KR101318260B1 - 반도체 소자 및 이를 이용하는 물리 센서 - Google Patents

반도체 소자 및 이를 이용하는 물리 센서 Download PDF

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Abstract

반도체 소자가 개시된다. 본 반도체 소자는, n-타입 실리콘 기판, 및, 상기 기판의 <100> 결정 방향으로 p-타입 확산저항이 배치되어, 상기 기판의 온도 변화에 따라 저항값이 변환하는 온도 센싱 영역을 포함한다.

Description

반도체 소자 및 이를 이용하는 물리 센서{SEMICONDUCTOR DEVICE AND PHYSICAL SENSOR USING THE SAME}
본 발명은 반도체 소자 및 이를 이용하는 물리 센서에 관한 것으로, 응력/변형의 변화에 반응하지 않는 온도 센서를 갖는 반도체 소자 및 이를 이용하는 물리 센서에 관한 것이다.
물리 센서(압력 센서, 로드 셀, 가속도 센서 등)는 외부에서 가해지는 물리적인 힘(압력 또는 하중)의 변화를 감지하여 이를 전기적인 신호로 변환하는 장치로 압력(또는 하중) 측정이 요구되는 상업용 전자 저울에서부터 자동차, 선박, 항공, 공업계측, 제동제어 등 그 용도가 다양하고 폭넓게 사용되고 있는 센서 중 하나이다.
현재 가장 많이 사용되고 있는 스트레인 게이지 방식의 물리 센서는 외부에서 가해지는 힘(압력 또는 하중)의 변화에 비례적으로 변하는 탄성부(또는 수압부)와 이를 전기적인 신호로 바꿔주는 감지부인 스트레인 게이지(strain gauge)로 구성된다.
최근에는 확산 저항(diffused resistance)을 갖는 실리콘을 이용한 반도체 스트레인 게이지를 많이 이용하고 있다. 단결정 실리콘은 감도를 의미하는 게이지율(gauge factor)이 금속 대비 20 내지 100배에 달하는 높은 감도 특성이 있나, 이 실리콘의 감도와 저항은 온도의 변화에 크게 좌우되므로 측정온도에 따른 센서의 출력을 보상해 주어야 하였다.
이에 따라서, 종래에는 저항온도계수(temperaure coefficient of resistance)가 큰 니켈(Ni)이나 백금(Pt)을 사용하여 온도를 측정하고 센서의 출력을 보정하였다. 그러나, 종래의 방법은 별도의 온도센서 제작 공정이 필요하고 이들 재료들이 또한 수압부에서 발생하는 응력(stress)/변형(strain)에 의한 압저항 효과(piezo resistance effect)에 자유로울 수 없어 압저항과 인접하게 배치하지 못한다는 점에서, 실제 압력이 변화하는 영역에서의 온도 변화를 정확히 측정하지 못하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 응력의 변화에 반응하지 않는 온도 센서를 갖는 반도체 소자 및 이를 이용하는 물리 센서를 제공하는 데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자는,반도체 소자에 있어서, n-타입 실리콘 기판, 및, 상기 기판의 <100> 결정 방향으로 p-타입 확산저항을 생성하여, 상기 기판의 온도 변화에 따라 저항값이 변환하는 온도 센싱 영역을 포함한다.
이 경우, 상기 반도체 소자는, 상기 기판의 <110> 결정 방향으로 배치되어, 상기 기판의 변형 및 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 압력 센싱 영역을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 압력 센싱 영역은, 상기 기판의 <110> 결정 방향으로 배치되는 복수의 p-타입 압력 센싱 영역을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 온도 센싱 영역은, 상기 복수의 p-타입 압력 센싱 영역의 중앙에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
이 경우, 상기 복수의 p-타입 압력 센싱 영역은, 상기 온도 센싱 영역의 촤측에 배치되는 제1 압력 센싱 영역 및 제2 압력 센싱 영역, 및, 상기 온도 센싱 영역의 우측에 배치되는 제3 압력 센싱 영역 및 제4 압력 센싱 영역을 포함할 수 있다.
한편, 본 반도체 소자는, 상기 온도 센싱 영역 및 압력 센싱 영역 상부에 형성되는 전극부를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 실시 예에 따른 물리 센서는, 힘에 의해 변형되는 탄성부, 및, 상기 탄성부가 변형되는 영역에 배치되며, 상기 탄성부의 변형 정도에 따라 저항값이 변화하는 반도체 기판을 포함하고, 상기 반도체 기판은, n-타입 실리콘 기판, 상기 n-타입 실리콘 기판의 <100> 결정 방향으로 배치되어, 상기 실리콘 기판의 온도 변화에 따라 저항값이 변환하는 온도 센싱 영역, 및, 상기 n-타입 실리콘 기판의 <110> 결정 방향으로 배치되어, 상기 실리콘 기판의 변형 및 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 압력 센싱 영역을 포함한다.
이 경우, 상기 압력 센싱 영역은, 상기 n-타입 실리콘 기판의 <110> 결정 방향으로 배치되는 복수의 p-타입 압력 센싱 영역을 포함할 수 있다.
한편, 상기 온도 센싱 영역은, 상기 복수의 p-타입 압력 센싱 영역의 중앙에 배치될 수 있다.
이상과 같이 본 실시 예에 따른 반도체 소자는 압저항 계수가 0인 <100> 결정방향으로 p-type 확산 저항을 갖는다는 점에서, 반도체 소자의 압력 변화에 무관하게 온도를 정밀하게 측정할 수 있다. 그리고 하나의 반도체 소자를 통하여 온도 센서 및 압력 센서가 구현된다는 점에서 소형화가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 물리 센서의 구조를 설명하기 위한 도면,
도 2는 도 1의 스트레인 게이지의 구조를 설명하기 위한 도면,
도 3 은 본 실시 예에 따른 반도체 소자의 구조를 설명하기 위한 도면,
도 4는 도 3의 반도체 소자의 단면도,
도 5는 n-타입 단결정 실리콘의 {100} 결정면에서 결정방향에 따른 압저항 계수를 도시한 도면, 그리고,
도 6 내지 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 물리 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시 예에 따른 물리 센서(100)은 탄성부(110) 및 스트레인 게이지(200)로 구성된다.
탄성부(110)는 힘(압력 또는 하중)에 의해 변형된다. 구체적으로 탄성부(110)는 압력 또는 하중이 인가되었을 때 변형을 일으키는 금속 재질의 다이아프램(diaphragm)으로 구현될 수 있다. 이때, 다이아프램은 SUS630(Stainless steel grade 630) 재료로 구현될 수 있다. 그리고 다이아프램의 크기, 모양, 두께는 물리 센서(100)의 힘(압력 또는 하중)의 측정 범위에 따라 최적화하여 설계될 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 다이아프램을 이용하여 탄성부를 구현한 예만을 도시하고 설명하였지만, 구현시에는 다이아프램 이외의 다른 구성을 이용하는 형태로도 구현될 수도 있다.
스트레인 게이지(200)는 탄성부(110)가 변형되는 영역에 배치되며, 탄성부(110)의 변형 정도에 따라 저항값이 변화한다. 구체적으로, 스트레인 게이지(200)는 도 2에 도시된 바와 같은 온도 센싱 영역 및 압력 센싱 영역을 포함하는 반도체 소자로 구현될 수 있다. 이에 대해서는 도 2를 참조하여 후술한다.
이상과 같이 본 실시 예에 따른 물리 센서(100)는 게이지율이 금속 대비 20 내지 100배의 감도를 가지는 반도체 소자를 이용한다는 점에서, 고감도를 가질 수 있다. 또한, 물리 센서 및 온도 센서를 구비하는 반도체 소자를 이용한다는 점에서, 물리 센서의 온도 보상을 용이하게 할 수 있으며, 소형화가 가능하다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지용 반도체 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 반도체 소자(200)는 기판(210), 온도 센싱 영역(220), 압력 센싱 영역(230) 및 전극부(240)로 구성된다.
기판(210)은 기설정된 두께(예를 들어, 100㎛)를 갖는 실리콘 기판이다. 구체적으로, 기판(210)은 통상의 실리콘 기판에 인(phosphorous), 비소(Arsenic)와 같은 n-타입 도펀트(dopant)가 포함된 n-타입 단결정 실리콘 기판일 수 있다.
p-타입 실리콘의 {100} 결정면에서 결정방향에 따른 압저항 계수는 도 5에 도시하였다. 도 5를 참조하면, <110> 결정 방향에 대해서 p-타입 실리콘 기판은 높은 압저항 계수를 가지며, <100> 결정 방향에 대해서 p-타입 실리콘 기판은 압저항 계수가 0임을 확인할 수 있다.
따라서, 본 실시 예에 따른 온도 센싱 영역(220)은 <100> 결정 방향으로 배치되고, 압력 센싱 영역(230)은 <110> 결정 방향으로 배치된다.
온도 센싱 영역(220)은 기판의 <100> 결정 방향으로 배치된다. 구체적으로, 온도 센싱 영역(220)은 붕소(B), 인듐(In)과 같은 p-타입 도펀트(dopant)가 이온 주입되어 기판의 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 온도저항 영역이다. 이와 같이 온도 센싱 영역(220)은 기판의 <100> 결정 방향으로 배치되는바, 기판(210)의 응력 또는 변형의 변화에 대해서 저항값이 변화되지 않고, 온도 변화에 대해서만 저항값이 변화하게 된다.
압력 센싱 영역(230)은 기판의 <110> 결정 방향으로 배치된다. 구체적으로, 압력 센싱 영역(230)은 붕소(B), 인듐(In)과 같은 p-타입 도펀트(dopant)가 이온 주입되어, 기판(210)의 온도 및 압력 변화에 따라 저항값이 변화하는 압저항 영역이다. 이와 같이 압력 센싱 영역(230)은 기판의 <110> 결정 방향으로 배치되는바, 기판(210)의 압력 변화에 민감하게 변화되며, 온도 변화에도 저항값이 변화하게 된다.
그리고 압력 센싱 영역(230)은 기판(210)의 복수 영역에 형성될 수 있다. 구체적으로, 다수의 압저항은 탄성부에서 응력/변형이 가장 크게 작용하는 지점에 위치하고, 휘스톤 브리지 회로를 구현하기 위하여 압력 센싱 영역(230)은 4개의 복수의 p-타입 압력 센싱 영역을 포함할 수 있다. 이때, 제1 압력 센싱 영역(또는 제1 확산형 압저항, 230-1), 제2 압력 센싱 영역(또는 제2 확산형 압저항, 230-2)은 온도 센싱 영역(220)의 좌측에 배치되고, 제3 압력 센싱 영역(또는 제3 확산형 압저항, 230-3), 제4 압력 센싱 영역(또는 제4 확산형 압저항, 230-4)은 온도 센싱 영역(220, 또는 확산형 온도저항)의 우측에 배치될 수 있다. 즉, 온도 센싱 영역(220)이 복수의 압저항 중앙에 배치될 수 있다. 이와 같이 온도 센싱 영역(220)이 복수의 압저항 중앙에 배치되는바, 기판(210)의 응력 또는 변형에 따른 순간적으로 발생하는 미세한 온도 변화도 정밀하게 측정할 수 있게 된다.
전극부(240)는 온도 센싱 영역(220) 및 압력 센싱 영역(230)의 상부에 형성된다. 구체적으로, 전극부(240)는 온도 센싱 영역(220) 및 압력 센싱 영역(230)의 저항값을 측정하기 위한 복수의 전극을 구비하고, 복수의 전극은 각 영역의 끝단에 배치될 수 있다.
이상과 같이 본 실시 예에 따른 반도체 소자(200)는 게이지율이 금속 대비 20 내지 100배의 감도를 가지는 단결정 실리콘 기판을 이용한다는 점에서, 고감도의 스트레인 게이지로 구현될 수 있다. 그리고 압력 센싱 영역과 함께 온도 센싱 영역을 함께 포함한다는 점에서, 압력 센싱 영역의 온도 변화에 따른 저항값 변화를 보상할 수 있게 된다. 또한, 하나의 반도체 기판상에 압력 센싱 영역 및 온도 센싱 영역이 단일 공정으로 형성된다는 점에서 소형화가 가능하고 공정비용을 줄이는 효과가 있다.
도 2를 설명함에 있어서, 반도체 소자(200)가 온도 센싱 영역 및 압력 센싱 저항 영역 모두를 포함하는 예에 대해서만 설명하였지만, 즉, 스트레인 게이지용 반도체 소자에 대해서만 설명하였지만, 구현시에는 응력 또는 변형에 반응하지 않고 온도의 변화만 감지할 수 있는 반도체 소자를 구현할 수도 있다. 이에 대해서는 아래의 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명하다.
도 3 은 본 실시 예에 따른 반도체 소자의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 그리고 도 4는 도 3의 A-A' 영역의 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 온도 센서용 반도체 소자(300)는 실리콘 기판(310), 온도 센싱 영역(330), 절연막(340) 및 전극부(360)로 구성된다.
기판(310)은 실리콘 기판이다. 구체적으로, 기판(310)은 통상의 실리콘 기판에 인(P), 비소(As)와 같은 n-타입 도펀트(dopant)가 포함된 n-타입 실리콘 기판일 수 있다.
온도 센싱 영역(330, 또는 온도 저항 영역)은 기판의 <100> 결정 방향으로 배치된다. 구체적으로, 온도 센싱 영역(330)은 기판(310)의 기설정된 영역에 붕소(B), 인듐(In)과 같은 p-타입 도펀트(dopant)가 이온 주입되어 기판의 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 저항 영역이다. 이와 같이 온도 센싱 영역(330)은 기판(310)의 <100> 결정 방향으로 배치되는바, 기판(310)의 응력 또는 변형의 변화에 대해서는 저항값이 변화되지 않고, 온도 변화에 대해서만 저항값이 변화하게 된다.
절연막(340)은 기판(310)의 상부에 배치된다.
전극부(360)는 온도 센싱 영역(330)의 상부에 형성된다. 구체적으로, 전극부(360)는 온도 센싱 영역(330)의 저항값을 외부에서 측정하기 위한 복수의 전극을 구비하고, 복수의 전극은 온도 센싱 영역(330)의 끝단에 배치될 수 있다.
도 5는 p-타입 실리콘에서의 {100} 결정면에서 결정방향에 따른 압저항 계수를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, <110> 결정 방향에 대해서 p-타입 저항은 높은 압저항 계수를 갖는다. 그리고 <100> 결정 방향에 대해서 p-타입 저항은 압저항 계수가 0임을 확인할 수 있다.
따라서, 본 실시 예에 따른 온도 센싱 영역(220, 330)은 <100> 결정 방향으로 배치되고, 압력 센싱 영역(230)은 <110> 결정 방향으로 배치된다.
도 6 내지 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다. 구체적으로, 도 6 내지 도 12에 도시된 공정 단면도는 도 2의 반도체 소자를 제조하는데 이용될 수 있으며, 도 3에 도시된 반도체 소자를 제조하는데도 이용될 수도 있다. 즉, 온도 센싱 영역 및 압력 센싱 영역은 패턴의 결정 방향이 상이할 뿐, 동일한 p-타입 확산 저항이라는 점에서, 동일한 공정을 통하여 함께 형성될 수 있다.
먼저, 도 6을 참조하면, 기판(310)을 마련한다. 기판(310)은 n-타입이 기본적으로 도핑된 n-타입 기판(substrate)일 수 있다. 그리고 기판(310) 상부에 절연막을 생성한다. 구체적으로, 전기로 습식 산화 방식을 이용하여 기판(310) 상에 기설정된 두께(예를 들어, 5000Å)의 산화막(SiO2)(320)을 생성할 수 있다.
다음 공정으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 기판(310) 상에 기설정된 저항 패턴을 생성한다. 구체적으로, 사진 식각 기술(photo lithgraphy)을 이용하여 기판(310) 상부에 패턴을 형성하고, 저항이 형성될 기판(210) 상부의 산화막(320)을 BOE(Buffered Oxide Etchant) 또는 HF 용액으로 제거할 수 있다. 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같은 반도체 소자를 제조하는 경우에는 <100> 결정 방향의 패턴을 형성하고, 도 2에 도시된 바와 같은 반도체 소자를 제조하는 경우에는 <110> 결정 및 <100> 결정 방향의 패턴을 형성할 수 있다. 이때, <110> 결정 방향의 패턴은 압저항이 형성되는 영역이고, <100> 결정 방향의 패턴은 온도 센서의 저항이 형성되는 영역이다.
다음 공정으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 이온 주입 공정을 이용하여 붕소(B), 인듐(In)과 같은 p-타입 도펀트(dopant)를 이온 주입할 수 있다.
다음 공정으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 기판(310) 상부의 산화막(320)을 BOE(Buffered Oxide Etchant) 또는 HF 용액으로 제거하고, 주입된 이온에 대한 확산 공정을 수행할 수 있다. 이와 같은 공정 결과로 이온 주입된 도펀트가 확산하여 p-타입 확산 저항 영역(330)이 생성되고, 기판(310) 상에는 절연막(340)이 생성된다.
다음 공정으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 전극과의 접촉부(contact window)를 형성하기 위하여, 사진 식각 기술을 이용하여 패턴을 생성하고, 전극 접촉부가 형성될 기판(310) 상부의 산화막(340)을 BOE(Buffered Oxide Etchant) 또는 HF 용액으로 제거할 수 있다.
다음 공정으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 전극으로 사용될 금속 물질(구체적으로는 NiCr/Au)을 진공 증착할 수 있다.
다음 공정으로, 도 12에 도시된 바와 같이, 증착된 금속 물질을 식각하여 전극부(360)을 형성할 수 있다. 추가적으로 도 2의 반도체 소자를 제조하는 경우에는 기판(310)의 하부 영역(즉, 뒷면)을 CMP(chemical-mechanical plannarization) 공정을 이용하여 식각하여, 기판(310)의 두께가 기설정된 두께를 갖도록 할 수 있다.
이상과 같이 본 실시 예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은, 한 번의 공정 프로세스를 통하여 온도 센서가 포함된 물리 센서를 동시에 생성할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 개재의 범위 내에 있게 된다.
100: 물리 센서 110: 탄성부
200: 반도체 소자 210: 기판
220: 온도 센싱 영역 230: 압력 센싱 영역
240: 전극부 300: 반도체 소자

Claims (9)

  1. 반도체 소자에 있어서,
    n-타입 실리콘 기판;
    상기 기판의 <100> 결정 방향으로 p-타입 확산저항을 생성하여, 상기 기판의 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 온도 센싱 영역;및
    상기 기판의 <110> 결정 방향으로 배치되어, 상기 기판의 변형 및 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 복수의 p-타입 압력 센싱 영역;을 포함하고,
    상기 온도 센싱 영역은, 상기 복수의 p-타입 압력 센싱 영역의 중앙에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 p-타입 압력 센싱 영역은,
    상기 온도 센싱 영역의 촤측에 배치되는 제1 압력 센싱 영역 및 제2 압력 센싱 영역; 및
    상기 온도 센싱 영역의 우측에 배치되는 제3 압력 센싱 영역 및 제4 압력 센싱 영역;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 온도 센싱 영역 및 압력 센싱 영역 상부에 형성되는 전극부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  7. 물리 센서에 있어서,
    힘에 의해 변형되는 탄성부; 및
    상기 탄성부가 변형되는 영역에 배치되며, 상기 탄성부의 변형 정도에 따라 저항값이 변화하는 반도체 기판;을 포함하고,
    상기 반도체 기판은,
    n-타입 실리콘 기판;
    상기 n-타입 실리콘 기판의 <100> 결정 방향으로 배치되어, 상기 실리콘 기판의 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 온도 센싱 영역; 및
    상기 n-타입 실리콘 기판의 <110> 결정 방향으로 배치되어, 상기 실리콘 기판의 변형 및 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 복수의 p-타입 압력 센싱 영역;을 포함하며,
    상기 온도 센싱 영역은, 상기 복수의 p-타입 압력 센싱 영역의 중앙에 배치되는 것을 특징으로 하는 물리 센서.
  8. 삭제
  9. 삭제
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