專利名稱：一種提高熱釋電紅外探測器響應(yīng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是以離子注入技術(shù)提高紅外探測器熱釋電響應(yīng)的新方法，屬于集成鐵電制造工藝。
以鐵電薄膜制作熱釋電紅外探測器具有無需致冷，可在室溫下工作，光譜響應(yīng)無波長選擇性成本低廉和器件結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。為了與常規(guī)的集成電路工藝兼容，鐵電薄膜制備時一般選擇硅襯底，但是硅材料的導(dǎo)熱率很高(145W/m.K)。作為探測元的鐵電薄膜所吸收熱量向硅襯底的耗散會極大地降低探測器的熱釋電響應(yīng)及其反應(yīng)的靈敏度。熱釋電探測器減少熱流從薄膜向襯底的傳遞目前采用的方法主要有橋式懸空結(jié)構(gòu)、空氣隙結(jié)構(gòu)、微橋結(jié)構(gòu)和多孔SiO2。懸空結(jié)構(gòu)利用了硅定向腐蝕特性，在探測元的背后挖窗口，通過空氣阻止熱流擴(kuò)散。其最大缺點(diǎn)為機(jī)械強(qiáng)度差(T.Shiosaki,Proceeding of the 6thUS-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics,USA,1993:1-8.and M.Okuyama,and Y.Hamakawa,Ferroelectrics,63(1985),243-252.)。空氣隙結(jié)構(gòu)是通過腐蝕探測元底電極下的氮化硅或磷硅玻璃，在硅襯底與底電極之間形成1000～2000nm厚的空氣間隙來阻止熱流。缺點(diǎn)是需經(jīng)過多次的刻蝕或光刻，硅腐蝕為橫向腐蝕(Pham L.,TihenW.,Ye C.et al,IEEE tranastions on ultrasonics ferroelectrics andfrequency control,41(1994),552-555.)。微橋結(jié)構(gòu)利用了微電子機(jī)械系統(tǒng)加工(MEMS)技術(shù)，在硅片上制備氮化硅薄膜“微橋”。微橋與硅片之間只有兩個點(diǎn)接觸，在微橋上制備鐵電薄膜形成器件。其缺點(diǎn)為工藝復(fù)雜，難度大。任巍等人(Wei Ren,Yun Liu,Xiaoqing Wu,Liangying Zhangand Yao Xi,Integrated ferroelectrics,15(1997),271-279.)采用多孔SiO2作為絕熱層提高鐵電薄膜的熱釋電響應(yīng)，但是采用Sol-Gel法制備多孔SiO2，工藝復(fù)雜，重復(fù)性與穩(wěn)定性較差。
本發(fā)明的目的在于采用簡單的方法，在體硅中形成一層阻止熱流擴(kuò)散的空腔層，使制備在硅襯底上的織構(gòu)的鐵電薄膜具有很高的熱釋電響應(yīng)，材料用于集成鐵電器件中的紅外熱釋電探測器。
一種提高熱釋電紅外探測器響應(yīng)的方法是單晶硅拋光片，厚度約350000nm，經(jīng)常規(guī)集成電路工藝清洗后，利用常規(guī)離子注入機(jī)或等離子體浸沒式注入機(jī)，將能量為20-170keV、劑量為(1-9)×1017/cm2的He離子注入到硅表層下面，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下于700-1100℃退火1-2小時。在1000-1100℃下將表層硅和納米孔層濕氧氧化，生成的SiO2層和SiO2空腔層的厚度分別約為300-600nm和500-1000nm；采用高真空蒸發(fā)制備Pt,/Ti底電極，采用PLD法制備10-100nm的鈮酸鍶鋇子晶層(SBN)，通過650-750℃保溫1-2小時退火，形成(001)取向織構(gòu)的薄膜，隨后采用MOD法制備出厚度為500～1000nm織構(gòu)的鈦酸鉛摻鑭(PLT)薄膜，其中熱處理溫度為700-800℃保溫1-3小時。


圖1為結(jié)構(gòu)圖1為硅襯底，厚度為300～5000nm；102為空腔絕熱層，厚度在500～1000nm；103為SiO2層，厚度為300nm；4為Ti過渡層，厚度為20nm；5為Pt底電極，厚度為60-100nm；6為SBN子晶層，厚度為10～100nm；7為PLT鐵電薄膜層，厚度為500～1000nm；8為上電極，厚度為60-100nm；104為懸空結(jié)構(gòu)的窗口。
圖2為工藝流程圖一、用清洗液對清洗后的硅片1注He+；二、熱處理與熱氧化在硅片1上形成空腔層102與SiO2層103；三、利用超高電子束蒸發(fā)儀在SiO2層103上生長Ti4；四、利用超高電子束蒸發(fā)儀在Ti4上生長Pt5；七、采用脈沖激光沉積制備SBN5；八、采用金屬有機(jī)熱分解法制備PLT7；九、采用腐蝕的方法形成懸空窗口104；十、采用超高電子束蒸發(fā)儀形成上電極8。
采用本發(fā)明方法，由離子注入在硅襯底中形成的空腔層，一方面防止了熱流從熱釋電薄膜流向硅片，提高了鐵電薄膜的熱釋電響應(yīng)；另一方面保證了制備工藝完全與硅集成工藝的兼容，與前面幾種方法比較，機(jī)械強(qiáng)度提高了，工藝過程簡單而且工藝參數(shù)容易控制，重復(fù)性與穩(wěn)定性好。
在本發(fā)明所形成空腔層的Pt/Ti/SiO2/Si襯底上采用脈沖激光沉積(PLD)制備出織構(gòu)的鈮酸鍶鋇(SBN)子晶層，再采用金屬有機(jī)熱分解法(MOD)制備出織構(gòu)的鈦酸鉛摻鑭(PLT)薄膜，表面粗糙度可控制在3nm以下。PLT鐵電薄膜具有優(yōu)良的熱釋電性能(熱釋電系數(shù)可達(dá)到6.5×10-8C/cm2·K)，介電常數(shù)適中，有很高的電壓優(yōu)值。
下述實(shí)施方法將有助于理解本發(fā)明，但不限制本發(fā)明的內(nèi)容。
以下是一種實(shí)施方法單晶硅拋光片，厚度約350000nm，經(jīng)常規(guī)集成電路工藝清洗后，利用常規(guī)離子注入機(jī)或等離子體浸沒式注入機(jī)，將能量為70-160keV、劑量為8×1017/cm2的He離子注入到硅表層下面，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下于700℃退火1小時。用常規(guī)熱氧化法將表層硅和納米孔層氧化，生成的SiO2層和SiO2空腔層的厚度分別約為300nm和800nm；采用高真空蒸發(fā)制備Pt/Ti底電極，采用PLD法制備100nm的鈮酸鍶鋇子晶層，通過650℃保溫1小時退火，形成(001)取向織構(gòu)的薄膜，隨后采用MOD法制備出厚度為800nm織構(gòu)的PLT薄膜，其中熱處理溫度為700℃保溫1小時。
用上述方法制得的硅基鐵電薄膜結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中1為硅襯底，厚度為350nm；102為空腔絕熱層，厚度在800nm；103為SiO2層，厚度為300nm；4為Ti過渡層，厚度為20nm；5為Pt底電極，厚度為80nm；6為SBN子晶層，厚度為30nm；7為PLT鐵電薄膜層，厚度為800nm；8為上電極，厚度為80nm；104為懸空結(jié)構(gòu)的窗口。
工藝流程圖如圖2一、用清洗液對清洗后的硅片1注He+；二、熱處理與熱氧化在硅片1上形成空腔層102與SiO2層103三、利用超高電子束蒸發(fā)儀在SiO2層103上生長Ti4；四、利用超高電子束蒸發(fā)儀在Ti4上生長Pt5；七、采用脈沖激光沉積制備SBN5；八、采用金屬有機(jī)熱分解法制備PLT7；九、采用腐蝕的方法形成懸空窗口104；十、采用超高電子束蒸發(fā)儀形成上電極8。
本發(fā)明的效果在于1、采用He離子注入、熱處理與熱氧化的方法在硅襯底中形成SiO2空腔層，可有效地阻止了探測元熱流向襯底的擴(kuò)散，提高熱釋電探測器的響應(yīng)；結(jié)合懸空窗口，效果更好，解決懸空結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度差的問題。
2、首先采用PLD法生成子晶，然后利用MOD法制備出大面積、均勻的與織構(gòu)的PLT鐵電薄膜，可有效地提高薄膜的熱釋電系數(shù)，用于制作紅外探測器陣列。
3、整個制備工藝簡單，重復(fù)性和穩(wěn)定性好，并與常規(guī)的集成電路兼容。
權(quán)利要求
1.一種提高熱釋電紅外探測器響應(yīng)的方法，在制作紅外探測器用的Si襯底中，采用He離子注入、高溫?zé)崽幚砗蜔嵫趸?，形成SiO2層和SiO2空腔層。形成條件為采用常規(guī)的離子注入機(jī)，其He離子注入的能量為20-170keV，劑量為(1-9)×1017/cm2，熱處理溫度為700-1100℃，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下保溫1-2小時，熱氧化是在1000-1100℃下濕氧氧化，然后，采用脈沖激光在上述有空腔層的Pt/Ti/SiO2/Si襯底上沉積子晶層，沉積時激光能量控制在140-160mJ，襯底溫度控制在650-750℃，再采用金屬有機(jī)物熱分解法，制備出厚度為織構(gòu)的鐵電薄膜。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的空腔層的厚度在500-1000nm，空腔層中的孔率在10-40％，孔徑在10-50nm。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是所述的織構(gòu)的鐵電薄膜的厚度為500-1000nm。
4.按照權(quán)利要求1或2所述方法，其特征是利用脈沖激光沉積子晶層，沉積時間控制在4-10分鐘，就可得到鈮酸鍶鋇織構(gòu)的子晶層。
5.按照權(quán)利要求4所述的方法，其特征是所述的鈮酸鍶鋇織構(gòu)的子晶層厚度為10-100nm。
6.按照權(quán)利1所述方法，金屬有機(jī)物熱分解法制備的PLT鐵電薄膜最終熱處理溫度應(yīng)是700～800℃。
全文摘要
本發(fā)明是一種以離子注入技術(shù)提高紅外探測器熱釋電響應(yīng)的方法,屬于集成鐵電制造工藝。系采用He離子注入結(jié)合熱處理在紅外探測器下面的硅襯底中產(chǎn)生一空腔層,減少熱釋電材料所吸收的熱量向硅襯底擴(kuò)散,從而提高熱釋電紅外探測器的響應(yīng)度。同時采用脈沖激光沉積技術(shù)在有空腔層Pt/Ti/SiO
文檔編號H01L31/00GK1234614SQ98122069
公開日1999年11月10日 申請日期1998年12月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月4日
發(fā)明者宋志棠, 張苗, 林成魯 申請人:中國科學(xué)院上海冶金研究所