KR20140032342A - 초격자 양자우물 적외선 감지기 - Google Patents

초격자 양자우물 적외선 감지기 Download PDF

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Abstract

적어도 한 실시예에서, 서모파일을 포함하는 적외선(IR) 센서가 제공된다. 서모파일은 기판 및 흡수체를 포함한다. 흡수체는 기판 위에 배열되고 흡수체와 기판 사이에 갭이 형성되어 있다. 흡수체는 신(scene)으로부터 IR를 받고 신의 온도를 표시하는 전기 출력을 생성한다. 흡수체는 기판으로부터 단열되도록 초격자 양자우물 구조를 형성한다. 또 하나의 실시예에서, 적외선(IR) 감지기를 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은 기판을 형성하고 초격자 양자우물 구조를 갖는 복수의 제1 및 제2 교번 층들을 가지는 흡수체를 형성한다. 또한 이 방법은 흡수체가 기판 둘레에 매달리게 갭이 형성되도록 흡수체를 기판 둘레에 배열하는 것을 포함한다.

Description

초격자 양자우물 적외선 감지기{SUPERLATTICE QUANTUM WELL INFRARED DETECTOR}
본 발명은, 초격자 양자우물 적외선(IR) 감지기(또는 센서)에 관한 것이며, 또한 그것을 형성하는 방법에 관한 것이다.
관련 출원들의 상호 관계
본 출원은 2010년 10월 11일에 출원된 미합중국 가출원 Serial No. 61/391,996의 이익을 주장하며, 이 가출원은 참고로서 전부 여기에 통합된다.
IR 감지기는 IR 복사선에 감응하는 광 감지기로서 일반적으로 정의된다. 적외선 감지기의 한 유형은 열 기반 감지기다. 열 기반 감지기는 물체와 일반적으로 연관된 열적 성질들에 기초하여 형성된 물체의 영상을 생성하는 카메라 내에서 구현될 수 있다. 열 기반 감지기는 볼로미터, 마이크로 볼로미터, 초전 감지기(pyroelectric) 및 서모파일을 포함하는 것을 알려져 있다.
마이크로 볼로미터는 그의 전기저항을, 물체로부터 받은 복사 에너지의 양에 기반하여, 변화시킨다. 서모파일들은 물체로부터의 열에너지를 전기에너지로 변환하는 다수의 열전기쌍을 포함한다. 이러한 장치들은 카메라에 열적 이미징 목적에서 하나 또는 다른 형태로 통합되어 왔다. 다음의 참고문헌들은 본 개시와 관련성이 있다: Hyneck의 미합중국 특허 5,436,476, Elsner 등의 미합중국 특허 5,550,387, Dresselhaus 등의 미합중국 특허 6,060,656, Gooch 등의 미합중국 특허 6,690,014, Ghamaty 등의 7,038,234, Hsu의 미합중국 특허 7,755,048 및 Kochergin 의 미합중국 특허공개 번호 2011/0168978.
본 발명은 초격자 양자우물 적외선 감지기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
적어도 하나의 실시예에서, 서모파일을 포함하는 적외선(IR) 센서가 제공된다. 서모파일은 기판 및 흡수체를 포함한다. 흡수체는 기판 위에 위치하며 갭이 흡수체와 기판 사이에 형성된다. 흡수체는 신(scene)으로부터 IR를 받고 신의 온도를 표시하는 전기 출력을 발생시킨다. 흡수체는 그것이 기판으로부터 열적으로 절연되도록 초격자 양자우물 구조로 형성된다. 또 하나의 실시예에서는, 적외선(IR) 감지기를 형성하는 방법이 제공된다. 그 방법은 기판을 형성하고 초격자 양자우물 구조를 갖는 복수의 제1 및 제2 교번 층들을 가지는 흡수체를 형성하는 것을 포함한다. 또한 그 방법은 흡수체가 기판 둘레에 매달리게 갭이 형성되도록 흡수체를 기판 둘레에 위치시키는 것을 포함한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 감지기를 도시한다.
도2는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 열 감지기를 도시한다.
도3은 도2의 열 감지기의 횡단면도를 도시한다.
도4는 흡수체만을 포함하는 열 감지기의 또 하나의 횡단면도를 도시한다.
도5는 본 발명의 한 실시예에 따른 실리콘계 재료들에 의해 캡슐화된 초 결자 양자우물 열전재를 도시한다.
도6a-도6b는 양자우물을 구현하는 한 실시예를 도시하고 양자우물 효과를 구현하지 못하는 또 하나의 실시예를 도시한다.
도7은 침착 동안에 실리콘 나이트라이드 및 초격자 양자우물 재들의 층들에 의해 생기는 다양한 응력을 도시한다.
도8은 양자우물 열전 감지기를 제조하는 제조공정도를 도시한다.
도9a-9d는 도8의 공정도와 관련되어 제조되었을 때 감지기의 다양한 층들(formations)을 도시한다.
도10은 초격자 양자우물 열전 감지기를 제조하기 위한 제조공정도를 도시한다.
도11a-11g는 도10의 공정도와 관련되어 제조되었을 때 감지기의 다양한 층들을 도시한다.
본 발명의 실시예들은 첨부된 청구범위에서 특정되어 기재되어 있다. 그러나, 다양한 실시예들의 기타 특징들은 첨부도면과 결합하여 다음의 상세한 설명을 봄으로써 더 명확하게 되고 잘 이해될 것이다.
본 발명의 구체적인 실시예들이 여기에 개시된다. 그러나, 개시된 실시예들은 본 발명의 단지 예시에 불과하며, 이것들은 다양한 그리고 대안적인 형태들로 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도면들은 반드시 비례척에 맞출 필요는 없다; 일부 특징들은 특정 부품들의 상세사항을 보여주기 위해 과장되거나 또는 축소될 수 있다. 그러므로, 여기에 개시된 특정 구조 및 기능의 세부사항은 제한적으로 해석되는 것이 아니라, 단지 청구항들에 대한 전형적인 기준 및/또는 본 발명의 하나 이상의 실시예를 다양하게 이용하도록 당업자를 교시하기 위한 전형적인 기준으로서 해석될 것이다.
여기에 개시된 다양한 실시예들은 일반적으로, 신(scene)의 영상을 발생시키는 M×N 칼럼들의 어레이에 위치될 수 있는 복수의 IR 감지기를 제공하지만 그것에 제한되는 것은 아니다. 또 하나의 실시예에서, 상기 복수의 IR 감지기는 광원(또는 신)으로부터 열에너지를 캡처 또는 감지하는데 사용되고 또한 에너지 저장을 목적으로 감지된 열에너지에 기반한 전기 출력을 제공하는데 사용될 수 있다. 또 하나의 실시예에, 단일 IR 감지기가 열 감지에 제공될 수 있다. IR 감지기는 일반적으로 기타 것들 중에 흡수체, 기판 및/또는 적어도 하나의 암(arm)을 포함한다. 흡수체 및/또는 적어도 하나의 암은 기판위에 매달려질 수 있다. 상기 흡수체 및/또는 상기 적어도 하나의 암은 초격자 양자우물 열전 기본재(a superlattice quantum well thermoelectric based material)로 구성될 수 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 구성은 상기 흡수체 및 상기 적어도 하나의 암이 증가된 제벡 효과(Seebeck effect), 낮은 비저항 및 적절한 열전도율을 얻을 수 있게 한다. 이들 점들은 감지기 성능을 향상시킬 수 있다. 흡수체 및/또는 암은 실리콘 나이트라이드 및/또는 실리콘 디옥사이드와 같은 다양한 실리콘 계 유전체에 의해 캡슐화될 수 있지만 그것들에 제한되는 것은 아니라는 것을 알 수 있다. 초격자 양자우물 열전재를 실리콘 계 유전체로 캡슐화하는 것은 감지기를 보상할 수 있고 감지기의 구조적 일체성을 증가시킬 수 있으며 반면에 상기 흡수체 및/또는 상기 적어도 하나의 암은 기판 위에 매달려 있다.
여기에 기재된 실시예들은 기재된 목적이외의 목적에 이용될 수 있고 여기에 주목되는 과제들이 본 발명의 실시예들에 의해 해결될 수 있는 과제들의 총망라한 목록은 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 여기에 기재된 이러한 과제들은 예시 목적에서 서술되고 간결성을 위해 본 발명의 다양한 실시예들에 의해 해결될 수 있는 모든 과제들이 기재되지는 않는다. 게다가, 여기에 기재된 실시예들은 임의의 수의 결과들을 제공할 수 있고 주목된 결과들이 도달될 수 있는 총망라한 목록은 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 여기에 제시된 결과들은 예시 목적으로 서술되며 본 발명의 실시예들에 의해 도달된 결과들의 모두가 또한 간결화할 목적에서 기재된 것은 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, 여기에 제공된 예들이 예시 목적에서 개시된 것이고 구현될 수 있는 예들의 총망라한 목록은 아닐 것이고 본 발명의 실시예들의 범위를 어떠한 방식으로도 제한하지 않을 것이다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 감지기(또는 센서)(10)를 도시한다. 감지기(10)는 렌즈(13)를 포함하는 카메라(11) 안의 M×N 어레이에 배열된 다수의 것 중 하나일 수 있다. 카메라(11)는 일반적으로 신의 영상을 캡처하도록 구성된다. 각 감지기(10)는 신으로부터 IR 복사선을 흡수하고 신으로부터 받은 에너지의 양에 기반하여 그의 전압 포텐셜을 변경시키도록 구성된다. 판독 집적회로(ROIC)(19)(또는 판독회로)는 각 감지기(10)아래에 위치한다. ROIC(19)는 각 감지기(10)의 전압 포텐셜을 전기적으로 출력한다. 각 감지기(10)는 ROIC(19)의 위에서 마이크로-머시닝(micro-machining) 가공된다. 여기에 개시된 실시예들은, 여기에 전체가 참고로 통합된, 2010년 3월 23일자 출원한 발명의 명칭"적외선 감지기"의 계류중인 출원 PCT/US2010/028293('293'출원)에 기재된 감지기에 통합될 수 있다. 감지기(10)는 일반적으로 마이크로-브리지로서 배열된다. 감지기(10)는 서모파일로서 형성될 수 있다.
위에 서술된 감지기(10)는 카메라로 신의 영상을 캡처하는데 사용될 수 있지만, 또한 감지기(10)는 태양으로부터 직접적으로 또는 간접적으로 받은 열에너지와 같은, 광원(또는 신)으로부터의 열에너지를 감지하는데 사용될 수 있다. 감지기(10)는 또 하나의 장치에 전력을 주기 위하여 전기에너지를 제공하기 위한 열에너지 또는 배터리 또는 다른 적합한 기구와 같은 저장장치에 전기에너지를 저장하기 위한 열에너지에 감응하여 전압출력을 제공한다.
감지기(10)는 흡수체(12), 제1 암(14), 제2 암(15) 및 기판(16)을 포함한다. 흡수체(12), 제1 암(14) 및 제2 암(15)은 열전재를 포함하며 초격자 양자우물재로 형성될 수 있으며, 초격자 양자우물재는 아래에 더 상세하게 설명될 것이다. 기판(16)은 단결정 실리콘 웨이퍼 또는 실리콘 웨이퍼를 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 기판(16)은 ROIC(19)에 연결될 수 있다. 흡수체(12), 제1 암(14) 및 제2 암(15)은 일반적으로 ROIC(19)위에 매달려 있다. 제1 암(14)은 흡수체(12) 옆에 위치하며 원한다면(부착 또는 미부착), 흡수체(12)의 제1측면(18)을 따라서 연장될 수 있고 터미날 단부(20)에서 끝난다. 포스트(22)는 제1 암(14)의 터미날 단부(20)와 결합된다.
ROIC(19)의 입력패드(24)는 포스트(22)를 수용한다. 포스트(22)는 흡수체(12)에서 ROIC(19)까지의 전기 연결부를 제공한다. 유사한 방식으로, 제2 암(15)은 흡수체(12) 옆에 위치하며 원한다면(부착 또는 미부착), 흡수체(12)의 제2 측면(26)을 따라서 연장될 수 있고 터미날 단부(28)에서 끝난다. 포스트(30)는 제2 암(16)의 터미날 단부(28)와 결합된다. ROIC(19)의 입력 패드(32)는 포스트(30)을 수용한다. 포스트(30)는 흡수체(12)에서 ROIC(19)까지의 전기 연결부를 제공한다. 일반적으로, 포스트들(22 및 30)은 서로와 협동하여 기판(16)위에 흡수체(12), 제1 암(14) 및 제2 암(15)을 지지한다(예를 들면, 기판(16)위에 흡수체(12), 제1 암(14) 및 제2 암(15)을 매단다).
흡수체(12)는 일반적으로 신으로부터 IR 복사선을 받도록(또는 흡수하도록) 그리고 IR 복사선에 대응하여 온도를 변경하도록 구성된다. 감지기(10)는 신으로부터 받은 복사선의 양에 기초하여 그의 전압 포텐셜을 변화시킬 수 있다. 반사체(17)는 흡수체(12)과 ROIC(19)사이에 위치된다. 반사체(17)는 흡수체(12)가 IR 복사선을 흡수하는 능력을 향상시킬 수 있다. 제1 암(14) 및 제2 암(15)은 흡수체(12)를 열적으로 절연시키기 위하여 흡수체(12)로부터 수평으로 변위되어진다. 감지기(10)성능을 증가시키기 위하여 열전도를 감소시키는 것이 바람직하다. 또한, 흡수체(12), 제1 암(14) 및 제2 암(15)은 기판(16)으로부터 수직방향으로 변위되어지고 그것들사이에 절연 갭(34)(또는 캐비티)를, 하나의 감지기를 어레이내에 위치된 추가 감지기들로부터 열적으로 절연하기 위하여, 규정한다.
감지기(10)는 일 측에 P-형 재료 및 타 측에 N-형 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 흡수체(12)는 제1 부분(36), 제2 부분(38) 및 활성 영역(40)을 포함할 수 있다. 제1 암(14)와 제1 부분(36)은 P-형 재료로 구성될 수 있다. 제2 암(15)와 제2 부분(38)은 N-형 재료로 구성될 수 있다. 활성 영역(40)은 P-형 기본 요소들(제1 암(14) 및 제1 부분(36))을 N-형 기본 요소들(제2 암(15) 및 제2 부분(38))에 전기적으로 결합시킨다.
도2는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 열 감지기(10')를 도시한다. 감지기(10')는 렌즈(13)를 포함하는 카메라(11)내의 M×N 어레이(18)에 배열된 다수 중 하나일 수 있다. 감지기(10')는 전체적으로 도1의 감지기(10)와 유사하지만 표면이 마이크로머시닝된다.
감지기(10')는 신으로부터 IR 복사선을 흡수하고 신으로부터 받은 에너지의 양에 기초하여 그의 전압포텐셜을 변경하도록 구성된다. 감지기(10')의 각 측에, 그것으로부터 판독 회로(도시되지 아니함)로 전기 출력을 제공하기 위한 전기 연결부(21)가 형성된다. 감지기(10')는 또한‘293 출원에 기재된 감지기로서 통합될 수 있다.
감지기(10')는 흡수체, 제1 암(14), 제2 암(15) 및 기판(16)을 포함한다. 흡수체(12), 제1 암(14) 및 제2 암(15)은 열전재를 포함하고 또한 아래에 더 상세히 기재될 초격자 양자우물 재료로 형성된다. 기판(16)은 단결정 실리콘 웨이퍼 또는 실리콘 웨이퍼로 이루어지지만 이에 제한되는 것은 아니다. 흡수체(12), 제1 암(14) 및 제2 암(15)은 일반적으로 캐비티(25)위에 위치한다(또는 매달려 있다)(도3을 참고할 것). 위에 기재된 것과 유사한 방식으로, 제1 암(14)은, 원한다면(부착 또는 미부착), 흡수체(12)의 제1 측(18)을 따라서 연장되어 전기 연결부(21)에 도달할 수 있다. 제2 암(16)은, 원한다면(부착 또는 미부착), 흡수체(12)의 제2 측(26)을 따라서 연장되어 전기 연결부(21)에 도달할 수 있다.
도3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 열 감지기(10")를 도시한다. 감지기(10")는 일반적으로 흡수체(12)를 포함하며 열 감지 적용을 위한 단일 감지기로서 위치될 수 있다. 감지기(10")는 벌크 마이크로머시닝될 수 있다. 이 구성에서, 암들은 존재하지 않는다. 흡수체(12)는 열전재들을 포함하며 초격자 양자우물 재료들로 형성될 수 있다. 감지기(10")로부터 전기 출력을 제공하기 위한 전기 연결부(21)가 흡수체(12)의 각 측에 형성된다. 흡수체(12)는 일반적으로 캐비티(25)위에 떠 있다. 앞서 서술된 감지기들(10, 10', 10")은 이후에는 “10”으로 지칭될 것이다.
기판 위에 매달려 있는 암들 및 흡수체를 포함하는 IR 감지기를 구현하는 것은 알려져 있다. 이 종래 해결책에서, 암들은 흡수체를 열적으로 절연시키고, 이것은 흡수체에서 기판으로의 열전도를 감소시킨다. 흡수체(12)와 암들(14, 15)사이의 열전도를 감소시킴으로써, 열전달/누출은 감소될 수 있고 IR 감지기 성능의 개선이 이루어질 수 있다. 이 종래 해결책은 낮은 열전도율을 얻기 위하여, 다음 재료들(비스무트-텔루라이드, 안티몬-텔루라이드, 납 텔루라이드, 폴리실리콘, 폴리실리콘-게르마늄, 스쿠테루다이트, 나노-복합재) 중의 하나 이상을 갖는 열전 구조(예를 들면, 암들 및 흡수체) 및 초격자 구조를 일반적으로 형성한다. 하나이상의 앞서 서술된 재료들을 갖는 감지기를 형성함으로써 그리고 흡수체 및 암들을 매달므로써, 이 조건들은 흡수체 및/또는 암들을 휘어지게 하거나 좌굴되게 하고 이것이 감지기 파괴에 이르게 할 수 있다.
여기에 기재된 실시예들을 통하여, 그 중에서도, IR 감지 장치와 관련하여 사용된 흡수체(12) 및/또는 암들(14, 15)을, 감지기(10)가 적절한 감지기 성능특성들을 실현할 수 있게 하는 초격자 양자우물 열전재들을 가지고 구성할 수 있다는 것을 알았다. 게다가, 여기에 기재된 실시예들은 흡수체(12) 및/또는 암들(14, 15)의 초격자 양자우물재들을 실리콘 나이트라이드 또는 실리콘 디옥사이드로 캡슐화할 수 있다. 흡수체(12) 및/또는 암들(14, 15)을 실리콘 계 재료들로 캡슐화하는 것은 초격자 양자우물재들의 침착 시에 생기는 응력을 보상하거나 균등하게 할 수 있고 또한 감지기(10)의 부분들이 ROIC(16)위에 매달려 있는 동안에 감지기(10)의 기계강도를 증가시킬 수 있다. 감지기(10)의 기계강도를 증가시킴으로써 그리고 감지기(10)를 응력 보상함으로써, 감지기의 휨 또는 좌굴(buckling)이 최소화되거나 또는 완전히 없애질 수 있다. 실시예들을 통하여, 또한 감지기(10)의 흡수체(12), 제1 암(14) 및 제2 암(15)이 초격자(예를 들면, 실리콘/-실리콘-게르마늄(Si/SixGe1 -x) 여기서 x는 정수 또는 비-정수일 수 있다(이후 “Si/SiGe”)) 양자우물 열전재들로 구성될 수 있다는 것을 알았다. 제1 암(14) 및 제1 부분(36)은 P 형 초격자 양자우물 열전재로 형성될 수 있다. 제2 암(15) 및 제2 부분(38)은 N 형 초격자 양자우물재로 형성될 수 있다.
흡수체(12) 및/또는 암들(14,15)을 포함하는 초격자 양자우물 서모파일(10)을 이용함으로써, 이러한 조건은 흡수체(12)로부터 암들(14,15)을 거쳐서 기판(16)으로의 열손실 및/또는 흡수체(12)에 근접하게 배열된 임의의 장치들로의 열 손실을 최소화하여, 흡수체를 주변 장치로부터 열적으로 절연시킨다. 신으로부터의 IR은 흡수체를 가열할 때, 감지기(10)는 흡수체(12)와 기판(16) 사이의 온도차에 비례하는 출력 전압을 발생시킨다. 따라서, 흡수체(12)가 높은 열전도를 함유하는 재료로 형성된다면, 감지기 성능은 흡수체(12)로부터의 열에너지의 누출에 의해 불리하게 영향을 받을 수 있다. 초격자 양자우물재료는 낮은 열전도율을 제공하기 때문에, 흡수체(12)에서 적절한 열 절연이 이루어져, 감지기 성능을 향상시킨다. 또한, 초격자 양자우물 재료들은, 흡수체(12)에 의해 감지된 IR 복사선의 양의 높은 성능 표시(high fidelity representation)를 제공하는 높은 신호-대-노이즈 비를 갖는 출력 전압을 감지기(10)가 제공할 수 있게 하는 높은 제벡 계수 및 높은 전기 전도율을 제공한다. 일반적으로, 감지기(10)는 전류흐름을 제공할 수 없다. 그러나, 일부 실시예들에서는 감지기(10)는 전류의 흐름을 밀리암페어 범위에서 제공할 수 있다.
종래의 IR 감지기들은 현수형 흡수체 및/또는 현수형 암들에 대하여 낮은 열전도율을 얻기 위한(즉, 감지기로부터 열분산 또는 전달을 최소화하는) 수단으로서, 비스무트-텔루라이드, 안티몬-텔루라이드, 납 텔루라이드, 폴리실리콘, 폴리실리콘-게르마늄, 스쿠테루다이트, 나노-복합재 및 초격자 구조를 포함하는 것으로 알려져 있지만, 이러한 재료들은 충분한 기계적 지지를 제공할 수 없거나 또는 적절한 응력 보상이 이루어질 수 없다. 초격자 양자우물 열전재들을 감지기(10)에 사용하는 것은 적절한 열전도율을 제공할 수 있고 종래 감지기들의 재료의 유형들에 대한 대안으로서 역할을 할 수 있다는 것을 (아래에 보여진 바와 같이) 알 수 있다.
일반적으로, 서모파일 감지기(10)으로부터 큰 감응성(response)을 얻기 위하여, 감지기(10)(예를 들면, 흡수체(12) 및/또는 암들(14,15))로부터 열 접지평면(예를 들면, 기판(16)내)로 흐르는 열전도 Gk,는 작아야 한다. 그러므로, 서모파일 재료의 열전도율은 가능한 작아야 한다. 결론적으로, 감지기(10)내의 재료는 (a) 높은 제벡 계수 및 (b) 높은 전기 전도율을 갖는 것이 바람직할 수 있다. n형 및 p-형 재료들로 만들어진 서모파일에 대한 감도지수(figure of merit)는 다음과 같이 정의된다:
Figure pct00001
여기서:
α p = p-형 재료의 제벡 상수(Volts /K)
α n = n-형 재료의 제벡 상수(Volts /K)
k p =p-형 재료의 열전도율(Watt /m·K)
k n =n-형 재료의 열전도율(Watt /m·K)
ρ p =p-형 재료의 저항률(Ω·m)
ρ n =n-형 재료의 저항률(Ω·m)
이 감도지수는 IR 감지기들의 일반 감도지수, 감지능(detectivity) 또는 D* 에 비례할 수 없기 때문에, 열 이미징에 관련된 신호 대 노이즈 비(Signal to Noise Ratio)를 나타낼 수 없다. 더 적절한 감도지수는 D* 에 비례하는 것일 수 있다:
Figure pct00002
이 새로운 감도지수는 암들(14,15)이 동일한 길이와 단면적을 갖는다는 것을 가정한다. 표1(아래에)은 선택된 그룹의 재료들에 대한 이 새로운 감도지수를 보여준다. 서모파일 재료 선택에 기초한 성능 개선은 분명하다.
서모파일재 유형
Figure pct00003
[표 1]FPA 서모파일 재료들
작은 피치(예를 들면, ≤50㎛) 어레이들에 대하여, Bi2Te3 및 np Si0 .7Ge0 .3 가 열전재들에 대한 실용적인 선택이 될 수 있다. 표준 np 폴리실리콘을 배제한 이유는 그의 열전도율이 너무 커서 합리적인 감지기 감지도(sensitivities)에 도달할 수 없기 때문이다. 게다가 침착온도가 포스트 상보성 금속산화막반도체(CMOS) 양립성(comptatibility)에 비해 매우 높을 수 있다. 양자우물 Si/SiGe, Bi2Te3 및 Si0.7Ge0.3 및 표준 np 폴리실리콘에 대한 관심의 측정치들(예를 들면, 저항률, 제벡 계수 및 열전도율)이 아래의 표2에 주어진다.
Figure pct00004
[표 2]Bi2Te3 /Sb2Te3 매개변수들, 폴리실리콘 매개변수들, QW 매개변수들
Bi2Te3 및 Sb2Te3는 고 성능 서모파일 감지기들을 제조할 수 있지만, Bi2Te3 및 Sb2Te3를 선택하는 것은 몇 가지 단점들을 가질 수 있다. 예를 들면, (1) 감지기 저항이 약 3 kΩ으로 떨어질 수 있고 그 결과 전자 노이즈가 우세할 수 있다;(2) Bi2Te3 및 Sb2Te3의 침착 및 에칭은 아주 많이 연구되고 있으나 아직 성숙하지 않았다(그러나, Bi2Te3 및 Sb2Te3는 저온에서 침착되고 패터닝 및 건식 에칭될 수 있다);(3) 응답도의 온도계수(TCR)(약 0.1%)는 Si0 .7Ge0 .3 (<0.04%)(예를 들면, 더 낮은 TCR는 응답도의 온도보상에서 더 적은 노력을 필요로 할 수 있다)보다 높을 수 있다; 및 (4) Bi2Te0 및 Sb2Te3의 열전 성질들은 침착 및 공-증착(co-evaporation)과 같은 특수 침착 공정들(non-conventional deposition processes)에 엄격한 제어를 암시하는 화학양론이 유지되지 않는다면 크게 변할 수 있다. 대조적으로, Si/SiGe 초격자 양자우물들은 CMOS에 널리 사용된 재료들 및 미세 전자기계 시스템(MEMS) 가공(processing)을 포함한다. 게다가, 화학양론은 Si/SiGe 초격자 양자우물 구현체에서 논쟁이 될 수 없으며, 그 구현체는 침착이 덜 임계적인 제어들하에서 행해질 수 있게 한다.
Bi2Te3 박막들의 열전도율은, 열전도율이 ≤1.18
Figure pct00005
일 수 있는 PECVD 실리콘 나이트라이드의 열전도율에 가까운 1.2
Figure pct00006
인 것으로 측정되었다. 벌크 Bi2Te3의 열전도율은 1.7
Figure pct00007
일 수 있으며 저 열전도율은 초 박막들에서 공통 효과일 수 있다. Bi2Te3의 열전도율은 박막 두께가 0.5 ㎛ 아래일 때 더 크게 떨어질 수 있다.
표2에 위에서 보여진 바와 같이, Bi2Te3 및 실리콘 나이트라이드는 유사한 열전도율을 가질 수 있다. 이 사실 때문에, Bi2Te3으로 만들어졌을 때 암들 및/또는 흡수체에 유의미 양의 실리콘 나이트라이드를 부가하는 것은 감지기 성능에 감소를 일으킬 수 있다. 이 조건 때문에, 종래의 구현체들은 실리콘 나이트라이드 또는 실리콘 디옥사이드를 비스무트 텔루라이드 계 감지기들에 부가하는 것을 피하는 경향이 있다. 대조적으로, 본 개시(disclosure)의 암들(14,15) 및/또는 흡수체(12)는 양자우물 Si/SiGe을 갖는 다양한 양의 실리콘 나이트라이드 및/또는 실리콘 디옥사이드를 포함한다. 이 조건은, 양자우물 Si/SiGe의 열전도율이 실리콘 나이트라이드의 것보다 약 3-4 배 더 클 수 있기 때문에, 감지기 성능에 유의미한 손실을 초래하지 않을 것이다. 보통 말하는 그런, 실리콘 나이트라이드에 의해 부가된 열전도율의 부가는 실리콘 나이트라이드로써 Si/SiGe 양자우물에 부가된 열전도율의 전체적인 증가의 면에서 무시될 수 있다. 예를 들면, Si/SiGe 양자우물의 열전도율은 3-5 W/mK 사이에 있을 수 있다. 실리콘 나이트라이드의 열전도율은 1.2 W/mK일 수 있다. 적절한 양의 실리콘 나이트라이드를 부가하는 것은 Si/SiGe 양자우물의 열전도율이 우세할 수 있기 때문에 감지기 성능에 영향을 미치지 않을 것이다. 대개, 실리콘 나이트라이드의 두께는 임의의 곳에서 양자우물 암들(14,15)의 전체두께의 10% 내지 100%의 범위에 있을 수 있다. 예를 들면, 암들(14,15)은 1000Å 두께라면, 실리콘 나이트라이드의 두께는 100Å 내지 1000Å의 범위내에 있을 수 있다. 일반적으로 전체 열 컨덕턴스(thermal conductance) 중 최대 부품은 암들(14,15)이 되어야 한다.
현수형 암 및 흡수체 구조를 구현할 수 있는 종래 기본 감지기들은 열전도율의 증가를 방지하기 위하여 감지기의 막들을 형성하는데 비스무트 텔루라이드가 사용될 때 암들 및/또는 흡수체를 실리콘 나이트라이드로 캡슐화하는 것을 피하는 경향이 있다. 그러나, 여기에 기재된 바와 같이, 캡슐화된 실리콘 나이트라이드를 제거함으로써, 이러한 조건은 위에서 서술된 감지기(10)의 휨 및/또는 좌굴을 조장할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 예를 들면, 캡슐화된 실리콘 나이트라이드의 제거는 감지기 기계적 강도를 감소시키고 응력 보상할 능력을 없앨 것이다. 감지기가 응력보상을 받지 못한다면, 감지기는 휘어지고 기능을 발휘하지 못하게 된다.
MEMS 가공에서 또 하나의 유용한 유전체는 실리콘 디옥사이드일 수 있다. 침착될 때, 실리콘 디옥사이드는 통상 압축응력상태에 있고, 실리콘 나이트라이드와 결합된 이 재료는 응력을 보상하는데 사용될 수 있고 부가적으로 유효한 에치 스톱퍼가 될 수 있다. 박막 실리콘 디옥사이드의 열 전도율은 ≤2.0
Figure pct00008
일 수 있다.
도5는 실리콘 재료들에 의해 캡슐화된 초격자 양자우물 열전재를 도시한다. 일반적으로, 흡수체(12) 및/또는 암들(14,15)의 초격자 양자우물 층들은 실리콘 나이트라이드의 정상층과 실리콘 나이트라이드의 바닥층 사이에 샌드위치될 수 있다(또는 실리콘 디옥사이드의 정상층과 실리콘 디옥사이드의 바닥층 사이에 샌드위치되거나 또는 실리콘 나이트라이드의 정상층과 실리콘 디옥사이드의 바닥층사이에 샌드위치될 수 있다(또는 반대도 가능하다)(도2의 요소(29) Si/SiGe의 교번층들(예를 들면, 배리어 층들은 Si를 포함하고 전도층들은 SiGe를 포함하는 경우에 배리어 또는 전도층들)). 도1-2를 참고하면, 제1 암(14) 및 제1 부분(36)은 실리콘 나이트라이드로 캡슐화된 p-형 초격자 양자우물로 형성될 수 있다. 반대로, 제2 암(15) 및 제2 부분(38)은 실리콘 나이트라이드로 캡슐화된 n-형 초격자 양자우물로 형성될 수 있다. 실리콘 나이트라이드층 위에 위치한 SiGe층은 Ge함량이 높은 폴리실리콘 SiGe 시이드층을 포함할 수 있다. Ge함량은 적어도 70%일 수 있다. 저온에서 침착되었을 때, SiGe 시이드층의 높은 Ge는 다음의 실리콘 층 아래에 놓일 시이드 층 상에 약간의 규칙의 결정구조를 갖는 폴리실리콘-게르마늄을 형성할 수 있다.
도6a-6b는 양자우물 효과를 실현하는 일 실시예 및 양자우물 효과를 실현하지 못하는 또 하나의 실시예를 각각 도시한다. 도3a를 참고하면, 감지기(예를 들면, 제1 암(14), 제2 암(15) 및/또는 흡수체(16))의 일 부분은 임의 수의 막들(41)을 포함할 수 있다. 박막들(41)은 Si 및/또는 Si/Ge(예를 들면, Si 와 Si/Ge의 초격자)의 교번층들을 포함할 수 있다. Si 및 Si/Ge의 각 층은 ≤200Å의 두께를 가질 수 있다. 감지기(10)내의 양자우물재의 총 두께는 ≤2000Å일 수 있다. 제1 접점(42)은 일 단부상에 위치되며 제2 접점(44)는 타 단부상에 위치된다. 제1 접점(42)은 제2 접점(44)으로부터 수평방향으로 떨어져 위치할 수 있다. 제1 접점(42)을 제2 접점(44)으로부터 수평방향으로 떨어져 위치시킴으로써, 소량의 전류 및 열이 제1 접점(42)으로부터 Si/SiGe의 층들을 거쳐서 제2 접점(44)으로 횡 방향으로(예를 들면, 평면 내에서) 흐를 수 있다. 이러한 조건에 의해 제1 암(14), 제2 암 및/또는 흡수체(16)가 양자우물 효과를 실현할 수 있게 된다.
열전재들의 성능을 향상시키는 하나의 해결책은, 주로 인접한 배리어층들에 의해 운반자들을 다층 막의 활성층들에 양자우물 가둠(quantum well confinement)에 의해 조성 변조된 재료들(compositionally modulated materials)을 형성하는 것이다. 여기에 개시된 해결책은 전하 운반자들에 대한 배리어를 형성하는데 충분한 밴드 오프셋을 갖는 재료로 각 전기적 활성층을 둘러싸는 것이다. 열전 성질들(예를 들면, 제벡 효과, 전기 저항률 및 열전도율)의 개선에 의해 상태 밀도의 증가(예를 들면, 증가된 제벡)로부터, 운반자 이동도의 증가(예를 들면, 저 전기 저항) 및 양자우물과 배리어층들 사이의 스트레인(예를 들면, 저 열 전도율)에 의한 억제된 포논 흐름이 뒤따를 것으로 예상된다. 층의 두께는 ≤200Å일 수 있다.
도6b는 제1 접점(42)이 제2 접점(44)으로부터 수직방향으로 이동된 것을 도시한다. 소량의 전류 및 열이 제1 접점(42)으로부터 Si/SiGe의 층들을 거쳐서 제2 접점으로의 위에서 서술된 양자우물 구조의 평면내 방향에 수직인 교차-평면 방향으로 흐를 수 있다. 열전도율이 감소되지만 이 구현체는 양자우물 효과를 실현할 수 없다.
도7은 하나 이상의 흡수체(12)에서 및/또는 암들(14, 15)에서 침착 동안에 실리콘 나이트라이드 및 초격자 양자우물재들의 층들에 의해 생기는 다양한 응력들을 도시한다. 예를 들면, 양자우물 Si/SiGe 등의 재료들은 침착될 때, 압축응력 상태에 있을 수 있다. 압축 응력하에서, Si 및 SiGe의 다양한 층들은 기판(16)에 대하여 팽창될 수 있다. 이 응력상태에서, (흡수체(12)에서의 및/또는 암들(14, 15)에서의) Si 및 Si/Ge의 층들은 두 점(예를 들면, 점(22,30))에 매달리고 부착되었을 때 기판(16)위에서 좌굴될 수 있다.
실리콘 나이트라이드는 다른 한편으로 침착될 때, 인장 상태에 있을 수 있다. 인장응력하에서, 실리콘 나이트라이드의 각 층은 기판(16)에 대하여 수축될 수 있다. 이 응력상태에서, 실리콘 나이트라이드의 각 층은 두 점(예를 들면, 점(22,30))에 매달리고 부착되었을 때 기판(16)에 의해 신장될 수 있다. 실리콘 나이트라이드 및 양자우물 Si/SiGe에 대한 예정된 두께 및 침착 매개변수들을 사용함으로써, 거의 응력이 없는 감지기가 구성될 수 있다. 일반적으로, 그 두 응력들(예를 들면, 압축 및 인장)이 반대의 유형이라는 사실 때문에, 거의 응력이 없는 박막이 Si/SiGe 층들을 실리콘 나이트라이드 층들에 결합시킴으로써 형성될 수 있다. 각 층의 두께는 각 층의 응력의 크기에 의존할 수 있다.
일반적으로, 감지기(10)의 층들(예를 들면 Si/SiGe 및 실리콘 나이트라이드의 층들)이 동일하고 반대의 응력 레벨들을 갖는다면, 그때는 층들의 서로의 위에의 침착은 거의 응력이 없는 박막을 형성할 수 있다. 예를 들면, σm1이 재료 m1(예를 들면, Si 및 Si/Ge의 층들)의 응력을 그리고 σm2이 재료 m2(예를 들면, 실리콘 나이트라이드의 층들)의 응력을 나타낸다고 하자. 인장응력 상태에 있는 재료는 양의 값을 가지고 압축응력 상태에 있는 재료는 음의 값을 가질 수 있다. t1은 제1 세트의 층들(예를 들면, Si 및 Si/Ge의 층들)의 두께를 나타내고 t2는 제2 세트의 층들(예를 들면, 실리콘 나이트라이드의 층들)의 두께를 나타낸다고 하자. 응력 보상 감지기(10)를 제조하기 위하여 다음 식을 만족시킬 필요가 있다:
Figure pct00009
이 표현은 두 세트의 층 이상으로 쉽게 일반화될 수 있다.
위에서 서술된 바와 같이, 양자우물 Si/SiGe은 침착될 때 압축응력 상태에 있고 실리콘 나이트라이드는 침착될 때 인장응력 상태에 있으며, 양자우물 Si/SiGe의 침착에 의해 생기는 압축응력은, 실리콘 나이트라이드의 침착에 의해 생기는 인장응력에 의해 상쇄되어, 거의 응력이 없는 현수형 감지기 구현체를 얻을 수 있다.
일반적으로, SiGe의 각 층은 흡수체(12)에서 및/또는 암들(14,15)에서 n- 또는 p-형 도핑될 수 있다. Si층들은 도핑될 수 없고 그래서 전기적으로 전도성이 아니다. 흡수체(12)에서의 및/또는 암들(14,15)에서의 실리콘 게르마늄의 하나 이상의 층들의 도핑 농도는 5×10^18 내지 5×10^19 원자수/cm3 사이에 있다.도핑 농도는 n-형 및 p-형에 대하여 동일하지 않을 수 있다. n-형 암 및 p-형 암의 전기저항은 제벡 효과를 최대화하기 위하여 동일하여야 한다. 균등한 암 저항을 얻기 위하여 실리콘 게르마늄의 다양한 층들의 도핑 농도가 조절될 수 있기 때문에, 이것이 이 도핑 농도가 다른 이유이다. 게다가, 도핑 농도가 증가함에 따라서 전기 저항은 낮아지지만 제벡 효과도 또한 떨어진다. 전기저항이 n-형과 p-형 사이에서 동일한 것을 보장하고 또한 최대 신호 대 노이즈 비를 얻기 위하여 실리콘 게르마늄의 층에 대한 최적 도핑 농도가 얻어진다.
초격자 양자우물 계 열전재들을 감지기(10)에 사용함으로써 감지기 성능을 향상시킬 수 있는 적정한 열전도율, 증가된 제벡 효과 및 낮은 저항률이 얻어지지만 이에 제한되는 것은 아니다. 초격자 양자우물 계 재료들을 실리콘계 재료들(실리콘 나이트라이드 및/또는 실리콘 옥사이드 또는 기타 적합한 재료 등)로 캡슐화함으로써 감지기(10)의 기계적 강도가 증가되고 초격자 양자우물 재료들의 다양한 층들에 의해 생기는 오프셋팅 응력(offsetting stress)이 응력보상될 수 있다. 요약하면, 감지기(10)에서 초격자 양자우물 열전재들을 실리콘계 재료들과 결합하여 사용함으로써 (ⅰ) 초격자 양자우물 재료들과 결합하여 얻어지는, 알려져 왔던 허용가능 레벨의 열전도율, 증가된 제벡 효과 및 낮은 저항률로 인한 증가된 감지기 성능이 제공되고 그리고 (ⅱ) 초격자 양자우물 열전재들과 캡슐화된 실리콘계 재료들 사이의 오프셋팅 응력에 의해 기계적 강도/응력 보상이 증가된다는 것을 본 개시는 제시하고 있다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자우물 열전 감지기(10)을 제조하는 제조공정흐름도(50)를 도시한다. 공정흐름도(50)은 감지기(10)를 제조하는데 이용될 수 있다. 공정흐름도(50)는 실리콘 나이트라이드를 에치 스톱으로 사용하지 않고 감지기(10)를 제조하는 것을 도시한다.
작업단계(51)에서, 실리콘 디옥사이드 층을 형성한다.
작업단계(52)에서, 실리콘 디옥사이드를 패터닝하고 건식에칭한다.
작업단계(54)에서, 티타늄 층을 실리콘 디옥사이드 층 위에 침착한다, 티타늄, TiW, Cr 또는 기타 유사한 금속들은, 알루미늄이 이들 내화금속에 고착되고 내화금속들은 그것들이 침착되는 무엇과도 고착될 수 있기 때문에, 버퍼층으로서 사용될 수 있다,
작업단계(56)에서, 알루미늄 층은 티타늄 층위에 침작된다(도6a을 참고할 것). 알루미늄은 내화금속들보다 더 우수한 전기전도율을 제공할 수 있다.
작업단계(58)에서, 알루미늄 및 티타늄(또는 TiW 또는 Cr)이, 반사체(17) 및 상호연결체들(ROIC(16)상의 입력 패드들(24 및 32) 등)을 형성하기 위하여 패터닝된다(도6b을 참고할 것).
작업단계(60)에서, 폴리이미드 층이 알루미늄 위에 침착된다. 폴리이미드는 희생층으로서 사용될 수 있는 유기물질이다. 즉, 결국 폴리이미드는 산소 플라즈마 에치로 에칭되어 제거될 수 있다. 폴리이미드는 고온 가공에 견딜 수 있고 에칭에 의해 쉽게 제거될 수 있다. 폴리이미드는 그것이 MEMS 스택의 바닥에 있기 때문에 에칭에 의해 용이하게 제거되는 그의 성질로 인해 필요하다.
작업단계(62)에서, 공정(50)에서 나중에 포스트들(22,30)을 형성하기 위한 개구를 규정하기 위해 폴리이미드의 일부분이 제거된다.
작업단계(64)에서, 실리콘 나이트라이드의 제1 층이 폴리이미드의 위에 침착된다(도9c을 참고할 것). 위에서 서술한 바와 같이, 실리콘 나이트라이드가 침착될 때, 실리콘 나이트라이드 층은 인장응력의 형태를 나타낼 수 있다.
작업단계(66)에서, 시이드 층은 ROIC(19)위에 침착된다. 이 침착은 포스트-CMOS 양립성(compatible) SiGe 폴리실리콘 또는 포스트-CMOS 양립성 Ge를 포함한다. 시이드 층은 감지기(10)가 충분한 양자우물 성능을 얻을 수 있게 한다. 시이드 층은 결정구조 또는 그 구조의 단범위 규칙성(a short range ordering)을 나타낼 수 있다. 예를 들면, Si/SiGe 층들은 적어도 약간의 단범위 결정 규칙성을 가져야 한다. 이 이유는 비-결정질 재료들이 열등한 전기전도체로 알려져 있기 때문에 전기 전도율이 열등하기 때문이다. Si에 대하여 저온(예를 들면, ≤450℃) 및 높은 Si 함량(SixGe1 -x)(x≥0.4)에서 참(true) 폴리실리콘 침착을 얻는 것은 어려울 수 있다. 다른 한편으로, 높은 Ge 함량 SiGe는 더 낮은 온도(예를 들면, ≤450℃)에서 침착될 수 있으며 다결정일 수 있다. 예를 들면, SixGe1 -x의 Ge 함량이 70%(x=0.3)일 때 우수한 품질의 폴리실리콘 Si0 .3Ge0 .7이 400℃이하의 온도에서 침착될 수 있다. 이것은, Si 또는 SiGe(전형적으로 Si0 .8Ge0 .2)이 약 350℃에서 스퍼터링에 의해 침착될 때 그 재료가 아래 층(lower layer)의 결정 규칙성을 "따라서(follows)", 스퍼터 재료의 더 결정성의 방위를 얻을 수 있도록, 아주 우수한 시이드 층을 만들 수 있다. 이 부분은 고성능 감지기들을 제조하는 데 중요할 수 있다. 시이드 층의 부가는 나중에 침착되는 Si와 SiGe의 교번층들이 유리한 양자우물 열전성질들을 가질 수 있게 한다. 실리콘 디옥사이드 층이 기판(16)을 형성하기 위하여 시이드 층의 위에 형성된다.
Si 및 SiGe 양자우물 층들의 교번층들은 또한 실리콘 나이트라이드 층의 위에 침착된다. Si 및 SiGe의 각 층은 약 100Å이다. Si 및 SiGe의 이들 층은 압축응력의 상태를 나타낸다. Si 및 SiGe의 교번층들은 n-형 도핑될 수 있다(도9c을 참고할 것). Si 및 SiGe의 층은 물론 p-형으로 도핑될 수 있다는 것을 알 수 있다. 일반적으로, Si 및 SiGe의 4 내지 5 주기가 감지기(10)에 사용될 수 있다(또는 Si 및 SiGe의 8 내지 10 층들). 실리콘 나이트라이드의 두께는 (10 층들이 사용된다면) 최대 1000Å일 수 있다. 실리콘 나이트라이드와 Si 및 SiGe의 교번 층들(Si 및 SiGe의 10 층들(예를 들면 1000Å) 및 실리콘 나이트라이드의 상한 두께(예를 들면 1000A)를 가정하면)은 2000Å의 총 두께를 갖는다.
작업단계(68)에서, 흡수체(12)의 제1 부분(36 또는 38) 및 암들(14 또는 15)은 패터닝 및 건식 에칭에 의해 형성될 수 있다. 흡수체(12)의 이 부분 및 암(14 또는 15)은 n-형 일 수 있다.
작업단계(70)에서, 포토레지스트가 제거되고 제2 세트의 Si 및 p-형 Si/Ge의 교번층들이 Si 및 n-형 SiGe의 층들 및 실리콘 나이트라이드 층 바로 위에 침착된다. 일반적으로, 포토레지스트는 어느 영역들이 에칭되고 어느 영역들이 에칭되지 않는가를 규정한다.
작업단계(72)에서, 흡수체(12)의 제2 부분(36 또는 38) 및 암(14 또는 15)(예를 들면, 작업단계(68)에서 형성된 것과 반대로)이 패터닝 및 건식 에칭에 의해 형성될 수 있다.
작업단계(74)에서, 제2 실리콘 나이트라이드층이 교번 p-형 양자우물 Si/SiGe 층들과 교번 n-형 양자우물 Si/SiGe 층들의 위에 참착된다. 위에서 서술한 바와 같이, 실리콘 나이트라이드가 침착될 때, 실리콘 나이트라이드 층은 인장응력의 형태를 나타낼 수 있다. 실리콘 나이트라이드의 양 층들은 교번 양자우물 Si/SiGe 층들을 갖는 감지기(10)에 부가된 압축응력을 보상할 수 있는 인장강도를 제공한다.
작업단계(76)에서, 금속 박막이 복사선 흡수를 향상시키기 위하여 제2 실리콘 나이트라이드 층 위에 침착된다.
작업단계(78)에서, 제2 실리콘 나이트라이드 층의 일부분 및 Si 및 SiGe(예를 들면 n-형 또는 p-형) 교번층들이 폴리이미드에 이르기까지 제거된다.
작업단계(80)에서, 포스트들(22,30)을 형성하기 위한 개구를 규정하기 위하여, 금속 박막의 부분들, 제1 및 제2 실리콘 나이트라이드 층들, Si 및 Si/Ge의 교번 층들이 각각 제거된다.
작업단계(82)에서, 티타늄 및 알루미늄이 암들(14,15)내부에 형성된 개구들에 침착된다. 포스트들(22,30)을 형성하기 위하여 티타늄 및 알루미늄이 개구들 내에 침착된다. 티타늄만이 흡수체 영역위에 침착된다(도9d을 참고할 것). 감지기(10)의 이 부분은 또한 흡수체(12)상의 활성영역(40)으로 알려져 있다.
작업단계(84)에서, 전체 폴리이미드 층이 산소 플라즈마 건식 에치에 의해 제거된다. 전체 폴리이미드 층을 제거함으로써, 제1 및 제2 실리콘 나이트라이드층들 및 Si 및 SiG의 교번층들이 기판(16)위에 매달려진다. 실리콘 나이트라이드 및 Si 및 SiGe의 현수형 층들은 포스트들(22,30)을 통해서 ROIC(19)에 연결된다.
도9a-9d는 도8와 관련하여 기술한 바와 같이 제조될 때 감지기(10)의 다양한 형성체를 도시한다.
도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자우물 열전 감지기(10)의 제조공정흐름도(100)를 도시한다. 공정흐름도(100)는 실리콘 나이트라이드를 에치 스톱으로서 사용한 감지기(10)의 제조를 도시한다.
작업단계들(101),(102),(104),(106),(108),(110),(112),(114) 및 (116)은 각각도8과 관련하여 기술된, 작업단계들 (51),(52),(54),(56),(58),(60),(62),
(64) 및 (66)과 유사하다.
작업단계(118)에서, 제2 실리콘 나이트라이드 층은 n-형 양자우물 Si/SiGe의 교번 층의 위에 침착된다. p-형 또는 n-형 양자우물 Si/SiGe이 침착될 수 있다는 것을 알 수 있다. 위에서 기술한 바와 같이, 실리콘 나이트라이드가 침착될 때, 실리콘 나이트라이드 층은 인장응력의 형태를 나타낼 수 있다. 실리콘 나이트라이드의 양 층은 인장강도를 제공하며, 이것은 n-형 양자우물 Si/SiGe의 교번층들을 갖는 감지기(10)에 부가된 압축응력을 보상할 수 있다. 제2 실리콘나이트라이드 층은 실리콘 나이트라이드 아래에 있는 재료의 층들을 보호하기 위하여, 재료의 부가 층들이 제조공정에서 차후에 부가될 때, 건식 에치 스톱으로서 역할을 한다.
작업단계(120)에서, 제2 실리콘 나이트라이드 층 및 n-형 양자우물 Si/SiGe의 교번층들은 암(15) 및 흡수체(12)의 제2 부분(38)을 형성하도록 건식 에칭된다(도11b을 참고할 것). 예를 들면, 흡수체(12)의 제2 부분(38)과 암(15)은 건식 에칭에 의해 형성될 수 있다. 흡수체(12)의 이 부분과 암(15)은 n 형일 수 있다. 이 작업단계에서, Si/SiGe 층들은 제1 및 제2 실리콘 나이트라이드 층들에 의해 캡슐화될 수 있다. 이 조건은 감지기(10)내의 암(15) 및 제2 부분(38)을 응력보상할 수 있다.
작업단계(122)에서, 포토레지스트는 제거되고 제2 세트의 p-형 양자우물 Si/SiGe의 교번층들이 침착된다. 제2 세트의 p-형 양자우물 Si/SiGe의 교번층들이 제1 및 제2 실리콘 나이트라이드 층들 바로 위에 침착된다(도11c를 참고할 것).
작업단계(124)에서, 제3 실리콘 나이트라이드 층이 제2 세트의 p-형 Si/SiGe의 교번층들의 위에 침착된다(도11c를 참고할 것).
작업단계(126)에서, 제3 실리콘 나이트라이드 층 및 제2 세트의 Si 및 p-형 Si/SiGe의 교번층들이 제1 암(14) 및 흡수체(12)의 제1 부분(36)을 형성하도록 건식에칭된다. 이 작업단계에서, Si 및 p-형 Si/SiGe의 제 2 교번층들의 첫번째는 제1 및 제3 실리콘 나이트라이드 층들에 의해 캡슐화될 수 있다(도9d를 참고할 것). 이 조건은 감지기(10)내의 암들(14,15) 및 제1 및 제2 부분들(36,38)을 응력보상할 수 있다.
작업단계(128)에서, 금속 박막이 흡수체(12)상의 제2 실리콘 나이트라이드층 및 제3 실리콘 나이트라이드 층 위에 침착된다. 금속 박막은 IR 흡수를 향상시키도록 구성된다(도11e를 참고할 것).
작업단계(130)에서, 제2 및 제3 실리콘 나이트라이드 층들 및 Si 및 SiGe의 교번층들(예를 들면, n-형 또는 p-형)이 서모파일 암들을 형성하도록 폴리이미드에 이르기까지 제거된다.
작업단계(132)에서, 금속 박막, 제1, 제2 및 제3 실리콘 나이트라이드 층들 및 Si 및 Si/Ge의 교번층들의 부분들이 포스트들(22,30)을 형성하기 위한 개구를 규정하기 위하여 암들(14,15)상에서 제거된다.
작업단계(134)에서, 티타늄 및 알루미늄은 암들(14,15)내에 형성된 개구들에 침착된다. 포스트들(22,30)을 형성하도록 티타늄 및 알루미늄이 개구들내에 침착된다. 티타늄만이 흡수체 영역위에 침착된다. 감지기(10)의 이 부분은 또한 흡수체(12)상의 활성영역(40)으로 알려져 있다.
작업단계(136)에서, 전체 폴리이미드 층이 산소 플라즈마 건식 에치에 의해 제거된다. 전체 폴리이미드 층을 제거함으로써, 제1 및 제2 실리콘 나이트라이드 층 및 Si 및 SiGe의 교번층들이 기판(16)위에 매달려진다. 실리콘 나이트라이드 및 Si 및 SiGe의 현수형 층들은 포스트들(22,30)을 통해서 ROIC(19)에 연결된다.
본 발명의 실시예들은 도시화되고 기술되어 있지만, 이들 실시예는 본 발명의 모든 가능한 형태들을 도시하고 기술하지는 않을 것이다. 오히려, 본 개시에 사용된 단어들은 제한하기 보다는 오히려 기술하는 단어들이며 본 발명의 원리 및 사상을 일탈하지 않고 다양한 변경들이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (25)

  1. 기판; 및
    흡수체를 포함하는
    서모파일을 포함하는 적외선(IR) 센서로서,
    상기 흡수체는 상기 기판 위에 위치되며 기판과 갭을 형성하고, 신으로부터의 적외선(IR)을 받기 위한 그리고 상기 신의 온도를 표시하는 전기 출력을 발생시키기 위한 것으로서, 또한 상기 흡수체는 상기 기판으로부터 열적으로 절연되도록 초격자 양자우물 구조로 형성되는 것인
    적외선(IR) 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초격자 양자우물 구조는 복수의 제1 및 제2 교번 층들을 포함하는 것인 적외선 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제1 및 제2 교번 층들의 전체 수는 8 내지 10 층들인 것인 적외선 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 교번 층들의 각각은 실리콘을 포함하며 상기 제2 교번 층들의 각각은 실리콘 게르마늄을 포함하는 것인 적외선 센서.
  5. 제2항에 있어서,
    제1 캡슐형 층(encapsulating layer) 및 제2 캡슐형 층을 추가로 포함하고, 상기 복수의 제1 및 제2 교번 층들은 상기 흡수체를 상기 갭에 걸쳐서 지지하기 위하여 상기 제1 캡슐형 층과 상기 제2 캡슐형 층 사이에 위치하는 것인 적외선 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 캡슐형 층들의 각각은 실리콘 나이트라이드와 실리콘 디옥사이드 중 하나를 포함하는 것인 적외선 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 흡수체의 제1 측에 위치한 제1 암 및 상기 흡수체의 제2 측에 위치한제2 암을 추가로 포함하고, 상기 제1 암 및 상기 제2 암은 각각 상기 흡수체가 상기 제1 암 및 상기 제2 암에 의해 열적으로 절연되도록 초격자 양자우물 구조로 형성되는 것인 적외선 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 초격자 양자우물 구조는 복수의 실리콘 및 게르마늄의 교번 층들을 포함하는 것인 적외선 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 암 및 상기 제2 암의 실리콘 게르마늄은 n-형 도핑 과 p-형 도핑 중 하나이며, 실리콘 게르마늄의 도핑 농도는 5×1018과 5×1019 원자수/cm3 사이에 있는 것인 적외선 센서.
  10. 제8항에 있어서,
    실리콘 및 실리콘 게르마늄의 각 층은 전체적으로 100Å의 두께를 가지는것인 적외선 센서.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 실리콘 및 실리콘 게르마늄의 교번 층들은 전체적으로 1000Å의 전체 두께를 가지는 것인 적외선 센서.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 실리콘 및 실리콘 게르마늄의 교번 층들은, 상기 복수의 교번 층들을 응력보상하기 위하여, 실리콘 나이트라이드와 실리콘 디옥사이드 중 하나인 제1 층 및 상기 실리콘 나이트라이드와 상기 실리콘 디옥사이드 중 하나인 제2 층에 의해 캡슐화되는 것인 적외선 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 층은 상기 복수의 실리콘 및 실리콘 게르마늄의 교번 층들의 전체 두께의 10% 내지 100%의 범위내의 두께를 가지는 것인 적외선 센서.
  14. 기판; 및
    상기 기판 둘레에 매달려 있으며, 신으로부터의 적외선(IR)을 받기 위한 그리고 상기 신의 온도를 표시하는 전기 출력을 발생시키기 위한 흡수체로서, 상기 흡수체를 상기 기판으로부터 열적으로 절연시키고 또한 센서의 전기 전도율을 증가시키기 위하여 초격자 양자우물 구조로 형성되는 흡수체를 포함하는
    서모파일을 포함하는 적외선(IR) 센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 초격자 양자우물 구조는 복수의 제1 및 제2 교번 층들을 포함하는 것인 적외선 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 제1 및 제2 교번 층들은 상기 복수의 제1 및 제2 교번 층들을 응력보상하기 위하여 제1 캡슐형 층과 제2 캡슐형 층 사이에 위치되는 것인 적외선 센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 캡슐형 층들의 각각은 실리콘 나이트라이드와 실리콘 디옥사이드 중 하나를 포함하는 것인 적외선 센서.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제1 층들의 각각은 실리콘을 포함하고 상기 제2 층들의 각각은 실리콘 게르마늄을 포함하는 것인 적외선 센서.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 실리콘 층들의 전체 수는 4 내지 5 실리콘 층들이고 상기 제2 실리콘 게르마늄 층들의 전체 수는 4 내지 5 실리콘 게르마늄 층들인 것인 적외선 센서.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 흡수체의 일측에 위치된 암을 추가로 포함하며 상기 암은 상기 초격자 양자우물 구조로 형성되는 것인 적외선 센서.
  21. 적외선(IR)센서를 형성하는 방법으로서, 상기 방법은:
    기판을 형성하는 단계;
    초격자 양자우물 구조를 갖는 복수의 제1 및 제2 교번 층들을 갖는 흡수체를 형성하는 단계; 그리고
    상기 흡수체가 상기 기판 둘레에 매달릴 수 있게 갭이 형성되도록 상기 흡수체를 상기 기판둘레에 위치시키는 단계를 포함하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 초격자 양자물질 구조의 상기 복수의 제1 및 제2 교번 층들을 갖는 상기 흡수체의 일측에 암을 형성하는 단계; 그리고
    상기 암을 상기 기판 위에 위치시키는 단계를 추가로 포함하는 센서.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 제1 교번 층들의 각각은 실리콘을 포함하고 상기 제2 교번 층들의 각각은 실리콘 게르마늄을 포함하는 것인 센서.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 복수의 제1 및 제2 교번 층들 위에 제1 캡슐형 층을 형성하는 단계; 그리고
    상기 복수의 제1 및 제2 교번 층들 아래에 제2 캡슐형 층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 캡슐형 층들은 상기 흡수체가 상기 기판 위에 매달릴 수 있게 하는 것인 센서.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1 캡슐형 층 및 제2 캡슐형 층의 각각은 실리콘 나이트라이드와 실리콘 디옥사이드 중 하나인 것인 센서.
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