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KR101498522B1 - 마이크로 볼로미터용 고특성 산화물 박막 제조방법 - Google Patents

마이크로 볼로미터용 고특성 산화물 박막 제조방법 Download PDF

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KR101498522B1
KR101498522B1 KR1020130084115A KR20130084115A KR101498522B1 KR 101498522 B1 KR101498522 B1 KR 101498522B1 KR 1020130084115 A KR1020130084115 A KR 1020130084115A KR 20130084115 A KR20130084115 A KR 20130084115A KR 101498522 B1 KR101498522 B1 KR 101498522B1
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신재철
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한국광기술원
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Abstract

본 발명은 마이크로 볼로미터용 고특성 산화물 박막 제조방법에 관한 것으로서, 실리콘(Si) 웨이퍼 또는 실리콘 신호취득회로 상에 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법으로 이산화 규소(SiO2), 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 옥시니트라이드(SiON) 중 어느 하나로 절연층을 증착하는 제1 공정, 상기 절연층 상에 스퍼터링 증착법으로 제1 산화바나듐(VOx)층을 증착하는 제2 공정, 상기 제2 공정과 동일 챔버에서 상기 제1 산화바나듐(VOx)층 상에 타겟을 아연(Zn), 산화아연(ZnO), n형 ZnO, p형 ZnO 중 어느 하나로 산화아연(ZnO)층을 증착하는 제3 공정, 상기 제1 공정과 동일 조건에서 상기 산화아연(ZnO)층 상에 제2 산화바나듐(VOx)층을 증착하는 제4 공정 및 상기 제2,3,4 공정에서 증착한 산화바나듐/산화아연/산화바나듐의 다층 박막에 일정 온도범위의 열처리를 수행하는 제5 공정을 포함하는 제조공정을 제공함으로써, 적외선 검출소자의 온도에 따른 저항계수(TCR) 값이 크고, 재현성이 우수하며, 저항 변화가 크지 않고, 열처리를 통해 온도상승에 의한 산소의 결핍을 보완해 주며, 특히 250℃ 이상 ~ 300℃ 이하의 온도범위에서 열처리를 하기 때문에 적외선 감지소자의 희생층 제거가 용이하면서 동시에 신호취득회로의 열화현상을 방지한다는 효과가 얻어진다.

Description

마이크로 볼로미터용 고특성 산화물 박막 제조방법{Fabrication method of high quality oxide thin films for micribolometer}
본 발명은 산화물 박막 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 온도저항계수 및 감지특성이 우수한 산화아연바나듐(VZnOx)을 적외선 흡수재료로 이용하여 온도저항계수(TCR)를 개선하고, 열처리의 안정성을 제공하는 마이크로 볼로미터용 고특성 산화물 박막 제조방법에 관한 것이다.
적외선을 감지하기 위해서는 감지하고자 하는 적외선 파장영역에 따라서 다양한 방법들을 사용한다.
근적외선을 감지하기 위해서는 주로 광자형 적외선 감지소자를 사용한다. 광자형 적외선 감지소자는 반도체의 광 기전 효과를 이용하여 흡수된 적외선에 의해 야기된 광자를 검출하는 것으로써 감도가 매우 좋으며, 응답속도가 빠른 장점을 갖고 있다. 그러나 최고의 감도에서 동작하기 위해서는 극저온의 냉각시스템을 필요로 하는 단점이 있다.
이에 반하여 중, 원적외선을 감지하는 감지소자의 경우는 대체로 적외선에 의하여 생성된 열을 감지할 수 있는 소자를 주로 사용하고 있다. 열을 감지하는 적외선 감지소자는 그 감지방식에 따라서 볼로미터형, 열전대형, 그리고 초전형으로 나뉠 수 있다. 열형 적외선 센서는 감도가 광자형에 비해서 낮고 응답속도도 상대적으로 낮으나, 극저온의 냉각장치를 필요로 하지 않으므로 소형화 및 다양한 응용에서 주목받고 있다.
일반적으로 비냉각형 적외선 센서는 8 마이크론에서 14 마이크론 범위의 적외선 파장을 감지한다. 이러한 비냉각형 적외선 센서를 제작하기 위해서는 기판과 일정한 높이(중심 파장의 1/4의 높이에 해당한다)를 갖는 다층의 멤브레인 구조가 필요하다. 이러한 멤브레인은 흡수층, 절연층, 저항체층, 전극층 등으로 구성되며, 이중에서 마이크로 볼로미터의 성능을 결정하는 것은 저항체층이 될 수 있다.
현재 마이크로 볼로미터용 저항체의 재료로 가장 많이 사용되는 것은 주로 산화 바나듐이다. 그 조성에 따라서 대표적인 것으로써 V2O5와 V2O3 및 VO2가 존재한다. 이 중에서 마이크로 볼로미터용 저항체로 사용되는 재료는 V2O3 및 VO2 결정체이다.
산화 바나듐은 도핑에 사용되는 금속재료의 성분 및 산소의 함유량에 따라서 매우 다양한 온도저항계수(Temperature Coefficient of Resistance, TCR) 값을 나타내는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 산소량이 적절히 조절된 V2O3 또는 VO2가 저항체로 사용되었을 경우 온도저항계수(TCR)는 -1.5 ~ -2.0 %/K 정도를 나타낸다고 알려져 있다. 제조된 박막의 저항이 비교적 낮아 저항 잡음(열 잡음, Johnson 잡음)이 거의 없으며, 주파수의 변화에 따른 잡음도 매우 낮다고 알려져 있다.
일반적으로 이러한 산화 바나듐을 제조하기 위해서는 스퍼터링법을 사용하는데, VO2의 경우는 조성을 정확하게 조절하기가 매우 어렵다고 알려져 있다. 따라서 이러한 공정특성으로 인하여 반도체 일괄 공정을 이용하여 MEMS 구조물과의 정합공정을 진행하는 것은 공정상 매우 큰 장애물이 있다고 할 수 있다.
한편, 이러한 산화 바나듐을 이용한 공정의 어려움을 극복하기 위하여 비정질 실리콘을 저항체로 이용하는 마이크로 볼로미터에 대한 연구도 상당히 많이 진행되고 있다. 그러나 일반적으로 비정질 실리콘의 경우는 산화 바나듐을 저항체로 이용한 경우보다 온도저항계수(TCR)가 상대적으로 낮으며, 신호 재생시 잡음의 수준에 영향을 주는 저항값이 크게 나타나는 것으로 알려져 있다. 텍사스 인스트루먼트 및 L-3사에서 제작한 마이크로 볼로미터의 경우는 비정질 실리콘의 두께가 100~ 200 nm인 경우 저항이 10 ~ 30 MΩ에 이르는 것으로 보고되어 있다. 그러나 이러한 저항수준은 1/f 잡음을 발생시키며, 이에 따른 마이크로 볼로미터의 성능을 저하시키는 단점이 될 수 있다. 또한 낮은 저항은 적외선 센서에서 생성된 신호를 처리하는 ROIC(Read Out Integrated Circuit)의 설계시 더 많은 자유도를 허용할 수 있다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 온도저항계수 및 감지특성이 우수한 산화아연바나듐(VZnOx)을 이용한 다층박막을 형성하여 온도저항계수(TCR)를 개선하고, 열처리의 안정성을 제공하는 마이크로 볼로미터용 고특성 산화물 박막 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 고특성 산화물 박막 제조방법은, 실리콘(Si) 웨이퍼 또는 실리콘 신호취득회로 상에 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법으로 이산화 규소(SiO2), 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 옥시니트라이드(SiON) 중 어느 하나로 절연층을 증착하는 제1 공정, 상기 절연층 상에 스퍼터링 증착법으로 제1 산화바나듐(VOx)층을 증착하는 제2 공정, 상기 제2 공정과 동일 챔버에서 상기 제1 산화바나듐(VOx)층 상에 타겟을 아연(Zn), 산화아연(ZnO), n형 ZnO, p형 ZnO 중 어느 하나로 산화아연(ZnO)층을 증착하는 제3 공정, 상기 제1 공정과 동일 조건에서 상기 산화아연(ZnO)층 상에 제2 산화바나듐(VOx)층을 증착하는 제4 공정 및 상기 제2,3,4 공정에서 증착한 산화바나듐/산화아연/산화바나듐의 다층 박막에 일정 온도범위의 열처리를 수행하는 제5 공정을 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 고특성 산화물 박막 제조방법에 의하면, 적외선 검출소자의 온도에 따른 저항계수(TCR) 값이 크고, 재현성이 우수하며, 저항 변화가 크지 않고, 열처리를 통해 온도상승에 의한 산소의 결핍을 보완해 주며, 특히 250℃ 이상 ~ 300℃ 이하의 온도범위에서 열처리를 하기 때문에 적외선 감지소자의 희생층 제거가 용이하면서 동시에 신호취득회로의 열화현상을 방지한다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 실시예를 적용하기 위한 스퍼터링 시스템의 구성을 간략하게 보인 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 볼로미터용 고특성 산화물 박막을 제조하는 공정 과정을 보인 흐름도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고특성 산화물 박막의 증착 단면을 보인 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 산소확산에 의한 혼합 상의 형성 원리를 보인 모식도.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 열처리시 산소유량 변화에 의한 TCR 값의 변화를 보인 그래프.
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 열처리시 산소유량 변화에 의한 산화물 박막의 SEM 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 회절(XRD) 측정을 통해 열처리에 의해 산소유량에 의한 회절피크의 변화를 보인 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 회절(XRD) 측정시 엑스선 입사각에 의한 산화물 박막의 상 변화를 보인 그래프.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 시간에 의한 엑스선 회절(XRD) 특성의 변화를 보인 그래프.
도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 온도에 따른 엑스선 회절(XRD) 특성의 변화를 보인 그래프.
도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 시간에 의한 저항 특성의 변화를 보인 그래프.
도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 온도에 의한 저항 특성의 변화를 보인 그래프.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 시간에 의한 저항과 TCR 과의 관계 변화를 보인 그래프.
도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 온도에 의한 저항과 TCR 과의 관계 변화를 보인 그래프.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 AFM 관측을 통한 열처리 시간 및 온도에 의하여 표면 특성의 변화를 보인 도면.
도 12a는 본 발명의 실시예에 따른 AFM 관측을 통한 열처리 시간에 의한 표면 거칠기의 변화를 보인 그래프.
도 12b는 본 발명의 실시예에 따른 AFM 관측을 통한 열처리 온도에 의한 표면 거칠기의 변화를 보인 그래프.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예를 적용하기 위한 스퍼터링 시스템의 구성을 간략하게 보인 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 볼로미터용 고특성 산화물 박막을 제조하는 공정 과정을 보인 흐름도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고특성 산화물 박막의 증착 단면을 보인 도면이다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 먼저 산화물 박막을 증착하기 위한 실리콘 웨이퍼(20) 또는 실리콘 신호취득회로(미도시)를 준비한다(S100).
이어서, 상기 실리콘(Si) 웨이퍼 또는 실리콘 신호취득회로 상에 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법으로 이산화 규소(SiO2), 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 옥시니트라이드(SiON) 중 어느 하나로 절연층(100)을 증착한다(S200).
이후, 상기 절연층(100) 상에 스퍼터링 증착법으로 제1 산화바나듐(VOx)층(200)을 증착한다(S300). 이때 스퍼터링 증착 조건은 타겟으로 바나듐, 기본 압력은 2~3×10-6Pa, 전원공급은 150W(coil:100W), 챔버(10) 내로 공급하는 가스 (O2/(Ar+O2))의 비율은 4% ~ 5%로 한다.
여기서, 상기 스퍼터링 증착법을 대신하여 이온 빔 응용 증착(ion-beam assisted deposition) 또는 전자빔 증착법(e-beam evaporation)을 사용할 수 있다.
이어서, 상기 S300 단계와 동일 챔버(10)에서 상기 제1 산화바나듐(VOx)층(200) 상에 타겟을 아연(Zn), 산화아연(ZnO), n형 ZnO, p형 ZnO 중 어느 하나로 산화아연(ZnO)층(300)을 증착한다(S400). 이때 상기 타겟은 n형 ZnO에 불순물인 갈륨(Ga), 인듐(In), 알루미늄(Al)을 첨가하거나, p형 ZnO에 불순물인 비소(As), 인(P), 베릴륨(Be)를 첨가하여 사용할 수 있다.
이어서, 상기 S300 단계와 동일 조건에서 상기 산화아연(ZnO)층(300) 상에 제2 산화바나듐(VOx)층(210)을 증착한다(S500).
이후, 상기 S300, S400, S500 단계에서 증착한 산화바나듐/산화아연/산화바나듐의 다층 박막을 250℃ 이상 ~ 300℃ 이하의 온도범위에서 20 ~ 50분 동안 열처리를 수행한다(S600). 이때, 상기 열처리 수행시 온도상승에 의한 산소의 결핍을 보완해 주기 위해 산소분위기에서 산소가스를 1.32 sccm ~ 1.35 sccm을 공급한다.
상기에서 열처리를 250℃ ~ 300℃ 이하에서 수행한 이유는 적외선 감시소자 제작시 폴리이미드로 구성되어 있는 희생층 상에 구조물을 증착한 후 감지재료를 증착하게 되는데, 열처리를 300℃ 이상에서 하는 경우 경화가 심해져 마지막 공정에서 상기 희생층을 제거하기 어려워진다. 또한, 기판인 신호취득회로(ROIC)는 반도체 공정으로 제작되는데, 이 위에 센서 공정이 이루어지면 반도체 공정 시에 고온의 열처리로 인해 센서 회로의 특성이 변화되어 정상동작이 불가능해지는 이유이다.
또한, 상기 제1 산화바나듐층(200)을 30 ~ 100 nm 두께로 증착하고, 제2 산화바나듐층(210)을 10 ~ 20 nm 두께로 증착하여 열처리시 제공되는 산소 가스가 산화아연층(300)으로 확산이 용이하도록 하였다. 그리고 상기 산화아연층(300)은 산화 바나듐의 두께에 따른 산화 정도에 의한 특성 변화를 위해 10 ~ 30 nm 두께로 증착한다.
상기와 같이 새로운 형태의 산화물 박막 제조공정을 살펴보면, 제1,2 산화바나듐층(200, 210)을 각각 상,하부층으로 하고, 산화아연층(300)을 중간층으로 하는 다층 박막 형태의 산화물 박막 구조를 형성한 후, 산소분위기(O2)에서 열처리 공정을 통하여 하부층의 제1 산화바나듐층(200)이 산화아연층(300)으로 산소 확산에 의해 환원되어 혼합 상(phase)이 되며, 상기 산화아연층(300)이 표면과 하부층으로 확산된 산소에 의해 혼합 상으로 산화되어 박막 전체적으로 혼합 상을 갖게 된다.
도 4는 전기적 특성을 향상시키기 위한 V2O5, VO2 등 혼합 상을 갖는 산화물 박막 형성의 원리를 보여주고 있다.
도 4를 참조하면, 하부층인 제1 산화바나듐층(200)은 산화아연층(300)으로 산소가 확산됨으로 인해 환원되어 혼합 상이 되고, 산화아연층(300)은 표면과 하부층으로부터 확산된 산소에 의해 혼합 상으로 산화되어 박막 전체적으로 혼합 상을 형성한다는 것을 보여준다.
이어서, 본 발명에 따라 제조된 산화물 박막의 특성 결과를 도 5a 내지 도 12b에 도시한 도면을 참조하여 설명한다.
도 5a 및 도 5b는 제조된 산화물 박막을 250℃ ~ 300℃에서 열처리시 산소유량 변화에 의한 TCR 값의 변화를 보인 그래프 및 산소유량 변화에 의한 산화물 박막의 SEM 단면도로서, 산소유량이 1.32 sccm일 때 TCR이 -3.29%/K이고, 산화막 두께가 82.0nm이고, 산소유량이 1.35 sccm일 때 TCR이 -4.63%/K이고, 산화막 두께가 79.0nm로, TCR이 기존의 -1.5 ~ -2.0 %/K보다 향상된 것을 알 수 있다.
도 6은 엑스선 회절(XRD) 측정을 통해 열처리에 의해 산소유량에 의한 회절피크의 변화를 보인 그래프로서, 열처리 전의 갓 증착된 산화물 박막은 산화바나듐의 상이 V2O5 상이 주로 관측되지만, 열처리 후에는 V2O5 상과 VO2 상이 혼합되어 관측되며 엑스선 강도도 증가하는 것을 알 수 있다(산소유량이 1.32 sccm 보다 1.35 sccm일 때 VO2 피크가 더 크다).
도 7은 엑스선 회절(XRD) 측정시 엑스선 입사각에 의한 산화물 박막의 상 변화를 보인 그래프로서, 엑스선 입사각에 따라 VO2 상의 크기가 다르게 나타나는데, 입사각이 3도에서 가장 크게 나타난다.
도 8a 및 도 8b는 열처리 시간 및 온도에 의한 엑스선 회절(XRD) 특성의 변화를 보인 그래프로서, 열처리 전에는 V2O5 상만 관측되지만, 열처리 후에는 VO2도 관측이 되며, 열처리 시간이 20분 ~ 50분 일 때에 ZnO 상도 관측되는 것을 알 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 열처리 시간 및 온도에 의한 저항 특성의 변화를 보인 그래프이고, 도 10a 및 도 10b는 열처리 시간 및 온도에 의한 저항과 TCR 과의 관계 변화를 보인 그래프로서, 열처리 온도가 250℃ ~ 300℃ 사이에서 시간이 50분일 때 저항이 100 ~ 200㏀ 정도로 매우 양호하며, TCR 값도 가장 크다는 것을 알 수 있다.
도 11은 AFM 관측을 통한 열처리 시간 및 온도에 의하여 표면 특성의 변화를 보인 도면이고, 도 12a 및 도 12b는 AFM 관측을 통한 열처리 시간 및 온도에 의한 표면 거칠기의 변화를 보인 그래프로서, 갓 증착된 산화물 박막의 표면 거칠기가 1.747nm이고, 열처리 후에 표면 거칠기 값은 1.737 nm로, 표면 거칠기 값은 열처리 조건에 크게 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
10 : 챔버 20 : 실리콘 웨이퍼
100 : 절연층 200, 210 : 제1,2 산화바나듐층
300 : 산화아연층

Claims (8)

  1. 실리콘(Si) 웨이퍼 또는 실리콘 신호취득회로 상에 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법으로 이산화 규소(SiO2), 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 옥시니트라이드(SiON) 중 어느 하나로 절연층을 증착하는 제1 공정,
    상기 절연층 상에 스퍼터링 증착법으로 제1 산화바나듐(VOx)층을 증착하는 제2 공정,
    상기 제2 공정과 동일 챔버에서 상기 제1 산화바나듐(VOx)층 상에 타겟을 산화아연(ZnO), n형 ZnO, p형 ZnO 중 어느 하나로 산화아연(ZnO)층을 증착하는 제3 공정,
    상기 제1 공정과 동일 조건에서 상기 산화아연(ZnO)층 상에 제2 산화바나듐(VOx)층을 증착하는 제4 공정 및
    상기 제2,3,4 공정에서 증착한 제1 산화바나듐층/산화아연층/제2 산화바나듐층의 다층 박막에 일정 온도범위의 열처리를 수행하는 제5 공정을 포함하는 마이크로 볼로미터용 고온도저항계수 산화물 박막 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 공정은 제1 산화바나듐층을 30 ~ 100 nm 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터용 고온도저항계수 산화물 박막 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3 공정은 산화아연층을 10 ~ 30 nm 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터용 고온도저항계수 산화물 박막 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제4 공정은 제2 산화바나듐층을 10 ~ 20 nm 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터용 고온도저항계수 산화물 박막 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제5 공정은 250℃ 이상 ~ 300℃ 이하의 온도범위에서 20 ~ 50분 동안 열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터용 고온도저항계수 산화물 박막 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2,3,4 공정은 이온 빔 응용 증착(ion-beam assisted deposition) 또는 전자빔 증착법(e-beam evaporation) 중 어느 하나로 증착하는 것을 더 포함하는 마이크로 볼로미터용 고온도저항계수 산화물 박막 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스퍼터링 증착법 사용시 타겟은 n형 ZnO에 불순물인 갈륨(Ga), 인듐(In), 알루미늄(Al)중 적어도 하나를 첨가하거나, p형 ZnO에 불순물인 비소(As), 인(P), 베릴륨(Be)중 적어도 하나를 첨가하여 사용하는 것을 더 포함하는 마이크로 볼로미터용 고온도저항계수 산화물 박막 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열처리 수행시 산소분위기에서 산소가스를 1.32 sccm ~ 1.35 sccm을 공급하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터용 고온도저항계수 산화물 박막 제조방법.
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