CN102479879A - 非晶硅热敏薄膜及非制冷非晶硅微测辐射热计的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对现有技术中在制备非制冷红外探测器中的热敏薄膜的过程中，PECVD方法的工艺窗口狭窄、形成热敏薄膜的过程中易导致工艺波动的缺陷，提供了一种非晶硅热敏薄膜的制备方法以及非制冷非晶硅微测辐射热计的制备方法，能够提供宽的工艺窗口并克服热敏薄膜制备过程中的工艺波动。一种非晶硅热敏薄膜的制备方法，该方法包括：将晶圆放入等离子增强化学气相淀积反应腔中，对所述晶圆进行本征非晶硅薄膜淀积；对淀积后的本征非晶硅薄膜进行注入掺杂。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种非晶硅热敏薄膜以及非制冷非晶硅微测辐射热计的制备方法。
背景技术
非制冷红外探测器由于无需制冷装置，因而提高了红外***的便携性、降低了功耗，所以已经广泛应用于通信、医学、军事和工业等领域中。非制冷红外探测器是利用探测元件吸收入射红外辐射而产生热、造成温度变化，并借助各种物理效应把温度变化转换成电信号的原理而制成的器件。作为感知红外辐射与输出信号之间的桥梁，敏感元件是非制冷红外探测器的核心部件。利用热敏薄膜的热电特性来测量红外辐射是目前的主要方法之一。因此，研究温度灵敏度高、制备方法与常规IC工艺相兼容的热敏薄膜材料是实现低成本高性能非制冷红外探测器的关键。
非晶硅薄膜由于具有高光敏性、较高的电阻温度系数(TCR)、可以大面积低温成膜、与常规IC工艺相兼容等优点，而被广泛地应用于半导体领域。从非制冷红外探测器的基本原理可知，非晶硅薄膜的TCR越高，非制冷红外探测器的灵敏度越高；而非晶硅薄膜的温度系数随着电阻率的增加而单调增大。另一方面，非晶硅薄膜的热噪声电压与电阻率的平方根成正比，即电阻率越大引入的噪声就越大。可见，要制备性能优良的红外探测器，需要在非晶硅薄膜的温度系数和电阻率之间进行折中。
正是由于非晶硅薄膜的性能极大地影响非制冷红外探测器的最终性能，其制备方法一直备受关注。一种传统的非晶硅热敏薄膜的制备方法是采用等离子增强化学气相淀积(PECVD)，即在薄膜生长的同时，通过精确控制掺杂气源(BH3或PH3)的气体流量，最终获得统一均匀的具有所需电学性能的非晶硅薄膜。所得到的薄膜厚度通常为
电阻率在100Ω·cm左右。但是非晶硅薄膜的电学性质对掺杂条件十分敏感，因此这种方法的工艺窗口十分狭窄，很容易在薄膜加工过程中产生工艺波动，使非晶硅薄膜的电阻温度系数和电阻率两者不能兼顾，从而引起非制冷红外探测器性能的差异。
发明内容
本发明针对现有技术中在制备非制冷红外探测器中的热敏薄膜的过程中，PECVD方法的工艺窗口狭窄、形成热敏薄膜的过程中易导致工艺波动的缺陷，提供了一种非晶硅热敏薄膜的制备方法以及非制冷非晶硅微测辐射热计的制备方法，能够提供宽的工艺窗口并克服热敏薄膜制备过程中的工艺波动。
根据本发明的一个方面，提供了一种非晶硅热敏薄膜的制备方法，该方法包括：
将晶圆放入等离子增强化学气相淀积反应腔中，对所述晶圆进行本征非晶硅薄膜淀积；
对淀积后的所述本征非晶硅薄膜进行注入掺杂。
根据本发明的另一方面，提供了一种非制冷非晶硅微测辐射热计的制备方法，该非制冷非晶硅微测辐射热计包括读出电路，该方法包括：
在所述读出电路上淀积并图形化反射层；
在所述反射层上形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成非晶硅薄膜；
在所述非晶硅薄膜上形成吸收层；
刻蚀通孔，使得所述通孔从所述吸收层的顶部贯穿至所述读出电路的引脚；
在所述通孔中淀积金属；以及
去除所述牺牲层；
其中在所述牺牲层上形成非晶硅薄膜的步骤包括：将形成了所述牺牲层之后的晶圆放入等离子增强化学气相淀积反应腔中，在所述牺牲层上进行本征非晶硅薄膜淀积；以及对淀积后的所述本征非晶硅薄膜进行注入掺杂。
本发明提供的制备方法中，首先通过PECVD淀积本征非晶硅薄膜，然后通过注入掺杂的方式向之前获得的本征非晶硅薄膜中注入杂质，而不是像现有技术那样，将非晶硅薄膜的生长与杂质掺杂同时进行，所以本发明提供的制备方法可控性好，增加了工艺可靠性，扩大了工艺窗口，避免了工艺波动引起的产品性能下降。
附图说明
图1是本发明热敏薄膜的制备方法；
图2是本发明非制冷非晶硅微测辐射热计的制备方法；
图3为本发明制备的非晶硅热敏薄膜的杂质分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供的非晶硅热敏薄膜的制备方法包括：
S11、将晶圆放入等离子增强化学气相淀积反应腔中，对所述晶圆进行本征非晶硅薄膜淀积；
S12、对淀积后的所述本征非晶硅薄膜进行注入掺杂。
如图2所示，本发明提供了一种非制冷非晶硅微测辐射热计的制备方法，该非制冷非晶硅微测辐射热计包括读出电路，该方法包括：
S21、在所述读出电路上淀积并图形化反射层；
S22、在所述反射层上形成牺牲层；
S23、在所述牺牲层上形成非晶硅薄膜，其中该步骤包括：将形成了所述牺牲层之后的晶圆放入等离子增强化学气相淀积反应腔中，在所述牺牲层上进行本征非晶硅薄膜淀积，以及对淀积后的所述本征非晶硅薄膜进行注入掺杂；
S24、在所述非晶硅薄膜上形成吸收层；
S25、刻蚀通孔，使得所述通孔从所述吸收层的顶部贯穿至所述读出电路的引脚；
S26、在所述通孔中淀积金属；以及
S27、去除所述牺牲层。
本发明提供的制备方法中，首先通过PECVD淀积本征非晶硅薄膜，然后通过注入掺杂的方式向之前获得的本征非晶硅薄膜中注入杂质，而不是像现有技术那样，将非晶硅薄膜的生长与杂质掺杂同时进行，所以本发明提供的制备方法可控性好，增加了工艺可靠性，扩大了工艺窗口(即降低了对工艺波动的灵敏度，能够在更宽的工艺条件范围内制造性能良好的热敏薄膜和非制冷非晶硅微测辐射热计)，避免了工艺波动引起的产品性能下降。
优选地，步骤S11中对所述晶圆进行本征非晶硅薄膜淀积或者步骤S23中在所述牺牲层上进行本征非晶硅薄膜淀积的条件如下：射频功率为50-100W，衬底温度为230-270℃，反应腔中的压强为60-100Pa，经氩气稀释的硅烷的浓度为8％-10％，所述硅烷的流速为40-60sccm，淀积时间为80-120s。
通常，在半导体制造过程中，为了改变电阻率等，会进行P型注入掺杂或N型注入掺杂。则优选地，当所述注入掺杂为P型注入掺杂时，所述P型注入掺杂的掺杂剂量为9×1012-1.1×1013/cm3、注入能量为20-30kev；当所述注入掺杂为N型注入掺杂时，所述N型注入掺杂的掺杂剂量为3.5×108-4.0×108/cm3，注入能量为60-70kev。。
更优选地，当所述注入掺杂为P型注入掺杂时，所述P型注入掺杂的掺杂剂量为1013/cm3，注入能量为25kev；当所述注入掺杂为N型注入掺杂时，所述N型掺杂的掺杂剂量为3.8×108/cm3、注入能量为65kev。通常，P型注入掺杂时所选用的杂质可以为硼等III族元素，N型注入掺杂时所选用的杂质可以为磷等IV族元素。
可见，本发明提供的制备方法工艺窗口宽，可控性好，而现有技术中只要PECVD淀积条件偏离理想淀积条件较小的变化就会导致热敏薄膜的性能下降很多。
下面的实施例将对本发明作进一步说明。
实施例1
在形成非晶硅热敏薄膜时，将需要淀积非晶硅的晶圆放入PECVD反应室中进行本征非晶硅薄膜淀积，淀积的条件为：射频功率为80W、衬底温度为250℃、反应腔中的压强为80Pa、硅烷10％/氩气90％的流速为50sccm、淀积时间为100s。然后，对淀积了本征非晶硅薄膜的晶圆进行P型注入掺杂，注入掺杂的条件为：掺硼的掺杂剂量为1013/cm3，注入能量为25kev。
经过上述两个工艺步骤，最终获得0.1μm厚的非晶硅热敏薄膜。
下面对通过实施例1所获得的非晶硅热敏薄膜的特性进行分析。其中，采用Silvaco软件对所获得的非晶硅热敏薄膜中的杂质分布进行模拟。
如图3所示，实施例1所获得的非晶硅热敏薄膜的杂质分布在薄膜厚度方向上呈高斯分布，在薄膜下表面出现掺杂峰值。从而，实施例1制备的非晶硅热敏薄膜的电阻率从上表面到下表面呈逐渐降低的渐变趋势。由非晶硅热敏薄膜的特性可知，非晶硅热敏薄膜的温度系数随电阻率的增加而单调增大，非晶硅热敏薄膜的热噪声电压与其电阻率的平方根成正比。由非晶硅热敏薄膜的特性以及图3中本发明制备的非晶硅热敏薄膜的杂质分布图可知，本发明制备的非晶硅热敏薄膜既具备在其下表面上具有低电阻率低噪音以便于电流输运的优势，又具备在其上表面上具有高电阻率高电阻温度系数以便更易于吸收入射红外辐射的特点，从而提高了器件的综合性能，使得通过本发明提供的方法制备的非晶硅热敏薄膜能够同时兼具较高的电阻温度系数和较低的电阻率的优点。
以上结合本发明优选实施方式对本发明进行了详细描述，但是应当理解，在不背离本发明精神和范围的情况下，能够对本发明进行各种变形和修改。
Claims (12)
1.一种非晶硅热敏薄膜的制备方法，该方法包括：
将晶圆放入等离子增强化学气相淀积反应腔中，对所述晶圆进行本征非晶硅薄膜淀积；
对淀积后的所述本征非晶硅薄膜进行注入掺杂。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述晶圆进行本征非晶硅薄膜淀积的条件如下：射频功率为50-100W，衬底温度为230-270℃，反应腔中的压强为60-100Pa，经氩气稀释的硅烷的浓度为8％-10％，所述硅烷的流速为40-60sccm，淀积时间为80-120s。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，对所述晶圆进行本征非晶硅薄膜淀积的条件如下：射频功率为80W，衬底温度为250℃，反应腔中的压强为80Pa，经氩气稀释的硅烷的浓度为10％，所述硅烷的流速为50sccm，淀积时间为100s。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述注入掺杂为P型注入掺杂或N型注入掺杂。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，当所述注入掺杂为P型注入掺杂时，所述P型注入掺杂的掺杂剂量为9×1012-1.1×1013/cm3、注入能量为20-30kev；当所述注入掺杂为N型注入掺杂时，所述N型注入掺杂的掺杂剂量为3.5×108-4.0×108/cm3，注入能量为60-70kev。
6.根据权利要求5所述的方法，当所述注入掺杂为P型注入掺杂时，所述P型注入掺杂的掺杂剂量为1013/cm3，注入能量为25kev；当所述注入掺杂为N型注入掺杂时，所述N型掺杂的掺杂剂量为3.8×108/cm3、注入能量为65kev。
7.一种非制冷非晶硅微测辐射热计的制备方法，该非制冷非晶硅微测辐射热计包括读出电路，该方法包括：
在所述读出电路上淀积并图形化反射层；
在所述反射层上形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成非晶硅薄膜；
在所述非晶硅薄膜上形成吸收层；
刻蚀通孔，使得所述通孔从所述吸收层的顶部贯穿至所述读出电路的引脚；
在所述通孔中淀积金属；以及
去除所述牺牲层；
其中在所述牺牲层上形成非晶硅薄膜的步骤包括：将形成了所述牺牲层之后的晶圆放入等离子增强化学气相淀积反应腔中，在所述牺牲层上进行本征非晶硅薄膜淀积；以及对淀积后的所述本征非晶硅薄膜进行注入掺杂。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述牺牲层上进行本征非晶硅薄膜淀积的条件如下：射频功率为50-100W，衬底温度为230-270℃，反应腔中的压强为60-100Pa，经氩气稀释的硅烷的浓度为8％-10％，所述硅烷的流速为40-60sccm，淀积时间为80-120s。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述牺牲层上进行本征非晶硅薄膜淀积的条件如下：射频功率为80W，衬底温度为250℃，反应腔中的压强为80Pa，经氩气稀释的硅烷的浓度为10％，所述硅烷的流速为50sccm，淀积时间为100s。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述注入掺杂为P型注入掺杂或N型注入掺杂。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，当所述注入掺杂为P型注入掺杂时，所述P型注入掺杂的掺杂剂量为9×1012-1.1×1013/cm3、注入能量为20-30kev；当所述注入掺杂为N型注入掺杂时，所述N型注入掺杂的掺杂剂量为3.5×108-4.0×108/cm3，注入能量为60-70kev。
12.根据权利要求11所述的方法，当所述注入掺杂为P型注入掺杂时，所述P型注入掺杂的掺杂剂量为1013/cm3，注入能量为25kev；当所述注入掺杂为N型注入掺杂时，所述N型掺杂的掺杂剂量为3.8×108/cm3、注入能量为65kev。
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