专利名称：一种高电阻温度系数二氧化钒薄膜的制备方法
技术领域：
本发明属于薄膜制备技术，具体的说是涉及一种用于非致冷红外探测 器的高性能二氧化钒薄膜的制备方法。
背景技术：
非致冷红外焦平面数组(IR-UFPA)是通过接受物体发射的红外辐射来 实现夜视及相关应用的。相对于光子型探测器，它无需通过液氮制冷到77K， 而是工作在常温，这使其具有成本低、重量轻、功耗低、易于维护等方面 的优点，这极大的启动了该器件的军民两用市场。同时对高性能的UFPA 要求也愈发强烈。
UFPA器件的热敏材料的温度电阻系数(TCR)和材料本身的噪声是影 响器件性能的最主要因素。从器件物理的角度，热敏材料的TCR越高、噪 声越小，UFPA的探测性能越高。能用于非致冷红外探测的材料有氧化钒、 多晶硅、超导体YBCO和金属等。多晶硅和氧化钒的TCR相差不大，但前 者要经过近100(TC的高温处理，对器件的集成工艺很不利。超导体YBCO 有较高的TCR，但是材料的噪声较大，探测器性能受到限制；金属的噪声 虽然很小但是它的TCR只有氧化钒的1/10，难以得到高性能器件。而氧化 钒材料具有低的噪声和高的TCR，且制备工艺与IC工艺兼容。因此，氧化 钒(包括多晶混合相氧化钒和二氧化钒)成为UFPA的最常使用的材料。
随着对高性能器件的要求越来越强烈，研究更高TCR、更低噪声的热 敏材料以满足器件性能的需要变得越来越重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高电阻温度系数二氧化钒薄膜的制备方 法，利用该方法所制备的薄膜具有高电阻温度系数、低噪声的特点，可满 足高灵敏非致冷红外探测器的要求。
本发明提供的高电阻温度系数二氧化钒薄膜的制备方法，包括下述步
骤
第1步对硅衬底进行标准微制造工艺的清洗；
第2步在硅衬底上先溅射沉积一层Si3N4或者Si02薄膜，作为缓冲
层；
第3步采用反应离子束溅射法，在上述缓冲层上沉积厚度为 50-200nm的氧化钒薄膜，反应离子溅射工艺条件为本底真空3xl(T4Pa 3xl(T3Pa，氩氧分压比为10:1 20:1，溅射气压为5xl{T2Pa 2xl()-2pa，离子 束能量200 800 eV，衬底温度150°C 400°C ，溅射时间10 40分钟；
第4步待自然冷却后，取出样片，进行退火，退火工艺条件为退 火气氛为氩气，气体流量300 1000SCCM(毫升/分钟)，退火温度25(TC 450°C，退火时间30 120分钟，得到二氧化钒薄膜。
本发明采用反应离子束溅射法与后退火工艺相结合，通过工艺参数的 优化，使采用本发明方法所制备的纳米二氧化钒薄膜可满足UFPA的发展 需求，它在半导体区的TCR为-5M/K -7。/。/K (远远高于常用的氧化钒材料 的-2"/。/K的TCR)而其噪声电平与常用的氧化钒材料相当的特点。具体而 言，本发明具有以下优点
(1) 本发明制备的二氧化钒薄膜具有在半导体区TCR为-5%/3& -7。/。/K的特点。
(2) 本发明制备的二氧化钒薄膜的噪声和微米结构的二氧化钒薄膜相当。
(3) 本发明制备的二氧化钒薄膜为平均晶粒5 20nm的多晶结构，薄膜和衬底结合牢固。
(4)本发明制备的二氧化钒薄膜最高温度为45(TC，与CMOS工艺兼 容，可以实现和读出电路的集成而不会造成读出电路的失效。
图1为薄膜的透射电子显微镜图片。
图2为纳米结构二氧化钒的对数电阻一温度曲线。
图3为纳米及微米结构二氧化钒材料的噪声测试曲线。
表l几个薄膜样品的电特性参数
具体实施例方式
下面通过实施例对本发明作进一步描述
1.电阻温度系数为-7。/。/K的V02薄膜的制备工艺
(1) 对(100)晶向的高阻硅按照标准RCA工艺清洗衬底，之后用
氮气吹干。
(2) 将硅片放入反应离子溅射系统中，打开加热装置，使衬底温 度在28(TC;待真空度达到要求衬底温度稳定后，对硅片表面进行平行离子 束溅射清洗。溅射采用纯度为4N的钒靶，溅射反应气体纯度为4N，沉积 速率2-3nm/min。工艺参数如下
项目参数
本底真空(Pa)3x10-4
溅射气压(Pa)2xl0-2
离子能量(eV)450
束流(mA)28
清洗时间(分钟)2
(3)换用聚焦离子源对溅射靶材表面进行清洗3分钟，然后打开挡板溅射缓冲层在硅片表面溅射沉积氮化硅或者二氧化硅。具体参数如下:
项目参数
本地真空(Pa)
溅射气压(Pa)2xl(T2
离子能量(eV)700
束流(mA)30
沉积速率(nm/Min)25
膜厚(nm)240
沉积温度(°c)280
(4) 通入氩氧混合气，清洗钒靶3分钟；打开挡板开始反应溅射沉 积氧化钒薄膜。具体参数如下
项目 参数
本地真空(Pa)3xl0-4
溅射气压(Pa)2.0xl0—2
氩氧比(％)11: 1
离子能量(eV)500
束流(mA)30
沉积速率(nm/Min)2
膜厚(nm)70
沉积温度rc)280
(5) 对薄膜退火处理待自然冷却到8(TC后，将样片取出；将样片 放入管式退火炉中，通入氩气5分钟，充分带走空气；在Ar气氛下对样片 进行退火处理。具体参数如下项目参数
退火温度rc)430
退火气氛Ar
气体流量(SCCM)620
退火时间(Min)60
(6) TCR测试
半导体热电温度控制器(TEC)和四探针结合，对薄膜的电学性能进行 测试。图l表示纳米及微米结构V02的对数电阻-温度曲线(只图标出了上 升曲线)，显示薄膜具有在38。C相变，半导体区电阻温度系数为-7。/。/K的特点。
2.电阻温度系数为其他值的VCb薄膜制备工艺 工艺参数类似于实施例1，只是变化退火温度和退火时间，制备三个样 品，其电阻温度特性和方块电阻如表l所示。
将上述实施例中的纳米结构V02薄膜材料与常用微米结构VCb材料用 于制备128元线列非致冷V02红外探测器件，采用锁相放大器对器件噪声 进行测试，对比结果如图3所示。结果表明，两种材料的噪声相当。说明 该材料是一种很有前途的用于非制冷红外探测器的热敏材料。
表l
样品退火温度 (。C)退火时间 (min)相变温度 (。C)TCR (%/K)R/口 (咖
4306043-5.9315
430卯41-6.1330
3#43012039-6.7420
权利要求
1、一种高电阻温度系数二氧化钒薄膜的制备方法，包括如下步骤第1步对硅衬底进行标准RCA清洗；第2步在硅衬底上先溅射沉积一层Si3N4或者SiO2薄膜，作为缓冲层；第3步采用反应离子溅射法，在上述缓冲层上沉积厚度为50-200nm的氧化钒薄膜，反应离子溅射工艺条件为本底真空3×10-4Pa～3×10-3Pa，氩氧分压比为10∶1～20∶1，溅射气压为5×10-2Pa～2×10-2Pa，离子束能量200～800eV，衬底温度150℃～400℃，溅射时间10～40分钟；第4步待自然冷却后，取出样片，进行退火，退火工艺条件为退火气氛为氩气，气体流量300～1000毫升/分钟，退火温度250℃～450℃，退火时间30～120分钟，得到二氧化钒薄膜。
全文摘要
本发明公开了一种高电阻温度系数二氧化钒薄膜的制备方法，可用于非致冷红外探测。该方法在沉积有Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>或者SiO<sub>2</sub>薄膜的硅衬底上，采用反应离子束溅射法沉积厚度为50-200nm的氧化钒薄膜；待自然冷却后，取出样片，再进行退火。本发明方法所制备薄膜具有平均晶粒5～20nm的纳米结构，在半导体区具有-5％/K～-7％/K电阻温度系数(TCR)，合适的方块电阻，与常用微米结构二氧化钒相当的噪声电平的优点。是一种很有潜力的非致冷红外探测材料。
文档编号H01L31/18GK101626047SQ200910061700
公开日2010年1月13日 申请日期2009年4月17日 优先权日2009年4月17日
发明者何少伟, 君 戴, 易新建, 赖建军 申请人:华中科技大学