CN102683475B - 一种基于临时释放保护层的红外探测器制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于临时释放保护层的微电子机械系统表面微加工方法，特别涉及了所述方法用于非制冷红外探测器制作的方法。包括：在CMOS硅衬底上依次完成金属层、非晶硅牺牲层、第一层临时释放保护层聚酰亚胺；层叠制作敏感层、金属电极层，以及对敏感层图形化、电极层图形化、和微桥结构图形化，最后制作第二层临时释放保护层。在牺牲层释放时，首先采用XeF2对非晶硅牺牲层释放，释放完全后在利用O2等离子体去除临时释放保护层。本发明提供的红外探测器制作方法，与现有技术相比，采用的临时释放保护层在制作后期将被完全去除，不对微桥的性能产生任何影响，有利于降低工艺难度、提高探测器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统领域，特别涉及一种采用临时释放保护层的非制冷红外探测器加工方法。
背景技术
目前，非制冷红外探测器主要采用微桥结构的微测辐射热计（Microbolometer）技术。其特点在于采用表面微加工工艺制作出悬空于CMOS衬底之上的，以细长悬臂梁支撑的类似于桥的微结构，在业界通称为微桥结构。微桥结构一般具有至少两个锚定孔，作为支撑点以及像元与CMOS的电连接。具有至少一层敏感层材料，目前广泛应用的包括氧化钒和掺杂的非晶硅薄膜。具有至少一层电极材料，用于敏感层与CMOS电路之间的电连接。根据需要，微桥结构往往还包含结构支撑层、释放保护层、以及用于应力平衡、提高红外吸收等目的的各种不同的材料。因此，微桥往往会形成一个相对复杂的结构。
对于非制冷红外探测器微桥结构的性能要求，首先要具有良好的热绝缘性能，以利于把吸收的红外辐射最大化地转化为温度变化；其次，要求具有较低的热质量，以保证在高绝热下仍能维持足够小的热时间常数，以满足一定的成像频率；第三，要求具有较高的红外吸收率。
从制作工艺方面讲，非制冷红外探测器微桥结构通常采用牺牲层方法的表面微加工工艺技术。考虑到衬底内的CMOS电路以及牺牲层释放过程中的粘连（Stiction）问题，一般采用可以干法去除的牺牲层。目前，普遍采用的牺牲层为聚酰亚胺。但是，由于聚酰亚胺有机材料的挥发性和较低的后续工艺耐受温度，以及考虑到MEMS工艺与CMOS工艺更加兼容的需求，目前也在试验其它的牺牲层方法。其中，可行性较高的一种方案为采用PECVD非晶硅作为牺牲层，利用XeF2进行释放。
但是，采用非晶硅牺牲层、利用XeF2释放的方案的必须考虑到XeF2对微桥中其它材料的刻蚀选择比。通常，XeF2对二氧化硅、铝、光刻胶等具有很高的选择比。而对钛、氮化钛、钽、氮化钽、铜、富硅的氮化硅等薄膜的选择比都较低。所以，对上述这些常用的微桥材料、特别是如果敏感材料也采用掺杂的非晶硅时，必须在微桥的上下表面都沉积释放保护层。通常采用二氧化硅薄膜。这无疑将带来结构及工艺的复杂度，并对绝热及热时间常数等带来不利的影响。因此，任何一种对上述方法的改进都将对利用非晶硅牺牲层制作非制冷红外探测器微桥结构的工艺技术带来有利的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于采用非晶硅牺牲层的表面微加工工艺制作非制冷红外探测器时的临时释放保护层方法，对微桥中与XeF2气体具有较低刻蚀选择比的材料进行临时保护。在制作工艺的后期，临时释放保护层将被去除，因此不对微桥结构产生任何影响。
本发明的具体技术路线是：
一种微电子机械系统表面微加工制作方法，其特征在于：
1）使用非晶硅作为牺牲层并使用XeF2释放；
2）使用聚酰亚胺作为第一层临时释放保护层；
3）使用光刻胶作为第二层临时释放保护层；
4）MEMS结构至少一个表面具有容易被XeF2腐蚀的材料。
根据前述表面微加工制作方法制作非制冷探测器的方法，包括以下步骤：
1）在半导体衬底上制作金属层，该金属层经过图形化后形成位于微桥主体之下的入射辐射反射层以及与下方CMOS电路至少一处的电互连；
2）在金属层上制作二氧化硅，用于提高非晶硅牺牲层与金属的粘附性；
3）在二氧化硅层上制作非晶硅牺牲层；
4）图形化非晶硅及二氧化硅层，制作通孔；
5）制作第一层临时释放保护层，并通过图形化的方法去除在通孔底部的临时释放保护层；
6）制作敏感层并图形化；
7）制作电极层并图形化，形成敏感层与CMOS之间的电连接；
8）图形化微桥结构；
9）制作第二层临时释放保护层；
10）利用XeF2释放去除非晶硅牺牲层；
11）利用O2等离子体去除临时释放保护层，得到悬空的微桥结构。
所述牺牲层非晶硅的厚度在10000A~20000A，第一层临时释放保护层聚酰亚胺固化后的厚度在1000A~5000A，并控制聚酰亚胺与非晶硅的总厚度接近入射辐射峰值波长的1/4波长。
所述金属反射层采用Ti/TiN/Al、TiW/Al、Ta/TaN/Al中的一种。
所述探测器敏感层采用原位掺杂硼或磷的非晶硅、氧化钒、SiGe中的一种。
所述探测器电极层采用Ti、TiN、Ti/TiN、Ta、TaN、Ta/TaN、Ni、Cr、NiCr、TiW中的一种。
所述探测器非晶硅牺牲层的释放采用XeF2气体刻蚀。
所述探测器第一层和第二层临时释放保护层采用O2等离子去除。
为了达到上述目的，本发明提供的表面微加工制作方法：
1）使用非晶硅作为牺牲层并使用XeF2释放；
2）使用聚酰亚胺作为第一层临时释放保护层；
3）使用光刻胶作为第二层临时释放保护层；
4）MEMS结构至少一个表面具有容易被XeF2腐蚀的材料。
本发明提供的非制冷探测器制作方法中，牺牲层非晶硅的厚度在10000A~20000A，第一层临时释放保护层聚酰亚胺固化后的厚度在1000A~5000A，并控制聚酰亚胺与非晶硅的总厚度接近入射辐射峰值波长的1/4波长。
金属反射层采用Ti/TiN/Al（包括Al的合金）、TiW/Al（包括Al的合金）、Ta/TaN/Al（包括Al的合金）中的一种。
敏感层采用原位掺杂硼或磷的非晶硅、氧化钒、SiGe中的一种。
电极层采用Ti、TiN、Ti/TiN、Ta、TaN、Ta/TaN、Ni、Cr、NiCr、TiW中的一种。
与其它采用二氧化硅等释放保护层的非晶硅牺牲层制作非制冷红外探测器微桥结构的工艺方法相比，本发明提供的采用临时释放保护层的红外探测器制造方法，具有以下积极效果和优点：
采用的临时释放保护层在制作后期将被完全去除，不对微桥的性能产生任何影响；
临时释放保护层即使在释放过程中受到XeF2一定的刻蚀，也不会对微桥结构产生任何影响；
XeF2释放工艺的波动和不稳定性，完全被临时保护层所屏蔽，不会直接影响微桥结构，因此对工艺控制的要求降低，有利于降低工艺难度；
有机的临时释放保护层对微桥结构的应力等机械性能的影响相对较小；
临时释放保护层有利于维持微桥结构较低的热质量，将有利于提高探测器的性能。
附图说明
图1为本发明提供的基于临时释放保护层的红外探测器微桥结构剖视图。
图2为本发明提供的红外探测器制作方法具体实施例的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的红外探测器制作方法的较佳实施例作详细描述，以期进一步说明本发明的技术方法以及效果。
图1为本发明的红外探测器剖面图。红外探测器包括：半导体衬底11，依次层叠制作在衬底11之上的金属层12、介质层13、牺牲层14、第一层临时释放保护层15、敏感层16、金属电极层17、第二层临时释放保护层18。
图2为图1所示的红外探测器的加工方法流程图。以下结合图2详细阐述本发明的红外探测器加工方法，对本发明做进一步说明。
2（a），在衬底11上制作金属层12并图形化，形成红外反射层以及与CMOS的电连接。其中，衬底11为已完成CMOS电路加工的硅晶圆。金属反射层12采用Ti/TiN/Al（包括Al的合金）、TiW/Al（包括Al的合金）、Ta/TaN/Al（包括Al的合金）中的一种。控制金属层12的厚度在1000A~10000A之间。
2（b），在金属层12之上制作介质层13二氧化硅，其通过PECVD、HDPCVD、SACVD、APCVD、ALD、溅射等方法制备。在本实施例中，其通过PECVD方法制作，厚度在1000A~2000A。
2（c），依次制作牺牲层14非晶硅，其通过PECVD、HDPCVD、SACVD、APCVD、ALD、溅射等方法制备。在本实施例中，其通过PECVD方法制作，厚度在10000A~20000A。
2（d），通过光刻、图形化的方法制造通孔101。
2（e），在牺牲层14之上制作第一层临时释放保护层15聚酰亚胺。其通过旋涂后固化的方法制备。在本实施例中，采用光敏型聚酰亚胺。通过光刻、显影的方法去除在通孔101底部的聚酰亚胺。同时，去除将来在各微桥间隔处的聚酰亚胺，形成释放通道102。
2（f），制作敏感层15。其通过PECVD、HDPCVD、SACVD、APCVD、ALD、溅射等方法制备。在本实施例中，该结构层采用PECVD的掺硼非晶硅。通过光刻、图形化的方法去除通孔101底部的一部分非晶硅，形成接触孔103。
2（g），制作金属电极层16，并光刻、图形化，形成敏感层16与金属层12之间的电连接。在本实施例中，电极采用TaN，厚度在50A~300A。
2（h），光刻、图形化微桥结构。
2（i），通过旋涂、固化的方法在电极层16上制作第二层释放保护层17。在本实施例中，第二层释放保护层17采用光刻胶。并通过光刻、显影的方式制作出在微桥间隔之上的释放沟道104，并与步骤2（f）中形成的聚酰亚胺释放沟道102相重合。
2（j），释放非晶硅牺牲层13。其方法为利用XeF2气体对非晶硅进行刻蚀。
2（k），去除临时释放保护层14、17。其方法为利用氧等离子体对聚酰亚胺和光刻胶进行灰化（Ashing）。完成后得到悬于衬底11之上的微桥结构201。
Claims (5)
1.一种基于临时释放保护层的红外探测器制作方法，其特征在于包括以下步骤：
1）在半导体衬底上制作金属层，该金属层经过图形化后形成位于微桥主体之下的入射辐射反射层以及与下方CMOS 电路至少一处的电互连；
2）在金属层上制作二氧化硅，用于提高非晶硅牺牲层与金属的粘附性；
3）在二氧化硅层上制作非晶硅牺牲层,并使用XeF2 释放；
4）图形化非晶硅及二氧化硅层，制作通孔；
5）使用聚酰亚胺制作第一层临时释放保护层，并通过图形化的方法去除在通孔底部的临时释放保护层；
6）制作敏感层并图形化；
7）制作电极层并图形化，形成敏感层与CMOS 之间的电连接；
8）图形化微桥结构；
9）使用光刻胶制作第二层临时释放保护层；
10）利用XeF2 释放去除非晶硅牺牲层；
11）利用O2 等离子体去除临时释放保护层，得到悬空的微桥结构。
2.根据权利要求1 所述基于临时释放保护层的红外探测器制作方法，其特征在于，所述牺牲层非晶硅的厚度在10000A~20000A，第一层临时释放保护层聚酰亚胺固化后的厚度在1000A~5000A，并控制聚酰亚胺与非晶硅的总厚度接近入射辐射峰值波长的1/4 波长。
3.如权利要求2 所述的基于临时释放保护层的红外探测器制作方法，其特征在于，金属反射层采用Ti/TiN/Al、TiW/Al、Ta/TaN/Al 中的一种。
4.如权利要求2 所述的基于临时释放保护层的红外探测器制作方法，其特征在于，所述探测器敏感层采用原位掺杂硼或磷的非晶硅、氧化钒、SiGe 中的一种。
5.如权利要求2 所述的基于临时释放保护层的红外探测器制作方法，其特征在于，所述探测器电极层采用Ti、TiN、Ti/TiN、Ta、TaN、Ta/TaN、Ni、Cr、NiCr、TiW 中的一种。
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