CN101248337A - 红外传感器单元及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
一种红外传感器单元，具有共同形成于半导体衬底(10)上的热红外传感器及相关的半导体器件。电介质顶层(12)覆盖上述衬底以掩盖形成于该衬底的顶面中的半导体器件(20)。热红外传感器(30)承载于传感器座(40)上，该传感器座借助热绝缘支撑件(52)而被支撑于半导体器件的上方。传感器座和支撑件是由叠置于电介质顶层的顶部上的多孔材料制成的。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外传感器单元，尤其涉及包括形成于同一半导体衬底上的热红外传感器及相关半导体器件的这种单元，以及制造红外传感器单元的方法。
背景技术
美国专利第6,359,276号公开了一种由热红外传感器和半导体器件组成的红外传感器单元，上述热红外传感器和半导体器件以并排的关系设置于半导体衬底的顶部。热红外传感器借助多孔的热绝缘支撑件而被支撑于半导体衬底中。该多孔的热绝缘支撑件作为半导体衬底的一部分用以在其上安装红外传感器，使之与衬底的其余部分热绝缘。上述多孔的热绝缘支撑件由传感器座和一组将传感器座连接到衬底的多孔的桥形件组成。上述传感器座和桥形件各自是通过将形成于半导体衬底表面中的掺杂区的顶部阳极化处理成多孔体而形成的。因此，现有技术最好地利用了承载半导体器件的半导体衬底，来形成红外传感器的热绝缘支撑件。然而，仍然存在以下问题：因为热绝缘支撑件仅仅通过在半导体衬底顶面的与半导体器件水平间隔开的部分进行阳极化处理而制成，所以红外传感器不能直接设置在半导体器件上。由于这种局限性，难以将红外传感器单元制造得紧凑。尤其是，当在二维阵列中设置多个红外传感器单元以构成热图像传感器时，传感器单元不能紧密地封装且因此而具有分辨率低的缺点。
发明内容
鉴于上述问题，完成了本发明以提供一种改进型红外传感器单元，这种红外传感器单元能够与在共同的半导体衬底中形成的相关半导体器件结合而紧凑地制成。根据本发明的红外传感器单元包括：半导体衬底，设置成在其顶面中形成有半导体器件，并在其顶面被掩盖该半导体器件的电介质顶层所覆盖；以及传感器座，承载热红外传感器。包括热绝缘支撑件，用以将半导体器件支撑于传感器座上方。传感器座和热绝缘支撑件二者均由多孔材料制成，此多孔材料叠置于电介质顶层的顶部上。因此，能够成功地将红外传感器设置于半导体器件上方而与半导体器件间具有足够的热绝缘，从而使得整个红外传感器单元足够紧凑，由此实现了将多个红外传感器单元紧密设置于二维阵列中的用途。
优选地，上述热绝缘支撑件包括一对支柱和一对水平横杆，支柱突出于电介质顶层上，而水平横杆则各自从一个支柱伸出，并以与电介质顶层的顶平面平行的关系接合到传感器座，由此以与半导体器件间隔开的关系支撑传感器座。通过设置上述支柱，承载于传感器座上的红外传感器就以足够的距离与半导体器件向上间隔开，从而确保了红外传感器与半导体衬底和半导体器件间足够的热隔离。
电介质顶层可形成有红外反射体，该红外反射体将穿过红外传感器的红外线反射回红外传感器，以便提高红外传感器的灵敏度。
还有，可以单独地或与红外反射体结合地设置红外线吸收体，覆盖红外传感器的顶面，以便提高红外传感器的灵敏度。
此外，本发明提供一种制造红外传感器单元的方法。该方法包括以下步骤步骤：在半导体衬底的顶面中形成半导体器件，并在半导体衬底的顶面上形成电介质层以掩盖该电介质层后面的半导体器件。随后，在电介质层的顶部上形成一对端子焊盘，接着层叠牺牲层，同时在牺牲层中留下透孔，每个透孔通向一个端子焊盘。然后，在牺牲层的顶部上叠置多孔材料，以形成多孔层，其中以多孔材料来填充透孔，此后除去部分多孔层以形成预定图案的热绝缘结构。在除去部分多孔层之前或之后，在多孔层上形成热红外传感器。最后，除去牺牲层以得到红外传感器单元。上述热绝缘结构设置成包括一对以填充于透孔中的多孔材料形成的支柱、承载热红外传感器的传感器座、及一对以与电介质顶层的顶面平行的关系各自从一个支柱伸出到传感器座的水平横杆。在每个水平横杆上形成布线，上述布线从红外传感器通过每个支柱伸出到每个端子焊盘。因此，通过除去牺牲层，传感器座就借助水平横杆和支柱而被支撑于半导体器件上方。借助上述方法，能够利用适当的多孔材料来改善热隔离。上述多孔材料可选自不限于半导体衬底的适当材料，以实现足够的机械强度和热隔离。上述多孔材料可以是硅氧化物、硅氧烷基有机聚合物、或硅氧烷基无机聚合物、或二氧化硅气凝胶其中之一。
此外，优选的是借助旋涂技术将多孔材料的溶胶-凝胶溶液涂覆到牺牲层上，这有助于形成具有均匀厚度的多孔层。
当与附图结合时，根据以下优选实施例的详细描述，本发明上述的和其它的有利特征将会变得更加显而易见。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的红外传感器单元的立体图；
图2是沿图1中的线2-2取得的剖视图；
图3是上述传感器单元的电路图；
图4A至图4H是剖视图，示出制造上述红外传感器单元的步骤；
图5是根据本发明第二实施例的红外传感器单元的立体图；
图6沿图5中的线6-6取得的剖视图；而
图7A至图7K是剖视图，示出制造上述红外传感器单元的步骤。
具体实施方式
现参考图1和图2，其中示出根据本发明第一实施例的红外传感器单元。上述红外传感器单元包括半导体器件20以及热红外传感器30，其中半导体器件20形成于单晶硅半导体衬底10的顶面中，热红外传感器30以与半导体器件20间隔开的关系支撑到衬底10。半导体器件20电耦接到红外传感器30，以对外部处理电路提供传感器输出，在上述外部处理电路中针对在红外传感器30处接收到的红外辐射量来分析传感器输出，以进行温度测量或确定是否存在发出红外辐射的物体。一种典型的应用是在二维阵列中设置多个红外传感器单元以构成热图像传感器。
半导体器件20例如为MOSFET晶体管，其响应施加到晶体管的触发信号而导通和截止以提供传感器输出。此晶体管是以公知技术在衬底10的顶面中制造的，并包括具有漏极22和源极23、栅极24的掺杂阱区21、漏电极25、源电极26、及栅电极28。上述电极分别电连接到要暴露于红外传感器单元顶部的端子焊盘。以下，用术语“晶体管”来表示半导体器件20，不过本发明不限于使用图示的单个晶体管。例如以SiO2或SiN制成的电介质层12实际上形成于衬底10的整个顶面上，用以掩盖该电介质层后面的晶体管20。当晶体管20连同一个电极焊盘或多个焊盘出现在衬底的顶部上时，形成电介质层12以覆盖衬底的除了上述一个或多个焊盘或焊盘之外的整个顶面。
热红外传感器30形成于传感器座40上，传感器座40以与晶体管20间隔开的关系、借助热绝缘支撑件50而支撑到衬底10。热红外传感器30是由金属例如氮化钛制成的，上述金属沉积在传感器座上以形成图案化条片32，图案化条片32具有与入射的红外辐射量或强度成正比的变化的电阻。
热绝缘支撑件50由一对支柱52和一对水平横杆54组成，支柱52突出于衬底10上，水平横杆54则各自以与衬底10的顶平面平行的关系、从一个支柱52伸出到传感器座40的一个直径上相对的末端。传感器座40、支柱52、及横杆54是由多孔材料制成的，以有效地将红外传感器30与衬底10和晶体管20热隔离。本实施例中所用的多孔材料是多孔二氧化硅(SiO2)，并且可以是硅氧烷基有机聚合物、或硅氧烷基无机聚合物、或二氧化硅气凝胶其中之一。图案化条片32也在横杆54之上延伸到支柱52，以电连接到电介质顶层12上的端子焊盘14和15。焊盘14连接到参考电压源Vref，而另一个焊盘15连接到晶体管20的源电极26，如图3所示。栅电极(中看不到图2)通过埋置线27连接到对应的端子焊盘28，以与控制晶体管20导通和截止的外部电路连接。漏电极25通过埋置线29连接到端子焊盘16，以对用于检测来自目标物体的红外辐射的外部电路提供传感器输出。
红外反射体17由金属例如形成于电介质顶层12的顶部上的铝制成，以便将穿过红外传感器30的红外辐射反射回红外传感器30，从而提高红外传感器30的灵敏度。红外传感器30与红外反射体17之间的距离(d)设定为d＝λ/4，其中λ是来自目标物体的红外辐射的波长。当利用红外传感器进行人体检测时，距离设定为2.5μm，这是因为来自人体的红外辐射的波长(λ)是10μm。
多孔材料的孔隙率优选处于40％到80％的范围内，以确保足够的机械强度且同时确保良好的热绝缘效果。
请注意在这种连接中，多孔二氧化硅(SiO2)具有突出的热隔离效果，以满足通过横杆54到衬底10的最小热导而又对传感器座40来说确保最小热容量，从而提高红外传感器的灵敏度。
通过上述配置的红外传感器单元是以图4A至图4H中示出的步骤制造的。在半导体衬底10的顶部上形成晶体管20之后，以热氧化形成SiO2构成的电介质顶层12来覆盖衬底10的整个顶面，如图4A所示。可替代地，以化学汽相沉积来形成SiN构成的电介质顶层12。然后，通过在电介质顶层12上溅镀来沉积铝层，并接着将铝层选择性地蚀刻掉以在电介质顶层12上留下端子焊盘14和红外反射体17，如图4B所示。然后，以旋涂技术将适当抗蚀材料的牺牲层60施加到电介质顶层12的整个顶面，接着将牺牲层60部分蚀刻掉，以留下一对各自暴露出端子焊盘14的透孔62，如图4C所示。牺牲层60可替代性地由通过旋涂形成的聚酰亚胺、或通过沉积形成的金属或甚至通过化学汽相沉积形成的多晶硅制成。透孔62可在由抗蚀材料制成牺牲层60时以光刻来形成，和在由聚酰亚胺制成牺牲层60时以干法蚀刻、湿法蚀刻或光刻来形成，以及在由金属或多晶硅制成牺牲层60时以干法蚀刻或湿法蚀刻来形成。
随后，以旋涂技术将多孔二氧化硅(SiO2)的溶液施加到牺牲层60之上以形成多孔层70和透孔中的支柱52，如图4D所示。此后，以适当抗蚀剂来掩盖多孔层70并选择性地蚀刻掉多孔层70，以形成传感器座40和相应的横杆54，并同时在相应的支柱52中形成通孔72，如图4E所示。接下来，通过溅镀在传感器座40、横杆54上并进入通孔72中沉积钛层80，接着通过在钛层上进行溅镀来形成氮化钛构成的保护层，如图4F所示。随后，选择性地蚀刻掉钛层80和保护层，从而在传感器座40和横杆54之上留下红外传感器30的图案化条片32，以完成图案化条片32通过支柱52对相应的端子焊盘14和15的电连接，如图4G所示。最后，蚀刻掉牺牲层60以得到红外传感器单元，如图4H所示。
图5和图6示出根据本发明第二实施例的红外传感器单元，除了热红外传感器30A的结构之外，第二实施例与第一实施例相同。相同的部分以带有后缀字母“A”的相同的参考编号来表示，且为简明起见在本说明书中不做重复说明。
热红外传感器30A由夹在下电极131与上电极132之间的非晶硅抗蚀层130a组成，下电极131和上电极132通过布线136分别连接到端子焊盘14A和15A。抗蚀层130响应入射的红外辐射的改变量而在上电极与下电极之间表现出变化的电阻。如此构造的红外传感器30A承载于传感器座40A上，传感器座40A借助热绝缘支撑件50A而支撑到半导体衬底10A，热绝缘支撑件50A由多孔材料制成并由一对支柱52A和一对水平横杆54A组成，这对水平横杆54A各自从一个支柱伸出到传感器座40A的直径上相对的末端，如同第一实施例。红外吸收体134沉积于上电极132上，以有效地收集红外辐射。红外吸收体134可由SiON、Si3N4、SiO2或金黑(gold black)形成。
以下将参考图7A至图7K说明制造红外传感器单元的方法。在单晶硅半导体衬底10A的顶部上形成晶体管20A之后，以热氧化形成SiO2构成的电介质顶层12来覆盖衬底10A的整个顶面，如图7A所示。然后，以在电介质顶层12A上进行溅镀来沉积铝层，接着将铝层选择性地蚀刻掉，以在电介质顶层12A上留下端子焊盘14A、15A以及红外反射体17A，如图7B所示。然后，以旋涂技术将适当抗蚀材料构成的牺牲层60A施加到电介质顶层12A的整个顶面，如图7C所示。然后，蚀刻掉部分牺牲层60A，以留下一对各自暴露出端子焊盘14A和15A的透孔62A，如图7D所示。随后，以旋涂技术将多孔二氧化硅(SiO2)的溶液施加到牺牲层60A之上，以形成多孔层70A和透孔62A中的支柱52A，此后部分蚀刻掉其中一个支柱，以形成暴露出端子焊盘14A的通孔72A，如图7E所示。
接下来，通过在多孔层70A上进行溅射来沉积铬，接着选择性地蚀刻掉所沉积的铬以在多孔层70A上形成下电极131和相关布线136，如图7F所示。然后以化学汽相沉积(CVD)法在多孔层70A上的下电极131之上沉积非晶硅，接着将所沉积的非晶硅选择性地蚀刻掉以在下电极131上形成抗蚀层130，如图7G所示。然后，将延伸到支柱52A中的多孔层70A选择性地蚀刻掉，以留下暴露出相关的端子焊盘15A的通孔72A，如图7H所示。然后在多孔层70A和抗蚀层130上沉积铬，并将所沉积的铬选择性地蚀刻掉以形成上电极132和从上电极延伸到端子焊盘15A的相关布线136，如图7I所示。然后，在多孔层70A上的上电极132以及相关布线136之上沉积SiON层，并随后将SiON层蚀刻掉，以在上电极132的顶部上形成红外吸收体134，如图7J所示。在以适当的抗蚀剂掩盖多孔层70A、并选择性地蚀刻掉多孔层70A以留下传感器座40A和相应的横杆54A之后，蚀刻掉牺牲层60A以得到红外传感器单元，如图7K所示。
在上述实施例中，多孔层或相应形成的部分是由多孔二氧化硅制成的。然而，本发明可采用其它多孔材料，包括基于硅氧烷的有机聚合物(例如含甲基的聚硅氧烷)、基于硅氧烷的无机聚合物(例如含SiH的硅氧烷)、及二氧化硅气凝胶。
此外，多孔材料可以是包含中空微小颗粒和基体形成材料的多孔基体复合材料。中空微小颗粒定义为具有空腔，此空腔被优选由金属氧化物或二氧化硅制成的外壳所环绕。中空微小颗粒可选自日本专利申请JP2001-233611所公开的那些中空微小颗粒或可通过商业渠道获得的中空微小颗粒。特别是，上述外壳由选自SiO2、SiOx、TiO2、TiOx、SnO2、CeO2、Sb2O5、ITO、ATO、及Al2O3中的单独一种材料或上述材料的组合制成。在将多孔基体复合材料涂覆到衬底上并干燥之后，多孔基体复合材料使得多孔层具有低热导率和低比热。在多孔层内，中空微小颗粒作为填料而散布并结合于基体中。基体形成材料可以是包含硅氧烷键的第一类型的硅化合物，或是在形成膜或层时形成硅氧烷键的第二类型的硅化合物。第二类型的硅化合物可包含硅氧烷键。第一类型和第二类型的硅化合物包括有机硅化合物、卤化硅化合物(例如氯化硅和氟化硅)、及包含有机基团和卤素的有机卤化硅化合物。
硅化合物可以是可水解的有机硅烷、通过有机硅烷的部分或完全水解形成的水解化合物、或水解化合物的缩合物。上述可水解的有机硅烷是以下列通式表示的：
RnSiY4-n
其中R表示具有的碳原子数为1至9、种类相同或不同的可取代或不可取代的单价烃基，n为0至2的整数，Y为可水解的官能团。
上述通式中的R包括：烷基，例如甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、庚基、及辛基；环烷基，例如环戊基及环己基；芳烷基，例如2-苯基-乙基、2-苯基丙基、及3-苯基-丙基；芳基，例如苯基和甲苯基；烯基，例如乙烯基和烯丙基；卤代烃基，例如氯甲基、γ-氯丙基、及3，3，3-三氟丙基；以及取代烃基，例如γ-甲基丙烯酰氧基-丙基、γ-缩水甘油醚氧-丙基、3，4-环氧环己基-乙基、及γ-巯基-丙基。具有碳原子数为1至4的烷基和苯基由于易于得到以及易于合成而是优选的。
上述可水解的官能团包括烷氧基、乙酰氧基、肟基(-O-N＝C-R(R′))、烯氧基(-O-C(R)＝C(R′)R″)、氨基、氨氧基(-O-N(R)R′)、及酰胺(-N(R)-C(＝O)-R′)，其中R、R′、及R″分别为氢或单价烃。在这些基团中，烷氧基因由于易于得到而是优选的。
上述通式中的可水解的有机硅烷包括双官能基有机硅烷、三官能基有机硅烷、及四官能基有机硅烷，n为0至2，其例如为烷氧基硅烷、乙酰氧基硅烷、肟基-硅烷、烯氧基-硅烷、氨基-硅烷、及氨氧基-硅烷、酰胺基-硅烷。其中，烷氧基-硅烷由于易于得到而是优选的。烷氧基硅烷包括：四烷氧基-硅烷[n＝0]，例如四甲氧基-硅烷和四乙氧基-硅烷；有机三烷氧基-硅烷[n＝1]，例如甲基-三甲氧基-硅烷、甲基-三乙氧基-硅烷、甲基-三异丙氧基-硅烷、苯基-三甲氧基-硅烷、苯基-三乙氧基-硅烷、及3，3，3-三氟丙基-三甲氧基-硅烷；以及二有机二烷氧基-硅烷[n＝2]，例如二甲基-二甲氧基-硅烷、二甲基-二乙氧基-硅烷、二苯基-二甲氧基-硅烷、二苯基-二乙氧基-硅烷、及甲基-苯基-二甲氧基-硅烷。
尽管以上实施例说明了表现出响应入射辐射的量或辐射量的改变速率而变化的电阻的红外传感器的用途，但同样能够利用表现出变化介电常数类型、产生热电动势的热电堆类型、或响应红外辐射量的改变速率而产生电压差的热电类型的红外传感器。
Claims (6)
1.一种红外传感器单元，包括：
半导体衬底，在其顶面中形成半导体器件，并被掩盖所述半导体器件的电介质顶层所覆盖；
热红外传感器；
传感器座，其承载所述热红外传感器；
热绝缘支撑件，设置成将所述传感器座漂浮式地支撑于所述半导体器件上方；
其中所述传感器座和所述热绝缘支撑件二者均由叠置于所述电介质顶层的顶部上的多孔材料制成。
2.根据权利要求2所述的红外传感器单元，其中所述热绝缘支撑件包括一对支柱和一对水平横杆；所述支柱突出于所述电介质顶层上；所述水平横杆则各自从一个所述支柱伸出，并以与所述电介质顶层平行的关系接合到所述传感器座，由此以与所述半导体器件间隔开的关系支撑所述传感器座。
3.根据权利要求2所述的红外传感器单元，其中红外反射体形成于所述电介质顶层上，以便将穿过所述红外传感器的红外线反射回所述红外传感器。
4.根据权利要求2所述的红外传感器单元，其中设置有红外线吸收体，以覆盖所述红外传感器的顶面。
5.一种制造红外传感器单元的方法，包括以下步骤：
在半导体衬底的顶面中形成半导体器件；
在所述半导体衬底的顶面上形成电介质层，以掩盖该电介质层后面的所述半导体器件；
在所述电介质层上形成一对端子焊盘；
在所述电介质层上层叠牺牲层，同时在所述牺牲层中留下透孔，每个所述透孔通向一个所述端子焊盘；
在所述牺牲层的顶部上叠置多孔材料，以形成多孔层并用所述多孔材料填充所述透孔；
蚀刻掉部分所述多孔层，以形成预定图案的热绝缘结构；
在所述热绝缘结构上形成热红外传感器；并且
除去所述牺牲层；
其中所述热绝缘结构包括由填充于所述透孔中的多孔材料形成的一对支柱、承载所述热红外传感器的传感器座、和以与所述电介质顶层的顶面平行的关系各自从一个所述支柱伸出到所述传感器座的一对水平横杆；且
其中形成布线，所述布线沿着每个所述水平横杆，从所述红外传感器通过每个所述支柱延伸到每个所述端子焊盘，通过除去所述牺牲层使所述传感器座通过所述水平横杆被支撑于所述半导体器件上方。
6.根据权利要求5所述的方法，其中借助旋涂技术，将所述多孔材料的溶胶-凝胶溶液涂覆到所述牺牲层上。
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