KR20010039752A - 고감도 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수개의 화상 소자(picture element)를 포함하는 열 분리 구조(thermal separation structure)를 구비한 열형 적외선 검출기(thermal type infrared ray detector)에 관한 것이다. 상기 복수개의 화상 소자 각각은 모든 화상 소자에 대하여 기판내에 형성된 회로와, 적외선을 저항 변화 또는 충전량(charge quantity) 변화로 변환하는 광 수신부를 포함한다. 상기 회로는 상기 저항 변화 또는 충전량 변화로부터 전압 신호를 발생시킨다. 빔(beam)은 상기 기판과 상기 광 수신부 사이에 간격을 형성하도록 상기 기판으로부터 광 수신부를 기계적으로 지지하고, 상기 광 수신부를 상기 회로에 전기적으로 접속한다. 상기 각 빔은 Ti 합금으로 형성되어 상기 광 수신부를 상기 회로에 대하여 접속하는 배선막과, 상기 배선막을 둘러싸는 보호성 절연막을 포함한다. 이때, 상기 Ti 합금은 TiAl6V4일 수 있다.
Description
적외선 감지 디바이스로서, 열 분리 구조의 검출 디바이스가 알. 에이. 우드에 의해 "언쿨드(uncooled) 적외선 이미지 어래이 및 시스템"에 "모놀리식 실리콘 마이크로볼로메터(microbolometer) 어래이"로서 공지되어 있다(반도체 및 반금속, 제47권, 피. 더블유. 크루스 및 디. 디. 스캐트루드 편집, 대학 출판부, 1997년, 페이지 103). 도 1 및 도 2는 이런 볼로메터형 언쿨드 적외선 감지기 어래이의 화상 소자(picture element)의 열 분리 구조를 도시하고 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 볼로메터용 판독 회로(102)는 Si 기판(101)내에 형성되어 있고, 다이아프램(105)은 두 개의 빔(104)에 의해 지지되어 다이아프램(105)과 반도체(101) 사이에 공간(103)이 형성되어 있다. 상기 빔(104)의 구조 재료는 실리콘 질화물로제조된 보호성 절연막(106)이고, 빔(104)상에 NiCr로 형성된 배선막의 두께는 50nm이다. 광 수신부인 상기 다이아프램(105)은 800nm의 두께를 구비한 실리콘 질화물의 보호성 절연막(106)과, 볼로메터 재료로서 20㏀의 저항을 가진 바나듐 산화물의 박막(107)으로 구성되어 있다. 완전 반사막(108)이 보호성 절연막을 통해 판독 회로(102)의 표면상에 형성된다.
적외선(109)이 이런 열 분리 구조의 다이아프램(105)상에 입사되었을 때, 상기 적외선(109)은 실리콘 질화물 박막(106)에 의해 흡수되고, 상기 적외선(109)의 일부는 다이아프램(105)을 통과하여, 그후, 반사막(108)에 의해 다이아프램의 방향으로 반사된다. 따라서, 반사된 적외선은 실리콘 질화물 박막(106)에 의해 다시 흡수된다. 이런 방식으로, 적외선은 흡수되고, 그래서, 다이아프램(105)의 온도가 변화된다. 상기 볼로메터 박막(107)의 저항은 온도의 변화에 의해 변화되게 되고, 판독 회로에 의해 전압 변화로 변환되게 된다. 따라서, 적외선 화상이 얻어진다.
또한, 적외선 검출 디바이스로서, 에이치. 와다 등에 의해 볼로메터형 논쿨드(noncooled) 적외선 센서 어래이(SPIE Vol.3224, 1997년 페이지 40)가 공지되어 있다. 도 3 및 도 4에는 볼로메터형 논쿨드 적외선 감지기 어래이의 화상 소자의 구조가 도시되어 있다. 도 3은 상기 화상 소자를 도시하는 평면도이며, 도 4은 A1-A2-A3-A4-A5-A6-A7-A8-A9-A10의 지점을 이은 직선으로 도시된 점선을 따른 화상 소자의 단면도이다. 다이아프램(113)은 두 개의 빔(112)에 의해 지지되어 판독 회로를 구비한 실리콘 기판(111)과 다이아프램(113)의 사이에 공간을 형성하고 있다. 빔(112)의 구조 재료는 실리콘 질화물의 보호성 절연막(114)이고, 빔(112)의 배선 재료(115)는 두께가 100nm인 Ti막이다. 광 수신부인 다이아프램(113)은 볼로메터 재료로서 10 내지 30㏀/sq의 시트 저항을 가진 바나듐 산화물 박막(116)과, 400nm 두께의 실리콘 질화물로 제조된 보호성 절연막(117)과, 15nm 두께의 TiN 박막인 적외선 흡수막(118)으로 구성된다.
빔(112)상의 배선(115)은 뱅크부(bank section; 119)내에 제공된 접점(120)을 통해 배선 플러그(121)에 의해 실리콘 기판(111)내의 판독 소자와 연결되어 있다. 또한, 20nm 두께의 WSi막인 반사막(122)과 보호성 절연막(123)이 열 산화막을 통해 실리콘 기판상에 형성된다. 반사막(122)과 적외선 흡수막(118) 사이의 거리는 검출될 적외선의 파장의 1/(4n)로 조절된다(n은 유효 굴절 지수). 상기 적외선은 적외선 흡수막(118)에 의해 흡수된다. 적외선의 일부는 적외선 흡수막(118)을 통과하고, 반사막(122)에 의해 다이아프램(113) 방향으로 반사된다. 다이아프램(113)에서, 상기 적외선들은 서로 간섭하고, 그래서, 검출될 파장을 가진 적외선의 성분들이 상기 적외선 흡수막(118)에 의해 흡수된다. 따라서, 상기 다이아프램의 온도 변화가 유발된다. 상기 볼로메터 박막(116)의 저항은 온도 변화에 대응하여 변화되고, 상기 저항의 변화는 판독 회로에 의해 전압 변화로 변환된다. 이 방식으로 적외선 화상이 얻어진다.
또한, 적외선 검출 디바이스로서, 건닝햄 등에 의해 마이크로 볼로메터 어래이(미국 특허 제5,688, 699호)가 공지되어 있다. 도 5는 상기 마이크로 볼로메터 어래이의 화상 소자의 열 분리 구조를 도시하고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 에피텍셜층(epitaxial layer; 131)이 실리콘 기판(130)상에 성장되고, 볼로메터용 판독 회로는 상기 에피텍셜층(131)내에 형성된다. 다이아프램(133)이 에피텍셜층(131)위에 제공되고, 두 개의 빔(132, 132')에 의해 지지되어 상기 다이아프램(133)과 에피텍셜층(131) 사이에 공간을 형성한다.
빔(132 또는, 132')의 구조 재료는 실리콘 질화물(134)이고, 빔(132 또는 132')상의 배선(135)은 10nm의 두께를 가진 Cr막과, 20nm의 두께를 가진 Ni막으로 형성된다. 광 수신부로서 다이아프램(133)은 15 내지 30㏀의 시트 저항을 가진 볼로메터 재료의 바나듐 산화물 박막(136)으로 형성된다. 또한, 상기 다이아프램(133)은 부가적으로, 100nm의 두께를 가진 실리콘 질화물의 보호성 절연막(137)과, 10nm의 두께를 가진 금 박막인 적외선 흡수막으로 구성된다. 도 5에서, 흡수막은 도시되어 있지 않다.
상기 다이아프램(133)과 배선막은 볼로메터 재료로 형성된 접점부(138a, 138b)에 의해 전기적으로 접속된다. 또한, 에피텍셜층내의 판독 회로와 배선막은 접점(139)에 의해 전기적으로 접속된다. 또한, 에피텍셜층(131)은 SiO2보호성 절연막(140)과, 5nm의 두께를 가진 Cr막 및 50nm의 두께를 가진 Pt막으로 구성된 반사막으로 피복된다. 도 5에서, 반사막은 도시되어 있지 않다.
반사막과 적외선 흡수막 사이의 간격은 검출 파장의 1/4n으로 조절된다(n은 유효 굴절 지수). 적외선 흡수막에 의해 흡수된 적외선과, 적외선 흡수막을 통과한후 반사막에 의해 다이아프램 방향으로 반사된 적외선은 서로 간섭한다. 결과적으로, 검출 파장을 가진 적외선은 적외선 흡수막에 의해 흡수되고, 그래서, 다이아프램의 온도가 변화된다. 상기 볼로메터 박막의 저항은 온도의 변화에 따라 변화되고, 상기 저항의 변화는 판독회로에 의해 전압 변화로 변환된다. 이 방식으로 적외선 화상이 얻어진다.
또한, 적외선 검출 디바이스로서, 한슨 등에 의해 피로일렉트릭형 어래이가 공지되어 있다. 도 6 및 도 7은 피로일렉트릭형(pyroelectric-type) 어래이의 화상 소자의 열 분리 구조를 도시하고 있다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 두 개의 빔(151)에 의해 다이아프램(152)이 지지되어 상기 다이아프램(152)과 판독 회로를 구비한 실리콘 기판(150)사이에 공간을 형성하고 있다. 다이아프램(152)은 Pt/Ti의 하부 전극(153)과, 전극(153)상에 250 내지 350nm의 두께를 가진 (Pb, La)(Zr, Ti)O3의 피로일렉트릭 박막(154)과, 니켈 크롬 박막의 상부 전극(155)으로 구성된다. 상기 두 개의 빔(151) 중 하나는 하부 전극(153)과 피로일렉트릭 박막(154)으로 구성되고, 다른 빔(151)은 상부 전극(155)과 피로일렉트릭 박막(154)으로 구성된다. 이런 공지된 열 분리 구조의 열 전도성은 하부 전극의 Pt에 의해 결정된다.
상부 전극 및 하부 전극은 접점(156)을 통해 실리콘 기판(150)내의 판독 회로와 접속된다. 적외선은 다이아프램(152)상에 입사되고, 상부 전극과 하부 전극 사이에서 간섭하여 서로 상쇄된다. 결과적으로, 특정 파장을 가진 적외선이 상부 전극에 의해 흡수되고, 그래서, 다이아프램의 온도가 변화된다. 피로일렉트릭 박막(154)의 표면 전기 충전량(surface electric charge quantity)은 온도 변화에 따라 변화되고, 상기 충전량의 변화는 판독 회로에 의해 전압 변화로 변환된다. 이 방식으로, 적외선 화상이 얻어진다.
상술한 종래 기술의 열형 적외선 센서의 감도는 충진 팩터(fill factor)에 비례한다. 상기 충진 팩터는 화상 소자에 대한 광 수신부인 다이아프램의 비율이다. 신호선 등의 배선은 도 3 및 도 4에 도시된 종래예에서 뱅크부(119)상에서 연장된다. 따라서, 광수신부로서 다이아프램의 충진 팩터는 종래예에서는 커지지 않는다. 이런 이유로 인하여, 이 배선들이 다이아프램 아래에 배열되어 검출기의 감도를 향상시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 팩터는 열형 적외선 감지기의 종래예의 감도가 후술될 열 전도성에 반비례한다는 것을 알수있게 해준다. 상술한 네 개의 종래예의 빔의 구조 재료와 배선 재료는 다음과 같다. 도 1 및 도 2에서는 800nm 두께의 NiCr막과 50nm 두께의 실리콘 질화물 박막, 도 3 및 도 4에서는 100nm 두께의 Ti막과, 총 600nm 두께의 다수의 실리콘 질화물 및 실리콘 산화물막, 도 5에서는 10nm의 두께를 가진 Cr막의 층구조 배선과, 20nm의 두께를 가진 Ni막 및 실리콘 질화물막, 도 6 및 도 7에서는 페로일렉트릭 박막(ferroelectric thin film)과 NiCr 박막으로 구성된 다른 빔과, 30내지 60nm의 페로일렉트릭 박막 및 Ti와 Pt 박막으로 구성된 하나의 빔이 그것이다. 도 6 및 도 7의 경우에, 열 전도성은 Pt 박막에 의해 결정된다. 따라서, 검출기의 감도를 향상시키기 위해서는 배선 재료로서 적합한 재료를 선택하는 것이 바람직하다.
상술한 설명과 연관하여, 일본 특허 출원 공보(JP-A-Heisei 10-19671호)에 열형 적외선 감지기가 개시되어 있다. 이 참조문헌에서, 반도체 기판(1)위에 형성된 적외선 감지기(20)는 적외선광 수신부(21)와 브리지부(24)로 구성되어 있다. 적외선광 수신부(21)는 입사 적외선을 열 에너지로 변환하고, 변환된 열 에너지에 따라 변화되는 전기적 출력으로 변환한다. 배선층(24A)이 반도체 기판(1)과 적외선광 수신부를 전기적으로 접속하도록 브리지부(24)에 제공된다. 하나 이상의 상술한 적외선광 수신부(21)와 브리지부(24)는 절연레그부(25, 26, 27)에 의해 지지된다. 상기 적외선광 수신부(21) 및/또는 브리지부(24)와 반도체 기판(1)의 열 전도성 감소가 시도된다.
또한, 적외선 솔리드 이미지 디바이스가 일본 특허 출원 공개 공보(JP-A-Heicei 10-332480)에 개시되어 있다. 상기 문헌에서는, 열 적외선 검출기를 사용하는 2차원 적외선 솔리드 이미지 디바이스에서, 열형 광 검출부가 큰 열 저항을 가진 지지 레그에 의해 반도체 기판상에 지지된다. 입사 적외선에 의한 상기 열형 검출부의 온도 변화는 지지레그내의 배선을 통해 검출된다. 복수의 배선이 하나 이상의 지지레그내에 평행하게 또는 적층되어 배열되어 있다.
또한, 적외선 검출기가 1988년 8월 12일자 출원된 미국 특허 출원 제 231,797호에 대응하는 일본 특허 제 2,834,202호에 개시되어 있다. 상기 참조 문헌에서는, 적외선 스펙트럼 범위내의 방사선을 검출하기 위한 볼로메터 어래이가 기판의 표면의 부근에 설치된 볼로메터 회로 소자의 어래이를 포함하는 기판으로 구성되어 있다. 저항 어래이는 적외선 방사 스펙트럼 범위의 중앙에서 1/4 파장만큼 표면으로부터 이격되어 있다. 저항의 리드 및 저항 각각은 제 1 도전층과, 저항층과, 제 2 도전층을 포함하는 스텍으로 구성되어 있다. 제 2 도전층은 표면에 가장 근접하게 배치된다. 각 저항은 방사선을 수용하도록 지향되어 있고, 대응하는 볼로메터 회로 세트와 전기적으로 접속되도록 대응하는 볼로메터 회로 세트중 하나의 위에 제공되어 있다. 제 1 도전층과 제 2 도전층의 시트 저항은 상기 스펙트럼 범위내에서 50% 이상의 흡수를 유발한다. 또한, 볼로메터 어래이는 상기 저항에 대해 방사선을 초핑(chopping)하기 위한 초퍼를 포함한다. 상기 제 2 도전층은 불활성 층을 포함하고, 상기 표면은 반사성을 가진다. 상기 표면과 불활성층 사이의 공간은 배기된다. 상기 스택은 제 1 도전층상의 제 1 불활성층과, 상기 제 2 도전층상의 제 2 불활성 층을 포함한다. 상기 제 1 불활성층과, 상기 제 2 불활성층은 실리콘 디옥사이드로 형성된다. 상기 제 1 전도성층과 상기 제 2 전도성층은 티타늄 질화물로 형성된다. 상기 저항층은 비결정 실리콘으로 형성된다.
따라서, 본 발명의 목적은 충진 팩터가 향상될 수 있는 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 배선이 다이아프램 아래에 배열되어 있는 열 분리 구조를 가진 열형 적외선 검출기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 최적의 재료를 선택함으로서 상기 검출기의 감도를 향상시킬 수 있는 열 분리 구조를 가진 열형 적외선 검출기를 제공하는 것이다.
본 발명의 상술한 특성을 달성하기 위하여, 본 발명의 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기는 모든 화상 소자에 대하여 기판내에 형성된 회로를 각각 포함하는 복수개의 화상 소자와, 적외선을 저항 또는 충전량의 변화로 변환하는 광 수신부를 포함한다. 상기 회로는 저항 변화 또는 충전량 변화로부터 전압 신호를 발생시킨다. 빔은 기판으로부터 광 수신부를 기계적으로 지지하여 상기 광 수신부와 상기 기판 사이에 간격을 형성하며, 광수신부를 회로에 대하여 전기적으로 접속한다. 상기 빔 각각은 Ti 합금으로 형성되어 상기 회로에 상기 광 수신부를 접속하는 배선막을 포함하고, 상기 배선막을 둘러싸는 보호성 절연막을 포함한다. 이때, Ti 합금은 TiAl6V4일 수 있다.
또한, 광 수신부는 접점 패드를 경유하여 회로에 접속될 수 있다. 이때, 복수개의 제 1 화상 소자를 위한 접점 패드와, 상기 제 1 화상 소자로부터 대각선 방향에 배치된 복수개의 제 2 화상 소자를 위한 접점 패드는 전기적으로 절연되며, 구조적으로 단일화된다.
또한, 전압 신호를 회로로 전달하는 신호선과 접지선이 기판내에 형성된다.
또한, 상기 열형 적외선 검출기는 부가적으로, 광 수신부를 통과한 적외선을 완전히 광 수신부를 향해 반사하기 위해 기판상에 형성된 반사막을 포함할 수 있다.
또한, 상기 변환막은 볼로메터 재료막을 포함할 수 있다. 이경우에, 상기 광 수신부는 볼로메터 재료막을 덮도록 형성된 보호성 절연막을 부가로 포함할 수 있다.
선택적으로, 상기 광 수신부는 하부 전극과, 상기 하부전극상에 형성된 페로일렉트릭 재료 박막과, 상기 페로일렉트릭 재료박막상에 형성된 상부 전극을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 광 수신부는 상기 상부 전극을 덮도록 형성된 보호성 절연막을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특성을 달성하기 위해, 본 발명의 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기는 모든 화상 소자에 대하여 기판내에 형성되어 있는 회로를 각각 포함하는 복수개의 화상 소자와, 적외선을 저항 변화 또는 충전량 변화로 변환하는 광 수신부를 포함한다. 상기 회로는 상기 저항 변화 또는 충전량 변화로부터 전압 신호를 발생시킨다. 빔은 상기 기판으로부터 광 수신부를 기계적으로 지지하며, 상기 광 수신부와 상기 기판 사이에 간격을 형성하고, 상기 광 수신부를 회로에 대하여 접속한다. 상기 빔 각각은 Ti 합금으로 형성되어 상기 광 수신부를 회로에 접속하는 배선막을 포함하고, 상기 배선막을 둘러싸는 보호성 절염막을 포함한다. 또한, 전압 신호를 회로로 전달하기 위한 신호선과, 상기 기판내에 형성된 접지선은 기판내에 형성된다. 이 경우, 상기 Ti 합금은 TiAl6V4인 것이 바람직하다.
또한, 상기 광 수신부는 접점 패드를 경유하여 상기 회로에 접속될 수 있다. 이경우에, 제 1 복수개의 화상 소자를 위한 접점 패드와, 상기 제 1 화상 소자로부터 대각선 방향으로 배치되어 있는 복수개의 제 2 복수개의 화상 소자의 접점 패드는 구조적으로 단일화되고, 전기적으로 절연되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열형 적외선 검출기는 광수신부를 통과한 적외선을 광 수신부를 향해 완전히 반사시키기 위해 기판상에 형성된 반사막을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 변환막은 볼로메터 재료막을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 광 수신부는 상기 볼로메터 재료막을 덮기 위한 보호성 절연막을 추가로 포함할 수 있다.
선택적으로, 상기 광 수신부는 하부 전극과, 상기 하부 전극상에 형성된 페로일렉트릭 재료 박막과, 상기 페로일렉트릭 재료 박막상에 형성된 상부 전극을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 광 수신부는 상부 전극을 덮도록 형성된 보호성 절연막을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 또다른 특성을 달성하기 위해, 본 발명의 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기는 모든 화상 소자에 대하여 기판내에 형성된 회로를 각각 포함하는 복수개의 화상 소자와, 적외선을 저항 변화 또는 충전량 변화로 변환하는 광 수신부를 포함한다. 상기 회로는 상기 저항 변화 또는 충전량 변화로부터 전압 신호를 발생시킨다. 빔은 상기 기판과 상기 광 수신부 사이에 간격을 형성하도록 상기 기판으로부터 상기 광 수신부를 기계적으로 지지하고, 상기 광 수신부를 접점 패드를 경유하여 상기 회로에 전기적으로 접속한다. 상기 빔 각각은 Ti 합금으로 형성되어 상기 광 수신부를 상기 회로에 접속하는 배선막과, 상기 배선막을 둘러싸는 보호성 절연막을 포함한다. 상기 복수개의 제 1 화상 소자를 위한 접점 패드와, 상기 제 1 화상 소자로부터 대각선 방향에 배치된 복수개의 제 2 화상 소자의 접점 패드는 구조적으로 단일화되고, 전기적으로 절연된다. 이 경우, 상기 Ti 합금은 TiAl6V4인 것이 바람직하다.
또한, 전압 신호를 회로로 전달하기 위한 신호선과, 접지선은 상기 기판내에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 열형 적외선 검출기는 광 수신부를 통과한 적외선을 광 수신부를 향해 완전히 반사시키기 위해 기판상에 형성된 반사막을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 변환막은 볼로메터 재료막을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 광 수신부는 상기 볼로메터 재료막을 덮도록 형성된 보호성 절연막을 추가로 포함할 수 있다.
선택적으로, 상기 광 수신부는 하부 전극과, 상기 하부 전극상에 형성된 페로일렉트릭재료 박막과, 상기 페로일렉트릭 재료 박막상에 형성된 상부 전극을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 광 수신부는 상기 상부 전극을 덮도록 형성된 보호성 절연막을 추가로 포함할 수 있다.
도 1은 열형 적외선 검출기의 제 1 종래예의 사시도.
도 2는 열형 적외선 검출기의 제 1 종래예의 정면 단면도.
도 3은 열형 적외선 검출기의 제 2 종래예의 평면도.
도 4는 도 3의 A1 내지 A10 선을 따른 열형 적외선 검출기의 제 2 종래예의 횡단면도.
도 5는 열형 적외선 검출기의 제 3 종래예의 사시도.
도 6은 열형 적외선 검출기의 제 4 종래예의 사시도.
도 7은 도 6의 A-A 선을 따른 열형 적외선 검출기의 제 4 종래예의 횡단면도.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기를 도시하는 평면도.
도 9는 도 8의 X-Y 점선을 따른 제 1 실시예의 열분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기의 단면도.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기를 도시하는 평면도.
도 11은 도 10의 A1-A10 선을 따른 제 2 실시예의 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기의 횡단면도.
도 12는 금속 재료의 열 전도성을 나타내는 표.
도 13은 금속 재료의 Gth와 상대 감도를 나타내는 표.
도 14는 다양한 Ti 합금의 함유율을 나타내는 표.
*도면의 주요 부분에 대한 간단한 부호의 설명.
3 : 빔 4 : 다이아프램
5, 7, 9 : 보호성 절연막 6 : 볼로메터 재료 박막
10 : 광 수신부 15 : 적외선 반사막
21 : 하부 전극 22 : 페로일렉트릭 막
23 : 상부 전극
하기에 본 발명의 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기를 도시하고 있다. 도 9는 도 8의 X-Y 점선을 따른 제 1 실시예의 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기의 횡단면도이다. 도 8을 참조하면, 볼로메터형 적외선 검출기 어래이가 제 1 실시예의 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기로서 도시되어 있다. 볼로메터형 적외선 검출기의 화상 소자 구조는 다이아프램(4)내의 광 수신부로서 구성되어 있다.
상기 다이아프램(4)은 두 개의 빔(3)에 의해 지지되어 판독 회로를 구비한 실리콘 기판(1)과 상기 다이아프램(4) 사이에 공간(2)을 형성하고 있다. 상기 다이아프램(4)은 300nm 두께의 실리콘 질화물(SiN) 보호성 절연막(5)과, 상기 SiN 보호성 절연막상의 160nm 두께의 VOx 볼로메터 재료 박막(6)으로 구성되어 있다. 50nm 두께의 실리콘 질화물(SiN) 보호성 절연막(7)과, 60nm 두께의 실리콘 산화물 보호성 절연막(8)으로 구성된 다중 보호성 절연막이 볼로메터 재료 박막(6)상에 형성되어 있다.
셀(C1)의 광 수신부로부터의 빔(3)의 배선(11)과, 셀(C1)의 트렌지스터의 드레인(17)은 텅스텐 플러그(14)와 Al/TiN/Ti층 구조의 접점 패드(D1; 13)을 통해 실리콘 기판(1)내의 Al 배선으로 접속된다. 상기 접점 패드(13)는 Ti/Al/TiN/Ti 층 구조 또는 Ti 단일층 구조를 가질 수 있다. 또한, 셀(C1)의 광 수신부로부터의 빔(3)의 배선(11)은 텅스텐 플러그(14a)와 Al/TiN/Ti 층 구조의 접점 패드(SIG1; 13)를 통해 신호선(18)에 접속된다. 상기 접점 패드(SIG1; 13)는 Ti/Al/TiN/Ti 층 구조 또는 Ti 단일 층 구조를 가질 수 있다. 물론, 인접한 셀들도 동일한 구조를 갖는다.
셀(C2)은 셀(C1)의 대각선 방향에 배치되고, 셀(C3)은 대각선 방향에 대향한 방향에 배치된다. 상기 셀(C1)의 트랜지스터의 드레인의 접점 패드(D1)와, 상기 셀(C2)의 신호선의 접점 패드(SIG2)는 SiN으로 제조된 보호성 절연막에 의해 전기적으로 절연되고 및 단일 구조화된다. 또한, 셀(C1)의 신호선의 접점 패드(SIG1)와 상기 셀(C3)의 드레인의 접점 패드(D3)는 SiN으로 제조된 보호성 절연막에 의해 전기적으로 절연되고, 구조적으로 단일화된다. 따라서, 충진 팩터의 향상 및 빔과 실리콘 기판 사이의 부착 강도의 향상이 얻어진다. 이 방식으로, 서로 대각선 방향으로 인접한 셀들의 접점 패드를 보호성 절연막에 의해 전기적으로 절연하고, 기계적으로 단일화함으로써, 상기 패드들 사이의 간격이 가능한 최소화된다. 또한, 충진 팩터의 추가적인 향상 및 빔과 기판 사이의 설치 강도의 향상이 상기 패드를 단일화함으로써 얻어진다.
트렌지스터의 드레인, 게이트 및 소스와, 접지선 및 신호선은 광 수신부(4) 바로 아래에서 기판(1)내에 연장된다. 이는 충진 팩터를 향상시키도록 기능한다. 셀내에서 접지 배선의 점유율은 노이즈를 견디도록 90%를 초과한다.
100nm 두께의 TiAl6V4 등의 Ti 합금으로 제조된 배선(11)은 다른 보호성 절연막(8)과 총 600nm 두께의 실리콘 질화물로 제조된 보호성 절연막(5, 7, 9)으로 둘러싸여진다. 상기 배선(11)은 두 개의 빔(3)을 통과한다. 상기 다이아프램(4)내측 볼로메터 재료 박막(6)은 텅스텐으로 제조된 배선 플러그(14)와 상술한 접점 패드(13)에 의해 실리콘 기판(1)내의 판독회로와 전기적으로 접속된다.
200nm 두께의 Ti로 제조된 적외선 반사막(15)이 판독 회로를 구비한 Si 기판(1)의 표면상에 형성된다. 적외선이 다이아프램(4)상으로 입사될 때, 입사 적외선의 일부는 실리콘 질화물 박막(5, 7, 9)에 의해 흡수된다. 상기 실리콘 질화물 박막을 통과한 잔여 적외선은 적외선 반사막(15)에 의해 다이아프램(4)을 향한 방향으로 반사되고, 실리콘 질화물 박막(5, 7, 9)에 의해 흡수된다. 상기 실리콘 질화물 박막(5)과 적외선 반사막(15) 사이의 간격은 1.5㎛으로 설정된다. 이 간격(2)은 먼저 폴리 이미드로 충진되지만 이는 애슁(ashing) 공정에서 산소 플라즈마에 의해 제거되게 된다.
본 실시예의 화상 소자의 크기는 37㎛2이다. 상기 빔(3)의 각 실리콘 질화물 보호성 절연막(5, 7, 9)의 길이 및 폭은 각각 29㎛과 1.8㎛이고, 전체 두께는 0.6㎛이다. TiAl6V4 합금으로 제조된 배선(11)의 길이, 폭 및 두께는 각각 29㎛, 1㎛ 및 0.1㎛이다. 이 경우에, 도 8 및 도 9의 열 분리 구조의 열 전도성은 약 0.1㎼/K(표 2 참조)이다. 이 값은 종래예에서 NiCr의 경우에 0.126의 최상의 값의 81%이다. 따라서, 응답성 또는 감도는 1.24배 향상된다. 또한, 71%의 높은 충진 팩터가 접점 패드(13)와 구조적 단일화와, 배선 플러그(14, 14a)를 통한 판독회로의 셀(16)과 광 수신부(4)의 접속에 의해 실현된다.
표 2에는 배선 재료로서 TiAl6V4가 아닌 다른 Ti 합금이 사용될 때 열 전도성과 상대 감도를 도시하고 있다. 표 2로부터, NiCr이 사용되는 종래예와 비교할 때 이들 Ti 합금이 사용되는 경우에 보다 양호한 감도를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
본 실시예에서, VOx로 제조된 볼로메터 재료 박막이 사용된다. 그러나, 동일한 유효 저항 온도 계수를 가진 소정의 재료가 사용될 수 있다. 유사하게, 본 실시예에서는 빔의 배선 재료로서 TiAl6V4가 Ti 합금으로서 사용된다. 그러나, 도 14의 표 3의 다른 Ti 합금도 사용될 수 있으며, 종래예에서 NiCr을 사용한 경우에 얻어지는 최상의 감도에 의한 응답성 보다 높은 응답성을 얻을 수 있다.
본 발명에서, 광 수신부의 전극은 판독회로의 셀(16)의 트렌지스터의 콜렉터 또는 드레인과 전기적으로 접속되고, 접속 박막, 즉, 배선 재료 박막(11)과, 접점 패드(13)와 텅스텐으로 제조된 배선 플러그(14a)를 통해 신호선(18)과 접속된다.
상기 셀(16)의 게이트 또는 베이스(19)는 포스퍼 이온이 확산된 폴리실리콘 배선이고, 상기 판독회로의 디코더 또는 시프트 레지스터와 접속되어 있다. 소스 또는 에미터(20)는 상기 셀의 대부분을 점유하는 접지 배선(GND)과 접속되어 있다. 도 8에서 3×3 배열이 도시되어 있지만, 셀이 대각선 관계로 배치된 것 만이 도시되어있는 것은 단지 도시를 용이하게하기 위함일 뿐이다.
이 방식으로 광 수신부 바로 아래에 배선을 배열함으로써, 상기 충진 팩터는 종래예에서보다 향상될 수 있다.
본 방식에서, 인접하게 대각선으로 제공되어 있는 셀의 접점 패드는 전기적으로 절연되고, 기계적으로 단일화된다. 따라서, 상기 패드들 사이의 간격은 가능한 작아질 수 있고, 그래서, 충진 팩터가 향상된다. 또한, 상기 패드의 통합화는 빔과 기판 사이의 접합 강도를 향상시킨다.
상술한 구조를 사용함으로써, 충진 팩터의 향상과, 열 분리 구조, 특히, 빔과 Si 기판 사이의 접합 강도의 향상을 통한 검출기 감도의 향상을 달성할 수 있다.
상술한 설명에서, 종래의 배선 재료와 구조 재료 및 본 발명에 사용된 배선 재료의 열 전도성이 도 12의 표 1에 도시되어 있다. 특정 열 분리 구조, 즉, 적외선 감지기의 상대 감도 및 특정 크기를 가진 빔에 대한 열 전도성의 계산값이 도 13의 표 2에 도시되어 있다. 상기 표로부터 종래예에 사용된 배선 재료는 최적이 아니라는 것을 알 수 있다. 달리 말하면, 종래예에 사용된 다른 재료들 보다 Ti 합금이 보다 양호한 재료라는 것을 알 수 있다. 특히, TiAl6V4는 최상의 재료이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기를 도시하고 있다. 페로일렉트릭형 적외선 검출기의 화상 소자 구조에서, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 다이아프램(4)은 판독 회로를 구비한 실리콘 기판(1)의 표면과 다이아프램(4) 사이에 공간(2)을 형성하도록 두 개의 빔(3)에 의해 지지되어 있다. 상기 다이아프램(4)은 예로서, 100nm 두께의 TiAl6V4인 Ti 합금막과 300nm 두께의 Pt막으로 구성된 다중막인 하부 전극(21)으로 구성되어 있다. 상기 하부 전극(21)상에 (Pb, La)(Zr, Ti)O3로 제조된 페로일렉트릭 막(22)이 형성되어 있고, 상기 페로일렉트릭 막(22)상에 100nm 두께의 TiAl6V4 박막 등의 Ti 합금으로 제조된 상부 전극이 형성되어 있다.
두 개의 빔(3)과 다이아프램(4)은 보호성 절연막(5, 8, 9)에 의해 둘러싸여져 있고, 상기 보호성 절연막은 총 두께가 600nm이 되도록 실리콘 질화물로 형성되어 있다. 100nm 두께의 TiAl6V4 막 등의 Ti 합금으로 제조된 배선(12)은 빔(3)을 통과한다. 다이아프램(4)내의 하부 전극(21)과 상부 전극(23)은 뱅크부(25)의 접점(26)과 배선 플러그(27)에 의해 실리콘 기판(1)내의 판독회로에 접속되어 있다.
상부 전극(23)의 TiAlV4 합금막의 두께는 377Ω의 시트 저항의 진공 임피던스에 부합되는 5nm으로 조절된다. 따라서, 다이아프램(4)상에 입사된 적외선은 하부 전극(21)과 상부 전극(23) 사이에서 적외선의 간섭을 통해 효과적으로 흡수된다. 한편, 적외선에 대한 (Pb, La)(Zr, Ti)O3의 굴절 지수는 약 2.4이다(한슨 등의 SPIE vol.3379, 1998년 페이지 60). 따라서, 상기 하부 전극(21)과 상부 전극(23) 사이의 페로일렉트릭 박막의 두께는 1㎛(=λ/(4n); λ는 한 파장이며, 본 실시예에서 10㎛이고, n은 페로일렉트릭 재료의 굴절 지수이다).
제 2 실시예에서 화상 소자의 크기는 37㎛2이다. 각 실리콘 질화물 보호성 절연막(5, 9)의 길이, 폭 및 두께는 각각 29㎛, 1.8㎛ 및 0.3㎛이다. 상기 실리콘 질화물 보호성 절연막(5, 9)은 빔(3)의 구성요소이다. 상기 TiAl6V4 합금으로 제조된 배선의 길이, 폭 및 두께는 각각 29㎛, 1㎛ 및 0.1㎛이다. 이 경우, 도 10 및 도 11의 열 분리 구조의 열 전도성은 0.1㎼/K이다(표 2 참조). 또한, 이 값은 종래예에서 NiCr의 경우의 최상의 값의 81%이다. 따라서, 응답성 및 감도는 1.24배 향상된다. 또한, 상술한 실시예와 마찬가지로, 71%의 높은 충진 팩터를 실현할 수 있다.
배선 재료로서 TiAl6V4 이외의 Ti 합금을 사용할 때 열 전도성과 상대 감도가 표 2에 도시되어 있다. 표 2로부터 종래예에서 NiCr을 사용할 때 얻어지는 최상의 결과에 비해 이들 Ti 합금을 사용할 때 보다 양호한 감도가 얻어질 수 있다는 것을 알 수 있다.
제 2 실시예에서는 (Pb, La)(Zr, Ti)O3로 제조된 페로일렉트릭 박막이 사용된다. 그러나, 동일한 유효 피로일렉트릭 계수를 가진 소정의 재료가 사용될 수도 있다. 유사하게, 빔(3)의 배선 재료로서 종래예의 NiCr의 경우의 최대 감도보다 높은 응답성을 TiAl6V4 대신 표 3에 나열된 다른 Ti 합금을 사용함으로써 얻을 수 있다.
적외선은 다이아프램(광 수신부; 4)상에 입사되고, 보호성 절연막(도 8 및 도 9 참조)에 의해 흡수된다. 부가적으로, 상기 반사막(15)에 의해 다이아프램(4)의 방향으로 반사된 적외선은 보호성 절연막에 의해 흡수되어 다이아프램의 온도를 변화시킨다. 이 변화를 통해서 상기 볼로메터 박막의 저항이 변화되고, 상기 저항의 변화는 판독 회로에 의해 전압 변화로 변환된다. 따라서, 적외선 화상이 얻어진다. 이 방식으로, 적외선의 방사량이 전기적 신호로 변환될 수 있다.
RV(bol)가 직류 응답성이고, α가 볼로메터 재료의 저항 온도 계수이고, η이 적외선 흡수성이고, VB가 바이어스 전압이고, Gth가 열 분리 구조의 열 전도성이고, f가 초핑 주파수이며, τT가 열 시간 상수일 때, 볼로메터 재료 박막을 사용하는 열형 적외선 감지기의 응답성(RV(bol))은 하기의 수학식에서 얻어진다.
이 방식에서, 볼로메터형 적외선 감지기의 응답성은 열 전도성에 반비례한다. 따라서, 열형 적외선 감지기의 응답성은 열 전도성의 감소를 통해 향상될 수 있다.
페로일렉트릭형 적외선 감지기 어래이(도 11 참조)의 경우에, 다이아프램(4)상에 입사되는 적외선중 특정 파장을 가진 일부는 하부 전극(21)과 상부 전극(23) 사이에서 서로 간섭하여 흡수된다. 결과적으로, 다이아프램의 온도가 변화된다. 페로일렉트릭 박막의 표면 전기 충전량은 온도 변화에 따라 변화되고, 상기 충전량의 변화는 판독 회로에 의해 전압 변화로 변환된다. 적외선의 방사량은 이런 방식으로 전기적 신호로 변환될 수 있다.
유효 피로일렉트릭 계수가 γ이고, 페로일렉트릭 박막의 두께가 d이고, 박막의 유전상수가 ε이고, 적외선 흡수성이 η이며, 열 분리 구조의 열 전도성이 Gth인 경우에, 페로일렉트릭 박막을 사용하는 피로일렉트릭형 적외선 감지기의 직류 전압 응답성 RVO(ferro)은 하기의 수학식으로 표현된다.
상기 피로일렉트릭형 적외선 감지기의 응답성도 이 방식에서 열 전도성에 반비례한다. 따라서, 피로일렉트릭형 적외선 감지기의 응답성은 열 전도성의 감소를 통해 향상될 수 있다.
본 발명의 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기에서, 종래예 보다 작은 열 전도성을 가진 Ti 합금을 빔 상의 배선 재료로 사용하며, 그래서, 빔의 열 전도성이 감소된다. 따라서, 열형 적외선 검출기의 감도가 향상될 수 있다.
본 발명의 열 분리구조를 구비한 열형 적외선 검출기에서, 화상 소자의 접점 패드 및 상기 화상 소자에 대해 대각선 방향에 위치된 다른 화상 소자의 접점 패드는 전기적으로 절연되고, 구조적으로 단일화된다. 따라서, 충진 팩터가 향상되어 검출기의 감도가 향상되며, 기판과 빔 사이의 접합 강도가 강화된다. 또한, 종래예보다 열 전도성이 작은 Ti 합금을 사용함으로써 빔의 열 전도성이 감소되고, 그래서, 검출기의 감도가 향상될 수 있다.
Claims (25)
- 각 화상 소자가 모든 화상 소자에 대하여 기판내에 형성된 회로와, 적외선을 저항 변화 또는 충전량 변화로 변환하는 광 수신부와, 상기 광 수신부와 상기 기판 사이에 간격을 형성하도록 상기 기판으로부터 상기 광 수신부를 기계적으로 지지하면서 상기 광 수신부를 상기 회로에 대하여 전기적으로 접속하는 빔을 포함하고, 상기 회로가 상기 저항 변화 또는 상기 충전량 변화로부터 전압 신호를 형성하는 형식의 복수개의 화상 소자를 포함하는 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기에 있어서,상기 각 빔은 Ti 합금으로 형성되어 상기 광 수신부를 상기 회로에 접속하는 배선막과,상기 배선막을 둘러싸는 보호성 절연막을 포함하는 열형 적외선 검출기.
- 제 1 항에 있어서, 상기 Ti 합금은 TiAl6V4인 열형 적외선 검출기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 광 수신부는 접점 패드를 경유하여 상기 회로에 접속되고,상기 복수개의 제 1 화상 소자를 위한 접점 패드와, 상기 제 1 화상 소자로부터 대각선 방향에 배치된 복수개의 제 2 화상 소자를 위한 접점 패드는 구조적으로 단일화되고, 전기적으로 절연되어 있는 열형 적외선 검출기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전압 신호를 상기 회로로 전달하기 위한 신호선과, 접지선은 상기 기판내에 형성되는 열형 적외선 검출기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 광 수신부를 통과한 상기 적외선을 상기 광 수신부를 향해 완전히 반사하도록 상기 기판상에 형성된 반사막을 추가로 포함하는 열형 적외선 검출기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 변환막은 볼로메터 재료막을 포함하는 열형 적외선 검출기.
- 제 6 항에 있어서, 상기 광 수신부는 상기 볼로메터 재료막을 덮도록 형성된 보호성 절연막을 추가로 포함하는 열형 적외선 검출기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 광 수신부는 하부 전극과,상기 하부 전극상에 형성된 페로일렉트릭 재료 박막과,상기 페로일렉트릭 재료 박막상에 형성된 상부 전극을 포함하는 열형 적외선 검출기.
- 제 8 항에 있어서, 상기 광 수신부는 상기 상부 전극을 덮도록 형성된 보호성 절연막을 추가로 포함하는 열형 적외선 검출기.
- 각 화상 소자가 모든 화상 소자에 대하여 기판내에 형성된 회로와, 적외선을 저항 변화 또는 충전량 변화로 변환하는 광 수신부와, 상기 광 수신부와 상기 기판 사이에 간격을 형성하도록 상기 기판으로부터 상기 광 수신부를 기계적으로 지지하면서 상기 광 수신부를 상기 회로에 대하여 전기적으로 접속하는 빔을 포함하고, 상기 회로가 상기 저항 변화 또는 상기 충전량 변화로부터 전압 신호를 형성하는 형식의 복수개의 화상 소자를 포함하는 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기에 있어서,상기 각 빔은 Ti 합금으로 형성되어 상기 광 수신부를 상기 회로에 접속하는 배선막과,상기 배선막을 둘러싸는 보호성 절연막을 포함하고,상기 전압 신호를 상기 회로로 전달하기 위한 신호선과, 접지선은 상기 기판내에 형성되는 열형 적외선 검출기.
- 제 10 항에 있어서, 상기 Ti 합금은 TiAl6V4인 열형 적외선 검출기.
- 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 광 수신부는 접점 패드를 경유하여 상기 회로에 접속되고,상기 복수개의 제 1 화상 소자를 위한 접점 패드와, 상기 제 1 화상 소자로부터 대각선 방향에 배치된 복수개의 제 2 화상 소자를 위한 접점 패드는 구조적으로 단일화되고, 전기적으로 절연되어 있는 열형 적외선 검출기.
- 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 광 수신부를 통과한 적외선을 상기 광 수신부를 향해 완전히 반사하도록 상기 기판상에 형성된 반사막을 추가로 포함하는 열형 적외선 검출기.
- 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 변환막은 볼로메터 재료막을 포함하는 열형 적외선 검출기.
- 제 14 항에 있어서, 상기 광 수신부는 상기 볼로메터 재료막을 덮도록 형성된 보호성 절연막을 추가로 포함하는 열형 적외선 검출기.
- 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 광 수신부는 하부 전극과,상기 하부 전극상에 형성된 페로일렉트릭 재료 박막과,상기 페로일렉트릭 재료 박막상에 형성된 상부 전극을 포함하는 열형 적외선 검출기.
- 제 16 항에 있어서, 상기 광 수신부는 상기 상부 전극을 덮도록 형성된 보호성 절연막을 추가로 포함하는 열형 적외선 검출기.
- 각 화상 소자가 모든 화상 소자에 대하여 기판내에 형성된 회로와, 적외선을 저항 변화 또는 충전량 변화로 변환하는 광 수신부와, 상기 광 수신부와 상기 기판 사이에 간격을 형성하도록 상기 기판으로부터 상기 광 수신부를 기계적으로 지지하면서 상기 광 수신부를 접점 패드를 경유하여 상기 회로에 대하여 전기적으로 접속하는 빔을 포함하고, 상기 회로가 상기 저항 변화 또는 상기 충전량 변화로부터 전압 신호를 형성하는 형식의 복수개의 화상 소자를 포함하는 열 분리 구조를 구비한 열형 적외선 검출기에 있어서,상기 각 빔은 Ti 합금으로 형성되어 상기 광 수신부를 상기 회로에 접속하는 배선막과,상기 배선막을 둘러싸는 보호성 절연막을 포함하고,상기 복수개의 제 1 화상 소자를 위한 접점 패드와, 상기 제 1 화상 소자로부터 대각선 방향에 배치된 복수개의 제 2 화상 소자를 위한 접점 패드는 구조적으로 단일화되고, 전기적으로 절연되어 있는 열형 적외선 검출기.
- 제 18 항에 있어서, 상기 Ti 합금은 TiAl6V4인 열형 적외선 검출기.
- 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기 전압 신호를 상기 회로로 전달하기 위한 신호선과, 접지선은 상기 기판내에 형성되는 열형 적외선 검출기.
- 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기 광 수신부를 통과한 상기 적외선을 상기 광 수신부를 향해 완전히 반사하도록 상기 기판상에 형성된 반사막을 추가로 포함하는 열형 적외선 검출기.
- 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기 변환막은 볼로메터 재료막을 포함하는 열형 적외선 검출기.
- 제 22 항에 있어서, 상기 광 수신부는 상기 볼로메터 재료막을 덮도록 형성된 보호성 절연막을 추가로 포함하는 열형 적외선 검출기.
- 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기 광 수신부는 하부 전극과,상기 하부 전극상에 형성된 페로일렉트릭 재료 박막과,상기 페로일렉트릭 재료 박막상에 형성된 상부 전극을 포함하는 열형 적외선 검출기.
- 제 24 항에 있어서, 상기 광 수신부는 상기 상부 전극을 덮도록 형성된 보호성 절연막을 추가로 포함하는 열형 적외선 검출기.
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