KR20080113623A - 와이드 스펙트럼 영상 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 영상 소자에 관한 것으로, 적외선을 보다 효과적으로 흡수하기 위해 한 화소에 파장대별로 세분화된 적외선을 수광하는 복수개의 적외선 수광층을 구비하도록 하되, 상기 수광층들은 상하로 적층된 구조를 갖도록 함으로써, 동시에 다양한 스펙트럼의 적외선을 수광함은 물론 적외선 영역의 광전 변환 효율을 향상시키는 와이드 스펙트럼 영상 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 와이드 스펙트럼 영상 소자에 따르면, 적어도 2 개 이상의 마이크로 볼로미터를 단일화된 영상소자로 제작함으로써, 피사체에 대한 두 가지 이상의 적외선과 아울러 가시광선 및 근적외선에 대한 스펙트럼 정보를 기계적, 열적, 광학적 틀어짐이 없이 획득하고, 이를 포토다이오드와 같은 실리콘 기반의 반도체와 조합하여 사용함으로써 보다 다양하고 유용한 정보를 제공하는 효과가 기대된다.
영상 소자, 수광, 적층 구조, 적외선, 침투 깊이, 마이크로 볼로미터.
Description
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자에 대한 제1 및 제2 실시예를 각각 도시한 단면도.
도 3 내지 도 7은 본 발명에 이용되는 초박막 전이 공정도.
도 8 내지 도 18은 제1 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상소자를 제조하는 공정단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
110 : 작업기판 120 : 다층 마이크로 볼로미터층
130 : 단층 마이크로 볼로미터층 140 : 트랜지스터층
151 : 트랜치 152 : BEOL 메탈막
153 : 솔더 범프 160 : 지지기판
본 발명은 영상 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적외선 스펙트럼(Infrared Spectrum)을 보다 효과적으로 검출하기 위해 한 화소에 파장대별로 세 분화된 적외선을 수광하는 복수개의 적외선 수광층을 구비하도록 하되, 상기 수광층들은 상하로 적층된 구조를 갖도록 함으로써, 동시에 다양한 스펙트럼의 적외선을 수광함은 물론 적외선 영역의 광전 변환 효율을 향상시키는 와이드 스펙트럼 영상 소자에 관한 것이다.
일반적으로 영상 소자(image sensor)는 광학적 영상(optical image) 즉, 빛의 변화를 전기적 신호(electrical signal)로 변환시키는 전자 소자로서, 최근에는 모바일 폰, 디지털 스틸 카메라, 개인 휴대형 정보 단말기(PDA: personal digital assistant), 장난감, 게임기, 로봇, 개인용 컴퓨터 카메라, 광 마우스, 사무용 스캐너, 보안 감시 카메라, 야간용 적외선 카메라, 생체인식 및 무선 내시경 등에 널리 이용되고 있다.
한편, 사람이 보는 것과 유사한 영상을 획득하도록 가시광선(400~700nm대역) 영역에서 TV카메라와 같은 일반적으로 알고 있는 카메라를 이용하여 컬러 영상을 구현하는 다양한 방법이 있다.
예를 들어, 컬러필터휠을 회전시키면 적/녹/청색의 영상을 서로 다른 시간에 촬영하여 재조합하거나, 광학적 분광기와 다수의 영상소자(보통은 3개로 적/녹/청색을 구분)를 활용하여 빛을 분광하여 각각의 색을 구분하기도 하며, 비록 색 재현성이 상기의 두가지 경우와 비교하면 완벽하지는 않지만 코닥사의 Bayer박사가 고안한 Bayer 패턴을 이용하여 하나의 영상소자만으로도 컬러를 구현할 수 있다. 최근의 기술로는 빛의 파장에 따라 침투되는 실리콘층의 깊이가 다른 것을 이용하여 색을 분리하기도 한다.
이처럼, RGB각각의 색을 분리 결합하여 컬러 영상을 만들게 되는 것은, RGB 각각의 파장에 따라 바라보는 세상(혹은 물체가)이 다르게 보이기 때문이다. 즉 물체에 따라 외부에서 관찰되는 주파수 특성이 다르다.
이는 가시광선 영역에서만 그런 것이 아니며 다른 주파수 영역에서도 서로 다른 특징을 보유하고 있다.
따라서, 가시광선뿐만 아니라, 자외선, 근적외선, 적외선 등 다양한 주파수 스펙트럼을 갖는 영역으로 관측대역을 확대하면 대상 물체에 대한 보다 다양하고 정확한 정보를 얻을 수 있다. 즉, 컬러의 정의를 단순한 RGB의 조합이 아니라, 서로 다른 주파수 스펙트럼 영역을 포함한 두 개 이상의 스펙트럼 정보의 조합으로 재정의할 수 있다. 이 경우 사람의 눈이 감지하는 것과는 전혀 다른 모습의 결과를 보게도 되지만, 머신비전 등 자동화된 영상 시스템에서는 여전히 매우 유용한 정보를 제공할 수 있다.
일반적으로, 일부 자외선과 가시광선 및 파장길이 1um 이하의 근적외선 영역은 실리콘 기반의 영상소자를 이용하고, 파장길이 1um이상의 적외선 영역의 경우에는 파장에 따라 InSb, MCT등 다양한 영상 소자 기술이 활용되고 있다.
이러한 다양한 기술을 이용하여 다채널 영상을 획득하기 위해서는 서로 다른 영상소자를 이용하여 서로 다른 카메라를 만들어야 한다.
그러나, 둘 이상의 영상 소자나 카메라를 이용하게 되면 최초 제작시 광학적인 정렬의 문제가 심각하게 생기는 것은 물론이며, 그 이후에 외부적인 환경 요인에 의하여 기계적/열적/광학적 틀어짐이 발생하는 문제점이 있으며, 상기한 문제를 보정하는 전자/기계/광학적 시스템을 더 필요로 하므로 비용증가의 문제점이 있다.
상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 하나의 반도체 소자에 여러 층의 수광부를 상하 적층하여 상기 각 수광부가 세분화된 파장대별로 빛을 흡수하도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 광손실은 줄이고 광전 변환 효율을 증가시키는 동시에 자외선, 가시광선 및 근적외선과 아울러 원적외선, 중적외선을 또는 빛의 세분화된 파장대별 스펙트럼을 동시에 한 화소 내에서 검출할 수 있는 와이드 스펙트럼 영상 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 하나의 기판에 다양한 스펙트럼의 광을 감지하는 다층 구조의 수광부(반도체층)을 갖도록 하여 각 층의 수광부가 서로 다른 파장대의 광을 감지하도록 함으로써, 적외선은 물론 자외선 또는 근적외선을 포함하는 가시광선을 검출하는 와이드 스펙트럼 영상소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자는 빛을 흡수하여 열로 변환하는 흡수체와 상기 흡수체의 온도변화로 인해 저항이 변하는 저항체로 이루어진 제1 디텍터와, 상기 제1 디텍터의 하부면과 빈 공간으로 이격된 제1 축적열 소거부, 및 상기 제1 디텍터와 동일한 구성으로 이루어지고 상기 제1 축적열 소거부의 하부면과 빈 공간으로 이격된 제2 디텍터를 포함하여 구성된 마이크로 볼로미터 쌍과 상기 마이크로 볼로미터 쌍의 상,하로 위치하며 실리콘막 및 산화막으로 형성된 2 개의 차폐막으로 구성하되, 상기 마이크로 볼로미터 쌍 및 상기 차폐막이 적어도 1 회 이상 반복적으로 형성되어 다층구조를 가지는 다층 마이크로 볼로미터층; 및 상기 다층 마이크로 볼로미터층에 적층되고 상기 제1 및 제2 디텍터와 전기적으로 연결되어 상기 제1 및 제2 디텍터에 의한 검출신호를 처리하는 트랜지스터층;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자에 있어서, 상기 제1 축적열 소거부와 상기 제1 및 제2 디텍터에 주기적으로 전위차를 인가함으로 인해 형성되는 정전흡인력에 의하여 상기 제1 디텍터 및 상기 제2 디텍터가 상기 제1 축적열 소거부의 상면 및 하면에 각각 맞닿아 접촉되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자에 있어서, 상기 빈 공간은 상기 제1 내지 제4 산화막을 제거하여 형성한 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자는 본 발명의 제1 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자에 있어서, 상기 다층 마이크로 볼로미터층과 빈 공간으로 이격되고 상기 제1 및 제2 디텍터와 동일한 구성으로 형성된 제3 디텍터, 및 상기 제3 디텍터와 빈 공간으로 이격된 제2 축적열 소거부로 구성된 단층 마이크로 볼로미터층;을 더 포함하되, 상기 트랜지스터층이 상기 제3 디텍터와 전기적으로 더 연결되어 상기 제3 디텍터에 의한 검출신호를 더 처리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자에 있어서, 상기 제 1 축적열 소거부와 상기 제1 및 제2 디텍터에 주기적으로 전위차를 인가함으로 인해 형성되는 정전흡인력에 의하여 상기 제1 디텍터 및 상기 제2 디텍터가 상기 제1 축적열 소거부의 상면 및 하면에 각각 맞닿아 접촉되고, 상기 제2 축적열 소거부와 상기 제3 디텍터에 주기적으로 전위차를 인가함으로 인해 형성되는 정전흡인력에 의하여 상기 제3 디텍터가 상기 제2 축적열 소거부에 접촉되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자에 있어서, 상기 빈 공간은 상기 제1 내지 제6 산화막을 제거하여 형성한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자에 있어서, 상기 흡수체는 질화물(Nitride(Si3N4)), 산화물, 또는 유전물 중 하나 이상을 포함한 다층 구조로 파장선택성을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자에 있어서, 상기 저항체는 폭이 협소하며 굴곡 형상인 서펜타인 구조의 단결정 실리콘 박막인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자에 있어서, 상기 차폐막은 실리콘막 및 산화막을 포함하여 형성되어 접지된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자에 있어서, 상기 트랜지스터층은MOS 반도체 구조로 형성하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 MOS 반도체는 벌크 반도체 공정(bulk semiconductor process)을 이용하여 제조되는 트랜지스터로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 MOS 반도체는 유전체로 절연된 BJT 트랜지스터 또는 유전체로 절연된 플립-펫(flip-fet) 트랜지스터 중 어느 하나로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 MOS 반도체는 소스, 드레인, 탑(top) 사이드 게이트, 백(back) 사이드 게이트의 4가지 터미널을 가지는 트랜지스터로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자에 있어서, 상기 다층 마이크로 볼로미터층에 포토 다이오드층을 더 적층하여 자외선, 가시광선, 근적외선, 또는 상기 각 영역의 스펙트럼을 조합하여 더 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자의 제조방법은 핸들 웨이퍼의 상면에 버퍼 산화막, 유전체막을 차례로 형성하여 작업기판을 준비하는 단계와; 상기 작업기판의 최상층인 상기 유전체막 상면에 제1 산화막, 흡수체, 저항체, 제2 산화막, 제1 축적열 소거부, 제3 산화막, 흡수체, 저항체, 및 제4 산화막을 차례로 적층하여 한 쌍의 마이크로 볼로미터를 형성하는 단계를 적어도 1 회 이상 반복하여 다층 마이크로 볼로미터층을 형성하는 단계와; 상기 다층 마이크로 볼로미터층 상면에 SOI 박막층을 형성하는 단계와; 상기 SOI 박막층에 트랜지스터 회로를 형성하는 단계와; 상기 트랜지스터 회로와 상기 저항체를 전기적으로 연결하는 단계; 및 상기 트랜지스터 회로 상위에 범프를 포함하는 금속층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한 다.
상기한 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자의 제조방법은 상기 작업기판을 준비하는 단계와 상기 다층 마이크로 볼로미터층을 형성하는 단계 사이에서 상기 작업기판의 최상층인 상기 유전체막 상면에 제2 축적열 소거부, 제5 산화막, 흡수체, 저항체, 및 제6 산화막을 차례로 적층하여 단층 마이크로 볼로미터층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. 여기서, 후술되는 도면은 본 발명에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자의 단위 화소를 기준으로 도시하였다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자를 각각 도시한 단면도로서, 이해를 돕고자 우측에 열 소거를 위하여 정전흡입력을 이용한 온도 리셋 동작시 그 상태도를 함께 도시하였다. 여기서, 좌측과 우측에 각각 도시된 단면도는 편의상 그 척도가 다르게 도시되었으며, 일부 층의 경계가 생략되었다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자(100)는 다층 마이크로 볼로미터층(120), 및 상기 다층 마이크로 볼로미터층(120)에 적층된 트랜지스터층(140)을 포함하여 구성된다.
상기 제1 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자(100)에 있어서, 상기 다층 마이크로 볼로미터층(120)은 적외선 영역의 일부 파장대의 광을 감지하는 제1 디텍터와, 상기 제1 디텍터의 하부면과 빈 공간으로 이격된 제1 축적열 소거부(Thermal sink 1), 및 상기 제1 축적열 소거부(Thermal sink 1)의 하부면과 빈 공간으로 이격되어 상기 제1 디텍터가 감지하는 파장대와 다른 파장대의 적외선 영역을 감지하는 제2 디텍터로 구성된 마이크로 볼로미터 쌍과 상기 마이크로 볼로미터 상의 상, 하로 위치하는 2 개의 차폐막(Shield 1, Shield 2)으로 구성하되, 상기 마이크로 볼로미터 쌍 및 상기 차폐막이 적어도 1 회 이상 반복적으로 형성된다.
상기 다층 마이크로 볼로미터층(120)의 제1 및 제2 디텍터는 빛을 흡수하여 열로 변환하는 흡수체(Absorber 1, Absorber 2)와 상기 흡수체(Absorber 1, Absorber 2)와 일면이 접합되어 상기 흡수체(Absorber 1, Absorber 2)의 온도변화로 인해 저항이 변화하는 저항체(Resister 1, Resister 2)으로 이루어진다..
이때, 상기 제1 및 제2 디텍터의 상기 흡수체(Absorber 1, Absorber 2)는 질화물(Nitride(Si3N4)), 산화물, 또는 유전물 중 하나 이상을 포함하는 다층구조로서 파장선택성을 갖고, 각각에 대응되는 저항체((Resister 1, Resister 2)에 비해 상기 마이크로 볼로미터층의 광 입사면과 더 가까이 위치하여 그에 따른 수광효율을 향상시킨다.
또한, 상기 제1 및 제2 디텍터의 상기 저항체(Resister 1, Resister 2)는 폭이 협소하고 굴곡 형상인 서펜타인(serpentine) 구조의 단결정 실리콘 박막으로서, 상기 흡수체(Absorber 1, Absorber 2)로부터 전달받은 열에 의한 전기적 특성(이 경우에는 저항)의 변화율을 향상시킨다.
상기 다층 마이크로 볼로미터층(120)의 상기 빈 공간은 상기 제1 내지 제4 산화막이 제거됨으로 인해 형성된다.
상기 다층 마이크로 볼로미터층(120)의 상기 제1 축적열 소거부(Thermal sink 1)는 실리콘막 및 산화막을 포함하여 구성된 것으로, 상기 제1 축적열 소거부(Thermal sink 1)와 상기 제1 및 제2 디텍터에 주기적으로 전위차를 인가함으로 인해 형성되는 정전흡인력에 의하여 상기 제1 축적열 소거부(Thermal sink 1)의 상면에 상기 제1 디텍터가 접촉되고, 상기 제1 축적열 소거부(Thermal sink 1)의 하면에 상기 제2 디텍터가 접촉되어 있는 동안에 상기 제1 및 제2 디텍터의 열이 상기 제1 축적열 소거부(Thermal sink 1)로 전달된다.
상기한 바와 같이 상기 제1 축적열 소거부(Thermal sink 1)의 상면 및 하면에 상기 제1 및 제2 디텍터가 각각 접촉되는 동안을 온도 리셋 기간이라 명칭하며, 그에 따른 상기 온도 리셋 기간의 상태는 도 1의 우측에 도시된 바와 같다.
상기 다층 마이크로 볼로미터층(120)의 차폐막(Shield 1, Shield 2)은 상기 제1 축적열 소거부(Thermal sink 1)와 마찬가지로 실리콘막 및 산화막을 포함하여 구성된다.
상기 제1 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자(100)에 있어서, 상기 트랜지스터층(140)은 상기 다층 마이크로 볼로미터층(120)의 상기 제1 및 제2 디텍터와 전기적으로 연결되어 상기 제1 및 제2 디텍터에 의한 검출신호를 처리하는 부분으로서 MOS 반도체 구조로 형성된다.
여기서, 상기 트랜지스터층(140)은 상기 제1 및 제2 디텍터에 각각 대응되는 단위 화소 회로를 포함하며, 그에 따른 기술은 통상의 기술이므로 설명에서 생략한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자(101)는 다층 마이크로 볼로미터층(120)과, 상기 다층 마이크로 볼로미터층(120)에 적층된 단층 마이크로 볼로미터층(130), 및 상기 다층 마이크로 볼로미터층(120)에 적층된 트랜지스터층(141)을 포함하여 구성된다.
상기 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자(101)에 있어서, 상기 다층 마이크로 볼로미터층(120)은 적외선 영역의 일부 파장대의 광을 감지하는 제1 디텍터와, 상기 제1 디텍터의 하부면과 빈 공간으로 이격된 제1 축적열 소거부(Thermal sink 1), 및 상기 제1 축적열 소거부(Thermal sink 1)의 하부면과 빈 공간으로 이격되어 상기 제1 디텍터가 감지하는 파장대와는 다른 적외선 영역을 감지하는 제2 디텍터로 구성되어 상, 하로 형성된 2 개의 차폐막(Shield 1, Shield 2) 사이에 위치하는 한 쌍의 마이크로 볼로미터가 적어도 1 회 이상 반복적으로 형성된다. 여기서는, 설명의 편의상 상기 한 쌍의 마이크로 볼로미터를 1 회 형성한 것을 도시하였다.
상기 다층 마이크로 볼로미터층(120)의 상기 제1 및 제2 디텍터는 상기 제1 실시예의 와이드 스펙트럼 영상소자(100)에서와 동일한 구성을 가지므로 반복하여 설명하지 않기로 한다.
또한, 상기 다층 마이크로 볼로미터층(120)의 빈 공간, 상기 제1 축적열 소 거부(Thermal sink 1), 및 상기 차폐막(Shield 1, Shield 2)에 대한 설명은 도 1에서와 동일하므로 이하 설명에서 생략한다.
상기 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자(101)에 있어서, 상기 단층 마이크로 볼로미터층(130)은 제3 디텍터, 및 상기 제3 디텍터와 빈 공간을 이격된 제2 축적열 소거부(Thermal sink 2)를 포함하여 형성된다.
상기 단층 마이크로 볼로미터층(130)의 제3 디텍터는 상기 제1 및 제2 디텍터와 동일한 구성으로 형성된다.
상기 단층 마이크로 볼로미터층(130)의 제2 축적열 소거부(Thermal sink 2)는 실리콘막 및 산화막을 포함하여 구성된 것으로, 상기 제2 축적열 소거부(Thermal sink 2)와 상기 제3 디텍터에 주기적으로 전위차를 인가함으로 인해 형성되는 정전흡인력에 의하여 상기 제2 축적열 소거부(Thermal sink 2)에 상기 제3 디텍터가 접촉되어 있는 동안에 상기 제3 디텍터의 열이 상기 제2 축적열 소거부(Thermal sink 2)로 전달된다.
상기한 바와 같이 상기 제2 축적열 소거부(Thermal sink 2)에 상기 제3 디텍터가 접촉되는 동안을 온도 리셋 기간이라 명칭하며, 상기 제1 축적열 소거부(Thermal sink 2)에 상기 제1 및 제2 디텍터가 접촉되는 온도 리셋 기간과 동기화되며, 그에 따른 상기 제1 내지 제3 디텍터의 온도 리셋 기간의 상태는 도 2의 우측에 도시된 바와 같다.
상기 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자(101)에 있어서, 상기 트랜지스터층(141)은 상기 다층 마이크로 볼로미터층(120)의 제1 및 제2 디텍터, 및 상기 단층 마이크로 볼로미터층(130)의 제3 디텍터와 전기적으로 연결되어 상기 제1 내지 제3 디텍터에 의한 검출신호를 처리한다.
여기서, 상기 트랜지스터층(140)는 상기 제1 내지 제3 디텍터에 각각 대응되는 단위 화소 회로를 포함하며, 그에 따른 기술은 통상의 기술이므로 설명에서 생략한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 제1 내지 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자(100, 101)에 따르면 상기 제1 내지 상기 제3 디텍터를 통해 파장대별로 상이한 침투 깊이를 반영하여 적외선 영역을 보다 세분화하여 검출할 수 있고, 외부의 기계적인 초퍼를 제거하더라도 효율적으로 온도를 리셋시켜 상기 제1 내지 제3 디텍터의 오동작을 줄일 뿐만 아니라 그에 따른 감도와 응답성을 높이는 효과가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자의 주요 제조공정을 보다 구체적으로 설명하기에 앞서, 본 발명의 제조방법에서 이용되는 상기 초박막 전이공정을 도 3 내지 도 7를 참조하여 간략히 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 왼쪽에 핸들웨이퍼(1)가 마련되고, 오른쪽에 도너 웨이퍼(2)가 마련된다. 도너 웨이퍼(2)에는 도 4에 도시된 바와 같이, 특정한 깊이로 수소 임플란팅 공정이 진행된다. 수소 임플란팅은 그 깊이에서의 결합력을 약화시킨다. 특히 실리콘 내에서의 수소 농도가 고체 용해도를 한번 넘어서면 웨이퍼 절단과정에서 과량의 수소가 분리 센터의 역할을 하게 된다. 그리고 나서 도 5에 도시된 바와 같이, 도너 웨이퍼(2)를 핸들 웨이퍼(1) 위에 덮는다. 이때 임플란팅 된 면이 핸들 웨이퍼(1)와 접촉하도록 한다. 그리고 두 웨이퍼를 도 6에 도시된 바와 같이, 접합시킨다. 도시되지는 않았지만 본딩 과정은 플라즈마를 이용하여 촉진된다. 두 웨이퍼가 접촉되면 도너 웨이퍼를 누른다. 웨이퍼의 본딩 과정이 완료되면 공유 결합력의 80 %에 해당되는 강력한 결합력이 양 웨이퍼 사이에 형성된다.
두 웨이퍼의 본딩 과정이 완료되면 결합된 웨이퍼들은 열처리 과정을 거친다. 그러면 실리콘 내의 수소가 모이게 되고 결정 평면을 따라 상기 도너 웨이퍼(2)가 절단되면서 도 7에 도시된 바와 같이, 두 부분(2a, 2b)으로 분리된다. 분리가 완료된 도너 웨이퍼(2b)는 폴리싱 과정, 실리콘 옥사이드 층 형성 과정, 세정 공정 등을 거쳐서 다시 한번 사용될 수 있다.
여기서는 초막박 전이공정에서 수소를 임플란팅하여 박막 전이하는 스마트 컷(Smartcut)공정을 예로 하였으나, 박막 전이방법으로 도너 웨이퍼에 Si층과 SiGe 층을 형성하여 박막 전이를 하는 SiGen사의 나노-클리브(nano-cleave)기술도 본 발명의 박막 전이 과정에 채용될 수 있다. 이 경우 산화막 형성과 수소 임플란트 공정 대신 Si-EPI 증착 방식으로 박막을 형성하여 Si층만이 상온 접합 전이가 이루어진다. 이때, 수소 임플란트 방식에서의 산화막 형성 과정을 작업기판에 미리 만들어 놓을 수 있다. SIMOX 등의 저가형 SOI 공정을 감지소자 구현을 위하여 활용하면 저가의 소자를 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 수소를 임플란트하여 박막 전이 하는 방식을 실시예로 설명한다.
지금부터, 상기한 초박막 전이 기술을 이용하여 본 발명의 와이드 스펙트럼 영상 소자의 제조방법에 대해 설명한다. 여기서는, 도 1에 도시된 상기 제1 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자(100)를 기준으로 설명하기로 한다.
도 8 내지 도 18은 본 발명의 제1 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자를 제조하는 공정단면도로서, 상세설명과 더불어 앞서 설명되지 않은 본 발명의 특징 또는 앞서 설명된 본 발명의 특징들이 더욱 자세히 설명될 것이다.
먼저 도 8과 같이 실리콘 웨이퍼를 핸들 웨이퍼(Handle Wafer)로 준비하고, 도 9와 같이 상기 핸들 웨이퍼 상면에 두꺼운 버퍼 산화막(Buffer Oxide), 질화막(Nitride), 및 ONO 다층 유전체막(AR)을 차례로 형성하여 작업기판(110)을 마련한다.
이때, 상기 작업기판(110)의 두께는 500 ㎛ 내지 1000 ㎛가 되도록 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 750 ㎛ 로 한다. 또한, 상기 유전체막(AR)의 두께는 500 nm 내지 1500 nm가 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 버퍼 산화막(Buffer Oxide)과 질화막(Nitride)은 상기 핸들 웨이퍼의(Handle Wafer) 상위에 상기 핸들웨이퍼(Handle Wafer)와 후속 공정에서 전이되는 박막 사이에서 버퍼층 역할을 하는 것으로서, 상기 버퍼 산화막(Buffer Oxide)은 박막 전이에 의한 스트레스를 제거한다.
상기 유전체막(AR)은 빛이 조사되는 부분인 입사면에서 반사광량을 현저하게 줄이는 것으로, 상기 유전체막(AR)의 두께는 500 nm 내지 1500 nm로 하는 것이 바람직하다.
그리고 나서, 도 10과 같이, 상기 작업기판(110)의 최상층인 상기 유전체 막(AR) 상면에 실리콘막 및 산화막을 차례로 적층하여 차폐막(Shield 1)을 형성하고, 상기 차폐막(Shield 1) 상면에 제1 산화막(Oxide 1), 흡수체(Absorber 1), 저항체(Resistor 1), 및 제2 산화막(Oxide 2)을 차례로 형성하고, 도 11과 같이 상기 제1 및 제2 산화막(Oxide 1, Oxide 2) 일부를 에칭하여, 상기 흡수체(Absorber 1) 및 저항체(Resitor 1)로 이루어진 제1 디텍터의 양면에 빈 공간을 형성한다.
이어서, 도 12와 같이 상기 제2 산화막(Oxide 2) 및 상기 빈 공간 상위에 실리콘막 및 산화막을 차례로 적층하여 제1 축적열 소거부(Thermal sink 1)를 형성하고, 상기 제1 축적열 소거부(Thermal sink 1) 상면에 제3 산화막(Oxide 3), 흡수체(Absorber 2), 저항체(Resistor 2), 및 제4 산화막(Oxide 4)을 차례로 적층하고, 도 13과 같이 상기 제3 및 제4 산화막(Oxide 3, Oxide 4) 일부를 에칭하여 상기 흡수체(Absorber 2) 및 저항체(Resistor 2)로 이루어진 제2 디텍터의 양면에 빈 공간을 형성한다.
상기 흡수체(Absorber 1, Absorber 2)는 광자 에너지를 열로 변환하는 것으로, SiO2, Si3N4와 같은 CMOS 공정 친화적인 다양한 물질들이 사용될 수 있다. 설명의 편의상 상기 흡수체(Absorber 1, Absorber 2)는 통상적으로 사용되는 질화물(Nitride(Si3N4))이 사용된다.
상기 저항체(Resistor 1, Resistor 2)는 박막 전이에 의하여 형성된 단결정 실리콘막으로서, 저항을 높이기 위하여 서펜타인 구조로 형성되는 바, 상기 저항체(Resister 1 및 Resister 2)의 상기 서펜타인 구조의 폭이 아주 협소하기 때문 에, 상기 빈 공간의 형성 시에 단결정 실리콘인 상기 저항체(Resister 1 및 Resister 2)의 바로 아래 산화막(Oxide 1, Oxide 3)이 용이하게 에칭된다.
아울러, 도 14와 같이 상기 제4 산화막(Oxide 4) 및 상기 제4 산화막(Oxside 4)이 제거됨으로 인해 형성된 상기 빈 공간 상위에 실리콘막 및 산화막을 차례로 적층하여 차폐막(Shield 2)을 형성한다.
상기 차폐막(Shield 1, Shield 2)은 상기 마이크로 볼로미터 쌍을 후술되는 단계에 의해 상기 마이크로 볼로미터 쌍에 이웃하게 되는 다른 층과의 분리하여 서로에 대해 미치는 영향을 최소화한다.
이로써, 도 10 내지 도 14에 걸쳐 설명된 공정에 따라 한 쌍의 마이크로 볼로미터로 이루어진 다층 마이크로 볼로미터층(120)이 만들어 진다. 상기한 마이크로 볼로미터 쌍을 형성하는 공정은 적어도 1 회 이상 반복되어 복수 층을 이룰 수 있으나, 여기서는 설명의 편의상 1 회만 수행한 것으로 한다. 한편, 상기한 마이크로 볼로미터 쌍을 2 회 이상 반복적을 형성할 경우 차폐막이 두 번 연속하여 2 단으로 적층되므로 그 중 하나의 차폐막을 형성하는 단계는 생략할 수 있다.
다음으로, 도 15와 같이 박막 전이를 통하여 상기 다층 마이크로 볼로미터층(120) 상면에 단결정 실리콘 박막인 트랜지스터층(140)를 위한 SOI(Silicon On Insulator) 박막을 형성한다. 여기서는 높은 품질의 게이트 산화막(gate oxide)과 좋은 트랜지스터를 얻기 위하여 실리콘의 순도를 높이는데 특별한 주의가 요구된다.
상기와 같은 트랜지스터가 형성된 완벽한 웨이퍼를 만들고, 적층되어 있는 상기 다층 마이크로 볼로미터층(120)의 상기 저항체(Resistor 1, Resistor 2)와 콘택시킴과 아울러 화소간 분리공정을 거쳐 하나의 화소를 만든다. 여기서는 상기 마이크로 볼로미터와 트랜지스터의 연결과 화소간 분리공정 등의 설명은 통상의 기술이므로 생략한다.
이어서, 도 16과 같이 픽셀 영역 또는 칩의 영역을 확정하기 위한 수직 트랜치(151)를 형성하고, 상위에 ILD, Metal 및 BEOL이 적층된 막(152, 이하 '메탈막'이라 통칭함) 및 솔더 범프(153)가 형성된다. 그리고 나서 웨이퍼 크기의 패키징을 위해 솔더 범프(153)를 구현한다.
여기서, 상기 트랜치(151)에는 산화막을 적층하여 절연시키며, 풀 픽셀 데피니션(Full Pixel Definition), 패터닝(Patterning) 및 에칭(Etching)을 한 후, 화소 주변의 산화막들을 제거하여 흡수체(Absorber) 및 저항체(Bolometer)를 분리한다.
또한, 상기 메탈막(152)은 필요에 따라 다층 구조로 만들어 질 수도 있다.
다음으로 도 17과 같이, 도 16의 작업이 완료된 결과물을 뒤집어서 지지기판(160)에 접합시킨다.
상기 지지기판(160)은 접합면에 유전체막과 패터닝된 금속막을 포함한다. 상기 지지기판(160)을 뒤집어서 패터닝된 금속막을 상기 솔더 범프(153)와 접합시키는데, 상기 솔더 범프(153)의 리플로우 공정을 거쳐 상기 솔더 범프(153)를 포함하는 반도체 웨이퍼와 상기 지지기판(160)이 결합된다.
이때, 상기 솔더범프(153)가 있는 공간을 실리콘 절단시 칩핑 등으로부터 보 호하기 위하여 실링을 한다.
그리고 나서, 도 18과 같이 CMP 및 화학적 에칭 공정을 이용하여 상기 유전체막(AR)을 제외한 상기 작업기판(110)의 일부(Buffer Oxide, Nitride)를 제거한다. 이때, 상기 질화막(Nitride)이 정지층(stop layer)으로 기능하여 상기 핸들 웨이퍼(110) 및 상기 버퍼 산화막(Buffer Oxide)이 제거되고, 마지막으로 상기 질화막(Nitride)이 제거된다.
상기 작업기판(110)의 일부(Oxide 1, Nitride)를 제거하는 이유는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자가 후방 조사형 구조를 가짐으로 인해, 상기 핸들 웨이퍼(Handle Wafer)로서 두꺼운 실리콘 웨이퍼를 사용하면 빛이 상기 핸들 웨이퍼를 투과하지 못하기 때문이다.
한편, 상기 작업기판(110)의 일부(Oxide 1, Nitride)를 제거하는 공정은 생략할 수 도 있다.
상기 핸들 웨이퍼(Handel Wafer)로서 유리나 수정기판을 사용하는 경우, 상기와 거의 유사한 공정을 거쳐 상기 마이크로 볼로미터가 상하 적층된 와이드 스펙트럼 영상 소자를 구현할 수 있다. 이 경우에는 핸들 웨이퍼 또는 질화막을 형성할 필요가 없다.
칩 분리공정은 먼저 하나의 톱 또는 2개의 톱(통상적으로 레이저 커터 이용시 수직 트랜치를 별도로 형성하지 않고서도 가능하다)을 이용하여 산화물 트랜치를 제거한다. 이어서 다른 톱을 이용하여 본드 쉘프(bond shelf)를 형성하기 위하여 다이(die)를 자른다. 이어서 하나의 다이는 반도체 산업에서 일반적으로 사용하 는 기술을 이용하여 마운트(mount)된다.
다음으로 도 2에 도시된 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자를 제조하는 방법을 개략적으로 설명한다.
제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자를 제조하는 방법은 도 8 내지 도 18에 걸쳐 설명된 본 발명의 제1 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자의 제조방법에 있어서, 도 9의 작업기판을 준비하는 단계와 도 10 내지 도 14의 다층 마이크로 볼로미터층을 형성하는 단계 사이에서 상기 작업기판의 최상층인 상기 유전체막 상면에 단층 마이크로 볼로미터층을 더 형성한다.
상기한 단층 마이크로 볼로미터층을 형성하는 단계는 상기 작업기판의 최상층인 유전체막 상면에 실리콘막 및 산화막이 차폐로 적층하여 제2 축적열 소거부를 형성하고, 상기 제2 축적열 소거부 상면에 제5 산화막, 흡수체, 저항체, 및 제6 산화막을 차례로 적층한 후, 상기 제5 및 제6 산화막의 일부를 에칭하여 빈 공간을 형성한다. 아울러 상기 제6 산화막 및 빈 공간의 상위로 도 10 내지 도 18에 도시된 바와 같은 공정을 수행함으로써, 도 2의 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자를 완성한다.
한편, 상기 다층 마이크로 볼로미터층을 형성하는 단계와 상기 SOI 박막층을 형성하는 단계 사이에서 상기 다층 마이크로 볼로미터층 상면에 제5 산화막, 흡수체, 저항체, 제6 산화막, 및 제2 축적열 소거부를 차례로 적층하여 단층 마이크로 볼로미터층을 더 형성하는 것도 가능하다.
아울러, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 와이드 스펙트럼 영상소자를 제작함에 있어, 상기 유전체막(AR)과 상기 다층 마이크로 볼로미터층(120) 사이에 포토 다이오드층을 더 형성하여 자외선, 가시광선, 근자외선 또는 상기 각 영역의 스펙트럼을 조합하여 더 검출하도록 만들 수도 있다. 이때, 상기 포토 다이오드층이 복수층으로 구성될 수 있음은 물론이다.
본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 게시하였으며, 비록 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 독자의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 게시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 나타난다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 와이드 스펙트럼 영상 소자 및 그 제조방법은 하나의 반도체 소자의 각 단일 화소에 주기적인 온도 리셋 구조를 갖는 마이크로 볼로미터를 복층 구조로 형성함으로써, 상기 각 마이크로 볼로미터의 응답을 정확히 동기화하여 파장이 다른 두 가지 이상의 적외선과 아울러 가시광선 및 근자외선에 대한 스펙트럼 정보를 기계적/열적/광학적 틀어짐이 없이 획득하고, 이를 조합하여 재정의 할 수 있어 보다 다양하고 유용한 정보를 제공하는 효과가 있다.
Claims (16)
- 빛을 흡수하여 열로 변환하는 흡수체와 상기 흡수체의 온도변화로 인해 저항이 변하는 저항체로 이루어진 제1 디텍터와, 상기 제1 디텍터의 하부면과 빈 공간으로 이격된 제1 축적열 소거부, 및 상기 제1 디텍터와 동일한 구성으로 이루어지고 상기 제1 축적열 소거부의 하부면과 빈 공간으로 이격된 제2 디텍터를 포함하여 구성된 마이크로 볼로미터 쌍과 상기 마이크로 볼로미터 쌍의 상,하로 위치하며 실리콘막 및 산화막으로 형성된 2 개의 차폐막으로 구성하되, 상기 마이크로 볼로미터 쌍 및 상기 차폐막이 적어도 1 회 이상 반복적으로 형성되어 다층구조를 가지는 다층 마이크로 볼로미터층; 및상기 다층 마이크로 볼로미터층에 적층되고 상기 제1 및 제2 디텍터와 전기적으로 연결되어 상기 제1 및 제2 디텍터에 의한 검출신호를 처리하는 트랜지스터층;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 와이드 스펙트럼 영상 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 제1 축적열 소거부와 상기 제1 및 제2 디텍터에 주기적으로 전위차를 인가함으로 인해 형성되는 정전흡인력에 의하여 상기 제1 디텍터 및 상기 제2 디텍터가 상기 제1 축적열 소거부의 상면 및 하면에 각각 맞닿아 접촉되는 것을 특징으로 하는 와이드 스펙트럼 영상 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 빈 공간은 상기 제1 내지 제4 산화막을 제거하여 형성한 것을 특징으로 하는 와이드 스펙트럼 영상 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 다층 마이크로 볼로미터층과 빈 공간으로 이격되고 상기 제1 및 제2 디텍터와 동일한 구성으로 형성된 제3 디텍터, 및 상기 제3 디텍터와 빈 공간으로 이격된 제2 축적열 소거부로 구성된 단층 마이크로 볼로미터층;을 더 포함하되,상기 트랜지스터층이 상기 제3 디텍터와 전기적으로 더 연결되어 상기 제3 디텍터에 의한 검출신호를 더 처리하는 것을 특징으로 하는 와이드 스펙트럼 영상 소자.
- 제 4항에 있어서,상기 제1 축적열 소거부와 상기 제1 및 제2 디텍터에 주기적으로 전위차를 인가함으로 인해 형성되는 정전흡인력에 의하여 상기 제1 디텍터 및 상기 제2 디텍터가 상기 제1 축적열 소거부의 상면 및 하면에 각각 맞닿아 접촉되고,상기 제2 축적열 소거부와 상기 제3 디텍터에 주기적으로 전위차를 인가함으로 인해 형성되는 정전흡인력에 의하여 상기 제3 디텍터가 상기 제2 축적열 소거부에 접촉되는 것을 특징으로 하는 와이드 스펙트럼 영상 소자.
- 제 4항에 있어서,상기 빈 공간은 상기 제1 내지 제6 산화막을 제거하여 형성한 것을 특징으로 하는 와이드 스펙트럼 영상 소자.
- 제 1항 또는 제 4항에 있어서,상기 흡수체는 질화물(Nitride(Si3N4)), 산화물, 또는 유전물 중 하나 이상을 포함한 다층 구조로 파장선택성을 갖는 것을 특징으로 하는 와이드 스펙트럼 영상 소자.
- 제 1항 또는 제 4항에 있어서,상기 저항체는 폭이 협소하며 굴곡 형상인 서펜타인 구조의 단결정 실리콘 박막인 것을 특징으로 하는 와이드 스펙트럼 영상 소자.
- 제 1항 또는 제 4항에 있어서,상기 차폐막은 실리콘막 및 산화막을 포함하여 형성되어 접지된 것을 특징으로 하는 와이드 스펙트럼 영상 소자.
- 제 1항 또는 제 4항에 있어서,상기 트랜지스터층은MOS 반도체 구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 와이드 스펙트럼 영상 소자.
- 제 10항에 있어서,상기 MOS 반도체는 벌크 반도체 공정(bulk semiconductor process)을 이용하여 제조되는 트랜지스터로 구성된 것을 특징으로 하는 와이드 스펙트럼 영상 소자.
- 제 10항에 있어서,상기 MOS 반도체는 유전체로 절연된 BJT 트랜지스터 또는 유전체로 절연된 플립-펫(flip-fet) 트랜지스터 중 어느 하나로 구성된 것을 특징으로 하는 하는 와이드 스펙트럼 영상 소자.
- 제 10항에 있어서,상기 MOS 반도체는 소스, 드레인, 탑(top) 사이드 게이트, 백(back) 사이드 게이트의 4가지 터미널을 가지는 트랜지스터로 구성된 것을 특징으로 하는 하는 와이드 스펙트럼 영상 소자.
- 제 1항 또는 제 4항에 있어서,상기 다층 마이크로 볼로미터층에 포토 다이오드층을 더 적층하여 자외선, 가시광선, 근적외선, 또는 상기 각 영역의 스펙트럼을 조합하여 더 검출하는 것을 특징으로 하는 와이드 스펙트럼 영상 소자.
- 핸들 웨이퍼의 상면에 버퍼 산화막, 유전체막을 차례로 형성하여 작업기판을 준비하는 단계와;상기 작업기판의 최상층인 상기 유전체막 상면에 제1 산화막, 흡수체, 저항체, 제2 산화막, 제1 축적열 소거부, 제3 산화막, 흡수체, 저항체, 및 제4 산화막을 차례로 적층하여 한 쌍의 마이크로 볼로미터를 형성하는 단계를 적어도 1 회 이상 반복하여 다층 마이크로 볼로미터층을 형성하는 단계와;상기 다층 마이크로 볼로미터층 상면에 SOI 박막층을 형성하는 단계와;상기 SOI 박막층에 트랜지스터 회로를 형성하는 단계와;상기 트랜지스터 회로와 상기 저항체를 전기적으로 연결하는 단계; 및상기 트랜지스터 회로 상위에 범프를 포함하는 금속층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이드 스펙트럼 영상 소자의 제조방법.
- 제 15항에 있어서,상기 작업기판을 준비하는 단계와 상기 다층 마이크로 볼로미터층을 형성하는 단계 사이에서 상기 작업기판의 최상층인 상기 유전체막 상면에 제2 축적열 소거부, 제5 산화막, 흡수체, 저항체, 및 제6 산화막을 차례로 적층하여 단층 마이크로 볼로미터층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 와이드 스펙트럼 영상 소자의 제조방법.
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