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CN105070822B - 利用cmos制造技术形成热电堆传感器 - Google Patents

利用cmos制造技术形成热电堆传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及利用CMOS制造技术形成热电堆传感器。描述了在热电堆传感器附近形成吸收叠置体的技术。在一个或多个实施方式中，在半导体晶圆附近形成热电堆传感器。吸收叠置体形成在半导体晶圆附近，并且包括第一层、第二层和第三层。所述第一层可以是具有吸收特性和/或反射特性的材料。所述第二层可以是具有波相移特性的特性的材料。所述第三层可以是具有反射特性的材料。

Description

利用CMOS制造技术形成热电堆传感器
背景技术
热电堆传感器将热能转换为电能。这些传感器可以利用几个热电偶来生成与局部温度差(例如，温度梯度)成比例的输出电压。这些热电堆传感器可在医疗行业中用于测量体温，可用于热流传感器和/或煤气燃烧器的安全控制。
发明内容
描述了利用互补金属氧化物半导体(CMOS)半导体工艺在热电堆传感器附近形成吸收叠置体的技术。在一个或多个实施方式中，在半导体晶圆附近形成热电堆传感器。吸收叠置体形成在半导体晶圆附近，并且包括第一层、第二层和第三层。第一层可以是具有吸收特性和/或反射特性的材料。第二层可以是具有波相移特性的特性的材料。第三层可以是具有反射特性的材料，其相对于第一层和第二层最接近半导体晶圆(例如，硅衬底)。
提供发明内容，以简单形式引入概念的选择，以下在具体实施方式部分进一步描述所述概念。发明内容并不旨在标识所要求保护主体的关键特性或者基本特性，也不旨在用作辅助确定所要求保护主体的范围。
附图说明
参考附图对具体实施方式进行描述。具体实施方式的不同实例和附图中相同附图标记的使用可以指示类似或者相同的项目。
图1是示出了根据本公开内容的一个实施方式的半导体器件的图解的部分横截面侧视图。
图2是示出了根据本公开内容的另一个实施方式的半导体器件的图解的部分横截面侧视图。
图3是示出了示例性实施方式中的用于制造本公开内容中公开的半导体器件的工艺的流程图。
图4是示出了根据本公开内容的在制造期间的半导体器件的图解的部分横截面侧视图。
图5是示出了根据本公开内容的在制造期间的半导体器件的另一个部分横截面侧视图。
图6是示出了根据本公开内容的在制造期间的半导体器件的另一个部分横截面侧视图。
图7是示出了根据本公开内容的在制造期间的半导体器件的另一个部分横截面侧视图。
图8是示出了根据本公开内容的在制造期间的半导体器件的另一个部分横截面侧视图。
具体实施方式
概述
热电堆传感器用于多种应用中。对于为大约三十七摄氏度的目标温度(用于医疗应用)，红外辐射的峰值可为大约十微米。因此，热电堆传感器可需要对出现在八微米到十二微米波长范围内的光的敏感度。一些情况下，热电堆传感器可以延伸为测量十四微米波长范围内出现的光。另外，吸收红外辐射的效率以及生成与该红外辐射成比例的热量的效率可以是影响热电堆传感器灵敏度的参数。
因此，描述了利用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术在热电堆传感器附近形成吸收叠置体的技术。在一个或多个实施方式中，在半导体晶圆附近形成热电堆传感器。吸收叠置体形成在半导体晶圆附近，并且包括第一层、第二层和第三层。第一层可以是具有吸收特性和/或反射特性的材料。第二层可以是具有波相移特性的特性的材料。第三层可以是具有反射特性的材料，其在八到十四微米波长范围中会是透明的。
在下面的讨论中，首先描述示例性半导体器件。然后描述可以用于制造示例性半导体器件的示范性过程。
示例性实施方式
根据本公开内容的示例性实施方式，图1和图2分别示出了半导体器件100和半导体器件200的横截面视图。如图所示，具有一个或多个硅区102的半导体器件100形成在衬底104中。在一个或多个实施方式中，半导体器件100包括热电堆传感器106。热电堆传感器106被配置为将热能转换为电能。在实施方式中，热电堆传感器106基于长波红外(LWIR)发射来生成输出电压。
利用硅区102产生集成电路器件技术(例如，互补型金属氧化物半导体(CMOS)技术，微机电系统(MEMS)技术等)。硅区102可以以多种方式进行配置。在实施方式中，硅区102能够相衬底104提供电荷载流子。例如，硅区102可以包括能够提供作为电荷载流子的额外的导电电子的n型扩散区。在另一个例子中，硅区102可以包括提供作为电荷载流子的额外的空穴的p型扩散区。在另一个例子中，硅区102可以包括n型阱。在再另一个例子中，硅区102可以包括p型阱。一个或多个硅区102形成在衬底104的顶表面108附近。
衬底104包括基底材料，所述基底材料用于通过不同制造技术(诸如，光刻，离子注入，沉积，蚀刻等)来形成一个或多个电子器件。衬底104可以以多种方式进行配置。实施方式中，衬底104可以至少部分地包括硅晶圆。衬底104可以包括n型硅晶圆或者p型硅晶圆。例如，衬底104可以包括V族元素(例如，磷，砷，锑等)，以将n型电荷载流子元素供给到衬底晶圆。在另一个实施例中，衬底104可以包括IIIA族元素(例如，硼等)，以将p型载流子元素供给到衬底晶圆。
如图1所示，半导体器件100还包括在衬底104上方形成的氧化绝缘材料110(例如，二氧化硅(SiO2))。在一些实施方式中，如图2所示，半导体器件100还可以包括一种或多种氧化物绝缘材料111A，111B，111C。例如，氧化绝缘材料111A包括二氧化硅材料，氧化物绝缘材料111B可以包括硅氮化物材料，以及氧化物绝缘材料111C可以包括二氧化硅材料。绝缘材料110、111A、111B、111C用于作为机械上稳定的相对薄的膜结构使用。在一些实施方式中，测量和计算与绝缘材料110、111A、111B、111C相关联的应力，以确定绝缘材料110、111A、111B、111C的尺寸。膜结构提供了热接点(junction)(例如，本文所述的吸收叠置体126)与冷接点(例如，硅衬底104的体)之间的热传导，当通过入射到相应半导体器件100、200上的电磁辐射(例如，光)将热吸收时，其可导致吸收叠置体与硅衬底的体之间温度差更大。
返回参考附图1，第一多晶硅材料112和第二多晶硅材料114形成在二氧化硅膜层110上方。半导体器件100包括在第一多晶硅材料112与第二多晶硅材料114之间形成的用于提供绝缘特性的氧化物层116。第一多晶硅材料112和第二多晶硅材料114包括用于热电堆传感器106的热电偶材料。如图2所示，用于半导体器件200的热电堆传感器材料可以包括其之间形成有氧化物材料116的多晶硅材料112和导电材料115。在此实施方式中，多晶硅材料112和导电材料115包括用于热电堆传感器106的热电偶材料。导电材料115可以包括铝或者其它适合的导电材料。如图1和图2所示，绝缘材料117可以形成在半导体器件100、200上方。在实施方式中，绝缘材料117包括硼磷硅玻璃材料。
一个或多个导电区118还形成在衬底104上方。例如，导电区118包括接合焊盘120和半导体器件100的第一多晶硅材料112与第二多晶硅材料114之间的或者半导体器件200的多晶硅材料112与导电材料115之间的互连122。在实施方式中，导电材料118包括用于提供电互连特性的适当导电材料。例如，导电材料118可以包括铝或者其它适当材料。
如图1和涂2所示，钝化层124形成在衬底104上方。在实施方式中，钝化层124包括用于使半导体器件100的各层隔离的磷硅玻璃(PSG)材料。在具体实施方式中，钝化层124包括小于或者等于一百纳米的厚度。例如，厚度的范围可以从大约五十纳米到大约一百纳米。然而，可以根据设计需要利用其它厚度。
半导体器件100、200还包括吸收叠置体126。如图所示，吸收叠置体126包括如本文所述的多种材料(例如，材料层)。吸收叠置体126向热电堆传感器106提供吸收功能和/或反射功能。在实施方式中，吸收叠置体126包括第一层128、第二层130(例如，n型多晶硅、非晶硅、锗等)、以及第三层132(例如，钛)。在各个的实施方式中，第一层128包括提供反射特性的材料。例如，第一层128可以包括具有范围从大约二十纳米到大约一百纳米的厚度的铝材料。在各个的实施方式中，第二层130包括提供波相移(例如，四分之一波长相移)特性的长波红外(LWIR)材料。例如，第二层130可以包括n型多晶硅材料、非晶硅材料或者锗，以及第二层130可以具有范围从大约五百纳米到大约七百五十纳米的厚度。在各个实施方式中，第三层132包括提供吸收特性和/或反射特性的材料。例如，第三层132包括具有范围从大约二纳米到大约五纳米的厚度的钛材料。
如图1所示，吸收叠置体126还包括设置在器件100、200上的第三层134和/或第四层136。第三层和第四层134、136向器件100、200提供吸收特性和/或反射特性。如图所示，第三层和第四层134、136设置在吸收叠置体126和热电堆传感器106上方。在实施方式中，第三层134包括具有大约为二百五十纳米的厚度的硼磷硅玻璃(BPSG)材料，以及第四层136包括具有大约为二百五十纳米的厚度的氮化硅材料。
示例性制造工艺
附图3描绘了根据本公开内容的用于制造半导体器件(例如，半导体器件100、半导体器件200)的示例性工艺300。一个或多个实施方式中，工艺300可以利用适当的互补金属氧化物半导体(CMOS)半导体处理技术来制造半导体器件100(或半导体器件200)。半导体晶圆400中的包括衬底104的一部分在图4-8中示出。提供了半导体晶圆，如图3所示(框302)。在一个或多个实施方式中，如图4所示，半导体晶圆400包括具有氧化层404(例如，二氧化硅膜)的半导体衬底402。在所示工艺300中，沉积热电偶材料，以形成热电堆传感器(框304)。沉积并且蚀刻第一多晶硅层406、氧化层408、以及第二多晶硅层410，以定义包括热电堆传感器的热电偶材料。在热电堆材料上方和周围可以沉积并且选择性地蚀刻各个钝化层411(诸如BPSG材料)。在另外的实施方式中，热电堆材料可以包括多晶硅层、导电层(例如，铝)、以及至少部分地在其之间形成的氧化层，如以上参考图2所述的。
在半导体晶圆上形成导电区(框306)。例如，在半导体晶圆400上方沉积并且选择性地蚀刻一种或者多种导电材料412，以形成接合焊盘414和互连416。在半导体晶圆上方形成钝化层(框308)。在实施方式中，如图5所示，在半导体晶圆400上方沉积钝化层418，诸如PSG材料。
如图3所示，形成吸收叠置体(框310)。如上所述，吸收叠置体可以包括用于为热电堆感测提供吸收特性和/或反射特性的多个层。在实施方式中，在半导体晶圆400上方沉积第一层420(例如，铝层)、第二层422(例如，多晶硅层、非晶硅层、或者锗)、以及第三层424(例如，钛)，如图6所示。然后可以利用适当的蚀刻技术对层420、422、424进行选择性地蚀刻，以定义吸收叠置体426。在半导体晶圆上方沉积一个或者多个钝化层(框312)。在一个或多个实施方式中，如图7所示，在半导体晶圆400上方沉积第一钝化层428(例如，BPSG材料)和第二钝化层430(氮化硅材料)。钝化层428、430用于增加吸收叠置体426的吸收特性(例如，与不包括钝化层428、430的吸收叠置体相比，吸收叠置体426吸收更大量的入射到吸收叠置体426上的光)。然后对在半导体晶圆400上方形成的各个层进行选择性蚀刻，以暴露接合焊盘414(参见，图8)。可以利用适当的背面处理技术来完成半导体器件100、200。例如，如图1和图2所示，可以至少部分去掉半导体衬底104中的一部分，以暴露绝缘材料110(例如，二氧化硅膜)等。
结论
尽管已经以特定于结构特征和/或工艺操作的语言对主体进行描述，应当理解的是，所附权利要求中定义的主题并不必限于上述特定特性或者动作。相反，上面所述的特定特性和动作公开为实施权利要求的示例性形式。

Claims (18)

1.一种制造半导体器件的工艺，包括：
在半导体晶圆附近形成热电堆传感器，所述热电堆传感器至少包括第一热电偶材料和第二热电偶材料；
在所述半导体晶圆附近并且在所述热电堆传感器附近形成吸收叠置体，所述吸收叠置体向所述热电堆传感器提供吸收功能和/或反射功能，并且所述吸收叠置体包括：具有吸收特性或反射特性中的至少一个的第一层；具有波相移特性的第二层，所述第二层与所述第一层不同；以及具有反射特性的第三层，所述第三层与所述第一层和所述第二层不同；以及
在所述热电堆传感器上方形成第一钝化层。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述第一层包括钛材料，所述第二层包括多晶硅材料、非晶硅材料或者锗材料中的至少一种，以及所述第三层包括铝。
3.根据权利要求1所述的工艺，其中，氧化层设置在所述第三层上方。
4.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述第一层具有范围从三纳米到五纳米的厚度，所述第二层具有范围从六百纳米到七百五十纳米的厚度，以及所述第三层具有范围从二十纳米到五十纳米的厚度。
5.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述第一钝化层包括磷硅玻璃(PSG)材料。
6.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述第一钝化层的厚度的范围从五十纳米到一百纳米。
7.根据权利要求1所述的工艺，还包括在所述吸收叠置体上方形成第二钝化层和第三钝化层。
8.根据权利要求7所述的工艺，其中，所述第二钝化层包括氮化硅材料，以及所述第三钝化层包括硼磷硅玻璃材料。
9.一种半导体器件，包括：
半导体衬底；
热电堆传感器，所述热电堆传感器设置在所述半导体衬底附近，所述热电堆传感器至少包括第一热电偶材料和第二热电偶材料；
吸收叠置体，所述吸收叠置体设置在所述半导体衬底附近并且设置在所述热电堆传感器附近，所述吸收叠置体向所述热电堆传感器提供吸收功能和/或反射功能，并且所述吸收叠置体包括：具有吸收特性或反射特性中的至少一个的第一层；具有波相移特性的第二层，所述第二层与所述第一层不同；以及具有反射特性的第三层，所述第三层与所述第一层和所述第二层不同；以及
至少一个钝化层，所述至少一个钝化层设置在所述半导体衬底附近，所述至少一个钝化层设置在所述吸收叠置体上方，以增加所述吸收叠置体的吸收特性。
10.根据权利要求9所述的半导体器件，其中，所述第一层包括钛材料，所述第二层包括多晶硅材料、非晶硅材料或者锗材料中的至少一种，以及所述第三层包括铝。
11.根据权利要求9所述的半导体器件，还包括设置在所述第三层上方的氧化层。
12.根据权利要求9所述的半导体器件，其中，所述第一层具有范围从三纳米到五纳米的厚度，所述第二层具有范围从六百纳米到七百五十纳米的厚度，以及所述第三层具有范围从二十纳米到五十纳米的厚度。
13.根据权利要求9所述的半导体器件，其中，所述至少一个钝化层包括第一钝化层和第二钝化层。
14.根据权利要求13所述的半导体器件，其中，所述第一钝化层包括氮化硅材料，以及所述第二钝化层包括磷硅玻璃材料。
15.一种半导体器件，包括：
半导体衬底；
热电堆传感器，所述热电堆传感器设置在所述半导体衬底附近，所述热电堆传感器至少包括第一热电偶材料和第二热电偶材料；
吸收叠置体，所述吸收叠置体设置在所述半导体衬底附近并且设置在所述热电堆传感器附近，所述吸收叠置体向所述热电堆传感器提供吸收功能和/或反射功能，并且所述吸收叠置体包括：具有吸收特性或反射特性中的至少一个的第一层；具有波相移特性的第二层，所述第二层与所述第一层不同；以及具有反射特性的第三层，所述第三层与所述第一层和所述第二层不同；
第一钝化层，所述第一钝化层设置在所述半导体衬底附近，所述第一钝化层设置在所述吸收叠置体上方，以增加所述吸收叠置体的吸收特性；以及
第二钝化层，所述第二钝化层设置在所述半导体衬底附近，所述第二钝化层设置在所述第一钝化层上方。
16.根据权利要求15所述的半导体器件，其中，所述第一层包括钛材料，所述第二层包括多晶硅材料、非晶硅材料或者锗材料中的至少一种，以及所述第三层包括铝。
17.根据权利要求15所述的半导体器件，其中，所述第一钝化层包括氮化硅材料，以及所述第二钝化层包括磷硅玻璃材料。
18.根据权利要求15所述的半导体器件，还包括设置在所述半导体衬底附近的第三钝化层，所述第三钝化层的至少一部分设置在所述热电堆传感器上方，其中，所述第一钝化层和所述第二钝化层设置在所述第三钝化层上方。
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