CN112707365B - 一种mems热电堆芯片器件结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS热电堆芯片器件结构及其制备方法，涉及微电子机械系统制造领域，解决了DRIE背腔刻蚀定义热偶的冷端和热端的尺寸变化误差影响器件参数的问题。本发明包括腐蚀自停止终端层受上下方结构隔断的间隙为内外两个空腔，所述腐蚀自停止终端层的材质在空腔氧化物释放时不参与反应；所述腐蚀自停止终端层圈定冷热端尺寸，两个空腔包括内腔和外腔，内腔对应热端尺寸，外腔对应冷端尺寸。本发明增加冷端的散热面积，提高器件的探测率和响应率，大幅降低支撑膜破膜几率，提高产品良率。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统制造领域，具体涉及一种MEMS热电堆芯片器件结构及其制备方法。
背景技术
热电堆红外探测器广泛的应用于需要温度以及辐射测量的领域，如在国防、医疗、家电、工控、汽车、公共安全等等。热电堆探测器的工作原理基于塞贝克(seebeck)效应：如果两种不同的材料或材料相同逸出功不同的物体A和B，在热结端相连接，热结与冷区间存在温度差△T，那么在冷区的两个梁间就会产生开路电势差△V，亦称温差电效应。热电堆传感器由多个热电偶串接构成，通过叠加各个热电偶上的温差电动势，并根据温差电动势与温度的对应关系，得到待测温度差或者待测温度。为保证测量精度和器件性能，要求对冷端和热端尺寸必须严格控制。
传统的器件结构通过DRIE背腔刻蚀来定义热偶的冷端和热端尺寸，由于以下原因，加工过程中常导致冷端和热端的尺寸变化高达数微米，严重影响器件的探测率、响应率等关键参数。
1、双面光刻对准精度低，通常达1微米以上。
2、背腔DRIE刻蚀(深反应离子刻蚀)通常需要刻蚀400微米以上的硅，DRIE过程中光刻胶损失严重，导致背腔尺寸发生较大变化。
3、背腔DRIE刻蚀工艺在晶圆片内、片间以及批次之间存在变异性，刻蚀形貌的变异性将影响最终背腔形貌和热、冷端的尺寸。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：DRIE背腔刻蚀定义热偶的冷端和热端的尺寸变化误差影响器件参数，本发明提供了解决上述问题的一种MEMS热电堆芯片器件结构及其制备方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种MEMS热电堆芯片器件结构，包括腐蚀自停止终端层和MEMS结构支撑膜，所述腐蚀自停止终端层为氮化硅层，向上连接MEMS结构支撑膜，向下连接热电堆芯片的硅衬底，所述MEMS结构支撑膜包括低应力LP氮化硅，所述腐蚀自停止终端层连通硅衬底用于支持MEMS结构支撑膜；
所述腐蚀自停止终端层受上下方结构隔断的间隙为内外两个空腔，所述腐蚀自停止终端层的材质在空腔氧化物释放时不参与反应；所述腐蚀自停止终端层圈定冷热端尺寸，两个空腔包括内腔和外腔，内腔对应热端尺寸，外腔对应冷端尺寸。
进一步地，两个空腔包括内腔和外腔，所述内外两个空腔内填充有热氧化生长的二氧化硅，当腐蚀自停止终端层下方的硅衬底设置通道时，腐蚀自停止终端层与硅衬底形成的横向隔断式结构用于隔断自硅衬底下方渗入的腐蚀气体对外腔的二氧化硅的腐蚀作用。
进一步地，所述腐蚀自停止终端层为框形或圆形。
一种MEMS热电堆芯片衬底结构，所述衬底结构向上连接牺牲层，所述衬底结构用于支持MEMS热电堆芯片，所述衬底结构为多通孔形状，多个通孔纵向分布，通孔半开孔截止于牺牲层，所述牺牲层为热氧化生长二氧化硅层，所述通孔为气体或液体通道。
一种MEMS热电堆芯片结构，所述通孔用于导通气态氟化氢进入内腔腐蚀热氧化生长的二氧化硅，所述腐蚀自停止终端层阻挡气态氟化氢进入外腔，其中内腔内的二氧化硅用于被气态氟化氢释放，外腔内的二氧化硅用于作为冷端的导热介质。
一种MEMS热电堆芯片结构的制备方法，包括如下步骤：
A、在衬底上构建腐蚀自停止终端层；
B、在腐蚀自停止终端层所在平面层填充二氧化硅，形成腐蚀自停止终端层横向包覆的牺牲层，牺牲层内为二氧化硅，并在上制备氮化硅层，在向上制备热偶层、绝缘层、热偶层、氮化硅层；
C、刻蚀衬底，形成纵向通孔通道，包括多个通孔，通孔纵向端部刻蚀截止到牺牲层，衬底的横向通孔位置限位在腐蚀自停止终端层内：
D、自衬底侧释放气态氟化氢腐蚀内腔二氧化硅，得到MEMS热电堆芯片结构。
首先本发明采用的多通孔设计，有效增加器件的衬底投影面积，使得衬底的着附位置接触更充分，代替传统工艺进行热电偶处理时的大背腔设计，即大面积刻蚀一圈中心位置的衬底，形成的大通道，通过多孔代替单孔设计，同时，减小大背腔的曲径，形成符合力学的多点支持，合理保护支撑膜，采用腐蚀自停止技术，能够完全消除背腔工艺对热电偶冷端和热端尺寸的影响，确保器件性能和参数一致性，即设计多通孔的DRIE刻蚀位置局限于腐蚀自停止终端层内，防止产生导穿外腔的通孔，避免腐蚀外腔内的二氧化硅，影响器件结构及冷端散热；
同时，采用多通孔结构代替大背腔，一方面能够增加冷端的散热面积，提高器件的探测率和响应率，另一方面能大幅降低支撑膜破膜几率，提高产品良率。
通孔的设计也便于气态氟化氢充分释放，而腐蚀自停止终端层的材质不利于与气态氟化氢反应，解决了在腐蚀过程产生外腔损坏的问题。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明实现了热偶冷端和热端的精确控制，增加冷端的散热面积，提高器件的探测率和响应率，大幅降低支撑膜破膜几率，提高产品良率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为传统MEMS热电堆器件截面图。
图2为本发明的MEMS热电堆器件截面图。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
本发明详细实施结构；
实施例1：如图2所示，包括腐蚀自停止终端层和MEMS结构支撑膜，所述腐蚀自停止终端层为氮化硅层，向上连接MEMS结构支撑膜，向下连接热电堆芯片的硅衬底，所述MEMS结构支撑膜包括低应力LP氮化硅，所述腐蚀自停止终端层连通硅衬底用于支持MEMS结构支撑膜，所述腐蚀自停止终端层受上下方结构隔断的间隙为内外两个空腔，所述腐蚀自停止终端层的材质在空腔氧化物释放时不参与反应；两个空腔包括内腔和外腔，所述内外两个空腔内填充有热氧化生长的二氧化硅，当腐蚀自停止终端层下方的硅衬底设置通道时，腐蚀自停止终端层与硅衬底形成的横向隔断式结构用于隔断自硅衬底下方渗入的腐蚀气体对外腔的二氧化硅的腐蚀作用，所述腐蚀自停止终端层为框形或圆形。
所述衬底结构向上连接牺牲层，所述衬底结构用于支持MEMS热电堆芯片，所述衬底结构为多通孔形状，多个通孔纵向分布，通孔半开孔截止于牺牲层，所述牺牲层为热氧化生长二氧化硅层，所述通孔为气体或液体通道。
所述通孔用于导通气态氟化氢进入内腔腐蚀热氧化生长的二氧化硅，所述腐蚀自停止终端层阻挡气态氟化氢进入外腔。
实施例2，实施例1的制备工艺详细为：
步骤1，采用LPCVD于硅衬底上生长低应力LPSIN薄膜，LPSIN为低应力氮化硅，选用的硅衬底可以是单晶硅基底、P型掺杂硅基底或N型掺杂硅基底中的一种，LPCVD为低压化学气相淀积方法。
步骤2，光刻、刻蚀LPSIN，形成环形或方形的腐蚀自停止终端层，腐蚀自停止终端层作为自硅衬底侧即背腔侧用VHF腐蚀的自停止介质层，这里的VHF为气态氟化氢，腐蚀自停止终端层用于精确定义冷热端尺寸；
步骤3，在光刻、刻蚀后的LPSIN位置，热氧化生长二氧化硅，即填充被光刻、刻蚀的LPSIN部分，具体的，也可以采用热氧生长的氧化硅、等离子体增强化学气相淀积方法沉积的无掺杂氧化硅(USG)、掺磷的氧化硅(PSG)或掺有硼磷的氧化硅(BPSG)，然后再去除终端层LPSIN表面的氧化物。较佳的，在本实施例中采用热氧化生长二氧化硅，避免后续去除LPSIN表面氧化物的繁冗步骤，降低了工艺复杂度。
步骤4，在衬底上生长低应力LPSIN、或者氧化硅与氮化硅的组合,作为MEMS结构支撑膜。这里通常都是采用低应力LPSIN薄膜，如果应力匹配的不好，也可以采用低应力LPSIN和氧化硅的复合膜。但低应力LPSIN薄膜是作为必选材料，配合本实施例的其他操作使用，其次作为应力匹配的优质材料。
步骤5，偶多晶淀积、注入、退火。在支撑膜上形成第一导电层，该第一导电层末端为第一电极。
优选地，所述第一导电层是通过低压气相淀积工艺而形成的多晶硅，并且还利用了注入或者扩散工艺对该多晶硅进行了掺杂。第一导电层的材料可以是多晶硅/金属，一般都选多晶，N型或P型、掺杂硅/铝、N型多晶硅/P型多晶硅等导电材料。
步骤6，对热偶多晶进行光刻、刻蚀即第一导电层进行光刻、刻蚀；
步骤7，ILD氧化硅淀积。在第一导电层上淀积形成绝缘层。绝缘层是以低压化学气相淀积工艺或者等离子化学气相淀积工艺而形成的氧化硅、氮化硅、或者氧化硅与氮化硅的组合，一般采用氧化硅，ILD为层间介质。
步骤8，接触孔光刻、刻蚀，接触孔为第一导电层与第二导电层的连接孔。
步骤9，热偶金属淀积。在绝缘层上形成第二导电层，并对第二导电层进行光刻及刻蚀，该第二导电层末端为第二电极。第一导电层与第二导电层是由不同的导电材料所制成的。热电堆是由与CMOS工艺相兼容的材料制成，所述第二导电层可以是通过蒸发或者溅射形成的金属，也可以是通过低压气相淀积(LPCVD)工艺而形成的掺杂多晶硅。
步骤10，热偶金属光刻、刻蚀。
步骤11，低应力钝化层PE氮化硅淀积、光刻、刻蚀。在第二导电层上淀积形成覆盖在第二导电层上的钝化层。优选地，钝化层是以等离子化学气相淀积工艺而形成的氮化硅、或者氧化硅与氮化硅的组合。
步骤12，背面减薄、背面通孔光刻及DRIE刻蚀。采用多通孔设计代替传统大背腔，DRIE刻蚀停止于热氧层。
步骤13，VHF结构释放，腐蚀自停止于氮化硅终端环，形成最终器件结构。采用VHF(气态氟化氢)对芯片进行释放，VHF对氧化硅有很高的腐蚀速率，而对氮化硅和金属几乎不发生反应。也可以采用液态氢氟酸，为避免腐蚀正面金属，晶圆正面需要采用光刻胶保护，结构释放完成后再做去胶处理。
采用上述加工工艺实现的效果如下：该技术方案采用全新的器件结构，增加腐蚀自停止技术，实现了热偶冷端和热端尺寸的精准控制，消除了双面光刻对准以及DRIE形貌对产品的影响，并且工艺窗口足够大，能够充分保证器件性能和参数一致性。同时，采用多通孔结构替换大背腔，一方面能够增加冷端的散热面积，提高器件的探测率和响应率，另一方面能大幅降低支撑膜破膜几率，提高产品良率；关于工艺窗口：双面光刻和DRIE的工艺窗口，就算工艺偏差很大，也不会影响热偶冷热端尺寸，这里的冷端与硅衬底直接相连，增加冷端散热面积，而热端悬空，关于支撑膜，应力不匹配是支撑膜破膜的主要原因，其次薄膜的强度不够也容易发生破膜。相对于传统大背腔，多通孔结构本质上也是整个器件的支撑结构，因而能有效的降低破膜几率。
以上所述的具体实施方式，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，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (3)
1.一种MEMS热电堆芯片器件结构，其特征在于，包括腐蚀自停止终端层和MEMS结构支撑膜，所述腐蚀自停止终端层为氮化硅层，向上连接MEMS结构支撑膜，向下连接热电堆芯片的硅衬底，所述MEMS结构支撑膜包括低应力LP氮化硅，所述腐蚀自停止终端层连通硅衬底用于支持MEMS结构支撑膜；所述腐蚀自停止终端层受上下方结构隔断的间隙为内外两个空腔，所述腐蚀自停止终端层的材质在空腔氧化物释放时不参与反应；所述腐蚀自停止终端层圈定冷热端尺寸，两个空腔包括内腔和外腔，内腔对应热端尺寸，外腔对应冷端尺寸；
所述内外两个空腔内填充有热氧化生长的二氧化硅，当腐蚀自停止终端层下方的硅衬底设置通道时，腐蚀自停止终端层与硅衬底形成的横向隔断式结构用于隔断自硅衬底下方渗入的腐蚀气体对外腔的二氧化硅的腐蚀作用；
所述MEMS热电堆芯片器件结构采用以下方式获得，该方式包括如下步骤：
A、在衬底上构建腐蚀自停止终端层；
B、在腐蚀自停止终端层所在平面层填充二氧化硅，形成腐蚀自停止终端层横向包覆的
牺牲层，牺牲层内为二氧化硅，并在上制备氮化硅层，在向上制备热偶层、绝缘层、热偶层、氮化硅层；
C、刻蚀衬底，形成纵向通孔通道，包括多个通孔，通孔纵向端部刻蚀截止到牺牲层，衬底的横向通孔位置限位在腐蚀自停止终端层内：
D、自衬底侧释放气态氟化氢腐蚀内腔二氧化硅，得到MEMS热电堆芯片器件结构。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS热电堆芯片器件结构，其特征在于，所述腐蚀自停止终端层为框形或圆形。
3.一种MEMS热电堆芯片衬底结构，应用于权利要求1或2所述的MEMS热电堆芯片器件结构，其特征在于，所述衬底结构向上连接牺牲层，所述衬底结构用于支持MEMS热电堆芯片，所述衬底结构为多通孔形状，多个通孔纵向分布，通孔半开孔截止于牺牲层，所述牺牲层为热氧化生长二氧化硅层，所述通孔为气体或液体通道；
所述通孔用于导通气态氟化氢进入内腔腐蚀热氧化生长的二氧化硅，所述腐蚀自停止终端层阻挡气态氟化氢进入外腔，其中内腔内的二氧化硅用于被气态氟化氢释放，外腔内的二氧化硅用于作为冷端的导热介质。
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