KR100424704B1 - 마이크로 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 폴리 실리콘 박막(5)이 SOI-기판의 바디-실리콘층(3) 위에 배치된, 마이크로 부품으로 설계된 상대적 압력 센서 또는 축소된 마이크로폰에 관한 것이다. 기판의 후면에 리세스(9)가 존재하며, 상기 리세스(9)는 바디-실리콘층의 개구(10)를 통해 박막과 바디-실리콘층 사이의 공동부(6)와 연결된다. 따라서 상기 개구에 의해 박막의 진동시 공동부내에서 압력 균형이 이루어질 수 있다. 측정은 도전 도핑된 박막의 전기 접속부(12, 13) 및 바디-실리콘층에 형성된 도핑 영역(8)에 의해 용량적으로 이루어진다.

Description

마이크로 센서 {MICROMECHANICAL SENSOR}
고배율로 축소된 센서는 매우 다양한 용도로 사용되며, 상기 센서의 도움으로 압력 차이 또는 압력 변화를 측정할 수 있다. 제 2 체적부에 포함된 가스와 비교하여 제 1 체적부에 포함된 가스의 상대적 압력을 측정 할 때, 압력 차이의 측정을 위한 상대적 압력 센서가 사용된다. 이러한 경우, 가스 체적부들에서의 2개의 압력을 별도로 측정하고 이러한 절대적 측정치를 서로 비교하는 것이 가능하다. 그러나 이러한 압력 센서가 2개의 가스 체적부와 연결되고, 존재하는 압력 차이가 곧바로 상기 센서로부터 제공된 측정값으로 나타날 때, 측정이 매우 간단하고 바람직하게 이루어진다.
상기 방식의 센서는 짧은 시간 동안의 압력 변동 특히, 음파의 측정에 추가적으로 사용될 수 있으며, 이러한 용도에서 센서는 음파를 전기 신호로 전환하기 위한 음향 변환기, 즉 마이크로폰을 의미한다. 실리콘으로 된 마이크로 부품(micromechanical component)으로서 마이크로폰은 약 12년 동안 생산되고 있다. 발전에 관한 개략적인 내용은 P. R. Scheeper 등의 간행물: 센서 및 엑츄에이터에서의 "A Review of Silicon Microphones"A 44, 1-11(1994)에 포함되어 있다. 마이크로폰의 구동 회로로 제공된 전자 부품이 CMOS-공정의 틀(framework)내에서 제조될 때, 마이크로폰의 마이크로 부품 제조가 상기 공정과 조화되는(compatible) 것이 바람직하다. 마이크로폰에서, 칩에 고정 배치된 대응 전극(backplate electrode)에 대한 도전성 마이크로폰 박막의 용량성 측정을 하는 경우, 지금 까지는 서로 접속된 2개의 칩이 사용되었다. 하나의 칩에는 박막을 갖는 마이크로 센서 구조물이 배치되고, 다른 칩에는 대응 전극이 배치된다. 이러한 마이크로폰은 예를 들어 T. Bourourina 등의 간행물: 센서 및 엑츄에이터 A.31, 149-152(1992), "A new condenser microphone with a p+silicon membrane"에 설명된다.
마이크로 마이크로폰에서 발생하는 문제점은, 작은 박막이 약간만 휠 수 있어서 기압 변동에 대한 감도가 낮다는 것이다. 이 외에도, 측정 전극 사이의 공기는 박막의 강한 댐핑을 의미한다. 왜냐 하면 공기가 빠르고 많이 그리고 충분히 압축될 수 없기 때문이다. 그 결과, 마이크로폰의 감도가 감소한다. 따라서, 측정 전극들 사이의 공기의 압력 균형을 이루는 것이 필요하다.
본 발명은 마이크로(micromechanical) 센서에 관한 것이다.
도 1은, MOSFET가 집적된, 본 발명에 따른 마이크로 센서의 횡단면을 도시한다. 상기 MOSFET는 예를 들어 CMOS-공정의 틀 안에서 제조될 수 있다.
본 발명의 목적은, 간단하게 제조할 수 있으며 간단하게 전기 구동 회로와 접속될 수 있는, 압력 차이 또는 압력 변동의 측정을 위한 마이크로 센서를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 제 1항의 특징부를 갖는 센서에 의해 달성된다. 추가 실시예는 종속항에서 다루어진다.
본 발명에 따른 센서는, 두꺼운 벌크(bulk)-실리콘층이 예를 들어 2산화 실리콘일 수 있는 절연층에 의해 얇은 바디-실리콘층으로부터 분리되는, SOI-기판을 사용한다. 센서의 박막은 바디-실리콘층 위의 간격층에 배치되고, 상기 간격층은 박막의 진동을 가능하게 하는 공동부를 포함한다. 상기 공동부는 바디-실리콘층의 개구에 의해서 그리고 절연층 및 벌크-실리콘층의 큰 리세스(recess)에 의해서 대기(enviroment)와 연결되어, 압력 균형이 이루어질 수 있다. 따라서 박막이 진동할 때, 박막 아래에 있는 공기 체적은 바디-실리콘층의 개구를 통한 공기의 유입 및 배출에 의해 압력의 큰 변화 없이 증대 또는 감소된다. 따라서 박막은 상기 센서에서 경미하게 댐핑된다. 그 결과, 센서의 감도가 높아져서 마이크로폰에서의 사용에 적합하다. 마찬가지로, 박막 위의 매질과 박막 아래의 매질 사이의 압력차가 측정되어야 할 때, 이러한 센서 구조물이 상대적 압력 센서로 사용될 수 있다. 이것은, 공동부로의 개구로 인해 박막의 후면이 외부 기압에 노출될 수 있음으로써 가능하다.
첨부한 도면을 참고로 본 발명의 실시예를 자세히 살펴보면 하기와 같다.
사용된 SOI-기판은, 바람직하게 실리콘이고 벌크-실리콘층(1)으로 표시되는 두꺼운 캐리어층을 포함한다. 그 위에는, 바람직하게 2산화 실리콘인 절연층(2)이 위치한다. 부품의 제조를 위해 그 위에 얇은 실리콘층, 소위 바디-실리콘층(3)이 제공된다. 상기 바디-실리콘층(3)상에는 박막층(5)을 지지하는 간격층(4)이 배치된다. 상기 간격층에는 공동부(6)가 있으며, 상기 공동부(6)에 의해 박막의 진동이 가능하다. 상기 박막(7)은 박막층(5) 영역에 의해 형성되며, 상기 영역은 외부에 노출되고 따라서 외부 기압에 노출될 수 있다. 간격층(4)은 바람직하게 박막층(5)의 재료에 대해 선택적으로 에칭될 수 있는 재료이다. 박막층(5)이 (결정) 실리콘 또는 폴리 실리콘일 때, 간격층은 바람직하게 실리콘 산화물로 제조된다. 그러면 간격층은 바디-실리콘층(3)의 표면에서 국지적인 열산화(LOCOS)에 의해 제조된 산화물층일 수 있다. 간격층(4)과 그 위에 제공된 박막층(5) 사이에 얇은 TEOS-층이 제공될 수 있다.
바디-실리콘층(3)에는 도핑 영역(8)이 형성된다. 박막층(5)은 도전적으로 도핑되거나 또는 상기 박막층(5)에 얇은 도전층, 예를 들어 금속화된 금속층이 제공된다. 용량 측정을 위해서 전기 접속부가 콘택(12, 13)으로서 도핑 영역(8) 및 박막층(5)에 제공된다. 박막(7)이 진동하고 그에 따라 대응 전극으로 작용하는 도핑 영역(8)으로부터의 간격이 변하면, 센서의 커패시턴스가 변한다. 상기 커패시턴스 변화는, 전극에 전압이 제공될 때, 연결된 평가 회로에 의해 측정 가능한 전기 신호(전압, 전류), 예를 들어 커패시턴스 변화에 의해 발생하는 전류로 변환될 수 있다.
층평면에 대해 수직인 박막의 돌출부의 후면에는 리세스(9)가 존재한다. 상기 리세스(9)는 벌크-실리콘층(1) 및 절연층(2)의 개구에 의해 형성된다. 바디-실리콘층(3)의 박막 아래에는 공동부(6)를 상기 리세스(9)와 연결하는 개구(10)가 있다. 상기 개구(10)는, 공기 또는 다른 가스가 상기 개구(10)를 통해 유입 또는 배출됨으로써, 주어진 용도에 맞춰 충분히 우수한 압력의 균형이 공동부(6)에서 이루어질 수 있을 정도로 크게 그리고 다수로 형성된다. 동일한 기판상에 전자 부품을 갖는 마이크로 센서의 집적이 가능함을 도시하기 위해, 도 1에는 예로서 MOSFET(11)가 도시된다. 따라서 트리거 회로에 필요한 부품은 CMOS-공정 범위내에서 본 발명에 따른 센서와 함께 동일한 칩에 집적되어 제조될 수 있다.
상기 센서의 제조는 SOI-기판으로부터 출발한다. 바디-실리콘층에 형성될 개구(10)는, 바디-실리콘층(3)에 이미 처음부터 절연층(2)까지 도달하고 2산화 실리콘으로 채워지는 호울이 에칭됨으로써, 간단하게 형성될 수 있다. 도핑 영역(8)이 예를 들어 도펀트의 확산에 의해 형성되며, 간격층(4)의 형성을 위해 보조층(희생층)이 형성된다. 상기 보조층은, 바디-실리콘층(3)의 표면이 LOCOS에 의해 실리콘 산화물로 산화됨으로써, 최적으로 형성된다. 상기 보조층 표면상에는 경우에 따라서 얇은 TEOS-층이 증착되고 그 위에 폴리 실리콘층이 제공된다. 박막용으로 제공된 상기 폴리 실리콘층은 바람직하게 1 ㎛보다 두껍지 않게 형성된다. 상기 층이 약 500 nm의 두께일 때, 센서의 감도는 이에 상응하게 높아진다. 박막층(5)의 폴리 실리콘은 예를 들어 한 공정 단계에서 MOSFET용으로 제공된 게이트-전극과 함께 증착될 수 있다. 바디-실리콘층의 전자 부품은 종래의 방법으로 제조된다(종래의 VLSI-공정, CMOS-공정). 부품의 표면은 예를 들어 BPSG(붕소인실리케이트글라스)로 평탄화된다. 상기 평탄화층에 콘택 호울이 형성되고 접속될 개별 영역의 전기 접속을 위해 콘택 금속으로 채워진다. 유전체층에 의해 서로 분리된 다양한 금속화 면이 형성되고 구성된다.
이어서, 기판이 후면부터 가공된다. 벌크-실리콘층(1)은 예를 들어 적합한 포토 기술을 이용하여 센서 영역에서 에칭된다. 실리콘은 예를 들어 KOH에 의해 SiO2에 대해 선택적으로 제거된다. 바람직하게 SiO2인 절연층(2)은 상기 에칭 공정에 대한 에칭 차단부로 작용한다. 리세스(9)를 위해 제거될 실리콘이 벌크-실리콘층(1)으로부터 에칭되면, SiO2및 형성될 개구(10)에 삽입된 SiO2-부분이 제거된다. 이것은 예를 들어 플루오르화수소산(HF)에 의해 실리콘에 대해 선택적으로 실행된다. 공동부(6)는 상기 에칭 단계와 함께 형성될 수 있다. 공동부(6) 영역에 존재하는 보조층의 2산화 실리콘이, 본 발명에서 에칭 개구로 작용하는 개구(10)에 의해 제거된다. 이에 대한 대안으로, 바디-실리콘층(3)의 표면을 평탄화하기 전에 BPSG를 이용하여 박막층(5)에서, 바람직하게는 형성될 공동부(6) 영역의 에칭 개구에서 에칭하고, 상기 에칭 개구를 이용하여 공동부(6)를 형성하는 것이 가능하다. 제공될 평탄화층은 동시에 차단층으로 사용되며, 상기 차단층에 의해 박막층의 에칭 개구가 차단된다. 예를 들어 금속일 수 있는 별도의 차단층이 박막층상에 제공될 수 있다. 이러한 금속층이 차단층으로 제공되는 경우, 박막의 폴리 실리콘은 도핑되지 않는다. 왜냐 하면 금속 차단층이 용량 측정을 위한 전극으로 사용될 수 있기 때문이다. 상기 방식의 VLSI-공정으로 제조될 수 있는 매우 얇은 층으로 인해 상기 센서는 높은 감도를 가지며, 이것은 특히 마이크로폰으로 사용될 때 장점이 있다.
전술한 센서는 상대적 압력 센서로도 사용될 수 있다. 상기 센서를 갖는 칩은 2개의 분리된 가스 용기 사이에 제공된다. 2개의 용기내에 있는 가스는 각각 박막의 상부면 또는 하부면에 연결된다. 또한, 박막의 후면 뒤에 있는 가스에 대한 박막의 전면 앞에 있는 가스의 짧은 시간 동안의 압력 변동을 검출하기 위한 상대적 압력 센서가 사용된다. 따라서 상기 센서는 예를 들어 충격파(shock wave)의 검출에 적합하다. 액체에서 상대적 압력 센서를 사용할 때, 개구(10)의 치수가 이에 상응하게 조절된다. 기판쪽으로(박막의 전면상의 과압력) 또는 기판 반대쪽으로(박막의 후면상의 과압력)의 박막의 휨을 감지하기 위해, 바람직하게 동일한 방식으로 구성된 제 2 센서가 동일 칩 즉, 상대적 압력 센서에 집적된다. 기준 센서로 작용하는 제 2 센서에서 마이크로 부품의 구조는 측정을 위해 제공된 센서의 구조와 동일하다. 그러나, 상기 기준 센서 박막의 휨은 예를 들어, 보조층의 나머지 부분이 공동부(6)내에 놓임으로써 방지된다. 극단적인 경우 공동부가 생략되고 간격층(4)으로 완전히 대체될 수 있다. 도핑 영역(8) 및 박막(7)에 의해 형성된 커패시터의 유전 상수의 변화 때문에, 가능한 많은 간격층(4)의 재료를 제거하고 공동부(6)에서의 박막(7)을 지지하기 위한 하나 또는 소수의 나머지만을 남겨놓는 것이 추천된다. 결과적으로, 박막은 정상 위치에 고정된다. 즉, 자유롭게 움직일 수 있는 박막은 센서의 전면 및 후면에서 동일한 소정 압력을 취하는 위치에 고정된다. 측정을 위해 제공된 센서에서 박막의 휨은 상기 기준 센서의 커패시턴스와의 비교에 의해 결정될 수 있다. 상기 방식에서, 비교적 간단한 트리거 회로를 사용하여 한쪽면의 과압을 매우 정확하게 검출할 수 있다.
본 발명에 의해, 간단하게 제조할 수 있으며 간단하게 전자 트리거 회로와 접속될 수 있는, 압력 차이 또는 압력 변동의 측정을 위한 마이크로 센서가 제공된다.

Claims (3)

  1. 바디-실리콘층(3), 절연층(2), 벌크-실리콘층을 갖는 SOI-기판상의 마이크로 센서로서,
    - 상기 바디-실리콘층상에 간격층(4)이 존재하고 그 위에 박막층(5)이 존재하며,
    - 박막의 형성을 위해 공동부(6)가 상기 간격층에 존재하며, 박막(7)을 형성하는 박막층 영역내에서 간격층이 제거되고,
    - 적어도 박막을 형성하는 영역의 부분에 박막층이 도전적으로 형성되거나 상기 박막층에 도전층이 제공되고 전기 접속을 위한 해당 콘택(12)이 존재하며,
    - 층평면에 대해 수직인 바디-실리콘층의 박막의 돌출부에 도핑 영역(8)이 형성되고 전기 접속을 위한 해당 콘택(13)이 존재하고,
    - 층평면에 대해 수직인 박막의 돌출부에서 절연층 재료 및 벌크-실리콘층 재료가 제거되어, 그곳에 리세스(9)가 존재하며,
    - 바디-실리콘층이 층평면에 대해 수직인 박막의 돌출부에서 개구(10)를 가지며, 상기 개구(10)가 공동부를 리세스와 연결하는, 마이크로 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 바디-실리콘층에 센서를 작동하기 위한 전자 회로 부품(11)이 집적되는, 마이크로 센서.
  3. 상대적 압력 센서로서의 제 1항 또는 제 2항에 따른 마이크로 센서에 있어서,
    기판상에 기준 센서로서 추가 센서가 존재하며,
    상기 추가 센서에서, 적어도 간격층의 일부분은 박막을 형성하는 박막층 영역에도 존재하여 박막의 휨을 억제하며, 그것을 제외하고는 상기 추가 센서의 구조가 원래의 센서와 일치하는, 마이크로 센서.
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