TW201728882A - 具備具高吸收效率及訊噪比的懸置式輻射熱薄膜之偵測裝置 - Google Patents
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Abstract
一種輻射熱偵測裝置，其包括：包含讀出電路之基板(14)；一基本偵測器的陣列，各偵測器包括懸置於基板(14)上面之薄膜(12)、及藉由至少兩個導電體(16,18)連接至該讀出電路，該薄膜包含分別連接至該兩個導電體之兩個導電電極(20,22)、及電連接該兩個電極之傳感器材料(24)之材積，其中該讀出電路乃構造成在該薄膜(12)之兩個電極(20,22)間施加電刺激，並且形成電信號作為對該施加之響應。該材積包括：電連接該薄膜(12)之兩個電極(20,22)並形成封閉式包體(42)之壁件之第一傳感器材料的材積(34,38,40)，該封閉式包體內至少部分地罩覆有各該電極(20,22)；以及電連接該兩個電極(20,22)並被罩覆於該包體(42)中之第二傳感器材料之材積(44)，該第二材料之電阻率小於該第一材料之電阻率；以及該兩個傳感器材料具有負熱阻抗係數TCR。
Description
本發明係關於電磁輻射偵測器領域，尤其是包含微輻射熱計之偵測器，用意在於偵測輻射，典型來說是偵測「熱」範圍內的輻射，換句話說，偵測紅外線範圍的輻射。
紅外線輻射(IR)偵測器典型的製造形式為支撐基板表面處所配置基本微輻射熱計總成之二維並列(例如陣列形式)，各微輻射熱計目的是要形成像點。各微偵測器包含懸置於基板上面並藉助嵌入於導電柱中之長窄射柱(「臂」)與其電連接之薄膜。此總成乃置放於緊密包體中，舉例來說，置放於壓力非常低的包裝物中，用以抑制周圍氣體之熱傳導。
各薄膜因吸收源自於所觀察熱場景之入射輻射而升溫，該入射輻射乃於其上有配置薄膜之焦面之層階處藉由適當的光學系統來聚焦。此薄膜尤其包含一層具有電氣特性之「傳感器」材料，此電氣特性在本例中
乃微輻射熱計之電阻率，其在隨著溫度改變時會劇烈變化，舉例來說，在定偏壓下產生電流變異，亦即電信號，與入射輻射流成正比。
此類偵測器習知的製造方法包含以所謂「單片(monolithic)」方式，直接在包含複數個電子電路或「讀出積體電路(read-out integrated circuits)」或「ROIC」之基板表面處實行的步驟。此用語表示積體電路製造過程後相同基板上的連續操作序列，通常是以矽為基礎。輻射熱微偵測器製造步驟大體上類似於微電子領域常見的集中製造技術，通常涉及相同基板上配置的數十到數百個陣列偵測器。
在製造步驟期間，實施光學吸收、光熱傳感、及熱阻等輻射熱功能之組件乃形成於所謂「犧牲」層之表面處，因為目的單純在於形成構造基座之該層乃於過程結束時，藉由適當方法來移除，此適當方法不侵蝕其它偵測器部分，而且尤其是形成於其上的組件。典型而言，有用到聚亞醯胺層，此層最後是藉由在氧電漿中燃燒來移除。舉一變化來說，犧牲層乃氧化矽層(大體上，以最終藉由氫氟酸氣相蝕刻(HFv)移除的「SiO」來表示)。移除犧牲層之後，輻射熱膜懸置留在基板上面，除了其嵌入於柱體中的夾持臂，沒有其它接觸或緊固(fasten)。
用於形成懸置膜最常見的製造方法稱作「IC上面」或「MEMS在頂部」。根據此方法，微偵測器乃直接在包含讀出電路之基板之表面處構成，採用的是特
定方法。尤其是，犧牲層具備有機性質，大體上為聚亞醯胺，並且傳感器材料大部分通常是具有半導體特性(VOx,NiOx)或非晶矽(a-Si)之氧化物。按照慣例，就平常的「遠」紅外線偵測(LWIR)而言，分束器也在吸收膜與配置於基板表面之反射體之間形成，用以在10微米附近就偵測器提供最大吸收作用。因此，若要在離反射體經調整距離處連接並夾持薄膜，在真空中形成該分束器，具有大外觀比的電柱通常很複雜且體積不容忽視，應透過具有在2至2.5微米範圍之厚度之厚的暫時(犧牲)聚亞醯胺層來形成。
形成薄膜「骨架」的介電或電阻層按照慣例是由氧化矽(SiO)或氮化矽(泛稱SiN)所製成，或舉例來說，根據美國專利申請案5912464，也是直接由半導體非晶矽所製成。此類材料可在較低溫度下沉積，並且對氧電漿下移除有機犧牲層之方法是不起作用的。此一「IC上面」製造過程典型是由某十個光微影「層階」所構成，亦即根據較複雜且昂貴的程序所構成。
最近已提供新類型的薄膜製造法，其包含以大體上達到MEMS功能之組件所採用一樣的方式，在所謂「後段製程」層(或稱「BEOL」)中整合微輻射熱計。此縮寫字表示以較低溫度、標準微電子製造過程結束之特性製造所有金屬互連體的步驟。此一方法稱作「MEMS-in-CMOS」，旨在使用某些工業級成熟的BEOL布局來整合部分此等微輻射熱計組件。尤其是，接續BEOL金屬階層間的金屬化垂直互連通孔，舉例來說，
乃根據「鑲嵌」方法所取得，有助益地形成微偵測器柱體。再者，「IMD」(金屬間介電質)乃微電子領域的標準材料，尤其是由SiO所製成，可就薄膜結構之構造，有助益地當作犧牲層來使用。在此種類型之整合中，用於讀出電路製造之最後光微影層階亦用於直接形成支撐薄膜之柱體。層階串列中需用以製造微輻射熱計之幾個微影層階因此得以免用，從而大幅節省製造成本。然而，「MEMS-in-CMOS」製造之SiO犧牲層的移除，在這種情況下，僅藉助氣相氫氟酸(HFv)才可行。因此，形成微輻射熱計之所有材料全都應該對此極化學腐蝕性方法強制性地是不起作用的。
此一「MEMS-in-CMOS」方法乃應用於微輻射熱計之例子，已在美國2014/319350文件中作說明，內容詳述SiO犧牲層及阻障層之CMOS堆疊中之整合能夠含有HFv蝕刻，以及藉由使用CMOS總成之諸標準金屬層階(金屬化通孔)間的最後連接結構來形成微輻射熱計「柱體」。此文件更特別說明就薄膜架構以使用美國5912464文件之教示之非晶矽為基礎的微輻射熱計構造。因此取得與HFv蝕刻相容且僅藉助五個光微影層階便形成之結構，其相較於現有技術遠遠更加複雜的程序，獲益非常顯著。
「MEMS-in-CMOS」技術儘管能使製造簡化，仍然有所限制，使從而構成之微輻射熱計效能變差。
尤其是，根據此技術所提供的架構得分享所欲諸金屬化區域間的可用空間，尤其是用以吸收入射輻
射之空間，以及僅由傳感器材料(非晶矽)所佔的區域。表面區域由金屬佔有的部分調理光熱傳感功能(薄膜之光學吸收效率)，而其餘表面區域部分乃專用於傳感器材料中之熱電傳感功能。材料之材積在導電方面蘊涵的此一限制(相較於結構中呈現之非晶矽之總材積)使傳導方面實施的電荷載子數量N減少。此必然導致低頻雜訊(「B1/f」)根據荷格的關係式而實質增加，造成偵測器的訊噪比(「SNR」)變差。
為了更加理解此問題，請參閱第1至3圖，其就紅外線偵測繪示現有技術的基本電阻式輻射熱微偵測器10(或稱「微輻射熱計」)。輻射熱計10包含吸收入射輻射之薄的薄膜12，乃經由兩個傳導錨定柱16懸置於基板-支撐體(substrate-support)14上面，其乃藉由兩個夾持與熱絕緣臂18附接至此等傳導錨定柱。在所示實施例中，薄膜12包含兩個具有IR吸收與偏壓電極功能之金屬元件20、22、以及覆蓋這兩個電極12、14的每一者並填充此等電極間之空間18的非晶矽層24。層件24具有因電極20、22吸收輻射導致電阻變異所造成的熱傳感功能。在此結構中，傳感器材料因此僅由非晶矽所製成，其優點在於對基於氣相氫氟酸之犧牲層釋離程序是不起作用的。
定電壓Vpol下偏壓之電阻Rb之微輻射熱計之響應R(V/K)表述場景溫度變異 θ sc根據以下一般關係式與輸出信號變異S的關係：
其中：●A乃敏感基本點(偵測器像素)之總面積，●ε乃輻射熱計之一般光學吸收效率，●TCR乃輻射熱計電阻隨薄膜溫度而變的變異係數；●Rth乃介於薄膜與基板(即夾持臂)間的熱阻，以及●Θ(θ sc)乃在溫度θ sc下由場景發射的輻射流。
如前述，光學吸收效率ε乃連結至各薄膜之表面區域，其由為此目的沉積之金屬所佔有的部分。
微偵測器Rb之電阻可根據傳感器材料之電阻率來表述，例如根據以下關係式來表述：
其中L、W及e分別為傳導電流之傳感器材料之長度、寬度及厚度(假設具有或設成平行六面體形狀)。
在第1圖之薄膜實施例中，這些維度實質上乃將電極20、22分開之區域的維度，其舉例來說，對應於用以形成此等電極(在本實施例中，由於配置於相同層階，故而典型稱作「共面」)之初始連續金屬層中所形成的實體中斷體(或凹槽)。
關係式(1)與(2)之組合從而能夠根據所涉電阻器Rb之維度參數來規定微偵測器之響應。
電壓Vpol下偏壓之電阻器目前的雜訊功率可藉由所謂1/f低頻雜訊(Ib1/f)與稱作「白雜訊」之頻率
獨立分量(Ibb)的平方和來表述。相較於這些一階貢獻因子，可忽略連結至熱波動之極限雜訊。
根據以下荷格的關係式，雜訊功率Ib1/f 2隨電流線所涉材積中所含電荷載子數量N的倒數而變：
其中αH乃「荷格參數」，而「BPCL」乃讀出電路之頻寬。各材料的特徵在於參考比率，其中n乃電荷載子材積密度；此比率進一步隨溫度而變。因此，對於已知維度之電阻器Rb，所考量的元件之真實比率乃單純地根據以下關係式經由維度參數W、L、e來計算：
根據以下關係式，白雜訊功率Ibb 2僅取決於溫度，並且取決於所考量的元件之電阻：
其中k表示波玆曼常且T表示溫度。
微偵測器具備一部分傳感器材料，特徵在於其比率及其電阻Rb，乃是由已知維度W、L及e所界定，從而呈現可根據以下關係式來表述之總雜訊Ib：
微偵測器訊噪比(SNR)可藉由響應(1)與雜訊(6)的比率來計算，有考慮到讀出電路(Vpol,BPCL)所界定的元件及各微偵測器之電阻的維度參數(W,L,e)，其
能夠表述輻射熱電阻Rb及電荷載子之數量N。比率SNR因此可根據以下關係式來表述：
為簡化(但具有代表性)繪示極小尺寸的像素，以因應工業用途或甚至是必要性，例子中考慮的是具有12×12-μm2表面面積的基本輻射熱偵測器。
為了界定吸收熱輻射所需之金屬化部分20、22、及用意在於熱電傳感之電主動部分26間可用表面的分享狀況，可便利地界定跨佈此元件之整個(電)寬度W=12μm之金屬層中所蝕刻(電)長度為L之凹槽。此金屬在表面面積佔有的比率接著等於(12-L)/12，而電阻器之長度及寬度分別為L及W=12μm。方程式(2)、(4)及(7)根據設計長度L，解出輻射熱電阻(Rb)、解出比率、以及最後解出SNR。
因此，為求簡化，忽略相鄰薄膜與諸如柱體、夾持臂及其它各種必要空間等子結構間形成分離所耗用的空間，如第1圖之概示，以下考慮12*12μm2之區域，包含兩個矩形金屬化部分，乃藉由長度為L之凹槽分開，其亦為非晶矽傳感器材積之長度，寬度為W=12μm，指示性電阻率為100Ω.cm，標準厚度e=200nm，且比率，電阻Rb及SNR隨第4圖所示之距離L而變。
為了提供最佳光學吸收效率ε，必需將非金屬化區域的長度設定為範圍至多自2μm至3μm之值。依據
輸出放大器之偏壓Vpol、讀取整合時間、及有用動態狀況(無飽和)，進一步需要此間隔(長度L)才能使基本輻射熱計之電阻Rb在值範圍內維持與本發明背景中讀出電路之適當用途相容。此狀況典型在輻射熱電阻Rb為約略1MOhm等級或比其更小時得到滿足。關於這些元件之更多闡釋，舉例來說，請參照"Uncooled amorphous silicon technology enhancement for 25μm pixel pitch achievement"；E.Mottin et al,Infrared Technology and Application XXVIII,SPIE,vol.4820E。
因此，將長度L設定為2μm以保障現有技術的吸收效率及可接受電阻，此微偵測器基於非晶矽之SNR將受限於其對應於大長度L之最大值的約略60%(不含吸收損失)。此一限制乃經連結以提升低L值下的低頻雜訊。
因此，難以或甚至不可能就根據此簡化總成所形成之小尺寸敏感像素，尤其是就小於20μm之間距，在吸收效率與SNR間取得平衡。若在低頻使用低雜訊傳感器材料，諸如半導體金屬氧化物(例如VOx、TiOx、NiOx，下文會使用泛用命名「MOx」來表示)，原則上能夠克服此限制。然而，在現有技術之堆疊中使用此類材料並不可能，因為這些材料在極腐蝕性HFv釋離化學作用之效應下會快速遭到移除或至少劇烈衰減。
因此，就高效能裝置而言，以及就其與極小間距(標準低於20μm)視網膜設計相容之製造方法而言，至少在部分整合到CMOS程序之微輻射熱計總成的
背景下，犧牲材料需要由SiO所製成，或由習知微電子領域中任何相關材料所製成。
本發明因此旨在提供具有懸置式輻射熱膜之偵測器，此等薄膜具有就吸收效率與SNR允許高效能之架構，並且具有必要時可根據需要使用極腐蝕性犧牲層釋離化學作用之技術來製造之架構。
為達此目的，本發明旨在一種輻射熱偵測裝置，其包含：包含讀出電路之基板；基本偵測器的陣列，各偵測器包含懸置於基板上面之薄膜、及藉由至少兩個導電體連接至該讀出電路，該薄膜包含分別連接至該兩個導電體之兩個導電電極、及電連接該兩個電極之傳感器材料之材積，其中該讀出電路乃構造成在該薄膜之兩個電極間施加電刺激，並且形成電信號作為對該施加之響應。
根據本發明，該材積包含：電連接該薄膜之兩個電極、並形成封閉式包體之壁件之第一傳感器材料的材積，該封閉式包體內至少部分罩覆有各該電極；以及電連接該兩個電極並受罩覆於該包體中之第二傳感器材料之材積，該第二材料之電阻率小於該第一材料之電阻率。
「傳感器」意指具有0.1Ohm.cm至104Ohm.cm之電阻率範圍並具有負熱阻抗係數TCR之材料。
本發明亦旨在一種製造輻射熱偵測裝置之方法，其包含：製造包含讀出電路之基板；在該基板上沉積犧牲層；在該犧牲層上製造薄膜之陣列，各該薄膜藉由至少兩個導電體連接至該讀出電路，該薄膜包含分別連接至該兩個導電體之兩個導電電極、及電連接該兩個電極之傳感器材料之材積；該等薄膜一旦製造完成，便移除該犧牲層。
根據本發明，該傳感器材積之製造包含：在該犧牲層上沉積第一傳感器材料之下層；在該第一材料之該層上形成該兩個薄膜電極；在該等電極上與該等電極之間沉積一層第二傳感器材料；以及以該第一材料之上層封裝該層第二傳感器材料並將該兩個電極部分地覆蓋。
進一步：該第二材料之電阻率小於該第一材料之電阻率；該第一材料對該犧牲層之移除是不起作用的。
換句話說，該傳感器材料乃由相對形成輻射吸收手段之電極平行之「殼體」與「核心」所構成，該核心乃由比該殼體具有更小電阻率之材料所構成，尤其是至少小5倍，典型為小10至20倍。
又尤其是，該殼體乃由所具電阻率大於10Ohm.cm之材料所製成。
此種架構類型能夠使低頻雜訊分量(Ib1/f)減小，主要是由該核心憑藉核心電阻率所實現，同時由於該殼體的關係，還允許根據製造技術適當選擇材料，例如，在MEMS-in-CMOS技術的背景下，就釋離犧牲層對化學侵蝕不起作用(inert)之殼體。
根據一具體實施例，該兩個電極共面且僅藉由一個凹槽分開。舉一變化來說，該兩個電極屬於含至少三個導電共面區之串列，彼此藉由配置於該兩個電極間的平行凹槽分開。
根據一具體實施例，該薄膜包含延伸於該等電極間並且將各該電極部分地覆蓋之連續電絕緣體層。
根據一具體實施例，該第二材料之電阻率至少比該第一材料之電阻率小五倍，並且較佳是小十倍至小二十倍。
根據一具體實施例，該第一材料具有大於10Ohm.cm之電阻率，並且較佳是小於104Ohm.cm之電阻率。
根據一具體實施例，該第一材料乃非晶矽、化學式為SixGe(1-x)之矽與鍺的非晶合金、或化學式為a-SixC(1-x)之矽與碳的非晶合金，而該第二材料乃金屬氧化物。
根據一具體實施例，該犧牲層乃藉由HFv氫氟酸蝕刻來移除，以及該第一材料乃非晶矽、化學式為a-SixGe(1-x)之矽與鍺的非晶合金、或化學式為a-SixC(1-x)之矽與碳的非晶合金。
根據一具體實施例，該兩個電極乃藉由沉積一導電材料層並藉由在該層中向下至該第一材料下層僅形成一個凹槽來形成。
根據一具體實施例，該兩個電極乃藉由沉積一導電材料層並藉由在該層中向下至該第一材料下層形成至少兩個凹槽來形成。
根據一具體實施例，本方法包含在沉積該第二傳感器材料之前，先沉積在該等電極之間延伸並且將各該電極部分地覆蓋之電絕緣層。
10‧‧‧微輻射熱計
12‧‧‧薄膜
14‧‧‧支撐體
16‧‧‧傳導錨定柱
18‧‧‧夾持與熱絕緣臂
20‧‧‧導電電極
22‧‧‧導電電極
24‧‧‧非晶矽層
26‧‧‧電主動部分
30‧‧‧輻射熱微偵測器薄膜
32‧‧‧封裝殼
30‧‧‧輻射熱微偵測器薄膜
34‧‧‧下層
36‧‧‧上蓋
38‧‧‧上層
40‧‧‧側壁
42‧‧‧內部材積
44‧‧‧核心
50‧‧‧金屬區
52‧‧‧層件
54‧‧‧條狀物
56‧‧‧條狀物
60‧‧‧CMOS技術
62‧‧‧層階
64‧‧‧互連體
66‧‧‧金屬化通孔
68‧‧‧阻障層
70‧‧‧礦物犧牲層
74‧‧‧金屬層
76‧‧‧凹槽
在閱讀完以下僅對照附圖舉一例提供之說明後，將會更加理解本發明，其中相同的參考元件符號表示相同或相似的元件，其中：第1圖乃懸置於讀出電路上面之現有技術輻射熱膜的簡化透視圖；第2圖及第3圖乃第1圖之薄膜的簡化俯視圖及截面圖；第4圖乃訊噪比與第1圖之薄膜其諸電極間空間長度的關係圖；第5圖及第6圖乃根據本發明第一具體實施例之輻射熱膜的簡化俯視圖及截面圖；第7圖乃訊噪比與第1圖之薄膜、及根據本發明第一具體實施例之薄膜其諸電極間空間長度的關係圖；第8圖乃訊噪比與根據本發明之薄膜中之非晶矽厚度的關係圖；
第9圖及第10圖乃根據本發明第二具體實施例之輻射熱膜的簡化俯視圖及截面圖；第11圖乃訊噪比與第1圖之薄膜、及根據本發明第一及第二具體實施例之薄膜其諸電極間空間長度的關係圖；第12圖及第13圖乃根據本發明第三具體實施例之輻射熱膜的簡化俯視圖及截面圖；第14圖及第15圖乃根據本發明第三具體實施例之輻射熱膜的簡化俯視圖及截面圖；以及第16圖及第17圖乃根據本發明繪示薄膜之第一製造方法的簡化截面圖。
請參閱第5及6圖，根據本發明之輻射熱微偵測器薄膜30包含：有助益地由非晶矽所製成之封裝殼32，其包含下或「基座」層34、以及由上層38與側壁40所構成之上蓋36，一起界定寬度為W、長度為M且高度為e之內部材積42(internal volumn)；兩個傳導電極20、22，其舉例來說，具有金屬性，停置於下層34上並將後者整個覆蓋，但將此等電極實體分開之(電)長度為L之中斷體(或凹槽)除外。上蓋36進一步停置於各電極20、22上，從而界定之間的第一傳導通道以及就內部材積42對腐蝕性化學程序具緊密性之空腔；
核心44，其完全填充內部材積42，並從而停置於各電極20、22上，因此界定介於此等電極間之第二傳導通道，其寬度為W且厚度為e，與第一傳導通道平行。核心44乃由比殼體材料具有更小電阻率之材料所製成，至少小5倍，且典型為小10至20倍。尤其是，核心44乃由具有負TCR係數之金屬氧化物所製成，例如VOx及/或TiOx及/或NiOx，界定具有低的低頻雜訊係數之第二傳導通道。
在此構造中態，跨佈寬度W之金屬氧化物中及跨佈實質整個像素寬度(例如：12μm)之非晶矽中，電流於兩個金屬極20、22之間流動。在本文所思及的實施例中，下非晶矽層34及上非晶矽層38兩者具有相等厚度，即20奈米。MOx的寬度W及厚度e乃像素之電阻Rb的調整變數。其在這裡已分別設定為6μm及40nm，用以就L=2μm取得接近800KΩ之Rb。
流經這兩種傳感器材料之兩個電流貢獻乃就響應R之計算而彼此相加，並且就雜訊之估計而求取平方和。一者從而就後者取得：
此SNR比率從而可根據傳導通道之長度L，舉例來說，以簡化方式，就第5及6圖概要繪示的像素例子來計算，確認這兩種傳感器材料的TCR係數相近。
第7圖的曲線圖表示插入一層電阻比非晶矽小十倍並且就相同電阻Rb產生少量低頻雜訊之金屬氧
化物傳感器材料能夠大幅補償因L減少到2μm左右而降低的SNR。第二傳感器材料之比率αH/N=2.6E-29m3已就所有曲線圖之構造進行確認，認為其值代表已知技術。
因此，本發明之構造中就L=2μm取得之SNR(約略2個任意單位，或a.u.)均等於根據文件美國5912464中所述，總成具有200nm厚度僅由傳感器a-Si所構成可就L=6μm取用之值。
流經本實施例中代表17%總電流之非晶矽的電流對響應R因其TCR與MOx均等而有貢獻(關係式1)，並且僅稍微影響一般雜訊(關係式6)。所指的關係式之廣泛的使用所表示的是，流經非晶矽路徑之電流比例可隨著非晶矽之厚度而變，變化範圍非常廣，這不會顯著影響SNR，如第8圖所示。
在剛才已述的具體實施例中，若傳感器氧化物MOx之引進已允許顯著提升SNR，則低頻雜訊Ib1/f在L=2μm時會維持主導性，從而持續限制微偵測器之SNR。
為了透過參數N進一步降低連結至少量電流傳導材料之主導雜訊，根據第二具體實施例，界定至少兩個平行且相同的中斷體或凹槽，其舉例來說，各具有長度L。傳導通道之有效長度已變為P*L，其中P乃凹槽數量。因此，主動材料在傳導時的材積就P=2會加倍，而金屬化表面對應於電極之部分由83%改變至67%，其光學吸收但界定就傳感處於無作用狀態之等電位表面。
因吸收產生的損失ε其範圍經評估可自10%至15%，亦即小於表面面積損失，原因在於相對於輻射波長的凹槽窄度，亦即，就LWIR偵測而言，典型為10μm。
請參閱就具有一個凹槽之薄膜(第5圖及第6圖)所揭示之關係式，鑑於電阻器之有效長度等於2*L，可就包含兩個凹槽之敏感薄膜進行SNR之計算，從而界定插置金屬區50之兩個電極20、22(第9圖及第10圖)。本例中(例如：各凹槽之)物理量L最大僅可掃描至6μm，若超過此物理量，整個像素將去金屬化(接觸部分會消失，輻射熱電阻器也會跟著消失)。
層堆疊與前一個實施例維持不變，亦即，兩個各為20nm之100-Ω.cm a-Si層(基座與封裝層)，以及一個具有40nm厚度之10-Ω.cm氧化物層MOx。本例中僅通道MOx之寬度W才已放大至12μm以使電阻Rb保持(具有兩個凹槽)與包含W=6μm之單一凹槽的像素接近。
第11圖之曲線圖表示就具有寬度L=2μm之兩個凹槽，相較於包含單一凹槽的例子，SNR幾乎是兩倍(3.8a.u.之於2.0a.u.)。此增益可與低頻雜訊降低相關聯，此乃因主動材料材積加倍，從而因隱含載子數量N所致。
因新增第二凹槽所致的吸收衰減ε估計約略10%，因SNR增加而以極大幅度過補償。
本發明之第三具體實施例乃於第12至15圖中繪示，與上述具體實施例的差別在於其插入一層例如介電質之電絕緣體。尤其是，層件52乃插入金屬元件20、22(與補充之第一具體實施例對應之第12及13圖)或20、22、50(對應於第二具體實施例之第14及15圖)與傳感器MOx 44之間，全都在其共同佔位之表面區域上方，但沿著與長度為L之凹槽平行以及沿著薄膜之兩條對立邊緣而置且與其接近之兩個條狀物54、56者除外。因此，有效長度L’(即第二傳感器MOx 44中傳導通道之兩個電端子間電流線之路徑之總電長度)可增加而使L’>>L，與光學吸收ε無關。
MOx連序增大之材積(從而還有電荷載子數量N)導致此層中產生的雜訊1/f降低。
舉例來說，鑑於第12及13圖中所示具有單一凹槽之薄膜，其設定L’=8μm並在金屬層中包含長度L=2μm之凹槽，符合前幾個具體實施例關於Rb之準則，層件MOx之厚度在本例中可加倍以補償此材料中傳導通道長度L’之增加。此層(例如)10Ω.cm之傳感器氧化物將因此具有80nm之厚度，並且跨佈寬度W=12μm遭受界定，導致與先前模式相當之接近800K.Ω之電阻Rb。
在第三具體實施例中，若像素包含單一凹槽(第12圖及第13圖之例a/)則電流之第一部分沿著長度L流經基座層34之矽，或若包含兩個凹槽(第14圖及第15圖之例b/)則沿著長度2*L流經。電流之另一部分沿著更
大長度L’流經上封裝層36，電流之此部分從而所佔比例較小。
藉由將方程式(1)至(8)套用到本具體實施例中介紹的不同電流貢獻，以及藉由使用上列參數(MOx 44，其在10Ω.cm與αH/n=2.6E-29m3下具有W=12μm、e=80nm，乃插入於在100Ω.cm下各具有20nm厚度之兩個a-Si層之間)，這分別就具有一個及兩個凹槽之構造a/及b/產生下表之SNR估計。
插入電絕緣體層52使MOx傳感器44之電極20、22部分絕緣，能夠用單一凹槽L=2μm達到相同的SNR值，亦即3.8a.u.，如第二具體實施例(第9圖及第10圖)，其沒有絕緣體層52，但有兩個長度L=2μm之凹槽，如第11圖之曲線所示。
若將長度為2μm之第二凹槽引進此類型之薄膜(第14圖及第15圖)，則SNR達到5.8a.u.。此增益乃導因於基座a-Si層34所產生之低頻雜訊降低，在單一凹槽之例子中有主導地位。
取得此最終SNR位準作為總成中新增附加介電層之、以及附加光微影層階之對照，在大部分情況下是可接受的。
應該規定此一特定構造需要在像素周緣、在基座與封裝層限制範圍內之任何點對介電層加上限制，以在必要時，避免對HFv犧牲層移除方法提供進入點。
應注意的是，先前對一個或至多兩個凹槽引進的限制對應於佔有12×12-μm2表面面積之極小像素(基本偵測器)之非常特定且例示性的製造背景。若此技術允許或對於更大像素，本發明之實作仍然有助益地可根據像素間距來界定三或更多個凹槽。的確，應該使比率W/L約略維持恆定以避免過度修改電阻Rb，而且應該保持有限寬度之空間(凹槽)避免使光學吸收過度變差。
類似的是，有就第二傳感器材料規定形成緊密殼體之非晶矽用法。應規定藉助a-SixGe(1-x)類型之矽與鍺合金或a-SixC(1-x)類型之非晶矽與碳合金將會得到一樣的結果。
待視為本發明之標準的電阻率範圍在實質提供附帶優點的同時，於10Ohm.cm與104Ohm.cm之間延伸。
現將說明根據本發明一具體實施例之製造方法，開始步驟為根據文件美國2014/319350之教示製造讀出電路之CMOS基板之堆疊。根據本發明之方法能夠藉助有限數量之光微影層階來製造輻射熱偵測器，但與任何傳感器材料類型之用法相容，主要是對MOx有利。
更特別的是，根據本發明之製造方法乃一種組裝與HFv型犧牲層相容之薄膜的技術，其結合使用低電阻率之第二金屬氧化物型傳感器材料，與諸如非晶矽或相關合金之第一傳感器材料相配合，用意是要在最後犧牲介電材料蝕刻操作期間完整保護金屬氧化物。從而
取得能夠以與支援ROIC之CMOS製造流程中之整合相容之經濟方式，強化現有技術的效能(訊噪比)。
請參閱第16及17圖，根據本發明之方法舉例來說，按照慣例，始於在CMOS技術60中構造電子讀出電路，其包含尤其是將讀出電路60之諸功能塊互相連接之一個或複數個層階62之互連體64(CMOS電路60之「後端」部分)，用意在於形成讀出電路60之輸入/輸出連接。電路60之後端層與各輻射熱膜間的金屬連續性乃進一步藉由自CMOS層金屬至金屬層74穿過阻障層68、礦物犧牲層(SiO)70及基座層34之金屬化通孔66來形成，薄膜之電極20、22將由該金屬層所構成(第16圖)。此操作序列主要舉例來說，是在文件美國2014/319350中作說明。
本方法進行構成與HFv釋離方法步驟相容之薄膜，同時整合更小電阻率之第二傳感器材料，不用附加步驟。請參閱第16圖，薄膜製造包含：蝕刻金屬層74以界定跨佈薄膜整個寬度之長度為L之一個或複數個凹槽76，從而還有兩個金屬電極20、22；直接在電極22、22之金屬上沉積例如且典型為(通式為VOx之)氧化釩、或(通式為NiOx之)氧化鎳、或(通式為TiOx之)氧化鈦之低電阻率第二傳感器材料44以在藉由非金屬化空間定界之諸半導體之平面中形成電阻器Rb；沿著第二傳感器材料之層件44之平面藉助乾或濕蝕刻來界定延伸，典型為根據單純的矩形來界定，其尺
寸小於薄膜之最終輪廓，換言之，乃位在此(未來)輪廓範圍內其周邊之任何點，屬於該傳感器材料44，選擇性位在下層金屬及非晶矽上；沉積第二非晶封裝矽層36，較佳為(但非必要)具有與基座層34相同之電阻率及厚度；界定薄膜輪廓與熱絕緣臂並且在適當處蝕刻所有層件，亦即兩個a-Si層34、36、以及電極20、22之金屬。此遮罩之周邊較佳為不與第二傳感器材料44之圖案交叉而不使其在結構之邊緣上(即至少在薄膜周邊某些點處)產生局部曝露。附帶一提，此一布局使蝕刻方法容易界定。
根據此構造，就夾持結構，與參考技術相比較，此等臂件僅由兩個將金屬層74夾於其中之a-Si層所構成。a-Si層34與36從而具有相當且較佳為相同之厚度，以避免因內部應力差異所導致的可能變形。
第17圖中表示第三具體實施例之整合一層電絕緣體(例如介電質)之堆疊。藉由應用以下步驟，一旦金屬層74中已形成凹槽，其便可得自第16圖之截面中所示之製造：藉由較佳使用標準BEOL材料及CMOS製造過程之技術來沉積介電層52(例如：SiO、SiOxNy或類似者)；在介電層52中界定開口54、56以形成出現在金屬74上之電接觸。這些接觸典型乃沿著薄膜之兩個對立邊緣形成，並且界定主傳感器材料長方體44之兩端，之後予以進行沉積；
沉積例如且典型為(通式為VOx之)氧化釩、或(通式為NiOx之)氧化鎳、或(通式為TiOx之)氧化鈦之較低電阻率之第二傳感器材料44。主傳感器44接著乃絕緣於電極金屬之開口54、56外部，以在傳感器層之平面中形成與電阻器Rb平行之較小電阻性部分，其乃由先前形成之接觸所定界；例如根據簡單的矩形、或更一般的是根據比薄膜所佔最終表面區域更小尺寸之簡單多邊形來界定第二傳感器材料之輪廓，並且例如在介電層52上方以具有選擇性之方式對該傳感器進行乾或濕蝕刻。此一蝕刻在介電層52上方可不特別具有選擇性，在這種情況下，其在金屬層74上方應該具有選擇性，向所屬技術領域中具有通常知識者提供廣泛的界定自由度；藉助在下層金屬74上方具有選擇性之濕式化學作用，較佳為乾式化學作用，例如且較佳為根據如同第二傳感器材料之輪廓(有助益地使用如同前一者之遮罩)來蝕刻介電質52；此一優選供應的用意是要對薄膜臂件表面抑制介電質52，使得僅剩下兩個a-Si層及金屬性材料。因此，取得懸置膜之最大熱阻(例如：響應)；沉積較佳為(但不必然)具有與基座層34等電阻率及厚度之第二封裝非晶矽層36；界定薄膜輪廓與熱絕緣臂並且在適當處蝕刻所有層件，亦即兩個a-Si層34、36、以及電極20、22之金屬。此遮罩的周邊較佳是不與第二傳感器材料44之圖案(延伸部分)交叉，也不與中間介電質52交叉，以避免在結
構之邊緣上曝露一層或另一層。附帶一提，此一供應使蝕刻方法容易界定。
已說明電阻器Rb之偏壓功能乃藉由亦實施吸收功能之兩個電極來實施的特定具體實施例。
在一變例中，用於電極之金屬及用於吸收之金屬可由兩個不同層所形成，尤其是非共面層。
在一變例中，可在界定第二傳感器材料之後提供用於電極與吸收層之金屬，其偏壓(電連續性)乃得自上介面。
本發明乃是在當作第一材料使用之具體相關事例中開發，用於形成基座層與封裝層，換句話說，用於形成緊密層，其非晶矽具有等級為102Ohm.cm之電阻率。然而，使用與a-SixGe(1-x)類型之鍺、或與a-Six-C(1-x)類型之碳構成合金之非晶材料，根據摻雜及特定組成x，得輕易提供涵蓋範圍典型介於10Ohm.cm與104Ohm.om間的材料(此外，該材料在此特定背景下幾乎可視為「介電質」)，但不脫離本發明之內容。的確這些材料全都對以HFv形式蝕刻犧牲SiO層之方法不起作用。
20‧‧‧導電電極
22‧‧‧導電電極
30‧‧‧輻射熱微偵測器薄膜
34‧‧‧下層
36‧‧‧上蓋
38‧‧‧上層
40‧‧‧側壁
42‧‧‧內部材積
44‧‧‧核心
Claims (14)
- 一種輻射熱偵測裝置，其包含：包含讀出電路之基板(14)；一基本偵測器的陣列，各偵測器包含懸置於該基板(14)上面之薄膜(12)、及藉由至少兩個導電體(16,18)連接至該讀出積體電路，該薄膜包含分別連接至該兩個導電體之兩個導電電極(20,22)、及電連接該兩個電極之傳感器材料(24)之材積，其中該讀出電路乃構造成在該薄膜(12)之該兩個電極(20,22)間施加電刺激，並且形成電信號作為對該施加之響應，其特徵在於，該材積包含：電連接該薄膜(12)之兩個電極(20,22)並形成封閉式包體(42)之壁件之第一傳感器材料的材積(34,38,40)，該封閉式包體內至少部分地罩覆有各該電極(20,22)；以及電連接該兩個電極(20,22)並被罩覆於該包體(42)中之第二傳感器材料之材積(44)，該第二材料之電阻率小於該第一材料之電阻率；以及在於該兩個傳感器材料具有負熱阻抗係數(negative thermal coefficient of resistance)TCR。
- 如請求項1之輻射熱偵測裝置，其中該兩個電極(20,22)係共面且僅藉由一個凹槽分開。
- 如請求項1之輻射熱偵測裝置，其中該兩個電極(20,22)屬於含至少三個導電共面區之串列，彼此藉由配置於該兩個電極間的平行凹槽分開。
- 如請求項1、2或3之輻射熱偵測裝置，其中該薄膜包含延伸於該等電極之間並且將該等電極之各者部分地覆蓋的連續電絕緣體層(52)。
- 如請求項1至4項中任一項之輻射熱偵測裝置，其中該第二材料之電阻率至少比該第一材料之電阻率小五倍，並且較佳是小十倍至小二十倍。
- 如請求項1至5項中任一項之輻射熱偵測裝置，其中該第一材料具有大於10Ohm.cm之電阻率，並且較佳是小於104Ohm.cm之電阻率。
- 如請求項1至6項中任一項之輻射熱偵測裝置，其中該第一材料是非晶矽、化學式為SixGe(1-x)之矽與鍺的非晶合金、或化學式為a-SixC(1-x)之矽與碳的非晶合金，而該第二材料是金屬氧化物。
- 一種製造輻射熱偵測裝置之方法，其包含：製造包含讀出電路之基板(60)；在該基板上沉積犧牲層(70)；在該犧牲層(70)上製造薄膜(12)之陣列，各該薄膜藉由至少兩個導電體(66)連接至該讀出電路，該薄膜包含分別連接至該兩個導電體之兩個導電電極(20,22)、及電連接該兩個電極之傳感器材料之材積；該等薄膜一旦製造完成，便移除該犧牲層(70)，其特徵在於， 該傳感器材積之製造包含：在該犧牲層(70)上沉積第一傳感器材料(34)之下層；在該第一材料之該層上形成該兩個薄膜電極(20,22)；在該等電極上與該等電極之間沉積一第二傳感器(44)層；以及以該第一材料(36)之上層封裝該第二傳感器材料(44)層並將該兩個電極部分地覆蓋，以及在於：該兩個傳感器材料具有負熱阻抗係數TCR，並且該第二材料之電阻率小於該第一材料之電阻率；該第一材料對該犧牲層之移除是不起作用的。
- 如請求項8之輻射熱偵測裝置製造方法，其中該犧牲層乃藉由HFv氫氟酸蝕刻來移除，以及其中該第一材料乃非晶矽、化學式為a-SixGe(1-x)之矽與鍺的非晶合金、或化學式為a-SixC(1-x)之矽與碳的非晶合金。
- 如請求項8或9之輻射熱偵測裝置製造方法，其中該兩個電極乃藉由沉積一導電材料層並藉由在該層中向下至該第一材料下層僅形成一個凹槽來形成。
- 如請求項8或10之輻射熱偵測裝置製造方法，其中該兩個電極乃藉由沉積一導電材料層並藉由在該層中向下至該第一材料下層形成兩個平行凹槽來形成。
- 如請求項8至11中任一項之輻射熱偵測裝置製造方法，其中該第二材料之電阻率至少比該第一材料之電阻率小五倍，並且較佳是小十倍至小二十倍。
- 如請求項8至12中任一項之輻射熱偵測裝置製造方法，其中該第一材料具有大於10Ohm.cm之電阻率，並且較佳是小於104Ohm.cm之電阻率。
- 如請求項8至13中任一項之輻射熱偵測裝置製造方法，其包含在沉積該第二傳感器材料之前，先沉積在該等電極之間延伸並且將各該電極部分地覆蓋之電絕緣層。
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