CN107253696B - 一种微测辐射热计的像元结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微测辐射热计的像元结构及其制备方法，所述参考像元的尺寸是所述有效像元尺寸的1.5～3倍，所述参考像元与所述有效像元的高度一致；在进行牺牲层的结构释放时，直接将像元结构放到去胶机中，由于参考像元的尺寸大，当有效像元的牺牲层释放完全时，参考像元的牺牲层还有部分未释放，不需要对参考像元与有效像元隔离开，能够简化工艺；另外，牺牲层采用非晶碳，能够保证参考像元与制作有效像元的工艺兼容，且能够增加参考像元结构的热导。

Description

一种微测辐射热计的像元结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种微测辐射热计的像元结构及其制备方法，属于微机电制作工艺领域。
背景技术
微测辐射热计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。
有效像元指本领域技术人员认为的微测辐射热计，参考像元是用来与检测环境信号，与有效像元的检测信号形成差分。有效像元和参考像元的层结构一致，但是传统参考像元的牺牲层不进行释放，以保证参考像元对红外辐射不敏感，而有效像元的牺牲层需进行完全释放，也就是说有效像元与传统参考像元的层结构的不同之处仅在于：有效像元没有牺牲层，而传统参考像元牺牲层一点也不释放。
基于微测辐射热计的探测器应用范围广泛，所以抗环境干扰是检验其性能的一项重要指标。为了使探测器在环境温度波动时能够提供良好的成像效果，就要求参考像元的输出信号受环境影响小，也就是对红外辐射不敏感。DRS公司(美国专利：US6507021有效像元半导体基座1)制作的参考像元使用聚酰亚胺作为牺牲层，在其上制作电学转化以及红外吸收结构，该结构可以提供参考作用，但是该结构在释放过程中需要将参考像元与有效像元隔离开进行释放，该方法不仅增加了工艺步骤，而且增加了工艺的难度。L-3公司(美国专利：US 7375331有效像元半导体基座2)申请的专利是在active像元上覆盖一层遮挡层作为参考像元，该结构可以有效的减小红外辐射的影响，但是制作工艺复杂。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供一种制作工艺简单、热导性好的微测辐射热计的像元结构。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种微测辐射热计的像元结构，所述像元结构包括若干个呈矩阵排列的有效像元和若干个呈矩阵排列的参考像元，所述参考像元的尺寸是与其相对应的有效像元尺寸的1.5～3倍，所述参考像元与所述有效像元的高度一致；
所述参考像元包括参考像元半导体基座和与所述参考像元半导体基座电连接的参考像元本体，所述参考像元本体包括金属反射层、绝缘介质层、牺牲层、支撑层、电极层、保护层和热敏层，所述保护层包括第一保护层和第二保护层，所述牺牲层采用非晶碳；
所述参考像元半导体基座上设有金属反射层和绝缘介质层，所述金属反射层包括若干个金属块；所述绝缘介质层和支撑层之间形成谐振腔，所述谐振腔内设有所述牺牲层，所述牺牲层的厚度与所述谐振腔的高度一致，所述牺牲层的体积占所述谐振腔的1/3～1/2；
所述支撑层上设有锚点孔和通孔，所述通孔终止于所述金属块，在所述支撑层上依次设有电极层或热敏层、第一保护层、热敏层或电极层和第二保护层，所述电极层或热敏层上设有第一保护层，所述第一保护层上设有接触孔，所述接触孔下端终止于所述电极层或热敏层，所述第一保护层上和接触孔内设有热敏层或电极层，所述电极层包括设置在桥腿区域的电极连线和设置在桥面区域的电极块，所述热敏层与所述电极块连接，所述热敏层或电极层上设有第二保护层。
进一步，所述绝缘介质层为氮化硅或二氧化硅，其厚度为0.02～0.30μm。
进一步，所述支撑层为氮化硅薄膜，其厚度为0.10～0.30μm。
进一步，所述电极层为V、Ti,NiCr,TiN薄膜，厚度为
进一步，所述保护层为氮化硅或二氧化硅薄膜，厚度为
进一步，所述热敏层为氧化钛、氧化钒、氧化铜、氧化锰、氧化铌、氧化坞、氧化钼、氧化钴、氧化钡钛或多晶硅。
本发明微测辐射热计的像元结构的有益效果是：牺牲层使用非晶碳，能够保证参考像元与制作有效像元的工艺兼容；参考像元的牺牲层部分未释放，能够增加参考像元结构的热导，有效的减小了环境温度变化对探测器性能的影响；由于参考像元的尺寸大，当有效像元的牺牲层释放完全时，参考像元的牺牲层还有部分未释放，在对有效像元进行牺牲层释放时，不需要将参考像元与有效像元隔离开，不需要将参考像元制备区覆盖，制作工艺简单。
本发明还涉及上述微测辐射热计的像元结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：提供一个包含读出电路的半导体晶圆，所述晶圆上包括有效像元制备区和参考像元制备区，所述有效像元制备区包括若干个呈矩阵排列的有效像元半导体基座，所述参考像元制备区包含若干个呈矩阵排列的参考像元半导体基座，所述参考像元半导体基座的尺寸是所述有效像元半导体基座的1.5～3倍；
步骤2：在有效像元制备区和参考像元制备区分别制作有效像元层结构和参考像元层结构；
步骤3：将整个晶圆放到去胶机、离子刻蚀机或等离子灰化设备中，进行牺牲层释放，当有效像元制备区的牺牲层完全释放时，停止牺牲层的释放，此时参考像元的牺牲层仅释放了1/2～2/3，所述参考像元的牺牲层为非晶碳。
进一步，步骤2中参考像元层结构的制备步骤如下：
(1)在所述参考像元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形成若干个金属块；在图形化后的金属反射层上沉积绝缘介质层；
(2)在所述的绝缘介质层上依次沉积牺牲层和支撑层，对所述牺牲层进行图形化处理，并形成锚点孔，所述牺牲层为非晶碳；
(3)制备通孔，在所述锚点孔的底部采用光刻或蚀刻制备通孔，所述通孔的蚀刻终止于所述金属块；
(4)在所述支撑层上和所述通孔内沉积电极层或热敏层；
(5)在所述电极层或热敏层上沉积第一保护层，利用光刻或蚀刻在所述第一保护层上制备接触孔，所述接触孔的蚀刻终止于所述电极层或热敏层；
(6)在所述第一保护层上和所述接触孔内沉积热敏层或电极层；
(7)在所述热敏层或电极层上制备第二保护层。
进一步，制备参考像元的制备步骤(5)中使用光刻蚀刻的方法制备接触孔时，使用SF6、CHF3、O2或CF4、O2等气体作为蚀刻气体，使用终点监测设备对蚀刻反应结束进行监控。
进一步，制备参考像元的制备步骤(3)中的通孔个数为偶数，所述通孔的直径为0.5～2μm。
进一步，所述电极层采用物理气相沉积的方法制备，所述热敏层采用物理气相沉积或化学气相沉积的方法制备。
本发明中微测辐射热计的像元结构的制备方法的有益效果：增大参考像元的尺寸，且牺牲层使用非晶碳，能够保证参考像元与制作有效像元的工艺兼容，而且参考像元牺牲层的释放不受有效像元释放的影响，从而简化了工艺步骤，节省了工艺成本。由于参考像元的尺寸大，所以当有效像元牺牲层释放完全时，参考像元的牺牲层还有部分未释放，从而能够增加参考像元结构的热导，有效的减小了环境温度变化对探测器性能的影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中参考像元的金属反射层及绝缘介质层的形成示意图；
图3为本发明中参考像元的牺牲层及支撑层形成示意图；
图4为本发明中实施例一中参考像元的电极层、第一保护层、热敏层及第二保护层形成示意图；
图5为本发明中实施例一的参考像元结构示意图；
图6为本发明中实施例一的有效像元结构示意图；
图7为本发明中实施例二中参考像元的电极层、第一保护层、热敏层、第二保护层的形成示意图；
图8为本发明中实施例二的有效像元的结构示意图；
图9为本发明中实施例二的参考像元的结构示意图；
在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：1、参考像元半导体基座，2、金属反射层，2-1、金属块，3、绝缘介质层，4、牺牲层，5、支撑层，6、电极层，6-1、电极连线，6-2、电极块，7、第一保护层，8、热敏层，9、第二保护层，10、谐振腔，11、有效像元，12、参考像元，13、有效像元半导体基座。
具体实施方式
以下结合附图对本发明中一种微测辐射热计的像元结构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。
一种微测辐射热计的像元结构，如图1所示，所述像元结构包括若干个呈矩阵排列的有效像元11和若干个呈矩阵排列的参考像元12，所述参考像元12的尺寸是与其相对应的有效像元11尺寸的1.5～3倍，所述参考像元与12所述有效像元11的高度一致。
下面给出两个关于微测辐射热计的参考像元结构的实施例：
实施例一
如图5所示，所述参考像元包括参考像元半导体基座1和与所述参考像元半导体基座1电连接的参考像元本体，所述参考像元本体包括金属反射层2、绝缘介质层3、牺牲层4、支撑层5、电极层6、保护层和热敏层8，所述保护层包括第一保护层7和第二保护层9，所述保护层为氮化硅或二氧化硅薄膜，厚度为所述牺牲层4采用非晶碳；
所述参考像元半导体基座1上设有金属反射层2和绝缘介质层3，所述金属反射层2包括若干个金属块2-1；所述绝缘介质层3和支撑层5之间形成谐振腔10，所述绝缘介质层3为氮化硅或二氧化硅，其厚度为0.02～0.30μm，所述谐振腔10内设有所述牺牲层4，所述牺牲层4的厚度与所述谐振腔10的高度一致，所述牺牲层4的体积占所述谐振腔10的1/3至1/2；
所述支撑层5上设有锚点孔和通孔，所述支撑层5为氮化硅薄膜，其厚度为0.10～0.30μm，所述通孔终止于所述金属块2-1，在所述支撑层5上依次设有电极层6、第一保护层7、热敏层8和第二保护层9，所述电极层6上设有第一保护层7，所述电极层6为V、Ti,NiCr,TiN薄膜，厚度为 所述第一保护层7上设有接触孔，所述接触孔下端终止于所述电极层6，所述第一保护层7上和接触孔内设有热敏层8，所述电极层6包括设置在桥腿区域的电极连线6-1和设置在桥面区域的电极块6-2，所述热敏层8与所述电极块6-1连接，所述热敏层8上设有第二保护层9，所述热敏层8为氧化钛、氧化钒、氧化铜、氧化锰、氧化铌、氧化坞、氧化钼、氧化钴、氧化钡钛或多晶硅。该实施例中热敏层8在电极层6的上方，通过接触孔与电极层6连接。
实施例二
与实施例一不同的是：如图9所示，在所述支撑层5上依次设有热敏层8、第一保护层7、电极层6和第二保护层9，所述电极层6包括设置在桥腿区域的电极连线6-1和设置在桥面区域的电极块6-2，所述电极层6上设有第一保护层7，所述第一保护层7上设有接触孔，所述接触孔下端终止于所述热敏层8，所述第一保护层7上和接触孔内设有电极块6-2，所述热敏层8与所述电极块6-2连接，所述电极层6上设有第二保护层9。该实施例中电极层6在热敏层8的上方，通过接触孔与热敏层8连接。
本发明还涉及上述微测辐射热计的像元结构的制备方法，包括以下步骤：
实施例一
步骤1：提供一个包含读出电路的半导体晶圆，所述晶圆上包括有效像元制备区和参考像元制备区，所述有效像元制备区包括若干个呈矩阵排列的有效像元半导体基座13，所述参考像元制备区包含若干个呈矩阵排列的参考像元半导体基座1，所述参考像元半导体基座1的尺寸是所述有效像元半导体基座13的1.5～3倍；
步骤2：在有效像元制备区和参考像元制备区分别制作有效像元层结构和参考像元层结构，具体步骤如下；
(1)在所述参考像元半导体基座1上制作金属反射层2；并对金属反射层2进行图形化处理形成若干个金属块2-1；在图形化后的金属反射层2上沉积绝缘介质层3，如图2所示；
(2)在所述的绝缘介质层3上依次沉积牺牲层4和支撑层5，对所述牺牲层4进行图形化处理，并形成锚点孔11，所述牺牲层4为非晶碳，如图3所示；
(3)制备通孔，在所述锚点孔11的底部采用光刻或蚀刻制备通孔，所述通孔的蚀刻终止于所述金属块2-1，通孔个数为偶数，所述通孔的直径为0.5～2μm；
(4)在所述支撑层5上和所述通孔内采用物理气相沉积的方法制备电极层6；
(5)在所述电极层6上沉积第一保护层7，利用光刻或蚀刻在所述第一保护层7上制备接触孔，所述接触孔的蚀刻终止于所述电极层6，使用光刻蚀刻的方法制备接触孔时，使用SF6、CHF3、O2或CF4、O2等气体作为蚀刻气体，使用终点监测设备对蚀刻反应结束进行监控；
(6)在所述第一保护层7上和所述接触孔内采用物理气相沉积或化学气相沉积的方法制备热敏层8；
(7)在所述热敏层8上制备第二保护层9，如图4所示。
该实施例热敏层8在电极层6上方，先沉积电极层6，后沉积热敏层8。
步骤3：将整个晶圆放到去胶机、离子刻蚀机或等离子灰化设备中，进行牺牲层4释放，当有效像元制备区的牺牲层4完全释放时，停止牺牲层4的释放，此时参考像元的牺牲层4仅释放了1/2～2/3，所述参考像元的牺牲层4为非晶碳，牺牲层释放后，形成的参考像元的结构示意图如图5所示，有效像元的结构示意图如图6所示。
实施例二
与实施例一不同的是：在支撑层5上先制备热敏层8，然后在热敏层8上沉积第一保护层7，在所述第一保护层7上开设接触孔，在第一保护层7上和接触孔内制备电极层6，在电极层6上制备第二保护层9，如图7所示；该实施例电极层6在热敏层8上方，先沉积热敏层8，后沉积电极层6，进行牺牲层释放后，形成的参考像元的结构示意图如图9所示，形成的有效像元的结构示意图如图8所示。
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)

1.一种微测辐射热计的像元结构，其特征在于，所述像元结构包括若干个呈矩阵排列的有效像元和若干个呈矩阵排列的参考像元，所述参考像元的尺寸是所述有效像元尺寸的1.5～3倍，所述参考像元与所述有效像元的高度一致；
所述参考像元包括参考像元半导体基座和与所述参考像元半导体基座电连接的参考像元本体，所述参考像元本体包括金属反射层、绝缘介质层、牺牲层、支撑层、电极层、保护层和热敏层，所述保护层包括第一保护层和第二保护层，所述牺牲层采用非晶碳；
所述参考像元半导体基座上设有金属反射层和绝缘介质层，所述金属反射层包括若干个金属块；所述绝缘介质层和支撑层之间形成谐振腔，所述谐振腔内设有所述牺牲层，所述牺牲层的厚度与所述谐振腔的高度一致，所述牺牲层的体积占所述谐振腔的1/3～1/2；
所述支撑层上设有锚点孔和通孔，所述通孔终止于所述金属块，在所述支撑层上依次设有电极层、第一保护层、热敏层和第二保护层，所述电极层上设有第一保护层，所述第一保护层上设有接触孔，所述接触孔下端终止于所述电极层，所述第一保护层上和接触孔内设有热敏层，所述电极层包括设置在桥腿区域的电极连线和设置在桥面区域的电极块，所述热敏层与所述电极块连接，所述热敏层上设有第二保护层；
或者在所述支撑层上依次设有热敏层、第一保护层、电极层和第二保护层，所述热敏层上设有第一保护层，所述第一保护层上设有接触孔，所述接触孔下端终止于所述电极层，所述第一保护层上和接触孔内设有电极层，所述电极层包括设置在桥腿区域的电极连线和设置在桥面区域的电极块，所述热敏层与所述电极块连接，所述电极层上设有第二保护层。
2.根据权利要求1所述的微测辐射热计的像元结构，其特征在于，所述绝缘介质层为氮化硅或二氧化硅，其厚度为0.02～0.30μm。
3.根据权利要求1所述的微测辐射热计的像元结构，其特征在于，所述支撑层为氮化硅薄膜，其厚度为0.10～0.30μm。
4.根据权利要求1所述的微测辐射热计的像元结构，其特征在于，所述电极层为V、Ti,NiCr,TiN薄膜，厚度为
5.根据权利要求1所述的微测辐射热计的像元结构，其特征在于，所述保护层为氮化硅或二氧化硅薄膜，厚度为
6.根据权利要求1所述的微测辐射热计的像元结构，其特征在于，所述热敏层为氧化钛、氧化钒、氧化铜、氧化锰、氧化铌、氧化坞、氧化钼、氧化钴、氧化钡钛或多晶硅。
7.一种微测辐射热计的像元结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：提供一个包含读出电路的半导体晶圆，所述晶圆上包括有效像元制备区和参考像元制备区，所述有效像元制备区包括若干个呈矩阵排列的有效像元半导体基座，所述参考像元制备区包含若干个呈矩阵排列的参考像元半导体基座，所述参考像元半导体基座的尺寸是所述有效像元半导体基座的1.5～3倍；
步骤2：在有效像元制备区和参考像元制备区分别制作有效像元层结构和参考像元层结构；
步骤3：将整个晶圆放到去胶机、离子刻蚀机或等离子灰化设备中，进行牺牲层释放，当有效像元制备区的牺牲层完全释放时，停止牺牲层的释放，此时参考像元的牺牲层仅释放了1/2～2/3，所述参考像元的牺牲层为非晶碳。
8.根据权利要求7所述的微测辐射热计的像元结构的制备方法，其特征在于，步骤2中参考像元层结构的制备步骤如下：
(1)在所述参考像元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形成若干个金属块；在图形化后的金属反射层上沉积绝缘介质层；
(2)在所述的绝缘介质层上依次沉积牺牲层和支撑层，对所述牺牲层进行图形化处理，并形成锚点孔，所述牺牲层为非晶碳；
(3)制备通孔，在所述锚点孔的底部采用光刻或蚀刻制备通孔，所述通孔的蚀刻终止于所述金属块；
(4)在所述支撑层上和所述通孔内沉积电极层或热敏层；
(5)在所述电极层或热敏层上沉积第一保护层，利用光刻或蚀刻在所述第一保护层上制备接触孔，所述接触孔的蚀刻终止于所述电极层或热敏层；
(6)在所述第一保护层上和所述接触孔内沉积热敏层或电极层，当支撑层上为电极层时，所述接触孔内沉积热敏层，当支撑层上为热敏层时，所述接触孔内沉积电极层；
(7)在所述热敏层或电极层上制备第二保护层。
9.根据权利要求8所述的微测辐射热计的像元结构的制备方法，其特征在于，制备参考像元层结构的制备步骤(5)中使用光刻蚀刻的方法制备接触孔时，使用SF6、CHF3、O2或CF4、O2等气体作为蚀刻气体，使用终点监测设备对蚀刻反应结束进行监控。
10.根据权利要求8所述的微测辐射热计的像元结构的制备方法，其特征在于，制备参考像元的制备步骤(3)中的通孔个数为偶数，所述通孔的直径为0.5～2μm。
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