CN106124066A - 一种高填充因子的微测热辐射计及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高填充因子的微测辐射热计及制备方法，在微测热辐射计的读出电路(1)上制作金属反射层(2)、绝缘介质层(3)、牺牲层(4)、支撑层(5)、金属电极层(6)、热敏层(8)、钝化层(9)之后，结合化学机械抛光、钨柱塞或者物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积等技术制备高深宽比的电学连接结构，减小电学连接结构的面积，增大微测辐射热计的填充因子。基于微测辐射热计的红外或太赫兹探测器都是由大面阵的阵列微测辐射热计组成的，通过减小接触孔的面积，可以有效的提升填充因子，同时提升探测器的性能。使用该结构，可以在未来设计制作更小像元的微测辐射热计时成比例的缩小像元尺寸，而不会增加工艺的难度。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术中的微机电系统(MEMS)工艺制造领域，具体涉及一种高填充因子的微测辐射热计及制备方法。
背景技术
微测辐射热计(Micro-bolometer)是基于具有热敏特性的材料在温度发生变化时电阻值发生相应的变化而制造的一种热探测器。
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。太赫兹探测器是把波长更长的太赫兹波段(30～3000μm)的电磁波转化为可检测的电信号，从而观测外部事物，在军事和民事领域具有广泛的应用与前景，如成像、通信、遥感、雷达、天文、生物医学等。使用微测射辐热计制作非制冷红外探测器和太赫兹探测器是一种非常常见的方式。微测辐射热计是通过制作在硅基底上来形成成像阵列。每一个微测辐射热计都作为一个像元提供一个成像像素。这些微测辐射热计的电阻的改变是通过读出电路(ROIC)转化成电信号。读出电路和探测器阵列组合成了焦平面阵列。在焦平面阵列中，每个微测辐射热计都有两个相互独立的电连接结构。这个电学连接结构可能需要跟临近的微测辐射热计共享或者不共享。
传统的结构的缺点是，利用反应离子刻蚀(RIE)直接刻蚀接触孔，制备的接触孔会呈倒梯形，接触孔占据的面积大。该方法导致热敏电阻占据的像元比例小，而影响探测器的性能；在梯形接触孔中直接沉积金属电极薄膜，会导致沉积不均匀，很可能会造成金属薄膜没有沉积到接触孔的底部，而没有能够跟底部的读出电路的金属电极连接，从而造成电学连通性差，影响探测器的电学连接性能。使用该方法在制作更小像元的微测辐射热计时，缩小像元尺寸会导致热敏单元占据的比例更小，给制作高性能的小像元微测辐射热计带来很大的困难。所以，改进电学连接结构以及制备方式非常重要。
传统的非制冷红外探测器器件制备方法是:(中国专利CN102315329A，美国专利：US6322670B2)直接利用反应离子刻蚀(RIE)直接刻蚀接触孔，制备的接触孔占据的面积大。该方法导致热敏电阻占据的像元比例小，而影响探测器的性能。在接触孔中直接沉积金属电极薄膜，会导致沉积不均匀，很可能会造成金属薄膜没有沉积到接触孔的底部，而没有能够跟底部的读出电路的金属电极连接，从而造成电学连通性差，影响探测器的性能。清华大学专利(CN102798471A)将制备了探测器结构和CMOS电路的两个硅片进行键合实现探测器制作，增加了工艺的难度；并且该结构制备的硅通孔的直径过大，甚至达到了20μm，给制作高性能的小像元微测辐射热计带来很大的困难。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术中的不足，本发明提供了一种高填充因子的微测辐射热计及其制备方法，在读出电路上制作金属反射层、绝缘介层、牺牲层、支撑层、金属电极层、热敏层、钝化层之后，制作电学连接和机械支撑结构，使微测辐射热计制作工艺更简单。利用钨柱塞或者物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积(ECD)等工艺等在接触孔内沉积金属作为电学连接结构，使用该方法可以提供良好的电学连接。
其具体工艺步骤如下：
首先，在已加工好的读出电路为基底的晶圆上制作金属反射层。蚀刻金属反射层之后在金属反射层图形上沉积一层绝缘介质。
优先地，该绝缘介质可采用氮化硅薄膜或者二氧化硅薄膜，薄膜厚度0.02～0.30μm。
优先地，所选的金属反射层的金属对特定波长(如8～14μm)的红外光的反射率在98％以上，金属反射金属层薄膜厚度0.05～0.40μm，金属反射层可选用Au、Cu、Al。
下一步，在上一步骤制备的绝缘介质表面覆盖牺牲层，并沉积低应力的绝缘薄膜作为支撑层。
优先地，利用等离子体增强化学气相沉积低应力氮化硅薄膜作为支撑层，支撑层厚度0.01～0.30μm。
优先地，牺牲层可以选用非晶碳、非晶硅、氧化硅或者耐温光刻胶如BCD、PI等。
下一步，种制备金属电极层和热敏层。可以通过以下两种方法：
方法一，在支撑层上利用物理气相沉积制备金属电极层并通过光刻图形化，沉积的低应力氮化硅保护层，再采用离子束沉积(IBD)或物理气相沉积在金属电极层上生长氧化钒薄膜热敏薄膜层薄膜作为钝化层并通过光刻图形化；
方法二，先在支撑层上采用离子束沉积(IBD)或物理气相沉积的方法生长热敏层氧化钒薄膜并通过光刻图形化，沉积低应力氮化硅保护层，完成接触孔图形化，再利用物理气相沉积在热敏层上制备金属电极层并光刻图形化。然后利用等离子增强化学气相沉积的方法在图形化的金属电极层或热敏薄膜层上沉积的低应力氮化硅钝化层然后通过光刻将其图形化。
优先地，保护层厚度钝化层(9)厚度为
下一步，使用光刻蚀刻的方法在金属电极(Ti、TiN、NiCr)保护层上蚀刻掉部分保护层和钝化层，漏出部分金属电极，形成接触孔2。
下一步，在形成接触孔2的结构上利用光刻蚀刻的方法蚀刻金属电极以及支撑层和牺牲层，形成高深宽比的垂直孔，直至露出金属反射层，去除光刻胶；再旋涂光刻胶，光刻图形化后露出接触孔2，沉积电学连接金属，如钨、铜等。
优先地，垂直孔尺寸，孔的直径为0.1～1μm，深度为0.3～2μm。
优先地，利用钨柱塞(W-plug)或者物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积(ECD)等工艺沉积电学连接金属。
下一步，去除光刻胶以及光刻胶上多余的金属；在形成的电学连接金属上沉积一层氮化硅钝化层，并光刻图形化。
最后，蚀刻各层氮化硅薄膜，为牺牲层的释放做准备；去除牺牲层，形成最终的微桥结构。
优先地，采用把完成钝化层蚀刻的器件放入去胶机或等离子体刻蚀装置、等离子体灰化装置中的方法去除牺牲层。
通过上述方法步骤制备的微测辐射热计包括读出电路及以此形成于读出电路上的金属反射层、绝缘介质层、牺牲层、支撑层、金属电极层、电极钝化层、热敏层、热敏钝化层、接触孔及电学连接金属。所述金属反射层、绝缘介质层依次沉积于读出电路上；牺牲层沉积于绝缘介质层上，支撑层、金属电极层、电极纯化层、热敏层、热敏纯化层依次沉积于牺牲层上；金属电极层与热敏层之间通过接触孔连接；金属电极层与金属反射层之间加工有垂直孔作为接触孔，接触孔内沉积电学连接金属；上述各层之间采用高深宽比电学连接和机械支撑结构，形成具有高填充因子的微测辐射热计。
有益效果：(1)在读出电路上制作金属反射层、绝缘介质层、牺牲层、支撑层、金属电极层、热敏层、钝化层之后，制作电学连接和机械支撑结构，使微测辐射热计制作工艺更简单；(2)利用钨柱塞(W-plug)或者物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积(ECD)等工艺等在接触孔内沉积金属作为电学连接结构，使用该方法可以提供良好的电学连接；(3)使用该方法得到的电学连接结构占据的面积很小，可以有效地增大热敏电阻占像元的比例，提升微测辐射热计的填充因子，从而提高了器件的性能；(4)使用该结构，可以在未来设计制作更小像元的微测辐射热计时成比例的缩小像元尺寸，而不会增加工艺的难度。
附图说明
图2为金属反射层形成示意图；
图3为牺牲层和支撑层形成示意图；
图4为金属电极保护层以及接触孔形成示意图；
图5为热敏层和热敏保护层形成示意图；
图6为电极层与金属反射层接触孔形成示意图；
图7为高深宽比电学连接结构形成示意图；
图8为金属电极与高深宽比电学连接结构连接形成示意图；
图1为高填充因子微测辐射热计结构示意图；
图中，1—读出电路；2—金属反射层；3—绝缘介质层；4—牺牲层；5—支撑层；6—金属电极层；7—电极钝化层；8—热敏层；9—热敏钝化层；10—接触孔；11—电学连接金属。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的一种高填充因子的微测辐射热计及制备方法，列举以下实施例，并配合附图详细说明。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而是为了说明本发明技术方案的实质精神。
其具体工艺步骤：
在已加工好的读出电路1为基底的晶圆上制作金属反射层2，薄膜厚度0.05～0.40μm，金属反射层可选用Au、Cu、Al。蚀刻金属反射层2之后在反射层图形上沉积一层厚度0.02～0.30μm氮化硅薄膜作为绝缘介质层3，如图1所示。
进行牺牲层4的制备，牺牲层4可以选用非晶碳、非晶硅、氧化硅或者耐温光刻胶如BCD、PI等，利用等离子增强化学气相沉积厚度为0.01～0.30μm低应力氮化硅薄膜作为支撑层，如图2所示。
利用物理气相沉积金属电极层6，一般使用Ti、TiN、NiCr,薄膜，厚度利用光刻和蚀刻的方法，蚀刻出金属电极层6图形，利用等离子增强化学气相沉积一层厚度低应力氮化硅介质层，使用光刻蚀刻的方法在金属电极层保护层上蚀刻掉部分氮化硅保护层，形成金属电极层6与热敏层8的接触孔。使用SF6、CHF3、O2或CF4、O2气体作为蚀刻气体，金属电极厚度较薄，需要使用终点监测EPD(End Point Detection)进行蚀刻反应结束监控，以免将金属电极全部蚀刻干净，如图3所示。
蚀刻完接触孔后，立即沉积热敏层8，热敏层材料使用氧化钒薄膜，采用离子束沉积(IBD)或物理气相沉积的方法生长，薄膜厚度沉积氧化钒的时候可以先沉积一层V/V2O5/V薄膜，厚度为做为过渡层，氧化钒的蚀刻可以使用离子束刻蚀(IBE)或反应离子刻蚀(RIE)的方法；完成热敏层8蚀刻后，利用等离子增强化学气相沉积厚度为低应力氮化硅薄膜保护层，然后光刻形成钝化层7图形。如图4所示。
使用光刻蚀刻的方法蚀刻掉部分保护层和钝化层7，漏出部分金属电极层6，形成接触孔，如图5所示。
在形成接触孔2的结构上利用光刻蚀刻的方法蚀刻金属电极层6以及支撑层5和牺牲层4，形成直径为0.1～1μm，深度为0.3～2μm垂直孔作为接触孔10，直至露出金属反射层2，去除光刻胶；
再旋涂光刻胶，光刻图形化后露出接触孔10，利用钨柱塞(W-plug)或者物理气相沉积、电化学沉积(ECD)等工艺沉积电学连接金属11，如钨、铜等，如图6所示。
去除光刻胶以及光刻胶上多余的金属；在形成的电学连接金属11上沉积一层氮化硅钝化层，并光刻图形化，如图7所示。
蚀刻各层氮化硅薄膜，为牺牲层4的释放做准备；去除牺牲层4，把完成钝化蚀刻的器件放入去胶机或等离子体刻蚀装置、等离子体灰化装置中，释放牺牲层4，形成最终的微桥结构，如图8所示。
通过实施例中制作的所述微测热辐射计：金属反射层2、绝缘介质层3依次沉积于读出电路1上；牺牲层4沉积于绝缘介质层上3，支撑层5、金属电极层6、电极纯化层7、热敏层8、热敏纯化层9依次沉积于牺牲层4上；金属电极层6与热敏层8之间通过接触孔10连接；金属电极层6与金属反射层2之间加工有垂直孔作为接触孔10，接触孔10内沉积电学连接金属11；上述各层之间采用高深宽比电学连接和机械支撑结构，形成具有高填充因子的微测辐射热计。
以上对本发明进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上的改变不应认为偏离了本发明保护的范围，综上所述，本发明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (14)
1.一种高填充因子的微测辐射热计的制备方法，特征在于包括以下步骤：
步骤1，在微测辐射热计的读出电路(1)上沉积金属反射层(2)并图形化，沉积绝缘介质层(3)；
步骤2，沉积牺牲层(4)和支撑层(5)；牺牲层材料可以选用非晶碳、非晶硅、氧化硅或者耐温光刻胶如BCD、PI等；
步骤3，沉积金属电极层(6)和热敏层(8)并图形化，蚀刻金属电极层(6)与热敏层(8)的接触孔；包括两种方法：方法一，沉积金属电极层(6)并图形化，沉积保护层并图形化，蚀刻金属电极层(6)与热敏层(8)的接触孔，沉积热敏层(8)并图形化，沉积钝化层并图形化；方法二，沉积热敏层(8)并图形化，沉积保护层并图形化，蚀刻金属电极层(6)与热敏层(8)的接触孔，沉积金属电极层(6)并图形化，沉积钝化层(7)并图形化；
步骤4，进行金属电极保护层图形化，蚀刻掉部分保护层和钝化层(7)，漏出部分金属电极层(6)，形成金属电极接触孔；
步骤5，在金属电极接触孔上图形化，蚀刻金属电极层(6)、支撑层(5)和牺牲层(4)，形成高深宽比的垂直孔作为接触孔(10)，直至露出金属反射层(2)，去除光刻胶；再次利用光刻图形化后露出接触孔，沉积电学连接金属(11)；
步骤6，去除光刻胶以及光刻胶上多余的金属；在形成的电学连接金属(11)上沉积一层氮化硅钝化层，并光刻图形化；
步骤7，蚀刻各层氮化硅薄膜，释放牺牲层(4)，形成最终的微桥结构。
2.根据权利要求1所述高填充因子的微测辐射热计的制备方法，其特征在于：步骤1中，金属反射层(2)厚度0.05～0.40μm。
3.根据权利要求1所述高填充因子的微测辐射热计的制备方法，其特征在于：步骤1中，绝缘介质层(3)为氮化硅或者二氧化硅薄膜，厚度0.02～0.30μm。
4.根据权利要求1所述高填充因子的微测辐射热计的制备方法，其特征在于：步骤2中，支撑层(5)为低应力氮化硅薄膜，利用等离子体增强化学气相沉积，厚度0.01～0.30μm。
5.根据权利要求1所述高填充因子的微测辐射热计的制备方法，其特征在于：步骤3中，保护层和钝化层(9)材料均为低应力氮化硅薄膜，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积，保护层厚度钝化层(9)厚度为
6.根据权利要求1所述高填充因子的微测辐射热计的制备方法，其特征在于：步骤3中，金属电极层(6)一般使用Ti、TiN、NiCr薄膜，利用物理气相沉积，厚度
7.根据权利要求1所述高填充因子的微测辐射热计的制备方法，其特征在于：步骤3中，热敏层(8)材料为氧化钒，厚度采用离子束沉积或物理气相沉积；热敏层(8)光刻图形化，使用离子束刻蚀或反应离子刻蚀的方法。
8.根据权利要求1所述高填充因子的微测辐射热计的制备方法，其特征在于：步骤3中，热敏层(8)沉积前可以沉积过渡层，材料V/V2O5/V薄膜，厚度为
9.根据权利要求1所述高填充因子的微测辐射热计的制备方法，其特征在于：步骤3中，金属电极层(6)光刻图形化，使用SF6、CHF3、O2或CF4、O2气体作为蚀刻气体，使用终点监测设备，进行蚀刻反应结束监控。
10.根据权利要求1所述高填充因子的微测辐射热计的制备方法，其特征在于：步骤5中，沉积电学连接金属(11)材料包括钨、铜，采用钨插塞(W-plug)或者物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积等方法。
11.一种高填充因子的微测辐射热计，根据权利要求1所述的高填充因子的微测辐射热计的制备方法形成，所述微测辐射热计包括读出电路及以此形成于读出电路(1)上的金属反射层(2)、绝缘介质层(3)、牺牲层(4)、支撑层(5)、金属电极层(6)、电极钝化层(7)、热敏层(8)、热敏钝化层(9)、接触孔(10)及电学连接金属(11)，其特征在于，所述金属反射层(2)、绝缘介质层(3)依次沉积于读出电路(1)上；牺牲层(4)沉积于绝缘介质层上(3)，支撑层(5)、金属电极层(6)、电极纯化层(7)、热敏层(8)、热敏纯化层(9)依次沉积于牺牲层(4)上；金属电极层(6)与热敏层(8)之间通过接触孔(10)连接；金属电极层(6)与金属反射层(2)之间加工有垂直孔作为接触孔(10)，接触孔(10)内沉积电学连接金属(11)；上述各层之间采用高深宽比电学连接和机械支撑结构，形成具有高填充因子的微测辐射热计。
12.根据权利要求11所述的高填充因子的微测辐射热计，其特征在于：金属电极层(2)材料包括Ti、TiN、NiCr，厚度
13.根据权利要求11所述的高填充因子的微测辐射热计，其特征在于：热敏层(8)材料为氧化钒，厚度
14.根据权利要求11所述的高填充因子的微测辐射热计，其特征在于：金属电极层(6)与金属反射层间(2)的接触孔(10)为垂直孔，直径为0.1～1μm，深度为0.3～2μm，接触孔(10)内沉积钨、铜等电学连接金属(11)。
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