KR20160062251A - 매립형 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 SOI 기판을 사용하는 SOI 웨이퍼에서 센싱 영역이 핸드 웨이퍼에 위치하는 매몰된 형태로 형성하고, 그 센싱 영역 상부에는 아날로그 및 디지털 회로부가 제공되도록 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 제공하고 있으며, 이에 따라 종래보다 더 센싱 능력이 향상되고 최적화된 마그네틱 센서를 제조할 수 있다.

Description

매립형 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법{Method for manufacturing of Semiconductor Device Having a Buried Magnetic Sensor}

본 발명은 매립형 마그네틱 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마그네틱 센서(또는 홀 센서)의 센싱 영역이 아날로그 및 디지털 회로의 하단에 배치하는 매립형 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다.

알려진 바와 같이 마그네틱 필드 센싱 소자는 전류가 흐르는 도체에 자기장을 걸어주면 전류와 자기장에 수직 방향으로 전압이 발생하는 홀 효과(Hall effect)를 이용하여 자기장의 방향과 크기를 알아내는 소자이다. 즉, 마그네틱 필드 센싱 소자는 마그네틱 자기장(magnetic field)이 걸려있는 상태에서 4개의 전극 중 2개의 마주보는 전극은 전류 흐름을 제공하고, 나머지 2개의 마주보는 전극은 전류 흐름과 수직방향으로 발생하는 홀 전압을 제공함으로써, 홀 전압을 감지하여 자기장의 방향과 크기를 감지하는 것이다.

그리고 이러한 마그네틱 필드 센싱 소자는 지구의 자기장을 감지해 방향 정보를 제공하는 디지털 나침반(Digital Compass)이나 전자 나침반(eCompass)과 같은 마그네틱 센서(또는 홀 센서)에 적용된다.

이와 같은 마그네틱 센서는 마그네틱 필드 센싱 소자의 홀 효과를 적용하여 지구의 북과 남, 동과 서의 방위를 알 수 있게 해주는 기능을 제공하는 것이고, 근래 들어서는 스마트폰 등의 휴대용 디지털 기기에 탑재되어 사용되고 있다. 휴대용 디지털 기기에 활용될 경우 모바일 애플리케이션(App)을 이용하여 지구의 방위뿐만 아니라 위치정보 활용의 용도로 지도 애플리케이션에서 유용하게 사용되고 있다.

그런데, 마그네틱 센서에는 마그네틱 필드 센싱 소자의 감지 결과를 처리하기 위하여 반드시 아날로그 및 디지털 회로가 함께 사용되고 있다. 아날로그 및 디지털 회로는 마그네틱 필드 센싱 소자가 감지한 신호를 처리하기 위한 각종 회로들을 말한다.

이와 같이 마그네틱 센서는 센서에서 출력되는 시그널을 처리하기 위한 아날로그 및 디지털 회로와 함께 사용되는데, 상기 아날로그 및 디지털 회로는 마그네틱 필드 센싱 소자와 수평방향으로 이웃하게 설계되어 왔다. 예컨대 마그네틱 필드 센싱 소자가 구성되고, 상기 마그네틱 필드 센싱 소자의 측면 방향에 아날로그 및 디지털 회로가 위치되었던 것이다. 왜냐하면, 반도체 기판 상에서, 마그네틱 센서용 센싱 영역과 아날로그 및 디지털 회로를 형성하기 위한 활성 영역을 각각 분리해서 필요로 하기 때문이다.

그 결과, 마그네틱 센서 자체의 사이즈를 줄이지 못하는 문제가 있었으며, 이는 결국 마그네틱 센서를 구성하는 IC 칩(chip)의 전체 크기도 함께 줄이지 못하는 문제를 초래하였다.

이는 최근 들어 각종 휴대용 디지털 기기의 사이즈를 더 작게 만들려는 제품개발을 어렵게 하고 있다. 즉 마그네틱 센서 및 각종 회로들의 크기를 자체적으로 줄이지 않는 한 상술한 바와 같이 마그네틱 필드 센싱 소자와 아날로그/디지털 회로의 설계 배치로 인하여 휴대용 디지털 기기에 들어가는 마그네틱 센서 칩 크기를 줄이는데 한계가 있다. 또한 마그네틱 센서의 크기를 줄이게 되면 지구 자기장 또는 자기력에 대한 감도(sensitivity)가 떨어지기 때문에 어느 이상 줄이기는 힘들다.

그렇기 때문에 마그네틱 필드 센싱 소자 및 각종 회로들의 위치 변경을 통해 마그네틱 센서의 면적을 최대한 확보하면서도 높은 센싱 능력을 갖춘 마그네틱 센서의 구조를 갖는 반도체 소자의 제조방법이 필요하다.

미국등록특허 US 4,965,517호 (1990. 10. 23) 미국등록특허 US 6,278,271호 (2001. 08. 21) 미국등록특허 US 6,545,462호 (2003. 04. 08)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 마그네틱 센서의 면적을 최대한 확보하기 위해서, SOI 웨이퍼를 이용하고, 센싱 영역을 아날로그 및 디지털 회로의 하단 영역에 센싱 영역 또는 센싱 엘리먼트를 배치하는 매립형 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 핸들 웨이퍼, 절연층, SOI 층을 차례로 갖는 SOI 웨이퍼를 준비하는 단계; 상기 핸들 웨이퍼에 제1 도전형의 센싱 영역을 형성하는 단계; 및 상기 SOI 층에 회로부를 형성하는 단계;를 포함하는 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.

상기 SOI 층, 상기 절연층을 관통하여 상기 센싱 영역과 연결되는 센서 컨택을 형성하는 단계를 더 포함한다.

상기 센싱 영역 아래에 제2 도전형의 반도체 층을 형성하는 단계;를 더 포함한다.

상기 센서 컨택을 형성하는 단계는, 상기 SOI 층에 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 센싱 영역을 노출시키는 트렌치를 형성하는 단계; 상기 노출된 센싱 영역에 제1 도전형의 고농도 도핑 영역을 형성하는 단계; 상기 트렌치에 전도성 물질을 충진하는 단계:를 포함하고 있다.

상기 회로부와 연결되는 컨택 플러그를 형성하는 단계; 및 상기 컨택 플러그를 연결하는 금속배선을 형성하는 단계;를 더 포함한다.

상기 센싱 영역 위에 제2 도전형의 반도체층을 더 형성한다.

자기 수속판(IMC)을 형성하는 단계;를 더 포함한다.

상기 회로부는 상기 센싱 영역에 의해 발생된 전압을 인지하고 출력 시그널을 내보내는 저잡음 증폭기(LNA); 상기 출력 시그널을 증폭하는 자동이득제어기(AGC) 블락; 및 상기 증폭된 출력 시그널을 디지털 도메인으로 변환시키는 아날로그 디지털 변환기(ADC);를 포함한다.

상기 센싱 영역은 상기 회로부의 아래에 형성된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 반도체 기판에 센싱 영역을 형성하는 단계; 상기 센싱 영역 상에 에피층을 형성하는 단계; 상기 에피층에 상기 센싱 영역과 연결되는 복수개의 센서 컨택을 형성하는 단계; 상기 에피층에 센서 회로부를 형성하는 단계; 상기 에피층의 상면에 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막에 상기 회로부와 전기적으로 연결되는 컨택 플러그를 형성하는 단계; 상기 컨택 플러그와 상기 센서 컨택을 연결하는 금속 배선을 형성하는 단계; 및 상기 P형 기판 상면 또는 배면에 자기 수속판을 형성하는 단계;를 포함하는 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.

상기 센싱 영역은 상기 회로부의 아래에 형성된다.

상기 반도체 기판에 센싱 영역을 형성하는 단계는, 상기 센싱 영역 위와 아래에 반도체 층을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 센싱 영역 위와 아래의 반도체 층은 상기 센싱 영역의 도전성과 반대이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 매립형 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

먼저, 본 발명은 핸들 웨이퍼, 절연층, SOI 층을 갖는 SOI 웨이퍼를 이용하여 절연층 아래에 있는 핸들 웨이퍼 영역에 센싱 영역을 형성하고, 그 센싱 영역의 상부의 SOI 층에 아날로그 및 디지털 회로들을 위치시키도록 함으로써, 독립적으로 마그네틱 센서 면적을 최적화할 수 있다.

또한 회로부에 영향을 주지 않고 센싱 영역에 최적화된 도핑 프로파일을 구현할 수 있어서 종래보다 센싱 능력이 향상된 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자를 제조할 수 있다.

또한 회로부와 중첩이 되지 않기 때문에 센싱 면적을 최대화 할 수 있는 장점이 있다.

또한 마그네틱 센서 위 뿐만 아니라, SOI 웨이퍼 배면에도 자기 수속판(Magnetic Concentrator)을 배치할 수 있어 디자인 측면에서 유리하다.

또한 본 발명은 반도체 기판의 N형 도핑 영역에 P형 상부 도핑영역과 P형 하부 도핑영역을 형성하여, 반도체 기판의 표면과 평행하면서 좁은 전류 경로를 제공하고 있다. 따라서 그만큼 전류 확산을 방지할 수 있어 전류 검출의 민감도를 향상시킨다. 그리고 P형 상부 도핑영역에 의해 반도체 기판의 표면에 생성된 각종 결함에 관계없이 전극 사이를 흐르는 전류 흐름을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 매립형 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 보인 도면
도 2는 도 1에 제조된 매립형 마그네틱 센서의 평면도
도 3 및 도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 나타낸 도면

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 센싱 영역 및 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 개시하는 것으로서, 마그네틱 센서는 실리콘 온 인슐레이터(SOI: Silicon on insulator) 기판 구조, SOI와 자기 수속판(IMC: Integrated magnetic concentrator)의 병행 구조, 에피층(Epi)과 매몰층(NBL)의 병행 구조, 에피층(Epi), 매몰층(NBL) 및 깊은 트렌치 절연(DTI: Deep Trench Isolation) 구조가 함께 사용된 구조, 에피층(Epi), 매몰층(NBL) 및 자기 수속판(IMC)이 함께 있는 구조를 각각 기반으로 마그네틱 센서를 구성하면서, 상기 센싱 영역의 상방에 아날로그/디지털 회로가 위치되어 제조하는 것이다. 다시 말하면, 아날로그/디지털 회로 아래에 센싱 엘리먼트(sensing element)를 형성할 수 있다는 것이다. 아날로그/디지털 회로가 필요로 하는 활성 영역과 센싱 엘리먼트가 차지하는 활성 영역이 위와 아래로 분리되어 있다는 것이다. 종래에는 같은 선상에 위치하기 때문에 그 만큼 많은 활성 영역을 차지하였지만, 본 발명과 같이 SOI 웨이퍼를 사용해서 절연층(박스 층)을 사이에 두고 회로부와 센싱 영역을 나누어서 형성하게 되면 활성 영역의 면적이 종래에 비해 절반으로 줄어들게 되는 이점이 있다.

본 실시 예에서는 상기한 구조들 중 SOI 웨이퍼를 이용한 제조 방법과 Non-SOI 웨이퍼에 에피층을 성장시켜 제조한 매립형 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 살펴보기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 매립형 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법으로서, 특히 두꺼운 SOI 층을 이용한 SOI 웨이퍼를 기반으로 매립형 마그네틱 센서를 제조하는 공정을 보인 단면도이다. 단면도를 참조하여 제조 방법을 설명한다.

도 1a를 보면 매립형 마그네틱 센서가 구성될 SOI 웨이퍼(100)가 제공된다. SOI 웨이퍼(100)는 핸들 웨이퍼(handle wafer)로 사용되는 P형 실리콘 단결정 기판(이하, '핸들 웨이퍼'라고 함)(101)과, 핸들 웨이퍼(101)상에 소정 두께로 형성된 매립 절연층(Buried Oxide)(102)과, 매립 절연층(102) 위에 다른 실리콘 단결정으로 형성된 SOI 층(104)으로 구성된다. 여기서 SOI 층은 SOI 층 위에 추가로 실리콘 에피층이 형성된 층까지 포함할 수 있다. 그리고 매립 절연층 혹은 박스층(Box layer, 102)은 0.1㎛ 내지 1㎛의 두께이고, 또한 SOI 층(104)은 0.1㎛ 내지 0.5㎛의 두께를 가진다.

도 1b와 같이 상기 SOI 층(104)상에 마스크 패턴(10)을 형성한다. 마스크 패턴(10)은 SOI 층(104) 내에 센싱 영역을 형성하기 위한 것이다. 이에 마스크 패턴(10)은 마그네틱 센싱 소자가 형성될 영역을 제외한 나머지 영역에 마련된다.

도 1c에서는 이온 주입 공정이 수행된다. 이온 주입은 우선 SOI 층(104)의 상측 방향에서 N형 도전형을 가지는 불순물을 주입한다. SOI 층(104) 및 매립 절연층(102)를 관통하여 핸들 웨이퍼(101)에 도달할 수 있도록 높은 이온 주입 에너지로 주입해야 한다. 그러면 핸들 웨이퍼(101)의 표면에는 전류 경로를 위해 N형 이온이 주입된 영역으로 N형 도핑영역, 즉 N형 센싱 영역(106)이 형성된다. N형 센싱 영역(106)은 핸들 웨이퍼(101)의 표면으로부터 소정 깊이만큼 형성될 것이다. 그리고 N형 센싱 영역(106)의 하부에 P형 도전형을 가지는 불순물을 이온 주입하여 N형 센싱 영역(106)보다 더 깊은 영역에 P형 도핑 영역('P형 하부 도핑영역'이라 함)(108)을 형성할 수도 있다. P형 하부 도핑영역(108)의 길이는 N형 센싱 영역(106)의 길이와 대략 비슷한 정도이다. 여기서, N형 센싱 영역(106) 및 P형 하부 도핑영역(108)은 그 영역이 확정된 상태는 아니다. 열처리 및 확산 공정이 수행되기 이전이기 때문이다.

P형 하부 도핑영역(108)은 아래에서 설명하는 P형 상부 도핑영역과 협력하여 핸들 웨이퍼(101)의 표면과 평행하게 전류가 흐르도록 전류 경로를 형성하는 것이고, 특히 전류 경로가 더 좁게 형성되도록 하여 전류 흐름을 더 좋게 만들도록 한다. 다시 말해, 핸들 웨이퍼(101)에 N형 센싱 영역(106)만 형성된 경우, N형 센싱 영역(106)에서 핸들 웨이퍼(101)의 아래 방향으로도 전류 흐름이 발생할 수 있다. 그럴 경우 전체 영역을 통해 확산(diffusion)되어 전류의 양이 줄어들어, 자기장 세기를 측정하는 감도가 저하될 수 있다. 반면 N형 센싱 영역(106)에 P형 상부 도핑영역과 P형 하부 도핑영역(108)을 모두 형성하면, 그 영역 사이로 전류가 흐르게 되어, 그만큼 핸들 웨이퍼(101)로 전류 손실이 줄어들어 전류 검출 능력을 증대시킬 수 있다. 그렇게 되면 마그네틱 센서의 성능 향상을 기대할 수 있게 된다.

N형 센싱 영역(106)의 상부에는 상기한 바 있는 P형 도핑 영역('P형 상부 도핑영역'이라 함)(미도시)을 추가로 형성할 수도 있다. P형 상부 도핑영역은 P형 하부 도핑영역(108)보다 그 이온 주입 에너지를 약하게 하면 된다. P형 상부 도핑영역은 핸들 웨이퍼(101)의 표면에서 소정 깊이만큼 형성되는데 N형 센싱 영역(106)보다 얕게 도핑되어 형성될 것이다. P형 상부 도핑영역은 핸들 웨이퍼(101) 표면의 불균일성 또는 제조공정에서 발생할 수 있는 각종 결함(defect)을 상쇄시켜 준다. 그래서 전류 경로를 핸들 웨이퍼(101)의 표면에서 더 안쪽으로 흐르도록 유도하는 것이다. 즉, 두개의 P형 도핑 영역 사이에 있는 센싱 영역은 산화막과 실리콘 경계면 또는 핸들 웨이퍼 표면으로부터 떨어져서 형성되어, 계면으로부터 발생하는 문제점이 제거되어, 센싱 능력이 향상된다.

마스크 패턴(10)을 제거하고, SOI 층(104)에 대해 일련의 조건에서 열처리 공정을 수행한다. 그러면 SOI 웨이퍼(100) 내에 위치하고 있는 N형 센싱 영역(106) 및 P형 하부 도핑영역(108)이 확산되어 도 1d와 같은 상태가 된다. 즉 N형 센싱 영역(106) 및 P형 하부 도핑영역(108)이 도면부호 110 및 112와 같이 되면서 SOI 웨이퍼(100)의 핸들 웨이퍼(101) 내에 센싱 영역(110)이 형성되는 것이다.

다음에는 도 1e에 도시한 바와 같이, SOI 층(104) 위에 SI 에피층(Epitaxial Layer)(130)을 형성한다. 그래서 제1 실시 예는 두꺼운 SOI 층을 이용하는 것이라 할 수 있다.

이어서, 도 1f와 같이 실리콘 에피층(130) 및 SOI 층(104)을 관통하는 트렌치 아이솔레이션(132)을 형성한다. 트렌치 아이솔레이션(132)은 실리콘 에피층(130) 및 SOI(104) 층을 에칭하여 형성된 트렌치 내부에 절연물을 충진하여 형성된다. 이와 같은 트렌치 아이솔레이션(132)은 그 주위에 존재하는 회로부(140)와 후술하는 센서 컨택(161, 162)(도 1k 참조)이 물리적으로 서로 붙는 것을 방지하기 위한 것이다.

도 1g를 보면, 트렌치 아이솔레이션(132)을 형성한 다음에는 아날로그-디지털 회로부(이하, '회로부'라 함)(140)를 형성하는 공정이 수행된다. 회로부(140)는 센싱 영역(110)의 상방에 위치한다. 회로부(140)는 센싱 영역(110)이 감지한 값을 처리하는 것으로서, 실질적으로 센싱 영역(110)과 회로부(140)가 합쳐져서 마그네틱 센서가 되는 것이다. 회로부(140)는 매립 절연층(Buried Oxide)(102)을 사이에 두고 SOI 층(104) 또는 실리콘 에피층(130)에 형성된다. 이러한 회로부(140)에는 센서에 의해 발생된 전압을 인지하고 출력 시그널을 내보내는 저잡음 증폭기(LNA), 출력 시그널을 증폭하는 자동이득제어기(AGC) 블락, 증폭된 출력 시그널을 디지털 도메인으로 변환시키는 아날로그 디지털 변환기(ADC)와 컨트롤러(controller) 등의 구성 요소가 포함될 수 있다.

도 1h를 보면, 회로부(140)가 형성된 다음에는 실리콘 에피층(130)의 상면에 제1 층간 절연막((ILD: Inter layer dielectric)(150)을 증착한다.

이어서 센싱 영역(110)과 회로부(140)를 전기적으로 연결하는 공정이 수행된다. 이는 도 1i에 도시하였다. 이를 보면 제1 층간 절연막(150) 상에 마스크 패턴(20)을 형성한다. 마스크 패턴(20)은 컨택 영역을 제외한 영역에 제공된다. 그 상태에서 제1 층간 절연막(150), 실리콘 에피층(130), SOI 층(104) 및 매립 절연층(102)을 관통하는 복수의 트렌치(151,152,153)를 형성한다. 이중 2개의 트렌치(151, 152)는 N형 센싱 영역(110)과 연결되는 센서 컨택(161, 162)을 위한 트렌치가 된다. 트렌치 형성에 의해 N형 센싱 영역(110)이 노출된다. 그리고 N형 센싱 영역(110)과 센서 컨택(161, 162, 165)사이에 오믹 컨택(ohmic contact)을 위해서 고농도 N형 도핑영역(113)을 트렌치(151,152,153) 바닥면에 형성한다. 고농도 N형 도핑영역(113)은 노출된 N형 센싱 영역(110)에 N형의 도펀트를 이온 주입해서 형성할 수 있다.

이후, 마스크 패턴(20)을 제거하고 N형 도펀트 확산을 위해 열처리 공정을 수행한다. 그런 다음, 도 1j에 도시한 바와 같이 상기 트렌치(151,152,153)를 추가로 더 식각하여 도1i에 있는 트렌치 깊이보다 더 깊은 트렌치(154,155,156)를 형성한다. 더 깊은 트렌치(154,155,156)는 N+ 도핑영역(113)을 관통하면서 형성된다. 그리고 제1 트렌치(154) 내지 제3 트렌치(156)의 끝 단부에 P형 도펀트를 이온 주입하여 고농도 P형 도핑영역(114)을 형성한다. 도 1j에 형성된 고농도 P형 도핑영역(114)은 측면 방향으로 전류 경로가 형성되도록 유도하기 위함이다.

이어서, 도 1k와 같이 제1 트렌치(154) 내지 제3 센서 컨택(156) 내에 도전성 물질인 전도체를 충진하여 제1 센서 컨택(161), 제2 센서 컨택(162), 제3 센서 컨택(165)을 형성한다. 충진 재료로는 텅스텐(W), 티타늄(Ti) 금속 또는 티타늄 질화막(TiN), 또는 고농도 도핑된 폴리실리콘 등이 사용된다.

제1 센서 컨택(161) 및 제2 센서 컨택(162)은 센싱 영역(110)과 회로부(140)를 연결하는 역할을 하고, 제3 센서 컨택(165)은 P형 핸들 웨이퍼와 컨택하도록 형성하여, P형 핸들 웨이퍼의 접지(ground)를 위해 사용된다. 그래서 제3 센서 컨택(165)은 접지 컨택이 된다. 상기 센서 컨택은 매립 절연층(102)을 관통하여 형성되고, 후술하는 제2 층간 절연막에 위치한 금속 배선과 연결되며, 센싱 영역(110)에 도달한다. 여기서 상기한 구성들, 즉 제2 층간 절연막, 금속 배선, 고농도 N형 도핑영역에 대해서는 아래에서 설명할 것이다.

도 1l에서는 금속 배선을 매개하여 회로부(140)와 전기적으로 연결하기 위한 컨택 플러그(166)를 형성한다. 컨택 플러그(166) 역시 내부에 텅스텐(W), 구리(Cu) 등의 금속물질을 충진시켜 금속화한 것이다

다음으로 도 1m를 보면, 제1 층간 절연막(150) 위에 제2 층간 절연막(170)을 형성한다. 제2 층간 절연막(170)을 형성하는 공정에서는 제2 층간 절연막(170)에 금속 배선(172)을 형성하는 공정도 함께 수행된다. 금속 배선(172)은 회로부(140)와 컨택 플러그(166)를 전기적으로 연결시키는 기능을 한다. 여기서 제2 층간 절연막(170)은 하나의 층으로만 도시되었지만, 이에 국한하지 않고, 복수의 층간 절연막이 차례로 증착된 절연막으로 형성될 수 있다. 또한 각 층간 절연막마다 복수의 금속 배선이 형성될 수 있다.

그리고 도 1n과 같이 제2 층간 절연막(170)을 식각하여 비아(VIA)를 형성하고 비아와 연결된 본딩 패드(182)를 형성한다. 본딩 패드(182) 위에 패시베이션 막(passivation layer)(180)을 형성한다.

그리고 도 1o와 같이 패시베이션 막(passivation layer)(180) 상면에 자기 수속판(IMC)(300)이 더 형성된다. 또는 P형 기판 배면에 자기 수속판(Integrated Magnetic Concentrator, IMC)(400)을 배치할 수 있다. 배면에 위치할 경우, 센싱 영역(110)과 매우 가까워져, 더 노이즈는 작고, 시그널 크기는 더 커지는 민감도가 높은 출력 시그널을 얻을 수 있다. 여기서, 자기 수속판(400)은 수평자장을 휘게하여, 센싱 영역에 수직으로 들어가는 수직성분을 유도하게 된다. 그래서 센싱 영역에서는 수평 자기장의 수직 성분을 검출할 수 있다. 또한 마그네틱 센서(또는 홀 센서)가 존재하는 영역의 자장을 증폭하는 효과를 제공한다. 자기 수속판(400)의 모양은 평평한 모양(planar-type), 평평하지 않는 (non-planar) 모양, 굴곡진 모양, 컨포멀한(conformal) 모양 등, 다양한 형태의 모양을 가진 자기 수속판이 배치된다. 여기서 컨포멀한 모양은 자기 수속판 아래에 있는 절연층 또는 패시베이션 막의 모양을 그대로 따라가는 모양으로 형성된다는 것이다.

이와 같이 하면, 핸들 웨이퍼(101) 내에 마그네틱 필드 센싱 엘리먼트(sensing elements, 120)를 형성하면서 그 상방에 회로부(140)를 이격되게 제공할 수 있다. 그러므로 최적의 면적을 갖는 마그네틱 센서를 독립적으로 구현 가능하다. 그래서 최적화된 센서 면적을 독립적으로 구현 가능하다. 뿐만 아니라 센싱 영역(110)과 회로부(140)는 서로 다른 활성영역, 즉 센싱 영역(110)은 핸들 웨이퍼(101) 내에 있는 활성 영역에 형성되고, 회로부(140)은 SOI 층(104) 또는 실리콘 에피층(130)의 )의 활성 영역에 형성된다. 그래서 센싱 영역(110)과 회로부(140)는 각각 도핑 프로파일을 독립적으로 최적화시킬 수 있는 이점이 있다.

한편, 도 2는 상기한 도 1의 과정에 의해 제조된 매립형 마그네틱 센서의 평면도를 도시하고 있다.

이를 보면, 4개의 센서 컨택(160)(161)(162)(163)이 형성되며, 센서 컨택(160)(161)(162)(163)을 둘러싸는 아이솔레이션 영역(132)이 존재한다. 4개의 센서 컨택(160)(161)(162)(163)은 회로부(140)와 전기적으로 연결되어 있으며, 도 1m에서 설명한 바와 같이 금속 배선(172)과도 연결된다. 4개의 센서 컨택 중에서 2개는 홀 효과에 의한 전압 변화를 감지하고, 나머지 2개는 전류를 인가하는데 사용한다. 그리고 4개의 센서 컨택(160)(161)(162)(163)은 N형 도핑 영역(106)의 코너에 배치되었는데, 센싱 영역(190)의 N형 센싱 영역(110)과 전기적으로 컨택하고 있다. 나머지 접지 컨택들(165)은 P형 핸들 웨이퍼의 접지(ground) 또는 다른 바이어스(Bias) 전압을 걸어 주기 위해 사용된다.

여기서 회로부(140)에는 앞에서 언급한 센서 회로부 뿐만 아니라, 액티브 소자, 패시브 소자 등, 예를 들면, 로직회로, 아나로그 회로, 파워, 혼성 회로, 입/출력 회로, 메모리 회로, DPS, 프로세서 등이 센싱 영역 상부에 형성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마그네틱 센서를 제조하는 공정을 설명하는 공정 단면도의 일부를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 의해 제조된 매립형 마그네틱 센서의 단면도이다.

제2 실시 예의 마그네틱 센서는 제1 실시 예에서 설명했던 두꺼운 SOI 층이 아니고 얇은 SOI층을 이용하여 제조하는 것이다.

제2 실시 예의 제조 공정을 간략하게 설명하면, SOI 웨이퍼(200) 내에 N형 센싱 영역(210) 및 P형 하부 도핑영역(212)을 형성하여 SOI 웨이퍼(200)의 핸들 웨이퍼(201) 내에 센싱 영역(210)이 형성되게 하는 것은 전술한 제1 실시 예에서 설명하는 도 1d의 공정까지 동일하다. 다만, 도 3에 도시한 바와 같이 SOI 층(203) 위에 실리콘 에피층(Epitaxial Layer)을 형성하지 않는 것뿐이다.

트렌치 아이솔레이션(220)은 SOI 층(203)을 에칭하여 형성된 트렌치 내부에 절연물을 충진하여 형성된다. 트렌치 공정에 따른 아이솔레이션(220) 이외에도 로코스(LOCOS)를 형성하는 것도 가능하다. 이후 공정은 제1 실시 예의 도 1g의 공정 이후의 순서와 동일하게 이루어진다. 이처럼 제2 실시 예는 제1 실시 예와 비교하면 SOI 웨이퍼(200)을 구성하는 SOI 층(203) 위에 실리콘 에피층이 미 형성되는 것에 차이가 있고 따라서 SOI 층(203)만 형성되고 있어 상대적으로 덜 두껍게 형성되는 것이다. 이후 공정에서 센싱 엘리먼트 영역(214)과 이격 형성되는 회로부(230)는 SOI 층(203)에 형성된다. 제2 실시 예의 제조공정에 따라 완성된 매립형 마그네틱 센서의 단면도는 도 4에 도시하였다.

SOI 층(203)에 아이솔레이션(220)이 형성된 후에 제1 센서 컨택(240) 및 제2 센서 컨택(241)을 형성한다. 그래서, 도 4에 도시되고 있는 바와 같이 아이솔레이션(220)은 제1 실시 예와는 다르게 제1 센서 컨택(240)과 제2 센서 컨택(241)의 외면과 접하는 형상으로 형성된다

이처럼 제2 실시 예는 SOI MCD(203)에 로코스(LOCOS) 공정 또는 얇은 트렌치 절연(STI) 공정을 이용한 아이솔레이션 영역(220)을 형성하기 때문에 공정 수를 상기 제1 실시 예에 비해 더 줄일 수 있을 것이다.

도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 마그네틱 센서의 공정 단면도이다. 제3 실시 예는 SOI 웨이퍼를 사용하지 않는 Non-SOI 웨이퍼를 이용하는 구조이다.

도 5a와 같이 P형 기판(300)이 제공된다. 그리고 P형 기판 상에 스크린 산화막을 형성하고, 그 위에 마스크 패턴(30)을 형성한다. 마스크 패턴(30)은 P형 기판 내에 센싱 영역을 형성하기 위해 제공되는 것이다. 그래서 마스크 패턴(30)은 마그네틱 센싱 소자가 형성될 영역을 제외한 나머지 영역에 마련된다. 이온 주입 공정이 수행된다. 이온 주입공정은 N형 도전형을 가지는 불순물을 주입하여 N형 센싱 영역(N-conduction layer)(310)과, N형 센싱 영역(310)의 하부 즉 N형 센싱 영역(310)보다 더 깊은 영역에 P형 도전형을 가지는 불순물을 이온 주입하여 P형 도핑 영역('P형 하부 도핑영역'이라 함)(312)을 형성하는 공정이다. 여기서 N형 센싱 영역(310)의 상부에 P형 도핑 영역('P형 상부 도핑영역'이라 함)을 형성할 수도 있을 것이다.

다음 마스크 패턴(30)을 제거하고 도 5b와 같이 P형 에피층(320)을 형성한다. P형 에피층(320)은 P형 기판(300)의 두께와 대략 비슷한 두께가 되도록 성장되어 형성된다. 그렇게 하면, P형 기판(300)과 P형 에피층(320) 사이에 센싱 영역(310)이 형성된다.

다음 도 5c와 같이 P형 에피층(320)에 센싱 영역과의 접촉을 위해 소정 간격 이격되는 센서 컨택(330)을 형성한다. 여기서 센선 컨택(330)은 N형 싱커(sinker) 라고 부를 수 있다. 그래서 센서 컨택(330)은 이온주입 방식에 의해 고농도 N형 영역으로 형성된다. 또는 고농도 N형 도핑 폴리 실리콘을 사용하여 형성할 수 있다. 그 경우에는 트렌치를 형성하고 그 트렌치 내부에 N형으로 도핑된 폴리 실리콘을 채워서 형성할 수 있다. 고농도 N형 도핑 폴리실리콘을 채우기 전에 LPCVD 방식의 실리콘 산화막을 먼저 증착할 수 있다. 트렌치 폭이 넓을 경우, 폴리실리콘만 채울 경우, 가운데 부분에 심(seam) 현상이 발생할 수 있기 때문이다. 또는 텅스텐 등의 금속층을 채워서 형성할 수도 있다.

그런 다음 센서 컨택(330) 사이의 P형 에피층(320)에 회로부(340)를 형성한다.

이러한 회로부(140)에는 센서에 의해 발생된 전압을 인지하고 출력 시그널을 내보내는 저잡음 증폭기(LNA), 출력 시그널을 증폭하는 자동이득제어기(AGC) 블락, 증폭된 출력 시그널을 디지털 도메인으로 변환시키는 아날로그 디지털 변환기(ADC)와 컨트롤러(controller) 등의 구성 요소가 포함될 수 있다. 회로부(340)가 형성되면 도 5d와 같이 P형 에피층(330) 위에 제1 층간 절연막(ILD: Inter layer dielectric)(350)을 형성한다.

그리고, 도 5e에 도시한 바와 같이 제1 층간 절연막(350)에 컨택 플러그(360)를 형성한다. 컨택 플러그(360)는 센싱 영역(310)과 회로부(340)를 연결하기 위한 것으로서, 컨택 플러그(360)는 패턴화된 마스크 패턴을 이용하여 형성된다. 여기서 컨택 플러그(360)는 회로부(340)와 전기적으로 연결되도록 형성된다.

제1 층간 절연막(350)에 컨택 플러그(360)가 형성된 다음에는 도 5f에 도시된 바와 같이 제1 실시 예에서 설명한 제2 층간 절연막(370) 및 패시베이션 막(passivation layer)(380)을 형성하면서 금속 배선(365), 본딩 패드(375) 등을 형성하는 과정이 수행된다. 그리고 도 5g와 같이 패시베이션 막(passivation layer)(380) 상면에 형성된 자기 수속판(IMC)(900)이 더 형성된다. 또는 P형 기판 배면에 자기 수속판(IMC)(900)을 배치할 수 있다. 배면에 위치할 경우, 센싱 영역(310)과 매우 가까워져, 더 노이즈는 작고, 시그널 크기는 더 커지는 민감도가 높은 시그널을 얻을 수 있다. 여기서, 자기 수속판(900)은 수평자장을 휘게 하여, 센싱 영역에 수직으로 들어가는 수직성분을 유도하게 된다. 그래서 센싱 영역에서는 수평 자기장의 수직 성분을 검출할 수 있다. 또한 마그네틱 센서(또는 홀 센서)가 존재하는 영역의 자장을 증폭하는 효과를 제공한다.

이와 같이 제3 실시 예는 P형 기판(300)과 P형 에피층(320) 사이에 센싱 영역을 형성하는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 반도체 기판 내부에 마그네틱 필드 센싱 영역을 형성하고, 센싱 영역의 상방에 아날로그-디지털 회로들을 위치시키도록 구조를 개선하여, 센싱 면적을 최대한 확보하면서 자기장의 검출이 가능한 마그네틱 센서를 제조하는 방법을 제공하는 것을 기본적인 기술적 요지로 하고 있음을 알 수 있다.

그러므로 센서 면적이 최적화되어, 반도체 칩 또는 반도체 다이(die)의 크기를 증대시키지 않는 효과가 있다. 또한 마그네틱 센서에 사용되는 반도체 층의 도핑 프로파일을 독립적으로 조절 가능하다. 왜냐하면 회로부와 별개로 형성되기 때문에 가능하다. 또한 기판 위 또는 아래에 흐르는 지구 자기장을 더 민감하게 감지할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100 : SOI 웨이퍼 101 : 핸들 웨이퍼 또는 P형 기판
102 : 매립 절연층 또는 박스층(BOX layer)
104 : SOI층 110 : N형 전도층
112 : P형 하부 도핑영역 113 : 고농도 N형 도핑 영역
114 : 고농도 P형 도핑 영역 130 : 실리콘 에피층
132 ; 아이솔레이션 140 : 회로부
150 : 제1 층간 절연막
151, 152, 153, 154, 155, 156 : 센서 컨택용 트렌치
160, 161, 162, 163, 165 : 센서 컨택
166 : 컨택 플러그 170 : 제2 층간 절연막
180 : 패시베이션 막(passivation layer)
400, 900 : 자기 수속판(IMC)

Claims (13)

1. 핸들 웨이퍼, 절연층, SOI 층을 차례로 갖는 SOI 웨이퍼를 준비하는 단계;
   상기 핸들 웨이퍼에 제1 도전형의 센싱 영역을 형성하는 단계; 및
   상기 SOI 층에 회로부를 형성하는 단계;를 포함하는 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 SOI 층, 상기 절연층을 관통하여 상기 센싱 영역과 연결되는 센서 컨택을 형성하는 단계를 더 포함하는 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 센싱 영역 아래에 제2 도전형의 반도체 층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 센서 컨택을 형성하는 단계는,
   상기 SOI 층에 층간 절연막을 형성하는 단계;
   상기 센싱 영역을 노출시키는 트렌치를 형성하는 단계;
   상기 노출된 센싱 영역에 제1 도전형의 고농도 도핑 영역을 형성하는 단계; 및
   상기 트렌치에 전도성 물질을 충진하는 단계:를 포함하는 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 회로부와 연결되는 컨택 플러그를 형성하는 단계; 및
   상기 컨택 플러그를 연결하는 금속배선을 형성하는 단계;를 더 포함하는 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법.
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 센싱 영역 위에 제2 도전형의 반도체층을 더 형성하는 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   자기 수속판(IMC)을 형성하는 단계;를 더 포함하는 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 회로부는 상기 센싱 영역에 의해 발생된 전압을 인지하고 출력 시그널을 내보내는 저잡음 증폭기(LNA);
   상기 출력 시그널을 증폭하는 자동이득제어기(AGC) 블락; 및
   상기 증폭된 출력 시그널을 디지털 도메인으로 변환시키는 아날로그 디지털 변환기(ADC);를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 센싱 영역은 상기 회로부의 아래에 형성되는 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법.
10. 반도체 기판에 센싱 영역을 형성하는 단계;
    상기 센싱 영역 상에 에피층을 형성하는 단계;
    상기 에피층에 상기 센싱 영역과 연결되는 복수개의 센서 컨택을 형성하는 단계;
    상기 에피층에 센서 회로부를 형성하는 단계;
    상기 에피층의 상면에 층간 절연막을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연막에 상기 회로부와 전기적으로 연결되는 컨택 플러그를 형성하는 단계;
    상기 컨택 플러그와 상기 센서 컨택을 연결하는 금속 배선을 형성하는 단계; 및
    상기 P형 기판 상면 또는 배면에 자기 수속판을 형성하는 단계;를 포함하는 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 센싱 영역은 상기 회로부의 아래에 형성되는 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법.
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 반도체 기판에 센싱 영역을 형성하는 단계는,
    상기 센싱 영역 위와 아래에 반도체 층을 형성하는 단계를 포함하는 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조 방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 센싱 영역 위와 아래의 반도체 층은 상기 센싱 영역의 도전성과 반대인 마그네틱 센서를 갖는 반도체 소자의 제조방법.

Images