WO2021182813A2 - 볼로미터 멤스 소자 및 볼로미터 멤스 소자의 제조 방법 - Google Patents

볼로미터 멤스 소자 및 볼로미터 멤스 소자의 제조 방법 Download PDF

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이종권
박종철
김태현
김광희
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한국과학기술원
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Definitions

  • the present invention relates to a bolometer MEMS device, and more particularly, to an infrared sensor MEMS device having high absorption in a wide infrared band.
  • a bolometer is a type of infrared sensor.
  • the bolometer is formed on the lower substrate.
  • the bolometer absorbs incident infrared rays.
  • the temperature of the absorption plate of the bolometer rises, a change in resistance of the resistive layer due to the rise in temperature is detected, and energy of infrared rays is measured from the change in resistance.
  • the cap substrate includes a lower substrate and an upper substrate separate from the lower substrate, and the cap substrate is wafer bonded to the lower substrate and packaged while forming a cavity.
  • the existing microbolometer adopts a structure in which the distance between the absorption plate and the reflection plate has 1/4 wavelength of a specific infrared in order to increase infrared absorption. Therefore, the conventional microbolometer has a maximum absorption at a specific infrared wavelength.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a bolometer MEMS device with improved absorption and improved mechanical stability by disposing a transmissive layer on a reflective layer.
  • the infrared sensor may include: a metal pad formed on an upper surface of the lower substrate and electrically connected to a detection circuit; a reflective layer disposed on the same plane as the metal pad, formed on an upper surface of the lower substrate, and reflecting an infrared band; a transmissive layer disposed to cover the reflective layer and configured to change an optical path distance; an absorption plate spaced apart from the upper portion of the transmission layer and changing resistance by absorbing infrared rays; and an anchor formed on the metal pad to support the absorption plate and electrically connect the metal pad to the absorption plate.
  • the distance between the upper surface of the reflective layer and the lower surface of the absorption plate is less than wavelength/4 at a specific infrared wavelength.
  • the optical path distance between the upper surface of the reflective layer and the lower surface of the absorption plate corresponds to a wavelength/4 at a specific infrared wavelength.
  • the transmission layer is a silicon oxide film
  • the thickness of the transmission layer may be 0.17 um to 0.53 um.
  • the transmission layer is a silicon nitride film
  • the thickness of the transmission layer may be 0.30 um to 0.90 um.
  • the transmission layer is an amorphous silicon film
  • the thickness of the transmission layer may be 0.14 um to 0.43 um.
  • the transmission layer may include a nanostructure pattern, and the nanostructure pattern may include a plurality of holes or a plurality of trenches.
  • the transmission layer may include a structure recessed in its upper surface.
  • the lower portion of the anchor may be buried in the transmission layer.
  • a method of manufacturing a MEMS device includes forming an insulating layer on a lower substrate; forming a reflective layer and a metal pad on the insulating layer; forming an auxiliary interlayer insulating film on a side surface of the reflective layer and exposing upper surfaces of the reflective layer and the metal pad; forming a transmissive layer on the metal pad, the reflective layer, and the auxiliary interlayer insulating layer; and forming an anchor connected to the metal pad and an absorber plate disposed to be spaced apart from the transmission layer and supported by the anchor,
  • the step of forming an auxiliary interlayer insulating film on a side surface of the reflective layer and exposing the upper surface of the reflective layer and the metal pad comprises depositing an auxiliary interlayer insulating film on the metal pad and the reflective layer and forming the auxiliary interlayer insulating film on the metal pad and the reflective layer. An upper portion of the interlayer insulating layer may be removed to expose the metal pad and the reflective layer.
  • the step of forming an anchor connected to the metal pad and an absorber plate spaced apart from the transmission layer and supported by the anchor comprises a sacrificial layer and a first insulating layer on the transmission layer.
  • forming a contact hole exposing the metal pad after forming depositing an anchor conductive layer on the lower substrate on which the contact hole is formed and patterning the anchor conductive layer to form an anchor filling the contact hole; forming an absorber layer on the lower substrate on which the anchor is formed and separating the absorber layer by patterning; forming a resistive layer and a second insulating layer on the absorbing layer and patterning the second insulating layer, the resistive layer, the absorbing layer, and the first insulating layer to expose the sacrificial layer; and removing the sacrificial layer.
  • the transmission layer may include at least one of amorphous silicon, a silicon oxide layer, and a silicon nitride layer, and the sacrificial layer may be an amorphous carbon layer or a polyimide layer.
  • a transmission layer is disposed on the reflective layer to maintain the optical path distance between the absorption plate and the reflective layer at 1/4 wavelength of a specific infrared light, and the physical distance between the absorption plate and the reflective layer is a specific infrared ray. of less than a quarter of a wavelength.
  • the transmissive layer disposed on the reflective layer increases the infrared absorptivity.
  • the height of the anchor protruding from the upper surface of the lower substrate is reduced, thereby reducing the depth of the cavity of the upper substrate bonded to the lower substrate.
  • structural stability is improved as the height of the protruding anchor is reduced.
  • the thickness of the transmission layer disposed on the reflection layer may be changed according to a position to provide an infrared broadband absorption structure.
  • the transmission layer of the MEMS device has a curved surface or a stepped shape. Accordingly, the optical path distance between the reflective layer and the absorption plate of the MEMS device varies depending on the position, so that infrared rays having a wider wavelength band may be absorbed.
  • the MEMS device may provide high absorption efficiency to increase measurement sensitivity.
  • the transmissive layer includes a nanostructure pattern in the form of holes or trenches, and this tone structure pattern provides an effective refractive index lower than the refractive index of the transmissive layer itself to suppress reflection from the upper surface of the transmissive layer, and is disposed on the reflective layer
  • the transmissive layer increases the infrared absorptivity.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a MEMS device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a perspective view illustrating a sensor substrate of a MEMS device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line A-A' of FIG. 2A.
  • 3A to 3C are results showing absorption rates of MEMS devices according to embodiments of the present invention.
  • 4A to 4I are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a MEMS device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a MEMS device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a MEMS device according to another embodiment of the present invention.
  • the MEMS device substrate may include an infrared sensor such as a bolometer and readout integrated circuits (ROIC).
  • the cap wafer is bonded to the MEMS device substrate to create a vacuum cavity, and provides a window through which external infrared light can pass.
  • the bolometer transmits infrared rays incident from the outside to the infrared absorption layer, and when the temperature of the infrared absorption layer increases, the temperature increase of the infrared absorption layer causes a change in resistance of the resistance layer.
  • the resistance change of the resistive layer is converted into infrared energy through a readout integrated circuit.
  • the MEMS device increases the absorption rate of the absorption plate while satisfying the condition that the optical path distance between the reflection layer and the absorption plate is 1/4 wavelength by inserting the transmission layer on the reflection layer. Accordingly, the absorption rate of the absorption plate increases, thereby increasing the sensitivity of the infrared sensor.
  • the physical distance between the reflective layer and the absorption plate is kept less than 1/4 wavelength.
  • the height of the anchor protruding from the lower substrate may decrease, thereby reducing the depth of the cavity of the upper substrate.
  • the anchor embedded in the transmission layer improves structural stability.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a MEMS device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a perspective view illustrating a sensor substrate of a MEMS device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line A-A' of FIG. 2A.
  • the MEMS device 100 includes a sensor substrate 102 having an infrared sensor 103; and a cap substrate 101 configured to form a cavity 104 by wafer bonding with the sensor substrate 102 .
  • the cap substrate 101 may include an upper substrate 120 ; a getter 170 disposed in the cavity region 150 recessed from the lower surface of the upper substrate 120 ; a partition wall 180 protruding from the lower surface of the upper substrate 120 from the cavity region 150 and having the same structure and material as that of the upper substrate 120 and disposed to surround the cavity region 150; a recess region 160 that is more depressed than the arrangement plane of the cavity region 150 in the lower surface of the upper substrate 120 and is disposed to surround the partition wall 180; and an upper bonding pad 182 disposed on a lower surface of the partition wall 180 .
  • the sensor substrate 102 includes a lower substrate 110 ; an infrared sensor 103 formed on the lower substrate 110 and disposed to face the cavity region 150 of the upper substrate 120; and a lower bonding pad 116 aligned with the upper bonding pad 182 and disposed to surround the infrared sensor 103 .
  • the upper substrate 120 and the lower substrate 110 are silicon substrates.
  • the cap substrate 101 may include the upper substrate 120 , the barrier rib 180 protruding from the lower surface of the upper substrate, and the getter 170 formed in the cavity region 150 .
  • the cap substrate 101 is bonded to the sensor substrate 102 to form a cavity 104 .
  • the cavity 104 may be maintained in a vacuum state.
  • the upper substrate 120 may be a silicon substrate.
  • the upper substrate 120 serves as a substrate for forming the cavity region 150 , the partition wall 180 , the recess region 160 , and the cut portion 184 .
  • the upper substrate 120 may have a thickness of several hundred micrometers or more so as to sufficiently withstand even when a vacuum is formed in the cavity 104 .
  • the cavity region 150 may provide the cavity 104 sealed by the sensor substrate 102 .
  • the recessed depth h1 of the cavity region 150 may be several micrometers to several hundred micrometers.
  • the recessed depth h1 of the cavity region 150 may depend on the height of the infrared sensor 103 .
  • the height of the infrared sensor 103 may be about 1/4 (5 ⁇ m) of the infrared wavelength. Accordingly, the recessed depth h1 of the cavity region may be greater than the height of the infrared sensor 103 .
  • the partition wall 180 separates the cavity region 150 and the recess region 160 , and may protrude from the lower surface of the upper substrate 120 .
  • the partition wall 180 may be disposed to surround the cavity region 150 to provide the cavity 104 .
  • the height of the partition wall 180 may be equal to the recessed depth h1 of the cavity region and may have the recessed depth h2 of the recess region 160 .
  • the recessed depth h2 of the recess region 160 is greater than the recessed depth h1 of the cavity region, and may be several micrometers to several hundreds of micrometers. As the recessed depth h2 of the recess region 160 increases, the thickness of the upper substrate to be cut decreases. The depth difference h2-h1 may be several hundred micrometers.
  • the external connection pad 117 of the sensor substrate 102 may be exposed by cutting the recess region 160 .
  • the upper bonding pad 182 may be disposed on the partition wall 180 .
  • the upper bonding pad 182 may perform eutectic bonding.
  • the upper bonding pad 182 may be an alloy of Au, In, Cu, or Sn.
  • the getter 170 may be disposed in the recessed cavity region 150 .
  • the getter 170 may be a metal or a metal alloy.
  • the getter may include at least one of Ti, Zr, Fe, Co, Al, and V.
  • the getter 170 may maintain a vacuum state by adsorbing moisture or impurities.
  • the cut portion 184 is a portion where the upper substrate 120 is cut.
  • the cut portion 184 may be disposed in the recess region 160 and may expose the external connection pad 117 disposed on the lower substrate 110 .
  • Substrate cutting may use a sawing (sawing) or laser dicing (laser dicing) method.
  • the sensor substrate 102 includes a lower substrate 110 ; an infrared sensor 103 formed on the lower substrate 110 and disposed to face the cavity region 150 of the upper substrate 120; and a lower bonding pad 116 aligned with the upper bonding pad 182 and disposed to surround the infrared sensor 103 .
  • the upper substrate 120 and the lower substrate 110 are silicon substrates.
  • the sensor substrate 102 includes a lower substrate 110 ; and an infrared sensor 103 formed on the lower substrate 110 .
  • the infrared sensor 103 includes: a metal pad 113 formed on the upper surface of the lower substrate 110 and electrically connected to the detection circuit; a reflective layer 112 disposed on the same plane as the metal pad, formed on the upper surface of the lower substrate, and reflecting an infrared band; a transmissive layer 114 disposed to cover the reflective layer 112 and the metal pad 113 to change an optical path distance; an absorption plate 115 formed to be spaced apart from the upper portion of the transmission layer 114 and changing resistance by absorbing infrared rays; and an anchor 118 formed on the metal pad 113 to support the absorber plate 115 and electrically connect the metal pad and the absorber plate.
  • the physical distance between the upper surface of the reflective layer 112 and the lower surface of the absorption plate 115 is smaller than the wavelength/4 at a specific infrared wavelength.
  • the lower substrate 110 may be a silicon substrate.
  • the lower substrate 110 may include a readout integrated circuit (ROIC) for driving the infrared sensor.
  • the read integrated circuit may be CMOS.
  • An insulating layer 111 is disposed on the lower substrate 110 on which the read integrated circuit is formed.
  • the insulating layer 111 may insulate the read integrated circuit formed on the lower substrate 110 and the infrared sensor 103 from each other.
  • the insulating layer 111 may be a silicon oxide layer.
  • the lower bonding pad 116 may be disposed on the transmission layer 114 and may be disposed to surround the infrared sensor 103 .
  • the lower bonding pad 116 may be disposed to face the upper bonding pad 182 and may be coupled to the upper bonding pad 182 to seal the cavity 104 .
  • the lower bonding pad 116 may perform eutectic bonding with the upper bonding pad 182 .
  • the lower bonding pad 116 may be an alloy of Au, In, Cu, or Sn.
  • the external connection pad 117 may be exposed by removing the transmission layer.
  • the external connection pad 117 may be disposed outside the lower bonding pad 116 and may be electrically connected to an external circuit.
  • the external connection pad 117 may be made of Al, Cu, or an alloy thereof.
  • the external connection pad 117 may include a protective layer on its surface.
  • the protective layer may be Ti or TiN. The protective layer may function to prevent oxidation and diffusion of the external connection pad 117 .
  • the infrared sensor 103 may be a microbolometer.
  • the infrared sensor 103 may include a plurality of unit cells arranged in a matrix form. Each unit cell may operate as one pixel. Each unit cell may have a rectangular structure in a plan view.
  • the absorber plate 115 may be suspended in the air and supported by the anchor 118 by a cantilever 119 .
  • the metal pad 113 may be electrically connected to a read integrated circuit formed inside the lower substrate 110 .
  • the metal pad 113 may include a metal layer made of a metal such as Al and a protective layer including Ti/TiN.
  • the metal pad 113 may provide an electrical connection capable of detecting a change in resistance of the absorption plate 115 through the anchor 118 .
  • the reflective layer 112 may be disposed to be spaced apart from the absorption plate 115 with an empty space therebetween, and may reflect the infrared rays transmitted through the absorption plate 115 and provide it to the absorption plate 115 again.
  • the reflective layer 112 may be formed of a metal or a metal alloy having a thickness greater than or equal to a skin depth.
  • the reflective layer 112 may be formed of aluminum.
  • the reflective layer 112 may have a thickness of several micrometers to several tens of micrometers.
  • the reflective layer 112 may include an adhesive layer disposed on the insulating layer.
  • the adhesive layer may be Ti.
  • the reflective layer 112 may include a protective layer 112b.
  • the protective layer 112b is disposed on the reflective layer 112 and may prevent oxidation of the reflective layer 112 .
  • the protective layer 112b may be made of Ti/TiN as a conductive material.
  • the thickness of the protective layer 112b may be sufficiently smaller than the thickness of the reflective layer 112 .
  • the transmission layer 114 has a thickness D2 and may be an insulator or semiconductor that transmits an infrared band.
  • the transmission layer 114 may have a refractive index greater than 1. Accordingly, the transmission layer 114 may reduce the physical distance (D1+D2) between the reflective layer and the absorption plate, and increase the infrared absorption rate of the absorption plate 115 .
  • the transmission layer 114 is a semiconductor
  • the bandgap energy of the semiconductor may be greater than the energy of the infrared band.
  • the transmissive layer 114 is disposed on the reflective layer, the optical path distance (OPD) between the reflective layer 112 and the absorption plate 115 is maintained at a wavelength of /4, while between the reflective layer and the absorption plate.
  • the physical distance (D1+D2) of can be kept below the wavelength/4.
  • the transmission layer may be a silicon nitride layer, a silicon oxide layer, or amorphous silicon.
  • the refractive index of amorphous silicon is 3.42.
  • the refractive index of the silicon oxide film is 2.8.
  • the refractive index of the silicon nitride film is 1.66.
  • the absorption rate characteristic of the absorption plate is changed according to the wavelength.
  • the physical distance D1 between the transmission layer and the absorption plate may be greater than the thickness D2 of the transmission layer (D1 > D2).
  • the physical distance D1 between the transmission layer and the absorption plate may be greater than twice the thickness D2 of the transmission layer (D1 > 2 x D2).
  • the absorption plate 115 may be spaced apart from the transmission layer 114 in a floating state by a predetermined distance D1 .
  • the absorption plate 115 may directly absorb infrared rays incident from the outside, or may absorb infrared rays reflected from the reflective layer 112 after passing through the absorption plate 115 .
  • An optical path distance (OPD) between the absorption plate 115 and the reflective layer 112 may be 1/4 of an infrared wavelength.
  • the absorbing plate 115 may include a first insulating layer 115a, an absorbing layer 115b, a resistive layer 115c, and a second insulating layer 115d sequentially stacked in a rectangular plate shape.
  • the first insulating layer 115a transmits an infrared band and may be an insulator.
  • the first insulating layer 115a may be a silicon nitride layer.
  • the thickness of the first insulating layer 115a may be 150 nm.
  • the absorption layer 115b absorbs infrared rays, the temperature increases.
  • the absorption layer 115b may well absorb infrared rays and may be a metal material having high thermal conductivity.
  • the absorption layer 115b may be made of Ti, TiN, or NiCr alloy.
  • the absorption layer 115b may be divided in half within a unit cell. Accordingly, the resistance of the resistance layer 115c buried between the absorption layers separated from each other may be changed according to temperature.
  • the thickness of the absorption layer 115b may be 15 nm.
  • the resistive layer 115c is a layer whose resistance changes according to temperature, and the resistive layer 115c is made of amorphous silicon, single crystal silicon, or vanadium oxide. or silicon-germanium.
  • the thickness of the resistive layer 115c may be 100 nm.
  • the second insulating layer 115d may protect and insulate the absorption layer 115c and transmit infrared rays.
  • the second insulating layer 115d may be a silicon nitride layer.
  • the thickness of the second insulating layer 115d may be 150 nm.
  • the anchor 118 is formed in a column shape on the upper portion of the metal pad 113 to separate the absorber plate 115 from the transparent layer 114 in a floating state at a predetermined distance, and the absorber plate 115 to can support A lower end of the anchor 118 may be embedded in the transmission layer 114 .
  • the anchor 118 electrically connects the metal pad 113 and the absorption plate 115 .
  • the absorption layer 115b absorbs infrared rays, the temperature increases, and the resistance layer 115c receives energy from the absorption layer 115b to change resistance.
  • a resistive layer 115c connected in series between the separated absorber layers 115b provides a resistance change. The change in resistance of the resistive layer 115c is read by the read driving circuit through the absorbing layer 115b, the anchor 118, and the metal pad 113. As shown in FIG.
  • the anchor 118 may be formed by forming the contact hole 119a and then filling the contact hole with a metal or a metal alloy.
  • the anchor 118 may be formed of TiN or W (tungsten).
  • an anchor-forming material eg, TiN
  • the absorption layer 115b, the resistance layer ( 115c) and a material constituting the second insulating layer 115d may fill the contact hole 119a, respectively.
  • the cantilever 119 may connect the absorption plate 115 to the anchor 118 , respectively.
  • the cantilever 119 has the same stacked structure as the absorption plate 115 .
  • 3A is a simulation result showing the absorption rate of a MEMS device using amorphous silicon as a transmission layer according to an embodiment of the present invention.
  • the optical path distance between the reflective layer and the absorption plate is maintained at a wavelength of 4 (2.5 ⁇ m).
  • the transmission layer 114 is an amorphous silicon film and the physical thickness D2 of the transmission layer 114 is 146 nm
  • the physical distance D1 between the transmission layer 114 and the absorption plate 115 is may be 2um.
  • the physical distance D2 of the transmission layer is 292 nm
  • the physical distance D1 between the transmission layer and the absorption plate may be 1.5 ⁇ m.
  • the distance D1 between the transmission layer and the absorption plate may be 1.0 ⁇ m.
  • 3B is a simulation result showing the absorption rate of a MEMS device using a silicon oxide film as a transmission layer according to an embodiment of the present invention.
  • the optical path distance between the reflective layer and the absorption plate is maintained at a wavelength of 4 (2.5 ⁇ m).
  • the transmission layer is a silicon oxide layer and the physical thickness D2 of the transmission layer is 179 nm
  • the physical distance D1 between the transmission layer and the absorption plate may be 2 ⁇ m.
  • the physical thickness D2 of the transmission layer is 357 nm
  • the physical distance D1 between the transmission layer and the absorption plate may be 1.5 ⁇ m.
  • the physical thickness D2 of the transmission layer is 536 nm
  • the physical distance D1 between the transmission layer and the absorption plate may be 1.0 ⁇ m.
  • the transmissive layer When the transmissive layer is inserted, the physical distance (D1+D2) between the reflective layer and the absorption plate is reduced to less than a wavelength of 4 (2.5 um).
  • the transmissive layer of 179 nm or 357 nm when the transmissive layer of 179 nm or 357 nm is inserted, the absorption rate of the absorption plate is improved compared to the absorption rate of the reference structure without the transmissive layer in a band of 10 ⁇ m or less.
  • the transmissive layer When the transmissive layer is inserted, the absorption rate of the absorber plate is improved over the absorption rate of the reference structure without the transmissive layer in a band of 12 um or more.
  • 3C is a simulation result showing the absorption rate of a MEMS device using a silicon nitride film as a transmission layer according to an embodiment of the present invention.
  • the optical path distance between the reflective layer and the absorption plate is maintained at a wavelength of 4 (2.5 ⁇ m).
  • the transmission layer is a silicon nitride layer and the physical thickness D2 of the transmission layer is 301 nm
  • the physical distance D1 between the transmission layer and the absorption plate may be 2 ⁇ m.
  • the physical thickness D2 of the transmission layer is 602 nm
  • the physical distance D1 between the transmission layer and the absorption plate may be 1.5 ⁇ m.
  • the physical thickness D2 of the transmission layer is 904 nm
  • the physical distance D1 between the transmission layer and the absorption plate may be 1.0 ⁇ m.
  • the transmissive layer When the transmissive layer is inserted, the physical distance (D1+D2) between the reflective layer and the absorption plate is reduced to less than a wavelength of 4 (2.5 um).
  • the transmission layer of 301 nm or 602 nm when the transmission layer of 301 nm or 602 nm is inserted, the absorption rate of the absorption plate is improved over that of the reference structure without the transmission layer in a band of 10 ⁇ m or less.
  • 4A to 4I are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a MEMS device according to an embodiment of the present invention.
  • a method of manufacturing a MEMS device includes forming an insulating layer 111 on a lower substrate 110 ; forming a reflective layer 112 and a metal pad 113 on the insulating layer 111; forming an auxiliary interlayer insulating film 111b on a side surface of the reflective layer 112 and exposing upper surfaces of the reflective layer 112 and the metal pad 113; forming a transmission layer 114 on the metal pad 113, the reflective layer 112, and the auxiliary interlayer insulating layer 111b; and forming an anchor 118 connected to the metal pad 113 and an absorber plate 115 disposed to be spaced apart from the transmission layer and supported by the anchor 118 .
  • the step of forming an auxiliary interlayer insulating film 111b on a side surface of the reflective layer 112 and exposing the upper surfaces of the reflective layer and the metal pad includes depositing an auxiliary interlayer insulating film 111b on the metal pad and the reflective layer and the auxiliary interlayer insulating film 111b.
  • An upper portion of the interlayer insulating layer 111b may be removed to expose the metal pad 113 and the reflective layer 112 .
  • the upper portion of the auxiliary interlayer insulating layer 111b may be removed through an etch-back process or a chemical mechanical polishing process.
  • the step of forming the anchor 118 connected to the metal pad 113 and the absorption plate 115 spaced apart from the transmission layer and supported by the anchor includes the sacrificial layer 119 on the transmission layer 114 . ) and forming a contact hole 119a exposing the metal pad 113 after forming the first insulating layer 115a; forming an anchor 118 filling the contact hole by depositing an anchor conductive layer on the lower substrate on which the contact hole 119a is formed and patterning the anchor conductive layer; forming an absorber layer (115b) on the lower substrate on which the anchor (118) is formed and patterning and separating the absorber layer; A resistive layer 115c and a second insulating layer 115d are formed on the absorbing layer 115b, and the second insulating layer 115d, the resistive layer 115c, the absorbing layer 115b, and the first insulating layer are formed. patterning the layer (115a) to expose the sacrificial layer (119); and removing the sa
  • a read integrated circuit is formed on the lower substrate 110 .
  • An insulating layer 111 is formed as an interlayer insulating film on the lower substrate 110 on which the read integrated circuit is formed.
  • the insulating layer 111 may be a silicon oxide layer.
  • the reflective layer 112 and the metal pad 113 may be simultaneously formed on the insulating layer by a patterning process.
  • the reflective layer 114 and the metal pad 113 may include an adhesive layer, a conductive layer, and a protective layer sequentially stacked.
  • the reflective layer 114 may have a thickness of several micrometers or more.
  • the adhesive layer may be Ti.
  • the conductive layer may be aluminum, copper, or an alloy thereof.
  • the passivation layer 112b may be made of Ti/TiN.
  • the reflective layer 114 and the metal pad 113 may be patterned through a photolithography process.
  • an auxiliary interlayer insulating layer is deposited on the lower substrate 111 to form the reflective layer 112 and the metal pad 113 .
  • the auxiliary interlayer insulating layer may be planarized through a planarization process to expose upper surfaces of the reflective layer 112 and the metal pad 113 .
  • a transparent layer 114 may be deposited on the reflective layer 114 and the metal pad 113 .
  • the transparent layer 114 may be any one of amorphous silicon, silicon oxide, and silicon nitride.
  • the amorphous silicon may provide high transmittance in the infrared band.
  • a sacrificial layer 119 may be deposited on the transparent layer 114 .
  • the sacrificial layer 119 is removed later.
  • the sacrificial layer 119 may be an amorphous carbon layer or polyimide.
  • the thickness of the sacrificial layer 119 may be several micrometers to several tens of micrometers.
  • a first insulating layer 115a may be deposited on the sacrificial layer 119 .
  • the first insulating layer 115a may be a silicon nitride layer.
  • a contact hole 119a for forming an anchor 118 may be formed on the metal pad 113 by patterning the first insulating layer 115a and the sacrificial layer 119 . .
  • the contact hole 119a may penetrate the first insulating layer 115a and the sacrificial layer 119 to expose the metal pad 113 .
  • a conductive material constituting the anchor 118 may be deposited.
  • the anchor 118 may be TiN or Ti/TiN/W. After the conductive material is deposited, the conductive material may be patterned while leaving a contact plug filling the contact hole 119a to form the anchor 118 . The anchor 118 may not completely fill the contact hole 119a.
  • the absorption layer 115b may be formed to cover the anchor 118 and the first insulating layer 115a.
  • the absorption layer 115b may be patterned to be separated into two in a unit cell.
  • the absorption layer 115b may be made of TiN.
  • the absorption layer 115b may be deposited on the inner surface of the anchor 118 .
  • a resistive layer 115c and a second insulating layer 115d are sequentially formed on the absorption layer 115b.
  • the inside of the anchor 118 may be filled with an absorption layer 115b, a resistance layer 115c, and a second insulating layer 115d.
  • the anchor 118 may include an absorption layer 115b, a resistance layer 115c, and a second insulating layer 115d.
  • the resistive layer 115c may be formed of amorphous silicon, single crystal silicon, or vanadium oxide. or silicon-germanium.
  • the second insulating layer 115d may be a silicon nitride layer.
  • the first insulating layer 115a, the absorbing layer 115b, the resistive layer 115c, and the second insulating layer 115d are etched through a photolithography process to expose the sacrificial layer 119, and absorb A plate 115 is formed.
  • the sacrificial layer 119 is removed through dry etching or wet etching.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a MEMS device according to another embodiment of the present invention.
  • the MEMS device 200 includes a sensor substrate 202 having an infrared sensor 203 ; and a cap substrate 101 configured to form a cavity 104 by wafer bonding to the sensor substrate 202 .
  • the sensor substrate 202 includes a lower substrate 110 ; an infrared sensor 203 formed on the lower substrate 110 and disposed to face the cavity region 150 of the upper substrate 120; and a lower bonding pad 116 aligned with the upper bonding pad 182 and disposed to surround the infrared sensor 203 .
  • the upper substrate 120 and the lower substrate 110 are silicon substrates.
  • the infrared sensor 203 includes: a metal pad 113 formed on the upper surface of the lower substrate 110 and electrically connected to the detection circuit; a reflective layer 112 disposed on the same plane as the metal pad 113 and formed on an upper surface of the lower substrate to reflect an infrared band; a transmissive layer 214 disposed to cover the reflective layer and the metal pad and for changing an optical path distance; an absorption plate 115 formed to be spaced apart from the upper portion of the transmission layer and changing resistance by absorbing infrared rays; and an anchor 118 formed on the metal pad to support the absorption plate and electrically connect the metal pad and the absorption plate.
  • the distance between the upper surface of the reflective layer and the lower surface of the absorption plate is less than wavelength/4 at a specific infrared wavelength.
  • the transmission layer 214 may include a nanostructure pattern 214a, and the nanostructure pattern may include a plurality of holes or a plurality of trenches.
  • the nanostructure pattern 214a may include a plurality of holes or a plurality of trenches exposing the reflective layer.
  • the nanostructure pattern 214a may reduce an effective refractive index with respect to an infrared wavelength. Accordingly, the transmission layer may provide an optical path distance of a wavelength/4 while reducing the reflection of infrared rays incident on the transmission layer.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a MEMS device according to another embodiment of the present invention.
  • the MEMS device 300 includes a sensor substrate 302 having an infrared sensor 303 ; and a cap substrate 101 configured to form a cavity 104 by wafer bonding to the sensor substrate 302 .
  • the sensor substrate 302 includes a lower substrate 110 ; an infrared sensor 203 formed on the lower substrate 110 and disposed to face the cavity region 150 of the upper substrate 120; and a lower bonding pad 116 aligned with the upper bonding pad 182 and disposed to surround the infrared sensor 203 .
  • the upper substrate 120 and the lower substrate 110 are silicon substrates.
  • the infrared sensor 303 includes a metal pad 113 formed on the upper surface of the lower substrate 110 and electrically connected to the detection circuit; a reflective layer 112 disposed on the same plane as the metal pad 113 and formed on an upper surface of the lower substrate to reflect an infrared band; a transmissive layer 314 disposed to cover the reflective layer and the metal pad and configured to change an optical path distance; an absorption plate 115 formed to be spaced apart from the upper portion of the transmission layer and changing resistance by absorbing infrared rays; and an anchor 118 formed on the metal pad to support the absorption plate and electrically connect the metal pad and the absorption plate.
  • the distance between the upper surface of the reflective layer and the lower surface of the absorption plate is less than wavelength/4 at a specific infrared wavelength.
  • the transmission layer may have a structure 314a recessed in its upper surface.
  • the recessed structure 314a may have a constant curvature or may have a step shape.
  • the transmission layer may have a concave structure having a different thickness depending on a location.
  • the recessed structure according to the location may provide a different optical path distance for each location.
  • the optical path distance of the first position may be D1+n X D2
  • the optical path distance of the second position may be D1' + n X D2'
  • the optical path distance of the third position may be D1'' + n X D2''.
  • n is the refractive index of the transmission layer
  • D2, D2', D2'' are the thicknesses of the respective absorption layers at the first, second, and third position positions. Accordingly. For a wide infrared wavelength range, by satisfying the wavelength/4 condition, the absorption rate of the absorption plate can be increased.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자는, 하부 기판; 및 상기 하부 기판에 형성된 적외선 센서를 포함한다. 상기 적외선 센서는, 상기 하부 기판의 상부면에 형성되어 검출회로와 전기적으로 연결되는 금속 패드; 상기 금속 패드와 동일한 평면에 배치되고 상기 하부 기판의 상부면에 형성되고 적외선 대역을 반사하는 반사층; 상기 반사층을 덮도록 배치되고 광경로 거리를 변경하는 투과층; 상기 투과층의 상부에 이격되어 형성되고 적외선을 흡수하여 저항을 변화시키는 흡수판; 및 상기 금속 패드의 상부에 형성되어 상기 흡수판을 지지하고 상기 금속 패드와 상기 흡수판을 전기적으로 연결하는 앵커를 포함한다. 상기 반사층의 상부면과 상기 흡수판의 하부면 사이의 거리는 특정 적외선 파장에서 파장/4 보다 작다.

Description

볼로미터 멤스 소자 및 볼로미터 멤스 소자의 제조 방법
본 발명은 볼로미터 MEMS 소자에 관한 것으로, 더 구체적으로 넓은 적외선 대역에서 높은 흡수도를 가진 적외선 센서 멤스 소자에 관한 것이다.
볼로미터는 적외서 센서의 한 종류이다. 상기 볼로미터는 하부 기판에 형성된다. 상기 볼로미터는 입사되는 적외선을 흡수한다. 볼로미터의 흡수판의 온도가 상승하면, 온도 상승에 인한 저항층의 저항 변화가 검출되고, 저항 변화로부터 적외선의 에너지가 측정된다.
캡 기판은 하부 기판과 별도의 상부 기판을 포함하고, 상기 캡 기판은 상기 하부 기판과 웨이퍼 본딩되어 케비티를 형성하면서 패키징된다.
기존 마이크로 볼로미터는 적외선 흡수도를 높이기 위하여 흡수판과 반사판 사이의 거리가 특정 적외선의 1/4 파장을 가지는 구조를 채택한다. 따라서, 기존 마이크로 볼로미터는 특정 적외선의 파장에서 최대 흡수도를 가진다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 반사층 상에 투과층을 배치하여 흡수율이 향상되고, 기구적 안정성이 향상된 볼로미터 멤스 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자는, 하부 기판; 및 상기 하부 기판에 형성된 적외선 센서를 포함한다. 상기 적외선 센서는, 상기 하부 기판의 상부면에 형성되어 검출회로와 전기적으로 연결되는 금속 패드; 상기 금속 패드와 동일한 평면에 배치되고 상기 하부 기판의 상부면에 형성되고 적외선 대역을 반사하는 반사층; 상기 반사층을 덮도록 배치되고 광경로 거리를 변경하는 투과층; 상기 투과층의 상부에 이격되어 형성되고 적외선을 흡수하여 저항을 변화시키는 흡수판; 및 상기 금속 패드의 상부에 형성되어 상기 흡수판을 지지하고 상기 금속 패드와 상기 흡수판을 전기적으로 연결하는 앵커를 포함한다. 상기 반사층의 상부면과 상기 흡수판의 하부면 사이의 거리는 특정 적외선 파장에서 파장/4 보다 작다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반사층의 상부면과 상기 흡수판의 하부면 사이의 광 경로 거리는 특정 적외선 파장에서 파장/4 에 대응한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 투과층은 실리콘 산화막이고, 상기 투과층의 두께는 0.17 um 내지 0.53 um일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 투과층은 실리콘 질화막이고, 상기 투과층의 두께는 0.30 um 내지 0.90 um일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 투과층은 비정질 실리콘막이고, 상기 투과층의 두께는 0.14 um 내지 0.43 um일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 투과층은 나노 구조 패턴을 포함하고, 상기 나조 구조 패턴은 복수의 홀들 또는 복수의 트렌치들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 투과층은 그 상부면에 함몰된 구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 앵커의 하부는 상기 투과층에 매몰될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자의 제조 방법은, 하부 기판에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층 상에 반사층과 금속 패드를 형성하는 단계; 상기 반사층의 측면에 보조 층간 절연막을 형성하고 상기 반사층과 금속 패드의 상부면을 노출시키는 단계; 상기 금속 패드, 상기 반사층 및 상기 보조 층간 절연막 상에 투과층을 형성하는 단계; 및 상기 금속 패드에 연결된 앵커 및 상기 투과층과 이격되어 배치되고 상기 앵커에 의하여 지지되는 흡수판을 형성하는 단계를 포함한다,
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반사층의 측면에 보조 층간 절연막을 형성하고 상기 반사층과 금속 패드의 상부면을 노출시키는 단계는, 상기 금속 패드 및 상기 반사층 상에 보조 층간 절연막을 증착하고 상기 보조 층간 절연막의 상부를 제거하여 상기 금속 패드 및 상기 반사층을 노출시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 패드에 연결된 앵커 및 상기 투과층과 이격되어 배치되고 상기 앵커에 의하여 지지되는 흡수판을 형성하는 단계는, 상기 투과층 상에 희생층 및 제1 절연층을 형성한 후 상기 금속 패드를 노출하는 콘택 홀을 형성하는 단계; 상기 콘택 홀이 형성된 상기 하부 기판 상에 앵커 도전막을 증착하고 상기 앵커 도전막을 패터닝하여 상기 콘택 홀을 채우는 앵커를 형성하는 단계; 상기 앵커가 형성된 하부 기판 상에 흡수층을 형성하고 상기 흡수층을 패터닝하여 분리하는 단계; 상기 흡수층 상에 저항층 및 제2 절연층을 형성하고 상기 제2 절연층, 상기 저항층, 상기 흡수층, 및 상기 제1 절연층을 패터닝하여 상기 희생층을 노출시키는 단계; 및 상기 희생층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 투과층은 비정질 실리콘, 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 희생층은 비정질 카본층 또는 폴리이미드층일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자는 반사층 상에 투과층를 배치하여, 흡수판과 반사층 사이의 광경로 거리를 특정 적외선의 1/4 파장으로 유지하면서, 흡수판과 반사층 사이의 물리적 거리는 특정 적외선의 1/4 파장 미만을 제공한다. 이에 따라, 반사층 상부에 배치된 투과층은 적외선 흡수율을 증가시킨다. 또한, 하부 기판의 상부면에서 돌출된 엥커의 높이는 감소되어, 하부 기판과 접합되는 상부 기판의 케비티의 깊이를 감소시킨다. 또한, 돌출된 엥커의 높이가 감소됨에 따라 구조적 안정성이 향상된다.
상기 흡수판과 상기 반사층 사이의 거리는 고정되나, 반사층 상부에 배치된 투과층은 위치에 따라 두께를 변경하여 적외선 광대역 흡수 구조를 제공할 수 있다. 상기 멤스 소자의 투과층은 곡면 또는 계단 형태를 가진다. 이에 따라, 상기 멤스 소자의 반사층과 흡수판 사이의 광경로 거리는 위치에 따라 달라짐으로써 보다 넓은 파장 대역의 적외선을 흡수할 수 있다. 상기 멤스 소자는 높은 흡수 효율을 제공하여 측정 감도를 증가시킬 수 있다.
또한, 투과층은 홀이나 트렌치 형태의 나노 구조 패턴을 포함하고, 이러한 나조 구조 패턴는 투과층 자체의 굴절률보다 낮은 유효 굴절율을 제공하여여 투과층의 상부면에서의 반사를 억제시키어, 반사층 상부에 배치된 투과층은 적외선 흡수율을 증가시킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자를 설명하는 개념도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자의 센서 기판을 설명하는 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c은 본 발명의 일 실시예들에 따른 멤스 소자의 흡수율을 나타내는 결과들이다.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스 소자를 설명하는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 멤스 소자를 설명하는 개념도이다.
웨이퍼 레벨 진공 패키징은 MEMS 소자 기판과 캡 기판(cap wafer)을 접합한다. 상기 MEMS 소자 기판은 볼로미터와 같은 적외선 센서와 판독집적회로(Readout integrated circuits; ROIC)를 포함할 수 있다. 상기 캡 기판(cap wafer)는 MEMS 소자 기판과 접합되어 진공 케비티를 생성하고, 외부 적외선 광이 투과할 수 있는 창문을 제공한다.
볼로미터는 외부로부터 입사되는 적외선을 적외선 흡수층에 전달하고, 적외선 흡수층의 온도가 상승하면, 적외선 흡수층의 온도 상승은 저항층의 저항 변화를 유발한다. 상기 저항층의 저항 변화는 판독 집적회로를 통하여 적외선의 에너지로 변환된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자는 반사층 상에 투과층을 삽입하여 반사층과 흡수판 사이의 광경로 거리가 1/4 파장인 조건을 만족하면서 상기 흡수판의 흡수율을 증가시킨다. 이에 따라, 상기 흡수판의 흡수율은 증가하여 적외선 센서의 감도가 증가한다. 또한, 반사층과 흡수판 사이의 물리적 거리는 1/4 파장 미만으로 유지된다. 또한, 하부 기판에서 돌출된 엥커는 높이가 감소하여, 상부 기판의 케비티의 깊이를 감소시킬 수 있다. 또한, 투과층에 매몰된 앵커는 구조적 안정성을 향상시킨다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 실험 조건, 물질 종류 등에 의하여 본 발명이 제한되거나 한정되지는 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자를 설명하는 개념도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자의 센서 기판을 설명하는 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b을 참조하면, 멤스 소자(100)는, 적외선 센서(103)를 구비한 센서 기판(102); 및 상기 센서 기판(102)과 웨이퍼 접합되어 케비티(104)를 구성하는 캡 기판(101)을 포함한다.
상기 캡 기판(101)은, 상부 기판(120); 상기 상부 기판(120)의 하부면에서 함몰된 케비티 영역(150) 내에 배치된 게터(170); 상기 상부 기판(120)의 하부면에서 상기 케비티 영역(150)보다 돌출되고 상기 상부 기판(120)과 동일한 구조와 재질을 가지고 상기 케비티 영역(150)을 감싸도록 배치된 격벽(180); 상기 상부 기판(120)의 하부면에서 상기 케비티 영역(150)의 배치평면보다 더 함몰되고 상기 격벽(180)을 감싸도록 배치된 리세스 영역(160); 및 상기 격벽(180)의 하부면에 배치된 상부 본딩 패드(182);를 포함한다.
상기 센서 기판(102)은, 하부 기판(110); 상기 하부 기판(110)에 형성되고 상기 상부 기판(120)의 상기 케비티 영역(150)을 마주보록 배치된 적외선 센서(103); 및 상기 상부 본딩 패드(182)와 정렬되고 상기 적외선 센서(103)를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드(116);를 포함한다. 상기 상부 기판(120) 및 상기 하부 기판(110)은 실리콘 기판이다.
상기 캡 기판(101)은 상기 상부 기판(120), 상기 상부 기판의 하부면에서 돌출된 격벽(180) 및 상기 케비티 영역(150)에 형성된 게터(170)를 포함할 수 있다. 상기 캡 기판(101)은 상기 센서 기판(102)과 접합되어 케비티(104)를 형성한다. 상기 케비티(104)는 진공 상태로 유지될 수 있다.
상기 상부 기판(120)은 실리콘 기판일 수 있다. 상기 상부 기판(120)은 케비티 영역(150), 격벽(180), 리세스 영역(160), 및 절단 부위(184)를 형성하기 위한 기판으로 동작한다. 상기 상부 기판(120)은 상기 케비티(104)에 진공이 형성된 경우에도 충분히 견딜 수 있도록 수백 마이크로미터 이상의 두께를 가질 수 있다.
상기 케비티 영역(150)은 상기 센서 기판(102)에 의하여 밀봉된 상기 케비티(104)를 제공할 수 있다. 상기 케비티 영역(150)의 함몰된 깊이(h1)는 수 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터 일 수 있다. 상기 케비티 영역(150)의 함몰된 깊이(h1)는 상기 적외선 센서(103)의 높이에 의존할 수 있다. 통상적으로, 20 μm의 적외선 파장을 검출하는 경우에는, 상기 적외선 센서(103)의 높이는 약 적외선 파장의 1/4 배(5 μm)일 수 있다. 따라서, 상기 케비티 영역의 함몰된 깊이(h1)는 상기 적외선 센서(103)의 높이보다 클 수 있다.
상기 격벽(180)은 케비티 영역(150)과 리세스 영역(160)을 구분하며, 상기 상부 기판(120)의 하부면에서 돌출될 수 있다. 상기 격벽(180)은 케비티 영역(150)을 감싸도록 배치되어 상기 케비티(104)를 제공할 수 있다. 상기 격벽(180)의 높이는 상기 케비티 영역의 함몰된 깊이(h1)와 같고, 상기 리세스 영역(160)의 함몰된 깊이(h2)를 가질 수 있다.
상기 리세스 영역(160)의 함몰된 깊이(h2)는 상기 케비티 영역의 함몰된 깊이(h1)보다 크고, 수 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터 일 수 있다. 상기 리세스 영역(160)의 함몰된 깊이(h2)가 증가함에 따라, 절단될 상부 기판의 두께가 감소한다. 깊이 차이(h2-h1)는 수백 마이크로미터일 수 있다. 상기 센서 기판(102)의 외부 연결 패드(117)는 상기 리세스 영역(160)의 절단에 의하여 노출될 수 있다.
상부 본딩 패드(182)는 상기 격벽(180)에 배치될 수 있다. 상기 상부 본딩 패드(182)는 유테틱 본딩(Eutectic Bonding)을 수행할 수 있다. 상기 상부 본딩 패드(182)는 Au, In, Cu, Sn의 합금일 수 있다.
게터(170)는 함몰된 케비티 영역(150) 내에 배치될 수 있다. 상기 게터(170)는 금속 또는 금속 합금일 수 있다. 상기 게터는 Ti, Zr, Fe, Co, Al, V 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 게터(170)는 수분 또는 불순물 흡착하여 진공 상태를 유지할 수 있다.
절단 부위(184)는 상기 상부 기판(120)이 절단된 부위이다. 상기 절단 부위(184)는 리세스 영역(160)에 배치되고 상기 하부 기판(110)에 배치된 외부 연결 패드(117)를 노출시킬 수 있다. 기판 절단은 소잉(sawing) 또는 레이저 다이싱(laser dicing) 방법을 사용할 수 있다.
상기 센서 기판(102)은, 하부 기판(110); 상기 하부 기판(110)에 형성되고 상기 상부 기판(120)의 상기 케비티 영역(150)을 마주보록 배치된 적외선 센서(103); 및 상기 상부 본딩 패드(182)와 정렬되고 상기 적외선 센서(103)를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드(116);를 포함한다. 상기 상부 기판(120) 및 상기 하부 기판(110)은 실리콘 기판이다.
상기 센서 기판(102)은 하부 기판(110); 및 상기 하부 기판(110)에 형성된 적외선 센서(103)를 포함한다. 상기 적외선 센서(103)는, 상기 하부 기판(110)의 상부면에 형성되어 검출회로와 전기적으로 연결되는 금속 패드(113); 상기 금속 패드와 동일한 평면에 배치되고 상기 하부 기판의 상부면에 형성되고 적외선 대역을 반사하는 반사층(112); 상기 반사층(112) 및 상기 금속 패드(113)를 덮도록 배치되어 광경로 거리를 변경하는 투과층(114); 상기 투과층(114)의 상부에서 이격되어 형성되고 적외선을 흡수하여 저항을 변화시키는 흡수판(115); 및 상기 금속 패드(113)의 상부에 형성되어 상기 흡수판(115)을 지지하고 상기 금속 패드와 상기 흡수판을 전기적으로 연결하는 앵커(118)를 포함한다. 상기 반사층(112)의 상부면과 상기 흡수판(115)의 하부면 사이의 물리적 거리는 특정 적외선 파장에서 파장/4 보다 작다.
상기 하부 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있다. 상기 하부 기판(110)은 적외선 센서를 구동하는 판독 집적 회로(readout integrated circuit ; ROIC)를 포함할 수 있다. 상기 판독 집적 회로는 CMOS일 수 있다. 상기 판독 집적 회로가 형성된 상기 하부 기판(110) 상에 절연층(111)이 배치된다.
상기 절연층(111)은 상기 하부 기판(110)에 형성된 판독 집적 회로와 적외선 센서(103)를 서로 절연시킬 수 있다. 상기 절연층(111)은 실리콘 산화막일 수 있다.
상기 하부 본딩 패드(116)는 상기 투과층(114) 상에 배치되고 상기 적외선 센서(103)를 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 하부 본딩 패드(116)는 상기 상부 본딩 패드(182)와 마주보는 위치에 배치되고 상기 상부 본딩 패드(182)와 결합되어 상기 케비티(104)를 실링할 수 있다. 상기 하부 본딩 패드(116)는 상기 상부 본딩 패드(182)와 유테틱 본딩(Eutectic Bonding)을 수행할 수 있다. 상기 하부 본딩 패드(116)는 Au, In, Cu, Sn의 합금일 수 있다.
외부 연결 패드(117)는 투과층이 제거되어 노출될 수 있다. 상기 외부 연결 패드(117)는 상기 하부 본딩 패드(116)의 외측에 배치되고 외부 회로와 전기적 연결을 수행할 수 있다. 상기 외부 연결 패드(117)는 Al, Cu, 또는 이들의 합금일 수 있다. 상기 외부 연결 패드(117)는 그 표면에 보호층을 포함할 수 있다. 상기 보호층은 Ti, TiN일 수 있다. 상기 보호층은 외부 연결 패드(117)의 산화 방지 및 확산 방지 기능을 수행할 수 있다.
상기 적외선 센서(103)는 마이크로볼로미터(Microbolometer)일 수 있다. 상기 적외선 센서(103)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 단위 셀을 포함할 수 있다. 각 단위 셀은 하나의 픽셀로 동작할 수 있다. 각각의 단위 셀은 평면도 상에서 사각형 구조일 수 있다. 상기 흡수판(115)은 공중에 떠 있고 켄티레버(cantilever,119)에 의하여 상기 앵커(118)에 지지될 수 있다.
금속 패드(113)는 상기 하부 기판(110)의 내부에 형성된 판독 집적회로와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 금속 패드(113)는 Al과 같은 금속으로된 금속층과 Ti/TiN을 포함하는 보호층을 포함할 수 있다. 상기 금속 패드(113)는 상기 앵커(118)를 통하여 상기 흡수판(115)의 저항 변화를 검출할 수 있는 전기적 연결을 제공할 수 있다.
반사층(112)은 상기 흡수판(115)과 빈 공간을 사이에 두고 이격되어 배치되고, 상기 흡수판(115)을 투과한 적외선을 반사하여 다시 흡수판(115)에 제공할 수 있다. 상기 반사층(112)은 표피 깊이(skin depth) 이상의 두께를 가지는 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 반사층(112)은 알루미늄으로 형성될 수 있다. 상기 반사층(112)의 두께는 수 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터일 수 있다. 반사층(112)은 상기 절연층 상에 배치되는 접착층을 포함할 수 있다. 상기 접착층은 Ti일 수 있다.
상기 반사층(112)은 보호층(112b)을 포함할 수 있다. 상기 보호층(112b)은 상기 반사층(112) 상에 배치되고, 상기 반사층(112)의 산화를 방지할 수 있다. 상기 보호층(112b)은 도전성 물질로 Ti/TiN일 수 있다. 상기 보호층(112b)의 두께는 상기 반사층(112)의 두께보다 충분히 작을 수 있다.
상기 투과층(114)은 두께(D2)를 가지고, 적외선 대역을 투과시키는 절연체 또는 반도체일 수 있다. 상기 투과층(114)은 1 초과의 굴절율을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 투과층(114)은 반사층과 흡수판 사이의 물리적 거리(D1+D2)를 감소시키고, 상기 흡수판(115)의 적외선 흡수율을 증가시킬 수 있다. 상기 투과층(114)이 반도체인 경우, 상기 반도체의 밴드갭 에너지는 상기 적외선 대역의 에너지 보다 클 수 있다. 상기 투과층(114)이 상기 반사층 상에 배치된 경우, 상기 반사층(112)과 상기 흡수판(115) 사이의 광경로 거리(OPD)는 파장/4로 유지하면서, 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 물리적 거리(D1+D2)는 파장/4 미만으로 유지할 수 있다. 상기 투과층은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 또는 비정질 실리콘일 수 있다. 10 um의 파장에서, 비정질 실리콘의 굴절율은 3.42이다. 10 um의 파장에서, 실리콘 산화막의 굴절율은 2.8이다. 또한, 10 um의 파장에서, 실리콘 질화막의 굴절율은 1.66이다.
상기 투과층의 두께(D2)와 재질에 따라 상기 흡수판의 흡수율 특성이 파장에 따라 변경된다. 상기 투과층의 두께(D2)가 증가함에 따라, 상기 투과층(114)에 의한 적외선의 흡수가 증가할 수 있다. 따라서, 투과층과 흡수판 사이의 물리적 거리(D1)는 상기 투과층의 두께(D2) 보다 클 수 있다(D1 > D2). 바람직하게는, 투과층과 흡수판 사이의 물리적 거리(D1)는 상기 투과층의 두께(D2)의 2배 보다 클 수 있다 (D1 > 2 x D2).
흡수판(115)은 상기 투과층(114)으로부터 일정 거리(D1)로 부양 상태로 이격될 수 있다. 상기 흡수판(115)은 외부에서 입사하는 적외선을 직접 흡수하거나, 상기 흡수판(115)을 투과한 후 상기 반사층(112)에서 반사된 적외선을 흡수할 수 있다. 상기 흡수판(115)과 상기 반사층(112) 사이의 광 경로 거리(OPD)는 적외선 파장의 1/4 일 수 있다.
상기 흡수판(115)은 사각판 형태로 차례로 적층된 제1 절연층(115a), 흡수층(115b), 저항층(115c), 및 제2 절연층(115d)을 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층(115a)은 적외선 대역을 투과시키며, 절연체일 수 있다. 상기 제1 절연층(115a)은 실리콘 질화막일 수 있다. 상기 제1 절연층(115a)의 두께는 150 nm일 수 있다.
상기 흡수층(115b)은 적외선을 흡수함에 따라 온도가 증가한다. 상기 흡수층(115b)은 적외선을 잘 흡수하고, 금속 재질로 열전도도가 높은 물질일 수 있다. 상기 흡수층(115b)은 Ti, TiN, NiCr 합금일 수 있다. 상기 흡수층(115b)은 단위 셀 내에서 반으로 분리될 수 있다. 따라서, 서로 분리된 흡수층 사이에 매립된 저항층(115c)은 온도에 따라 저항이 변경될 수 있다. 상기 흡수층(115b)의 두께는 15 nm일 수 있다.
상기 저항층(115c)은 온도에 따라 저항이 변하는 층으로, 상기 저항층(115c)은 비정질 실리콘, 단결정 실리콘, vanadium oxide. 또는 실리콘-게르마늄일 수 있다. 상기 저항층(115c)의 두께는 100 nm일 수 있다.
상기 제2 절연층(115d)은 상기 흡수층(115c)을 보호하고 절연시키며, 적외선을 투과시킬 수 있다. 상기 제2 절연층(115d)은 실리콘 질화막일 수 있다. 상기 제2 절연층(115d)의 두께는 150nm일 수 있다.
앵커(118)는 상기 금속 패드(113)의 상부에 기둥 형상으로 형성되어, 상기 흡수판(115)을 상기 투명층(114)으로부터 일정 거리를 가지고 부양 상태로 이격시키고, 상기 흡수판(115)을 지지할 수 있다. 앵커(118)의 하단부는 상기 투과층(114)에 매립될 수 있다. 또한, 상기 앵커(118)는 상기 금속 패드(113)와 상기 흡수판(115)을 전기적으로 연결시킨다. 상기 흡수층(115b)은 적외선을 흡수함에 따라 온도가 증가하고, 저항층(115c)은 상기 흡수층(115b)으로부터 에너지를 전달받아 저항이 변한다. 상기 분리된 흡수층(115b) 사이에 직렬 연결된 저항층(115c)은 저항 변화를 제공한다. 상기 저항층(115c)의 저항 변화는 상기 흡수층(115b), 앵커(118), 및 금속 패드(113)를 통하여 판독 구동회로에서 판독된다.
앵커(118)는 콘택 홀(119a)을 형성한 후 상기 콘택 홀을 금속 또는 금속 합금으로 채워서 형성할 수 있다. 상기 앵커(118)는 TiN 또는 W(텅스텐)으로 형성될 수 있다. 상기 콘택 홀(119a)이 앵커 형성 물질(예를 들어, TiN)로 완전히 채워지지 않은 경우, 상기 흡수층, 저항층, 및 제2 절연층을 형성하는 공정에서, 상기 흡수층(115b), 저항층(115c), 및 제2 절연층(115d)을 구성하는 물질이 각각 상기 콘택 홀(119a)을 채울 수 있다.
캔티레버(119)는 상기 흡수판(115)을 상기 앵커(118)에 각각 연결할 수 있다. 상기 캔티레버(119)는 상기 흡수판(115)과 동일한 적층 구조를 가진다. 단위 셀 내에서 상기 앵커(118)는 2 개이고, 사각형의 한 쌍의 꼭지점에 배치된 경우, 상기 켄티리버(119)는 하나의 앵커와 상기 흡수판의 이격된 꼭지점을 연결하도록 상기 흡수판의 모서리를 따라 상기 앵커가 배치되지 않은 꼭지점 방향으로 연장될 수 있다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과층으로 비정질 실리콘을 사용한 멤스 소자의 흡수율을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 3a을 참조하면, 10 um의 파장에 대하여, 반사층과 흡수판 사이의 광경로 거리는 파장/4 (2.5 um)로 유지된다. 상기 투과층(114)이 비정질 실리콘막이고, 상기 투과층(114)의 물리적 두께(D2)가 146 nm인 경우, 상기 투과층(114)과 상기 흡수판(115) 사이의 물리적 거리(D1)은 2um일 수 있다. 상기 투과층의 물리적 두께(D2)가 292 nm인 경우, 상기 투과층과 상기 흡수판 사이의 물리적 거리(D1)은 1.5um일 수 있다. 상기 투과층의 물리적 두께(D2)가 439 nm인 경우, 상기 투과층과 상기 흡수판 사이의 거리(D1)은 1.0um일 수 있다. 상기 투과층(114)이 삽입된 경우, 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 물리적 거리(D1+D2)는 파장/4 (= 2.5 um) 미만으로 감소된다. 또한, 상기 투과층(114)이 삽입된 경우, 상기 흡수판의 흡수율은 10 um 이하 대역에서 투과층이 없는 기준 구조의 흡수율보다 향상되고, 상기 흡수판의 흡수율은 12 um 이상 대역에서 투과층이 없는 기준 구조의 흡수율보다 향상된다.
도 3b은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과층으로 실리콘 산화막을 사용한 멤스 소자의 흡수율을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 3b을 참조하면, 10 um의 파장에 대하여, 반사층과 흡수판 사이의 광경로 거리는 파장/4 (2.5 um)로 유지된다. 상기 투과층이 실리콘 산화막이고 상기 투과층의 물리적 두께(D2)가 179 nm인 경우, 상기 투과층과 상기 흡수판 사이의 물리적 거리(D1)은 2um일 수 있다. 상기 투과층의 물리적 두께(D2)가 357 nm인 경우, 상기 투과층과 상기 흡수판 사이의 물리적 거리(D1)은 1.5um일 수 있다. 상기 투과층의 물리적 두께(D2)가 536 nm인 경우, 상기 투과층과 상기 흡수판 사이의 물리적 거리(D1)은 1.0um일 수 있다. 상기 투과층이 삽입된 경우, 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 물리적 거리(D1+D2)는 파장/4 (2.5 um) 미만으로 감소된다. 또한, 179nm 또는 357 nm의 상기 투과층이 삽입된 경우, 상기 흡수판의 흡수율은 10 um 이하 대역에서 상기 투과층이 없는 기준 구조의 흡수율보다 향상된다. 상기 투과층이 삽입된 경우, 흡수판의 흡수율은 12 um 이상 대역에서 상기 투과층이 없는 기준 구조의 흡수율보다 향상된다.
도 3c은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과층으로 실리콘 질화막을 사용한 멤스 소자의 흡수율을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 3c을 참조하면, 10 um의 파장에 대하여, 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 광경로 거리는 파장/4 (2.5 um)로 유지된다. 상기 투과층이 실리콘 질화막이고, 상기 투과층의 물리적 두께(D2)가 301 nm인 경우, 상기 투과층과 상기 흡수판 사이의 물리적 거리(D1)은 2um일 수 있다. 상기 투과층의 물리적 두께(D2)가 602 nm인 경우, 투과층과 흡수판 사이의 물리적 거리(D1)은 1.5um일 수 있다. 투과층의 물리적 두께(D2)가 904 nm인 경우, 상기 투과층과 상기 흡수판 사이의 물리적 거리(D1)은 1.0um일 수 있다. 상기 투과층이 삽입된 경우, 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 물리적 거리(D1+D2)는 파장/4 (2.5 um) 미만으로 감소된다. 또한, 301nm 또는 602 nm의 상기 투과층이 삽입된 경우, 흡수판의 흡수율은 10 um 이하 대역에서 투과층이 없는 기준 구조의 흡수율보다 향상된다.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.
도 4a 내지 도 4i를 참조하면, 멤스 소자의 제조 방법은, 하부 기판(110)에 절연층(111)을 형성하는 단계; 상기 절연층(111) 상에 반사층(112)과 금속 패드(113)를 형성하는 단계; 상기 반사층(112)의 측면에 보조 층간 절연막(111b)을 형성하고 상기 반사층(112)과 금속 패드(113)의 상부면을 노출시키는 단계; 상기 금속 패드(113), 상기 반사층(112) 및 상기 보조 층간 절연막(111b) 상에 투과층(114)을 형성하는 단계; 및 상기 금속 패드(113)에 연결된 앵커(118) 및 상기 투과층과 이격되어 배치되고 상기 앵커(118)에 의하여 지지되는 흡수판(115)을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 반사층(112)의 측면에 보조 층간 절연막(111b)을 형성하고 상기 반사층과 금속 패드의 상부면을 노출시키는 단계는, 상기 금속 패드 및 상기 반사층 상에 보조 층간 절연막(111b)을 증착하고 상기 보조 층간 절연막(111b)의 상부를 제거하여 상기 금속 패드(113) 및 상기 반사층(112)을 노출시킬 수 있다. 상기 보조 층간 절연막(111b)의 상부의 제거는 애치백 공정 또는 화학 기계적 연마 공정을 통하여 수행될 수 있다.
상기 금속 패드(113)에 연결된 앵커(118) 및 상기 투과층과 이격되어 배치되고 상기 앵커에 의하여 지지되는 흡수판(115)을 형성하는 단계는, 상기 투과층(114) 상에 희생층(119) 및 제1 절연층(115a)을 형성한 후 상기 금속 패드(113)를 노출하는 콘택 홀(119a)을 형성하는 단계; 상기 콘택 홀(119a)이 형성된 상기 하부 기판 상에 앵커 도전막을 증착하고 상기 앵커 도전막을 패터닝하여 상기 콘택 홀을 채우는 앵커(118)를 형성하는 단계; 상기 앵커(118)가 형성된 하부 기판 상에 흡수층(115b)을 형성하고 상기 흡수층을 패터닝하여 분리하는 단계; 상기 흡수층(115b) 상에 저항층(115c) 및 제2 절연층(115d)을 형성하고 상기 제2 절연층(115d), 상기 저항층(115c), 상기 흡수층(115b), 및 상기 제1 절연층(115a)을 패터닝하여 상기 희생층(119)을 노출시키는 단계; 및 상기 희생층(119)을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
도 4a를 참조하면, 하부 기판(110) 상에 판독 집적회로가 형성된다. 상기 판독 집적 회로가 형성된 상기 하부 기판(110) 상에 절연층(111)이 층간 절연막으로 형성된다. 상기 절연층(111)은 실리콘 산화막일 수 있다.
상기 절연막 상에 반사층(112) 및 금속 패드(113)가 동시에 패터닝 공정에 의하여 형성될 수 있다. 상기 반사층(114) 및 상기 금속 패드(113)는 차례로 적층된 접착층, 도전층, 및 보호층을 포함할 수 있다. 상기 반사층(114)의 두께는 수 마이크로미터 이상일 수 있다. 상기 접착층은 Ti일 수 있다. 상기 도전층은 알루미늄, 구리, 또는 이들의 합금일 수 있다. 상기 보호층(112b)은 Ti/TiN 일 수 있다. 상기 반사층(114) 및 금속 패드(113)는 포토리소그라피 공정을 통하여 패터닝될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 상기 반사층(114) 및 상기 금속 패드(113)가 패터닝된 후, 상기 하부 기판(111) 상에 보조 층간 절연막을 증착하여 상기 반사층(112) 및 상기 금속 패드(113)를 덮을 수 있다. 상기 보조 층간 절연막은 평탄화 공정을 통하여 평탄화되어 상기 반사층(112) 및 상기 금속 패드(113)의 상부면을 노출시킬 수 있다.
도 4c 참조하면, 투명층(114)이 상기 반사층(114) 및 상기 금속 패드(113) 상에 증착될 수 있다. 상기 투명층(114)은 비정질 실리콘, 실리콘 산화막, 및 실리콘 질화막 중에서 어느 하나일 수 있다. 상기 비정질 실리콘은 적외선 대역에서 높은 투과율을 제공할 수 있다.
도 4d를 참조하면, 투명층(114) 상에 희생층(119)이 증착될 수 있다. 상기 희생층(119)는 추후에 제거된다. 상기 희생층(119)은 비정질 탄소막(amorphous carbon layer) 또는 폴리이이미드(polyimide)일 수 있다. 상기 희생층(119)의 두께는 수 마이크로터 내지 수십 마이크로미터일 수 있다. 상기 희생층(119) 상에 제1 절연층(115a)이 증착될 수 있다. 상기 제1 절연층(115a)은 실리콘 질화막일 수 있다.
도 4e를 참조하면, 상기 제1 절연층(115a) 및 상기 희생층(119)를 패터닝하여 상기 금속 패드(113) 상에 앵커(118)를 형성하기 위한 콘택 홀(119a)을 형성할 수 있다. 상기 콘택 홀(119a)은 상기 제1 절연층(115a), 및 상기 희생층(119)를 관통하여 상기 금속 패드(113)를 노출할 수 있다.
도 4f를 참조하면, 상기 앵커(118)를 구성하는 도전성 물질이 증착될 수 있다. 상기 앵커(118)는 TiN 또는 Ti/TiN/W 일 수 있다. 상기 도전성 물질이 증착된 후, 상기 도전성 물질은 상기 콘택 홀(119a)을 채운 콘택 플러그를 남긴 상태로 패터닝되어 상기 앵커(118)를 형성할 수 있다. 상기 앵커(118)는 상기 콘택 홀(119a)을 완전히 채우지 못할 수 있다.
도 4g를 참조하면, 흡수층(115b)은 상기 앵커(118) 및 상기 제1 절연층(115a)을 덮도록 형성될 수 있다. 상기 흡수층(115b)은 단위 셀 내에서 2 개로 분리되도록 패터닝될 수 있다. 상기 흡수층(115b)은 TiN 일 수 있다. 상기 흡수층(115b)은 상기 앵커(118)의 내부면에 증착될 수 있다.
도 4h를 참조하면, 흡수층(115b) 상에 차례로 저항층(115c), 및 제2 절연층(115d)이 형성된다. 상기 앵커(118)의 내부는 흡수층(115b), 저항층(115c), 및 제2 절연층(115d)으로 채워질 수 있다. 이에 따라, 상기 앵커(118)는 흡수층(115b), 저항층(115c), 및 제2 절연층(115d)을 포함할 수 있다. 상기 저항층(115c)은 비정질 실리콘, 단결정 실리콘, vanadium oxide. 또는 실리콘-게르마늄일 수 있다. 상기 제2 절연층(115d)은 실리콘 질화막일 수 있다.
상기 제1 절연층(115a), 상기 흡수층(115b), 상기 저항층(115c), 및 상기 제2 절연층(115d)은 포토리소그라피 공정을 통하여 식각되어 상기 희생층(119)를 노출하고, 흡수판(115)을 형성한다.
도 4i를 참조하면, 상기 희생층(119)는 건식 식각 또는 습식 식각을 통하여 제거된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스 소자를 설명하는 개념도이다.
도 5를 참조하면, 멤스 소자(200)는, 적외선 센서(203)를 구비한 센서 기판(202); 및 상기 센서 기판(202)과 웨이퍼 접합되어 케비티(104)를 구성하는 캡 기판(101)을 포함한다.
상기 센서 기판(202)은, 하부 기판(110); 상기 하부 기판(110)에 형성되고 상기 상부 기판(120)의 상기 케비티 영역(150)을 마주보록 배치된 적외선 센서(203); 및 상기 상부 본딩 패드(182)와 정렬되고 상기 적외선 센서(203)를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드(116);를 포함한다. 상기 상부 기판(120) 및 상기 하부 기판(110)은 실리콘 기판이다.
상기 적외선 센서(203)는, 상기 하부 기판(110)의 상부면에 형성되어 검출회로와 전기적으로 연결되는 금속 패드(113); 상기 금속 패드(113)와 동일한 평면에 배치되고 상기 하부 기판의 상부면에 형성되고 적외선 대역을 반사하는 반사층(112); 상기 반사층 및 상기 금속 패드를 덮도록 배치되고 광경로 거리를 변경하는 투과층(214); 상기 투과층의 상부에 이격되어 형성되고 적외선을 흡수하여 저항을 변화시키는 흡수판(115); 및 상기 금속 패드의 상부에 형성되어 상기 흡수판을 지지하고 상기 금속 패드와 상기 흡수판을 전기적으로 연결하는 앵커(118)를 포함한다. 상기 반사층의 상부면과 상기 흡수판의 하부면 사이의 거리는 특정 적외선 파장에서 파장/4 보다 작다.
상기 투과층(214)은 나노 구조 패턴(214a)을 포함하고, 상기 나조 구조 패턴은 복수의 홀들 또는 복수의 트렌치들을 포함할 수 있다. 상기 나노 구조 패턴(214a)은 상기 반사층을 노출하는 복수의 홀들 또는 복수의 트렌치들을 포함할 수 있다. 상기 나노 구조 패턴(214a)은 적외선 파장에 대하여 유효 굴절율을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 투과층은 상기 투과층에 입사하는 적외선의 반사를 감소시키면서 파장/4의 광경로 거리를 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스 소자를 설명하는 개념도이다.
도 6을 참조하면, 멤스 소자(300)는, 적외선 센서(303)를 구비한 센서 기판(302); 및 상기 센서 기판(302)과 웨이퍼 접합되어 케비티(104)를 구성하는 캡 기판(101)을 포함한다.
상기 센서 기판(302)은, 하부 기판(110); 상기 하부 기판(110)에 형성되고 상기 상부 기판(120)의 상기 케비티 영역(150)을 마주보록 배치된 적외선 센서(203); 및 상기 상부 본딩 패드(182)와 정렬되고 상기 적외선 센서(203)를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드(116);를 포함한다. 상기 상부 기판(120) 및 상기 하부 기판(110)은 실리콘 기판이다.
상기 적외선 센서(303)는, 상기 하부 기판(110)의 상부면에 형성되어 검출회로와 전기적으로 연결되는 금속 패드(113); 상기 금속 패드(113)와 동일한 평면에 배치되고 상기 하부 기판의 상부면에 형성되고 적외선 대역을 반사하는 반사층(112); 상기 반사층 및 상기 금속 패드를 덮도록 배치되고 광경로 거리를 변경하는 투과층(314); 상기 투과층의 상부에 이격되어 형성되고 적외선을 흡수하여 저항을 변화시키는 흡수판(115); 및 상기 금속 패드의 상부에 형성되어 상기 흡수판을 지지하고 상기 금속 패드와 상기 흡수판을 전기적으로 연결하는 앵커(118)를 포함한다. 상기 반사층의 상부면과 상기 흡수판의 하부면 사이의 거리는 특정 적외선 파장에서 파장/4 보다 작다.
상기 투과층은 그 상부면에 함몰된 구조(314a)를 가질 수 있다. 함몰된 구조(314a)는 일정한 곡률을 가지거나, 계단 형상을 가질 수 있다. 상기 투과층은 위치에 따라 다른 두께를 가진 함돌된 구조를 가질 수 있다. 위치에 따른 함몰된 구조는 위치 별로 서로 다른 광경로 거리를 제공할 수 있다. 제1 위치의 광 경로 거리는 D1+ n X D2이고, 제2 위치의 광 경로 거리는 D1' + n X D2' 이고, 제3 위치의 광 경로 거리는 D1'' + n X D2''일 수 있다. 여기서, n은 투과층의 굴절률이고, D2, D2', D2''은 제1 위치, 제2 위치, 및 제3 위치 위치에서 각각의 흡수층의 두께이다. 이에 따라. 넓은 적외선 파장 범위에 대하여, 파장/4 조건을 만족시키어, 상기 흡수판의 흡수율이 증가될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

Claims (12)

  1. 하부 기판; 및
    상기 하부 기판에 형성된 적외선 센서를 포함하고,
    상기 적외선 센서는:
    상기 하부 기판의 상부면에 형성되어 검출회로와 전기적으로 연결되는 금속 패드;
    상기 금속 패드와 동일한 평면에 배치되고 상기 하부 기판의 상부면에 형성되고 적외선 대역을 반사하는 반사층;
    상기 반사층을 덮도록 배치되고 광경로 거리를 변경하는 투과층;
    상기 투과층의 상부에 이격되어 형성되고 적외선을 흡수하여 저항을 변화시키는 흡수판; 및
    상기 금속 패드의 상부에 형성되어 상기 흡수판을 지지하고 상기 금속 패드와 상기 흡수판을 전기적으로 연결하는 앵커를 포함하고,
    상기 반사층의 상부면과 상기 흡수판의 하부면 사이의 거리는 특정 적외선 파장에서 파장/4 보다 작은 것을 특징으로 하는 멤스 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 반사층의 상부면과 상기 흡수판의 하부면 사이의 광 경로 거리는 특정 적외선 파장에서 파장/4 에 대응하는 것을 특징으로 하는 멤스 소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 투과층은 실리콘 산화막이고,
    상기 투과층의 두께는 0.17 um 내지 0.53 um인 것을 특징으로 하는 멤스 소자.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 투과층은 실리콘 질화막이고,
    상기 투과층의 두께는 0.30 um 내지 0.9 um인 것을 특징으로 하는 멤스 소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 투과층은 비정질 실리콘막이고,
    상기 투과층의 두께는 0.14 um 내지 0.43 um인 것을 특징으로 하는 멤스 소자.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 투과층은 나노 구조 패턴을 포함하고,
    상기 나조 구조 패턴은 복수의 홀들 또는 복수의 트렌치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 소자.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 투과층은 그 상부면에 함몰된 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 앵커의 하부는 상기 투과층에 매몰되는 것을 특징으로 하는 멤스 소자.
  9. 하부 기판에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층 상에 반사층과 금속 패드를 형성하는 단계;
    상기 반사층의 측면에 보조 층간 절연막을 형성하고 상기 반사층과 금속 패드의 상부면을 노출시키는 단계;
    상기 금속 패드, 상기 반사층 및 상기 보조 층간 절연막 상에 투과층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속 패드에 연결된 앵커 및 상기 투과층과 이격되어 배치되고 상기 앵커에 의하여 지지되는 흡수판을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 소자의 제조 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 반사층의 측면에 보조 층간 절연막을 형성하고 상기 반사층과 금속 패드의 상부면을 노출시키는 단계는:
    상기 금속 패드 및 상기 반사층 상에 보조 층간 절연막을 증착하고 상기 보조 층간 절연막의 상부를 제거하여 상기 금속 패드 및 상기 반사층을 노출시키는 것을 특징으로 하는 멤스 소자의 제조 방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 금속 패드에 연결된 앵커 및 상기 투과층과 이격되어 배치되고 상기 앵커에 의하여 지지되는 흡수판을 형성하는 단계는:
    상기 투과층 상에 희생층 및 제1 절연층을 형성한 후 상기 금속 패드를 노출하는 콘택 홀을 형성하는 단계;
    상기 콘택 홀이 형성된 상기 하부 기판 상에 앵커 도전막을 증착하고 상기 앵커 도전막을 패터닝하여 상기 콘택 홀을 채우는 앵커를 형성하는 단계;
    상기 앵커가 형성된 하부 기판 상에 흡수층을 형성하고 상기 흡수층을 패터닝하여 분리하는 단계;
    상기 흡수층 상에 저항층 및 제2 절연층을 형성하고 상기 제2 절연층, 상기 저항층, 상기 흡수층, 및 상기 제1 절연층을 패터닝하여 상기 희생층을 노출시키는 단계; 및
    상기 희생층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 소자의 제조 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 투과층은 비정질 실리콘, 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막 중에서 적어도 하나를 포함하고,
    상기 희생층은 비정질 카본층 또는 폴리이미드층인 것을 특징으로 하는 멤스 소자의 제조 방법.
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