專利名稱：微機械熱電堆紅外探測器及其制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于紅外探測器領域，尤其涉及一種基于微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicaiSystem,簡稱 MEMS)技術(shù)和塞貝克效應(Seebeckeffect)的微機械熱電堆紅外探測器及其制作方法。
背景技術(shù)：
紅外技術(shù)的發(fā)展自1800年英國天文學家W. Herschel發(fā)現(xiàn)紅外福射至今已經(jīng)200多年歷史。在紅外成像、紅外制導、紅外預警等軍事領域是至關(guān)重 要。具體工作原理是塞貝克效應(Seebeck effect)，即兩種不同的材料A和B的一端相連作為熱端，當這個熱端受熱時，冷熱端會產(chǎn)生溫差AT。根據(jù)兩種材料的塞貝克系數(shù)的不同，冷端會有一個電壓輸出Uout，輸出信號與溫差關(guān)系表達式為Uout = ( a A- a B) AT0其中，a A、a B分別是兩種材料的塞貝克系數(shù)。熱電堆紅外探測器作為最早的熱紅外探測器，最初利用真空鍍膜的方法器件尺寸較大，不易批量生產(chǎn)。隨著MEMS技術(shù)的投入，出現(xiàn)了最早的微機械制造封閉膜結(jié)構(gòu)的硅基熱電堆紅外探測器，由于它成本低廉，適合批量生產(chǎn)；輸出信號大，靈敏度更高；尺寸小，易封裝等優(yōu)勢迅速成為研究熱點。中瑞典大學C GMattsson等C G Mattsson,K Bertilsson, etc. Thermal simulation and design optimization of a thermopileinfrared detector with an SU—8 membrane. Journal of Micromechanics andMicroengineering. 2009，19 :055016-1 055016-9于 2009 年報道了利用 SU-8 材料作為支撐膜、Ni/Ti作為熱電偶材料的新型熱電堆紅外探測器，達到的響應率為17V/W ;但其缺點在于熱偶材料不易制備，SU-8膜成本較高。2003 年日本 Masaki Hirota 等Masaki Hirota, Yasushi Nakajima, MasanoriSaito, Fuminori Satou and Makato Uchiyama. 120x90Element Thermopile ArrayFabricated with CMOS Technology. Proceedings ofSPIE. 2003，4820 :239 249報道一種120X90像素的熱電堆陣列，達到的響應率為3900V/W，釆用金黑作為吸收層材料，對于8到13 um波長的紅外光吸收率大于90%，制作的陣列結(jié)構(gòu)用于紅外成像并最后得到圖像結(jié)果；但是該技術(shù)對于其他波段的吸收率并未做深入研究。2001 年 Sung Jun LeeSung Jun Lee, Yun Hi Lee, Sang Hi Suh, Young JeOh，etc. Uncooled thermopile infrared detector with chromium oxide absorption layer.Sensors and Actuators A. 2001，95 :24 28提出一種以氧化絡作為新型紅外吸收材料的熱電堆紅外探測器，相對其他的吸收層有更好的吸收能力，并且測量其輸出特性，得出測量結(jié)果響應率為9. 6V/W，響應時間為70-80ms ;相比來說性能指標較低，響應時間比較慢。在國內(nèi)，關(guān)于熱電堆紅外探測器的研究也有突破性的進展。2009年徐德輝等Dehui Xu, Bin Xiong, Yuelin Wang, Mifeng Liu, Tie Li. Integrated micro-machinedthermopile IR detectors with an XeF2 dry-etching process.Journal ofMicromechanics and Microengineering. 2009,19 :125003-1 125003-11 提出兩種 CMOS兼容的XeF2各向同性干法蝕刻的熱電堆紅外探測器，探測器的形狀分別為矩形和圓形。最后得到的響應率分別為14. 14和10. 26VIT1 ;探測率為4. 15X IO7和4. 54X 107cmHz1/2ff_1,時間常數(shù)23. 7和14. 6ms ;該技術(shù)雖然制作起來工藝兼容性較好，但是響應率也不理想。2009年中北大學王楷群王楷群.熱電堆紅外探測器的設計與性能測試.碩士學位論文.太原中北大學.2010研究的一種以多晶硅和鋁作為熱偶條材料，單層低應力氮化硅作介質(zhì)支撐膜，背面腐蝕、正面封臘保護，吸收層采用炭黑涂層的熱電堆紅外探測器，達到的響應率為12. 45V/W，探測率4. 97X IO7CmHz17V1,時間常數(shù)70ms ;但是工藝過程中的背面保護比較復雜，成品率較低。綜合來看，目前關(guān)于熱電堆紅外探測器的研究重點在于吸收層材料的改進和如何與CMOS工藝更好的兼容，而傳統(tǒng)的熱電堆紅外探測器的缺點首先是吸收層材料對紅外的吸收率低，對不同波段的紅外光吸收率相差較大。其次熱電偶的材料主要采用金屬，不能與CMOS兼容；另外傳統(tǒng)的“三明治”結(jié)構(gòu)采用多層介質(zhì)膜，因為是多層所以容易出現(xiàn)各層應力不匹配的問題。
·
另外，傳統(tǒng)熱電堆紅外探測器的主要結(jié)構(gòu)包括有封閉膜結(jié)構(gòu)、懸臂梁結(jié)構(gòu)和懸浮結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)往往在工藝釋放時存在釋放不完全的問題，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，成品率也較低。

發(fā)明內(nèi)容
針對傳統(tǒng)的熱電堆紅外探測器存在的問題，尤其是吸收層材料對紅外的吸收率低的缺點，本發(fā)明提出一種微機械熱電堆紅外探測器及其制作方法，通過制作“黑硅”的方法處理多晶硅和/或非晶硅得到錐狀森林結(jié)構(gòu)提高紅外吸收率。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是I、一種微機械熱電堆紅外探測器的制作方法，包括以下步驟步驟10，在晶片襯底表面形成具有自停止腐蝕作用的封閉凹槽；步驟20，淀積SiO2層形成介質(zhì)支撐膜，SiO2同時填充所述封閉凹槽；步驟30和40，在所述介質(zhì)支撐膜上淀積多晶硅，接著離子注入加光刻腐蝕形成P型、或N型多晶硅熱偶條；淀積隔離層；然后再淀積多晶硅，接著再離子注入加光刻腐蝕形成N型、或P型多晶硅熱偶條；最后形成多組由P/N型多晶硅熱偶條上下疊置構(gòu)成的熱電堆；步驟50，光刻腐蝕所述隔離層，將所述熱電堆之間的區(qū)域暴露出介質(zhì)支撐膜以便形成吸收區(qū)；步驟60，濺射一層金屬，經(jīng)光刻腐蝕后形成金屬連接和所述探測器的金屬焊盤；括步驟65，通過低壓化學汽相淀積低溫淀積一層鈍化層，光刻腐蝕后只露出所述吸收區(qū)和金屬焊盤；步驟70，淀積一層多晶硅或非晶硅層，接著注入離子砷，然后經(jīng)過Cl2、或HBr干法不完全刻蝕，經(jīng)光刻腐蝕形成表面為錐狀森林結(jié)構(gòu)的吸收層；步驟80，光刻出腐蝕孔，通入XeF2氣體進行干法刻蝕釋放正面結(jié)構(gòu)。2、其中步驟70中的砷離子注入劑量4E15cnT2，注入能量140Kev，Cl2、或HBr干法不完全刻蝕的刻蝕深度約為5000A-10000A;步驟80中，光刻出腐蝕孔后通入XeF2氣體之前還包括淀積一層光刻膠，在吸收層區(qū)域表面形成一層保護層，然后再光刻一次暴露出吸收層，從而在腐蝕孔的側(cè)壁的吸收層材料表面留下一層保護層。3、其中熱電堆可以是P型多晶娃熱偶條在上、也可以是N型多晶娃熱偶條在上；其中通過低壓化學汽相方法淀積3000A厚度的多晶硅層，離子注入硼，劑量I. 5E16cm_2，能量50KeV，然后光刻腐蝕形成P型多晶硅熱偶條，條寬為IOum ;通過低壓化學汽相方法淀積厚度為3000A的多晶硅層，離子注入磷，劑量I. 5E16cm_2，能量50KeV，然后光刻腐蝕多晶硅形成N型熱偶條,條寬10um。4、其中晶片襯底由最底層的硅、中間的5102層、以及最上面的多晶硅層組成；封閉凹槽的形狀包括正方形、矩形、圓形、橢圓形；封閉凹槽的寬度為Ium;步驟20中的介質(zhì)支撐膜是厚度為5000A的單層SiO2、或SiO2層加SiNx層；步驟30和40中的隔離層為厚度為1000A的一層SiO2、或一層SiO2W—層多晶硅層；步驟60中的金屬為鋁、或銅；步驟65中的鈍化層為1000A厚的SiO2層?！?、其中封閉凹槽的形狀為正方形，吸收區(qū)為正方形，熱電堆分四組對稱置于吸收區(qū)四邊，每組熱電堆包括相互平行的三對上下疊置的熱偶條；熱電堆的一端固定在晶片襯底和介質(zhì)支撐膜構(gòu)成的冷端上，另一端連接在吸收區(qū)邊緣，熱電堆以懸臂梁的形式與整個吸收區(qū)懸空于晶片襯底上；腐蝕孔包括以下幾個部分①熱電堆、吸收區(qū)與封閉凹槽之間圍成的四個大塊面積；②熱電堆的每對熱電偶之間的間隔部分；⑧吸收區(qū)中的任意形狀的小孔，腐蝕孔還用作最后刻蝕氣體的通道即釋放孔。6、其中步驟30、40、和50中的三次光刻腐蝕可合并為一次，只在最后形成熱電堆后進行光刻腐蝕，將熱電堆之間的區(qū)域暴露出介質(zhì)支撐膜以便形成吸收區(qū)。7、一種采用上述制作方法的微機械熱電堆紅外探測器，自下而上依次包括晶片襯底，在晶片襯底表面包括具有自停止腐蝕作用的封閉凹槽；介質(zhì)支撐膜，覆蓋于晶片襯底上；多組熱電堆，由多對上下疊置的P/N型多晶硅熱偶條組成，位于介質(zhì)支撐膜之上，每對上下疊置的P/N型多晶硅熱偶條之間包括隔離層；多組熱電堆之間包圍的區(qū)域構(gòu)成吸收區(qū)；金屬連接層，位于熱電堆之上；吸收層材料，覆蓋于吸收區(qū)，吸收層材料表面包括經(jīng)過Cl2、或HBr干法不完全刻蝕再光刻腐蝕形成的錐狀森林結(jié)構(gòu)；多個腐蝕孔，形成于吸收區(qū)；其中，襯底和介質(zhì)支撐膜構(gòu)成了微機械熱電堆紅外探測器的冷結(jié)區(qū)；吸收層材料與熱偶條的熱端接觸構(gòu)成微機械熱電堆紅外探測器的熱結(jié)區(qū)，冷結(jié)區(qū)和熱結(jié)區(qū)分別通過金屬連接層形成電阻特性；熱電堆的一端固定在冷結(jié)區(qū)，另一端連接在吸收區(qū)邊緣，熱電堆以懸臂梁的形式與整個吸收區(qū)懸空于襯底上。8、其中晶片襯底由最底層的硅、中間的5102層、以及最上面的多晶硅層組成；金屬連接層和吸收層材料之間還包括一層鈍化層；腐蝕孔的側(cè)壁的吸收層材料表面還包括一層保護層；封閉凹槽的形狀包括正方形、矩形、圓形、橢圓形，封閉凹槽的寬度為lum。9、其中封閉凹槽為正方形；吸收區(qū)為正方形，熱電堆分四組對稱置于吸收區(qū)四邊，每組熱電堆包括相互平行的三對上下疊置的熱偶條；熱電堆為P型多晶硅熱偶條在上、或者N型多晶娃熱偶條在上；其中P型多晶娃熱偶條的條寬為IOum,N型熱偶條的條寬IOum ；介質(zhì)支撐I旲是厚度為5000A的單層SiO2、或SiO2層加SiNx層；隔尚層為厚度為IOOOA的一層SiO2、或一層SiO2加一層多晶硅層；金屬連接采用鋁、或銅；鈍化層為1000A厚的SiO2層。10、其中腐蝕孔包括以下幾個部分①熱電堆、吸收區(qū)與封閉凹槽之間圍成的四個大塊面積；②熱電堆的每對熱電偶之間的間隔部分吸收區(qū)中的任意形狀的小孔，腐蝕孔還用作最后刻蝕氣體的通道即釋放孔。本發(fā)明的優(yōu)點在于I、不采用傳統(tǒng)的SiNx而是采用多晶硅和/或非晶硅作為吸收層材料，使用刻蝕方法處理吸收層材料，制作簡單，易于實現(xiàn)，提高了吸收率。2、本發(fā)明的錐狀森林結(jié)構(gòu)可以大大提高吸收率，測試結(jié)果顯示對紅外波段的吸收率接近70%，且對整個紅外波段的吸收率比較一致。3、采用腐蝕孔側(cè)壁涂膠保護，XeF2干法刻蝕釋放正面結(jié)構(gòu)，避免了濕法腐蝕中正反面對準光刻的難度，降低了制作成本。4、使用了 P/N型多晶硅作為熱電偶，避免金屬熱偶與CMOS兼容性差的問題，簡化了制作工藝，成品率也提高至90%以上；同時還有效的提高了熱電堆的塞貝克系數(shù)。



圖I 圖9是本發(fā)明一個具體實施例的工藝流程示意圖；其中圖I是在襯底表面形成具有自停止腐蝕作用的封閉凹槽的示意圖；圖2是圖I所示器件的俯視圖；圖3是形成介質(zhì)支撐膜的示意圖；圖4是形成P型多晶硅熱偶條的示意圖；圖5是淀積SiO2、多晶硅，離子注入后通過光刻腐蝕形成N型多晶硅熱偶條的示意圖；圖6是光刻腐蝕SiO2隔離層的示意圖；圖7是形成金屬連接的示意圖；圖8是形成吸收層的示意圖；圖9是制作腐蝕孔，通過干法刻蝕釋放結(jié)構(gòu)的示意圖；圖10是高度顯微鏡下的吸收層表面錐狀森林結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是用于作最后釋放結(jié)構(gòu)的腐蝕孔的圖形示意圖；圖12是本發(fā)明一個具體實施例中的微機械紅外熱電堆探測器的立體示意圖；圖13是本發(fā)明一個具體實施例中的微機械紅外熱電堆探測器的正面俯視圖。圖14是本發(fā)明一個具體實施例中的微機械紅外熱電堆探測器的制作方法流程圖。圖中標號的含義為I. SOI襯底，2.襯底開口，3. SiO2介質(zhì)膜，4. P型多晶硅，5.隔離層，6. N型多晶硅，
7.金屬，8.吸收層材料，9.腐蝕孔。
具體實施方式
以下參照附圖并結(jié)合示意性的實施例來詳細說明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果，公開了本發(fā)明。但是應該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。本發(fā)明最主要的創(chuàng)新之處是不采用傳統(tǒng)的SiNx而是采用多晶硅和/或非晶硅作為吸收層材料，并且通過氯氣、或溴化氫氣體對吸收層的多晶硅和/或非晶硅材料進行干法刻蝕，在吸收層表面制作出類似黑硅表面的錐狀森林結(jié)構(gòu)，這種方法提高了吸收層的吸收率，既增強對紅外能量的吸收能力同時又可與器件IC兼容，制作簡單，提高了成品率。且采用腐蝕孔側(cè)壁涂膠保護，XeF2干法刻蝕釋放正面結(jié)構(gòu)，避免了濕法腐蝕中正反面對準光刻的難度，降低制作成本。另一方面，使用了 P/N型多晶硅作為熱電偶，避免金屬熱偶與CMOS兼容性差的問題，也有效的提高了熱電堆的塞貝克系數(shù)。 下面結(jié)合附圖詳細敘述本發(fā)明微機械熱電堆紅外探測器的實施例實施例I主要工藝步驟包括步驟10，在襯底表面形成具有自停止腐蝕作用的封閉凹槽如圖I所示,選擇SOI (絕緣體上的娃)襯底I作為器件基底，圖I所示的實施例中襯底I由最底層的硅、中間的SiO2層、以及最上面的多晶硅層組成。在襯底I上光刻出封閉凹槽，如圖2的俯視圖所示，開出了四條長條形開口 2，從圖2看出，該四條長條形開口2構(gòu)成形狀為正方形的封閉凹槽。該封閉凹槽將在最后的干法腐蝕釋放結(jié)構(gòu)時起到側(cè)邊自 動停止腐蝕的作用。在一個具體實施例中，封閉凹槽的寬度為d = lum，深度為打透SOI襯底的上層多晶硅，露出襯底I中間的3102層即可。在其他實施例中，封閉凹槽的形狀也可以是如圓形、矩形、橢圓形等其他形狀。步驟20，形成介質(zhì)支撐膜如圖3所示，采用LPCVD(低壓化學汽相淀積)的方法在襯底I上生長厚度為5000A的SiO2層作介質(zhì)支撐膜3，這樣的單層介質(zhì)膜突破傳統(tǒng)的“三明治”結(jié)構(gòu)多層介質(zhì)膜的應力不匹配的問題。同時長條形開口 2的封閉凹槽內(nèi)也被SiO2填入，開口 2內(nèi)的SiOJf在最后的干法腐蝕釋放結(jié)構(gòu)時起到側(cè)邊自動停止腐蝕的作用。當然在其他實施例中，介質(zhì)支撐膜3并不限于采用單層SiO2，也可以采用多層復合膜，如SiO2加SiNx，等。步驟30，形成P型多晶硅熱偶條如圖4所示，采用LPCVD方法淀積3000A厚度的多晶硅層，離子注入硼，劑量1.5E16cm_2，能量50KeV。然后光刻腐蝕形成P型多晶硅熱偶條4，條寬為10um。步驟40，淀積隔離層，然后離子注入后光刻腐蝕形成N型多晶硅熱偶條如圖5所示，先采用LPCVD方法淀積厚度為IOOOA的SiO2隔離層5。再通過LPCVD方法淀積厚度為3000A的多晶硅層(圖中未示)后，離子注入磷，劑量I. 5E16cm_2，能量50KeV，然后光刻腐蝕多晶硅形成N型熱偶條6，條寬lOum。圖4和圖5能夠看出熱偶條4/6的長度，但是看不出其寬度，熱偶條4比熱偶條6稍長，實則兩者寬度相同，這一點可從圖13看出。步驟50，光刻腐蝕SiO2隔離層形成吸收區(qū)然后如圖6所示，再光刻腐蝕SiO2隔離層5，將多對熱偶條之間的區(qū)域暴露出介質(zhì)支撐膜3以便形成吸收區(qū)；最后形成了熱偶條4/6上下疊置并以SiO2作為隔離的上下結(jié)構(gòu)的熱電堆。多組熱電堆之間包圍的區(qū)域構(gòu)成了吸收區(qū)。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，吸收區(qū)為正方形，而且吸收區(qū)的正方形與襯底I上的四個長條開口 2組成的正方形的中心是重合的，同時熱電堆的一端固定在襯底I和介質(zhì)支撐膜3構(gòu)成的本發(fā) 明的微機械紅外熱電堆探測器冷端上，另一端連接在吸收區(qū)邊緣，熱電堆分四組對稱置于吸收區(qū)四邊，每組熱電堆包括相互平行的3對上下疊置的熱偶條4/6，這樣熱電堆以懸臂梁的形式與整個吸收區(qū)懸空于襯底上，形成了比較穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)。之所以先光刻腐蝕N型多晶硅而不是中間的SiO2,目的是避免腐蝕N型多晶硅時對底層的P型多晶硅造成腐蝕過度。上述實施例中，本發(fā)明的熱偶對材料為上下放置的P/N型多晶硅，即N型多晶硅制作在P型多晶硅的上面，在其他實施例中也可采用P型多晶硅制作在N型多晶硅的上面的結(jié)構(gòu)，兩層之間以SiO2隔開。另外在其他實施例中隔離層5也可采用其他材料，例如是一層SiO2加一層多晶娃層。本發(fā)明選擇熱偶條上下疊置的方法，在工藝上制作更簡單，兼容性更好，有效的節(jié)約空間，減小尺寸。步驟60，形成金屬連接如圖7所示，在形成的熱電堆結(jié)構(gòu)之上濺射鋁層，厚度是1000A，然后光刻腐蝕形成金屬連接和焊盤7，以避免P/N型多晶硅之間接觸呈P-N結(jié)特性。步驟65，形成鈍化層(圖中未示)在350°C左右的溫度下PECVD淀積厚度約IOOOA的SiO2層，光刻腐蝕后只露出吸收區(qū)和金屬焊盤7，作為對引線的保護。步驟70，形成吸收層如圖8所示，在完成正面基本圖形結(jié)構(gòu)后，淀積一層多晶硅或非晶硅層8，這是本發(fā)明首創(chuàng)的吸收層材料，接著注入離子砷，注入劑量4E15cm_2，注入能量140Kev。再利用Cl2或HBr進行干法不完全刻蝕，刻蝕深度約為5000A-10000A，吸收層材料表面即形成“黑色”吸收層，最后形成錐狀森林結(jié)構(gòu)，如圖10所示是電子顯微鏡下吸收層材料表面的圖像。然后光刻圖形只留下吸收區(qū)部分的多晶硅或非晶硅層8。在另一個實施例中，該光刻步驟也可在形成錐狀森林結(jié)構(gòu)之前進行。請同時參見圖11 圖13所示的實施例，吸收區(qū)為正方形，在其他實施例中也可以是其他形狀。步驟80，在吸收區(qū)光刻出腐蝕孔通入XeF2氣體進行干法刻蝕釋放正面結(jié)構(gòu)形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，刻蝕深度根據(jù)SOI襯底的上層多晶硅層的厚度決定，將多晶硅層刻透，腐蝕孔9的圖案如圖11的花紋部分所示。如圖11所示，腐蝕孔9有以下幾個部分首先是熱電堆、吸收區(qū)8與作腐蝕停止的長條形開口 2(即所述封閉凹槽)之間圍成的四個大塊面積；其次是熱電堆的每對熱電偶之間的間隔部分；再有就是吸收區(qū)表面的吸收層材料8中的正方形小孔，在一個具體實施例中，該正方形小孔的邊長設計大小約為lOum。這些吸收區(qū)的正方形小孔和其他的釋放孔一樣均用作最后刻蝕氣體的通道即釋放孔，也可以是任意形狀，任意排列，原則是數(shù)目盡量少的情況下能夠保證正面區(qū)域被完全釋放。在一個優(yōu)選實施例中釋放孔數(shù)目為5 10個。
另外，當XeF2氣體通入腐蝕孔時，由于各向同性腐蝕,氣體進入腐蝕孔9后的腐蝕方向如圖9的箭頭所示，當氣體腐蝕至四周填充的SiO2—即圖I和圖2中的四條長條形開口 2構(gòu)成形狀為正方形的封閉凹槽——以及襯底I中間的SiO2層時，由于XeF2對SiO2的腐蝕是非常小的，所以四周封閉凹槽內(nèi)填充的SiO2與襯底I中間的SiO2層對氣體的腐蝕起到了阻止的作用，刻蝕自動停止，如此就控制了器件最后刻蝕形成的形狀及結(jié)構(gòu)，此即封閉凹槽2的自停止腐蝕作用的原理。最后，通入XeF2氣體進行干法刻蝕SOI襯底中的上層硅，釋放正面結(jié)構(gòu)。在一個優(yōu)選實施例中，此處在光刻腐蝕孔9后且在通入XeF2氣體釋放正面結(jié)構(gòu)之前還可以增加一個步驟，即在器件表面再淀積一層光刻膠(圖中未示)，然后再光刻一次暴露出吸收層，這樣就在腐蝕孔9的側(cè)壁留下一層膠，可起到對側(cè)面的吸收層材料進行保護的作用。 由于在干法腐蝕之前對腐蝕孔9進行了光刻，使得吸收區(qū)及小孔側(cè)壁增加了涂膠保護，這樣保證在干法刻蝕的過程中吸收層材料不會受刻蝕氣體的影響。另外，由于SOI襯底的中間層和介質(zhì)支撐膜都是SiO2，那么在進行干法刻蝕的時候，整個正面結(jié)構(gòu)可被很好的保護。通過以上工藝形成的微機械紅外熱電堆探測器如圖12所示，請同時參考圖13的正面俯視圖，整個微機械紅外熱電堆探測器包括幾個部分襯底I、介質(zhì)支撐膜3、中間帶有SiO2隔離層5的P/N型多晶硅熱偶條4/6組成的熱電堆、鈍化層(圖中未示出)、A1條連接和焊盤7(圖7中未示出)、吸收層材料8和腐蝕孔9。其中，襯底I和介質(zhì)支撐膜3構(gòu)成了本發(fā)明微機械熱電堆紅外探測器的冷端，作為微機械紅外熱電堆探測器的冷結(jié)區(qū)；吸收層與熱偶條熱端接觸作為熱結(jié)區(qū)，冷熱端分別用鋁作連接，形成電阻特性。采用的熱偶條材料相對傳統(tǒng)使用的金屬在工藝上兼容性更好，且表面粗糙的形貌因為紅外光進入后一系列的反射，會更好的被吸收。目前本發(fā)明做了一些前期工作，對以硅為材料的黑硅進行了測試，測試結(jié)果顯示對紅外波段的吸收率接近70%，由此可以看出，通過多晶硅或者非晶硅制作的“黑硅”結(jié)構(gòu)在制作工藝簡單的前提下也可保證對紅外較高的吸收率。另外，本發(fā)明采用了懸臂梁結(jié)構(gòu)熱電堆的一端固定在襯底I和介質(zhì)支撐膜2構(gòu)成的冷端上，另一端連接在吸收區(qū)邊緣，吸收區(qū)為正方形，熱電堆分四組對稱置于吸收區(qū)四邊，每組熱電堆包括3對上下疊置的熱偶條4/6。熱電堆以懸臂梁的形式與整個吸收區(qū)懸空于襯底上。這樣的結(jié)構(gòu)相對其他的結(jié)構(gòu)具有更高的器件性能和相對穩(wěn)定性。實施例2具體工藝步驟與實施例I相似，主要區(qū)別在于為了節(jié)約成本，原本的SOI襯底可以采用類似“SOI襯底”的結(jié)構(gòu)，例如在硅片上氧化后淀積多晶硅，這樣的三層結(jié)構(gòu)也可充當襯底，這樣最后需要釋放的部分即為多晶硅。這樣一來，可以大大的節(jié)約制作成本，對于今后投入產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)是非常必要的。實施例3具體工藝步驟與實施例I相似，主要區(qū)別在于制作熱偶條時，P型多晶硅、SiO2隔離層、N型多晶硅利用一次光刻形成圖形后，濺射鋁連接。這樣將原先的3次光刻改為一次光刻，節(jié)約了光刻次數(shù)，減小光刻形成的誤差。此外鋁還可用其他金屬替換，比如銅、或者金
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盡管已參照一個或多個示例性實施例說明本發(fā)明，本領域技術(shù)人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對器件結(jié)構(gòu)做出各種合適的改變和等價方式。此外，由所公開的教導可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施方式而公開的特定實施例，而所公開的器件結(jié)構(gòu)及其制造方法將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實施例?！?br> 權(quán)利要求
1.一種微機械熱電堆紅外探測器的制作方法，其特征是包括以下步驟 步驟10，在晶片襯底表面形成具有自停止腐蝕作用的封閉凹槽； 步驟20，淀積SiO2層形成介質(zhì)支撐膜，SiO2同時填充所述封閉凹槽； 步驟30和40，在所述介質(zhì)支撐膜上淀積多晶硅，接著離子注入加光刻腐蝕形成P型、或N型多晶硅熱偶條；淀積隔離層；然后再淀積多晶硅，接著再離子注入加光刻腐蝕形成N型、或P型多晶硅熱偶條；最后形成多組由P/N型多晶硅熱偶條上下疊置構(gòu)成的熱電堆； 步驟50，光刻腐蝕所述隔離層，將所述熱電堆之間的區(qū)域暴露出介質(zhì)支撐膜以便形成吸收區(qū)； 步驟60，濺射ー層金屬，經(jīng)光刻腐蝕后形成金屬連接和所述探測器的金屬焊盤； 步驟70，淀積ー層多晶硅或非晶硅層，接著注入離子砷，然后經(jīng)過Cl2、或HBr干法不完全刻蝕,經(jīng)光刻腐蝕形成表面為錐狀森林結(jié)構(gòu)的吸收層； 步驟80，光刻出腐蝕孔，通入XeF2氣體進行干法刻蝕釋放正面結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求I所述的制作方法，其特征是 步驟60和步驟70之間還包括步驟65，通過低壓化學汽相淀積低溫淀積ー層鈍化層，光刻腐蝕后只露出所述吸收區(qū)和金屬焊盤； 步驟70中的砷離子注入劑量4E15cnT2，注入能量140Kev，Cl2、或HBr干法不完全刻蝕的刻蝕深度約為5000A-10000A; 步驟80中，光刻出腐蝕孔后通入XeF2,體之前還包括淀積ー層光刻膠，在所述吸收層區(qū)域表面形成ー層保護層，然后再光刻一次暴露出所述吸收層，從而在所述腐蝕孔的側(cè)壁的吸收層材料表面留下ー層保護層。
3.如權(quán)利要求I、或2所述的制作方法，其特征是所述熱電堆為P型多晶硅熱偶條在上、或者N型多晶娃熱偶條在上；其中 通過低壓化學汽相方法淀積3000A厚度的多晶硅層，離子注入硼，劑量I. 5E16cm_2，能量50KeV，然后光刻腐蝕形成所述P型多晶硅熱偶條，條寬為IOum ;通過低壓化學汽相方法淀積厚度為3000A的多晶硅層，離子注入磷，劑量I. 5E16cm_2，能量50KeV，然后光刻腐蝕多晶娃形成所述N型熱偶條,條寬10um。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的制作方法，其特征是 所述晶片襯底由最底層的硅、中間的SiO2層、以及最上面的多晶硅層組成； 所述封閉凹槽的形狀包括正方形、矩形、圓形、橢圓形；所述封閉凹槽的寬度為Ium ； 步驟20中的所述介質(zhì)支撐膜是厚度為5000A的單層SiO2、或SiO2層加SiNx層； 步驟30和40中的所述隔離層為厚度為1000A的ー層SiO2、或一層SiO2加ー層多晶硅層； 步驟60中的所述金屬為鋁、或銅； 步驟65中的所述鈍化層為1000A厚的SiO2層。
5.如權(quán)利要求I 4任意一項所述的制作方法，其特征是所述封閉凹槽的形狀為正方形，所述吸收區(qū)為正方形，所述熱電堆分四組對稱置于所述吸收區(qū)四邊，每組熱電堆包括相互平行的三對上下疊置的所述熱偶條；所述熱電堆的一端固定在所述晶片襯底和所述介質(zhì)支撐膜構(gòu)成的冷端上，另一端連接在所述吸收區(qū)邊緣，所述熱電堆以懸臂梁的形式與整個所述吸收區(qū)懸空于所述晶片襯底上；所述腐蝕孔包括以下幾個部分①所述熱電堆、所述吸收區(qū)與所述封閉凹槽之間圍成的四個大塊面積；②所述熱電堆的每對熱電偶之間的間隔部分所述吸收區(qū)中的任意形狀的小孔，所述腐蝕孔還用作最后刻蝕氣體的通道即釋放孔。
6.如權(quán)利要求I 5任意一項所述的制作方法，其特征是所述步驟30、40、和50中的三次光刻腐蝕可合并為一次，只在最后形成所述熱電堆后進行光刻腐蝕，將所述熱電堆之間的區(qū)域暴露出介質(zhì)支撐膜以便形成吸收區(qū)。
7.一種微機械熱電堆紅外探測器，采用如權(quán)利要求I 6所述的制作方法，其特征是自下而上依次包括 晶片襯底，在所述晶片襯底表面包括具有自停止腐蝕作用的封閉凹槽； 介質(zhì)支撐膜，覆蓋于所述晶片襯底上； 多組熱電堆，由多對上下疊置的P/N型多晶硅熱偶條組成，位于所述介質(zhì)支撐膜之上，所述每對上下疊置的P/N型多晶硅熱偶條之間包括隔離層；所述多組熱電堆之間包圍的區(qū)域構(gòu)成吸收區(qū)； 金屬連接層，位于所述熱電堆之上； 吸收層材料，覆蓋于所述吸收區(qū)，所述吸收層材料表面包括經(jīng)過Cl2、或HBr干法不完全刻蝕再光刻腐蝕形成的錐狀森林結(jié)構(gòu)； 多個腐蝕孔，形成于所述吸收區(qū)； 其中，所述襯底和所述介質(zhì)支撐膜構(gòu)成了所述微機械熱電堆紅外探測器的冷結(jié)區(qū)；所述吸收層材料與所述熱偶條的熱端接觸構(gòu)成所述微機械熱電堆紅外探測器的熱結(jié)區(qū)，所述冷結(jié)區(qū)和所述熱結(jié)區(qū)分別通過所述金屬連接層形成電阻特性；所述熱電堆的一端固定在冷結(jié)區(qū)，另一端連接在所述吸收區(qū)邊緣，所述熱電堆以懸臂梁的形式與整個所述吸收區(qū)懸空于所述襯底上。
8.如權(quán)利要求7所述的微機械熱電堆紅外探測器，其特征是所述晶片襯底由最底層的硅、中間的3102層、以及最上面的多晶硅層組成；所述金屬連接層和所述吸收層材料之間還包括ー層鈍化層；所述腐蝕孔的側(cè)壁的吸收層材料表面還包括一層保護層；所述封閉凹槽的形狀包括正方形、矩形、圓形、橢圓形，所述封閉凹槽的寬度為lum。
9.如權(quán)利要求7、或8所述的制作方法，其特征是所述封閉凹槽為正方形；所述吸收區(qū)為正方形，所述熱電堆分四組對稱置于所述吸收區(qū)四邊，每組熱電堆包括相互平行的三對上下疊置的熱偶條；所述熱電堆為P型多晶硅熱偶條在上、或者N型多晶硅熱偶條在上；其中所述P型多晶硅熱偶條的條寬為lOum，所述N型熱偶條的條寬IOum;所述介質(zhì)支撐膜是厚度為5000A的單層SiO2、或3;102層加SiNx層；所述隔尚層為厚度為IOOOA的一層SiO2、或ー層SiO2加ー層多晶硅層；所述金屬連接采用鋁、或銅；所述鈍化層為1000A厚的SiO2層。
10.如權(quán)利要求7 9任意一項所述的制作方法，其特征是所述腐蝕孔包括以下幾個部分①所述熱電堆、所述吸收區(qū)與所述封閉凹槽之間圍成的四個大塊面積所述熱電堆的每對熱電偶之間的間隔部分所述吸收區(qū)中的任意形狀的小孔，所述腐蝕孔還用作最后刻蝕氣體的通道即釋放孔。
全文摘要
一種微機械熱電堆紅外探測器及其制作方法，在襯底表面形成具有自停止腐蝕作用的封閉凹槽；淀積形成介質(zhì)支撐膜；淀積多晶硅，然后通過2次離子注入加光刻腐蝕分別形成P型和N型多晶硅熱偶條，兩熱偶條之間淀積隔離層；光刻腐蝕隔離層，將熱電堆之間的區(qū)域暴露出介質(zhì)支撐膜形成吸收區(qū)；濺射一層金屬形成金屬連接；在吸收區(qū)表面淀積一層多晶硅或非晶硅層，然后經(jīng)過Cl2、HBr干法不完全刻蝕形成表面為錐狀森林結(jié)構(gòu)的吸收層；光刻出腐蝕孔，通入XeF2氣體進行干法刻蝕釋放正面結(jié)構(gòu)。本發(fā)明使用多晶硅作為吸收層材料，提高了傳統(tǒng)SiNx吸收層的吸收率，且工藝簡便。使用P/N型多晶硅作為熱電偶，避免金屬熱偶與CMOS兼容性差的問題，有效提高了熱電堆的塞貝克系數(shù)。
文檔編號G01J5/12GK102757011SQ201110104209
公開日2012年10月31日 申請日期2011年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月25日
發(fā)明者劉俊, 劉戰(zhàn)峰, 夏燕, 張文棟, 明安杰, 歐文, 熊繼軍, 薛晨陽, 袁鋒, 趙利俊, 陳大鵬 申請人:中北大學, 中國科學院微電子研究所