專利名稱：平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)的熱釋電紅外探測(cè)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)的熱釋電紅 外探測(cè)器及其制備方法。
背景技術(shù)：
熱釋電紅外探測(cè)器因其價(jià)格低、重量輕、響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)度寬、室 溫工作無(wú)須制冷、易于熱成像、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、環(huán) 境、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，成為當(dāng)前紅外技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。影響熱釋電 紅外探測(cè)器性能的關(guān)鍵因素有兩個(gè) 一是鐵電薄膜材料的性能，另一個(gè)因素是 探測(cè)器單元的結(jié)構(gòu)；當(dāng)探測(cè)器的面積一定時(shí)，提高響應(yīng)率就必須降低探測(cè)器熱 導(dǎo)、提高器件熱容，所以探測(cè)器單元熱絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是制作高性能器件的關(guān) 鍵因素。已報(bào)道的熱釋電紅外探測(cè)器熱絕緣結(jié)構(gòu)主要有3種形式復(fù)合膜式臺(tái)
面結(jié)構(gòu)、空氣隙結(jié)構(gòu)和微橋結(jié)構(gòu)。第一種為多孔Si02/ Si02復(fù)合膜式臺(tái)面結(jié)構(gòu)，
這種結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但高的臺(tái)階影響鈍化及金屬化互連等問題，從而增大了工藝
難度和器件表面漏電流，而且與其他器件不易單片集成，工藝兼容性差；空氣 隙和微橋結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)隔熱效果好，但制作工藝復(fù)雜，增加了成本，成品 率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種制作工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低、成品率高， 易與其他器件單片集成的平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)的熱釋電紅外探測(cè)器及其制備方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明包括襯底和熱絕緣結(jié)構(gòu)，所述的熱絕緣結(jié)構(gòu) 是在硅或藍(lán)寶石襯底上刻蝕有探測(cè)器下電極對(duì)應(yīng)圖形的深槽，在深槽內(nèi)沉積有 多孔二氧化硅層，在多孔二氧化硅層和襯底上淀積有二氧化硅層或氮化硅層。
本發(fā)明制備方法是在硅或藍(lán)寶石襯底上光刻出探測(cè)器下電極對(duì)應(yīng)圖形，利用反應(yīng)離子(RIE、Reactive ion etch)刻蝕或感應(yīng)耦合等離子體(ICP、 Inductive couple plasma)刻蝕形成深槽，在深槽內(nèi)沉積多孔二氧化硅層作為隔熱層，通 過(guò)反應(yīng)離子大面積刻蝕掉多孔二氧化硅使其與襯底外延層表面形成同一平面， 再淀積二氧化硅或氮化硅修飾多孔二氧化硅表面和襯底外延層表面，在熱絕緣
結(jié)構(gòu)上用半導(dǎo)體微細(xì)加工工藝完成熱釋電紅外探測(cè)器的制作。
本發(fā)明具體思路是在硅(Si)或藍(lán)寶石襯底(如果與其他光電器件單片集 成，之前需在藍(lán)寶石襯底上外延該光電器件的材料外延層結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)與器 件要求有關(guān))上光刻出比探測(cè)器下電極稍大一些的圖形；用厚光刻膠作掩蔽， 利用RIE或ICP刻蝕形成深槽，去除光刻膠，用溶膠凝膠法制作多孔二氧化硅 層作為隔熱層，通過(guò)RIE大面積刻蝕多孔二氧化硅，直到探測(cè)器下電極圖形周 圍的多孔二氧化硅被刻蝕干凈，即露出探測(cè)器下電極圖形周圍的材料外延層表 面，再淀積二氧化硅或氮化硅修飾多孔二氧化硅表面，形成掩埋式平面化結(jié)構(gòu) 的多孔二氧化硅隔熱層，然后用半導(dǎo)體微細(xì)加工工藝完成熱釋電紅外探測(cè)器的制作。
采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種與半導(dǎo)體制 作工藝兼容的熱釋電紅外探測(cè)器平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的探測(cè)器易于與其 他器件單片集成，有利于探測(cè)器單元的高密度集成，且制作工藝簡(jiǎn)單，加工成 本低；同時(shí)極大地降低了臺(tái)面器件結(jié)構(gòu)的臺(tái)階垂直高度差，易于金屬互連，從 而減小器件加工工藝難度，降低器件表面漏電流；本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)，提高了熱釋 電紅外探測(cè)器性能和成品率，器件的可靠性也得到明顯改善。本發(fā)明適用于熱 釋電紅外探測(cè)器、紅外-紫外雙波段單片集成、紅外探測(cè)器與CMOS ROIC (Low pressure chemical vapor deposition)單片集成焦平面器件的制作。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2a—2h是本發(fā)明的工藝過(guò)程示意圖。附圖中各附圖標(biāo)記表示IOI—硅(Si)或藍(lán)寶石襯底、102 —多孔二氧化
硅、103—硅(Si)或藍(lán)寶石襯底上的外延層、104—Si02或Si晶修飾層、105 一下電極圖形電極、106—BST鐵電薄膜、107 —上電極圖形電極、108—Si凡鈍 化層、109 —紅外探測(cè)器上電極、IIO —紅外探測(cè)器下電極
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)的熱釋電紅外探測(cè)器包括襯底和熱絕緣 結(jié)構(gòu)，所述的襯底是硅(Si)或藍(lán)寶石襯底IOI。本平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)的熱釋電 紅外探測(cè)器是在硅或藍(lán)寶石襯底101上刻蝕有探測(cè)器下電極對(duì)應(yīng)圖形的深槽， 在深槽內(nèi)沉積有多孔二氧化硅層102，在多孔二氧化硅層102和襯底外延層103 上淀積有二氧化硅層或氮化硅層104。如圖1所示，在熱絕緣結(jié)構(gòu)上設(shè)有下電極 圖形電極105、 BST鐵電薄膜106、上電極圖形電極107、 Si3N4鈍化層108、紅 外探測(cè)器上電極109和紅外探測(cè)器下電極110。
本平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)的熱釋電紅外探測(cè)器采用下述的制備方法-
1、 硅(Si)或藍(lán)寶石襯底101光刻前預(yù)處理用三氯乙烷，丙酮，異丙醇 清洗襯底101;如果是藍(lán)寶石襯底，再用HCL:H20去除襯底101或外延層103上 的自然氧化層，然后在20(TC/30min條件下去除襯底的水分，必要時(shí)再用等離 子設(shè)備清洗；
如果本探測(cè)器與其他器件單片集成，在預(yù)處理之前需在藍(lán)寶石或硅襯底101 上通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD、 Metal organic chemical vapor d印osition)或分子束夕卜延技術(shù)(MBE、 Molecular beam epitaxy)生長(zhǎng)夕卜延層 103 (具體材料參數(shù)與其他單片集成器件有關(guān))，如圖2a所示。
2、 在預(yù)處理的襯底101或襯底上的外延層103上涂覆光刻膠，膠型為SPR220 4.5，轉(zhuǎn)速3000 6000r/min，熱板堅(jiān)膜90°C/90s，如圖2b所示。
3、 通過(guò)曝光、顯影、后烘，等離子掃膠等光刻工藝在光刻膠上制作出探測(cè) 器下電極對(duì)應(yīng)的圖形，如圖2c所示。
4、 利用SPR220 4.5光刻膠作掩蔽，通過(guò)RIE或ICP刻蝕外延層103、襯底101，使之形成深槽，槽深為3 6微米，刻蝕完畢后，用丙酮去除光刻膠，其 中腐蝕氣體和腐蝕工藝參數(shù)與襯底類型有關(guān)，如圖2d所示。
5、 用溶膠凝膠法制作多孔二氧化硅，根據(jù)具體凹槽的深度，選擇3000 6000r/min之間的旋轉(zhuǎn)速度涂覆多孔二氧化硅102，如果凹槽較深， 一遍不足填 平時(shí)，重復(fù)該工藝，直至多孔二氧化硅填平凹槽；如圖2e所示。
6、 利用RIE設(shè)備大面積刻蝕掉多余的多孔二氧化硅102至外延層103表面， 當(dāng)103表面的多孔二氧化硅腐蝕干凈時(shí)，則形成凹槽中的多孔二氧化硅102與 外延層103表面在同一水平面上，如圖2f所示。刻蝕氣體為四氟化碳或三氟 甲烷，功率為100W,具體刻蝕時(shí)間與外延層103上面的多孔二氧化硅102厚度有 關(guān)。
7、 利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD、 Plasma enhanced chemical vapor deposition)或低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD、 Low pressure chemical vapor d印osition)在多孔二氧化硅102和外延層103表面上淀積二氧化硅或氮化硅 104修飾多孔二氧化硅102表面，厚度為180nm 220nm;至此，紅外探測(cè)器的 平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)形成，如圖2g所示
8、 采用半導(dǎo)體工藝在平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)的多孔二氧化硅102和Si02或 Si3N4修飾層104上制作熱釋電紅外探測(cè)器，制作過(guò)程為在平面化的熱絕緣結(jié) 構(gòu)的多孔二氧化硅102和Si02或Si3N4修飾層104上光刻出探測(cè)器的下電極圖 形，然后電子束蒸發(fā)Ti/Pt，通過(guò)剝離工藝形成下電極圖形電極105;用磁控濺 射系統(tǒng)在下電極圖形105和Si02或Si3N4修飾層104表面上淀積 BaO. 65SrO. 35Ti03 (BST)鐵電薄膜；在下電極圖形電極105和BST鐵電薄膜106 上面光刻出探測(cè)器的上電極圖形，通過(guò)濺射薄層Ni/Cr作為上電極接觸金屬， 利用剝離工藝形成上電極圖形電極107;然后對(duì)紅外探測(cè)器上電極107的臺(tái)面進(jìn) 行圖形保護(hù)光刻，光刻膠為AZ1500，用HF: H20腐蝕液腐蝕多余的BST到Si02 或Si3N4修飾層104表面和下電極圖形電極105(露出的部分下電極金屬)表面； 利用PECVD在Si02或Si3N4修飾層104、下電極圖形電極105和上電極圖形電極107 (露出的部分)表面上淀積500nm氮化硅作為鈍化層；光刻出探測(cè)器上電 極及需引出部分的下電極圖形窗口 ，通過(guò)RIE腐蝕掉圖形窗口內(nèi)的500nm厚的 氮化硅，去除光刻膠；在上電極圖形電極107和Si3N4鈍化層108表面及圖形 窗口濺射Ti/Au，作為電鍍時(shí)的一個(gè)電極；在Si3N4鈍化層108表面上光刻出探 測(cè)器的上、下電極圖形，通過(guò)電鍍工藝制作出探測(cè)器的上電極109和下電極IIO， 至此，本平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)的熱釋電紅外探測(cè)器制作完成，如圖2h所示。
權(quán)利要求
1、一種平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)的熱釋電紅外探測(cè)器，其包括襯底和熱絕緣結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的熱絕緣結(jié)構(gòu)是在硅或藍(lán)寶石襯底上刻蝕有探測(cè)器下電極對(duì)應(yīng)圖形的深槽，在深槽內(nèi)沉積有多孔二氧化硅層，在多孔二氧化硅層和襯底上淀積有二氧化硅層或氮化硅層。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)的熱釋電紅外探測(cè)器的制備方 法，其特征在于在硅或藍(lán)寶石襯底上光刻出探測(cè)器下電極對(duì)應(yīng)圖形，將對(duì)應(yīng)圖 形刻蝕形成深槽，在深槽內(nèi)沉積多孔二氧化硅層作為隔熱層，刻蝕掉多孔二氧 化硅使其與襯底外延層表面形成同一平面，再淀積二氧化硅或氮化硅修飾多孔二氧化硅表面和襯底外延層表面，最后在熱絕緣結(jié)構(gòu)上完成熱釋電紅外探測(cè)器 的制作。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)的熱釋電紅外探測(cè)器的制備方 法，其特征在于所述在于利用反應(yīng)離子或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕對(duì)應(yīng)圖形刻蝕 成深槽，槽深3 6微米。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)的熱釋電紅外探測(cè)器的制備方 法，其特征在于所述的多孔二氧化硅通過(guò)凝膠溶膠方法制作，根據(jù)具體深槽的 深度，選擇相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度在深槽內(nèi)涂覆多孔二氧化硅。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)的熱釋電紅外探測(cè)器的制備方 法，其特征在于通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕多孔二氧化硅使其與襯底外延層表面形成同 一平面。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)的熱釋電紅外探測(cè)器的制備方 法，其特征在于采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法或低壓化學(xué)氣相淀積法淀積二 氧化硅或氮化硅修飾多孔二氧化硅表面，淀積厚度為180nm 220nm。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2—6所述的任意一種平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)的熱釋電紅外探 測(cè)器的制備方法，其特征在于在熱絕緣結(jié)構(gòu)上用半導(dǎo)體微細(xì)加工工藝完成熱釋 電紅外探測(cè)器的制作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種平面化熱絕緣結(jié)構(gòu)的熱釋電紅外探測(cè)器及其制備方法，其包括襯底和熱絕緣結(jié)構(gòu)，所述的熱絕緣結(jié)構(gòu)是在硅或藍(lán)寶石襯底上刻蝕有探測(cè)器下電極對(duì)應(yīng)圖形的深槽，在深槽內(nèi)沉積有多孔二氧化硅層，在多孔二氧化硅層和襯底上淀積有二氧化硅層或氮化硅層。本探測(cè)器易于與其他器件單片集成，有利于探測(cè)器單元的高密度集成，且制作工藝簡(jiǎn)單，加工成本低；同時(shí)極大地降低了臺(tái)面器件結(jié)構(gòu)的臺(tái)階垂直高度差，易于金屬互連，從而減小器件加工工藝難度，降低器件表面漏電流；本發(fā)明提高了熱釋電紅外探測(cè)器性能和成品率，器件的可靠性也得到明顯改善。本結(jié)構(gòu)的探測(cè)器適用于紅外-紫外雙波段單片集成、紅外探測(cè)器與CMOS ROIC單片集成焦平面器件的制作。
文檔編號(hào)G01J5/10GK101419092SQ20081007986
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2008年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月2日
發(fā)明者尹順政, 李獻(xiàn)杰, 蔡道民, 趙永林, 齊麗芳 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所