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(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機械熱電堆紅外探測器及其制作方法，更確切地說是一種基于MEMS(Micro Electro-Mechanical System)技術(shù)和塞貝克效應(yīng)的微機械熱電堆紅外探測器及其制作方法，屬于紅外探測器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著紅外探測技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域的地位日益提高，非致冷紅外傳感器發(fā)展迅速。熱電堆紅外探測器是最早發(fā)展的一種熱紅外探測器，其工作原理基于塞貝克效應(yīng)(T.H.Geballe and G.W.Hull，Seebeck effect in Silicon，Phys.Rev.98，940-947(1955))。該效應(yīng)指出兩種不同材料組成的熱偶，如果閉合回路的兩個節(jié)點之間存在溫度差，就會在回路中產(chǎn)生電動勢。
早期的熱電堆紅外探測器是利用真空鍍膜的方法，將熱偶材料沉積到塑料或氧化鋁襯底上獲得的，器件尺寸較大，也不易批量生產(chǎn)。隨著微電子機械系統(tǒng)MEMS技術(shù)的發(fā)展，1982年美國密歇根大學(xué)的K.D.Wise等率先采用微機械手段制作了兩種封閉膜結(jié)構(gòu)的硅基熱電堆紅外探測器(G.R.Lahijiand K.D.Wise，A Batch-Fabricated Silicon Thermopile Infrared Detector，IEEETrans.ED，Vol.29，No.1，Jan 1982，14-22)，熱偶材料分別為Bi-Sb與Si-Au。按照材料分類，主要包括金屬熱偶，硅-金屬熱偶，以及硅-硅熱偶。構(gòu)成金屬熱偶的材料主要是Bi-Sb以及它們的合金。1998年，M.C.Foote等利用Te與Bi，Sb的合金構(gòu)成熱偶，獲得了具有很高探測率D*與響應(yīng)率的微機械熱電堆紅外探測器線列(M.C.Foote，E.W. Jones and T.Caillat，UncooledThermopile Infrared Detector Linear Arrays with Detectivity Greater than 109cmHz1/2/W，IEEE Trans ED，Vol.45，No.9，Sep 1998，1896-1902)。硅-金屬熱偶主要是多晶硅-金熱偶與硅/多晶硅-鋁熱偶。1994年，K.D.Wise等制作了熱偶材料為多晶硅-金的微機械熱電堆探測器，器件為32元的陣列，每個單元擁有40對熱偶(W.G.Baer，K.Najafi，K.D.Wise and R.S.Toth，A 32-ElementMicromachined Thermal Imager With On-Chip Multiplexing，Sensors andActuatorsA，Vol.48，No.1，May 1995，47-54)。在多晶硅-鋁熱偶方面，1992年R.Lenggenhager等利用工業(yè)CMOS技術(shù)制作的探測器擯棄了原有的硅支撐膜的結(jié)構(gòu)，代之以氧化硅-氮化硅復(fù)合介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)(R.Lenggenhager，H.Baltes，J.Peer and M.Forster，Thermoelectric Infrared Sensors by CMOS Technology，IEEE Electron Device Letters，Vol.13，No.9，Sep 1992，454-456)。之后，R.Lenggenhager等又嘗試了從硅片正面腐蝕釋放結(jié)構(gòu)的方案，并增加了紅外吸收層(R.Leggenhager，H.Baltes and T.Elbel，Thermoelectric Infrared Sensors inCMOS Technology，Sensors and Actuators A，1993，Vol.37-38，216-220)。1997年，Z.Olgun等使用N-多晶硅與P-多晶硅組成熱偶，并利用TMAH的電化學(xué)自停止腐蝕工藝制成微機械熱電堆紅外探測器，該組合具有較大的塞貝克系數(shù)(Z.Olgun，O.Akar，H.Kulah and T.Akin，An Integrated ThermopileStructure with High Responsivity Using Any Standard CMOS Process，1997International Conference on Solid State Sensors and Actuators，Transducers’97，Chicago，June 16-19，1997，Vol.2，1263-1266)。此外，還有利用GaAs基體和SOI基體的研究。1995年，M.Müller等在SOI基體上制作了包括熱電堆，模擬放大器和溫度傳感器的集成紅外探測器(M.Müller，W.Budde，R.Gottfried-Gottfried，A.Hübel，R.Jhne and H.Kück，A Thermoelectric InfraredRadiation Sensor with Monolithically Integrated Amplifier Stage andTemperature Sensor，The 8thInternational Conference on Solid-State Sensors andActuators，Eurosensors IX，Transducers’95，June25-29，1995，Vol.2，640-643)。
微機械熱電堆紅外探測器主要包括熱電堆和紅外吸收層。熱電堆主要由熱偶對，冷結(jié)區(qū)和熱結(jié)區(qū)組成。為了提高探測器的性能，通常需要良好的隔熱結(jié)構(gòu)，使得熱結(jié)區(qū)到冷結(jié)區(qū)的熱傳導(dǎo)緩慢，增強塞貝克效應(yīng)。硅基熱電堆中，一般以硅襯底作為冷結(jié)區(qū)，熱結(jié)區(qū)選擇在支撐熱電堆的介質(zhì)膜上，即紅外吸收層。典型的懸浮膜結(jié)構(gòu)熱電堆探測器結(jié)構(gòu)如圖1所示。支撐膜一般為氧化硅與氮化硅的復(fù)合膜，本身對紅外輻射有一定吸收，但不明顯，復(fù)合結(jié)構(gòu)還有利于減小應(yīng)力。在冷結(jié)區(qū)溫度恒定時，增強紅外輻射的強度可以提高熱結(jié)區(qū)的溫度，從而提高器件性能。所以，在支撐膜上生長紅外吸收層，利用其對紅外輻射的高吸收率和廣譜吸收特性，可以大幅提高探測器性能。理想的紅外吸收層應(yīng)該具有很高的吸收率以及較小的薄膜厚度。
以往制作的紅外熱電堆探測器存在以下問題第一，金屬熱偶雖然具有較大的優(yōu)值，但其制作過程與標準CMOS工藝不兼容。第二，傳統(tǒng)的背向腐蝕需要正反對準，對光刻機要求很高，并且限制了器件尺寸進而影響了性能。第三，現(xiàn)有的正向腐蝕技術(shù)多是采用TMAH濕法腐蝕，這就限制了腐蝕開口的形狀和取向，還需特別注意保護某些材料不被腐蝕。這些問題影響了探測器本身性能的提高，更阻礙了與信號處理電路的集成。

發(fā)明內(nèi)容
針對傳統(tǒng)方法存在的問題，特別是與標準CMOS工藝兼容性較差的缺點，本發(fā)明目的在于提供一種微機械熱電堆紅外探測器及其制作方法，本發(fā)明提供了一種正面開口的熱電堆結(jié)構(gòu)，采用干法刻蝕工藝釋放結(jié)構(gòu)，如圖2所示。整個探測器包括襯底，框架，熱電堆，支撐臂，紅外吸收層，腐蝕開口等六部分。其中，襯底和懸浮于框架中間的紅外吸收層分別構(gòu)成熱電堆的冷結(jié)區(qū)和熱結(jié)區(qū)，支撐臂起到連接框架和紅外吸收區(qū)以及承載熱電堆的目的。支撐臂和紅外吸收層是由在單晶硅上淀積的氧化硅和氮化硅復(fù)合膜構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)的具體特征是制作了中間懸浮的紅外吸收層，并設(shè)計了帶有用于干法刻蝕基體的腐蝕開口。由于干法刻蝕的各向同性，腐蝕開口的形狀可以多種多樣，不同于濕法腐蝕開口必須嚴格沿著特定晶向排布，從而大大增加了設(shè)計的靈活性。所述的腐蝕開口的形狀為方形、圓形或扇形，且不必考慮特定晶向，開口為干法刻蝕工作氣體進入的襯底進行反應(yīng)，提供通道。
所述的襯底為任意晶向的單晶硅片或SOI硅片支撐臂和紅外吸收層是由硅襯底上的氧化硅-氮化硅復(fù)合介質(zhì)膜，但不限于兩層結(jié)構(gòu)還可以是構(gòu)成氧化硅-氮化硅-氧化硅的三明治結(jié)構(gòu)組成；而在SOI襯底上，直接由氧化一層氧化硅構(gòu)成，而不必形成兩層介質(zhì)膜。
本發(fā)明提出的紅外探測器是基于MEMS技術(shù)加工的。最明顯的特性是利用干法刻蝕從正面腐蝕單晶硅或SOI襯底，從而形成懸浮膜結(jié)構(gòu)的紅外吸收層。干法刻蝕具有極好的選擇性，可以選擇某些只腐蝕硅，而對鋁等材料腐蝕速率極小的氣體(如XeF2)作為工作氣體。這樣就可以采用標準CMOS工藝中最常用的材料來構(gòu)成熱電偶(如Al/PolySi，Al/Si，N-Poly Si/P-PolySi，Au/Si等，但不限于此)，從而大大提高了兼容性。
所述的熱電偶對的幾何構(gòu)型可以平行于框架各邊，可以沿對對角線方向或可以沿徑向等間隔排列等多種方案。
具體工藝步驟包括復(fù)合介質(zhì)膜形成、多晶硅條形成、引線孔形成、金屬條形成、腐蝕開口形成以及各向同性的干法刻蝕從正面腐蝕襯底形成懸浮膜，釋放結(jié)構(gòu)等。具體特征在于可選用下述兩種方法中任意一種方法之一①復(fù)合介質(zhì)膜的生長，在拋光的單晶硅襯底上，首先熱生長氧化硅，再用LPCVD或PECVD沉積氮化硅，形成氧化硅-氮化硅的復(fù)合介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)；②形成多晶硅條，在兩層介質(zhì)膜上用LPCVD沉積多晶硅，摻雜使其導(dǎo)電；光刻圖形，腐蝕形成多晶硅條，作為熱偶的一種組分；③光刻引線孔，在步驟②中形成的多晶硅上面，淀積氧化硅或氧化多晶硅作為絕緣層，光刻引線孔圖形；④形成金屬條和熱偶，蒸發(fā)沉積金屬，光刻金屬線條，腐蝕金屬和多晶硅形成熱偶對結(jié)構(gòu)；⑤光刻腐蝕開口，作為干法刻蝕的氣體通道；⑥干法刻蝕釋放結(jié)構(gòu)，XeF2工作氣體經(jīng)由步驟⑤中形成的開口刻蝕襯底，形成懸浮的吸收層，釋放結(jié)構(gòu)；
方法之二①將拋光的SOI硅片氧化，形成表面氧化硅；②以步驟①中的氧化硅為掩模，光刻圖形，刻蝕形成單晶硅條，作為熱偶的一種組分；③氧化形成氧化硅，再用LPCVD淀積氮化硅，形成復(fù)合介質(zhì)膜，光刻引線孔圖案；④淀積金屬材料鋁，光刻金屬線條，形成單晶硅與金屬的熱偶對結(jié)構(gòu)；⑤在硅片正面光刻腐蝕開口，作為干法刻蝕的氣體通道；⑥使用XeF2經(jīng)由腐蝕開口刻蝕襯底，形成懸浮膜，釋放結(jié)構(gòu)。
干法刻蝕釋放結(jié)構(gòu)使用選擇性很好的XeF2作為工作氣體，即腐蝕硅的速率很快，對其他材料(如鋁、二氧化硅、氮化硅等)的腐蝕速率很小的氣體。
本發(fā)明中采用Al/Poly Si構(gòu)成熱偶(但不限于這些材料，還可以采用Al/Si，N-Poly Si/P-Poly Si，Au/Si等)，利用腐蝕開口進行正面干法刻蝕最后釋放結(jié)構(gòu)。鋁的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，在TMAH或KOH等傳統(tǒng)的濕法腐蝕液中都會發(fā)生反應(yīng)。由于干法刻蝕具有良好的選擇性，選用合適的工作氣體可以在腐蝕硅的同時幾乎不會腐蝕鋁。
本發(fā)明的優(yōu)點在于使用干法刻蝕一方面降低了工藝難度，避免了濕法腐蝕的諸多問題。例如，濕法腐蝕溶液不可避免的沖擊可能會損壞器件結(jié)構(gòu)，這就限制了器件尺寸，不能制作較大的吸收層，還容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形甚至破裂或粘附等問題。另一方面使得腐蝕開口設(shè)計更加多樣化，進而可以優(yōu)化探測器的幾何構(gòu)型。使用Al/Poly Si作為熱偶材料，解決了金屬熱偶與CMOS工藝兼容性差的問題，增加了可供選擇的熱偶材料種類。正面腐蝕降低了正反對準對光刻機的要求，降低了生產(chǎn)成本。所有結(jié)構(gòu)都是由標準CMOS工藝中最常見的材料構(gòu)成的，便于將模擬放大器等后端信號處理電路整合到傳感器中，真正實現(xiàn)集信號產(chǎn)生和處理于一體的MEMS系統(tǒng)。


圖1是典型的懸浮膜結(jié)構(gòu)的微機械熱電堆紅外探測器示意圖。
圖2是本發(fā)明提出的紅外探測器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2-1立體圖，圖2-2剖面圖。
圖3是具體實施方式
例1所述器件的具體工藝流程。
圖4是本發(fā)明提出的紅外探測器俯視圖。
圖4-1實施例1所述器件俯視圖；圖4-2實施例2和實施例3所述器件俯視圖；圖4-3實施例4所述器件俯視圖。
圖中各數(shù)字代表的含義為1.襯底，2.熱電堆，3.紅外吸收層，4.冷結(jié)區(qū)，5.熱結(jié)區(qū)，6.支撐臂，7.腐蝕開口，8.框架，9.氧化硅，10.氮化硅，11.多晶硅條，12.引線孔，13.金屬線條。
具體實施例方式
下面結(jié)合本發(fā)明所提供的工藝流程，來具體闡明該探測器的具體結(jié)構(gòu)。
實施例1(1)在拋光的單晶硅片1上，高溫氧化形成熱氧化硅9，然后使用LPCVD沉積氮化硅10，這樣就形成氧化硅-氮化硅的復(fù)合介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)。見圖3-1。
(2)在(1)中復(fù)合介質(zhì)膜上再用LPCVD再沉積一層多晶硅，摻雜，使其具有一定的薄膜電阻值。然后高溫氧化，在多晶硅表面形成薄層的氧化硅9，作為濕法腐蝕的掩模。光刻多晶硅條圖形，以光刻膠為掩模，先用加緩沖劑的稀氫氟酸腐蝕氧化硅，然后去膠，以氧化硅為掩模，用KOH在一定溫度下濕法腐蝕多晶硅，形成多晶硅條11，作為熱偶的一種組分。見圖3-2。
(3)LPCVD淀積氧化硅9或氧化多晶硅形成氧化硅，與原有的氮化硅共同組成介質(zhì)膜。光刻引線孔圖形12，引線孔用以使金屬和多晶硅形成歐姆接觸。以光刻膠為掩模，用加入緩沖劑氟化氨的稀氫氟酸去掉氧化硅，得到引線孔圖形。見圖3-3。
(4)用蒸發(fā)儀沉積鋁(金屬材料不限于鋁)，接著光刻金屬線條13，腐蝕后在氮氣保護下進行合金化工藝，形成了多晶硅與金屬的熱偶對結(jié)構(gòu)。見圖3-4。
(5)在硅片正面光刻腐蝕開口7，形成干法刻蝕工作氣體進入基體1的通道。見圖3-5。
(6)使用XeF2經(jīng)由腐蝕開口7干法刻蝕基體硅1，形成懸浮膜結(jié)構(gòu)釋放器件。見圖3-6。
實施例2(1)將拋光的SOI硅片1氧化，形成表面氧化硅9。
(2)以(1)中的氧化硅9為掩模，光刻圖形，腐蝕氧化硅，刻蝕形成單晶硅條圖案14(相當(dāng)于例1中的多晶硅條11)，作為熱偶的一種組分。
(3)氧化形成氧化硅9，再用LPCVD淀積氮化硅10，形成介質(zhì)膜。光刻引線孔圖案，刻蝕介質(zhì)膜形成引線孔12。
(4)淀積鋁(金屬材料不限于鋁)，接著光刻金屬線條13，腐蝕后在氮氣保護下進行合金化工藝，形成了單晶硅與金屬的熱偶對結(jié)構(gòu)。
(5)在硅片正面光刻腐蝕開口7，形成干法刻蝕工作氣體進入基體1的通道。
(6)使用XeF2經(jīng)由腐蝕開口7干法刻蝕基體硅1，形成懸浮膜結(jié)構(gòu)釋放器件。
實施例3其具體實施步驟部分與實施例1相同，主要區(qū)別在于第一，將實施例1(2)中的多晶硅條11由平行于吸收區(qū)各邊修改為沿對角線方向。第二，將實施例1(5)中的腐蝕開口7由正方形修改為圓形，其余部分不變。步驟(1)，(3)，(4)與實施例1中的相應(yīng)步驟相同。
實施例4
其具體實施步驟部分與實施例1相同，主要區(qū)別在于第一，將實施例1(2)中的多晶硅條11由平行于吸收區(qū)各邊修改為沿吸收區(qū)徑向等間隔排列。第二，將實施例1(4)中的金屬13改為金，其余部分不變。步驟(1)，(3)，(5)與實施例1中的相應(yīng)步驟相同。
權(quán)利要求
1.微機械熱電紅外探測器，其特征在于所述探測器是由襯底、框架、熱電堆、支撐臂、紅外吸收層和腐蝕開口六部分構(gòu)成；襯底和懸浮于框架中間的紅外吸收層分別構(gòu)成熱電堆的冷結(jié)區(qū)和熱結(jié)區(qū)，支撐臂連接框架和紅外吸收區(qū)并承載熱電堆；中間懸浮的紅外吸收層帶有不同形狀的腐蝕開口，作為干法刻蝕工作氣體進入襯底進行反應(yīng)的通道。
2.按權(quán)利要求1所述的微機械熱電紅外探測器，其特征在于所述的襯底為任意晶向的單晶硅或SOI硅片。
3.按權(quán)利要求1所述的微機械熱電紅外探測器，其特征在于支撐臂和紅外吸收層是由硅襯底上氧化硅-氮化硅復(fù)合介質(zhì)膜或氧化硅-氮化硅-氧化硅三明治結(jié)構(gòu)組成。
4.按權(quán)利要求1所述的微機械熱電紅外探測器，其特征在于支撐臂和紅外吸收層在SOI襯底上，直接由氧化一層氧化硅構(gòu)成，而不形成兩層介質(zhì)膜。
5.按權(quán)利要求1所述的微機械熱電紅外探測器，其特征在于所述的腐蝕開口的形狀為方形、圓形或扇形，且不必考慮特定晶向。
6.制作如權(quán)利要求1-6任意一項所述的微機械熱電紅外探測器方法，其特征在于使用各向同性的干法刻蝕從正面腐蝕襯底形成懸浮膜結(jié)構(gòu)釋放器件，可選用下述兩種方法中任意一種方法之一①復(fù)合介質(zhì)膜的生長，在拋光的單晶硅襯底上，首先熱生長氧化硅，再用LPCVD或PECVD沉積氮化硅，形成氧化硅-氮化硅的復(fù)合介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)；②形成多晶硅條，在兩層介質(zhì)膜上用LPCVD沉積多晶硅，摻雜使其導(dǎo)電；光刻圖形，腐蝕形成多晶硅條，作為熱偶的一種組分；③光刻引線孔。在步驟②中形成的多晶硅上面，淀積氧化硅或氧化多晶硅作為絕緣層，光刻引線孔圖形；④形成金屬條和熱偶。蒸發(fā)沉積金屬，光刻金屬線條，腐蝕金屬和多晶硅形成熱偶對結(jié)構(gòu)；⑤光刻腐蝕開口，作為干法刻蝕的氣體通道；⑥干法刻蝕釋放結(jié)構(gòu)，XeF2工作氣體經(jīng)由步驟⑤中形成的開口刻蝕襯底，形成懸浮的吸收層，釋放結(jié)構(gòu)；方法之二①將拋光的SOI硅片氧化，形成表面氧化硅；②以步驟①中的氧化硅為掩模，光刻圖形，刻蝕形成單晶硅條，作為熱偶的一種組分；③氧化形成氧化硅，再用LPCVD淀積氮化硅，形成復(fù)合介質(zhì)膜，光刻引線孔圖案；④淀積金屬材料鋁，光刻金屬線條，形成單晶硅與金屬的熱偶對結(jié)構(gòu)；⑤在硅片正面光刻腐蝕開口，作為干法刻蝕的氣體通道；⑥使用XeF2經(jīng)由腐蝕開口刻蝕襯底，形成懸浮膜，釋放結(jié)構(gòu)。
7.按權(quán)利要求6所述的微機械熱電紅外探測器的制作方法，其特征在于所述的熱偶對的幾何構(gòu)型為平行于框架、沿對角線方向和沿徑向等間隔排列中任意一種。
8.按權(quán)利要求6或7所述的微機械熱電紅外探測器的制作方法，其特征在于熱偶對金屬為鋁，但不只是鋁。
9.按權(quán)利要求6或7所述的微機械熱電紅外探測器的制作方法，其特征在于熱偶對材料為Al/Poly Si、Al/Si、N-Poly Si/P-Poly Si或Au/Si。
全文摘要
本發(fā)明涉及微機械紅外熱電堆探測器結(jié)構(gòu)及其制作方法，其特征在于作為紅外吸收層的懸浮膜結(jié)構(gòu)具有多種形狀的腐蝕開口，使用各向同性的干法刻蝕從正面腐蝕襯底形成懸浮膜結(jié)構(gòu)釋放器件。探測器的襯底和懸浮于框架中間的紅外吸收層分別構(gòu)成熱電堆的冷結(jié)區(qū)和熱結(jié)區(qū)，支撐臂連接框架和紅外吸收區(qū)并承載熱電堆；中間懸浮的紅外吸收層帶有不同形狀的腐蝕開口，作為干法刻蝕工作氣體進入襯底進行反應(yīng)的通道。采用了標準CMOS工藝中最常見的材料，便于實現(xiàn)和信號處理電路的集成。使用了選擇性很好的干法刻蝕形成紅外吸收層，相比傳統(tǒng)的濕法腐蝕不僅簡化了工藝流程，降低了對光刻機的要求；同時不需考慮對其它材料的破壞，拓寬了探測器可用材料的范圍。
文檔編號H01L35/34GK1960017SQ20061011847
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月17日
發(fā)明者熊斌, 楊恒昭, 李鐵, 王翊, 王躍林 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所