KR101215919B1 - 정전용량형 압력센서 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압력 검출시 공동 이외의 영역에서 잡음으로 작용하는 기생 정전용량을 최소화하여 미소 센서를 구현할 수 있는 정전용량형 압력센서 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 위해, 본 발명은 하부전극으로 기능하는 기판과, 상기 기판 상에 형성된 제1 절연막과, 상기 제1 절연막 상에 형성된 공동과, 상기 공동과 연통하는 개구부를 가지며, 상기 공동을 덮도록 상기 제1 절연막 상에 형성된 제2 절연막과, 상기 개구부를 매개로 상기 개구부와 상기 공동의 일부가 매립되도록 전도성 재질로 형성된 밀봉막과, 상기 공동과 중첩되도록 상기 제2 절연막 상에 형성된 상부전극을 포함하는 정전용량형 압력센서를 제공한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 공동을 형성한 후 상기 공동의 양측부에 전도성 재질로 밀봉막을 앵커(anchor) 형상으로 형성하고, 상기 밀봉막과 전기적으로 분리되어 상기 공동과 중첩되는 상부전극을 형성하여 압력 검출시 실질적으로 영향을 미치는 공동 영역을 상기 밀봉막을 통해 특정 영역으로 제한함으로써 압력 검출시 공동 이외의 영역에서 잡음으로 작용하는 기생 정전용량을 최소화하여 미소 센서를 구현할 수 있다.

Description

정전용량형 압력센서 및 그의 제조방법{CAPACITIVE TYPE PRESSURE SENSOR AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 반도체 압력센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는, 압력 검출시 공동(cavity) 이외의 영역에서 잡음으로 작용하는 기생 정전용량을 최소화하여 미소 센서를 구현할 수 있는 정전용량형 압력센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
현재 반도체 제조공정을 이용한 미세가공기술인 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 이용하는 반도체 압력센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 마이크로머시닝 기술에 의해 미세가공된 반도체 압력센서는 자동차 시스템, 산업 제어, 환경 모니터링, 생의학적 진단 등과 같은 분야에서 널리 응용된다.
반도체 압력센서는 절대압 또는 상대압을 측정하는 소자로서, 그 감지원리에 따라 스트레인 게이지 타입의 메탈(metal)형 압력센서와, 압저항형 압력센서와, 압전형 압력센서와, MOSFET형과, 피에조정션(piezojunction)형과, 광섬유 압력센서와, 정전용량형(capacitive type) 압력센서로 구분된다. 이중 금속을 이용하는 메탈형을 제외하고 나머지는 반도체 물질인 실리콘을 이용하여 마이크로머시닝 기술로 제작된다.
정전용량형 압력센서는 실리콘 박막 멤브레인(membrane)과 지지대 사이의 평판 커패시터(parallel plate capacitor)를 형성하여 외부에서 인가되는 압력에 따라 실리콘 박막 다이아프램의 휨(deflection)(즉, 멤브레인의 변형)에 따른 두 전극사이의 간격이 변하는 것에 의한 정전용량(capacitance) 값이 변화하는 원리를 이용한다.
이와 같이, 멤브레인의 변형을 이용해 두 전극 사이의 용량값을 검출해 내는 정전용량형 압력센서는 압저항형 압력센서보다도 감도가 수십에서 수백 배 이상의 값(즉, 더 높은 민감도)을 가질 뿐만 아니라 안정성(즉, 더 낮은 온도계수, 더 강인한 구조)이 뛰어나고 소비전력이 적다(즉, 더 낮은 전력 소모)는 장점을 가지고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 정전용량형 압력센서를 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 정전용량형 압력센서는 기판(10) 상에 형성된 공동(cavity, 20)을 포함한다. 공동(20)은 기판(10) 상에 형성된 실리콘산화막(14) 상에 형성된다. 공동(20)의 상부에는 개구부(32a)를 구비한 실리콘산화막(32)이 형성된다.
실리콘산화막(14) 하부의 기판(10) 내에는 하부전극으로 기능하는 저저항층(12)이 형성된다. 실리콘산화막(32)의 상부에는 실리콘산화막(32)의 일부를 덮도록 상부전극으로 기능하는 다결정실리콘막(34)이 형성된다. 저저항층(12)과 다결정실리콘막(34)은 각각 서로 전기적으로 분리되어 노출된 접촉전극(50, 51)과 연결된다.
다결정실리콘막(34) 상에는 다결정실리콘막(34)의 패턴 사이와 실리콘산화막(32)의 개구부(32a)를 매립하도록 비교적 두껍게 실리콘산화막(36)이 형성된다. 실리콘산화막(36) 상에는 실리콘산화막(36)의 압축응력(compressive strength)을 보상하기 위하여 인장응력(tensile strength) 특성을 갖는 실리콘질화막(40)을 형성한다.
그러나, 이러한 종래기술에 따른 정전용량형 압력센서에서는 상부전극으로 기능하는 다결정실리콘막(34)이 공동(20)의 상부로부터 실리콘산화막(14) 까지 확장되어 형성되기 때문에 다결정실리콘막(34)과 하부전극으로 기능하는 저저항층(12) 간에 평판 커패시터(도 1에 도시된 'A' 원형 참조)가 형성된다. 이로 인해, 멤브레인의 변형에 대응하는 정전용량값을 검출하는 과정에서 평판 커패시터에 의한 정전용량값이 잡음으로 작용하여 미세한 압력을 검출하는 것이 실질적으로 불가능하다.
또한, 종래기술에 따른 정전용량형 압력센서에서는 상부전극으로 기능하는 다결정실리콘막(34)을 덮고 그 하부에 형성된 실리콘산화막(36)의 개구부(36a)를 매립시키기 위하여 실리콘산화막(36)을 비교적 두껍게 증착하여야 하기 때문에 미세한 정전용량을 감지하는 미소 센서를 구현하는데 한계가 있다. 더욱이, 도 1에 도시된 'B'와 같이 실리콘산화막(36) 상에 추가로 실리콘질화막(40)을 형성해야 하기 때문에 압력이 가해지는 방향으로 두께가 증가하여 미소 센서를 구현하는 것이 더욱 어렵다.
따라서, 본 발명은 종래기술에 따른 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 압력 검출시 공동 이외의 영역에서 잡음으로 작용하는 기생 정전용량을 최소화하여 미소 센서를 구현할 수 있는 정전용량형 압력센서 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은 하부전극으로 기능하는 기판과, 상기 기판 상에 형성된 제1 절연막과, 상기 제1 절연막 상에 형성된 공동과, 상기 공동과 연통하는 개구부를 가지며, 상기 공동을 덮도록 상기 제1 절연막 상에 형성된 제2 절연막과, 상기 개구부를 매개로 상기 개구부와 상기 공동의 일부가 매립되도록 전도성 재질로 형성된 밀봉막과, 상기 밀봉막과 전기적으로 분리되고, 상기 공동과 중첩되도록 상기 제2 절연막 상에 형성된 상부전극을 포함하는 정전용량형 압력센서를 제공한다.
바람직하게, 상기 밀봉막은 상기 밀봉막은 상기 제2 절연막의 개구부보다 상기 공동 내에서 큰 폭을 갖는 앵커 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은 기판 상에 제1 절연막을 형성하는 단계와, 상기 제1 절연막 상에 희생층을 형성하는 단계와, 상기 희생층을 덮도록 상기 제1 절연막 상에 제2 절연막을 형성하는 단계와, 상기 제2 절연막 상에 상부전극을 형성하는 단계와, 상기 제2 절연막의 일부를 식각하여 개구부를 형성하는 단계와, 상기 개구부를 매개로 상기 희생층을 제거하여 공동을 형성하는 단계와, 상기 개구부와 상기 공동의 일부가 매립되도록 전도성 재질로 밀봉막을 형성하는 단계를 포함하는 정전용량형 압력센서의 제조방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 밀봉막은 상기 상부전극과 전기적으로 분리된 앵커 형상으로 형성할 수 있다.
바람직하게, 상기 식각공정은 플루오르화크세논(XeF2) 가스를 이용하여 실시할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 공동을 형성한 후 상기 공동의 양측부에 전도성 재질로 밀봉막을 앵커(anchor) 형상으로 형성하고, 상기 밀봉막과 전기적으로 분리되어 상기 공동과 중첩되는 상부전극을 형성하여 압력 검출시 실질적으로 영향을 미치는 공동 영역을 상기 밀봉막을 통해 특정 영역으로 제한함으로써 압력 검출시 공동 이외의 영역에서 잡음으로 작용하는 기생 정전용량을 최소화하여 미소 센서를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 공동을 밀봉하는 밀봉막이 실질적으로 압력 검출에 영향을 미치는 공동 영역과 중첩되지 않고 앵커 형상으로 플로팅 상태로 존재하기 때문에 종래기술에 비해 전체적으로 압력 센서의 두께를 감소시켜 미소 센서를 구현할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 정전용량형 압력센서를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량형 압력센서를 도시한 단면도.
도 3a 내지 도 3l은 본 발명의 실시예에 따른 정전용량형 압력센서의 제조방법을 도시한 공정 단면도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
본 명세서에서 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상(또는 상부)"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 동일한 도면번호로 표시된 부분은 동일한 층을 나타낸다.
또한, 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 기술적 특징을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량형 압력센서를 설명하기 위하여 도시한 도면이다. 도 2에서 (a)는 평면도이고, (b)는 (a)에 도시된 I-I' 절단선을 따라 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 정전용량형 압력센서는 하부전극으로 기능하는 기판(110)과, 기판(110) 상에 형성된 제1 절연막(111)과, 제1 절연막(111) 상에 형성된 공동(116)과, 공동(116)과 연통하는 개구부를 가지며, 공동(116)을 덮도록 제1 절연막(111) 상에 형성된 제2 절연막(113)과, 상기 개구부를 매개로 상기 개구부와 공동(116)의 일부가 매립되도록 형성된 밀봉막(117)과, 밀봉막(117)과 전기적으로 분리되고, 공동(116)과 중첩되도록 제2 절연막(113) 상에 형성된 상부전극(115)을 포함한다.
밀봉막(117)은 앵커(anchor) 형상으로 제2 절연막(113)의 개구부뿐만 아니라 개구부와 대응되는 공동(116)의 일부 영역이 매립되도록 형성(가능한 상부전극과 중첩되지 않는 범위 내로 한정)된다. 이에 따라, 실질적으로 압력 검출시 정전용량값에 영향을 미치는 실질적인 영역은 밀봉막(117)에 의해 제한되게 된다. 이러한 밀봉막(117)은 상부전극(115)과 중첩되지 않고 전기적으로 분리되어 플로팅(floating) 상태로 존재하게 된다. 또한, 밀봉막(117)은 압력 검출시 정전용량값에 영향을 미치지 않도록 절연성 재료 대신에 전도성 재료로 형성하는 것이 바람직하다.
밀봉막(117)은 제1 절연막(111), 공동(116) 및 제2 절연막(113)에 의해 형성되는 멤브레인을 지지하는 역할을 한다. 즉, 밀봉막(117)은 공동(116) 내에서 개구부(113a, 도3i참조)보다 큰 폭으로 형성됨에 따라, 결과적으로 제2 절연막(113)이 밀봉막(117)의 단턱부에 일부가 걸치게 된다. 이에 따라 압력 검출 과정에서 제2 절연막(113)에 가해지는 압력을 어느 정도 완화하여 제2 절연막(113)이 붕괴되는 현상을 방지할 수 있다. 결과적으로, 제2 절연막(113)의 붕괴에 의한 멤브레인 파손을 방지할 수 있다.
도 3a 내지 도 3l은 본 발명의 실시예에 따른 정전용량형 압력센서의 제조방법을 도시한 공정 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 저저항(low resistive) 기판(110)을 준비한다. 기판(110)은 반도체 재료로 이루어진다. 바람직하게, 반도체 재료는 단결정 실리콘(single crystalline silicon)을 사용한다. 이외에도, 실리콘 카보네이트(SiC)와 갈륨비소(GaAs)와 같은 반도체 재료를 사용하는 것도 가능하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3b를 참조하면, 기판(110)의 상면과 배면에 제1 절연막(111)을 형성한다. 바람직하게, 제1 절연막(111)은 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 공정을 이용하여 실리콘질화막(SiN)으로 형성한다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3c를 참조하면, 기판(110)의 상면에 형성된 제1 절연막(111) 상에 희생층(112)을 형성한다. 이때, 희생층(112)은 제1 절연막(111)과 높은 식각 선택비를 갖는 물질로 형성한다. 바람직하게, 희생층(112)은 다결정실리콘막으로 형성한다. 이외에도, 실리콘산화막(SiO2)으로 형성할 수도 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3d를 참조하면, 희생층(112)을 선택적으로 식각하여 희생층 패턴을 형성한다. 희생층 식각공정은 건식 또는 습식식각공정을 이용하여 식각한다. 바람직하게는 건식식각공정으로 실시한다. 희생층 패턴은 추후에 형성될 공동보다 큰 영역으로 형성한다.
도 3e를 참조하면, 희생층(112)을 포함하는 제1 절연막(111) 상에 제2 절연막(113)을 형성한다. 제2 절연막(113)은 제1 절연막(111)과 동일한 물질로 형성한다. 바람직하게는 실리콘질화막(SiN)으로 형성한다. 제2 절연막(113)은 제1 절연막(111)과 함께 추후 희생층(112)이 제거된 후 형성되는 공동의 외벽 역할을 하게 된다.
도 3f를 참조하면, 제2 절연막(113) 상에 전도성막(114)을 형성한다. 전도성막(114)은 전이금속들 중 선택된 어느 하나의 금속으로 형성할 수 있다. 바람직하게는 불순물 이온이 도핑된 다결정실리콘막, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 백금(Pt) 중 어느 하나로 형성한다. 더욱 바람직하게는 알루미늄(Al)으로 형성한다.
도 3g를 참조하면, 전도성막(114)을 식각하여 상부전극(115)을 형성한다. 식각공정은 건식 또는 습식식각공정을 사용할 수 있다. 상부전극(115)은 추후에 형성될 밀봉막과 전기적으로 분리되고, 또한 추후에 형성될 공동과 적어도 일부가 중첩되도록 형성한다.
도 3h를 참조하면, 제2 절연막(113)의 일부를 식각하여 희생층(112)의 일부가 노출되는 개구부(113a)를 형성한다. 개구부(113a)는 상부전극(115)의 양측에 형성되고, 상부전극(115)과 일정 간격으로 이격되어 형성된다. 개구부(113a)를 식각하기 위한 식각공정은 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE)공정으로 실시한다.
도 3i를 참조하면, 플루오르화크세논(XeF2) 가스를 이용한 식각공정을 실시하여 개구부(113a)로 노출되는 희생층(112)을 제거한다. 이로써, 도 3i에 도시된 단면상에서 수평방향으로 확장된 공동(116)이 형성된다. 플루오르화크세논(XeF2) 가스를 이용한 식각공정은 다결정실리콘(희생층)과 실리콘질화막(제1 및 제2 절연막) 간에 식각 선택비가 우수한 플로오르화크세논 가스를 사용함에 따라 안정적으로 희생층(112)만을 선택적으로 제거할 수 있다. 플루오르화크세논(XeF2) 가스를 이용한 식각공정은 식각속도를 증가시키기 위하여 아르곤(Ar) 가스를 더 첨가하여 실시할 수도 있다.
도 3j를 참조하면, 개구부(113a)가 매립되도록 밀봉막(117)을 형성한다. 밀봉막(117)은 개구부(113a)뿐만 아니라 개구부(113a)와 대응되는 공동(116)의 일부 영역이 매립되도록 형성(가능한 상부전극과 중첩되지 않는 범위 내로 한정)됨에 따라 실질적으로 압력 검출에 영향을 미치는 실질적인 영역은 밀봉막(117)에 의해 제한되게 된다. 이러한 밀봉막(117)은 압력 검출시 정전용량값에 영향을 미치지 않도록 전도성 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 절연성 재료로 형성하는 경우 밀봉막에 의해 형성된 기생 정전용량이 압력 검출시 검출되는 실질적인 정전용량값에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
도 3k를 참조하면, 상부전극(115) 상부에 형성된 밀봉막(117)을 식각하여 상부전극(115)과 밀봉막(117)을 전기적으로 분리시키다. 이에 따라, 밀봉막(117)은 상부전극(115)과 이격되어 제2 절연막(113)의 상부, 개구부(113a) 내, 공동(116)의 내부에 각각 잔류되게 된다. 따라서, 밀봉막(117)은 앵커(anchor) 형상으로 개구부(113a)를 관통하여 공동(116)에 고정되며, 상부전극(115)과 전기적으로 분리된 플로팅(floting) 상태로 존재하게 된다.
도 3l를 참조하면, 반응성 이온 식각(RIE) 공정을 이용하여 제1 및 제2 절연막(113, 111)을 식각하여 하부전극으로 기능하는 기판(110)을 노출시킨다. 그런 다음, 도시되지는 않았지만, 와이어 본딩(wire bonding)을 통해 외부 단자와 접속시킨다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 따라서, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
110 : 기판
111 : 제1 절연막
112 : 희생층
113 : 제2 절연막
114 : 전도성막
115 : 상부전극
116 : 공동
117 : 밀봉막

Claims (5)

  1. 하부전극으로 기능하는 기판;
    상기 기판 상에 형성된 제1 절연막;
    상기 제1 절연막 상에 형성된 공동;
    상기 공동과 연통하는 개구부를 가지며, 상기 공동을 덮도록 상기 제1 절연막 상에 형성된 제2 절연막;
    상기 개구부를 매개로 상기 개구부와 상기 공동의 일부가 매립되도록 전도성 재질로 형성된 밀봉막; 및
    상기 밀봉막과 중첩되지 않도록 전기적으로 분리되어 플로팅 상태로 존재하고, 상기 공동과 중첩되도록 상기 제2 절연막 상에 형성된 상부전극을 포함하고,
    상기 밀봉막은 상기 제2 절연막의 개구부보다 상기 공동 내에서 큰 폭을 갖는 앵커 형상으로 형성되어 제2 절연막이 밀봉막의 단턱부에 일부가 걸치도록 형성된 정전용량형 압력센서.
  2. 삭제
  3. 기판 상에 제1 절연막을 형성하는 단계;
    상기 제1 절연막 상에 희생층을 형성하는 단계;
    상기 희생층을 덮도록 상기 제1 절연막 상에 제2 절연막을 형성하는 단계;
    상기 제2 절연막 상에 상부전극을 형성하는 단계;
    상기 제2 절연막의 일부를 식각하여 개구부를 형성하는 단계;
    상기 개구부를 매개로 상기 희생층을 제거하여 공동을 형성하는 단계; 및
    상기 개구부와 상기 공동의 일부가 매립되도록 전도성 재질로 밀봉막을 형성하는 단계로서, 제2 절연막이 밀봉막의 단턱부에 일부가 걸치도록 형성되고, 밀봉막은 상부전극과 중첩되지 않고 전기적으로 분리되어 플로팅(floating) 상태로 형성되는 밀봉막을 형성하는 단계;
    를 포함하는 정전용량형 압력센서의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 밀봉막은 상기 상부전극과 전기적으로 분리된 앵커 형상으로 형성하는 정전용량형 압력센서의 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 식각은 플루오르화크세논(XeF2) 가스를 이용하여 실시하는 정전용량형 압력센서의 제조방법.
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