KR20090055766A

KR20090055766A - 볼로미터 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20090055766A
Application number: KR1020070122577A
Authority: KR
Inventors: 양우석; 조성목; 류호준; 전상훈; 유병곤; 최창억
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-06-03
Also published as: KR100925214B1; US20090140148A1

Abstract

본 발명은 잡음 감소 및 온도 감지에 대한 정밀도가 향상된 볼로미터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 결정화도가 높은 단결정 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(Si_1-xGe_x, x=0.2~0.5)으로 저항층을 형성함으로써, 종래의 비정질 실리콘 볼로미터에 비하여 1/f 잡음을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 적외선 센서의 온도 감지에 대한 정밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

볼로미터, 저항체, 단결정, 실리콘, 실리콘 게르마늄

Description

볼로미터 및 그 제조 방법{Bolometer and manufacturing method thereof}

본 발명은 볼로미터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 결정화도가 높은 단결정 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(Si_1-xGe_x, x=0.2~0.5)으로 저항층을 형성함으로써, 잡음이 감소되고 온도 감지에 대한 정밀도가 향상된 볼로미터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-054-02, 과제명: 유비쿼터스용 CMOS 기반 MEMS 복합센서기술개발].

적외선 센서는 크게 액체 질소 온도에서 동작하는 냉각형과 상온에서 동작하는 비냉각형으로 구분된다. 냉각형 적외선 센서는 수은 카드뮴 텔레륨(HgCdTe)과 같은 밴드갭이 작은 반도체 재료가 적외선을 흡수할 때 생성되는 전자-정공 쌍을 광전도체(photoconductors), 광다이오드(photodiodes) 및 광축전기(photocapacitors)를 통해 감지하는 소자이다. 반면, 비냉각형 적외선 센서는 적외선을 흡수할 때 발생하는 열에 의해 전기 전도도 또는 축전량의 변화를 감지하는 소자로, 통상적으로 초전(pyroelectic)형, 열전대(thermopile)형 및 볼로미터(bolometer)형으로 분류된다. 비냉각형은 냉각형보다 적외선을 감지하는 정밀도가 낮은 단점이 있지만, 별도의 냉각장치기 필요하지 않으므로 크기가 작고, 전력의 소모가 적으며, 가격이 낮은 장점이 있어서 응용 범위가 넓다.

비냉각형 적외선 센서 중 현재 가장 많이 사용되는 볼로미터는 적외선의 흡수 시에 발생하는 열에 의해 타이타늄(Ti)과 같은 금속 박막에서의 저항의 증가를 검출하거나 산화바나듐(VO_x), 비정질 실리콘(amorphous Si)과 같은 반도체 박막에서의 저항의 감소를 검출하여 적외선을 감지한다. 볼로미터에서, 저항체 박막(저항층이라고도 함)은 적외선 검출회로가 형성된 기판 위에 일정한 높이로 부양되어 있는 절연체 멤브레인 위에 형성된다. 일정한 높이로 형성하는 이유는 저항체 박막을 기판으로부터 열적으로 차단시켜서 적외선 흡수시에 발생하는 열을 보다 효과적으로 감지하기 위해서이다.

기판 위에 부양된 절연체 멤브레인은 표면 미세가공(surface micromachining) 기술로 제조되는데, 먼저 기판 위에 폴리이미드(polyimide)와 같은 희생층을 코팅하여 패터닝한다. 그 후, 패터닝된 희생층 상에 절연체 박막을 증착한 후, 희생층만을 선택적으로 제거하여 빈 공간(air-gap)을 형성한다. 이 때, 저항체가 형성되는 멤브레인에서 적외선이 최대로 흡수되도록 하기 위해서, 기판 표면에는 알루미늄(Al)과 같은 금속 반사막을 형성하고, 공간의 간격은 λ/4(여기에서 λ는 감지하고자 하는 적외선 파장으로 일반적으로 8~12 ㎛임)로 조절한다.

볼로미터의 구조는 저항체의 종류에 따라 조금씩 달라지는데, 여기서는 비정질 실리콘을 저항체로 사용한 비정질 실리콘 볼로미터에 대해서 설명하기로 한다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 비정질 실리콘 볼로미터를 설명하기 위한 도면이다.

도 1a를 참조하면, 종래의 비정질 실리콘 볼로미터는, 검출회로(미도시)를 포함하는 기판(122)과, 기판(122)으로부터 λ/4(λ:적외선 파장)의 공간을 두고 부양되어 있는 센서 구조체(120)를 포함한다.

상기 센서 구조체(120)의 양끝은 금속 포스트(124)에 의해 기판(122)에 고정된다. 기판(122)의 표면에는 검출회로(미도시)와 전기적으로 연결되는 알루미늄 재질의 금속 패드(128)와 금속 반사막(126)이 배치된다. 센서 구조체(120)는 불순물이 도핑된 비정질 실리콘으로 이루어진 저항층(136)과, 타이타늄(Ti) 또는 니켈크롬(NiCr)과 같은 금속으로 이루어진 흡수층(132)과, 산화실리콘(SiO₂) 또는 질화실리콘(Si₃N₄)으로 이루어진 상부 및 하부 절연막(130, 134)으로 구성된다. 이 때, 흡수층(132)은 하부 절연막(130)과 상부 절연막(134)으로 둘러싸여 보호되어 있다. 저항층(136)의 양끝은 금속 전극(138a, 138b)에 의해 금속 포스트(124), 금속 패드(128) 및 금속 반사막(126)을 통하여 검출회로(미도시)에 연결된다.

도 1b를 참조하면, 상기 센서 구조체(120)는 그 양끝에 연결된 지지팔(support arms, 142)에 의해 금속 탭(144) 및 금속 포스트(124)를 통하여 기판(122)에 고정되는데, 이 때, 지지팔(142)은 센서 구조체(120)로부터 일정한 공 간(146)을 두고 형성되어 센서 구조체(120)에서 기판으로 열이 누설되는 것을 차단한다.

볼로미터의 성능은 센서 구조체(120)의 구조와 저항층(136)의 특성에 의존한다. 구체적으로, 센서 구조체(120)의 구조는 높은 적외선 흡수도, 높은 열 차단도(thermal isolation)와 낮은 열용량(thermal mass)을 가져야 한다. 왜냐하면, 적외선 흡수시 발생하는 열이 기판으로 누설되지 않고, 생성된 열을 빠른 시간 내에 감지하기 위해서이다. 그리고, 저항층(136)은 온도 변화에 따른 저항 변화가 크도록 높은 TCR(Temperature Coefficient of Resistance)를 가져야 하며, 낮은 NETD(Noise Equivalent Temperature Difference)를 갖도록 1/f 잡음(noise)이 작아야 한다. 적외선 센서의 성능의 가장 중요한 성능인 온도 정밀도는 통상적으로 NETD로 나타낸다.

일반적으로 저항층의 1/f 잡음은, 저항층 내에 존재하는 결함(defects)에 의한 전하 트랩핑(carrier trapping)에 의해 발생하므로, 결정화도(crystallinity)가 증가하는 비정질, 다결정, 단결정 박막의 순서로 감소한다.

따라서, 볼로미터 제조시 비정질 실리콘 박막 대신 단결정 실리콘 박막을 사용하면 1/f 잡음을 크게 감소시켜 적외선 센서의 온도 감지에 대한 정밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있다.

그러나, CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 검출회로가 형성된기판 위에 단결정 실리콘 박막을 바로 증착하는 것은 현재기술로는 불가능하다. 따라서, 종래의 볼로미터는 결정화도가 낮은 비정질 또는 다결정 박막만을 사용하여 왔기 때문에 1/f 잡음 감소 및 그에 따른 온도 감지에 대한 정밀도 향상에 한계가 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 결정화도가 높은 단결정 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(Si_1-xGe_x, x=0.2~0.5)으로 저항층을 형성함으로써, 잡음이 감소되고 온도 감지에 대한 정밀도가 향상된 볼로미터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 볼로미터는, 내부에 검출회로를 포함하는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 표면의 일부 영역에 형성된 반사막과, 상기 반사막의 양측에 소정 간격 이격되어 형성된 금속 패드와, 상기 반사막의 표면으로부터 적외선 파장(λ)/4만큼의 공간을 이루며 상기 반도체 기판의 상부에 위치하는 센서 구조체를 포함하며, 상기 센서 구조체는, 불순물이 도핑된 단결정 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(Si_1-xGe_x, x=0.2~0.5)으로 이루어진 저항층을 포함하여 상기 반사막 상부에 위치하는 몸통부와, 상기 몸통부의 바깥 쪽에 상기 금속 패드에 전기적으로 연결되는 지지팔을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 볼로미터 제조 방법은, 내부에 검출회로가 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 반도체 기판 표면의 일부 영역에 반사막을 형성하고, 상기 반사막의 양측에서 소정 간격 이격하여 금속 패드를 형성하는 단계; 상기 반사막과 금속 패드를 포함하는 반도체 기판 의 표면에 보호막을 형성하는 단계; 상기 반사막, 금속 패드 및 보호막이 형성된 상기 반도체 기판의 전면에 적외선 파장(λ)/4 두께의 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층의 상부에 불순물이 도핑된 단결정 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(Si₁ _-xGe_x, x=0.2~0.5)으로 이루어진 저항층을 포함하는 센서 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 희생층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 볼로미터 및 그 제조 방법에 따르면, 결정화도가 높은 단결정 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(Si_1-xGe_x, x=0.2~0.5)으로 저항층을 형성함으로써, 종래의 비정질 실리콘 볼로미터에 비하여 1/f 잡음을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 적외선 센서의 온도 감지에 대한 정밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 실시예 전체에 걸쳐서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장된 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 볼로미터를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 볼로미터는, 검출회로(미도시)를 포함하는 기판(210), 기판(210) 표면의 소정 부분에 형성된 반사막(214), 및 반사막(214)으로부터 λ/4의 공간(220)만큼 이격되어 있는 센서 구조체(230)를 포함한다.

상기 센서 구조체(230)는 적외선의 흡수가 최대가 되도록 반사막(214)으로부터 λ/4의 공간(220)만큼 떨어져 있으며, 여기에서 λ는 감지하고자 하는 적외선 파장으로 일반적으로 8~12 ㎛ 크기의 적외선 파장이다.

상기 기판(210)은 반도체 실리콘으로 이루어질 수 있으며, 기판(210) 내부에 포함된 검출회로는 일반적으로 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)로 구현된다. 그리고, 상기 기판(210) 표면의 반사막(214)의 양측에는 반사막(214)과 일정한 간격만큼 떨어져 금속 패드(212)가 배치된다. 금속 패드(212) 및 반사막(214)은 알루미늄(Al)으로 이루어지는 것이 바람직하며, 이 때, 금속 패드(212)는 기판(210) 내부에 형성된 검출회로와 연결된다.

상기 센서 구조체(230)는 크게 몸통부(body)와 지지팔(arm)로 구분된다. 상기 몸통부는 제1 절연막(232), 저항층(234), 제2 절연막(236), 전극(240), 제3 절연막(242) 및 흡수층(244)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 지지팔은 제1 절연막(232), 저항층(234), 제2 절연막(236), 전극(240) 및 제3 절연막(242)이 적층된 구조를 가지며, 상기 지지팔은 기판(210) 표면에 형성된 금속 패드(212)와 기계적 및 전기적으로 연결된다. 다시 말해, 상기 몸통부는 반사막(214) 상에 공간(220)을 이루면서 배치되며, 상기 지지팔은 반사막(214)의 바깥쪽 영역에 위치한다.

상기 제1, 제2 및 제3 절연막(232, 236, 242)은 산화알루미늄(Al₂O₃)으로 이루어지며, 바람직하게는 각각 50~200nm의 두께를 갖는다.

상기 저항층(234)은 불순물이 도핑된 단결정 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(Si_1-xGe_x, x=0.2~0.5)으로 이루어지며, 바람직하게는 100~150nm의 두께를 갖는다.

상기 전극(240)은 질화타이타늄(TiN) 또는 니켈크롬 합금(NiCr alloy)으로 이루어지며, 바람직하게는 30~70nm의 두께를 갖는다.

상기 흡수층(244)은 질화타이타늄(TiN)으로 이루어지며, 적외선 흡수가 최대화 되도록 바람직하게는 377±200Ω/㎠의 면저항(sheet resistance) 가지면서, 5~10nm의 두께를 갖는다.

홀(224) 주변의 금속 패드(212)와 전극(240)의 사이에는 보조 전극(238)이 위치할 수 있다. 왜냐하면, 얇은 두께의 전극(240)은 깊은 홀에서 스텝 커버리지(step coverage)를 확보하기 어려워 금속 패드(212)와 저항층(234)의 전기적인 연결이 불안정해질 수 있기 때문이다. 보조 전극(238)은 200~400nm 두께의 알루미늄(Al)이 바람직하다.

즉, 본 발명의 볼로미터에는 결정화도가 높은 단결정 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(Si_1-xGe_x, x=0.2~0.5)으로 이루어진 저항층(234)이 포함되어 있으므로, 이에 따라 결정화도가 낮은 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘을 이용하는 종래의 볼로미터에 비하여 1/f 잡음이 크게 감소되어 온도 감지에 대한 정밀도를 향상시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 볼로미터 제조 방법을 나타낸 흐름도이며, 도 4a 내지 도 4j는 본 발명의 볼로미터 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3의 흐름도를 기반으로 도 4a 내지 도 4j의 제조 공정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 4a를 참조하면, 내부에 CMOS 검출회로(미도시)가 포함된 기판(210)을 준비한다(S301). 이어서, 기판(210)의 표면에 반사막(214)과, 반사막(214)의 양측에 일정한 간격 만큼 이격하여 금속 패드(212)를 형성한다(S302).

여기에서, 상기 금속 패드(212)와 반사막(214)은 알루미늄(Al)과 같이 표면 반사도 및 도전성이 우수한 물질로 이루어질 수 있고, 예컨대 증착을 통하여 동시에 형성할 수 있다. 그리고, 상기 금속 패드(212)는 CMOS 검출회로(미도시)와 전기적으로 연결된다.

이어서, 보호막(216)을 형성한다(S303). 여기에서, 상기 보호막(216)은 바람직하게는 산화알루미늄(Al₂O₃)으로 10~50nm의 두께를 갖는다. 상기 보호막(216)은 불소(F)를 포함하는 마이크로웨이브 플라즈마에 식각되지 않기 때문에, 후속공정에서 상기 플라즈마에 노출시 기판(210)이 식각되는 것을 방지하는 동시에, 금속 패드(212)와 반사막(214)의 반사도와 전도성이 저하되지 않도록 한다.

다음으로, 도 4b를 참조하면, 기판(210) 위에 희생층(222)을 형성한다(S304). 여기에서, 상기 희생층(222)은 후속공정에서 제거되는 층으로, 접착력을 갖고 있으며, BCB(Benzocylobutene)로 이루어지는 것이 바람직하다. BCB를 이용하 여 희생층(222)을 형성하는 경우, 먼저 λ/4 에 해당하는 두께(d)를 갖도록 스핀코팅(spin-coating)으로 BCB를 도포한 후, 65 ℃에서 베이크(bake)하여 유기용제(solvent)를 증발시킨다. 여기에서, λ는 적외선 파장으로 8~12㎛ 크기를 갖는다.

다음으로, 도 4c를 참조하면, SOI(Silicon On Insulator) 또는 SGOI(Silicon-Germanium On Insulator) 기판(250)를 준비한다(S305). 상기 SOI 또는 SGOI 기판(250)에는 일반적으로 실리콘 웨이퍼(251) 위에 산화물층(252) 및 저항층(234)으로 구성된 이중층이 형성되어 있다.

여기에서, 상기 산화물층(252)은 열 산화법으로 형성하며 산화실리콘(SiO₂)으로 이루어지고, 100~1000nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 저항층(234)은 불순물이 도핑된 단결정 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(Si_1-xGe_x, x=0.2~0.5)으로 이루어지고, 110~200nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

이어서, 상기 준비된 SOI 또는 SGOI 기판(250)의 표면에 제1 절연막(232)을 형성한다(S306). 여기에서, 상기 제1 절연막(232)은 산화알루미늄(Al₂O₃)으로 100~200nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 4d를 참조하면, 도 4b의 접착력이 있는 희생층(222)이 형성된 기판(210) 위에 도 4c의 제1 절연막(232)이 형성된 SOI 또는 SGOI 기판(250)를 정렬하여 놓고 본딩을 한다(S307). 이 때, 본딩 공정으로는 진공 중에서 기판을 가열하면서 동시에 압력을 가하여 접착하는 열압착 본딩(thermal compression bonding) 을 사용한다. 바람직하게는 10^-4~10^-3 mbar의 진공에서 250~350 ℃로 가열하면서 1.5~2.5 bar의 압력을 가한다. 상기 본딩 이후의 후속공정들은 희생층(222)의 열적 안정성이 확보되도록 350 ℃ 이하에서 진행한다.

즉, 내부에 CMOS 검출회로가 형성된 기판(210) 위에 단결정 실리콘 박막을 바로 증착하는 것은 불가능하기 때문에, 본 발명에서는 상기와 같이 단결정 실리콘 박막(234)을 별도의 SOI 또는 SGOI 기판(250)에 형성한 후, 웨이퍼 본딩을 통하여 상기 CMOS 검출회로가 형성된 기판(210) 위로 옮기는 것이다.

다음으로, 도 4e를 참조하면, 본딩된 SOI 또는 SGOI 기판(250)의 실리콘 웨이퍼(251)와 산화물층(252)을 제거하여 기판(210) 위에 제1 절연막(232)과 저항층(234)이 남아 있도록 한다(S308). 이 때, SOI 또는 SGOI 기판(250)의 실리콘 웨이퍼(251) 및 산화물층(252)의 제거 공정으로는 기판을 회전시키면서 에칭 용액을 도포하면서 식각하는 스프레이 에칭(spray etching)을 사용한다. 이러한 스프레이 에칭 공정을 사용함으로써 에칭 용액에 기판을 담궈 식각하는 통상적인 딥 에칭(dip etching)에 의해 기판(210)에 포함된 CMOS 검출회로가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 바람직하게는 실리콘 웨이퍼(251)의 식각용 에칭 용액으로는 수산화칼륨(KOH) 또는 TMAH(Tetra-Methyl Ammonium Hydroxide) 수용액을 사용하며, 산화물층(252)의 식각용 에칭 용액으로는 불산(HF) 수용액을 사용한다.

다음으로, 도 4f를 참조하면, 저항층(234), 제1 절연막(232), 희생층(222) 및 보호막(216)을 차례로 식각하여 금속 패드(212)를 노출시키는 홀(224)을 형성한 다(S309). 이 때, 식각 공정으로는 3단계 RIE(Reactive Ion Etching)를 사용한다. RIE 공정의 1단계에서는 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(Si_1-xGe_x, x=0.2~0.5) 재료의 저항층(234)과 산화알루미늄(Al₂O₃) 재료의 제1 절연막(232)을 식각하기 위하여 CF₄ 또는 SF₆와 같이 불소(F)를 함유한 에칭 가스를 사용하며, 2단계에서는 BCB 재료의 희생층(222)을 식각하기 위하여 불소를 함유한 가스와 산소(O₂)가 혼합된 에칭 가스를 사용하며, 3단계에서는 산화알루미늄(Al₂O₃) 재료의 보호막(216)을 식각하기 위하여 불소(F)를 함유한 에칭 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 2-3단계 RIE 공정시 저항층(234)의 표면 일부가 동시에 식각되어 최종적인 저항층(234)의 두께는 100~150 nm가 된다.

다음으로, 도 4g를 참조하면, 홀(224)이 형성된 상태에서 제2 절연막(236)을 형성한다(S310). 여기에서, 상기 제2 절연막(232)은 산화알루미늄(Al₂O₃)으로 50~100nm의 두께를 갖는다.

이어서, 금속 패드(212) 및 저항층(234)의 일부가 노출되도록 상기 제2 절연막(236)의 일부를 식각한다(S311). 여기에서, 상기 식각된 부분에는 후술하는 공정에 의해 보조 전극(238) 및 전극(240)이 형성된다.

다음으로, 도 4h를 참조하면, 홀(224) 주변의 금속 패드(212)의 상부에 보조 전극(238)을 형성한 후, 보조 전극(238) 및 제2 절연막(236) 상부에 전극(240)을 형성한다(S312). 바람직하게, 상기 보조 전극(238)은 알루미늄(Al)으로 200~400nm 의 두께를 가지며, 상기 전극(240)은 질화타이타늄(TiN) 또는 니켈크롬 합금(NiCr alloy)으로 30~70nm의 두께를 가진다.

이어서, 노출된 금속 패드(212)와 저항층(234)이 연결되도록 전극(240)을 식각한다(S313). 이로 인해, 전극(240) 사이의 저항층(234) 상부에는 제2 절연막(236)이 위치한다.

다음으로, 도 4i를 참조하면, 전극(240) 사이의 제2 절연막(236) 상부에 통상의 방법을 이용하여 제3 절연막(242)로 둘러싸인 흡수층(244)을 형성한다(S314). 이 때, 상기 흡수층(244)은 센서 구조체(230)의 몸통부에만 남도록 식각되며, 제3 절연막(242)에 의해 전극(240)과 전기적으로 절연된다. 바람직하게 상기 제3 절연막(242)은 산화알루미늄(Al₂O₃)으로 100~150nm의 두께를 가지며, 상기 흡수층(244)은 질화타이타늄(TiN)으로 377±200Ω/㎠의 면저항(sheet resistance) 가지면서, 5~10nm의 두께를갖는다.

다음으로, 도 4j를 참조하면, 센서 구조체(230)의 몸통부 및 지지팔 영역이 남도록 제3 절연막(242), 제2 절연막(236), 저항층(234) 및 제1 절연막(232)를 차례로 식각한다(S315).

이어서, 희생층(222)을 불소(F)를 함유한 가스와 산소(O₂)가 혼합된 에칭 가스를 사용하는 마이크로웨이브 플라즈마 연소(microwave plasma ashing)법으로 완전히 제거한다(S316). 이 때, 희생층(222)이 제거되면서 상기 플라즈마에 노출되는 표면은 산화알루미늄(Al₂O₃) 재료의 보호막(216) 및 제1, 제2, 제3 절연막(232, 236, 242)에 의해 불필요한 식각 및 반응으로부터 보호된다. 이에 따라, 반사막(214)과 센서 구조체(230) 사이에는 희생층(222)의 두께(d)에 해당하는 공간(220)이 형성된다.

따라서, 이와 같은 공정을 거쳐 제조된 본 발명의 볼로미터에는, 결정화도가 높은 단결정 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(Si₁ _- _xGe_x, x=0.2~0.5)으로 이루어진 저항층(234)이 포함되어 있으므로, 이에 따라 결정화도가 낮은 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘을 이용하는 종래의 볼로미터에 비하여 1/f 잡음이 크게 감소되어 온도 감지에 대한 정밀도를 향상시킬 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 3은 본 발명의 볼로미터 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 4a 내지 도 4j는 본 발명의 볼로미터 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

210: 기판 212: 금속 패드

214: 반사막 220: 빈 공간(air-gap)

222: 희생층 230: 센서 구조체

232: 제1 절연막 234: 저항층

236: 제2 절연막 242: 제3 절연막

244: 흡수층 238: 보조 전극

240: 전극

Claims

내부에 검출회로를 포함하는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 표면의 일부 영역에 형성된 반사막과, 상기 반사막의 양측에 소정 간격 이격되어 형성된 금속 패드와, 상기 반사막의 표면으로부터 적외선 파장(λ)/4만큼의 공간을 이루며 상기 반도체 기판의 상부에 위치하는 센서 구조체를 포함하며,

상기 센서 구조체는,

불순물이 도핑된 단결정 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(Si₁ _- _xGe_x, x=0.2~0.5)으로 이루어진 저항층을 포함하여 상기 반사막 상부에 위치하는 몸통부와,

상기 몸통부의 바깥 쪽에 상기 금속 패드에 전기적으로 연결되는 지지팔을 포함하는 것을 특징으로 하는 볼로미터.
제 1항에 있어서,

상기 몸통부는 제1 절연막, 상기 저항층, 제2 절연막, 전극, 흡수층 및 제3 절연막이 순차적으로 적층된 구조이며, 상기 지지팔은 상기 제2 절연막, 상기 전극 및 상기 제3 절연막이 순차적으로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 볼로미터.
제 2항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 절연막은 산화알루미늄(Al₂O₃)으로 이 루어지는 것을 특징으로 하는 볼로미터.
제 2항에 있어서, 상기 전극은 질화타이타늄(TiN) 또는 니켈크롬(NiCr)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 볼로미터.
제 2항에 있어서, 상기 흡수층은 질화타이타늄(TiN)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 볼로미터.
제 1항에 있어서, 상기 적외선 파장(λ)은 8~12 ㎛인 것을 특징으로 하는 볼로미터.
제 1항에 있어서, 상기 반사막과 상기 금속 패드를 포함하는 반도체 기판의 표면에 산화알루미늄(Al₂O₃)으로 이루어진 보호막이 형성된 것을 특징으로 하는 볼로미터.
제 2항에 있어서,

상기 금속 패드와 상기 저항층의 안정적인 전기적 연결을 위해 상기 금속 패드와 상기 전극 사이에 보조 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 볼로미터.
내부에 검출회로가 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계;

상기 반도체 기판 표면의 일부 영역에 반사막을 형성하고, 상기 반사막의 양측에서 소정 간격 이격하여 금속 패드를 형성하는 단계;

상기 반사막과 금속 패드를 포함하는 반도체 기판의 표면에 보호막을 형성하는 단계;

상기 반사막, 금속 패드 및 보호막이 형성된 상기 반도체 기판의 전면에 적외선 파장(λ)/4 두께의 희생층을 형성하는 단계;

상기 희생층의 상부에 불순물이 도핑된 단결정 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(Si_1-xGe_x, x=0.2~0.5)으로 이루어진 저항층을 포함하는 센서 구조체를 형성하는 단계; 및

상기 희생층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼로미터 제조 방법.
제 9항에 있어서, 상기 보호막은 산화알루미늄(Al₂O₃)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 볼로미터 제조 방법.
제 9항에 있어서, 상기 희생층은 BCB(Benzocylobutene)를 스핀코팅(spin-coating)으로 도포하여 형성하는 것을 특징으로 하는 볼로미터 제조 방법.
제 9항에 있어서, 상기 희생층은 불소(F)를 함유한 가스와 산소(O₂)가 혼합된 에칭 가스를 사용하는 마이크로웨이브 플라즈마 연소(microwave plasma ashing)법으로 제거하는 것을 특징으로 하는 볼로미터 제조 방법.
제 9항에 있어서, 상기 센서 구조체를 형성하는 단계는,

실리콘 웨이퍼, 산화물층, 상기 저항층 및 제1 절연막이 순차적으로 형성된 별도의 SOI(Silicon On Insulator) 또는 SGOI(Silicon-Germanium On Insulator) 기판을 준비하는 제1 단계;

상기 희생층이 형성된 반도체 기판과 상기 SOI 또는 SGOI 기판을 본딩하는 제2 단계;

상기 SOI 또는 SGOI 기판의 실리콘 웨이퍼 및 산화물층을 순차적으로 제거하여 상기 제1 절연막 및 상기 저항층을 상기 희생층 상에 남기는 제3 단계;

상기 저항층, 상기 제1 절연막, 상기 희생층 및 상기 보호막의 일부를 순차적으로 제거하여 상기 금속 패드를 노출시키는 제4 단계;

상기 저항층, 상기 제1 절연막 및 상기 희생층의 노출된 부분을 균일한 두께로 덮는 제2 절연막을 형성한 후, 상기 저항층의 양측 표면의 일부가 노출되도록 상기 제2 절연막의 일부분을 제거하는 제5 단계;

상기 저항층과 상기 금속 패드를 전기적으로 연결하는 보조 전극 및 전극을 형성하는 제6 단계;

상기 노출된 제2 절연막 상에 흡수층을 형성하는 제7 단계; 및

상기 전극, 제2 절연막 및 흡수층을 덮는 제3 절연막을 형성하는 제8 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼로미터 제조 방법.
제 13항에 있어서, 상기 제2 단계에서,

상기 희생층이 형성된 반도체 기판과 상기 SOI 또는 SGOI 기판을 진공 중에서 열압착 본딩(thermal compression bonding)하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 볼로미터 제조 방법.
제 13항에 있어서, 상기 제3 단계에서,

상기 SOI 또는 SGOI 기판의 실리콘 웨이퍼를 수산화칼륨(KOH) 또는TMAH(Tetra-Methyl Ammonium Hydroxide) 수용액을 사용하는 스프레이 에칭(spray etching)으로 제거하는 것을 특징으로 하는 볼로미터 제조 방법.
제 13항에 있어서, 상기 제3 단계에서,

상기 SOI 또는 SGOI 기판의 산화물층을 불산(HF) 수용액을 사용하는 스프레이 에칭(spray etching)으로 제거하는 것을 특징으로 하는 볼로미터 제조 방법.
제 13항에 있어서, 상기 희생층이 형성된 반도체 기판과 상기 SOI 또는 SGOI 기판을 본딩한 후의 후속공정들은 350 ℃ 이하의 온도에서 진행되는 것을 특징으로 하는 볼로미터 제조 방법.