专利名称：集成微机械热电堆红外探测系统及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种集成微机械热电堆红外探测系统及其制作方法，更确切
地说本发明涉及一种基于MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)传感器和CMOS信号处理电路的微机械热电堆红外探测系统及其制作方法，属于红外探测器领域。
背景技术：
随着红外探测技术在军事和民用领域的地位日益提高，非致冷红外传感器发展迅速。热电堆红外探测器是最早发展的一种热红外探测器，其工作原理是Seebeck效应[T. H. Geballe and G. W. Hull, "Seebeck Effect inSilicon, ，， 紐，vol. 98, No. 4， pp. 940-947， May 1955.]。 i亥效
应指出两种不同材料组成的热偶，如果闭合回路的两个节点之间存在温度差，就会在回路中产生电动势。早期的热电堆红外探测器是利用真空镀膜的方法，将热电偶材料沉积到塑料或氧化铝衬底上获得的，器件尺寸较大，也不易批量生产。随着微电子机械系统MEMS技术的发展，1982年美国密歇根大学的K.D. Wise等[G. R. Lahiji and K. D. Wise, "A Batch-Fabricated SiliconThermopile Infrared Detector," Z5S 7y朋51. ^57ectn9/ "eK/ces, vol.ED-29， no. 1， pp. 14-23， January 1982.]率先采用微机械手段制作了两种封闭膜结构的硅基热电堆红外探测器，热偶材料分别为Bi-Sb与Si-Au。按照构成热偶的材料分类，主要包括金属热偶，硅-金属热偶，以及硅-硅热偶[l.M.C. Foote， E. W. Jones and T. Caillat， "Uncooled Thermopile InfraredDetector Linear Arrays with Detectivity Greater than 109 cmHz1/2/W，，，7i5M rra/zs. j57ectro/ "ei^z'ces, vol. 45， no. 9， pp. 1896-1902， September1998. ][2. W. G. Baer， K. Najaf i ， K. D. Wise and R. S, Toth， "A 32-el匿ntmicromachined thermal imager with on—chip multiplexing, ，， Se/ s.A'vol. 48， issue 1, pp. 47-54， May 1995. ] [3. R.Lenggenhager， H. BaltesandT. Elbel， "Thermoelectric infrared sensorsin CMOS technology, ,， 6"面.爿"朋tor".'尸Afs. vol. 37-38， pp. 216-220，June-August 1998. ] [4. T. Akin， Z. Olgun， 0. Akar， H. Kulah， "Anintegrated thermopile structure with high responsivity using anystandard CMOS process, ，， 5b/ s. Jcti/stors A.，vol. 66， issue 1-3,pp. 218-224， April 1998.]。这些研究不仅拓宽了构成热偶的材料，还探索了不同的结构释放工艺。例如增加了氧化硅-氮化硅复合介质膜，使用了TMAH等湿法腐蚀液，尝试了从硅片正面释放结构等工艺方法。
由于MEMS和CMOS工艺的相似性，如何将热电堆传感器和信号读出电路实现单片集成是研究者们关注的另一方向。随着IC工艺的不断发展，工艺水平持续提高，特征尺寸不断下降，给热电堆集成红外探测器的制作提供了一种低成本和高可靠性的方法，同时通过标准IC工艺制作的探测器比较容易与读出电路集成，制作在同一块芯片当中，提高探测器输出信号的质量、实现传感系统的微型化。1986年K. D. Wise等[I. H. Choi and K. D, Wise, "ASilicon-Thermopile-Based Infrared Sensing Array for Use in AutomatedManufacturing," /￡五￡ Tra肌五/e"raw Z)ev/ces, vol. ED-33, no. 1, pp. 72-79,January 1998.]制作的探测器已经集成了简单的MUX电路。进而，1999年他们在单个传感单元的基础上制作了 32x32像素的热电堆传感器阵列[A. D.Oliver, K. D. Wise, "A 1024-element bulk-micromachined thermopile infraredimaging array," 爿cfwatora丄P/z,, vol, 73, issue 3， pp. 222-231， March
1999.]。他们所用的热偶材料是n-PoIySi/p-PolySi，采用正面和背面腐蚀相结合的方法来释放绝热结构。2001年，ETH的A. Schaufelbuhl等[A.Schaufelbuhl, N. Schneeberger, U. Munch, "Uncooled low-lost thermal imagerbased on micromachined CMOS integrated sensor array," M五MS， vol. 10,
issue 4, pp. 503-510, December 2001.]报道了一种10x10像素的热电堆红外传感阵列，这种制作方法完全与商业上用的CMOS工艺兼容，利用EM公司提供的lpm CMOS工艺。此外1995年，M. Mtiller等[M. Miiller, W. Budde, R.Gottfried-Gottfried, "A Thermoelectric Infrared Radiation Sensor withMonolithically Integrated Amplifier Stage and Temperature Sensor," T7ze S
/兀Stockholm, Sweden, June 25-29, 1995, vol. 2, pp. 640-643]在SOI基体上制作了包括热电堆，模拟放大器和温度传感器的集成红外探测器。
在整个单片集成红外传感系统中，信号读出电路是一个很重要的方面，对最终的系统性能有很重要的影响。在相关的集成红外传感器的文章中，在电路方面的设计还比较少，比较成功的是同样来自ETH的研究报告[C.Menolfi and Q. Huang, "A low-noise CMOS instrumentation amplifier forthermoelectric infrared detectors," ZEEE J! 5b/zW-5!fafe Cz>cw//5， vol. SC-32, no.7，pp. 968-976, July 1997.]，利用斩波技术对红外传感器产生的低频信号进行低噪声处理，进一步提高系统的性能。
通常对传感器专用放大器的要求是在传感器输出信号带宽内要有较高的增益，低的等效输入噪声，并且对直流失调电压要有很强的抑制作用。现阶段用于减少1/f噪声和失调电压的技术主要有[姚镭，单片集成MEMS红外传感器中的低噪声CMOS接口电路研究，中国科学院研究生院硕士学位论文，2007.5]:自调零技术(Auto Zero)与斩波技术(Chopper Stabilized)]。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种集成微机械热电堆红外探测系统及其制作方法。所述的红外探测系统可以分成热电堆红外探测器和信号处理电路两大部分。图l是系统框图，图2是系统剖面图。其中，图2中的信号处理电路6包括图1中的前置放大器2，带通滤波器3，主放大器4和斩波器5，热电堆探测器7则是图1中的传感器1。本发明所提出的系统充分考虑并实现了传感器和电路的工艺兼容性，从材料选择，结构设计，工艺次序等方面作了改善。
本发明旨在改进MEMS热电堆传感器和CMOS信号处理电路的兼容性，因此提出了一种采用通过正面开口干法刻蚀工艺释放的热电堆红外探测器以克服湿法腐蚀对CMOS电路的影响，图3为热电堆红外探测器俯视图。该结构最明显的特性是利用干法刻蚀从正面腐蚀单晶硅衬底，从而形成悬浮膜结构的红外吸收层。千法刻蚀具有极好的选择性，可以选择某些只腐蚀硅，而
对铝等材料腐蚀速率极小的气体(如XeF2 )作为工作气体。这样就可以采用标准CMOS工艺中最常用的材料来构成热电偶(如Al/Poly Si， Al/ Si， n-PolySi/p-PolySi， Au/Si等)，从而大大提高了兼容性。整个热电堆红外探测器包括基体硅13，框架9，热电偶12，支撑臂11，红外吸收层8，腐蚀开口 10等六部分。其中，基体和悬浮于框架中间的红外吸收层分别构成热电堆的冷结区和热结区，支撑臂起到连接框架和红外吸收区以及承载热电堆的目的。支撑臂和红外吸收层是由在单晶硅上淀积的氧化硅和氮化硅复合膜构成。该结构的具体特征是制作了中间悬浮的红外吸收层，并设计了用于干法刻蚀基体的腐蚀开口。由于干法刻蚀的各向同性，腐蚀开口的形状可以多种多样，不同于湿法腐蚀开口必须严格沿着特定晶向排布，从而大大增加了设计的灵活性。
信号处理电路是系统的另一主要组成部分。 一般的热电堆红外探测器输出信号特性如下幅度小(几到几十pV)，频率低(几Hz)，背景噪声强(主要为1/f噪声)，电阻约为几十到几百kQ。参考分立传感器处理电路的性能指标，并结合热电堆的输出信号特性，本发明采用斩波技术削弱低频噪声对信号的影响。电路主要包括四部分前置放大器，带通滤波器，主放大器和斩波器。其中，斩波器包括振荡器和调制解调电路，振荡器为调制解调电路
提供双相时钟信号。斩波技术降低1/f噪声的原理是首先调制器将原始输
入信号调制到高频，然后进入放大器进行放大，这时信号中就1/f噪声和电路失调电压，但均处于低频。解调时，高频的有用信号被还原到低频，而低频的1/f噪声和电路失调电压被调制到高频，最后通过一个低通滤波器就可以得到没有1/f噪声和失调电压影响的放大信号，实现微弱信号的放大。振荡器的具体实现方式可以多种多样，但都包括选频网络和反馈网络。调制解
调电路可以使用MOS开关电路构成。
前置放大器和主放大器分开设计主要是为了便于调节电路增益和信号带宽两个参数。前置放大器的作用是对微弱的红外探测器的信号进行初步放大，方便后续的滤波处理，放大倍数如果太大会在滤波处理之前引入很大的噪声。
具体性能指标包括放大倍数(10-30)，高输入阻抗(几百MQ)，高CMRR
7(^80dB);低输入噪声电压(<10nV//Hz)。主放大器的作用是将整个电路的增益调整到一个合适的范围，其放大倍数应在100以上，同时要满足低输入噪声(<10nV/VHz)和高共模抑制比CMRR( (280dB)的要求。带通滤波器的中心频率应和振荡器的信号频率保持固定关系，最简单的情况是两者一致。整个电路的总体增益大约为60-80dB，热电堆红外探测器的输出信号被放大到几十mV量级。
综上所述，本发明提供的集成微机械热电堆红外探测系统，包括热电堆探测器和信号处理电路两大部分，其中信号处理电路包括前置放大器，带通滤波器，主放大器和振荡器四部分；其特征在于实现了热电堆探测器和信号处理电路的单片集成设计，制作和测试。
所述的集成微机械热电堆红外探测系统中的热电堆探测器结构，包括(硅)基体，框架，热电偶，支撑臂，红外吸收层，腐蚀开口等六部分;其特征在于中间悬浮的红外吸收层可以带有不同形状的腐蚀开口，干法刻蚀工作气体通过腐蚀开口进入衬底腐蚀硅释放结构；所述的腐蚀开口是为干法刻蚀工作气体进入衬底进行反应提供通道，可以设计成方形，圆形，扇形等多种形状，不必考虑特定的晶向。
所述的集成微机械热电堆红外探测系统中的热电堆探测器结构，其特征在于热电偶对的几何构型可以平行于框架各边，可以沿框架的对角线方向，可以沿框架的径向等多种方案。
所述的集成微机械热电堆红外探测系统中的信号处理电路结构，其特征在于使用斩波技术削弱低频噪声对信号的影响。
本发明所提出的系统在制作方法上采用标准N阱CMOS工艺，热电堆传感器和信号处理电路同时制作，主要工艺步骤包括
(1) 选择P+硅片作为衬底，初始氧化P-外延层。
(2) 在P-外延层上光刻N阱，离子注入磷，阱区推进。
(3) 生长热氧化硅，LPCVD沉积氮化硅。
(4) 光刻CMOS电路有源区，刻蚀氮化硅和氧化硅。
(5) 刻蚀硅片，生长场氧化层。
(6) 刻蚀去除CMOS电路区域的氮化硅和氧化硅。
8(7) 有源区生长栅氧化层。
(8) 沉积多晶硅，光刻，分别形成CMOS电路的栅极和热电堆的多晶硅条。
(9) PMOS区离子注入硼，形成源极和漏极，其它区域使用光刻胶保护。
(10) NMOS区离子注入磷，形成源极和漏极，其它区域使用光刻胶保护。
(11) 淀积低温氧化层，抛光，光刻引线孔。
(12) 淀积金属，光刻，腐蚀，形成CMOS电路的连线和热电堆的金属条。
(13) 光刻热电堆腐蚀开口。
(14) 干法刻蚀衬底，释放热电堆。
由此可见，本发明所述的集成微机械热电堆红外探测系统的制作方法，其特征在于使用标准CMOS工艺同时制作热电堆探测器和信号处理电路，实现了 MEMS传感器和CMOS电路从材料选择，版图设计，工艺流程等方面的兼容。
(1) 其特征在于可以使用N阱，由P阱或双阱CMOS工艺替代；也即使用这三种中的任一种；
(2) 其特征在于所述的氧化硅和氮化硅可以作为热电堆的红外吸收层；
(3) 其特征在于所述的多晶硅作为热电堆的一种材料和CMOS电路的栅极可以同时制作完成；
(4) 其特征在于所述的引线孔可以同时作为热电堆红外探测器的引线孔和CMOS电路的通孔；
(5) 其特征在于所述的金属可以同时作为热电堆的组成材料和CM0S电路的连线。
图l是本发明所提供的集成微机械热电堆红外探测系统框图。图2是本发明所提供的集成微机械热电堆红外探测系统剖面图。图3是本发明所提供的系统中的热电堆探测器俯视图。图4是本发明所提供的集成微机械热电堆红外探测系统工艺流程。图4-l:硅片准备，初始氧化；图4-2:形成N阱；
图4-3:热氧化，LPCVD沉积氮化硅；图4-4:光刻有源区；
图4-5:生长场氧化层；
图4-6:形成CMOS有源区；
图4-7:生长栅氧化层；
图4-8:光刻栅极和多晶硅条；
图4-9: PMOS源极漏极离子注入硼；
图4-10: NMOS源极漏极离子注入磷；
图4-ll:光刻引线孔；
图4-12:光刻金属连线；
图4-13:光刻热电堆腐蚀开口；
图4-14:干法刻蚀释放热电堆。
图5:实施例2中的热电堆探测器的俯视图。
图中各数字代表的含义为
l.传感器，2.前置放大器，3.带通滤波器，4.主放大器，5.斩波器，6.信号 处理电路，7.热电堆探测器，8.红外吸收层，9.框架，IO.腐蚀开口， 11.支撑 臂，12.热电偶对，13.(硅)基体，14.P-外延层，15.氧化硅，16.N阱，17.氮 化硅，18.场氧化层，19.栅氧化层，20.多晶硅，21.光刻胶，22.硼，23.PMOS 源极漏极，24.磷，25.NMOS源极漏极，26.低温氧化硅，27.引线孔，28.铝， 29.腐蚀开口， 30.腔体
具体实施例方式
下面结合本发明所提供的工艺流程，来具体阐明该探测器的具体结构。 实施例1
主要工艺步骤包括
(1) 选择(100)晶向的P+硅片(图中未画出)作为衬底，电阻率10Q 'cm， 初始氧化P-外延层14生长氧化硅6000A 。
(2) 在P-外延层上光刻N阱16，离子注入磷，剂量2E12cm'2，能量60keV， 阱区推进，结深6.0pm左右。
(3) 生长热氧化硅5000A， LPCVD沉积厚度为2000A的氮化硅17。(4) 光刻CMOS电路有源区，刻蚀氮化硅和氧化硅。
(5) 刻蚀硅片，生长大约8000A的场氧化层18。
(6) 刻蚀去除CMOS电路区域的氮化硅和氧化硅。
(7) 有源区生长厚约1500A的栅氧化层19。
(8) LPCVD沉积2.0pm厚的多晶硅20，离子注入硼，剂量5E15cm—2，能量 80keV，光刻，分别形成CMOS电路的栅极和热电堆的多晶硅条。
(9) PMOS区离子注入硼22，剂量8E15cm'2，能量60keV，形成源极和漏极 23，其它区域使用光刻胶21保护。
(10) NMOS区离子注入磷24，剂量6E15cm—2，能量80keV，形成源极和漏极 25，其它区域使用光刻胶21保护。
(11) 淀积8000A的低温氧化层，抛光，光刻引线孔27。
(12) 淀积2.0nm的铝28，光刻，腐蚀，形成CMOS电路的连线和热电堆的金 属条。
(13) 光刻热电堆腐蚀开口29。
(14) XeF2刻蚀衬底，形成腔体30，释放热电堆。 以上各步对应于图4-1至图4-14所示。
其具体实施步骤与实施例1相同，主要区别在于将实施例1中的热电 堆几何构型修改为图5中的结构。热电偶对的几何形状不是图3所示的径向 而是平行于框架的各边；腐蚀开口设计成方形而不是图3所示的圆形，均不 必考虑特殊的晶向。
实施例3
其具体实施步骤与实施例1相同，主要区别在于将实施例1中的N阱 CMOS工艺修改为P阱或双阱CMOS工艺。以P阱CMOS工艺为例，改动 的工艺步骤如下(a)将实施例1中步骤(1)中的P+硅片改为N+硅片作为 衬底。(b)将实施例1中步骤(2)修改为"在N-外延层上光刻P阱，离子注 入硼，剂量为5E12cm-2，能量为60keV，阱区推进，结深6.0pm左右"。(c) 将实施例1中步骤(8)中的"离子注入硼，剂量为5E15cm—2，能量为80keV"修改为"离子注入磷，剂量为5E15cm—2，能量为60keV"。 (d)将实施例1中 步骤(9)中的"PMOS区离子注入硼22，剂量为8E15cm-2，能量为6QkeV" 修改为"NMOS区离子注入磷，剂量为6E15cm'2，能量为80keV"。 (e)将实 施例l中步骤(10)中的"NMOS区离子注入磷24，剂量为6E15cm气能量 为80keV"修改为"PMOS区离子注入硼，剂量为8E15cm-2，能量为60keV"。 其它步骤不变。
权利要求
1、一种集成微机械热电堆红外探测系统，其特征在于所述的微机械热电堆红外探测系统，包括热电堆探测器和信号处理电路两部分，实现了该两部分的集成；其中信号处理电路是依次由前置放大器、带通滤波器、主放大器以及斩波器构成；热电堆探测器是由基本、框架、热电偶对、支撑臂、红外吸收层以及腐蚀开口六部分构成的；基体和悬浮于框架中间的红外吸收层分别构成热电堆探测器的冷结区和热结区；支撑臂连接框架和红外吸收区；中间悬浮的红外吸收层带有不同形状的腐蚀开口。
2、 按权利要求1所述的集成微机械热电堆红外探测系统，其特征在于所 述的腐蚀开口为干法刻蚀时工作气体进入衬底进行反应提供通道，该腐蚀开 口设计成方形、圆形或扇形，且不必考虑特定的晶向。
3、 按权利要求1所述的集成微机械热电堆红外探测系统，其特征在于所 述的热电偶对的几何构型为平行于框架各边、沿框架的对角线方向或沿框架 的径向。
4、 按权利要求1所述的集成微机械热电堆红外探测系统，其特征在于支 撑臂和红外吸收层是由在单晶硅基体上沉积的氧化硅和氮化硅复合膜构成 的。
5、 按权利要求1所述的集成微机械热电堆红外探测系统，其特征在于所 述的斩波器包括振荡器和调制解调电路，以削弱低频噪声对信号的影响；振 荡器为调制解调电路提供双相时钟信号。
6、 按权利要求1所述的集成微机械热电堆红外探测系统，其特征在于前 置放大器放大倍数为10 30;主放大器的倍数大于100，两个放大器同时具 有〈10nVNHZ的低输入噪声和》80dB的高共模抑制比。
7、 按权利要求1所述的集成微机械热电堆红外探测系统，其特征在于带 通滤波器的中心频率与振荡器的信号频率一致。
8、 按权利要求1所述的集成微机械热电堆红外探测系统，其特征在于信 号处理电路的增益为60 80dB，热电堆红外探测器的输出信号被放大到几十 mV量级。
9、 制作如权利要求1所述的集成微机械热电堆红外探测系统的方法，其特征在于采用标准CMOS工艺，热电堆红外探测器和信号处理电路通知制作，工艺步骤包括(1) 选择(100)晶向的P+硅片作为衬底，电阻率10Q ，cm，初始氧化 P-外延层上生长氧化硅6000A;(2) 在P-外延层上光刻N阱，离子注入磷，剂量为2E12cm—2，能量60keV， 阱区推进，结深为6.0pm;(3) 生长热氧化硅5000A， LPCVD沉积厚度为2000A的氮化硅；(4) 光刻CMOS电路有源区，刻蚀氮化硅和氧化硅；(5) 刻蚀硅片，生长8000A的场氧化层；(6) 刻蚀去除CMOS电路区域的氮化硅和氧化硅；(7) 有源区生长厚为1500A的栅氧化层；(8) LPCVD沉积2.0pm厚的多晶硅，离子注入硼，剂量5E15cm—2，能量 80keV，光刻，分别形成CMOS电路的栅极和热电堆的多晶硅条；(9) PMOS区离子注入硼，剂量为8E15cm'2，能量60keV，形成源极和漏极，其它区域使用光刻胶保护；(10) NMOS区离子注入磷24，剂量为6E15cm气能量80keV，形成源极和漏极，其它区域使用光刻胶保护；(11) 淀积8000A的低温氧化层，抛光，光刻引线孔；(12) 淀积2.0pm的铝，光亥U，腐蚀，形成CMOS电路的连线和热电堆的 金属条；(13) 光刻热电堆腐蚀开口；(14) XeF2刻蚀衬底，形成腔体，释放热电堆。
10、 按权利要求9所述的集成微机械热电堆红外探测系统的制作方法，其特征在于(a) N阱为P阱或双阱CMOS工艺替代；(b) 步骤(8)中的多晶硅和CMOS电路的栅极同时制作；(c) 步骤(11)中的引线孔同时作为热电堆红外探测器的引线孔和CMOS 电路的通孔；(d) 步骤(12)中的金属同时作为热电堆探测器的组成材料和CMOS电路 的连线。
全文摘要
本发明涉及一种集成微机械热电堆红外探测系统及制作方法，所述的系统包括热电堆探测器和信号处理电路两大部分。其中信号处理电路包括前置放大器，带通滤波器，主放大器和振荡器四部分。特征在于实现了热电堆探测器和信号处理电路的单片集成设计和制作。使用标准的CMOS工艺同时制作热电堆探测器和信号处理电路，实现了MEMS传感器和CMOS电路的兼容。系统中的热电堆探测器结构，包括(硅)基体，框架，热电偶，支撑臂，红外吸收层，腐蚀开口等六部分；中间悬浮的红外吸收层可以带有不同形状的腐蚀开口，干法刻蚀工作气体通过腐蚀开口进入衬底腐蚀硅释放结构。系统中的信号处理电路结构使用了斩波技术削弱低频噪声对信号的影响。
文档编号G01J5/14GK101476941SQ20081020215
公开日2009年7月8日 申请日期2008年11月4日 优先权日2008年11月4日
发明者刘米丰, 徐德辉, 杨恒昭, 斌 熊, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所