TWI501386B - Far infrared sensor chip - Google Patents

Description

遠紅外線感測晶片

本發明是有關於一種紅外線感測元件，特別是指一種與積體電路整合為單晶片且用於遠紅外線偵測的遠紅外線感測晶片。

紅外線感測元件的種類非常多，而紅外線的感測應用之所以重要，是因為紅外線的波長範圍覆蓋了室溫下物體所發出熱輻射的波段且透過雲霧能力比可見光強，所以在通訊、探測、醫療、軍事等方面有廣泛的用途；例如，人體於室溫下便會散發波長約在中紅外線至遠紅外線(Far Infrared,FIR)間、人眼不可見的熱輻射，而透過紅外線感測元件就能成為熱影像、藉此捕捉其位置動態。

紅外線感測裝置通常可以區分為量子型與熱型兩大類。量子型感應器主要動作原理是利用光電效應，例如以硫化鎘(CdS)、硫化鉛(PbS)為材料的光電二極體，藉由入射光能量所激發的電子而產生之導電率變化或感應電動勢來進行感測，量子型感應器雖然有較高的靈敏度、反應速度快，以及具有較佳的波長依存性，但材料成本昂貴且必須搭配冷卻系統，因此感測器產品的整體價格也就居高不下、體積也相對龐大，無法廣泛地應用於民生市場中。

另一種則是熱型感應器，如作動原理利用焦電效應(Pyroelectric effect)的焦電型紅外線感應器便是熱型的代表作，而所謂焦電效應簡單地說就是：利用溫度的變化而產生電荷之現象。熱型感應器雖然靈敏度、反應速度沒有量子型感應器好，但可於室溫下操作，不需再另外配設冷卻裝置；因此，若以大眾化消費為目標且靈敏度普通的要求來看，熱型感應器的研究方向是一個較佳的選擇。

另外，眾所皆知的是波長愈長的光，能量愈低，所以若是要用來偵測遠紅外線的焦電型紅外線感應器通常也就需要焦電效應較有效率(也就是必須具有高電阻溫度係數)的材料來做為感測膜，常見高電阻溫度係數(Temperature Coefficient of Resistance；TCR)的材料有碲化汞鎘(HgCdTe)或氧化釩(V₂ O₅ )，這些材料的物料成本高，且製程通常也都無法整合於積體電路製程而必須將遠紅外線的感測元件與轉換電訊號的電晶體晶片分開製作後，再利用鍵合(Bonding)將感測元件與電晶體電連接；此種方式除了整體感測器的體積不易縮減外，鍵合技術也是導致良率不穩的問題點之一。

當然，為了提高製程效率，近年來也有朝向整合感測元件與電晶體的研究出現。例如圖1所示，台灣專利申請號098132569(下稱”569案)所揭露的一種紅外線感測器，在一矽基板1a上利用一積體電路製程形成電晶體區域A2與具有一紅外線檢測元件13的紅外線感測區域A1，該紅外線檢測元件13包括有一用以吸收紅外線的吸收單元 131、一位在該吸收單元131上用以感測紅外線並具有焦電特性的感溫體132，及一形成在該感溫體132上的補償膜結構133；另外，該矽基板1a還包括一對應該感溫體132位置而形成的空洞11，該吸收單元131是由矽氧化膜與矽氮化膜構成，而該感溫體132是以聚矽膜(polysilicon)構成，因此由使用材料來看，”569案的確可以令紅外線感測元件與電晶體元件的製程相整合，但必須配合其他設計，如增加紅外線吸收的吸收單元131、提升絕熱效果以避免該感溫體132的熱太快散失導致訊號減弱的空洞11等結構來加強感測度，且”256案的一大技術特點在於利用該補償膜結構133保護該吸收單元131與該感溫體132，並抑制該吸收單元131與該感溫體132的膜層翹曲以改善結構穩定性、提高感測效率。

雖然此”569案教導了元件整合的可能性，但如何基於製程整合的前提，進一步地改善感測器整體結構、降低成本以符合市場需求、提高市場競爭力，將溫度感測器轉為矩陣影像輸出，即是申請人亟欲開發研究的方向之一。

因此，本發明之目的，即在提供一種能與積體電路整合為單晶片且靈敏度佳的遠紅外線感測晶片。

於是本發明遠紅外線感測晶片用以偵測波長為λ的一遠紅外線，包含一晶圓基底、一內連線單元，及一圖案化吸收層。

該晶圓基底包括至少一以一積體電路製程製作的電晶體單元，該電晶體單元用以將一電阻變化轉換為一電訊號。

該內連線單元利用該積體電路製程形成於該晶圓基底上並包括一遠離該晶圓基底的頂面、一由該頂面朝該晶圓基底方向延伸的內環面，及一連接該內環面之一底緣的基面，且該內環面與該基面配合界定出一形成於該內連線單元中的空腔。

該圖案化吸收層藉由該積體電路製程的製作而設置於該內連線單元上且由非晶矽所構成，該圖案化吸收層包括一位於該空腔上方的主體部及兩連接該主體部並分隔設置的電接腳端部，該等電接腳端部分別與該內連線單元電連接，以將該圖案化遠紅線吸收層因吸收該遠紅外線而產生的該電阻變化傳遞至該電晶體單元，其中，自該主體部之下表面至該內連線單元之基面的一最短距離為(2n+1)λ/4，且n為整數。

本發明之功效在於：利用材料的選擇與結構設計令該用以感測遠紅外線的圖案化吸收層可以與該電晶體單元用同一個積體電路製程一起製作，同時藉由該空腔的高度控制令入射的遠紅外線形成共振、提高該圖案化吸收層的吸收量，使得降低製程成本的同時也維持本發明遠紅外線感測晶片的靈敏度。

2‧‧‧晶圓基底

21‧‧‧電晶體單元

3‧‧‧內連線單元

310‧‧‧空腔

311‧‧‧頂面

312‧‧‧內環面

313‧‧‧基面

32‧‧‧金屬層

32a‧‧‧第一層金屬層

32b‧‧‧第二層金屬層

321‧‧‧反射區塊

33‧‧‧介電層

34‧‧‧介層窗

4‧‧‧圖案化吸收層

41‧‧‧主體部

411‧‧‧下表面

412‧‧‧上表面

42‧‧‧電接腳端部

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的 實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一剖面圖，說明現有的紅外線感測器；圖2是一剖面圖，說明本發明遠紅外線感測晶片的一較佳實施例；圖3是一俯視圖，說明該較佳實施例的一圖案化吸收層的實施態樣；及圖4是一俯視圖，說明該圖案化吸收層的另一實施態樣。

參閱圖2與圖3，本發明遠紅外線感測晶片適用於偵測波長範圍在8μm至14μm的遠紅外線，而本發明遠紅外線感測晶片之一較佳實施例包含一晶圓基底2、一位於該晶圓基底2上的內連線單元3、一位於該內連線單元3上的圖案化吸收層4，並特別用來感測波長為λ的遠紅外線。

該晶圓基底2包括至少一用以將一電阻變化轉換為一電訊號的電晶體單元21，且該電晶體單元21是以依預定的積體電路製程製作，在本較佳實施例中是繪示三個電晶體單元21，但可以輕易了解的是，在該積體電路製程中是依需求，如周邊電路、電容器等等製作出所需要的電晶體數量與形式。

該內連線單元3亦是依該積體電路製程形成在該晶圓基底2上，包括一頂面311、一由該頂面311朝該晶圓基底2方向延伸的內環面312、一連接該內環面312之底 緣的基面313、一由該內環面312與該基面313圍繞界定而出的空腔310，且該空腔310的高度是被限制的，此限制高度容後再述。更詳細地說，一般所知該內連線單元3是包括多層成預定電連接配置圖案且由鋁或銅構成的金屬層32、多層絕緣支撐的介電層33，及多個電連接不同金屬層32間的介層窗34，而為說明之便，本較佳實施例以兩層金屬層32為實施態樣，並直接定義該等金屬層32最接近該晶圓基底2的金屬層32為第一層金屬層32a、在遠離該晶圓基底2的金屬層32為第二層金屬層32b。

特別的是，該金屬層32的第一層金屬層32a具有一位於該空腔310下方的反射區塊321，也就是說，該反射區塊321之上表面形成為該內連線單元3的基面313，且由於該反射區塊321是在本較佳實施例中是以金屬所構成，因此使得該基面313具有良好的光反射效果，當然，一般實施上也可以反射性佳的薄膜材料或結構代替製作。

該圖案化吸收層4也是藉由相同的積體電路製程製作並設置於該內連線單元上，特別強調的是，本發明的圖案化吸收層4是由非晶矽(Amorphous Silicon)所構成，可吸收遠紅外線後發生溫度變化並因為焦電效應導致一電阻變化的產生，且非晶矽的形成是利用一電漿化學氣相沉積法、並在製程溫度是小於400℃下所製得，故，該圖案化吸收層4可與所述電晶體單元21、該內連線單元3同時於晶片製作時一起形成，而不會因高溫、特殊材料製程造成該等電晶體單元21、該內連線單元3的破壞。

該圖案化吸收層4藉由微影、蝕刻定義出一位於該空腔310上方的主體部41、兩連接該主體部41並分隔設置的電接腳端部42，及一環繞於該主體部41周緣的輔助蝕刻孔道43。該主體部41具有一緊鄰該空腔310的下表面411與一相反於該下表面411的上表面412，最特別的是該主體部41的下表面411與該內連線單元3的基面313的高度距離為(2n+1)λ/4，且n為正整數或零，λ是待感測的遠紅外線波長；也就是說，該空腔310的高度為所要吸收的遠紅外線四分之一波長成一正比關係，使得入射至該空腔310的遠紅外線在該空腔310中形成共振、增加該主體部41的遠紅外線吸收效率、進而改善偵測的靈敏度。

另外，該主體部41的下表面411可藉由該積體電路製程中的平坦化技術，如化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing；CMP)令該圖案化吸收層4在沉積形成時即有較為平坦的介面，進而令後續蝕刻形成的該主體部41的下表面411更為平整以增加入射至該空腔310中遠紅外線的反射次數、改善共振效果、增加吸收能量；而該主體部41的上表面412則藉由粗糙化使得表面粗糙不平整以增加遠紅外線照射時的進光率。

該等電接腳端部42由該主體部41的兩相反側延伸，並分別電連接於相對應的介層窗34，而令該圖案化吸收層4透過該內連線單元3與該晶圓基底2的該等電晶體單元21電連接，藉此，該主體部41因為吸收遠紅外線後以焦電效應產生的電阻變化可傳遞至相對應的電晶體單 元21轉換為電訊號輸出。補充說明的是，在本較佳實施例中該主體部41是成矩形平板狀且厚度範圍在50nm-400nm，而該等電接腳端部42分別由兩側延伸，但實施態樣當然不限制於圖示；例如，該主體部41亦可如圖4所示成彎曲蛇狀(Serpent)，而該等電接腳端部42則是形成於該蛇狀主體部41的頭尾兩端；總而言之，該圖案化吸收層4的圖案取決於設計的考量，並不限於本較佳實施例所揭示；該主體部41的厚度限制則主要取決於製程考量，厚度愈大吸收效果將有所改善，但過厚則該等電接腳端部42將無法支撐該主體部41態樣而完成本案結構，因此依現有的製程能力與應用，該主體部41的厚度較佳落在50nm-400nm間。

該輔助蝕刻孔道43是做為化學蝕刻液的導入孔而蝕刻形成該空腔310，更仔細地說，化學蝕刻液由該輔助蝕刻孔道43進入，並由該內連線單元3的頂面311開始向下進行選擇性的蝕刻至該金屬構成的反射區塊321，因此可以精確地控制該蝕刻構成的空腔310高度為(2n+1)λ/4，且n為正整數或零。

補充說明的是，以往雖然也有類似在紅外線感測層體的下方形成空洞的結構(如圖1中編號11的構造)，但其空洞的效果在於隔熱，避免紅外線感測層體吸收紅外線後產生的溫度太快散失、導致感測靈敏度不足，而與本發明所強調之控制該空腔310的高度、形成入射波的共振、增強能量吸收的構造無關、也無法達到本發明所訴求之功效，在此特別說明以玆分辨。

當遠紅外線照射於該圖案化吸收層4的主體部41時，除了由該主體部41的上表面412直接吸收的能量外，部分遠紅外線會由該輔助蝕刻孔道43進入到該空腔310中，此時藉由該具有特定高度，(2n+1)λ/4且n為整數的空腔310可令特定波長λ的遠紅外線在該空腔310中反射行進達到共振、增強能量的效果；因此，該主體部41平坦的下表面411與該反射區塊321構成的基面313都能進一步的幫助入射的遠紅外線形成反射，使得該主體部41吸收到更多的遠紅外線的能量而提高靈敏度；也就是說，雖然非晶矽的電阻溫度係數(Temperature Coefficient of Resistance；TCR)低於傳統常用的高電阻溫度係數的材料，如碲化汞鎘(HgCdTe)或氧化釩(V₂ O₅ )，但配合該空腔310的遠紅外線共振效果、經由該內連線單元3的直接電連接而降低訊號傳遞的損失等設計，而能令本發明利用非晶矽構成的圖案化吸收層4在低材料成本、低製程成本的製作下仍可達到所需的感測靈敏度。

值得一提的還有，該圖案化吸收層4的材料-非晶矽除了物料成本低之外，更因為可以利用低溫製程、以電漿化學氣相沉積法製作得到，不僅材料、機台設備與一般的積體電路製程相容，且製程溫度更是可配合於後段製程而不造成既成的該等電晶體單元21或該內連線單元3的損害，因此，令以往必須分開製作的遠紅外線感測元件、電晶體元件可整合為系統單晶片來製作，使得整體遠紅外線感測晶片的體積也可更小、提高產品市場優勢。

綜上所述，本發明遠紅外線感測晶片以焦電效應的作動原理為基礎，並研究開發出一種產品成本低、體積小、適於量產的熱型感測器，首先通過選擇可相容於一般矽晶片的積體電路製程的非晶矽材料做為該圖案化吸收層的成分，再配合該高度限制為(2n+1)λ/4，且n為正整數或零的空腔310令入射至該空腔310中、波長為λ的遠紅外線可在反射過程中形成共振、增強能量而使得該主體部41的吸收效果更好，進而改善了偵測靈敏度；同時，該藉由金屬層32的製作而形成的反射區塊321不僅可用以做為蝕刻該空腔321時的停止層以精確的控制該空腔310高度，更可利用金屬材料的特性使得入射的遠紅外線的反射效果更佳，提高該主體部41的遠紅外線吸收效率；因此本發明遠紅外線感測晶片不僅製程成本低，且可與電晶體整合為單晶片製程縮小體積、改善電傳導路徑的損耗使得感測靈敏度佳，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧晶圓基底

21‧‧‧電晶體單元

3‧‧‧內連線單元

310‧‧‧空腔

311‧‧‧頂面

312‧‧‧內環面

313‧‧‧基面

32‧‧‧金屬層

32a‧‧‧第一層金屬層

32b‧‧‧第二層金屬層

321‧‧‧反射區塊

33‧‧‧介電層

34‧‧‧介層窗

4‧‧‧圖案化吸收層

41‧‧‧主體部

411‧‧‧下表面

412‧‧‧上表面

42‧‧‧電接腳端部

Claims (7)

1. 一種遠紅外線感測晶片，用以偵測波長為λ的一遠紅外線，該遠紅外線感測晶片包含：一晶圓基底，包括至少一以一積體電路製程製作的電晶體單元，該電晶體單元用以將一電阻變化轉換為一電訊號；一內連線單元，利用該積體電路製程形成於該晶圓基底上並包括一遠離該晶圓基底的頂面、一由該頂面朝該晶圓基底方向延伸的內環面，及一連接該內環面之一底緣的基面，且該內環面與該基面配合界定出一形成於該內連線單元中的空腔；及一圖案化吸收層，藉由該積體電路製程的製作而設置於該內連線單元上且由非晶矽所構成，該圖案化吸收層包括一位於該空腔上方的主體部及兩連接該主體部並分隔設置的電接腳端部，該等電接腳端部分別與該內連線單元電連接，以將該圖案化遠紅線吸收層因吸收該遠紅外線而產生的該電阻變化傳遞至該電晶體單元；其中，自該主體部之一下表面至該內連線單元之基面的一最短距離為(2n+1)λ/4，且n為正整數或零。
2. 如請求項1所述的遠紅外線感測晶片，其中，該內連線單元還包括多層成預定電連接配置圖案的金屬層，其中一金屬層具有一反射區塊，該反射區塊位於該空腔下方，且該反射區塊之一上表面是該內連線單元的基面。
3. 如請求項2所述的遠紅外線感測晶片，其中，該圖案化 吸收層的主體部具有一個相反於該下表面且經粗糙化的上表面，而該主體部的下表面是經平坦化以令其表面平整。
4. 如請求項3所述的遠紅外線感測晶片，其中，該遠紅外線吸收層的厚度是50至400nm。
5. 如請求項5所述的遠紅外線感測晶片，其中，該圖案化吸收層的非晶矽是利用一電漿化學氣相沉積法所製得，且其製程溫度是小於400℃。
6. 如請求項6所述的遠紅外線感測晶片，其中，該圖案化吸收層還包括一輔助蝕刻孔道，該輔助蝕刻孔道位於該主體部的一周緣，並由該主體部的上表面延伸至其下表面，且該輔助蝕刻孔道連通該內連線單元的空腔。
7. 如請求項7所述的遠紅外線感測晶片，其中，該主體部成矩形平板狀。