CN1967181B - 红外线传感元件和制造该红外线传感元件的方法 - Google Patents

Abstract

提供一种红外线传感元件和制造该红外线传感元件的方法，该红外线传感元件包括：半导体基底；红外线接收部，其以与半导体基底隔离的方式布置在半导体基底的上方，该红外线接收部用于接收红外线；以及梁，用于将红外线接收部支撑到半导体基底并且包括用于感测红外线接收部的温度升高的热电偶，其中，该梁的截面形状形成为包括一个突起部的字母L形，该梁的截面形状在面对红外线接收部的重心的一侧具有最高高度。

Description

红外线传感元件和制造该红外线传感元件的方法

技术领域

本发明涉及一种设有热电偶的红外线传感元件和一种制造该红外线传感元件的方法。

背景技术

日本特开第2000-111396(＝JP2000111396)号公报公开了一种传统的红外传感元件及其制造方法。具体地，JP2000111396公开了一种热电偶型红外线传感元件。在基底的中央部上表面设置红外线吸收部，并且用梁将该红外线吸收部支撑到基底，从而该红外线吸收部与该基底热隔离。

图1A和图1B示出了象根据JP2000111396那样的传统红外线传感元件的梁的结构，具体地，图1A示出了梁120的立体图，图1B示出了梁120的上面。在图1中，梁120具有均用作热电偶的两个多晶硅121、122，具体地，互相平行地沿梁120的纵向形成N型多晶硅121和P型多晶硅122。N型多晶硅121和P型多晶硅122被氧化硅膜等制成的保护膜123覆盖，梁120形状为长方形。

当绕图1B中的第一中心线b1施加外部弯曲力时，梁120的变形如沿图1B中的II-A方向所截取的图2A所示。在这种情况下，保护膜123的大部分向上弯曲是由于N型多晶硅和P型多晶硅121、122(热电偶)比保护膜123的氧化硅膜硬而导致的。同时，当绕图1B中的第二中心线b2施加外部扭力时，扭力引起的剪应力使梁120的变形如沿图1B中的II-B方向所截取的图2B所示。当梁120在基底和红外线吸收部之间具有弯曲部时，梁120沿高度方向(Z方向)的移位增大。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种具有提高的抵抗弯曲应力和扭曲应力的机械强度的红外线传感元件以及一种制造该红外线传感元件的方法。

根据本发明的第一个方面，提供一种红外线传感元件，其包括：1)半导体基底；2)红外线接收部，其以与半导体基底隔离的方式布置在半导体基底的上方，该红外线接收部用于接收红外线；以及3)梁，用于将红外线接收部支撑到半导体基底，并且该梁包括用于感测红外线接收部的温度升高的热电偶，其中，该梁的截面形状形成为包括一个突起部的字母L形，该梁的截面形状在面对红外线接收部的重心的一侧具有最高高度。

根据本发明的第二个方面，提供一种制造红外线传感元件的方法，其包括如下步骤：1)步骤一，在半导体基底上形成牺牲层；2)步骤二，在牺牲层上形成用于接收红外线的红外线接收部；3)步骤三，形成用于感测红外线接收部的温度升高的热电偶；4)步骤四，形成用于覆盖热电偶并用作热电偶的保护膜的绝缘膜；5)步骤五，通过有选择地去除绝缘膜，形成用于将红外线接收部支撑到半导体基底且包括热电偶的梁，该梁的截面形状形成为包括一个突起部的字母L形；6)步骤六，形成穿通绝缘膜的蚀刻孔；以及7)步骤七，包括下列子步骤：i)子步骤一，经由蚀刻孔有选择地去除半导体基底和牺牲层，ii)子步骤二，在半导体基底和红外线接收部之间形成空隙，以及iii)子步骤三，使半导体基底与红外线接收部隔离。

根据本发明的第三个方面，提供一种制造红外线传感元件的方法，其包括如下步骤：1)步骤一，在半导体基底上形成牺牲层；2)步骤二，在牺牲层上形成用于接收红外线的红外线接收部；3)步骤三，形成第一电阻膜，该第一电阻膜用作感测红外线接收部的温度升高用的热电偶的基部；4)步骤四，形成用于覆盖第一电阻膜并用作热电偶的保护膜的第一绝缘膜；5)步骤五，通过有选择地去除第一电阻膜上的第一绝缘膜，在第一电阻膜上形成第二电阻膜，该第二电阻膜用作热电偶的突起部；6)步骤六，包括下列子步骤：i)子步骤一，形成用于覆盖第二电阻膜并用作热电偶的保护膜的第二绝缘膜，和ii)子步骤二，形成用于将红外线接收部支撑到半导体基底且包括热电偶的梁，该梁的截面形状具有至少一个突起部；7)步骤七，形成穿通保护膜的蚀刻孔；以及8)步骤八，包括下列子步骤：i)子步骤一，经由蚀刻孔有选择地去除半导体基底和牺牲层，ii)子步骤二，在半导体基底和红外线接收部之间形成空隙，以及iii)子步骤三，使半导体基底与红外线接收部隔离。

从参照附图的下列说明中，本发明的其它目的和特征将变得容易理解。

附图说明

图1A和图1B示出根据现有技术的红外线传感元件的梁的结构。

图2A是沿图1B中的II-A方向截取的，图2B是沿图1B中的II-B方向截取的，它们示出根据现有技术的梁的变形。

图3是根据本发明第一实施例的红外线传感元件的结构的主视图。

图4是根据本发明第一实施例的红外线传感元件的结构的立体图。

图5是根据本发明第一实施例的红外线传感元件10的梁的结构的立体图。

图6A和图6B示出根据本发明第一实施例的红外线传感元件的梁的变形。

图7A-图7E是示出制造根据本发明第一实施例的红外线传感元件的方法的截面图。

图8是根据本发明第二实施例的红外线传感元件的结构的主视图。

图9A-图9C是示出根据本发明第二实施例的红外线传感元件的梁的结构的截面图。

图10是根据本发明第三实施例的红外线传感元件的结构的主视图。

图11A-图11C示出根据本发明第三实施例的红外线传感元件的梁的结构。

图12A-图12J是示出根据本发明第三实施例的红外线传感元件的梁的其他结构的截面图。

图13A-图13F是示出制造根据本发明第三实施例的红外线传感元件的方法的截面图。

具体实施方式

以下将参照附图详细说明本发明的各个实施例。

为了便于理解，以下说明中将包含各种方向用语，如左、右、上、下、前、后等。然而，这些用语应仅相对于示出了元件的对应部分的附图来理解。

<结构-第一实施例>

图3是根据本发明第一实施例的红外线传感元件10的结构的主视图。图3中的红外线传感元件10包括：i)由硅等制成的基底(或称作“半导体基底”)1；ii)形成在基底1上并由用于吸收和感测红外线的膜制成的红外线吸收部(或称作“红外线接收部”)2；以及iii)L形梁3。

基底1和红外线吸收部2被例如作为形成在基底1的上面上的热隔离区域的锥空隙55(或矩形锥空隙，稍后将参照图7E说明)热隔离。根据第一实施例，沿红外线吸收部2的外周形成两个梁3，从而将基底1与红外线吸收部2连接，并以红外线吸收部2与基底1隔离的方式将红外线吸收部2支撑到基底1。梁3包括被保护膜覆盖的用作热电偶的一对多晶硅，该保护膜由氧化硅膜等制成并且用作梁3的主要构件。热电偶感测红外线吸收部2的温度升高。

如图3所示，红外线吸收部2在面积和体积上远大于支撑红外线吸收部2的梁3。因此，红外线吸收部2象重物(weight)一样作用在梁3上。在作为红外线传感元件10的结构的立体图的图4中，红外线吸收部2具有位于红外线吸收部2中央的重心“×”。因此，通过沿图4中的Z方向施加到梁3的由加速度、振动等引起的惯性，从红外线吸收部2向梁3作用弯曲力矩和扭矩，引起应力，从而使梁3沿Z方向变形。在该情况下，变形量依赖于梁3的刚度。因此，变形越小，共振频率越高，从而增强梁3的刚度。

图5是图3中的梁3的结构的立体图。在图5中，梁3包括均用作热电偶且平行布置的一对N型多晶硅30和P型多晶硅31。N型多晶硅30和P型多晶硅31被由氧化硅膜制成的保护膜32覆盖。如图5所示，梁3具有这样的结构，其中保护膜32具有基部32a(底面部)和沿Z(高度)方向突出的突起部32b(凸部)。突起部32b具有比基部32a的高度h1高的高度h2(h1＜h2)。然而，在该情况下，根据本发明第一实施例的梁3的截面与根据现有技术的图1A中的梁120的截面面积一样大。

图4中的Z方向的移位可能向具有图6A中的截面的梁3施加弯曲力矩。出于以下原因，图6A中的梁3的变形量小于示出梁120的矩形截面结构的图1A中的根据现有技术的变形量。原因：在图5(示出L形梁3)和图6A中，突起部32b的高度h2比基部32a的高度h1高。综上所述，提高了根据本发明第一实施例的弯曲刚度。

同时，当相对于红外线吸收部2的Z方向移位向梁3施加扭矩时，如图6B中的梁3的截面图所示，具有比基部32a的高度h1高的高度h2的突起部32b倾斜变形。借此，可以抑制整个梁3的扭转，从而防止梁3的基部32a的扭转，导致比现有技术小的Z方向移位量。此外，突起部32b的高度h2越高，扭转引起的梁3的变形量越小，从而提高了梁3的刚度。

此外，在面对(或靠近)红外线吸收部2的重心“×”的一侧布置突起部32b可以防止梁3的基部32a的可能的扭曲应力或弯曲应力。

如上所述，具有根据本发明第一实施例的结构的梁3的刚度由于突起部32b而比如图1A所示的具有矩形截面结构的根据现有技术的梁120高。结果，无需改变梁3的截面积，换句话说，保持红外线传感元件10的灵敏度，可提高梁3的刚度。借此，在振动物体例如车辆等中布置根据第一实施例的红外线传感元件10可降低红外线传感元件10损坏的可能性，从而提高可靠性。

突起部32b的高度h2越高，对于提高梁3的可靠性越好。具体地，梁3的宽度w和从基部32a的底面到突起部32b的顶点的高度h(＝h1+h2)满足h＞w时可进一步提高梁3的机械强度。

图3示出了根据第一实施例的红外线传感元件10的两个弯曲梁3。然而，梁3的数量并不具体限定。此外，根据第一实施例示出了两个热电偶，即，N型多晶硅30和P型多晶硅31。然而，热电偶的数目并不具体限定。

<制造方法-第一实施例>

然后，参照图7A-图7E中示出制造步骤的截面图，说明制造具有图5中的梁3的红外线传感元件10的方法。图7A-图7E中各元件的截面是沿图3中的线VII-VII截取的。

图7A：

<步骤一>

首先，用于多晶硅蚀刻的牺牲层50形成在由硅等制成的基底1的主表面上，并且形成用于确定使红外线吸收部2与基底1热隔离的空隙55的范围的蚀刻停止物51。

图7B：

<步骤二>

然后，在牺牲层50和蚀刻停止物51上，形成后来用作红外线吸收部2的氮化物膜52。

<步骤三>

在氮化物膜52上，通过图案化(patterning)形成后来用作热电偶的电阻膜的N型多晶硅30和P型多晶硅31。

图7C：

<步骤四>

然后，由绝缘膜制成并且后来用作保护膜32的氧化硅膜53以覆盖热电偶即N型多晶硅30和P型多晶硅31的方式沉积。然后，形成铝配线54以串联连接N型多晶硅30和P型多晶硅31。

<步骤五>

而且，N型多晶硅30和P型多晶硅31上与后来用作梁3的部分对应的氧化硅膜53通过蚀刻被有选择地去除，从而形成对应于梁3的基部32a的保护膜32。

图7D：

<步骤六>

然后，氧化硅膜53通过蚀刻被有选择地去除，从而形成到达氮化物膜52的槽56(或称作“蚀刻孔”)。从作为红外线吸收部2的氮化物膜52，槽56隔离作为梁3的保护膜32的氧化硅膜53。借此，如此形成具有在基部32a上布置突起部32b的截面结构的梁3。

图7E：

<步骤七>

最后，经由通过图7D中的步骤六形成的槽56，使用如肼等蚀刻溶液进行晶体各向异性蚀刻。通过晶体各向异性蚀刻，氮化物膜52、牺牲层50和基底1被去除，从而形成空隙55，由此完成图3中的红外线传感元件10。

通过上述制造步骤，包括热电偶(N型多晶硅30和P型多晶硅31)的L形梁3可容易地形成在红外线传感元件10上。

<结构-第二实施例>

图8是示出根据本发明第二实施例的红外线传感元件10的结构的主视图。如上面根据第一实施例所述，沿红外线吸收部2的外周形成两个梁3。然而，根据第二实施例，四个梁60分别形成在基底1与红外线吸收部2相对的外周上四个彼此垂直的相对侧，从而将基底1与红外线吸收部2连接。

即使当红外线吸收部2沿Z方向振动时，将红外线吸收部2支撑到基底1的四个梁60仍可防止扭矩施加到梁60。因此，利用根据第二实施例的上述结构，突起部60b可以形成在梁60的基部60a上的任意位置。例如，如图9中的截面图所示，突起部60b可布置在下列任意位置：

i)在覆盖梁60的N型多晶硅70和P型多晶硅71(热电偶)的基部60a的中央(图9A)，

ii)在基部60a沿X方向(短边方向)的两端(图9B)，以及

iii)以具有台阶的方式在基部60a的中央(图9C)。

根据示出具有上述结构的梁60的第二实施例，当弯曲应力或扭曲应力施加到红外线传感元件10时，象根据第一实施例的突起部32b一样变形的突起部60b可减小施加到梁60的基部60a的应力。借此，根据第二实施例可减小整个梁60的变形，从而导致与根据第一实施例导致的效果基本一样的效果。

<结构-第三实施例>

图10是示出根据本发明第三实施例的红外线传感元件10的结构的主视图。图11A-图11C示出了图10中的梁80的结构。图11A是主视图。图11B和图11C是从图11A中分别沿线XI-B-XI-B和XI-C-XI-C截取的截面图。根据图10和图11A-图11C中的第三实施例，用于将红外线吸收部2支撑到基底1的梁80中的热电偶的多晶硅形成为截面呈字母L形。用于覆盖热电偶的保护膜与图1中的现有技术一样，具有矩形截面形状。

具体地，热电偶包括N型多晶硅81(包括基部81a和突起部81b)和P型多晶硅82(包括基部82a和突起部82b)，并且用于覆盖热电偶的保护膜83由氧化硅膜制成。N型多晶硅81和P型多晶硅82的多晶硅比保护膜83的氧化硅膜硬，具体地，杨氏模量大三倍或更多。因此，根据第三实施例，代替提高保护膜83的机械强度，提高硬热电偶的N型多晶硅81和P型多晶硅82的机械强度以抵抗弯曲应力和扭曲应力。

如图11B和图11C所示，N型多晶硅81和P型多晶硅82均具有L形截面。在图11B中，三个截面中的两个(左和右)具有形成在面对(或靠近)红外线吸收部2的重心“×”一侧的突起部81b和突起部82b，因此提高了梁80的刚度。

借此，使N型多晶硅81和P型多晶硅82(比保护膜83的氧化硅膜硬)形成为字母L形以具有各突起部81b、82b，这可以提高N型多晶硅81和P型多晶硅82的高度，从而抑制由梁80的弯曲引起的变形，导致整个梁80的机械强度的提高。此外，施加到梁80的大部分剪切应力可被N型多晶硅81和P型多晶硅82吸收，减小梁80的变形。因此，可提高梁80抵抗扭转的机械强度。

优选地，突起部81b、82b的高度越高，N型多晶硅81和P型多晶硅82的刚度越大。因此，优选每个N型多晶硅81和P型多晶硅82的宽度W与各N型多晶硅81和P型多晶硅82的高度H满足H＞W，从而进一步提高梁80的刚度。

此外，根据第三实施例，L形的N型多晶硅81和L型的P型多晶硅82的平行布置不限于图11B和图11C所示的布置。例如，上述平行布置可以为图12A-图12D所示的布置。此外，每个N型多晶硅81和P型多晶硅82的截面形状不限于字母L形，例如，也允许是如图12E-图12F所示的字母T形、如图12G-图12H所示的字母C形、以及如图12I所示的十字形。此外，如图12J所示，热电偶的两个多晶硅可以象图1中的根据现有技术的两个多晶硅121、122一样为矩形。然而，在这种情况下，图12J中的任意一个多晶硅应具有1或更大的高宽比(高度/宽度)。

<制造方法-第三实施例>

然后，参照图13A-图13F中示出制造步骤的截面图，说明制造具有图10和图11A-图11C中梁80的红外线传感元件10的方法。图13A-图13F中各元件的截面是沿图10中的线XIII-XIII截取的。

图13A：

<步骤一>

首先，用于多晶硅蚀刻的牺牲层110形成在由硅等制成的基底1的主表面上，并且形成用于确定使红外线吸收部2与基底1热隔离的下述空隙117(参见图13F)的范围的蚀刻停止物111。

图13B：

<步骤二>

然后，在牺牲层110和蚀刻停止物111上，形成后来用作红外线吸收部2的氮化物膜112。

<步骤三>

在氮化物膜112上，通过图案化形成后来用作热电偶的第一电阻膜的(N型多晶硅81的)基部81a和(P型多晶硅82的)基部82a。

图13C：

<步骤四>

然后，作为后来用作保护膜83的第一绝缘膜的氧化硅膜113以覆盖(N型多晶硅81的)基部81a和(P型多晶硅82的)基部82a的方式沉积。

<步骤五>

然后，通过各向异性蚀刻方法如RIE(反应离子刻蚀)法，后来用作梁80的突起部81b和突起部82b(第二电阻膜)的氧化硅膜113a被有选择地去除，从而形成槽114。

图13D：

<步骤六>

然后，多晶硅在基本上整个面上沉积，从而使多晶硅埋入图13C的步骤五中形成的槽114中。然后，进行回蚀(etch back)以达到在图13C的步骤5中沉积的氧化硅膜113a具有露出的表面的程度，从而去除多晶硅。借此，多晶硅的突起部81b和突起部82b分别形成在N型多晶硅81的上面上和P型多晶硅82的上面上。然后，通过离子注入法向多晶硅的突起部81b和突起部82b加入杂质如硼或磷等。借此，在N型多晶硅81上形成相同类型的突起部81b，而在P型多晶硅82上形成相同类型的突起部82b。然后，作为后来用作保护膜83的第二绝缘膜的氧化硅膜113以覆盖(N型多晶硅81的)突起部81a和(P型多晶硅82的)突起部82b的方式沉积。然后，形成铝配线115以将N型多晶硅81与P型多晶硅82相连接。

图13E：

<步骤七>

然后，氧化硅膜113a、113b通过蚀刻等被有选择地去除，从而形成到达氮化物膜112的槽116(或称作“蚀刻孔”)。从作为红外线吸收部2的氮化物膜112，槽116隔离作为梁80的保护膜83的氧化硅膜113a、113b(＝氧化硅膜113)。

图13F：

<步骤八>

最后，经由通过图13E中步骤七形成的槽116，使用如肼等蚀刻溶液进行晶体各向异性蚀刻。通过晶体各向异性蚀刻，氮化物膜112、牺牲层110和基底1被去除，从而形成空隙117，由此完成图3中的红外线传感元件10。

通过上述制造步骤，包括L形热电偶(N型多晶硅81和P型多晶硅82)的梁80可容易地形成在红外线传感元件10上。

尽管以上已经参照三个特定实施例说明了本发明，但是本发明不限于上述三个实施例。根据上述示教，对于本领域的技术人员来说，可对上述三个实施例进行修改和变形。

本申请基于在先的日本专利申请No.P2005-330371(2005年11月15日在日本提交)。为了采取一些保护措施防止翻译错误或遗漏部分，作为优先权基础的日本专利申请No.P2005-330371的全部内容包含于此以供参考。

本发明的范围参照所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种红外线传感元件，其包括：

半导体基底；

红外线接收部，其以与所述半导体基底隔离的方式布置在所述半导体基底的上方，所述红外线接收部用于接收红外线；以及

梁，用于将所述红外线接收部支撑到所述半导体基底，所述梁包括用于感测所述红外线接收部的温度升高的热电偶，

其中，所述梁的截面形状形成为包括一个突起部的字母L形，

所述梁的截面形状在面对所述红外线接收部的重心的一侧具有最高高度。

2.一种制造红外线传感元件的方法，其包括如下步骤：

步骤一，在半导体基底上形成牺牲层；

步骤二，在所述牺牲层上形成用于接收红外线的红外线接收部；

步骤三，形成用于感测所述红外线接收部的温度升高的热电偶；

步骤四，形成用于覆盖所述热电偶并用作所述热电偶的保护膜的绝缘膜；

步骤五，通过有选择地去除所述绝缘膜，形成用于将所述红外线接收部支撑到所述半导体基底且包括所述热电偶的梁，所述梁的截面形状形成为包括一个突起部的字母L形；

步骤六，形成穿通所述绝缘膜的蚀刻孔；以及

步骤七，其包括下列子步骤：

子步骤一，经由所述蚀刻孔有选择地去除所述半导体基底和所述牺牲层，

子步骤二，在所述半导体基底和所述红外线接收部之间形成空隙，以及

子步骤三，使所述半导体基底与所述红外线接收部隔离。

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