CN103076099B - 单片集成红外焦平面探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单片集成红外焦平面探测器，包括：衬底；TFT信号读出电路阵列以及TFT信号处理电路阵列，位于衬底之上；红外探测像素单元阵列，位于TFT信号读出电路阵列之上。相应地，本发明还提供了单片集成红外焦平面探测器的制造方法。本发明利用非晶态氧化物半导体的高迁移率、高均匀性和简单工艺的特性，将处理电路、读出电路与探测器阵列集成制作在同一衬底基板上。实现了制作探测器与读出电路的全薄膜工艺，在工艺流程上一次完成，因而降低了制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种低成本大面阵单片集成的红外焦平面探测器。
背景技术
红外辐射是介于可见光与微波之间（0.8-1000μm）的电磁波，是可见光之外的一种辐射。利用红外探测器可将人眼识别之外的红外辐射转换成可直接分析的信号。红外探测器种类繁多，有不同的分类方法。根据结构可分为单元、线阵和焦平面红外探测器；就探测机理而言，又可分为光子和热敏红外探测器。热探测器最大的优点是无需致冷，大大降低了成本，并可实现微型化。近十年来，其灵敏度和响应时间有了大幅度的提高，是未来红外成像领域的主导方向。热敏红外探测器主要包括热释电、热电堆和微测辐射热计红外探测器三种类型。其中微测辐射热计红外探测器具有无需斩波、制作工艺与集成电路制造工艺兼容，便于大规模生产等优点，具有相当大的发展潜力，是目前发展速度最快、性能最好和最具有应用前景的一种热敏型红外探测器。
红外焦平面列阵(IRFPA)是可以放置在成像光学系统焦平面上的、集成读出电路的红外探测器阵列,是实际实现红外成像系统的关键核心器件。红外焦平面阵列主要由红外探测器阵列和读出电路阵列两部分组成。焦平面阵列结构有两种类型:单片式和混合式。单片式具有较宽频谱、较低噪声、与较低成本。
研制高分辨率、大面阵以及低成本非致冷红外焦平面阵列面临不少技术困难，主要难点集中在均匀低成本像素探测器和读出电路结构上。基于硅基的CMOS电路驱动大面阵探测器阵列一般成本较高，面临不少的单元缺陷，成本不能随大面积探测器薄膜材料成本同时线性缩减。
发明内容
本发明目的之一是解决上述的问题。为此，本发明的实施例提供了一种单片集成红外焦平面探测器及其制造方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种单片集成红外焦平面探测器，包括：
衬底；
TFT信号读出电路阵列以及TFT信号处理电路阵列，位于衬底之上；
红外探测像素单元阵列，位于TFT信号读出电路阵列之上。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种单片集成红外焦平面探测器的制造方法，包括：
a)提供衬底；
b)在衬底上形成TFT信号读出电路阵列以及TFT信号处理电路阵列；
c)在TFT信号读出电路阵列之上形成红外探测像素单元阵列。
与现有技术相比，采用本发明提供的技术方案具有如下优点：利用非晶态氧化物半导体的高迁移率、高均匀性和简单工艺的特性，将处理电路、读出电路与探测器阵列集成制作在同一衬底基板上，实现了制作探测器与读出电路的全薄膜工艺，在工艺流程上一次完成，因而降低了制作成本，特别是避免了大面积单晶硅衬底与MOS晶体管的应用，减低了多芯片对准封装困难，也降低了信号长距离传输带来的延迟、噪声与损耗，特别对制备高分辨率、大面阵和低成本探测器阵列系统提供较多的优势。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1为根据本发明的实施例的单片集成红外焦平面探测器制造方法的流程图；
图2至图14为按照图1所示流程制造单片集成红外焦平面探测器的各个阶段的剖面示意图；
图15为根据本发明的实施例的完整的单片集成红外焦平面探测器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。
根据本发明的一个方面，还提供了一种单片集成红外焦平面探测器，请参考图14和图15。如图所示，该单片集成红外焦平面探测器包括：
衬底100；
TFT信号读出电路阵列以及TFT信号处理电路阵列，位于所述衬底100之上；
红外探测像素单元阵列，位于TFT信号读出电路阵列之上。
具体地，在本实施例中，衬底100为表面为二氧化硅的硅衬底(例如硅晶片)。除此之外，衬底100还可以是玻璃，石英，塑料中的一种或其任意组合。典型地，衬底100可以具有但不限于约几百微米的厚度，例如可以在400μm-800μm的厚度范围内。
图15为一个红外探测像素单元以及其下的相应TFT信号读出电路的剖视图。如图所示，在所述衬底100上为TFT信号读出电路中的TFT的栅电极200，所述栅电极的材料可以为Mo,Pt,Al,Ti,Co,Au，Cu,Ag或者掺杂多晶硅中的一种或其任意组合。栅电极200之上为栅介质层210，由氧化硅或氮氧化硅或其组合形成，在其他实施例中，也可以是高k介质，例如，HfO2、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、HfLaO、HfLaSiO、Al2O3、La2O3、ZrO2、LaAlO中的一种或其组合。
在所述栅介质层210之上为TFT的有源层220。在本实施例中，TFT可以由非晶态氧化物半导体形成。在TFT的有源层220之上为晶体管的源/漏极230，其材料为Mo,Pt,Al,Ti,Co,Au，Cu,Ag或者掺杂多晶硅中的一种或其任意组合。
在整个上述结构之上为经过平坦化的钝化保护层240，对整个TFT形成保护。在所述源/漏极230上方的钝化层经过开孔和金属淀积，形成有互连电极250，用于连接TFT和红外探测结构。
在一个实施例中，每个红外探测像素单元下的TFT信号读出电路可以为单个TFT开关。在此情况下，TFT信号处理电路阵列包含电荷敏感放大器、ADC、DSP、I/O、控制逻辑以及扫描电路。
在另一个实施例中，每个红外探测像素单元下的TFT信号读出电路包括敏感放大电路、源跟随器电路以及开关电路。在此情况下，TFT信号处理电路阵列包含ADC、DSP、I/O、控制逻辑以及扫描电路。
在还有一个实施例中，每个红外探测像素单元下的TFT信号读出电路包括ADC、DSP、存储器、敏感放大电路、源跟随器电路以及开关电路。在此情况下，TFT信号处理电路阵列包含I/O、控制逻辑以及扫描电路。
钝化层支撑层320可以为SiO2、Si3N4、SiON，还可以为低K材料，如SiOF、SiCOH、SiO、SiCO、SiCON。在钝化支撑层320之上，中部的位置为红外探测结构330，其材料根据形成的探测器种类不同而不同。在红外探测结构330外侧，钝化支撑层320表面上为互连金属层340。它的上端与红外探测器结构330相连，下端与读出电路TFT在钝化保护层240中的开孔金属电极250相连，用于连接红外探测器结构和读出电路。
本实施例中，红外探测像素单元为微桥绝热结构的红外探测像素单元。微桥隔热空腔360位于每个红外探测结构330与TFT信号读出电路之间。本实施例中微桥隔热空腔结构由钝化支撑层320构成。在本实施例中为正梯形。隔热空腔360底部有红外反射金属层300。
最后，在所述互连金属层340和红外探测器结构330的外表面为钝化层或吸收层350，用于对上述结构进行保护。
根据本发明的还有一个方面，提供了一种单片集成红外焦平面探测器的制造方法。下面，将结合图2至图15通过本发明的一个实施例对图1形成单片集成红外焦平面探测器的方法进行具体描述。如图1所示，本发明所提供的制造方法包括以下步骤：
在步骤S101中，提供衬底100。
具体地，如图2所示，首先提供衬底100。在本实施例中，所述衬底100为表面为二氧化硅的硅衬底(例如硅晶片)。除此之外，衬底100还可以是玻璃，石英，塑料中的一种或其任意组合。典型地，衬底100可以具有但不限于约几百微米的厚度，例如可以在400μm-800μm的厚度范围内。
在步骤S102中，在衬底100上形成TFT信号读出电路阵列以及TFT信号处理电路阵列。
具体的，如图3所示，在衬底100上形成TFT信号读出电路阵列以及TFT信号处理电路阵列中TFT的栅电极200。栅电极的材料可以为Mo,Pt,Al,Ti,Co,Au，Cu,Ag或者掺杂多晶硅中的一种或其任意组合，形成方法可以选用常规淀积工艺，如PVD、CVD等。然后在栅电极200之上形成栅介质层210，如图3所示。所述栅介质层210可以为氧化硅或氮氧化硅或其组合形成。在其他实施例中，栅介质层210也可以是高K介质，例如，HfO2、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、HfLaO、HfLaSiO、Al2O3、La2O3、ZrO2、LaAlO中的一种或其组合。
然后，在所述栅介质层210上形成TFT的有源层220，如图4所示。本实施例中，TFT由非晶态氧化物半导体形成，其材料成分可为掺In的ZnO系半导体。具体地，包括InGaZnO、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、ZrInZnO、YInZnO、AlInZnO、SnInZnO，其中，[In]/（[In]+[第三金属]）的原子计数比为35%～80%，[Zn]/（[In]+[Zn]）的原子计数比为40%～85%。优选的各元素原子计数比为[In]:[第三金属]:[Zn]:[O]＝1:1:1:1或者1:1:1:2或者2:2:2:1或者1:1:1:4等。此外非晶态氧化物半导体还可为非晶态下的In2O3、ZTO、AZO、ITO、IGO、ZnO、SnOx等二元或三元金属氧化物半导体材料或者其金属参杂物。通常的非晶态氧化物半导体薄膜厚度5～200nm。迁移率大于5cm2/Vs,为均匀型的离子性半导体。具备较低界面态，以及较高的环境稳定性。
相比多晶、晶态与微晶半导体，非晶态氧化物半导体表现出短程有序，各向同性，制作工艺简单，易做成较均匀的大面积导电薄膜，十分有利于大规模基础TFT阵列的有源区制作。以典型材料IGZO为例，三元混合型非晶态氧化物金属半导体IGZO由In2O3、Ga2O3和ZnO构成，禁带宽度在3.4eV左右，是一种离子性非晶态N型半导体材料。In2O3中的In3+可以形成5S电子轨道，有利于载流子的高速传输；Ga2O3有很强的离子键，可以抑制O空位的产生；ZnO中的Zn2+可以形成稳定四面体结构，理论上可以使金属氧化物IGZO形成稳定较高导电的非晶结构。非晶态氧化物半导体属于离子性的非晶态半导体，导电通过大半径的原子外层电子云相互交叠而实现载流子输运，因而迁移率较大（10～100cm2/Vs）。例如InGaZnO，InZnO,HfInZnO,TaInZnO,ZrInZnO,YInZnO,AlInZnO。TFT的有源层220的形成方法可选用溅射淀积。
然后，在所述TFT的有源层220之上淀积金属形成晶体管的源/漏极230，如图5所示。所述金属可以为Mo,Pt,Al,Ti,Co,Au，Cu,Ag或者掺杂多晶硅中的一种或其任意组合。至此，就形成了TFT阵列，通过接下来的互连工艺即可形成各种功能电路。
所述功能电路包括读出电路，和读出电路周围的信号处理、控制与接口电路。在本实施例中，读出电路为包含单个TFT的开关电路，在其它实施例中还可以包含敏感放大、源跟随器、开关器的电路，或者包含放大、ADC(模数转换器)、DSP(数字信号处理器)、存储器的像素内处理电路(In-Pixel Circuit)。所述信号处理电路包括电荷敏感放大器、ADC、DSP、I/O(输入输出端口)、控制逻辑以及扫描电路模块。
在一个实施例中，每个红外探测像素单元下的TFT信号读出电路可以为单个TFT开关。在此情况下，TFT信号处理电路阵列包含电荷敏感放大器、ADC、DSP、I/O、控制逻辑以及扫描电路。
在另一个实施例中，每个红外探测像素单元下的TFT信号读出电路包括敏感放大电路、源跟随器电路以及开关电路。在此情况下，TFT信号处理电路阵列包含ADC、DSP、I/O、控制逻辑以及扫描电路。
在还有一个实施例中，每个红外探测像素单元下的TFT信号读出电路包括ADC、DSP、存储器、敏感放大电路、源跟随器电路以及开关电路。在此情况下，TFT信号处理电路阵列包含I/O、控制逻辑以及扫描电路。
下面详细描述互连TFT的工艺。首先，在所述TFT（包括有源层和源/漏极）之上淀积绝缘钝化层240，如图6所示。所述钝化层240可以为SiO2、Si3N4、SiON，还可以为低K材料，如SiOF、SiCOH、SiO、SiCO、SiCON。接着对所述绝缘钝化层240进行CMP平坦化。
然后，对所述晶体管的源/极230上方的钝化层240进行选择性刻蚀，如RIE（反应离子刻蚀）的方法，直至漏出源/漏极，在其上方形成通孔250，如图7所示。接着在所述通孔内淀积互连金属，用于连接TFT阵列和表面电路。接下来在钝化层240表面上进行金属图形化，以形成各种功能电路。在进行所述金属图形化的同时，在读出电路上形成红外反射金属层300，如图8所示。所述金属可以为Mo,Pt,Al,Ti,Co,Au，Cu,Ag或者掺杂多晶硅中的一种或其任意组合。
至此，在衬底100上形成了TFT信号读出电路阵列以及TFT信号处理电路阵列。
在步骤S103中，在TFT信号读出电路阵列之上形成红外探测像素单元阵列。
本实施例中，红外探测像素单元为微桥绝热结构的红外探测像素单元。需要在每个红外探测结构与TFT信号读出电路之间形成微桥隔热空腔。
通常在形成微机械结构的空腔或可活动的微结构过程中需要在下层衬底上用牺牲材料淀积所需的各种特殊结构件，然后在此牺牲材料上淀积支撑材料，再用化学刻蚀剂将此牺牲材料腐蚀掉，但不损伤微结构件，然后得到上层结构（空腔或微结构件）。在本实施例中要形成的是带空腔的微桥结构。
具体地，首先，在所述读出电路上的绝缘钝化层240和红外反射金属层300的上表面淀积隔离牺牲层310，如图9所示。所述牺牲材料可以为磷硅玻璃、多孔硅、聚酰亚胺、疏松SiO2的一种或其任意组合。
然后，在所述隔离牺牲层310上淀积钝化支撑层320，所述钝化支撑层要将隔离牺牲层310完全覆盖如图10所示；所述钝化层可以为SiO2、Si3N4、SiON，还可以为低K材料，如SiOF、SiCOH、SiO、SiCO、SiCON。
然后，在所述钝化支撑层320上淀积红外探测薄膜材料，根据材料的不同，所形成的红外探测器种类也不同，具体可为微测辐射热计红外探测器、热释电红外探测器或热电堆红外探测器结构。其中，热电堆红外探测器常用的材料有多晶硅和金、多晶硅和铝、P型(Bi1-xSbx)2Te3和N型Bi1-xSbx薄膜材料对以及N型和P型多晶硅材料对；热释电红外探测器常见材料包括无机TGS系列、LiTa03系列，B ST，PZT，PLZT，以及有机PVDF等；微测辐射热计主要材料包括金属薄膜、多晶硅、非晶硅和氧化钒(VOx)系列薄膜，是目前发展速度最快、性能最好和最具有应用前景的一种热敏型红外探测器。接着对所述红外探测薄膜材料图形化，如图11所示，形成需要的红外探测器结构330。
接着在所述钝化支撑层320上淀积互连金属，并对其图形化形成互连电极340，以连接读出电路和红外薄膜探测器结构330，如图12所示。所述互联金属材料为Mo,Pt,Al,Ti,Co,Ni,Ta,Au，Cu,Ag等或者掺杂多晶硅，或者氮化物，或者合金等。
然后，在所述红外薄膜探测器结构330和金属互连电极340表面上淀积外钝化层350或吸收层，如图13所示，对上述结构进行保护。
最后，进行牺牲层的腐蚀，将步骤S103中最初淀积的隔离牺牲层310完全腐蚀掉，露出钝化支撑层320的内表面红外反射金属层300的上表面，如图14所示，形成镂空的微桥结构360。从而，在TFT信号读出电路阵列之上形成了红外探测像素单元阵列。
在可选的步骤S104中，对在上述步骤中形成的结构进行最后封装焊接形成完整的红外焦平面探测器阵列。
具体的封装工艺，本领域技术人员可根据工艺条件和结构大小等选择合适的封装形式。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：利用非晶态氧化物半导体的高迁移率、高均匀性和简单工艺的特性，将处理电路、读出电路与探测器阵列集成制作在同一衬底基板上，实现了制作探测器与读出电路的全薄膜工艺，在工艺流程上一次完成，因而降低了制作成本，特别是避免了大面积单晶硅衬底与MOS晶体管的应用，减低了多芯片对准封装困难，也降低了信号长距离传输带来的延迟、噪声与损耗，特别对制备高分辨率、大面阵和低成本探测器阵列系统提供较多的优势。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
Claims (16)
1.一种单片集成红外焦平面探测器，包括：
衬底；
TFT信号读出电路阵列以及TFT信号处理电路阵列，位于衬底之上；其中，TFT为非晶态氧化物半导体TFT；
红外探测像素单元阵列，位于TFT信号读出电路阵列之上；其中，
红外探测像素单元为微桥绝热结构的红外探测像素单元，其中，每个红外探测像素单元与TFT信号读出电路之间存在微桥隔热空腔(360)，每个红外探测像素单元与TFT信号读出电路通过互连电极(340)相连。
2.根据权利要求1所述的探测器，其中所述微桥隔热空腔(360)由钝化支撑层(320)构成。
3.根据权利要求1所述的探测器，其中微桥隔热空腔(360)底部存在光屏蔽层(300)。
4.根据权利要求1所述的探测器，其中每个红外探测像素单元之下的TFT信号读出电路为单个TFT开关，所述TFT信号处理电路阵列包含电荷敏感放大器、ADC、DSP、I/O、控制逻辑以及扫描电路。
5.根据权利要求1所述的探测器，其中每个红外探测像素单元之下的TFT信号读出电路包括敏感放大电路、源跟随器电路以及开关电路，所述TFT信号处理电路阵列包含ADC、DSP、I/O、控制逻辑以及扫描电路。
6.根据权利要求1所述的探测器，其中每个红外探测像素单元之下的TFT信号读出电路包括ADC、DSP、存储器、敏感放大电路、源跟随器电路以及开关电路，所述TFT信号处理电路阵列包含I/O、控制逻辑以及扫描电路。
7.根据权利要求1所述的探测器，其中衬底为表面为二氧化硅的硅片，玻璃，石英或塑料。
8.一种单片集成红外焦平面探测器的制造方法，包括：
a)提供衬底(100)；
b)在衬底(100)上形成TFT信号读出电路阵列以及TFT信号处理电路阵列；其中，TFT为非晶态氧化物半导体TFT，步骤(b)包括以下步骤：
在衬底(100)上淀积金属形成栅电极(200)；
在栅电极(200)上淀积绝缘层形成栅介质层(210)；
在栅介质层(210)上淀积非晶态氧化物半导体形成TFT的有源层(220)；
在TFT的有源层(220)上淀积金属电极形成晶体管的源/漏极(230)；
在所述TFT的有源层(220)和金属电极上淀积绝缘钝化层(240)，并进行绝缘介质的平坦化；
进行互连通孔(250)的刻蚀，淀积TFT的互连金属，形成TFT信号读出电路阵列以及TFT信号处理电路阵列；
c)在TFT信号读出电路阵列之上形成红外探测像素单元阵列；其中，步骤(c)包括以下步骤：
在TFT信号读出电路阵列上淀积隔离牺牲层(310)；
在所述隔离牺牲层(310)上淀积钝化支撑层(320)；
在钝化支撑层(320)上淀积红外探测薄膜材料(330)，并对其图形化；
在钝化支撑层(320)上淀积金属形成图形化电极(340)；
淀积外钝化层(350)或吸收层；
进行牺牲层的腐蚀，形成微桥隔热空腔(360)。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其中所述衬底(100)的材料为表面为二氧化硅的硅片，玻璃，石英或塑料。
10.根据权利要求8所述的制造方法，其中红外探测像素单元为微桥绝热结构的红外探测像素单元。
11.根据权利要求10所述的制造方法，还包括在每个红外探测像素单元与TFT信号读出电路之间形成微桥隔热空腔(360)。
12.根据权利要求11所述的制造方法，其中所述微桥隔热空腔(360)由钝化支撑层(320)构成。
13.根据权利要求11所述的制造方法，还包括在微桥隔热空腔(360)底部形成光屏蔽层(300)。
14.根据权利要求8所述的制造方法，其中，所述非晶态氧化物半导体为InGaZnO，InZnO,HfInZnO,TaInZnO,ZrInZnO,YInZnO,或AlInZnO。
15.根据权利要求8所述的制造方法，其中所述隔离牺牲层为磷硅玻璃、多孔硅、聚酰亚胺、或疏松SiO2中的一种或其任意组合。
16.根据权利要求8所述的制造方法，其中，所述金属为Mo,Pt,Al,Ti,Co,Au，Cu,Ag和掺杂多晶硅中的一种或其任意组合。
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