KR100509443B1 - Bolometric infrared sensor having two-layer structure and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 2층 구조의 볼로미터형 적외선 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 적외선 센서 제조 공정 또는 사용 중 발생하는 응력을 제거하여 제품의 신뢰성을 높이고 적외선 중심 파장대에서 95% 이상의 고흡수율을 달성할 수 있는 2층 구조의 볼로미터형 적외선 센서 및 그 제조방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.The present invention relates to a bolometer-type infrared sensor having a two-layer structure and a method of manufacturing the same, and more particularly, to improve the reliability of the product by removing stress generated during the infrared sensor manufacturing process or use, and to achieve high absorption of 95% or more in the infrared central wavelength band. It is an object of the present invention to provide a two-layered bolometer-type infrared sensor and a method of manufacturing the same.
본 발명의 상기 목적은 상기 검출회로 기판 상부의 반사 금속층을 포함하는 하부층, 상기 하부층 상부의 공동, 상기 공동 상부의 볼로미터층과 투과 금속층을 포함하며 상기 픽셀의 대각선에 대해 대칭적 구조를 가지는 상부층, 상기 상부층을 지지하며 상기 픽셀의 마주보는 두 모서리에 위치하는 제 1 앵커 및 상기 상부층을 지지하며, 상기 검출회로 기판의 접속단자와 연결되는 전극의 역할을 하며, 상기 제 1 앵커간 거리보다 가깝도록 상기 픽셀의 마주보는 두 모서리에 위치하는 제 2 앵커를 포함하는 것을 특징으로 하는 2층 구조의 볼로미터형 적외선 센서에 의해 달성된다.The object of the present invention is an upper layer including a lower layer including a reflective metal layer on the detection circuit board, a cavity on the lower layer, a bolometer layer and a transmission metal layer on the cavity, and having a symmetrical structure with respect to the diagonal of the pixel; A first anchor supporting the upper layer and positioned at two opposite edges of the pixel and supporting the upper layer, serving as an electrode connected to a connection terminal of the detection circuit board, and closer than the distance between the first anchors; It is achieved by a two-layer bolometer-type infrared sensor, characterized in that it comprises a second anchor located at two opposite edges of the pixel.
따라서, 본 발명의 2층 구조의 볼로미터형 적외선 센서 및 그 제조방법은 픽셀 설계를 최적화하여 적외선 센서 제조 공정 또는 사용 중 발생하는 응력을 제거함으로써 센서의 변형을 방지하여 제품의 신뢰성을 높이고 볼로미터층의 정확한 두께를 설계함으로써 적외선 중심 파장대에서 95% 이상의 고흡수율을 달성할 수 있는 효과가 있다.Accordingly, the two-layered bolometer-type infrared sensor and its manufacturing method optimize the pixel design to remove the stress generated during the infrared sensor manufacturing process or use, thereby preventing the deformation of the sensor to increase the reliability of the product and By designing the correct thickness, there is an effect that can achieve a high absorption rate of more than 95% in the infrared central wavelength band.
Description
본 발명은 2층 구조의 볼로미터형 적외선 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 적외선 센서 제조 공정 또는 사용 중 발생하는 응력을 제거하여 제품의 신뢰성을 높이고 적외선 중심 파장대에서 95% 이상의 고흡수율을 달성할 수 있는 2층 구조의 볼로미터형 적외선 센서를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.The present invention relates to a bolometer-type infrared sensor having a two-layer structure and a method of manufacturing the same, and more particularly, to improve the reliability of the product by removing stress generated during the infrared sensor manufacturing process or use, and to achieve high absorption of 95% or more in the infrared central wavelength band. It is an object of the present invention to provide a two-layer bolometer-type infrared sensor that can be achieved.
적외선 센서는 작동 원리에 따라 크게 적외선의 광양자(photon)와 물질 내의 전자의 상호작용에 의해 생기는 전기적 신호를 얻어내는 냉각형과 적외선이 물질에 흡수되어 생성되는 온도 변화를 감지하는 비냉각형으로 나눌 수 있는데, 냉각형은 주로 반도체 재료가 사용되며 노이즈가 적으며 빠른 응답 특성을 보이는 장점이 있으나 액체 질소 온도(-193℃)에서 작용한다는 단점이 있는 반면에, 비냉각형 재료들은 반도체에 비해 성능은 다소 떨어지지만 상온에서 동작한다는 장점이 있다. 따라서 냉각이 필요한 냉각형 재료들은 주로 군수용의 목적으로 연구되고 있으며, 비냉각형 재료들은 민수용으로 주로 사용되고 있다. Infrared sensors can be divided into two types according to the principle of operation: a cooling type that obtains an electrical signal generated by the interaction of photons in the infrared with electrons in the material, and an uncooling type that senses temperature changes generated by the absorption of infrared light into the material. The cooling type is mainly made of semiconductor materials, has the advantage of low noise and fast response characteristics, but has the disadvantage of operating at liquid nitrogen temperature (-193 ℃), whereas uncooled materials have a little performance compared to semiconductors. It has a merit that it operates at room temperature. Therefore, cooling materials that require cooling are mainly studied for military purposes, and uncooled materials are mainly used for civil purposes.
비냉각형 적외선 센서는 크게 볼로미터(Bolometer), 열전쌍(Thermocouple), 초전기(Pyroelectric)형의 3가지 형태로 나눌 수 있다. 초전기 센서는 검출력은 좋지만 생산량이 제한적이고, 볼로미터와 열전쌍은 초전기형보다는 검출력이 낮지만 검출기 회로와 함께 실리콘 웨이퍼 상에 모노리틱(Monolithic)으로 제조되므로 생산성이 좋기 때문에 민수용으로 널리 개발되고 있다. 이 중에서 볼로미터형 적외선 센서는 물체에서 방사되는 적외선을 흡수하여 열에너지로 바뀔 때 그로 인한 온도상승으로 전기저항이 변화하는 것을 이용하여 적외선을 검출한다.Uncooled infrared sensors can be broadly classified into three types: bolometer, thermocouple, and pyroelectric type. Pyroelectric sensors have good detection power but limited production, while bolometers and thermocouples have lower detection power than pyroelectrics, but are produced monolithically on silicon wafers with detector circuitry, which is widely developed for civilian use because of their high productivity. Among them, the bolometer-type infrared sensor detects infrared rays by absorbing the infrared rays emitted from the object and using the change in electrical resistance due to the temperature rise caused by the change in thermal energy.
미국특허 제5,300,915호는 "THERMAL SENSOR"라는 명칭으로 도 1과 도 2에 도시된 2층 구조의 볼로미터 적외선 센서를 개시하고 있고, 대한민국 등록특허 제10-299642호와 대한민국 등록특허 제10-299643호는 각각 3층 구조의 적외선 흡수 볼로미터와 3층 구조의 적외선 흡수 볼로미터 제조방법을 개시하고 있다.U.S. Patent No. 5,300,915 discloses a two-layer bolometer infrared sensor shown in FIGS. 1 and 2 under the name "THERMAL SENSOR", and Republic of Korea Patent No. 10-299642 and Republic of Korea Patent No. 10-299643 Discloses a three-layer infrared absorbing bolometer and a three-layer infrared absorbing bolometer, respectively.
도 1은 2층 구조의 볼로미터 적외선 센서(10)를 보여주는 사시도이고 도 2는 2층 구조의 볼로미터 적외선 센서(10)를 도시한 단면도이다.FIG. 1 is a perspective view illustrating a two-layered bolometer infrared sensor 10 and FIG. 2 is a cross-sectional view of the two-layer bolometer infrared sensor 10.
상기 2층 구조의 볼로미터(10)는 부상된 상부층(11)과 하부층(12)으로 이루어져 있다. 상기 하부층(12)은 실리콘 기판과 같은 반도체 기판(13)을 가지고 있고 상기 반도체 기판(13)의 상부표면(14) 위에는 다이오드, X-버스라인, Y-버스라인, 접속단자, X-버스라인의 끝에 위치하는 접촉패드 등의 집적회로(15)의 구성요소들이 널리 통용되는 실리콘 집적회로 제조기술을 이용하여 제조되어 있다. 상기 집적회로(15)는 실리콘 질화막(16)으로 만들어진 보호층으로 코팅되어 있다. 선형으로 패인 도랑(17)은 부상된 검출레벨(11)에 의해 덮여져 있지 않다.The two-layered bolometer 10 is composed of a floating top layer 11 and a bottom layer 12. The lower layer 12 has a semiconductor substrate 13 such as a silicon substrate, and a diode, an X-bus line, a Y-bus line, a connection terminal, and an X-bus line on the upper surface 14 of the semiconductor substrate 13. Components of the integrated circuit 15, such as contact pads, which are located at the ends of are manufactured using a widely used silicon integrated circuit manufacturing technology. The integrated circuit 15 is coated with a protective layer made of silicon nitride film 16. The trench 17 linearly recessed is not covered by the floating detection level 11.
부상된 상부층(11)은 제 1 실리콘 질화막(20), 'ㄹ'자형으로 형성된 저항 노선(21), 실리콘 질화막(20)과 저항노선(21) 위에 형성된 제 2 실리콘 질화막(22), 제 2 실리콘 질화막(22) 위에 형성된 적외선 흡수코팅(23) 등으로 이루어져 있다. 아래쪽으로 뻗어있는 실리콘 질화막(20', 22')은 상기 부상된 상부층(11)을 지지하는 기울어진 네 개의 다리를 만드는 동안 동시에 만들어진다. 두 레벨 사이에는 공동(26)이 형성되어 서로 이격되어 있다. 제조공정 동안, 상기 공동(26)은 실리콘 질화막(20, 20', 22, 22')이 증착될 때까지 용해성 유리나 용해성 재료로 증착되어 채워져 있다가 용해성 유리나 용해성 재료가 제거되어 공동(26)으로 남게 된다.The floating upper layer 11 is formed of the first silicon nitride film 20, the resistance line 21 formed in the 'L' shape, the silicon nitride film 20 and the second silicon nitride film 22 formed on the resistance line 21. And an infrared absorption coating 23 formed on the silicon nitride film 22. Downwardly extending silicon nitride films 20 ', 22' are made simultaneously while making four inclined legs supporting the injured top layer 11. A cavity 26 is formed between the two levels and spaced apart from each other. During the manufacturing process, the cavity 26 is deposited and filled with soluble glass or soluble material until the silicon nitride films 20, 20 ', 22, 22' are deposited, and then the soluble glass or soluble material is removed to the cavity 26. Will remain.
상기와 같은 적외선 흡수 볼로미터는 공동이 형성되면서 상부층이 부상되게 되는데 상기 상부층(11)은 적외선을 흡수하게 되고 이로 인해 시간이 경과함에 따라 상부층에 변형이 발생하여 적외선 센서의 성능이 저하된다.In the infrared absorbing bolometer, the upper layer is floated while the cavity is formed, and the upper layer 11 absorbs infrared rays, and as a result, deformation occurs in the upper layer with time, thereby degrading the performance of the infrared sensor.
이러한 문제를 해결하기 위해 대한민국 공개특허 제2000-46515호와 대한민국 공개특허 제2000-4158호는 각각 3층 구조의 적외선 센서에서 볼로미터층을 둘러싸는 실리콘 산화막의 상, 하면에 실리콘 산화 질화막을 형성하여 상기 실리콘 산화막이 공기중의 수증기와 반응하여 휘는 현상을 방지하는 방법과 구동기판레벨, 지지레벨 및 흡수레벨로 구성되는 3층 구조의 적외선 볼로메터에서 구동기판레벨과 지지레벨 사이에 버팀층을 형성하는 방법을 개시하고 있다.In order to solve this problem, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2000-46515 and Korean Patent Laid-Open Publication No. 2000-4158 respectively form silicon oxynitride layers on the upper and lower surfaces of the silicon oxide layer surrounding the bolometer layer in a three-layer infrared sensor. Forming a support layer between the driving substrate level and the support level in a three-layer infrared bolometer composed of a method of preventing the bending of the silicon oxide film reacts with water vapor in the air and a driving substrate level, support level and absorption level A method of doing this is disclosed.
그러나 전자의 방법은 추가적으로 실리콘 산화 질화막을 증착해야 할 뿐만 아니라 수증기가 아닌 열에 의한 상부층의 변형을 제거하지 못한다는 근본적인 문제를 가지고 있고 후자의 방법은 추가적으로 버팀층을 형성해야 할 뿐만 아니라 버팀층에 의해 적외선 흡수면적이 감소하는 문제가 있다.However, the former method has the fundamental problem of not only depositing a silicon oxynitride film but also eliminating the deformation of the upper layer by heat other than water vapor, and the latter method not only forms an additional support layer but also by the support layer. There is a problem that the infrared absorption area is reduced.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 투과 금속층과 볼로미터층을 포함하여 이루어지는 상부층의 응력을 완화하기 위해 상부층을 대칭적으로 형성하고 희생층 코팅 후 응력을 제거하기 위한 처리를 수행한 후 상부층을 형성함으로써 상부층의 변형을 최소화할 수 있는 2층 구조의 볼로미터형 적외선 센서 및 그 제조방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.Accordingly, the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, in order to alleviate the stress of the upper layer including the transmission metal layer and the bolometer layer to form a top layer symmetrically and to remove the stress after coating the sacrificial layer An object of the present invention is to provide a two-layered bolometer-type infrared sensor and a method of manufacturing the same, which can minimize deformation of the upper layer by forming the upper layer after the treatment.
또한, 볼로미터층의 면저항 및 복소굴절율을 측정하여 정확한 두께를 설계함으로써 적외선 중심 파장대에서 95% 이상의 고흡수율을 달성할 수 있는 2층 구조의 볼로미터형 적외선 센서 및 그 제조방법을 제공함에 본 발명의 다른 목적이 있다. In addition, by measuring the sheet resistance and complex refractive index of the bolometer layer by designing an accurate thickness to provide a two-layer bolometer-type infrared sensor that can achieve a high absorption rate of 95% or more in the infrared central wavelength band and another method of the present invention There is a purpose.
본 발명의 상기 목적은 상기 검출회로 기판 상부의 반사 금속층을 포함하는 하부층, 상기 하부층 상부의 공동, 상기 공동 상부의 볼로미터층과 투과 금속층을 포함하며 상기 픽셀의 대각선에 대해 대칭적 구조를 가지는 상부층, 상기 상부층을 지지하며 상기 픽셀의 마주보는 두 모서리에 위치하는 제 1 앵커 및 상기 상부층을 지지하며, 상기 검출회로 기판의 접속단자와 연결되는 전극의 역할을 하며, 상기 제 1 앵커간 거리보다 가깝도록 상기 픽셀의 마주보는 두 모서리에 위치하는 제 2 앵커를 포함하는 것을 특징으로 하는 2층 구조의 볼로미터형 적외선 센서에 의해 달성된다.The object of the present invention is an upper layer including a lower layer including a reflective metal layer on the detection circuit board, a cavity on the lower layer, a bolometer layer and a transmission metal layer on the cavity, and having a symmetrical structure with respect to the diagonal of the pixel; A first anchor supporting the upper layer and positioned at two opposite edges of the pixel and supporting the upper layer, serving as an electrode connected to a connection terminal of the detection circuit board, and closer than the distance between the first anchors; It is achieved by a two-layer bolometer-type infrared sensor, characterized in that it comprises a second anchor located at two opposite edges of the pixel.
본 발명의 상기 목적은 검출회로 기판 위에 콘택 패드 및 반사금속층을 형성하는 단계, 상기 반사금속층 위에 SOP 코팅으로 희생층을 형성하고 상기 희생층 상층부를 플라즈마로 제거하는 단계, 상기 희생층 위에 볼로미터층 및 투과 금속층을 형성하고 상기 앵커부에 비아홀을 형성하는 단계 및 상기 비아홀에 전극을 매립한 후 상기 희생층을 제거하여 공동을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2층 구조의 볼로미터형 적외선 센서 제조방법에 의해서도 달성된다.The object of the present invention is to form a contact pad and a reflective metal layer on the detection circuit board, forming a sacrificial layer by SOP coating on the reflective metal layer and removing the upper portion of the sacrificial layer with a plasma, a bolometer layer on the sacrificial layer and Forming a transmissive metal layer and forming a via hole in the anchor portion, and forming a cavity by removing the sacrificial layer after embedding an electrode in the via hole, and forming a cavity. It is also achieved by the method.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.Details of the above object and technical configuration and the effects thereof according to the present invention will be more clearly understood by the following detailed description with reference to the accompanying drawings.
먼저, 도 3은 본 발명에 의한 적외선 센서의 픽셀을 나타낸 개념도이고, 도 4는 도 3의 A-A' 단면도이다.First, FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a pixel of an infrared sensor according to the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 3.
본 발명에 의한 적외선 센서는 2층 구조의 볼로미터형 적외선 센서로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 볼로미터층을 포함하는 상부층(102)은 픽셀의 대각선에 대칭적인 나비 모양의 구조로 형성되어 전단 응력(Shear stress)이 걸리는 경우 뒤틀림을 최소화하는 구조로 이루어져 있으며 상기 상부층을 지지하기 위한 제 1 앵커 사이의 거리(104a와 104b 사이의 거리)보다 제 2 앵커 사이의 거리(106a와 106b 사이의 거리)를 가깝게 형성함으로써 양단간의 저항을 낮추어 효율적으로 적외선을 검출할 수 있는 구조를 가지고 있다. 또한, 희생층을 제거하기 위한 에치홀(Etch hole, 108)과 열절연을 위한 절연컷(110)이 존재한다.Infrared sensor according to the present invention is a two-layer bolometer-type infrared sensor, as shown in Figure 3, the upper layer 102 including the bolometer layer is formed in a butterfly-like structure symmetrical to the diagonal of the pixel shear stress (Shear stress) has a structure that minimizes the distortion and the distance between the second anchor (distance between 106a and 106b) than the distance between the first anchor (distance between 104a and 104b) for supporting the upper layer By forming close to, the resistance between both ends can be lowered, so that it can efficiently detect infrared rays. In addition, there is an etch hole 108 for removing the sacrificial layer and an insulating cut 110 for thermal insulation.
도 4를 참조하면, 볼로미터층(212) 및 투과 금속층(214)을 포함하는 상부층(400)과 반사금속층(208)을 포함하는 하부층(300) 사이에는 텅빈 공간인 공동(Cavity 또는 Air gap, 220)이 존재한다. 상기 상부층(400)을 지탱하기 위해 제 2 앵커(218)가 존재하며 제 2 앵커는 검출회로 기판의 접속단자와 연결하는 전극을 겸하고 있다. 도 3의 B-B' 단면도(도시하지 않음)를 볼 경우 나타나는 제 1 앵커는 접속단자와 접촉하지 않는 점을 제외하면 상기 제 2 앵커(218)와 동일하다. 또한, 도면에 도시하지 않았으나 상기 상부층(400)은 상기 볼로미터층(212)의 상부, 하부 또는 상/하부에 절연막층을 더 포함할 수도 있다.Referring to FIG. 4, an empty space (Cavity or Air gap, 220) is provided between the upper layer 400 including the bolometer layer 212 and the transmissive metal layer 214 and the lower layer 300 including the reflective metal layer 208. ) Exists. A second anchor 218 exists to support the upper layer 400, and the second anchor serves as an electrode connecting to a connection terminal of the detection circuit board. The first anchor shown in the sectional view B-B 'of FIG. 3 (not shown) is the same as the second anchor 218 except that the first anchor does not contact the connecting terminal. In addition, although not shown in the drawing, the upper layer 400 may further include an insulating layer on the upper, lower, or upper and lower portions of the bolometer layer 212.
상기 볼로미터층(212)은 도핑된 비정질 실리콘으로 이루어지며, 상기 도핑된 비정질 실리콘층은 N형 또는 P형 비정질 실리콘으로서 그 두께는 500 내지 3000Å 정도가 바람직하다. 그리고 상기 투과 금속층(214)은 적외선을 투과하는 층으로서 티타늄(Ti) 또는 크롬(Cr)으로 이루어지며 그 두께는 티타늄의 경우 20 내지 100Å, 크롬의 경우 20 내지 200Å이 바람직하다. The bolometer layer 212 is made of doped amorphous silicon, the doped amorphous silicon layer is N-type or P-type amorphous silicon, the thickness is preferably about 500 to 3000Å. The transmissive metal layer 214 is made of titanium (Ti) or chromium (Cr) as a layer that transmits infrared rays, and the thickness thereof is preferably 20 to 100 GPa for titanium and 20 to 200 GPa for chromium.
본 발명에 의한 적외선 센서의 픽셀을 구성하는 하부층(300)은 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 기판과 같은 검출회로 기판(202), 상기 검출회로 기판(202)의 접속단자(204)와 연결되는 전극패드(206) 및 반사금속층(208) 등으로 구성된다. 도면에 도시하지 않았으나 상기 검출회로 기판(202) 위에 응력(Stress)을 완화시키기 위한 SiNx와 같은 물질로 구성되는 버퍼층이 존재할 수 있으며 이 버퍼층은 상기 검출회로 기판(202)의 상부면 뿐만 아니라 하부면에도 증착할 수 있다.The lower layer 300 constituting the pixel of the infrared sensor according to the present invention includes a detection circuit board 202 such as a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) substrate and an electrode connected to the connection terminal 204 of the detection circuit board 202. Pad 206 and reflective metal layer 208 or the like. Although not shown in the drawings, a buffer layer made of a material such as SiN x may be present on the detection circuit board 202 to relieve stress, and the buffer layer may be formed on the bottom of the detection circuit board 202 as well as on the bottom of the detection circuit board 202. It can also be deposited on the surface.
상기 반사금속층(208)은 티타늄 또는 알루미늄으로 이루어지며 티타늄의 경우는 2000∼5000Å, 알루미늄은 500∼10000Å 정도 증착하여 적외선이 99% 이상 반사되도록 하는 것이 바람직하다.The reflective metal layer 208 is made of titanium or aluminum, and in the case of titanium, it is preferable to deposit 2000 to 5000 mW and aluminum to 500 to 10,000 m so that infrared rays are reflected by 99% or more.
상기 하부층(300)과 상부층(400) 사이에는 공동(220)이 있어서, 상기 상부층(400) 볼로미터층(212)에서 반사금속층(208)까지의 거리가 λ/4(λ:적외선의 파장)가 되도록 상기 공동(220)의 두께를 설계하여 적외선이 공명흡수되도록 한다.There is a cavity 220 between the lower layer 300 and the upper layer 400, so that the distance from the upper layer 400 bolometer layer 212 to the reflective metal layer 208 is λ / 4 (λ: infrared wavelength). The thickness of the cavity 220 is designed to allow infrared radiation to be absorbed resonance.
도 5는 본 발명에 의한 적외선 센서의 작동을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 적외선 센서는 360×280의 어레이를 가지고 있으며 360×280의 픽셀 배열 중 최외각 라인에 해당하는 280개의 픽셀은 블라인드(blind) 셀을 구성한다. 상기 블라인드 셀은 적외선을 반사하는 물질로 표면을 코팅함으로써 적외선을 반사하도록 하며 적외선에 흡수되는 나머지 픽셀에 대한 기준점이 되도록 한다. 또한, m×n(m, n은 1 ~ 40의 자연수)개의 보정 셀을 형성하여 사용자가 마음대로 화면 크기를 조정할 수 있도록 하거나 선결함(Line defect)이 발생했을 때 상기 선결함이 발생한 라인의 대체용으로 사용할 수도 있다. 상기 m, n을 40으로 설정하여 320×240의 유효셀로 구성하는 것이 바람직하다.5 is a view for explaining the operation of the infrared sensor according to the present invention. The infrared sensor of the present invention has an array of 360 × 280, and 280 pixels corresponding to the outermost line of the pixel arrangement of 360 × 280 constitute a blind cell. The blind cell reflects the infrared rays by coating the surface with a material that reflects infrared rays and serves as a reference point for the remaining pixels absorbed by the infrared rays. In addition, by forming m × n (m, n is a natural number of 1 to 40) correction cells to allow the user to adjust the screen size at will or when the line defect occurs, the replacement of the line where the defect occurs. Can also be used for. It is preferable to configure m and n to 40 to configure 320 × 240 effective cells.
다음, 도 6a 내지 도 6d는 본 발명에 의한 적외선 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도로서 도 3의 A-A' 단면을 나타낸 것이다. 이하에서는 도 6a 내지 도 6h를 참조하여 설명하도록 한다.6A to 6D are cross-sectional views taken along line A-A 'of FIG. 3 as a process cross-sectional view showing a method of manufacturing an infrared sensor according to the present invention. Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS. 6A to 6H.
먼저, 도 6a에 도시된 바와 같이, 검출회로 기판(202) 상에 진공증착, 스퍼터링 등의 방법을 사용하여 상기 검출회로 기판의 접속단자(204)와 접촉하는 전극패드(206) 및 반사금속층(208)을 증착하고 패터닝한다. 상기 전극패드(206)와 반사금속층(208)을 패터닝하기 전에 픽셀을 절연시켜 분리시키기 위한 SiO2 분리막을 형성하고, BOE(Buffered Oxide Etch) 공정을 수행할 수 있다. 상기 전극패드(206) 및 반사금속층(208)을 형성하기 전에 버퍼층을 형성할 수도 있다.First, as shown in FIG. 6A, the electrode pad 206 and the reflective metal layer (not shown) which contact the connection terminal 204 of the detection circuit board by using a method such as vacuum deposition or sputtering on the detection circuit board 202. 208 is deposited and patterned. Before patterning the electrode pad 206 and the reflective metal layer 208, an SiO 2 separator may be formed to insulate and separate pixels, and a buffered oxide etch (BOE) process may be performed. A buffer layer may be formed before forming the electrode pad 206 and the reflective metal layer 208.
다음, 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 패터닝된 전극패드(206) 및 반사금속층(208)의 상부에 희생층(210)을 형성하고 그 상층부(210b)를 플라즈마로 식각하여 제거한다. 상기 희생층(210)은 SOP(Spin On Polymer) 공정을 통해 유기 박막(예를 들어, 하니웰사의 ACCUFLO 1513EL)을 0.5 내지 3.5㎛가 되도록 코팅한다. SOP 공정을 통한 스핀 코팅에 의해 상기 희생층(210)의 표면은 스핀 코팅의 흔적이 남는데 이는 이후에 진행될 비정질 실리콘 볼로미터층의 형성 및 희생층의 제거시 비정질 실리콘 볼로미터층의 하부 표면에 그 흔적이 남아 볼로미터층의 변형을 유발하기도 한다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 상기 희생층의 상층부(210b)를 Ar/O2 플라즈마를 사용하여 100 내지 2000Å 제거하여 응력을 완화시켜 준다.Next, as shown in FIG. 6B, the sacrificial layer 210 is formed on the patterned electrode pad 206 and the reflective metal layer 208, and the upper layer 210b is etched and removed by plasma. The sacrificial layer 210 is coated with an organic thin film (eg, Honeywell's ACCUFLO 1513EL) to be 0.5 to 3.5 μm through a spin on polymer (SOP) process. The surface of the sacrificial layer 210 is left on the surface of the sacrificial layer 210 by spin coating through an SOP process, which is formed on the lower surface of the amorphous silicon bolometer layer during the formation of the amorphous silicon bolometer layer and the removal of the sacrificial layer. It may also cause deformation of the bolometer layer. Therefore, in order to solve this problem, the upper layer portion 210b of the sacrificial layer is removed by using an Ar / O 2 plasma to remove 100 to 2000 내지 to relieve stress.
다음, 도 6c에 도시된 바와 같이, 상기 희생층(210a) 위에 볼로미터층(212)과 투과 금속층(214)을 형성하고 상기 전극패드(206)까지 관통하는 비아 홀(216)을 형성한다. 상기 볼로미터층(212)은 도핑된 N형 또는 P형 비정질 실리콘이 바람직하며 500 내지 3000Å 정도의 두께로 형성한다. 상기 투과 금속층(214)은 적외선을 투과하는 층으로서 티타늄(Ti) 또는 크롬(Cr)으로 이루어지며 그 두께는 티타늄의 경우 20 내지 100Å, 크롬의 경우 20 내지 200Å이 바람직하다.Next, as shown in FIG. 6C, a boremeter layer 212 and a transparent metal layer 214 are formed on the sacrificial layer 210a and a via hole 216 penetrating to the electrode pad 206 is formed. The bolometer layer 212 is preferably doped N-type or P-type amorphous silicon and is formed to a thickness of about 500 to 3000Å. The transmissive metal layer 214 is made of titanium (Ti) or chromium (Cr) as a layer that transmits infrared rays, and the thickness thereof is preferably 20 to 100 GPa for titanium and 20 to 200 GPa for chromium.
이때, 상기 볼로미터층(212)의 면저항뿐만 아니라 복소굴절율(n-ik, n은 굴절계수(refractive index), k는 소멸계수(extinction coefficient))을 측정하고 그 측정 결과를 바탕으로 적외선 흡수율을 시뮬레이션하여 원하는 파장대(예를 들어, 7 내지 14㎛ 파장대)에서 최대의 적외선 흡수를 일으키도록 상기 볼로미터층(212)의 두께를 조절한다. 도 7은 상술한 방법에 의해 측정된 결과를 바탕으로 적외선 흡수율을 시뮬레이션한 결과이다. 적외선 파장 7 내지 14㎛의 중심 파장에서 95% 이상의 흡수율을 보임을 알 수 있다. 도면에 도시하지 않았으나 상기 볼로미터층(212)의 상부, 하부 또는 상/하부에 절연층을 형성할 수도 있다.In this case, not only the sheet resistance of the bolometer layer 212 but also the complex refractive index (n-ik, n is the refractive index (refractive index), k is the extinction coefficient) to measure the infrared absorption based on the measurement result The thickness of the bolometer layer 212 is adjusted to cause maximum infrared absorption in the desired wavelength band (for example, 7 to 14㎛ wavelength band). 7 is a result of simulating the infrared absorption rate based on the result measured by the above-described method. It can be seen that the absorbance is 95% or more at the center wavelength of the infrared wavelength of 7 to 14㎛. Although not shown in the drawings, an insulating layer may be formed on the upper, lower, or upper and lower portions of the bolometer layer 212.
비아 홀(216)의 형성은 CF4, CHF4 또는 Ar을 이용한 플라즈마 식각법에 의해 이루어진다. 다음, 열절연을 위한 절연 컷(도 3의 110)을 형성하고 마스크의 백결함을 수정하기 위해 리프트 오프(Lift off)법 공정을 더 수행할 수 있다(도시하지 않음).The via hole 216 is formed by plasma etching using CF 4 , CHF 4 or Ar. Next, a lift off process may be further performed (not shown) to form an insulation cut (110 of FIG. 3) for thermal insulation and correct the whiteness of the mask.
다음, 도 6d에 도시된 바와 같이, 상기 비아 홀(216)에 콘택 형성을 위한 금속 물질을 증착하고 패터닝하여 콘택전극(218)을 형성한 후 상기 희생층(210a)을 제거하여 공동(220)을 형성한다. 상기 희생층(210a)은 O2 플라즈마 애싱 등의 공정을 통해 제거한다.Next, as illustrated in FIG. 6D, a metal material for forming a contact is deposited and patterned in the via hole 216 to form a contact electrode 218, and then the sacrificial layer 210a is removed to remove the cavity 220. To form. The sacrificial layer 210a is removed through a process such as O 2 plasma ashing.
상술한 본 발명은 검출회로 기판 위에 콘택 패드 및 반사금속층을 형성하는 단계, 상기 반사금속층 위에 SOP 코팅으로 희생층을 형성하고 상기 희생층 상층부를 플라즈마로 제거하는 단계, 상기 희생층 위에 볼로미터층 및 투과 금속층을 형성하고 상기 희생층을 식각하여 앵커부를 노출시키는 단계 및 상기 앵커부에 전극을 형성한 후 상기 희생층을 제거하여 공동을 형성하는 단계로 이루어지는 일련의 공정을 통한 2층 구조의 볼로미터형 적외선 센서 제조 방법을 예시한 것이나 투과 금속층을 가장 나중에 증착하는 방법도 가능하다. According to the present invention, forming a contact pad and a reflective metal layer on a detection circuit board, forming a sacrificial layer with SOP coating on the reflective metal layer, and removing the upper portion of the sacrificial layer with plasma, a bolometer layer and a transmission on the sacrificial layer. Forming a metal layer, etching the sacrificial layer to expose the anchor portion, and forming the cavity by removing the sacrificial layer after forming an electrode in the anchor portion, thereby forming a bolometer-type infrared ray. It is also possible to exemplify a sensor manufacturing method or to deposit the transmissive metal layer last.
즉, 검출회로 기판 위에 콘택 패드 및 반사금속층을 형성하는 단계, 상기 반사금속층 위에 SOP 코팅으로 희생층을 형성하고 상기 희생층 상층부를 플라즈마로 제거하는 단계, 상기 희생층 위에 볼로미터층을 형성하는 단계, 상기 희생층을 식각하여 앵커부를 노출시키는 단계, 상기 앵커부에 전극을 형성한 후 상기 희생층을 제거하여 공동을 형성하는 단계 및 투과 금속층을 형성하는 단계로 이루어지는 일련의 공정을 통한 2층 구조의 볼로미터형 적외선 센서 제조 방법 또한 가능하다.That is, forming a contact pad and a reflective metal layer on the detection circuit board, forming a sacrificial layer by SOP coating on the reflective metal layer and removing the upper portion of the sacrificial layer with plasma, forming a bolometer layer on the sacrificial layer, Etching the sacrificial layer to expose the anchor portion, forming an electrode in the anchor portion, removing the sacrificial layer to form a cavity, and forming a transmissive metal layer. A method of manufacturing a bolometer-type infrared sensor is also possible.
상세히 설명된 본 발명에 의하여 본 발명의 특징부를 포함하는 변화들 및 변형들이 당해 기술 분야에서 숙련된 보통의 사람들에게 명백히 쉬워질 것임이 자명하다. 본 발명의 그러한 변형들의 범위는 본 발명의 특징부를 포함하는 당해 기술 분야에 숙련된 통상의 지식을 가진 자들의 범위 내에 있으며, 그러한 변형들은 본 발명의 청구항의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.It will be apparent that changes and modifications incorporating features of the invention will be readily apparent to those skilled in the art by the invention described in detail. It is intended that the scope of such modifications of the invention be within the scope of those of ordinary skill in the art including the features of the invention, and such modifications are considered to be within the scope of the claims of the invention.
따라서, 본 발명의 2층 구조의 볼로미터형 적외선 센서 및 그 제조방법은 픽셀 설계를 최적화하여 적외선 센서 제조 공정 또는 사용 중 발생하는 응력을 제거함으로써 센서의 변형을 방지하여 제품의 신뢰성을 높이고 볼로미터층의 정확한 두께를 설계함으로써 적외선 중심 파장대에서 95% 이상의 고흡수율을 달성할 수 있는 효과가 있다.Accordingly, the two-layered bolometer-type infrared sensor and its manufacturing method optimize the pixel design to remove the stress generated during the infrared sensor manufacturing process or use, thereby preventing the deformation of the sensor to increase the reliability of the product and By designing the correct thickness, there is an effect that can achieve a high absorption rate of more than 95% in the infrared central wavelength band.
도 1은 종래 기술에 의한 2층 구조의 볼로미터 적외선 센서의 사시도.1 is a perspective view of a two-layer bolometer infrared sensor according to the prior art.
도 2는 종래 기술에 의한 2층 구조의 볼로미터 적외선 센서의 단면도.2 is a cross-sectional view of a two-layer bolometer infrared sensor according to the prior art.
도 3은 본 발명에 의한 적외선 센서의 픽셀 평면도.3 is a plan view of a pixel of the infrared sensor according to the present invention;
도 4는 도 3의 A-A'의 단면도.4 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 3.
도 5는 본 발명에 의한 적외선 센서의 작동을 설명하기 위한 도면.5 is a view for explaining the operation of the infrared sensor according to the present invention.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명에 의한 적외선 센서의 제조방법을 나타낸 단면도.6A to 6D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an infrared sensor according to the present invention.
도 7은 본 발명에 의한 적외선 센서의 적외선 흡수율을 나타낸 그래프.7 is a graph showing the infrared absorption rate of the infrared sensor according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
102, 400 : 상부층 104a, 104b : 제 1 앵커102, 400: upper layer 104a, 104b: first anchor
106a, 106b : 제 2 앵커 108 : 에치홀106a and 106b: second anchor 108: etch hole
110 : 절연컷 202 : 검출회로 기판110: insulation cut 202: detection circuit board
204 : 접속단자 206 : 전극패드204: connection terminal 206: electrode pad
208 : 반사금속층 210 : 희생층208: reflective metal layer 210: sacrificial layer
212 : 볼로미터층 214 : 투과 금속층212: bolometer layer 214: transmission metal layer
216 : 비아홀 218 : 콘택전극216: via hole 218: contact electrode
300 : 하부층300: lower layer
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