KR100580440B1 - 도핑된 반도체층을 배선으로 사용한 반도체 가속도 센서 - Google Patents

도핑된 반도체층을 배선으로 사용한 반도체 가속도 센서 Download PDF

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Abstract

가속도 센서에 금속층 배선이 사용되는 경우에 야기되는 바람직하지 못한 열 응력(thermal stress)에 기인하여 가속도의 검출 정확도가 저하되는 상황을 방지할 수 있는 반도체 가속도 센서를 제공한다. 본 발명의 센서는 프레임부(frame), 추부(weight), 반도체 재료로 이루어진 적어도 한 쌍의 빔부(beam), 및 상기 각 빔부 상에 형성된 하나 이상의 저항 소자를 포함하며, 상기 추부는 상기 한 쌍의 빔을 통하여 상기 프레임 내에 지지된다. 본 발명의 센서는 또한 상기 빔 각각의 상부면에 형성된 도핑된 반도체층을 상기 저항 소자와 전기적으로 접속하는 배선으로서 포함한다.
반도체, 가속도 센서, 저항 소자, 압전 효과, 브리지 회로

Description

도핑된 반도체층을 배선으로 사용한 반도체 가속도 센서 {SEMICONDUCTOR ACCELERATION SENSOR USING DOPED SEMICONDUCTOR LAYER AS WIRING}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 다축 가속도 센서에서 프레임부의 일부를 제거한 사시도이다.
도 2는 상기한 가속도 센서를 평면도이다.
도 3은 상기한 가속도 센서의 저항 소자의 위치를 나타내는 개략 평면도이다.
도 4는 상기한 가속도 센서의 브리지 회로를 나타내는 회로도이다.
도 5는 상기한 가속도 센서의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 상기한 가속도 센서의 배선 레이아웃의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 상기한 가속도 센서의 추부의 위치 변위를 나타내는 개략 단면도이다.
도 8은 상기한 가속도 센서의 추부의 다른 위치 변위를 나타내는 개략 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 다축 가속도 센서의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 다축 가속도 센서의 평면도이 다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 반도체 다축 가속도 센서의 평면도이다.
도 12는 도핑된 반도체층을 구비한 빔부의 개략 단면도이다.
도 13 (A) 내지 (F)는 도 12의 빔부에 도핑된 반도체층을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 14는 도핑된 반도체층을 구비한 다른 빔부의 개략 단면도이다.
도 15 (A) 내지 (F)는 도 14의 빔부에 도핑된 반도체층을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 16은 종래의 반도체 다축 가속도 센서에서 추부와 프레임부 부분을 제거한 사시도이다.
본 발명은 압전 효과(piezoelectric effect)를 이용한 반도체 가속도 센서에 관한 것으로, 특히 복수의 방향에서 가속도를 정확하게 검출하기 위하여 도핑된 반도체층을 배선으로 사용한 반도체 다축 가속도 센서에 관한 것이다. 본 발명은 바람직하게는 자동차, 가전제품 등에 이용된다.
종래, 압전기형(piezoelectric-type) 또는 정전용량형(capacitance-type)의 반도체 가속도 센서가 자동차, 가전제품 등의 다양한 응용에 광범위하게 사용되어 왔다. 압전기형 반도체 가속도 센서의 일례로서 일본 특허공개공보 평11-160348호에는 복수 방향에서 가속도를 검출하는 반도체 다축 가속도 센서가 제안되어 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 이 반도체 다축 가속도 센서는 프레임부(frame)(11'), 추부(weight)(12') 및 상기 추부를 상기 프레임부 내에 지지하는 두 쌍의 빔부(beam)(13')를 갖는 센서 본체(1'), 그리고 상기 각 빔부에 형성된 저항 소자(R)를 구비하여 형성된다. 프레임부(11'), 추부(12') 및 빔부(13')는 실리콘과 같은 반도체 재료를 사용하여 일체로 성형된다(molded). 도면부호 2'는 센서 본체(1')가 고정되는 유리 커버를 가리킨다. 도면부호 2a'는 프레임부(11')에 대해 추부(12')가 위치 변위를 일으킬 수 있도록 센서 본체(1')와 유리 커버(2') 사이에 마련된 공간을 가리킨다. 이 가속도 센서가 가속도를 받는 경우, 추부(12')의 위치 변위가 발생한다. 이 때, 추부(12')의 위치 변위에 의해 빔부(13')에 발생된 변형력(strain)은 빔부(13') 상에 형성된 저항 소자(R)의 전기 저항률(electrical resistivity)을 변화시킨다. 전기 저항률의 변화에 따라, 서로 90도 다른 세 방향, 즉 X, Y, Z 축 방향에서 가속도를 검출할 수 있다.
그런데, 종래의 반도체 다축 가속도 센서에서 각 빔부(13') 상에 형성된 저항 소자(R)를 프레임부(11')에 형성된 패드(pad)(16)에 전기적으로 접속하는 배선은 금속층(17)으로 이루어진다. 이 경우에 바이메탈 구조는 금속층(17)과 빔부(13')의 실리콘과 같은 반도체 재료에 의해 빔부(13') 상에 형성된다. 예를 들어, 가속도 센서의 온도가 주위 온도의 변화에 따라 증가하는 경우, 금속층과 실리콘 사이의 열팽창 계수의 차이에 의해 발생되는 열 응력(thermal stress)이 빔부(13')에 발생되어 상기 열 응력의 영향에 기인하여 가속도의 검출 정확도가 저하될 수 있다. 특히, 빔부(13')가 가속도의 검출 정확도를 향상시키기 위하여 길이 방향의 크기가 상대적으로 큰 경우, 바이메탈 구조의 형성에 의해 발생된 열 응력의 영향은 가속도의 검출 정확도에 대하여 현저하게 증가한다. 따라서, 빔부(13') 상에 금속층(17)을 형성하는 것은 가속도 센서의 검출 정확도의 저하를 초래하는 문제가 있다.
또한, 이러한 종류의 가속도 센서는 복수의 브리지 회로를 구비하며, 그 각각은 네 개의 저항 소자 사이를 전기적으로 접속하여 만든다. 이 경우에, 브리지 회로의 오프셋 전압(즉, 가속도가 없는 상태에서의 센서로부터의 출력 전압)의 온도 의존성이 증가함에 따라 가속도 센서의 동작 신뢰성(operational reliability)은 저하된다. 그러므로 브리지 회로의 오프셋 전압을 예를 들어 -40℃∼80℃의 비교적 넓은 동작 온도 범위에서 감소시키는 것이 바람직하다. 그러나 저항 소자(R)와 패드(16) 사이에 전기적인 접속을 만드는 배선이 금속층(17)으로 이루어지는 경우, 열 히스테리시스(thermal hysteresis)에 기인하여 오프셋 전압의 폭이 변동하는 문제가 있다.
본 발명은 상기 설명한 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 금속층 배선이 가속도 센서에 사용되어 야기되는 바람직하지 못한 열 응력에 기인하여 가속도의 검출 정확도가 열화되는 상황을 방지할 수 있는 반도체 가속도 센서를 제공하는 것을 주요 목적으로 한다.
본 발명의 가속도 센서는 프레임부, 추부, 반도체 재료로 이루어진 적어도 한 쌍의 빔부, 및 상기 각 빔부 상에 형성된 하나 이상의 저항 소자를 포함하며, 상기 추부는 상기 적어도 한 쌍의 빔을 통하여 상기 프레임 내에 지지되고, 상기 저항 소자의 압전 효과(piezoelectric effect)에 의한 가속도를 검출한다. 상기 반도체 가속도 센서는 상기 빔부의 각각의 상부면에 형성된 도핑된 반도체층을 상기 저항 소자와 전기적으로 접속하는 배선으로서 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 도핑된 반도체층과 상기 빔부의 반도체 재료 사이의 열팽창 계수의 차이가 매우 작기 때문에, 상기 빔부의 반도체 재료와 상기 빔부 상에 형성된 금속층 배선에 의해 형성된 바이메탈 구조를 갖는 가속도 센서에 비해 가속도의 검출 정확도에 대한 열팽창 계수의 차이에 의해 빔부에 유발되는 바람직하지 못한 열 응력의 영향을 현저하게 줄일 수 있다.
상기 각 빔부는 복수의 배선을 가지며, 상기 배선들은 대략 상기 빔의 길이 방향으로 연장되어 상기 빔부의 폭 방향으로 소정의 거리만큼 서로 이격되어 있고, 모든 배선은 도핑된 반도체층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 특히, 상기 각 빔부의 상부면은 상기 도핑된 반도체층으로 이루어지는 배선(들)만을 갖는 것이 바람직하다. 또한 상기 도핑된 반도체층에 의해 상기 각 빔부의 상부면에 형성된 상기 배선들의 전체 면적은 상기 상부면의 배선이 없는 영역의 전체 면적보다 큰 것이 바람직하다.
상기 적어도 한 쌍의 빔부는 두 쌍의 빔부인 것이 바람직하며, 그 중 한 쌍은 나머지 한 쌍과 직교하는 방향으로 연장되고, 상기 반도체 가속도 센서는 상기 저항 소자의 압전 효과에 의해 복수의 방향에서 가속도를 검출하는 능력을 갖는 것이 바람직하다. 이 경우에, 반도체 다축 가속도 센서인 가속도 센서를 제공할 수 있다.
서로 90도 다른 두 방향에서 가속도를 검출하기 위한 바람직한 저항 소자의 배치로써, 한 쌍의 저항 소자가 상기 추부에 인접한 상기 빔부의 일 단부 근방에 위치되어 반도체 가속도 센서가 상기 저항 소자를 이용하여 형성되고, 두 방향에서 가속도를 검출하는 한 쌍의 브리지 회로를 구비한다. 이와 달리, 서로 90도 다른 세 방향에서 가속도를 검출하기 위한 저항 소자의 바람직한 배치로써, 세 개의 저항 소자 중 두 개는 상기 추부에 인접한 상기 빔부의 일 단부 근방에 위치되고 나머지 하나는 상기 빔부의 반대쪽 단부 근방에 위치되어, 상기 반도체 가속도 센서는 상기 저항 소자를 사용하여 형성되고, 서로 90도 다른 세 방향에서 가속도를 검출한다.
또한 상기 빔부의 쌍 각각 상에 형성된 상기 도핑된 반도체층으로 이루어진 상기 배선과 하나 이상의 저항 소자는 상기 빔부의 쌍 중 어느 하나 상의 상기 도핑된 반도체층으로 이루어진 상기 배선과 상기 하나 이상의 저항 소자에 의한 전체 열 발생량이 상기 빔부의 쌍 중 다른 상기 도핑된 반도체층의 상기 배선에 의한 열 발생량과 동등하도록 전기 저항(electrical resistance)이 결정되는 것이 바람직하다. 이 경우에, 각 브리지 회로에 대해 빔부에서의 열 발생에 의해 유발되는 오프셋 전압을 최소화할 수 있다.
삭제
상기 빔부의 쌍 중 어느 하나 상의 상기 도핑된 반도체층으로 이루어진 상기 배선은 다른 빔부 상의 상기 도핑된 반도체층으로 이루어지는 상기 배선과 패턴이 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 이 경우에 상기 빔부의 쌍 중 어느 하나에 야기되는 응력의 양이 상기 다른 빔부에서 야기되는 응력의 양과 거의 동일하기 때문에 오프셋 전압을 더욱 줄일 수 있다.
상기 추부는 그 상부면 내에 형성된 도핑된 반도체층으로 이루어지는 제1 배선과 그 상부면 상에 형성된 금속층으로 이루어지는 제2 배선을 가지며, 상기 제1 배선과 상기 제2 배선의 교차부에 상기 제1 배선과 상기 제2 배선을 전기적으로 절연하는 절연층이 제공되는 것이 바람직하다. 이 경우에 배선 설계의 자유도를 향상시킬 수 있고 가속도 센서의 크기를 용이하게 축소할 수 있다.
상기 각 빔부는 그 상부면 상에 상기 도핑된 반도체층 상의 상기 열산화층의 두께를 상기 빔부의 상부면의 배선이 없는 영역 상의 상기 열산화층의 두께보다 얇게 하여 형성된 열산화층을 구비하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 실리콘 산화물 등의 낮은 열 전도도를 갖는 이러한 보호용 절연막이 상기 빔부의 상부면 전체 에 형성되면, 상기 도핑된 반도체층에 의해 발생되는 열을 상기 빔부로부터 상기 얇은 실리콘 산화층을 통해 효과적으로 방출시킬 수 있어, 빔부의 변형이나 휨의 발생을 방지할 수 있다.
상기 빔부의 폭 중심을 통과하여 상기 빔부의 길이 방향으로 연장되는 중심선의 양쪽에 상기 각 빔부의 상부면 상에 제1 영역 및 제2 영역이 규정되고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역에 상기 도핑된 반도체층에 의해 형성된 배선 패턴들은 상기 중심선에 대해 대칭인 것이 바람직하다. 이 경우에 상기 빔부의 상기 제1 영역에서 야기되는 응력의 양은 상기 빔부의 상기 제2 영역에서 야기되는 응력의 양과 대략 동일하기 때문에, 상기 빔부가 비틀리고 상기 추부가 가속도의 유무에 무관하게 기울어지는 상황을 방지할 수 있다. 그 결과, 상기 가속도 센서의 오프셋 전압을 더욱 감소시킬 수 있다.
본 발명의 상기한 목적 및 다른 목적들과 이점들은 첨부도면을 참조하여 이하에서 설명하는 바람직한 실시예의 상세한 설명에 의해 더욱 명백해 질 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 본 발명의 반도체 가속도 센서를 더욱 상세하게 설명한다. 아울러, 본 발명은 이 실시예들로 한정되는 것은 아니다.
(제1 실시예)
본 실시예의 반도체 다축 가속도 센서는 도 1에 도시한 바와 같이, 센서 본체(1)는 중간층인 실리콘 산화물 등의 매립 산화층(102)을 구비하는 SOI 기판(100)을 사용하여 형성되고, 양극 접합(anodic bonding)에 의해 유리 커버(2)에 고정된다. SOI 기판(10O)은 실리콘으로 이루어지는 베이스 기판(101), 상기 베이스 기판보다 두께가 얇은 n형 실리콘층(실리콘 활성층)(103), 그리고 그 사이에 절연막으로 된 매립 산화층(102)으로 이루어진다. 베이스 기판(101)의 두께는 400 내지 600㎛ 범위 내, 매립 산화층(102)의 두께는 0.3 내지 1.5㎛ 범위 내, 그리고 실리콘층(103)의 두께는 4 내지 6㎛ 내인 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 센서 본체(1)는 직사각형 프레임부(11), 추부(12) 및 각각이 상기 프레임부보다 두께가 얇은 두 쌍의 빔부(12)를 구비한다. 추부(12)는 빔부(13)에 의해 프레임부(11)내에 지지된다. 직사각형 프레임부(11), 추부(12) 및 빔부(13)는 SOI 기판에 의해 일체로 형성된다(molded). 또한, 센서 본체(1)는 추부(12)에서의 베이스 기판(101)의 두께가 프레임부(11)에서의 베이스 기판(101)의 두께보다 얇도록 형성된다. 따라서 직사각형 프레임부(11)의 하부면이 유리 커버(2)에 고정되는 경우, 추부(12)는 소정의 거리만큼 유리 커버(2)로부터 이격되어 위치한다. 따라서, 프레임(11)과 추부(12) 사이, 그리고 유리 커버(2)와 추부(12) 사이의 틈(clearance)을 형성함으로써, 추부(12)는 가속도 센서가 가속도를 받는 경우에 위치 변위(positional displacement)를 일으킬 수 있도록 한다.
추부(12)는 상부가 대략 정사각형인 직사각형 고체로 이루어지고 각 측면에 각 빔부(13)의 일 단부가 접속되는 중심 추부(12a)와 상기 중심 추부(12a)의 네 모서리로부터 돌출되는 네 개의 추가 추부(12a)로 형성된다. 각각의 추가 추부(12b)는 상부가 대략 정사각형인 직사각형 고체로 이루어지고, 슬릿(14)에 의해 추가 추부(12b)의 모서리가 중심 추부(12a)의 모서리에 연결되는 것을 제외하고 프레임부(11)와 빔부(13)로부터 이격되어 위치한다. 각각의 빔부(13)는 n형 실리콘층(103)과 n형 실리콘층(103) 상에 형성된 실리콘 산화물로 이루어지는 절연층(도시되지 않음)으로 이루어진다. 한 쌍의 빔부(13)는 다른 한 쌍의 빔부(13)와 직교하는 방향으로 연장된다.
본 실시예에서, Z축은 센서 본체(1)의 두께 방향으로 규정된다. Y축과 X축은 도 2에 도시된 바와 같이 센서 본체(1)의 수평 상부면 상에 서로 90도만큼 차이가 나도록 규정된다. 그러므로 추부(12)를 지지하기 위하여 한 쌍의 빔부는 X축 방향으로 연장되고, 다른 한 쌍의 빔부는 Y축 방향으로 연장된다.
X축 방향으로 연장되는 빔부(13) 중 하나(도 2 또는 도 3에 도시된 왼쪽 빔부)에서, 저항 소자(R1x, R3x)는 중심 추부(12a)의 근방에 위치되고, 저항 소자(R4z)는 프레임부(11)의 근방에 위치된다. 마찬가지로, X축 방향으로 연장되는 빔부(13) 중 다른 하나(도 2 또는 도 3에 도시된 오른쪽 빔부)에서, 저항 소자(R2x, R4x)는 중심 추부(12a)의 근방에 위치되고, 저항 소자(R2z)는 프레임부(11)의 근방에 위치된다. 이 네 개의 저항 소자(R1x, R2x, R3x, R4x)는 X축 방향의 가속도를 검출하기 위하여 사용되고, 각 저항 소자의 길이 방향이 빔부(13)의 연장 방향과 일치하도록 배치된다. 또 이 저항 소자들은 도 4의 왼쪽에 나타낸 브리지 회로를 구성하도록 전기적으로 접속된다. 따라서, 저항 소자(R1x∼R4x)는 가속도 센서가 X축 방향으로 가속도를 받은 경우에 각각이 최대 응력이 발생되는 빔부(13)의 소정 영역 상에 형성되는 것이 바람직하다.
Y축 방향으로 연장되는 빔부(13) 중 하나(도 2 또는 도 3에 도시된 상부 빔부)에서, 저항 소자(R1y, R3y)는 중심 추부(12a)의 근방에 위치되고, 저항 소자(R1z)는 프레임부(11)의 근방에 위치된다. 마찬가지로, Y축 방향으로 연장되는 빔부(13) 중 다른 하나(도 2 또는 도 3에 도시된 하부 빔부)에서, 저항 소자(R2y, R4y)는 중심 추부(12a)의 근방에 위치되고, 저항 소자(R3z)는 프레임부(11)의 근방에 위치된다. 이 네 개의 저항 소자(R1y, R2y, R3y, R4y)는 Y축 방향의 가속도를 검출하기 위하여 사용되고, 각 저항 소자의 길이 방향이 빔부(13)의 연장 방향과 일치하도록 배치된다. 또 이 저항 소자들은 도 4의 중앙에 나타낸 브리지 회로를 형성하도록 전기적으로 접속된다. 따라서, 저항 소자(R1y, R2y, R3y, R4y)는 가속도 센서가 Y축 방향으로 가속도를 받은 경우에 각각이 최대 응력이 발생되는 빔부(13)의 소정 영역 상에 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 네 개의 저항 소자(R1z, R2z, R3z, R4z)는 저항 소자(R1z, R3z) 각각의 길이 방향이 대응하는 빔부(13)의 연장 방향, 즉 Y축 방향과 일치하도록, 그리고 저항 소자(R2z, R4z) 각각의 폭 방향이 대응하는 빔부(13)의 연장 방향, 즉 X축 방향과 일치하도록 빔부(13) 상에 프레임부(11) 근방에 위치된다. 이들 저항 소자(R1z, R2z, R3z, R4z)는 Z축 방향의 가속도를 검출하기 위하여 사용된다. 또한, 이들 저항 소자는 도 4의 오른쪽에 나타낸 브리지 회로를 형성하기 위하여 전기적으로 접속된다. 따라서, 저항 소자(R1z, R2z, R3z, R4z)는 가속도 센서가 Z축 방향으로 가속도를 받은 경우에 각각이 최대 응력이 발생되는 빔부(13)의 소정 영역 상에 형성되는 것이 바람직하다.
저항 소자(R1x∼R4x, R1y∼R4y, R1z∼R4z)의 전기 저항률은 가속도 센서가 가속도를 받는 경우에 프레임부(11)에 대한 추부(12)의 위치 변위에 의해 빔부(13)에 야기되는 변형력(strain)에 따라 변화한다. 또한 각 저항 소자는 프레임부(11) 상의 소정의 위치에 형성된 패드에 전기적으로 접속된다. 본 실시예에서, 빔부(13) 상의 저항 소자에 전기적으로 접속된 모든 배선은 상기 빔부(13)의 상부 면에 소정의 깊이로 형성된 도핑된 반도체층(15)에 의해 형성된다.
이 경우에, 도핑된 반도체층(15)과 빔부(13)의 반도체 재료 사이의 열팽창 계수의 차이가 매우 작기 때문에, 빔부(13)의 반도체 재료와 빔부(13) 상에 형성된 금속층 배선에 의해 형성된 바이메탈 구조를 갖는 가속도 센서의 경우에 비해 가속도의 검출 정확도에 대한 열팽창 계수의 차이에 의해 빔부(13)에 유발되는 바람직하지 못한 열응력의 영향을 현저하게 줄일 수 있다. 빔부(13) 각각의 상부면으로부터의 도핑된 반도체층(15)의 깊이는 빔부 두께의 대략 반이고, 도핑된 반도체층(15)의 도핑 농도는 1018/cm3내지 1021/cm3 범위 내인 것이 바람직하다. 도핑 농도가 증가함에 따라 도핑된 반도체층의 전기 저항률이 작아지므로 센서 본체(1)의 열 발생량과 전력 소비량이 줄어든다.
도핑된 반도체층(15)으로 이루어지는 배선(들)을 형성할 때, 각 빔부(13) 쌍 위에 형성된 도핑된 반도체층으로 이루어지는 배선(들) 및 저항 소자(들)는, 빔부의 쌍 중 어느 하나 상의 도핑된 반도체층으로 이루어지는 배선(들)과 저항 소자(들)에 의한 전체 열 발생량이 다른 빔부 상의 도핑된 반도체층으로 이루어지는 배선(들)에 의한 전체 열 발생량과 대략 동등하도록 전기 저항이 결정되는 것이 바람직하다.
즉 전류가 배선에 흐르는 경우, 센서 본체(1)에 공급되는 전력의 일부는 주울열(Joul heat)로 손실되기 때문에, 빔부(13)의 도핑된 반도체층(15)의 온도는 증가한다. 실리콘 산화물과 같은 보호용 절연막이 빔부(13)의 상부면 상에 형성되는 경우, 빔부(13)로부터 도핑된 반도체층(15)에 의해 발생된 열의 방출이 열 전도도가 낮은 절연막에 의해 방해를 받을 염려가 있어, 빔부(13)의 변형(deformation) 또는 휨(warpage)이 발생한다. 이 경우에, 도핑된 반도체층(15) 상의 절연막의 제1 두께가 빔부(13)의 상부면의 배선이 없는 영역 상의 절연막의 제2 두께보다 얇게 하여 절연막인 열산화막이 각 빔부의 상부면에 형성되는 것이 바람직하다. 일례로, 제1 두께는 대략 4000Å이고 제2 두께는 대략 7000Å이다.
예를 들어, 제1 두께 및 제2 두께를 갖는 열산화막은 다음과 같은 방법으로 빔부(13) 상에서 얻을 수 있다. 즉, SOI 기판(100)의 상부면 전체에 형성된 실리콘 산화막을 패터닝하여, 빔부(13)의 노출면이 도핑된 반도체층(15)을 형성하기 위한 배선 영역으로 사용되도록 한다. 패터닝된 실리콘 산화막을 마스크로 하여 도핑된 반도체층을 형성하고, 열 산화법으로 패터닝된 절연막과 도핑된 반도체층이 있는 SOI 기판의 전체 면에 추가로 실리콘 산화막을 형성한다. 도핑된 반도체층(15)과 저항 소자는 붕소 등의 p형 불순물의 이온 주입(ion implantation)으로 형성할 수 있다. 이와 달리, p형 불순물의 사전증착(predeposition) 후에 드라이브인(dirve-in) 단계를 수행할 수도 있다. 본 실시예에서는 실리콘층(103)이 n형 반도체 재료로 이루어지기 때문에, 저항 소자와 도핑된 반도체층(15)의 도전형은 p형이다. 반대로 실리콘층(103)이 p형 반도체 재료로 이루어지는 경우, 저항 소자와 도핑된 반도체층(15)의 도전형은 n형이다.
그런데, 중심 추부(12a) 주위에 위치된 저항 소자에 접속된 대부분의 배선들이 프레임부(11) 상에 형성되는 경우, 배선의 연장된 길이에 기인하여 브리지 회 로의 배선 저항의 불균일성이 증가하고, 센서 본체(1)의 크기도 증가하는 불편함이 있을 수 있다. 이러한 불편함의 발생은 브리지 회로의 수가 클수록 및/또는 빔부의 길이가 길수록 증가할 것이다. 이러한 경우에, 중심 추부(12a) 주위에 위치된 저항 소자에 대한 배선의 적어도 일부는 중심 추부(12a) 상에 형성되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 두 개의 배선이 중심 추부(12a)에서 서로 교차하는 경우, 배선 중 하나는 도핑된 반도체층(15)에 의해 형성되고 다른 하나는 금속층(17)에 의해 형성되는 것이 바람직하며, 이들 두 배선의 교차부에 실리콘층(103) 상에 형성된 실리콘 산화막과 같은 절연층이 도핑된 반도체층(15)은, 금속층(17)으로부터 전기적으로 절연시키기 위해 제공된다. 이와 달리, 다층 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 절연막으로 사용할 수도 있다.
도 2에서, 도면부호 20은 도핑된 반도체층(15)이 금속층(17)과 전기적으로 접속되는 접촉부(contact portion)를 가리킨다. 즉, 접촉공(contact hole)이 절연막 내에 형성되며, 금속층 배선의 일 단부는 도핑된 반도체층(15)과 금속층(17) 사이가 전기적으로 접속되도록 접촉공 내에 매립된다. 중심 추부(12a)에 형성된 각각의 도핑된 반도체층(15)은 L자형 구성이다. 도핑된 반도체층(15)은 중심 추부(12a)에 서로 교차하지 않도록 형성된다. 프레임부(11) 상의 배선 대부분은 금속층으로 형성할 수 있다(도시되지 않음).
전술한 바와 같이, 반도체 다축 가속도 센서는 두 개 또는 세 개의 브리지 회로를 구비하기 때문에, 프레임부(11) 상에 형성된 패드의 전체 수는 증가한다. 이것은 배선 설계의 자유도를 제한할 수 있고, 센서 본체(1)의 크기를 크게 할 수 있다. 본 실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 프레임부(11) 상에 형성되는 패드의 전체 수를 줄이기 위하여 단 두 개의 패드가 세 개의 브리지 회로에 대한 공통 입력 단자로 사용된다. 다시 말해서, 세 개의 브리지 회로는 병렬로 접속되어 있다. 그 결과, 프레임부(11) 상에 형성되어야 할 패드의 전체 수는 본 실시예에서 8개이다.
도 4에서, "X1"과 "X2"는 X축 방향의 가속도를 검출하는 데 사용되는 브리지 회로의 두 출력 단자를 가리킨다. "Y1"과 "Y2"는 Y축 방향의 가속도를 검출하는 데 사용되는 브리지 회로의 두 출력 단자를 가리킨다. "Z1"과 "Z2"는 Z축 방향의 가속도를 검출하는 데 사용되는 브리지 회로의 두 출력 단자를 가리킨다. "VDD"와 "GND"는 세 개의 브리지 회로에 대한 공통 입력 단자를 가리킨다. 프레임부(11) 상에 형성된 패드 및 배선은 도 2에는 도시하지 않았다.
배선을 통해 저항 소자와 접속되는 패드는 도 2에서 화살표로 나타내었다. 예를 들어, 빔부(13) 상에 형성된 저항 소자 "R1x"는 빔부(13)에 형성된 도핑된 반도체층(15)으로 이루어진 배선을 통해 출력 단자 "X1"에 대응하는 패드(도시되지 않음)에 접속된다. 외부 전원(도시되지 않음)은 입력 단자 "VDD"와 "GND" 사이에 접속된다. 입력 단자 "VDD"는 전원의 고 전압측에 접속되고, 입력 단자 "GND"는 전원의 저 전압측(즉, 그라운드측)에 접속된다. 따라서 전술한 패드 배치를 이용함으로써 프레임부(11) 상의 모든 브리지 회로에 입력 단자용 패드를 형성하는 종래의 경우에 비해 프레임부(11) 상에 형성될 패드의 전체 수를 줄일 수 있고, 배선 설계의 자유도를 증가시킬 수 있으며, 센서 본체(1)의 크기를 용이하게 줄일 수 있다.
그런데 각각의 빔부(13) 상에 배선으로서 형성된 도핑된 반도체층(15)을 구비하는 본 실시예의 가속도 센서에서 저항 소자들 사이에 연장되는 배선의 전기 저항은 도핑된 반도체층의 비교적 큰 고유 저항(specific resistance) 때문에 증가하므로, 저항 소자 사이에 연장되는 배선의 길이가 길어질수록 오프셋 전압이 커지는 경향이 있다. 예를 들어, 도 5에 나타낸 브리지 회로에서 오프셋 전압은 가속도 센서가 가속도를 받지 않는 경우에 가속도 센서로부터의 출력되는 전압 "v"(=v1-v2)이다.
본 실시예에서, 오프셋 전압을 감소시키기 위하여 각 배선의 전기 저항은 다음 방법에 따라 적절하게 결정된다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이 저항 소자(R1)와 입력 단자 "GND" 사이에 연장되는 배선의 저항값(r1)은 저항 소자(R2)와 입력 단자 "GND" 사이에 연장되는 배선의 저항값(r2)과 같다. 저항 소자(R1)와 입력 단자 "V1" 사이에 연장되는 배선의 저항값(r3)은 저항 소자(R2)와 입력 단자 "V2" 사이에 연장되는 배선의 저항값(r4)과 같다. 저항 소자(R1)와 저항 소자(R4) 사이에 연장되는 배선의 저항값(r5)은 저항 소자(R2)와 저항 소자(R3) 사이에 연장되는 배선의 저항값(r6)과 같다. 저항 소자(R3)와 입력 단자 "VDD" 사이에 연장되는 배선의 저항값(r7)은 저항 소자(R4)와 입력 단자 "VDD" 사이에 연장되는 배선의 저항값(r8)과 같다. 따라서, 오프셋 전압, 즉 가속도 센서의 동작 온도 내의 열 히스테리시스를 줄이기 위하여 적절한 배선 레이아웃을 사용하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서, X축 방향의 가속도를 검출하는 브리지 회로에 대해, 저항 소자(R1x∼R4x)와 도핑된 반도체층(15)과 관련된 배선의 전기 저항은 빔부의 쌍 중 하나 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)와 저항 소자(R1x, R3x)로 이루어지는 배선에 의한 전체 열 발생량과, 다른 하나의 빔부(13) 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)으로 이루어지는 배선과 저항 소자(R2x, R4x)에 의한 전체 열 발생량이 대략 동일하도록 결정된다. 마찬가지로, Y축 방향의 가속도를 검출하는 브리지 회로에 대해, 저항 소자(R1y∼R4y)와 도핑된 반도체층(15)과 관련된 배선의 전기 저항은, 빔부의 쌍 중 하나 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)으로 이루어지는 배선과 저항 소자(R1, R3y)에 의한 전체 열 발생량과, 다른 빔부(13) 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)으로 이루어지는 배선과 저항 소자(R2y, R4y)에 의한 전체 열 발생량이 대략 동일하도록 결정된다.
나아가, Z축 방향의 가속도를 검출하는 브리지 회로에 대해, 저항 소자(R1z∼R4z)와 도핑된 반도체층(15)와 관련된 배선의 전기 저항은, 빔부(13)의 쌍 중 하나 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)으로 이루어지는 배선과 저항 소자(R1z)에 의한 전체 열 발생량은 다른 빔부(13) 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)으로 이루어지는 배선과 저항 소자(R3z)에 의한 전체 열 발생량이 대략 동일하고,
다른 빔부 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)으로 이루어지는 배선과 저항 소자(R2z)에 의한 전체 열 발생량은 다른 빔부 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)으로 이루어지는 배선과 저항 소자(R4z)에 의한 전체 열 발생량이 대략 동일하도록 결정된다. 전술한 배선 설계를 이용함으로써 각 브리지 회로에 대한 오프셋 전압 을 감소시킬 수 있다. 각 저항 소자(R1z∼R4z)의 일 단부에 접속된 도핑된 반도체층(15)의 전기 저항은 각 저항 소자(R1z∼R4z)에 반대측 단부에 접속된 도핑된 반도체층(15)의 저기 저항과 대략 동일한 것이 바람직하다.
다음에, 본 발명의 반도체 다축 가속도 센서의 가속도 검출 원리에 대해 도 5 내지 도 7을 참조하여 간단히 설명한다. 도 5의 브리지 회로를 X축 방향의 가속도를 검출하는 브리지 회로로 간주하는 경우, 저항 소자(R1∼R4)는 저항 소자(R1x∼R4x)에 각각 대응하고, 출력 단자 "V1" 및 "V2"는 각각 출력 단자 "X1" 및 "X2"에 대응한다.
일례로, 가속도 센서가 X축 방향의 가속도 성분을 포함하는 외력(즉, 가속도)을 받는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 프레임부(11)에 대해 추부(12)의 위치 변위가 발생한다. 빔부(13)의 변위는 추부(12)의 위치 변위에 의해 발생되어 빔부(13) 상에 형성된 저항 소자(R1∼R4)의 전기 저항을 변화시킨다. 도 7에서 화살표 "B"는 추부(12)의 위치 변위의 방향을 나타낸다. 이 경우에, 저항 소자(R1, R3)는 인장응력(tensile stress)을 받고, 저항 소자(R2, R3)는 압축 응력(compression stress)을 받는다. 도 7에서, 기호 "+"는 그 기호 대응하는 영역에 형성되어 있는 저항 소자가 인장응력을 받는 것을 나타내고, 기호 "-"는 그 기호에 대응하는 영역에 형성되어 있는 저항 소자가 압축응력을 받는 것을 나타낸다.
일반적으로 저항 소자가 인장응력을 받으면 전기 저항이 증가한다. 반대로 저항 소자가 압축응력을 받으면 전기 저항이 감소한다. 때문에, 전술한 경우 저항 소자(Rl, R3)의 전기 저항은 증가하고, 저항 소자(R2, R4)의 전기 저항은 감소하여 출력 단자들(V1, V2) 사이에 전압차가 생긴다. 출력 단자 "V1"과 "V2"의 전압값을 각각 "v1"과 "v2"로 나타내면, 브리지 회로의 출력 전압 "v"는 "v1" - "v2"와 같다. 따라서, 저항 소자(R1∼R4)의 전기 저항의 변화를 검출함으로써 X축 방향의 가속도 성분을 결정할 수 있다. 가속도 센서가 X축 방향으로만 가속도를 받은 경우, Y축 방향 및 Z축 방향의 가속도 성분을 검출하는 각 브리지 회로에 대하여는 출력 단자들(V1, V2) 사이에 전압차가 발생하지 않는다. 가속도 센서가 Y축 방향의 가속도 성분을 포함하는 외력(즉, 가속도)을 받는 경우에 가속도를 검출하는 원리는 전술한 X축 방향의 가속도 성분을 받는 경우와 실질적으로 동일하기 때문에 중복 설명을 피하기 위하여 생략한다.
한편, 도 5의 브리지 회로를 Z축 방향의 가속도를 검출하는 브리지 회로로 간주하는 경우, 저항 소자(R1, R2, R3, R4)는 저항 소자(R4z, R1z, R2z, R3z)에 각각 대응하고, 출력 단자 "V1" 및 "V2"는 각각 출력 단자 "Z1" 및 "Z2"에 대응한다.
가속도 센서가 Z축 방향의 가속도 성분을 포함하는 외력(즉, 가속도)을 받는 경우, 도 8에 도시된 바와 같이 프레임부(11)에 대해 추부(12)의 위치 변위가 발생한다. 빔부(13)의 변형은 추부(12)의 위치 변위에 의해 발생되어 빔부(13) 상에 형성된 저항 소자(R1∼R4)의 전기 저항을 변화시킨다. 도 8에서 화살표 "C"는 추부(12)의 위치 변위의 방향을 나타낸다. 이 경우에, 모든 저항 소자(R1∼R4)는 인장응력을 받는다. 그러나 빔부(13)의 길이 방향을 따라 저항 소자들(R1z, r3z) 각각에 전류가 흐르고, 빔부(13)의 폭 방향을 따라 저항 소자들(R2z, R4z) 각각에 전 류가 흐르기 때문에 출력 단자들(V1, V2) 사이에 전압차가 발생한다. 출력 단자 "V1"과 "V2"의 전압값을 각각 "v1"과 "v2"로 나타내면, 브리지 회로의 출력 전압 "v"는 "v1" - "v2"와 같다. 따라서, 저항 소자(R1∼R4)의 전기 저항의 변화를 검출함으로써 Z축 방향의 가속도 성분을 결정할 수 있다.
본 발명의 가속도 센서의 프레임부(11)와 일체로 형성되는 추부(12)는 다음의 방법으로 제조될 수 있다. 즉, 슬릿(14) 및 빔부(13)에 대응하는 영역을 SOI 기판(100)으로부터 제거하기 위하여 유도 결합 플라즈마형 건식 에칭 장치를 이용하여 SOI 기반(100)의 하부면에서부터 수직으로 매립 산화층(102)에 도달할 때까지 제1 에칭 단계를 수행한다. 그런 다음, 슬릿(14)에 대응하는 영역을 SOI 기판(100)으로부터 제거하기 위하여 건식 에칭 또는 습식 에칭을 이용하여 기반(100)의 상부면에서부터 수직으로 에칭이 매립 산화층(102)에 도달할 때까지 제2 에칭 단계를 수행한다. 다음에, 슬릿(14) 및 빔부(13)에 대응하는 영역의 매립 산화층(102)을 SOI 기판(100)으로부터 제거하기 위하여 건식 에칭 또는 습식 에칭을 이용하여 제3 에칭 단계를 수행한다.
본 방법에 따르면 각 빔부(13)는 실리콘층(103)과 그 위에 형성된 절연층으로 이루어지고, 매립 산화층(102)은 제1 및 제2 에칭 단계에서 에칭 스토퍼로 사용할 수 있다. 그러므로, 에칭 단계 동안에 정확히 빔부(13)의 두께를 용이하게 제어할 수 있고, 생산 수율을 향상시킬 수 있다. 그 결과 비용 절감을 실현할 수 있다.
또한, 수산화칼륨 수용액(KOH) 등의 알칼리계 용액을 이용하여 이방성 에칭 에 의해 추부(12)를 형성하는 경우에 비해, 프레임부(11)와 추부(12) 사이에 틈(clearance)을 감소시킬 수 있고, 센서 본체(1)의 크기를 줄일 수 있으며, 따라서 본 발명의 정교한 구조를 갖는 가속도 센서를 제공할 수 있다.
(제2 실시예)
본 실시예의 반도체 다축 가속도 센서는 다음의 특징을 제외하고는 제1 실시예의 반도체 다축 가속도 센서와 거의 동일하다.
본 실시예의 가속도 센서는 제1 실시예와 배선 레이아웃이 상이하다. 즉, 도 9에 도시된 바와 같이, X축으로 연장되는 빔부(13) 쌍에 대해 상기 빔부(13) 중 하나에 형성된 도핑된 반도체층(15)의 배선 패턴과, 다른 빔부(13) 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)의 배선 패턴은 각 빔부의 폭 중심을 통과하여 Y축 방향으로 연장되는 수직 중심선에 대해 대칭이다. 마찬가지로, Y축으로 연장되는 빔부(13) 쌍에 대해, 상기 빔부(13) 중 하나 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)의 배선 패턴과 다른 빔부(13) 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)의 배선 패턴은 각 빔부의 폭 중심을 통과하여 X축 방향으로 연장되는 수평 중심선에 대해 대칭이다. 상기한 특징을 갖는 가속도 센서에 따르면, 각 브리지 회로로부터 출력되는 오프셋 전압을 더욱 감소시킬 수 있다.
본 실시예에서, 각각의 도핑된 반도체층(15)은, 도핑된 반도체층(15)으로 이루어진 인접한 배선들 사이의 간격이 그들 사이에 전기적 절연이 유지되기에 충분한 조건에서 비교적 큰 폭을 갖도록 형성된다. 즉, 도핑된 반도체층(15)에 의해 빔부(13) 각각의 상부면에 형성된 배선의 전체 면적이 그 상부면의 배선이 없는 영 역의 전체 면적보다 크다. 이 경우에 도핑된 반도체층(15) 상의 열 산화막의 두께가 배선이 없는 영역 상의 열 산화막의 두께보다 얇도록 각 빔부 상에 열 산화막을 용이하게 형성할 수 있기 때문에, 빔부(13)의 열 방출 성능의 향상을 효과적으로 달성한다.
(제3 실시예)
본 실시예의 반도체 다축 가속도 센서는 다음의 특징을 제외하고는 제2 실시예의 반도체 다축 가속도 센서와 거의 동일하다. 따라서 중복 설명은 불필요하다고 생각한다.
본 실시예의 가속도 센서는 제2 실시예와 배선 레이아웃이 상이하다. 즉, 도 10에 도시된 바와 같이, X축으로 연장되는 빔부(13) 쌍에 대해, 상기 빔부(13) 중 하나 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)의 배선 패턴과, 다른 빔부(13) 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)의 배선 패턴은 중심 추부(12a)의 상부면의 중심점에 대해 180도 회전 대칭(rotationally symmetric)이다. 마찬가지로, Y축으로 연장되는 빔부(13) 쌍에 대해, 빔부(13) 중 하나 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)의 배선 패턴과 다른 빔부(13) 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)의 배선 패턴은 중심 추부(12a)의 상부면의 중심점에 대해 180도 회전 대칭이다. 상기한 특징을 갖는 가속도 센서에 따르면, 각 브리지 회로로부터 출력되는 오프셋 전압을 더욱 감소시킬 수 있고, 빔부(13)의 열 방출 성능을 향상시킬 수 있다.
(제4 실시예)
본 실시예의 반도체 다축 가속도 센서는 다음의 특징을 제외하고는 제1 실시 예의 반도체 다축 가속도 센서와 거의 동일하다. 따라서, 따라서 중복 설명은 불필요하다고 생각한다.
본 실시예의 가속도 센서는 제2 실시예와 배선 레이아웃이 상이하다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 빔부(13)의 폭 중심을 통과하여 빔부(13)의 길이 방향으로 연장되는 중심선의 양쪽에 빔부(13) 각각의 상부면 상에 제1 영역 및 제2 영역이 규정되고, 제1 영역과 상기 제2 영역에 도핑된 반도체층(15)에 의해 형성된 배선 패턴들은 중심선에 대해 대칭이다.
예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이 빔부(13)의 제1 영역(도 12의 왼쪽) 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)과 빔부(13)의 제2 영역(도 12의 오른쪽) 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)은 중심선(M1)에 대해 대칭이 아니다. 이 경우에, 제1 영역의 도핑된 반도체층(15)은 제2 영역의 도핑된 반도체층(15)보다 폭이 더 크고, 중심선(M1) 가까이에 형성된다.
도 13 (A) 내지 (F)를 참조하여 도 12에 나타낸 빔부(13)를 형성하는 방법을 간단히 설명한다. SOI 기판(100)이므로, 예를 들어 두께 400㎛의 베이스 기판(101), 두께 0.5㎛의 매립 산화층(102) 및 두께 5㎛의 실리콘층(103)으로 이루어진 SOI 웨이퍼를 사용할 수 있다.
먼저, 도 13 (A)에 도시된 바와 같이, 제1 두께(예: 6000Å)의 실리콘 산화막(18a)을 발열 산화법(pyrogenic oxidation)에 의해 SOI 웨이퍼의 상부면 상에 형성한다. 그런 다음 도 13 (B)에 도시된 바와 같이, 패터닝된 레지스터층(19)을 포토리소그래피 기술을 이용하여 실리콘 산화막(18a) 상에 형성한다. 레지스터층(19)을 마스크로 사용하여 실리콘 산화막(18a)의 일부를 불화수소산 에칭을 실행한 후, 도 13 (C)에 도시된 바와 같이 레지스터층(19)을 제거한다. 다음에, 도 13 (D)에 도시된 바와 같이 패터닝된 실리콘 산화막(18a)을 마스크로 사용하여 확산노(diffusion furnace)에서 p형 불순물(15a)(예: 붕소)을 실리콘층(103)으로 확산시켜 도핑된 반도체층(15)을 얻는다. 또 도 13 (E)에 도시된 바와 같이 실리콘층(103)의 노출면 및 패터닝된 실리콘 산화막(18a) 상에 열 산화법으로 제2 두께(예: 4000Å)의 부가 실리콘 산화막을 형성한다.
따라서, 연속하여 형성된 제1 두께의 실리콘 산화막(18a)과 제2 두께의 부가 실리콘 산화막을 구비한 절연막(18)이 제공된다. 이 절연막(18)의 두께는 대략 7000Å이다. 한편, 노출된 실리콘층(103)의 표면에 형성된 추가 실리콘 산화막, 즉 열 산화법에 의한 도핑된 반도체층(15)은 두께가 대략 4000Å이다. 예를 들어, 전술한 확산 단계에 대한 처리 조건으로, 확산 온도는 1100℃이고, 확산 시간은 30분이다. 확산노는 증기와 산소 혼합 가스로 채워져 있다.
절연막(18) 내에 접촉 구멍을 형성하고, 절연막(18) 상에 금속층으로 이루어진 소정의 배선을 형성한 후, 유도 결합 플라즈마형 건식 에칭 장치를 이용하여 SOI 기판(100)의 하부면에서부터 수직으로 매립 산화층(102)에 도달할 때까지 에칭 단계를 수행함으로써 SOI 기판(102)에서 빔부(13)에 대응하는 영역을 제거하여 도 13 (F)에 도시된 바와 같이 빔부(13)를 얻을 수 있으며, 후속 에칭 단계에서 건식 에칭 또는 습신 에칭을 이용하여 SOI 기판(100)으로부터 빔부(13)에 대응한 영역의 매립 산화층(102)을 제거한다.
이렇게 획득된 빔부(13)는 도 12에 도시된 바와 같이, 빔부(13)의 제1 및 제2 영역 상에 형성된 절연막(18)은 중심선(M1)에 대해 대칭이 아니다. 절연막(18)의 응력(stress)의 양과 빔부(13)의 제1 영역과 제2 영역 사이의 결정 왜곡(crystal distortion)에 의해 도핑된 반도체층(15)에 야기되는 응력의 양 차이에 기인하여, 빔부(13)에 도 12에서 화살표 "D1"과 "D2"로 나타낸 두 개의 상이한 응력이 발생하여, 빔부(13)가 뒤틀리고 추부(12)가 가속도의 유무에 무관하게 기울어질 우려가 있다. 또, 커버(2)와 전술한 빔부(13)를 구비하는 센서 본체(1)를 구비한 가속도 센서가 실리콘 수지 또는 에폭시 수지와 같은 접착제를 이용하여 다이 접합법(die bonding)으로 실리콘과 열 팽창계수가 상이한 패키지에 부착되는 경우, 높아진 온도(elevated temperature)에서 바람직하지 못한 응력이 패키지로부터 빔부에 전달되어, 추부(12)의 기울기의 더욱 증가되어 오프셋 전압의 변동을 더욱 크게 할 우려가 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시예의 반도체 다축 가속도 센서에서 빔부(13)의 제1 영역(도 14의 왼쪽) 상에 형성된 도핑된 반도체층(15) 및 절연막(18)과, 동일한 빔부(13)의 제2 영역(도 14의 오른쪽) 상에 형성된 도핑된 반도체층(15) 및 절연막(18)은 중심선(M1)에 대해 대칭이다.
즉, 도 14에 도시된 바와 같이, 제1 영역의 도핑된 반도체층(15)은 제2 영역의 도핑된 반도체층(15)과 폭 및 두께가 동일하다. 제1 영역 및 제2 영역 상의 도핑된 반도체층(15)은 중심선(M1)으로부터 등거리로 이격되어 있다. 또한 중심선(M1) 상에 형성된 도핑된 반도체층(15)은 중심선(M1)에 의해 제1 영역과 제2 영역으로 동등하게 나뉘어져 있다.
실리콘층(103)으로 불순물을 도핑하여 형성된 도핑된 반도체층(15)에서, 결정 격자 왜곡(crystal lattice distortion)에 의해 내부 응력이 발생된다. 빔부(13)의 상부면에서의 도핑된 반도체층(15)의 깊이가 비교적 작은 경우, 빔부(13)의 상부면 근방의 도핑된 반도체층(15)과 빔부(13) 하부면 근방에 위치된 실리콘층(103) 사이의 내부 응력의 차이가 증가하여, 합성 응력(resultant strain(stress))은 가속도 검출 정확도 전반에 바람직하지 못한 영향을 미칠 수 있다. 본 실시예에서는 도핑된 반도체층(15)의 깊이를 빔부(13) 두께의 대략 반이 되도록 결정함으로써 응력을 완화시킨다. 도핑된 반도체층(15)이 빔부(13)의 상부면으로부터 깊이가 충분하도록 형성되는 경우, 배선 저항을 감소시킬 수도 있다.
도 15 (A) 내지 (F)에 도시한 바와 같이, 도 14에 나타낸 빔부(13)는 도 13 (A) 내지 (F)에 대해 전술한 바와 거의 동일한 방법으로 형성할 수 있다. 이렇게 하여 얻은 도 14에 도시된 빔부(13)의 이용은 빔이 뒤틀리고 가속도의 유무에 무관하게 추부(12)가 기울어지는 상황, 그리고 패키지로부터 빔부(13)로 전달되는 바람직하지 못한 응력에 의해 오프셋 전압의 변동이 가속도 센서의 동작 온도 범위에 전체에서 증가된 상황을 방지하는 하나의 효과적인 방법을 제공한다. 그 결과, 본 발명에 따른 반도체 다축 가속도 센서는 가속도의 검출 정확도와 동작 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.
전술한 실시예들에서는 센서 본체(1)를 형성하기 위하여 SOI 웨이퍼를 사용하였다. 이와 달리, 실리콘 웨이퍼 등의 에피택셜 웨이퍼를 센서 본체(1)에 사용 할 수 있다. 또한 전술한 실시예에서 커버(2)로 파이렉스[Pyrex(R), 등록상표]를 사용하였다. 그러나 커버 재료는 이것으로 한정되지는 않는다. 커버(2)의 재료는 양극 접합(anodic bonding)이나 공정접합(eutectic bonding) 등에 의해 센서 본체(1)를 고정시킬 수 있는 것이면 사용 가능하다. 예를 들어 커버(2)를 실리콘을 만들 수도 있다.
전술한 실시예들에서는 3축 방향(즉, X축, Y축, Z축)의 가속도를 검출하는 반도체 다축 가속도 센서에 대해 설명하였지만, 2축 방향만의 가속도를 검출하는 반도체 다축 가속도 센서에 본 발명의 기술사상을 적용할 수 있는 것은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 금속층 배선이 가속도 센서에 사용되어 야기되는 바람직하지 못한 열 응력(thermal stress)에 기인하여 가속도의 검출 정확도가 열화되는 상황을 방지할 수 있는 반도체 가속도 센서를 제공할 수 있다.

Claims (14)

  1. 프레임부(frame), 추부(weight), 반도체 재료로 이루어진 적어도 한 쌍의 빔부(beam), 및 상기 각 빔부 상에 형성되는 하나 이상의 저항 소자를 포함하며, 상기 추부는 상기 한 쌍의 빔을 통하여 상기 프레임 내에 지지되고, 상기 저항 소자의 압전 효과(piezoelectric effect)에 의한 가속도를 검출하는 반도체 가속도 센서로서,
    상기 빔부의 각각의 상부면에 상기 저항 소자와 전기적으로 접속하는 배선으로서 형성된 도핑된 반도체층을 포함하며,
    상기 빔부의 각각의 상부면에 형성된 모든 배선이 상기 도핑된 반도체층으로 이루어지고,
    상기 하나 이상의 저항 소자와 상기 각각의 빔부 쌍의 위에 형성된 상기 도핑된 반도체층의 상기 배선은, 상기 하나 이상의 저항 소자와 상기 빔부 쌍 중 하나의 위에 형성된 상기 도핑된 반도체층의 상기 배선에 의한 전체 열 발생량이 상기 하나 이상의 저항 소자와 상기 빔부 쌍 중 다른 하나의 위에 형성된 상기 도핑된 반도체층의 상기 배선에 의한 열 발생량과 동등하도록 전기 저항이 결정되는 것을 특징으로 하는 반도체 가속도 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 빔부는 두 쌍의 빔부이며, 그 중 한 쌍은 나머지 한 쌍과 직교하는 방향으로 연장되도록 함으로써, 상기 반도체 가속도 센서가 상기 저항 소자의 압전 효과에 의해 복수의 방향에서 가속도를 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 가속도 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 각 빔부 상에 형성된 상기 하나 이상의 저항 소자는 상기 추부에 인접한 상기 빔부의 일 단부 근방에 위치되는 한 쌍의 저항 소자이고,
    상기 반도체 가속도 센서는 상기 저항 소자를 사용하여 형성되고, 서로 90도만큼 차이가 나는 두 방향에서 가속도를 검출하는 한 쌍의 브리지 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 가속도 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각 빔부 상에 형성된 상기 하나 이상의 저항 소자는 세 개의 저항 소자이며, 그 중 두 개는 상기 추부에 인접한 상기 빔부의 일 단부 근방에 위치되고 나머지 하나는 상기 빔부의 반대쪽 단부 근방에 위치되며,
    상기 반도체 가속도 센서는 상기 저항 소자를 사용하여 형성되고, 서로 90도만큼 차이가 나는 세 방향에서 가속도를 검출하는 세 개의 브리지 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 가속도 센서.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 빔부의 쌍 중 어느 하나의 위에 형성되는 상기 도핑된 반도체층의 상기 배선은 다른 빔부의 위에 형성되는 상기 도핑된 반도체층의 상기 배선과 패턴이 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 가속도 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 추부는 그 상부면 내에 형성되는 상기 도핑된 반도체층으로 이루어지는 제1 배선과 상기 상부면 상에 형성된 금속층으로 이루어지는 제2 배선을 가지며,
    상기 제1 배선과 상기 제2 배선의 교차부에 상기 제1 배선과 상기 제2 배선을 전기적으로 절연하는 절연층이 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 가속도 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 각 빔부는 복수의 배선을 가지며, 상기 배선들은 대략 상기 빔의 길이 방향으로 연장되어 소정의 거리만큼 상기 빔부의 폭 방향으로 서로 이격되어 있고, 모든 배선은 도핑된 반도체층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 가속도 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 도핑된 반도체층에 의해 상기 각 빔부의 상부면에 형성된 상기 배선들의 전체 면적은 상기 상부면의 배선이 없는 영역의 전체 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 가속도 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    각 빔부의 상부면으로부터의 상기 도핑된 반도체층의 깊이는 상기 빔부의 두께의 대략 절반인 것을 특징으로 하는 반도체 가속도 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 도핑된 반도체층의 도핑 농도는 1018/cm3 내지 1021/cm3 범위 내인 것을 특징으로 하는 반도체 가속도 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 각 빔부는 그 상부면 상에 형성된 열산화층을 가지며, 상기 도핑된 반도체층 상의 상기 열산화층의 두께는 상기 빔부의 상부면의 배선이 없는 영역 상의 상기 열산화층의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 가속도 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 각 빔부의 상부면은 상기 도핑된 반도체층으로 이루어지는 배선(들)만 을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 가속도 센서.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 빔부의 폭 중심을 통과하여 상기 빔부의 길이 방향으로 연장되는 중심선의 양쪽에 상기 각 빔부의 상부면 상에 제1 영역 및 제2 영역이 정해지고,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역에 상기 도핑된 반도체층으로 형성된 배선 패턴들은 상기 중심선에 대해 대칭인 것을 특징으로 하는 반도체 가속도 센서.
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