CN103617997A - 一种红外线感测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外线感测芯片，该红外线感测芯片包含：一晶圆基底、一图案化多晶硅层和一内联机单元。本发明利用材料的选择与结构设计令用以感测红外线的吸收层可以与晶体管单元用同一个集成电路制程一起制作，同时藉由空腔的高度控制令入射的红外线形成共振、提高红外线的吸收效率，在降低制程成本的同时也维持本发明红外线感测芯片的灵敏度。

Description

一种红外线感测芯片

技术领域

本发明属于集成电路领域，涉及一种红外线感测芯片，尤其涉及一种用于侦测波长为λ的红外线、利用焦电原理作动且与集成电路整合为单芯片的红外线感测芯片。

背景技术

自红外线被发现以来，经过多年的研究发展已经能将红外线渐渐应用在各个领域中，例如，利用红外线传感器来侦测物体的热辐射，藉此不仅无须接触物体即可监控物体温度变化，进一步更能在黑暗中辨识物体位置与动态。

红外线传感器主要可分为量子型及热型两种，量子型传感器的感测原理是藉由吸收红外线的能量使感测材料（如硫化镉、硫化铅构成的光电二极管）内产生自由载子，以侦测能量强度，而量子型传感器有较高的灵敏度及快速的反应时间这两项主要优点，缺点则是需要低温致冷系统来降低感测系统的操作温度，以降低环境背景温度的干扰。

热型传感器当其吸收红外线的能量时，能使得感测组件的温度产生变化，改变材质本身的物理特性，如电阻，也就是一般所说的焦电原理。热型传感器的灵敏度及反应时间都没有量子型传感器来得好，但热型传感器可操作在室温下且不需要冷却系统的辅助，此外热能式传感器吸收光谱范围较广且平坦，因此适合省电、可携式的应用。

一般来说，为了提高热型传感器的灵敏度，是选择具有高电阻温度系数(Temperature Coefficient of Resistance;TCR)的材料来做为感测组件，常见的高电阻温度系数的材料有碲化汞镉(HgCdTe)或氧化钒(V₂O₅)，但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。

近年来随着制程与微机电技术的进步，使得红外线感测组件与电路读取组件可以整合于单一芯片的制程中。如台湾专利申请号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，该红外线检测组件包括有一用以吸收红外线的吸收单元，及一位在该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，该硅基板还包括一对应该感温体位置而形成的空洞，该吸收单元是由硅氧化膜与硅氮化膜构成，而该感温体是以聚硅膜(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与提升绝热效果、避免该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聚硅膜构成的补偿膜结构保护该吸收单元与该感温体，并抑制该吸收单元与该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，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使用、携带便利的红外线感测芯片。

本发明的另一目的是提供一种能与2P集成电路制程整合为单芯片且使用、携带便利的红外线感测芯片。

本发明采用如下技术方案：

一种红外线感测芯片，该红外线感测芯片包含：

一晶圆基底，由半导体材料构成，包括一顶面，及一相反于该顶面的底面；

一图案化多晶硅层，位于晶圆基底的顶面，定义有一晶体管结构区及一红外线吸收区，该晶体管结构区与晶圆基底相配合而形成多个可转换电讯号的晶体管单元，该红外线吸收区包括一主体部及两连接该主体部并分隔设置的电接脚端部，该主体部吸收入射的红外线后产生一电阻变化，并经由电接脚端部与相对应的晶体管单元电连接令该电阻变化透过晶体管单元转换为一电讯号输出；及

一内联机单元，位于晶圆基底与图案化多晶硅层上，包括多层成预定电连接配置图案的金属层及一供红外线入射至红外线吸收区的开口，其中一金属层具有一位于主体部正上方的反射区块而与主体部配合界定出一空腔，该空腔与外界连通令红外线能入射至该空腔中，且该反射区块的下表面至红外线吸收区的主体部的上表面的距离为(2n+1)λ/4，且n为正整数或零。

优选的，所述晶圆基底还包括一个由顶面向底面方向延伸的内环面，及一连接该内环面底缘的基面，而该内环面与该基面配合界定出一形成于所述晶圆基底中的第二共振腔，且该第二共振腔位于所述图案化多晶硅层的所述主体部下方并与外界连通令红外线能入射至该第二共振腔中，同时令所述主体部的下表面至基面的距离为(2n+1)λ/4，且n为正整数或零。

优选的，具有所述反射区块的所述金属层还包括一环绕于所述反射区块周缘的辅助蚀刻孔道，该辅助蚀刻孔道用以供一化学蚀刻液通入对所述内联机单元的部分结构进行蚀刻而形成所述空腔，并令所述空腔藉此与外界连通。

优选的，所述图案化多晶硅层的所述红外线吸收区还具有一第二辅助蚀刻孔道，该第二辅助蚀刻孔道环绕于所述主体部的周缘且用以供另一化学蚀刻液通入对所述晶圆基底的部分结构进行蚀刻而形成所述第二共振腔并令所述第二共振腔藉此与外界连通。

一种红外线感测芯片，该红外线感测芯片包含：

一晶圆基底，由半导体材料构成；

一第一图案化多晶硅层，位于该晶圆基底表面，定义有一晶体管结构区及一第一红外线吸收区，该晶体管结构区与该晶圆基底相配合而形成多个可转换电讯号的晶体管单元，该第一红外线吸收区包括一主体部及两连接该主体部并分隔设置的电接脚端部，该主体部吸收入射的红外线后产生一电阻变化，并经由电接脚端部与相对应的晶体管单元电连接令该电阻变化透过该晶体管单元转换为一电讯号输出；

一第二图案化多晶硅层，间隔形成于该第一图案化多晶硅层上，且包括一位于该第一红外线吸收区上方的第二红外线吸收区与至少一贯穿该第二红外线吸收区的穿孔，该第二红外线吸收区吸收红外线后产生一电阻变化并电连接于相对应的晶体管单元而令该电阻变化透过晶体管单元转换为一电讯号输出，而该穿孔令入射的红外线通过以到达该第一红外线吸收区的主体部；及

一内联机单元，位于该晶圆基底表面上，包括多层成预定电连接配置图案的金属层，及一令红外线入射至该第二红外线吸收区的开口，其中一金属层具有一位于该第二红外线吸收区正上方的反射区块而与该第二红外线吸收区配合界定出一空腔，该空腔与该开口连通令红外线能入射至该空腔中，且该反射区块的一下表面至该第二红外线吸收区的顶面的距离为(2n+1)λ/4，且n为正整数或零。

优选的，所述第一红外线吸收区的主体部与所述第二红外线吸收区配合界定出一与所述空腔连通的辅助共振腔，且所述主体部顶面至所述第二红外线吸收区底面的距离为(2n+1)λ/4，且n为正整数或零，以令入射至该辅助共振腔的红外线产生共振现象。

优选的，所述第二红外线吸收区包括两分隔设置的电连接端，电连接端分别与所述内联机单元电连接而将所述第二红外线吸收区因为吸收红外线产生的电阻变化传递至相对应的晶体管单元。

优选的，所述第二红外线吸收区与所述主体部藉由所述内联机单元而呈现电性并连。

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用以感测红外线的吸收层可以与晶体管单元用同一个集成电路制程一起制作，同时藉由空腔的高度控制令入射的红外线形成共振、提高红外线的吸收效率，在降低制程成本的同时也维持本发明红外线感测芯片的灵敏度。

附图说明

图1是一剖面图，说明本发明红外线感测芯片的一第一较佳实施例；

图2是一俯视图，说明该第一较佳实施例的一红外线吸收区实施态样；

图3是一俯视图，说明该红外线吸收区的另一实施态样；

图4是一剖面图，说明本发明红外线感测芯片的一第二较佳实施例；

图5是一剖面图，说明本发明红外线感测芯片的一第三较佳实施例；

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。

在本发明被详细描述之前，应当注意在以下的说明内容中，类似的组件是以相同的编号来表示。

参阅图1与图2，本发明红外线感测芯片之第一较佳实施例，适用于侦测波长范围在770nm至1μm的红外线，包含一晶圆基底2、一位于该晶圆基底2上的图案化多晶硅层3、及一位于该图案化多晶硅层3上的内联机单元，且本发明红外线感测芯片利用结构可特别针对波长为λ的红外线进行感测。

该晶圆基底2由半导体材料构成，包括一顶面21，及一相反于该顶面21的底面22，而该图案化多晶硅层3则是形成于该晶圆基底2的顶面21。

该图案化多晶硅层3是由多晶硅(Poly-silicon)构成，包括一红外线吸收区31及一晶体管结构区32，该晶体管结构区32与该晶圆基底2相配合形成多个可转换电讯号而用以读取该红外线吸收区31产生的电阻变化的晶体管单元321，因此在本第一较佳实施例中仅绘示两个晶体管单元321，但可以轻易了解的是，在集成电路制程中可依需求，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，此部分为本技术领域通常知识者所周知，故不在此多加赘述。

该红外线吸收区31包括一主体部311及两连接该主体部311并分隔设置的电接脚端部312，该主体部311吸收入射的红外线后产生一电阻变化，而藉由该电接脚端部312与相对应的晶体管单元321电连接令该电阻变化透过该晶体管单元321转换为一电讯号输出。特别说明的是，该红外线吸收区31与该晶体管结构区32一样是由多晶硅材料以相同的集成电路制程构成，且多晶硅在吸收红外线后因为温度上升，使得材料电阻产生变化，也就是利用焦电原理来感测环境中的红外线；值得一提的是，本发明利用集成电路制程中既有的步骤、原物料来制作出一般因为材料制程限制而必须分开制造的红外线感测膜层（如先前技术所提的碲化汞镉或氧化钒），虽然，多晶硅的电阻温度系数(Temperature Coefficient of Resistance;TCR)与碲化汞镉或氧化钒相比并不高，但配合本发明另一结构（空腔410）的设计加以改善便能使得本发明红外线感测芯片的灵敏度有所提升，此部分结构将于后段详述。

该内联机单元位于该晶圆基底2与该图案化多晶硅层3上，包括多层成预定电连接配置图案的金属层41与一供红外线入射至该红外线吸收区31的开口40，该开口40是对应形成于该主体部311的上方。此外，为说明之便，在本第一较佳实施例中以两层金属层41为例，并定义金属层41最接近该晶圆基底2的金属层41为第一层金属层41a、远离该晶圆基底2的金属层41为第二层金属层41b，更详细地说，该内联机单元除了金属层41之外，还包括多层绝缘支撑的介电层42，及多个电连接不同金属层41间的介层窗43，而介电层42、介层窗43的配置是集成电路制程既有的制作步骤，且非本发明之技术重点，故不在此详加说明。

特别的是，该第一层金属层41a具有一位于该主体部311正上方的反射区块411而与该主体部311配合界定出一空腔410，该空腔410与外界连通令红外线能入射至该空腔410中，且该反射区块411的一下表面至该红外线吸收区31的主体部311的上表面的距离H1为(2n+1)λ/4，且n为正整数或零，λ为红外线的波长数值；也就是说，该空腔410的高度为所要吸收的红外线四分之一波长的整数倍，使得入射至该空腔410的红外线在该空腔410中形成共振效果、增加该主体部311的红外线吸收效率、进而改善侦测的灵敏度；除此之外，由于该反射区块411是由金属（如铜）所构成，因此具有良好的光反射效果使红外线在该空腔410进行多次的反射、共振而增强波峰值。

补充说明的还有，该第一层金属层41a还包括一环绕于该反射区块411周缘的辅助蚀刻孔道412，该辅助蚀刻孔道412用以供一化学蚀刻液通入对内联机单元的部分结构进行蚀刻以形成该空腔410，并令该空腔410藉此与外界连通，更仔细地说，该化学蚀刻液是由该辅助蚀刻孔道412进入，开始向下进行选择性的蚀刻至该由多晶硅构成的红外线吸收区31并控制蚀刻时间以形成该空腔410；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410的高度、令入射波形成共振、增强红外线吸收的构造无关、也无法达到本发明所诉求之功效，在此特别说明以兹分辨。

参阅图3，该红外线吸收区31的主体部311除了如图2所示成矩形平板状外亦可成弯曲蛇状(Serpent)，而电接脚端部312则是形成于该蛇状的主体部311的头尾两端；在此说明的是，该红外线吸收区31的图案是取决于设计的考虑，但实施态样当然不仅限制于本第一较佳实施例所揭示。

当红外线由该开口40入射，并到达该红外线吸收区31的主体部311时，部分由该主体部311直接吸收、部分红外线则再多次的反射后被吸收，部分红外线则在反射行进过程中散失，而波长λ的红外线更可藉由该预定高度距离H1的空腔410产生共振以提高该红外线吸收区31的主体部311的温度变化、电阻变化量，进而提高整体感测的灵敏度。也就是说，虽然多晶硅的电阻温度系数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410高度的限制令入射红外线达到共振效果，以及经由该内联机单元4的直接电连接而降低讯号传递损失的设计，而令本发明利用多晶硅构成的红外线吸收区31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。

再次强调的是，由于本发明是利用一般集成电路闸极材料-多晶硅的制程同时来制备出该红外线吸收区31，故不仅材料、机台设备与一般的集成电路制程兼容，因此，以往必须分开制作的红外线感测组件、晶体管组件可整合为系统单芯片来制作，使得整体红外线感测芯片的体积可更薄型化、提高产品的市场优势。

参阅图4，本发明红外线感测芯片之第二较佳实施例，与该第一较佳实施例相似，其不同之处在于该晶圆基底2还包括一个位于该红外线吸收区31的主体部311下方的第二共振腔20，且该红外线吸收区31还具有一连通该第二共振腔20的第二辅助蚀刻孔道313。

更详细地说，该第二辅助蚀刻孔道313环绕于该主体部311的周缘且用以供另一化学蚀刻液通入对该晶圆基底2的部分结构进行蚀刻而形成该第二共振腔20，并令该第二共振腔藉此与外界连通；而该晶圆基底2经过蚀刻后，该晶圆基底2会形成一由该顶面21向该底面22方向延伸的内环面23，及一连接该内环面23底缘的基面24，因此借着该内环面23与该基面24即配合界定出该第二共振腔20，同时控制蚀刻时间令该主体部311的下表面至该基面24的距离H2为(2n+1)λ/4，且n正整数或零。

同时借着该第二辅助蚀刻孔道313令入射的红外线也有部分进入到该第二共振腔20中，且利用该高度为H2的第二共振腔20使在该第二共振腔20反射行进且波长为λ的红外线产生共振，进一步改善该红外线吸收区31的主体部311对于入射红外线的吸收效果、提高感测灵敏度。

参阅图5，本发明红外线感测芯片之第三较佳实施例，与该第一较佳实施例相似，不同之处在于本第三较佳实施例还包含一间隔形成于该图案化多晶硅层3上的第二图案化多晶硅层5，且该第二图案化多晶硅层5包括一个位于该图案化多晶硅层3的红外线吸收区31上方的第二红外线吸收区51，及至少一贯穿该第二红外线吸收区51的穿孔52。这边补充说明的是，该第二图案化多晶硅层5是利用集成电路中的2P(2poly)制程（一般是用于电容的IC设计）来进行，因此，整体制作仍是以集成电路制程为主、不需额外的材料设备，故仍可达到本发明红外线感测组件与电路组件整合为系统单芯片的效果。

而该第二图案化多晶硅层5的第二红外线吸收区51之上表面与该第一层金属层41a的反射区块411配合界定出一高度H3的空腔410’，该H3是(2n+1)λ/4，且n为正整数或零、λ是入射的红外线波长，令入射于该空腔410’的红外线在该空腔410’中形成共振而增强该第二红外线吸收区51的红外线吸收率；同时，该第二红外线吸收区51具有两分别位于两侧的电连接端511，电连接端511经过内联机单元的电连接能将该第二红外线吸收区51因吸收红外线产生的电阻变化传递至相对应的晶体管单元321，更详细的说，本第三较佳实施例中是该第二红外线吸收区51与该红外线吸收层31是藉由内联机单元形成并联的电连接以提高感测灵敏度。

较佳的，该第二红外线吸收区51与该图案化多晶硅层3的主体部311之间也利用该穿孔52进行蚀刻而形成一辅助共振腔53，该辅助共振腔53与该穿孔52相连通且令该第二红外线吸收区51与该图案化多晶硅层3的主体部311的间隔距离L亦为(2n+1)λ/4，且n为正整数或零，将可令入射至该辅助共振腔53的红外线产生共振效果，同时加强该第二红外线吸收区51与该主体部311对红外线的吸收效果，进而增加整体装置对红外线的感测灵敏度。

综上所述，本发明红外线感测芯片以焦电效应的作动原理为基础、并与晶体管单元321整合成单芯片为前提，通过选择于一般硅芯片的集成电路制程的多晶硅做为红外线吸收的材料，再配合高度限制为(2n+1)λ/4，且n为正整数或零的空腔410、410’、第二共振腔20和辅助共振腔53，令入射至该空腔410、410’、第二共振腔20和辅助共振腔53中的波长为λ的红外线可在反射行进过程中形成共振，使得该主体部311、该第二红外线吸收区51对红外线的吸收效果提升，进而改善了侦测灵敏度；同时，该藉由金属层41的制作而形成的反射区块411因为金属材料对光波的高反射特性使得入射的红外线大部分能反射射向该第二红外线吸收区51，进一步提高对红外线的吸收效率；因此本发明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。

上述仅为本发明的三个具体实施方式，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 (8)

1.一种红外线感测芯片，该红外线感测芯片包含：

一晶圆基底，由半导体材料构成，包括一顶面，及一相反于该顶面的底面；

一图案化多晶硅层，位于晶圆基底的顶面，定义有一晶体管结构区及一红外线吸收区，该晶体管结构区与晶圆基底相配合而形成多个可转换电讯号的晶体管单元，该红外线吸收区包括一主体部及两连接该主体部并分隔设置的电接脚端部，该主体部吸收入射的红外线后产生一电阻变化，并经由电接脚端部与相对应的晶体管单元电连接令该电阻变化透过晶体管单元转换为一电讯号输出；及

一内联机单元，位于晶圆基底与图案化多晶硅层上，包括多层成预定电连接配置图案的金属层及一供红外线入射至红外线吸收区的开口，其中一金属层具有一位于主体部正上方的反射区块而与主体部配合界定出一空腔，该空腔与外界连通令红外线能入射至该空腔中，且该反射区块的下表面至红外线吸收区的主体部的上表面的距离为(2n+1)λ/4，且n为正整数或零。

2.根据权利要求1所述的一种红外线感测芯片，其特征在于：所述晶圆基底还包括一个由顶面向底面方向延伸的内环面，及一连接该内环面底缘的基面，而该内环面与该基面配合界定出一形成于所述晶圆基底中的第二共振腔，且该第二共振腔位于所述图案化多晶硅层的所述主体部下方并与外界连通令红外线能入射至该第二共振腔中，同时令所述主体部的下表面至基面的距离为(2n+1)λ/4，且n为正整数或零。

3.根据权利要求2所述的一种红外线感测芯片，其特征在于：具有所述反射区块的所述金属层还包括一环绕于所述反射区块周缘的辅助蚀刻孔道，该辅助蚀刻孔道用以供一化学蚀刻液通入对所述内联机单元的部分结构进行蚀刻而形成所述空腔，并令所述空腔藉此与外界连通。

4.根据权利要求3所述的一种红外线感测芯片，其特征在于：所述图案化多晶硅层的所述红外线吸收区还具有一第二辅助蚀刻孔道，该第二辅助蚀刻孔道环绕于所述主体部的周缘且用以供另一化学蚀刻液通入对所述晶圆基底的部分结构进行蚀刻而形成所述第二共振腔并令所述第二共振腔藉此与外界连通。

5.一种红外线感测芯片，该红外线感测芯片包含：

一晶圆基底，由半导体材料构成；

一第一图案化多晶硅层，位于该晶圆基底表面，定义有一晶体管结构区及一第一红外线吸收区，该晶体管结构区与该晶圆基底相配合而形成多个可转换电讯号的晶体管单元，该第一红外线吸收区包括一主体部及两连接该主体部并分隔设置的电接脚端部，该主体部吸收入射的红外线后产生一电阻变化，并经由电接脚端部与相对应的晶体管单元电连接令该电阻变化透过该晶体管单元转换为一电讯号输出；

一第二图案化多晶硅层，间隔形成于该第一图案化多晶硅层上，且包括一位于该第一红外线吸收区上方的第二红外线吸收区与至少一贯穿该第二红外线吸收区的穿孔，该第二红外线吸收区吸收红外线后产生一电阻变化并电连接于相对应的晶体管单元而令该电阻变化透过晶体管单元转换为一电讯号输出，而该穿孔令入射的红外线通过以到达该第一红外线吸收区的主体部；及

一内联机单元，位于该晶圆基底表面上，包括多层成预定电连接配置图案的金属层，及一令红外线入射至该第二红外线吸收区的开口，其中一金属层具有一位于该第二红外线吸收区正上方的反射区块而与该第二红外线吸收区配合界定出一空腔，该空腔与该开口连通令红外线能入射至该空腔中，且该反射区块的一下表面至该第二红外线吸收区的顶面的距离为(2n+1)λ/4，且n为正整数或零。

6.根据权利要求5所述的一种红外线感测芯片，其特征在于：所述第一红外线吸收区的主体部与所述第二红外线吸收区配合界定出一与所述空腔连通的辅助共振腔，且所述主体部顶面至所述第二红外线吸收区底面的距离为(2n+1)λ/4，且n为正整数或零，以令入射至该辅助共振腔的红外线产生共振现象。

7.根据权利要求6所述的一种红外线感测芯片，其特征在于：所述第二红外线吸收区包括两分隔设置的电连接端，电连接端分别与所述内联机单元电连接而将所述第二红外线吸收区因为吸收红外线产生的电阻变化传递至相对应的晶体管单元。

8.根据权利要求7所述的一种红外线感测芯片，其特征在于：所述第二红外线吸收区与所述主体部藉由所述内联机单元而呈现电性并连。

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