CN102951597A

CN102951597A - 一种微桥结构红外探测器的制备方法和微桥结构

Info

Publication number: CN102951597A
Application number: CN2011102381339A
Authority: CN
Inventors: 邹渊渊; 甘先锋; 杨水长; 孙瑞山; 张连鹏
Original assignee: YANTAI RAYTRON TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Wuxi Ying Fei perception Technology Co., Ltd.
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2031-08-19
Also published as: CN102951597B

Abstract

本发明涉及一种微桥结构红外探测器的制备方法和微桥结构，该方法包括：在红外探测器读出电路基底上依次沉积金属反射层、牺牲层，并在牺牲层上刻蚀PI孔，PI孔位于读出电路引出电极上；在牺牲层上依次沉积支撑层、热敏层和保护层；在PI孔内制备通孔并在保护层上制备接触孔；在保护层上沉积电极层金属并在PI孔和通孔中填充桥墩结构的U型金属，并通过光刻和蚀刻的方法形成U型金属结构；在电极层金属上进行光刻和刻蚀；在器件表面沉积钝化层，并对该钝化层进行光刻和刻蚀形成钝化层图形；进行牺牲层释放，形成微桥结构。本发明采用U型填充方法，使用Al作为填充材料，易于溅射沉积，刻蚀方便，探测器的绝热性能优于铜填充工艺，且不需要CMP步骤。

Description

一种微桥结构红外探测器的制备方法和微桥结构

技术领域

本发明属于半导体技术中的微机电系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems）制造领域，具体涉及一种非制冷红外焦平面阵列探测器的制造方法，特别是对微桥的桥墩结构提出了一种新的制备方法和微桥结构。

背景技术

非制冷红外探测技术是无需制冷系统对外界物体的红外辐射（IR）进行感知并转化成电信号经处理后在显示终端输出的技术，可广泛应用于国防、航天、医学、生产监控等众多领域。非制冷红外焦平面探测器由于其能够在室温状态下工作，并具有质量轻、体积小、寿命长、成本低、功率小、启动快及稳定性好等优点，满足了民用红外系统和部分军事红外系统对长波红外探测器的迫切需要，近几年来发展迅猛。非制冷红外探测器主要包括测辐射热计、铁电探测器和热电堆探测器等，其中基于MEMS制造工艺的微测辐射热计（Micro-bolometer）红外探测器由于其响应速率高，制作工艺简单且与集成电路制造工艺兼容，具有较低的串音和较低的1/f噪声，较高的帧速，工作无需斩波器，便于大规模生产等优点，是非制冷红外探测器的主流技术之一。

微测辐射热计基于具有热敏特性的探测材料在温度变化时电阻值发生变化的热敏电阻效应。工作时对支撑在绝热结构上的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，Readout Integrated Circuit）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1/f噪声，适当的电阻值和稳定的电性能，以及易于制备等要求。目前主流的热敏材料包括氧化钒（VO_x）、非晶硅以及高温超导材料（YBCO）等，另外也有关于氧化钛，氧化镍等材料作为微测辐射热计热敏材料的研究报道。

非制冷红外焦平面阵列探测器的单元通常采用悬臂梁微桥结构，它利用牺牲层释放工艺形成桥支撑结构，支撑平台上的热敏材料通过微桥与基底读出电路相连。悬臂梁使用绝热支撑层对红外吸收层平台起到机械支撑作用，同时也使用一种导电材料作为电极提供基底Si电路与热敏材料的电性连接。金属电极的一端通过接触孔(Contact)与支撑层上的热敏材料连接，另一端通过桥墩和通孔(Via)与基底CMOS读出电路的金属电极相连，从而读出敏感材料的电信号变化。为了使红外探测器具有较高的灵敏度（Sensitivity）和较低的噪声(Noise),这就要求悬臂梁具有很好的绝热性和尽可能低的接触电阻。

在悬臂梁结构中，桥墩的制备工艺对探测器的电连接起到非常关键的作用。现有技术主要包括无柱连接和有柱连接两种。传统的无柱连接在制备支撑孔时，首先在牺牲层上光刻刻蚀形成聚酰亚胺PI（polyimide）孔图形，然后通过等离子体增强化学气相沉积法（PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）在PI孔内沉积支撑层介质材料：介质材料为低应力的Si₃N₄，然后使用射频物理气相沉积（RF-PVD，Radio Frequency Physical Vapor Deposition）或离子束沉积（IBD，Ion Beam Deposition）制备热敏层薄膜VO_x，光刻和蚀刻分别做好VO_x图形，通孔和接触孔图形，接着沉积金属层薄膜（钛、钒等），再利用光刻和蚀刻制作金属电极实现其电连接。该方法形成的桥墩为中空结构，侧壁很薄，完全靠介质层支撑，其支撑强度有限，且金属电极薄层与读出电路的接触电阻较大，探测器噪声较大。近年来很多研究报道了有柱连接桥墩的制备方法，即在牺牲层上的支撑孔内完全填充流动性较好，易研磨的铜（Cu）或钨（W）等金属，使用铜电镀工艺（ECP）或钨-CVD工艺把铜或钨金属填满支撑孔后，再采用化学机械研磨（CMP）的方法去除牺牲层表面的金属，实现桥墩与读出电路的电连接。这种方法采用了Cu、W金属柱，桥墩的绝热性较差，影响了探测器的灵敏度和响应率，并且引入了CMP平坦化工艺，使生产成本大大增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种非制冷红外探测器的制备方法，采用微桥支撑结构，桥墩支撑孔部位采用金属U型填充工艺，使其在传统支撑结构的基础上增加侧壁金属层的厚度，在增强了支撑结构机械强度的同时，也有效地改善了其电性连接，从而全面提高了红外探测器的性能。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种微桥结构红外探测器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在基底上沉积金属反射层，其中基底为红外探测器读出电路；

步骤2：在所述金属反射层上制备牺牲层，并在所述牺牲层上刻蚀PI孔，所述PI孔位于所述读出电路的引出电极之上；

步骤3：在所述牺牲层上依次沉积支撑层、热敏层和保护层；

步骤4：在所述PI孔内制备通孔，并在热敏层上方的保护层上制备接触孔；

步骤5：在所述保护层上沉积电极层金属，并在所述PI孔和通孔中填充U型金属，并通过光刻和蚀刻的方法形成U型金属结构；

步骤6：在所述电极层金属上进行电极层的光刻和刻蚀；

步骤7：在步骤6完成的器件表面沉积钝化层，并对该钝化层进行光刻形成钝化层图形；

步骤8：进行牺牲层的释放，形成微桥结构。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，步骤1中：所述金属反射层材料为Al或者Ti；采用磁控溅射或电子束蒸发的方法生长金属薄膜，然后利用光刻和刻蚀的方法在该金属薄膜上形成反射层图形，所述反射层的金属对8～14um波长的红外光的反射率在90%以上，之后在反射层图形上沉积一绝缘介质层；所述绝缘介质层采用氮化硅薄膜，薄膜的厚度为800～1200Ａ，使用等离子体增强化学气相沉积的方法制备。

进一步，步骤2中：所述牺牲层采用聚酰亚胺材料，涂覆后进行退火处理，退火温度范围250～350℃，退火后牺牲层的厚度为2.1～2.3μm；之后采用光刻刻蚀的方法形成PI孔，刻蚀采用O₂气体作为反应气体。

进一步，步骤3中：在热敏层沉积之后，保护层沉积之前，采用光刻刻蚀方法对热敏层进行图形化；其中，热敏层材料采用VO_x薄膜，采用离子束沉积，反应溅射或者磁控溅射的方法生长，热敏层薄膜厚度500～2000A，对VO_x薄膜的刻蚀采用离子束刻蚀或者反应离子刻蚀的方法；所述支撑层和保护层采用等离子体增强化学气相沉积法生长，材料为Si₃N₄薄膜或SO₂加Si₃N₄薄膜，SO₂与Si₃N₄薄膜的组分比在1.5:1到2:1之间，所述支撑层的厚度为2000～3000A，所述保护层厚度为800～1200A。

进一步，所述步骤4中：采用光刻和反应离子刻蚀的方法刻蚀掉所述PI孔底部的绝缘介质层，露出金属电极，形成通孔；之后采用光刻刻蚀的方法在热敏层上方的保护层上刻蚀掉部分保护层材料，形成接触孔，刻蚀气体采用组分比为4:5:1的SF₆、CHF₃、O₂混合气体或者采用组分比为9:1的CF₄、O₂混合气体。

进一步，步骤5中：采用磁控溅射方法在所述保护层上溅射电极金属，并在所述PI孔和通孔中溅射桥墩金属；其中，电极金属为Ti，厚度为200～500A，桥墩金属为Al或者为AlCu合金，Cu的参杂比例为0.5%～2.0%，桥墩金属厚度为2000～3000A。

进一步，步骤6中：在步骤5中制备的Ti电极金属薄膜上通过光刻和刻蚀形成电极层图形；电极层两端分别连接热敏层和读出电路上的电极，形成读出电路与热敏层之间的电连接；Ti的刻蚀采用离子束刻蚀方法，或者采用Cl₂、BCl₃工艺气体进行刻蚀。

进一步，步骤7中：钝化层为Si₃N₄薄膜，厚度为800～1200A，采用等离子体增强化学气相沉积方法制备；之后进行光刻刻蚀形成钝化层图形。

进一步，步骤8中：把经过步骤7完成钝化层刻蚀的器件置于O₂气氛中释放牺牲层，形成微桥结构。

本发明还同时提供了一种微桥结构，包括在红外探测器读出电路为基底的圆片上设置的金属反射层，以及在所述金属反射层上依次设置的支撑层、热敏层和保护层；在所述读出电路的引出电极上设有PI孔；所述PI孔内设有通孔；在所述PI孔和通孔中填充有桥墩结构的U型金属。

本发明的有益效果在于：

1）利用Al或（Ti/Al）作为填充金属，在桥墩侧壁形成U型填充结构，增强了侧壁的支撑厚度，增强了微桥结构的机械性能；

2）改善了桥墩通孔和桥墩侧壁的金属接触和金属厚度，降低了接触电阻，改善了红外探测器的1/f噪声，提高了器件的响应率；

3）采用溅射完成Ti电极层和Al柱的沉积工艺，并利用自行配置的腐蚀液对Al/Ti的高选择比进行Al薄膜的刻蚀，工艺简单，不增加干法刻蚀和终点监测设备，降低了工艺成本；

4）在工艺过程中，考虑到了湿法腐蚀对工艺带来的负面影响，对电路的设计采取了优化，引入了大的线宽偏差设计，对最终的腐蚀图形线宽进行了很好的控制，消除了湿法腐蚀对线宽造成的影响；

5）在制作U形结构的同时，也减小接触孔位置的接触电阻，增加了电极金属在接触孔位置的台阶覆盖能力，从而减小了整个电极的连线电阻，改善了微测辐射热计的结构强度和力学性能以及可靠性；

6）增加了桥墩通孔，桥墩侧壁和接触孔金属薄膜厚度，而没有相应增加桥腿位置的金属电极厚度，保持了原有的热导；

7）提供了使用AlCu合金代替纯铝作为桥墩填充金属的替代方案，可以有效降低电迁移现象。

附图说明

图1为反射层形成示意图；

图2为牺牲层和PI孔形成示意图；

图3为支撑层、热敏层、保护层形成示意图；

图4为通孔、接触孔形成示意图；

图5为U形金属填充后的器件示意图；

图6为牺牲层释放前器件示意图；

图7为最终的微桥结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

100、读出电路基底，101、读出电路引出电极，102、反射层，103、绝缘介质层，104、牺牲层，105、PI孔，106、支撑层，107、热敏层，108、保护层，109、桥墩填充金属，110、电极层，111、钝化层，200、通孔，201、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。

本发明提供了一种微桥结构红外探测器的制备方法，参见图1至图7，其具体工艺步骤如下：

如图1所示，首先，在已加工好的Si衬底的读出电路基底100的圆片上制作金属反射层102。反射层102金属的材料为Al或Ti，采用磁控溅射（PVD）或电子束蒸发的方法生长金属薄膜，然后用光刻和刻蚀的方法在金属薄膜上形成反射层（Mirror）图形。反射层102金属对特定波长（如8～14um）的红外光的反射率在90%以上。之后在反射层图形上沉积一绝缘介质层103，该绝缘介质层103采用氮化硅（Si₃N₄）薄膜，薄膜的厚度为800～1200A，使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的方法制备。

然后，如图2所示，进行牺牲层104的制备并实现PI孔105的图形化。牺牲层104采用聚酰亚胺（Polyimide）材料，涂覆后需进行退火处理，退火温度范围250～350℃，退火后牺牲层104的厚度为2.1～2.3μm。之后用光刻刻蚀的方法形成PI孔105，刻蚀采用O₂气体作为反应气体的方法。PI孔105图形位于读出电路引出电极101之上。

下一步，如图3所示，在牺牲层104上依次沉积支撑层106、热敏层107和保护层108。在热敏层107沉积之后，保护层108沉积之前，需要光刻刻蚀对热敏层107进行图形化，使热敏电阻材料位于支撑层106之上。热敏层107材料使用的是VO_x薄膜，采用离子束沉积，反应溅射或磁控溅射的方法生长，薄膜厚度500～2000A，VO_x的刻蚀可以使用离子束刻蚀（IBE）或反应离子刻蚀（RIE）的方法。支撑层106和保护层108则使用PECVD方法生长，介质材料为低应力Si₃N₄薄膜或SO₂加Si₃N₄薄膜，SO₂与Si₃N₄薄膜的组分比在1.5:1到2:1之间，支撑层106的厚度为2000～3000A，上面的保护层108厚度为800～1200A。

再下一步，如图4所示，是在PI孔105内形成通孔200，使用光刻和RIE刻蚀的方法刻蚀掉PI孔105底部的Si₃N₄绝缘介质层103，露出下面的金属电极，形成通孔200（Via）；之后再次使用光刻刻蚀的方法在热敏层107上方的保护层108上刻蚀掉部分保护层108 Si₃N₄，形成接触孔201（Contact）。使用组分比为4:5:1的SF₆、CHF₃、O₂混合气体或者采用组分比为9:1的CF₄、O₂混合气体等气体作为刻蚀气体，使用终点监测EPD（End Point Detection）进行刻蚀反应结束的控制。通孔200和接触孔201分别用于电极金属与读出电路（ROIC）和热敏层107 VO_x的连接。

如图5所示，再下一步，进行桥墩结构的U型金属填充，并通过光刻和蚀刻的方法先形成U型金属结构。使用PVD的方法溅射金属Ti/Al薄膜，两种金属在PVD设备不同工艺腔体中分别完成。Ti作为电极金属，厚度为200～500A；Al作为桥墩填充金属109，厚度为2000～3000A。镀膜后先使用光刻和湿法腐蚀的方法腐蚀掉填充孔以外的Al。Al的腐蚀溶液采用自行配置的磷酸、硝酸、冰醋酸、水的混合溶液，以及少量表面活性剂。该腐蚀液对Al/Ti的刻蚀选择比大于30：1，所以Al的腐蚀基本停止在Ti薄膜的表面，在桥墩侧壁形成U形Al柱。

当然，也可使用干法进行Al填充图形的蚀刻，可以得到更好的Al填充结构和图形。消除湿法腐蚀对Ti电极表面带来的轻微氧化，更加改善整个微测辐射热计（Micro-Bolometer）微桥结构的连线电阻。不过干法蚀刻最好把Al/Ti一起进行蚀刻，然后再使用PVD沉积Ti或V金属薄膜，用于下一道工序电极连线的制作。

需要特别指出的是，在制作桥墩U型填充结构的同时，可以在热敏薄膜VO_x上的接触孔201（Contact）位置也保留Ti/Al薄膜作为填充。这样做的好处可以增厚接触孔201的金属薄膜厚度，降低接触孔201的接触电阻，同时也改善了电极金属在接触孔201交界位置的填充能力，增加了电极连线的强度。

下一步进行Ti电极层110的光刻和刻蚀，在上一步镀的Ti薄膜上形成电极层110图形。电极层110两端分别连接热敏材料和读出电路上的电极，形成ROIC与热敏电阻之间的电连接。Ti的刻蚀可以使用IBE方法，也可以使用Cl₂、BCl₃等工艺气体进行刻蚀。

如图6所示，在上一步完成的器件表面沉积低应力Si₃N₄薄膜，厚度为800～1200A，通过PECVD的方法制备。之后光刻形成钝化层111（Passivation）图形，蚀刻各层Si₃N₄薄膜，为牺牲层104的释放做准备。

最后，是牺牲层104的释放，把完成钝化层111（Passivation）刻蚀的器件置于O₂气氛中释放牺牲层104 Polyimide，形成最终的微桥结构，如图7所示。

通过上述过程制备的微桥结构，如图7所示，包括了在红外探测器的读出电路基底100的圆片上设置的金属反射层102，以及在金属反射层102上依次设置的支撑层106、热敏层107和保护层108；在读出电路的引出电极上设有PI孔105；PI孔105内设有接触通孔200；在所述PI孔105和接触通孔200中填充有桥墩结构的U型金属。

本发明采用桥墩U型填充的方法，使用金属Al作为填充材料，有容易进行溅射沉积和刻蚀方便的特点，探测器的绝热性能优于铜填充工艺，且不需要CMP步骤，成本大大低于现有的Cu、W全部填充的制造工艺。

在桥墩的金属U型填充工艺中，除了使用纯Al形成2500～3000A的薄膜外，还可以使用Cu参杂的AlCu合金作为填充材料形成薄膜，Cu参杂的比例为0.5%～2.0%，可有效降低Al的电迁移现象，AlCu合金的薄膜可以使用磁控溅射的方法沉积。

对于桥墩金属填充的图形化工艺，除了使用光刻与湿法腐蚀的方法外，还可以使用光刻配合干法刻蚀的方法刻蚀掉想要去除的Al，干法刻蚀使用氯气（Cl₂）和三氯化硼（BCl₃）等气体作为刻蚀气体，使用终点监测设备控制刻蚀的结束。如果使用湿法工艺腐蚀Al，在设计Al柱光刻版时需考虑一定的图形线宽偏差（Bias），主要为腐蚀线宽（AEI CD）和光刻线宽（ADI CD）的差异，需要考虑设计时的CD Bias。干法刻蚀可以得到较美观的图形形貌和线宽（CD）的控制，得到较小的接触电阻。

另外还可以使用剥离法（Lift-off）进行填充Al的图形化，剥离法是先进行光刻胶的涂覆和曝光显影工艺，之后再进行金属薄膜的沉积，然后使用有机溶剂把没有被显影的光刻胶溶解从而把不需要留下的金属区域的金属从器件表面剥离掉。剥离法的光刻版需要改变为与普通光刻刻蚀法遮挡区域相反的设计，光刻工艺过程中，需要控制光刻胶的剖面形貌，要形成一定的底切（Undercut）。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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

1.一种微桥结构红外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤3：在所述牺牲层上依次沉积支撑层、热敏层和保护层；

步骤6：在所述电极层金属上进行电极层的光刻和刻蚀；

步骤7：在步骤6完成的器件表面沉积钝化层，并对该钝化层进行光刻和刻蚀形成钝化层图形；

步骤8：进行牺牲层的释放，形成微桥结构。

2.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器的制备方法，其特征在于，步骤1中：所述金属反射层材料为Al或者Ti；采用磁控溅射或电子束蒸发的方法生长金属薄膜，然后利用光刻和刻蚀的方法在该金属薄膜上形成反射层图形，所述反射层的金属对8～14um波长的红外光的反射率在90%以上，之后在反射层图形上沉积一绝缘介质层；所述绝缘介质层采用氮化硅薄膜，薄膜的厚度为800～1200A，使用等离子体增强化学气相沉积的方法制备。

3.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器的制备方法，其特征在于，步骤2中：所述牺牲层采用聚酰亚胺材料，涂覆后进行退火处理，退火温度范围250～350℃，退火后牺牲层的厚度为2.1～2.3μm；之后采用光刻刻蚀的方法形成PI孔，刻蚀采用O₂气体作为反应气体。

4.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器的制备方法，其特征在于，步骤3中：在热敏层沉积之后，保护层沉积之前，采用光刻刻蚀方法对热敏层进行图形化；其中，热敏层材料采用VO_x薄膜，采用离子束沉积、反应溅射或者磁控溅射的方法生长，热敏层薄膜厚度500～2000A，对VO_x薄膜的刻蚀采用离子束刻蚀或者反应离子刻蚀的方法；所述支撑层和保护层采用等离子体增强化学气相沉积法生长，材料为Si₃N₄薄膜或SO₂加Si₃N₄薄膜，SO₂与Si₃N₄的组分比在1.5：1到2：1之间，所述支撑层的厚度为2000～3000A，所述保护层厚度为800～1200A。

5.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤4中：采用光刻和反应离子刻蚀的方法刻蚀掉所述PI孔底部的绝缘介质层，露出金属电极，形成通孔；之后采用光刻刻蚀的方法在热敏层上方的保护层上刻蚀掉部分保护层材料，形成接触孔，刻蚀气体采用组分比为4:5:1的SF₆、CHF₃、O₂混合气体或者采用组分比为9:1的CF₄、O₂混合气体。

6.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器的制备方法，其特征在于，步骤5中：采用磁控溅射方法在所述保护层上溅射电极金属，并在所述PI孔和通孔中溅射桥墩金属；其中，电极金属为Ti，厚度为200～500A，桥墩金属为Al或者为AlCu合金，Cu的参杂比例为0.5%～2.0%，桥墩金属厚度为2000～3000A。

7.根据权利要求6所述的微桥结构红外探测器的制备方法，其特征在于，步骤6中：在步骤5中制备的Ti薄膜电极金属上通过光刻和刻蚀形成电极层图形；电极层两端分别连接热敏层和读出电路上的电极，形成读出电路与热敏层之间的电连接；Ti的刻蚀采用离子束刻蚀方法，或者采用Cl₂、BCl₃工艺气体进行刻蚀。

8.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器的制备方法，其特征在于，步骤7中：钝化层为Si₃N₄薄膜，厚度为800～1200A，采用等离子体增强化学气相沉积方法制备；之后进行光刻刻蚀形成钝化层图形。

9.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器的制备方法，其特征在于，步骤8中：把经过步骤7完成钝化层刻蚀的器件置于O₂气氛中释放牺牲层，形成微桥结构。

10.一种红外探测器的微桥结构，其特征在于：包括在红外探测器读出电路为基底的圆片上设置的金属反射层，以及在所述金属反射层上依次设置的支撑层、热敏层和保护层；在所述读出电路的引出电极上设有PI孔；所述PI孔内设有通孔；在所述PI孔和通孔中填充有U型金属。