KR970010737B1 - 박막 적외선 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

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Description

박막 적외선 센서 및 그 제조방법

제1도는 종래의 박막 적외선 센서구조를 도시한 것으로서,

A는 실리콘 기판을 이용한 것이고,

B는 MgO기판을 이용한 것이다.

제2도는 실리콘기판을 이용한 본 발명 적외선 센서를 나타낸 단면도.

제3도는 MgO기판을 이용한 본 발명 적외선 센서를 나타낸 단면도.

제4도는 본 발명에 의한 적외선 센서의 기판두께에 따른 감도변화를 나타낸 그래프.

제5도는 본 발명에서 사용되는 폴리이미드의 적외선 투과율을 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 실리콘기판 21 : P⁺⁺-실리콘층

22 : 절연막 23 : Ti

24 : 하부전극 25 : 강유전체 박막

26 : 상부전극 27 : 폴리이미드 박막

30 : MgO기판 31 : 하부전극

32 : 패드 33 : 강유전체막

34 : 상부전극 35 : 폴리이미드막

본 발명은 박막 적외선 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리이미드(Polyimide)막을 박막 적외선 센서소자 위에 코팅하여 멤브레인 제작시 멤브레인 파괴를 방지하고 센서의 감도를 높일 수 있는 적외선 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래의 강유전체 박막을 이용한 적외선 센서는 실리콘기판을 이용한 적외선 센서와 MgO기판을 이용한 적외선 센서가 있다. 실리콘기판을 이용한 경우에는 가격이 싼 장점이 있는 반면, PbTiO₃계 강유전체 박막을 에피택셜(Epitaxial) 성장시키는 것이 불가능하여 적외선 센서의 감도가 낮은 단점이 있고, MgO기판을 사용하는 경우는 PbTiO₃계 강유전체 박막을 에피택셜 성장 시킬 수 있는 있으나 기판 가격이 비싸고 얇은 멤브레인(막) 제조시 쉽게 깨어지는 문제점이 있다.

실리콘기판을 이용한 적외선 센서는 제1도에 나타낸 바와 같이 실리콘 웨이퍼(1)위에 실리콘 에칭시 식각 정지(Etch Stop)를 위하여 높은 농도의 보론(Boron)을 도핑한 P⁺⁺층(2)을 형성하고, 그리고 그 위에 소자와 실리콘기판 사이의 절연을 위하여 LPCVD방법으로 Si₃N₄(3)을 입힌다.

이와 같은 방법으로 만든 실리콘기판 위에 기판과 하부전극과의 접착성을 좋게하기 위하여 Ti(4)을 입힌 후 하부전극(5)으로는 Pt을 약 3000Å정도 되도록 증착한다. 그 위에 적외선을 감지하기 위한 초전물질로 PbTiO계 강유전체 박막(6)을 2㎛이상 증착한 후 상부 전극(7)으로는 적외선 흡수율을 높이기 위하여 Ni/Cr을 증착한다.

이와 같이 제조된 적외선 센서에서 기판으로의 열의 방출을 방지하는 얇은 멤브레인을 만들기 위하여 실리콘기판을 EPW와 같은 이방성 식각용액을 사용하여 식각하여 P⁺⁺층(2)에서 식각정지시켜 제1도에 도시된 구조와 같은 적외선 센서를 제조하게 되는 것이다.

MgO기판을 이용한 적외선 센서의 구조는 제2도에 나타내었다.

이것은 초전물질인 PbTiO₃계 강유전체 및 Pt하부전극과 결정계수가 잘 일치하는(PbTiO₃: 3.89Å, Pt : 3.93Å, MgO : 4.21Å) MgO기판을 사용하므로서 에피택셜 성장이 가능하게 되었다는 점이 Si기판을 사용한 경우와 크게 다른 점이라 하겠다.

MgO기판을 이용한 적외선 센서를 공정순서에 따라 살펴보면, MgO단결정기판(8) 위에 백금하부전극(9)을 C측으로 에피택셜 성장시켜 100∼600Å 정도의 얇은 백금전극을 형성한 후 Wire본딩을 위한 패드를 형성하기 위하여 백금을 약 3000Å 정도 증착하여 백금 하부전극 패드(10)을 형성한 후 초전물질일 PbTiO₃계 강유전체 박막(11)을 에피택셜 성장시킨다.

그리고 그 위에 커패서터(Capacitor) 구조를 만들기 위한 상부전극(12)으로는 적외선 흡수율이 높은 Ni/Cr을 증착한다.

이와 같이 제조된 적외선 센서의 열적 고립(Thermal Isolation)을 위하여 MgO 기판을 인산(H₃PO₄) 용액을 사용하여 식각하며, 이 경우 멤브레인의 두께는 식각 속도(Etch Rate)을 고려하여 식각 시간(Etch Rate)을 조절함으로서 결정되게 된다.

이와 같이 제조된 적외선 센서에서 센서감도를 향상시키기 위한 가장 중요한 요소는

첫째, PbTiO₃계 강유전체 박막을 에피택셜 성장시키는 것이고,

둘째, 가능하면 얇은 멤브레인을 형성하여 열적 고립(Thermal Isolation)이 된 구조로 만드는 것이며,

셋째, 적외선 흡수율을 높이기 위하여 상부전극을 얇은 흑체로 만드는 것이다.

PbTiO₃계 강유전체 박막을 에피택셜 성장시키기 위해서는 PbTiO₃와 격자상수가 유사한 MgO기판을 사용하여 공정조건을 잘 조절함으로서 가능하나 얇은 멤브레인의 제작을 식각용액을 사용하여 식각함으로서 가능하나 멤브레인의 경우 쉽게 께어져 기계적 안정성을 확보할 수 없다는 문제점이 있다.

그리고 적외선 흡수율이 높은 상부전극의 제작은 비교적 흑체로 만들기 용이한 Ni/Cr등을 사용하여 흡수율이 높은 전극을 제작할 수 있다.

그리고, 박막 적외선 센서를 제조할 때 열적고립(Thermal Isolation)을 위한 얇은 멤브레인의 제작은 아주 중요한 문제이다. 그러나, 멤브레인이 얇아짐에 따라 쉽게 께어지는 문제가 있으며, 이는 적외선 센서가 어레이(Array)화 되어 멤브레인의 크기가 커지는 경우 훨씬 심각해진다.

특히 PbTiO₃의 어피택설 성장을 위하여 MgO기판을 사용하는 경우는 MgO가 기계적으로 아주 취약한 재료이기 때문에 약 50㎛이하의 멤브레인을 제작할 경우 거의 기계적 안정성을 보장할 수 없는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 제반결점을 해소하기 위해 창출한 것으로서, 본 발명은 실리콘 기판이나 MgO기판을 이용하여 적외선 센서를 제조할 경우 열적 고림(Termal Isolation)을 위한 멤브레인 제작시 깨어지기 쉬운 문제점과 박막센서 표면의 보호막이 없는 단점 등을 해결하기 위하여 깨어지지 않고 연성이 우수한 폴리이미드(Polyimide) 막을 박막 적외선 센서소자 위에 코팅하여 멤브레인 제작시 멤브레인 파괴를 방지하고 센서의 감도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 센서소자 표면의 보호막으로 사용할 수 있는 적외선 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적을 두고 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 박막 적외선 센서는, 후면이 식각되는 기판 위에 하부전극을 형성하고 적외선 감지를 위한 강유전체 박막을 성장시킨 후 상부전극을 증착하여 형성된 센서위에 소자의 보호 및 멤브레인(막)의 안정화를 위해 폴리이미드막을 코팅하여 된 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 의한 박막 적외선 센서의 제조방법은, 전면에 P⁺⁺-실리콘층이 형성된 후 양면에 절연막이 적층된 실리콘기판이나 MgO기판 위에 하부전극을 형성하는 하부전극 형성과정과, 상기 하부전극을 형성한 후 적외선 감지를 위한 강유전체 막을 성장하는 강유전체 박막 성장과정과, 상기 강유전체 박막을 성장한 후 상부전극을 증착하는 상부전극 증착과정과, 상기 상부전극이 증착된 기판 위에 폴리이미드층을 코팅하는 폴리이미드막 코팅과정과, 상기 폴리이이드 막을 코팅한 후 식각하여 상·하부 전극의 콘택홀(Contact Hole)을 형성하는 홀 형성과정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 예시된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

제2도 및 제3도는 실리콘기판과 MgO기판을 이용한 본 발명의 적외선 센서의 구조를 도시한 단면도이고, 제4도는 기판 두께에 따른 본 발명센서의 감도변화를 나타낸 그래프이다.

제2도는 실리콘 기판을 이용한 본 발명 센서의 구조를 도시한 것으로서, 이는 실리콘기판(20) 위에 보론(Boron)을 도핑하여 P⁺⁺실리콘층(21)을 형성한 후 상기 기판(20) 양면에 Si₃N₄의 절연막(22)을 형성하고, 그 위에 기판(20)과 접착력 향상을 위하여 Ti(23)를 일정 두께로 입힌 후 Pt하부전극(24)을 형성한다.

이와 같이 Pt하부전극(24)이 형성된 기판(20)에 적외선 감지를 위한 초전물질로 PbTiO₃계 강유전체 박막(25)을 페로브스카이트형의 결정구조를 지닌 다결정체로 성장시킨 후 적외선 흡수율이 높은 Ni/Cr을 증착하여 상부전극(26)을 형성한다.

상기 상부전극(26)이 형성된 기판(20) 위에 소자의 보호 및 멤브레인의 안정화를 위하여 폴리이이드막(27)을 코팅한 후 이를 식각하며 상·하부전극(26)(24)의 콘택홀(Contact Hole)을 형성하고, 멤브레인 형성을 위해 기판(20)을 식각하는데, 이때 식각은 EPW와 같은 이방성 식각용액을 사용하고 Si₃N₄을 식각 마스크로 사용하여 약 130℃에서 식각하여 P⁺⁺실리콘층에서 식각 정지되도록 하여 약 10㎛이하의 멤브레인(막)을 형성하여 본 발명의 박막적외선 센서가 제작된다.

한편, 본 발명의 다른 실시예의 하나인 MgO기판을 이용한 적외선 센서의 구조는 제3도에 도시되어 있다.

제3도에 도시된 센서는 제2도에서 설명한 실리콘기판을 이용한 적외선 센서와 비슷하나 PbTiO₃와 기판과의 에피택셜 성장을 위하여 MgO판을 사용했다는 점이 큰 차이점인데, 이는 면방향이(100)인 MgO기판(30)위에 Pt을 스펄터링 방법으로 에피성장시켜 약 100∼600Å 정도의 두께를 지닌 박막으로 하부전극(31)을 형성한 후 하부전극 본딩을 위해 Pt를 약 3000Å정도 증착하여 패드(32)을 형성하고, 상기 하부전극(31)위에 PbTiO계 강유전체 박막(33)을 약 2㎛이상 C측 방향으로 에피택셜 성장시킨다.

이때 강유전체 박막(33)의 증착조건은 아래 표와 같다.

[표]

상기 강유전체 박막(33) 위에 커패서터 구조를 가지면시 적외선 흡수율이 우수한 Ni/Cr의 상부전극(34)을 열 증착법으로 증착한 후 폴리이미드막(35)을 코팅하고 식각하며 상, 하 전극에 대한 콘택홀을 형성하는데, 여기서 멤브레인의 형성을 위한 식각은 포토작업을 통하여 PR을 식각 마스크로 사용하고 약 65℃의 인산(H₃PO₄)을 사용하여 식각하여 본 발명의 적외선 센서를 제작한다.

이때 멤브레인의 두께는 식각속도를 고려하여 식각시간을 조절함으로서 조절할 수 있다.

이와 같이 제작된 본 발명에서 본 발명의 핵심인 폴리이미드의 효과를 구체적으로 설명하기 위해서 먼저 MgO 기판을 사용한 적외선 센서의 기판 두께에 따른 센서감도를 제4도에 나타내었다.

이 제4도에서 나타낸 것과 같이 적외선 센서의 감도를 나타내는 D^x(Detectivity)는 기판의 두께의 감소에 따라 급격히 증가한다. 그리고, 박막 적외선 센서의 큰 장점의 하나인 어레이(Array)화 할 경우 멤브레인의 크기가 커지게 되며 멤브레인이 깨어지는 현상은 훨씬 심각하게 된다.

예를들어 MgO기판을 이용한 적외선 어레이 센서를 제작할 때, 멤브레인의 크기가 1×6(㎜)인 경우 폴리이미드 없이 안정된 멤브레인을 얻기 위해서는약 70㎛이상의 멤브레인의 두께가 요구되나 폴리이미드로 센서소자를 코팅하여 폴리이미드의 연성이 뛰어단 성질을 이용하여 기판과 센서소자 그리고 폴리이미드로 구성된 다층 멤브레인을 형성하면 기판 두께가 약 20㎛가 될때까지도 깨어지지 않는 안정된 멤브레인을 형성할 수 있다.

이 경우 폴리이미드의 두께는 약 2∼3㎛로 멤브레인의 두께에 크게 영향을 미치지 않는다. 그러므로 멤브레인의 두께 감소에 따른 센서감도(D^x)의 증가는 약 6∼7배 정도된다.

그러나 실제의 경우 폴리이미드가 적외선 흡수가 일어나는 상부 전극위를 덮고 있기 때문에 폴리이미드가 약간의 적외선을 차단할 수 있다.

제5도는 폴리이미드의 FTIR측정결과를 나타낸 것으로 인체에서 주로 방사되는 적외선의 파장인 8∼12㎛ 부근에서 약 80%의 투과율을 나타냄을 알 수 있다.

따라서 폴리이미드에 의한 약 20%의 적외선 흡수의 감소를 예상하더라도 폴리이미드로 인한 두께 감소에 의하여 약 4∼5배 정도 적외선 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.

또한 실리콘 기판을 사용한 경우에도 비록 실리콘이 MgO에 비하여 기계적으로 안정하여 더 얇은 두께의 멤브레인을 만들 수 있지만 폴리이미드를 사용하여 더 앎은 두께의 멤브레인의 제작이 가능하여 MgO기판을 사용한 경우와 유사한 결과를 얻을 수 있다.

특히 적외선 화상을 얻기 위한 적외선 이미지(image) 센서나 IR CCD(적외선 촬상소자)등 화소가 많은 어레이 센서를 만들 경우 멤브레인이 커져야 하므로 이 경우 더욱 큰 효과를 얻을 수 있다. 그리고 이와 같은 효과 이외에도 폴리이미드를 사용하지 않은 경우 센서소자가 외부에 직접 노출되어 발생할 수 있는 여러가지 나쁜 영향을 방지할 수 있는 보호막(Passivation layer)의 역할을 하는 장점이 있다.

Claims (2)

1. 후면이 식각되는 기판 위에 하부전극을 형성하고 적외선 감지를 위한 강유전체 박막을 성장시킨 후 상부전극을 증착하여 형성된 센서위에 소자의 보호 및 멤브레인(막)의 안정화를 위해 폴리이미드막을 코팅하여 된 것을 특징으로 하는 박막 적외선센서.
2. 전면에 P⁺⁺-실리콘층이 형성된 후 양면에 절연막이 적층된 실리콘기판이나 MgO기판 위에 하부전극을 형성하는 하부전극 형성과정과, 상기 하부전극을 형성한 후 적외선 감지를 위한 강유전에 막을 성장하는 강유전체 박막 성장과정과, 상기 강유전체 박막을 성장한 후 상부전극을 증착하는 상부전극 증착과정과, 상기 상부전극이 증착된 기판 위에 폴리이미드층을 코팅하는 폴리이미드막 코팅과정과, 상기 폴리이미드 막을 코팅한 후 식각하여, 상·하부 전극의 콘택홀(Contact Hole)을 형성하는 홀 형성과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막 적외선 센서의 제조방법.