TW201432228A - 具有用於熱短路的柱狀結構吸收器的輻射熱測定器 - Google Patents
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Abstract
半導體裝置包括基板，其具有電極結構。吸收器結構乃懸架於電極結構上並且與第一電極結構間隔第一距離。吸收器結構包括：(i)懸架結構，其從基板向上延伸並且電連接到讀出導體，以及(ii)柱狀結構，其從吸收器結構向下延伸而朝向第一電極結構。柱狀結構具有與第一電極結構隔開第二距離的接觸部分，該第二距離係小於第一距離。吸收器結構乃建構成在測試條件下彎曲朝向基板。選擇第二距離以使得當吸收器結構回應於測試條件而彎曲時，柱狀結構的接觸部分定位成接觸第一電極結構。
Description
本揭示大致關於紅外線輻射感測器，尤其關於輻射熱測定器紅外線輻射感測器。
一般而言，紅外線輻射(infrared radiation，IR)感測器乃用於各式各樣的應用以偵測紅外線輻射，並且所提供的電輸出是入射紅外線輻射的度量。一種紅外線感測器是輻射熱測定器。輻射熱測定器包括用於吸收紅外線輻射的吸收器元件以及電阻隨著溫度而變化的轉換器元件。操作上，入射在輻射熱測定器上的紅外線輻射被吸收器元件所吸收，並且以熱的形式轉移到轉換器元件。這熱使轉換器元件的電阻以正比於入射在吸收器元件上之紅外線輻射量的方式來改變。因此，藉由偵測電阻的改變，就可以得到入射紅外線輻射的度量。
吸收器元件和基板之間的熱轉移可以導致熱漏失和熱增獲，其可以不利的衝擊著感測器的可靠度和正確度。為了使熱漏失和熱增獲減到最少，吸收器元件和轉換器元件典型乃併入懸架在基板表面之上的懸架結構裡。藉由將吸收器元件懸架在基板上，由於熱接觸基板所造成的熱轉移可能性便減到最少。
輻射熱測定感測器的可靠度和正確度也可以受到隨著時間的製程變化與材料性質之飄移和其他因素的衝擊。輻射熱測定感測器也面臨了焦耳加熱的問題。當電流通過轉換器元件以偵測熱感應的電阻改變時便造成了焦耳加熱。電流在轉換器元件中產生熱，其使轉換器元件的溫度增加超過了來自吸收器元件之熱轉移所導致的溫度。
製程變化、飄移、焦耳加熱和其他類似的因素可以將變化(例如飄移和偏移)引入感測器輸出。經常將補償值併入感測器輸出以補償感測器輸出由於飄移和偏移所造成的偏差。然而，補償值典型乃基於來自其他感測器的歷史效能和測試資料。
本揭示乃針對輻射熱測定器紅外線感測器的組態，其藉由可控制和可選擇的方式(譬如藉由施加致動電壓)來使部分的吸收器元件接觸基板，而能夠讓感測器的吸收器元件熱短路於基板。以此種感測器而言，藉由一旦感測器僅在紅外線輻射影響下來測量感測器的輸出，並且藉由一旦沒有紅外線輻射的影響(藉由使吸收器元件熱短路於基板來為之)來測量感測器的輸出，則可以輕易進行感測器輸出的關聯雙重取樣。藉由測量熱短路前後之測量訊號的差異，則可以決定和調整感測器的輸出特徵以補償可能的變化，例如偏移和飄移。結果，可以減少感測器輸出的偏移和飄移，如此則可以改善感測器的正確度和可靠度。
根據一具體態樣，半導體裝置包括基板，其具有電極結構。吸收器結構乃懸架於電極結構上並且與第一電極結構間隔第一距離。吸收器結構包括：(i)懸架結構，其從基板向上延伸並且電連接到讀出導體，以及
(ii)柱狀結構，其從吸收器結構向下延伸而朝向第一電極結構。柱狀結構具有接觸部分，其位置與第一電極結構隔開第二距離，第二距離係小於第一距離。吸收器結構乃建構成在測試條件下(譬如施加於電極結構的致動電壓)彎曲朝向基板。選擇第二距離以使得當吸收器結構回應於測試條件而彎曲時，柱狀結構的接觸部分定位成接觸第一電極結構。
於另一具體態樣，操作半導體裝置的方法包括測量形成在基板上的輻射熱測定器裝置之吸收器結構的第一電阻。吸收器結構乃懸架於提供在基板之上表面上的電極結構上並且與電極結構間隔第一距離。吸收器結構包括：(i)懸架結構，其從基板向上延伸並且電連接到在基板之上表面上的讀出導體，以及(ii)柱狀結構，其從吸收器結構向下延伸而朝向電極結構。柱狀結構具有接觸部分，其位置與第一電極結構隔開第二距離，該第二距離係小於第一距離。吸收器結構乃建構成回應於測試條件(譬如施加到電極結構的致動電壓)而彎曲朝向基板。選擇第二距離以使得當吸收器結構回應於測試條件而彎曲時，柱狀結構的接觸部分定位成接觸電極結構。
測量第一電阻時，柱狀結構的接觸部分係與電極結構隔開。在測量了第一電阻之後，然後施加測試條件到吸收器結構以使吸收器結構彎曲並且使柱狀結構的接觸部分接觸電極結構。然後在柱狀結構的接觸部分正接觸著電極結構的同時，測量吸收器結構的第二電阻。
於又一具體態樣，製作半導體裝置的方法包括將犧牲層堆疊沉積於提供在基板表面上之圖案化的導電層上。圖案化的導電層包括電極結構。犧牲層堆疊具有在電極結構上之第一距離的上表面。然後將犧牲層堆疊圖案化以包括錨固孔洞，其從該層堆疊的上表面向下延伸到圖案化的
導電層。犧牲層堆疊也加以圖案化以包括柱狀孔洞，其從該層堆疊的上表面朝向電極結構延伸而與電極結構間隔第二距離，該第二距離小於第一距離。然後將導電材料沉積到犧牲層堆疊上以形成吸收器結構。沉積導電材料，如此以襯墊著錨固孔洞的壁以形成懸架結構而以第一距離來支持吸收器結構，並且襯墊著柱狀孔洞的壁以形成具有位在第二距離之接觸部分的柱狀結構。吸收器結構乃建構成回應於測試條件(譬如施加到電極的致動電壓)而彎曲朝向基板，以使柱狀結構的接觸部分接觸電極結構。
10‧‧‧輻射熱測定感測器
12‧‧‧基板
16‧‧‧吸收器元件
18‧‧‧錨固結構
20‧‧‧柱狀結構
21‧‧‧基板接觸部分
22‧‧‧薄SiO2層
24‧‧‧反電極結構(致動電極)
26‧‧‧讀出導體
28‧‧‧第一光阻層
32‧‧‧第二光阻層
34‧‧‧第三光阻層
35‧‧‧錨固孔洞
36‧‧‧柱狀孔洞
38‧‧‧溝槽
40‧‧‧測試電路
A‧‧‧第一距離
B‧‧‧第二距離
PR1~PR3‧‧‧光阻層
圖1是輻射熱測定感測器的截面圖，其具有吸收器元件而柱狀結構接觸著基板。
圖2是圖1之輻射熱測定感測器的截面圖，其顯示測試電路和吸收器的柱狀結構接觸著基板。
圖3是圖1的輻射熱測定感測器在移除犧牲層之前的截面圖。
為了促進理解本揭示的原理，現在將參考示範於圖式和描述於以下所寫之說明書的具體態樣。了解的是並不藉此打算限制本揭示的範圍。進一步了解的是本揭示包括對示範之具體態樣的任何更動和修改，並且包括本揭示之原理的進一步應用，就如本揭示所相關之技藝中的一般技術者所正常會想到的。
圖1顯示依據本揭示之輻射熱測定感測器10的具體態樣。此種感測器可用於各式各樣的應用，包括溫度感測器、IR感測器、IR感測
器陣列、熱成像器、夜視攝影機、溫度遙測和類似者。感測器10包括基板12和吸收器元件16。於圖1的具體態樣，基板12包括氧化的矽晶圓。導電層(譬如鋁)乃形成在基板的表面上，或者於這例子，乃形成在基板12之表面上的薄SiO2層22上。導電層乃加以圖案化，譬如藉由蝕刻來為之，以形成反電極結構24和讀出導體26。讀出導體26乃用於將感測器連接到讀出電路(未顯示)。
吸收器元件16包括錨固結構18，其建構成在基板12的表面上以預定的距離A來支持吸收器元件16。吸收器元件也包括至少一柱狀結構20。柱狀結構20從吸收器元件16向下延伸並且包括基板接觸部分21，其安排成與基板間隔第二距離B。第二距離B乃建構成允許柱狀結構20在回應於感測器輸出之關聯雙重取樣的致動電壓而接觸基板12。
於一具體態樣，吸收器元件16之具有柱狀結構20的組態是由多重光阻層所界定，該等光阻層乃沉積在基板上，例如圖3所述。於圖3，三個光阻層28、32、34沉積在基板12上，譬如藉由旋塗來為之。第一光阻層28沉積在基板12上而在圖案化的導電層之上，其厚度對應於柱狀結構之接觸部分所要的高度，亦即第二距離B。然後直接透過微影術而將第一光阻層28結構化以形成錨固孔洞35的下部，其將界定出錨固結構18。在結構化之後和在沉積次一光阻層30之前，第一光阻層28可以在微影術上變得沒有活性，譬如藉由烘烤光阻來為之。
然後第二光阻層32沉積在第一光阻層28上，並且以微影術結構化以形成錨固孔洞35的中間部分而用於界定錨固結構18。第二光阻層32也結構化成界定出柱狀孔洞36的下部，其將界定出柱狀結構20。在結構
化之後和在沉積次一光阻層34之前，第二光阻層32在微影術上變得沒有活性，譬如藉由烘烤來為之。
在第二光阻層28已經結構化和烘烤之後，第三光阻層34沉積到第二光阻層32上並且結構化以形成錨固孔洞35和柱狀孔洞36的上部。第三光阻層也可加以結構化而產生額外的特徵，例如將用於界定出吸收器元件16中之折疊的溝槽38以增加機械穩定性。第三光阻層然後在微影術上變得沒有活性，譬如藉由烘烤來為之，以允許沉積吸收器元件16。
用於感測器10的吸收器元件16沉積到第三光阻層34上，使得它保形的遵從錨固孔洞35、柱狀孔洞36、機械穩定溝槽38的輪廓。吸收器元件16是由適合的導電材料所形成，例如鉑，或是適合之導電材料的組合，並且以任何適合的方式來沉積。於一具體態樣，吸收器結構16包括薄膜結構，其使用原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)過程來沉積。吸收器16沉積到錨固孔洞35的部分則形成錨固結構18，並且在錨固孔洞35的基底處電連接到讀出導體26。吸收器16沉積到柱狀孔洞36裡的部分則形成柱狀結構20。
於圖3的具體態樣，第一、第二、第三層28、32、34沉積的總厚度對應於吸收器元件16和基板12之間所要的間隔。這間隔可以調整到目標的紅外線波長範圍(例如8~14微米)，以在吸收器和形成在基板上的反射器之間形成法布利一柏若(Fabry-Pérot)腔穴來提升吸收。於一具體態樣，致動電極24可以同時作為用於吸收器16的反射器。第二光阻層32和第三光阻層34的厚度乃基於柱狀結構20和機械穩定特徵38所要的尺度來選擇。如上所言，第一光阻層28的厚度乃基於柱狀結構20的接觸部分21
和基板12的表面之間所要的間隔來選擇。在已經沉積了吸收器元件16之後，移除第一、第二、第三光阻層以釋放吸收器元件16和柱狀結構20，如圖1所示。
以上述使用光阻材料的替代方案來說，由例如Si、SiO2或聚合物之材料所形成的一或更多個犧牲層可以沉積到基板上，然後蝕刻以產生在不同深度的特徵而界定出吸收器元件中的錨固結構18，柱狀結構20和其他起伏特徵。如果使用了具有不同蝕刻速率的多重犧牲層，則特徵的深度可以藉由使用不同層的犧牲材料作為蝕刻停止來界定。於另一具體態樣，可以組合使用光阻材料和蝕刻材料以產生吸收器元件所要的組態。舉例而言，第一層材料(例如Si、SiO2或聚合物)可以沉積到基板上，而後續層包括光阻。
如圖2所示，輻射熱測定感測器之吸收器元件16的柱狀結構20乃建構成接觸基板12之表面上的電極24而能夠做到感測器之輸出的關聯雙重取樣。舉例而言，感測器輸出的第一樣本是藉由以下方式取得：使電流通過吸收器元件，並且在吸收器元件的柱狀結構20與基板隔開時測量電阻，如圖1所示，如此則吸收器元件16是在紅外線輻射的影響下。然後致動吸收器元件16以使柱狀結構20的接觸部分21接觸基板12，如圖2所示，如此則感測器輸出的第二樣本可以在吸收器元件熱短路於基板(未顯示)時取得。
一種其他可能的操作方案則是在吸收器熱短路於基板之後立即讀出感測器。如果熱短路和讀出之間的時間顯著小於熱時間常數，則紅外線輻射將不會導致吸收器的溫度增加。以此方式，具有相同熱性質(尤
其是相同的焦耳加熱影響)的二個測量可以在有和沒有熱輻射的影響下進行。以吸收器元件16熱短路於基板來說，致動讀出電路以使電流通過吸收器元件，如此則可以測量電阻。
吸收器元件藉由施加測試條件到裝置而熱短路於基板。於一具體態樣，測試條件包括在吸收器和基板之間的致動電壓，其乃建構成感應出靜電荷而使吸收器元件被吸引並且接觸基板。舉例而言，如圖2所示，測試電路40可以電連接到反電極24並且建構成選擇性的施加致動電壓到反電極24。替代而言，吸收器元件可以藉由用於吸收器之懸架結構的膨脹係數不匹配而熱短路於基板，使得吸收器元件回應於致動電壓而彎曲，則使柱狀結構接觸到基板。可以使用任何其他適合的致動方法而能夠使吸收器元件熱短路於基板。
藉由取得短路前後之間的測量訊號差異，感測器的偏移和飄移便減少。舉例而言，因為吸收器元件熱短路於基板或者恰在測量之前是熱短路的，所以吸收器元件不受紅外線輻射的影響。第一樣本測量和第二樣本測量之間的差異因此對應於感測器因為吸收紅外線輻射的回應。然後可以將補償值併入測量值的計算以補償該差異，如此則可以減少偏移。附帶而言，可以周期性的排定感測器輸出的雙重取樣以偵測飄移，如此也可以減少飄移。
雖然本揭示已經詳細示範和描述於圖式和前面的敘述，不過它特性上應該視為示範性的而非限制性的。了解的是僅已呈現較佳的具體態樣，並且落於本揭示之精神裡的所有改變、修改和進一步的應用乃想要受到保護。
10‧‧‧輻射熱測定感測器
12‧‧‧基板
16‧‧‧吸收器元件
18‧‧‧錨固結構
20‧‧‧柱狀結構
21‧‧‧基板接觸部分
22‧‧‧薄SiO2層
24‧‧‧反電極結構(致動電極)
26‧‧‧讀出導體
28‧‧‧第一光阻層
32‧‧‧第二光阻層
34‧‧‧第三光阻層
35‧‧‧錨固孔洞
36‧‧‧柱狀孔洞
38‧‧‧溝槽
A‧‧‧第一距離
B‧‧‧第二距離
PR1~PR3‧‧‧光阻層
Claims (18)
- 一種半導體裝置，其包括：基板，其具有界定出感測區域的上表面；圖案化的導電層，其提供在該上表面上，該圖案化的導電層包括位在該感測區域中的第一電極結構和位在該感測區域周圍的讀出導體；吸收器結構，其懸架於該感測區域上並且與該第一電極結構間隔第一距離，該吸收器結構包括：(i)懸架結構，其從該基板向上延伸並且電連接到該等讀出導體，以及(ii)柱狀結構，其從該吸收器結構向下延伸而朝向該第一電極結構，該柱狀結構具有接觸部分，其位置與該第一電極結構隔開第二距離，該第二距離係小於該第一距離，其中該吸收器結構乃建構成在測試條件下彎曲朝向該基板，以及其中選擇該第二距離以使得當該吸收器結構回應於該測試條件而彎曲時，該柱狀結構的該接觸部分定位成接觸該第一電極結構。
- 如申請專利範圍第1項的裝置，其中該測試條件包括致動電壓，其係施加到該第一電極結構，以及其中選擇該第二距離以使得該柱狀結構的該接觸部分由於該致動電壓所感應的靜電荷而被吸引到該吸收器結構。
- 如申請專利範圍第1項的裝置，其中該吸收器結構形成輻射熱測定器紅外線感測器。
- 如申請專利範圍第3項的裝置，其中該第一電極結構乃建構成作為用於該吸收器結構的反射器。
- 如申請專利範圍第1項的裝置，其中該柱狀結構係實質居中於該吸 收器結構中。
- 如申請專利範圍第1項的裝置，其進一步包括：犧牲層堆疊，其沉積在該圖案化的導電層上，該犧牲層堆疊具有上表面，其位在該第一距離並且圖案化以界定出錨固孔洞而向下延伸到該基板之該上表面上的該等讀出導體，並且界定出柱狀孔洞而從該上表面向下延伸達該第二距離，以及其中該吸收器結構是由導電材料所形成，其沉積在該犧牲層堆疊上以形成該吸收器結構，該導電材料櫬墊著該等錨固孔洞和該柱狀孔洞的壁以分別形成該等懸架結構和該柱狀結構。
- 如申請專利範圍第6項的裝置，其中該導電材料使用原子層沉積(ALD)來沉積。
- 如申請專利範圍第7項的裝置，其中該導電材料包括鉑。
- 如申請專利範圍第6項的裝置，其中該犧牲層堆疊包括第一犧牲層，其沉積在該圖案化的導電層的頂部上，該第一犧牲層具有位在該第二距離的上表面，以及其中該犧牲層堆疊包括至少一額外犧牲層，其沉積在該第一犧牲層的頂部上，該至少一額外犧牲層具有位在該第一距離的上表面，該第一犧牲層具有不同於該至少一額外犧牲層的蝕刻特徵。
- 如申請專利範圍第9項的裝置，其中該至少一額外犧牲層包括沉積到該第一犧牲層上的第二犧牲層和沉積到該第二犧牲層上的第三犧牲層，該第二和該第三犧牲層具有不同的蝕刻特徵，該第三犧牲層具有位在該第一距離的上表面，該第二犧牲層具有位在該基板之上而在第三距離的上表 面，該第三距離係小於該第一距離並且大於該第二距離，其中該第三犧牲層被圖案化以形成溝槽，其從該第三犧牲的該上表面向下延伸到該第二犧牲層的該上表面，以及其中該第一導電材料係沉積到該等溝槽的壁上以於該吸收器結構中形成機械穩定特徵。
- 一種操作半導體裝置的方法，該方法包括：測量形成在基板上的輻射熱測定器裝置之吸收器結構的第一電阻，該吸收器結構係懸架於提供在該基板之上表面上的電極結構上並且與該電極結構間隔第一距離，該吸收器結構包括：(i)懸架結構，其從該基板向上延伸並且電連接到該基板之該上表面上的讀出導體，以及(ii)柱狀結構，其從該吸收器結構向下延伸而朝向該電極結構，該柱狀結構具有接觸部分，其位置與該第一電極結構間隔第二距離，該第二距離係小於該第一距離，該吸收器結構乃建構成回應於測試條件而彎曲朝向該基板，並且選擇該第二距離以使得當該吸收器結構回應於該測試條件而彎曲時，該柱狀結構的該接觸部分定位成接觸該電極結構，並且在測量該第一電阻時，該柱狀結構的該接觸部分係與該電極結構隔開；在測量了該第一電阻之後，施加該測試條件到該吸收器結構以彎曲該吸收器結構並且使該柱狀結構的該接觸部分接觸該電極結構；以及在該柱狀結構的該接觸部分正接觸著該電極結構的同時，測量該吸收器結構的第二電阻。11.如申請專利範圍第10項的方法，其中該測試條件包括致動電壓，其係施加到該電極結構，以及 其中選擇該第二距離，使得該柱狀結構的該接觸部分由於該致動電壓所感應的靜電荷而被吸引到該吸收器結構。
- 一種製作半導體裝置的方法，該方法包括：將犧牲層堆疊沉積於提供在基板的表面上之圖案化的導電層上，該圖案化的導電層包括電極結構，該犧牲層堆疊具有在該電極結構上之第一距離的上表面；將該犧牲層堆疊圖案化以包括錨固孔洞，其從該層堆疊之該上表面向下延伸到該圖案化的導電層；將該犧牲層堆疊圖案化以包括柱狀孔洞，其從該層堆疊的該上表面朝向該電極結構延伸而與該電極結構間隔第二距離，該第二距離係小於該第一距離；將導電材料沉積到該犧牲層堆疊上以形成吸收器結構，該導電材料襯墊著該等錨固孔洞的壁以形成懸架結構而以該第一距離來支持該吸收器結構，並且襯墊著該柱狀孔洞的壁以形成柱狀結構，該柱狀結構具有位在該第二距離的接觸部分；以及將該吸收器結構建構成回應於測試條件而彎曲朝向該基板，以使該柱狀結構的該接觸部分接觸該電極結構。
- 如申請專利範圍第12項的方法，其進一步包括：移除該犧牲層堆疊以釋放該吸收器結構。
- 如申請專利範圍第12項的方法，其中該導電材料使用原子層沉積(ALD)過程來沉積。
- 如申請專利範圍第14項的方法，其中該導電材料包括鉑。
- 如申請專利範圍第11項的方法，其中該犧牲層堆疊包括至少一光阻材料。
- 如申請專利範圍第11項的方法，其中該犧牲層堆疊包括沉積在該圖案化的導電層之頂部上的第一犧牲層，該第一犧牲層具有位在該第二距離的上表面，其中該犧牲層堆疊包括沉積在該第一犧牲層之頂部上的至少一額外犧牲層，該至少一額外犧牲層具有位在該第一距離的上表面，該第一犧牲層具有不同於該至少一額外犧牲層的蝕刻特徵，以及其中該柱狀孔洞是藉由蝕刻出溝槽穿過該至少一額外犧牲層並且使用該第一犧牲層作為蝕刻停止而形成。
- 如申請專利範圍第17項的方法，其中該至少一額外犧牲層包括沉積到該第一犧牲層上的第二犧牲層和沉積到該第二犧牲層上的第三犧牲層，該第二和該第三犧牲層具有不同的蝕刻特徵，該第三犧牲層具有位在該第一距離的上表面，該第二犧牲層具有位在該電極結構上之第三距離的上表面，該第三距離係小於該第一距離並且大於該第二距離，其中該第三犧牲層藉由向下蝕刻到該第二犧牲層的該上表面並且使用該第二犧牲層作為蝕刻停止而圖案化以形成溝槽，以及其中該第一導電材料乃沉積到該等溝槽的壁上以於該吸收器結構中形成機械穩定特徵。
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