KR101404094B1 - Pressure sensor and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 작은 크기, 우수한 감도 및 제조 공정이 단순화된 압력 센서를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 압력 센서는, 캐비티가 형성된 기판; 상기 기판 상에 상기 캐비티를 밀봉하도록 위치하고, 외부 압력에 의하여 변형되는 압력 수용층; 및 상기 캐비티 내에 상기 기판으로부터 돌출되어 상기 압력 수용층의 하측에 위치하고, 상기 압력 수용층의 변형에 따라 발생하는 잔류 응력에 의하여 전기 저항 값이 변화됨에 따라 압력을 감지하는 압력 감지층;을 포함한다.The present invention provides a pressure sensor with a small size, excellent sensitivity and a simplified manufacturing process. According to an aspect of the present invention, there is provided a pressure sensor including: a substrate having a cavity formed therein; A pressure-receiving layer positioned on the substrate to seal the cavity, the pressure-receiving layer being deformed by external pressure; And a pressure sensing layer that protrudes from the substrate in the cavity and is located below the pressure receiving layer and senses the pressure as the electrical resistance value changes due to residual stress generated by the deformation of the pressure receiving layer.
Description
본 발명의 기술적 사상은 압력 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 멤스(MEMS) 기술을 이용하여 형성한 압력 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a pressure sensor, and more particularly, to a pressure sensor formed using a MEMS (MEMS) technology and a method of manufacturing the same.
압력 센서는 대기 중 압력을 측정할 수 있는 장치로서, 압력에 근거하여 고도를 정확하게 측정할 수 있다. 따라서, GPS가 동작하지 않는 건물내부에서의 사용자의 정확한 위치기반 서비스에 적용가능하며, 이외에 TPMS등 정확한 압력정보가 필요한 서비스에 적용할 수 있다.The pressure sensor is a device that can measure atmospheric pressure and can accurately measure the altitude based on the pressure. Accordingly, the present invention can be applied to a precise location-based service in a building in which a GPS does not operate, and to a service requiring accurate pressure information such as TPMS.
절대 압력을 측정할 수 있는 압력 센서의 일반적인 구조는 외부 압력에 의해 변형되는 멤브레인(membrane)과 상기 멤브레인 상에 형성된 압전저항, 캐비티, 및 기판으로 구성된다. 종래의 압력센서들은 기판가공기술(bulk micromachining)을 이용하여 형성하거나, 표면가공기술(surface micromachining)을 이용하여 형성하여왔다. A general structure of a pressure sensor capable of measuring absolute pressure consists of a membrane that is deformed by external pressure and a piezoelectric resistor, a cavity, and a substrate formed on the membrane. Conventional pressure sensors have been formed using bulk micromachining or surface micromachining.
기판가공기술을 이용하여 형성한 압력센서의 경우에는, 캐비티를 형성하기 위해 센서기판의 뒷면을 식각하고, 다른 기판을 결합하는 공정이 요구된다. 따라서, 추가 공정으로 인해 공정이 복잡해지는 문제와 두 기판의 결합에 의해 발생하는 잔류 응력(residual stress)에 의하여 센서의 감도가 감소될 우려가 있다. In the case of a pressure sensor formed using a substrate processing technique, a process of etching the back surface of the sensor substrate and bonding other substrates to form a cavity is required. Therefore, there is a concern that the process becomes complicated due to the additional process, and the sensitivity of the sensor is reduced due to the residual stress caused by the bonding of the two substrates.
표면가공기술을 이용하여 형성한 압력센서의 경우에는, 멤브레인 층으로 폴리실리콘, 실리콘 질화물 등을 사용하므로, 압전 저항체 재료로는 폴리실리콘이나 금속을 사용하여야 한다. 따라서, 압전 저항체의 재료에 기인하여, 압력 센서의 감도가 매우 낮아지는 한계가 있다.In the case of a pressure sensor formed using surface processing technology, polysilicon or silicon nitride is used as the membrane layer, and therefore, polysilicon or metal should be used as the piezoelectric resistor material. Therefore, there is a limit in that the sensitivity of the pressure sensor becomes very low due to the material of the piezoelectric resistor.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 작은 크기, 우수한 감도 및 제조 공정이 단순화된 압력 센서를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a pressure sensor having a small size, a high sensitivity and a simplified manufacturing process.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 작은 크기, 우수한 감도 및 제조 공정이 단순화된 압력 센서를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another technical problem to be solved by the technical idea of the present invention is to provide a method of manufacturing a pressure sensor in which a small size, excellent sensitivity and a manufacturing process are simplified.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 압력 센서는, 캐비티가 형성된 기판; 상기 기판 상에 상기 캐비티를 밀봉하도록 위치하고, 외부 압력에 의하여 변형되는 압력 수용층; 및 상기 캐비티 내에 상기 기판으로부터 돌출되어 상기 압력 수용층의 하측에 위치하고, 상기 압력 수용층의 변형에 따라 발생하는 잔류 응력에 의하여 전기 저항 값이 변화됨에 따라 압력을 감지하는 압력 감지층;을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a pressure sensor comprising: a substrate having a cavity formed therein; A pressure-receiving layer positioned on the substrate to seal the cavity, the pressure-receiving layer being deformed by external pressure; And a pressure sensing layer that protrudes from the substrate in the cavity and is located below the pressure receiving layer and senses the pressure as the electrical resistance value changes due to residual stress generated by the deformation of the pressure receiving layer.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 압력 감지층의 하측에 위치하고, 상기 압력 감지층을 상기 캐비티로부터 격리시키는 식각 저지층;을 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the device may further include an etch stop layer located below the pressure sensing layer and isolating the pressure sensing layer from the cavity.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 압력 감지층과 상기 식각 저지층 사이에 위치하는 분리층;을 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, a separation layer may be further disposed between the pressure sensing layer and the etch stop layer.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 압력 감지층과 상기 식각 저지층은 제1 도전형을 가지는 제1 불순물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 분리층은 상기 제1 도전형과는 다른 제2 도전형을 가지는 제2 불순물을 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the pressure sensing layer and the etch stop layer may comprise a first impurity having a first conductivity type. In addition, the isolation layer may include a second impurity having a second conductivity type different from the first conductivity type.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 도전형은 p-형 도전형이고, 상기 제2 도전형은 n-형 도전형일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the first conductivity type may be a p-type conductivity type and the second conductivity type may be an n-type conductivity type.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 압력 감지층은 불순물을 상기 식각 저지층에 비하여 저농도로 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the pressure sensing layer may contain impurities at a lower concentration than the etch stop layer.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 압력 감지층을 상기 캐비티로부터 격리시키는 마스크층을 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, it may further comprise a mask layer isolating the pressure sensing layer from the cavity.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 압력 수용층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 폴리 실리콘을 포함할 수 있다. 또한, 상기 압력 감지층은 단결정 실리콘을 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the pressure receiving layer may comprise silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride or polysilicon. In addition, the pressure sensing layer may include monocrystalline silicon.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 캐비티의 외각에 위치하고, 상기 압력 수용층의 크기를 정의하는 경계 부재를 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the apparatus may further include a boundary member located at an outer periphery of the cavity and defining a size of the pressure receiving layer.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 압력 센서지 제조 방법은, 기판의 일부 영역을 둘러싸는 경계 부재를 형성하는 단계; 상기 기판의 일부 영역을 제거하여 리세스 영역을 형성하는 단계; 상기 리세스 영역을 충전하는 희생층을 형성하는 단계; 상기 경계 부재와 상기 희생층 사이에 위치하고, 상기 리세스 영역에 의하여 정의되는 상기 기판의 돌출 영역에 불순물을 도핑하여 식각 저지층, 분리층, 및 압력 감지층을 형성하는 단계; 상기 희생층 및 상기 기판의 하측 일부를 제거하여 캐비티를 형성하는 단계; 및 상기 캐비티 상에 상기 캐비티를 밀봉하는 압력 수용층을 형성하는 단계;를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a pressure sensor comprising: forming a boundary member surrounding a part of a substrate; Removing a portion of the substrate to form a recessed region; Forming a sacrificial layer filling the recessed region; Forming an etch stop layer, a separation layer, and a pressure sensing layer, wherein the etch stop layer, the isolation layer, and the pressure sensing layer are disposed between the boundary member and the sacrificial layer and doped with impurities in a protruding region of the substrate defined by the recessed region; Removing the sacrificial layer and a lower portion of the substrate to form a cavity; And forming a pressure-receiving layer on the cavity to seal the cavity.
본 발명의 기술적 사상에 따른 압력 센서는 절대압력을 측정할 수 있는 장치로서, 표면가공기술(surface micromachining)과 전면기판가공기술(front-side bulk micromachining)을 동시에 적용시켜 압력센서를 제작할 수 있기 때문에, 압력 수용층을 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 폴리 실리콘으로 구성하는 반면, 압력 감지층을 압전계수가 높은 단결정 실리콘을 사용할 수 있으며, 내장형(built-in) 진공 캐비티를 형성할 수 있다. 따라서, 압력 센서의 감도가 높고 소자의 크기를 감소시킬 수 있으며 제조 공정을 단순화하는 효과가 있다.The pressure sensor according to the technical idea of the present invention is a device capable of measuring the absolute pressure, and since the pressure sensor can be manufactured by simultaneously applying the surface micromachining and the front-side bulk micromachining , The pressure-receiving layer is made of silicon oxide, silicon nitride or polysilicon, while the pressure-sensitive layer can be made of monocrystalline silicon having a high piezoelectric coefficient, and a built-in vacuum cavity can be formed. Therefore, the sensitivity of the pressure sensor is high, the size of the device can be reduced, and the manufacturing process is simplified.
또한, 기판들의 결합에 의하여 캐비티를 형성하는 종래 기술과는 달리, 빈 공간을 형성한 후 절연 물질을 충진하고 다시 식각을 통하여 제거함으로써 캐비티를 형성하므로 잔류 응력의 발생을 방지할 수 있고 이에 따라 압력 센서의 감소 손실을 방지할 수 있다.Also, unlike the prior art in which cavities are formed by joining substrates, cavities are formed by filling vacancies with an insulating material and then removing the cavities by etching, thereby preventing the occurrence of residual stresses, The reduction loss of the sensor can be prevented.
또한, 상기 캐비티를 형성하는 경우 반응성 이온 식각에 의하여 수직 식각 방법으로 형성하므로 압력 센서에 필요한 면적의 손실을 최소화 할 수 있다.In addition, since the cavity is formed by the vertical etching method by reactive ion etching, the loss of the area required for the pressure sensor can be minimized.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The effects of the present invention described above are exemplarily described, and the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 도시하는 외관 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 압력 센서를 도시하는 전개 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 압력 센서를 선 A-A 및 선 B-B를 따라 절단한 단면도이다.
도 4 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 압력 센서의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 단면도들이다.1 is an external perspective view showing a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of the pressure sensor of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of the pressure sensor of FIG. 2 taken along lines AA and BB, according to an embodiment of the present invention.
4 to 17 are sectional views schematically showing a method of manufacturing the pressure sensor of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. The scope of technical thought is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items. The same reference numerals denote the same elements at all times. Further, various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Accordingly, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing depicted in the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서(100)를 도시하는 외관 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 압력 센서(100)를 도시하는 전개 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 압력 센서(100)를 선 A-A 및 선 B-B를 따라 절단한 단면도이다.1 is an external perspective view showing a
도 1을 참조하면, 압력 센서(100)는 기판(110)과 기판(110) 상에 위치하는 압력 수용층(150)을 포함한다. 선택적으로, 기판(110)과 압력 수용층(150) 사이에는 제1 마스크 층(130)이 더 위치할 수 있다.Referring to FIG. 1, a
도 2 및 도 3을 참조하면, 압력 센서(100)는 기판(110), 압력 수용층(150), 및 압력 감지층(146)을 포함한다. 또한, 압력 센서(100)는 경계 부재(120)를 포함할 수 있다.2 and 3, the
기판(110)은 반도체 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘, 게르마늄, 또는 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 기판(110)은 단결정 물질일 수 있고, 예를 들어 단결정 실리콘일 수 있다. 기판(110)은 캐비티(160)를 포함할 수 있다. 캐비티(160)는 진공일 수 있다.The
압력 수용층(150)은 기판(110) 상에 캐비티(160)를 밀봉하도록 위치할 수 있다. 압력 수용층(150)은 외부 압력에 의하여 변형되는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 압력 수용층(150)은 절연물을 포함할 수 있고, 예를 들어 산화물, 질화물, 또는 산질화물을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있고, 또는, 압력 수용층(150)은 도핑안된 폴리 실리콘을 포함할 수 있다. 압력 수용층(150)은 제3 마스크층(152)과 덮개층(154)으로 구성될 수 있고, 캐비티(160)를 한정하도록 연장된 연장부(156)를 더 포함할 수 있다. 압력 수용층(150)은 본 기술 분야에서 멤브레인(membrane)으로 지칭될 수 있다.The
압력 감지층(146)은 캐비티(160) 내에 위치하고 기판(110)으로부터 측방향으로 돌출되어 압력 수용층(150)의 하측에 위치할 수 있다. 압력 감지층(146)은 압력 수용층(150)의 외부 압력에 의한 변형에 따라 발생하는 잔류 응력에 의하여 압전 효과에 기인하여 전기 저항 값이 변화됨에 따라 절대 압력을 감지할 수 있다. 압력 감지층(146)은 단결정 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 단결정 실리콘을 포함할 수 있다. 반면, 압력 수용층(150)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 폴리 실리콘 등을 포함할 수 있다.The
압력 감지층(146)은 제1 도전형 불순물을 기판(110)에 도핑함으로써 형성할 수 있다. 압력 감지층(146)에 포함되는 상기 제1 도전형 불순물은 p-형 도전형 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 III족 원소를 포함할 수 있다. 압력 감지층(146)은, 예를 들어 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 또는 인듐(In) 등을 포함할 수 있다. 압력 감지층(146)은, 외부 압력에 의하여 압력 수용층(150)이 변형되고, 압력 수용층(150)의 변형에 따라 발생하는 잔류 응력에 의하여 압전 효과에 기인하여 전기 저항 값이 변화될 수 있으며, 이에 따라 상기 외부 압력을 측정할 수 있다.The
압력 감지층(146)은 도핑층(140) 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 도핑층(140)은 압력 감지층(146), 분리층(144) 및 식각 저지층(142)을 포함할 수 있다.The
압력 감지층(146)의 하측에는 식각 저지층(142)이 위치할 수 있다. 식각 저지층(142)은 압력 감지층(146)의 하측에 위치하고, 압력 감지층(146)을 캐비티(160)으로부터 격리시킨다. 식각 저지층(142)은 캐비티(160)를 형성하기 위한 식각 공정들에서 압력 감지층(146)을 식각제로부터 차단하여 식각을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 식각 저지층(142)은 상기 제1 도전형 불순물을 기판(110)에 도핑함으로써 형성할 수 있다. 식각 저지층(142)에 포함되는 상기 제1 도전형 불순물은 p-형 도전형 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 III족 원소를 포함할 수 있다. 식각 저지층(142)은, 예를 들어 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 또는 인듐(In) 등을 포함할 수 있다. 식각 저지층(142)은 상기 제1 도전형 불순물을 상대적으로 고 에너지로서 도핑하여 형성할 수 있고, 이에 따라 상기 제1 도전형 불순물을 상대적으로 고 농도로 포함할 수 있다. 반면, 압력 감지층(146)은 상기 제1 도전형 불순물을 상대적으로 저 에너지로서 도핑하여 형성할 수 있고, 이에 따라 상기 제1 도전형 불순물을 상대적으로 저 농도로 포함할 수 있다.The
압력 감지층(146)과 식각 저지층(142) 사이에는 분리층(144)이 위치할 수 있다. 분리층(144)은 식각 저지층(142)과 압력 감지층(146) 사이에 개재되고, 식각 저지층(142)과 압력 감지층(146)을 물리적으로 분리하는 기능을 수행할 수 있다. 분리층(144)은 상기 제1 도전형 불순물과는 다른 도전형을 가지는 제2 도전형 불순물을 기판(110)에 도핑함으로써 형성할 수 있다. 분리층(144)에 포함되는 상기 제2 도전형 불순물은 n-형 도전형 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 V족 원소를 포함할 수 있다. 분리층(144)은, 예를 들어 질소(N), 인(P), 비소(As), 또는 안티몬(Sb), 등을 포함할 수 있다.A
식각 저지층(142), 분리층(144), 및 압력 감지층(146)에 대한 상술한 도전형들은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 식각 저지층(142) 및 압력 감지층(146)이 n-형 도전형 불순물을 포함하고, 분리층(144)이 p-형 도전형을 가지는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.The above-described conductive types for the
압력 감지층(146)의 상측에는 제1 마스크 층(130)이 위치할 수 있고, 측벽 상에는 제2 마스크 층(132)이 위치할 수 있다. 제1 마스크 층(130)과 제2 마스크 층(132)은 서로 연결될 수 있다. 제1 마스크 층(130)과 제2 마스크 층(132)은 압력 감지층(146)을 캐비티(160)로부터 격리시킬 수 있고, 이에 따라 캐비티(160)를 형성하기 위한 식각 공정들에서 압력 감지층(146)을 식각제로부터 차단하여 식각을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 제1 마스크 층(130)과 제2 마스크 층(132)은 하드 마스크 층으로 구성될 수 있고, 실리콘 물질을 포함할 수 있다. 또한, 제1 마스크 층(130)과 제2 마스크 층(132)은 동일한 물질을 포함하거나 서로 다른 물질을 포함할 수 있다.The
경계 부재(120)는 캐비티(160)의 외각에 위치하고, 압력 수용층(150)의 크기를 정의할 수 있다. 경계 부재(120)로 둘러싼 압력 수용층(150)의 면적에 상응하여 압력이 측정될 수 있다. 경계 부재(120)는 압력 센서(100) 제조 시 수행되는 식각 공정에서 압력 감지층(146)을 식각제와 접촉하지 않게하여, 압력 감지층(146)의 원하지 않는 식각을 방지할 수 있다.The
경계 부재(120)는 다각형, 정원형, 타원형 등의 형상을 가질 수 있고, 예를 들어 사각형의 형상을 가질 수 있다. 또한, 경계 부재(120)는 캐비티(160) 내의 기판(110)의 하측으로부터, 캐비티(160)의 측벽을 따라 연장될 수 있고, 또한 압력 감지층(146)과 기판(110) 사이에 개재되도록 연장될 수 있다. 경계 부재(120)는 산화물, 질화물, 또는 산질화물을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다.The
도 4 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 압력 센서(100)의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 단면도들이다. 도 4 내지 도 17은 도 2의 선 A-A와 선 B-B를 따라 절단된 단면들을 각각 도시한다. 도 4 내지 도 17을 참조하여 설명된 제조 공정 단계들의 순서는 예시적이며, 다른 순서로 수행되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.FIGS. 4 to 17 are cross-sectional views schematically showing a method of manufacturing the
도 4를 참조하면, 기판(110)을 준비한다. 기판(110)은 반도체 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘, 게르마늄, 또는 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 기판(110)은 단결정 물질일 수 있고, 예를 들어 단결정 실리콘일 수 있다.Referring to FIG. 4, a
도 5를 참조하면, 기판(110)의 일부 영역을 제거하여 둘레 홈(112)을 형성한다. 둘레 홈(112)은 압력 센서가 형성되는 영역, 즉, 압력 수용층(150)의 영역의 면적을 정의하도록 기판(110)의 소정의 영역을 둘러쌀 수 있다. 상기 제거 공정은 건식 식각을 이용하여 수행될 수 있다.Referring to FIG. 5, a portion of the
도 6을 참조하면, 둘레 홈(112)을 절연물을 이용하여 충전하여 기판(110)의 소정의 영역을 둘러싸는 경계 부재(120)를 형성한다. 경계 부재(120)는 산화물, 질화물, 또는 산질화물을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다. 경계 부재(120)는 압력 센서가 형성되는 영역을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 경계 부재(120)는 열산화법, 스퍼터링(sputtering), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 플라즈마 강화 CVD(plasma enhanced CVD, PECVD), 또는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 등을 이용하여 형성할 수 있다.Referring to FIG. 6, the
도 7을 참조하면, 기판(110) 상에 제1 마스크 층(130)을 형성한다. 제1 마스크 층(130)은 기판(110)의 일부 영역을 노출할 수 있다. 제1 마스크 층(130)은 A-A 단면에서는 경계 부재(120)를 노출하도록 형성될 수 있다. 반면, 제1 마스크 층(130)은 B-B 단면에서는 경계 부재(120)를 덮도록 형성될 수 있다. 즉, 경계 부재(120)는 모퉁이(corner)에서 제1 마스크 층(130)으로부터 노출되고, 모퉁이를 제외한 영역에서는 제1 마스크 층(130)에 의하여 덮인다. 제1 마스크 층(130)은 하드 마스크 층으로 구성될 수 있고, 실리콘 물질을 포함할 수 있다. 제1 마스크 층(130)을 형성하기 위하여 포토레지스트 마스크(미도시)를 이용할 수 있다.Referring to FIG. 7, a
도 8을 참조하면, 제1 마스크 층(130)으로부터 노출된 기판(110)을 제거하여 제1 리세스 영역(131)을 형성한다. 상기 제거 공정은 식각 공정을 이용할 수 있고, 습식 식각, 건식 식각, 또는 에치백(etch-back)을 이용할 수 있고, 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE)을 이용할 수 있다. 경계 부재(120)는 제1 마스크 층(130)으로부터 노출된 영역(A-A 단면)에서는 제거될 수 있고, 제1 마스크 층(130)으로 덮인 영역(B-B 단면)에서는 제거되지 않을 수 있다.Referring to FIG. 8, the
도 9를 참조하면, 제1 리세스 영역(131) 내에 제1 마스크 층(130)으로부터 연장된 제2 마스크 층(132)을 형성한다. 제2 마스크 층(132)은 기판(110)의 일부 영역을 노출할 수 있다. 제2 마스크 층(132)은 제1 리세스 영역(131) 내의 측벽과 바닥의 일부를 덮을 수 있다. 제2 마스크 층(132)은 A-A 단면에서는 제1 리세스 영역(131) 내의 측벽과 바닥의 일부를 덮을 수 있고, 또한 경계 부재(120)를 덮도록 형성될 수 있다. 반면, 제2 마스크 층(132)은 B-B 단면에서는 제1 리세스 영역(131) 내의 측벽을 덮도록 형성될 수 있다. B-B 단면에서는, 경계 부재(120)는 제1 마스크 층(130)에 의하여 덮여있음에 유의한다. 제2 마스크 층(132)은 하드 마스크 층으로 구성될 수 있고, 실리콘 물질을 포함할 수 있다. 제2 마스크 층(132)을 형성하기 위하여 포토레지스트 마스크(미도시)를 이용할 수 있다. 또한, 제1 마스크 층(130)과 제2 마스크 층(132)은 동일한 물질을 포함할 수 있다. 제1 마스크 층(130)과 제2 마스크 층(132)은 스퍼터링, 화학 기상 증착법(CVD), 플라즈마 강화 CVD(PECVD), 또는 원자층 증착법(ALD) 등을 이용하여 형성할 수 있다.Referring to FIG. 9, a
도 10을 참조하면, 제2 마스크 층(132)으로부터 노출된 기판(110)을 제거하여 제1 리세스 영역(131)으로부터 확장된 제2 리세스 영역(133)을 형성한다. 상기 제거 공정은 식각 공정을 이용할 수 있고, 습식 식각, 건식 식각, 또는 에치백(etch-back)을 이용할 수 있고, 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE)을 이용할 수 있다. 제2 리세스 영역(133)은 A-A 단면에서는 단차를 가지도록 형성될 수 있고, B-B 단면에서는, 단차를 가지지 않도록 형성될 수 있다. 또한, 제2 리세스 영역(133)에 의하여 기판(110)이 노출될 수 있다. 제2 리세스 영역(133)의 깊이는 경계 부재(120)의 깊이에 비하여 작은 것이 바람직하다.Referring to FIG. 10, the
도 11을 참조하면, 제2 리세스 영역(133)을 충전하는 희생층(135)을 형성한다. 희생층(135)은 제2 리세스 영역(133)을 절연물로 충전한 후에 에치백 또는 CMP(chemical mechanical polishing)를 이용하여 평탄화하여 형성할 수 있다. 희생층(135)의 최상면은 제1 마스크 층(130)의 최상면과 동일 평면(coplanar)일 수 있다. 희생층(135)은 예를 들어 산화물, 질화물, 또는 산질화물을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다. 또한, 희생층(135)은 제1 마스크 층(130) 및 제2 마스크 층(132)와는 다른 식각 선택비를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 희생층(135)은 스퍼터링, 화학 기상 증착법(CVD), 플라즈마 강화 CVD(PECVD), 또는 원자층 증착법(ALD) 등을 이용하여 형성할 수 있다.Referring to Fig. 11, a
도 12를 참조하면, 경계 부재(120)와 제2 마스크 층(132) 사이에 위치하는 기판(110)의 돌출 영역에 불순물을 도핑하여 복수의 도핑층(140)들을 형성한다. 복수의 도핑층(140)들은 확산 및/또는 이온 주입을 이용하여 형성할 수 있다. 도핑층(140)들은 식각 저지층(142), 분리층(144), 및 압력 감지층(146)을 포함할 수 있다. 도핑층(140)의 최하단에는 식각 저지층(142)이 위치하고, 식각 저지층(142) 상에 분리층(144)이 위치하고, 분리층(144) 상에 압력 감지층(146)이 위치할 수 있다. Referring to FIG. 12, a plurality of doped
식각 저지층(142)은 제1 도전형 불순물을 기판(110)의 돌출 영역에 도핑하여 형성할 수 있다. 식각 저지층(142)에 포함되는 상기 제1 도전형 불순물은 p-형 도전형 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 III족 원소를 포함할 수 있다. 식각 저지층(142)은, 예를 들어 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 또는 인듐(In) 등을 포함할 수 있다. 식각 저지층(142)은 상기 제1 도전형 불순물을 상대적으로 고 에너지로서 도핑하여 형성할 수 있고, 이에 따라 상기 제1 도전형 불순물을 상대적으로 고 농도로 포함할 수 있다. 식각 저지층(142)은 캐비티(160)를 형성하기 위한 후속의 식각 공정들에서 압력 감지층(146)을 식각제로부터 차단하여 식각을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 식각 저지층(142)은 경계 부재(120)와 제2 마스크 층(132) 사이에 위치할 수 있고, 제2 마스크 층(132)의 하단으로 연장되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.The
분리층(144)은 상기 제1 도전형 불순물과는 다른 도전형을 가지는 제2 도전형 불순물을 기판(110)의 돌출 영역에 도핑하여 형성할 수 있다. 분리층(144)에 포함되는 상기 제2 도전형 불순물은 n-형 도전형 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 V족 원소를 포함할 수 있다. 분리층(144)은, 예를 들어 질소(N), 인(P), 비소(As), 또는 안티몬(Sb), 등을 포함할 수 있다. 분리층(144)은 식각 저지층(142)의 상측에 위치할 수 있고, 또한 압력 감지층(146)의 하측에 위치할 수 있다. 또한, 분리층(144)은 식각 저지층(142)과 압력 감지층(146) 사이에 개재되고, 식각 저지층(142)과 압력 감지층(146)을 물리적으로 분리하는 기능을 수행할 수 있다.The
압력 감지층(146)은 분리층(144) 상에 위치할 수 있고, 또한 분리층(144)에 의하여 둘러싸일 수 있다. 압력 감지층(146)의 상측은 제1 마스크 층(130)에 의하여 덮일 수 있다. 압력 감지층(146)의 일측벽은 제2 마스크 층(132)에 의하여 덮일 수 있고, 압력 감지층(146)의 타측벽은 분리층(144)에 의하여 덮일 수 있다. 압력 감지층(146)은 상기 제1 도전형 불순물을 기판(110)의 돌출 영역에 도핑하여 형성할 수 있다. 특히, 압력 감지층(146)은 기판(110)의 상측에 제1 도전형 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다. 압력 감지층(146)에 포함되는 상기 제1 도전형 불순물은 p-형 도전형 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 III족 원소를 포함할 수 있다. 압력 감지층(146)은, 예를 들어 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 또는 인듐(In) 등을 포함할 수 있다. 압력 감지층(146)은 상기 제1 도전형 불순물을 상대적으로 저 에너지로서 도핑하여 형성할 수 있고, 이에 따라 상기 제1 도전형 불순물을 상대적으로 저 농도로 포함할 수 있다. 압력 감지층(146)은, 외부 압력에 의하여 압력 수용층(150, 도 3 참조)이 변형되고, 압력 수용층(150, 도 3 참조)의 변형에 따라 발생하는 잔류 응력에 의하여 압전 효과에 기인하여 전기 저항 값이 변화될 수 있으며, 이에 따라 상기 외부 압력을 측정할 수 있다. The pressure
상술한 바와 같이, 불순물을 도핑하여 식각 저지층(142), 분리층(144), 및 압력 감지층(146)을 형성한 후에 적절한 열처리 공정을 통하여 상기 불순물들을 활성화시킬 수 있다.As described above, after impurities are doped to form the
식각 저지층(142), 분리층(144), 및 압력 감지층(146)에 대한 상술한 도전형들은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 식각 저지층(142) 및 압력 감지층(146)이 n-형 도전형 불순물을 포함하고, 분리층(144)이 p-형 도전형을 가지는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.The above-described conductive types for the
식각 저지층(142), 분리층(144), 및 압력 감지층(146)은 기판(110)으로부터 형성되므로, 기판(110)이 단결정 물질인 경우에는 식각 저지층(142), 분리층(144), 및 압력 감지층(146)은 각각 단결정 물질일 수 있다.Since the
도 13을 참조하면, 기판(110) 상에 제3 마스크층(152)을 형성한다. 제3 마스크층(152)은 희생층(135) 및 제1 마스크 층(130)을 덮도록 연장될 수 있다. 제3 마스크층(152)은 절연물을 포함할 수 있고, 예를 들어 산화물, 질화물, 또는 산질화물을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다. 또는, 제3 마스크층(152)은 도핑안된 폴리 실리콘을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 13, a
도 14를 참조하면, 제3 마스크층(152)의 일부 영역을 제거하여 희생층(135)을 노출하는 식각 개구부(153)를 형성한다. 식각 개구부(153)는 예를 들어 경계 부재(120)의 외측에 형성될 수 있고, 복수로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 14, a portion of the
도 15를 참조하면, 식각 개구부(153)를 통하여 제1 식각제를 주입하여, 희생층(135)을 제거한다. 이러한 제거 공정은 습식 식각을 이용하여 구현될 수 있다. 희생층(135)이 제거된 영역에는 캐비티(cavity, 160)가 형성될 수 있다. 희생층(135)이 절연물로 구성된 경우에는, 상기 제1 식각제는 염산, 불산, 과산화수소 등을 포함할 수 있다. 희생층(135)이 제거됨에 따라 기판(110) 및 제2 마스크 층(132)은 캐비티(160)에서 노출될 수 있다.Referring to FIG. 15, the first etching agent is injected through the
도 16을 참조하면, 식각 개구부(153)를 통하여 제2 식각제를 주입하여, 기판(110)의 하측 일부를 제거한다. 이에 따라, 캐비티(160)의 크기는 더 커질 수 있다. 기판(110)이 실리콘으로 구성된 경우에는, 상기 제2 식각제는 상기 실리콘을 제거할 수 있는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 TMAH(Tetramethylammonium hydroxide), KOH 등을 포함할 수 있다. 상기 식각 공정에서, 경계 부재(120), 제1 마스크 층(130) 제2 마스크 층(132), 및 제3 마스크층(152)은 기판(110)에 비하여 상기 제2 식각제에 의한 식각 선택비가 작으므로 거의 식각되지 않고 잔존할 수 있다. 또한, 식각 저지층(142)은 상기 제2 식각제에 의하여 거의 식각되지 않을 수 있다. 이에 따라, 분리층(144)과 압력 감지층(146)은 식각 저지층(142) 및 제2 마스크 층(132)에 의하여 둘러싸여 상기 제2 식각제에 접촉하지 않으므로, 상기 제2 식각제에 의한 식각으로부터 보호될 수 있다. Referring to FIG. 16, a second etchant is injected through the
도 17을 참조하면, 제3 마스크층(152) 상에 덮개층(154)을 형성한다. 덮개층(154)은 식각 개구부(153)를 충전하는 연장부(156)를 포함할 수 있다. 연장부(156)는 제2 마스크 층(132)과 접촉하도록 연장될 수 있다. 덮개층(154)은 절연물을 포함할 수 있고, 예를 들어 산화물, 질화물, 또는 산질화물을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다. 또는, 덮개층(154)은 도핑안된 폴리 실리콘을 포함할 수 있다. 덮개층(154)은 스퍼터링, 화학 기상 증착법(CVD), 플라즈마 강화 CVD(PECVD), 또는 원자층 증착법(ALD) 등을 이용하여 형성할 수 있다. 제3 마스크층(152)과 덮개층(154)은 동일한 물질을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 17, a
제3 마스크층(152)과 덮개층(154)은 함께 압력 수용층(150)을 구성할 수 있다. 압력 수용층(150)의 하측에는 캐비티(160)가 형성될 수 있고, 압력 수용층(150)은 캐비티(160)를 밀봉할 수 있다. 캐비티(160) 내에는 압력 수용층(150)과 접촉하는 압력 감지층(146)이 위치할 수 있다. 덮개층(154)은 진공 분위기에서 형성할 수 있고, 이에 따라 캐비티(160)는 진공을 가질 수 있다. 상술한 바와 같은 제조 공정을 거쳐서 압력 센서(100)를 완성한다.The
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. Will be apparent to those of ordinary skill in the art.
100: 압력 센서, 110: 기판, 112: 둘레 홈, 120: 경계 부재,
130: 제1 마스크 층, 131: 제1 리세스 영역, 132: 제2 마스크 층,
133: 제2 리세스 영역, 135: 희생층, 140: 도핑층, 142: 식각 저지층,
144: 분리층, 146: 압력 감지층, 150: 압력 수용층, 152: 제3 마스크층,
153: 식각 개구부, 154: 덮개층, 156: 연장부, 160: 캐비티100: pressure sensor, 110: substrate, 112: peripheral groove, 120:
130: first mask layer, 131: first recess region, 132: second mask layer,
133: second recess region, 135: sacrificial layer, 140: doped layer, 142: etch stop layer,
144: separation layer, 146: pressure sensing layer, 150: pressure receiving layer, 152: third mask layer,
153: etch opening, 154: cover layer, 156: extension, 160: cavity
Claims (11)
상기 기판 상에 상기 캐비티를 밀봉하도록 위치하고, 외부 압력에 의하여 변형되는 압력 수용층; 및
상기 캐비티 내에 상기 기판으로부터 돌출되어 상기 압력 수용층의 하측에 위치하고, 상기 압력 수용층의 변형에 따라 발생하는 잔류 응력에 의하여 전기 저항 값이 변화됨에 따라 압력을 감지하는 압력 감지층;
을 포함하고,
상기 압력 수용층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 폴리 실리콘을 포함하고,
상기 압력 감지층은 단결정 실리콘을 포함하는, 압력 센서.A substrate on which a cavity is formed;
A pressure-receiving layer positioned on the substrate to seal the cavity, the pressure-receiving layer being deformed by external pressure; And
A pressure sensing layer that protrudes from the substrate in the cavity and is positioned below the pressure receiving layer and senses a pressure as the electrical resistance value changes due to a residual stress caused by the deformation of the pressure receiving layer;
/ RTI >
Wherein the pressure receiving layer comprises silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride or polysilicon,
Wherein the pressure sensing layer comprises monocrystalline silicon.
상기 압력 감지층의 하측에 위치하고, 상기 압력 감지층을 상기 캐비티로부터 격리시키는 식각 저지층;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.The method according to claim 1,
An etch stop layer located below the pressure sensing layer and isolating the pressure sensing layer from the cavity;
Further comprising a pressure sensor.
상기 압력 감지층과 상기 식각 저지층 사이에 위치하는 분리층;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.3. The method of claim 2,
A separation layer positioned between the pressure sensing layer and the etch stop layer;
Further comprising a pressure sensor.
상기 압력 감지층과 상기 식각 저지층은 제1 도전형을 가지는 제1 불순물을 포함하고,
상기 분리층은 상기 제1 도전형과는 다른 제2 도전형을 가지는 제2 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.The method of claim 3,
Wherein the pressure sensing layer and the etch stop layer comprise a first impurity having a first conductivity type,
Wherein the isolation layer includes a second impurity having a second conductivity type different from the first conductivity type.
상기 제1 도전형은 p-형 도전형이고,
상기 제2 도전형은 n-형 도전형인 것을 특징으로 하는 압력 센서.5. The method of claim 4,
The first conductivity type is a p-type conductivity type,
And the second conductivity type is an n-type conductivity type.
상기 압력 감지층은 불순물을 상기 식각 저지층에 비하여 저농도로 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.3. The method of claim 2,
Wherein the pressure sensing layer contains impurities at a lower concentration than the etch stop layer.
상기 압력 감지층을 상기 캐비티로부터 격리시키는 마스크층;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.The method according to claim 1,
A mask layer isolating the pressure sensing layer from the cavity;
Further comprising a pressure sensor.
상기 캐비티의 외각에 위치하고, 상기 압력 수용층의 크기를 정의하는 경계 부재;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.The method according to claim 1,
A boundary member located at an outer periphery of the cavity and defining a size of the pressure receiving layer;
Further comprising a pressure sensor.
상기 기판의 일부 영역을 제거하여 리세스 영역을 형성하는 단계;
상기 리세스 영역을 충전하는 희생층을 형성하는 단계;
상기 경계 부재와 상기 희생층 사이에 위치하고, 상기 리세스 영역에 의하여 정의되는 상기 기판의 돌출 영역에 불순물을 도핑하여 식각 저지층, 분리층, 및 압력 감지층을 형성하는 단계;
상기 희생층 및 상기 기판의 하측 일부를 제거하여 캐비티를 형성하는 단계; 및
상기 캐비티 상에 상기 캐비티를 밀봉하는 압력 수용층을 형성하는 단계;
를 포함하는 압력 센서의 제조 방법.Forming a boundary member surrounding a portion of the substrate;
Removing a portion of the substrate to form a recessed region;
Forming a sacrificial layer filling the recessed region;
Forming an etch stop layer, a separation layer, and a pressure sensing layer, wherein the etch stop layer, the isolation layer, and the pressure sensing layer are disposed between the boundary member and the sacrificial layer and doped with impurities in a protruding region of the substrate defined by the recessed region;
Removing the sacrificial layer and a lower portion of the substrate to form a cavity; And
Forming a pressure-receiving layer on the cavity to seal the cavity;
Wherein the pressure sensor comprises a pressure sensor.
상기 압력 센서는,
캐비티가 형성된 기판;
상기 기판 상에 상기 캐비티를 밀봉하도록 위치하고, 외부 압력에 의하여 변형되는 압력 수용층; 및
상기 캐비티 내에 상기 기판으로부터 돌출되어 상기 압력 수용층의 하측에 위치하고, 상기 압력 수용층의 변형에 따라 발생하는 잔류 응력에 의하여 전기 저항 값이 변화됨에 따라 압력을 감지하는 압력 감지층;
을 포함하는, 압력 센서.A pressure sensor manufactured by the method of manufacturing a pressure sensor according to claim 10,
The pressure sensor includes:
A substrate on which a cavity is formed;
A pressure-receiving layer positioned on the substrate to seal the cavity, the pressure-receiving layer being deformed by external pressure; And
A pressure sensing layer that protrudes from the substrate in the cavity and is positioned below the pressure receiving layer and senses a pressure as the electrical resistance value changes due to a residual stress caused by the deformation of the pressure receiving layer;
.
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