Atomic layer deposition based titanium alloying of ZnO for microbolometer applications

Abstract

Mikrobolometreler düşük maliyetliliği, CMOS prosesine uygunluğu, foton detektörleriyle karşılaştırılabilir performansından dolayı, hem ticari hem de tüketici elektroniği uygulamaları için soğutmasız kızılötesi detektörler arasında en iyi adaydır. Direnç tipi mikrobolometrelerin en önemli bölümü sıcaklığa duyarlı aktif malzemedir. Bu sıcaklığa duyarlı bölüm sayesinde elektrik sinyalindaki değişim, okuma devresi tarafından okunur ve termal görüntü oluşturulur. Literatürdeki birçok çalışmada çinko oksidin sıcaklığa bağlı direnç değişim katsayısının oldukça yüksek olduğu rapor edilmiştir. Fakat hala sıcaklıkla değişmeyen TCR özelliği elde edilememiştir.Bu çalışmada çinko oksidin TCR özelliğinin geliştirilmesi için titanyumla katkılama önerilmiştir. Çünkü titanyumdioksit metal oksitlerin Ellingham diyagramına göre her sıcaklıkta çinko oksitten termodinamik olarak daha kararlıdır. Titanyum, çinko oksit yapısı içerisinde oksijene bağlı kusurların azaltılmasını ve dolayısıyla çinko oksidin TCR özelliğinin geliştirilmesini sağlayabilir. Titanyum katkılı çinko oksit ince filmler, atomik katman biriktirme yöntemiyle büyütülmüştür. %2.5, %5.9 ve %12.2 titanyum içeren çinko oksit ince filmler elde edilmiştir. Büyütülen ince filmlerin malzeme karakterizasyonu yapılmıştır.Büyütülen filmlerden mikro direnç yapıları üretmek için ilk önce silikon alttaş Piranha-HF ve solvent temizliğine tabi tutulmuştur. Daha sonra alttaş ile direnç yapısı arasındaki elektriksel izolasyonu sağlamak için, plazma yardımcılı kimyasal buhar biriktirme yoluyla silikon oksit katmanı kaplanmıştır. Daha sonra atomik katman biriktirme yöntemiyle titanyum katkılı çinko oksit büyütülmüştür. Bu katman fotolitografi yoluyla şekillendirilmiş ve kontak metali termal buhar biriktirme yoluyla kaplanmıştır.Üretilen mikro dirençlerin ilk önce akım-voltaj karakterizasyonu daha sonra sıcaklığa bağlı direnç katsayısı ölçümü yapılmıştır. Malzemenin özdirenci yaklaşık olarak hesaplanmıştır. Üretilen yapılar sıcaklıkla değişmeyen ve yüksek sıcaklığa bağlı direnç katsayısına sahiptir.

Microbolometers are attractive candidates for both military applications and consumer electronics among the uncooled thermal detectors due to their compactness, low cost, comparable performance with photon detectors and CMOS compatibility. The temperature sensitive active material is the most important part of resistive type microbolometers where change in electrical response occurs upon IR radiation. Typical active materials used for this purpose are YBCO and VOx. It was reported in several studies that ZnO has higher TCR value than commercially available active materials. However a temperature insensitive TCR property has not been achieved yet.To improve the TCR property of ZnO, doping with Titanium is proposed in this work. According to Ellingham diagram of oxides which is used generally in extractive metallurgy, it is obvious that titanium oxide is more stable than zinc oxide. Therefore doping with Titanium may reduce oxygen related defects and improve TCR property. Atomic layer deposition (ALD) is used for digital alloying of ZnO with Titanium. Titanium doped ZnO (TZO) films with Ti concentrations 2.5/%, 5.9/% and 12.2/% were deposited using precursors diethylzinc, mili-Q water and tetrekis(dimethylamido)titanium. Then intrinsic defect related elemental characterization were made. Effect of Titanium doping on structure of TZO thin films was discussed.After material characterization, planar microresistors were fabricated in UNAM cleanroom facility. Piranha-HF and solvent cleaning of silicon substrate were performed before microfabrication. Vaksis Handy Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) was used to deposit insulation layer on silicon wafer. Photolithograpy steps were performed using Laurell Spinner system and EVG 620 mask aligner to pattern TZO thin film. Then contact material metallization was performed using Vaksis MIDAS Thermal Evaporator system.Current-voltage characterization of microfabricated resistors was performed before Temperature Coefficient of Resistance (TCR) measurements to see the contact type resistors. Then TCR measurements were done between 15C and 25C by applying constant current to the contact pads of resistor. Approximate resistivity values of 5 different samples were calculated. It is shown that proposed TZO active material for resistive type microbolometers has a temperature insensitive and high TCR value.