CN111392683B - 一种红外探测器结构及制造方法 - Google Patents

一种红外探测器结构及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种红外探测器结构，包括：设于衬底层上的牺牲层，设于所述牺牲层上的红外微桥结构，所述红外微桥结构包括微桥桥面以及支撑结构；其中，所述微桥桥面设于所述牺牲层上，所述支撑结构包括两个设于所述微桥桥面上的支撑孔和两个对应设于所述牺牲层中的金属通孔，所述牺牲层经释放去除后形成空腔，所述微桥桥面通过对应相连的所述支撑孔和所述金属通孔得到支撑及实现与所述衬底层之间的电连接。本发明可降低工艺难度，并提升性能。本发明还公开了一种红外探测器结构制造方法。

Description

一种红外探测器结构及制造方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路和传感器技术领域，特别是涉及一种能够改善电学接触特性的红外探测器结构及制造方法。
背景技术
传统红外MEMS探测器结构，一般使用trench first(沟槽优先)工艺形成支撑和电连接孔，且支撑和电连接孔通常是以无柱结构的形式来实现其支撑和电连接功能的。
请参考图1，图1是一种传统的红外MEMS探测器结构。如图1所示，红外MEMS探测器结构包括设置在衬底层10上的金属功能层11、牺牲层12、牺牲层12中的支撑孔18、牺牲层12表面依次形成的下释放保护层16、敏感材料层15、金属电极层14和上释放保护层13，以及形成于支撑孔18底部的电连接孔17等结构。其中，金属电极层14沿支撑孔18内壁进入电连接孔17，并通过位于电连接孔17底部下方的金属功能层11与衬底层10相连。同时，由支撑孔18和电连接孔17共同形成支撑和电连接孔，且支撑和电连接孔在牺牲层12释放形成空腔后，即构成无柱结构的形式。
然而，制造上述传统红外MEMS探测器结构的工艺中，经常会发生接触不良问题，其原因一是采用了支撑孔18和电连接孔17的大孔套小孔的复杂结构，二是牺牲层12需要具备一定的厚度来形成空腔，使得支撑孔18的高宽比较大(即支撑孔孔口至底部之间的台阶高度较大)，这些因素造成形成支撑和电连接孔时，在光刻刻蚀剂清洗以及后续薄膜沉积(例如金属电极层14沉积)方面都会存在工艺难度，因此容易发生金属电极层14与金属功能层11之间的接触不良问题，进一步造成工艺不良上升并影响到产品成品率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种红外探测器结构及制造方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种红外探测器结构，包括：设于衬底层上的牺牲层，设于所述牺牲层上的红外微桥结构，所述红外微桥结构包括微桥桥面以及支撑结构；其中，所述微桥桥面设于所述牺牲层上，所述支撑结构包括两个设于所述微桥桥面上的支撑孔和两个对应设于所述牺牲层中的金属通孔，所述牺牲层经释放去除后形成空腔，所述微桥桥面通过对应相连的所述支撑孔和所述金属通孔得到支撑及实现与所述衬底层之间的电连接。
进一步地，所述微桥桥面自下而上设有第一释放保护层、第一敏感材料层、第一金属电极层和第二释放保护层；其中，所述支撑孔形成于所述第一释放保护层和第一敏感材料层中，所述第一金属电极层沿所述支撑孔内壁表面进入所述支撑孔，并通过所述支撑孔的底部连接所述金属通孔，所述第二释放保护层将所述第一敏感材料层和第一金属电极层表面完全覆盖。
进一步地，所述微桥桥面还设有：位于所述第一释放保护层下方的第二敏感材料层，以及位于所述第二敏感材料层下方的第二金属电极层，所述第二金属电极层位于所述牺牲层上，所述第二敏感材料层与所述第一敏感材料层之间通过所述第二金属电极层与所述第一金属电极层之间的连接相并联。
进一步地，所述支撑孔还向下穿过所述第二敏感材料层，停止于所述第二金属电极层上，所述第一金属电极层沿所述支撑孔内壁表面进入所述支撑孔，并通过位于所述支撑孔底部的所述第二金属电极层连接所述金属通孔。
进一步地，所述第二金属电极层的图形与所述第一金属电极层的图形位置相对应。
进一步地，所述第二金属电极层的图形之间填充有介质隔离层。
进一步地，所述金属通孔与所述牺牲层之间设有扩散阻挡层，所述扩散阻挡层还通过延伸至所述牺牲层上形成所述第二金属电极层。
进一步地，所述衬底层中设有金属互连层，所述金属通孔连接所述金属互连层。
一种红外探测器结构制造方法，包括以下步骤：
提供一衬底层，在所述衬底层上形成牺牲层，在所述牺牲层中形成两个通孔；
在所述通孔侧壁上沉积扩散阻挡层，然后，在所述通孔中填充金属，并去除所述通孔以外多余的金属材料和扩散阻挡层材料，形成金属通孔；
在所述牺牲层上形成介质隔离层，并图形化；
在所述介质隔离层图形中填充第二金属电极层，使所述第二金属电极层连接所述金属通孔，并图形化所述第二金属电极层；
在所述介质隔离层和第二金属电极层表面上形成第二敏感材料层，并图形化；
在所述第二敏感材料层表面上依次形成第一释放保护层和第一敏感材料层，并图形化所述第一敏感材料层；
由所述第一敏感材料层表面向下形成与两个所述金属通孔位置对应的两个支撑孔，停止于所述第二金属电极层上；
沉积第一金属电极层，将所述第一敏感材料层表面和所述支撑孔内壁表面覆盖，使所述第一金属电极层连接所述第二金属电极层，并图形化所述第一金属电极层；
沉积第二释放保护层，将所述第一敏感材料层和第一金属电极层表面完全覆盖，并图形化所述第二释放保护层。
进一步地，还包括：形成第二敏感材料层前，先去除在所述第二金属电极层表面生成的金属氧化物。
从上述技术方案可以看出，本发明通过将原位于牺牲层中的支撑孔提升至牺牲层之上的红外微桥平面结构中，使支撑孔的台阶高度可由以往的1～2微米下降到1000～2000埃，由于台阶高度大幅度下降，且采用在支撑孔下方设置金属通孔的结构，消除了以往支撑孔和电连接孔的大孔套小孔的复杂结构，可以极大地降低工艺难度，并提升性能。同时，本发明针对敏感材料层电阻较高的问题，设计了由第一敏感材料层和第二敏感材料层形成的双层敏感电阻并联结构，能够有效地降低敏感材料层电阻。
附图说明
图1是一种传统的红外MEMS探测器结构示意图。
图2是本发明一较佳实施例的一种红外探测器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参考图2，图2是本发明一较佳实施例的一种红外探测器结构示意图。如图2所示，本发明的一种红外探测器结构，可包括：
衬底层20；
设于衬底层20上的牺牲层22；
设于牺牲层22上的红外微桥结构35。
请参考图2。衬底层20中可设有金属互连层21。牺牲层22用于红外微桥结构35制造时作为承载层，并在红外微桥结构35形成后，通过释放工艺对牺牲层22进行去除，以在原位形成空腔。
红外微桥结构35包括微桥桥面33以及用于支撑微桥桥面33的支撑结构34。其中，微桥桥面33设于牺牲层22之上，微桥桥面33中可设有敏感材料层、金属电极层和释放保护层。支撑结构34可包括设于微桥桥面33上的两个支撑孔26，以及对应设于牺牲层22中的两个金属通孔24，每一个支撑孔26与其下方一个对应的金属通孔24相连。
支撑孔26在微桥桥面33上虽然形成有开口，但支撑孔26的侧壁是由微桥桥面33的实体层形成的，因此，由支撑孔26和金属通孔24组成的支撑结构34，就形成了实心的支撑和电连接孔结构，将微桥桥面33支撑在衬底层20上。同时，金属通孔24的下端与衬底层20中的金属互连层21相连，微桥桥面33中的金属电极层通过支撑孔26与金属通孔24的上端相连，从而实现微桥桥面33中敏感材料层和金属电极层与衬底层20之间的电连接。
请参考图2。作为一可选的实施方式，微桥桥面33中自下而上可设有第一释放保护层29、第一敏感材料层28、第一金属电极层27和第二释放保护层25。其中，支撑孔26形成于第一释放保护层29和第一敏感材料层28中，第一金属电极层27与第一敏感材料层28相连，并且，第一金属电极层27沿支撑孔26内壁表面进入支撑孔26，并通过支撑孔26的底部连接金属通孔24的上端，第二释放保护层25将第一敏感材料层28和第一金属电极层27的上表面完全覆盖，第一释放保护层29将第一敏感材料层28的下表面完全覆盖。
作为进一步优选的实施方式，在第一释放保护层29的下方还可以设置第二敏感材料层30和第二金属电极层32。其中，第二敏感材料层30位于第一释放保护层29的下方，第二金属电极层32位于第二敏感材料层30的下方，并与第二敏感材料层30相连，第二金属电极层32位于牺牲层22上。第二敏感材料层30和第二金属电极层32也作为微桥桥面33的组成部分。第一敏感材料层28(包括其与第一金属电极层27的组合)和第二敏感材料层30(包括其与第二金属电极层32的组合)分别构成一个敏感电阻，这样就在微桥桥面33中形成双层敏感电阻结构。其中，第一金属电极层27作为双层敏感电阻结构中的顶电极，第二金属电极层32则为底电极。
通过对第二金属电极层32与第一金属电极层27进行连接，即可实现第二敏感材料层30与第一敏感材料层28之间的并联，因此可有效地降低敏感材料层的电阻，提升性能。
请参考图2。作为一第二金属电极层32与第一金属电极层27进行连接的具体实施方式，第二金属电极层32的图形两端分别位于两个金属通孔24上，并与金属通孔24相连；支撑孔26可向下穿过第二敏感材料层30，停止于第二金属电极层32的图形两端上；第一金属电极层27沿支撑孔26内壁表面进入支撑孔26，与位于支撑孔26底部的第二金属电极层32相连，从而实现与金属通孔24的连接。
第二金属电极层32的图形与第一金属电极层27的图形位置相对应，可以共用一张光罩(mask)，第二敏感材料层30的图形与第一敏感材料层28的图形位置也相对应，这样也可以共用一张光罩(mask)，因此可以有效地降低成本。
第二金属电极层32的图形之间可填充有介质隔离层31，第二金属电极层32下方可省略再设置一层释放保护层。第二释放保护层25可从上方将整个微桥桥面33的表面完全覆盖起来进行保护；同时，第二释放保护层25还填充于第一金属电极层27的图形之间以进行隔离。
金属通孔24为实心结构，其中填充有金属。金属通孔24与牺牲层22之间设有扩散阻挡层23，即扩散阻挡层23位于金属通孔24的侧壁上。
作为其他可选的实施方式，当扩散阻挡层23采用金属或金属化合物等导电材料时，可同时用于形成第二金属电极层32。例如，扩散阻挡层23可由金属通孔24的顶部延伸至覆盖在牺牲层22上，并通过图形化形成第二金属电极层32。同时，扩散阻挡层23可对金属通孔24的底部进行完全填充，即可通过扩散阻挡层23直接与衬底层20上的金属互连层21进行连接。
下面通过具体实施方式并结合附图2，对本发明的一种红外探测器结构制造方法进行详细说明。
本发明的一种红外探测器结构制造方法，可用于制备例如图2的一种红外探测器结构，并可包括以下步骤：
首先，提供一衬底层20，例如可以是形成有金属互连层21的衬底层20。
然后，在衬底层20(金属互连层21)上沉积牺牲层22材料并图形化，形成牺牲层22。
接着，可通过光刻和刻蚀工艺，在牺牲层22中形成两个连通金属互连层21的通孔。然后，在牺牲层22表面上依次沉积扩散阻挡层23材料和通孔金属材料，使扩散阻挡层23材料沉积在通孔侧壁上，并使通孔金属材料将通孔填满，使通孔中金属材料的下端与金属互连层21连接。之后，可利用高选择比材料刻蚀通孔金属材料，停在扩散阻挡层23材料上，以去除通孔以外位于牺牲层22表面上的多余的金属材料。接着，可选用湿法高选择比工艺，去除通孔以外位于牺牲层22表面上的多余的扩散阻挡层23材料，从而在牺牲层22中形成两个金属通孔24。
通孔金属材料可以采用金属钨或铜等常规材料。
接着，在牺牲层22上沉积介质隔离层31材料，并图形化，形成介质隔离层31。其中，使介质隔离层31图形避让开两个金属通孔24所在位置。
然后，在介质隔离层31上沉积第二金属电极层32材料，对介质隔离层31图形空隙进行填充，使第二金属电极层32与金属通孔24的上端相连接，并对第二金属电极层32材料进行图形化，形成第二金属电极层32。
接着，可使用H2反应离子刻蚀工艺，去除前述工艺中在第二金属电极层32表面生成的金属氧化物。
接下来，在介质隔离层31和第二金属电极层32表面上沉积第二敏感材料层30材料，并图形化，形成第二敏感材料层30。
接着，在第二敏感材料层30表面上依次沉积第一释放保护层29材料和第一敏感材料层28材料，并采用图形化第二敏感材料层30时的同一光罩，图形化第一敏感材料层28材料，形成第一释放保护层29和第一敏感材料层28。
通过光刻和刻蚀工艺，由第一敏感材料层28表面向下形成与两个金属通孔24位置对应的两个支撑孔26，停止于第二金属电极层32的图形表面上。
接着，在第一敏感材料层28表面上沉积第一金属电极层27材料，将第一敏感材料层28表面和支撑孔26内壁表面覆盖，使第一金属电极层27材料与位于支撑孔26底部的第二金属电极层32形成连接。然后，采用图形化第二金属电极层32时的同一光罩，对第一金属电极层27材料进行图形化，形成位置与第二金属电极层32对应的第一金属电极层27。
在形成的上述结构表面上全片沉积第二释放保护层25材料，将第一敏感材料层28和第一金属电极层27表面完全覆盖，包括对第一金属电极层27的图形空隙进行填充，将支撑孔26内露出的整个表面完全覆盖，以及将整个微桥桥面33的上表面和侧部表面完全覆盖，即将微桥桥面33封闭在牺牲层22上，并通过图形化，形成第二释放保护层25。最终形成图2所示的红外探测器结构。
如果需要利用扩散阻挡层23同时形成第二金属电极层32时，可在扩散阻挡层23材料沉积后，对通孔以外位于牺牲层22表面上的扩散阻挡层23材料不作去除处理，改为使用第二金属电极层32光罩，对位于牺牲层22表面上的扩散阻挡层23材料进行图形化，形成与金属通孔24中扩散阻挡层23材料相连的第二金属电极层32图形，从而与金属通孔24之间实现连接。之后，再在第二金属电极层32图形上沉积介质隔离层31材料，并图形化，形成填充于第二金属电极层32图形空隙之间的介质隔离层31。之后，再进行第二敏感材料层30材料沉积。
上述红外探测器结构中的各层结构可采用常规材料制作形成，请参考现有技术加以理解，且上述方法与CMOS工艺完全兼容。
以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的保护范围，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的保护范围内。

Claims (10)

1.一种红外探测器结构，其特征在于，包括：设于衬底层上的牺牲层，设于所述牺牲层上的红外微桥结构，所述红外微桥结构包括微桥桥面以及支撑结构；其中，所述微桥桥面设于所述牺牲层上，所述支撑结构包括两个设于所述微桥桥面上的支撑孔和两个对应设于所述牺牲层中并位于所述微桥桥面下的的金属通孔，所述牺牲层经释放去除后形成空腔，所述微桥桥面通过对应相连的所述支撑孔和所述金属通孔得到支撑及实现与所述衬底层之间的电连接。
2.根据权利要求1所述的红外探测器结构，其特征在于，所述微桥桥面自下而上设有第一释放保护层、第一敏感材料层、第一金属电极层和第二释放保护层；其中，所述支撑孔形成于所述第一释放保护层和第一敏感材料层中，所述第一金属电极层沿所述支撑孔内壁表面进入所述支撑孔，并通过所述支撑孔的底部连接所述金属通孔，所述第二释放保护层将所述第一敏感材料层和第一金属电极层表面完全覆盖。
3.根据权利要求2所述的红外探测器结构，其特征在于，所述微桥桥面还设有：位于所述第一释放保护层下方的第二敏感材料层，以及位于所述第二敏感材料层下方的第二金属电极层，所述第二金属电极层位于所述牺牲层上，所述第二敏感材料层与所述第一敏感材料层之间通过所述第二金属电极层与所述第一金属电极层之间的连接相并联。
4.根据权利要求3所述的红外探测器结构，其特征在于，所述支撑孔还向下穿过所述第二敏感材料层，停止于所述第二金属电极层上，所述第一金属电极层沿所述支撑孔内壁表面进入所述支撑孔，并通过位于所述支撑孔底部的所述第二金属电极层连接所述金属通孔。
5.根据权利要求3所述的红外探测器结构，其特征在于，所述第二金属电极层的图形与所述第一金属电极层的图形位置相对应。
6.根据权利要求3所述的红外探测器结构，其特征在于，所述第二金属电极层的图形之间填充有介质隔离层。
7.根据权利要求4所述的红外探测器结构，其特征在于，所述金属通孔与所述牺牲层之间设有扩散阻挡层，所述扩散阻挡层还通过延伸至所述牺牲层上形成所述第二金属电极层。
8.根据权利要求1所述的红外探测器结构，其特征在于，所述衬底层中设有金属互连层，所述金属通孔连接所述金属互连层。
9.一种红外探测器结构制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一衬底层，在所述衬底层上形成牺牲层，在所述牺牲层中形成两个通孔；
在所述通孔侧壁上沉积扩散阻挡层，然后，在所述通孔中填充金属，并去除所述通孔以外多余的金属材料和扩散阻挡层材料，形成金属通孔；
在所述牺牲层上形成介质隔离层，并图形化；
在所述介质隔离层图形中填充第二金属电极层，使所述第二金属电极层连接所述金属通孔，并图形化所述第二金属电极层；
在所述介质隔离层和第二金属电极层表面上形成第二敏感材料层，并图形化；
在所述第二敏感材料层表面上依次形成第一释放保护层和第一敏感材料层，并图形化所述第一敏感材料层；
由所述第一敏感材料层表面向下形成与两个所述金属通孔位置对应的两个支撑孔，停止于所述第二金属电极层上；
沉积第一金属电极层，将所述第一敏感材料层表面和所述支撑孔内壁表面覆盖，使所述第一金属电极层连接所述第二金属电极层，并图形化所述第一金属电极层；
沉积第二释放保护层，将所述第一敏感材料层和第一金属电极层表面完全覆盖，并图形化所述第二释放保护层。
10.根据权利要求9所述的红外探测器结构制造方法，其特征在于，还包括：形成第二敏感材料层前，先去除在所述第二金属电极层表面生成的金属氧化物。
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