KR102182063B1 - 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 관점에 의한 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법은, 반도체 기판에 제 1 평균 농도로 불순물 이온이 주입된 제 1 영역 및 상기 불순물 이온이 주입되지 않거나 또는 상기 제 1 평균 농도보다 낮은 제 2 평균 농도로 상기 불순물 이온이 주입된 제 2 영역을 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판을 산화시켜, 상기 제 1 영역의 적어도 일부에 제 1 두께를 갖는 제 1 산화층 및 상기 제 2 영역의 적어도 일부에 상기 제 1 두께보다 작은 제 2 두께를 갖는 제 2 산화층을 포함하는 절연층을 형성하는 단계와, 상기 절연층 상에 멤브레인층을 형성하되, 상기 제 2 산화층 및 상기 멤브레인층 사이에 갭을 한정하도록 상기 멤브레인층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 초음파 장치에 관한 것으로서, 특히 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer, CMUT) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
초음파 트랜스듀서(또는 초음파 탐촉자)는 전기적 신호를 초음파 신호로 변환시키거나 또는 초음파 신호를 전기적 신호로 변환시키는 장치를 말한다. 종래에는 압전 소재를 이용하여 초음파 신호를 처리하는 압전형 미세가공 초음파 트랜스듀서(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer, PMUT)가 많이 사용되었으나, 최근에는 동작 주파수 범위를 넓히고 트랜스듀서의 대역폭을 넓힐 수 있으며 반도체 공정을 통해서 집적화가 가능한 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer, CMUT)에 대한 연구가 진행되고 있다.
하지만, 종래 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 경우, 멤브레인을 지지하면서 상부 전극과 하부 전극을 절연하기 위한 절연층을 형성하기 위해서는 적어도 두 번의 산화 공정을 이용하는 등 공정 상 어려움이 있었고, 이로 인해서 전체 웨이퍼에서 두께를 제어하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 절연 공정을 단순화하여 경제성을 높이면서도 기생 커패시턴스를 조절할 수 있는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의한 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법은, 반도체 기판에 제 1 평균 농도로 불순물 이온이 주입된 제 1 영역 및 상기 불순물 이온이 주입되지 않거나 또는 상기 제 1 평균 농도보다 낮은 제 2 평균 농도로 상기 불순물 이온이 주입된 제 2 영역을 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판을 산화시켜, 상기 제 1 영역의 적어도 일부에 제 1 두께를 갖는 제 1 산화층 및 상기 제 2 영역의 적어도 일부에 상기 제 1 두께보다 작은 제 2 두께를 갖는 제 2 산화층을 포함하는 절연층을 형성하는 단계와, 상기 절연층 상에 멤브레인층을 형성하되, 상기 제 2 산화층 및 상기 멤브레인층 사이에 갭을 한정하도록 상기 멤브레인층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법에 따르면, 상기 멤브레인층은 상기 제 1 산화층에 의해서 지지될 수 있다.
상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법에 따르면, 상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역을 형성하는 단계는, 반도체 기판 상에 상기 제 1 영역을 노출하고 상기 제 2 영역을 덮는 제 1 마스크층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 마스크층을 이온주입 보호층으로 이용하여, 상기 제 1 영역에 상기 제 1 평균 농도로 상기 불순물 이온을 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법에 따르면, 상기 반도체 기판은 제 1 도전형으로 도핑되고, 상기 불순물 이온은 상기 제 1 도전형의 반대인 제 2 도전형을 가질 수 있다.
상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법은, 상기 반도체 기판에, 상기 제 1 평균 농도보다 높은 제 3 평균 농도로 상기 불순물 이온이 주입된 제 3 영역을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 나아가, 상기 절연층을 형성하는 단계에서, 상기 절연층은 상기 제 3 영역의 적어도 일부에 상기 1 두께보다 큰 제 3 두께의 제 3 산화층을 더 포함하도록 형성되고, 상기 멤브레인층을 형성하는 단계에서, 상기 갭은 상기 제 1 산화층 및 상기 멤브레인층 사이에 더 한정되고, 상기 멤브레인층은 상기 제 3 산화층에 의해서 지지될 수 있다.
상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법에 따르면, 상기 반도체 기판에 상기 제 1 영역, 상기 제 2 영역 및 상기 제 3 영역을 형성하는 단계는, 상기 제 1 영역 및 상기 제 3 영역을 노출하고, 상기 제 2 영역을 덮는 제 2 마스크층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 마스크층을 이온주입 보호층으로 하여, 상기 제 1 영역 및 상기 제 3 영역에 상기 제 1 평균 농도로 상기 불순물 이온을 주입하는 단계와, 상기 제 3 영역은 노출하고, 상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역을 덮는 제 3 마스크층을 형성하는 단계와, 상기 제 3 마스크층을 이온주입 보호층으로 하여 상기 제 3 영역의 이온 주입 농도가 상기 제 3 평균 농도가 되도록 상기 제 3 영역에 상기 불순물 이온을 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법에 따르면, 상기 반도체 기판에서, 상기 제 3 영역의 양측 각각에 상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역이 순차로 배치되는 구조가 반복되고, 상기 절연층에서, 상기 제 3 산화층의 양측 각각에 상기 제 1 산화층 및 상기 제 2 산화층이 순차로 배치되는 구조가 반복될 수 있다.
상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법에 따르면, 상기 반도체 기판에서, 상기 제 3 영역의 양측에 상기 제 2 영역 및 상기 제 1 영역이 각각 배치되는 구조가 반복되고, 상기 절연층에서, 상기 제 3 산화층의 양측에 상기 제 2 산화층 및 상기 제 1 산화층이 각각 배치되는 구조가 반복될 수 있다.
상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법에 따르면, 상기 제 2 영역을 형성하는 단계에서, 상기 제 2 영역은 상기 불순물 이온이 가운데에서 양끝으로 갈수록 그 농도가 점차 높아지도록 형성되고, 상기 절연층을 형성하는 단계에서, 상기 제 2 산화층은 상기 제 2 영역의 가운데에서 양끝으로 갈수록 그 두께가 점차 커지도록 형성될 수 있다.
상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법에 따르면, 상기 제 2 영역을 형성하는 단계는, 상기 제 1 영역을 노출하고, 상기 제 2 영역을 덮되, 상기 제 2 영역의 가운데에서 양끝으로 갈수록 점차 두께가 얇아지는 제 4 마스크층을 형성하는 단계와, 상기 제 4 마스크층을 이온 주입 보호층으로 하여, 상기 반도체 기판에 상기 불순물 이온을 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법에 따르면, 상기 멤브레인층을 형성하는 단계는, 상기 멤브레인층을 포함하는 핸들 기판을 상기 반도체 기판의 상기 절연층 상에 접합하는 단계와, 상기 절연층 상에 상기 멤브레인층을 남겨두고, 상기 핸들 기판을 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 제조방법은, 상기 멤브레인층 상에 상부 배선을 형성하고, 상기 멤브레인층 및 상기 절연층을 관통하여 상기 반도체 기판에 연결된 하부 배선을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서는, 제 1 농도로 불순물 이온이 주입된 제 1 영역 및 상기 불순물 이온이 주입되지 않거나 또는 상기 제 1 농도보다 낮은 제 2 농도로 상기 불순물 이온이 주입된 제 2 영역을 포함하는 반도체 기판과,상기 반도체 기판을 산화시켜 형성되고, 상기 제 1 영역의 적어도 일부에 제 1 두께를 갖는 제 1 산화층 및 상기 제 2 영역의 적어도 일부에 상기 제 1 두께보다 작은 제 2 두께를 갖는 제 2 산화층을 포함하는 절연층과, 상기 절연층 상에 형성된 멤브레인층을 포함하고, 상기 멤브레인층은 상기 제 2 산화층 및 상기 멤브레인층 사이에 갭을 한정하도록 형성된다.
상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서에 있어서, 상기 반도체 기판은 제 1 도전형으로 도핑되고, 상기 불순물 이온은 상기 제 1 도전형의 반대인 제 2 도전형을 갖고, 상기 반도체 기판 및 상기 제 1 영역 사이에 제 1 전압이 인가되고, 상기 반도체 기판 및 상기 멤브레인층 사이에 제 2 전압이 인가될 수 있다.
상기 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서에 있어서, 상기 반도체 기판은 상기 제 1 농도보다 높은 제 3 농도로 상기 불순물 이온이 주입된 제 3 영역을 더 포함하고, 상기 절연층은 상기 제 3 영역의 적어도 일부에 상기 1 두께보다 큰 제 3 두께의 제 3 산화층을 더 포함하고, 상기 갭은 상기 제 1 절연층 및 상기 멤브레인층 사이에 더 한정되고, 상기 멤브레인층은 상기 제 3 절연층에 의해서 지지될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예들에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)는 불순물 이온 주입을 이용하여 서로 다른 두께의 산화층들을 한 번에 형성할 수 있어서 경제적으로 제조될 수 있으며, 불순물 이온 주입 농도 분포를 조절함으로써 다양한 절연층 구조를 형성하여 다양한 멀티레벨 동작을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 및 그 제조방법 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)에 대한 응용예를 보여주는 개략도이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 및 그 제조방법 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 및 그 제조방법 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 15 내지 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 및 그 제조방법 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)에 대한 응용예를 보여주는 개략도이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 및 그 제조방법 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 및 그 제조방법 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 15 내지 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 및 그 제조방법 보여주는 개략적인 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 및 그 제조방법 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(105)에 불순물 이온(115)의 농도가 서로 다른 제 1 영역(120) 및 제 2 영역(125)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제 1 영역(120)은 불순물 이온(115)의 농도가 제 1 평균 농도로 주입되고, 제 2 영역(125)은 불순물 이온(115)이 주입되지 않거나 또는 제 1 평균 농도보다 낮은 제 2 평균 농도로 주입될 수 있다.
예를 들어, 반도체 기판(105)은 반도체 물질, 예컨대 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄 등을 포함할 수 있다. 이러한 반도체 물질은 도전성을 갖도록 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다. 나아가, 반도체 기판(105)은 반도체 웨이퍼를 소정 두께로 가공하여 제공할 수도 있다.
보다 구체적으로 보면, 제 1 영역(120) 및 제 2 영역(125)을 형성하는 단계는, 반도체 기판(105) 상에 제 1 영역(120)을 노출하고 제 2 영역(125)을 덮는 제 1 마스크층(110)을 형성하는 단계와, 제 1 마스크층(110)을 이온주입 보호층으로 이용하여, 제 1 영역(120)에 제 1 평균 농도로 불순물 이온(115)을 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제 1 마스크층(110)은 반도체 기판(105) 상에 포토레지스트층(미도시)을 형성한 후 포토리소그래피 공정을 이용하여 패터닝하여 형성할 수 있다. 이러한 제 1 마스크층(110)은 이온주입 단계에서 제 2 영역(125)으로 불순물 이온(115)이 주입되는 것을 막거나 또는 제 1 영역(120)에 비해서 제 2 영역(125)으로 상대적으로 불순물 이온(115)이 적게 주입되도록 해줄 수 있다. 불순물 이온(115)은 반도체 기판(105)의 산화 속도에 영향을 미칠 수 있는 것으로, 예컨대 As, P, BF2 이온 등을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 반도체 기판(105)을 산화시켜, 제 1 영역(120)의 적어도 일부에 제 1 두께를 갖는 제 1 산화층(130) 및 제 2 영역(125)의 적어도 일부에 제 1 두께보다 작은 제 2 두께를 갖는 제 2 산화층(135)을 포함하는 절연층(140)을 형성할 수 있다. 상대적으로 두께가 두꺼운 제 1 산화층(130)은 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)에 있어서 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)를 갖는 절연부의 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제 1 산화층(130)은 제 1 영역(120)에서 표면으로부터 소정 깊이로 형성되고 제 2 산화층(135)은 제 2 영역(125)에서 표면으로부터 소정 깊이로 형성될 수 있다.
제 1 영역(120) 및 제 2 영역(125)은 서로 불순물 이온(115)의 주입 정도가 다름에 따라서 산화 속도가 다를 수 있다. 예를 들어, 불순물 이온(115)의 주입 농도가 상대적으로 높은 제 1 영역(120)이 제 2 영역(125)에 비해서 결정결함, 예컨대 비정질화 정도가 높아져 산화속도가 더 빠를 수 있다. 이에 따라서, 이온주입의 농도를 달리함으로써 한 번의 산화로 산화 두께가 서로 다른 제 1 산화층(130) 및 제 2 산화층(135)을 동시에 형성할 수 있다.
이러한 산화 공정은 종래의 두 번의 산화 공정에 비해서 공정을 단순화할 수 있어서 경제적이다. 나아가, 불순물 이온(115)의 농도 차이를 다르게 함으로써, 제 1 산화층(130) 및 제 2 산화층(135)의 두께를 원하는 비로 달리 조절할 수 있다.
도 3 및 도 4을 참조하면, 절연층(140) 상에 멤브레인층(155)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 절연층(140)은 상대적으로 두께가 두꺼운 제 1 산화층(130)에 의해서 지지되고, 상대적으로 두께가 얇은 제 2 산화층(135) 및 상기 멤브레인층(155) 사이에 갭(160)이 한정될 수 있다.
보다 구체적으로 보면, 도 3에 도시된 바와 같이, 멤브레인층(155)을 포함하는 핸들 기판(150)을 반도체 기판(105)의 절연층(140) 상에 접합할 수 있다. 멤브레인층(155) 하부의 핸들 기판(150)에는 분리층(152)이 형성될 수 있다. 이어서, 절연층(140) 상에 멤브레인층(155)을 남겨두고 핸들 기판(150)을 분리할 수 있다. 예를 들어, 분리층(152)을 기준으로 멤브레인층(155)으로부터 핸들 기판(150)을 분리하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 절연층(140) 상에 멤브레인층(155)이 접착된 구조를 형성할 수 있다.
부가적으로 도 5 및 도 6을 참조하면, 멤브레인층(155) 상에 상부 배선(170)을 형성하고, 멤브레인층(155) 및 절연층(140)을 관통하여 반도체 기판(105)에 연결된 하부 배선(175)을 형성할 수 있다. 상부 배선(170) 및 하부 배선(175)은 전원 또는 접지 연결부로 도전물질, 예컨대 금속 또는 도핑된 폴리실리콘 등으로 형성할 수 있다. 선택적으로, 상부 배선(170)은 상부 전극으로 불리고, 하부 배선(175)은 하부 전극으로 불릴 수도 있다.
보다 구체적으로 보면, 도 5에 도시된 바와 같이, 멤브레인층(155) 및 절연층(140)을 관통하는 비어홀(165)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 멤브레인층(155)에 포토리소그래피 및 식각 공정을 이용하여 비어홀(165)의 상부 부분을 형성하고, 이어서 제 1 산화층(130)에 포토리소그래피 및 식각 공정을 이용하여 비어홀(165)의 하부 부분을 형성할 수 있다.
이어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 배선층을 형성하고 이를 패터닝하여 상부 배선(170) 및 하부 배선(175)을 형성할 수 있다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)는 제 1 농도로 불순물 이온(115)이 주입된 제 1 영역(120) 및 불순물 이온(115)이 주입되지 않거나 또는 제 1 농도보다 낮은 제 2 농도로 불순물 이온(115)이 주입된 제 2 영역(125)을 포함하는 반도체 기판(105)과, 반도체 기판(105)을 산화시켜 형성되고, 제 1 영역(120)의 적어도 일부에 제 1 두께를 갖는 제 1 산화층(130) 및 제 2 영역(125)의 적어도 일부에 제 1 두께보다 작은 제 2 두께를 갖는 제 2 산화층(135)을 포함하는 절연층(140)과, 절연층(140) 상에 형성된 멤브레인층(155)을 포함할 수 있다.
나아가, 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)는 멤브레인층(155) 상에 형성된 상부 배선(170)과, 멤브레인층(155) 및 절연층(140)을 관통하여 반도체 기판(105)에 연결된 하부 배선(175)을 더 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)에 대한 응용예를 보여주는 개략도이다.
도 7을 참조하면, 반도체 기판(105)은 제 1 도전형으로 도핑되고, 불순물 이온(115)은 제 1 도전형의 반대인 제 2 도전형을 갖고, 반도체 기판(105) 및 제 1 영역(120) 사이에 제 1 전압(V1)이 인가되고, 반도체 기판(105) 및 멤브레인층(155) 사이에 제 2 전압(V1)이 인가될 수 있다.
예를 들어, 반도체 기판(105)이 p형으로 도핑된 경우, 제 1 영역(120)은 n+형으로 도핑될 수 있다. 제 1 영역(120)은 제 1 산화층(130) 하부에 적어도 n+형으로 도핑된 영역이 남아 있을 수 있다. 이 경우, 제 1 전원(V1)은 제 1 영역(120)이 양의 전극이 되도록 연결되고, 제 2 전원(V2)은 멤브레인층(155)이 양의 전극이 되도록 연결될 수 있다.
다른 예로, 반도체 기판(105)이 n형으로 도핑된 경우, 제 1 영역(120)은 p+형으로 도핑될 수 있다. 제 1 영역(120)은 제 1 산화층(130) 하부에 적어도 p+형으로 도핑된 영역이 남아 있을 수 있다. 이 경우, 제 1 전원(V1) 및 제 2 전원(V2)은 모두 반도체 기판(105)이 양의 전극이 되도록 연결될 수 있다.
이에 따르면, 이온 주입으로 pn 다이오드 구조를 만들 수 있고, 이러한 pn 다이오드 연결 구조를 이용하여 제 1 산화층(130)에 걸리는 실질적인 전계를 낮추어 산화물의 항복 전압(breakdown voltage) 이상의 높은 전계를 제 1 산화층(130)과 반도체 기판(105) 사이에 인가할 수 있다. 이 경우, 제 1 산화층(130)의 두께를 낮출 수 있게 된다. 나아가, 제 1 산화층(130)에 걸리는 기생 커패시턴스(parasitic capacitance) 부분을 pn 접합 커패시턴스를 통해서 줄여줄 수 있어서, CMUT의 동작 때 커패시턴스 변화량을 키워서 민감도를 높일 수 있다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 및 그 제조방법 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 반도체 기판(105)에 불순물 이온(115)의 농도가 서로 다른 제 1 영역(120a). 제 2 영역(125a) 및 제 3 영역(127)을 형성할 수 있다. 제 1 영역(120a)은 제 1 평균 농도로 불순물 이온(115)이 주입되고, 제 2 영역(125a)은 불순물 이온(115)이 주입되지 않거나 또는 제 1 평균 농도보다 낮은 제 2 평균 농도로 불순물 이온(115)이 주입되고, 제 3 영역(127)은 제 1 평균 농도보다 높은 제 3 평균 농도로 불순물 이온(115)이 주입될 수 있다.
예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(105)에 제 1 영역(120a) 및 제 3 영역(127)을 포함하는 도핑 영역(120-1)을 노출하고, 제 2 영역(125a)을 덮는 제 2 마스크층(110a1)을 형성할 수 있다. 이어서, 제 2 마스크층(110a1)을 이온주입 보호층으로 하여, 제 1 영역(120a) 및 제 3 영역(127)을 포함하는 도핑 영역(120-1)에 제 1 평균 농도로 불순물 이온(115)을 주입할 수 있다. 이어서, 제 2 마스크층(110a1)은 제거될 수 있다.
도 9를 참조하면, 제 3 영역(127)은 노출하고, 상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역을 덮는 제 3 마스크층(110a2)을 형성할 수 있다. 이어서, 제 3 마스크층(110a2)을 이온주입 보호층으로 하여 제 3 영역(127)의 이온 주입 농도가 제 3 평균 농도가 되도록 제 3 영역(127)에 불순물 이온(115)을 주입할 수 있다. 따라서, 제 1 영역(120a)에는 불순물 이온(115)이 1회 주입되고, 제 3 영역(127)에는 불순물 이온(115)이 2회에 걸쳐서 주입될 수 있다. 이어서, 제 3 마스크층(110a2)은 제거될 수 있다.
예를 들어, 반도체 기판(105)에서, 제 3 영역(127)의 양측 각각에 제 1 영역(120a) 및 제 2 영역(125a)이 순차로 배치되는 구조가 반복될 수 있다.
도 10을 참조하면, 반도체 기판(105)을 산화시켜, 제 1 산화층(130a), 제 2 산화층(135a) 및 제 3 산화층(137)을 포함하는 절연층(140a)을 형성할 수 있다. 절연층(137)에서, 제 3 산화층(137)의 양측 각각에 제 1 산화층(130a) 및 제 2 산화층(135a)이 순차로배치되는 구조가 반복될 수 있다.
예를 들어, 제 1 산화층(130a)은 제 1 영역(120a)의 적어도 일부에 제 1 두께로 형성되고, 제 2 산화층(135a)은 제 2 영역(125a)의 적어도 일부에 제 1 두께보다 낮은 제 2 두께로 형성되고, 제 3 산화층(137)은 제 3 영역(127)의 적어도 일부에 제 1 두께보다 큰 제 3 두께로 형성될 수 있다.
도 11을 참조하면, 절연층(140a) 상에 멤브레인층(155)을 형성할 수 있다. 멤브레인층(155)의 형성은 도 3의 설명을 참조할 수 있다. 이에 따르면, 멤브레인층(155)은 두께가 가장 두꺼운 제 3 산화층(137)에 의해서 지지되고, 갭(160a)은 제 1 산화층(130a) 및 멤브레인층(155) 사이와, 제 2 산화층(135a) 및 멤브레인층(155) 사이에 한정될 수 있다.
이후, 도 5 및 도 6의 설명을 참조하여, 상부 배선(170) 및 하부 배선(175)을 더 형성할 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 다단 이온 주입을 통해서, 다단 구조의 절연층(140a)을 형성하여, 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)을 멀티 레벨로 동작시킬 수 있다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 및 그 제조방법 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 12를 참조하면, 반도체 기판(105)의 제 1 영역(120b)을 노출하고, 제 2 영역(125b)을 덮되, 제 2 영역(125b)의 가운데에서 양끝으로 갈수록 점차 두께가 얇아지는 제 4 마스크층(110b)을 형성할 수 있다. 이어서, 제 4 마스크층(110b)을 이온 주입 보호층으로 하여, 반도체 기판(105)에 불순물 이온(115)을 주입할 수 있다.
이에 따르면, 제 1 영역(120b)은 제 1 평균 농도로 불순물 이온(115)이 주입되고, 제 2 영역(125b)은 제 1 평균 농도보다 낮은 제 2 평균 농도로 불순물 이온(115)이 주입되되 불순물 이온이 가운데에서 양끝으로 갈수로고 그 농도가 점차 높아지도록 도핑될 수 있다.
도 13을 참조하면, 반도체 기판(105)을 산화시켜 제 1 산화층(130b) 및 제 2 산화층(135b)을 포함하는 절연층(140b)을 형성할 수 있다. 제 1 산화층(130b)은 제 1 영역(120b)의 적어도 일부에 제 1 두께를 갖도록 형성되고, 제 2 산화층(135b)은 제 2 영역(125b)의 적어도 일부에 제 1 두께보다 낮은 제 2 두께를 갖되 제 2 영역(125b)의 가운데에서 양끝으로 갈수록 그 두께가 점차 커지도록 형성될 수 있다.
도 14를 참조하면, 절연층(140b) 상에 멤브레인층(155)을 형성할 수 있다. 멤브레인층(155)의 형성은 도 3의 설명을 참조할 수 있다. 이에 따르면, 멤브레인층(155)은 두께가 두꺼운 제 1 산화층(130b)에 의해서 지지되고, 갭(160b)은 제 2 산화층(135b) 및 멤브레인층(155) 사이에 한정될 수 있다.
이후, 도 5 및 도 6의 설명을 참조하여, 상부 배선(170) 및 하부 배선(175)을 더 형성할 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 제 2 영역(125b)의 불순물 이온(115)의 농도를 연속적으로 변화시킬 수 있고, 이에 따라 제 2 산화층(135b)의 두께를 연속적으로 변화시킬 수 있다.
도 15 내지 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 및 그 제조방법 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 15를 참조하면, 반도체 기판(105) 상에 제 1 영역(120c) 및 제 3 영역(127c)을 포함하는 도핑 영역(120-2)을 노출하고, 제 2 영역(125c)을 덮는 제 2 마스크층(110c1)을 형성할 수 있다.
이어서, 제 2 마스크층(110c1)을 이온주입 보호층으로 하여 제 1 영역(120c) 및 제 3 영역(127c)을 포함하는 도핑 영역(120-2)에 불순물 이온(115)을 주입할 수 있다.
도 16을 참조하면, 제 3 영역(127c)을 노출하고 제 1 영역(120c)을 덮는 제 3 마스크층(110c2)을 더 형성할 수 있다. 이어서, 제 2 마스크층(110c1) 및 제 3 마스크층(110c2)을 이온주입 보호층으로 하여 제 3 영역(127c)에 불순물 이온(115)을 주입할 수 있다. 반도체 기판(105)에서, 제 3 영역(127c)의 양측에 제 2 영역(125c) 및 제 1 영역(120c)이 순차로 배치되는 구조가 반복될 수 있다.
다른 예로, 도 15에서, 제 2 마스크층(110c1)이 제거되고, 도 17에서 제 3 마스크층(110c2)은 제 1 영역(120c) 및 제 2 영역(125c)을 덮고 제 3 영역(127c)을 노출하도록 형성될 수도 있다.
도 17을 참조하면, 반도체 기판(105)을 산화시켜, 제 1 산화층(130c), 제 2 산화층(135c) 및 제 3 산화층(137c)을 포함하는 절연층(140c)을 형성할 수 있다. 제 1 산화층(130c)은 제 1 영역(120c)의 적어도 일부에 제 1 두께를 갖도록 형성되고, 제 2 산화층(135c)은 제 2 영역(125c)의 적어도 일부에 제 1 두께보다 작은 제 2 두께로 형성되고, 제 3 산화층(137c)은 제 3 영역(127c)의 적어도 일부에 제 1 두께보다 큰 제 3 두께로 형성될 수 있다.
이에 따르면, 절연층(140c)에서, 제 3 산화층(137c)의 양측에 제 2 산화층(135c) 및 상기 제 1 산화층(130c)이 순차로 배치되는 구조가 반복될 수 있다.
도 18을 참조하면, 절연층(140c) 상에 멤브레인층(155)을 형성할 수 있다. 멤브레인층(155)의 형성은 도 3의 설명을 참조할 수 있다. 이에 따르면, 멤브레인층(155)은 두께가 가장 두꺼운 제 3 산화층(137c)에 의해서 지지되고, 갭(160c)은 제 1 산화층(130c) 및 멤브레인층(155)의 사이와, 제 2 산화층(135c) 및 멤브레인층(155) 사이에 한정될 수 있다.
이후, 도 5 및 도 6의 설명을 참조하여, 상부 배선(170) 및 하부 배선(175)을 더 형성할 수도 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
105: 반도체 기판
120, 120a, 120b, 120c: 제 1 영역
125, 125a, 125b, 125c: 제 2 영역
127, 127c: 제 3 영역
130, 130a, 130b, 130c: 제 1 산화층
135, 135a, 135b, 135c: 제 2 산화층
137, 137c: 제 3 산화층
140, 140a, 140b, 140c: 절연층
155: 멤브레인층
170: 상부 배선
176: 하부 배선
120, 120a, 120b, 120c: 제 1 영역
125, 125a, 125b, 125c: 제 2 영역
127, 127c: 제 3 영역
130, 130a, 130b, 130c: 제 1 산화층
135, 135a, 135b, 135c: 제 2 산화층
137, 137c: 제 3 산화층
140, 140a, 140b, 140c: 절연층
155: 멤브레인층
170: 상부 배선
176: 하부 배선
Claims (16)
- 반도체 기판에 제 1 평균 농도로 불순물 이온이 주입된 제 1 영역 및 상기 불순물 이온이 주입되지 않거나 또는 상기 제 1 평균 농도보다 낮은 제 2 평균 농도로 상기 불순물 이온이 주입된 제 2 영역을 형성하는 단계;
상기 반도체 기판을 산화시켜, 상기 제 1 영역의 적어도 일부에 제 1 두께를 갖는 제 1 산화층 및 상기 제 2 영역의 적어도 일부에 상기 제 1 두께보다 작은 제 2 두께를 갖는 제 2 산화층을 포함하는 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 절연층 상에 멤브레인층을 형성하되, 상기 제 2 산화층 및 상기 멤브레인층 사이에 갭을 한정하도록 상기 멤브레인층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 멤브레인층은 상기 절연층의 두께가 두꺼운 부분에 의해서 지지되고,
상기 갭은 상기 절연층의 두께 차이에 의해서 형성되는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 멤브레인층은 상기 제 1 산화층에 의해서 지지되는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역을 형성하는 단계는,
반도체 기판 상에 상기 제 1 영역을 노출하고 상기 제 2 영역을 덮는 제 1 마스크층을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 마스크층을 이온주입 보호층으로 이용하여, 상기 제 1 영역에 상기 제 1 평균 농도로 상기 불순물 이온을 주입하는 단계를 포함하는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 반도체 기판은 제 1 도전형으로 도핑되고,
상기 불순물 이온은 상기 제 1 도전형의 반대인 제 2 도전형을 갖는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 반도체 기판에, 상기 제 1 평균 농도보다 높은 제 3 평균 농도로 상기 불순물 이온이 주입된 제 3 영역을 형성하는 단계를 더 포함하고,
상기 절연층을 형성하는 단계에서, 상기 절연층은 상기 제 3 영역의 적어도 일부에 상기 1 두께보다 큰 제 3 두께의 제 3 산화층을 더 포함하도록 형성되고,
상기 멤브레인층을 형성하는 단계에서, 상기 갭은 상기 제 1 산화층 및 상기 멤브레인층 사이에 더 한정되고,
상기 멤브레인층은 상기 제 3 산화층에 의해서 지지되는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 반도체 기판에 상기 제 1 영역, 상기 제 2 영역 및 상기 제 3 영역을 형성하는 단계는,
상기 제 1 영역 및 상기 제 3 영역을 노출하고, 상기 제 2 영역을 덮는 제 2 마스크층을 형성하는 단계;
상기 제 2 마스크층을 이온주입 보호층으로 하여, 상기 제 1 영역 및 상기 제 3 영역에 상기 제 1 평균 농도로 상기 불순물 이온을 주입하는 단계;
상기 제 3 영역은 노출하고, 상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역을 덮는 제 3 마스크층을 형성하는 단계; 및
상기 제 3 마스크층을 이온주입 보호층으로 하여 상기 제 3 영역의 이온 주입 농도가 상기 제 3 평균 농도가 되도록 상기 제 3 영역에 상기 불순물 이온을 주입하는 단계를 포함하는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 반도체 기판에서, 상기 제 3 영역의 양측 각각에 상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역이 순차로 배치되는 구조가 반복되고,
상기 절연층에서, 상기 제 3 산화층의 양측 각각에 상기 제 1 산화층 및 상기 제 2 산화층이 순차로 배치되는 구조가 반복되는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 반도체 기판에서, 상기 제 3 영역의 양측에 상기 제 2 영역 및 상기 제 1 영역이 각각 배치되는 구조가 반복되고,
상기 절연층에서, 상기 제 3 산화층의 양측에 상기 제 2 산화층 및 상기 제 1 산화층이 각각 배치되는 구조가 반복되는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 영역을 형성하는 단계에서, 상기 제 2 영역은 상기 불순물 이온이 가운데에서 양끝으로 갈수록 그 농도가 점차 높아지도록 형성되고,
상기 절연층을 형성하는 단계에서, 상기 제 2 산화층은 상기 제 2 영역의 가운데에서 양끝으로 갈수록 그 두께가 점차 커지도록 형성되는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 2 영역을 형성하는 단계는,
상기 제 1 영역을 노출하고, 상기 제 2 영역을 덮되, 상기 제 2 영역의 가운데에서 양끝으로 갈수록 점차 두께가 얇아지는 제 4 마스크층을 형성하는 단계; 및
상기 제 4 마스크층을 이온 주입 보호층으로 하여, 상기 반도체 기판에 상기 불순물 이온을 주입하는 단계를 포함하는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 멤브레인층을 형성하는 단계는,
상기 멤브레인층을 포함하는 핸들 기판을 상기 반도체 기판의 상기 절연층 상에 접합하는 단계; 및
상기 절연층 상에 상기 멤브레인층을 남겨두고, 상기 핸들 기판을 분리하는 단계를 포함하는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 멤브레인층 상에 상부 배선을 형성하고, 상기 멤브레인층 및 상기 절연층을 관통하여 상기 반도체 기판에 연결된 하부 배선을 형성하는 단계를 더 포함하는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서의 제조방법. - 제 1 농도로 불순물 이온이 주입된 제 1 영역 및 상기 불순물 이온이 주입되지 않거나 또는 상기 제 1 농도보다 낮은 제 2 농도로 상기 불순물 이온이 주입된 제 2 영역을 포함하는 반도체 기판;
상기 반도체 기판을 산화시켜 형성되고, 상기 제 1 영역의 적어도 일부에 제 1 두께를 갖는 제 1 산화층 및 상기 제 2 영역의 적어도 일부에 상기 제 1 두께보다 작은 제 2 두께를 갖는 제 2 산화층을 포함하는 절연층;
상기 절연층 상에 형성된 멤브레인층을 포함하고,
상기 멤브레인층은 상기 제 2 산화층 및 상기 멤브레인층 사이에 갭을 한정하도록 형성되고,
상기 멤브레인층은 상기 절연층의 두께가 두꺼운 부분에 의해서 지지되고,
상기 갭은 상기 절연층의 두께 차이에 의해서 형성되는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서. - 제 13 항에 있어서,
상기 반도체 기판은 제 1 도전형으로 도핑되고,
상기 불순물 이온은 상기 제 1 도전형의 반대인 제 2 도전형을 갖고,
상기 반도체 기판 및 상기 제 1 영역 사이에 제 1 전압이 인가되고,
상기 반도체 기판 및 상기 멤브레인층 사이에 제 2 전압이 인가되는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서. - 제 13 항에 있어서,
상기 반도체 기판은 상기 제 1 농도보다 높은 제 3 농도로 상기 불순물 이온이 주입된 제 3 영역을 더 포함하고,
상기 절연층은 상기 제 3 영역의 적어도 일부에 상기 1 두께보다 큰 제 3 두께의 제 3 산화층을 더 포함하고,
상기 갭은 상기 제 1 절연층 및 상기 멤브레인층 사이에 더 한정되고,
상기 멤브레인층은 상기 제 3 산화층에 의해서 지지되는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 2 영역은 상기 불순물 이온이 가운데에서 양끝으로 갈수록 그 농도가 점차 높아지도록 형성되고,
상기 제 2 산화층은 상기 제 2 영역의 가운데에서 양끝으로 갈수록 그 두께가 점차 커지도록 형성되는,
정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서.
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