光子傳感器以及製造該傳感器的方法
2023-05-01 23:00:41
光子傳感器以及製造該傳感器的方法
【專利摘要】本申請涉及光子傳感器以及製造該傳感器的方法。一種光子傳感器，包括：平臺、平臺上的溫度傳感器、以及形成在平臺上或者作為平臺一部分的結構。
【專利說明】光子傳感器以及製造該傳感器的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光子傳感器，例如紅外傳感器，而且涉及一種製造該傳感器的方法。
【背景技術】
[0002]基於熱電偶的傳感器是已知的，其中將熱電偶結形成為非常靠近紅外接收區域。從紅外(IR)輻射傳遞的到達熱電偶處和/或與熱電偶相關的IR採集器處的每單位面積的熱能可能非常小，而且期望能夠很好地對其進行利用。
【發明內容】
[0003]根據本發明的第一方面，提供了一種光子傳感器，包括:
[0004]由至少一個修長元件支撐的平臺；
[0005]平臺上的溫度傳感器；以及
[0006]形成在平臺上或者作為平臺一部分的結構。
[0007]由此，可以提供一種傳感器(例如，紅外傳感器)，其中平臺的適當壓型可減小質量，並因此減小平臺的熱容量。可以通過平臺的微加工來完成壓型。該微加工可以在形成平臺期間執行，並使得能夠形成改進的平臺，而且與形成具有平坦表面的平臺相比基本上不增加成本。
[0008]通過使用可將平臺懸於襯底上方的修長支撐件，可以減少作為紅外輻射捕獲元件的平臺以及支撐襯底之間的熱傳遞。
[0009]根據本發明另一方面，提供了一種形成光子傳感器的方法，包括處理半導體襯底的一部分從而形成被至少一個支腳保持至支撐結構的平臺，而且進一步包括在平臺的上表面形成子波長結構，所述結構包括多個隔離的或互連的直立區域。
[0010]溫度傳感器可以是熱電偶、熱電堆、測輻射熱儀或任意其他適當的感測技術。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]將僅僅通過非限制性示例的方式並參考附圖來描述本發明的實施例，其中:
[0012]圖1是紅外傳感器的第一實施例的透視圖；
[0013]圖2是紅外檢測器平臺中具有開孔陣列的實施例的透視圖；
[0014]圖3是在紅外檢測平臺中形成開孔陣列的實施例的平面圖；
[0015]圖4是圖3所示的平臺與圖1所示的不具有開孔的平臺的綜合損耗比較示圖；
[0016]圖5是具有從紅外檢測平臺的基層向上延伸的吸收組件的陣列的實施例的平面圖；
[0017]圖6是圖5所示的平臺與類似於圖1所示的具有平坦表面的平臺的綜合損耗比較示圖；
[0018]圖7是示出了作為入射在圖5所示類型的紅外檢測平臺上的光的波長的函數的損耗的示圖；
[0019]圖8是構成本發明的另一實施例的紅外檢測器中的金屬層的平面圖；
[0020]圖9是圖7的具有金屬層的實施例與直立支柱相關的性能與圖1所示類型的平臺的比較示圖；
[0021]圖1Oa和IOb示出了紅外光子檢測器的實施例中的金屬層上的支柱和其它紅外採集結構的輪廓；以及
[0022]圖11示出了平臺的一個角落處的熱電偶的定位。
【具體實施方式】
[0023]圖1中以透視圖示意性地示出了第一實施例。通過半導體製造工藝中常用的掩模和刻蝕步驟形成的平臺2被保持為附接至支撐結構，例如從襯底8崛起的壁4和6。平臺2通過修長支撐支腳10和12被保持為附接至壁4和6，修長支撐支腳10和12提供了平臺2與壁4和6之間的長條形的薄的連接，從而將其保持在襯底8上方。這個長條形的薄的路徑在平臺2和襯底8之間提供了高的熱阻抗。由於入射在平臺2上的紅外(IR)輻射將平臺溫度提升至襯底溫度之上，以便輻射強度被傳感器測量，因此是這有利的。
[0024]圖1所示的實施例中的支腳被附接在與平臺2的相對的角落。這就給出了良好的結構可靠性，同時形成了長條形熱路徑。可按照其它方式連接平臺。(多個)連接可中途沿著桌面，而且連接或每個連接可變成單個壁。但是，修長連接變成使得與平臺結合處的每個連接的寬度之和小於平臺周長的四分之一。在平臺是矩形的情況下，支腳的與平臺2的邊緣相鄰的界面區域的寬度之和小於矩形平臺的最短邊的長度。優選地，支腳的寬度之和遠小於最短邊的長度,利用小10%。
[0025]平臺無需是正方形或矩形，可以採用諸如三角形、多邊形(例如六邊形或八邊形)或圓形平臺形狀之類的其他形狀。支腳10可被布置成曲折形並且其中可具有多個轉折，和/或可盤旋或圍繞平臺的一部分，但是出於與平臺2的表面平行的平面中。
[0026]修長或長條形的支腳表現出是其寬度幾倍(例如>3倍)的長度，從而在平臺2和壁4和6和襯底之間提供良好的熱傳導的隔離。
[0027]通過將襯底或襯底的一部分布置成負載平臺2或每個平臺2以處於真空區域內，使得對流最小化。這種真空區域可以這樣形成，即，將整個襯底放置在具有紅外窗口的真空腔體以允許光入射至平臺2上，和/或可利用適當的隔離組件將蓋直接接合至襯底。
[0028]在基於第一實施例的第二實施例中，平臺2進一步被加工，從而使其具有不均勻表面。這可以通過選擇性刻蝕條平臺的一部分來實現。在圖2所示的實施例中，平臺2可刻蝕成形成穿透平臺2的孔20的陣列。這就使得平臺2具有網格類的結構。
[0029]從平臺去除材料降低了平臺的質量，從而降低了平臺2的熱容量。但是， 申請人:已經發現，假設孔的寬度相當於或者小於將被檢測到的入射的光學輻射的波長，則到來的光學輻射不會通過開孔，而且其攜帶的能量會留給熱平臺。因此，孔形成了平臺2上的子波長結構。所以，平臺的質量顯著減小，而平臺紅外輻射的光子的能力基本上未受影響。因此，平臺可響應於入射的輻射流量而快速升溫，從而比未處理成減小其質量的平臺更快地達到新的平衡溫度。
[0030]圖3以平面圖示出了其中在平臺2中形成了正方形開孔的陣列的實施例，其中平臺2的尺寸大致為100微米X 100微米，厚度大致5微米。開孔被布置並設置尺寸為使得能夠具有大致50%的填充係數。因此，例如，開孔可具有大約6.3 μ m的邊長，可以在具有大約9 μ m的周期的矩陣中布置開孔。
[0031]在圖2和3中，孔或開孔被示出為具有規則形狀並被規則地布置。這僅僅出於示意的方便，而平臺可形成有規則布置的孔，但是這不是限制。實際上，可刻意改變孔和/或其尺寸之間的間隔以便修整平臺對入射的輻射的響應。
[0032]圖4比較了構成本發明實施例的其中形成有開孔陣列的IR傳感器與圖1所示的類似的但是其中未形成有開孔的傳感器的仿真結果。對於具有8至15 μ m的波長的入射IR，從光子損失的給予開孔平臺的能量由線40表示，而其中未形成有孔的平臺的響應由線42表示。可以看出，結果非常類似於能量損耗(即，理論上能夠轉化成熱的入射能量中有多少被轉化成熱)對於其中不具有孔的平臺2，一些波長更好，而且在另一些波長處，具有平坦表面的平臺，平臺中的孔降低了其性能。
[0033]在另一實施例中，平臺的表面可被刻蝕成形成佇立在平臺的上表面上的多個支柱或凸起。可通過利用抗蝕劑掩蓋平臺的一些塊、並隨後在刻蝕期間曝光平臺的剩餘部分來提供支柱。例如，如果支柱被形成為規律陣列，例如矩形矩陣，則平臺可被刻蝕成形成多個交叉的溝槽，並且被溝槽圍繞的區域形成了支柱。可以理解的是，刻蝕工藝(例如，各向同性刻蝕)可用於在平臺的材料(例如二氧化矽)中形成「V」形溝槽，因此通過溝槽的適當定位以及寬度選擇，支柱可被形成為金字塔似的形狀。該刻蝕工藝還可用來降低支柱的高度，進一步減小了平臺的質量。該表面結構還傾向於使得從表面反射的而不是被其吸收的任意IR輻射向另一支柱反射，從而給予從光吸收能量的第二次機會。已經針對在具有大約10 μ m的周期性的矩陣中名義上6.0 μ m的正方形輪廓的支柱的陣列，建模支柱的性能。
[0034]圖5中以平面圖圖示了陣列，而且8至5 μ m的波長範圍內的綜合損耗，其中在圖6所示的5至13 μ m的周期性上建模支柱及圍繞的溝槽。可以看出，相比於未形成輪廓的(平坦的)二氧化矽，吸收性能8至15 μ m帶寬內稍微下降，但是平臺的質量可減小大約64%。由此，利用該方案形成的平臺可顯著改進對紅外流量的改變的響應時間。
[0035]圖7示出了作為入射在支柱的二維陣列上的和平坦的二氧化矽上的6至18 μ m的範圍內的光的IR波長的函數的損耗的仿真。可以看出，對於一些波長(例如大約10 μ m)，支柱陣列優於平坦的表面。
[0036]此處呈現的仿真使用單個材料(二氧化矽)，但是可以預期的是，作為標準CMOS工藝的一部分的結合了諸如氮化矽之類的材料的多層疊層不會實質地影響結果。
[0037]具有開孔陣列的實施例可自支撐，而支柱的陣列不是自支撐的，除非採取步驟來限制限制刻蝕的垂直延伸。但是，在另一實施例中，提供了一個支撐層。自支撐層可被布置成金屬層，這是集成電路製造工藝中的標準配置。金屬層的使用是有利的，這是因為起到了有一個反射器的作用，由此達到金屬層的輻射被反射回平臺的吸收材料。
[0038]金屬層還呈現為一個熱傳導層，其有助於熱從形成支柱的吸收材料(例如，二氧化矽)傳導至溫度測量組件，例如熱電偶結或結。
[0039]優選地，金屬層可被穿孔。穿孔用於少量地減小金屬層的質量，而不實質地影響層內的傳導率。它們還具有允許刻蝕劑達到下面的平臺並改進平臺的底部與下面的襯底之間的空腔的刻蝕的優勢。這具有雙倍的優勢。首先，其降低了平臺從襯底的不完整釋放的危險-因此在暴露至IR時減小了平臺的加熱。其次，其還去除了附接在金屬層的下側的二氧化矽或其它材料，由此實現了進一步控制平臺的厚度，並進一步對其減薄。
[0040]圖8圖示了其上形成有吸收支柱陣列的襯有金屬的平臺的平面圖。金屬層被示出為具有從層70延伸的直立支柱72的陣列的項目70。金屬層70中還形成有多個孔74，並且在該示例中多個孔74被形成為具有與支柱72相同的周期性。這是方便的，因為其實現了可一再複製的可重複單位單元的定義，但是一般不要求金屬層中的孔74與每個單獨支柱相關聯。
[0041]性能的仿真結果(在當前情況下為從電子向其前表面被刻蝕以在其上留下支柱陣列的襯有金屬的平臺2損失的能量)，以波長為變量，與僅僅通過二氧化矽膜製造的等效IR檢測平臺的性能進行了比較。支柱陣列的響應特徵在圖9中被標記為80。固態(平坦的)氧化物膜的響應被標記為82。支柱的陣列從電子採集了比固態氧化物平臺2更多的能量，而且其上形成了支柱的該平臺形成的像素具有顯著減小的熱質量，由此呈現了改進的響應性，如以減小的時間常量所展示的那樣，響應於入射的輻射的改變(例如，由於平臺2的視野內的更熱的主體)而從第一均衡溫度移動至第二均衡溫度。
[0042]平臺內金屬層的形成還有利於圖2的實施例，因為其孔20的面積與平臺面積之比增大，同時能夠確保平臺2的結構剛度且提供熱傳輸層來將熱傳導至熱電偶結。金屬層提供的附加的結構整體性可用來進一步減小平臺的質量，例如通過壓型支柱以使得它們成為楔形，如圖1Oa和IOb所示。圖1Oa是類似於圖5的穿過平臺的截面圖。此處，通過在CMOS工藝中的傳感器的製造期間，穿過用於形成平臺的二氧化矽和諸如氮化矽之類的其它材料刻蝕開孔，形成了支柱。此處，支柱100被示出為具有6 μ m的名義寬度、以及金屬層102上方的9μπι的周期性。但是，可以使用其它寬度和周期性。
[0043]如果利用各向 同性刻蝕劑刻蝕陣列，則刻蝕劑可能會鑽蝕抗蝕劑，可能使得抗蝕劑變得完全被鑽蝕並與晶圓脫離。可替換地，在形成圖1Oa的支柱之後，晶圓的圍繞表面可被掩模掩蓋，隨後對圖1Oa的未保護結構進行各向同性刻蝕，以減小支柱100的高度並產生圖1Ob所示的金字塔形狀的特性。
[0044]雖然「支柱」已經被描述為被形成為規則陣列，但是實施例並不限於使用這樣的規則幾何形狀和支柱尺寸，支柱間間隔和形狀可改變以修改傳感器的響應狀況。因此，支柱間的空隙也無需是均勻的，而是可以在尺寸或深度方面是不均勻的。
[0045]而且，在形成多層傳感器的情況下，它們中的一個或多個可不同於形成在同一集成電路或裸片上的其它傳感器，從而調整傳感器整體的響應。
[0046]圖11示出了圖1、2、3或5的平臺2的角落以及單個支腳12。支腳具有兩個多晶矽軌跡，它們具有不同的摻雜類型或濃度，並且分別以120和122標識。軌跡形成了在形成熱電偶的「熱」結的結124處相遇的不相似導體。可以在襯底2或壁4和6中或上的多晶矽軌跡120和122和金屬導體之間的界面處形成「冷」結(參見圖1或2)。熱電偶可形成為鄰接另一支腳，而且熱電偶可串聯以形成熱電堆。諸如娃錯(SiGe)、Bi2Te3^ Sb2Te3等的其它適當材料可用來替代多晶矽。例如，可以在兩個摻雜不同的SiGe導體的界面處形成熱結。
[0047]與熱電偶相關的多個這樣的平臺2可布置成陣列以形成成像器件。少量像素至幾千個像素的陣列尺寸都是可行的。[0048]此處描述的平臺並不限於利用特定感測技術的應用。因此，除了在平臺上形成熱電偶，可形成諸如測輻射熱儀之類的傳感器。測輻射熱儀的操作對於本領域技術人員是已知的。從適當已知材料，一個或多個隨溫度變化的電阻器可形成在平臺上或平臺中，並且例如通過將隨溫度變化的電阻器連接在惠斯登電橋電路中，可檢測電阻的改變。
[0049]雖然所描述的示例限於最大15微米的紅外範圍，但是利用適當配置的結構，最大大約50微米的更長波長的檢測是可行的。由此，以小於λ的內部結構規模形成多個特性(例如，圓柱或山丘狀結構)，其中λ是將被檢測的最大波。λ對於非常長的波(THz)的紅外可以為大約50 X l(T6m,而且對於近紅外可以為大約15Xl(T6m。
[0050]本發明的實施例的形成對於本領域技術人員是明顯的。但是，僅僅出於完整的緣故，在此將簡要回顧一下。可採用直至鈍化的標準CMOS工藝，期間形成熱電偶或熱電堆，以及與平臺或每個平臺相關的任意金屬層被適當地形成圖案。標準CMOS工藝允許多個金屬層(通常6個)形成在襯底上方，其中以二氧化矽作為隔離物。在臺面中，不需要或者僅僅需要提供一個層。隨後，鈍化被選擇性地打開，而且下面的矽被刻蝕以定義臺面或每個臺面及其支腳的限制。臺面可被構造成具有此處討論的子波長特徵(開孔和/或支柱)。因此，這些特徵實際上是自由的，因為用於形成它們的處理步驟反正是要被執行的。最後，各向同性刻蝕(例如，利用XeF2)被用來去除臺面下的矽，從而將其釋放。其它製造選擇包括微加工半導體晶圓。
[0051 ] 隨後，製成的晶圓可封裝在真空封裝中，其可包括用於形成孔來控制視野的特徵。
[0052]平臺2還可包括平臺上的或與平臺鄰接的導電軌跡，以使得可以出於測試或校準目的而對平臺進行歐姆加熱。
[0053]因此，可以提供改進的光子檢測器。
[0054]雖然已經在具體優選實施例和示例的環境中公開了本發明，但是本領域技術人員將能理解的是，本發明將具體公開的實施例延伸至其它替換實施例和/或本發明的應用及其各種修改和等效。此外，雖然詳細示出並描述了本發明的多種變型，但是根據此處的公開，本發明範圍內的其它修改對於本領域技術人員是明顯的。還能理解的是，實施例的具體特徵和方面的各種組合和次級組合都落入本發明的範圍內。應該理解的是，公開的實施例的各種特徵和方面可彼此組合或替換，從而形成所公開的方面的變化模式。因此，此處公開的本發明的範圍不應由上述公開的具體實施例限定，而是僅僅由所附權利要求的完全解讀來確定。
【權利要求】
1.一種光子傳感器，包括: 由至少一個修長元件支撐的平臺； 平臺上的溫度傳感器；以及 形成在平臺上或者作為平臺一部分的結構。
2.根據權利要求1所述的傳感器，其中該結構被刻蝕至平臺內以減少平臺的質量。
3.根據權利要求2所述的傳感器，其中該結構包括多個空隙。
4.根據權利要求3所述的傳感器，其中空隙形成了多個交叉的溝槽。
5.根據權利要求3所述的傳感器，其中空隙在平臺內不具有統一深度。
6.根據權利要求5所述的傳感器，其中一些空隙的一部分延伸穿過平臺的深度。
7.根據權利要求1所述的傳感器，其中平臺包括金屬層。
8.根據權利要求7所述的傳感器，其中平臺進一步包括與金屬層相關的半導體層。
9.根據權利要求7所述的傳感器，其中平臺進一步包括氮化物層。
10.根據權利要求8所述的傳感器，具有從金屬層的第一側延伸的多個圓柱或山丘形結構。
11.根據權利要求10所述的傳感器，其中以小於λ的內部結構規模形成多個圓柱或山丘形結構，其中λ是將被檢·測的最大波長並且不大於50Χ10_6。
12.根據權利要求7所述的傳感器，其中多個孔延伸通過第一金屬層，並且通過與金屬層的第二側鄰接布置的任何層。
13.根據權利要求1所述的傳感器，包括真空腔體內布置成矩陣的通過窗口在第一側交界的多個平臺。
14.根據權利要求1所述的傳感器，其中平臺由兩個或者更多修長支腳支撐，所述修長支腳在與平臺的界面具有小於平臺外周的四分之一的組合寬度。
15.根據權利要求1所述的傳感器，其中溫度傳感器是熱電偶結。
16.根據權利要求15所述的溫度傳感器，其中熱電偶結包括下述之一: a)多晶矽-多晶矽結，其中摻雜濃度在結中變化；
b)SiGe-SiGe 結。
17.根據權利要求1所述的傳感器，進一步包括平臺上的或者與鄰接平臺的導體，用於向平臺提供歐姆加熱。
18.根據權利要求1所述的傳感器，其中溫度傳感器是隨溫度變化的電阻器。
19.一種形成光子傳感器的方法，包括處理半導體襯底的一部分從而形成被至少一個支腳保持至支撐結構的平臺，而且進一步包括在平臺的上表面形成子波長結構，所述結構包括多個隔離的或互連的直立區域。
20.根據權利要求19所述的方法，其中該處理包括掩模和刻蝕襯底以形成平臺。
21.根據權利要求20所述的方法，其中平臺被進一步刻蝕以形成穿過平臺以處於刻蝕平臺之下的多個孔，從而將其從與下面的襯底的接觸釋放。
22.根據權利要求19所述的方法，其中支腳或每個支腳是修長的。
【文檔編號】G01J1/42GK103852161SQ201310624774
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年11月28日 優先權日:2012年12月3日
【發明者】P·M·拉姆伯金, W·A·拉尼 申請人:美國亞德諾半導體公司