CN112563402A - 一种悬桥结构热电堆器件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种悬桥结构热电堆器件的制作方法。制作方法：在半导体衬底的正面依次沉积多层隔离材料，形成堆叠隔离层；在堆叠隔离层表面形成多晶硅层，然后光刻图形化，得到多个多晶硅热电偶；在热电偶上方沉积氧化硅膜，并光刻图形化，形成电极接触孔；在电极接触孔内沉积导电金属，并图形化，然后在金属上方覆盖红外吸收层，之后图形化刻蚀至半导体衬底，打通正面悬桥；在半导体衬底的正面方向的表面上形成保护层，然后在半导体衬底的背面沉积氧化硅作为掩膜层，对半导体衬底进行选择性刻蚀，刻蚀至穿透半导体衬底，形成背腔；去除保护层，任选地经过后续工艺得到悬桥结构热电堆器件。本发明工艺简单，为制作悬桥结构的热电堆提供了便利。
Description
技术领域
本发明涉及半导体生产工艺领域，特别涉及一种悬桥结构热电堆器件的制作方法。
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。
为建立热结区与冷结区的有效热传导，需要构建一定的隔热结构，目前主要通过薄膜来实现。应用的薄膜结构有两类，封闭膜结构和悬桥结构。其中封闭膜结构如图1所示，指的是热电堆支撑膜为完整的复合介质膜结构。悬桥结构如图2所示，指周围为气氛介质所包围，一端固定，一端悬空的膜结构。热电堆从隔热效果来说，悬桥更具优势，因为这种膜结构的周围是导热性能很差的气氛介质(如空气)，因此热耗散小、热阻高、隔热效果好，同时吸收的热可以沿着热电偶对的方向作有效传导，故热电转换效率更好，灵敏度高；而对于封闭膜而言，吸收红外辐射后，热量可以沿着介质支撑膜传播，而并不沿着热偶对传播，故热耗散比较大，热电转换效率低，灵敏度小。然而，在器件的工艺制作中，悬桥结构相对于封闭膜结构难度更大，急需研究一种简单的悬桥结构热电堆制作工艺。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种悬桥结构热电堆器件的制作方法，该方法工艺简单，为制作悬桥结构的热电堆提供了便利。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案。
一种悬桥结构热电堆器件的制作方法，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；
在所述半导体衬底的正面依次沉积多层隔离材料，形成堆叠隔离层；
在所述堆叠隔离层表面形成多晶硅层，然后光刻图形化，得到多个多晶硅热电偶；
在热电偶上方沉积氧化硅膜，并光刻图形化，形成电极接触孔；
在所述电极接触孔内沉积导电金属，并图形化，然后在金属上方覆盖红外吸收层，之后在半导体衬底的正面方向图形化刻蚀至所述半导体衬底，打通正面悬桥；
在半导体衬底的正面方向的表面上形成保护层，然后在所述半导体衬底的背面沉积氧化硅作为掩膜层，对所述半导体衬底进行选择性刻蚀，刻蚀至穿透所述半导体衬底，形成背腔；
去除保护层，任选地经过后续工艺得到悬桥结构热电堆器件。
与现有技术相比，本发明通过刻蚀方式打通正面悬桥结构，进一步在正面悬桥结构制作完成后通过保护层(例如光刻胶(PR)或者聚酰亚胺(PI))保护正面悬桥结构，再通过刻蚀工艺进行背面衬底释放，形成背面镂空结构，最后去除保护层打开悬桥，制作出热电堆器件，该方法涉及的工序均为简单操作，降低了悬桥热电堆器件的制作难度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为现有技术提供的封闭膜结构的热电堆器件；
图2为现有技术提供的悬桥结构的热电堆器件；
图3为本发明提供悬桥结构的热电堆器件的俯视图
图4为图3所示热电堆器件的X-X’方向的剖面示意图；
图5至图14为本发明制备图4所示热电堆器件过程不同工序得到的形貌图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
如图3所示的悬桥结构热电堆器件，其包含两个热电偶，每个热电偶采用一个P型多晶硅(polySi)，两个热电偶串联，实际器件中热电偶可以为P型或者N型或者P/N型热偶对，数量≥2。
从该热电堆器件的正面方向看，其边缘拐角处裸露出铝Al电极301作为焊盘(也可以采用铜、钨等其他金属材料)，其他区域表面覆盖了氮化硅，氮化硅下面隐藏有铝Al条304和多晶硅热电偶305，中心区域则为镂空的、打通的正面悬桥结构303，正面悬桥结构303与背面镂空结构有部分交叉重叠，背面镂空结构所在的位置为图中的虚线框处；热电堆器件还设有冷端302和热端306。
以图3的X-X’方向的剖面结构如图4所示，半导体衬底401的正面依次堆叠有氧化硅层402、氮化硅层403和氧化硅层409(图5中示出)，氧化硅层409上设有热电偶406，热电偶上方设有电极接触孔407，电极接触孔407内填充有导电金属，电极接触孔407和热电偶406周围被氧化硅隔离，并且半导体衬底401的正面有正面悬桥408，正面悬桥408打通衬底。半导体衬底401的背面设有背面镂空结构404，背面镂空结构404打通衬底，并且正面悬桥408和背面镂空结构404仅仅有部分区域重叠，半导体衬底401的背面还设有掩膜层405。
本发明采用如下的流程形成图3所示的器件。
第一步，在半导体衬底401的正面形成堆叠隔离层。半导体衬底可以是本领域技术人员熟知的任何用以承载半导体集成电路组成元件的底材，例如绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)、体硅(bulk silicon)、锗、锗硅、砷化镓或者绝缘体上锗等；或者是已经形成其他结构的半导体衬底。堆叠隔离层主要起绝缘作用，常采用ONO叠层结构(即图5中的氧化硅层402、氮化硅层403和氧化硅层409依次堆叠而成)，该结构能实现高的临界电场和低的缺陷密度，具有良好的隔离特性。堆叠隔离层的沉积手段包括但不限于LPCVD、RTCVD或者PECVD。
第二步，在堆叠隔离层表面形成多晶硅层410，得到如图5所示的形貌；然后光刻图形化，得到多个多晶硅热电偶406，如图6所示的形貌。多晶硅层410的形成手段包括但不限于LPCVD、RTCVD或者PECVD等沉积方式，或者键合等非沉积方式。多晶硅的掺杂类型根据热电偶类型(p型或n型)而定，掺杂方式为原位同步掺杂或者异位掺杂等。光刻图形化是为了形成预设数量、形状和位置分布的热电偶，图形形状可以是条形或者圆形等。
第三步，在热电偶406上方沉积氧化硅膜，并光刻图形化，形成电极接触孔407，如图7所示的形貌。氧化硅的淀积方式可以采用LPCVD,RTCVP或者PECVD。电极接触孔407通常需要接触至下方的多晶硅层。
第四步，在所述电极接触孔407内沉积导电金属，并图形化，形成所需的形状，即如图8所示的形貌。
第五步，在金属上方覆盖红外吸收层411，得到如图9所示的形貌，同样任选地经过图形化处理得到所需的形状。以氮化硅红外吸收层为例，其形成方式包括但不限于LPCVD、RTCVD或者PECVD。
第六步，图形化悬桥结构：在半导体衬底的正面方向图形化刻蚀至所述半导体衬底，打通正面悬桥408，得到如图10所示的形貌。这一步的刻蚀优选干法刻蚀，选择合适的刻蚀剂实现对氮化硅/氧化硅的高选择比刻蚀，打通悬桥直至刻蚀到衬底。
第七步、在半导体衬底401的正面方向的表面上形成保护层412，得到如图11所示的形貌。保护层412是为了防止下一步背面刻蚀造成损伤。保护层412选择易去除的材料，例如常见的光刻胶(PR)或聚酰亚胺(PI)，这两种材料适合以下形成方式：先旋涂保护材料，然后在120～200℃下烘烤固化45～120min。
第八步，在半导体衬底401的背面沉积氧化硅作为掩膜层405，图形化，得到如图12所示的形貌。沉积方式包括但不限于LPCVD、RTCVD或者PECVD，沉积氧化硅之后还要图形化该氧化硅以对衬底进行选择性刻蚀，优选采用干法腐蚀刻蚀氧化硅。
第九步，对所述半导体衬底401进行选择性刻蚀。这一步优选分两个阶段进行：先用Bosch工艺(即博世工艺)刻蚀至深度达到半导体衬底厚度的70～95％，得到如图13所示的形貌，然后采用湿法刻蚀至穿透半导体衬底，形成背面镂空结构404，即如图14所示的形貌。如图13所示的形貌Bosch工艺是为了阻止或减弱侧向刻蚀，设法在刻蚀的侧向边壁沉积一层聚合物薄膜的工艺。本发明中Bosch工艺并不将衬底刻蚀到底，可以防止损坏静电卡盘(ESC)。之后的湿法刻蚀优选四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液或KOH溶液刻蚀。
第十步，去除保护层412：采用干法方式或者湿法方式去除，得到如图4所示的形貌。
之后经过清洁、封装等常规工艺完成器件制作。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (10)
1.一种悬桥结构热电堆器件的制作方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；
在所述半导体衬底的正面依次沉积多层隔离材料，形成堆叠隔离层；
在所述堆叠隔离层表面形成多晶硅层，然后光刻图形化，得到多个多晶硅热电偶；
在热电偶上方沉积氧化硅膜，并光刻图形化，形成电极接触孔；
在所述电极接触孔内沉积导电金属，并图形化，然后在金属上方覆盖红外吸收层，之后在半导体衬底的正面方向图形化刻蚀至所述半导体衬底，打通正面悬桥；
在半导体衬底的正面方向的表面上形成保护层，然后在所述半导体衬底的背面沉积氧化硅作为掩膜层，对所述半导体衬底进行选择性刻蚀，刻蚀至穿透所述半导体衬底，形成背腔；
去除保护层，任选地经过后续工艺得到悬桥结构热电堆器件。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述选择性刻蚀包括：
先用Bosch工艺刻蚀至深度达到所述半导体衬底厚度的70～95％，然后采用湿法刻蚀至穿透所述半导体衬底。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述湿法刻蚀采用的刻蚀剂为四甲基氢氧化铵溶液或KOH溶液。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述保护层的材料为光刻胶或聚酰亚胺。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述导电金属为Al。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述堆叠隔离层为氧化硅、氮化硅交替堆叠而成，优选以氧化硅层、氮化硅层和氧化硅层堆叠而成。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述多晶硅为p型掺杂或n型掺杂或二者的混杂，相应地，所述多个热电偶为p型或n型或二者兼有。
8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，打通所述正面悬桥时的刻蚀为干法刻蚀。
9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法中涉及的沉积各自独立地采用LPCVD、RTCVD或者PECVD手段。
10.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述形成保护层的方法：先旋涂保护材料，然后在120～200℃下固化45～120min。
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2020
- 2020-11-12 CN CN202011262952.2A patent/CN112563402A/zh active Pending
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