专利名称：平面化热绝缘结构的热释电红外探测器及其制备方法
技术领域：
本发明属于光探测器技术领域，尤其是一种平面化热绝缘结构的热释电红 外探测器及其制备方法。
背景技术：
热释电红外探测器因其价格低、重量轻、响应速度快、光谱响应度宽、室 温工作无须制冷、易于热成像、性能价格比高等优点，被广泛应用于工业、环 境、医疗、军事等领域，成为当前红外技术领域研究的热点之一。影响热释电 红外探测器性能的关键因素有两个 一是铁电薄膜材料的性能，另一个因素是 探测器单元的结构；当探测器的面积一定时，提高响应率就必须降低探测器热 导、提高器件热容，所以探测器单元热绝缘结构的设计是制作高性能器件的关 键因素。已报道的热释电红外探测器热绝缘结构主要有3种形式复合膜式台
面结构、空气隙结构和微桥结构。第一种为多孔Si02/ Si02复合膜式台面结构，
这种结构较简单，但高的台阶影响钝化及金属化互连等问题，从而增大了工艺
难度和器件表面漏电流，而且与其他器件不易单片集成，工艺兼容性差；空气 隙和微桥结构，这两种结构隔热效果好，但制作工艺复杂，增加了成本，成品 率低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制作工艺简单、造价低、成品率高， 易与其他器件单片集成的平面化热绝缘结构的热释电红外探测器及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明包括衬底和热绝缘结构，所述的热绝缘结构 是在硅或蓝宝石衬底上刻蚀有探测器下电极对应图形的深槽，在深槽内沉积有 多孔二氧化硅层，在多孔二氧化硅层和衬底上淀积有二氧化硅层或氮化硅层。
本发明制备方法是在硅或蓝宝石衬底上光刻出探测器下电极对应图形，利用反应离子(RIE、Reactive ion etch)刻蚀或感应耦合等离子体(ICP、 Inductive couple plasma)刻蚀形成深槽，在深槽内沉积多孔二氧化硅层作为隔热层，通 过反应离子大面积刻蚀掉多孔二氧化硅使其与衬底外延层表面形成同一平面， 再淀积二氧化硅或氮化硅修饰多孔二氧化硅表面和衬底外延层表面，在热绝缘
结构上用半导体微细加工工艺完成热释电红外探测器的制作。
本发明具体思路是在硅(Si)或蓝宝石衬底(如果与其他光电器件单片集 成，之前需在蓝宝石衬底上外延该光电器件的材料外延层结构，具体结构与器 件要求有关)上光刻出比探测器下电极稍大一些的图形；用厚光刻胶作掩蔽， 利用RIE或ICP刻蚀形成深槽，去除光刻胶，用溶胶凝胶法制作多孔二氧化硅 层作为隔热层，通过RIE大面积刻蚀多孔二氧化硅，直到探测器下电极图形周 围的多孔二氧化硅被刻蚀干净，即露出探测器下电极图形周围的材料外延层表 面，再淀积二氧化硅或氮化硅修饰多孔二氧化硅表面，形成掩埋式平面化结构 的多孔二氧化硅隔热层，然后用半导体微细加工工艺完成热释电红外探测器的制作。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于本发明实现了一种与半导体制 作工艺兼容的热释电红外探测器平面化热绝缘结构，该结构的探测器易于与其 他器件单片集成，有利于探测器单元的高密度集成，且制作工艺简单，加工成 本低；同时极大地降低了台面器件结构的台阶垂直高度差，易于金属互连，从 而减小器件加工工艺难度，降低器件表面漏电流；本发明的实现，提高了热释 电红外探测器性能和成品率，器件的可靠性也得到明显改善。本发明适用于热 释电红外探测器、红外-紫外双波段单片集成、红外探测器与CMOS ROIC (Low pressure chemical vapor deposition)单片集成焦平面器件的制作。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。
图l是本发明的结构示意图2a—2h是本发明的工艺过程示意图。附图中各附图标记表示IOI—硅(Si)或蓝宝石衬底、102 —多孔二氧化
硅、103—硅(Si)或蓝宝石衬底上的外延层、104—Si02或Si晶修饰层、105 一下电极图形电极、106—BST铁电薄膜、107 —上电极图形电极、108—Si凡钝 化层、109 —红外探测器上电极、IIO —红外探测器下电极
具体实施例方式
如图1所示，本平面化热绝缘结构的热释电红外探测器包括衬底和热绝缘 结构，所述的衬底是硅(Si)或蓝宝石衬底IOI。本平面化热绝缘结构的热释电 红外探测器是在硅或蓝宝石衬底101上刻蚀有探测器下电极对应图形的深槽， 在深槽内沉积有多孔二氧化硅层102，在多孔二氧化硅层102和衬底外延层103 上淀积有二氧化硅层或氮化硅层104。如图1所示，在热绝缘结构上设有下电极 图形电极105、 BST铁电薄膜106、上电极图形电极107、 Si3N4钝化层108、红 外探测器上电极109和红外探测器下电极110。
本平面化热绝缘结构的热释电红外探测器采用下述的制备方法-
1、 硅(Si)或蓝宝石衬底101光刻前预处理用三氯乙烷，丙酮，异丙醇 清洗衬底101;如果是蓝宝石衬底，再用HCL:H20去除衬底101或外延层103上 的自然氧化层，然后在20(TC/30min条件下去除衬底的水分，必要时再用等离 子设备清洗；
如果本探测器与其他器件单片集成，在预处理之前需在蓝宝石或硅衬底101 上通过金属有机化学气相淀积(MOCVD、 Metal organic chemical vapor d印osition)或分子束夕卜延技术(MBE、 Molecular beam epitaxy)生长夕卜延层 103 (具体材料参数与其他单片集成器件有关)，如图2a所示。
2、 在预处理的衬底101或衬底上的外延层103上涂覆光刻胶，胶型为SPR220 4.5，转速3000 6000r/min，热板坚膜90°C/90s，如图2b所示。
3、 通过曝光、显影、后烘，等离子扫胶等光刻工艺在光刻胶上制作出探测 器下电极对应的图形，如图2c所示。
4、 利用SPR220 4.5光刻胶作掩蔽，通过RIE或ICP刻蚀外延层103、衬底101，使之形成深槽，槽深为3 6微米，刻蚀完毕后，用丙酮去除光刻胶，其 中腐蚀气体和腐蚀工艺参数与衬底类型有关，如图2d所示。
5、 用溶胶凝胶法制作多孔二氧化硅，根据具体凹槽的深度，选择3000 6000r/min之间的旋转速度涂覆多孔二氧化硅102，如果凹槽较深， 一遍不足填 平时，重复该工艺，直至多孔二氧化硅填平凹槽；如图2e所示。
6、 利用RIE设备大面积刻蚀掉多余的多孔二氧化硅102至外延层103表面， 当103表面的多孔二氧化硅腐蚀干净时，则形成凹槽中的多孔二氧化硅102与 外延层103表面在同一水平面上，如图2f所示。刻蚀气体为四氟化碳或三氟 甲烷，功率为100W,具体刻蚀时间与外延层103上面的多孔二氧化硅102厚度有 关。
7、 利用等离子增强化学气相淀积(PECVD、 Plasma enhanced chemical vapor deposition)或低压化学气相淀积(LPCVD、 Low pressure chemical vapor d印osition)在多孔二氧化硅102和外延层103表面上淀积二氧化硅或氮化硅 104修饰多孔二氧化硅102表面，厚度为180nm 220nm;至此，红外探测器的 平面化热绝缘结构形成，如图2g所示
8、 采用半导体工艺在平面化热绝缘结构的多孔二氧化硅102和Si02或 Si3N4修饰层104上制作热释电红外探测器，制作过程为在平面化的热绝缘结 构的多孔二氧化硅102和Si02或Si3N4修饰层104上光刻出探测器的下电极图 形，然后电子束蒸发Ti/Pt，通过剥离工艺形成下电极图形电极105;用磁控溅 射系统在下电极图形105和Si02或Si3N4修饰层104表面上淀积 BaO. 65SrO. 35Ti03 (BST)铁电薄膜；在下电极图形电极105和BST铁电薄膜106 上面光刻出探测器的上电极图形，通过溅射薄层Ni/Cr作为上电极接触金属， 利用剥离工艺形成上电极图形电极107;然后对红外探测器上电极107的台面进 行图形保护光刻，光刻胶为AZ1500，用HF: H20腐蚀液腐蚀多余的BST到Si02 或Si3N4修饰层104表面和下电极图形电极105(露出的部分下电极金属)表面； 利用PECVD在Si02或Si3N4修饰层104、下电极图形电极105和上电极图形电极107 (露出的部分)表面上淀积500nm氮化硅作为钝化层；光刻出探测器上电 极及需引出部分的下电极图形窗口 ，通过RIE腐蚀掉图形窗口内的500nm厚的 氮化硅，去除光刻胶；在上电极图形电极107和Si3N4钝化层108表面及图形 窗口溅射Ti/Au，作为电镀时的一个电极；在Si3N4钝化层108表面上光刻出探 测器的上、下电极图形，通过电镀工艺制作出探测器的上电极109和下电极IIO， 至此，本平面化热绝缘结构的热释电红外探测器制作完成，如图2h所示。
权利要求
1、一种平面化热绝缘结构的热释电红外探测器，其包括衬底和热绝缘结构，其特征在于所述的热绝缘结构是在硅或蓝宝石衬底上刻蚀有探测器下电极对应图形的深槽，在深槽内沉积有多孔二氧化硅层，在多孔二氧化硅层和衬底上淀积有二氧化硅层或氮化硅层。
2、 根据权利要求1所述的平面化热绝缘结构的热释电红外探测器的制备方 法，其特征在于在硅或蓝宝石衬底上光刻出探测器下电极对应图形，将对应图 形刻蚀形成深槽，在深槽内沉积多孔二氧化硅层作为隔热层，刻蚀掉多孔二氧 化硅使其与衬底外延层表面形成同一平面，再淀积二氧化硅或氮化硅修饰多孔二氧化硅表面和衬底外延层表面，最后在热绝缘结构上完成热释电红外探测器 的制作。
3、 根据权利要求2所述的平面化热绝缘结构的热释电红外探测器的制备方 法，其特征在于所述在于利用反应离子或感应耦合等离子体刻蚀对应图形刻蚀 成深槽，槽深3 6微米。
4、 根据权利要求2所述的平面化热绝缘结构的热释电红外探测器的制备方 法，其特征在于所述的多孔二氧化硅通过凝胶溶胶方法制作，根据具体深槽的 深度，选择相应的旋转速度在深槽内涂覆多孔二氧化硅。
5、 根据权利要求2所述的平面化热绝缘结构的热释电红外探测器的制备方 法，其特征在于通过反应离子刻蚀多孔二氧化硅使其与衬底外延层表面形成同 一平面。
6、 根据权利要求2所述的平面化热绝缘结构的热释电红外探测器的制备方 法，其特征在于采用等离子增强化学气相淀积法或低压化学气相淀积法淀积二 氧化硅或氮化硅修饰多孔二氧化硅表面，淀积厚度为180nm 220nm。
7、 根据权利要求2—6所述的任意一种平面化热绝缘结构的热释电红外探 测器的制备方法，其特征在于在热绝缘结构上用半导体微细加工工艺完成热释 电红外探测器的制作。
全文摘要
本发明公开了一种平面化热绝缘结构的热释电红外探测器及其制备方法，其包括衬底和热绝缘结构，所述的热绝缘结构是在硅或蓝宝石衬底上刻蚀有探测器下电极对应图形的深槽，在深槽内沉积有多孔二氧化硅层，在多孔二氧化硅层和衬底上淀积有二氧化硅层或氮化硅层。本探测器易于与其他器件单片集成，有利于探测器单元的高密度集成，且制作工艺简单，加工成本低；同时极大地降低了台面器件结构的台阶垂直高度差，易于金属互连，从而减小器件加工工艺难度，降低器件表面漏电流；本发明提高了热释电红外探测器性能和成品率，器件的可靠性也得到明显改善。本结构的探测器适用于红外-紫外双波段单片集成、红外探测器与CMOS ROIC单片集成焦平面器件的制作。
文档编号G01J5/10GK101419092SQ20081007986
公开日2009年4月29日 申请日期2008年12月2日 优先权日2008年12月2日
发明者尹顺政, 李献杰, 蔡道民, 赵永林, 齐丽芳 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所