KR100502497B1

KR100502497B1 - 다이어프램식 반도체 압력 센서

Info

Publication number: KR100502497B1
Application number: KR10-2003-0032050A
Authority: KR
Inventors: 이시오세이이치로
Original assignee: 가부시키가이샤 덴소
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2005-07-20
Also published as: US20030217603A1; US6789431B2; KR20030091704A; FR2840067B1; CN1235026C; DE10322523B4; DE10322523A1; JP2003337072A; JP3891037B2; FR2840067A1; CN1460846A

Abstract

다이어프램식 반도체 압력 센서는 4개의 변, (110) 결정면 방위의 활성면, 및 상기 활성면에 반대인, (110) 결정면 방위의 후면을 가진 실질적으로 직사각형인 (110) 반도체 기판을 포함한다. 상기 각 활성면 및 후면은 상기 4개의 변으로 둘러싸인다. 상기 4개 변의 각각은 상기 활성면에 대해 실질적으로 평행인 <110> 방위의 결정축에 대해 실질적으로 45도 각도를 이룬다. 상기 기판은 상기 활성면내에 다이어프램을 포함한다. 상기 다이어프램은 상기 후면에 리세스를 형성함으로써 형성된다. 상기 다이어프램은 게이지 저항을 포함한다. 상기 게이지 저항의 저항값에서의 변화에 기반하여 압력이 검출된다.

Description

다이어프램식 반도체 압력 센서{DIAPHRAGM-TYPE SEMICONDUCTOR PRESSURE SENSOR}

본 발명은 다이어프램식(diaphragm-type) 반도체 압력 센서 - 상기 반도체 압력 센서는 (110) 결정축 방위의 활성면(active surface) 및 후면(back surface)을 가지며, 및 상기 후면에 리세스(recess)를 형성함으로써 상기 활성면에 형성되는 다이어프램을 포함하는 반도체 기판을 구비함 - 에 관한 것이고, 또한, 상기 다이어프램식 반도체 압력 센서를 제조하는데 사용되는 반도체 웨이퍼에 관한 것이다.

다이어프램식 반도체 압력 센서는 (110) 결정축 방위의 활성면, 및 상기 활성면의 반대면인 (110) 결정축 방위의 후면을 갖는 반도체 기판을 포함한다. 이후에, 이러한 형태의 반도체 기판은 (110) 반도체 기판으로 언급될 것이다.

도12에 도시된 바와 같이, 종래 다이어프램식 반도체 압력 센서는 4개의 변(10a)을 갖는 직사각형 (110) 반도체 기판(10)을 포함한다. (110) 반도체 기판(10)은 압력을 검출하는데 사용되는 다이어프램(14)을 포함한다. 다이어프램(14)은 리세스(13)의 바닥, 또는 (110) 반도체 기판(10)의 활성면에 위치된다. 리세스(13)는 (110) 반도체 기판이 형성된 실리콘 기판의 일부분을, 그 후면으로부터 이방성 에칭(anisotropically etching)함으로써 형성된다.

다이어프램(14)은 압전저항 소자(piezoresistive elements)인 게이지 저항(Rc1, Rc2, Rs1, Rs2)을 포함한다. 도12에 도시된 바와 같이, 게이지 저항(Rc1, Rc2, Rs1, Rs2)은 다이어프램(14)의 중심 영역에 위치된 2개의 센터 게이지 저항(Rc1, Rc2), 및 다이어프램(14)의 주변부에 위치된 2개의 사이드 게이지 저항(Rs1, Rs2)으로 구성된다. 4개의 게이지 저항(Rc1, Rc2, Rs1, Rs2)은 압력을 검출하는데 사용되는 브리지 회로를 구성한다. 다이어프램(14)이 검출되는 압력에 의해 당겨지는 경우, 게이지 저항(Rc1, Rc2, Rs1, Rs2)의 저항값은 다이어프램(14)의 응력(strain)에 응답하여 변하고, 저항값에서의 변화에 기반하여 압력이 검출된다.

종래 다이어프램식 반도체 압력 센서의 제조 공정에서, 센서칩이 되는 다수의 직사각형 영역이 실리콘 웨이퍼에 형성되는데, 상기 실리콘 웨이퍼는 (110) 결정면 방위의 활성면과, 상기 활성면의 반대면인 (110) 결정면 방위의 후면을 가지며, (100) 방위의 결정면을 갖는 방위 플랫(orientation flat)을 갖는다. 상기 직사각형 영역은 상기 방위 플랫에 대해 실질적으로 평행한 스크라이브 라인, 및 이 방위 플랫에 대해 실질적으로 직각인 스크라이브 라인을 형성함으로써 정의된다. 그리고 나서, 다이어프램(14)이 형성되는 각 영역들 부분에 이온 주입 및 확산과 같은 반도체 공정 기술을 이용하여 게이지 저항(Rc1, Rc2, Rs1, Rs2)이 형성된다. 다음으로, 리세스(13), 및 동시에 실리콘 웨이퍼의 활성면내의 다이어프램(14)을 형성하기 위해, 실리콘 웨이퍼의 일부분이 상기 각 영역내의 후면으로부터 이방성 에칭된다. 상기 단계를 이용하여, (110) 반도체 웨이퍼가 형성된다. 마지막으로, (110) 반도체 웨이퍼는 도12에 도시된 것과 같은 다수의 반도체 압력 센서로 구획된다.

(110) 반도체 기판이 이용되는 도12의 반도체 압력 센서에서, 전술된 바와 같이, 다이어프램(14)에 인가된 압력을 검출하기 위해, 다이어프램(14)의 응력이 사용된다. <110> 및 <100> 방위의 두 결정축이 (100) 방위의 결정면(crystallographic plane)상에 존재한다. 그러나, <110> 방위의 결정축을 따른 실리콘의 압전저항 계수가 <100> 방위의 결정축을 따른 계수보다, 예로, 약 50배 정도 더 크다. 즉, <110> 방위의 결정축을 따라 생성되는 응력을 검출할 때의 감도가 <100> 방위의 결정축을 따른 것보다 훨씬 크다. 그러므로, 감도를 증가시키기 위해, 게이지 저항(Rc1, Rc2, Rs1, Rs2)이 도12의 반도체 압력 센서내의 <110> 방위의 결정축을 따라 실질적으로 확장되도록, 게이지 저항(Rc1, Rc2, Rs1, Rs2)이 형성되었다.

(100) 방위의 결정면은 단지 하나의 <110> 방위의 결정축을 포함하므로, 도12에 도시된 게이지 저항(Rc1, Rc2, Rs1, Rs2)의 배열이 압력 검출시 가장 높은 감도를 얻기 위해 실질적으로 가장 최선의 방법이 된다. 도12의 압력 센서는, 압력 기준실을 형성하기 위해 밀봉된 기판(sealing substrate)에 의해 리세스(13)가 밀폐되도록 양극 접합 등을 이용하여 (110) 반도체 기판(10)의 후면에, 도12에 도시되지 않은 유리 스탠드(glass stand)와 같은 밀봉 기판에 접착되었다.

최근에, 비용 절감 등의 목적으로, 도12의 반도체 압력 센서를 축소시키기도록 요구된다. 도12의 반도체 압력 센서를 축소하기 위해, (110) 반도체 기판(10)이 축소될 필요가 있다.

그러나, 레이아웃의 변경없이 다이어프램(14)을 간단히 축소함으로써 (110) 반도체 기판(10)이 축소된다면, 압력 검출시의 감도가 악화된다. 다이어프램(14)을 축소하지 않거나 또는 레이아웃을 변경하지 않고 (110) 반도체 기판(10)이 축소되더라도, (110) 반도체 기판(10)의 후면과 밀봉 기판 사이의 콘택 영역의 최소폭(L)이 보다 좁아질 수 있다. 즉, 다이어프램(14)을 둘러싸는 (110) 반도체 기판(10)의 프레임같은 부분이 좁아질 필요가 있다.

압력 기준실의 밀폐도(hermeticity)는 진공 공학에서 분자 누설률(molecular leak rate) 식(1)을 이용하여 다음과 같이 표현된다.

Q = (2πV/3) x r³ x (P1 - P2)/L (1)

여기서, Q는 압력 기준실의 누설률이고, r은 (110) 반도체 기판(10)의 후면과 밀봉 기판 사이의 경계에서의 누설 통로(leak passage: LP)의 반경이고, L은 누설 통로(LP)의 길이 또는 후면의 전술된 최소폭이고, V는 가스 분자의 평균 속도이고, P1은 압력 기준실 외부 압력이고, P2는 압력 기준실 내부 압력이다. 식(1)로부터 알 수 있는 바와 같이, 누설률(Q)은 누설 통로(LP)의 길이(L)에 반비례한다. 그러므로, (110) 반도체 기판(10)이 다이어프램(14)을 축소하지 않거나 레이아웃을 변경하지 않고 축소된 경우, 압력 기준실의 밀폐도를 보장하는 것이 어려워질 수 있다. 그 결과, 도12의 압력 센서의 신뢰도가 악화될 수 있다.

본 발명은 상기의 관점에서 이루어진 것으로, 본 발명의 제1 양태는, 센서의 치수를 최대한 활용하기 위해, 다이어프램을 축소하거나 후면의 최소폭을 단축하지 않고, 다이어프램식 반도체 압력 센서를 축소시키는 것이다. 본 발명의 제2 양태는 센서의 치수를 최대한 활용하기 위해 다이어프램식 반도체 압력 센서를 축소하는데 사용될 수 있는 반도체 웨이퍼를 제공하는 것이다.

상기 제1 양태를 달성하기 위해, 본 발명에 따른 다이어프램식 반도체 압력 센서는 4개의 변, (110) 결정면 방위의 활성면, 및 상기 활성면의 반대인 (110) 결정면 방위의 후면을 가진 실질적으로 직사각형인 (110) 반도체 기판을 포함한다. 각 면들은 4개의 변으로 둘러싸인다. 4개 면의 각각은 활성면에 대해 실질적으로 평행인 <110> 방위의 결정축에 대해 실질적으로 45도 각도를 이룬다. 기판은 활성면내에 다이어프램을 포함한다. 다이어프램은 후면에 리세스를 형성함으로써 형성된다. 다이어프램은 게이지 저항을 포함한다. 상기 게이지 저항의 저항값에서의 변화에 기반하여 압력이 검출된다.

상기 제2 양태를 달성하기 위해, 다이어프램식 반도체 압력 센서를 제조하는데 사용되는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼는 (110) 반도체 층을 포함한다. (110) 반도체 층은 (110) 결정면 방위의 활성면, 및 상기 활성면의 반대인, (110) 결정면 방위의 후면, 및 방위 플랫을 포함한다. 다수의 스크라이브 라인이 상기 활성면상에 위치된다. 방위 플랫은 (110) 반도체 층의 활성면에 대해 실질적으로 직각인 (100) 방위의 결정면에 대해 실질적으로 45도 각도를 이룬다. 각 스크라이브 라인은 방위 플랫에 대해 실질적으로 평행하거나 직교한다. (110) 반도체 층은 또한 스크라이브 라인에 의해 정의되는 직사각형 영역을 포함한다. 각 영역은 활성면내에 다이어프램을 포함한다. 다이어프램은 후면에 리세스를 형성함으로써 형성된다. 다이어프램은 게이지 저항을 포함한다. 반도체 웨이퍼로부터 제조된 다이어프램식 반도체 압력 센서에서 게이지 저항의 저항값에서의 변화에 기반하여 압력이 검출된다.

이하, 본 발명이 실시예를 참조하여 상세히 설명될 것이다. 도1 내지 도3에 도시된 다이어프램식 반도체 압력 센서(S1)는 공지된 반도체 칩 제조 기술을 이용하여 형성되는, 실리콘으로 이루어진 반도체 기판(10)을 포함한다. 반도체 기판(10)은 직사각형 평판(plate)과 같이 형상된다. 도1 내지 도3에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10)은 활성면(11), 상기 활성면에 반대인 후면(12), 및 4개의 변(10a)을 갖는다. 각 면(11, 12)은 (110) 방위의 결정면을 갖는다.

도2에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10)은 기본적으로 하나의 도전형의 실리콘 기판으로 이루어진다. 그러나, 반도체 기판(10)은 상이한 도전형을 가진 2개의 층으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 두층 중 하나는 p형 실리콘 기판이고, 다른 하나는 n형 에피택셜층일 수 있다.

도2 내지 도3에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10)은 리세스(13)를 갖는데, 이것은 알칼리성 용액을 이용한 이방성 에칭을 이용하여 형성되는, 후면(12)내의 리세스(13), 및 리세스(13)를 형성함으로써 반도체 기판(10)이 얇아진 리세스(13) 바닥의 다이어프램(14)을 구비한다. 도1 내지 도3에 도시된 바와 같이, 다이어프램(14)은 8각형이다. 8각형 다이어프램(14)의 두 변은 활성면(11)에 대해 실질적으로 평행인 <100> 방위의 결정축에 대해 실질적으로 직각이다. 8각형 다이어프램(14)의 다른 두 변은 활성면(11)에 대해 실질적으로 평행인 <110> 방위의 결정축에 대해 실질적으로 직각이다. 8각형 다이어프램(14)의 나머지 2개의 변은 활성면(11)에 대해 실질적으로 평행인 <111> 결정축에 대해 실질적으로 직각이다.

8각형 다이어프램(14)은 6각형 개구부를 가진 에칭 마스크를 이용하여 이방성 에칭함으로써 형성될 수 있다. 8각형 다이어프램(14) 대신에, 상이한 형태로 다이어프램이 (110) 반도체 기판을 이방성 에칭함으로써 형성되는 한, 사각형과 같은 상이한 형태로 형성될 수 있다.

다이어프램(14)은 압전저항 소자인 4개의 게이지 저항(Rc1, Rs1, Rc2, Rs2)을 포함한다. 실리콘의 압전저항 계수는 다른 결정축보다는 <110> 방위의 결정축을 따르는 경우 보다 높기 때문에, 게이지 저항(Rc1, Rs1, Rc2, Rs2)은 활성면(11)에 대해 실질적으로 평행인 <110> 방위의 결정축을 따라 실질적으로 확장된다. 다이어프램(14)이 검출될 압력으로 당겨지면, 게이지 저항(Rc1, Rs1, Rc2, Rs2)의 저항값은 다이어프램(14)의 응력에 응답하여 변하고, 압력은 저항값의 변화에 따라 검출된다.

도1, 도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 게이지 저항(Rc1, Rs1, Rc2, Rs2)은 다이어프램(14)의 중심 영역에 위치되는 제1 및 제2 센터 게이지 저항(Rc1, Rc2), 및 다이어프램(14)의 주변부에 위치되는 제1 및 제2 사이드 게이지 저항(Rs1, Rs2)으로 구성된다. 센터 게이지 저항(Rc1, Rc2)은 사이드 게이지 저항(Rs1, Rs2)보다 쉽게 당겨진다. 즉, 센터 게이지 저항(Rc1, Rc2)의 저항값은 사이드 게이지 저항(Rs1, Rs2)의 저항값보다 압력 검출에 보다 민감하게 변한다. 게이지 저항(Rc1, Rs1, Rc2, Rs2)은 반도체 기판(10)이 형성되는 실리콘 층에서 이온 주입 및 확산에 의해 형성된다. 게이지 저항(Rc1, Rs1, Rc2, Rs2)은 또한 실리콘 층에 이온 주입 및 확산에 의해 형성되는 배선 확산 영역(15)에 의해 전기적으로 접속된다.

도1에 도시된 바와 같이, 센터 게이지 저항(Rc1, Rc2) 및 사이드 게이지 저항(Rs1, Rs2)은 배선 확산 영역(15)을 이용하여 직렬로 접속되어, 도5에 도시된 것과 같은 4개의 저항 변으로 구성된 폐회로인 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 형성한다. 도5의 브리지 회로도에서, 두 단자(Ia, Ib) 사이에 직류 정전압(V)이 인가된다.

센서 게이지 저항(Rc1, Rc2)의 저항값은 사이드 게이지 저항(Rs1, Rs2)의 저항값보다 검출되는 압력에 대해 보다 민감하게 증가한다. 그러므로, 제1 센터 게이지 저항(Rc1)과 제1 사이드 게이지 저항(Rs1) 사이의 포인트에서의 제1 전위(Pa), 및 제2 센터 게이지 저항(Rc2)과 제2 사이드 게이지 저항(Rs2) 사이의 포인트에서의 제2 전위(Pb)는, 다이어프램(14)이 인가된 압력으로 인해 당겨질 때에, 반대 방위로 변한다. 즉, 전위(Pa, Pb) 중 하나가 증가하면 나머지는 감소한다. 그러므로, 제1 전위(Pa) 및 제2 전위(Pb) 사이에 차동 전위(Vout)가, 다이어프램(14)에 인가되는 압력에 응답하여 변한다.

도1에 도시된 바와 같이, 금속 배선(21) 및 금속 패드는 다이어프램(14) 외부의 활성면(11)상에 위치된다. 배선(21) 및 금속 패드(22)는, 배선 확산 영역을 함께 전기적으로 연결하고, 그 사이에 직류 정전압(V)이 인가되는 두 단자(Ia, Ib)를 형성하고, 반도체 기판(10)상에 형성되는 브리지 회로로부터 제1 및 제2 전위(Pa, Pb) 사이에 차동 전위(Vout)를 얻기 위해, 배선 확산 영역(15)에 전기적으로 연결된다. 브리지 회로는 금속 패드(22)에 접착되는 배선인 본딩 와이어를 통해 외부 회로에 전기적으로 연결된다.

도2에 도시된 바와 같이, 예로, 실리콘 산화막인 층간 절연막(30)이 반도체 기판(10)이 활성면상에 위치된다. 금속 패드(22)는 층간 절연막(30)에 의해 절연된다. 배선(21)은 또한, 배선(21)이 절연막(30)내의 콘택홀을 통해 배선 확산 영역(15)에 전기적으로 연결된 부분을 제외하고, 절연막(30)에 의해 절연된다. 배선(21) 및 금속 패드(22)는, 예를 들면, 알루미늄의 진공 증착에 의해 형성될 수 있다.

도2에 도시된 바와 같이, 도1의 압력 센서(S1)를 보호하기 위해, 예로, 실리콘 질화막으로 구성되는 패시베이션막(40)이 배선(21), 금속 패드(22) 및 절연막(30)상에 위치된다. 도면에 도시되지는 않았지만, 금속 패드(22)가 와이어 본딩에 의해 외부 회로에 전기적으로 연결되도록 하기 위해, 패시베이션막(40)은 금속 패드(22) 상에 개구부를 구비한다.

도1의 압력 센서(S1)는 공지된 반도체 제조 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 압력 센서(S1)가 제조된 후에, 압력 센서(S1)는, 예를 들어, 양극 접착을 이용하여 유리 스탠드(50)에 대해 후면(12)에서 접착된다. 도2에 도시된 바와 같이, 접착을 이용하여, 압력 센서(S1)의 리세스(13)가 밀폐되어, 압력 기준실을 형성하고, 압력이 진공에 가까운 레벨로 유지되도록 한다.

도2에서, 검출되는 압력은 다이어프램(14)의 상부면에 인가된다. 다이어프램(14)이 이 압력에 의해 당겨지면, 게이지 저항(Rc1, Rs1, Rc2, Rs2)의 저항값은 다이어프램(14)에 의해 발생된 응력에 응답하여 변하고, 저항값의 변화에 관련된 차동 전위(Vout)가 출력된다. 차동 전위(Vout)는 금속 패드(22)를 통해 외부 회로로 전달된다. 차동 전위(Vout)가 외부 회로에 의해 처리되어, 압력을 검출하기 위한 최종 출력 신호를 제공하게 된다.

도1의 반도체 압력 센서(S1)에 고유 배열이 적용되었는데, 이것의 기본 구조 및 동작은 전술되었다. 이러한 고유 배열은, 반도체 기판(10)의 후면과 유리 스탠드(50) 사이의 콘택 영역의 최소폭을 단축하거나 다이어프램(14)을 축소하지 않고, 압력 센서(S1)가 도12의 종래 압력 센서보다 더 작아질 수 있도록 한다. 상세히 말하면, 도3에 도시된 바와 같이, 4개의 변(10a)의 각각이 활성면(11)에 대해 실질적으로 평행인 <110> 방위의 결정축과 45도 각도가 된다. 또한, 다이어프램(14)의 방위가 리세스(13)의 세로 방위와 같이 정의되면, 다이어프램(14)의 방위가 4개의 변(10a)과 실질적으로 45도 각도를 이루도록 다이어프램(14)이 배열된다.

도1에 도시된 바와 같이, 각각의 게이지 저항(Rc1, Rs1, Rc2, Rs2)이 다수의 빔을 형성하도록 접혀지는데, 이것은 <110> 방위의 결정축을 따라 실질적으로 확장된다. 그러므로, 각각의 게이지 저항(Rc1, Rs1, Rc2, Rs2)은 <110> 방위의 결정축을 따라 실질적으로 확장된다. 각각의 빔은 또한 <110> 방위의 결정축과 실질적으로 45도 각도를 이룬다. 전술된 배열에 따라, 도6에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10)의 후면(12)과 유리 스탠드(50) 사이의 콘택 영역의 최소폭을 단축하거나 다이어프램(14)을 축소하지 않고, 도1의 압력 센서(S1)가 도12의 종래 압력 센서보다 더 작아질 수 있다.

도6에서, 도12의 종래 센서의 변(10a)과 도3의 센서(S1)의 변은, 두 센서의 다이어프램(14)이 같은 치수를 갖도록 설계되며, 상기 두 센서의 후면(12)은 반도체 기판(10)의 후면(12)과 유리 스탠드(50) 사이의 콘택 영역의 동일한 최소폭(L)을 제공한다. 도6에서 제1 점선(DL1)은 도12의 종래 센서의 변(10a)을 나타낸다. 또한, 도12의 종래 센서와 도3의 센서(S1)의 크기 비교를 용이하게 하기 위하여, 상기 제1 점선(DL1)을 45°만큼 회전시킴으로써 얻어지는 제2 점선(DL2)이 도6에 도시되었다.

도6에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 다이어프램(14)을 축소하거나, 후면(12)과 유리 스탠드(50) 간의 콘택 영역의 최소폭(L)을 단축하지 않고, 그 변(10a)이 실질적으로 <110> 결정축 방위와 45°를 이루는 도3의 센서(S1)는, 그 변(10a)이 실질적으로 상기 <110> 결정축 방위에 대해 평행이거나 직각인 도12의 종래 센서보다 더 작을 수 있다. 도6에서, 도12의 종래 센서의 변(10a)이 2.78mm로 설정되는 경우, 도3의 센서(S1)의 변(10a)은 2.44mm가 된다. 결과적으로, 상기 도3의 센서(S1)의 다이(die) 크기는 도12의 종래 센서의 다이 크기보다 23%만큼 작다.

반면에, 도3의 센서(S1)의 변(10a)이 도12의 종래 센서의 변(10a)과 동일한 길이를 갖도록 설정되는 경우, 도3의 센서(S1)는 도12의 종래 센서의 최소폭보다 긴 최소 폭(L)을 갖게 된다. 결과적으로, 도3의 센서(S1)는 도12의 종래 센서보다 반도체 기판(10)의 후면(12)과 유리 스탠드(50) 사이의 접착시 보다 높은 신뢰도를 갖는다. 따라서, 도3의 센서(S1)의 압력 기준실은 도12의 종래 센서의 압력 기준실보다 높은 밀폐도(hermeticity)를 갖게 되거나, 높은 누설 억제 능력을 갖게 된다.

전술된 크기 감소의 효과는 (110) 반도체 기판(10)을 포함하는 도3의 다이어프램식 반도체 압력 센서(S1)에 대해 고유하다. 예를 들면, 도7a 및 도7b의 다이어프램식 반도체 압력 센서는 (100) 반도체 기판(J10) 또는 (100) 방위의 결정면을 갖는 활성면(J11)과, 상기 활성면에 반대인 (100) 방위의 결정면을 갖는 후면(J12) 및 4개의 변(J10a)을 구비한다.

도7a의 압력 센서는 다이어프램(J14)이 위치되는 바닥에 리세스(J13)를 갖는다. 상기 리세스(J13)는 다이어프램(J14) 및 4변에 의해 형성된다. 상기 리세스가 이방성 에칭으로 형성되는 경우, (111) 방위의 결정면의 에칭률(etching rate)이 다른 방위의 결정면 보다 낮기 때문에, 상기 각각의 4변은 (111) 방위의 결정면으로 이루어진다.

따라서, 상기 각 4변은 실질적으로 <110> 방위의 결정축에 평행하게 된다. 그러므로, 도7a에 도시된 바와 같이, 각 4변(J10a)이 실질적으로 <110> 방위의 결정축에 평행하고 실질적으로 활성면(J11)에 평행한 경우, 후면(J12)에 접착되는, 후면(J12)과 유리 스탠드의 콘택 영역의 최소폭(L)이 최대가 된다. 편의를 위하여, 상기 4변(J10a)을 45°만큼 회전시켜 얻어진 제3 점선(DL3)이 도7a 및 도7b에 도시되었다.

도3의 센서(S1)는 (110) 방위의 결정면을 갖는 활성면, 및 상기 활성면에 반대인, (110) 방위의 결정면을 갖는 후면을 갖는 (110) 반도체 층을 포함하는 도8의 반도체 웨이퍼(100)를 이용하여 제조된다. 상기 (110) 반도체 웨이퍼의 활성면 및 후면은 도2의 반도체 기판(10)의 활성면(11) 및 후면(12)이 된다.

도8에 도시된 바와 같이, 상기 웨이퍼(100)는 방위 플랫(orientation flat)(110) 및 스크라이브 라인(120)을 갖는다. 각 스크라이브 라인(120)은 실질적으로 상기 방위 플랫(110)과 평행하거나 직교한다. 상기 웨이퍼(100)가 구획된 경우, 상기 스크라이브 라인(120)에 의해 형성되는 각 직사각형 영역(130)이 도1의 센서(S1)가 된다. 도8에 도시된 바와 같이, 상기 방위 플랫(110)은 실질적으로 상기 (110) 반도체 층의 활성면에 대해 직각인 (100) 방위의 결정면에 대해 45°를 이루도록 미리 형성된다. 도8에서, 실질적으로 상기 웨이퍼(100)의 활성면에 평행한 <100> 방위의 결정축이 도시되었다. 상기 (100) 방위의 결정면은 <100> 방위의 결정축에 직교한다.

상기 방위 플랫(110)은 단결정 실리콘 잉곳(single crystal silicon ingot)의 기본 결정축을 이용하여 (100) 반도체 웨이퍼를 제작하는 공정에서 형성된다. 도9에 도시된 바와 같이, 서로 직교하는 <110> 및 <001> 방위의 두 결정축은 실리콘 잉곳의 (110) 방위의 결정면 상에 존재한다. 또한, 상기 <001> 방위의 결정축과 54.74°의 각을 갖는 <111> 방위의 결정축은 실리콘 잉곳의 (110) 방위의 결정면 상에 존재한다.

따라서, 예를 들면, 먼저, 단일 결정 실리콘 잉곳의 축들간의 각 관계를 기초로 하여 X선 회절을 이용하여 상기 축들이 형성된다. 이후, 도9에 도시된 바와 같이, <111> 방위의 결정축과 9.74°의 각을 이루는 목표 축(target axis)(K1)이 형성된다. 상기 목표 축(K1)은 <110> 및 <001> 방위의 두 결정축과 45°의 각을 이룬다. 이후, 상기 잉곳이 연마되어 실질적으로 목표 축(K1)에 대해 직각인 면(OF)이 노출된다. 상기 면(OF)은 실질적으로 (100) 반도체 층의 활성면과 직교하는 (100) 방위의 결정면과 실질적으로 45°의 각을 이루는 방위 플랫(110)이 된다. 따라서, 상기 방위 플랫(110)은 실질적으로 (110) 반도체 층의 활성면에 평행한 <110> 방위의 결정축 및 <001> 방위의 결정축과 실질적으로 45°의 각을 이루게 된다.

다음으로, 상기 잉곳은 실리콘 웨이퍼를 형성하도록 분할된다. 이후, 게이지 저항(Rc1, Rc2, Rs1, Rs2), 금속 배선(metal wiring line)(21) 및 금속 패드(22)와 같은 소자가 공지된 칩 제조 기술을 이용하여 각 직사각형 영역(130)의 실리콘 웨이퍼의 활성면에 또는 활성면 상에 형성된다. 상기 소자 형성 공정에서, 상기 실리콘 웨이퍼를 직사각형 영역(130)으로 분할하도록 스크라이브 라인(120)이 실리콘 웨이퍼 상에 형성된다. 예를 들면, 각 스크라이브 라인(120)은 필름의 선형 개구 또는, 예를 들면, 알루미늄으로 만들어진 실질적인 한 쌍의 평행선을 이용하여 형성된다. 이후, 상기 실리콘 웨이퍼의 후면에 리세스(13)를 형성함으로써 실리콘 웨이퍼의 활성면의 각 직사각형 영역에 다이어프램(14)이 형성된다. 상기 리세스(13)는 실리콘 웨이퍼를 이방성 에칭함으로써 후면으로부터 형성된다. 상기의 단계로, 도8의 반도체 웨이퍼(100)가 완성된다.

기판(10)의 활성면에 대해 실질적으로 평행한 <110> 방위의 결정축과 실질적으로 45°의 각을 이루는 4변(10a)을 포함하는 반도체 기판(10)인, 도1의 다이어프램식 반도체 압력 센서(S1)는 스크라이브 라인(120)을 따라 도8의 반도체 웨이퍼(8)를 구획함으로써 형성될 수 있다.

또한, 도1의 다이어프램식 반도체 압력 센서(S1)는 (110) 방위의 결정면을 갖는 활성면, 및 상기 활성면에 반대인 (110) 방위의 결정면을 갖는 후면을 구비하는 (110) 반도체 층을 포함하는 도10의 또 다른 반도체 웨이퍼(200)를 이용하여 제조될 수 있다. 도10에 도시된 바와 같이, 도10의 웨이퍼(200)는 방위 플랫(210) 및 스크라이브 라인(22)을 구비한다. 도10에 도시된 바와 같이, 상기 방위 플랫(210)은 (110) 반도체 층의 활성면에 대해 실질적으로 직교하는 (100) 방위의 결정면을 구비하고, 각 스크라이브 라인(220)은 상기 방위 플랫(210)과 실질적으로 45°의 각을 이룬다.

도10의 웨이퍼(200)가 구획되면, 스크라이브 라인(220)에 의해 정의되는 각 직사각형 영역(130)이 도1의 압력 센서(S1)가 된다. 각 직사각형 영역(130)에서, 다이어프램(14) 및 게이지 저항(Rc1, Rs1, Rc2, Rs2)과 같은 소자, 금속 배선(21) 및 금속 패드(22)가 형성된다. 게이지 저항(Rc1, Rs1, Rc2, Rs2)은 도4에 도시된 배열로 형성된다. 도8의 웨이퍼(100)에서는, 각 게이지 저항(Rc1, Rs1, Rc2, Rs2)이 접혀져서 다수의 빔을 형성하는데, 그 세로 방향이 방위 플랫(110)과 실질적으로 45도 각도를 이루지만, 도10의 웨이퍼(200)에서, 각 게이지 저항(Rc1, Rs1, Rc2, Rs2)은 접혀져서 다수의 빔을 형성하는데, 그것의 세로 방향은 방위 플랫(210)에 대해 실질적으로 평행하다.

도1의 압력 센서(S1)에서, 활성면(11)과 실질적으로 평행인 <110> 방위의 결정축과 4변(10a) 사이의 각도는, 도8 및 도10의 웨이퍼(100, 200)가 실리콘 잉곳으로부터 형성되는 경우에 가공 편차 및 도1의 압력 센서(S1)의 성능을 고려하여, 43도 내지 47도가 바람직하다.

상세히 말하면, 방위 플랫(110, 210)이 잉곳상에 형성되면, 방위 플랫(110, 210)과 잉곳내의 <100> 방위의 결정축 사이의 각도는 ±1도의 편차를 갖는다. 또한, 마스크를 정렬하는데 사용되는 얼라인먼트 마스크가 잉곳으로부터 형성된 실리콘 웨이퍼상에 형성되면, 방위 플랫(110, 220)과 얼라인먼트 마스크 사이의 각도는 ±1도 편차를 갖는다. 결과적으로, 4변(10a)과 <110> 방위의 결정축 사이에 45도의 목표 각으로부터 최대 편차는 ±2도가 된다. 즉, 목표 각이 45도이더라도, 실제 각도는 45±2도, 또는 43도 내지 47도 범위내에 있다.

그러나, ±2도의 최대 편차는 후술되는 이유로 인해 허용가능하다. 도11a에 도시된 바와 같이, 45도의 목표 각도로부터의 편차가 11 내지 27μV/mmHg인 사양 범위를 고려하여 적어도 ±2도 내에 있는 경우, 압력 센서(S1)의 다이어프램에 외부적으로 인가되는 압력에 대한 차동 전위(Vout)의 변화율로 정의되는 도1의 압력 센서(S1)의 감도는 실질적으로 일정하다.

또한, 도11b에 도시된 바와 같이, -50 내지 350 ppm/℃의 사양 범위를 고려하여, 적어도 45도 목표 각도로부터의 편차가 ±2도 이내인 경우에, 감도의 온도 종속성 역시 실질적으로 일정하다. 도11b에서, 감도의 온도 종속성은 25 내지 125℃ 범위내의 온도에 대한 감도의 변화율로서 정의된다. 그러므로, 도1의 압력 센서(S1)의 성능은, 45도의 목표 각도로부터의 편차가 ±2도 내에 있는 한, 실질적으로 일정하다.

본 발명의 발명자들은 도12의 반도체 기판(10)에서 발생된 열 스트레스 및 도3의 반도체 기판(10)에서 발생된 열 스트레스에 대한 FEM 분석을 수행한다. 도면에 도시되지는 않았지만, FEM 분석은 게이지 저항(Rc1, Rs1, Rc2, Rs2)에서 생성된 열 스트레스의 편차가 도12의 기판(10)보다 도3의 기판에서 더 작은 것으로 나타난다.

그 이유는 다음과 같이 추측된다. 사이드 게이지 저항(Rs1, Rs2)은 센터 게이지 저항(Rc1, Rc2)보다 유기 스탠드(50)와 같은 외부 요인에 의해 야기되는 열 스트레스에 대해 보다 민감하다. 도6에 도시된 바와 같이, 사이드 게이지 저항(Rs1, Rs2)은, 도3의 기판(10)에서 보다 도12의 기판(12)에서의 <110> 방위의 결정축을 따른 기판(10)의 주변으로부터 보다 멀다. 그러므로, 외부 요인에 의해 야기되는 열 스트레스는 도12의 기판(10)에서 보다 도3의 기판(10)에서 보다 작다.

또한, 기판(10)에 의해 본래 야기되는 열 스트레스는 다이어프램(14)의 코너에 집중되는 경향이 있다. 도6에 도시된 바와 같이, 도3의 기판(10)은 도12의 기판(10)보다 더 작고, 따라서, 그 코너는 도12의 기판(10)에서보다 도3의 기판(10)에서 기판(10)의 주변에 보다 근접하게 된다. 그러므로, 기판(10)에 의해 본래 야기되는 열 스트레스는 도12의 기판(10)에서 보다 도3의 기판내의 코너에 덜 집중되는 경향이 있다.

상기의 이유에 따라, 게이지 저항(Rc1, Rs1, Rc2, Rs2)에서 발생되는 열 스트레스의 편차는 도12의 기판(10)에서 보다 도3의 기판(10)에서 보다 작다. 보다 작은 편차로 인해, 도1의 압력 센서(S1)는 도12의 압력 센서보다 차동 전위(Vout)에서 보다 작은 오프셋 전압을 갖는다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 센서의 치수를 최대한 활용하기 위해, 다이어프램을 축소하거나 후면의 최소폭을 단축하지 않고, 다이어프램식 반도체 압력 센서를 축소시킬 수 있고, 이러한 다이어프램식 반도체 압력 센서를 축소하는데 사용될 수 있는 반도체 웨이퍼를 제공할 수 있다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 다이어프램식 반도체 압력 센서의 개략적 평면도.

도2는 도1의 센서가 유리 스탠드에 접착된 상태를 나타내는 라인(II-II)을 따라 취해진 도1의 반도체 압력 센서의 개략적 단면도.

도3은 도1내의 센서의 뒤에서 보았을 때의 도1의 반도체 압력 센서의 개략적 평면도.

도4는 도1의 압력 센서에 포함되는 기판의 활성면상에 위치되는 결정축을 도시한 도면.

도5는 도1의 압력 센서에 포함되는 휘트스톤 브리지에 대한 등가 회로도.

도6은 도12의 종래 압력 센서와 도3의 압력 센서 사이의 치수 차를 도시한 도면.

도7a는 후면에서 보았을 때의 (100) 반도체 기판을 포함하는 다이어프램식 반도체 압력 센서의 개략적 평면도이고, 도7b는 라인(VIIB-VIIB)에 따라 취해진 도7a의 압력 센서의 개략적 단면도.

도8은 도1의 반도체 압력 기판이 제조되는 반도체 웨이퍼의 개략적 평면도.

도9는 (110) 방위의 결정면에 대해 직각인 기본 결정면의 방위를 도시한 도면.

도10은 도1의 반도체 압력 센서가 제조되는 다른 반도체 웨이퍼의 개략적 평면도.

도11a는 목표 각도로부터의 편차와 압력 센서의 감도 사이의 상관관계를 도시한 그래프이고, 도11b는 목표 각도로부터의 편차와 감도의 온도 종속성 사이의 상관관계를 도시한 그래프.

도12는 리세스의 바닥에 위치되는 다이어프램 및 리세스를 보여주는, (110) 반도체 기판을 이용하여 제조된 종래 다이어프램식 반도체 압력 센서의 개략적 평면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 실리콘 기판 10a: 실리콘 기판의 변

11: 실리콘 기판의 활성면 12: 실리콘 기판의 후면

13: 리세스 14: 다이어프램

100: 실리콘 웨이퍼 110: 방위 플랫

120: 스크라이브 라인 130: 칩 단위

Rc, Rs: 게이지 저항

Claims

4개의 변(sides), (110) 결정면 방위의 활성면(active surface), 및 상기 활성면에 반대인, (110) 결정면 방위의 후면(back surface)을 가진 실질적으로 직사각형인 (110) 반도체 기판을 포함하는 다이어프램식 반도체 압력 센서에 있어서,

상기 각 면은 상기 4개의 변으로 둘러싸이고,

상기 4개 변의 각각은 상기 활성면에 대해 실질적으로 평행인 <110> 방위의 결정축에 대해 실질적으로 45도 각도를 이루고,

상기 기판은 상기 활성면내에 다이어프램을 포함하고,

상기 다이어프램은 상기 후면에 리세스를 형성함으로써 형성되고,

상기 다이어프램은 게이지 저항을 포함하며,

상기 게이지 저항의 저항값에서의 변화에 기반하여 압력이 검출되는

압력 센서.
제1항에 있어서,

상기 각도는 43도 내지 47도 범위내에 있는

압력 센서.
제1항에 있어서,

상기 저항값 변화에서의 감도를 증가시키기 위해, 상기 게이지 저항은 <110> 방위의 결정축을 따라 실질적으로 확장되는

압력 센서.
제1항에 있어서,

상기 다이어프램은 3개의 게이지 저항을 더 포함하고, 상기 4개의 게이지 저항 모두는 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 형성하는데 사용되는

압력 센서.
제1항에 있어서,

상기 센서는, 상기 압력이 검출될 때 압력 기준실을 형성하기 위해, 상기 리세스를 밀봉하도록 상기 반도체 기판의 후면에 접착되는 밀봉 기판(sealing substrate)과 함께 사용되는

압력 센서.
(110) 결정면 방위의 활성면, 및 상기 활성면에 반대인, (110) 결정면 방위의 후면, 및 방위 플랫(orientation flat)을 포함하는, (110) 반도체 층을 포함하는 다이어프램식 반도체 압력 센서를 제조하는데 사용되는 반도체 웨이퍼에 있어서,

상기 활성면상에 다수의 스크라이브 라인이 위치되고,

상기 방위 플랫은 상기 (110) 반도체 층의 상기 활성면에 대해 실질적으로 직각인 (100) 방위의 결정면에 대해 실질적으로 45도 각도를 이루고,

상기 방위 플랫은 상기 (110) 반도체 층의 상기 활성면에 대해 실질적으로 평행인 <001> 방위의 결정축에 대해 실질적으로 45도 각도를 이루고,

상기 각 스크라이브 라인은 상기 방위 플랫에 대해 실질적으로 평행이거나 직각이고,

상기 (110) 반도체 층은 상기 스크라이브 라인에 의해 정의되는, 실질적으로 직사각형인 영역을 포함하고,

상기 각 영역은 상기 활성면내에 다이어프램을 포함하고,

상기 다이어프램은 상기 후면에 리세스를 형성함으로써 형성되고,

상기 다이어프램은 게이지 저항을 포함하며,

상기 반도체 웨이퍼로부터 제조되는 다이어프램식 반도체 압력 센서내에서, 상기 게이지 저항의 저항값에서의 변화에 기반하여 압력이 검출되는

반도체 웨이퍼.
제6항에 있어서,

상기 각도는 43도 내지 47도 범위내에 있는

반도체 웨이퍼.
제6항에 있어서,

상기 저항값 변화에서의 감도를 증가시키기 위해, 상기 게이지 저항은 상기 활성면에 대해 실질적으로 평행인 <110> 방위의 결정축을 따라 실질적으로 확장되는

반도체 웨이퍼.
제6항에 있어서,

상기 다이어프램은 3개의 게이지 저항을 더 포함하고, 상기 4개의 게이지 저항 모두는 휘트스톤 브리지를 형성하는데 사용되는

반도체 웨이퍼.
(110) 결정면 방위의 활성면, 및 상기 활성면에 반대인, (110) 결정면 방위의 후면, 및 방위 플랫을 포함하는, (110) 반도체 층을 포함하는 다이어프램식 반도체 압력 센서를 제조하는데 사용되는 반도체 웨이퍼에 있어서,

상기 활성면상에 다수의 스크라이브 라인이 위치되고,

상기 방위 플랫은 상기 활성면에 대해 실질적으로 직각인 (100) 방위의 결정면을 갖고,

상기 각 스크라이브 라인은 상기 방위 플랫에 대해 실질적으로 45도 각도를 이루고,

상기 (110) 반도체 층은 상기 스크라이브 라인에 의해 정의되는, 실질적으로 직사각형인 영역을 포함하고,

상기 각 영역은 상기 활성면내에 다이어프램을 포함하고,

상기 다이어프램은 상기 후면에 리세스를 형성함으로써 형성되고,

상기 다이어프램은 게이지 저항을 포함하며,

상기 반도체 웨이퍼로부터 제조되는 다이어프램식 반도체 압력 센서내에서, 상기 게이지 저항의 저항값에서의 변화에 기반하여 압력이 검출되는

반도체 웨이퍼.
제10항에 있어서,

상기 각도는 43도 내지 47도 범위내에 있는

반도체 웨이퍼.
제10항에 있어서,

상기 저항값 변화에서의 감도를 증가시키기 위해, 상기 게이지 저항은 상기 활성면에 대해 실질적으로 평행인 <110> 방위의 결정축을 따라 실질적으로 확장되는

반도체 웨이퍼.
제10항에 있어서,

상기 다이어프램은 3개의 게이지 저항을 더 포함하고, 상기 4개의 게이지 저항 모두가 휘트스톤 브리지를 형성하는데 사용되는

반도체 웨이퍼.