CN106784165A - 一种新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构及其制备方法，在包含读出电路半导体基座上制作金属反射层，在金属反射层上沉积绝缘介质层；在绝缘介质层上依次沉积第一牺牲层、第一支撑层、热敏层和第一保护层，光刻第一支撑层和第一保护层直至接触第一牺牲层，第一保护层上沉积第二牺牲层，并对第一牺牲层和第二牺牲层进行图形化处理，图形化处理后的第一牺牲层和第二牺牲层上形成锚点孔，所述锚点孔为直孔，沉积第二支撑层；在第二支撑层蚀刻通孔；在第二支撑层和第一保护层蚀刻接触孔；接触孔内和第二支撑层上沉积金属电极层和金属坞，在金属电极图形上沉积第二保护层，利用光刻图形化第二保护层和第二支撑层，最后，进行结构释放。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术中的微机电系统工艺制造领域，具体涉及一种新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构及其制备方法。
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、热释电和热电堆探测器等，其中基于微机电系统(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(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非制冷红外探测器。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)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)，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(VOx)、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，利用牺牲层释放工艺形成微桥支撑结构，支撑平台上的热敏材料通过微桥与基底读出电路相连。现在对探测器的分辨率要求越来越高，阵列要求越来越大，如果芯片的尺寸不变，则像元越来越小，对像元的平坦度要求会越来越高；两层微桥结构需要两层牺牲层，两层牺牲层吸收的能量较多，且两层牺牲层对平坦度的要求更高；但是传统双层工艺牺牲层需要蚀刻两次，由于蚀刻过第一层牺牲层的原因，蚀刻完后晶圆表面不平整，影响第二层牺牲层涂覆，导致第二层牺牲层不平整。
随着像元尺寸的逐步缩小，入射到红外像元中的红外辐射能量以平方率的方式缩小。当像元尺寸由25微米下降到17微米时，入射能量降低一倍；当像素降低至12微米时，入射能量仅为25微米的25％。
另外，传统的锚点孔采用斜孔，采用PVD(物理气相沉积)工艺在斜孔内沉积金属电极，有利于电极侧壁填充，但是占用了有效面积，采用直孔工艺，利用CVD(化学气相沉积)沉积钨填充侧壁，然后，利用化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization，CMP)工艺完成钨研磨，可以降低了锚点孔占的面积，提高填充系数。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构及其制备方法，涂覆第二层牺牲层时，第一层还没有进行蚀刻，晶圆表面非常平整，后续两层牺牲层可以连续进行蚀刻，且锚点孔为直孔，减少占用面积。
本发明一种新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构，技术方案如下：一种新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构，包括一包含读出电路的半导体基座和一具有微桥支撑结构的探测器，所述探测器与所述半导体基座的读出电路形成电连接，其特征在于，所述探测器包括金属反射层、绝缘介质层、支撑层、保护层、金属电极层和热敏层，所述金属反射层包括若干个金属块，所述支撑层包括第一支撑层和第二支撑层，所述保护层包括第一保护层和第二保护层；
所述半导体基座的读出电路上依次设置有金属反射层和绝缘介质层；
所述第一支撑层设置在所述绝缘介质层的上方，所述第一支撑层上方依次设置热敏层、第一保护层和第二支撑层；
所述第一保护层和第二支撑层上设有接触孔，所述接触孔的下端终止于所述热敏层，所述接触孔内充满金属电极和金属坞，所述金属坞设置在所述金属电极的上方，所述金属电极与所述热敏层电连接；
所述第二支撑层上设有锚点孔，所述锚点孔包括第一锚点孔和第三锚点孔，所述锚点孔为直孔，且底部设有通孔，所述通孔的下端终止于所述金属块，所述通孔和锚点孔内充满所述金属电极和金属坞，所述金属电极层和金属坞上设有第二保护层。
进一步，所述绝缘介质层为氮化硅薄膜，所述支撑层为氮化硅薄膜，所述保护层为氮化硅薄膜，所述热敏层为氧化钒薄膜或氧化钛薄膜。
本发明中非制冷红外焦平面探测器的有益效果是：采用微桥倒置，微桥下面没有支撑桥墩，结构不容易产生变形，对应力控制容忍度更高，工艺更容易控制；采用了两层微桥结构，第一层为红外辐射吸收结构，第二层为热绝缘微桥结构，有效提升像素的填充系数，并提高入射红外辐射的吸收效率。
本发明中上述探测器像素结构的制备方法的技术方案如下：一种非制冷红外焦平面探测器像素结构制备方法，包括如下步骤：
步骤一：在包含读出电路半导体基座上制作金属反射层；并对金属反射层进行图形化处理，图形化后的金属反射层形成若干个金属块；所述金属块与半导体基座上的读出电路电连接；在完成图形化金属反射层上沉积绝缘介质层；
步骤二：在所述的绝缘介质层上依次沉积第一牺牲层、第一支撑层、热敏层和第一保护层，所述第一支撑层为低应力氮化硅薄膜，所述第一保护层为低应力氮化硅薄膜，所述热敏层为氧化钒或氧化钛薄膜；
步骤三：对第一支撑层和第一保护层进行图形化处理，光刻第一支撑层和第一保护层直至接触第一牺牲层，完成图形化处理后，在暴露的第一牺牲层和图形化处理后第一保护层上沉积第二牺牲层，所述第一牺牲层和第二牺牲层采用聚酰亚胺或非晶碳；
步骤四：对第一牺牲层和第二牺牲层进行图形化处理，形成第一锚点孔、第二锚点孔和第三锚点孔，所述第一锚点孔、第二锚点孔和第三锚点孔均为直孔，并在完成图形化处理后的第一牺牲层和第二牺牲层上沉积第二支撑层，所述第二支撑层是氮化硅薄膜；
步骤五：在沉积完的第二支撑层的半导体基座上通过光刻和蚀刻的方法刻通孔，通孔蚀刻终止于所述金属块；同时光刻或蚀刻第二支撑层和第一保护层以得到接触孔，接触孔蚀刻终止于所述热敏层；
步骤六：在形成的接触孔内和图形化后第二支撑层上沉积金属电极层，在沉积金属电极层之后的通孔和接触孔中，利用化学气相沉积的方法沉积坞，然后，利用化学机械研磨平坦化工艺完成坞研磨；
步骤七：并对金属电极层进行图形化处理，利用光刻或蚀刻的方法得到金属电极图形，在得到的金属电极图形上沉积第二保护层，所述第二保护层为低应力氮化硅薄膜；
步骤八:利用光刻和蚀刻的方法，对第二保护层和第二支撑层进行图形化处理，形成钝化层图形，进行结构释放：去除第一牺牲层和第二牺牲层，形成微桥结构。
本发明中一种新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构制备方法的有益效果是：使用两层牺牲层，吸收的能量更高，且涂覆第二层牺牲层前，第一层牺牲层还没有进行蚀刻，晶圆表面非常平整，后续两层牺牲层可以连续进行蚀刻；另外，锚点孔采用直孔工艺，利用CVD(化学气相沉积)沉积钨填充侧壁，并利用化学机械平坦化(CMP)工艺完成钨研磨，可以降低了锚点孔占的面积，提高填充系数。
进一步，所述金属反射层的厚度为反射层金属对波长为8～14um的红外光的反射率在99％以上。
进一步，所述的绝缘介质层为氮化硅薄膜或者氧化硅薄膜，厚度为
进一步，所述第一牺牲层和第二牺牲层的厚度为1.0～2.5um。
进一步，所述第一支撑层的厚度为
进一步，所述的热敏层的厚度为热敏层方阻为50～5000KΩ，所述热敏层采用氧化钒，所述氧化钒热敏层采用电子束蒸发、激光蒸发、离子束沉积或物理气相沉积的方法沉积，沉积时先沉积一层厚度为的过渡层，所述过渡层采用V/V2O5/V薄膜。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：在沉积热敏层时，即沉积氧化钒薄膜的时候，先沉积一层很薄的V/V2O5/V薄膜，在沉积热敏薄膜氧化钒，经过后续的高温工艺或者退火工艺V/V2O5/V薄膜形成氧化钒薄膜，能够降低器件噪声。
进一步，步骤五中使用SF6、CHF3、O2或CF4、O2作为蚀刻气体，并使用终点监测设备对蚀刻反应进行监控。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：热敏薄膜厚度较薄，需要使用终点监测设备进行蚀刻反应结束监控，以免将热敏薄膜全部蚀刻干净。
进一步，所述第一保护层和第二保护层都是利用化学气相沉积低应力氮化硅形成的。
附图说明
图1为本发明金属反射层和绝缘介质层形成示意图；
图2为本发明第一牺牲层形成示意图；
图3为本发明热敏层形成示意图；
图4为本发明第二牺牲层形成示意图；
图5为本发明第二支撑层图形化后的示意图；
图6为本发明通孔和接触孔形成示意图；
图7为本发明金属电极层形成示意图；
图8为本发明中第二保护层形成示意图；
图9为本发明探测器结构示意图；
在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：1、半导体基座，2、金属反射层，3、金属块，4、绝缘介质层，5、第一牺牲层，6、第一支撑层，7、热敏层，8、第一保护层，9、第二牺牲层，10、第一锚点孔，11、第二锚点孔，12、第三锚点孔，13、第二支撑层，14、接触孔，15、通孔，16、金属电极层，17、金属坞，18、第二保护层。
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。
本发明提出了一种非制冷红外焦平面探测器像素结构，包括一包含读出电路的半导体基座1和一具有微桥支撑结构的探测器，所述探测器与所述半导体基座1的读出电路形成电连接，所述探测器包括金属反射层2、绝缘介质层4、支撑层、保护层、金属电极层16和热敏层7，所述金属反射层2包括若干个金属块3，所述支撑层包括第一支撑层6和第二支撑层13，所述保护层包括第一保护层8和第二保护层18；
所述半导体基座1的读出电路上依次设置有金属反射层2和绝缘介质层4；
所述第一支撑层6设置在所述绝缘介质层4的上方，所述第一支撑层6上方依次设置热敏层7、第一保护层8和第二支撑层9；
所述第一保护层8和第二支撑层13上设有接触孔，所述接触孔14的下端终止于所述热敏层7，所述接触孔14内充满金属电极和金属坞17，所述金属坞17设置在所述金属电极的上方，所述金属电极与所述热敏层7电连接；
所述第二支撑层13上设有锚点孔，所述锚点孔包括第一锚点孔10和第三锚点孔12，所述锚点孔为直孔，且底部设有通孔15，所述通孔15的下端终止于所述金属块3，所述通孔15和锚点孔内充满所述金属电极和金属坞17，所述金属电极层和金属坞17上设有第二保护层18。
所述绝缘介质层4为氮化硅薄膜，所述支撑层为氮化硅薄膜，所述保护层为氮化硅薄膜，所述热敏层7为氧化钒薄膜或氧化钛薄膜。
本发明还涉及一种制备上述新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在包含读出电路半导体基座1上制作金属反射层2；并对金属反射层2进行图形化处理，图形化后的金属反射层2形成若干个金属块3；所述金属块3与半导体基座1上的读出电路电连接；在完成图形化金属反射层2上沉积绝缘介质层4；所述金属反射层2的厚度为反射层金属对波长为8～14um的红外光的反射率在99％以上。
步骤二：在所述的绝缘介质层4上依次沉积第一牺牲层5、第一支撑层6、热敏层7和第一保护层8，所述第一支撑层6为低应力氮化硅薄膜，所述第一保护层8为低应力氮化硅薄膜，所述热敏层7为氧化钒或氧化钛薄膜；所述第一支撑层6的厚度为所述的热敏层7的厚度为 热敏层7方阻为50～5000KΩ，所述热敏层7采用氧化钒，所述氧化钒热敏层采用电子束蒸发、激光蒸发、离子束沉积或物理气相沉积的方法沉积，沉积时，先沉积一层厚度为的过渡层，所述过渡层采用V/V2O5/V薄膜。
步骤三：对第一支撑层6和第一保护层8进行图形化处理，光刻第一支撑层6和第一保护层8直至接触第一牺牲层5，完成图形化处理后，在暴露的第一牺牲层5和图形化处理后第一保护层8上沉积第二牺牲层9，所述第一牺牲层5和第二牺牲层采9用聚酰亚胺或非晶碳；所述第一牺牲层5和第二牺牲层9的厚度为1.0～2.5um。
步骤四：对第一牺牲层5和第二牺牲层9进行图形化处理，形成第一锚点孔10、第二锚点孔11和第三锚点孔12，所述第一锚点孔10、第二锚点孔11和第三锚点孔12均为直孔，并在完成图形化处理后的第一牺牲层5和第二牺牲层9上沉积第二支撑层13，所述第二支撑层13是氮化硅薄膜；
步骤五：在沉积完的第二支撑层13的半导体基座上通过光刻和蚀刻的方法刻通孔15，通孔15蚀刻终止于所述金属块3；同时光刻或蚀刻第二支撑层13和第一保护层8以得到接触孔14，接触孔14蚀刻终止于所述热敏层7；
步骤六：在形成的接触孔14内和图形化后第二支撑层13上沉积金属电极层16，在沉积金属电极层16之后的通孔15和接触孔14中，利用化学气相沉积的方法沉积坞17，然后，利用化学机械平坦化工艺完成坞17研磨；
步骤七：并对金属电极层16进行图形化处理，利用光刻或蚀刻的方法得到金属电极图形，在得到的金属电极图形上沉积第二保护层18，所述第二保护层18为低应力氮化硅薄膜；
步骤八:利用光刻和蚀刻的方法，对第二保护层18和第二支撑层13进行图形化处理，形成钝化层图形，进行结构释放：去除第一牺牲层5和第二牺牲层9，形成微桥结构。
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 (10)
1.一种新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构，包括一包含读出电路的半导体基座和一具有微桥支撑结构的探测器，所述探测器与所述半导体基座的读出电路形成电连接，其特征在于，所述探测器包括金属反射层、绝缘介质层、支撑层、保护层、金属电极层和热敏层，所述金属反射层包括若干个金属块，所述支撑层包括第一支撑层和第二支撑层，所述保护层包括第一保护层和第二保护层；
所述半导体基座的读出电路上依次设置有金属反射层和绝缘介质层；
所述第一支撑层设置在所述绝缘介质层的上方，所述第一支撑层上方依次设置热敏层、第一保护层和第二支撑层；
所述第一保护层和第二支撑层上设有接触孔，所述接触孔的下端终止于所述热敏层，所述接触孔内充满金属电极和金属坞，所述金属坞设置在所述金属电极的上方，所述金属电极与所述热敏层电连接；
所述第二支撑层上设有锚点孔，所述锚点孔包括第一锚点孔和第三锚点孔，所述锚点孔为直孔，且底部设有通孔，所述通孔的下端终止于所述金属块，所述通孔和锚点孔内充满所述金属电极和金属坞，所述金属电极层和金属坞上设有第二保护层。
2.根据权利要求1所述的新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构，其特征在于，所述绝缘介质层为氮化硅薄膜，所述支撑层为氮化硅薄膜，所述保护层为氮化硅薄膜，所述热敏层为氧化钒薄膜或氧化钛薄膜。
3.如权利要求1或2所述的一种新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在包含读出电路半导体基座上制作金属反射层；并对金属反射层进行图形化处理，图形化后的金属反射层形成若干个金属块；所述金属块与半导体基座上的读出电路电连接；在完成图形化金属反射层上沉积绝缘介质层；
步骤二：在所述的绝缘介质层上依次沉积第一牺牲层、第一支撑层、热敏层和第一保护层，所述第一支撑层为低应力氮化硅薄膜，所述第一保护层为低应力氮化硅薄膜，所述热敏层为氧化钒或氧化钛薄膜；
步骤三：对第一支撑层和第一保护层进行图形化处理，光刻第一支撑层和第一保护层直至接触第一牺牲层，完成图形化处理后，在暴露的第一牺牲层和图形化处理后第一保护层上沉积第二牺牲层，所述第一牺牲层和第二牺牲层采用聚酰亚胺或非晶碳；
步骤四：对第一牺牲层和第二牺牲层进行图形化处理，形成第一锚点孔、第二锚点孔和第三锚点孔，所述第一锚点孔、第二锚点孔和第三锚点孔均为直孔，并在完成图形化处理后的第一牺牲层和第二牺牲层上沉积第二支撑层，所述第二支撑层是氮化硅薄膜；
步骤五：在沉积完的第二支撑层的半导体基座上通过光刻和蚀刻的方法刻通孔，通孔蚀刻终止于所述金属块；同时光刻或蚀刻第二支撑层和第一保护层以得到接触孔，接触孔蚀刻终止于所述热敏层；
步骤六：在形成的接触孔内和图形化后第二支撑层上沉积金属电极层，在沉积金属电极层之后的通孔和接触孔中，利用化学气相沉积的方法沉积坞，然后，利用化学机械平坦化工艺完成坞研磨；
步骤七：并对金属电极层进行图形化处理，利用光刻或蚀刻的方法得到金属电极图形，在得到的金属电极图形上沉积第二保护层，所述第二保护层为低应力氮化硅薄膜；
步骤八:利用光刻和蚀刻的方法，对第二保护层和第二支撑层进行图形化处理，形成钝化层图形，进行结构释放：去除第一牺牲层和第二牺牲层，形成微桥结构。
4.根据权利要求3所述的新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构的制备方法，其特征在于，所述金属反射层的厚度为反射层金属对波长为8～14um的红外光的反射率在99％以上。
5.根据权利要求3所述的新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构的制备方法，其特征在于，所述的绝缘介质层为氮化硅薄膜或者氧化硅薄膜，厚度为
6.根据权利要求3所述的新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构的制备方法，其特征在于，所述第一牺牲层和第二牺牲层的厚度为1.0～2.5um。
7.根据权利要求3所述的新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构的制备方法，其特征在于，所述第一支撑层的厚度为
8.根据权利要求3所述的新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构的制备方法，其特征在于，所述的热敏层的厚度为热敏层方阻为50～5000KΩ，所述热敏层采用氧化钒，所述氧化钒热敏层采用电子束蒸发、激光蒸发、离子束沉积或物理气相沉积的方法沉积，沉积时先沉积一层厚度为的过渡层，所述过渡层采用V/V2O5/V薄膜。
9.根据权利要求3所述的新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构的制备方法，其特征在于，步骤五中使用SF6、CHF3、O2或CF4、O2作为蚀刻气体，并使用终点监测设备对蚀刻反应进行监控。
10.根据权利要求3所述的新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构的制备方法，其特征在于，所述第一保护层和第二保护层都是利用化学气相沉积低应力氮化硅形成的。
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Denomination of invention: A novel pixel structure and preparation method of a double-layer uncooled infrared focal plane detector Effective date of registration: 20230113 Granted publication date: 20180302 Pledgee: Yantai Branch of China Merchants Bank Co.,Ltd. Pledgor: YANTAI RAYTRON TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023980031039 |
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