리 단계가 적용된다. 이것은 일반적으로 CMOS 공정에 10%의 비용이 추가된다. 이는 패키징 요구 사항을 단순화하고 더 이상 라미네이트 또는 기타 특수 패키징을 사용할 필요가 없다. 대신 QFN이나 다른 표준 패키징 기술이 사용될 수 있다. 이는 최종 IC의 비용과 크기를 감소시킨다.
상단 금속 레이어 외에도, 하단 금속 레이어를 사용하여 MEMS 장치가 위치하는 금속 캐비티를 완료한다. 이는 대부분의 CMOS 공정이 가장 아래쪽 금속 레이어인 M1 아래에 도핑된 실리콘 산화물을 갖고 있다는 점을 고려하여 vHF의 식각을 아래쪽으로 제한하기 위해 수행되었다. 도핑된 산화규소는 vHF에 매우 적극적으로 반응하여 에칭 속도를 빠르게 증가시키고 제거하기 어려운 매우 심각한 잔류물을 남긴다. 이는 설계를 대부분의 CMOS 공정으로 이동 가능하게 하며, 그렇지 않으면 BEOL의 가장 아래쪽 금속 레이어 아래에 실리콘 산화물을 도핑하지 않은 특수 공정에만 적용할 수 있다.
MEMS 장치를 구현하기 위해 BEOL의 물질을 사용하는 다른 솔루션과 마찬가지로 Baolab의 솔루션은 ASIC 다이 내의 MEMS 캐비티를 정의하는 금속 벽으로 MEMS 장치를 둘러싼다. 이러한 방식으로 전자 장치가 주변에 배치된다. 이러한 금속 벽의 구현은 금속 레이어(보통 알루미늄으로 만들어짐)와 비아(보통 텅스텐)를 쌓아서 만들어진다. 그러나, 주로 구리는, 0.18um 공정 미만의 낮은 CMOS 노드로 이동하면 물질이 다를 수 있다. 원칙적으로, DRC 규칙에서는 금속 레이어가 비아 가장자리를 넘어 확장되어야 하므로 이는 직선형 수직 벽이 아니다. 그러나, 예를 들어 평면 내 용량 센서의 경우, 벽에 노출된 측면 영역을 늘리는 데 관심이 있는 경우, 이에 대한 몇 가지 예외를 만드는 것이 가능하다. 그러면 이는 파운드리에서 허용해야 하는 DRV가 된다.
Baolab의 솔루션을 사용하면 원칙적으로 수직 금속 벽이 상단과 하단 금속 평면을 연결하여 모든 MEMS 캐비티를 전기적으로 단락시킨다. 일반적으로, 이것에 관심이 없거나 적어도 전체 캐비티의 모든 곳에서 발생하지는 않는다. 이러한 문제를 해결하기 위해, Baolab은 수직 인터리브 앵커 구조(vertical interleaved anchor structures)를 사용했다. 이러한 구조는 vHF가 소진될 때까지 실리콘 산화물 레이어를 가로질러 위아래로 이동하도록 강제하여 일부 에칭되지 않은 실리콘 산화물을 남긴다. 이렇게 하면 상단 및 하단 금속 플레이트(plates)를 전기적으로 단락시키지 않고 기계적으로 일관된 벽을 얻을 수 있다.
이것이 특히 효과적인 한 가지 이유는 일반적으로 CMOS 공정의 BEOL 금속 레이어 사이에 증착된 실리콘 산화물 레이어가 서로 다른 산화물 밀도를 갖는 두 개의 서로 다른 하위 레이어로 구성된다는 것이다. 따라서, 이러한 레이어 중 하나는 다른 레이어보다 더 느리게 vHF로 에칭된다. 이러한 방식으로, vHF를 사용하여 수직 방향으로 산화규소를 에칭하는 것은 수평으로 에칭하는 것보다 더 어렵고(즉, 시간이 더 걸린다), 그 이유는 에칭이 산화규소 하위 레이어 중 하나를 따라 더 빠르게 전파되기 때문이다. 이러한 앵커 구조를 사용하면 vHF가 빠른 에칭 속도 하위 레이어를 통해 빠르게 전파되지 않고 모든 느린 에칭 속도 하위 레이어(slow etching rate sublayers)에 걸쳐 에칭되도록 강제한다. 이러한 인터리브 앵커는 상단 금속 평면에 더 많은 일관성을 제공하기 위해 MEMS의 다양한 위치에 칼럼(columns) 또는 필라(pillars)를 추가하는 데에도 사용할 수 있다. 이는 일반적으로 Al 스퍼터링으로 나중에 밀봉을 지원한다는 관점에서 특히 중요하다. 그러면 상단 금속 평면이 구부러져 결국 MEMS 장치가 파괴되거나 사용할 수 없게 되는 일이 발생하지 않는다.
이러한 앵커벽의 주요 문제점은 상부 및 하부 금속 평면을 전기적으로 분리한 상태로 유지하면서 기계적 견고성을 제공함에도 불구하고 이들 사이의 커패시턴스가 매우 크다는 것이다. 이는 인터리브 앵커 구조 내부에서 서로 가까이 배치된 넓은 표면 때문이고, 하나는 상단에 연결되고 다른 하나는 하단 플레이트에 연결되며, 더 문제점은 이 중 중요한 부분이 산화규소로 채워져 있기 때문이다.
이전 문제와 관련된 또 다른 문제는 상단 및 하단 금속 플레이트 사이의 기생 커패시턴스와 생산 수율 및 신뢰성 사이에 중요한 트레이드-오프가 있다는 것이다. 이러한 기생 커패시턴스를 최소화하기 위해 앵커 구조의 길이를 최소화하고 핑거 수 및/또는 높이를 줄이거나 또는/추가로 에칭 시간을 증가시킬 수 있다. 이러한 방식으로 기생 커패시턴스를 최소화하려면, vHF 에칭 후 내부에 최소량의 산화규소가 남아 있는 작은 앵커 구조를 갖게 된다. 그러나 이는 매우 약한 구조이므로 기계적 충격, 진동 또는 단순히 장치를 밀봉하거나 포장할 때 쉽게 기계적 고장이 발생하기 쉽다. 또한 낮은 수율로 남을 것이다. 약간의 과도한 에칭은 앵커 구조 내부의 산화규소를 완전히 제거하여 상단과 하단 부분이 붕괴되고 장치를 완전히 사용할 수 없게 되기 때문이다. 이것은 항상 낮은 수율로 이어지기 때문에, 생산 시 중요한 vHF 에칭에 대한 이러한 요구 사항을 피해야 한다. 그 이유는 MEMS 캐비티 내부에 에칭된 에칭 속도와 실리콘 산화물이 적용된 레시피 및 vHF 기계뿐만 아니라 CMOS 공정에도 의존하기 때문이다. vHF 기계와 그 레시피를 엄격하게 제어할 수 있지만 일반적으로 30% 정도의 허용 오차를 갖는 CMOS 공정을 제어할 수 없다.
MEMS 장치를 구현하려면 잠재적으로 모든 금속 레이어가 필요하다는 점 외에도, 가장 아래쪽 금속 플레이트 아래에 도핑된 실리콘 산화물 및 큰 기생 커패시턴스가 없는 특수 CMOS 공정을 필요로 하는 특수 패키징 공정이 필요하고, MEMS를 구현하기 위해 CMOS BEOL의 물질을 사용하는 모든 솔루션의 두 가지 주요 문제은 수율과 신뢰성이다. 이러한 문제는 상단 및 하단 금속 플레이트를 사용하는 Baolab 접근 방식을 사용할 때 더욱 중요하다. 그러나 이를 사용하지 않으면 공정이 더욱 복잡해지고 비용이 많이 들기 때문에 비용 이점은 물론 대량 생산, 시장 출시 시간, 심지어 성능 이점도 잃게 된다.
MEMS 장치를 구현하기 위해 CMOS 공정의 BEOL 금속을 사용할 때 발견되는 주요 문제 중 하나는 수직 응력 구배(vertical stress gradient)이다. 이는 맞춤형 MEMS 제조 공정에서 최소화되는 사항이다. 그러나 CMOS에서는 기계적 구조를 구현하기 위한 것이 아니라 단지 전기적 연결만 구현하기 위한 금속 라인이 실리콘 산화물로 둘러싸여 있기 때문에 고체 IC에서는 잔류 응력이 덜 문제가 되며 일반적으로 큰 값이 발생한다. 큰 잔류 응력 외에도 일반적으로 큰 수직 응력 구배를 발견한다. 이로 인해 금속이 일반적으로 위쪽으로 구부러지거나 말리게 되지만, 레이어에 따라 아래쪽으로, 특히 맨 위 쪽이 될 수도 있다. 이러한 굽힘은 상단 및 하단 금속 플레이트를 사용할 때 큰 문제이다. 그러면 장치 위와 아래에 사용 가능한 수직 간격이 최소화되어 쉽게 닿을 수 있기 때문이다. MEMS 장치가 상단 또는 하단 금속 플레이트에 닿으면 사용할 수 없게 된다. 이로 인해 수율과 신뢰성이 매우 저하된다.
이 문제를 조금 줄일 수 있는 한 가지 가능성은 수직 간격 거리를 늘려 MEMS 장치 자체에 사용되는 금속 레이어의 수를 줄이는 것이다. 그러나 이렇게 하면 간격이 더 커지므로 평면 외부 방향(out-of-plane direction)의 성능이 저하되고, 동일한 변위에 대해 특정 센서의 상대적인 커패시턴스 변화가 감소하게 된다. 또한 관성 센서의 경우에는 사용 가능한 모든 금속 레이어를 사용할 수 없으므로, 더 작은 검증 질량을 사용해야 하므로 성능이 더욱 저하된다. 그리고 관성 센서의 경우 검증 질량과 같이 장치의 이동 가능한 부분을 만드는 데 사용되는 금속 레이어의 수를 줄이면 이후에 설명하는 것과 같이 곡률이 더욱 커진다. 따라서 MEMS 장치의 곡률 높이를 최소화할 필요가 있다. 이는 모든 MEMS 장치 또는 그 특정 요소를 따라 있는 금속 레이어의 최대 수직 변위, 즉 평면 외부 방향으로 정의된다.
이 문제에 대한 알려진 해결책 중 하나는 두 개 이상의 금속 레이어를 쌓는 것이다. 이러한 방식은 결과 금속 구조의 곡률 반경을 증가시켜 전체 곡률 높이를 감소시킨다. 그러나 이는 관성 센서의 검증 질량과 같이 MEMS 장치의 일부 부품을 설계하는 데는 좋은 솔루션이지만, 스프링과 같은 다른 부품의 경우 센서의 감도를 향상시키기 위해 가능한 한 크게 만들고 싶고, 이는 매우 큰 강성을 초래하여 감도를 크게 감소시킨다. 실제로 강성은 길이 대 두께의 3승에 반비례하므로, 두께를 늘리면 매우 빠르고 매우 단단한 스프링이 된다. 이는 센서의 감도가 매우 낮고 액추에이터의 구동 전압이 크다는 것을 의미한다. 더욱이, 많은 레이어의 적층은 공정상의 금속 레이어의 수에 의해 제한되며, BEOL에서 더 많은 수의 금속 레이어를 사용하여 CMOS 공정을 수정하거나 사용해야 하는 경우 비용이 빠르게 증가한다.
요약하자면, 표준 CMOS 공정에 존재하는 BEOL 물질을 재사용하고, 이후에 WLCSP와 함께 패키징할 수 있는 MEMS 캐비티 내의 실리콘 산화물 일부를 vHF를 사용하여 에칭 제거함으로써 MEMS 장치를 구현하기 위한 올바른 설계를 찾을 필요가 있고, 이러한 장치는 매우 높은 수율, 신뢰성 및 성능을 제공한다.
CMOS 이후에 vHF 식각 후처리 단계를 사용할 때의 또 다른 문제는 CMOS 웨이퍼 상단에 증착 및 패턴화된 SiN 패시베이션 레이어가 vHF에 의해 부분적으로 식각된다는 것이다. 이는 실제로 매우 짧은 vHF 에칭 단계가 수행되지 않는 한 SiN 패시베이션 레이어가 대부분 또는 전체적으로 에칭된다는 것을 의미한다. 이렇게 하면 웨이퍼에 심각한 잔류물이 남게 되고 실리콘 산화물이 에칭되어서는 안 되는 ASIC 영역이 있는 모든 웨이퍼가 노출된다.
이를 방지하기 위한 알려진 해결책은 일반적으로 레이어의 굴절률 또는 RI로 측정되는 패시베이션의 실리콘 함량을 늘리는 것이다. 기술적으로는 복잡한 일이 아니지만 이를 위해서는 공정 조정이 필요하며 대규모 주류 파운드리의 경우 이를 받아들이는 것이 매우 어렵다. 궁극적으로 이러한 요구 사항은 더 이상 완전히 표준적인 CMOS 공정을 사용할 수 없음을 의미하며, 따라서 저비용, 짧은 시장 출시 시간 및 대량 생산 성능이라는 이점을 어느 정도 잃게 될 것이다.
다양한 측면에서, 본 명세서에 개시된 시스템, 장치 및 방법은 vHF 에칭으로 인해 발생하거나 이를 사용하여 CMOS 공정의 BEOL에서 실리콘 산화물의 일부를 에칭 제거한다. 따라서, 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함되는 미국 특허 제11,312,617호에 설명된 바와 같이 MEMS 장치를 구성할 BEOL에 존재하는 물질을 방출한다.
일부 측면은 다음을 포함하는 CMOS 공정의 BEOL 물질을 사용하여 MEMS 장치를 제조하는 방법을 포함할 수 있다: vHF의 후처리 및 후공정을 적용하여 MEMS 장치를 형성하여 다음을 형성한다: 복수의 금속 레이어들 중 하나로 구성되는 멤브레인; 멤브레인 위에 위치하며 멤브레인의 말단들에서 복수의 캐비티 벽들에 연결되는 리드 -리드는 리드의 영역 상에 위치하는 구멍들의 배열을 포함함- 및 리드 아래에 위치하는 고정 금속 전극. 일부 측면은 다음을 포함하는 CMOS 공정의 BEOL 물질을 사용하여 MEMS 장치를 제조하는 방법을 포함할 수 있다: vHF의 후처리 및 후공정을 적용하여 MEMS 장치를 형성하여 다음을 형성한다: 복수의 금속 레이어들 중 하나로 구성되고, 복수의 구멍들을 포함하는 멤브레인; 및 적어도 멤브레인의 복수의 구멍들이 위치하는 영역을 가로질러 연장하거나 멤브레인과 동일한 형상을 갖는 복수의 금속 레이어들 중 상이한 금속 레이어로 구성되고, 멤브레인 아래에 위치하는 전극.
비록 원칙적으로는 CMOS에 적용되지만, 본 출원 전반에 걸쳐 설명된 본 발명의 모든 개념은 BiCMOS, GaAs, SiGe, GaN, SOI 등과 같은 임의의 다른 고체 상태 반도체 공정의 BEOL에도 적용될 수 있다.
도 1a-1e는 일부 실시예에 따른 이산화규소, 패시베이션 및 기판을 도시하지 않은 MEMS 압력 센서(100)를 형성하는 공정의 개략도이다. 압력 센서(100)는 CMOS 공정 백엔드의 최상부 4개의 금속 레이어를 사용하여 제조된다. 특히, 총 6개의 금속 레이어로 구성된 0.18μm 노드가 사용된다. 이는 가장 낮은 두 개의 금속 레이어 M1 및 M2가 사용되지 않음을 의미한다. 따라서 금속 레이어 M1및 M2를 사용하여 아래에 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)을 구현할 수 있다. 압력 센서(100)는 도 1a에 도시된 원형 금속 레이어 M4를 포함한다. 금속 레이어 M4는 하부 금속 평면 및 전극으로 동작하도록 구성된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 원형 금속 레이어 M5는 금속 레이어 M4 상에 위치한다. 금속 레이어 M5는 중간 영역에 배치된 멤브레인(102)을 포함한다. 또한, 금속 레이어 M5는 멤브레인(102) 주변 주위에 구멍들(104)의 외부 배열을 형성하는 여러 개의 구멍들을 갖는다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 비아 구조(106)는 멤브레인(102)의 주변 주위에 배치된다. 비아 구조 V5는 도 1e에 도시된 바와 같이 압력 센서(100)의 내부 캐비티를 정의하고 멤브레인(102)의 가장자리를 고정하기 위해 두 개의 비아 링(114A 및 114B)으로 만들어진 이중 벽 구조를 포함한다. 더욱이, 비아 구조 V5는 압력 측정을 위해 내부에 산화물을 가두는 데 사용될 수 있다. 원형 금속 레이어 M6는 금속 레이어 M5 상에 위치하며, 도 1d에 도시된 바와 같이 압력 센서(100)의 리드로서 작동한다. 금속 레이어 M6는 내부 구멍 배열(108)과 외부 구멍 배열 (110)을 포함한다. 내부 구멍 배열(108)의 구멍들은 멤브레인(102)에 대한 접근을 제공하도록 위치된다. 또한, 외부 구멍 배열(104, 110)의 구멍들은 금속 레이어 M4에 대한 접근을 제공하도록 정렬된다. 일부 실시예에서, 내부 구멍 배열의 구멍들은 각 구멍으로부터 적어도 20μm의 거리를 갖는다.
일부 실시예에서, 금속 레이어 M4, M5, M6은 원형이 아닌 형상을 갖는다. 금속 레이어 M4, M5, M6은 고체 반도체 공정의 BEOL 금속 레이어를 사용하여 제조된다.
압력 센서(100)는 CMOS 공정의 백엔드의 최상부 4개 금속 레이어를 사용하여 제조된다. 특히, 총 6개의 금속 레이어로 구성된 0.18μm 노드가 사용된다. 이는 가장 낮은 두 개의 금속 레이어(M1 및 M2)를 사용하지 않고 그 아래에 ASIC 회로를 구현하는 데 사용할 수 있음을 의미한다. 가장 낮은 금속 레이어는 M4이며 직경이 100μm이다. 이것은 커패시턴스의 하부 고정 전극이다. 금속 레이어 M4 위의 금속 레이어 M5는 동일한 크기를 갖는다. 외부 구멍 배열(110)의 구멍들은 크기가 0.8μm이고 금속 레이어 M5의 반경 14μm에서 18.5μm까지의 환형 영역에 위치한다.
이러한 구멍들의 목적은 웨이퍼 후공정 동안 vHF(vapour flouridric acid) 에칭 공정이 직경 25μm의 멤브레인(102) 아래까지 계속 진행되도록 하는 것이다. 멤브레인(102) 위의 금속 레이어 M5와 M4 사이의 모든 산화물은 완전히 에칭되어 제거된다. 이것이 바로 구멍들이 멤브레인(102) 외부에 위치해야 하는 이유이다. 또한, 구멍들이 너무 멀리 연장되지 않는 것이 바람직하다. 이는 멤브레인(102) 주위의 에칭을 증가시켜 기계적 일관성을 감소시킬 수 있기 때문이다.
금속 레이어 M6는 금속 레이어 M5와 동일한 형상을 갖는다. 내부 구멍 배열(108)의 구멍들은 직경이 25μm인 금속 레이어 M6의 원형 영역에 위치한다. 이는 멤브레인(102) 위의 모든 실리콘 산화물을 에칭하는 것이다. 비아 구조 V5는 금속 레이어 M5와 M6 사이의 비아 레이어이다. 비아 링(114A, 114B)은 비아 구조 V5와 같은 표준 폭, 일반적으로 0.36μm를 가질 수 있다. 이 경우, 비아 링(114A 및 114B)은 산화물을 내부에 가두도록 구성되어 수평 방향으로 산화물+텅스텐으로 만들어진 더욱 견고한 복합 벽을 구축한다. 이 벽은 멤브레인(102) 외부에 위치하지만 금속 레이어 M5의 외부 구멍 배열(104) 내부에 위치한다.
일부 실시예에서, 단일 비아 링은 벽을 형성하기 위해 사용된다. 일부 실시예에서, 다중 비아 링은 벽을 형성하기 위해 사용된다. 이는 매우 넓은 온도 범위가 필요한 일부 응용 분야에 적용될 수 있다. 이러한 상황에서는 알루미늄, 텅스텐 및 산화규소 간의 열 계수 불일치로 인해 하나의 비아 링만 필요한 금속 전용 벽을 사용할 수 있다.
멤브레인(102)은 상부와 하부 모두 산화규소가 전혀 없으며, 비아 구조 V5와 이산화규소를 사용하여 만들어진 벽에 의해 그 가장자리에서 고정될 수 있다. 멤브레인(102) 외부의 금속 레이어 M5의 나머지 부분은 멤브레인으로서 동작하지 않는다. 이는 두 가지 이유 때문이다: 1) 표면 위와 아래 사이에 압력 차이가 없다. 그리고2) 금속 레이어 M5의 나머지 부분의 대부분은 이산화규소에 묻혀 있다. 따라서, 금속 레이어 M5의 말단 부분은 BEOL의 주변 이산화규소에 단단히 부착되어 멤브레인(102)을 단단히 지지한다. vHF 후공정은 금속 레이어 M5의 가장자리에 도달하기 전에 소진된다.
커패시턴스를 감지하기 위한 ASIC에 대한 전기적 연결은 금속 레이어 M5 또는 M6과 금속 레이어 M4 사이의 임의 지점에서 이루어진다. 일부 실시예에서, 커패시턴스 검출은 종래의 상호 컨덕턴스 증폭기 회로를 사용하여 수행된다. 일부 실시예에서, 주기적으로 충전되는 RC 회로를 구현하기 위해 MEMS를 사용하여 커패시턴스 검출이 수행된다. 축력은 비교기로 전송되어 커패시터를 특정 값으로 충전하는 데 걸리는 시간을 계산한다. 일부 실시예에서, 커패시턴스의 검출은 MEMS 압력 센서의 커패시턴스에 의존할 수 있는 주파수를 생성하는 링 발진기를 구현하기 위해 MEMS 커패시턴스를 사용하여 달성된다. 그런 다음 카운터를 구동하는 데 사용될 수 있으며, 일정 기간 후에는 압력 센서의 커패시턴스 값에 따라 달라질 수 있는 카운트 수를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 커패시턴스 검출은 커패시턴스를 측정하는 데 사용될 수 있는 임의의 다른 회로를 사용하여 수행된다.
도 2는 일부 실시예에 따른 MEMS 압력 센서(100)의 단면도의 개략도이다. 특히, 도 2는 vHF 에칭 공정을 사용하여 처리된 이산화규소 레이어(202)를 도시한다. 더욱이, 압력 센서(100)의 CMOS 공정과 연관된 패시베이션 레이어(204A 및 204B)은 이산화규소 레이어(202) 위에 배치되어 부식으로부터 이산화규소 레이어(202)를 보호하고 차폐한다. 시일(seal)(206)은 내부 구멍 배열(108) 위에 위치될 수 있다.
시일(206)을 사용하는 한 가지 이유는 멤브레인(102)이 전혀 노출되지 않도록 보호하기 위한 것이다. 먼지나 오염물은 크기가 작기 때문에 이미 어려운 외부 구멍 배열(110)을 통과해야 하며, 그런 다음 이동하여 금속 레이어(M4)의 표면에 도달해야 한다. 멤브레인(102) 위의 내부 구멍 배열(108)이 개방된 상태로 유지되고 그 주위를 밀봉하는 경우, 일부 먼지나 오염 물질이 내부 구멍 배열(108)의 상단 금속 구멍을 통과할 수 있다. 이는 멤브레인(102)의 표면 위로 직접 이동하게 된다. 그러므로 내부 구멍 배열(108)을 밀봉하고 이를 외부 영역에 남겨두는 이러한 접근 방식은 추가적인 보호 수준을 추가한다. 시일(206)을 사용하는 또 다른 이유는 멤브레인(102)의 모든 내부 표면이 금속(알루미늄 및 텅스텐)으로 만들어질 수 있는 멤브레인(102)의 압력 기준을 유지하기 때문이다. 이는 시간이 지남에 따라 이 기준 압력의 드리프트를 일으키는 가스 방출 효과를 방지하거나 매우 어렵게 만든다.
일부 실시예에서, 시일(206)은 내부 구멍 배열(108)의 구멍들이 밀봉되도록 레이저 블리딩 또는 금속을 국부적으로 용융시키는 유사한 기술을 사용하여 형성된다. 일부 실시예에서, 시일(206)는 밀봉을 사용하여 형성된다. 일부 실시예에서, 시일은 표준 반도체 및 리소그래피 기술을 사용하여 내부 구멍 배열(108)의 구멍들 상에 증착되고 패턴화될 수 있다. 일부 실시예에서, 시일(206)은 알루미늄 스퍼터링을 사용하여 형성된다.
일부 실시예에서, 시일(206)는 WLCSP(Wafer Level Chip Scale Package) 공정 등의 표준 PI 시일을 사용하여 형성된다. 일부 실시예에서, 시일(206)은 내부 구멍 배열(108)의 구멍들을 밀봉하기 위해 패시베이션 레이어(204)의 질화규소 잔여물을 사용하여 형성된다. 일부 실시예에서, 일부 실시예에서, 시일(206)은 WLCSP의 표준 범핑 기술을 사용하여 범프를 증착함으로써 형성된다.
용량성 앵커(210A 및 210B)를 형성하기 위해 이산화규소 레이어(202) 내에 연장되고 단단히 고정되는 금속 레이어 M4의 단부 부분, 및 용량성 앵커(212A 및 212B)를 형성하기 위해 이산화규소 레이어(202) 내에 연장되고 단단히 고정되는 금속 레이어 M5의 단부 부분을 포함한다. 용량성 앵커(214A 및 214B)는 이산화규소 레이어(202) 내에 연장되어 단단히 매립되는 금속 레이어 M4의 단부 부분에 의해 정의된다. 용량성 앵커(210, 212, 214)는 금속 레이어 M4, M5, M6에 대한 기계적 지지를 제공하고 멤브레인(102)에서 압력을 측정하는 데 필요한 필수 커패시턴스를 제공하도록 구성된다.
압력 센서(100)는 압력을 측정하기 위해 가스를 가두는 캐비티(216)를 포함한다. 캐비티(216)는 비아 구조 V5를 사용하여 형성된 캐비티 벽(218A, 218B)을 제공한다. 시일(206)과 함께 캐비티 벽(218A, 218B)은 가스 방출을 최소화하고 압력 측정 정확도를 높이도록 구성된다.
도 3은 일부 실시예에 따른 MEMS 압력 센서(100)의 SEM이다. 특히, 도 3은 SiN 패시베이션 레이어의 에칭으로부터 발생하는 잔류물(302)을 도시한다. 이는 구멍들을 가질 수 없는 멤브레인(102) 아래의 모든 산화물을 완전히 에칭하는 데 필요한 vHF 에칭 공정과 관련된 긴 에칭 시간으로 인한 원치 않는 효과이다. 잔류물(302)은 내부 구멍 배열(108)과 외부 구멍 배열(110)의 에칭 구멍을 막고 있기도 한다. 이러한 문제를 해결하는 한 가지 방법은 vHF 에칭 공정에 덜 공격적인 접근 방식을 사용하는 것이다. 다른 하나는 에칭 시간을 조정하는 것이다. 또 다른 옵션은 패시베이션 레이어의 실리콘 함량을 증가시켜 RI를 증가시키는 것이다. 이는 에칭되는 SiN의 저항을 증가시키기 때문이다.
두 전극(아래의 고정 전극은 금속 레이어 M4를 통해, 멤브레인은 금속 레이어 M5 또는 M6을 통해)에 전압을 인가할 때 압력에 대한 민감도(커패시턴스 변화 대 압력 변화)를 도출하는 임피던스 분석기로 커패시턴스 변화를 측정하여 강성과 공진 주파수를 계산한다. 놀랍게도 멤브레인은 예상보다 상대적으로 부드럽다. 이러한 부드러움은 구멍이 없는 긴 멤브레인 아래에서 이산화규소를 에칭하는 데 필요한 관성 센서와 같은 다른 MEMS 센서에 비해 에칭 시간이 길기 때문일 수 있다. 에칭 시간이 길어질수록 금속 레이어의 ARC/TiN 하위 레이어가 더 많이 에칭되어 멤브레인의 전체 강성이 감소하게 된다. 이는 보다 민감한 압력 센서로 이어지며 vHF 에칭 공정을 통해 더 길거나 더 짧은 에칭 시간을 사용하여 변조될 수 있으므로 바람직하다. 특정 시간이 지나서 ARC/TiN 하위 레이어가 모두 사라지더라도 압력 센서의 부드러움과 감도는 더 이상 향상되지 않는다.
도 4a-4d는 일부 실시예에 따른 이산화규소, 패시베이션 및 기판을 도시하지 않은 MEMS 압력 센서(400)를 형성하는 공정의 개략도이다. 압력 센서(400)는 도 4A에 도시된 원형 금속 레이어(M4)를 포함한다. 금속 레이어 M4는 직경 100μm의 하부 고정전극으로 작동하도록 구성된다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 원형 금속 레이어 M5는 금속 레이어 M4 상에 배치된다. 금속 레이어 M5는 압력 센서(300)용 멤브레인으로 작동하도록 구성된다. 이중 링 비아(402)는 도 4c에 도시된 바와 같이 직경이 25μm인 금속 레이어 M5에 위치한다. 원형 금속 레이어 M6는 도 4D에 도시된 바와 같이 이중 링 비아(402) 위에 위치된다. 이 경우, 금속 레이어 M6는 압력 센서(400)용 리드로 구성된다. 또한, 금속 레이어 M6는 내부 구멍 배열(404)과 외부 구멍 배열(406)을 포함한다.
일부 실시예에서, 금속 레이어 M4, M5, M6느 원형이 아닌 형상을 갖는다. 금속 레이어 M4, M5, M6는 고체-상태 반도체 공정의 BEOL 금속 레이어를 사용하여 제조된다.
압력 센서(400)는 멤브레인/금속 레이어 M5가 이산화규소 레이어까지 연장되지 않도록 구성된다. 이 경우, 금속 레이어 M5는 용량성 앵커를 포함한다. 이는 금속 레이어 M5의 가장자리에 이중 링 비아(406)로 구성된 캐비티의 수직 벽이 그 가장자리에 멤브레인 M5를 고정하기에 충분하기 때문이다. 이는 도 5에서 더욱 상세히 설명된다.
일부 실시예에서, 금속 레이어 M6는 사용되지 않으며 선택적 특징이다.
도 5는 일부 실시예에 따른 MEMS 압력 센서(400)의 단면도의 개략도이다. 특히, 도 5는 vHF 에칭 공정을 사용하여 처리된 이산화규소 레이어(502)를 도시한다. 더욱이, 패시베이션 레이어(504A 및 504B)은 이산화규소 레이어(502) 위에 배치되어 부식으로부터 이산화규소 레이어(502)를 보호하고 차폐한다. 시일(506)은 내부 구멍 배열(108)의 구멍들 위에 위치될 수 있다. 시일(506)은 시일(206)에 대해 본 명세서에 설명된 것과 동일한 접근법을 사용하여 형성된다.
압력 센서(400)는 압력을 측정하기 위해 가스를 가두는 캐비티(516)를 포함한다. 캐비티(516)는 V5를 통해 이중 링을 사용하여 형성된 캐비티 벽(518A 및 518B)을 포함한다. 시일(506)과 함께 캐비티 벽(518A, 518B)은 가스 방출을 최소화하고 압력 측정 정확도를 높이도록 구성된다. 또한, 각각의 캐비티 벽(518A, 518B)은 vHF 에칭 공정에 의해 에칭되지 않은 이산화규소 레이어(502)의 산화물로 채워진 영역(520)을 포함한다.
금속 레이어 M4의 단부 부분은 연장되고 이산화규소 레이어(502) 내에 단단히 고정되어 용량성 앵커(510A 및 510B)를 형성한다. 금속 레이어 M6의 단부 부분은 연장되어 이산화규소 레이어(502) 내에 단단히 고정되어 용량성 앵커(512A, 512B)를 형성한다. 용량성 앵커(510 및 512)는 금속 레이어 M4 및 M6에 대한 기계적 지지를 제공하고 멤브레인/금속 레이어 M5에서 압력을 측정하는 데 필요한 커패시턴스를 제공하도록 구성된다. 캐비티 벽(518A, 518B)의 에지는 멤브레인/금속 레이어(M5)를 고정하기에 충분한 기계적 지지를 제공한다.
도 6은 일부 실시예에 따른 MEMS 압력 센서(600)의 단면도의 개략도이다. 압력 센서(600)는 압력 센서(400)와 유사하다. 주요 차이점은 더 큰 캐비티 벽(602A 및 602B)을 추가하여 더 큰 캐비티(604)를 생성하고 압력 센서(600)의 금속 레이어 M1의 더 짧은 길이를 생성한다는 점이다. 더 큰 캐비티 벽(602A, 602B)은 수직으로 적층된 이중 링 비아(406)와 같은 추가적인 이중 링 비아를 사용하여 형성될 수 있다. 압력 센서(600)는 금속 레이어 M6와 동일한 크기일 필요가 없는 금속 레이어 M1의 크기를 줄임으로써 금속 레이어 M6의 확장으로 금속 레이어 M1 사이의 기생을 감소시킨다. 금속 레이어 M1의 더 짧은 길이와 더 큰 캐비티 벽(602)은 금속 레이어 M1 아래의 IMD 산화물을 보호하고, 이는 vHF 에칭 공정이 처리를 위해 금속 레이어 M1에 도달하는 데 필요하지 않기 때문이다. IMD 산화물은 일반적으로 도핑되어 심각한 반응을 일으키고 웨이퍼를 손상시키기 때문에 금속 레이어 M1 아래의 IMD 산화물이 vHF 공정에 의해 도달되지 않도록 보호하는 것이 바람직하다.
도 7은 일부 실시예에 따라 이산화규소, 패시베이션 및 기판을 나타내지 않은 MEMS 압력 센서(700)의 분해도의 개략도이다. 압력 센서(700)는 압력 센서(700)의 모든 구조를 지지하고 vHF 공정이 금속 레이어 M1 아래의 IMD 산화물에 도달하는 것을 방지하는 하부 금속 평면인 원형 금속 레이어 M1을 포함한다. 금속 레이어 M1은 직경이 90μm일 수 있다. 링 비아 V1은 직경 25μm의 금속 레이어 M1 위에 배치된다. 금속 레이어 M2는 V1을 통해 링 위에 위치한다. 금속 레이어 M2는 링 비아(702) 내에 세팅된 원형 금속 평면(704)을 갖는 링 비아(702)를 포함한다. 링 비아(702)는 42μm의 직경을 가질 수 있고, 원형 금속 평면(704)은 25μm의 직경을 가질 수 있다. 비아 구조 V2는 금속 레이어 M2 위에 위치한다. 비아 구조 V2는 제1 비아 링(706)을 포함하고, 제2 비아 링(708)은 제1 비아 링(706) 내에 위치한다. 제1 링 비아(706)는 42μm의 직경을 가질 수 있고, 제2 링 비아(708)는 25μm의 직경을 가질 수 있다.
금속 레이어 M3은 비아 구조 V2 위에 위치한다. 금속 레이어 M3은 링 비아(710) 내에 위치하는 원형 금속 평면(712)을 갖는 링 비아(710)를 포함한다. 링 비아(710)는 42μm의 직경을 가질 수 있고, 원형 금속 평면(712)은 25μm의 직경을 가질 수 있다. 비아 구조 V3은 금속 레이어 M3 위에 위치한다. 비아 구조 V2는 제1 비아 링(714)을 포함하고, 제2 비아 링(716)은 제1 비아 링(714) 내에 위치한다. 제1 링 비아(714)는 42μm의 직경을 가질 수 있고, 제2 링 비아(716)는 25μm의 직경을 가질 수 있다.
금속 레이어 M4는 비아 구조 V3 위에 위치한다. 금속 레이어 M4는 링 비아(718) 내에 위치하는 원형 금속 평면(720)을 갖는 링 비아(718)를 포함한다. 링 비아(718)는 42μm의 직경을 가질 수 있고, 원형 금속 평면(720)은 25μm의 직경을 가질 수 있다. 비아 구조 V4는 금속 레이어 M4 위에 위치한 링 비아(722)이다. 링 비아(722)는 42μm의 직경을 가질 수 있다.
금속 레이어 M5는 비아 구조 V4 위에 위치한다. 금속 레이어 M4는 링 비아(724)와 압력 센서(700)의 멤브레인(726)을 포함하며, 이는 링 비아(718) 내에 위치하는 원형 금속 평면이다. 링 비아(724)는 42μm의 직경을 가질 수 있고, 멤브레인(726)은 25μm의 직경을 가질 수 있다. 비아 구조 V5는 금속 레이어 M5 위에 위치한다. 제1 링 비아(714)는 42μm의 직경을 가질 수 있다. 비아 구조 V5는 제1 비아 링(728) 내에 위치하는 이중 링 비아(730)를 갖는 제1 비아 링(728)을 포함한다. 이중 링 비아(730)는 멤브레인 캐비티의 수직 벽을 정의하도록 구성되어 vHF 에칭 공정 후에 실리콘 산화물을 내부에 가두어 준다. 이는 도 8에 더욱 상세히 도시되어 있다. 금속 레이어 M6은 비아 구조 V5 위에 위치한다. 금속 레이어 M6은 압력 센서(700)용 리드로 구성된 원형 금속 평면(732)을 포함한다. 더욱이, 금속 레이어 M6는 내부 구멍 배열(734) 및 외부 구멍 배열(736)을 포함한다. 내부 구멍 배열(734)의 구멍들은 멤브레인(726)에 대한 접근을 제공하도록 위치한다. 또한, 외부 구멍 배열(736)의 구멍들은 금속 레이어 M1에 대한 접근을 제공하도록 정렬된다. 이는 도 8에 더욱 상세히 도시되어 있다.
일부 실시예에서, 금속 레이어 M1-M6는 원형이 아닌 형상을 갖는다. 금속 레이어 M1-M6는 고체-상태 반도체 공정의 BEOL 금속 레이어를 사용하여 제조된다.
일부 실시예에서, 금속 레이어 M6는 사용되지 않으며 선택적 특징이다.
도 8은 일부 실시예에 따른 압력 MEMS 센서(700)의 단면도의 개략도이다. 특히, 도 8은 본 명세서에 설명된 vHF 에칭 공정을 사용하여 처리되는 도 2에 설명된 이산화규소 레이어(202)과 유사한 이산화규소 레이어(802)를 도시한다. 더욱이, 패시베이션 레이어(804A 및 804B)는 이산화규소 레이어(802) 위에 배치되어 부식으로부터 이산화규소 레이어(802)를 보호하고 차폐한다. 시일(806)은 내부 구멍 배열(734) 위에 위치될 수 있다. 시일(806)은 시일(206)에 대해 본 명세서에 설명된 것과 동일한 접근법을 사용하여 형성된다. 일부 실시예에서, 시일(806)은 사용되지 않으며 선택적 구성요소이다.
압력 센서(700)는 압력을 측정하기 위해 가스를 가두는 티(816)를 포함한다. 캐비티(816)는 비아 구조 V5를 사용하여 형성된 캐비티 벽(818A, 818B)을 포함한다. 시일(806)과 함께 캐비티 벽(818A, 818B)은 가스 방출을 최소화하고 압력 측정 시 증가된 정확도를 제공하도록 구성된다. 더욱이, 각 캐비티 벽(818A, 818B)은 vHF 에칭 공정에 의해 에칭되지 않은 실리콘 산화물 레이어(802)의 산화물로 채워진 영역(821)을 포함한다.
금속 레이어 M6의 단부 부분은 연장되어 이산화규소 레이어(802) 내에 단단히 매립되어 용량성 앵커(810A, 810B)를 형성한다. 금속 레이어 M1의 단부 부분은 연장되어 이산화규소 레이어(502) 내에 단단히 매립되어 용량성 앵커(812A, 812B)를 형성한다. 용량성 앵커(810 및 812)는 금속 레이어 M6 및 M1에 대한 기계적 지지와 멤브레인 압력(726)을 측정하는 데 필요한 커패시턴스를 제공하도록 구성된다. 캐비티 벽(818A, 818B)의 가장자리는 멤브레인(726)을 고정하기에 충분한 기계적 지지를 제공한다.
받침대(820)는 금속 레이어 M1 및 금속 평면(704, 712, 720)과 함께 비아 링 V1, 708, 716을 사용하여 형성된다. 특히, 받침대(820)는 멤브레인(726)과 리드(금속 레이어 M6)를 지지하고 멤브레인과 아래의 고정 전극 사이에 거리를 추가하도록 구성된다. 압력 센서(700)는 압력 센서(100, 400)와는 다른 앵커 유형을 사용한다. 받침대(820)는 더 컴팩트한 설계로 이어질 수 있지만, 에칭은 여전히 패시베이션 레이어 (802) 아래의 수평 크기를 결정할 수 있다. 그럼에도 불구하고 올바른 치수와 공정 매개변수를 사용하면 기생 커패시턴스를 낮출 수 있다. 받침대(820)와 vHF 에칭은 기생 커패시턴스와 수율 사이의 균형을 맞추기 위해 조정되어야 한다. 또한, 받침대(820)는 vHF 에칭 공정에 의해 에칭되지 않은 실리콘 산화물 레이어(802)의 산화물로 채워진 여러 영역(824)을 포함한다.
수직 용량성 앵커(822A, 822B)는 비아 링(702, 706, 710, 714, 718, 722, 724, 728)과 금속 평면(704, 712, 720, 726)을 사용하여 형성된다. 수직 용량성 앵커(822A, 822B)는 vHF 에칭 공정이 수직 용량성 앵커(822A, 822B)가 인접한 이산화규소 레이어(802)의 측벽을 에칭하는 것을 방지하고 보호하도록 구성된다. 더욱이, 수직 용량성 앵커(822A 및 822B)는 압력 센서(700)용 리드가 되도록 구성된 금속 레이어 M6에 추가 지지를 제공한다.
도 9는 일부 실시예에 따라 멤브레인(904) 주변 주위에 구멍들의 배열(902)을 갖는 MEMS 압력 센서(900)의 단면도의 개략도이다. 특히, 도 9는 본 명세서에 설명된 vHF 에칭 공정을 사용하여 처리되는 도 2에 설명된 이산화규소 레이어(202)와 유사한 이산화규소 레이어(906)를 도시한다. 더욱이, 패시베이션 레이어(908A 및 908B)는 부식으로부터 이산화규소 레이어(904)를 보호하고 차폐하기 위해 이산화규소 레이어(906) 상에 배치된다. 시일(910A 및 910B)은 구멍들의 배열(902) 위에 배치될 수 있다. 시일(910A, 910B)은 시일(206)에 대해 본 명세서에 설명된 것과 동일한 접근 방식을 사용하여 형성된다는 점에 유의한다. 일부 실시예에서, 시일(910A, 910B)은 사용되지 않으며 선택적인 구성요소이다.
일부 실시예에서, 시일(910, 910B)은 증착을 사용하거나 레이저 블리딩 또는 기타 기술을 사용하여 형성된다.
일부 실시예에서, 구멍들의 배열은 멤브레인(904)을 형성하는 금속 레이어 M6 전체에 걸쳐 위치된다.
일부 실시예에서, 구멍들의 배열은 금속 레이어 M6의 주변에 위치하거나 금속 레이어 M6의 중심으로부터 정의된 방사상 거리 내에 위치한다(도 9에 도시됨). 이는 더 긴 에칭 시간을 허용하고, Al 레이어만 노출된 채로 금속 레이어의 TiN 하위 레이어를 에칭하여 제거하며, 이는 압력(900)의 감도를 증가시키는 레이어의 강성을 감소시킨다. 일부 실시예에서, 300degC에서 1시간과 같은 어닐링은 금속 레이어의 강성을 더욱 감소시킨다.
압력 센서(900)는 금속 레이어 M5 및 M6을 포함한다. 금속 레이어(M5)는 하위 전극으로 구성된다. 금속 레이어 M5의 단부 부분은 이산화규소 레이어(906) 내에 매립되어 단단히 고정되어 용량성 앵커(912A, 912B)를 형성한다. 금속 레이어 M6의 단부 부분은 이산화규소 레이어(906) 내에 매립되어 단단히 고정되어 용량성 앵커(914A, 914B)를 형성한다. 금속 레이어 M6의 일부는 압력 센서(900)용 멤브레인(904)으로 사용된다. 압력 센서(900)의 구성은 구멍이 없기 때문에 멤브레인(904)을 밀봉할 필요가 없다. 또한, 구멍들의 배열(902)의 구멍들은 금속 레이어 M6 상에 그리고 멤브레인(914)의 주변 주위에 형성된다.
도 10a-10b는 일부 실시예에 따라 이산화규소, 패시베이션 및 기판을 도시하지 않은 MEMS 압력 센서(1000)의 전개도 및 측면도의 개략도이다. 압력 센서(1000)는 도 10a에 도시된 바와 같이 직경 100μm의 하부 전극으로 구성된 원형 금속 레이어 M1을 포함한다. 링 비아 V1은 금속 레이어 M1 위에 위치한다. 원형 금속 레이어 M2는 V1을 통해 링 위에 위치한다. V2를 통한 링은 금속 레이어 M1 위에 배치된다. 원형 금속 레이어 M3는 V2를 통해 링 위에 위치한다. V3을 통한 링은 금속 레이어 M1 위에 위치한다.
금속 레이어 M4는 V3을 통해 링에 위치한다. 금속 레이어 M5는 금속 레이어 M4 상에 위치한다. 또한, 금속 레이어 M5는 압력 센서(1000)의 멤브레인(1004)을 포함하도록 구성된다. 또한, 금속 레이어 M5는 금속 레이어 M5의 상부 표면에 여러 개의 구멍들을 갖는 구멍들의 배열(1002)을 포함한다. 강성을 최소화하면서 압력 센서(1000)의 최상층이 멤브레인(1004)이 되도록 구성되는 것이 바람직하다.
일부 실시예에서, 압력 센서(1000)의 금속 레이어 M1-M5는 원형이 아닌 형상을 갖는다. 금속 레이어 M1-M6는 고체-상태 반도체 공정의 BEOL 금속 레이어를 사용하여 제조된다.
압력을 가할 때, 멤브레인(1004)은 중심 위치에서 편향되고 가장자리 주변의 편향은 최소화될 수 있다. 이는 멤브레인(1004)의 외부 영역의 커패시턴스 변화에 대한 기여가 최소화됨을 의미한다. 그러나 멤브레인(1004)의 이러한 외부 영역은 초기 커패시턴스에 기여할 수 있다.
압력 센서(1000)는 변위 또는 편향이 가장 큰 멤브레인(1004)의 중앙 부분에서 초기 커패시턴스에 더 중요한 기여를 한다. 이를 수행하는 방법은 금속 레이어 M1이 멤브레인(1004) 바로 아래가 아니라 아래의 일부 레벨에 있도록 구현하는 것이다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 금속 레이어 M1-M4와 링 비아 V1-V3를 적층하여 원통형 형상의 받침대(1006)를 형성한다. 참고로, 받침대(1006)는 멤브레인(1004)의 중심에서 커패시턴스 간격을 줄이고 주변에서 이를 증가시키도록 구성된다. 받침대(1006)는 멤브레인(1004)의 중심에 위치될 수 있고 금속 레이어 M1에 부착될 수 있다.
압력 센서(1000)의 두께를 최소화하기 위해 M6과 같은 추가적인 상부 금속 레이어를 사용하지 않는 것이 바람직하다. 일부 실시예에서, 멤브레인은 멤브레인(1004)의 중앙이나 가장자리에 위치하지 않은 구멍을 포함한다.
일부 실시예에서, 압력 센서(1000)는 받침대(1006)를 형성하기 위한 추가 비아를 포함한다. 일부 실시예에서, 멤브레인(1004)은 다른 금속 레이어 M1-M4 상에 구현된다. 일부 실시예에서, 금속 레이어 M5가 최상부 금속 레이어가 아닌 경우, 멤브레인(1004)은 최상부 금속 레이어 상에 구현된다.
도 11a-11b는 일부 실시예에 따라 이산화규소, 패시베이션 및 기판을 도시하지 않은, 풀 레버리지 멤브레인을 갖춘 MEMS 압력 센서(1100)의 금속 레이어의 전개도 및 측면도의 개략도이다. 압력 센서(1100)는 도 11a에 도시된 바와 같이 하부 전극으로 구성된 원형 금속 레이어 M1을 포함한다. 금속 레이어 M1 상에 금속 레이어 M2가 위치한다. 금속 레이어 M2는 이동 가능한 전극으로 구성된다. 비아 레이어 V2 는 금속 레이어 M2 상에 위치한다. 비아 레이어 V2는 금속 레이어 M2와 유사한 설계를 가지며 이동 가능하다. 금속 레이어 M3는 비아 레이어 V2 상에 위치한다. 금속 레이어 M3는 금속 레이어 M2와 유사한 구조를 가지며 이동 가능하다. 비아 레이어 V3는 금속 레이어 M3 상에 원형으로 위치하는 다수의 비아(1102)를 포함한다. 금속 레이어 M4는 비아 레이어 V3 상에 위치한다. 금속 레이어 M4는 비아(1102) 상에 위치한 여러 브리지 또는 스프링(1104)으로 구성된다.
비아 레이어 V4는 금속 레이어 M4 상에 위치한다. 비아 레이어 V4는 브리지 또는 스프링 1104 상에 위치하는 제1 부분(1106)을 갖는다. 비아 레이어 V4의 제2 부분(1108)은 금속 레이어 M4의 나머지 부분 상에 위치한다. 금속 레이어 M5는 비아 레이어 V4 상에 위치한다. 금속 레이어 M5는 비아 레이어 V4의 제1 부분(1106) 상에 위치하는 제1 부분(1110)을 포함한다. 금속 레이어 M5의 제2 부분(1112)은 금속 레이어 M4의 나머지 부분 상에 위치한다. 비아 레이어 V5는 금속 레이어 M5의 제1 부분(1110) 상에 위치하는 링 비아이다. 금속 레이어 M6는 비아 레이어 V5 상에 위치한다. 금속 레이어 M6는 압력 센서(1100)의 멤브레인(1114)을 포함하도록 구성된다.
금속 레이어 M1 및 M4-M6은 도 11b에 도시된 바와 같이 원형 및 반경 방향 치수를 갖도록 구성된다. 일부 실시예에서, 금속 레이어 M1 및 M4-M6는 원형과 다른 형상을 갖도록 구성된다. 금속 레이어 M2 및 M3은 정확한 방사형 치수를 갖지만 금속 레이어 M1 및 M4-M6보다 비교적 작다. 비아 레이어 V2는 원형 형상을 가지며, 비아 레이어인 동안 금속 레이어 M2 및 M3와 유사한 크기를 갖는다. 비아 레이어 V4는 원형 형상을 가지며, 비아 레이어 V2보다 방사상으로 크지만 금속 레이어 M1 및 M4-M6보다는 작다.
일부 실시예에서, 압력 센서(1000)의 금속 레이어 M1-M5는 원형이 아닌 형상을 갖는다. 금속 레이어 M1-M6는 고체-상태 반도체 공정의 BEOL 금속 레이어를 사용하여 제작된다.
도 11c는 일부 실시예에 따른 압력 센서(1100)의 단면도를 도시한다. 이 경우, 패시베이션 레이어(1122)는 이산화규소 레이어(1120)에 위치한다. 압력 센서(1100)의 도 11c에 도시된 실시예에서, 구멍들의 배열(1120)은 멤브레인(1114) 상에 위치할 수 있다. 압력 센서(1100)는 멤브레인(1114)을 활용하여 초음파 압력을 생성하거나 감지한다는 점에 유의한다. 일부 실시예에서, 멤브레인(1114)은 구멍들의 배열을 포함하지 않는다.
더욱이, 압력 센서(1100)는 멤브레인(1114)의 변위를 포착하고 이를 압력 센서(1100)의 내부를 향해 전달하기 위해 그 중심에 내부 피스톤(1116)을 포함한다. 브릿지 또는 스프링(1104)은 한쪽의 중앙 피스톤(1122)에 부착되고 다른 쪽의 고정 지지대(1112)에 부착되어 피스톤(1122)이 수직으로 변위될 때 브릿지 또는 스프링(1104)이 기울어진다. 금속 레이어 M2, M3 및 비아 레이어 V2는 금속 레이어 M1를 포함하여 브리지 또는 스프링(1104)에 평행하게 기울어진다. 내부 전극(1120A, 1120B)은, 하나의 금속 레이어만을 사용하면 휘어짐이 심하기 때문에 적층된 금속 레이어 M2 및 M3를 이용하여 구현된다.
일부 실시예에서, 금속 레이어 M4 및 M5는 중앙 피스톤(1116)의 변위를 허용하기 위해 중앙에 구멍을 포함하고, 이는 동일한 금속 레이어 M4 및 M5와 함께 금속 레이어 M5를 금속 레이어 M5로 만들어진 멤브레인(1114)에 연결하는 비아 레이어 V4 및 V5로 만들어진다. 압력 센서(1100)의 중앙에 있는 이 구멍은 금속 레이어 M4 레벨의 브리지와 일치하는 직선으로 채워져 있다.
일부 실시예에서, 금속 레이어 M4로 만들어진 브릿지 또는 스프링(1104)은 중앙 피스톤이 수직으로 변위될 때 기울어진다. 각각은 금속 레이어 M2, M3 및 비아 레이어 V3로 구성된 내부 전극의 섹션에 부착된다. 이렇게 하면, 브릿지 또는 스프링(1104)이 기울어지면 내부 전극(1120A, 1120B)도 자신이 부착된 브릿지 또는 스프링(1104)과 평행하게 이동하고 기울어지기 때문에 기울어진다.
일부 실시예에서, 금속 레이어 M6가 최상부 금속 레이어가 아닌 경우, 멤브레인(1104)은 최상부 금속 레이어 상에 구현된다.
압력 센서(1100)를 구현하기 위한 유사한 접근법이 미국 특허 제11,312,617호에 설명되어 있으며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
도 12a-12b는 일부 실시예에 따른 MEMS 압력 센서(1200)의 금속 레이어의 전개도 및 측면도의 개략도이다. 압력 센서(1200)는 도 12a에 도시된 바와 같이 원형 금속 레이어 M1, 비아 레이어 V1, 금속 레이어 M2, 비아 레이어 V2, 금속 레이어 M3, 금속 레이어 M4, 비아 레이어 V4 및 원형 금속 레이어 M5를 포함한다. 금속 레이어 M2, M3 및 비아 레이어 V2는 각각 날개 형상이고 비슷한 크기로 구성된다. 또한, 금속 레이어 M2 및 M3과 비아 레이어 V1 및 V2가 적층되어 도 12b에 도시된 바와 같이 금속 레이어 M1 상에 위치하는 받침대(1206)를 형성한다. 이 경우, 받침대(1206)는 압력 센서(1200)의 중심으로부터 멀리 위치된다. 금속 레이어 M4는 날개 형상 부분(1202) 및 날개 형상 부분(1202)에 일체로 연결된 멤브레인(1204)을 포함한다. 받침대(1206)는 최대 변위가 발생하는 날개 모양 부분(1202) 아래에 위치한다. 비아 레이어 V4는 멤브레인(1204)의 말단에 위치된 비아(1208)이다. 금속 레이어 M5는 비아 레이어 V4 상에 위치된다.
압력 센서(1200)는 압력 센서(1100)에서와 같이 피스톤을 포함하지 않는다. 날개 형상 부분(1202)은 압력 차이가 멤브레인(1204)의 말단에 적용될 때 멤브레인(1204)의 최대 경사를 갖는 최적의 앵커 지점에서 시작할 수 있다. 더욱이, 날개 형상 부분(1202)의 크기를 증가시키고 또는/추가로 날개 형상 부분(1202)의 단부에 받침대(1206)를 추가할 수 있으며, 이는 최대 변위를 초래한다. 이는 날개 형상 부분(1202)의 가장자리 부분이 전체 커패시턴스에 미치는 영향을 강화하여 압력 센서(1200)의 감도를 최대화한다.
일부 실시예에서, 타이어 압력 모니터링 시스템(Tire Pressure Monitoring System; TPMS)으로서 작동하는 ASIC이 제공된다. 이 ASIC은 여기에 설명된 MEMS 압력 센서를 포함한다. 압력 센서는 ASIC의 BEOL에 모놀리식(monolithically)으로 구축된다.
일부 실시예에서, 전자 담배 센서로서 작동하는 ASIC이 제공된다. 이 ASIC은 여기에 설명된 MEMS 압력 센서를 포함한다. 압력 센서는 ASIC의 BEOL에 모놀리식으로 구축된다. 압력 센서는 전자 담배에 사용되어 사용자의 공기 흡입을 감지한다. 이는 차압 센서를 사용하여 수행된다. 사용자가 공기를 흡입하여 당기면 차압 센서의 앞부분이 뒷부분 기준보다 더 빠르게 압력 감소를 겪게 된다. 결과적으로 압력 차이를 확인하고 주어진 임계값에서 전자 담배 필라멘트를 켜는 신호를 트리거한다.
SMD 기술에서 MEMS 압력 센서를 사용하여 조립 중 납땜 오류 및 크기 외에도 비용을 줄이는 데 관심이 있다. 현재 대부분의 전자담배에는 일렉트릿형 압력센서가 사용되고 있다. 그러나 MEMS 압력 센서 IC는 더 작다. 그 결과 압력 센서의 역기준에 도달하는 더 좁은 공기 경로가 전자 담배 내부에 있는 오일과 먼지로 인해 일정 기간동안 더 쉽게 막히거나 격리될 수 있다. 이런 일이 발생하면 배압 기준에는 더 이상 주변의 실제 압력이 표시되지 않는다.
이후, 환경 조건으로 인해 주변 압력이 변하거나 사용자가 더 높거나 낮은 고도로 이동하면, 압력 센서의 전면이 이를 감지하고 임계값을 트리거하여 사용자가 흡입하지 않을 때 필라멘트를 가열한다. 이를 방지하는 방법은 이 특허에 개시된 것과 같은 비-차동 압력 센서를 사용하는 것이다. 회로(바람직하게는 디지털)는 주변 압력을 추적할 수 있다. 바람직하게는 측정된 압력의 이동 평균을 수행하여 이를 수행할 수 있다. 이동 평균은 측정된 압력에 즉각적으로 반응하지 않을 수 있으므로 흡입 이벤트를 감지할 수 있다. 다른 유형의 평균이 사용될 수도 있다. 역기준 압력 입력 포트는 이러한 포트가 없고 메인 포트만 공기에 잘 노출되어 압력을 측정하기 때문에 막히거나 실제 압력과 분리될 위험이 없다. 본 명세서에 설명된 MEMS 압력 센서를 사용하여 전자 담배의 차압 센서로 작동할 수 있다.
일부 실시예에서는 마이크로폰으로 동작하는 집적 회로가 제공된다. 이 집적 회로는 여기에 설명된 MEMS 압력 센서를 포함한다. 압력 센서는 집적 회로의 BEOL에 모놀리식으로 구축된다.
일부 실시예에서, 초음파 센서로서 작동하는 집적 회로가 제공된다. 이 집적 회로는 여기에 설명된 MEMS 압력 센서를 포함한다. 압력 센서는 집적 회로의 BEOL에 모놀리식으로 구축된다.
설명된 다양한 구현의 요소 또는 단계는 결합되어 앞서 구체적으로 설명되지 않은 다른 구현을 형성할 수 있다. 요소나 단계는 시스템 작동이나 전반적인 시스템 작동에 부정적인 영향을 주지 않고 앞서 설명된 시스템이나 프로세스에서 제외될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 기능을 수행하기 위해 다양한 개별 요소 또는 단계가 하나 이상의 개별 요소 또는 단계로 결합될 수 있다.
명세서에서 "하나의 구현(one implementation")" 또는 "하나의 구현(an implementation)"에 대한 참조는 구현과 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조 또는 특성이 본 개시의 적어도 하나의 구현에 포함된다는 것을 의미한다. 본 명세서의 다양한 위치에서 "일 구현에서(in one implementation)", "일부 구현에서(in some implementations)", "일 예시(in one instance)", "일부 예시에서(in some instances)", "일 경우에서(in one case)", "일부 경우에서(in some cases)", "일 실시예에서(in one embodiment)" 또는 "일부 실시예에서(in some embodiments)"라는 문구의 등장은 반드시 모두 동일한 구현 또는 실시예를 언급하는 것은 아니다.
마지막으로, 본 발명의 구현에 대한 위의 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 이는 개시된 정확한 형태로 본 개시를 철저하게 제한하거나 제한하려는 의도가 아니다. 위의 사상에 비추어 많은 수정과 변형이 가능하다. 본 개시의 범위는 이러한 상세한 설명이 아니라 오히려 본 출원의 청구범위에 의해 제한되도록 의도된다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 본 개시는 본 발명의 정신이나 본질적인 특성에서 벗어나지 않고 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 본 개시는 다음의 청구범위에 설명된 본 개시의 범위를 예시하기 위한 것이지 제한하려는 것이 아니다.

Claims (31)

  1. MEMS 압력 센서에 있어서,
    복수의 금속 레이어들 중 하나로 구성되는 멤브레인;
    상기 멤브레인 위에 위치하고, 상기 멤브레인의 말단들(distal ends)에서 복수의 캐비티 벽들에 연결되는 리드(lid), -상기 리드는 상기 리드의 영역 상에 위치하는 구멍들의 배열을 포함함-; 및
    상기 리드 아래에 위치하는 고정 금속 전극
    을 포함하는 MEMS 압력 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리드는 상기 복수의 금속 레이어들 중 상기 멤브레인과 상이한 금속 레이어를 사용하여 형성되고, 상기 멤브레인은 상기 리드 아래의 제1 금속 레이어를 사용하여 형성되는
    MEMS 압력 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 멤브레인 및 상기 리드는 원형 형상을 포함하는
    MEMS 압력 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 리드 및 멤브레인 중 적어도 하나는 25μm, 50μm, 75μm, 또는 100μm의 직경을 포함하는
    MEMS 압력센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 레이어들은 고체-상태 반도체 공정의 후공정(backend-of-the-line) 금속 레이어들을 사용하여 형성되는
    MEMS 압력센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티 벽들은 적어도 하나의 비아 구조를 사용하여 형성되는
    MEMS 압력센서.
  7. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비아 구조는 더블 링 비아를 포함하는
    MEMS 압력센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 구멍들의 배열은 상기 멤브레인을 오염물질들로부터 보호하는
    MEMS 압력센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 리드는 상기 구멍들의 배열에 의해 정의되는 영역과 상이한 상기 리드 상의 제2 영역 상에 위치하는 제2 구멍들의 배열을 포함하는
    MEMS 압력센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 리드의 상기 제2 영역은 상기 멤브레인으로부터 떨어져 위치하는
    MEMS 압력센서.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 멤브레인은 상기 리드의 제1 구멍들의 배열과 정렬되는 제3 구멍들의 배열을 포함하는
    MEMS 압력센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 금속 레이어들의 세트의 금속 레이어들은 받침대가 되도록 구성되는
    MEMS 압력센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 받침대는 상기 멤브레인의 중심에서 커패시턴스 갭을 감소시키는
    MEMS 압력센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 멤브레인은 압력이 가해질 때 상기 멤브레인의 중심 위치로부터 편향되는
    MEMS 압력센서.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 금속 레이어들의 세트는 날개 형상인
    MEMS 압력센서.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 멤브레인은 상기 복수의 금속 레이어들 중 하나의 날개 형상 부분에 일체로 연결되는
    MEMS 압력 센서.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 멤브레인은 상기 멤브레인의 말단에서 연결되는 비아를 통해 리드와 연결되는
    MEMS 압력 센서.
  18. MEMS 압력 센서에 있어서,
    복수의 금속 레이어들 중 하나로 구성되는 멤브레인 -상기 멤브레인은 복수의 구멍들을 포함함-; 및
    적어도 상기 멤브레인의 복수의 구멍들이 위치하는 영역을 가로질러 연장하거나 상기 멤브레인과 동일한 형상을 갖는 복수의 금속 레이어들 중 상이한 금속 레이어로 구성되고, 상기 멤브레인 아래에 위치하는 전극
    을 포함하는 MEMS 압력 센서.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 금속 레이어들은 고체-상태 반도체 공정의 후공정 금속 레이어들을 사용하여 형성되는
    MEMS 압력 센서.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 멤브레인은 복수의 구멍들 중 각 구멍으로부터 적어도 20μm의 거리를 포함하는
    MEMS 압력센서.
  21. 제18항에 있어서,
    압력이 상기 멤브레인에 가해질 때, 상기 멤브레인의 변위를 포착하기 위해 형성되는 피스톤을 더 포함하는
    MEMS 압력센서.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 복수의 금속 레이어들의 세트는 상기 피스톤이 변위될 때 기울어지도록 구성되는 이동 가능한 전극인
    MEMS 압력센서.
  23. MEMS 압력 센서에 있어서,
    복수의 금속 레이어들 중 하나로 구성되는 금속 레이어; 및
    상기 금속 레이어 아래에 위치하고, 상기 복수의 금속 레이어들 중 상이한 금속 레이어들의 세트로 구성되는 받침대 -상기 받침대는 상기 금속 레이어의 중심에서 커패시턴스 갭을 감소시키는
    MEMS 압력센서.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 금속 레이어는 압력이 가해질 때 중심 위치에서 편향되는
    MEMS 압력 센서.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 복수의 금속 레이어들은 금속 레이어들(M1-M6)로 구성되고, 상기 금속 레이어(M6)는 최상부 금속 레이어이고, 상기 금속 레이어(M5)는 두 번째 상부 금속 레이어이고, 상기 받침대는 금속 레이어들(M1-M4) 및 복수의 비아 구조들(V1-V3)로 구성되는
    MEMS 압력센서.
  26. MEMS 압력 센서에 있어서,
    복수의 금속 레이어들 중 하나로 구성되는 금속 레이어; 및
    상기 복수의 금속 레이어들 중 상이한 금속 레이어들의 세트로 구성되고, 상기 금속 레이어 아래에 위치하는 받침대 -상기 상이한 금속 레이어들의 세트는 복수의 날개 형상 금속 레이어들을 포함함-
    를 포함하는 MEMS 압력 센서.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 금속 레이어는 상기 금속 레이어의 말단에서 연결되는 비아를 통해 또 다른 금속 레이어와 연결되는
    MEMS 압력 센서.
  28. MEMS 압력 센서에 있어서,
    복수의 금속 레이어들 중 하나로 구성되는 금속 레이어; 및
    상기 복수의 금속 레이어들 중 상이한 금속 레이어들의 세트로 구성되고, 상기 금속 레이어 아래에 위치하는 피스톤 -상기 피스톤은 상기 금속 레이어에 압력이 가해질 때 상기 금속 레이어의 변위를 포착함-
    을 포함하는 MEMS 압력 센서.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 복수의 금속 레이어들의 세트는 상기 피스톤이 변위될 때 기울어지도록 구성되는 이동 가능한 전극인
    MEMS 압력 센서.
  30. MEMS 압력 센서에 있어서,
    복수의 금속 레이어들 중 하나로 구성되는 금속 레이어; 및
    상기 복수의 금속 레이어들 중 상이한 금속 레이어들의 세트로 구성되고, 상기 금속 레이어 아래에 위치하는 받침대 -상기 금속 레이어는 복수의 날개 형상 금속 레이어들 중 하나의 날개 형상 부분에 일체로 연결되는 멤브레인을 포함함-
    를 포함하는 MEMS 압력 센서.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 받침대는 상기 금속 레이어의 중심으로부터 떨어져 위치하는
    MEMS 압력 센서.
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