結構自對準製作微機械熱堆紅外探測器的紅外吸收層方法

2023-05-07 10:48:36 2

專利名稱：結構自對準製作微機械熱堆紅外探測器的紅外吸收層方法
技術領域：
本發明涉及一種結構自對準方法製作微機械熱電堆紅外探測器的紅外吸收層的方法，屬於微機械領域。
微機械熱電堆紅外探測器主要由熱堆結構以及紅外吸收層組成。熱堆結構由熱偶對、熱結區與冷結區組成，為了提高探測器的性能，需要有良好的隔熱結構，使熱結區到冷結區的熱傳導緩慢，塞貝克效應顯著。在矽基微機械熱電堆紅外探測器中，一般以矽襯底為冷結區，而熱結區選擇在支撐熱堆的膜結構上，即紅外吸收層區域。典型的結構如

圖1所示。支撐膜一般為氧化矽與氮化矽的複合膜，本身對紅外輻射有一定吸收，但吸收率較小；在冷結區固定的情況下，提高熱結區的溫度，即增加對紅外輻射的吸收對於性能的提高是非常顯著的。為此，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以及廣譜吸收的特性，用以提高熱紅外探測器的性能。要取得理想的吸收效果，對紅外吸收層的要求是高吸收率以及較小的薄膜厚度。通常有三種方法實現紅外吸收層的生長，分別是金屬薄膜法、電鍍法沉積鉑黑以及氮氣氛下蒸發金屬的方法。對於微機械熱電堆紅外探測器來說，不光要生長紅外吸收層，還希望其具有一定的形狀，也就是在支撐膜上形成一個紅外敏感的區域，作為熱堆的熱結區，與矽基冷結區區別，使熱沿著熱偶從熱結區向冷結區傳導。在以往有關熱電堆紅外探測器的報導中，關於如何製作具有一定形狀的紅外吸收區的內容基本沒有什麼提及。一般認為可以採用類似絲網印刷的方法，這要求另外製作相應的掩膜板，該方法的製作成本較高，同時製作過程中還存在定位不準的問題。
本發明的特徵是從單晶矽片的正面和背面同時進行腐蝕，從而在熱堆背面得到一個與紅外吸收區大小相仿的窗口，通過此窗口自對準作用，在氮氣氛下蒸發黑體，使得黑體直接沉積在熱堆的背面，而無需製備專門的掩膜，也無需套準，從而大大簡化了工藝過程。其具體工藝流程將在圖3中進行介紹。
圖3-1～4為形成此腐蝕結構的具體工藝步驟。
(1)在(100)的單晶矽片7上，先用低壓化學氣相沉積法(LPCVD)沉積一層氮化矽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矽膜LTO，或用LPCVD先沉積一層多晶矽，沉積溫度為600℃-700℃，厚度為0.2-0.4微米，再將其全部氧化，形成一層氧化矽8，接著在氧化矽上用LPCVD沉積一層氮化矽9，至此形成了「氮化矽—氧化矽—氮化矽」三明治結構的複合介質膜。或在(100)單晶矽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方法沉積一層氮化矽，沉積溫度為800℃，厚度為0.1-0.2微米，形成「氧化矽—氮化矽」的複合介質膜。在此二種複合膜上繼續用LPCVD法沉積一層多晶矽，在其表面擴硼摻雜，使硼離子濃度達到1015釐米-3數量級後，將其表層氧化，利用氧化層做掩膜，光刻多晶矽條圖形，用幹法刻蝕得到多晶矽條10(如圖3-1所示)。
(2)將整塊矽片氧化，使得多晶矽條表面覆蓋一層氧化矽8。然後光刻引線孔圖形，引線孔用以使金屬與多晶矽形成歐姆接觸。用氫氟酸腐蝕氧化矽後，得到引線孔圖形13(如圖3-2)。
(3)在矽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，經過腐蝕成形，就形成了多晶矽與金屬的熱偶對結構(如圖3-3)。
(4)在矽片正面光刻腐蝕窗口，利用幹法刻蝕，以及溼法腐蝕的方法，去掉窗口周圍的「氮化矽—氧化矽—氮化矽」層或「氧化矽—氮化矽」層，形成正面腐蝕窗口14。然後進行背面套刻腐蝕窗口15，用氫氟酸腐蝕去掉氧化矽，暴露出襯底的矽。使用各向異性腐蝕劑四甲基氫氧化銨或氫氧化鉀，在50℃-90℃溫度範圍下對矽的正反面同時進行腐蝕，得到熱堆結構。最後在氮氣氛下以腐蝕窗口15為掩膜，從矽片背面自對準蒸發金屬黑體12，該黑體位於介質支撐膜的背部，至此便得到一個完整的紅外熱電堆探測器的紅外吸收層，連同上述得到的熱堆結構形成探測器(圖3-4)。
為了進一步闡述本發明的顯著進步和實質性特點，再與典型的微機械熱電堆紅外探測器作深入比較。
圖1為典型微機械熱電堆紅外探測器結構示意圖。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)腐蝕後，在矽基體1的頂部留下一層很薄的複合介質膜2，側壁為(111)。這層膜一般為氮化矽—氧化矽複合膜，或是氮化矽—氧化矽—氮化矽複合膜，膜與基體一一相連，中間沒有孔隙。膜上面有熱堆結構3，以及紅外吸收區4，其中熱堆的熱結區5位於紅外吸收區4附近，冷結區6在矽基體1上。
圖1-2給出的是此器件的剖面圖。其製造工藝為在一片(100)單晶矽7上，用低壓化學氣相沉積法(LPCVD)沉積氮化矽9和多晶矽膜，將後者全部熱氧化生成氧化矽8，再用LPCVD法沉積一層氮化矽，這三者構成一層三明治狀的複合支持膜。然後沉積多晶矽膜，擴硼摻雜，經光刻、刻蝕形成多晶矽條10，作為熱偶的一部分。再沉積金屬，通過光刻、腐蝕方法形成金屬線條11，至此就形成了多晶矽和金屬的熱電堆結構。然後對矽片進行背面套刻腐蝕窗口，用各向異性腐蝕劑腐蝕，在矽片頂部留下了一層氮化矽—氧化矽—氮化矽的複合介質膜，側壁為(111)。最後在表面沉積一層黑體12，作為紅外吸收層，便得到了一個完整的微機械紅外熱電堆探測器。其中製作吸收層的工藝過程中需要定位掩膜，工藝較為複雜。
圖4是利用腐蝕結構自對準製作的紅外熱電堆結構示意圖。本例採用的是斜拉懸梁支撐膜結構，經過正反面同時腐蝕，得到黑體沉積窗口17，黑體材料從結構背面，通過此沉積窗口蒸發至複合支撐膜上，形成一六邊形形狀的黑體，作為熱電堆的紅外吸收區。
由此可見，本發明用結構自對準製作微機械熱電堆紅外探測器的紅外吸收層，由於各向異性腐蝕生成的結構可以通過調整腐蝕溫度與腐蝕時間等精確控制，因此紅外吸收層的定位可以非常精確；同時，由於是自對準沉積，故無須另外製作定位掩膜板，這樣可降低製作成本；除了支撐膜外，冷結區的矽襯底背面以及腐蝕孔側壁(111)上也會有紅外吸收材料沉積上去，但由於這些部位導熱非常迅速，對於冷結區溫度沒有什麼影響，故亦不用考慮消除的問題。綜上所述，採用本發明的製作方法，對於微機械熱電堆紅外探測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為利用腐蝕結構自對準製作的紅外熱電堆結構示意中，各數字所代表的含義分別為1—(矽)基體；2—複合介質膜；3—熱堆；4—紅外吸收區；5—熱結區；6—冷結區；7—單晶矽；8—氧化矽；9—氮化矽；10—多晶矽；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沉積一層多晶矽，厚度為0.6微米，進行擴硼摻雜，使其具有一定的面電阻；再將其表面熱氧化，光刻熱偶矽條形狀，以氧化矽為掩膜，用幹法刻蝕形成熱偶矽條10，條寬為十到幾十微米，長為條寬的幾倍到幾十倍。
將多晶矽表層再次熱氧化，光刻引線孔圖形，用氫氟酸腐蝕得到引線孔13。
再在整個表面沉積金屬層，本實例中可選用金(Au)為金屬層。然後光刻出用於形成熱偶的金屬條11形狀，金屬條和摻雜的多晶矽條通過引線孔實現歐姆接觸，形成熱偶對，成為熱堆3的主要構成。
正面光刻腐蝕窗口14，用幹法刻蝕去掉氮化矽，用氫氟酸腐蝕除去氧化矽，將複合介質膜下的單晶矽7暴露出來。再進行背面套刻腐蝕窗口15，用氫氟酸去掉氧化矽，裸露出襯底的矽。然後利用氧化矽和複合介質膜作為掩膜，用各向異性腐蝕劑一四甲基氫氧化銨(TMAH)在80℃溫度下對矽的正反面同時進行腐蝕，最終在矽片中心部位腐蝕穿通，得到如圖2所示結構。此腐蝕孔正對熱堆懸梁中心，我們將其作為黑體沉積窗口17，以此沉積窗口為掩膜，將其在氮氣氛下沉積黑體，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(圖4)。
實施例2在(100)單晶矽片上先熱氧化，得到一層氧化矽，厚度為0.5微米，接著用LPCVD沉積一層氮化矽，沉積溫度為800℃，厚度為0.15微米，得到一層「氧化矽—氮化矽」的複合介質膜。再用LPCVD沉積一層多晶矽，厚度為0.6微米，擴硼摻雜後，光刻多晶矽條，表面沉積金屬鋁，與多晶矽組成熱偶對。待最後腐蝕結構時，改用KOH進行腐蝕，得到熱堆結構。其餘工藝同實施例1。
權利要求
1.一種結構自對準製作微機械熱堆紅外探測器的紅外吸收層方法，其特徵在於從單晶矽片的正面和反面同時進行腐蝕，在熱堆背面得到一個與紅外吸收區大小相仿的窗口，通過此窗口的對準作用，在氮氣氛下蒸發黑體，使黑體沉積在熱堆的背後。
2.按權利要求1所述的結構自對準製作微機械熱堆紅外探測器的紅外吸收層方法，其特徵在於具體製作步驟是(1)在(100)的單晶矽片上，先用低壓化學氣相沉積法(LPCVD)沉積一層氮化矽，再用LPCVD沉積一層多晶矽，並將其全部氧化，形成一層氧化矽，再在氧化矽上用LPCVD沉積一層氮化矽，至此形成了氮化矽—氧化矽—氮化矽三明治結構的複合介質膜；或在(100)的單晶片上先熱氧化得到氧化層，接著用LPCVD方法，沉積一層氮化矽，形成氧化矽—氮化矽的複合介質膜；在此二種複合膜上繼續用LPCVD法沉積一層多晶矽，表面擴硼摻雜後，將其表層氧化，利用氧化層做掩膜，光刻多晶矽條圖形，用幹法刻蝕得到多晶矽條；(2)將整塊矽片氧化，使得多晶矽條表面覆蓋一層氧化矽，然後光刻使金屬與多晶矽形成歐姆接觸的引線孔圖形，用氫氟酸腐蝕氧化矽後，得到引線孔圖形；(3)在矽片表面沉積一層金屬，一般可用鋁、金、鉑；接著光刻金屬線條，經過腐蝕成形，就形成了多晶矽與金屬的熱偶對結構；(4)在矽片正面光刻腐蝕窗口，利用幹法刻蝕，以及溼法腐蝕的方法，去掉窗口周圍的氮化矽—氧化矽—氮化矽層，形成正面腐蝕窗口；然後進行背面套刻腐蝕窗口，用氫氟酸腐蝕去掉氧化矽，暴露出襯底的矽。使用各向異性腐蝕劑腐蝕，在50℃-90℃溫度範圍下，對矽的正反面同時進行腐蝕，得到熱堆結構；最後在氮氣氛下以腐蝕窗口為掩膜，從矽片背面自對準蒸發金屬黑體，該黑體位於介質支撐膜的背部，至此便得到一個完整的微機械熱電堆紅外探測器的紅外吸收層。
3.按權利要求2所述的結構自對準製作微機械熱電堆紅外探測器紅外吸收層的方法，其特徵在於所述的氮化矽—氧化矽—氮化矽三明治結構的複合介質膜中氮化矽膜沉積溫度為750℃-850℃，厚度為0.1-0.2微米；氧化矽膜是直接低溫沉積得到的LTO膜或是先沉積一層多晶矽，由多晶矽熱氧化成氧化矽，多晶矽的沉積溫度為600℃-700℃，厚度為0.2-0.4微米。
4.按權利要求2所述的結構自對準製作微機械熱電堆紅外探測器紅外吸收層的方法，其特徵在於所述的複合介質膜為氧化矽—氮化矽的複合層，氧化矽層的厚度0.5-0.6微米，氮化矽層的沉積溫度800℃，厚度為0.1-0.2微米。
5.按權利要求2所述的結構自對準製作微機械熱電堆紅外探測器紅外吸收層的方法，其特徵在於所用的各向異性腐蝕劑為四甲基氫氧化銨或KOH。
全文摘要
一種結構自對準製作微機械熱堆紅外探測器的紅外吸收層方法,屬於微機械領域,其特點是從單晶矽片的正面和反面同時進行腐蝕,在熱堆背面得到一個與紅外吸收區大小相仿的窗口,通過此窗口的對準作用,在氮氣氛下蒸發黑體,使黑體沉積在熱堆的背後。所以本發明的最為關鍵的工藝是利用矽各向異性腐蝕生成的結構,自對準沉積黑體製作紅外吸收層。這樣既可一次成型,省去了光刻等相關工藝,降低了生產成本;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H01L31/09GK1342887SQ0113197
公開日2002年4月3日 申請日期2001年10月22日 優先權日2001年10月22日
發明者徐崢誼, 熊斌, 王翊, 王躍林 申請人:中國科學院上海冶金研究所