專利名稱：與互補金屬氧化物半導體工藝兼容的微機械熱電堆紅外探測器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種與互補金屬氧化物半導體(CMOS)兼容的微機械熱電堆紅外探測器結(jié)構(gòu)及其制作方法，特別適用于大陣列紅外探測器的制造。本發(fā)明屬于紅外探測器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，紅外探測器在公共安全、醫(yī)學診斷、環(huán)境監(jiān)測、安全系統(tǒng)、天文研究、輔助駕駛以及芯片的實時熱檢測等方面的應(yīng)用日益受人關(guān)注。隨著應(yīng)用的日益普及，對紅外探測系統(tǒng)的微型、靈敏、精巧、隱秘與高可靠也要求日益強烈。與傳統(tǒng)的光量子型探測器件相比，非制冷型紅外技術(shù)采用目前日臻成熟的MEMS技術(shù)，利用光-熱-電轉(zhuǎn)化探測紅外光，由于不需要制冷機和掃描機構(gòu)，降低了整機的重量、復(fù)雜性、功耗、成本，是紅外技術(shù)低成本、小型化的主流發(fā)展方向。
熱電型紅外探測器是通過把入射光轉(zhuǎn)化成熱，然后再進行測量。熱電堆紅外探測器及其陣列是最早研究并實用化的熱電型紅外成像器件之一，它通過測量金屬或半導體由于塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢來探測紅外輻射的。過去，熱電堆紅外探測器都是使用真空鍍膜的方法制造，這樣制造出的器件尺寸比較大，而且不能批量生產(chǎn)。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，尤其是MEMS技術(shù)的發(fā)展，紅外熱電堆的制造技術(shù)迅速更新。目前，微機械紅外熱電堆一般采用背腐蝕法，如J Schieferdecker等在《Infrared thermopile sensors withhigh sensitivity and very low temperature coefficient》一文中采用的方法，腐蝕時間長，需要正反兩面對準曝光，與CMOS工藝兼容性差，增加了工藝難度，制造成本也較高。近期一些微機械紅外熱電堆也采用了表面加工的方法，如徐崢誼等在《正面腐蝕方法制作新型微機械紅外熱電堆探測器》中采用正面加工得到了熱電堆紅外探測器，但是由于工藝方法的限制，其不能得到大的紅外吸收面積，占空比較小，不利于器件性能的提高、陣列化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種與CMOS兼容的正面腐蝕微機械紅外熱電堆結(jié)構(gòu)及其制作方法。
本發(fā)明之微機械熱電堆紅外探測器是在<100>晶向硅片上制作的，結(jié)構(gòu)如附圖1所示，包括框架1，熱電堆2，支撐臂3，紅外吸收區(qū)4，長條形開口5等五部分。其中，框架1與中間懸浮的紅外吸收區(qū)4構(gòu)成熱電堆2的冷結(jié)區(qū)和熱結(jié)區(qū)，支撐臂起到連接框架1和紅外吸收區(qū)4以及承載熱電堆2的目的。支撐臂3和紅外吸收區(qū)是由在硅片上淀積的氧化硅和氮化硅復(fù)合膜構(gòu)成。支撐臂3可以是雙邊對拉或四邊對拉結(jié)構(gòu)，如附圖2所示的(a)四支撐臂結(jié)構(gòu)、(b)雙支撐臂結(jié)構(gòu)以及(c)四邊對拉寬支撐臂結(jié)構(gòu)。熱電堆2可以采用與CMOS工藝兼容的P型多晶硅、N型多晶硅、Al、Au等材料中的任意兩種組合制作。長條形開口5是在紅外吸收區(qū)4上刻蝕的腐蝕窗口，其沿<100>方向，是利用(100)面單晶硅各向異性腐蝕的特性來設(shè)計的。腐蝕后將形成以開口為對角線，沿<110>晶向的正方形底面棱臺形坑，如圖3所示。長方形開口5可以通過設(shè)計適當?shù)姆植几采w。長方形開口5的分布設(shè)計如附圖4所示，是以各開口俯視得到的正方形為單元，選擇合適大小的正方形，考慮支撐臂3的寬度和紅外吸收區(qū)4的大小及應(yīng)力，覆蓋整個紅外吸收區(qū)4，這樣支撐臂釋放的同時，可以達成整個器件的快速釋放成形。
本發(fā)明采用的制作方法如圖5所示，具體如下1.取<100>晶向雙拋硅片進行氧化后，以低壓化學氣相沉積(LPCVD)的方法雙面沉積氮化硅/多晶硅層，然后再生長氧化硅層。
2.光刻并刻蝕窗口，使用離子注入的方法或擴散的方法對多晶硅進行p型或p/n型摻雜并作高溫退火激活。
3.光刻并刻蝕出多晶硅電阻條，作為熱電堆電偶材料。
4.在多晶硅電阻條表面生長氧化硅層。
5.在氧化層上光刻引線孔圖形，用氫氟酸腐蝕氧化硅形成引線孔，在正面沉積金屬層，并光刻出金屬線條，金屬條和摻雜的多晶硅條通過引線孔實現(xiàn)歐姆接觸，形成p/n型多晶硅或多晶硅、金屬熱偶對，成為熱電堆的主要結(jié)構(gòu)。
6.在正面的復(fù)合膜上光刻出腐蝕窗口，去除窗口內(nèi)的氮化硅、氧化硅，使用各向異性腐蝕液，如四甲基氫氧化銨(TMAH)或氫氧化鉀(KOH)進行腐蝕，到紅外吸收層和支撐臂完全釋放，即得到了紅外熱堆探測器。
本發(fā)明的優(yōu)點如下1.采用本發(fā)明的正面腐蝕釋放熱電堆結(jié)構(gòu)的方法，可以短時間內(nèi)迅速釋放大面積器件結(jié)構(gòu)，提高成品率，降低生產(chǎn)成本；2.制作工藝與現(xiàn)有CMOS工藝兼容。由于器件中所需要的薄膜材料都是在常規(guī)IC工藝材料范圍內(nèi)，而且采用了不同于以往的體硅正面腐蝕釋放結(jié)構(gòu)層工藝，器件整體工藝與CMOS兼容，成本更低；3.懸浮膜的設(shè)計使得紅外吸收區(qū)面積占空比大，有利于器件性能提高。
綜上所述，本發(fā)明提出的熱電堆紅外探測器采用特定的正面開口結(jié)構(gòu)進行濕法腐蝕釋放熱電堆結(jié)構(gòu)，其有效紅外吸收面積可占約50％的單元像素面積、具有占空比大、腐蝕時間短、成品率高、成本低、與CMOS兼容性好、適合陣列化等特點。


圖1為本發(fā)明之CMOS兼容正面腐蝕的微機械多晶硅熱電堆紅外探測器結(jié)構(gòu)立體示意圖。
圖2為本發(fā)明之CMOS兼容正面腐蝕的微機械多晶硅熱電堆紅外探測器結(jié)構(gòu)三種設(shè)計示意圖。(a)為四支撐臂結(jié)構(gòu)，(b)為二支撐臂結(jié)構(gòu)，(c)為寬支撐臂結(jié)構(gòu)。
圖3為沿<100>方向的長條形開口設(shè)計(a)及其腐蝕結(jié)果示意圖(b)。
圖4為本發(fā)明之長條形開口設(shè)計示意說明圖。
圖5為本發(fā)明之CMOS兼容正面腐蝕的微機械多晶硅熱電堆紅外探測器結(jié)構(gòu)制作過程。(a)薄膜生長，(b)圖形化摻雜，(c)熱電堆成形，(d)鈍化層制作，(e)互連線，(f)結(jié)構(gòu)釋放。
圖6為具體實施例1制作的器件掃描電鏡照片。
圖中1為框架，2為熱電堆，3為支撐臂，4為紅外吸收區(qū)，5為長條形開口實施例1本實施例結(jié)構(gòu)參見圖1。其制作工藝如下1.在(100)單晶硅上LPCVD沉積一層SiO2/Si3N4雙層介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，總膜厚約為5000。然后在其上生長一層厚約4000的多晶硅，接著生長約1000氧化硅，如圖5-(a)所示。
2.經(jīng)過光刻、BOE(Buffered Oxide Etch，緩沖氧化層腐蝕劑)等工藝在表面形成氧化硅窗口圖形后，利用光刻膠作為離子注入掩蔽層，P、B等離子注入多晶硅，形成多晶硅電阻條，作為熱電堆電偶材料，如圖5-(b)所示。
3.光刻堅膜之后，BOE濕法腐蝕其余多晶硅表面的氧化硅，離子干法刻蝕電阻條圖形外的多晶硅，等離子去膠，1000℃高溫退火激活離子形成熱電堆圖形，如圖5-(c)所示。
4.在多晶硅電阻條表面PECVD生長2000左右的氧化硅，作為最后硅各向異性腐蝕工藝的多晶硅鈍化保護層，如圖5-(d)所示。
5.經(jīng)過光刻、BOE等工藝后露出多晶硅電阻條引線接觸孔。濺射2000鋁或鈦金等金屬作為電阻之間的引線，采用帶膠剝離工藝圖形化金屬引線，如圖5-(e)所示。
6.離子干法刻蝕SiO2/Si3N4雙層介質(zhì)膜形成腐蝕窗口，采用濃度為25％的TMAH各向異性腐蝕溶液釋放懸空薄膜絕熱結(jié)構(gòu)，80℃水浴3小時即可完成結(jié)構(gòu)釋放，然后進行酒精脫水干燥得到器件，如圖5-(f)所示。
經(jīng)過以上步驟流片后所得器件照片見圖6。
實施例2本實施例結(jié)構(gòu)俯視圖參見圖2-(b)，其余同實施例1。
實施例3本實施例結(jié)構(gòu)俯視圖參見圖2-(c)，其余同實施例1。
權(quán)利要求
1.一種與CMOS工藝兼容的微機械熱電堆紅外探測器，其特征在于框架(1)與中間懸浮的紅外吸收區(qū)(4)構(gòu)成熱電堆(2)的冷結(jié)區(qū)和熱結(jié)區(qū)；支撐臂(3)連接框架(1)和紅外吸收區(qū)(4)以及承載熱電堆(2)；長條形開口(5)覆蓋整個紅外吸收區(qū)(4)。
2.按權(quán)利要求1所述的與CMOS工藝兼容的微機械熱電堆紅外探測器，其特征在于所述的支撐臂(3)為雙邊對拉或四邊對拉結(jié)構(gòu)。
3.按權(quán)利要求2所述的與CMOS工藝兼容的微機械熱電堆紅外探測器，其特征在于支撐臂(3)為四支撐臂結(jié)構(gòu)、雙支撐臂結(jié)構(gòu)或四邊對拉寬支撐臂結(jié)構(gòu)。
4.按權(quán)利要求1所述的與CMOS工藝兼容的微機械熱電堆紅外探測器，其特征在于長條形開口(5)是在紅外吸收區(qū)(4)上刻蝕的腐蝕窗口，沿<100>晶向的正方形底面棱臺形坑。
5.按權(quán)利要求1或4所述的與CMOS工藝兼容的微機械熱電堆紅外探測器，其特征在于長條形開口腐蝕得到正方形單元。
6.按權(quán)利要求1所述的與CMOS工藝兼容的微機械熱電堆紅外探測器，其特征在于所述的支撐臂(3)和紅外吸收區(qū)(4)是由在硅片上淀積的氧化硅和氮化硅復(fù)合膜構(gòu)成的。
7.制作如權(quán)利要求1所述的與CMOS工藝兼容的微機械熱電堆紅外探測器的方法，其特征在于工藝步驟是(a)取<100>晶向雙拋硅片進行氧化后，以低壓化學氣相沉積的方法雙面沉積氮化硅/多晶硅層，然后再生長氧化硅層；(b)光刻并刻蝕窗口，使用離子注入的方法或擴散的方法對多晶硅進行p型或p/n型摻雜并作高溫退火激活；(c)光刻并刻蝕出多晶硅電阻條，作為熱電堆電偶材料；(d)在多晶硅電阻條表面生長氧化硅層；(e)在氧化層上光刻引線孔圖形，用氫氟酸腐蝕氧化硅形成引線孔，在正面沉積金屬層，并光刻出金屬線條，金屬條和摻雜的多晶硅條通過引線孔實現(xiàn)歐姆接觸，形成p/n型多晶硅或多晶硅、金屬熱偶對，成為熱電堆的主要結(jié)構(gòu)；(f)在正面的復(fù)合膜上光刻出腐蝕窗口，去除窗口內(nèi)的氮化硅、氧化硅，使用各向異性腐蝕液進行腐蝕，使紅外吸收層和支撐臂完全釋放，即得到了紅外熱堆探測器。
8.按權(quán)利要求7所述的與CMOS工藝兼容的微機械熱電堆紅外探測器的制作方法，其特征在于所述的各向異性腐蝕液為四甲基氫氧化銨或氫氧化鉀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種與互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal－Oxide Semiconductor，CMOS)兼容的微機械熱電堆紅外探測器結(jié)構(gòu)及其制作方法，其特征為利用(100)單晶硅各向異性腐蝕特性采用正面特定的開口通過正面腐蝕實現(xiàn)大吸收面積微機械熱電堆結(jié)構(gòu)，所制作的紅外探測器特征在于框架與中間懸浮的紅外吸收區(qū)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)以及承載熱電堆；長條形開口覆蓋整個紅外吸收區(qū)。本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)和工藝具有腐蝕時間短、器件占空比大，器件成品率高等特點，特別適合大陣列紅外探測器的制作。
文檔編號H01L31/08GK1851950SQ20061002629
公開日2006年10月25日 申請日期2006年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月29日
發(fā)明者李鐵, 劉義冬, 王翊, 熊斌, 王躍林 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所