KR102108569B1 - 적외선 써모파일 검출기 - Google Patents

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Abstract

IR 검출기는 실리콘 기판(1)에 의해 지지된 유전성 멤브레인(2,3,4)상에 하나 또는 그 이상의 써모커플(6,7)들을 포함하는 써포파일의 형태로 제공된다. 각각의 써모커플은 2 개의 물질(6,7)들로 이루어지는데, 그 중 적어도 하나는 p 도핑되거나 또는 n 도핑된 단결정 실리콘이다. 장치는 SOI 프로세스에서 형성되고 배면 에칭 단계가 뒤따른다. 장치는 현재 기술의 장치들보다 유리한데, 왜냐하면 단결정 실리콘의 이용이 출력 신호에서의 노이즈를 감소시키고, 층의 물리적 특성들 및 기하학적 특성들의 더 높은 재현 가능성을 허용하며, 더욱이 SOI 프로세스의 이용은 온도 센서 및 회로가 동일한 칩에서 제조될 수 있기 때문이다.

Description

적외선 써모파일 검출기{IR thermopile detector}
본 발명은 열의 격리를 위하여 멤브레인을 가진 마이크로칩에 제조된 써모파일(thermopile)에 기초한 적외선 검출기(IR detector)에 관한 것이다. 써모파일은 직렬로 배치된 몇개의 써모커플로 만들어진다. 본 발명은 또한 비분산 적외선(Non Dispersive Infra-Red (NDIR)) 센서를 만들도록 적외선 검출기를 적외선 소스와 통합시키는 것에 관한 것이다.
기판의 일부를 에칭함으로써 형성된 얇은 멤브레인 층(전기 절연층으로 만들어짐)으로 이루어진 실리콘 기판상에 열 적외선 검출기(thermal IR detector)를 제조하는 것이 알려져 있다. 입사되는 IR 복사는 멤브레인의 온도를 증가시키는데, 이것은 써모파일, 저항기(resistor) 또는 다이오드에 의해 측정될 수 있다.
예를 들어, 슈니버거(Schneeberger) 등은 "Optimized CMOS Infrared Detector Microsystems" (Proc IEEE Tencon 1995) 에서 써모파일에 기초한 CMOS IR 검출기들의 제조를 개시한다. 써모파일은 직렬로 연결된 몇개의 써모커플들로 이루어진다. KOH 는 멤브레인을 에칭하고 열적 격리를 향상시키도록 이용된다. 각각의 써모커플은 상이한 물질의 2 개 스트립들로 이루어지는데, 이들은 일 단부에서 열적 접합부(thermal junction)를 형성하고 (열간 접합부(hot junction))으로 칭함) 전기적으로 연결되는 반면에, 물질의 다른 단부들은 다른 써모커플들에 직렬로 전기 연결되어 열적으로 냉간 접합부(cold junction)를 형성한다. 써모커플들의 열간 접합부(hot junction)은 멤브레인상에 있는 반면에, 냉간 접합부(cold junction)는 멤브레인 외부에 있다. 써모커플들의 3 가지 상이한 설계는 논문에 상이한 물질 조성들을 가지고 주어진다:알루미늄 및 p 도핑된 폴리실리콘, 알루미늄 및 n 도핑된 폴리실리콘 또는 p 도핑된 폴리실리콘 및 n 도핑된 폴리실리콘. 입사되는 적외선 복사는 멤브레인 온도의 약간의 증가를 일으킨다. 제백(Seebeck) 효과는 각각의 써모커플을 가로질러 약간의 전압 차이를 야기한다 - 이것은 각각의 써모커플을 가로지르는 전압의 합인, 써모파일을 가로지른 전압 차이에서의 훨씬 큰 증가를 초래한다.
이전에, 니벨트(Nieveld)의 "Thermopiles Fabricated using Silicon Planar Technology" (Sensors and Actuators 3 (1982/83) 179-183)은 써모커플에 있는 물질로서 알루미늄 및 단결정 실리콘 P+ 에 기초한 마이크로칩에서 써모파일의 제조를 개시한다. 이것은 일반적인 써모파일 장치였으며 IR 검출을 위해서 의도된 것이 아니며, 써모파일은 멤브레인상에 있지 않았다는 점이 주목되어야 한다.
앨리슨(Allison) 등의 "A bulk micromachined silicon thermopile with high sensitivity" (Sensors and Actuators A 104 2003 32-39)에는 단결정 실리콘 P 도핑 및 N 도핑 물질에 기초한 써모파일을 설명한다. 그러나, 이들은 P 유형 웨이퍼 및 N 유형 웨이퍼의 웨이퍼본딩에 의해 형성되며, 적외선 검출기로 사용되기 위한 것이 아니다. 또한 제조 방법은 매우 비싸다.
라히지(Lahiji) 등의 "A Batch-fabricated Silicon Thermopile Infrared Detector} IEEE Transactions on Electron Devices" 1992 는 2 개의 써모파일 적외선 검출기들을 개시하는데, 하나는 비스무스 안티몬 써모커플들에 기초한 것이며, 다른 하나는 폴리실리콘 및 금 써모커플들에 기초한 것이다.
US 7,785,002 는 P 및 N 도핑된 폴리실리콘에 기초한 써모파일을 가진 적외선 검출기를 개시한다. 랑겐해거(Langgenhager)의 "Thermoelectric Infrared Sensors by CMOS Technology" IEEE EDL 1992 는 알루미늄 및 폴리실리콘으로 이루어진 매달림 구조상의 써모파일들로 이루어진 적외선 검출기들을 개시한다.
몇가지 다른 써포파일 장치들은 그라프(Graf) 등의 "REview of micromachined thermopiles for infrared detection" (Meas.Sci.Techonol 2007)에 개시되어 있다.
IR 복사를 측정하는 다른 방법은 써모다이오드를 사용하는 것이다. 예를 들어, 김의 "A new uncooled thermal infrared detector using silicon diode" S& A A 89,2001 은 IR 검출기로서 이용되도록 마이크로 기계 가공에 의해 제조된 다이오드를 설명한다.
에미노그루(Eminoglu) 의 "Low cost uncooled infrared detectors in CMOS process" (S & A A 109 (2003))은 매달린 멤브레인상의 다이오드를 가지고 CMOS 프로세스를 이용하여 만들어진 적외선 검출기들을 개시한다.
마찬가지로, 써모다이오드에 기초한 IR 검출기들이 SOI 프로세스를 이용하여 만들어질 수도 있다. 그러나, 써모다이오드들은 바이어스된 전압 또는 전류를 필요로 하는 단점을 가지며, 이것은 전력을 필요로 한다. 더욱이, 이것은 높은 베이스 전압을 가지는데, 이는 출력 전압에서의 작은 변화를 측정하기 어렵게 한다.
또한 실리콘 기술로 적외선 소스를 제조하는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 파라메스워런(Parameswaran) 등의 "Micro-machined thermal emitter from a commercial CMOS process" (IEEE EDL 1991)은 CMOS 기술로 만들어진 IR 소스로서 폴리실리콘 히터를 개시하는데, 이것은 히터를 매달도록 전면측이 에칭되고 따라서 전력 소비를 감소시킨다. 배리탈트(Barritault)등의 "Mid-IR source based on a free-standing microhotplate for autonomous CO2 sensing in indoor applications" (Sensors & Actuators A 2011)은 플래티늄 히터에 기초한 마이크로기계가공된 IR 소스를 개시한다. 몇개의 다른 장치들도 개시되어 있다.
또한 NDIR 센서들을 제작하는 것이 알려져 있으며, 예를 들어, 포들(Fordl) 및 틸레(Tille)의 "A High-Precision NDIR CO2 gas sensor for automotive applicaitons" IEEE Sensors Journal vol 6 No.6 2006 및 커틀러(Cutler)등의 US 2007/0102639 등은 통상적인 NDIR 센서를 개시하는데, 이것은 IR 소스로서의 필라멘트 벌브 및 써모파일에 기초한 IR 검출기로 이루어진다. 2 개가 소형 챔버의 대향하는 단부들에 배치되는데, 여기에서 기체는 반투과성 멤브레인을 통해 들어갈 수 있다 (멤브레인은 먼지 및 IR 복사를 외부로부터 차단한다). 타겟 기체(target gas)의 농도에 따라서, 특정 파장의 IR 방사의 양이 광학 경로내에 흡수되고, IR 검출기로부터의 측정을 이용하는 것이 기체 농도를 판단하는데 이용될 수 있다. 대부분의 NDIR 센서들은 작은 범위의 파장만들만이 IR 검출기에 도달하는 것을 허용하는 광학 필터를 가지기도 하는데, 이는 그 파장을 흡수하는 기체에 대하여 특정되게끔 하기 위한 것이다.
호킨슨(Hodgkinson) 등에 의한 US 2008/0239322, 스튜타드(Stuttard) 등에 의한 US 7244939, 돈캐스터(Doncaster) 등에 의한 US 2008/0308733 및, 커틀러(Cutler) 등에 의한 US7541587 은 유사한 장치들을 개시한다.
대부분의 경우마다, IR 에미터 및 검출기는 2 가지으 상이한 구성 요소들을 가지지만 함께 패키지된다. 예외적으로 웡(Wong)의 미국 특허 US 5834777 을 들 수 있는데, 여기에서는 에미터 및 검출기가 동일한 칩에 있으며 제 2 칩을 제 1 칩에 부착(접합)함으로써 도파관으로 만들어진 광학 경로를 가진다. 프로세스 또는 웨이퍼들은 CMOS 가 아니며, 오직 도파관만이 투과성 멤브레인상에 있는 반면에, 에미터 및 검출기는 멤브레인 외부에 있다. 이것은 작동시에 높은 소비 전력 및 낮은 최대 온도로 이어진다. 더욱이, 광학 경로는 적외선 방사가 상대적으로 작게 이동하게 하며, 따라서 센서는 낮은 감도를 가진다.
본 발명의 목적은 개선된 적외선 검출기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 써모파일을 포함하는 적외선(Infra-Red) 검출기가 제공된다. 써모파일은 절연체상의 CMOS 실리콘 (SOI) 프로세스로 제조된 유전체 멤브레인상에 직렬로 연결된 복수개의 써모커플들을 포함한다. 각각의 써모커플은 적어도 제 1 물질 및 상이한 제 2 물질을 포함하며, 제 1 물질은 단결정 실리콘 층으로 만들어진다. 단결정 실리콘 층은 CMOS SOI 프로세스에서 이용된 표준적인 층이다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 절연체상의 CMOS 실리콘 (SOI) 프로세스를 이용하는 적외선(IR) 검출기의 제조 방법이 제공된다. 이 방법은 기판의 형성 단계, 기판상에 유전체 멤브레인 형성 단계 및, 유전체 멤브레인상에 함께 연결된 복수개의 써모커플들을 포함하는 써모파일의 형성 단계를 포함한다. 각각의 써모커플은 적어도 제 1 물질 및 상이한 제 2 물질을 포함하고, 제 1 물질은 단결정 실리콘 층으로 만들어진다. 단결정 실리콘 층은 CMOS SOI 프로세스에서의 표준적인 층이다.
본 발명의 실시예들은 써모파일로 만들어진 장치를 제안함으로써 기존 기술 장치들을 향상시키는데, 써모파일은 CMOS 프로세스를 이용하여 단결정(mono-crystalline) 실리콘으로 만들어진 적어도 하나의 층을 포함한다. 써모파일 동체의 가장 큰 섹션은 바람직스럽게는 딥 반응 이온 에칭(deep reactive ion etching)을 이용하여 실리콘 기판 바닥을 제거함으로써 형성된 멤브레인상에 배치된다. 층들중 적어도 하나에 단결정 실리콘을 이용함으로써, 장치는 측정된 신호에서의 노이즈(noise)가 낮아지고, 도핑 농도, 전기 저항, 열 계수(thermal coefficient)와 같은 물리적 특성 및 기하학적 치수와 관련하여 우수한 재현 가능성을 가지는 장점을 구비한다. n 유형 도핑되거나 또는 p 유형 도핑된 단결정 실리콘 층의 제벡 계수(Seebeck coefficient)는 알루미늄(Al) 또는 폴리실리콘과 같은 다른 물질들에 비하여 상대적으로 높다. 더욱이, n 유형 도핑되거나 또는 p 유형 도핑된 단결정 실리콘 층의 제백 계수들은 부호가 반대이어서 신호를 향상시킨다. 더욱이, 실리콘에서의 도핑 레벨을 제어함으로써, n 유형 실리콘 층 또는 p 유형 실리콘 층에서의 제백 계수를 증가시킬 수 있다. 써모파일은 상대적인 온도 센서이고 이들은 주위 온도 변화를 보상하도록 절대 온도를 필요로 한다.
일 실시예에 따르면, 멤브레인 외측에 추가적인 온도 센서가 제공되는데, 이것은 써모파일을 가진 동리한 칩에 통합된다. 이 장치는 또한 감도를 향상시키도록 장치들의 어레이 또는 장치의 전체적인 신뢰성을 향상시키도록 작은 멤브레인상에 배치된 써모파일들의 어레이로 이루어질 수도 있다. 이것은 DRIE 의 이용을 통해 이루어질 수 있으며, 이는 (KOH 또는 TMAH 에 기초한 것과 같은) 습식 에칭 방법을 이용함으로써 제조된 것보다 훨씬 밀접하게 멤브레인들을 함께 패킹될 수 있게 한다.
단결정 실리콘으로 만들어지지만 CMOS 기술 또는 CMOS 코어를 이용하여 제조되지 않은 써모파일 IR 검출기들은 정확한 온도 센서를 허용하지 않거나 또는 그 어떤 회로도 칩에 통합되는 것을 허용하지 않는다. 다른 한편으로 CMOS 기술을 이용하여 만들어진 현재 기술의 적외선 검출기는 폴리실리콘을 포함하며, 단결정 실리콘을 포함하지 않는다.
일 실시예에 따르면, 절연체상의 실리콘(SOI)-CMOS 프로세스를 이용하여 제조된 서모파일이 제공된다. 상기 프로세스는 SOI 웨이퍼와 함께 시작되고 다음에 표준의 상업적인 CMOS 프로세스를 이용하여 처리된다. 써모파일은 이러한 프로세스를 이용하여 형성될 수 있으며, 이것은 직렬로 함께 연결된 몇개의 써모커플들로 이루어지고, 써모커플의 적어도 하나의 층은 n 유형 또는 p 유형 단결정 실리콘으로 만들어진다. SOI-CMOS 프로세싱 단계는 멤브레인을 형성하는 배면 에칭 단계로 이어진다. 이러한 단계는 DRIE 에 의한 건식 에칭이거나 또는 KOH 또는 TMAH 와 같은 습식 이방성 에칭일 수 있다. DRIE 방법은 각도가 형성된 벽보다 수직의 벽들을 만드는 장점을 가진다. 이것은 멤브레인 크기가 기판 두께의 작은 변화에 대하여 실질적으로 독립적이므로, 멤브레인의 가장자리에서 칩 영역에 손실을 덜 초래하며, 멤브레인의 우수한 재현 가능성을 초래한다. 더욱이, 만약 더 많은 멤브레인들이 소망스럽다면, 직각의 벽들은 멤브레인들이 보다 밀접하게 함께 패킹되는 것을 허용한다.
각각의 써모커플은 스트립으로 이루어진 2 개의 상이한 재료들로 이루어지는데, 일 단부는 멤브레인의 외측에 있고 일 단부는 내측에 있으며, 내측의 단부들은 열적 접합부(thermal junction)(소위 열간 접합부(hot junction))를 형성하는 반면에, 멤브레인 외측의 2 개 단부들은 제 2 의 열적 접합부(소위 냉간 접합부(cold junction))를 형성한다. 신호를 향상시키도록 인접한 써모커플들은 직렬로 연결되어 써모파일을 형성한다.
일 실시예에 따르면, 써모파일의 적어도 하나의 물질은 얇은 SOI 층(즉, 매립된 산화물 위에 배치된 단결정 실리콘 층)으로부터 형성되고, 단결정 실리콘 P+ 또는 단결정 실리콘 N+ 물질이다. 제 2 물질은 알루미늄, 구리, 텅스텐 또는 티타늄과 같은 CMOS 금속 및, 폴리실리콘, 단결정 실리콘 N+ 또는 단결정 실리콘 P+ 중 어느 하나일 수 있다. 바람직스럽게는, 써모파일중 하나의 층이 n 유형 단결정 물질로 만들어지는 반면에, 다른 층은 p 유형 단결정 물질로 만들어진다.
선택적으로, 실리콘 N+ 층 및/또는 실리콘 P+ 층은, N 채널 MOSFET 및 P 채널 MOSFET 각각의 실리콘 N+ 층 및/또는 실리콘 P+ 층으로써 동일한 CMOS 프로세스 단계(그리고 동일한 포토리소그래픽 마스크)에서 만들어진다.
절대 온도 센서도 멤브레인 영역 외부의 동일한 칩 위에서 만들어질 수 있다. 이러한 온도 센서는 써모다이오드, 써모트랜지스터, 저항성 온도 센서, Vpatat 또는 Iptat 또는 CMOS 에서 이용 가능한 다른 온도 센서일 수 있다. 이들에 기초한 써모다이오드 또는 써모트랜지스터 또는 회로들은 선호되는데, 왜냐하면 다이오드 및 트랜지스터들과 같은 CMOS 에서 능동 요소(active element)들의 프로세스 제어는 저항기와 같은 수동 요소(passive element)들의 프로세스 제어보다 양호하기 때문이다.
써모다이오드는 (N-채널 MOSFET 및 P-채널 MOSFET 각각의 실리콘 N+ 층 및/또는 실리콘 P+ 층으로써 동일한 CMOS 프로세스 단계 및 동일한 포토리소그래픽 마스크에서 만들어지는) 상기 실리콘 N+ 층 및 P+ 실리콘 층을 포함하는 반도체 접합부로 만들어질 수 있다. 대안으로서, 다이오드는 실리콘 P 웰(well) 및 N 웰(well) 영역들로 이루어질 수도 있다.
써모트랜지스터는 접합부들중 하나가 전기적으로 단락된 npn 또는 pnp 이극 트랜지스터(bipolar transistor)일 수 있어서, 장치는 써모다이오드와 유사한 방식으로 거동한다.
IPTAT 및 VPTAT 는 써모트랜지스터 또는 써모다이오드에 기초한 정확한 온도 회로들인데, 여기에서 전자(前者)는 온도에 선형으로 비례하는 출력 전류를 제공하는 반면에, 후자(後者)는 온도에 선형으로 비례하는 출력 전압을 제공한다.
멤브레인은 원형이거나 또는 사각 형상일 수 있거나, 그 어떤 다른 적절한 형상을 가질 수 있다. 써모파일은 멤브레인의 외측으로부터 내측으로 연장되고 원형의 방식으로 반복되는 몇개의 써모커플들로 이루어질 수 있다. 이것은 또한 4 개의 측부들로부터 멤브레인의 중심으로 연장된 써모커플들 및, 이들에 밀접하게 형성된 추가적인 써모커플들로 이루어질 수도 있으며, 열간 접합부(hot junction)는 중심의 공간이 채워질 때 중심으로부터 약간 이탈되게 움직인다. 써모커플들은 멤브레인의 중심으로 내내 연장될 수 있거나 또는 멤브레인 안으로 오직 부분적으로 연장될 수 있다. 멤브레인상의 써모커플들의 많은 다른 구성들이 가능하다.
멤브레인은 한가지 이상 유형의 써모커플들을 가질 수도 있다. 예를 들어, 일련의 단결정 실리콘 P+ 및 N+ 써모커플들로 이루어질 수 있고 또한 금속 써모커플들을 가진 일련의 폴리실리콘으로 이루어질 수 있다. 직렬로 함께 연결된 써모커플들을 가진 그러한 구조는 더 높은 출력 신호를 제공할 수 있다.
멤브레인은 금속, 폴리실리콘 또는 단결정 실리콘 플레이트와 같은 특별 구조(extra structure)를 가질 수도 있다. 멤브레인은 또한 써모파일과 같은 멤브레인내에 저항기, 써모다이오드 또는 써모트랜지스터와 같은 추가적인 절대 온도 센서를 가질수도 있다. 히터는 써모파일과 같은 멤브레인상에 매립될 수도 있다. 이것은 써모파일 신호에서의 온도 변동을 제거하도록 멤브레인이 정상 온도(steady temperature)에서 유지될 수 있게 한다.
멤브레인은 상부에 IR 흡수 물질을 가질 수도 있다. 이러한 코팅은 그 어떤 유형일 수도 있으며, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 폴리머(예를 들어, 폴리이미드)의 주의 깊게 제어된 층들과 같은 것일 수 있다. 대안으로서, 카본 블랙, 카본 나노튜브, 금속 산화물 또는 그래핀과 같은 물질들이 마이크로-핫플레이트(micro-hotplate)상에서 성장할 수 있거나 또는 증착될 수 있다. 이들 물질들은 높은 흡수성을 가지며 따라서 적외선 방사량을 향상시킨다. 높은 흡수성을 가진 다른 물질들도 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 써모파일은 단결정 실리콘 P- (또는 P-웰) 및 단결정 실리콘 N- (또는 N-웰) 물질로 이루어지며, 이들 모두는 그 위에 폴리실리콘 층 게이트들을 가진다. 적절한 바이어스 전압을 이들 영역들 위의 폴리실리콘 게이트들에 인가하여 단결정 실리콘 P- 및 N- (또는 P-웰 및 N-웰) 영역들 각각에 역전층(inversion layer)이 결과되게 한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 폴리실리콘 게이트들의 아래에 만들어진 이들 역전층들이 상이한 물질들중 하나 또는 양쪽 모두를 써모커플의 스트립으로 형성한다.
일 실시예에서, 써모파일은 단결정 실리콘 P+ 및 단결정 실리콘 N+ 영역들로 이루어지고 그 사이에 폴리실리콘을 가져서 이들 영역들의 자체 정렬된 구조를 허용하며, 이는 이들이 보다 밀접하게 함께 팩킹될 수 있게 한다. 이러한 구성은 감도를 증가시키고 그리고/또는 멤브레인 영역 당(當) 써모파일의 출력 저항을 감소시키기 때문에 유리하다.
일 실시예에서, 적외선 검출기는 몇개의 멤브레인들의 어레이로 이루어지는데, 이것은 DRIE 에 의해 에칭되고, 밀접하게 함께 패킹되며, 각각 그 자체의 써모파일을 가진다. 이것은 장치의 전체적인 감도를 향상시킨다. 어레이의 다른 용도는 하나의 커다란 멤브레인 대신에 작은 멤브레인들의 어레이를 가지는 것이다. 커다란 멤브레인은 기계적으로 덜 안정적이고 작은 멤브레인에 비하여 오랜 열적 응답 시간(thermal response time)을 가지지만, 작은 멤브레인 장치는 낮은 감도를 가질 것이다. 직렬로 장착된 각각의 멤브레인상에 배치된 써모파일들을 가진, 작은 멤브레인들의 어레이(array)를 이용함으로써, 다수의 작은 멤브레인들상의 다수의 써모파일들을 포함하는, 전체 장치의 기계적 안정성 및 열적 응답 시간은 현저하게 향상될 수 있다. 작은 멤브레인들을 에칭하는 DRIE 의 이용은, 단일의 커다란 멤브레인에 의해 취해지는 공간과 비교할 때, 칩에 매우 적은 가외 공간(extra space)이 필요하고 멤브레인들이 함께 매우 밀접하게 패킹될 수 있음을 의미한다. 바람직스럽게는 각각의 멤브레인상의 써모파일들이 직렬로 함께 연결되어 전체 신호를 증가시킬 수 있지만, 이들이 분리되어 측정될 수 있거나, 또는 출력 저항을 감소시키도록 실제로 병렬로 연결되는 적용예가 있을 수 있다. 어레이에 있는 각각의 멤브레인상에 상이한 IR 필터가 있도록 팩키지가 설계될 수 있다- 따라서 각각의 멤브레인은 상이한 IR 파장을 감지한다.
일 실시예에서, 적외선 필터는 적외선 검출기와 조합된다. 이것은 실리콘 또는 SOI 칩 또는 웨이퍼상에 실리콘 질화물 및/또는 실리콘 이산화물로 이루어진 얇은 멤브레인을 형성하도록 배면 에칭을 이용한다. 이러한 멤브레인은 IR 필터로서 작용할 수 있다. 이러한 칩/웨이퍼는 다음에 웨이퍼 접합(wafer bonding)을 이용함으로써 IR 소스(source)와 조합된다. 필터로서 작용하는 멤브레인의 조성은 변화될 수 있고, 다른 물질들이 멤브레인상에 증착될 수 있어서 소망에 따라 필터 특성들을 변화시킨다.
이러한 방법은 IR 검출기들의 어레이상으로 접합된 필터 웨이퍼들의 어레이를 이용함으로써 어레이들과 조합될 수 있다. 각각의 필터는 동일한 특성들을 가질 수 있거나, 또는 상이한 특성들을 가질 수 있어서, 파장들의 상이한 스펙트럼을 허용한다.
대안으로서 필터는 실리콘 위의 CMOS 금속 층들을 선택적으로 메쉬 형상 또는 도트 형상으로 에칭함으로써 만들어질 수 있다. 메쉬 크기 또는 도트들의 크기 및 도트들 사이의 거리는 특정의 파장에서 소망의 신호를 필터링하도록 그리고/또는 특정의 파장에서 신호를 증가시키도록 조절된다. 감도는 특정의 파장에서 신호 대(對) 노이즈 비율을 증가시킴으로써 증가될 수도 있다. 실리콘 위의 금속 층들의 에칭은 CMOS 시퀀스로 이루어지며, 따라서 추가적인 비용이 소요되지 않는다.
일 실시예는 IR 검출기들의 패키지 구성을 포함한다. TO-5, TO-39 또는 TO-46 과 같은 그 어떤 표준적인 패키지 구성이라도 이용될 수 있거나, 또는 칩이 PCB 보드상으로 직접 패키지될 수 있으며, 그러나 IR 방사가 통과될 수 있는 공동을 가지도록 뚜껑들이 개방되어야 한다. 패키지 구성은 또한, CMOS 금속 층으로 만들어지거나 또는 IR 소스에 웨이퍼 접합된 필터에 추가적으로 또는 상기 필터를 대신하여 IR 투명 윈도우 또는 필터를 구비할 수도 있다. 이것은 또한 NDIR 챔버 안에 직접적으로 패키지화될 수도 있다.
SOI 프로세스의 이용은 구동, 판독 및 신호 프로세싱 회로가 동일한 칩 위의 IR 검출기와 통합될 수 있다는 점을 의미한다. 신호 프로세싱 회로는 단순 전압 팔로우 회로(follower circuit), 증폭기 또는 필터일 수 있다. 보다 복잡한 회로들은 적용에 맞도록 아날로그 신호의 형상을 변경시킬 수 있거나 또는 아날로그-디지털 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 온-칩 온도 센서(on-chip temperature sensor)를 위한 구동 및 판독 회로는 모노리식(monolithic) 방식으로 통합될 수 있다.
일 실시예에서, IR 소스는 NDIR (비분산 적외선(Non Dispersive Infra-Red))기체 센서내의 칩을 이용하도록 동일한 칩에서 IR 검출기와 통합된다. IR 소스는 마이크로-핫플레이트(micro-hotplate) 장치-멤브레인상의 마이크로-히터일 수 있다. 마이크로-히터는 단결정 실리콘, 폴리실리콘으로부터 만들어지거나, 또는 알루미늄, 구리, 텅스텐 또는 티타늄과 같은 CMOS 금속으로부터 만들어진 저항성 히터일 수 있다.
성능을 향상시키도록, IR 소스는 높은 방사율(high emissivity)을 가진 물질을 가질 수도 있는데, 예를 들어, 카본 나노튜브, 카본 블랙, 그래핀, 폴리이미드, 폴리머, 금속 필름, 금속 블랙(metal black), 박막 적층체(thin film stacks) 또는 멤브레인의 상부에서 성장하거나 또는 증착된 높은 IR 방사율을 가진 다른 물질을 포함한다.
대안으로서, 통합된 IR 소스에서의 IR 방사율은 메쉬 형상 또는 도트 형상으로 실리콘 위의 CMOS 금속 층들을 선택적으로 에칭함으로써 증가될 수 있다. 메쉬 크기 또는 도트들의 크기 및 도트들의 거리는 특정 파장에서의 광학적 파워를 증가시키도록 그리고/또는 다른 파장에서 신호를 필터링하도록 조절된다. 실리콘 위의 금속 층들의 에칭은 CMOS 시퀀스로 이루어지며, 따라서 추가적인 비용을 필요로 하지 않는다.
2 개의 장치들 사이에 격벽이 있고 IR 방사가 소스로부터 검출기로 직접적으로 이동할 수 없도록, 칩은 패키지 안에서 축소화된(miniaturized) NDIR 센서로서 이용되도록 패키지화될 수 있다. 대신에, IR 방사는 IR 필터를 통하여 소스에 도달하려면 훨씬 긴 경로를 이동하여야 한다. 이것은 칩과 패키지 설계 동안에 달성된다. 칩을 설계하는 동안, 에미터(emitter)와 검출기 사이의 유전성 산화물에는 유전성 산화물 안에서의 IR 투과를 차단하도록 금속 층 및 바이아(via)들로 채워진다. 그 이후에 격벽이 칩의 위에 형성되는데, 이것은 팩키지를 구성하는 동안에 이루어질 수 있거나, 또는 상부에 패턴화된 기판으로 웨이퍼 접합함으로써 조기에 이루어질 수 있다. 칩에 있는 IR 소스 및 검출기 양쪽의 구동, 판독 및 신호 프로세싱을 위하여 복잡한 회로가 칩에 통합될 수 있다.
상기 센서를 형성하는 팩키지 구성은 상이한 유형일 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 중심이 채워진 반사 표면으로부터 만들어진 벽을 가지는 실린더형 패키지로 칩을 패키지화함으로써, IR 복사가 에미터로부터 칩의 검출기 부분으로 원형 경로로(패키지 벽으로부터 반사되어) 이동한다. 광학 경로는 또한 오직 관심 대상인 파장이 IR 검출기에 도달하는 것을 허용하도록 광학 필터를 가진다. 패키지는 입자 필터로 덮여서 공기에 실린 입자들이 광학 경로 안에 오는 것을 방지한다.
일 실시예에서, 패키지는 칩이 일측에 있는 사각형일 수 있고, 패키지의 먼 쪽에 있는 반사 표면은 반사된 IR 이 소스로부터 검출기로 이동하는 것을 허용한다.
본 발명이 보다 완전하게 이해되도록, 본 발명의 다수의 실시예들은 첨부된 도면을 참조하여 하나의 예로서 설명될 것이다.
도 1 및 도 2 는 SOI IR 검출기의 상이한 디자인들에 대한 개략적인 단면도들이다.
도 3 내지 도 8 은 써모커플들의 상이한 배치, 멤브레인 형상 및 상기 멤브레인상의 다른 구조들을 가진 IR 검출기들의 평면도이다.
도 9 는 IR 검출기 및 온도 센서 양쪽으로 이루어지는 마이크로-칩의 평면도이다.
도 10 은 이방성 습식 에칭(anisotropic wet etching)에 의해 제조된 IR 검출기의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 11 은 단결정 실리콘 P+ 및 N+ 에 기초한 써모커플들의 평면 확대도를 도시하며 그 사이에 간격이 없다.
도 12 및 도 13 은 단결정 실리콘 P+ 및 단결정 실리콘 N+ 에 기초한 써모커플들의 개략적인 단면도의 확대도를 도시하며, 이것은 영역들을 자체 정렬하도록 이용된 폴리실리콘 층을 가진다.
도 14 는 써모커플의 확대도를 도시하며, 여기에서 물질들은 N-MOSFT 및 P-MOSFET 에 의해 만들어진 역전층들이다.
도 15 는 N 및 P-MOSFET 들로 이루어진 써모파일을 포함하는 개략적인 회로 다이아그램의 일부를 도시한다.
도 16 은 써모커플의 확대도를 도시하며, 여기에서 하나의 물질은 N-MOSFET 에 의해 만들어진 역전층이고, 다른 물질은 단결정 P 도핑된 실리콘이다.
도 17 은 써모파일로 이루어진 개략적인 회로 다이아그램의 일부를 도시하며, 여기에서 하나의 물질은 N-MOSFT 에 의해 만들어진 역전 층이고 다른 물질은 단결정 P 도핑된 실리콘이다.
도 18 은 직렬로 함께 연결된 IR 검출기의 어레이에 대한 평면도를 도시한다.
도 19 는 개별적으로 측정될 수 있는 IR 검출기들의 어레이에 대한 평면도를 도시한다.
도 20 은 IR 검출기들의 어레이에 대한 개략적인 단면도를 도시한다.
도 21 은 IR 필터와 함께 패키지를 이룬 어레이의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 22 및 도 23 은 특정 파장에 대한 흡수성을 향상시키도록 패턴화된 상부 금속 층을 가진 IR 검출기의 평면도를 도시한다.
도 24 및 도 25 는 특정 파장에 대한 흡수성을 향상시키도록 하나 또는 2 개의 패턴화된 상부 금속 층들을 가진 IR 검출기의 단면도를 도시한다.
도 26 은 칩에 접합된 IR 필터 웨이퍼를 가진 IR 검출기를 구비한 칩의 개략적인 단면을 도시한다.
도 27 은 동일한 칩에 통합된 IR 소스 및 IR 검출기를 가진 칩의 개략적인 단면을 도시하며, 2 개의 장치들 사이에서 직접적인 IR 복사를 방지하도록 격벽들이 그 사이에 있다.
도 28 은 동일한 칩에 통합된 IR 소스 및 IR 검출기를 가진 칩의 개략적인 단면을 도시하며, 2 개 장치들 사이의 직접적인 IR 복사를 방지하도록 격벽들이 그 사이에 있으며, 또한 IR 복사에 불투명한 얇은 배면측 필름이 있다.
도 29 는 동일한 칩에 통합된 IR 소스 및 써모파일 IR 검출기를 가진 칩의 평면도를 도시한다.
도 30 은 IR 에미터 및 검출기 모두를 가진 칩의 3 차원 사시도이며, 또한 칩으로의 웨이퍼 본딩을 위한 패턴화된 기판을 도시한다.
도 31 은 IR 방사가 에미터로부터 검출기로 직접 이동하는 것을 방지하도록 칩에 접합된 웨이퍼 기판을 가진 검출기 웨이퍼와 IR 에미터 모두를 가진 칩의 3 차원 사시도이다.
도 32 및 도 33 은 NDIR 센서로서 패키지화된 칩을 도시한다.
도 1 은 SOI 프로세스에서 만들어진 IR 검출기의 개략적인 단면도를 도시한다. 여기에는 실리콘 기판(1)상에 지지된 멤브레인 층(2,3,4)이 제공된다. 멤브레인 층은 매립된 산화물 층(2), 유전층(3) 및 패시베이션 층(passivation layer, 4)을 포함한다. 서로 직렬로 연결된 몇개의 써모커플(thermocouple)들로 이루어진 써모파일(thermopile)이 멤브레인 층에 형성된다. 도 1 은 단결정 실리콘(N+ 6) 및 단결정 실리콘(P+ 7) 물질을 이용하는 써모파일도 도시한다. 전기 신호가 발생되는 써모파일의 터미널들은 도면 번호 6a 및 7a 로 표시되어 있다. 이들 터미널들은 패드(미도시) 또는 다른 판독(read-out) 회로 또는 신호 프로세싱 회로(미도시)에 연결될 수 있다. CMOS 금속(8)이 P+ 및 N+ 층들을 열간 및 냉간의 열적 접합(hot and cold thermal juction)으로 전기적으로 연결하는데 이용된다. (CMOS 프로세스내에서 만들어진) 금속 층은 반도체 P/N 접합 형성을 회피하도록 이들을 연결하는데 이용된다. 높은 IR 흡수성을 가진 물질이 멤브레인의 상부에 침착되거나 성장된다.
전체 장치는 상업적인 CMOS SOI 프로세스를 이용하여 만들어진다. 바람직스럽게는, 이러한 경우에 딥 반응성 이온 에칭(deep reactive ion etching, DRIE) 기술을 이용하는 배면 에칭을 이용하여 멤브레인 층이 형성된다. 동일한 칩 위에 구동 판독 회로 또는 신호 프로세싱 회로를 가지거나 또는 가지지 않으면서 마이크로-핫플레이트(micro-hotplate)가 제조될 수 있다.
도 2 는 IR 검출기의 대안의 단면을 도시한다. 도 2 의 많은 특징들이 도 1 의 특징들과 동일하며, 예외적으로 써모파일(thermopile)을 위해 이용된 물질(도 2)은 단결정 실리콘(P+) 및 CMOS 금속(9) 이다.
도 1 및 도 2 는 오직 예를 들어서만 써모파일을 위한 2 가지 가능한 물질 구성들을 제공한다는 점이 주목되어야 한다. 많은 상이한 구성들도 이용될 수 있다. 예를 들어, p 또는 n 도핑된 단결정 실리콘을 가진 폴리실리콘이 이용될 수 있다. 대안으로, 3 개 또는 그 이상의 물질들을 가진 적층된 써모파일이 가능하다.
도 3 은 사각형 멤브레인(10) 상의 IR 검출기의 평면도를 도시한다. 중간의 써모커플들은 멤브레인의 중심까지 계속 가지만, 중심의 공간이 채워지면서 차후의 써모커플들은 중심으로부터 더 멀어지도록 써모커플들이 배치된다. 써모커플들은 단결정 P+ 실리콘(6) 및 단결정 N+ 실리콘(7)으로 이루어진다. 6a(단결정 N+ 실리콘) 및 7a(단결정 P+ 실리콘)은 써모파일의 2 개의 단부 터미널들을 형성한다.
도 4 는 써모커플들이 2 개의 칼럼으로 배치되어 있는 단결정 실리콘 P+ 및 단결정 실리콘 N+ 로 이루어진 사각형 멤브레인상의 써모파일 베이스의 IR 검출기를 도시한다.
도 5 는 원형 멤브레인상의 IR 검출기의 평면도를 도시한다. 이러한 실시예에서, 일부 써모커플들은 멤브레인들의 중심에 인접하게 연장되지만, 다른 써모커플들은 중심의 공간이 이미 채워지므로 그렇지 않다. 도면에 도시된 바와 같이, 원형 멤브레인상에서 반경 방향으로 연장된 써모커플들은 원형 멤브레인의 원주를 따라서 등간격으로 배치되며, 원형 멤브레인의 중심에 도달하는 써모커플과 원형 멤브레인의 중심에 도달하지 않는 써모커플과 교번(alternate)한다.
도 6 은 써모커플들중 어느 것도 중심으로 연장되지 않은 IR 검출기의 평면도를 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 원형 멤브레인상에서 반경 방향으로 연장된 써모커플들이 원형 멤브레인의 중심에 도달하지 않고, 써모커플들은 원형 멤브레인의 원주를 따라서 등간격으로 배치된다 (균일하게 입사되는 복사(radiation)를 가정하면) 온도 그래디언트(temperature gradient)가 가장자리에서 높기 때문에 그렇게 된다. 이러한 방식으로 써모파일의 내부 저항은 현저하게 감소되지만 써모파일의 감도(sensitivity)는 동일한 정도로 감소되지 않는다. 이러한 예 및 선행의 예는 써모커플들의 일부 가능한 구성들로서 도시된다. 여러가지 그러한 구성들이 가능하다는 점은 명백하다.
도 7 은 히터(11)가 동일한 멤브레인상에 있는 IR 검출기의 평면도를 도시한다. 히터는 2 개의 터미널(11a,11b)들을 가진 단순한 저항일 수 있으며 CMOS SOI 프로세스에서 이용 가능한 금속 층들중 하나로 만들어진다. 선택적으로 히터는 폴리실리콘 또는 단결정 실리콘으로 만들어질 수도 있으며, 그러한 경우에 써모파일은 히터를 위한 공간을 허용하도록 구성 및 설계될 수 있어야 한다.
도 8 은 온도 센서(12)가 동일한 멤브레인상에 있는 IR 검출기의 평면도를 도시한다. 온도 센서는 2 개의 터미널(12a,12b)들을 가진 다이오드 또는 저항기(resistor)일 수 있다. 다이오드는 (도시되지 않은) N+ 층/P+ 층 반도체 접합부를 포함할 수 있으며, 이러한 층들중 적어도 하나는 써모커플(즉, 6 또는 7)을 형성하는데 이용된다.
도 9 는 동일한 칩(14) 위에서 (트랙(track, 13a,13b)들에 의해 연결된) 써모파일 IR 검출기 및 온도 센서(13)를 도시하는 평면도이다. 온도 센서는 표준적인 SOI 프로세스에서 이용되는 동일한 물질 층들을 이용하여 IR 검출기와 동시에 만들어진다. 이러한 온도 센서는 VPTAT 또는 IPTAT 와 같은 온도 감지 회로 또는 다이오드 또는 저항기일 수 있다. 상기 센서는 CMOS 프로세스에서 기존의 층들을 이용하여 제조된다. 예를 들어, 다이오드는 본 발명에 따라서 써모파일에서 이용될 수 있는 동일한 N+ 및 P+ 층들을 포함할 수 있다.
도 10 은 멤브레인(2,3,4)이 습식 에칭에 의해서 형성되고, 선택적으로 이방성 KOH 또는 TMAH 배면-에칭(back-etch)에 의해 형성되는 IR 검출기의 단면을 도시한다.
도 11 은 단결정 실리콘 P+ 및 단결정 실리콘 N+ 물질로 이루어진 써모파일내의 써모커플들을 평면도로 도시한다. 이러한 특정 실시예에서, P+ 층과 N+ 층 사이에 간격이 없다. 2 개 물질들 사이에 형성된 반도체 PN 접합에 기인하여 전기적인 도전성이 회피된다. 열간 접합부 및 냉간 접합부에서, 금속(8)이 이용되어 그 지점에서 물질들을 연결한다. 금속 연결부(15)는 써모파일상에서 출력 전압을 측정하는데 이용된다.
도 12 는 단결정 실리콘 P+ 및 단결정 N+ 물질로 이루어진 멤브레인의 일부에 있는 써모파일내 써모커플들의 단면을 도시한다. 이러한 특정의 실시예에서, 폴리실리콘 층(16)은 P+ 및 N+ 영역들의 자체 정렬 제조를 허용하도록 이용된다. 이러한 방법을 이용하여, 멤브레인 내에서 써모커플들의 밀접한 패킹(packing)이 달성된다. 폴리실리콘 아래에 속하는 실리콘 영역(17)은 낮은 도핑 수준으로 유지된다.
도 13 은 단결정 실리콘 P+ 물질(7) 및 단결정 실리콘 N+ 물질(6)로 이루어진 써모커플들의 단면을 도시한다. 이러한 경우에, 폴리실리콘 층(16)은 자체 정렬을 위해서도 이용되며, 또한 실리콘 층(17)은 폴리실리콘 아래에도 유지되며 N 웰웰(N well), P 웰(P well) 및 P 드리프트(P drift) 중 그 어떤 것일 수도 있다. 이러한 층(17)은 매우 높은 저항을 가지고 따라서 N+ 영역과 P+ 영역 사이에서 최소의 도전 효과를 가진다. 폴리실리콘 아래에 속하는 실리콘 영역(17)은 낮은 도핑 레벨에서 유지된다.
도 14 는 멤브레인내의 써모커플의 확대도를 도시하며, 여기에서 써모커플들의 스트립들 내의 물질들은 n 및 p 유형 MOSFET 들에 의해 만들어진 역전층(inversion layer)들이다. 베이스 스트립들은 낮게 도핑된 p 및 n 유형 단결정 실리콘이다. 하나의 스트립의 단부들은 고도로 도핑된 N+ 실리콘이지만, 다른 것은 단부들에서 고도로 도핑된 P+ 실리콘을 가진다. 폴리실리콘 층(16)은 MOSFET 의 게이트로서 작용하며, 적절하게 바이어스(bias)되었을 때, 아래에 있는 실리콘의 표면에서 높게 도핑된 층을 제공한다.
도 15 는 n 및 p 유형의 MOSFET 들에 의해 만들어진 역전층이 이용되는 써모파일 설계의 개략적인 회로 다이아그램을 도시한다. 이러한 설계는 함께 연결되고 교번되는 몇개의 n 유형 MOSFET(18) 및 p 유형 MOSFET(19)들로 이루어진다.
도 16 은 하나의 물질은 n 유형 MOSFET에 의해 만들어진 역전층인 반면에, 다른 것은 단결정 실리콘 P+ 층인 써모커플의 확대도를 도시한다. 이러한 디자인은 p 유형 MOSFET 및 단결정 실리콘 N+ 구조를 가지도록 교환될 수도 있다는 점이 주목되어야 한다.
도 17 은 n 유형 MOSFET 에 의해 만들어진 역전층이 단결정 P+ 실리콘(20)과 함께 이용되는 써모커플 디자인의 개략적인 회로 다이아그램을 도시한다. 이러한 디자인은 교번하는 몇개의 N 유형 MOSFET 및 단결정 P+ 실리콘을 실질적으로 포함하며, 이들은 함께 연결된다.
도 18 은 IR 검출기로서 이용되는 멤브레인들의 어레이(array)에 대한 평면도를 도시한다. 써포파일들은 각각 직렬로 연결된다. 그러한 디자인은 단일 멤브레인보다 큰 감도를 가진다.
도 19 는 IR 검출기로서 이용되는 멤브레인들의 어레이에 대한 평면도를 도시한다. 써모파일들은 연결되지 않으며 따라서 분리되어 측정될 수 있다. 예를 들어, 이들은 작은 출력 저항을 제공하도록 병렬로 연결될 수 있다. 이러한 특정의 예에서, 어레이에 있는 모든 IR 검출기들은 동일하지만, 이들이 상이할 수도 있으며, 상이한 배치 구성을 가지거나, 써모커플들에 대하여 상이한 물질들을 가지거나, 또는 상이한 멤브레인 크기 또는 형상을 가진다.
도 20 은 서로 인접한 어레이의 IR 검출기 멤브레인들중 2 개의 개략적인 단면도를 도시한다. DRIE 에칭에 기인하여 얻어지는 가까운 수직 측벽들은 멤브레인들의 인접한 패킹(close packing)을 허용한다.
도 21 은 패키지를 이룬 IR 검출기의 개략적인 단면을 도시한다. 검출기 칩은 패키지 베이스(21) 상에 배치되며, 이것은 패키지 뚜껑(22)에 의해 덮인다. IR 필터(23)는 소망되는 주파수 범위의 복사만이 통과하는 것을 허용하도록 배치된다. 이것은 단지 하나의 가능한 패킹(packing) 선택일 뿐이며, 표준적인 팩키지들중 다른 선택도 가능하다는 점이 주목되어야 한다.
도 22 는 격자 형상으로 패턴화된 상부 금속층(24)을 가지는, 써포파일에 기초한 IR 검출기의 평면도를 도시하며, 이것은 구멍들의 크기 및 간격에 따라서 특정 파장의 흡수를 향상시키도록 이용된다.
도 23 은 도트 형상으로 패턴화된 상부 금속층을 가지는, 써모파일에 기초한 IR 검출기의 평면도를 도시하며, 이것은 특정 파장의 흡수를 향상시키도록 사용되고, 또한 도트들의 크기 및 형상에 따라서 필터(filter)로서 작용한다. 격자 및 도트 구조들 모두는 CMOS 프로세스에 이미 존재하는 금속층(들)을 이용하여 만들어지고, 따라서 추가적인 단계들이 필요하지 않다.
도 24 는 격자 또는 도트들의 어레이를 형성하는 상부 금속(24)을 가진 IR 검출기의 단면을 도시한다.
도 25 는 특정 파장의 흡수를 향상시키도록 격자 또는 도트들의 어레이를 형성하는 2 개 금속 층(24)들의 단면을 도시한다.
흡수를 향상시키는 패턴화된 금속 층에 대한 도 22 내지 도 25 에 도시된 도면들은 예로서 주어진 것이며, 다른 가능한 패턴들 및 조직들이 이용될 수 있으며, 예를 들어 육각 형상 또는 원 형상과 같은 것이 이용될 수 있다.
도 26 은 웨이퍼 접합 IR 필터를 가진 IR 검출기의 개략적인 단면을 도시한다. 접합된 칩/웨이퍼는 실리콘 기판(25) 및 멤브레인(26)으로 이루어진다. 멤브레인은 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물 및/또는 다른 물질들로 이루어져서 필요에 따라 필터 특성들을 변경시킬 수 있다.
도 27 은 멤브레인상의 마이크로-히터(micro-heater)인 IR 소스(source) 및 IR 검출기를 가진 칩의 개략적인 단면도를 도시한다. 마이크로 히터(27)는 트랙(28)들에 의해 연결되고, 멤브레인은 히터의 열적 격리를 향상시키도록 이용된다. 칩은 IR 소스로부터의 조사(emission)가 IR 검출기로 직접 가지 않도록 설계된다. CMOS 프로세스 파라미터들에 의해 형성되고 IR 이 유전층을 통해 이동하는 것을 방지하는 바이아(vias, 29)들과 금속층들의 적층체를 통한 2 개 사이에 격리를 형성함으로써 이것이 달성된다.
도 28 은 칩의 배면상에 얇은 필름 코팅(31)을 도시한다. 코팅은 IR 에 대하여 불투명한 물질로 만들어져서 IR 복사가 소스로부터 검출기로 배면측으로부터 이동하는 것을 방지한다.
도 29 는 IR 소스(28) 및 써모파일 IR 검출기를 가진 칩의 평면도를 도시한다.
도 30 및 도 31 은 IR 복사가 소스와 검출기 사이의 짧은 경로에서 이동하지 않는 것을 보장하는 웨이퍼 접합 기술을 도시한다. 그러한 목적을 위하여, 소스와 검출기 사이에 격벽을 형성하도록 기판(32)이 패턴화되고 웨이퍼는 칩상에 접합된다.
도 32 는 NDIR 센서로서 사용되도록 원형 패키지(34)내의 칩의 개략적인 평면도를 도시한다. 이것은 칩 위의 IR 소스로부터 IR 검출기로의 원형인 광학적 경로로 이루어진다. 경로의 측벽들은 반사 물질로 만들어져서 IR 복사가 그것을 벗어나 검출기로 반사되는 것을 허용한다. 광학 필터(33)는 검출기에 인접하여 패키지화됨으로써 관심 대상인 파장들만이 통과되는 것을 허용한다.
도 33 은 사각형 패키지내의 칩의 개략적인 평면도를 도시하며, 반사 표면(35)은 멀리 있는 끝에서 조사를 검출기로 반사시킨다.
2.3.4. 멤브레인 층 8. CMOS 금속
9. CMOS 금속 10. 사각형 멤브레인

Claims (48)

  1. 절연체상의 CMOS 실리콘 프로세스(CMOS Silicon on Insulator process:CMOS SOI process)에서 제조된 유전성 멤브레인상에서 전기적으로 함께 연결된 복수개의 써모커플(thermocouple)들을 포함하는 써모파일(thermopile)을 구비한 적외선 검출기(Infra-Red(IR) detector)로서,
    각각의 써모커플은 적어도 제 1 물질 및 상이한 제 2 물질을 포함하되, 제 1 물질은 단결정 실리콘 층으로 만들어지고, 단결정 실리콘 층은 CMOS SOI 프로세스에서 사용되는 표준층인, 적외선 검출기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    단결정 실리콘 층은 N+ 도핑 또는 P+ 도핑된 단결정 실리콘 층인, 적외선 검출기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 N+ 도핑 또는 P+ 도핑된 단결정 실리콘 층은 적외선 검출기와 동일한 칩(chip)상에 일체화된 n-채널 또는 p-채널 MOSFET 의 드레인 층(drain layer) 또는 소스 층(source layer)을 형성하는, 적외선 검출기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    복수개의 써모커플들이 직렬로 함께 연결되는, 적외선 검출기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 2 물질은:
    제 1 물질의 반대 도핑 극성(doping polarity)을 가진 단결정 실리콘 층;
    폴리실리콘;
    알루미늄;
    구리;
    티타늄;
    텅스텐; 및
    CMOS 금속;중 어느 하나인, 적외선 검출기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제 2 물질은 단결정 실리콘 P+ 또는 N+ 층인, 적외선 검출기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    제 2 물질은 단결정 실리콘 층 또는 폴리실리콘 층이고, 제 1 물질 및 제 2 물질은 CMOS 상호 연결 금속(interconnect metal)에 의해 전기적으로 연결되는, 적외선 검출기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    단결정 실리콘 층의 상부에 폴리실리콘 게이트를 더 포함하고, 폴리실리콘 게이트는 단결정 실리콘 층에 역전층을 만들도록 배치되는, 적외선 검출기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    각각의 써모커플은 제 1 열적 접합부 및 제 2 열적 접합부(thermal junction)를 더 포함하고, 제 1 열적 접합부는 열간 접합부(hot junction)이고 제 2 열적 접합부는 냉간 접합부(cold junction)인, 적외선 검출기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    제 1 접합부는 멤브레인상에 위치하고 제 2 접합부는 멤브레인 외측에 위치하는, 적외선 검출기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    멤브레인은 DRIE, 이방성 습식 에칭(anisotropic wet etching), KOH 및 TMAH 로부터 선택된 프로세스에 의해 형성되는, 적외선 검출기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    멤브레인은 사각 형상, 둥근 모서리를 가진 사각 형상, 육각 형상 및, 원 형상중 어느 하나를 가지는, 적외선 검출기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    써모커플들은 멤브레인상에 2 개 열(row)로 배치되는, 적외선 검출기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    원형 멤브레인상에서 반경 방향으로 연장된 써모커플들은 원형 멤브레인의 원주를 따라서 등간격으로 배치되며, 원형 멤브레인의 중심에 도달하는 써모커플과 원형 멤브레인의 중심에 도달하지 않는 써모커플은 교번(alternate)하는, 적외선 검출기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    원형 멤브레인상에서 반경 방향으로 연장된 써모커플들이 원형 멤브레인의 중심에 도달하지 않고, 써모커플들은 원형 멤브레인의 원주를 따라서 등간격으로 배치되는, 적외선 검출기.
  16. 제 5 항에 있어서,
    제 2 물질은 단결정 실리콘 층이고, 폴리실리콘 층은 단결정 실리콘 층들의 도핑을 자체 정렬시키도록 제 1 물질과 제 2 물질 사이에서 이용되는, 적외선 검출기.
  17. 제 1 항에 있어서,
    멤브레인상에 히터(heater)를 더 포함하는, 적외선 검출기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    히터는:
    폴리실리콘으로 만든 저항 히터(resistive heater);
    n 도핑 또는 p 도핑된 단결정 실리콘; 및,
    알루미늄, 텅스텐 또는 티타늄과 같은 CMOS 금속;중 하나인, 적외선 검출기.
  19. 제 1 항에 있어서,
    멤브레인상의 온도 센서를 더 포함하는, 적외선 검출기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    온도 센서는:
    다이오드(써모다이오드(thermodiode));
    다이오드 구성내에 배치된 트랜지스터(써모트랜지스터(thermotransistor)); 및,
    써모다이오드 또는 써모트랜지스터에 기초한 회로;중 어느 하나인, 적외선 검출기.
  21. 제 19 항에 있어서,
    온도 센서는 SOI 프로세스에서 사용된 상호 연결 금속, 또는 폴리실리콘 또는 단결정 실리콘으로 만들어진 저항기(resistor)인, 적외선 검출기.
  22. 제 1 항에 있어서,
    멤브레인은:
    단결정 실리콘;
    폴리실리콘; 및,
    알루미늄, 텅스텐 및 티타늄중 어느 하나를 포함하는 CMOS 금속;으로부터 만들어진 하나 이상의 층들을 포함하는, 적외선 검출기.
  23. 제 1 항에 있어서,
    맴브레인은 실리콘 이산화물(silicon dioxide) 또는 실리콘 질화물(silicon nitride)을 포함하는 상부 패시베이션 층(top passivation layer)을 포함하는, 적외선 검출기.
  24. 제 1 항에 있어서,
    멤브레인상의 상부 표면에는, 폴리머, 카본 블랙, 카본 나노튜브, 그래핀(graphene) 및 고 IR 방사율(high IR emissivity)을 가지는 물질을 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하는 코팅이 제공되는, 적외선 검출기.
  25. 제 1 항에 있어서,
    감도(sensitivity)를 높이도록 써모파일의 상부에 배치된 CMOS 금속의 메쉬(mesh)를 더 포함하고, 메쉬의 크기는 특정 파장들에서 소망의 신호를 필터링(filtering)하도록 그리고/또는 특정의 파장들에서 신호를 증가시키도록 선택되는, 적외선 검출기.
  26. 제 1 항에 있어서,
    감도(sensitivity)를 높이도록 써모파일의 상부에 배치된 CMOS 금속의 도트(dot)들을 더 포함하고, 도트들의 크기 및 도트들 사이의 거리는 특정 파장들에서 소망의 신호를 필터링(filtering)시키도록 그리고/또는 특정 파장들에서 신호를 증가시키도록 선택되는, 적외선 검출기.
  27. 제 23 항에 있어서,
    패시베이션 층을 에칭시킴으로써 노출되는 상부 금속 열 확산 플레이트를 더 포함하는, 적외선 검출기.
  28. 제 1 항에 있어서,
    검출기와 동일한 칩(chip)상에 온도 센서를 더 포함하고, 온도 센서는:
    다이오드(써모다이오드);
    트랜지스터(써모트랜지스터);
    단결정 실리콘, 폴리실리콘 또는 CMOS 금속으로부터 만들어진 저항기(resistor); 및,
    VPTAT 또는 IPTAT 와 같은 표준 온도 감지 회로;중 어느 하나를 포함하는, 적외선 검출기.
  29. 제 1 항에 있어서,
    검출기와 같은 칩상에 있는 판독 아날로그 또는 디지털 회로, 증폭기 회로, 전압 팔로우 회로(voltage follower circuit)중 하나 이상을 더 포함하는, 적외선 검출기.
  30. 제 1 항에 있어서,
    적외선 검출기의 어레이(array)로서 형성된, 적외선 검출기.
  31. 제 30 항에 있어서,
    어레이에 있는 모든 적외선 검출기들이 직렬 또는 병렬로 함께 연결되고, 동시에 또는 개별적으로 작동 가능한, 적외선 검출기.
  32. 제 1 항에 있어서,
    웨이퍼 접합에 의해 부착된 적외선 필터를 더 포함하는, 적외선 검출기.
  33. 제 32 항에 있어서,
    적외선 필터는 실리콘 이산화물 및/또는 실리콘 질화물중 하나 이상을 포함하는 하나 이상의 멤브레인들을 형성하도록 DRIE 에 의해 에칭된 웨이퍼 또는 칩을 포함하는, 적외선 검출기.
  34. 제 1 항에 있어서,
    적외선 필터로 패키지(package)를 이룬, 적외선 검출기.
  35. 칩(chip)에 있는 제 1 항에 따른 적외선 검출기 및,
    동일한 칩에 있는 제 2 멤브레인상의 적외선 소스(infra red source)를 포함하는, 비분산 적외선(Non Dispersive Infra Red;NDIR) 센서.
  36. 제 35 항에 있어서,
    적외선 소스는 제 2 멤브레인상의 저항 히터(resistive heater)를 포함하고,
    히터는 단결정 실리콘, 폴리실리콘 또는 알루미늄, 텅스텐 및 티타늄중 어느 하나를 포함하는 CMOS 금속으로 만들어지는, 비분산 적외선 센서.
  37. 제 35 항에 있어서,
    적외선 소스와 검출기 사이의 금속 층들 및 바이아(via)의 구조에 의해 만들어지는 격벽을 더 포함하는, 비분산 적외선 센서.
  38. 제 35 항에 있어서,
    패턴화된 기판의 웨이퍼 접합에 의해 칩 위에 만들어지는 격벽을 더 포함하는, 비분산 적외선 센서.
  39. 제 35 항에 있어서,
    칩의 패키지를 이루는 동안 칩 위에 만들어지는 격벽을 더 포함하는, 비분산 적외선 센서.
  40. 제 35 항에 있어서,
    비분산 적외선 칩은 소스로부터 검출기로의 원형 광학 경로가 있도록 실린더형 패키지로 패키지를 이루는, 비분산 적외선 센서.
  41. 제 35 항에 있어서,
    칩을 포함하는 패키지의 광학 경로(optical path)에 적외선 필터를 더 포함하는, 비분산 적외선 센서.
  42. 제 35 항에 있어서,
    입자 필터를 더 포함하는, 비분산 적외선 센서.
  43. 제 35 항에 있어서,
    적외선 소스 멤브레인상의 박막 적층체(thin film stack), 금속 블랙(metal black), 금속 필름, 그래핀, 카본 나노튜브, 폴리머를 포함하는 그룹으로부터 선택된 고 방사율(high emissivity) 물질을 더 포함하는, 비분산 적외선 센서.
  44. 제 36 항에 있어서,
    적외선 소스는 방사율을 증가시키도록 저항 히터의 상부에 배치된 CMOS 금속으로 만들어진 메쉬(mesh)를 포함하고, 메쉬의 크기는 특정 파장들에서 소망의 신호를 필터링하도록 그리고/또는 특정의 파장들에서 방사를 증가시키도록 선택되는, 비분산 적외선 센서.
  45. 제 36 항에 있어서,
    적외선 소스는 방사율을 증가시키도록 저항 히터의 상부에 배치된 CMOS 금속의 도트(dot)들을 포함하고, 도트들의 크기 및 도트들 사이의 거리는 특정 파장들에서 소망의 신호를 필터링하도록 그리고/또는 특정의 파장들에서 방사를 증가시키도록 선택되는, 비분산 적외선 센서.
  46. 절연체상의 CMOS 실리콘(SOI) 프로세스를 이용하는 적외선(IR) 검출기 제조 방법으로서,
    기판을 형성하는 단계;
    기판상에 유전체 멤브레인을 형성하는 단계;
    유전체 멤브레인상에서 전기적으로 함께 연결된 복수개의 써모커플들을 포함하는 써모파일을 형성하는 단계;를 포함하고,
    각각의 써모커플은 적어도 제 1 물질 및, 상이한 제 2 물질을 포함하고, 제 1 물질은 단결정 실리콘 층으로 만들어지고 단결정 실리콘 층은 CMOS SOI 프로세스에서 이용되는 표준 층인, 적외선 검출기 제조 방법.
  47. 삭제
  48. 삭제
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