KR20110020063A - 적외선 감지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 적외선 감지 센서는 지지팔 영역에서 감지 전극 상부의 막질들이 모두 제거되어 지지팔이 낮은 열전도도를 가지며, 이에 따라 적외선 센서 구조체의 열전도도가 감소되어 우수한 감지도를 갖는다.
적외선 감지 센서, 볼로미터, 감지도
Description
본 발명은 적외선 감지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 낮은 열전도도를 갖는 얇은 지지팔에 의해 감지도가 향상된 적외선 감지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-054-04, 과제명: 유비쿼터스용 CMOS 기반 MEMS 복합센서기술개발].
비냉각 방식의 적외선 감지 센서는 적외선을 흡수할 때 발생하는 열에 의해 전기 전도도 또는 축전량의 변화를 감지하는 소자로, 온도 변화를 감지하는 방식에 따라 초전(pyroelectic)형, 열전대(thermopile)형 및 볼로미터(bolometer)형으로 분류된다.
그 중에서 볼로미터형 적외선 감지 센서는 온도 상승에 따른 감지막의 전기 저항 변화를 검출하여 적외선을 감지한다.
도 1a는 종래의 볼로미터형 적외선 감지 센서를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 1b는 도 1a에 도시된 적외선 감지 센서를 A-A'와 B-B'선으로 절단한 단면을 나타낸 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 볼로미터형 적외선 감지 센서(100)는, 기판(110)으로부터 일정 거리 이격되어 형성된 센서 구조체(100a), 상기 기판(110) 상부에 일정 두께를 갖도록 형성된 앵커(anchor, 100b), 상기 앵커(100b)로부터 연장되어 상기 센서 구조체(100a)를 지지하는 지지팔(100c)을 포함한다.
상기 적외선 감지 센서(100)는 하나의 단위 픽셀에 해당하며, 통상적으로 VGA급의 적외선 감지 센서는 640 x 480의 단위 픽셀 어레이로 구성된다.
상기 센서 구조체(100a)에는 하부 보호막(140), 감지막(160), 상부 보호막(170)이 적층되어 있으며, 상기 앵커(100b)와 상기 지지팔(100c)에는 하부 보호막(140), 감지 전극(150), 감지막(160), 상부 보호막(170)이 적층되어 있다.
이러한 구조를 갖는 적외선 감지 센서가 우수한 감지도를 갖기 위해서는 센서 구조체가 최대한 열적으로 절연되어 있어야 한다. 하지만, 해상도를 높이기 위해 단위 픽셀간의 피치를 줄일 경우 충분한 열적 절연을 얻을 수 있을 만큼 지지팔의 길이를 길게 만들 수가 없다. 뿐만 아니라 지지팔의 모양을 복잡하게 만들어 길이를 늘이게 될 경우 지지팔이 차지하는 면적이 지나치게 넓어져 센서의 성능이 저하된다.
이러한 이유로 1층에는 기판, 2층에는 지지팔, 3층에는 센서 구조체를 형성 한 다층 구조의 적외선 감지 센서가 개시되어 있다. 하지만, 이러한 구조의 적외선 감지 센서는 다층 구조를 형성하기 위해 복잡한 제조 공정이 필요하며, 제조 비용이 높아지고 수율이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 간단한 공정으로 낮은 열전도도를 갖는 지지팔을 형성하여 적외선 감지 센서의 감지도를 향상시키는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 적외선 감지 센서는, 금속 패드와 반사막이 상부에 형성된 기판; 상기 반사막으로부터 일정 거리 이격되어 형성되며, 온도 변화에 따라 저항값이 변하는 감지막과, 상기 감지막의 하부와 상부에 각각 형성된 하부 보호막 및 상부 보호막을 포함하는 센서 구조체; 상기 금속 패드 상부에 일정 두께를 갖도록 형성되며, 상기 감지막, 상기 감지막의 하부에 형성되어 상기 감지막의 저항 변화를 상기 금속 패드로 전달하기 위한 감지 전극, 상기 하부 보호막 및 상부 보호막을 포함하는 앵커; 및 상기 앵커로부터 연장되어 상기 센서 구조체를 지지하는 지지팔을 구비하되, 상기 지지팔 영역에서 상기 감지 전극 상부에 형성된 상기 감지막과 상기 상부 보호막이 제거되어, 상기 지지팔이 상기 감지 전극과 상기 하부 보호막으로 구성된 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 적외선 감지 센서의 제조 방법은, (a) 내부에 판독 회로가 포함된 기판 상부에 금속 패드와 반사막을 형성한 후 일정 두께의 희생층을 형성하는 단계; (b) 상기 희생층 상부에 하부 보호막을 형성한 후 앵커 영역과 지지팔 영역에 감지 전극을 형성하는 단계; (c) 상기 감지 전극을 덮도록 감지막을 형성하고 상기 감지막 상부에 상부 보호막을 형성하는 단계; (d) 상기 상부 보호막, 상기 감지막 및 상기 하부 보호막을 패터닝하여 센서 구조체 및 지지팔을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 희생층을 식각하는 단계를 포함하며, 상기 (d) 단계에서, 상기 패터닝에 의해 지지팔 영역에서 상기 감지 전극 상부에 형성된 상기 상부 보호막과 상기 감지막이 제거되어 상기 감지 전극과 상기 하부 보호막으로 구성된 지지팔이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적외선 감지 센서는 낮은 열전도도를 갖는 얇은 지지팔에 의해 센서 구조체의 열적 절연 특성이 개선되어 우수한 감지도를 갖는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 적외선 감지 센서는 지지팔의 열전도도를 낮추기 위해 지지팔의 모양을 복잡하게 만들어 길이를 늘이지 않아도 되므로, 높은 fill-factor를 얻을 수 있어 적외선 흡수율을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하거나 간 략하게 설명한다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있는 것을 의미한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 감지 센서를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 2b는 도 2a에 도시된 적외선 감지 센서를 A-A'와 B-B'선으로 절단한 단면을 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 감지 센서(200)는, 금속 패드(220a)와 반사막(220b)이 상부에 형성된 기판(210), 상기 반사막(220b)으로부터 일정 거리 이격되어 형성된 센서 구조체(200a), 상기 금속 패드(220a) 상부에 일정 두께를 갖도록 형성된 앵커(200b), 상기 앵커(200b)로부터 연장되어 상기 센서 구조체(200a)를 지지하는 지지팔(200c)을 포함한다.
상기 기판(210) 내부에는 판독 회로(Read-Out Integrated Circuit, 미도시)가 형성되어 있으며, 상기 금속 패드(220a)는 상기 판독 회로와 전기적으로 연결된다.
상기 센서 구조체(200a)는 적외선 흡수시에 발생하는 온도 변화에 따라 저항값이 변하는 감지막(260)과, 상기 감지막(260)의 보호를 위한 하부 보호막(240) 및 상부 보호막(270)을 포함한다.
상기 앵커(200b)는 상기 센서 구조체(200a)의 마주보는 두 모서리에 형성되며, 적외선 흡수시에 발생하는 온도 변화에 따라 저항값이 변하는 감지막(260)과, 상기 감지막(260)의 저항 변화를 상기 금속 패드(220a)에 전달하는 감지 전극(250)과, 상기 감지막(260)의 보호를 위한 하부 보호막(240) 및 상부 보호막(270)을 포함한다.
상기 지지팔(200c)은 상기 앵커(200b)로부터 L자 형태로 연장되어 굴곡되는 감지 전극(250)과 하부 보호막(240)을 포함한다.
상기 지지팔(200c)을 종래의 지지팔(100c)과 비교하여 보면(도 1b 참조), 상기 지지팔(200c)은 상기 감지 전극(250) 상부의 막질들이 모두 제거되어 훨씬 얇은 두께를 가지며, 이에 따라 종래의 지지팔(100c) 보다 상기 지지팔(200c)이 더 낮은 열전도도를 갖는 것을 알 수 있다.
따라서, 낮은 열전도도를 갖는 상기 지지팔(200c)에 의해 센서 구조체(200a)의 열적 절연 특성이 개선되며, 이에 따라 적외선 감지 센서의 온도 감지도가 향상된다.
또한, 지지팔의 열전도도를 낮추기 위해 지지팔의 모양을 복잡하게 만들어 길이를 늘이지 않아도 되므로 높은 fill-factor를 얻을 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 흡수층이 생략된 구조에 대하여 설명하였지만, 경우에 따라 하부 보호막(240) 또는 상부 보호막(270) 상에 흡수층이 포함될 수도 있다.
도 3a 내지 도 3i는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 감지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
설명의 편의를 위해 평면도와 도 2a의 A-A'선 및 B-B'선에 따른 단면도를 함께 나타내었으며, 도면의 간결함을 위해 평면도에는 희생층, 하부 보호막, 감지 전극, 감지막, 상부 보호막을 미도시하였다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이 내부에 판독 회로(미도시)가 포함된 기판(210)을 준비한 다음, 상기 기판(210) 상부에 금속 패드(220a)와 반사막(220b)을 형성한다.
여기에서, 알루미늄, 타이타늄 또는 질화타이타늄 등의 금속 박막을 상기 기판(210) 상부에 증착한 후 패터닝하여 상기 금속 패드(220a)와 반사막(220b)을 동시에 형성하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 3b에 도시된 바와 같이 금속 패드(220a)와 반사막(220b)이 형성된 상기 기판(210) 상부에 소정 두께의 희생층(230)을 형성한다.
여기에서, 상기 희생층(230)은 일반적으로 폴리이미드계 유기물을 이용하여 형성되며, 상기 희생층(230)의 두께는 감지하고자 하는 적외선 파장에 따라 달라진다. 예를 들어 10㎛의 적외선 파장을 검출하는 경우 희생층(230)의 두께는 2㎛ 정도인 것이 바람직하며, 상기 희생층(230)의 두께 설정은 당업자에게 잘 알려진 기술이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이 상기 희생층(230) 상에 앵커의 형성을 위한 앵커 패턴(230a)을 형성한다.
다음으로, 도 3d에 도시된 바와 같이 앵커 패턴(230a)이 형성된 상기 희생 층(230) 상부에 하부 보호막(240)을 증착한다.
여기에서, 상기 하부 보호막(240)으로는 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막을 이용할 수 있으며, 증착 방법으로는 단차 영역에 대한 증착 균일도가 우수한 화학기상증착(CVD) 방법을 이용할 수 있다.
다음으로, 도 3e에 도시된 바와 같이 상기 금속 패드(220a)가 노출되도록 상기 하부 보호막(240) 상에 컨택홀(240a)을 형성한다.
다음으로, 도 3f에 도시된 바와 같이 상기 컨택홀(240a)에 접촉하도록 감지 전극(250)을 형성한다. 여기에서, 상기 감지 전극(250)으로는 타이타늄(Ti), 질화타이타늄(TiN), 니켈크롬 합금(NiCr alloy) 등의 금속을 이용할 수 있다.
이 때, 상기 컨택홀(240a) 부분에서 앵커 패턴(230a)의 단차가 급격하여 얇은 두께의 감지 전극(250)만으로 전기적 연결이 불안정할 경우에는 상기 감지 전극(250)의 상부 또는 하부에 보조 금속층을 더 증착할 수도 있다. 이 경우 상기 보조 금속층은 상기 감지 전극(250)과는 별도로 패터닝된다.
다음으로, 도 3g에 도시된 바와 같이 앵커 영역과 지지팔 영역에만 상기 감지 전극(250)이 남겨지도록 상기 감지 전극(250)을 패터닝한다. 참고로, 도면의 간결함을 위해 도 3g부터 평면도에 반사막(220b)을 미도시하였다.
다음으로, 도 3h에 도시된 바와 같이 상기 감지 전극(250)을 덮도록 감지막(260)을 증착한다.
여기에서, 상기 감지막(260)으로는 온도 변화에 따라 저항값이 변하는 물질, 예를 들어 비정질 실리콘, 다결정 실리콘, 바나듐 산화막 중 어느 하나의 물질을 이용할 수 있다.
다음으로, 도 3i에 도시된 바와 같이 상기 감지막(260) 상부에 상부 보호막(270)을 형성한다.
여기에서, 상기 상부 보호막(270)으로는 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막을 이용할 수 있다.
다음으로, 도 3j에 도시된 바와 같이 센서 구조체 영역과 앵커 영역에 포토레지스트 패턴(280)을 형성한다. 이 때, 지지팔 영역에는 포토레지스트 패턴(280)을 형성하지 않는다.
그 다음, 상기 포토레지스트 패턴(280)을 보호막으로 이용하여 건식 식각 공정으로 상기 상부 보호막(270), 상기 감지막(260) 및 상기 하부 보호막(240)을 순차적으로 패터닝하여 센서 구조체와 지지팔을 형성한다.
이 때, 지지팔 영역에서는 건식 식각 공정에 의해 상기 상부 보호막(270), 상기 감지막(260)이 패터닝되어 상기 감지 전극(250)이 노출된다. 그리고, 상기 감지 전극(250)이 노출된 이후에는 상기 감지 전극(250)의 높은 식각 선택비에 의해 더 이상 식각이 진행되지 않는다.
여기에서, 건식 식각 방법으로는 CHF3, CF4, Ar, O 중 적어도 어느 하나로 구성된 혼합 가스를 이용한 플라즈마를 이용하는 것이 바람직하며, 통상의 잘 알려진 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching; RIE) 공정을 이용할 수도 있다.
건식 식각 공정이 완료된 후 상기 포토레지스트 패턴(280)을 제거하고 나면 도 3k와 같은 구조가 된다.
다음으로, 상기 희생층(230)을 산소 플라즈마로 제거하면, 도 3l에 도시된 바와 같이 적외선 감지 센서가 완성된다.
이와 같이 본 발명에서는 통상의 센서 제조 공정 중 멤브레인을 패터닝하는 공정에서 추가의 리소그래피 공정 없이 상기 감지 전극(250)의 높은 식각 선택비를 이용하여 지지팔 영역에서 상기 감지 전극(250) 상부에 형성된 막질을 간단하게 제거할 수 있으며, 이에 따라 낮은 열전도도를 갖는 얇은 지지팔(200c)을 간단히 형성할 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면 센서 구조체의 열적 절연 특성이 개선되어 감지도가 향상된 적외선 감지 센서를 간단하게 제조할 수 있다.
또한, 종래의 적외선 감지 센서와 비교하여 높은 fill-factor를 얻을 수 있어 적외선 흡수율이 향상된 적외선 감지 센서를 제조할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 설명하였다. 그러나, 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것으로, 본 발명의 범위가 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 다른 형태로 변형이 가능함은 물론이다.
도 1a는 종래의 볼로미터형 적외선 감지 센서를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 1b는 도 1a에 도시된 적외선 감지 센서를 A-A'와 B-B'선으로 절단한 단면을 나타낸 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 감지 센서를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 2b는 도 2a에 도시된 적외선 감지 센서를 A-A'와 B-B'선으로 절단한 단면을 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3i는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 감지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 종래의 적외선 감지 센서
100a : 센서 구조체 100b : 앵커
100c : 지지팔 110 : 기판
120a, 120b : 금속 패드, 반사막 140 : 하부 보호막
150 : 감지 전극 160 : 감지막 170 : 상부 보호막
200 : 본 발명의 적외선 감지 센서
200a : 센서 구조체 200b : 앵커
200c : 지지팔 210 : 기판
220a, 220b : 금속 패드, 반사막
230a : 앵커 패턴
240 : 하부 보호막 240a : 컨택홀
250 : 감지 전극 260 : 감지막
270 : 상부 보호막 280 : 포토레지스트 패턴
Claims (12)
- 금속 패드와 반사막이 상부에 형성된 기판;상기 반사막으로부터 일정 거리 이격되어 형성되며, 온도 변화에 따라 저항값이 변하는 감지막과, 상기 감지막의 하부와 상부에 각각 형성된 하부 보호막 및 상부 보호막을 포함하는 센서 구조체;상기 금속 패드 상부에 일정 두께를 갖도록 형성되며, 상기 감지막, 상기 감지막의 하부에 형성되어 상기 감지막의 저항 변화를 상기 금속 패드로 전달하기 위한 감지 전극, 상기 하부 보호막 및 상부 보호막을 포함하는 앵커; 및상기 앵커로부터 연장되어 상기 센서 구조체를 지지하는 지지팔을 구비하되,상기 지지팔 영역에서 상기 감지 전극 상부에 형성된 상기 감지막과 상기 상부 보호막이 제거되어, 상기 지지팔이 상기 감지 전극과 상기 하부 보호막으로 구성된 것을 특징으로 하는 적외선 감지 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 기판은 내부에 판독 회로를 포함하며, 상기 금속 패드는 상기 판독 회로와 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 적외선 감지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 감지막은 비정질 실리콘, 다결정 실리콘, 바나듐 산화막 중 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 적외선 감지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 감지 전극은 타이타늄(Ti), 질화타이타늄(TiN), 니켈크롬 합금(NiCr alloy) 중 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 적외선 감지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 하부 보호막 및 상기 상부 보호막은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 적외선 감지 센서.
- (a) 내부에 판독 회로가 포함된 기판 상부에 금속 패드와 반사막을 형성한 후 일정 두께의 희생층을 형성하는 단계;(b) 상기 희생층 상부에 하부 보호막을 형성한 후 앵커 영역과 지지팔 영역에 감지 전극을 형성하는 단계;(c) 상기 감지 전극을 덮도록 감지막을 형성하고 상기 감지막 상부에 상부 보호막을 형성하는 단계;(d) 상기 상부 보호막, 상기 감지막 및 상기 하부 보호막을 패터닝하여 센서 구조체 및 지지팔을 형성하는 단계; 및(e) 상기 희생층을 식각하는 단계를 포함하며,상기 (d) 단계에서, 상기 패터닝에 의해 지지팔 영역에서 상기 감지 전극 상부에 형성된 상기 상부 보호막과 상기 감지막이 제거되어 상기 감지 전극과 상기 하부 보호막으로 구성된 지지팔이 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 감지 센서의 제조 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 (a) 단계에서,상기 금속 패드가 노출되도록 상기 희생층 상에 앵커 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 감지 센서의 제조 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,상기 앵커 패턴이 형성된 희생층 상부에 하부 보호막을 형성하는 제1 단계;상기 하부 보호막 상에 상기 금속 패드를 노출하는 컨택홀을 형성하는 제2 단계;상기 노출된 금속 패드에 접촉하도록 상기 감지 전극을 형성하는 제3 단계; 및앵커 영역과 지지팔 영역에 상기 감지 전극이 남겨지도록 상기 감지 전극을 패터닝하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 감지 센서의 제조 방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 제3 단계에서,타이타늄(Ti), 질화타이타늄(TiN), 니켈크롬 합금(NiCr alloy) 중 어느 하나의 물질을 이용하여 감지 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 적외선 감지 센서의 제조 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 (c) 단계에서,비정질 실리콘, 다결정 실리콘, 바나듐 산화막 중 어느 하나의 물질을 이용하여 감지막을 형성하는 것을 특징으로 하는 적외선 감지 센서의 제조 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 (d) 단계에서,센서 구조체 영역과 앵커 영역에 포토레지스트 패턴을 형성하는 제1 단계; 및상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 지지팔 영역에서 상기 감지 전극 상부에 형성된 상기 상부 보호막과 상기 감지막을 건식 식각하고 상기 감지 전극에서 식각이 정지되도록 하여 상기 감지 전극과 상기 하부 보호막으로 구성된 지지팔을 형성하면서, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 상부 보호막, 상기 감지막 및 상기 하부 보호막을 건식 식각으로 패터닝하여 센서 구조체를 형성하는 제2 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 감지 센서의 제조 방법.
- 제 11항에 있어서, 상기 제2 단계에서,CF4, CHF3, Ar, O 중 적어도 어느 하나로 구성된 혼합 가스를 이용한 플라즈마를 이용하여 상기 상부 보호막, 상기 감지막 및 상기 하부 보호막을 건식 식각하는 것을 특징으로 하는 적외선 감지 센서의 제조 방법.
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