一种红外探测器的制备方法以及由此得到的红外探测器技术

本发明专利技术涉及一种红外探测器的制备方法，包括如下步骤：选用半导体晶圆作为衬底；在衬底表面形成复合薄膜；在复合薄膜表面形成热电薄膜；在热电薄膜上形成沿对角线密排图形化的硼和磷重掺杂热电偶，其由硼重掺杂热电条和磷重掺杂热电条组成；使硼和磷重掺杂热电偶金属欧姆互连；以及将复合薄膜从衬底上释放，得到封闭膜式的密排热电偶的红外探测器。本发明专利技术还提供由上述的制备方法得到的红外探测器。本发明专利技术通过密排图形和硼/磷离子重掺杂，沿红外探测器对角线上依次形成平面或堆叠密排的热电偶，最后形成金属欧姆互连，实现密排热电偶的红外探测器的制备。

A preparation method of infrared detector and the resulting infrared detector

The invention relates to a preparation method of an infrared detector, which comprises the following steps: selecting a semiconductor wafer as a substrate; forming a composite film on the substrate surface; forming a thermoelectric film on the surface of the composite film; forming a diagonally arranged patterned boron and phosphorus heavily doped thermocouple on the thermoelectric film, which is composed of a boron heavily doped thermoelectric strip and a phosphorus heavily doped thermoelectric strip; making boron and phosphorus heavy In addition, the composite film is released from the substrate to obtain the closed film type infrared detector of the close array thermocouple. The invention also provides an infrared detector obtained by the preparation method. The invention realizes the preparation of the infrared detector of the dense row thermocouple by the dense row pattern and the heavy doping of boron / phosphorus ions, forming the planar or stacked dense row thermocouples successively along the diagonal of the infrared detector, and finally forming the metal ohmic interconnection.

【技术实现步骤摘要】
一种红外探测器的制备方法以及由此得到的红外探测器
本专利技术涉及MEMS传感器，更具体地涉及一种红外探测器的制备方法以及由此得到的红外探测器。
技术介绍
随着MEMS传感技术的不断发展，以热电堆为核心部件的红外探测器已广泛应用于红外测温、红外检测、红外报警、红外成像、红外制导等领域。热电红外探测器的基本原理是根据热电材料的塞贝克效应，即两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象，最终实现光-热-电的转换。热电红外探测器一般由数对互连的热电偶、红外吸收区以及悬空的支撑膜组成，热电偶制作在支撑膜表面，此膜又是吸收膜，其中与红外吸收区相连的热电偶端为热端，与衬底相连的热电偶端为冷端，红外吸收区实现红外吸收并转化为温度，热电偶利用自身的塞贝克效应将热转换成最终的电压输出。热电堆红外探测器的输出响应与热电偶塞贝克系数差、热电偶对数和冷热端温差成正比例关系，热电偶对数越多，热电堆红外探测响应越大。现今，热电偶的排列主要分为三种：第一种，条形热电偶冷热端都沿吸收薄膜边界平行排列，热电偶的对数和长度受薄膜边长和热端几何平行排列的影响，热电偶对数不高，而且吸收区面积利用率也不高。第二种，热电偶热端沿圆形几何周长绕行排列，该方法虽然比第一种方法可以集成更多的热电偶数量，但是其数量受圆形周长限制，同时热电偶以扇形分布，其宽度从冷端到热端逐渐减小，热端互连技术要求高，增加工艺难度。第三种，柱状热电偶被垂直制作在红外吸收介质薄膜和衬底之间，虽然热电偶对数非常多，但是热电偶的长度很短，冷热端温差小，同时这种垂直集成热电偶的工艺技术在柱状热电偶刻蚀、离子注入、金属互连方面都是非常困难的。如何实现薄膜上密排更多的热电偶和简单的加工工艺成为研究重点。
技术实现思路
为了解决现有技术中的红外探测器无法密排大量热电偶的问题，本专利技术提供一种红外探测器的制备方法以及由此得到的红外探测器。根据本专利技术的红外探测器的制备方法，包括如下步骤：S1，选用半导体晶圆作为衬底；S2，在衬底表面形成复合薄膜；S3，在复合薄膜表面形成热电薄膜；S4，在热电薄膜上形成沿对角线密排图形化的硼和磷重掺杂热电偶，其由硼重掺杂热电条和磷重掺杂热电条组成；S5，使硼和磷重掺杂热电偶金属欧姆互连；以及S6，将复合薄膜从衬底上释放，得到封闭膜式的密排热电偶的红外探测器。一方面，根据几何分析可知，对角线长度大于各边长度，热电偶沿对角线依次排列，可以使得在同等薄膜面积的情况下比沿边长排列的方式集成更多的热电偶对，另一方面，根据热电效应，硼和磷重掺杂热电偶可以实现塞贝克系数差的最优化，其对热电薄膜进行对应剂量的掺杂可显著提升红外探测器的光探测率和响应。优选地，步骤S1中的衬底为单晶硅衬底。应该理解，其他能被IC工艺或MEMS工艺加工的半导体材料衬底均可用在本专利技术中。优选地，晶圆尺寸可以为4英寸、6英寸、8英寸、12英寸等。优选地，晶圆厚度可以为300-500μm。优选地，步骤S2中的复合薄膜是与衬底应力匹配的氧化硅和氮化硅的复合薄膜，其作为结构支撑和红外吸收热绝缘材料。优选地，步骤S2包括对衬底进行清洗，然后在清洗的衬底表面高温热氧化生长氧化硅层，最后再通过化学气相沉积形成氮化硅层。该清洗操作用于保证其上形成的复合薄膜的质量，该高温热氧化和化学气相沉积操作也可以通过其他操作替代，只要能够形成氧化硅和氮化硅的复合薄膜即可。优选地，步骤S2中的复合薄膜中的氧化硅层的厚度为1000埃-5000埃，氮化硅层的厚度为3000埃-10000埃。优选地，氧化硅层和氮化硅的厚度比为1∶3。优选地，步骤S3中的热电薄膜是与复合薄膜应力匹配的多晶硅薄膜，其作为探测器的热电材料。优选地，步骤S3包括在复合薄膜表面化学气相沉积多晶硅层。应该理解，并不局限于多晶硅，步骤S3中的热电薄膜包括能用IC或MEMS工艺制备的具有塞贝克效应的各种薄膜材料，包括P+/N+多晶硅、金属(铝、钛、镍、金等)、碳化硅、P+/N+Bi2Ti3等。优选地，步骤S3中的热电薄膜的厚度为2000埃-10000埃。另外，步骤S2得到的复合薄膜和步骤S3得到的热电薄膜的总厚度优选小于1.5微米。优选地，步骤S4包括如下步骤：S41，在热电薄膜上形成沿对角线密排的硼和磷重掺杂的条形区域；S42，将非掺杂区域从复合薄膜上刻蚀掉，得到硼和磷重掺杂的热电偶；以及S43，对硼和磷重掺杂的热电偶进行高温热退火激活掺杂原子，同时修复晶格，并且在其表面热生长一层氧化硅作为钝化层和保护层。优选地，步骤S41具体包括：通过第一光刻和掺杂形成硼重掺杂条形区域，通过第二光刻和掺杂形成磷重掺杂条形区域。优选地，条形区域的长度为100-600微米，宽度为2-10微米，电阻率为10-200欧姆·厘米。优选地，步骤S5包括刻蚀出接触孔并形成金属互连线和电极，实现硼重掺杂热电条和磷重掺杂热电条的串联以及接触孔内的欧姆接触。优选地，步骤S6包括采用背部刻蚀的方法释放复合薄膜。优选地，步骤S6还包括在红外探测器的红外吸收区形成具有增强光吸收的纳米材料或微纳结构。本专利技术还提供由上述的制备方法得到的红外探测器。本专利技术通过密排图形和硼/磷离子重掺杂，沿红外探测器对角线上依次形成平面或堆叠密排的热电偶，最后采用形成金属欧姆互连，实现密排热电偶的红外探测器的制备。根据几何分析可知，矩形图形对角线长度大于各边长度，热电偶沿薄膜对角线依次排列，可以使得在同等薄膜面积的情况下比沿边长排列的方式集成更多的热电偶对，工艺简单，且工艺与COMS技术兼容，可显著提升红外探测器的光探测率和响应。附图说明图1示出了根据本专利技术的红外探测器的制备方法提供的衬底；图2示出了根据本专利技术的红外探测器的制备方法得到的形成在衬底上的复合薄膜和热电薄膜；图3A示出了根据本专利技术的红外探测器的制备方法得到的硼/磷重掺杂条形区域；图3B是图3A的俯视图；图4A示出了根据本专利技术的红外探测器的制备方法得到的硼/磷重掺杂热电偶；图4B是图4A的俯视图；图5A示出了根据本专利技术的红外探测器的制备方法得到的金属欧姆互连；图5B是图5A的俯视图；图6A示出了根据本专利技术的红外探测器的制备方法得到的封闭膜式的密排热电偶的红外探测器；图6B示出了图6A的背面释放窗口；图7A示出了根据本专利技术的红外探测器的制备方法得到的封闭膜式的密排热电偶的红外探测器的增强光吸收的材料或结构；图7B是图7A的俯视图。具体实施方式下面结合附图，给出本专利技术的较佳实施例，并予以详细描述。根据本专利技术的红外探测器的制备方法首先包括选用半导体晶圆作为衬底1，如图1所示。具体地，选择一种(100)晶面的双面抛光单晶硅衬底，该晶圆的大切边晶向为<110>晶向，晶圆尺寸为4寸，厚度为400μm～420μm，电阻率为3～8欧姆厘米，掺杂类型为N型。实际上，该半导体衬底并不仅限于该参数下的单晶硅衬底，其它参数的单晶硅也可以，同时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种红外探测器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：/nS1，选用半导体晶圆作为衬底；/nS2，在衬底表面形成复合薄膜；/nS3，在复合薄膜表面形成热电薄膜；/nS4，在热电薄膜上形成沿对角线密排图形化的硼和磷重掺杂热电偶，其由硼重掺杂热电条和磷重掺杂热电条组成；/nS5，使硼和磷重掺杂热电偶金属欧姆互连；以及/nS6，将复合薄膜从衬底上释放，得到封闭膜式的密排热电偶的红外探测器。/n

【技术特征摘要】
1.一种红外探测器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
S1，选用半导体晶圆作为衬底；
S2，在衬底表面形成复合薄膜；
S3，在复合薄膜表面形成热电薄膜；
S4，在热电薄膜上形成沿对角线密排图形化的硼和磷重掺杂热电偶，其由硼重掺杂热电条和磷重掺杂热电条组成；
S5，使硼和磷重掺杂热电偶金属欧姆互连；以及
S6，将复合薄膜从衬底上释放，得到封闭膜式的密排热电偶的红外探测器。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该衬底为单晶硅衬底。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该复合薄膜是与衬底应力匹配的氧化硅和氮化硅的复合薄膜，其作为结构支撑和红外吸收热绝缘材料。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该热电薄膜是与复合薄膜应力匹配的多晶硅薄膜，其作为探测器的热电材料。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该步骤S4包括如下步骤：
S41，在热电薄膜上形成沿对角线密...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁，何云乾，王跃林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31