KR20080061449A - Apparatus for providing temperature sens using of semiconductor device and method therefor - Google Patents

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Abstract

A temperature sensor using a semiconductor device and a manufacturing method thereof are provided to implement a temperature sensing function by utilizing the breakdown voltage increment property according to the temperature. At least three device isolation layers(102f), which separate an active region and an isolation region, are formed on a semiconductor substrate by performing a device isolating process. After depositing a gate conductive layer on the entire surface of the substrate, at least two gate electrodes, which have CDs different from each other between each device isolation layers, are formed by performing a patterning and etching processes. The gate electrode has an arbitrary breakdown voltage at an arbitrary temperature, according to the CD.

Description

반도체 소자를 이용한 온도센서 및 그 제조 방법{APPARATUS FOR PROVIDING TEMPERATURE SENS USING OF SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD THEREFOR}Temperature sensor using semiconductor device and its manufacturing method {APPARATUS FOR PROVIDING TEMPERATURE SENS USING OF SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD THEREFOR}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자를 이용한 온도센서의 단면도,1 is a cross-sectional view of a temperature sensor using a semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자를 이용한 온도센서의 온도 대 전압과의 상관관계 그래프.2 is a correlation graph of temperature versus voltage of a temperature sensor using a semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100 : 반도체 기판 102 : 소자 분리막100 semiconductor substrate 102 device isolation film

104 : 게이트 절연막 106 : 도프트 폴리실리콘막104: gate insulating film 106: doped polysilicon film

108 : 실리사이드막108: silicide film

본 발명은 반도체 소자 제조 기술에 관한 것으로, 특히 미세 온도를 측정하는데 적합한 반도체 소자를 이용한 온도센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device manufacturing technology, and more particularly, to a temperature sensor using a semiconductor device suitable for measuring fine temperature and a method of manufacturing the same.

반도체의 특징 중 가장 중요하고 특별한 부분이 온도에 따른 저항 변화이다. 일반 도체는 온도가 올라가면 비저항이 증가하는 반면, 순수 반도체의 경우는 이와 반대로 온도가 올라갈수록 저항이 감소하는 특징이 있다.The most important and special part of the characteristics of the semiconductor is the change in resistance with temperature. In general conductors, the specific resistance increases as the temperature increases, whereas in the case of pure semiconductors, the resistance decreases as the temperature increases.

순수한 반도체 내의 전자들은 공유결합을 하고 있기 때문에 구조적으로 자유전자가 존재하지 않지만 온도가 절대온도에서부터 올라가기 시작하면 열로부터 에너지를 얻은 전자가 핵으로부터 구속에서 해방되어 자유전자가 된다. 전류란 시간당 전하의 이동량을 의미하므로 자유롭게 움직일 수 있는 전하인 자유전자가 많아진다는 것은 전류의 흐름이 용이하다는 것을 의미한다. 그러므로 순수한 반도체는 온도가 높아질수록 자유전자의 증가에 따라 저항이 작아진다.Since electrons in pure semiconductors are covalently bonded, there are no free electrons structurally, but when the temperature starts to rise from absolute temperature, electrons that get energy from heat are released from the nucleus and become free electrons. Since the current means the amount of charge movement per hour, the increase in free electrons, which are freely movable charges, means that the current flows easily. Therefore, pure semiconductors have a lower resistance with increasing free electrons at higher temperatures.

열은 전자에게 뿐만 아니라 핵에게도 영향을 준다. 온도가 높아지면 핵의 격자진동이 활발해지고, 핵의 격자진동은 자유전자와 충돌을 일으켜 자유전자의 흐름을 방해한다.Heat affects the nucleus as well as the electron. As the temperature rises, the lattice vibration of the nucleus becomes active, and the lattice vibration of the nucleus collides with the free electrons and obstructs the flow of free electrons.

불순물이 전혀 없는 반도체, 즉 진성 반도체 내의 자유전자의 개수는 일반 도체에 비해 엄청나게 적은 편이기 때문에 온도에 따라 증가하는 자유전자의 수가 절대적인 영향을 끼치게 된다. 즉, 진성 반도체는 온도가 올라갈수록 저항이 작아진다.Since the number of free electrons in the semiconductor, that is, the intrinsic semiconductor, is completely free of impurities, the number of free electrons that increase with temperature has an absolute effect. In other words, intrinsic semiconductors have a lower resistance as the temperature increases.

하지만 3 가, 혹은 5 가 원소를 배합한 불순물 반도체에는 이미 전류가 흐르기에 충분한 수의 전자 혹은 홀(hole)이 있다.However, impurity semiconductors containing trivalent or pentavalent elements already have a sufficient number of electrons or holes for current to flow.

온도에 따라 증가한 자유전자의 개수가 전류에 미치는 영향은 미미하다. 이때에는 핵의 진동에 의한 방해가 얼마나 큰가 하는 부분이 전류의 흐름에 더 많은 영향을 끼친다. 이것은 도체에서도 동일하다. 즉, 불순물 반도체는 일반 도체와 마찬가지로 온도가 올라갈수록 저항이 커진다. 우리가 실제로 사용하는 반도체는 대부분 불순물이 첨가되어진 반도체이며, 당연히 온도가 높아질수록 저항이 커지는 특성을 지니고 있다.The effect of the number of free electrons increasing with temperature on the current is minimal. At this time, how much the disturbance caused by the vibration of the nucleus has more influence on the current flow. The same is true for conductors. That is, like the general conductor, the impurity semiconductor increases in resistance as the temperature increases. Most of the semiconductors we actually use are semiconductors with added impurities, and of course, the resistance increases as the temperature increases.

본 발명은 상술한 반도체의 전형적인 특징에 착안한 것으로, 온도에 따른 절연파괴전압(Breakdown Voltage : BV)의 상승 특성을 이용하여 온도센싱 기능을 구현할 수 있는 반도체 소자를 이용한 온도센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention focuses on the typical characteristics of the above-described semiconductor, a temperature sensor using a semiconductor device that can implement a temperature sensing function by using the rising characteristics of the breakdown voltage (Breakdown Voltage: BV) according to the temperature and a manufacturing method thereof The purpose is to provide.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따르면, 반도체 기판에 소자 분리 공정을 진행하여 소자의 활성 영역과 소자분리영역을 구분하는 적어도 셋 이상의 소자 분리막을 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판 전면에 게이트 도전막을 증착한 후 패터닝 및 식각 공정을 진행하여 각각의 소자 분리막 사이에서 서로 다른 CD를 갖는 적어도 둘 이상의 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자를 이용한 온도센서 제조 방법을 제공한다.According to an embodiment for achieving the object of the present invention, the step of forming a device isolation film separating the active region and the device isolation region of the device by performing a device separation process on the semiconductor substrate, and on the front surface of the semiconductor substrate A method of manufacturing a temperature sensor using a semiconductor device includes depositing a gate conductive layer and performing patterning and etching processes to form at least two gate electrodes having different CDs between respective device isolation layers.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 실시예에 따르면, 적어도 셋 이상의 소자 분리막과, 상기 각각의 소자 분리막 사이에서 적어도 둘 이상의 서로 다른 CD를 갖는 게이트 전극을 갖는 반도체 소자를 이용한 온도센서를 제공한다.According to another embodiment for achieving the object of the present invention, there is provided a temperature sensor using a semiconductor device having at least three or more device isolation layers, and a gate electrode having at least two different CDs between the respective device isolation layers.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자, 예를 들면 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)를 이용한 온도센서의 수직 구조를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a vertical structure of a temperature sensor using a semiconductor device, for example, a field effect transistor, according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 온도센서는, 다수 개의 소자 분리막(102a)(102b)(102c)(102d)(102e)(102f)과, 상기 소자 분리막(102a)(102b)(102c)(102d)(102e)(102f)을 사이에 두고 서로 다른 CD를 갖는 다수 개의 게이트 전극(106a)(108a), (106b)(108b), (106c)(108c), (106d)(108d), (106e)(108e)을 포함한다.As shown in FIG. 1, the temperature sensor according to the present embodiment includes a plurality of device isolation films 102a, 102b, 102c, 102d, 102e and 102f, and the device isolation films 102a and 102b. A plurality of gate electrodes 106a, 108a, 106b, 108b, 106c, 108c, and 106d (102c) having different CDs with (102c) (102d) (102e) and (102f) interposed therebetween. 108d), 106e and 108e.

상기 반도체 소자는, 예를 들면 전계효과 트랜지스터로서 상기 게이트 전극(106a)(108a), (106b)(108b), (106c)(108c), (106d)(108d), (106e)(108e)의 CD에 따라 임의의 온도에서 임의의 절연파괴전압을 갖는 것을 특징으로 한다. 이때, 본 실시예에서는, 6개의 소자 분리막과 5개의 게이트 전극을 예시하여 각 게이트 전극간의 온도 특성에 따라 절연파괴전압 특성에 따른 전계효과 트랜지스터의 온/오프 특성을 매핑하도록 하였으며, 이러한 소자 분리막과 게이트 전극의 수는 단지 실시예의 설명을 위해 편의상 한정한 것일 뿐 본 발명을 특징짓는 것은 아니다. 다만, 온도 특성을 구분하기 위해서는 최소한 두 개의 게이트 전극이 필요하며, 이는 후술하는 특허청구범위로부터 보다 명확해 질 것이다.The semiconductor element is, for example, a field effect transistor of the gate electrodes 106a, 108a, 106b, 108b, 106c, 108c, 106d, 108d, 106e and 108e. It is characterized by having an arbitrary breakdown voltage at an arbitrary temperature depending on the CD. In this embodiment, six device isolation layers and five gate electrodes are illustrated to map on / off characteristics of the field effect transistor according to insulation breakdown voltage characteristics according to temperature characteristics between the gate electrodes. The number of gate electrodes is only limited for convenience of explanation of the embodiments and does not characterize the present invention. However, at least two gate electrodes are required to distinguish the temperature characteristics, which will become more apparent from the following claims.

이하에서는, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 온도센서를 제조하는 과정을 설명하기로 한다.Hereinafter, a process of manufacturing a temperature sensor according to the present invention will be described with reference to FIG. 1.

우선, 반도체 기판(100)으로서 실리콘 기판에 소자 분리 공정(isolation process)을 진행하여 소자의 활성 영역(active region)과 소자분리영역(isolation region)을 구분하는 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5, 제 6 소자 분리막(102a)(102b)(102c)(102d)(102e)(102f)을 형성한다.First, as the semiconductor substrate 100, an isolation process is performed on a silicon substrate to distinguish between active regions and isolation regions of a device. Fourth, fifth, and sixth element isolation films 102a, 102b, 102c, 102d, 102e, and 102f are formed.

그리고 기판(100) 전면에 게이트 절연막(104)으로서 열산화막을 형성하고 그 위에 게이트 도전막으로서 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 도프트 폴리실리콘막(doped polysilicon)(106a)(106b)(106c)(106d)(106e) 및 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 실리사이드막(silicide layer)(108a)(108b)(108c)(108d)(108e)을 증착한다.A thermal oxide film is formed on the entire surface of the substrate 100 as the gate insulating film 104, and the first, second, third, fourth, and fifth doped polysilicon films 106a are formed thereon as the gate conductive film. (106b) (106c) (106d) (106e) and first, second, third, fourth, and fifth silicide layers (108a) (108b) (108c) (108d) and (108e) do.

상기 실리사이드막(108a)(108b)(108c)(108d)(108e) 상부에 포토리소그래피 공정을 진행하여 게이트 전극 영역을 정의하는 포토레지스트 패턴을 형성하고 포토레지스트 패턴을 이용한 건식 식각 공정을 진행하여 실리사이드막(108a)(108b)(108c)(108d)(108e)을 패터닝하고 그 아래 도프트 폴리실리콘막(106a)(106b)(106c)(106d)(106e)을 패터닝함으로써 소자 분리막(102a)(102b)(102c)(102d)(102e)(102f) 사이의 서로 다른 CD를 갖는 다섯 개의 게이트 전극을 형성한다.A photolithography process is performed on the silicide layers 108a, 108b, 108c, 108d, and 108e to form a photoresist pattern defining a gate electrode region, and a dry etching process using the photoresist pattern is performed. Device isolation film 102a (by patterning the films 108a, 108b, 108c, 108d, 108e and patterning the doped polysilicon films 106a, 106b, 106c, 106d, 106e below it). Five gate electrodes with different CDs between 102b) 102c, 102d, 102e and 102f are formed.

먼저, 첫 번째 게이트 전극의 경우에는 최대 전류인 100㎂가 흐를 때 상온인 25도에서 10V의 절연파괴전압을 가지며, 두 번째 게이트 전극의 경우에는 50도에서 15V의 절연파괴전압을 가지며, 세 번째 게이트 전극의 경우에는 75도에서 20V의 절연파괴전압을 가지며, 네 번째 게이트 전극의 경우에는 100도에서 25V의 절연파괴전압을 가지며, 다섯 번째 게이트 전극의 경우에는 125도에서 30V의 절연파괴 전압을 가진다.First, the first gate electrode has an insulation breakdown voltage of 10V at 25 degrees Celsius when the maximum current of 100 mA flows, and the second gate electrode has an insulation breakdown voltage of 15V at 50 degrees. The gate electrode has a breakdown voltage of 20V at 75 degrees, the fourth gate electrode has a breakdown voltage of 100V to 25V, and the fifth gate electrode has a breakdown voltage of 125V to 30V. Have

이와 같은 전압 특성들은, 상술한 바와 같이 각 게이트 전극의 CD를 조절하여 구현할 수 있으며, 도 2에는 이를 그래프로 표현하였다. 도 2에 도시한 바와 같이, 온도와 절연파괴전압은 서로 비례함을 알 수 있다.Such voltage characteristics, as described above, can be implemented by adjusting the CD of each gate electrode, which is represented as a graph in FIG. 2. As shown in FIG. 2, it can be seen that the temperature and the dielectric breakdown voltage are proportional to each other.

한편, 이와 같은 온도 특성에 따르는 절연파괴전압 특성에 따른 전계효과 트랜지스터의 온/오프 특성을 다음 [표 1]과 같이 매핑할 수 있다.On the other hand, the on / off characteristics of the field effect transistor according to the breakdown voltage characteristics according to the temperature characteristics can be mapped as shown in Table 1 below.

온도Temperature 게이트1Gate 1 게이트2Gate 2 게이트3Gate 3 게이트4Gate 4 게이트5Gate 5 코드code 25도25 degrees onon offoff offoff offoff offoff 1000010000 50도50 degrees onon onon offoff offoff offoff 1100011000 75도75 degrees onon onon onon offoff offoff 1110011100 100도100 degrees onon onon onon onon offoff 1111011110 125도125 degrees onon onon onon onon 1111111111

도 2와 같이 온도에 따른 전계효과 트랜지스터의 절연파괴전압 도달 유무, 즉 전류가 100㎂가 흐르는 것을 기준으로, 흐르면 1, 흐르지 않으면 0으로 인식하여 코드화할 경우 매우 정확한 반도체 소자를 이용한 온도센서를 구현할 수 있다.As shown in FIG. 2, a temperature sensor using a highly accurate semiconductor device can be realized when the field effect transistor reaches a breakdown voltage according to temperature, that is, when the current flows at 100 mA, when the current flows, when the current flows, 1 is encoded and 0 is encoded. Can be.

다른 한편, 보다 세밀한 온도 측정을 필요로 할 경우에는, 상기 게이트 전극의 수를 늘리고 동일한 매핑을 여러 개 중첩하여 사용할 수 있다.On the other hand, when a more detailed temperature measurement is required, the number of the gate electrodes can be increased, and the same mapping can be overlapped.

이상, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 기술하였으나 본 발명은 이러한 실시예에 국한되는 것은 아니며, 후술하는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자로부터 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.The embodiments of the present invention have been described in detail above, but the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention described in the claims below.

본 발명에 의하면, 온도에 따른 절연파괴전압의 상승 특성을 이용하여 온도센싱 기능을 구현할 수 있는 바, 온도센서를 제조함에 있어 고기능화, 박막화, 소 형화를 구현할 수 있다.According to the present invention, the temperature sensing function can be implemented by using the rising characteristic of the insulation breakdown voltage according to the temperature. In the manufacture of the temperature sensor, high functionality, thin film, and miniaturization can be realized.

Claims (8)

반도체 기판에 소자 분리 공정을 진행하여 소자의 활성 영역과 소자분리영역을 구분하는 적어도 셋 이상의 소자 분리막을 형성하는 단계와,Performing a device isolation process on the semiconductor substrate to form at least three device isolation layers that separate the active and device isolation regions of the device; 상기 반도체 기판 전면에 게이트 도전막을 증착한 후 패터닝 및 식각 공정을 진행하여 각각의 소자 분리막 사이에서 서로 다른 CD를 갖는 적어도 둘 이상의 게이트 전극을 형성하는 단계Depositing a gate conductive layer on the entire surface of the semiconductor substrate, and then performing patterning and etching processes to form at least two gate electrodes having different CDs between respective device isolation layers; 를 포함하는 반도체 소자를 이용한 온도센서 제조 방법.Temperature sensor manufacturing method using a semiconductor device comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 게이트 전극의 CD에 따라 임의의 온도에서 임의의 절연파괴전압을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 이용한 온도센서 제조 방법.And a dielectric breakdown voltage at an arbitrary temperature according to the CD of the gate electrode. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 반도체 소자는 전계효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 이용한 온도센서 제조 방법.The semiconductor device is a temperature sensor manufacturing method using a semiconductor device, characterized in that the field effect transistor. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 게이트 전극의 CD에 따라 임의의 온도에서 임의의 절연파괴전압을 가질 경우에 상기 필드 효과 트랜지스터의 온/오프 특성에 따른 코드값이 매핑되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 이용한 온도센서 제조 방법.And a code value corresponding to an on / off characteristic of the field effect transistor is mapped when the dielectric breakdown voltage has a predetermined breakdown voltage at a predetermined temperature according to the CD of the gate electrode. 적어도 셋 이상의 소자 분리막과,At least three device separators, 상기 각각의 소자 분리막 사이에서 적어도 둘 이상의 서로 다른 CD를 갖는 게이트 전극A gate electrode having at least two different CDs between the respective device isolation layers 을 갖는 반도체 소자를 이용한 온도센서.Temperature sensor using a semiconductor device having a. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein 상기 게이트 전극은, 상기 게이트 전극의 CD에 따라 임의의 온도에서 임의의 절연파괴전압을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 이용한 온도센서.The gate electrode has a dielectric breakdown voltage at any temperature according to the CD of the gate electrode, the temperature sensor using a semiconductor element. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 온도와 절연파괴전압은 서로 비례하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 이용한 온도센서.Temperature sensor using a semiconductor device, characterized in that the temperature and the dielectric breakdown voltage is proportional to each other. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 5 to 7, 상기 반도체 소자는 전계효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 이용한 온도센서.The semiconductor device is a temperature sensor using a semiconductor device, characterized in that the field effect transistor.
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