KR20010026834A - 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서 및 그 제조 방법과 작동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상온에서 적외선 검출(IR detection)이 가능한 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서 및 그 제조 방법과 작동 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 강유전체 전계효과 트랜지스터 적외선 센서는 적외선 흡수 소자에 강유전체 및 전계 효과 트랜지스터를 접속시켜 전류 대신에 채널 변화를 검출하는 것이다. 따라서, 회로적으로 시정수(RC constant)의 영향을 받지 않아 쵸퍼(chopper)가 필요없고, 열에 의한 채널 변화가 아니라 분극(polarization)에 의한 채널 변화를 검출하므로 응답속도가 빠르고 또한 분극을 임의로 초기화할 수 있으므로 감도(sensitivity) 조절이 가능하다.
Description
본 발명은 상온에서 적외선 검출(IR detection)이 가능한 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서 및 그 제조 방법과 작동 방법에 관한 것이다.
적외선 검출 소자에 있어서, 일반적으로 열전하(Pyroelectric charge)는 전류로 검출하기 때문에 시정수(time constant; RC)의 지배를 받아 쵸퍼(chopper)를 사용하는 번거로움이 있고, 또한 회로 특성상 감응성(responsivity)를 높이기 위해 figure of merit을 최대치로 해야하는 물질 특성의 제한이 따른다. 이의 효과를 극대화한 강유전체 볼로미터(ferroelectric bolometer)는 열전효과(pyroelectric effect)를 최대한 이용하는 것으로 감도는 좋으나 바이어스(bias)를 가해야 하는 조건이 추가로 따른다.
열전퇴 검출기(Thermopile detector)는 전류를 측정하는 대신 적외선(IR)을 받았을 때, FET 채널(channel)의 도전율(conductivity)이 변하는 것을 측정하는 것인데, 열전달에 시간이 소요되므로 응답 속도가 느린 것이 흠이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 적외선 흡수소자와 전계효과 트랜지스터들의 결합으로 적외선에 대한 검출 감도를 조절할 수 있으며 응답 속도가 빠른 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서 및 그 제조 방법과 작동 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 강유전체 전계효과 트랜지스터 적외선 센서(ferroelectric FET IR sensor)의 개략적 구조를 보여주는 정면도,
도 1b는 도 1a의 강유전체 전계효과 트랜지스터 적외선 센서(ferroelectric FET IR sensor)의 측면도,
도 2는 도 1a 및 도 1b의 강유전체 전계효과 트랜지스터 적외선 센서의 제조 방법을 보여주는 도면,
도 3a 및 도 3b는 각각 도 1a 및 도 1b의 강유전체 전계효과 트랜지스터 적외선 센서의 또 다른 구조 및 제조 방법을 보여주는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 강유전체 전계효과 트랜지스터 적외선 센서의 개략적 구조를 보여주는 정면도,
그리고 도 5는 부분 분극을 제어함으로써 초전 계수를 조절하는 방법을 보여주는 도면이다.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
1. 비도전성 적외선 흡수소자(nonconductive IR absorber)
2. 도전성 격벽(conductive barrier)(common electrode)
3. 강유전체(ferroelectric)
4. 분리 전극(separate electrode)
5. 도전성 콘택(conductive contact)
6. 도전성 콘택 플러그(conductive contact plug)(filler)
7. 절연 메사(insulation mesa)
8. 칼럼 라인(column line)(혹은 로우 라인(row line))
9. 절연층(insulation layer)
10. 우물(well)
11. 확산층(diffusion layer)
12. 유전체층(dielectric layer)
13. 로우(row )(혹은 칼럼(column))
14. 공기 혹은 진공(air or vacuum)
15. 도전성 콘택 패드(conductive contact pad)
16. 도전성 적외선 흡수소자(conductive IR absorber)(commen electrode)
17. 유전체 격벽(dielectric barrier)
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서는, 평판형 비도전성 적외선 흡수 소자; 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀에 대응하도록 형성되고, 초전 효과에 의해 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀에 흡수된 적외선 량에 따라 생성된 열전하에 의해 분극되는 강유전체들; 상기 강유전체에 일대일로 대응하여 형성되고, 상기 강유전체의 분극량에 따라 형성되는 속박 전하에 의해 채널이 형성되는 전계 효과 트랜지스터들; 일방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스들을 전기적으로 연결하는 로우 라인들; 상기 로우 라인과 교차하는 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인들을 전기적으로 연결하는 칼럼 라인들; 및 상기 적외선 흡수 소자와 상기 강유전체 사이에 상기 로우 라인과 평행하는 방향의 스트라이프 상으로 형성된 공통 전극들;을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 강유전체들의 하부에는 분리 전극들이 형성되고, 상기 분리 전극들과 상기 트랜지스터들의 게이트들의 사이에는 도전성 콘택 혹은/및 도전성 콘택 플러그가 형성되어 상기 두 전극들이 전기적으로 접속되고, 상기 트랜지스터들의 상부에는 상기 로우 라인들 및 칼럼 라인들이 덮히도록 절연층이 형성되고, 상기 트랜지스터의 게이트와 접속된 상기 도전성 콘택 플러그는 상기 절연층 위로 노출되며, 상기 분리 전극들과 상기 도전성 콘택 플러그를 연결하는 상기 도전성 콘택을 지지하는 절연 메사 구조물이 더 구비되며, 각 셀들에 대응하는 상기 전극들은 진공 혹은 공기에 의해 격리되며, 상기 트랜지스터들의 게이트 절연물로는 고유전체 혹은 상유전체가 사용된 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 제조 방법은, (가) 평판형 비도전성 적외선 흡수 소자 상에 일방향의 스트라이프 상으로 공통 전극들을 형성하고, 상기 공통 전극들 상에 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀 영역에 대응하는 강유전체들 및 분리 전극들을 순차로 형성하는 단계; (나) 반도체 기판 상에 상기 강유전체에 일대일로 대응하는 전계 효과 트랜지스터들을 형성하고, 일방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스들을 전기적으로 연결하는 로우 라인들, 상기 로우 라인과 교차하는 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인들을 전기적으로 연결하는 칼럼 라인들, 상기 로우 라인들 및 칼럼 라인들을 덮는 절연층 및 상기 전계 효과 트랜지스터들의 게이트 상에 상기 절연층 위로 돌출하도록 도전성 콘택 플러그들을 순차로 형성하며, 상기 절연층 상에 상기 트랜지스터들에 대응하는 절연성 메사 구조물들을 형성한 다음 상기 메사 구조물들 상에 상기 도전성 콘택 플러그와 전기적을 접속되는 도전성 콘택을 형성하는 단계; 및 (다) 상기 분리 전극들 및 상기 도전성 콘택이 일대일로 접속되도록 상기 (가) 단계에서 형성된 구조물과 상기 (나) 단계에서 형성된 구조물들을 접착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 또 다른 제조 방법은, (가) 평판형 비도전성 적외선 흡수 소자 상에 일방향의 스트라이프 상으로 공통 전극들을 형성하고, 상기 공통 전극들 상에 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀 영역에 대응하는 강유전체들 및 분리 전극들을 순차로 형성한 다음, 상기 분리 전극들 상에 절연성 메사 구조물을 형성하고, 상기 절연성 메사 구조물 상면에 상기 분리 전극들과 전기적으로 접속되는 도전성 콘택을 형성하는 단계; (나) 반도체 기판 상에 상기 강유전체에 일대일로 대응하는 전계 효과 트랜지스터들을 형성하고, 일방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스들을 전기적으로 연결하는 로우 라인들, 상기 로우 라인과 교차하는 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인들을 전기적으로 연결하는 칼럼 라인들, 상기 로우 라인들 및 칼럼 라인들을 덮는 절연층 및 상기 전계 효과 트랜지스터들의 게이트 상에 상기 절연층 위로 돌출하도록 도전성 콘택 플러그들을 순차로 형성하는 단계; 및 (다) 상기 도전성 콘택들 및 상기 도전성 콘택 플러그들이 일대일로 접속되도록 상기 (가) 단계에서 형성된 구조물과 상기 (나) 단계에서 형성된 구조물들을 접착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 작동 방법은, 평판형 비도전성 적외선 흡수 소자; 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀에 대응하도록 형성되고, 초전 효과에 의해 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀에 흡수된 적외선 량에 따라 생성된 열전하에 의해 분극되는 강유전체들; 상기 강유전체에 일대일로 대응하여 형성되고, 상기 강유전체의 분극량에 따라 형성되는 속박 전하에 의해 채널이 형성되는 전계 효과 트랜지스터들; 일방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스들을 전기적으로 연결하는 로우 라인들; 상기 로우 라인과 교차하는 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인들을 전기적으로 연결하는 칼럼 라인들; 및 상기 적외선 흡수 소자와 상기 강유전체 사이에 상기 로우 라인과 평행하는 방향의 스트라이프 상으로 형성된 공통 전극들;을 구비하고, 상기 강유전체의 분극 상태를 미리 초기화하여 복수개의 분극도를 가지는 상태로 변조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 초기화를 이용하여 적외선 검출 감도를 조절하고, 상기 초기화는 상기 공통 전극을 이용하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 또 다른 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서는, 일방향의 스트라이프 상으로 형성된 도전성 적외선 흡수 소자; 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀에 대응하도록 형성되고, 초전 효과에 의해 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀에 흡수된 적외선 량에 따라 생성된 열전하에 의해 분극되는 강유전체들; 상기 강유전체에 일대일로 대응하여 형성되고, 상기 강유전체의 분극량에 따라 형성되는 속박 전하에 의해 채널이 형성되는 전계 효과 트랜지스터들; 상기 스트라이프 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스들을 전기적으로 연결하는 로우 라인들; 상기 로우 라인과 교차하는 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인들을 전기적으로 연결하는 칼럼 라인들; 및 상기 도전성 적외선 흡수 소자와 상기 강유전체 사이에 형성된 격벽층;을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 강유전체들의 하부에는 분리 전극들이 형성되고, 상기 분리 전극들과 상기 트랜지스터들의 게이트들의 사이에는 도전성 콘택 혹은/및 도전성 콘택 플러그가 형성되어 상기 두 전극들이 전기적으로 접속되고, 상기 트랜지스터들의 상부에는 상기 로우 라인들 및 칼럼 라인들이 덮히도록 절연층이 형성되고, 상기 트랜지스터의 게이트와 접속된 상기 도전성 콘택 플러그는 상기 절연층 위로 노출되며, 상기 분리 전극들과 상기 도전성 콘택 플러그를 연결하는 상기 도전성 콘택을 지지하는 절연 메사 구조물이 더 구비되며, 각 셀들에 대응하는 상기 전극들은 진공 혹은 공기에 의해 격리되며, 상기 트랜지스터들의 게이트 절연물로는 고유전체 혹은 상유전체가 사용되며, 상기 격벽층은 고유전체 혹은 상유전체로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 또 다른 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 제조 방법은, (가) 평판형 도전성 적외선 흡수 소자 상에 절연성 격벽을 형성하고, 상기 절연성 격벽 상에 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀 영역에 대응하는 강유전체들 및 분리 전극들을 순차로 형성하며, 상기 평판형 도전성 적외선 흡수 소자를 일방향의 스트라이프 상으로 패터닝하여 공통 전극으로 형성하는 단계; (나) 반도체 기판 상에 상기 강유전체에 일대일로 대응하는 전계 효과 트랜지스터들을 형성하고, 일방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스들을 전기적으로 연결하는 로우 라인들, 상기 로우 라인과 교차하는 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인들을 전기적으로 연결하는 칼럼 라인들, 상기 로우 라인들 및 칼럼 라인들을 덮는 절연층 및 상기 전계 효과 트랜지스터들의 게이트 상에 상기 절연층 위로 돌출하도록 도전성 콘택 플러그들을 순차로 형성하며, 상기 절연층 상에 상기 트랜지스터들에 대응하는 절연성 메사 구조물들을 형성한 다음 상기 메사 구조물들 상에 상기 도전성 콘택 플러그와 전기적을 접속되는 도전성 콘택을 형성하는 단계; 및 (다) 상기 분리 전극들 및 상기 도전성 콘택이 일대일로 접속되도록 상기 (가) 단계에서 형성된 구조물과 상기 (나) 단계에서 형성된 구조물들을 접착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 또 다른 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 또 다른 제조 방법은, (가) 평판형 도전성 적외선 흡수 소자 상에 절연성 격벽을 형성하고, 상기 절연성 격벽 상에 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀 영역에 대응하는 강유전체들 및 분리 전극들을 순차로 형성한 다음, 상기 분리 전극들 상에 절연성 메사 구조물을 형성하고, 상기 절연성 메사 구조물 상면에 상기 분리 전극들과 전기적으로 접속되는 도전성 콘택을 형성하며, 상기 평판형 도전성 적외선 흡수 소자를 일방향의 스트라이프 상으로 패터닝하여 공통 전극으로 형성하는 단계; (나) 반도체 기판 상에 상기 강유전체에 일대일로 대응하는 전계 효과 트랜지스터들을 형성하고, 일방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스들을 전기적으로 연결하는 로우 라인들, 상기 로우 라인과 교차하는 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인들을 전기적으로 연결하는 칼럼 라인들, 상기 로우 라인들 및 칼럼 라인들을 덮는 절연층 및 상기 전계 효과 트랜지스터들의 게이트 상에 상기 절연층 위로 돌출하도록 도전성 콘택 플러그들을 순차로 형성하는 단계; 및 (다) 상기 도전성 콘택들 및 상기 도전성 콘택 플러그들이 일대일로 접속되도록 상기 (가) 단계에서 형성된 구조물과 상기 (나) 단계에서 형성된 구조물들을 접착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 또 다른 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 작동 방법은, 일방향의 스트라이프 상으로 형성된 도전성 적외선 흡수 소자; 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀에 대응하도록 형성되고, 초전 효과에 의해 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀에 흡수된 적외선 량에 따라 생성된 열전하에 의해 분극되는 강유전체들; 상기 강유전체에 일대일로 대응하여 형성되고, 상기 강유전체의 분극량에 따라 형성되는 속박 전하에 의해 채널이 형성되는 전계 효과 트랜지스터들; 상기 스트라이프 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스들을 전기적으로 연결하는 로우 라인들; 상기 로우 라인과 교차하는 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인들을 전기적으로 연결하는 칼럼 라인들; 및 상기 도전성 적외선 흡수 소자와 상기 강유전체 사이에 형성된 격벽층;을 구비하고, 상기 강유전체의 분극 상태를 미리 초기화하여 복수개의 분극도를 가지는 상태로 변조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 초기화를 이용하여 적외선 검출 감도를 조절하고, 상기 초기화는 공통 전극의 역할을 하는 상기 도전성 적외선 흡수 소자를 이용하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서 및 그 제조 방법과 작동 방법을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 강유전체 전계효과 트랜지스터 적외선 센서는 열전하(pyroelectric charge) 대신에 초전 효과(pyroelectric effect)에 의해 변하는 FET 채널의 변화를 검출하는데 그 특징이 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서는, 열전퇴 검출기(Thermopile detector)가 열에 의해 FET 채널이 직접적으로 변하는데 비하여, 열전하(pyroelectric charge)에 의해서 채널이 간접적으로 달라지는 것이 다른 점이다. 더욱이, 본 발명에 따른 강유전체 전계효과 트랜지스터 적외선 센서는 초전 계수(pyroelectric coefficient)를 임의로 제어하여 채널을 변조(modulation)함으로써 적외선 측정 감도를 변조(modulation)할 수 있다. 이러한 특징을 갖는 적외선 센서의 실제 구조가 다음 도면에 도시된다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명에 따른 강유전체 전계효과 트랜지스터 적외선 센서(ferroelectric FET IR sensor)의 개략적 구조를 보여주는 정면도 및 측면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서는 기본적으로 비도전성 적외선 흡수 소자(1)와 강유전체(3) 및 Si 기판(100)에 형성된 전계 효과 트랜지스터(100, 11, 12)를 구비한다. 전계 효과 트랜지스터는 게이트 산화물(gate oxide)(12)로 유전성(dielectric) 물질을 사용한다. 이 유전성 물질로는 고유전 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 트랜지스터 채널에 속박 전하를 형성할 때 가능한한 낮은 전압을 사용하는 것이 바람직하기 때문이다. 더욱이, 이 게이트 산화물(12)에서 전압 강하가 일어날 경우, 적외선 감지에 의해 강유전체가 분극되더라도 그 분극에 의한 속박 전하에 의해 트랜지스터 채널이 잘 형성되지 않게 되므로, 공통전극에 해당하는 도전성 격벽(2) 혹은 도전성 적외선 흡수 소자(16)에 DC 바이어스 전압을 인가하여, 강유전체 분극에 의한 속박 전하의 양 만큼 트랜지스터의 채널이 잘 형성되게 보정할 필요가 있다. 소스와 드레인(11, 11')은 금속화(metallization)하여 칼럼 라인(column line)(8)과 로우 라인(row line)(13)으로 형성하여 해당 셀(cell)의 채널(10)을 읽도록 한다. 즉 채널(10) 상태에 따라 칼럼 라인(8)과 로우 라인(13) 간에 흐르는 전류 크기가 달라지는 것을 검출한다. 게이트 산화물(12) 위에는 게이트로서 도전성 패드(conductive pad)(15)를 제작한다. 이 트랜지스터를 절연체(9)로 격리(isolation)시키고 패드(pad)(15) 위에 구멍을 뚫어 도전성 콘택 플러그(conductive contact plug)(6)로 채운다. 그리고 열전달 방지를 위하여 메사(mesa)(7)를 콘택 플러그(contact plug)(6) 옆에 제작한 다음 메사(7)와 콘택 플러그(6)를 도전성 콘택(5)으로 연결한다. 이 때 플러그(plug)를 사용하지 않고 메사(7)와 콘택 패드(contact pad)(15)를 도전성 물질로(5) 직접 연결해도 무방하다. 여기서, 도전성 격벽(conductive barrier)(2)은 로우 라인(13) 방향의 스트라이프 상으로 형성되어 공통 전극(common electrode) 역할을 한다. 이 공통 전극(common electrode)에 연결된 각 셀(cell)들은 공통 전극(2)에 전압이 인가되었을 때 각 셀의 강유전체(3)가 분극되도록하고, 이 분극의 결과로서 각 셀의 트랜지스터 채널(10)에 속박 전하(bound charge)가 형성되도록 한다. 따라서 공통 전극(common electrode)(2)에 연결된 셀들은 항상 동일한 초기 분극 상태를 유지한다. 다음 공통 전극(common electrode)에는 다른 전압을 인가하여 첫번째 공통 전극에 연결된 셀들과는 다른 분극상태를 갖도록 초기화한다. 이를 여러 단계로 진행할 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 공통 전극(2)의 순서대로 분극의 양들이 다르게 형성된다. 이 것이 변조(modulation)의 원리가 된다. 적외선이 들어오게 되면 적외선에 의해 강유전체 내에 열이 발생하고 열에 의해 강유전체 온도가 변하면 열전하(pyroelectric charge)가 발생하면서 분극(polarization) 상태가 변한다. 이 때 분극에 대응하던 채널의 속박 전하(bound charge)도 변하게 되므로 로우 라인(row line)과 칼럼 라인(column line) 간에 흐르는 전류의 레벨이 변하여 적외선(IR)을 감지하게 된다. 적외선(IR)에 대한 감도는 초전 효과(pyroelectric coefficient)에 의해 결정된다. 이 초전 계수(pyroelectric coefficient)는 또한 분극(polarization)에 의해 결정된다. 초기화시 분극 상태(polarization state)를 공통 전극(common electrode)(2)으로 다르게 해 놓았기 때문에, 즉 다단계로 분극(polarization)시켰기 때문에 다단계로 검출 감도가 나타난다. 이를 이용하여 해당 적외선에 대해 가장 감도가 좋은 분극 상태를 설정(setting)할 수 있다.
각 강유전체는 적외선(IR)을 받을 때 열을 발생하므로 셀(cell)과 셀은 분리되는 것이 바람직하다. 이를 위하여 도 2에 도시된 바와 같은 공정으로 셀 사이를 공기 혹은 진공(14)으로 차단한다. 즉, 강유전체 캐패시터(2, 3, 4)는 흡수소자(absorber)(1)와 함께 별도로 제작한 후 메사(mesa)와 콘택(contact)이 된 셀 위에 본딩(bonding)하는 것이다.
도 3a는 상기 구조를 변형한 것으로, Si 기판 위에 메사(mesa)를 제작하는 것이 용이하지 않은 경우, 도 3b에 도시된 바와 같이, 메사(mesa)(7)와 도전성 콘택(5)을 강유전체 캐패시터(2,3,4) 상에 제작한 후, 이들과 전계 효과 트랜지스터와 본딩하는 방법을 나타낸 것이다. 이 경우에도 공통 전극(2)으로는 도전성(conductive) 물질이 사용된다.
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 강유전체 전계효과 트랜지스터 적외선 센서의 개략적 구조를 보여주는 정면도이다. 도시된 바와 같이, 적외선 흡수소자(conductive absorber)(16)로서 도전성 물질(예 Ti, Ni, Ge 등)을 사용할 때에는 도전성 흡수소자(conductive absorber)(16)를 공통 전극으로서의 역할을 하도록 로우 라인(13)과 평행하는 방향의 스트라이프 상으로 제작하고 대신 격벽(17)을 강유전체(103)와 흡수소자(16) 사이에 삽입한다. 이 격벽(17)은 고유전 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 이는 강유전체(103)를 분극시켜 트랜지스터 채널에 속박 전하를 형성할 때 가능한한 낮은 전압을 사용하는 것이 바람직하기 때문이다. 따라서 게이트 악사이드로서의 유전체층(12)도 고유전 물질로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 이 강유전체 전계효과 트랜지스터의 또 다른 실시예의 제조 방법 및 작동 방법도 먼저 설명된 실시예의 경우와 유사하다.
먼저, 그 제조 방법에 있어서, 앞서의 경우와 마찬가지로, 절연성 메사 및 도전성 콘택을 트랜지스터와 일체형으로 제작한 다음 강유전체가 형성된 적외선 감지 소자의 구조물에 접착하는 방법과, 절연성 메사 및 도전성 콘택을 강유전체가 형성된 적외선 감지 소자와 일체형으로 형성한 다음 전계 효과 트랜지스터의 구조물에 졉착하는 방법이 있다.
다음에, 그 작동 방법에 있어서도, 강유전체의 분극 상태를 미리 초기화하여 복수개의 분극도를 가지는 상태로 변조하는 것이 바람직하다. 이러한 초기화를 이용하여 적외선 검출 감도를 조절하며, 또한 이 초기화는 공통 전극의 역할을 하는 도전성 적외선 흡수 소자를 이용하여 이루어진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 강유전체 전계효과 트랜지스터 적외선 센서는 적외선 흡수 소자에 강유전체 및 전계 효과 트랜지스터를 접속시켜 전류 대신에 채널 변화를 검출하는 것이기 때문에 회로적으로 시정수(RC constant)의 영향을 받지 않아 쵸퍼(chopper)가 필요없고, 열에 의한 채널 변화가 아니라 분극(polarization)에 의한 채널 변화를 검출하므로 응답속도가 빠르고 또한 분극을 임의로 초기화할 수 있으므로 감도(sensitivity) 조절이 가능한 장점이 있다.
Claims (21)
- 평판형 비도전성 적외선 흡수 소자;상기 적외선 흡수 소자의 각 셀에 대응하도록 형성되고, 초전 효과에 의해 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀에 흡수된 적외선 량에 따라 생성된 열전하에 의해 분극되는 강유전체들;상기 강유전체에 일대일로 대응하여 형성되고, 상기 강유전체의 분극량에 따라 형성되는 속박 전하에 의해 채널이 형성되는 전계 효과 트랜지스터들;일방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스들을 전기적으로 연결하는 로우 라인들;상기 로우 라인과 교차하는 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인들을 전기적으로 연결하는 칼럼 라인들; 및상기 적외선 흡수 소자와 상기 강유전체 사이에 상기 로우 라인과 평행하는 방향의 스트라이프 상으로 형성된 공통 전극들;을구비한 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서.
- 제1항에 있어서,상기 강유전체들의 하부에는 분리 전극들이 형성되고, 상기 분리 전극들과 상기 트랜지스터들의 게이트들의 사이에는 도전성 콘택 혹은/및 도전성 콘택 플러그가 형성되어 상기 두 전극들이 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서.
- 제2항에 있어서,상기 트랜지스터들의 상부에는 상기 로우 라인들 및 칼럼 라인들이 덮히도록 절연층이 형성되고, 상기 트랜지스터의 게이트와 접속된 상기 도전성 콘택 플러그는 상기 절연층 위로 노출되며, 상기 분리 전극들과 상기 도전성 콘택 플러그를 연결하는 상기 도전성 콘택을 지지하는 절연 메사 구조물이 더 구비되며, 각 셀들에 대응하는 상기 전극들은 진공 혹은 공기에 의해 격리된 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서.
- 제1항 내지 제3항에 있어서,상기 트랜지스터들의 게이트 절연물로는 고유전체 혹은 상유전체가 사용된 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서.
- (가) 평판형 비도전성 적외선 흡수 소자 상에 일방향의 스트라이프 상으로 공통 전극들을 형성하고, 상기 공통 전극들 상에 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀 영역에 대응하는 강유전체들 및 분리 전극들을 순차로 형성하는 단계;(나) 반도체 기판 상에 상기 강유전체에 일대일로 대응하는 전계 효과 트랜지스터들을 형성하고, 일방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스들을 전기적으로 연결하는 로우 라인들, 상기 로우 라인과 교차하는 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인들을 전기적으로 연결하는 칼럼 라인들, 상기 로우 라인들 및 칼럼 라인들을 덮는 절연층 및 상기 전계 효과 트랜지스터들의 게이트 상에 상기 절연층 위로 돌출하도록 도전성 콘택 플러그들을 순차로 형성하며, 상기 절연층 상에 상기 트랜지스터들에 대응하는 절연성 메사 구조물들을 형성한 다음 상기 메사 구조물들 상에 상기 도전성 콘택 플러그와 전기적을 접속되는 도전성 콘택을 형성하는 단계; 및(다) 상기 분리 전극들 및 상기 도전성 콘택이 일대일로 접속되도록 상기 (가) 단계에서 형성된 구조물과 상기 (나) 단계에서 형성된 구조물들을 접착하는 단계;를포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 제조 방법.
- (가) 평판형 비도전성 적외선 흡수 소자 상에 일방향의 스트라이프 상으로 공통 전극들을 형성하고, 상기 공통 전극들 상에 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀 영역에 대응하는 강유전체들 및 분리 전극들을 순차로 형성한 다음, 상기 분리 전극들 상에 절연성 메사 구조물을 형성하고, 상기 절연성 메사 구조물 상면에 상기 분리 전극들과 전기적으로 접속되는 도전성 콘택을 형성하는 단계;(나) 반도체 기판 상에 상기 강유전체에 일대일로 대응하는 전계 효과 트랜지스터들을 형성하고, 일방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스들을 전기적으로 연결하는 로우 라인들, 상기 로우 라인과 교차하는 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인들을 전기적으로 연결하는 칼럼 라인들, 상기 로우 라인들 및 칼럼 라인들을 덮는 절연층 및 상기 전계 효과 트랜지스터들의 게이트 상에 상기 절연층 위로 돌출하도록 도전성 콘택 플러그들을 순차로 형성하는 단계; 및(다) 상기 도전성 콘택들 및 상기 도전성 콘택 플러그들이 일대일로 접속되도록 상기 (가) 단계에서 형성된 구조물과 상기 (나) 단계에서 형성된 구조물들을 접착하는 단계;를포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 제조 방법.
- 평판형 비도전성 적외선 흡수 소자; 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀에 대응하도록 형성되고, 초전 효과에 의해 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀에 흡수된 적외선 량에 따라 생성된 열전하에 의해 분극되는 강유전체들; 상기 강유전체에 일대일로 대응하여 형성되고, 상기 강유전체의 분극량에 따라 형성되는 속박 전하에 의해 채널이 형성되는 전계 효과 트랜지스터들; 일방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스들을 전기적으로 연결하는 로우 라인들; 상기 로우 라인과 교차하는 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인들을 전기적으로 연결하는 칼럼 라인들; 및 상기 적외선 흡수 소자와 상기 강유전체 사이에 상기 로우 라인과 평행하는 방향의 스트라이프 상으로 형성된 공통 전극들;을 구비하고,상기 강유전체의 분극 상태를 미리 초기화하여 복수개의 분극도를 가지는 상태로 변조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 작동 방법.
- 제7항에 있어서,상기 초기화를 이용하여 적외선 검출 감도를 조절하는 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 작동 방법.
- 제7항에 있어서,상기 초기화는 상기 공통 전극을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 작동 방법.
- 제7항에 있어서,상기 전계 효과 트랜제스터의 게이트 절연층에 의해 전압 강하가 일어나는 경우에는 상기 공통전극에 DC 바이어스 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 작동 방법.
- 일방향의 스트라이프 상으로 형성된 도전성 적외선 흡수 소자;상기 적외선 흡수 소자의 각 셀에 대응하도록 형성되고, 초전 효과에 의해 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀에 흡수된 적외선 량에 따라 생성된 열전하에 의해 분극되는 강유전체들;상기 강유전체에 일대일로 대응하여 형성되고, 상기 강유전체의 분극량에 따라 형성되는 속박 전하에 의해 채널이 형성되는 전계 효과 트랜지스터들;상기 스트라이프 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스들을 전기적으로 연결하는 로우 라인들;상기 로우 라인과 교차하는 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인들을 전기적으로 연결하는 칼럼 라인들; 및상기 도전성 적외선 흡수 소자와 상기 강유전체 사이에 형성된 격벽층;을구비한 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서.
- 제11항에 있어서,상기 강유전체들의 하부에는 분리 전극들이 형성되고, 상기 분리 전극들과 상기 트랜지스터들의 게이트들의 사이에는 도전성 콘택 혹은/및 도전성 콘택 플러그가 형성되어 상기 두 전극들이 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서.
- 제12항에 있어서,상기 트랜지스터들의 상부에는 상기 로우 라인들 및 칼럼 라인들이 덮히도록 절연층이 형성되고, 상기 트랜지스터의 게이트와 접속된 상기 도전성 콘택 플러그는 상기 절연층 위로 노출되며, 상기 분리 전극들과 상기 도전성 콘택 플러그를 연결하는 상기 도전성 콘택을 지지하는 절연 메사 구조물이 더 구비되며, 각 셀들에 대응하는 상기 전극들은 진공 혹은 공기에 의해 격리된 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서.
- 제11항 내지 제13항에 있어서,상기 트랜지스터들의 게이트 절연물로는 고유전체 혹은 상유전체가 사용된 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서.
- 제11항에 있어서,상기 격벽층은 고유전체 혹은 상유전체로 형성된 것을 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서.
- (가) 평판형 도전성 적외선 흡수 소자 상에 절연성 격벽을 형성하고, 상기 절연성 격벽 상에 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀 영역에 대응하는 강유전체들 및 분리 전극들을 순차로 형성하며, 상기 평판형 도전성 적외선 흡수 소자를 일방향의 스트라이프 상으로 패터닝하여 공통 전극으로 형성하는 단계;(나) 반도체 기판 상에 상기 강유전체에 일대일로 대응하는 전계 효과 트랜지스터들을 형성하고, 일방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스들을 전기적으로 연결하는 로우 라인들, 상기 로우 라인과 교차하는 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인들을 전기적으로 연결하는 칼럼 라인들, 상기 로우 라인들 및 칼럼 라인들을 덮는 절연층 및 상기 전계 효과 트랜지스터들의 게이트 상에 상기 절연층 위로 돌출하도록 도전성 콘택 플러그들을 순차로 형성하며, 상기 절연층 상에 상기 트랜지스터들에 대응하는 절연성 메사 구조물들을 형성한 다음 상기 메사 구조물들 상에 상기 도전성 콘택 플러그와 전기적을 접속되는 도전성 콘택을 형성하는 단계; 및(다) 상기 분리 전극들 및 상기 도전성 콘택이 일대일로 접속되도록 상기 (가) 단계에서 형성된 구조물과 상기 (나) 단계에서 형성된 구조물들을 접착하는 단계;를포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 제조 방법.
- (가) 평판형 도전성 적외선 흡수 소자 상에 절연성 격벽을 형성하고, 상기 절연성 격벽 상에 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀 영역에 대응하는 강유전체들 및 분리 전극들을 순차로 형성한 다음, 상기 분리 전극들 상에 절연성 메사 구조물을 형성하고, 상기 절연성 메사 구조물 상면에 상기 분리 전극들과 전기적으로 접속되는 도전성 콘택을 형성하며, 상기 평판형 도전성 적외선 흡수 소자를 일방향의 스트라이프 상으로 패터닝하여 공통 전극으로 형성하는 단계;(나) 반도체 기판 상에 상기 강유전체에 일대일로 대응하는 전계 효과 트랜지스터들을 형성하고, 일방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스들을 전기적으로 연결하는 로우 라인들, 상기 로우 라인과 교차하는 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인들을 전기적으로 연결하는 칼럼 라인들, 상기 로우 라인들 및 칼럼 라인들을 덮는 절연층 및 상기 전계 효과 트랜지스터들의 게이트 상에 상기 절연층 위로 돌출하도록 도전성 콘택 플러그들을 순차로 형성하는 단계; 및(다) 상기 도전성 콘택들 및 상기 도전성 콘택 플러그들이 일대일로 접속되도록 상기 (가) 단계에서 형성된 구조물과 상기 (나) 단계에서 형성된 구조물들을 접착하는 단계;를포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 제조 방법.
- 일방향의 스트라이프 상으로 형성된 도전성 적외선 흡수 소자; 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀에 대응하도록 형성되고, 초전 효과에 의해 상기 적외선 흡수 소자의 각 셀에 흡수된 적외선 량에 따라 생성된 열전하에 의해 분극되는 강유전체들; 상기 강유전체에 일대일로 대응하여 형성되고, 상기 강유전체의 분극량에 따라 형성되는 속박 전하에 의해 채널이 형성되는 전계 효과 트랜지스터들; 상기 스트라이프 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스들을 전기적으로 연결하는 로우 라인들; 상기 로우 라인과 교차하는 방향으로 배열된 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인들을 전기적으로 연결하는 칼럼 라인들; 및 상기 도전성 적외선 흡수 소자와 상기 강유전체 사이에 형성된 격벽층;을 구비하고,상기 강유전체의 분극 상태를 미리 초기화하여 복수개의 분극도를 가지는 상태로 변조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 작동 방법.
- 제18항에 있어서,상기 초기화를 이용하여 적외선 검출 감도를 조절하는 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 작동 방법.
- 제18항에 있어서,상기 초기화는 공통 전극의 역할을 하는 상기 도전성 적외선 흡수 소자를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 작동 방법.
- 제18항에 있어서,상기 전계 효과 트랜지스터의 게이트 절연층에 의해 전압 강하가 일어나는 경우에는 상기 공통전극에 DC 바이어스 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 적외선 센서의 작동 방법.
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