CN102214662B - 非制冷红外焦平面阵列探测器单片集成结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了非制冷红外焦平面阵列探测器单片集成结构及制作方法，属于半导体制造领域。本结构包括硅晶圆，硅晶圆具有相对的第一表面和第二表面；硅晶圆第一表面上设有红外焦平面敏感元件阵列，第二表面上设有红外焦平面敏感元件阵列的信号处理电路，硅晶圆上设有硅通孔微互连，红外焦平面敏感元件阵列通过硅通孔微互连与信号处理电路电连接。与现有技术相比，本发明实现了红外敏感元件阵列与其信号处理电路的有效热隔离，降低红外敏感元件阵列传导到其信号处理电路的热量，提高了信号处理电路的性能与可靠性。

Description

非制冷红外焦平面阵列探测器单片集成结构及制作方法

技术领域

本发明属于半导体制造领域，具体来讲涉及硅微传感器制造和微电子封装领域；尤其涉及一种新型红外焦平面阵列探测器单片集成结构以及其制作方法。

背景技术

非制冷红外焦平面阵列探测器具有无须制冷、高响应度、高灵敏度、小型化的技术优势，受到了学术界和工业界的重视。目前，业界研究的重点和热点主要集中在利用热电阻效应的微测辐射热计红外焦平面阵列探测器和基于双材料效应的微悬臂梁式红外焦平面阵列探测器两种。非制冷红外焦平面阵列探测器的单片集成方案主要采用Post-CMOS工艺制作，首先在硅晶圆上制作用于红外敏感元件阵列信号处理的集成电路IC，在完成集成电路IC制作之后，在信号处理集成电路IC层之上利用表面牺牲层工艺制作红外敏感元件阵列。

采用这种集成结构，由于红外敏感元件阵列紧接其信号处理集成电路IC，红外敏感元件阵列吸收的热量会传输到集成电路IC区域，随着工作时间的增长，热量积累，温度升高；这对信号处理集成电路IC的稳定性、可靠性会造成危害。另外，由于信号处理集成电路IC与红外敏感元件阵列处于同一表面，增加了红外焦平面阵列的真空封装技术挑战。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种红外焦平面阵列探测器单片集成结构，解决非制冷红外焦平面阵列探测器的红外敏感元件阵列与其信号处理电路热串扰问题，提高红外焦平面阵列探测器的稳定性、可靠性。

本发明的技术方案为：

一种非制冷红外焦平面阵列探测器单片集成结构，包括硅晶圆，所述硅晶圆具有相对的第一表面和第二表面；其特征在于，所述硅晶圆第一表面上设有红外焦平面敏感元件阵列，所述硅晶圆第二表面上设有所述红外焦平面敏感元件阵列的信号处理电路，所述硅晶圆上设有硅通孔微互连，所述红外焦平面敏感元件阵列通过所述硅通孔微互连与所述信号处理电路电连接。

进一步的，所述硅通孔微互连为TSV微互连。

进一步的，所述硅通孔微互连包括垂直于所述第一表面和第二表面的方向贯穿所述晶圆的硅通孔，所述硅通孔内壁依次沉积有介质层、阻挡层、种子层；所述种子层内设有导电材料。

进一步的，包括一第二硅晶圆，所述第二硅晶圆一表面设有能容纳所述红外焦平面敏感元件阵列的凹坑，且该表面外围设有粘接环，所述粘接环环绕所述凹坑；所述红外焦平面敏感元件阵列所在表面上设有与所述粘接环对应的粘接环；所述红外焦平面敏感元件阵列所在表面与所述凹坑所在表面通过粘接环连接。

进一步的，所述红外焦平面敏感元件阵列通过一重新布线层与所述硅通孔微互连电连接；所述信号处理电路通过一重新布线层与所述硅通孔微互连电连接。

一种非制冷红外焦平面阵列探测器单片集成结构制作方法，其步骤为：

1)在所选硅晶圆的第一表面上制备红外焦平面敏感元件阵列的信号处理电路；

2)在所述硅晶圆上制备硅通孔微互连，并与所述信号处理电路电连接；

3)在与所述硅晶圆第一表面相对的第二表面上制备红外焦平面敏感元件阵列，并与所述硅通孔微互连电连接。

进一步的，所述硅通孔微互连为TSV微互连。

进一步的，所述硅通孔微互连的制作方法为：

1)制作TSV硅通孔掩膜，反应离子刻蚀所述信号处理电路表面介质层，深度反应离子刻蚀所述硅晶圆的硅基体，完成TSV硅通孔的制作；

2)在所述硅通孔内侧依次沉积介质层、阻挡层、种子层；

3)电镀导电材料，填充所述硅通孔，得到所述硅通孔微互连。

进一步的，所述硅通孔微互连的制作方法为：

1)制作TSV硅盲孔掩膜，反应离子刻蚀所述信号处理电路表面介质层，深度反应离子刻蚀所述硅晶圆的硅基体，完成TSV硅盲孔的制作；

2)在所述硅盲孔内侧依次沉积介质层、阻挡层、种子层；

3)制作电镀掩膜，电镀导电材料，填充所述硅盲孔；

4)减薄抛光所述硅晶圆，直至在所述信号处理电路所在面相对的一面暴露出所述硅盲孔的导电材料，得到所述硅通孔微互连。

进一步的，在一第二硅晶圆一表面上制备一能容纳所述红外焦平面敏感元件阵列的凹坑，且该表面外围设有粘接环，所述粘接环环绕所述凹坑；在所述红外焦平面敏感元件阵列所在表面上设有与所述粘接环对应的粘接环；利用所述粘接环将所述红外焦平面敏感元件阵列所在表面与所述凹坑所在表面对准键合，实现真空封装。

进一步的，所述红外焦平面敏感元件阵列通过一重新布线层与所述硅通孔微互连电连接；所述信号处理电路通过一重新布线层与所述硅通孔微互连电连接.

本发明的红外焦平面阵列探测器集成结构如图2所示，其包括基体0000、红外敏感元件阵列0200、信号处理电路0300，其中：

所述基体0000具有相对的第一表面和第二表面，所述基体0000内有硅通孔微互连0100，所述硅通孔以垂直于所述第一表面和第二表面的方向贯穿所述基体0000；

所述红外敏感元件阵列0200位于所述基体0000的第一表面上；

所述信号处理电路0300位于所述基体0000的第二表面上；

所述红外敏感元件阵列0200与所述信号处理电路0300之间通过所述硅通孔微互连0100实现电学连接。

相应地，本发明还提供了一种新型红外焦平面阵列探测器集成结构的制作方法，该方法包括：

a)提供第一晶圆，在所述第一晶圆上制作用于红外焦平面阵列敏感元件的信号处理电路；

b)在所述第一晶圆上制作硅通孔微互连，实现信号处理电路与硅通孔之间电学连接；

c)在所述第一晶圆上的与所述信号处理电路相对的表面制作红外敏感元件阵列，实现红外敏感元件阵列与硅通孔微互连之间电学连接。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

采用本发明提供的红外焦平面阵列探测器集成结构及其制造方法，实现了红外敏感元件阵列与其信号处理电路的有效热隔离，降低红外敏感元件阵列传导到其信号处理电路的热量，提高了信号处理电路的性能与可靠性。同时，由于红外敏感元件阵列与其信号处理电路分别位于基体的相对的两个表面，减小了整个红外焦平面阵列探测器的面积，降低单片集成真空封装的技术难度，有利于实现圆片级真空封装，降低封装成本，实现小型化。

附图说明

图1是根据本发明的红外焦平面阵列探测器集成结构的制作方法的流程图；

图2为本发明非制冷红外焦平面阵列探测器单片集成结构；

图3(a)～图3(h)是根据本发明的红外焦平面阵列探测器集成结构的制作工艺流程图；

图4(a)～图4(b)为实施例二中TSV微互联制作流程；

其中，0000-第一晶圆基体，0100-TSV微互连，0200-红外敏感元件阵列，0300-信号处理电路，0400-第一二晶圆，0110-硅通孔，0111-硅盲孔，0120-介质层、阻挡层、种子层组成的保护层，0130-导电材料(铜)，0210-第一晶圆封装粘接环，0220-牺牲层，0310-金属线，0320-介质层，0330-窗口，0410-凹坑，0420-第二晶圆封装粘接环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，本发明的制备流程如图1所示：

实施例一

步骤1、采用标准CMOS工艺制作用于红外焦平面敏感元件阵列信号处理集成电路IC0300。

步骤2、制作TSV微互连0100，实现TSV微互连与信号处理集成电路IC的电连接，如图3(d)所示。首先光刻，制作TSV硅通孔掩膜，反应离子刻蚀(RIE)信号处理集成电路IC表面介质层，深度反应离子刻蚀(DRIE)硅基体，完成TSV硅通孔0100的制作如图3(b)所示。硅通孔0110制作亦可采用其他技术，如激光打孔等。沉积介质层、阻挡层、电镀种子层0120如图3(c)，介质层实现TSV微互连与基体的电绝缘，阻挡层起到防止TSV微互连向衬底的电迁移。介质沉积可以采用等离子增强体化学气相沉积(PECVD)二氧化硅Si02，阻挡层、电镀种子层沉积可以溅射TiW/Cu。介质层、阻挡层、种子层的沉积亦可采用其他半导体薄膜沉积技术如ICP-PECVD，蒸发，湿法电化学沉积。电镀，利用电镀横向扩散效应封闭TSV通孔一端，然后自底向上电镀填充工艺填充TSV通孔。TSV通孔电镀填充亦可其他方法制作，首先在另一辅助晶圆表面沉积电镀种子层，临时粘接所述晶圆与辅助晶圆电镀种子层所在面。利用辅助晶圆表面的种子层自底向上电镀填充TSV通孔，最后剥离辅助晶圆。去除电镀over-loading产生的多余的铜凸起、晶圆表面上的阻挡层、晶圆表面上的电镀种子层，可以采用半导体常规工艺如湿法腐蚀、干法刻蚀、化学机械抛光实现。完成TSV微互连0100的制作，如图3(c)所示。制作暴露信号处理集成电路IC信号连接的焊盘的窗口，具体讲，光刻，制作暴露信号连接焊盘，反应离子刻蚀二氧化硅介质层，暴露出焊盘，去除光刻胶。制作重新布线层，实现信号处理电路与硅通孔微互连电连接。具体如下：制作连接焊盘和TSV微互连的金属线0310，详细讲，光刻，制作金属连线的图形，蒸发铜，剥离形成铜互连线，也可以采用其他半导体工艺如电镀方法制作金属互连线。沉积介质层0320，如等离子体增强化学气相沉积PECVD二氧化硅，实现金属互连线的电绝缘保护。如图3(d)所示。亦可采用相似的方法制作多层金属互连线的重新布线层(RDL)

步骤3、在信号处理集成电路IC所在面相对的一面，采用表面牺牲层工艺制作红外敏感元件阵列，红外敏感元件阵列0200与TSV微互连0100实现电连接。在制作红外敏感元件阵列之前，可以采用步骤一中所述方法制作一层或多层金属互连线的重新布局布线层，连接TSV微互连与红外敏感元件阵列。此步骤停止在红外敏感单元结构释放工艺之前，如图3(e)所示。制作红外敏感元件阵列之前，可以减薄抛光硅片表面，沉积介质层作为红外敏感元件阵列与TSV微互连的电绝缘层；如减薄抛光可以采用化学机械抛光方法减薄抛光表面，沉积介质层可以采用PECVD二氧化硅。表面牺牲层0220可以采用多晶硅、聚酰亚胺等。红外敏感元件可以采用氮化硅作为结构层，红外吸收层采用氮化硅或者黑金属等其他红外吸收材料，如果红外敏感元件基于热电阻效应，敏感材料可以选择Pt等材料；如果基于双材料效应，可以采用金属铝和氮化硅制作双材料结构。

步骤4、制作硅封盖如图3(f)。首先在硅晶圆表面制作凹坑0410，容纳红外敏感元件阵列，凹坑可以采用DRIE刻蚀的方法，亦可采用湿法腐蚀，如KOH，TMAH腐蚀。其次在硅晶圆凹坑所在表面制作真空封装密封用的粘接环0420，如铜/锡环，环绕凹坑0410。在红外敏感元件阵列所在一面制作与硅封盖粘接环对应的粘接环0210，如图3(g)所示。各项同性刻蚀释放红外敏感元件阵列。硅封盖晶圆与红外敏感元件阵列晶圆面对准键合，实现真空封装。亦可以采用其他透红外材料制作封盖，粘接材料亦可以采用其他真空密封材料。

步骤5、在信号处理集成电路IC所在面钝化保护层上制作窗口0330，暴露信号输出焊盘。划片，分离红外焦平面阵列探测器。如图3(h)所示。

实施例二

步骤1、采用标准CMOS工艺制作用于红外焦平面敏感元件阵列信号处理集成电路IC0300，如图3(a)所示。

步骤2、制作TSV微互连0100，实现TSV微互连与信号处理集成电路IC的功能、电连接如图3(d)所示。如图4(a)首先光刻，制作TSV硅盲孔0111的掩膜，反应离子刻蚀(RIE)刻蚀信号处理集成电路IC表面介质层，深度反应离子刻蚀(DRIE)硅基体，到达设计深度，完成硅盲孔0111的制作。硅盲孔制作亦可采用其他技术，如激光打孔等。沉积介质层、阻挡层、电镀种子层0120如图4(b)，介质沉积可以采用等离子增强体化学气相沉积PECVD二氧化硅SiO₂，阻挡层、电镀种子层沉积可以溅射TiW/Cu。电镀种子层，介质层、阻挡层、种子层的沉积亦可采用其他半导体薄膜沉积技术如ICP-PECVD，蒸发，湿法电化学沉积。光刻，制作电镀掩膜，电镀铜，填充TSV硅盲孔0111；去除电镀掩膜、电镀over-loading产生的多余的铜凸起、晶圆表面上的阻挡层、晶圆表面上的电镀种子层，可以采用半导体常规工艺如湿法腐蚀、干法刻蚀、化学机械抛光实现。制作暴露信号处理集成电路IC信号连接的焊盘的窗口，制作重新布线层，实现信号处理电路与硅通孔微互连电连接。具体如下：制作连接焊盘和TSV微互连的金属线0310；详细讲，光刻，制作金属连线的图形，蒸发铜，剥离形成铜互连线，也可以采用其他半导体工艺如电镀方法制作金属互连线。沉积介质层0320，如等离子体增强化学气相沉积PECVD二氧化硅，实现金属互连线的电绝缘保护。如图3(d)所示。亦可采用相似的方法制作多层金属互连线的重新布线层(RDL)

步骤3、如图3(c)所示，减薄抛光晶圆，直至在信号处理集成电路IC所在面相对的一面暴露出处理后的硅盲孔内导电材料0130，得到TSV微互连，沉积介质层，采用表面牺牲层工艺制作红外敏感元件阵列，红外敏感元件阵列0200与TSV微互连0100实现电连接，红外焦平面敏感元件阵列通过一重新布线层(RDL)与硅通孔微互连电连接；此步骤停止在红外敏感单元结构释放工艺之前。在制作红外敏感元件阵列之前，可以采用步骤一中所述方法制作一层或多层金属互连线的重新布局布线层，连接TSV微互连与红外敏感元件阵列。减薄抛光晶圆可以采用化学机械抛光方法减薄抛光技术，沉积介质层可以采用PECVD沉积二氧化硅。表面牺牲层可以采用多晶硅、聚酰亚胺作为牺牲层。红外敏感元件可以采用氮化硅作为结构层，红外吸收层采用氮化硅或者黑金属等其他红外吸收材料，如果红外敏感元件基于热电阻效应，敏感材料可以选择Pt等材料；如果基于双材料效应，可以采用金属铝和氮化硅制作双材料结构。

步骤4、制作硅封盖，如图3(f)。首先在硅晶圆表面制作凹坑0410，容纳红外敏感元件阵列0200，凹坑可以采用DRIE刻蚀的方法，亦可采用湿法腐蚀，如KOH，TMAH腐蚀。其次在硅晶圆凹坑所在表面制作真空封装粘接环0420，如铜/锡环，环绕凹坑。如图3(g)所示在红外敏感元件阵列所在一面制作与硅封盖粘接环对应的粘接环0210，如铜；各项同性刻蚀释放红外敏感元件阵列。硅封盖晶圆与红外敏感元件阵列晶圆面对准键合，实现真空封装。亦可以采用其他透红外材料制作封盖，粘接材料亦可以采用其他真空密封材料。

步骤5、在信号处理集成电路IC所在面钝化保护层上制作窗口0330，暴露信号输出焊盘。划片，分离红外焦平面阵列探测器，如图3(h)所示。

Claims (11)

1.一种非制冷红外焦平面阵列探测器单片集成结构，包括硅晶圆，所述硅晶圆具有相对的第一表面和第二表面；其特征在于，所述硅晶圆第一表面上设有红外焦平面敏感元件阵列，所述硅晶圆第二表面上设有所述红外焦平面敏感元件阵列的信号处理电路，所述硅晶圆上设有硅通孔微互连，所述红外焦平面敏感元件阵列通过所述硅通孔微互连与所述信号处理电路电连接。

2.如权利要求1所述的非制冷红外焦平面阵列探测器单片集成结构，其特征在于所述硅通孔微互连为TSV微互连。

3.如权利要求1或2所述的非制冷红外焦平面阵列探测器单片集成结构，其特征在于所述硅通孔微互连包括垂直于所述第一表面和第二表面的方向贯穿所述晶圆的硅通孔，所述硅通孔内壁依次沉积有介质层、阻挡层、种子层；所述种子层内设有导电材料。

4.如权利要求3所述的非制冷红外焦平面阵列探测器单片集成结构，其特征在于包括一第二硅晶圆，所述第二硅晶圆一表面设有能容纳所述红外焦平面敏感元件阵列的凹坑，且该表面外围设有粘接环，所述粘接环环绕所述凹坑；所述红外焦平面敏感元件阵列所在表面上设有与所述粘接环对应的粘接环；所述红外焦平面敏感元件阵列所在表面与所述凹坑所在表面通过粘接环连接。

5.如权利要求3所述的非制冷红外焦平面阵列探测器单片集成结构，其特征在于所述红外焦平面敏感元件阵列通过一重新布线层与所述硅通孔微互连电连接；所述信号处理电路通过一重新布线层与所述硅通孔微互连电连接。

6.一种非制冷红外焦平面阵列探测器单片集成结构制作方法，其步骤为：

1）在所选硅晶圆的第一表面上制备红外焦平面敏感元件阵列的信号处理电路；

2）在所述硅晶圆上制备硅通孔微互连，并与所述信号处理电路电连接；

3）在与所述硅晶圆第一表面相对的第二表面上制备红外焦平面敏感元件阵列，并与所述硅通孔微互连电连接。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述硅通孔微互连为TSV微互连。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述硅通孔微互连的制作方法为：

1）制作TSV硅通孔掩膜，反应离子刻蚀所述信号处理电路表面介质层，深度反应离子刻蚀所述硅晶圆的硅基体，完成TSV硅通孔的制作；

2）在所述硅通孔内侧依次沉积介质层、阻挡层、种子层；

3）电镀导电材料，填充所述硅通孔，得到所述硅通孔微互连。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述硅通孔微互连的制作方法为：

1）制作TSV硅盲孔掩膜，反应离子刻蚀所述信号处理电路表面介质层，深度反应离子刻蚀所述硅晶圆的硅基体，完成TSV硅盲孔的制作；

2）在所述硅盲孔内侧依次沉积介质层、阻挡层、种子层；

3）制作电镀掩膜，电镀导电材料，填充所述硅盲孔；

4）减薄抛光所述硅晶圆，直至在所述信号处理电路所在面相对的一面暴露出所述硅盲孔的导电材料，得到所述硅通孔微互连。

10.如权利要求6或7或8或9所述的方法，其特征在于在一第二硅晶圆一表面上制备一能容纳所述红外焦平面敏感元件阵列的凹坑，且该表面外围设有粘接环，所述粘接环环绕所述凹坑；在所述红外焦平面敏感元件阵列所在表面上设有与所述粘接环对应的粘接环；利用所述粘接环将所述红外焦平面敏感元件阵列所在表面与所述凹坑所在表面对准键合，实现真空封装。

11.如权利要求6或7或8或9所述的方法，其特征在于所述红外焦平面敏感元件阵列通过一重新布线层与所述硅通孔微互连电连接；所述信号处理电路通过一重新布线层与所述硅通孔微互连电连接。

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