KR100450919B1 - 센서및그제조방법 - Google Patents

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KR100450919B1 KR1019970001223A KR19970001223A KR100450919B1 KR 100450919 B1 KR100450919 B1 KR 100450919B1 KR 1019970001223 A KR1019970001223 A KR 1019970001223A KR 19970001223 A KR19970001223 A KR 19970001223A KR 100450919 B1 KR100450919 B1 KR 100450919B1
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프란즈 래르머
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Abstract

여러 센서에서, 가열 소자, 온도 센서, 스트립 도체 또는 감지 층의 화학 내성 전자로서 백금 저항 소자가 사용될 수 있다. 실온 보다 높은 온도 및 건조한 대기 및 습한 대기에서도 유전성 지지층에 대한 백금 저항층의 지속적인 접착을 보장하기 위해, 백금과 유전성 지지체 사이에 규화 백금(PtSi2) 또는 규화 몰리브덴(MoSi2) 또는 규화 텅스텐(WSi2) 또는 규화 탄탈(TaSi2) 또는 규화 티탄(TiSi2) 또는 규화 코발트(CoSi2)로 이루어진 얇은 접착층이 제공된다.
백금층으로부터 패터닝된 저항 소자는 온도 센서, 질량 유량 센서, 화학 센서, 가스 센서 또는 습도 센서에 사용할 수 있다.

Description

센서 및 그 제조 방법
본 발명은 백금으로 이루어지는 저항 소자 위에 유전성 지지층을 갖는 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
유럽 특허 출원 공개 제0375399호 명세서에는 백금으로 이루어지는 가열 소자가 배치된 마이크로 브릿지를 갖는 센서가 공지되어 있다. 이와 같은 센서는 유리하게는 질량 유량 센서로서 사용된다. 가열 소자가 패터닝되는 백금층의 유전성지지층에 대한 충분히 양호한 접착을 보장하기 위해서는 금속 산화물이 Pt와 Si3N4사이의 접착 매개층으로서 사용된다.
본 발명의 과제는 실온보다 높은 온도 및 건조하거나 습한 대기에서도 유전성 지지층에 대한 백금 저항층의 지속적인 접착을 보장하는 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
센서에 관련한 상기 과제는 백금과 유전성 지지체 사이에 규화 백금(PtSi2) 또는 규화 몰리브덴(MoSi2) 또는 규화 텅스텐(WSi2) 또는 규화 탄탈(TaSi2) 또는 규화 티탄(TiSi2) 또는 규화 코발트(CoSi2)로 이루어진 얇은 접착층이 제공됨으로써 해결된다.
또, 제조방법에 관련한 상기 과제는 백금층을 유전성 지지층 위에 피복하는 센서의 제조방법에서, 백금층과 지지층 사이에 규화 몰리브덴(MoSi2) 또는 규화 텅스텐(WSi2) 또는 규화 탄탈(TaSi2) 또는 규화 티탄(TiSi2) 또는 규화 코발트(CoSi2)가 제공됨으로써 해결된다.
상기 본 발명에 의한 센서 및 그 제조 방법은 종래의 기술에 비해 백금층의 유전성 지지층에 대한 개량된 접착이 달성되고, 이 접착은 실온보다 현저히 높은 온도(> 250 ℃) 및 높은 공기 습도에 의한 장시간 부하에서도 안정성을 유지한다. 또, 본 발명에 의한 센서는 특히 간단한 방법으로 제조할 수 있다.
또, 규화 백금(PtSi2) 또는 규화 몰리브덴(MoSi2) 또는 규화 텅스텐(WSi2), 규화 탄탈(TaSi2), 규화 티탄(TiSi2), 규화 코발트(CoSi2)로 이루어지는 접착층은 백금층의 특성, 특히 온도의 함수로서의 저항에 영향을 미치지 않는다. 금속 산화물의 복잡한 증착에 비교하여 규화 금속으로 이루어지는 접착층은 특히 간단하게 제조할 수 있다.
Si 공동부 위에 닫힌 막으로 구현될 수 있는 지지층을 위한 재료로서는 규소를 함유하는 다수의 재료(여러가지 피복법에 기초한 SiO2, Si3N4, SiOxNy등)가 적절하다는 것이 입중되었다. 지지층(막)과 백금 사이의 접착층으로서는, 열에 기인하는 응력이 미미하게 부가적으로 도입되는 얇은 규화 금속층이 적절하다는 것이 입증되었다. 백금층의 전형적인 치수는 140 ∼ 160 nm이다. 규화 금속층은 일반적으로 3 ∼ 6 nm의 두께이다. 가열 소자를 보호하기 위해, 유전성 피복층을 제공할 수 있다. 이 경우에는 가열 소자와 피복층 사이에 상기 규화 금속중 하나로 이루어지는 접착층이 제공된다.
도1은 본 발명에 의한 센서의 평면도.
도2는 본 발명에 의한 센서의 단면도.
도3은 본 발명에 의한 막의 확대 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
2 : 막 4 : 저항 소자
9, 25 : 피복층 21 : 유전성 지지층
22 : 규화 백금층 23 : 백금층
다음에, 도시한 실시예에 의해 본 발명을 상세히 설명한다.
도1에는 센서(1)가 도시되고, 상기 센서(1)에서 막(2)은 단결정 실리콘으로 이루어지는 프레임(3)에 고정되어 있다. 막(2) 위에 가열 소자(4)가 배치되어 있다. 가열 소자(4)의 양측에 온도 센서(5)가 배치되어 있다. 가열 소자(4) 및 온도 센서(5)는 프레임(4) 위에 배치된 리드선(6)을 통해 전기적으로 접속되어 있다. 리드선(6)은 접속 영역(7)에 이르고, 이들 영역에 가열 소자(4) 및 온도 센서(5)의 접촉을 위한 접속선을 접착할 수 있다. 도2에, 막(2)의 영역 내의 센서(1)의 횡 단면도가 도시되어 있다. 이 도면으로부터 명백해지는 바와 같이, 프레임(3) 및 막(2)의 치수는 센서(1)의 배면으로부터 막(2)까지 연장되는 절결(8)에 의해 결정된다. 도2에서 가열 소자(4) 및 온도 센서(5)의 기하학적 치수는 과장하여 도시되어 있다. 또, 상면에는 또 1개의 피복층(9)이 제공되어 있고, 이 피복층은 막(2)의 상면 및 가열 소자(4) 및 온도 센서(5)를 커버한다.
도2에 도시된 센서는 그 원리가 유럽 특허 출원 공개 제375399호 명세서에 공지된 질량 유량 센서이다. 온도 센서(5) 아래의 가열 소자(4)는 얇은 백금층으로부터 패터닝된 저항 소자이다. 가열 소자(4)를 통해 가열 소자(4) 주위의 막을 가열하는 전류가 유도된다. 온도 센서(5)에서, 전기 저항을 측정함으로써, 막의 온도를 측정할 수 있다. 유동, 특히 공기 유동이 센서의 상면을 지나 흐르면, 이것과 관련된 질량 유량에 의해 막(2)으로부터 열이 방출된다. 이 경우, 유동의 세기에 따라 막의 온도가 저하되고, 그 경우 유동 방향에 따라 가열 소자(4)의 양측에 배치된 온도 센서(5)는 다른 온도값을 표시한다. 선택적으로, 가열 소자(4)만을 막 위에 설치하고 가열된 소자의 저항을 측정함으로써 질량 유량을 검출하는 것도 가능하다.
센서(1)의 제조를 위해 상면에 막층이 피복된 실리콘 웨이퍼가 제공된다. 이 막층 상에, 먼저 전면에 백금층을 피복한 다음, 이 백금층을 다른 공정 단계에서 패터닝함으로써 가열 소자(4) 및 온도 센서(5)를 제조한다. 이 백금층으로부터 동시에 리드선(6) 및 접속 영역(7)을 패터닝할 수도 있다. 상기 리드선(6) 및 접속 영역(7)은 가열 소자(4) 및 센서(5)와 그 폭에 의해 구별된다. 리드선의 큰 폭으로 인해, 이들 리드선의 저항은 가열 소자(4) 및 온도 센서(5)의 저항보다 현저히 작다. 다음에, 필요에 따라 또 피복층(9)을 피복한다. 또, 다른 단계에서, 실리콘 웨이퍼의 배면으로부터 막(2)까지 도달하는 절결(8)을 형성한다. 이와 같은 다수의 센서를 1개의 실리콘 웨이퍼에 제조하고, 이 웨이퍼를 다음에 다수의 개별 센서(1)로 분할할 수 있다.
도3에는 가열 소자(4) 부분의 막의 확대 단면도를 도시한다. 막(2)은 유전성 막층(21)으로 형성된다. 이 유전성 막층(21)은, 예를 들면 이산화 규소, 질화 규소, 옥시 질화 규소 또는 탄화 규소(SiC) 또는 적어도 2개의 이들 층의 샌드위치형 시퀀스로 이루어질 수 있다. 이들 재료는 단결정 실리콘으로 이루어지는 프레임에 고정되는 막에 특히 적합하다. 그러나, 다른 재료, 예를 들면 세라믹 재료 또는 글래스도 적합하다. 그러나, 최후의 층으로서, 특히 간단한 수단으로 특히 양호한 품질로 실리콘 웨이퍼 상에 제조할 수 있는 산화 규소를 갖는 층 시퀀스가 유리하다. 막층(21) 상에는 규화 백금(PtSi2), 규화 몰리브덴(MoSi2), 규화 텅스텐(WSi2), 규화 탄탈(TaSi2), 규화 티탄(TiSi2) 또는 규화 코발트(CoSi2)로 이루어지는 접착 매개층(22)이 제공된다. 그 다음에, 이 규화 백금(PtSi2), 규화 몰리브덴(MoSi2), 규화 텅스텐(WSi2), 규화 탄탈(TaSi2), 규화 티탄(TiSi2), 또는 규화 코발트(CoSi2)로 이루어진 층(22) 상에 백금층(23)이 배치된다. 필요에 따라, 가열 소자(4) 및경우에 따라 제공된 온도 센서(5)에도 피복층을 제공할 수 있다. 이 경우, 피복층은 유전성층(25)으로 형성되며, 이 유전성층(2)에는 경우에 따라 규화 백금(PtSi2), 규화 몰리브덴(MoSi2), 규화 텅스텐(WSi2), 규화 탄탈(TaSi2), 규화 티탄(TiSi2) 또는 규화 코발트(CoSi2)로 이루어지는 접착 매개층(24)을 제공할 수도 있다.
먼저, 본 발명을 규화 백금층의 바람직한 실시예로 설명한다. 산화 규소층(21)은, 예를 들면 실리콘 웨이퍼 표면의 열 산화에 의해 제조할 수 있다. 이와 같은 열 산화물 층은 특히 높은 품질을 갖는다.
접착 매개 규화물층(22)은 산화 규소층(21) 상에 먼저 얇은 규소층을 증착함으로써 제조할 수 있다. 상기 증착은, 예를 들면 스퍼터링 또는 전자 빔 증착 또는 화학 기상 증착에 의해 이루어질 수 있다. 화학 증착을 위해서는 반도체 기술로부터 공지된 폴리실리콘층의 증착 공정이 적당하다. 이렇게 하여 형성된 규소층의 두께는 수 nm 이고, 유리하게는 5 nm이다. 후속 공정 단계에서 백금층(23)을 피복한다. 다음에, 템퍼링 공정에 의해, 즉 층을 500 ℃ 이상의 온도로 가열함으로써, 규화 백금층을 형성한다. 이 경우, 초기에 피복된 규소층은 부분적으로 또는 완전히 피복된 백금과의 반응에 의해 규화 백금으로 변환된다. 백금층(23)의 두께는 100 nm 보다도 크기 때문에, 피복된 백금의 소량이 규화 백금의 형성을 위해 소비된다. 따라서, 남은 백금층의 두께는 항상 가열 소자 또는 온도 센서를 위한 충분한 두께를 갖는다. 규소층의 규화 백금층으로의 변환은 백금층의 피복의 직후, 백금층의 패터닝 후 또는 피복층의 제공 후에 행할 수 있다. 도3에는 규화 백금으로 이루어지는 부가의 접착층(24), 및 그 위에 배치되어 피복층으로 작용하는 산화 규소층(25)이 도시되어 있다. 규화 백금층(24)은 마찬가지로 백금층(23)의 백금 재료와 반응하는 얇은 규소충의 증착에 의해 형성한다. 대안으로서, 규화 백금층(22, 24)은 스퍼터링(Pt-Si 타겟의 스퍼터링, Si와 Pt의 동시 스퍼터링 또는 실란 가스 내에서 Pt의 반응성 스퍼터링) 또는 규화 백금의 전자 빔 증착에 의해 직접 증착될 수 있다.
도 3 의 층 구조의 유리한 제조는 약 500 nm 열 산화물의 층 두께가 성장될 때까지 실리콘 웨이퍼의 표면을 열 산화시키는 것을 기초로 한다. 다음에, 스퍼터링 장치에서, 규소 5 nm, 그 위에 백금 150 nm 및 그 위에 규소 5 nm 를 스퍼터링한다. 계속해서, 포토레지스트를 제공하고, 리소그래픽 공정에 의해 패터닝한 다음, 그렇게 형성된 구조물을 플라즈마 에칭 공정에 의해 상부 규소층, 백금층 및 하부 규소층으로 이루어지는 층 패킷으로 전사한다. 상기 전사는 예를 들면 이온 빔 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 공정에 의해 행할 수 있다. 다음에, 후속 공정에서, 약 400 nm 두께의 산화 규소층을 반도체 기술로부터 공지된 바와 같은 화학 기상 증착에 의해 제조한다. 그 후, 층 시퀀스를 500 ℃ 이상, 유리하게는 650℃ 이상의 온도로 가열하는 템퍼링 공정을 실시한다. 상기 템퍼링 공정시, 규소층의 규화 백금층으로의 변환이 행해지고, 이 경우 백금층의 일부가 소비된다. 또, 이 템퍼링 공정에서 백금층의 특성은 유리한 영향을 받는다. 센서의 사용된 측정 원리에서는 백금층의 저항의 온도 의존성을 가능한 한 정확하고 또한 재현가능하게 세팅하는 것이 바람직하다. 이것은 템퍼링 공정에 의해 달성된다. 또, 이와같이 해서제조된 저항의 온도 계수 및 저항 자체가 장시간 동안 안정화된다. 즉, 장시간(수천 동작 시간) 동안 상기 온도 계수 또는 저항의 변동이 감소된다. 실험적으로, 규화 백금은 백금층 특성의 장시간 안정성에 작은 영향을 미치는 것으로 나타났다.
또, 하부층(21)은 1종의 재료만이 아니라, 상이한 유전성 재료의 층 시퀀스, 예를 들면 1개의 층은 산화 규소로 이루어지고 1개의 층은 질화규소로 이루어지는 층 시퀀스로 이루어지는 것도 가능하다.
규화 몰리브덴(MoSi2), 규화 텅스텐(WSi2), 규화 탄탈(TaSi2), 규화 티탄(TiSi2) 또는 규화 코발트(CoSi2)로 센서를 제조하는 것은 규화 백금층으로 센서를 제조하는 것과 일치하며, 다만 규화 백금층이 가열 소자 또는 온도 센서의 백금에 의한 얇은 규소층의 변환에 의해 형성되지 않는다는 차이점을 갖는다. 따라서, 상기 층은 증착, 스퍼터링 또는 화학 증착에 의해 직접 제공될 수 있다. 규화금속 타겟으로부터 스퍼터링이 이루어지면 제조가 매우 간단해진다. 규화 백금층과는 달리, 규화 몰리브덴(MoSi2), 규화 텅스텐(WSi2), 규화 탄탈(TaSi2), 규화 티탄(TiSi2) 및 규화 코발트(CoSi2)는 1300℃까지의 매우 높은 온도로 센서를 템퍼링할 수 있다는 장점을 갖는다. 그 뿐만 아니라, 백금층내의 전기적 저항의 온도 의존성 감소의 원인이 되는 백금층내 규소의 확산이 발생하지 않는다.

Claims (9)

  1. 백금으로 이루어지는 저항 소자(4)가 배치된 유전성 지지층(2)을 갖는 센서에 있어서, 상기 저항 소자(4)와 막(2) 사이에 규화 백금(PtSi2), 규화 몰리브덴(MoSi2), 규화 텅스텐(WSi2), 규화 탄탈(TaSi2), 규화 티탄(TiSi2) 또는 규화 코발트(CoSi2)로 이루어진 접착층(22)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유전성 지지층을 위한 재료로서 산화 규소, 질화 규소, 옥시 질화 규소 또는 탄화 규소 또는 이들 재료의 층 시퀀스가 제공되는 것을 특징으로 하는 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Pt 저항 소자(4)가 100 ∼ 200 nm, 바람직하게는 140∼160nm 두께를 갖고, 또한 규화 백금층이 2 ∼ 8 nm, 바람직하게는 3∼6nm 의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 센서.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지지층(2)의 상면 및 저항 소자(4)를 커버하는 피복층이 제공되어 있고, 또한 저항 소자(4)와 피복층(9, 25) 사이에 규화 백금(PtSi2), 규화 몰리브덴(MoSi2), 규화 텅스텐(WSi2), 규화 탄탈(TaSi2), 규화티탄(TiSi2) 또는 규화 코발트(CoSi2)로 이루어지는 접착층(24)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 센서.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지지층(2) 위에 백금으로 이루어지는 적어도 1개의 온도 센서(5)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 센서.
  6. 백금층(23)을 유전성 지지층(21) 위에 제공하는 센서의 제조 방법에 있어서, 백금층(23)과 지지층(21) 사이에 규화 백금층(22) 또는 규소층(22)이 제공되고, 상기 규화 백금층(22) 또는 규소층(22)은 적어도 부분적으로 후속 템퍼링 공정에서 규화 백금층(22)으로 변환되는 것을 특징으로 하는 센서 제조 방법.
  7. 백금층(23)을 유전성 지지층(21) 위에 제공하는 센서의 제조 방법에 있어서, 백금층(23)과 지지층(21) 사이에 규화 몰리브덴(MoSi2), 규화 텅스텐(WSi2), 규화 탄탈(TaSi2), 규화 티탄(TiSi2) 또는 규화 코발트(CoSi2)가 제공되는 것을 특징으로 하는 센서 제조 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 백금층(23)이 패터닝되는 것을 특징으로 하는 센서 제조 방법.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 지지층(21)이 실리콘 웨이퍼의 열 산화에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 제조 방법.
KR1019970001223A 1996-01-18 1997-01-17 센서및그제조방법 KR100450919B1 (ko)

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