一种IR检测器阵列设备制造技术

我们公开了一种红外(IR)检测器阵列，包括在包含蚀刻部分的半导体基底上形成的至少一个介电膜(2，3)；至少两个IR检测器(4，5)，以及在所述介电膜的一个或所有两个侧面的内部或是其上形成的至少一个图案化层(7)，用于控制所述IR检测器中的至少一个的IR吸收。所述图案化层包括横向间隔结构。

An IR Detector Array Device

We disclose an infrared (IR) detector array comprising at least one dielectric film (2,3) formed on a semiconductor substrate containing an etching portion, at least two IR detectors (4,5), and at least one patterned layer (7) formed inside or on one or all sides of the dielectric film for use in the control post. The IR absorption of at least one of the IR detectors is described. The patterned layer comprises a transverse spacer structure.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种IR检测器阵列设备专利
本专利技术涉及用于光谱气体传感应用的红外(IR)等离子体设备。特别地，本专利技术涉及具有定制的光学属性的IR等离子体检测器阵列，但是并不局限于此。
技术介绍
众所周知，在包含薄膜层(用电绝缘层制成)的硅基底上可以制造热IR检测器，所述薄膜层可以通过所述基底的一部分的蚀刻来形成。入射的IR辐射会提升膜的温度-而这可以通过热电堆、电阻器或二极管来测量。例如，Schneeberger等人发表于ProcIEEETencon1995的“OptimizedCMOSInfraredDetectorMicrosystems”一文报告了基于热电堆来制造CMOSIR检测器的方式。该热电堆包括若干个串联连接的热电偶。KOH被用于蚀刻膜以及提升热绝缘度。每一个热电偶包括两种不同材料的条带，所述条带在其一端上被电连接并且形成了一个热电偶接点(thermaljunction)(名为热接点)，而所述材料的另一端则以串联的方式电连接到其他热电偶，由此形成热电偶冷接点。所述热电偶的热接点位于膜上，而冷接点则位于膜的外部。在该论文中给出了关于热电偶的三种不同的设计，这些设计具有不同的材料成分：铝和p掺杂多晶硅，铝和n掺杂多晶硅，或是p掺杂多晶硅和n掺杂多晶硅。入射的IR辐射会导致膜的温度略微升高。塞贝克效应会导致每一个热电偶上产生微小的电压差——由此导致热电堆上的电压差大幅增加，而该电压差则是每一个热电偶上的电压的总和。先前，Nieveld发表于SensorsandActuators3(1982/83)179-183的“ThermopilesFabricatedusingSiliconPlanarTechnology”一文显示了将铝和单晶硅P+作为热电偶中的材料并且据此在微芯片上制造热电堆的处理。应该指出的是，这种热电堆是一种通用的热电堆设备——其并非用于IR检测，并且所述热电堆并不是在膜上。Allison等人发表于SensorsandActuatorsA104200332-39的“Abulkmicromachinedsiliconthermopilewithhighsensitivity”一文描述了一种基于单晶硅P掺杂和N掺杂材料的热电堆。然而，这些热电堆是通过P型晶片和N型晶片的晶片键合形成的，并且不是专门被用作IR检测器的。此外，这种制造方法的成本也很高。Lahiji等人发表于IEEETransactionsonElectronDevices1992的“ABatch-fabricatedSiliconThermopileInfraredDetector”一文描述了两种热电堆IR检测器，其中一种以铋-锑热电偶为基础，而另一种则以多晶硅和金元素的热电偶为基础。美国专利7,785,002描述了一种具有基于P和N掺杂多晶硅的热电堆的IR检测器。Langgenhager等人发表于IEEEEDL1992的“ThermoelectricInfraredSensorsbyCMOSTechnology”一文对包含热电堆的IR检测器进行了描述，其中所述热电堆位于包含了铝和多晶硅的悬浮结构上。在Graf等人发表于Meas.Sci.Technol.2007的“Reviewofmicromachinedthermopilesforinfrareddetection”一文中还描述了其他若干种热电堆设备。另一种测量IR辐射的方法是使用热电二极管。例如，Kim和Chan发表于S&AA89,2001的“Anewuncooledthermalinfrareddetectorusingsilicondiode”一文中描述了一种通过微机械加工制造且被用作IR检测器的二极管。Eminoglu等人发表于S&AA109(2003)的“Low-costuncooledinfrareddetectorsinCMOSprocess”一文描述了使用CMOS工艺制造且具有处于悬浮膜上的二极管的IR检测器。同样，基于热电堆的IR检测器也可以使用SOI工艺来制造。然而，热电二极管的缺点是其需要偏置电压或电流——由此需要电源。此外，它还具有很高的基极电压，由此更难测量输出电压中的微小变化。在文献中已经有若干份报告建议通过使用等离子体结构来改变设备在特定波长上的发射率/吸收率，其中所述等离子体结构是在表面上创建的周期性结构。作为示例，在Shklover等人发表于JournalofComputationalandTheoreticalNanoscience,Vol5,2008第862-893页的“High-TemperaturePhotonicStructures,ThermalBarrierCoatings,InfraredSourcesandOtherApplications”一文中对此进行了描述。Masuda等人发表于Sens.Mater,vol.26,pp.215-223,2014的“Optimizationoftwo-dimensionalplasmonicabsorbersbasedonametamaterialandcylindricalcavitymodelapproachforhigh-responsivitywavelength-selectiveuncooledinfraredsensors”一文提出了一种将Cr/Au等离子体吸收层用于光谱选择性的CMOS热电堆IR检测器。然而，为了增强活动区域的热绝缘度，该区域仅仅是通过很细的横梁物理连接到基底的。这种布置不但影响了设备的机械强度，而且还对可以集成在设备中的热电偶的最大数量构成了限制，由此限制了总的热电转换效率。在Ogawa等人发表于OpticalEngineering,vol.52,pp.127104-127104,2013的“Wavelengthselectivewidebanduncooledinfraredsensorusingatwo-dimensionalplasmonicabsorber”一文中同样提出了一种此类热电堆阵列，其中对每一个具有不同等离子体结构的热电堆进行了研究，以便用于多色IR成像应用。Fujisawa等人发表于MicroElectroMechanicalSystems(MEMS),201528thIEEEInternationalConferenceon,2015第905-908页的“Multi-colorimagingwithsilicon-on-insulatordiodeuncooledinfraredfocalplanearrayusingthrough-holeplasmonicmetamaterialabsorbers”一文报告了一种具有通孔等离子体吸收器的硅-绝缘体二极管非制冷IR焦点平面阵列。与先前的示例一样，通孔被认为会损害设备的机械强度。在Pisano等人提交的US20150035110A1中报告了一种MEMS热电AINIR检测器，其中波长选择性是通过将顶部电极图案化以形成等离子体结构来实现的。与热电堆、二极管以及辐射热测量计相比，热电检测器的一个缺点是其仅仅对照明变化敏感。Ali等人提交的US20140291704A1描述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种红外(IR)检测器阵列设备，包括：在包含蚀刻部分的半导体基底上形成的至少一个介电膜；包含了至少两个IR检测器的IR检测器阵列，其中所述IR检测器阵列是在所述至少一个介电膜上或是其内部形成的；以及在所述介电膜内部或是其上形成的至少一个图案化层，用于控制所述IR检测器中的至少一个的IR吸收，以及其中所述至少一个图案化层包括横向间隔结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.28 US 15/009,3001.一种红外(IR)检测器阵列设备，包括：在包含蚀刻部分的半导体基底上形成的至少一个介电膜；包含了至少两个IR检测器的IR检测器阵列，其中所述IR检测器阵列是在所述至少一个介电膜上或是其内部形成的；以及在所述介电膜内部或是其上形成的至少一个图案化层，用于控制所述IR检测器中的至少一个的IR吸收，以及其中所述至少一个图案化层包括横向间隔结构。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个图案化层位于所述至少两个IR检测器中的一个上方，以使所述至少一个图案化层与所述至少两个IR检测器中的一个相关联。3.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个图案化层位于所述介电膜内部的所有IR检测器的上方，以使所述至少一个图案化层与所述至少两个IR检测器中的所有IR检测器相关联。4.根据权利要求1所述的设备，其中所述具有横向间隔结构的至少一个图案化层在所述IR检测器中的至少一些IR检测器的上方具有相同的图案。5.根据权利要求1所述的设备，其中所述具有横向间隔结构的至少一个图案化层在所述IR检测器中的至少一些IR检测器的上方具有不同的图案。6.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个图案化层包括位于所述IR检测器中的一个IR检测器的上方的第一组横向间隔结构，以及位于所述IR检测器中的另一个IR检测器的上方的第二组横向间隔结构，其中所述第一和第二组横向间隔结构具有相同的图案。7.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个图案化层包括位于所述IR检测器中的一个IR检测器的上方的第一组横向间隔结构，以及位于所述IR检测器中的另一个IR检测器的上方的第二组横向间隔结构，其中所述第一和第二组横向间隔结构具有不同的图案。8.根据权利要求1所述的设备，其中每一个横向间隔结构都包括包含了金或铂的金属或是基于CMOS的金属，例如铝、铜、钛、钼或钨。9.根据权利要求1所述的设备，其中所述结构在横向方向上周期性重复，由此形成重复图案。10.根据权利要求9所述的设备，其中所述重复图案包括六边形或正方形。11.根据权利要求1所述的设备，其中所述结构包括圆形、椭圆形、矩形、梯形或是不同形状的组合，或者处于层的内部的这些形状的孔洞。12.根据权利要求1所述的设备，其中所述图案化层包括单晶硅或多晶硅。13.根据权利要求1所述的设备，其中所述IR检测器包括热电堆、电阻器、晶体管和二极管中的任何的一个或多个。14.根据权利要求1所述的设备，其中每一个IR检测器包括热电堆，所述热电堆包括一个或多个热电偶，其中每一个热电偶都是串联耦合的。15.根据权利要求14所述的设备，其中每一个热电偶进一步包括第一热电偶接点，其连接到相邻热电偶以形成第二热电偶接点，所述第一热电偶接点是热接点，所述第二热电偶接点是冷接点。16.根据权利要求15所述的设备，其中所述热接点位于所述介电膜内部，并且所述冷接点位于所述介电膜外部。17.根据权利要求1所述的设备，其中每一个IR检测器都包括至少一个二极管，其中所述至少一个二极管包括包含了多晶硅或单晶硅的材料。18.根据权利要求17所述的设备，进一步包括处于冷接点区域中以测量基底或环境温度的参考二极管。19.根据权利要求1所述的设备，其中每一个IR检测器包括至少一个电阻器，其中所述至少一个电阻器位于所述介电膜的中心。20.根据权利要求19所述的设备，其中所述至少一个电阻器包括以下材料：包含铝、钨、铜、钛和/或铂的金属；n型或p型多晶硅；以及n或p型单晶硅。21.根据权利要求20所述的设备，进一步包括位于所述冷接点区域中以测量基底或环境温度的参考电阻器。22.根据权利要求1所述的设备，其中每一个IR检测器包括热电堆，其中在所述热电堆中使用了塞贝克效应和电阻变化效应来确定IR辐射。23.根据权利要求1所述的设备，其中每一个IR检测器都包含了在冷接点区域中与参考二极管耦合以确定冷接点温度估计的热电堆，所述冷接点温度估计被用于确定绝对热接点温度。24.根据权利要求1所述的设备，其中所述介电膜包括二氧化硅和/或氮化硅。25.根据权利要求1所述的设备，其中所述阵列的所有IR检测器都是在单个膜的内部或是其上形成的。26.根据权利要求1所述的设备，其中所述阵列的每一个IR检测器都是在不同的介电膜内部或是其上形成的。27.根据权利要求1所述的设备，进一步包括多个介电膜，其中每一个介电膜都包括多个IR检测器。28.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个介电膜进一步包括包含了多晶硅、单晶硅或金属的其他结构，所述其他结构分离所述IR检测器。29.根据权利要求28所述的设备，其中所述其他结构被嵌入在所述介电膜内部、上方和/或下方。30.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个介电膜是由以下的任何一个形成的：对所述基底执行使用了深反应离子蚀刻(DRIE)的背面蚀刻处理，由此产生垂直侧壁...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·乌德雷亚，S·Z·艾利，R·H·霍普尔，J·加德纳，A·德卢卡，
申请(专利权)人：AMS传感器英国有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB