可扩展的热电式红外探测器制造技术

本发明专利技术披露了一设备和形成该设备的方法，即可扩展的热电式红外探测器。该方法包括提供制备有晶体管和传感器区域的衬底。通过以下方法处理衬底：在衬底中形成下传感器腔，用牺牲材料填充下传感器腔，在传感器区域中形成介电膜，在晶体管区域中形成晶体管以及形成微电机械系统(MEMS)组件在传感器区域中的介电膜上。该方法通过形成具有多个层间介电(ILD)层的后段线(BEOL)电介质而继续，该ILD层具有设置在衬底上用于互连设备部件的金属层和通孔层。金属层中的金属线被配置成在下传感器腔上方限定上传感器腔，并且BEOL电介质的第一金属层的金属线被配置为限定MEMS组件的几何形状。

【技术实现步骤摘要】
可扩展的热电式红外探测器
本专利技术涉及一种可扩展的热电式红外探测器设备及其形成方法。
技术介绍
基于日益增长的诸多应用需求，对非制冷红外探测器的需求也不断增长。这些应用，仅举几例，包括空调系统，手机，自动驾驶汽车，物联网(IoT)，消防和交通安全。此外，预计不久的将来还会有更多的应用。常规非制冷红外探测器使用微测辐射热计予以实施。然而，微测辐射热计需要机械部件进行校准。例如，微测辐射热计需要机械快门进行偏移校正。微测辐射热计所需的机械部件增加了制造的复杂性，这种复杂性使得成本增加。另外，对微测辐射热计的机械部件的需求使得制造小型或紧凑型设备变得困难。本专利技术涉及具成本效益且紧凑的红外探测器。
技术实现思路
本专利技术的实施例总体上涉及设备及其形成方法。在一个实施例中，该方法包括提供用晶体管和传感器区域制备的衬底。通过以下方法处理衬底：在衬底中形成一个下传感器腔体，用牺牲材料填充下传感器腔体，在传感器区域中形成介电膜，在晶体管区域中形成晶体管以及在传感器区域中的介电膜上形成微电机械系统(MEMS)组件。该方法通过形成具有多个层间电介质(ILD)层的后段线(BEOL)电介质而继续，所述层间电介质(ILD)层具有设置在衬底上的用于互连设备组件的金属层和通孔层。金属层中的金属线被配置为定义在下传感器腔上方的上传感器腔，并且BEOL电介质的第一金属层的金属线被配置为限定MEMS部件的几何结构。在一个实施例中，该设备包括具有晶体管区域和传感器区域的衬底。晶体管组件设置在晶体管区域中，并且MEMS组件设置在传感器区域中腔体上的膜上。MEMS组件包括用作热电红外传感器的多个热电堆线结构。所述热电堆线结构包括设置在反向掺杂的第一和第二线段一部分之上的吸收器层，该第一和第二线段串联连接。BEOL电介质设置在具有多个ILD层的衬底上，所述ILD层具有用于互连设备组件的金属层和通孔层。金属层中的金属线被配置为限定下传感器腔上方的上传感器腔，并且BEOL电介质的第一金属层的金属线被配置为限定MEMS组件的几何结构。通过参考以下描述和附图，这里公开的实施例的这些和其它优点和特征将变得显而易见。此外，应该理解的是，这里描述的各种实施例的特征不是相互排斥的，并且可以以各种组合和置换形式存在。附图说明附图纳入并作为说明书的一部分。说明书中近似的附图标记表示近似的部分。附图示出了本专利技术的优选实施例，并且与描述一起用于解释本专利技术各种实施例的原理。图1示出了半导体晶片的俯视图；图2示出了设备的实施例的简化横截面图；图3a-3d示出了热电堆结构的各种实施例的俯视图和横截面图；图3e示出了传感器阵列；和图4a-4l示出了用于形成设备的示例性过程的横截面图。具体实施方式实施例总体上涉及设备，例如具有基于热电的红外探测器的半导体设备或集成电路(IC)。例如，该IC是互补金属氧化物半导体(CMOS)器件。至于红外探测器或传感器，它例如是微电子机械系统(MEMS)。该MEMS探测器嵌入到IC中。此外，MEMS探测器与CMOS处理兼容。这些设备可以集成到产品中，例如热像仪。例如，设备可以包括多个MEMS传感器，其可以被配置为形成热像仪的传感器阵列。传感器可用于其他类型的应用，例如单像素或线阵列温度或运动传感器。设备的制造可涉及在衬底上特征的形成，这些特征构成电路组件，例如晶体管，电阻器，电容器和MEMS传感器。这些组件相互连接，使得设备能够执行所需的功能。为了形成特征和互连，使用光刻技术将层重复沉积在衬底上并根据需要进行图案化。例如，通过使用包含期望图案的掩模板用曝光源曝光光刻胶层来图案化晶片。在曝光之后，通过显影技术将掩模板的图案转移到光刻胶层上，从而形成光刻胶蚀刻掩模。使用蚀刻掩模执行蚀刻以在下面的晶圆上复制图案，根据工艺的不同阶段，其可以包括一层或多层。在设备的形成过程中，众多掩模板可以用于不同的图案化工艺。此外，可以在晶片上平行地形成多个设备。图1示出了半导体晶片101的一个实施例的简化平面图。该半导体晶片例如可以是硅晶片。该晶片可以是轻掺杂的p型晶片。其他类型的晶片，诸如绝缘体上硅(SOI)或硅锗晶片，以及掺杂有其他类型掺杂剂或掺杂剂浓度的晶片也是可以的。晶片包括有源表面111，在其上形成设备115。多个设备可以并行地形成在晶片上。例如，这些设备沿第一(x)方向排成行，沿第二(y)方向排成列。切割通道用于分离这些设备。处理完成后，晶片沿切割通道被切割，从而将这些设备切割成单个芯片。图2示出了设备115的实施例的简化横截面图。该设备例如为具有嵌入式MEMS结构或部件的CMOS设备。在一个实施例中，该设备是嵌入有热电式红外传感器或探测器的CMOS设备。在一些实施例中，该设备的MEMS结构包括多个热电式红外传感器。这些多个传感器可以被配置成形成传感器阵列。例如，该设备可以是红外成像仪，其中每个传感器可以是红外成像仪的像素。其他类型的MEMS结构或应用也是可以的。例如，该设备可以与晶片上的其他设备平行地形成并且随后被分割。该设备包括衬底201。如图1所示，该设备例如可以是晶片的一部分。可能不会描述或不详细描述通用元件。衬底例如可以是半导体衬底，例如硅衬底。例如，衬底可以是轻度掺杂的p型硅衬底。其他类型的衬底或晶片也是可以的。在一个实施例中，衬底包括第一和第二设备区域204和206。第一区域是CMOS区域，第二区域是传感器区域。CMOS区域包括CMOS组件，并且传感器区域包括MEMS结构或组件。如图所示，CMOS区域包括第一和第二CMOS组件220a和220b。CMOS组件包括金属氧化物半导体(MOS)晶体管。例如，第一CMOS组件是n型MOS晶体管，第二CMOS组件是p型MOS晶体管。P型MOS晶体管和N型MOS晶体管是互补型晶体管。晶体管包括器件阱221。该器件阱用作晶体管的主体。另外，晶体管包括设置在器件阱上的衬底上的栅极230，该栅极位于设置在器件阱中的第一和第二源极/漏极(S/D)区域222和224之间。晶体管的栅极可以包括在栅介质232上的栅电极234。栅电极可以是多晶硅，栅介质可以是热氧化硅。其他类型的材料或栅极配置也是可以的。对于p型MOS晶体管，器件阱是n型阱，S/D区域是重掺杂p型区。另一方面，n型晶体管具有p型器件阱和重掺杂的n型S/D区域。S/D区域可以包括轻掺杂延伸区。轻掺杂延伸区使用与重掺杂S/D区域相同极性类型的掺杂剂进行轻掺杂。栅极的侧壁可以包括电介质间隔片238。间隔片有利于对齐S/D区域和轻掺杂延伸区。器件阱可以包括器件阱触点228，其使用与器件阱相同极性类型的掺杂剂进行重掺杂。如图所示，CMOS区域可以是包括第一和第二晶体管的逻辑区域。然而，逻辑区域可以包括许多晶体管。另外，逻辑区域可以包括具有不同操作特性或电压的晶体管区域。例如，可以在低电压(LV)区域中提供低电压晶体管，在中电压(MV)区域中提供中间或中等电压晶体管，在高电压(HV)区域中提供高电压晶体管。也可以包括其他类型的器件区域。例如，可以包括配置有存储器阵列的存储器区域。如上所述，设备可以包括传感器阵列，该传感器阵列具有以行和列传感器排列成矩阵的多个传感器。每个传感器对应于像素阵列的一个像素。在这种情况下，CMOS组件可以包括选择开关，行和列解码器以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种形成设备的方法，包括：提供配备有晶体管区域和传感器区域的衬底；处理所述衬底，包括在所述衬底中形成下传感器腔，所述下传感器腔具有设置在所述衬底顶表面下方的底表面，用牺牲材料填充所述下传感器腔，在所述传感器区域中形成介电膜，所述介电膜覆盖所述下传感器腔中的所述牺牲材料，在所述晶体管区域中形成晶体管，在所述传感器区域中的所述介电膜上形成微电机械系统(MEMS)组件；和在具有多个层间介电层(ILD)的所述衬底上形成后段线(BEOL)电介质，所述ILD具有金属层和通孔层，所述金属层包括金属线，所述通孔层包括用于互连所述设备的组件的通孔触点，其中所述金属层中的所述金属线被配置为限定所述下传感器腔上方的上传感器腔，其中所述BEOL电介质的第一金属层的金属线被配置为限定所述MEMS组件的几何形状。

【技术特征摘要】
2017.07.12 US 15/647,2841.一种形成设备的方法，包括：提供配备有晶体管区域和传感器区域的衬底；处理所述衬底，包括在所述衬底中形成下传感器腔，所述下传感器腔具有设置在所述衬底顶表面下方的底表面，用牺牲材料填充所述下传感器腔，在所述传感器区域中形成介电膜，所述介电膜覆盖所述下传感器腔中的所述牺牲材料，在所述晶体管区域中形成晶体管，在所述传感器区域中的所述介电膜上形成微电机械系统(MEMS)组件；和在具有多个层间介电层(ILD)的所述衬底上形成后段线(BEOL)电介质，所述ILD具有金属层和通孔层，所述金属层包括金属线，所述通孔层包括用于互连所述设备的组件的通孔触点，其中所述金属层中的所述金属线被配置为限定所述下传感器腔上方的上传感器腔，其中所述BEOL电介质的第一金属层的金属线被配置为限定所述MEMS组件的几何形状。2.根据权利要求1所述的方法，其中处理所述衬底进一步包括在被保护衬垫保护的所述下传感器腔的底部形成反射器，所述保护衬垫形成所述下传感器腔侧壁的衬垫并覆盖所述反射器。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述反射器是在所述下传感器腔的底部的金属硅化物或掺杂区域。4.根据权利要求2所述的方法，其中形成所述MEMS组件包括：形成多个热电式红外传感器；和配置所述多个热电式红外传感器以形成传感器阵列。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述多个热电式红外传感器中的每一个包括热电堆线结构，所述热电堆线结构包括掺杂有第一热电堆材料的第一线段和掺杂有第二热电堆材料的第二线段。6.根据权利要求5所述的方法，其中在所述晶体管区域中形成所述晶体管包括：形成晶体管阱；形成隔离区域；形成晶体管的栅极，其中形成所述栅极包括：在所述衬底上提供栅介电层，在所述栅介电层上设置多晶硅层，图案化所述晶体管区域中的所述栅介电层和所述多晶硅层以形成所述栅极；形成与所述栅极相邻的源极/漏极(S/D)区域和延伸区域；和在所述衬底上设置间隔物介电层，其中所述间隔物介电层被蚀刻以在所述栅极的侧壁上形成间隔物。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述传感器区域处的所述栅介电层作为额外的保护衬垫，并且所述传感器区域处的所述多晶硅层被图案化以形成所述热电堆线结构。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述热电堆线结构包括：在所述热电堆线结构的第一末端处的第一线端子，其中所述第一末端是所述第一线段的一部分；和在所述热电堆线结构的第二末端处的第二线端子，其中所述第二末端是所述第二线段的一部分。9.根据权利要求7所述的方法，其中形成所述BEOL电介质包括：在所述衬底上设置第一介电层；在所述传感器区域的所述第一介电层中形成通孔开口，以暴露所述第一线段和所述第二线段之间的界面；在所述衬底上沉积金属触点层；图案化所述金属触点层以形成热电耦触点，其中所述热电耦触点耦合所述热电堆线结构的所述第一线段和所述第二线段；和在所述传感器区域的所述衬底上形成吸收器层，以覆盖所述热电耦触点和热电堆线结构的中心部分上的所述第一介电层。10.根据权利要求9所述的方法，其中形成所述BEOL电介质进一步包括：在所述衬底上设置第二介电层，以与所述第一介电层形成第一通孔介电层；在所述第一通孔介电层中形成通孔触点，其中所述通孔触点耦合到所述热电堆线结构的所述S/D区域，所述栅极，所述阱触点以及所述第一线端子和所述第二线端子；和在所述第一金属层中形成金属线，其中所述金属线和所述通孔触点形成设备的互连。11.根据权利要求10所述的方法，其中形...

【专利技术属性】
技术研发人员：皮特·科普尼奇，伊凯·安德·奥贾克，保罗·西蒙·庞廷，
申请(专利权)人：迈瑞迪创新科技有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG