KR20000013665A

KR20000013665A - 티엠에이에이취용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하기 위한반도체 가속도센서의 제조방법

Info

Publication number: KR20000013665A
Application number: KR1019980032653A
Authority: KR
Inventors: 백승호; 최규리
Original assignee: 밍 루; 주식회사 만도
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 2000-03-06
Also published as: KR100365701B1

Abstract

본 발명은 TMAH용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하는 반도체 가속도센서의 제조방법에 관한 것으로, 실리콘 기판에 형성된 매스의 유동을 상기 매스를 지지하는 빔을 통해 전달받는 압저항체의 저항값변화에 의해 외부로부터 가해지는 가속도를 감지하는 반도체 가속도센서의 제조방법에 있어서, 상기 실리콘 기판의 상면과 하면에 각각 패터닝(patterning)을 위한 보호막을 증착하는 단계; 상기 매스의 언더컷팅을 방지하기 위해 식각율에 따른 오프셋을 적용하여 설계된 마스크의 레이아웃(layout)에 따라 상기 실리콘의 하면에 증착된 보호막을 패터닝하는 단계; 및 상기 패터닝된 실리콘 기판에 상기 매스를 형성하기 위해 비등방성 식각용액인 TMAH용액으로 식각하는 단계를 특징적으로 구비한다. 따라서, 본 발명은 비등방성 식각용액인 TMAH용액을 사용하여 반도체 가속도센서를 제조하는 경우 매스의 언더컷팅을 방지할 수 있어서 외부로부터의 가속도를 정확하게 감지함여 센서성능의 신뢰성을 향상시킴은 물론 반도체 가속도센서의 주변공간을 고려하여 적정 크기의 보상구조를 갖는 마스크를 사용할 수 있어서 종래 보다 반도체 가속도센서의 크기를 보다 소형화할 수 있는 효과가 있다.

Description

티엠에이에이취용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하기 위한 반도체 가속도센서의 제조방법

본 발명은 TMAH용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하기 위한 반도체 가속도센서의 제조방법에 관한 것으로, 특히 TMAH(Tetramethylammonium- hydroxide)용액을 실리콘 식각용액으로 사용하는 반도체 가속도센서의 습식식각공정에서 매스의 모서리가 과도하게 식각되는 것을 방지할 수 있도록 한 TMAH용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하기 위한 반도체 가속도센서의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 가속도센서는 도 1a와 도 1b에 도시된 바와 같이, 반도체 가속도센서를 지지하는 프레임(frame;1)과, 외부로부터 가해지는 가속도를 힘으로 변환하여 빔(30)에 전달시키는 매스(mass;20)와, 상기 빔(30)에 형성되어 가속도에 따라 저항값이 변화되는 압저항체(3)와, 압저항체(3) 위에 전기적 도선의 역할을 하는 금속층을 구성시켜 이루어진다. 또, 반도체 가속도센서의 구조체를 형성하기 위해 비등방성 식각용액을 사용하는데, 통상 KOH용액 또는 TMAH(Tetramethyl- ammoniumhydroxide)용액을 사용한다.

이러한 구조를 갖는 종래 반도체 가속도센서의 제조공정은 도 2a의 (A)에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(10)의 상하면에 실리콘 산화막(2)을 성장시킨 후 도 2b와 같이 보상구조(T)를 갖는 마스크(mask)를 이용하여 하면에 대해 프레임(1)과 매스(20)를 연결하는 빔(30)을 형성시키기 위하여 소정 부위를 식각한 다음 상면에 대해 압저항체(3)를 형성시키기 위하여 실리콘 산화막(2)의 적정부분을 식각한다. 다음 (B)에서는 실리콘 산화막(2)의 식각된 부분에는 가속도에 의해 생긴 빔(30)의 응력에 대해 저항값이 변하는 압저항체(3)를 이온주입에 의하여 형성한다. 이후, (C)에서와 같이 도선의 역할을 하는 알루미늄(4)을 압저항체(3)가 형성된 부분에 증착시킨후 (D)에서와 같이 아랫면의 실리콘을 식각시키기 전에 윗면의 알루미늄이 식각용액에 의해 식각되는 것을 방지하기 위한 보호막(5)을 알루미늄층(4) 위에 형성시킨다. 이어, (E)에서는 RIE(Reactive Ion Etching)공정에 의해 실리콘 기판의 빔(30)이 되는 부분을 제외한 부위를 상하로 관통되도록 실리콘을 식각한 뒤 (F)에서는 마지막으로 보호막(5)을 제거하여 반도체 가속도 센서의 구조를 완성하게 된다.

이러한 매스(20)는 임의방향의 외부로부터의 가속도를 빔(30)으로 전달하는 역할을 수행하며, 압저항체(3)는 빔(30)으로 전달되는 힘을 저항값으로 변화하며 각각의 압저항체(30)는 회로적으로 연결되어 브리지회로를 형성하게 된다. 따라서, 가속도를 정확하게 측정하기 위해서는 매스(20)가 대칭적인 구조체로 형성하는 것이 반도체 가속도센서의 신뢰성과 직결된다.

그러나, 비등방성 식각용액으로 TMAH용액을 사용하는 경우 실리콘 산화막을 마스크로 사용할 수 있는등 후공정이 간단한 이점이 있는 반면에 장시간이 소요되고 실리콘 결정면에 따라 식각율이 달라 매스의 모서리가 과도하게 식각되는 언더컷팅(undercutting)이 발생된다. 물론, 보상구조(T)의 마스크(40)에 의해 어느 정도 보상할 수 있으나 일률적인 모양과 크기를 적용하였기 때문에 언더컷팅을 완전하게 보상할 수 없었다. 이에 따라 매스는 대칭적 구조를 이루지 못하고 매스의 모서리가 균등하게 식각되지 않아 무게중심은 편향되고 궁극적으로 외부로부터의 가속도를 정확하고 안정적으로 감지할 수 없어 반도체 가속도센서의 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 반도체 가속도센서를 제조하는 경우 비등방성 식각용액인 TMAH용액의 실리콘 결정면에 대한 오프셋을 적용하여 마스크의 레이아웃을 설계하므로서 매스의 언더컷팅을 방지함과 아울러 주변공간에 따라 적절한 형태의 보상구조를 갖는 마스크를 사용함에 의해 반도체 가속도센서의 크기를 줄일 수 있는 TMAH용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하기 위한 반도체 가속도센서의 제조방법을 제공함에 있다.

도 1a은 일반적인 반도체 가속도센서를 나타내는 도면,

도 1b는 도 1a의 요부를 확대하여 나타낸 일부사시도,

도 2a는 종래의 반도체 가속도센서의 제조방법을 설명하기 위한 도면,

도 2b는 종래의 실리콘 식각용 마스크를 나타내는 도면,

도 3은 본 발명에 따른 반도체 가속도센서의 제조방법을 설명하기 위한 도면,

도 4는 본 발명에 따른 실리콘 식각용 마스크의 보상구조를 나타낸 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 실리콘기판 20 : 매스(mass)

30 : 빔 40,40a : 실리콘식각용 마스크

상기와 같은 본 발명의 목적은 실리콘 기판에 형성된 매스의 유동을 상기 매스를 지지하는 빔을 통해 전달받는 압저항체의 저항값변화에 의해 외부로부터 가해지는 가속도를 감지하는 반도체 가속도센서의 제조방법에 있어서, 상기 실리콘 기판의 상면과 하면에 각각 패터닝(patterning)을 위한 보호막을 증착하는 단계; 상기 매스의 언더컷팅을 방지하기 위해 식각율에 따른 오프셋을 적용하여 설계된 마스크의 레이아웃(layout)에 따라 상기 실리콘의 하면에 증착된 보호막을 패터닝하는 단계; 및 상기 패터닝된 실리콘 기판에 상기 매스를 형성하기 위해 비등방성 식각용액인 TMAH용액으로 식각하는 단계에 의하여 달성된다.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 실리콘 결정면에 대해 TMAH용액의 식각율이 다르므로 그 실리콘 결정면에 대한 식각율의 차만큼 오프셋(offset)을 적용하여 다양한 형태의 보상구조를 갖는 실리콘식각용 마스크를 사용한다. 본 발명에 따르면 실제 식각공정이 종료된 후에는 매스의 모서리가 균등하게 식각되어 무게중심이 중심부에 위치하는 대칭적 구조를 이루게 되는데, 이를 구체적으로 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 반도체 가속도센서의 제조방법을 설명하기 위한 도면으로, 종래와 동일기능의 구성요소에 대해서는 동일부호를 부여하기로 한다.

본 발명에 따른 반도체 가속도센서의 제조공정은 도 3의 (A)에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(10)의 상하면에 실리콘 산화막(SiO₂; 2)을 성장시킨 후 도 4와 같은 실리콘식각용 마스크를 이용하여 하면에 대해 프레임(1)과 매스(20)를 연결하는 빔(30)을 형성시키기 위하여 소정 부위를 식각하고, 상면에 대해 압저항체(3)를 형성시키기 위하여 실리콘 산화막(2)의 적정부분을 식각한다. 상기 실리콘 기판(10)의 하면에 대한 식각공정조건은 비등방성 식각용액으로 약 25 중량%의 TMAH용액을 약 90℃의 반응온도에서 소정 시간동안 반응시키므로서 이루어진다. 상기 실리콘식각용 마스크에 대한 다양한 형태의 보상구조는 도 4에 따라 후술하기로 한다.

이어, 도 3의 (B)에서는 실리콘 산화막(2)의 식각부분에 가속도에 의해 생긴 빔(30)의 응력에 대해 저항값이 변하는 압저항체(3)를 이온주입에 의하여 형성한다. 이후, 도 3의 (C)에서와 같이 도선의 역할을 하는 알루미늄(Al)을 압저항체(3)가 형성된 부분에 증착시킨후 도 3의 (D)에서와 같이 하면의 실리콘을 식각시키기 전에 상면의 알루미늄이 식각용액에 의해 식각되는 것을 방지하기 위한 보호막(5)을 알루미늄(4) 위에 형성시킨다. 이어, 도 3의 (E)에서는 RIE(Reactive Ion Etching)공정에 의해 실리콘 기판의 빔(30)이 되는 부분을 제외한 부위를 상하로 관통되도록 실리콘을 식각한 뒤 도 3의 (F)에서는 보호막(5)을 제거하여 반도체 가속도센서의 구조를 완성하게 된다.

한편, 도 4는 본 발명에 따른 실리콘 식각용 마스크의 보상구조를 나타낸 도면으로 원하는 형태의 보상구조를 갖는 마스크를 사용할 수 있는데, 상기 비등방성 식각용액인 TMAH용액에 의한 식각율에 따라 오프셋을 적용하는 다양한 형태의 보상구조에 대해 예를 들어 설명하기로 한다.

먼저, 도 4의 (A)와 같은 보상구조(T1)는 상기 매스(20)의 언더컷팅을 충실하게 방지할 수 있는 형태로서 다음의 [관계식1]을 만족하는 직사각형의 형상을 갖는다. 여기서, c는 직사각형과의 교차점과 모서리 사이의 거리, d는 직사각형의 높이, d'는 직사각형의 길이, t는 TMAH용액에 의해 식각되는 식각깊이이다.

[관계식1] c = 2^1/2×t , d = 6.5×t , d'= 9.17×t

도 4의 (B)와 같은 보상구조(T2)는 다음의 [관계식2]를 만족하는 삼각형의 형상을 갖는다. 여기서, c는 삼각형과의 교차점과 모서리 사이의 거리, d는 삼각형의 꼭지점과 모서리의 수평거리, d'는 삼각형의 꼭지점과 모서리의 직선거리, θ는 삼각형의 꼭지점의 내각, t는 TMAH용액에 의해 식각되는 식각깊이이다.

[관계식2] d' = 2×t , c = 2^1/2× d' , d = c/2 , θ= 53°

도 4의 (C)와 같은보상구조(T3)는 다음의 [관계식3]을 만족하는 정사각형의 형상을 갖는다. 여기서, c는 정사각형과의 교차점과 모서리 사이의 거리, d는 정사각형의 꼭지점과 모서리의 수평거리, t는 TMAH용액에 의해 식각되는 식각깊이이다.

[관계식3] c = t×{1-1/tan(54.74°)} , d = t×{1+1/tan(54.74°)}

도 4의 (D)와 같은 보상구조(T4)는 다음의 [관계식4]를 만족하는 직삼각뿔의 형상을 갖는다. 여기서, c는 직삼각뿔과의 교차점과 모서리 사이의 거리, d는 직삼각뿔의 꼭지점과 모서리의 수평거리, t는 TMAH용액에 의해 식각되는 식각깊이이다.

[관계식4] c = 1.7×t , d = 2.45×t

도 4의 (E)와 같은 보상구조(T5)는 다음의 [관계식5]를 만족하는 뿔이다. 여기서, c는 뿔과의 교차점과 모서리 사이의 거리, d는 뿔의 꼭지점과 모서리의 수평거리, d'는 뿔의 첨두의 시작점과 모서리 사이의 수평거리, θ는 뿔의 내각, t는 TMAH용액에 의해 식각되는 식각깊이이다.

[관계식5]

c = 1.7×t , d = 2.45×t , d' = t×{1+1/tan(46.51°)} , θ= 64°

상술한 바와 같이, 이러한 보상구조를 적용하여 마스크의 레이아웃을 설계하는 경우 상기 매스에 대응하는 각 모서리로부터 소정의 보상구조가 돌출되는 형상을 가지게 된다.

본 발명은 TMAH용액이 실리콘 결정면에 대한 식각율의 오프셋을 적용한 다양한 형태의 보상구조를 제시하고 있으며, 메스의 언더컷팅을 방지하기 위해서는 도 4의 (A)의 직사각형의 보상구조(T1)를 갖는 마스크를 선택하는 것이 바람직하고, 반도체 가속도센서의 프레임과 메스의 인접거리가 짧은 경우에는 돌출된 길이가 상대적으로 짧은 삼각뿔등의 다른 보상구조(T2-T5)를 갖는 마스크를 사용하는 것이 바람직하다.

이상과 같이 본 발명은 비등방성 식각용액인 TMAH용액을 사용하여 반도체 가속도센서를 제조하는 경우 매스의 언더컷팅을 방지할 수 있어서 외부로부터의 가속도를 정확하게 감지함여 센서성능의 신뢰성을 향상시킴은 물론 반도체 가속도센서의 주변공간을 고려하여 적정 크기의 보상구조를 갖는 마스크를 사용할 수 있어서 종래 보다 반도체 가속도센서의 크기를 보다 소형화할 수 있는 효과가 있다.

Claims

실리콘 기판에 형성된 매스의 유동을 상기 매스를 지지하는 빔을 통해 전달받는 압저항체의 저항값변화에 의해 외부로부터 가해지는 가속도를 감지하는 반도체 가속도센서의 제조방법에 있어서,

상기 실리콘 기판의 상면과 하면에 각각 패터닝(patterning)을 위한 보호막을 증착하는 단계;

상기 매스의 언더컷팅을 방지하기 위해 식각율에 따른 오프셋을 적용하여 설계된 마스크의 레이아웃(layout)에 따라 상기 실리콘의 하면에 증착된 보호막을 패터닝하는 단계; 및

상기 패터닝된 실리콘 기판에 상기 매스를 형성하기 위해 비등방성 식각용액인 TMAH용액으로 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 TMAH용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하기 위한 반도체 가속도센서의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 보호막을 증착하는 단계는 실리콘 산화막(SiO₂)을 보호막으로 사용하는 것을 특징으로 하는 TMAH용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하는 반도체 가속도센서의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 식각율에 따른 오프셋을 적용하여 상기 마스크의 레이아웃을 설계하는 경우 상기 매스에 대응하는 정사각형의 각 모서리로부터 소정의 보상구조가 돌출되는 형상으로 상기 마스크를 제작하는 것을 특징으로 하는 TMAH용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하는 반도체 가속도센서의 제조방법.
제 3항에 있어서, 상기 보상구조는 다음의 [관계식1]을 만족하는 직사각형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 TMAH용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하는 반도체 가속도센서의 제조방법.

[관계식1] c = 2^1/2×t , d = 6.5×t , d'= 9.17×t

여기서, c는 직사각형과의 교차점과 모서리 사이의 거리,

d는 직사각형의 높이,

d'는 직사각형의 길이,

t는 TMAH용액에 의해 식각되는 식각깊이.
제 3항에 있어서, 상기 보상구조는 다음의 [관계식2]를 만족하는 삼각형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 TMAH용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하는 반도체 가속도센서의 제조방법.

[관계식2] d' = 2×t , c = 2^1/2× d' , d = c/2 , θ= 53°

여기서, c는 삼각형과의 교차점과 모서리 사이의 거리,

d는 삼각형의 꼭지점과 모서리의 수평거리,

d'는 삼각형의 꼭지점과 모서리의 직선거리,

θ는 삼각형의 꼭지점의 내각,

t는 TMAH용액에 의해 식각되는 식각깊이.
제 3항에 있어서, 상기 보상구조는 다음의 [관계식3]을 만족하는 정사각형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 TMAH용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하는 반도체 가속도센서의 제조방법.

[관계식3] c = t×{1-1/tan(54.74°)} , d = t×{1+1/tan(54.74°)}

여기서, c는 정사각형과의 교차점과 모서리 사이의 거리,

d는 정사각형의 꼭지점과 모서리의 수평거리,

t는 TMAH용액에 의해 식각되는 식각깊이.
제 3항에 있어서, 상기 보상구조는 다음의 [관계식4]를 만족하는 직삼각뿔의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 TMAH용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하는 반도체 가속도센서의 제조방법.

[관계식4] c = 1.7×t , d = 2.45×t

여기서, c는 직삼각뿔과의 교차점과 모서리 사이의 거리,

d는 직삼각뿔의 꼭지점과 모서리의 수평거리,

t는 TMAH용액에 의해 식각되는 식각깊이.
제 7항에 있어서, 상기 보상구조는 다음의 [관계식5]를 만족하는 뿔인 것을 특징으로 하는 TMAH용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하는 반도체 가속도센서의 제조방법.

[관계식5] c = 1.7×t , d = 2.45×t , d' = t×{1+1/tan(46.51°)} , θ= 64°

여기서, c는 뿔과의 교차점과 모서리 사이의 거리,

d는 뿔의 꼭지점과 모서리의 수평거리,

d'는 뿔의 첨두의 시작점과 모서리 사이의 수평거리,

θ는 뿔의 내각,

t는 TMAH용액에 의해 식각되는 식각깊이.
제 1항에 있어서, 상기 식각단계는 약 25 중량%의 TMAH용액을 약 90℃의 반응온도에서 소정 시간동안 반응시키는 것을 특징으로 하는 TMAH용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하는 반도체 가속도센서의 제조방법.