CN102315329A

CN102315329A - 一种热敏薄膜红外探测器制备方法

Info

Publication number: CN102315329A
Application number: CN201110269428A
Authority: CN
Inventors: 甘先锋; 杨水长; 邹渊渊; 孙瑞山; 王宏臣; 张连鹏
Original assignee: YANTAI RAYTRON TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Yantai Rui micro nano technology Limited by Share Ltd
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2031-09-13
Also published as: CN102315329B

Abstract

本发明涉及一种热敏薄膜红外探测器制备方法，包括：在红外探测器的读出电路上依次沉积牺牲层、热敏层和保护层，其中热敏层的材料为氧化钒，保护层的材料为氮化硅；同时对保护层和热敏层进行图形化；沉积介质层；刻蚀通孔和接触孔，所述通孔的刻蚀终止于所述读出电路的电极处；所述接触孔的刻蚀终止于所述热敏层表面；沉积金属电极层，并对金属电极层进行图形化；进行牺牲层的结构释放。本发明的方法增加了氮化硅层或SiO₂作为氧化钒热敏层保护层，防止了氧化钒薄膜即热敏层在图形化工艺过程中发生热学和电学性能的改变，减小了对探测器性能的影响；同时，利用氮化硅和氧化钒蚀刻的高选择比，接触孔和通孔利用一块光刻版一次性完成孔图形的图形化。

Description

一种热敏薄膜红外探测器制备方法

技术领域

本发明涉及红外探测领域，具体涉及一种热敏型红外探测器的制造工艺，特别是针对热敏材料的保护以及制造工艺的简化方面，提出了新的方法。

背景技术

近年来，红外探测领域正在经历一次革命，以微测辐射热计为代表的非致冷红外成像技术获得了重要突破并实现商业量产化。它不仅解决了红外摄像技术中最为突出的要求低温（～77K）冷却工作的条件，还实现同读出电路的大规模或超大规模集成，实现了高密度、小型化、便携带和易于操作的红外热像仪。同时这种技术也适合采用大规模集成电路制作技术批量生产，使红外热摄像仪成本低廉化，解决了红外热摄像系统长期以来价格居高不下的问题，使得红外热像仪不仅在军用方面，而且在民用方面得到广泛的推广和应用，成为当今红外成像技术最引人瞩目的突破技术之一。微测辐射热计（Micro-bolometer）是基于具有热敏特性的材料在温度发生变化时电阻值发生相应的变化而制造的一种非致冷红外探测器。它响应速率高，具有极低的噪声水平，它工作时无需斩波器辅助，便于大规模生产。工作时，在热敏电阻两端施加固定的偏置电压或电流源，入射红外辐射引起的温度变化使得热敏电阻阻值减小，从而使电流、电压发生改变，并由读出电路（ROIC）读出电信号的变化。

作为热敏电阻的材料必须具有较高的电阻温度系数（TCR：temperature coefficient of resistance），较低的热噪声，约翰逊噪声（Johnson Noise），1/f噪声，以及适当的电阻值和稳定的电性能。目前主流的热敏材料包括氧化钒（VO_x）、非晶硅（α-Si）以及高温超导材料（YBCO）等。其中，VO_x薄膜由于TCR高，绝对值大于2.0%K^-1，且沉积温度较低，与集成电路工艺兼容，制备方法相对简单以及低的噪声系数等优点，在非致冷红外探测器领域得到了广泛的应用。目前，世界上约有70%的非致冷红外探测器都使用了基于VO_x薄膜作为热敏材料制造而成的。在焦平面红外探测器的制备过程中，氧化钒薄膜方块电阻值及电阻温度系数的大小是影响探测器性能和成品率的关键。金属钒的化学性质活泼，与氧气反应生成钒的氧化物共有多达13种不同的相结构，热敏材料使用混合相VO_x薄膜在探测器制备过程中也很容易与环境中的氧气或水汽反应，改变原有的相结构，影响VO_x薄膜的电阻特性和TCR。

传统技术在制备红外探测器时，通常在氧化钒热敏层上涂覆光阻，光刻工艺后，通过干法蚀刻得到VO_x图形，即形成热敏电阻。但是，干法去胶的O等离子体会导致VO_x发生相变，从而导致VO_x的电阻发生改变，导致电阻不可控，波动大，变化不可逆，从而影响器件的性能和良率。如果采用湿法去胶，不可避免的与H₂O分子接触，也会导致VO_x薄膜表面发生化学反应，从而影响VO_x的质量。后继工艺是沉积一层低应力Si₃N₄，厚度在500

～1200

。然后图形化支撑柱（Anchor）位置的通孔（Via），支撑台面(Platform)上的接触孔（Contact），因涉及两次光刻工艺，导致对位误差，并且增加成本和降低良率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种使用氧化钒薄膜作为热敏材料的红外探测器的制备方法，防止氧化钒薄膜在图形化过程中，尤其是图形化后的干法和湿法去胶过程中发生钒的价态变化，导致薄膜的热学和电学性能发生改变，从而影响探测器性能。

本发明解决上述问题的技术方案如下：

一种热敏薄膜红外探测器制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在红外探测器的读出电路上依次沉积牺牲层、热敏层和保护层，其中所述热敏层的材料为氧化钒，所述保护层的材料为氮化硅或二氧化硅；

步骤2：同时对保护层和热敏层进行图形化，并对图形化后的热敏电阻表面进行去胶处理；

步骤3：在图形化的热敏层和保护层上沉积介质层；

步骤4：在沉积完介质层后，进行器件的通孔和接触孔图形化，所述通孔的蚀刻终止于读出电路的电极处，所述接触孔的蚀刻终止于热敏层表面；

步骤5：在经过通孔和接触孔图形化后圆片表面沉积金属电极层，并对金属电极层进行图形化；

步骤6：电极图形化后，进行钝化层的沉积和钝化层图形化；

步骤7：最后进行器件的结构释放。

本发明的有益效果在于：增加了氮化硅或二氧化硅作为氧化钒热敏层的保护层，防止氧化钒薄膜即热敏层在刻蚀后的去胶过程中发生钒的价态变化，阻止了氧化钒薄膜的热学和电学性能发生改变，减小了对探测器性能的影响。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

步骤1中：采用离子束沉积设备作为热敏层的制作设备，金属钒作为溅射靶材，O₂气体作为反应气体，Ar气体作为轰击气体，气体流量比为1：10，具体数值：O₂为2.3sccm，Ar总量为23sccm。制备的热敏层厚度为500～2000

，方块电阻（Sheet resistance）为25～100KΩ，热敏层厚度非均匀性小于2%，热敏层电阻温度系数小于-2.3%K^-1。

进一步，步骤1中：采用离子束的方法沉积热敏层。

进一步，步骤1中：采用等离子体增强化学气相沉积法沉积所述保护层，所述保护层的厚度为350～650 。

进一步，步骤2中：采用离子束蚀刻或者反应离子刻蚀的方法一次性进行保护层和热敏层的蚀刻，依次蚀刻掉保护层和热敏层，之后利用干法与湿法进行去胶处理。

进一步，步骤3中：采用等离子体增强化学气相沉积法沉积所述介质层，介质层的材料为氮化硅，厚度为500～1200

。

进一步，步骤4中：采用一块光刻版一次性完成通孔和接触孔的图形化工艺；蚀刻工艺气体流量SF₆=8sccm,CHF3=12sccm，刻蚀过程采用反应离子蚀刻方法，工艺气体对不同位置和厚度的介质层进行蚀刻，配比工艺气体蚀刻介质层对热敏层和读出电路电极的选择比（Selectivity）均大于20:1。

采用上述进一步方案的有益效果是，采用一块光刻版一次性实现了通孔和接触孔的图形化，简化工艺步骤，同时实现了通孔和接触孔的自对准，提高器件性能，增加产出和提高良率，降低生产成本。

进一步，步骤5中：所述金属电极层材料为钒或钛，采用物理气相沉积的方法溅射所述金属电极层，所述金属电极层的厚度为400～1000

。

采用上述进一步方案的有益效果是，钒、钛两种金属的热导都比较低，有利于增加器件热辐照响应。

进一步，步骤5中：对金属电极层的刻蚀采用离子束蚀刻方法，或者利用Cl₂=40sccm，BCl₃=60sccm的气体对金属电极层进行干法蚀刻。

附图说明

图1为本发明中的热敏层和保护层的形成示意图；

图2为本发明中的热敏层的图形化示意图；

图3为本发明中的介质层的示意图；

图4为本发明中的通孔和接触孔形成示意图；

图5为本发明中的金属电极层的形成示意图；

图6为本发明的一个实施例的器件俯视图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

101、读出电路，102、牺牲层，103、热敏层，104、保护层，105、介质层，106、金属电极层，201、通孔，202、接触孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的方法对传统工艺进行了大的工艺调整，即在VO_x薄膜上先沉积一层较薄的低应力Si₃N₄薄膜作为VO_x的保护层，厚度为350

～650

。然后再进行光刻和蚀刻工艺，VO_x薄膜和Si₃N₄薄膜一同进行蚀刻，得到VO_x图形，形成带Si₃N₄保护膜的热敏电阻。蚀刻完成后，进行干法和湿法去胶工艺，完全把光阻去除干净。因VO_x上有一薄层Si₃N₄薄膜作为保护层，起到隔离O等离子体或H₂O分子的作用，消除了去胶过程中对VO_x薄膜表面的负面影响，从而保证VO_x薄膜的质量稳定。

在通孔（Via）和接触孔（Contact）的图形化中，对蚀刻菜单进行了工艺优化调整，提高Si₃N₄对VO_x的选择比，使其选择比达到20:1以上。另外，因通孔位置下面是ROIC电路的Al电极（或Al Pad），含F气体对Al没有蚀刻作用，从而使含F等离子体对Si₃N₄和Al的腐蚀选择比大于100:1。蚀刻通孔和接触孔上的Si₃N₄厚度虽然不一样，但是因为优化的含F工艺气体菜单对Si₃N₄的腐蚀速率和对VO_x、Al的腐蚀速率，相差20倍以上，在刻蚀（总时间小于3分钟）的过程中，VO_x和Al起到了蚀刻工艺自然终止层的作用，VO_x的过蚀刻非常小且几乎不腐蚀Al。同时因为图形设计时充分考虑到通孔和接触孔蚀刻的负载效应（Loading effect）影响，设计时就做好了条宽（CD）偏差（Bias），进行提前的校正，消除负载效应带来的不良影响。使通孔和接触孔蚀刻后，得到期望的线宽和良好的蚀刻孔形貌。

整合通孔（VIA）和接触孔(Contact)为一块光刻版，一次完成通孔和接触孔的图形化，不仅减少了工艺步骤，还实现了通孔和接触孔的自对准，获得良好的孔形貌和大小，同时减少电极金属与孔的接触电阻。因为接触电阻是影响器件噪声的主要因素，所以本发明不仅减少了工艺步骤，降低成本，还保证了VO_x薄膜的质量稳定，减低了器件噪声，提高了器件的性能和产品良率。

本发明提供的热敏薄膜红外探测器制备方法，参见图1至图6，其具体工艺步骤如下：

首先，参见图1，在红外探测器的读出电路101上沉积牺牲层102，在牺牲层102上进行VO_x薄膜，即热敏层103的制备。作为本工艺流程中的关键步骤之一，VO_x薄膜的制备需要在严格的条件下进行，工艺参数稍微改变，所制备的薄膜特性就会相差很大。本例中，使用离子束沉积（IBD）设备做为VO_x薄膜的制作设备，金属钒作为溅射靶材，高纯的O₂气体作为反应气体，Ar气体作为轰击气体和中和气体，O₂为2.3sccm，Ar总量为23sccm。得到性质稳定的VO_x薄膜。制备的VO_x薄膜厚度为500～2000

，方块电阻（Sheet resistance）在25～100KΩ之间（典型值为50KΩ），热敏层厚度非均匀性控制在2%以内，电阻温度系数（TCR）在20℃到80℃的平均值小于-2.3%K^-1，也可以使用反应溅射或直流磁控溅射的方法沉积VO_x薄膜。

然后使用PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法）方法沉积350～650

的Si₃N₄薄膜作为VO_x薄膜刻蚀保护层104，在光刻工艺过程中起到VO_x薄膜与光刻胶的隔离作用，并且在刻蚀后的去胶步骤中保护VO_x薄膜不被环境中的化学物质污染，同时还能够使去胶更加容易。

下一步，对热敏层103进行图形化。因为保护层104处于热敏层103上，所以需要同时对保护层104和热敏层103进行图形化刻蚀，使用IBE（Ion Beam Etching，离子束蚀刻）或者RIE（Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀）的方法一次完成Si₃N₄薄膜（保护层104）和VO_x薄膜（热敏层103）的刻蚀，依次刻蚀掉Si₃N₄保护层104和VO_x热敏层103。然后使用干法与湿法进行去胶，在去胶过程中VO_x热敏层上的保护层104起到了阻挡O等离子体或有机清洗液中的H₂O的作用，使VO_x薄膜免受工艺条件的影响，避免VO_x薄膜性质发生改变。

下一步，如图3所示，在经过上一步图形化刻蚀后的热敏层103和保护层104上继续沉积Si₃N₄介质层105，使用PECVD的方法沉积，介质层105的厚度为500～1200

。

下一步，如图4所示，在沉积完介质层105后的红外探测器表面刻蚀通孔201和接触孔202，即进行通孔201（Via）和接触孔202（Contact）的图形化。本实例采用一块孔（Hole）版同时实现通孔201和接触孔202的图形化。RIE气体对不同位置和厚度的Si₃N₄薄膜绝缘层105进行蚀刻，工艺气体为SF₆和CHF₃，配比为SF₆:CHF₃=2:3，工艺气体蚀刻Si₃N₄薄膜绝缘层105、VO_x热敏层103和读出电路电极Al的选择比均大于20:1，蚀刻终止于读出电路101的Al电极和VO_x薄膜热敏层103表面，可以不需要终点监测设备，单靠蚀刻时间控制就能做到较好的终点控制。刻蚀过程中，接触孔202位置的介质层较薄，先完成刻蚀反应，通孔201位置的介质层较厚，刻蚀终止稍晚，因此会过蚀刻掉100

左右的VO_x。

需要特别指出的是，使用整合孔（Hole）版一次完成通孔201和接触孔202的图形化，要考虑到光刻版条宽和蚀刻后的条宽差异（Mask to AEI CD Bias）。由于通孔201处需刻蚀的介质层较厚，曝光和蚀刻时间以通孔201处为准。因此，接触孔202位置必然会延长一定的曝光和刻蚀时间，所以光刻版在设计时要对接触孔202的设计条宽重新评估定义，对比目标条宽（Target CD）做一定的负偏差（Bias）设计。

最后，如图5、图6所示，在经过刻蚀通孔201和接触孔202后的红外探测器表面进行金属电极层106的薄膜溅射和图形化，金属电极层106可以使用导电性相对较好，热导较小的金属材料，如V、Ti。采用PVD（Physical Vapor Deposition，物理气相沉积）的方法沉积溅射400～1000

的金属电极层106，然后进行图形化处理。如图5所示，金属电极层106一端通过通孔201与读出电路101上的引出电极相连，另一端通过接触孔202与VO_x薄膜的热敏层103相连，形成电学回路。金属电极层106的蚀刻可以使用IBE方法，也可以使用化学气体（如Cl₂:BCl₃=3:2的气体腐蚀Ti）进行金属电极层106的蚀刻。这样，读出电路101就可以通过金属电极层106完成对热敏层103电阻的电信号的读取，从而探测红外辐射。器件经过结构释放后，形成最终的MEMS (Micro-electromechanical Systems，微机械系统）结构。

本发明在VO_x热敏材料图形化之前，沉积Si₃N₄或SiO₂作为VO_x的保护层，防止干法去胶过程中的O等离子体以及湿法去胶时的H₂O与VO_x薄膜表面接触反应导致VO_x的薄膜性质发生变化。

本发明使用一块孔（Hole）版，完成通孔和接触孔的图形化，减少了光刻版数量，缩减了工艺流程，提高了生产效率，降低了生产成本。

因一次完成通孔和接触孔工艺，实现了通孔和接触孔的自对准。

本发明涉及到孔腐蚀配比气体SF₆、CHF₃，实现了孔（Hole）蚀刻工艺过程中Si₃N₄对VO_x蚀刻的高选择比，达到了20:1以上，保证了通孔和接触孔同时完成图形化。

本发明在孔版设计时，充分考虑到蚀刻的负载效应（Loading effect），对接触孔的条宽进行了大的负偏差(Negative Bias)设计，最终使腐蚀后的接触孔和通孔的条宽和形貌均满足工艺要求。

本发明因在VO_x图形化之前，就对VO_x薄膜进行了保护，同时一次孔工艺完成了接触孔和通孔的图形化，有利于减少通孔的暴露时间，避免了后继接触孔工艺的沾污，有利于减小金属电极在通孔处的欧姆接触电阻和避免断路异常出现，减低器件的噪声水平，提高器件的可靠性和产品良率。

本发明使用了离子束蚀刻（IBE）工艺完成VO_x的图形化，得到的图形边缘光滑整齐，形貌好，是反应离子蚀刻不可比拟的；另外，离子束蚀刻的速率慢，可以做到非常精确的控制，过蚀刻支撑层的量非常小。

本发明因使用SF₆，CHF₃气体对接触孔和通孔进行蚀刻，Si₃N₄对VO_x的蚀刻选择比大于20:1，不需要终点监测设备就可简单完成孔（Hole）的蚀刻工艺，VO_x和读出电路的电极Al充当了天然的蚀刻终止层。

本发明对性质活泼的VO_x热敏材料进行了足够的保护，防止其在工艺过程中受到污染和破坏，从而保证了探测器性能的稳定，提高了红外探测器的加工水平。另外，本发明采用一次光刻和蚀刻工艺完成了接触孔和通孔图形化，简化了工艺步骤，降低了制造成本，提高了生产效率和产品良率，并提高了探测器的性能。

在热敏材料VO_x薄膜的蚀刻过程中，也可以不沉积一层Si₃N₄/SiO₂保护层，直接进行VO_x的蚀刻，但是容易导致VO_x薄膜的沾污，去胶过程尤其是干法去胶，要特别注意O离子对VO_x薄膜的影响，很容易导致VO_x热敏电阻发生改变。

对于Si₃N₄、VO_x热敏层复合薄膜的刻蚀，也可以使用反应离子刻蚀（RIE）的方法，使用CF₄、O₂气体对Si₃N₄和VO_x进行刻蚀，需要终点监测设备控制蚀刻终点。

通孔和接触孔也可以分别进行图形化，但会增加工艺步骤，成本和工艺难度，降低产品的良率。

以上所述仅为本发明的较佳实施案例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种热敏薄膜红外探测器制备方法，包括：

步骤1：在红外探测器的读出电路上依次沉积牺牲层、支撑层、热敏层和保护层，其中所述热敏层的材料为氧化钒，所述保护层的材料为氮化硅或二氧化硅；

步骤2：同时对热敏层和保护层进行图形化处理，图形化后进行去胶处理；

步骤3：在图形化后的热敏层和保护层上沉积介质层；

步骤4：在沉积完介质层后的红外探测器表面蚀刻通孔和接触孔，所述通孔的蚀刻终止于所述读出电路的电极处，所述接触孔的蚀刻终止于所述热敏层的表面；

步骤5：在经过通孔和接触孔图形化后的圆片表面沉积金属电极层，并对金属电极图形化；

步骤6：金属电极完成后，沉积一层氮化硅钝化层，然后进行钝化层图形化和结构释放。

2.根据权利要求1所述的热敏薄膜红外探测器制备方法，其特征在于，步骤1中：采用离子束沉积设备作为热敏层的制作设备，金属钒作为溅射靶材，O₂气体作为反应气体，Ar气体作为轰击气体，气体流量比为O₂:Ar=1:10，具体数值：O₂为2.3sccm，Ar总量为23sccm，制备的热敏层厚度为500～2000

，方块电阻为25～100KΩ，热敏层厚度的非均匀性小于2%，热敏层电阻温度系数在20℃到80℃的平均值小于-2.3%K^-1。

3.根据权利要求1所述的热敏薄膜红外探测器制备方法，其特征在于，步骤1中：采用离子束沉积的方法沉积热敏层。

4.根据权利要求1所述的热敏薄膜红外探测器制备方法，其特征在于，步骤1中：采用等离子体增强化学气相沉积法沉积所述保护层，所述保护层的厚度为350～650

。

5.根据权利要求1所述的热敏薄膜红外探测器制备方法，其特征在于，步骤2中：采用离子束蚀刻或者反应离子蚀刻的方法一次性进行保护层和热敏层的蚀刻，依次蚀刻掉保护层和热敏层，之后利用干法与湿法进行去胶处理。

6.根据权利要求1所述的热敏薄膜红外探测器制备方法，其特征在于，步骤3中：采用等离子体增强化学气相沉积法沉积所述介质层，介质层的材料为氮化硅，介质层的厚度为500～1200

。

7.根据权利要求1所述的热敏薄膜红外探测器制备方法，其特征在于，步骤4中：采用一块光刻版完成通孔和接触孔的图形化工艺；蚀刻工艺气体流量SF₆=8sccm,CHF3=12sccm，蚀刻过程采用反应离子蚀刻方法，工艺气体对不同位置和厚度的介质层进行蚀刻，工艺气体蚀刻绝缘层对热敏层和读出电路电极的选择比均大于20:1。

8.根据权利要求1所述的热敏薄膜红外探测器制备方法，其特征在于，步骤5中：所述金属电极层材料为钒或钛，采用物理气相沉积的方法溅射所述金属电极层，所述金属电极层的厚度为400～1000

。

9.根据权利要求1所述的热敏薄膜红外探测器制备方法，其特征在于，步骤5中：对金属电极层的刻蚀采用离子束蚀刻方法，或者利用Cl₂和BCl₃气体对金属电极层进行干法蚀刻。