[发明专利]半导体热电堆红外探测器及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种容易制造，可靠性高的半导体热电堆红外探测器及制造方法。

背景技术

热电堆红外探测器广泛应用于各种红外线探测领域，热电堆红外探测器通常包含红外线吸收膜和热电堆。热电堆通常由多个串联在一起的热电偶组成。每个热电偶由两种不同的条状材料组成，两种条状材料在一端电连接并与红外线吸收膜接触，称为热接点，两种条状材料的另外一端不与红外线吸收膜接触，称为冷接点。多个热电偶串联指的是冷接点处相邻热电偶的不同材料之间两两电连接。当红外线吸收膜吸收外界入射的红外线后产生热量，使热电偶热接点的温度稍稍增加，当热接点和冷接点间存在温度差时，由于塞贝克(Seebeck)效应会产生轻微的电压差，通过串联多个热电偶可以累积轻微的电压差到一个可以被外围电路探测的大小，从而实现对外界入射的红外线的探测。

基于半导体技术制造的热电堆红外探测器芯片通常包含单晶硅衬底，衬底中的空腔结构，以及在平行于衬底表面的方向上延伸的薄膜热电偶。热电偶冷接点位于单晶硅衬底之上，热接点及红外线吸收膜则悬浮在空腔之上。利用半导体的薄膜和图形加工技术，可以便利的制造红外线吸收膜，如氮化硅膜，镍镉金属膜，或者具有复合结构的多层膜等；也可以便利的制造热电偶，如N型和P型单晶硅，N型和P型多晶硅，单晶硅和金属，多晶硅和金属等。但总体来说，现有技术存在热电偶平行于衬底表面延伸，热接点和部分热电偶薄膜需要悬浮在镂空的衬底或者空腔之上，结构强度较低不易大量制造，且热接点和冷接点间需要较大的距离，与红外线吸收膜竞争芯片面积，芯片尺寸难缩小的问题。因此进一步改善器件结构和制造方法具有重要意义。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的热电偶平行于衬底表面延伸，热接点和部分热电偶薄膜需要悬浮在镂空的衬底或者空腔之上，结构强度较低不易大量制造，且热接点和冷接点间需要较大的距离，与红外线吸收膜竞争芯片面积，芯片尺寸难缩小的不足，提供了一种容易制造，可靠性高的半导体热电堆红外探测器及制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种半导体热电堆红外探测器，包括单晶硅衬底，起始于单晶硅衬底下表面并穿过单晶硅衬底向上延伸的若干个柱状的热电偶，所述热电偶包括由第一材料构成的第一实心柱和由第二材料构成的第二实心柱，第一实心柱和第二实心柱平行延伸，第一实心柱和第二实心柱之间设有间隔，第一实心柱和第二实心柱外侧均设有第三介质层；每个热电偶的第一实心柱和第二实心柱的顶部均通过第一金属层电连接，各个第一金属层之间和各个第一金属层之上均设有第一介质层，第一介质层上设有红外线吸收膜，所述第一金属层和第一介质层下表面与衬底上表面之间形成空腔，单晶硅衬底下表面设有第二介质层，第二介质层下表面设有第二金属层，与相邻热电偶的第一实心柱和第二实心柱对应的第二介质层上分别设有第一通孔和第二通孔，第二金属层通过第一通孔与第一实心柱下端电连接，第二金属层通过第二通孔与第二实心柱下端电连接。

本发明组成热电堆的热电偶呈柱状在垂直于单晶硅衬底表面的方向延伸，热接点高于单晶硅衬底上表面，冷接点位于单晶硅衬底下表面，红外线吸收膜位于热接点上部。与现有技术相比具有更好的性能，更牢固的结构，芯片尺寸易于缩小，并有可能阵列化实现图像探测。

作为优选，所述第一材料为P型多晶硅，第二材料为N型多晶硅。

一种半导体热电堆红外探测器的制造方法，包括以下步骤：

(1)在单晶硅衬底上形成沟槽；

(2)在沟槽侧壁形成第三介质层；

(3)在沟槽内填充多晶硅，并对多晶硅进行掺杂，相邻的沟槽分别掺杂P型和N型，分别构成热电偶的第一实心柱和第二实心柱；

(4)每个热电偶的第一实心柱和第二实心柱的顶部形成第一金属层，构成热电偶的热接点；

(5)在各个第一金属层之间和各个第一金属层之上均形成第一介质层；

(6)在第一介质层顶面形成红外线吸收膜；

(7)在每个热电偶周围开孔，去掉单晶硅衬底上部的硅，形成空腔；

(8)减薄单晶硅衬底，在单晶硅衬底底面曝露出第一实心柱和第二实心柱的底部，构成热电偶的冷接点；

(9)在单晶硅衬底底面形成第二介质层；

(10)在第二介质层中形成曝露出第一实心柱部分底部的第一通孔，以及曝露出第二实心柱部分底部的第二通孔；

(11)在第二介质层下表面形成第二金属层，第二金属层通过第一通孔和第二通孔连接相邻电偶的第一实心柱和第二实心柱，形成热电偶串联构成热电堆。