CN102384790B - 热电堆红外传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热电堆红外传感器及其制作方法，所述热电堆红外传感器包括：衬底，所述衬底内具有沟槽；吸收层，位于所述衬底上方；反射层，位于所述沟槽外的衬底表面，与所述吸收层之间具有空腔；热电偶对组成的悬臂梁，位于所述沟槽的上方，所述热电偶对的冷端与衬底连接，热端通过支撑柱与其上方的吸收层连接。所述沟槽内表面具有释放阻挡层。由于采用共振吸收方式来提高红外吸收效率，反射层、吸收层及其介质层为常规IC工艺中所用的材料和工艺制作，因此，可以很容易的与现有IC工艺兼容，降低制作成本，有利于大范围的推广应用。

Description

热电堆红外传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及红外传感器技术领域，特别涉及一种热电堆红外传感器及其制作方法。

背景技术

目前的热电堆红外传感器中，主要是利用温差电效应(Seebeck效应)来检测温度的变化，其通常都包括多组热电偶对，并且采用MEMS技术制作的悬空结构。

对于多组热电偶对的热电堆红外传感器，因多组热电偶对的串联电阻较大，从而噪声比较大，因而出现了采用一组热电偶对的热电堆红外传感器，它可有效地降低噪声等效温差。

图1为现有的一种热电堆红外传感器的结构示意图，引自美国专利US6335478B1，图中仅示出了一个检测单元。如图所示，该红外传感器包括：衬底200，吸收层221，两个热电偶对悬臂梁222，位于吸收层221下面的衬底表面上的电路226，用于支撑吸收层的支撑柱223位于热电偶对悬臂梁222的热端，热电偶对悬臂梁的冷端224与衬底200连接，热电偶对悬臂梁222的下面及周围的衬底内具有空腔225。上述热电堆红外传感器仍然采用的常规红外吸收方式，即采用金黑或银黑涂层（图中未示出）等作为吸收层材料，以提高红外吸收效率。

然而问题在于，金黑或银黑涂层等吸收层材料的制作工艺与常规的IC工艺不兼容，而且，在形成悬臂梁的下面及周围的空腔时所采用的释放工艺是湿法释放工艺，这种工艺会导致成品率降低。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种与常规IC工艺兼容的热电堆红外探测传感器及其制作方法。

为解决上述问题，本发明提供一种热电堆红外传感器，包括：

衬底，所述衬底内具有沟槽；

吸收层，位于所述衬底上方；

反射层，位于所述沟槽外的衬底表面，与所述吸收层之间具有空腔；

热电偶对组成的悬臂梁，位于所述沟槽的上方，所述热电偶对的冷端与衬底连接，热端通过支撑柱与其上方的吸收层连接。

所述沟槽内表面具有释放阻挡层。

可选的，所述衬底为单晶硅。

所述热电偶对为P型多晶硅和N型多晶硅，或者，所述热电偶对为金属和多晶硅。

可选的，所述衬底为SOI衬底。

所述热电偶对为P型单晶硅和N型单晶硅，或者，所述热电偶对为金属和单晶硅。

所述热电偶对中的单晶硅由SOI衬底中的顶硅层制作。

所述的热电堆红外传感器还包括读出电路层，位于所述反射层下方的衬底表面。

优选的，所述反射层的材料包括Al、AlSi、AlSiCu和Ni中的一种或者至少两种的组合，所述吸收层中的金属层材料包括Ti或TiN。

优选的，所述空腔的厚度范围根据所测温度范围为0.25um-3.5um。

相应的，还提供一种热电堆红外传感器的制作方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底中形成沟槽及沟槽内表面的释放阻挡层，在所述沟槽内填充第一释放牺牲层；

在所述第一释放牺牲层上形成热电偶对，在所述沟槽外的衬底表面形成读出电路层及读出电路层上的反射层；

在所述热电偶对两侧形成释放孔，以露出第一释放牺牲层，然后在所述衬底表面覆盖第二释放牺牲层；

在所述第二释放牺牲层上形成吸收层及其支撑柱；

进行气相释放工艺以去除第一释放牺牲层和第二释放牺牲层。

其中，所述沟槽内表面的释放阻挡层与IC工艺中的STI介质层或DTI介质层在同一步骤中形成。

所述衬底为SOI衬底，则所述热电偶对有SOI衬底的顶硅层制作。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所述热电堆红外传感器中，吸收层、反射层及空腔组成共振吸收结构，当红外线辐照到所述检测单元后，进入由吸收层和反射层组成的共振吸收腔，然后被吸收层吸收，引起吸收层温度升高，热量通过吸收层的支撑柱传入热电偶对的热端，从而造成热电偶对的温差，产生温差电动势，最后通过读出电路层读出。由于采用共振吸收方式来提高红外吸收效率（没有利用金黑、银黑等涂层），反射层、吸收层及其介质层（外部介质层、绝缘介质层和释放阻挡层等）为常规IC工艺中所用的材料和工艺制作，因此，可以很容易的与现有IC工艺兼容，降低制作成本，有利于大范围的推广应用。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为现有的一种热电堆红外传感器的结构示意图；

图2为实施例一中热电堆红外传感器的结构剖面图；

图3为图2中热电堆红外传感器的结构顶视图；

图4至图8为实施例一中热电堆红外传感器的制作方法的示意图；

图9为实施例二中热电堆红外传感器的结构剖面图；

图10为实施例二中热电堆红外传感器制作方法一个步骤的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

对于通常的热电堆红外传感器，表征其特性的一个重要的参数是其电压灵敏度，为探测器电压与入射功率之比，如下公式（1）所示：

$S=\frac{\mathrm{\η}\·t}{G}\·\frac{N({\mathrm{\α}}_{s,a}-{\mathrm{\α}}_{s,b})}{\sqrt{1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{th}}^2}}---\left(1\right)$

其中：

η：热电堆的红外吸收率

t:辐射路径的透射率

N：热电偶对的数量

ΔT：热电堆的热端与冷端的温度差

（α_s,a-α_s，b):材料对a和b的组合seebeck系数

G：热导，G=NG_single,G_single为一个热电偶对的热导。

ω：调制频率

τ_th:热时间常数

从公式（1）中可见，红外吸收率η，热导G，热电偶对数N，还有热容是影响电压灵敏度的重要因素，因此常规的做法都是采用金黑涂层、银黑涂层以及其他材料来作为吸收层来提高红外吸收率。但是这些材料的制作与常规IC工艺不兼容。

基于此，本发明的热电堆红外传感器在采用一组热电偶对的方式降低噪声等效温差的情况下，采用共振吸收结构，提高红外吸收率。由于采用共振吸收方式，可以减小共振吸收结构的热容，因而提高传感器的电压灵敏度，获得较高的响应率和低噪声等效温差性能；制作方法完全与常规IC工艺兼容，采用全气相释放工艺结构，成品率高，易于实现低成本制作。

以下结合附图详细说明所述热电堆红外传感器及其制作方法的一个实施例。

实施例一

图2为本实施例中热电堆红外传感器的结构剖面图，图3为图2中热电堆红外传感器的结构顶视图，为了清楚表现发明点，图中仅示出了一个检测单元，实际上的热电堆红外传感器由多个这样的检测单元组成。

如图所示，所述热电堆红外传感器包括：

衬底101，所述衬底101内具有沟槽102；

吸收层108，位于所述衬底101的上方，与衬底101表面相隔一定的距离；

反射层105，形成于所述沟槽102外的衬底表面，完全位于吸收层108的下面，与所述吸收层108之间具有空腔120；

读出电路层104，位于所述反射层105下方的衬底表面，用于将热电偶对的电信号输出到外部电路；

热电偶对组成的悬臂梁106，位于所述沟槽102的上方，所述热电偶对的冷端106a与沟槽外的衬底101连接，而热端106b通过支撑柱107与其上方的吸收层108连接。

其中，所述热电偶对为P型多晶硅1061和N型多晶硅1062，它们之间具有悬臂梁介质层1063，通过连接通孔（图中未示出）实现电性连接。另外，在本发明的其他实施例中所述热电偶对为金属和多晶硅，也可以为其他能够实现温差电效应(Seebeck效应)的材料。

优选的，所述空腔的厚度范围根据所测温度范围为0.25um-3.5um。

如图3所示，热电偶对（悬臂梁）均为长条形，其宽度小于沟槽的宽度，远小于吸收层108的宽度，基本被吸收层完全遮盖。

本实施例中，所述衬底101为单晶硅，每一检测单元具有两个悬臂梁106，对应衬底101内的两个沟槽102，悬臂梁106位于的沟槽的开口处。两个悬臂梁分别位于吸收层108的两侧下方，两个支撑柱107设于矩形吸收层的对角位置，可以实现对吸收层108的稳定支撑。

反射层105和读出电路层104完全位于吸收层108下方。所述反射层105和读出电路层之间具有隔离介质层。所述反射层105的材料包括Al、AlSi、AlSiCu、或Ni中的一种或者至少两种的组合。

所述沟槽内表面具有释放阻挡层103，用于在释放工艺中阻挡对沟槽的腐蚀。沟槽外的衬底表面覆盖有腐蚀阻挡层111。

所述吸收层108包括金属层1081和包裹在所述金属层1081的外部介质层1082。其中金属层1081的材料主要是IC工艺中常用的金属材料Ti（钛），TiN（氮化钛）等。外部介质层1082的材料为PECVD方法生长的氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的一种或至少两种的组合。

本实施例的热电堆红外传感器中，吸收层108、反射层105及空腔120组成共振吸收结构，当红外线辐照到所述检测单元后，进入由吸收层108和反射层105组成的共振吸收腔，然后被吸收层108吸收，引起吸收层108温度升高，热量通过吸收层的支撑柱107传入热电偶对的热端106b，从而造成热电偶对的温差，产生温差电动势，最后通过读出电路层104读出。

共振吸收结构不仅可以提高红外吸收效率，而且由于采用共振吸收的方式，可以减小红外吸收结构的热容，因而能够提高器件的电压灵敏度，获得高响应率、低噪声等效温差的热电堆红外传感器。

图4至图8为上述热电堆红外传感器的制作方法的示意图，具体包括以下步骤：

如图4所示，提供衬底101，所述衬底101为单晶硅。

在所述衬底101上形成腐蚀阻挡层111，所述腐蚀阻挡层111可以为PECVD法淀积的氮化硅、氧化硅或它们的组合。

通过光刻、刻蚀工艺所述衬底101内形成至少两个沟槽102，具体的，先在腐蚀阻挡层111上形成具有沟槽图案的光刻胶层（图中未示出），接着，将沟槽图案由光刻胶层转移至腐蚀阻挡层111，以图案化的腐蚀阻挡层111为掩膜刻蚀单晶硅衬底，形成沟槽102。

在所述沟槽102的内表面形成释放阻挡层103，具体的，先采用热氧化或低压化学气相沉积方法在整个衬底101表面形成释放阻挡层，接着，采用CMP工艺去除沟槽外衬底表面的部分释放阻挡层，而留下在沟槽内表面的部分释放阻挡层103。所述释放阻挡层103优选为氧化硅。

在沟槽102中填充第一释放牺牲层301，所述第一释放牺牲层301的材料为多晶硅或非晶硅。具体的，先采用LPCVD法或PECVD方法在整个衬底表面淀积多晶硅层或非晶硅层，再通过反刻方法或化学机械平坦化方法去掉沟槽102外多余的多晶硅层或非晶硅层。

对沟槽中填充的第一释放牺牲层301表面进行氧化，形成第一释放牺牲层的氧化层302。

如图5所示，采用常规IC工艺，在两个沟槽102之间的衬底表面形成读出电路层104，在第一释放牺牲层301上方形成热电偶对106，以及所述读出电路层104的反射层105。

其中，读出电路层104包括金属连线和金属间介质层（图中未标号），所述反射层105淀积与金属间介质层的上面；所述。所述热电偶对的P型多晶硅1061和N型多晶硅1062分别位于上下两层，它们中间和周围均有隔离介质层（图中为标号）；P型多晶硅1061和N型多晶硅1062在两次淀积工艺中制作，而条形的热电偶对图案仅利用一次光刻、刻蚀工艺即可完成。

如图6所示，在所述热电偶对106两侧形成释放孔305，以露出第一释放牺牲层301，然后在衬底101表面覆盖第二释放牺牲层306，所述第二释放牺牲层306通过释放孔305与沟槽内的第一释放牺牲层306连接。所述第二释放牺牲层306可以采用旋涂聚酰亚胺（Polymide）的方式制作，或者采用PECVD法淀积非晶硅的方式制作。

如图7所示，采用常规IC工艺中的光刻、刻蚀、PECVD淀积和溅射方法制作出吸收层108。具体的，在所述热电偶对的热端106b的上方形成通孔（图中未标号），接着在所述衬底表面采用PECVD法淀积第一外部介质层，然后在所述第一外部介质层上采用溅射法淀积金属层1081，然后再次淀积第二外部介质层将金属层1081覆盖，所述第一外部介质层和第二外部介质层组成外部介质层1082。而且，所述通孔中的金属层1081和外部介质层1082的叠加结构也形成了支撑柱107.

如图8所示，进行气相释放工艺以去除第一释放牺牲层301和第二释放牺牲层306，从而形成悬臂梁106及其下方的沟槽空腔，以及吸收层108和衬底上反射层105之间的共振腔120。其中，所述气相释放工艺采用O₂等离子体灰化工艺或XeF₂气相释放工艺，最终制作出热电堆红外传感器。

所述热电堆红外传感器及其制作方法相对于现有技术来说，由于采用共振吸收方式来提高红外吸收效率（没有利用金黑、银黑等涂层），反射层、吸收层及其介质层（外部介质层、绝缘介质层和释放阻挡层等）为常规IC工艺中所用的材料和工艺制作，因此，可以很容易的与现有IC工艺兼容，降低制作成本，有利于大范围的推广应用。

而且，在去除释放牺牲层的步骤中，完全采用气相释放工艺，成品率高，易于实现低成本制作。

以上实施例中采用单晶硅作为红外传感器的衬底，实际上，也可以采用SOI材料作为衬底，在下面实施例中详细说明。

实施例二

图9为本实施例中热电堆红外传感器的结构剖面图。如图所示，所述热电堆红外传感器也包括：具有沟槽202的衬底201，位于所述衬底201上方吸收层208，位于所述沟槽外衬底表面的反射层205，所述反射层205与吸收层208之间的空腔229，热电偶对组成的悬臂梁206，以及反射层下方的读出电路层204。

与实施例一的区别在于：所述衬底为SOI衬底，其包括底硅层、埋层氧化层和顶硅层，所述沟槽202位于底硅层中；所述热电偶对为P型单晶硅和N型单晶硅，或者，所述热电偶对为金属和单晶硅。于是，所述热电偶对206中的P型单晶硅2061和N型单晶硅2062均可以由SOI衬底中的顶硅层制作，也就是说，P型单晶硅2061和N型单晶硅2062在同一层中并排设置，它们之间也具有绝缘介质层。

对于由金属和单晶硅组成的热电偶对来说也是类似的，只是金属有另外的淀积、光刻和刻蚀工艺形成。

图10为本实施例中热电堆红外传感器制作方法一个步骤的示意图，如图所示，通过常规IC工艺中的光刻、刻蚀在衬底201中形成窄槽600，然后在所述窄槽中填充介质材料，形成释放阻挡层601，在后续的释放工艺中，释放掉释放阻挡层601之间、埋层氧化层下的单晶硅，根据工艺时间来控制其释放深度即可。也可以无需专门制作的释放阻挡层，可以采用IC工艺中常用的STI介质层或DTI(深槽隔离)介质层作为释放阻挡层。

后续步骤与实施一的后续步骤相同，在此不再赘述，不同之处在于：

热电偶对的制作不是采用多晶硅，而是直接利用SOI衬底201的顶硅层603来制作P型单晶硅2061和N型单晶硅2062（见图8），而SOI衬底201的埋层氧化层604可以作为腐蚀阻挡层。

本实施例中的热电堆红外传感器也采用了红外共振吸收结构，同样可以能够与常规的IC工艺兼容，降低成本。更重要的是，利用单晶硅作为热电偶对，由于单晶硅相对于多晶硅具有更大的Seebeck系数，从而可以进一步提高热电堆红外传感器的响应率和信噪比，获得更为优异的性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (12)

1.一种热电堆红外传感器，包括：衬底，所述衬底内具有沟槽，吸收层，位于所述衬底上方，热电偶对组成的悬臂梁，位于所述沟槽的上方，所述热电偶对的冷端与衬底连接，热端通过支撑柱与其上方的吸收层连接，其特征在于，还包括：反射层，位于所述沟槽外的衬底表面，与所述吸收层之间具有空腔。

2.根据权利要求1所述的热电堆红外传感器，其特征在于，所述沟槽内表面具有释放阻挡层。

3.根据权利要求1所述的热电堆红外传感器，其特征在于，所述衬底为单晶硅。

4.根据权利要求3所述的热电堆红外传感器，其特征在于，所述热电偶对为P型多晶硅和N型多晶硅，或者，所述热电偶对为金属和多晶硅。

5.根据权利要求1所述的热电堆红外传感器，其特征在于，所述衬底为SOI衬底。

6.根据权利要求5所述的热电堆红外传感器，其特征在于，所述热电偶对为P型单晶硅和N型单晶硅，或者，所述热电偶对为金属和单晶硅。

7.根据权利要求6所述的热电堆红外传感器，其特征在于，所述热电偶对中的单晶硅由SOI衬底中的顶硅层制作。

8.根据权利要求1所述的热电堆红外传感器，其特征在于，还包括读出电路层，位于所述反射层下方的衬底表面。

9.根据权利要求1所述的热电堆红外传感器，其特征在于，所述反射层的材料包括Al、AlSi、AlSiCu和Ni中的一种或者至少两种的组合，所述吸收层中的金属层材料包括Ti或TiN。

10.根据权利要求1所述的热电堆红外传感器，其特征在于，对于一定的所述热电堆红外传感器，其吸收层与反射层之间的空腔厚度是固定的，所述空腔的厚度范围根据所测温度范围为0.25um-3.5um。

11.一种热电堆红外传感器的制作方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在所述衬底中形成沟槽及沟槽内表面的释放阻挡层，在所述沟槽内填充第一释放牺牲层；

在所述第一释放牺牲层上形成热电偶对，在所述沟槽外的衬底表面形成读出电路层及读出电路层上的反射层；

在所述热电偶对两侧形成释放孔，以露出第一释放牺牲层，然后在所述衬底表面覆盖第二释放牺牲层；

在所述第二释放牺牲层上形成吸收层及其支撑柱；

进行气相释放工艺以去除第一释放牺牲层和第二释放牺牲层。

12.根据权利要求11所述热电堆红外传感器的制作方法，其特征在于，所述衬底为SOI衬底，则所述热电偶对由SOI衬底的顶硅层制作。

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