CN1197108C - 包括微机械开关的电子器件 - Google Patents

Abstract

一种制造包括集成电路器件的电子器件的方法，该集成电路器件具有在一个共同的衬底(2)上提供的微机械开关(10)和薄膜电路部件(20)。微机械开关(10)具有在各自牺牲区上面延伸的接触横梁(12)。在分配给微机械开关的衬底区中用于形成薄膜电路部件的部件层(5)被用作牺牲区。这使得不同层能够在开关与部件之间共享。可为接触横梁提供辅助的支持层(50)以保护它们在随后的处理和制造阶段免遭损坏。此支持层的一部分在完成的器件中可被留下附在横梁上以增加强度。

Description

包括微机械开关的电子器件

本发明涉及电子器件，更具体地是涉及包括微机械开关及其制造方法的集成电路器件。特别但不是唯一地，本发明涉及集成电路光敏二极管阵列，具有由相关微机械开关控制的单个光敏二极管的寻址。

已经认识到微机械开关可以给出比传统的半导体关开器件如晶体管或二极管更低的导通电阻和更高的断开电阻。已经提出不同类型的用于可移动横梁静电激励或电磁激励以执行开关操作的微机械开关。制造开关横梁的公知方法包括具有合适的机械与电特性的横梁结构在牺牲支持层上的淀积。最终除去牺牲层留下一个腔，横梁在激励信号的作用下向腔中偏移。出现在Proceedings of the IEEE onMicroelectromechanical System，1994年，第97页的文章“Electrostatic Polysilicon microrelays  Integrated withMOSFETs”描述了包括横梁的微继电器，该横梁两端由通过二氧化硅牺牲刻蚀获得的横梁中心所限定的一个腔来支撑。这种继电器结构集成在晶体管衬底上，因此说明了微机械器件的IC兼容性。

现有的制造包括微机械开关集成电路器件的方法存在的一个问题是由于要将不同的部件集成在器件上而带来的制造过程增长的复杂性。

根据本发明，提供了一种制造集成电路器件的方法，该器件包括在一个共同衬底上提供的多个微机械开关和多个薄膜电路部件，此方法包括：

淀积和形成下电极图形，为薄膜电路部件和微机械开关限定底部接触；

淀积和形成部件层图形，用于在下电极图形上形成薄膜电路部件，该部件层在分配给微机械开关的衬底区上限定牺牲区并且在分配给薄膜电路部件的衬底区上限定薄膜电路部件；

淀积和形成导体层图形以提供上电极图形，上电极图形限定用于薄膜电路部件的顶部接触并且限定用于微机械开关的接触横梁，每个接触横梁延伸于各自的牺牲区上；

除去部件层的牺牲区以限定接触横梁与每个微机械开关下电极图形之间的间隔。

在本发明的方法中，下电级图形和上电极图形在微机械开关和薄膜电路部件之间是共享的，因此减少了形成集成电路器件所需要的额外处理步骤。此外，限定薄膜电路部件的层也担当微机械开关横梁的支撑。用这种方法，部件层区限定了微机械开关的牺牲层，因此薄膜电路部件和开关所需要的处理步骤在最大可能程度上是共享的。

薄膜电路部件可包括二极管，例如限定PIN或NIP二极管结构，同时提供有一个覆盖并直接接触二极管结构的上电极层的二极管。这些二极管可由非晶硅层形成，并且获得的二极管开关集成电路器件可限定一个图像传感器的像素。

上电极层可被形成图形以在牺牲区限定一个井(well)，因此除去牺牲区之后，一个接触突出部分就限定在接触横梁的下边。这个接触突出部分有助于减小开关的导通电阻。

支持层可淀积和形成图形在分配给微机械开关的衬底区中的部件层上，以提供接触横梁的机械支持。这有助于提高横梁的稳定性并且防止在随后的刻蚀过程中或者在集成电路部件的分割与封装过程中横梁的塌陷。牺牲区的除去优选地利用可留下支持层的刻蚀剂完成，因此在最终产品中为接触横梁提供了附加的支撑。

根据本发明，以集成电路器件形式的电子器件的实施例及其制造方法将借助实例、参考以及显示于附图进行描述，其中：

图1示明了制造集成电路二极管结构需要的处理步骤；

图2示明了本发明用于微机械开关制造的处理步骤，此微机械开关被结合在与图1二极管结构相同的衬底上；

图3示明了在衬底一位置作为横向相邻部件的二极管和微机械开关的组合。

图4示明了在图像传感器中作为像素元件的组合的光敏二极管与微机械开关的工作；

图5示明了根据本发明方法制造的图像传感器的电路配置；以及

图6示明了制造电子器件的方法在另一实施例中的处理步骤，该电子器件包括在一个共同衬底上的微机械开关和二极管结构。

应该理解这些图仅仅是示意性的并且未按比例画出。特别地，某些尺寸如层的厚度或区可能已经被放大而其它尺寸可能已经被缩小。也应该理解遍及图中所使用的相同参考数字是指明相同的或者是类似的部分。

本发明与微机械开关和其它薄膜电子电路部件在一个共同衬底上的集成有关。特别地，如图3所示，本发明提供了一种以集成电路器件形式制造电子器件的方法，其中微机械开关10提供有一个在空隙14中延伸的横梁12，横梁12通过加入的激励信号可选择地活动于空隙14中以使开关闭合。横梁12被淀积牺牲层上，该牺牲层随后要被除去的以形成空隙14。本发明提供一种方法，利用该方法由若干层限定的薄膜电路部件20，所述层不仅形成了薄膜电路部件20的结构而且还形成了随后除去的形成空隙14的牺牲层。借助实例，本发明将在集成电路图像传感器器件的情况中进行描述，该器件包括一个共同衬底上容纳的光敏二极管和微机械开关。

制造过程包括通过光刻技术在一个共同衬底上对不同导体、绝缘体和半导体层的淀积和图形形成。简言之，这种过程是公知的，它已经运用在大面积、薄膜、电子器件的制造中，该电子器件包括在绝缘衬底上容纳的薄膜二极管阵列、薄膜晶体管及类似部件。

首先描述形成薄膜光敏二极管器件所需要的制造步骤，参考图1，其示明了形成堆二极管结构所需要的处理步骤。二极管结构本身是一般的传统形式。

如图1A所示，在绝缘层2例如玻璃上提供了底部导电接触层4，优选使用金属。底部接触层4可包括使用传统薄膜处理技术进行淀积和图形形成的铬层。如图1B所示，限定所需二极管结构的半导体层5直接在接触层4上进行淀积和图形形成，随后覆盖顶部电极层6并与二极管结构的上表面直接接触。半导体层可由非晶硅形成并可限定例如NIP或PIN结构。因此半导体层5包括三个分开的层，即第一掺杂型的底层、本征层和第二反掺杂型的顶层。顶部接触层可包括ITO，它是透明的因此使得二极管能够响应从上方入射的光。在单个刻蚀步骤中一起形成层5和6的图形以限定二极管结构，如图1B所示。

如图1C所示，合适的绝缘材料钝化层7然后被淀积并适当地被形成图形包围二极管结构，以便降低二极管堆边缘的边缘漏电流，同时至少要留下上层6的面积的一个基本部分暴露出来。

该层7可包括氮化硅(silicon nitride)，并可再次用传统的技术进行淀积和图形形成。

最后，如图1D所示，顶部接触层8被淀积并形成图形以限定二极管结构顶部电极的顶接触极。该层8在钝化层7的表面上延伸以直接电接触上电极6曝露的表面。这包括一金属层，并且将从下面明显看出，该层的特性，即构成、厚度等可通过考虑微机械开关的机械与电要求来选择。图1D示明了一种完成的二极管结构，它与其它同时形成的二极管结构一起为微机械开关在一个共同衬底上的集成提供薄膜电路部件20。

应该明白用于淀积不同的层并形成图形的技术与传统用于在绝缘衬底上制造薄膜电子器件以生产大面积电子器件的技术一样是公知的类型，并且典型地使用例如CVD方法或类似方法进行层的淀积以及随后通过光刻方法形成图形。同样地在此无需详细描述这些方法。

图2示明了当微机械开关要提供在与图1二极管相同的衬底上时，制造这种微机械开关的处理步骤。在图2步骤A、B和D中进行的层淀积和图形形成对应于在图1步骤A、B和D中的层淀积和图形形成，因此涉及该相同层的淀积和图形形成过程能够使得二极管和开关以适当的互连一起方便地同时被制成。

如图2A所示，构成底部接触层4的淀积金属层也被形成图形以限定微机械开关相互隔开的开关接触16A、16B，以及中间的控制电极16C。在图2B中构成二极管堆5，6的部件层的淀积和图形形成可在接触上延伸的每个微机械开关位置形成一个牺牲区。

图2部分C1示明了一个仅对微机械开关需要的处理步骤。此步骤包括通过在直接覆盖开关接触中之一即接触16B的区的淀积的二极管层结构的上电极层6刻蚀一个开口17。图2的步骤C1可继续或循着图1的步骤C进行。此外，图1的步骤C在微机械开关结构的制造中不起作用。

在图2的步骤D中，淀积的顶部金属接触层8在形成图形时形成接触横梁12。向井17内延伸的顶部接触层8的区在接触横梁12的下面限定了一个接触突出部分18。

在微机械开关位置构成牺牲区的层5，6的部分通过刻蚀的办法除去。图2E所示的结构是非晶硅层被刻蚀后的结果，此非晶硅层限定了二极管结构和在此区的顶部ITO接触层6。除去这些层产生自由空间空隙14，通过对接触16C施加或除去激励电压，使得横梁12绕着其覆盖接触16A的区周围作枢轴运动以通过层8产生或断开电极16A，16B之间的电接触。

在牺牲刻蚀并产生如图2E所示结构的过程中，限定光敏二极管20的层利用合适的光掩膜保护起来使其不遭受所用的刻蚀剂。牺牲层区的除去优选利用湿法刻蚀进行，因为液体可浸入空隙14的所有面积。这与可选的干刻技术和蒸汽刻蚀技术相比也是相对廉价而安全的方法。当然，所选择的刻蚀剂必须使金属接触横梁12留下和电极16不受影响，并因此才被选择。

现在描述将二极管和微机械开关结合在一个图像传感器中的集成电路器件的使用。使用光敏二极管的传统大面积薄膜集成电路图像传感器阵列包括图像传感器像素阵列，其中每个像素都包括一个光敏二极管和一个相关的薄膜晶体管(TFT)或开关二极管(其对入射光是屏蔽的)形式的开关器件。

利用本发明方法制造的微机械开关在图像传感器光敏二极管阵列中被用作开关元件。在这种情况中，每个图像传感器像素都包括一个光敏二极管和一个相关的用于控制电荷往返于光敏二极管的通路的微机械开关以启用图像传感器阵列的寻址。这可由通过集成形成的上接触8和横梁12进行电互连的光敏二极管和开关而实现。

利用微机械开关可实现的减小的导通电阻和增加的断开电阻使得储存在光敏二极管中可被读出的电荷数量能够增加，并因此使得工作速度能够增加，或者减小所谓的存储器效应，在此效应中一些电荷在读出周期之后仍保留在光敏二极管上。微机械开关的使用也使得器件的输出电容与TFT或开关二极管相比有所减小，也进一步提高了图像传感器阵列的工作性能。微机械开关也不具有光敏性，因此免去了将此器件与入射光信号屏蔽的需要。

图3示明了限定一个单独像素电路配置的并排的薄膜二极管20和微机械开关10，其中微机械开关通过包括接触8和横梁12的金属层与光敏二极管串行电连接。使用了如图1和图2的相同的参考数字，并且很容易识别两器件10、20之间层的共用。图3也示明了一个用于保护完成器件中微机械开关10的可选保护层19。该层19可包括预形成的安装在顶部接触层8的部分11最高平表面上的玻璃微片，所述顶部接触层8位于充当隔离器的钝化层7之上。

在自然状态，微机械开关横梁12的位置如图3所示，因此接触16A和16B被电隔离并且开关是有效断开的。当给电极16C施加一个激励电压信号时，横梁12通过静电吸引效应向下枢轴转动，所以横梁12的突出部分18就接触到电极16B，因此将开关关闭并电连接电极16A和16B。当去掉激励信号时，横梁就返回到它的初始松驰状态。作为一个典型的实例，横梁可大约20微米长，突出部分18和电极16B在松驰状态的间距约为1.5微米，以及横梁沿枢轴偏离的范围约为8度。

图4和图5说明了图3的二极管开关装置在图像传感器中的使用。图4说明了将光敏二极管用作光传感元件的图像传感器的基本工作原理。

如图4所示，电磁辐射R入射在对电磁辐射R有响应的光敏二极管30上，电磁辐射R可包括可见光。在图4中示明了与电容器32并联的单个光敏元件，此电容器可表示二极管30的寄生电容或自身电容，或者也可包括一个另外的电容器以提高探测器的动态范围。二极管的阴极30a与公用线34相连，而二极管30的阳极30b与相关开关元件36的一个端子相连。开关36的另一端子与读出放大器38相连。图4的电路表示单个图像传器像素的部件布置图。

现在将描述一种可能的驱动方案以使得图4的电路能够提供一个代表在二极管上入射光的输出。

在寻址开始期间，开关36是闭合的并且电容器32充电到一个初始值，此初始值由端子34上的电压与放大器38所提供电压之间的差来确定。例如，端子34可以是五伏而放大器可将二极管的阳极驱动到零伏。光敏二极管电容器32因此被充电到一个五伏的初始值，并具有二极管反偏压。在随后的光传感操作过程中，开关36被断开，所以没有电流可往返于端子34。在此期间，入射在光敏二极管30上的光导致少数载流子(光)电流的形成，此电流引起电容器32如箭头39所示的放电。在光传感工作结束时，跨在光敏二极管的电压将作为入射光的强度函数而下降。为了测量电压下降的量，开关36再次被闭合并且从端子34流出对电容器32充电的电流由放大器38测量。

有多种可供选择的像素配置和驱动方案，这些像素配置和驱动方案对本领域的技术人员都是显而易见的。本质上，开关36要求使得光敏二极管能够被电隔离，以使在光传感期间发生光敏二极管电容器的放电。

图5示明了图4的像素配置在具有起着开关36作用的微机械开关10的大面积二维图像传感器阵列中的一种执行。该阵列包括单独的像素的行和列，每个像素都包括一个在所有像素共享的电荷传感读出放大器38与公共端子34之间电串联的光敏二极管20和微机械开关10。提供行驱动器电路40用于产生激励信号以施加给微机械开关的电极16C，以便断开和闭合开关。按照常规，阵列的像素按每次按顺序被寻址一行。像素典型地具有200微米的间距并且阵列可有达到400毫米×400毫米的整体尺寸以获得所需分辨率种类，其中像素探测器将被用于探测人体或动物体范围的诊断x-射线图像。典型地，阵列可以是2000×2000像素阵列，但是为了清晰，在图5中只示出了阵列的一部分。在x-射线图像探测器的情况中，电磁辐射R可以从能量转换层(没有示出)提供，此转换层具有作为输入的x-辐射和提供作为输出的由二极管探测的输出可见光。在这种情况中，能量转换层可以是磷光层，例如掺铊碘化铯层。

除了采用微机械开关用于像素有源矩阵开关功能以外，阵列在通常的工作方式方面一般类似于利用光敏二极管图像传感阵列的公知形式。

应该明白将像素与电路40，38和公共端子34互连的地址线是由淀积在衬底上的导体材料形成。因此开关控制电极16C可包括一组行地址导体组的集成扩展，该行地址导体由与用于光敏二极管底部接触层4相同的淀积金属层来限定。列地址导体组可类似地由其它淀积的导体层形成，例如用于提供顶部接触层8的导体层，这种形成要通过对具有光敏二极管底部接触的淀积导体层进行适当的图形加工，其中所述光敏二极管具有与一组地址导体相连的整体延伸并且具有连接到另一组地址导体整体延伸的开关接触16B。绝缘材料被提供在行导体组和列导体组之间的交迭处并且这可通过淀积以形成钝化层7的材料来提供。

关于图2所描述的处理方法，在某些情况下会遇到作为如图2E所示的用于形成空隙14的湿法刻蚀的结果所带来的问题。用在湿法刻蚀方法中的液体是有粘性的并且这可能导致横梁12在液体中移动时弯曲和断裂。干燥可能也是一个问题，因为用在清洗操作中的水被遗留在横梁12下面并且当它变小时倾向于形成水珠，则在干燥过程中，表面张力可能使横梁变形。在大面积阵列器件被分割和封装时，或者互连形成到集成电路器件的边缘时横梁12也有可能遭受物理损坏。解决这些问题是有难度的，因为横梁12的材料除了要适合大面积、薄膜、所用方法之外，还要满足电的要求以限定开关的电特性并且还要满足通过加上激励信号对横梁12校正变形的机械要求。

根据图6所示出的针对解决任何这种问题的制造微机械开关其它的方法步骤，现在将描述微机械开关的另一实施例及其制造方法。首先进行根据图2部分A和部分B所说明的步骤以便限定形成图形的牺牲层的开关区。然后在开关的牺牲层上淀积电介质材料支持层50并形成图形为接触横梁提供机械支撑。图6A示明了穿过图6B中线A-A的截面视图，其示明在制造过程中此阶段的一个平面视图。支持层50向牺牲层的外边缘延伸，这可从平面视图看出。层52相当于前面实施例中的层5。支持层50提供一系列完全在此通过延伸的开口54，并且其位于远离接触层的预期位置但覆盖牺牲层52，以便为湿法刻蚀剂进入牺牲层52提供通路，这将在下面清楚地看出。支持层50也提供另一个与接触电极16C并排的开口56，接触电极16C常用来形成如图2D所描述的接触突出部分18。

图6部分C1相当于图2部分C1，其中井17被提供在顶部接触层6中，但此时将支持层50用作掩膜，通过开口56进行刻蚀。

顶部的接触层8的形成如前所述，并随后使用湿法刻蚀除去牺牲层产生如图6D所示的结构。刻蚀剂被选择以除去二极管结构的非晶硅层和构成牺牲层的ITO顶部接触层，但在原位上留下支持层50。此支持层优选地包括比顶部接触层8的金属有更高硬度的氮化硅。除去牺牲层52之后，有效支持层限定支持接触横梁12的一个托架。托架在接触横梁12的下方延伸并由此横向延伸到跨接横梁12和衬底2之间空隙14的周围壁50。如图6E的平面视图所示，托架在此阶段保持完整并沿如图6E所示的顶部和底部边缘50a，50b以及沿可从图6D横截面看出的最外边缘50C接触衬底。

该托架可在集成电路部件的分割与封装以及在互连的形成过程中保持原位。作为选择，托架可在除去牺牲层的湿法刻蚀过程完成之后被除去。托架可通过接触横梁12充当掩膜的反应离子刻蚀被除去。任何位于接触横梁12下面的支持层50的材料都不会被这种反应离子刻蚀的方法除去，因此它可直接保持在横梁下面并充当加强层为横梁提供加固，也提供例如接触横梁12和用于静电激励的控制电极16C之间的绝缘。图6F示明了微机械开关在托架的反应离子刻蚀之后的平面结构，以及图6G示明了截面视图中的同样结构。

与那些和光敏二极管相关的开关类似，微机械开关也可用在行驱动器电路40或电荷传感放大器38内形成开关器件，例如用作移位寄存器电路的元件。在此情况中，这些电路可被集成在与图像传感器阵列相同的衬底上，并且用与制作像素开关10相同的方法，从相同淀积层同时制作。作为选择或者另外，在行驱动器电路40和像素阵列之间以及在放大器38和像素阵列之间可提供复用电路。这些复用电路同样也可集成在与阵列像素相同的衬底上并且还可包括相同设计的微机械开关。

虽然本发明已经特定地描述了关于包括串联的二极管和开关的图像传感器像素配置，但是本发明也可用于许多其它包括集成电路器件的电子器件。类似地，虽然已经示明了图像传感器的一种特定像素设计，但是许多其它的可能性对本领域的技术人员将是显而易见的。可以使用利用像素的图像传感器，这种像素具有用本发明方法制造的光敏二极管和微机械开关，例如在x-射线图像传感器中，文件扫描器或指纹传感器中，或者在许多其它要俘获光图像的应用中。本发明的方法能降低集成电路器件制造过程中需要的掩膜数并且与更多传统的开关设计相比提高了器件的性能。

此应用中所描述特定材料的多种选择对本领域的技术人员将是显而易见的。淀积和形成图形的方法在此应用中没有进行详细的描述，因为这些方面对薄膜集成电路设计领域的技术人员也是显而易见的。

Claims (12)

1.一种制造集成电路器件的方法，该器件包括在一个共同的衬底上提供的多个微机械开关和多个薄膜电路部件，该方法包括：

淀积和形成下电极图形，该下电极图形为薄膜电路部件和微机械开关限定底部接触；

淀积和形成部件层图形，用于在下电极图形上面形成薄膜电路部件，该部件层在分配给微机械开关的衬底区上面限定牺牲区并且在分配给薄膜电路部件的衬底区上面限定薄膜电路部件；

淀积和形成导体层图形以提供上电极图形，该上电极图形为薄膜电路部件限定顶部接触并为微机械开关限定接触横梁，每个接触横梁在各自的牺牲区上面延伸；

除去部件层的牺牲区以限定每个微机械开关的接触横梁与下电极图形之间的间隔。

2.如权利要求1中的方法，其中所述薄膜电路部件包括二极管。

3.如权利要求1或2的方法，其中部件层限定PIN或NIP二极管结构和上电极层。

4.如权利要求3的方法，其中淀积非晶硅层以限定二极管结构。

5.如权利要求3的方法，其中形成上电极层图形以在牺牲区限定一个井，因此除去牺牲区之后，一个接触的突出部分就被限定在接触横梁的下面。

6.如权利要求1或2的方法，还包括在构成薄膜电路部件的形成图形的部件层周围淀积钝化层。

7.如权利要求1或2的方法，其中形成上电极图形以为每个微机械开关限定一个悬臂式横梁。

8.如权利要求1或2的方法，其中在分配给微机械开关的衬底区中的部件层的上面支持层被淀积并被形成图形以提供接触横梁的机械支持。

9.如权利要求8的方法，其中使用将支持层留下的刻蚀剂来进行牺牲区的除去。

10.如权利要求9的方法，其中牺牲区的除去以后，进一步将接触横梁用作掩膜来刻蚀支持层，以便留下在接触横梁下面直接延伸的形成加强层的一个部分。

11.一种包括像素阵列的图像传感器，每个像素包括一个光敏二极管和一个微机械开关，该图像传感器器件是使用如前所述的任何一项权利要求的方法制造的。

12.如权利要求11的图像传感器，用于探测入射x-射线辐射，并且包括一转换层，用于将入射x-射线辐射转换为光辐射，以便由图像传感器器件的光敏二极管来探测。

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