Cmos辐射热测量计的制作方法
【专利说明】CMOS辐射热测量计
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年8月22日提交的发明名称为“CMOS辐射热测量计”的美国临时申请61/691，837的优先权，其公开在此通过引用的方式全部并入本文。
技术领域
[0003]本发明总体涉及一种红外辐射传感器，并且尤其涉及一种辐射热测量计红外辐射传感器。
【背景技术】
[0004]通常，红外辐射(IR)传感器用在各种应用中以检测红外辐射并且提供电输出，所述电输出是入射红外辐射的测量。IR传感器通常使用光子探测器或热探测器来检测红外辐射。光子探测器通过利用光子的能量以激发材料中的电荷载流子来检测入射光子。然后电子地检测材料的激发。热探测器也检测光子。然而，热探测器利用所述光子的能量而提高部件的温度。通过测量温度方面的变化，能够确定产生温度变化的光子的强度。
[0005]光子探测器通常具有比热探测器更高的灵敏度和更快的响应时间。然而，光子探测器必须被低温冷却以使得热干扰最小，因此增加了装置的成本、复杂性、重量和功率消耗。相比之下，热探测器在室温下操作，因此避免了由光子探测器装置所需要的冷却。结果，热探测器能够通常具有比光子探测器装置更小的尺寸、更低的成本和更低的功率消耗。
[0006]红外热探测器的一种类型是热电堆。热电堆由串联连接的若干热电偶形成。每个热电偶由异种材料的两个导体构成，所述两个导体在所述导体的结点附近产生取决于结点与导体的其他部分之间的温度差的电压。热电偶与定位在最靠近探测器的IR吸收区域的“热结点”以及定位在最远离IR吸收区域的“冷结点”串联连接。为了获得在基于热电堆的IR探测器中合理的敏感度，热电堆的热结点和冷结点需要尽可能彼此热隔离并且与可能影响热结点的和冷结点的温度的其他热源热隔离。为了实现所述热隔离，热电堆通常放置在衬底上介电层的顶部上并且大的背腔在热电堆下方蚀刻到所述衬底中以增大热阻。
[0007]红外热探测器的另一类型是辐射热测量计。辐射热测量计包括用于吸收红外辐射的吸收体元件和与吸收体元件热接触的换能器元件，所述换能器元件具有随温度变化的电阻。在操作中，入射在辐射热测量计上的红外辐射将由辐射热测量计的吸收体元件吸收并且由所吸收的辐射产生的热量将传递到换能器元件。在换能器元件响应于所吸收的辐射而发热时，换能器元件的电阻将以预先确定的方式发生变化。通过检测电阻方面的变化，能够获得入射红外辐射的测量。辐射热测量计可以用作单独的传感器，但是辐射热测量计也可以设计为排或二维阵列，其称为微型辐射热测量计阵列。
[0008]技术方面的最新进展已经使得辐射热测量计的吸收体元件能够通过原子层沉积(ALD)形成。ALD使得吸收体元件能够形成为具有精确和均匀厚度的薄金属膜。结果，ALD薄膜辐射热测量计比热电堆传感器敏感数个数量级。ALD薄膜技术的使用已经允许辐射热测量计装配在互补金属氧化物半导体CMOS的顶部上实施。然而，仍然存在对于装配这样的辐射热测量计传感器的方法的需求，所述辐射热测量计传感器更加充分地将辐射热测量计的设计和结构集成到CMOS工艺中。
【附图说明】
[0009]图1是在形成用于辐射热测量计的吸收体层之前，用于实施辐射热测量计的CMOS衬底的横截面图；
[0010]图2是图1的CMOS衬底的、在形成用于辐射热测量计的吸收体层之后的横截面图；
[0011]图3是图2的CMOS衬底的、在已经进行蚀刻以释放吸收体层和暴露CMOS衬底中的金属化层以用作用于辐射热测量计的反射体之后的横截面图；
[0012]图4和图5示出图3的辐射热测量计的替代的实施例，其中，不同的金属化层被暴露以用作反射体；
[0013]图6是用于支承图1-图5的辐射热测量计的吸收体的锚的实施例的横截面图；
[0014]图7是图6的锚的横截面图，其示出所述锚与到CMOS的ASIC部分的布线之间的电连接。在此，所述锚机械连接到衬底并且经由一个或多个扩散装置(diffus1n) 136电绝缘；
[0015]图8是图6的锚的俯视图，其中，金属间通孔以虚线示出；
[0016]图9是热辐射热测量计的吸收体的俯视示意图；
[0017]图10是用于实施辐射热测量计的替代的CMOS衬底的横截面图，其示出形成在衬底上的氧化物的顶部上的聚合物牺牲层和用于辐射热测量计的形成在牺牲层之上的吸收体；
[0018]图11示出在牺牲层已经被去除之后图10的CMOS衬底；
[0019]图12示出图11的吸收体的替代的实施例，其具有辐射热测量计横截面的附加图案化以提尚机械稳定性；
[0020]图13和图14示出辐射热测量计的替代的实施例，其包括由CMOS衬底中的不同的金属化层和通孔形成的经图案化的反射体；
[0021]图15示出用于实施辐射热测量计的CMOS衬底，其示出在去除氧化物之前电连接到通孔的辐射热测量计的吸收体层；
[0022]图16示出在去除氧化物以形成辐射热测量计之后图15的CMOS衬底；
[0023]图17示出具有用于图案化吸收体以提高机械稳定性的氧化物沟槽的CMOS衬底；
[0024]图18示出在氧化物已经被去除以形成辐射热测量计之后图17的CMOS衬底；
[0025]图19是装配在CMOS衬底的顶部上的辐射热测量计传感器的透视图；
[0026]图20是图19的辐射热测量计传感器的侧视图。
【具体实施方式】
[0027]为了促进理解本发明的原理的目的，现在将参考附图所示的和在以下书面说明中描述的实施例。应理解，并非旨在限制本发明的范围。还应理解，本发明包括对所示实施例的改动和修改并且还包括如本发明所属领域技术人员通常会想到的本发明的原理的应用。
[0028]图19和图20描绘实施在CMOS衬底12的顶部上的辐射热测量计传感器10的实施例。传感器10包括衬底12、反射体14和吸收体16。尽管在图19和图20中描绘单个传感器10，但衬底12—一其在该实施例中是硅晶片一一可以装配有多个辐射热测量计传感器，所述多个辐射热测量计传感器形成微辐射热测量计阵列(未示出)，其中，每个辐射热测量计对应于阵列的一个像素。衬底12包括用于访问传感器10的输出的电子电路(未示出)。反射体14可以包括例如形成在衬底12上的金属化层或多层电介质。
[0029]吸收体16通过柱18与反射体14间隔开。尽管可以设置任何合适的间隙宽度，但在该实施例中，反射体14与吸收体16之间的间隙G是大约2.5 μ m。在该实施例中的间隙被选择以优化在长波长的红外区域中的吸收。除了建立吸收体16与反射体14之间的间隙G以外，柱18由导电材料形成并且提供与设置在衬底10中的读取电路(未示出)的电接触。
[0030]除了从入射光子吸收能量以外，吸收体16被选择以提供良好的噪声等效温差(NETD)。为了使得吸收体16具有良好的NETD (噪声等效温差)，被选择以形成吸收体16的材料应该表现出高的电阻温度系数同时表现出低的过量噪声(1/f噪声、Johnson噪声)。半导体材料(诸如氧化钒)由于其高的电阻温度系数而在微机械的辐射热测量计中是常见的。尽管金属具有比一些半导体材料(诸如氧化钒)较低的电阻温度系数，然而金属通常具有比许多半导体材料低得多的过量噪声。
[0031]因此，在一个实施例中，吸收体16包括金属。钛和铂是表现出所需特性的两种金属。例如，钛表现出大约7*10_7欧姆的体电阻率。使用7*10 的体电阻率，用来匹配自由空间(377欧姆/平方)的阻抗的吸收体106的厚度应该是大约1.9nm。然而，形成为小于大约50nm的厚度的材料的电阻率能够比所述体值高若干倍。因此，取决于工艺参数，如果由钛制成，则吸收体16的厚度优选大约10nm。必要时，还可以在形成期间将杂质引入吸收体16中以调节电阻率。因此，在该实施例中吸收体16的厚度是大约1nm并且吸收体16从柱到柱的长度是大约25 μ m。该构造提供吸收体16的宽度与吸收体16的长度之间的为1/1000级的比和吸收体16的厚度与间隙宽度G的大约1/100的比。
[0032]在操作中，当电磁辐射(例如红外光)到达传感器10时，电磁辐射以与吸收体16的电阻率、反射体14的质量、吸收体16与反射体14之间的间隙宽度和辐射波长相关的效率吸收在吸收体16的薄膜金属内。一旦吸收入射辐射，吸收体16经历温度的升高。温度升高转而导致吸收体16的电阻率的减小或增大。然后吸收体16被电探测以