TWI804966B

TWI804966B - 遠紅外線感測元件以及包含其的感測器

Info

Publication number: TWI804966B
Application number: TW110132342A
Authority: TW
Inventors: 張錦維; 蘇韋企; 陳文吉
Original assignee: 力晶積成電子製造股份有限公司
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2023-06-11
Also published as: TW202312465A; CN115727955A

Abstract

一種遠紅外線感測元件包括基板、設置於基板上的光吸收層、設置於光吸收層中的感測層、氧化銦錫（ITO）層以及導電插塞。光吸收層還具有數個接觸窗開口，感測層具有延伸部延伸至所述接觸窗開口。氧化銦錫層設置於所述光吸收層與所述基板之間，其中所述氧化銦錫層具有第一部分與數個第二部分。第一部分位於感測層下方作為反射層，第二部分與其上方的光吸收層作為數個支臂連接至感測層的延伸部。導電插塞則分別連接支臂與基板中的內連線，並於反射層與基板之間形成絕熱空間。

Description

遠紅外線感測元件以及包含其的感測器

本發明是有關於一種遠紅外線感測技術，且特別是有關於一種遠紅外線感測元件以及包含其的感測器。

遠紅外線微熱輻射計(IR Micro-Bolometer)是一種利用感測人體發出的遠紅外線，並轉換為電訊號輸出的溫度感測器。

目前已有利用微機電技術製作的遠紅外線微熱輻射計，例如使用非晶矽作為感測層的熱阻式(Thermoresistive)遠紅外線微熱輻射計。

然而，遠紅外線微熱輻射計對環境溫度很敏感，所以如何阻絕不必要的溫度傳導已成為重要課題。而且，目前為了環境絕熱，製程中通常使用聚醯亞胺(PI)這種類光阻材料作為犧牲層，因而帶來厚度不易控制以及後續沉積機台有顆粒汙染的問題發生。

本發明提供一種遠紅外線感測元件，具有優異的絕熱效果，且製程成本低的優勢。

本發明另提供一種遠紅外線感測器，含有上述遠紅外線感測元件。

本發明的遠紅外線感測元件包括基板、光吸收層、感測層、氧化銦錫(ITO)層以及導電插塞。光吸收層設置於所述基板上，其中所述光吸收層具有數個接觸窗開口。感測層設置於所述光吸收層中，且所述感測層具有延伸部延伸至所述接觸窗開口。氧化銦錫(ITO)層設置於所述光吸收層與所述基板之間，其中所述ITO層具有第一部分與數個第二部分，第一部分位於所述感測層下方作為反射層，第二部分與其上方的光吸收層作為支臂連接至所述感測層的延伸部。導電插塞分別連接所述支臂與基板中的內連線，並於反射層與基板之間形成絕熱空間。

在本發明的一實施例中，上述ITO層的厚度在700Å以上。

在本發明的一實施例中，上述ITO層與上述感測層之間的距離d符合下式(1)：d=λ/4n₁ 式(1)其中n₁為所述光吸收層的折射率，λ為吸收光波長。

在本發明的一實施例中，上述光吸收層包括：氧化矽層、氮化矽層、或者氧化矽層與氮化矽層的組合。

在本發明的一實施例中，上述光吸收層包括位於所述感測層上的第一氮化矽層以及位於所述第一氮化矽層上的第一氧化矽層。

在本發明的一實施例中，上述第一氮化矽層的厚度在500Å~4000Å之間。

在本發明的一實施例中，上述第一氧化矽層的厚度在1500Å以下。

在本發明的一實施例中，上述光吸收層包括位於所述感測層下的第二氮化矽層以及位於所述第二氮化矽層與所述反射層之間的第二氧化矽層。

在本發明的一實施例中，上述第二氧化矽層的厚度t符合下式(2)：t=λ/4n₂ 式(2)其中n₂為所述第二氧化矽層的折射率，λ為吸收光波長。

在本發明的一實施例中，上述第二氮化矽層的厚度在500Å~4000Å之間。

在本發明的一實施例中，上述感測層的厚度在500Å~1500Å之間。

在本發明的一實施例中，上述感測層的材料包括非晶矽或氧化釩(VO_x)。

在本發明的一實施例中，上述絕熱空間內填充氮氣或具有空氣，或者上述絕熱空間內為真空狀態。

本發明的遠紅外線感測包括上述遠紅外線感測元件以及參考元件。所述參考元件包括光吸收參考層、感測參考層、氧化銦錫(ITO)參考層、非晶矽犧牲層以及數個參考導電插塞。光吸收參考層形成於所述基板上，其中所述光吸收參考層具有數個接觸窗開口。感測參考層形成於所述光吸收參考層中，且所述感測參考層具有延伸部延伸至所述接觸窗開口。所述ITO參考層形成於光吸收參考層與基板之間，其中ITO參考層具有第一部分與數個第二部分，所述第一部分位於感測參考層下方作為反射層，所述第二部分連接至所述感測參考層的延伸部。非晶矽犧牲層設置於所述ITO參考層與所述基板之間。參考導電插塞則形成於所述非晶矽犧牲層內，分別連接所述第二部分與基板中的內連線。

基於上述，通過使用ITO層作為反射層以及支臂的一部分，因此能藉由低導熱係數且導電率高的ITO層達到更好的絕熱效果。而且，ITO反射層與感測層之間的距離是通過光吸收層來控制，所以一般使用沉積的方式形成的光吸收層，會比聚醯亞胺(PI)這類聚合物更容易精確地控制其形成厚度，達到相長干涉的效果。另外，本發明可使用非晶矽犧牲層，所以能避免後續沉積機台有顆粒汙染的問題發生。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100:基板

102、300:光吸收層

102a、400a:接觸窗開口

104:感測層

104a、402a:延伸部

106:氧化銦錫(ITO)層

108:導電插塞

110、418:第一部分

112、420:第二部分

114:絕熱空間

116:釋出洞

302、410:第一氮化矽層

304、412:第一氧化矽層

306、414:第二氮化矽層

308、416:第二氧化矽層

400:光吸收參考層

402:感測參考層

404:ITO參考層

406:非晶矽犧牲層

408:參考導電插塞

d:距離

t1、t2、t3、t4、t5、t6:厚度

圖1是依照本發明的第一實施例的一種遠紅外線感測元件的俯視圖。

圖2是圖1的II-II’線段的剖面示意圖。

圖3是依照本發明的第二實施例的一種遠紅外線感測元件的剖面示意圖。

圖4是依照本發明的第三實施例的一種遠紅外線感測器的參考元件的剖面示意圖。

下文列舉實施例並配合所附圖式來進行詳細地說明，但所提供的實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍。此外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為了方便理解，下述說明中相同的元件將以相同的符號標示來說明。

此外，關於文中所使用「包含」、「包括」、「具有」等等用語，均為開放性的用語，也就是指「包括但不限於」。

應當理解，儘管術語「第一」、「第二」、「第三」等在本文中可以用於描述各種元件、部件、區域、層及/或部分，但是這些元件、部件、區域、及/或部分不應受這些術語的限制。這些術語僅用於將一個元件、部件、區域、層或部分與另一個元件、部件、區域、層或部分區分開。因此，下面討論的「第一元件」、「部件」、「區域」、「層」、或「部分」可以被稱為第二元件、部件、區域、層或部分而不脫離本文的教導。

另外，文中所提到的方向性用語，例如「上」、「下」等，僅是用以參考圖式的方向，並非用來限制本發明。

圖1是依照本發明的第一實施例的一種遠紅外線感測元件的俯視圖。圖2是圖1的II-II’線段的剖面示意圖。

請參照圖1與圖2，第一實施例的遠紅外線感測元件包括基板100、光吸收層102、感測層104、氧化銦錫(ITO)層106以及導電插塞108。基板100雖然顯示的是一個塊體，但應知為了輸出感測訊號(如電阻值)並加以分析，基板100內一般會設置電晶體(未繪示)與內連線(未繪示)等結構。光吸收層102則設置於所述基板100上，用以增進光的吸收。在一實施例中，光吸收層102包括氧化矽層、氮化矽層或者前述膜層的組合。光吸收層102還具有數個接觸窗開口102a，以與其他元件連結，如基板100內的電晶體。感測層104則設置於光吸收層102中，且所述感測層104具有延伸部104a延伸至所述接觸窗開口102a。在本發明的一實施例中，感測層104的厚度t1例如在500Å~1500Å之間，且感測層104的材料包括非晶矽(a-Si)或氧化釩(VO_x)。

請繼續參照圖1與圖2，氧化銦錫(ITO)層106設置於光吸收層102與基板100之間，其中ITO層106具有第一部分110與數個第二部分112。而且，圖1中雖然沒有標示出光吸收層102，但根據圖2應知光吸收層102是形成在ITO層106的第二部分112上方。

在一實施例中，ITO層106的厚度t2例如在700Å以上。所述第一部分110位於感測層104下方作為反射層，用以反射未被光吸收層102吸收的遠紅外線，因此ITO層106與感測層104之間的距離d較佳是符合下式(1)：d=λ/4n₁ 式(1)其中n₁為光吸收層102的折射率，λ為吸收光波長。

由於光吸收層102可利用沉積的方式形成，所以容易控制沉積厚度，有利於確保上述距離d符合式(1)，以達到相長干涉的效果。ITO層106的第二部分112與其上方的光吸收層102則作為支臂連接至感測層104的延伸部104a，導電插塞108分別連接所述支臂與基板100中的內連線(未繪示)，並於反射層(即第一部分110)與基板100之間形成絕熱空間114，其中導電插塞108例如是氮化鈦(TiN)阻障層加上鎢插塞所組成的結構。由於遠紅外線感測元件對於熱極為敏感，所以使用導熱係數(~14W/m/K)低的ITO層106作為支臂的一部分，絕熱效果較佳，且第二部分112與光吸收層102可藉由釋出洞(release hole)116定義，設計為蜿蜒的結構，以通過增長經由導電插塞108傳出的路徑，進一步防止熱的輸出。而且，第一部分110與第二部分112是同一層，所以能整合成同一道形成製程，故第一部分110與第二部分112位於同一水平面高度，並因此可省去先前遠紅外線感測器(如IR micro-bolometer)在製作反射層(如金屬層)所需的額外製程與光罩，因此可大幅降低製造成本。舉例來說，基板100上會先形成一層犧牲層(未繪示)，並在其中形成導電插塞108，然後可通過沉積在整個結構表面形成ITO層，接續蝕刻ITO層定義出(如圖1)感測層104的預定範圍內的第一部分110與部分第二部分112，並保留感測層104的預定範圍以外的ITO層。待完成光吸收層102與感測層104的形成之後，可利用蝕刻直接定義出釋出洞116的位置，同時完成作為支臂的第二部分112與光吸收層102。隨後經由釋出洞116可將上述犧牲層完成去除，形成絕熱空間114。在一實施例中，絕熱空間114內填充氮氣(N₂)或具有空氣；在另一實施例中，絕熱空間114內可為真空狀態。

圖3是依照本發明的第二實施例的一種遠紅外線感測元件的剖面示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來表示相同或近似的部分與構件，且相同或近似的部分與構件的相關內容也可參照第一實施例的內容，不再贅述。

請參照圖3，第二實施例的遠紅外線感測元件與第一實施例的差異在於，光吸收層300包括位於感測層104上的第一氮化矽層302以及位於所述第一氮化矽層302上的第一氧化矽層304，其中第一氮化矽層302的厚度t3例如在500Å~4000Å之間、第一氧化矽層304的厚度t4例如在1500Å以下。而且，光吸收層300還包括位於感測層104下的第二氮化矽層306以及位於所述第二氮化矽層306與所述反射層(即位於所述絕熱空間114上方的ITO層106的第一部分110)之間的第二氧化矽層308，且所述反射層與第二氧化矽層308直接接觸。第二氮化矽層306的厚度t5例如在500Å~4000Å之間，第二氧化矽層308的厚度t6較佳是符合下式(2)： t=λ/4n₂ 式(2)其中n₂為所述第二氧化矽層308的折射率，λ為吸收光波長。

由於光吸收層300中的第二氧化矽層308可利用沉積的方式形成，所以容易控制沉積厚度t6，使其符合式(2)以達到相長干涉的效果。

而且，經由實驗模擬在非晶矽的感測層上下只形成氮化矽層(302和306)的整體吸收率約81.7%，若是再加上下層的厚度400Å氧化矽層(308)，整體吸收率將增至83.1%，當上下層都加設厚度400Å的氧化矽層(304和308)的情況，整體吸收率將增至84%。因此，使用氧化矽層與氮化矽層所組成的光吸收層300，確實能優化遠紅外線吸收效率。

請參照圖4，第三實施例的參考元件一般位在遠紅外線感測元件的旁邊或附近，提供參考值來去除感測訊號中的雜訊；舉例來說，第三實施例的參考元件是設置在第二實施例的遠紅外線感測元件附近，且具有與圖3的元件相同的膜層與結構，但無釋出洞，所以未形成絕熱空間，因此參考元件還保留有犧牲層。詳細來說，所述參考元件包括形成於基板100上的光吸收參考層400、感測參考層402、氧化銦錫(ITO)參考層404、非晶矽犧牲層406以及數個參考導電插塞408，且光吸收參考層400包括第一氮化矽層410、第一氧化矽層412、第二氮化矽層414以及第二氧化矽層416。然而，本發明並不限於此。因為參考元件本身是用來提供參考值，所以只要參考元件中的所有膜層和構件(及其尺寸)都與遠紅外線感測元件一樣即可。換句話說，遠紅外線感測元件的光吸收層如果只有氮化矽層，則光吸收參考層400就是氮化矽層；依此類推。

請繼續參照圖4，光吸收參考層400具有數個接觸窗開口400a，感測參考層402則形成於光吸收參考層400中，並且感測參考層402的延伸部402a延伸至接觸窗開口400a。氧化銦錫(ITO)參考層404形成於光吸收參考層400與基板100之間，其中ITO參考層404具有第一部分418與數個第二部分420，所述第一部分418位於感測參考層402下方作為反射層，所述第二部分420與延伸部402a連接。非晶矽犧牲層406因為無釋出洞所以保留在ITO參考層404與基板100之間，參考導電插塞408則形成於非晶矽犧牲層406內，分別連接第二部分420與基板100中的內連線(未繪示)。

由於非晶矽本身與其周圍的膜層和構件都有高蝕刻選擇比，如下表1所示，因此可使用非晶矽作為犧牲層的材料。

與傳統使用聚醯亞胺(polyimide)這種類光阻材料作為犧牲層相比，本實施例採用非晶矽犧牲層406，不但能藉由PECVD形成膜厚均勻的犧牲層(如a-Si：H)，還可避免後續膜層(如ITO層、光吸收層、感測層等)的沉積過程因為上述類光阻材料發生的機台污染問題。而且，由於非晶矽犧牲層406可留在周邊(電路)區域，所以遠紅外線感測元件與周邊區域處於相同的高度，有利於後續沉積、封裝等製程。

綜上所述，本發明的遠紅外線感測元件使用ITO層作為反射層以及支臂的一部分，因此能藉由低導熱係數且導電率高的ITO層達到更好的絕熱效果，還能節省傳統用來製作反射層(如金屬層)所需的製程與光罩，因此可大幅降低製造成本。而且，ITO反射層與感測層之間的距離是通過光吸收層來控制，所以一般使用沉積方式形成的光吸收層，會比聚醯亞胺這類聚合物更容易精確地控制其形成厚度，達到相長干涉的效果。另外，本發明可使用非晶矽犧牲層，所以能避免後續沉積機台有顆粒汙染的問題發生，且不需移除周邊區域的非晶矽犧牲層，而具有更平整的表面，有利於後續沉積與封裝製程。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:基板

102a:接觸窗開口

104:感測層

104a:延伸部

106:氧化銦錫(ITO)層

108:導電插塞

110:第一部分

112:第二部分

116:釋出洞

Claims

一種遠紅外線感測元件，包括：基板；氧化銦錫(ITO)層，設置於所述基板之上，其中所述ITO層具有第一部分與數個第二部分，且所述第一部分與所述數個第二部分位於同一水平面高度；絕熱空間，形成於所述基板上方以及所述ITO層下方；光吸收層，設置於所述基板與所述ITO層上，且所述光吸收層包括：第二氧化矽層，位於所述ITO層上；第二氮化矽層，位於所述第二氧化矽層上；第一氮化矽層，位於所述第二氮化矽層上；以及第一氧化矽層，位於所述第一氮化矽層上，其中所述光吸收層具有數個接觸窗開口，每個所述接觸窗開口穿過所述第二氧化矽層與所述第二氮化矽層；感測層，設置於所述光吸收層中的所述第一氮化矽層與所述第二氮化矽層之間，且所述感測層具有延伸部延伸至所述數個接觸窗開口並透過所述數個接觸窗開口連接至所述ITO層的所述數個第二部分，其中所述ITO層的所述第一部分位於所述感測層下方以及位於所述絕熱空間上方作為反射層，所述反射層與所述光吸收層的所述第二氧化矽層直接接觸，所述數個第二部分與其上方的所述光吸收層作為數個支臂連接至所述感測層的所述延伸部；以及數個導電插塞，分別連接所述數個支臂與所述基板中的內連線，並與所述反射層與所述基板構成所述絕熱空間。
如請求項1所述的遠紅外線感測元件，其中所述ITO層的厚度在700Å以上。
如請求項1所述的遠紅外線感測元件，其中所述ITO層與所述感測層之間的距離d符合下式(1)：d=λ/4n₁ 式(1)其中n₁為所述光吸收層的折射率，λ為吸收光波長。
如請求項1所述的遠紅外線感測元件，其中所述第一氮化矽層的厚度在500Å~4000Å之間。
如請求項1所述的遠紅外線感測元件，其中所述第一氧化矽層的厚度在1500Å以下。
如請求項1所述的遠紅外線感測元件，其中所述第二氧化矽層的厚度t符合下式(2)：t=λ/4n₂ 式(2)其中n₂為所述第二氧化矽層的折射率，λ為吸收光波長。
如請求項1所述的遠紅外線感測元件，其中所述第二氮化矽層的厚度在500Å~4000Å之間。
如請求項1所述的遠紅外線感測元件，其中所述感測層的厚度在500Å~1500Å之間。
如請求項1所述的遠紅外線感測元件，其中所述感測層的材料包括非晶矽或氧化釩(VO_x)。
如請求項1所述的遠紅外線感測元件，其中所述絕熱空間內填充氮氣或具有空氣，或者所述絕熱空間內為真空狀態。
一種遠紅外線感測器，包括：如請求項1~10中任一項所述的遠紅外線感測元件；以及參考元件，具有與所述遠紅外線感測元件相同的膜層與結構，但未形成所述絕熱空間，而是在所述參考元件的所述ITO層與所述基板之間具有非晶矽犧牲層。