CN107331674B - 一种红外图像传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外图像传感器的制作方法，包括以下步骤：在衬底Ⅰ中进行金属布线，形成金属互连层，在金属互连层上方依次沉积反射层和牺牲层Ⅰ；在衬底Ⅱ上依次沉积热氧化层、敏感层和牺牲层Ⅱ，其中，敏感层采用离子注入工艺形成；将牺牲层Ⅰ和牺牲层Ⅱ键合在一起形成牺牲层，并去除衬底Ⅱ；刻蚀衬底Ⅰ中金属互连层上方的牺牲层、敏感层和热氧化层，并沉积金属层形成PAD和传感器单元；刻蚀掉PAD和传感器单元以外的热氧化层、敏感层和牺牲层，形成一种红外图像传感器。本发明提供的一种红外图像传感器的制作方法，能够提高红外图像传感器的生产效率，同时提升红外图像传感器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，具体涉及一种红外图像传感器及其制作方法。
背景技术
图像传感器包括互补金属氧化物半导体(CMOS)红外图像传感器和电荷耦合器件(CCD)传感器，它们广泛用于各种应用中，诸如数字静物摄影机(DSC)、手机摄像头、数字视频(DV)和数字视频录像机(DVR)等领域中。这些图像传感器吸收光并且将感测的光转换为数字数据或电信号。
任何有温度的物体都会发射出红外光，这一特点使得红外图像传感器的使用范围大大扩大。红外图像传感器可以广泛应用于救援活动以及军事装置的检测中。比如活动在地面、水中和空中的军事装置，如坦克、车辆、军舰、飞机等，由于有高温部位，往往形成强的红外辐射源。
现有的红外图像传感器的制作方法为在硅衬底上进行金属布线，然后根据使用需求，在硅衬底上沉积反射层、牺牲层、敏感层和热氧化层等等，最终通过刻蚀掉牺牲层以及其他不需要的沉积层最终得到红外图像传感器的结构。这种制造方法的缺陷为：(1)工艺繁琐，制作时间较长，因为在硅衬底上的每一层沉积以及每一沉积层对应的刻蚀都需要单独花费时间和精力，而且每一沉积层的沉积顺序、沉积厚度、刻蚀顺序等都有严格的规定，这就导致工艺时间较长，制作工艺效率低下。(2)在制作红外图像传感器的工艺中，有的沉积层需要进行特殊处理，比如敏感层需要进行高温退火处理，或者有的沉积层需要经过外延生长等特殊方式形成，而在进行这些特殊工艺的时候，难免影响到衬底中的金属布线以及其他相对比较脆弱的部分，从而影响红外图像传感器的整体性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种红外图像传感器的制作方法，能够提高红外图像传感器的生产效率，同时提升红外图像传感器的性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种红外图像传感器的制作方法，包括以下步骤：
S01：在衬底Ⅰ中进行金属布线，形成金属互连层，在金属互连层上方依次沉积反射层和牺牲层Ⅰ；
S02：在衬底Ⅱ上依次沉积热氧化层、敏感层和牺牲层Ⅱ；
S03：将衬底Ⅰ上的牺牲层Ⅰ和衬底Ⅱ上的牺牲层Ⅱ键合在一起形成牺牲层，并去除衬底Ⅱ；
S04：刻蚀衬底Ⅰ中金属互连层上方的牺牲层、敏感层和热氧化层，形成贯穿热氧化层、敏感层和牺牲层的凹槽，在凹槽以及凹槽开口的两端沉积金属层形成金属凹槽，单个金属凹槽、位于金属凹槽开口两端下方的热氧化层以及位于金属凹槽下方的反射层形成PAD，两个金属凹槽、位于两个金属凹槽开口两端下方的热氧化层、位于两个金属凹槽中间的敏感层以及位于两个金属凹槽下方的反射层形成传感器单元。
S05：刻蚀掉PAD和传感器单元以外的热氧化层、敏感层和牺牲层，形成红外图像传感器。
进一步地，所述步骤S01中沉积反射层的具体步骤为：
S0101：沉积金属作为反射层；
S0102：采用光刻胶掩模刻蚀的方式刻蚀掉PAD和传感器单元之外的反射层。
进一步地，所述反射层为铝反射层。
进一步地，所述步骤S02中沉积牺牲层Ⅱ的具体步骤为：
S0201：在敏感层上方沉积牺牲层Ⅱ；
S0202：在牺牲层Ⅱ中形成支撑层，用于支撑敏感层。
进一步地，所述牺牲层Ⅰ和牺牲层Ⅱ均为聚酰亚胺薄膜。
进一步地，所述敏感层为高温处理的氧化钒。
进一步地，所述敏感层为采用离子注入工艺形成的非晶硅层或非晶锗化硅层或氧化钒层。
进一步地，所述步骤S04中沉积金属层的具体步骤为：
S0401：在PAD和传感器单元中的凹槽中沉积金属层Ⅰ，并对金属层Ⅰ进行图形化；
S0402：在PAD所在的凹槽中沉积金属层Ⅱ，并对金属层Ⅱ图形化。
进一步地，所述金属层Ⅰ为钛和/或氮化钛，所述金属层Ⅱ为铝金属层。
进一步地，所述热氧化层为氧化硅层。
本发明提供的一种红外图像传感器，包括衬底、金属互连层、PAD和传感器单元，所述衬底中进行金属布线，形成金属互连层，所述PAD和传感器单元均位于金属互连层的上方；所述PAD包括单个金属凹槽、位于金属凹槽开口两端下方的热氧化层以及位于金属凹槽下方的反射层，所述传感器单元包括两个金属凹槽、位于两个金属凹槽开口两端下方的热氧化层、位于两个金属凹槽中间的敏感层以及位于两个金属凹槽下方的反射层。
本发明的有益效果为：本发明提供的红外图像传感器的制作方法，将工艺条件相差较大的两个部分分别放置在两个衬底中进行完成，避免了红外图像传感器中不同单元之间制作过程的相互影响，同时也能节省整个制作过程的工艺时间，提高了制作效率。采用聚酰亚胺薄膜将分开制作的两个衬底键合起来，利用有机薄膜的化学性质实现两种部件的无缝键合，大大提高了红外图像传感器制作工艺的便捷性。
附图说明
图1-5为实施例1中一种红外图像传感器的制作过程。
图中：11硅基衬底Ⅰ，12硅基衬底Ⅱ，2铜互连层，3铝反射层，4聚酰亚胺薄膜，41聚酰亚胺薄膜Ⅰ，42聚酰亚胺薄膜Ⅱ，421支撑层，5氧化钒薄膜，6氧化硅层，7金属层，91PAD，92传感器单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明提供的一种红外图像传感器的制作方法包括以下步骤：
S01：在衬底Ⅰ中进行金属布线，形成金属互连层，在金属互连层上方依次沉积反射层和牺牲层Ⅰ。其中衬底Ⅰ为硅基衬底，金属互连层为铜互连层，用于将红外图像传感器中的信号传导出来。牺牲层Ⅰ为聚酰亚胺薄膜。沉积反射层的具体制备步骤为：
S0101：沉积金属作为反射层；
S0102：采用光刻胶掩模刻蚀的方式刻蚀掉PAD和传感器单元之外的反射层。
反射层可以为铝反射层。
S02：在衬底Ⅱ上依次沉积热氧化层、敏感层和牺牲层Ⅱ；其中，衬底Ⅱ为硅基衬底，热氧化层为氧化硅层，敏感层可以选用高温处理的氧化钒、采用氧离子注入方式形成的氧化钒、外延生长之后通过离子注入方式形成的非晶硅层或非晶锗化硅层。牺牲层Ⅱ为聚酰亚胺薄膜，具体沉积步骤为：
S0201：在敏感层上沉积牺牲层Ⅱ；
S0202：在牺牲层Ⅱ中形成支撑层，用于支撑敏感层。
由于敏感层的厚度较薄，在后续的制作生产过程中会出现弯曲的情形，为了保证敏感层的位置不发生错位，在牺牲层Ⅱ中设置支撑层。
S03：将衬底Ⅰ上的牺牲层Ⅰ和衬底Ⅱ上的牺牲层Ⅱ键合在一起形成牺牲层，并去除衬底Ⅱ；牺牲层Ⅰ和牺牲层Ⅱ均为聚酰胺亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜在低于300℃的温度下发生键合，将分开制作的两个衬底很好的结合在一起。
S04：刻蚀衬底Ⅰ中金属互连层上方的牺牲层、敏感层和热氧化层，形成贯穿热氧化层、敏感层和牺牲层的凹槽，在凹槽以及凹槽开口的两端沉积金属层形成金属凹槽，单个金属凹槽、位于金属凹槽开口两端下方的热氧化层以及位于金属凹槽下方的反射层形成PAD，两个金属凹槽、位于两个金属凹槽开口两端下方的热氧化层、位于两个金属凹槽中间的敏感层以及位于两个金属凹槽下方的反射层形成传感器单元。
其中，在沉积金属层的过程中，因为PAD需要较厚的金属层，而传感器单元需要的金属层相对比较薄，因此可以采用两步法沉积金属层：
S0401：在PAD和传感器单元中的凹槽中沉积金属层Ⅰ，金属层Ⅰ为钛和/或氮化钛，并对金属层Ⅰ进行图形化；
S0402：在PAD所在的凹槽中沉积金属层Ⅱ，金属层Ⅱ为铝金属层，并对金属层Ⅱ进行图形化。
S05：刻蚀掉PAD和传感器单元以外的热氧化层、敏感层和牺牲层，形成一种红外图像传感器。该步骤包括去掉所有的牺牲层以及PAD和传感器单元意以外的敏感层和热氧化层。
本发明提供的一种红外图像传感器，包括衬底、金属互连层、PAD和传感器单元，衬底中进行金属布线，形成金属互连层，PAD和传感器单元均位于金属互连层的上方；PAD包括单个金属凹槽、位于金属凹槽开口两端下方的热氧化层以及位于金属凹槽下方的反射层，传感器单元包括两个金属凹槽、位于两个金属凹槽开口两端下方的热氧化层、位于两个金属凹槽中间的敏感层以及位于两个金属凹槽下方的反射层。
实施例1
一种红外图像传感器的制作方法包括以下步骤：
S01：如图1所示，在硅基衬底Ⅰ11中采用金属铜进行布线，形成铜互连层2，在铜互连层2上方沉积铝反射层3，在沉积铝反射层过程中，先均匀沉积一层铝作为反射层，再采用光刻胶掩模刻蚀的方式刻蚀掉PAD和传感器单元之外的铝反射层；之后沉积聚酰亚胺薄膜Ⅰ41。
S02：如图2所示，在硅基衬底Ⅱ12上依次沉积氧化硅层6、氧化钒薄膜5，并对氧化钒薄膜5进行高温退火处理，退火之后的氧化钒薄膜上沉积聚酰亚胺薄膜Ⅱ42，并在聚酰亚胺薄膜Ⅱ42中填充支撑层421，用于支撑氧化钒薄膜。
S03：如图3所示，将形成的硅基衬底Ⅰ11上的聚酰亚胺薄膜Ⅰ41和硅基衬底Ⅱ12上的聚酰亚胺薄膜Ⅱ42在200℃温度下发生键合，形成聚酰亚胺薄膜4，并去除硅基衬底Ⅱ12。
S04：如图4所示，刻蚀硅基衬底Ⅰ11中铜互连层2上方的聚酰亚胺薄膜4、氧化钒薄膜5和氧化硅层6，形成贯穿氧化硅层、氧化钒薄膜和聚酰亚胺薄膜的凹槽，在凹槽以及凹槽开口的两端沉积金属层7形成金属凹槽，沉积金属层的过程中，采用两步法沉积金属层7：首先在PAD和传感器单元中的凹槽中沉积氮化钛层，并对氮化钛层进行图形化，再在PAD所在的凹槽中沉积金属铝层，并对金属铝层进行图形化。单个金属凹槽、位于金属凹槽开口两端下方的热氧化层以及位于金属凹槽下方的反射层形成PAD，两个金属凹槽、位于两个金属凹槽开口两端下方的热氧化层、位于两个金属凹槽中间的敏感层以及位于两个金属凹槽下方的反射层形成传感器单元。
S05：如图5所示，刻蚀掉PAD 92和传感器单元91以外的氧化硅层6、氧化钒薄膜5和聚酰亚胺薄膜4，形成一种红外图像传感器。该步骤包括去掉所有的聚酰亚胺薄膜以及PAD和传感器单元以外的氧化钒薄膜和氧化硅层。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (11)
1.一种红外图像传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：在衬底Ⅰ中进行金属布线，形成金属互连层，在金属互连层上方依次沉积反射层和牺牲层Ⅰ；
S02：在衬底Ⅱ上依次沉积热氧化层、敏感层和牺牲层Ⅱ；
S03：将衬底Ⅰ上的牺牲层Ⅰ和衬底Ⅱ上的牺牲层Ⅱ键合在一起形成牺牲层，并去除衬底Ⅱ；
S04：刻蚀衬底Ⅰ中金属互连层上方的牺牲层、敏感层和热氧化层，形成贯穿热氧化层、敏感层和牺牲层的凹槽，在凹槽以及凹槽开口的两端沉积金属层形成金属凹槽，单个金属凹槽、位于金属凹槽开口两端下方的热氧化层以及位于金属凹槽下方的反射层形成PAD，两个金属凹槽、位于两个金属凹槽开口两端下方的热氧化层、位于两个金属凹槽中间的敏感层以及位于两个金属凹槽下方的反射层形成传感器单元；
S05：刻蚀掉PAD和传感器单元以外的热氧化层、敏感层和牺牲层，形成红外图像传感器。
2.根据权利要求1所述的一种红外图像传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤S01中沉积反射层的具体步骤为：
S0101：沉积金属作为反射层；
S0102：采用光刻胶掩模刻蚀的方式刻蚀掉PAD和传感器单元之外的反射层。
3.根据权利要求1所述的一种红外图像传感器的制作方法，其特征在于，所述反射层为铝反射层。
4.根据权利要求1所述的一种红外图像传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤S02中沉积牺牲层Ⅱ的具体步骤为：
S0201：在敏感层上方沉积牺牲层Ⅱ；
S0202：在牺牲层Ⅱ中形成支撑层，用于支撑敏感层。
5.根据权利要求1所述的一种红外图像传感器的制作方法，其特征在于，所述牺牲层Ⅰ和牺牲层Ⅱ均为聚酰亚胺薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种红外图像传感器的制作方法，其特征在于，所述敏感层为高温处理的氧化钒。
7.根据权利要求1所述的一种红外图像传感器的制作方法，其特征在于，所述敏感层为采用离子注入工艺形成的非晶硅层或非晶锗化硅层或氧化钒层。
8.根据权利要求1所述的一种红外图像传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤S04中沉积金属层的具体步骤为：
S0401：在PAD和传感器单元中的凹槽中沉积金属层Ⅰ，并对金属层Ⅰ进行图形化；
S0402：在PAD所在的凹槽中沉积金属层Ⅱ，并对金属层Ⅱ图形化。
9.根据权利要求8所述的一种红外图像传感器的制作方法，其特征在于，所述金属层Ⅰ为钛和/或氮化钛，所述金属层Ⅱ为铝金属层。
10.根据权利要求1所述的一种红外图像传感器的制作方法，其特征在于，所述热氧化层为氧化硅层。
11.一种采用权利要求1所述的制作方法制作的红外图像传感器，其特征在于，包括衬底、金属互连层、PAD和传感器单元，所述衬底中进行金属布线，形成金属互连层，所述PAD和传感器单元均位于金属互连层的上方；所述PAD包括单个金属凹槽、位于金属凹槽开口两端下方的热氧化层以及位于金属凹槽下方的反射层，所述传感器单元包括两个金属凹槽、位于两个金属凹槽开口两端下方的热氧化层、位于两个金属凹槽中间的敏感层以及位于两个金属凹槽下方的反射层。
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