CN103730535B - 应用硅锗薄膜的非制冷红外焦平面阵列像元制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用硅锗薄膜的非制冷红外焦平面阵列像元制造方法，包括将硅锗薄膜由SOI晶圆转移至CMOS晶圆，对薄膜刻蚀形成沟道，用lift-off法形成金属顶电极，对薄膜刻蚀形成敏感区块，PECVD法沉积氮化硅支撑薄膜，电镀生长出金属电极柱，溅射TiW形成电路，溅射红外吸收层，刻蚀氮化硅层、TiW层等形成L形悬臂梁等步骤。本发明在微测辐射热计领域成功的应用了硅锗/硅量子阱材料，拓展了非制冷红外焦平面可使用的敏感材料范围；考虑到硅锗/硅量子阱材料是一种“立体”导电材料，通过刻蚀沟道的方式形成U字形回路，增大了敏感区域的电阻；通过引入氮化硅薄膜，将λ/4共振红外吸收腔置于敏感区域内，更精确的控制了红外吸收腔尺寸，有效的增大了红外吸收率。
Description
技术领域
本发明属于微电子加工技术应用在红外成像器件制造领域，是一种使用TCR（电阻温度系数）型硅锗量子阱材料作为敏感材料的非制冷红外焦平面阵列像元的制造方法。
背景技术
红外成像技术在军事和民用领域有着广泛的应用与需求。红外成像反应了物体表面热辐射及其内部热耗散的信息，是人们在可见光波段范围外的视觉延伸，是观察和感知客观世界的一种新手段。随着红外敏感材料技术的突破以及MEMS制造技术的飞速发展和日益成熟，微型测辐射热仪已经被广泛应用于军事和民用领域，如热像仪、夜视摄像机、热传感器、监控像机等产品。这些仪器的主要性能是由测辐射热计阵列像元的红外吸收率、电阻温度系数(TCR)、热绝缘性和噪声性能等多因素共同决定的。在这些参数中电阻温度系数特性以及电阻特性是影响微型测辐射热仪(microbolometers)性能的重要因素。因此寻找各种测辐射热材料的开发研究工作非常活跃，这些材料包括金属、氧化物，半导体和超导体材料等。其中量子阱型硅锗薄膜材料由于其较高的TCR及相对传统TCR材料（氧化钒、非晶硅）较低的噪声特征，是一种非常适合于微测辐射热仪制作的敏感材料，因此备受瞩目。
而目前的微测辐射热计阵列像元制造方法是基于传统TCR材料而设计的，并不适用于应用硅锗薄膜的非制冷红外焦平面阵列像元制造。相比传统材料新型的具有高TCR低1/f噪声的量子阱型硅锗薄膜材料具有：硅锗薄膜材料生长工艺与CMOS读出电路制造工艺不兼容；硅锗薄膜材料是一种“立体”材料有更大的厚度；硅锗薄膜材料内的电流流通方向是沿截面流通而非传统材料的沿平面流通等特点。这些特点使得无法用传统阵列制造方法制造应用硅锗薄膜的非制冷红外焦平面阵列像元。因此我们在传统阵列像元制造方法的基础上提出了一种新的制造方法以适应应用硅锗量子阱材料的特殊要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用量子阱型硅锗薄膜材料的非制冷红外焦平面阵列像元的制造方法，解决性能优良的量子阱材料在非制冷红外焦平面制造领域的工程化应用问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：应用硅锗薄膜的非制冷红外焦平面阵列像元的制造方法，步骤如下：
步骤一：以SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）晶圆作为硅锗量子阱型TCR敏感材料的载体，然后通过硅锗薄膜平行转移技术完成硅锗量子阱型TCR敏感材料由SOI晶圆向CMOS读出电路的平行转移；
步骤二：利用光刻技术（晶圆表面先涂胶、软烘，再曝光、显影、坚膜形成光刻胶图形）在晶圆表面形成相应图形，然后使用ICP（电感耦合等离子体源）刻蚀技术刻蚀出贯穿像元的沟道，之后清洗去胶；
步骤三：光刻形成图形，再使用磁控溅射在晶圆表面沉积像元的金属顶电极，之后清洗去胶，剥离掉多余的金属（Lift-off，溶脱剥离法）；
步骤四：光刻形成图形，再使用ICP刻蚀技术和IBE（离子溅射刻蚀）刻蚀技术刻蚀出像元的敏感区块，然后清洗去胶；
步骤五：在晶圆表面通过PECVD（等离子体增强化学气相沉积）技术，低温沉积一层高质量低应力台阶覆盖良好的氮化硅薄膜；
步骤六：光刻形成图形，再通过RIE（反应离子刻蚀）技术刻蚀氮化硅层和键合胶层，暴露出CMOS晶圆相应的锚点（电极位）；
步骤七：通过电镀技术或者化学镀技术，在CMOS晶圆上暴露出的锚点位置生长出相应的金属电极柱；
步骤八：先光刻形成图形，再通过RIE技术刻蚀氮化硅层，暴露出像元上的金属顶电极，之后清洗去胶；
步骤九：先通过磁控溅射在晶圆表面沉积一层低热导金属，再光刻形成图形，使用ICP刻蚀技术或者IBE刻蚀技术去除多余的金属，然后清洗去胶；
步骤十：通过PECVD技术，在结构表面低温沉积一层高质量低应力台阶覆盖良好的氮化硅薄膜；
步骤十一：通过磁控溅射技术或者电子束蒸发技术，在结构表面沉积一层红外吸收层；
步骤十二：先光刻形成图形，再通过IBE刻蚀技术去除多余的红外吸收层，然后清洗去胶；
步骤十三：先光刻形成图形，再通过RIE刻蚀技术刻蚀出像元的悬臂结构，然后清洗去胶；
步骤十四：将晶圆移入等离子去胶机内，干法去除键合胶，释放结构。
本发明与现有技术相比，其特点在于：
1、本发明采用了新型高TCR低噪声的量子阱材料作为敏感材料。量子阱材料与传统的非晶硅和氧化钒材料相比，具有更高的TCR值和更低的本征噪声，采用此种材料的非制冷红外焦平面阵列将具有更好的性能。但量子阱材料的沉积温度远高于475℃（CMOS电路的最高耐受温度），沉积条件也非常复杂，难以使用传统的阵列制造方法来制造相应的阵列，使得这一新型材料在红外领域的应用不广。我们使用了平行转移工艺来解决这一问题，使得量子阱材料可以顺利应用于非制冷红外焦平面制造领域。
2、本发明考虑到量子阱材料的电阻值较小，电流是纵向导通而非传统的横向导通。在发明中我们通过在像元中间刻蚀出一条沟道，将敏感区分成了两块，电极全部安排在敏感区顶侧，改变了电流在像元中的流通通道，使电流流向变成了U字形，如图2所示。使像元敏感区的电阻值增大了四倍以上，解决了电流向问题。使焦平面阵列获得了更好的电学性能。
3、因为本发明中应用的硅锗量子阱材料相对于传统热敏材料是一种“立体”材料，具有较大的厚度，无法像传统材料那样由TCR材料薄膜032以及薄膜下的空腔构成一个λ/4共振吸收结构（如图3左图）。所以在发明中我们通过引入氮化硅层来增大热敏薄膜的厚度，这样就可以将λ/4共振吸收腔安排在了像元敏感区内（如图3右图）。这样红外吸收腔的尺寸更为精确可控，有效的增加了红外吸收。同时氮化硅材料本身可以吸收一定红外辐射，可以起到增强红外吸收的作用。此外，氮化硅层还可以起到机械支撑的作用，增强了热敏薄膜的机械强度。
附图说明
图1是根据本发明提出的阵列像元示意图。
图2是根据本发明提出的阵列像元电流流向图；
021：CMOS读出电路022：金属电路023：硅锗薄膜
024：氮化硅支撑层025：金属电极026：金属反射层。
图3是根据本发明提出的阵列像元以及传统像元的λ/4共振吸收结构示意图；其中图3(a)是传统像元的λ/4共振吸收结构示意图，图3(b)是本发明提出的阵列像元的λ/4共振吸收结构示意图；
031：红外吸收层032：TCR材料薄膜033：支撑悬臂
034：金属反射层035：CMOS读出电路。
图4是根据本发明提出的阵列像元制造工艺步骤一至十四的示意图：包括剖视图以及俯视图，其中图4⑴-4⑵是工艺步骤一，图4⑵-4⑶是工艺步骤二，图4⑶-4⑷是工艺步骤三，图4⑷-4⑸是工艺步骤四，图4⑸-4⑹是工艺步骤五，图4⑹-4⑺是工艺步骤六，图4⑺-4⑻是工艺步骤七，图4⑻-4⑼是工艺步骤八，图4⑼-4⑽是工艺步骤九，图4⑽-4⑾是工艺步骤十，图4⑾-4⑿是工艺步骤十一，图4⑿-4⒀是工艺步骤十二，图4⒀-4⒁是工艺步骤十三，图4⒁-4⒂是工艺步骤十四；
041：SOI晶圆硅衬底042：SOI晶圆BOX层（BuriedOxide氧化物埋层）
043：量子阱型硅锗薄膜044：TiW（钛钨合金）增强黏附层045：铝反射层
046：金电极047：CMOS读出电路048：键合胶层049：铝电极
051：第一氮化硅支撑层052：金电极柱053：TiW电路
061：第二氮化硅支撑层062：钼硅红外吸收层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图4，本发明是应用硅锗薄膜的非制冷红外焦平面制造像元方法，现在以40×40μm像元为例，简述阵列制造过程：
步骤一：以SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）晶圆作为量子阱型硅锗薄膜043的载体，在晶圆表面涂布键合胶，形成厚1μm-3μm的键合胶层048，再通过热压黏性键合将SOI晶圆与CMOS读出电路047键合在一起，然后使用ICP刻蚀机刻蚀掉SOI晶圆硅衬底041，之后用BOE溶液（BufferedOxideEtch,由氢氟酸和氟化铵溶液按一定体积比配置，常用比例6:1）或者BHF溶液（稀氢氟酸溶液，HF与去离子水的体积比为1:5）腐蚀掉SOI晶圆BOX层042，最后用去离子水冲洗、用氮气吹干，这样就完成了量子阱型硅锗薄膜043由SOI晶圆向CMOS读出电路047的平行转移。
步骤二：对晶圆进行HDMS（六甲基二硅胺，使晶圆对光刻胶的黏附性增强）处理；再在晶圆表面涂布光刻胶AZ5214，前烘之后曝光显影坚膜形成相应图形；然后以TiW（钛钨合金）增强黏附层044或铝反射层045为蚀刻终止层，使用ICP（电感耦合等离子体源）刻蚀技术刻蚀量子阱型硅锗薄膜层043，形成深500nm-800nm、宽2μm-3μm、长28μm的贯穿像元的沟道；最后用丙酮去除光刻胶，IPA（异丙醇）去除丙酮，去离子水去除乙醇，氮气吹干。
步骤三：对晶圆进行HDMS处理；先在晶圆表面涂布光刻胶LOR10A，再涂布光刻胶AZ5214，前烘曝光显影坚膜形成相应图形；然后使用磁控溅射机在晶圆表面沉积厚80nm-150nm的铝层作为像元的金属顶电极；最后用丙酮去除AZ5214，3038显影液去除LOR，这样就剥离掉了多余的铝，剩下了两个长8μm宽3μm的铝电极049（Lift-off，溶脱剥离法），IPA去除丙酮，去离子水去除乙醇，氮气吹干。
步骤四：对晶圆进行HDMS处理；再在晶圆表面涂布光刻胶AZ5214，前烘曝光显影坚膜形成相应图形；再使用ICP刻蚀机刻蚀掉厚500nm-800nm的量子阱型硅锗薄膜043，至铝反射层045终止；之后用IBE（离子溅射刻蚀）刻蚀机刻蚀掉厚80nm-200nm铝反射层045，至键合胶层048终止，这样就刻蚀出了大小约为26μm*26μm的像元敏感区块；最后用丙酮+IPA+去离子水清洗去胶，氮气吹干。
步骤五：在晶圆表面通过PECVD（等离子体增强化学气相沉积设备），低温沉积一层厚100nm-200nm高质量低应力台阶覆盖良好的第一氮化硅支撑层051。
步骤六：对晶圆进行HDMS处理；再在晶圆表面涂布光刻胶AZ5214，前烘曝光显影坚膜形成相应图形；再通过RIE（反应离子刻蚀）刻蚀机刻蚀厚100nm-200nm第一氮化硅支撑层051和厚1μm-3μm键合胶层048，暴露出CMOS读出电路047上相应的大小约为5μm*5μm的锚点即金电极046；最后用丙酮+IPA+去离子水清洗去胶，氮气吹干。
步骤七：通过电镀技术或者化学镀技术，在CMOS读出电路047上暴露出的金电极046上生长出相应的高1μm-3μm的金电极柱052。
步骤八：对晶圆进行HDMS处理；再在晶圆表面涂布光刻胶AZ5214，前烘曝光显影坚膜形成相应图形；再通过RIE刻蚀机刻蚀厚100nm-200nm第一氮化硅支撑层051，暴露出像元上的铝电极049；之后用丙酮+IPA+去离子水清洗去胶，氮气吹干。
步骤九：先通过磁控溅射在晶圆表面沉积一层厚80nm-150nm低热导的TiW电路053；再对晶圆进行HDMS处理；之后在晶圆表面涂布光刻胶AZ5214，前烘曝光显影坚膜形成相应图形；然后使用IBE刻蚀机去除多余的TiW层（以沟道为中心的大小约为26μm*14μm的区域）；最后用丙酮+IPA+去离子水清洗去胶，氮气吹干。
步骤十：通过PECVD设备，在结构表面低温沉积一层高质量低应力台阶覆盖良好的第二氮化硅支撑层061。
步骤十一：通过磁控溅射技术或者电子束蒸发技术，在结构表面沉积一层方块电阻为377欧/sq的钼硅红外吸收层062。
步骤十二：对晶圆进行HDMS处理；再在晶圆表面涂布光刻胶AZ5214，前烘曝光显影坚膜形成相应图形；然后通过IBE刻蚀技术去除多余的钼硅红外吸收层，留下大小约为26μm*26μm的钼硅红外吸收层062；最后用丙酮+IPA+去离子水清洗去胶，氮气吹干。
步骤十三：对晶圆进行HDMS处理；再在晶圆表面涂布光刻胶AZ5214，前烘曝光显影坚膜形成相应图形；然后通过RIE刻蚀机刻蚀厚100nm-200nm的第一氮化硅支撑层051、厚80nm-150nm的TiW电路053、厚100-200nm的第二氮化硅支撑层061，形成像元的两条长为62μm宽2.5μm的L形悬臂结构；最后用丙酮+IPA+去离子水清洗去胶，氮气吹干。
步骤十四：将晶圆移入氧等离子体去胶机内，干法去除厚1μm-3μm键合胶层048，释放出结构。
通过如本发明所述的一系列工艺步骤，可以得到相应的微测辐射热计阵列像元，解决了性能优良的硅锗量子阱材料在非制冷红外焦平面制造领域的工程化应用问题。
Claims (3)
1.一种应用硅锗薄膜的非制冷红外焦平面阵列像元制造方法，其步骤如下：
步骤一：以SOI晶圆作为量子阱型硅锗薄膜[043]的载体，然后通过硅锗薄膜平行转移技术完成量子阱型硅锗薄膜[043]由SOI晶圆向CMOS读出电路[047]的平行转移；
步骤二：利用光刻技术在晶圆表面形成相应图形，然后使用ICP刻蚀机刻蚀量子阱型硅锗薄膜[043]，形成一条贯穿像元的沟道，之后清洗去胶；
步骤三：光刻形成图形，再使用磁控溅射在晶圆表面沉积厚80nm-150nm的铝电极[049]，之后清洗去胶，剥离掉多余的金属；
步骤四：光刻形成图形，再使用ICP刻蚀机刻蚀掉厚500nm-800nm的量子阱型硅锗薄膜[043]，然后用IBE刻蚀机刻蚀掉厚80nm-200nm的铝反射层[045]，形成像元的敏感区块，然后清洗去胶；
步骤五：在晶圆表面通过PECVD设备，低温沉积一层厚100nm-200nm的高质量低应力台阶覆盖良好的第一氮化硅支撑层[051]；
步骤六：光刻形成图形，再通过RIE刻蚀机刻蚀厚100nm-200nm的第一氮化硅支撑层[051]和厚1μm-3μm的键合胶层[048]，暴露出CMOS读出电路[047]相应的金电极[046]；
步骤七：通过电镀技术或者化学镀技术，在CMOS读出电路[047]上暴露出的金电极[046]位置生长出高1μm-3μm的金电极柱[052]；
步骤八：先光刻形成图形，再通过RIE刻蚀机刻蚀厚100nm-200nm的第一氮化硅支撑层[051]，暴露出像元上的铝电极[049]，之后清洗去胶；
步骤九：先通过磁控溅射在晶圆表面沉积一层厚80nm-150nm的TiW电路[053]，再光刻形成图形，使用ICP刻蚀技术或者IBE刻蚀技术去除多余的金属，然后清洗去胶；
步骤十：通过PECVD技术，在结构表面低温沉积一层厚100-200nm的高质量低应力覆盖性良好的第二氮化硅支撑层[061]；
步骤十一：通过磁控溅射技术或者电子束蒸发技术，在结构表面沉积一层方块电阻为377欧/sq的钼硅红外吸收层[062]；
步骤十二：先光刻形成图形，再通过IBE刻蚀技术去除多余的钼硅红外吸收层[062]，然后清洗去胶；
步骤十三：先光刻形成图形，再通过RIE刻蚀机刻蚀掉厚100-200nm的第一氮化硅支撑层[051]、厚80nm-150nm的TiW电路[053]、厚100nm-200nm的第二氮化硅支撑层[061]，形成像元的悬臂结构，然后清洗去胶；
步骤十四：将晶圆移入等离子去胶机内，干法去除厚1μm-3μm键合胶层[048]，释放出结构。
2.根据权利要求1所述的一种应用硅锗薄膜的非制冷红外焦平面阵列像元制造方法，其特征在于：为了增大阵列像元敏感区热敏电阻的阻值和平衡应力，在像元中央构建了一条深500nm-800nm的贯穿像元的沟道。
3.根据权利要求1所述的一种应用硅锗薄膜的非制冷红外焦平面阵列像元制造方法，其特征在于：为了适应硅锗量子阱材料过厚的特点，将λ/4共振吸收结构置于像元敏感区内。
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