空腔形成方法、熱電堆紅外探測器及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種紅外探測器，特別涉及一種空腔形成方法、熱電堆紅外探測器及其制作方法。
【背景技術】
[0002]熱電堆紅外探測器是最早研究并實用化的紅外成像器件之一，作為一種非致冷型的紅外探測器，因具有尺寸小、重量輕、無需致冷、靈敏度高等優點，在安全監視、醫學治療、生命探測和消費產品等方面有廣泛應用，并且其發展也更為迅速。
[0003]熱電堆探測器的工作原理基于塞貝克效應:如果兩種不同的材料或材料相同逸出功不同的物體A和B，在熱結端相連接，熱結與冷區間存在溫度差AT，那么在冷區的兩個梁間就會產生開路電勢差AV，亦稱溫差電效應，其探測紅外信號的過程也就是一個〃光-熱-電”兩級傳感轉換的過程。通常將熱電堆設計成懸空的薄膜結構(懸浮膜結構)，并進行真空封裝，以減少熱損失，提高探測器的輸出性能。
[0004]目前，熱電堆中懸浮膜結構的釋放大多采用濕法腐蝕或干法刻蝕出空腔的方法來實現。譬如，采用5微米厚的外延層作為熱電堆的支撐層，釆用背面濕法腐蝕的方法來去除外延層下面的硅襯底，形成懸浮膜結構，這一傳統的背向腐蝕工藝需要正反雙面對準，對光刻機提出了很高的要求，且增加了生產成本。現有的正面腐蝕技術大多采用KOH或TMAH溶液進行濕法腐蝕，其腐蝕時間約6小時左右，極易造成鋁等金屬的腐蝕和薄膜的破裂，且腐蝕開口的形狀和取向也有限制。另有，采用XeF2氣體進行正面干法刻蝕的技術，不存在對鋁等金屬的腐蝕問題，但干法刻蝕時等離子體的轟擊也易造成懸浮膜結構的破裂，破壞管芯。此夕卜，還有在多孔硅上制作熱電堆結構層，多孔硅作為支撐結構雖具有更加優良的結構穩定性，但對于熱隔離性能還有進一步優化的空間，故又有采用KOH或TMAH溶液將該層多孔硅腐蝕掉，以形成空腔和懸浮膜結構。雖然上述這些技術都展示了制備空腔和形成懸浮膜結構的方法，然而制作工藝的成本和兼容性能的提升還需進一步的探索更有效的技術方案。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種空腔形成方法、熱電堆紅外探測器及其制作方法。
[0006]根據本發明的一方面，提供一種空腔形成方法，包括如下步驟:
[0007]提供一P型摻雜的硅襯底；
[0008]在所述硅襯底中形成N阱，所述N阱為環狀結構；
[0009]在所述N阱包圍的硅襯底中形成N型摻雜的網格結構，所述網格結構的邊緣與所述N阱相連接；
[0010]對所述N阱包圍的硅襯底進行電化學腐蝕以形成多孔硅層；
[0011]進行外延工藝以使所述多孔硅層發生迀移和重構形成所述空腔，且所述網格結構包含的空洞閉合形成封閉所述空腔的外延層。
[0012]可選的，在所述的空腔形成方法中，所述硅襯底包括上層結構以及位于所述上層結構之下的下層結構，所述N阱位于所述上層結構中，所述上層結構的電阻率小于10 Ω.cm，所述下層結構的電阻率小于0.02 Ω.Ciii0
[0013]可選的，在所述的空腔形成方法中，所述網格結構的摻雜濃度小于所述N阱的摻雜濃度。
[0014]可選的，在所述的空腔形成方法中，所述網格結構的空洞的橫截面形狀是正方形、長方形、六邊形或圓形。
[0015]可選的，在所述的空腔形成方法中，所述N阱的深度大于或等于所述空腔的深度。
[0016]可選的，在所述的空腔形成方法中，所述N阱的形成步驟包括:
[0017]在所述硅襯底上形成第一圖形化的掩膜層；
[0018]通過離子注入工藝在所述硅襯底中形成N阱；
[0019]去除所述第一圖形化的掩膜層。
[0020]可選的，在所述的空腔形成方法中，所述網格結構的形成步驟包括:
[0021 ]在所述硅襯底上形成第二圖形化的掩膜層；
[0022]在所述第二圖形化的掩膜層暴露的硅襯底上形成第三圖形化的掩膜層；
[0023]通過離子注入工藝在所述硅襯底中形成所述網格結構；
[0024]去除所述第三圖形化的掩膜層。
[0025]可選的，在所述的空腔形成方法中，所述電化學腐蝕優選采用氫氟酸與乙醇的混合溶液，所述氫氟酸與乙醇體積比的配比范圍為1:10?2:1。
[0026]可選的，在所述的空腔形成方法中，所述外延工藝使用的氣源為含硅的氣體，外延溫度大于900 °C。
[0027]可選的，在所述的空腔形成方法中，所述外延工藝使用的氣源優選為SiH2Cl2t3
[0028]根據本發明的另一方面，還提供一種熱電堆紅外探測器的制造方法，包括:
[0029]提供一P型摻雜的硅襯底；
[0030]在所述硅襯底中形成N阱，所述N阱為環狀結構；
[0031]在所述N阱包圍的硅襯底中形成N型摻雜的網格結構，所述網格結構的邊緣與所述N阱相連接；
[0032]對所述N阱包圍的硅襯底進行電化學腐蝕以形成多孔硅層；
[0033]進行外延工藝以使所述多孔硅層發生迀移和重構形成所述空腔，且所述網格結構包含的空洞閉合以形成封閉所述空腔的外延層；
[0034]在所述外延層上依次形成絕緣層；
[0035]在所述絕緣層上形成熱電堆，所述熱電堆的熱端位于所述空腔上方的絕緣層上，所述熱電堆的冷端與所述硅襯底相連接。
[0036]可選的，在所述的熱電堆紅外探測器的制造方法中，所述硅襯底包括上層結構以及位于所述上層結構之下的下層結構，所述N阱位于所述上層結構中，所述上層結構的電阻率小于10 Ω.cm，所述下層結構的電阻率小于0.02 Ω.cm。
[0037]可選的，在所述的熱電堆紅外探測器的制造方法中，所述網格結構的摻雜濃度小于所述N阱的摻雜濃度。
[0038]可選的，在所述的熱電堆紅外探測器的制造方法中，所述網格結構的空洞的橫截面形狀是正方形、長方形、六邊形或圓形。
[0039]可選的，在所述的熱電堆紅外探測器的制造方法中，所述N阱的深度大于或等于所述空腔的深度。
[0040]可選的，在所述的熱電堆紅外探測器的制造方法中，所述N阱的形成步驟包括:
[0041 ]在所述硅襯底上形成第一圖形化的掩膜層；
[0042]通過離子注入工藝在所述硅襯底中形成N阱；
[0043]去除所述第一圖形化的掩膜層。
[0044]可選的，在所述的熱電堆紅外探測器的制造方法中，所述網格結構的形成步驟包括:
[0045]在所述硅襯底上形成第二圖形化的掩膜層；
[0046]在所述第二圖形化的掩膜層暴露的硅襯底上形成第三圖形化的掩膜層；
[0047]通過離子注入工藝在所述硅襯底中形成所述網格結構；
[0048]去除所述第三圖形化的掩膜層。
[0049]可選的，在所述的熱電堆紅外探測器的制造方法中，所述電化學腐蝕采用氫氟酸與乙醇的混合溶液，所述氫氟酸與乙醇體積比的配比范圍為I: 10?2:1。
[0050]可選的，在所述的熱電堆紅外探測器的制造方法中，所述外延工藝使用的氣源為含娃的氣體，外延溫度大于900°C。
[0051]可選的，在所述的熱電堆紅外探測器的制造方法中，所述外延工藝使用的氣源為SiH2Cl2o
[0052]可選的，在所述的熱電堆紅外探測器的制造方法中，還包括形成鈍化層和紅外吸收層，所述鈍化層覆蓋所述熱電堆和絕緣層，所述紅外吸收層位于所述熱電堆的熱端上方的鈍化層上。
[0053]根據本發明的又一方面，還提供一種熱電堆紅外探測器，包括:P型摻雜的硅襯底、N阱、空腔、外延層、絕緣層和熱電堆，所述N阱位于所述硅襯底中并包圍所述空腔，所述外延層位于所述空腔上并封閉所述空腔，所述絕緣層位于所述外延層上，所述熱電堆的熱端位于所述空腔上方的絕緣層上，所述熱電堆的冷端與硅襯底相連接。
[0054]可選的，在所述的熱電堆紅外探測器中，所述硅襯底包括上層結構以及位于所述上層結構之下的下層結構，所述N阱位于所述上層結構中，所述上層結構的電阻率小于10Ω.cm，所述下層結構的電阻率小于0.02 Ω.cm。
[0055]可選的，在所述的熱電堆紅外探測器中，所述N阱的深度大于或等于所述空腔的深度。
[0056]可選的，在所述的熱電堆紅外探測器中，所述熱電堆紅外探測器還包括鈍化層和紅外吸收層，所述鈍化層覆蓋所述熱電堆和絕緣層，所述紅外吸收層位于所述熱電堆的熱端上方的鈍化層上。
[0057]與現有技術相比，本發明在硅襯底中形成N阱，在所述N阱包圍的硅襯底中形成N型摻雜的網格結構，并對所述N阱包圍的硅襯底進行電化學腐蝕以形成多孔硅層，再通過外延工藝使多孔硅層發生重構，外延過程中所述多孔硅層塌陷形成空腔，且所述網格結構的空洞閉合以封閉所述空腔，該方法無需通過長時間的濕法腐蝕或干法刻蝕工藝來形成空腔，并且空腔的形成是在金屬淀積之前，不存在常規濕法腐蝕硅襯底形成空腔的工藝中對金屬的腐蝕問題;此外，該空腔的形成方法比較簡單，可與常規CMOS工藝兼容，適于規模化生產。
【附圖說明】
[0058]為了更好的說明本發明的內容，以下結合附圖對實施例做簡單的說明。附圖是本發明的理想化實施例的示意圖，