一种红外热电堆传感器、芯片及其制备方法

技术领域

本发明实施例涉及红外热电堆传感器技术，尤其涉及一种红外热电堆传感器、芯片及其制备方法。

背景技术

红外热电堆传感器是一种利用塞贝克效应，将红外辐射能量转换为电信号输出的传感器。利用MEMS和CMOS工艺相结合，可以将红外热电堆传感器制造成一定规模的红外阵列传感器芯片，将一定区域内的所有被测物体探测以二维平面的方式，展现出各自的温度分布状态，广泛应用于各类智能家居产品中。

传统的红外热电堆传感器的结构中的单个像素会分成两个部分，一个部分是红外热电堆结构；另外一个部分是MOS管开关电路，MOS管开关电路通常会置于每个像素的热电堆结构边上，占有一定的面积。由于这种平面的排布方式，在实际红外辐射进入红外热电堆阵列传感器时，MOS管开关电路这一部分面积无法吸收红外辐射，从而使得整体传感器的吸收效率变低，整个传感器阵列的填充因子不会很高。因此，红外热电堆阵列芯片的灵敏度无法得到有效提升，会影响实际应用中的二维平面成像及测温的精准度，同时，芯片面积也会因MOS管开关电路占用一部分面积而增加，增加制造成本的同时也不适合小型化的需求。

发明内容

本发明实施例提供一种红外热电堆传感器、芯片及其制备方法，以提高红外热电堆传感器的填充因子，提升红外吸收效率，实现红外热电堆传感器的小型化、降低制造成本。

第一方面，本发明实施例提供了一种红外热电堆传感器，包括多个红外热电堆像素，所述红外热电堆像素包括：

衬底，所述衬底包括第一区域和第二区域，所述第二区域围绕所述第一区域；

位于所述衬底一侧且位于所述第一区域的第一悬空膜以及位于所述衬底一侧且位于所述第二区域的第二悬空膜；

位于所述第一悬空膜远离所述衬底一侧的热电堆结构和开关电路，所述热电堆结构包括N型热电堆和P型热电堆，所述开关电路位于所述N型热电堆和所述P型热电堆之间；

位于所述第二悬空膜远离所述衬底一侧的悬臂梁和开关信号导出结构，所述开关信号导出结构与所述开关电路电连接。

可选的，所述悬臂梁包括第一悬臂梁和第二悬臂梁；

所述第一悬臂梁分别与所述N型电热堆和第一金属接触孔电连接，形成所述红外热电堆传感器的冷端信号传输路径；

所述第二悬臂梁分别与所述P型电热堆和第二金属接触孔电连接，形成所述红外热电堆传感器的热端信号传输路径。

可选的，所述开关电路包括源极、栅极、漏极和接地孔；

所述开关信号导出结构包括源极连接线、栅极连接线、漏极连接线和接地连接线；

所述源极连接线分别与所述第二金属接触孔和所述源极电连接，形成所述开关电路的输入信号传输路径；

所述栅极连接线分别与开关信号连接线和所述栅极电连接，形成所述开关电路的开关信号传输路径；

所述漏极连接线分别与输出信号接收端和所述漏极电连接，形成所述开关电路的输出信号传输路径；

所述接地连接线分别与接地信号端子和所述接地孔电连接，形成所述开关电路的接地信号传输路径。

可选的，位于所述第二区域的所述源极连接线在所述衬底所在平面上的垂直投影与所述第二悬臂梁在所述衬底所在平面上的垂直投影交叠；

位于所述第二区域的所述接地连接线在所述衬底所在平面上的垂直投影与所述第一悬臂梁在所述衬底所在平面上的垂直投影交叠。

可选的，所述N型热电堆、所述P型热电堆、所述栅极和所述栅极连接线同层设置；

所述源极、所述漏极、所述接地孔、所述源极连接线、所述漏极连接线和所述接地连接线同层设置。

可选的，所述红外热电堆传感器还包括N阱区域和P阱区域；

所述N阱区域和所述P硅区域位于所述第一悬空膜和所述衬底之间，且所述P阱区域位于所述N阱区域内。

可选的，所述N型热电堆和P型热电堆通过第三金属接触孔电连接。

第二方面，本发明实施例还提供了一种红外热电堆传感器芯片，包括多个任一项所述的红外热电堆传感器；

多个所述红外热电堆传感器阵列排布。

第三方面，本发明实施例还提供了一种红外热电堆传感器的制备方法，用于制备任一项所述的红外热电堆传感器，所述制备方法包括：

提供衬底；

在所述衬底一侧制备第一氧化层，所述第一氧化层包括第一区域、第二区域、位于所述第一区域和所述第二区域之间的第一间隔区域以及位于所述第二区域远离所述第一区域一侧的第二间隔区域；

在所述第一氧化层远离所述衬底的一侧且在所述第一区域制备热电堆结构和开关电路，在所述第一氧化层远离所述衬底的一侧且在所述第二区域制备悬臂梁和开关信号导出结构；所述热电堆结构包括N型热电堆和P型热电堆，所述开关电路位于所述N型热电堆和所述P型热电堆之间，所述开关信号导出结构与所述开关电路电连接；

在所述第一间隔区域和所述第二间隔区域刻蚀所述衬底，形成空腔；位于所述空腔表面且位于所述第一区域的所述第一氧化层为第一悬空膜，位于所述空腔表面且位于所述第二区域的所述第一氧化层为第二悬空膜。

可选的，所述悬臂梁包括第一悬臂梁和第二悬臂梁；

所述开关电路包括源极、栅极、漏极和接地孔；

所述开关信号导出结构包括源极连接线、栅极连接线、漏极连接线和接地连接线；

所述红外热电堆传感器还包括N阱区域和P阱区域；所述N阱区域和所述P阱区域位于所述第一悬空膜和所述衬底之间，且所述P阱区域位于所述N阱区域内；

在所述第一氧化层远离所述衬底的一侧且在所述第一区域制备热电堆结构和开关电路，在所述第一氧化层远离所述衬底的一侧且在所述第二区域制备悬臂梁和开关信号导出结构，包括：

利用CMOS光刻显影技术，对所述衬底进行N型掺杂形成N阱区域；

利用CMOS光刻显影技术，在所述N阱区域进行P型掺杂形成P阱区域；

在所述第一氧化层远离所述衬底的一侧制备多晶硅层，并刻蚀所述多晶硅层形成所述N型热电堆、所述P型热电堆、所述栅极和所述栅极连接线；

在所述多晶硅层远离所述衬底的一侧制备第二氧化层，并利用CMOS光刻显影技术刻蚀所述第一氧化层和所述第二氧化层，形成源极接触孔、漏极接触孔、第一金属接触孔和第二金属接触孔；

在所述第二氧化层远离所述衬底的一侧制备金属层，形成所述源极、所述漏极、所述源极信号线、所述漏极连接线和所述接地线；

在所述第一间隔区域和所述第二间隔区域对所述第一氧化层和所述第二氧化层进行刻蚀，形成腐蚀孔；

利用所述腐蚀孔对所述衬底进行刻蚀形成所述悬臂梁、所述第一悬空膜、第二悬空膜和所述空腔。

本发明提供一种红外热电堆传感器、芯片及其制备方法，红外热电堆传感器包括多个红外热电堆像素，红外热电堆像素包括衬底，衬底包括第一区域和第二区域，第二区域围绕第一区域。位于衬底一侧且位于第一区域的第一悬空膜以及位于衬底一侧且位于第二区域的第二悬空膜。位于第一悬空膜远离衬底一侧的热电堆结构和开关电路。热电堆结构包括N型热电堆和P型热电堆，开关电路位于N型热电堆和P型热电堆之间。位于第二悬空膜远离衬底一侧的悬臂梁和开关信号导出结构，开关信号导出结构与开关电路电连接。通过将开关电路设置在N型热电堆和P型热电堆之间且位于第一悬空膜远离衬底一侧，有利于提高红外热电堆传感器的填充因子，提升红外吸收效率，实现红外热电堆传感器的小型化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本发明的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本发明的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本发明的权利要求范围之内。

图1为本发明实施例提供的一种红外热电堆像素的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器沿AA的剖视图；

图3为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器芯片的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器的制备方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种红外热电堆传感器的制备方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器的制备流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种红外热电堆像素的结构示意图，如图1所示，红外热电堆传感器包括多个红外热电堆像素，红外热电堆像素包括：

衬底100，衬底100包括第一区域101和第二区域102，第二区域102围绕第一区域101；

位于衬底100一侧且位于第一区域101的第一悬空膜103以及位于衬底100一侧且位于第二区域102的第二悬空膜104；

位于第一悬空膜103远离衬底100一侧的热电堆结构105和开关电路106，热电堆结构105包括N型热电堆1051和P型热电堆1052，开关电路106位于N型热电堆1051和P型热电堆1052之间；

位于第二悬空膜104远离衬底100一侧的悬臂梁107和开关信号导出结构108，开关信号导出结构108与开关电路106电连接。

其中，红外热电堆传感器是一种温度测量元件，用于测量小的温差或平均温度，在耳式体温计、放射温度计、电烤炉、食品温度检测等领域中，获得了广泛的应用。衬底上包括第一区域101和第二区域102，位于第一区域101的第一悬空膜103和位于第二区域102的第二悬空膜104第二悬空膜103均用于吸收被测物体发出的红外辐射，并将红外辐射转换成热能。位于第一悬空膜103远离衬底100一侧的热电堆结构105采用塞贝克效应将热能转换成电信号。位于第二悬空膜104远离衬底100一侧的悬臂梁107用于将绝大部分的热能保留在第一悬空膜103和第二悬空膜103上不被散溢，起到一定的绝热作用和机械支撑作用。热电堆结构105由两个或多个热电偶串联组成，各个热电偶输出的热电势是相互叠加的，热电偶主要包括半导体热电偶和金属热电偶。如图1所示，示例性的画出热电堆结构包括N型热电堆1051和P型热电堆1052，开关电路106的类型可以为MOS晶体管开关电路，用于对红外热电堆像素进行选通。相比于传统的红外热电堆传感器中采用平面的排布方式，将MOS晶体管开关电路设置在红外热电堆结构的边缘，占用一定的面积，在实际待测物体发出的红外辐射进入红外热电堆传感器时，必然在MOS晶体管开关电路占用面积的部分无法吸收红外辐射，从而使得红外热电堆传感器的吸收效率变低，红外热电堆传感器的填充因子不会很高，灵敏度无法得到有效提升，会影响实际应用中的二维平面成像及测温的精准度。而将开关电路106位于N型热电堆1051和P型热电堆1052之间，且位于第一悬空膜103远离衬底100一侧。在接收到待测物体发射的红外辐射时，MOS晶体管开关电路部分由于处于第一悬空膜103上，也可以作为红外吸收层来提高对红外辐射信号的吸收，同时由于整个红外热电堆传感器除了必要的金属连线部分，就不存在其他无效吸收面积，使得红外热电堆传感器的填充因子变得很高，大大提升吸收效率。此外，高密度的结构设计也使红外热电堆传感器的面积缩小，降低了制造成本并适合小型化的应用。

本发明的技术方案通过提供一种红外热电堆传感器，经开关结构设置在热电堆结构的N型热电堆和P型热电堆之间，且位于第一悬空膜远离衬底一侧，有效避免了开关电路在红外阵列传感器平面中的占用面积，降低无效吸收红外辐射的面积，进而有效提高红外热电堆传感器的填充因子，提高探测的灵敏度。

可选的，悬臂梁107包括第一悬臂梁1071和第二悬臂梁1072；

第一悬臂梁1071分别与N型电热堆1051和第一金属接触孔109电连接，形成红外热电堆传感器的冷端信号传输路径；

第二悬臂梁1072分别与P型电热堆1052和第二金属接触孔110电连接，形成红外热电堆传感器的热端信号传输路径。

其中，N型电热堆1051可称为冷端，N型电热堆1051经第一悬臂梁1071与第一金属接触孔109电连接，形成红外热电堆传感器的冷端信号传输路径和参考信号连接线，保证冷端信号的正常传输，冷端信号也可作为红外热电堆传感器的参考信号，用于调制红外热电堆传感器中红外热电堆像素的偏置电压。P型电热堆1052可称为热端，P型电热堆1052的P型端经第二悬臂梁1072与第二金属接触孔110电连接，形成红外热电堆传感器的热端信号传输路径，保证热端信号的正常传输，并且第二悬臂梁1072与开关电路106的源极1061电连接，保证对开关电路106的源极1061的电压控制。同时悬臂梁107对红外热电堆传感器起到绝热和机械支撑的作用，以便最大幅度的保留吸收到的待测物体的红外辐射热量不向四周散溢，从而使热电堆结构105转换获得较高的电信号。

可选的，开关电路106包括源极1061、栅极1062、漏极1063和接地孔1064；

开关信号导出结构108包括源极连接线1081、栅极连接线1082、漏极连接线1083和接地连接线1084；

源极连接线1081分别与第二金属接触孔110和源极1061电连接，形成开关电路106的输入信号传输路径；

栅极连接线1082分别与开关信号连接线11和栅极1062电连接，形成开关电路106的开关信号传输路径；

漏极连接线1083分别与输出信号接收端和漏极1063电连接，形成开关电路106的输出信号传输路径；

接地连接线1084分别与接地信号端和接地孔1064电连接，形成开关电路106的接地信号传输路径。

其中，漏极连接线1083分别与输出信号接收端和漏极1063电连接，形成开关电路106的输出信号传输路径和输出信号连接线12。接地连接线1084分别与接地信号端和接地孔1064电连接，形成开关电路106的接地信号传输路径和接地线13。N型电热堆1051、P型电热堆1052、栅极1062和开关信号连接线11均可以为多晶材料，例如多晶硅等。源极1061、漏极1063、源极连接线1081、栅极连接线1082、接地连接线1084、参考信号连接线11、输出信号连接线12、接地线13均可以为金属材料，例如铝、铜等。而多晶材料与金属材料相接触的部分，使多晶材料与金属材料存在绝缘层进行隔离并不相连，故可以采用上下叠层的形式排布，进而通过第一金属孔109和第二金属孔110等进行连接形成电通路。

可选的，位于第二区域102的源极连接线1081在衬底100所在平面上的垂直投影与第二悬臂梁1072在衬底100所在平面上的垂直投影交叠；

位于第二区域102的接地连接线1084在衬底100所在平面上的垂直投影与第一悬臂梁1071在衬底100所在平面上的垂直投影交叠。

其中，设置源极连接线1081在衬底100所在平面上的垂直投影与第二悬臂梁1072在衬底100所在平面上的垂直投影交叠以及接地连接线1084在衬底100所在平面上的垂直投影与第一悬臂梁1071在衬底100所在平面上的垂直投影交叠，采用上下叠层的形式排布，可有效减少源极连接线1081和接地连接线1084在红外热电堆传感器平面上的占用面积，降低红外热电堆传感器的制作成本，实现小型化。

可选的，N型热电堆1051、P型热电堆1052、栅极1062和栅极连接线1082同层设置；

源极1061、漏极1063、接地孔1064、源极连接线1081、漏极连接线1083和接地连接线1084同层设置。

其中，将N型热电堆1051、P型热电堆1052、栅极1062和栅极连接线1082同层设置，减少工艺流程，降低成本。同样将源极1061、漏极1063、接地孔1064、源极连接线1081、漏极连接线1083和接地连接线1084同层设置在保证红外热电堆传感器可以正常使用的情况下，也有利于降低制造成本。

图2为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器沿AA的剖视图，如图2所示，可选的，红外热电堆传感器还包括N阱区域111和P阱区域112；

N阱区域111和P硅区域112位于第一悬空膜103和衬底100之间，且P阱区域112位于N阱区域111内。

其中，衬底100的材料可选择硅作为衬底，N阱区域111和P硅区域112可采用MEMS硅腐蚀技术进行腐蚀，根据硅各项异性腐蚀特性，腐蚀速率会因重掺杂而受到抑制，对选择的预形成N阱区域进行重掺杂，采用掺杂一定剂量的硼离子，构成硅腐蚀自终止的现象，腐蚀后重掺杂的区域得到保留N阱区域111。进一步对选择的预形成P阱区域进行重掺杂，重掺杂可采用掺杂一定剂量的磷离子，最终在重掺杂区域形成P阱硅区域112。形成的N阱区域111和P硅区域112位于第一悬空膜103和衬底100之间，且P阱区域112位于N阱区域111内，构成的开关电路106依然可有效工作，红外热电堆传感器也可正常工作。

可选的，N型热电堆1051和P型热电堆1052通过第三金属接触孔113电连接。

其中，第一悬空膜上103上的热电堆结构105被分成N型热电堆1051和P型热电堆1052，N型热电堆1051和P型热电堆1052利用第三金属接触孔113进行电连接，实现N型热电堆1051和P型热电堆1052串联，各个热电堆输出的热电势是互相叠加的，红外热电堆传感器对待测物体的探测能力增强。

图3为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器芯片的结构示意图，如图3所示，红外热电堆传感器芯片200包括多个红外热电堆传感器201；

多个所述红外热电堆传感器201阵列排布。

其中，红外热电堆传感器芯片200的尺寸可以为10um～1mm，可根据实际需要制作不同尺寸的红外热电堆传感器芯片200。

本发明实施例所提供的红外热电堆传感器芯片可执行本发明上述实施例所提供的红外热电堆传感器，具备相同或相应的功能模块和有益效果，在此不过多赘述。

图4为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器的制备方法的流程示意图，如图4所示，用于制备上述任一项的红外热电堆传感器，制备方法包括：

S101，提供衬底。

其中，衬底100的材料可采用单晶硅，衬底100的形状可根据实际需求选择，可以为正方形或矩形，衬底100的材料和形状在本发明实施例不做具体限定。

S102，在衬底一侧制备第一氧化层，第一氧化层包括第一区域、第二区域、位于第一区域和第二区域之间的第一间隔区域以及位于第二区域远离第一区域一侧的第二间隔区域。

其中，第一氧化层301的材料可以为氮化硅、氮氧化硅、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等材料，可采用氮化硅生长沉积、硅的选择氧化工艺、磷硅玻璃沉积、硼磷硅玻璃沉积或氧化硅氮化硅钝化层等工艺制备。第一氧化层301的厚度为10nm～10000nm，用于起到过滤杂质粒子和作为栅极氧化层的作用。

S103，在第一氧化层远离衬底的一侧且在第一区域制备热电堆结构和开关电路，在第一氧化层远离衬底的一侧且在第二区域制备悬臂梁和开关信号导出结构；热电堆结构包括N型热电堆和P型热电堆，开关电路位于N型热电堆和P型热电堆之间，开关信号导出结构与开关电路电连接。

S104，在第一间隔区域和第二间隔区域刻蚀衬底，形成空腔；位于空腔表面且位于第一区域的第一氧化层为第一悬空膜，位于空腔表面且位于第二区域的第一氧化层为第二悬空膜。

其中，空腔302的形成可以采用进行湿法腐蚀，例如KOH溶液或者TMAH溶液进行湿法腐蚀，空腔302的存在可以保证吸收的红外辐射的热量均聚集在第一悬空膜103和第二悬空膜104上，起到热量存储的作用。

图5为本发明实施例提供的另一种红外热电堆传感器的制备方法的流程示意图，图6为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器的制备流程示意图，如图5和图6所示，继续参考图1和图2，可选的，悬臂梁107包括第一悬臂梁1071和第二悬臂梁1072；

开关电路106包括源极1061、栅极1062、漏极1063和接地孔1064；

开关信号导出结构108包括源极连接线1081、栅极连接线1082、漏极连接线1083和接地连接线1084；

红外热电堆传感器还包括N阱区域111和P阱区域112；N阱区域111和P阱区域112位于第一悬空膜103和衬底100之间，且P阱区域112位于N阱区域111内；

在第一氧化层301远离衬底100的一侧且在第一区域101制备热电堆结构105和开关电路106，在第一氧化层301远离衬底100的一侧且在第二区域102制备悬臂梁107和开关信号导出结构108，包括：

S201，提供衬底。

S202，在衬底一侧制备第一氧化层，第一氧化层包括第一区域、第二区域、位于第一区域和第二区域之间的第一间隔区域以及位于第二区域远离第一区域一侧的第二间隔区域。

S203，利用CMOS光刻显影技术，对衬底进行N型掺杂形成N阱区域。

其中，利用CMOS光刻显影技术，首先对衬底进行表面清洗，去除杂质，在除去预形成N阱区域的其他区域进行光刻胶14的涂覆，对预形成N阱区域进行重掺杂，可采用NPLUS注入工艺注入一定剂量的硼离子，预形成N阱区域的掺杂浓度在1*10

S204，利用CMOS光刻显影技术，在N阱区域进行P型掺杂形成P阱区域。

其中，P阱区域112位于N阱区域111内，P阱区域112可采用与N阱区域形成的相同CMOS光刻显影技术进行制备，在除去预形成P阱区域的其他区域进行光刻胶14的涂覆，对预形成P阱区域进行重掺杂，可采用PPLUS注入工艺注入一定剂量的磷离子，预形成P阱区域的掺杂浓度在1*10

S205，在第一氧化层远离衬底的一侧制备多晶硅层，并刻蚀多晶硅层形成N型热电堆、P型热电堆、栅极和栅极连接线。

S206，在多晶硅层远离衬底的一侧制备第二氧化层，并利用CMOS光刻显影技术刻蚀第一氧化层和第二氧化层，形成源极接触孔、漏极接触孔、第一金属接触孔和第二金属接触孔。

其中，根据实际的形状、尺寸需求，采用CMOS光刻显影技术形成源极接触孔15、漏极接触孔16、第一金属接触孔109和第二金属接触孔110。

S207，在第二氧化层远离衬底的一侧制备金属层，形成源极、漏极、源极信号线、漏极连接线和接地线。

S208，在第一间隔区域和第二间隔区域对第一氧化层和第二氧化层进行刻蚀，形成腐蚀孔。

S209，利用腐蚀孔对衬底进行刻蚀形成悬臂梁、第一悬空膜、第二悬空膜和空腔。

其中，多晶硅层303和金属层305的厚度范围均在100nm～1000nm，有利于减低制作工艺难度。第二氧化层304可以为氮化硅、氮氧化硅、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等材料，第二氧化层304的厚度为10nm～1000nm，第二氧化层304起到电绝缘的作用，用于避免多晶硅层303与金属层305之间直接接触产生的短路。而且第一氧化层301和第二氧化层304的厚度和材料均可设置相同，有利于降低制作工艺的难度和加工成本。腐蚀孔306由第一间隔区域和第二间隔区域对第一氧化层和第二氧化层进行刻蚀形成，通过腐蚀孔306注入湿法腐蚀的KOH溶液或者TMAH溶液，腐蚀形成空腔302。本发明实施例中示例性的运用CMOS 1P1M工艺制备红外热电堆传感器，除了实施案例中所用到的CMOS 1P1M工艺外，还适用于1P2M、2P2M、2P3M、2P5M工艺等，可根据红外热电堆传感器制备的实际需要进行选择，本发明不做具体限定。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。