KR100809933B1 - 반도체 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 반도체 소자는 입사되는 광자를 열로 변환하는 수광부와, 수광부에 인접하며, 수광부에 의하여 변환된 열에 따라서 저항이 변하는 단결정 실리콘(Single Crystalline Si) 박막인 감지부를 포함하는 적외선 소자 및 적외선 소자와 동일 평면에 배치되며, 감지부에 연결되어, 저항의 변화로부터 적외선을 검출하는 트랜지스터 회로를 포함한다.
적외선, 디바이스
Description
도 1a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 반도체 소자의 단일 화소에 대한 상면도.
도 1b는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 단일 화소에 대한 상면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 화소에 따른 적외선 소자의 상면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 단일 화소에 대한 단면도.
도 4는 본 발명의 MEMS 구조를 설명하기 위한 원리를 나타낸 도면.
도 5a 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 감지 기간 중의 반도체 소자 중 적외선 소자의 상면도.
도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 감지 기간 중의 반도체 소자의 정면도.
도 6a 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축적열 리셋 기간 동안의 반도체 소자 중 적외선 소자의 상면도.
도 6b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축적열 리셋 기간 동안의 반도체 소자의 정면도
도 7a 내지 도 7k는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자를 제조하는 과정을 나타낸 도면들.
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
적외선을 감지하기 위한 소자로서 다양한 방식들이 적용되고 있다. 그 중 적외선에 따른 열의 변화에 따라서 변하는 전기적 신호를 측정함으로써 적외선을 감지하는 마이크로 볼로미터(Micro-bolometer)형의 적외선 감지 소자가 주목받고 있다. 즉 마이크로 볼로미터형의 적외선 감지 소자는 비냉각형 적외선 감지 소자 기술 중에서 기술의 발전 가능성이 매우 뛰어나며, 이런 이유로 전세계적으로 심도있는 연구가 진행중이다.
통상적으로 마이크로 볼로미터와 같은 비냉각형 적외선 감지 소자는 입사되는 광자의 에너지를 열로 변환하는 수광부, 수광부에 의하여 변환된 열에 의하여 변하는 저항, 커패시턴스, 초전 현상 등의 전기적 신호를 감지하는 감지부를 포함한다. 입사되는 광자의 에너지를 열로 변환하는 수광부로서 일반적으로 Si02 , Si3 N4 와 같은 CMOS 공정 친화적인 다양한 물질들이 사용된다. 상기 물질들은 단독으로 또는 다층 결합으로 사용되기도 하며, 상기 감지부의 상부, 하부 또는 중앙에 배치될 수 있다. 수광부에서 변환된 열을 전기적 신호로 변환하는 감지부, 특히 수광부에서 변환된 열을 저항값으로 변환하는 저항형 감지부로서 일반적으로 저항의 변화율이 온도에 따라 크게 변화하는(예를 들어, TCR(Temperature Coefficient of Resistance)이 2~3%/oK) Vanadium Oxide(VOx), Poly-Silicon, Amorphous-Silicon, Thermistor((MnNiCO)3O4), 다이오드 등이 사용된다.
종래 적외선 감지 소자, 특히 저항형 감지 소자의 경우에 있어서, 저항형 감지부로서 사용되는 Vanadium Oxide(VOx), Poly-Silicon, Amorphous-Silicon, Thermistor((MnNiCO)3O4), 다이오드 등은 온도 변화에 따른 저항 변화율이 크다는 장점을 가지지만, 물질 고유의 특성에 기인한 플릭커 잡음(Flicker Noise, 1/f Noise) 등이 과도한 치명적인 한계를 지닌다. 즉 상기 물질들을 저항형 감지부로서 사용하는 종래의 저항형 적외선 감지 소자의 경우, (특히 저주파수에서 1/f 잡음의 영향이 커져서) 시스템의 성능이 현격하게 저하되는 문제점이 있었다. 플릭커 잡음과 같은 문제점을 해결하기 위하여, 저항형 감지부로서 1/f 잡음이 매우 적은 티타늄 등과 같은 물질들을 사용하는 사례가 있으나, 티타늄 등과 같은 물질들은 온도 변화에 따른 저항 변화율이 지나치게 낮아서 적외선 감지 소자의 감지부로서 사용되기에 부적절하다.
또한 종래 적외선 감지 소자의 경우, 적외선 감지 성능을 향상시키기 위하여 외부에 기계적인 초퍼(Chopper)가 구비되었다. 상기 기계적 초퍼는 주기적으로 열을 차단시켜 감지부의 온도를 일정한 기준 온도 이하로 강하시키는 역할을 수행한다. 성능 향상을 위하여 부득이 사용되는 상기 기계적 초퍼는 적외선 감지 소자 시스템을 복잡하게 하는 주요 요인이 된다. 즉 상기 기계적 초퍼의 사용으로 말미암아, 적외선 감지 소자 시스템을 제조하는 과정이 복잡해지며, 이로 인한 가격이 증 가할 뿐만 아니라 기타 운용상의 여러 가지 제약을 초래하는 문제점이 있다.
본 발명은 적외선 감지 성능을 향상시킬 수 있는 감지부를 포함하는 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 온도를 효율적으로 리셋(reset)시킬 수 있는 구조를 갖는 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 제조 공정을 단순화하며 제조 비용을 낮출 수 있는 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 입사되는 광자를 열로 변환하는 수광부와, 상기 수광부에 인접하며, 상기 수광부에 의하여 변환된 열에 따라서 저항이 변하는 단결정 실리콘(Single Crystalline Si) 박막인 감지부를 포함하는 적외선 소자 및 상기 적외선 소자와 동일 평면에 배치되며, 상기 감지부에 연결되어, 상기 저항의 변화로부터 적외선을 검출하는 트랜지스터 회로를 포함하는 반도체 소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 입사되는 광자를 열로 변환하는 수광부와, 상기 수광부에 인접하며, 상기 수광부에 의하여 변환된 열에 따라서 저항이 변하며, SOI(Silicon On Insulator) 제조 공정 방법에 의하여 형성된 단결정 실리콘 박막인 감지부를 포함하는 적외선 소자-여기서, 상기 적외선 소자는 상기 SOI 제조 공정 방법에 의하여 형성된 단결정 실리콘 박막의 일부분에 형성됨- 및 상기 적외 선 소자와 동일 평면에 배치되며, 상기 감지부에 연결되어, 상기 저항의 변화로부터 적외선을 검출하는 트랜지스터 회로-여기서 상기 트랜지스터 회로는 상기 SOI 제조 공정 방법에 의하여 형성된 단결정 실리콘 박막의 다른 부분에 형성됨-를 포함하는 반도체 소자를 제공할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 SOI 제조 공정 방법에 의하여 형성된 단결정 실리콘 박막의 또 다른 부분에 형성된 가시광선 소자를 더 포함하되, 상기 가시광선 소자는 상기 트랜지스터 회로에 의하여 구동되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 입사되는 광자를 열로 변환하는 수광부와, 상기 수광부에 인접하며, 상기 수광부에 의하여 변환된 열에 따라서 저항이 변하며, SOI 제조 공정 방법에 의하여 형성되는 단결정 실리콘 박막인 감지부를 포함하는 적외선 소자-여기서, 상기 적외선 소자는 상기 SOI 제조 공정 방법에 의하여 형성된 단결정 실리콘 박막의 일부분에 형성됨-, 상기 적외선 소자와 동일 평면에 배치되며, 상기 감지부에 연결되어, 상기 저항의 변화로부터 적외선을 검출하는 트랜지스터 회로-여기서 상기 트랜지스터 회로는 상기 SOI 제조 공정 방법에 의하여 형성된 단결정 실리콘 박막의 다른 부분에 형성됨- 및 상기 수광부 및 상기 감지부에 인접하게 배치되는 축적열 소거부를 포함하되, 상기 축적열 소거부와 상기 수광부/감지부에 인가되는 전위차에 의한 정전 흡인력에 의하여 상기 수광부/감지부가 탄성 변형되어 상기 축적열 소거부에 접촉하는 반도체 소자를 제공할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 SOI 제조 공정 방법에 의하여 형성된 단결정 실리콘 박막의 또 다른 부분에 형성된 가시광선 소자를 더 포함하되, 상기 가시광선 소자는 상기 트랜지스터 회로에 의하여 구동되는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 축적열 소거부는 실리콘 기판인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 축적열 소거부와 상기 수광부/감지부 사이에 빈 공간이 형성되어 있으며, 상기 정전 흡인력에 의하여 상기 수광부/감지부가 상기 빈 공간으로 탄성 변형되어 상기 축적열 소거부에 접촉하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 빈 공간은 산화막(SiO2)이 제거된 것인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 감지부는 폭이 협소하며 굴곡 형상인 서펜타인(serpentine) 구조인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 수광부는 질화물(Nitride(SiN)) 또는 상기 질화물(Nitride(SiN)), 산화물(SiO) 중 적어도 하나를 포함하는 다층 구조 유전 물질인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 핸들 웨이퍼를 마련하는 단계, 상기 핸들 웨이퍼 상위에 SOI 제조 공정 방법에 의하여 형성되는 단결정 실리콘 박막을 형성하는 단계-여기서, 상기 핸들 웨이퍼와 상기 단결정 실리콘 박막 사이에 산화막이 형성됨-, 상기 단결정 실리콘 박막의 상위에 수광부를 형성하는 단계, 상기 단결정 실리콘 박막 및 상기 수광부 상위의 일부분에 트랜지스터 회로를 형성하는 단계-여기서, 상기 트랜지스터 회로가 형성되는 상기 일부분에 상응하는 상기 수광부가 제거됨- 및 상기 단결정 실리콘 박막 및 상기 수광부 상위의 다른 부분에 상기 산화막의 일부를 제거하여 적외선 소자를 형성하는 단계-여기서, 상기 단결정 실리콘 박막이 감지부가 되며, 상기 적외선 소자는 상기 트랜지스터 회로에 의하여 구동됨-를 포함하는 반도체 소자 제조 방법을 제공할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 단결정 실리콘 박막의 또 다른 부분에 가시광선 소자를 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 가시광선 소자는 상기 트랜지스터 회로에 의하여 구동되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다. 도면이나 도면에 대한 설명은 본 발명의 예를 든 것으로 이로써 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 반도체 소자의 단일 화소에 대한 상면도이며, 도 1b는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 단일 화소에 대한 상면도이다. 또한 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 화소에 따른 적외선 소자의 상면도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 단일 화소에 대한 단면도이다. 도 1a, 도 1b, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 반도체 소자를 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 화소 각각은 적외선 소자(101) 및 이를 구동하는 트랜지스터 회로(103)를 포함하거나(도 1a의 경우), 적외선 소자(101), 가시광선이나 근적외선 영역을 감지하기 위한 포토다이오드(105) 및 이들을 구동하는 트랜지스터 회로(103)를 포함한다(도 1b의 경우). 본 발명에 따른 적외선 소자(101)는 수광부(IR Absorber Layer, 305), 감지부(Sensor Si(Bolometer), 301) 및 핸들 웨이퍼(Handle Wafer, 307)를 포함한다. 편의상 이하에서 본 발명에 따른 반도체 소자의 화소 각각은 적외선 소자(101) 및 이를 구동하는 트랜지스터 회로(103)를 포함하여 제조되는 것으로 설명될 것이다. 그러나 본 발명이 속하는 기 술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명에 따른 반도체 소자의 화소 각각이 적외선 소자(101), 포토다이오드(105) 및 이들을 구동하는 트랜지스터 회로(103)가 포함되어 제조될 수 있음이 충분히 이해될 수 있을 것이다.
입사되는 광자의 에너지를 열로 변환하는 상기 수광부(303)로서 일반적으로 SiO2, Si3N4와 같은 CMOS 공정 친화적인 다양한 물질들이 다층 구조로서 사용되어 수광 효율을 극대화할 수 있으며, 단독으로 또는 다층 결합으로 사용되기도 하며, 상기 감지부(301)의 상부, 하부 또는 중앙에 배치될 수 있다. 설명의 편의상 본 발명의 상기 수광부(303)로서 통상적으로 사용되는 질화물(Nitride(Si3N4))이 사용되며, 상기 감지부(301)의 상부에 배치되는 것으로 한다.
본 발명의 저항형 감지 소자인 상기 감지부(301)로서 SIMOX 등의 저가형 SOI(Silicon On Insulator) 공정을 이용한 단결정 실리콘 박막이 사용된다.
단결정 실리콘은 TCR(Temperature coefficient of Resistance)이 0.2%/°K 정도로서 Vanadium Oxide(VOx), Poly-Silicon, Amorphous-Silicon, Thermistor((MnNiCO)3O4), 다이오드 등(TCR이 2~3%/°K)에 비하여 온도 변화에 따른 저항 변화율이 작다. 그러나 단결정 실리콘의 경우에 발생되는 잡음이 Poly-Silicon, Amorphous-Silicon 등에 비하여 훨씬 적어질 수 있다. 이는 단결정 실리콘의 경우 아래 수학식 1의 존슨 잡음(Johnson Noise, 혹은 열잡음)이 주된 잡음이지만, Poly-Silicon, Amorphous-Silicon 등의 경우 플릭커 잡음(혹은 1/f 잡음)이 주된 잡음이기 때문이다.
(여기서, Vn은 존슨 잡음, K는 볼쯔만 상수, B는 주파수 대역, R은 저항임)
또한 본 발명에 따른 저항형 감지 소자인 상기 감지부(301)로서 단결정 실리콘을 사용하는 경우에, 저항을 극대화함으로써 SNR(Signal Noise Ratio) 등을 극대화하여, 본 발명에 따른 반도체 소자의 성능이 획기적으로 향상될 수 있다. 저항을 극대화하는 이유는 아래의 두 가지가 있다.
첫째, 아래 수학식 2를 참조하면, 자체 바이어스에 의한 열증대에 대하여 신호를 극대화하기 위해서 전류를 감소시켜야 하므로, 저항이 극대화되어야 한다.
(여기서, S는 신호의 크기, P는 자체 바이어스에 의한 파워, TCR은 Temperature coefficient of Resistance, △T는 온도의 변화량, i는 전류임)
둘째, 아래 수학식 3을 참조하면, SNR이 증가되기 위해서는 저항이 극대화가 되어야 함을 알 수 있다.
(여기서, SNR은 Signal Noise Ratio이며, i는 전류, TCR은 Temperature coefficient of Resistance, △T는 온도의 변화량, R은 저항, K는 볼쯔만 상수, T는 온도, B는 주파수 대역임)
또한 본 발명에 따른 저항형 감지 소자인 상기 감지부(301)로서 SOI 공정을 이용한 단결정 실리콘을 사용하는 경우에, 저항을 극대화하는 방법으로서 아래의 두 가지가 있다.
첫째, 도 2에 도시된 바와 같이, 단결정 실리콘층에 소자를 구현할 때, 폭이 협소하고 굴곡이 있는 서펜타인(serpentine) 구조로 제조함으로써 저항을 높일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 수광부(303)의 경우에는 열변환 효율을 극대화하기 위하여 직사각형 구조와 같은 전통적인 구조물의 형태를 취할 수 있다. 감지부(303)가 겉면에 돌출되는 제조 공정의 경우, 우선적으로 감지부(303)를 패터닝한 후, 후속 공정을 진행하게 된다. 둘째, 상기 감지부(301)로서의 단결정 실리콘과 상기 수광부(303)로서의 질화물(Nitride(Si3N4)의 온도 팽창 계수(CTE: Coefficient of thermal expansion)의 차에 의하여 저항이 추가적으로 증대될 수 있다. 즉 질화물(Nitride(Si3N4))의 CTE는 3.3x10-6이며, 단결정 실리콘은 2.6x10-6인 바, 질화물(Nitride(Si3N4))혹은 수광을 위한 다층 구조의 유전체 층이 스트레스에 의하여 저항이 변하는 Piezo 저항을 가지는 단결정 실리콘에 대하여 온도에 의한 스트레스를 가하며, 이로 인하여 저항이 추가적으로 증대될 수 있다. 상기와 같은 이유로 TCR 보다 더 큰 저항 변화의 효과가 발생할 수 있다. 감지부(301)로서 단결정 실리 콘은 불순물의 농도에 따라 저항이 변화하게 되며, 추가적인 저항의 변화는 감지부(301)인 단결정 실리콘 박막의 도핑 레벨을 조정함으로써 얻어질 수 있다.
다시 도 1a, 도 1b, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 소자는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 구조로 구현된다. 본 발명에 따른 반도체 소자가 MEMS 구조로 구현됨으로써, 종래와 같은 외부 기계적 초퍼가 제거되어도 효율적으로 온도를 리셋시킬 수 있으며, 감지부와 감도와의 상관 관계를 분리시킴으로써 고속 동작이 가능하다.
MEMS 구조는 도 4, 도 5a, 도 5b, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 상세히 설명될 것이며, 반도체 소자의 제조 과정에 관하여 7a 내지 7j를 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 4는 본 발명의 MEMS 구조를 설명하기 위한 원리를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 기본적인 MEMS 구조, 특히 본 발명에 따른 반도체 소자에 적용되는 MEMS 구조는 정전형(electrostatic) 구조이다. 정전형 구조는 두개의 평행한 평면 커패시터 양단에 전위차를 인가하면 정전 흡인력(electrostatic force)이 발생하는 구조이다. 정전 흡인력은 아래 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
(여기서 F는 정전 흡인력이며, ε은 유전율이며, A는 커패시터의 넓이이며, V는 커패시터 양단의 전위차이며, (g-z)는 커패시터 양단의 거리임)
도 4와 같은 정전형 구조에서 양 커패시터가 양단에 걸리는 전위차에 의한 정전 흡인력에 의하여 완전하게 접합되는 과정중에 불안정한 상태가 존재하지 않는다. 상술한 정전형 구조의 원리를 이용하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MEMS 기반의 리셋(reset) 구조를 만들 수 있다. 본 발명에 따른 MEMS 기반의 리셋 구조는 도 5a, 도 5b, 도 6a, 및 도 6b를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 감지 기간 중의 반도체 소자 중 적외선 소자의 상면도 및 반도체 소자의 정면도이며, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축적열 리셋 기간 동안의 반도체 소자 중 적외선 소자의 상면도 및 반도체 소자의 정면도이다.
도 5a, 5b, 6a 및 6b를 참조하면, 감지 기간(sensing period) 중의 반도체 소자의 적외선 소자에서 수광부(IR Absorber Layer, 303)는 입사되는 광자의 에너지를 열로 변환하며, 감지부(Sensor Si(Bolometer), 301)는 변환된 열의 변화에 따라 저항값이 변한다. 감지 기간 중에 수광부(303)에 의하여 입사되는 광자로부터 변환된 열이 축적된다(도 5a의 감지부인 서펜타인 구조의 단결정 실리콘층에 축적된 열이 표현됨). 반도체 소자의 성능을 향상시키기 위하여, MEMS 기반 리셋 구조를 바탕으로 축적열을 리셋함으로써 화소 소거(Pixel Reset)를 효율적으로 할 수 있다.
즉 축적열 소거부인 핸들 웨이퍼(307)와 SOI 공정을 이용한 단결정 실리콘인 감지부(301) 사이에 전위차를 인가하면, 도 6b와 같이 수광부(303) 및 감지부(301) 영역과 핸들 웨이퍼(307) 사이에 정전 흡인력이 발생하며, 상기 발생된 정전 흡인 력에 의하여 수광부(303) 및 감지부(301) 영역이 탄성 변형되어 핸들 웨이퍼(307) 쪽으로 붙게 된다. 상기 수광부(303) 및 감지부(301) 영역과 상기 핸들 웨이퍼(307) 사이 부분은 빈 공간(도 6b 참조)으로서, 습식 에칭에 의하여 SiO2가 제거된 부분이다. 정전 흡인력에 의하여 수광부(303) 및 감지부(301) 영역이 탄성 변형되어 핸들 웨이퍼(307)에 접촉하는 동안(축적열 리셋 기간), 수광부(303) 및 감지부(301) 영역에 축적된 열이 핸들 웨이퍼(307) 쪽으로 전달되어 리셋된다(도 6a의 감지부인 서펜타인 구조의 단결정 실리콘층에 리셋된 상태가 표현됨). 이 후, 인가 전압을 해제하면, 탄성 변형되어 핸들 웨이퍼(307)에 접촉된 상기 수광부(303) 및 감지부(301) 영역은 저장된 탄성 에너지에 의하여 복원되어 초기 상태로 되돌아온다(도 5b의 상태). 설명의 편의상 상기 핸들 웨이퍼(307)가 축적열 소거부인 것으로 하였으나, 상기 수광부(303) 및 감지부(301) 영역에 인접하여 배치되며, 상기 수광부(303) 및 감지부(301) 영역과 함께 전위차가 인가되어, 정전 흡인력에 의하여 상기 수광부(303) 및 감지부(301) 영역이 탄성 변형되어 접하여 상기 수광부(303) 및 감지부(301) 영역에 축적된 열이 전달될 수 있는 구성(복수의 층을 포함하는 다층 구조도 포함)이면 무엇이든 축적열 소거부가 될 수 있다. 본 발명의 상기 감지부(301)로서 SOI 공정을 통한 단결정 실리콘이 사용됨으로써, 상술한 MEMS 기반의 리셋 구조에서 탄성 변형 및 복원이 효율적으로 이루어지게 되며, 이로 인하여 반도체 소자의 성능 및 수명을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 종래의 반도체 소자의 감지부로서 사용되는 Poly-Silicon, Amorphous-Silicon 등을 본 발명 에 따른 MEMS 기반의 리셋 구조에 적용하는 경우에, 탄성 변형 및 복원이 제대로 이루어지지 않아서, 원하는 성능 및 수명 등을 기대할 수 없다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에서, 상술한 MEMS 기반의 리셋 구조에 덧붙여, 성능을 더욱더 높이기 위하여, 반도체 소자에 Peltier Cooler 등을 부착하여 보다 안정적인 온도 기준점을 만들 수 있다.
도 7a 내지 도 7k는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자를 제조하는 과정을 나타낸 도면들이다.
도 7a 내지 도 7k를 참조하면, 먼저 도 7a와 같이 실리콘 기판과 같은 핸들 웨이퍼(Handle Wafer, 701)를 준비한다. 이어서, 핸들 웨이퍼(101) 상위에 SOI(Silicon on Insulator) 기판 제조 공정을 이용하여 산화막(Oxide Layer, 702) 및 단결정 실리콘 박막(703)을 형성한다. 상기 산화막(702)은 이 후의 습식 에칭 과정을 통하여 제거됨으로써, 상술한 MEMS 구조의 적용에 있어서, 정전 흡인력에 의하여 수광부 및 감지부 영역이 탄성 변형될 수 있는 빈 공간을 제공한다. 상기 SOI 기판 제조 공정을 이용하여 형성되는 상기 단결정 실리콘 박막(703)의 일부에는 본 발명에 따른 반도체 소자 중 적외선 소자가 형성되는 데, 상기 적외선 소자의 감지부로서 상기 단결정 실리콘 박막(703)이 사용된다. 또한 상기 단결정 실리콘 박막(703)의 다른 부분에는 상기 적외선 소자를 구동하는 트랜지스터 회로가 형성될 수 있다.
이 후, 도 7b와 같이 수광부(IR Absorber Layer, 705)를 상기 단결정 실리콘 박막(703) 상위에 전체적으로 적층한다. 상기 수광부(705)는 입사되는 광자의 에너 지를 열로 변환하는 역할을 하며, 일반적으로 SiO2, Si3N4와 같은 CMOS 공정 친화적인 다양한 물질들이 사용될 수 있다. 설명의 편의상 본 발명의 상기 수광부(705)로서 통상적으로 사용되는 질화물(Nitride(Si3N4))이 사용된다. 바람직하게는, 상기 단결정 실리콘 박막(703)과 상기 수광부(705) 사이에 패드 산화막(Pad Oxide, 704)이 형성될 수 있다. 이 후, 도 7c와 같이 미리 계획된 트렌치(Trench)를 형성한 후, 형성된 트렌치에 산화물(Oxide)을 채운다.
이 후, 도 7d와 같이 적외선 소자를 구동하기 위한 트랜지스터 회로를 형성하며, 적외선 소자가 형성될 부분을 보호하기 위하여, 적외선 소자 부분에 PR(Photo Resistor)와 같은 마스크(Mask, 707)를 증착한다. 이 후, 도 7e와 같이 트랜지스터 회로를 형성하기 위하여, 트랜지스터 회로가 형성되는 부분에서 불필요한 질화물과 같은 상기 수광부(705)를 제거한다. 이어서, 도 7f와 같이 적외선 소자가 형성될 부분을 보호하기 위하여 증착된 마스크(707)를 제거한다. 상기와 같은 공정을 수행함으로써, 상기 단결정 실리콘 박막(703)이 적외선 소자의 감지부(703, 설명의 편의상 동일한 도면 부호를 사용함) 및 트랜지스터 회로를 위한 실리콘 박막(704)으로 분리된다. 이 후, 도 7g와 같이 트랜지스터를 형성하며, BEOL 메탈층(BEOL Metal Stack with Bumps, 706)을 적층하며, 외부와의 접촉을 위한 패드를 오픈한다.
이 후, 도 7h와 같이 적외선 소자를 형성하며, 미리 형성된 트랜지스터 회로 부분을 보호하기 위하여, 적외선 소자 부분에 PR(Photo Resistor)와 같은 마스 크(Mask, 708)를 증착한다. 이 후, 도 7i와 같이 적외선 소자를 형성하기 위하여, 적외선 소자가 형성되는 부분에서 불필요한 산화막을 RIE와 같은 건식 식각 등의 공정에 의하여 제거한다.
이어서, 도 7j와 같이 습식 식각 공정에 의하여 감지부(703)와 핸들 웨이퍼(701) 사이의 산화막(702)이 제거됨으로써, 상술한 MEMS 구조의 적용에 있어서, 정전 흡인력에 의하여 수광부 및 감지부 영역이 탄성 변형될 수 있는 빈 공간을 제공한다. 본 실시예에서 상기 산화막(702)을 제거함으로써 MEMS 구조를 적용하기 위한 빈 공간을 형성하지만, MEMS 구조를 적용하기 위한 빈 공간을 형성하는 부분이 상기 산화막(702)의 제거에 한정되는 것이 아님을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 이 후, 도 7k와 같이 트랜지스터 회로가 형성된 부분을 보호하기 위하여 증착된 마스크(708)를 제거한다.
한편 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서, 자외선, 가시광선 및 근적외선 등의 관측을 위한 포토다이오드는 트랜지스터 제조 공정과 더불어 만들어 질 수 있다. 즉 상기 포토다이오드는 트랜지스터 공정중 PNP/NPN 등 포토 다이오드 형성을 위한 영역에 필요한 임플란트한 후, 입사되는 빛에 의해 발생되는 전자/정공의 정보를 트랜지스터가 독출하기 위한 연결선을 형성할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다.
본 발명에 의하여, SOI 기판 제조 공정을 이용하여 구현되는 단결정 실리콘 박막을 적외선 소자의 감지부로 사용함으로써 저잡음 특성에 의하여 성능이 획기적으로 증대될 수 있는 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 의하여, 적외선 소자의 감지부로 사용되는 SOI 기판 제조 공정을 이용하여 구현되는 단결정 실리콘을 서펜타인 구조로 형성함으로써 높은 저항성의 달성에 의하여 성능이 향상되는 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 의하여, 서펜타인 구조에 의하여, 습식 식각에 의한 산화막 제거시에 단결정 실리콘인 적외선 소자의 감지부 바로 아래의 산화막이 용이하게 에칭되어 제거되기 때문에, 제조 효율이 증대될 수 있는 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 의하여, 적외선 소자의 수광부와 감지부의 온도 팽창 계수가 달라서 추가적인 저항성 증대로 인하여 성능 향상을 도모할 수 있는 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 의하여, SOI(Silicon On Insulator) 기술을 이용함으로써 단결정 실리콘을 효과적으로 사용할 수 있어서, 제조 과정이 간단할 뿐만 아니라 제조 비용이 현저히 줄어드는 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 의하여, MEMS 기반 리셋 구조에 의하여 축적열을 리셋시키기 때문에, 적외선 감지 소자의 감도와의 상관 관계를 분리시켜서 고속 동작이 가능하며, 이전 영상의 잔여물이 제거될 뿐만 아니라, 감도와 동작 속도를 동시에 극대화할 수 있는 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 의하여 적외선 파장 대역뿐만 아니라, 자외선, 가시광선, 근적외선 등의 파장 대역을 동일한 평면상에서 관측이 가능한 영상소자를 구현할 수 있는 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
Claims (12)
- 입사되는 광자를 열로 변환하는 수광부와, 상기 수광부에 인접하며, 상기 수광부에 의하여 변환된 열에 따라서 저항이 변하는 단결정 실리콘(Single Crystalline Si) 박막인 감지부를 포함하는 적외선 소자;상기 적외선 소자와 동일 평면에 배치되며, 상기 감지부에 연결되어, 상기 저항의 변화로부터 적외선을 검출하는 트랜지스터 회로; 및상기 트랜지스터 회로에 의하여 구동되는 포토다이오드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 입사되는 광자를 열로 변환하는 수광부와, 상기 수광부에 인접하며, 상기 수광부에 의하여 변환된 열에 따라서 저항이 변하며, SOI(Silicon On Insulator) 제조 공정 방법에 의하여 형성된 단결정 실리콘 박막인 감지부를 포함하는 적외선 소자-여기서, 상기 적외선 소자는 상기 SOI 제조 공정 방법에 의하여 형성된 단결정 실리콘 박막의 일부분에 형성됨-;상기 적외선 소자와 동일 평면에 배치되며, 상기 감지부에 연결되어, 상기 저항의 변화로부터 적외선을 검출하는 트랜지스터 회로-여기서 상기 트랜지스터 회로는 상기 SOI 제조 공정 방법에 의하여 형성된 단결정 실리콘 박막의 다른 부분에 형성됨-; 및상기 트랜지스터 회로에 의하여 구동되는 포토다이오드-여기서 상기 포토다이오드는 상기 SOI 제조 공정 방법에 의하여 형성된 단결정 실리콘 박막의 또 다른 부분에 형성됨-;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 삭제
- 입사되는 광자를 열로 변환하는 수광부와, 상기 수광부에 인접하며, 상기 수광부에 의하여 변환된 열에 따라서 저항이 변하며, SOI 제조 공정 방법에 의하여 형성되는 단결정 실리콘 박막인 감지부를 포함하는 적외선 소자-여기서, 상기 적외선 소자는 상기 SOI 제조 공정 방법에 의하여 형성된 단결정 실리콘 박막의 일부분에 형성됨-;상기 적외선 소자와 동일 평면에 배치되며, 상기 감지부에 연결되어, 상기 저항의 변화로부터 적외선을 검출하는 트랜지스터 회로-여기서 상기 트랜지스터 회로는 상기 SOI 제조 공정 방법에 의하여 형성된 단결정 실리콘 박막의 다른 부분에 형성됨-; 및상기 수광부 및 상기 감지부에 인접하게 배치되는 축적열 소거부를 포함하되,상기 축적열 소거부와 상기 수광부/감지부에 인가되는 전위차에 의한 정전 흡인력에 의하여 상기 수광부/감지부가 탄성 변형되어 상기 축적열 소거부에 접촉하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제4항에 있어서,상기 SOI 제조 공정 방법에 의하여 형성된 단결정 실리콘 박막의 또 다른 부분에 형성된 포토다이오드를 더 포함하되, 상기 포토다이오드는 상기 트랜지스터 회로에 의하여 구동되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제4항에 있어서,상기 축적열 소거부는 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제4항에 있어서,상기 축적열 소거부와 상기 수광부/감지부 사이에 빈 공간이 형성되어 있으며, 상기 정전 흡인력에 의하여 상기 수광부/감지부가 상기 빈 공간으로 탄성 변형되어 상기 축적열 소거부에 접촉하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제7항에 있어서,상기 빈 공간은 산화막(SiO2)이 제거된 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제4항에 있어서,상기 감지부는 폭이 협소하며 굴곡 형상인 서펜타인(serpentine) 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제4항에 있어서,상기 수광부는 질화물(Nitride(Si3N4)) 또는 상기 질화물(Nitride(Si3N4)),산화물(SiO2) 중 적어도 하나를 포함하는 다층 구조 유전 물질인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 핸들 웨이퍼를 마련하는 단계;상기 핸들 웨이퍼 상위에 SOI 제조 공정 방법에 의하여 형성되는 단결정 실리콘 박막을 형성하는 단계-여기서, 상기 핸들 웨이퍼와 상기 단결정 실리콘 박막 사이에 산화막이 형성됨-;상기 단결정 실리콘 박막의 상위에 수광부를 형성하는 단계;상기 단결정 실리콘 박막 및 상기 수광부 상위의 일부분에 트랜지스터 회로를 형성하는 단계-여기서, 상기 트랜지스터 회로가 형성되는 상기 일부분에 상응하는 상기 수광부가 제거됨-; 및상기 단결정 실리콘 박막 및 상기 수광부 상위의 다른 부분에 상기 산화막의 일부를 제거하여 적외선 소자를 형성하는 단계-여기서, 상기 단결정 실리콘 박막이 감지부가 되며, 상기 적외선 소자는 상기 트랜지스터 회로에 의하여 구동됨-;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
- 제11항에 있어서,상기 단결정 실리콘 박막의 또 다른 부분에 포토다이오드를 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 포토다이오드는 상기 트랜지스터 회로에 의하여 구동되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
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