CN101441112A - 基于单晶硅pn结的非制冷红外探测器阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列及其制备方法。该阵列的制备方法包括：步骤A.硅片氧化还原，在纵向形成所述底硅层，埋氧层与顶硅层，同时通过底硅刻蚀，形成深槽，填充及平坦化，以在横向划分红外探测单元；步骤B.在每一红外探测单元中的顶硅层设置数个串联的单晶硅PN结；步骤C.在每一红外探测单元中形成所述电气连接布线，在所述单晶硅PN结与所述电气连接线上形成钝化层；步骤D、在每一红外探测单元中制作悬空的绝热悬臂梁，刻蚀所述底硅层，形成所述空腔。本发明利用单晶硅PN结的良好的温度特性，通过测量单晶硅PN结两端的电压的变化，以获得红外辐射强弱的探测结果。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器技术领域，尤其涉及一种基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器及其阵列的制造方法。
背景技术
红外成像技术广泛应用于军事、工业、农业、医疗、森林防火、环境保护等各领域，其核心部件是红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array，IRFPA)。根据工作原理分类，可分为：光子型红外探测器和非制冷红外探测器。光子型红外探测器采用窄禁带半导体材料，如HgCdTe、InSb等，利用光电效应实现红外光信号向电信号的转换；因而需要工作在77K或更低的温度下，这就需要笨重而又复杂的制冷设备，难以小型化，携带不方便。另一方面，HgCdTe和InSb等材料价格昂贵、制备困难，且与CMOS工艺不兼容，所以光子型红外探测器的价格一直居高不下。这些都极大地阻碍了红外摄像机的广泛应用，特别是在民用方面，迫切需要开发一种性能适中、价格低廉的新型红外摄像机。非制冷红外探测器利用红外辐射的热效应，由红外吸收材料将红外辐射能转换为热能，引起敏感元件温度上升，敏感元件的某个物理参数随之发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号。
发明内容
本发明的目的是基于单晶硅PN结温度特性提供了一种非制冷红外探测器阵列及其制备方法，利用红外辐射的热效应，由红外吸收材料将红外辐射能转换为热能，引起单晶硅PN结温度上升，单晶硅PN结的伏安特性随之发生变化，再通过所设计的读出电路将电信号取出，以获得红外辐射强弱的探测结果。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列，包括数个红外探测单元，其中每一红外探测单元沿纵向包括：底硅层，空腔，埋氧层，以及埋氧层以上的顶硅层区域；
所述空腔，由深槽、埋氧层以及底硅层围成，
所述顶硅层区域包括：红外敏感区域，电气连接线与钝化层，
所述红外敏感区域，包括设置在顶硅层中数个串联的单晶硅PN结，所述单晶硅PN之间通过绝缘隔离槽实现电隔离；
所述电气连接线由悬空的绝热悬臂梁支撑，所述红外敏感区域通过悬空的绝热悬臂梁与底硅层连接，所述红外敏感区通过电气连接线与外界信号处理电路连接；
所述钝化层位于红外敏感区与电气连接线之上，用于吸收红外辐射。
为实现上述目的，本发明还提供了一种基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列的制备方法，其中包括：
步骤A、硅片氧化还原，在纵向形成所述底硅层，埋氧层与顶硅层，同时通过底硅刻蚀，形成深槽，填充及平坦化，以在横向划分红外探测单元；
步骤B、在每一红外探测单元中的顶硅层设置数个串联的单晶硅PN结；
步骤C、在每一红外探测单元中形成电气连接布线，在所述单晶硅PN结与所述电气连接线上形成钝化层；
步骤D、在每一红外探测单元中制作悬空的绝热悬臂梁，刻蚀所述底硅层，形成所述空腔。
本发明基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列及其制备方法，利用单晶硅PN结具有良好的温度特性，例如，当采用恒流偏置时，如果温度升高，则单晶硅PN结两端的电压降低。因而，通过测量单晶硅PN结两端的电压的变化，可以探测出红外辐射的强弱。采用常规IC工艺和MEMS工艺，在SOI硅片上，将PN结(IC中的典型单元)与悬臂梁(MEMS中的典型单元)制作在同一个像素单元上，实现MEMS结构与IC红外敏感单元的单片集成。其制作工艺与CMOS工艺完全兼容，易于单片集成，非常适合于大批量生产，易于降低成本，实现工业化量产；采用绝热悬空结构，可以有效地降低热量流失，提高探测灵敏度；采用氟化氙干法腐蚀释放绝热悬臂梁，可以有效地避免湿法腐蚀中的粘连问题，极大地提高成品率。
附图说明
图1为本发明一种基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列的结构示意图；
图2为图1中单个红外探测单元的剖面图示意图；
图3为图1中单个红外探测单元的俯视图示意图；
图4为本发明一种基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列的制备方法的流程图。
附图标记：
1-深槽 2-腐蚀槽 3-悬臂梁
4-电气连接线 5-红外敏感区 6-单晶硅PN结
7-底硅层 8-埋氧层 9-顶硅层区域
10-钝化层 11-空腔 12-绝缘隔离槽
具体实施方式
本发明提供了一种基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列，如图1所示，包括数个依次排列的红外探测单元。其中每一红外探测单元，如图2、图3所示，沿纵向包括：底硅层7，空腔11，埋氧层8，以及埋氧层8以上的顶硅层区域9。
所述空腔11，由深槽1、埋氧层8以及底硅层7围成；
所述深槽1，为进行横向底硅刻蚀时，该红外探测单元与其他红外探测单元之间的横向阻挡层；
所述埋氧层8，为进行纵向底硅刻蚀时，保护顶硅层及设置在顶硅层中的红外敏感元件不受刻蚀的纵向阻挡层。
所述顶硅层区域9包括：红外敏感区域5，电气连接线4与钝化层10。
所述红外敏感区域5，包括设置在顶硅层中数个串联的单晶硅PN结6，所述单晶硅PN之间通过绝缘隔离槽12实现电隔离；
所述电气连接线4由悬空的绝热悬臂梁3支撑，所述红外敏感区域5通过悬空的绝热悬臂梁3与底硅层7连接，所述红外敏感区5通过电气连接线4与外界信号处理电路连接。信号处理电路可以制作在红外焦平面阵列的周边，与红外敏感单元集成在同一芯片上；也可以制作在另一芯片上，通过引线键合等方式与红外敏感区连接。
所述钝化层10位于红外敏感区5与电气连接线4之上。其中位于红外敏感区5之上的钝化层，用作红外辐射吸收层，用于吸收红外辐射。
所述红外探测单元中的单晶硅PN结可以为单晶硅P+/N-结或单晶硅N+/P-结。
所述悬空的绝热悬臂梁3可以为直的，也可以如图3所示的回折结构。
上述每一红外探测单元的制作过程为：在SOI硅片上，首先制作介质隔离深槽1，然后在顶硅层制作若干个串联的PN结6，刻蚀红外敏感区域5之外的顶硅，制作电气连接线，刻蚀钝化层和埋氧层得到腐蚀槽2，最后通过腐蚀槽2通入氟化氙等反应气体干法刻蚀底硅，释放绝热悬臂梁3，形成空腔11。
红外探测单元钝化层可以为二氧化硅，或氮化硅，或二者的复合结构。
非制冷红外探测器阵列中的红外探测单元可以单独使用，也可以由多个红外探测单元排列组成红外焦平面阵列。
本发明基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列，利用单晶硅PN结具有良好的温度特性，例如，当采用恒流偏置时，如果温度升高，则单晶硅PN结两端的电压降低。因而，通过测量单晶硅PN结两端的电压的变化，可以探测出红外辐射的强弱。
本发明还提供了一种基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列的制备方法，在SOI硅片上，结合采用常规IC工艺和MEMS工艺。图4为本发明一种基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列的制备方法的流程图，具体包括：
步骤A、硅片氧化还原，在纵向形成所述底硅层，埋氧层与顶硅层，同时通过底硅刻蚀，形成深槽，填充及平坦化，以在横向划分红外探测单元；
步骤B、在每一红外探测单元中的顶硅层设置数个串联的单晶硅PN结；
步骤C、在每一红外探测单元中形成所述电气连接布线，在所述单晶硅PN结与所述电气连接线上形成钝化层；
步骤D、在每一红外探测单元中制作悬空的绝热悬臂梁，刻蚀所述底硅层，形成所述空腔。
所述步骤A包括以下步骤：
A11、采用低压化学气相淀积的方法在SOI硅片正面生长二氧化硅；
A12、刻蚀二氧化硅，形成深槽刻蚀的掩蔽层；
A13、反应离子刻蚀顶硅、埋氧层、底硅，形成深槽；
A14、在曝露隔离沟槽的侧壁上低压化学气相淀积或表面热氧化生长一层二氧化硅；
A15、采用低压化学气相淀积多晶硅，填充深槽；
A16、反刻多晶硅；
A17、用氧化硅蚀刻缓冲液漂去步骤A11所生长的二氧化硅；
或包括以下步骤：
A21、低压化学气相淀积或表面热氧化方法在SOI硅片正面生长一层二氧化硅薄膜；
A22、低压化学气相淀积氮化硅；
A23、反应离子刻蚀氮化硅、表面薄氧层、顶硅、埋氧层、底硅，形成深槽；
A24、在曝露隔离沟槽的侧壁上表面热氧化的方法生长一层二氧化硅薄膜；
A25、采用低压化学气相淀积二氧化硅，填充深槽；A26、化学机械抛光；
A27、用磷酸溶液漂去步骤A22所淀积的氮化硅。
所述步骤B中制作所述单晶硅PN结的步骤，如果所述单晶硅PN结为单晶硅P+/N-结，包括以下步骤：
B11、N阱注入磷或砷；
B12、局部氧化隔离或浅槽隔离；
B13、阳极注入硼；
B14、N+欧姆接触区重掺杂注入磷或砷；
B15、快速热退火；
如果所述单晶硅PN结为单晶硅N+/P-结，包括以下步骤：
B21、P阱注入硼；
B22、局部氧化隔离或浅槽隔离；
B23、阴极注入磷或砷；
B24、P+欧姆接触区重掺杂注入硼；
B25、快速热退火。
所述步骤B12或步骤B22，
如果是局部氧化隔离，包括以下步骤：
(1)、表面热氧化生长一层二氧化硅薄膜；
(2)、低压化学气相淀积氮化硅；
(3)、反应离子刻蚀氮化硅、表面薄氧层、60％的顶硅层厚度；
(4)、局部热氧化；
(5)、用磷酸溶液漂去步骤(2)所淀积的氮化硅；
如果是浅槽隔离，包括以下步骤：
(1)、低压化学气相淀积或表面热氧化生长一层二氧化硅薄膜；
(2)、低压化学气相淀积氮化硅；
(3)、反应离子刻蚀氮化硅、表面薄氧层、顶硅层至埋氧层；
(4)、在曝露隔离沟槽的侧壁上表面热氧化生长一层二氧化硅薄膜；
(5)、低压化学气相淀积二氧化硅填充浅槽；
(6)、化学机械抛光；
(7)、用磷酸溶液漂去步骤(2)所淀积的氮化硅。
所述步骤C包括以下步骤：
C1、刻蚀红外敏感区域之外的顶硅至埋氧层；
C2、形成第一层金属布线；
C3、悬臂梁上金属布线；
C4、形成第二层金属布线；
C5、合金化；
C6、低压化学气相淀积二氧化硅和氮化硅，形成钝化层。
所述步骤C2包括以下步骤：
(1)、低压化学气相淀积二氧化硅；
(2)、刻蚀二氧化硅，形成第一层金属布线的接触孔；
(3)、溅射铝(AL)；
(4)、反刻，形成第一层金属布线。
所述步骤C4包括以下步骤：
(1)、低压化学气相淀积二氧化硅；
(2)、刻蚀二氧化硅，形成第二层金属布线的通孔；
(3)、溅射铝；
(4)、反刻，形成第二层金属布线。
所述步骤D包括以下步骤：
(1)、反应离子刻蚀表面钝化层和埋氧层至底硅，形成刻蚀孔；
(2)、氟化氙等反应气体干法刻蚀底硅。
本发明基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列及其制备方法，采用常规IC工艺和MEMS工艺，在SOI硅片上，将PN结(IC中的典型单元)与悬臂梁(MEMS中的典型单元)制作在同一个像素单元上，实现MEMS结构与IC红外敏感单元的单片集成。整个加工工艺流程与常规IC工艺兼容，非常适合于大批量生产，易于降低成本，实现工业化量产；采用绝热悬空结构，可以有效地降低热量流失，提高探测灵敏度；采用氟化氙干法腐蚀释放绝热悬臂梁，可以有效地避免湿法腐蚀中的粘连问题，极大地提高成品率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (13)
1、一种基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列，包括数个红外探测单元，其特征在于，每一红外探测单元沿纵向包括：底硅层(7)，空腔(11)，埋氧层(8)，以及埋氧层(8)以上的顶硅层区域(9)；
所述空腔(11)，由深槽(1)、埋氧层(8)以及底硅层(7)围成，
所述顶硅层区域(9)包括：红外敏感区域(5)，电气连接线(4)与钝化层(10)，
所述红外敏感区域(5)，包括设置在顶硅层中数个串联的单晶硅PN结(6)，所述单晶硅PN之间通过绝缘隔离槽(12)实现电隔离；
所述电气连接线(4)由悬空的绝热悬臂梁(3)支撑，所述红外敏感区域(5)通过悬空的绝热悬臂梁(3)与底硅层(7)连接，所述红外敏感区(5)通过电气连接线(4)与外界信号处理电路连接；
所述钝化层(10)位于红外敏感区(5)与电气连接线(4)之上，用于吸收红外辐射。
2、根据权利要求1所述的基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列，其特征在于，所述单晶硅PN结为单晶硅P+/N-结或单晶硅N+/P-结。
3、根据权利要求1所述的基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列，其特征在于，所述钝化层(10)为二氧化硅，或氮化硅，或二者的复合结构。
4、根据权利要求1所述的基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列，其特征在于，所述的红外探测单元可以单独使用，也可以由多个红外探测单元排列组成红外焦平面阵列。
5、根据权利要求1所述的基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列，其特征在于，所述悬空的绝热悬臂梁(3)为直的或回折结构。
6、一种基于单晶硅PN结温度特性的非制冷红外探测器阵列的制备方法，其特征在于，包括：
步骤A、硅片氧化还原，在纵向形成所述底硅层，埋氧层与顶硅层，同时通过底硅刻蚀，形成深槽，填充及平坦化，以在横向划分红外探测单元；
步骤B、在每一红外探测单元中的顶硅层设置数个串联的单晶硅PN结；
步骤C、在每一红外探测单元中形成所述电气连接布线，在所述单晶硅PN结与所述电气连接线上形成钝化层；
步骤D、在每一红外探测单元中制作悬空的绝热悬臂梁，刻蚀所述底硅层，形成所述空腔。
7、根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A包括以下步骤：
A11、采用低压化学气相淀积的方法在SOI硅片正面生长二氧化硅；
A12、刻蚀二氧化硅，形成深槽刻蚀的掩蔽层；
A13、反应离子刻蚀顶硅、埋氧层、底硅，形成深槽；
A14、在曝露隔离沟槽的侧壁上低压化学气相淀积或表面热氧化生长一层二氧化硅；
A15、采用低压化学气相淀积多晶硅，填充深槽；
A16、反刻多晶硅；
A17、用氧化硅蚀刻缓冲液漂去步骤A11所生长的二氧化硅；
或包括以下步骤：
A21、低压化学气相淀积或表面热氧化方法在SOI硅片正面生长一层二氧化硅薄膜；
A22、低压化学气相淀积氮化硅；
A23、反应离子刻蚀氮化硅、表面薄氧层、顶硅、埋氧层、底硅，形成深槽；
A24、在曝露隔离沟槽的侧壁上表面热氧化的方法生长一层二氧化硅薄膜；
A25、采用低压化学气相淀积二氧化硅，填充深槽；
A26、化学机械抛光；
A27、用磷酸溶液漂去步骤A22所淀积的氮化硅。
8、根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B中制作所述单晶硅PN结的步骤，如果所述单晶硅PN结为单晶硅P+/N-结，包括以下步骤：
B11、N阱注入磷或砷；
B12、局部氧化隔离或浅槽隔离；
B13、阳极注入硼；
B14、N+欧姆接触区重掺杂注入磷或砷；
B15、快速热退火；
如果所述单晶硅PN结为单晶硅N+/P-结，包括以下步骤：
B21、P阱注入硼；
B22、局部氧化隔离或浅槽隔离；
B23、阴极注入磷或砷；
B24、P+欧姆接触区重掺杂注入硼；
B25、快速热退火。
9、根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B12或步骤B22，
如果是局部氧化隔离，包括以下步骤：
(1)、表面热氧化生长一层二氧化硅薄膜；
(2)、低压化学气相淀积氮化硅；
(3)、反应离子刻蚀氮化硅、表面薄氧层、60％的顶硅层厚度；
(4)、局部热氧化；
(5)、用磷酸溶液漂去步骤(2)所淀积的氮化硅；
如果是浅槽隔离，包括以下步骤：
(1)、低压化学气相淀积或表面热氧化生长一层二氧化硅薄膜；
(2)、低压化学气相淀积氮化硅；
(3)、反应离子刻蚀氮化硅、表面薄氧层、顶硅层至埋氧层；
(4)、在曝露隔离沟槽的侧壁上表面热氧化生长一层二氧化硅薄膜；
(5)、低压化学气相淀积二氧化硅填充浅槽；
(6)、化学机械抛光；
(7)、用磷酸溶液漂去步骤(2)所淀积的氮化硅。
10、根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C包括以下步骤：
C1、刻蚀红外敏感区域之外的顶硅至埋氧层；
C2、形成第一层金属布线；
C3、悬臂梁上金属布线；
C4、形成第二层金属布线；
C5、合金化；
C6、低压化学气相淀积二氧化硅和氮化硅，形成钝化层。
11、根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C2包括以下步骤：(1)、低压化学气相淀积二氧化硅；
(2)、刻蚀二氧化硅，形成第一层金属布线的接触孔；
(3)、溅射铝；
(4)、反刻，形成第一层金属布线。
12、根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C4包括以下步骤：
(1)、低压化学气相淀积二氧化硅；
(2)、刻蚀二氧化硅，形成第二层金属布线的通孔；
(3)、溅射铝；
(4)、反刻，形成第二层金属布线。
13、根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤D包括以下步骤：
(1)、反应离子刻蚀表面钝化层和埋氧层至底硅，形成刻蚀孔；
(2)、氟化氙等反应气体干法刻蚀底硅。
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