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KR100404904B1 - 차동 용량형 압력센서 및 그 제조방법 - Google Patents

차동 용량형 압력센서 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100404904B1
KR100404904B1 KR10-2001-0032277A KR20010032277A KR100404904B1 KR 100404904 B1 KR100404904 B1 KR 100404904B1 KR 20010032277 A KR20010032277 A KR 20010032277A KR 100404904 B1 KR100404904 B1 KR 100404904B1
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South Korea
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electrode
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Abstract

본 발명은 차동 용량형 압력센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 이 센서의 구조는 반도체 기판 상부면에 각각 소정 거리 이격되어 형성된 외측전극, 제 1하부전극 및 제 2하부전극과, 외측전극 및 제 1하부전극의 일측에 각각 수직으로 연결된 기둥과, 외부전극의 기둥에 연결되며 제 1하부전극과 평행으로 배치된 제 1상부전극, 제 1하부전극의 기둥에 연결되며 제 2하부전극과 평행으로 배치된 제 2상부전극을 포함한다. 그러므로, 본 발명은 두 개의 센싱 커패시터를 좌/우로 배치하기 때문에 1층의 희생층을 사용하여 제작할 수 있고 1층의 희생층 사용으로 두 개의 센싱 커패시터의 상/하부 전극간 간격을 같게 하므로 초기 용량의 오프셋을 최소화하여 압력 센서의 비선형 특성을 개선할 수 있다.

Description

차동 용량형 압력센서 및 그 제조방법{A CAPACITIVE DIFFERENTIAL PRESSURE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 차동 용량형 압력센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 두 개의 센싱 커패시터를 갖는 압력센서의 비선형 특성을 개선하고 제조 공정을 단순화한 기술이다.
일반적으로 압력센서는 프로세스 또는 시스템에서 압력을 축정하는 소자로서 공업계측, 자동제어, 의료, 자동차 엔진제어, 환경제어, 전기용품 등 그 용도가 다양하고 가장 폭넓게 사용되는 센서중의 하나이다. 압력센서의 측정원리는 변위, 변형, 자기-열전도율, 진동수 등을 이용하는 것으로 현재 많은 종류가 실용화되어 사용되고 있다.
최근에는 반도체기술과 마이크로머시닝 기술의 발전으로 보다 소형화되고 복합화된 반도체 압력센서에 대한 관심이 높아지고 있다. 반도체 압력센서는 크리프현상이 없고 직선성이 우수하며 소형·경량으로 진동에도 매우 강한 것이 특징이다. 또한, 기계식보다 고감도, 고신뢰성이며 양산성이 좋다. 이것은 압력을 왜(歪)응력으로 변환하는 다이어프램과 다이어프램에서 발생하는 동력을 전기신호로 변환하는 두 부분으로 구성되어 있다.
다이어프램은 단결정실리콘을 식각해서 형성하며, 다이어프램에서 발생하는 응력을 전기적인 신호로 변환하는 방법으로 진동자의 고유진동수 변화와 표면탄성파를 이용하는 것도 있으나, 주로 압저항식과 정전용량식의 두 종류가 가장 많이 사용되고 있다.
압저항식 압력센서는 반도체의 불순물 확산공정이 이용하여 압저항 소자를 형성시키기 때문에 제작이 쉽고 선형성이 뛰어나다. 그리고 신호처리 회로가 비교적 간단하지만, 온도 드래프트가 나빠 이를 보상하기 위한 온도 보상 회로가 필요하다.
이에 반하여 정전용량식 압력센서는 서로 마주보고 있는 전극판의 간격을 외부로부터의 응력에 의하여 변화시키면 전극간의 정전용량이 변화한다. 이 정전용량변화를 전기신호로 변환시키면 응력이 검출된다. 정전용량식 압력센서는 압저항식에 비해 온도 특성이 우수하고 소형인 특징이 있다.
그러나, 정전용량식 압력센서는 용량이 거리에 반비례하기 때문에 비선형특성을 갖고 있고 광범위(wide range)인 경우에서는 더욱 심하다. 비선형성을 보상하기 위해 Mitsuhiro Yamada 등에 의해 1997년 2월자로 IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, Vol. 46, NO. 1에 발표된 논문 “A Capacitive Pressure Sensor Interface Using Oversampling Δ-Σ Demodulation Techniques”에 게재되어 있다. 이 기술에서는 룩업 테이블(Look-up table) 방식을 사용하기도 하지만, 회로의 부가는 물론 디지털방식이 되기 때문에 압력에 따라 연속적인 보상할 수 없으며 센서출력이 불연속적으로 변하는 치명적인 단점을 갖는다.
이러한 정전용량형 압력센서의 비선형 특성을 개선하기 위한 다른 기술로는 압력센서가 차동 용량방식을 채택하는 것이다. 즉, 압력에 따른 변위가 두 센싱 커패시터(C1, C2) 중 하나가 +△d만큼 변하며 다른 하나는 -△d만큼 변하게 되는데, 변위(△d)가 작은 경우 두 커패시터의 용량차이(△C=C1-C2)를 계산하면 변위(△d)에 비례하게 되어 단일 커패시터방식의 용량형 압력센서의 비선형성을 개선할 수 있으며, 기생성분의 영향을 완전히 제거할 수 있다.
예를 들어, 차동 용량형 압력센서에 관한 기술은 Shinichi Soma 등에 의해 1999년 7월자로 미국특허등록 5,925,824호로 허여된 "Capacitive Differential Pressure Detector”에 공개되어 있다. 제작방법은 압력에 의해 변형되는 금속판 좌우에 커패시터가 형성되도록 구멍이 있는 금속판과 절연체를 조립하는 것이나, 구조 및 제조방법상 소형화가 어렵고 감도가 낮으며 일정한 품질의 생산수율을 얻기 어렵다는 단점이 있다.
또한, 차동 용량형 압력센서에 관한 다른 기술로는 ChuanChe Wang 등에 의해 2000년 12월자로 Journal of MEMS, Vol. 9, NO.4에 발표된 논문 “Contamination-Insensitive Differential Capacitive Pressure Sensors”에 게재되어 있다. 이 기술은 표면 마이크로머시닝 방법을 적용하여 2 개의 센싱 커패시터가 압력에 의해 변형이 일어나는 멤브레인 위에 적층된 구조를 갖는다. 즉, 커패시터의 하부전극은 폴리실리콘 멤브레인이 되고 가운데 전극은 변형이 일어나지 않는 벌크 실리콘 기판에 세운 다리로 지탱하고 상부전극은 하부전극에서 기둥을 세워 떠받치는 형태를 하고 있다. 압력에 의해 하부전극이 변형되면 상부전극도 같은 크기만큼 변형되도록 된다. 이러한 차동 용량형 압력센서는 밀봉(sealing)되어 있기 때문에 먼지 등에 의한 오염을 방지할 수 있고 커패시터가 상하로 배치되어 있기 때문에 필 펙터(Fill factor)가 높아 온도특성 및 선형성이 뛰어난 장점이 있다. 하지만, 두 층의 희생층을 사용하여야 하기 때문에 제조 공정이 매우 복잡하고 상/하부 커패시터의 용량변화가 같으려면 상/하부전극의 간격이 일정하여야 하는데 간격을 결정하는 두 희생층의 두께를 같게 하기가 어렵다. 또한, 기둥은 절연체이거나 도체라면 절연층이 있어야 하기 때문에 역시 추가 공정이 필요하고 하부전극과 상부전극의 경우 기둥이 있는 부분과 없는 부분의 변형이 다르고 기둥이 없는 부분은 상/하부의 변형차이가 생겨 오차를 발생시키는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 두 개의 센싱 커패시터를 좌/우로 배치하여 1층의 희생층을 사용할 수 있고 압력 센서의 비선형 특성을 개선한 차동 용량형 압력센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 1층의 희생층을 사용하여 두 개의 센싱 커패시터의 상부 및 하부전극간의 간격을 동일하게 함으로써 제조 공정을 단순화하고 변위에 의한 각 센싱 커패시터의 용량 변화를 같게 하여 센서의 선형성을 높인 차동 용량형 압력센서의 제조 방법을 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는 두 개의 센싱 커패시터를 갖는 압력 센서에 있어서, 반도체 기판 상부면에 각각 소정 거리 이격되어 형성된외측전극, 제 1하부전극 및 제 2하부전극; 외측전극 및 제 1하부전극의 일측에 각각 수직으로 연결된 기둥; 및 외부전극의 기둥에 연결되며 제 1하부전극과 평행으로 배치된 제 1상부전극, 제 1하부전극의 기둥에 연결되며 제 2하부전극과 평행으로 배치된 제 2상부전극을 포함한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 장치는 두 개의 센싱 커패시터를 갖는 압력 센서에 있어서, 반도체 기판 상부면에 각각 소정 거리 이격되어 형성된 제 1하부전극, 제 2하부전극, 제 3하부전극, 및 가운데전극; 제 2하부전극의 양측과 가운데 전극의 일측에 각각 수직으로 연결된 기둥; 제 2하부전극의 어느 한 기둥에 연결되며 제 1하부전극과 평행으로 배치된 제 1상부전극, 제 2하부전극의 다른 한 기둥에 연결되며 제 3하부전극과 평행으로 배치된 제 2상부전극, 및 가운데 전극의 기둥에 연결되며 제 2하부전극과 평행으로 배치된 제 3상부전극을 포함하고, 제 1하부전극과 제 3하부전극이 상호 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은 두 개의 센싱 커패시터를 갖는 압력 센서의 제조방법에 있어서, 반도체 기판 상부면에 적어도 2이상의 하부전극을 형성하는 단계; 하부전극이 형성된 기판 전면에 희생층을 형성하는 단계; 희생층에 하부전극의 일측이 개방되는 비아홀을 형성하는 단계; 비아홀에 매립된 기둥을 통해 하부전극에 연결되는 상부전극을 형성하되, 서로 이웃하는 좌측/우측 하부전극과 우측/좌측 상부전극이 연결되는 단계; 희생층을 제거하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 용량형 압력센서의 구조를 나타낸 도면,
도 2a 및 도 2b는 도 1의 압력센서에서 다이어프램의 예를 나타낸 수직 단면도들,
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 용량형 압력센서의 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차동 용량형 압력센서의 구조를 나타낸 도면,
도 5는 도 4의 압력센서의 수직 단면도,
도 6a 내지 도 6g는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차동 용량형 압력센서의 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
10 : 반도체 기판 8, 11 : 절연막
9 : 다이어프램 12 : 외측 전극
14, 102 : 제 1하부전극 16, 104 : 제 2하부전극
17 : 희생층 18, 20, 112, 114, 116 : 기둥
19, 109 : 비아홀 22, 118 : 제 1상부전극
24, 122 : 제 2상부전극 106 : 제 3하부전극
120 : 제 3상부전극
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다. 본 발명의 차동 용량형 압력 센서는 반도체 기판 표면에 두 개의 센싱 커패시터를 좌우로 배치하여 1층의 희생층을 사용하는 구조이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 용량형 압력센서의 구조를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 차동 용량형 압력센서는 반도체 기판(10) 상부면에 각각 소정 거리 이격되어 형성된 외측전극(12), 제 1하부전극(14) 및 제 2하부전극(16)을 포함한다. 외측전극(12) 및 제 1하부전극(14)의 일측에 각각 수직으로 연결된 기둥(18, 20)을 포함한다. 외부전극(12)의 기둥(18)에 연결되며 제 1하부전극(14)과 평행으로 배치된 제 1상부전극(22)과 제 1하부전극(14)의 기둥(20)에 연결되며 제 2하부전극(16)과 평행으로 배치된 제 2상부전극(24)을 포함한다. 그리고, 본 발명의 차동 용량형 압력센서는 반도체 기판(10)의 상부 표면에 형성된 절연막(11)을 더 포함한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 차동 용량형 압력센서에서는 제 1하부전극(14)과 제 2상부전극(24)이 기둥(20)에 의해 연결되어 있어 두 개의 센싱 커패시터(C1, C2)가 기판에 좌/우 대칭적으로 배치되어 있는 구조로 이루어진다. 그러므로, 압력에 의해 제 1하부전극(14)과 제 2상부전극(24)이 함께 움직여서 두 개의 센싱 커패시터의 변위가 동일해 진다.
그리고, 본 발명에서는 각 센싱 커패시터(C1, C2)의 상/하부전극간 거리가 동일해야 하는데, 감도를 높이기 위해서는 희생층의 두께를 수 um이하로 얇게 하여 센싱 커패시터의 용량을 높일 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 압력센서에서 다이어프램의 예를 나타낸 수직 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 차동 용량형 압력센서는 반도체 기판(10)의 하부면에서 제 1하부전극(14)에 대응하는 기판의 소정 두께가 제거된 다이어프램(9)을 더 포함한다. 여기서, 다이어프램(9)의 형태는 트렌치로 기판이 식각된 것이다. 이에 다이어프램(9)은 압력에 의해 변형이 일어난다. 미설명된 도면부호 8은 절연막이다.
그리고, 본 발명의 차동 용량형 압력센서는 변형이 일어나는 다이어프램(diaphragm)(9) 위에 어느 한 커패시터(C1)를 배치하고 변형이 일어나지 않는 벌크 기판(10) 위에 다른 하나의 커패시터(C2)를 배치하는 것이 바람직하다. 이에, C1의 제 1하부전극(14)이 움직이면 C2의 제 2상부전극(24)이 같이 움직여서 압력에 의한 두 개의 센싱 커패시터 변위가 동일하게 된다.
다음 수학식 1과 2는 두 개의 센싱 커패시터(C1, C2)의 정전용량을 나타낸 것이다.
여기서, C10, C20은 각 센싱 커패시터의 정전용량,d 0 은 상/하부전극 사이의 거리, A는 전극의 단면적, ε은 유전율을 나타낸 것이다. 그러므로, C10과 C20이 같다.(결국 오프셋(offset)은 0이 된다)
δ 만큼 두 개의 센싱 커패시터(C1, C2)에서 변위가 일어나면, 두 개의 커패시터의 용량 차이는 다음 수학식 3과 같다.
상기 수학식 3에서조건이면, 두 센싱 커패시터(C1, C2)의 정전용량 차이(△C)는 다음 수학식 4와 같다.
즉, 두 센싱 커패시터(C1, C2)의 정전용량 차이는 다이어프램(9)에 인가되는 압력에 비례한다.
또한, 도 2b를 참조하면 본 발명에 따른 차동 용량형 압력센서는 다이어프램(9)을 센터-보스(center-boss)가 있는 구조(10a)로 할 수 있는데, 이는 제 1하부전극(14)쪽 기판이 돌출되고 그 주변이 함몰된 형태로 식각된 형태이다. 만약 다이어프램(9)의 두께가 일정하면(도 2a 참조), 제 1하부전극(14) 아래의 가운데 돌출 부분이 불룩하게 올라와 산처럼 되기 때문에 C1의 하부전극(14)의 변위와 C2의 상부전극(24)의 변위가 같게 되지 않는다. 따라서, C1의 하부전극(14) 아래는 변위가 일어나지 않도록 실리콘 식각시 제 1하부전극(14) 아래의 벌크 실리콘을 남긴다. 이때, C1의 제 1하부전극(14)은 센터-보스의 범위(10a)를 벗어나지 않도록 해야한다.
그러므로, 본 발명에 따른 차동 용량형 압력센서는 센터-보스 구조(10a)의 다이어프램(9)에 압력이 인가되는 정도에 따라 다이어프램(9)에서 변위가 발생하면 두 센싱 커패시터(C1, C2)의 전극 거리 변화를 감지하여 압력을 측정할 수 있다.
본 발명에서는 다이어프램(9) 위에 형성된 C1의 경우 압력이 인가됨에 따라 상/하부 전극간 거리(d 0 )가 감소하여 정전용량(C10)이 증가하며 동시에 다이어프램(9) 주변부에 형성된 C2의 경우 상/하부 전극간의 거리(d 0 )가 증가하여 정전용량(C20)이 감소하게 된다. 만약 스위치 커패시터회로를 적용한 C-V 컨버터로 본 발명의 차동 용량형 압력센서에서 구해진 신호를 증폭하면, C1과 C2의 정전 용량 차이(△C)에 비례하는 출력전압(Vout)을 구할 수 있다.
여기서, Ag는 회로의 이득이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 용량형 압력센서의 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도이다. 상기 도면에서 좌측은 압력센서의수직 단면도들이고, 우측은 압력센서의 평면도들이다. 이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 용령형 압력센서의 제조 공정은 다음과 같다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10)의 상부 표면과 하부 표면에 각각 절연막(11, 8)을 형성한다. 여기서, 각 절연막(11, 8)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막이고, 기판의 식각시 보호층으로 역할을 한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 절연막(11)이 형성된 반도체 기판(10) 상부면에 각각 소정 거리 이격된 외측전극(12), 제 1하부전극(14) 및 제 2하부전극(16)을 형성한다. 이때, 외측전극(12)과 제 1 및 제 2하부전극(14)은 도전체 물질, 예를 들어 폴리실리콘, 금속 및 그의 산화물을 이용할 수 있다.
이어서 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 결과물 전면에 희생층(17)을 형성한다. 이때 희생층(17)의 두께는 커패시터의 전극간 거리를 조정해서 결정한다. 희생층(17)은 커패시터의 전극 물질에 따라 선택하여야 하는데, 주로 실리콘 산화막 등의 절연박막 또는 금속박막, 폴리머 박막 등을 이용할 수 있다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 희생층(17)에 외측전극(12) 및 제 1하부전극(14)의 일측이 개방되는 비아홀(19)을 형성한다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 비아홀(19)이 형성된 희생층(17)에 도전체 물질을 증착하고 이를 패터닝하여 제 1상부전극(22) 및 제 2상부전극(24)을 형성한다. 비아홀(19)에 매립된 도전물질은 기둥(18, 20)이 된다. 본 발명에서는, 서로 이웃하는 좌측/우측 하부전극과 우측/좌측 상부전극이 연결되는 바, 제 1상부전극(22)은 외측 전극(12)에 연결되고, 제 2상부전극(24)은 제 1하부전극(14)에 연결된다.그리고, 제 1상부전극(22)은 제 1하부전극(14)과 평행으로 배치되고, 제 2상부전극(24)은 제 2하부전극(16)과 평행으로 배치된다. 여기서, 상부전극 및 기둥의 도전체 물질도 폴리실리콘, 금속 및 그의 산화물을 이용할 수 있다.
본 발명의 상부전극 제조 공정에서는 상부전극을 이루는 막의 잔류 응력을 최소화하는 것이 중요하다. 그 이유는 상부전극을 이루는 막의 잔류 응력이 큰 경우 이로 인해 상부전극이 휘어지게 되고 커패시터간의 용량차가 발생하게 된다. 그러므로, 본 발명에서는 상부 전극의 제조 공정시 상부전극의 강도를 높이기 위해서 도전체의 증착 두께를 키우는데 전기도금을 이용할 수 있다.
이어서 도 3f에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10)의 하부면에 제 1하부전극(14)과 대응하는 기판의 소정 두께가 제거된 다이어프램(9)을 형성한다. 본 실시예에서는 기판(10)의 하부면에 있는 절연막(8)을 패터닝하고 그 절연막(8)에 의해 드러난 기판을 소정 깊이만큼 트렌치 형태로 식각하여 다이어프램(9)을 형성한다. 또한, 도 2b와 같이 다이어프램(9)의 형태를 센터-보스 구조로 형성할 수도 있다.
그리고나서 도 3g에 도시된 바와 같이, 희생층(17)을 건식 또는 습식 식각 공정으로 제거함으로써 차동 용량형 압력센서의 센싱 커패시터를 완성한다. 상기 희생층(17)의 제거가 잘 되도록 제 1 및 제 2상부 전극(22, 24)에 식각 구멍을 여러 개 형성할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차동 용량형 압력센서의 구조를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 차동 용량형 압력센서는 두 개의 센싱 커패시터를 좌우로 배치함에 있어서, 어느 하나의 센싱 커패시터를 2개로 분리한 구조를 갖는다.
본 실시예의 차동 용량형 압력센서는 반도체 기판(10) 상부면에 각각 소정 거리 이격되어 형성된 제 1하부전극(102), 제 2하부전극(104), 제 3하부전극(106), 및 가운데전극(108)을 포함한다. 제 2하부전극(104)의 양측과 가운데 전극(108)의 일측에 각각 수직으로 연결된 기둥(112, 114, 116)을 포함한다. 제 2하부전극(104)의 어느 한 기둥(112)에 연결되며 제 1하부전극(102)과 평행으로 배치된 제 1상부전극(118), 가운데 전극(108)의 기둥(114)에 연결되며 제 2하부전극(104)과 평행으로 배치된 제 2상부전극(120), 및 제 2하부전극(104)의 다른 한 기둥에 연결되며 제 3하부전극(106)과 평행으로 배치된 제 3상부전극(122)을 포함한다. 여기서, 제 1하부전극(102)과 제 3하부전극(106)이 전기적으로 연결되는 본딩 패드(105)에 의해 상호 연결되어 있다. 그리고 반도체 기판의 상부 표면에 형성된 절연막(11)을 더 포함한다. 미설명된 본 실시예에서 도면 부호 110은 제 2하부전극(104)과 제 3상부전극(122)의 본딩 패드를 나타낸 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 차동 용량형 압력센서에 있어서, 상기 제 1 내지 제 3하부전극들(102, 104, 106)은 일렬로 배열되고, 가운데 전극(108)은 제 2하부전극(104)에 이웃하도록 하며 상기 하부전극들(102, 104, 106)의 배열에 교차되게 배치함이 바람직하다.
도 5는 도 4의 압력센서의 수직 단면도이다.
도 5를 참조하면, 다른 실시예에 따른 차동 용량형 압력센서는 플로팅되어있는 상부전극이 넓을수록 공정 및 구조적으로 불리하기 때문에 두 개의 센싱 커패시터(C1, C2)중에서 어느 하나의 커패시터(C2)를 2개로 분리(,)하였다. 즉, 한 센싱 커패시터(C1)는 제 2하부전극(104)과 제 2상부전극(120)으로 이루어지지만, 다른 한 센싱 커패시터(C2)는 제 1하부전극(102)과 제 1상부(102), 제 3하부전극(106)과 제 3상부전극(122)으로 분리(,)하여 C2의 좌/우에 배치하였다. C2의 제 1상부전극(118)과 제 3상부전극(122)은 각각 제 2하부전극(104)의 좌/우측에 연결되어 안정된 구조를 갖는다. 그리고 제 1하부전극(102)과 제 3하부전극(106)의 폭(W2)은 제 2하부전극(104) 폭(W1)의 1/2이다. 즉, W1=2W2이다.
그러므로, 다른 실시예에 따른 차동 용량형 압력센서는 플로팅되어 있는 제 1 및 제 3상부전극(118, 122)의 크기가 상술한 일 실시예의 상부전극보다 줄어들게 된다. 그리고, 좌우에 배치된 상부전극과 하부전극을 서로 연결하는 기둥(112, 114, 116)의 면적을 늘렸다. 이에 따라 상기 압력센서의 상부 전극이 종전보다 충격을 덜 받고 희생층 제거 등과 같은 공정 중에서 상/하부 전극이 협착되는 경우가 줄어들게 된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에서도 상술한 일실시예와 마찬가지로, 차동 용량형 압력센서가 반도체 기판(10)의 하부면에서 제 2하부전극(104)에 대응하는 기판의 소정 두께가 제거된 다이어프램(9)을 포함한다. 바람직하게는, 다이어프램(9)을 센터-보스(center-boss)가 있는 구조(10a)로 한다.
도 6a 내지 도 6g는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차동 용량형 압력센서의제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도이다. 상기 도면에서 좌측은 압력센서의 수직 단면도들이고, 우측은 압력센서의 평면도들이다. 이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 차동 용령형 압력센서의 제조 공정은 다음과 같다.
먼저, 도 6a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10)의 상부 표면과 하부 표면에 각각 절연막(11, 8)을 형성한다. 여기서, 각 절연막(11, 8)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막이고, 기판의 식각시 보호층으로 역할을 한다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 절연막(11)이 형성된 반도체 기판(10) 상부면에 각각 소정 거리 이격된 제 1하부전극(102), 제 2하부전극(104) 및 제 3하부전극(106)과 가운데 전극(108) 등을 형성한다. 이때, 상기 하부전극들(102, 104, 106) 및 가운데 전극(108)은 도전체 물질, 예를 들어 폴리실리콘, 금속 및 그의 산화물을 이용할 수 있다.
이어서 도 6c에 도시된 바와 같이, 상기 결과물 전면에 실리콘 산화막 등의 절연박막 또는 금속박막, 폴리머 박막 등을 이용하여 희생층(107)을 형성한다.
도 6d에 도시된 바와 같이, 희생층(107)에 제 2하부전극(104)의 양측과 가운데 전극(108)의 일측이 개방되는 비아홀(109)을 형성한다.
도 6e에 도시된 바와 같이, 비아홀(109)이 형성된 희생층(107)에 도전체 물질을 증착하고 이를 패터닝하여 제 1상부전극(118), 제 2상부전극(120), 및 제 3상부전극(122)을 형성한다. 이때 비아홀(109)에 매립된 도전체 물질은 기둥(112, 114, 116)이 된다. 여기서, 상부전극들(118, 120, 122) 및 기둥(112, 114, 116)의도전체 물질도 폴리실리콘, 금속 및 그의 산화물을 이용할 수 있다.
이어서 도 6f에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10)의 하부면에 제 2하부전극(104)과 대응하는 기판의 소정 두께가 제거된 다이어프램(9)을 형성한다. 본 실시예에서는 기판(10)의 하부면에 있는 절연막(8)을 패터닝하고 그 절연막(8)에 의해 드러난 기판을 소정 깊이만큼 트렌치 형태로 식각하여 다이어프램(9)을 형성한다. 또한, 도 2b와 같이 다이어프램(9)의 형태를 센터-보스 구조로 형성할 수도 있다.
그리고나서 도 6g에 도시된 바와 같이, 희생층(107)을 건식 또는 습식 식각 공정으로 제거함으로써 본 발명의 다른 실시예에 따른 차동 용량형 압력센서의 센싱 커패시터를 완성한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 두 개의 센싱 커패시터를 좌/우로 배치한 차동 용량형 압력센서에 의해서 1층의 희생층을 사용할 수 있어 제작 공정이 용이하다.
그리고, 본 발명은 두 개의 센싱 커패시터의 상/하부 전극간 간격을 같게 하므로 초기 용량의 오프셋을 최소화하는데 유리하고 이로 인해, 변위에 의한 두 센싱 커패시터의 용량변화가 같기 때문에 압력 센서의 비선형 특성을 개선할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이가능하다.

Claims (10)

  1. 두 개의 센싱 커패시터를 갖는 압력 센서에 있어서,
    반도체 기판 상부면에 각각 소정 거리 이격되어 형성된 외측전극, 제 1하부전극 및 제 2하부전극;
    상기 외측전극 및 제 1하부전극의 일측에 각각 수직으로 연결된 기둥; 및
    상기 외부전극의 기둥에 연결되며 상기 제 1하부전극과 평행으로 배치된 제 1상부전극, 상기 제 1하부전극의 기둥에 연결되며 상기 제 2하부전극과 평행으로 배치된 제 2상부전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 차동 용량형 압력 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 기판의 상부 및 하부 표면에 형성된 절연막과, 상기 반도체 기판의 하부면에서 상기 제 1하부전극에 대응하는 기판의 소정 두께가 제거된 다이어프램을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차동 용량형 압력센서.
  3. 두 개의 센싱 커패시터를 갖는 압력 센서에 있어서,
    반도체 기판 상부면에 각각 소정 거리 이격되어 형성된 제 1하부전극, 제 2하부전극, 제 3하부전극, 및 가운데전극;
    상기 제 2하부전극의 양측과 상기 가운데 전극의 일측에 각각 수직으로 연결된 기둥;
    상기 제 2하부전극의 어느 한 기둥에 연결되며 상기 제 1하부전극과 평행으로 배치된 제 1상부전극, 상기 제 2하부전극의 다른 한 기둥에 연결되며 상기 제 3하부전극과 평행으로 배치된 제 3상부전극, 및 상기 가운데 전극의 기둥에 연결되며 상기 제 2하부전극과 평행으로 배치된 제 2상부전극을 포함하고,
    상기 제 1하부전극과 제 3하부전극이 상호 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 차동 용량형 압력센서.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 하부전극들은 일렬로 배열되고, 상기 가운데 전극은 상기 제 2하부전극에 이웃하도록 하며 상기 하부전극들에 교차되게 배치한 것을 특징으로 하는 차동 용량형 압력센서.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 제 1하부전극과 제 3하부전극의 폭은 각각 제 2하부전극의 1/2인 것을 특징으로 하는 차동 용량형 압력센서.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 반도체 기판의 상부 및 하부 표면에 형성된 절연막과, 상기 반도체 기판의 하부면에서 상기 제 2하부전극에 대응하는 기판의 소정 두께가 제거된 다이어프램을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차동 용량형 압력센서.
  7. 제 2항 또는 제 6항에 있어서, 상기 다이어프램의 형태는 트렌치 형태로 식각되거나, 상기 제 1하부전극쪽 기판이 돌출되고 그 주변이 함몰된 형태로 식각된 것을 특징으로 하는 차동 용량형 압력센서.
  8. 두 개의 센싱 커패시터를 갖는 압력 센서의 제조방법에 있어서,
    반도체 기판 상부면에 적어도 2이상의 하부전극을 형성하는 단계;
    상기 하부전극이 형성된 기판 전면에 희생층을 형성하는 단계;
    상기 희생층에 상기 하부전극의 일측이 개방되는 비아홀을 형성하는 단계;
    상기 비아홀에 매립된 기둥을 통해 상기 하부전극에 연결되는 상부전극을 형성하되, 서로 이웃하는 좌측/우측 하부전극과 우측/좌측 상부전극이 연결되는 단계; 및
    상기 희생층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차동 용량형 압력센서의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 반도체 기판의 상부 표면과 하부 표면에 각각 절연막을 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 하부면에서 상기 중앙에 위치한 하부전극에 대응하는 기판의 소정 두께가 제거된 다이어프램을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차동 용량형 압력센서의 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 다이어프램을 형성하는 단계는 상기 하부 전극들의 중앙 부위를 트렌치 형태로 식각하거나, 상기 제 2하부전극쪽 기판이 돌출되고 그 주변이 함몰된 형태로 식각하는 것을 특징으로 하는 차동 용량형 압력센서의 제조 방법.
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