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TWI825710B - 紅外線元件及其製造方法 - Google Patents

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TWI825710B
TWI825710B TW111117466A TW111117466A TWI825710B TW I825710 B TWI825710 B TW I825710B TW 111117466 A TW111117466 A TW 111117466A TW 111117466 A TW111117466 A TW 111117466A TW I825710 B TWI825710 B TW I825710B
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張恆中
蔡智雅
蘇慧琪
林靖淵
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

本揭露提供一種紅外線元件，包括：一基板；一金屬層，設置於該基板上；一第一半導體層，設置於該基板上，其中該第一半導體層與該金屬層之間形成有一空腔，且該第一半導體層電性連接該金屬層；一吸收層，設置於該第一半導體層上；以及一第二半導體層，設置於該吸收層上，並電性連接該第一半導體層，其中該第一半導體層的電阻溫度係數與該第二半導體層的電阻溫度係數不同。

Description

紅外線元件及其製造方法
本揭露係有關於一種紅外線元件，特別是有關於一種配置有不同電阻溫度係數(TCR)半導體層的紅外線元件。
紅外線元件主要包括藉由體型加工以及面型加工製作的兩種結構。不論是透過體型或面型加工技術，元件中都需要製作空腔來達到良好的絕熱效果。
藉由面型加工技術製作的紅外線元件除了在IC電路上方的空腔結構之外，另包括感測薄膜以及引腳等結構。在引腳設計上需注意包括應力控制是否良好、電阻值是否與IC電路匹配、以及與基板之間的絕熱效果是否良好。
根據本揭露的一實施例，提供一種紅外線元件。該紅外線元件包括：一基板；一金屬層，設置於該基板上；一第一半導體層，設置於該基板上，其中該第一半導體層與該金屬層之間形成有一空腔，且該第一半導體層電性連接該金屬層；一吸收層，設置於該第一半導體層上；以及一第二半導體層，設置於該吸收層上，並電性連接該第一半導體層，其中該第一半導體層的電阻溫度係數(Temperature Coefficient of Resistance，TCR)與該第二半導體層的電阻溫度係數不同。
在部分實施例中，該第一半導體層與該第二半導體層包括矽鍺(SiGe)。
在部分實施例中，該第一半導體層的電阻溫度係數小於該第二半導體層的電阻溫度係數。在部分實施例中，該第二半導體層的電阻溫度係數為該第一半導體層的電阻溫度係數的20至40倍。
在部分實施例中，該吸收層包括氧化矽、氮化矽、或氮氧化矽。
在部分實施例中，更包括一第三半導體層，設置於該第二半導體層上。在部分實施例中，該第二半導體層與該第三半導體層的總電阻溫度係數為該第一半導體層的電阻溫度係數的20至40倍。
根據本揭露的一實施例，提供一種紅外線元件。該紅外線元件包括：一基板；一金屬層，設置於該基板上；一第一矽鍺層，設置於該基板上，其中該第一矽鍺層與該金屬層之間形成有一空腔，且該第一矽鍺層電性連接該金屬層；一吸收層，設置於該第一矽鍺層上；以及一第二矽鍺層，設置於該吸收層上，並電性連接該第一矽鍺層，其中該第一矽鍺層的電阻溫度係數與該第二矽鍺層的電阻溫度係數不同。
在部分實施例中，該第一矽鍺層的電阻溫度係數小於該第二矽鍺層的電阻溫度係數。在部分實施例中，該第二矽鍺層的電阻溫度係數(TCR)為該第一矽鍺層的電阻溫度係數(TCR)的20至40倍。
在部分實施例中，更包括一第三矽鍺層，設置於該第二矽鍺層上。在部分實施例中，該第二矽鍺層與該第三矽鍺層的總電阻溫度係數為該第一矽鍺層的電阻溫度係數的20至40倍。
根據本揭露的一實施例，提供一種紅外線元件的製造方法。該製造方法包括：提供一基板；形成一金屬層於該基板上；形成一犧牲層於該金屬層上；形成一第一矽鍺層於該犧牲層上，並電性連接該金屬層；形成一吸收層於該第一矽鍺層上；形成一第二矽鍺層於該吸收層上，並電性連接該第一矽鍺層，其中該第一矽鍺層的電阻溫度係數與該第二矽鍺層的電阻溫度係數不同；以及移除該犧牲層，以於該第一矽鍺層與該金屬層之間形成一空腔。
在部分實施例中，在形成該第一矽鍺層的步驟中，其溫度介於400℃至470℃。在部分實施例中，在形成該第一矽鍺層的步驟中，其通入矽烷(SiH 4)氣體的流量介於5sccm至50sccm。在部分實施例中，在形成該第一矽鍺層的步驟中，其通入鍺烷(GeH 4)氣體的流量介於1sccm至12sccm。
在部分實施例中，在形成該第二矽鍺層的步驟中，其溫度介於350℃至420℃。在部分實施例中，在形成該第二矽鍺層的步驟中，其通入矽烷氣體的流量介於20sccm至200sccm。在部分實施例中，在形成該第二矽鍺層的步驟中，其通入鍺烷氣體的流量介於2sccm至40sccm。
本揭露紅外線元件(採用兩種以上的矽鍺(SiGe)材料，其電阻溫度係數(TCR)相異且差距至少達20至40倍)除可降低熱雜訊之外，亦可提升製程穩定度，降低應力對於元件平整度的影響。也就是，在引腳的設計上使用低TCR的矽鍺材料取代現有的金屬至少具備以下數個功效，包括：(1) 降低引腳的TCR (低TCR矽鍺材料的TCR可達0.05%，遠小於鈦的TCR (0.38%))，減少熱傳導雜訊；(2) 降低引腳的熱傳導量(矽鍺材料的熱傳導係數約為2.6W/mK，小於鈦的熱傳導係數(22.4W/mK)約10倍，絕熱效果優於鈦)，減少熱傳導雜訊；(3) 改善引腳的應力穩定度(低TCR矽鍺材料成長於氧化層上的應力值穩定不易飄動，有助於減少元件設計上的製造誤差，而鈦受後續製程溫度影響，應力易產生劇烈變化)；以及(4) 矽鍺材料對於蝕刻液的選擇比高，可耐蝕刻，鈦則無法抗蝕刻易受損傷。
請參閱第1圖，根據本揭露的一實施例，提供一種紅外線元件10。第1圖為紅外線元件10的剖面示意圖。
如第1圖所示，紅外線元件10包括基板12、絕緣層14、金屬層16、第一半導體層18、空腔20、吸收層22、以及第二半導體層24。絕緣層14設置於基板12上。金屬層16設置於絕緣層14上。第一半導體層18設置於基板12上，並電性連接金屬層16。空腔20形成於第一半導體層18與金屬層16之間。吸收層22設置於第一半導體層18上。第二半導體層24設置於吸收層22上，並電性連接第一半導體層18。值得注意的是，第一半導體層18的電阻溫度係數(Temperature Coefficient of Resistance，TCR)與第二半導體層24的電阻溫度係數不同。
在部分實施例中，基板12可包括硬質基板或軟性基板。在部份實施例中，硬質基板可包括矽基板或玻璃基板，但本揭露不限於此，其他適合的硬質基板材料亦適用於本揭露。在部份實施例中，軟性基板可包括聚醯亞胺(PI)基板、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板、或聚碳酸酯(PC)基板，但本揭露不限於此，其他適合的軟性基板材料亦適用於本揭露。
在部分實施例中，絕緣層14可包括有機絕緣材料或無機絕緣材料，例如，氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或其組合，但本揭露不限於此，其他適合的有機絕緣材料或無機絕緣材料亦適用於本揭露。
在部份實施例中，金屬層16可包括鉬、鋁、銅、鈦、或其組合，例如，鉬/鋁/鉬、鈦/鋁/鈦、或鈦/鋁/鉬，但本揭露不限於此，其他適合的金屬導電材料亦適用於本揭露。金屬層16除了作為連接電性的導電層之外，同時也可充當反射層，增加元件吸收紅外光的效率。
在部份實施例中，第一半導體層18與第二半導體層24可包括矽鍺(SiGe)，但本揭露不限於此，其他可藉由調整製程參數(例如，溫度、氣體流量)而產生電阻溫度係數(TCR)差異的半導體材料亦適用於本揭露。
在部份實施例中，吸收層22可包括氧化矽、氮化矽、或氮氧化矽，但本揭露不限於此，其他適合的紅外線吸收材料亦適用於本揭露。
在部份實施例中，第一半導體層18的電阻溫度係數小於第二半導體層24的電阻溫度係數。在部份實施例中，第二半導體層24的電阻溫度係數大約為第一半導體層18的電阻溫度係數的20至40倍。在部份實施例中，第一半導體層18的電阻溫度係數介於大約0.02%至大約0.2%。在部份實施例中，第二半導體層24的電阻溫度係數介於大約0.8%至大約8%。
請參閱第2圖，根據本揭露的一實施例，提供一種紅外線元件10。第2圖為紅外線元件10的剖面示意圖。
如第2圖所示，紅外線元件10包括基板12、絕緣層14、金屬層16、第一半導體層18、空腔20、吸收層22、第二半導體層24、以及第三半導體層26。絕緣層14設置於基板12上。金屬層16設置於絕緣層14上。第一半導體層18設置於基板12上，並電性連接金屬層16。空腔20形成於第一半導體層18與金屬層16之間。吸收層22設置於第一半導體層18上。第二半導體層24設置於吸收層22上，並電性連接第一半導體層18。第三半導體層26設置於第二半導體層24上，並電性連接第一半導體層18。值得注意的是，第一半導體層18的電阻溫度係數(Temperature Coefficient of Resistance，TCR)與第二半導體層24及第三半導體層26的總電阻溫度係數不同。
在部分實施例中，基板12可包括硬質基板或軟性基板。在部份實施例中，硬質基板可包括矽基板或玻璃基板，但本揭露不限於此，其他適合的硬質基板材料亦適用於本揭露。在部份實施例中，軟性基板可包括聚醯亞胺(PI)基板、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板、或聚碳酸酯(PC)基板，但本揭露不限於此，其他適合的軟性基板材料亦適用於本揭露。
在部分實施例中，絕緣層14可包括有機絕緣材料或無機絕緣材料，例如，氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或其組合，但本揭露不限於此，其他適合的有機絕緣材料或無機絕緣材料亦適用於本揭露。
在部份實施例中，金屬層16可包括鉬、鋁、銅、鈦、或其組合，例如，鉬/鋁/鉬、鈦/鋁/鈦、或鈦/鋁/鉬，但本揭露不限於此，其他適合的金屬導電材料亦適用於本揭露。
在部份實施例中，第一半導體層18、第二半導體層24、以及第三半導體層26可包括矽鍺(SiGe)，但本揭露不限於此，其他可藉由調整製程參數(例如，溫度、氣體流量)而產生電阻溫度係數(TCR)差異的半導體材料亦適用於本揭露。
在部份實施例中，吸收層22可包括氧化矽、氮化矽、或氮氧化矽，但本揭露不限於此，其他適合的紅外線吸收材料亦適用於本揭露。
在部份實施例中，第一半導體層18的電阻溫度係數小於第二半導體層24與第三半導體層26的總電阻溫度係數。在部份實施例中，第二半導體層24與第三半導體層26的總電阻溫度係數大約為第一半導體層18的電阻溫度係數的20至40倍。在部份實施例中，第一半導體層18的電阻溫度係數介於大約0.02%至大約0.2%。在部份實施例中，第二半導體層24的電阻溫度係數介於大約0.8%至大約8%。
請參閱第3A~3H圖，根據本揭露的一實施例，提供一種紅外線元件的製造方法。第3A~3H圖為紅外線元件製造方法的剖面示意圖。
如第3A圖所示，提供基板12。接著，於基板12上，形成絕緣層14。在部份實施例中，可藉由例如濺射(sputtering)、旋轉塗佈(spin-coating)、化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)、低壓化學氣相沉積(low-pressure chemical vapor deposition，LPCVD)、低溫化學氣相沉積(low-temperature chemical vapor deposition，LTCVD)、快速熱化學氣相沉積(rapid thermal chemical vapor deposition，RTCVD)、電漿增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)、原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)、物理氣相沉積(physical vapor deposition)、分子束沉積(molecular beam deposition)、或其他合適的方法或前述之組合形成絕緣層14。
如第3B圖所示，於絕緣層14上，形成金屬層16，並進行圖案化。在部份實施例中，可藉由例如濺射、旋轉塗佈、化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積、低溫化學氣相沉積、快速熱化學氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、原子層沉積、物理氣相沉積、分子束沉積、或其他合適的方法或前述之組合形成金屬層16。接著，以圖案化光阻層(未圖示)為蝕刻遮罩，藉由蝕刻製程例如反應離子蝕刻(reactive ion etch，RIE)、中性束蝕刻(neutral beam etch，NBE)、或其他合適的方法或前述之組合進行金屬層16的圖案化步驟，以形成圖案化金屬層16，並藉由蝕刻或其他合適的方法移除上述圖案化光阻層。
如第3C圖所示，於金屬層16上，形成犧牲層17，並進行圖案化，以露出部分的金屬層16。在部份實施例中，犧牲層17可包括鍺、氧化矽、或聚醯亞胺(Polyimide，PI)，但本揭露不限於此，其他適合作為犧牲層的材料亦適用於本揭露。在部份實施例中，可藉由例如濺射、旋轉塗佈、化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積、低溫化學氣相沉積、快速熱化學氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、原子層沉積、物理氣相沉積、分子束沉積、或其他合適的方法或前述之組合形成犧牲層17。接著，以圖案化光阻層(未圖示)為蝕刻遮罩，藉由蝕刻製程例如反應離子蝕刻、中性束蝕刻、或其他合適的方法或前述之組合進行犧牲層17的圖案化步驟，以形成圖案化犧牲層17，露出部分的金屬層16，並藉由蝕刻或其他合適的方法移除上述圖案化光阻層。為了製造適當的紅外線反射腔體，須配合欲感測的紅外線波段來選擇適當的犧牲層厚度。
如第3D圖所示，於犧牲層17上，形成第一半導體層18，並覆蓋圖案化後的犧牲層17，以與金屬層16電性連接，並進行圖案化。在部份實施例中，可藉由例如濺射、旋轉塗佈、化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積、低溫化學氣相沉積、快速熱化學氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、原子層沉積、物理氣相沉積、分子束沉積、或其他合適的方法或前述之組合形成第一半導體層18。接著，以圖案化光阻層(未圖示)為蝕刻遮罩，藉由蝕刻製程例如反應離子蝕刻、中性束蝕刻、或其他合適的方法或前述之組合進行第一半導體層18的圖案化步驟，以形成圖案化第一半導體層18，並藉由蝕刻或其他合適的方法移除上述圖案化光阻層。在部份實施例中，在形成第一半導體層18的步驟中，若選用沉積法並以矽鍺(SiGe)作為第一半導體層18的材料，其操作溫度介於大約400℃至大約470℃，其通入矽烷(SiH 4)氣體的流量介於大約5sccm至大約50sccm，其通入鍺烷(GeH 4)氣體的流量介於大約1sccm至大約12sccm。
如第3E圖所示，於第一半導體層18上，形成吸收層22，並進行圖案化，以露出部分的第一半導體層18。在部份實施例中，可藉由例如濺射、旋轉塗佈、化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積、低溫化學氣相沉積、快速熱化學氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、原子層沉積、物理氣相沉積、分子束沉積、或其他合適的方法或前述之組合形成吸收層22。接著，以圖案化光阻層(未圖示)為蝕刻遮罩，藉由蝕刻製程例如反應離子蝕刻、中性束蝕刻、或其他合適的方法或前述之組合進行吸收層22的圖案化步驟，以形成圖案化吸收層22，露出部分的第一半導體層18，並藉由蝕刻或其他合適的方法移除上述圖案化光阻層。
如第3F圖所示，於吸收層22上，形成第二半導體層24，並覆蓋圖案化後的吸收層22，以與第一半導體層18電性連接。在部份實施例中，可藉由例如濺射、旋轉塗佈、化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積、低溫化學氣相沉積、快速熱化學氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、原子層沉積、物理氣相沉積、分子束沉積、或其他合適的方法或前述之組合形成第二半導體層24。在部份實施例中，在形成第二半導體層24的步驟中，若選用沉積法並以矽鍺(SiGe)作為第二半導體層24的材料，其操作溫度介於大約350℃至大約420℃，其通入矽烷(SiH 4)氣體的流量介於大約20sccm至大約200sccm，其通入鍺烷(GeH 4)氣體的流量介於大約2sccm至大約40sccm。在本實施例中，藉由調整製程參數(例如，溫度、氣體流量等)使第一半導體層18與第二半導體層24之間產生電阻溫度係數(TCR)的差異，例如，第二半導體層24的電阻溫度係數大約為第一半導體層18的電阻溫度係數的20至40倍。如第3F圖所示，第一半導體層18與第二半導體層24包覆吸收層22。當犧牲層17與吸收層22的材料相同時，在移除犧牲層17的過程中，被第一半導體層18與第 二半導體層24包覆的吸收層22即可避免損傷。
如第3G圖所示，對第二半導體層24、吸收層22、以及第一半導體層18進行蝕刻，以形成開口25，露出部分的犧牲層17。例如，以圖案化光阻層(未圖示)為蝕刻遮罩，藉由蝕刻製程例如反應離子蝕刻、中性束蝕刻、或其他合適的方法或前述之組合進行第二半導體層24、吸收層22、以及第一半導體層18的蝕刻步驟，以形成開口25，露出部分的犧牲層17，並藉由蝕刻或其他合適的方法移除上述圖案化光阻層。從第一半導體層18，加上後續的吸收層22與第二半導體層24等三層，疊合形成紅外線元件中的核心區域，兼具吸收與感測紅外光的功能。為了懸浮此三層感測結構，進一步透過蝕刻定義出支撐感測結構的引腳。
如第3H圖所示，藉由例如濕蝕刻移除犧牲層17，以於第一半導體層18、金屬層16與絕緣層14之間形成空腔20。至此，即完成紅外線元件10的製作。
本揭露紅外線元件(採用兩種以上的矽鍺(SiGe)材料，其電阻溫度係數(TCR)相異且差距至少達20至40倍)除可降低熱雜訊之外，亦可提升製程穩定度，降低應力對於元件平整度的影響。也就是，在引腳的設計上使用低TCR的矽鍺材料取代現有的金屬至少具備以下數個功效，包括：(1) 降低引腳的TCR (低TCR矽鍺材料的TCR可達0.05%，遠小於鈦的TCR (0.38%))，減少熱傳導雜訊；(2) 降低引腳的熱傳導量(矽鍺材料的熱傳導係數約為2.6W/mK，小於鈦的熱傳導係數(22.4W/mK)約10倍，絕熱效果優於鈦)，減少熱傳導雜訊；(3) 改善引腳的應力穩定度(低TCR矽鍺材料成長於氧化層上的應力值穩定不易飄動，有助於減少元件設計上的製造誤差，而鈦受後續製程溫度影響，應力易產生劇烈變化)；以及(4) 矽鍺材料對於蝕刻液的選擇比高，可耐蝕刻，鈦則無法抗蝕刻易受損傷。
10:紅外線元件 12:基板 14:絕緣層 16:(圖案化)金屬層 17:(圖案化)犧牲層 18:(圖案化)第一半導體層 20:空腔 22:吸收層 24:第二半導體層 25:開口 26:第三半導體層
第1圖係根據本揭露的一實施例，一種紅外線元件的剖面示意圖； 第2圖係根據本揭露的一實施例，一種紅外線元件的剖面示意圖；以及 第3A~3H圖係根據本揭露的一實施例，一種紅外線元件製造方法的剖面示意圖。
10:紅外線元件 12:基板 14:絕緣層 16:金屬層 18:第一半導體層 20:空腔 22:吸收層 24:第二半導體層

Claims (18)

  1. 一種紅外線元件，包括：一基板；一金屬層，設置於該基板上；一第一半導體層，設置於該基板上，其中該第一半導體層與該金屬層之間形成有一空腔，且該第一半導體層電性連接該金屬層；一吸收層，設置於該第一半導體層上；以及一第二半導體層，設置於該吸收層上，並電性連接該第一半導體層，其中該第一半導體層的電阻溫度係數與該第二半導體層的電阻溫度係數不同。
  2. 如請求項1的紅外線元件，其中該第一半導體層的電阻溫度係數小於該第二半導體層的電阻溫度係數。
  3. 如請求項2的紅外線元件，其中該第二半導體層的電阻溫度係數為該第一半導體層的電阻溫度係數的20至40倍。
  4. 如請求項1的紅外線元件，其中該吸收層包括氧化矽、氮化矽、或氮氧化矽。
  5. 如請求項1的紅外線元件，更包括一第三半導體層，設置於該第二半導體層上。
  6. 如請求項5的紅外線元件，其中該第二半導體層與該第三半導體層的總電阻溫度係數為該第一半導體層的電阻溫度係數的20至40倍。
  7. 一種紅外線元件，包括： 一基板；一金屬層，設置於該基板上；一第一矽鍺層，設置於該基板上，其中該第一矽鍺層與該金屬層之間形成有一空腔，且該第一矽鍺層電性連接該金屬層；一吸收層，設置於該第一矽鍺層上；以及一第二矽鍺層，設置於該吸收層上，並電性連接該第一矽鍺層，其中該第一矽鍺層的電阻溫度係數與該第二矽鍺層的電阻溫度係數不同。
  8. 如請求項7的紅外線元件，其中該第一矽鍺層的電阻溫度係數小於該第二矽鍺層的電阻溫度係數。
  9. 如請求項8的紅外線元件，其中該第二矽鍺層的電阻溫度係數為該第一矽鍺層的電阻溫度係數的20至40倍。
  10. 如請求項7的紅外線元件，更包括一第三矽鍺層，設置於該第二矽鍺層上。
  11. 如請求項10的紅外線元件，其中該第二矽鍺層與該第三矽鍺層的總電阻溫度係數為該第一矽鍺層的電阻溫度係數的20至40倍。
  12. 一種紅外線元件的製造方法，包括：提供一基板；形成一金屬層於該基板上；形成一犧牲層於該金屬層上；形成一第一矽鍺層於該犧牲層上，並電性連接該金屬層； 形成一吸收層於該第一矽鍺層上；形成一第二矽鍺層於該吸收層上，並電性連接該第一矽鍺層，其中該第一矽鍺層的電阻溫度係數與該第二矽鍺層的電阻溫度係數不同；以及移除該犧牲層，以於該第一矽鍺層與該金屬層之間形成一空腔。
  13. 如請求項12的紅外線元件的製造方法，其中在形成該第一矽鍺層的步驟中，其溫度介於400℃至470℃。
  14. 如請求項12的紅外線元件的製造方法，其中在形成該第一矽鍺層的步驟中，其通入矽烷(SiH4)氣體的流量介於5sccm至50sccm。
  15. 如請求項12的紅外線元件的製造方法，其中在形成該第一矽鍺層的步驟中，其通入鍺烷(GeH4)氣體的流量介於1sccm至12sccm。
  16. 如請求項12的紅外線元件的製造方法，其中在形成該第二矽鍺層的步驟中，其溫度介於350℃至420℃。
  17. 如請求項12的紅外線元件的製造方法，其中在形成該第二矽鍺層的步驟中，其通入矽烷氣體的流量介於20sccm至200sccm。
  18. 如請求項12的紅外線元件的製造方法，其中在形成該第二矽鍺層的步驟中，其通入鍺烷氣體的流量介於2sccm至40sccm。
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