МИКРОБОЛОМЕТР С УПРОЧНЕННЫМИ ПОДДЕРЖИВАЮЩИМИ БАЛКАМИ И СПОСОБЫ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в фотоприемных устройствах инфракрасного диапазона, в частности в дешевых тепловизорах охранных систем для круглосуточного, всепогодного обзора и опознания объектов на охраняемой территории.

Известен, микроболометр, выполненный в исходной структуре, состоящей из активного слоя полупроводника, слоя изолятора и полупроводниковой подложки, в виде поддерживаемого на термоизолирующих балках над вытравленной полостью термоизолированного участка активного слоя полупроводника, содержащего поглощающий элемент, находящийся с ним в тепловом контакте, нагреваемый поглощаемым излучением, и температурочувствительный элемент электрической схемы, расположенной вне термоизолированного участка, соединенный с ней проводниками, проходящими по балкам. См. патенты США: 6,573,504 Y. Iida и др. "Infrared sensor and manufacturing method thereof", 5,789,753 M.V. Wadsworth и др. "Stress tolerant bolometer".

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство, описанное в патенте США 6,573,504. Оно и способ его изготовления, направленные на получение за счет утонения балки ее максимального теплового сопротивления при использовании минимального числа дополнительных операций стандартного технологического процесса изготовления ИС, обеспечивают хорошие параметры и низкую стоимость болометрических приемников, но не обеспечивают хорошей механической прочности, необходимой в ряде применений. В патенте США 7,789,753 предложено для упрочнения длинных тонких балок использовать подставки-столбики. Их недостаток - снижение теплового сопротивления балки.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание конструкции и способов изготовления дешевого микроболометра с утоненными, но упрочненными поддерживающими балками.

Указанный результат достигается за счет того, что в известном устройстве микроболометра, выполненного в исходной структуре, состоящей из активного слоя полупроводника, слоя изолятора и полупроводниковой подложки, в виде поддерживаемого на термоизолирующих балках над вытравленной полостью термоизолированного участка активного слоя полупроводника, содержащего поглощающий элемент, находящийся с ним в тепловом контакте, нагреваемый поглощаемым излучением, и температурочувствительный элемент электрической схемы, расположенной вне термоизолированного участка, соединенный с ней проводниками, проходящими по балкам, и в известных способах его изготовления, включающем изготовление КМОП структуры в активном слое полупроводника с формированием соединений и боковой частичной изоляции компонентов диэлектриком, нанесение поглощающих слоев, формирование маски и вертикальное травление в ее зазорах поглощающих и диэлектрических слоев, изотропное травление активного слоя полупроводника, вертикальное травление слоя изолятора, вертикальное травление активного полупроводника, удаление маски, нанесение на все поверхности защитного диэлектрика, вертикальное травление защитного диэлектрика, травление подложечного полупроводника для образования в нем термоизолирующей полости, нанесение на все поверхности защитного диэлектрика, или включающем изготовление КМОП структуры в активном слое полупроводника с формированием соединений и боковой полной изоляции компонентов диэлектриком, нанесение поглощающих слоев, формирование маски и вертикальное травление в ее зазорах поглощающих и диэлектрических слоев, изотропное травление активного слоя полупроводника, вертикальное травление слоя изолятора, травление подложечного полупроводника для образования в нем термоизолирующей полости, удаление маски, нанесение на все поверхности защитного диэлектрика,

предложено:

- балки выполнить двухслойными со слоями, разделенными термоизолирующим зазором;

- при изготовлении КМОП структуры с боковой частичной изоляцией компонентов диэлектриком вертикальное травление в зазорах маски поглощающих и диэлектрических слоев проводить через первую встроенную маску, формируемую при изготовлении КМОП структуры вокруг термоизолируемого участка активного слоя полупроводника над диэлектриком боковой изоляции в виде рамки из жертвенного поликремния шириной не менее половины ширины термоизолирующей балки, удаляемого при изотропном травлении активного слоя полупроводника, травление диэлектриков, активного и подложечного полупроводников проводить через вторую встроенную маску, в качестве которой использовать проводники соединений над балками, выполненные из устойчивого к процессам травления материала;

- при изготовлении КМОП структуры с боковой полной изоляцией компонентов диэлектриком травление в зазорах маски диэлектриков, активного и подложечного полупроводников проводить через дополнительную встроенную маску, в качестве которой использовать проводники соединений над балками, выполненные из устойчивого к процессам травления материала.

Указанный выше технический результат достигается совокупностью перечисленных выше новых признаков изобретения.

Высокая механическая прочность балки при максимальном термосопротивлении и минимальной стоимости изготовления достигается выполнением ее двухслойной со слоями, разделенными термоизолирующим зазором, и предельно технологически утоненными.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих устройство, реализующее заявляемое изобретение

Фиг.1 показывает устройство-прототип.

Фиг.2а иллюстрирует предлагаемое устройство микроболометра, изготовленного по способу, предназначенному для КМОП структуры с боковой частичной изоляцией компонентов диэлектриком.

Фиг.2б иллюстрирует предлагаемое устройство микроболометра, изготовленного по способу, предназначенному для КМОП структуры с боковой полной изоляцией компонентов диэлектриком.

Предлагаемый микроболометр состоит (см. фиг.2а, 2б) из выполненного в исходной структуре, состоящей из активного слоя полупроводника (1), слоя изолятора (2) и полупроводниковой подложки (3), в виде поддерживаемого на термоизолирующих балках (4) над вытравленной полостью (5) термоизолированного участка (6) активного слоя полупроводника, содержащего поглощающий элемент (7), находящийся с ним в тепловом контакте, нагреваемый поглощаемым излучением, и температурочувствительный элемент (8) электрической схемы, расположенной вне термоизолированного участка, соединенный с ней проводниками (9), проходящими по балкам, причем балки выполнены двухслойными со слоями, разделенными термоизолирующим зазором (10).

Предложены два способа изготовления микроболометров с двухслойными балками.

Способ, включающий КМОП структуру в активном слое полупроводника (1) с формированием соединений (9) и боковой частичной изоляции компонентов диэлектриком (11), нанесение поглощающих слоев (7), формирование маски над термоизолированным участком (6) активного слоя полупроводника (не показана) и вертикальное травление в ее зазорах (12) поглощающих и диэлектрических слоев (7), изотропное травление активного слоя полупроводника (1), вертикальное травление, слоя изолятора (2), вертикальное травление оставшихся при изотропном травлении участков активного полупроводника (не показаны), удаление маски, нанесение на все поверхности защитного диэлектрика (не показан), вертикальное травление защитного диэлектрика, травление подложечного полупроводника (3) для образования в нем термоизолирующей полости (5), нанесение на все поверхности защитного диэлектрика (13), отличающийся тем, что вертикальное травление в зазорах (12) маски поглощающих и диэлектрических слоев, проводится через первую встроенную маску, формируемую при изготовлении КМОП структуры вокруг термоизолируемого участка (6) активного слоя полупроводника над диэлектриком боковой изоляции (11) в виде рамки из жертвенного поликремния (не показана) шириной не менее половины ширины термоизолирующей балки (4), удаляемого при изотропном травлении активного слоя полупроводника (1), травление диэлектриков, активного и подложечного полупроводников проводится через вторую встроенную маску, в качестве которой используются проводники (9) соединений над балками (4), выполненные из устойчивого к процессам травления материала.

Способ, включающий КМОП структуру в активном слое полупроводника (1) с формированием соединений (9) и боковой полной изоляции (14) компонентов диэлектриком, нанесение поглощающих слоев (7), формирование маски над термоизолированным участком (6) активного слоя полупроводника (не показана) и вертикальное травление в ее зазорах (12) поглощающих и диэлектрических слоев (7), изотропное травление активного слоя полупроводника (1), вертикальное травление слоя изолятора (2), травление подложечного полупроводника (3) для образования в нем термоизолирующей полости (5), удаление маски, нанесение на все поверхности защитного диэлектрика (13), отличающийся тем, что травление в зазорах (12) маски диэлектриков, активного (1) и подложечного (3) полупроводников проводится через дополнительную встроенную маску, в качестве которой используются проводники (9) соединений над балками (4), выполненные из устойчивого к процессам травления материала.

Устройство работает следующим образом.

Лучи от сцены попадают на поглощающий элемент (7), который нагреваясь (или остывая) передает свою температуру термоизолированному участку полупроводника (6) и соответственно температурочувствительному элементу (8) электрической схемы, расположенной вне термоизолированного участка, соединенному с ней проводниками (9), проходящими по балкам (4). Электрическая схема (не показана) преобразует изменение температуры в пропорциональный электрический сигнал. Утечка тепла по балке (4) от термоизолированных элементов (6, 7, 8) согласно изобретению снижена ее утонением, а прочность повышена благодаря двухслойной конструкции.

Изготовление согласно предложенным двум способам производится следующим образом.

После изготовления КМОП структуры в активном слое полупроводника (1) с формированием соединений (9) и боковой частичной изоляции компонентов диэлектриком (11) производится нанесение поглощающих слоев (7). Затем формируется маска, предотвращающая выполнение последующих операций над термоизолированным участком (6, 7, 8). Проводится вертикальное травление в зазорах (12) маски поглощающих и диэлектрических слоев (7) до рамки жертвенного поликремния и проводников (9) над балкой (4), служащих дополнительными встроенными масками. В результате остаются низлежащие диэлектрики под поликремнием и проводником (9), поэтому изотропное травление активного слоя полупроводника (1) удаляет его из-под первого слоя балки до изолятора (11), но не доходит вбок до термоизолируемого участка полупроводника (6). При этом также удаляется и поликремниевая маска. После вертикального травления слоя изолятора (2) и затем вертикального травления оставшихся при изотропном травлении участков активного полупроводника (не показаны) удаляется верхняя (фоторезистивная) маска. Остается не стравленным второй слой балки (4) из изолятора (11), заслоненный проводником (9). Затем производятся: нанесение на все поверхности защитного диэлектрика (не показан), вертикальное травление защитного диэлектрика (на верхних поверхностях), изотропное или анизотропное травление подложечного полупроводника (3) для образования в нем термоизолирующей полости (5) и нанесение на все поверхности защитного диэлектрика (13).

По второму способу производятся те же операции, что и по первому кроме формирования жертвенного поликремния и связанных с ним операций вертикального травления оставшихся при изотропном травлении участков активного полупроводника, промежуточного нанесения на все поверхности защитного диэлектрика и его вертикального травления. Эти операции оказываются излишними в следствии полной боковой изоляции компонентов, выполняемой на стадии изготовления КМОП структуры.

Дешевизна обоих способов связана с использованием только одной дополнительной к стандартному КМОП процессу фоторезистивной маски и последующих стандартных для него операций.

Настоящее описание изобретения, в т.ч. состава и работы устройства, включая предлагаемый вариант его исполнения, предполагает его дальнейшее возможное совершенствование специалистами, и не содержит каких-либо ограничений в части реализации. Все притязания сформулированы исключительно в формуле изобретения.

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в фотоприемных устройствах инфракрасного диапазона. В микроболометре, выполненном в исходной структуре в виде поддерживаемого на термоизолирующих балках над вытравленной полостью термоизолированного участка активного слоя полупроводника, содержащего находящийся с ним в тепловом контакте поглощающий элемент, нагреваемый поглощаемым излучением, и температурочувствительный элемент электрической схемы, расположенной вне термоизолированного участка, соединенный с ней проводниками, проходящими по балкам, балки выполнены двухслойными со слоями, разделенными термоизолирующим зазором. Предложены способы изготовления микроболометра с упрочненными поддерживающими балками. Изобретение обеспечивает создание конструкции и технологии изготовления дешевого микроболометра с утоненными, но упрочненными поддерживающими балками. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Микроболометр, выполненный в исходной структуре, состоящей из активного слоя полупроводника, слоя изолятора и полупроводниковой подложки, в виде поддерживаемого на термоизолирующих балках над вытравленной полостью термоизолированного участка активного слоя полупроводника, содержащего поглощающий элемент, находящийся с ним в тепловом контакте, нагреваемый поглощаемым излучением, и температурочувствительный элемент электрической схемы, расположенной вне термоизолированного участка, соединенный с ней проводниками, проходящими по балкам, отличающийся тем, что балки выполнены двухслойными со слоями, разделенными термоизолирующим зазором.

2. Способ изготовления микроболометров с двухслойными балками по п.1, включающий изготовление КМОП структуры в активном слое полупроводника с формированием соединений и боковой частичной изоляции компонентов диэлектриком, нанесение поглощающих слоев, формирование маски и вертикальное травление в ее зазорах поглощающих и диэлектрических слоев, изотропное травление активного слоя полупроводника, вертикальное травление слоя изолятора, вертикальное травление активного полупроводника, удаление маски, нанесение на все поверхности защитного диэлектрика, вертикальное травление защитного диэлектрика, травление подложечного полупроводника для образования в нем термоизолирующей полости, нанесение на все поверхности защитного диэлектрика, отличающийся тем, что вертикальное травление в зазорах маски поглощающих и диэлектрических слоев проводится через первую встроенную маску, формируемую при изготовлении КМОП структуры вокруг термоизолируемого участка активного слоя полупроводника над диэлектриком боковой изоляции в виде рамки из жертвенного поликремния шириной не менее половины ширины термоизолирующей балки, удаляемого при изотропном травлении активного слоя полупроводника, травление диэлектриков, активного и подложечного полупроводников проводится через вторую встроенную маску, в качестве которой используются проводники соединений над балками, выполненные из устойчивого к процессам травления материала.

3. Способ изготовления микроболометров с двухслойными балками по п.1, включающий изготовление КМОП структуры в активном слое полупроводника с формированием соединений и боковой полной изоляции компонентов диэлектриком, нанесение поглощающих слоев, формирование маски и вертикальное травление в ее зазорах поглощающих и диэлектрических слоев, изотропное травление активного слоя полупроводника, вертикальное травление слоя изолятора, травление подложечного полупроводника для образования в нем термоизолирующей полости, удаление маски, нанесение на все поверхности защитного диэлектрика, отличающийся тем, что травление в зазорах маски диэлектриков, активного и подложечного полупроводников проводится через дополнительную встроенную маску, в качестве которой используются проводники соединений над балками, выполненные из устойчивого к процессам травления материала.