KR20000013668A - 수산화칼륨용액에 의한 매스의 언더컷팅을보상하기 위한 반도체 가속도센서의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수산화칼륨(KOH)용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하기 위한 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 수산화칼륨용액으로 식각하는 단계를 특징적으로 구비한다. 따라서, 본 발명은 비등방성 식각용액인 수산화칼륨용액을 사용하여 반도체 가속도센서를 제조하는 경우 실리콘 결정면에 따른 식각율을 고려한 오프셋을 적용하여 마스크의 레이아웃을 설계하므로서 매스의 모서리에 대응하는 보상구조를 적절한 크기로 형성하므로서 수산화칼륨용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상할 수 있으며, 보상구조의 크기가 작아져 반도체 가속도센서를 소형화할 수 있는 효과가 있다.

Description

수산화칼륨용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하기 위한 반도체 가속도센서의 제조방법

본 발명은 수산화칼륨용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하기 위한 반도체 가속도센서의 제조방법에 관한 것으로, 특히 수산화칼륨(KOH)용액을 실리콘 식각용액으로 사용하는 반도체 가속도센서의 습식식각공정에서 식각방향에 따라 식각율이 달라서 매스의 모서리가 과도하게 식각되는 것을 방지할 수 있도록 한 수산화칼륨용액에 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 수산화칼륨용액 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 설계된 마스크(mask; 40)를 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. 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(Al;4)을 압저항체(3)가 형성된 부분에 증착시킨후 (D)에서와 같이 아랫면의 실리콘을 식각시키기 전에 알루미늄(4)이 식각용액에 의해 식각되는 것을 방지하기 위한 보호막(5)을 알루미늄(4) 위에 형성시킨다. 이어, (E)에서는 RIE(Reactive Ion Etching)공정에 의해 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 수산화칼륨용액을 사용하는 경우 반응시간이 짧은 반면에 실리콘 결정면에 따라 식각율이 달라 매스의 모서리가 과도하게 식각되는 언더컷팅(undercutting)이 발생된다. 이를 감안하여 도 2b의 실리콘식각용 마스크(40)는 매스(20)의 모서리에 대응하는 부위에 돌출형상의 보상구조(T)를 갖고 있으나 완전하게 언더컷팅을 해소할 수 없었다. 이에 따라 매스는 대칭적인 구조체를 이루지 못하여 매스의 모서리가 균등하게 식각되지 않아 무게중심은 편향되고 궁극적으로 외부로부터의 가속도를 정확하고 안정적으로 감지할 수 없어 반도체 가속도센서의 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명은 반도체 가속도센서를 제조하는 경우 비등방성 식각용액인 수산화칼륨용액의 실리콘 결정면에 대한 오프셋을 적용하여 마스크의 레이아웃을 설계하므로서 매스의 언더컷팅을 방지하고 반도체 가속도센서의 크기를 보다 줄일 수 있는 수산화칼륨용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하기 위한 반도체 가속도센서의 제조방법을 제공함에 있다.

도 1a는 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 3a은 본 발명에 따른 반도체 가속도센서의 제조방법을 설명하기 위한 도면,

도 3b는 본 발명에 따른 실리콘 식각용 마스크를 나타내는 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 실리콘기판 12 : 실리콘 질화막(Si₃N₄)

20 : 매스(mass) 30 : 빔

40,40a : 실리콘식각용 마스크

상기와 같은 본 발명의 목적은 실리콘 기판에 형성된 매스의 유동에 따른 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 수산화칼륨용액으로 식각하는 단계에 의하여 달성된다.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3a은 본 발명에 따른 반도체 가속도센서의 제조방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는 본 발명에 따른 실리콘 식각용 마스크를 나타내는 도면으로, 종래와 동일기능의 구성요소에 대해서는 동일부호를 부여하기로 한다.

본 발명은 실리콘 결정면에 대해 수산화칼륨용액의 식각율이 다르므로 그 실리콘 결정면에 대한 식각율의 차만큼 오프셋(offset)을 적용하여 도 3b와 같은 같은 보상구조(Ta)를 갖는 마스크(40a)를 사용한다. 본 발명에 따르면 실제 식각공정이 종료된 후에는 매스의 모서리가 균등하게 식각되어 무게중심이 중심부에 위치하는 대칭적 구조를 이루게 되는데, 이를 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 반도체 가속도센서의 제조공정은 도 3a의 (A)에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(10)의 상하면에 실리콘 질화막(Si₃N₄; 12)을 성장시킨 후 도 3b와 같이 설계된 실리콘식각용 마스크(40a)를 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 질화막(12)의 적정부분을 식각한다.

좀 더 구체적으로, 상기 실리콘 기판(10)의 하면에 대한 식각공정조건은 도 3b의 실리콘 식각용 마스크(40a)를 사용하고 비등방성 식각용액으로는 약 45 중량%의 수산화칼륨용액을 약 80℃의 반응온도에서 약 6시간 30분동안 반응시키므로서 이루어진다. 상기 실리콘 식각용 마스크(40a)는 상기 매스(20)에 대응하는 정사각형의 각 모서리에 그 모서리를 중심점으로 하는 보상용 정사각형이 1/4만큼 중첩되는 형상으로 제작한다. 이러한 보상용 정사각형의 크기는 식각율에 따른 오프셋을 적용하여 다음의 [관계식]에 따라 산출한다.

[관계식] c = d = 0. 64×t

여기서, c는 보상용 정사각형의 교차점과 모서리 사이의 거리이고, d는 보상용 정사각형의 바깥선분과 모서리 사이의 거리이며, t는 수산화칼륨용액에 의해 식각되는 식각깊이이다.

이후, 도 3a의 (B)에서는 실리콘 질화막(12)의 식각된 부분에는 가속도에 의해 생긴 빔(30)의 응력에 대해 저항값이 변하는 압저항체(3)를 이온주입에 의하여 형성한다. 이후, 도 3a의 (C)에서와 같이 도선의 역할을 하는 알루미늄(4)을 압저항체(3)가 형성된 부분에 증착시킨후 도 3a의 (D)에서와 같이 아랫면의 실리콘을 식각시키기 전에 윗면의 알루미늄(4)이 식각용액에 의해 식각되는 것을 방지하기 위해 일정 패턴의 감광막(PR) 혹은 실리콘 산화막인 보호막(5)을 알루미늄층(4) 위에 형성시킨다. 이어, 도 3a의 (E)에서는 RIE(Reactive Ion Etching)공정에 의해 실리콘 기판의 빔(30)이 되는 부분을 제외한 부위를 상하로 관통되도록 실리콘을 식각한 뒤 도 3a의 (F)에서는 마지막으로 금속층의 보호막으로 형성된 감광막 혹은 실리콘 산화막을 제거하여 반도체 가속도 센서의 구조를 완성하게 된다.

이상과 같이 본 발명은 비등방성 식각용액인 수산화칼륨용액을 사용하여 반도체 가속도센서를 제조하는 경우 실리콘 결정면에 따른 식각율을 고려한 오프셋을 적용하여 마스크의 레이아웃을 설계하므로서 매스의 모서리에 대응하는 보상구조를 적절한 크기로 형성하므로서 수산화칼륨용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상할 수 있으며, 보상구조의 크기가 작아져 반도체 가속도센서를 소형화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 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 수산화칼륨용액으로 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수산화칼륨용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하는 반도체 가속도센서의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 보호막을 증착하는 단계는 실리콘 질화막(Si₃N₄)을 보호막으로 사용하는 것을 특징으로 하는 수산화칼륨용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하는 반도체 가속도센서의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 식각율에 따른 오프셋을 적용하여 상기 마스크의 레이아웃을 설계하는 경우 상기 매스에 대응하는 정사각형의 각 모서리에 그 모서리를 중심점으로 하는 보상용 정사각형이 1/4만큼 중첩되는 형상으로 상기 마스크를 제작하돼, 상기 보상용 정사각형의 크기는 다음의 관계식에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 수산화칼륨용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하는 반도체 가속도센서의 제조방법.

   [관계식] c = d = 0. 64×t

   여기서, c는 보상용 정사각형의 교차점과 모서리 사이의 거리,

   d는 보상용 정사각형의 바깥선분과 모서리 사이의 거리,

   t는 수산화칼륨용액에 의해 식각되는 식각깊이.
4. 제 1항에 있어서, 상기 식각단계는 약 45 중량%의 수산화칼륨용액을 약 80℃의 반응온도에서 약 6시간 30분동안 반응시키는 것을 특징으로 하는 수산화칼륨용액에 의한 매스의 언더컷팅을 보상하는 반도체 가속도센서의 제조방법.