KR100210848B1 - 실리콘 미세 기계의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 미세 기계의 제조방법에 관한 것으로서 제1도전형의 실리콘기판 상의 소정 부분에 불순물이 고농도로 도핑된 확산영역을 형성하는 공정과, 상기 확산영역을 포함하는 실리콘기판 상에 에피택셜층을 형성하고 상기 에피택셜층 상에 산화막을 형성하는 공정과, 상기 실리콘기판의 하부 표면에 오믹접촉층을 형성하는 공정과, 상기 산화막을 상기 확산영역의 소정 부분과 대응하는 부분이 다수 개의 줄무늬 형태를 이루도록 패터닝하여 상기 에피택셜층의 소정 부분을 노출시키는 공정과, 상기 산화막을 마스크로 사용하여 상기 에피택셜층의 노출된 부분을 식각하여 다수 개의 줄무늬 형태의 빔을 형성하고 상기 산화막을 제거하는 공정과, 상기 다수 개의 빔 하부의 확산영역을 제거하는 공정을 구비한다. 따라서, 실리콘 기판의 하부 표면을 연마하지 않으므로 실리콘기판이 오염되는 것을 방지할 수 있으며 빔이 휘어질 공간을 한정하기 위해 확산영역을 전기화학적 식각방법으로 짧은 시간에 제거할 수 있으며, 또한, 에피택셜층의 상부만을 마스크 정렬하여 빔을 형성하고 확산영역을 마스크 없이 제거하므로 정렬 오차의 발생을 방지할 수 있다.
Description
제1도(a) 내지 (c)는 종래 기술에 따른 실리콘 미세 기계의 제조공정도.
제2도(a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 실리콘 미세 기계의 제조공정도.
제3도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제조방법에 의해 제조된 실리콘 미세 기계의 사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : 실리콘기판 23 : 확산영역
25 : 에피택셜층 27 : 산화막
29 : 오막접촉층 31 : 빔
본 발명은 실리콘 미세 기계의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히, 실리콘기판에 불순물이 고농도로 도핑되어 형성된 확산영역을 전기화학적식각 방법으로 제거하여 빔이 휘어질 공간을 한정하는 실리콘 미세 기계의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 실리콘을 이용한 유압, 압력, 속도, 진동 및 무게 등을 감지할 수 있는 센서들이 개발되고 있다. 이러한 센서들은 실리콘의 우수한 기계적 특성과 반도체 공정기술을 이용함으로써 소자의 소형화, 경량화 및 저가격화가 가능하다. 또한, 센서의 신호처리를 위한 주변 회로를 동일한 칩(chip)상에 집적할 수 있으므로 신뢰성, 감도 및 신호 대 잡음(S/N) 특성이 우수하며 시스템에 적용성이 용이하다.
실리콘을 이용한 센서는 유압, 압력, 속도, 진동 및 무게 등의 물리적 힘이 인가되는 미세 기계 구조부와, 인가되는 물리적 힘을 전기적 신호로 변환하는 변환소자부와, 정격 출력을 만들어 주는 신호 처리부로 구성된다.
상기 미세 기계 구조부는 실리콘 센서의 핵심부분으로 실리콘 미세 가공 기술로 제조되며 진동판(diaphragm), 외팔보(cantilever) 및 에어-브릿지(air-bridge) 등의 구조를 갖는다.
제1도(a) 내지 (c)는 종래 기술에 따른 실리콘 미세 기계의 제조공정도이다.
제1도(a)를 참조하면, P형의 실리콘기판(11)상에 N형의 에피택셜층(epitaxial layer:13)을 형성한다. 그리고, 에피택셜층(13)상을 열산화하여 상부산화막(15)을 형성하고 실리콘기판(11)을 소정 두께가 되도록 뱅면연마(backgrinding) 방법으로 하부 표면을 연마한다. 그 다음, 실리콘 기판(11) 하부 표면을 열산화하여 하부산화막(17)을 형성한다.
제1도(b)를 참조하면, 하부산화막(17)의 4개의 모서리 중 1개 모서리를 포함하는 가장자리 부분과 가운데 부분을 포토리쏘그래피(photolithography) 방법으로 제거하여 실리콘기판(11)의 하부 표면을 노출시킨다. 이때, 하부산화막(17)은 'ㄷ'자 형태를 이루게 된다. 그리고, P형의 실리콘기판(11)과 N형의 에피택셜층(13) 사이에 역방향의 전계를 인가하면서 KOH, EPW(Ethylenediamine Pyrocatechol Water) 또는 히드라진(Hydrazine) 등의 비등방성 식각 용액으로 실리콘기판(11)의 노출된 하부표면을 식각한다. 이때, 하부산화막(17)은 식각마스크로 사용되어 실리콘기판(11)은 3개의 측벽(12)으로 형성된다. 상기에서 상기 식각 용액은 실리콘기판(11)을 비등방성으로 식각하며, 실리콘기판(11)과 에피택셜층(13)에 인가되는 역방향의 전압은 경계면에서 공핍층이 형성되어 에피택셜층(13)이 식각되는 것을 방지한다. 그러므로, 에피택셜층(13)은 식각정지층이 되어 실리콘기판(11)만을 선택적으로 식각되도록 한다. 상기에서 실리콘기판(11)을 60∼120℃ 정도의 온도에서 식각하나 온도가 높을수록 식각 속도가 빠르다.
제1도(c)를 참조하면, 상부산화막(15)을 실리콘기판(11)으로 이루어진 3개의 측벽(12)들 중 마주하지 않는 것의 상부에서 일측이 연결되고 타측이 줄무늬(stripe) 형태를 갖도록 포토리쏘그래피 방법으로 패터닝한다. 그리고, 상부산화막(15)을 마스크로 사용하여 에피택셜층(13)을 패터닝하여 일측이 연결되고 타측이 줄무늬 형태를 갖는 외팔보(cantilever) 형태의 다수 개의 빔(beam:19)을 형성한다. 상기 다수 개의 빔(19)은 상기 일측 및 양측이 실리콘기판(11)으로 형성된 측벽(12)에 지지된다. 그 다음, 상부 및 하부산화막(15)(17)을 제거한다.
상술한 방법에 따라 형성하는 실리콘 미세 기계는 외부의 유압, 압력, 속도, 진동 및 무게 등의 물리적인 힘에 의해 빔들이 휘어져 응력이 발생되는데, 이 발생된 응력을 변환소자부에서 전기적 신호로 변환시켜 빔에 인가하는 힘의 세기를 감지한다.
그러나, 상술한 실리콘 미세 기계의 제조방법은 실리콘기판의 하부표면을 연마할 때 연마된 실리콘 입자에 의해 오염되며, 또한, 실리콘기판을 비등방성 식각시 식각 시간이 길어지는 문제점이 있었다. 그리고, 빔을 측벽이 형성되지 않은 부분에 형성하기 위해 에피택셜층의 상부 및 하부를 정렬하여야 하므로 정렬이 어렵고 오차가 발생되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 빔이 휘어질 공간을 전기화학적 방법으로 식각하여 한정하므로 식각 시간이 짧고 실리콘기판이 오염되는 것을 방지할 수 있는 실리콘 미세 기계의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 빔을 형성하고 확산영역을 마스크없이 제거하여 오차가 발생되는 것을 방지할 수 있는 실리콘 미세 기계의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실리콘 미세 기계의 제조방법은 제1도전형의 실리콘기판 상의 소정 부분에 불순물이 고농도로 도핑된 확산영역을 형성하는 공정과, 상기 확산영역을 포함하는 실리콘기판상에 에피택셜층을 형성하고 상기 에피택셜층 상에 산화막을 형성하는 공정과, 상기 실리콘기판의 하부 표면에 오믹접촉층을 형성하는 공정과, 상기 산화막을 상기 확산영역의 소정 부분과 대응하는 부분이 다수 개의 줄무늬 형태를 이루도록 패터닝하여 상기 에피택셜층의 소정 부분을 노출시키는 공정과, 상기 산화막을 마스크로 사용하여 상기 에피택셜층의 노출된 부분을 식각하여 다수 개의 줄무늬 형태의 빔을 형성하고 상기 산화막을 제거하는 공정과, 상기 다수 개의 빔 하부의 확산영역을 제거하는 공정을 구비한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
제2(a)도 내지 (c)도는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 미세 기계의 제조공정도이다.
제2(a)도를 참조하면, 결정면이 (100)이고 저항률이 2Ω·cm인 N형의 실리콘기판(21) 상부의 소정 부분에 인(Phosphorus) 등의 N형 불순물을 1018/cm2이상의 고농도로 10∼15㎛ 정도의 깊이로 도핑하여 확산영역(23)을 형성한다. 그리고, 확산영역(23)을 포함하는 실리콘기판(21) 상에 저항률이 10Ω·cm인 N형의 에피택셜층(25)을 3∼5㎛ 정도의 두께로 형성하고, 상기 에피택셜층(25)의 상부 표면에 열산화 방법으로 2000∼3000Å 정도 두께의 산화막(27)을 형성한다. 그 다음, 실리콘기판(21)의 하부 표면에 양극 반응시 전류가 균일하게 분포시키기 위한 오믹접촉층(29)을 형성한다. 상기 오믹접촉층(29)은 상기 N형의 불순물을 1000∼1100℃ 정도의 온도에서 15∼25분 동안 확산하여 형성하거나 알루미늄 등의 도전성 금속을 증착하여 형성한다. 상기에서 N형의 실리콘기판(21) 상에 확산영역(23) 및 에피택셜층(25)을 N형으로 형성하였으나 P형으로도 형성할 수도 있다.
제2(b)도를 참조하면, 산화막(27) 상에 감광막(도시하지 않음)을 도포한 후 노광 및 현상하여 확산영역(23)과 대응하는 부분이 다수 개의 줄무늬 형태를 갖도록 한다. 그리고, 상기 감광막을 마스크로 사용하여 산화막(27)의 노출된 부분을 습식 식각 방법으로 제거하여 에피택셜층(25)을 노출시킨다. 이때, 실리콘기판(21)의 확산영역(23)이 형성되지 않은 부분과 대응하는 부분은 제거되지 않고 상기 줄무늬 형태와 한 몸체를 이룬다. 그리고, 상기 감광막을 제거한다.
제2(c)도를 참조하면, 산화막(27)을 마스크로 사용하여 에피택셜층(25)의 노출된 부분을 KOH 등의 등방성 식각 용액이나, 또는, HNO3:HF가 98:2의 비율로 혼합된 이방성 식각 용액으로 제거하여 줄무늬 형태의 다수 개의 빔(31)을 형성한다. 그리고, 에피택셜층(25) 상에 잔류하는 산화막(27)을 제거하여 학산영역(23)을 전기화학적식각(electropolishing) 방법으로 선택적으로 제거하여 빔(31)이 후어져 변형될 수 있는 공간을 한정하고 오믹접촉층(29)을 식각하여 제거한다. 상기 전기화학적식각 방법은 3∼5wt%의 HF 수용액에서 N형의 확산영역(23)과 오믹접촉층(29) 사이에 전계를 인가하여 50∼300mA/cm2의 전류 밀도에서 수행한다. 이때, 확산영역(23)은 불순물이 고농도로 도핑되어 있으므로 HF 수용액의 계면에서 공핑영역의 폭이 작아지므로 작언 전압을 인가해도 고전계가 형성된다. 따라서, 공핍영역에서 제너 브레이크다운(Zener breaddown)에 의한 전자-정공쌍이 생성되며, 이 생성된 정공에 의해 확산영역(23)을 선택적으로 양극 반응시켜 제거한다. 상기에서 실리콘기판(21)의 확산영역(23)이 형성되지 않은 부분과 에피택셜층(25)은 N형의 불순물이 저농도로 도핑되어 있으므로 인가되는 전압에 의해 표면 장벽의 높이가 높아지고 정공도 거의 없으므로 양극 반응에 필요한 정공이 공급되지 않아 양극 반응이 일어나지 않아 식각되지 않는다. 따라서, 실리콘기판(21)의 확산영역(23)이 형성되지 않은 부분과 에피택셜층(25)에 대해 확산영역(23)을 선택적으로 제거할 수 있다.
제3도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제조방법에 의해 제조된 실리콘 미세 기계의 사시도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 미세 기계의 제조방법은 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법과 거의 동일하다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에 있어서 활성영역(23)을 상술한 방법과 다르게 실리콘기판(21) 상의 전 표면에 형성한다. 그러므로, 빔(31)이 휘어져 변형되는 공간을 한정하기 위해 활성층(23)을 시간을 조절하면서 전기화학적식각 방법으로 제거한다. 이는 활성층(23)이 실리콘기판(21)의 전 표면에 형성되므로 선택적으로 제거되지 않으므로 식각 시간을 조절하여 모두 제거되어 다수 개의 빔(31)이 형성된 에피택셜층(23)이 실리콘기판(21)을 포함하는 몸체와 분리되는 것을 방지한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 실리콘 미세 기계의 제조방법은 실리콘기판 상의 소정 부분에 불순물을 고농도로 도핑하여 확산영역을 형성하고, 이 확산영역을 포함하는 실리콘 기판상에 에피택셜층을 형성한 후 이 에티택셜층을 확산영역과 대응하는 부분이 다수 개의 줄무늬 형태를 갖는 산화막을 마스크로 사용하여 패터닝하여 실리콘기판의 확산영역이 형성되지 않은 부분과 대응하는 제거되지 않은 부분과 한 몸체를 이루는 줄무늬 형태의 다수 개의 빔을 형성한다. 그리고, 확산영역을 오믹접촉층과 사이에 전계를 인가하면서 식각하는 전기화학식각 방법으로 선택적을 제거하여 빔이 휘어져 변형될 수 있는 공간을 한정한다.
따라서, 본 발명은 실리콘기판의 하부 표면을 연마하지 않으므로 실리콘기판이 오염되는 것을 방지할 수 있으며 빔이 휘어질 공간을 한정하기 위해 확산영역을 전기화학적식각 방법으로 짧은 시간에 제거할 수 있는 잇점이 있다. 또한, 에피택셜층의 상부만을 마스크 정렬하여 빔을 형성하고 확산영역을 마스크없이 제거하므로 정렬 오차의 발생을 방지할 수 있는 잇점이 있다.
Claims (16)
- 제1도전형의 실리콘기판 상의 소정 부분에 불순물이 고농도로 도핑된 확산영역을 형성하는 공정과, 상기 확산영역을 포함하는 실리콘기판 상에 에피택셜층을 형성하고 상기 에피택셜층 상에 산화막을 형성하는 공정과, 상기 실리콘기판의 하부 표면에 오믹접촉층을 형성하는 공정과, 상기 산화막을 상기 확상영역의 소정 부분과 대응하는 부분이 다수개의 줄무늬 형태를 이루도록 패터닝하여 상기 에피택셜층의 소정 부분을 노출시키는 공정과, 상기 산화막을 마스크로 사용하여 상기 에피택셜층의 노출된 부분을 식각하여 다수 개의 줄무늬 형태의 빔을 형성하고 상기 산화막을 제거하는 공정과, 상기 다수 개의 빔 하부의 확산영역을 제거하는 공정을 구비하는 실리콘 미세 기계의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 실리콘기판이 N형인 실리콘 미세 기계의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 확산영역 및 에피택셜층을 N형으로 형성하는 실리콘 미세 기계의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 확산영역 및 에피택셜층을 P형으로 형성하는 실리콘 미세 기계의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 확산영역을 실리콘기판 상의 소정 부분에 선택적으로 형성하는 실리콘 미세 기계의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 확산영역을 실리콘기판 상의 전 표면에 형성하는 실리콘 미세기계의 제조방법.
- 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 확산영역을 10∼15㎛의 깊이로 형성하는 실리콘 미세 기계의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 에피택셜층을 3∼5㎛의 두께로 형성하는 실리콘 미세 기계의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 산화막을 열산화 방법으로 2000∼3000Å의 두께로 형성하는 실리콘 미세 기계의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 오믹접촉층을 N형의 불순물을 도핑하거나, 또는 도전성 금속을 증착하여 형성하는 실리콘 미세 기계의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 에피택셜층의 노출된 부분을 KOH의 등방성 식각 용액이나, 또는, HNO3:HF가 98:2의 비율로 혼합된 이방성 식각 용액을 제거하는 실리콘 미세 기계의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 확산영역을 전기화학적식각 방법으로 선택적으로 제거하는 실리콘 미세 기계의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 확산영역을 시간을 조절하면서 전기화학적식각 방법으로 제거하는 실리콘 미세 기계의 제조방법.
- 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 전기화학적식각을 HF 수용액에서 확산영역과 오믹접촉층 사이에 전계를 인가하면서 수행하는 실리콘 미세 기계의 제조방법.
- 제14항에 있어서, 상기 전기화학적식각을 3∼5wt%의 HF 수용액과 인가되는 전계에 의한 50∼300mA/cm2의 전류 밀도에서 수행하는 실리콘 미세 기계의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 오믹접촉층을 제거하는 공정을 더 구비하는 실리콘 미세 기계의 제조방법.
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