KR0141765B1 - 초전박막소자 및 그의 제조방법 - Google Patents

초전박막소자 및 그의 제조방법

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Abstract

본 발명은 초전박막소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 종래 초전박막소자 제조공정에 있어 적외선흡수층인 상부전극은 MgO단 결정기판을 에칭한 후에만 형성이 가능하다.
따라서, MgO단결정기판의 에칭시 초전박막도 에칭용액에 의해 노출되어 초전박막의 표면도 에칭될 수 있으며, 또한 제조공정이 복잡하여 공정수가 많아지기 때문에 센서제조시 생산수율이 저하될 수 있고, 기판을 가격이 비싼 MgO단결정기판을 사용하므로 센서의 제조단가가 높아지는 문제점이 있었다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 집적화가 가능한 실리콘기판상에 하부전극으로 사용하는 백금박막을 (111)면으로 에피택셜 성장한 다음 그 위에 티탄산아연계의 초전박막도 (111)면으로 에피택셜성장시켜 센서의 감도와 성능을 향상시키도록 하는 초전박막소자 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.

Description

초전박막소자 및 그의 제조방법
제1도는 종래 초전박막소자의 단면구조도.
제2도는 (a) 내지 (f)는 제2도에 대한 제조공정도.
제3도는 본 발명 초전박막소자의 단면구조도.
제4도의 (a) 내지 (d)는 제3도에 대한 제조공정도.
제5도는 본 발명에 있어, (111)면으로 성장한 초전박막(14)의 X-선 회절분석 패턴도.
제6도는 본 발명 초전박막소자의 다른 단면구조도.
제7도는 본 발명에 있어 하부전극(13) 두께와 초전박막(14)의 (111)면 배향율관계도.
제8도는 본 발명 초전박막소자에 있어 주파수에 따른 적외선 출력특성도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11:실리콘기판12:SiO2막
13:하부전극14:초전박막
15:상부전극16:상부전극패드
17:하부전극패드
본 발명은 집적화가 가능한 실리콘기판을 이용하여 고성능의 인체감지용 적외선 센서인 초전박막소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 실리콘기판상에 티탄산아연계 초전박막과 그의 하부전극을 에피택셜(Epitaxial)성장시켜 센서의 감도와 성능을 향상시키도록 한 초전박막소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
제1도는 종래 초전박막소자의 단면구조도로서, 이에 도시한 바와 같이 제2폴리이미드막(6) 위에 하부전극(5)이 형성되고, 그 하부전극(5) 위에 콘택홀이 형성된 제1폴리이미드막(3)이 형성되며, 상기 제1폴리이미드막(3) 중앙에 초전박막(2)이 패턴형성되고, 그 초전박막(2) 위에 상부전극(9)이 형성되며, 제2폴리이미드막(6)과 센서기판(8)이 접착제(7)로 접착되고, 상기 콘택홀(4)에 의해 노출된 상기 하부전극(5)과 상부전극(9)이 도전성페이스트(10)로 연결되어 구성되는 것으로, 이의 제조방법을 첨부한 제2도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
제2도의 (a) 내지 (f)는 종래 초전박막소자의 제조공정도로서, 제2도의 (a)에 도시된 바와 같이 (100)MgO단결정기판(1) 위에 고주파마그네트론 스퍼터링방법으로 C축 배향성이 높게 PbTiO3계의 초전박막(2)을 형성하고, 제2도의 (b)와 같이 그 초전박막(2) 위에 콘택홀(4)이 형성되도록 제1폴리이미드막(3)을 형성한 다음 상기 초전박막(2) 위의 제1폴리이미드막(3)을 제거하고, 상기 제1폴리이미드막(3) 위에 열증착방법으로 니켈-크롬(Ni-Cr)박막을 증착한 후 패터닝하여 하부전극(5)을 형성한다.
이 후, 제2도의 (c)에 도시된 바와 같이 기계적 보강을 위하여 상기 하부전극(5) 위에 제2폴리이드막(6)을 증착한 다음 이를 제2도의 (d)와 같이 접착제(7)를 이용해 센서기판(8)에 접착한다.
다음으로 제2도의 (e)에 도시된 바와같이 (100)MgO단결정기판(1)을 인산(H3PO4)용액으로 상기 초전박막(2)의 표면이 노출될 때까지 완전히 제거한다.
이 후, 제2도의 (f)와 같이 (100)MgO단결정기판(1)의 에칭에 의해 노출된 상기 초전박막(2) 표면에 적외선흡수전극으로 사용되는 니켈-크롬(Ni-Cr)박막을 증착하여 상부전극(9)을 형성한 다음 그 상부전극(9)을 상기 하부전극(5)과 연결하기 위하여 도전성페이스트(10)로 인쇄하여 상기 콘택홀(4)과 연결시킴으로써 종래 초전박막소자를 제조한다.
이와같이 제조된 초전박막소자를 임피던스(Impedence)변환회로소자가 구성된 회로기판에 실장하고, 윈도우(window)에 적외선필터가 붙어있는 팩키지(package)에 밀봉하여 박막적외선센서를 제작하였다.
그러나 상기와 같이 제조되는 초전박막소자에 있어 적외선흡수층인 상부전극은 MgO단결정기판을 에칭한 후에만 형성이 가능하다.
따라서, MgO단결정기판의 에칭시 초전박막도 에칭용액에 의해 노출되어 초전박막의 표면도 에칭될 수 있으며, 또한 제조공정이 복잡하여 공정수가 많아지기 때문에 센서제조시 생산수율이 저하될 수 있고, 기판을 가격이 비싼 MgO단결정기판을 사용하므로 센서의 제조단가가 높아지는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 집적화가 가능한 실리콘기판상에 하부전극으로 사용하는 백금박막을 (111)면으로 에피택셜 성장한 다음 그 위에 티탄산아연계의 초전박막도 (111)면으로 에피택셜성장시켜 센서의 감도와 성능을 향상시키도록 하는 초전박막소자 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 멤브레인 구조의 기판위에 SiO2막이 형성되고, 상기 SiO2막 위에 하부전극이 형성되며, 상기 하부전극 위에 초전박막이 형성되고, 상기 초전박막 위에 상부전극이 형성되며, 상기 상부전극 위에 상부전극패드가 형성되어 구성된다.
또한 본 발명은 멤브레인 구조의 기판 위에 SiO2막이 형성되고, 상기 SiO2막 위에 하부전극이 형성되며, 상기 하부전극 우에 하부전극패드가 형성되고, 그 하부전극패드 위에 초전박막이 형성되고, 상기 초전박막 위에 상부전극이 형성되며, 상기 상부전극 위에 상부전극패드가 형성되어 구성된다.
한편, 본 발명은 기판상에 SiO2막을 성장시키는 공정과, 상기 SiO2막 위에 백금박막을 (111)면으로 에피택셜 성장시켜 하부전극을 형성하는 공정과, 상기 하부전극 위에 초전박막을 (111)면으로 성장시키는 공정과, 상기 초전박막 위에 상부전극을 형성하는 공정과, 상기 상부전극 위에 상부전극패드를 형성하는 공정과, 상기 초전박막이 형성된 상기 실리콘기판의 후면을 에칭하여 멤브레인 구조로 형성하는 공정으로 이루어지도록 구성하는 것으로, 이를 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
제3도는 본 발명 초전박막소자의 단면구조도로서, 이에 도시한 바와 같이 멤브레인 구조의 실리콘기판(11) 위에 SiO2막(12)을 형성하고, 상기 SiO2막(12) 위에 하부전극(13)을 형성하며, 상기 하부전극(13) 위에 초전박막(14)을 형성하고, 상기 초전박막(14) 위에 상부전극(15)을 형성하며, 상기 상부전극(15) 위에 상부전극패드(16)를 형성하여 구성한다.
이와 같이 구성한 본 발명 초전박막소자의 제조방법을 첨부한 제4도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
제4도의 (a) 내지 (d)는 본 발명 초전박막소자의 제조공정도로서, 제4도의 (a)에도시한 바와같이 표면에 SiO2막(12)이 형성되어 있는 경면연마된 (100)실리콘기판(11)상에 고주파마그네트론 스퍼터링(RF-Magnetron Sputtering)방법으로 기판온도 500~600℃에서 백금(Pt)박막을 증착하여 (111)면으로 에피택셜(Epitaxial) 성장한 하부전극(13)을 형성한 후 제4도의 (b)와 같이 상기 하부전극(13) 위에 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법으로 Pb1-XLa1-X(Zr0.8Ti0.2)O3박막(단, X=0~0.1)인 초전박막(14)을 1~4μm 정도의 두께가 되도록 그 초전박막(14)도 상기 하부전극(13)과 마찬가지로 (111)면으로 에피택셜 성장시키는데, 이 때, 상기 초전박막(14)인 Pb1-XLa1-X(Zr0.8Ti0.2)O3박막(단, X=0~0.1)박막을 (111)면으로 성장시키는 스퍼터링조건을 하기의 (표 1)에 나타내었다.
한편, 제5도는 상기 하부전극(13)과 그 위에 초전박막(14)이 (111)면으로 에피택셜 성장되었음을 보여주는 X-선 회절분석 패턴이다.
상기와 같이 초전박막(14)이 형성되면, 제4도의 (c)에 도시한 바와 같이 상기 초전박막(14) 위에 스퍼터링방법 또는 열증착방법으로 적외선흡수전극인 상부전극(15)을 형성한 후 그 상부전극(15) 위에 리프트오프(Lift-Off)방법으로 상부전극패드(16)를 형성한다. 여기서 상기 상부전극(14)은 적외선흡수율이 높은 니켈-크롬(Li-Cr) 또는 크롬(Cr)박막을 사용하며, 300~400Å 정도의 두께로 형성한다.
이와 같이 전면공정이 완료되면, 제4도의 (d)와 같이소자의 열적고림(Thermal Isolation) 즉, 초전체가 받은 열이 기판을 통하여 다른 곳으로 빠져나가지 않도록 하기 위해 초전박막(14)이 형성된 상기 실리콘기판(11)의 밑부분을 에칭용액(KOH)으로 에칭하여 상기 실리콘기판(11)이 2~3μm 두께의 멤브레인(Membrane) 구조를 갖도록 함으로써 본 발명 초전박막소자를 제조한다.
한편, 상기와 같이 초전박막소자 제조공정중에 하부전극(13)을 600Å 두께 이하로 얇게하여 형성하면 제6도에 도시한 바와 같이 그 하부전극(13)과 후 공정에 의해 형성될 초전박막(14) 사이의 양끝단에 하부전극패드(17)를 형성한다.
제7도는 하부전극(14)인 백금(Pt)박막의 두께에 따른 초전박막(14)의 (111)면 배향율을 나타낸 것으로, 도면에서 보는 바와 같이 상기 하부전극(13)의 두께가 얇을 수록 상기 초전박막(14)의 배향율은 높아진다.
그러나, 상기 백금박막의 두께가 200Å 이하로 되면 그 하부전극(13)이 섬(Island)모양으로 되기 때문에 도전성이 없어 전극으로의 이용가치가 없게 된다.
따라서, 하부전극(13)의 두께를 200~600Å으로 형성한다.
이후, 제4도와 마찬가지로 후 공정을 통하여 본 발명 초전박막소자를 제조한다.
상기와 같은 방법으로 초전박막소자가 제조되면(제1도, 제6도), 그 초전박막소자를 고저항,칩박막트랜지스터와 함께 팩키징하여 적외선감지센서를 제작한다.
이와 같은 적외선감지센서에 있어 적외선에 대한 전압감도(Voltage Response)를 측정하면, 초핑주파수(Chopping Frequency)에 따라 측정결과가 제8도와 같이 나타낸다.
한편, 본 발명 초전박막소자의 제조공정중 상기 초전박막(14)의 형성을 엠오씨브이디(Metal Organics Chemical Vapor Deposition:이하 MOCVD라 약칭함) 방법으로 형성한다.
즉, PbLa(ZrTi)O박막을 증착하기 위한 원료로는 Pb(DPM), La(DPM), Zr(DPM), Ti(DPM)(i-OCH)를 각각 Pb, La, Zr, Ti의 출발물질로 한 다음, 그 출발물질을 가열용기(Evaporator)로 증발(Evaporation)시키고, 이것을 운반가스(Carrier Gas)인 아르곤(Ar)가스에 혼합하여 기판이 설치되어 있는 반응챔버로 운송한다.
이와 같이 반응챔버로 운송된 혼합가스는 노즐을 통하여 가열되어 있는 기판에 증착하여 초전박막을 형성하게 되며, 이 때, 반응가스로 산소를 챔버 내에 흘려주게 된다.
상기와 같은 초전박막을 형성하는 MOCVD조건을 하기의 (표 2)에 도시하였다.
이와 같은 MOCVD방법은 스퍼터링방법에 비하여 대면적화가 용이하고 스텝커버리지(Step Coverage) 특성이 우수하다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은 실리콘기판에 하부전극을 (111)면으로 에피택셜 성장한 다음 그 위에 초전박막을 폴링축인 (111)면으로 성장시킴으로써, 높은 감도의 적외선센서의 제작을 가능하게 했을 뿐 아니라 기판에 의해 집적화가 용이하고 대량생산이가능하여 값싸고 고성능의 센서제작이 가능한 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 멤브레인 구조의 기판 위에 SiO2막을 형성하고, 상기 SiO2막 위에 하부전극을 형성하며, 상기 하부전극 위에 (111)면으로 에피택셜 성장된 Pb1-XLa1-X(Zr0.8Ti0.2)O3(X=0~0.1)박막의 초전박막을 형성하고, 상기 초전박막 위에 상부전극을 형성하며, 상기 상부전극 위에 상부전극패드를 형성하여 구성한 것을 특징으로 하는 초전박막소자.
  2. 제1항에 있어서, 기판은 (100)실리콘기판이 사용되는 것을 특징으로 하는 초전박막소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하부전극은 (111)면으로 에피택셜 성장된 백금박막인 것을 특징으로 하는 초전박막소자.
  4. 제1항에 있어서, 하부전극의 두께는 200~600Å인 것을 특징으로 하는 초전박막소자.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 하부전극의 두께가 200~600Å인 경우 상기 하부전극과 초전박막 사이의 끝단에 하부전극패드를 형성하는 것을 특징으로 하는 초전박막소자.
  6. 제1항에 있어서, 초전박막은 1~4μm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 초전박막소자.
  7. 실리콘기판상에 SiO2막을 형성하는 공정과, 상기 SiO2막 위에 (111)면으로 하부전극을 형성하는 공정과, 상기 하부전극 위에 (111)면으로 에피택셜 성장하여 초전박막을 형성하는 공정과, 상기 초전박막 위에 상부전극을 형성하는 공정과, 상기 상부전극 위에 상부전극패드를 형성하는 공정과, 상기 초전박막이 형성된 상기 실리콘기판의 후면을 에칭하여 멤브레인 구조로 형성하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전박막소자 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 하부전극은 200~600Å 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 초전박막소자 제조방법.
  9. 제7항에 있어서, 초전박막은 스퍼터링방법으로 형성되는 것을 특징으로하는 초전박막소자 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 스퍼터링방법은 하기의 조건을 만족하여 수행하는 것을 특징으로 하는 초전박막소자 제조방법.
  11. 제7항에 있어서, 초전박막은 MOCVD방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초전박막소자 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, MOCVD방법은 하기의 조건을 만족하여 수행하는 것을 특징으로 하는 초전박막소자 제조방법.
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