CN103698021B - 基于TiN反射层的热电堆红外探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热电堆红外探测器，具体是一种基于TiN反射层的热电堆红外探测器。进一步改进了现有热电堆红外探测器。所述探测器的加工步骤包括：1、在SOI衬底正面加工内、外两个隔离槽，划分出各加工区；2、加工SiO₂介质支撑膜；3、加工构成热电偶的P/N型多晶硅条；4、加工下层SiO₂隔离层及后续加工用金属连接加工孔；5、完成金属连接；6、加工上层SiO₂隔离层；7、加工TiN反射层；8、加工SiN导热层；9、加工热辐射吸收层；10、形成后续加工用释放孔；11、将SiO₂介质支撑膜下的热电偶加工区及热辐射吸收区空腔化；12、实现纳米森林结构的热辐射吸收层。本发明结构设计合理，制作工艺易于实现，成品性能提高明显，具有良好的发展前景。

Description

基于TiN反射层的热电堆红外探测器

技术领域

本发明涉及热电堆红外探测器，具体是一种基于TiN反射层的热电堆红外探测器。

背景技术

热电堆红外探测器作为一种热电转化器件，因其工作原理简单、数据处理简便、无需斩波器、无需偏置电压、工作波段带宽大等优点而成为主流红外探测器。尤其随着近些年来，IC工艺的发展和工艺水平的提高，更是给热电堆红外探测器提供了低成本和高可靠性的多种制作方法。热电堆红外探测器以塞贝克效应为基本的工作原理，通过将被测红外辐射量转化为载荷子和空穴迁徙的形式进行定量分析，而热对流、热辐射以及热传导是构成热平衡状态的三个主要因素，也是影响热电堆红外探测器性能的主要因素，因此，如何设计或改进探测器结构是本领域技术人员的重点研究课题。

发明内容

本发明为了进一步改进现有热电堆红外探测器，提高热电堆红外探测器性能，提供了一种基于TiN反射层的热电堆红外探测器。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于TiN反射层的热电堆红外探测器，按照如下步骤加工获得：

a、采用LPCVD技术在SOI衬底正面（SOI衬底顶层硅的表面）沉积SiO₂，形成SiO₂薄膜，用作后续深硅刻蚀的硬掩模；

b、采用深硅刻蚀工艺在SOI衬底正面加工内、外两个封闭环路状的隔离槽，内隔离槽置于外隔离槽中间，两隔离槽皆以SOI衬底的隐埋氧化层（SOI衬底的SiO₂层）为底；外隔离槽将SOI衬底正面划分为一个热电堆加工区、两个焊盘加工区、两个热辐射吸收区，热电堆加工区的两侧皆设有一个焊盘加工区和一个热辐射吸收区，两焊盘加工区和两热辐射吸收区皆以SOI衬底的表面中心为对称中心点对称（即两焊盘加工区中心对称、两热辐射吸收区中心对称，对称中心为SOI衬底的表面中心）；内隔离槽沿两焊盘加工区所在的方向设置；

c、采用LPCVD技术在SOI衬底正面沉积SiO₂，填充隔离槽，同时形成SiO₂介质支撑膜；以LPCVD技术制备的SiO₂介质支撑膜具备低应力和热容小的特点；根据XeF₂气体对硅和SiO₂的高选择比特点，填充SiO₂后的隔离槽，将在后续加工过程中有效控制XeF₂气体的腐蚀范围；

d、采用LPCVD技术、离子注入工艺、光刻工艺、刻蚀工艺在SiO₂介质支撑膜上加工用于构成热电偶的N型多晶硅条和P型多晶硅条；所述多晶硅条的形状及分布情况如下：内隔离槽在其设置方向上的中心线将SiO₂介质支撑膜上与热电堆加工区及热辐射吸收区对应的区域划分为两个加工区，在每一加工区内成对加工N型多晶硅条和P型多晶硅条，N型多晶硅条与P型多晶硅条一一对应，且两加工区内的多晶硅条分别呈“﹁”形和“﹂”形；P型多晶硅条和N型多晶硅条的一端位于SiO₂介质支撑膜上与多晶硅条相邻的热辐射吸收区对应的区域，P型多晶硅条的另一端与另一区N型多晶硅条的一端正对，N型多晶硅条的另一端与另一区P型多晶硅条的一端正对；

e、采用LPCVD技术在SiO₂介质支撑膜上沉积SiO₂，形成覆盖N型多晶硅条和P型多晶硅条的下层SiO₂隔离层（用于隔热和保护多晶硅条）；然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在下层SiO₂隔离层上加工露出用于后续实现热电堆输出焊盘的焊盘加工区，并加工形成：用于后续实现P型多晶硅条与对应N型多晶硅条连接构成热电偶的金属连接加工孔、用于后续实现两区域内热电偶串联构成热电堆的金属连接加工孔、用于后续实现热电堆与输出焊盘间连接的金属连接加工孔；

f、采用金属溅射工艺在下层SiO₂隔离层及焊盘加工区上溅射金属铝，然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在焊盘加工区及上述各加工孔对应位置处形成：实现热电堆的输出焊盘、将P型多晶硅条与对应N型多晶硅条连接构成热电偶的铝条、将两区域内热电偶串联构成热电堆的铝条、将热电堆的输出焊盘与热电堆首尾热电偶连接的铝条，实现热电堆结构；所述热电堆结构有两个热结区和一个冷结区，两个热结区分别位于对应的热辐射吸收区，冷结区处于两热结区之间，位于内隔离槽划出的区域；热电堆的输出焊盘位于SiO₂介质支撑膜上与焊盘加工区对应的区域；且两区内热电偶串联时，热电偶的P型多晶硅条经铝条连接另一区内与其端部正对的N型多晶硅条，热电偶的N型多晶硅条经铝条连接另一区内与其端部正对的P型多晶硅条；按照上述e、f步骤进行加工，能避免热电偶的N型多晶硅条和P型多晶硅条之间产生二极管效应；

g、采用PECVD技术在f步骤所得器件的表面沉积SiO₂，形成覆盖热电堆结构的上层SiO₂隔离层（用于隔热和保护热电堆结构）；

h、采用磁控溅射工艺在上层SiO₂隔离层的表面制备TiN薄膜，形成覆盖热电堆结构的TiN反射层，然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在TiN反射层上加工露出热电堆的输出焊盘、SiO₂介质支撑膜上与热辐射吸收区对应的区域及该区域内热偶条的端部；TiN反射层为表面反射层，用于反射入射的中远红外，降低中远红外对热电堆的辐射传热影响；

i、采用LPCVD技术在h步骤所得器件的表面沉积SiN，然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在SiO₂介质支撑膜上与热辐射吸收区对应的区域形成覆盖热偶条端部（该端部为热偶条的热端）的SiN导热层；在后续加工中，SiN导热层上将加工热辐射吸收层，SiN导热层起导热及电隔离的作用，用以保证热电偶的热端不会接触热辐射吸收层的黑硅材料而发生短路；

j、采用PECVD技术在i步骤所得器件的表面沉积多晶硅层、或者单晶硅层、或者非晶硅层，然后采用光刻工艺形成位于SiN导热层上及范围内的热辐射吸收层；

k、采用光刻工艺和刻蚀工艺在j步骤所得器件表面与热电偶加工区、热辐射吸收区对应的区域内、避开热电偶开设贯通至SOI衬底顶层硅的用于后续加工的释放孔；

l、采用光刻工艺对k步骤所得器件表面涂覆光刻胶，并光刻暴露出释放孔，用于实现后续步骤中的光刻保护；

m、采用XeF₂气体经释放孔正面腐蚀SOI衬底的顶层硅，将SiO₂介质支撑膜下的热电堆加工区及热辐射吸收区空腔化，形成悬浮结构的热电堆；

n、采用氧等离子去除技术将m步骤所得器件表面的光刻胶剥离，最后采用干法刻蚀工艺将热辐射吸收层表面刻蚀成纳米森林结构（利于提高吸收层对红外热辐射的吸收率），得到探测器成品。

与现有技术相比，本发明对探测器结构进行多重改进：1、巧妙地将探测器的热电堆设计成双热结区结构，冷结区置于两热结区之间，将冷结区中间化，并采用已有干法刻蚀释放技术将热电堆的热结区下方、热结区与冷结区之间区域的下方空腔化，形成悬浮结构的热电堆，利于提高热电堆热结区与冷结区之间的温差，进而提高输出电势差；2、在热电堆的冷结区上方、热结区与冷结区之间区域的上方覆盖TiN薄膜，能有效地反射测试环境中的中远红外，降低中远红外对热电堆的辐射传热影响，和悬浮结构的结合使用，极大地降低了敏感区域的热容，提高了热传导效率和器件稳定性；同时鉴于氮化钛的抗腐蚀性和耐磨性强，可以保护器件在利用XeF₂气体进行干法释放时不被损坏。3、串联构成热电堆的热电偶呈“Z”形排布，能有效地提高占空比，延长有效传热途径以增大输出信号电势差； 4、热电堆的热结区采用纳米森林结构的热辐射吸收层，对中远红外的吸收率在90%以上，利于提高热电堆热结区热量的吸收；以多重改进，增强热电堆热结区与冷结区间的塞贝克效应，提高热电堆热结区与冷结区之间的温差，提高热电堆的输出电势差，进而优化探测器的性能指标。其中，本发明所用加工工艺及技术皆是现有公知技术。

本发明结构设计合理，制作工艺易于实现，成品性能提高明显，具有良好的发展前景。

附图说明

图1为本发明所述热电堆红外探测器的第一部分制作流程图；

图2为本发明所述热电堆红外探测器的第二部分制作流程图；

图3为本发明所述热电堆红外探测器的第三部分制作流程图；

图4为图1步骤b的俯视图；

图5为图1步骤d的俯视图；

图6为图2步骤e的俯视图；

图7为图2步骤f的俯视图；

图8为图2步骤h的俯视图；

图9为图3步骤i的俯视图；

图10为图3步骤j的俯视图；

图11为图3步骤k的俯视图；

图中：1-SiO₂薄膜；2-内隔离槽；3-外隔离槽；4-SOI衬底的隐埋氧化层；5-热电堆加工区；6-焊盘加工区；7-热辐射吸收区；8-SiO₂介质支撑膜；9-N型多晶硅条；10-P型多晶硅条；11-下层SiO₂隔离层；13、14、15-金属连接加工孔；16-热电堆的输出焊盘；17、18、19-铝条；20-热结区；21-冷结区；22-上层SiO₂隔离层；23-SiN导热层；24-TiN反射层；25-热辐射吸收层；26-SOI衬底的顶层硅；27-释放孔。

具体实施方式

如图1-3所示，基于TiN反射层的热电堆红外探测器，按照如下步骤加工获得：

a、采用LPCVD技术在SOI衬底正面沉积SiO₂，形成SiO₂薄膜1，用作后续深硅刻蚀的硬掩模；

b、采用深硅刻蚀工艺在SOI衬底正面加工内、外两个封闭环路状的隔离槽，内隔离槽2置于外隔离槽3中间，两隔离槽皆以SOI衬底的隐埋氧化层4为底；外隔离槽3将SOI衬底正面划分为一个热电堆加工区5、两个焊盘加工区6、两个热辐射吸收区7，热电堆加工区5的两侧皆设有一个焊盘加工区6和一个热辐射吸收区7，两焊盘加工区6和两热辐射吸收区7皆以SOI衬底的表面中心为对称中心点对称；内隔离槽2沿两焊盘加工区6所在的方向设置；如图4所示；

c、采用LPCVD技术在SOI衬底正面沉积SiO₂，填充隔离槽，同时形成SiO₂介质支撑膜8；

d、采用LPCVD技术、离子注入工艺、光刻工艺、刻蚀工艺在SiO₂介质支撑膜8上加工用于构成热电偶的N型多晶硅条9和P型多晶硅条10；所述多晶硅条的形状及分布情况如下：内隔离槽2在其设置方向上的中心线将SiO₂介质支撑膜8上与热电堆加工区5及热辐射吸收区7对应的区域划分为两个加工区，在每一加工区内成对加工N型多晶硅条9和P型多晶硅条10，N型多晶硅条9与P型多晶硅条10一一对应，且两加工区内的多晶硅条分别呈“﹁”形和“﹂”形；P型多晶硅条10和N型多晶硅条9的一端位于SiO₂介质支撑膜8上与多晶硅条相邻的热辐射吸收区7对应的区域，P型多晶硅条10的另一端与另一区N型多晶硅条9的一端正对，N型多晶硅条9的另一端与另一区P型多晶硅条10的一端正对；如图5所示；

e、采用LPCVD技术在SiO₂介质支撑膜8上沉积SiO₂，形成覆盖N型多晶硅条9和P型多晶硅条10的下层SiO₂隔离层11；然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在下层SiO₂隔离层11上加工露出用于后续实现热电堆输出焊盘的焊盘加工区6，并加工形成：用于后续实现P型多晶硅条10与对应N型多晶硅条9连接构成热电偶的金属连接加工孔13、用于后续实现两区域内热电偶串联构成热电堆的金属连接加工孔14、用于后续实现热电堆与输出焊盘间连接的金属连接加工孔15；如图6所示；

f、采用金属溅射工艺在下层SiO₂隔离层11及焊盘加工区6上溅射金属铝，然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在焊盘加工区及上述各加工孔对应位置处形成：实现热电堆的输出焊盘16、将P型多晶硅条10与对应N型多晶硅条9连接构成热电偶的铝条17、将两区域内热电偶串联构成热电堆的铝条18、将热电堆的输出焊盘16与热电堆首尾热电偶连接的铝条19，实现热电堆结构；所述热电堆结构有两个热结区20和一个冷结区21，两个热结区20分别位于对应的热辐射吸收区7，冷结区21处于两热结区20之间，位于内隔离槽2划出的区域；热电堆的输出焊盘16位于SiO₂介质支撑膜8上与焊盘加工区6对应的区域；且两区内热电偶串联时，热电偶的P型多晶硅条10经铝条18连接另一区内与其端部正对的N型多晶硅条9，热电偶的N型多晶硅条9经铝条18连接另一区内与其端部正对的P型多晶硅条10；如图7所示；

g、采用PECVD技术在f步骤所得器件的表面沉积SiO₂，形成覆盖热电堆结构的上层SiO₂隔离层22；

h、采用磁控溅射工艺在上层SiO₂隔离层22的表面制备TiN薄膜，形成覆盖热电堆结构的TiN反射层24，然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在TiN反射层上加工露出热电堆的输出焊盘16、SiO₂介质支撑膜8上与热辐射吸收区对应的区域及该区域内热偶条的端部；如图8所示；

i、采用LPCVD技术在h步骤所得器件的表面沉积SiN，然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在SiO₂介质支撑膜8上与热辐射吸收区7对应的区域形成覆盖热偶条端部的SiN导热层23；如图9所示；

j、采用PECVD技术在i步骤所得器件的表面沉积多晶硅层、或者单晶硅层、或者非晶硅层，然后采用光刻工艺形成位于SiN导热层23上及范围内的热辐射吸收层25；如图10所示；

k、采用光刻工艺和刻蚀工艺在j步骤所得器件表面与热电偶加工区5、热辐射吸收区7对应的区域内、避开热电偶开设贯通至SOI衬底顶层硅26的用于后续加工的释放孔27；如图11所示；

l、采用光刻工艺对k步骤所得器件表面涂覆光刻胶，并光刻暴露出释放孔27，用于实现后续步骤中的光刻保护；

m、采用XeF₂气体经释放孔27正面腐蚀SOI衬底的顶层硅26，将SiO₂介质支撑膜8下的热电堆加工区及热辐射吸收区空腔化，形成悬浮结构的热电堆；

n、采用氧等离子去除技术将m步骤所得器件表面的光刻胶剥离，最后采用干法刻蚀工艺将热辐射吸收层25表面刻蚀成纳米森林结构，得到探测器成品。

Claims (1)

1.一种基于TiN反射层的热电堆红外探测器，其特征在于按照如下步骤加工获得：

a、采用LPCVD技术在SOI衬底正面沉积SiO₂，形成SiO₂薄膜（1），用作后续深硅刻蚀的硬掩模；

b、采用深硅刻蚀工艺在SOI衬底正面加工内、外两个封闭环路状的隔离槽，内隔离槽（2）置于外隔离槽（3）中间，两隔离槽皆以SOI衬底的隐埋氧化层（4）为底；外隔离槽（3）将SOI衬底正面划分为一个热电堆加工区（5）、两个焊盘加工区（6）、两个热辐射吸收区（7），热电堆加工区（5）的两侧皆设有一个焊盘加工区（6）和一个热辐射吸收区（7），两焊盘加工区（6）和两热辐射吸收区（7）皆以SOI衬底的表面中心为对称中心点对称；内隔离槽（2）沿两焊盘加工区（6）所在的方向设置；

c、采用LPCVD技术在SOI衬底正面沉积SiO₂，填充隔离槽，同时形成SiO₂介质支撑膜（8）；

d、采用LPCVD技术、离子注入工艺、光刻工艺、刻蚀工艺在SiO₂介质支撑膜（8）上加工用于构成热电偶的N型多晶硅条（9）和P型多晶硅条（10）；所述多晶硅条的形状及分布情况如下：内隔离槽（2）在其设置方向上的中心线将SiO₂介质支撑膜（8）上与热电堆加工区（5）及热辐射吸收区（7）对应的区域划分为两个加工区，在每一加工区内成对加工N型多晶硅条（9）和P型多晶硅条（10），N型多晶硅条（9）与P型多晶硅条（10）一一对应，且两加工区内的多晶硅条分别呈“﹁”形和“﹂”形；P型多晶硅条（10）和N型多晶硅条（9）的一端位于SiO₂介质支撑膜（8）上与多晶硅条相邻的热辐射吸收区（7）对应的区域，P型多晶硅条（10）的另一端与另一区N型多晶硅条（9）的一端正对，N型多晶硅条（9）的另一端与另一区P型多晶硅条（10）的一端正对；

e、采用LPCVD技术在SiO₂介质支撑膜（8）上沉积SiO₂，形成覆盖N型多晶硅条（9）和P型多晶硅条（10）的下层SiO₂隔离层（11）；然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在下层SiO₂隔离层（11）上加工露出用于后续实现热电堆输出焊盘的焊盘加工区（6），并加工形成：用于后续实现P型多晶硅条（10）与对应N型多晶硅条（9）连接构成热电偶的金属连接加工孔（13）、用于后续实现两区域内热电偶串联构成热电堆的金属连接加工孔（14）、用于后续实现热电堆与输出焊盘间连接的金属连接加工孔（15）；

f、采用金属溅射工艺在下层SiO₂隔离层（11）及焊盘加工区（6）上溅射金属铝，然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在焊盘加工区及上述各加工孔对应位置处形成：实现热电堆的输出焊盘（16）、将P型多晶硅条（10）与对应N型多晶硅条（9）连接构成热电偶的铝条（17）、将两区域内热电偶串联构成热电堆的铝条（18）、将热电堆的输出焊盘（16）与热电堆首尾热电偶连接的铝条（19），实现热电堆结构；所述热电堆结构有两个热结区（20）和一个冷结区（21），两个热结区（20）分别位于对应的热辐射吸收区（7），冷结区（21）处于两热结区（20）之间，位于内隔离槽（2）划出的区域；热电堆的输出焊盘（16）位于SiO₂介质支撑膜（8）上与焊盘加工区（6）对应的区域；且两区内热电偶串联时，热电偶的P型多晶硅条（10）经铝条（18）连接另一区内与其端部正对的N型多晶硅条（9），热电偶的N型多晶硅条（9）经铝条（18）连接另一区内与其端部正对的P型多晶硅条（10）；

g、采用PECVD技术在f步骤所得器件的表面沉积SiO₂，形成覆盖热电堆结构的上层SiO₂隔离层（22）；

h、采用磁控溅射工艺在上层SiO₂隔离层（22）的表面制备TiN薄膜，形成覆盖热电堆结构的TiN反射层（24），然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在TiN反射层（24）上加工露出热电堆的输出焊盘（13）、SiO₂介质支撑膜（8）上与热辐射吸收区对应的区域及该区域内热偶条的端部；

i、采用LPCVD技术在h步骤所得器件的表面沉积SiN，然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在SiO₂介质支撑膜（8）上与热辐射吸收区（7）对应的区域形成覆盖热偶条端部的SiN导热层（23）；

j、采用PECVD技术在i步骤所得器件的表面沉积多晶硅层、或者单晶硅层、或者非晶硅层，然后采用光刻工艺形成位于SiN导热层（23）上及范围内的热辐射吸收层（25）；

k、采用光刻工艺和刻蚀工艺在j步骤所得器件表面与热电偶加工区（5）、热辐射吸收区（7）对应的区域内、避开热电偶开设贯通至SOI衬底顶层硅（26）的用于后续加工的释放孔（27）；

l、采用光刻工艺对k步骤所得器件表面涂覆光刻胶，并光刻暴露出释放孔（27），用于实现后续步骤中的光刻保护；

m、采用XeF₂气体经释放孔（27）正面腐蚀SOI衬底的顶层硅（26），将SiO₂介质支撑膜（8）下的热电堆加工区及热辐射吸收区空腔化，形成悬浮结构的热电堆；

n、采用氧等离子去除技术将m步骤所得器件表面的光刻胶剥离，最后采用干法刻蚀工艺将热辐射吸收层（25）表面刻蚀成纳米森林结构，得到探测器成品。