CN110621968A - 具有抗光晕保护的辐射传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有在半导体衬底(101)内和上形成的多个像素(600)的辐射传感器，每个像素具有通过绝热臂(105a，105b)悬挂在所述衬底(101)上方的微板(103)，所述微板(103)包括：用于将入射电磁辐射转换为热能的构件(601)；以及无源光学挡板，其包括覆盖所述转换构件(601)的表面之一的热敏层(605)，所述热敏层(605)相对于待检测的辐射具有随着其温度而增大的反射系数。

Description

具有抗光晕保护的辐射传感器
本专利申请要求法国专利申请No.FR17/52109的优先权，其应当被视为本公开的组成部分。
技术领域
本公开涉及辐射传感器领域，并且更具体地针对这种类型的传感器，其包括布置在半导体衬底内和上的多个基本微检测器或像素，每个像素包括用于将电磁辐射转换成电信号的转换元件，以及用于读取由转换元件提供的电信号的读取电路。本申请更具体地针对这种传感器的保护，以防止能够损坏其像素的光晕。在像素的转换元件是微测辐射热计的情况下，以下描述的实施例是特别有利的。
背景技术
传统上，辐射热测量计包括：通常位于红外线中的吸收器，该吸收器适于将其受到的电磁辐射转换成热能；以及温度计，其与吸收器热链接并适于提供代表吸收器的温度的电信号。温度计通常包括热阻器和用于读取热阻器的电阻的读取电路。
已经在例如1999年7月8日提交的法国专利申请No.2796148或2001年3月21日提交的法国专利申请No.2822541中提出了一种热辐射传感器，包括布置在半导体衬底内和上的多个像素，每个像素包括微测辐射热计和用于监控和读取微测辐射热计的电子监控和读取电路。
出现的问题是，当它们受到高辐射(例如，在传感器上的恶意攻击的情况下的激光辐射、或者太阳辐射)时，这种传感器的像素遭受有可能达到几百度的温度上升，这会造成暂时或永久性损坏。
更一般而言，在其他类型的电磁辐射传感器中，尤其是在其中入射辐射的测量基于传感器像素内的辐射到热能的转换的传感器中，会出现由于要检测的辐射而导致像素温度急剧升高的问题。
期望能够有一种保护辐射传感器免受能够损坏其像素的光晕的装置。
发明内容
因此，一个实施例提供了一种辐射传感器，其包括形成在半导体衬底内和上的多个像素，每个像素包括通过绝热臂悬挂在所述衬底上方的微板，所述微板包括：
转换元件，其用于将入射电磁辐射转换为热能；以及
无源光学挡板，其包括覆盖所述转换元件的表面之一的热敏层，所述热敏层具有针对待检测的辐射的随着其温度而增大的反射系数。
根据实施例，所述热敏层由相变材料制成。
根据实施例，所述热敏层由具有对于所述待检测的辐射为透明的绝缘相和对于所述待检测的辐射为反射性的金属相的金属氧化物制成。
根据实施例，所述热敏层由氧化钒或氧化钛制成。
根据实施例，所述热敏层由Ag2S或FeS制成。
根据实施例，所述热敏层具有包括在60与180℃之间的转变温度。
根据实施例，每个像素还包括与所述像素的所述转换元件热耦合的热阻器。
根据实施例，每个像素还包括用于读取所述像素的所述热阻器的值的读取电路。
根据实施例，在每个像素中，所述转换元件是由对于所述待检测的辐射为能吸收的材料制成的层。
根据实施例，在每个像素中，所述转换元件是金属层。
根据实施例，在每个像素中，所述绝热臂置于垂直电连接柱上。
根据实施例，在每个像素中，所述微板和所述绝热臂被布置在空腔中，所述空腔被对于所述待检测的辐射为透明的盖封闭。
根据实施例，在每个像素中，所述透明的盖密封地封闭所述空腔，并且所述空腔处在低于大气压的压力下。
根据实施例，在每个像素中，所述微板和所述绝热臂被布置在空腔中，所述空腔被对于所述待检测的辐射为透明的盖封闭。
根据实施例，在每个像素中，所述透明的盖密封地封闭所述空腔，并且所述空腔处在低于大气压的压力下。
附图说明
在以下通过示例而非限制的方式参照附图给出的对特定实施例的描述中，将详细描述上述特征和优点以及其他优点，其中：
图1A和图1B分别是根据第一实施例的辐射传感器的像素的示例的简化截面图和简化俯视图；
图2是根据第一实施例的辐射传感器的像素的另一示例的简化截面图；
图3A、图3B、图3C、图3D、图3E和图3F是描绘了根据第一实施例的用于制造像素的方法的示例的步骤的截面图；
图4是描绘了图3A、图3B、图3C、图3D、图3E和图3F的制造方法的变型的截面图；
图5A、图5B、图5C和图5D是描绘了根据第一实施例的用于制造像素的方法的另一示例的步骤的截面图；
图6是根据第二实施例的辐射传感器的像素的示例的局部简化截面图；
图7A、图7B、图7C、图7D、图7E和图7F是描绘了根据第二实施例的用于制造像素的方法的示例的步骤的截面图；
图7bis是描绘了图7A、图7B、图7C、图7D、图7E和图7F的方法的变型实施例的截面图；
图8是根据第三实施例的辐射传感器的像素的示例的简化截面图；
图9A、图9B、图9C、图9D、图9E、图9F和图9G是描绘了根据第三实施例的用于制造像素的方法的示例的步骤的截面图。
具体实施方式
在各个附图中，相同特征已经由相同附图标记表示，此外，各个附图未按比例绘制。为了清楚起见，仅详细示出和描述了对于理解所述实施例有用的元件。特别地，没有详细描述用于监控和读取像素的监控和读取电路，所述实施例与通常在这种类型的像素中提供的监控和读取电路兼容，或者这些电路的实现在本领域技术人员的基于本公开的功能指示的能力范围内。另外，在示出所述示例的附图中，辐射传感器的单独像素是可见的。实际上，辐射传感器可以包括例如根据矩阵布置或作为条带布置在同一半导体衬底内和上的多个相同或相似像素。没有详细描述传感器的各个像素的布置、传感器的像素之间的互连、以及用于监控传感器的外围监控电路，所述实施例与常在这种传感器中提供的布置、互连和外围监控电路兼容。此外，没有详细描述可以由所述传感器实现的用途，所述实施例与辐射传感器的传统应用兼容。然而，应注意的是，所述实施例对于在红外成像、热成像、通过测量红外光谱中的光吸收的气体检测、检测或识别红外光谱中的人、物体或移动等中的应用特别有利。在下面的公开中，除非另有说明，否则当提及诸如术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等绝对位置限定词、或诸如术语“上方”、“下方”、“较高”、“较低”等相对位置限定词、或诸如“水平”、“垂直”等定向限定词时，参照附图中所示的截面图的定向，应当理解，实际上，所述实施例可以具有不同的定向。除非另有说明，否则表述“大约”、“基本上”和“大概”表示在10％以内、并且优选在5％以内。应当注意，在下面的描述中，辐射传感器旨在经由其上表面(在附图的截面图的定向上)被照射或辐射。
第一实施例——有源保护盖
图1A和图1B分别是根据第一实施例的辐射传感器的像素的示例的简化截面图和简化俯视图。
图1A和图1B的像素100形成在半导体衬底101内和上，例如由硅制成。
像素100包括例如使用CMOS技术形成在衬底101内和上的电子读取和监控电路102。监控和读取电路未在图中详细示出。在图1A中，以阴影线矩形区的形式仅示出了与电路102的上表面齐平的电连接垫，其旨在将电路102连接到像素的其他元件。
像素100还包括通过绝热臂悬挂在电路102上方的微板103，绝热臂在所示示例中是两个臂105a和105b。更具体地，在示出的示例中，衬底101和电路102水平地布置，并且微板103和绝热臂105a和105b布置在基本上平行于电路102的上表面的同一中间平面中。臂105a和105b中的每一个具有与微板103机械和电气地接触的第一端或近端、以及分别位于例如由铜或钨制成的垂直导电柱107a、107b的顶部上的第二端或远端，垂直导电柱的基部位于电路102的上表面上。柱107a和107b通过臂105a和105b机械地支撑微板103，并且也通过臂105a和105b使微板103可电连接到电路102。因此，在电路102的上表面与微板103的下表面之间存在没有任何固体材料的空间。换句话说，微板103仅与臂105a和105b机械接触，臂105a和105b将微板与该结构的其余部分(特别是与电路102和与衬底101)热隔离。
在该示例中，微板103是测辐射热微板，即，其包括：吸收器(在图1A和图1B中未详细示出)，该吸收器例如具有导电层的形式，适于将入射电磁辐射转换成热能；以及热阻器(在图1A和图1B中未详细示出)，通过它可以测量吸收器的温度。例如，吸收器由氮化钛(TiN)制成，并且热阻器由非晶硅或氧化钒制成。热阻器的两端通过臂105a和105b分别电连接到导电柱107a和107b。
在所示的示例中，支柱107a的基座与电路102的上表面的连接垫109a机械和电气地接触，并且支柱107b的基座与电路102的上表面的连接垫109b机械和电气地接触。因此，监控和读取电路102通过像素的垫109a和109b以及柱107a和107b连接到像素的热阻器的端部。电路102适于提供代表像素的热阻器的电阻的电信号。
像素100还包括盖111，盖111对于待检测辐射是透明的，其位于监控电路102的上表面上，并且与电路102的上表面一起界定了悬挂微板103位于其中的空腔或密封外壳113。在微板103的上表面与盖111的下表面之间留有没有任何固体物质的空间，该空间与位于微板103的下表面与电路102的上表面之间的自由空间连通。空腔113优选地置于真空中或低于大气压的压力下，以便通过限制空气的热传导来增强微板103相对于传感器其余部分的热隔离。
根据图1A和图1B的实施例的一个方面，像素100包括光学挡板，该光学挡板包括由热敏材料制成的、覆盖透明盖111的上表面的、面向像素的微板103的层115。光学挡板是有源挡板，即，其在打开状态或在关闭状态下是电可控的，在打开状态下，层115对于待检测的辐射是基本上透明的，即，其中层115对于待检测的辐射的反射和/或吸收系数相对较低，在关闭状态下，层115对于待检测的辐射的反射和/或吸收系数相对较高，即高于其在打开状态下的反射和/或吸收系数。例如，待检测的辐射是具有在从8到14μm的频带中包括的波长的热红外辐射，并且层115在关闭状态下对于待检测的辐射的透射系数比其在打开状态下的透射系数低至少0.2，优选地至少0.4。
在图1A和图1B的示例中，挡板包括加热电阻器117，其热耦合到层115并连接到用于经由电路102的连接垫119a和119b监控像素的监控电路102。
在示出的示例中，当从上方观察时，加热电阻器117布置在辐射热微板103的外边缘处，以便在挡板处于打开状态时不中断入射电磁辐射向微板的通过。例如，加热电阻器117是金属条，其形成导电带，当从上方观察时，该导电带围绕微板103。作为变型，加热电阻器可以由对于待检测的辐射透明的材料实现，例如电介质或半导体材料，例如，在红外辐射检测器的情况下，由二氧化钒(VO2)、锗(Ge)或非晶硅和掺硼的锗的a-SiGe:B合金制成。在这种情况下，加热电阻器117可以至少部分地延伸跨过像素的辐射热微板103。
加热电阻器117例如布置在热敏层115下方，例如接合至透明盖111的下表面。在所示的示例中，加热电阻器117分别通过例如由铜或钨制成的垂直导电柱121a和121b连接至监控电路102的垫119a和119b，垂直导电柱121a和121b分别将下壁耦合到空腔113的上壁。
为了简化起见，图1B中仅示出了像素100的微板103、保持臂105a和105b、加热电阻器117、以及垂直连接柱107a、107b、121a和121b。另外，在图1A中，垂直连接柱107a、107b、121a和121b已经在同一平面中示出。然而，实际上，柱107a、107b、121a和121b不必对齐。
像素100的抗光晕保护操作如下。像素的读取电路102适于通过其连接垫109a和109b来检测能够损坏像素的光晕，例如通过检测像素的热阻器的值的太快和太强的变化，这是微板温度升高太快或热阻器的值达到预定阈值的迹象。
例如，监控和读取电路102适于：在用于获取代表像素所接收的电磁辐射的值的获取阶段期间，通过在电路102的电容元件中对由像素的微测辐射热计的热阻器针对给定的热阻器直接偏置电压所输出的电流进行积分，来实现像素的读取。
在优选实施例中，电路102被配置为对不同持续时间的两个连续积分时段期间由像素的热阻器输出的电流进行积分。更具体地，电路102适于在短积分时段(例如，包括在1和5μs之间的持续时间)内测量积分电流，以便然后针对代表由像素接收到的辐射的值(或像素的输出值)的实际获取以例如用于构造图像的目的而在长积分时段内检测像素的有可能的光晕，所述长积分时段例如为大致30到100μs(例如大约64μs)。从第一积分得出的信号可以被采样并且例如通过比较器与阈值比较，由此根据比较结果来控制挡板。
作为变型，在实施长积分时段之前，电路102可以适于在不同持续时间的两个连续的短积分时段期间，例如大致1μs的第一时段期间和大致5μs的第二时段期间，对由热阻器输出的电流进行积分。因此，从第一和第二短积分时段得出的信号之间的差异被确定，并将其与阈值进行比较，以便决定是否激活挡板。优点在于，通过这种方式，可以摆脱与技术分散有关的各个像素的热阻器之间的值的差异，从而提高了光晕检测的精度。
在另一变型中，监控和读取电路102适于：在用于获取代表由像素所接收的电磁辐射的值的获取阶段期间，通过测量针对被注入到像素的热阻器中的给定直接偏置电流的、像素的微测辐射热计的热阻器的端子处的电压来实现像素的读取。因此，可以将热阻器的端子处的电压与阈值进行比较，以便决定是否激活像素的挡板。
当检测到光晕时，电路102控制电阻器117中的电流的施加，以引起热敏层115的温度升高达到转变温度，其导致挡板从打开状态(对于待检测的辐射是透明的层115)切换到关闭状态(对于待检测的辐射是不透明的层115)。入射电磁辐射因此被层115停止或限制，由此可以避免或限制像素的辐射热微板的损坏。在预定的关闭时段之后或当电路102检测到返回到辐射热微板的预定的可接受温度时，电路102中断在加热电阻器117中流动的电流。因此使热敏层115的温度回降到低于其转变温度，从而挡板重新打开。
应该注意的是，通过电连接柱121a和121b，可以有利地将保护盖111的上部热耦合到衬底101，以抑制由加热电阻器产生的温度升高，并且避免由电阻器117产生的热量扩散到封装盖和/或相邻像素的热敏层中。为了改善与衬底101的热耦合，电阻器117与电路102之间的垂直电连接柱的数量可以大于两个。例如，在从上方观察时具有大体正方形或矩形形状的辐射热微板103和围绕微板103的具有正方形或矩形环形带形式的加热电阻器117的情况下，如图1B所示，像素可以包括四个电连接柱，当从上方观察时，四个电连接柱分别设置在形成加热电阻器的导电环形带的四个角落处。
此外，用于监控和读取像素100的监控和读取电路102可以适于根据传感器的操作温度来调节注入到加热电阻器117中的电流，以便仅将使挡板关闭所必需的电流注入到电阻器117中。实际上，辐射传感器的操作温度通常可以在很宽的范围内变化，例如在-40℃至+70℃范围内变化，并且当操作温度低时，待注入电阻器117以带来热敏层115的转变的电流更高。例如，传感器包括例如布置在半导体衬底101内和上的至少一个温度探针，例如基于pn结的探针。因此，用于监控和读取像素100的监控和读取电路102适于在像素的光晕的情况下向像素的加热电阻器117注入根据由温度探针测量的温度而选择的电流。优点在于，通过这种方式，可以限制与抗光晕保护有关的电消耗，特别是当在高温下使用传感器时，并且可以避免封装盖111的温度不必要地升高超过热敏层的转变温度。
热敏层115的材料例如是相变材料，其在转变温度以下具有对于待检测的辐射基本上透明的相，并且在转变温度以上具有对于待检测的辐射是反射性或吸收性的相。优选地，将热敏材料的转变温度选择为高于像素的盖111在正常操作期间可以达到的最高温度，例如，包括在60至180℃之间。热敏层的透射或反射系数在转变温度附近的变化优选地相对陡峭，例如，对于10μm的波长，每度大于2.5％。例如，热敏材料是结晶的金属氧化物，其具有在其转变温度以下为透明的绝缘相、以及在其转变温度以上为反射性的金属相。热敏材料是例如具有大致68℃的转变温度的结晶的二氧化钒(VO2)。作为变型，热敏材料被二氧化钒结晶并被低价阳离子(例如Al3+、Cr3+或Ti4+)掺杂，以提高其转变温度。更一般地，根据期望的转变温度，可以使用其他钒氧化物，例如V3O5。作为变型，层115的热敏材料是Ti3O5、Ti2O3或SmNiO3。作为变型，层115的热敏材料是具有一般成分RNiO3的稀土镍酸盐，其中R表示稀土或稀土的二元合金，例如SmxNd1-xNiO3或EuxSm1-xNiO3类型的化合物。作为变型，层115的热敏材料是Ag2S或FeS。作为变型，热敏材料是单晶锗，其优点是对于室温下的热红外辐射相对透明，并且在高于100℃的温度下对于该辐射是相对吸收性的。
图2是根据第一实施例的辐射传感器的像素的另一示例的简化截面图。图2的像素200包括与图1A和图1B的像素100相同的元件。这些元件将在下面不再详细描述。在下文中，将仅详细描述像素100和200之间的差异。
图2的像素200与图1A和图1B的像素100的主要区别在于，它不包括与热敏层115分离的用于控制层115向关闭状态或向打开状态转变的加热电阻器117。在该示例中，像素的连接柱121a和121b的上端与热敏层115直接电接触。
图2的像素200以与图1A和图1B的像素100基本相同的方式操作，除了在图2的示例中，当用于监控和读取像素的监控和读取电路102检测到光晕时，它通过连接垫119a和119b以及连接柱121a和121b将电流直接注入到热敏层115中。该电流导致热敏层115的温度升高，这导致挡板关闭。当在热敏层115中流动的电流被中断时，层115的温度被回降到其转变温度以下，从而挡板返回到打开状态。
图3A、图3B、图3C、图3D、图3E和图3F是描绘了用于制造关于图2描述的类型的辐射传感器的方法的示例的步骤的截面图，即，不包括与热敏层分离的用于控制热敏层向关闭状态或向打开转变的加热电阻器。图3A、图3B、图3C、图3D、图3E和图3F更具体地描绘了传感器的单个像素的实现，应当理解，实际上，可以在同一半导体衬底101内和上同时形成多个相同或相似的像素。
图3A描绘了在衬底101内和上制造用于监控和读取像素200的监控和读取电路102的步骤。电路102例如是使用CMOS技术实现的。在此不详细描述电路102的制造，基于上述功能描述，该电路的实现在本领域技术人员的能力范围内。在图3A中，仅示出了与电路102的上表面齐平的电路102的电连接垫109a、109b、119a和119b。
图3B描绘了在电路102的上表面上并与电路102的上表面接触地沉积的牺牲层301的步骤。例如，层301沿衬底101的基本上整个表面连续地沉积。层301由聚酰亚胺或氧化硅制成。层301的厚度设置了电路102的上表面与像素200的辐射热微板103之间的距离。例如，层301的厚度包括在1至5μm之间，例如为大致2.5μm。
图3B进一步描绘了在与电路102的连接垫109a和109b垂直对准地在牺牲层301中蚀刻的通孔中的像素的电连接柱107a和107b的形成。柱107a和107b沿着层301的基本上整个厚度从电路102的连接垫109a和109b的上表面达到层301的上表面垂直地延伸。
图3B另外描绘了在牺牲层301以及连接柱107a和107b的上表面上并与其接触的辐射热微板103和微板的保持臂105a、105b的形成。该步骤包括：沉积辐射热微板103和保持臂105a、105b的组成材料，以及对像素的微板103和臂105a、105b进行界定或个体化。辐射热微板103和保持臂105a、105b的形成在此不详细描述，该形成有可能通过本领域技术人员已知的方法来实现，例如在上述法国专利申请No.2796148和No.2822541中描述的类型的方法。
图3C描绘了在图3B的步骤结束时获得的结构的上表面上并且与其接触地沉积第二牺牲层303的步骤，该第二牺牲层优选地具有与层301相同的性质。例如，以连续的方式沿着传感器的基本上整个表面沉积该层303。层303的下表面与像素的微板103和保持臂105a、105b的上表面相接触，并且在将像素的微板103和臂105a、105b分离的区域中(当从上方观察时)与层301的上表面接触。层303的厚度设置了微板103的上表面与像素的封装盖的上部之间的距离。例如，层303的厚度包括在1和2.5μm之间。
图3C还描绘了在与电路102的连接垫119a和119b垂直对准地在牺牲层303和301中蚀刻的通孔中的像素的电连接柱121a和121b的形成。柱121a和121b沿着牺牲层303和301的基本上整个厚度从电路102的连接垫119a和119b的上表面直到层303的上表面垂直地延伸。例如，连接柱121a、121b具有包括在0.25和1μm2之间的表面横截面。
图3C另外描绘了位于电连接柱121a和121b的上表面上的导电层305的形成。层305的作用尤其是防止柱121a、121b的金属(例如铜或钨)扩散到像素的封装盖的材料中。层305可以进一步用作用于在柱121a、121b上建立接触的后续步骤期间停止蚀刻的层。例如，层305由氮化钛(TiN)制成。层305具有例如包括在20与80nm之间的厚度。
图3D描绘了晚于图3C的步骤的步骤，在该步骤中，从牺牲层303的上表面并且直到电路102的上表面为止来蚀刻垂直外围沟槽，当从上方观察时，该垂直外围沟槽完全包围包括了辐射热微板103、保持臂105a，105b和电连接柱107a、107b、121a、121b的组件。沟槽307将像素的元件103、105a、105b、107a、107b、121a、121b与相邻像素的对应元件分离。沟槽307旨在容纳像素的封装盖的侧壁。在此示例中，为传感器的每个像素实现了特定沟槽307，即两个相邻的像素被两个单独的沟槽307分离。
图3D进一步描绘了如下步骤：沿着在沟槽307的蚀刻之后获得的结构的基本整个上表面来沉积对于待检测的辐射是透明的层309，以便形成传感器的像素的封装盖111。层309例如是具有0.5至1μm的厚度(例如大致0.8μm的厚度)的非晶硅层。层309特别地沉积在沟槽307的侧壁和底部上并与其接触，以及沉积在沟槽307外部的牺牲层303或阻挡层305的上表面并与其接触，以在每个像素中密封地封装包括像素的微板103、臂105a、105b和柱107a、107b、121a、121b的组件。
图3E描绘了在层309中蚀刻沟槽311的步骤，当从上方观察时，沟槽311完全围绕传感器的每个像素，以使传感器的各个像素的封装盖111个体化并且电绝缘。实际上，在层309的材料是导电的情况下(如果掺杂非晶硅，则会是这种情况)，优选地对各个像素的封装盖111进行电绝缘，以使由用于监控和读取像素的监控和读取电路102通过其连接柱121a、121b施加的偏压不会在传感器的封装盖的阵列中引起寄生电流的流动。在所示的示例中，当从上方观察时，沟槽311被布置在将沟槽307与传感器的相邻像素分离的间隙中。隔离沟槽311沿着层309的整个厚度垂直地延伸，并且终止于牺牲层303的上表面。
图3E进一步描绘了在每个像素中在层309中、在由沟槽307界定的区(当从上方观察时)内部(即在像素的封装盖111的上部中)、例如面对像素的微板103的中心部分来蚀刻至少一个开口313。提供开口313以使得可以实现去除盖111内部的牺牲层301和303的后续步骤。开口313沿着层309的整个厚度垂直地延伸，并且终止于牺牲层303的上表面。当从上方观察时，开口313的宽度例如包括在0.1和1μm之间。
图3E另外描绘了在层309中蚀刻与电连接柱121a、121b相对的开口315以释放进入阻挡层305的上表面的通道的步骤。
开口311、313和315例如在同一蚀刻步骤期间被同时实现。
图3F描绘了例如通过各向异性化学蚀刻去除牺牲层303和301以释放像素的微板103和保持臂105a、105b的后续步骤。
图3F还描绘了在去除牺牲层303和301之后，与像素的辐射热微板103相对地将热敏层115沉积在封装盖111的上表面上并且与其接触的步骤。例如，沿结构的整个上表面沉积热敏层115，然后相对于开口311对其进行蚀刻，以将层115的布置在传感器的各个像素上的部分电隔离。根据所使用的热敏材料的类型，可以潜在地实施层115的退火以获得材料的期望的结晶相和转变温度。例如，在由二氧化钒(VO2)制成的热敏层的情况下，可以在室温下通过在含氧的大气中喷涂钒靶来实现沉积。这导致形成无定形二氧化钒层。然后可以在大致350至400℃的温度下实现退火，以使氧化钒层结晶并获得期望的热敏性质。热敏层的厚度例如包括在20和100nm之间，例如包括在20和60nm之间。
在开口315处，热敏层115与导电层305的上表面接触，以将热敏层115电连接至连接柱121a和121b。在所示的示例中，层115的热敏材料进一步封堵为去除牺牲层303和301而提供的开口313，以确保像素的封装腔113的密封封闭。热敏层115的沉积例如在真空或低于大气压的压力下实现，以将像素的封装腔放置在真空或低压下。应当指出的是，通过锗可以有利地确保热敏层和开口313的密封封闭材料的双重作用。作为变型，如果热敏材料不适合于密封地封堵开口313，则可以在沉积热敏层115之前提供中间步骤，该中间步骤用于沉积适于封堵开口313的材料，例如锗，或诸如铝的金属。在用于封堵开口113的中间层对于待检测的辐射来说不是足够透明的情况下，后者可以以局部的方式仅相对于开口113而被沉积，或者可以在沉积之后进行蚀刻以便仅相对于开口113而被保留。
在图3F的步骤结束时，获得关于图2描述的类型的像素200。
图4描绘了关于图3A、图3B、图3C、图3D、图3E和图3F描述的方法的变型。图4是在与图3F的截面图对应的方法结束时获得的像素的截面图。
图4的变型实施例与前述方法的不同之处主要在于对传感器的各个像素的封装盖111进行绝缘的方式。
图4的方法包括与前述方法相同的初始步骤，直至图3C的步骤为止且包括图3C的步骤。
在图4的变型中，从结构的上表面在牺牲层303和301中蚀刻用于界定像素的垂直界定沟槽307。这些沟槽类似于关于图3D描述的沟槽，不同之处在于，在图4的变型中，传感器的两个相邻像素被单个沟槽307分开。换句话说，与
图3D中形成了专用于传感器的每个像素的环形沟槽307以使得分离的像素的沟槽307不连续的示例相反，在图4的示例中，当从上方观察时，沟槽307具有连续网格的形状，其沿着传感器的基本上整个表面延伸并界定了传感器的各个像素。
图4的方法的后续步骤类似于关于图3D和图3E所描述的步骤，不同之处在于，代替图3E的沟槽311，在层309中针对每个像素蚀刻了环形沟槽411，当从上方观察时，所述环形沟槽411完全围绕包括了像素的辐射热测量微板103、保持臂105a、105b和电连接柱107a、107b、121a、121b的组件，当从上方观察时，沟槽411位于在由用于界定像素的界定沟槽307所界定的区内部。环形沟槽411沿封装层309的整个厚度垂直地延伸，并终止于牺牲层303的上表面。然后，沟槽411被填充电绝缘材料，例如氮化硅(SiN)或氮化铝(AlN)，以获得完全围绕像素的封装盖111的上部中心部分的绝缘框架或环413，这防止了寄生电流在传感器的各个像素的封装盖之间流动。
后续步骤与关于图3E和图3F所描述的步骤相同或相似，当从上方观察时，每个像素的热敏层115被插入到像素的绝缘框架或环413内。
图4的变型实施例的优点在于，以在开口411中形成绝缘框架413的附加步骤为代价，可以减小用于使传感器的各个像素的封装盖111和热敏层115电绝缘的表面积。
图5A、图5B、图5C、图5D是描绘了用于制造关于图1A和图1B所述的类型的辐射传感器的方法的示例的步骤的截面图，即包括与热敏层分离的用于控制热敏层的关闭状态或打开状态的转变的加热电阻器。图5A、图5B、图5C和图5D更具体地针对加热电阻器是导电金属条的情况，当从上方观察时，该加热金属条包围而不遮蔽像素的辐射热微板103。
图5A、图5B、图5C、图5D的方法包括与关于图3A、图3B、图3C、图3D、图3E和图3F和/或关于图4描述的方法相同的元件。在下文中，将仅详细描述与图3A、图3B、图3C、图3D、图3E、图3F和图4的方法的不同之处。
图5A、图5B、图5C和图5D的方法包括与前述方法相同的初始步骤，直至图3C的步骤为止并且包括图3C的步骤。
图5A描绘了在图3C的步骤结束时获得的结构的上表面上沉积例如由氮化硅(SiN)制成或由氮化铝(AlN)制成的第一电绝缘层501的步骤。然后在层501中与电连接柱121a、121b垂直对准地蚀刻开口，以释放进入阻挡层305的上表面的通道。在该蚀刻步骤期间，层501保持在层305的被沉积在电连接柱121a、121b上的部分的外边缘处和各侧上。还沿着旨在容纳加热电阻器117的结构的整个表面来保留层501，使得在该方法结束时，除了在其用于电连接到层305的区域以外，加热电阻器117被完全封装在电绝缘护套中。层501可以从结构的其余表面(尤其是相对于像素的辐射热微板103)被去除。
图5B描绘了在图5A的步骤结束时获得的结构的上表面上沉积导电层503以形成像素的加热电阻器117的后续步骤。层503例如是铝、钛或氮化钛的层。层503具有例如包括在10nm和100nm之间的厚度，例如大致20nm的厚度。例如，层503沿着结构的整个上表面沉积，然后被蚀刻以便仅保留布置在绝缘层501的上表面上并与其接触的导电条117，当从上方观察时，该导电条117围绕包括了像素的辐射热微板103和连接臂105a、105b的组件，并通过阻挡层305电连接到像素的连接柱121a、121b。当从上方观察时，导电条117的宽度例如包括在0.5和2μm之间，例如大致1μm。例如，当从上方观察时，导电条117具有框架或方形环的大体形状，其各边为大约25μm。
图5C描绘了在图5B的步骤结束时获得的结构的上表面上沉积例如具有与绝缘层501相同性质的第二电绝缘层505的步骤。层505被布置为覆盖形成了加热电阻器117的导电带的上表面和各侧，从而与层501一起形成围绕电阻器117的绝缘封装护套。例如，层505首先沿着结构的整个上表面被沉积，然后被蚀刻以便仅相对于加热电阻器117而保留。特别地，可以与像素的辐射热微板103相对地去除层505。
在一个变型中，除了相对于电连接柱121a、121b之外，在图5A的步骤中不蚀刻绝缘层501。然后，在形成导电条117和沉积层505之后的同一步骤期间，同时蚀刻层501和505。
该方法的后续步骤与前面关于图3D、图3E和图3F和/或关于图4所描述的步骤基本相同。然而，应当注意，由于通过介电层501、505对加热电阻器117进行了电绝缘，使各个像素的封装盖电绝缘的步骤是可选的。
图5D示出了方法结束时得到的像素。
关于图1A、图1B、图2、图3A至图3F、图4和图5A至图5D所述的类型的辐射传感器的优点在于，根据所测量的其辐射热微板的温度的增大，可以分别保护传感器的每个像素以防光晕，而无需同时关上传感器的所有像素来实现保护。
另外，在打开状态下，与辐射热微板相对的挡板的整个表面对于待检测的辐射是透明的，从而挡板不会衰减或几乎不会衰减入射辐射。
上面已经详细描述了这样的示例实施例，其中每个像素包括布置在像素专用的空腔中并通过像素专用的盖111密封地封闭的辐射热微板103。然而，本领域技术人员将能够提供这样的变型，其中，属于单独像素的多个辐射热微板被布置在由多个像素共有的封装盖封闭的同一空腔中。
此外，已经关于图1A、图1B和图5A至图5D描述了这样的示例实施例，其中，在像素的封装盖111的上表面下方布置有加热电阻器117，以控制光学挡板的打开和关闭。作为变型，加热电阻器117可以被布置在像素的封装盖111的上表面上方，例如在热敏层115的上表面上，或者在封装盖111与热敏层115之间。
另外，已经描述了这样的示例性实施例，其中，光学挡板的热敏层115被布置在像素的封装盖111的上表面或外表面上并与其接触。作为变型，热敏层115可以被布置在空腔113内部，与盖111的上部的下表面接触。
此外，关于图1A、图1B、图2、图3A至图3F、图4和图5A至图5D描述的传感器可包括未详细描述的附加元件。特别地，可以在像素的上表面上提供抗反射层，例如硫化锌(ZnS)层。此外，可以在辐射热微板103下方、在用于监控和读取像素的监控和读取电路102的上表面上并与其接触地提供对于待检测的电磁辐射具有反射性的层，以在辐射热微板103与电路102的上表面之间定义待检测的辐射共振的腔。
此外，已经关于图1A、图1B、图2、图3A至图3F、图4和图5A至图5D描述了这样的示例实施例，其中，传感器的每个像素包括具有微测辐射热计的悬挂式微板103。作为变型，可以将微测辐射热计替换为用于将入射电磁辐射转换成电信号的另一类型的转换元件，例如热检测器或基于入射辐射到热能的转换的检测器，例如热阻器、热电检测器或基于场效应晶体管或基于pn二极管的检测器。
第二实施例——微板上的无源保护
图6是根据第二实施例的辐射传感器的像素600的示例的简化截面图。图6的像素600包括与前述像素相同的元件。在下文中，将仅详细描述与第一实施例的示例的不同之处。
如在前文所述的示例中那样，图6的像素600形成在例如由硅制成的半导体衬底101内和上，并且包括形成在衬底101内和上的电子监控和读取电路102。另外，如前述示例中那样，像素600包括通过绝热臂悬挂在电路102上方的微板103、在所示示例中的两个臂105a和105b、以及耦合到电路102的连接垫109a、109b的垂直导电柱107a、107b。如在前述示例中那样，像素600还可以包括盖111，其对于待检测的辐射是透明的，位于监控电路102的上表面上，并且与监控电路102的上表面一起界定了悬挂微板103位于其中的空腔或密封外壳113。空腔113可以置于真空下或低于大气压的压力下，以加强微板103的热隔离。
与第一实施例的示例不同，图6的像素600不包括有源光学挡板，并且特别地不包括覆盖透明盖111的与微板103相对的表面、且连接到像素的监控和读取电路102的热敏层。更具体地，在图6的示例中，像素600不包括第一实施例的示例的连接柱121a、121b、连接垫119a、119b、加热电阻器117和热敏层115。
像素600的微板103包括用于将入射电磁辐射转换成热能的转换元件。在所示的示例中，微板103是辐射热微板，即，它包括吸收器601和热阻器603，吸收器601例如具有导电层的形式，适于将入射电磁辐射转换成热能，通过热阻器603可以测量吸收器的温度。吸收器601采取例如沿着微板的基本上整个表面延伸的层的形式。例如，吸收器由氮化钛(TiN)制成。在下文中，热阻器603由电阻率随着温度而显著变化的被称为温度计材料的材料来实现，例如非晶硅或氧化钒。例如，热阻器603采取覆盖微板103的基本上整个表面的层的形式。热阻器的两端通过图6中未详细示出的电耦合，穿过用于悬挂微板的臂105a、105b和悬挂柱107a、107b而被电连接至用于监控像素的监控电路。
根据图6的实施例的一个方面，像素600的微板103包括无源光学挡板，该无源光学挡板包括由热敏材料制成的层605，其覆盖用于将入射辐射转换为像素的热能的转换元件，即，该示例中的吸收器601。通过无源挡板，挡板在此被理解为不受像素的监控和读取电路102电控制的挡板。在图6的实施例中，热敏层605热耦合到用于将入射辐射转换成热能的转换元件，并且当转换元件产生的热量变得太高时，由转换元件产生的热量直接引起热敏层的光学性质的修改，从而降低了其对入射辐射的透射系数。在该示例中，热敏层605被布置在吸收器601与热阻器603之间。热敏层605被选择为具有随着温度而增大的反射系数。更具体地，热敏层605被选择为在转变温度以下对于待检测的辐射基本上是透明的，并且在其转变温度以上对于待检测的辐射具有相对较高的反射系数。热敏层的转变温度优选地高于微板103在正常操作期间可以达到的最高温度，并且低于微板103在像素损坏之前可以承受的最高温度。例如，热敏层的转变温度包括在60与180℃之间。热敏层的反射或透射系数在转变温度附近的变化优选地相对陡峭，例如，对于10μm的波长，每度大于2.5％。在像素的光晕的情况下，由于微板的温度升高，挡板自动关闭。入射电磁辐射的一部分因此被层605反射，并且因此不再被像素的转换元件吸收。这使得可以避免或限制像素的辐射热微板的损坏。当层605的温度回降到其转变温度以下时，挡板重新打开。
热敏层605的材料例如是相变材料，例如结晶的金属氧化物，该金属氧化物具有在其转变温度以下对于待检测的辐射为透明的绝缘相以及在其转变温度以上对于待检测的辐射为反射性的金属相。热敏材料是例如具有大致68℃的转变温度的结晶的二氧化钒(VO2)。作为变型，热敏材料被二氧化钒结晶并被低价阳离子(例如Al3+、Cr3+或Ti4+)掺杂，以提高其转变温度。更一般地，根据期望的转变温度，可以使用其他钒氧化物，例如V3O5。作为变型，层605的热敏材料是Ti3O5、Ti2O3或SmNiO3。作为变型，层605的热敏材料是具有一般成分RNiO3的稀土镍酸盐，其中R表示稀土或稀土的二元合金，例如SmxNd1-xNiO3或EuxSm1-xNiO3类型的化合物。作为变型，层605的热敏材料是Ag2S或FeS。
图7A、图7B、图7C、图7D、图7E和图7F是描绘了用于制造关于图6描述的类型的辐射传感器的方法的示例的步骤的截面图。图7A、图7B、图7C、图7D、图7E和图7F更具体地描述了传感器的单个像素600的实现，应当理解，实际上，可以在同一半导体衬底101内和上形成多个相同或相似的像素。
图7A描绘了例如使用CMOS技术在衬底101内和上制造用于监控和读取像素600的监控和读取电路102的步骤。在图7A中，仅示出了电路102的电连接垫109a和109b，其与电路的上表面齐平。
图7A还描绘了在电路102的上表面上形成反射层701的可选步骤，该反射层例如是铝、银或铜的层。在图1A、图1B、图2、图3A至图3F、图4和图5A至图5D的示例中还有可能以可选方式提供的该反射器使得可以在微板103与电路102的上表面之间定义对于待检测的辐射共振的腔，以增加微板103对入射辐射的吸收。例如，首先沿传感器的整个表面沉积层701，然后将其蚀刻以便仅相对于像素的未来微板而保留。
图7A另外描绘了在电路102和反射器701(如果适用的话)的上表面上并与其接触地沉积牺牲层301的步骤。例如，层301沿着传感器的基本上整个表面以连续方式沉积。例如，层301由聚酰亚胺或氧化硅制成。层301的厚度设置了电路102和/或反射器701的上表面与像素的辐射热微板103之间的距离。例如，层301的厚度包括在1至5μm之间，例如大致2.5μm。
图7A还描绘了在与电路102的连接垫109a和109b垂直对准地在牺牲层301中蚀刻的通孔中的像素的电连接柱107a和107b的形成。柱107a和107b沿着层301的基本上整个厚度从电路102的连接垫109a和109b的上表面直到层301的上表面垂直地延伸。
图7A另外描绘了在形成柱107a和107b之后在牺牲层301的上表面上沉积例如由氮化硅(SiN)、氮化铝(AlN)或碳化硅(SiC)制成的第一电绝缘层703的步骤，其用作像素的微板103和绝热臂105a、105b的构造的支撑。例如，层303沿着传感器的基本上整个表面以连续的方式沉积，然后与支柱107a和107b垂直对准地局部蚀刻，以便分别形成与柱107a、107b的上表面的中心部分相对的开口704a、704b，使得可以建立柱的上表面上的电接触。
图7B描绘了后续步骤：在绝缘层703的上表面和在开口704a、704b处被清除的柱107a、107b的上表面上沉积由对待检测的辐射是吸收性的材料制成的层601，以便形成像素的微测辐射热计的吸收器。层601例如以连续的方式沿着传感器的基本上整个表面沉积。特别地，在示出的示例中，层601与绝缘层703的上表面以及电连接柱107a、107b的上表面的一部分接触。
图7B还描绘了在层601中蚀刻沟槽705的步骤，该步骤旨在将吸收器分成像素的未来辐射热微板103中的两个不连续部分601-a和601-b。实际上，在该示例中，吸收器601由导电材料(例如氮化钛)制成，并且不仅用于其吸收器的功能，而且还用作电导体以通过电连接柱107a、107b将像素的热阻器的端部电耦合到电路102。因此，将吸收器分成两个不连续的部分或电极是合适的，一个(部分601-a)连接到柱107a和像素的热阻器的第一端，并且另一个(部分601-b)连接到柱107b和像素的热阻器的第二端。沟槽705从上表面垂直延伸直到层601的下表面，并且终止于绝缘层703的上表面。当从上方观察时，沟槽705例如在微板的中心部分中沿着未来的辐射热微板103的整个宽度延伸。
图7B另外描绘了在形成沟槽705之后获得的结构的上表面上沉积第二电绝缘层707的步骤，该第二电绝缘层707例如具有与层703相同的性质，覆盖层601的上表面以及沟槽705的侧壁和底部。例如，层707沿着传感器的基本上整个表面以连续的方式沉积。
图7C描绘了在绝缘层707的上表面上并与其接触地沉积热敏层605的步骤。例如，沿着传感器的整个表面以连续方式沉积热敏层605，然后将其蚀刻以便仅保留在每个像素的微板103上。在每个像素中，分别相对于吸收器601的部分601-a和部分601-b将两个局部开口709a和709b进一步蚀刻到热敏层605中，后续步骤目的是在吸收器的部分601-a和601-b上建立电接触，以将像素的热阻器连接到读取电路102。例如，开口709a和709b分别布置在微板的两个相对边缘附近。在所示的示例中，开口709a和709b沿着热敏层605的整个厚度延伸，并终止于绝缘层707的上表面。根据所使用的热敏材料的类型，可以潜在地对层605实现退火，以获得材料的期望的结晶相和转变温度。例如，在由二氧化钒(VO2)制成的热敏层的情况下，可以在室温下通过在含氧的大气中喷涂钒靶来实现沉积，然后可以在大致350至400℃的温度下实现退火，以便使钒氧化物层结晶并获得期望的热敏性质。热敏层605的蚀刻可以在退火之前或之后实现。热敏层的厚度例如包括在20至100nm之间，例如包括在20至60nm之间。
图7C另外描绘了在热敏层605的蚀刻和退火之后，在结构的上表面上沉积例如具有与层703和/或层707相同的性质的第三电绝缘层711的步骤。层711例如以连续的方式沿着传感器的基本上整个表面沉积。在所示的示例中，绝缘层711在热敏层605的上表面和各侧上并与其接触地延伸，并且在绝缘层707的上表面上并与其接触地延伸。绝缘层711进一步在形成于热敏层中的开口709a、709b的侧壁和底部上并与其接触地延伸。
图7D描绘了在开口709a、709b的底部局部地蚀刻绝缘层711和707以释放进入吸收器601的部分601-a、601-b的上表面的通道的后续步骤。
图7E描绘了在图7D的步骤结束时获得的结构的上表面上沉积温度计材料(例如非晶硅或氧化钒)的层603以便实现像素的热阻器的步骤。层603例如沿着传感器的基本上整个表面以连续的方式沉积，然后被蚀刻以便仅保留在像素的微板103上。层603特别地沉积在开口709a、709b的内部，使得热阻器603在一侧(通过第一端)通过吸收器601的部分601-a和连接柱107a连接到电路102的垫109a，并且在另一侧(通过第二端)通过吸收器601的部分601-b和连接柱107b连接到电路102的垫109b。
图7E另外描绘了在结构的上表面上沉积例如具有与层703、707和/或711相同性质的第四电绝缘层713的步骤。层713例如以连续的方式沿着传感器的基本上整个表面沉积，并且特别地沉积在热阻器603的上表面和各侧上并与其接触。
图7F描绘了雕刻由层703、601、707、711和713形成的堆叠件以对像素的微板103和臂105a、105b进行界定或个体化的后续步骤。在该步骤期间，例如，除了在传感器的像素的微板103和臂105a、105b处以外，在任何地方都去除堆叠件703-601-707-711-713。
然后该方法可以以经典方式通过以下两者中之一来继续：直接去除牺牲层301以便释放像素的微板103和臂105a、105b；或者(如果期望形成封装盖的话)沉积第二牺牲层，然后根据关于图3C至图3F描述的类型的方法来形成封装盖。
在关于图7A至图7F描述的示例中，当实现层605的重结晶退火以获得期望的热敏性质时，该退火在温度计层603的沉积之前实现。通过这种方式，退火不会损坏层603的温度计性质。特别地，在热敏层605和温度计层603均由氧化钒制成的情况下，这使得可以以相同的结构在热敏层605中获得结晶二氧化钒，并且在温度计层603中获得表现出针对其温度计性质优化后的不同晶体性质的氧化钒。
作为变型，在温度计材料可以忍受热敏材料的重结晶退火而不会显著损坏的情况下，例如利用非晶硅(在由二氧化钒制成的热敏层的情况下)的情况，可以在温度计层603上方形成热敏层605。
此外，可以设置成将热敏材料沉积在温度计材料上方，然后通过RTA型的快速热退火(例如通过照射组件的上表面的灯或激光)使热敏材料重结晶，以限制在退火期间温度计层的温度升高。在这种情况下，还可以在温度计层与热敏层之间提供缓冲层，以便限制在退火期间温度计层的温度升高。
在变型实施例中，热敏层605可以布置在吸收器601的下表面的一侧上，即，在吸收器的与像素的照射面相反的一侧。通过这种构造，尽管不太有利，但是还可以在挡板的关闭期间限制入射电磁辐射的吸收，因为挡板由此限制了由层701反射的通量的吸收。
此外，应当注意，在热敏材料是具有绝缘相和金属相的结晶金属氧化物的情况下，两相之间的过渡可以伴随着层605的密度的显著变化。这会引起能够使微板不稳定的应力。为了限制这些应力，可以提供热敏层605的合适的结构。例如，在传感器的每个像素中，像素的热敏层605可以是不连续的层，该不连续的层由被相对较窄(例如不占据超过微板的表面积的20％)的沟槽分离开的多个不连续区域构成。
优选地，为了促进吸收器601与热敏层605之间的热耦合，吸收器601与热敏层605之间的距离相对较小，例如小于20nm。例如，在吸收器601与热敏层605之间分界的绝缘层707(绝缘层707的下表面与吸收器601的上表面接触，并且其上表面与热敏层605的下表面接触)的厚度包括在1与20nm之间，例如大致10nm。
图7bis是描述关于图7A至图7F描述的辐射传感器的变型实施例的截面图，其中吸收器601与热敏层605接触，以使吸收器601与热敏层605之间的热耦合最大化。
图7bis的辐射传感器及其制造方法包括与关于图7A至图7F描述的辐射传感器和制造方法相同的元件。在下文中，将仅详细描述两个示例实施例之间的不同之处。
图7bis的传感器的制造直到沉积导电吸收层601为止与图7A至图7F的传感器的制造相同或相似。
如在图7A至图7F的示例中那样，然后在层601中蚀刻沟槽705，以便将吸收器601分成两个不连续的部分601-a和601-b。但是，与图7A至图7F的其中当从上方观察时吸收器的部分601-a和601-b相对于沟槽705对称的示例不同，在图7bis的示例中，吸收器的部分601-a和601-b相对于沟槽705不对称。更具体地，在该示例中，当从上方观察时，吸收器的部分601-a的表面积比吸收器的部分601-b的表面积大例如至少三倍。
如在图7A至图7F的示例中那样，在形成沟槽705之后得到的结构的上表面上(即在层601的上表面上)以及在沟槽705的侧壁和底部上沉积电绝缘层。在图7bis的示例中，然后层707被局部地去除以便暴露吸收器的部分601-a的全部或一部分上表面和/或吸收器的部分601-b的全部或一部分上表面。在该示例中，层707仅保留在沟槽705中，并且潜在地保留在吸收器的部分601-a和/或部分601-b的上表面的紧邻沟槽705的部分上。
然后以与前述相同或相似的方式沉积热敏层605，不同之处在于，在图7bis的示例中，热敏层605与吸收器的部分601-a和601-b的上表面接触。
另外，在图7bis的示例中，为了避免热敏层605与吸收器的部分601-a和601-b短路，在热敏层605中与沟槽705垂直对准地形成终止于绝缘层707的上表面的通槽706，以将热敏层605分成分别与吸收器的部分601-a和吸收器的部分601-b接触的两个不连续的部分605-a和605-b。沟槽706例如与用于建立接触709a和709b(图7C)的开口同时形成。
该方法然后可以以关于图7A至图7F描述的方式相同或相似的方式继续。
更一般地，可以想到其他制造方法，通过该其他制造方法可以使热敏层605与吸收器601的全部或部分上表面接触。例如，热敏层可以仅与吸收器的两个部分601-a和601-b中的一个接触，优选地两个部分中的最大部分(在图7bis的示例中为部分601-a)，以便支持热耦合并且以便通过层707与吸收器的另一部分电绝缘。通过这种方式，可以省略图7bis的示例的分离沟槽706。
关于图6、图7A至图7F和图7bis描述的类型的辐射传感器的优点在于，传感器的每个像素各自被防止了光晕。
另外，在打开状态下，与转换元件相对的用于将入射辐射转换为热能的挡板的整个表面对于待检测的辐射是透明的，从而挡板不会衰减或几乎不会衰减入射辐射。
图6、图7A至图7F和图7bis的实施例的另一优点在于，所获得的抗光晕保护是无源保护，其即使在没有针对传感器的电源的情况下也起作用。
上面已经详细描述了这样的示例实施例，其中每个像素包括布置在专用于该像素的空腔中被专用于该像素的盖密封地封闭的悬挂微板103。然而，本领域技术人员将能够提供这样的变体，其中，属于单独像素的多个悬挂微板被布置在由多个像素共有的封装盖封闭的同一空腔中。
另外，图6、图7A至图7F和图7bis的实施例与其中悬挂微板03不具有安装在其顶部上的封装盖的传感器兼容。
此外，已经关于图6、图7A至图7F和图7bis描述了其中传感器的每个像素包括包含微测辐射热计的悬挂微板103的示例实施例。作为变型，可以将微测辐射热计替换为用于将入射电磁辐射转换为电信号的另一类型的转换元件，例如热检测器或基于入射辐射到热能的转换的检测器，例如热阻器、热电检测器或基于场效应晶体管或基于pn二极管的检测器。
第三实施例——臂上的无源保护
图8是根据第三实施例的辐射传感器的像素800的示例的简化截面图。图8的像素800包括与前述像素相同的元件。在下文中，将仅详细描述与第一实施例和第二实施例的示例的不同之处。
如在前述示例中那样，图8的像素800形成在例如由硅制成的半导体衬底101内和上，并且包括形成在衬底101内和上的电子监控和读取电路102。另外，如在前述示例中那样，像素800包括通过隔热臂悬挂在电路102上方的微板103、在所示示例中的两个臂105a和105b、以及与电路102的连接垫109a、109b耦合的垂直导电柱107a、107b。如在前述示例中那样，像素800还可以包括盖111其对于待检测的辐射是透明的，位于监控电路102的上表面上并且与监控电路102的上表面一起界定了悬挂微板103位于其中的空腔或密封外壳113。空腔113可以被置于真空或低于大气压的压力下，以增强微板103的热绝缘。
与第一实施例的示例不同，图8的像素800不包括有源光学挡板，并且特别地不包括覆盖透明盖111的与微板103相对的表面、且连接到像素的监控和读取电路102的热敏层。更具体地，在图8的示例中，像素800不包括第一实施例的示例的连接柱121a、121b、连接垫119a、119b、加热电阻器117和热敏层115。
另外，与第二实施例的示例不同，图8的像素800不包括由集成到微板103中的热敏层构成的无源光学挡板。
像素800的微板103包括用于将入射电磁辐射转换为热能的转换元件。在所示示例中，微板103是与图6的像素600的微板103不同之处主要在于其不包括热敏层605的辐射热微板。因此，图8的像素800的微板103包括例如与图6的像素的微板103的吸收器相同或相似的吸收器601、和例如与图6的像素的微板103的热阻器603相同或相似的与吸收器601热耦合的热阻器603。热阻器的两端通过穿过臂105a、105b和用于悬挂微板的悬挂柱107a、107b的电耦合而被电连接到像素的监控电路。
根据图8的实施例的一个方面，像素800的至少一个绝热臂包括由相变材料制成的层801，该相变材料在低于转变温度时表现出相对低的热导率，并在高于转变温度时表现出相对高的热导率，即，高于其在转变温度以下的热导率。在所示示例中，层801存在于像素的两个悬挂臂105a、105b中，并且不存在于微板103上。相变材料的热导率在转变温度附近的变化优选相对陡峭，例如每度大于0.08W/m.K。因此获得了像素的无源抗光晕保护，其按如下起作用。在正常操作期间，层801的材料表现出相对较低的热导率，从而微板103与衬底之间的热阻相对较高，这促进了入射电磁辐射的测量的实现。在与像素的光晕有关的微板103的温度过度升高的情况下，像素的绝热臂105a、105b也升高温度，直到它们达到层801的转变温度为止。因此，包含相变材料的一个或多个臂的热阻突然下降，这导致微板103中积累的一部分热量向衬底101散发。这使得可以避免或限制像素的辐射热微板的损坏。当使绝热臂的温度回降到低于相变材料的温度时，相变材料返回到相对较低的热导率，并且像素可以再次正常操作。
层801的转变温度优选地高于微板103在正常操作期间可以达到的最高温度，并且低于微板103在像素损坏之前可以承受的最高温度。例如，层801的转变温度包括在60与180℃之间。层801的材料例如是结晶的金属氧化物，该结晶的金属氧化物具有在其转变温度以下具有相对较低的热导率的绝缘相，并且具有在其转变温度之上具有相对较高的热导率的金属相。层801的材料例如是具有大致68℃的转变温度结晶的二氧化钒(VO2)。作为变型，层801的材料是重结晶并掺杂有低价阳离子(例如Al3+、Cr3+或Ti4+)的二氧化钒，以提高其转变温度。更一般地，根据期望的转变温度，可以使用其他钒氧化物，例如V3O5。例如，层801的厚度包括在10与100nm之间，例如大致50nm。
图9A、图9B、图9C、图9D、图9E、图9F和图9G是描绘了用于制造关于图8所述的类型的辐射传感器的方法的示例的步骤的截面图。图9A、图9B、图9C、图9D、图9E、图9F和图9G更具体地描绘了传感器的单个像素800的实现，应当理解，实际上，可以在同一半导体衬底101内和上同时形成多个相同或相似的像素。
图9A描绘了例如使用CMOS技术在衬底101内和上制造用于监控和读取像素800的监控和读取电路102的步骤。在图9A中，仅示出了与电路的上表面齐平的电路102的电连接垫109a和109b。
图9A还描绘了在电路102的上表面上形成与图7A的示例的层701相同或相似的反射层701的可选步骤。
图9A另外描绘了在电路102的上表面和/或反射器701上并与其接触地沉积牺牲层301的步骤。层301例如与图7A的层301相同或相似。
图9A还描绘了在与电路102的连接垫109a和109b垂直对准地在层301中蚀刻的通孔中形成像素的电连接柱107a和107b的步骤。柱107a和107b沿着层301的基本上整个厚度从电路102的连接垫109a和109b的上表面垂直地延伸，直到层301的上表面。
图9A还描绘了在牺牲层301的上表面上以及柱107a和107b的上表面上沉积由与像素的未来层801相同的材料制成的第一层801’的步骤。层801’的功能主要是在层801的实现期间平衡组件的机械应力。在该示例中，在像素的层801由需要退火的材料制成以便获得期望的结晶相和转变温度的情况下，层801’在图9A的步骤中不被退火，并且将有可能仅在后续在与层801相同的时间被退火。例如，层801’是在室温下通过在含氧的空气中喷涂钒靶来沉积的非晶二氧化钒的层。
图9A另外描绘了在层801’的上表面上沉积例如由氮化硅(SiN)、氮化铝(AlN)或碳化硅(SiC)制成的第一电绝缘层803的步骤。
层801’和803例如以连续的方式被沉积在传感器的基本上整个表面上，然后局部地与柱107a和07b垂直对准地被蚀刻，以便分别形成与柱107a、107b的上表面的中心部分相对的开口804a、804b，使得可以建立与柱的上表面的电接触。
图9B描绘了在绝缘层803的上表面上、以及在开口804a、804b的底部和各侧上沉积由对于待检测的辐射是吸收性的材料制成的层以便形成像素的微测辐射热计的吸收器的步骤。层601例如以连续的方式沿着传感器的基本上整个表面被沉积。特别地，在所示的示例中，层601与绝缘层803的上表面接触，并且与电连接柱107a、107b的上表面的一部分接触。
图9B还描绘了在层601的上表面上并与其接触地沉积由相变材料制成的层801的步骤。层801例如以连续的方式沿着传感器的基本上整个表面被沉积。在图9B的步骤中沉积的层801例如是与在图9A的步骤中沉积的层801’相同性质的层。例如，在图9B的步骤中沉积的层801是通过在室温下在含氧的大气中喷涂钒靶来形成的非晶二氧化钒的层。层801’和801例如具有基本上相同的厚度。例如，层801’和801的每一个的厚度包括在10与100nm之间，例如大致50nm。
图9C描绘了对在图9B的步骤结束时获得的结构进行退火的步骤，旨在将期望的可变热导率性质赋予层801。在该步骤期间，层801'还获得了与层801相同的可变热导率性质。例如，在层801’和801由二氧化钒制成的情况下，可以在大概350至400℃的温度下实现退火以获得期望的性质。
图9D描绘了例如通过蚀刻沿着未来的微板103的整个表面去除层801的步骤。
图9D还描绘了在层601中蚀刻沟槽805的步骤，旨在将吸收器分成像素的未来辐射热微板103中的两个不连续的部分601-a和601-b。实际上，在该示例中，吸收器601由导电材料制成(例如氮化钛)，并且不仅用于其吸收器的功能，而且还用于通过电连接柱107a、107b将像素的热阻器的端部电耦合至电路102。因此，将吸收器分成两个不连续的部分是合适的，一个部分(部分601-a)连接到柱107a和像素的热阻器的第一端，而另一部分(部分601-b)连接到柱107b和像素的热阻器的第二端。沟槽805从上表面垂直延伸直到层601的下表面，并且终止于绝缘层803的上表面。当从上方观察时，沟槽805例如在微板的中心部分沿着未来的辐射热微板103的整个宽度延伸。
图9D另外描绘了在形成沟槽805之后获得的结构的上表面上沉积第二电绝缘层807的步骤，该第二电绝缘层例如具有与层803相同的性质，覆盖层601的上表面以及沟槽805的侧壁和底部。例如，层807以连续的方式沿着传感器的基本上整个表面被沉积。在每个像素中，例如通过分别与吸收器601的部分601-a和部分601-b相对地刻蚀来实现绝缘层807的两个局部开口809a和809b，后续步骤目的是在吸收器的部分601-a和601-b上建立电接触，以便将像素的热阻器连接到读取电路102。例如，开口809a和809b分别布置在微板的两个相对边缘附近。在所示示例中，开口809a和809b沿着绝缘层807的整个厚度垂直延伸，并终止于绝缘层601的上表面。
图9E描绘了在图9D的步骤结束时获得的结构的上表面上沉积温度计材料(例如非晶硅或氧化钒)的层603以便实现像素的热阻器的步骤。层603例如沿着传感器的基本上整个表面以连续的方式被沉积，然后被蚀刻以便仅保留在像素的微板103上。层603特别地沉积在开口809a、809b的内部，使得热阻器603在一侧(通过第一端)通过吸收器601的部分601-a和连接柱107a连接到电路102的垫109a，并且在另一端(通过第二端)通过吸收器601的部分601-b和连接柱107b连接到电路102的垫109b。
图9E另外描绘了在结构的上表面上沉积例如与层803和807相同性质的第三电绝缘层811的步骤。层811例如以连续的方式沿着传感器的基本上整个表面被沉积，并且特别地沉积在热阻器603的上表面和各侧上并与其接触。
图9F描绘了去除在像素的未来的微板103的外部(尤其与像素的未来的绝热臂105a、105b相对)的绝缘层807和811的后续步骤。例如，层807和811在除与传感器的像素的微板103相对之外的任何地方都被去除。
图9G描绘了蚀刻由层801、601、803和801形成的堆叠件以将像素的微板103和臂105a、105b进行界定或个性化的后续步骤。在该步骤期间，例如，堆叠件801-601-803-801在除传感器的像素的微板103和臂105a、105b之外的任何地方都被去除。
然后该方法可以以经典方式通过以下两者中之一来继续：直接去除牺牲层301以便释放像素的微板103和臂105a、105b；或者(如果期望形成封装盖的话)沉积第二牺牲层，然后根据关于图3C至图3F描述的类型的方法来形成封装盖。
关于图8和图9A至图9G描述的类型的辐射传感器的优点在于，传感器的每个像素被单独地保护以防止光晕。
另一优点是，在没有光晕的情况下，保护装置不会衰减待检测的辐射。
图8和图9A至图9G的实施例的另一优点在于，所获得的抗光晕保护是无源保护，其即使在没有针对传感器的电源的情况下也起作用。
作为变型，可以省略关于图9A至图9G描述的方法的层801’，这使得可以不向像素的微板103添加附加层，因此不会增大微板的热电容。另一优点是，这也限制了绝热臂中存在的层的数量，因此限制了它们的热导率，这使得可以改善像素的热灵敏度。
上面已经描述了具有各种变型的各种实施例。应当注意，本领域技术人员将能够在不实现创造性步骤的情况下组合这些各种实施例的不同元件。特别地，第一、第二和第三实施例的抗光晕保护可以被组合到辐射传感器的全部或部分相同像素中。特别地，可以提供第一实施例的有源保护与第二和第三实施例的无源保护中的一个和/或另一个的组合，或者提供在没有第一实施例的有源保护的情况下的第二和第三实施例的无源保护的组合。

Claims (18)

1.一种辐射传感器，其包括形成在半导体衬底(101)内和半导体衬底(101)上的多个像素(600)，每个像素包括通过绝热臂(105a，105b)悬挂在所述衬底(101)上方的微板(103)，所述微板(103)按从所述衬底(101)的上表面开始的顺序包括：
导电层(601)，其适于将入射电磁辐射转换为热能；
无源光学挡板，其包括覆盖所述导电层(601)的表面之一的热敏层(605)，所述热敏层(605)热耦合到所述导电层(601)并且具有针对待检测的辐射的随着其温度而增大的反射系数；以及
热阻器(603)，其覆盖所述热敏层(605)的与所述导电层(601)相对的表面。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述导电层(601)与所述热敏层(605)之间的距离小于20nm。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中所述导电层(601)与所述热敏层(605)接触。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器，其中所述热敏层(605)的厚度包括在20与60nm之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器，其中所述导电层(601)被隔离沟槽(705)分成不连续的第一部分(601-a)和第二部分(601-b)。
6.根据权利要求5所述的传感器，其中所述第一部分(601-a)的表面积大于所述第二部分(601-b)的表面积。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器，其中所述热敏层(605)由相变材料制成。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中所述热敏层(605)由具有对于所述待检测的辐射为透明的绝缘相和对于所述待检测的辐射为反射性的金属相的金属氧化物制成。
9.根据权利要求8所述的传感器，其中所述热敏层(605)由氧化钒或氧化钛制成。
10.根据权利要求7所述的传感器，其中所述热敏层(605)由Ag2S或FeS制成。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的传感器，其中所述热敏层(605)具有包括在60与180℃之间的转变温度。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的传感器，其中每个像素(600)还包括用于读取所述像素的所述热阻器(603)的值的读取电路(102)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的传感器，其中，在每个像素(600)中，所述导电层(601)由对于所述待检测的辐射为能吸收的材料制成。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的传感器，其中，在每个像素(600)中，所述导电层(601)是金属层。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的传感器，其中，在每个像素(600)中，所述导电层(601)由氮化钛制成。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的传感器，其中，在每个像素(600)中，所述绝热臂(105a，105b)置于垂直电连接柱(107a，107b)上。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的传感器，其中，在每个像素(600)中，所述微板(103)和所述绝热臂(105a，105b)被布置在空腔(113)中，所述空腔(113)被对于所述待检测的辐射为透明的盖(111)封闭。
18.根据权利要求17所述的传感器，其中在每个像素(600)中，所述透明的盖(111)密封地封闭所述空腔(113)，并且所述空腔(113)处在低于大气压的压力下。
CN201880032313.1A 2017-03-15 2018-03-14 具有抗光晕保护的辐射传感器 Active CN110621968B (zh)

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