CN1205671C

CN1205671C - 硅基薄膜晶体管室温红外探测器

Info

Publication number: CN1205671C
Application number: CN 02148647
Authority: CN
Inventors: 刘理天; 董良; 岳瑞峰
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2022-11-15
Also published as: CN1405892A

Abstract

硅基薄膜晶体管室温红外探测器属于单片集成式红外探测器技术领域，其特征在于：它是一种用薄膜晶体管作为热敏感元件且采用倒置参差结构的室温红外探测器，它含有：做在悬空微桥的桥面上用作热敏感元件的薄膜晶体管，做在选择性地在硅衬底的部分区域形成的一层多孔硅层上用作参考元件的薄膜晶体管，做在衬底上的信号检测IC电路。该悬空微桥是通过把热敏感元件薄膜晶体管下方的多孔硅腐蚀掏空而形成的。当参考元件下方的多孔硅层的厚度为6μm，电流偏置工作时间小于5μs时，差分电路抵消了自热升温和环境温度变化引起的输出温漂；参考元件中受红外辐射引起的平衡态升温仅是热敏元件的1/60，即采用参考元件削弱热敏感元件的探测响应率仅不到2%。

Description

硅基薄膜晶体管室温红外探测器

技术领域

硅基薄膜晶体管室温红外探测器属于单片集成式红外探测器技术领域。

背景技术

红外探测器能将不可见的红外辐射功率或能量转换成可测量的信号，在夜视成像、工业自动化监控、工业设备故障查找、医学上的乳腺癌、风湿性关节炎等疾病的早期检查中有独特的优势。室温红外探测器不需要价格昂贵、体积大的制冷装置，硅基室温红外探测器使用光刻技术能精确控制图形和尺寸，工艺上有很大的重复性，易于批量生产，又可与IC集成构成微系统，能方便地实现小型化、低成本和高性能的红外探测系统。已经出现了很多种采用不同探测原理、不同热敏感元件的室温红外探测器。热释电型室温红外探测器利用了铁电材料薄膜的表面电荷随温度会发生变化，由于制备性能优良的铁电薄膜比较困难，与标准IC工艺不兼容，并且需要斩波器对入射红外辐射进行调制，不利于系统的集成。热敏电阻型室温红外探测器利用了热敏薄膜的电阻值随温度会发生变化，常用材料有钛(Ti)、铂(Pt)、多晶硅(poly-Si)、多晶硅锗(poly-SiGe)、碳化硅(SiC_x)、氧化钒(VO_x)和非晶硅(a-Si)。VO_x不是IC工艺中的常规材料；Poly-Si、Poly-SiGe、SiC_x的制备温度或退火温度都高于IC电路中铝Al布线的合金温度(400℃)；Ti和Pt的电阻温度系数(TCR)过小；因此，采用这些材料制作室温红外探测器的热敏感元件，很难实现单片集成同时获得有高探测性能。

同时，目前室温红外探测器中的热敏感元件仅仅起到了探测信号的作用，没有将信号放大，通常红外辐射功率只有几十nW，直接产生的信号输出电压只有几十μV，信号处理较困难。如果热敏感元件兼备传感和放大作用，将减轻后端信号处理的负担。

室温红外探测器的自热效应指的是热敏感元件因自身功耗散热引起了器件的升温，该升温通常与由红外辐射产生的升温相当或更高，因此Johnson噪声(热噪声)很大，这就要求信号放大器的动态输入范围加大，从而引入了更大的噪声带宽，造成电噪声增大，抵消了部分响应增益。采用脉冲偏置电压可以部分改善自热问题，但随着探测器的阵列元数的增多，要求采样脉冲精度提高和偏置脉冲宽度降低又会在技术上带来一些困难；采用设置参考元件，并使红外只辐射热敏感元件而屏蔽参考元件，虽然可以解决自热问题，但提高了封装的要求，提高了成本。如果采用片内补偿自热效应，将简化工艺，降低成本。

发明内容

本发明提出一种灵敏度高，用薄膜晶体管作为热敏感元件的单片集成硅基室温红外探测器。用薄膜晶体管作为热敏感元件探测红外辐射功率的基本原理是：薄膜晶体管工作在饱和区，受一定功率红外辐射后，它的工作温度升高，沟道载流子迁移率和阈值电压都发生变化，两者的变化趋势共同促使沟道电流增大，因此薄膜晶体管中沟道电流随温度的变化量很大，沟道电流的变化量可以看作是由栅-源间一定电压小信号引起的，将薄膜晶体管作为信号检测电路的输入晶体管，具有放大小信号的功能。通过检测沟道电流的变化量，就可探测到相应红外辐射功率的大小。

本发明的特征在于：它是一种用薄膜晶体管作为热敏感元件且采用倒置参差结构的单片集成式硅基薄膜晶体管室温红外探测器，它含有：硅衬底；悬浮于硅衬底上方且用支撑臂支撑的薄膜微桥；制作在薄膜微桥桥面上用作热敏感元件的薄膜晶体管，含有：依次层叠地制作在薄膜微桥上的栅电极，栅介质层，非晶硅有源区，位于非晶硅有源区两侧的接触，一端分别制作在栅介质层上同时又层叠在接触层上和非晶硅有源区外侧的漏电极和源电极，以及兼作红外吸收层的钝化层；由用作热敏感元件的薄膜晶体管和与其相连的MOS晶体管门开关组成的热敏感元件阵列；做在选择性地在硅衬底的部分区域形成的一层多孔硅层上的用作参考元件的薄膜晶体管，该用作参考元件的薄膜晶体管在结构、尺寸和电学特性上与用作热敏感元件的薄膜晶体管是完全一样的；做在硅衬底上且经薄膜微桥的支撑臂和用作热敏感元件的薄膜晶体管相连的测量用的外围集成电路，该外围集成电路由阵列扫描和信号处理电路组成。薄膜晶体管热敏感元件阵列与测量用的外围集成电路实现单片集成，形成室温红外成像系统的焦平面阵列。所述的薄膜微桥由多层SiO₂，Si₃N₄薄膜组成。

实验证明：它达到了预期目的。

附图说明

图1.倒置参差结构的薄膜晶体管室温红外探测元件结构图。

图2.薄膜微桥上的热敏感元件结构图：

2a.薄膜微桥示意图；

2b.薄膜微桥上的热敏元件结构图。

图3.多孔硅上的参考元件结构图：

3a.多孔硅层俯视图；

3b.多孔硅层上的参考元件结构图。

图4.信号检测电路原理图。

图5.硅基薄膜晶体管室温红外探测器结构图。

图6.室温红外成像系统的焦平面阵列电路示意图

图7.硅基薄膜晶体管室温红外探测器的工艺流程。

具体实施方式

薄膜晶体管采用倒置参差(inverted staggered)结构，结构如图1所示，栅电极1位于栅介质层2的下方，兼作反射镜面，源、漏电极3、4位于有源区的上方，钝化层5兼作红外吸收层，这种结构使入射红外线被钝化层5部分吸收后，未吸收部分在栅电极1处反射，可被钝化层5再次吸收，提高了薄膜晶体管吸收红外辐射的能力。该薄膜晶体管制作在悬浮于硅衬底8上方、用支撑臂7支撑的薄膜微桥6上，9是掏空槽，栅、源和漏电极1，3，4分别经支撑臂7与硅衬底8中集成电路电互连，微桥结构如图2所示，其中，10是空腔，11是非晶硅有源区，12是接触层；这样，微桥6上由红外辐射产生的热能仅通过支撑臂7流入硅衬底8，减小了热能损失，提高了薄膜晶体管将红外吸收引起的热能转化为升温的能力，从而增大沟道电流的变化量。

环境温度变化会引起薄膜晶体管的沟道电流变化，造成不同环境温度下系统的温漂；薄膜晶体管工作时需要偏置电流，它的自热功耗会产生升温，造成热噪声电压和噪声带宽加大，分辨率降低。为解决上述两个问题，设计了另一个薄膜晶体管作为参考元件，来消除上述两个影响的因素，参考元件的结构、尺寸和电学特性与用作热敏感元件的薄膜晶体管完全一样，不做在微桥上，而是做在一层一定厚度的多孔硅层13上。结构如图3所示，14是支撑薄膜。其中，多孔硅的热导率较低，作为热隔离层。

信号检测电路如图4所示。热敏感元件TFT1和参考元件TFT2分别作为四臂差分电桥电路的两臂，两个完全相同的耗尽型NMOS有源负载分别作为另外两臂，采用脉冲电压V_dd供电，两路偏置电流相同，均为I₀。当它们受到红外辐射并达到热平衡时，由于热敏感元件的热导比参考元件的的热导小的多，所以热敏感元件的升温ΔT₁远远大于参考元件的升温ΔT₂，即ΔT₁＞＞ΔT₂；信号检测电路工作时，热敏感元件中的沟道电流为I₁，它包含了三部分：偏置电流I₀，吸收红外引起的电流增量ΔI_1a，自热引起的电流增量ΔI_1b；参考元件中的沟道电流为I₂，同样是有上述三部分组成，分别为I₀，ΔI_2a，ΔI_2b，其中ΔI_1a＞＞ΔI_2a。当制作一定厚度的多孔硅层14时，参考元件和热敏感元件在几微秒信号检测时间内的自热功耗所引起的升温相等，使ΔI_1b＝ΔI_2b。由于ΔI_1a＞＞ΔI_2a，I₁-I₂＝ΔI_1a-ΔI_2a≈ΔI_1a，所以，由吸收红外引起的电流增量ΔI_1a反映了红外辐射功率的大小，并以差分电压的形式输出，抵消了自热升温和环境温度变化引起的输出温漂。

图5是硅基薄膜晶体管室温红外探测器的结构，15是场氧化层，N⁺是MOS晶体管的源漏接触区域，MOS晶体管门开关和用作热敏元件的薄膜晶体管一起组成了热敏感元件阵列的一个单元。用作热敏感元件的薄膜晶体管做在悬空薄膜微桥6的桥面上，61是SiO₂薄膜，62是Si₃N₄薄膜，63是SiO₂薄膜，用作参考元件的薄膜晶体管做在一层多孔硅层13上，信号检测IC电路做在硅衬底8上。选择性地在硅衬底8的部分区域形成多孔硅13，多孔硅13上方制作薄膜晶体管，热敏元件薄膜晶体管下方的多孔硅8被腐蚀掏空，形成悬空的薄膜微桥6结构；参考元件薄膜晶体管下方的多孔硅13则保留。有限元分析表明，当参考元件下方的多孔硅层13的厚度为6μm，电流偏置工作时间小于5μs时，参考元件中因自热功耗产生的升温与热敏元件中的基本相等，差分电路抵消了自热升温和环境温度变化引起的输出温漂；参考元件中受红外辐射引起的平衡态升温仅是热敏元件的1/60，即采用参考元件削弱热敏感元件的探测响应率仅不到2％。

热敏感元件阵列由用作热敏感元件的薄膜晶体管及与其每个薄膜晶体管相连的MOS晶体管门开关组成，测量用的外围集成电路由阵列扫描和信号处理电路组成。这样，薄膜晶体管热敏感元件阵列与测量用的外围集成电路实现单片集成，可形成室温红外成像系统的焦平面阵列，图6为其电路结构示意图。

图7是硅基薄膜晶体管室温红外探测器的工艺流程：

(a)采用p型双抛硅片，利用离子注入及阳极氧化在硅片选择性地形成约6μm厚的多孔硅。

(b)用SiO₂及Si₃N₄作为MOS晶体管有源区保护层，在有源区与多孔硅以外区域热生长1μm厚的场氧化层。

(c)用常规的集成电路工艺在有源区制作出硅栅MOS集成电路，其中MOS晶体管的沟道长度为3μm，栅介质层厚度为50nm。

(d)利用溅射、等离子体增强化学气相淀积(PECVD)工艺方法在多孔硅区域上方制作铝栅倒置参差结构的非晶硅薄膜晶体管(TFT)，其中栅的厚度为600nm。

(e)用铝制作薄膜晶体管以及集成电路的引线和电极，其中铝的厚度为1μm。

(f)在铝引线层外淀积氮氧化硅(SiO_xN_y)钝化层，并开出多孔硅牺牲层的腐蚀孔。

(g)将硅片浸入四甲基氢氧化胺(TMAH)腐蚀液中，释放多孔硅牺牲层，形成薄膜晶体管下面的悬浮薄膜微桥结构。

Claims

1.硅基薄膜晶体管室温红外探测器，含有室温热敏感元件，其特征在于，它是一种用薄膜晶体管作为热敏感元件且采用倒置参差结构的单片集成式硅基薄膜晶体管室温红外探测器，它含有：硅衬底；悬浮于硅衬底上方且用支撑臂支撑的薄膜微桥；制作在薄膜微桥桥面上用作热敏感元件的薄膜晶体管，以及由其组成的热敏感元件阵列；选择性地在硅衬底的部分区域上形成的多孔硅层；制作在所述多孔硅上用作参考元件的薄膜晶体管；测量用的外围集成电路。

2.根据权利要求1所述的硅基薄膜晶体管室温红外探测器，其特征在于：所述的用作热敏感元件的薄膜晶体管由依次层叠地制作在薄膜微桥上的栅电极，栅介质层，非晶硅有源区，位于非晶硅有源区两侧的接触层，一端分别制作在栅介质层上同时又层叠在接触层上和非晶硅有源区外侧的漏电极和源电极组成。

3.根据权利要求1所述的硅基薄膜晶体管室温红外探测器，其特征在于：所述的用作热敏感元件的薄膜晶体管上方制作了具有红外吸收作用的钝化层。

4.根据权利要求1所述的硅基薄膜晶体管室温红外探测器，其特征在于：所述的用作热敏感元件的薄膜晶体管及与其每个薄膜晶体管相连的MOS晶体管门开关组成了热敏感元件阵列。

5.根据权利要求1所述的硅基薄膜晶体管室温红外探测器，其特征在于：所述的用作参考元件的薄膜晶体管做在选择性地在硅衬底的部分区域形成的一层多孔硅层上，该薄膜晶体管在结构、尺寸和电学特性上与用作热敏元件的薄膜晶体管是完全一样的。

6.根据权利要求1所述的硅基薄膜晶体管室温红外探测器，其特征在于：所述的薄膜微桥由多层SiO₂，Si₃N₄薄膜组成，其悬空地支撑住上面的用作热敏感元件的薄膜晶体管。

7.根据权利要求1所述的硅基薄膜晶体管室温红外探测器，其特征在于：所述的测量用的外围集成电路由阵列扫描和信号处理电路组成，其做在硅衬底上且经薄膜微桥的支撑臂和用作热敏感元件的薄膜晶体管相连。