KR20060055525A

KR20060055525A - 가스 센서와 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20060055525A
Application number: KR1020067001778A
Authority: KR
Inventors: 헤리버트 베버; 오트-악셀 프루에츠; 크리스티안 크루멜; 크리스토프 쉘링; 테트레프 그루엔
Original assignee: 파라곤 아게
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2006-05-23
Also published as: US20070062812A1; JP2006528766A; WO2005012892A1; EP1649270A1

Abstract

본 발명은 반도체 기판상에서 형성된 막 층 위에 있으며 그 위에 금속 평가 구조 또는 전극 구조가 평가 영역에서 배열되고 금속 가열 구조는 평가 영역 외부에 배열되며 가스 센서 층은 평가 구조 또는 전극 구조와 가열 구조상에 배치되고 따라서 가스 감응 층은 가열 구조에 의하여 가열될 수 있고 가스 감응 층의 전기 저항은 평가 구조 및 전극 구조(7)에 의하여 평가될 수 있으며 따라서 가열 구조는 막 층의 상부 쪽 위의 접착 증진 층상에 배치되고 보호 산화물 층에 의하여 가스 감응 층으로부터 분리되는 가스 센서와 그 제조 방법에 관한 것이다.

가스 센서, 가스 감응 층, 반도체 기판

Description

가스 센서와 그 제조 방법{GAS SENSOR AND METHOD OF MAKING SAME}

본 발명은 가스 센서와 그 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 가스 센서들이 가스를 탐지하기 위하여 다양한 구성으로 공지되었다. 이러한 가스 센서들은 산업계에서 안전 시스템으로 사용되며 최근 몇 년 동안에는 자동차 분야에서 점점 더 사용되는데, 예를 들어 유독 가스가 자동차 실내로 유입되는 것을 막는 환기 장치를 자동 제어하기 위하여 가스 센서들이 채택된다.

공지된 가스 센서들은 가스 감응 층(sensitive layer)을 가지는데, 이 가스 감응 층은 환원 가스 또는 산화 가스와 접촉하자마자 표면 전도성의 변화를 일으켜서 전기 저항의 변화가 생긴다. 이러한 저항의 변화는 측정된 신호를 위하여 적절한 평가 구조 또는 전극 구조에 의해 평가된다. 이러한 가스 센서들의 작업 온도는 자주 굴곡(meander) 형태인 일체화된 가열 구조에 의하여 예를 들어 수백℃ 까지 이를 수 있다. 가스 센서의 작업 온도를 설정하고 감시하기 위하여 하나 이상의 온도 측정 저항이 가열 구조의 영역에 제공된다.

가스 감응 층은 대게 산화주석(SnO₂) 또는 산화텅스텐(WO₃)과 같은 반도체 금속 산화물(semiconductive metal oxide)을 포함한다. 각 가스들에 대한 선택은 대응하는 도핑(doping) 재료들을 가스 감응 층에 도핑하고 작업 온도를 선택함으로 써 가능하다.

가스 감응 층의 특정 저항은 매우 높기 때문에, 평가 구조 또는 전극 구조는 대체로 서로에 대하여 맞물린 빗형 또는 핑거형의 2개 동일 평면 전극들을 포함하는 인터디지탈 구조(IDT: Interdigitated Transducer)를 포함한다. 이 구성은 다른 극성의 개별 핑거들 사이에 있는 저항들의 평행 회로에 대응하며, 이로 인하여 측정 저항이 감소하고 가스 센서에서의 감도가 증가한다.

공지된 가스 센서들 중 상당수는 반도체 기판을 갖춘 막 센서들을 기반으로 초소형기계적으로 구조화된다. 막 층 상에 가열 구조와, 평가 구조 또는 전극 구조와, 가스 감응 층의 배열로 인하여 시스템의 열용량(thermal capacity)이 줄어들고 이로 인해 가스 센서의 소비 전력이 감소한다.

이러한 가스 센서들의 제조에 있어서 먼저 가열 구조와, 평가 구조(전극 구조)와, 선택적으로 가열 구조 영역의 온도 측정 저항이 막에 적용된다. 상기 막의 상부 쪽은 이러한 구조들을 막에 효과적으로 접착시키는 것을 보장하기 위하여 대체로 산화물 층인 접착 증진 층으로 형성된다. 이어서 보호 산화물 층이 증착되고 식각 용액의 도움을 빌린 산화물 식각에 의하여 보호 산화물층이 평가 구조의 영역에 있는 넓은 지역 기반 상에서 평가 구조의 표면까지 제거되고 이 곳에 가스 감응 층이 적용된다.

상기 평가 구조의 전체 표면이 보호 산화물을 지니지 않으며 가스 감응 층과 전 표면에서 접촉할 수 있는 것을 보장하기 위하여, 보호 산화물의 산화물 식각은 대게 과잉 식각(excess etching)으로 수행된다. 그러나, 이 경우에 평가 구조의 미 식각(unetching)이 일어날 수 있는 위험이 발생하는데, 심지어 평가 구조 아래에 있는 접착 증진 산화물 층의 산화물을 식각시킬 수 있는 식각 용액이 이 층을 부분적으로 식각시키지 않을 수 있다. 이것은 막에 대한 평가 구조 또는 전극 구조의 접착 저하라는 결과를 가져올 수 있으며, 따라서 가스 센서의 수명 기간 내에 평가 구조 또는 전극 구조가 막으로부터 부분적으로 분리될 것이고 그로 인해 신뢰성은 더 이상 보장되지 않는다.

평가 구조 또는 전극 구조의 저항값과, 특히 가열 구조의 저항값이 센서의 수명 동안에 변화할 수 있다는 추가적인 문제점이 발생할 수 있다. 가스 센서상에 영향을 미치는 상기 해로운 것은 전기 "드리프트(drift)" 라고 불리우며, 작업중인 가스 센서는 두 작동 온도 사이에서 영구적으로 순환되기 때문에 열응력 이라는 결과를 가져올 수 있다. 이것은 구조 내에서 재료 변형을 초래할 수 있으며, 예를 들어 저항 변화에 연관된 미결정(crystallite)의 성장 또는 입자 경계의 이동을 초래할 수 있다. 전기 드리프트는 특히 자동차 분야에서 사용되는 가스 센서들에서 발생하는데, 이는 자동차에는 예를 들어 -30℃ 에서 +150℃ 까지의 급격한 온도 변화가 있기 때문이며 이것은 추가적인 열 하중(thermal loading)을 준다.

매우 높은 저항값(메가Ω 범위)들을 측정하는 평가 구조 또는 전극 구조의 경우에는 상기 저항 변화는 무시할 수 있다. 그러나 가열 구조의 경우에는, 저항 변화가 가열 동력에 변화를 일으키고 그로 인해 가스 센서의 작업 온도의 변화를 일으킨다. 상기 사실은 변화를 겪고 있으며 가열 구조의 영역에 위치한 온도 측정 저항에도 동일하게 적용되며, 그로써 가스 센서의 정확한 온도는 더 이상 결정될 수 없다.

그 결과, 전기 드래프트는 가스 센서의 수명 동안에 신뢰할 수 있고 안정된 기능에 대해 한계를 나타낸다. 물론 가스 센서는 어떤 시간 간격을 두고 교체되거나 측정될 수 있으나 이러한 해결 방법들에는 매우 많은 비용이 요구된다. 특히 자동차 분야의 경우 이러한 접근 방법은 현실적이지 않다.

본 발명의 목적은 신뢰할 수 있는 기능으로 특징 되는 향상된 가스 센서와 그 가스 센서를 제조하는 상응하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 특허범위청구 제1항 또는 제3항에 따른 가스 센서에 의해서 달성되거나 또는 제10항 또는 제12항에 따른 방법에 의해서 달성된다.

본 발명에 따르면, 처음부터 기재된 상기 유형의 가스 센서는 반도체 기판상에 형성된 막층을 가지며 그 위에 금속 평가 구조 또는 전극 구조가 평가 영역 안에 배열되고 금속 가열 구조가 평가 영역 외측에 배열되며, 가스 센서는 평가 구조 또는 전극 구조와 가열 구조상에 배열된 가스 감응 층을 가지며 가열 구조 막 층 표면 상의 접착 증진 산화물 층위에 제공되고 보호층에 의해 가스 감응 층과 분리되고 막층과 평가 구조 또는 전극 구조 사이의 산화물 식각에 반응하지 않는 접착 증진 층을 구비한 평가 영역에서 형성된다. 종래의 접착 증진 산화물층을 사용하는 대신에 후자의 접착 증진 층을 사용함으로써 보호 산화물층의 산화물 식각 동안에 평가 구조 또는 전극 구조가 언더식각(underetching)되는 위험이 가스 센서의 제조 동안 피해지고 막 층에 대한 평가 구조 또는 전극 구조의 영구 접착과 그로 인해 얻어지는 가스 센서의 신뢰할 수 있는 기능이 보장된다. 실례와 관련된 실시예에서 예를 들어 반도체 접착 증진 층에서 발생할 수 있는 접착 증진 층에 걸친 표면 전류 또는 해로운 평행 패리지틱(parisitic)을 억제하도록 하는 평가 구조 또는 전극 구조에 부합하는 접착 증진 층이 구조화된다.

게다가 본 발명에 따르면, 가스 센서는 반도체 기판에 형성된 막 층을 가지며 그 위에 금속 평가 구조 또는 전극 구조가 평가 영역에서 배열되고 금속 가열 구조는 평가 영역의 외부에 배열되고 가스 감응 층은 평가 구조 또는 전극 구조와 가열 구조상에 배열되고 가열 구조는 막 층 표면상의 접착 증진 산화물 층 상에 배치되고 보호 산화물 층에 의해 가스 감응 층으로부터 분리되고, 가열 구조처럼 평가 영역에있는 평가 구조 또는 전극 구조를 가지며 접촉 구멍들이 제공된 보호 산화물층에 의해 가스 감응 층으로부터 분리되고 접촉 구멍들은 평가 구조 또는 전극 구조의 표면의 개별 중간 영역들을 평가 구조 또는 전극 구조와 가스 감응 층 사이에 직접 접촉이 형성될 수 있도록 비워둔다.

게다가, 가스 센서의 상기 구조는 신뢰할 수 있는 기능을 보장하는데 이는 가스 센서의 제조에 있어서 접촉 구멍들이 보호 산화물 층에서 식각되고 단지 평가 구조 또는 전극 구조의 표면의 중앙 영역만을 각각 노출시킴으로써 평가 구조 아래의 접착 증진 산화물 층이 보호 산화물 층의 산화물 식각 동안에 공격받지 않도록 하고 그로 인해 막 층에 대한 평가 구조의 효과적인 결합을 보장하기 때문이다.

적용된 가스 감응 층은 가스 센서의 제조에 있어서 소결 공정을 겪음으로 인하여 그 결과 보호 산화물 층에 의해 보호되는 평가 구조 또는 전극 구조와 접촉 구멍들을 통과하여 노출되는 표면들 사이의 특히 변환 영역에서 다른 열기계적 응력이 발생하고 이는 평가 구조 또는 전극 구조 내에서 재료의 변형을 발생시킬 수 있거나 심지어 평가 구조 또는 전극 구조를 부분적으로 찢을 수도 있으며, 양호한 실시예에서의 보호층은 화학량론 산화물을 적어도 평가 구조의 평가 영역에서는 포함한다. 이 화학량론 산화물은 감소된 산소 성분을 구비한 것의 경우보다 평가 구조에 대하여 더 부실하게 결합하고 그 결과 화학량론 산화물은 줄어든 열응력을 평가 구조에 결합시키고 그 결과 더 나은 이동도를 제공하여 평가 구조 또는 전극 구조 내에서 재료 변형이 소결 공정 동안에 그렇지 않은 경우 보다 덜 영향을 미치도록 한다.

또 다른 매우 양호한 실시예에 따르면, 보호 산화물층은 적어도 가열 구조와 선택적인 온도 측정 저항의 영역에서 가열 구조와 온도 측정 저항에 대하여 보호 산화물층의 상대적으로 양호한 결합을 발생시키기 위하여 아화학량론(substoichiometric) 산화물을 포함한다. 그 결과 가열 구조 및 온도 측정 저항의 상기 전기 드리프트에 의해 공격받는 문제는 가열 구조와 온도 측정 저항 내에서 가스 센서의 작동에 영향을 주는 열응력으로 인한 재료 변형이 가스 센서의 수명에 걸쳐서 안정된 기능을 가능하도록 하기 위하여 억제된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 가스 센서를 제조하는 방법이 제공되는데, 우선 반도체 기판이 준비되고 막 층은 반도체 기판의 정면 쪽에 형성되고 이어서 결합 증진 층이 막 층의 표면상에 증착된다. 그 후, 막 층에 산화물이 없는 평가 영역을 제공하도록 결합 증진 층이 구조화된다. 그 후 산화물 식각에 반응하지 않는 결합 증진 층이 반도체 기판의 정면 쪽에 적용되고 평가 영역의 외부에서는 제거된다. 다음 단계에서 금속화 층이 반도체 기판의 정면 쪽에 적용되고 접착 증진 산화물 층 상의 평가 영역 외부에서 금속화 층이 가열 구조로 구조화되고 결합 증진층 상의 평가 영역에서 평가 구조 또는 전극 구조로 구조화된다. 그 결과로서 보호 산화물 층이 반도체 기판의 정면 쪽에 제공되고 평가 구조의 표면을 노출시키기 위하여 넓은 영역 기부 상의 평가 영역에서 식각된다. 그 후 반도체 기판의 배면 쪽은 막 층이 닿을 때까지 식각되고 그 후 마지막으로 가스 감응 층이 반도체 기판의 정면 쪽에 적용된다.

이 방법의 도움으로 인하여 평가 영역에서 접착 증진 층을 구비한 전술한 가스 센서가 제조될 수 있다. 추가적인 접착 증진 층이 있는 경우에는, 산화물 보호층의 산화물 식각 동안에 평가 구조 또는 전극 구조가 덜 식각되는 것이 피해져서 막 층에 대한 전극 구조의 영구 접착과 그로 인한 가스 센서의 신뢰할 수 있는 기능이 보장될 수 있다.

본 발명에 따른 가스 센서를 제조하는 방법은 추가적인 방법을 제공하는데, 먼저 반도체 기판이 준비되고 반도체 기판의 정면 쪽에는 막 층이 증착되고 이어서 막층의 외부 표면에 접착 증진 산화물 층이 구성된다. 그 후 금속화 층은 접착 증진 층에 적용되고 뒤이어서 이 금속화 층은 가열 구조와 평가 구조 또는 전극 구조를 형성하도록 구조화된다. 다음 단계에서 보호 산화물 층이 반도체 기판의 정면 쪽에 적용된다. 그 후, 접촉 구멍들은 평가 구조 또는 전극 구조의 표면의 중앙 영역을 노출시키도록 보호 산화물 층에서 식각된다. 그 후 반도체 기판의 배면 쪽은 막 층에 닿도록 식각될 수 있으며 그 후 가스 감응 층은 반도체 기판의 정면 쪽에 적용될 수 있다. 이 방법은 보호 산화물 층에서 접촉 구멍들을 구비한 전술한 가스 센서를 제조 가능하게 한다. 평가 구조 또는 전극 구조의 표면의 중앙 또는 중간 영역만을 노출시키도록 접촉 구멍이 식각되었고 평가 구조 또는 전극 구조의 측면 영역은 보호 산화물 층에 의해 감싸진 채로 남아있기 때문에 결합 증진 층이 제공되는 곳인 평가 구조 또는 전극 구조의 아래쪽에서의 식각은 피할 수 있고 막 층에 대한 평가 구조의 효율적인 결합을 보장하며 따라서 가스 센서의 신뢰할 수 있는 기능을 보장한다.

양호한 실시예에서 가스 감응 층은 페이스트 형태로 적용되고 그 후 소결된다. 다른 가스들에 대한 센서의 선택도를 조정할 수 있게 하기 위하여 처음에 페이스트 형태인 동안에 다양한 도핑제(doping agent)들이 가스 감응 층에 소개될 수 있다.

본 발명은 다음 도면과 관련하여 더 자세히 기재된다.

도 1은 가스 센서의 개략적인 평면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 가스 센서의 제1 실시예의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 가스 센서의 제2 실시예의 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 가스 센서의 제3 실시예의 단면도이다.

도 1은 종래 기술로부터 공지된 가스 센서(1)의 개략적인 평면도를 도시한 다. 상기 가스 센서는 외부로 향한 실질적으로 환형 굴곡형의 금속 가열 구조(9)를 가지는데 상기 구조에는 공급관(15)들로부터 전기 에너지를 공급받을 수 있다. 가열 구조 안에는 일반적으로 환형 형상의 금속 평가 구조 또는 전극 구조(7)가 있으며, 또한 전기 도선(導線)(lead)(14)들이 제공된다. 이러한 구조(7 및 9)들은 반도체 기판상의 막 층(미도시)에 배열되고 그로써 전체 시스템의 열용량이 감소하고 그로 인해 가스 센서(1)의 요구 전력이 감소한다.

가열 구조(9)와 평가 구조(7)상에 도 1에 도시되지 않은 가스 감응 층이 적용되고 이 가스 감응 층은 가열 구조(9)로 범위가 정해진 전체 구역을 실질적으로 보호한다. 가스 감응 층은 가열 구조(9)에 의하여 수백℃의 작업 온도로 될 수 있으며, 환원 가스 또는 산화 가스와 접촉했을 때 자신의 저항을 변화시킨다. 상기 저항 변화는 평가 구조(7)에 의해 측정된 변화로서 평가된다. 가스 감응 층(7)은 대체로 매우 높은 저항을 가지기 때문에, 평가 구조(7)는 서로에 대해 맞물린 2개의 동일 평면 핑거형 전극들을 구비한 인터디지탈 구조물로 형성된다. 상기 구성은 다른 극성의 각 전극 핑거들 사이의 저항의 평행 구조에 대응하며, 그로써 가스층의 측정 저항은 줄어들며 가스 센서(1)의 감도는 증가한다.

가열 구조(9)와, 평가 구조(7)와, 공급관(14, 15)들의 막 층에 대한 충분한 접착을 보장하기 위하여 막 층의 표면에 접착 증진 산화물 층이 제공된다.

가열 구조(9)를 단열시키기 위하여 가열 구조와 가스 감응 층 사이에 보호 산화물 층이 형성되고 상기 보호 산화물 층은 공급관(14, 15)들을 거쳐서 공급관(14, 15)들의 접촉 표면 또는 결합 표면에까지 연장되고 도시되지는 않았다. 가스 센서의 제조에 있어서 이러한 보호 산화물 층들은 대체로 화학 기상 증착(CVD: Chemical Vapor Deposition) 공정에 기반을 둔 넓은 영역 상에서 가열 구조(9)와 평가 구조(7)에 대하여 적용되고 그로 인해 막 층에 이미 구조화될 뿐만 아니라 공급관(14, 15)들에 대하여 적용된다. 그 후 보호 산화물 층(8)이 도 1에서 파선(破線) 원으로 나타난 바와 같이 평가 구조 또는 전극 구조(7)를 이후에 적용된 가스 감응 층에 접촉시키기 위하여 평가 구조(7)의 전체 상부 표면으로부터 넓은 영역 상에서 제거된다.

상기 제거는 대체로 습식 화학 식각 공정에 의해 수행되는데, 예를 들어 플루오르화 수소산(hydrofluoric acid)이 식각 용액으로 사용될 수 있다. 증착 불균등성으로 인하여 보호 산화물 층은 다른 위치에서 다른 두께를 가질 수 있으므로, 식각 공정은 평가 구조 또는 전극 구조(7)의 전체 표면이 평가 보호 산화물이 없는 평가 영역(8)에 배치되도록 보장하기 위하여 슈퍼식각(superetching) 간격으로 실행된다. 그러나 슈퍼식각 지속(duration)의 사용은 평가 구조 또는 전극 구조(7)가 언더식각(underetching)되는 위험을 발생시키는데, 이는 사용된 식각 용액이 평가 구조 아래의 접착 증진 산화물 층의 전극 핑거들 사이의 영역에 닿을 수 있고 이 층을 부분적으로 공격할 수 있기 때문이다. 따라서 평가 구조(7)의 막 층에 대한 접착은 감소되고 따라서 가스 센서의 사용 중에 평가 구조(7)가 막 층에서 분리될 수 있으며 그래서 가스 센서의 신뢰할 수 있는 기능은 더 이상 보장될 수 없다. 평가 구조 또는 전극 구조(7)가 언더식각되는 위험을 피하기 위하여 다음 도면들에서 더 자세히 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 다양한 실시예들이 제공될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 가스 센서의 제1 실시예의 단면도를 도시한다. 가스 센서(1a)는 예를 들어 규소를 포함할 수 있고 (21)에서 홈이 형성되며 이 위에 막 층(3)이 형성되는 반도체 기판(2)을 포함한다. 막 층(3)은 반도체 기판과 질화물 층(5)에 결합된 산화물 층(4)의 연속 층이며, 평가 영역(8)의 외부에 막의 표면에서 접착 증진 산화물 층(6)을 가진다. 접착 증진 산화물 층(6)상에 금속 가열 구조(9)와 가열 구조 영역에 있는 온도 측정 저항(도 2에 미도시)이 배열된다. 가열 구조(9)와 온도 측정 저항 상에 단열을 위하여 추가 보호 산화물 층(11)이 제공된다. 평가 영역(8) 내에는 서로에 대해 맞물린 핑거들을 구비한 금속 평가 구조(7) 또는 전극 구조(7)가 제공될 수 있다. 이러한 구조들 상에 가스 감응 층(20)이 적용되고 가열 구조(9)에 의해 가열될 수 있으며 평가 구조 또는 전극 구조(7)에 의해 이것의 전기 저항이 평가된다. 도 2에 도시되지 않고 괴상(塊狀) 구조(2)에 배열된 온도 측정 저항과 기준 저항의 도움으로 가스 센서(1)의 작업 온도가 감시될 수 있다.

금속 구조와, 전극 구조(7)상의 평가 구조와, 가열 구조(9)와, 온도 측정 저항용 재료로서 바람직하게는 백금이 사용된다. 이 재료는 높은 온도의 저항 계수를 특징으로 하며 한편으로 가열 구조(9)의 가열 전력의 우수한 조정을 허용하며 또한 가스 센서(1a)의 온도가 높은 정확도를 가지고 온도 측정 저항을 통하여 측정될 수 있도록 한다. 게다가, 백금에는 높은 화학적 안정성을 갖춘 불활성 재료가 있다.

기존 기술로부터 공지된 가스 센서와는 대조적으로, 평가 구조 또는 전극 구조(7)는 산화물 식각에 반응하지 않은, 즉 산화물 식각에 의해 영향을 받지 않는 접착 증진 층(13) 상에 배치된다. 이 접착 증진 층(13)은 예를 들어 규소를 포함하고, 평가 구조 또는 전극 구조(7)의 개별 전극 핑거들 사이에서 해로운 표면 누설전류(surface leakage current)를 피하기 위하여 평가 구조 또는 전극 구조(7)에 대응하도록 구조화된다. 접착 증진 층(13)의 바람직한 영향은 본 발명에 따른 이 가스 센서(1a)의 조립 공정의 다음의 기술을 참고하여 설명될 것이다. 우선, 반도체 기판(2)이 제공되고 반도체 기판의 정면 쪽에는 막 층(3)을 형성하기 위하여 산화물 층(4)과 질화물 층(5)이 제공된다. 산화물 층(4)은 예를 들어 화학 기상 증착의 도움으로 증착된 질화물 층(5)과 반도체 웨이퍼(2)의 열 산화(thermal oxidation)에 의해 제조될 수 있다. 이어서 접착 증진 산화물 층(6)이 막 층(3)의 상부 쪽 전체 영역을 걸쳐서 형성되고 질화물 층(5)의 재산화를 통하여 열 변환 또는 화학 기상 증착(CVD) 산화 증착에 의해서 어쩌면 영향을 받는다.

이 후 접착 증진 산화물 층(6)은 막 층(3) 상에 산화물 없는 평가 영역(8)을 제공하도록 산화물 식각에 의해 구조화된다. 다음 단계에서는 산화물 식각에 반응하지 않는 즉, 산화물 식각 용액에 의해 제거되지 않는 접착 증진 층(13)이 반도체 기판(2)의 정면 쪽 상의 평가 영역(8)의 전체 지역에 걸쳐서 적용되고 예를 들어 이온 빔(ion beam) 식각 공정의 도움으로 나중에 형성된 평가 구조 또는 전극 구조에 대응하도록 구조화된다.

그 후에, 금속화 층이 전체 구역에 걸쳐서 반도체 기판(2)의 정면 쪽에 적용되고, 이 금속화 층에서 가열 구조(9)와 평가 영역(8) 외부의 온도 측정 저항이 구조화되며, 평가 영역(8) 내의 평가 구조 또는 전극 구조(7)가 구조화된다. 상기 구 조는 이온 빔 식각 공정에 의해서도 수행될 수 있다. 따라서 보호 산화물 층(11)은 전체 구역에 걸쳐서 반도체 기판(2)의 정면 쪽에 화학 기상 증착 코팅 공정이 적용된다. 평가 구조 또는 전극 구조(7)의 표면들을 노출시키기 위하여, 보호 산화물 층(11)이 예를 들어 평가 영역(8)에 기반을 둔 넓은 지역 상에 적용된 불화수소(弗化水素: hydrogen fluoride) 식각 용액을 갖춘 습식 화학 식각 공정에 의해 제거된다.

평가 구조 또는 전극 구조(7)가 상기 산화물 식각에 반응하지 않는 접착 증진 층(13) 상에 배치되기 때문에 평가 구조 또는 전극 구조(7)가 언더식각되는 위험이 없어진다. 게다가, 도 2에 도시된 바와 같이 전체 보호 산화물 층이 막 층(3)의 질화물 층(5)까지 식각되는 경우에도 접착 증친 층(13)의 언더식각은 일어날 수 없는데 이는 질화물 층(5) 역시 습식 화학 산화물 식각에 반응하지 않기 때문이다. 접착 증진 층(13)의 사용은 막 층(3)에 대한 전극(7)의 평가의 견고한 접착을 보장하고 따라서 가스 센서(1a)의 신뢰할 수 있는 기능을 보장한다. 그 다음 방법 단계에서, 반도체 기판(2)은 예를 들어 수산화칼륨 용액의 도움으로 막 층(3)이 형성될 때까지 기판의 배면 쪽에서 식각되고, 따라서 홈(21)을 형성한다. 산화물 층(4)은 반도체(2)의 식각률과 비교하여 상당히 줄어든 식각률을 가지며 이 경우에 식각 멈춤(etch stop)으로서 기능을 하며 산화물 층에서 식각 공정이 종료된다.

마지막으로 가스 감응 층(10)이 반도체 기판(2)의 정면 쪽 상에서 제조된다. 상기 가스 감응 층(10)은 특히 실크 스크린 또는 분배 장치를 구비한 페이스트(paste)형태로 먼저 적용되고 그에 후속하여 소결된다. 가스 감응 층(10)은 가스 센서(1a)를 특정 가스들의 탐지에 반응하도록 만들 수 있는 도핑제들을 포함할 수 있다. 가스 감응 층을 스퍼터링(sputtering) 공정 또는 화학 기상 증착 공정에 의해 적용하고 그 후 선택적으로 소결하는 것도 가능하다.

대안으로, 도 2에서 도시되고 본 발명의 가스 센서(1a)를 만들기 위하여 본 발명에 따른 전술한 방법을 변화시키는 것도 가능하다. 예를 들어, 처음에 평가 영역(8)의 바깥쪽에 있는 반도체 기판(2)의 정면 쪽에 적용된 접착 증진 층(13) 전체 구역을 제거하는 것이 가능하고 그 이후 평가 구조 또는 전극 구조와 동시에 그것을 구조화하는 것이 가능하다. 또한 가스 감응 층(10)이 식각 공격으로부터 견고하게 보호되는 한, 반도체(2)의 배면 쪽 식각 전에 가스 감응 층(10)을 적용하는 것이 가능하다.

조립 공정 동안에 평가 구조 또는 전극 구조(7)가 언더식각되는 종래 기술의 문제점은 도 3에 도시된 본 발명에 따른 가스 센서의 제2 실시예를 구비하고서 또한 피할 수 있다. 도 2에서 도시된 가스 센서(1a)와 달리 이 가스 센서(1b)에는 접착 증진 산화물 층(6)이 조직화되지 않았고 평가 구조 또는 전극 구조(7) 아래에 평가 영역(8)에 위치한다. 보호 산화물 층(11)은 또한 평가 영역(8)을 걸쳐서 연장되고 각각 평가 구조 또는 전극 구조의 표면의 중간 영역을 노출시키는 접촉 구멍(12)들을 가진다. 상기 가스 센서(1b)의 생산에서, 준비된 반도체 기판 상의 산화물 층(4)과 질화물 층(5)으로부터 형성된 막 층(3)의 적용 이후, 그리고 막 층의 상부 쪽에 결합 증진 산화물 층(6)의 증착 이후에 가열 구조(9)와 평가 구조(7)와 온도 측정 저항을 형성하기 위하여 금속 층이 증착되고 대응되게 구축된다.

그 후, 보호 산화물 층(11)이 반도체 기판(2)의 정면 쪽 전체 구역에 증착된다. 습식 화학 식각 공정의 도움으로, 접촉 구멍(12)들이 보호 산화물 층(11)에서 식각되고, 이러한 접촉 구멍들은 평가 구조 또는 전극 구조(7)의 상부 표면의 중간 영역에만 놓여있는데 이는 단지 이 영역에서만 노출되고 평가 구조 또는 전극 구조의 전극 핑거들의 표면들은 그들 쪽상에서 보호 산화물 층(11)이 덮혀 있도록 하기 위함이다. 신뢰할 수 있는 평가 구조 또는 전극 구조가 막 층(3)에 형성되도록 하기 위하여 이러한 방식으로 산화물 식각 용액은 평가 구조 또는 전극 구조(7) 아래에 있는 접착 증진 산화물 층(6)을 공격할 수 없다. 그 후, 가스 센서(1b)에 대해 반도체 기판(2)의 배면 쪽에 식각이 수행되고 가스 감응 층이 반도체 기판의 정면 쪽에 대하여 적용되는 것이 수행되는데, 이는 가스 감응 층(10) 또한 접촉 구멍(12)들에 수용되도록 하기 위함이다.

도 3에서 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 가스 센서(1b)는 도 2의 발명에 따라 도시된 가스 센서(1a)에 대하여 결점을 가지는데, 평가 구조(7)를 구축하는데 요구되고 접촉 구멍들을 식각하는데 요구되는 마스크들 사이의 공차로 인하여 개별 전극 핑거들 사이에 큰 간격이 제공될 수 있다는 것이다. 상기 가스 센서(1b)는 개별 전극 핑거들간의 더 큰 간격으로 인하여 덜 민감할 것이고, 더 큰 측정 저항을 가질 것이다. 한편, 길이에 의존되며 전극 핑거들 사이에서 측정되는 저항은 더 커지는 반면에 주어진 구역에 더 적은 전극 핑거들과 그로 인한 더 적은 평행한 회로들이 제공될 수 있다.

전기 드리프트의 문제는 열기계적 응력으로 인한 결과이며, 이는 작업중인 가스 센서(1a, 1b)들이 대기 온도와 작업 온도 사이에서 영구적 사이클로 작동하기 때문이며 이것은 저항 변화에 기여하는 금속 구조물들 내에서 재료의 변화를 일으킬 수 있다.

평가 구조 또는 전극 구조(7)에서의 결과적인 저항 변화들은 가스 감응 층(10)의 매우 높은 측정 저항으로 인하여 무시할 수 있다. 그러나 가열 구조(9)는 특히 옴 범위에 놓일 수 있는 저항을 가지기 때문에 저항 변화는 가열 전력의 상당한 변경을 일으키고 그로 인해 가스 센서(1a, 1b)의 작업 온도의 상당한 변경을 일으킨다. 이것은 또한 가열 구조(9)의 중간에 배열된 온도 측정 저항에도 적용되는데 그로 인하여 가스 센서(1a 또는 1b)의 정확한 온도는 더 이상 결정될 수 없으며 가스 센서(1a, 1b)의 수명에 걸쳐서 신뢰할 수 있고 안정된 기능은 더 보장될 수 없다.

상기 전기 드리프트의 문제는 도 3에 도시된 실시예를 기반으로 하는 도 4에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 의해 극복된다.

이 가스 센서(1c)의 경우, 보호 산화물 층(11) 두 층이 드리프트 감응 가열 구조와, 온도 측정 저항과, 화학량적 산화물 층(11a)을 포함하는 전기 도관들의 영역에서 사용되고 이 경우에 규소 보호 산화물층은 순수한 화학량적 산화물 층(11b) 위에 배열된 규소 과산화물을 또한 포함한다. 이 보호 산화물 층(11)은 예를 들어 화학량적 산화물 층 구조를 포함하는 금속 구조가 이미 형성된 막 층(3)의 측면에 화학량적 산화물 층(11a)의 전체 표면 증착에 의해 적용될 수 있으며 화학량적 산화물 층(11b)의 다음 전체 영역 증착에 의해 적용될 수 있다. 2 산화물 층(11a, 11b)들의 적용은 화학 기상 증착(CVD) 증착 공정의 도움에 의해 가능하다. 화학량적 산화물 층(11a)은 가열 구조(9)와 온도 측정 저항에 대한 상대적으로 우수한 결합과 가열 구조(9)와 온도 측정 저항 사이의 열응력 효과로 인한 재료 변형이 크게 제한된다. 그 결과 가스 센서(1c)의 사용 수명에 걸쳐서 안정된 기능이 가능하다.

화학량론(stoichiometric) 산화물 층(11b)은 아화학량론(substoichiometric) 산화물층(11a)과 평가 구조 또는 전극 구조(7)에 적용되고 도 3의 실시예에서 도시된 바와 같이 가스 감응 층(10)용 소결 공정을 거치는 평가 구조 또는 전극 구조(7)에 대해서는 매우 바람직하다고 파악된 접촉 구멍(3)들이 제공되는데 이것은 이 공정에서 매우 높은 온도가 발생하기 때문이고 평가 구조 또는 전극 구조(10)의 표면들 사이의 변환 영역에서는 산화물 층(11)에 의해 보호되고 접촉 구멍(12)들을 통하여 노출된 표면들은 평가 구조 또는 전극 구조(7) 내에서 재료 변형을 유발할 수 있는 다양한 열기계적 응력들이 발생한다. 화학량론 산화물 층(11b)은 아화학량론 산화물을 포함하는 층과 비교할 때 평가 구조에 더 열등하게 접착되는데 이는 아화학량론 산화물이 평가 구조 또는 전극 구조(7)에 감소된 열 응력으로 결합되어 소결 공정 중에서 평가 구조(7)내의 재료 변형이 덜 결정적이기 때문이다.

기술된 실시예들 대신에 본 발명에 따른 가스 센서는 도 2 내지 도 4에서 도시된 실시예들의 조합의 실시예로 제공될 수 있다. 예를 들어 도 2에서 도시된 가스 센서(1a)에서 보호 산화물 층(11)은 가열 구조(9)와 온도 측정 저항에 의한 전기 드리프트를 막기 위하여 아화학량론 산화물 층으로 형성될 수 있다.

드리프트에 반응하는 금속 구조를 구비한 가스 센서의 경우에는, 이 금속 구 조들을 아화학량론 산화물 층으로 보호하고 소결 공정에 대한 안정성을 증가시키기 위하여 구조의 보호된 표면과 노출된 표면 사이의 변환 영역에 화학량론 산화물을 사용하는 것은 일반적으로 이해할 수 있다. 예를 들어 금속 구조들의 전도체들의 경우에도 상기 사실은 적용되고 공지된 보호 접촉 표면상에 화학량론 보호 산화물을 사용하는 것은 바람직하다.

도 4에서 공개된 특성, 즉 드리프트 반응 구조들을 위하여 보호 산화물 층으로서 아화학량론 산화물 층의 사용은 가스 센서의 독자적인 특성으로서 채택될 수도 있다. 예를 들어 공기량 센서(air mass sensor)와 같은 다른 센서에도 상기 특성을 사용하는 것이 가능하다.

Claims

반도체 기판(2) 상에서 형성된 막 층(3) 위에 있으며 그 위에 금속 평가 구조 또는 전극 구조(7)가 평가 영역(8)에서 배열되고 금속 가열 구조(9)는 평가 영역(8) 외부에 배열되며 가스 센서 층(10)은 평가 구조 또는 전극 구조(7)와 가열 구조(7) 상에 배치되고 따라서 가스 감응 층(10)은 가열 구조(9)에 의하여 가열될 수 있고 가스 감응 층(10)의 전기 저항은 평가 구조 및 전극 구조(7)에 의하여 평가될 수 있으며 따라서 가열 구조(9)는 막 층(3)의 상부 쪽 위의 접착 증진 층(6) 상에 배치되고 보호 산화물 층(11)에 의하여 가스 감응 층(10)으로부터 분리되는 가스 센서에 있어서,

평가 영역(8)에서 접착 증진 층(13)이 산화물 식각에 반응하지 않고 막 층(3)과 평가 구조 또는 전극 구조(7)에 위치하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제1항에 있어서,

접착 증진 층(13)이 평가 구조 또는 전극 구조(7)에 대응하도록 구조화되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
반도체 기판(2) 상에서 형성된 막 층(3) 위에 있으며 그 위에 금속 평가 구조 또는 전극 구조(7)가 평가 영역(8)에서 배열되고 금속 가열 구조(9)는 평가 영역(8) 외부에 배열되며 가스 센서 층(10)은 평가 구조 또는 전극 구조(7)와 가열 구조(7) 상에 배치되고 따라서 가스 감응 층(10)은 가열 구조(9)에 의하여 가열될 수 있고 가스 감응 층(10)의 전기 저항은 평가 구조 및 전극 구조(7)에 의하여 평가될 수 있으며 따라서 가열 구조(9)는 막 층(3)의 상부 쪽 위의 접착 증진 층(6) 상에 배치되고 보호 산화물 층(11)에 의하여 가스 감응 층(10)으로부터 분리되는 가스 센서에 있어서,

평가 영역(8)에 있는 가열 구조(9)에 상응하는 평가 구조 또는 전극 구조(7)는 보호 산화물 층(11)에 의하여 분리된 가스 감응 층(10)으로부터 분리되고, 그로 인해 보호 산화물 층(11)평가 구조 또는 전극 구조(7)와 가스 감응 층(10)간에 만들어지는 직접적인 접촉을 가능하게 하기 위하여 평가 구조 또는 전극 구조(7)의 표면 중간 영역을 각각 노출시키는 접촉 구멍(12)들을 갖추는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제3항에 있어서,

평가 영역(8)에서 평가 구조 또는 전극 구조(7)의 보호 산화물 층(11)은 화학량론 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

보호 산화물 층(11a)은 적어도 가열 구조(9)의 영역에서 가열 구조(9)에 대한 보호 산화물 층(11)의 상대적으로 우수한 결합을 발생시키기 위하여 아화학량론 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

바람직하게도 반도체 기판(2)에 인접한 산화물 층(4)을 가지는 질화물 층(5)을 포함하는 막 층(3)을 특징으로 하는 가스 센서.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

온도 측정 저항이 가열 구조(9)의 영역에 있는 접착 증진 산화물 층(6)상에 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

평가 구조 또는 전극 구조(7), 가열 구조(9) 및 온도 측정 저항이 바람직하게는 백금인 동일한 금속 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

평가 구조 또는 전극 구조(7)가 2개의 서로에 대해 맞물린 동일 평면 핑거형 전극들을 구비한 인터디지탈 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
가스 센서를 제조하는 방법에 있어서,

반도체 기판(2)을 준비하는 단계;

반도체 기판(2)의 정면 쪽 상에 막 층(3)을 제공하는 단계;

막 층(3)의 상부 쪽에 접착 증진 산화물 층(6)을 증착시키는 단계;

막 층(3)상에 산화물 없는 평가 영역(8)을 준비하기 위하여 접착 증진 산화물 층(6)을 구조화하는 단계;

반도체 기판(2)의 정면 쪽 상에 산화물 식각에 반응하지 않는 접착 증진 층(13)을 적용하는 단계;

평가 영역(8) 외부의 접착 증진 층(13)을 제거하는 단계;

반도체 기판(2)의 정면 쪽 상에 금속화 층을 적용하는 단계;

접착 증진 산화물 층(6) 상의 평가 영역(8) 외부의 가열 구조를 구조화하고 접착 증진 층(13)상의 평가 영역(8)에 있는 평가 구조 또는 전극 구조(7)를 구조화하는 단계;

반도체(2)의 정면 쪽에 보호 산화물 층(11)을 적용하는 단계;

평가 구조 또는 전극 구조(7)의 표면을 노출시키기 위하여 평가 영역(8)에 있는 보호 산화물 층(11)의 넓은 지역 산화물 식각을 수행하는 단계;

막 층(3)이 닿을 때까지 반도체 기판의 배면 쪽을 식각하는 단계; 및

가스 감응 층(10)을 반도체 기판(2)의 정면 쪽에 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서,

접착 증진 층(13)이 평가 구조 또는 전극 구조의 구조화에 대응하도록 추가적으로 구조화되는 것을 특징으로 하는 방법.
가스 센서를 제조하는 방법에 있어서,

반도체 기판(2)을 준비하는 단계;

반도체 기판(2)의 정면 쪽 상에 막 층(3)을 제공하는 단계;

막 층(3)의 상부 쪽 상에 접착 증진 층(6)을 증착시키는 단계;

접착 증진 산화물 층(6)에 금속화 층을 제공하는 단계;

금속화 층 내에 가열 구조(9)와 평가 구조 또는 전극 구조(7)를 구조화하는 단계;

보호 산화물 층을 반도체 기판(2)의 정면 쪽에 제공하는 단계;

평가 구조 또는 전극 구조(7)의 표면의 각 중앙 영역을 노출시키기 위하여 보호 산화물 층(11) 내의 접촉 구멍(12)들을 산화물 식각을 수행하는 단계;

막 층(3)이 닿을 때까지 반도체 기판(2)의 배면 쪽을 식각하는 단계; 및

가스 감응 층(10)을 반도체 기판의 정면 쪽에 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제12항에 있어서,

보호 산화물 층(11)이 적어도 평가 영역에서 아화학량론 산화물 층(11b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

가열 구조(9)에 대한 보호 산화물 층(11)의 상대적으로 우수한 결합을 발생시키기 위하여 보호 산화물 층(11)이 적어도 가열 구조(9)의 영역에서 아화학량론 산화물 층(11a)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

질화물 층(5)으로 형성된 막 층(3)이 바람직하게는 반도체 기판(2)상에 인접한 산화물 층(4)에 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

온도 측정 저항이 가열 구조(9)의 영역에 있는 접착 증진 산화물 층(6)상에 구조화되는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,

가스 감응 층(10)이 페이스트 형태로 적용되고 그 후 소결되는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,

가스 감응 층이 스퍼터링 또는 화학 기상 증착 공정에 의하여 적용되고 그 후 선택적으로 소결되는 것을 특징으로 하는 방법.