CN102942158B - 探测结构的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种探测结构的制造方法，属于半导体技术领域。该方法包括：在硅衬底上形成第一牺牲层，并在所述第一牺牲层上形成第一释放保护层；在所述第一释放保护层上形成电极层，所述电极层包括第一电极和第二电极；在所述电极层上形成第二牺牲层，使第一电极和第二电极嵌在其中，并图形化所述第二牺牲层以去除第一电极和第二电极上的所述第二牺牲层；在所述电极层和所述第二牺牲层之上形成热敏感层，所述热敏感层分别与所述第一电极和第二电极形成电连接，以将光信号转换得到的电信号输出到外围电路；在所述热敏感层之上形成第二释放保护层，并去除所述第一牺牲层，以形成微桥结构。本发明提高了该红外探测装置的性能、成品率和可靠性。

Description

探测结构的制造方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体地说，涉及一种探测结构的制造方法。

背景技术

微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems，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，故其已广泛应用在包括红外探测技术领域的诸多领域。红外探测装置是红外探测技术领域中一种具体的微电子机械系统MEMS产品，其利用敏感材料探测层如非晶硅或氧化钒吸收红外线，从而引起其电阻的变化，据此来实现热成像功能。据此，红外探测装置可以广泛应用于电力网络的安全检测、森林火警的探测以及人体温度的探测等其他场所。

现有技术中，在制造红外探测装置时，先通过化学气相沉积工艺(CVD)依次在硅衬底上沉积牺牲层、释放保护层、支撑层，以及敏感材料层，接着在该敏感材料层上沉积金属层，然后利用光刻胶光刻出金属电极图形，再通过湿法或者干法刻蚀工艺将敏感材料探测层上没有光刻胶保护的金属层去除并形成金属电极；通过释放工艺去除牺牲层以形成在硅衬底之上形成半悬空的微桥结构，该微桥结构包括支撑层，在具体制作时，可以采用两层结构分别作为释放保护层和支撑层，也可以采用一层结构同时实现释放保护和支撑的作用。

由此可见，现有技术的红外探测制造工艺中，直接在探测器敏感材料层上沉积金属层并通过光刻和刻蚀工艺形成金属电极的工艺因直接在探测器敏感材料层上进行刻蚀，一方面，对电极材料造成的损伤，另外一方面在后续工艺中会在热敏感材料层上形成刻蚀损伤或污染，这些污染或损伤会对红外探测装置的质量产生不良影响，例如其均匀性、灵敏度会大大降低，金属电极间产生短路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种探测结构的制造方法，用以避免刻蚀敏感层材料时对电极材料造成的损伤，以及电极间的短路，提高该红外探测装置的性能、成品率和可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种探测结构的制造方法，该方法包括：

在硅衬底上形成第一牺牲层，并在所述第一牺牲层上形成第一释放保护层；

在所述第一释放保护层上形成电极层，所述电极层包括第一电极和第二电极；

在所述电极层上形成第二牺牲层，使第一电极和第二电极嵌在其中，并图形化所述第二牺牲层以去除第一电极和第二电极上的所述第二牺牲层；

在所述电极层和所述第二牺牲层之上形成热敏感层；

在所述热敏感层上形成介质层；

在所述介质层上形成第二释放保护层，并去除所述第一牺牲层，以形成微桥结构；其中，

所述热敏感层分别与所述第一电极和第二电极形成电连接，以将光信号转换得到的电信号输出到外围电路。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种红外探测装置，该装置包括：

设置在一硅衬底上的第一牺牲层；

设置在第一牺牲层表面的微桥结构；

设置在所述微桥结构上的第一释放保护层；

设置在所述第一释放保护层之上的电极层，所述电极层包括第一电极和第二电极；

设置在所述电极层中的第一电极和第二电极之上的第二牺牲层，所述第二牺牲层露出所述第一电极和第二电极；

设置在所述第二牺牲层之上且通过第二牺牲层中的露出部分分别与所述第一电极和第二电极连接的热敏感层；

设置在所述热敏感层上的介质层；

设置在所述介质层上的第二释放保护层。

与现有的方案相比，在制作完电极层之后，在电极层之上形成一第二牺牲层，将所述电极层中的嵌在其中，再通过图形化处理裸露处所述电极层中的第一电极和第二电极，使得与后续形成的热敏感层电连接，从而形成一个热阻，由于第二牺牲层的存在，避免了刻蚀敏感层材料时对电极材料造成的损伤，以及在热敏感材料层上形成刻蚀损伤或污染，从而避免了电极间的短路，相应地可提高该红外探测装置的性能、成品率和可靠性。

附图说明

图1为本发明探测结构的制造方法实施例一流程示意图；

图2为本发明上述方法实施例一对应方法形成的红外探测装置结构示意图，其中未去除第一牺牲层；

图3为本发明上述方法实施例一对应方法形成的红外探测装置结构示意图，其中去除了第一牺牲层。

图4为本发明探测结构的制造方法实施例二流程示意图；

图5为上述方法实施例一中形成了第一释放保护层、电极层、第二牺牲层的结构示意图；

图6为上述方法实施例一中形成了露出电极层的结构示意图；

图7为上述方法实施例一中形成热敏层后的结构示意图；

图8为上述方法实施例一中在所述热敏层之上形成介质层。

图9为上述方法实施例一中对介质层和热敏层进行图形化处理；

图10为上述方法实施例一中在所述介质层之上形成第二释放保护层，并去除了第二牺牲层。

具体实施方式

以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明的下述实施例中，在制作完电极层之后，在电极层之上形成一第二牺牲层，将所述电极层中的嵌在其中，再通过图形化处理裸露处所述电极层中的第一电极和第二电极，使得与后续形成的热敏感层电连接，从而形成一个热阻，由于第二牺牲层的存在，避免了刻蚀敏感层材料时对电极材料造成的损伤，避免了电极间的短路，相应地可提高该红外探测装置的性能、成品率和可靠性。

图1为本发明探测结构的制造方法实施例一流程示意图，如图1所示，该方法包括：

步骤101、在硅衬底上形成第一牺牲层，并在所述第一牺牲层上形成第一释放保护层；

本实施例中，所述第一牺牲层的材料可以为有机物，优选地，所述有机物可以为聚酰亚胺。对应有机物材料的第一牺牲层，所述第一释放保护层的可以材料为硅、二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅；或者，第一释放保护层的材料可以为非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅；或者，所述第一释放保护层的材料可以为掺有杂质的氮氧化硅、氮化硅和碳化硅磷；或者，所述第一释放保护层的材料可以为掺有杂质的非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅；所述杂质包括氮化硅和碳化硅。

在另外一实施例中，所述第一牺牲层的材料还可以为硅。对应硅材料的第一牺牲层，所述第一释放保护层的材料可以为二氧化硅、氮氧化硅，或者，所述第一释放保护层的材料可以为非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅；或者所述第一释放保护层的材料可以为掺有杂质的二氧化硅、氮氧化硅；或者，所述第一释放保护层的材料可以为掺有杂质的非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅，所述杂质包括硼、磷、碳或氟。

在另外一实施例中，所述第一牺牲层的材料还可以为二氧化硅。对应二氧化硅材料的第一牺牲层，所述第一释放保护层的材料可以为氮化硅、碳化硅，或者，所述第一释放保护层的材料可以为非化学计量比的富硅氮化硅、富硅碳化硅；或者所述第一释放保护层的材料可以为掺有杂质的氮化硅、碳化硅；或者，所述第一释放保护层的材料可以为掺有杂质的非化学计量比的富硅氮化硅、富硅碳化硅，所述杂质包括硼、磷、碳或氟。

步骤102、在所述第一释放保护层上形成电极层，所述电极层包括第一电极和第二电极；

本实施例中，两个电极采用同一种材料，即所述第一电极和第二电极的材料为钽Ta、氮化钽TaN、钛Ti、氮化钛TiN、铝Al任意一种或多种的复合材料。

步骤103、在所述电极层上形成第二牺牲层，并图形化所述第二牺牲层以去除第一电极和第二电极上的所述第二牺牲层；

本实施例中，在步骤103中还可以包括：首先，去除所述电极层中第一电极和第二电极上的氧化物；之后，在去除了氧化物的所述电极层上形成第二牺牲层，使第一电极和第二电极嵌在其中，并图形化所述第二牺牲层以去除第一电极和第二电极上的所述第二牺牲层。

本实施例中，在步骤103中图形化所述第二牺牲层以去除第一电极和第二电极上的所述第二牺牲层可以通过使用刻蚀气体刻蚀实现所述第二牺牲层的图形化。本实施例中，对第二牺牲层进行图形化时，在第一电极和第二电极之间形成了形的图形，以只要露出第一电极和第二电极的部分即可。优选地，利用基于氟F或氯Cl气氛的离子干法刻蚀工艺，通过使用刻蚀气体刻蚀实现所述第二牺牲层的图形化。优选地，所述电极层和所述第二释放保护层的刻蚀选择比可以大于5:1。

本实施例中，刻蚀气体为氩气、氮气N2、三氟甲烷、四氟化碳CF4、三氟甲烷CHF3、八氟异丁烯C4F8、三氯化硼或氯气。

本实施例中，所述第二牺牲层的材料可以为大马士革工艺的牺牲层材料。优选地，所述大马士革工艺的牺牲层材料可以为硅、二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅，或者，所述大马士革工艺的牺牲层材料可以为非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅；或者，所述大马士革工艺的牺牲层材料可以为掺杂有杂质的硅、二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅；或者所述大马士革工艺的牺牲层材料可以为掺杂有杂质的非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅，所述杂质包括硼、磷、碳或氟元素。

步骤104、在所述电极层和所述第二牺牲层之上形成热敏感层，并图形化所述热敏感层使得所述热敏感层分别与所述第一电极和第二电极形成电连接，以将光信号转换得到的电信号输出到外围电路；

本实施例中，所述热敏感层的材料可以为氧化钒或非晶硅；或者，所述热敏感层的材料可以为非化学剂量比的氧化钒或非晶硅；或者，所述热敏感层的材料可以为掺有杂质的氧化钒或非晶硅；或者，所述热敏感层的材料可以为掺有杂质的非化学剂量比的氧化钒或非晶硅。

步骤105、在所述热敏感层之上形成第二释放保护层，并去除所述第一牺牲层，以形成微桥结构。

本实施例中，所述热敏感层与所述第二释放保护层的刻蚀选择比可以大于5:1。

在上述实施例的基础上，还可以包括在所述探测结构中的第一释放保护层和第二释放保护层之间形成功能辅助层，比如，在第一释放保护层和电极层之间形成功能辅助层，或者，在第二释放保护层之下形成功能辅助层，只要保证探测结构的电连接关系不受影响即可。优选地，所述功能辅助层可以包括支撑层、应力平衡层、红外吸收层。具体地，这些功能辅助层的材料可以为硅、二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅，或所述功能辅助层的材料可以为非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅，或者，所述功能辅助层的材料可以为掺有杂质的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅，或者所述功能辅助层的材料可以为掺有杂质的非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅，所述杂质包括硼、磷、碳或氟。

图2为本发明上述方法实施例一对应方法形成的红外探测装置结构示意图，其中未去除第一牺牲层，图3为本发明上述方法实施例一对应方法形成的红外探测装置结构示意图，其中去除了第一牺牲层。该红外探测装置包括：微桥结构202设置在第一牺牲层201表面，通过去除硅衬底200上的第一牺牲层201形成的微桥结构202、设置在所述微桥结构202上的第一释放保护层203、设置在所述第一释放保护层203之上的电极层，所述电极层包括第一电极214和第二电极224、设置在电极层之上的第二牺牲层205，所述第二牺牲层205露出所述第一电极214和第二电极224、设置在所述第二牺牲层205之上且通过第二牺牲层205中的露出部分分别与所述第一电极214和第二电极224连接的热敏感层206、设置在所述热敏感层206之上的第二释放保护层207。

本实施例中，第一电极214和第二电极224之间的第二牺牲层205形成了形的图形，即该部分第二牺牲层205厚度大于第二牺牲层并部分包裹着第一电极214和第二电极224，以只要露出第一电极和第二电极的部分即可。

图4为本发明探测结构的制造方法实施例二流程示意图，如图4所示，该方法包括：

步骤201、在硅衬底上形成第一牺牲层，并在所述第一牺牲层上形成第一释放保护层；

步骤202、在所述第一释放保护层上形成电极层，所述电极层包括第一电极和第二电极；

步骤203、在所述电极层上形成第二牺牲层，并图形化所述第二牺牲层以去除第一电极和第二电极上的所述第二牺牲层；

在步骤203中，在图形化的过程中，需要利用CMP-化学机械抛光进行平坦化处理，使得第二牺牲层、第一电极、第二电极表面平滑。

图5所示，为方法实施例二中形成了第一释放保护层、电极层、第二牺牲层的结构示意图。图6所示，为方法实施例二中形成了露出电极层的结构示意图。在所述第一释放保护层203之上的电极层，所述电极层包括第一电极214和第二电极224、在所述第一电极层之上设置第二牺牲层205。上述步骤201-203类似于方法实施例一中的步骤101-103，在此不再赘述。唯一不同的是，在上述实施例一中，对第二牺牲层进行图形化时，在第一电极和第二电极之间形成了形的图形，以只要露出第一电极和第二电极的部分即可。而本实施例中，则完全将第一电极和第二电极形成的第二牺牲层部分与第一电极和第二电极厚度相同，。

步骤204、在所述电极层和所述第二牺牲层之上形成热敏感层，分别与所述第一电极和第二电极形成电连接，以将光信号转换得到的电信号输出到外围电路；

图7为方法实施例二中形成热敏层后的结构示意图。如图7所示，沿着第二牺牲层205、所述第一电极214、第二电极224形成热敏层206。

步骤205、在所述热敏层之上形成介质层，并对所述介质层和所述热敏层进行图形化处理。

如图8所示，为方法实施例二中在所述热敏层之上形成介质层。沿着热敏层206形成一层介质层208。如图9所示，为方法实施例二中对介质层208和热敏层206进行图形化处理。由于介质层208和第二牺牲层205包裹着热敏层206，避免了热敏层206上形成刻蚀损失或污染

步骤205中，在对所述介质层和所述热敏层进行图形化处理的同时，需要借助CMP-化学机械抛光实现所述介质层和所述热敏层表面平坦化。

步骤206、在所述介质层之上形成第二释放保护层。

如图10所示，为方法实施例二中在所述介质层208之上形成第二释放保护层207，并去除了第一牺牲层201形成完整的探测结构。之后，还开以对该第二释放保护层207进行抛光处理以实现平坦化。

上述实施例一和二去除了第一电极和第二电极上的部分第二牺牲层，以实现与热敏层的电连接。可替代地，也可以将第一电极和第二电极上的全部第二牺牲层去除，以实现与热敏层的电连接。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (23)

1.一种探测结构的制造方法，其特征在于，包括：

在硅衬底上形成第一牺牲层，并在所述第一牺牲层上形成第一释放保护层；

在所述第一释放保护层上形成电极层，所述电极层包括第一电极和第二电极；

在所述电极层上形成第二牺牲层，使第一电极和第二电极嵌在其中，并图形化所述第二牺牲层以去除第一电极和第二电极上的所述第二牺牲层；

在所述电极层和所述第二牺牲层之上形成热敏感层；

在所述热敏感层上形成介质层；

在所述介质层上形成第二释放保护层，并去除所述第一牺牲层，以形成微桥结构；其中，

所述热敏感层分别与所述第一电极和第二电极形成电连接，以将光信号转换得到的电信号输出到外围电路。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述电极层上形成第二牺牲层，使第一电极和第二电极嵌在其中，并图形化所述第二牺牲层以去除第一电极和第二电极上的所述第二牺牲层，包括：

去除所述电极层中第一电极和第二电极上的氧化物；

在去除了氧化物的所述电极层上形成第二牺牲层，使第一电极和第二电极嵌在其中，并图形化所述第二牺牲层以去除第一电极和第二电极上的所述第二牺牲层。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述电极层上形成第二牺牲层，使第一电极和第二电极嵌在其中，图形化所述第二牺牲层以去除第一电极和第二电极上的所述第二牺牲层，包括：

通过使用刻蚀气体刻蚀实现所述第二牺牲层的图形化。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用基于F或Cl气氛的 离子干法刻蚀工艺，通过使用刻蚀气体刻蚀实现所述第二牺牲层的图形化。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电极层和所述第二释放保护层的刻蚀选择比大于5:1。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热敏感层与所述第二释放保护层的刻蚀选择比大于5:1。

7.根据权利要求3或6所述的方法，其特征在于，刻蚀气体为氩气、氮气、三氟甲烷、四氟化碳、三氟甲烷、八氟异丁烯、三氯化硼或氯气。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在所述探测结构的第一释放保护层和第二释放保护层之间形成功能辅助层。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述功能辅助层包括支撑层、应力平衡层、红外吸收层中的任意一层或多层的组合。

10.一种红外探测装置，其特征在于，包括：

设置在一硅衬底上的第一牺牲层；

设置在第一牺牲层表面的微桥结构；设置在所述微桥结构上的第一释放保护层；

设置在所述第一释放保护层之上的电极层，所述电极层包括第一电极和第二电极；

设置在所述电极层中的第一电极和第二电极之上的第二牺牲层，所述第二牺牲层露出所述第一电极和第二电极；

设置在所述第二牺牲层之上且通过第二牺牲层中的露出部分分别与所述第一电极和第二电极连接的热敏感层；

设置在所述热敏感层上的介质层；

设置在所述介质层上的第二释放保护层。

11.根据权利要求10所述的红外探测装置，其特征在于，所述第一牺牲层的材料为有机物。

12.根据权利要求11所述的红外探测装置，其特征在于，所述有机物为聚酰亚胺。

13.根据权利要求11所述的红外探测装置，其特征在于，所述第一释放保护层的材料为硅、二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅中的一个；或者，所述第一释放保护层的材料为掺有杂质的碳化硅磷；所述杂质包括氮化硅和碳化硅中的一个。

14.根据权利要求10所述的红外探测装置，其特征在于，所述第一牺牲层的材料为硅。

15.根据权利要求14所述的红外探测装置，其特征在于，所述第一释放保护层的材料为二氧化硅或氮氧化硅。

16.根据权利要求10所述的红外探测装置，其特征在于，所述第一牺牲层的材料为二氧化硅。

17.根据权利要求16所述的红外探测装置，其特征在于，所述第一释放保护层的材料为氮化硅、或碳化硅。

18.根据权利要求10所述的红外探测装置，其特征在于，所述第一电极和第二电极的材料为钽、氮化钽、钛、氮化钛、铝任意一种或多种的复合材料。

19.根据权利要求10所述的红外探测装置，其特征在于，所述第二牺牲层的材料为硅、二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、或碳化硅。

20.根据权利要求10所述的红外探测装置，其特征在于，还包括：功能辅助层，设置在所述第一释放保护层和第二释放保护层之间。

21.根据权利要求20所述的红外探测装置，其特征在于，所述功能辅助层包括支撑层、应力平衡层、红外吸收层中的任意一层或多层的组合。

22.根据权利要求20所述的红外探测装置，其特征在于，所述功能辅助层的材料为硅、二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或碳化硅。

23.根据权利要求10所述的红外探测装置，其特征在于，所述热敏感层的材料为氧化钒或非晶硅。