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CN107356341A - 半导体热电堆红外探测器及制造方法 - Google Patents

半导体热电堆红外探测器及制造方法 Download PDF

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CN107356341A
CN107356341A CN201710144113.2A CN201710144113A CN107356341A CN 107356341 A CN107356341 A CN 107356341A CN 201710144113 A CN201710144113 A CN 201710144113A CN 107356341 A CN107356341 A CN 107356341A
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刘伟
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Abstract

本发明公开了一种半导体热电堆红外探测器及制造方法，包括单晶硅衬底，垂直于单晶硅衬底下表面并向上垂直延伸的若干个柱状的热电偶，所述热电偶包括由第一材料构成的第一实心柱和由第二材料构成的第二实心柱，第一实心柱和第二实心柱平行延伸，第一实心柱和第二实心柱之间设有间隔，第一实心柱和第二实心柱外侧均设有第三介质层；每个热电偶的第一实心柱和第二实心柱的顶部均通过伸出单晶硅衬底上表面的第一金属层电连接，各个第一金属层之间和各个第一金属层之上均设有第一介质层，第一介质层上设有红外线吸收膜。本发明具有易于制造，可靠性好的特点。

Description

半导体热电堆红外探测器及制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种容易制造，可靠性高的半导体热电堆红外探测器及制造方法。
背景技术
热电堆红外探测器广泛应用于各种红外线探测领域，热电堆红外探测器通常包含红外线吸收膜和热电堆。热电堆通常由多个串联在一起的热电偶组成。每个热电偶由两种不同的条状材料组成，两种条状材料在一端电连接并与红外线吸收膜接触，称为热接点，两种条状材料的另外一端不与红外线吸收膜接触，称为冷接点。多个热电偶串联指的是冷接点处相邻热电偶的不同材料之间两两电连接。当红外线吸收膜吸收外界入射的红外线后产生热量，使热电偶热接点的温度稍稍增加，当热接点和冷接点间存在温度差时，由于塞贝克(Seebeck)效应会产生轻微的电压差，通过串联多个热电偶可以累积轻微的电压差到一个可以被外围电路探测的大小，从而实现对外界入射的红外线的探测。
基于半导体技术制造的热电堆红外探测器芯片通常包含单晶硅衬底，衬底中的空腔结构，以及在平行于衬底表面的方向上延伸的薄膜热电偶。热电偶冷接点位于单晶硅衬底之上，热接点及红外线吸收膜则悬浮在空腔之上。利用半导体的薄膜和图形加工技术，可以便利的制造红外线吸收膜，如氮化硅膜，镍镉金属膜，或者具有复合结构的多层膜等；也可以便利的制造热电偶，如N型和P型单晶硅，N型和P型多晶硅，单晶硅和金属，多晶硅和金属等。但总体来说，现有技术存在热电偶平行于衬底表面延伸，热接点和部分热电偶薄膜需要悬浮在镂空的衬底或者空腔之上，结构强度较低不易大量制造，且热接点和冷接点间需要较大的距离，与红外线吸收膜竞争芯片面积，芯片尺寸难缩小的问题。因此进一步改善器件结构和制造方法具有重要意义。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服现有技术中的热电偶平行于衬底表面延伸，热接点和部分热电偶薄膜需要悬浮在镂空的衬底或者空腔之上，结构强度较低不易大量制造，且热接点和冷接点间需要较大的距离，与红外线吸收膜竞争芯片面积，芯片尺寸难缩小的不足，提供了一种容易制造，可靠性高的半导体热电堆红外探测器及制造方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种半导体热电堆红外探测器，包括单晶硅衬底，起始于单晶硅衬底下表面并穿过单晶硅衬底向上延伸的若干个柱状的热电偶，所述热电偶包括由第一材料构成的第一实心柱和由第二材料构成的第二实心柱，第一实心柱和第二实心柱平行延伸，第一实心柱和第二实心柱之间设有间隔，第一实心柱和第二实心柱外侧均设有第三介质层；每个热电偶的第一实心柱和第二实心柱的顶部均通过第一金属层电连接，各个第一金属层之间和各个第一金属层之上均设有第一介质层，第一介质层上设有红外线吸收膜，所述第一金属层和第一介质层下表面与衬底上表面之间形成空腔，单晶硅衬底下表面设有第二介质层，第二介质层下表面设有第二金属层，与相邻热电偶的第一实心柱和第二实心柱对应的第二介质层上分别设有第一通孔和第二通孔，第二金属层通过第一通孔与第一实心柱下端电连接，第二金属层通过第二通孔与第二实心柱下端电连接。
本发明组成热电堆的热电偶呈柱状在垂直于单晶硅衬底表面的方向延伸，热接点高于单晶硅衬底上表面，冷接点位于单晶硅衬底下表面，红外线吸收膜位于热接点上部。与现有技术相比具有更好的性能，更牢固的结构，芯片尺寸易于缩小，并有可能阵列化实现图像探测。
作为优选，所述第一材料为P型多晶硅，第二材料为N型多晶硅。
一种半导体热电堆红外探测器的制造方法，包括以下步骤：
(1)在单晶硅衬底上形成沟槽；
(2)在沟槽侧壁形成第三介质层；
(3)在沟槽内填充多晶硅，并对多晶硅进行掺杂，相邻的沟槽分别掺杂P型和N型，分别构成热电偶的第一实心柱和第二实心柱；
(4)每个热电偶的第一实心柱和第二实心柱的顶部形成第一金属层，构成热电偶的热接点；
(5)在各个第一金属层之间和各个第一金属层之上均形成第一介质层；
(6)在第一介质层顶面形成红外线吸收膜；
(7)在每个热电偶周围开孔，去掉单晶硅衬底上部的硅，形成空腔；
(8)减薄单晶硅衬底，在单晶硅衬底底面曝露出第一实心柱和第二实心柱的底部，构成热电偶的冷接点；
(9)在单晶硅衬底底面形成第二介质层；
(10)在第二介质层中形成曝露出第一实心柱部分底部的第一通孔，以及曝露出第二实心柱部分底部的第二通孔；
(11)在第二介质层下表面形成第二金属层，第二金属层通过第一通孔和第二通孔连接相邻电偶的第一实心柱和第二实心柱，形成热电偶串联构成热电堆。
本发明的工艺窗口易于控制，能够实现大批量制造。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(一)红外线吸收膜与热电偶不竞争芯片面积，器件性能和芯片尺寸可同时优化。
(二)周期排列的柱状热电偶强度高，制造过程不易损坏。
(三)悬空的红外吸收膜由周期排列的柱状热电偶支撑，结构牢固，制造过程不易损坏。
(四)悬空的红外吸收膜即使出现了部分损坏，对器件的性能影响也较小，器件可靠性更高。
附图说明
图1是本发明的一种剖面图；
图2是本发明的一种热电偶横截面图；
图3是本发明的一种热电偶冷接点处串联示意图；
图4～图6是本发明的一种制造方法步骤示意图。
图中：单晶硅衬底1、热电偶2、第一实心柱3、第二实心柱4、第一金属层5、第一介质层6、空腔7、红外线吸收膜8、第二介质层9、第一通孔10、第二通孔11、第二金属层12、第三介质层13、沟槽14。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1、图2、图3所示的实施例是一种半导体热电堆红外探测器，包括单晶硅衬底1，起始于单晶硅衬底下表面并穿过单晶硅衬底向上延伸的两个个柱状的热电偶2，热电偶包括由第一材料构成的第一实心柱3和由第二材料构成的第二实心柱4，第一实心柱和第二实心柱平行延伸，第一实心柱和第二实心柱之间设有间隔，第一实心柱和第二实心柱外侧均设有第三介质层13；每个热电偶的第一实心柱和第二实心柱的顶部均通过第一金属层5电连接，各个第一金属层之间和各个第一金属层之上均设有第一介质层6，第一介质层上设有红外线吸收膜8，第一金属层和第一介质层下表面与衬底上表面之间形成空腔7，单晶硅衬底下表面设有第二介质层9，第二介质层下表面设有第二金属层12，与相邻热电偶的第一实心柱和第二实心柱对应的第二介质层上分别设有第一通孔10和第二通孔11，第二金属层通过第一通孔与第一实心柱下端电连接，第二金属层通过第二通孔与第二实心柱下端电连接。
第一材料为P型多晶硅，第二材料为N型多晶硅。
一种半导体热电堆红外探测器的制造方法，包括以下步骤：
如图4所示，(1)在单晶硅衬底上形成沟槽14；
如图5所示，(2)在沟槽侧壁形成第三介质层13；
(3)在沟槽内填充多晶硅，并对多晶硅进行掺杂，相邻的沟槽分别掺杂P型和N型，分别构成热电偶的第一实心柱3和第二实心柱4；
(4)每个热电偶的第一实心柱和第二实心柱的顶部形成第一金属层5，构成热电偶的热接点；
如图6所示，(5)在各个第一金属层之间和各个第一金属层之上均形成第一介质层6；
(6)在第一介质层顶面形成红外线吸收膜8；
(7)在每个热电偶周围开孔，去掉单晶硅衬底上部的硅，形成空腔7；
如图1所示，(8)减薄单晶硅衬底，在单晶硅衬底底面曝露出第一实心柱和第二实心柱的底部，构成热电偶的冷接点；
(9)在单晶硅衬底底面形成第二介质层9；
(10)在第二介质层中形成曝露出第一实心柱部分底部的第一通孔10，以及曝露出第二实心柱部分底部的第二通孔11；
(11)在第二介质层下表面形成第二金属层12，第二金属层通过第一通孔和第二通孔连接相邻电偶的第一实心柱和第二实心柱，形成热电偶串联构成热电堆。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种半导体热电堆红外探测器，其特征是，包括单晶硅衬底(1)，起始于单晶硅衬底下表面并穿过单晶硅衬底向上延伸的若干个柱状的热电偶(2)，所述热电偶包括由第一材料构成的第一实心柱(3)和由第二材料构成的第二实心柱(4)，第一实心柱和第二实心柱平行延伸，第一实心柱和第二实心柱之间设有间隔，第一实心柱和第二实心柱外侧均设有第三介质层(13)；每个热电偶的第一实心柱和第二实心柱的顶部均通过第一金属层(5)电连接，各个第一金属层之间和各个第一金属层之上均设有第一介质层(6)，第一介质层上设有红外线吸收膜(8)，所述第一金属层和第一介质层下表面与衬底上表面之间形成空腔(7)，单晶硅衬底下表面设有第二介质层(9)，第二介质层下表面设有第二金属层(12)，与相邻热电偶的第一实心柱和第二实心柱对应的第二介质层上分别设有第一通孔(10)和第二通孔(11)，第二金属层通过第一通孔与第一实心柱下端电连接，第二金属层通过第二通孔与第二实心柱下端电连接。
2.根据权利要求1所述的半导体热电堆红外探测器，其特征是，第一材料为P型多晶硅，第二材料为N型多晶硅。
3.一种半导体热电堆红外探测器的制造方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)在单晶硅衬底上形成沟槽；
(2)在沟槽侧壁形成第三介质层；
(3)在沟槽内填充多晶硅，并对多晶硅进行掺杂，相邻的沟槽分别掺杂P型和N型，分别构成热电偶的第一实心柱和第二实心柱；
(4)每个热电偶的第一实心柱和第二实心柱的顶部形成第一金属层，构成热电偶的热接点；
(5)在各个第一金属层之间和各个第一金属层之上均形成第一介质层；
(6)在第一介质层顶面形成红外线吸收膜；
(7)在每个热电偶周围开孔，去掉单晶硅衬底上部的硅，形成空腔；
(8)减薄单晶硅衬底，在单晶硅衬底底面曝露出第一实心柱和第二实心柱的底部，构成热电偶的冷接点；
(9)在单晶硅衬底底面形成第二介质层；
(10)在第二介质层中形成曝露出第一实心柱部分底部的第一通孔，以及曝露出第二实心柱部分底部的第二通孔；
(11)在第二介质层下表面形成第二金属层，第二金属层通过第一通孔和第二通孔连接相邻电偶的第一实心柱和第二实心柱，形成热电偶串联构成热电堆。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101814867A (zh) * 2009-02-20 2010-08-25 清华大学 热电发电装置
JP2011117883A (ja) * 2009-12-07 2011-06-16 Hioki Ee Corp サーモパイル型赤外線検知素子およびその製造方法
CN102576721A (zh) * 2009-09-29 2012-07-11 西门子公司 具有三维微结构的热电换能器、制造该换能器的方法和该换能器的应用
CN103296191A (zh) * 2012-02-28 2013-09-11 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 微型热电能量收集器及其制作方法
CN103296190A (zh) * 2012-02-28 2013-09-11 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 三维热电能量收集器及其制作方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101814867A (zh) * 2009-02-20 2010-08-25 清华大学 热电发电装置
CN102576721A (zh) * 2009-09-29 2012-07-11 西门子公司 具有三维微结构的热电换能器、制造该换能器的方法和该换能器的应用
JP2011117883A (ja) * 2009-12-07 2011-06-16 Hioki Ee Corp サーモパイル型赤外線検知素子およびその製造方法
CN103296191A (zh) * 2012-02-28 2013-09-11 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 微型热电能量收集器及其制作方法
CN103296190A (zh) * 2012-02-28 2013-09-11 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 三维热电能量收集器及其制作方法

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