Fabrication and characterization of fine pitch IR image sensor using a-Si

비정질 실리콘을 이용한 미세 피치 적외선 이미지 센서 제조 및 특성

김경민·김병일·김희연 ^† ·장원수 * ·김태현 * ·강태영 *

Fabrication and characterization of fine pitch IR image sensor using a-Si

Kyoung Min Kim, Byeong Il Kim, Hee Yeoun Kim ^† , Won Soo Jang * , Tae Hyun Kim * , and Tai Young Kang *

Abstract

The microbolometer array sensor with fine pitch pixel array has been implemented to the released amorphous silicon layer supported by two contact pads. For the design of focal plane mirror with geometrical flatness, the simple beam test structures were fabricated and characterized. As the beam length decreased, the effect of beam width on the bending was minimized, Mirror deformation of focal plane in a real pixel showed downward curvature by residual stress of a-Si and Ti layer. The mirror tilting was caused by the mis-align effect of contact pad and confirmed by FEA simulation results.

The properties of bolometer have been measured as such that the NETD 145 mK, the TCR − 2 %/K, and thermal time constant 1.99 ms.

Key Words : microbolometer, amorphous silicon, IR sensor, MEMS

1. 서 론

적외선 영상을 가능케 하는 적외선 센서는 크게 입 사광에 의해 도전율의 변화와 광기전력을 검출하는 양 자형 (photon detector) 과 복사에너지 흡수에 의해 온도

변화에 따른 전기적 신호를 검출하는 열전형 (thermal

detector) 으로 크게 두 가지로 분류된다 . 양자형 소자는

감도가 높고 응답속도가 빠르나 냉각장치가 필요하며 ,

고유 파장 의존성에 의한 측정 영역이 제한되어 진다 는 단점이 있다 ^[1] .

K. Hashimoto ^등은 BST ^{강유전 박막과} FET ^{를 결합}

한 Monolithic 마이크로볼로미터 제작을 시도하였으나 ,

1 × 5 어레이에 머물렀고 , D. Tezcan 등은 80 um 피치 의 16 ^× 16 ^{어레이를 제작하였으나} , NETD ^는 0.5 Hz frame rate 에서 200 mK 에 머물렀다 ^[2,3] . 본 연구는 최근

각광받고 있는 CMOS/MEMS monolithic 공정 중

above-IC ^{개념을 최초로 시도하여 부피} , ^{크기 축소 뿐}

만 아니라 RC delay 를 최소화 할 수 있는 공정을 적용

하였다 . 또한 , 320 × 240 어레이 및 35 um 피치 설계를 적용하여 상용화 가능한 수준의 공정을 도입하여 우수

한 NETD 특성을 얻을 수 있었다 .

볼로미터형 적외선 센서는 열전형 적외선 센서의 일 종으로서 입사된 적외선에 의한 온도변화에 따른 저항 변화를 MEMS(micro electro mechanical system) 기술 을 이용하여 제작되어진 마이크로 볼로미터와 신호검

출회로 (ROIC) 와 결합시켜 성능이 우수한 초점면배열

어레이로서 제작된다 ^[4] . 이러한 어레이의 수를 증가시 키기 위해 화소의 크기를 축소시켜야하고 , ^{화소의 크기}

축소를 위해서는 디자인 룰의 축소가 병행되어야 한다 .

볼로미터의 적외선 흡수층 선택시 우선적으로 고려 할 사항은 TCR(temperature coefficient of resistance)

이 크고 잡음이 작아서 높은 감도를 얻을 수 있고 기존 의 실리콘 공정과 호환이 잘되는 물질이어야 한다 . 현 재 개발되어 있는 혹은 개발 중인 볼로미터 물질로는

VOx 와 Ti 그리고 비정질 실리콘 등이 있다 . 그러나

VOx 는 박막의 산화물 특성이 매우 불안정하기 때문에 제작하기가 어렵고 반도체 공정과 완전히 호환되지 않 는다는 단점이 있다 . Ti 의 경우는 반도체 공정과 호환 이 잘 된다는 장점이 있지만 TCR ^{특성이 나쁘기 때문}

나노종합팹센타멤스바이오팀

(MEMS&Bio Team. NNFC)

*

^(OCAS)

†

Corresponding author : [email protected]

(Received : January 11, 2010, Revised : February 22, 2010

Accepted : March 15, 2010)

에 반도체 물질과 같은 정도의 감도를 가지기 위해서 는 높은 바이어스 전력을 가해주어야 한다 . ^{즉 전력 소}

비 측면에서는 비효율적이라는 단점이 있다 . 비정질 실

리콘의 경우 박막형성 조건에 따라 TCR 조절이 용이

하며 저온공정이 가능하다는 장점과 기존의 반도체 공 정과 호환이 잘되고 제작이 쉽다는 특징이 있다 ^[5,6] .

센서의 감도를 높이기 위해서는 흡수층의 평탄도가 매우 중요하고 , 이러한 평탄도를 분석하기 위해서는 먼저 캔틸레버와 흡수층의 벤딩에 대한 평가가 필요 하다 .

본 논문에서는 320 × 240 어레이를 제작하기 위하여 화소의 크기와 디자인 룰을 35 µ m 와 2 µ m 로 정하고 ,

테스트 구조물을 설계하여 화소를 구성하는 빔의 길이

와 폭에 따른 벤딩 (bending) 의 특성을 평가하였다 . 최

종적으로 제작되어진 비정질 실리콘을 이용한 마이크 로 볼로미터의 저항 , ^{열 시정수} , TCR, NETD(noise equivalent temperature difference) 특성을 분석하여 평 가하였다 .

2. 실험 방법

2.1. 비정질 실리콘 마이크로 볼로미터 제작

볼로미터 적외선 센서 제작 공정은 Fig. 1 과 같다 .

전체적인 센서의 구조는 최상부에 매우 얇은 금속 박 막과 최하부 금속층인 반사층과 흡수되는 중심파장에 대하여 공명 흡수되는 구조로 구성되어 있다 . 우선

Fig. 1(a) ^{와 같이} SiNx ^{증착되어진} Si ^{기판 위에 스퍼}

터 (sputter) 장비를 이용하여 약 200 nm 의 Al 을 증착시

키고 , 이를 식각하여 mirror 및 하부 전극을 제작하였

다 . ^{제작된 하부전극 위에} (b) ^{와 같이} SOP(spin on polymer) 희생층을 도포하고 , 그 위에 PECVD 를 이용

하여 약 200 nm 의 비정질 Si 을 증착시킨 뒤 흡수층의

효율을 극대화하기 위해 Ti 20 nm ^{를 스퍼터 장비를 이}

용하여 증착한 뒤 이를 식각하여 패턴을 형성하였다 .

다음으로 Fig. 1(C) 와 같이 식각 및 금속 증착 공정

을 통해 Ti/Al ^{사용하여 전극 및 앵커를 형성하였고} ,

(d) 와 같이 식각 공정을 사용한 캔틸레버 패턴 형성 및

마이크로웨이브 플라즈마 (microwave plasma) 를 이용

하여 SOP 희생층을 제거하여 단위 화소 (pixel) 을 완성

하였다 .

제작되어진 비정질 실리콘 볼로미터의 SEM(scanning electron microscope) 사진은 Fig. 2 에서 보는 바와 같 이 340 × 240 어레이를 바탕으로 화소의 크기는 35 µ m

× 35 ^µ m, ^{적용되어진 디자인 룰의 최소 크기는} 2 ^µ m ^이다 . 3. 결과 및 고찰

3.1. 구조물 변형 평가

3.1.1. 테스트 구조물의 이론적 벤딩 평가

테스트 구조물의 평가를 위해서 Table 1 ^{과 같이 빔}

의 길이와 너비를 디자인하였다 .

위 디자인을 바탕으로 양단지지보 (double supported beam) 에 인장응력 (tensile stress) 이 가해질 때 이론적 최대 변위량 W max (maximum displacement) 는 빔의 길 이와 너비에 관한 아래의 식에 대입함으로써 구할 수 있다 ^[7] .

(1)

w max qL

4 N

--- ^L 2--- 2 cosh ^{( k 0 L ⁄} 2 ⁾ – 1

k 0 sinh ( k 0 L ⁄ 2 )

---

⎝ – ⎠

⎛ ⎞

Fig. 1. Fabrication process of a-Si microbolometer. =

Fig. 2. SEM images of fabricated device.

(2)

Fig. 3 ^{에서는 이론식을 이용한 빔의 길이와 너비에}

따른 최대 변위량 W max 값을 구하여 벤딩 특성을 비교 하였다 .

빔의 길이가 작아질수록 벤딩의 값은 작아지고 , 빔 의 폭에 대한 벤딩의 영향은 줄어듬을 알 수 있다 .

3.1.2. 제작되어진 테스트 구조물 벤딩 평가

센서 제작 공정 과정에서 Fig. 4 와 같이 흡수층의 벤

딩 분석을 위한 TEG(test elements group) ^{를 디자인하}

여 제작하였다 .

제작되어진 테스트 요소의 디자인은 Table 1 과 같이

구분하여 벤딩 (bending) ^{의 특성을 평가하였다} . ^{벤딩 특}

성은 앵커 구조물의 평행한 높이로부터 벗어난 길이를 기준으로 정의하였다 . 비정질 실리콘 볼로미터 제작 후 단위 화소에서 생겨난 흡수층의 기울기를 분석하기 위 해 Non-contact Confocal Optical Profiler(nanofocus AG 사 ) 를 사용하여 평가하였다 .

Fig. 5 에서는 제작되어진 테스트 구조물의 벤딩 특성

을 비교하였다 .

Fig. 5 에서 보는 바와 같이 Fig. 4 에서의 이론적 벤딩 의 경향과 동일함을 알 수 있다 . 즉 빔의 길이가 작아

질수록 벤딩의 값은 작아지고 , 빔의 폭에 대한 벤딩의 영향은 줄어드는 경향을 보이고 있다 . 그리고 빔의 폭 이 커질수록 벤딩의 값은 적어지는 경향을 보이나 , ^최

소값으로 수렴 후 다시 벤딩의 값이 조금 증가하는 결 과를 얻게 되었다 . 이와 같은 분석 결과는 마이크로 볼 로미터 제작 시에 캔틸레버의 길이가 작아질수록 , 작은 너비 보다는 너비가 넓을수록 벤딩의 영향을 적게 받 음을 확인 할 수 있다 . ^{제작되어진 마이크로 볼로미터}

의 화소 크기가 35 µ m × 35 µ m 일 경우 상대적으로 벤 딩의 영향은 작다는 것을 알 수 있다 .

3.1.3. 픽셀 변형 평가

캔틸레버 벤딩의 영향을 받은 단위 화소의 평탄도를 분석하기 위해 테스트 요소의 평가 방법으로 단위 화

소의 가로 및 세로를 분석하여 Fig. 6 과 같은 결과를

얻을 수 있었다 .

Fig. 6(a) ^{의 단위 화소 측정결과에서 미러는 아래쪽}

으로 휘어진 벤딩을 나타내며 , 흡수층 가로 방향의 단

차는 약 240 nm 이고 (b) 에서 보는 바와 같이 흡수층

의 세로 방향의 단차는 약 120 nm 이다 . 이와 같은 결

과를 바탕으로 제작되어진 마이크로 볼로미터의 흡수 층은 왼쪽 보다는 오른쪽 , ^{아래쪽 보다는 위쪽 방향으}

로 틸팅 (tilting) 이 되어져 있음을 알 수 있다 . 앞서 분 k

12 N

EWH

---

=

Table 1. Test structure size

빔의 길이 ( ^µ m)

30 40 50

빔의 너비

( µ m)

2 2 2

4 4 4

6 6 6

8 8 8

10 10 10

Fig. 3. Variation of bending by length and width of beams using double supported beam theory.

Fig. 4. Test structure for evaluation of bending property.

Fig. 5. Variation of bending by length and width of

fabricated beams.

석한 테스트 구조물의 요소 평가 결과로 부터 마이크 로 볼로미터의 캔틸레버 벤딩에 대한 영향이 작은 결 과에 비추어 , 흡수층의 틸팅 현상은 앵커 제작 공정

중에서 생긴 미스 얼라인 (mis-align) 의 영향으로 판단

된다 .

3.1.4. 단위막 스트레스 영향 해석

흡수층에서 증착되어진 단위막인 a-Si ^과 Ti ^박막의

스트레스 (stress) 가 틸팅에 미치는 영향을 알아보기 위

하여 Laser Curvature ^{방법을 사용하였다} . ^{그 결과 실}

리콘 웨이퍼 위에 a-Si 박막을 증착했을 때의 스트레스

측정값은 17 MPa 이고 , 실리콘 웨이퍼 위에 Ti 박막을

증착했을 때의 스트레스 측정값은 160 MPa 로 측정되

었다 .

Fig. 7 은 측정 되어진 단위막 스트레스의 값을 바탕

으로 시뮬레이션 한 결과이며 , 단위막의 스트레스로 인 해서 흡수층의 벤딩이 아래쪽으로 발생했음을 알 수 있다 . ^또한 C-C' ^{부분의 양 끝단 두 점은 같은} Z ^{축 선}

상에 위치하고 있음을 보여주고 , 이는 단위막의 스트레 스가 흡수층의 틸팅 현상에는 영향을 미치지 않고 있 음을 확인 할 수 있다 .

3.1.4. 미스 얼라인 영향 해석

앵커 제작 공정에서 생긴 미스 얼라인의 영향으로 나타난 흡수층의 틸팅 현상을 분석하기 위해서 시뮬레

이션을 수행 하였다 . Fig. 7 은 미스 얼라인이 일어나지

않은 흡수층과 X, Y ^축으로 1 ^µ m ^{씩 미스 얼라인이 발}

생한 흡수층을 시뮬레이션 한 결과이다 .

시뮬레이션 결과 Fig. 8(a) 에서는 앵커의 미스 얼라 인이 일어나지 않은 흡수층에서 A-A' 부분의 z 축 변위

량을 보여주고 있다 . A-A' 부분의 양 끝단의 점은 같은

z ^{축 선상에 위치하고 있으며} , ^{이는 미스 얼라인이 일어}

나지 않은 흡수층에서는 틸팅 현상이 발생되지 않았음 을 알 수 있다 . Fig. 8(b) 는 앵커의 제작 공정 중에 X,

Y ^축으로 1 ^µ m ^{씩 미스 얼라인이 발생한 흡수층의 시}

뮬레이션 결과로써 B-B' 부분의 양 끝단의 두 점이 서

로 다른 Z 축 선상에 있음을 알 수 있으며 , 두 점의 단

차는 0.026 ^µ m ^{으로 확인되었다} . ^{이와 같은 결과는 앵}

커 제작 공정 중 발생되는 미스 얼라인이 흡수층의 틸 팅 현상을 유발하는 원인이 되고 있음을 확인할 수 있 었다 .

Fig. 6. Mirror flatness through (a) the horizontal profile and (b) vertical profile.

Fig. 7. Simulation result of unit film stress

3.2. 픽셀 전기적, 광학적 특성 평가 3.2.1. 제작된 소자의 전기적 특성 평가

제작된 볼로미터 소자의 전기적 특성을 평가하는 방

법으로 Keithley 4200 SCS 와 프루브 스테이션을 이용

하여 I-V 특성을 평가하였다 .

Fig. 9 ^{는 단위 화소의} I-V ^{를 측정한 그래프이다} . (-) 5 V 에서 5 V 까지 스윕 (sweep) 하여 측정하였을 때 선형

적인 오믹 (ohmic) 저항 특성을 확인 할 수 있었으며 동

작 전압에서의 저항 값은 약 800 k ^Ω이다 .

3.2.2. 제작된 소자의 광학적 특성 평가

광학적 특성 평가는 ‘Santababara’ ^사의 ‘RTB 3000

IR test bench’ 를 이용하여 응답값과 잡음을 측정하였

다 . 측정된 응답값과 잡음은 수식 (3),(4) 를 통하여 응

답도와 감지도로 변환하게 된다 . ^{볼로미터에 입사된 흑}

체의 에너지와 응답도의 관계은 식 (3) 이며 , 계산된 응 답도와 감지도와의 관계식은 식 (4) 이다 .

(3) R = 응답도 [V/W]

V S = 출력값 [V]

P = ^입사된 IR ^{소스 에너지} [W]

(4) D ^* = 감지도 [cm(Hz) ^1/2 /W]

V N = ^잡음 [V]

R V = 응답도 [V/W]

A d = 볼로미터 면적 [cm ² ] BW = 3dB ^선폭 [Hz]

Fig. 10 과 같이 제작된 소자의 응답도는 10 Hz 에서

약 5e+4 V/W ^이며 3 dB ^선폭은 80 Hz ^이다 . ^{열 시정수}

는 3 dB 선폭과 시정수와의 관계식인 식 (5) 에 의해 약

R V = --- P

[ V W ⁄ ]

D

R

A

• BW V

---

=

Fig. 8. Simulation result (a) normal align mirror and (b) mis-align(x/y=1 ^µ m/1 ^µ m shift) mirror.

Fig. 9. I-V curve of the element pixel.

1.99 ms 임을 알 수 있었다 .

(5) t = ^시정수 [s]

fcutoff = 3 dB 선폭 [Hz]

Fig. 11 과 같이 수식 (3),(4) 를 이용하여 감지도를 계

산한 결과 주파수에 대하여 80 Hz 부근에서 최고 3e+8

cm(Hz) ^1/2 /W 의 감지도를 갖는 것을 알 수 있었다 .

온도분해능인 NETD ^{의 측정은 저온흑체를 이용하여}

Fig. 11 에서 보는 바와 같이 온도별 출력값과 잡음과의

관계식을 이용하여 계산할 수 있다 .

(6)

온도 분해능은 흑체 온도인 60 ^o C ^에서 10 ^o C ^까지의

온도 변화에 의해 21.05 mV 의 출력값 변화가 있었으

며 온도변화 구간 외 Vp-p 잡음은 61 uV 로 측정되었

다 . ^{그 결과} NETD ^{는 식} (6) ^{를 통해} 145 mK ^{의 분해능}

을 갖고 있는 것을 알 수 있다 .

4. 결 론

미세 피치를 가진 마이크로 볼로미터 설계에서 적외 선 흡수효율을 높이고 , ^{구조적으로 안정한 미러를 제작}

하기 위해 빔 형태의 테스트 구조물을 제작하고 평가 하였다 . ^{빔의 길이가 작아질수록 벤딩이 작아지고} , ^캔

틸레버의 너비가 작아질수록 벤딩의 영향이 커진다는 것을 확인하였다 . 화소의 크기와 디자인 룰을 35 µ m 와

2 ^µ m ^{으로 적용하여} 320 ^× 240 ^{어레이를 가진 마이크로}

볼로미터를 제작하였고 , 흡수층의 평탄도를 분석하여

틸팅이 되어진 원인을 분석한 결과 앵커부의 Mis-align

이 영향이 큰 것을 확인하였다 . ^{제작 되어진 마이크로}

볼로미터의 온도저항계수 (TCR) 는 − 2 %/K, 열시상수는

1.99 ms, 온도분해능 (NETD) 145 mK 으로 측정되었다 . 감사의 글

본 연구는 ( ^주 ) ^{오카스와 중소기업청 연구장비 공동}

이용 지원사업의 지원으로 수행되었으며 , 이에 감사드 립니다 .

참고문헌

[1] Y. Zhao, M. Mao, R. Horowitz, A. Majumdar, J.

τ 1 2 ^{• π f •}

---

=

NETD ∆ T SNR ---

=

T Vsignal ∆

--- • Vnoise

=

Fig. 10. Responsivity and noise of fabricated device.

Fig. 11. Detectivity of fabricated device.

Fig. 12. DC property of fabricated device by variation of

temperature

Varesi, P. Norton, and J. Kitching, “Optomechanical uncooled infrared imaging system design, microfab- rication and performance”, Journal of MEMS , vol.

11, no. 2, 2002.

[2] Kazuhiko Hashimoto, Huaping Xu, Tomonori Mukaigawa, Ryuichi Kubo, Hong Zhu, Minoru Noda, and Masanori Okuyama, “Si monolithic microbolometers of ferroelectric BST thin film combined with readout FET for uncooled infrared image sensor”, Sensors and Actuators , vol. 88, pp.

10-19, 2001.

[3] Sabuncuoglu Tezcan, D., Eminoglu, S., and Sevket Akar, O., “A low cost uncooled infrared microbo-

lometer focal plane array using the CMOS n-well layer”, Micro Electro Mechanical Systems, 14th IEEE Int MEMS Conference, pp. 566-569, 2001.

[4] R.A.Wood, “Uncooled thermal imaging with mono- lithic silicon focal planes”, Proc. SPIE 2020 , p. 322, 1993.

[5] E. L. Dereniak and G. D. Boreman, Infrared Detec- tors and Systems , John Wiley & Sons, New York, 1996.

[6] Yue Kuo, Thin film Transistors , Kluwer Academic Publishers.

[7] Stephen D. Senturia, Microsystem Design, Academic press, 2004.

김 경 민

• 2004년 부산대학교 기계공학과(공학사)

• 2006년 부산대학교 정밀기계공학과 (공학석사)

• 2006년~현재 나노종합팹센타 넴스바이오 팀 전임연구원

김 희 연

• 1990년 한양대학교 금속공학과(공학사)

• 1993년 한국과학기술원 재료공학과 (공학석사)

• 2005년 한국과학기술원 신소재공학과 (공학박사)

• 1993년~2000년 국방과학연구소 선임연 구원

• 2006년~2008년 삼성전기 수석연구원

• 2008년~현재 나노종합팹센터 넴스바이오 팀 선임연구원

김 태 현

• 2006년 한국외대 전자물리학과(공학사)

• 2008년~현재 (주)오카스 주임연구원

김 병 일

• 1997년 충북대학교 반도체공학과(공학사)

• 1999년 충북대학교 반도체공학과 (공학석사)

• 1999년~2000년 쌍신전자통신 연구원

• 2000년~2004년 한국과학기술원 위촉연 구원

• 2004년~현재 나노종합팹센터 넴스바이오 팀 선임연구원

장 원 수

• 2002년 동의대학교 전자공학과(공학사)

• 2004년 동의대학교 전자공학과(공학석사)

• 2005년~현재 (주)오카스 전임연구원

강 태 영

• 2005년 경원대학교 전기전자공학과 (공학석사)

• 2009년 경원대학교 전기전자공학과 (박사과정)

• 2003년~현재 (주)오카스 연구소장