CN110451453B - 一种红外探测器的制备方法以及由此得到的红外探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种红外探测器的制备方法，包括如下步骤：选用半导体晶圆作为衬底；在衬底表面形成复合薄膜；在复合薄膜表面形成热电薄膜；在热电薄膜上形成沿对角线密排图形化的硼和磷重掺杂热电偶，其由硼重掺杂热电条和磷重掺杂热电条组成；使硼和磷重掺杂热电偶金属欧姆互连；以及将复合薄膜从衬底上释放，得到封闭膜式的密排热电偶的红外探测器。本发明还提供由上述的制备方法得到的红外探测器。本发明通过密排图形和硼/磷离子重掺杂，沿红外探测器对角线上依次形成平面或堆叠密排的热电偶，最后形成金属欧姆互连，实现密排热电偶的红外探测器的制备。

Description

一种红外探测器的制备方法以及由此得到的红外探测器
技术领域
本发明涉及MEMS传感器，更具体地涉及一种红外探测器的制备方法以及由此得到的红外探测器。
背景技术
随着MEMS传感技术的不断发展，以热电堆为核心部件的红外探测器已广泛应用于红外测温、红外检测、红外报警、红外成像、红外制导等领域。热电红外探测器的基本原理是根据热电材料的塞贝克效应，即两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象，最终实现光-热-电的转换。热电红外探测器一般由数对互连的热电偶、红外吸收区以及悬空的支撑膜组成，热电偶制作在支撑膜表面，此膜又是吸收膜，其中与红外吸收区相连的热电偶端为热端，与衬底相连的热电偶端为冷端，红外吸收区实现红外吸收并转化为温度，热电偶利用自身的塞贝克效应将热转换成最终的电压输出。热电堆红外探测器的输出响应与热电偶塞贝克系数差、热电偶对数和冷热端温差成正比例关系，热电偶对数越多，热电堆红外探测响应越大。
现今，热电偶的排列主要分为三种：第一种，条形热电偶冷热端都沿吸收薄膜边界平行排列，热电偶的对数和长度受薄膜边长和热端几何平行排列的影响，热电偶对数不高，而且吸收区面积利用率也不高。第二种，热电偶热端沿圆形几何周长绕行排列，该方法虽然比第一种方法可以集成更多的热电偶数量，但是其数量受圆形周长限制，同时热电偶以扇形分布，其宽度从冷端到热端逐渐减小，热端互连技术要求高，增加工艺难度。第三种，柱状热电偶被垂直制作在红外吸收介质薄膜和衬底之间，虽然热电偶对数非常多，但是热电偶的长度很短，冷热端温差小，同时这种垂直集成热电偶的工艺技术在柱状热电偶刻蚀、离子注入、金属互连方面都是非常困难的。如何实现薄膜上密排更多的热电偶和简单的加工工艺成为研究重点。
发明内容
为了解决现有技术中的红外探测器无法密排大量热电偶的问题，本发明提供一种红外探测器的制备方法以及由此得到的红外探测器。
根据本发明的红外探测器的制备方法，包括如下步骤：S1，选用半导体晶圆作为衬底；S2，在衬底表面形成复合薄膜；S3，在复合薄膜表面形成热电薄膜；S4，在热电薄膜上形成沿对角线密排图形化的硼和磷重掺杂热电偶，其由硼重掺杂热电条和磷重掺杂热电条组成；S5，使硼和磷重掺杂热电偶金属欧姆互连；以及S6，将复合薄膜从衬底上释放，得到封闭膜式的密排热电偶的红外探测器。
一方面，根据几何分析可知，对角线长度大于各边长度，热电偶沿对角线依次排列，可以使得在同等薄膜面积的情况下比沿边长排列的方式集成更多的热电偶对，另一方面，根据热电效应，硼和磷重掺杂热电偶可以实现塞贝克系数差的最优化，其对热电薄膜进行对应剂量的掺杂可显著提升红外探测器的光探测率和响应。
优选地，步骤S1中的衬底为单晶硅衬底。应该理解，其他能被IC工艺或MEMS工艺加工的半导体材料衬底均可用在本发明中。优选地，晶圆尺寸可以为4英寸、6英寸、8英寸、12英寸等。优选地，晶圆厚度可以为300-500μm。
优选地，步骤S2中的复合薄膜是与衬底应力匹配的氧化硅和氮化硅的复合薄膜，其作为结构支撑和红外吸收热绝缘材料。优选地，步骤S2包括对衬底进行清洗，然后在清洗的衬底表面高温热氧化生长氧化硅层，最后再通过化学气相沉积形成氮化硅层。该清洗操作用于保证其上形成的复合薄膜的质量，该高温热氧化和化学气相沉积操作也可以通过其他操作替代，只要能够形成氧化硅和氮化硅的复合薄膜即可。
优选地，步骤S2中的复合薄膜中的氧化硅层的厚度为1000埃-5000埃，氮化硅层的厚度为3000埃-10000埃。优选地，氧化硅层和氮化硅的厚度比为1∶3。
优选地，步骤S3中的热电薄膜是与复合薄膜应力匹配的多晶硅薄膜，其作为探测器的热电材料。优选地，步骤S3包括在复合薄膜表面化学气相沉积多晶硅层。应该理解，并不局限于多晶硅，步骤S3中的热电薄膜包括能用IC或MEMS工艺制备的具有塞贝克效应的各种薄膜材料，包括P+/N+多晶硅、金属(铝、钛、镍、金等)、碳化硅、P+/N+Bi2Ti3等。
优选地，步骤S3中的热电薄膜的厚度为2000埃-10000埃。另外，步骤S2得到的复合薄膜和步骤S3得到的热电薄膜的总厚度优选小于1.5微米。
优选地，步骤S4包括如下步骤：S41，在热电薄膜上形成沿对角线密排的硼和磷重掺杂的条形区域；S42，将非掺杂区域从复合薄膜上刻蚀掉，得到硼和磷重掺杂的热电偶；以及S43，对硼和磷重掺杂的热电偶进行高温热退火激活掺杂原子，同时修复晶格，并且在其表面热生长一层氧化硅作为钝化层和保护层。
优选地，步骤S41具体包括：通过第一光刻和掺杂形成硼重掺杂条形区域，通过第二光刻和掺杂形成磷重掺杂条形区域。优选地，条形区域的长度为100-600微米，宽度为2-10微米，电阻率为10-200欧姆·厘米。
优选地，步骤S5包括刻蚀出接触孔并形成金属互连线和电极，实现硼重掺杂热电条和磷重掺杂热电条的串联以及接触孔内的欧姆接触。
优选地，步骤S6包括采用背部刻蚀的方法释放复合薄膜。优选地，步骤S6还包括在红外探测器的红外吸收区形成具有增强光吸收的纳米材料或微纳结构。
本发明还提供由上述的制备方法得到的红外探测器。
本发明通过密排图形和硼/磷离子重掺杂，沿红外探测器对角线上依次形成平面或堆叠密排的热电偶，最后采用形成金属欧姆互连，实现密排热电偶的红外探测器的制备。根据几何分析可知，矩形图形对角线长度大于各边长度，热电偶沿薄膜对角线依次排列，可以使得在同等薄膜面积的情况下比沿边长排列的方式集成更多的热电偶对，工艺简单，且工艺与COMS技术兼容，可显著提升红外探测器的光探测率和响应。
附图说明
图1示出了根据本发明的红外探测器的制备方法提供的衬底；
图2示出了根据本发明的红外探测器的制备方法得到的形成在衬底上的复合薄膜和热电薄膜；
图3A示出了根据本发明的红外探测器的制备方法得到的硼/磷重掺杂条形区域；
图3B是图3A的俯视图；
图4A示出了根据本发明的红外探测器的制备方法得到的硼/磷重掺杂热电偶；
图4B是图4A的俯视图；
图5A示出了根据本发明的红外探测器的制备方法得到的金属欧姆互连；
图5B是图5A的俯视图；
图6A示出了根据本发明的红外探测器的制备方法得到的封闭膜式的密排热电偶的红外探测器；
图6B示出了图6A的背面释放窗口；
图7A示出了根据本发明的红外探测器的制备方法得到的封闭膜式的密排热电偶的红外探测器的增强光吸收的材料或结构；
图7B是图7A的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
根据本发明的红外探测器的制备方法首先包括选用半导体晶圆作为衬底1，如图1所示。具体地，选择一种(100)晶面的双面抛光单晶硅衬底，该晶圆的大切边晶向为<110>晶向，晶圆尺寸为4寸，厚度为400μm～420μm，电阻率为3～8欧姆厘米，掺杂类型为N型。实际上，该半导体衬底并不仅限于该参数下的单晶硅衬底，其它参数的单晶硅也可以，同时也可以是SOI衬底、锗衬底等半导体衬底。
根据本发明的红外探测器的制备方法接下来包括使用半导体工艺中的标准清洗过程对衬底1进行清洗，以提高后续制作的复合薄膜的质量。具体过程：将衬底1首先放入体积比为7∶1的浓硫酸和双氧水混合溶液中，清洗温度为120摄氏度，清洗10分钟后去离子水冲洗；接着将硅片放入体积比为7∶1∶1的去离子水、双氧水和氨水的混合溶液中，清洗温度为75摄氏度，清洗10分钟后去离子水冲洗；最后将硅片放入体积比为50∶1的去离子水和氢氟酸混合溶液中，常温下清洗10分钟后去离子水冲洗，然后氮气吹干。
根据本发明的红外探测器的制备方法接下来包括在衬底1表面形成复合薄膜和热电薄膜2，如图2所示，其中，复合薄膜是与衬底1应力匹配的氧化硅和氮化硅的复合薄膜，其作为结构支撑和红外吸收热绝缘材料；热电薄膜是与复合薄膜应力匹配的多晶硅薄膜，其作为探测器的热电材料。特别地，在衬底1表面高温热氧化生长氧化硅层并化学气相沉积氮化硅层和多晶硅层。具体地，清洗后的衬底1放入高温氧化炉中，温度设置为1100摄氏度，在衬底1表面高温热氧化生长一层1500埃的高质量的氧化硅层，然后放入化学气相沉积(LPCVD)炉管中，依次沉积4500埃的低应力氮化硅层和5000埃的低应力多晶硅层。应该理解，复合薄膜的制备方法包括高温热氧化、低压化学气相沉积、常压化学气相沉积、高压化学气相沉积和等离子增强化学气相沉积等，制备的复合薄膜的残余应力应控制在百兆帕以内。而且，复合薄膜的具体层数和每层的厚度可根据需要的红外探测器的机械强度和电学输出要求做调整。通常，氧化硅层的厚度为1000埃-5000埃，氮化硅层的厚度为3000埃-10000埃，氧化硅层和氮化硅层的厚度比根据应力匹配优选为1∶3。通常，多晶硅层的厚度为2000埃-10000埃，而且，复合薄膜和热电薄膜2的总厚度小于1.5微米。
根据本发明的红外探测器的制备方法接下来包括在热电薄膜上形成与对角线呈45度角设置的交错分布的硼重掺杂条形区域3和磷重掺杂条形区域4，如图3A-图3B所示。特别地，对热电薄膜进行光刻图形化和硼/磷元素重掺杂，制备出沿对角线密排的重掺杂的多晶硅条状区域。具体地，首先进行第一次光刻和掺杂。轨道涂胶机涂胶1.7um厚的LC100A的正胶，前烘90s，然后UV曝光4.5s，显影45s后去离子水冲洗和氮气吹干，最后后烘30min，图形化出硼重掺杂条形区域3，如图3A-图3B，然后进行90KV能量，9e15剂量对条形区域进行硼的重掺杂，所得电阻率为26欧姆厘米，条状长度从600微米依次递减，宽度10微米，其中的掺杂浓度、剂量和条状尺寸可以根据所需的电阻率进行更改，一般的电阻率设计在10-200欧姆厘米，长度100-600微米，宽度2-10微米。接下来进行第二次光刻和掺杂。轨道涂胶机涂胶1.7um厚的LC100A的正胶，前烘90s，然后UV曝光4.5s，显影45s后去离子水冲洗和氮气吹干，最后后烘30min，图形化出磷重掺杂条形区域4，如图3A-图3B，然后进行90KV能量，8e15的剂量对条形区域进行磷的重掺杂，所得电阻率为60欧姆厘米，条状长度从600微米依次递减，宽度10微米，其中的掺杂浓度、剂量和条状尺寸可以根据所需的电阻率进行更改，一般的电阻率设计在10-200欧姆厘米，长度100-600微米，宽度2-10微米。应该理解，硼重掺杂条形区域3和磷重掺杂条形区域4除了呈现图3A-图3B中的蛇形分布，还可以为长条形、三角形和回旋形分布等。
根据本发明的红外探测器的制备方法接下来包括将热电薄膜的硼重掺杂条形区域3和磷重掺杂条形区域4以外的区域从复合薄膜上刻蚀掉，得到密排图形化的硼/磷重掺杂热电偶，其由硼重掺杂热电条6和磷重掺杂热电条7组成，如图4A-图4B所示。特别地，使用光刻技术图形化出掺杂区域以外的多晶硅，然后采用STS深硅刻蚀系统刻蚀掉掺杂区域以外的所有多晶硅，即将没有掺杂的多晶硅刻蚀掉。具体地，刻蚀深度5000埃到支撑薄膜5，得到硼和磷重掺杂热电偶，即N/P重掺杂的多晶硅热电偶。应该理解，图中所示仅仅是热电偶的排列方式，根据悬空薄膜的面积和热电偶尺寸，可以计算出热电偶对数，一般可以设计出100-200对热电偶。通常，在1mm2薄膜范围内平面集成的热电偶对数可达90对，垂直三维集成可达180对，红外探测器的总电阻控制在500千欧姆以内。应该理解，密排图形化是指将热电偶条掩模图形沿薄膜对角线依次梯度密排，然后进行光刻、掺杂和干刻制备密排热电偶条的方法。根据几何分析可知，矩形图形对角线长度大于各边长度，热电偶沿薄膜对角线依次排列，可以使得在同等薄膜面积的情况下比沿边长排列的方式集成更多的热电偶对。应该理解，本实施例的热电偶分布属于平面集成方式，也可以是上下堆叠集成方式，即采用常规方法将平面互连变成垂直互连的堆叠。平面集成是指热电偶密排分布在同一平面内，垂直三维集成是指正负塞贝克系数的热电偶两两堆叠在分布在同一平面上，所集成的热电偶对数将是平面集成的两倍。
根据本发明的红外探测器的制备方法接下来对硼/磷重掺杂热电偶进行高温热退火激活掺杂原子，同时修复晶格，并且在其表面热生长一层氧化硅作为钝化层和保护层。具体地，采用磷主扩的方式，在多晶硅表面热生长出一层1000埃的氧化层用于热电偶的钝化保护，同时实现硼和磷掺杂后的高温退火。
根据本发明的红外探测器的制备方法接下来包括使硼/磷重掺杂热电偶金属欧姆互连。特别地，首先用干法刻蚀技术刻蚀出接触孔，然后采用金属溅射和超声剥离或干法刻蚀实现热电偶的互连，常用的互连金属包括金、铝、钛、镍等。具体地，首先使用光刻技术图形化在热电偶两端刻蚀出接触孔10，然后采用Samco薄膜刻蚀技术将接触孔内的氧化物去除，接触孔深度为1000埃，尺寸为2-6微米，彻底暴露出孔底部的多晶硅。然后在支撑薄膜5上使用光刻技术图形化出热电偶金属互连线图形，即金属互连线8和电极9，如图5A-图5B所示，接着用磁控溅射技术在有图形面沉积5000埃的金属铝；然后使用有机溶液(例如丙酮)和超声相结合的方法剥离图形区域以外的金属，实现N/P热电偶6、7的串联。最后采用450摄氏度的高温处理整个硅片30min，实现接触孔内金属铝与多晶硅的欧姆接触，即在接触孔内，金属与重掺杂的多晶硅通过450摄氏度30-60分钟处理，使得界面处形成导电的硅合金材料，实现稳定的欧姆接触，处理时间可根据接触孔尺寸和金属厚度调整，保证两者之间电压电流是线性关系。应该理解，磁控溅射技术使整个表面都会有金属铝，但是除了热电偶6，7，金属互连线8和电极图形9的位置，其它地方的金属都附着在光刻胶上，通过去胶溶液和超声技术，可以很快去除光刻胶同时剥离掉其表面的金属铝。应该理解，金属互连线的宽度控制在2-10微米以后，接触孔的尺寸控制在2-6微米以内，并且接触孔干法刻蚀要求过刻蚀，以彻底暴露出多晶硅表面。
根据本发明的红外探测器的制备方法接下来包括采用背部刻蚀的方法释放正面的复合薄膜，形成封闭膜式的密排热电偶的红外探测器。具体地，首先采用正反光刻对准方法，在衬底背面图形化释放区域图形11，接着采用Samco等离子刻蚀掉图形区域内的薄膜，最后采用DRIE刻蚀掉图形区域中所有硅衬底释放出正面的封闭膜，如图6A-图6B所示。
根据本发明的红外探测器的制备方法最后包括采用涂覆、干法刻蚀或湿法腐蚀技术在红外吸收区形成具有增强光吸收的纳米材料或微纳结构12，如图7A-图7B所示。修饰的探测器的响应率、红外吸收率等参数能得到显著提升。
显然，根据本发明的制备方法得到一种沿红外吸收薄膜对角线密排热电偶的红外探测器，该方法可以在红外吸收薄膜上集成比沿边长排列的方式更多的热电偶对，吸收区得到更大的利用，可明显增强探测器的红外光探测率和响应。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种红外探测器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
S1，选用半导体晶圆作为衬底；
S2，在衬底表面形成复合薄膜；
S3，在复合薄膜表面形成热电薄膜；
S4，在热电薄膜上形成沿对角线密排图形化的硼和磷重掺杂热电偶，其由与对角线呈45度角设置的交错分布的硼重掺杂热电条和磷重掺杂热电条组成，硼重掺杂热电条和磷重掺杂热电条呈蛇形分布地沿对角线依次梯度密排排列，每对热电偶的硼重掺杂热电条和磷重掺杂热电条垂直排布；
S5，使硼和磷重掺杂热电偶金属欧姆互连，其中，相邻的硼重掺杂热电条和磷重掺杂热电条在对角线上通过金属互连线连接；以及
S6，将复合薄膜从衬底上释放，得到封闭膜式的密排热电偶的红外探测器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该衬底为单晶硅衬底。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该复合薄膜是与衬底应力匹配的氧化硅和氮化硅的复合薄膜，其作为结构支撑和红外吸收热绝缘材料。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该热电薄膜是与复合薄膜应力匹配的多晶硅薄膜，其作为探测器的热电材料。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该步骤S4包括如下步骤：
S41，在热电薄膜上形成沿对角线密排的硼和磷重掺杂的条形区域；
S42，将非掺杂区域从复合薄膜上刻蚀掉，得到硼和磷重掺杂的热电偶；以及
S43，对硼和磷重掺杂的热电偶进行高温热退火激活掺杂原子，同时修复晶格，并且在其表面热生长一层氧化硅作为钝化层和保护层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S41具体包括通过第一光刻和掺杂形成硼重掺杂条形区域，通过第二光刻和掺杂形成磷重掺杂条形区域。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，条形区域的长度为100-600微米，宽度为2-10微米，电阻率为10-200欧姆·厘米。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S5包括刻蚀出接触孔并形成金属互连线和电极，实现硼重掺杂热电条和磷重掺杂热电条的串联以及接触孔内的欧姆接触。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S6包括采用背部刻蚀的方法释放复合薄膜。
10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的制备方法得到的红外探测器。
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