KR20040083190A

KR20040083190A - 반도체 가스 센서 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20040083190A
Application number: KR1020030017761A
Authority: KR
Inventors: 김화년; 이헌민
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2003-03-21
Filing date: 2003-03-21
Publication date: 2004-10-01
Also published as: KR100504177B1

Abstract

본 발명은 반도체 가스 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 반도체 가스 센서에서 많은 열 손실을 발생시키는 기판과 히터 전극에서 발생된 열이 외부로 방출되는 것을 차단시키는 단열막 사이에 일정한 폭과 두께를 가지는 소정의 에어 갭을 형성함으로써, 종래 보다 간단한 공정으로 쉽게 단열 구조의 반도체 가스 센서를 제조할 수 있도록 하여 소자의 공정 수율 및 재현성을 향상시키고, 가스 센서 칩을 더욱 더 소형화(scale down) 및 집적화시킬 수 있게 한다.

Description

반도체 가스 센서 및 그 제조 방법{Semiconductor gas sensor and Method for manufacturing the same}

본 발명은 반도체 가스 센서에서 많은 열 손실을 발생시키는 기판과 히터 전극에서 발생된 열이 외부로 방출되는 것을 차단시키는 단열막 사이에 일정한 폭과 두께를 가지는 소정의 에어 갭을 형성함으로써, 종래 보다 간단한 공정으로 쉽게 단열 구조의 반도체 가스 센서를 얻을 수 있어 그 소자의 공정 수율 및 재현성을향상시킬 수 있도록 하고, 또한 가스 센서 칩을 더욱 더 소형화(scale down) 및 집적화시킬 수 있도록 하는 반도체 가스 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 가스 센서는 특정 가스를 검출하기 위한 소자로서, 특정 가스가 가스 센서의 감지 물질에 흡착될 때에 그 감지 물질의 전도도가 변화하여 기전력이 발생하고, 이러한 기전력을 측정함으로써 특정 가스를 검출할 수 있도록 하는 것이다.

예를 들면, 이산화주석(SnO2)과 같은 감지물질로 이루어진 가스 센서의 감지막 표면에 환원성 가스인 CO가스가 흡착될 경우, 아래식과 같이 그 표면에 있는 산소와 반응하여 이산화탄소(CO₂)를 만들고, 이 과정에서 전자의 교환이 이루어져 감지막의 전기전도도가 변화하여 이에 상응하는 기전력이 발생하게 되는데, 이러한 기전력을 측정하게 되면 특정 가스를 검출할 수 있게 된다.

CO + 1/2O₂-> CO₂

이와 같은 원리의 일반적인 반도체 가스 센서는 특정 가스가 반도체 가스 센서의 감지막에 흡착되기 위해서는 특정 온도 이상의 온도를 유지해야 하는데, 도 1은 이러한 일반적인 반도체 가스 센서를 도시한 도면이다.

이에 도시한 바와 같이, 일반적인 반도체 가스 센서에서, 실리콘 나이트라이드 등이 사용된 단열막(11a, 11b)은 실리콘 기판(10) 전면에 증착되어 있으며, 그 단열막(11a)상부에 형성된 히터 전극(12)은 특정 가스를 흡착하여 감지하는 감지막(15)이 최적의 감도를 나타낼 수 있는 특정 온도까지 열을 발생한다.

그리고, 기전력 검출 전극(14)은 히터 전극(12)과 전기적인 절연을 유지해 주는 절연막(13)상부에 형성되어, 가스를 흡착함에 따라 발생하는 감지막(15)의 저항값 변화를 외부 회로로 전달시켜주며, 그 감지막(15)은 검출하고자 하는 특정 가스와 직접 접촉되어 전기적인 저항의 변화를 발생하는 부분으로, 반도체의 성질을 가지고 있다.

이러한 구조의 일반적인 반도체 가스 센서는, 특정 가스가 반도체 가스 센서의 감지막에 흡착되기 위해서는 특정 온도 이상의 온도를 유지해야 하는데, 이를 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 감지막(15) 하부에 대응되는 위치의 실리콘 기판(10)과 그 하부의 단열막(11b)을 제거하여 히터 전극에서 발생한 열의 손실을 최소화시키고 있다.

하지만, 실리콘 기판을 제거하는 공정이 감지막 형성 공정을 하고 난 뒤, 별도로 열의 주 방출경로가 되는 그 기판의 제거 공정이 이루어지기 때문에 많은 공정 시간이 요구될 뿐만 아니라, 그 공정이 간단하지 않고, 공정 수가 많아 상당한 공정 수율의 저하를 초래하며, 아울러 가스 센서의 칩을 소형화 및 집적화 시키는데에도 상당한 어려움을 발생시켜 왔다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소시키기 위하여 개발된 것으로, 반도체 가스 센서에서 많은 열 손실을 발생시키는 기판과 히터 전극에서 발생된 열이 외부로 방출되는 것을 차단시키는 단열막 사이에 일정한 폭과 두께를 가지는 소정의 에어 갭을 형성함으로써, 종래 보다 간단한 공정으로 쉽게 단열 구조의 반도체 가스센서를 제조할 수 있어 소자의 공정 수율을 증대시키고, 재현성을 향상시킬 수 있도록 하며, 그 가스 센서 칩을 더욱 더 소형화(scale down) 및 집적화시킬 수 있도록 하는 반도체 가스 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 반도체 가스 센서를 도시한 도면

도 2a 내지 도 2h는 본 발명에 따른 반도체 가스 센서의 제조 방법을 도시한 공정 순서도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 기판 21 : 식각 방지막

22 : 희생층 23 : 단열막

24 : 히터 전극 25 : 절연막

26 : 기전력 검출 전극 27 : 감지막

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 살펴보면 다음과 같다.

도 2a내지 도 2h는 본 발명에 따른 반도체 가스 센서의 제조 방법을 도시한 공정 순서도이다.

먼저, 본 발명에 따른 반도체 가스 센서의 제조 방법은, 도 2a에 도시된 바와 같이, 종래의 CVD(Chemical Vapor Deposition)방법을 이용해 실리콘(Si) 웨이퍼 등의 기판(20) 전면에 식각 방지막(21)을 증착한다.

그런 다음, 기판(20) 전면에 증착된 식각 방지막(21)의 상부에 에어 갭(air gap) 형성 물질을 1㎛ ~ 2㎛ 정도의 두께로 증착하고, 패터닝하여 상기 식각 방지막(21)의 상면 일부에 희생층(22)을 형성한다(도 2a).

상기 에어 갭(air gap) 형성 물질로는 폴리 실리콘(poly-Si) 또는 알루미늄(Al) 중에서 선택된 어느 하나를 사용하고, 상기 식각 방지막(21)은 실리콘 나이트라이드나 또는 실리콘 산화물(SiO₂)를 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 식각 방지막(21)은 향후 공정에서, 희생층(22)을 특정 가스로 식각시켜 제거할 때 그 특정 가스로 인해 에칭이 이루어지지 않도록 하는 물질로 이루어져야 하는데, 이러한 물질은 상기 에어 갭 형성 물질에 따라 다양한 변형이가능하다.

한편, 기판(20) 전면에 식각 방지막(21)이 증착되고, 이 식각 방지막(21)의 상면 일부에 희생층(22)이 형성되면, 이 형성된 희생층(22)과 식각 방지막(21)의 표면에 단열막(23)을 형성한다(도 2b).

즉, 종래에 알려진 여러 가지의 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법 중에서 선택된 어느 하나 또는 마그네트론 스퍼터링법 등을 사용해 상기 희생층(22)과 식각 방지막(21)의 표면에 응력이 낮은 실리콘 나이트라이드나, 스트레스(stress)가 거의 없는 ONO(Oxide/Nitride/Oxide)를 증착하여 단열막(23)을 형성한다.

다음, 이 단열막(23) 상부에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용해 특정 금속(metal)을 증착하고, 기설정된 소정의 패턴에 따라 패터닝하여 외부로부터 인가된 전류에 따라 열을 발생하는 히터(heater) 전극(24)을 형성한다(도 2c).

상기 히터(heater) 전극(24) 형성시 사용되는 금속(metal)으로는, Pt나 Pb, 또는 MO, Pt와 Ti가 혼합된 금속, Pt와 Ta가 혼합된 금속, Mo와 Ti가 혼합된 금속들 중에서 선택된 어느 하나, 또는 이들을 2종 이상 혼합한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 단열막(23) 상면의 일부에 히터 전극(24)이 형성되면, 형성된 히터 전극(24)과 단열막(23)의 표면에 화학 기상 증착법(CVD)을 이용해 절연 물질을 증착하여 히터 전극과 향후 공정에서 형성될 감지막간에 전기적인 절연을 시켜 주는 절연막(25)을 형성한다(도 2d).

이 때, 상기 절연막(25) 형성시 사용되는 절연 물질로는 실리콘 산화물(SiO₂)나 실리콘 나이트라이드 중에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

계속해서, 상기 절연막(25) 상부 전면에 기전력 검출용 금속(metal)을 증착하고, 기설정된 소정의 패턴에 따라 패터닝하여 상기 절연막(25)의 상면 일부에 기전력 검출 전극(26)을 형성하는데(도 2e), 이 기전력 검출 전극은 가능한 콤브(Comb) 형태로 형성하는 것이 바람직하다.

다음, 상기 절연막(25)의 상면 일부에 기전력 검출 전극(26)이 형성되면, 상기 절연막(25)의 양측 일부를 식각하여 히터 전극(24)의 일부를 노출시키는데(도 2f), 이렇게 노출된 히터 전극은 외부 전원과 전기적으로 연결되는 히터 전극 패드가 된다.

이어, 히터 전극 패드가 형성된 절연막(25)의 일부 표면과 기전력 검출 전극(26)의 표면에 특정 가스(gas)를 감지하는데 사용되는 감지 물질을 r.f마그네트론 스퍼터링법을 이용해 증착하고, 열처리하여 감지막(27)을 형성한다(도 2g).

이 때, 상기 소정의 감지 물질로는 SnO₂, TiO₂, WO, ZnO 중에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직한데, 특히 이산화 주석(SnO₂)을 사용하는 것이 가장 바람직하다.

한편, 상기 절연막(25)과 기전력 검출 전극(26)의 표면에 소정 두께의 감지막(27)이 형성되면, 도 2g에서 도시한 바와 같이, 이 형성된 감지막(27)의 양측 일부를 식각하여 기전력 검출 전극의 일부를 노출시키는데, 이렇게 노출된 기전력 검출 전극은 외부 전원과 전기적으로 연결되는 기전력 검출 전극 패드가 된다.

마지막으로, 상기 에어 갭 형성 물질로 이루어진 희생층(22)을 식각시켜 상기 감지막(27) 하부의 위치에 대응되는 단열막(23)과 식각 방지막(21) 사이의 영역에 에어 갭(air gap)을 형성하여(도 2h) 본 발명을 종료하는데, 상기 희생층(22)은 그 층이 어떠한 물질로 이루어지느냐에 따라 다양한 식각 방법의 변형이 가능하다.

예를 들면, 상기 희생층(22)이 폴리 실리콘(poly-Si)으로 형성된 경우에는 상기 희생층에 XeF₂가스를 주입해 그 희생층(22)을 식각시켜 제거하도록 하는데, 이렇게 희생층(22)이 식각된 영역에는 에어 갭(air gap)이 형성된다.

한편, 희생층 제거와 감지막 형성 과정은 단열막의 스트레스 상황에 따라 순서가 바뀌어도 상관없는데, 예컨대, 단열막이 희생층을 제거한 상태에서도 감지막 형성 공정이 가능할 정도의 상태일 경우엔, 감지막을 희생층을 제거한 후에 마지막에 형성할 수도 있는데, 이와 같을 경우 감지막 형성 후 후속 공정에 의해 감지막이 받을 수 있는 공정상의 변수를 받지 않게 되는 효과가 있다.

이러한 본 발명에 따라 제조된 반도체 가스 센서는, 도 2h에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼 등의 기판(20) 전면에 실리콘 나이트라이트 등으로 이루어진 식각 방지막(21)이 증착되고, 이 식각 방지막(21)의 상면 일부에는 빈 공간의 스페이스(space)인 에어 갭(air gap)이 형성되며, 에어 갭과 식각 방지막(21)의 상면에는 단열막(23)이 형성된다.

그리고, 상기 단열막(23) 상부에는 소정의 금속을 증착하고 패터닝하여 형성한 히터 전극(24)이 형성되며, 히터 전극(24)과 단열막(23)의 상면에는 감지막(27)과의 전기적 절연을 위한 절연막(25)이 형성되며, 히터 전극(24)의 일부는 외부에 노출되어 외부 전원과 전기적으로 연결되는 히터 전극 패드가 된다.

또한, 상기 절연막(25) 상부에는 소정의 기전력 검출용 금속을 증착하고 패터닝하여 형성한 기전력 검출 전극(26)이 형성되며, 이 기전력 검출 전극(26)과 절연막(25)의 상면에는 특정 가스를 흡착하여 감지하는 감지막(27)이 형성되며, 그 감지막(27)의 양측 일부를 식각시켜 노출된 기전력 검출 전극(26)은 외부 전원과 전기적으로 연결되는 기전력 검출 전극 패드가 되는 구조를 가지게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 반도체 가스 센서 및 그 제조 방법은, 반도체 가스 센서에서 많은 열 손실을 발생시키는 기판과 히터 전극에서 발생된 열이 외부로 방출되는 것을 차단시키는 단열막 사이에 일정한 폭과 두께를 가지는 소정의 에어 갭을 형성함으로써, 종래 보다 간단한 공정으로 쉽게 단열 구조의 반도체 가스 센서를 얻을 수 있어 그 소자의 재현성을 향상시킬 수 있으며, 또한 가스 센서 칩을 더욱 더 소형화(scale down) 및 집적화시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims

기판 전면에 식각 방지막을 형성하는 제 1 단계;

상기 식각 방지막의 상면 일부에 희생층을 형성하는 제 2 단계;

상기 희생층과 식각 방지막의 상면을 따라 단열막을 형성하는 제 3 단계;

상기 단열막 상부에 가열용 금속을 증착하고 패터닝하여 히터 전극을 형성하는 제 4 단계;

상기 히터 전극과 단열막의 표면에 절연 물질을 증착하여 절연막을 형성하는 제 4 단계;

상기 절연막 상면에 기전력 검출용 금속을 증착하고 패터닝하여 기전력 검출 전극을 형성하는 제 5 단계;

상기 절연막의 양측 일부를 식각하여 히터 전극의 일부를 노출시켜 히터 전극 패드를 형성하고, 상기 기전력 검출 전극의 표면에 감지물질을 증착하여 감지막을 형성하는 제 6 단계;

상기 감지막의 양측 일부를 식각하여 기전력 검출 전극의 일부를 노출시켜 기전력 검출 전극 패드를 형성하는 제 7 단계;

상기 감지막 하부의 희생층을 식각시켜 상기 감지막 하부에 대응되는 위치의 단열막과 기판 사이의 영역에 에어 갭(air gap)을 형성하는 제 8 단계로 이루어진, 반도체 가스 센서의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 기판은;

실리콘(Si) 기판인 것을 특징으로 하는, 반도체 가스 센서의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단계는;

상기 식각 방지막의 상면 일부에 특정 가스에 의해 선택적으로 식각되는 물질을 증착하여 희생층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 반도체 가스 센서의 제조 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 물질은;

폴리 실리콘(poly-Si) 또는 알루미늄(Al)인 것을 특징으로 하는, 반도체 가스 센서의 제조 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 특정 가스는;

XeF₂인 것을 특징으로 하는, 반도체 가스 센서의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 3 단계는;

상기 단열막이 ONO막 또는 실리콘 나이트라이트 막인 것을 특징으로 하는, 반도체 가스 센서의 제조 방법.
기판 전면에 식각 방지막을 형성하고;

상기 식각 방지막의 상면 일부에 희생층을 형성하고;

상기 희생층과 식각 방지막의 상면을 따라 단열막을 형성하고;

상기 단열막 상부에 가열용 금속을 증착하고 패터닝하여 히터 전극을 형성하고;

상기 히터 전극과 희생층 표면에 절연막을 형성하고;

상기 절연막 상부에 기전력 검출용 금속을 증착하고 패터닝하여 기전력 검출 전극을 형성하고;

상기 절연막의 양측 일부를 식각하여 히터 전극의 일부를 노출시켜 히터 전극 패드를 형성하고;

상기 기전력 검출 전극의 상면을 따라 감지막을 형성하고;

상기 감지막의 양측 일부를 식각하여 기전력 검출 전극의 일부를 노출시켜 기전력 검출 전극 패드를 형성하고;

상기 감지막 하부의 희생층을 식각시켜 상기 감지막 하부에 대응되는 위치의 단열막과 기판 사이의 영역에 에어 갭을 형성하여 이루어지는, 반도체 가스 센서.