KR970007108B1 - 2중 확산을 이용한 실리콘 미세구조의 스톱퍼 제조방법 - Google Patents

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Description

2중 확산을 이용한 실리콘 미세구조의 스톱퍼 제조방법

제1(a)- 1(c)도는 종래 HF 양극반응을 이용한 반도체소자의 실리콘 미세구조물의 형성공정 설명도이다.

제2(a)-2(c)도는 본 발명의 선택확산에 의한 측면식각 방지구조를 갖는 실리콘 미세구조물의 형성공정 개념 설명도이다.

제3(a)와 3(b)도는 본 발명에 따른 미세구조물과 스톱퍼(stopper)의 구조 및 그의 역할을 설명하기 위한 반도체 소자의 단면도이다.

제4(a)-4(f)도는 본 발명에 따른 실리콘 미세구조물 및 그의 스톱퍼를 제고하는 공정의 단면도이다.

제5(a)도는 본 발명에 따라 제조된 스톱퍼를 갖는 브리지형 미세구조물 표면의 1, 400배 확대 현미경사진이고, 제5(b)는 이러한 미세 구조물의 10°경사 연마면의 7, 000배 확대 현미경사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : n형 기판 2 : 산화막

3, 4 : n+확산영역 5 : n형 에피텍셜층

6 : 다공질실리콘층(PSL : Porous Silicon Lyaer)

ST : 스톱퍼(Stopper) CY : 캐버티(cavity)

본 발명은 실리콘 미세기계구조를 이용하는 각종 반도체소자에서의 스톱퍼(stopper) 제조방법에 관한 것으로, 특히 선택적인 1단계 확산으로 측면식각(side-etching)을 방지하고 확산깊이 절의 2단계 확산으로 미세구조의 완충용 스톱퍼를 제조하는 2중확산을 이용한 실리콘 미세구조의 스톱퍼 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체소자의 미세구조는 양극반응을 이용하여 제조될 수 있다. 도 1(a)에서 도 1(c)는 종래의 반도체소자 미세구조 제조공정을 설명하는 도면으로써, 여기에서 참고되는 바와 같이 도 1(a)는 n형 기판(1')상에 n+확산층(2')과 n형 에피텍셜층(3')을 차례로 형성한 n/n⁺/n 3층 구조의 실리콘 시편 형성공정을 나타낸다.

제1도(b)는 상기 공정의 최상층인 n형 에피텍셜층(3') 위에 실리콘 산화막(4': SiO₂)을 형성한 후 포토레지스트를 이용한 마스킹 작업 및 사진식각 작업을 동하여 상기 n형 에피텍셜층(3')을 부분 식각시킴으로써 n+확산층(2')을 일부 노출시킨 공정을 나타낸다.

제1도(c)는 상기 공정에 이어 최상층의 실리콘 산화막(4')을 제거한 후 HF용액내에서 양극반응을 수행한 때의 반도체소자 미세 구조물의 단면을 나타내고 있다. 여기에 나타나 있는 바와 같이 가운데 부분에 존재하는 n형 에피텍셜층(3')에 의해 반도체소자의 미세구조물이 만들어지게 되지만, 그의 양측면에 위치하는 n형 에피텔셜층의 하부(A)에는 n⁺확산층(2')이 존재하기 때문에 여기에서 측면식각이 발생되게 된다.

이러한 양측면 에피텔설층에서의 측면식각에 의한 언더컷은 미세구조물의 측면을 정확히 정의하기 어렵게 만드므로, 이렇게 제조된 미세구조물을 진동센서나 가속도센서에 적용할 경우 센서제품의 신뢰서이 보장되지 않는다는 문제점이 나타나게 된다.

이상에서 알 수 있는 바와 같이, 반도체 미세구조물 제조시 그의 측면식각문제는 매우 중요하므로 이를 정확이 제어할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

본 발명은 양극반응에 의한 반도체 소자의 미세구조를 형성함에 있어 원하는 부분만 선택적으로 1단계 확산시킨 다음 식각을 실시하여 측면식각에 의한 언더컷의 발생이 방지되게 하고 2단계 확산을 통하여 미세구조의 완충작용을 하는 스톱퍼를 형성하게 되는 2중확산을 이용한 실리콘 미세구조의 스토퍼 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 n형 실리콘 기판상에 산화막을 성장시키는 산화공정과, 사진식각법으로 상기 산화막 상에 창을 낸다음 불순물원을 사용하여 1차 선택확산을 실시함으로써 제1n⁺확산영역을 형성하는 제1확산공정과, 이후 1차 확산공정에 쓰여진 산화막을 제거한다음 다른 산화막을 이용하여 스톱퍼를 형성하는 부분에 2차 선택확산을 실시함으로써 제2n⁺확산영역을 형성하는 제2확산 공정과, 상기 산화막을 제거하고 전면에 n형 실리콘 에피텍셜층을 성장시키는 에피텍셜층 성장공정과, n형 에피텍셜층을 선택식각하여 n⁺확산영역을 노출시키고 이를 양극반응시켜 다공질실리콘층으로 만드는 양극반응공정과, 식각액으로 상기 다공질실리콘층 식각하여 브릿지형태의 미세구조 및 스톱퍼를 형성하는 공정을 포함하는 2중확산을 이용한 실리콘 미세구조의 스톱퍼 제조방법에 있다.

이하 첨부한 도면을 참고로하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

제2도(a)-도 2(c)는 본 발명에 따른 선택적 확산을 통하여 측면식각문제를 해결하는 반도체소자 미세구조물의 제조개념을 설명하기 위한 공정도로서, 먼저 도 2(a)는 선택확산과 에피텍셜성장법으로 n형기판(1')상에 부분적으로 n⁺확산영역(2')을 형성시키고 이어서 그 위에 n형 에피텍셜층(3')을 성장시킨 공정을 나타내고 있다.

제2도(b)는 상기 공정에서 형성된 n형 에퍼텍셜층(3')위에 실리콘 산화막(4' : SiO₂)을 형성한 후 사진식각술을 이용하여 실리콘 산화막(4')에 형성되는 창을 통해 n형 에피텍셜층(3')을 부분적으로 식각함으로써 미세구조를 정의한 상태의 공정을 나타내고 있다.

제2도(c)는 상기의 공정에서 남아있게 되는 산화막(4')을 제거한 후 n⁺확산영역(2')에 양극반응을 실시하여 다공질실리콘층으로 만든다음 이를 제거함으로써 n형 에피텍셜층(3')에 의한 실리콘 미세구조가 측면식각없이 형성된 상태의 공정을 나타내고 있다.

이렇게 하여 실리콘기판 상에서 에어갭(air-gap)이 될 부분만 선택적으로 양극반응되어 식각되므로 원지 않는 측면식각을 방지할 수 있게 되는 것이다.

제3도(a)와 제3도(b)는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 브릿지형태의 미세구조 및 스톱퍼를 가지는 실리콘 기계구조의 형태와 기능을 설명하기 위한 단면도이다.

여기에서 제3도(a)는 관성질량체(MS : Seismic Mass)가 놓여진 미세구조의 브릿지상에 외부에서 스트레스(stress)가 가해지지 않은 경우를 나타낸 도면이고, 제3도(b)는 상기의 브릿지에 외부로 부터의 스트레스가 가해진 경우를 나타낸 도면으로서, 부호(1)은 기판이고, (CY)는 캐버티(cavity)이고, ST는 스톱퍼이고, MS는 관성질량체이다.

이러한 제3도(a)와 제3도(b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 스톱퍼(ST)는 일정한 크기의 관성질량체(MS)를 지지하는 실리콘 미세구조가 외부의 스트레스에 의해 밴딩(bending)되는 최대폭(W)을 조절하는 역할을 하며, 강한 충격에 의해 상기 실리콘 미세구조가 파괴되는 것을 막아주는 완충작용을 하게된다.

제4도(a) 내지 제4도(f)는 본 발명에 따른 실리콘 미세구조물과 이러한 미세구조물의 진동거리를 제한하기 위한 스톱퍼의 제조공정 순서도를 나타내고 있다.

먼저 제4도(a)는 n형 기판(1)상에 두께 4,500∼5,500Å정도의 산화막(2)을 성장시킨 공정의 단면을 나타낸다.

제4도(b)는 상기 공정에서 형성된 산화막(2)상에 사진식각술을 이용하여 1차 선택확산을 위한 두개의 창을 낸다음 이 창을 통하여 n형의 불순물을 주입시키는 것으로 분리된 2개의 n⁺확산영역(3)을 형성하는 공정의 단면을 나타낸다(제1확산공정). 상기의 제1확산공정에서 n형 불순물원은 P, As, Sb 등을 사용할 수 있으며, 그 확산깊이는 5∼20μm 깊이가 되도록 한다.

제4도(c)는 제1확산공정에서 쓰여진 산화막(2)을 제거해 낸다음 2차 선택확산을 위해 상기 두개의 n⁺확산영역(3)간 갭을 새로운 산화막(2'')으로 한정한후 불순물주입을 통해 0.5∼5μm 깊이의 또다른 n⁺확산영역(4)을 형성한 공정의 단면도이다(제2확산공정).

제4도(d)는 제2화산공정에서 쓰여진 산화막(2'')을 제거해 낸다음 저항률이 9.5∼10. 5Ω·cm인 n형 실리콘 에피텍셜층(5)을 5∼15μm두께로 전면에 성장시킨 공정의 단면도이다(미세기계구조용 에피텍셜층 성장공정).

제4도(e)는 실리콘 미세구조를 정의하기 위하여 상기 n형 에피텍셜층(5)의 일부(도면상에는 나타나있지 않음)을 5.5∼15μm 두께로 선택식각하여 n⁺확산영역(3)을 노출시킨다음 5∼48wt%의 HF용액, 2∼5V의 반응전압에서 10∼30분 양극반응시켜 상기 n⁺확산영역을 다공질 실리콘층(6)으로 만든 공정의 단면도이다(양극반응공정).

마지막으로 제4도(f)는 4.5∼5.5wt%의 NaOH수용액으로 다공질 실리콘층(6)을 식각하여 캐버치(CY)를 만듬으로써, 브릿지 형태의 미세구조 및 그의 최대 밴딩폭을 제한하는 스토퍼(ST)를 형성한 공정의 단면도 이다(PSL식각공정).

제5도(a)와 제5도(b)는 스톱퍼를 갖는 브리지형태의 미세구조의 표면 및 단면사진으로서, 제5도(a)는 1,400배 확대한 미세구조의 표면에 대한 현미경사진이고 제5도(b)는 10° 경사연마한 미세구조의 단면을 7,000배 확대한 현미경 사진이다.

여기에서 참고되는 바와 같이, 제5도(a)로부터는 1차 및 2차 선택확산을 통해 정의된 n⁺확산영역이 양극반응공정을 통하여 다공질 실리콘층으로 만들어진 후 깨끗하게 식각된 것을 볼 수 있고, 제5도(b)로부터는 브리지형 미세구조와 스톱퍼 사이에 에어갭(air-gap)(1μm정도)이 형성된 것을 볼 수 있다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 실리콘 미세구조의 스톱퍼 제조방법은 2중 확산공정 및 PSL공법을 이용하여 원하여 부분만을 선택적으로 확산하고 식각하게 되므르 실리콘 미세기계구조 물 제조시 측면식각을 방지 할 수 있어 미세구조물의 신뢰성을 높일 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 2중 확산공정을 통하여 가속도센서용 미세구조물을 제조할 때, 운동체의 가속도에 비례하여 변형을 일으키게 될 미세구조물인 감지부(motion sensing part)의 밑부분에 이 감지부의 진동폭을 제한하는 스톱퍼를 제조할 수 있어, 이를 통하여 가속도센서의 응답특성에 중요한 역할을 하는 외부힘에 의해 밴딩되는 브릿지형 미세구조물, 즉 감지부의 최대진동폭을 조절할 수 있게 되므로 가속도센서의 파괴를 막고 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

1. n형 기판(1)상에 산화막(2)을 성장시키는 산화공정과, 사진식각법으로 상기 산화막 상에 창을 열고 불순물원 주입에 따른 1차 선택확산을 통하여 두 개의 분리된 제1n⁺확산영역(3)을 형성하는 제1확산공정과, 상기 산화막(2)을 제거하고 두 개의 제1확산영역 사이를 또다른 산화막(2'')으로 한정한후 2차 선택확산을 실시하여 0.5∼5μm깊이의 스톱퍼영 제2n⁺확산영역(4)을 형성하는 제2확산공정과, 상기 산화막(2'')을 제거하고 전면에 n형 에피텍셜층(5)을 성장시키는 에피텍셜층 성장공정과, 상기 n형 에피텍셜층(5)을 브릿지형 미세구조부분을 남기고 선택식각하여 n⁺확산영역을 노출시킨다음 양극반응를 실시하여 상기 제1, 2n⁺확산영역(3, 4)을 다공질실리콘층(6)으로 만드는 양극반응공정과, 식각액으로 상기 다공질실리콘층(6)을 식각하여 미세구조를 형성하는 다공질실리콘 식각공정을 포함하는 2중확산을 이용한 실리콘 미세구조의 스톱퍼 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1확산공정에서 형성하는 n⁺확산영역(3)의 깊이는 5∼20μm인 것을 특징으로 하는 2중확산을 이용한 실리콘 미세구조의 스톱퍼 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 에피텍셜층 성장공정에서 n형 실리콘 에피텍셜층(5)의 저항률은 9.5∼10.5Ω·cm이고, 두께가 5∼15μm인 것을 특징으로 하는 2중확산을 이용한 실리콘 미세구조의 스톱퍼 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 양극반응공정은 5∼48wt%의 HF용액, 2∼5V의 반응전압에서 10∼30분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 2중확산을 이용한 실리콘 미세구조의 스톱퍼 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 다공질실리콘 식각공정에서 사용하는 식각액은 4.5∼5.5wt%의 NaOH 수용액인 것을 특징으로 하는 2중확산을 이용한 실리콘 미세구조의 스톱퍼 제조방법.