CN112117371B - 热电堆传感器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种热电堆传感器的制作方法，包括：提供热电堆结构板和电路基板，热电堆结构板包括热辐射感应区，热辐射感应区内形成有热电堆结构，电路基板包括热辐射对应区，热辐射对应区与热辐射感应区相对应；在电路基板上依次形成至少覆盖热辐射对应区的热辐射隔离板和热辐射反射板，其中，热辐射反射板位于热辐射隔离板上；在热辐射反射板上形成牺牲结构，牺牲结构至少覆盖热辐射对应区；将热电堆结构板键合在电路基板上，并使热辐射感应区与热辐射对应区垂直对应；去除牺牲结构，在热电堆结构板和电路基板之间形成隔离空腔，从而提高器件精度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种热电堆传感器的制作方法。
背景技术
热电堆传感器是一种温度检测装置，通过将感应到的红外信息按一定规律变换成为对应的信号输出，以实现对温度的检测。
随着微电子机械系统(MEMS)技术的迅猛发展，基于MEMS微机械加工技术制作的微型化热电堆传感器以其尺寸小、价格低等优势被广泛应用于测温、气体传感、光学成像等领域。
然而，现有的热电堆传感器的器件精度有待提高。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种热电堆传感器的制作方法，以提高器件的精度。
为解决上述问题，本发明提供一种热电堆传感器的制作方法，所述方法包括：提供热电堆结构板和电路基板，所述热电堆结构板包括热辐射感应区，所述热辐射感应区内形成有热电堆结构，所述电路基板包括热辐射对应区，所述热辐射对应区与所述热辐射感应区相对应；在所述电路基板上依次形成至少覆盖所述热辐射对应区的热辐射隔离板和热辐射反射板，其中，所述热辐射反射板位于所述热辐射隔离板上；在所述热辐射反射板上形成牺牲结构，所述牺牲结构至少覆盖所述热辐射对应区；将所述热电堆结构板键合在所述电路基板上，并使所述热辐射感应区与所述热辐射对应区垂直对应；去除所述牺牲结构，在所述热电堆结构板和电路基板之间形成隔离空腔。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明实施例中，隔离空腔下方为电路基板，从而可以避免开放的隔离空腔对应的辐射流失，提高了器件的测量精度。并且，隔离空腔下方为电路基板的方案，在不增加面积的条件下，实现了器件的垂直系统集成，有利于缩短传感信号到读出电路的互连长度、信号损失和噪声，且有利于器件的微型化；此外，还有利于进一步延展到制作主动热成像传感器阵列与CMOS读出像素阵列及外围电路的3D系统集成。
本发明实施例隔离空腔下方形成有热辐射反射板，从而可以将传输至隔离空腔内的红外辐射反射回热电堆结构板中，从而提高器件的精度。
本发明实施例隔离空腔的热辐射反射板下进一步形成有热辐射隔离板，用于实现电路基板和热电堆结构板的热辐射感应区的热绝缘，防止电路基板中的热辐射向热电堆结构板传导，从而影响器件的精度。
另外，本发明实施例中通过牺牲结构形成隔离空腔，能够使牺牲结构在形成器件的工艺过程中支撑对应的器件结构，避免对应的器件结构产生塌陷等缺陷，从而进一步提高了器件的良率。
附图说明
图1至图10是本发明实施例提供的一种热电堆传感器的形成方法中各步骤的结构示意图；
图11-图13是本发明另一实施例提供的一种热电堆传感器的形成方法中各步骤的结构示意图；
图14-图16是本发明又一实施例提供的一种热电堆传感器的形成方法中各步骤的结构示意图。
具体实施方式
现有的热电堆传感器的器件精度有待提高。
发明人分析认为，热电堆传感器又称为热电堆红外探测器，传统的热电堆传感器，通过在介质薄膜上淀积多晶硅/金属制作热偶对以感应温度信息，然后通过背面硅各向异性湿法腐蚀的制作方法在介质薄膜下方形成隔热空腔以增加热阻，并将热偶对电连接至热偶对侧边形成的电路结构上，从而实现感应信号的传输。但该方法形成的器件下方没有衬底结构，隔热空腔中的热量仍会以一定的形式流失，从而使得热电堆传感器的测量精度不高。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种热电堆传感器的制作方法，包括：提供热电堆结构板和电路基板，所述热电堆结构板包括热辐射感应区，所述热辐射感应区内形成有热电堆结构，所述电路基板包括热辐射对应区，所述热辐射对应区与所述热辐射感应区相对应；在所述电路基板上依次形成至少覆盖所述热辐射对应区的热辐射隔离板和热辐射反射板，其中，所述热辐射反射板位于所述热辐射隔离板上；在所述热辐射反射板上形成牺牲结构，所述牺牲结构至少覆盖所述热辐射对应区；将所述热电堆结构板键合在所述电路基板上，并使所述热辐射感应区与所述热辐射对应区垂直对应；去除所述牺牲结构，在所述热电堆结构板和电路基板之间形成隔离空腔。
本发明实施例中，隔离空腔下方进一步键合有电路基板，从而可以避免开放的隔离空腔对应的辐射流失，提高了器件的测量精度。并且，隔离空腔下方进一步键合电路基板的方案，在不增加面积的条件下，实现了器件的垂直系统集成，有利于缩短传感信号到读出电路的互连长度、信号损失和噪声，且有利于器件的微型化；此外，还有利于进一步延展到制作主动热成像传感器阵列与CMOS读出像素阵列及外围电路的3D系统集成。
本发明实施例隔离空腔下方形成有热辐射反射板，从而可以将传输至隔离空腔内的红外辐射反射回热电堆结构板中，从而提高器件的精度。
本发明实施例隔离空腔的热辐射反射板下进一步形成有热辐射隔离板，用于实现电路基板和热电堆结构板的热辐射感应区的热绝缘，防止电路基板中的热辐射向热电堆结构板传导，从而影响器件的精度。
另外，本发明实施例中通过牺牲结构形成隔离空腔，能够使牺牲结构在形成热电堆传感器的工艺过程中支撑对应的器件结构，避免对应的器件结构产生塌陷等缺陷，从而进一步提高了器件的良率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图1至图9是本发明实施例提供的一种热电堆传感器的制作方法中各步骤的结构示意图。
首先，提供热电堆结构板(参考图1)和电路基板(参考图2)，所述热电堆结构板包括热辐射感应区20A，所述热辐射感应区20A内形成有热电堆结构，所述电路基板包括热辐射对应区20B，所述热辐射对应区20B与所述热辐射感应区20A在所述热电堆结构板相对应。
在本发明实施例中，所述热电堆结构板可以包括第一基底200，所述热电堆结构形成在所述第一基底200上。其中，所述第一基底200可以本领域技术人员熟知的任意合适的衬底材料，例如硅、锗、硅锗、砷化镓、磷化铟等体半导体衬底材料。
本实施例中，提供所述热电堆结构板的步骤包括：
提供第一基底200，所述第一基底200的表面上形成有半导体层202；
对所述半导体层202的部分区域进行N型和/或P型离子掺杂，以形成N型掺杂区和/或P型掺杂区，作为所述热电堆结构。
具体地，所述第一基底200上形成有介质层201和半导体层202，介质层201的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的至少一种，半导体层202用于形成热电堆结构，所述半导体层的材料可以是未掺杂的半导体层(例如多晶硅或单晶硅等)，或者N型掺杂或P型掺杂的半导体层，半导体层202可以通过外延工艺或者离子注入工艺形成。
本实施例中，第一基底200、介质层201和半导体层202由绝缘体上硅衬底形成，第一基底200为绝缘体上硅衬底的底层单晶硅，介质层201为绝缘体上硅衬底中的二氧化硅，半导体层202为绝缘体上硅衬底的顶层单晶硅。通过对半导体层202中的部分区域进行N型和/或P型离子掺杂注入，以形成热感应微结构作为热电堆结构。
其中，热电堆结构的分布区域作为热辐射感应区20A，热辐射感应区20A外围的区域用于后续制作第二导电互连结构。
本实施例中，热电堆结构包括材料不同的第一热感应微结构203a和第二热感应微结构203b，第一热感应微结构203a可以为N型掺杂的单晶硅，第二热感应微结构203b可以为P型掺杂的单晶硅。第一热感应微结构203a和第二热感应微结构203b可以分别呈线型(例如直线或曲线或者折线等)，也可以呈阵列型，还可以呈梳子型。第一热感应微结构203a和第二热感应微结构203b可以具有大致对称的结构，从而在第一热感应微结构203a和第二热感应微结构203b之间产生大致对称的热感应效果，提高器件的测量精度。
此外，第一热感应微结构203a的整体分布区域和第二热感应微结构203b的整体分布区域在热电堆结构板20的平面内可以完全并排且没有重叠，也可以有部分区域嵌套，以至少有部分重叠，可选地，第一热感应微结构203a的整体分布区域和第二热感应微结构203b的整体分布区域在热电堆结构板20的平面内有部分重叠，例如第一热感应微结构203a和第二热感应微结构203b均为梳子型结构，第一热感应微结构203a的一部分梳齿插在第二热感应微结构203b的相应的梳齿缝隙中，由此在不增加热电堆传感器的表面积的同时，可以进一步提高热电堆传感器性能。
需要说明的是，本实施例中第一热感应微结构203a和第二热感应微结构203b均为单层结构，但是本发明的技术方案并不仅仅限定于此，在本发明的其他实施例中，第一热感应微结构203a和第二热感应微结构203b也可以分别为叠层结构。
此外，第一热感应微结构203a和第二热感应微结构203b的材料也不仅仅限定于掺杂的半导体，还可以是金属、未掺杂的半导体、金属硅化物等中的一种或多种，对应的，还可以通过金属层的图案化刻蚀、半导体层的图案化刻蚀、半导体层的金属硅化等中的至少一种工艺来在第一基底200上形成相应的热感应微结构。
在一种具体实施例中，为了便于后续将第二导电互连结构与所述热电堆结构电性连接，防止在电性连接过程中对热电堆结构造成伤害，在一种具体实施例中，热电堆结构板20上形成有第一导电互连结构，第一导电互连结构与热电堆结构电性连接，从而，后续可以通过第二导电结构电性连接第一导电结构，实现电路基板的读出互连结构和热电堆结构板的电性连接。
具体的，所述热辐射感应区20A中形成有与所述热电堆结构电连接的第一导电互连结构，所述第一导电互连结构与所述热电堆结构电性连接。其中，所述第一导电互连结构用于在后续与电路基板的读出互连结构电连接。
将所述电路基板10与所述热电堆结构板20键合后，所述第一导电互连结构位于所述热电堆结构的上方。
可以通过金属层沉积、光刻、刻蚀等一系列工艺或者金属剥离(liff-off)工艺，形成第一导电互连结构，所述第一导电互连结构可以是单层金属层，以降低热电堆传感器的集成厚度。
所述第一导电互连结构可以包括与第一热感应微结构203a电性连接的第一导电互连线300a，以及，与第二热感应微结构203b电性连接的第二导电互连线300b。
在本发明实施例中，所述第一导电互连结构的材料可以为铜、钛、铝、钨等金属和/或金属硅化物材料的一种或多种。
当然，在其他实施例中，还可以是将所述电路基板与所述热电堆结构板键合后，再形成与热电堆结构电性连接的第一导电互连结构，其中，第一导电互连结构位于所述热电堆结构的上方。
如图2所示，所述电路基板10包括第二衬底100、器件结构和与器件结构电连接的读出互连结构，其中，所述电路基板形成在所述第二衬底中，所述读出互连结构形成在所述第二衬底上。
其中，所述第二衬底100可以为本领域技术人员熟知的任意合适的半导体衬底材料，例如硅、绝缘体上硅、锗、硅锗、砷化镓、磷化铟等。第二衬底100中已通过CMOS制造工艺形成了相应的器件结构以及位于相邻的器件结构之间的器件隔离结构101，器件结构可以包括MOS晶体管、电阻、二极管、电容、存储器等中的至少一种。
提供的电路基板10可以为完成FEOL(front end of line，前道制程)和BEOL(backend of line，后道制程)工艺以及晶圆针测的CMOS基板，电路基板中形成有电路结构，以处理所述热电堆结构的电信号。其中所述FEOL工艺和BEOL工艺均为本领域中CMOS集成电路制造的常规制程工艺，所述晶圆针测为本领域的测试CMOS集成电路性能的常规测试方案，在此均不再详细描述。
在本发明实施例中，以电路基板为MOS晶体管为例，其中，MOS晶体管102包括栅极102a以及位于栅极102a两侧的源极102b和漏极102c。器件隔离结构101可以通过局部场氧化工艺或者浅沟槽隔离(STI)工艺形成。读出互连结构(包括104a、104b)可以通过与器件结构的相应端子直接电性接触的底部接触插塞以及与底部接触插塞电性连接的多层金属互连结构电连接，从而实现读出互连结构与器件结构的电连接。
其中，所述第二衬底100上还形成有层间介质材料层103，从而将相邻金属互连层隔离开。其中，电路基板10的层间介质材料层103还暴露出读出互连结构104a、104b的部分表面的开口105a、105b，以形成用于晶圆针测的针测点。
在本发明实施例中，所述热辐射对应区20B可以为对应器件结构分布的区域，所述热辐射对应区20B在所述电路基板的投影与所述热辐射感应区20A在所述热电堆结构板的投影相同，用于在后续键合工艺中，使热辐射感应区20A与所述热辐射对应区20B重合，从而实现热电堆基板和电路基板的对位。
参考图3，在所述电路基板上依次形成至少覆盖所述热辐射对应区20B的热辐射隔离板404和热辐射反射板401，其中，所述热辐射反射板位于所述热辐射隔离板上；
所述热辐射隔离板404用于实现电路基板和热电堆结构板的热辐射感应区的热绝缘，防止电路基板中的热辐射向热电堆结构板传导，从而影响器件的精度；所述热辐射反射板401用于在器件工作时，将传输至隔离空腔内的红外辐射反射回热电堆结构板中，从而提高器件的精度。
其中，所述热辐射反射板401的材料为导电材料和/或光子晶体材料，所述导电材料为金属材料、金属硅化物材料、半导体材料中的一种或多种，金属硅化物可以是硅化钛(TiSi)，硅化钨(WSi)或硅化铝(AlSi)等，掺杂的半导体例如是掺杂有P型或N型掺杂剂的多晶硅层或非晶硅层或硅锗层等。热辐射隔离板404的材料为金属材料。
具体的，可以通过金属沉积、光刻、刻蚀等一系列工艺或者金属剥离(liff-off)工艺，在电路基板的表面上形成热辐射隔离板404和热辐射反射板401。在一种可选的示例中，形成热辐射隔离板和热辐射反射板的过程可以包括：形成覆盖所述电路基板10设有所述读出互连结构一侧的隔离材料层；形成覆盖所述隔离材料层的反射材料层；去除所述热辐射对应区20B外的隔离材料层和反射材料层，以剩余的隔离材料层为热辐射隔离板，以剩余的反射材料层为热辐射反射板。
在一种可选的示例中，电路基板10包括热辐射对应区20B，所述热辐射对应区与所述热辐射感应区20A相对应，形成热辐射隔离板和热辐射反射板的过程可以包括：形成覆盖所述电路基板10设有所述读出互连结构一侧的介质材料层；去除所述热辐射对应区20B内的介质材料层，形成隔离沟槽，以剩余的介质材料层作为第一介质层；依次形成保形覆盖所述第一介质层和所述隔离沟槽的隔离材料层和反射材料层，所述反射材料层位于所述隔离材料层上方；去除所述隔离沟槽外的隔离材料层和反射材料层，以剩余的隔离材料层为热辐射隔离板，以剩余的反射材料层为热辐射反射板。其中，本步骤中，所述隔离沟槽可以为仅用于形成热辐射隔离板和热辐射反射板的沟槽，对应的沟槽深度仅与热辐射隔离板和热辐射反射板的厚度的和相适应，也可以用于同时形成热辐射隔离板、热辐射反射板和牺牲结构的沟槽，对应沟槽深度与热辐射隔离板、热辐射反射板和牺牲结构的厚度的和相适应。需要说明的是，在去除隔离沟槽外的隔离材料层和反射材料层时，可以采用化学机械抛光(CMP)工艺去除。
其中，当所述热辐射隔离板404和热辐射反射板401为金属材料时，可以通过沉积工艺分别形成所述隔离材料层和反射材料层。当所述热辐射隔离板404和热辐射反射板401为金属硅化物时，所述隔离材料层的形成步骤包括：先形成硅层，后对硅层进行金属硅化处理；同样的，所述反射材料层也可以通过这一方式形成。当所述热辐射隔离板404和热辐射反射板401为掺杂的半导体时，所述隔离材料层的形成步骤包括：先形成半导体层，后对半导体层进行N型和/或P型掺杂；同样的，所述反射材料层也可以通过这一方式形成。
在本发明实施例中，还在热辐射隔离板和热辐射反射板之间进一步形成第一钝化层(图中未示出)，从而实现热辐射隔离板和热辐射反射板的隔离。具体的，可以在形成覆盖所述电路基板10设有所述读出互连结构一侧的隔离材料层之后，形成覆盖所述隔离材料层的反射材料层之前，形成完全覆盖所述反射材料层的第一钝化层。可选的，可以采用沉积工艺形成所述第一钝化层。
在本发明实施例中，还进一步在所述热辐射反射板上形成表面为平面的第二钝化层(图中未示出)，以便于后续工艺的进行。
其中，第二钝化层的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低K介质、高K介质、金属氮化物中的至少一种。
具体的，可以在形成热辐射隔离板和热辐射反射板之后，形成覆盖所述热辐射反射板的第二钝化层。可选的，可以采用沉积工艺沉积形成第二钝化材料层(图中未示出)，并采用化学机械抛光(CMP)工艺对第二钝化材料层进行顶面平坦化，以形成表面为平面的第二钝化层。其中，所述第二钝化层可以将所述热辐射反射板401掩埋在内，或者，所述第二钝化层的顶面可以与热辐射反射板401的顶面齐平，以为后续的工艺提供平坦的表面。
请参考图4，在所述热辐射反射板上401形成牺牲结构400，所述牺牲结构400至少覆盖所述热辐射对应区20B。
其中，所述牺牲结构400用于为隔离空腔占据空间，使得后续工艺中可以通过去除牺牲结构，形成隔离空腔。
所述牺牲结构的材料可以包括锗或者无定型碳中的至少一种，例如为能够与气相刻蚀剂反应形成气体的材料，或者能够在光照或者加热后转换为气体的材料，由此能够降低后续去除牺牲结构的难度，并保证形成的隔离空腔的性能。
在本发明实施例中，所述热辐射反射板401上形成有第二钝化层，则本步骤中，在所述热辐射反射板上形成牺牲结构，具体为，在所述第二钝化层上形成牺牲结构400。
在本发明实施例中，可以通过牺牲材料沉积、光刻、刻蚀等一系列工艺，在第二钝化层的表面上形成牺牲结构400。所述牺牲结构400至少覆盖所述热辐射对应区20B，用于与所述热堆结构板的热辐射感应区20A对准，从而使得键合工艺后的牺牲结构400至少覆盖所述热辐射感应区20A。
具体在本实施例中，形成牺牲结构400的流程可以包括：形成完全覆盖所述电路基板10具有所述热辐射隔离板一侧的牺牲材料层；去除所述热辐射对应区20B外的牺牲材料层，以剩余的所述牺牲材料层为牺牲结构。其中，所述牺牲材料层可以通过沉积、生长等工艺形成。
需要进一步说明的是，在本发明实施例中，所述牺牲材料层的厚度需要严格控制，以使键合后的器件结构中，所述热辐射反射板401与所述热电堆结构的垂直距离为红外辐射的波长的1/4的奇数倍，从而使热辐射反射板401对穿透热电堆结构板20的残余辐射的发挥最大反射能力。
其中，在形成所述牺牲结构400后，本发明实施例还可以进一步在所述电路基板10上形成环绕所述牺牲结构的第三钝化层，所述第三钝化层的表面为平面。
在一种具体实施例中，可以在电路基板上形成与所述牺牲结构400顶面齐平的第三钝化层，从而使得第三钝化层支撑在所述牺牲结构的侧面，在去除所述牺牲结构后，可以形成预设的空腔结构，并为后续的工艺提供平整的表面。当然，在其他实施例中，第三钝化层的表面还可以高于牺牲结构，只要保证第三钝化层的表面为平面即可。
在本发明的其他实施例中，所述形成牺牲结构400还可以通过以下流程实现：形成完全覆盖所述电路基板10具有所述热辐射隔离板404一侧的第三钝化材料层；刻蚀去除所述热辐射对应区20B的第三钝化材料层，形成牺牲沟槽，其中，以剩余的第三钝化材料层为第三钝化层；形成完全填充在所述牺牲沟槽内的牺牲结构400。其中，所述完全填充指的是形成在所述牺牲沟槽内所述牺牲结构400与所述第三钝化层齐平。具体的，可以通过沉积、生长等工艺形成填充所述牺牲沟槽且高出所述第三钝化层的牺牲材料，并进一步采用化学机械抛光(CMP)工艺对该牺牲材料进行顶面平坦化，直至该牺牲材料与第三钝化层齐平，并以填充在所述牺牲沟槽中的牺牲材料作为牺牲结构400。或者，在本发明的另一实施例中，还可以直接在前面步骤形成隔离沟槽时，直接形成沟槽深度与热辐射隔离板404、热辐射反射板401和牺牲结构400的厚度的和相适应的隔离沟槽，并直接在隔离沟槽中形成完全填充所述隔离沟槽的牺牲结构400。
在本实施例中，第一钝化层，第二钝化层和第三钝化层可以组成第一介质层402，且第一介质层402、热辐射反射板401、热辐射隔离板404和牺牲结构400可以作为支撑材料层。其中，所述牺牲结构400的材料不同于第三钝化层和热辐射反射板401的材料。
参考图5，将所述热电堆结构板20键合在所述电路基板10上，使所述热辐射感应区20A与所述热辐射对应区20B相对应；
在本发明实施例中，所述将所述热电堆结构板20键合在所述电路基板10上，具体为：将所述热电堆结构板倒置固定在所述电路基板10具有所述读出互连结构一侧。
在本发明实施例中，将所述热电堆结构板20键合在所述电路基板10上之后，所述热辐射反射板401与所述热电堆结构的垂直距离为红外辐射的波长的1/4的奇数倍。具体的，可以通过控制键合工艺，调整热辐射反射板401与所述热电堆结构的垂直距离，从而使辐射反射板401对穿透热电堆结构板20的残余辐射的发挥最大反射能力。
具体的，所述热辐射反射板401与所述热电堆结构203a/203b之间的垂直距离约为入射辐射的波长λ的1/4的奇数倍，例如约为λ/4、3λ/4、5λ/4等等。由此能够实现热辐射反射板401对穿透热电堆结构板20的残余辐射的最大反射能力。
参考图6，本发明实施例进一步去除所述第一基底200。
通过去除所述第一基底200降低集成厚度，以及，降低后续释放孔以及第二导电互连结构的制作难度。
具体的，可以根据所述第一基底200的材料，来选用合适的去除工艺(例如化学机械抛光、刻蚀或者剥离等)，去除所述第一基底200。
接着，在将所述热电堆结构板键合在所述电路基板上之后，本发明实施例提供的热电堆传感器的制作方法，还包括：
形成第二导电互连结构于所述热辐射感应区20A外围的所述热电堆结构板上，所述第二导电互连结构电连接所述第一导电互连结构和所述读出互连结构。
参考图7，本发明实施例进一步在所述热电堆结构板20背离所述电路基板10一侧形成第二导电互连结构60a、60b，所述第二导电互连结构60a、60b连接所述热电堆结构和所述读出互连结构。
所述第二导电互连结构60a、60b用于将所述热电堆结构和所述读出互连结构的电信号输出。其中，第二导电互连结构60a、60b可以形成于所述热辐射感应区20A外围的所述热电堆结构板20上。
所述第二导电互连结构60a、60b可以包括电连接所述读出互连结构的第一插塞601a、601b，电连接所述热电堆结构的第二插塞603a、603b，以及，连接所述第一插塞和所述第二插塞的插塞互连线602a、602b。
具体的，形成所述第二导电互连结构60a、60b的流程可以包括：在所述热电堆结构板背离所述电路基板10一侧形成第一互连通孔和第二互连通孔，所述第一互连通孔暴露所述电路基板10中的读出互连结构，所述第二互连通孔暴露所述热电堆结构板；在所述第一互连通孔和所述第二互连通孔的侧壁上形成绝缘介质层；在所述第一互连通孔中形成第一插塞，在所述第二互连通孔中形成第二插塞；在所述热电堆结构板表面形成插塞互连线，所述插塞互连线连接所述第一插塞和所述第二插塞。
作为一种示例，所述第二导电互连结构60a、60b通过重布线工艺形成，具体包括：刻蚀所述热辐射感应区20A外围的所述热电堆结构板20和第一介质层，以形成分别暴露出读出互连结构104a、104b的部分顶面的第一互连通孔(未图示)；刻蚀所述热辐射感应区20A外围的所述热电堆结构板20，以形成暴露出热电堆结构的部分表面的第二互连通孔(未图示)。
然后，在所述第一互连通孔和所述第二互连通孔的侧壁上覆盖绝缘介质层，绝缘介质层用于使得后续填充的导电材料与热电堆结构板20绝缘隔离，所述绝缘介质层的材料可以包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、金属氮化物、高K介质、低K介质等中的至少一种，所述绝缘介质层的底部暴露出相应的读出互连结构104a、104b的部分顶面和相应的热电堆结构的表面。
接着，在第一互连通孔和第二互连通孔中填充金属(例如钨、铜)等导电材料，并通过化学机械抛光等工艺去除覆盖在介质层201表面上的多余导电材料，以形成顶面与介质层201顶面齐平的第一插塞601a、601b和第二插塞603a、603b。本实施例中，第一插塞601a的底端与读出互连结构104a电性连接。第一插塞601b的底端与读出互连结构104b电性连接；第二插塞603a的底端与热电堆结构电性连接。
形成插塞互连线602a、602b的工艺具体包括：在第一插塞601a、601b、第二插塞603a、603b以及介质层201的表面上沉积金属层(例如铝、铜)；接着，对所述金属层进行光刻和刻蚀，以去除热感应辐射区20A中的金属层，剩余的金属层形成插塞互连线602a、602b，插塞互连线602a覆盖第一插塞601a的顶端和第二插塞603a的顶端且将第一插塞601a的顶端和第二插塞603a的顶端电性连接，插塞互连线602b覆盖第一插塞601b的顶端和第二插塞603b的顶端且将第一插塞601b的顶端和第二插塞603b的顶端电性连接。
需要说明的是，当热电堆结构板20是基于非导电的材料板形成时，第二插塞603a、603b和第一插塞601a、601b中的导电材料的侧壁上可以省略绝缘介质层。此外，第二导电互连结构60a、60b的形成工艺也不仅仅限定于形成隔离空腔之前进行，也可以是在形成隔离空腔之后进行。
在本发明另一实施例中，与上一实施例相同的步骤在此不再赘述，与上一实施例不同之处在于，请参考图11-图13，所述第二导电互连结构的形成工艺还可以为：在键合所述热电堆结构板和所述电路基板之前，首先在热电堆结构板形成热电堆第二子插塞606a、606b，与所述热电堆结构电性连接；且在电路基板上形成电路基板第二子插塞604a、604b，与所述读出互连结构电性连接；待所述电路基板与所述键合之后，所述热电堆第二子插塞606a、606b与所述电路基板第二子插塞604a、604b通过导电键合材料电性连接。并进一步在所述热电堆结构板和所述电路基板键合后，形成贯穿热电堆结构板且与读出互连结构电性连接的第一插塞603a、603b，第一插塞603a、603b作为输出端子引出相应的电信号。
请参考图14-图16，在本发明的又一实施例中，还可以进一步在键合所述热电堆结构板和所述电路基板之前，首先在热电堆结构板形成热电堆第一子插塞607a、607b和热电堆第二子插塞606a、606b，所述热电堆第一子插塞607a、607b贯穿所述热电堆结构板，所述热电堆第二子插塞606a、606b与所述热电堆结构电性连接；
且在电路基板上形成与所述读出互连结构电性连接的电路基板第一子插塞605a、605b和电路基板第二子插塞604a、604b；
待所述电路基板与所述热电堆结构板键合之后，将所述热电堆第二子插塞606a、606b与所述电路基板第二子插塞604a、604b通过导电键合材料电性连接，所述热电堆第一子插塞607a、607b与所述电路基板第一子插塞605a、605b通过导电键合材料电性连接。
继续参考图8，去除所述牺牲结构400，在所述热电堆结构板和电路基板10之间形成隔离空腔403。
在本发明实施例中，形成隔离空腔403的步骤可以包括：在所述热电堆结构板背离所述电路基板10的表面形成至少一个释放孔50，所述释放孔50暴露部分所述牺牲结构400；通过所述释放孔50去除所述牺牲结构400，以形成隔离空腔403。
具体的，可以通过激光钻孔或者刻蚀工艺，从热电堆结构板20背向电路基板10的一面打孔，至暴露出牺牲结构400的表面，以形成至少一个释放孔50。
其中，释放孔50作为腔体连接通道，能连通所述隔离空腔403和外部空间，由此平衡隔离空腔403的气压，避免热电堆结构板20翘曲等问题。
接着，向释放孔50中通入刻蚀剂，可以是气相刻蚀剂，也可以是液体刻蚀剂，以去除牺牲结构400，从而形成隔离空腔403。可选地，可以进一步向释放孔50中通入清洗剂、干燥剂等，以清洗和干燥第一空腔403的表面。其中清洗剂可以是去离子水或者氮气或者惰性气体，干燥剂可以是异丙醇气体等。
参考图9-图10，在本发明实施例中，还进一步在所述热电堆传感器上设置盖板70，以保护所述热电堆传感器的热辐射感应区20A。
具体的，设置所述盖板70的步骤可以包括：提供具有保护槽703的盖板，所述保护槽703背向所述热电堆结构板的一侧的封盖上还设有辐射穿透窗口(图中未示出)，所述辐射穿透窗口至少与所述热电堆结构垂直对齐；所述辐射穿透窗口用于透射红外线。
所述辐射穿透窗口的材料包括半导体(例如硅、锗或绝缘体上硅等)和有机滤光材料(例如聚乙烯、聚丙烯等材料)中的一种或两种。
所述辐射穿透窗口的形状可以为矩形、正方形或圆形等规则形状，也可以为其他不规则形状。
需要说明的是，所述制作方法还可以包括：在所述辐射穿透窗口上方设置红外增透膜。
接着，将所述封盖70键合到所述热电堆结构板20背离所述电路基板10的表面，使所述盖板70的保护槽703覆盖在所述热电堆结构板的热辐射感应区20A上，且所述保护槽703夹设在所述封盖70和所述热电堆结构板20之间形成第二空腔702，且所述第二空腔702与所述第一空腔602对准；以及，
对所述封盖70进行切边，以至少暴露出所述第二导电互连结构60a、60b的部分表面。
其中，保护槽侧壁的盖板材料和保护槽顶部的盖板材料可以相同，也可以不同，本发明实施例中保护槽侧壁的盖板材料和保护槽顶部的盖板材料不同，以便于去除保护槽顶部的盖板。所述保护槽顶部的盖板材料可以为玻璃、塑料、半导体等，通过将所述盖板键合到所述热电堆结构板背离所述电路基板10的表面，以覆盖所述热电堆结构板的热辐射感应区20A，并且，基于所述保护槽的设置，使所述热电堆结构板的热辐射感应区20A上方为腔体结构，避免了相关材料对热电堆结构板的热辐射感应区20A的接触，从而避免对热电堆结构板的热辐射感应区20A造成影响。
作为一种示例，提供具有保护槽703的封盖70的步骤为：提供第三基底700，然后在第三基底700上沉积腔体材料层，刻蚀所述腔体材料层至暴露出第三基底700的表面，以形成在腔体材料层中保护槽703，剩余的腔体材料构成腔体壁701；作为另一种示例，先提供第三基底700，然后刻蚀部分厚度的第三基底700，以形成保护槽703，此时腔体壁701的材料和第三基底700的材料相同。
本发明实施例中，隔离空腔403下方进一步键合有电路基板10，从而可以避免开放的隔离空腔对应的辐射流失，提高了器件的测量精度。并且，隔离空腔下方进一步键合电路基板10的方案，在不增加面积的条件下，实现了器件的垂直系统集成，有利于缩短传感信号到读出电路的互连长度、信号损失和噪声，且有利于器件的微型化；此外，还有利于进一步延展到制作主动热成像传感器阵列与CMOS读出像素阵列及外围电路的3D系统集成。高集成的热电堆传感器有利于应用到热电堆结构呈阵列排布的热成像仪，用于温度的成像，或应用到小体积的移动终端如手机、平板电脑等，用于移动测温等。
本发明实施例隔离空腔下方形成有热辐射反射板401，从而可以将传输至隔离空腔内的红外辐射反射回热电堆结构板20中，从而提高器件的精度。
本发明实施例隔离空腔的热辐射反射板401下进一步形成有热辐射隔离板404，用于实现电路基板和热电堆结构板的热辐射感应区的热绝缘，防止电路基板中的热辐射向热电堆结构板传导，从而影响器件的精度。
另外，本发明实施例中通过牺牲结构400形成隔离空腔，能够使牺牲结构400在形成热电堆传感器的工艺过程中支撑对应的器件结构，避免对应的器件结构产生塌陷等缺陷，从而进一步提高了器件的良率。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (18)
1.一种热电堆传感器的制作方法，其特征在于，包括：
提供热电堆结构板和电路基板，所述热电堆结构板包括热辐射感应区，所述热辐射感应区内形成有热电堆结构，所述电路基板包括热辐射对应区，所述热辐射对应区与所述热辐射感应区相对应；
在所述电路基板上依次形成至少覆盖所述热辐射对应区的热辐射隔离板和热辐射反射板，其中，所述热辐射反射板位于所述热辐射隔离板上；
在所述热辐射反射板上形成牺牲结构，所述牺牲结构至少覆盖所述热辐射对应区，所述牺牲结构的侧部环绕有第三钝化层；
将所述热电堆结构板键合在所述电路基板上，并使所述热辐射感应区与所述热辐射对应区垂直对应；
去除所述牺牲结构，在所述热电堆结构板和电路基板之间形成隔离空腔；所述去除所述牺牲结构，包括：
在所述热电堆结构板背离所述电路基板的表面形成至少一个释放孔，所述释放孔暴露部分所述牺牲结构；
通过所述释放孔去除所述牺牲结构，以形成隔离空腔；
还包括：
提供具有保护槽的盖板，所述保护槽背向所述热电堆结构板的一侧的封盖上还设有辐射穿透窗口，所述辐射穿透窗口至少与所述热电堆结构垂直对齐；
将所述盖板键合到所述热电堆结构板背离所述电路基板的表面，使所述盖板的保护槽覆盖在所述热电堆结构板的热辐射感应区上。
2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述热辐射感应区中还形成有第一导电互连结构，所述第一导电互连结构电性连接所述热电堆结构；
将所述电路基板与所述热电堆结构板键合后，所述第一导电互连结构位于所述热电堆结构的上方。
3.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述在所述电路基板上依次形成至少覆盖所述热辐射对应区的热辐射隔离板和热辐射反射板，包括：
形成覆盖所述电路基板的隔离材料层；
形成覆盖所述隔离材料层的反射材料层；
去除所述热辐射对应区外的隔离材料层和反射材料层，以剩余的隔离材料层为热辐射隔离板，以剩余的反射材料层为热辐射反射板。
4.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述在所述电路基板上依次形成至少覆盖所述热辐射对应区的热辐射隔离板和热辐射反射板，包括：
形成覆盖所述电路基板的介质材料层；
去除所述热辐射对应区内的介质材料层，形成隔离沟槽，以剩余的介质材料层作为第一介质层；
依次形成保形覆盖所述第一介质层和所述隔离沟槽的隔离材料层和反射材料层，所述反射材料层位于所述隔离材料层上方；
去除所述隔离沟槽外的隔离材料层和反射材料层，以剩余的隔离材料层为热辐射隔离板，以剩余的反射材料层为热辐射反射板。
5.如权利要求1-4任一项所述的制作方法，其特征在于，所述热辐射隔离板和所述热辐射反射板之间还形成有第一钝化层。
6.如权利要求1-4任一项所述的制作方法，其特征在于，所述在所述电路基板上依次形成至少覆盖所述热辐射对应区的热辐射隔离板和热辐射反射板之后，所述在所述热辐射反射板上形成牺牲结构之前，还包括：
形成覆盖所述热辐射反射板的第二钝化层，所述第二钝化层的表面为平面。
7.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述在所述热辐射反射板上形成牺牲结构，包括：
形成完全覆盖所述电路基板具有所述热辐射隔离板一侧的牺牲材料层；
去除所述热辐射对应区外的牺牲材料层，以剩余的所述牺牲材料层为牺牲结构。
8.如权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述在所述热辐射反射板上形成牺牲结构，还包括：
形成环绕所述牺牲结构的第三钝化层，所述第三钝化层的表面为平面。
9.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述在所述热辐射反射板上形成牺牲结构，包括：
形成完全覆盖所述电路基板具有所述热辐射隔离板一侧的第三钝化材料层；
刻蚀去除所述热辐射对应区的第三钝化材料层，形成牺牲沟槽，以剩余的第三钝化材料层为第三钝化层；
形成完全填充在所述牺牲沟槽内的牺牲结构。
10.如权利要求1-4任一项所述的制作方法，其特征在于，所述将所述热电堆结构板键合在所述电路基板上之后，所述热辐射反射板与所述热电堆结构之间的垂直距离为红外辐射的波长的1/4的奇数倍。
11.如权利要求1-4任一项所述的热电堆传感器的制作方法，其特征在于，提供所述热电堆结构板的步骤包括：
提供第一基底，所述第一基底的表面上形成有半导体层；
对所述半导体层的部分区域进行N型和/或P型离子掺杂，以形成N型掺杂区和/或P型掺杂区，作为所述热电堆结构。
12.如权利要求11所述的制作方法，其特征在于，所述将所述热电堆结构板键合在所述电路基板上之后，所述去除所述牺牲结构之前，还包括：
去除所述第一基底。
13.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述电路基板中形成有读出互连结构，所述将所述热电堆结构板键合在所述电路基板上之后，还包括：
形成第二导电互连结构于所述热辐射感应区外围的所述热电堆结构板上，所述第二导电互连结构电连接所述第一导电互连结构和所述读出互连结构。
14.如权利要求13所述的制作方法，其特征在于，所述第二导电互连结构包括：
第一插塞，所述第一插塞贯穿所述热电堆结构板且底端与所述读出互连结构电性连接；
第二插塞，所述第二插塞的底端与所述热电堆结构电性连接；
插塞互连线，位于所述热电堆结构板上，所述插塞互连线连接所述第一插塞和所述第二插塞。
15.如权利要求13所述的制作方法，其特征在于，所述第二导电互连结构包括：
第一插塞，所述第一插塞贯穿所述热电堆结构板且底端与所述读出互连结构电性连接；
电路基板第二子插塞，与所述读出互连结构电性连接；
热电堆第二子插塞，与所述热电堆结构电性连接，待所述电路基板与所述热电堆结构键合之后，所述热电堆第二子插塞与所述电路基板第二子插塞电性连接。
16.如权利要求13所述的热电堆传感器的制作方法，其特征在于，所述第二导电互连结构包括：
电路基板第一子插塞，与所述读出互连结构电性连接；
电路基板第二子插塞，与所述读出互连结构电性连接；
热电堆第一子插塞，所述热电堆第一子插塞贯穿所述热电堆结构板；
热电堆第二子插塞，所述热电堆第二子插塞与所述热电堆结构电性连接；
待所述电路基板与所述热电堆结构板键合之后，所述热电堆第二子插塞与所述电路基板第二子插塞电性连接，所述热电堆第一子插塞与所述电路基板第一子插塞电性连接。
17.如权利要求1-4任一项所述的制作方法，其特征在于，所述牺牲结构的材料包括锗和无定型碳中的至少一种。
18.如权利要求1-4任一项所述的制作方法，其特征在于，所述热辐射反射板的材料为导电材料和/或光子晶体材料，所述导电材料为金属材料、金属硅化物材料、半导体材料中的一种或多种；所述热辐射隔离板的材料为金属材料。
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