CN107403863A - 热电堆红外探测器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热电堆红外探测器及其制造方法，包括单晶硅衬底，垂直于单晶硅衬底下表面并向上垂直延伸的若干个柱状的热电偶，所述热电偶包括由第一材料构成的实心柱和包围实心柱的由第二材料构成的空心柱，所述实心柱和空心柱之间和空心柱外侧均设有第三介质层；所述实心柱和空心柱的顶部通过伸出单晶硅衬底上表面的第一金属层电连接，各个第一金属层之间和各个第一金属层之上均设有第一介质层，第一介质层上设有红外线吸收膜，所述第一介质层下表面与衬底上表面之间形成空腔，单晶硅衬底下表面设有第二介质层。本发明具有易于制造，可靠性好的特点。

Description

热电堆红外探测器及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种容易制造，可靠性高的热电堆红外探测器及其制造方法。
背景技术
热电堆红外探测器广泛应用于各种红外线探测领域，热电堆红外探测器通常包含红外线吸收膜和热电堆。热电堆通常由多个串联在一起的热电偶组成。每个热电偶由两种不同的条状材料组成，两种条状材料在一端电连接并与红外线吸收膜接触，称为热接点，两种条状材料的另外一端不与红外线吸收膜接触，称为冷接点。多个热电偶串联是指在冷接点处相邻热电偶的不同材料之间两两电连接。当红外线吸收膜吸收外界入射的红外线后产生热量，使热电偶热接点的温度稍稍增加，当热接点和冷接点间存在温度差时，由于塞贝克(Seebeck)效应会产生轻微的电压差，通过串联多个热电偶可以累积轻微的电压差到一个可以被外围电路探测的大小，从而实现对外界入射的红外线的探测。
基于半导体技术制造的热电堆红外探测器芯片通常包含单晶硅衬底，衬底中的空腔结构，以及在平行于衬底表面的方向上延伸的薄膜热电偶。热电偶冷接点位于单晶硅衬底之上，热接点及红外线吸收膜则悬浮在空腔之上。利用半导体的薄膜和图形加工技术，可以便利的制造红外线吸收膜，如氮化硅膜，镍镉金属膜，或者具有复合结构的多层膜等；也可以便利的制造热电偶，如N型和P型单晶硅，N型和P型多晶硅，单晶硅和金属，多晶硅和金属等。但总体来说，现有技术存在热电偶平行于衬底表面延伸，热接点和部分热电偶薄膜需要悬浮在镂空的衬底或者空腔之上，结构强度较低不易大量制造，且热接点和冷接点间需要较大的距离，与红外线吸收膜竞争芯片面积，芯片尺寸难缩小的问题。因此进一步改善器件结构和制造方法具有重要意义。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服现有技术中的热电偶平行于衬底表面延伸，热接点和部分热电偶薄膜需要悬浮在镂空的衬底或者空腔之上，结构强度较低不易大量制造，且热接点和冷接点间需要较大的距离，与红外线吸收膜竞争芯片面积，芯片尺寸难缩小的不足，提供了一种容易制造，可靠性高的热电堆红外探测器及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种热电堆红外探测器，包括单晶硅衬底，起始于单晶硅衬底底面并穿过单晶硅衬底向上延伸的若干个柱状的热电偶，所述热电偶包括由第一材料构成的实心柱和包围实心柱的由第二材料构成的空心柱，所述实心柱和空心柱之间以及空心柱外侧均设有第一介质层；所述实心柱和空心柱的顶部通过可吸收红外线的第一金属层电连接；单晶硅衬底下表面设有第二介质层，第二介质层下表面设有第二金属层，与热电偶的实心柱和空心柱对应的第二介质层上分别设有第一通孔和第二通孔，第二金属层通过第一通孔与第二通孔连接相邻热电偶的实心柱下端与空心柱下端。
本发明组成热电堆的热电偶呈柱状在垂直于单晶硅衬底表面的方向延伸，热接点高于单晶硅衬底上表面，冷接点位于单晶硅衬底底面，红外线吸收膜位于热接点上部。与现有技术相比具有更好的性能，更牢固的结构，芯片尺寸易于缩小，并有可能阵列化实现图像探测。
本发明还提供了一种热电堆红外探测器的制造方法，该方法工艺窗口大易于控制，能够实现大批量制造。
作为上述方案的替换方案，所述实心柱和空心柱的顶部通过第一金属层电连接，每个第一金属层上均设有与第一金属层形状匹配的红外线吸收膜。
作为上述方案的替换方案，所述实心柱和空心柱的顶部通过第一金属层连接，各个第一金属层之间和各个第一金属层之上均设有第三介质层，第三介质层上设有红外线吸收膜，所述第三介质层下表面与衬底上表面之间形成空腔。
作为上述方案的替换方案，所述热电偶上部之间设有悬空的单晶硅层。
作为优选，所述单晶硅衬底为P型，第一材料为P型单晶硅，第二材料为N型多晶硅。
一种热电堆红外探测器的制造方法，包括以下步骤：
(1)在P型单晶硅衬底上形成若干个横截面为环形的沟槽，每个沟槽内侧的P型单晶硅均被沟槽环绕，形成P型单晶硅柱，构成热电偶的实心柱；
(2)在每个沟槽侧壁形成第一介质层；
(3)在每个沟槽内填充N型多晶硅，构成热电偶的空心柱；
(4)每个热电偶的实心柱和空心柱的顶部形成第一金属层；
(5)去掉单晶硅衬底上部的硅，使热电偶上部高出单晶硅衬底上表面；
(6)减薄单晶硅衬底，在衬底底面曝露出实心柱和实心柱的底部；
(7)在单晶硅衬底底面形成第二介质层；
(8)在第二介质层中形成曝露出实心柱部分底部的第一通孔，以及曝露出空心柱部分底部的第二通孔；
(9)在第二介质层下表面形成第二金属层，第二金属层通过第一通孔和第二通孔连接相邻热电偶的实心柱和空心柱，形成热电偶串联构成的热电堆。
作为上述方案的替换方案，所述实心柱和空心柱的顶部通过第一金属层连接，每个第一金属层上均设有与第一金属层形状匹配的红外线吸收膜；步骤(4)由如下步骤替换：
(4a)在每个热电偶的实心柱和空心柱的顶部形成第一金属层和红外线吸收膜。
作为上述方案的替换方案，所述实心柱和空心柱的顶部通过第一金属层连接，各个第一金属层之间和各个第一金属层之上均设有第三介质层，第三介质层上设有红外线吸收膜，所述第三介质层下表面与衬底上表面之间形成第一空腔；步骤(5)由如下步骤替换：
(5a1)在各个第一金属层之间和第一金属层之上均形成第三介质层；
(5b1)在第三介质层顶面形成红外线吸收膜；
(5c1)在每个热电偶周围开孔，去掉单晶硅衬底上部的硅，在第三介质层下表面和衬底上表面之间形成第空腔。
作为优选，所述热电偶上部之间设有悬空的单晶硅层；步骤(5)由如下步骤替换：
(5a2)在热电偶之间的部分单晶硅上部形成高掺杂浓度区域；
(5b2)去掉单晶硅衬底上部的硅，而高掺杂浓度区域得以保留从而形成悬空的单晶硅层连接相邻热电偶。
本发明的工艺窗口易于控制，能够实现大批量制造。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(一)红外线吸收膜与热电偶不竞争芯片面积，器件性能和芯片尺寸可同时优化。
(二)周期排列的柱状热电偶强度高，制造过程不易损坏。
(三)红外吸收膜由周期排列的柱状热电偶支撑，结构牢固，制造过程不易损坏。
(四)悬空的红外吸收膜即使出现了部分损坏，对器件的性能影响也较小，器件可靠性更高。
(五)相邻热电偶上部之间的单晶硅层使热电堆热接点处温度分布更均匀，使器件灵敏度更高，噪声更低。
附图说明
图1是本发明实施例1的一种剖面图；
图2是本发明的一种热电偶横截面图；
图3是本发明的一种热电偶冷接点处串联示意图；
图4是本发明实施例2的一种剖面图；
图5是本发明实施例3的一种剖面图；
图6是本发明实施例4的一种剖面图；
图7～图9是本发明实施例1的一种制造步骤示意图；
图10是本发明实施例2的一种制造步骤示意图；
图11是本发明实施例3的一种制造步骤示意图；
图12是本发明实施例4的一种制造步骤示意图。
图中：单晶硅衬底1、热电偶2、实心柱3、空心柱4、第一介质层5、第一金属层6、第二介质层7、第二金属层8、第一通孔9、第二通孔10、红外线吸收膜11、第三介质层12、空腔13、单晶硅层14、沟槽15。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1
如图1、图2所示的实施例是一种热电堆红外探测器，包括单晶硅衬底1，起始于单晶硅衬底底面并穿过单晶硅衬底向上延伸的若干个柱状的热电偶2，热电偶包括由第一材料构成的实心柱3和包围实心柱的由第二材料构成的空心柱4，实心柱和空心柱之间以及空心柱外侧均设有第一介质层5；实心柱和空心柱的顶部通过可吸收红外线的第一金属层6连接；单晶硅衬底下表面设有第二介质层7，第二介质层下表面设有第二金属层8，与热电偶的实心柱和空心柱对应的第二介质层上分别设有第一通孔9和第二通孔10，第二金属层通过第一通孔与第二通孔连接相邻热电偶的实心柱下端与空心柱下端，如图3所示。
单晶硅衬底为P型，第一材料为P型单晶硅，第二材料为N型多晶硅。
一种热电堆红外探测器的制造方法，包括以下步骤：
(1)在P型单晶硅衬底1上形成若干个横截面为环形的沟槽15，每个沟槽内侧的P型单晶硅均被沟槽环绕，形成P型单晶硅柱，构成热电偶2的实心柱3；(见图7)
(2)在每个沟槽侧壁形成第一介质层5；
(3)在每个沟槽内填充N型多晶硅，构成热电偶的空心柱4；
(4)每个热电偶的实心柱3和空心柱4的顶部形成第一金属层6；(见图8)
(5)去掉单晶硅衬底上部的硅，使热电偶上部高出单晶硅衬底上表面；(见图9)
(6)减薄单晶硅衬底，在衬底底面曝露出实心柱和实心柱的底部；
(7)在单晶硅衬底底面形成第二介质层；
(8)在第二介质层中形成曝露出实心柱部分底部的第一通孔，以及曝露出空心柱部分底部的第二通孔；
(9)在第二介质层下表面形成第二金属层，第二金属层通过第一通孔和第二通孔连接相邻热电偶的实心柱和空心柱，形成热电偶串联构成的热电堆。(见图1)
实施例2
如图4所示，实施例2用如下结构替换实施例1的对应结构，实施例2的其它结构与实施例1中相同：实心柱3和空心柱4的顶部通过第一金属层6连接，每个第一金属层上均设有与第一金属层形状匹配的红外线吸收膜11。
一种热电堆红外探测器的制造方法，包括以下步骤：实施例1制造方法中步骤(4)由如下步骤替换：
(4a)在每个热电偶2的实心柱3和空心柱4的顶部形成第一金属层6和红外线吸收膜11；(见图10)
其他步骤与实施例1一致。
实施例3
如图5所示，实施例3用如下结构替换实施例1的对应结构，实施例3的其它结构与实施例1中相同：实心柱3和空心柱4的顶部通过第一金属层6连接，各个第一金属层之间和各个第一金属层之上均设有第三介质层12，第三介质层上设有红外线吸收膜11，所述第三介质层下表面与衬底上表面之间形成空腔13。
一种热电堆红外探测器的制造方法，包括以下步骤：实施例1制造方法中步骤(5)由如下步骤替换：
(5a1)在各个第一金属层6之间和第一金属层6之上均形成第三介质层12；
(5b1)在第三介质层12顶面形成红外线吸收膜11；
(5c1)在每个热电偶2周围开孔，去掉单晶硅衬底上部的硅，在第三介质层12下表面和衬底1上表面之间形成第空腔13。(见图11)
其他步骤与实施例1一致。
实施例4
如图6所示，实施例4在实施例1的结构中增加如下结构，实施例4的其它结构与实施例1中相同：热电偶2上部之间设有悬空的单晶硅层14。
一种热电堆红外探测器的制造方法，包括以下步骤：实施例1制造方法中步骤(5)由如下步骤替换：
(5a2)在热电偶2之间的部分单晶硅上部形成高掺杂浓度区域；
(5b2)去掉单晶硅衬底上部的硅，而高掺杂浓度区域得以保留从而形成悬空的单晶硅层14连接相邻热电偶。(见图12)
其他步骤与实施例1一致。
应理解，本实施例1到实施例4仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种热电堆红外探测器，其特征是，包括单晶硅衬底(1)，起始于单晶硅衬底底面并穿过单晶硅衬底向上延伸的若干个柱状的热电偶(2)，所述热电偶包括由第一材料构成的实心柱(3)和包围实心柱的由第二材料构成的空心柱(4)，所述实心柱和空心柱之间以及空心柱外侧均设有第一介质层(5)；所述实心柱和空心柱的顶部通过可吸收红外线的第一金属层(6)连接；单晶硅衬底下表面设有第二介质层(7)，第二介质层下表面设有第二金属层(8)，与热电偶的实心柱和空心柱对应的第二介质层上分别设有第一通孔(9)和第二通孔(10)，第二金属层通过第一通孔与第二通孔连接相邻热电偶的实心柱下端与空心柱下端。
2.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其特征是，所述实心柱和空心柱的顶部通过第一金属层(6)连接，每个第一金属层上均设有与第一金属层形状匹配的红外线吸收膜(11)。
3.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其特征是，所述实心柱和空心柱的顶部通过第一金属层(6)连接，各个第一金属层之间和各个第一金属层之上均设有第三介质层(12)，第三介质层上设有红外线吸收膜(11)，所述第三介质层下表面与衬底上表面之间形成空腔(13)。
4.根据权利要求1所示的热电堆红外探测器，其特征是，所述热电偶(2)上部之间设有悬空的单晶硅层(14)。
5.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其特征是，所述单晶硅衬底为P型，第一材料为P型单晶硅，第二材料为N型多晶硅。
6.一种基于权利要求1所述的热电堆红外探测器的制造方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)在P型单晶硅衬底上形成若干个横截面为环形的沟槽，每个沟槽内侧的P型单晶硅均被沟槽环绕，形成P型单晶硅柱，构成热电偶的实心柱；
(2)在每个沟槽侧壁形成第一介质层；
(3)在每个沟槽内填充N型多晶硅，构成热电偶的空心柱；
(4)每个热电偶的实心柱和空心柱的顶部形成第一金属层；
(5)去掉单晶硅衬底上部的硅，使热电偶上部高出单晶硅衬底上表面；
(6)减薄单晶硅衬底，在衬底底面曝露出实心柱和实心柱的底部；
(7)在单晶硅衬底底面形成第二介质层；
(8)在第二介质层中形成曝露出实心柱部分底部的第一通孔，以及曝露出空心柱部分底部的第二通孔；
(9)在第二介质层下表面形成第二金属层，第二金属层通过第一通孔和第二通孔连接相邻热电偶的实心柱和空心柱，形成热电偶串联构成的热电堆。
7.根据权利要求6所述的热电堆红外探测器的制造方法，所述实心柱和空心柱的顶部通过第一金属层连接，每个第一金属层上均设有与第一金属层形状匹配的红外线吸收膜；其特征是，步骤(4)由如下步骤替换：
(4a)在每个热电偶的实心柱和空心柱的顶部形成第一金属层和红外线吸收膜。
8.根据权利要求6所述的热电堆红外探测器的制造方法，所述实心柱和空心柱的顶部通过第一金属层连接，各个第一金属层之间和各个第一金属层之上均设有第三介质层，第三介质层上设有红外线吸收膜，所述第三介质层下表面与衬底上表面之间形成第一空腔；其特征是，步骤(5)由如下步骤替换：
(5a1)在各个第一金属层之间和第一金属层之上均形成第三介质层；
(5b1)在第三介质层顶面形成红外线吸收膜；
(5c1)在每个热电偶周围开孔，去掉单晶硅衬底上部的硅，在第三介质层下表面和衬底上表面之间形成第空腔。
9.根据权利要求6所述的热电堆红外探测器的制造方法，所述热电偶上部之间设有悬空的单晶硅层；其特征是，步骤(5)由如下步骤替换：
(5a2)在热电偶之间的部分单晶硅上部形成高掺杂浓度区域；
(5b2)去掉单晶硅衬底上部的硅，而高掺杂浓度区域得以保留从而形成悬空的单晶硅层连接相邻热电偶。
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