專利名稱：硅基薄膜晶體管室溫紅外探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
硅基薄膜晶體管室溫紅外探測器屬于單片集成式紅外探測器技術(shù)領(lǐng)域。
同時(shí)，目前室溫紅外探測器中的熱敏感元件僅僅起到了探測信號(hào)的作用，沒有將信號(hào)放大，通常紅外輻射功率只有幾十nW，直接產(chǎn)生的信號(hào)輸出電壓只有幾十μV，信號(hào)處理較困難。如果熱敏感元件兼?zhèn)鋫鞲泻头糯笞饔?，將減輕后端信號(hào)處理的負(fù)擔(dān)。
室溫紅外探測器的自熱效應(yīng)指的是熱敏感元件因自身功耗散熱引起了器件的升溫，該升溫通常與由紅外輻射產(chǎn)生的升溫相當(dāng)或更高，因此Johnson噪聲(熱噪聲)很大，這就要求信號(hào)放大器的動(dòng)態(tài)輸入范圍加大，從而引入了更大的噪聲帶寬，造成電噪聲增大，抵消了部分響應(yīng)增益。采用脈沖偏置電壓可以部分改善自熱問題，但隨著探測器的陣列元數(shù)的增多，要求采樣脈沖精度提高和偏置脈沖寬度降低又會(huì)在技術(shù)上帶來一些困難；采用設(shè)置參考元件，并使紅外只輻射熱敏感元件而屏蔽參考元件，雖然可以解決自熱問題，但提高了封裝的要求，提高了成本。如果采用片內(nèi)補(bǔ)償自熱效應(yīng)，將簡化工藝，降低成本。
本發(fā)明的特征在于它是一種用薄膜晶體管作為熱敏感元件且采用倒置參差結(jié)構(gòu)的單片集成式硅基薄膜晶體管室溫紅外探測器，它含有硅襯底；懸浮于硅襯底上方且用支撐臂支撐的薄膜微橋；制作在薄膜微橋橋面上用作熱敏感元件的薄膜晶體管，含有依次層疊地制作在薄膜微橋上的柵電極，柵介質(zhì)層，非晶硅有源區(qū)，位于非晶硅有源區(qū)兩側(cè)的接觸，一端分別制作在柵介質(zhì)層上同時(shí)又層疊在接觸層上和非晶硅有源區(qū)外側(cè)的漏電極和源電極，以及兼作紅外吸收層的鈍化層；由用作熱敏感元件的薄膜晶體管和與其相連的MOS晶體管門開關(guān)組成的熱敏感元件陣列；做在選擇性地在硅襯底的部分區(qū)域形成的一層多孔硅層上的用作參考元件的薄膜晶體管，該用作參考元件的薄膜晶體管在結(jié)構(gòu)、尺寸和電學(xué)特性上與用作熱敏感元件的薄膜晶體管是完全一樣的；做在硅襯底上且經(jīng)薄膜微橋的支撐臂和用作熱敏感元件的薄膜晶體管相連的測量用的外圍集成電路，該外圍集成電路由陣列掃描和信號(hào)處理電路組成。薄膜晶體管熱敏感元件陣列與測量用的外圍集成電路實(shí)現(xiàn)單片集成，形成室溫紅外成像系統(tǒng)的焦平面陣列。所述的薄膜微橋由多層SiO2，Si3N4薄膜組成。
實(shí)驗(yàn)證明它達(dá)到了預(yù)期目的。
圖2.薄膜微橋上的熱敏感元件結(jié)構(gòu)圖2a.薄膜微橋示意圖；2b.薄膜微橋上的熱敏元件結(jié)構(gòu)圖。
圖3.多孔硅上的參考元件結(jié)構(gòu)圖3a.多孔硅層俯視圖；3b.多孔硅層上的參考元件結(jié)構(gòu)圖。
圖4.信號(hào)檢測電路原理圖。
圖5.硅基薄膜晶體管室溫紅外探測器結(jié)構(gòu)圖。
圖6.室溫紅外成像系統(tǒng)的焦平面陣列電路示意7.硅基薄膜晶體管室溫紅外探測器的工藝流程。
環(huán)境溫度變化會(huì)引起薄膜晶體管的溝道電流變化，造成不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)的溫漂；薄膜晶體管工作時(shí)需要偏置電流，它的自熱功耗會(huì)產(chǎn)生升溫，造成熱噪聲電壓和噪聲帶寬加大，分辨率降低。為解決上述兩個(gè)問題，設(shè)計(jì)了另一個(gè)薄膜晶體管作為參考元件，來消除上述兩個(gè)影響的因素，參考元件的結(jié)構(gòu)、尺寸和電學(xué)特性與用作熱敏感元件的薄膜晶體管完全一樣，不做在微橋上，而是做在一層一定厚度的多孔硅層13上。結(jié)構(gòu)如圖3所示，14是支撐薄膜。其中，多孔硅的熱導(dǎo)率較低，作為熱隔離層。
信號(hào)檢測電路如圖4所示。熱敏感元件TFT1和參考元件TFT2分別作為四臂差分電橋電路的兩臂，兩個(gè)完全相同的耗盡型NMOS有源負(fù)載分別作為另外兩臂，采用脈沖電壓Vdd供電，兩路偏置電流相同，均為I0。當(dāng)它們受到紅外輻射并達(dá)到熱平衡時(shí)，由于熱敏感元件的熱導(dǎo)比參考元件的的熱導(dǎo)小的多，所以熱敏感元件的升溫ΔT1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于參考元件的升溫ΔT2，即ΔT1＞＞ΔT2；信號(hào)檢測電路工作時(shí)，熱敏感元件中的溝道電流為I1，它包含了三部分偏置電流I0，吸收紅外引起的電流增量ΔI1a，自熱引起的電流增量ΔI1b；參考元件中的溝道電流為I2，同樣是有上述三部分組成，分別為I0，ΔI2a，ΔI2b，其中ΔI1a＞＞ΔI2a。當(dāng)制作一定厚度的多孔硅層14時(shí)，參考元件和熱敏感元件在幾微秒信號(hào)檢測時(shí)間內(nèi)的自熱功耗所引起的升溫相等，使ΔI1b＝ΔI2b。由于ΔI1a＞＞ΔI2a，I1-I2＝ΔI1a-ΔI2a≈ΔI1a，所以，由吸收紅外引起的電流增量ΔI1a反映了紅外輻射功率的大小，并以差分電壓的形式輸出，抵消了自熱升溫和環(huán)境溫度變化引起的輸出溫漂。
圖5是硅基薄膜晶體管室溫紅外探測器的結(jié)構(gòu)，15是場氧化層，N+是MOS晶體管的源漏接觸區(qū)域，MOS晶體管門開關(guān)和用作熱敏元件的薄膜晶體管一起組成了熱敏感元件陣列的一個(gè)單元。用作熱敏感元件的薄膜晶體管做在懸空薄膜微橋6的橋面上，61是SiO2薄膜，62是Si3N4薄膜，63是SiO2薄膜，用作參考元件的薄膜晶體管做在一層多孔硅層13上，信號(hào)檢測IC電路做在硅襯底8上。選擇性地在硅襯底8的部分區(qū)域形成多孔硅13，多孔硅13上方制作薄膜晶體管，熱敏元件薄膜晶體管下方的多孔硅8被腐蝕掏空，形成懸空的薄膜微橋6結(jié)構(gòu)；參考元件薄膜晶體管下方的多孔硅13則保留。有限元分析表明，當(dāng)參考元件下方的多孔硅層13的厚度為6μm，電流偏置工作時(shí)間小于5μs時(shí)，參考元件中因自熱功耗產(chǎn)生的升溫與熱敏元件中的基本相等，差分電路抵消了自熱升溫和環(huán)境溫度變化引起的輸出溫漂；參考元件中受紅外輻射引起的平衡態(tài)升溫僅是熱敏元件的1/60，即采用參考元件削弱熱敏感元件的探測響應(yīng)率僅不到2％。
熱敏感元件陣列由用作熱敏感元件的薄膜晶體管及與其每個(gè)薄膜晶體管相連的MOS晶體管門開關(guān)組成，測量用的外圍集成電路由陣列掃描和信號(hào)處理電路組成。這樣，薄膜晶體管熱敏感元件陣列與測量用的外圍集成電路實(shí)現(xiàn)單片集成，可形成室溫紅外成像系統(tǒng)的焦平面陣列，圖6為其電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是硅基薄膜晶體管室溫紅外探測器的工藝流程
(a)采用p型雙拋硅片，利用離子注入及陽極氧化在硅片選擇性地形成約6μm厚的多孔硅。
(b)用SiO2及Si3N4作為MOS晶體管有源區(qū)保護(hù)層，在有源區(qū)與多孔硅以外區(qū)域熱生長1μm厚的場氧化層。
(c)用常規(guī)的集成電路工藝在有源區(qū)制作出硅柵MOS集成電路，其中MOS晶體管的溝道長度為3μm，柵介質(zhì)層厚度為50nm。
(d)利用濺射、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)工藝方法在多孔硅區(qū)域上方制作鋁柵倒置參差結(jié)構(gòu)的非晶硅薄膜晶體管(TFT)，其中柵的厚度為600nm。
(e)用鋁制作薄膜晶體管以及集成電路的引線和電極，其中鋁的厚度為1μm。
(f)在鋁引線層外淀積氮氧化硅(SiOxNy)鈍化層，并開出多孔硅犧牲層的腐蝕孔。
(g)將硅片浸入四甲基氫氧化胺(TMAH)腐蝕液中，釋放多孔硅犧牲層，形成薄膜晶體管下面的懸浮薄膜微橋結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.硅基薄膜晶體管室溫紅外探測器，含有室溫?zé)崦舾性?，其特征在于，它是一種用薄膜晶體管作為熱敏感元件且采用倒置參差結(jié)構(gòu)的單片集成式硅基薄膜晶體管室溫紅外探測器，它含有硅襯底；懸浮于硅襯底上方且用支撐臂支撐的薄膜微橋；制作在薄膜微橋橋面上用作熱敏感元件的薄膜晶體管，及其由其組成的熱敏感元件陣列；制作在多孔硅上用作參考元件的薄膜晶體管；測量用的外圍集成電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基薄膜晶體管室溫紅外探測器，其特征在于所述的用作熱敏感元件的薄膜晶體管由依次層疊地制作在薄膜微橋上的柵電極，柵介質(zhì)層，非晶硅有源區(qū)，位于非晶硅有源區(qū)兩側(cè)的接觸層，一端分別制作在柵介質(zhì)層上同時(shí)又層疊在接觸層上和非晶硅有源區(qū)外側(cè)的漏電極和源電極組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基薄膜晶體管室溫紅外探測器，其特征在于所述的用作熱敏感元件的薄膜晶體管上方制作了具有紅外吸收作用的鈍化層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基薄膜晶體管室溫紅外探測器，其特征在于所述的用作熱敏感元件的薄膜晶體管及與其每個(gè)薄膜晶體管相連的MOS晶體管門開關(guān)組成了熱敏感元件陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基薄膜晶體管室溫紅外探測器，其特征在于所述的用作參考元件的薄膜晶體管做在選擇性地在硅襯底的部分區(qū)域形成的一層多孔硅層上，該薄膜晶體管在結(jié)構(gòu)、尺寸和電學(xué)特性上與用作熱敏元件的薄膜晶體管是完全一樣的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基薄膜晶體管室溫紅外探測器，其特征在于所述的薄膜微橋由多層SiO2，Si3N4薄膜組成，其懸空地支撐住上面的用作熱敏感元件的薄膜晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基薄膜晶體管室溫紅外探測器，其特征在于所述的測量用的外圍集成電路由陣列掃描和信號(hào)處理電路組成，其做在硅襯底上且經(jīng)薄膜微橋的支撐臂和用作熱敏感元件的薄膜晶體管相連。
全文摘要
硅基薄膜晶體管室溫紅外探測器屬于單片集成式紅外探測器技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于它是一種用薄膜晶體管作為熱敏感元件且采用倒置參差結(jié)構(gòu)的室溫紅外探測器，它含有做在懸空微橋的橋面上用作熱敏感元件的薄膜晶體管，做在選擇性地在硅襯底的部分區(qū)域形成的一層多孔硅層上用作參考元件的薄膜晶體管，做在襯底上的信號(hào)檢測IC電路。該懸空微橋是通過把熱敏感元件薄膜晶體管下方的多孔硅腐蝕掏空而形成的。當(dāng)參考元件下方的多孔硅層的厚度為6μm，電流偏置工作時(shí)間小于5μs時(shí)，差分電路抵消了自熱升溫和環(huán)境溫度變化引起的輸出溫漂；參考元件中受紅外輻射引起的平衡態(tài)升溫僅是熱敏元件的1/60，即采用參考元件削弱熱敏感元件的探測響應(yīng)率僅不到2％。
文檔編號(hào)G01J1/02GK1405892SQ0214864
公開日2003年3月26日 申請日期2002年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月15日
發(fā)明者劉理天, 董良, 岳瑞峰 申請人:清華大學(xué)