TWI795245B - 紅外線偵測結構 - Google Patents

Abstract

紅外線偵測結構包括基材、主動像素陣列、參考像素陣列、光吸收層、側壁間隔結構以及遮光層。主動像素陣列位於基材上。參考像素陣列位於基材上，並相鄰於主動像素陣列，且具有參考像素。參考像素包含基板、電阻元件以及紅外線感應材料層。電阻元件位於基板上。紅外線感應材料層位於電阻元件上方。介電質層位於參考像素上方。側壁間隔結構位於參考像素上方，且延伸於光吸收層的側壁。遮光層共形地形成於光吸收層以及側壁間隔結構上方。

Description

紅外線偵測結構

本揭露係關於一種紅外線偵測結構。

非製冷型紅外線焦平面陣列測溫器包含紅外線光學主動像素以及紅外線光學盲參考像素。非製冷型紅外線焦平面陣列可在環境溫度下運行，且可不包含主動溫度穩定的功能。非製冷型紅外線焦平面陣列上的紅外線光學盲參考像素不吸收入射的紅外線輻射。紅外線光學盲參考像素是用於確定紅外線焦平面陣列的環境溫度，以在紅外線焦平面陣列的工作溫度範圍內校準紅外線光學主動像素。因此，非製冷型紅外線焦平面陣列上的紅外線光學盲參考像素可校正因為環境溫度漂移效應所產生的圖像。

於一些實施方式中，紅外線偵測結構包括基材、主動像素陣列、參考像素陣列、光吸收層、側壁間隔結構以及遮光層。主動像素陣列位於基材上。參考像素陣列位於基材上，並相鄰於主動像素陣列，且具有參考像素。參考像素包含基板、電阻元件以及紅外線感應材料層。電阻元件位於基板上。紅外線感應材料層位於電阻元件上方。介電質層位於參考像素上方。側壁間隔結構位於參考像素上方，且延伸於光吸收層的側壁。遮光層共形地形成於光吸收層以及側壁間隔結構上方。

請參照第1圖。第1圖繪示依據本揭露的一些實施方式之紅外線偵測結構100的上視圖。於一些實施方式中，紅外線偵測結構100可稱之為非製冷型紅外線焦平面陣列測溫器，且可用於熱輻射測溫計晶片結構上。紅外線偵測結構100包括基材101、主動像素陣列102以及參考像素陣列103。於一些實施方式中，主動像素陣列102也可稱之為紅外線光學主動像素陣列，而參考像素陣列103也可稱之為紅外線光學參考像素陣列或紅外線光學補償像素陣列。主動像素陣列102位於基材101上，且耦合至位於基材101上的讀出集成電路。參考像素陣列103位於基材101上，且相鄰於主動像素陣列102。

主動像素陣列102的多個主動像素中的元件的材料及位置關係與第2圖、第3圖、第4A圖相關聯的描述中的參考像素陣列103的材料及位置關係基本相同，且因此為了清楚起見，可參考相關段落而不再描述。由於參考像素陣列103耦合至位於基材101上的讀出集成電路，以作為電性參考基準點，因此參考像素陣列103包含相較於主動像素陣列102額外的元件來使其具有不吸光或不聚熱的特性。舉例而言，參考像素陣列103與主動像素陣列102之間的差異至少在於，參考像素陣列103覆蓋了一層額外的金屬層，使得光線無法進入參考像素陣列103，進而參考像素陣列103可作為電性參考基準點。

請參照第2圖至第4B圖。第2圖繪示依據本揭露的一些實施方式之紅外線偵測結構100中參考像素陣列103的局部放大上視圖。第3圖繪示依據本揭露的一些實施方式之參考像素陣列103中參考像素131的立體圖，其中為了能更理解本揭露，第3圖中的參考像素131省略繪示了如第4A圖所示之紅外線感應材料層134、光吸收層135、側壁間隔結構136以及遮光層137。第4A圖、第4B圖分別繪示沿著第2圖中線段A1-A1’、線段B1-B1’的剖視圖。

如第2圖所示，參考像素陣列103具有多個參考像素131。如第3圖以及第4A圖所示，參考像素131包含基板132、電阻元件133以及紅外線感應材料層134(見第4A圖)。於第3圖中，基板132位於基材101上方，且可為微機電系統浮橋結構。基板132透過相對長且細的支撐臂151以及支撐臂153附接到基材101，用以增加基材101與電阻元件133之間的熱絕緣。因此，若參考像素131上無覆蓋光吸收層135、側壁間隔結構136以及遮光層137(見第4A圖)，則照射在電阻元件133上的紅外線輻射可加熱電阻元件133，而不會加熱位於電阻元件133下方的基材101。於一些實施方式中，支撐臂151以及支撐臂153的細長熱路徑可阻礙基板132和基材101之間的熱傳遞。支撐柱155以及支撐柱157自支撐臂151以及支撐臂153電耦合到基材101上相應的觸點。

於一些實施方式中，基板132係透過矽微加工技術而形成，進而基板132的厚度可較薄以使得其熱質量可較低。因此，基板132可相當快地改變溫度以產生即時熱成像可接受的響應時間。基板132配合位於其上的紅外線感應材料層134可使得主動像素陣列102中的主動像素可具有吸光聚熱的特性。於一些實施方式中，支撐臂151以及支撐臂153的材質可包含氮化矽或其他適合的材料。於一些實施方式中，支撐柱155以及支撐柱157的材質可包含鎢、鋁、銅、鈦或其他適合的材料。

於第4A圖中，電阻元件133位於基板132上。電阻元件133透過如第3圖所示之支撐臂151、支撐臂153、支撐柱155以及支撐柱157耦合至位於基材101上的讀出集成電路。讀出集成電路用於對來自每個參考像素131的信號進行處理。電阻元件133可視為紅外線感應的像素，且前述像素(亦可稱之為參考像素)與主動電路(亦可稱之為主動像素)透過基材101上的讀出集成電路而電性連接。

於第4A圖中，紅外線感應材料層134位於電阻元件133上方。電阻元件133耦合至紅外線感應材料層134。隨著紅外線感應材料層134的溫度變化，紅外線感應材料層134的電阻也會隨之發生變化。基材101(見第3圖)中的讀出集成電路可以通過參考像素131的相應電阻變化來確定參考像素131已接收到的熱能量。

如第4A圖所示，紅外線偵測結構100還包含光吸收層135、側壁間隔結構136以及遮光層137。於第4A圖中，光吸收層135位於紅外線感應材料層134上方，且覆蓋紅外線感應材料層134，用以吸收照射至參考像素131的光線。光吸收層135延伸超過參考像素131的基板132的相對兩邊緣132e(見第2圖)。光吸收層135具有水平部位135h以及突起部位135t。於一些實施方式中，突起部位135t的寬度W可實質上相等或接近於突起部位135t的厚度T1，因而可使得之後形成於光吸收層135上的遮光層137具有多個角度的彎曲。於一些實施方式中，突起部位135t的寬度W可大於突起部位135t的厚度T1。於一些實施方式中，突起部位135t的寬度W可小於或等於突起部位135t的厚度T1的兩倍。於一些實施方式中，突起部位135t的厚度T1可大於水平部位135h的厚度T2。於一些實施方式中，光吸收層135的水平部位135h的厚度T2可小於紅外線感應材料層134的厚度T3。於一些實施方式中，光吸收層135的突起部位135t也可稱之為長條狀突起吸光結構。突起部位135t的長邊135e(見第2圖)延伸超過參考像素131的基板132的相對兩邊緣132e。於一些實施方式中，光吸收層135可為多層結構。

於第4A圖中，側壁間隔結構136位於紅外線感應材料層134上方，且延伸於光吸收層135的側壁。側壁間隔結構136可避免參考像素131的側面產生漏光現象，因而可避免紅外線偵測結構100的訊號飄移，進而提升紅外線偵測結構100的靈敏度。側壁間隔結構136也可用以輔助遮光層137形成於光吸收層135上以具有倒U型剖面。於一些實施方式中，側壁間隔結構136延伸超過參考像素131的基板132的相對兩邊緣132e(見第2圖)。於一些實施方式中，側壁間隔結構136的材質可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、SiC、SiCN、SiC _xO _yN _z、其他合適的材料或前述材料的任意組合。舉例而言，側壁間隔結構136的材質可包含氧化矽。於一些實施方式中，側壁間隔結構136的材質不同於光吸收層135的材質。舉例而言，側壁間隔結構136的材質可包含氧化矽，而光吸收層135的材質包含氮化矽。

於第4A圖中，遮光層137共形地形成於光吸收層135的突起部位135t的頂表面以及側壁間隔結構136上，並延伸至光吸收層135的水平部位135h，用以反射照射至參考像素131的光線。遮光層137可避免參考像素131的側面產生漏光現象，因而可避免紅外線偵測結構100的訊號飄移，進而提升紅外線偵測結構100的靈敏度。由於遮光層137可具有倒U型剖面，因此有利於反射不同入射角度的光線，進而可降低光線進入參考像素131的機會而提高參考像素陣列103於操作上的準確度。於一些實施方式中，遮光層137隨著光吸收層135的延伸方向而延伸超過參考像素131的基板132的相對兩邊緣132e(見第2圖)。於一些實施方式中，遮光層137的厚度T4可小於或大於光吸收層135的厚度。舉例而言，遮光層137的厚度T4可小於光吸收層135的突起部位135t的厚度T1，及/或大於光吸收層135的水平部位135h的厚度T2。於一些實施方式中，遮光層137的材質包含導電材料。舉例而言，遮光層137的材質可包含鎢、鋁、銅、鈦或其他適合的材料。

請參照第2圖以及第4B圖。如第2圖所示，參考像素陣列103更包含參考像素141。參考像素141相鄰於參考像素131。如第4B圖所示，參考像素141包含基板142、電阻元件143以及紅外線感應材料層144。參考像素141中的多個元件的材料及位置關係與第3圖以及第4A圖相關聯的前述描述中的參考像素131中的多個元件的材料及位置關係基本相同，且因此為了清楚起見，此處不再重複。舉例而言，有關於基板142、電阻元件143以及紅外線感應材料層144的材料及製程可與如第3圖以及第4A圖中所示的基板132、電阻元件133以及紅外線感應材料層134基本相同。因此，相關詳細說明可參考前述段落，且此處不再描述。

於第2圖中，位於參考像素131上方的光吸收層135延伸至參考像素141，且覆蓋參考像素141，用以吸收照射至參考像素141的光線。於一些實施方式中，光吸收層135延伸跨過參考像素141的基板142的相對兩邊緣142e。位於參考像素131上方的側壁間隔結構136延伸於光吸收層135的側壁，進而位於參考像素141上方，並跨過參考像素141的基板142的相對兩邊緣142e。位於參考像素131上方的遮光層137(見第4B圖)共形地延伸於光吸收層135的頂表面以及側壁間隔結構136上，進而位於參考像素141上方，並跨過參考像素141的基板142的相對兩邊緣142e。因此，光吸收層135可同時提供參考像素131以及參考像素141吸收光線的效果，而側壁間隔結構136以及遮光層137可同時提供參考像素131以及參考像素141遮蔽光線的效果。

請參照第5圖。第5圖係依據本揭露的一些實施方式之紅外線偵測結構100的形成方法M的流程圖。第6圖至第13圖繪示依據本揭露的一些實施方式之紅外線偵測結構100於各個階段的形成方法M。方法M開始於步驟S101，沉積紅外線感應材料層於包含有電阻元件的基板上方。請參照第6圖，在步驟S101的一些實方式中，將紅外線感應材料層134沉積於包含有電阻元件133的基板132上方。請返回參照第5圖，方法M接著進行步驟S102，沉積光吸收層於紅外線感應材料層上方。請參照第6圖，在一些實施方式中，將光吸收層135沉積於紅外線感應材料層134上方。

請返回參照第5圖，方法M接著進行步驟S103，藉由第一遮罩層來圖案化光吸收層以於光吸收層上形成覆蓋電阻元件的條狀突起吸光結構。請參照第7圖，在一些實施方式中，圖案化第6圖中的光吸收層135以於紅外線感應材料層134上形成覆蓋電阻元件的水平部位135h以及突起部位135t。於一些實施方式中，經圖案化的遮罩層171形成於光吸收層135上。然後，使用經圖案化的遮罩層171作為蝕刻遮罩來執行一個或多個蝕刻製程。於一些實施方式中，蝕刻製程蝕刻光吸收層135中被遮罩層171所暴露的部位直至到前述部位的厚度T2到達所欲的厚度，以在紅外線感應材料層134上形成水平部位135h以及突起部位135t。於一些實施方式中，蝕刻製程執行至位於光吸收層135下方的紅外線感應材料層134被暴露出，以至於光吸收層135中被經圖案化的遮罩層171所暴露的部位均被移除。

請返回參照第5圖，方法M接著進行步驟S104，移除經圖案化的第一遮罩層。請參照第8圖，在一些實施方式中，移除第7圖中的遮罩層171。於一些實施方式中，若遮罩層171包含光阻材料，則可通過灰化(ashing)製程化來移除遮罩層171。

請返回參照第5圖，方法M接著進行步驟S105，共形地沉積間隔材料於光吸收層上方。請參照第9圖，在一些實施方式中，將間隔材料176共形地沉積於光吸收層135上方。

請返回參照第5圖，方法M接著進行步驟S106，蝕刻間隔材料以在條狀突起的吸光結構的側壁形成側壁間隔結構。請參照第10圖，在一些實施方式中，於間隔材料176(見第9圖)上進行蝕刻製程P1以於突起部位135t的側壁135s形成側壁間隔結構136。於一些實施方式中，蝕刻製程P1為非等向性蝕刻製程以移除間如第9圖所示之隔材料176的水平部位。蝕刻製程P1以較蝕刻光吸收層135更快的蝕刻速率來蝕刻間隔材料176。於一些實施方式中，可使用例如磷酸（H ₃PO ₄）來蝕刻間隔材料176。

請返回參照第5圖，方法M接著進行步驟S107，共形地沉積遮光材料於光吸收層上方。請參照第11圖，在一些實施方式中，將遮光材料177共形地沉積於光吸收層135以及側壁間隔結構136上方。

請返回參照第5圖，方法M接著進行步驟S108，藉由第二遮罩層來圖案化遮光材料以於光吸收層以及側壁間隔結構上形成遮光層。請參照第12圖，在一些實施方式中，圖案化遮光材料177(見第11圖)以於光吸收層135以及側壁間隔結構136上形成遮光層137。於一些實施方式中，經圖案化的遮罩層173形成在遮光材料177上。然後，使用經圖案化的遮罩層173作為蝕刻遮罩來執行一個或多個蝕刻製程以於光吸收層135以及側壁間隔結構136上形成遮光層137。

請返回參照第5圖，方法M接著進行步驟S109，移除經圖案化的第二遮罩層。請參照第13圖，在一些實施方式中，移除第12圖中的遮罩層173。於一些實施方式中，若遮罩層173包含光阻材料，則可通過灰化(ashing)製程化來移除遮罩層173。

請參照第14圖至第15C圖。第14圖繪示依據本揭露的一些實施方式之紅外線偵測結構200中參考像素陣列203的局部放大上視圖。第15A圖、第15B圖、第15C圖分別繪示沿著第14圖中線段A2-A2’、線段B2-B2’以及線段C2-C2’的剖視圖。用於形成本實施方式的紅外線偵測結構200的材料及製程與第2圖至第13圖相關聯的前述描述中的用於形成紅外線偵測結構100的材料及製程基本相同，且因此為了清楚起見，此處不再重複。舉例而言，有關於參考像素231(見第14圖)、基板232、電阻元件233、紅外線感應材料層234、光吸收層235、側壁間隔結構236、遮光層237(見第15A圖以及第15B圖)、參考像素241(見第14圖)、基板242、電阻元件243以及紅外線感應材料層244(見第15C圖)的材料及製程可與如第2圖至第13圖中所示的參考像素131、基板132、電阻元件133、紅外線感應材料層134、光吸收層135、側壁間隔結構136、遮光層137、參考像素141、基板142、電阻元件143以及紅外線感應材料層144基本相同。因此，相關詳細說明可參考前述段落，且此處不再描述。

本實施方式與第2圖至第13圖中之實施方式之間的差異在於，位於參考像素231上方的光吸收層235(見第14圖)不延伸至相鄰之參考像素241。換句話說，光吸收層235不覆蓋相鄰之參考像素241。如第14圖的上視圖所示，光吸收層235為塊狀結構。側壁間隔結構236環繞光吸收層235，且不覆蓋相鄰之參考像素241。如第15A圖以及第15B圖的剖視圖所示，光吸收層235的突起部位235t於不同的剖面上具有實質上相同的寬度。詳細而言，如第15C圖所示，紅外線偵測結構200還包含光吸收層245、側壁間隔結構246、遮光層247。光吸收層245位於紅外線感應材料層244上方。側壁間隔結構246位於紅外線感應材料層244上方，且延伸於光吸收層245的側壁。遮光層247共形地形成於光吸收層245的頂表面以及側壁間隔結構246上。光吸收層245、側壁間隔結構246、遮光層247均不覆蓋相鄰之參考像素231(見第14圖)。

前述多個實施方式的特徵使此技術領域中具有通常知識者可更佳的理解本案之各方面，在此技術領域中具有通常知識者應瞭解，為了達到相同之目的及/或本案所提及之實施方式相同之優點，其可輕易利用本案為基礎，進一步設計或修飾其他製程及結構，在此技術領域中具有通常知識者亦應瞭解，該等相同之結構並未背離本案之精神及範圍，而在不背離本案之精神及範圍下，其可在此進行各種改變、取代及修正。

100、200:紅外線偵測結構

101:基材

102:主動像素陣列

103、203:參考像素陣列

131、231:參考像素

132、232:基板

132e、142e:邊緣

133、143、233、243:電阻元件

134、234:紅外線感應材料層 135、235:光吸收層 135e:長邊 135h:水平部位 135s:側壁 135t、235t:突起部位 136、236:側壁間隔結構 137、237:遮光層 141、241:參考像素 142、242:基板 143、243:電阻元件 144、244:紅外線感應材料層 145、245:光吸收層 146、246:側壁間隔結構 147、247:遮光層 151、153:支撐臂 155、157:支撐柱 171、173:遮罩層 176:間隔材料 177:遮光材料 M:方法 S101、S102、S103、S104、S105、S106、S107、S108、S109:步驟 T1、T2、T3、T4:厚度 W:寬度

為讓本揭露之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖繪示依據本揭露的一些實施方式之紅外線偵測結構的上視圖。 第2圖繪示依據本揭露的一些實施方式之紅外線偵測結構中參考像素陣列的局部放大上視圖。 第3圖繪示依據本揭露的一些實施方式之參考像素陣列中參考像素的立體圖。 第4A圖、第4B圖分別繪示沿著第2圖中線段A1-A1’、線段B1-B1’的剖視圖。 第5圖係依據本揭露的一些實施方式之紅外線偵測結構的形成方法的流程圖。 第6圖至第13圖繪示依據本揭露的一些實施方式之紅外線偵測結構於各個階段的形成方法。 第14圖繪示依據本揭露的一些實施方式之紅外線偵測結構中參考像素陣列的局部放大上視圖。 第15A圖、第15B圖、第15C圖分別繪示沿著第14圖中線段A2-A2’、線段B2-B2’、線段C2-C2’的剖視圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

131:參考像素

132:基板

133:電阻元件

134:紅外線感應材料層

135:光吸收層

135h:水平部位

135t:突起部位

136:側壁間隔結構

137:遮光層

T1、T2、T3、T4:厚度

W:寬度

Claims (10)

1. 一種紅外線偵測結構，包含：一基材；一主動像素陣列，位於該基材上；一參考像素陣列，位於該基材上，並相鄰於該主動像素陣列，且具有一第一參考像素，該第一參考像素包含：一第一基板；一第一電阻元件，位於該第一基板上；以及一第一紅外線感應材料層，位於該第一電阻元件上方；一第一光吸收層，位於該第一參考像素上方；一第一側壁間隔結構，位於該第一參考像素上方，且延伸於該第一光吸收層的一側壁；以及一第一遮光層，共形地形成於該第一光吸收層以及該第一側壁間隔結構上方。
2. 如請求項1所述之紅外線偵測結構，其中該第一光吸收層延伸超過該第一基板的相對兩邊緣。
3. 如請求項2所述之紅外線偵測結構，其中該參考像素陣列更包含一第二參考像素，該第二參考像素相鄰於該第一參考像素，該第一光吸收層延伸至該第二參考像素，並覆蓋該第二參考像素。
4. 如請求項1所述之紅外線偵測結構，其中該參考像素陣列更包含一第二參考像素，該第二參考像素相鄰於該第一參考像素，該第一光吸收層不覆蓋該第二參考像素。
5. 如請求項4所述之紅外線偵測結構，其中該第二參考像素包含：一第二基板；一第二電阻元件，位於該第二基板上；以及一第二紅外線感應材料層，位於該第二電阻元件上方，且其中該紅外線偵測結構更包含：一第二光吸收層，位於該第二參考像素上方；一第二側壁間隔結構，位於該第二參考像素上方，且延伸於該第二光吸收層的一側壁；以及一第二遮光層，共形地形成於該第二光吸收層以及該第二側壁間隔結構上方。
6. 如請求項1所述之紅外線偵測結構，其中該第一側壁間隔結構的材質不同於該第一光吸收層的材質。
7. 如請求項1所述之紅外線偵測結構，其中該第一側壁間隔結構的材質包含氧化矽，而該第一光吸收層的材質包含氮化矽。
8. 如請求項1所述之紅外線偵測結構，其中該第一遮光層具有一倒U型剖面。
9. 如請求項1所述之紅外線偵測結構，其中該第一遮光層的材質包含一導電材料。
10. 如請求項1所述之紅外線偵測結構，其中該第一光吸收層位於該第一紅外線感應材料層上方。

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