专利名称：基于soi硅片的非制冷红外传感器及其阵列和制造方法
技术领域：
本发明属于微型传感器及微型检测器件范围，特别涉及基于SOI硅片并利用集成电路制造技术和硅微加工技术相结合制造的一种基于SOI硅片的非制冷红外传感器及其阵列和制造方法。
背景技术：
近年来，红外传感器(探测器)被广泛地应用于军事遥感、目标识别与跟踪、汽车夜视、防灾救灾、医学检测、气象预报、农业、地质勘测等诸多领域，其研究和生产都受到广泛的关注。一般的，红外探测器可以分为热探测器和光子探测器两种类型。光子探测器是指利用半导体材料的光子效应制成的探测器，光子效应是指探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起光伏或光电导等现象。光子探测器具有响应时间短、噪声等效温度差(NETD)低(约5-10mK)等优点；但是由于其热噪声随温度的升高呈指数上升，造成器件的热噪声对环境温度异常敏感，因此光子探测器通常需要80K左右的低温冷却。在实验室，常采用液氮杜瓦制冷设备；在便携式热像仪和夜视系统，常采用机械循环制冷以达到所需的低温。这些需要复杂的制冷设备，严重影响了光子型探测器的成本、功耗和便携性，因此应用领域非常有限，一般只应用在军事等不计成本的领域。
热探测器及其阵列构成的红外焦平面阵列的测量原理是将红外热辐射转化为敏感器件的温度变化，进而测量由于温度变化引起的器件物理或电学参数的变化。这种测量方法的噪声受温度影响较小，因此工作时一般不需要制冷，可以直接在常温下工作，因而价格便宜、易于使用和维护，可靠性好。热探测器的探测率较低，通常要比光子探测器要低1-2个数量级，理想情况可以实现20mK-50mK的NETD，能够满足民用领域的要求。
为了提高热探测器的探测率，本发明提出基于SOI(绝缘体上硅)硅片的红外传感器阵列。这种传感器采用单晶硅二极管或者MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)作为红外敏感元件，研究表明二极管或MOSFET具有较高的测量灵敏度，能够提高红外探测率；采用SOI衬底，可以方便地实现红外敏感器件与衬底的热隔离，从而减小测量过程中红外辐射热的损失，进一步提高传感器的探测率。
发明内容
本发明的目的是提供采用集成电路制造和微加工技术相结合的一种基于SOI硅片的非制冷红外传感器及其阵列和制造方法，其特征在于，所述传感器采用单晶硅二极管或者MOSFET作为红外敏感器件；基于SOI硅片的非制冷红外传感器结构是红外敏感器件4所在的悬空结构通过支承臂2与衬底1相连，红外敏感器件4与处理电路6通过互连线3连接，红外接收和反射层7覆盖在红外敏感器件4上面，在红外敏感器件4和衬底1之间为SOI的埋层二氧化硅层8，埋层二氧化硅层8和衬底1之间形成有空腔5。
所述红外敏感器件为在SOI单晶硅上制造的二极管或MOSFET器件层，所述二极管可以工作在截止区，也可以工作在导通区，包括导通区的线性区或非线性区。
所述的MOSFET可以是NMOS型的，也可以是PMOS型的，可以是半耗尽型，也可以是全耗尽型，可以工作在线性区，也可以工作在亚阈值区。
所述非制冷红外传感器的制造方法1)采用集成电路制造工艺，以SOI硅片作为制造所述红外传感器的衬底材料，在SOI单晶硅上制造出二极管或MOSFET的红外敏感器件，该器件层的结构是下层为SOI硅基体、中层为埋层二氧化硅绝缘层和上层为单晶硅器件层；单晶硅器件层的晶向和厚度不限，埋层二氧化硅的厚度不限；2)利用硅微加工技术，采用反应离子刻蚀(RIE)技术但不限于反应离子刻蚀技术，将红外敏感器件层和埋层二氧化硅层下面的硅基体刻蚀去除，使红外敏感器件层和埋层二氧化硅层悬空，形成由支承臂连接并支承在衬底上的岛结构，所述刻蚀硅基体可以从SOI硅片的正面进行，也可以从SOI的背面进行；3)为了增加探测率，由1个或者多个红外敏感器件组成1个红外敏感单元，多个红外敏感器件的连接方式可以是串连，也可以是并联；4)传感器需要采用红外吸收层和反射层，所述的吸收层和反射层可以与红外敏感器件位于相同的平面内，也可以位于红外敏感器件的上面或者下面；5)所述的红外敏感单元可以单独使用，也可以由多个敏感单元排列组成红外传感器阵列，形成红外焦平面阵列；6)红外敏感单元的处理电路可以制造在SOI的单晶器件层上使之与红外敏感单元集成在同一芯片上，也可以制造在另外的芯片上，通过引线键合等方式与红外敏感芯片连接。
所述支承臂可以是直的，也可以是折线形，可以是1个，也可以是多个；本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点1、红外敏感器件为二极管或MOSFET，这两种器件都具有较高的测量灵敏度，较小的噪声，能够提高探测率；2、采用SOI衬底，可以方便地实现红外敏感器件的悬空结构，提高红外敏感器件与衬底的热隔离程度，从而减小器件的热损失，进一步提高传感器的探测率和响应速度；3、采用的工艺和集成电路制造工艺基本兼容，可以降低制造成本、提高成品率。
图1 MOSFET器件作为红外测量的电路图。
图2 SOI衬底的MOSFET红外传感器示意图。
具体实施例方式
本发明的目的是提供采用集成电路制造和微加工技术相结合的一种基于SOI硅片的非制冷红外传感器及其阵列和制造方法。红外敏感器件可以采用pn结二极管或者MOSFET。在图1所示的MOSFET器件作为红外测量的电路图中，二极管测量红外的原理是红外辐射引起二极管温度变化，而二极管的电流在正向偏置电压Vf的作用下，其输出电流If与温度T的关系为If=SdJsexp(qVfkT)]]>其中Sd是结面积，Js是电流密度，k和T分别是玻尔兹曼常数和温度，q是载流子电荷。因此，输出电流是温度的函数。
MOSFET的红外测量可以使MOSFET工作在饱和区或亚阈值区。例如在饱和区，温度的上升，会使阈值电压降低，但同时也会使得载流子的热运动和散射增强，迁移率下降；而迁移率下降的作用更为强烈，因此总体上温度升高会使得MOSFET电流下降。MOSFET随着温度上升输出电流下降，可以是NMOS或PMOS。因此，吸收红外热辐射后MOSFET的电流随着温度变化。
图2所示为MOSFET红外传感器结构示意图，该MOSFET可以工作在亚阈值区或饱和区。图a和图b为结构的剖面图，图c为结构的俯视图。图中SOI硅衬底1经过刻蚀后形成空腔5，使红外敏感器件4(二极管或MOSFET)成为一个悬空的结构，刻蚀可以从SOI正面进行，形成图a的结构；也可以从SOI背面进行，形成图b的结构。具体结构是红外敏感器件4所在的悬空结构通过支承臂2与衬底1相连，红外敏感器件4与处理电路6通过互连线3连接，红外接收和反射层7覆盖在红外敏感器件4上面，在红外敏感器件4和衬底1之间为SOI的埋层二氧化硅层8，埋层二氧化硅层8和衬底1之间形成有空腔5。
上述红外敏感器件4为在SOI单晶硅上制造的二极管或MOSFET器件层，所述二极管可以工作在截止区，也可以工作在导通区，包括导通区的线性区或非线性区。
上述的MOSFET可以是NMOS型的，也可以是PMOS型的，可以是半耗尽型，也可以是全耗尽型，可以工作在线性区，也可以工作在亚阈值区。
图2所示的非制冷红外传感器的制造包括1)采用集成电路制造工艺，以SOI硅片作为制造所述红外传感器的衬底材料，在SOI单晶硅上制造出二极管或MOSFET的红外敏感器件，该器件层的结构是下层为SOI硅基体、中层为埋层二氧化硅绝缘层和上层为单晶硅器件层；单晶硅器件层的晶向和厚度不限，埋层二氧化硅的厚度不限；2)利用硅微加工技术，采用反应离子刻蚀(RIE)技术但不限于反应离子刻蚀技术，将红外敏感器件层和埋层二氧化硅层下面的硅基体刻蚀去除，使红外敏感器件层和埋层二氧化硅层悬空，形成由支承臂连接并支承在衬底上的岛结构，所述支承臂可以是直的，也可以是折线形，可以是1个，也可以是多个；所述刻蚀硅基体可以从SOI硅片的正面进行，也可以从SOI的背面进行；
3)为了增加探测率，由1个或者多个红外敏感器件组成1个红外敏感单元，多个红外敏感器件的连接方式可以是串连，也可以是并联；4)传感器需要采用红外吸收层和反射层，所述的吸收层和反射层可以与红外敏感器件位于相同的平面内，也可以位于红外敏感器件的上面或者下面；5)所述的红外敏感单元可以单独使用，也可以由多个敏感单元排列组成红外传感器阵列，形成红外焦平面阵列；6)红外敏感单元的处理电路可以制造在SOI的单晶器件层上使之与红外敏感单元集成在同一芯片上，也可以制造在另外的芯片上，通过引线键合等方式与红外敏感芯片连接。
权利要求
1.一种基于SOI硅片的非制冷红外传感器及其阵列，其特征在于，所述非制冷红外传感器采用单晶硅二极管或者MOSFET作为红外敏感器件；所述非制冷红外传感器结构是红外敏感器件(4)所在的悬空结构通过支承臂(2)与衬底(1)相连，红外敏感器件(4)与处理电路(6)通过互连线(3)连接，红外接收和反射层(7)覆盖在红外敏感器件(4)上面，在红外敏感器件(4)和衬底(1)之间为SOI的埋层二氧化硅层(8)，埋层二氧化硅层(8)和衬底(1)之间形成有空腔(5)。
2.根据权利要求1所述基于SOI硅片的非制冷红外传感器及其阵列，其特征在于，所述红外敏感器件为在SOI单晶硅上制造的二极管或MOSFET器件层，所述二极管可以工作在截止区，也可以工作在导通区，包括导通区的线性区或非线性区。
3.根据权利要求1所述基于SOI硅片的非制冷红外传感器及其阵列，其特征在于，所述的MOSFET可以是NMOS型的，也可以是PMOS型的，可以是半耗尽型，也可以是全耗尽型，可以工作在线性区，也可以工作在亚阈值区。
4.根据权利要求1所述基于SOI硅片的非制冷红外传感器及其阵列，其特征在于，所述红外敏感器件由多个串连或并联组成非制冷红外传感器阵列。
5.一种基于SOI硅片的非制冷红外传感器及其阵列的制造方法，其特征在于，所述非制冷红外传感器及其阵列的制造包括1)采用集成电路制造工艺，以SOI硅片作为制造所述红外传感器的衬底材料，在SOI单晶硅上制造出二极管或MOSFET的红外敏感器件，该器件层的结构是下层为SOI硅基体、中层为埋层二氧化硅绝缘层和上层为单晶硅器件层；单晶硅器件层的晶向和厚度不限，埋层二氧化硅的厚度不限；2)利用硅微加工技术，采用反应离子刻蚀(RIE)技术但不限于反应离子刻蚀技术，将红外敏感器件层和埋层二氧化硅层下面的硅基体刻蚀去除，使红外敏感器件层和埋层二氧化硅层悬空，形成由支承臂连接并支承在衬底上的岛结构，所述刻蚀硅基体可以从SOI硅片的正面进行，也可以从SOI的背面进行；3)为了增加探测率，由1个或者多个红外敏感器件组成1个红外敏感单元，多个红外敏感器件的连接方式可以是串连，也可以是并联；4)传感器需要采用红外吸收层和反射层，所述的吸收层和反射层可以与红外敏感器件位于相同的平面内，也可以位于红外敏感器件的上面或者下面；5)所述的红外敏感单元可以单独使用，也可以由多个敏感单元排列组成红外传感器阵列，形成红外焦平面阵列；6)红外敏感单元的处理电路可以制造在SOI的单晶器件层上使之与红外敏感单元集成在同一芯片上，也可以制造在另外的芯片上，通过引线键合等方式与红外敏感芯片连接。
6.根据权利要求5所述基于SOI硅片的非制冷红外传感器及其阵列的制造方法，其特征在于，所述支承臂可以是直的，也可以是折线形，可以是1个，也可以是多个。
全文摘要
本发明公开一种属于集成电路制造技术和微加工技术相结合制造的非制冷红外传感器及其阵列。所述传感器采用SOI硅片制造，红外敏感器件为单晶硅制造的二极管或MOSFET，红外敏感器件位于SOI硅片的器件层单晶硅上，其所在的单晶硅层和SOI二氧化硅绝缘层下面的硅衬底使用微加工技术刻蚀去除，由支承臂与其他部分连接，使红外敏感器件悬空。本发明采用二极管或MOSFET作为红外敏感器件测量红外信号，具有较高的测量灵敏度和较低的1/f噪声，使用SOI硅片并利用刻蚀技术使红外敏感器件悬空，可以降低测量过程的散热，这种结构制造工艺简单、成品率高。
文档编号H01L21/70GK101078652SQ20071009851
公开日2007年11月28日 申请日期2007年4月19日 优先权日2007年4月19日
发明者王喆垚, 张琪, 潘立阳, 刘理天 申请人:清华大学