CN107063470A - 具有高吸收效率和信噪比的悬置测辐射热膜的检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有高吸收效率和信噪比的悬置测辐射热膜的检测装置。该装置包括：包括读出电路的衬底；基本探测器阵列，每个探测器包括在衬底上方悬置并且通过至少两个电导体连接到读出电路的膜，膜包括分别连接到两个电导体的两个导电电极和电连接两个电极的换能器材料的体积，其中，读出电路被配置为将电刺激施加在膜的两个电极之间并且形成电信号作为对施加的响应。所述体积包括：第一换能器材料的体积，其电连接膜的两个电极并且形成使每个电极至少部分地容纳在其中的封闭外壳的壁；以及第二换能器材料的体积，其电连接两个电极并且容纳在外壳中，第二材料的电阻率小于第一材料的电阻率；且两个换能器材料具有负的电阻率热系数TCR。

Description

具有高吸收效率和信噪比的悬置测辐射热膜的检测装置
发明领域
本发明涉及电磁辐射探测器领域，具体涉及包括用于通常在“热”范围内，换言之，在红外线下检测辐射的微测辐射热计的探测器领域。
背景
红外辐射(IR)探测器通常是以布置在支撑衬底的表面处的基本微测辐射热计的组件的二维并置(例如，在阵列中)的形式进行制造，每个微量测定器旨在形成图像点。每个微量测定器包括悬置在衬底上方并且通过嵌入在导电柱中的狭长梁(或“臂”)与其电连接的膜。该组件被放置在紧密外壳(例如，在非常低的压力下的包装件)中，以抑制周围气体的热传导。
每个膜通过吸收源自所观察的热场景的入射辐射来加热，入射辐射通过其上布置了膜的焦平面的水平处的适当的光学系统来进行传输和聚焦。该膜具体包括具有电特性——在微测辐射热计的情况下为电阻率——的“换能器”材料的层，当温度变化时该换能器材料剧烈变化，例如，在恒定电压偏置下产生电流变化，即，电信号，其与入射辐射流成比例。
制造这种类型的探测器的常规方法包括以所谓的“整体”方式直接在包括多个电子电路或“读出集成电路”或“ROIC”的衬底的表面处执行的步骤。该术语是指在集成电路制造工艺后在通常基于硅的相同衬底上的连续的操作顺序。辐射热微量测定器制造步骤通常相似于通常在微电子学中的集体制造技术，其通常涉及在同一衬底上布置的几十到几百个阵列探测器。
在制造步骤期间，实现光吸收、光热转换和热阻的测辐射热功能的组件在所谓的“牺牲”层的表面处形成，因为这种只用来形成构造基底的层在工艺结束时通过适当的方法去除，该方法并不侵蚀其他探测器部件特别是在该“牺牲”层上形成的组件。通常，使用聚酰亚胺层，该层最终通过在氧等离子体中的燃烧而去除。作为变型，牺牲层是氧化硅层(通常由“SiO”指定，其最终通过氢氟酸气相蚀刻(HFv)而被去除)。在去除牺牲层之后，测辐射热膜保持悬置在衬底上方，除嵌入在柱中的保持臂外没有其他接触或紧固。
用于形成悬置膜的最常见的制造方法被称为“above IC”或“MEMS-on-top”。根据这种方法，由于具体方法，微量测定器被直接构造在包括读出电路的衬底的表面处。具体地，牺牲层是有机性质-通常是聚酰亚胺-以及换能器材料最常见是具有半导体特性(VOx、NiOx)的氧化物或非晶硅(a-Si)。一般来说，对于常见的“远”红外检测(LWIR)，分束器还在布置在衬底表面处的反射器和吸收膜之间形成，以提供10微米附近的探测器的吸收最大值。因此，为了在距反射器适当距离处连接且保持该膜，以在真空中形成所述分束器，通常相当复杂且具有不可忽略的体积的具有大的纵横比的电柱应该通过厚度在2微米至2.5微米的范围内的厚临时(牺牲)聚酰亚胺层来形成。
根据例如美国专利申请5912464，形成膜“骨架”的介电或电阻层通常由氧化硅(SiO)或氮化硅(通常标记为SiN)制成，或者直接由半导体非晶硅制成。这样的材料可以在相对低的温度下沉积并且对于在氧等离子体下去除有机牺牲层的方法是惰性的。这种“above IC”制造工艺通常由大约十个光刻“层级”形成，也就是说，取决于相对复杂和昂贵的工艺。
最近，已经提供了一种新型的膜制造，该膜制造包括以与通常实现MEMS功能的组件相同的方式将微测辐射热计集成在所谓的“后段制程”层(或“BEOL”)中。该缩写词表示在相对低的温度下制造所有金属互连件的步骤，这是标准微电子制造工艺结束的特征。称为“MEMS-in-CMOS”的这种方法旨在使用在工业水平上成熟的某些BEOL布局，以集成微测辐射热计组件的部分。具体地，例如，根据“镶嵌”方法获得的连续的BEOL金属层级之间的金属化垂直互连通孔有利地形成微量测定器柱。另外，特别是由SiO——微电子中的标准材料——制成的“IMD”(金属间电介质)可以有利地被用作用于构造膜结构的牺牲层。在这种类型的集成中，用于读出电路制造的最后光刻层级还用于直接形成支撑膜的柱。因此，制造微测辐射热计所需的一系列层级中的几个光刻层级被省去，这导致对制造成本的显著节省。然而，“MEMS-in-CMOS”制造的SiO牺牲层的去除在这种情况下仅通过气相氢氟酸(HFv)才可行。因此，形成微测辐射热计的所有材料对于这种化学侵蚀性强的方法应该必须是惰性的。
这样的应用于微测辐射热计的情况的“MEMS-in-CMOS”方法已经在文献US 2014/319350中进行描述，该文献详细说明了SiO牺牲层和能够包含HFv蚀刻的阻挡层的CMOS堆叠中的集成，以及通过使用CMOS组件的标准金属层级之间的最后连接结构(金属化通孔)形成微测辐射热计“柱”。该文献更具体地描述了基于非晶硅的微测辐射热计构造，其使用用于膜结构的文献US 5912464的教导。因此，获得了与HFv蚀刻兼容并且仅通过五个光刻层级形成的结构，与现有技术的复杂得多的工艺相比，提供了非常显著的增益。
尽管“MEMS-in-CMOS”技术能够简化制造，但是它受到限制，这些限制不利于如此构造的微测辐射热计的性能。
具体地，根据该技术提供的架构强加了对在特别用于吸收入射辐射的金属化区域和仅由换能器材料(非晶硅)占据的区域之间可用的空间的共享。由金属所占据的表面积的部分决定光热转换功能(膜的光吸收效率ε)，而剩余的表面积部分专用于换能器材料中的热电转换功能。这种导电中隐含的对材料体积的限制(与该结构中存在的非晶硅的总体积相比)导致传导中实现的电荷载流子N的数目的减少。根据Hooge关系式，这必然导致低频噪声(“B1/f”)的大幅度增加，其不利于探测器的信噪比(“SNR”)。
为了更好地了解这个问题，参考图1至图3，其图示用于红外检测的现有技术的基本电阻式辐射热微量测定器10(或“微测辐射热计”)。测辐射热计10包括吸收入射辐射的薄膜12，该薄膜12经由通过两个保持和热绝缘臂18附接到它的两个导电锚定柱16悬置在衬底-支撑14上方。在所示的示例中，膜12包括具有IR吸收和偏置电极功能的两个金属元件20、22以及覆盖两个电极12、14中的每一个并填充其间的空间18的非晶硅层24。层24具有将由电极20、22对辐射的吸收引起的加热转换为电阻变化的功能。在该结构中，换能器材料因此仅由非晶硅制成，其相对于基于气相氢氟酸的牺牲层释放工艺具有惰性的优点。
根据以下一般关系，在恒定电压Vpol下偏置的电阻Rb的微测辐射热计的响应(V/K)表示关于场景温度变化的输出信号变化
其中：
·A是敏感基本点的总面积(探测器像素)，
·ε是测辐射热计的总体光吸收效率，
·TCR是根据膜温度的测辐射热计电阻的变化系数；
·Rth是膜和衬底之间(即，保持臂)的热阻，以及
·Θ(θsc)是场景在温度θsc下发射的辐射流。
如前所述，光吸收效率ε与由为此目的沉积的金属占据的每个膜的表面积的部分有关。
例如，根据以下关系式，微量测定器的电阻Rb可以根据换能器材料的电阻率ρ来表达：
其中，L、W和e分别是传导电流的换能器材料(假设具有或被取为平行六面体形状)的体积的长度、宽度和厚度。
在图1的膜的示例中，这些尺寸基本上是分隔电极20、22的区域的尺寸，该区域例如，对应于在最初连续的金属层中形成的物理中断(或凹槽)以形成电极(在该示例中，通常被称为“共面”，因为它们布置在相同的水平面处)。
因此，关系式(1)和关系式(2)的组合能够根据所涉及电阻器Rb的尺寸参数指定微量测定器的响应。
在电压Vpol下偏置的电阻器的电流噪声功率可以由所谓的1/f低频噪声(Ib1/f)的平方和及称为“白噪声”(Ibb)的频率无关分量的平方和来表示。与这些一阶贡献者相比，可以忽略与热波动有关的最终噪声。
根据Hooge关系式，噪声功率根据电流线所涉及的体积中所包含的电荷载流子的数目N的倒数而变化：
其中，αH是“Hooge参数”以及“BPCL”是读出电路的频带宽度。每种材料的特征在于参考比率其中n是电荷载流子体积密度；该比率还取决于温度。因此，对于已知尺寸的电阻器Rb，所考虑元件的实际比率根据以下关系式来简单地从尺寸参数W、L、e计算：
根据以下关系式，白噪声功率Ibb2仅取决于温度和所考虑元件的电阻：
其中k表示玻尔兹曼常数以及T表示温度。
因此，设置有一部分换能器材料的微量测定器显示出总噪声Ib，换能器材料的特征在于其根据已知尺寸W、L和e限定的比率和电阻Rb，该总噪声Ib可以根据以下关系式来表示：
微量测定器信噪比(SNR)可以通过考虑由读出电路(Vpol，BPCL)定义的元件和能够表示测辐射热电阻Rb和电荷载流子N的数目的每个微量测定器的电阻器的尺寸参数(W，L，e)的响应(1)与噪声(6)的比率来计算。因此，比率SNR可以根据以下关系式表示为：
为了给出非常小尺寸的像素的简化但是代表性的图示，诸如当前对在工业上提供有用或甚至是必须的，考虑具有12x 12-μm2表面积的基本测辐射热探测器的情况。
为了定义在吸收热辐射所需的金属化部分20、22和用于热电转换的电活性部分26之间这种可用表面的共享，可以方便地定义在该元件的整个(电)宽度W＝12μm上在金属层中蚀刻的(电)长度L的凹槽。金属所占据的表面积的比率然后相等于(12-L)/12，而电阻器的长度和宽度分别是L和W＝12μm。公式(2)、(4)和(7)产生结果比率中的测辐射热电阻(Rb)，然后最终根据设计长度L产生结果SNR。
因此，为了简化，忽略形成相邻膜和诸如柱、保持臂的子结构之间的分隔所消耗的空间和其他各种必要的空间，如在图1中示意性地示出的在下面考虑包括由长度L的凹槽分隔的两个矩形金属化部分的12*12μm2的区域，该长度L也是宽度W＝12μm、指示电阻率100Ω.cm、典型厚度e＝200nm以及比率的非晶硅换能器体积的长度，电阻Rb和SNR具有根据图4所示的距离L的变化。
为了提供最佳光吸收效率ε，需要将非金属化区域的长度设置为最大在2μm至3μm的范围内的值。对于在偏置Vpol、读取积分时间以及输出放大器的有用动态(没有饱和)方面，将基本测辐射热计的电阻Rb保持在与本发明的上下文中的读出电路的充分使用兼容的值的范围内，这种间距(长度L)也是必要的。当测辐射热电阻Rb在约1MOhm的数量级或小于约1MOhm的数量级时，通常满足该条件。关于这些元件的更多解释，例如，将参考E.Mottin等人在Infrared Technology and Application XXVIII,SPIE,vol.4820E的“Uncooledamorphous silicon technology enhancement for 25μm pixel pitch achievement”。
因此，将长度L设置为2μm以保证最新水平的吸收效率和可接受的电阻，这种基于非晶硅的微量测定器的SNR将被限制到其对应于大的长度L的最大值的约60％(不包括吸收损失)。这种限制与L的低值处的低频噪声的增加有关。
因此，对于根据这种简化的组件形成的小尺寸的敏感像素，特别是小于20μm的间距，难以或甚至不可能获得吸收效率和SNR之间的可接受的折衷。原则上，在低频下使用低噪声换能器材料(诸如半导体金属氧化物(例如VOx、TiOx、NiOx——将在下文中使用通用名称“MOx”))将能够克服这种限制。然而，在现有技术的堆叠中使用这种材料是不可能的，因为它们将在侵蚀性很强的HFv释放化学的作用下被快速去除或至少大幅地降解。
因此，至少在部分集成到CMOS工艺的微测辐射热计组件的背景下，即，其中牺牲层是由SiO或微电子中常规的任何相关的材料制成的背景下存在对高性能设备及用于制造与通常小于20μm的非常小的间距的视网膜的设计兼容的该设备的方法的需求。
概述
因此，本发明的目的在于提供一种具有悬置测辐射热膜的探测器，该膜具有允许在吸收效率和SNR方面的高性能的结构以及具有必要时可以根据需要使用侵蚀性很强的牺牲层释放化学反应的技术而制造的结构。
为此，本发明针对一种测辐射热检测装置，该装置包括：
-包括读出电路的衬底；
-基本的探测器阵列，每个基本的探测器包括悬置在衬底上方并通过至少两个电导体连接到读出电路的膜，所述膜包括分别连接到两个电导体的两个导电电极以及电连接两个电极的换能器材料的体积，其中，读出电路被配置为在该膜的两个电极之间施加电刺激并且形成电信号作为对所述施加的响应。
根据本发明，所述体积包括：
-第一换能器材料的体积，其电连接膜的两个电极并且形成使得每个电极至少部分地容纳在其中的封闭外壳的壁；以及
-第二换能器材料的体积，其电连接两个电极并且容纳在外壳中，第二材料的电阻率小于第一材料的电阻率。
“换能器”意味着具有在0.1Ohm.cm至104Ohm.cm的范围内的电阻率且具有负的电阻热系数TCR的材料。
本发明还针对制造测辐射热检测装置的方法，该方法包括：
-制造包括读出电路的衬底；
-将牺牲层沉积在衬底上；
-在牺牲层上制造膜阵列，每个膜通过至少两个电导体连接到读出电路，所述膜包括分别连接到两个电导体的两个导电电极以及电连接两个电极的换能器材料的体积；
-一旦已经制造膜，去除牺牲层。
根据本发明，换能器体积的制造包括：
-将第一换能器材料的底层沉积在牺牲层上；
-在第一材料的所述层上形成两个膜电极；
-将第二换能器材料的层沉积在电极上和电极之间；以及
-用第一材料的顶层封装第二换能器材料的层以同样部分地覆盖两个电极。
另外：
-第二材料的电阻率小于第一材料的电阻率；
-第一材料对牺牲层的去除是惰性的。
换言之，换能器材料是由相对于形成辐射吸收装置的电极电并联的“壳”和“芯”形成，该芯由比壳小的电阻率的材料形成，具体地至少小5倍并且通常小10至20倍。
再具体地，该壳是由具有大于10Ohm.cm的电阻率的材料制成。
这种类型的架构使得能够具有降低的低频噪声分量(Ib1/f)，基本上归功于芯电阻率而由芯实现，同时归功于壳，允许根据制造技术适当选择材料，例如，在MEMS-in-CMOS技术的上下文中，对释放牺牲层的化学侵蚀惰性的壳。
根据实施例，两个电极共面并且仅由一个凹槽分隔。作为变型，两个电极属于一系列的至少三个导电共面区域，其通过在两个电极之间布置的平行凹槽彼此分隔。
根据实施例，膜包括在电极之间延伸并且部分地覆盖它们中的每一个的电绝缘体的连续层。
根据实施例，第二材料的电阻率比第一材料的电阻率小至少五倍并且优选地小十倍至二十倍。
根据实施例，第一材料具有大于10Ohm.cm的电阻率并且优选地小于104Ohm.cm的电阻率。
根据实施例，第一材料是非晶硅，化学式为SixGe(1-x)的硅和锗的非晶合金或化学式为a-SixC(1-x)的硅和碳的非晶合金，以及第二材料是金属氧化物。
根据实施例，牺牲层通过HFv氢氟酸蚀刻被去除，以及第一材料是非晶硅，化学式为a-SixGe(1-x)的硅和锗的非晶合金或化学式为a-SixC(1-x)的硅和碳的非晶合金。
根据实施例，通过将导电材料的层进行沉积并且仅在所述层中形成向下至第一材料的底层的一个凹槽来形成两个电极。
根据实施例，通过将导电材料的层进行沉积并且在所述层中形成向下至第一材料的底层的至少两个平行的凹槽来形成两个电极。
根据实施例，该方法包括在沉积第二换能器材料之前，将在电极之间延伸并且部分地覆盖它们中的每一个的电绝缘层进行沉积。
附图简述
将通过阅读作为仅与所附附图有关的示例提供的以下描述来更好地理解本发明，其中，相同的附图标记表示相同或相似元件，其中：
图1是悬置在读出电路上的现有技术的辐射热膜的简化透视图；
图2和图3是图1的膜的简化顶视图和横截面图(现有技术)；
图4是根据图1的膜的电极之间的空间的长度的信噪比的曲线图(现有技术)；
图5和图6是根据本发明的第一实施例的测辐射热膜的简化顶视图和横截面图；
图7是根据图1的膜的电极之间的空间的长度和根据本发明的第一实施例的膜的电极之间的空间的长度的信噪比的曲线图；
图8是根据本发明的膜中的非晶硅厚度的信噪比的曲线图；
图9和图10是根据本发明的第二实施例的测辐射热膜的简化顶视图和横截面图；
图11是根据图1的膜的电极之间的空间的长度和根据本发明的第一实施例和第二实施例的膜的电极之间的空间的长度的信噪比的曲线图；
图12和图13是根据本发明的第三实施例的测辐射热膜的简化顶视图和横截面图；
图14和图15是根据本发明的第三实施例的测辐射热膜的简化顶视图和横截面图；以及
图16和图17是图示根据本发明制造膜的第一方法的简化横截面图。
详细描述
第一实施例
参考图5和图6，根据本发明的辐射热微量测定器膜30包括：
-封装壳32，该封装壳32有利地由非晶硅制成，其包括底层或“基底”层34以及由顶层38和侧壁40形成的上部盖36，其一起限定宽度W、长度M和高度e的内部体积42；
-两个导电电极20、22(例如，金属电极)，其搁置在底层34上并且除了物理分隔它们的(电)长度L的中断(或凹槽)外完全覆盖底层34。还将上部盖36搁置在电极20、22中的每一个上，从而限定其间的第一导电沟道以及对内部体积42的侵蚀性化学过程紧密的腔；
-芯44，其完全填充内部体积42，并且因此搁置在电极20、22中的每一个上，从而限定电极20、22之间的宽度W和厚度e的第二导电沟道，该第二导电沟道与第一导电沟道平行。芯44是由具有小于壳材料的电阻率的材料制成，比壳材料的电阻率小至少5倍并且通常小10倍至20倍。具体地，芯44是由具有负TCR系数的金属氧化物制成，例如，VOx和/或TiOx和/或NiOx，其限定设有低的低频噪声系数的第二导电沟道。
在此配置中，电流在两个金属极20、22之间、在整个宽度W上的金属氧化物中以及在跨基本上整个像素宽度(例如，12μm)的非晶硅中流动。在本文所考虑的示例中，下非晶硅层34和上非晶硅层38两者具有相等厚度，即，20纳米。MOx的宽度W和厚度e是像素的电阻Rb的调整的变量。在这里，已经将它们分别设置为6μm和40nm，以获得对于L＝2μm的接近800KΩ的电阻Rb。
流经两个换能器材料的两个电流贡献彼此相加以用于响应R的计算，并且被二次求和以用于噪声的估计。因此，对于后者获得：
因此，针对图5和图6中示意性示出的像素的情况，可以根据导电沟道的长度L例如，以简化的方式计算SNR比率，其承认TCR系数对于两个换能器材料具有可比性。
图7的曲线图示出金属氧化物换能器材料的层的插入，金属氧化物换能器材料比非晶硅的电阻小十倍并且对于相同的电阻Rb产生很少的低频噪声，使得能够很大程度地补偿由L降低至约2μm所引起的SNR的降低。已经允许第二换能器材料的比率αH/N＝2.6E-29m3用于所有图的构造，其值被认为是已知技术的代表。
因此，在本发明的配置中，针对L＝2μm获得的SNR(大约2个任意单位或a.u.)等同于根据文献US 5912464中描述的组件仅由具有200nm厚度的换能器a-Si形成的L＝6μm可接近的值。
流经非晶硅的电流(在该示例中表示总电流的17％)由于其TCR等同于MOx的TCR(关系式1)而对响应R有贡献，并且仅略微影响总噪声(关系式6)。所指出的关系的更广泛的使用示出流经非晶硅路径的电流的比例可以在非常宽的范围内相对于非晶硅的厚度变化，而不会为此显著地影响SNR，如图8所示。
第二实施例
如果在刚刚已经描述的实施例中，换能器氧化物MOx的引入已经允许SNR上的显著增益，然而低频噪声Ib1/f在L＝2μm处仍然占主导地位，从而继续限制微量测定器的SNR。
为了进一步减少与通过参数N传导电流的材料的小体积有关的主要噪声，根据第二实施例，限定至少两个平行且相同的中断或凹槽，例如，每个中断或凹槽具有长度L。因此，导电沟道的有效长度变成P*L，其中P是凹槽的数量。因此，对于P＝2，导电中的活性材料的体积加倍，而对应于电极的金属化表面的部分(其在光学上吸收但在转换方面限定非活性的等位面)从83％变化至67％。在吸收时产生的损失ε可以被评估为在10％至15％的范围内，即，由于凹槽相对于辐射波长的狭窄(即，对于LWIR检测通常为10μm，)小于表面积损失。
参考所公开的具有一个凹槽的膜的关系(图5和图6)，可以对包括两个凹槽的敏感膜执行SNR的计算，从而限定介入金属区域50的两个电极20、22(图9和图10)，考虑电阻器的有效长度相等于2*L。在这种情况下，(例如，每个凹槽的)物理量L只能扫描至6μm，超过这个，整个像素将被去金属化(伴随触点消失，从而测辐射热电阻器的消失)。
层的堆叠保持之前示例的堆叠，即，每个20nm的两个100-Ω.cm a-Si层(基底层和封装层)以及具有40nm厚度的一个10-Ω.cm氧化层MOx。在这种情况下，仅将沟道MOx的宽度W放大至12μm，以保持(在两个凹槽情况下)电阻Rb接近包括W＝6μm的单个凹槽的像素的电阻。
图11的曲线图示出，与包括单个凹槽的情况相比，在宽度L＝2μm的两个凹槽的情况下，SNR几乎加倍(3.8a.u.对2.0a.u.)。这种增益可以与由活性材料体积的加倍并且从而隐含的载流子的数目N引起的低频噪声的减少相关。
由于第二凹槽的添加，吸收的降低ε(估计为约10％)因此由SNR的增加非常大程度地过度补偿。
第三实施例
在图12至图15中示出的本发明的第三实施例与上述实施例不同之处在于插入例如电介质的电绝缘体的层。具体地，层52被插入在金属元件20、22(对应于补充的第一实施例的图12和图13)或20、22、50(对应于第二实施例的图14和图15)和换能器MOx 44之间，遍及它们共同占据的表面积，除了沿着平行于长度L的凹槽并且沿着并靠近膜的两个相对边缘定位的两个条带54、56。因此，可以增加有效长度L’，即，第二换能器MOx 44中的导电沟道的两个电端子之间的电流线路的路径的总电长度，使得L’>>L，而与光吸收ε无关。
MOx的体积的连续增加以及因此电荷载流子的数目N的增加导致在该层中产生的噪声1/f的减少。
例如，考虑诸如图12和图13所示的具有单个凹槽的膜，设置L’＝8μm并且在金属层中包括长度L＝2μm的凹槽，以遵守在之前实施例中施加在电阻Rb的标准，在这种情况下，层MOx的厚度可以加倍以补偿这种材料中导电沟道的长度L’的增加。因此，在(例如)10Ω.cm处的换能器氧化物的层将具有80nm厚度并且被限定在整个宽度W＝12μm上，其导致电阻Rb接近800K.Ω，其与之前的模式相当。
在第三实施例中，如果像素包括单个凹槽(图12和图13的情况a/)，电流的第一部分沿着长度L流过基底层34的硅，或者如果已经放置两个凹槽(图14和图15的情况b/)电流的第一部分沿着2*L流过基底层34的硅。电流的另一部分沿着较大的长度L’流过上部封装层36，因此电流的该其他部分成比例地变小。
通过将公式(1)至公式(8)应用到在该实施例中存在的不同的电流贡献，并且通过上面列出的参数(在10Ω.cm具有W＝12μm、e＝80nm和αH/n＝2.6E-29m3的MOx 44，其被插入在两个a-Si层之间，每个层在100Ω.cm处具有20nm厚度)，这产生了分别针对具有一个凹槽的配置a/和具有两个凹槽的配置b/的以下表的SNR估计。
具有电绝缘体层的膜 Rb(KΩ) SNR(a.u.)
1个凹槽(L＝2μm) ～741 3.84
2个凹槽(L＝2μm) ～775 5.81
如图11的曲线所示，部分地绝缘MOx换能器44的电极20、22的电绝缘体层52的插入在单个凹槽L＝2μm的情况下能够达到与没有绝缘体层52但有长度L＝2μm的两个凹槽的第二实施例(图9和图10)中的SNR值相同的SNR值(即，3.8a.u.)。
如果具有2μm长度的第二凹槽被引入到这种类型的膜中(图14和图15)，则SNR达到5.8a.u.。这种增益是由于基底a-Si层34产生的低频噪声的减少，其在单个凹槽的情况下占主导地位。
这种最终的SNR水平作为在组件中添加附加介电层以及附加光刻层级的对应物获得，其在大多数情况下可接受。
应当指出，这样的特定构造需要在内接在基底层和封装层的界限内的任何点处将介电层的界限设置在像素外围处，以避免在需要时提供HFv牺牲层去除方法的入口点。
还应当注意，对一个或至多两个凹槽的先前引入的限制对应于具有12x12-μm2表面积占用的非常小的像素(基本探测器)的制造的非常具体且示例性的上下文。如果技术允许或者对于较大的像素，仍然有利的本发明的实施可以根据像素间距要求限定三个或更多凹槽。实际上，比率W/L应该保持近似恒定以避免过度修改电阻Rb，以及应该保持有限宽度的空间(凹槽)以避免过度恶化光吸收。
同样地，规定使用非晶硅来形成第二换能器材料的紧密壳。应当指出，相同的结果将通过a-SixGe(1-x)类型的硅和锗合金或a-SixC(1-x)类型的非晶硅和碳合金来获得。
因此，被认为是本发明的典型同时基本上提供所附优点的电阻率范围在10Ohm.cm和104Ohm.cm之间扩展。
制造方法
现在将描述根据本发明的实施例的制造方法，该方法开始于根据文献US 2014/319350的教导制造读出电路的CMOS衬底的堆叠的步骤。根据本发明的方法使得能够通过有限数量的光刻层级制造测辐射热探测器，然而与任何类型的换能器材料(有利地基本上为MOx)的使用相兼容。
更具体地，根据本发明的制造方法是组装与HFv型牺牲层释放兼容的膜的技术，其结合低电阻率的第二金属氧化物型换能器材料与诸如非晶硅或相关合金的第一换能器材料共同使用，用于在最终牺牲介电材料蚀刻操作期间完全保护金属氧化物。因此，获得能够以与支撑ROIC的CMOS制造流程中的集成兼容的经济方式超越现有技术的性能(信噪比)的构造。
参考图16和图17，根据本发明的方法例如按惯例开始于CMOS技术中的电子读出电路60的构造，该电子读出电路60包括互连件64的一个或多个层级62(CMOS电路60的“后端”部分)，该互连64具体地将读出电路60的功能块彼此连接，并且用于形成读出电路60的输入/输出连接。电路60的后端层和每个测辐射热膜之间的金属连续性还通过穿过阻挡层68、基底层34和矿物牺牲层(SiO)70从CMOS的金属层到将形成膜的电极20、22的金属层74的金属化通孔66形成(图16)。例如，在文献US 2014/319350中主要描述了操作顺序。
该方法继续与HFv释放方法兼容的膜的构造，同时集成较小的电阻率的第二换能器材料，而没有附加步骤。参考图16，膜制造包括：
-对金属层74进行蚀刻，以跨整个膜限定一个或多个长度L的凹槽76并且因此还限定两个金属电极20、22；
-将低电阻率的第二换能器材料44(例如，通常为氧化钒(通式VOx)或氧化镍(通式NiOx)或氧化钛(通式TiOx))直接沉积在电极20、22的金属上，以在由非金属化空间界定的半导体层的平面中形成电阻器Rb；
-通过干法蚀刻或湿法蚀刻来选择性地在底层金属和非晶硅上限定沿着第二换能器材料的层44的平面(通常根据简单的矩形)的延伸，其尺寸小于所述换能器材料44的膜的最终轮廓，即，在其内接在该(未来)轮廓内的周界的任何点处；
-将优选地但不一定具有与基底层34的电阻率和厚度相同的电阻率和厚度的第二非晶封装硅层36进行沉积；
-限定膜轮廓和热绝缘臂并且蚀刻适当位置处的所有层，即，两个a-Si层34、36以及电极20、22的金属。该掩膜的周界优选地在任何位置中不与第二换能器材料44的图案交叉，以在其结构的边缘上(即，至少在膜周界的某些点处)没有创建局部曝光。顺便指出，这样的布局方便了蚀刻方法的定义。
根据这种构造，对于保持结构，与参考技术相比，臂仅由夹在金属层74中的两个a-Si层形成。因此，a-Si层34和36具有类似的且优选地相同的厚度，以避免由于内应力差异而引起的可能的变形。
在图17中示出了集成第三实施例的电绝缘体(例如，电介质)的层的堆叠。一旦在金属层74中形成凹槽，可以通过应用以下步骤根据图16的横截面中示出的制造获得：
-通过优选地使用标准BEOL材料和CMOS制造工艺的技术将介电层52(例如，SiO、SiOxNy等)进行沉积；
-在介电层52中限定开口54、56，以形成出现在金属74上的电触点。这些触点通常沿着膜的两个相对边缘形成并且限定之后沉积的主换能器材料长方体44的两端；
-将较小的电阻率的第二换能器材料44(例如，通常为氧化钒(通式VOx)或氧化镍(通式NiOx)或氧化钛(通式TiOx))进行沉积。主换能器44然后在电极金属的开口54、56外面绝缘，以在由之前形成的触点界定的换能器层的平面中形成与电阻器Rb并联的较少电阻部分；
-例如，根据简单矩形或者更普遍地根据比由膜占据的最终表面积小的尺寸的简单多边形，限定第二换能器材料的轮廓，以及执行对所述换能器的干法蚀刻或湿法蚀刻，例如，选择性在介电层52上。这样的蚀刻在介电层52上可能不是特别有选择力的，在这种情况下，应该在金属层74上有选择力，这为本领域的技术人员提供定义的宽自由度；
-例如且优选地(有利地使用与之前的掩膜相同的掩膜)根据与第二换能器材料相同的轮廓，通过选择性在底层金属74上的湿化学或优选地干化学来蚀刻电介质52(如果它根据在之前步骤实施的方法仍然存在于该阶段)。这样的优先设置旨在抑制来自膜臂的表面的电介质52，使得仅保留两个a-Si层和金属材料。因此获得了悬置膜的最大热阻(例如，响应)；
-将优选地(但不一定)具有与基底层34的电阻率和厚度等同的电阻率和厚度的第二封装非晶硅层36进行沉积；
-限定膜轮廓和热绝缘臂，并且蚀刻适当位置中的所有层，即，两个a-Si层34、36和电极20、22的金属。该掩膜的周界优选地在任何位置中不与第二换能器材料44的图案(延伸)交叉，也不与中间电介质52交叉，以避免局部暴露该结构的边缘上的一个层或其他层。顺便指出，这样的设置方便了蚀刻方法的定义。
已经描述了其中通过还实现吸收功能的两个电极实现电阻器Rb的偏置的功能的具体实施例。
在变型中，用于电极的金属和用于吸收的金属可以从特别是非共面的两个不同的层形成。
在变型中，可以在第二换能器材料的限定之后，提供用于电极和吸收层的金属，其偏压(电连续性)从上界面获得。
在用作第一材料的特别相关的情况下，形成了本发明，用于形成基底层和封装层，换言之，形成紧密层、具有102Ohm.cm数量级的电阻率的非晶硅。然而，根据掺杂和具体组成x，a-SixGe(1-x)类型的与锗成合金的或a-Six-C(1-x)类型的与碳成合金的非晶材料的使用很容易地提供覆盖通常10Ohm.cm和104Ohm.om之间的范围的材料(超过该范围，所述材料在该特定上下文中可以被认为是几乎“介电的”)，而没有偏离本发明的上下文。实际上，所有这些材料对于以HFv形式蚀刻牺牲SiO层的方法是惰性的。

Claims (14)

1.一种辐射热检测装置，包括：
衬底(14)，其包括读出电路；
基本探测器阵列，每个探测器包括在所述衬底(14)上方悬置并且通过至少两个电导体(16，18)连接到所述读出集成电路的膜(12)，所述膜包括分别连接到所述两个电导体的两个导电电极(20，22)以及电连接所述两个电极的换能器材料的体积(24)，
其中，所述读出电路被配置为将电刺激施加在所述膜(12)的所述两个电极(20，22)之间并且形成电信号作为对所述施加的响应，
其特征在于：
所述体积包括：
第一换能器材料的体积(34，38，40)，其电连接所述膜(12)的所述两个电极(20，22)并且形成使得所述电极(20，22)中的每个电极至少部分地容纳在其中的封闭外壳(42)的壁；以及
第二换能器材料的体积(44)，其电连接所述两个电极(20，22)并且容纳在所述外壳(42)中，所述第二材料的电阻率小于所述第一材料的电阻率；
以及两个换能器材料具有负的电阻率热系数TCR。
2.根据权利要求1所述的辐射热检测装置，其特征在于，所述两个电极(20，22)共面且仅被一个凹槽分隔。
3.根据权利要求1所述的辐射热检测装置，其特征在于，所述两个电极(20，22)属于一系列的至少三个导电共面区域，所述至少三个导电共面区域通过布置在所述两个电极之间的平行凹槽彼此分隔。
4.根据权利要求1、2或3所述的辐射热检测装置，其特征在于，所述膜包括在所述电极之间延伸且部分地覆盖所述电极中的每一个的连续电绝缘体层(52)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的辐射热检测装置，其特征在于，所述第二材料的电阻率比所述第一材料的电阻率小至少五倍并且优选地小十倍至二十倍。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的辐射热检测装置，其特征在于，所述第一材料具有大于10Ohm.cm的电阻率并且优选地小于104Ohm.cm的电阻率。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的辐射热检测装置，其特征在于，所述第一材料是非晶硅、化学式为SixGe(1-x)的硅和锗的非晶合金或化学式为a-SixC(1-x)的硅和碳的非晶合金，以及所述第二材料是金属氧化物。
8.一种制造辐射热检测装置的方法，包括：
制造包括读出电路的衬底(60)；
将牺牲层(70)沉积在所述衬底上；
在所述牺牲层(70)上制造膜(12)阵列，每个膜通过至少两个电导体(66)连接到所述读出电路，所述膜包括分别连接到所述两个电导体的两个导电电极(20，22)以及电连接所述两个电极的换能器材料的体积；
一旦制造了所述膜，去除所述牺牲层(70)，
其特征在于：
换能器体积的制造包括：
将第一换能器材料的底层(34)沉积在所述牺牲层(70)上；
在所述第一材料的所述层上形成两个膜电极(20，22)；
将第二换能器的层(44)沉积在所述电极上和所述电极之间；以及
用所述第一材料的顶层(36)封装所述第二换能器材料的层(44)以同样部分地覆盖所述两个电极，
以及，其特征在于：
两个换能器材料具有负的电阻率热系数TCR，以及所述第二材料的电阻率小于所述第一材料的电阻率；
所述第一材料对所述牺牲层的去除是惰性的。
9.根据权利要求8所述的辐射热检测装置制造方法，其特征在于，所述牺牲层通过HFv氢氟酸蚀刻去除，以及所述第一材料是非晶硅、化学式为a-SixGe(1-x)的硅和锗的非晶合金或化学式为a-SixC(1-x)的硅和碳的非晶合金。
10.根据权利要求8或9所述的辐射热检测装置制造方法，其特征在于，通过将导电材料的层进行沉积并且仅在所述层中形成向下至第一材料的所述底层的一个凹槽来形成所述两个电极。
11.根据权利要求8或10所述的辐射热检测装置制造方法，其特征在于，通过将导电材料的层进行沉积并且在所述层中形成向下至第一材料的所述底层的两个平行凹槽来形成所述两个电极。
12.根据权利要求8至11中的任一项所述的辐射热检测装置制造方法，其特征在于，所述第二材料的电阻率比所述第一材料的电阻率小至少五倍并且优选地小十倍至二十倍。
13.根据权利要求8至12中的任一项所述的辐射热检测装置制造方法，其特征在于，所述第一材料具有大于10Ohm.cm的电阻率并且优选地小于104Ohm.cm的电阻率。
14.根据权利要求8至13中的任一项所述的辐射热检测装置制造方法，其特征在于，所述方法包括在沉积所述第二换能器材料之前，沉积电绝缘层，所述电绝缘层在所述电极之间延伸且部分地覆盖所述电极中的每一个。
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