CN103604506B - 一种远红外线感测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远红外线传感器，该远红外线传感器包含：一晶圆基底、一内联机单元及一图案化吸收层。本发明利用材料的选择与结构设计令该用以感测远红外线的图案化吸收层可以与该晶体管单元用同一个集成电路制程一起制作，同时藉由该空腔的高度控制令入射的远红外线形成共振、提高该图案化吸收层的吸收量，使得降低制程成本的同时也维持本发明远红外线感测芯片的灵敏度。

Description

一种远红外线感测芯片

技术领域

本发明属于集成电路领域，涉及一种远红外线感测芯片，尤其涉及一种与集成电路整合为单芯片且用于远红外线侦测的远红外线感测芯片。

背景技术

红外线感测装置的种类非常多，而红外线的感测应用之所以重要，是因为红外线的波长范围覆盖了室温下物体所发出热辐射的波段且透过云雾能力比可见光强，所以在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途；例如，人体于室温下便会散发波长约在中红外线至远红外线(Far Infrared,FIR)间、人眼不可见的热辐射，而透过红外线感测组件就能成为热影像、藉此捕捉其位置动态。

红外线感测装置通常可以区分为量子型与热型两大类。量子型传感器主要动作原理是利用光电效应，例如以硫化镉(CdS)、硫化铅(PbS)为材料的光电二极管，藉由入射光能量所激发的电子而产生的导电率变化或感应电动势来进行感测，量子型传感器虽然有较高的灵敏度、反应速度快，以及具有较佳的波长相关性，但材料成本昂贵且必须搭配冷却系统，因此传感器产品的整体价格也就居高不下、体积也相对庞大，无法广泛地应用于民生市场中。

另一种则是热型传感器，如作动原理利用焦电效应(Pyroelectric effect)的焦电型红外线传感器便是热型的代表作，而所谓焦电效应简单地说就是：利用温度的变化而产生电荷之现象。热型传感器虽然灵敏度、反应速度没有量子型传感器好，但可于室温下操作，不需再另外配设冷却装置；因此，若以大众化消费为目标且灵敏度普通的要求来看，热型传感器的研究方向是一个较佳的选择。

另外，众所皆知的是波长愈长的光，能量愈低，所以若是要用来侦测远红外线的焦电型红外线传感器通常也就需要焦电效应较有效率（也就是必须具有高电阻温度系数）的材料来做为感测膜，常见高电阻温度系数(Temperature Coefficientof Resistance;TCR)的材料有碲化汞镉(HgCdTe)或氧化钒(V₂O₅)，这些材料的物料成本高，且制程通常也都无法整合于集成电路制程而必须将远红外线的感测组件与转换电讯号的晶体管芯片分开制作后，再利用键合(Bonding)将感测组件与晶体管电连接；此种方式除了整体传感器的体积不易缩减外，键合技术也是导致良率不稳的问题点之一。

当然，为了提高制程效率，近年来也有朝向整合感测组件与晶体管的研究出现。例台湾专利申请号098132569(下称2569案)所揭露的一种红外线传感器，在一硅基板上利用一集成电路制程形成晶体管区域与具有一红外线检测组件的红外线感测区域，红外线检测组件包括有一用以吸收红外线的吸收单元，及一位在吸收单元上用以感测红外线并具有焦电特性的感温体；另外，硅基板还包括一对应感温体位置而形成的空洞，吸收单元是由硅氧化膜与硅氮化膜构成，而感温体是以聚硅膜(polysilicon)构成，因此由使用材料来看，2569案的确可以令红外线感测组件与晶体管组件的制程相整合，但必须配合其他结构设计，如增加红外线吸收的吸收单元、提升绝热效果以避免感温体的热太快散失导致讯号减弱等组件来加强感测度，且2569案的一大技术特点在于利用一补偿膜结构保护吸收单元与感温体，并抑制吸收单元与感温体的膜层翘曲以改善结构稳定性、提高感测效率。

虽然此2569案教导了组件整合的可能性，但如何基于制程整合的前提，进一步地改善传感器整体结构、降低成本以符合市场需求、提高市场竞争力，将温度传感器转为矩阵影像输出，即是申请人亟欲开发研究的方向之一。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种能与集成电路整合为单芯片且灵敏度佳的远红外线感测芯片。

本发明采用如下技术方案：

一种远红外线传感器，该远红外线传感器包含：

一晶圆基底，包括至少一以一集成电路制程制作的晶体管单元，该晶体管单元用以将一电阻变化转换为一电讯号；

一内联机单元，利用该集成电路制程形成于该晶圆基底上并包括一远离该晶圆基底的顶面、一由该顶面朝该晶圆基底方向延伸的内环面，及一连接该内环面之一底缘的基面，且该内环面与该基面配合界定出一形成于该内联机单元中的空腔；及

一图案化吸收层，藉由该集成电路制程的制作而设置于该内联机单元上且由非晶硅所构成，该图案化吸收层包括一位于该空腔上方的主体部及两连接该主体部并分隔设置的电接脚端部，该两电接脚端部分别与该内联机单元电连接，以将该图案化远红线吸收层因吸收该远红外线而产生的该电阻变化传递至该晶体管单元；

其中，自该主体部的一下表面至该内联机单元的基面的一最短距离为(2n+1)λ/4，且n为正整数或零。

优选的，所述内联机单元还包括多层成预定电连接配置图案的金属层，其中一金属层具有一反射区块，该反射区块位于该空腔下方，且该反射区块的一上表面是所述内联机单元的基面。

优选的，所述图案化吸收层的所述主体部具有一个相反于所述主体部的下表面且经粗糙化的上表面，而所述主体部的下表面是经平坦化以令其表面平整。

优选的，所述远红外线吸收层的厚度是50至400nm。

优选的，所述图案化吸收层的非晶硅是利用一电浆化学气相沉积法所制得，且其制程温度是小于400℃。

优选的，所述图案化吸收层还包括一辅助蚀刻孔道，该辅助蚀刻孔道位于所述主体部的一周缘，并由所述主体部的上表面延伸至其下表面，且该辅助蚀刻孔道连通所述内联机单元的空腔。

优选的，所述主体部成矩形平板状

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明利用材料的选择与结构设计令该用以感测远红外线的图案化吸收层可以与该晶体管单元用同一个集成电路制程一起制作，同时藉由该空腔的高度控制令入射的远红外线形成共振、提高该图案化吸收层的吸收量，使得降低制程成本的同时也维持本发明远红外线感测芯片的灵敏度。

附图说明

图1是一剖面图，说明本发明远红外线感测芯片的一较佳实施例；

图2是一俯视图，说明该较佳实施例的一图案化吸收层的实施态样；

图3是一俯视图，说明该图案化吸收层的另一实施态样。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参阅图1与图2，本发明远红外线感测芯片适用于侦测波长范围在8μm至14μm的远红外线，而本发明远红外线感测芯片之一较佳实施例包含一晶圆基底2、一位于该晶圆基底2上的内联机单元3、一位于该内联机单元3上的图案化吸收层4，并特别用来感测波长为λ的远红外线。

该晶圆基底2包括至少一用以将一电阻变化转换为一电讯号的晶体管单元21，且该晶体管单元21是以依预定的集成电路制程制作，在本较佳实施例中是绘示三个晶体管单元21，但可以轻易了解的是，在该集成电路制程中是依需求，如周边电路、电容器等等制作出所需要的晶体管数量与形式。

该内联机单元3亦是依该集成电路制程形成在该晶圆基底2上，包括一顶面311、一由该顶面311朝该晶圆基底2方向延伸的内环面312、一连接该内环面312之底缘的基面313、一由该内环面312与该基面313围绕界定而出的空腔310，且该空腔310的高度是被限制的，此限制高度容后再述。更详细地说，一般所知该内联机单元3是包括多层成预定电连接配置图案且由铝或铜构成的金属层32、多层绝缘支撑的介电层33，及多个电连接不同金属层32间的介层窗34，而为说明之便，本较佳实施例以两层金属层32为实施态样，并直接定义该金属层32最接近该晶圆基底2的金属层32为第一层32a、在远离该晶圆基底2的金属层32为第二层32b。

特别的是，该金属层32的第一层32a具有一位于该空腔310下方的反射区块321，也就是说，该反射区块321之上表面形成为该内联机单元3的基面313，且由于该反射区块321是在本较佳实施例中是以金属所构成，因此使得该基面313具有良好的光反射效果，当然，一般实施上也可以反射性佳的薄膜材料或结构代替制作。

该图案化吸收层4也是藉由相同的集成电路制程制作并设置于该内联机单元上，特别强调的是，本发明的图案化吸收层4是由非晶硅(Amorphous Silicon)所构成，可吸收远红外线后发生温度变化并因为焦电效应导致一电阻变化的产生，且非晶硅的形成是利用一电浆化学气相沉积法、并在制程温度是小于400℃下所制得，故，该图案化吸收层4可与所述晶体管单元21、该内联机单元3同时于芯片制作时一起形成，而不会因高温、特殊材料制程造成该晶体管单元21、该内联机单元3的破坏。

该图案化吸收层4藉由微影、蚀刻定义出一位于该空腔310上方的主体部41、两连接该主体部41并分隔设置的电接脚端部42，及一环绕于该主体部41周缘的辅助蚀刻孔道43。该主体部41具有一紧邻该空腔310的下表面411与一相反于该下表面411的上表面412，最特别的是该主体部41的下表面411与该内联机单元3的基面313的高度距离为(2n+1)λ/4，且n为正整数或零，λ是待感测的远红外线波长；也就是说，该空腔310的高度为所要吸收的远红外线四分之一波长成一正比关系，使得入射至该空腔310的远红外线在该空腔310中形成共振、增加该主体部41的远红外线吸收效率、进而改善侦测的灵敏度。

另外，该主体部41的下表面411可藉由该集成电路制程中的平坦化技术，如化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing;CMP)令该图案化吸收层4在沉积形成时即有较为平坦的界面，进而令后续蚀刻形成的该主体部41的下表面411更为平整以增加入射至该空腔310中远红外线的反射次数、改善共振效果、增加吸收能量；而该主体部41的上表面412则藉由粗糙化使得表面粗糙不平整以增加远红外线照射时的进光率。

该两电接脚端部42由该主体部41的两相反侧延伸，并分别电连接于相对应的介层窗34，而令该图案化吸收层4透过该内联机单元3与该晶圆基底2的该晶体管单元21电连接，藉此，该主体部41因为吸收远红外线后以焦电效应产生的电阻变化可传递至相对应的晶体管单元21转换为电讯号输出。补充说明的是，在本较佳实施例中该主体部41是成矩形平板状且厚度范围在50nm～400nm，而该两电接脚端部42分别由两侧延伸，但其实施态样当然不限制于图示；例如，该主体部41亦可如图3所示成弯曲蛇状(Serpent)，而该两电接脚端部42则是形成于该蛇状主体部41的头尾两端；总而言之，该图案化吸收层4的图案取决于设计的考虑，并不限于本较佳实施例所揭示；该主体部41的厚度限制则主要取决于制程考虑，厚度愈大吸收效果将有所改善，但过厚则该两电接脚端部42将无法支撑该主体部41态样而完成本案结构，因此依现有的制程能力与应用，该主体部41的厚度较佳落在50nm～400nm间。

该辅助蚀刻孔道43是做为化学蚀刻液的导入孔而蚀刻形成该空腔310，更仔细地说，化学蚀刻液由该辅助蚀刻孔道43进入，并由该内联机单元3的顶面311开始向下进行选择性的蚀刻至该金属构成的反射区块321，因此可以精确地控制该蚀刻构成的空腔310高度为(2n+1)λ/4，且n为正整数或零。

补充说明的是，以往虽然也有类似在红外线感测层体的下方形成空洞的结构，但其空洞的效果在于隔热，避免红外线感测层体吸收红外线后产生的温度太快散失、导致感测灵敏度不足，而与本发明所强调之控制该空腔310的高度、形成入射波的共振、增强能量吸收的构造无关、也无法达到本发明所诉求之功效，在此特别说明以兹分辨。

当远红外线照射于该图案化吸收层4的主体部41时，除了由该主体部41的上表面412直接吸收的能量外，部分远红外线会由该辅助蚀刻孔道43进入到该空腔310中，此时藉由该具有特定高度，(2n+1)λ/4且n为整数的空腔310可令特定波长λ的远红外线在该空腔310中反射行进达到共振、增强能量的效果；因此，该主体部41平坦的下表面411与该反射区块321构成的基面313都能进一步的帮助反射，使得该主体部41吸收到更多的远红外线的能量而提高灵敏度；也就是说，虽然非晶硅的电阻温度系数(Temperature Coefficient of Resistance;TCR)低于传统常用的高电阻温度系数的材料，如碲化汞镉(HgCdTe)或氧化钒(V₂O₅)，但配合该空腔310的远红外线共振效果、经由该内联机单元3的直接电联接而降低讯号传递的损失等设计，而能令本发明利用非晶硅构成的图案化吸收层4在低材料成本、低制程成本的制作下仍可达到所需的感测灵敏度。

值得一提的还有，该图案化吸收层4的材料-非晶硅除了物料成本低之外，更因为可以利用低温制程、以电浆化学气相沉积法制作得到，不仅材料、机台设备与一般的集成电路制程兼容，且制程温度更是可配合于后段制程而不造成既成的该晶体管单元21或该内联机单元3的损害，因此，令以往必须分开制作的远红外线感测组件、晶体管组件可整合为系统单芯片来制作，使得整体远红外线感测芯片的体积也可更小、提高产品市场优势。

综上所述，本发明远红外线感测芯片以焦电效应的作动原理为基础，并研究开发出一种产品成本低、体积小、适于量产的热型传感器，首先通过选择可兼容于一般硅芯片的集成电路制程的非晶硅材料做为该图案化吸收层的成分，再配合该高度限制为(2n+1)λ/4，且n为正整数或零的空腔310令入射至该空腔310中、波长为λ的远红外线可在反射过程中形成共振、增强能量而使得该主体部41的吸收效果增加，进而改善了侦测灵敏度；同时，该藉由金属层32的制作而形成的反射区块321不仅可用以做为蚀刻该空腔321时的停止层以精确的控制该空腔310高度，更可利用金属材料的特性使得入射的远红外线的反射效果更佳，提高该主体部41的远红外线吸收效率；因此本发明远红外线感测芯片不仅制程成本低，且可与晶体管整合为单芯片制程缩小体积、改善电传导路径的损耗使得感测灵敏度佳，故确实能达成本发明之目的。

上述仅为本发明的一个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (7)

1.一种远红外线感测芯片，该远红外线感测芯片包含：

一晶圆基底，包括至少一以一集成电路制程制作的晶体管单元，该晶体管单元用以将一电阻变化转换为一电讯号；

一内联机单元，利用该集成电路制程形成于该晶圆基底上并包括一远离该晶圆基底的顶面、一由该顶面朝该晶圆基底方向延伸的内环面，及一连接该内环面之一底缘的基面，且该内环面与该基面配合界定出一形成于该内联机单元中的空腔；及

一图案化吸收层，藉由该集成电路制程的制作而设置于该内联机单元上且由非晶硅所构成，该图案化吸收层包括一位于该空腔上方的主体部及连接该主体部并分隔设置的两电接脚端部，两电接脚端部分别与该内联机单元电连接，以将该图案化远红线吸收层因吸收该远红外线而产生的该电阻变化传递至该晶体管单元；

其中，自该主体部的一下表面至该内联机单元的基面的一最短距离为(2n+1)λ/4，且n为正整数或零。

2.根据权利要求1所述的一种远红外线感测芯片，其特征在于：所述内联机单元还包括多层成预定电连接配置图案的金属层，其中一金属层具有一反射区块，该反射区块位于该空腔下方，且该反射区块的一上表面是所述内联机单元的基面。

3.根据权利要求2所述的一种远红外线感测芯片，其特征在于：所述图案化吸收层的所述主体部具有一个相反于所述主体部的下表面且经粗糙化的上表面，而所述主体部的下表面是经平坦化以令其表面平整。

4.根据权利要求3所述的一种远红外线感测芯片，其特征在于：所述远红外线吸收层的厚度是50至400nm。

5.根据权利要求4所述的一种远红外线感测芯片，其特征在于：所述图案化吸收层的非晶硅是利用一电浆化学气相沉积法所制得，且其制程温度是小于400℃。

6.根据权利要求5所述的一种远红外线感测芯片，其特征在于：所述图案化吸收层还包括一辅助蚀刻孔道，该辅助蚀刻孔道位于所述主体部的一周缘，并由所述主体部的上表面延伸至其下表面，且该辅助蚀刻孔道连通所述内联机单元的空腔。

7.根据权利要求6所述的一种远红外线感测芯片，其特征在于：所述主体部成矩形平板状。