KR100937593B1 - Semiconductor gas sensor device and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 가스 센서 소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 소이(SOI) 실리콘 기판의 단결정 실리콘을 불순물로 도핑하여 가스 센서의 히터로 이용하고 또한 단결정 실리콘을 센서 멤브레인으로 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 도핑된 단결정 실리콘을 히터 및 센서 멤브레인으로 활용하므로써 300℃ 이상의 고온 동작시 열에 의한 스트레스에 대한 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있고, 또한 소이 기판을 채택하므로써 히터의 열이 하부 실리콘 벌크로 손실되는 것을 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor gas sensor element and a method of manufacturing the same, wherein the single crystal silicon of a SOI silicon substrate is doped with impurities and used as a heater of the gas sensor, and the single crystal silicon is used as a sensor membrane. According to the present invention, the doped single crystal silicon is utilized as a heater and a sensor membrane, thereby improving the durability against heat stress when operating at a high temperature of 300 ° C. or higher. The effect is to minimize the loss to bulk.
반도체 가스 센서, 미세기전집적시스템(MEMS), 실리콘 마이크로 히터 Semiconductor Gas Sensors, Microelectromechanical Systems (MEMS), Silicon Micro Heaters
Description
본 발명은 반도체 가스 센서 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 미세기전집적시스템(MEMS) 기술을 이용한 반도체 가스 센서 소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor gas sensor devices, and more particularly, to a semiconductor gas sensor device using a microelectromechanical integrated system (MEMS) technology and a method of manufacturing the same.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[과제관리번호:2006-S-007-02, 과제명:유비쿼터스 건강관리용 모듈 시스템]The present invention is derived from the research conducted as part of the IT source technology development project of the Ministry of Information and Communication and the Ministry of Information and Communication Research and Development. [Task Management No .: 2006-S-007-02, Task Name: Ubiquitous Health Management Module System]
최근 미세기전집적시스템(Micro Electro Mechanical System)형 가스 센서 기술이 환경에 대한 우리의 중요 인식 전환으로 인해 각광을 받고 있다. 가스 센서에 있어서 감도, 안정성, 선택성이 가스 센서의 성능을 평가 하는데 있어 주요 파라메터이다. 특히, 가열 방식의 가스 센서에 있어서는 안정성의 측면에서 기존의 산화막 또는 절연막의 상하부나 중간에 백금과 같은 금속 히터를 설게 제작하여 히팅하는 방식을 많이 사용하여 왔다.Recently, Micro Electro Mechanical System-type gas sensor technology is in the spotlight due to the shift in our important perception of the environment. For gas sensors, sensitivity, stability, and selectivity are key parameters in evaluating gas sensor performance. In particular, in the heating type gas sensor, a method of manufacturing and heating a metal heater such as platinum on the upper and lower portions or in the middle of an existing oxide film or an insulating film has been frequently used in view of stability.
일반적으로 MEMS형 가스 센서를 운용할 경우, 300℃ 이상의 높은 온도에서 센서를 동작시킨다. 여기서, MEMS형 가스 센서의 문제점으로는 장시간 히팅을 가할 때 열에 대한 내구성이 현저히 떨어져 센서가 결국 파괴되어 버리는 결과를 초래하여 실제 상용화에 있어 큰 걸림돌이 되고 있다. 산화물이나 절연물 멤브레인 위에 백금이나 텅스텐을 히터 재료로 사용한 종래의 MEMS형 가스 센서 방식은 고온 동작시의 열에 대한 내구성의 문제를 거의 대부분 가지고 있으며, 이러한 열적 내구성 문제는 상용화를 이루기 위한 큰 장애로 대두되고 있다.In general, when operating a MEMS type gas sensor, the sensor is operated at a high temperature of 300 ° C or higher. Here, the problem of the MEMS type gas sensor is that the durability against heat is significantly reduced when the heating is applied for a long time, which results in the sensor eventually being destroyed, which is a major obstacle in actual commercialization. Conventional MEMS type gas sensor method using platinum or tungsten as a heater material on oxide or insulator membrane has almost the problem of heat resistance in high temperature operation, which is a big obstacle to commercialization. have.
본 발명은 상술한 종래 기술에서의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 센서 멤브레인의 열적 내구성이 향상된 반도체 가스 센서 소자 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems in the prior art, and an object of the present invention is to provide a semiconductor gas sensor device having improved thermal durability of a sensor membrane and a method of manufacturing the same.
본 발명의 다른 목적은 히터의 열손실을 최소화할 수 있는 반도체 가스 센서 소자 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a semiconductor gas sensor device and a method of manufacturing the same that can minimize the heat loss of the heater.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 가스 센서 소자 및 그의 제조방법은 전극으로 활용되는 단결정 실리콘을 히터로 이용하므로써 가스 센서 소자의 열적 내구성을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다. 더불어, 본 발명에 따른 반도체 가스 센서 소자 및 그의 제조방법은 SOI 기판을 채택하므로써 히터 열의 벌크로의 손실을 최소화할 수 있는 것을 특징으로 한다.The semiconductor gas sensor device and the method of manufacturing the same according to the present invention for achieving the above object is characterized in that the thermal durability of the gas sensor device can be improved by using a single crystal silicon used as an electrode as a heater. In addition, the semiconductor gas sensor device and its manufacturing method according to the present invention is characterized by minimizing the loss of the heat of the heater by adopting the SOI substrate.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 가스 센서 소자는, 상부 실리콘막과 하부 실리콘 벌크 사이에 배치된 산화막과, 상기 하부 실리콘 벌크의 일부가 제거되어 상기 상부 실리콘막의 일부를 노출시키는 캐비티를 포함하는 기판과; 상기 상부 실리콘막으로 구성된 실리콘 히터와; 그리고 상기 실리콘 히터의 상부에 배치된 가스 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.A semiconductor gas sensor device according to an embodiment of the present invention capable of implementing the above characteristics may include an oxide film disposed between an upper silicon film and a lower silicon bulk, and a portion of the lower silicon bulk is removed to expose a portion of the upper silicon film. A substrate comprising a cavity to make; A silicon heater composed of the upper silicon film; And a gas sensor disposed above the silicon heater.
본 일 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 상부 실리콘막은 불순물이 도핑된 도전성의 단결정 실리콘막을 포함할 수 있다.In the semiconductor gas sensor device of the present exemplary embodiment, the upper silicon film may include a conductive single crystal silicon film doped with impurities.
본 일 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 캐비티는 상기 실리콘 히터의 하부에 형성되어 상기 실리콘 히터를 상기 하부 실리콘 벌크로부터 열적으로 격리시킬 수 있다.In the semiconductor gas sensor device of the present embodiment, the cavity may be formed under the silicon heater to thermally isolate the silicon heater from the lower silicon bulk.
본 일 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 가스 센서는, 절연막을 사이에 두고 상기 실리콘 히터 상부에 배치된 센서 전극과; 그리고 상기 센서 전극을 피복하는 센서 감응 물질로 구성된 감지막을 포함할 수 있다.In the semiconductor gas sensor device of the present embodiment, the gas sensor includes: a sensor electrode disposed on the silicon heater with an insulating film interposed therebetween; And a sensing film made of a sensor sensitive material covering the sensor electrode.
본 일 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 가스 센서는, 상기 센서 전극과 상기 감지막 사이에 배치되어 센싱 감도를 향상시키는 센서 씨드막을 더 포함할 수 있다. 상기 센서 씨드막은 니켈(Ni)을 포함할 수 있다.In the semiconductor gas sensor device of the present embodiment, the gas sensor may further include a sensor seed film disposed between the sensor electrode and the sensing film to improve sensing sensitivity. The sensor seed layer may include nickel (Ni).
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 가스 센서 소자는, 실리콘막과 실리콘 벌크와의 사이에 산화막을 갖는 기판과; 상기 기판의 일부를 점유하며, 상기 실리콘막의 일부를 센서 멤브레인으로 활용하는 가스 센서와, 상기 센서 멤브레인을 구성하며 상기 가스 센서에 열을 제공하는 히터를 포함하는 센싱 영역과; 상기 기판의 다른 일부를 점유하며, 상기 실리콘막의 일부가 제거되어 형성된 홈에 의해 상기 센서 영역과 구분되는 주변 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor gas sensor device comprising: a substrate having an oxide film between a silicon film and a silicon bulk; A sensing region occupying a portion of the substrate and including a gas sensor utilizing a portion of the silicon film as a sensor membrane, and a heater constituting the sensor membrane and providing heat to the gas sensor; It occupies another portion of the substrate, characterized in that it comprises a peripheral region that is separated from the sensor region by a groove formed by removing a portion of the silicon film.
본 다른 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 센싱 영역은 상기 홈에 의해 상기 주변 영역과 전기적으로 격리되고, 그리고 상기 주변 영역에 의해 둘러싸여 있을 수 있다.In another embodiment of the semiconductor gas sensor device, the sensing region may be electrically isolated from the peripheral region by the groove and surrounded by the peripheral region.
본 다른 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 상부 실리콘막은, 상기 센서 영역에 포함되어 상기 히터를 구성하는 불순물이 도핑된 전도성의 단결정 실리콘막과; 그리고 상기 주변 영역에 포함되어 상기 홈에 의해 상기 단결정 실리콘막과 구분되어 상기 단결정 실리콘막을 둘러싸는 주변 실리콘막을 포함할 수 있다.In the semiconductor gas sensor device of this embodiment, the upper silicon film comprises: a conductive single crystal silicon film contained in the sensor region and doped with impurities constituting the heater; And a peripheral silicon film included in the peripheral area and separated from the single crystal silicon film by the groove to surround the single crystal silicon film.
본 다른 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 센싱 영역은 상기 히터와 전기적으로 연결된 제1 패드를 포함할 수 있다.In another embodiment of the semiconductor gas sensor device, the sensing region may include a first pad electrically connected to the heater.
본 다른 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 주변 영역은 상기 가스 센서와 전기적으로 연결된 제2 패드를 포함할 수 있다.In another embodiment of the semiconductor gas sensor device, the peripheral area may include a second pad electrically connected to the gas sensor.
본 다른 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 가스 센서는, 일단은 상기 센싱 영역으로 연장되고 타단은 상기 주변 영역으로 연장된 센서 전극과, 상기 센서 전극의 일단을 피복하는 감지막을 포함하고; 상기 센서 전극의 일단은 다수개로 분기된 가지를 포함하고 상기 센서 전극의 타단은 상기 제2 패드와 연결된 것일 수 있다.In another embodiment of the semiconductor gas sensor device, the gas sensor includes a sensor electrode whose one end extends into the sensing region and the other end which extends into the peripheral region, and a sensing film covering one end of the sensor electrode; One end of the sensor electrode may include a plurality of branches and the other end of the sensor electrode may be connected to the second pad.
본 다른 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 가스 센서는 상기 센서 전극과 상기 감지막 사이에 배치되어 센싱 감도를 향상시키는 센서 씨드막을 더 포함할 수 있다. 상기 센서 씨드막은 니켈(Ni)을 포함할 수 있다.In another embodiment of the semiconductor gas sensor device, the gas sensor may further include a sensor seed layer disposed between the sensor electrode and the sensing layer to improve sensing sensitivity. The sensor seed layer may include nickel (Ni).
본 다른 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 기판은, 상기 하부 실리콘 벌크의 일부가 제거되어 상기 센싱 영역에 한정 형성되고, 상기 히터를 상기 하부 실리콘 벌크와 열적으로 격리시키는 캐비티를 포함할 수 있다.In another embodiment of the semiconductor gas sensor device, the substrate may include a cavity in which a portion of the lower silicon bulk is removed to be limited to the sensing region and thermally isolate the heater from the lower silicon bulk. .
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스 센서 소 자의 제조방법은, 단결정 실리콘막과 실리콘 벌크 사이에 산화막이 형성된 기판을 제공하고; 상기 단결정 실리콘막을 전도성의 단결정 실리콘막으로 형성하고; 상기 전도성의 단결정 실리콘막을 분리시켜, 실리콘 히터와 주변 실리콘막을 형성하고; 상기 실리콘 히터의 상부에 배치되는 가스 센서를 형성하고; 그리고 상기 실리콘 벌크이 일부를 제거하여 상기 실리콘 히터를 상기 실리콘 벌크와 열적으로 격리시키는 캐비티를 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor gas sensor device, comprising: providing a substrate having an oxide film formed between a single crystal silicon film and a silicon bulk; The single crystal silicon film is formed of a conductive single crystal silicon film; Separating the conductive single crystal silicon film to form a silicon heater and a peripheral silicon film; Forming a gas sensor disposed above the silicon heater; And removing the portion of the silicon bulk to form a cavity that thermally isolates the silicon heater from the silicon bulk.
본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 전도성의 단결정 실리콘막을 형성하는 것은 상기 단결정 실리콘막에 불순물을 도핑하는 것을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor gas sensor element of the present embodiment, forming the conductive single crystal silicon film may include doping impurities into the single crystal silicon film.
본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 전도성 단결정 실리콘막을 분리시키는 것은, 상기 전도성의 단결정 실리콘막 상에 상기 전도성 단결정 실리콘막의 일부를 노출시키는 제1 산화막 패턴을 형성하고; 그리고 상기 제1 산화막 패턴을 마스크로 하는 건식 식각 공정으로 상기 노출된 전도성의 단결정 실리콘막을 제거하여, 상기 전도성의 단결정 실리콘막을 상기 실리콘 히터와 상기 주변 실리콘막으로 분리시키는 홈을 형성하는 것을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor gas sensor element of the present embodiment, separating the conductive single crystal silicon film comprises: forming a first oxide film pattern exposing a portion of the conductive single crystal silicon film on the conductive single crystal silicon film; And removing the exposed conductive single crystal silicon film by a dry etching process using the first oxide film pattern as a mask to form a groove separating the conductive single crystal silicon film into the silicon heater and the peripheral silicon film. have.
본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 기판은, 상기 실리콘 히터와 상기 가스 센서와 상기 캐비티가 포함되는 센싱 영역과; 그리고 상기 주변 실리콘막이 포함되고, 상기 센싱 영역과는 상기 홈에 의해 격리되어 상기 센싱 영역을 둘러싸는 주변 영역을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor gas sensor element of the present embodiment, the substrate comprises: a sensing area including the silicon heater, the gas sensor, and the cavity; The peripheral silicon film may be included, and the sensing area may be separated from the sensing area by a recess to surround the sensing area.
본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 가스 센서를 형성하는 것은, 상기 기판 상에 절연막을 형성하고; 상기 절연막 상에 백금을 증착하여 센서 전극을 형성하고; 그리고 상기 센서 전극을 피복하는 산화아연을 증착하여 감지막을 형성하는 것을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor gas sensor element of the present embodiment, forming the gas sensor comprises: forming an insulating film on the substrate; Depositing platinum on the insulating film to form a sensor electrode; And forming a sensing layer by depositing zinc oxide covering the sensor electrode.
본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 가스 센서를 형성하는 것은 상기 센서 전극 상에 니켈을 증착하여 상기 센서 전극과 상기 감지막과의 사이에 센서 씨드막을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor gas sensor element of the present embodiment, the forming of the gas sensor may further include forming a sensor seed film between the sensor electrode and the sensing film by depositing nickel on the sensor electrode. have.
본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 절연막을 일부 제거하여 상기 실리콘 히터의 일부를 노출시키는 콘택홀을 형성하고; 상기 콘택홀을 통해 상기 실리콘 히터와 전기적으로 연결되는 제1 패드를 형성하고; 그리고 상기 절연막 상에 상기 센서 전극과 전기적으로 연결되는 제2 패드를 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.A method for manufacturing a semiconductor gas sensor element according to the present embodiment, comprising: removing a portion of the insulating film to form a contact hole exposing a portion of the silicon heater; Forming a first pad electrically connected to the silicon heater through the contact hole; The method may further include forming a second pad on the insulating layer, the second pad being electrically connected to the sensor electrode.
본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 제1 및 제2 패드는 상기 센서 전극과 동시에 형성하는 것을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor gas sensor element of the present embodiment, the first and second pads may include forming at the same time as the sensor electrode.
본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 제1 패드는 상기 실리콘 히터의 상부에 형성하고, 상기 제2 패드는 상기 주변 실리콘막의 상부에 형성하는 것을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor gas sensor device according to the present embodiment, the first pad may be formed on the silicon heater, and the second pad may be formed on the peripheral silicon film.
본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 캐비티를 형성하는 것은, 상기 실리콘 벌크 상에 상기 실리콘 벌크의 일부를 노출시키는 제2 산화막 패턴을 형성하고; 상기 제2 산화막 패턴을 마스크로 하는 건식 식각으로 상기 노출된 실리콘 벌크를 제거하여 상기 산화막을 노출시키는 식각홀을 형성하고; 그리고 상기 노출된 산화막을 제거하는 것을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor gas sensor element of the present embodiment, forming the cavity comprises: forming a second oxide film pattern exposing a portion of the silicon bulk on the silicon bulk; Forming an etching hole exposing the oxide film by removing the exposed silicon bulk by dry etching using the second oxide pattern as a mask; And removing the exposed oxide film.
본 발명에 의하면, 도핑된 단결정 실리콘을 마이크로 히터 및 센서 멤브레인으로 활용하므로써 300℃ 이상의 고온 동작시 열에 의한 스트레스에 대한 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, SOI 기판을 채택하므로써 히터의 열이 하부 실리콘 벌크로 손실되는 것을 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, by using the doped single crystal silicon as a micro heater and sensor membrane has an effect that can improve the durability against the stress caused by heat during the high temperature operation of more than 300 ℃. In addition, the use of the SOI substrate has the effect of minimizing the loss of heat from the heater to the lower silicon bulk.
이하, 본 발명에 따른 MEMS 기술을 이용한 반도체 가스 센서 소자 및 그의 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a semiconductor gas sensor device using the MEMS technology and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.Advantages over the present invention and prior art will become apparent through the description and claims with reference to the accompanying drawings. In particular, the present invention is well pointed out and claimed in the claims. However, the present invention may be best understood by reference to the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements throughout the various drawings.
(장치 실시예)(Device Example)
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스 센서 소자를 도시한 평면도이다.1 is a plan view illustrating a semiconductor gas sensor device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 반도체 가스 센서 소자(100)는 단결정 실리콘 내에 열산화막이 포함된 이른바 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼와 같은 기판(101)을 포함한 다. 기판(101)은 열산화막을 기준으로 그 상부는 단결정 실리콘으로 구성된 상부 실리콘막(103a,103b)이 포함되고, 그 하부에는 하부 실리콘 벌크(도 16의 104 참조)가 포함될 수 있다. 상부 실리콘막(103a,103b)은 실리콘 마이크로 히터(103a)와 주변 실리콘막(103b)으로 구분될 수 있다. 실리콘 마이크로 히터(103a)는 가스 센서(500)의 멤브레인으로 활용될 수 있다. 기판(101)은 홈(108)에 의해 센싱 영역(A)과 주변 영역(B)으로 전기적 및/또는 구조적으로 구분될 수 있고, 센싱 영역(A)은 주변 영역(B)에 의해 둘러싸여 있을 수 있다.Referring to FIG. 1, the semiconductor
센싱 영역(A)에는 불순물이 도핑되어 전도성을 갖는 단결정 실리콘으로 구성된 실리콘 마이크로 히터(103a)와, 절연막(도 16의 403)을 사이에 두고 실리콘 마이크로 히터(103a) 위에 배치된 가스 센서(500)와, 콘택홀(도 16의 408)을 통해 실리콘 마이크로 히터(103a)와 전기적으로 연결되어 실리콘 마이크로 히터(103a)에 파워를 전달할 수 있는 히터 전극 패드(504)가 포함될 수 있다. 히터 전극 패드(504)에는 가령 금(Au)으로 구성된 본딩 와이어가 접속될 수 있다. 실리콘 마이크로 히터(103a)는 가스 센서(500)의 센싱 감도를 높이기 위해 필요한 온도로 가스 센서(500)를 가열하는 역할과, 가스 센서(500)의 멤브레인 역할을 겸할 수 있다. In the sensing region A, the
히터 전극 패드(504)는 백금(Pt) 또는 백금(Pt)/금(Au)과 같은 금속으로 구성될 수 있으며, 가스 센서(500)의 양측으로 각각 하나씩 총 2개가 배치될 수 있다. 가스 센서(500)는 센서 전극(502)과, 센서 전극(502) 상에 배치되는 감지막(702)을 포함할 수 있다. 센서 전극(502)은 가령 2개가 배치될 수 있고, 백금(Pt)이나 알루미늄(Al) 또는 금(Au)과 같은 금속으로 형성할 수 있다. 센서 전 극(502)의 일단은 다수의 가지를 갖는 형태를 가질 수 있다. 센서 전극(502)의 타단은 주변 영역(B)으로 연장되어 센서 전극 패드(506)와 전기적으로 연결된다. 감지막(702)은 센서 감응 물질, 가령 주석(Sn), 아연(Nn), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 이리듐(Ir) 등과 같은 금속의 산화물(MOX)과 같은 반도체 물질로 구성될 수 있다. 센서 전극(502)과 감지막(702) 사이에는 센서 감도를 향상시킬 수 있는 니켈(Ni)과 같은 센서 시드막(도 16의 602)이 더 포함되어 있을 수 있다.The
주변 영역(B)에는 주변 실리콘막(103b)과, 절연막(도 16의 403)을 사이에 두고 주변 실리콘막(103b) 위에 배치되어 센서 전극(502)의 타단과 전기적으로 연결된 센서 전극 패드(506)를 포함할 수 있다. 주변 실리콘막(103b)은 실리콘 마이크로 히터(103a)와 동일하게 불순물이 도핑되어 전도성을 갖는 단결정 실리콘으로 구성될 수 있다. 센서 전극 패드(506)는 백금(Pt) 또는 백금(Pt)/금(Au)과 같은 금속으로 구성될 수 있으며, 2개의 센서 전극(502) 각각과 연결된 2개가 배치될 수 있다. 센서 전극 패드(506)는 가령 금(Au)으로 구성된 본딩 와이어가 접속될 수 있다.In the peripheral area B, a
상술한 구성요소들은 기판(101)의 일면, 가령 전면에 배치된 것을 설명한 것이다. 기판(101)의 배면에는 실리콘 마이크로 히터(103a)를 하부 실리콘 벌크(도 16의 104 참조)와 열적으로 격리시키는 캐비티(904)가 포함되어 있을 수 있다. 캐비티(904)는 센싱 영역(A)에 한정될 수 있다.The above-described components have been described in that disposed on one surface, for example, the front surface of the
본 실시예는 기판(101)으로서 SOI 기판을 채택하고, 단결정 실리콘을 센서 멤브레인 및 히터로 활용하므로써, 가스 센서(500)의 열적 내구성이 향상될 수 있다. In this embodiment, the SOI substrate is adopted as the
상기와 같이 구성된 반도체 가스 센서 소자(100)는 다음과 같이 동작할 수 있다. 예를 들어, COx, SOx, HCN 또는 H2S 등과 같은 유해 가스가 가스 센서(500)에 접하게 되면, 가스는 감지막(702)에 흡착되어 가스와 감지막(702)간에 흡착된 가스의 양에 비례하는 전자의 이동이 발생된다. 이때 감지막(702)의 입계에서는 전자 전도에 대하여 포텐셜 베리어(potential barrier)가 형성되어 이것이 전자의 이동을 방해하기 때문에 감지막(702)의 저항값은 변화하게 된다. 이에 따라, 감지막(702)의 저항값을 측정하면 가스의 존재 유무와 농도 등을 검출할 수 있다. 센서 전극(502)은 가스를 흡착함에 따라 발생하는 감지막(702)의 저항값 변화를 외부 회로로 전달한다. 실리콘 마이크로 히터(103a)는 외부로부터 인가된 파워에 따라 가스 센서(500)가 최적의 감도를 나타낼 수 있는 특정 온도까지 상승되도록 열을 발생시킨다.The semiconductor
(방법 실시예)(Method Example)
도 2 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스 센서 소자의 제조방법을 나타내는 것으로, 도 1의 I-I 선을 절개한 공정별 단면도들이다. 2 to 16 illustrate a method of manufacturing a semiconductor gas sensor device according to an exemplary embodiment of the present invention, which are cross-sectional views illustrating processes of cutting the I-I line of FIG. 1.
도 2를 참조하면, 기판(101)을 준비한다. 기판(101)은 단결정 실리콘층 내에 산화막(106)이 형성된 이른바 SOI(Silicon On Insulator) 구조를 갖는 실리콘 웨이 퍼일 수 있다. 본 명세서에서는 설명의 편의상 기판(101)을 산화막(106)을 기준으로 그 상하 각각을 단결정 실리콘으로 구성된 상부 실리콘막(102)과 하부 실리콘 벌크(104)로 구분한다. 산화막(106)은 열산화막(thermal SiO2)일 수 있다. 본 실시예에선 SOI 기판(101)을 채택함에 따라 후술한 바와 같이 실리콘 마이크로 히터(도 16의 103a)에서 발생된 열이 하부 실리콘 벌크(104)로 전달되는 것을 산화막(106)이 막을 수 있게 되어 열손실이 최소화될 수 있다. Referring to FIG. 2, a
도 3을 참조하면, 기판(101)에 대해 불순물, 가령 옥시염화인(phosphorous oxychloride; POCl3)을 도핑한다. 이에 따라, 상부 실리콘막(102)은 인(P)이 도핑된 상부 실리콘막(103)으로 변경되어 전도성을 가지게 된다. 불순물 도핑 공정에 의해 하부 실리콘 벌크(104)의 일부가 인(P)이 도핑된 하부 실리콘막(105)으로 변경될 수 있다. 불순물 도핑 공정에 의해 기판(101)에 생길 수 있는 산화막 등을 가령 불산 수용액을 이용하여 제거하는 공정을 더 진행할 수 있다.Referring to FIG. 3, impurities, such as phosphorous oxychloride (POCl 3 ), are doped onto the
도 4를 참조하면, 기판(101)에 대해 산화막 증착 공정을 진행하여 상부 실리콘막(103) 상에 제1 상부 산화막(202)을 형성한다. 여기서의 증착 공정에 의해 하부 실리콘막(105) 상에도 제1 하부 산화막(204)이 형성될 수 있다. 제1 상부 산화막(202) 및 제1 하부 산화막(202,204)은 가령 저온산화막(LTO)으로 형성할 수 있다. 제1 상부 산화막(202)은 상부 실리콘막(103)의 일부를 실리콘 마이크로 히터로 제조하기 위한 패터닝 공정에 소요되는 마스크로 활용하기 위해 형성할 수 있다.Referring to FIG. 4, an oxide film deposition process is performed on the
도 5를 참조하면, 제1 상부 산화막(202)을 일부 제거하여 제1 상부 산화막 패턴(202a)을 형성한다. 제1 상부 산화막 패턴(202a)은 가령 포토레지스트 패턴 형성 및 건식 식각 공정을 채택하여 형성할 수 있다. 제1 상부 산화막 패턴(202a)은 후속하는 상부 실리콘막(103)에 대한 식각 공정시 마스크로 활용될 수 있다.Referring to FIG. 5, the first
도 6을 참조하면, 제1 상부 산화막 패턴(202a)을 마스크로 하는 건식 식각 공정으로 상부 실리콘막(103)의 일부를 제거하여 홈(108)을 형성한다. 홈(108)에 의해 상부 실리콘막(103)은 제1 상부 실리콘막(103a)과 제2 상부 실리콘막(103b)으로 분리될 수 있다. 홈(108)은 폐곡선을 이루며, 홈(108)으로 둘러싸이는 제1 상부 실리콘막(103a)은 실리콘 마이크로 히터로 활용될 수 있다. 이하에선, 편의상 제1 상부 실리콘막(103a)을 실리콘 마이크로 히터로 지칭하고, 제2 상부 실리콘막(103b)을 주변 실리콘막으로 지칭하기로 한다. 홈(108)에 의해 기판(101)은 실리콘 마이크로 히터(103a)를 포함하는 센싱 영역(A)과, 주변 실리콘막(103b)을 포함하는 주변 영역(B)으로 구분될 수 있다.Referring to FIG. 6, a
도 7을 참조하면, 습식 식각 공정으로 제1 상부 산화막 패턴(202a)을 제거한다. 습식 식각 공정은 기판(101)을 불산 수용액에 침지시켜 진행할 수 있다. 습식 식각 공정에 의해 제1 하부 산화막(204)도 같이 제거될 수 있다. Referring to FIG. 7, the first upper
도 8을 참조하면, 산화막 형성 공정을 진행하여 실리콘 마이크로 히터(103a) 및 주변 실리콘막(103b)을 피복하는 제2 상부 산화막(402)을 형성한다. 본 산화막 형성 공정에 의해 하부 실리콘막(105)을 피복하는 제2 하부 산화막(404)이 같이 형성될 수 있다. 제2 상부 산화막(402) 및 제2 하부 산화막(404)은 가령 저온산화막(LTO)으로 형성할 수 있다. 제2 상부 산화막(402)은 홀(108)을 매립하여 실리콘 마이크로 히터(103a)를 주변 실리콘막(103b)으로부터 전기적으로 격리시킬 수 있다. 제2 하부 산화막(404)은 후술한 바와 같이 패터닝되어 후속하는 캐비티(도 16의 904) 형성을 위한 마스크로 활용될 수 있다.Referring to FIG. 8, an oxide film forming process is performed to form a second
도 9를 참조하면, 제2 상부 산화막(402)의 단차를 없애기 위해 제2 상부 산화막(402)에 대한 화학기계적 연마 공정(CMP)을 진행한다. 이로써, 단차가 제거되어 평탄화된 제2 상부 산화막 패턴(403)이 구현된다. 제2 상부 산화막 패턴(403)은 실리콘 마이크로 히터(103a)를 열적 단열 및 전기적 절연시킬 수 있는 절연막으로 활용될 수 있다. 이하에선 편의상 제2 상부 산화막 패턴(403)을 상부 절연막으로 지칭하기로 한다.Referring to FIG. 9, a chemical mechanical polishing process (CMP) is performed on the second
도 10을 참조하면, 제2 하부 산화막(404)을 선택적으로 제거하여 제2 하부 산화막 패턴(405)을 형성한다. 제2 하부 산화막 패턴(405)은 가령 포토레지스트 패턴 형성 및 건식 식각 공정을 채택하여 형성할 수 있다. 제2 하부 산화막 패턴(405) 형성에 의해 제1 식각홀(407)이 형성되고, 제1 식각홀(407)을 통해 하부 실리콘막(105)은 그 일부가 노출된다. 이러한 제1 식각홀(407)을 정의하는 제2 하부 산화막 패턴(405)은 후속하는 캐비티(904)를 형성하기 위한 식각 공정의 마스크로 활용될 수 있다. 이하에선 편의상 제2 하부 산화막 패턴(405)을 하부 절연막으로 지칭하기로 한다.Referring to FIG. 10, the second
도 11을 참조하면, 상부 절연막(403)을 일부 제거하여 콘택홀(408)을 형성한다. 콘택홀(408)에 의해 실리콘 마이크로 히터(103a)의 일부가 노출된다. 콘택홀(408)은 가령 포토레지스트 패턴 형성 및 건식 식각 공정을 채택하여 형성할 수 있다. 콘택홀(408)은 제1 식각홀(407)을 형성한 이후에, 또는 그 이전에, 또는 동시에 형성할 수 있다.Referring to FIG. 11, the upper insulating
도 12를 참조하면, 상부 절연막(403) 상에 센서 전극(502)과 센서 전극 패드(506)와 히터 전극 패드(504)를 형성한다. 센서 전극(502)과 히터 전극 패드(504)는 실리콘 마이크로 히터(103a) 상부에 배치되도록 형성하고, 센서 전극 패드(506)는 주변 실리콘막(103b) 상부에 배치되도록 형성한다. 센서 전극 패드(506)는 센서 전극(502)과 전기적으로 연결된다. 히터 전극 패드(504)는 콘택홀(408)을 통해 실리콘 마이크로 히터(103a)와 전기적으로 연결된다. Referring to FIG. 12, the
센서 전극(502)은 가령 리프트 오프 공정을 채택하여 백금(Pt)이나 알루미늄(Al) 또는 금(Au)과 같은 금속으로 형성할 수 있다. 센서 전극(502)을 형성한 이후, 또는 그 이전에, 또는 동시에 센서 전극 패드(506)을 형성할 수 있다. 일례로서, 리프트 오프 공정을 채택하여 센서 전극(502)과 센서 전극 패드(506)를 동시에 백금(Pt)으로 형성할 수 있다. 센서 전극(502) 및/또는 센서 전극 패드(506)를 형성한 이후에, 또는 그 이전에, 또는 동시에 히터 전극 패드(504)를 형성할 수 있다. 일례로서, 리프트 오프 공정을 채택하여 센서 전극(502)와 센서 전극 패드(506)와 히터 전극 패드(504)를 동시에 백금(Pt)으로 형성할 수 있다. The
도 13을 참조하면, 센서 전극(502) 상에 센서 감응 물질로써 감지막(702)을 형성하여 가스 센서(500)를 구현한다. 바람직하게는, 감지막(702)을 형성하기 이전에 센서 씨드막(602)을 더 형성할 수 있다. 센서 씨드막(602)을 더 형성하게 되면, 이를 형성하지 않은 경우에 비해 기준 센서 저항을 낮추고 또한 일정 가스 농도에 대해 많은 전자의 이동이 나타나게 되어 결과적으로 센서 감도를 향상시킬 수 있다. 센서 씨드막(602)은 일례로 100Å 두께의 니켈(Ni)로 형성할 수 있다. 감지막(702)은 반도체 물질, 일례로 주석(Sn), 아연(Nn), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 이리듐(Ir) 등과 같은 금속의 산화물(MOX)로써 형성할 수 있다. 본 실시예에서는 산화아연(NnO)으로써 감지막(702)을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 13, the
도 14를 참조하면, 센서 전극 패드(506) 상에 금 와이어와의 와이어 본딩이 원활하게 이루어지도록 가령 금(Au)으로 구성된 금속막(806)을 더 형성할 수 있다. 마찬가지 이유로, 히터 전극 패드(504) 상에 금(Au)으로 구성된 금속막(804)을 더 형성할 수 있다. Referring to FIG. 14, a
도 15를 참조하면, 하부 절연막(405)을 마스크로 하는 건식 식각 공정으로 제1 식각홀(407)에 의해 노출된 하부 실리콘막(105)과 하부 실리콘 벌크(104)를 선택적으로 제거하여 제2 식각홀(902)을 형성한다. 제2 식각홀(902)에 의해 산화막(106)이 노출된다. 산화막(106)은 건식 식각 공정에서 식각 정지층 역할을 할 것이다.Referring to FIG. 15, the
도 16을 참조하면, 제2 식각홀(902)을 통해 노출된 산화막(106)을 제거하여 캐비티(904)를 형성하여 반도체 가스 센서 소자(100)를 구현한다. 산화막(106)은 습식 식각 공정을 이용하여 제거할 수 있다. 예를 들어, 기판(101)을 불산 수용액에 침지시켜 산화막(106)을 제거할 수 있다. 이때, 가스 센서(500)와 패드들(504,506)을 비롯한 기판(101)의 전면을 불산 수용액에 의한 손상으로부터 보호 하기 위해 기판(101)의 전면에 보호막, 가령 포토레지스트를 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 16, the
캐비티(904)는 실리콘 마이크로 히터(103a)에서 발생된 열이 하부 실리콘 벌크(104)를 통해 다른 곳으로 전달되어지는 것을 방지하는 일종의 열적 격리 기능을 가질 수 있다. 또한, 산화막(106)이 포함되어 있어서 실리콘 마이크로 히터(103a)에서 발생된 열이 하부 실리콘 벌크(104)로 손실되는 것이 방지될 수 있다. 이에 따라, 열손실을 최소화하면서 실리콘 마이크로 히터(103a)에서 발생된 열이 가스 센서(500)로 잘 전달될 수 있다.The
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing detailed description is not intended to limit the invention to the disclosed embodiments, and may be used in various other combinations, modifications, and environments without departing from the spirit of the invention. The appended claims should be construed to include other embodiments.
본 발명은 MEMS 기술을 이용한 가스 센서를 제조하는 산업과, 가스 센서를 이용한 가스를 검출하는 산업에 응용될 수 있다. 더 나아가 본 발명은 U-헬스케어를 비롯한 건강관리 모듈(시스템)과 같은 유비쿼터스 센서 네트워크(USN) 산업에 응용될 수 있다.The present invention can be applied to the industry of manufacturing gas sensors using MEMS technology and the industry of detecting gas using gas sensors. Furthermore, the present invention can be applied to the ubiquitous sensor network (USN) industry, such as healthcare modules (systems) including U-healthcare.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스 센서 소자를 도시한 평면도.1 is a plan view showing a semiconductor gas sensor device according to an embodiment of the present invention.
도 2 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스 센서 소자의 제조방법을 도시한 것으로, 도 1의 I-I 선을 절개한 공정별 단면도.2 to 16 illustrate a method of manufacturing a semiconductor gas sensor device according to an exemplary embodiment of the present invention, which is a cross-sectional view of the process taken along line II of FIG. 1.
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