專(zhuān)利名稱(chēng)：結(jié)構(gòu)自對(duì)準(zhǔn)制作微機(jī)械熱堆紅外探測(cè)器的紅外吸收層方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)自對(duì)準(zhǔn)方法制作微機(jī)械熱電堆紅外探測(cè)器的紅外吸收層的方法，屬于微機(jī)械領(lǐng)域。
微機(jī)械熱電堆紅外探測(cè)器主要由熱堆結(jié)構(gòu)以及紅外吸收層組成。熱堆結(jié)構(gòu)由熱偶對(duì)、熱結(jié)區(qū)與冷結(jié)區(qū)組成，為了提高探測(cè)器的性能，需要有良好的隔熱結(jié)構(gòu)，使熱結(jié)區(qū)到冷結(jié)區(qū)的熱傳導(dǎo)緩慢，塞貝克效應(yīng)顯著。在硅基微機(jī)械熱電堆紅外探測(cè)器中，一般以硅襯底為冷結(jié)區(qū)，而熱結(jié)區(qū)選擇在支撐熱堆的膜結(jié)構(gòu)上，即紅外吸收層區(qū)域。典型的結(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(duì)紅外輻射有一定吸收，但吸收率較小；在冷結(jié)區(qū)固定的情況下，提高熱結(jié)區(qū)的溫度，即增加對(duì)紅外輻射的吸收對(duì)于性能的提高是非常顯著的。為此，在支撐膜上生長(zhǎng)紅外吸收層，利用其對(duì)紅外輻射的高吸收率以及廣譜吸收的特性，用以提高熱紅外探測(cè)器的性能。要取得理想的吸收效果，對(duì)紅外吸收層的要求是高吸收率以及較小的薄膜厚度。通常有三種方法實(shí)現(xiàn)紅外吸收層的生長(zhǎng)，分別是金屬薄膜法、電鍍法沉積鉑黑以及氮?dú)夥障抡舭l(fā)金屬的方法。對(duì)于微機(jī)械熱電堆紅外探測(cè)器來(lái)說(shuō)，不光要生長(zhǎng)紅外吸收層，還希望其具有一定的形狀，也就是在支撐膜上形成一個(gè)紅外敏感的區(qū)域，作為熱堆的熱結(jié)區(qū)，與硅基冷結(jié)區(qū)區(qū)別，使熱沿著熱偶從熱結(jié)區(qū)向冷結(jié)區(qū)傳導(dǎo)。在以往有關(guān)熱電堆紅外探測(cè)器的報(bào)道中，關(guān)于如何制作具有一定形狀的紅外吸收區(qū)的內(nèi)容基本沒(méi)有什么提及。一般認(rèn)為可以采用類(lèi)似絲網(wǎng)印刷的方法，這要求另外制作相應(yīng)的掩膜板，該方法的制作成本較高，同時(shí)制作過(guò)程中還存在定位不準(zhǔn)的問(wèn)題。
本發(fā)明的特征是從單晶硅片的正面和背面同時(shí)進(jìn)行腐蝕，從而在熱堆背面得到一個(gè)與紅外吸收區(qū)大小相仿的窗口，通過(guò)此窗口自對(duì)準(zhǔn)作用，在氮?dú)夥障抡舭l(fā)黑體，使得黑體直接沉積在熱堆的背面，而無(wú)需制備專(zhuān)門(mén)的掩膜，也無(wú)需套準(zhǔn)，從而大大簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程。其具體工藝流程將在圖3中進(jìn)行介紹。
圖3-1～4為形成此腐蝕結(jié)構(gòu)的具體工藝步驟。
(1)在(100)的單晶硅片7上，先用低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)沉積一層氮化硅9，沉積溫度為750℃-850℃，厚度為0.1-0.2微米；再沉積一層低溫氧化硅膜LTO，或用LPCVD先沉積一層多晶硅，沉積溫度為600℃-700℃，厚度為0.2-0.4微米，再將其全部氧化，形成一層氧化硅8，接著在氧化硅上用LPCVD沉積一層氮化硅9，至此形成了“氮化硅—氧化硅—氮化硅”三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合介質(zhì)膜?；蛟?100)單晶硅片上先熱氧化得到一層厚度0.5-0.6微米的氧化層，接著用LPCVD方法沉積一層氮化硅，沉積溫度為800℃，厚度為0.1-0.2微米，形成“氧化硅—氮化硅”的復(fù)合介質(zhì)膜。在此二種復(fù)合膜上繼續(xù)用LPCVD法沉積一層多晶硅，在其表面擴(kuò)硼摻雜，使硼離子濃度達(dá)到1015厘米-3數(shù)量級(jí)后，將其表層氧化，利用氧化層做掩膜，光刻多晶硅條圖形，用干法刻蝕得到多晶硅條10(如圖3-1所示)。
(2)將整塊硅片氧化，使得多晶硅條表面覆蓋一層氧化硅8。然后光刻引線孔圖形，引線孔用以使金屬與多晶硅形成歐姆接觸。用氫氟酸腐蝕氧化硅后，得到引線孔圖形13(如圖3-2)。
(3)在硅片表面沉積一層金屬，一般可用鋁、金、鉑等。接著光刻金屬線條11，經(jīng)過(guò)腐蝕成形，就形成了多晶硅與金屬的熱偶對(duì)結(jié)構(gòu)(如圖3-3)。
(4)在硅片正面光刻腐蝕窗口，利用干法刻蝕，以及濕法腐蝕的方法，去掉窗口周?chē)摹暗琛趸琛琛睂踊颉把趸琛琛睂樱纬烧娓g窗口14。然后進(jìn)行背面套刻腐蝕窗口15，用氫氟酸腐蝕去掉氧化硅，暴露出襯底的硅。使用各向異性腐蝕劑四甲基氫氧化銨或氫氧化鉀，在50℃-90℃溫度范圍下對(duì)硅的正反面同時(shí)進(jìn)行腐蝕，得到熱堆結(jié)構(gòu)。最后在氮?dú)夥障乱愿g窗口15為掩膜，從硅片背面自對(duì)準(zhǔn)蒸發(fā)金屬黑體12，該黑體位于介質(zhì)支撐膜的背部，至此便得到一個(gè)完整的紅外熱電堆探測(cè)器的紅外吸收層，連同上述得到的熱堆結(jié)構(gòu)形成探測(cè)器(圖3-4)。
為了進(jìn)一步闡述本發(fā)明的顯著進(jìn)步和實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)，再與典型的微機(jī)械熱電堆紅外探測(cè)器作深入比較。
圖1為典型微機(jī)械熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖。由圖1-1可以看到，使用各向異性腐蝕劑，如四甲基氫氧化氨(TMAH)或氫氧化鉀(KOH)腐蝕后，在硅基體1的頂部留下一層很薄的復(fù)合介質(zhì)膜2，側(cè)壁為(111)。這層膜一般為氮化硅—氧化硅復(fù)合膜，或是氮化硅—氧化硅—氮化硅復(fù)合膜，膜與基體一一相連，中間沒(méi)有孔隙。膜上面有熱堆結(jié)構(gòu)3，以及紅外吸收區(qū)4，其中熱堆的熱結(jié)區(qū)5位于紅外吸收區(qū)4附近，冷結(jié)區(qū)6在硅基體1上。
圖1-2給出的是此器件的剖面圖。其制造工藝為在一片(100)單晶硅7上，用低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)沉積氮化硅9和多晶硅膜，將后者全部熱氧化生成氧化硅8，再用LPCVD法沉積一層氮化硅，這三者構(gòu)成一層三明治狀的復(fù)合支持膜。然后沉積多晶硅膜，擴(kuò)硼摻雜，經(jīng)光刻、刻蝕形成多晶硅條10，作為熱偶的一部分。再沉積金屬，通過(guò)光刻、腐蝕方法形成金屬線條11，至此就形成了多晶硅和金屬的熱電堆結(jié)構(gòu)。然后對(duì)硅片進(jìn)行背面套刻腐蝕窗口，用各向異性腐蝕劑腐蝕，在硅片頂部留下了一層氮化硅—氧化硅—氮化硅的復(fù)合介質(zhì)膜，側(cè)壁為(111)。最后在表面沉積一層黑體12，作為紅外吸收層，便得到了一個(gè)完整的微機(jī)械紅外熱電堆探測(cè)器。其中制作吸收層的工藝過(guò)程中需要定位掩膜，工藝較為復(fù)雜。
圖4是利用腐蝕結(jié)構(gòu)自對(duì)準(zhǔn)制作的紅外熱電堆結(jié)構(gòu)示意圖。本例采用的是斜拉懸梁支撐膜結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)正反面同時(shí)腐蝕，得到黑體沉積窗口17，黑體材料從結(jié)構(gòu)背面，通過(guò)此沉積窗口蒸發(fā)至復(fù)合支撐膜上，形成一六邊形形狀的黑體，作為熱電堆的紅外吸收區(qū)。
由此可見(jiàn)，本發(fā)明用結(jié)構(gòu)自對(duì)準(zhǔn)制作微機(jī)械熱電堆紅外探測(cè)器的紅外吸收層，由于各向異性腐蝕生成的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)整腐蝕溫度與腐蝕時(shí)間等精確控制，因此紅外吸收層的定位可以非常精確；同時(shí)，由于是自對(duì)準(zhǔn)沉積，故無(wú)須另外制作定位掩膜板，這樣可降低制作成本；除了支撐膜外，冷結(jié)區(qū)的硅襯底背面以及腐蝕孔側(cè)壁(111)上也會(huì)有紅外吸收材料沉積上去，但由于這些部位導(dǎo)熱非常迅速，對(duì)于冷結(jié)區(qū)溫度沒(méi)有什么影響，故亦不用考慮消除的問(wèn)題。綜上所述，采用本發(fā)明的制作方法，對(duì)于微機(jī)械熱電堆紅外探測(cè)器的性能提高與成本的降低是很有裨益的。
圖3為圖2所示方法的具體工藝步驟4為利用腐蝕結(jié)構(gòu)自對(duì)準(zhǔn)制作的紅外熱電堆結(jié)構(gòu)示意中，各數(shù)字所代表的含義分別為1—(硅)基體；2—復(fù)合介質(zhì)膜；3—熱堆；4—紅外吸收區(qū)；5—熱結(jié)區(qū)；6—冷結(jié)區(qū)；7—單晶硅；8—氧化硅；9—氮化硅；10—多晶硅；11—金屬線；12—黑體；13—引線孔；14—正面腐蝕窗口；15—背面腐蝕窗口；16—邊框；17—黑體沉積窗口。
接著用LPCVD沉積一層多晶硅，厚度為0.6微米，進(jìn)行擴(kuò)硼摻雜，使其具有一定的面電阻；再將其表面熱氧化，光刻熱偶硅條形狀，以氧化硅為掩膜，用干法刻蝕形成熱偶硅條10，條寬為十到幾十微米，長(zhǎng)為條寬的幾倍到幾十倍。
將多晶硅表層再次熱氧化，光刻引線孔圖形，用氫氟酸腐蝕得到引線孔13。
再在整個(gè)表面沉積金屬層，本實(shí)例中可選用金(Au)為金屬層。然后光刻出用于形成熱偶的金屬條11形狀，金屬條和摻雜的多晶硅條通過(guò)引線孔實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，形成熱偶對(duì)，成為熱堆3的主要構(gòu)成。
正面光刻腐蝕窗口14，用干法刻蝕去掉氮化硅，用氫氟酸腐蝕除去氧化硅，將復(fù)合介質(zhì)膜下的單晶硅7暴露出來(lái)。再進(jìn)行背面套刻腐蝕窗口15，用氫氟酸去掉氧化硅，裸露出襯底的硅。然后利用氧化硅和復(fù)合介質(zhì)膜作為掩膜，用各向異性腐蝕劑一四甲基氫氧化銨(TMAH)在80℃溫度下對(duì)硅的正反面同時(shí)進(jìn)行腐蝕，最終在硅片中心部位腐蝕穿通，得到如圖2所示結(jié)構(gòu)。此腐蝕孔正對(duì)熱堆懸梁中心，我們將其作為黑體沉積窗口17，以此沉積窗口為掩膜，將其在氮?dú)夥障鲁练e黑體，在懸梁背面得到一六邊形黑體12，作為熱電堆的紅外吸收區(qū)(圖4)。
實(shí)施例2在(100)單晶硅片上先熱氧化，得到一層氧化硅，厚度為0.5微米，接著用LPCVD沉積一層氮化硅，沉積溫度為800℃，厚度為0.15微米，得到一層“氧化硅—氮化硅”的復(fù)合介質(zhì)膜。再用LPCVD沉積一層多晶硅，厚度為0.6微米，擴(kuò)硼摻雜后，光刻多晶硅條，表面沉積金屬鋁，與多晶硅組成熱偶對(duì)。待最后腐蝕結(jié)構(gòu)時(shí)，改用KOH進(jìn)行腐蝕，得到熱堆結(jié)構(gòu)。其余工藝同實(shí)施例1。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)自對(duì)準(zhǔn)制作微機(jī)械熱堆紅外探測(cè)器的紅外吸收層方法，其特征在于從單晶硅片的正面和反面同時(shí)進(jìn)行腐蝕，在熱堆背面得到一個(gè)與紅外吸收區(qū)大小相仿的窗口，通過(guò)此窗口的對(duì)準(zhǔn)作用，在氮?dú)夥障抡舭l(fā)黑體，使黑體沉積在熱堆的背后。
2.按權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)自對(duì)準(zhǔn)制作微機(jī)械熱堆紅外探測(cè)器的紅外吸收層方法，其特征在于具體制作步驟是(1)在(100)的單晶硅片上，先用低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)沉積一層氮化硅，再用LPCVD沉積一層多晶硅，并將其全部氧化，形成一層氧化硅，再在氧化硅上用LPCVD沉積一層氮化硅，至此形成了氮化硅—氧化硅—氮化硅三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合介質(zhì)膜；或在(100)的單晶片上先熱氧化得到氧化層，接著用LPCVD方法，沉積一層氮化硅，形成氧化硅—氮化硅的復(fù)合介質(zhì)膜；在此二種復(fù)合膜上繼續(xù)用LPCVD法沉積一層多晶硅，表面擴(kuò)硼摻雜后，將其表層氧化，利用氧化層做掩膜，光刻多晶硅條圖形，用干法刻蝕得到多晶硅條；(2)將整塊硅片氧化，使得多晶硅條表面覆蓋一層氧化硅，然后光刻使金屬與多晶硅形成歐姆接觸的引線孔圖形，用氫氟酸腐蝕氧化硅后，得到引線孔圖形；(3)在硅片表面沉積一層金屬，一般可用鋁、金、鉑；接著光刻金屬線條，經(jīng)過(guò)腐蝕成形，就形成了多晶硅與金屬的熱偶對(duì)結(jié)構(gòu)；(4)在硅片正面光刻腐蝕窗口，利用干法刻蝕，以及濕法腐蝕的方法，去掉窗口周?chē)牡琛趸琛鑼?，形成正面腐蝕窗口；然后進(jìn)行背面套刻腐蝕窗口，用氫氟酸腐蝕去掉氧化硅，暴露出襯底的硅。使用各向異性腐蝕劑腐蝕，在50℃-90℃溫度范圍下，對(duì)硅的正反面同時(shí)進(jìn)行腐蝕，得到熱堆結(jié)構(gòu)；最后在氮?dú)夥障乱愿g窗口為掩膜，從硅片背面自對(duì)準(zhǔn)蒸發(fā)金屬黑體，該黑體位于介質(zhì)支撐膜的背部，至此便得到一個(gè)完整的微機(jī)械熱電堆紅外探測(cè)器的紅外吸收層。
3.按權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)自對(duì)準(zhǔn)制作微機(jī)械熱電堆紅外探測(cè)器紅外吸收層的方法，其特征在于所述的氮化硅—氧化硅—氮化硅三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合介質(zhì)膜中氮化硅膜沉積溫度為750℃-850℃，厚度為0.1-0.2微米；氧化硅膜是直接低溫沉積得到的LTO膜或是先沉積一層多晶硅，由多晶硅熱氧化成氧化硅，多晶硅的沉積溫度為600℃-700℃，厚度為0.2-0.4微米。
4.按權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)自對(duì)準(zhǔn)制作微機(jī)械熱電堆紅外探測(cè)器紅外吸收層的方法，其特征在于所述的復(fù)合介質(zhì)膜為氧化硅—氮化硅的復(fù)合層，氧化硅層的厚度0.5-0.6微米，氮化硅層的沉積溫度800℃，厚度為0.1-0.2微米。
5.按權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)自對(duì)準(zhǔn)制作微機(jī)械熱電堆紅外探測(cè)器紅外吸收層的方法，其特征在于所用的各向異性腐蝕劑為四甲基氫氧化銨或KOH。
全文摘要
一種結(jié)構(gòu)自對(duì)準(zhǔn)制作微機(jī)械熱堆紅外探測(cè)器的紅外吸收層方法,屬于微機(jī)械領(lǐng)域,其特點(diǎn)是從單晶硅片的正面和反面同時(shí)進(jìn)行腐蝕,在熱堆背面得到一個(gè)與紅外吸收區(qū)大小相仿的窗口,通過(guò)此窗口的對(duì)準(zhǔn)作用,在氮?dú)夥障抡舭l(fā)黑體,使黑體沉積在熱堆的背后。所以本發(fā)明的最為關(guān)鍵的工藝是利用硅各向異性腐蝕生成的結(jié)構(gòu),自對(duì)準(zhǔn)沉積黑體制作紅外吸收層。這樣既可一次成型,省去了光刻等相關(guān)工藝,降低了生產(chǎn)成本;又可精確定位生成紅外吸收層,提高器件的成品率。
文檔編號(hào)H01L31/09GK1342887SQ0113197
公開(kāi)日2002年4月3日 申請(qǐng)日期2001年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月22日
發(fā)明者徐崢誼, 熊斌, 王翊, 王躍林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所