CN102938444A

CN102938444A - 与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器

Info

Publication number: CN102938444A
Application number: CN2012104173975A
Authority: CN
Inventors: 孙蕾; 王玮冰
Original assignee: Jiangsu IoT Research and Development Center
Current assignee: China core Microelectronics Technology Chengdu Co.,Ltd.
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: CN102938444B

Abstract

本发明涉及一种与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器，属于红外探测器的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器，包括承载衬底；所述承载衬底上设有隔离支撑层，所述隔离支撑层上方对应隔离槽的两侧设置对称分布的热电堆，所述热电堆通过隔离槽相隔离，且所述隔离槽两侧的热电堆电连接成一体；所述热电堆上覆盖有第四介质层，第四介质层上设有红外吸收层，红外吸收层通过热传导支撑柱支撑在第四介质层上，红外吸收层通过热传导支撑柱与热电堆间形成绝热腔，所述绝热腔与隔离槽相连通。本发明结构简单紧凑，体积小，占空因子高，制造工艺简单，适应性好。

Description

与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器

技术领域

本发明涉及一种红外探测器，尤其是一种与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器，属于红外探测器的技术领域。

背景技术

Herschel在19世纪初发现了红外辐射，随着时代进步，红外技术在红外制导、红外成像以及预警等军事领域，以及在红外报警、红外测温以及检测等民用领域发挥了越来越重要的作用，从而也推动了作为红外装置心脏的红外探测器的发展。

红外探测技术主要分为制冷型和非制冷型，制冷型红外探测器又称光子红外探测器，其虽然探测性能较好，但是必须使用特殊而昂贵的冷却设备，尺寸大，难以小型化，制造成本和功耗高，主要应用于军事。非制冷型红外探测器又称为热红外探测器，由于其探测红外原理不同主要分为热电堆型、热释电型以及热敏电阻型三类，非制冷型红外探测器发展迅速，应用广泛，是当今研究热点之一。其中热电堆红外探测器是最早发展的一种红外探测器，其工作原理基于Seebeck效应。传统热电堆红外探测器结构主要有以下缺点：1、尺寸偏大：为了提高响应率，将连接红外吸收区与硅基底的热电偶对的长度加长，造成器件面积增大，使其阵列化出现一定困难；2、占空因子较低：为了提高冷热端温差，一些吸收面必须被刻蚀掉来制作绝热结构，因此传感器吸收面积占传感器面积的比例不高；3、热偶对数目多，制作过程复杂。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器，其结构简单紧凑，体积小，占空因子高，制造工艺简单，适应性好。

按照本发明提供的技术方案，所述与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器，包括承载衬底；所述承载衬底上设有隔离支撑层，所述隔离支撑层上方对应隔离槽的两侧设置对称分布的热电堆，所述热电堆通过隔离槽相隔离，且所述隔离槽两侧的热电堆电连接成一体；所述热电堆上覆盖有第四介质层，第四介质层上设有红外吸收层，红外吸收层通过热传导支撑柱支撑在第四介质层上，红外吸收层通过热传导支撑柱与热电堆间形成绝热腔，所述绝热腔与隔离槽相连通。

所述热电堆包括第一导电类型热偶条及第二导电类型热偶条，所述第一导电类型热偶条与第二导电类型热偶条间通过隔离层相间隔，且第一导电类型热偶条通过连接电极与第二导电类型热偶条电连接后形成热电偶。

所述第一导电类型热偶条为N型导电多晶硅，第二导电类型热偶条为P型导电多晶硅。

所述承载衬底内设有隔热槽，所述隔热槽与红外吸收层的形状相对应。

所述隔离支撑层上的热电偶包括第一热电偶、第二热电偶、第三热电偶及第四热电偶，所述第一热电偶及第二热电偶位于隔离槽中心的一侧，第三热电偶及第四热电偶位于隔离槽中心的另一侧；第一热电偶的形状与第四热电偶的形状相一致，第二热电偶的形状与第三热电偶的形状相一致。

所述热电偶包括第一结构体及第二结构体，所述第一结构体的一端端部与第二结构体的一端端部相连后呈L形。

所述承载衬底的材料包括硅。所述红外吸收层的外表面上覆盖有第五介质层。

所述隔离支撑层包括覆盖于承载衬底上的第一介质层及位于所述第一介质层上的第二介质层，隔离介质层位于隔热槽的内圈。

所述红外吸收层的材料包括氮化硅。

本发明的优点：

1、尺寸小，响应率探测率高，易于阵列化。

2、采用四个热电偶，热电偶对数减少，使制作过程变得简单的同时降低了电阻总值，并没有降低器件的性能，采用L形的折叠结构，大大增加了热电偶的长度，但是并没有增加器件面积，提高了器件的响应率和探测率。

3、占空因子高：采用腐蚀牺牲层的方法进行绝热结构释放，热电偶呈左右对称分布热端在器件的四个角处平衡支撑红外吸收悬膜，使器件的占空因子达到90%以上。

附图说明

图1为本发明的俯视图。

图2为图1的剖视图。

图3~图8为本发明的具体实施工艺步骤剖视图，其中

图3为本发明在承载衬底上形成复合介质层后的剖视图。

图4为本发明在支撑隔离层上形成第一导电类型热偶条及第二导电类型热偶条后的剖视图。

图5为本发明在支撑隔离层上形成热电偶后的剖视图。

图6为本发明得到牺牲层后的剖视图。

图7为本发明得到红外吸收层后的剖视图。

图8为本发明释放牺牲层后的剖视图。

附图标记说明：1-红外吸收层、2-热电偶、3-承载衬底、4-牺牲层、5-复合介质层、6-连接电极、7第一-定位孔、8-绝热腔、9-第一结构体、10-第二结构体、11-隔热槽、12-第一介质层、13-第二介质层、14-隔离层、15-第二导电类型热偶条、16-第三介质层、17-隔离槽、18-第四介质层、19-第五介质层、20-热传导支撑柱、21-第一热电偶、22-第二热电偶、23-第三热电偶、24-第四热电偶、25-第一导电类型热偶条、26-第二定位孔及27-隔离支撑层。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示：为了能够缩小红外探测器的体积，提高占空因子，降低工艺复杂度，本发明包括承载衬底3；所述承载衬底3上设有隔离支撑层27，所述隔离支撑层27上方对应隔离槽17的两侧设置对称分布的热电堆，所述热电堆通过隔离槽17相隔离，且所述隔离槽17两侧的热电堆电连接成一体；所述热电堆上覆盖有第四介质层18，第四介质层18上设有红外吸收层1，红外吸收层1通过热传导支撑柱20支撑在第四介质层18上，红外吸收层1通过热传导支撑柱20与热电堆间形成绝热腔8，所述绝热腔8与隔离槽17相连通。

具体地，承载衬底3的材料包括硅，为了能够降低承载衬底3的热传导影响，在承载衬底3内设有隔热槽11，所述隔热槽11与红外吸收层1的形状相对应，且隔热槽11位于隔离支撑层27的外圈，即隔离支撑层27通过隔离槽11内的承载衬底3相应部位支撑，承载衬底3支撑隔离支撑层27的部位与本发明实施例中红外探测器的探测冷端位置相对应，从而提高红外探测器的探测精度。

本发明实施例中，隔离支撑层27由淀积在承载衬底3上的复合介质层5形成。热电堆包括第一导电类型热偶条25及第二导电类型热偶条15，所述第一导电类型热偶条25与第二导电类型热偶条15间通过隔离层14相间隔，且第一导电类型热偶条25通过连接电极6与第二导电类型热偶条15电连接后形成热电偶2。本发明实施例中，隔离支撑层27包括第一热电偶21、第二热电偶22、第三热电偶23及第四热电偶24；其中，第一热电偶21与第二热电偶22位于隔离槽17中心线的一侧，第三热电偶23及第四热电偶24位于隔离槽17中心线的另一侧；第一热电偶21、第二热电偶22、第三热电偶23及第四热电偶24通过相应的热电偶连接电极电连接成一体，所述热电偶电连接电极与连接电极6为同一制造层，第一导电类型热偶条25为N型导电多晶硅，第二导电类型热偶条15为P型导电多晶硅；或者，第一导电类型热偶条25为P型导电多晶硅，第二导电类型热偶条15为N型导电多晶硅，第一导电类型热偶条25与第二导电类型热偶条15间具体导电类型选择为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

本发明实施例中，第一热电偶21、第二热电偶22、第三热电偶23及第四热电偶24的结构均包括第一结构体9及第二结构体10，其中，第一结构体9的一端端部与第二结构体10的一端相连后呈L形，其中，第一热电偶21、第二热电偶22、第三热电偶23、第四热电偶24内对应的第一结构体9相互平行，第二热电偶22、第三热电偶23、第四热电偶24内对应的第二结构体10相互平行，且第一热电偶21与第四热电偶24内对应的第二结构体10位于同一侧，第二热电偶22与第三热电偶23内对应的第二结构体10位于同一侧。本发明实施例中，第一热电偶21、第二热电偶22、第三热电偶23及第四热电偶24内对应的第二结构体10用于支撑并连接红外吸收层1，以形成红外探测器的探测热端；第一热电偶21、第二热电偶22、第三热电偶23及第四热电偶24内对应的第一结构体10形成红外探测器的探测冷端。

如图3~图8所示：上述结构的热电堆红外探测器可以采用下述工艺步骤制备得到，其中，下述工艺步骤均采用与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的工艺条件，具体地包括：

a、提供<100>晶向的硅片作为承载衬底3，并在所述承载衬底3上利用LPCVD（低压化学气相沉积）方法淀积得到复合介质层层5，其中，复合介质层5包括覆盖于承载衬底3表面上的第一介质层12及覆盖于所述第一介质层12上的第二介质层13，所述第一介质层12的材料包括二氧化硅，第二介质层13的材料包括氮化硅；如图3所示；

b、在上述复合介质层5上制备热电偶2，具体地，在复合介质层5上LPCVD一层多晶硅，并进行离子注入，以形成N型导电多晶硅作为第一导电类型热偶条25；然后将第一导电类型热偶条25的上层氧化，形成二氧化硅层以作为隔离层14；然后在隔离层14上再LPCVD一层多晶硅并进行掺杂，形成P型导电多晶硅，以作为第二导电类型热偶15，并在上述第二导电类型热偶条15上覆盖第三介质层16，所述第三介质层16的材料包括二氧化硅。形成上述结构后，选择性地掩蔽和刻蚀上述材料，得到隔离槽17及第二定位孔26，其中，隔离槽17是从第三介质层16向下延伸到第二介质层13上，第二定位孔26是从第三介质层16的下面向下延伸直至承载衬底3的表面，如图4所示；

c、选择性地掩蔽和刻蚀上述材料，得到所需的接触孔，并在所述接触孔内填充电极材料，以形成连接电极6，所连接电极6将第一导电类型热偶条25与第二导电类型热偶条15电连接形成热电偶，同时电极材料还能够将不同的热电偶2相互连接成热电堆及将热电堆相互连接成一体，所述电极材料包括铝。本发明实施例中，连接电极6的位置位于第二结构体10上，如图5所示；

d、在上述结构上淀积介质层，形成第四介质层18，所述第四介质层18覆盖连接电极6及第三介质层16的表面，并覆盖隔离槽17及第二定位孔26的侧壁；

e、在上述结构上沉积牺牲层4，所述牺牲层4填充在隔离槽17、第二定位孔26内，同时牺牲层4也覆盖在相应的表面；然后选择性地掩蔽和刻蚀牺牲层4，得到第一定位孔7，所述第一定位孔7位于连接电极6的内侧，如图6所示；

f、在上述结构上淀积红外吸收层1，所述红外吸收层1填充在第一定位孔7内，并覆盖在相应牺牲层4的表面上；选择性地掩蔽和刻蚀红外吸收层1，以露出连接电极6外侧边缘的牺牲层4；红外吸收层1上设有第五介质层19，所述第五介质层19的材料包括二氧化硅，如图7所示；

g、腐蚀牺牲层4，形成绝热腔8，所述绝热腔8与隔离槽17相连通，并在承载衬底3内形成隔热槽11，如图8所示。释放牺牲层4后，红外吸收层1与第四介质层4接触的位置形成热传导支撑柱20，红外吸收层1通过热传导支撑柱20形成红外探测器的热端；所述红外吸收层1通过热传导支撑柱20分别与第一热电偶21、第二热电偶22、第三热电偶23及第四热电偶24相接触，以将吸收的热量传递到第一热电偶21、第二热电偶22、第三热电偶23及第四热电偶24上。

如图1~图8所示：本发明的制备工艺与CMOS工艺兼容，形成红外探测器的面积只有45μm×45μm，红外吸收层1吸收的红外热量，红外吸收层1吸收的热量通过热传导支撑柱20传导到热电偶2上，热电偶2的探测热端吸收热量后，根据与探测冷端之间的温度差产生相应的电势差，并将电压传输到外部电路，并将检测分析后探测得到所需的检测量。

本发明器件尺寸小：传统热电堆红外探测器为了提高响应率，将连接红外吸收区与硅基底的热电偶对的长度加长，造成器件尺寸较大不利于阵列化，与传统热电堆红外探测器相比本发明的器件尺寸较小，响应率探测率高，易于阵列化。

热偶对数少：热电偶对数减少，使制作过程变得简单的同时降低了电阻总值，并没有降低器件的性能，采用L形的折叠结构，大大增加了热电偶的长度，但是并没有增加器件面积，提高了器件的响应率和探测率。

占空因子高：为了增大热电偶冷热端温差，传统热电堆红外探测器在进行绝热结构释放时常常会较多的刻蚀掉红外吸收层的面积如图3所示，降低了器件的占空因子。本发明采用腐蚀牺牲层的方法进行绝热结构释放，热电偶呈左右对称分布热端在器件的四个角处平衡支撑红外吸收悬膜，使器件的占空因子达到90%以上。

Claims

1.一种与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器，包括承载衬底（3）；其特征是：所述承载衬底（3）上设有隔离支撑层（27），所述隔离支撑层（27）上方对应隔离槽（17）的两侧设置对称分布的热电堆，所述热电堆通过隔离槽（17）相隔离，且所述隔离槽（17）两侧的热电堆电连接成一体；所述热电堆上覆盖有第四介质层（18），第四介质层（18）上设有红外吸收层（1），红外吸收层（1）通过热传导支撑柱（20）支撑在第四介质层（18）上，红外吸收层（1）通过热传导支撑柱（20）与热电堆间形成绝热腔（8），所述绝热腔（8）与隔离槽（17）相连通。

2.根据权利要求1所述的与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器，其特征是：所述热电堆包括第一导电类型热偶条（25）及第二导电类型热偶条（15），所述第一导电类型热偶条（25）与第二导电类型热偶条（15）间通过隔离层（14）相间隔，且第一导电类型热偶条（25）通过连接电极（6）与第二导电类型热偶条（15）电连接后形成热电偶（2）。

3.根据权利要求2所述的与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器，其特征是：所述第一导电类型热偶条（25）为N型导电多晶硅，第二导电类型热偶条（15）为P型导电多晶硅。

4.根据权利要求1所述的与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器，其特征是：所述承载衬底（3）内设有隔热槽（11），所述隔热槽（11）与红外吸收层（1）的形状相对应。

5.根据权利要求2所述的与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器，其特征是：所述隔离支撑层（27）上的热电偶（2）包括第一热电偶（21）、第二热电偶（22）、第三热电偶（23）及第四热电偶（24），所述第一热电偶（21）及第二热电偶（22）位于隔离槽（17）中心的一侧，第三热电偶（23）及第四热电偶（24）位于隔离槽（17）中心的另一侧；第一热电偶（21）的形状与第四热电偶（24）的形状相一致，第二热电偶（22）的形状与第三热电偶（23）的形状相一致。

6.根据权利要求2所述的与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器，其特征是：所述热电偶（2）包括第一结构体（9）及第二结构体（10），所述第一结构体（9）的一端端部与第二结构体（10）的一端端部相连后呈L形。

7.根据权利要求1所述的与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器，其特征是：所述承载衬底（3）的材料包括硅。

8.根据权利要求1所述的与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器，其特征是：所述红外吸收层（1）的外表面上覆盖有第五介质层（19）。

9.根据权利要求4所述的与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器，其特征是：所述隔离支撑层（27）包括覆盖于承载衬底（3）上的第一介质层（12）及位于所述第一介质层（12）上的第二介质层（13），隔离介质层（27）位于隔热槽（11）的内圈。

10.根据权利要求1所述的与互补金属氧化物半导体工艺兼容的热电堆红外探测器，其特征是：所述红外吸收层（1）的材料包括氮化硅。