KR101199904B1 - 적외선 센서 - Google Patents

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Abstract

적외선 센서(1)는 베이스(10), 및 상기 베이스(10)의 표면 위에 형성된 적외선 검출 소자(3)를 포함한다. 상기 적외선 검출 소자(3)는 적외선을 흡수하도록 구성된 박막 형태의 적외선 흡수체(33), 및 상기 적외선 흡수체(33)와 상기 베이스(10)의 온도차를 측정하도록 구성된 감온체(30)을 포함한다. 상기 감온체(30)는 상기 적외선 흡수체(33)와 상기 베이스(10)에 걸쳐 형성된 p형 폴리실리콘층(35), 상기 p형 폴리실리콘층(35)과 접촉하지 않고 상기 적외선 흡수체(33)와 상기 베이스(10)에 걸쳐 형성된 n형 폴리실리콘층(34), 및 상기 p형 폴리실리콘층(35)과 상기 n형 폴리실리콘층(34)을 전기적으로 접속하도록 구성된 접속층(36)을 포함한다. 상기 p형 폴리실리콘층(35) 및 상기 n형 폴리실리콘층(34) 각각의 불순물 농도는 1018 내지 1020 cm-3 범위 내이다. 상기 p형 폴리실리콘층(35)의 두께는, 상기 적외선 검출 소자(3)로 검출하는 적외선의 중심 파장을 λ로 나타내고, 상기 p형 폴리실리콘층(35)의 굴절률을 n1p로 나타낼 때, λ/4n1p이다. 상기 n형 폴리실리콘층(34)의 두께는, n형 폴리실리콘층(34)의 굴절률을 n1n으로 나타낼 때, λ/4n1n이다.

Description

적외선 센서 {INFRARED SENSOR}
본 발명은 적외선 센서에 관한 것이다.
종래부터, 적외선(예컨대, 파장이 8 내지 12 μm 정도의 인체로부터 방사되는 적외선)을 검출하는 적외선 센서가 제안되어 있다. 문헌 1(일본 특허공보 제2576259호) 및 문헌 2(일본 특허공보 제3287173호)에는 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 이용하여 제조된 적외선 센서가 개시되어 있다. 이와 같은 적외선 센서는 박막형(thin film-shaped)의 적외선 흡수체(infrared absorption member)와 감온체(temperature detection member)를 포함한다. 적외선 흡수체는 적외선을 흡수하여 열로 변환한다. 감온체는 적외선 흡수체의 온도 변화를 측정한다.
상기 문헌 1에 개시된 적외선 센서는 실리콘 기판과, 실리콘 기판 상에 형성된 실리콘 질화막을 포함한다. 실리콘 기판에는 열 절연용(thermal insulation)의 공동(cavity)이 형성되어 있다. 실리콘 질화막에 있어 공동을 덮는 부분이 적외선 흡수체 역할을 한다. 이 적외선 센서에서는 감온체로서 서모파일(thermopile)을 사용하고 있다. 서모파일은 실리콘 질화막 상에 형성된 n형 실리콘막과 p형 실리콘막을 패터닝 기술 등을 사용하여 만들어진다.
상기 문헌 2에 개시된 적외선 센서는 적외선 파장 영역에서 높은 흡수율을 가지는 절연층(dielectirc layer)(적외선 흡수체)을 포함한다. 이 절연층의 상에는 감열(temperature detecction) 반도체층이 형성되어 있다. 감열 반도체층의 아래쪽의 절연층에는 감열 반도체층의 열이 외부에 전도되는 것을 억제하기 위한 공동이 형성되어 있다. 이 적외선 센서에서는 절연층의 열 컨덕턴스(heat conductance)를 감소시키기 위해(저항을 증대시키기 위해) 또한 응답 속도를 증대시키기 위해 절연층의 두께를 얇게 하는 것이 바람직하다. 유전층을 얇게 하는 경우, 적외선 흡수체는 휘어질 수 있고, 적외선 센서의 구조 안정성이 악화되어 감도가 저하될 수 있다.
또, 상기 문헌 2에 개시된 적외선 센서에서는 볼로미터형(bolometer type) 적외선 검출 소자(infrared detection element)를 사용하고 있다. 그러므로, 적외선 검출 소자의 저항값의 변화를 측정하기 위해서는 전류를 흐르게 할 필요가 있다. 이것에 의해 전력 소비가 증대한다. 또, 볼로미터형 적외선 검출 소자는 자기 발열(self-heating)하기 때문에, 적외선 검출 소자는 자기 발열에 기인한 열응력에 의해 휘어질 수 있다. 또, 적외선 검출 소자의 저항 온도 계수는 자기 발열 및/또는 주위 온도 변화에 기인한 온도 변동에 의해 변화된다. 이점을 감안하여, 정밀도 향상을 위해 온도 보상용 폴리실리콘층이 필요하다. 그러나, 온도 보상용 폴리실리콘층을 설치하면 적외선 센서가 대형화되고, 제조 비용이 증대된다.
한편, 상기 문헌 1에 개시된 적외선 센서에서는 감온체로서 서모파일을 사용하고 있다. 서모파일은 볼로미터형의 적외선 검출 소자와는 달리, 온도 측정을 위해 전류를 흐르게 할 필요가 없다. 따라서 서모파일은 자기 발열이 없다. 그러므로, 적외선 흡수체는 자기 발열에 의해 휘어지지 않는다. 또 전력 소비를 감소시킬 수 있다. 또한, 서모파일의 감도는 온도에 의존하지 않기 때문에, 서모파일은 고정밀도이다.
상기 문헌 1에 개시된 서모파일을 형성하기 위해서는 에칭 기술을 이용하여 적외선 흡수체 상에 형성된 n형 실리콘막과 p형 실리콘막을 패터닝할 필요가 있다. 서모파일의 형성 시에, 적외선 흡수체가 p형 실리콘막 및/또는 n형 실리콘막과 함께 에칭될 수 있다. 이 경우에, 적외선 흡수체 및 그 위에 형성되는 서모파일을 포함하는 박막 구조체(thin film structure)는 휘어질 수 있고, 적외선 센서는 구조 안정성이 악화되고 감도가 저하될 수 있다.
상기 결점을 감안하여, 본 발명의 목적은 전력 소비를 저감시키고 감도를 향상시킬 수 있는 적외선 센서를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 적외선 센서는 베이스, 및 상기 베이스의 표면 위에 형성된 적외선 검출 소자를 포함한다. 상기 적외선 검출 소자는 적외선을 흡수하도록 구성된 박막 형태의 적외선 흡수체, 상기 적외선 흡수체와 상기 베이스의 온도차를 측정하도록 구성된 감온체, 및 보상막(safeguard film)을 포함한다. 상기 적외선 흡수체는 열 절연을 위해 상기 베이스의 표면으로부터 간격을 두고 배치되어 있다. 상기 감온체는 상기 적외선 흡수체와 상기 베이스에 걸쳐 형성된 p형 폴리실리콘층, 상기 p형 폴리실리콘층과 접촉하지 않고 상기 적외선 흡수체와 상기 베이스에 걸쳐 형성된 n형 폴리실리콘층, 및 상기 p형 폴리실리콘층과 상기 n형 폴리실리콘층을 전기적으로 접속하도록 구성된 접속층(connection layer)을 포함하는 열전대(thermocouple)를 포함한다. 상기 p형 폴리실리콘층 및 상기 n형 폴리실리콘층 각각의 불순물 농도는 1018 내지 1020 cm-3 범위 내이다. 상기 p형 폴리실리콘층의 두께는, 상기 적외선 검출 소자로 검출하는 적외선의 중심 파장을 λ로 나타내고, 상기 p형 폴리실리콘층의 굴절률을 n1p로 나타낼 때, λ/4n1p이다. n형 폴리실리콘층의 두께는, n형 폴리실리콘층의 굴절률을 n1n로 나타낼 때, λ/4n1n이다.
본 발명에 따르면, 상기 볼로미터형의 적외선 검출 소자를 사용하는 경우와는 달리, 상기 감온체에 전류를 공급할 필요가 없으므로, 상기 감온체가 자기 발열하지 않는다. 따라서, 상기 감온체의 자기 발열에 의한 상기 적외선 흡수체의 휘어짐이 발생하지 않고, 또한 전력 소비를 저감할 수 있다. 또한, 검출 대상의 적외선에 대한 상기 p형 폴리실리콘층 및 상기 n형 폴리실리콘층의 흡수 효율을 높일 수 있고, 적외선 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
바람직한 측면에서, 상기 적외선 검출 소자는 상기 p형 폴리실리콘층 및 상기 n형 폴리실리콘층에 있어 상기 베이스와는 반대측의 면 위에 형성된 적외선 흡수막을 포함한다. 상기 적외선 흡수막의 두께는, 상기 적외선 흡수막의 굴절률을 n2로 나타낼 때, λ/4n2이다.
이 측면에 의하면, 검출 대상의 적외선의 흡수 효율을 더 높일 수 있으므로, 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
바람직한 측면에서, 상기 p형 폴리실리콘층의 두께는 상기 n형 폴리실리콘층의 두께와 동일하다.
이 측면에 의하면, 상기 적외선 센서의 제조 시에, 상기 p형 폴리실리콘층과 상기 n형 폴리실리콘층 각각의 기초가 되는 비도핑(non-doped) 폴리실리콘층을 단일의 막형성 프로세스(deposition process)로 형성할 수 있다. 따라서, 제조 비용을 절감할 수 있다.
바람직한 측면에서, 상기 적외선 센서는 상기 적외선 검출 소자를 각각 포함하는 복수의 셀(cell)을 포함한다. 상기 복수의 셀은 상기 베이스의 표면 위에 어레이형(array manner)으로 배열되어 있다.
이 측면에 의하면, 적외선 이미지 센서를 제공할 수 있다.
보다 바람직한 측면에서, 상기 셀은 상기 감온체의 출력을 판독하도록 구성된 M0S 트랜지스터를 포함한다.
이 측면에 의하면, 출력용 패드의 수를 줄일 수 있고, 따라서 적외선 센서의 소형화가 가능하고 적외선 센서의 제조 비용을 절감할 수 있다.
더 바람직한 측면에서, 상기 p형 폴리실리콘층의 두께는 상기 n형 폴리실리콘층의 두께와 동일하다. 상기 M0S 트랜지스터는 상기 p형 폴리실리콘층의 두께와 동일한 두께의 폴리실리콘막으로 구성된 게이트 전극을 포함한다.
이 측면에 의하면, 상기 M0S 트랜지스터의 게이트 전극과 상기 p형 폴리실리콘층 또는 상기 n형 폴리실리콘층을 동일 프로세스로 형성할 수 있다. 따라서, 상기 적외선 센서를 제조하는 방법의 단계의 수를 감소시킬 수 있고, 따라서 그 제조 비용을 절감할 수 있다.
더 바람직한 측면에서, 상기 M0S 트랜지스터의 게이트 전극을 구성하는 폴리실리콘층은, 상기 p형 폴리실리콘층과 상기 n형 폴리실리콘층 중 적어도 하나와 동일한 종류의 불순물을 같은 농도로 포함하고 있다.
이 측면에 의하면, 상기 M0S 트랜지스터의 게이트 전극과 상기 p형 폴리실리콘층 또는 상기 n형 폴리실리콘층을 동일 프로세스로 형성할 수 있다. 따라서, 상기 적외선 센서를 제조하는 방법의 단계의 수를 감소시킬 수 있고, 따라서 그 제조 비용을 절감할 수 있다.
바람직한 측면에서, 상기 베이스에는 상기 베이스와 상기 적외선 흡수체 사이를 열 절연하기 위한 공동이 형성되어 있다. 상기 적외선 검출 소자는, 복수의 소박막(small and thin film) 구조체를 포함하고 상기 공동 위에 배치되는 박막 구조체를 포함한다. 각각의 상기 소박막 구조체는, 적외선을 흡수하도록 구성된 박막 형태의 적외선 흡수체, 및 상기 적외선 흡수체 상에 형성되고 상기 적외선 흡수체의 온도를 측정하도록 구성된 상기 감온체를 포함한다. 상기 소박막 구조체들 사이에 슬릿이 형성되어 있다. 모든 상기 감온체는 상기 감온체 중 어느 단 하나의 출력보다 큰 온도 의존(temperature-dependent) 출력을 제공하는 관계로 서로 전기적으로 접속되어 있다.
이 측면에 의하면, 적외선 센서는 응답 속도 및 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 베이스의 변형, 외부 응력, 열응력 등에 의해 각각의 상기 적외선 검출 소자가 변형되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 적외선 센서의 구조 안정성을 향상시킬 수 있고 적외선 센서의 감도를 안정시킬 수 있다.
바람직한 측면에서, 상기 박막 구조체는 상기 소박막 구조체끼리를 연결하도록 구성된 연결체(connection member)를 포함한다.
이 측면에 따르면, 적외선 센서의 사용 시에 외부의 온도 변화나 충격에 의해 발생하는 응력에 기인하여 그렇지 않으면 발생할 적외선 센서의 파손을 방지할 수 있다. 또, 제조 시에 그렇지 않으면 발생할 적외선 센서의 파손을 방지할 수 있다. 제조 수율을 향상시킬 수 있다.
도 1 (a)는 제1 실시예의 적외선 센서를 나타낸 평면도이다.
도 1 (b)는 제1 실시예의 적외선 센서를 도 1 (a)의 D-D선에 따라 나타낸 단면도이다.
도 1 (c)는 제1 실시예의 적외선 센서를 도 1 (a)의 E-E선에 따라 나타낸 단면도이다.
도 2a는 상기의 적외선 센서를 나타낸 평면도이다.
도 2b는 상기의 적외선 센서를 나타낸 개략 등가 회로도이다.
도 3은 상기의 적외선 센서를 포함한 적외선 센서 모듈을 나타낸 개략 평면도이다.
도 4는 상기의 적외선 센서를 포함한 적외선 센서 모듈을 나타낸 설명도이다.
도 5는 상기의 적외선 센서의 제조 방법을 나타낸 공정도이다.
도 6은 상기의 적외선 센서의 제조 방법을 나타낸 공정도이다.
도 7a는 제2 실시예의 적외선 센서를 나타낸 평면도이다.
도 7b는 제2 실시예의 적외선 센서를 나타낸 확대도이다.
도 7c는 제2 실시예의 적외선 센서를 도 7a의 D-D선을 따라 나타낸 단면도이다.
도 8은 상기의 적외선 센서를 나타낸 개략 등가 회로도이다.
도 9는 상기의 적외선 센서를 포함한 적외선 센서 모듈을 나타낸 개략 평면도이다.
도 10은 상기의 적외선 센서를 포함한 적외선 센서 모듈을 나타낸 설명도이다.
도 11a은 상기의 적외선 센서의 변형예를 나타낸 평면도이다.
도 11b는 상기의 적외선 센서의 변형예를 도 11a의 D-D선을 따라 나타낸 단면도이다.
도 12a는 상기의 적외선 센서의 다른 변형예를 나타낸 평면도이다.
도 12b는 상기의 적외선 센서의 다른 변형예를 도 12a의 D-D선을 따라 나타낸 단면도이다.
도 13은 제3 실시예의 적외선 센서를 나타낸 평면도이다.
도 14는 상기의 적외선 센서를 나타낸 개략 평면도이다.
도 15는 상기의 적외선 센서를 나타낸 개략 평면도이다.
도 16a는 상기의 적외선 센서를 나타낸 부분 평면도이다.
도 16b는 상기의 적외선 센서를 도 16a의 D-D선을 따라 나타낸 단면도이다.
도 17은 상기의 적외선 센서를 나타낸 부분 평면도이다.
도 18은 상기의 적외선 센서를 나타낸 부분 평면도이다.
도 19a는 상기의 적외선 센서를 나타낸 부분 평면도이다.
도 19b는 상기의 적외선 센서를 도 19a의 D-D선을 따라 나타낸 개략 단면도이다.
도 20a는 상기의 적외선 센서를 나타낸 부분 평면도이다.
도 20b는 상기의 적외선 센서를 나타낸 개략 단면도이다.
도 21a는 상기의 적외선 센서를 나타낸 부분 평면도이다.
도 21b는 상기의 적외선 센서를 나타낸 개략 단면도이다.
도 22는 상기의 적외선 센서를 나타낸 부분 단면도이다.
도 23은 상기의 적외선 센서를 나타낸 부분 단면도이다.
도 24a는 상기의 적외선 센서를 나타낸 설명도이다.
도 24b는 상기의 적외선 센서를 나타낸 설명도이다.
도 25는 상기의 적외선 센서를 나타낸 개략 등가 회로도이다.
도 26은 상기의 적외선 센서를 포함한 적외선 센서 모듈을 나타낸 개략 단면도이다.
도 27은 상기의 적외선 센서의 제조 방법을 나타낸 공정도이다.
도 28은 상기의 적외선 센서의 제조 방법을 나타낸 공정도이다.
도 29는 상기의 적외선 센서의 제조 방법을 나타낸 공정도이다.
도 30은 상기의 적외선 센서의 제조 방법을 나타낸 공정도이다.
도 31은 상기 실시예의 제1 변형예의 적외선 센서를 나타낸 부분 평면도이다.
도 32는 상기 실시예의 제2 변형예의 적외선 센서를 나타낸 부분 평면도이다.
도 33은 상기 실시예의 제3 변형예의 적외선 센서를 나타낸 부분 평면도이다.
도 34는 상기의 적외선 센서의 부분 확대도이다.
도 35는 상기 실시예의 제4 변형예의 적외선 센서를 나타낸 부분 평면도이다.
도 36은 상기 실시예의 제5 변형예의 적외선 센서를 나타낸 부분 평면도이다.
도 37은 상기 실시예의 제6 변형예의 적외선 센서를 나타낸 부분 평면도이다.
도 38은 제4 실시예의 적외선 센서를 나타낸 평면도이다.
도 39는 상기의 적외선 센서를 나타낸 개략 평면도이다.
도 40은 상기의 적외선 센서를 나타낸 부분 평면도이다.
도 41은 상기의 적외선 센서를 나타낸 부분 평면도이다.
도 42는 상기 실시예의 제1 변형예의 적외선 센서를 나타낸 부분 평면도이다.
도 43은 상기 실시예의 제2 변형예의 적외선 센서를 나타낸 부분 평면도이다.
도 44는 상기의 적외선 센서의 부분 확대도이다.
(제1 실시예)
본 실시예의 적외선 센서(1)는 적외선 이미지 센서(적외선 어레이 센서)이다. 도 1, 도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 적외선 센서(1)는 기대(basement)로 사용되는 베이스(베이스 기판)(10), 및 베이스(10)의 제1 표면(도 1 (b)에서는, 상면)에 어레이형(도시한 예에서는, 이차원 어레이형)으로 배열된 셀(화소)(2)를 포함한다. 셀(2)은 적외선 흡수체(33)와 감온체(30)을 포함하는 열형의 적외선 검출 소자(3), 및 화소 선택용 스위칭 소자인 MOS 트랜지스터(4)를 포함한다.
본 실시예에서, 단일의 베이스(10)의 제1 표면에 m x n 개(도시한 예에서는, 4 x 4 개)의 화소(2)가 형성되어 있다. 화소(2)의 수, 배치, 또는 이 둘 다는 본 실시예로 한정되지 않는다. 또, 도 2b에서, 감온체(30)의 등가 회로를 전원으로 나타내고 있다.
적외선 센서(1)는 복수의 수직 판독선(read-out line)(7), 복수의 수평 신호선(6), 복수의 그라운드선(8), 공통 그라운드선(9), 복수의 기준 바이어스선(5), 및 공통 기준 바이어스선(5a)를 포함한다. 각각의 수직 판독선(7)에는 복수의 적외선 검출 소자(3)의 감온체(30)의 제1 단이 대응하는 MOS 트랜지스터(4)를 통하여 열(row)로 접속된다. 각각의 수평 신호선(6)에는 적외선 검출 소자(3)의 감온체(30)에 대응하는 MOS 트랜지스터(4)의 게이트 전극(46)이 행(column)으로 접속된다. 각각의 그라운드선(8)에는 MOS 트랜지스터(4)의 p형 웰 영역(well region)(41)이 열로 접속된다. 공통 그라운드선(9)에는 각각의 그라운드선(8)이 접속된다. 각각의 기준 바이어스선(5)에는 복수의 적외선 검출 소자(3)의 감온체(30)의 제2 단이 열로 접속된다. 공통 기준 바이어스선(5a)에는 각각의 기준 바이어스선(5)이 접속된다.
적외선 센서(1)에 따르면, 모든 적외선 검출 소자(3)의 감온체(30)의 출력을 시계열적으로 판독할 수 있다. 또, 적외선 센서(1)에서는, 베이스(10)의 제1 표면 에 복수의 화소(2)가 형성되어 있다. 각각의 화소(2)는 적외선 검출 소자(3), 및 대응하는 적외선 검출 소자(3)의 근처에 배치되어 그 적외선 검출 소자(3)의 출력을 판독하도록 구성된 MOS 트랜지스터(4)를 포함한다. 이 MOS 트랜지스터(4)에서는, 게이트 전극(46)이 수평 신호선(6)에 접속되고, 소스 전극(48)이 감온체(30)을 통하여 기준 바이어스선(5)에 접속되고, 드레인 전극(47)이 수직 판독선(7)에 접속되어 있다.
또, 적외선 센서(1)는, 복수의 화소 선택용 패드(Vsel), 복수의 출력용 패드(Vout), 그라운드용 패드(Gnd), 기준 바이어스용 패드(Vref), 및 기판용 패드(Vdd)를 포함한다. 수평 신호선(6)들은 각각 화소 선택용 패드(Vsel)에 전기적으로 접속된다. 수직 판독선(7)은 각각 출력용 패드(Vout)에 전기적으로 접속된다. 공통 그라운드선(9)은 그라운드용 패드(Gnd)에 전기적으로 접속된다. 공통 기준 바이어스선(5a)은 기준 바이어스용 패드(Vref)에 전기적으로 접속된다. 기판용 패드(Vdd)는 실리콘 기판(1a)에 전기적으로 접속된다.
적외선 센서(1)에 따르면, MOS 트랜지스터(4)가 순차적으로 온(turn on) 되도록 화소 선택용 패드(Vvse1)의 전위를 제어함으로써, 화소(2)의 출력 전압을 순차적으로 판독할 수 있다. 예를 들면, 기준 바이어스용 패드(Vref), 그라운드용 패드(Gnd), 기판용 패드(Vdd)의 전위를 각각 1.65V, 0V, 및 5V로 인가하면서 화소 선택용 패드(Vsel)의 전위를 5V로 인가하면, MOS 트랜지스터(4)가 온 된다. 그 결과, 출력용 패드(Vout)가 화소(2)의 출력 전압(1.65V + 감온체(30)의 출력 전압)을 출력한다. 즉, 감온체(30)의 출력 전압을 판독할 수 있다. 이와 대조적으로, 화소 선택용 패드(Vsel)의 전위를 0V로 설정하면, MOS 트랜지스터(4)가 오프(turn off) 된다. 따라서, 출력용 패드(Vout)는 화소(2)의 출력 전압을 출력하지 않는다.
적외선 센서(1)는 도 3에 나타낸 적외선 센서 모듈에 사용된다. 적외선 센서 모듈은 적외선 센서(1), 적외선 센서(1)의 출력 신호(출력 전압)를 처리하도록 구성된 신호 처리 장치(신호 처리 IC 칩)(B), 그리고 적외선 센서(1) 및 신호 처리 장치(B)가 실장되는 패키지(C)를 구비한다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 신호 처리 장치(B)는 복수(도시한 예에서는, 4개)의 입력용 패드(Vin)를 포함한다. 입력용 패드(Vin)들은 각각 적외선 센서(1)의 복수(도시한 예에서는, 4개)의 출력용 패드(Vout)에 본딩 와이어인 배선(8O)을 사용하여 전기적으로 접속된다. 또한, 신호 처리 장치(B)는 입력용 패드(Vin)의 출력 전압을 증폭하도록 구성된 증폭 회로(AMP), 및 입력용 패드(Vin)들의 출력 전압을 택일적으로 증폭 회로(AMP)에 입력하도록 구성된 멀티플렉서(MUX)를 포함한다. 이 신호 처리 장치(B)를 이용하면, 적외선 화상을 생성할 수 있다.
패키지(C)는 면에 개구를 가지는 직사각형 상자형으로 형성되어 있다. 패키지(C)의 내부 바닥면(inner bottom surface)에는 적외선 센서(1)과 신호 처리 장치(B)가 탑재(실장)된다. 패키지(C)에는 개구부를 덮도록 패키지 리드(package lid)(도시되지 않음)가 장착된다. 패키지 리드는 적외선 검출 소자(3)의 적외선 흡수체(33)에 적외선을 수속시키는 렌즈를 구비한다.
전술한 적외선 센서 모듈에서는, 적외선 센서(1)의 베이스(10)는 직사각형의 외주(outer periphery) 형상을 갖도록 형성된다. 베이스(10)의 외주의 제1 변(side)의 단부(end portion)에는 감온체(30)로부터의 출력 신호를 판독하도록 구성된 모든 출력용 패드(Vout)이 상기 제1 변을 따라 배열된다. 신호 처리 장치(B)는 직사각형의 외주 형상을 갖도록 형성된다. 신호 처리 장치(B)의 외주의 제2 변의 단부에는, 적외선 센서(1)의 출력용 패드(Vout)에 각각 접속되는 모든 입력용 패드(Vin)가 상기 제2 변을 따라 배열되어 있다. 적외선 센서(1)는 신호 처리 장치(B)의 상기 제2 변이 신호 처리 장치(B)의 다른 어느 변보다 베이스(10)의 상기 제1 변에 가깝도록 패키지(C)에 탑재되어 있다. 그러므로, 적외선 센서(1)의 출력용 패드(Vout)와 신호 처리 장치(B)의 입력용 패드(Vin)를 각각 접속하는 배선(80)들을 짧게 할 수 있다. 이로써, 외래 노이즈(external noise)의 영향을 저감할 수 있고, 따라서 내노이즈성(noise resistance)이 향상된다.
이하에 적외선 센서(1)의 구조에 대하여 설명한다.
베이스(10)는 실리콘 기판(1a)으로 만들어져 있다. 예를 들면, 실리콘 기판(1a)은, 도전형이 n형이고 주표면(main surface)(도 1 (b)에서, 상면)이 (10O)면인 단결정 실리콘 기판이다. 또, 실리콘 기판(1a)의 적외선 검출체(33)에 대응하는 부위에는, 열 절연용의 공동(11)이 형성되어 있다. 공동(11)의 내주(inner periphery) 형상은 직사각형이다.
실리콘 기판(1a)의 상기 주표면에는, 각각 화소(2)의 적외선 검출 소자(3)를 형성하기 위한 영역(A1)과 각 화소(2)의 MOS 트랜지스터(4)를 형성하기 위한 영역(A2)을 포함한다.
적외선 검출 소자(3)는 적외선 흡수체(33)를 포함하는 박막 구조체(300)에 의해 구성된다. 적외선 흡수체(33)는 실리콘 기판(1a)으로 이루어진 베이스(10)의 상기 제1 표면 위에 형성되고 베이스(10)와 공간적으로 분리되도록 배치된다. 또한, 박막 구조체(300)는 베이스(10)와 적외선 흡수체(33)을 연결하는 지지체(브리지)(310)를 포함한다. 지지체(310)는 제1 연결편(connection piece)(311)과 제2 연결편(312)을 포함한다. 제1 연결편(311)은, U자형으로 형성되고 두 개의 레그(leg)가 적외선 흡수체(33)에 연결되어 있다. 제1 연결편(311)은 적외선 흡수체(33)의 외주를 배치되어 있다. 제2 연결편(312)은 제1 연결편(311)의 중앙부의 중앙으로부터 적외선 흡수체(33) 측과는 반대측으로 연장되고, 베이스(10)에 연결되어 있다. 그리고, 지지체(310)는 적외선 흡수체(33) 및 베이스(10)에 각각 연결되는 연결 부분과, 두 개의 슬릿(13)에 의해 적외선 흡수체(33) 및 베이스(10) 양쪽과 공간적으로 분리되는 나머지 부분을 포함한다. 각각의 슬릿(13)의 폭은, 예를 들면, 약 0.2 μm 내지 약 5 μm 의 범위이다. 전술한 바와 같이, 지지체(310)는 적외선 흡수체(331)와 두 지점에서만 연결되고, 베이스(10)와는 한 지점에서만 연결되어 있다. 지지체(310)가 베이스(10)에 한 지점에서만 연결되어 있기 때문에, 외부 응력, 열 응력 등에 의해 베이스(10)가 변형되더라도 박막 구조체(300)의 변형을 방지할 수 있다. 이로써, 외부 응력 또는 열 응력 등에 의해 유발되는 감도의 변화를 감소시킬 수 있으므로, 정밀도를 향상시킬 수 있다. 그리고, 베이스(10)의 박막 구조체(300)를 에워싸는 부위는 직사각형 프레임 형상이다.
박막 구조체(300)는 실리콘 산화막(1b), 실리콘 질화막(32), 감온체(30), 층간 절연막(50), 및 패시베이션막(60)을 포함하는 적층 구조체(laminate structure)를 패터닝함으로써 형성된다. 실리콘 산화막(1b)은 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면 상에 형성된다. 실리콘 질화막(32)은 실리콘 산화막(1b) 상에 형성된다. 감온체(30)는 실리콘 질화막(32) 상에 형성된다. 층간 절연막(50)은 실리콘 질화막(32)의 표면 위에 감온체(30)을 덮도록 형성된 BPSG막으로 이루어진다. 본 실시예에서는, 층간 절연막(50)의 막두께는 0.8 μm (8000 Å)이다. 패시베이션막(60)은 층간 절연막(50) 상에 형성된 PSG막, 및 PSG막 상에 형성된 NSG막을 포함하는 적층막이다. 본 실시예에서, PSG막의 막두께는 500O Å이고, NSG막의 막두께는 500O Å이다. 따라서, 패시베이션막(60)의 막두께는 1 μm 이다. 그리고, 패시베이션막(60)은 PSG막과 NSG막의 적층막으로 한정되지 않고, 예를 들면, 실리콘 질화막일 수도 있다.
층간 절연막(50)과 패시베이션막(60)의 적층막은 영역(A1)과 영역(A2)에 걸쳐 형성되어 있다. 이 적층막 중 영역(A1) 위에 형성된 부분이 적외선 흡수막(7O)으로도 쓰인다. 이 적외선 흡수막(7O)의 두께(t2)는 λ/4n2이며, 여기서 λ는 적외선 검출 소자(3)로 검출할 적외선의 중심 파장을 나타내고, n2는 적외선 흡수막(7O)의 굴절률을 나타낸다. 이 구성에 의하면, 검출 대상의 파장(예컨대, 8 내지 12 μm)의 적외선에 대한 적외선 흡수막(70)의 흡수 효율을 높일 수 있고, 따라서 감도를 향상시킬 수 있다. 예를 들면, n2가 1.4이고 λ가 10 μm 일 경우에, t2는 약 1.8 μm이다. 그리고, 적외선 흡수막(70)은, 실리콘 질화막으로 이루어질 수 있다.
본 실시예의 적외선 센서(1)는, 실리콘 질화막(32) 중 박막 구조체(300)의 지지체(310) 이외의 부위에 적외선 흡수체(33)를 실현하도록 구성된다. 베이스(10)는 실리콘 기판(1a), 실리콘 산화막(1b), 실리콘 질화막(32), 층간 절연막(50), 및 패시베이션막(60)으로 구성되어 있다. 따라서, 패시베이션막(60)의 표면이 베이스(10)의 상기 제1 표면이 된다.
감온체(30)는 적외선 흡수체(33)와 베이스(10)의 온도차를 측정하도록 구성된다. 감온체(30)는 감온 소자로서 구성되는 열전대(30a)를 포함한다. 열전대(30a)는 p형 폴리실리콘층(35), n형 폴리실리콘층(34), 접속층(36)으로 이루어진다. p형 폴리실리콘층(351)은 적외선 흡수체(33)와 베이스(10)에 걸쳐 형성된다. n형 폴리실리콘층(34)은 p형 폴리실리콘층(35)과는 접촉하지 않고서 적외선 흡수체(33)와 베이스(10)에 걸쳐 형성된다. 접속층(36)은 적외선 흡수체(331)에 있어 베이스(10)(실리콘 기판(1a)과는 반대측의 면인 적외선 입사면(도 1 (b)의 상면), 즉 적외선 흡수체(33) 위에서 p형 폴리실리콘층(35)과 n형 폴리실리콘층(34)을 전기적으로 접속한다.
보다 상세하게 설명하면, n형 폴리실리콘층(34)과 p형 폴리실리콘층(35)은 적외선 흡수체(33), 지지체(310), 및 베이스(10)에 걸쳐 위치되도록 실리콘 질화막(32) 상에 형성되어 있다. 접속층(36)은 금속 재료(예컨대, Al-Si)로 이루어지고, 적외선 흡수체(33)의 상부 표면(top surface)의 중앙 위에서 n형 폴리실리콘층(34)의 제1 단과 p형 폴리실리콘층(35)의 제1 단을 전기적으로 접속한다. 감온체(30)는 n형 폴리실리콘층(34)의 제2 단 상에 형성된 전극(38a), 및 p형 폴리실리콘층(35)의 제2 단 상에 형성된 전극(38b)을 포함한다.
층간 절연막(50)은 접속층(36), 전극(38a), 및 전극(38b)을 서로 절연 및 분리시킨다. 접속층(36)은 층간 절연막(50)에 형성된 컨택트홀(contact hole)(50l)을 통해 n형 폴리실리콘층(34)의 제1 단에 전기적으로 접속되고, 층간 절연막(50)에 형성된 컨택트홀(502)을 통해 p형 폴리실리콘층(35)의 제1 단에 전기적으로 접속되어 있다. 전극(38a)은 층간 절연막(50)에 형성된 컨택트홀(50b)을 통해 n형 폴리실리콘층(34)의 제2 단에 전기적으로 접속되어 있다. 전극(38b)은 층간 절연막(50)에 형성된 컨택트홀(50c)를 통해 p형 폴리실리콘층(35)의 제2 단에 전기적으로 접속되어 있다.
보상막(39)은 p형 폴리실리콘층(35) 및 n형 폴리실리콘층(34)의 형성 시에 적외선 흡수체(33)를 보호하고 적외선 흡수체(33)의 휘어짐을 방지하기 위해 쓰인다. 이 보상막(39)은 적외선 흡수체(33)의 상기 적외선 입사면 상에 상기 적외선 입사면을 덮도록 형성된 폴리실리콘막이며, p형 보상막(p형 보상 폴리실리콘층)(39a), 및 n형 보상막(n형 보상 폴리실리콘층)(39b)을 포함한다. p형 보상막(39a)과 n형 보상막(39b)은 서로 접촉하지 않도록 배치되어 있다.
p형 보상막(39a)은 p형 폴리실리콘층(35)과 동일한 종류의 p형 불순물(예컨대, 붕소)을 동일한 농도(예컨대, 1018 내지 1020 cm-3)로 포함한다. 본 실시예에서, p형 보상막(39a)은 p형 폴리실리콘층(35)과 일체로 형성되어 있다. n형 보상막(39b)은 n형 폴리실리콘층(34)과 동일한 종류의 n형 불순물(예컨대, 인)을 동일한 농도(예컨대, 1018 내지 1020 cm-3)로 포함한다. 본 실시예에서, n형 보상막(39b)은 n형 폴리실리콘층(34)과 일체로 형성되어 있다.
전술한 바와 같이, 보상막(39)은 p형 폴리실리콘층과 일체로 형성되고 불순물 농도가 1018 내지 1020 cm-3인 p형 보상막(39a)과, n형 폴리실리콘층(34)과 일체로 형성되고 불순물 농도가 1018 내지 1020 cm-3인 n형 보상막(39b)으로 구성된다. 이로써 열전대(30a)의 저항값을 감소시킬 수 있고, 적외선 센서의 S/N비를 향상시킬 수 있다.
p형 폴리실리콘층의 두께(t1p)는 λ/4n1p이며, n형 폴리실리콘층의 두께 (t1n)는 λ/4n1n이다. 여기서, n1p는 p형 폴리실리콘층(35)의 굴절률이며, n1n은 n형 폴리실리콘층(34)의 굴절률이다. 본 실시예에서는, n1p와 n1n이 동일하다. 그러므로, p형 폴리실리콘층(35)의 두께(t1p)와 n형 폴리실리콘층(34)의 두께(t1n)는 동일하다. 또, 보상막(39)의 두께(p형 보상막(39a)과 n형 보상막(39b) 각각의 두께)는, p형 폴리실리콘층(35)의 두께(t1p)와 n형 폴리실리콘층(34)의 두께(t1n)와 동일하다. 그러므로, p형 폴리실리콘층(34), n형 폴리실리콘층(35), 및 보상막(39a. 39b) 각각의 두께(t1)는 식 λ/4n1로 나타낼 수 있으며, 여기서, n1은 p형 폴리실리콘층(34), n형 폴리실리콘층(35), 및 보상막(39a. 39b) 각각의 굴절률을 나타낸다. 이 구성에 의하면, 검출 대상의 파장(예컨대, 8 내지 12 μm)의 적외선에 대한 p형 폴리실리콘층(35), n형 폴리실리콘층(34), 및 보상막(39a, 39b)의 흡수 효율을 높일 수 있고, 따라서 감도를 향상시킬 수 있다. 예를 들면, n1가 3.6이고 λ가 10 μm일 경우에, t1는 약 0.69 μm이다.
각 보상막(39a, 39b)의 불순물 농도는 1018 내지 1020 cm-3 범위 내이다. p형 폴리실리콘층(35)은 p형 보상막(39a)과 동일한 종류의 불순물을 동일한 농도로 포함한다. n형 폴리실리콘층(34)은 n형 보상막(39b)과 동일한 종류의 불순물을 동일한 농도로 포함한다. 각 폴리실리콘층(34, 35)의 불순물 농도는 1018 내지 1020 cm-3 범위 내이다. 따라서, 상기 문헌 2에 기재되어 있듯이, 적외선의 흡수율을 증대시킬 수 있고, 동일 적외선의 반사를 억제할 수 있다. 그러므로, 감온체(30)의 출력의 S/N비가 향상된다. 또, p형 보상막(39a)과 p형 폴리실리콘층(35)을 동일 프로세스로 형성할 수 있고, n형 보상막(39b)과 n형 폴리실리콘층(34)을 동일 프로세서로 형성할 수 있다. 따라서, 적외선 센서의 제조 비용을 절감할 수 있다.
MOS 트랜지스터(4)는 p형 웰 영역(41), n+형 드레인 영역(44), n+형 소스 영역(43), p+형 채널 스토퍼 영역(42), 게이트 절연막(45), 게이트 전극(46), 드레인 전극(47), 소스 전극(48), 및 그라운드용 전극(49)을 포함한다. p형 웰 영역(41)은 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면 측에 형성된다. n+형 드레인 영역(44)과 n+형 소스 영역(43)은 p형 웰 영역(41) 내에 서로 이격되어 형성되어 있다. p+형 채널 스토퍼 영역(42)은 p형 웰 영역(41) 내에, n+형 드레인 영역(44)과 n+형 소스 영역(43)을 에워싸도록 형성되어 있다. 게이트 절연막(45)은 실리콘 산화막(열산화막)으로 이루어진다. 게이트 절연막(45)는 p형 웰 영역(41)의 일부분 상에, n+형 드레인 영역(44)과 n+형 소스 영역(43) 사이에 위치하도록 형성되어 있다. 게이트 전극(46)은 n형 폴리실리콘층으로 이루어지고, 게이트 절연막(45) 상에 형성되어 있다. 드레인 전극(47)은 금속 재료(예컨대, Al-Si)로 이루어지고, n+형 드레인 영역(44) 상에 형성되어 있다. 소스 전극(48)은 금속 재료(예컨대, Al-Si)로 이루어지고, n+형 소스 영역(43) 상에 형성되어 있다. 드레인 전극(47)은 층간 절연막(50)에 형성된 컨택트홀(50d)를 통해 n+형 드레인 영역(44)에 전기적으로 접속되어 있다. 소스 전극(48)은 층간 절연막(50)에 형성된 컨택트홀(50e)을 통해 n+형 소스 영역(43)에 전기적으로 접속되어 있다. 층간 절연막(50)은 게이트 전극(46), 드레인 전극(47), 그리고 소스 전극(48)을 서로 절연하고 분리시킨다. 그라운드용 전극(49)은 금속 재료(예컨대, Al-Si)로 이루어지고, p+형 채널 스토퍼 영역(42) 위에 형성되어 있다. 그라운드용 전극(49)은 층간 절연막(50)에 형성된 컨택트홀(50f)를 통해 p+형 채널 스토퍼 영역(42)에 전기적으로 접속되어 있다. 그라운드용 전극(49)은 p+형 채널 스토퍼 영역(42)에 n+형 드레인 영역(44) 및 n+형 소스 영역(43)보다 저전위를 제공하여 소자들의 상호 절연하기 위해(소자끼리를 절연하기 위해) 사용된다.
각 화소(2)에서, 감온체(30)의 전극(38b)은 MOS 트랜지스터(4)의 소스 전극(48)에 전기적으로 접속되고, 감온체(30)의 전극(38a)은 금속 배선(예컨대, Al-Si 배선)(59)을 사용하여 기준 바이어스선(5)에 전기적으로 접속되어 있다. 금속 배선(59)은 기준 바이어스선(5)에 일체로 형성되어 있다. 또, 각 화소(2)에서는, MOS 트랜지스터(4)의 드레인 전극(47)이 수직 판독선(7)에 전기적으로 접속되고, 게이트 전극(46)이 수평 신호선(6)에 전기적으로 접속되어 있다. 수평 신호선(6)은 게이트 전극(46)에 일체로 형성된 n형 폴리실리콘 배선이다. 또한, 그라운드용 전극(49)은 공통 그라운드선(8)에 전기적으로 접속되어 있다.
다음에 도 5 및 도 6을 참조하여, 적외선 센서(1)의 제조 방법을 간략하게 설명한다.
먼저, 절연층 형성 단계를 행한다. 절연층 형성 단계에서는, 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면 상에 절연층을 형성한다. 이 절연층은 제1 소정 막두께(예컨대, 300O Å)의 제1 실리콘 산화막(31)과 제2 소정 막두께(예컨대, 90O Å)의 실리콘 질화막(32)으로 이루어지는 적층막이다. 실리콘 산화막(31)은 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면을 소정 온도(예컨대, 11OO℃)로 열산화함으로써 형성한다. 실리콘 질화막(32)은 LPCVD 기술에 의해 형성한다.
절연층 형성 단계 후, 절연층 패터닝 단계를 행한다. 절연층 패터닝 단계에서는, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여, 절연층 중 영역(A1)에 형성된 부분을 남기고 절연층 중 영역(A2)에 형성된 부분을 제거한다. 이로써, 도 5의 (a)에 나타낸 구조를 얻는다.
절연층 패터닝 단계 후, 웰 영역 형성 단계를 행한다. 웰 영역 형성 단계에서는, 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면에 p형 웰 영역(41)을 형성한다. 보다 상세하게는, 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면의 노출된 영역을 소정 온도로 열산화(thermally ozidizing)함으로써 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면의 원하는 영역에 제2 실리콘 산화막(열산화막)(51)을 형성한다. 그 후, p형 웰 영역(41)을 형성하기 위한 마스크를 이용한 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 실리콘 산화막(51)을 패터닝한다. 그 후, p형 불순물(예컨대, 붕소)의 이온 주입을 행하고 나서 드라이브인 확산(drive-in diffusion)을 행함으로써, p형 웰 영역(41)을 형성한다.
웰 영역 형성 단계 후, 채널 스토퍼 영역 형성 단계를 행한다. 채널 스토퍼 영역 형성 단계에서는, p형 웰 영역(41) 내에 p+형 채널 스토퍼 영역(42)을 형성한다. 보다 상세하게는, 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면을 소정 온도로 열산화함으로써 상기 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면 의 원하는 영역 상에 제3 실리콘 산화막(열산화막)(52)을 형성한다. 그 후, p+형 채널 스토퍼 영역(42)을 형성하기 위한 마스크를 이용한 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 실리콘 산화막(52)을 패터닝한다. 그 후, p형 불순물(예컨대, 포론 등)의 이온 주입을 행하고 나서 드라이브인 확산을 행함으로써, p+형 채널 스토퍼 영역(42)를 형성한다. 그리고, 제1 실리콘 산화막(31), 제2 실리콘 산화막(51), 및 제3 실리콘 산화막(52)이 실리콘 산화막(1b)을 구성한다. 이로써, 도 5의 (b)에 나타낸 구조를 얻는다.
채널 스토퍼 영역 형성 단계 후, 게이트 절연막 형성 단계를 행한다. 게이트 절연막 형성 단계에서는, 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면 상에 열산화에 의해 소정 막두께(예컨대, 60O Å)의 실리콘 산화막(열산화막)으로 이루어지는 게이트 절연막(45)을 형성한다.
게이트 절연막 형성 단계 후, 폴리실리콘층 형성 단계를 행한다. 폴리실리콘층 형성 단계에서는, 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면의 전체면 상에 소정 막두께(예컨대, 0.69 μm) 도핑되지 않은 비도핑(non-doped) 폴리실리콘층을 LPCVD 기술을 이용하여 형성한다. 이 비도핑 폴리실리콘층은 게이트 전극(46), 수평 신호선(6)(도 1 (a) 참조), n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 및 각각의 보상막(39a, 39b)의 기초가 된다.
폴리실리콘층 형성 단계 후, 폴리실리콘층 패터닝 단계를 행한다. 폴리실리콘층 패터닝 단계에서는, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 상기 비도핑 폴리실리콘층 중 게이트 전극(46), 수평 신호선(6), n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 및 각 보상막(39a, 139b) 각각에 대응하는 부분이 남도록 상기 비도핑 폴리실리콘층을 패터닝한다.
폴리실리콘층 패터닝 단계 후, p형 폴리실리콘층 형성 단계를 행한다. p형 폴리실리콘층 형성 단계는, 비도핑 폴리실리콘층 중 p형 폴리실리콘층(35) 및 p형 보상막(39a)에 각각 대응하는 부분에 p형 불순물(예컨대, 붕소)의 이온 주입을 행하고 나서 드라이브 확산(drive difussion)을 행함으로써, 폴리실리콘층(35) 및 p형 보상막(39a)를 형성하도록 되어 있다.
p형 폴리실리콘층 형성 단계 후, n형 폴리실리콘층 형성 단계를 행한다. n형 폴리실리콘층 형성 단계는, 비도핑 폴리실리콘층 중 n형 폴리실리콘층(34), n형 보상막(39b), 게이트 전극(46), 및수평 신호선(6)에 각각 대응하는 부분에 n형 불순물(예컨대, 인)의 이온 주입을 행하고 나서, 드라이브 확산을 행함으로써, n형 폴리실리콘층(34), n형 보상막(39b), 게이트 전극(46), 및 수평 신호선(6)을 형성하도록 되어 있다. 이로써, 도 5의 (c)에 나타낸 구조를 얻는다. 그리고, p형 폴리실리콘층 형성 단계와 n형 폴리실리콘층 형성 단계의 순서는 반대일 수도 있다.
p형 폴리실리콘층 형성 단계 및 n형 폴리실리콘층 형성 단계를 모두 행한 후, 소스/드레인 형성 단계를 행한다. 소스/드레인 형성 단계는 p형 웰 영역(41)에 있어, n+형 드레인 영역(44) 및 n+형 소스 영역(43) 각각의 형성 예정 영역에 n형 불순물(예컨대, 인)의 이온 주입을 행하도록 되어 있다. 그 후, 드라이브 확산을 행하여 n+형 드레인 영역(44) 및 n+형 소스 영역(43)을 형성한다.
소스/드레인 형성 단계 후, 층간 절연막 형성 단계를 행한다. 층간 절연막 형성 단계에서는, 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면 위에 층간 절연막(50)을 형성한다. 보다 상세하게는, 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면 위에 소정 막두께(예컨대, 8000 Å)의 BPSG막을 CVD 기술을 이용하여 퇴적하고 나서, 소정 온도(예컨대, 800℃)로 리플로(reflow)함으로써 평탄화된 층간 절연막(50)을 형성한다.
층간 절연막 형성 단계 후, 컨택트홀 형성 단계를 행한다. 컨택트홀 형성 단계에서는, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 층간 절연막(50)에 컨택트홀(501, 502, 50b, 50c, 50d, 50e, 50f)를 형성한다. 이로써, 도 5의 (d)에 나타낸 구조를 얻는다.
컨택트홀 형성 단계 후, 금속막 형성 단계를 행한다. 금속막 형성 단계에서는, 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면의 전체면 위에, 소정 막두께(예컨대, 2 μm)의 금속막(예컨대, Al-Si막)을 스퍼터링을 이용하여 형성한다. 상기 금속막은 접속층(36), 각 전극(38a.38b), 드레인 전극(47), 소스 전극(48), 기준 바이어스선(5), 금속 배선(59), 수직 판독선(7), 그라운드선(8), 공통 그라운드선(9), 및 각 패드(Vout, Vsel.Vref, Vdd, Gnd)의 기초가 된다.
금속막 형성 단계 후, 금속막 패터닝 단계를 행한다. 금속막 패터닝 단계에서는, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 금속막을 패터닝함으로써, 접속층(36), 각 전극(38a, 38b), 드레인 전극(47), 소스 전극(48), 기준 바이어스선(5), 수직 판독선(7), 그라운드선(8), 공통 그라운드선(9), 및 각 패드(Vout, Vsel.Vref, Vdd, Gnd)를 형성한다. 이로써, 도 6의 (a)에 나타낸 구조를 얻는다. 그리고, 금속막 패터닝 단계에서는, RIE를 이용하여 금속막을 에칭한다.
금속막 패터닝 단계 후, 패시베이션막 형성 단계를 행한다. 패시베이션막 형성 단계에서는, 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면 위에(즉, 층간 절연막(50)의 표면 상에) 패시베이션막을 형성한다. 패시베이션막(60)은 소정 막두께(예컨대, 5000 Å)의 PSG막과 소정 막두께(예컨대, 5000 Å)의 NSG막으로 이루어진 적층막이다. 이로써, 도 6의 (b)에 나타낸 구조를 얻는다.
패시베이션막 형성 단계 후, 적층 구조체 패터닝 단계를 행한다. 적층 구조체 패터닝 단계에서는, 실리콘 산화막(31)과 실리콘 질화막(32)의 적층막으로 이루어지는 열절연층, 열절연층 상에 형성된 감온체(30), 열절연층 위에서 감온체(30)를 덮도록 형성된 층간 절연막(50), 및 층간 절연막(50) 상에 형성된 패시베이션막(60)으로 구성된 적층 구조체를 패터닝함으로써 박막 구조체를 형성한다. 이로써, 도 6의 (c)인 나타내는 구조를 얻는다. 그리고, 적층 구조체 패터닝 단계에서는, 복수(본 실시예에서는, 2개)의 슬릿(13)을 형성한다. 각각의 슬릿(13)은 적층 구조체를 그 두께 방향으로 관통하고 적외선 흡수체(33)와 베이스(10)를 분리시키도록 구성된다. 상기한 적층 구조체는 이 슬릿(13)들을 형성함으로써 완성된다.
적층 구조체 패터닝 단계 후, 개구(opening) 형성 단계를 행한다. 개구 형성 단계에서는 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 개구(도시하지 않음)를 형성한다. 이 개구는 패드(Vout, Vsel, Vref, Vdd, Gnd) 각각을 노출시키도록 되어 있다. 개구 형성 단계에서는, RIE를 이용하여 개구를 형성한다.
개구 형성 단계 후, 공동 형성 단계를 행한다. 공동 형성 단계에서는, 각각의 슬릿(13)에 에칭액을 부어 실리콘 기판(1a)을 이방성 에칭(anisotropic etching)함으로써, 실리콘 기판(1a)에 공동(11)을 형성한다. 이로써, 도 6의 (d)에 나타낸 바와 같이, 화소(2)가 이차원 어레이형으로 배열된 적외선 센서(1)를 얻는다. 공동 형성 단계에서는, 에칭액으로서 소정 온도(예컨대, 85 ℃)로 가열한 TMAH 용액을 사용하고 있다. 에칭액은 TMAH 용액으로 한정되지 않으며, 다른 알칼리계 용액(예컨대, KOH 용액)일 수도 있다.
또, 절연층 형성 단계에서 공동 형성 단계까지의 전 단계는 웨이퍼 레벨로 수행된다. 따라서, 공동 형성 단계를 완료한 후, 적외선 센서(1)들을 서로 분리하는 분리 단계를 행한다.
또, 주지의 일반적인 MOS 트랜지스터 제조 방법에 의해 MOS 트랜지스터(4)를 형성한다. 다시 말해, 기본 단계, 즉 열산화를 이용한 열산화막의 형성 단계, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용한 열산화막의 패터닝 단계, 불순물 주입 단계, 및 드라이브인 확산(불순물의 확산)을 행하는 단계를 반복함으로써, p형 웰 영역(41), p+형 채널 스토퍼 영역(42), n+형 드레인 영역(44), 및 n+형 소스 영역(43)을 형성한다.
이상 설명한 본 실시예의 적외선 센서(1)에 따르면, 감온체(30)는 열전대(30a)를 이용하여 적외선 흡수체(33)와 베이스(10)의 온도차를 검출한다. 따라서, 감온체(30)에 전류를 공급할 필요가 없다. 감온체(30)는 자기 발열하지 않기 때문에, 저항 볼로미터로 이루어진 감온체(30)와는 달리, 그렇지 않으면 감온체(30)의 자기 발열에 기인하여 발생할, 적외선 흡수체(33) 나아가서는 박막 구조체(300)의 휘어짐이 발생하지 않고, 따라서 전력 소비를 감소시키는 데 기여한다. 또, 온도에 관계 없이 감도가 일정하게 유지되기 때문에, 적외선 센서의 정밀도가 향상된다.
또한, 적외선 센서(1)에서는, p형 폴리실리콘층(35) 및 n형 폴리실리콘층(34) 각각의 불순물 농도가 1018 내지 1020 cm-3이다. 또한, p형 폴리실리콘층(35) 및 n형 폴리실리콘층(34) 각각의 두께가 λ/4n1이다. 그러므로, 검출 대상의 적외선에 대한 p형 폴리실리콘층(35) 및 n형 폴리실리콘층(34) 각각의 흡수 효율을 높일 수 있으므로, 감도를 향상시킬 수 있다.
또, 적외선 센서(1)에서는, p형 폴리실리콘층(35) 및 n형 폴리실리콘층(34)에 있어 베이스(10)와는 반대측의 면 위에 형성된 적외선 흡수막(70)을 포함한다. 적외선 흡수막(70)의 두께가 λ/4n2이므로, 검출 대상의 적외선에 대한 적외선 흡수막(70)의 흡수 효율을 더욱 높일 수 있고, 따라서 감도를 향상시킬 수 있다.
또, 적외선 센서(1)에서는, p형 폴리실리콘층(35)과 n형 폴리실리콘층(34)의 두께가 동일하였다. 그러므로, 적외선 센서(1)의 제조 시에, p형 폴리실리콘층(35) 및 n형 폴리실리콘층(34) 각각의 기초가 되는 비도핑 폴리실리콘층을 단일의 막형성 프로세스(전술한 폴리실리콘층 형성 단계)로 형성할 수 있다. 따라서, 제조 비용을 절감할 수 있다.
또, 적외선 흡수체(33)의 적외선 입사면에는, p형 폴리실리콘층(35) 및 n형 폴리실리콘층(34)의 형성 시에 적외선 흡수체(33)를 보호하고 적외선 흡수체(33)의 휘어짐을 방지하는 보상막(39a. 39b)이 형성되어 있다. 따라서, p형 폴리실리콘층(35) 및 n형 폴리실리콘층(34)의 형성 시에 적외선 흡수체(33)가 에칭되어 얇아지는 것을 방지할 수 있다. 즉, 비도핑 폴리실리콘층의 에칭 시에 발생할 수 있는 오버 에칭에 의해 실리콘 질화물(32)이 얇아지는 것을 방지할 수 있다. 또, 박막 구조체(300)의 응력 분포의 균일성을 높일 수 있다. 따라서, 적외선 흡수체(33)를 얇게 만들면서도 적외선 흡수체(33)(박막 구조체(300))가 휘어지지 않도록 할 수 있으므로, 감도를 향상시킬 수 있다.
보상막(39a, 39b)은 감온체(30)와 함께 적외선 흡수체(33)의 대략 전체면을 덮도록 형성되는 것이 바람직하다. 단, p형 보상막(39a)과 n형 보상막(39b)은 접촉되지 않도록 할 필요는 있다. 공동 형성 단계에서 사용된 에칭액(예컨대, TMAH 용액)에 의해 보상막(39a, 39b)가 에칭되는 것을 방지할 필요가 있다. 따라서, 보상막(39a, 39b)은 슬릿(13)의 내측면에 노출되지 않은 형상으로 형성된다. 즉, 보상막(39a, 39b)은 적외선 흡수체(33)의 외주를 덮지 않도록 형성된다.
또, 적외선 센서(1)에서는, p형 폴리실리콘층(35), n형 폴리실리콘층(34), 및 각 보상막(39a, 39b)의 두께는 동일하다. 그러므로, 박막 구조체(300)의 응력 분포의 균일성을 높일 수 있다. 따라서, 적외선 흡수체(33)를 휘어지지 않도록 할 수 있다.
또, 적외선 센서(1)에서는, p형 폴리실리콘층(35), n형 폴리실리콘층(34), 및 각 보상막(39a, 39b)이 동일 평면 상에 형성되어 있다. 그러므로, 박막 구조체(300)의 응력 분포의 균일성을 높일 수 있다. 따라서, 적외선 흡수체(33)를 휘어지지 않도록 할 수 있다.
또한, 적외선 센서(1)는 화소(2)마다 MOS 트랜지스터(4)를 포함하기 때문에, 출력용 패드(Vout)의 수를 줄일 수 있고, 따라서 적외선 센서(1)를 소형화할 수 있고 그 제조 비용을 절감할 수 있다.
또, 적외선 센서(1)에서는, MOS 트랜지스터(4)의 게이트 전극(46)을 구성하는 폴리실리콘층의 두께가 p형 폴리실리콘층(35) 및 n형 폴리실리콘층(34)과 동일하다. 따라서, MOS 트랜지스터(4)의 게이트 전극(46)과 p형 폴리실리콘층(35) 또는 n형 폴리실리콘층(34)을 동일 프로세스로 형성할 수 있다. 이로써, 적외선 센서를 제조하는 방법의 단계 수를 줄일 수 있으므로, 제조 비용을 절감할 수 있다.
적외선 센서(1)에서는, MOS 트랜지스터(4)의 게이트 전극(46)을 구성하는 폴리실리콘층인 n형 폴리실리콘층의 두께가 n형 보상막(39b)과 동일하다. 그러므로, MOS 트랜지스터(4)의 게이트 전극(36)과 n형 보상막(39b)을 동일 프로세스로 형성할 수 있다. 이로써, 적외선 센서를 제조하는 방법의 단계 수를 줄일 수 있으므로, 제조 비용을 절감할 수 있다.
그리고, 적외선 센서(1)는 단 하나의 적외선 검출 소자(3)를 포함할 수도 있다.
(제2 실시예)
본 실시예의 적외선 센서(1A)는 화소(2A)와 감온체(30A)가 제1 실시예의 적외선 센서(1)와 다르다. 적외선 센서(1A)와 적외선 센서(1)에 공통되는 구성 요소에는 동일한 도면부호를 부여하고 설명을 생략한다.
각 화소(2A)는 MOS 트랜지스터(4)를 구비하고 있지 않다.
감온체(30A)는, 각각이 n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 및 접속층(36)을 포함하는 4개의 열전대(30a)를 포함한다. 열전대(30a)의 p형 폴리실리콘층(35)의 제2 단은 인접한 열전대(30a)의 n형 폴리실리콘층(34)의 제2 단에, 금속 재료(예컨대, Al-Si)로 이루어지는 접속층(37)을 사용하여 전기적으로 접속되어 있다. 전술한 바와 같이, 4개의 열전대(30a)는 서로 직렬 접속되어 서모파일을 구성한다.
전술한 서모파일은, 각각이 n형 폴리실리콘층(34)의 제1 단, p형 폴리실리콘층(35)의 제1 단, 및 접속층(36)으로 구성된 온접점(hot junction)들과, p형 폴리실리콘층(35)의 제2 단, n형 폴리실리콘층(34)의 제2 단, 및 접속층(37)으로 구성된 냉접점(cold junction)들을 포함한다. 온접점은 적외선 흡수체(33) 위에 배치되고, 냉접점은 베이스(10) 위에 배치된다.
적외선 센서(1A)의 제조 방법은, 적층 구조체 패터닝 단계와 공동 형성 단계가 적외선 센서(1)의 제조 방법과 상이하다. 본 실시예에서의 적층 구조체 패터닝 단계에서는, 실리콘 기판(1a)에 있어 공동(11)의 형성 예정 영역의 투영 영역(projected area)의 네 모서리(corner)에 적층 구조체를 그 두께 방향으로 관통하는 4개의 직사각형 슬릿(14)을 형성하여 막 구조체(300)를 형성한다. 본 실시예의 공동 형성 단계에서는, 4개의 슬릿(14)을 에칭액 도관(conduit)으로 이용한다. 그리고, 적외선 센서(1A)가 MOS 트랜지스터(4)를 구비하고 있지 않기 때문에, 제1 실리콘 산화막(31)만으로 실리콘 산화막(1b)을 구성한다.
도 7a 내지 도 7c, 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 적외선 센서(1A)는 복수(도시한 예에서는, 4개)의 출력용 패드(Vout)와 단 하나의 기준 바이어스용 패드(Vref)를 구비한다. 출력용 패드(Vout)들에는 감온체(30A)들의 제1 단이 각각 접속된다. 열마다, 기준 바이어스용 패드(Vref)에는 복수(도시한 예에서는, 2개)의 적외선 검출 소자(3)의 감온체(30A)의 제2 단이 접속된다. 이 적외선 센서(1A)에 따르면, 모든 적외선 검출 소자(3)의 출력을 시계열적으로 판독할 수 있다. 그리고, 감온체(30A)의 제1 단은 수직 판독선(7)을 통하여 출력용 패드(Vout)에 전기적으로 접속되어 있다. 감온체(30A)의 제2 단은 기준 바이어스용 패드(Vref)에 접속된 공통 기준 바이어스선(5a)에 기준 바이어스선(5)을 이용하여 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 도 8에서는, 감온체(30A)의 등가 회로를 전압원(전압원)으로 나타내고 있다.
예를 들어, 기준 바이어스용 패드(Vref)에 1. 65V의 전위를 인가하면, 출력용 패드(Vout)는 화소(2A)의 출력 전압(1.65V + 감온체(30A)의 출력 전압)을 출력한다.
도 9는 적외선 센서(1A), 적외선 센서(1A)의 출력 신호인 출력 전압을 신호 처리하도록 구성된 신호 처리 장치(B), 및 적외선 센서(1A) 및 신호 처리 장치(B)가 실장된 패키지(C)를 포함하는 적외선 센서 모듈을 나타낸다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 신호 처리 장치(B)는 복수(도시한 예에서는, 4개)의 입력용 패드(Vin), 및 패드(VrefB)를 구비한다. 입력용 패드(Vin)들에는 적외선 센서(1A)의 출력용 패드(Vout)들이 배선(80)을 사용하여 각각 전기적으로 접속되어 있다. 패드(VrefB)는 사용 시에 적외선 센서(1A)의 기준 바이어스용 패드(Vref)에 기준 전압을 인가하도록 되어 있다. 패드(VrefB)는 기준 바이어스용 패드(Vref)에 배선(80)을 통하여 전기적으로 접속된다. 신호 처리 장치(B)는 증폭 회로(AMP) 및 멀티플렉서(MUX)를 더 포함한다. 이 신호 처리 장치(B)를 이용하면, 적외선 화상을 생성할 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 실시예의 적외선 센서(1A)의 변형예를 나타낸다. 도 11a 및 도 11b에 나타낸 변형예에서는, 감온체(30A)는 서로 직렬 접속된 2개의 열전대(30a)를 포함하는 서모파일이다. 또, 이 변형예에서는, 박막 구조체(300)는 2개의 지지체(310)를 사용하여 베이스(10)에 연결되어 있다.
도 12a 및 도 12b는 적외선 센서(1A)의 다른 변형예를 나타낸다. 도 12a 및 도 12b에 나타낸 변형예에서는, 공동(11)이 실리콘 기판(1a)를 그 두께 방향으로 관통하도록 형성되어 있다. 즉, 박막 구조체(300)이 다이어프램 형상(diaphragm shape)으로 형성되어 있다.
(제3 실시예)
이하, 도 13 내지 도 37을 참조하여 본 실시예의 적외선 센서(1B)를 설명한다.
본 실시예의 적외선 센서(1B)는, 주로 박막 구조체(300B)가 제1 실시예의 적외선 센서(1)과 다르다. 그리고, 적외선 센서(1B)와 적외선 센서(1)에 공통되는 구성 요소에는 동일한 도면부호를 부여하고 설명을 생략한다.
도 15 및 도 25에 나타낸 바와 같이, 적외선 센서(1B)에서는, 단일 베이스(10)의 제1 표면 위에 8 x 8개의 화소(2)가 형성되어 있다. 화소(2)의 수와 배열은 한정되지 않는다.
그리고, 도 15에서는, 화소 선택용 패드(Vsel), 기준 바이어스용 패드(Vref), 그라운드 용 패드(Gnd), 및 출력용 패드(Vout) 등을 구별하지 않고 모두 패드(81)로 도시하고 있다.
도 26은 적외선 센서(1B)를 구비하는 적외선 센서 모듈(적외선 어레이 센서 모듈)을 나타낸다. 이 적외선 센서 모듈은 적외선 센서(1B), 적외선 센서(1B)의 출력 신호인 출력 전압을 신호 처리하도록 구성된 신호 처리 장치(B), 및 적외선 센서(1B) 및 신호 처리 장치(B)가 실장된 수납하는 패키지(C)를 포함한다.
패키지(C)는 패키지 본체(90), 및 패키지 리드(100)를 포함한다. 패키지 본체(90)는, 상면(upper surface)에 개구가 형성된 직사각형 상자형으로 형성된 다층 세라믹 기판(세라믹 패키지)이다. 패키지 본체(90)의 내부 바닥면에는 적외선 센서(1B)와 신호 처리 장치(B)가 실장(설치)된다. 패키지 리드(100)는 메탈 리드이며, 적외선 센서(1B)에 적외선을 수속하는 렌즈(110)를 구비한다. 패키지(C)에 따르면, 패키지 본체(90) 및 패키지 리드(100)로 에워싸인 기밀 공간(air tight space)은 건조한 질소 분위기로 되어 있다. 패키지 리드(100)의 외주는 패키지 본체(90)의 상기 면 상에 형성된 직사각형의 패터닝된(rectangular patterned) 금속(도시되지 않음)에 심 용접(seam welding)에 의해 고착되어 있다. 패키지 본체(90)는 유리 에폭시 수지 기판을 적층하여 이루어질 수도 있다.
패키지 본체(90)의 내면에는 차폐용의 패터닝된(shield patterned) 도체(92)가 형성되어 있다. 적외선 센서(1B)와 신호 처리 장치(B)는 차폐용의 패터닝된 도체(92)에 도전성(electrically conductive) 접합 재료(예컨대, 땜납 및 은 페이스트)로 이루어지는 접합층(95, 95)를 사용하여 접합되어 있다. 예를 들면, 적외선 센서(1B) 및 신호 처리 장치(B)를 패키지 본체(90)에 접합하는 방법은, 상온 접합법(normal temperature bonding method), Au-Sn 공융(eutectic) 접합법 또는 Au-Si 공융 접합법 중에서 하나가 선택될 수 있다. 도전성 재료를 사용한 접합법과는 달리, 상온 접합법과 같은 직접 접합은 적외선 센서(1A)와 렌즈(11O 사이의 거리 정밀도를 향상시킬 수 있다.
렌즈(110)는 적외선 투과 재료의 일종인 Si로 이루어진다. 렌즈(11O)는, 예를 들면, 양극 산화(anode oxidation) 기술을 이용한 반도체 렌즈의 제조 방법(예컨대, 일본 특허공보 제3897055호 및 제897056호에 개시된 반도체 렌즈의 제조 방법 등)을 이용하여 만들 수 있다. 렌즈(110)는 패키지 리드(100)의 개구부(aperture)(101)를 덮도록 패키지 리드(100)의 개구부(101)의 주위에 도전성 접착제(예컨대, 납땜, 은 페이스트)를 사용하여 고정되어 있다. 또, 렌즈(110)는 차폐용의 패터닝된 도체(92)에 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 적외선 어레이 센서 모듈은 외래의 전자 노이즈에 기인한 S/N비의 저하를 억제할 수 있다. 그리고, 렌즈(110)는 필요에 따라 적외선 광학 필터를 구비할 수도 있다. 적외선 광학 필터는 대역 통과 필터 또는 광대역 차단 필터일 수 있다. 이와 같은 적외선 광학 필터는, 굴절률이 상이한 복수 종류의 박막을 교호적으로 적층함으로써 만들어 질 수 있다.
박막 구조체(300B)는 베이스(10)와 적외선 흡수체(33)를 열 절연하는 공동(11)을 덮도록 형성된다. 본 실시예에서, 공동(11)은 정사각뿔(square pyramid) 형상으로 형성되어 있다. 그러므로, 실리콘 기판(1a)으로 베이스(10)를 형성하는 경우에는, 공동(11)을 알칼리계 용액에 의한 이방성 에칭을 이용하여 용이하게 형성할 수 있다.
박막 구조체(30OB)는 복수의 선형 슬릿(linear slit)(15)에 의해 복수(도시한 예에서는, 6개)의 소박막 구조체(301)로 분할되어 있다. 즉, 박막 구조체(300B)는 복수의 소박막 구조체(301)를 포함한다. 복수의 소박막 구조체(301)는 공동(11)의 주위 방향(circumference direction)을 따라 일직선으로 배치되어 있다. 각각의 소박막 구조체(301)는 베이스(10)에서의 공동(11)의 에지로부터 공동(11)의 내측으로 연장되어 있다. 각각의 소박막 구조체(301)는 적외선 흡수체(33)과 감온체(30B)를 포함한다. 상기로부터 명백한 바와 같이, 박막 구조체(300B)는 공동(11)의 내측에 배치되는 복수(도시한 예에서는, 6개)의 적외선 흡수체(33)를 포함한다. 또, 박막 구조체(30OB)는 인접하는 소박막 구조체(301) 끼리를 연결하는 연결체(320)를 포함한다.
각각의 감온체(30B)는 대응하는 적외선 흡수체(33) 위에 배치되어 있다. 모든 감온체(30B)는, 감온체(30B) 중 어느 단 하나의 출력보다 큰 온도 의존 출력(온도 변화에 의해 달라지는 출력)을 제공하는 접속 관계로 서로 전기적으로 접속되어 있다.
본 실시예에서는, 모든 감온체(30B)는 직렬 접속되어 있다. 따라서 모든 감온체(30B)를 직렬 접속하면, 각 감온체(30B)의 열기전력(thermal electromotive force)의 합계와 동일한 전체 출력을 제공하고, 따라서 감온체(30B) 중 어느 단 하나의 출력보다 큰 온도 의존 출력을 제공하므로, 감도가 향상된다.
그리고, 모든 감온체(30B)가 직렬로 접속될 필요는 없다. 예를 들면, 세 개의 감온체(30B)로 이루어지는 두 개의 직렬 회로를 병렬 접속할 수도 있다. 이 구성은, 모든 감온체(30B)가 병렬 접속되어 있는 경우나 감온체(30B)가 서로 연결되어 있지 않은 경우에 비해, 감도를 향상시킬 수 있다. 또, 모든 감온체(30B)가 직렬 접속되어 있는 경우에 비해, 6개의 감온체(30B)로 이루어지는 전기 회로의 전기 저항을 감소시킬 수 있다. 따라서, 열잡음을 저감할 수 있으므로, S/N비를 향상시킬 수 있다.
또, 감온체(30B)는 열형(thermal type)의 적외선 검출 소자이면 된다. 그러므로, 감온체(30B)로는 초전소자(pyroelectric element)를 채용할 수 있다. 이 경우, 복수의 감온체(30B)를 병렬 접속하면, 초전효과에 의해 발생하는 전하의 합이 출력이므로, 감온체(30B) 중 어느 단 하나의 출력보다 큰 온도 의존 출력을 제공한다.
박막 구조체(300B)는, 소박막 구조체(301)마다 각각 베이스(10)에 적외선 흡수체(33)를 연결하는 두 개의 지지체(310)를 포함한다. 두 개의 지지체(310)는 스트립형(strip shape)이며, 공동(11)의 주위 방향으로 이격되어 형성되어 있다. 또, 박막 구조체(30OB)는 두 개의 지지체(310)와 적외선 흡수체(33)를 공간적으로 분리하고 공동(11)과 연통되는(communicate) U자형의 슬릿(13)이 형성되어 있다. 베이스(10)는 박막 구조체(30OB)를 에워싸는 직사각형 프레임형(frame-shaped)이다. 지지체(310)는 적외선 흡수체(33) 및 베이스(10)에 각각 연결되어 있는 부분과, 적외선 흡수체(33) 및 베이스(10)와 공간적으로 나머지 부분을 가진다. 본 실시예에서는, 소박막 구조체(301)의 베이스(10)로부터의 연장 방향의 길이는 93 μm이다. 소박막 구조체(301)의 연장 방향으로 직교하는 폭 방향의 폭은 75 μm이다. 각각의 지지체(310)의 폭은 23 μm이다. 각 슬릿(13, 15)의 폭은 5 μm이다. 이 값들은 예시일 뿐이다.
박막 구조체(3OOB)는 박막 구조체(300)와 마찬가지로, 실리콘 산화막(1b), 실리콘 질화막(32), 감온체(30B), 층간 절연막(50), 및 패시베이션막(60)으로 이루어진 적층 구조체를 패터닝함으로써 형성된다.
연결체(320)는 십자형으로 형성되고, 소박막 구조체(301)의 연장 방향으로 교차하는 경사 방향(diagonal direction)에 있어 서로 인접하는 소박막 구조체(301)끼리를 연결하도록 구성된다. 또, 연결체(320)는 소박막 구조체(301)의 연장 방향으로 서로 인접하는 소박막 구조체(301, 301)끼리를 연결하도록 구성된다. 또한, 연결체(320)는 소박막 구조체(301)의 연장 방향에 직교하는 방향으로 서로 인접하는 소박막 구조체(301, 301)끼리를 연결하도록 구성된다.
감온체(30B)는 서모파일이며, 직렬 접속된 복수(도시한 예에서는, 9개)의 열전대(30a)를 가진다. 제2 실시예에서 설명한 바와 같이, 인접하는 열전대(30a)끼리는 접속층(37)에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 본 실시예에서도, 제2 실시예와 마찬가지로, n형 폴리실리콘층(34)의 제1 단, p형 폴리실리콘층(35)의 제1 단, 및 접속층(36)이 온접점을 구성하고, n형 폴리실리콘층(34)의 제2 단, p형 폴리실리콘층(35)의 제2 단, 및 접속층(37)이 냉접점을 구성하고 있다. 온접점은 적외선 흡수체(33) 위에 배치되고, 냉접점은 베이스(10) 위에 배치되어 있다.
접속층(36)과 접속층(37)은 층간 절연막(50)에 의해 절연 분리되어 있다(도 20a 내지 도 21b 참조). 즉, 온접점 측의 접속층(36)은 층간 절연막(50)에 형성된 컨택트홀(501, 502)을 통해 양 폴리실리콘층(34, 35)의 제1 단 각각과 전기적으로 접속되어 있다. 냉접점의 접적층(37)은 층간 절연막(50)에 형성된 컨택트홀(503, 504)을 통해 양 폴리실리콘층(34, 35)의 제2 단 각각과 전기적으로 접속되어 있다.
본 실시예의 적외선 센서(1B)에서는, 공동(11)의 형상이 정사각뿔이다. 그러므로, 공동(11)의 깊이는 중앙 측이 외주 측에 비해 깊어진다. 이상에 비추어 볼 때, 박막 구조체(30OB)의 중앙에 온접점이 모이도록 감온체(30B)가 소박막 구조체(301) 위에 배치되어 있다. 예를 들면, 도 13의 상하 방향(세 개의 소박막 구조체(301)가 배열된 방향)의 중앙의 두 개의 소박막 구조체(301)에서는, 도 13 및 도 18에 나타낸 바와 같이 상하 방향을 따라 접속층(36)이 배열되어 있다. 도 13의 상하 방향에서의 위쪽의 두 개의 소박막 구조체(301)에서는, 도 13 및 도 18에 나타낸 바와 같이 도 13의 상하 방향에 있어 아래쪽에 접속층(36)이 집중하여 배치되어 있다. 도 13의 상하 방향에서의 아래쪽의 두 개의 소박막 구조체(301)에서는, 도 13 및 도 18에 나타낸 바와 같이 도 13의 상하 방향에 있어 위쪽에 접속층(36)이 집중하여 배치되어 있다. 이 구성에 의해, 도 13의 상하 방향에서의 위쪽 및 아래쪽의 소박막 구조체(301)에서의 복수의 접속층(36)의 배치가, 도 13의 상하 방향의 중앙에 배치된 소박막 구조체(301)의 복수의 접속층(36)의 배치와 같은 경우와는 달리, 온접점의 온도 변화를 증대시킬 수 있다. 따라서, 감도를 향상시킬 수 있다.
소박막 구조체(301)에는, 실리콘 질화막(32)의 적외선 입사면에 있어 감온체(30B)가 형성되어 있지 않은 영역에, 보상막(39)이 형성되어 있다(도 13, 도 16a와 도 16b, 도 22 참조). 보상막(39)은 적외선을 흡수하고 소박막 구조체(301)의 휘어짐을 방지하는 n형 폴리실리콘층으로 이루어지는 적외선 흡수층이다.
연결체(320)에는 연결체(320)의 기계적 강도를 보강하는 보강체(reinforcement member)(보강층)(330)(도 19a 및 도 19b 참조)이 형성되어 있다. 이 보강체(330)는 보상막(39)과 일체로 형성되어 있다. 본 실시예의 적외선 센서(1B)에서는, 보강체(330)가 연결체(320)를 보강하므로, 적외선 센서(1B)의 사용 시에 외부의 온도 변화나 충격에 기인하여 발생하는 응력에 의해 적외선 센서(1B)가 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또, 제조 시에 적외선 센서(1B)가 파손되는 것을 방지할 수 있고, 제조 수율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 본 실시예에서는, 연결체(320)의 길이(L1)는 24 μm이고 폭(L2)은 5 μm이며, 보강체(330)의 폭(L3)은 1 μm이다. 이 수치들은 예시일 뿐이다. 본 실시예에서, 베이스(10)는 실리콘 기판(1a)으로 이루어지고, 보강체(330)는 n형 폴리실리콘층으로 이루어진다. 그러므로, 공동(11)의 형성 시에 보강체(330)가 에칭되는 것을 방지할 필요가 있다. 따라서, 보강체(330)의 폭을 연결체(320)의 폭보다 좁게 하여, 보강체(330)가 연결체(320)의 폭방향의 양단(opposite width ends) 사이에 배치되도록 하는 것이 바람직하다.
또, 도 19a, 도 19b, 및 도 24b에 나타낸 바와 같이, 적외선 센서(1B)의 연결체(320)와 소박막 구조체(301) 사이의 모서리들은 모따기되어 모따기면(chamfered surface)(340)을 형성한다. 또, 십자형의 연결체(320)의 대략 직교하는 측면들 사이의 모서리들도 모따기되어 모따기면(350)을 형성한다. 이 구성에 의해, 도 24b에 나타낸 바와 같이 모따기면(340, 350)이 형성되어 있지 않은 경우에 배해, 연결체(320)와 소박막 구조체(301)의 연결 부위에서 발생하는 응력을 저감할 수 있다. 따라서, 적외선 센서(1B)의 제조 시에 발생하는 잔류 응력을 저감할 수 있고, 또 그렇지 않으면 제조 시에 발생할 것인 적외선 센서(1B)의 파손을 방지할 수 있다. 그러므로, 제조 수율을 향상시킬 수 있다. 또, 적외선 센서(1B)의 사용 시에 외부의 온도 변화나 충격에 기인하여 발생하는 응력에 의해 적외선 센서(1B)가 파손되는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 도 19a 및 도 19b에 나타낸 예에서, 각 모따기면(340, 350)은, 곡률 반경이 3μ인 R면(R-surface)이지만, C면(C-surface)일 수 있다.
또, 적외선 센서(1B)는 소박막 구조체(301)마다, n형 폴리실리콘층으로 이루어지는 고장 진단용 배선(139)을 포함한다. 고장 진단용 배선(139)은 베이스(10)에서 시작하여 하나의 지지체(310), 적외선 흡수체(33), 및 다른 하나의 지지체(310)을 통하여 베이스(10)로 돌아오도록 경로가 정해져 있다. 모든 고장 진단용 배선(139)는 직렬 접속되어 있다. 이 m x n 개(도시한 예에서는, 3 x 2개)의 고장 진단용 배선(139)의 직렬 회로에 통전(energizing)함으로써, 지지체(310)의 파손 등의 파손을 검출할 수 있다.
보상막(39), 보강체(330), 및 고장 진단용 배선(139)은 n형 폴리실리콘층(34)과 동일한 종류의 n형 불순물(예컨대, 인)을 동일한 불순물 농도(예컨대, 1018 내지 1020 cm-3로 포함하고 있고, n형 폴리실리콘층(34)과 동시에 형성된. 예를 들면, p형 폴리실리콘층(35)의 p형 불순물은 붕소이고 그 불순물 농도는 1018 내지 1020 cm-3인 범위 내일 수 있다. 본 실시예에서, n형 폴리실리콘층(34) 및 p형 폴리실리콘층(35) 각각의 불순물 농도는 1018 내지 1020 cm-3이다. 이 구성에 의해, 열전대의 저항값을 감소시킬 수 있고, S/N비를 향상시킬 수 있다. 그리고, 보상막(39), 보강체(330), 및 고장 진단용 배선(139)은 p형 폴리실리콘층으로 이뤄질 수 있다. 이 경우에, 보상막(39), 보강체(330), 및 고장 진단용 배선(139)은 p형 폴리실리콘층(35)과 동일한 종류의 불순물을 동일한 농도로 포함할 수 있다.
본 실시예에서는, n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 보상막(39), 보강체(330) 및 고장 진단용 배선(139) 각각의 두께(t1)는 λ/4n1이며, 여기서, n1는 n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 보상막(39), 보강체(330), 및 고장 진단용 배선(139) 각각의 굴절률을 나타내고, λ는 적외선 검출 소자(3)로 검출하는 적외선의 중심 파장이다. 이 구성에 의해, 검출 대상 파장(예컨대, 8 내지 12 μm)의 적외선의 흡수 효율을 높일 수 있고, 따라서 감도를 향상시킬 수 있다. 예를 들면, n1이 3.6이고 λ가 10 μm인 경우에, t1은 약 0.69 μm이다.
또, n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 보상막(39), 보강체(330), 및 고장 진단용 배선(139) 각각의 불순물 농도는 1018 내지 1020 cm-3이다. 따라서, 적외선의 흡수율을 증대시킬 수 있고, 그 적외선의 반사를 억제할 수 있다. 그러므로, 감온체(30B)의 출력의 S/N비를 향상시킬 수 있다. 또, 보상막(39), 보강체(330), 및 고장 진단용 배선(139)을 n형 폴리실리콘층(34)과 동일 프로세스로 형성할 수 있다. 따라서, 제조 비용을 절감할 수 있다.
본 실시예의 적외선 센서(1B)의 각 화소(2)에서, 감온체(30B)의 제1 단은 MOS 트랜지스터(4)의 소스 전극(48)에 전기적으로 접속되고, 감온체(30B)의 제2 단은 기준 바이어스선(5)에 전기적으로 접속되어 있다. 또, MOS 트랜지스터(4)의 드레인 전극(47)은 수직 판독선(7)에 전기적으로 접속되어 있고, MOS 트랜지스터(4)의 게이트 전극(46)은 그 게이트 전극(46)과 일체로 형성된 n형 폴리실리콘 배선으로 이루어지는 수평 신호선(6)에 전기적으로 접속되어 있다.
이하, 적외선 센서(1B)의 제조 방법에 대하여 도 27 내지 도 30을 참조하여 간단히 설명한다.
먼저, 절연층 형성 단계를 행하고, 그 후, 절연층 패터닝 단계를 행한다. 이로써, 도 27 (a)에 나타낸 구조를 얻는다. 절연층 형성 단계와 절연층 패터닝 단계에 대하여는 제1 실시예에서 이미 설명하였으므로 그 설명을 생략한다.
절연층 패터닝 단계 후에 웰 영역 형성 단계를 행하고, 그 후, 채널 스토퍼 영역 형성 단계를 행한다. 이로써, 도 27 (b)에 나타낸 구조를 얻는다. 절연층 패터닝 단계, 웰 영역 형성 단계, 및 채널 스토퍼 영역 형성 단계에 대하여는 제1 실시예으로 이미 설명하였으므로, 그 설명을 생략한다.
채널 스토퍼 영역 형성 단계 후에, 게이트 절연막 형성 단계를 행한다. 게이트 절연막 형성 단계에 대하여는 제1 실시예에서 이미 설명하였으므로, 그 설명을 생략한다.
게이트 절연막 형성 단계 후에, 폴리실리콘층 형성 단계를 행한다. 본 실시예에서의 폴리실리콘층 형성 단계에서는, 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면의 전체면 상에 소정 막두께(예컨대, 0.69 μm)의 비도핑 폴리실리콘층을 LPCVD 기술에 의해 형성한다. 이 비도핑 폴리실리콘층은 게이트 전극(46), 수평 신호선(6)(도 13 참조), n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 보상막(39), 보강체(330), 고장 진단용 배선(139)의 기초로 사용된다.
폴리실리콘층 형성 단계 후, 폴리실리콘층 패터닝 단계를 행한다. 본 실시예에서의 폴리실리콘층 패터닝 단계에서는, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여, 게이트 전극(46), 수평 신호선(6), n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 보상막(39), 보강체(330), 및 고장 진단용 배선(139)에 각각 대응하는 부분이 남도록 비도핑 폴리실리콘층을 패터닝한다.
이 폴리실리콘층 패터닝 단계 후, p형 폴리실리콘층 형성 단계를 행한다. p형 폴리실리콘층 형성 단계는 제1 실시예에서 이미 설명하였으므로, 그 설명을 생략한다.
p형 폴리실리콘층 형성 단계 후, n형 폴리실리콘층 형성 단계를 행한다. 본 실시예에서의 n형 폴리실리콘층 형성 단계는, 비도핑 폴리실리콘층 중 n형 폴리실리콘층(34), 보상막(39), 보강체(330), 고장 진단용 배선(139), 게이트 전극(46), 및 수평 신호선(6)에 각각 대응하는 부분에 n형 불순물(예컨대, 인)의 이온 주입을 행하고 나서, 드라이브 확산을 행하고, 이로써, n형 폴리실리콘층(34), 보상막(39), 보강체(330), 고장 진단용 배선(139), 게이트 전극(46), 및 수평 신호선(6)을 형성하도록 되어 있다. 이로써, 도 28 (a)에 나타내는 구조를 얻는다. 그리고, p형 폴리실리콘층 형성 단계와 n형 폴리실리콘층 형성 단계의 순서는 반대일 수도 있다.
p형 폴리실리콘층 형성 단계 및 n형 폴리실리콘층 형성 단계 후, 소스/드레인 형성 단계, 층간 절연막 형성 단계, 및 컨택트홀 형성 단계를 순차적으로 행한다. 이로써, 도 28 (b)에 나타낸 구조를 얻는다. 소스, 드레인 형성 단계, 층간 절연막 형성 단계, 및 컨택트홀 형성 단계에 대하여는 제1 실시예에서 이미 설명하였으므로, 그 설명을 생략한다.
컨택트홀 형성 단계 후, 금속막 형성 단계를 행한다. 본 실시예에서의 금속막 형성 단계에서는, 실리콘 기판(1a)의 상기 주표면의 전체면에 소정 막두께(예컨대, 2 μm)의 금속막(예컨대, Al-Si막)을 스퍼터링에 의해 형성한다. 상기한 금속막은, 접속층(36, 37), 드레인 전극(47), 소스 전극(48), 기준 바이어스선(5), 수직 판독선(7), 그라운드선(8), 공통 그라운드선(9), 패드(Vout, Vsel, Vref, Vdd, 및 Gnd 등)(도 25 참조)의 기초가 된다.
금속막 형성 단계 후, 금속막 패터닝 단계를 행한다. 금속막 패터닝 단계에서는, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 금속막을 패터닝함으로써, 접속층(36, 37), 드레인 전극(47), 소스 전극(48), 기준 바이어스선(5), 수직 판독선(7), 그라운드선(8), 공통 그라운드선(9) 및 패드(Vout, Vsel, Vref, Vdd, 및 Gnd)를 형성한다. 이로써, 도 29 (a)에 나타낸 구조를 얻는다. 그리고, 금속막 패터닝 단계에서는, RIE를 이용하여 금속막을 에칭한다.
금속막 패터닝 단계 후, 패시베이션막 형성 단계를 행한다. 이로써, 도 29 (b)에 나타낸 구조를 얻는다. 패시베이션막 형성 단계는 제1 실시예에서 이미 설명하였으므로, 그 설명을 생략한다.
패시베이션막 형성 단계 후, 적층 구조체 패터닝 단계를 행한다. 적층 구조체 패터닝 단계에서는, 실리콘 산화막(31)과 실리콘 질화막(32)의 적층물(laminate)인 열 전열층, 감온체(30B), 층간 절연막(50), 및 패시베이션막(60)으로 이루어지는 적층 구조체를 패터닝함으로써 복수의 소박막 구조체(301)을 가지는 박막 구조체(300B)를 형성한다. 이로써, 도 30 (a)에 나타낸 구조를 얻는다. 그리고, 적층 구조체 패터닝 단계에서, 복수의 슬릿(13, 15)을 형성한다.
적층 구조체 패터닝 단계 후, 개구 형성 단계를 행하고, 그 후 공동 형성 단계를 행한다. 본 실시예에서의 공동 형성 단계에서는, 에칭액 도관인 각 슬릿(13, 15) 내로 에칭액을 부어 실리콘 기판(1a)를 이방성 에칭함으로써, 실리콘 기판(1a)에 공동(11)을 형성한다. 이로써, 도 30 (b)에 나타낸 바와 같이, 화소(2)가 이차원 어레이형으로 배열된 적외선 센서(1B)를 얻는다. 개구 형성 단계는 제1 실시예에서 이미 설명하였으므로, 그 설명을 생략한다. 공동 형성 단계에서는, 에칭액으로서 소정 온도(예컨대, 85 ℃)로 가열한 TMAH 용액을 사용한다. 에칭액은 TMAH 용액으로 한정되지 않으며, 알칼리계 용액(예컨대, KOH 용액)일 수도 있다.
그리고, 절연층 형성 단계에서 공동 형성 단계까지의 모든 단계는 웨이퍼 레벨로 행해지므로, 공동 형성 단계 후에, 적외선 센서(1B)를 서로 분리하는 분리 단계를 행한다.
이상 설명한 본 실시예의 적외선 센서(1B)에서는, 복수의 선형 슬릿(15)에 의해 박막 구조체(300B)가 복수의 소박막 구조체(301)로 분할되어 있다. 복수의 소박막 구조체(301)는 공동(11)의 주위 방향을 따라 정렬된다. 각각의 소박막 구조체(301)는 베이스(10)에서의 공동(11)의 에지로부터 내측으로 연장되어 있다. 각 소박막 구조체(301)에는 감온체(30B)가 형성되어 있다. 모든 감온체(30B)는, 감온체(30B) 중 어느 단 하나의 출력보다 큰 온도 의존 출력을 제공하는 관계로 서로 전기적으로 연결되어 있다.
따라서, 본 실시예의 적외선 센서(1B)는 적외선 센서(1B)의 응답 속도 및 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 연결체(320)가 서로 인접하는 소박막 구조체(301)끼리를 연결하기 때문에, 각 소박막 구조체(301)의 휘어짐 발생을 억제할 수 있다. 이로써, 적외선 센서의 구조 안정성을 향상시킬 수 있고, 적외선 센서의 감도를 안정시킬 수 있다.
또, 본 실시예의 적외선 센서(1B)에서는, 적외선 흡수체(33)의 적외선 입사면 상에, n형 폴리실리콘층(34) 및 p형 폴리실리콘층(35) 외에, 보상막(39), 보강체(330), 및 고장 진단용 배선(139)이 형성되어 있다. 그러므로, n형 폴리실리콘층(34) 및 p형 폴리실리콘층(35)의 형성 시에 실리콘 질화막(32)이 에칭되어 얇아지는 것을 방지할 수 있다. 즉, 폴리실리콘층 패터닝 단계에서는, n형 폴리실리콘층(34) 및 p형 폴리실리콘층(35)의 기초로 사용되는 비도핑 폴리실리콘층의 에칭 시에, 오버에칭에 의해 실리콘 질화막(32)이 얇아지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 박막 구조체(30OB)의 응력 분포의 균일성을 높일 수 있다. 따라서, 적외선 흡수체(33)를 얇게 만들면서도 적외선 흡수체(33) 및 소박막 구조체(301)가 휘어지지 않도록 할 수 있으므로, 감도를 향상시킬 수 있다. 그리고, n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 보상막(39), 보강체(330), 및 고장 진단용 배선(139)이 공동 형성 단계에서 사용되는 에칭액(예컨대, TMAH 용액)에 의해 에칭되는 것을 방지하기 위해, n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 보상막(39), 보강체(330), 및 고장 진단용 배선(139)은 슬릿(13, 15)의 내측면에 노출되지 않는 형상으로 형성된다.
또, 적외선 센서(1B)에서는, n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 보상막(39), 보강체(330), 및 고장 진단용 배선(139)이 동일한 두께로 설정되어 있다. 그러므로, 소박막 구조체(301)의 응력 분포의 균일성을 높일 수 있다. 따라서, 소박막 구조체(301)가 휘어지지 않도록 할 수 있다.
또, 적외선 센서(1B)가 화소(2)마다 M0S 트랜지스터(4)를 포함하기 때문에, 출력용 패드(Vout)의 수를 줄일 수 있고, 따라서 적외선 센서(1B)를 소형화할 수 있고 그 제조 비용을 절감할 수 있다. 또, 각 화소(2)가 반드시 MOS 트랜지스터(4)를 구비할 필요는 없다.
도 31은 본 실시예의 적외선 센서(1B)의 제1 변형예를 나타낸다. 제1 변형예는, 박막 구조체(30OB)가 도 13 내지 도 30에 나타낸 본 실시예의 적외선 센서(1B)의 기본예와 다르다.
제1 변형예의 적외선 센서(1B)의 박막 구조체(30OB)에 따르면, 소박막 구조체(301)들 그 연장 방향(소박막 구조체(301)의 길이 방향, 즉 도 31에서의 좌우 방향)으로 서로 인접하여 배치되고, 연장 방향과 교차하는 방향(즉, 소박막 구조체(301)의 폭 방향)으로 이격된 두 개의 연결체(320)에 의해 연결되어 있다.
제1 변형예에 따르면, 소박막 구조체(301, 301) 각각의 제1 단(연장 방향의 제1 단)은 베이스(10)에서의 공동(11)의 한 에지에 직접 연결되고, 소박막 구조체(301, 301) 각각의 제2 단(연장 방향의 제2 단)은 연결체(320) 및 다른 소박막 구조체(301)를 이용하여 베이스(10)에서의 공동(11)의 다른 에지에 연결된다. 전술한 바와 같이, 각 소박막 구조체(301)는 베이스(10)에 양단(opposite ends)이 지지된다. 그러므로, 소박막 구조체(301)의 휘어짐을 저감할 수 있고, 따라서 감도를 안정화할 수 있으며, 제조 수율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 연장 방향에 있어 서로 인접하는 소박막 구조체(301, 3O1)들은, 소박막 구조체(3O1)의 폭 방향의 중앙에서 단일의 연결체(320)에 의해 연결될 수 있다.
도 32는 본 실시예의 적외선 센서(1B)의 제2 변형예를 나타낸다. 제2 변형예는, 박막 구조체(300B)가 기본예와 다르다.
제2 변형예의 적외선 센서(1B)에 따르면, 소박막 구조체(301)의 연장 방향에 직교하는 방향(소박막 구조체(301)의 폭 방향, 즉 도 32의 상하 방향)에 있어 서로 인접하는 소박막 구조체(301, 301)끼리는 지지체(310) 이외의 부위에서 단일 연결체(320)에 의해 연결되어 있다. 그리고, 연결체(320)는 지지체(310)로부터 떨어져 배치되는 것이 바람직하다.
제2 변형예에 따르면, 각 소박막 구조체(301)의 비틀림 강도(torsional stiffness)가 향상되므로, 각 소박막 구조체(301)의 비틀림 변형을 방지할 수 있다. 따라서, 감도를 안정화할 수 있고, 제조 수율을 향상시킬 수 있다.
도 33 및 도 34는, 본 실시예의 적외선 센서(1B)의 제3 변형예를 나타낸다. 제3 변형예는, 화소(2)가 기본예와 다르다.
제3 변형예의 적외선 센서(1B)에서, 화소(2)는 육각형으로 형성된다. 복수의 화소(2)는 허니컴형(honeycomb manner)으로 배열되어 있다.
제3 변형예의 박막 구조체(300B)는 복수(도시한 예에서는, 6개)의 슬릿(15)에 의해 복수(도시한 예에서는, 6개)의 소박막 구조체(301)로 분리되어 있다. 복수의 소박막 구조체(301)끼리는 연결체(320)에 의해 연결되어 있다.
전술한 제3 변형예는 각 소박막 구조체(301)의 변형을 방지할 수 있다. 또 소박막 구조체(301)의 밀도 나아가서는 화소(2)의 밀도를 높일 수 있다.
도 35는 본 실시예의 적외선 센서(1B)의 제4 변형예를 나타낸다. 제4 변형예는, 베이스(10)의 공동(11)이, 베이스(10)의 제2 표면(도 35에서의 하면)에 형성되어 있는 점에서 기본예와 다르다.
제4 변형예의 적외선 센서(1B)를 제조하기 위해, 공동 형성 단계를 다음과 같이 변경한다. 공동 형성 단계에서는, 베이스(10)의 상기 제2 표면(즉, 도 35에서는, 실리콘 기판(1a)의 하면)에서의 공동(11)의 형성 예정 영역을, 유도 결합 플라즈마(induction coupled plasma, ICP) 타입 등의 드라이 에칭 장치를 사용한 이방성 에칭을 이용하여 에칭함으로써, 공동(11)을 형성한다.
제4 변형예는 박막 구조체(30OB)의 각 소박막 구조체(301)로부터 베이스(10)로의 열전달을 억제할 수 있고, 이로써 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 36은 본 실시예의 적외선 센서(1B)의 제5 변형예를 나타낸다. 제5 변형예는, 베이스(10)의 공동(11)의 내면이 요곡면(recessed surface)으로 형성되어 있는 점에서 기본예와 다르다.
제5 변형예의 공동(11)은, 예를 들면, 등방성 에칭에 의해 형성된다.
제5 변형예에 따르면, 적외선을 공동(11)의 내면은 박막 구조체(30OB)를 투과한 적외선을 박막 구조체(300) 쪽으로 반사할 수 있다. 따라서, 적외선 흡수체(33)의 적외선 흡수량을 증대시킬 수 있고, 따라서 감도를 향상시킬 수 있다.
도 37은 본 실시예의 적외선 센서(1B)의 제6 변형예를 나타낸다. 제6 변형예는, 베이스(10)의 제2 표면에 복수의 공동(11)을 연통시키도록 구성된 개구(12)가 형성되어 있는 점에서 기본예와 다르다.
개구(12)는, 베이스(10)의 상기 제2 표면(도 37에서, 실리콘 기판(1a)의 하면)에 있어 개구(12)의 형성 예정 영역을, 예를 들면, ICP 타입 등의 드라이 에칭 장치를 사용한 이방성 에칭에 의해 에칭함으로써 형성될 수 있다.
제6 변형예는 박막 구조체(30OB)의 각 소박막 구조체(301)으로부터 베이스(10)로의 열전달을 더욱 억제할 수 있고, 이로써 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
(제4 실시예)
이하, 도 38 내지 도 44를 참조하여 본 실시예의 적외선 센서(1C)를 설명한다.
본 실시예의 적외선 센서(1C)는, 주로 박막 구조체(300C)가 제3 실시예의 적외선 센서(1B)와 다르다. 그리고, 적외선 센서(1B)와 적외선 센서(1)에 공통되는 구성 요소에는 동일한 도면부호를 부여하고 설명을 생략한다.
본 실시예에서의 박막 구조체(300C)는 연결체(320)를 구비하고 있지 않은 점에서 박막 구조체(3OOB)와 다르다. 즉, 박막 구조체(30OC)에 따르면, 각 소박막 구조체(301)는 베이스(10)에 캔틸레버식(cantilever fashion)으로 지지되어 있다.
적외선 센서(1C)는 소박막 구조체(301)의 연장 방향의 선단(tip)과 폭 방향의 양단(width ends) 사이에 형성된 모서리들이 모따기되어 있다. 따라서, 도 42에 나타낸 바와 같이, 적외선 센서가 모따기되어 있지 않을 때 발생할 수 있는 적외선 센서(1C)의 제조 시의 파손을 방지할 수 있다. 또, 공동(11)을 용이하게 형성할 수도 있다. 따라서, 제조 수율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 도시한 예에서는, 모따기면은 C면이지만, R면일 수도 있다.
적외선 센서(1C)의 제조 방법은, 연결체(320) 및 보강체(330)를 형성하지 않는 점을 제외하고 제3 실시예의 적외선 센서(1B)의 제조 방법과 동일하다. 그러므로 적외선 센서(1C)의 제조 방법에 대해서는 설명을 생략한다.
이상 설명한 본 실시예의 적외선 센서(1C)에서는, 복수의 선형의 슬릿(15)에 의해 박막 구조체(300C)가 복수의 소박막 구조체(301)에 분할되어 있다. 복수의 소박막 구조체(301)는 공동(11)의 주위 방향을 따라 정렬되어 있다. 각 소박막 구조체(301)는 베이스(10)에 캔틸레버식으로 지지되어 있다. 또, 각 소박막 구조체(301)에는 감온체(3OB)가 형성되어 있다. 모든 감온체(30B)는 감온체(30B) 중 어느 단 하나의 출력보다 큰 온도 의존 출력을 제공하는 관계로 서로 전기적으로 접속되어 있다.
따라서, 본 실시예의 적외선 센서(1C)는 그 응답 속도 및 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 베이스(10)에 응력이 존재하거나 외부 응력이나 열응력을 받더라도 각 소박막 구조체(301)가 변형되는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 적외선 센서의 구조 안정성을 향상시킬 수 있고 적외선 센서의 감도를 안정시킬 수 있다.
다르게는, 도 43 및 도 44에 나타낸 바와 같이, 각 화소(2)는 6각형으로 형성될 수 있다. 이 경우, 화소(2)는 허니컴형으로 배열하는 것이 바람직하다.
이 구성에 의해, 각 소박막 구조체(301)의 변형을 방지할 수 있다. 또, 소박막 구조체(301)의 밀도 나아가서는 화소(2)의 밀도를 높일 수 있다.

Claims (9)

  1. 베이스; 및
    상기 베이스의 표면 위에 형성된 적외선 검출 소자
    를 포함하고,
    상기 적외선 검출 소자는,
    적외선을 흡수하도록 구성되고, 열 절연을 위해 상기 베이스의 표면으로부터 간격을 두고 배치된 박막 형태의 적외선 흡수체; 및
    상기 적외선 흡수체와 상기 베이스의 온도차를 측정하도록 구성되고, 상기 적외선 흡수체와 상기 베이스에 걸쳐 형성된 p형 폴리실리콘층, 상기 p형 폴리실리콘층과 접촉하지 않고 상기 적외선 흡수체와 상기 베이스에 걸쳐 형성된 n형 폴리실리콘층, 및 상기 p형 폴리실리콘층과 상기 n형 폴리실리콘층을 전기적으로 접속하도록 구성된 접속층을 포함하는 열전대를 포함하는, 감온체를 포함하고,
    상기 p형 폴리실리콘층 및 상기 n형 폴리실리콘층 각각의 불순물 농도는 1018 내지 1020 cm-3 범위 내이고,
    상기 p형 폴리실리콘층의 두께는, 상기 적외선 검출 소자로 검출하는 적외선의 중심 파장을 λ로 나타내고, 상기 p형 폴리실리콘층의 굴절률을 n1p로 나타낼 때, λ/4n1p이며,
    상기 n형 폴리실리콘층의 두께는, n형 폴리실리콘층의 굴절률을 n1n으로 나타낼 때, λ/4n1n인
    적외선 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 검출 소자는 상기 p형 폴리실리콘층 및 상기 n형 폴리실리콘층에 있어 상기 베이스와는 반대측의 면 위에 형성된 적외선 흡수막을 포함하고,
    상기 적외선 흡수막의 두께는, 상기 적외선 흡수막의 굴절률을 n2로 나타낼 때, λ/4n2인, 적외선 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 p형 폴리실리콘층의 두께는 상기 n형 폴리실리콘층의 두께와 동일한, 적외선 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 센서는 상기 적외선 검출 소자를 각각 포함하는 복수의 셀을 포함하고,
    상기 복수의 셀은 상기 베이스의 표면 위에 어레이형으로 배열되어 있는, 적외선 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 셀은 상기 감온체의 출력을 판독하도록 구성된 M0S 트랜지스터를 포함하는, 적외선 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 p형 폴리실리콘층의 두께는 상기 n형 폴리실리콘층의 두께와 동일하고,
    상기 M0S 트랜지스터는 상기 p형 폴리실리콘층의 두께와 동일한 두께의 폴리실리콘막으로 구성된 게이트 전극을 포함하는, 적외선 센서.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 M0S 트랜지스터의 게이트 전극을 구성하는 폴리실리콘층은, 상기 p형 폴리실리콘층과 상기 n형 폴리실리콘층 중 적어도 하나와 동일한 종류의 불순물을 같은 농도로 포함하는, 적외선 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 베이스에는 상기 베이스와 상기 적외선 흡수체 사이를 열 절연하기 위한 공동이 형성되어 있고,
    상기 적외선 검출 소자는, 복수의 소박막 구조체를 포함하고 상기 공동 위에 배치되는 박막 구조체를 포함하며,
    각각의 상기 소박막 구조체는, 적외선을 흡수하도록 구성된 박막 형태의 적외선 흡수체, 및 상기 적외선 흡수체 상에 형성되고 상기 적외선 흡수체의 온도를 측정하도록 구성된 상기 감온체를 포함하고,
    상기 적외선 검출 소자는 상기 소박막 구조체들 사이에 형성된 슬릿을 포함하며,
    모든 상기 감온체는 상기 감온체 중 어느 단 하나의 출력보다 큰 온도 의존 출력을 제공하는 관계로 서로 전기적으로 접속되어 있는, 적외선 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 박막 구조체는 상기 소박막 구조체끼리를 연결하도록 구성된 연결체를 포함하는, 적외선 센서.
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