CN111540824B - 热电堆及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种热电堆及其制作方法，所述制作方法包括如下步骤：在衬底正面形成热电堆结构；在衬底背面形成掩膜层；采用干法刻蚀，在掩膜层上形成定位刻蚀窗口；采用博世刻蚀，对定位刻蚀窗口区域的衬底进行第一步刻蚀释放；采用反应离子刻蚀，进行衬底的第二步刻蚀释放，得到完全释放的背腔和保持完整的热电堆结构，完成热电堆的制备。本发明采用常规衬底，通过干法刻蚀释放工艺，分步对衬底进行刻蚀释放，在保持热电堆结构完整性的同时，制作出热电堆器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外探测器技术领域，尤其涉及一种热电堆及其制作方法。
背景技术
目前红外探测器广泛应用于民用和军用领域，而热电堆红外探测器是众多类型红外探测器中最早发展的一种。由于其具有可以常温下工作、响应波段宽、制作成本低廉等优势，因此发展极为迅速，应用非常广泛。在热电堆红外探测器的工艺制备中，将其制造工艺与集成电路工艺相兼容是使其形成大规模探测阵列，提高探测响应率，并降低工艺制作成本的主要办法。
在与集成电路相兼容的工艺中，背腔的大面积硅释放是至关重要的一部分，该技术通过湿法或者干法的方式将衬底硅完全释放形成空腔，并保持剩余支撑介质膜层的完整性。通过大面积硅释放工艺，硅衬底空腔部分对应的膜层结构形成了热电偶的热结区，剩余的支撑结构构成了热电偶的冷结区。对于体硅的释放工艺，用湿法腐蚀出来的硅具有各向异性，不同晶向上速率不一致，腐蚀出的硅形貌是角度约为54.7°的倒梯形，因而在版图设计时需要考虑上开口的展宽部分，从而导致单个晶片上器件的成品率大大降低。相较而言采用干法工艺进行大面积硅释放可获得垂直的深槽，有利于单片晶圆上设计更多的器件，提高成品率。但是用干法工艺选择比相对于湿法要低，由于工艺均匀性问题，刻蚀完体硅后会继续过刻蚀到底部氧化层停止层，一旦停止层被穿通，则整个器件就被损坏了。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种热电堆及其制作方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
作为本发明的一个方面，提供一种热电堆的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底正面形成热电堆结构；
步骤2：在衬底背面形成掩膜层；
步骤3：采用干法刻蚀，在掩膜层上形成定位刻蚀窗口；
步骤4：采用博世刻蚀，对定位刻蚀窗口区域的衬底进行第一步刻蚀释放；
步骤5：采用反应离子刻蚀，进行衬底的第二步刻蚀释放，得到完全释放的背腔和保持完整的热电堆结构，完成热电堆的制备。
作为本发明的另一个方面，还提供一种采用如上述的制作方法制备得到的热电堆，包括：
衬底，所述衬底包括正面和背面；
热电堆结构，形成于衬底正面；
背腔，由衬底背面完全释放形成；
其中，所述热电堆结构保持完整。
基于上述技术方案，本发明相比于现有技术至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：
本发明采用常规衬底，通过干法刻蚀释放工艺，分步对衬底进行刻蚀释放，在保持热电堆结构完整性的同时，制作出热电堆；
本发明第一步采用博世刻蚀(BOSCH)工艺方式，刻蚀深度为释放深度的80％～95％；本发明第二步采用氟自由基化学反应刻蚀方式，刻蚀剩余衬底深度；以实现刻蚀形貌陡直且选择比高的效果。
附图说明
图1是本发明实施例热电堆的制作方法的流程示意图；
图2是本发明实施例热电堆的俯视示意图；
图3是图2中X-X’剖面示意图；
图4是本发明实施例子步骤11的示意图；
图5是本发明实施例子步骤12的示意图；
图6是本发明实施例子步骤14的示意图；
图7是本发明实施例子步骤15的示意图；
图8是本发明实施例子步骤16的示意图；
图9是本发明实施例步骤3的示意图；
图10是本发明实施例步骤4的示意图。
以上附图中，附图标记含义如下：
1、衬底；2、支撑层；21、第一氧化硅层；22、氮化硅层；23、第二氧化硅层；3、多晶硅热偶；31、冷端；32、热端；4、氧化硅膜；41、电极接触孔；51、电极输出端；52、连接线；53、电极连接端；6、红外吸收层；7、背腔；8、掩膜层；81、定位刻蚀窗口。
具体实施方式
本发明提出了一种工艺简单，与CMOS(complementary metal oxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺相兼容且选择比极高的干法刻蚀释放技术。本发明采用常规衬底，通过干法刻蚀释放工艺，分步对衬底进行刻蚀释放，在保持热电堆结构完整性的同时，制作出热电堆器件。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
作为本发明的一个方面，如图1及图3至图10所示，提供一种热电堆的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底1正面形成热电堆结构；
步骤2：在衬底1背面形成掩膜层8；
步骤3：采用干法刻蚀，在掩膜层8上形成定位刻蚀窗口81；
步骤4：采用博世刻蚀，对定位刻蚀窗口81区域的衬底1进行第一步刻蚀释放；
步骤5：采用反应离子刻蚀，进行衬底1的第二步刻蚀释放，得到完全释放的背腔7和保持完整的热电堆结构，完成热电堆的制备。
在本发明的实施例中，步骤1中，热电堆结构由下至上依次包括支撑层2、多晶硅热偶3、氧化硅膜4、电极和红外吸收层6；其中，热电堆结构的形成包括如下子步骤：
子步骤11：在衬底1正面形成支撑层2；
在本发明的实施例中，子步骤11中，如图4所示，支撑层2由衬底1正面向上依次包括第一氧化硅层21、氮化硅层22和第二氧化硅层23；
支撑层2的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法(LPCVD)、快速热化学气相沉积法(RTCVD)或者等离子增强化学气相沉积法(PECVD)；
第一氧化硅层21的厚度可以但并不局限于为
只要第一氧化硅层21的厚度大于背腔7刻蚀制备的损失厚度即可。
第二氧化硅层23的厚度可以但并不局限于为
其中，第二氧化硅层23作用是下述多晶硅热偶3刻蚀制备的停止层。
子步骤12：如图4和图5所示，在支撑层2上形成多晶硅热偶3；
在本发明实施例中，子步骤12中，多晶硅热偶3的制备包括如下子步骤：
子步骤121：在支撑层2上淀积多晶硅层；
其中，子步骤121中，多晶硅层的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法、快速热化学气相沉积法或者等离子增强化学气相沉积法；
子步骤122：利用光刻工艺形成图形化的光刻胶；
子步骤123：以图形化的光刻胶为掩膜，对多晶硅层进行刻蚀；
子步骤124：去除光刻胶，形成多晶硅热偶3；
在本发明实施例中，如图2和图5所示，多晶硅热偶3包括两个，每个多晶硅热偶为P型，但并不局限于此，还可以为N型或者P/N型对；
其中，如图2所示，多晶硅热偶3为矩形，但并不局限于此，还可以为圆形。
子步骤13：在支撑层2的裸露区和多晶硅热偶3上形成氧化硅膜4；
在本发明的实施例中，子步骤13中，氧化硅膜4的制备包括低压化学气相沉积法、快速热化学气相沉积法或者等离子增强化学气相沉积法；
其中，氧化硅膜4起绝缘作用。
子步骤14：在氧化硅膜4上形成电极接触孔41，电极接触孔41延伸至多晶硅热偶3表面；
在本发明的实施例中，子步骤14中，如图6所示，电极接触孔41的制备包括如下子步骤：
子步骤141：利用光刻工艺形成图形化的光刻胶；
子步骤142：以图形化的光刻胶为掩膜，对氧化硅膜4进行刻蚀，使多晶硅热偶3表面裸露；
子步骤143：去除光刻胶，在氧化硅膜4上形成电极接触孔41；
子步骤15：在具有电极接触孔41的氧化硅膜4上形成金属电极；
在本发明的实施例中，子步骤15中，如图7所示，电极的制备包括如下子步骤：
子步骤151：在电极接触孔41和氧化硅膜4上淀积形成金属铝层；
子步骤152：利用光刻工艺，在金属铝层上形成图形化的光刻胶；
子步骤153：以图形化的光刻胶为掩膜，对金属铝层进行刻蚀；
子步骤154：去除光刻胶，形成电极；
如图8所示，子步骤16：在具有电极的氧化硅膜4上形成红外吸收层6；其中，红外吸收层6裸露电极的引出端区域。
在本发明的实施例中，子步骤16中，红外吸收层6的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法、快速热化学气相沉积法或者等离子增强化学气相沉积法；
其中，红外吸收层6的材质包括氮化硅。
其中，将电极的引出端区域裸露的具体步骤包括：利用光刻工艺，在红外吸收层6上形成图形化的光刻胶，以图形化的光刻胶为掩膜，对红外吸收层6进行刻蚀，去除光刻胶，使电极的引出端区域裸露，完成红外吸收层6的制备。
在本发明的实施例中，步骤2中，掩膜层8的材质包括氧化硅；
其中，掩膜层8的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法、快速热化学气相沉积法或者等离子增强化学气相沉积法。
在本发明的实施例中，步骤3中，如图9所示，定位刻蚀窗口81的制备包括如下子步骤：
子步骤31：利用光刻工艺，在掩膜层8上形成图形化的光刻胶；
子步骤32：以图形化的光刻胶为掩膜，刻蚀掩膜层8至衬底1的背面；
子步骤33：去除光刻胶，形成定位刻蚀窗口81。
在本发明的实施例中，步骤4中，如图10所示，第一步刻蚀释放深度H包括但并不局限于衬底1厚度的80％～95％。
在本发明的实施例中，第一步刻蚀释放形貌陡直，但是选择比低；第二步刻蚀释放形貌呈碗形，但是选择比高；若只选择采用第一步刻蚀释放或者刻蚀释放深度过大，贴近或者接触至衬底正面，容易刻蚀穿通支撑层造成热电堆结构的损坏，使热电堆失效；若第一步刻蚀释放深度过小或者只选用第二步刻蚀释放，就会影响背腔形貌，从而影响热电堆性能。
因此，本发明优选的背腔7刻蚀释放采用两步法，第一步采用博世刻蚀释放，第二步采用反应离子刻蚀释放，且博世刻蚀释放深度为衬底1厚度的80％～95％。
在本发明的实施例中，衬底1为单晶硅，但是并不局限于此，还可以为锗硅(SiGe)或者锗(Ge)片。
在本发明的实施例中，步骤5中，第二步刻蚀释放条件包括：采用上射频进行电离，下射频为0；
其中，采用含氟类气体进行刻蚀；在本发明的优选实施例中，选择SF6气体；
其中，针对第二步刻蚀，衬底1与支撑层2的选择比大于100；这是因为F自由基与Si的纯化学反应，使衬底1对支撑层2中的第一氧化硅层21的选择比极高(＞100∶1)，第一氧化硅层21作为停止层不会穿通，热电堆结构就会保持完整。
作为本发明的另一个方面，如图2和图3所示，还提供一种采用如上述的制作方法制备得到的热电堆，包括：
衬底1，衬底1包括正面和背面；
热电堆结构，形成于衬底1正面；
背腔7，由衬底1背面完全释放形成；
其中，热电堆结构保持完整。
其中，多晶硅热偶3分别定义为热端32和冷端31，且热端32对应背腔7位置。冷端31位于非释放的衬底1区域，部分热量很快被释放，而正对背腔7位置的则相对较热，作为热端32。
更为具体的，如图2和图3所示，电极包括两个电极输出端51(即上述的电极的引出端)、连接线52和电极连接端53，其中电极连接端53形成于电极接触孔41位置；通过电极连接端53和连接线52使多个多晶硅热偶3形成串联，最后由电极输出端51得到温差电动势。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种热电堆的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在衬底正面形成热电堆结构；
步骤2：在衬底背面形成掩膜层；
步骤3：采用干法刻蚀，在掩膜层上形成定位刻蚀窗口；
步骤4：采用博世刻蚀，对定位刻蚀窗口区域的衬底进行第一步刻蚀释放，所述第一步刻蚀释放深度包括衬底厚度的80％～95％；
步骤5：采用反应离子刻蚀，进行衬底的第二步刻蚀释放，得到完全释放的背腔和保持完整的热电堆结构，完成热电堆的制备；
所述第二步刻蚀释放条件包括：选择含氟类气体进行刻蚀，采用上射频进行电离，下射频为0，所述衬底与支撑层的选择比大于100；所述第二步刻蚀释放形貌呈碗形；
所述热电堆结构由下至上依次包括支撑层、多晶硅热偶、氧化硅膜、电极和红外吸收层；
所述支撑层由衬底正面向上依次包括第一氧化硅层、氮化硅层和第二氧化硅层；
进行衬底的第二步刻蚀释放时，第一氧化硅层作为背腔释放的停止层；第二氧化硅层是多晶硅热偶刻蚀制备的停止层。
2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤1中，所述热电堆结构的形成包括如下子步骤：
子步骤11：在衬底正面形成支撑层；
子步骤12：在支撑层上形成多晶硅热偶；
子步骤13：在支撑层的裸露区和多晶硅热偶上形成氧化硅膜；
子步骤14：在氧化硅膜上形成电极接触孔，所述电极接触孔延伸至所述多晶硅热偶表面；
子步骤15：在具有电极接触孔的氧化硅膜上形成金属电极；
子步骤16：在具有电极的氧化硅膜上形成红外吸收层；其中，所述红外吸收层裸露电极的引出端区域。
3.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述子步骤11中，
所述支撑层的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法、快速热化学气相沉积法或者等离子增强化学气相沉积法；
所述第一氧化硅层的厚度为
所述第二氧化硅层的厚度为
4.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述子步骤12中，所述多晶硅热偶的制备包括如下子步骤：
子步骤121：在所述支撑层上淀积多晶硅层；
子步骤122：利用光刻工艺形成图形化的光刻胶；
子步骤123：以图形化的光刻胶为掩膜，对所述多晶硅层进行刻蚀；
子步骤124：去除光刻胶，形成多晶硅热偶；
其中，所述多晶硅热偶包括一个或者多个；
其中，每个所述多晶硅热偶为P型、N型或者P/N型对；
其中，所述多晶硅热偶包括矩形或者圆形；
其中，所述子步骤121中，所述多晶硅层的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法、快速热化学气相沉积法或者等离子增强化学气相沉积法。
5.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于，
其中，所述子步骤13中，所述氧化硅膜的制备包括低压化学气相沉积法、快速热化学气相沉积法或者等离子增强化学气相沉积法；
其中，所述子步骤14中，所述电极接触孔的制备包括如下子步骤：
子步骤141：利用光刻工艺形成图形化的光刻胶；
子步骤142：以图形化的光刻胶为掩膜，对所述氧化硅膜进行刻蚀，使所述多晶硅热偶表面裸露；
子步骤143：去除光刻胶，在所述氧化硅膜上形成电极接触孔；
其中，所述子步骤15中，所述电极的制备包括如下子步骤：
子步骤151：在所述电极接触孔和所述氧化硅膜上淀积形成金属铝层；
子步骤152：利用光刻工艺，在所述金属铝层上形成图形化的光刻胶；
子步骤153：以图形化的光刻胶为掩膜，对所述金属铝层进行刻蚀；
子步骤154：去除光刻胶，形成电极。
6.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述子步骤16中，所述红外吸收层的制备包括如下子步骤：
子步骤161：在具有电极的氧化硅膜上淀积红外吸收层；
子步骤162：利用光刻工艺形成图形化的光刻胶；
子步骤163：以图形化的光刻胶为掩膜，对所述红外吸收层进行刻蚀；
子步骤164：去除光刻胶，使电极的引出端区域裸露，完成红外吸收层的制备；
其中，所述红外吸收层的材质包括氮化硅；
其中，所述子步骤161中，所述红外吸收层的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法、快速热化学气相沉积法或者等离子增强化学气相沉积法。
7.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤2中，所述掩膜层的材质包括氧化硅；
其中，所述掩膜层的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法、快速热化学气相沉积法或者等离子增强化学气相沉积法；
其中，所述步骤3中，所述定位刻蚀窗口的制备包括如下子步骤：
子步骤31：利用光刻工艺，在所述掩膜层上形成图形化的光刻胶；
子步骤32：以图形化的光刻胶为掩膜，刻蚀所述掩膜层至所述衬底的背面；
子步骤33：去除光刻胶，形成定位刻蚀窗口。
8.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述衬底包括单晶硅、锗硅或者锗片。
9.一种采用如权利要求1至8任一项所述的制作方法制备得到的热电堆，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底包括正面和背面；
热电堆结构，形成于衬底正面；
背腔，由衬底背面完全释放形成；
其中，所述热电堆结构保持完整。
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