KR20220148772A - 높은 온도 안정성의 간섭 측정 흡수재를 사용하는 표면 미세-기계 가공된 적외선 센서 - Google Patents

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infrared sensor
sensor
reflector
silicon
absorber
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KR1020220135576A
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피오트르 크로펠닉키
라두 엠. 마리네스쿠
헤르만 카라고에조글루
카이 리앙 추안
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엑셀리타스 테크놀로지스 싱가폴 피티이. 엘티디.
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Abstract

표면 기계 가공된 적외선 센서 패키지를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 전면과 후면을 갖는 반도체 웨이퍼가 제공된다. 트랜지스터가 기판의 전방 측 상에 규정된다. 박막 반사재가 기판의 전방 측에 주입되고, 센서가 반사재에 인접한 반도체 기판의 전방 측 상에 형성된다. 박막 흡수재가 센서 상에 퇴적되며, 박막 흡수재는 반사재와 실질적으로 평행하다.

Description

높은 온도 안정성의 간섭 측정 흡수재를 사용하는 표면 미세-기계 가공된 적외선 센서{SURFACE MICRO-MACHINED INFRARED SENSOR USING HIGHLY TEMPERATURE STABLE INTERFEROMETRIC ABSORBER}
본 발명은 방사선 센서에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 적외선 방사선 센서에 관한 것이다.
서모파일(thermopile) 적외선 센서는, 예컨대 대략 300℃까지의 온도 안정성과, 예컨대 450mW 전력 소비의 U 일렉트로닉 32×32 마이크로볼로미터(microbolometer) 어레이 또는 200mW 미만의 전력 소비의 엑셀라이타스(Excelitas) 32×32 어레이와 같은 저전력 소비를 소유한 것으로 잘 알려져 있다. 그러나 이들 센서의 검출능(detectivity)은, 종래의 저항성 마이크로볼로미터(여기서 "마이크로볼로미터"로 지칭되는 a-Si, VOx)와 비교하여, 낮은 것으로 알려져 있으므로, 픽셀 크기를 증가시킴으로써 이러한 문제점을 보상하려는 접근법이 모색되어왔다. 증가한 픽셀 크기를 갖는 그러한 센서는 예컨대 25㎛×25㎛의 마이크로볼로미터와 비교하여 1mm×1mm보다 큰 서모파일 적외선(IR) 센서 크기뿐만 아니라 108cmHz1/2/W의 검출능을 갖는 센서와, 109cmHz1/2/W의 검출능을 갖는 마이크로볼로미터를 포함한다. 그러므로, 전방 측 언더컷 릴리스 프로세스와 결합한, 센서 아래의 기판의 후방 측에서의 공동의 에칭("후방 측 에칭")과 센서의 전방 측 상의 대형 흡수재가 병합되어 센서를 만들며, 이러한 동작은 진공이 아닌 경우에도 동작할 수 있다.
마이크로볼로미터 센서로부터 알려진 바와 같이, 새로운 상보 금속-산화물-반도체(CMOS) 프로세스 기술이 개발됨에 따라, 서모파일 센서의 추가 소형화가 전방 측 가스 릴리스 프로세스를 사용하여 달성될 수 있다. 예컨대, XeF2 또는 증기 HF, 간섭 측정 흡수재, 및/또는 박막 퇴적 및 칩-스케일 또는 웨이퍼-레벨 패키징 기술을 사용하여, 센서는 상대적으로 저가의 가격으로 등가의 마이크로볼로미터 검출능 성능을 달성할 수 있다.
그럼에도, 서모파일 센서는 일반적으로, n-타입 및 p-타입 실리콘의 불순물을 활성화시켜서, CMOS 독출 회로 및 공통 간섭 측정 흡수재 집적을 제조하기 위해, 고온 어닐링 프로세스를 요구하며, 그러한 집적에서, 알루미늄(Al)과 같은 금속이 반사재(reflector)로서 사용되나, 불가능하다.
일부 통상의 서모파일 센서의 센서는 전방 측으로부터 릴리스될 수 있다. 그러나 이들 통상의 서모파일을 이용하면, 센서 밑의 실리콘의 언더-에칭으로 인해, 대형 흡수재가 구현될 필요가 있다. 또한, 측방향 에칭 제어는 일반적으로 정밀하지 않으므로, 어레이로서의 센서의 집적은 거의 불가능하게 된다.
그러므로 전술한 단점 중 하나 이상을 극복할 필요성이 업계에서 있어왔다.
본 발명의 실시예는, 높은 온도 안정성의 간섭 측정 흡수재를 사용하는 표면 미세-기계 가공된 적외선 센서를 제공한다. 간략히 기재하면, 본 발명은 표면 기계 가공된 적외선 센서 패키지를 제조하는 방법에 관한 것이다. 방법의 단계는 전면 및 후면을 갖는 반도체 기판을 제공하는 단계, 기판의 전방 측 상에 트랜지스터를 규정하는 단계, 기판의 전방 측 상에 반사재를 주입하는 단계, 반사재에 인접한 반도체 기판의 전방 측 상에 센서를 형성하는 단계, 및 센서 상에 박막 흡수재를 퇴적하는 단계를 포함한다. 박막 흡수재는 실질적으로 반사재에 평행하며, 센서가 그 사이에 배치된다.
일부 실시예에서, 트랜지스터는 CMOS 트랜지스터일 수 있다. 박막 흡수재와 반사재 사이의 거리는 센서에 의해 검출한 방사선 파장의 대략 1/4일 수 있다. 적외선 센서는 서모파일 적외선 센서, 다이오드-볼로미터 또는 저항성 마이크로볼로미터일 수 있다.
본 발명의 다른 시스템, 방법 및 특성은, 다음의 도면 및 상세한 설명을 검토하면, 당업자에게 자명하거나 자명하게 될 것이다. 그러한 모든 추가 시스템, 방법 및 특성은 이 상세한 설명에 포함하며, 본 발명의 범위 내에 있으며 수반하는 청구범위에 의해 보호받고자 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 전술한 단점 중 하나 이상을 극복할 수 있다.
수반하는 도면을 포함하여 본 발명을 더 잘 이해하게 되며, 이러한 도면은 본 명세서에 병합되어 그 일부분을 구성한다. 도면의 구성요소는 반드시 실제축적대로일 필요는 없으며, 대신 본 발명의 원리를 명확히 예시하고자 강조되어 있다. 도면은 본 발명의 실시예를 예시하며, 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하는데 기여한다.
도 1의 a는, 제1 실시예에 따른 서모파일의 제1 제조 단계를 도시하는 개략적인 횡단면도이다.
도 1의 b는 서모파일의 제2 제조 단계를 도시하는 개략적인 횡단면도이다.
도 1의 c는 서모파일의 제3 제조 단계를 도시하는 개략적인 횡단면도이다.
도 1의 d는 서모파일의 제4 제조 단계를 도시하는 개략적인 횡단면도이다.
도 1의 e는 서모파일의 제5 제조 단계를 도시하는 개략적인 횡단면도이다.
도 1의 f는 서모파일의 제6 제조 단계를 도시하는 개략적인 횡단면도이다.
도 2는 도 1의 a 내지 도 1의 f의 서모파일 디바이스를 제조하는 방법의 흐름도이다.
도 3은, 흡수재와 반사재 사이의 간격을 지시하는 서모파일 제조를 도시하는 개략적인 횡단면도이다.
도 4의 a는 제2 실시예에 따른 다이오드-볼로미터의 제1 제조 단계를 도시하는 개략적인 횡단면도이다.
도 4의 b는 다이오드-볼로미터의 제2 제조 단계를 도시하는 개략적인 횡단면도이다.
도 4의 c는 다이오드-볼로미터의 제3 제조 단계를 도시하는 개략적인 횡단면도이다.
도 4의 d는 다이오드-볼로미터의 제4 제조 단계를 도시하는 개략적인 횡단면도이다.
도 4의 e는 다이오드-볼로미터의 제5 제조 단계를 도시하는 개략적인 횡단면도이다.
도 4의 f는 다이오드-볼로미터의 제6 제조 단계를 도시하는 개략적인 횡단면도이다.
도 5는 도 4의 a 내지 도 4의 f의 다이오드-볼로미터 디바이스를 제조하는 방법의 흐름도이다.
도 6a는 제1 실시예에 따른 서모파일의 개략적인 횡단면도이다.
도 6b는 제1 실시예에 따른 서모파일의 개략적인 평면도이다.
도 7의 a는 제2 실시예에 따른 측방향 다이오드-볼로미터의 개략적인 횡단면도이다.
도 7의 b는 제2 실시예에 따른 측방향 다이오드-볼로미터의 개략적인 평면도이다.
도 8의 a는 제3 실시예에 따른 수직방향 다이오드-볼로미터의 개략적인 횡단면도이다.
도 8의 b는 제3 실시예에 따른 수직방향 다이오드-볼로미터의 개략적인 평면도이다.
도 9의 a는 제4 실시예에 따른 저항성 마이크로볼로미터의 개략적인 횡단면도이다.
도 9의 b는 제4 실시예에 따른 저항성 마이크로볼로미터의 개략적인 평면도이다.
도 10은 서모파일의 진공 패키지 실시예의 개략적인 횡단면도이다.
도 11은 제5 실시예에 따른 도 9의 a 및 도 9의 b의 저항성 마이크로볼로미터의 어레이 집적의 개략적인 평면도이다.
다음의 정의는 본 명세서에서 개시한 실시예의 특성에 적용되는 용어를 해석하는데 유용하며, 본 개시 내의 요소를 단지 정의하고자 한다. 그에 따라, 청구범위 내에 사용된 용어에 관한 어떠한 제한도 의도하지 않거나, 유도되지 않아야 한다. 첨부된 청구범위 내에 사용된 용어는 오직 적용 가능한 기술 내에서 이들 용어의 관례적인 의미로 제한되어야 한다.
본 개시 내에서 사용되면서, "실질적으로"는 "거의"를 의미하며, 예컨대, "실질적으로 균일하다"는, 당업자가 예상할 수 있는 바와 같이, 정상 제조 공차 내에서 균일함을 의미한다.
본 개시 내에서 사용되면서, "얇다(thin)"는 TiN의 경우 대략 15nm미만, 또는 NiCr의 경우 대략 15nm미만, 그리고 도핑된 실리콘의 경우 대략 200nm미만을 의미한다.
본 개시 내에서 사용되면서, 박막 간섭 측정 흡수재는, 대략 377Ω/sq의 시트 저항을 갖는 소재로 형성된 박막을 갖는 간섭 측정 흡수재를 지칭한다. 예컨대, 소재는 대략 377Ω/sq의 시트 저항을 갖는 TiN, NiCr, 도핑된 실리콘, 또는 임의의 다른 소재일 수 있다.
본 개시 내에서 사용되면서, 박막 서모파일/다이오드-볼로미터/저항성 마이크로볼로미터는, 감지 소재 및 흡수재 층을 포함하며 일반적으로 2㎛보다 얇은 센서 멤브레인을 지칭한다.
본 개시 내에서 사용되면서, "온도 안정적이다"는 대략 1100℃까지의 온도에서의 소재의 안정성을 지칭한다.
본 개시 내에서 사용되면서, "증가한 검출능"은 일반적으로 대략 1mm×1mm 픽셀 크기의 경우의 5×108cmHz1/2/W의 벤치마크에 대한 검출능 개선을 지칭한다. 예컨대, 65㎛×65㎛ 픽셀 크기의 경우의 5×108cmHz1/2/W는, 유사한 응답을 제공하면서도, 1mm×1mm 픽셀보다 대략 200배 작은 면적을 가질 것이다. 그러므로, 증가한 검출능은 15배까지 또는 그 이상의 검출능의 개선을 지시한다.
본 개시 내에서 사용되면서, 고농도로 도핑된 실리콘은 1020/cm3보다 큰 어닐링 이후의 피크 도핑 농도를 지칭한다.
본 발명의 실시예를 이제 상세하게 참조할 것이며, 그러한 실시예의 예를 수반하는 도면에 예시한다. 가능한 경우에는 언제라도, 동일한 참조번호가 도면 및 상세한 설명에서 사용되어, 동일한 또는 유사한 부분을 지칭한다.
본 발명의 예시적인 실시예는 새로운 고온 안정적인 간섭 측정 흡수재 및 정렬 프로세스를 구현하여, 하나 이상의 CMOS 디바이스, 서모파일 IR 센서, 및 온-웨이퍼 진공 패키징을 함께 병합한다. 실시예는, (실리콘 대형 웨이퍼 상에서) 고농도로 도핑된 실리콘 반사재 및, 예컨대 서로 1/4 파장 거리(310)(도 3)만큼 분리되는 7nm Ti-N 대략 377Ω/sq와 같은, 임피던스 매칭되는 IR 흡수 층을 기반으로 한 간섭 측정 흡수재를 센서 상에서 갖는 표면 미세 기계 가공된 서모파일 센서를 포함하여, 원하는 파장에 대한 흡수를 조정한다. 예컨대, 극적외선 범위(FIR)는 대략 8㎛ 내지 14㎛의 파장 범위를 가지며, 그에 따라, 대략 2.5㎛의 광학 거리가 사용될 수 있어서, 10㎛의 중심 1/4 흡수 파장을 나타낼 수 있다.
실시예는 서모파일 IR 센서/다이오드-볼로미터를 구성하는 프로세스를 포함하며, 이로 인해, 매우 소형화 및 검출능 상승을 이룰 수 있다. 반사재로서 금속을 사용하는 통상의 마이크로볼로미터 간섭 측정 흡수재를 고농도로 도핑된 실리콘 반사재로 교체함으로써, 서모파일 IR 센서는 매우 최적화될 수 있으며, 저온으로 처리된 마이크로볼로미터와 유사한 처리 자유도를 갖는다.
도 2는 서모파일 IR 센서를 제조하는 제1 실시예의 흐름도이다. 프로세스(200)의 단계는 도 1의 a 내지 도 1의 f에 예시한다. 흐름도에서 임의의 프로세스 설명 또는 블록은, 프로세스에서 특정 논리 함수를 구현하기 위한 하나 이상의 명령을 포함하는 단계, 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부분을 나타내는 것으로 이해되어야 함을 주의해야 하며, 대안적인 구현이 본 발명의 범위 내에 포함되며, 여기서 함수는, 본 발명의 당업자에 의해 이해될 바와 같이, 수반하는 기능에 따라, 실질적으로 동시에 또는 역순으로를 포함하여, 도시한 또는 논의한 것에서 벗어난 순서로 수행할 수 있다.
블록(210) 및 도 1의 a에 도시한 바와 같이, CMOS 트랜지스터(130)와 CMOS 회로(135)가, 제1 실리콘 이산화물 층(120)이 구비된 실리콘 기판(110) 상에 형성된다. 대안적으로, 예컨대 게르마늄과 같이 CMOS 처리로 알려진 다른 반도체 소재가 기판(110)을 형성하는데 사용될 수 있다. 고농도로 도핑된 실리콘으로 형성한 얇은 반사재(140)가, 블록(220) 및 도 1의 b에 도시된 바와 같이 예컨대 이온 주입이나 확산을 사용하여 실리콘 이산화물 층(120) 밑에서 기판(110)에 주입된다. 블록(230) 및 도 1의 c에 도시된 바와 같이, 제2 실리콘 이산화물 층(125)으로 덮인 실리콘 스페이서(155)를 포함한 폴리실리콘 서모파일(150)이 반사재(140) 위에 형성된다. n-타입 감지 실리콘(160)의 웨이퍼와 p-타입 감지 실리콘(165)의 웨이퍼가 실리콘 스페이서(155) 위의 제2 실리콘 이산화물 층(125) 위에 형성된다. 실리콘 스페이서(155)의 두께는 후술될 바와 같이 원하는 검출 파장에 따라 결정할 수 있다.
블록(240) 및 도 1의 d에 도시한 바와 같이, 서모파일(150) 및 CMOS 트랜지스터(130)용 금속 접촉부(170)가, n-타입 감지 실리콘(160)의 웨이퍼와 p-타입 감지 실리콘(165)의 웨이퍼 사이에서 박막 흡수재(175)와 함께 퇴적된다. 흡수재는, 377Ω/sq에 도달할 수 있는 다른 CMOS 호환성 소재 중에서도, 예컨대 TiN 또는 NiCr 또는 도핑된 실리콘으로 형성할 수 있다. 흡수재(175)는, 반사재(140)에 대한 적절한 도핑 농도와 에너지를 선택함으로써, 8-14㎛의 파장의 입사 IR 광 중 85%를 초과한 양을 흡수할 수 있다. 반사재는, 1020/cm3보다 큰 어닐링 이후의 피크 도핑 농도를 갖고 8㎛ 내지 14㎛의 파장 범위를 커버할 수 있다. 예컨대, 도핑 에너지는 붕소 이온 주입의 경우 70KeV일 수 있거나, 인 이온 주입의 경우 160KeV일 수 있다. 후술될 바와 같이, 흡수재(175)는 n-타입 감지 실리콘(160)의 웨이퍼와 p-타입 감지 실리콘(165)의 웨이퍼 사이의 전기 커넥터로서 역할을 한다.
블록(250) 및 도 1의 e에 도시한 바와 같이, 패시베이션 층(180)을 적용한다. 패시베이션 층(180)의 소재는 예컨대, 후술될 바와 같이 릴리스 단계 가스로 선택되는 SiO2일 수 있다. 블록(260) 및 도 1의 f에 도시한 바와 같이, 릴리스 단계는 서모파일 멤브레인(150)을 릴리스하도록 실행되며, 제2 금속 접촉부(190)가 형성된다. 멤브레인(150)의 릴리스를 위해, 실리콘 스페이서(155)를 예컨대 제논 디플루오라이드(XeF2)와 같은 매우 선택적인 가스를 사용하여 에칭하여, 실리콘만 에칭하며, 예컨대 서모파일 감지 요소(160 및 165)를 둘러싸서 보호하는 제2 실리콘 이산화물 층(125) 및 패시베이션 층(180)과 같은 SiO2를 공격하지 않는다. 이것은, 실리콘 기판(110)의 웨이퍼 위 공동(156) 위에서 멤브레인(150)을 서스펜딩시키며 열적으로 격리시킨다. 후방 측 릴리스나 실리콘의 언더-에칭은 필요치 않으므로, 예컨대 XeF2 또는 증기 HF 마이크로볼로미터에 따라 매우 제어되는 가스 릴리스 프로세스가 적용될 수 있다.
고농도로 도핑된 실리콘의 반사 거동을 드루드(Drude) 모델로부터 유도한 자유 전자 모델에 의해 설명할 수 있다. 여기서, 자유 전자는 플라즈마 진동수를 결정하며, 이것은 플라즈마 진동수보다 낮은 진동수를 갖는 전자기파의 반사를 초래한다:
(수학식 1)
Figure pat00001
ωp는 플라즈마 진동수이고, n은 자유 전자량이고, e는 기본 전하고, m은 전자의 질량이며 ε0은 유전 상수이다. 낮은 파장에 도달하기 위해, 자유 전자 농도(실리콘의 도핑 농도)가 더 클수록, 플라스마 진동수는, 예컨대 극적외선과 같이 크게 된다.
반사재(140)는 그러므로 높은 온도 안정성을 가지며, 서모파일 감지 소재(160 및 165)의 불순물 활성화 단계에서 생존할 수 있다. 소형화된 구조로 인해, 전방 측 가스 릴리스 단계가, 앞서 언급한 바와 같이, 사용될 수 있으며, 그에 따라 통상의 서모파일의 언더컷 릴리스 단계를 제거할 수 있어서, 픽셀 면적의 손실을 방지하며 촛점 평면 어레이(FPA: Focal Plane Array) 집적을 가능케 할 수 있다.
통상의 서모파일과 비교할 때 IR 흡수재의 규모를 감소시킴으로써, 도핑된 감지 소재(160 및 165)의 두께는 소형화할 수 있으며, 이것은 이제 센서(100)의 열 전도도(λth) 및 열용량(Cth)을 감소시켜, 열 시간 상수(τth)를 최적 값으로 유지한다. 이것은 통상의 센서에 비해 감도 면에서 상당한 장점을 제공한다.
예컨대 200nm 미만(하지만 이것으로 제한되지는 않음)과 같이 통상의 서모파일에 비해 감지 소재의 두께가 감소함에 따라, 제벡 계수(Seebeck coefficient)는 상당히 증가할 수 있으며, 열 전도도는 (실리콘 나노와이어로부터 알려진 바와 같이) 감소할 수 있어서 감도를 향상시킬 수 있다. 예컨대, 300nm에서부터 150nm까지 감지 소재의 두께를 감소시키면, 검출능을 대략 두 배 증가시킬 것이다. 두께의 검출능에 대한 관계는 대략 선형적이다. 300nm에서부터 50nm까지 두께의 감소는 거의 6배의 검출능 증가를 구현할 것이다.
도 6a는 제1 실시예에 따른 서모파일(600)의 개략적인 횡단면도이다. 도 6b는 제1 실시예에 따른 서모파일(600)의 예시적인 레이아웃의 개략적인 평면도이다.
표면 미세 기계 가공된 서모파일 센서 프로세스(200)는 CMOS 회로와 온-웨이퍼 진공 패키징의 동시 집적에 적절하며, 반사재를 형성한 이후 고온 프로세스를 필요로 하는 다이오드-볼로미터 및/또는 다결정 마이크로볼로미터와 같은 새로운 저항성 마이크로볼로미터 또는 다른 반도체 감지 소재에 동일한 방식으로 적용될 수 있다. 도 10에 도시한 바와 같이, 진공 패키징은, 블록(260)(도 2)에 의해 도시한 바와 같이, 멤브레인 릴리스 이후 센서 주위에 가스(공기)를 제거하여, IR-광 흡수로 인해 센서 멤브레인 상에 생성된 열은 가스 대류를 통해 센서(150)로부터 기판(110)으로 전달될 수 없어서, 심각한 검출능 감소를 초래할 수 있으며, 이는, 임의의 신호 변화를 검출하기 위해서는 센서(150)를 가능한 많이 가열시키는 것이 바람직하기 때문이다. 센서 주위에 진공을 가짐으로써, 열은 센서 아암(arm)을 통해서만 소산할 수 있으며, 이점은 가스 대류 현상을 갖는 것보다 훨씬 효과적이다.
도 5는, 측방향 다이오드-볼로미터 센서를 제조하는 제2 실시예의 흐름도이다. 프로세스(500)의 단계는 도 4의 a 내지 도 4의 f에 예시한다. 블록(510) 및 도 4의 a에 도시한 바와 같이, CMOS 트랜지스터(430) 및 CMOS 회로(435)가, 제1 실리콘 이산화물 층(420)이 구비된 실리콘 기판(410) 상에 형성된다. 고농도로 도핑된 실리콘으로 형성된 얇은 반사재(440)가, 예컨대 이온 주입 또는 확산을 사용하여, 블록(520) 및 도 4의 b에 도시한 바와 같이, 실리콘 이산화물 층(420) 밑에서 기판(410)에 주입된다. 블록(530) 및 도 4의 c에 도시한 바와 같이, 제2 실리콘 이산화물 층(425)으로 덮인 실리콘 스페이서(455)를 포함한 폴리실리콘 다이오드-볼로미터(450)가 반사재(440) 위에 형성된다. n-타입 감지 실리콘(460)의 웨이퍼와 p-타입 감지 실리콘(465)의 웨이퍼가 실리콘 스페이서(455) 위의 제2 실리콘 이산화물 층(425) 위에 형성된다. 실리콘 스페이서(455)의 두께는 후술될 바와 같이 원하는 검출 파장에 따라 결정할 수 있다.
블록(540) 및 도 4의 d에 도시한 바와 같이, 박막 흡수재(475)가 반사재(440) 위에 퇴적된다. 블록(550) 및 도 4의 e에 도시한 바와 같이, 다이오드-볼로미터(450) 및 CMOS 트랜지스터(430)용 금속 접촉부(470)가 퇴적된다. 흡수재(475)는, 반사재(440)에 대한 도핑 농도 및 에너지를 적절히 선택하여, 8-14㎛의 파장에서 입사 IR-광 중 85%를 초과한 양을 흡수할 수 있다. 후술할 바와 같이, 흡수재(475)는 n-타입 감지 실리콘(460)의 웨이퍼와 p-타입 감지 실리콘(465)의 웨이퍼 사이의 전기 커넥터로서 역할한다. 블록(560) 및 도 4의 f에 도시한 바와 같이, 패시베이션 층(480)이 적용되며, 릴리스 단계가 실행되어 스페이서(455)를 제거하고 공동(456)을 형성하며, 제2 금속 접촉부(490)가 형성된다. 릴리스 단계는, 제1 실시예에 관해 앞서 기재한 바와 같이 실질적으로 유사하게 실행될 수 있다.
도 7의 a는 제2 실시예에 따른 측방향 다이오드-볼로미터(700)의 개략적인 횡단면도이다. 도 7의 b는 제2 실시예에 따른 측방향 다이오드-볼로미터(700)의 개략적인 평면도이다. 당업자는, 예시적인 제2 실시예 디바이스 및 방법의 다른 변형이 가능함을 인식할 것이다. 도 8의 a는 제3 실시예에 따른 수직방향 다이오드-볼로미터(800)의 개략적인 횡단면도이며, 도 8의 b는 제3 실시예에 따른 수직 방향 다이오드-볼로미터(800)의 개략적인 평면도이다. 유사하게, 도 9의 a는 제4 실시예에 따른 저항성 마이크로볼로미터(900)의 개략적인 횡단면도인 반면, 도 9의 b는 제4 실시예에 따른 저항성 마이크로볼로미터(900)의 개략적인 평면도이다.
앞서 언급한 실시예는, 서모파일/다이오드-볼로미터 적외선 센서용 대형 흡수재 및 큰 면적 픽셀의 문제를 해결하며, 극적으로 소형화할 수 있다. 간섭 측정 흡수재용으로 고농도로 도핑된 실리콘 반사재(140)를 사용함으로써, 서모파일 센서(100)를 제조하는 고온 프로세스는 반사재(140)를 파괴하지 않고도 진행할 수 있다. CMOS 회로 및 온-웨이퍼 진공 패키징 기술은, 도핑된 실리콘 반사재(140)의 이러한 새로운 접근법을 사용하여 서모파일 IR 센서 프로세스(200) 내에서 잘 집적할 수 있다. 동시에, 흡수재(175)는 n-타입 실리콘(160)과 p-타입 감지 실리콘(165) 사이의 전기 연결로서 사용될 수 있어서, 흡수 면적을 증가시킬 수 있으며, 이는, 어떤 금속도 연결에 필요치 않기 때문이다. 그러한 표면 미세-기계 가공된 구조의 릴리스 단계는 칩 스케일 패키징 바로 전에 행해질 수 있어서, 취급으로 인해 손상되는 센서의 가능성을 감소시킨다. 동일한 아이디어가 다이오드-볼로미터 및/또는 저항성 마이크로볼로미터의 제조에 적용될 수 있어서, 복잡한 웨이퍼 본딩 기술을 회피하여, 반사재를 만든 이후 고온 프로세스를 허용할 수 있다.
상기 실시예의 목적은 서모파일 IR 센서/다이오드-볼로미터를 구성하는 새로운 방식을 달성하여, 극적으로 소형화할 수 있으며 감도를 상승시킬 수 있는 것이다. 예컨대, 통상의 서모파일 IR 센서/다이오드-볼로미터에서 대략 1mm×1mm 픽셀 크기에 대해서 5×108cmHz1/2/W인 검출능에 비교하여, 제1 실시예에 따르면, 검출능은 대략 200배 미만의 면적의 감소에 대응하는 65㎛×65㎛ 픽셀 크기에 대해서 대략 5×108cmHz1/2/W일 수 있으며, 검출능은 15배를 초과하여 증가한다. 일반적으로, 상당히 적은 면적을 갖는 제1 실시예에 따른 검출기는 유사한 검출능 응답을 제공할 수 있다. 반사재로서 금속을 사용하는 통상의 마이크로볼로미터 간섭 측정 흡수재를 고농도로 도핑된 실리콘 반사재로 교체함으로써, 서모파일 IR 센서는 매우 최적화될 수 있어서, 저온 처리된 마이크로볼로미터의 유사한 프로세스 자유도를 제공한다. 그러므로, 이 센서의 성능은 종래의 마이크로볼로미터에 거의 등가여서 저전력 소비 및 고온 안정성을 갖는 것으로 간주할 수 있다.
통상의 서모파일 IR 센서는, 앞서 언급한 바와 같이, 제1 실시예에 의해 제거할 수 있는 대형 흡수재와 후방 측 릴리스 프로세스를 사용한다. 또한, 다이오드 볼로미터용의 복잡한 웨이퍼 본딩 프로세스를 제거할 수 있다. 흡수재의 고온 안정성으로 인해, 예컨대 다결정 마이크로볼로미터와 같은 새로운 타입의 새로운 저항성 마이크로볼로미터를 만들 수 있다.
상기 실시예는, 서모파일/볼로미터 구조 내에서 얇은 흡수재(TiN 및 NiCr)에 결합된 고농도로 도핑된 실리콘 반사재로 이뤄진 간섭 측정 흡수재를 기초로 하며, 두 층의 거리는 1/4 파장의 광학 거리를 가져야 한다. 예컨대, 제1 실시예의 얇은 흡수재는, 대략 3.5㎛ 두께일 수 있는 통상의 흡수재에 비하여, TiN의 경우 대략 7nm일 수 있거나, 도핑된 실리콘의 경우는 200nm미만일 수 있다.
흡수재 자체는 대략 200Ω/sq 내지 1000Ω/sq, 바람직하게는 377Ω/sq의 시트-저항을 가져서 대기 임피던스와 매칭한다. 그러므로, 이 층 상의 반사는 최소화될 수 있으며, 대략 50%의 흡수를 제1 단계에서 달성할 수 있다. IR 광의 나머지는 기저의 고농도로 도핑된 실리콘 반사재에 의해 반사되어 또한 그 최대치가 전자기파로 흡수될 것이다(이 경우, 반사된 파의 최대치는 λ/4에서 있으며, 이 거리는 흡수재와 반사재 사이의 광학 길이이다). 이러한 원리에 따라, 8-14㎛의 파장 내에서 IR 광의 85% 이상까지의 반사를 달성할 수 있다. 이것은 결국, 공통 금속 반사재와 비교하여 높은 온도 안정성의 고농도로 도핑된 실리콘 반사재를 초래한다. 그러므로, 폴리실리콘 층을 감지하는 도핑 활성화와 같은 프로세스는 반사재를 파괴하지 않고도 진행할 수 있다. 또한, 흡수량은 도핑 농도의 변경에 따라 변경할 수 있다.
실리콘의 후방 측 릴리스나 언더-에칭은 상기 실시예에 따라 필요치 않으므로, 매우 제어되는 가스 릴리스 프로세스가, 예컨대 XeF2 또는 증기 HF(VHF) 마이크로볼로미터와 같은 마이크로볼로미터로부터 알려진 바와 같이 적용될 수 있어서, 수직방향 및 수평방향 모두에서 제어를 제공할 수 있다.
얇은 흡수재로 인해 서모파일 센서의 질량을 감소시킴으로써, 감지 실리콘 및 세스펜션 아암은 훨씬 얇게 만들 수 있어서, 열전도도 및 제벡 계수 면에서 장점을 제공한다. 나노와이어로부터 알려진 바와 같이, 제벡 계수는 예컨대 100nm보다 얇은, 하지만 이것으로 제한되지는 않는 구조에서 증가한다.
흡수재의 다른 양상은, 센서 멤브레인이 칩 스케일 패키징 기술을 사용하여 리드를 씌우기 바로 전에 릴리스될 수 있다. 그러므로, 취급 또는 추가 프로세스 단계로 인한 감지 멤브레인의 파괴는 최소화될 수 있다. 전체적으로, 상기 실시예의 프로세스 흐름은 CMOS 집적과 정렬되어, 어레이로의 집적을 실현할 수 있다. 예컨대, 실시예는 픽셀 어레이를 포함할 수 있다.
도 11은, 제5 실시예에 따른 도 9의 a 및 도 9의 b의 저항성 마이크로볼로미터의 어레이 집적의 개략적인 평면도이다. 박막 IR 센서의 제5 실시예는 예컨대 어레이 적분으로와 같이 동일한 웨이퍼 상에 적분되는 CMOS 독출 회로를 포함할 수 있다. 그러한 어레이에서, 스위치가, 행의 각 픽셀의 독출 신호를 스위칭하도록 병합될 수 있다. 이 스위치 및 로직은, 규정된 CMOS 트랜지스터(210)(도 2)와, 이들 트랜지스터를 연결하는 금속 접촉부(240)(도 2)를 사용함으로써 달성될 수 있다. 유사하게, CMOS의 임의의 로직은 CMOS 트랜지스터 로직, 서모파일 센서 형성, 및 금속 접촉부를 통한 로직의 연결과 같은 프로세스 흐름으로 가능하다. 물론, 예컨대, 제1 실시예에 따른 서모파일의 어레이, 제2 실시예에 따른 측방향 다이오드-볼로미터의 어레이, 및 제3 실시예에 따른 수직방향 다이오드-볼로미터의 어레이와 같은 다른 예시적인 실시예도 가능하다. 또한, 이들 디바이스 중 임의의 것의 어레이를 진공 패키지로서 형성할 수 있다.
요약하면, 본 발명의 범위나 사상에서 벗어나지 않고 본 발명의 구조에 여러 가지 변형 및 변경을 행할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 이러한 내용에 비춰서, 본 발명은, 본 발명의 변형 및 변경이 다음의 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 있는 한, 이들을 커버하고자 한다.

Claims (18)

  1. 표면 기계 가공된 적외선 센서 패키지를 제조하는 방법으로서,
    전면 및 후면을 갖는 반도체 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판의 전면 상에 트랜지스터를 규정하는 단계;
    상기 기판의 전면의 상기 기판 내로 1020/cm3보다 큰 어닐링 이후의 피크 도핑 농도를 포함하고 200nm미만의 두께의 고농도로 도핑된 실리콘 반사재를 이온 주입하는 단계;
    상기 반사재에 인접한 상기 기판의 전면 상에 전면을 포함하는 적외선 센서를 형성하는 단계; 및
    상기 적외선 센서의 전면 상에 박막 흡수재를 퇴적하는 단계를 포함하며,
    상기 박막 흡수재는 상기 반사재에 실질적으로 평행하며, 상기 센서가 그 사이에 배치되고, 상기 고농도로 도핑된 실리콘 반사재 및 상기 박막 흡수재는 1100℃까지 온도 안정적인, 적외선 센서 패키지 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 트랜지스터는 CMOS 트랜지스터인, 적외선 센서 패키지 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 박막 흡수재와 상기 반사재 사이의 거리가, 상기 센서에 의해 검출된 방사선 파장의 대략 1/4를 포함하는, 적외선 센서 패키지 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 상기 센서 뒤에 기판 리세스를 포함하지 않는, 적외선 센서 패키지 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 적외선 센서의 전면을 서스펜딩 함으로써 상기 적외선 센서의 전면을 릴리스하는 단계를 더 포함하며, 상기 적외선 센서의 전면을 릴리스하는 단계는 상기 반사재와 상기 흡수재 사이의 스페이서를 에칭함으로써 공동을 형성하는 단계를 더 포함하는, 적외선 센서 패키지 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 에칭하는 것은 전면 에칭인, 적외선 센서 패키지 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 표면 기계 가공된 적외선 센서 패키지를 더욱 소형화하기 위해 진공 패키징하는 단계를 더 포함하는, 적외선 센서 패키지 제조 방법.
  8. 방사선 파장을 검출하도록 구성된 표면 기계 가공된 적외선 센서로서,
    전방 측과 후방 측을 갖는 실리콘 웨이퍼;
    상기 웨이퍼의 전방 측의 일부에 이온 주입된 1020/cm3보다 큰 어닐링 이후의 피크 도핑 농도를 포함하고 200nm미만의 두께의 고농도로 도핑된 단일 층 실리콘 반사재;
    상기 반사재에 평행하게 배치된 박막 간섭 측정 흡수재; 및
    상기 반사재와 상기 박막 흡수재 사이에 배치되는 전방 측 적외선 센서를 포함하고, 상기 전방 측 적외선 센서는:
    n-타입 감지 실리콘; 및
    p-타입 감지 실리콘을 포함하고,
    상기 고농도로 도핑된 실리콘 반사재 및 상기 박막 흡수재는 1100℃까지 온도 안정적인, 적외선 센서.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 박막 흡수재는 대기에 임피던스 매칭되는, 적외선 센서.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 박막 흡수재 임피던스는 대략 377Ω/sq인, 적외선 센서.
  11. 청구항 8에 있어서, 상기 웨이퍼의 후방 측은 상기 센서 뒤에 리세스를 포함하지 않는, 적외선 센서.
  12. 청구항 8에 있어서, 상기 간섭 측정 흡수재는 상기 반사재로부터 1/4 파장 거리에 배치되며, 상기 파장은 상기 센서에 의해 검출되는 방사선 파장을 포함하는, 적외선 센서.
  13. 청구항 8에 있어서, 상기 전방 측 적외선 센서는 최적화된 열전기 속성을 위해 얇은 실리콘 층을 더 포함하는, 적외선 센서.
  14. 청구항 8에 있어서, 상기 n-타입 감지 실리콘 및/또는 p-타입 감지 실리콘은 200nm미만의 두께를 갖는, 적외선 센서.
  15. 청구항 8에 있어서, 상기 웨이퍼 상에 집적되는 CMOS 독출 회로를 더 포함하는, 적외선 센서.
  16. 청구항 8에 있어서, 상기 센서의 진공 패키징을 더 포함하는, 적외선 센서.
  17. 청구항 8에 기재된 표면 기계 가공된 적외선 센서의 2차원 어레이.
  18. 청구항 8에 있어서, 상기 적외선 센서는 200nm보다 얇은 감지 실리콘 및/또는 서스펜션 아암(suspension arm)을 더 포함하는, 적외선 센서.
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