CN101512308A - 测辐射热仪和制造测辐射热仪的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种测辐射热仪，包括隔膜、第一间隔体和第二间隔体，该隔膜包括电阻层和接触层。在朝向基底的一侧，该接触层具有第一接触区域和第二接触区域，第一间隔体在该第一接触区域电接触该接触层，第二间隔体在该第二接触区域电接触该接触层。以这种方式，该隔膜被保持为远离该基底预定的距离。该接触层由间隙横向截断，使得该接触层被划分为至少两部分，第一部分包括该第一接触区域，且第二部分包括该第二接触区域，并且从该第一接触区域至该第二接触区域在该接触层中不存在直接连接，并且该电阻层与该接触层的该第一和第二部分接触。
Description
技术领域
本发明涉及测辐射热仪和制造测辐射热仪的方法，并且特别涉及一种可缩放的微型测辐射热仪结构。
背景技术
测辐射热仪是用于测量特定波长范围(大概3-15μm)的电磁辐射强度的装置。它包括将电磁辐射转化热的吸收器和用于测量温度的增加的装置。依赖于材料的热容量，在吸收的辐射量和所导致的温度的增加之间存在直接的联系。因此，温度的增加可用作入射辐射强度的量度标准。最感兴趣的是用于测量红外辐射的测辐射热仪，其中红外辐射是大多数测辐射热仪具有最高敏感水平的地方。
在技术上，测辐射热仪可用作红外传感器、夜视装置或热成像相机的成像装置。
用作红外传感器的测辐射热仪包括以热绝缘方式设置在该传感器内部的薄层，例如像隔膜一样被悬挂着。红外辐射在该隔膜内被吸收，结果该隔膜的温度增加。如果该隔膜由金属或较佳地由半导体材料组成，电阻将依赖于温度的增加和所使用材料的阻抗的温度系数而改变。可在论文R.A.Wood：“单片硅微型测辐射热仪阵列(Monolithic siliconmicrobolometer arrays)”，Semiconductor Semimetals，vol.47，pp.43-121，1997中发现关于各种材料的典型值。作为选择，该隔膜是绝缘体(氧化硅或氮化硅)，在该绝缘体之上电阻器已经被沉积为另一薄层。在其它工具中，绝缘层和吸收层还设置到该电阻层。
金属层电阻的温度相关性是线性的，用作电阻材料的半导体具有指数相关性。高度相关性也希望来自作为热检测仪的二极管，其电流/电压特性满足
ID＝I0*(Exp{eUD/kT}-1)
其中T是温度，k是波尔兹曼常数，e是元电荷，ID和UD表示二极管中的电流密度和电压，且I0是独立于该电压的常数。
测辐射热仪可用作单独的传感器，但也可设计为行或2D阵列。如今代表性地是，在表面微机械中采用微系统工程方法在硅衬底上制造行或阵列。这样的阵列称为微型测辐射热仪阵列。
将被检测的红外辐射的首选波长约8-14μm，因为这个波长范围包括具有近似室温(300K)的物质的辐射。由于渗透性大气窗口，3-5μm的波长范围也是感兴趣的。
相对与其它(光子学)IR检测仪(IR＝红外)，热测辐射热仪的本质优点是它们在室温是可操作的，即不被冷却。
进一步的发展目标是在一个阵列内设置尽可能多的测辐射热仪单元(像素)。因此，在相同的阵列整体面积(芯片面积)处，该阵列将具有较高数目的像素，且提供较好的图像分辨率。例如，160 x 120像素的配置是常用的，也可采用320 x 240的配置，640 x 480像素(VGA分辨率)已经被公布并将很快能够应用，但是只不过需要相当大的附加费用。同时，有用的是，最小化阵列的费用以打开如汽车领域等新的市场。
阵列内的单个像素的通常的尺寸包括35 x 35μm2至50 x 50μm2的像素面积。因此对于320 x 240像素，芯片面积至少为12.2 x 8.4mm2＝94mm2(单独的像素面积)加上用于读出电路的面积(如，每边缘额外的2mm)，总共约137mm2。由于良率(好的芯片的数目相对于盘或晶片上的整个数目)随着芯片面积的增加而急剧下降，这样的阵列的经济生产几乎是不可能的。因此，像素数目的增加会带来像素面积的降低。如今在商业上，已经使用35 x 35μm2的IR成像装置一段时间了。如在论文http://www-leti.cea.fr/commun/AR-2005/pdf/t7-2-Mottin.pdf中描述的，目前正在开发25 x 25μm2的阵列。然而，即使这个已经缩放的表面面积仍然导致无法接受的大的芯片面积(估计约250mm2)和成像显示VGA分辨率。因此像素面积的进一步缩放是绝对必要的。所瞄准的是具有约15 x 15μm2面积的像素。尺寸的进一步降低将与这样的事实相冲突，在这种情况中所采用的光学系统具有很高的质量，其又将导致很高的费用。
在微型测辐射热仪中，红外辐射的检测基于这样的事实，即辐射加热被很好地热绝缘的电阻器。所述电阻器是依赖于温度的，且因此作为升温的函数改变电阻。由ROIC(读出集成电路)读出电阻的变化。在观测目标中，发生在该电阻器处的典型的温度增加在每度温度变化几个毫开尔文(mK)的范围内。对于在测辐射热仪处的该温度增加变为可能，电阻器必须很好地热绝缘。这是通过将电阻器配置在隔膜上(或通过将其构造为隔膜本身)来实现的，该隔膜以几个微米的距离被设置在盘表面之上，且连接到盘表面，或连接到衬底，仅在少数点具有低的热导率。
图5示出依照现有技术的两个测辐射热仪，其在R.A.Wood：“单片硅微型测辐射热仪阵列(Monolithic silicon microbolometer arrays)”，Semiconductor Semimetals，vol.47，pp.43-121，1997中描述。图5a描述单级像素，其包括位于衬底54上的传感器51、电子装置52，并具有像素尺寸53。图5b示出两级像素，其中电子装置52设置在传感器51下面。这个测辐射热仪也与现有技术对应，且与图5a示出的测辐射热仪相比，其包括较高的填充因数(IR敏感面积与整个面积之比)。
隔膜例如是这样产生的，在盘表面55上制造电阻器或传感器51，且随后，底切该区域，以便形成空洞56。例如，通过局部移除硅(Si)，该隔膜51上的电阻器和衬底54之间的热阻将增加。接下来读出电路52集成邻近至该隔膜51，且由此占据额外的芯片面积。因此，图5b中电阻器51设置在读出电路52之上的隔膜上的第二平面中的结构更加有利。
为了测量电阻，需要两个接触点。通过在隔膜的部分设置沿向上的方向倾斜的种子线条可形成接触点。同时，斜面作为隔膜的间隔体。图6示出包括隔膜10的对应的结构的透视图，该隔膜由支撑体35和电阻层18组成。这样的配置在图2的美国专利US 5,688,699(1999年11月2日，B.T.Cunningham，B.I.Patel：“微型测辐射热仪(Microbolometer)”)中描述。该隔膜10由倾斜支撑臂20支撑，所述倾斜支撑臂包括导电层32和热绝缘层22。通过所述支撑臂20的隔膜10的接触包括交迭33，且所述支撑臂20扩展进外延层14，在该外延层中设置有对应的电路(图中未示出)。该外延层14位于衬底12和绝缘层24之间。
如果该隔膜10是平面的(没有斜面)，由同时用作间隔体的金属插塞供给信号。这种结构在http://www-leti.cea.fr/commun/AR-2003/T5-Photodetection/25-J-LTissot.pdf中描述，且图7示出这样的传统结构的透视图，其中该结构包括位于两个接触插塞26a和26b上的隔膜10，所述接触插塞被支撑在基底73上。具有尺寸75的隔膜10包括厚度74，且该基底73包括反射镜。经由桥状物76a，b确定与基底73的热绝缘。该基底73具有位于其中的ROIC输入衬垫77，依靠该衬垫接触测辐射热仪。隔膜10的接触包括比作接触插塞26a和26b的直径的交迭78。该交迭78降低填充因数。
IR辐射的优化吸收这样实现，即该隔膜10包括与电磁波在空气中的扩展电阻(377Ω/□)相一致的电阻层，且以λ/4的高度(约2.5μm，例如以8-14μm的优选波长λ)配置在反射镜73之上。
美国专利US 5,912,464提出一种测辐射热仪和制造方法，且图8示出它的一部分。图8a示出通过隔膜10的接触的剖视图，截面由包括观察方向81的图8b中的虚线点示出。
接触插塞26b接触终端片77，且同时接触接触层23。测辐射热仪的另外的层是反射层21、牺牲层22、测辐射热仪或电阻层27、及转换层24和25。电阻层27的电接触通过接触层23确定，且转换层24和25用于接触层23的改善接触。接触层23以弯曲的方式沿着电阻层27从接触插塞26a向接触插塞26b延伸。图8b中虚线82示出电极层23的弯曲方式。电极层23的弯曲方式用于改善红外辐射的吸收。
也是在依照现有技术的该测辐射热仪中，接触插塞26b和隔膜10包括交迭。图8a中，接触插塞26b的交迭由x标示，且隔膜的交迭由y标示。牺牲层22仅在这里示出的中间步骤中示出，并且以后将被去除。
关于对应的工艺，聚酰亚胺牺牲层22用作具有集成电路(如，在CMOS技术中，图中未描述)的盘的间隔体。在接触插塞26a，b区域中，以接触孔的形式开放牺牲层22。在图8a示出的一种方式中，沉积并图案化金属接触层25，且随后沉积用于接触插塞26a，b的接触金属。刻蚀该金属，使得它覆盖接触孔的边缘。沉积并图案化电阻层27。最后，移除隔膜10下面的牺牲层22，使得由接触插塞26a，b支撑的所述隔膜悬挂在反射层21之上，且因此，形成λ/4吸收体。
图9示出也用在图8的例子中的传统接触。接触插塞26b包括接触插塞26b直径z上方的交迭x，且隔膜10包括接触插塞26b上方y值的交迭。
所有在美国专利US5,912,464中描述的实施例及按照美国专利US5,688,699或文献http://www-leti.cea.fr/commun/AR-2003/T5-Photodetection/25-J-LTissot.pdf中的结构具有共同点，即接触金属突出超过该接触插塞26b的直径z(图9中的距离x)。隔膜10本身甚至进一步突出超过(图9中的距离y)。交迭x和y表示补偿调节公差，它们确保接触插塞区域(图7中的接触区域)不被刻蚀。
图10示出当像素尺寸75降低时，按照现有技术的测辐射热仪如何缩放。图10a示出具有采用接触插塞26a和26b的传统接触的隔膜10的顶视图，隔膜10经由桥状物76a，b连接到接触插塞26a，b。桥状物76a，b用于热绝缘。如图9所示，隔膜10以y值交迭接触插塞26b，且接触插塞26b以x值交迭接触插塞26b的直径z。在像素尺寸75降低(缩放)的情况中，，如图10b所示，由于技术原因，接触插塞的尺寸不缩放，且填充因数因此降低。其原因是传统制造工艺基于作为牺牲层22的光敏聚酰亚胺，且因此受限于最小孔尺寸，该最小孔尺寸必须大于约3μm(请见下文进一步的描述)。
与在图7看到的一样，图10a也示出，具有至隔膜10的接触插塞26a，b确实相对较大，但是具有约50μm边缘长度的像素，其中的表面百分比相对较小。然而，已经从图6中看出，实际的隔膜面积35仅补偿像素整个面积的相对小的比例，且在该方式中，填充因数低于50％。
可从图6、图8b或图10a看出，接触插塞26b经由薄臂20或76b连接到隔膜10。除了提供机械支撑和电供给之外，所述臂20或76b也用于该隔膜10与接触插塞26b的热绝缘。其长的长度和小的横截面积确保该隔膜10与衬底之间高的热阻。
如已经描述的，希望使像素尽可能的小。图10a和10b的直接比较示出，对于这个问题，用传统技术的像素，不能发现满意结果。对于图10b中的缩放的像素，接触插塞26a，b在整个像素面积中占据不成比例的大的份额。这是由于这样的事实，即插塞的金属通过该隔膜以x突出远离它的开口，加之隔膜10典型地比交迭x大y因素。对于预定的整个面积，隔膜10上的实际面积的比例变得较小，填充因数减小，且像素对IR辐射的敏感性也随之降低。
发明内容
从该现有技术开始，本发明基于提供一种测辐射热仪和制造测辐射热仪的方法的目标，该测辐射热仪不包括隔膜10或接触插塞的交迭，从而使像素尺寸的降低(缩放)成为可能，且隔膜10的实际面积保持为尽可能的大。
该目标由权利要求1要求保护的测辐射热仪和权利要求16或24要求保护的方法来实现。
本发明基于这样的发现，即当采用通常的工艺步骤，如采用CMOS工艺时，可制造像素结构，其能够产生明显的缩放。
以举例的方式，方法的基本特点可总结如下。
例如，CMOS晶片可用作起始衬底，其在测辐射热仪的隔膜10中包括例如以铝Al层形式的发射镜。在接触插塞或间隔体区域中，一个终端片(例如，由铝Al制成)分别连接到一个读出电路。该衬底具有沉积其上的牺牲层，例如约2.5μm厚度的非晶硅层(a-Si层amorphous siliconlayer)。这可在例如CVD(CVD＝化学真空沉积)工艺中可能由等离子体辅助的工艺中进行。
随后，沉积第一保护层(如，采用CVD工艺沉积氧化硅薄层，约50-200nm)，以便形成第一保护层/牺牲层的层顺序。或者，代替沉积如氧化物和氮化物的应力补偿层。此时该层顺序在间隔体区域开放。这可通过例如刻蚀工艺来进行，该刻蚀工艺包括采用图像技术的曝光，在光刻胶掩模中的小的接触开口(如约0.5 x 0.5μm2至1.5 x 1.5μm2)。然后，采用如垂直地的各向异性刻蚀具有该光刻胶掩模的层顺序，使得孔尽可能远离终端片(读出电路的金属终端)向下延伸。或者，可稍微底切该第一保护层下方的牺牲层，使得第一保护层略微悬挂。溅射例如Ti/TiN(如20nm/80nm)的薄的中间层，使得孔的底部和侧壁至少被部分地覆盖。在其上沉积导电材料(例如钨，采用CVD工艺)，直至该孔完全被填满至表面。例如采用CMP方法(CMP＝化学机械抛光)，从该表面上抛光该导电材料(包括该中间层)。在该工艺中该孔保持为填满该导电材料。第一保护层仅稍微被抛光，但没有被全部去除。
结果形成基础结构，以该基础结构为基础，可有两种不同的方式继续该工艺。
工序A
在基底结构上沉积接触层，如薄的Ti/TiN层，并将其图案化。在其上沉积温度敏感性电阻层(由a-Si组成，或者由氧化钒(VOx)或有机半导体组成)。该测辐射热仪实际的测量电阻器由该接触层中的小的空隙(间隙)之上的该电阻层形成。为了使该测量电阻器与该间隔体之间，因此与该基底之间，获得尽可能好的热绝缘，在这种工艺中，该间隙较佳是尽可能设置在该间隔体中间。
通过相应地处理该接触层，例如，通过合适地选择层厚和/或层材料，该隔膜包括377Ω/□的层电阻，且因此适合作为λ/4吸收体，与该电阻层实际较高的阻抗无关。
此时该电阻层也被图案化(例如采用光刻和刻蚀步骤)。接下来，沉积第二保护层(覆盖层，例如由氧化物组成，或由有机材料组成)并图案化，使得在例如测辐射热仪中的隔膜阵列之间及在支撑臂和相关隔膜之间的该牺牲层上的所有各层被去除。该电阻层周围保持为由该第二保护层和/或有机覆盖层保护。
在这点，通过所得到开口，该牺牲层被全部去除。例如采用XeF2的刻蚀工艺，其在文献(Chu，P.B.；J.T.Chen；R.Yeh；G.Lin；J.C.P.Huang；B.A.Warneke；K.S.J.Pister“(采用二氟化氙的受控脉冲刻蚀(Controlled PulseEtching with Xenon Difluoride)”；1997 InternationalConference on Solid State Sensors and Actuators—TRANSDUCERS’97，Chicago，USA，June 16-19，p.665-668)中描述，且其以各向同性，即无方向的方式高速、但关于例如氧化物和有机材料具有高水平的选择性，而仅去除该牺牲层，特别适合本目的。这是有效的，特别是当该牺牲层包括多晶硅时。因此，该隔膜被暴露，并仅由该间隔体支撑和接触。在该示例性工艺中，各侧都被保护的该电阻层不被刻蚀。该隔膜被支撑在该间隔体上。该间隔体的材料不突出超过该电阻层。
该方法仅要求少量工艺步骤，用于实现测辐射热仪结构。在下文中，将描述可选择的工艺，其中说明活性电阻层的表面面积尽可能大的额外的优点。
工序B
从与先前的工艺A相同的基底结构开始，沉积薄的(如多晶硅、氧化钒、有机半导体的)电阻层和(例如氧化物的)绝缘层。随后，图案化这两层，使得例如由钨组成的间隔体被暴露。为了适应该隔膜的层电阻，涂敷接触层(例如，薄的TiN层，3-15nm)，或者随后形成第二保护层，该第二保护层例如可包括氧化物。为了热绝缘隔膜，此时至该间隔体的连接被减少为两个窄的凸纹。例如，这可通过一系列刻蚀步骤而进行。当采用凸纹方式时，必须确保注意的是，一方面，该方式能够确保高的填充因数，且另一方面，该隔膜以机械稳定的方式被支撑。
此时，该接触层以低的电阻与实际电阻层平行接触两个间隔体。因此，该接触层被截断为两个小的区域(凸纹)，使得通过该接触层的平行电流传导被阻止。例如，这可在另外的刻蚀步骤中进行。
随后，整个结构由薄的保护层(例如由氧化层)钝化，以保护该电阻层。最后，去除牺牲层，且因此阻隔该隔膜。也在该工序中，例如可采用使用XeF2的各向同性刻蚀。
可选择地，在限定该凸纹和隔离该接触层之前，牺牲层可已经被去除。在这种情况中，即使没有额外的钝化，该电阻层在各侧也被保护，避免包括作为例子采用的XeF2的刻蚀工艺的侵蚀。
因此，独创性工艺的主要优点包括这样的事实，即该间隔体可被缩放至具有明显地较小的尺寸且仍然展现与该隔膜10足够的粘接。因此，不必在该隔膜10中形成开口和交迭x及y，而这在具有插塞26a，b的情形中是必要的；见图9。
换句话说，该间隔体在该接触层的底部邻接或终止，而不伸出该接触层。
此外，独创性的工艺使得能够以较低的费用制造具有明显小的像素尺寸的测辐射热仪或测辐射热仪阵列。
附图说明
以下参照附图，将更加详细地解释本发明的较佳实施例，其中：
图1a-i示出依照本发明的工序A制造测辐射热仪的步骤，并示出该测辐射热仪的顶视图；
图2a-j示出依照本发明的工序B制造测辐射热仪的步骤，并示出该测辐射热仪的顶视图；
图3a-g示出采用变化的工艺顺序制造测辐射热仪的步骤；
及间隔体；
图4a示出包括不具有任何交迭的接触区域的隔膜的顶视图；
图4b示出包括不具有任何交迭的接触区域的缩放的隔膜的顶视图；
图4c示出部分隔膜和间隔体的剖视图；
图5a-b示出传统微型测辐射热仪结构的剖视图；
图6示出包括隔膜的传统结构的透视图；
图7示出包括在具有金属交迭的两个接触插塞上的隔膜的传统结构的透视图；
图8a示出具有接触插塞和部分隔膜及剩余牺牲层的传统结构的透视图；
图8b示出图8a的传统结构的顶视图；
图9示出接触插塞和部分隔膜及标示的交迭的剖视图；
图10a示出包括具有接触插塞的传统的接触的隔膜的顶视图；及
图10b示出包括具有接触插塞的传统的接触的缩放的隔膜的顶视图。
具体实施方式
在将参照附图更加详细地解释本发明之前，应当注意到，各图中相同的元件指定相同或类似的附图标示，且这些元件的重复描述将被忽略。
图1a-h示出本发明第一实施例的步骤顺序的剖视图，且图1i示出对应的具有所述剖视图的标示的截面199的顶视图。
图1a示出衬底100(如CMOS晶片)的横截面，该衬底100具有沉积其上的终端片110a和终端片110b，且另外，将反射镜120应用于它。该终端片110a和终端片110b至下面的CMOS电路的连接未示出。终端片110a、110b都作为测辐射热仪的后续的接触的目的。
在接下来的步骤中，如图1b所示，在图1a示出的结构上沉积牺牲层130和第一保护层140。在随后步骤中，该牺牲层130还被移除，且它包括层厚，以便于该测辐射热仪表示λ/4吸收体。在较佳实施例中，该牺牲层130包括多晶硅，且该第一保护层140包括氧化物。
如图1c所示，在下一步骤中，制造贯穿该保护层140和贯穿该牺牲层130的贯穿开口150a’和150b’。如此定位贯穿开口150a’，使得它在该终端片110a上结束，且由此类推，定位贯穿开口150b’，使得它在终端片110b上结束。在下一步骤中，贯穿开口150a’和贯穿开口150b’填满导电材料，且移除任何伸出的材料，以形成平坦的表面142。
如图1d所示，在随后的步骤中，在该表面142上沉积接触层160。在如图1e所示的下一步骤中，图案化该接触层160，并沉积电阻层170。结果，所述图案化的接触层160包括间隙162，该间隙将该接触层160的第一部分160a与第二部分160b分离。为了尽可能使该间隙162与间隔体150a和150b具有好的热绝缘性，从第一间隔体150a至该间隙162的最小距离应尽可能等于从第二间隔体150b至该间隙162的最小距离。
较佳地，该间隙162具有这样的宽度，使得该测辐射热仪的测量电阻器在如0.1kΩ至1GΩ，且较佳在1kΩ至100MΩ的范围内变化。
随后图案化该电阻层170，并涂敷第二保护层180。这在图1f中示出。如图1g所示，在随后的步骤中，图案化该测辐射热仪的表面，使得该第二保护层180和该接触层160末端基本上与间隔体150a和150b平齐。该图案化的电阻层170延伸至稍后形成的隔膜表面192的内部区域，使得图案化的电阻层170与边缘区域190a和190b没有接触。在该步骤中，也图案化该第一保护层140，使得该第一保护层140位于该接触层160和该牺牲层130之间。
在图1h所示的最后的步骤中，移除该牺牲层130。所得到的测辐射热仪包括隔膜10，该隔膜具有包括第一保护层140、具有第一部分160a和第二部分160b的接触层160、电阻层170和第二保护层180的层顺序。该测辐射热仪包括末端基本上与间隔体150a和150b平齐的表面192。所述间隔体150a和150b具有选择的高度198，使得该隔膜10被保持距离198，并且理想的是该距离198对应于将对检测的波长的四分之一。
图1i示出具有接触区域的测辐射热仪的表面192的顶视图，在该接触区域，间隔体150a和150b接触该隔膜10。虚线199标示截面，其穿过该间隙162，并在图1a至1h中的观察方向81被描绘。
图2a至2g示出本发明的第二实施例。图2a至2f示出关于制造测辐射热仪的步骤顺序的剖视图，且图2g示出剖视图的标示的截面230的对应的顶视图。第二实施例的第一步骤对应于图1a至1c中描述的步骤顺序。因此，在这点上，将忽略关于单独步骤的解释。
图1c示出的结构最初具有电阻层170和涂敷其上的绝缘层210，以便于获得图2a中示出的结构。图2a还示出衬底100、具有第一间隔体150a的第一终端片110a、具有第二间隔体150a的第二终端片110b、反射镜120、牺牲层130和第一保护层140。
随后，图案化该电阻层170和该绝缘层210，且该结果在图2b中示出。进行该图案化，使得该电阻层170不与间隔体150a和150b接触，且还使得该绝缘层210不完全覆盖该电阻层170，使得第一接触点175a和第二接触点175b保持开放。
如图2c所示，接触层160涂敷到其上，其确定该电阻层170与间隔体150a和150b之间的接触。
随后(如图2d所示)，最初该接触层160被图案化，特别地该图案化包括，由柱状物250a和250b两次挖通该接触层160。结果，该接触层160被分成层160a、层160b和层160c，层160a与间隔体150a和电阻层170接触，层160b与间隔体150b和电阻层170接触，且层160c与层160a和层160b分离。结果，层160a和160b被分离，使得从第一间隔体150a至第二间隔体150b的电流穿过该电阻层170。此外，层160c不与该电阻层170接触，且具有依照空气中的电磁波的特征阻抗调节隔膜10的层电阻的任务。
随后，第二保护层180涂敷到该接触层160。该结构在图2e中示出。保护层180进一步的图案化定义该测辐射热仪的隔膜10的表面192。
在下一步骤中，产生图2g示出的柱状物220a和220b。所述柱状物220a和220b挖通包括第一保护层140、电阻层170、绝缘层210、接触层160和第二保护层180的隔膜10。由于属于剖视图2a至2f的截面不穿过所述柱状物220a和220b，所述柱状物220a和220b没有在图2a至2f的剖视图中示出。在图2g的顶视图中，截面由虚线230标示。箭头240示出该截面的观察方向。
在图2f所示的最后一步中，图案化第一和第二保护层(140，180)，使得该隔膜10的该表面192末端基本上与间隔体150a和150b平齐，且最后，去除该牺牲层130。
在另一实施例中，该接触层160的图案化是非对称进行的，如该接触层仅由间隙隔离。在该实施例中，作为准备图2c示出的结构的步骤等同于先前描述的实施例，且在此将省略重复的描述。
在该实施例中，图2c所示的结构被图案化为图2h所示的结构，特别地，仅产生挖通该接触层160的间隙250。这产生层160a和层160b，该层160a与该间隔体150a接触，并连接至该电阻层170，该层160b与该间隔体150b和电阻层170接触。随后，在该情况中，层160a和160b也被分离，使得从第一间隔体150a至第二间隔体150b的电流穿过该电阻层170。在该实施例中，依照空气中的电磁波的特征阻抗，通过调节层160b或层160a，该隔膜10的层电阻可产生。
此外，图2i中示出的步骤(沉积第二保护层180并图案化)也对应于图2e中描述的步骤。同样应用到已在图2f的内容中描述的其它的步骤(产生柱状物220a和220b，进一步图案化并去除该牺牲层130)。因此，在此将省略再次重复的描述。最后，图2j示出所得到的包括隔膜10和不对称的间隙250的测辐射热仪。
所表示的步骤顺序仅作为例子，且可在另外的实施例中进行变化。例如，产生柱状物220a及220b和/或形成桥状物76a及76b也在最后进行。所述柱状物220a，b如此进行，使得与间隔体150a，b热绝缘的电阻层170的区域尽可能的大，并且因此使得填充因数尽可能大。然而同时，它们对隔膜10提供足够的支撑。
除了迄今为止所讨论的工艺顺序外，颠倒顺序也是可行的，其中在电阻层170之前沉积接触层160。这在图3a至3g中示出。还是示出剖视图，其中第一步骤还对应于图1a至1c所描述的步骤顺序。在这点上，将再次忽略关于单独步骤的重复解释。
图3a示出的结构对应于图1c示出的结构，且包括作为顶层的第一保护层140。在该实施例中，沉积并图案化接触层160，以作为第一另外层。结果如图3b所示。如此进行图案化，使得一方面，该接触层160末端基本上与间隔体150a和150b平齐，另一方面，其包括将接触层160分为层160a和层160b的间隙250。层160a与间隔体150a接触，且层160b与间隔体150b接触。
如图3c所示，在其上沉积绝缘层210并图案化，使得绝缘层基本上填充间隙250，且此外，使在层160a处的第一接触点175a和在层160b处的第二接触点175b保持敞开。
如图3d所示，在其上沉积电阻层170并图案化，使得电阻层170基本上与间隔体150a和150b平齐。
如图3e所示，又在其上沉积第二保护层180并图案化，以便限定具有表面192的隔膜10。结果如图3f所示。作为最后一步，再次去除牺牲层130，以形成图3g的结构。
图4a示出包括接触区域的隔膜10的顶视图，其中在该接触区域间隔体150a和150b接触隔膜10。
图4b示出缩放的隔膜10，如相应地降低尺寸的隔膜10。在本文中，与现有技术不同，接触区域150a和150b也依照隔膜10的尺寸缩放。在两种情况中，隔膜10展示出在间隔体150a和150b接触到隔膜10的接触区域上不存在交迭。
图4c示出隔膜10与间隔体150b之间缩放的接触。隔膜10定位在间隔体150b上且没有任何交迭。
与现有技术相比，独创性的方法在几个方面具有优点。例如，采用较佳地包括钨的间隔体150a和150b，且采用较佳地包括多晶硅(a-Si)的牺牲层130的独创性工艺能够降低IR敏感像素的尺寸。采用光敏聚酰亚胺的传统工艺具有必须大于约3μm的最小孔尺寸。即使在聚酰亚胺中如果较小的孔是可能的(如，采用聚酰亚胺上的光刻胶和氧化物的多层掩模，随后所述掩模可采用包括氧等离子体的各向异性刻蚀工艺而被打开)，所述孔也不能被填满，或可能仅不充分地被填满，例如采用钨。采用CVD方法的钨沉积通常要求大于450℃的温度，而在该温度聚酰亚胺不再稳定。
另一方面，利用a-Si作为牺牲层130是耐热的，且能够使由如钨组成的间隔体150a和150b的沉积具有好的质量，如在CMOS工艺中多层金属化已经常用一样。例如，可在a-Si层中刻蚀进具有很小直径和高纵横比(深度/直径)的孔，如所熟知的在DRAM中的沟槽的制造。a-Si层是稳定的，使得如采用Ar离子的相对强烈的回刻工艺能够在沉积接触层160(例如通过溅射Ti/TiN)之前。这降低间隔体150a，b与接触层160之间的接触电阻，并改善接触层160与间隔体150a，b的粘接。
由于所提及的工艺(除沉积并各向异性去除示例性a-Si牺牲层130之外)可从任何现代的CMOS工艺获得，所得到的具有位于间隔体150a，b上的隔膜10的结构可被缩放至具有小的直径。例如，0.25μm工艺使得间隔体150a，b的直径小于0.5μm，支撑臂可与间隔体150a，b的直径一样宽，且它们至隔膜10可具有0.25μm的距离。
因此，独创性工艺的本质优点是，间隔体150a，b可被缩放至具有明显地较小的尺寸，同时仍表现出至隔膜10的足够的粘接。从而，通过隔膜10移动间隔体150a，b，以及以值x和y计算的交迭不是必要的，而在具有插塞26a，b的情况中是必要的。在本发明的实施例中，可进一步省略桥状物76a，b的形成，这导致填充因数和改善的机械稳定性的进一步增加。
此外，独创性工艺能够使测辐射热仪或测辐射热仪阵列的制造具有较小的像素尺寸，且具有较低的费用。
因此，具有稳定的高填充因数的20 x 20μm2或15 x 15μm2像素是可能的。测辐射热仪阵列内各隔膜10之间的距离例如可以是0.5μm，使得像素节距(从像素中心至另一像素中心的距离)也可以是15-20μm。
如上所述，本发明的两个实施例基于两种工艺流程。这两种工艺流程总结如下，同时指明首选材料、层厚度、采用的方法等。
工艺流程A
提供具有钝化表面的CMOS片；
沉积金属反射镜120和用于连接CMOS隔膜的两个终端片110a、110b，如由薄铝Al(如，100-200nm，因此仅小的范围)制成；
沉积约2.5μm的a-Si(作为牺牲层130)；
或者，采用CMP工艺平坦化该表面；
第一保护层140的氧化物沉积(约200nm)；
采用图像技术定义贯穿开口150a’和150b’(直径约0.5-1μm)；
氧化物刻蚀、硅各向异性刻蚀停止在终端片110a和110b的衬垫金属上；
在贯穿开口150a’和150b’内溅射Ti/TiN隔离物；
采用钨CVD工艺，填充贯穿开口150a’和150b’；
采用CMP方法，从该表面去除钨和Ti/TiN；
后面喷溅；
溅射接触层160；TiN减薄(用于层电阻377Ω/□)；
采用图像技术刻蚀接触层160(去除实际电阻器下的TiN)，形成间隙162；
沉积a-Si，掺杂，用于测辐射热仪电阻器170；
采用图像技术，刻蚀a-Si，图案化电阻层170；
采用CVD工艺沉积氧化物，以形成第二保护层180(约30nm)；
采用图像技术，定义隔膜区域，并暴露终端臂；
尽可能远地刻蚀各层，进入a-Si牺牲层130；
去除a-Si牺牲层130，例如采用高选择性氧化物(几乎不被侵蚀)，气态XeF2中各向同性刻蚀。
工艺流程B
提供具有钝化表面的CMOS片；
沉积金属反射镜120和用于连接CMOS隔膜的两个终端片110a、110b，如由薄铝Al(如，100-200nm，因此仅小的范围)制成；
沉积约2.5μm的a-Si(作为牺牲层130)；
或者，采用CMP工艺平坦化该表面；
第一保护层140的氧化物沉积(约200nm)；
采用图像技术定义贯穿开口150a’和150b’(直径约0.5-1μm)；
氧化物刻蚀、硅各向异性刻蚀停止在终端片110a和110b的衬垫金属上；
在贯穿开口150a’和150b’内溅射Ti/TiN隔离物；
采用钨CVD工艺，填充贯穿开口150a’和150b’；
采用CMP方法，从该表面去除钨和Ti/TiN；
后面喷溅(backsputtering)
沉积a-Si，掺杂，用于测辐射热仪电阻器170；
采用CVD工艺沉积氧化物，以形成绝缘层210(约30nm)；
采用图像技术，图案化该绝缘层210的氧化物；
采用图像技术，图案化测辐射热仪电阻器170；
溅射接触层160；TiN减薄(用于层电阻377Ω/□)；
采用CVD工艺沉积氧化物，以形成第二保护层180(约30nm)；
采用图像技术，定义窄的凸纹(ridge)区域76a和76b，刻蚀氧化物(第二保护层180)、TiN(接触层160)、a-Si(电阻层170)和另一氧化物(第一保护层140)；
采用图像技术，隔离该隔膜10的TiN层160；
刻蚀第二保护层180的氧化物和接触层160的TiN，并产生柱状物250a和250b；
采用CVD工艺沉积氧化物(约30nm)，以保护接触层160；
去除a-Si牺牲层130，例如采用高选择性氧化物(几乎不被侵蚀)，气态XeF2中各向同性刻蚀。
上述指明的材料仅仅是作为允许很好的工艺的例子。例如，一些可供选择的包括下列替换。
可选择地，a-Si牺牲层130可采用ClF3(三氟化氯)或采用各向异性SF6等离子体(氟化硫等离子体)进行刻蚀。牺牲层130也可包括耐热聚合物(如聚酰亚胺)。随后可采用各向异性O2等离子体刻蚀用于间隔体150a和150b的贯穿开口150a’和150b’，也可采用O2等离子体去除牺牲层。
当在刻蚀步骤中去除牺牲层130时，重要的是在刻蚀步骤期间保护电阻层170和/或接触层160。在这结束后，存在保护层140是有好处的。该材料如此较佳地选择，使得在去除牺牲层130的步骤中，它不或几乎不被侵蚀。然而，如果存在一种可用的方法，该方法去除牺牲层130，而不侵蚀电阻层170和/或接触层160，则也可在其它实施例中省略第一保护层140。
依赖温度的电阻层170也可以包括例如不同的半导体材料(VOx、GaAs、有机半导体或其它)。代替氧化硅层，也可以采用氮化硅层(或二者的结合)。
Claims (31)
1.一种测辐射热仪，包括：
隔膜(10)；
第一间隔体(150a)；及
第二间隔体(150b)，
该隔膜(10)包括电阻层(170)和接触层(160)，该接触层(160)在朝向基底的一侧包括第一接触区域、第二接触区域，该第一间隔体(150a)在该第一接触区域电接触该接触层(160)，该第二间隔体(150b)在该第二接触区域电接触该接触层(160)，且所述第一和第二间隔体(150a)、(150b)将该隔膜(10)保持为远离该基底预定的距离(198)，且
该接触层(160)由间隙(162)横向截断，使得该接触层(160)被划分为至少两部分，该接触层的第一部分(160a)包括该第一接触区域，且该接触层的第二部分(160b)包括该第二接触区域，并且从该第一接触区域至该第二接触区域在该接触层(160)内不存在直接连接，并且
该电阻层(170)与该接触层(160)的该第一部分(160a)接触，并与该接触层(160)的该第二部分(160b)接触。
2.根据权利要求1所述的测辐射热仪，其中该隔膜(10)还包括：
第一保护层(140)；及
第二保护层(180)，
该电阻层(170)和该接触层(160)在该第一保护层(140)和该第二保护层(180)之间延伸。
3.根据权利要求1或2所述的测辐射热仪，其中：该隔膜(10)横向末端基本上与该第一间隔体(150a)和该第二间隔体(150b)平齐。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的测辐射热仪，其中：该预定距离(198)等于红外波长的四分之一。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的测辐射热仪，其中：接触层(160)包括层厚，使得该隔膜(10)的层电阻对应于空气中的电磁波的特征阻抗。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的测辐射热仪，其中：该基底包括反射器(120)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的测辐射热仪，其中：在背离该基底的一侧的顶视图中，该隔膜(10)包括大致正方形的形状，且其中该第一间隔体(150a)和该第二间隔体(150b)位于对角顶点处。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的测辐射热仪，其中：该间隙(162)具有宽度，使得归因于在该第一接触区域和第二接触区域之间流动的电流而贡献给该测辐射热仪的测量电阻器的电阻在近似1kΩ和100MΩ的范围之间。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的测辐射热仪，其中：如此选择该间隙(162)的位置，使得从该第一间隔体(150a)至该第二间隔体(150b)的电流在已经经过一定的距离后，到达该间隙(162)，并且其中所述经过的距离尽可能地等于由该电流在从间隙(162)至该第二间隔体(150b)的途中所经过的距离。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的测辐射热仪，其中：该隔膜(10)还包括设置在该电阻层(170)和该接触层(160)之间的绝缘层(210)，并且其中该电阻层(170)位于朝向该基底的一侧上。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的测辐射热仪，其中：该隔膜(10)还包括设置在该接触层(160)和该电阻层(170)之间的绝缘层(210)，并且其中该接触层(160)位于朝向该基底的一侧上。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的测辐射热仪，其中该隔膜(10)还包括第一凸纹(76a)和第二凸纹(76b)，且该第一凸纹(76a)将该隔膜(10)连接至该第一间隔体(150a)，及该第二凸纹(76b)将该隔膜(10)连接至该第二间隔体(150b)，使得该隔膜(10)与该第一间隔体(150a)和该第二间隔体(150b)热绝缘。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的测辐射热仪，其中：该电阻层(170)包括多晶硅或氧化钒。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的测辐射热仪，其中：该接触层(160)包括氮化钛。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的测辐射热仪，其中：第一间隔体(150a)和/或该第二间隔体(150b)包括钨或铜。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的测辐射热仪，其中：该基底还包括用于接触该第一间隔体(150a)和该第二间隔体(150b)的第一终端片(110a)和第二终端片(110b)。
17.一种制造测辐射热仪的方法，包括：
a)提供衬底(100)；
b)在该衬底(100)上沉积牺牲层(130)；
c)形成第一贯穿开口(150a’)和第二贯穿开口(150b’)；
d)分别在第一和第二贯穿开口(150a’)、(150b’)中形成第一和第二间隔体(150a)、(150b)；
e)涂敷接触层(160)，使得该接触层(160)在朝向衬底(100)的一侧包括第一接触区域和第二接触区域，该接触层(160)在该第一接触区域与该第一间隔体(150a)接触，该接触层(160)在第二接触区域与该第二间隔体(150b)接触；
f)图案化该接触层(160)，以在其中形成间隙(162)，使得该接触层(160)被划分成两部分，该接触层的第一部分(160a)包括该第一接触区域，且该接触层的第二部分(160b)包括该第二接触区域，并且从该第一接触区域至该第二接触区域在该接触层(160)中不存在直接连接；
g)涂敷电阻层(170)，使得该电阻层(170)与该接触层(160)的该第一部分(160a)接触，并与该接触层(160)的该第二部分(160b)接触，该电阻层(170)和接触层(160)形成该测辐射热仪的隔膜(10)；
h)图案化该隔膜(10)的轮廓；及
i)去除该牺牲层(130)。
18.根据权利要求17的方法，还包括：在步骤a)和步骤b)之间沉积反射器(120)的步骤。
19.根据权利要求17或18的方法，还包括：在步骤f)和步骤g)之间，涂敷绝缘层(210)的步骤，使得该绝缘层(210)在第一接触点(175a)处保持敞开该第一部分(160a)，在第二接触点(175b)处保持敞开该第二部分(160b)。
20.根据权利要求17至19中任一项的方法，其中：涂敷牺牲层(130)的步骤如此进行，使得该牺牲层(130)包括对应于红外波长四分之一的层厚。
21.根据权利要求17至20中任一项的方法，其中：涂敷接触层(160)的步骤如此进行，使得该接触层(160)包括层厚，以便该隔膜(10)的薄层电阻对应于空气中的电磁波的特征阻抗。
22.根据权利要求17至21中任一项的方法，其中步骤a)包括下列子步骤：
a1)提供衬底(100)；及
a2)形成第一终端片(110a)和第二终端片(110b)，
该第一终端片(110a)接触该第一间隔体(150a)，且第二终端片(110b)接触该第二间隔体(150b)。
23.根据权利要求17至22中任一项的方法，其中：涂敷牺牲层(130)的步骤包括采用多晶硅或氧化矾。
24.根据权利要求17至23中任一项的方法，其中：涂敷接触层(160)的步骤包括采用氮化钛，且填充第一和第二贯穿开口(150a’)、(150b’)的步骤包括采用钨或铜。
25.根据权利要求17至24中任一项的方法，其中：步骤b)包括化学气相沉积。
26.一种制造测辐射热仪的方法，包括：
a)提供衬底(100)；
b)在该衬底(100)上沉积牺牲层(130)；
c)形成第一贯穿开口(150a’)和第二贯穿开口(150b’)；
d)在第一贯穿开口(150a’)中形成第一间隔体(150a)，且在第二贯穿开口(150b’)中形成第二间隔体(150b)；
e)横向涂敷电阻层(170)，使得该电阻层(170)不与第一和第二贯穿开口(150a’)、(150b’)内的导电材料接触；
f)在该电阻层(170)背离该衬底(100)的一侧上涂敷绝缘层(210)，使得该绝缘层(210)在第一接触点(175a)和在第二接触点(175b)处将该电阻层(170)保持为敞开；
g)涂敷接触层(160)，使得该接触层(160)在朝向衬底(100)的一侧包括第一接触区域和第二接触区域，在该第一接触区域接触层(160)与该第一间隔体(150a)接触，在第二接触区域接触层(160)与该第二间隔体(150b)接触，并且使得该接触层(160)与该电阻层(170)的第一接触点(175a)和第二接触点(175b)接触；
h)图案化该隔膜(10)的轮廓；
i)图案化该接触层(160)，以在其中形成至少一个间隙(162)，使得该接触层(160)被划分成至少两部分，接触层的第一部分(160a)包括该第一接触区域和该电阻层(170)的第一接触点(175a)，且接触层的第二部分(160b)包括该第二接触区域和该电阻层(170)的第二接触点(175b)，并且从该第一接触区域至该第二接触区域在该接触层(160)中不存在直接连接；
j)去除该牺牲层(130)。
27.根据权利要求26的方法，还包括：
图案化该隔膜(10)，以在其中形成第一凸纹(76a)和第二凸纹(76b)，该第一凸纹(76a)与该第一间隔体(150a)接触，且该第二凸纹(76b)与该第二间隔体(150b)接触，并且该第一凸纹(76a)和第二凸纹(76b)使该电阻层(170)尽可能大的一部分与该第一间隔体(150a)和该第二间隔体(150b)热绝缘。
28.根据权利要求26或27的方法，在步骤a)和步骤b)之间还包括下列步骤：
沉积反射器(120)；
形成第一终端片(110a)和第二终端片(110b)；及
该第一终端片(110a)接触该第一间隔体(150a)，且该第二终端片(110b)接触该第二间隔体(150b)。
29.根据权利要求26至28中任一项的方法，其中：涂敷包括层厚的牺牲层(130)的步骤如此进行，使得该牺牲层(130)包括对应于红外波长四分之一的层厚。
30.根据权利要求26至29中任一项的方法，还包括：沉积第一保护层(140)的步骤和/或沉积第二保护层(180)的步骤，沉积第一保护层(140)的步骤在步骤b)和步骤c)之间进行，且沉积第二保护层(180)的步骤在步骤i)和步骤j)之间进行。
31.根据权利要求26至30中任一项的方法，其中：图案化该接触层(160)的步骤包括形成第二间隙(250b)，使得该接触层(160)还包括第三部分(160c)，且其中涂敷接触层(160)的步骤如此进行，使得该第三部分(160c)包括层厚，从而该隔膜(10)的薄层电阻对应于空气中的电磁波的特征阻抗。
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