KR20050026078A

KR20050026078A - 멤스(ｍｅｍｓ) 응용을 위한 저온 플라즈마 실리콘 또는실리콘게르마늄

Info

Publication number: KR20050026078A
Application number: KR1020057001759A
Authority: KR
Inventors: 주에르젠 에이. 포에르스트너; 스티븐 엠. 스미스; 레이몬드 머빈 루프
Original assignee: 프리스케일 세미컨덕터, 인크.
Priority date: 2002-08-01
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2005-03-14
Also published as: JP2005534510A; WO2004013039A2; US20040023429A1; US6770569B2; WO2004013039A3; CN1675126A; AU2003229041A1

Abstract

멤스(MEMS) 구조(69)를 만들기 위한 방법이 제공된다. 본 방법에 따르면, 증착된 상호 연결 금속(53)을 가지는 CMOS 기판(51)이 제공된다. 실리콘과 실리콘-게르마늄합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료의 플라즈마 화학기상증착(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition; PACVD)을 통해서 기판 상에 MEMS 구조가 생성된다. PACVD에 수반되는 낮은 증착 온도는 통합된 CMOS 프로세스의 후공정에서 이러한 재료들이 MEMS 제조를 위해 사용될 수 있도록 한다.

Description

멤스(ＭＥＭＳ) 응용을 위한 저온 플라즈마 실리콘 또는 실리콘게르마늄 {LOW TEMPERATURE PLASMA SI OR SIGE FOR MEMS APPLICATIONS}

본 발명은 일반적으로 멤스(MEMS) 장치에 관한 것이며, 특히 실리콘과 실리콘-게르마늄 합금으로부터 MEMS 장치를 만들기 위한 저온 방법에 관한 것이다.

미세 가공(micromachining)과 기타 미세 제조 기술 및 프로세스의 발전으로 인하여 넓은 범위의 마이크로 전자 기계 시스템(MicroElectroMechanical Systems; MEMS) 및 디바이스의 제조가 가능하게 되었다. 이들은 이동 로봇, 기어, 스위치, 가속기, 소형 센서, 액츄에이터(actuator) 시스템 및 기타 그러한 구조를 포함한다.

미세 제조의 하나의 중요한 응용은 RF MEMS 스위치의 제조에 있다. 이러한 장치는 그에 대응하는 고체 상태의 장치에 대하여 몇 가지 장점을 가진다. 예컨대, RF MEMS 스위치는 고체 상태 스위치보다 적은 삽입 손실, 높은 격리, 우수한 선형성 및 적은 전력을 제공한다. 또한, RF MEMS 장치는 다양한 응용 분야에 있어서 유용하다. 따라서, 튜닝가능한 선(先)선택기 및 주파수 합성기로 이용될 수 있으며, 신호 라우팅 장치, 임피던스 매칭 네트워크 및 조정 가능한 이득 증폭기를 포함하는 다양한 통신 장치 및 시스템의 컴포넌트로서도 또한 유용하다.

도 1 및 도 2(도 2는 도 1의 측면도임)는 종래의 RF MEMS 스위치(10)를 도시한다. 스위치는 절연 재료를 전형적으로 포함하고 앵커 구조(14)에 의해 기판(12)에 부착된 캔틸레버 암(cantilevered arm; 20)을 포함한다. 앵커 구조는 증착 성장에 의하거나 주변 재료의 선택적인 제거 또는 에칭을 통하여 기판 상에 메사(mesa)로서 형성될 수 있다. 또한, 신호선(18) 및 전형적으로 접지되어 있는 바닥 전극(16)이 기판 상에 형성된다. 바닥 전극과 신호 선은 금과 같이 쉽게 산화되지 않는 금속 스트립을 전형적으로 포함한다. 신호 선과 바닥 전극 사이에 간극이 존재한다.

스위치의 작동하는 부분은 상술한 캔틸레버 암(20)을 포함한다. 캔틸레버 암은, 일단에서 앵커 구조의 최상부에 부착되고, 기판 상에 배치된 바닥 전극과 신호선 위쪽까지 연장되는 허공에 뜬 마이크로빔(suspended microbeam)을 형성한다. 또한, 전형적으로 쉽게 산화되지 않는 금과 같은 금속을 포함하는 전기 접촉자(22)는 앵커 구조로부터 제거된 캔틸레버 암의 단부에 형성된다. 전기 접촉자는 신호선위 쪽에서 기판의 최상부와 대면하도록 캔틸레버 암의 바닥 측에 위치된다.

전형적으로 알루미늄 및 금과 같은 금속을 포함하는 최상부 전극(24)은 캔틸레버 암의 표면에 형성된다. 최상부 전극은 앵커 구조 위에서 시작하여 캔틸레버 암의 표면을 따라 연장되고 바닥 전극 위의 위치에서 끝난다. 캔틸레버 암과 최상부 전극은 바닥 전극(그 자체도 확장됨) 위에서 확장되어 커패시터 구조(26)를 형성한다. 커패시터 구조에는 그 질량을 줄이기 위하여 구멍의 격자가 제공된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 동작 중의 스위치는 정상적으로 "오프" 위치에 있다. 스위치가 오프 상태에 있으면, 전기 컨택과 신호선 사이의 간극에 의해서 신호선은 개방 회로이다. 최상부 전극에 전압을 인가함으로써, 스위치는 "온" 위치로 작동한다. 최상부 전극에 전압을 인가함으로써, 정전기력(electrostatic force)에 의해 커패시터 구조(및 캔틸레버 암)는 바닥 전극 측으로 끌어당겨진다. 바닥 전극 측으로 캔틸레버 암이 작동함으로써, 화살표(11)에 의해 표시된 바와 같이, 전기 컨택은 신호선 쪽으로 이동되며, 이로 인해 간극이 소멸되고 신호선은 온 상태가 된다(즉, 회로를 단락시킴).

도 1 및 2에 도시된 종류의 장치에서 나타나는 하나의 문제점은 장치의 컴포넌트를 위해 사용되는 재료 사이의 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion; CTEs)의 부정합(mismatching)과 관련된 것이다. 특히, RF MEMS 스위치의 경우에는, 열 부정합은 전형적으로 최상부 전극(상술한 바와 같이, 전형적으로 금(Au)과 같은 금속으로 형성됨)과 캔틸레버 암(일반적으로 실리콘 옥시나이트라이드(SiON)과 같은 재료로 형성됨) 사이에서 존재한다. 결과적으로, 릴리스 이후 및 패키징 프로세스 중에 발생하는 열 싸이클 동안에 스위치의 이동 가능한 부분이영구적으로 뒤틀리게 되는 경향이 있으며, 이로 인해 스위치의 동작 특성의 변화가 일어나서 많은 경우에는 스위치가 고장난다.

다양한 다른 재료가 MEMS 제조 프로세스에 사용되어 왔고, 그들 중의 일부는 SiON의 CTE에 더 정확하게 매칭되는 CTE를 갖는다. 그러나, RF MEMS 스위치의 최상부 전극에 이렇게 많은 재료들을 사용하는 것은 종래의 제조 방법에 수반되는 프로세스 상의 고려 사항에 의해 배제되어 왔다. 따라서, 예를 들면, 실리콘과 실리콘/게르마늄 합금이 LPCVD를 사용하는 MEMS 프로세스에서 구조적인 요소로서 사용되어 왔고, 이들은 많은 바람직한 성질을 갖는다. 그러나, 전형적인 RF MEMS 스위치에 대한 최대 프로세스 온도는 약 350??로 제한되고(전형적으로 폴리이미드(polyimide) 또는 유사한 열에 민감한 재료로 형성되는 희생층의 존재에 일차적으로 기인함), 이는 LPCVD 또는 에피테셜(epitaxial) 프로세스에서 실리콘 또는 실리콘-게르마늄 합금에 대하여 요구되는 약 550??의 증착 온도보다 크게 낮다.

이러한 재료가 가지는 바람직한 물리적 전기적 성질에도 불구하고, 프로세스 온도 고려 사항에 의해, 실리콘 및 실리콘/게르마늄 합금과 같은 재료의 사용은 기타 MEMS 응용에 있어서도 동일하게 배제된다. 예컨대, 그러한 응용은 센서와 액츄에이터와 같은 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 구조와 통합된 MEMS 장치의 제조를 포함한다. CMOS 구조는, 적은 전력 소비와 소실(dissipation) 및 오프 상태에서의 전류의 최소화로 인해, 디지털 기능의 구현을 위한 매우 효율적인 장치 구성이다. 상업적인 CMOS 호환 미세 가공으로, 마이크로 구조 및 보조 회로는 동일한 기판 상에 공존할 수 있어서 통합 프로세스로 제조될 수 있다.

그러나, CMOS 프로세스로의 적절한 통합과 CMOS의 세대간의 양호한 이식성을 보장하기 위해서는, MEMS 제조를 CMOS프로세스의 후공정에 통합하는 것이 바람직하다. 이것은 상호 연결 금속이 이미 증착된 이후에 MEMS 구조를 형성할 것을 요구한다. 그러나, 기판 상의 상호 연결 금속의 존재는 기판이 450??를 초과하는 온도에 노출되지 않을 것을 요구하며, 이러한 온도는 LPCVD 또는 에피테셜(epitaxial) 프로세스에서 실리콘 또는 실리콘-게르마늄 합금에 대하여 요구되는 약 550??의 증착 온도보다 크게 낮다. 따라서, CMOS 디바이스의 후공정 프로세스에서 이러한 재료를 사용하는 것은 배제된다. 일부 프로세스흐름에서는, MEMS 제조를 CMOS 프로세스의 초반 또는 중반에 통합함으로써 이러한 문제를 우회하는 것도 가능하지만, CMOS 세대 간의 프로세스의 이식성을 제한한다는 점에서 바람직하지 않다.

따라서, 실리콘 또는 실리콘/게르마늄 합금으로부터 MEMS 디바이스 또는 그 디바이스의 컴포넌트를 만들기 위한 저온 방법에 대한 기술이 필요하다. 또한, CMOS 프로세스의 후미에 통합될 수 있고 센서와 액츄에이터를 제조하기 위해 사용될 수 있는, 이러한 재료에 기초한 MEMS 구조 또는 컴포넌트를 제조하는 방법에 대한 기술이 필요하다. 또한, 최상부 전극과 캔틸레버 암의 CTE가 정확하게 매칭되는, RF MEMS 장치 및 이를 만들기 위한 방법에 대한 기술이 필요하다. 본 명세서에서 설명되는 장치 및 방법에 의해서 이러한 필요 및 기타 필요가 만족된다.

도 1 은 종래의 RF MEMS의 탑뷰이고;

도 2는 종래의 RF MEMS의 측면도.

도 3은 본 명세서에 기술된 방법의 실시에 있어서 사용하기 적합한 PACVD 반응기를 나타내는 도면.

도 4 내지 15는 본 발명의 설명에 따라, RF MEMS를 제조하는 하나의 가능한 방법을 설명하는 단면도.

도 16은 상이한 두 전력 설정에서 실리콘의 PACVD를 위한 온도의 함수로서의 증착속도의 그래프.

도 17은 실리콘의 PACVD를 위한 압력의 함수로서의 증착속도의 그래프.

도 18은 금과 실리콘 전극을 갖는 MEMS에 대한 인가 전압의 함수로서의 빔 편향의 그래프.

일 형태로, MEMS 장치를 만드는 방법이 본 명세서에 제공된다. 방법에 따르면, 기판이 제공되고, MEMS 구조 또는 그 컴포넌트가, 실리콘 및 실리콘/게르마늄 합금으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료의 플라즈마 화학기상증착(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition; PACVD)을 통하여 기판 상에 생성된다. PACVD에 수반되는 저온은 이러한 재료를, 이전에는 프로세스 고려사항으로 인하여 사용이 배제되었던 제조 프로세스에 있어서 사용 될 수 있도록 하고, 또한 이러한 재료가 인 시츄(in situ)로 도핑되도록 한다. 이러한 방법에 따르면, PACVD는 다양한 기판 상에서 그리고 다양한 응용분야에서 MEMS 구조(또는 그 컴포넌트)를 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 따라서, 예컨대 PACVD가 CMOS기판 상에 MEMS 구조를 제조하기 위해 사용될 수 있다(이 경우에, MEMS 구조는 예를 들면, 센서 또는 액츄에이터일 수 있음). 또한, PACVD는 RF MEMS 제조 프로세스에서 MEMS 구조 또는 컴포넌트(예를 들면, 전극과 구조적인 요소를 포함함)를 제조하기 위하여 사용될 수 있다.

다른 형태로, MEMS 구조를 만드는 방법이 제공된다.

방법에 따르면, 증착된 상호 연결 금속을 가지는 CMOS 기판이 제공된다. 상호 연결 금속은, 예컨대, 금 또는 알루미늄을 포함한다. MEMS 구조 또는 그 컴포넌트는 실리콘 및 실리콘/게르마늄 합금으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료의 플라즈마 화학기상상착(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition; PACVD)을 통하여 기판 상에 생성된다. 전형적으로 플라즈마 화학기상증착은 약 450℃ 보다 낮은, 바람직하게는 약 400℃ 보다 낮은, 더 바람직하게는 약 350℃ 보다 낮은, 더더욱 바람직하게는 약 300℃ 보다 낮은, 가장 바람직하게는 약 250℃ 보다 낮은 온도에서 전형적으로 발생한다. 원한다면, 재료는 증착될 때 도핑될 수 있다.

또 다른 형태로, 마이크로전자기계적(microelectromechanical) 센서와 액츄에이터를 만드는 방법이 본 명세서에 제공된다. 방법에 따르면, 실리콘, 유리 및 갈륨 비화물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 제1 재료를 포함하는 제1 표면 영역과, 실리콘 산화물과 폴리이미드로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 제2 재료를 포함하는 제2 표면 영역을 적어도 가지는 CMOS기판이 제공된다. 제3 재료의 층은, 적어도 제1 및 제2 영역의 일부분위에 미치는 기판 위에 형성되고, 제3 재료는 실리콘과 실리콘-게르마늄 합금으로 구성되는 그룹으로부터 선택되고, 제3 재료의 층은 약 450℃ 보다 낮은, 바람직하게는 약 350℃ 보다 낮은, 더 바람직하게는 약 300℃ 보다 낮은, 가장 바람직하게는 약 250℃ 보다 낮은 온도에서 플라즈마 화학기상증착법에 의해서 형성된다. 제3 재료를 포함하는 마이크로기계적(micromechanical) 편향 요소를 형성하기 위해서, 적어도 제2 재료의 일부분은 제3 재료의 층 밑으로부터 제거된다.

또 다른 형태로, RF MEMS 스위치를 만들기 위한 방법이 본 명세서에 제공된다. 방법에 따르면, RF MEMS 스위치를 지원하기 위하여 정의된 기타 회로 또는 신호선을 가지는 기판이 제공된다. 기판의 적어도 일부분에는 희생층이 적용된다. RF MEMS 스위치의 구조적인 요소가 희생층 위에 이후 형성되고, 최상부 전극은 플라즈마 화학기상증착 프로세스의 사용을 통하여 구조적인 요소 상에 형성된다. 최상부 전극은, 전형적으로 약 400℃ 보다 낮은, 바람직하게는 약 350℃ 보다 낮은, 더 바람직하게는 약 300℃ 보다 낮은, 가장 바람직하게는 약 250℃ 보다 낮은 온도에서 형성된다. 최상부 전극은, 실리콘과 실리콘-게르마늄 합금으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함한다. 구조적인 요소를 릴리스하기 위하여, 희생층의 적어도 일부분은 이후 구조적인 요소의 밑으로부터 제거된다.

다른 형태로, 실리콘과 실리콘-게르마늄 합금으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함하는 전극을 가지는 RF MEMS 스위치가 제공된다. 스위치는 캔틸레버 암을 포함하는 것이 바람직하고, 전극은 캔틸레버 암의 최상부에 배치되는 것이 바람직하다. 제2 전극은 캔틸레버 암 밑에 위치되는 것이 바람직하다.

또 다른 형태로, 위에 언급된 방법을 사용하여 만들어 질 수 있는 장치가 설명된다.

이러한 형태 및 다른 형태는 이후 상술된다.

화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)은 기체 프리커서(precursor)로부터 필름, 코팅 및 구조를 생성하기 위한 기술 분야에서 널리 사용되어 왔다. 예를 들면, 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD)을 포함하는 몇 가지 다른 종류의 CVD가 현재 알려져 있다. 최근에 상당히 발전된 한 종류의 CVD는, 플라즈마 강화 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Deposition; PECVD)이라고도 불리는, 플라즈마 화학기상증착(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition; PACVD)이다. PACVD에서, 코팅 재료를 생성하는 프리커서에 반응을 유도하는 에너지는 플라즈마 이온 및 전자와 프리커서와의 충돌로부터 온다. 전형적으로 플라즈마 자체는 마이크로 웨이브 또는 전기장의 사용을 통하여 생성된다. PACVD는 프리커서의 열적 유도 반응에 의존하지 않기 때문에, PACVD 프로세스에서 기판이 경험하는 온도는, LPCVD 또는 에피텍시(epitaxy)와 같은 일반적으로 사용되는 다른 증착 프로세스에서 가판이 경험하는 증착 온도보다 종종 낮다.

실리콘 또는 실리콘/게르마늄 합금에 대한 MEMS 제조 프로세스에, 기판이 경험하는 온도를 실질적으로 낮추기 위하여 PACVD가 성공적으로 사용될 수 있다는 것이 현재 알려져 있다. 특히, PACVD는 200-300℃ 범위의 온도에서 실리콘과 실리콘/게르마늄 합금을 증착하기 위하여 사용될 수 있고, 이는 LPCVD 또는 에피텍시에 기초한 MEMS 제조 프로세스에서 이러한 재료들에 대하여 전형적으로 요구되는 약 550℃의 증착 온도와 비교된다. 이것은 온도 제한으로 인하여 종래의 제조 방법(예를 들면, LPCVD 또는 에피텍셜 프로세스)에 맞지 않는 다양한 기판 상에 생성될 실리콘 및 실리콘/게르마늄에 기초한 MEMS 디바이스 및 그 컴포넌트(앵커 부분, 마이크로빔, 캔틸레버 암 및 기타 MEMS 구조 및 컴포넌트를 포함함)를 가능하게 한다. 따라서, 예컨대, PACVD는 RF MEMS 스위치 상에 전극(최상부 전극을 포함)을 형성하는데 사용될 수 있다. PACVD는 가속계, 압력 센서 및 CMOS 기판 상의 이들 디바이스의 컴포넌트를 형성하는데 사용될 수 있고, PACVD는 저온 프로세스가 가능하기 때문에 통합 프로세스의 후공정에서 PACVD를 사용할 수 있게 한다.

본 명세서의 설명에 따른 MEMS 구조 및 컴포넌트의 제조 시 사용하기 적합한 PACVD 반응기는 도 3에 도시된다. 도시된 바와 같이, 반응기(31)는 기판(35)이 장착될 수 있는 반응 챔버(33)로 구성된다. 반응 챔버는 펌프(37)에 의해서 거의 진공 상태로 유지된다. 기판 히터(39)를 사용하여 기판은 반응 챔버 내에서 적합한 증착 온도로 유지될 수 있다. 기판의 온도는 열전대(thermocouple; 41)에 의해 감시된다. 본 명세서에 설명된 응용에서, 기판은 통상 약 450℃보다 낮은, 바람직하게는 약 350℃보다 낮은, 더 바람직하게는 약 300℃보다 낮은, 가장 바람직하게는 약 250℃보다 낮은 온도에서 유지될 것이다.

PACVD 반응기는 기판 상으로 재료를 증착하기 위하여 프리커서 가스의 분해에 의존한다. 예컨대, 실란(SiH₄)이 실리콘의 증착의 프리커서 가스로 사용될 수 있다. 프리커서 가스는 반응 챔버와 연결이 개방되어 있는 가스 저장기(43)로 공급된다. 가스 저장기로의 프리커서 가스의 흐름은 가스 다기관(gas manifold; 45)에 의해서 조정된다. 프리커서 가스가 반응 챔버 내로 유입되면, RF 전극(47)에 의해 생성된 플라즈마와 반응하고, 기판의 표면 상에 막으로서 증착되는 실리콘 및 다른 고체 반응 부산물을 산출하는 분해 반응이 일어난다.

제공되는 낮은 증착 온도에 추가하여, MEMS 제조의 다른 증착 방법에 대하여 PACVD가 제공하는 다른 중요한 장점은 도핑이 인 시츄(in situ)로 실행될 수 있다는 점, 즉 재료가 증착되면서 도핑될 수 있다는 점이다. 이것은, 적절한 도펀트(dopant)를 산출하기 위하여 증착 챔버 내에서 분해 반응을 겪을 수 있는 PACVD의 가스 공급 스트림에 적절한 가스를 혼입함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 예컨대, n-도핑을 원하는 경우 공급 스트림으로는 포스핀(PH₃)이 도입될 수 있고, p-도핑을 원하는 경우 공급 스트림으로는 다이보레인(B₂H₆)이 도입될 수 있다. 각각의 이러한 가스들은, 기본적인 인과 붕소를 산출하기 위해 분해되며, 이후 형성되고 있는 층으로 혼입된다. 이에 비하여, 종래의 방법은 층 또는 구조가 형성된 후에 층 또는 구조의 도핑을 종종 요구한다. 이러한 후-증착 도핑은 기판을 손상시킬 수 있으며, 또한 바람직하지 않은 도핑 변화도(gradient)를 야기할 수 있다.

도펀트가 구조적인 재료에 혼입되면, 다양한 방법에 의해 활성화될 수 있다. 어느 정도의 도핑 활성화는 PACVD 프로세스 자체 중에서 일어날 것이다. 그러나, 완전한 활성화는 다양한 다른 수단에 의해서 달성될 수 있다. 레이저 어닐링은 기판을 고온에 노출시킴 없이 도펀트 활성화를 달성할 수 있기 때문에, 완전한 도펀트 활성화를 위해 특히 바람직한 방법이다.

도 4 내지 15는 본 명세서에서의 설명에 따라 RF MEMS가 만들어질 수 있는 하나의 가능한 제조 시퀀스를 도시한다. 이러한 프로세스에 의하여 만들어진 구조는 도 1 및 도 2에 도시된 종래의 구조와 디자인에 있어서 다르지만, 최상부 금속 전극이 실리콘 전극으로 대체된다는 점을 제외하고는 도 1 및 도 2 에 도시된 것과 유사한 구조를 제조하기 위하여, 동일한 일반적인 방법이 또한 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 고 저항 실리콘, 실리콘 산화물 또는 갈륨비소(GaAs)와 같은 재료를 포함할 수 있는 기판(51)이 제공된다. SiO₂의 층(53)이 일반적으로 약 0.8 μm의 두께까지, 예를 들면, 열 산화에 의해서 기판 상에 증착된다. 도 5에 도시된 바와 같이, RF MEMS 스위치를 지원하기 위한 금속 배선(예를 들면, 신호 입/출력 및/또는 접지 목적임; 55)은 실리콘 산화막 층 위에 제1 포토 마스크(도시되지 않음)를 형성하고 증착과 리프트오프(liftoff)를 함으로써 실리콘 산화막 층 상에 정의된다. 그 후, 폴리이미드 스페이서(57)는 도 6에 도시된 바와 같이 형성된다.

다음에, 제1 SiON 에칭 마스크(59)가 PACVD에 의해서 폴리이미드 층 위에 형성하고 구조에 오목부를 정의하기 위한 제2 포토 마스크(도시되지 않음)를 형성한다. 컨택 오목부(61)와 컨택 포스트 오목부(63)는 희생층을 통하여 구조 내로 부분적으로 에칭되고, 오목부 마스크가 제거되면 도 7에 도시된 구조가 산출된다.

도 8에 도시된 바와 같이, PACVD에 의해 제2 SiON 에칭 마스크(65)가 제1 SiON 에칭 마스크 위에 형성된다. 제3 포토 마스크(도시되지 않음)가 구조 위에 형성되고, 적절한 에칭 방법을 사용하여 층(57)을 통하여 완전히 에칭함으로써 구조의 오목부(67)를 경우하여 앵커를 정의한다. 그 후, 제1 및 제2 SiON 마스크는 도 9에 도시된 바와 같이 구조로부터 제거된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 트래블 스톱(travel stop; 69)과 쇼팅 바(shorting bar; 71)가 컨택 및 컨택 포스트 오목부에 각각 형성되는데, 이들은 제4 포토마스크(도시되지 않음)의 형성 후 증착된 리프트오프를 통하여 구조에서 미리 정의된 것이다. 그 후, 도 11에 도시된 바와 같이, 디바이스의 캔틸레버 부분(73)을 발생시키는 부분 또는 층이 PACVD에 의해 저응력 SiON으로 형성된다. 그 후, 도 12에 도시된 바와 같이, 예를 들면, 실리콘 또는 실리콘/게르마늄 합금을 포함할 수 있는 패터닝된 최상부 전극(75)이 제5 포토마스크(도시되지 않음)의 형성후 증착과 리프트오프에 의하여 캔틸레버 암 상에 형성된다. 최상부 전극을 형성하기 위한 PACVD의 사용은 제공되는 저온 때문뿐만 아니라 실리콘 또는 실리콘/게르마늄 합금이 인 시츄로 도핑될 수 있기 때문에 이득이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 제6 포토마스크(도시되지 않음)의 사용 또는 선택 에칭후 에칭을 통하여, 복수의 에칭 홀(77)이 층에 형성된다. 그 밑에 있는 금속 배선을 노출시키는 것과 유사한 방법으로, 개구(79)가 오목부를 통하여 앵커의 바닥에 정의된다.

도 14에 도시된 바와 같이, 제7 포토 마스크(도시되지 않음)의 형성후 증착과 리프트오프에 의하여, 앵커 패드(81)가 오목부를 통하여 앵커에 형성된다. 결과적인 앵커 패드는 최상부 전극(75)과 본드 패드(55)사이의 전기적 연결을 형성한다. 그 후, 도 15에 도시된 바와 같이, 최종 구조(83)는 폴리이미드 층(55)의 화학적 제거에 의해 릴리스(release)된다.

본 명세서에서의 설명에 따른 실리콘 또는 실리콘-게르마늄 막을 생성하기 위해 사용되는 PACVD 프로세스의 파라미터들은 최종 막의 결정도(crystallinity)를 수정하기 위하여 조작될 수 있다. 예컨대, RF MEMS와 기타 다양한 MEMS 디바이스용 나노-결정 PACVD 실리콘 막을 생성하기 위해, 펄스화된 가스 기술이 채택될 수 있다. 이러한 나노-결정 막은, 특히 저 저항도를 가지는 막을 생성하기 위하여 인 시츄 도핑을 하기 위한 소정의 프로세스에서 유리하다.

본 명세서에서 설명된 장치와 방법은 이하의 제한적이지 않은 예를 참조하여 더 이해될 수 있다.

[예 1 내지 42]

이러한 예는, 기판 상에 실리콘의 저온 증착을 얻기 위한 PACVD의 사용을 설명한다.

일련의 실리콘 웨이퍼 기판이 노벨러스 컨셉 원 플라즈마 강화 화학기상증착 시스템(Novellus Concept One Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System; 캘리포니아 산호세의 노벨러스 시스템사로부터 입수 가능함)의 반응 챔버 안에 위치된다. 이러한 시스템은 캐리어 가스로서 헬륨과 프리커서 가스로서 실란(silane)의 정상 흐름을 제공하기에 적합한 가스 도입구와 진공 펌프를 구비하고 있다. 또한, 이러한 시스템은 반응 챔버 내에서 정상 온도를 유지하기 위한 온도 제어 기구와 조절 가능한 전력 출력을 가지는 마이크로웨이브 소스를 구비하고 있다. 각 실험에 대한, 프리커서가스 및 캐리어 가스의 유량, 마이크로웨이브 소스의 와트 수 및 반응 챔버의 온도와 압력은 표 1에 표시되어 있다.

표 1

표 1에 기술된 데이터로부터 알 수 있듯이, 약 160 Å/min에서 약 1000 Å/min까지 변하는 적층속도를 달성하기 위하여, 350℃(RF MEMS 스위치에 대한 최대 온도 범위)를 넘지 않는 온도 범위 내에서, 증착 프로세스의 파라미터를 변화시키는 것이 가능하다. 증착된 실리콘의 층 두께는 약 700 Å에서 약 3500 Å 이상까지 변하였고, 형성된 층들은 낮은 잔류 응력을 가졌다. 이러한 증착속도와 층 두께는 상용 MEMS 제조 프로세스을 위하여 충분하다.

또한, 표 1의 데이터에서는, 온도, 압력 및 RF 전력의 증착속도에 대한 영향의 관점에서의 어떤 경향을 알 수 있다. 이러한 경향을 보다 잘 설명하기 위하여, 표 1로부터의 선별된 데이터 점들을 도 16 내지 도 17에 그래프로 나타내었다. 따라서, 도 16은 온도(압력 2 Torr에서)의 함수로서의 증착속도를 나타내고, RF 전력 200 watt 및 400 watt에서의 데이터 점들을 포함한다. 도 16에 표시된 바와 같이, RF 전력은 증착속도에 큰 영향을 미치는 것으로 보여지고, 소정의 온도에서 전력이 높은 경우 증착속도가 커진다. 소정의 RF 전력에서 온도는, 다소 작지만, 주목할만한 영향을 증착속도에 미치는 것으로 보인다.

도 17은 350℃의 온도에서 반응 챔버의 압력의 함수로서 증착속도를 나타내는 그래프이다. 이러한 그래프에서 보이는 바와 같이, 증착속도는 테스트된 범위에서 압력에 대하여 선형적으로 변한다.

표 1의 데이터를 다시 참조하면, 증착된 층의 Si-H 결합의 유효체적은 프리커서가스로서 실란을 사용하여 실리콘을 증착하기 위한 PACVD의 사용이 비정질 수소화 실리콘 층을 형성하도록 한다는 것을 암시한다. 비정질 수소화 실리콘은 순수 비정질 실리콘의 물성보다 훨씬 더 우수한 물성을 가지며, 이는 전자에 비하여 후자가 높은 결함 밀도를 가지고 그러한 결함이 트랩된 전하 캐리어가 쉽게 재결합할 수 있도록 하는 효과 때문이다. 그러므로, MEMS 제조에 있어서 PACVD의 사용은 프로세스가 제공하는 저온으로부터의 이득이외의 이득도 가지는 것으로 보여진다.

이러한 결과는, MEMS 제조 프로세스에서 상업적으로 타당한 속도와 층 두께에서 실리콘을 증착하는데 PACVD가 사용될 수 있음을 나타낸다. 또한, 이러한 프로세스에서 기판이 노출되는 온도는 RF MEMS 스위치의 제조 또는 종래의 CMOS 프로세스의 후공정을 포함한 임의의 지점에서 MEMS 구조의 제조 시 사용될 수 있도록 충분히 낮다. 또한, 전기적인 성질의 관점에서, PACVD 프로세스에 의해서 증착된 실리콘의 물리적인 성질은 기타의 방법에 의해서 생성된 실리콘 층보다 우월하다.

[비교예 1]

이 예는 고체 금 최상부 전극으로 만들어진 스위치의 열적 성질을 설명한다.

최상부 전극이 고체 금이고 0.2 μm의 두께를 가지는 것을 제외하고는, 도 15에 도시되고, 도 4 내지 도 15에 도시된 일반적인 방법에 따라 만들어진 종류의 스위치가 제조된다. 금 전극의 탄성률 및 열팽창 계수가 결정되고(60-80℃의 범위의 온도에서), 이들은 표 2에 주어진다.

[예 43-45]

다음의 예들은 PACVD에 의해 만들어진 RF MEMS의 열 안정도를 설명한다.

예 43에서는, 금 전극이 0.3 μm의 두께를 가지는 도핑되지 않은 실리콘 전극으로 대체된 것을 제외하고, 스위치가 비교예 1에서처럼 만들어진다. 전극의 탄성률 및 열팽창 계수는 다시 결정되고, 이들은 표 2에 주어진다.

예 44에서는, 금 전극이 0.3 μm의 두께를 가지는 붕소로 도핑된 실리콘 전극으로 대체된 것을 제외하고, 스위치가 비교예 1에서처럼 만들어진다. 전극의 탄성률 및 열팽창 계수는 다시 결정되고, 이들은 표 2에 주어진다.

예 45에서는, 금 전극이 0.3 μm의 두께를 가지는 인으로 도핑된 실리콘 전극으로 대체된 것을 제외하고, 스위치가 비교예 1에서처럼 만들어진다. 전극의 탄성률 및 열팽창 계수는 다시 결정되고, 이들은 표 2에 주어진다.

표 2

표 2의 결과가 표시하는 바와 같이, 예 43 내지 예 45의 스위치 상의 상부 전극은 금 전극의 열팽창 계수보다 더 낮은 열팽창 계수를 가지고, 이로 인해 비교예 1의 스위치와 비교할 때 예 43 내지 예 45의 스위치의 열 안정도가 향상되었음을 보여준다. 예 43 내지 예 45의 스위치 상의 상부 전극은 비교예 1의 스위치의 전극과 비교할 때, 다소 높은 탄성률을 가지고, 따라서 다소 낮은 민감도를 가진다. 그러나, 이러한 두 파라미터 모두(탄성률과 민감도)는 대부분의 응용에 있어서 수용 가능한 범위 내이거나, 이러한 결과를 최적화하기 위한 어떠한 시도도 하지 않았다.

도 18은 도 12에 도시된 종류의 스위치에서 금을 실리콘으로 대체한 경우의 작동 전압의 효과를 도시한다. 인가된 전압의 함수로서 빔 편향은 비교예 1과 예 43의 스위치에 대하여 측정된다. 도시된 바와 같이, 예 43의 스위치에 대한 50 - 55 V와 비교하여, 비교예 1의 스위치에 대한 동작 전압(즉, 신호선 및 인접하는 전기적 컨택이 상호 전기적인 컨택을 하기 위해 요구되는 전압)은 약 46 - 48 V이므로, 수용 가능한 작동 전압을 가지는 스위치가 실리콘을 기초로 만들어 질 수 있음을 보여준다. 비교예 1의 금에 기초한 전극과 비교할 때, 작동 전압이 약간 증가하는 것은 적어도 부분적으로는 예 43에서의 실리콘 전극의 두께가 더 두껍고 실리콘의 탄성률이 높기 때문이다.

실리콘 또는 실리콘/게르마늄합금으로부터 MEMS 디바이스를 만들기 위한 저온 방법이, 이러한 CMOS 프로세스의 후공정에 통합될 수 있는 재료에 기초한 MEMS 구조를 제조하는 방법과 함께, 본 명세서에 제공되었고, 이러한 방법은 센서와 액츄에이터를 제조하는데 이용될 수 있다. 또한, 종래의 장치와 비교하여 실질적으로 향상된 열 안정도를 나타내도록 최상부 전극과 캔틸레버 암의 CTE가 밀접하게 매칭된 RF MEMS 장치와 이를 만드는 방법이 제공되었다.

본 발명의 상기 설명은 예시적이고 제한되기 위한 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 범위를 벗어남 없이, 다양한 추가, 대체 및 수정이 상기 설명된 실시예로 행하여질 수 있음이 이해되어야 한다. 그러므로, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항을 참조하여 파악되어야 한다.

Claims

멤스(MEMS) 구조를 만들기 위한 방법에 있어서,

상호 연결 금속이 증착된 CMOS 기판을 제공하는 단계; 및

실리콘 및 실리콘-게르마늄 합금으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료의 플라즈마 화학기상증착(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition)을 통하여 상기 기판 상에 MEMS 구조를 생성하는 단계

를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 MEMS 구조는 센서인 방법.
제1항에 있어서,

상기 MEMS 구조는 액츄에이터(actuator)인 방법.
제1항에 있어서,

상기 상호 연결 금속은 금을 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 재료는 증착될 때 도핑되는 방법.
제1항에 있어서,

상기 재료는 약 450℃ 보다 낮은 온도에서 증착되는 방법.
제1항에 있어서,

상기 재료는 약 350℃ 보다 낮은 온도에서 증착되는 방법.
제1항에 있어서,

상기 재료는 약 300℃ 보다 낮은 온도에서 증착되는 방법.
제1항에 있어서,

상기 재료는 약 250℃ 보다 낮은 온도에서 증착되는 방법.
제1항에 있어서,

상기 재료는 비정질의 수소화 실리콘을 포함하는 방법.
마이크로전자기계적(microelectromechanical) 편향 요소를 제조하는 방법에 있어서,

실리콘, 실리콘 산화물 및 갈륨 비화물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 제1 재료를 포함하는 제1 표면 영역 및 실리콘 산화물과 폴리이미드(polyimide)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 제2 재료를 포함하는 제2 표면 영역을 최소한 구비하는 CMOS 기판을 제공하는 단계;

상기 제1 및 제2 영역의 적어도 일부분에 미치는 제3 재료의 층을 제공하는 단계 - 상기 제3 재료는 실리콘 및 실리콘-게르마늄 합금으로 구성되는 그룹으로부터 선택되고, 상기 제3 재료의 상기 층은 약 450℃ 보다 낮은 온도에서 플라즈마 화학기상증착 프로세스를 통하여 형성됨 -; 및

상기 제3 재료를 포함하는 마이크로전자기계적 편향 요소를 형성하기 위하여 상기 제3 재료의 상기 층 밑으로부터 상기 제2 재료의 적어도 일부분을 제거하는 단계

를 포함하는 방법.
제11항에 있어서,

상기 제3 재료의 상기 층은 약 400℃ 보다 낮은 온도에서 형성되는 방법.
제11항에 있어서,

상기 제3 재료의 상기 층은 약 350℃ 보다 낮은 온도에서 형성되는 방법.
제11항에 있어서,

상기 제3 재료의 상기 층은 약 300℃ 보다 낮은 온도에서 형성되는 방법.
제11항에 있어서,

상기 제3 재료의 상기 층은 약 250℃ 보다 낮은 온도에서 형성되는 방법.
제11항에 있어서,

상기 제3 재료는 실리콘을 포함하는 방법.
제11항에 있어서,

상기 제3 재료는 게르마늄을 포함하는 방법.
제11항에 있어서,

상기 제3 층은 형성될 때 도핑되는 방법.
제18항에 있어서,

상기 제3 층을 도핑하는데 사용되는 도펀트는 붕소 또는 인인 방법.
제11항에 있어서,

상기 마이크로전자기계적 편향 요소는 센서의 컴포넌트인 방법.
제11항에 있어서,

상기 마이크로전자기계적 편향 요소는 액츄에이터의 컴포넌트인 방법.
제11항에 있어서,

상기 제3 재료는 비정질의 수소화 실리콘을 포함하는 방법.
RF 멤스(MEMS) 스위치를 제조하는 방법에 있어서,

RF MEMS 스위치를 지원하기 위하여 정의된 회로를 갖는 기판을 제공하는 단계;

상기 기판의 적어도 일부분에 희생층을 적용하는 단계;

상기 희생층의 적어도 일부분에 미치는 RF MEMS 스위치의 구조적인 요소를 형성하는 단계;

플라즈마 화학기상증착(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) 프로세스를 사용하여, 상기 구조적인 요소의 표면 상에 전극을 형성하는 단계 - 상기 전극은 실리콘과 실리콘-게르마늄 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함함 -; 및

상기 구조적인 요소를 릴리스(release)하기 위하여 상기 구조적인 요소 밑으로부터 상기 희생층의 적어도 일부분을 제거하는 단계

를 포함하는 방법.
제23항에 있어서,

상기 구조적인 요소는 상기 희생층 상에 SiON 층을 증착하고 패터닝함으로써 형성되는 방법.
제23항에 있어서,

상기 희생층은 폴리이미드(polyimide)를 포함하는 방법.
제23항에 있어서,

상기 회로는 금을 포함하는 방법.
제23항에 있어서,

상기 구조적인 요소는 약 350℃ 보다 낮은 온도에서 형성되는 방법.
제23항에 있어서,

상기 구조적인 요소는 약 300℃ 보다 낮은 온도에서 형성되는 방법.
제23항에 있어서,

상기 구조적인 요소는 약 250℃ 보다 낮은 온도에서 형성되는 방법.
제23항에 있어서,

상기 재료는 비정질의 수소화 실리콘을 포함하는 방법.