CN109455664B - 一种微桥组件、红外探测器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种微桥组件、红外探测器及其制造方法。所述微桥组件包括：衬底，至少包括第一过孔；第一接触金属层，设置于衬底的一侧；第一释放保护层，设置于衬底的一侧，且至少部分覆盖所述第一接触金属层；电极层，设置于所述第一释放保护层远离衬底的一侧，且至少部分穿过所述第一释放保护层、电连接所述第一接触金属层；敏感层，设置于所述第一释放保护层远离衬底的一侧，电连接所述电极层；第二释放保护层，设置于第一释放保护层远离衬底的一侧，且覆盖所述电极层和所述敏感层；第二接触金属层，设置于所述第一过孔内，且电连接所述第一接触金属层；反射层，设置于衬底远离所述第一接触金属层的一侧，且至少部分电连接所述第二接触金属层。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种微桥组件、通过该微桥组件形成的红外探测器以及该红外探测器的制造方法。
背景技术
微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)技术具有微小、智能、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等诸多优点，故其已广泛应用在包括红外探测技术领域的诸多领域。红外探测器是红外探测技术领域中一种具体的微电子机械系统MEMS产品，其利用敏感材料探测层如非晶硅或氧化钒吸收红外，从而引起其电阻的变化，据此来实现热成像功能。
由于探测器的制造工艺一般与CMOS半导体器件的制造工艺的兼容性比较差，因此，很难实现探测器的大规模生产。但是，微电子机械系统MEMS 产品的市场需求逐渐扩大，CMOS-MEMS的概念逐渐被人提出，即CMOS 制造工艺与微电子机械系统MEMS产品制造工艺集成。具体地，红外探测器一般是利用CMOS制造工艺制作外围读取及信号处理电路，再MEMS微桥结构集成于CMOS电路上，即CMOS与MEMS微桥结构集成在一颗芯片上，利用敏感材料探测层(通常为非晶硅或氧化机)吸收红外且将其转化成电信号，电信号通过CMOS电路读取和处理后实现热成像功能。
由于MEMS工艺对CMOS读取电路表面平坦度的要求较高，CMOS读取电路的不平整等问题会影响到后续MEMS结构；同时，为了保证MEMS 工艺与CMOS工艺兼容，一般采用硅基材料作为牺牲层，厚度在几个为微米量级，甚至更厚，而硅基牺牲层材料一般具有较大的应力，在几个微米厚度叠加影响下，在加上CMOS读取电路相关膜层的影响，会引起硅片的严重翘曲，进而，会严重影响后续的光刻、对准等工艺，造成MEMS性能下降。另外，单芯片结构一般采用支撑孔侧壁对微桥结构进行支撑，需要一定的支撑孔侧壁厚度，由于常规薄膜沉积工艺在台阶侧壁沉积的薄膜厚度要小于平坦平面，因此需要胶厚的薄膜厚度，而胶厚的薄膜厚度等于增加了微桥结构表面的薄膜厚度，会在应力等方面严重影响微桥结构及MEMS性能。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种微桥组件、红外探测器及其制造方法。该微桥组件在便于与基板形成红外探测器的同时，提高形成的红外探测器的良率及性能。
根据本发明的一个方面提供一种微桥组件，所述微桥组件包括：衬底，至少包括第一过孔；第一接触金属层，设置于所述衬底的一侧；第一释放保护层，设置于所述衬底的一侧，且至少部分覆盖所述第一接触金属层；电极层，设置于所述第一释放保护层远离所述衬底的一侧，且至少部分穿过所述第一释放保护层、电连接所述第一接触金属层；敏感层，设置于所述第一释放保护层远离所述衬底的一侧，电连接所述电极层；第二释放保护层，设置于第一释放保护层远离所述衬底的一侧，且覆盖所述电极层和所述敏感层；第二接触金属层，设置于所述第一过孔内，且电连接所述第一接触金属层；反射层，设置于所述衬底远离所述第一接触金属层的一侧，且至少部分电连接所述第二接触金属层。
可选地，所述微桥组件还包括操作晶圆层，所述操作晶圆层设置于所述衬底的一侧，且覆盖所述第二释放保护层。
可选地，所述衬底的厚度为0.5～10微米。
根据本发明的另一个方面，还提供一种红外探测器，所述红外探测器包括：基板，包括读取电路；微桥结构，所述微桥结构由上述的微桥组件去除所述衬底后形成，所述微桥结构设置于所述基板的一侧；连接层，设置于所述基板和所述微桥结构之间，所述连接层电连接所述读取电路和所述微桥结构的反射层。
可选地，所述连接层包括：第一键合层，设置于所述基板的一侧表面；第二键合层，连接所述读取电路，且穿过所述第一键合层，连接所述反射层。
可选地，所述基板的一侧表面具有凹部，所述连接层和所述反射层均设置于所述凹部内，并在所述凹部内连接。
可选地，所述连接层包括：连接金属层，设置于所述基板的一侧表面；凸块，设置于所述连接金属层和所述反射层之间，以电连接所述连接金属层和所述反射层。
根据本发明的又一个方面，还提供一种红外探测器的制造方法，包括如下步骤：将上述的微桥组件电连接至一基板上，所述基板包括读取电路；去除所述衬底。
可选地，将所述微桥组件电连接至基板上的步骤还包括：在所述基板和所述微桥结构之间形成第一键合层和第二键合层；其中，所述第一键合层形成于所述基板的一侧表面，所述第二键合层连接所述读取电路，且穿过所述第一键合层，连接所述反射层。
可选地，将所述微桥组件电连接至基板上的步骤还包括：在所述基板和所述微桥结构之间形成连接金属层和凸块；其中，所述连接金属层形成于基板的一侧表面，所述凸块形成于所述连接金属层和所述反射层之间，以电连接所述连接金属层和所述反射层。
相比于现有技术，本发明实施例提供的微桥组件、红外探测器及其制造方法中，由于将微桥组件的衬底直接作为牺牲层，微桥组件中电极层和敏感层形成于衬底上，对衬底进行减薄后，通过第一接触金属层和第二接触金属层穿过衬底的方式实现电极层和反射层之间的电连接，进而，通过连接层实现微桥组件的反射层与CMOS基板的读取电路之间的电连接。因此，形成的红外探测器可以避免引起硅片的翘曲，且厚度较薄，有效地提高形成的红外探测器的良率及性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图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为本发明的一个实施例的微桥组件的截面结构示意图；
图2为本发明的一个实施例的红外探测器的截面结构示意图；
图3为本发明的另一个实施例的红外探测器的截面结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。
根据本发明的主旨构思，本发明的微桥组件包括：衬底，至少包括第一过孔；第一接触金属层，设置于所述衬底的一侧；第一释放保护层，设置于所述衬底的一侧，且至少部分覆盖所述第一接触金属层；电极层，设置于所述第一释放保护层远离所述衬底的一侧，且至少部分穿过所述第一释放保护层、电连接所述第一接触金属层；敏感层，设置于所述第一释放保护层远离所述衬底的一侧，电连接所述电极层；第二释放保护层，设置于第一释放保护层远离所述衬底的一侧，且覆盖所述电极层和所述敏感层；第二接触金属层，设置于所述第一过孔内，且电连接所述第一接触金属层；反射层，设置于所述衬底远离所述第一接触金属层的一侧，且至少部分电连接所述第二接触金属层。
下面结合附图和实施例对本发明的技术内容进行进一步地说明。
请参见图1，其示出了本发明的一个实施例的微桥组件的截面结构示意图。其中，该实施例中的微桥组件是一种红外探测器制造过程中的中间件，该微桥组件可以与具有读取电路的基板实现电连接，从而形成红外探测器。如图1所示，在本发明的实施例中，所述微桥组件包括衬底1、第一接触金属层21、第一释放保护层31、电极层4、敏感层5、第二释放保护层32、第二接触金属层22以及反射层6。
衬底1至少包括第一过孔11。具体来说，第一过孔11是通过对衬底 1进行图形化后形成的，用于实现微桥组件的第一接触金属层与反射层之间的电连接(可参见下文)。在图1所示的实施例中，以衬底1包括两个第一过孔11为例，但并不限于此，第一过孔11的数量可以根据第一接触金属层与反射层之间的电连接需求而定，在此不与赘述。进一步地，在本发明的实施例中，衬底1可以是硅衬底，利用该硅衬底作为现有的红外探测器的牺牲层，将微桥结构直接形成于该硅衬底上，进而，通过后续将该硅衬底的厚度进行减薄，与基板的读取电路连接后减缓或避免现有技术中因使用较厚的牺牲层而出现的翘曲和应力等问题，因此，在此实施例中，衬底1的厚度优选地为0.5～10微米，更优选地，衬底1的厚度为1.5～2微米。
第一接触金属层21设置于衬底1的一侧。具体来说，在图1所示的实施例中，第一接触金属层21设置于衬底1的上侧。第一接触金属层21 的位置与第一过孔11相对应，如图1所示，第一接触金属层21在衬底1 的上表面至少覆盖第一过孔11，以此通过第一过孔11与反射层6实现电连接。
第一释放保护层31设置于衬底1的一侧，且至少部分覆盖第一接触金属层21。具体来说，在图1所示的实施例中，第一释放保护层31设置于衬底1的上侧，并且进一步覆盖于第一接触金属层21的上方。第一释放保护层31的材料可以为硅、二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或者碳化硅；或者可以为非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅、富硅氮化硅或富硅碳化硅；或者也可以为掺有杂质的硅、二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或者碳化硅；或者也可以为非化学计量比的掺有杂质的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅、富硅氮化硅或富硅碳化硅；上述的杂质为硼、磷、碳或氟等。
电极层4设置于第一释放保护层31远离衬底1的一侧，且至少部分穿过第一释放保护层31、电连接第一接触金属层21。具体来说，在图1 所示的实施例中，电极层4设置于第一释放保护层31的上侧，并且还进一步穿过第一释放保护层31与被第一释放保护层31所覆盖的第一接触金属层1实现电连接。其中，第一释放保护层31可以通过图形化工艺后形成第二过孔31，电极层4与第二过孔31的位置相对应，其通过第二过孔31与第一接触金属层1电连接。
敏感层5设置于第一释放保护层31远离衬底1的一侧，电连接电极层4。在图1所示的实施例中，该微桥组件包括两个第一接触金属层21 (可以理解为同一接触金属层经过图形化后形成的两个部分)以及对应的两个电极层4(类似地，可以理解同一电极层经过图形化后形成的两个部分)，进而，敏感层5设置于第一释放保护层31的上侧，且填充于两个电极层4之间，如图1所示，敏感层5经过图形化后至少部分还形成于两个电极层4之上。
第二释放保护层32设置于第一释放保护层31远离衬底1的一侧，且覆盖电极层4和敏感层5。其中，第二释放保护层32可以使用与第一释放保护层31相同的材料。
第二接触金属层22设置于第一过孔11内，且电连接第一接触金属层21。在图1所示的实施例中，第二接触金属层22填充于第一过孔11 中，其上侧电连接第一接触金属层21，其下侧电连接反射层6，以此实现第一接触金属层21与反射层6的电连接。
反射层6设置于衬底1远离第一接触金属层21的一侧，且至少部分电连接第二接触金属层22。具体来说，反射层6至少部分与衬底1的第一过孔11相对应。在图1所示的实施例中，反射层6设置于衬底1的下侧，其经过图形化后覆盖第一过孔11，进而，与第二接触金属层22的下侧电连接。在发明的实施例中，反射层6除了起到反射作用的同时，还作为该微桥组件与红外探测器的基板的连接的部分。
进一步地，在图1所示的优选实施例中，微桥组件还包括操作晶圆层7。操作晶圆层7设置于衬底1的一侧，且覆盖第二释放保护层32。在图1所示的实施例中，操作晶圆层7位于整个微桥组件的最上方。
进一步地，请参见图2，其示出了本发明的一个实施例的红外探测器的截面结构示意图。具体来说，本发明还提供一种红外探测器，所述红外探测器包括基板8、微桥结构以及连接层。
具体来说，基板8包括读取电路81。读取电路81用于读取及处理来自红外探测器的微桥结构的电信号。
微桥结构由上述图1中的微桥组件去除衬底1后形成。微桥结构设置于基板8的一侧。具体来说，在图2所示的实施例中，微桥结构设置于基板8的上侧。敏感层5的材料可以是非晶硅或氧化钒。
连接层设置于基板8和微桥结构之间。连接层电连接读取电路81和微桥结构的反射层6。具体来说，在图2所示的实施例中，所述连接层包括第一键合层91和第二键合层92。第一键合层91设置于基板8的一侧表面。第二键合层92连接基板8的读取电路81，且穿过第一键合层91，连接微桥结构的反射层6。如图2所示，第一键合层91显露于基板8的上表面，其优选地由锗(Ge)材料形成；第二键合层92的宽度小于第一键合层91的宽度，其一端连接基板8的读取电路81，另一端穿过第一键合层91、凸出显露于基板8的上表面，第二键合层92优选地由铝(Al) 材料形成。第二键合层92的另一端穿过第一键合层91、凸出显露于基板 8的上表面可以保证在硅片出现翘曲(即图1所示的微桥组件在与基板8 实现连接的过程中微桥组件的衬底1所出现的翘曲)以及铝(Al)材料具有一定流动性的情况下，仍能够实现较好的键合和电连接。
进一步地，在图2所示的实施例中，基板8的一侧表面(图2中的上表面)具有凹部82。其中，上述连接层9和微桥结构的反射层6均设置于该凹部8内，并在凹部8内实现连接。进而，在上述第二键合层92 使用铝(Al)材料形成的情况下，由于铝(Al)有一定流动性，使用该凹部82可以将其固定在一定区域。此外该凹部82在一定程度上可以实现上述微桥结构与基板8之间的对准，降低因对准精度不够、出现对准偏差而引起的问题。
即在此实施例中，连接层9主要通过铝(Al)材料和锗(Ge)材料的烧熔结合(fusion-bond)形成，以此实现将互补金属氧化物半导体 (CMOS)和微机电系统(MEMS)进行键合。在进行烧熔结合 (fusion-bond)时，由于铝锗(Al-Ge)的键合温度较低，可以起到很好的固定作用；同时使用锗(Ge)材料的第一键合层91和使用铝(Al)材料的第二键合层92位于基板8的凹部82内，因此，在铝(Al)材料的流动性作用下，既可以实现铝锗(Al-Ge)的键合、形成牢固的接触和固定，也可以实现铝(Al)材料与读取电路81的各金属层之间具有良好的电接触特性。
进一步地，本发明还提供一种上述图2所示的红外探测器的制造方法。结合上述图1和图2具体来说，所述红外探测器的制造方法包括如下步骤：
将上述图1中的微桥组件电连接至基板8上。基板8包括读取电路 81。更具体地，在微桥组件电连接至基板上的步骤还包括：在基板8和所述微桥结构之间形成第一键合层91和第二键合层92。其中，第一键合层91形成于基板8的一侧表面，第二键合层92连接读取电路81，且穿过第一键合层91，连接所述微桥组件的反射层6。
由于在该实施例中，所述微桥组件的衬底作为牺牲层，因此，在微桥组件与基板电连接后，还包括去除微桥组件的衬底1的步骤。
进一步地，由于在图1所示的实施例中，所述微桥组件还包括操作晶圆层7，因此，微桥组件与基板电连接后，同样还需要去除该操作晶圆层7。操作晶圆层7同样可以通过释放工艺去除，在此不予赘述。
图3为本发明的红外探测器的另外一种实施方式。请参见图3，其示出了本发明的另一个实施例的红外探测器的截面结构示意图。在此实施例中，所述连接层的结构不同于上述图2所示的实施例。具体来说，如图3所示，所述连接层包括连接金属层93和凸块94。
连接金属层93设置于基板8的一侧表面。在图3所示的实施例中，连接金属层93设置于基板8的上表面，并且显露基板8的上表面。
凸块94(u-bump)设置于连接金属层93和微桥组件的反射层6之间，以电连接连接金属层93和反射层6。
在该实施例中，通过连接金属层93和凸块94代替上述图2所示实施例中的第一键合层91和第二键合层92实现了微桥组件与基板8之间的连接。在此实施例中，基板8无需上述图2所示的凹部。
进一步地，本发明还提供一种上述图3所示的红外探测器的制造方法。结合上述图1和图3，与上述图2所示的红外探测器的制造方法的不同之处在于，由于图3所示的红外探测器的连接层包括连接金属层93和凸块94，因此，在将微桥组件电连接至基板上的步骤还包括：
在基板8和微桥结构之间形成连接金属层93和凸块94。其中，连接金属层93形成于基板8的一侧表面，凸块94形成于连接金属层93和微桥组件的反射层6之间，以电连接连接金属层93和反射层6。
需要说明的是，图2和图3所示的红外探测器中，微桥组件通过上述两种不同的连接层(第一键合层91和第二键合层92)、(连接金属层 93和凸块94)可以方便地电连接至基板，具有程步骤简便且实现成本较低等优点。
综上所述，本发明实施例提供的微桥组件、红外探测器及其制造方法中，由于将微桥组件的衬底直接作为牺牲层，微桥组件中电极层和敏感层形成于衬底上，对衬底进行减薄后，通过第一接触金属层和第二接触金属层穿过衬底的方式实现电极层和反射层之间的电连接，进而，通过连接层实现微桥组件的反射层与CMOS基板的读取电路之间的电连接。因此，形成的红外探测器可以避免引起硅片的翘曲，且厚度较薄，有效地提高形成的红外探测器的良率及性能。
虽然本发明已以可选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种微桥组件，其特征在于，所述微桥组件包括：
衬底，至少包括第一过孔；
第一接触金属层，设置于所述衬底的一侧；
第一释放保护层，设置于所述衬底的一侧，且至少部分覆盖所述第一接触金属层的上方；
电极层，设置于所述第一释放保护层远离所述衬底的一侧，且至少部分穿过所述第一释放保护层、电连接所述第一接触金属层；
敏感层，设置于所述第一释放保护层远离所述衬底的一侧，电连接所述电极层；
第二释放保护层，设置于第一释放保护层远离所述衬底的一侧，且覆盖所述电极层和所述敏感层；
第二接触金属层，设置于所述第一过孔内，且电连接所述第一接触金属层；
反射层，设置于所述衬底远离所述第一接触金属层的一侧，且至少部分电连接所述第二接触金属层。
2.如权利要求1所述的微桥组件，其特征在于，所述微桥组件还包括操作晶圆层，所述操作晶圆层设置于所述衬底的一侧，且覆盖所述第二释放保护层。
3.如权利要求1所述的微桥组件，其特征在于，所述衬底的厚度为0.5～10微米。
4.一种红外探测器，其特征在于，所述红外探测器包括：
基板，包括读取电路；
微桥结构，所述微桥结构由权利要求1至3中任一项所述的微桥组件去除所述衬底后形成，所述微桥结构设置于所述基板的一侧；
连接层，设置于所述基板和所述微桥结构之间，所述连接层电连接所述读取电路和所述微桥结构的反射层。
5.如权利要求4所述的红外探测器，其特征在于，所述连接层包括：
第一键合层，设置于所述基板的一侧表面；
第二键合层，连接所述读取电路，且穿过所述第一键合层，连接所述反射层。
6.如权利要求5所述的红外探测器，其特征在于，所述基板的一侧表面具有凹部，所述连接层和所述反射层均设置于所述凹部内，并在所述凹部内连接。
7.如权利要求4所述的红外探测器，其特征在于，所述连接层包括：
连接金属层，设置于所述基板的一侧表面；
凸块，设置于所述连接金属层和所述反射层之间，以电连接所述连接金属层和所述反射层。
8.一种红外探测器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
将如权利要求1至3中任一项所述的微桥组件电连接至一基板上，所述基板包括读取电路；
去除所述衬底。
9.如权利要求8所述的红外探测器的制造方法，其特征在于，将所述微桥组件电连接至基板上的步骤还包括：
在所述基板和所述微桥组件之间形成第一键合层和第二键合层；
其中，所述第一键合层形成于所述基板的一侧表面，所述第二键合层连接所述读取电路，且穿过所述第一键合层，连接所述反射层。
10.如权利要求8所述的红外探测器的制造方法，其特征在于，将所述微桥组件电连接至基板上的步骤还包括：
在所述基板和所述微桥组件之间形成连接金属层和凸块；
其中，所述连接金属层形成于基板的一侧表面，所述凸块形成于所述连接金属层和所述反射层之间，以电连接所述连接金属层和所述反射层。
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