KR102558515B1 - 단파 적외선 초점면 어레이, 그 활용 및 제조 방법 - Google Patents

단파 적외선 초점면 어레이, 그 활용 및 제조 방법 Download PDF

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Abstract

단파 적외선(SWIR) 초점면 어레이(FPA)는 FPA에 의해 검출 가능한 빛이 FPA의 포토다이오드에 도달하는 Si 층, 복수의 광감성 포토사이트 각각에서 적어도 하나의 감광성 영역을 포함하는 복수의 별개의 감광성 영역을 포함하는 적어도 하나의 게르마늄(Ge) 층을 포함하고, 각각의 별개의 감광성 영역은 적어도 0.5μm의 높이 및 적어도 2의 높이-대-폭 비율을 갖는 복수의 Ge 인접 구조를 포함한다. 또한, 단파 적외선(SWIR) 초점면 어레이(FPA)를 형성하는 방법이 제공된다.

Description

단파 적외선 초점면 어레이, 그 활용 및 제조 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 8월 31일에 출원된 미국 임시 특허 출원 제63/072,249호로부터 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 참조로 여기에 포함된다.
본 개시내용은 단파 적외선(SWIR) 초점면 어레이(FPA), 그 활용 및 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 감광성 픽셀의 일부로서 게르마늄(Ge) 성분을 포함하는 SWIR FPA에 관한 것이다.
깊게 에칭된 Ge의 반사율, 투과율 및 흡광도는 Steglich, Martin 등에 의해 연구되었으며, Appl. Phys. A (2016) 122:836, DOI 10.1007/s00339-016-0318-y에서 발행된 논문 "반응성 이온 에칭에 의해 제조된 블랙 Ge"에서 논의되었다. 실리콘(Si) 기판 상에 게르마늄(Ge) 감광성 구성요소 또는 부품을 포함하는 경제적이고 효율적인 초점면 어레이(FPA) 센서의 제조 및 활용을 위한 기술이 업계에서 필요하다.
또한, 종래의 전통적 및 제안된 접근법의 추가적인 제한 및 단점은 도면을 참조하여 본 출원의 나머지 부분에서 설명된 바와 같이, 본 출원의 주제와 그러한 접근법의 비교를 통해 당업자에게 명백해질 것이다.
다양한 실시예에서, SWIR FPA를 제조하는 방법이 제공되며, 이는 Si 웨이퍼 상에 구현된 게르마늄(Ge) 층을 에칭하여, 상기 Ge 층의 상이한 위치로부터 상이한 양의 Ge를 제거하고, 이에 의해 상기 SWIR 초점면 어레이의 복수의 포토사이트 각각에 대해, 적어도 0.3μm의 높이 및 적어도 2의 높이-대-폭 비율을 갖는 복수의 Ge 인접 구조를 포함하는 적어도 하나의 별개의(distinct) Ge 감광성 영역을 생성하는 단계; 상기 에칭된 Ge 층 상에 충진재 재료를 증착시켜서(depositing), 상기 Ge 인접 구조 사이의 갭을 상기 Ge 인접 구조의 적어도 평균 높이까지 충진하는 단계; 감광성 검출 어레이의 다른 웨이퍼와 본딩하기 위한 Si 웨이퍼를 준비하기 위해 Si 웨이퍼의 상부 표면을 폴리싱하는 단계; 및 각각의 포토사이트에 의해 검출된 검출 정보를 판독하기 위해 복수의 포토사이트 각각에 대해 복수의 전기 접점을 생성하도록 금속층을 증착하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 Ge 층을 에칭하는 단계는 상기 초점면 어레이의 각 포토사이트에 대해 Ge의 편평한 부분을 보호하는 단계를 포함하고, 상기 금속층을 증착하는 단계는 각각의 별개의 감광성 Ge 영역으로부터 전기 데이터를 판독하기 위해, 각각의 별개의 감광성 Ge 영역에 연결된 금속 전기 접점을 상기 편평한 부분에 생성하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 에칭은 빛이 상기 Si 층으로부터 Ge 층으로 들어간 후 Ge 층을 빠져나오는 Ge 층의 일 측면에서 상기 Ge 층을 에칭하는 것을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 Si 웨이퍼의 Si 기판을 20μm 이하의 두께로 폴리싱하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 Si 기판의 폴리싱 후에, 통과하는 빛의 적어도 하나의 광 특성을 조작할 목적으로 상기 Si 기판의 폴리싱된 면에 적어도 하나의 유전체층을 본딩하는 단계가 이어지고, 상기 적어도 하나의 광 특성은 빛의 진폭, 위상, 편광 및/또는 스펙트럼 특성으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 SI 웨이퍼의 전극이 상기 ROIC 웨이퍼의 전극과 접촉하도록, 상기 Ge 층이 에칭된 상기 Si 웨이퍼를 판독 집적회로(ROIC) 웨이퍼에 본딩하는 단계를 더 포함하고, 이에 의해 상기 Si 웨이퍼의 Ge 기반 포토사이트에 의해 캡처된 광자 수에 대응하는 전기 신호를 상기 ROIC 웨이퍼에 의해 처리할 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 상기 Ge 층의 두께는 10μm 이하이다.
일부 실시예에서, 상기 Ge 층을 에칭하는 단계는 상기 Si 웨이퍼 상에 상기 Ge 층을 성장시키는 단계가 선행한 후에 이루어지고; 상기 성장은 Ge가 증착된 Si 층을 처리하는 단계가 선행한 후에 이루어지고, 상기 처리는 도핑, 웰링, 패시베이션 및 전기 접점 증착으로 이루어진 웨이퍼 처리 단계의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 프로세스를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 Ge 층은 Ge가 성장하는 Si 층 상에 증착된 이전에 증착된 층 내에 생성된 오목부 내의 Si 층 상에 각각 증착된 Ge의 비연결된 영역을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 Ge 인접 구조의 평균 높이는 1μm보다 크고, 상기 Ge 인접 구조의 평균 높이-대-폭 비율은 적어도 5이다.
일부 실시예에서, 상기 증착 단계는 상기 충진재의 화학적 기상증착 및 충진재의 스퍼터링으로 이루어진 프로세스의 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 증착 공정을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 Ge를 포함하며 SWIR 광을 검출할 수 있는 포토다이오드를 생성하도록, Ge를 도핑하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 Ge에 흡수되며 Si 층으로 수송될 캐리어를 생성할 SWIR 광의 광검출을 목적으로, Si에 다이오드를 생성하도록 Si를 도핑하는 단계를 더 포함한다.
다양한 실시예에서, 복수의 감광성 포토사이트를 갖는 SWIR FPA가 제공되며, 이는 상기 FPA에 의해 검출 가능한 빛이 통과하여 상기 FPA의 포토다이오드에 도달하게 하는 Si 층; 복수의 감광성 포토사이트 각각에 적어도 하나의 감광성 영역을 포함하는 복수의 별개의 감광성 영역을 포함하는 적어도 하나의 게르마늄(Ge) 층으로서, 각각의 별개의 감광성 영역은 적어도 0.5μm의 높이 및 적어도 2의 높이-대-폭 비율을 갖는 복수의 Ge 인접 구조를 포함하는, 상기 적어도 하나의 게르마늄(Ge) 층; 상기 복수의 별개의 감광성 영역을 덮는 패시베이션 층으로서, 상기 패시베이션 층은 상기 Ge 인접 구조 사이의 갭을 상기 Ge 인접 구조의 적어도 평균 높이까지 충진하는, 상기 패시베이션 층; 감광성 검출 어레이의 다른 웨이퍼가 본딩될 수 있는 폴리싱된 상부 표면; 및 Ge의 상이한 별개의 Ge 감광성 영역에 의해 흡수된 광자 수를 나타내는 전기 신호를 다른 웨이퍼로 전송하기 위한 복수의 금속 전극을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 FPA의 각 포토사이트는 각각의 포토사이트의 복수의 인접 구조에 결합된 Ge의 편평한 부분, 및 상기 편평한 부분에 결합된 적어도 하나의 금속 전극을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 Si 층의 두께는 20μm 이하이다.
일부 실시예에서, SWIR FPA는 상기 Si 층의 폴리싱된 면에 결합된 적어도 하나의 광 유효층(photo effective layer)을 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 Ge 층의 두께는 5μm 이하이다.
일부 실시예에서, 상기 Ge 인접 구조의 평균 높이는 1μm보다 크고, 상기 Ge 인접 구조의 평균 높이-대-폭 비율은 적어도 5이다.
일부 실시예에서, SWIR FPA는 Ge의 실질적으로 편평한 패치를 포함하는 제2 복수의 제2 포토사이트를 더 포함하고, 각각의 제2 포토사이트는 다른 웨이퍼에 연결될 수 있는 적어도 하나의 전극을 포함한다.
다양한 실시예에서, 전기광학(EO) 검출 시스템이 제공되며, 이는 상기 또는 하기의 SWIR FPA; 빛을 상기 EO 검출 시스템의 시야로부터 SWIR FPA로 지향하게 하기 위한 적어도 하나의 광학 인터페이스; FPA의 Si 웨이퍼에 본딩된 판독 집적회로(ROIC) 웨이퍼, 여기서 Si 웨이퍼의 금속 전극은 ROIC 웨이퍼의 금속 전극과 접촉하여, 상기 Si 웨이퍼의 Ge 기반 포토사이트에 의해 캡처된 광자 수에 대응하는 전기 신호를 상기 ROIC 웨이퍼에 의해 처리할 수 있게 하고, 상기 ROIC 웨이퍼는 상이한 포토사이트에 의해 검출된 광자 수를 나타내는 검출 데이터를 외부 시스템에 제공하기 위한 적어도 하나의 출력 인터페이스를 포함하는, 상기 판독 집적회로(ROIC) 웨이퍼; 및 상기 시야의 IR 이미지를 제공하기 위해 상기 ROIC 웨이퍼에 의해 제공된 검출 데이터를 처리하도록 작동가능한 프로세서를 포함한다.
본 명세서에 개시된 실시예의 비-제한적인 예는 본 단락 다음에 열거된 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 설명된다. 하나 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조, 요소 또는 부품은 그것들이 나타나는 모든 도면에서 동일한 숫자로 표시될 수 있다. 도면 및 설명은 본 명세서에 개시된 실시예를 조명하고 명확히 하기 위한 것이며, 어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 모든 도면은 본 명세서에 개시된 주제의 예에 따른 장치 또는 흐름도를 보여준다.
도면에서:
도 1a 내지 도 1j는 본 명세서에 개시된 주제의 예에 따른, 단파 적외선 초점면 어레이(FPA) 센서의 예를 도시하는 개략적인 기능적 단면도이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 주제의 예에 따른, FPA 제조 방법의 실시예를 도시한다.
도 3a는 본 명세서에 개시된 주제의 예에 따른, 예시적인 FPA 센서의 제조 프로세스에서 상이한 단계를 도시하는 개략적인 기능적 단면도를 포함한다.
도 3b는 본 명세서에 개시된 주제의 예에 따른, 예시적인 FPA 센서의 제조 프로세스에서 상이한 단계를 도시하는 개략적인 기능적 단면도를 포함한다.
도 4는 본 명세서에 개시된 주제의 예에 따른 전기-광학(EO) 검출 시스템의 실시예를 도시한다.
다음의 상세한 설명에서, 본 개시내용의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부사항이 제시된다. 그러나, 본 발명의 개시내용이 이들 특정 세부사항 없이 실시될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 다른 경우에, 잘 알려진 방법, 절차 및 구성 요소는 본 개시내용을 모호하게 하지 않기 위해 상세하게 설명되지 않았다.
제시된 도면 및 설명에서, 동일한 참조 번호는 다른 실시예 또는 구성에 공통되는 구성 요소를 나타낸다.
달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 다음의 논의로부터 명백한 바와 같이, 명세서 전반에 걸쳐 "프로세싱", "계산하는", "산출하는", "결정하는", "생성하는", "설정하는", "구성하는", "선택하는", "정의하는" 등과 같은 용어를 사용하는 것은 데이터를 다른 데이터로 조작 및/또는 변환하는 컴퓨터의 동작 및/또는 프로세스를 포함하는 것으로 이해되며, 여기서 상기 데이터는 예를 들어, 전자 양과 같은 물리적 양을 나타내고, 및/또는 상기 데이터는 물리적 객체를 나타낸다.
용어 "컴퓨터", "프로세서" 및 "컨트롤러"는 개인용 컴퓨터, 서버, 컴퓨팅 시스템, 통신 장치, 프로세서(예를 들어, 디지털 신호 프로세서(DSP), 마이크로컨트롤러, 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA), 주문형 집적회로(ASIC) 등), 기타 전자 컴퓨팅 장치, 및/또는 이들의 조합을 비-제한적 실시예로 포함하여, 데이터 처리 기능을 갖는 임의의 종류의 전자 장치를 포함하는 것으로 광범위하게 해석되어야 한다.
본 명세서의 교시사항에 따른 동작은 원하는 목적을 위해 특별히 구성된 컴퓨터에 의해 수행되거나, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 원하는 목적을 위해 특별히 구성된 범용 컴퓨터에 의해 수행될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "예를 들어", "~와 같이", "예컨대"라는 문구 및 이들의 변형은 본 명세서에 개시된 주제의 비-제한적 실시예를 나타낸다. 명세서에서의 "일 경우", "일부 경우", "기타 경우" 또는 이들의 변형에 대한 참조는 실시예(들)와 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조 또는 특성이 본 명세서에 개시된 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 문구 "일 경우", "일부 경우", "기타 경우" 또는 이들의 변형의 등장이 필수적으로 동일한 실시예(들)를 지칭하는 것은 아니다.
명료함을 위해, 별도의 실시예의 맥락에서 설명되는 본 명세서에 개시된 주제의 특정 특징이 또한 단일 실시예에서 조합되어 제공될 수 있음이 이해된다. 역으로, 간략화를 위해, 단일 실시예의 맥락에서 설명되는 본 명세서에 개시된 주제의 다양한 특징이 또한 개별적으로 또는 임의의 적합한 하위 조합으로 제공될 수 있다.
본 명세서에 개시된 주제의 실시예에서, 도면에 도시된 하나 이상의 단계는 다른 순서로 실행될 수 있고, 및/또는 하나 이상의 단계 그룹이 동시에 실행될 수 있고, 그 반대도 가능하다. 도면은 본 명세서에 개시된 주제의 실시예에 따른 시스템 아키텍처의 일반적인 개략도를 도시한다. 도면에서의 각 모듈은 본 명세서에 정의되고 설명된 기능을 수행하는 소프트웨어, 하드웨어 및/또는 펌웨어의 임의의 조합으로 구성될 수 있다. 도면에서의 모듈은 하나의 위치에 집중되거나 둘 이상의 위치에 분산될 수 있다.
방법에 대한 본 명세서에서의 모든 참조는 방법을 실행할 수 있는 시스템에 준용하여 적용되어야 하며, 컴퓨터에 의해 일단 실행되면 방법의 실행을 초래하는 명령을 저장하는 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 준용하여 적용되어야 한다.
시스템에 대한 본 명세서에서의 모든 참조는 시스템에 의해 실행될 수 있는 방법에 준용하여 적용되어야 하며, 시스템에 의해 실행될 수 있는 명령을 저장하는 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 준용하여 적용되어야 한다.
도 1a 내지 도 1e는 본 명세서에 개시된 주제의 예에 따른 단파 적외선 초점면 어레이(FPA) 센서(100)(이는 FPA(100)라고도 함)의 예를 도시하는 개략적인 기능적 단면도이다. 이들 각각의 도면에서는, 비록 훨씬 더 많은 수의 PS가 실제 FPA(100)에서 (예를 들어, 1-차원(1D) 또는 2-차원(2D) 어레이로 배열되어) 구현될 수 있지만, 단순화를 위해, FPA(100)의 3개의 포토사이트(PS)(102)(이는 또한 "픽셀"이라고도 함)가 도시되어 있다. 상이한 PS는 임의의 적절한 방식(예를 들어, 트렌치)으로 서로로부터 분리될 수 있지만, 그러한 분리는 단순화를 위해, 도 1a 내지 도 1e에 도시되어 있지 않다. 상이한 도면에서, FPA(100)에 대해 사용되는 참조 번호는 식별 문자(예를 들어, 100A, 100B… 100E)를 포함한다.
FPA(100)의 각각의 PS(102)는 적어도 하나의 Ge 패치(104)를 포함하며, 이는 대응하는 캐소드 또는 애노드로서 Si를 또한 포함하는 반도체 포토다이오드에 대한 애노드 또는 캐소드의 역할을 선택적으로 할 수 있다. 상기 적어도 하나의 Ge 패치(104)는 Si 산화물(SiO2) 또는 다른 재료, 예를 들어 패시베이션 층 및/또는 다른 기능을 갖는 층(예컨대, 평탄화 층)으로 구현될 수 있는 Si 질화물(Si3N4)의 층(106)과 접촉한다. 상이한 형태의 Ge 패치(104)가 상이한 PS(102)에 도시되어 있지만, 반드시 그런 것은 아니며, 단일 FPA(100)는 단일 유형(예를 들어, 박스, 잘린(truncated) 피라미드 및 잘린 렌즈와 같은 균일한 전체 형상을 가짐)의 Ge 패치(104)를 포함할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 관련 도면의 상이한 형상은 몇 가지 비-제한적 예로서 제공된다. 각각의 PS(102)는 또한 포토다이오드에 충돌하는 광이 전하로 변환하는 것으로부터 초래되는 검출 신호를 PS(102)로부터 판독하기 위한 하나 이상의 전극(108)을 포함한다. 전극(108)은 편리하게 금속 또는 임의의 다른 적합한 전도성 재료로 제조될 수 있다. 판독 전극(108) 중 적어도 하나는 각각의 PS(102)의 Si 또는 Ge에 연결되어야 한다. 다른 전극(108)은 각각의 PS(102)에 연결될 수 있거나, 또는 여러 PS(102)에 대해 공통으로 사용될 수 있고, 심지어 전체 어레이에 대해서도 사용될 수 있다. 각각의 FPA(100)의 다른 요소(예컨대, Ge 패치(104)의 형상)와 무관하게, 전극(108)의 몇 가지 가능한 어레이가 비-제한적인 방식으로 상이한 도면 1a 내지 1e에 도시되어 있다. 효율성을 증가시키기 위해 Ge(104)의 하나 이상의 부분이 도핑될 수 있음에 유의해야 한다. Ge의 상이한 영역은 상이하게 도핑될 수 있다(예를 들어, 상이한 도펀트 및/또는 상이한 도핑 정도를 사용함).
또한, FPA(100)는 Ge 및 FPA(100)의 다른 재료가 연결되는 연속 실리콘(Si) 층(110)을 포함한다. 연속 Si 층(110)은 Ge가 구현된 기판 Si 웨이퍼이거나, 원하는 특성으로 성장된 에피택셜층일 수 있다. 선택적으로, Si 층(110)은 그 두께를, 예를 들어 수 마이크로미터 또는 수십 마이크로미터(예를 들어, 4μm, 8μm, 15μm, 30μm)로 줄이기 위해, 제조 중에 폴리싱될 수 있다. 연속 Si 층은 하나의 PS(102)로부터 다른 PS(102)로, 아마도 전체 FPA(100)에 걸쳐 연속된다는 점에서 연속적이다.
도 1a는 에칭되지 않은 Ge 패치와 비교하여 더 많은 수의 광자가 흡수될 수 있는 복수의 Ge의 가파른 구조(steep structure of Ge, 예를 들어, 바늘, 피라미드, 릿지(ridge))를 생성하도록, Ge가 처리된 FPA 센서(100)의 실시예를 도시한다. 구현된 Ge의 물리적 특성에 따라, 상기 처리된 Ge에 의해 캡처된 광자의 백분율 대 유사한 볼록 엔벨로프를 갖는 균질한 Ge 벌크에 의해 캡처된 광자의 백분율의 비율은 상이할 수 있으며, 예를 들어: 적어도 10%, 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 또는 그 이상 만큼 상이한 비율(ration)로 더 커질 수 있다. Ge를 가파른 구조(112)의 조밀한 어레이로 처리하는 것은 이들에 제한되지 않지만, (a) Ge 표면의 증가, (b) 프레넬 반사를 감소시키는 굴절률의 연속적인 변화가 있는 매질인 가파른 구조(112)에 의한 효과적인 매질의 생성, 및 (c) 반사된 광자가 Ge와 여러 상호작용을 가져서, 효과적인 흡수 확률을 향상시키는 광 트래핑 메커니즘과 같은 다양한 이유 때문에, 그 흡수 레벨을 향상시킬 수 있다.
용어 "가파른 구조"는 높이가 적어도 하나의 폭 측면에 걸쳐 그 폭의 적어도 2배인 마이크로미터-스케일 및 나노미터-스케일 구조를 지칭하는데 사용된다. 일부 실시예에서, 나노미터-스케일의 구조가 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 마이크로미터-스케일의 구조가 구현될 수 있다. 가파른 구조(112)의 높이는 가파른 구조가 제조되는 웨이퍼의 평면에 대해 수직으로 측정되고, 폭은 웨이퍼의 평면에 평행하게 측정된다. 도 1f(이는 또한 도 1a 내지 도 1e 및 도 1g 내지 도 1h에도 속함)에 제공된 좌표를 참조하면, 웨이퍼의 평면은 도시된 좌표계의 x-y 평면이고, 가파른 구조(112)의 높이는 z축을 따라 측정된다. 아마도, 가파른 구조(112)의 가장 넓은 폭은 각각의 가파른 구조(112)의 높이의 두 배 미만일 수 있지만(예를 들어, 가파른 구조물이 바늘 모양인 경우), 반드시 그런 것은 아니다. 가파른 구조의 높이는 본 개시내용의 상이한 실시예에서, 심지어 단일 FPA 센서 내에서도 변할 수 있다. 일 예에서, 주어진 FPA(100)의 가파른 구조(112)의 적어도 80%의 높이는 1μm와 2μm 사이일 수 있다. 일 예에서, 주어진 FPA(100)의 가파른 구조(112)의 적어도 80%의 높이는 1μm와 1.5μm 사이일 수 있다. 일 예에서, 주어진 FPA(100)의 가파른 구조(112)의 적어도 80%의 높이는 1.2μm와 1.5μm 사이일 수 있다.
FPA(100)는 SWIR 범위 내의 전자기 방사(radiation)에 민감한 SWIR FPA일 수 있다는 점에 유의한다. 예를 들어, FPA(100)은 900nm-1,000nm, 1,000nm-1,100nm, 1,100nm-1,200nm, 1,200nm-1,300nm, 1,300nm-1,400nm, 1,400nm-1,500nm, 1,500nm-1,600nm, 1,600nm-1,700nm의 스펙트럼 범위 중 하나 이상의 임의의 조합 내에서 충돌하는 빛에 민감할 수 있다. FPA(100)는 또한 전자기 스펙트럼의 다른 부분(예를 들어, 가시 범위 또는 그 일부)에서 민감할 수 있다. FPA(100)는 광학 필터(예를 들어, 색채 대역 통과 필터, 색채 대역 통과 차단기, 색채 저역 통과 필터, 색채 고역 통과 필터, 편광기 등)와 함께 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "단파 적외선 센서" 및 유사한 용어(예를 들어, "단파 적외선 FPA 센서", "단파 적외선 FPA")는 충돌하는 단파 적외선 방사(즉, 파장이 1,000 내지 1,700nm인 방사)를 흡수하고 감지할 수 있는 감광성 센서에 관한 것이다. SWIR 스펙트럼의 적어도 일부에서, FPA(100)의 양자 효율은 Si 기반 광센서(이는 가시 스펙트럼 내 감지에 더 적합함)에 의해 달성할 수 있는 것보다 높다. 선택적으로, 본 명세서에 개시된 SWIR 센서는 단파 IR 스펙트럼(이는 본 개시내용의 목적을 위해, 1,000nm와 1,700nm 사이로 정의됨)의 서브섹션 내에서, 더욱 구체적으로는 1,200nm와 1,550nm 사이에서 충돌하는 빛(illumination, 조명)에 민감할 수 있다. 해당 파장에 대한 센서의 양자 효율이 5%보다 높은 경우, 센서는 본 개시내용 내에서 주어진 파장에 대해 민감한 것으로 정의된다.
도 1b의 예에 도시된 바와 같이, FPA 센서(100)는 하나 이상의 광-유효층(114)을 선택적으로 포함할 수 있는데, 이는 그것을 통과하는 빛을 조작한다(manipulate). 예를 들어, 광-유효층(114)은 색채 필터, 편광 필터, 임의의 다른 유형의 광학 필터, 지연기, 회절 격자, 또는 그 층을 통과하는 광 방사에 영향을 미치는 임의의 다른 유형의 층으로서 작동할 수 있다.
도 1c의 예에 도시된 바와 같이, FPA 센서(100)는 FPA 센서(100)에 (도시된 바와 같은 또다른 유형의 광-유효층(114)에 더하여, 또는 단독 광-유효층으로서) 추가될 수 있는 마이크로렌즈(116)의 층(예를 들어, 마이크로렌즈 어레이)을 포함할 수 있다.
도 1d의 예에 도시된 바와 같이, FPA 센서(100)는 감광성 웨이퍼에 결합되는 제2 웨이퍼(120)를 포함하여, 2개의 웨이퍼를 포함할 수 있다. 웨이퍼(120)는 판독 집적회로(ROIC)를 포함하므로, ROIC 웨이퍼로 불릴 수 있다. ROIC 웨이퍼는 예를 들어, CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor, 상보적 금속 산화물 반도체) 기반 판독 회로 및 선택적으로 처리 회로뿐만 아니라, 하나 이상의 BEOL(back-end-of-line) 층을 포함할 수 있다.
FPA(100)는 전술한 구성요소의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1e의 예에 도시된 바와 같이, FPA 센서(100)는 하나 이상의 광-유효층(114), 마이크로 렌즈(116) 및 제2 웨이퍼(120)를 포함할 수 있다.
도 1a 내지 도 1e는 후면(backside) 조명 SWIR FPA 센서(FOV로부터의 광이 금속 판독층을 통과하지 않고 감광체에 직접 도달함)를 도시하고, FPA(100)는 또한 전면 조명 SWIR FPA 센서(FOV로부터의 광이 금속 판독층을 통과한 후 감광체에 도달함)에 대해 필요한 부분만 수정하여 구현될 수 있다.
도 1f 내지 도 1h는 본 명세서에 개시된 주제의 예에 따른 단파 적외선 초점면 어레이(FPA) 센서(100)의 예를 도시하는 개략적인 기능적 단면도이다. 도 1f 내지 도 1h에 도시된 예에서 입증된 바와 같이, 선택적으로, FPA(100)의 연속 Si 층(110)은 예를 들어, Ge의 가파른 구조에 대해 위에서 정의된 기준에 부합하는 복수의 가파른 구조를 포함할 수 있다. 그러한 경우에, Si 층은 도면에서 122로 표시된다. Si 층(122)의 복수의 가파른 구조("Si 가파른 구조")는 예를 들어, 상이한 입사각에서 FPA에 도달하는 충돌광(impinging light)의 흡수율을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 반드시 그런 것은 아니지만, Si 층(122)의 두께(예를 들어, 가파른 구조의 팁에서 Ge 패치(104)의 베이스까지 측정됨)는 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터(예를 들어, 4μm, 8μm, 15μm, 30μm)일 수 있다. 선택적 층(124)은 Si 층(122)의 상부에 구현될 수 있는데, 이는 예를 들어, 패시베이션 층 및/또는 평탄화 층과 같은 다른 기능을 갖는 층으로서 기능한다. 층(124)은 Si 산화물(SiO2), Si 질화물(Si3N4) 등과 같은 적절한 재료로 만들어질 수 있지만, 이들에 제한되지 않는다.
도 1i는 본 명세서에 개시된 주제의 예에 따른, FPA(100)와 같은 FPA의 일 예의 개략적인 대각선도이다. 도시된 예에서, FPA(100)(예에서, FPA(100j)로 표시됨)는 3x3 포토사이트(190)의 어레이를 포함하지만, 명백히 임의의 다른 수의 포토사이트, 예를 들어 1, 1x10, 2x2, 32×32, 224×144, 320×224, 640×480, 800×600, 1024×768, 1440×900, 2048×1152, 3200×2048, 8192×8192, 15360×8640 및 기타 숫자의 포토사이트로 구현될 수 있다.
도 1j는 본 명세서에 개시된 주제의 예에 따른, FPA(100)와 같은 FPA의 다른 예의 개략적인 평면도이다. 도시된 예에서, FPA(100)(예에서, FPA(100K)로 표시됨)의 상이한 포토사이트는 직사각형 그리드로 배열되지만, 임의의 다른 적합한 기하학적 배열 또는 타일링(tiling)(예를 들어, 벌집형 그리드, 원형 그리드 등)이 구현될 수 있다.
도 2는 본 명세서에 개시된 주제의 예에 따른, 초점면 어레이를 제조하기 위한 방법의 실시예(200)를 도시한다. 선택적으로, 방법(200)은 도 1a 내지 도 1j와 관련하여 도시되고 논의된 것과 같은 FPA(또는 그 일부)의 제조에 사용될 수 있다. 이는 특히, SWIR FPA의 제조를 위한 것이지만, 반드시 그런 것은 아니다. (SWIR FPA와 같은) FPA를 제조하는 공정에 대한 2개의 비-제한적인 예가 도 3a 및 도 3b에 제공되는데, 이는 방법(200) 및 그 상이한 단계의 이해를 용이하게 할 수 있다.
방법(200)의 단계(202)는 Si 웨이퍼 상에 구현된 Ge 층을 에칭하여, Ge 층의 상이한 위치로부터 상이한 양의 Ge를 제거하고, 그에 의해 SWIR 초점면 어레이의 복수의 PS 중 각각에 대해, 높이가 적어도 0.3μm이고 높이-대-폭 비율이 적어도 2인 Ge 인접 구조(예를 들어, 상기 "Ge의 가파른 구조")를 복수개 포함하는 적어도 하나의 별개의 구별되는(distinct) Ge 감광성 영역을 생성한다. 도 1f에 제공된 좌표계를 참조하면, 폭은 x-y 평면 내에서 측정되고, 높이는 z축을 따라 측정된다. 더 가파른 높이-대-폭 비율(예를 들어, >3, >4, >5, >10)도 구현될 수 있다. 각각의 구별되는(별개의) Ge 감광성 영역은 예를 들어 제조 공정의 결과로 덜 가파른 구조(예를 들어, 더 짧은 바늘)를 포함할 수 있지만, 대부분의 가파른 구조는 앞서 언급한 임계값(예를 들어, 2, 3 등)보다 높은 높이-대-폭 비율을 가짐에 유의한다. Ge 인접 구조는 (예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이) 구조의 하부에서 서로 연결될 수 있음에 유의한다. 반드시 그런 것은 아니지만, 상이한 구조를 연결하는 Ge 층의 두께는 가파른 구조의 높이(예를 들어, 1μm)보다 얇을 수 있다. 첨부된 도면의 예를 참조하면, Ge 층은 Ge 층(104)일 수 있다.
단계(202)는 별개의 Ge 영역에 충돌하는 광의 흡수율을 크게 향상시킨다. 도 3a의 예를 참조하면, 단계(202)는 도면(302 및 304)에 도시된 상태들 사이의 전이(transition)에서 구현될 수 있다. 도 3b를 참조하면, 단계(202)는 도면(322 및 324)에 도시된 상태들 사이의 전이에서 구현될 수 있다. 도 1a 내지 도 1j와 유사하게, 도시된 3개의 PS는 단지 예시를 위해 상이한 형상임에 유의한다. 용어 "Ge의 구별되는(별개의) 감광성 영역"은 광범위하게는 적어도 하나의 Ge 프리(free) 구역에 의해 다른 영역으로부터 분리된 Ge 영역을 포함한다. 웨이퍼의 평면에 평행한 Ge의 각각의 별개의 감광성 영역의 단면은 실질적으로 정사각형, 실질적으로 직사각형, 실질적으로 원형, 실질적으로 타원형 또는 임의의 다른 둘러싸인 형상일 수 있다. 이러한 단면의 직경은 1μm와 5μm 사이(이들에 제한되지 않음)와 같이 다양한 크기일 수 있다.
단계(202)의 에칭은 예를 들어, 반응성 이온 에칭(RIE)에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 염소계 RIE 또는 불소계 RIE가 사용될 수 있다. 예를 들어 비-펄스 RIE가 사용될 수 있다. 다른 예에서, 가파른 구조를 제공하기 위한 Ge 층의 에칭에 금속 강화 에칭이 사용될 수 있다. 선택적으로, 가파른 Ge 구조의 생성은 레이저 가공과 같은 에칭 이외의 공정에 의해 달성될 수 있다.
선택적으로, 단계(202)의 에칭은 그 후면에서 Ge 층을 에칭하는 것을 포함할 수 있다(이를 통해 빛이 Si 층으로부터 Ge 층으로 들어간 후에 Ge를 빠져나간다). Ge의 가파른 구조는 흡수되기 전에 Ge를 떠나는 빛의 양을 제한하는 데 사용된다. 대안적으로, Ge 층의 다른 면이 에칭될 수 있다(이를 통해 빛이 Ge 층에 들어간다)
방법(200)의 단계(204)는 적어도 Ge 인접 구조의 평균 높이까지 Ge 인접 구조 사이의 갭을 채우기 위해, 상기 에칭된 Ge 상에 충진재 재료를 증착하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 충진재는 Ge 층을 완전히 덮을 수 있다. 도 3a 및 도 3b의 예를 참조하면, 단계(204)는 도면(304와 306, 324와 326)에 각각 도시된 상태들 사이의 전이에서 구현될 수 있다. 증착된 충진재는 (예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이) 또한 전극, 금속층 구성요소, 패시베이션 층 구성요소 등과 같은 제조된 웨이퍼의 다른 구성요소를 덮을 수 있다. 웨이퍼의 하나 이상의 처리 단계는 단계(202)의 에칭과 단계(204)의 충진재의 증착을 분리할 수 있다는 점에 유의한다. 이러한 일부 단계의 예는 도핑, 트렌칭, 폴리싱, 금속층 배치 등을 포함한다(각각의 이러한 단계는 선택적으로 복수의 하위 단계를 포함할 수 있음). 단계(204)에서 충진재를 증착하기 위해 다른 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 충진재의 증착은 충진재의 화학 기상 증착(CVD), 충진재의 스퍼터링, 또는 당업계에 공지된 다른 방식을 포함할 수 있다.
단계(204)에서의 충진재의 증착은 다른 가능한 목적 중에서 구조적, 기하학적 및 전기적 목적을 제공할 수 있고, 충진재는 이러한 목적 사이에서 원하는 균형을 가장 잘 제공하도록 선택될 수 있다. 충진재의 몇 가지 비-제한적인 예로는 이산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4) 및 다양한 폴리머가 있다. 이러한 재료는 웨이퍼의 Si 층과 Ge 패치 모두에 잘 본딩될 수 있으며, Ge(및 또한 가능하면 밑에 있는 Si)에 대한 전기 패시베이션을 제공할 수 있다. 선택적으로, 각 PS에서 Ge의 가파른 구조의 어레이에 의해 빛의 반사를 줄이고 SWIR 방사의 흡수를 증가시키기 위해, 충진재로 선택된 재료의 굴절률은 Ge에 비해 상대적으로 낮을 수 있다. 예를 들어, 충진재의 굴절률은 관련 파장(예를 들어, 1μm와 1.5μm 사이 또는 해당 스펙트럼의 일부)에 대해 2보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 충진재의 굴절률은 관련 파장(예를 들어, 1μm와 1.5μm 사이 또는 해당 스펙트럼의 일부)에 대해 1.75보다 낮을 수 있다.
방법(200)의 단계(206)는 Si 웨이퍼의 상부 표면을 폴리싱하는 단계를 포함한다. 예로서, 단계(206)의 폴리싱은 관련 실시예에서, 감광성 검출 어레이의 또 다른 웨이퍼와 본딩하기 위한(예를 들어, 도 4에 도시된 시스템(400)의 감광성 검출 어레이(450)의 웨이퍼(420)와 본딩하기 위한) Si 웨이퍼를 준비하기 위해 수행될 수 있다. 다른 웨이퍼는 예를 들어, 도 1d에 도시된 바와 같이, 판독 집적회로(ROIC)일 수 있다. 앞서 언급한 웨이퍼의 상부 표면은 충진재 재료 및 가능한 경우 Ge도 포함한다는 점에 유의한다. 일부 실시예에서, 예를 들어 충진재 재료가 패시베이션 목적으로 사용되는 경우, Ge는 단계(206)의 폴리싱 후에 충진재 재료로 완전히 덮힌다. 일부 실시예에서, 예를 들어 Ge에 대한 전극의 연결을 가능하게 하기 위해, Ge의 일부가 노출된 상태로 남아 있을 수 있다. 그러나, 반드시 그런 것은 아니다. 선택적으로, 전극은 Ge를 충진재로 덮어씌운 후 생성되는 전용 구멍을 통해 (필요한 경우) Ge에 도달할 수 있다. 도 3a 및 도 3b의 예를 참조하면, 단계(206)는 도면(306와 308)(326와 328 각각)에 도시된 상태들 사이의 전이에서 구현될 수 있다. 단계(206)의 폴리싱은 단계(208)의 금속 증착에 선행하거나 후행할 수 있음에 유의한다. 단계(206)의 폴리싱은 화학적 기계적 폴리싱(CMP)과 같은(이들에 제한되지 않음) 임의의 적합한 방식으로 수행될 수 있다.
방법(200)의 단계(208)는 각각의 PS에 의해 검출된 검출 정보를 판독하기 위하여, 복수의 PS 중 각각에 대한 복수의 전기 접점(contacts)을 생성하기 위한 금속층을 증착하는 단계를 포함한다. 도 3a 및 도 3b의 예를 참조하면, 단계(208)는 도면(310과 312)(330과 332 각각)에 도시된 상태들 사이의 전이에서 구현될 수 있다. 또한, 반드시 그런 것은 아니지만, 일부 실시예에서, 단계(208)는 단계(204)의 충진재의 증착 전에 선택적으로 실행될 수 있다.
단계(208)에서의 증착된 전기 접점은 Ge에 접촉하거나 Ge에 충분히 근접함으로써, Ge 패치(복수의 구별되는 Ge 감광성 영역)로부터 전기 정보를 판독하는 데 선택적으로 사용될 수 있다. Ge 패치로부터의 판독값은 Ge의 도핑되거나 도핑되지 않은 부분에서 나올 수 있다. PS의 다른 부분(예를 들어, Si 부분)으로부터 전기 신호를 판독하기 위한 전기 접점이 구현될 수 있다. 다른 유형의 전극은 단일 PS와 관련되지 않은 Si 웨이퍼의 부분(예를 들어, 여러 인접 PS의 그룹를 제공하거나 모든 PS를 제공하는 등, 이러한 부분은 Si 또는 웨이퍼의 다른 부분을 포함할 수 있음)으로부터 전기 데이터를 판독하도록 구현될 수 있다.
적용 가능한 경우, Ge를 금속 전극에 연결하기 위한 준비는 단계(202)의 일부로 간주될 수 있다. 선택적으로, Ge 층의 에칭 단계는 초점면 어레이의 각각의 PS에 대해 Ge의 편평한 부분을 보호하는 것을 포함할 수 있고, 금속 층의 증착 단계는 각각의 별개의 감광성 Ge 영역으로부터 전기 데이터를 판독하기 위해, 각각의 별개의 감광성 Ge 영역에 연결되는 금속 전기 접점을 편평한 부분에서 생성하는 것을 포함할 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 도 2와 관련하여 논의된 것 이외의 제조 공정(이는 또한 "단계"라고도 함)이 또한 도시되어 있고, (다른 선택적 단계 중에서) 이러한 단계는 명시적으로 상세하게 설명하지 않더라도, 방법(200)의 일부일 수 있다. 도 3a, 특히 도면(302)를 참조하면, Ge 층은 편평한 기판에서 성장하거나 포켓 내에 있는 Ge의 고립된 패치를 포함할 수 있다. 방법(200)은 Ge 층을 이러한 패치로 성장시키거나, 이러한 Ge 패치를 이미 포함하는 웨이퍼를 처리하는 것을 포함할 수 있다. 전체적으로 방법(200)을 참조하면, Ge 층은 선택적으로 Ge의 복수의 연결되지 않은 영역을 포함할 수 있는데, 그 각각은 Si 층 상에 이전에 증착된 층 내에 생성된 오목부 내의 Si 층 상에 증착된다. 이전에 증착된 층은 단계(204)의 충진을 위해 사용된 동일한 충진재 재료 또는 다른 재료(예를 들어, 다른 패시베이션 재료)를 포함할 수 있다. 방법(200)은 선택적으로 Ge가 성장되는 전술한 증착된 층을 포함할 수 있다. 방법(200)은 (예를 들어, 에칭에 의해) 포켓을 생성하기 위해 해당 층을 처리하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다. 바닥은 Si로 만들어지고 벽은 Ge가 쉽게 성장하지 않는 다른 재료로 만들어진 포켓 내에서 Ge 패치를 성장시키는 것이 고품질의 Ge 결정을 생성하기 위해 구현될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
도 3b, 특히 도면(322)을 참조하면, Ge 층은 연속 층일 수 있는데, 이는 상이한 PS를 제공하는 복수의 단절된(연결되지 않는) 영역으로 연속 층을 분리하도록 처리될 수 있다는 점에 유의한다. 방법(200)은 선택적으로 Ge의 독립형(stand-alone) 패치를 제조하기 위해 (예를 들어, 에칭에 의해) Ge를 처리하는 것 및/또는 연속 Ge 층을 성장시키는 것을 포함할 수 있다. Si 상에서 Ge를 성장시키는 방법은 당업계에 공지되어 있다.
Ge 층(연속적이든, 패치이든, 포켓이든)은 에칭 이전에 예비 두께를 가질 수 있고, 단계(202)의 에칭 후에 다른 에칭된 두께(가파른 구조의 상부까지 측정됨)를 가질 수 있다. 예를 들어, Ge 층의 예비 두께는 10μm 미만일 수 있다. 예를 들어, Ge 층의 예비 두께는 7μm 미만일 수 있다. 예를 들어, Ge 층의 예비 두께는 5μm 미만일 수 있다. 예를 들어, Ge 층의 예비 두께는 4μm 미만일 수 있다. 예를 들어, Ge 층의 예비 두께는 3μm 미만일 수 있다. Ge 층의 에칭된 두께는 예비 두께보다 작거나 같을 수 있다. 예를 들어, 에칭된 두께는 예비 두께보다 좁은 0μm 내지 0.5μm 일 수 있다. 예를 들어, 에칭된 두께는 예비 두께보다 좁은 0.5μm 내지 1μm 일 수 있다. 예를 들어, 에칭된 두께는 예비 두께보다 좁은 1μm 내지 1.5μm 일 수 있다. 예를 들어, 에칭된 두께는 예비 두께보다 좁은 1.5μm 내지 2μm 일 수 있다. 예를 들어, 에칭된 두께는 예비 두께보다 좁은 2μm 내지 2.5μm 일 수 있다. 예를 들어, 에칭된 두께는 예비 두께보다 좁은 2.5μm 내지 3μm 일 수 있다.
방법(200)은 또한 상이한 PS의 Ge 층의 두께 사이에서 더 높은 균일성을 달성하기 위해 - 단계(202)의 에칭 전 또는 후에, 또는 둘 모두에서 - Ge 층을 폴리싱하는 단계를 포함할 수 있다.
단계(202)의 에칭으로 돌아가면, Ge 인접 구조의 평균 높이는 1μm보다 클 수 있고, Ge 인접 구조의 평균 높이-대-폭 비율은 5 이상(예를 들어, 약 6 , 약 7, 약 8)일 수 있다.
도 3a 및 도 3b의 도면(310 및 330)을 각각 참조하면, 다른 PS를 서로 분리하는(isolating, 격리시키는) 것은 선택적으로, Si 층, 충진재 층, (예를 들어, 도시된 바와 같이) Ge가 증착되는 패시베이션 층, 또는 전술한 층 중 2개 이상의 임의의 조합에서 구현될 수 있다. 이러한 PS의 분리는 트렌칭(예를 들어, 깊은 트렌치 격리, 얕은 트렌치 격리), 도핑, 또는 임의의 다른 적절한 프로세스를 포함할 수 있다. 방법(200)의 실행 내에서 그러한 분리의 타이밍은 그것이 실행되는 하나 이상의 층에 의존한다. 예를 들어, (예를 들어, 트렌칭, 도핑에 의한) 이러한 PS의 분리는 Ge 층의 증착 전 및/또는 증착 후에 실행될 수 있다. 선택적으로, (방법(200)의 일부인 경우) Ge 층의 성장은 Ge가 증착되는 Si 층을 처리하는 것이 선행한 후에 이루어지며, 여기서 처리는 도핑, 웰링, 패시베이션 및 전기 접점 증착으로 이루어진 웨이퍼 처리 단계의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 프로세스를 포함한다. PS의 분리에 더하여, Si 층(예를 들어, 전술한 임의의 유형의 프로세스에서의 FPA의 다른 층)의 처리는 도핑된 영역(N 영역 및/또는 또는 P 영역)을 생성하거나, 접점 등을 생성하는 것과 같은 다른 목적을 위해 또한 사용될 수 있다. 특히, FPA의 하나 이상의 재료(예를 들어, Si, Si 산화물, Si 질화물, Ge)의 도핑은 각각의 재료(예를 들어, Si, Ge 등)의 상이한 부분(portion)을 상이한 도핑 정도 및/또는 상이한 도펀트로 도핑하는 것을 포함할 수 있다. 선택적으로, 방법(200)은 더 긴 파장에서도 검출되도록 하는 것과 같이, Ge를 높게 도핑하는 것을 포함할 수 있다. 선택적으로, 방법(200)은 Ge에 흡수될 수 있고 Si 층으로 수송될 캐리어를 생성할 SWIR 광의 광검출을 위해 Si에 다이오드를 만드는 것과 같이, Si를 도핑하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 3a 및 도 3b의 도면(314 및 334)을 각각 참조하면, 방법(200)은 선택적으로 Si 웨이퍼의 Si 기판을 20μm 미만의 두께로 폴리싱하는 단계를 포함할 수 있음에 유의한다. 예를 들어, Si 기판 층의 초기 두께는 약 800μm일 수 있다. Si 층의 폴리싱(또는 Si 기판 층의 두께를 감소시키기 위한 임의의 적합한 대체 프로세스)은 Si 층의 두께를 10μm 미만, 5μm 미만 등으로 감소시킬 수도 있다. 예를 들어, 인접한 포토사이트 사이에서 빛이 새는 것과 같은 기하학적 광학 고려 사항을 줄이기 위해, Si 층의 두께를 감소시키는 것이 사용될 수 있다. 반드시 그런 것은 아니지만, (도면(314 및 334)에 도시된 바와 같은) Si 층의 폴리싱은 모든 상위 층의 처리가 종료된 후에(예를 들어, 구조적 지지가 더 이상 필요하지 않을 때), 실행될 수 있다. 선택적으로, 구조적 지지를 제공하는 다른 웨이퍼(예를 들어, ROIC 웨이퍼)에 Si 웨이퍼를 본딩한 후에, Si 층의 폴리싱이 (예를 들어, 수 마이크로미터의 두께까지) 실행될 수 있다.
방법(200)은 하나 이상의 층을 Si 층의 바닥면에 연결(예를 들어, 본딩)함으로써, (Si 층의 폴리싱 후 또는 폴리싱 없이) 계속될 수 있다. 그러한 다른 층은 광학 필터, 마이크로-렌즈 어레이 등을 포함할 수 있다(예를 들어, 도 1b, 1c와 관련하여 설명되고 논의됨). 방법(200)은 Si 기판의 폴리싱 후에, Si 기판의 폴리싱된 면에 적어도 하나의 광-유효층(예를 들어, 마이크로 렌즈, 편광자, 색채 필터)을 포함할 수 있다.
방법(200)은 예를 들어, 도 1f 내지 도 1h와 관련하여 위에서 논의된 바와 같이, 복수의 Si 가파른 구조를 제공하기 위해 Si 층을 처리함으로써, 선택적으로 (Si 층의 폴리싱 후 또는 폴리싱 없이) 계속될 수 있다.
도 1d의 예를 참조하면, 방법(200)은 또한 (Ge 층이 에칭된) Si 웨이퍼를 ROIC 웨이퍼(또는 단계(206)와 관련하여 논의된 것과 같은 임의의 다른 웨이퍼)에 본딩하는 단계를 포함할 수 있고, 이에 의해 Si 웨이퍼의 전극이 ROIC 웨이퍼(금속 전극 또는 임의의 다른 적절한 유형의 전극)에 접촉하여, Si 웨이퍼의 Ge 기반 PS에 의해 캡처된 광자 수에 대응하는 전기 신호의 ROIC 웨이퍼 처리를 가능하게 한다.
도 1a 내지 도 1j의 비-제한적인 예로 돌아가면, 복수의 감광성 PS를 포함하는 초점면 어레이(FPA)가 개시된다. 선택적으로, FPA는 SWIR FPA일 수 있다. 반드시 그런 것은 아니지만, 그러한 FPA는 방법(200)에 따라 제조될 수 있다. 제조 공정에 관계없이, 방법(200)과 관련하여 논의된 임의의 변형은 필요한 부분만 약간 수정하여, 본 명세서에 개시된 FPA에 적용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 SWIR FPA는 적어도 다음을 포함한다:
(a) FPA에 의해 검출 가능한 빛이 통과하여 FPA의 포토다이오드에 도달하게 하는 Si 층;
(b) 복수의 감광성 PS 각각에 적어도 하나의 감광성 영역을 포함하는 복수의 구별되는(별개의) 감광성 영역을 포함하는 적어도 하나의 Ge 층, 여기서 각각의 별개의 감광성 영역은 높이가 적어도 0.3μm이고 높이-대-폭 비율이 적어도 2인 복수의 Ge 인접 구조를 포함함;
(c) 복수의 별개의 감광성 영역을 덮는 적어도 하나의 패시베이션 층, 여기서 패시베이션 층은 Ge 인접 구조의 적어도 평균 높이까지 Ge 인접 구조 사이의 갭을 채움;
(d) 감광성 검출 어레이의 또다른 웨이퍼가 본딩될 수 있는 폴리싱된 상부 표면; 및
(e) 상이한 별개의 Ge 감광성 영역에 의해 흡수된 광자 수를 나타내는 전기 신호를 다른 웨이퍼로 전송하기 위한 복수의 전극(예를 들어, 금속 전극).
개시된 FPA는 FPA(100)일 수 있지만, 반드시 그런 것은 아니다. 선택적으로, FPA의 각각의 PS는 각각의 PS의 복수의 인접 구조에 결합된 Ge의 편평한 부분, 및 상기 편평한 부분에 결합된 적어도 하나의 금속 전극을 포함한다. 선택적으로, Si 층의 두께는 20μm 미만이다. 선택적으로, FPA는 Si 층의 폴리싱된 면에 본딩된 적어도 하나의 추가 층을 더 포함하는데, 이는 광의 진폭, 위상, 편광 또는 스펙트럼-응답을 조작할 수 있다.
선택적으로, FPA는 Ge 인접 구조를 포함하는 Si 웨이퍼에 본딩된 판독 집적회로(ROIC) 웨이퍼를 더 포함하고, 이 경우 Si 웨이퍼의 금속 전극이 ROIC 웨이퍼의 금속 전극과 접촉하여, Si 웨이퍼의 Ge 기반 PS에 의해 캡처된 광자 수에 대응하는 전기 신호의 ROIC 웨이퍼 처리를 가능하게 한다. 이러한 경우에, ROIC 웨이퍼는 상이한 PS에 의해 검출된 광자 수를 나타내는 검출 데이터를 외부 시스템에 제공하기 위한 적어도 하나의 출력 인터페이스를 포함할 수 있다. 선택적으로, Ge 층의 두께는 5μm 미만이다. 선택적으로, Ge 층의 두께는 10μm 미만이다. 선택적으로, Ge 인접 구조의 평균 높이는 1μm보다 크고, Ge 인접 구조의 평균 높이-대-폭 비율은 적어도 5이다. 선택적으로, SWIR FPA는 실질적으로 편평한 Ge 패치(예를 들어, Ge의 에칭되지 않은 패치)를 포함하는 제2 복수의 제2 PS를 포함하고, 각각의 제2 PS는 ROIC 웨이퍼에 연결될 수 있는 적어도 하나의 금속 전극을 포함한다. 2개 이상의 유형의 Ge 기반 감광성 PS를 구현하는 것은 예를 들어, 상이한 유형의 PS의 상이한 특성(예를 들어, 흡수율, 암전류, 신호 대 잡음비)으로 인해 상이한 유형의 PS가 다양한 시나리오(예를 들어, 검출된 빛의 양, 작동 온도 등)에서 FPA의 다른 유형의 PS를 능가할 수 있게 하는 FPA를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 상이한 유형의 PS(에칭 전 및/또는 후)에 대한 Ge 층의 두께는 선택적으로 상이할 수 있다.
도 4는 본 명세서에 개시된 주제의 예에 따른 전기-광학(EO) 검출 시스템(400)을 도시한다. EO 검출 시스템(400)은 적어도 다음을 포함한다:
(a) 도면에서 410으로 표시된, 위에서 논의된 초점면 어레이(SWIR FPA 또는 다른 유형의 FPA) 중 임의의 하나;
(b) EO 검출 시스템의 시야(FOV)로부터의 광을 FPA(도면에서 렌즈로 표시됨; 거울, 렌즈, 프리즘, 광섬유, 스펙트럼 필터, 편광판, 기타 필터, 창, 지연기 등과 같은 적절한 광학 구성요소의 임의의 조합을 포함할 수 있음)로 지향시키기 위한 적어도 하나의 광학 인터페이스(430);
(c) Si 웨이퍼의 전극이 ROIC 웨이퍼의 전극과 접촉하여, Si 웨이퍼의 Ge 기반 PS에 의해 캡처된 광자 수에 대응하는 전기 신호를 ROIC 웨이퍼에서 처리할 수 있도록, FPA(410)의 Si 웨이퍼에 본딩된 판독 집적회로(ROIC) 웨이퍼(420). ROIC 웨이퍼(420)는 상이한 PS에 의해 검출된 광자 수를 나타내는 검출 데이터를 외부 시스템에 제공하기 위한 적어도 하나의 출력 인터페이스를 포함한다;
(d) 시야의 이미지(예를 들어, IR 이미지, SWIR 이미지, VIS 이미지, VIS+SWIR 이미지)를 제공하기 위해, ROIC 웨이퍼에 의해 제공된 검출 데이터를 처리하도록 작동 가능한 프로세서(440). FOV의 SWIR 이미지는 각 PS의 신호(또는 PS 강도로 달리 표현됨)가 FOV의 특정 부분로부터 각 PS에 도달하는 SWIR 광의 양에 대응하는 이미지이다. VIS라는 용어는 전자기 이미지의 보이는 부분 또는 그 일부와 관련된다.
시스템(400)은 전원, 능동 광원(예를 들어, 레이저, LED), 케이스, 통신 모듈, 시스템-레벨 필터 등과 같은 도면에 도시되지 않은 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 그러한 많은 구성요소는 당업계에 공지되어 있으며, 단순함과 명료함을 이유로 포함되지 않는다.
FOV의 하나 이상의 SWIR 이미지를 생성하기 위해 검출 데이터를 처리하는 것에 더하여(또는 그 대신에), 프로세서는 선택적으로 검출 데이터를 처리하여, 시야 내의 적어도 하나의 객체의 존재를 결정하도록 구성될 수 있다. 이러한 객체에는 사람, 차량, 도로, 건물, 흙, 바위, 동식물과 같은 자연물, 인공물, 별 등이 포함될 수 있다. 프로세서는 또한 다른 방식으로 FPA의 검출 데이터를 처리할 수 있으며, 그 중 다수는 종래 기술의 센서와 관련하여 해당 기술 분야에 알려져 있으며, 본 명세서에 개시된 FPA 센서의 검출 데이터를 처리하도록 수정될 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 FOV에 있는 상이한 객체의 거리를 시스템(400)으로부터 평가하기 위해, FPA에 의해 획득된 데이터를 처리할 수 있다.
본 명세서에서 논의되는 연결은 예를 들어, 중간 장치를 통해 각각의 노드, 유닛 또는 장치로부터, 또는 이들로 신호를 전송하기에 적합한 임의 유형의 연결일 수 있다. 따라서, 달리 암시되거나 명시되지 않는 한, 연결은 예를 들어, 직접 연결 또는 간접 연결일 수 있다. 연결은 단일 연결, 복수 연결, 단방향 연결 또는 양방향 연결인 것으로 도시 또는 설명될 수 있다. 그러나, 상이한 실시예는 연결의 구현을 변경할 수 있다. 예를 들어, 양방향 연결이 아닌 별도의 단방향 연결이 사용될 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 또한, 복수의 연결은 다중 신호를 직렬 또는 시간 다중화 방식으로 전송하는 단일 연결로 대체될 수 있다. 마찬가지로, 다중 신호를 전달하는 단일 연결은 이러한 신호의 하위 집합을 전달하는 다양한 서로 다른 연결로 분리될 수 있다. 따라서, 신호 전송을 위한 많은 옵션이 존재한다. 다른 수정, 변형 및 대안도 가능한다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미가 아니라, 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
청구범위에서 괄호 사이에 있는 참조 기호는 청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. '포함하는'이라는 단어는 청구범위에 나열된 요소 또는 단계 이외의 다른 요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어 "a" 또는 "an"은 하나 또는 하나 이상으로 정의된다. 또한, 청구범위에서 "적어도 하나" 및 "하나 이상"과 같은 도입 문구의 사용은 동일한 청구항이 "하나 이상" 또는 "적어도 하나"라는 도입구와 "a" 또는 "an"과 같은 부정관사를 포함하는 경우에도, 부정관사 "a" 또는 "an"에 의한 다른 청구항 요소의 도입이 도입된 청구항 요소를 포함하는 특정 청구항을 단지 하나의 그러한 요소를 포함하는 개시내용으로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
정관사의 사용도 마찬가지이다. 별도의 언급이 없는 한, "제1" 및 "제2"와 같은 용어는 해당 용어가 설명하는 요소를 임의로 구분하기 위해 사용된다. 따라서, 이러한 용어는 반드시 해당 요소의 시간적 또는 기타 우선 순위를 나타내기 위한 것이 아니다. 어떤 조치가 서로 다른 청구항에 인용되어 있다는 단순한 사실이 이러한 조치의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지는 않는다.
본 개시내용의 특정 특징이 여기에서 예시되고 설명되었지만, 많은 수정, 대체, 변경 및 등가물이 당업자에게서 일어날 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 개시내용의 진정한 기술 사상에 속하는 모든 수정 및 변경을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 이상에서 기술한 실시예들은 예시로서 인용된 것이며, 그 특징 및 이들 특징의 조합은 다양하게 변형 및 변형될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (22)

  1. 단파 적외선(SWIR) 초점면 어레이(FPA, Focal Plane Array)를 제조하는 방법으로서,
    실리콘(Si) 웨이퍼 상에 구현된 게르마늄(Ge) 층을 에칭하여, 상기 Ge 층의 상이한 위치로부터 상이한 양의 Ge를 제거하고, 이에 의해 상기 SWIR 초점면 어레이의 복수의 포토사이트 각각에 대해, 적어도 0.3μm의 높이 및 적어도 2의 높이-대-폭 비율을 갖는 복수의 Ge 인접 구조를 포함하는 적어도 하나의 별개의(distinct) Ge 감광성 영역을 생성하는 단계, 여기서 상기 에칭은 빛이 Si 층으로부터 Ge 층으로 들어간 후 Ge 층을 빠져나오는 Ge 층의 일 측면에서 상기 Ge 층을 에칭하는 것을 포함하고;
    상기 Ge 인접 구조 사이의 갭을 상기 Ge 인접 구조의 적어도 평균 높이까지 충진하기 위해 상기 에칭된 Ge 층 상에 충진재 재료를 증착하는(depositing) 단계;
    감광성 검출 어레이의 다른 웨이퍼와 본딩하기 위한 Si 웨이퍼를 준비하기 위해 Si 웨이퍼의 상부 표면을 폴리싱하는 단계; 및
    각각의 포토사이트에 의해 검출된 검출 정보를 판독하기 위해 복수의 포토사이트 각각에 대해 복수의 전기 접점을 생성하도록 금속층을 증착하는 단계;
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 Ge 층을 에칭하는 단계는 상기 초점면 어레이의 각 포토사이트에 대해 Ge의 편평한 부분을 보호하는 단계를 포함하고, 상기 금속층을 증착하는 단계는 각각의 별개의 감광성 Ge 영역으로부터 전기 데이터를 판독하기 위해, 각각의 별개의 감광성 Ge 영역에 연결된 금속 전기 접점을 상기 편평한 부분에 생성하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 삭제
  4. 단파 적외선(SWIR) 초점면 어레이(FPA, Focal Plane Array)를 제조하는 방법으로서,
    실리콘(Si) 웨이퍼 상에 구현된 게르마늄(Ge) 층을 에칭하여, 상기 Ge 층의 상이한 위치로부터 상이한 양의 Ge를 제거하고, 이에 의해 상기 SWIR 초점면 어레이의 복수의 포토사이트 각각에 대해, 적어도 0.3μm의 높이 및 적어도 2의 높이-대-폭 비율을 갖는 복수의 Ge 인접 구조를 포함하는 적어도 하나의 별개의(distinct) Ge 감광성 영역을 생성하는 단계;
    상기 Ge 인접 구조 사이의 갭을 상기 Ge 인접 구조의 적어도 평균 높이까지 충진하기 위해 상기 에칭된 Ge 층 상에 충진재 재료를 증착하는(depositing) 단계;
    감광성 검출 어레이의 다른 웨이퍼와 본딩하기 위한 Si 웨이퍼를 준비하기 위해 Si 웨이퍼의 상부 표면을 폴리싱하는 단계; 및
    각각의 포토사이트에 의해 검출된 검출 정보를 판독하기 위해 복수의 포토사이트 각각에 대해 복수의 전기 접점을 생성하도록 금속층을 증착하는 단계; 및
    상기 Si 웨이퍼의 Si 기판을 20μm 이하의 두께로 폴리싱하는 단계;
    를 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 Si 기판의 폴리싱 후에, 통과하는 빛의 적어도 하나의 광 특성을 조작할 목적으로 상기 Si 기판의 폴리싱된 면에 적어도 하나의 유전체층을 본딩하는 단계가 이어지고, 상기 적어도 하나의 광 특성은 빛의 진폭, 위상, 편광 및/또는 스펙트럼 특성으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 Ge 층이 에칭된 상기 Si 웨이퍼를 판독 집적회로(ROIC) 웨이퍼에 본딩하여, 상기 SI 웨이퍼의 전극이 상기 ROIC 웨이퍼의 전극과 접촉하도록 하는 단계를 더 포함하고, 이에 의해 상기 Si 웨이퍼의 Ge 기반 포토사이트에 의해 캡처된 광자 수에 대응하는 전기 신호를 상기 ROIC 웨이퍼에 의해 처리할 수 있게 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 Ge 층의 두께는 10μm 이하인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 Ge 층을 에칭하는 단계는 상기 Si 웨이퍼 상에 상기 Ge 층을 성장시키는 단계가 선행한 후에 이루어지고; 상기 성장은 Ge가 증착된 Si 층을 처리하는 단계가 선행한 후에 이루어지고, 상기 처리는 도핑, 웰링, 패시베이션 및 전기 접점 증착으로 이루어진 웨이퍼 처리 단계의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 프로세스를 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 Ge 층은 Ge가 성장하는 Si 층 상에 증착된 이전에 증착된 층 내에 생성된 오목부 내의 Si 층 상에 각각 증착된 Ge의 비연결된 영역을 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 Ge 인접 구조의 평균 높이는 1μm보다 크고, 상기 Ge 인접 구조의 평균 높이-대-폭 비율은 적어도 5인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 충진재 재료를 증착하는 단계는 충진재의 화학적 기상증착 및 충진재의 스퍼터링으로 이루어진 프로세스의 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 증착 공정을 포함하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, Ge를 포함하며 SWIR 광을 검출할 수 있는 포토다이오드를 생성하도록, Ge를 도핑하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, Ge에 흡수되며 Si 층으로 수송될 캐리어를 생성할 SWIR 광의 광검출을 목적으로, Si에 다이오드를 생성하도록 Si를 도핑하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제4항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법에 의해 생성된 SWIR 초점면 어레이.
  15. 복수의 감광성 포토사이트를 갖는 단파 적외선(SWIR) 초점면 어레이(FPA)로서, 상기 SWIR FPA는,
    20μm 이하의 두께를 가지며, 상기 FPA에 의해 검출 가능한 빛이 통과하여 상기 FPA의 포토다이오드에 도달하게 하는 실리콘(Si) 층;
    복수의 감광성 포토사이트 각각에 적어도 하나의 감광성 영역을 포함하는 복수의 별개의 감광성 영역을 포함하는 적어도 하나의 게르마늄(Ge) 층으로서, 각각의 별개의 감광성 영역은 적어도 0.5μm의 높이 및 적어도 2의 높이-대-폭 비율을 갖는 복수의 Ge 인접 구조를 포함하는, 상기 적어도 하나의 게르마늄(Ge) 층;
    상기 복수의 별개의 감광성 영역을 덮는 패시베이션 층으로서, 상기 패시베이션 층은 상기 Ge 인접 구조 사이의 갭을 상기 Ge 인접 구조의 적어도 평균 높이까지 충진하는, 상기 패시베이션 층;
    감광성 검출 어레이의 다른 웨이퍼가 본딩될 수 있는 폴리싱된 상부 표면; 및
    Ge의 상이한 별개의 Ge 감광성 영역에 의해 흡수된 광자 수를 나타내는 전기 신호를 다른 웨이퍼로 전송하기 위한 복수의 금속 전극;
    을 포함하는 단파 적외선(SWIR) 초점면 어레이(FPA).
  16. 제15항에 있어서, 상기 FPA의 각 포토사이트는 각각의 포토사이트의 복수의 인접 구조에 결합된 Ge의 편평한 부분, 및 상기 편평한 부분에 결합된 적어도 하나의 금속 전극을 포함하는 단파 적외선(SWIR) 초점면 어레이(FPA).
  17. 삭제
  18. 제15항에 있어서, 상기 Si 층의 폴리싱된 면에 결합된 적어도 하나의 광 유효층을 더 포함하는 단파 적외선(SWIR) 초점면 어레이(FPA).
  19. 제15항에 있어서, 상기 Ge 층의 두께는 5μm 이하인 단파 적외선(SWIR) 초점면 어레이(FPA).
  20. 제15항에 있어서, 상기 Ge 인접 구조의 평균 높이는 1μm보다 크고, 상기 Ge 인접 구조의 평균 높이-대-폭 비율은 적어도 5인 단파 적외선(SWIR) 초점면 어레이(FPA).
  21. 제15항에 있어서, Ge의 실질적으로 편평한 패치를 포함하는 제2 복수의 제2 포토사이트를 더 포함하고, 각각의 제2 포토사이트는 다른 웨이퍼에 연결될 수 있는 적어도 하나의 전극을 포함하는 단파 적외선(SWIR) 초점면 어레이(FPA).
  22. 전기-광학(EO) 검출 시스템으로서,
    제15항 내지 제16항 및 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 SWIR FPA;
    빛을 상기 EO 검출 시스템의 시야로부터 SWIR FPA로 지향하게 하기 위한 적어도 하나의 광학 인터페이스;
    FPA의 Si 웨이퍼에 본딩된 판독 집적회로(ROIC) 웨이퍼, 여기서 Si 웨이퍼의 금속 전극은 ROIC 웨이퍼의 금속 전극과 접촉하여, 상기 Si 웨이퍼의 Ge 기반 포토사이트에 의해 캡처된 광자 수에 대응하는 전기 신호를 상기 ROIC 웨이퍼에 의해 처리할 수 있게 하고, 상기 ROIC 웨이퍼는 상이한 포토사이트에 의해 검출된 광자 수를 나타내는 검출 데이터를 외부 시스템에 제공하기 위한 적어도 하나의 출력 인터페이스를 포함하는, 상기 판독 집적회로(ROIC) 웨이퍼; 및
    상기 시야의 IR 이미지를 제공하기 위해 상기 ROIC 웨이퍼에 의해 제공된 검출 데이터를 처리하도록 작동가능한 프로세서;
    를 포함하는 전기-광학(EO) 검출 시스템.
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