CN102353459B - 探测器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种探测器及其制造方法，该探测器包括：硅衬底；位于硅衬底上的金属反射层；位于所述金属反射层上的微桥探测器结构，依次包括：敏感材料探测层、金属电极层以及包围所述敏感材料探测层和所述金属电极层并起到保护作用的释放保护层；以及探测器外围支撑结构，其中，所述探测器外围支撑结构为无柱支撑机构。本发明探测器通过先制作探测器微桥结构，然后制作包含释放孔的释放保护层以及覆盖释放孔的增透材料层，在探测器外围形成无柱的支撑结构，从而实现了探测器产品的芯片级真空结构，解决了探测器释放封装时的成品率损失，降低了封装成本，大幅提高了产品性能和可靠性。

Description

探测器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，且特别涉及探测器及其制造方法。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)技术具有微小、智能、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等诸多优点，故其已开始广泛应用在包括红外探测技术领域的诸多领域。探测器是红外探测技术领域中应用非常广泛的一种MEMS产品，它利用敏感材料探测层(通常为非晶硅或氧化矾)吸收红外线且将其转化成电信号，据此来实现热成像功能。

探测器工艺一般与CMOS工艺兼容性比较差，故而早期很难实现大规模的生产。近年来由于MEMS产品的市场需求逐渐扩大，CMOS-MEMS的概念逐渐被人提出。CMOS-MEMS是利用CMOS技术制作外围读取及信号处理电路，然后在CMOS电路上面制作传感器及微机械系统的结构，而工艺兼容性问题始终是困扰CMOS-MEMS技术的关键。

以非制冷式探测器为例，其像元使用微桥结构形成电连接和谐振腔；而在探测器微桥结构制作结束后，一般做法是先进行划片，将单个芯片划片分离出；然后进行释放，通过化学反应将微桥结构内的牺牲层去除；最后通过封装完成探测器芯片的真空及光学方面增加透射的结构要求。然而，尽管通过CMOS工艺的SPC控制可以得到很高的硅片级成品率，但当划片释放后，整个芯片像元区的微桥结构已经悬空，对封装提出很高的要求，任何操作不当都会造成微桥结构的断裂，事实上在进行封装工艺时往往造成很高的成品率损失；同时，由于需要增透膜材料增强红外线的透射，且需要真空封装，其所需要的封装成本非常高。

因此，如何提供一种探测器及其制造方法，解决CMOS-MEMS技术的工艺兼容性问题，并大幅度提高产品性能和可靠性，已成为业界亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提出一种探测器及其制造方法，解决了CMOS-MEMS技术的工艺兼容性问题，并大幅度提高产品性能和可靠性。

为了达到上述目的，发明提出一种探测器，包括：硅衬底；位于硅衬底上的金属反射层；位于所述金属反射层上的微桥探测器结构，依次包括：敏感材料探测层、金属电极层以及包围所述敏感材料探测层和所述金属电极层并起到保护作用的释放保护层；以及探测器外围支撑结构，所述探测器外围支撑结构为无柱支撑结构，所述探测器外围支撑结构包括：包含释放孔的释放保护层以及增透材料层，其中所述增透材料层通过在所述释放孔处形成的悬挂形貌形成真空的无柱支撑结构。

可选的，还包括位于金属反射层各金属反射图案之间的介质层，所述介质层的高度与所述金属反射层的高度一致。

可选的，所述介质层采用二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或其组合，或者掺有硼、磷、碳或氟等杂质元素的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或其组合。

可选的，所述金属反射层和所述微桥探测器结构之间还包括黏附层，用于增强材料之间的接触。

可选的，所述黏附层的材料为基于正硅酸乙酯或者硅烷的氧化硅。

可选的，所述金属反射层的材料为铝或铂。

可选的，所述释放保护层为基于硅、氧、碳、氮成分的薄膜、富氧或富硅的二氧化硅薄膜、掺有硼、磷、碳或氟杂质元素且基于硅、氧、碳、氮成分的薄膜或富氧或富硅的二氧化硅薄膜中的一种或其组合。

可选的，所述敏感材料探测层的材料为非晶硅或氧化钒。

可选的，所述金属电极层为钛电极、钽电极、上下层叠的氮化钛和钛电极以及上下层叠的钽和氮化钽电极之一或其组合。

可选的，所述金属电极层与所述金属反射层直接电连接。

可选的，所述增透材料层的材料为锗。

本发明还提出一种探测器制造方法，包括：在硅衬底上形成金属反射层以及探测器微桥结构，包括：在硅衬底上形成金属反射层并图案化；在所述金属反射层的各金属反射图案之间填充介质层并实现所述介质层的平坦化；在所述介质层上沉积形成第一牺牲层；在所述第一牺牲层上形成第一支撑槽；在所述第一支撑槽表面形成释放保护层和敏感材料探测层，并实现其图形化；沉积金属电极与释放保护层，并实现其图形化；形成所述探测器外围的无柱支撑结构，包括：形成覆盖所述探测器微桥结构的第二牺牲层；形成覆盖所述第二牺牲层的释放保护层，并实现释放孔的图形化；形成覆盖所述释放保护层的增透材料层，并通过形成所述增透材料层时释放孔顶端悬挂引起的接触实现所述探测器外围真空的无柱支撑结构。

可选的，所述在第一支撑槽表面形成释放保护层和敏感材料探测层并实现其图形化之后还包括：在所述敏感材料探测层表面沉积金属电极，实现电接触；实现所述金属电极的图形化；再次沉积形成释放保护层并图形化，造成对所述敏感材料探测层和所述金属电极的包围。

可选的，所述金属反射层的材料为铝或铂。

可选的，所述释放保护层为基于硅、氧、碳、氮成分的薄膜、富氧或富硅的二氧化硅薄膜、掺有硼、磷、碳或氟杂质元素且基于硅、氧、碳、氮成分的薄膜或富氧或富硅的二氧化硅薄膜中的一种或其组合。

可选的，所述增透材料层的材料为锗。

可选的，所述形成增透材料层包括：采用释放工艺去除所述第一牺牲层和第二牺牲层；接着，利用PVD或CVD沉积形成增透材料层。

可选的，所述形成第二牺牲层还包括形成第二支撑槽。

相较于现有技术，本发明探测器及其制作方法通过先制作探测器微桥结构，然后制作包含释放孔的释放保护层以及覆盖释放孔的增透材料层，在探测器外围形成无柱的支撑结构，从而实现探测器产品的芯片级真空结构，解决了探测器释放封装时的成品率损失，降了封装成本，并大幅度提高产品性能和可靠性。

附图说明

图1为本发明探测器一种实施方式的剖面结构示意图；

图2为本发明探测器制作方法一种实施方式的流程示意图；

图3为图2所示步骤S1一种具体实施方式的流程示意图；

图4为执行图3所示步骤S11的剖视示意图；

图5为执行图3所示步骤S12后的剖视示意图；

图6为执行图3所示步骤S13后的剖视示意图；

图7为执行图3所示步骤S14后的剖视示意图；

图8为执行图3所示步骤S15后的剖视示意图；

图9为图3所示步骤S16一种具体实施方式的流程示意图；

图10为执行图3所示步骤S16后的剖视示意图；

图11为图2所示步骤S2一种具体实施方式的流程示意图；

图12为执行图11所示步骤S21和步骤S22后的剖视示意图；

图13为执行图11所示步骤S23后的剖视示意图；

图14为执行图2所示步骤S3中去除第一牺牲层和第二牺牲层后的剖视示意图；

图15为执行图2所示步骤S3中形成增透材料层后的剖视示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图，对本发明探测器及其制作方法进行详细阐述。

参考图1，本发明还提供了一种探测器，其具体实施方式包括：

硅衬底101；

覆盖在该硅衬底101上的金属反射层102，该金属反射层102具有金属反射图案；

位于金属反射层102上的微桥探测器结构，其中，所述微桥探测器结构依次包括：敏感材料探测层112、金属电极层113和释放保护层110；释放保护层110在结构上包围敏感材料探测层112和金属电极层113，用以对敏感材料探测层112和金属电极层113加以保护。

以及探测器外围支撑结构，其中，所述探测器外围支撑结构为无柱支撑结构。

在一种具体实施方式中，所述探测器外围支撑结构依次可包括：包含释放孔123的释放保护层110以及增透材料层124，其中增透材料层124在释放孔123处形成的悬挂形貌形成所述探测器外围真空的无柱支撑结构。

其中，金属反射层102可采用铝材料。

其中，位于金属反射层102各金属反射图案之间还可包括介质层103，且介质层103的高度与金属反射层102的高度一致。具体来说，介质层103可采用二氧化硅、氮氧化硅、或者掺有氟等杂质元素的二氧化硅、氮氧化硅。

在本发明一实施例中，金属反射层102与所述微桥探测器结构之间还可采用黏附层以增加黏附性，其中，所述黏附层可采用二氧化硅或者掺有硼、磷、碳或氟等杂质元素之一或其组合的二氧化硅，或基于正硅酸乙酯(TEOS)或硅烷的氧化硅。

在本发明一实施例中，释放保护层110可为二氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)等基于硅、氧、碳、氮等成分的薄膜，也可为非化学计量比的上述薄膜，例如富氧或富硅的二氧化硅膜层，也可为掺有硼、磷、碳或氟等杂质元素的上述薄膜，例如氟硅玻璃(FSG)、硼硅玻璃(BPSG)或磷硅玻璃(PSG)等，以及上述材料所构成的复合膜层。

在本发明一实施例中，敏感材料探测层112的材料可采用非晶硅或氧化钒。

在本发明一实施例中，金属电极层113可为钛电极、钽电极、上下层叠的氮化钛和钛电极以及上下层叠的钽和氮化钽电极之一或其组合。

在本发明一实施例中，可采用锗作为增透材料层124的材料。

参考图2，本发明提供了一种探测器制作方法，包括：

步骤S1，在硅衬底上依次形成金属反射层以及探测器微桥结构。

具体来说，参考图3，步骤S1可包括：

步骤S11，在硅衬底上形成金属反射层并图形化。

其中，参考图4，可先通过物理气相沉积(PVD)技术在硅衬底200上沉积形成金属反射层201，所述金属可为铝(Al)、铂(Pt)等；接着，通过光刻、刻蚀等工艺在金属反射层201上刻出凹槽，形成金属反射图案，从而在探测器像元里面形成谐振腔结构，以利于红外线的吸收。

步骤S12，在所述金属反射层的各金属反射图案之间填充介质层并实现介质层平坦化。

其中，参考图5，介质层202所采用的介质材料可为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅之一或其组合，和/或掺有硼、磷、碳或氟等杂质元素的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅之一或其组合。

在一种具体实现中，步骤S12可包括：首先，采用沉积工艺在金属反射图案层上形成第一介质层，使第一介质层填充金属反射图案层中各图案之间的凹槽，以防止金属反射图案层中的短路；具体来说，可采用化学气相淀积工艺(CVD)工艺进行沉积。接着，再根据化学机械抛光工艺对所述第一介质层表面进行抛光，以实现介质层表面的平坦化。

在另一种具体实现中，步骤S12可包括：首先，采用沉积工艺在金属反射图案层上形成第一介质层，使第一介质层填充金属反射图案层中各图案之间的凹槽，以防止金属反射图案层中的短路。接着，在所述第一介质层上通过旋涂玻璃(SOG)形成第二介质层，以填补所述第一介质层的不平。其中，尽量使第二介质层的高度接近金属反射层的高度。

步骤S13，在所述介质层上沉积形成第一牺牲层。具体来说，参考图6，可通过涂敷或者其他CVD工艺，在介质层202上形成CVD非晶硅层作为第一牺牲层203。在本发明一实施例中，第一牺牲层203的材料可为硅或者聚酰亚胺(polymide)。

步骤S14，在所述第一牺牲层上形成第一支撑槽。

具体来说，参考图7，可在第一牺牲层203上刻蚀形成通孔204，形成第一支撑槽。

步骤S15，在所述第一支撑槽表面形成释放保护层和敏感材料探测层，并实现其图形化。参考图8，依次可沉积形成释放保护层206和敏感材料探测层207，并实现释放保护层206和敏感材料探测层207的图形化。

其中，当第一牺牲层203为聚酰亚胺(polymide)时，释放保护层206可为二氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)等基于硅、氧、碳、氮等成分的薄膜，也可为非化学计量比的上述薄膜，例如富氧或富硅的二氧化硅膜层，也可为掺有硼、磷、碳或氟等杂质元素的上述薄膜，例如氟硅玻璃(FSG)、硼硅玻璃(BPSG)或磷硅玻璃(PSG)等，以及上述材料所构成的复合膜层；当第一牺牲层203为硅时，释放保护层206可为例如富氧或富硅的二氧化硅膜层，也可为掺有硼、磷、碳或氟等杂质元素且基于硅、氧、碳、氮等成分的薄膜，例如氟硅玻璃(FSG)、硼硅玻璃(BPSG)或磷硅玻璃(PSG)等。

其中，敏感材料探测层207可采用非晶硅或氧化钒等材料。

步骤S16，沉积金属电极与释放保护层，并实现其图形化。具体来说，参考图9及图10，步骤S16可包括：

在所述敏感材料探测层207表面沉积金属电极208，实现电接触。其中，金属电极208可为钛电极、钽电极、上下层叠的氮化钛和钛电极以及上下层叠的钽和氮化钽电极之一或其组合。

实现金属电极208的图形化；

接着，再沉积释放保护层206。

其中，释放保护层206包围住敏感材料探测层207和金属电极208，从而在进行释放工艺时，能够有效地对敏感材料探测层207和金属电极208进行保护；同时，在制造过程和使用过程中，隔离外界的污染和损伤，提高敏感材料探测层207的可靠性；另外，也可以避免金属电极208的短路。这样敏感材料探测层207和金属电极208被释放保护层206保护起来，可以避免敏感材料探测层207被污染或损伤。

最后，实现像元图形和PAD图形，从而实现本发明探测器的内部微桥结构。

在形成所述内部微桥结构之后，继续执行步骤S2，形成所述探测器外围的无柱支撑结构。

参考图11，步骤S2可包括：

步骤S21，沉积以形成覆盖所述探测器微桥结构的第二牺牲层。其中，参考图12，第二牺牲层209所采用的材料或实现的工艺步骤可与第一牺牲层203所采用材料或实现的工艺步骤一致。具体地，第一牺牲层203和第二牺牲层209的材料可为硅或者聚酰亚胺(polymide)。

其中，所述形成第二牺牲层还包括形成第二支撑槽结构。例如，参考图12，在第二牺牲层209中形成第二支撑槽210。

接着，执行步骤22，在所述第二支撑槽以及第二牺牲层表面进行沉积，形成释放保护层，并实现释放孔图形化。

参考图13，在沉积在所述第二支撑槽以及第二牺牲层表面的释放保护层206中形成释放孔211图案，其中，释放保护层206可为二氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)等基于硅、氧、碳、氮等成分的薄膜，也可为非化学计量比的上述薄膜，例如富氧或富硅的二氧化硅膜层，也可为掺有硼、磷、碳或氟等杂质元素的上述薄膜，例如氟硅玻璃(FSG)、硼硅玻璃(BPSG)或磷硅玻璃(PSG)等，以及上述材料所构成的复合膜层。

最后，执行步骤S23，形成增透材料层。

其中，参考图14，在释放孔211打开后，先进行释放工艺，去除第一牺牲层203和第二牺牲层209。具体来说，可采用二氟化氙作为释放气体，将暴露出来的硅材料去除。

接着，参考图15，利用PVD或CVD沉积形成增透材料层212。利用CVD和PVD技术工艺腔内的真空条件，使得增透材料层212在沉积时通过释放孔211顶端悬挂所引起的接触，实现探测器内部的真空结构，形成真空封装。在具体实施例中，可采用锗作为增透材料层212的材料。

相较于现有技术，本发明探测器及其制作方法通过先制作探测器微桥结构，然后制作包含释放孔的释放保护层以及覆盖释放孔的增透材料层，在探测器外围形成无柱的支撑结构，从而实现探测器产品的芯片级真空结构，解决了探测器释放封装时的成品率损失，降了封装成本，并大幅度提高产品性能和可靠性。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (18)

1.一种探测器，其特征在于，包括：

硅衬底；

位于所述硅衬底上的金属反射层，所述金属反射层具有金属反射图案；

位于金属反射层上的微桥探测器结构，依次包括：敏感材料探测层、金属电极层以及包围所述敏感材料探测层和所述金属电极层的释放保护层，其中，所述释放保护层用以对所述敏感材料探测层和金属电极层加以保护；

以及探测器外围支撑结构，所述探测器外围支撑结构为无柱支撑结构，所述探测器外围支撑结构包括：包含释放孔的释放保护层以及增透材料层，其中所述增透材料层通过在所述释放孔处形成的悬挂形貌形成真空的无柱支撑结构。

2.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，还包括位于金属反射层各金属反射图案之间的介质层，所述介质层的高度与所述金属反射层的高度一致。

3.如权利要求2所述的探测器，其特征在于，所述介质层采用二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或其组合，或者掺有硼、磷、碳或氟杂质元素的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或其组合。

4.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述金属反射层和所述微桥探测器结构之间还包括黏附层，用于增强材料之间的接触。

5.如权利要求4所述的探测器，其特征在于，所述黏附层的材料为基于正硅酸乙酯或者硅烷的氧化硅。

6.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述金属反射层的材料为铝或铂。

7.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述释放保护层为基于硅、氧、碳、氮成分的薄膜、富氧或富硅的二氧化硅薄膜、掺有硼、磷、碳或氟杂质元素且基于硅、氧、碳、氮成分的薄膜或富氧或富硅的二氧化硅薄膜中的一种或其组合。

8.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述敏感材料探测层的材料为非晶硅或氧化钒。

9.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述金属电极层为钛电极、钽电极、上下层叠的氮化钛和钛电极以及上下层叠的钽和氮化钽电极之一或其组合。

10.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述金属电极层与所述金属反射层直接电连接。

11.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述增透材料层的材料为锗。

12.一种探测器制造方法，包括：

在硅衬底上形成金属反射层以及探测器微桥结构，包括：在硅衬底上形成金属反射层并图案化；在所述金属反射层的各金属反射图案之间填充介质层并实现所述介质层的平坦化；在所述介质层上沉积形成第一牺牲层；在所述第一牺牲层上形成第一支撑槽；在所述第一支撑槽表面形成释放保护层和敏感材料探测层，并实现其图形化；沉积金属电极与释放保护层，并实现其图形化；

形成所述探测器外围的无柱支撑结构，包括：形成覆盖所述探测器微桥结构的第二牺牲层；形成覆盖所述第二牺牲层的释放保护层，并实现释放孔的图形化；形成覆盖所述释放保护层的增透材料层，并通过形成所述增透材料层时释放孔顶端悬挂引起的接触实现所述探测器外围真空的无柱支撑结构。

13.如权利要求12所述的探测器制造方法，其特征在于，所述沉积金属电极与释放保护层并实现其图形化包括：

在所述敏感材料探测层表面沉积金属电极，实现电接触；

实现所述金属电极的图形化；

再次沉积形成释放保护层并图形化，造成对所述敏感材料探测层和所述金属电极的包围。

14.如权利要求12所述的探测器制造方法，其特征在于，所述金属反射层的材料为铝或铂。

15.如权利要求12所述的探测器制造方法，其特征在于，所述释放保护层为基于硅、氧、碳、氮成分的薄膜、富氧或富硅的二氧化硅薄膜、掺有硼、磷、碳或氟杂质元素且基于硅、氧、碳、氮成分的薄膜或富氧或富硅的二氧化硅薄膜中的一种或其组合。

16.如权利要求12所述的探测器制造方法，其特征在于，所述增透材料层的材料为锗。

17.如权利要求12所述的探测器制造方法，其特征在于，所述形成增透材料层包括：采用释放工艺去除所述第一牺牲层和第二牺牲层；接着，利用PVD或CVD沉积形成增透材料层。

18.如权利要求12所述的探测器制造方法，其特征在于，所述形成第二牺牲层还包括形成第二支撑槽。