一种红外热电堆传感装置的制作方法

一种红外热电堆传感装置
【技术领域】
[0001]
本实用新型属于红外探测器技术领域，尤其涉及一种基于cmos工艺的红外热电堆传感装置。


背景技术：

[0002]
现有mems(micro-electro-mechanical system，微机电系统)热电堆结构大多基于专用的mems工艺，无法在单芯片上进行传感器与处理电路的集成，不利于低成本，高集成度的发展方向。另外在标准cmos(complementary metaloxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺上制作热电堆，由于cmos标准流程的限制，膜层厚度与材料可调整窗口窄，导致红外吸收率低，中心吸收波长与应用需求不匹配。
[0003]
因此，有必要提出一种技术方案来克服上述问题。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型的目的之一在于提供一种红外热电堆传感装置，其不仅可以采用coms工艺制作，还可以提高或调整特定波长的红外吸收率。
[0005]
根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种红外热电堆传感装置，其包括基于基底层形成的热电堆传感器，所述热电堆传感器包括吸收区，所述基底层上形成有空腔，所述吸收区悬置于所述基底层的空腔之上，所述吸收区包括层叠的第一金属层、介质层和第二金属层，所述第一金属层相较于第二金属层更靠近所述基底层的空腔，所述吸收区的介质层位于第一金属层和第二金属层之间，所述吸收区的第二金属层被图形化以形成预定图形。
[0006]
与现有技术相比，本实用新型中的红外热电堆传感装置，通过将cmos工艺的金属层制作成预定图形来增强红外吸收率，调整特定波长吸收率，从而提高红外热电堆传感装置的性能。
【附图说明】
[0007]
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0008]
图1为本实用新型在一个实施例中的基于cmos工艺的红外热电堆传感装置的俯视图；
[0009]
图2为本实用新型在一个实施例中的基于cmos工艺的红外热电堆传感装置的纵向剖面示意图；
[0010]
图3为本实用新型在另一个实施例中的基于cmos工艺的红外热电堆传感装置的纵向剖面示意图；
[0011]
图4为图2中的热电堆传感器的吸收区的放大图；
[0012]
图5为本实用新型在另一个实施例中的基于cmos工艺的红外热电堆传感装置的俯视图；
[0013]
图6为本实用新型在一个实施例中有无增强吸收结构对热电堆传感器的光谱吸收率对比图；
[0014]
图7为本实用新型在一个实施例中的热电堆传感器在吸收区有无填充高导热材料对温度分布的对比图。
【具体实施方式】
[0015]
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
[0016]
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
[0017]
请参考图1所示，其为本实用新型在一个实施例中的基于cmos工艺的红外热电堆传感装置的俯视图；请参考图2所示，其为本实用新型在一个实施例中的基于cmos工艺的红外热电堆传感装置的纵向剖面示意图。
[0018]
图1和图2所示的基于cmos工艺的红外热电堆传感装置包括基底层1(或称衬底层)、基于所述基底层1形成的热电堆传感器17以及基于所述基底层1形成的信号处理电路16。信号处理电路16位于信号处理电路区域；热电堆传感器17位于热电堆区域，在图1所示的实施例中，所述信号处理电路16位于所述热电堆传感器17的外侧。所述信号处理电路16与所述热电堆传感器17电连接，并用于处理所述热电堆传感器17产生的传感信号。所述热电堆传感器17和所述信号处理电路16均基于cmos工艺制作而成的。
[0019]
举例来说，在6寸或者8寸晶圆的硅基底(此时基底层为硅基底，也可称为硅衬底)上，通过标准的cmos工艺在基底层1上进行薄膜沉积，离子注入，刻蚀等方法制作出器件，比如通过1p2m、2p3m之类的工艺流程来制作热电堆传感器17与信号处理电路16集成的红外热电堆传感装置。在图1和图2所示的实施例中，所述热电堆传感器17的位于基底层1上的结构层包括自所述基底层1正面向上依次层叠的第一介质层211、多晶硅层3、第二介质层221、第一金属层5、第三介质层231、第二金属层6和钝化层7，其中，第一介质层211、第二介质层221和第三介质层231统称为介质层2。所述介质层2通常为sio2,si3n4,bpsg等材料组成；所述多晶硅3通常用作mos管电极，连线，电阻以及电容的制作；所述金属层5和6分别代表不同层的金属连线层，并且不限于2层金属，不同层间的金属层通过过孔4中金属填充物(简称为过孔金属)进行连接；所述钝化层7，通常由sio2,si3n4,bpsg等材料组成。
[0020]
在图2中仅示出了基于标准cmos工艺制作的热电堆传感器17的纵向剖面示意图。
[0021]
所述热电堆传感器17包括吸收区15以及位于所述吸收区15周边的多个热电偶18。为了提高热电堆传感器的性能，需要进行热隔离，可通过湿法或者干法工艺进行背刻蚀工艺在基底层1上形成空腔8，具体如图2所示，所述空腔8贯穿基底层1，以得到热电堆传感器17的悬空的薄膜结构；或者，如图3所示，通过设置于吸收区15的刻蚀孔10正向刻蚀基底层1
形成空腔9，最终得到热电堆传感器17的悬空的薄膜结构，空腔9自所述基底层1的正面延伸至所述基底层1内图3为本实用新型在另一个实施例中的基于cmos工艺的红外热电堆传感装置的纵向剖面示意图。图3与图2所示的热电堆传感器的结构基本相同，两者的主要区别在于，图3所示的热电堆传感器17的吸收区15中还设置有贯穿所述结构层的刻蚀孔10；空腔9和空腔8的形成方式和结构不同。
[0022]
所述吸收区15悬置于所述基底层1的空腔之上，所述吸收区15包括层叠的第一金属层5、介质层231和第二金属层6，所述第一金属层5相较于第二金属层6更靠近所述基底层1的空腔，所述吸收区15的介质层231位于第一金属层5和第二金属层6之间，所述吸收区15的第二金属层6被图形化以形成预定图形。所述热电偶18的热端20悬置于所述基底层1的空腔之上，并且与所述吸收区15相邻，所述热电偶18的冷端19位于所述基底层1上，以保持温度与环境温度一致。
[0023]
每个热电偶18由多晶硅层3、第一金属层5和/或第二金属层6构成。很显然，所述热电偶18的第一金属层5与所述吸收区15的第一金属层5是相同的一层金属图形化而成的不同部分，所述热电偶18的第二金属层6与所述吸收区15的第二金属层6是相同的另一层金属图形化而成的不同部分，所述热电偶18的多晶硅层3与所述吸收区15的多晶硅层3是相同的一层多晶硅图形化而成的不同部分。
[0024]
当所述吸收区15吸收红外线时，所述吸收区15表面温度升高，热电偶18的冷端19与热端20的温差被转化为电压信号，提供给信号处理电路16进行信号处理，最终信号处理电路16输出模拟或者数字形式的温度信号。
[0025]
本实用新型的重点之一在于：利用cmos工艺中的金属层5和6(也可以被称为金属互连层5和6)，在吸收区15构建由金属层5-介质层231-金属层6组成的表面等离子红外增强吸收结构。请参考图4所示，其为图2中在吸收区15构建的红外增强吸收结构的放大图。所述第一金属层5填满整个吸收区15构成反射镜23，可用于阻止红外线透过吸收区15的薄膜下表面；在所述第一金属层5和第二金属层6之间填充的第二介质层221用于吸收入射红外线；所述吸收区15的第二金属层6被图形化以形成预定图形，其中所述预定图形与所述吸收区15吸收的红外光的波长范围有关。
[0026]
如图4所示，所述第二金属层6上设置有若干周期单元13、14，每个周期单元包括金属区和非金属区，所述周期单元的周期宽度为p，金属区的宽度为w1，非金属区的宽度w2，其中，p＝w1+w2，所述若干周期单元13、14排布成所述预定图形。通过设定周期单元13、14的周期宽度p与金属区的宽度w1，可对特定波长的红外光进行完美的电磁耦合，从而提高吸收率。在图4所示的实施例中，第二金属层6由不同长度的周期单元13、14组成，根据吸收光谱的不同，周期单元13、14的周期宽度p通常为5-15um，每个周期单元13、14内的金属区的宽度w1也不相同，设定w1/p(可被称为占空比)位于0.2至0.8之间会得到较好的红外光谱吸收曲线。热电堆传感器17的工作波长通常介于5至20um之间，根据探测物体的温度范围不同，热电堆传感器需要敏感的波长范围也不同，可通过调整周期单元13、14的周期宽度p以及w1/p来调节热电堆传感器17的敏感波长，以及吸收率。
[0027]
所述吸收区15的第二金属层6的预定图形为沿横轴(x轴)和纵轴(y轴)均为轴对称图形，这样可以保证对不同方向的入射红外线有相同的吸收特性。
[0028]
具体的，如图1所示的，所述吸收区15的第二金属层6的预定图形为多行多列交错
排布图形21，类似于“井”字型，所述预定图形布满整个吸收区15。在图5所示的实施例中，所述吸收区15的第二金属层6的预定图形为多个圆形阵列排布图形22，并排满整个吸收区15。在其他实施例中，所述吸收区15的第二金属层6的预定图形也可以为其他多个多边形阵列排布图形，并排满整个吸收区15。其中，图5为本实用新型在另一个实施例中的基于cmos工艺的红外热电堆传感装置的俯视图，其与图1的区别在于，所述吸收区15的第二金属层6的预定图形的不同。
[0029]
所述吸收区15还包括较第一金属层5更靠近所述基底层1的空腔的高热导率填充层。如图2所示的，所述高热导率填充层为多晶硅层3，当然在其他实施例中，也可以是其他高热导率填充层。所述高热导率填充层也布满整个吸收区15，这样可以提高吸收区15温度的均匀性，减少过气体耗散的热能，这对于非真空封装的热电堆传感器性能具有5％至20％的提升。
[0030]
请参考图6所示，其为本实用新型在一个实施例中有无增强吸收结构对热电堆传感器的光谱吸收率对比图。当热电堆传感器用于人体温度测量时，人体温度对应的中心波长为9.3微米。用标准cmos工艺，如图6所示，在不添加本实用新型使用的增强吸收结构时，整体吸收率较低，吸收率随着波长波动较大，以及9.3微米对应的吸收率曲线的波谷。这些最终会表现为传感器的非线性度增大，不利于高精度温度测量的应用。在添加了本实用新型的增强吸收结构后，整体吸收率提高了近20％，并且吸收谱曲线更平坦。
[0031]
请参考图7所示，其为本实用新型在一个实施例中的热电堆传感器17在吸收区有无高热导率填充层对温度分布的对比图。由图7可知，在吸收区15填充高热导率的多晶硅3、金属层5和6不但可以提高红外吸收率，还可以提高吸收区15的温度均匀性，减小热量通过气体散失，提高所述热电偶18的热端20与冷端19的温差，进而提高灵敏度。
[0032]
综上所述，本实用新型基于标准cmos工艺流程，实现了单芯片的热电堆传感器17与信号处理电路16的集成；其利用cmos的金属互连层5和6制作特定图形来增强红外吸收率，调整特定波长吸收率，从而解决标准cmos工艺的薄膜红外吸收率低，吸收率随波长变化大的问题，既降低了生产成本又可以提高传感器性能。
[0033]
在本实用新型中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
[0034]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，本实用新型的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本实用新型揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。