CN110137275A - 一种红外吸收薄膜结构及制作方法及其电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种红外吸收薄膜结构及制作方法及其电子设备，包括：红外吸收敏感材料；钝化和红外吸收层，形成在红外吸收敏感材料上方；金属层，形成在钝化层和红外吸收层上方，其中，金属层表面为纳米针状结构。本发明在基于现有的微电子制造技术，基于特殊的薄膜生长及刻蚀方法最终在常用的红外吸收敏感材料表面形成纳米结构提高红外吸收率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体地，涉及一种红外吸收薄膜结构及其制作方法及包括该结构的电子设备。
背景技术
研究人员针对各种具有红外光吸收能力的材料广泛开展了研究工作，以期提高红外器件的性能。黑硅、金黑等因呈现出特殊的尺寸效应和表面效应而被认为是提高红外器件性能的一种有效材料进而受到关注。这其中，黑硅由于具有陷光效应而被作为吸光材料广泛研究与应用，但受限于其与身俱来的硅基材料特性，黑硅仅在很窄的短波范围内具有高吸收能力，难以满足物质长波段探测的需求。金黑纳米结构虽然可以在很宽的波段范围内实现高吸收，但其制备工艺极其严苛复杂，需要依赖昂贵的设备，且所得的金黑结构易碎、粘附力差，难以与常规微加工工艺兼容，继而限制了其在红外器件中的应用。
综上所述，为了提高红外器件的性能以及拓宽其应用范围，目前急需一种具有宽光谱高吸收能力，且制备流程简单、不依赖于高端设备、工艺兼容性好的红外光吸收结构。
发明内容
本发明的目的至少部分地在于提供一种半导体器件及其制作方法以及包括该半导体的电子设备以解决上述问题。
根据本发明的一方面，提供一种红外吸收薄膜结构，包括：红外吸收敏感材料；钝化和红外吸收层，形成在红外吸收敏感材料上方；金属层，形成在钝化层和红外吸收层上方，其中，金属层表面为纳米针状结构。
该红外吸收薄膜结构中的纳米结构可以增加表面对于光的限制作用，因为光入射进含纳米结构的表面会增加表面光的限制作用，光在表面经纳米结果多次反射和吸收，相对镜面较高的全反射而已，增加了对光的限制。
进一步地，所述红外吸收敏感材料为氧化钒或非晶硅。
进一步地，所述钝化和红外吸收层可以为一层结构。
进一步地，所述钝化和红外吸收层可以为二层结构，具体为设置在所述红外吸收敏感材料上方的红外吸收层，以及设置在所述红外吸收层上方钝化层。
进一步地，所述金属层材料为Mo、W或Ti其中的一种或由它们组成的合金材料。
进一步地，所述金属层的厚度为1nm至1000nm。
根据本发明的一方面，提供一种红外吸收薄膜结构的制造方法，包括：提供红外吸收敏感材料；在所述红外吸收敏感材料上方形成钝化和红外吸收层；在所述钝化和红外吸收层上方形成金属层；等离子体刻蚀所述金属层表面，使所述金属层表面产生和局部微观损伤；使用溶液处理所述金属层表面，使所述金属层表面形成纳米针状结构。
进一步地，使用常温磁控溅射或ALD方法形成所述金属层。
进一步地，所述金属层的厚度在1nm至1000nm范围内。
进一步地，使用含高O2/F比的气体进行等离子刻蚀所述金属层。
进一步地，所述高O2/F比的气体为O2/SF6，其中，SF6占总气体流量比的3%至50%。
进一步地，所述溶液包括由稀释的硫酸、双氧水、氢氟酸三种溶液混合形成的混合溶液。
进一步地，所述混合溶液的质量分数为1%至10%。
进一步地，所述混合溶液的质量分数为3%，其中，所述硫酸质量分数为1%，所述双氧水质量分数为1%，所述氢氟酸质量分数为1%。
根据本发明的另一方面，提供一种红外吸收薄膜结构，包括：红外吸收敏感材料；钝化和红外吸收层，其中，所述钝化和红外吸收层表面为纳米针状结构。
进一步地，所述红外吸收敏感材料为氧化钒或非晶硅。
进一步地，所述钝化和红外吸收层可以为一层结构。
进一步地，所述钝化和红外吸收层可以为二层结构，具体为设置在所述红外吸收敏感材料上方的红外吸收层，以及设置在所述红外吸收层上方钝化层。
根据本发明的另一方面，提供一种红外吸收薄膜结构的制造方法，包括：提供红外吸收敏感材料；在所述红外吸收敏感材料上方形成钝化和红外吸收层；在所述钝化和红外吸收层上方形成金属层；等离子体刻蚀所述金属层表面，使所述金属层表面产生和局部微观损伤；使用溶液处理所述金属层表面，使所述金属层表面形成纳米针状结构；等离子体刻蚀所述钝化和红外吸收层，将所述纳米针状结构图形转移到所述钝化和红外吸收层；去除所述金属层。
进一步地，使用CF4、HBr、O2充当刻蚀气体等离子刻蚀所述钝化和红外吸收层，其中，CF4、HBr、O2输入刻蚀腔体的流量比为8±20%:5±20%:1±20%。
进一步地，使用质量分数含量30%的H2O2和质量分数含量30% 的H2SO4的1：2~2:1混合溶液去除所述金属层。
进一步地，本发明还提供了一种电子设备，包括所述薄膜结构形成的集成电路。
进一步地，本发明所述电子设备，还包括：与所述集成电路配合的显示器以及与所述集成电路配合的无线收发器。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以最佳地理解本发明的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚地讨论，各个部件的尺寸可以任意地增加或减少。
图1a至图1c为根据本发明一实施例的形成红外吸收薄膜结构的流程图。
图2a至图2e为根据本发明另一实施例的形成红外吸收薄膜结构的流程图。
图3为根据本发明一实施例的形成纳米针状结构的电镜扫描图。
具体实施方式
以下公开内容提供了多种不同实施例或实例，以实现本发明的不同特征。以下将描述组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不意欲限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触的实施例，也可以包括形成在第一部件和第二部件之间的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。
此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在...下方”、“在...下面”、“下部”、“在...上面”、“上部”等空间关系术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除了图中示出的的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定位（旋转90度或在其他方位），并且在本文中使用的空间关系描述符可以同样地作相应地解释。
图1a至图1c示出了根据本发明一实施例的形成一种红外吸收薄膜结构的流程图。
如图1a所示，提供红外吸收敏感材料101，其中，红外吸收敏感材料101为氧化钒或非晶硅材料，也可以是其他红外吸收敏感材料。钝化和红外吸收层102形成在红外吸收材料上方，其中，钝化和红外吸收层102可以为Si3N4，可以使用等离子体气相沉积（PECVD）工艺形成钝化和红外吸收层102。
根据本发明的一个实施例，钝化和红外吸收层102可以为一层结构。根据本发明的另一实施例，钝化和红外吸收层102可以为二层结构，具体为设置在红外吸收敏感材料上方的红外吸收层，以及设置在所述红外吸收层上方钝化层。其中，钝化层的作用主要是保护红外敏感层，红外吸收层主要是增加红外吸收并将信号强度尽可能大地传递给红外敏感材料。例如VOx为常用的红外敏感材料，但是其化学性质太活泼，需要用SiN来钝化VOx，钝化和红外吸收层102为两层结构时，第一层可以为VOx层，第二层为SiN钝化层；当钝化和红外吸收层102为一层结构时，可以选择 SiN用来当钝化兼红外吸收材料，当然也可以采用SiN搭配黑金作为一层结构的钝化和吸收材料，提高红外信号的总体吸收。
金属层103，形成在钝化层和红外吸收层102上方，其中，金属层103表面为纳米针状结构。金属层103材料可以为Mo、W或Ti其中的一种或由它们组成的合金材料。也可以使用其他金属材料，通过磁控溅射或ALD工艺在钝化层和红外吸收层上方形成金属层。其中，金属层103的厚度可以在1nm至1000nm范围内，优选为50nm。
该红外吸收薄膜结构中的纳米结构可以增加表面对于光的限制作用，这是因为光经表面纳米结构的多次反射和吸收，相对镜面较高的全反射，会增加表面光的限制作用，提高了宽光谱高的红外光的吸收能力，且本发明所述红外吸收薄膜结构制备流程简单、不需要依赖于高端设备、工艺兼容性好。
本发明还提供一种红外吸收薄膜结构的制造方法，具体包括如下工艺步骤：
S1：提供红外吸收敏感材料。
在本步骤中，红外吸收敏感材料为氧化钒或非晶硅材料，也可以是其他红外吸收敏感材料。
S2：在红外吸收敏感材料上方形成钝化和红外吸收层。
在本步骤中，钝化和红外吸收层形成在红外吸收敏感材料上方，其中，钝化和红外吸收层为Si3N4，可以使用PECVD沉积工艺形成钝化和红外吸收层。
S3：在钝化和红外吸收层上方形成金属层；
在本步骤中，通过磁控溅射或ALD工艺在钝化层和红外吸收层上方形成金属层。其中，金属层材料为Mo、W或Ti其中的一种或由它们组成的合金材料，也可以是其他合适的金属材料，金属层的厚度在1nm至1000nm范围内，优选50nm。
S4：等离子体刻蚀金属层表面，使金属层表面产生和局部微观损伤；
在本步骤中，使用含高O2/F比的气体进行等离子刻蚀金属层。在一个实施例中，在电感耦合等离子（ICP）刻蚀机中，使用O2、SF6气体，SF6气体流量比占总气体3%~50%，优选20%，气体压力为5mT~300mT/射频功率（30w~5000W），处理时间15s~600s，以处理Mo表面为例，其受等离子影响的表面深度为1nm~1000nm。使金属层表面产生局部微观损伤，具体地，干法刻蚀已经在局部形成了纳米级损伤，即微观上有些局部损伤大，有地方损伤小。
S5：使用溶液处理金属层表面，使金属层表面形成纳米针状结构。
在本步骤中，使用稀释的硫酸、双氧水、氢氟酸三种溶液混合形成混合溶液对金属层表面进行处理，因为干法刻蚀已经在局部形成不均匀的损伤，所以造成湿法溶液的腐蚀速率存在差异，即湿法溶液腐蚀速率在损伤大的区域快，损伤小的微观区域慢，从而导致腐蚀后的表面凸凹不平使金属层的表面形成纳米针状结构，图3为形成纳米针状结构的电镜扫描图。在一个实施例中，硫酸、双氧水、氢氟酸三种溶液的质量分数为1%至10%，优选3%，其中，硫酸质量分数为1%，双氧水质量分数为1%，氢氟酸质量分数为1%。
本方法在基于现有的微电子制造技术，基于特殊的薄膜生长及刻蚀方法最终在常用的红外吸收敏感材料表面形成纳米结构提高红外吸收率。
图2a至图2e示出了根据本发明另一实施例的形成一种红外吸收薄膜结构的流程图。
如图2a所示，提供红外吸收敏感材料201，其中，红外吸收敏感材料201为氧化钒或非晶硅材料，也可以是其他红外吸收敏感材料。
钝化和红外吸收层202，钝化和红外吸收层202形成在红外吸收材料上方，其中，钝化和红外吸收层202为Si3N4，可以使用PECVD沉积工艺形成钝化和红外吸收层202，钝化和红外吸收层202表面为纳米针状结构。
根据本发明的一个实施例，钝化和红外吸收层202可以为一层结构。根据本发明的另一实施例，钝化和红外吸收层202可以为二层结构，具体为设置在红外吸收敏感材料上方的红外吸收层，以及设置在所述红外吸收层上方钝化层。
该红外吸收薄膜结构中的纳米结构可以增加表面对于光的限制作用，因为光入射进含纳米结构的表面会增加表面光的限制作用，光在表面经纳米结果多次反射和吸收，相对镜面较高的全反射而已，增加了对光的限制。
本发明还提供另外一种红外吸收薄膜结构的制造方法，具体包括如下工艺步骤：
步骤S1~S5与上一实施例相同，在此不再赘述。
S6：等离子体刻蚀钝化和红外吸收层，将纳米针状结构图形转移到钝化和红外吸收层。
在本步骤中，在等离子体刻蚀机中，使用CF4、HBr、O2充当刻蚀气体，其中，CF4、HBr、O2输入刻蚀腔体的流量比为8±20%:5±20%:1±20%，气压3~20mT，优选7mT，ICP上电极功率100~1000W，优选500W，下电极功率30~200W，优选120W等离子体刻蚀钝化和红外吸收层。
S7：去除金属层。
在本步骤中，使用质量分数含量30%的H2O2和质量分数含量30% 的H2SO4以体积比为1：2~2:1的混合溶液去除金属层。根据本发明的另一实施例，也可以使用质量分数30%的H2O2与25% 的NH3.H2O以体积比为1:2~2:1的混合溶液去除金属层。
本方法在基于现有的微电子制造技术，基于特殊的薄膜生长及刻蚀方法最终在常用的红外吸收敏感材料表面形成纳米结构提高红外吸收率。
以上论述了若干实施例的部件，使得本领域的技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他的处理和结构以用于达到与本发明所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，本文中他们可以做出多种变化、替代以及改变。
Claims (23)
1.一种红外吸收薄膜结构，其特征在于，包括：
红外吸收敏感材料；
钝化和红外吸收层，形成在所述红外吸收敏感材料上方；
金属层，形成在所述钝化层和所述红外吸收层上方，其中，所述金属层表面为纳米针状结构。
2.根据权利要求1所述的红外吸收薄膜结构，其特征在于，所述红外吸收敏感材料为氧化钒或非晶硅。
3.根据权利要求1所述的红外吸收薄膜结构，其特征在于，所述钝化和红外吸收层可以为一层结构。
4.根据权利要求1所述的红外吸收薄膜结构，其特征在于，所述钝化和红外吸收层可以为二层结构，具体为设置在所述红外吸收敏感材料上方的红外吸收层，以及设置在所述红外吸收层上方钝化层。
5.根据权利要求1所述的红外吸收薄膜结构，其特征在于，所述金属层材料为Mo、W或Ti其中的一种或由它们组成的合金材料。
6.根据权利要求1~5任一所述的红外吸收薄膜结构，其特征在于，所述金属层的厚度为1nm至1000nm。
7.一种红外吸收薄膜结构的制造方法，包括：
提供红外吸收敏感材料；
在所述红外吸收敏感材料上方形成钝化和红外吸收层；
在所述钝化和红外吸收层上方形成金属层；
等离子体刻蚀所述金属层表面，使所述金属层表面产生局部微观损伤；
使用溶液处理所述金属层表面，使所述金属层表面形成纳米针状结构。
8.根据权利要求7所述的红外吸收薄膜结构的制造方法，其特征在于，使用常温磁控溅射或ALD方法形成所述金属层。
9.根据权利要求7或8所述的红外吸收薄膜结构的制造方法，其特征在于，所述金属层的厚度在1nm至1000nm范围内。
10.根据权利要求7所述的红外吸收薄膜结构的制造方法，其特征在于，使用含高O2/F比的气体进行等离子刻蚀所述金属层。
11.根据权利要求10所述的红外吸收薄膜结构的制造方法，其特征在于，所述高O2/F比的气体为O2/SF6，其中，SF6占总气体流量比的3%至50%。
12.根据权利要求7所述的红外吸收薄膜结构的制造方法，其特征在于，所述溶液包括由稀释的硫酸、双氧水、氢氟酸三种溶液混合形成的混合溶液。
13.根据权利要求12所述的红外吸收薄膜结构的制造方法，其特征在于，所述混合溶液的质量分数为1%至10%。
14.根据权利要求12或13所述的红外吸收薄膜结构的制造方法，其特征在于，所述混合溶液的质量分数为3%，其中，所述硫酸质量分数为1%，所述双氧水质量分数为1%，所述氢氟酸质量分数为1%。
15.一种红外吸收薄膜结构，其特征在于，包括：
红外吸收敏感材料；
钝化和红外吸收层，其中，所述钝化和红外吸收层表面为纳米针状结构。
16.根据权利要求15所述的红外吸收薄膜结构，其特征在于，所述红外吸收敏感材料为氧化钒或非晶硅。
17.据权利要求15所述的红外吸收薄膜结构，其特征在于，所述钝化和红外吸收层可以为一层结构。
18.根据权利要求15所述的红外吸收薄膜结构，其特征在于，所述钝化和红外吸收层可以为二层结构，具体为设置在所述红外吸收敏感材料上方的红外吸收层，以及设置在所述红外吸收层上方钝化层。
19.一种红外吸收薄膜结构的制造方法，包括：
提供红外吸收敏感材料；
在所述红外吸收敏感材料上方形成钝化和红外吸收层；
在所述钝化和红外吸收层上方形成金属层；
等离子体刻蚀所述金属层表面，使所述金属层表面产生局部微观损伤；
使用溶液处理所述金属层表面，使所述金属层表面形成纳米针状结构；
等离子体刻蚀所述钝化和红外吸收层，将所述纳米针状结构图形转移到所述钝化和红外吸收层；
去除所述金属层。
20.根据权利要求19所述的红外吸收薄膜结构的制造方法，其特征在于，使用CF4、HBr、O2充当刻蚀气体等离子刻蚀所述钝化和红外吸收层，其中，CF4、HBr、O2输入刻蚀腔体的流量比为8±20%:5±20%:1±20%。
21.根据权利要求19所述的红外吸收薄膜结构的制造方法，其特征在于，使用质量分数含量30%的H2O2和质量分数含量30% 的H2SO4以体积比为1：2~2:1的混合溶液去除所述金属层。
22.一种电子设备，其特征在于，包括由权利要求1~6及权利要求15~18任一所述薄膜结构形成的集成电路。
23.根据权利要求22所述的电子设备，其特征在于，还包括：与所述集成电路配合的显示器以及与所述集成电路配合的无线收发器。
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