专利名称：一种提高热释电红外探测器响应的方法
技术领域：
本发明是以离子注入技术提高红外探测器热释电响应的新方法，属于集成铁电制造工艺。
以铁电薄膜制作热释电红外探测器具有无需致冷，可在室温下工作，光谱响应无波长选择性成本低廉和器件结构简单等特点。为了与常规的集成电路工艺兼容，铁电薄膜制备时一般选择硅衬底，但是硅材料的导热率很高(145W/m.K)。作为探测元的铁电薄膜所吸收热量向硅衬底的耗散会极大地降低探测器的热释电响应及其反应的灵敏度。热释电探测器减少热流从薄膜向衬底的传递目前采用的方法主要有桥式悬空结构、空气隙结构、微桥结构和多孔SiO2。悬空结构利用了硅定向腐蚀特性，在探测元的背后挖窗口，通过空气阻止热流扩散。其最大缺点为机械强度差(T.Shiosaki,Proceeding of the 6thUS-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics,USA,1993:1-8.and M.Okuyama,and Y.Hamakawa,Ferroelectrics,63(1985),243-252.)。空气隙结构是通过腐蚀探测元底电极下的氮化硅或磷硅玻璃，在硅衬底与底电极之间形成1000～2000nm厚的空气间隙来阻止热流。缺点是需经过多次的刻蚀或光刻，硅腐蚀为横向腐蚀(Pham L.,TihenW.,Ye C.et al,IEEE tranastions on ultrasonics ferroelectrics andfrequency control,41(1994),552-555.)。微桥结构利用了微电子机械系统加工(MEMS)技术，在硅片上制备氮化硅薄膜“微桥”。微桥与硅片之间只有两个点接触，在微桥上制备铁电薄膜形成器件。其缺点为工艺复杂，难度大。任巍等人(Wei Ren,Yun Liu,Xiaoqing Wu,Liangying Zhangand Yao Xi,Integrated ferroelectrics,15(1997),271-279.)采用多孔SiO2作为绝热层提高铁电薄膜的热释电响应，但是采用Sol-Gel法制备多孔SiO2，工艺复杂，重复性与稳定性较差。
本发明的目的在于采用简单的方法，在体硅中形成一层阻止热流扩散的空腔层，使制备在硅衬底上的织构的铁电薄膜具有很高的热释电响应，材料用于集成铁电器件中的红外热释电探测器。
一种提高热释电红外探测器响应的方法是单晶硅抛光片，厚度约350000nm，经常规集成电路工艺清洗后，利用常规离子注入机或等离子体浸没式注入机，将能量为20-170keV、剂量为(1-9)×1017/cm2的He离子注入到硅表层下面，在氮气保护下于700-1100℃退火1-2小时。在1000-1100℃下将表层硅和纳米孔层湿氧氧化，生成的SiO2层和SiO2空腔层的厚度分别约为300-600nm和500-1000nm；采用高真空蒸发制备Pt,/Ti底电极，采用PLD法制备10-100nm的铌酸锶钡子晶层(SBN)，通过650-750℃保温1-2小时退火，形成(001)取向织构的薄膜，随后采用MOD法制备出厚度为500～1000nm织构的钛酸铅掺镧(PLT)薄膜，其中热处理温度为700-800℃保温1-3小时。
图1为结构图1为硅衬底，厚度为300～5000nm；102为空腔绝热层，厚度在500～1000nm；103为SiO2层，厚度为300nm；4为Ti过渡层，厚度为20nm；5为Pt底电极，厚度为60-100nm；6为SBN子晶层，厚度为10～100nm；7为PLT铁电薄膜层，厚度为500～1000nm；8为上电极，厚度为60-100nm；104为悬空结构的窗口。
图2为工艺流程图一、用清洗液对清洗后的硅片1注He+；二、热处理与热氧化在硅片1上形成空腔层102与SiO2层103；三、利用超高电子束蒸发仪在SiO2层103上生长Ti4；四、利用超高电子束蒸发仪在Ti4上生长Pt5；七、采用脉冲激光沉积制备SBN5；八、采用金属有机热分解法制备PLT7；九、采用腐蚀的方法形成悬空窗口104；十、采用超高电子束蒸发仪形成上电极8。
采用本发明方法，由离子注入在硅衬底中形成的空腔层，一方面防止了热流从热释电薄膜流向硅片，提高了铁电薄膜的热释电响应；另一方面保证了制备工艺完全与硅集成工艺的兼容，与前面几种方法比较，机械强度提高了，工艺过程简单而且工艺参数容易控制，重复性与稳定性好。
在本发明所形成空腔层的Pt/Ti/SiO2/Si衬底上采用脉冲激光沉积(PLD)制备出织构的铌酸锶钡(SBN)子晶层，再采用金属有机热分解法(MOD)制备出织构的钛酸铅掺镧(PLT)薄膜，表面粗糙度可控制在3nm以下。PLT铁电薄膜具有优良的热释电性能(热释电系数可达到6.5×10-8C/cm2·K)，介电常数适中，有很高的电压优值。
下述实施方法将有助于理解本发明，但不限制本发明的内容。
以下是一种实施方法单晶硅抛光片，厚度约350000nm，经常规集成电路工艺清洗后，利用常规离子注入机或等离子体浸没式注入机，将能量为70-160keV、剂量为8×1017/cm2的He离子注入到硅表层下面，在氮气保护下于700℃退火1小时。用常规热氧化法将表层硅和纳米孔层氧化，生成的SiO2层和SiO2空腔层的厚度分别约为300nm和800nm；采用高真空蒸发制备Pt/Ti底电极，采用PLD法制备100nm的铌酸锶钡子晶层，通过650℃保温1小时退火，形成(001)取向织构的薄膜，随后采用MOD法制备出厚度为800nm织构的PLT薄膜，其中热处理温度为700℃保温1小时。
用上述方法制得的硅基铁电薄膜结构如图1所示，其中1为硅衬底，厚度为350nm；102为空腔绝热层，厚度在800nm；103为SiO2层，厚度为300nm；4为Ti过渡层，厚度为20nm；5为Pt底电极，厚度为80nm；6为SBN子晶层，厚度为30nm；7为PLT铁电薄膜层，厚度为800nm；8为上电极，厚度为80nm；104为悬空结构的窗口。
工艺流程图如图2一、用清洗液对清洗后的硅片1注He+；二、热处理与热氧化在硅片1上形成空腔层102与SiO2层103三、利用超高电子束蒸发仪在SiO2层103上生长Ti4；四、利用超高电子束蒸发仪在Ti4上生长Pt5；七、采用脉冲激光沉积制备SBN5；八、采用金属有机热分解法制备PLT7；九、采用腐蚀的方法形成悬空窗口104；十、采用超高电子束蒸发仪形成上电极8。
本发明的效果在于1、采用He离子注入、热处理与热氧化的方法在硅衬底中形成SiO2空腔层，可有效地阻止了探测元热流向衬底的扩散，提高热释电探测器的响应；结合悬空窗口，效果更好，解决悬空结构机械强度差的问题。
2、首先采用PLD法生成子晶，然后利用MOD法制备出大面积、均匀的与织构的PLT铁电薄膜，可有效地提高薄膜的热释电系数，用于制作红外探测器阵列。
3、整个制备工艺简单，重复性和稳定性好，并与常规的集成电路兼容。
权利要求
1.一种提高热释电红外探测器响应的方法，在制作红外探测器用的Si衬底中，采用He离子注入、高温热处理和热氧化，形成SiO2层和SiO2空腔层。形成条件为采用常规的离子注入机，其He离子注入的能量为20-170keV，剂量为(1-9)×1017/cm2，热处理温度为700-1100℃，在氮气保护下保温1-2小时，热氧化是在1000-1100℃下湿氧氧化，然后，采用脉冲激光在上述有空腔层的Pt/Ti/SiO2/Si衬底上沉积子晶层，沉积时激光能量控制在140-160mJ，衬底温度控制在650-750℃，再采用金属有机物热分解法，制备出厚度为织构的铁电薄膜。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征是所述的空腔层的厚度在500-1000nm，空腔层中的孔率在10-40％，孔径在10-50nm。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的织构的铁电薄膜的厚度为500-1000nm。
4.按照权利要求1或2所述方法，其特征是利用脉冲激光沉积子晶层，沉积时间控制在4-10分钟，就可得到铌酸锶钡织构的子晶层。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征是所述的铌酸锶钡织构的子晶层厚度为10-100nm。
6.按照权利1所述方法，金属有机物热分解法制备的PLT铁电薄膜最终热处理温度应是700～800℃。
全文摘要
本发明是一种以离子注入技术提高红外探测器热释电响应的方法,属于集成铁电制造工艺。系采用He离子注入结合热处理在红外探测器下面的硅衬底中产生一空腔层,减少热释电材料所吸收的热量向硅衬底扩散,从而提高热释电红外探测器的响应度。同时采用脉冲激光沉积技术在有空腔层Pt/Ti/SiO
文档编号H01L31/00GK1234614SQ98122069
公开日1999年11月10日 申请日期1998年12月4日 优先权日1998年12月4日
发明者宋志棠, 张苗, 林成鲁 申请人:中国科学院上海冶金研究所