KR100983818B1 - 볼로미터용 저항재료, 이를 이용한 적외선 검출기용 볼로미터, 및 이의 제조방법 - Google Patents

볼로미터용 저항재료, 이를 이용한 적외선 검출기용 볼로미터, 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 볼로미터용 저항재료, 이를 이용한 적외선 검출기용 볼로미터, 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 볼로미터용 저항재료는 안티몬(Sb)에 질소(N), 산소(O) 및 저마늄(Ge)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소가 포함된 것이며, 이와 같은 저항재료는 우수한 특성, 즉, 높은 TCR, 낮은 비저항 및 낮은 잡음 상수을 갖고 있으며, CMOS 공정에서 일반적으로 사용하는 스퍼터링법을 통해 용이하게 박막으로 제조되어 비냉각형 적외선 검출기의 볼로미터에 저항체로서 이용될 수 있어, 적외선 검출기에 우수한 온도정밀도를 갖게 할 수 있다.

Description

볼로미터용 저항재료, 이를 이용한 적외선 검출기용 볼로미터, 및 이의 제조방법{Resistive Materials for Bolometer, Bolometer for Infrared Detector Using the Materials, and Method for Preparing the Same}
본 발명은 볼로미터용 저항재료, 이를 이용한 적외선 검출기용 볼로미터 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 안티몬계 화합물을 저항재료로 사용하고, 이를 저항체로 적용하여 우수한 온도정밀도를 갖는 적외선 검출기용 볼로미터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT 원천 사업의 일환으로 수행한 과제로부터 도출된 것이다[과제번호: 2006-S-054-04, 과제명: 유비쿼터스용 CMOS 기반 MEMS 복합센서 기술개발]
적외선 검출기는 동작원리에 따라 광자형(photon-type)과 열형(thermal -type)으로 구분되는데, 전자는 액체 질소 온도에서 동작하는 냉각형(cooled-type)인 반면, 후자는 상온에서 동작하는 비냉각형(uncooled-type)이다.
광자형 적외선 검출기는 수은카드뮴텔레륨(HgCdTe)과 같은 밴드갭이 작은 반도체 재료가 주로 중파장 적외선(Mid-Wave IR, 3-5 ㎛)을 흡수할 때 생성되는 전자-정공 쌍을 광전도체 (photoconductors), 광다이오드(photodiodes) 및 광축전기(photocapacitors) 방식으로 감지한다.
반면, 열형 적외선 검출기는 장파장 적외선(Long-Wave IR, 8-12 ㎛)을 흡수할 때 발생하는 열에 의한 온도 변화를 열기전(thermoelectric), 초전(pyroelectic) 및 볼로미터(bolometer) 방식으로 감지한다. 열형은 광자형 보다 적외선을 감지하는 정밀도가 낮은 단점이 있지만, 냉각장치가 필요하지 않으므로 크기가 작고, 전력의 소모가 적으며, 가격이 낮은 장점이 있어서 응용 범위가 넓다.
열형 적외선 검출기 중에서 볼로미터는 열기전 방식의 써모파일(thermopile) 보다 온도정밀도가 우수하고, 초전 방식의 파이로미터(phyrometer)와는 달리 초퍼(chopper)와 같은 부대 장치가 불필요하여 가장 널리 사용된다.
볼로미터는 물체의 적외선 흡수에 따른 온도 증가를 저항 변화로 감지하는데, 물체가 금속인 경우 온도 증가에 따라 저항이 증가하지만, 반도체인 경우는 온도 증가에 따라 저항은 감소한다. 볼로미터용 재료로는 티타늄(Ti)과 같은 금속을 일부 사용하기도 하지만, 비정질 실리콘(a-Si), 산화바나듐(VOx), 산화티타늄(TiOx)과 같은 반도체를 주로 사용한다. 반도체는 금속보다 TCR이 높아서 볼로미터용 저항재료로 적합하기 때문이다.
우수한 볼로미터용 저항재료는 높은 TCR(Temperature Coefficient of Resistance) 이외에 낮은 비저항(resistivity), 낮은 잡음상수, CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 공정과의 호환성 등의 특성을 고루 갖추어야 한다.
그러나, 이와 같은 볼로미터용 저항재료는 다음과 같은 단점을 갖는다. 예를 들어, Ti는 TCR이 0.25 %로 매우 낮은 단점이 있으며, a-Si은 TCR이 2.5 %/K로 높고, 반도체 공정에서 통상적으로 사용하는 플라즈마 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법에 의해 안정된 특성을 갖는 박막을 쉽게 증착할 수 있는 장점이 있지만, 비저항이 86 Ω·㎝로 높은 단점이 있다. 또한, VOx은 TCR이 3 %/K 로 높고, 비저항도 0.4 Ω·㎝로 낮은 장점이 있지만, 안정된 박막 증착을 위해서는 이온빔스퍼터링(Ion Beam Sputtering)과 같은 특수한 장비와 정교한 공정이 요구되는 단점이 있다. 그리고, TiOx는 TCR이 2.1 %/K, 비저항이 1 Ω·㎝로 산화바나듐 보다 특성이 약간 떨어지는 단점이 있지만, 통상적인 스퍼터링법으로 비교적 쉽게 안정된 박막을 증착할 수 있는 장점이 있다.
상기 이외에 아래와 같은 다른 볼로미터용 재료들이 개발되었으나, CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 공정과의 호환성, 박막 증착공정의 용이성, 특성 안정성 등의 특성이 좋지 않은 문제점이 여전히 과제로 남아 있다. 예를 들면, YBa0.4Cu2.4O4.6는 TCR이 ~2.7 %/K, 비저항 8Ω·㎝의 비교적 우수한 특성을 갖지만 CMOS 공정과의 호환성이 좋지 않으며, RExM1-xMnyOd(RE: Y 및 란타넘족, M: Ca, Sr, Ba, Pb)의 일종인 La0.67Sr0.33MnOd 은 4 %/K의 높은 TCR을 갖지만, LaAlO3 단결정 기판 사용과 600 ℃ 이상의 높은 증착온도로 인하여 CMOS 공정과의 호환성이 좋지 않다.
이상의 결과들로부터 현재까지 개발된 여러 재료들 중에서 a-Si, VOx, TiOx가 볼로미터용 저항재료로 비교적 적합하지만, 모든 요구조건을 충족시키지는 못하며, 업계에서는 여전히 상기와 같은 요구조건을 충족시킬 수 있는 볼로미터용 저항재료에 대한 요구가 계속되고 있다.
따라서, 본 발명의 첫 번째 과제는 우수한 특성을 갖는 새로운 볼로미터용 저항재료를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 두 번째 과제는 우수한 특성을 갖는 새로운 볼로미터용 저항재료를 저항체로 적용한 적외선 감지기용 볼로미터를 제공하는 것이다.
본 발명의 세 번째 과제는 우수한 특성을 갖는 새로운 볼로미터용 저항재료를 저항체로 적용한 적외선 감지기용 볼로미터의 제조방법을 제공하는 것이다.
이에 본 발명은 상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여, 안티몬(Sb)에 질소(N), 산소(O) 및 저마늄(Ge)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소가 포함된 볼로미터용 저항재료를 제공한다. 본 발명에 따른 볼로미터용 저항재료에 있어서, 안티몬은 20 at% 이상의 범위 내에서 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 바람직한 저항재료로는 SbNx(0.03≤x≤0.25)의 조성을 갖는 안티몬 질화물, SbOy(0.02≤y≤0.15)의 조성을 갖는 안티몬 산화물, SbNxOy(0.02≤x+y≤0.25)의 조성을 갖는 안티몬 산화질화물, GexSb(0.1≤x≤0.8)의 조성을 갖는 저마늄 안티몬이 있다.
본 발명에 따른 볼로미터용 저항재료에 있어서, 전이금속이 30at% 이하로 더 포함되는 것이 바람직하며, 상기 전이금속으로는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W), 망간(Mn), 철(Fe) 및 코발트(Co)로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 적외선 검출기용 볼로미터에 있어서, 안티몬(Sb)에 질소(N), 산소(O) 및 저마늄(Ge)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소가 포함된 볼로미터용 저항재료로부터 형성된 저항체로 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기용 볼로미터를 제공한다.
본 발명에 따른 저항재료로부터 형성된 상기 저항체는 저항이 0.1 내지 10 MΩ이고, 저항의 온도계수(TCR)의 크기가 2 %/K 이상인 것이 바람직하며, 50 내지 100 ㎚의 두께를 갖는 박막인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 적외선 검출기용 볼로미터는 내부에 검출회로를 포함하는 반도체 기판과; 상기 반도체 기판 표면의 일부 영역에 형성된 반사막과; 상기 반사막의 양측에 소정 간격 이격되어 형성된 금속패드와; 상기 반사막의 표면으로부터 이격되어 상기 반도체 기판의 상부에 위치하는 저항체를 포함하는 센서 구조체를 포함하는 구조이며, 상기 센서 구조체는 보호막으로 둘러싸인 저항체를 포함한 적층체이며, 상기 반사막 상부에 위치하는 몸통부와, 상기 몸통부의 바깥 쪽에 상기 금속패드에 기계적 및 전기적으로 연결되는 고정부와, 몸통부와 고정부를 연결하는 지지팔을 포함한다.
본 발명에 따른 적외선 검출기용 볼로미터에서, 저항체의 상·하부에는 보호막, 전극 및 흡수층을 포함하고 있으며, 상기 보호막은 질화실리콘(Si3N4)이고, 상기 전극과 흡수층은 티타늄질화물(TiN)인 것이 바람직하다.
상기 세 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 적외선 검출기용 볼로미터를 제조하는 방법에 있어서, 볼로미터용 저항재료로부터 스퍼터링법을 통해 박막의 형태로 저항체를 형성하는 단계를 포함하는 적외선 검출기용 볼로미터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른, 적외선 검출기용 볼로미터의 제조방법은 내부에 검출회로가 형성된 반도체 기판 표면의 일부 영역에 반사막을 형성하고, 상기 반사막의 양측에서 소정 간격 이격하여 금속패드를 형성하는 단계; 상기 반사막과 금속패드를 포함하는 반도체 기판의 전면에 소정 두께의 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층의 상부에 저항체를 포함하는 센서 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 희생층을 제거하는 단계를 포함하며, 저항체를 형성하기 위한 상기 스퍼터링법은 직류(DC) 또는 초고주파(RF) 전원을 인가하는 반응성 스프터링 또는 독립된 타겟을 사용하는 코스퍼터링(co-sputtering)인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 안티몬에 질소(N), 산소(O) 및 저마늄(Ge)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함시킨 볼로미터용 저항재료는 우수한 특성, 즉, 높은 TCR, 낮은 비저항 및 낮은 잡음상수을 갖고 있으며, CMOS 공정에서 일반적으로 사용하는 스퍼터링법을 통해 용이하게 박막으로 제조되어 비냉각형 적외선 검출기의 볼로미터에 저항체로서 이용될 수 있어, 적외선 검출기에 우수한 온도정밀도를 갖게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 검출기용 볼로미터를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 검출기용 볼로미터를 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 검출기용 볼로미터의 제작과정을 모식적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 적외선 검출기용 볼로미터를 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 적외선 검출기용 볼로미터의 잡음을 측정한 결과이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 볼로미터를 320 X 240 어레이로 배열하여 제작한 QVGA(Quarter Video Graphics Array)급 적외선 검출기용 칩을 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 볼로미터를 320 X 240 어레이로 배열한 칩을 이용하여 제작한 QVGA급 적외선 검출기의 온도정밀도를 측정한 결과이다.
도 8은 종래의 a-Si 박막을 이용하여 제작된 적외선 검출기용 볼로미터의 잡음을 측정한 결과이다.
도 9는 종래의 a-Si 박막을 이용한 볼로미터를 320 X 240 어레이로 배열한 칩으로 제작한 QVGA급 적외선 검출기의 온도정밀도를 측정한 결과이다.
이하, 본 발명은 실시예를 참조하여 더욱 상세히 설명된다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 볼로미터용 저항재료는 안티몬(Sb)에 질소(N), 산소(O) 및 저마늄(Ge)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소가 포함된 볼로미터용 저항재료를 제공한다.
본 발명에 따른 볼로미터용 저항재료에 있어서, 상기 안티몬은 20at% 이상의 범위 내에서 포함되는 것이 바람직하다.
구체적으로 바람직한 저항재료로는 다음과 같다:
(ⅰ) SbNx(0.03≤x≤0.25)의 조성을 갖는 안티몬 질화물;
(ⅱ) SbOy(0.02≤y≤0.15)의 조성을 갖는 안티몬 산화물;
(ⅲ) SbNxOy(0.02≤x+y≤0.25)의 조성을 갖는 안티몬 산화질화물; 또는
(ⅳ) GexSb(0.1≤x≤0.8)의 조성을 갖는 저마늄 안티몬.
또한, 본 발명에 따른 안티몬(Sb)에 질소(N), 산소(O) 및 저마늄(Ge)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소가 포함된 볼로미터용 저항재료에는 전이금속이 30at% 이하로 더 포함될 수 있다. 이 경우, 전이금속으로는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W), 망간(Mn), 철(Fe) 및 코발트(Co)로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 볼로미터용 저항재료는 박막으로 형성되어 적외선 검출기의 볼로미터에 저항체로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 볼로미터용 저항재료는 스터퍼링 방법을 사용하여 박막으로 증착될 수 있으며, 스퍼터링 방법으로는 직류(DC) 또는 초고주파(RF) 전원을 인가하는 반응성 스퍼터링(reactive sputtering)법 또는 독립된 타겟을 사용하여 직류(DC) 또는 초고주파(RF) 전원을 인가하는 코스퍼터링(co-sputtering)법이 있다.
안티몬에 질소(N) 및/또는 산소(O)가 포함되는 박막을 증착하기 위해서는 이 분야의 일반적인 스터퍼링법이 사용될 수 있지만, 특히 직류(DC) 또는 초고주파(RF) 전원을 인가하는 반응성 스퍼터링(reactive sputtering)법이 사용되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 챔버에 질소(N2) 및/또는 산소(O2)가 혼합된 아르곤(Ar) 가스를 주입하고, 안티몬 타겟에 직류(DC) 또는 초고주파(RF) 전원을 인가하여 증착한다.
볼로미터용 저항재료로 이용하기 위해서 상기 박막의 두께는 50 내지 100 nm이고, 비저항이 0.5 내지 100 Ω·㎝ 이며, TCR의 크기가 2 %/K 이상인 것이 바람직하다. 이런 전기적 특성을 갖기 위해서 상기 박막의 조성은 SbNx(0.03≤x≤0.25), SbOy(0.02≤y≤0.15) 또는 SbNxOy(0.02≤x+y≤0.25)로 조절되는 것이 바람직하다.
안티몬 박막 내부에 함유되는 질소 및 산소의 함량은 반응성 스퍼터링법에 의한 박막 증착시 혼합가스의 비율, 즉 N2/Ar, O2/Ar 또는 (N2 + O2)/Ar로 조절한다. 동일 함량인 경우, 질소 보다는 산소를 첨가한 경우가 비저항이 더 크다. 이 경우, 증착 조건은 아르곤 가스 유량 20 내지 40 sccm, 질소 가스 유량 0 내지 40 sccm, 산소 가스 유량 0 내지 20 sccm, 챔버 압력 1 내지 5 mTorr, 안티몬 타겟에 인가하는 전력은 1 내지 3 W/cm2, 및 기판온도 25 내지 300 ℃ 인 조건에서 진행하는 것이 바람직하다.
상기 질소 및 산소가 첨가된 안티몬 박막은 후속 열처리 공정시 박막 내에 첨가된 질소 및 산소가 박막 외부로 방출(effusion)되어 전기적 특성이 열화(degradation)될 수 있다. 질소 및 산소가 첨가된 안티몬 박막의 열적 안정성을 향상시키기 위하여 저마늄(Ge) 또는 하나 이상의 전이금속(transition metal) 원소를 30 at % 이하로 추가할 수 있다. 이때 전이금속 원소는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 몰리브데늄(Mo), 텅스텡(W), 망간(Mn), 철(Fe) 또는 코발트(Co)이다.
또한, 안티몬에 저마늄(Ge)이 포함된 박막을 증착하기 위해서는 이 분야의 일반적인 스퍼터링법이 사용될 수 있지만, 특히 안티몬용 타겟과 저마늄(Ge)용 타겟이 독립적으로 사용되는 코스퍼터링법이 사용되는 것이 바람직하다. 구체적으로 챔버에 아르곤 가스를 주입한 후, 각각의 안티몬 타겟 및 저마늄 타겟에 독립적으로 직류 또는 초고주파 전원을 인가하여 증착한다. 볼로미터용 저항재료로 이용하기 위해서 상기 박막의 두께는 50 내지 100 nm이고, 비저항이 0.5 내지 100 Ω·㎝이며, TCR의 크기가 2 %/K 이상인 것이 바람직하다. 이런 전기적 특성을 갖기 위해서 상기 박막의 조성은 GexSb(0.1≤x≤0.8)로 조절되는 것이 바람직하다.
안티몬 박막 내부에 함유되는 저마늄의 함량은 코스퍼터링법에 의한 박막 증착시 안티몬 타겟에 인가하는 전력(PSb)에 대한 저마늄 타겟에 인가하는 전력(PGe)의 비율, 즉 PGe/PSb로 조절한다. 이 경우 증착조건은 아르곤(Ar) 유량 20 내지 40 sccm, 챔버 압력 1 내지 5 mTorr, 안티몬 타겟에 인가하는 전력 1 내지 3 W/cm2, 저마늄 타겟에 인가하는 전력 1 내지 12 W/cm2, 기판온도 25 내지 300℃ 인 조건에서 진행하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 검출기용 볼로미터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명이 일실시예에 따른 적외선 검출기용 볼로미터는 내부에 검출회로를 포함하는 반도체 기판(110)과; 상기 반도체 기판 표면의 일부 영역에 형성된 반사막(112)과; 상기 반사막(112)의 양측에 소정 간격 이격되어 형성된 금속패드(114)와; 상기 반사막의 표면으로부터 이격되어 있는 상기 반도체 기판의 상부에 위치하는 센서 구조체(130)을 포함하며, 상기 센서 구조체(130)는 안티몬에 질소(N), 산소(O) 및 저마늄(Ge)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소가 포함된 박막으로 이루어진 저항체(142)을 포함하여 상기 반사막(112) 상부에 위치하는 몸통부(a)와, 상기 몸통부의 바깥 쪽에 상기 금속패드(114)에 기계적 및 전기적으로 연결되는 고정부(c)와, 몸통부와 고정부를 연결하는 지지팔(b)을 포함한다.
상기 내부에 검출회로를 포함하는 반도체 기판(110)으로는 반도체 실리콘으로 이루어질 수 있으며, 기판(110) 내부에 포함된 검출회로는 일반적으로 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)인 것이 바람직하다.
상기 반도체 기판(110) 상의 반사막(112)과 상기 반사막(112)의 양측에 일정한 간격만큼 떨어진 금속패드(114)는 알루미늄(Al)으로 형성되는 것이 바람직하며, 이 경우 금속패드(114)는 내부에 형성된 검출회로와 연결된다.
상기 반사막(112)으로부터 이격되어 형성되는 센서 구조체(130)에서, 이격되어 형성된 공간(120)의 간격은 적외선 파장(λ)의 대략 1/4인 것이 바람직하다.
상기 센서 구조체(130)은 크게 1개의 몸통부(a), 2개의 지지팔(b) 및 2개의 고정부(c)로 구분될 수 있다. 상기 몸통부(a)는 제1 절연막(132), 전극(136) 및 흡수층(138), 제2 절연막(140), 저항체(142) 및 제3 절연막(144)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 또한, 지지팔(b)은 제1 절연막(132), 전극(136), 제2 절연막(140), 저항체(142) 및 제3 절연막(144)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 고정부(c)는 제1 절연막(132), 보조전극(134), 전극(136), 제2 절연막(140), 저항체(142) 및 제3 절연막(144)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 상기 고정부(c)는 기판(110) 표면에 형성된 금속패드(114)와 기계적 및 전기적으로 연결된다.
다시 말해, 상기 몸통부(a)는 반사막(112) 상에 공간(120)을 이루면서 배치되며, 상기 고정부(c)는 금속패드(114) 상에 형성되며, 지지팔(b)은 반사막(112)과 금속패드(114) 사이에 공간(120)을 이루며 배치되어 몸통부(a)와 고정부(c)를 연결시킨다.
상기 공간(120)은 적외선의 흡수가 최대가 되도록 하기 위한 것으로, 상기 공간의 간격을 결정하는 λ는 8-12 ㎛ 크기의 적외선 파장이다.
상기 제1, 제2 및 제3 절연막(132, 140, 144)은 질화실리콘(Si3N4)으로 형성되는 것이 바람직하며, 제1 절연막(132)은 50 내지 100nm, 제2 및 제3 절연막(140, 144)은 각각 20 내지 70nm 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 보조전극(134)은 알루미늄(Al)으로 형성되는 것이 바람직하며, 100 내지 300 nm 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 전극(136)은 티타늄 질화물(TiN)로 10 내지 30 nm 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 흡수층(138)은 티타늄 질화물(TiN)로 형성되어 적외선의 흡수가 최대화되도록, 바람직하게는 377±200Ω의 면저항(sheet resistance)을 갖도록 10 내지 30 nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 저항체(142)은 상기 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 볼로미터용 저항재료를 사용하여 박막으로 형성되며, 바람직하게는 50 내지 100 nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 볼로미터를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2를 참조하면, 센서 구조체(130)는 1개의 몸통부(a), 2개의 지지팔(b) 및 2개의 고정부(c)로 구분된다. 센서 구조체(130)의 몸통부(a)는 그 양끝에 연결된 지지팔(b)에 의해 고정부(c)를 통하여 기판에 고정된다. 이때, 지지팔(b)은 몸통부(a)로부터 일정한 공간(d)을 두고 가늘고 길게 형성되어 몸통부(a)에 적외선이 흡수되었을 때 발생하는 열이 기판으로 누설되는 것을 차단한다. 적외선 흡수에 따라 몸통부(a)의 온도가 증가하면 몸통부(a)의 저항체(142)의 저항이 감소하고, 이 저항 감소를 저항체(142)의 양끝에 형성된 2개의 전극(136)에 연결된 기판 내부의 검출회로로 감지한다.
도 2의 절취선(A-A')을 따라 절단하였을 때 도 1과 같은 단면도가 된다.
본 발명에 의한 볼로미터의 제조방법은 내부에 검출회로가 형성된 반도체 기판 표면의 일부 영역에 반사막을 형성하고, 상기 반사막의 양측에서 소정 간격 이격하여 금속패드를 형성하는 단계; 상기 반사막과 금속패드를 포함하는 반도체 기판의 전면에 적외선 파장(λ)의 1/4 두께의 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층의 상부에 안티몬에 질소(N), 산소(O) 및 저마늄(Ge)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소가 포함된 박막으로 이루어진 저항체를 포함하는 센서 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 희생층을 제거하는 단계를 포함한다.
도 3a 내지 도 3i은 본 발명의 일실시예에 의한 적외선 검출기용 볼로미터의 제작과정을 모식적으로 나타낸 모식도이다.
도 3a를 참조하면, 내부에 CMOS 검출회로(도시 안됨)가 포함된 실리콘 기판(110)을 준비한다. 이어서, 기판(110)의 표면에 반사막(112)과 반사막(112)의 양측에 일정한 간격만큼 이격된 금속패드(114)를 동시에 형성한다. 반사막(112)과 금속패드(114)는 알루미늄(Al)과 같이 표면 반사도 및 도전성이 우수한 물질로 이루어진다. 이때, 금속패드(114)는 상기 검출회로와 전기적으로 연결된다.
도 3b를 참조하면, 기판(110) 위에 희생층(122)을 형성하고, 소정영역을 식각하여 금속패드(114)를 노출시키는 홀(124)을 형성한다. 희생층(122)은 λ/4 에 해당하는 두께(d)를 갖도록 스핀코팅(spin-coating)으로 도포한 후, 300 내지 350℃에서 열경화(curing)하여 형성한다. λ는 적외선 파장으로 8 내지 12 ㎛크기를 갖는다.
하기 도 3c 내지 도 3h는 센서 구조체(130)를 형성하는 단계를 세분화하여 설명한다.
도 3c를 참조하면, 상기 희생층(122)과 홀(124)에 제1 절연막(132)을 질화실리콘(Si3N4)으로 형성하고, 소정영역을 식각하여 금속패드(114)를 노출시키는 홀(126)을 형성한다.
도 3d를 참조하면, 상기 홀(126) 영역에 보조전극(134)를 알루미늄(Al)으로 형성하여, 금속패드(114)와 전기적으로 연결한다.
도 3e를 참조하면, 전극(136) 및 흡수층(138)을 티타늄 질화물(TiN)로 동시에 형성한다. 이때, 전극(136)은 전기적으로 보조전극(134)과는 연결되는 반면, 흡수층(138)과는 분리된다.
도 3f를 참조하면, 제2 절연막(140)을 질화실리콘(Si3N4)으로 형성하고, 식각하여 전극(136)의 소정영역을 노출시키는 홀(128)을 형성한다.
도 3g를 참조하면, 저항체(142) 및 제3 절연막(144)을 순차적으로 형성한다. 이때, 저항체(142)는 안티몬에 질소(N), 산소(O) 및 저마늄(Ge)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소가 포함된 저항재료를 이용하여 직류(DC) 또는 교류(RF) 스퍼터링(sputtering)법을 통하여 박막으로 형성한다. 제3 절연막(144)은 질화실리콘(Si3N4)으로 플라즈마 화학증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법을 통하여 형성한다.
도 3h를 참조하면, 제3 절연막(144), 저항체(142), 제2 절연막(140) 및 제1 절연막(132)로 구성된 적층체(multi-layer)를 동시에 식각하여, 센서 구조체(130)의 몸통부 및 지지팔을 형성한다. 이때, 상기 저항층(142)과 그 위와 아래에 형성된 질화실리콘(Si3N4) 절연막(132,140,144)의 적층은 염소(Cl)를 포함하는 가스(예: BCl3, Cl2, CCl4)와 플루오린(F)를 포함하는 가스(예: SF6, CF4, CHF3, C2F2, CH3F)의 혼합가스를 이용한 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching)법으로 식각한다.
일례로 상기 저항체와 질화실리콘 절연막의 적층은 챔버에 BCl3 10 sccm, SF6 70 sccm, N2 20 sccm의 혼합가스를 주입하고, 압력을 30 mTorr로 조절한 후, RF 전력 2 W/cm2 를 인가하여 식각한다.
도 3i를 참조하면, 희생층(122)을 산소(O2)를 포함하는 혼합가스를 사용하는 플라즈마 연소(plasma ashing)법으로 제거한다. 이에 따라, 센서 구조체(130)의 몸통부는 반사막(112)의 상부에 희생층(122)의 두께(d)에 해당하는 공간(120)만큼 떨어져 위치한다.
상기 저항체의 증착 후, 열처리 공정시 저항이 변화할 수 있다. 이런 저항 변화는 볼로미터의 특성 불균일을 유발하므로 최소화하여야 한다. 이를 위하여 저항체 증착 이후의 공정, 즉 도 3g 내지 도 3i의 공정은 200 ℃이하에서 진행하는 것이 바람직하다.
실시예 1 내지 9
본 발명에 따라 질소(N) 및/또는 산소(O)가 첨가된 안티몬(Sb) 박막들을 각각 100 nm 질화실리콘(Si3N4)이 형성된 실리콘 단결정 기판에 80 내지 120 nm 두께로 증착한 후, 비저항 및 TCR 특성을 측정하였다. 상기 안티몬 화합물 박막은 챔버에 질소(N2) 및/또는 산소(O2)가 혼합된 아르곤(Ar) 가스를 주입하고, 안티몬 타겟에 직류(DC) 전원을 인가하는 반응성 스퍼터링법으로 증착하였다. 스퍼터링 조건에 따른 박막의 특성을 조사하여 하기 표 1에 정리하였다.
시편번호 스퍼터링 조건 박막 특성
가스 유량
(sccm)		 압력
(mTorr)		 기판온도
(℃)		 DC 전력
(W)		 조성*
(atom%)		 비저항
(Ω·cm)		 TCR 크기
(%/K)
1 O2/Ar=5/25 2.9 150 Sb=100 - 1.28 2.83
2 O2/Ar=8/25 3.1 150 Sb=100 - 9.66 3.19
3 O2/Ar=8/25 3.1 25 Sb=100 - 6.75 3.15
4 N2/Ar=20/20 3.4 300 Sb=100 Sb:N =95:5 7.81 2.91
5 N2/Ar=10/25 3.3 150 Sb=100 - 1.98 3.21
6 N2/Ar=15/25 3.6 150 Sb=100 Sb:N =91:9 9.39 3.38
7 N2/Ar=15/25 3.5 RT Sb=100 Sb:N =94:6 16.9 3.55
8 O2/N2/Ar=6/12/20 3.2 300 Sb=100 (Sb+0):N=96:4 68.6 3.47
9 O2/N2/Ar=4/7/25 3.4 150 Sb=100 - 7.10 3.29
10 O2/N2/Ar=3/6/25 3.2 25 Sb=100 (Sb+O):N=93:7 5.45 3.16
* 분석방법(XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy)의 특성상 Sb과 O의 단독 측정은 불가하고, 총량만 측정 가능
실시예 11 내지 17
상기 질소(N) 및/또는 산소(O)가 첨가된 안티몬(Sb) 박막에 저마늄(Ge) 또는 티타늄(Ti)이 추가된 안티몬계 박막들을 각각 100 nm 질화실리콘(Si3N4)이 형성된 실리콘 단결정 기판에 110 내지 150 nm 두께로 증착한 후, 비저항 및 TCR 특성을 측정하였다. 상기 안티몬계 박막은 챔버에 질소(N2) 및 산소(O2)가 혼합된 아르곤(Ar) 가스를 주입하고, 안티몬 타겟 및 저마늄 또는 티타늄 타겟에 직류(DC) 전원을 독립적으로 인가하는 반응성 코스퍼터링법으로 증착하였다. 스퍼터링 조건에 따른 박막의 특성을 표 2에 정리하였다.
시편
번호		 스퍼터링 조건 박막 특성
가스 유량
(sccm)		 압력
(mTorr)		 기판
온도
(℃)		 DC 전력
(W)		 조성*
(atom%)		 비저항
(Ω·cm)		 TCR 크기
(%/K)
11 N2/Ar=10/25 3.4 300 Sb/Ge=100/25 Sb:Ge:N=
82:11:7		 7.46 2.48
12 O2/N2/Ar=2/4/25 3.1 25 Sb/Ge=100/25 (Sb+0):Ge:N=
80:15:5		 10.7 3.16
13 O2/N2/Ar=6/12/25 3.7 300 Sb/Ge=100/25 (Sb+O):Ge:N=
81:14:5		 43.0 3.20
14 O2/N2/Ar=3/6/25 3.2 25 Sb/Ti=100/25 (Sb+O):Ti:N=
90:8:2		 49.1 3.65
15 O2/N2/Ar=2/4/25 3.0 25 Sb/Ti=100/25 (Sb+O):Ti:N=
90:6:4		 5.92 3.37
16 O2/Ar=4/25 2.9 25 Sb/Ti=100/25 - 1.98 2.95
17 O2/Ar=4/25 2.9 25 Sb/Ti=75/75 - 19.7 3.30
* 분석방법(XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy)의 특성상 Sb과 O의 단독 측정은 불가하고, 총량만 측정 가능
실시예 18 내지 23
본 발명에 따라서, 저마늄(Ge)이 첨가된 안티몬(Sb) 박막들을 각각 100 nm 질화실리콘(Si3N4)이 형성된 실리콘 단결정 기판에 80 내지 150 nm 두께로 증착한 후, 비저항 및 TCR 특성을 측정하였다. 상기 안티몬계 박막은 쳄버에 아르곤(Ar) 가스를 주입하고, 안티몬 타겟 및 저마늄 타겟에 직류(DC) 전원을 독립적으로 인가하는 코스퍼터링법으로 증착하였다. 스퍼터링 조건에 따른 박막의 특성을 표 3에 정리하였다.
시편
번호		 스퍼터링 조건 박막 특성
가스 유량
(sccm)		 압력
(mTorr)		 기판온도
(℃)		 DC 전력
(W)		 조성
(atom%)		 비저항
(Ω·cm)		 TCR 크기
(%/K)
18 Ar=30 3.4 150 Sb/Ge=25/100 Sb:Ge=38:62 6.38 2.50
19 Ar=30 3.4 150 Sb/Ge=75/100 Sb:Ge=88:12 1.35 2.41
20 Ar=30 3.4 200 Sb/Ge=25/100 Sb:Ge=26:74 7.46 2.60
21 Ar=30 3.4 300 Sb/Ge=50/100 Sb:Ge=64:36 16.9 3.05
22 Ar=30 3.4 300 Sb/Ge=90/100 Sb:Ge=71:29 17.7 2.99
23 Ar=30 3.4 300 Sb/Ge=100/75 Sb:Ge=76:24 7.66 2.72
실시예 24
기판 상에 희생층(122)으로 2 ㎛ 두께의 폴리이미드를, 제1, 제2 및 제3 절연막(132, 140, 144)으로 각각 100nm, 50nm 및 50nm 두께의 질화실리콘(Si3N4)을, 보조전극(134)으로 300nm 두께의 알루미늄(Al)을, 전극(136)으로 20nm 두께의 티타늄 질화물(TiN)을, 저항체(142)로 80nm 두께의 저마늄(Ge)이 첨가된 안티몬(Sb) 박막(시편번호 20)을 이용하여 50Ⅹ50 ㎛2 크기를 갖는 적외선 검출기용 볼로미터를 제작하였다. 제작된 볼로미터를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 촬영하여 그 결과를 도 4에 나타내었으며, 볼로미터의 잡음을 측정한 결과를 도 5에 나타내었다.
이어서, 상기 볼로미터를 320 Ⅹ 240 어레이로 배열하여 QVGA(Quarter Video Graphics Array)급 영상 해상도를 갖는 적외선 검출기용 칩을 제작하여, 이를 광학현미경으로 촬영하여 그 결과를 도 6에 나타내었으며, 적외선 검출기용 칩을 이용하여 통상적인 방법으로 QVGA급 적외선 검출기를 제작한 후, 온도정밀도를 측정하였다. 측정한 온도정밀도 결과를 도 7에 나타내었다.
비교예
종래의 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법에 의한 a-Si 박막을 100 nm 질화실리콘(Si3N4)이 형성된 실리콘 단결정 기판에 150nm 두께로 증착하였다. 챔버에 SiH4 30 sccm, PH3 60 sccm의 혼합가스를 주입하고, 압력을 1.2 Torr로 조절한 후, RF 전력 0.08 W/cm2 를 인가하여 350 ℃로 가열된 기판에 증착하였다. 증착된 a-Si 박막의 비저항 및 TCR 크기를 측정한 결과, 각각 30 Ω·㎝, 2.4 %/K 이었다.
저항체로 80nm 두께의 저마늄(Ge)이 첨가된 안티몬(Sb) 박막 대신 150 nm a-Si 박막을 이용하는 것만 제외하고, 상기 실시예 24와 동일하게 제작하여 50Ⅹ50 ㎛2 크기를 갖는 적외선 검출기용 볼로미터를 제작하였다. 제작된 a-Si 볼로미터의 잡음을 측정한 결과를 도8에 나타내었다.
상기 a-Si 볼로미터를 320 Ⅹ 240 어레이로 배열하여 실시예 24에서와 동일한 방법으로 QVGA(Quarter Video Graphics Array)급 영상 해상도를 갖는 적외선 검출기용 칩을 제작하였다. 적외선 검출기용 칩을 이용하여 통상적인 방법으로 QVGA급 적외선 검출기를 제작한 후, 온도정밀도를 측정하였다. 측정한 온도정밀도 결과를 도 9에 나타내었다.
상기 실시예 20, 24 및 비교예를 비교하여 보면, 본 발명에 따른 Ge74Sb26 박막의 TCR 크기는 2.6 %/K 로 종래의 a-Si 박막의 2.4 %/K 보다 높았다. 또한, Ge74Sb26 박막의 잡음상수, 즉 도 5에서 주파수(frequency)가 1 Hz 일때의 잡음(Sn)에 해당하는 값은 3Ⅹ10-12 으로 도 8에서 나타낸 a-Si 박막의 잡음상수인 3Ⅹ10-11 보다 10배 낮다.
이와 같이 본 발명에 따른 Ge74Sb26 박막은 종래의 a-Si 박막 보다 TCR 크기가 높고, 잡음상수가 낮음을 확인할 수 있다.
그 결과, Ge74Sb26 박막을 저항체로 이용한 볼로미터로 제작한 QVGA급 적외선 검출기의 온도분해능, 즉 도 7의 NETD(Noise Equivalent Temperature Difference)는 평균 15 mK로 a-Si 박막을 저항체로 이용한 경우(도 9)의 평균 85 mK 보다 우수함을 확인할 수 있다.
110 - 기판
112 - 반사막
114 - 금속패드
120 - 공간
122 - 희생층
124, 126 - 홀
130 - 센서 구조체
132, 140, 144 - 절연막
134 - 보조전극
136 - 전극
138 - 흡수층
142 - 저항체

Claims (19)

  1. 안티몬(Sb)에 질소(N), 산소(O) 및 저마늄(Ge)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소가 포함된 볼로미터용 저항재료.
  2. 제1항에 있어서,
    안티몬이 20 at% 이상의 범위 내에서 포함되는 것인 볼로미터용 저항재료.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저항재료는 SbNx(0.03≤x≤0.25)의 조성을 갖는 안티몬 질화물인 볼로미터용 저항재료.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저항재료는 SbOy(0.02≤y≤0.15)의 조성을 갖는 안티몬 산화물인 볼로미터용 저항재료.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 저항재료는 SbNxOy(0.02≤x+y≤0.25)의 조성을 갖는 안티몬 산화질화물인 볼로미터용 저항재료.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 저항재료는 GexSb(0.1≤x≤0.8)의 조성을 갖는 저마늄 안티몬인 볼로미터용 저항재료.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 저항재료에는 전이금속이 0at%보다는 많지만 30at% 이하로 더 포함되는 것인 볼로미터용 저항재료.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전이금속으로는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W), 망간(Mn), 철(Fe) 및 코발트(Co)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것인 볼로미터용 저항재료.
  9. 적외선 검출기용 볼로미터에 있어서,
    제1항 내지 제8항중 어느 하나의 항에 따른 볼로미터용 저항재료로부터 형성된 저항체를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기용 볼로미터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 저항체는 저항이 0.1 내지 10 MΩ이고, 저항의 온도계수(TCR)의 크기가 2 %/K 이상인 적외선 검출기용 볼로미터.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 저항체는 50 내지 100 ㎚의 두께의 박막인 적외선 검출기용 볼로미터.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 볼로미터는
    내부에 검출회로를 포함하는 반도체 기판과;
    상기 반도체 기판 표면의 일부 영역에 형성된 반사막과;
    상기 반사막의 양측에 소정 간격 이격되어 형성된 금속패드와;
    상기 반사막의 표면으로부터 이격되어 상기 반도체 기판의 상부에 위치하는 저항체를 포함하는 센서 구조체를 포함하는 것인 적외선 검출기용 볼로미터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 센서 구조체는 보호막으로 둘러싸인 저항체를 포함한 적층체이며, 상기 반사막 상부에 위치하는 몸통부와, 상기 몸통부의 바깥 쪽에 상기 금속패드에 기계적 및 전기적으로 연결되는 고정부와, 몸통부와 고정부를 연결하는 지지팔을 포함하는 것인 적외선 검출기용 볼로미터.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 센서구조체는 저항체의 상·하부에는 보호막, 전극 및 흡수층이 포함되는 것인 적외선 검출기용 볼로미터.
  15. 제14항에 있어서, 상기 보호막은 질화실리콘(Si3N4)인 적외선 검출기용 볼로미터.
  16. 제14항에 있어서, 상기 전극과 흡수층은 티타늄 질화물(TiN)인 적외선 검출기용 볼로미터.
  17. 적외선 검출기용 볼로미터를 제조하는 방법에 있어서,
    제1항 내지 제8항중 어느 하나의 항에 따른 볼로미터용 저항재료로부터 스퍼터링법을 통해 박막의 형태로 저항체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기용 볼로미터의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 볼로미터의 제조방법은
    내부에 검출회로가 형성된 반도체 기판 표면의 일부 영역에 반사막을 형성하고, 상기 반사막의 양측에서 소정 간격 이격하여 금속패드를 형성하는 단계;
    상기 반사막과 금속패드를 포함하는 반도체 기판의 전면에 소정 두께의 희생층을 형성하는 단계;
    상기 희생층의 상부에 저항체를 포함하는 센서 구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 희생층을 제거하는 단계를 포함하는 적외선 검출기용 볼로미터의 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 스퍼터링법은 직류(DC) 또는 초고주파(RF) 전원을 인가하는 반응성 스프터링 또는 독립된 타겟을 사용하는 코스퍼터링(co-sputtering)인 적외선 검출기용 볼로미터의 제조방법.
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