CN113130693A - 一种金属化多晶硅红外微测辐射热计及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属化多晶硅红外微测辐射热计及其制备方法。该微测辐射热计包括硅衬底、吸收体和反射层，其中，吸收***于硅衬底上方，吸收体是由二氧化硅/金属化多晶硅/二氧化硅/氮化硅构成的堆叠结构；吸收体的上方设有反射层，反射层与吸收体之间具有空腔。本发明增强吸收的金属化多晶硅红外微测辐射热计可以由标准的集成电路工艺技术制备获得，能够实现功能的高度集成化，功耗低，且具有成本优势。
Description
技术领域
本发明涉及红外微测辐射热计结构，尤其涉及基于集成电路工艺的增强吸收的金属化多晶硅红外微测辐射热计结构及其制备方法。
背景技术
红外微测辐射热计具有室温工作、响应波段宽、性能优异等特点，在军事、气象、地球环境、农业、医学等领域有着广泛的应用价值。红外微测辐射热计包括红外吸收体和电阻传感器两部分结构。当红外光照射在吸收体表面时，吸收体温度升高，导致电阻温度发生变化，这一变化通过信号读取实现红外探测。
无论是微测辐射热计采用单元像素还是阵列芯片，都需要基于硅集成电路工艺的读出电路。传统基于MEMS工艺的微测辐射热计存在着传感器与读出电路不兼容，加工成本高昂、工艺技术复杂等问题，很大程度阻碍了其在相关领域内的广泛应用。基于硅集成电路工艺制备的红外探测器可实现高性能、高集成的微测辐射热计，但硅工艺由于材料受限，比如现有的热敏材料非晶硅虽然与集成电路工艺兼容，但是具有高的电子噪声，此外金属铝也可作为兼容集成电路的另一种热敏材料，但是其具有超低的电阻率，这些材料的特性导致制备得到的硅基红外热传感器性能远低于非标准工艺制备得到的。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了基于标准集成电路工艺的金属化多晶硅微测热辐射计新结构和制备方法。利用集成电路中含有金属钛硅化合物的多晶硅材料制备高效的电阻型热传感器，既实现了较低的电子噪声水平，又具备较大的电阻率。利用金属反射腔制备吸收增强的红外吸收体结构，大大提高了硅基微测辐射热计的响应率和噪声等效功率等关键参数。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种金属化多晶硅红外微测辐射热计，包括硅衬底、吸收体和反射层，吸收***于硅衬底上方，吸收体是由二氧化硅/金属化多晶硅/二氧化硅/氮化硅构成的堆叠结构；所述吸收体的上方设有反射层，反射层与吸收体之间具有空腔。
进一步地，所述吸收体与硅衬底之间设有空腔。
本发明一种金属化多晶硅红外微测辐射热计的制备方法，包括如下步骤：
1)在CMOS硅衬底上生长一层二氧化硅层；
2)在步骤1)的二氧化硅层表面生长一层多晶硅，在高温氮气氛围中注入金属钛与多晶硅反应，生成含有金属钛硅化物的金属化多晶硅；
3)在金属化多晶硅层上依次生长二氧化硅层和金属铝薄膜层，并在周围再填充一定厚度的二氧化硅材料；
4)利用紫外光刻技术在二氧化硅材料上形成由光刻胶组成的刻蚀窗口，再利用等离子体刻蚀技术垂直地刻蚀该窗口，直至刻蚀到硅衬底的上表面；
5)去除光刻胶和金属铝薄膜层后，再生长一层氮化硅薄膜，形成吸收体的堆叠结构；
6)在步骤5)得到的吸收体上方放置一层反射层，反射层与吸收体之间形成空腔。
本发明微测辐射热计的探测机理如下：当红外光入射到微测辐射热计的吸收体上，由于吸收体对红外光的吸收特性，吸收的红外光能量转化为热量，传到外加恒流源的金属化多晶硅热敏电阻上，引起电阻的变化，从而输出与红外光信号强相关的电压信号，实现对红外光的检测。
本发明的主要优势是：
1)使用与标准CMOS工艺兼容的金属化多晶硅做热敏电阻。该材料既有较低的电子噪声，又有较高的电阻率，使得制备得到的探测器性能远高于其它标准工艺探测器结构；
2)利用与标准CMOS工艺兼容的金属铝设计为掩膜层，使得在形成微桥结构的工艺中，减少光刻的步骤，进一步提高探测器的成本优势和后处理工艺的稳定性；
3)利用反射层对红外光的反射特性，设计反射层/空气/吸收体三层结构的谐振腔来增强吸收体的红外吸收效率。该设计既保证了吸收体热导不变，又大幅提升了红外吸收率；
4)本发明金属化多晶硅红外微测辐射热计使用低成本、成熟的集成电路工艺制备得到，能够实现功能的高度集成化，功耗低，且具有成本优势。
附图说明
图1为本发明金属化多晶硅红外微测辐射热计的结构示意图；
图2为本发明金属化多晶硅红外微测辐射热计的制备工艺示意图；
图3为本发明吸收体的吸收增强示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。所描述的实施例仅用于图示说明，而不是对本发明范围的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明金属化多晶硅红外微测辐射热计结构包括金属化多晶硅104、二氧化硅102、105、氮化硅109和金属铝111。整个结构设计在与标准集成电路兼容的单晶硅101上。利用单晶硅101作为体牺牲层，以形成隔热的空气腔110和微桥结构。该结构中金属化多晶硅104是热敏电阻，该材料既有较高的温度电阻系数，又有较高的电阻率，同时其电子噪声水平较低，使得制备得到的探测器性能可与非标准工艺探测器相比拟。二氧化硅102/金属化多晶硅104/二氧化硅105/氮化硅109构成的堆叠结构作为红外吸收体，金属铝111作为红外反射层以增强吸收体的吸收效率。当入射红外光通过单晶硅101衬底的下表面一侧入射到吸收体的下表面即二氧化硅102表面后，二氧化硅102、105和氮化硅109吸收入射红外光，金属铝111在红外波段具有全反射特性，透过二氧化硅102、105和氮化硅109的红外光，被金属铝111反射，此时金属铝111的下表面与二氧化硅105的上表面的距离满足干涉增强的条件，因此二氧化硅102、105和氮化硅109可吸收被金属铝111反射的干涉加强的红外光，达到增加红外吸收效率的效果。红外光将吸收的红外光转化为热量传递至金属化多晶硅104，使其温度变化从而实现电阻的增加，此时，通过外加电路至金属化多晶硅104，即可输出与红外光强相关的电学信号。金属铝111反射层对探测器的热导并无影响，细长条形的桥腿和隔热空气腔110可进一步减小探测器的热导，探测器的性能可大幅提升。
图2为本发明金属化多晶硅微测热辐射计的制备工艺示意图：
1)如图2(a)所示，在与标准CMOS工艺兼容的单晶硅101衬底上用热氧化的方法生长一层二氧化硅102(厚度0.3～1um)；
2)如图2(b)所示，在二氧化硅102层表面采用PECVD生长技术生长多晶硅层103，再
3)如图2(c)所示，在高温氮气的氛围里，注入金属钛与多晶硅103反应，在多晶硅103表层生成金属钛化物，即可形成含有金属钛化物的多晶硅104(厚度0.1～0.3um)；
4)如图2(d)所示，在金属化多晶硅104层表面生长一层红外吸收层二氧化硅105(厚度0.3～1um)；
5)如图2(e)所示，利用CVD技术在二氧化硅105层表面生长金属铝薄膜层106，其形状尺寸与所设计的微桥结构一致；
6)如图2(f)所示，周围填充5至10um厚度的二氧化硅107；
7)如图2(g)所示，利用紫外光刻技术在二氧化硅层107形成由光刻胶108组成的刻蚀窗口，再利用等离子体刻蚀技术垂直地刻蚀该窗口，直至刻蚀到单晶硅101的上表面；
8)如图2(h)所示，依次用丙酮溶液和磷酸溶液去除光刻胶108和金属铝层106；
9)如图2(i)所示，利用PECVD在二氧化硅105、107上表面生长一层氮化硅薄膜109(厚度0.3～1um)；
10)如图2(j)所示，利用背对准紫外光刻技术在单晶硅101的下表面形成由光刻胶108组成的刻蚀窗口，其位置和形状完全与步骤7)所述刻蚀窗口一致，再利用等离子体体硅刻蚀技术垂直地刻蚀单晶硅101，直到刻蚀到二氧化硅层102的下表面(也可以用弱碱性溶液在水浴加热的条件下腐蚀单晶硅101，如图2(k)所示)；
11)如图2(l)所示，在器件封装过程中，利用焊接粘贴法将器件背面与封装管壳的金属铝111粘连，金属铝111的下表面与二氧化硅105的上表面距离0.5～5um。
当入射红外光通过单晶硅101衬底的下表面一侧入射到吸收体的下表面时，利用金属铝111在红外波段的近似全反射特性，透过二氧化硅102、105和氮化硅109的红外光，被金属铝111再次反射，可重复吸收，即吸收体的吸收率大幅提升。在本实施例中，基于SK海力士标准0.18μm集成电路工艺，所设计的增强吸收的吸收体，其金属化多晶硅104的厚度为0.2μm，上下两层二氧化硅102、105的厚度分别为0.42μm和0.35μm，氮化硅109的厚度为0.6μm，金属铝111的下表面与二氧化硅105的上表面的距离h为1μm，其各种材料层的长度和宽度皆为40μm。
本发明在CMOS硅衬底上制备的金属化多晶硅红外微测辐射热计结构，对于其电压响应率有以下公式：
其中η表示吸收体的红外吸收率，I、R0、α、G、ω和τ分别表示微测辐射热计的偏置电流、室温电阻值、温度电阻系数、热导、红外调制频率和热时间常数。
图3为本发明红外吸收体的仿真吸收效率随入射波长变化。从图中可以看出，在设计波长8.8μm附近处，无金属腔吸收体的吸收率约为40％，而有金属腔吸收体出现了吸收峰，其吸收率约为80％，金属反射腔对红外吸收效率的改善达到40％；此外，在11μm至14μm波段，相较于无金属反射腔的吸收体，金属反射腔整体上提供了约20％的吸收增强，使其吸收率接近70％。因此，在整个长波红外窗口7μm至14μm，本实施例所设计的吸收体对吸收率提升具有较大优势。
本实施例金属化多晶硅红外探测器的性能指标对照表如下表所示：
表1探测器性能指标对照表
表中室温电阻R0、温度电阻系数α、红外吸收率η和热导G等参数都是按照接近实际情况设定的，由电压响应率RV的理论公式可以得出各类探测器的电压响应率RV，如表中所示。噪声等效功NEP＝Vn/RV，其中Vn为噪声电压，其表达式如下：
其中k为玻尔兹曼常数，T为温度，K是与电阻材料相关的系数，Δf为噪声电压Vn的带宽，式中的带宽Δf＝f1-f2＝100kHz,根据该公式可推导出探测器的噪声电压Vn，进而计算出噪声等效功率NEP。利用该公式计算了本发明所述探测器和氧化钒探测器的NEP。结果表明基于集成电路工艺的红外探测器理论上性能优于基于氧化钒探测器。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实例的示意图，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种金属化多晶硅红外微测辐射热计，包括硅衬底、吸收体和反射层，其特征在于，吸收***于硅衬底上方，吸收体是由二氧化硅/金属化多晶硅/二氧化硅/氮化硅构成的堆叠结构；所述吸收体的上方设有反射层，反射层与吸收体之间具有空腔。
2.根据权利要求1所述的一种金属化多晶硅红外微测辐射热计，其特征在于，所述吸收体与硅衬底之间设有空腔。
3.一种金属化多晶硅红外微测辐射热计的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在CMOS硅衬底上生长一层二氧化硅层；
2)在步骤1)的二氧化硅层表面生长一层多晶硅，在高温氮气氛围中注入金属钛与多晶硅反应，生成含有金属钛硅化物的金属化多晶硅；
3)在金属化多晶硅层上依次生长二氧化硅层和金属铝薄膜层，并在周围再填充一定厚度的二氧化硅材料；
4)利用紫外光刻技术在二氧化硅材料上形成由光刻胶组成的刻蚀窗口，再利用等离子体刻蚀技术垂直地刻蚀该窗口，直至刻蚀到硅衬底的上表面；
5)去除光刻胶和金属铝薄膜层后，再生长一层氮化硅薄膜，形成吸收体的堆叠结构；
6)在步骤5)得到的吸收体上方放置一层反射层，反射层与吸收体之间形成空腔。
4.根据权利要求3所述的一种金属化多晶硅红外微测辐射热计的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，多晶硅中含有钛硅化物。
5.根据权利要求3所述的一种金属化多晶硅红外微测辐射热计的制备方法，其特征在于，步骤5)完成后，进一步利用紫外光刻技术和等离子体体硅刻蚀技术，或者利用弱碱性溶液水浴加热的的方法，从衬底下方刻蚀硅衬底，直到刻蚀到步骤1)二氧化硅层的下表面，使得吸收体与硅衬底之间形成空腔。
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| JPH11264901A (ja) * | 1997-12-10 | 1999-09-28 | Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus | 光学的黒色表面およびその製造方法 |
| US7718965B1 (en) * | 2006-08-03 | 2010-05-18 | L-3 Communications Corporation | Microbolometer infrared detector elements and methods for forming same |
| CN101872797A (zh) * | 2010-04-13 | 2010-10-27 | 中国计量学院 | 一种基于微桥谐振器的新型红外探测器结构及制作方法 |
| US20100289108A1 (en) * | 2009-05-14 | 2010-11-18 | Texas Instruments Incorporated | Silicon dioxide cantilever support and method for silicon etched structures |
| CN107340063A (zh) * | 2017-06-23 | 2017-11-10 | 华中科技大学 | 一种热探测器及其制备方法 |
-
2019
- 2019-12-31 CN CN201911407331.6A patent/CN113130693B/zh active Active
Patent Citations (5)
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| 测辐射热计的微桥研制和VOX膜成膜研究: "测辐射热计的微桥研制和VOx膜成膜研究", 《半导体技术》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113130693B (zh) | 2022-08-19 |
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