CN101402445A

CN101402445A - 自对准制作微结构的方法及其制作的红外热电堆探测器

Info

Publication number: CN101402445A
Application number: CNA2008102021581A
Authority: CN
Inventors: 熊斌; 杨恒昭; 徐德辉; 王跃林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2009-04-08

Abstract

本发明涉及一种自对准制作微结构的方法及其制作的微机械热电堆红外探测器，特征在于利用多晶硅条的自对准刻蚀下面的介质层形成热电堆，使用各向同性的干法刻蚀腐蚀硅衬底释放结构。热电堆可成悬臂梁直接悬空于衬底上。工艺步骤包括复合介质膜形成、多晶硅条形成、包裹多晶硅条、自对准形成腐蚀开口、引线孔形成，热电堆形成以及干法刻蚀释放结构等。探测器包括基体、框架、热电堆、复合介质膜、腐蚀孔五部分。优点在于使用干法刻蚀使用铝金属制作热偶。所有结构是由标准CMOS工艺中最常见的材料构成的，便于将放大器等信号处理电路整合到传感器中，实现集信号产生和处理于一体的MEMS系统。

Description

自对准制作微结构的方法及其制作的红外热电堆探测器

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技术和Seebeck效应的微机械热电堆红外探测器，属于红外探测器领域。

背景技术

随着红外探测技术在军事和民用领域的地位日益提高，非致冷红外传感器发展迅速。热电堆红外探测器是最早发展的一种热红外探测器，其工作原理是Seebeck效应[T.H.Geballe and G.W.Hull，“Seebeck Effect in Silicon，”Phys.Rev.，vol.98，No.4，pp.940-947，May 1955.]。该效应指出两种不同材料组成的热偶，如果闭合回路的两个节点之间存在温度差，就会在回路中产生电动势。

早期的热电堆红外探测器是利用真空镀膜的方法，将热偶材料沉积到塑料或氧化铝衬底上获得的，器件尺寸较大，也不易批量生产。随着微电子机械系统MEMS技术的发展，1982年美国密歇根大学的K.D.Wise等[G.R.Lahiji and K.D.Wise，“A Batch-Fabricated Silicon Thermopile InfraredDetector，”IEEE Trans.Electron Devices，vol.ED-29，no.1，pp.14-23，January1982.]率先采用微机械手段制作了两种封闭膜结构的硅基热电堆红外探测器，热偶材料分别为Bi-Sb与Si-Au。按照热偶的材料分类，主要包括金属热偶，硅-金属热偶，以及硅-硅热偶。构成金属热偶的材料主要是Bi-Sb以及它们的合金，1998年，M.C.Foote等[M.C.Foote，E.W.Jones and T.Caillat，“UncooledThermopile Infrared Detector Linear Arrays with Detectivity Greater than 10⁹cmHz^1/2/W，”IEEE Trans.Electron Devices，vol.45，no.9，pp.1896-1902，September 1998.]利用Te与Bi，Sb的合金构成热偶，获得了具有很高探测率D^*与响应率的微机械热电堆红外探测器线列。硅-金属热偶主要是多晶硅-金热偶与硅/多晶硅-铝热偶。1997年，K.D.Wise等[W.G.Baer，K.Najafi，K.D.Wise and R.S.Toth，“A 32-element micromachined thermal imager with on-chipmultiplexing，”Sens.Actuators A：Phys.vol.48，issue 1，pp.47-54，May 1995.]制作了热偶材料为多晶硅-金的微机械热电堆探测器，器件为32元的阵列器件，每个单元由40对热偶组成。在多晶硅-铝热偶研究方面，1992年R.Lenggenhager等[R.Lenggenhager，H.Baltes，J.Peer and M.Foster，“Thermoelectric Infrared Sensors by CMOS Technology，”IEEE Trans.ElectronDevices，vol.13，no.9，pp.454-456，September 1992.]利用工业CMOS技术制作的探测器摈弃了原有的硅支撑膜的结构，代之以氧化硅-氮化硅复合介质膜结构。之后，R.Lenggenhager等[R.Lenggenhager，H.Baltes and T.Elbel，“Thermoelectric infrared sensors in CMOS technology，”Sens.Actuators A：Phys.vol.37-38，pp.216-220，June-August 1998.]又尝试了从硅片正面腐蚀释放结构的方案，并增加了红外吸收层。1997年，Z.Olgun等[Z.Olgun，O.Akar，H.Kulah and T.Akin，“An Integrated Thermopile Structure with High ResponsivityUsing Any Standard CMOS Process，”1997 International Conference onSolid-State Sensors and Actuators，Transducers’97，Chicago，June 16-19，1997，pp.1263-1266.]使用n-多晶硅与p-多晶硅组成热偶，并利用TMAH的电化学自停止腐蚀工艺制成微机械热电堆红外探测器，该组合具有较大的塞贝克系数。此外，还有基于GaAs基体和SOI基体的研究。1995年，M.Müller等[M.Müller，W.Budde，R.Gottfried-Gottfried，“A Thermoelectric Infrared RadiationSensor with Monolithically Integrated Amplifier Stage and Temperature Sensor，”The 8^th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators，andEurosensors IX，Transducers’95，Stockholm，Sweden，June 25-29，1995，vol.2，pp.640-643]在SOI基体上制作了包括热电堆，模拟放大器和温度传感器的集成红外探测器。

微机械热电堆红外探测器主要包括封闭膜结构，悬梁结构和悬浮结构三种。三种结构的器件都主要包括热电堆和红外吸收层。热电堆结构主要由热偶对，冷结区和热结区组成，为了提高探测器的性能，通常需要良好的隔热结构，使得热结区到冷结区的热传导缓慢，增强塞贝克效应。硅基热电堆中，一般以硅衬底作为冷结区，热结区选在红外吸收层。典型的悬梁结构的热电探测器结构如图1所示。热电偶对一端位于冷结区，另一端悬浮于框架上。在冷结区温度恒定时，增强红外辐射的强度可以提高热结区的温度，从而提高器件性能。

发明内容

针对传统方法存在的问题，特别是与标准CMOS工艺兼容性较差的缺点，本发明提出一种使用干法刻蚀释放结构的自对准方法。最明显的特性是利用干法刻蚀从正面腐蚀单晶硅衬底，从而形成悬梁结构。干法刻蚀具有极好的选择性，可以选择某些只腐蚀硅，而对铝等材料基本不腐蚀的气体(如XeF₂等，但不限于此)作为工作气体。这样就可以采用标准CMOS工艺中最常用的材料来构成热电偶(如Al/Poly Si，但不限于此)，大大提高了兼容性。

使用本发明方法制作的微机械热电堆红外探测器的结构如图2所示。整个微机械热电堆红外探测器包括(硅)基体，框架，热电堆，热结区，腐蚀孔等五部分。其中，基体同时作为热电堆的冷结区。热结区是由在基体单晶硅上淀积的氧化硅和氮化硅复合膜构成。该结构的具体特征是热电堆一端固定在冷结区，另一端可以作为自由端悬空于框架上构成悬臂梁结构。另外，热电堆的金属材料可以采用铝等活泼金属取代金等贵金属，从而大大提高了探测器与CMOS工艺的兼容性。

具体工艺步骤包括复合介质膜形成、多晶硅条形成、包裹多晶硅条、自对准形成腐蚀开口、引线孔形成，热电堆形成以及干法刻蚀释放结构等。所述的方法利用包裹有氧化硅的多晶硅图形作为掩模刻蚀氮化硅形成腐蚀孔以便于工作气体进入衬底进行刻蚀，利用多晶硅条的自对准刻蚀下面的介质层形成热电堆，使用各向同性的干法刻蚀腐蚀硅衬底释放结构。具体特征在于：

(1)复合介质膜的生长。在抛光的硅片上，首先使用LPCVD淀积氮化硅，然后淀积低温氧化硅，形成氮化硅-氧化硅的两层介质膜结构。

(2)形成多晶硅条。在步骤1制作的两层介质膜上用LPCVD沉积多晶硅(但不限于此)，掺杂使其导电。光刻图形，腐蚀形成多晶硅条，作为热偶的一种组分。

(3)光刻热结区，用光刻胶对此区域保护，腐蚀掉其余部分的氧化硅；接着氧化多晶硅条，和原有的低温氧化硅形成包裹多晶硅条的掩模。

(4)以步骤3中的氧化硅作为掩模，自对准腐蚀氮化硅，形成腐蚀孔。

(5)光刻引线孔图形，腐蚀掉氧化硅，去胶，形成引线孔。

(6)淀积铝(但金属材料不限于此)，光刻金属线条，与多晶硅形成热偶对。

(7)工作气体经由步骤4中形成的腐蚀区干法刻蚀基体硅，释放结构。

本发明中采用Al/Poly Si构成热偶对(但不限于这些材料)，利用腐蚀区进行正面干法刻蚀最后释放结构。铝的化学性质比较活泼，在TMAH或KOH等传统的湿法腐蚀液中都会发生反应。由于干法刻蚀具有良好的选择性，选用合适的XeF₂工作气体可以在腐蚀硅的同时不会腐蚀铝。

由上述方法制作的微机械红外热电堆探测器结构，其特征在于：

①热电堆以悬臂梁的形式直接悬空于衬底上，热电堆可以做成悬臂梁，或悬桥结构，但不限于这两种形式；

②热电堆的几何构型可以是任意悬空排布于中空的框架上，可以平行排列于某一边，或成辐射状，但不限于这些形状；

③所述的热电堆，可以选用CMOS工艺中常见的铝作为热偶对材料；

④所述的微机械红外热电堆探测器的热结区可以是任意形状；且热结区是由氧化硅-氮化硅双层介质膜组成的，但不限于这两种材料，也不限于两层结构；

⑤所述的微机械红外热电堆探测器中的腐蚀孔作为干法刻蚀工作气体的通道可以是任意形状，如圆形或方形，根据需要还可以出现在热结区上；还可以根据需要在热结区上沉积黑体增强对红外能量的吸收。

本发明的优点在于使用干法刻蚀一方面降低了工艺难度，避免了湿法腐蚀的诸多问题。例如，湿法腐蚀溶液不可避免的冲击可能会损坏器件结构，这就限制了器件尺寸，不能制作较大的吸收层，还容易导致结构变形甚至破裂或粘附等问题。另一方面，可以使用铝等活泼金属制作热偶，避免使用金，铬，钽等重金属，避免了重金属污染。使用Al/Poly Si作为热偶对材料，解决了金属热偶与CMOS工艺兼容性差的问题，增加了可供选择的热偶材料种类。正面腐蚀降低了正反对准对光刻机的要求，降低了生产成本。所有结构都是由标准CMOS工艺中最常见的材料构成的，便于将放大器等信号处理电路整合到传感器中，真正实现集信号产生和处理于一体的MEMS系统。

附图说明

图1是典型的悬梁结构的微机械热电堆红外探测器示意图。

图2是本发明提出的红外探测器结构示意图。图2-1：立体图，图2-2：剖面图。

图3是具体实施方式例1所述器件的具体工艺流程。

其中，3-1复合介质膜生长；3-2形成多晶硅条；3-3光刻蚀形成热结区；3-4自对准形成腐蚀孔；3-5光刻引线孔图形；3-6光刻金属线条形成热电堆；3-7释放结构，形成红外热电堆探测器。

图4是本发明提出的红外探测器俯视图。

图4-1：实施例1所述器件俯视图；

图4-2：实施例2所述器件俯视图；

图4-3：实施例3所述器件俯视图。

图中各数字代表的含义为：

1.(硅)基体，2.冷结区，3.热结区，4.热电堆，5.腐蚀孔，6.复合介质膜，7.框架，8.氮化硅，9.低温氧化硅，10.多晶硅条，11.引线孔，12.金属。

具体实施方式

下面结合本发明所提供的工艺流程，来具体阐明该探测器的具体结构。

实施例1

(1)复合介质膜的生长。在抛光的硅片1上，首先使用LPCVD(低压化学气相沉积)淀积氮化硅8，然后淀积低温氧化硅9，形成氮化硅-氧化硅的两层介质膜结构。

(2)形成多晶硅条。在两层介质膜上用LPCVD沉积多晶硅(但不限于此)，掺杂使其导电。光刻图形，腐蚀形成多晶硅条10，作为热偶对的一种组分。本实施例中热偶平行排列于某一边上。

(3)光刻形成圆形热结区，用光刻胶对此区域保护，腐蚀掉其余部分的氧化硅。接着氧化多晶硅条在其表面形成氧化硅，和原有的低温氧化硅9一起包裹多晶硅条。

(4)以步骤3中的形成的低温氧化硅作为掩模，自对准腐蚀氮化硅，形成腐蚀孔5。

(5)光刻引线孔图形，腐蚀掉形成的低温氧化硅，去胶，形成引线孔11。

(6)淀积铝12(但金属材料不限于此)，光刻金属线条，与多晶硅条形成热电堆。

(7)工作气体经由步骤4中形成的腐蚀孔5干法刻蚀基体硅，形成中空的框架7，使得热电堆和红外吸收区悬浮于基体中，释放结构。如图4-1所示。

实施例2

(1)复合介质膜的生长。在抛光的硅片1上，首先使用LPCVD淀积氮化硅8，然后淀积低温氧化硅9，形成氮化硅-氧化硅的两层介质膜结构。

(2)形成多晶硅条。在两层介质膜上用LPCVD沉积多晶硅(但不限于此)，掺杂使其导电。氧化生成一层氧化硅，光刻图形，腐蚀形成多晶硅条10，作为热偶的一种组分。本实施例中热偶成辐射状排布。

(3)以多晶硅条10作为掩模腐蚀掉其余部分的氧化硅。氧化多晶硅条在其表面形成氧化硅，和原有的低温氧化硅9一起包裹多晶硅条。本实施例是悬梁结构。

(4)以步骤3中的氧化硅作为掩模，自对准腐蚀氮化硅，形成腐蚀孔5。

(5)光刻引线孔图形，腐蚀掉氧化硅，去胶，形成引线孔11。

(7)工作气体经由步骤4中形成的腐蚀孔5干法刻蚀基体硅，形成中空的框架7，释放结构。如图4-2所示。

实施例3

(2)形成多晶硅条。在两层介质膜上用LPCVD沉积多晶硅(但不限于此)，掺杂使其导电。光刻图形，腐蚀形成多晶硅条10，作为热偶的一种组分。

(3)光刻形成热结区和其中的腐蚀孔5，用光刻胶对此区域保护，腐蚀掉其余部分的氧化硅。接着氧化多晶硅条在其表面形成氧化硅，和原有的低温氧化硅9一起包裹多晶硅条。本实施例中热堆和热结区构成悬桥结构。

(5)光刻引线孔图形，腐蚀掉氧化硅，去胶，形成引线孔11。

(7)工作气体经由步骤4中形成的腐蚀孔5干法刻蚀基体硅，形成中空的框架7，使得热电堆和热结区悬浮于基体中，释放结构。如图4-3所示。

Claims

1、一种自对准制作微结构的方法，其特征在于包括复合介质膜的形成、多晶硅条形成、包裹多晶硅条、自对准形成腐蚀开口、引线孔形成，热电堆形成以及干法刻蚀释放结构工艺，利用多晶硅条的自对准刻蚀下面的介质层形成热电堆，使用各向同性的干法刻蚀硅衬底释放结构。

2、按权利要求1所述的自对准制作微结构的方法，其特征在于具体工艺步骤是：

(a)复合介质膜的生长：在抛光的硅片上，首先使用LPCVD淀积氮化硅，然后淀积低温氧化硅，形成氮化硅-氧化硅的两层介质膜结构；

(b)形成多晶硅条：在步骤a制作的两层介质膜上用LPCVD沉积多晶硅，进行掺杂使其导电、光刻图形，腐蚀形成多晶硅条，作为热偶对的一种组分；

(c)光刻热结区，用光刻胶对此区域保护，腐蚀掉其余部分的氧化步骤b生成的硅；接着氧化多晶硅条，和原有的低温氧化硅形成包裹多晶硅条的掩模；

(d)以步骤c中的氧化硅作为掩模，自对准腐蚀氮化硅，形成腐蚀孔；

(e)光刻引线孔图形，腐蚀掉氧化硅，去胶，形成引线孔；

(f)淀积金属材料，光刻金属线条，与多晶硅形成热偶对；

(g)工作气体经由步骤d中形成的腐蚀孔干法刻蚀基体硅，释放结构。

3、按权利要求1或2所述的自对准制作微结构的方法，其特征在于所述的干法刻蚀气体腐蚀硅衬底释放结构所使用的工作气体为XeF₂。

4、按权利要求2所述的自对准制作微结构的方法，其特征在于步骤f中沉积的金属材料为铝。

5、按权利要求2所述的自对准制作微结构的方法，其特征在于步骤f中所述的热偶对的材料为Al/多晶硅。

6、按权利要求1所述的方法制作的微机械红外热电堆探测器，其特征在于所述的探测器是由基体、框架、热电堆、热结区和腐蚀孔构成的，其中，热结区是由在基体单晶硅上淀积的氧化硅和氮化硅复合膜构成的，热电堆一端固定在冷结区，另一端自由悬空于框架上构成悬臂梁结构，基体同时作为热电堆的冷结区；热电堆以悬臂梁的形式直接悬空于衬底上。

7、按权利要求6所述的微机械红外热电堆探测器，其特征在于热电堆悬空排布于中空的框架上，平行排列于某一边或成辐射状。

8、按权利要求6所述的微机械红外热电堆探测器，其特征在于热结区不限于由氮化硅-氧化硅双层介质膜构成。

9、按权利要求6所述的微机械红外热电堆探测器，其特征在于腐蚀孔作为干法刻蚀工作气体的通道为圆形或方形，且出现在热结区上。

10、按权利要求6所述的微机械红外热电堆探测器，其特征在于热结区上沉积黑体，增强对红外能量的吸收。