MEMS热电堆红外传感器及制备方法与流程

mems热电堆红外传感器及制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种mems热电堆红外传感器及制备方法。


背景技术：

2.微机电系统(micro
‑
electro
‑
mechanical
‑
system，mems)技术是指一种可将机械构件、驱动部件、光学系统、电控系统集成为一个整体的微型系统，它采用微电子技术和微加工技术，如硅体微加工、硅表面微加工、晶片键合等相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。
3.mems热电堆红外探测器通常由三部分组成：热电偶、介质支撑层和散热衬底。探测器中央是红外吸收层，负责吸收外界红外辐射，以升高自身的温度，红外吸收层附近位置就构成热电堆的热结，热电堆的冷结位于散热衬底上，以实现良好的散热性，热结与冷结之间为串联的热电偶对，温差电动势通过引脚对外输出，从而构成一种可串联多个热电偶且无接触测量温度差的阵列。
4.mems热电堆红外探测器的工作原理是：当红外线吸收层吸收外界入射的红外线后产生热量，使热电偶热结的温度增加，由于塞贝克效应，在冷热结点间存在温度差时，热电偶会产生轻微的电压差，而后通过与热电偶连接的外围电路检测出该电压差值，从而实现热电堆对外界红外线的探测。显然，灵敏度是影响mems热电堆性能的关键因素。
5.因此，提供一种mems热电堆红外传感器及制备方法，以改善mems热电堆红外传感器的灵敏度，实属必要。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种mems热电堆红外传感器及制备方法，用于解决现有技术中mems热电堆红外传感器的灵敏度的问题。
7.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种mems热电堆红外传感器，所述mems热电堆红外传感器包括：
8.衬底，所述衬底具有贯穿所述衬底的空腔；
9.绝缘介质层，所述绝缘介质层位于所述衬底上；
10.热电偶，所述热电偶包括具有a塞贝克系数的第一半导体层及具有b塞贝克系数的第二半导体层，所述第一半导体层与所述第二半导体层的塞贝克系数相反并结对堆叠设置，位于上层的所述第二半导体层具有贯穿所述第二半导体层的第一刻蚀窗口，其中，位于冷结端的所述第一半导体层及第二半导体层的相对两面均与所述绝缘介质层相接触，位于热结端的所述第一半导体层与所述第二半导体层之间具有第一空腔，所述第一空腔与所述第一刻蚀窗口相贯通；
11.导电层，所述导电层与所述第一半导体层及第二半导体层相接触；
12.红外吸收层，所述红外吸收层具有贯穿所述红外吸收层的第二刻蚀窗口，位于热
结端的所述第二半导体层与所述红外吸收层之间具有第二空腔，所述第二空腔与所述第二刻蚀窗口相贯通，且所述第二空腔与所述第一空腔相贯通。
13.可选地，位于上层的所述第二半导体层在垂向上的投影位于所述第一半导体层内，构成台阶式热电偶结构。
14.可选地，所述红外吸收层包括位于热结端上的红外吸收部及位于所述第一半导体层与所述第二半导体层的外侧的支撑部。
15.可选地，所述支撑部包括分段式支撑部。
16.可选地，所述第一刻蚀窗口及第二刻蚀窗口的中心线位于同一垂线上。
17.可选地，所述绝缘介质层包括氧化硅层及氮化硅层中的一种或组合；所述红外吸收层包括氮化硅红外吸收层。
18.本发明还提供一种mems热电堆红外传感器的制备方法，包括以下步骤：
19.提供衬底；
20.于所述衬底上形成覆盖所述衬底的第一绝缘介质层；
21.于所述第一绝缘介质层上形成具有a塞贝克系数的第一半导体层；
22.于所述第一半导体层上形成覆盖所述第一半导体层的第二绝缘介质层；
23.于所述第二绝缘介质层上形成具有b塞贝克系数的第二半导体层，所述第一半导体层与所述第二半导体层的塞贝克系数相反并结对堆叠设置以构成热电偶；
24.形成贯穿所述第二半导体层的第一刻蚀窗口；
25.于所述第二半导体层上形成覆盖所述第二半导体层的第三绝缘介质层；
26.形成导电层，所述导电层与所述第一半导体层及第二半导体层相接触；
27.于所述第三绝缘介质层上形成红外吸收层；
28.形成贯穿所述红外吸收层的第二刻蚀窗口；
29.通过所述第二刻蚀窗口及第一刻蚀窗口，刻蚀所述第三绝缘介质层及第二绝缘介质层，在位于热结端的所述第二半导体层与所述红外吸收层之间形成与所述第二刻蚀窗口相贯通的第二空腔，以及在位于热结端的所述第一半导体层与所述第二半导体层之间形成与所述第一刻蚀窗口相贯通的第一空腔，且所述第二空腔与所述第一空腔相贯通；
30.形成贯穿所述衬底的空腔；
31.通过所述空腔，刻蚀所述第一绝缘介质层，以显露所述第一半导体层。
32.可选地，形成的所述第二半导体层在垂向上的投影位于所述第一半导体层内，形成台阶式热电偶结构。
33.可选地，形成的所述红外吸收层包括位于热结端上的红外吸收部及位于所述第一半导体层与所述第二半导体层的外侧的支撑部。
34.如上所述，本发明的mems热电堆红外传感器及制备方法，mems热电堆红外传感器包括衬底、绝缘介质层、热电偶、导电层及红外吸收层，位于上层的第二半导体层具有贯穿第二半导体层的第一刻蚀窗口，红外吸收层具有贯穿红外吸收层的第二刻蚀窗口，且位于冷结端的第一半导体层及第二半导体层的相对两面均与绝缘介质层相接触，位于热结端的第一半导体层与第二半导体层之间具有第一空腔，位于热结端的第二半导体层与红外吸收层之间具有第二空腔，且第一刻蚀窗口、第一空腔、第二刻蚀窗口及第二空腔相贯通。本发明通过去除传感器的热结端的绝缘介质层，仅保留冷结端的绝缘介质层，可以减少导热横
等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于
……
之间”表示包括两端点值。
63.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
64.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
65.如图1所示，本实施例提供一种mems热电堆红外传感器，所述mems热电堆红外传感器包括衬底100、绝缘介质层200、热电偶300、导电层400及红外吸收层500。其中，所述衬底100具有贯穿所述衬底100的空腔110；所述绝缘介质层200位于所述衬底100上；所述热电偶300包括具有a塞贝克系数的第一半导体层310及具有b塞贝克系数的第二半导体层320，所述第一半导体层310与所述第二半导体层320的塞贝克系数相反并结对堆叠设置，且位于上层的所述第二半导体层320具有贯穿所述第二半导体层320的第一刻蚀窗口321，其中，位于冷结端b的所述第一半导体层310及第二半导体层320的相对两面均与所述绝缘介质层200相接触，位于热结端a的所述第一半导体层310与所述第二半导体层320之间具有第一空腔221，所述第一空腔221与所述第一刻蚀窗口321相贯通；所述导电层400与所述第一半导体层310及第二半导体层320相接触；所述红外吸收层500具有贯穿所述红外吸收层500的第二刻蚀窗口511，位于热结端a的所述第二半导体层320与所述红外吸收层500之间具有第二空腔231，所述第二空腔231与所述第二刻蚀窗口511相贯通，且所述第二空腔231与所述第一空腔221相贯通。
66.本实施例，所述mems热电堆红外传感器仅冷结端b具有所述绝缘介质层200，从而可以减少导热横截面积，降低热结热量损耗，从而可在维持冷热结的温度差的同时，有效的提高了传感器的灵敏度。
67.作为示例，所述红外吸收层500包括位于热结端a上的红外吸收部510及位于所述第一半导体层310与所述第二半导体层320的外侧的支撑部520。
68.具体的，本实施例中，所述红外吸收层500包括位于顶部的用以吸收外界入射的红外线的红外吸收部510，以产生热量，使所述热电偶300产生温差，且所述红外吸收层500还包括支撑部520，所述支撑部520与所述第一半导体层310及所述第二半导体层320的外侧均相接触，从而通过所述支撑部520可用以支撑所述第一半导体层310、所述第二半导体层320，以及所述红外吸收部510，从而可防止所述热电偶300和所述红外吸收部510发生破裂，以提高质量。
69.作为示例，位于上层的所述第二半导体层320在垂向上的投影位于所述第一半导体层310内，构成台阶式热电偶结构。
70.具体的，当所述第二半导体层320在垂向上的投影位于所述第一半导体层310内时，可构成台阶式热电偶结构，如图3、图4a及图4b所示，该台阶式热电偶结构可为所述支撑
部520提供容置空间，从而可通过所述支撑部520对所述第二半导体层320、第一半导体层310及红外吸收部510提供支撑，从而所述第二半导体层320及第一半导体层310可通过所述支撑部520及位于所述冷结端b的所述绝缘介质层200以形成稳定结构，避免发生破裂，以提高质量。本实施例中，采用所述台阶式热电偶结构，但所述热电偶的形貌并非局限于此。
71.作为示例，所述支撑部520包括分段式支撑部。
72.具体的，如图4a及图4b，示意了具有两种所述支撑部520的结构示意图，其中，当采用如图4b中的分段式的所述支撑部520时，还可进一步的减少作用面积，但所述支撑部520的形貌并非局限于此，也可采用如图4a的连续分布结构，此处不作过分限制。
73.作为示例，所述第一刻蚀窗口321及第二刻蚀窗口511位于同一垂线上。
74.具体的，如图2～图4b，所述第一刻蚀窗口321、第一空腔221、第二刻蚀窗口511及第二空腔231相贯通，且优选所述第一刻蚀窗口321及第二刻蚀窗口511位于同一垂线上，从而便于制备形成所述第一空腔221及第二空腔231。
75.作为示例，所述绝缘介质层300包括氧化硅层及氮化硅层中的一种或组合；所述红外吸收层500包括氮化硅红外吸收层，其中，所述绝缘介质层300可为单层，也可为多层结构，关于所述绝缘介质层300及红外吸收层500的具体材质及结构此处不作过分限制。
76.作为示例，所述mems热电堆红外传感器中具有多个所述热电偶300，且所述热电偶300串联连接构成热电偶组；形成的所述热电偶组的分布形貌包括十字形或米字形，以增大由所述热电偶300产生的电压差，从而实现热电堆对外界红外线的精确探测。如图5a～图5c，示意了三种热电偶组的分布形貌，但所述热电偶300的数量及分布并非局限于此。
77.作为示例，所述导电层400包括铝金属层、银金属层、金金属层、钛金属层、钨金属层、铂金属层中的一种或组合，具体材质及形貌可根据需要进行选择，此处不作限定。
78.参阅图1～图5，本实施例还提供了一种mems热电堆红外传感器的制备方法，包括以下步骤：
79.提供衬底100；
80.于所述衬底100上形成覆盖所述衬底100的第一绝缘介质层210；
81.于所述第一绝缘介质层210上形成具有a塞贝克系数的第一半导体层310；
82.于所述第一半导体层310上形成覆盖所述第一半导体层310的第二绝缘介质层220；
83.于所述第二绝缘介质层220上形成具有b塞贝克系数的第二半导体层320，所述第一半导体层310与所述第二半导体层320的塞贝克系数相反并结对堆叠设置以构成热电偶300；
84.形成贯穿所述第二半导体层320的第一刻蚀窗口321；
85.于所述第二半导体层320上形成覆盖所述第二半导体层320的第三绝缘介质层230；
86.形成导电层400，所述导电层400与所述第一半导体层310及第二半导体层320相接触；
87.于所述第三绝缘介质层230上形成红外吸收层500；
88.形成贯穿所述红外吸收层500的第二刻蚀窗口511；
89.通过所述第二刻蚀窗口511及第一刻蚀窗口321，刻蚀所述第三绝缘介质层230及
第二绝缘介质层220，在位于热结端a的所述第二半导体层320与所述红外吸收层500之间形成与所述第二刻蚀窗口511相贯通的第二空腔231，以及在位于热结端a的所述第一半导体层310与所述第二半导体层320之间形成与所述第一刻蚀窗口321相贯通的第一空腔221，且所述第二空腔231与所述第一空腔221相贯通；
90.形成贯穿所述衬底100的空腔110；
91.通过所述空腔110，刻蚀所述第一绝缘介质层210，以显露所述第一半导体层310。
92.具体的，形成的所述mems热电堆红外传感器的结构可参阅上述有关所述mems热电堆红外传感器的描述，此处不作赘述。
93.作为示例，形成的所述第一绝缘介质层210包括氧化硅层及氮化硅层中的一种或组合；形成的所述第二绝缘介质层220包括氧化硅层及氮化硅层中的一种或组合；形成的所述第三绝缘介质层230包括氧化硅层及氮化硅层中的一种或组合；形成的所述红外吸收层500包括氮化硅红外吸收层。其中，所述第一绝缘介质层210、第二绝缘介质层220、第三绝缘介质层230及红外吸收层500的材质及结构并非局限于此，所述第一绝缘介质层210、第二绝缘介质层220及第三绝缘介质层230构成绝缘介质层300。
94.作为示例，形成的所述第一刻蚀窗口321及第二刻蚀窗口511的中心线位于同一垂线上。
95.具体的，通过所述第一刻蚀窗口321及第二刻蚀窗口511可使得刻蚀液通过所述第一刻蚀窗口321及第二刻蚀窗口511以与所述绝缘介质层300相接触，以去除部分所述绝缘介质层300形成所述第一空腔221及第二空腔231，进一步的当所述第一刻蚀窗口321及第二刻蚀窗口511的中心线位于同一垂线上时，可提高刻蚀效率，降低工艺控制难度。其中，可通过控制所述第一刻蚀窗口321及第二刻蚀窗口511的位置、形貌及刻蚀工艺参数等，去除位于热结端a的所述绝缘介质层300，仅保留位于冷结端b的所述绝缘介质层300，从而可以减少导热横截面积，降低热结热量损耗，维持冷热结的温度差，有效的提高了传感器的灵敏度。
96.作为示例，形成所述红外吸收层500包括位于热结端a上的红外吸收部510及位于所述第一半导体层310与所述第二半导体层320的外侧的支撑部520。
97.具体的，本实施例中，所述红外吸收层500包括位于顶部的用以吸收外界入射的红外线的红外吸收部510，以产生热量，使所述热电偶300产生温差，且所述红外吸收层500还包括支撑部520，所述支撑部520与所述第一半导体层310及所述第二半导体层320的外侧均相接触，从而通过所述支撑部520可用以支撑所述第一半导体层310、所述第二半导体层320，以及所述红外吸收部510，从而可防止所述热电偶300和所述红外吸收部510发生破裂，以提高质量。如图4a及图4b示意了具有两种所述支撑部520的结构示意图，其中，当采用如图4b中的分段式的所述支撑部520时，还可进一步的减少作用面积。其中，如图4a及图4b，在制备所述红外吸收层500时，可分步形成所述支撑部520及红外吸收部510，如先形成所述支撑部520后，再形成所述红外吸收部510。但并非局限于此，也可如图3所示，采用一步沉积及图形化的方式形成所述红外吸收层500，使得所述红外吸收层500包括位于顶部的用以吸收外界入射的红外线的所述红外吸收部510以及覆盖所述第一半导体层310与所述第二半导体层320的外侧的所述支撑部520，此处不作过分限制。
98.作为示例，形成的所述第二半导体层320在垂向上的投影位于所述第一半导体层
310内，形成台阶式热电偶结构。
99.具体的，当所述第二半导体层320在垂向上的投影位于所述第一半导体层310内时，可构成台阶式热电偶结构，如图3、图4a及图4b所示，该台阶式热电偶结构可为所述支撑部520提供容置空间，从而可通过所述支撑部520对所述第二半导体层320、第一半导体层310及红外吸收部510提供支撑，从而所述第二半导体层320及第一半导体层310可通过所述支撑部520及位于所述冷结端b的所述绝缘介质层200以形成稳定结构，避免发生破裂，以提高质量。本实施例中，采用所述台阶式热电偶结构，但所述热电偶的形貌并非局限于此。
100.作为示例，所述mems热电堆红外传感器中形成多个所述热电偶300，且所述热电偶300串联连接构成热电偶组；形成的所述热电偶组的分布形貌包括十字形或米字形，以增大由所述热电偶300产生的电压差，从而实现热电堆对外界红外线的精确探测。如图5a～图5c，示意了三种热电偶组的分布形貌，但所述热电偶300的数量及分布并非局限于此。
101.作为示例，形成的所述导电层400包括铝金属层、银金属层、金金属层、钛金属层、钨金属层、铂金属层中的一种或组合，具体材质及形貌可根据需要进行选择，此处不作限定。
102.综上所述，本发明的mems热电堆红外传感器及制备方法，mems热电堆红外传感器包括衬底、绝缘介质层、热电偶、导电层及红外吸收层，位于上层的第二半导体层具有贯穿第二半导体层的第一刻蚀窗口，红外吸收层具有贯穿红外吸收层的第二刻蚀窗口，且位于冷结端的第一半导体层及第二半导体层的相对两面均与绝缘介质层相接触，位于热结端的第一半导体层与第二半导体层之间具有第一空腔，位于热结端的第二半导体层与红外吸收层之间具有第二空腔，且第一刻蚀窗口、第一空腔、第二刻蚀窗口及第二空腔相贯通。本发明通过去除传感器的热结端的绝缘介质层，仅保留冷结端的绝缘介质层，可以减少导热横截面积，降低热结热量损耗，从而维持冷热结的温度差，有效的提高了传感器的灵敏度，且在形成红外吸收层时可形成支撑部，以对热电偶起到支撑作用，降低破裂概率，提高质量。
103.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。