IR热电堆探测器制造技术

一种IR探测器以热电堆的形式被提供，该热电堆包括由硅衬底(1)支撑的介电膜(2、3、4)上的一个或多个热电偶(6、7)。每个热电偶由两种材料(6、7)组成，其中至少一种是p掺杂或n掺杂的单晶硅。该装置紧跟着内蚀刻步骤被形成在SOI工艺中。该装置比现有技术装置有益，由于单晶硅的使用减少了输出信号中的噪声，使得层的几何形状及物理特性具有更高的再造性，并且此外，SOI工艺的使用使得温度传感器和电路能够在同一芯片上制造。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】IR热电堆探测器
本专利技术涉及基于在具有用于热绝缘的膜的微芯片上制造的热电堆的红外(IR)探测器。热电堆是由几个串联放置的热电偶组成。本专利技术还涉及将IR探测器与IR源集成以制作非色散红外(NDIR)传感器。
技术介绍
在通过蚀刻部分衬底形成的薄膜层(由电绝缘层组成)组成的硅衬底上制造热IR探测器是公知的。入射的IR辐射增加膜的温度-其可以由热电堆、电阻器和二极管中的任何一个测量。 例如，Schneeberger等人的 “Optimized CMOS Infrared DetectorMicrosystems”,Proc IEEE Tencon 1995,报道了基于热电堆的CMOS IR探测器的制造。该热电堆由几个串联连接的热电偶组成。KOH被用于蚀刻膜并且改善热绝缘。每个热电偶由两条不同的材料组成，这两条不同的材料电连接并在一端形成热连接(术语热接点)，而材料的另一端被电连接到串联形成热冷接点的其它热电偶。热电偶的热接点在膜上，而冷接点在膜外。论文中给出了具有不同材料成分的热电偶的三种不同的设计:铝和P型掺杂的多晶硅，铝和η型掺杂的多晶硅，或者P型掺杂的多晶硅和η型掺杂的多晶硅。入射IR辐射引起膜温度的轻微增加。塞贝克(Seebeck)效应引起每个热电偶两端的轻微电压差——导致为每个热电偶两端的电压和的热电堆两端的电压差的大量增加。 先前，Nieveld的 “Thermopiles Fabricated using Silicon PlanarTechnology”，Sensors and Actuators 3 (1982/83) 179-183,不出了基于招和 P+型单晶娃作为热电偶中的材料在微芯片上制造热电堆。值得注意的是这是常规的热电堆设备——不是用来IR探测并且该热电堆不在膜上。 Allison 等人的 “A bulk micromachined silicon thermopile with highsensitivity”, Sensors and Actuators A 104200332-39,描述了基于 P 型惨杂和 N 型惨杂单晶硅材料的热电堆。但是，这些是由P型晶片和N型晶片的晶片键合形成的并且也不是特定用作IR探测器。该制造方法还非常昂贵。 Lahiji 等人的 “A Batch-fabricated Silicon Thermopile InfraredDetector”，IEEE Transact1ns on Electron Devices〃1992,述了两种热电堆 IR 探测器，一种基于秘_铺热电偶，而另一种基于多晶娃和金热电偶。 US7785002描述了具有基于P型和N型掺杂多晶硅的热电堆的IR探测器。Langgenhager 的“Thermoelectric Infrared Sensors by CMOS Technology，，，IEEE EDL1992，描述了由铝和多晶硅组成的悬浮结构上的热电堆组成的IR探测器。 由 Graf 等人 的 “Review of micromachined thermopiles for infrareddetect1n”, Meas.Sc1.Technol.2007 描述了其它几种热电堆设备。 测量IR福射的另一种方法是通过使用热二极管。例如，Kin^^“A new uncooledthermal infrared detector using silicon d1de”，S&A A 89，2001,描述了通过精密加工制造的二极管以用作IR探测器。 Eminoglu 的“Low-cost uncooled infrared detectors in CMOS process”， S&AA 109(2003)，描述了使用CMOS工艺制造的具有在悬浮膜上的二极管的IR探测器。 类似地，基于热二极管的IR探测器也可以使用SOI工艺制造。但是，热二极管具有需要要求电源的偏置电压或电流的缺点。此外，其具有高的基极电压，使其很难测量在输出电压中的小的变化。 在娃技术中制造IR源也是公知的。例如,Parameswaran等人的“Micro-machinedthermal emitter from a commercial CMOS process”，IEEE EDL 1991 报道了多晶娃加热器作为IR源加入到CMOS技术中，使用正面蚀刻以悬浮该加热器由此降低功耗。Barritault等人的“Mid-1R source based on a free-standing microhotplate for autonomous C02sensing in indoor applicat1ns，，(Sensors&Actuators A 2011)描述了一种基于钼加热器的精密加工的IR源。其它几种这类设备也已经被报道。 制造NDIR传感器也是公知的，例如，Fordl和Tille的“A High-Precis1n NDIRC02 gas sensor for automotive applicat1ns，，IEEE Sensors Journal vol 6N0.62006以及Cutler等人的US2007/0102639描述了由白炽灯作为IR源和基于热电堆的IR探测器组成的典型NDIR传感器。这两个被放置在气体通过半透膜(从外部阻止灰尘和IR辐射)可以进入的小腔的对立端。根据目标气体的浓度，具有特定波长的IR发射的数量在光路中被吸收，并且使用来自IR探测器的测量可以用于确定气体的浓度。大多数NDIR传感器也具有滤光片以只允许小范围的波长到达IR探测器以便使其具体为吸收那种波长的气体。 其它公开，例如Hodgkinson 等人的 US2008/0239322，Stuttard 等人的 US7244939，Doncaster等人的US2008/0308733以及Cutler等人的US7541587描述了类似的设备。 在几乎每个实例中，IR发射器和探测器是两种不同的组件但是被封装在一起。一个例外是Wong的US专利5834777，其中通过附着(键合)第二芯片至第一芯片，具有由波导制作的光路的发射器和探测器两者均在同一个芯片上。该工艺或者晶片不是CM0S，并且虽然发射器和探测器二者均在膜外但是只有波导在渗透膜上。这将导致高功耗和降低操作的最高温度。此外，用于IR发射传播的光路是相对小的，因此传感器具有较低的灵敏度。
技术实现思路
根据本专利技术的一方面，于此提供一种包括热电堆的红外(IR)探测器。该热电堆包括在CMOS绝缘体上硅结构(SOI)工艺中制造的介电膜上串联连接的多个热电偶。每个热电偶包括至少第一和第二异种材料，其中第一材料是由单晶硅层制成。该单晶硅层是用于CMOS SOI工艺中的标准层。 根据本专利技术的另一方面，于此提供一种利用CMOS绝缘体上硅结构(SOI)工艺制造红外(IR)探测器的方法。该方法包括:形成衬底；在衬底上形成介电膜；以及形成热电堆，该热电堆包括在介电膜上连接在一起的多个热电偶。每个热电偶包括至少第一和第二异种材料，其中第一材料是由单晶硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外(IR)探测器，该探测器包括：热电堆，所述热电堆包括在CMOS绝缘体上硅结构(SOI)工艺中制造的介电膜上连接在一起的多个热电偶；其中，每个热电偶包括至少第一和第二异种材料，其中所述第一材料由单晶硅层制成，且所述单晶硅层是用于所述CMOS SOI工艺中的标准层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.08 US 13/466,6621.一种红外(IR)探测器，该探测器包括: 热电堆，所述热电堆包括在CMOS绝缘体上硅结构(SOI)工艺中制造的介电膜上连接在一起的多个热电偶； 其中，每个热电偶包括至少第一和第二异种材料，其中所述第一材料由单晶硅层制成，且所述单晶硅层是用于所述CMOS SOI工艺中的标准层。2.根据权利要求1所述的IR探测器，其中，所述单晶硅层是N+掺杂或P+掺杂单晶硅层。3.根据权利要求1或2所述的IR探测器，其中，所述N+或P+层形成集成在同一芯片上作为所述IR探测器的η沟道或P沟道MOSFET的源极层或漏极层。4.根据权利要求1、2或3所述的IR探测器，其中，所述多个热电偶串联连接在一起。5.根据上述任意一项权利要求所述的IR探测器，其中，所述第二材料是从一组中选择，该组包括: 具有与所述第一材料相反的掺杂极性的单晶娃层； 多晶娃；以及 包括铝、铜、钛及钨中任何一个的CMOS金属。6.根据权利要求5所述的IR探测器，其中，所述第二材料是P+或N+单晶硅层。7.根据权利要求5所述的IR探测器，其中，所述第二材料是单晶硅层或多晶硅层，且通过CMOS互连金属将所述第一材料电连接到所述第二材料。8.根据上述任意一项权利要求所述的IR探测器，该IR探测器还包括在所述单晶硅层顶部的多晶硅栅，其中所述多晶硅栅被放置以在所述单晶硅层中创建反向层。9.根据上述任意一项权利要求所述的IR探测器，其中，每个热电偶还包括第一和第二热连接，所述第一热连接是热结点以及所述第二热连接是冷结点。10.根据上述任意一项权利要求所述的IR探测器，其中，所述第一连接位于所述膜上，而所述第二连接位于所述膜外。11.根据上述任意一项权利要求所述的IR探测器，其中，所述膜通过从DRIE、各向异性湿法蚀刻、KOH及TMAH中选择的工艺形成。12.根据上述任意一项权利要求所述的IR探测器，其中，所述膜具有矩形、圆角化的矩形、六边形及圆形中的任意一种形状。13.根据上述任意一项权利要求所述的IR探测器，其中，所述热电偶在所述膜上被布置为两行。14.根据上述任意一项权利要求所述的IR探测器，其中，所述热电偶被布置以使一些热电偶延伸至所述膜的中心。15.根据上述任意一项权利要求所述的IR探测器，其中，所述热电偶没有一个延伸至所述膜的中心。16.根据权利要求5所述的IR探测器，其中所述第二材料是单晶硅层，并且多晶硅层被用在所述第一和第二材料之间以便自对准所述单晶硅层的掺杂以最优化它们之间的间隔。17.根据权利要求5所述的IR探测器，其中所述第二材料是单晶硅层，在每个热电偶的所述第一和第二材料之间没有间隔。18.根据权利要求5所述的IR探测器，其中所述第二材料是单晶硅层，并且在每个热电偶的所述第一和第二材料之间存在间隔。19.根据上述任意一项权利要求所述的IR探测器，该IR探测器还包括在所述膜上的加热器。20.根据权利要求19所述的IR探测器，其中，所述加热器是以下中的任意一者: 由多晶硅制造的电阻加热器； η或P型掺杂的单晶硅；以及 诸如铝、钨或钛的CMOS金属。21.根据上述任意一项权利要求所述的IR探测器，该IR探测器还包括在所述膜上的温度传感器。22.根据权利要求21所述的IR探测器，其中，所述温度传感器是以下中的任意一者: 二极管(热二极管)； 放置在二极管配置中的晶体管(热晶体管)；以及 基于热二极管或热晶体管的电路。23.根据权利要求21所述的IR探测器，其中，所述温度传感器是由单晶硅、多晶硅或用在所述SOI工艺中的互连金属制造的电阻器。24.根据上述任意一项权利要求所述的IR探测器，其中，所述膜包括以下制造的一个或多个层: 单晶娃；多晶娃；以及 包括铝、钨和钛中任意一个的CMOS金属。25.根据上述任意一项权利要求所述的IR探测器，其中，所述膜包括顶部钝化层，该钝化层包括二氧化硅或氮化硅。26.根据上述任意一项权利要求所述的IR探测器，其中，在所述膜上的顶部表面被提供有涂层，该涂层包括从包括聚合物、炭黑、碳纳米管、石墨烯及具有高的IR发射率的材料的组中选择的材料。27.根据上述任意一...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·乌德雷亚，J·加德纳，S·Z·阿里，M·乔杜里，I·波埃纳鲁，
申请(专利权)人：剑桥CMOS传感器有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB