光電傳感器的制造方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]電子傳感器測量物理量，并且將測量到的物理量轉(zhuǎn)換為被提供給電子儀器(例如集成芯片處理器)的信號。在近些年，使用傳感器的區(qū)域的數(shù)目已經(jīng)劇烈擴(kuò)展。例如，可以在各種應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)傳感器，諸如化學(xué)劑檢測單元、醫(yī)療診斷設(shè)備、工業(yè)過程控制、污染監(jiān)測、
汽車等。
[0002]諸如例如中紅外(IR)傳感器之類的紅外傳感器測量從具有絕對零度之上的溫度的物體發(fā)射的在電磁頻譜的紅外(IR)部分的輻射。中紅外頻譜覆蓋具有在大約2?25 μ m的范圍內(nèi)的波長的電磁輻射。通過測量MIR頻譜的改變，傳感器能夠測量例如樣品的化學(xué)性質(zhì)或溫度的改變。
【附圖說明】
[0003]圖1 A是所公開的紅外(IR)光電傳感器的一些實(shí)施例的俯視圖的框圖。
[0004]圖1B到IC圖示了圖1A的紅外(IR)光電傳感器的橫截面視圖。
[0005]圖2是具有被集成到波導(dǎo)中的發(fā)射器的IR傳感器的一些實(shí)施例的橫截面視圖。
[0006]圖3A到3B圖示了具有被集成到波導(dǎo)中的發(fā)射器的IR傳感器的一些附加的實(shí)施例的橫截面視圖。
[0007]圖4圖示了具有在波導(dǎo)的平面之外的發(fā)射器的IR傳感器的一些附加的實(shí)施例的橫截面視圖。
[0008]圖5是具有一個或多個硅脊型(rib)波導(dǎo)的IR傳感器的一些實(shí)施例的三維視圖。
[0009]圖6是具有一個或多個硅脊型波導(dǎo)的IR傳感器的一些可替換的實(shí)施例的三維視圖，所述一個或多個硅脊型波導(dǎo)位于硅襯底的背側(cè)中的一個或多個腔之上。
[0010]圖7A到7B圖示了圖6的硅襯底的背側(cè)的一些實(shí)施例的俯視圖。
[0011]圖8圖示了具有多個電介質(zhì)層的IR傳感器的一些可替換的實(shí)施例的橫截面視圖，所述多個電介質(zhì)層被配置成提供硅波導(dǎo)與位于下面的襯底之間的光隔離。
[0012]圖9A圖不了具有光子晶體波導(dǎo)的IR傳感器的一些實(shí)施例的俯視圖。
[0013]圖9B圖示了具有光子晶體波導(dǎo)的IR傳感器的一些實(shí)施例的橫截面視圖。
[0014]圖10是具有光子晶體波導(dǎo)的IR傳感器的一些可替換的實(shí)施例的俯視圖。
[0015]圖11圖示了具有光子晶體波導(dǎo)的IR傳感器的更詳細(xì)的實(shí)施例的俯視圖。
[0016]圖12是形成具有硅波導(dǎo)的IR傳感器的示例方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]現(xiàn)在參照附圖來描述所要求保護(hù)的主題物，其中同樣的附圖標(biāo)記貫穿始終被用來指代同樣的元件。在下面的描述中，為了解釋的目的，陳述無數(shù)特定的細(xì)節(jié)，以便提供所要求保護(hù)的主題物的透徹理解。然而，可能顯而易見的是，沒有這些特定細(xì)節(jié)也可以實(shí)踐所要求保護(hù)的主題物。
[0018]通過使用在電磁頻譜的紅外區(qū)的輻射(S卩，具有為大約2~25 μπι波長的輻射)來執(zhí)行紅外頻譜法(spectroscopy)。許多當(dāng)代傳感器使用電磁頻譜的紅外區(qū)來測量流體和/或氣體樣品的性質(zhì)。這樣的傳感器生成IR輻射，當(dāng)使得所述IR輻射與樣品接觸時，所述IR輻射與樣品反應(yīng)以引起IR輻射的改變(例如，衰減)。傳感器接著測量IR輻射頻譜的改變以確定樣品的性質(zhì)。
[0019]IR輻射頻譜中的樣品的特征吸收的測量(其表示了作為特定物質(zhì)的化學(xué)指紋)示出了在是針對該物質(zhì)的特性的特定波長處的較強(qiáng)的吸收。通過將物質(zhì)暴露于寬帶IR輻射，并且在輻射已經(jīng)通過或部分穿透樣品之后確定頻譜中的吸收，可以使用該特征。
[0020]在近些年，隨著在其中使用傳感器的區(qū)域的數(shù)目已經(jīng)增加，傳感器研宄已經(jīng)經(jīng)歷了密集的增長。當(dāng)傳感器被放置到更多各種應(yīng)用中時，針對傳感器設(shè)備的挑戰(zhàn)變得更加復(fù)雜。一個這樣的挑戰(zhàn)是形成兼容于硅基技術(shù)并且與硅基技術(shù)集成的傳感器。通過將傳感器集成到硅基技術(shù)中，傳感器可以例如容易地與其他部件(諸如處理器、存儲器等)一起被制造到單個集成芯片上。
[0021]本公開涉及包括實(shí)現(xiàn)在單個集成芯片上的硅波導(dǎo)的光電傳感器。在一些實(shí)施例中，IR傳感器包括被配置成生成輻射的輻射源以及被配置成測量輻射的一個或多個性質(zhì)的輻射檢測器。硅波導(dǎo)(即由硅制成的光波導(dǎo))沿著輻射源和輻射檢測器之間的長度延伸。硅波導(dǎo)被配置成以單模從輻射源向輻射檢測器運(yùn)送輻射。被運(yùn)送的輻射形成從硅波導(dǎo)向外延伸的漸逝場，以與在漸逝場的適當(dāng)位置定位的樣品相互作用。當(dāng)漸逝場與樣品相互作用時，由硅波導(dǎo)引導(dǎo)的輻射根據(jù)樣品的一個或多個特性被衰減(例如，特別地，輻射在對應(yīng)于引導(dǎo)的一個或多個波的波長的波長區(qū)中被吸收)。輻射檢測器被配置成接收經(jīng)衰減的MIR輻射，并且根據(jù)經(jīng)衰減的MIR輻射來確定樣品的一個或多個特性。
[0022]圖1A是公開的紅外光電傳感器(IR傳感器)的一些實(shí)施例的俯視圖100的框圖。
[0023]IR傳感器包括輻射輸入導(dǎo)管104、相互作用體積(volume) 106、以及輻射輸出導(dǎo)管108。半導(dǎo)體襯底102包括沿著福射輸入導(dǎo)管104與福射輸出導(dǎo)管108之間的長度延伸的硅波導(dǎo)110。將要領(lǐng)會的是，在各種實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底102可以具有變化的特征。例如，硅襯底可以包括微結(jié)構(gòu)(例如，形成所謂的光子晶體的孔的有規(guī)律的圖案)、硅波導(dǎo)102與位于下面的娃襯底之間的其他材料(例如氮化娃)的層、和/或位于在娃波導(dǎo)102下延伸的襯底的背側(cè)上的腔。
[0024]輻射輸入導(dǎo)管104被配置成，從被配置成發(fā)射輻射114的輻射源104a耦合紅外(IR)輻射到位于半導(dǎo)體襯底(例如，硅襯底)102上的硅波導(dǎo)(即由硅制成的波導(dǎo))110中。在一些實(shí)施例中，輻射114包括中紅外(MIR)輻射(例如，具有在從大約2 ym到大約25ym的電磁頻譜的中紅外區(qū)中的波長的電磁場)，而在其他實(shí)施例中輻射可以包括不同的波長(例如，近紅外輻射，具有在750nm和Imm之間的波長)。在各種實(shí)施例中，輻射源104a可以包括被集成到半導(dǎo)體襯底102中的輻射源(S卩，被設(shè)置在半導(dǎo)體襯底102內(nèi)的輻射源104a)，或者位于半導(dǎo)體襯底102外部的外部輻射源(即，激光器)(即，與硅波導(dǎo)110連通的分離的部件)。
[0025]硅波導(dǎo)110與相互作用體積106相交，所述相互作用體積106包含要被分析的樣品112 (例如液體、氣體等)。硅波導(dǎo)110被配置成，以低的衰減程度從輻射輸入導(dǎo)管104向輻射輸出導(dǎo)管108運(yùn)送輻射114。當(dāng)輻射114被運(yùn)送通過相互作用區(qū)時，它與樣品112相互作用，這引起在特征波長處是獨(dú)特的衰減。當(dāng)輻射114與樣品112相互作用時，輻射114的頻譜改變，導(dǎo)致具有定義樣品112的一個或多個特性的頻譜的經(jīng)衰減的輻射114’。
[0026]福射輸出導(dǎo)管108被配置成從娃波導(dǎo)110親合紅外(IR)福射到福射檢測器108a。在一些實(shí)施例中，輻射檢測器108a包括被集成到半導(dǎo)體襯底102中的輻射檢測器，而在其他實(shí)施例中，輻射檢測器108a包括外部輻射檢測器。輻射檢測器108a被配置成接收經(jīng)衰減的輻射114’，并且根據(jù)其測量經(jīng)衰減的輻射114’的一個或多個特性。例如，在一些實(shí)施例中，輻射檢測器108a被配置成測量經(jīng)衰減的輻射114’的強(qiáng)度。通過測量經(jīng)衰減的輻射114’的強(qiáng)度，輻射檢測器108a可以由于在所選擇的頻率處的衰減來確定樣品112的一個或多個特性。
[0027]圖1B圖不了圖1A的IR傳感器的沿著第一方向的橫截面視圖116的框圖。
[0028]如在橫截面視圖116中所不，IR傳感器包括半導(dǎo)體襯底102。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底102包括可選地具有η型或P型摻雜劑濃度的晶體硅襯底(例如，具有〈100〉晶體取向)。緩沖層120位于半導(dǎo)體襯底102之上。硅波導(dǎo)110被包括在位于緩沖層120之上的硅層122內(nèi)。緩沖層120被定位以將半導(dǎo)體襯底102與硅波導(dǎo)110分離。例如，在一些實(shí)施例中，緩沖層120被定位在硅層122之下，所述硅層122包括在沿著硅波導(dǎo)110的長度從輻射輸入導(dǎo)管104到輻射輸出導(dǎo)管108延伸的區(qū)域中的硅波導(dǎo)110。
[0029]緩沖層120包括具有不同于(例如大于)半導(dǎo)體襯底102的折射指數(shù)的材料。例如，在一些實(shí)施例中，緩沖層120可以包括具有比硅襯底(η=3.45079)更低的折射指數(shù)的氮化硅(例如SiN3)層(η=1.98)或者非晶碳層(n ^ 2.3)。緩沖層120與半導(dǎo)體襯底102的折射指數(shù)的差提供了硅波導(dǎo)110與位于下面的半導(dǎo)體襯底102之間的光隔離。在一些實(shí)施例中，緩沖層120包括單個層，而在可替換的實(shí)施例中，緩沖層120包括多層不同的材料(例如，兩個不同的材料)，其借助于干涉效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在指定波長處的光絕緣。在一些實(shí)施例中，為了改進(jìn)硅波導(dǎo)110與半導(dǎo)體襯底102之間的光隔離，半導(dǎo)體襯底102可以包括一個或多個背側(cè)腔。背側(cè)腔包括在硅波導(dǎo)110之下的區(qū)，在其中硅襯底202已經(jīng)被移除，如下面更詳細(xì)所述。
[0030]將硅波導(dǎo)110與半導(dǎo)體襯底102光絕緣防止由硅波導(dǎo)引導(dǎo)的輻射114進(jìn)入半導(dǎo)體襯底102中并使得IR傳感器發(fā)生故障(例如，如果半導(dǎo)體襯底102包括硅襯底，那么輻射114將