J. of the Korean Sensors Society Vol. 19, No. 2 2010 pp. 130 136 g w ve p ½ Á½ Á½ Á *Á½kx*Á k * 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. ƒ f w j Ÿ w y Ÿ» w xphoton detector w y» y w xthermal detector j ƒ. x ƒ š ƒ ù þƒ eƒ v w, š q w d w [1]. K. Hashimoto BST FET w w Monolithic j l w ù, 1 5 š, D. Tezcan 80 um ve 16 16 w ù, NETD 0.5 Hz frame rate 200 mk [2,3]. ƒÿ š CMOS/MEMS monolithic œ above-ic w v, j» ù wq k qmems&bio Team. NNFC * e OCAS Corresponding author : hyeounkim@nnfc.re.kr Received : January 11, 2010, Revised : February 22, 2010 Accepted : March 15, 2010 RC delay y w œ w. w, 320 240 35 um ve w y ƒ w œ w w NETD p. lx x w y w y MEMSmicro electro mechanical system» w j l y z ROIC w g w [4]. w ƒ j» w y j» g wš, y j» w ƒ w w. l d k š w w TCRtemperature coefficient of resistance jš š» g œ yy w. x y l VOx Ti š g. ù VOx y p w» w»ƒ š œ yy. Ti œ yy TCRp ù» 130
g w ve p 65 ƒ» w ƒw w. d z. g x TCR w œ ƒ w» œ yy š p [5,6].» w d sk ƒ wš, w sk w» w ep d w sƒƒ v w. 320 240 w» w y j» 35 µm 2 µm wš, l p w y w ¼ s bending p sƒw. g w j l w,, TCR, NETDnoise equivalent temperature differencep w s ƒw. 2. x 2.1. g j l l œ Fig. 1. Fig. 2. SEM images of fabricated device. w d d q w œ. Fig. 1a SiNx Si»q r lsputter w 200 nm Al jš, ƒw mirror w w. w b SOPspin on polymer d swš, PECVD w 200 nm Si k d z yw» w Ti 20 nm rl w w ƒw ql x w. Fig. 1C ƒ œ mw Ti/Al w f x w š, d ƒ œ w ep ql x j v microwave plasma w SOP d w y pixel w. g l SEMscanning electron microscope Fig. 2 340 240 k y j» 35 µm 35 µm, j» 2 µm. 3. š 3.1. x sƒ 3.1.1. l p sƒ l p sƒ w Table 1 ¼ w. k double supported beam tensile stress ƒw W max maximum displacement ¼ w w w [7]. Fig. 1. Fabrication process of a-si microbolometer. w max ql ------ L 4N -- 2 2 cosh k 0 L 2 1 = ----------------------------------- k 0 sinh k 0 L 2 1 131 J. Kor. Sensors Soc., Vol. 19, No. 2, 2010
66 ½ Á½ Á½ Á Á½kxÁ k Table 1. Test structure size µm ¼ µm 30 40 50 2 2 2 4 4 4 6 6 6 8 8 8 10 10 10 Fig. 4. Test structure for evaluation of bending property. Fig. 3. Variation of bending by length and width of beams using double supported beam theory. Fig. 5. Variation of bending by length and width of fabricated beams. k 0 = 12N -------------- EWH 3 2 Fig. 3 w ¼ W max w p w. ¼ ƒ š, s w w. 3.1.2. l p sƒ œ Fig. 4 d w TEGtest elements group w w. l p Table 1 w bending p sƒw. p f sww l ù ¼» w. g l z y ù d»» w» w Non-contact Confocal Optical Profilernanofocus AG w sƒw. Fig. 5 l p p w. Fig. 5 Fig. 4 w w. ¼ ƒ š, s w w w š. š s f w ù, z ƒw. j l ep ¼ ƒ, ƒ w y w. j l y j»ƒ 35 µm 35 µm w. 3.1.3. v x sƒ ep w y sk w» w l p sƒ y ƒ w Fig. 6. Fig. 6a y d { ùkü, d ƒ w 240 nm š b d w 120 nm. k j l d, w pqtilting. wz 19«2y, 2010 132
비정질 실리콘을 이용한 미세 피치 적외선 이미지 센서 제조 및 특성 67 스트레스stress가 틸팅에 미치는 영향을 알아보기 위 하여 Laser Curvature 방법을 사용하였다. 그 결과 실 리콘 웨이퍼 위에 a-si 박막을 증착했을 때의 스트레스 측정값은 17 MPa이고, 실리콘 웨이퍼 위에 Ti 박막을 증착했을 때의 스트레스 측정값은 160 MPa로 측정되 었다. Fig. 7은 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 Z축 선 상에 위치하고 있음을 보여주고, 이는 단위막의 스트레 스가 흡수층의 틸팅 현상에는 영향을 미치지 않고 있 음을 확인 할 수 있다. 3.1.4. Fig. 6. Mirror flatness through a the horizontal profile and b vertical profile. 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 얼라인mis-align의 영향으로 판단 된다. 3.1.4. 단위막 스트레스 영향 해석 흡수층에서 증착되어진 단위막인 a-si과 Ti 박막의 Fig. 7. 미스 얼라인 영향 해석 앵커 제작 공정에서 생긴 미스 얼라인의 영향으로 나타난 흡수층의 틸팅 현상을 분석하기 위해서 시뮬레 이션을 수행 하였다. Fig. 7은 미스 얼라인이 일어나지 않은 흡수층과 X, Y축으로 1 µm씩 미스 얼라인이 발 생한 흡수층을 시뮬레이션 한 결과이다. 시뮬레이션 결과 Fig. 8a에서는 앵커의 미스 얼라 인이 일어나지 않은 흡수층에서 A-A' 부분의 z축 변위 량을 보여주고 있다. A-A' 부분의 양 끝단의 점은 같은 z축 선상에 위치하고 있으며, 이는 미스 얼라인이 일어 나지 않은 흡수층에서는 틸팅 현상이 발생되지 않았음 을 알 수 있다. Fig. 8b는 앵커의 제작 공정 중에 X, Y 축으로 1 µm씩 미스 얼라인이 발생한 흡수층의 시 뮬레이션 결과로써 B-B' 부분의 양 끝단의 두 점이 서 로 다른 Z축 선상에 있음을 알 수 있으며, 두 점의 단 차는 0.026 µm으로 확인되었다. 이와 같은 결과는 앵 커 제작 공정 중 발생되는 미스 얼라인이 흡수층의 틸 팅 현상을 유발하는 원인이 되고 있음을 확인할 수 있 었다. Simulation result of unit film stress 133 J. Kor. Sensors Soc., Vol. 19, No. 2, 2010
68 ½ Á½ Á½ Á Á½kxÁ k Fig. 8. Simulation result a normal align mirror and b mis-alignx/y=1 µm/1 µm shift mirror. IR test bench w d w. d 3,4 mw yw. l 3, 4. V S R = ---- [ VW ] P 3 Fig. 9. I-V curve of the element pixel. 3.2. v», Ÿw p sƒ 3.2.1.» p sƒ l» p sƒw Keithley 4200 SCS v l w I-V p sƒw. Fig. 9 y I-V d w v. - 5V 5V¾ sweepw d w x ohmic w p y w w 800 kω. 3.2.2. Ÿw p sƒ Ÿw p sƒ Santababara RTB 3000 R= [V/W] V S = [V] P= IR [W] D R * V A d BW = --------------------------- V n D * = [cmhz 1/2 /W] V N = [V] R V = [V/W] A d = l [cm 2 ] BW = 3dB s[hz] 4 Fig. 10 10 Hz 5e+4 V/W 3dB s 80 Hz. 3dB s 5 w wz 19«2y, 2010 134
g w ve p 69 Fig. 10. Responsivity and noise of fabricated device. Fig. 12. DC property of fabricated device by variation of temperature Fig. 11. Detectivity of fabricated device. 1.99 ms. τ 1 = ----------------------- 2 π f cutoff t= [s] fcutoff = 3 db s[hz] 5 Fig. 11 3,4 w w q w 80 Hz š 3e+8 cmhz 1/2 /W. w NETD d w Fig. 11 w w. T NETD = ---------- SNR T = ------------------ Vnoise Vsignal 6 w 60 o C 10 o C¾ y w 21.05 mv yƒ y Vp-p 61 uv d. NETD 6 mw 145 mk w š. 4. ve ƒ j l z š, w w» w xk l p wš sƒ w. ¼ ƒ š, e p ƒ w f y w. y j» 35 µm 2 µm w 320 240 ƒ j l w š, d sk w pq w f Mis-align w j y w. j l w TCR 2 %/K, 1.99 ms, w NETD 145 mk d. e» œ w,. š x [1] Y. Zhao, M. Mao, R. Horowitz, A. Majumdar, J. 135 J. Kor. Sensors Soc., Vol. 19, No. 2, 2010
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