CN102326255A - 电磁辐射传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成半导体传感器(100)的方法，包括：提供基体(102)；在基体上形成反射层(104)；在反射层上形成牺牲层；在牺牲层上形成厚度小于约50nm的吸收体层(106)；在吸收体层中形成一体地具有至少一个悬伸支脚(110)的吸收体；以及移除牺牲层。

Description

电磁辐射传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体传感器器件以及制造这种器件的方法。
背景技术
根据已知普朗克辐射定律、斯蒂芬-玻尔兹曼定律和维恩位移定律的这些定律，处于任何非零温度下的物体都会辐射可描述为电磁波或光子的电磁能量。维恩位移定律表明，物体最大辐射时的波长(λmax)与物体的温度成反比，可用以下等式来近似表示：
λ max ( μm ) ≈ 3000 T ( K )
因此，对于温度接近室温的物体而言，所发射的大部分电磁辐射处于红外区域内。由于CO2、H2O以及其它气体和物质的存在，地球上的大气层吸收具有特定波长的电磁辐射。然而，测量已经呈现，存在着吸收最小的“大气窗口”(atmosphere window)。这种“窗口”的一个示例为8μm-12μm的波长范围。另一个窗口出现在3μm-5μm的波长范围处。通常，温度接近室温的物体发射接近10μm波长的辐射。因此，由接近室温的物体所发射的电磁辐射仅由地球大气层最小地吸收。因此，对比室温更温或更冷的物体的存在的检测，是易于通过使用能测量由这种物体所发射的电磁辐射的检测器来实现。
电磁辐射检测器的一种通常使用的应用是用于在人或车辆接近时自动地激励或点亮车库门灯。另一种应用是热成像。在可用于驾驶员辅助的夜视系统中的热成像应用中，来自景象的电磁辐射聚焦到检测器阵列上。热成像技术与使用光电倍增器来放大任何数量的现有微弱可视光的技术、或者与使用近红外(～1μm波长)照明和近红外照相机的技术是截然不同的。
两种类型的电磁辐射检测器是“光子检测器”和“热检测器”。光子检测器通过使用入射光子的能量以激励材料中的电荷载体，来检测入射光子。材料的激励然后进行电子化检测。热检测器也检测光子。然而，热检测器使用所述光子的能量以增加元件的温度。通过测量温度的变化，能确定产生温度变化的光子的强度。
在热检测器中，由入射光子引起的温度变化可使用取决于温度的电阻器(热敏电阻)、焦热电效应、热电效应、气体膨胀以及其他方法来测量。热检测器的一个优点(尤其用于长波红外检测)在于，不同于光子检测器，热检测器不需要低温冷却以实现可接受水平的性能。
一种类型的热传感器已知为“辐射热测量计(bolometer)”。尽管术语“辐射热测量计”的词源覆盖用来测量辐射的任何器件，辐射热测量计通常理解为这样一种的热检测器，其依赖于热敏电阻来检测在长波红外窗口(8μm-12μm)或在中波红外窗口(3μm-5μm)中的辐射。
由于辐射热测量计必须首先吸收入射电磁辐射以感应温度变化，辐射热测量计中的吸收体的效率与辐射热测量计的敏感度和准确性有关。理想地，期望入射电磁辐射接近100％地进行吸收。理论上，金属薄膜(其薄层电阻(欧姆/平方)等于自由空间的特性阻抗、且放置于光学厚度d的介质或真空间隙上方)对于波长4d的电磁辐射而言将具有100％的吸收系数。以下公式示出自由空间的特性阻抗(Y)的表达式：
Y = μ 0 ϵ 0
其中，ε0是真空介电常量(vacuum permittivity)，并且μ0是真空磁导率(vacuum permeability)。
自由空间的特性阻抗的数值接近377欧姆。间隙的光程被限定为“nd”，这里n是电介质、空气或真空的折射率。
过去，微机电系统(MEMS)已经证明在各种应用场合中为有效方案，这是由于MEMS器件呈现的灵敏性、空间和时间分辨率和低功率要求。一种这样的应用是作为辐射热测量计。已知的辐射热测量计使用用作吸收体和作为机械支架的支撑材料。通常，支撑材料是氮化硅。热敏薄膜形成于吸收体上以用作热敏电阻。具有附接热敏电阻的吸收体结构通过悬伸支脚被锚固至基体，其中悬伸支脚具有高的热敏电阻，以使得入射电磁辐射能够在传感器上产生较大的温度升高。
用来微加工悬伸元件的传统技术涉及材料的沉积，比如通过使用光致抗蚀剂在将会最后移除的“牺牲”层上方进行旋涂或聚合物涂覆。薄膜金属的沉积或半导体的沉积可使用多种技术实施，包括低压化学蒸汽沉积(LPCVD)、外延生长、热氧化、等离子体增强化学蒸汽沉积(PECVD)、溅射以及蒸发。
然而，就辐射热测量计的制造而言，已知工艺具有固有的限制。例如，为了保持功能性，硅晶片不能暴露至高于约450℃的温度。这个温度限制排除了上面提到的几种沉积技术。
另外，非常难以使用传统的溅射、蒸发或PECVD的沉积技术来可靠地制造悬伸薄膜金属，这是因为不良的阶梯覆盖、厚度均匀性和控制、以及应力控制等的问题。
因此，需要一种有效且准确的辐射热测量计。进一步的需要是制造容易且便宜的测量计。
发明内容
根据一个实施例，本发明提供了一种形成半导体传感器的方法，其包括：提供基体；在基体上形成反射层；在反射层上形成牺牲层；在牺牲层上形成厚度小于约50nm的吸收体层；在吸收体层中形成一体地具有至少一个悬伸支脚的吸收体；以及移除牺牲层。
在又一个实施例中，一种互补金属氧化物半导体(CMOS)型的传感器器件包括互补金属氧化物半导体(CMOS)基体、形成于基体上的至少一个反射元件、以及与所述至少一个反射元件隔开的至少一个吸收体，其中所述至少一个吸收体通过原子层沉积形成。
在又一个实施例中，一种互补金属氧化物半导体(CMOS)型的传感器器件包括：互补金属氧化物半导体(CMOS)基体、形成于基体上的至少一个反射元件、以及与所述至少一个反射元件隔开的至少一个吸收体，其中所述至少一个吸收体包括小于50nm的最大厚度，并且具有良好的噪音等效温差(NETD)。
附图说明
图1示出根据本发明原理的、具有吸收体的辐射热测量计器件的顶部透视图，其中吸收体提供热敏电阻的作用；
图2是图1的辐射热测量计的侧视图；
图3示出根据本发明原理的、具有吸收体的辐射热测量计器件的另一个实施例的顶部透视图，其中吸收体提供热敏电阻的作用；
图4示出图3的辐射热测量计的侧视图；
图5示出基体的横截图，其在这个实施例中是互补金属氧化物半导体(CMOS)，其可用来形成根据本发明原理的器件；
图6示出图5的基体的横截图，其具有形成于基体上的牺牲层以及蚀刻于牺牲层中的通道；
图7示出图6的基体在导电支柱已经形成于蚀刻通道中之后的横截图；
图8示出图7的基体的横截面，其具有沉积于导电支柱上以及在牺牲层在导电支柱之间的部分上的吸收体层；
图9示出图8的基体的顶部平面图，在沟已经蚀刻穿过吸收体层至牺牲层之后以形成悬伸支脚和吸收体；
图10示出根据本发明原理的、具有吸收体的辐射热测量计器件的另一个实施例的顶部透视图，其提供热敏电阻的作用；
图11示出图10的器件的顶视图；
图12示出基体的横截图，其在这个实施例中是互补金属氧化物半导体(CMOS)，并具有形成于基体上的反射层；
图13示出图12的基体的横截图，其具有形成于基体上的牺牲层以及蚀刻于牺牲层中的通道；
图14示出图13的基体的横截图，在导电弹性支柱的基部已经形成于蚀刻通道中之后；
图15示出图14的基体的横截图，其具有形成于基体上的另一个牺牲层以及蚀刻于牺牲层中的通道；
图16示出图15的基体的横截图，其中在导电弹性支柱的下部交叉部分已经形成于蚀刻通道中、另一个牺牲层形成于基体上且通道蚀刻于牺牲层中之后；
图17示出图16的基体的横截图，在导电弹性支柱的中心直立部分已经形成于蚀刻通道中之后；
图18示出图15的基体的横截图，其具有形成于基体上的另一个牺牲层以及蚀刻于牺牲层中的通道；
图19示出图18的基体的横截图，在导电弹性支柱的上部交叉部分已经形成于蚀刻通道中、另一个牺牲层形成于基体上且通道蚀刻于牺牲层中之后；
图20示出图19的基体的横截图，在导电弹性支柱的上部直立部分已经形成于蚀刻通道中、吸收体层沉积于导电弹性支柱上以及位于牺牲层的在导电支柱之间的部分上之后；并且
图21示出图20的器件在牺牲层移除之下的横截图。
具体实施方式
为了便于对本发明原理的理解，现在将参照附图中示出并且在以下的说明书中描述实施例。可以理解，这不是要限制本发明的范围。还理解到，本发明包括对所示实施例的任何替代和变型并且还包括本发明原理对本领域技术人员而言将是显而易见的其他应用。
图1示出半导体传感器100(其在这个实施例中是辐射热测量计)的透视图。传感器100可形成于互补金属氧化物半导体(CMOS)基体上或另一种类型的基体上。传感器100包括基体102、镜面部(mirror)104以及吸收体(absorber)106。基体102在这个实施例中是可包括一个或多个传感器100的硅晶片或硅晶圆，包括电子电路，用来存取传感器100的输出。
镜面部104例如可以是金属反射器或多层电介质反射器。吸收体106通过悬伸支脚108和110而与镜面部104隔开。在这个实施例中，镜面部104和吸收体106之间的间隙是大约2.5μm。所述间隙在这个实施例中被选择为优化在长波红外区域中的吸收。
除了吸收来自入射光子的能量以外，吸收体106被选择为提供良好的噪音等效温差(noise-equivalent temperature difference，NETD)。为了使吸收体106具有良好的NETD，被选择来形成吸收体106的材料应当呈现或具有高的电阻温度系数，同时呈现或具有低的过量噪音(1/f噪音)。半导体材料(比如钒氧化物)由于其高的电阻温度系数，在微加工或精细加工的辐射热测量计中较为常见。虽然金属与一些半导体材料(比如钒氧化物)相比具有低的电阻温度系数，但是与众多的半导体材料相比，金属通常具有低得多的过量噪音。
因此，在一个实施例中，吸收体106由金属制成。钛和铂是呈现期望特性的两种金属。钛，例如呈现大约7×10-7欧姆的体电阻率。使用7×10-7欧姆的体电阻率，与自由空间的阻抗(377欧姆/平方)相匹配的吸收体106厚度是大约1.9nm。然而，被形成为厚度小于约50nm的材料的电阻率可以是这个体电阻率值的数倍。因此，取决于工艺参数，如果吸收体106由钛制成，吸收体106的厚度优选地是大约10nm。杂质也能在形成期间引入吸收体106，以便调节电阻率(如果需要的话)。
因此，吸收体106在这个实施例中的厚度是大约10nm，并且吸收体106从悬伸支脚108至悬伸支脚110的长度是大约25μm。这个构造提供吸收体106的厚度和吸收体106的长度之间的比率是在1/1000的数量级，并且吸收体106的厚度与间隙宽度的比率为大约1/100。
支脚108和110为吸收体106提供机械支撑，并且被设计为具有高的热阻率。在支脚108和110以及吸收体106两侧所测量的传感器总电阻由以下公式限定：
R＝2Rs+Ra
其中Rs是每个悬伸支脚108和110的电阻，并且Ra是薄膜吸收体106的电阻。
在吸收体106受到电磁辐射的照射时，吸收体106的温度增加ΔT。假定沿着悬伸支脚108和110的温度廓线是线性的，则悬伸支脚108和110的平均温度增加是ΔT/2。传感器在入射辐射时的电阻改变量ΔR由以下公式给出：
ΔR = 2 α R s ΔT 2 + α R a ΔT
其中α是薄膜的电阻温度系数。求解前述公式得到以下的公式：
ΔR＝αΔT(Rs+Ra)
由于支脚108和110被设计为具有高的热阻率，传感器100的总电阻由悬伸支脚108和110的电阻决定(即，Rs比Ra大得多)，因此：
ΔR≈αΔTRs
因而，在电磁辐射(例如红外光)到达传感器100时，电磁辐射在吸收体106的薄膜金属内吸收，其效率取决于吸收体106的电阻率、镜面部104的品质、吸收体106和镜面部104之间的间隙高度、以及辐射波长。在吸收入射辐射时，吸收体106在温度上增加。这个温度的增加又导致吸收体106的电阻率的降低或增加。然后，吸收体106被电子探测，以测量吸收体106的电阻率，并且因而间接地测量在吸收体106上的入射电磁辐射的量。
可替代的半导体传感器120在图3中示出。半导体传感器120在这个实施例中也是可形成于CMOS基体上的辐射热测量计。传感器120包括基体122、镜面部124以及吸收体126。基体122(其在这个实施例中是可包括一个或多个传感器120的硅晶片)包括电子电路，其用来存取传感器120的输出。
吸收体126由悬伸支脚128和130支撑。然而，吸收体126和镜面部124之间的间隙在这个实施例中是由支柱132和134控制。除了在吸收体126和镜面部124之间形成间隙以外，支柱132和134还提供与悬伸支脚128和130的电接触。传感器120的操作与传感器100的操作基本上相同。
由于沉积金属和半导体的典型电阻率，悬挂或悬伸的薄膜必须具有低于50nm的厚度。沉积技术的特点(公知为原子层沉积)优于传统微加工技术，例如溅射和蒸发。这种器件超过现有技术的一个优点是制造的简单性。
传感器120的制造开始于制备在图5中示出的基体140，其具有形成于基体140上的镜面部142。然后，材料牺牲层144沉积于基体140上，并且蚀刻出通道146和148(参见图6)。导电支柱150和152然后如图7中所示地形成于通道146和148中。吸收体层154然后形成于导电支柱150和152上、以及在导电支柱150和155之间的牺牲层144的上方(参见图8)。“吸收体层”是呈现为从入射光子处进行高效能量吸收以及具有良好的噪音等效温差(NETD)的材料层。如这里使用的，“良好的NETD”意味着所述材料可用作热敏电阻以及吸收体。
吸收体层154优选地通过原子层沉积(ALD)来形成。ALD用来通过将基体按顺序地暴露至几个不同的前驱体(precursor)来沉积材料。典型的沉积循环通过将基体暴露至前体“A”开始，其中前体“A”再与基体表面反应直到饱和。这被称为“自终止反应”。接着，基体暴露至前体“B”，其与表面反应直到饱和。第二自终止反应将表面重新激活。所述重新激活允许前体“A”与表面反应。沉积循环理想地产生一个原子层，其中另一原子层可形成于其上。因此，吸收体层154的最终厚度由基体所暴露的循环次数来控制。
通常，在ALD中使用的前体包括有机金属前体和氧化剂(比如水蒸汽或臭氧)。原子层沉积在近年来备受关注，这是因为其能允许在优越的厚度控制、均匀性和一致性的情况下、在相对低温下生长成超薄薄膜。
一旦形成吸收体层154，吸收体层154被蚀刻，以形成悬伸支脚156和158以及吸收体160(图9)。牺牲层144然后被移除以释放吸收体160，最终产生如参照图3和4讨论的构造。
替代的半导体传感器200在图10中示出。半导体传感器200在这个实施例中也是可形成于CMOS基体上的辐射热测量计。传感器200包括基体202、镜面部204和吸收体206。基体202(其在这个实施例中是可包括一个或多个传感器200的硅晶片)包括用来存取传感器200的输出的电子电路。
吸收体206由悬伸支脚208和210支撑。在吸收体206和镜面部204之间的间隙在这个实施例中是由弹性支柱212和214控制。除了在吸收体206和镜面部204之间形成间隙以外，弹性支柱212和214还提供与悬伸支脚208和210的电接触。传感器200的操作与传感器100的操作基本上相同。
传感器200的制造开始于制备在图12中示出的基体220，其具有形成于基体220上的镜面部222。然后，材料牺牲层224沉积于基体220上，并蚀刻出通道226和228(参见图13)。导电支柱的基部230和232然后如图14中所示地形成于通道226和228中。然后，另一个材料牺牲层234沉积于牺牲层224上，并且蚀刻出通道236和238(参见图15)。在导电支柱的下部交叉部分240和242形成于通道236和238中(参见图16)之后，材料牺牲层244然后沉积于牺牲层224上，并且蚀刻出通道246和248。中间立柱250和252然后形成于通道236和238中(图17)。
然后，另一个材料牺牲层254沉积于牺牲层244上，并且蚀刻出通道256和258(参见图18)。在导电支柱的上部交叉部分260和262形成于通道256和258中(参见图19)之后，材料牺牲层264然后沉积于牺牲层254上，并且蚀刻出通道266和268。顶部立柱270和272然后形成于通道266和268中(图20)，并且吸收体层274然后形成于顶部立柱270和272上、以及形成在导电支柱和顶部立柱270和272之间的牺牲层264的上方。
一旦形成吸收体层274，吸收体层274被蚀刻以形成悬伸支脚(参见图11的支脚208和210)和吸收体(参见图11的吸收体206)。然后，可使用相同材料的牺牲层224、234、244、254和264被移除，以释放吸收体206(图20)，从而产生如参照图10和11讨论的构造。
虽然本发明已经在附图和前面描述中示出和描述，但是这在性质上应当视为是示例性的，而非限制性的。理解到，仅仅是优选实施例已经呈现并且期望保护落入本发明精神内的所有变化、变型和其他应用。

Claims (22)

1.一种形成半导体传感器的方法，其包括：
提供基体；
在基体上形成反射层；
在反射层上形成牺牲层；
在牺牲层上形成厚度小于约50nm的吸收体层；
在吸收体层中形成一体地具有至少一个悬伸支脚的吸收体；以及
移除牺牲层。
2.根据权利要求1的方法，还包括：
在牺牲层中形成至少一个通道；以及
在所述至少一个通道内形成至少一个导电支柱，其中形成吸收体的步骤包括在所述至少一个导电支柱上形成所述至少一个悬伸支脚的至少一部分。
3.根据权利要求1的方法，其中形成吸收体的步骤包括在牺牲层上形成厚度为大约10nm的吸收体层。
4.根据权利要求1的方法，其中形成吸收体层的步骤包括：
将牺牲层的表面暴露于第一自终止反应物；以及
在将牺牲层的表面暴露于第一自终止反应物之后，将牺牲层的表面暴露于第二自终止反应物。
5.一种互补金属氧化物半导体(CMOS)型的传感器器件，其包括：
互补金属氧化物半导体(CMOS)基体；
形成于所述基体上的至少一个反射元件；以及
与所述至少一个反射元件隔开的至少一个吸收体，所述至少一个吸收体通过原子层沉积形成。
6.根据权利要求5的传感器器件，其中所述至少一个吸收体的最大厚度小于50nm。
7.根据权利要求6的传感器器件，其中所述至少一个吸收体的最大厚度大约是10nm。
8.根据权利要求6的传感器器件，其中所述至少一个吸收体与所述至少一个反射元件隔开大约2.5μm。
9.根据权利要求5的传感器器件，还包括：
从CMOS基体向上延伸的至少一个导电支柱；以及
由所述至少一个导电支柱支撑的至少一个悬伸支脚，所述至少一个悬伸支脚支撑着所述至少一个吸收体。
10.根据权利要求9的传感器器件，其中所述至少一个悬伸支脚通过原子层沉积形成。
11.根据权利要求5的传感器器件，还包括：
从CMOS基体向上延伸的至少一个悬伸支脚，所述至少一个悬伸支脚支撑着所述至少一个吸收体。
12.根据权利要求11的传感器器件，其中所述至少一个悬伸支脚通过原子层沉积形成。
13.根据权利要求5的传感器器件，其中：
所述至少一个反射元件包括多个反射元件；并且
所述至少一个吸收体包括通过原子层沉积形成的多个吸收体。
14.根据权利要求5的传感器器件，其中所述至少一个吸收体是由钛和铂构成的金属组及其合金中的至少一种所形成。
15.一种互补金属氧化物半导体(CMOS)型的传感器器件，其包括：
互补金属氧化物半导体(CMOS)基体；
形成于所述基体上的至少一个反射元件；以及
与所述至少一个反射元件隔开的至少一个吸收体，所述至少一个吸收体的最大厚度小于50nm，并且具有良好的噪音等效温差(NETD)。
16.根据权利要求15的传感器器件，其中所述至少一个吸收体通过原子层沉积形成。
17.根据权利要求16的传感器器件，其中所述至少一个吸收体的最大厚度是大约10nm。
18.根据权利要求15的传感器器件，其中所述至少一个吸收体与所述至少一个反射元件隔开大约2.5μm。
19.根据权利要求15的传感器器件，还包括：
至少一个悬伸支脚，其在所述至少一个反射元件上方支撑着所述至少一个吸收体。
20.根据权利要求19的传感器器件，其中所述至少一个悬伸支脚通过原子层沉积形成。
21.根据权利要求20的传感器器件，其中：
所述至少一个反射元件包括多个反射元件；并且
所述至少一个吸收体包括通过原子层沉积形成的多个吸收体。
22.根据权利要求15的传感器器件，其中所述至少一个吸收体是由钛和铂构成的金属组及其合金中的至少一种所形成。
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