CN101176026B - 用于半导体器件的消反射涂层及其方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一个实施例，半导体器件(200)包括设置在半导体器件的衬底(226)的上表面上的第一介电材料层(208)和设置在介电材料的上表面上的第一非导电金属层(206)。所述第一介电材料层和所述第一非导电金属层作为由所述第一非导电金属层接收的电磁辐射的光阱。在具体实施例中，半导体器件可进一步包括设置在第一非导电金属层的上表面上的第二介电材料层和设置在所述第二介电材料层的上表面上的第二非导电金属层。

Description

用于半导体器件的消反射涂层及其方法

技术领域

本发明通常涉及半导体器件，并且更具体地涉及用于半导体器件的消反射涂层及其方法。

背景技术

半导体器件可能被设计用以与入射到该器件的特定区域上的电磁辐射相互作用。一种此类半导体器件是空间光调制器，其通过一个或更多个公认的光学原理比如反射、折射或衍射的作用，用来重定向入射辐射的路径。遗憾的是，在许多这些器件中，由于物理间隙、不需要的衍射、散射效应或者其它现象，一些入射辐射可能不以期望的方式被重定向。这种辐射可以被认为是“杂散辐射”。如果没有吸收该辐射的机制，该杂散辐射可能降低整个系统的性能。

其性能可能由杂散辐射降低的空间光调制器的例子是数字微镜器件(DMD)。可用于各种光通讯和/或投影显示系统的DMD包括一排微镜，其通过在有效“开”和“关”状态之间绕枢轴旋转来选择性地传送光信号或光束的至少一部分。为了允许微镜绕枢轴转动，每个微镜附着于连到CMOS(互补金属氧化物半导体)衬底的铰链，该铰链控制微镜的运动。遗憾的是，当微镜处于“关”状态时，CMOS衬底(其可能是光学反射的)被暴露。当光在DMD的微镜之间传送时，该光可能被衬底的表面反射，引起杂散辐射，该杂散辐射限制了基于DMD的显示系统中可获得的对比度。

各种方法已经用来尝试减小构成DMD的子结构以及其它空间光调制器的CMOS衬底的反射率。一种已经采用的此类方法是将消反射涂层和/或吸收涂层施加到半导体器件的特定区域上，所述区域物理上位于与造成重定向效应的(多个)表面不同的平面。然而，这些涂层受到限制，因为它们可能要求复杂的材料并且可能在提供最佳的可能系统性能所关心的频率范围内不充分吸收。另外，由于光学或电学性能问题，这些涂层中的一些涂层需要图案化在衬底上。

发明内容

根据本发明的一个实施例，半导体器件包括设置在半导体器件的衬底的上表面上的第一介电材料层和设置在介电材料的上表面上的第一绝缘或非导电(non-conductive)金属层。所述第一介电材料层和所述第一非导电金属层作为入射到所述第一非导电金属层上的电磁辐射的光阱。在具体实施例中，半导体器件可进一步包括设置在第一非导电金属层的上表面上的第二介电材料层和设置在所述第二介电材料层的上表面上的第二非导电金属层。

本发明的一些实施例的技术优势包括具有从底层所反射的较低电磁辐射水平的半导体器件。当与用常规半导体器件制备的系统相比时，如此构造的空间光调制器可以形成具有提高的对比度的系统。和常规的半导体器件不同，根据本发明一实施例的半导体器件利用包含薄介电材料层和很薄的金属层的光阱(optical trap)，以减小器件衬底的反射率。因此，当电磁辐射被器件的衬底接收时，该辐射被薄的介电材料和金属层至少部分捕获，而不是引起不需要的反射，所述不需要的反射在由器件产生的光信号或光束中可能是可见的。

本发明的一些实施例的另一技术优势包括用于半导体器件的消反射涂层，其可以利用常见的半导体制造材料和技术来施加。关于特殊处理方面，这些材料要求很少，并有助于减少合成半导体器件的成本。在具体的实施例中，电介质和金属薄膜可能甚至被沉积而不需要电介质和薄金属组合的图案化。这些材料还可能不会造成环境问题。而且，这些材料在本领域中是熟知的，并且在最后得到的器件中它们的性能是很好理解的。

本发明的一些实施例的又一技术优势包括为电磁频谱不同区域调整本发明的消反射涂层的响应的能力。给定所关心的一个电磁频率范围，具体的实施例可以利用自相一致的迭代光学干涉模型来优化电介质和金属薄膜的厚度，从而选择性地吸收所期望的频率范围。

通过以下的附图、说明书和权利要求，本发明的其它技术优势对于本领域的技术人员可能是明显的。此外，虽然上面列举了详细的优点，但各个实施例可以包括所列举优点中的所有优点、一些优点或一个也没有。

附图说明

图1图解说明了根据本发明具体实施例的示例性半导体器件的一部分的透视图。

图2图解说明了根据本发明的具体实施例、图1的半导体器件的一部分的横截面图。

图3图解说明了根据本发明具体实施例的一种形成半导体器件衬底的方法的流程图。

具体实施方式

根据本发明，提供了一种用于半导体器件的消反射涂层及其方法。通常，消反射涂层包括设置在衬底的上表面上的第一介电材料层和设置在该介电材料的上表面上的第一非导电金属层。该第一介电材料层和第一非导电金属层作为入射到该器件上的电磁辐射的光阱。这种消反射涂层可以用于半导体器件中，例如空间光调制器、可变衍射光栅、液晶光阀、数字微镜器件或者其它半导体器件，从而减少杂散辐射对器件性能的影响。一个这种器件的实例是数字微镜器件(DMD)100，如图1所示。

根据本发明的具体实施例，图1图解说明了数字微镜器件100的一部分的透视图。DMD 100采用在DMD的衬底上的超薄金属涂层以减小下面衬底的反射率和提高DMD的对比度。在具体的实施例中，该超薄金属涂层包括铝或氧化铝。

如图1所示，DMD 100包括微机电开关(MEMS)器件，其包括成百上千个倾斜的微镜104的阵列。在该例子中，每个微镜104的大小为大约13.7平方微米，并且相邻微镜之间有大约1微米的间隙。在一些例子中，每个微镜的大小可能少于13平方微米。在其它例子中，每个微镜的大小可能是大约17平方微米。此外，每个微镜104可以倾斜高达正10度或负10度，产生有效的“开”状态情形或有效的“关”状态情形。在其它例子中，每个微镜104可以倾斜正12度或负12度，用于有效的“开”状态或“关”状态。

在该例子中，每个微镜104在其有效的“开”和“关”状态之间转变，以选择性地传送光信号或光束的至少一部分。为允许微镜104倾斜，每个微镜104连到安装在铰链柱108上的一个或更多个铰链116，并通过互补金属氧化物半导体(CMOS)衬底102上的空隙被隔开。在这个实例中，每个微镜104在正方向或负方向上倾斜，直到轭状物106接触到导电管道110。尽管该实例包括轭状物106，但其它实例可以除去轭状物106。在那些例子中，微镜104在正方向或负方向上倾斜，直到微镜104接触到镜光阑(未明确地示出)。

在这个具体的例子中，电极112和导电管道110形成于导电层120内，该导电层120设置在氧化层103之外。导电层120可以包括，例如铝合金或其它合适的导电材料。氧化层103起到将CMOS衬底102从电极112和导电管道110暴露的作用。

导电层120接收一偏压，该偏压至少部分有助于产生在电极112、微镜104和/或轭状物106之间形成的静电力。在该具体的实例中，该偏压包括稳态电压。即，施加到导电层120上的偏压在DMD100工作时保持基本不变。在该例子中，偏压包括大约26伏。尽管这个例子使用26伏的偏压，但可以使用其它偏压而不偏离本公开的范围。

在这个具体的实施例中，CMOS衬底102包括与DMD 100相关的控制电路。该控制电路可以包含任何硬件、软件、固件或其组合，其能够至少部分有助于电极112、微镜104和/或轭状物106之间静电力的生成。与CMOS 102相关的控制电路运行，以便至少部分基于从处理器(未明确地示出)所接收的数据在“开”状态和“关”状态之间选择性地转变微镜104。

在这个具体的实施例中，微镜104a被定位成处于有效的“开”状态情形，而微镜104b被定位成处于有效的“关”状态情形。通过将控制电压选择性地施加到与特定微镜104相关的电极112中的至少一个电极，控制电路在“开”状态和“关”状态之间转变微镜104。例如，为了将微镜104b转变到有效的“开”状态情形，控制电路从电极112b去除控制电压并将控制电压施加到112a上。虽然图1图解说明了具体的DMD器件，但图1及其相关描述仅用来阐释性的目的，决不应当看成限制本公开的范围。相反，应该认识到本发明的教导可以用来减少由DMD器件或任何其它半导体器件反射的光量。

如上所提到的，当微镜104处于“关”状态时，CMOS衬底102可以被露出，因为镜子的倾斜暴露了底下的衬底。在常规的DMD中，这会导致不需要的反射，该反射在由DMD产生的光信号或图像的像素之间是可见的。然而，DMD 100的特征在于一光阱，其包括在CMOS衬底102的上表面上的薄膜结构(未明确地示出)，以减少来自所述衬底的不需要的杂散光反射。通过参照图2，可以更好地理解这个薄膜光阱。

图2图解说明了根据本发明具体实施例的DMD 200的一部分的横截面图。如图2所示，DMD 200包括微镜202、绞链204和CMOS衬底226。类似于先前讨论的实施例，每个微镜202在其有效的“开”和“关”状态之间转变，以选择性地传送光信号或光束的至少一部分。为允许微镜202倾斜，每个微镜202连到一个或更多个铰链204上，所述铰链安装在衬底226上，并通过衬底226上方的空隙被隔开。

通常，衬底226包括多个金属和介电材料层，这些层包括与DMD200相关的控制电路。该控制电路可以包括任何硬件、软件、固件或其组合，其能够至少部分有助于静电力的产生，所述静电力用来至少部分基于从处理器(未明确地示出)接收的数据在“开”状态和“关”状态之间选择性地转变微镜202。

如图2所示，衬底226包括金属层222和212，也分别称为“金属2”和“金属3”。尽管没显示在图2中，在这些层下面是附加的金属层即“金属1”。金属层222和212的每一层耦合到Ti/TiN下层和指定为Arc-TiN的TiN上层。因此，金属层222夹在Ti/TiN层224和Arc-TiN层220之间，而金属层212夹在Ti/TiN层214和Arc-TiN层210之间。“金属2”和“金属3”及其相关的Ti/TiN和Arc-TiN结构之间是介电层216和218，其分别包括TEOS(四乙基原硅酸盐)氧化物和HDP(高密度等离子体)氧化物，所述氧化物起到将“金属2”和“金属3”彼此电隔离的作用。当然，这个具体的结构设置和这些具体的材料仅用于示例性的目的。如本领域普通技术人员理解的，在不偏离本发明教导的情况下，数字微镜器件的衬底可以包括其它结构或构造材料

利用包括DMD的CMOS衬底的一部分的多个高反射金属和介电材料层，DMD的CMOS衬底的表面一般是光学反射的。为了有助于减小这个反射率，衬底226还包括薄金属层206和介电层208，它们一起工作为在CMOS衬底226的上表面上的光阱。当微镜202倾斜为“关”状态时，诸如可见光的电磁辐射可以在镜子之间经过。该辐射在微镜202之间经过，穿过薄金属层206和介电层208，接着被反射离开Arc-TiN层210的上表面。在缺少层206和208的常规DMD器件中，这个杂散辐射然后会在微镜202之间反射，造成不需要的可见伪像(artifact)。然而，在根据本发明教导的DMD(或其它半导体器件)中，存在本文教导的附加层就在薄膜结构内和其边界处提供了相消光学干涉。与没有所述层的器件相比，所述相消干涉用来减小由衬底反射的光的强度。本发明的具体实施例还可以包括在薄金属层206的顶部上的受控氧化物帽层。

通常，适用于半导体制造的任何金属可以用于本发明的薄金属层(或膜)中。如本领域普通技术人员所熟知的，此类薄金属膜在暴露于正常室温环境时可能由于自动氧化而引入氧或其它元素。因此，薄金属层可以包括纯金属或者混有一种或更多种其自身氧化物的金属。在具体的实施例中，薄金属层包括铝或氧化铝，尽管其它金属(或金属/金属氧化物混合物)也适用于本发明。本发明的薄金属膜可以用任意合适的物理或化学汽相沉积技术进行沉积，所述技术包括而不限于溅射、蒸发、阴极弧沉积和等离子体增强化学气相沉积。

本发明的介电材料可以包括适用于半导体制造的任何介电材料。本发明的具体实施例可以采用黑电介质，例如氧化物，由于其增强的消反射特性。一种合适电介质的例子是二氧化硅。介电材料可以用任意合适的介电沉积技术来沉积。这些合适的沉积技术包括，但不限于溅射、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积和旋转镀膜。

超薄金属膜的成核与生长在相当长一段时间已经是研究关注的领域。如本领域普通技术人员理解的，金属膜的光学和电学属性直到该膜已经生长到通常所说的逾渗阈值(percolation threshold)的特定厚度时才具有大块金属的那些属性。在逾渗阈值以下，金属膜包含金属的孤岛，其通过暴露于氧化剂中可能转变为相应的金属氧化物。如本领域普通技术人员理解的，通过控制沉积条件，可以一致地生产具有非常相似光学属性的膜。尤其重要的是很短的沉积时间，例如在溅射系统中，以保持低于逾渗阈值的膜厚度。

金属和介电层的最佳厚度取决于所选介电材料和金属的光学属性。通常，这些层的最佳厚度可以用薄膜的光学干涉模型来确定，其中就优化所关心的入射角和电磁频率进行自相一致的、反复的层厚度优化。本领域普遍熟知的各种计算建模程序可以用来完成这种优化，包括由内布拉斯加州Lincoln的J.A.Woollam Company公司发行的WVASE32软件。在具体的实施例中，优化所关心的入射角是26度，尽管在其它实施例中其它的入射角可能是所关心的。如本领域普通技术人员也会明白的，介电材料的最优厚度可能还受限于所选介电材料的介电常数。

记住这个信息后，本发明的薄膜可能通常具有在零和连续金属薄膜的逾渗阈值之间的任意合适厚度。例如，在本发明的具体实施例中，第一金属薄层可能具有约5埃到约120埃的厚度，而第一介电材料层可能具有约150埃到约1000埃的厚度。

在本发明的具体实施例中，介电材料和金属的附加层(未示出)可能进一步被沉积到介电层208和薄金属层206的顶部上。结果是交替的金属和介电材料层的一薄膜堆，其可能进一步提高最后得到的基于DMD显示系统的对比度。当有可选的金属和介电材料附加层时，这些层的厚度可能类似于第一金属和介电层的厚度。

上面讨论的厚度基本上低于大块材料的传导性和光学行为所需的厚度。事实上，就这些厚度而言，金属/金属氧化物膜的传导率一般最多是块金属的0.0001倍。因此，本发明的金属薄膜可以用于半导体或其它器件中，甚至覆盖衬底的整个上表面，而不影响所述器件的电学性能(例如，引起衬底表面上的短路)。另外，在具体的实施例中，本发明的光阱可以利用半导体制造中已经使用的材料进行制造，所述材料是大量的、易于获得的并且具有本领域普通技术人员所熟知的属性。而且，在具体的实施例中，多个薄膜结构层也可以在单次光刻步骤中被图案化，从而简化制造工艺。

图3图解说明了一种根据本发明的教导制造半导体器件的方法的流程图。如图3所示，流程图300始于方框301。在方框302，形成半导体器件的CMOS衬底。取决于被制造的半导体器件，这可以包括以各种不同结构设置的各种不同材料，它们所有都在本发明教导的范围内。在CMOS衬底在方框302中被形成后，在方框303中第一介电层被沉积到衬底的上表面上。如先前讨论的，这可以包含适用于半导体制造的任意介电材料，包括但不限于氧化物。然后在方框304中，诸如铝的第一薄金属层通过溅射或某个其它的物理汽相沉积或化学汽相沉积技术被沉积到第一层介电材料的顶部上。

在本发明的具体实施例中，金属和介电材料的附加层可以被沉积到CMOS衬底上以进一步减小其反射率。因此，在方框305中，确定是否要沉积附加的金属和介电层到那些已沉积的顶部上。如果需要附加层，则在方框306中介电材料的附加层被沉积到先前的金属薄层上，接着在方框307中沉积附加的金属薄层。这个过程可以被重复直至所期望数量的层已被沉积到CMOS衬底上。

最后，一旦所期望数量的金属和介电层已被沉积到CMOS衬底上，在该过程在方框309终止之前，在方框308中任选的受控氧化物帽层可以被沉积到最后的金属薄层的上表面上。

虽然上面的例子描述了消反射涂层在数字微镜器件中的使用，但应当理解本发明的消反射涂层不限于数字微镜器件。替代的是，本发明的消反射涂层可以适用于希望减少杂散辐射效应的任何半导体器件中，其中包括空间光调制器、可变衍射光栅、液晶光阀和数字微镜器件。

类似地，尽管本发明的方法和装置的具体实施例已在附图中进行了图解说明，并在前面的详细描述中进行了描述，但是要明白本发明不限于所公开的实施例，而是在不偏离本发明范围的情况下能有许多重组、修改和替代。

Claims (10)

1.一种半导体器件，包括：

第一介电材料层，其设置在半导体器件的衬底的上表面上；

第一非导电金属层，其设置在所述第一介电材料层的上表面上，所述第一非导电金属层包括金属，所述金属的厚度小于金属薄膜的逾渗阈值；且

其中所述第一介电材料层和所述第一非导电金属层作为入射到所述第一非导电金属层上的电磁辐射的光阱。

2.根据权利要求1所述的器件，其处于具有低反射率衬底的数字微镜器件的形式，进一步包括第一和第二微镜，孔在所述第一微镜和所述第二微镜之间形成；

其中所述第一介电材料层包括氧化物层；

其中所述第一非导电金属层包括非导电铝层；且

其中所述氧化物层和所述非导电铝层作为通过所述孔接收的电磁辐射的光阱。

3.根据权利要求2所述的器件，其中所述氧化物层具有150埃到1000埃的厚度；且其中所述铝层具有5埃到120埃的厚度。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的器件，进一步包括：

第二介电材料层，其设置在所述第一非导电金属层的上表面上；和

第二非导电金属层，其设置在所述第二介电材料层的上表面上。

5.根据权利要求4所述的器件，其中所述第二介电材料层具有150埃到1000埃的厚度；而第二非导电金属层具有5埃到120埃的厚度。

6.一种减少半导体器件中的杂散辐射的方法，包括：

允许电磁辐射通过设置在第一介电材料层的上表面上的第一非导电金属层，所述第一介电材料层设置在半导体器件的衬底的上表面上；

允许所述电磁辐射通过所述第一介电材料层；

允许所述电磁辐射反射离开所述衬底的所述上表面；以及

至少部分减少被允许返回穿出所述第一非导电金属层的所述电磁辐射的量。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述半导体器件包括数字微镜器件；其中所述第一介电材料层包括氧化物；其中所述第一非导电金属层包括铝或氧化铝；并且所述方法进一步包括允许所述电磁辐射通过由位于所述半导体器件的所述衬底上方的第一微镜和第二微镜所形成的孔。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一介电材料层具有150埃到1000埃的厚度；且其中所述第一非导电金属层具有5埃到120埃的厚度。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其中所述半导体器件进一步包括位于所述第一非导电金属层的上表面上的第二介电材料层和位于所述第二介电材料层的上表面上的第二非导电金属层；并且所述方法进一步包括：

允许所述电磁辐射通过所述第二非导电金属层；

允许所述电磁辐射通过所述第二介电材料层；以及

至少部分减少被允许返回穿出所述第二非导电金属层的所述电磁辐射的量。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二介电材料层具有150埃到1000埃的厚度；以及

所述第二非导电金属层具有5埃到120埃的厚度。

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