CN112563292A - 一种新型多层红外探测器及制备方法 - Google Patents

一种新型多层红外探测器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体的技术领域，公开了一种新型多层红外探测器，包括设置在带读取电路的衬底上的多层阵列排布的像元集合，每个像元均包括含微桥桥面、梁结构、支撑及电连接孔在内的微桥谐振腔结构，相邻两层的像元集合中对应的高层像元与低层像元均相互错开排布，且高层像元中微桥桥面的投影面与低层像元中的梁结构、支撑及电连接孔、相邻像元的间隙的投影面重叠。本发明的多层红外探测器借助错开排布，使高层像元中微桥桥面将低层像元中微桥的梁结构、支撑及电连接孔、相邻像元的间隙覆盖，增加了对红外线的吸收面积，提高红外吸收效率，并在成本可控的前提下提升了产品性能。

Description

一种新型多层红外探测器及制备方法
技术领域
本发明涉及半导体的技术领域，尤其涉及一种新型多层红外探测器及制备方法。
背景技术
非制冷式红外探测器产品的核心结构是微桥谐振腔结构，传统红外探测器微桥谐振腔结构单层结构，由于其支撑和电连接孔、梁、相邻像元的间隙等结构占用的微桥投影面积，其入射红外线的吸收效率相对较低。有人提出使用多层结构来提升红外吸收率，但通过传统叠层方案制造多层结构时，只能提高对从高层微桥透射过去的红外线的再吸收，并没有支撑和电连接孔、梁、相邻像元的间隙等结构占用的面积利用起来，不利于吸收面积的扩大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中叠层方案制造多层结构时，只能提高对从高层微桥透射过去的红外线的再吸收，并没有支撑和电连接孔、梁、相邻像元的间隙等结构占用的面积利用起来，不利于吸收面积的扩大等缺陷，提供一种新型多层红外探测器及制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种新型多层红外探测器，包括设置在带读取电路的衬底上的多层阵列排布的像元集合，每个像元均包括含微桥桥面、梁结构、支撑及电连接孔在内的微桥谐振腔结构，相邻两层的像元集合中对应的高层像元与低层像元均相互错开排布，且高层像元中微桥桥面的投影面与低层像元中的梁结构、支撑及电连接孔、相邻像元的间隙的投影面重叠。
进一步，每个所述低层像元的投影面与同所述低层像元位置相对应的上层相邻两行或两列的四个高层像元的投影面均部分重叠。
进一步，每个所述低层像元的投影面中心点与同所述低层像元位置相对应的上层相邻两行或两列的四个高层像元的投影面组成的整体图像的中心点位于同一直线上。
进一步，在带读取电路的所述衬底上设置有两层阵列排布的像元集合，第一层设置有2*2个像元，分别标记为A1、A2、A3、A4，第二层设置有3*3个像元，分别标记为B1、B2…B9，则第一层像元集合对应的阵列被扩充后形成的阵列为4*4阵列，即(A1+B1)/4、(A1+B2)/4、(A2+B2)/4、(A2+B3)/4；(A1+B4)/4、(A1+B5)/4、(A2+B5)/4、(A2+B6)/4；(A3+B4)/4、(A3+B5)/4、(A4+B5)/4、(A4+B6)/4；(A3+B7)/4、(A3+B8)/4、(A4+B8)/4、(A4+B9)/4，其中，(A1+B1)/4表示像元A1中与像元B1重叠的四分之一投影面，依次类推，直至(A4+B9)/4。
进一步，相邻两层的所述像元集合中的高层像元集合将低层像元集合全部覆盖，将高层像元集合分成周边非重叠区和中心重叠区，处于周边非重叠区的高层像元通过支撑及电连接孔与衬底连接，处于中心重叠区的高层像元通过支撑及电连接孔与对应的低层像元的电极层连接，以实现与衬底电连接。
进一步，每层所述像元集合中的像元由下至上分别设置有敏感层、电极层、释放保护层和吸收层，所述电极层位于敏感层之上，覆盖于每个像元表面，具有图形；同时，处于中心重叠区的高层像元，由电极图形定义的敏感层电阻通过两个支撑及电连接孔分别连接到相邻的两个低层像元的电极层上，
处于周边非重叠区的高层像元，其中一个支撑及电连接孔的深度大于另一个，由电极图形定义的敏感层电阻通过深度大的支撑及电连接孔与衬底电连接，通过深度小的支撑及电连接孔连接到相邻的低层像元的电极层上。
进一步，与位于所述中心重叠区的高层像元的两个支撑及电连接孔分别连接的两个低层像元位于所述高层像元对角位置的正下方。
一种基于上文所述的新型多层红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在带有读取电路的衬底上，制作M*N阵列排布的多个微桥谐振腔结构，形成第一层像元集合；
步骤二、在所述第一层像元集合上继续制作(M+1)*(N+1)阵列排布的多个微桥谐振腔结构，形成第二层像元集合，所述第二层像元集合将第一层像元集合完全覆盖且两两对应错开排布，在所述第二层像元集合中，每个像元的微桥谐振腔结构均包括设置在对角位置的两个支撑及电连接孔，
对于处于中心重叠区的第二层像元，其两个支撑及电连接孔的底部分别与其正下方第一层像元集合中两个相邻像元的中心附近位置接触，且与所述两个相邻像元的微桥谐振腔结构中的电极层相连；
对于处于周边非重叠区的第二层像元，其中一个支撑及电连接孔的深度大于另一个，深度小的支撑及电连接孔的底部与其正下方第一层像元集合中对应像元的中心附近位置接触，且与所述对应像元的微桥谐振腔结构中的电极层连接；深度大的支撑及电连接孔的底部与衬底连接；
步骤三、重复步骤一至二，相邻两层的像元集合中高层阵列排布的行数和列数均比低层阵列排布的行数和列数多一，直至完成所有层像元集合的制作。
本发明有益的技术效果在于：
1、借助错开排布，使高层像元中微桥桥面将低层像元中微桥的梁结构、支撑及电连接孔、相邻像元的间隙覆盖，增加了对红外线的吸收面积，提高红外吸收效率，并在成本可控的前提下提升了产品性能。
2、每个低层像元的投影面与处在相邻两行或两列对应的相邻的四个高层像元的四分之一投影面均重叠，且其中心与这四个高层像元的中心处于同一直线上，从而使可以认为从四个高层像元中心照射过来的一束红外线可被分成四束入射进入正下方的低层像元，变相完成低层像元集合的阵列扩充，提高红外成像的精度，大幅度提升产品的性能，极具应用前景。
附图说明
图1为本发明的两层阵列排布的像元集合的中心重叠区的局部剖面图与立体结构的对照示意图；
图2为本发明的两层阵列排布的像元集合的周边非重叠区的局部剖面图；
图3为本发明的两层阵列排布的像元集合的俯视示意图；
图4为本发明的第一层2*2像元集合和第二层3*3像元集合错开排布时的俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
本发明提供了一种新型多层红外探测器，包括设置在带读取电路的衬底上的多层阵列排布的像元集合，如图1和2所示，相邻两层的像元集合中对应的高层像元与低层像元均相互错开排布，且高层像元中微桥桥面的投影面与低层像元中微桥的梁结构、支撑及电连接孔、相邻像元的间隙的投影面重叠。这样，借助错开排布，高层像元中微桥桥面将低层像元中微桥的梁结构、支撑及电连接孔、相邻像元的间隙覆盖，增加了对红外线的吸收面积，提高红外吸收效率，并在成本可控的前提下提升了产品性能。
具体地，每个低层像元的投影面与处在相邻两行或两列对应的相邻的四个高层像元的投影面均部分重叠，这样，来自上述四个高层像元的部分投影面组合覆盖了大部分低层像元，而其对应的相邻像元的间隙、支撑及电连接孔，甚至是梁结构都落在了低层像元的微桥表面，从而增加了对红外线的吸收面积，提高红外吸收效率，可以是上述四个高层像元的四分之一投影面均与低层像元重叠，其中心点与低层像元的中心点位于同一直线上，相当于每个低层像元都被均分成四份，这样，可以认为从四个高层像元中心照射过来的一束红外线可被分成四束入射进入正下方的低层像元，从而变相完成了对低层像元集合的阵列扩充，提高红外成像的精度，大幅度提升产品的性能，极具应用前景。
例如，在带读取电路的衬底上设置有两层阵列排布的像元集合，如图3和4所示，第一层设置有2*2个像元，分别标记为A1、A2、A3、A4，第二层设置有3*3个像元，分别标记为B1、B2…B9，则第一层像元集合对应的阵列被扩充后形成的阵列为4*4阵列，即(B1+A1)/4、(A1+B2)/4、(A2+B2)/4、(A2+B3)/4；(A1+B4)/4、(A1+B5)/4、(A2+B5)/4、(A2+B6)/4；(A3+B4)/4、(A3+B5)/4、(A4+B5)/4、(A4+B6)/4；(A3+B7)/4、(A3+B8)/4、(A4+B8)/4、(A4+B9)/4，其中，(A1+B1)/4表示像元A1中与像元B1重叠的四分之一投影面，(A1+B2)/4表示像元A1中与像元B2重叠的四分之一投影面，(A2+B2)/4表示像元A2中与像元B2重叠的四分之一投影面，依次类推，直至(A4+B9)/4。
在进行多层像元集合制作时，相邻两层的像元集合中的高层像元集合可将低层像元集合全部覆盖，且两两对应错开排布，如果将高层像元集合分成周边非重叠区和中心重叠区，如图1-4所示，那么处于中心重叠区的高层像元通过支撑及电连接孔与对应的低层像元的电极层连接，最终实现与衬底电连接；而处于周边非重叠区的高层像元有些部分是悬空状态，可以用一个深度较大的支撑及电连接孔直接与衬底电连接，这样，在实现电连接的同时，也可以给周边的高层像元提供支撑，当然也可以通过假结构实现支撑；而没有悬空的部分，则可以通过与中心重叠区的高层像元相同的支撑及电连接孔连接到对应的低层像元的电极层连接，最终实现与衬底电连接。
假设入射光信号经过过光学成像镜头汇聚成像后，先穿过第一层，然后透射到第二层，且相同位置即投影位置和面积下，入射到第一层的信号与入射到第二层的信号的强度一样。如图4所示，实线所圈定的中间区域为中心重叠区，也就是算法扩充后的新的4*4阵列，其它区域为周边非重叠区，此时，处于左上角的扩充后的像素为像素A1的左上角1/4面积，其与像素B1的右下角1/4面积交叠，输入的光信号照射了像素A1的1/4面积，然后投射照射到像素B1的1/4面积，假设每个像素对应面积内的信号强度均匀相等，新扩充的像素对应的信号强度为像素A1/4与像素B1/4对应的信号强度之和。
依此类推：
扩充后第一行的四个像素的信号强度为：
像素A1/4与像素B1/4的信号强度之和、像素A1/4与像素B2/4的信号强度之和、像素A2/4与像素B2/4的信号强度之和、像素A2/4与像素B3/4的信号强度之和；
第二行像素的四个像素的信号强度为：
像素A1/4与像素B4/4的信号强度之和、像素A1/4与像素B5/4的信号强度之和、像素A2/4与像素B5/4的信号强度之和、像素A2/4与像素B6/4的信号强度之和；
第三行像素的四个像素的信号强度为：
像素A3/4与像素B4/4的信号强度之和、像素A3/4与像素B5/4的信号强度之和、像素A4/4与像素B5/4的信号强度之和、像素A4/4与像素B6/4的信号强度之和；
第四行像素的四个像素的信号强度为：
像素A3/4与像素B7/4的信号强度之和、像素A3/4与像素B8/4的信号强度之和、像素A4/4与像素B8/4的信号强度之和、像素A4/4与像素B9/4的信号强度之和。
假设每层像元集合中的像元由下至上分别设置有牺牲层、敏感层、电极层、释放保护层和吸收层，其电极层位于敏感层之上，覆盖于每个像元的微桥表面，且具有图形，这样，处于中心重叠区的高层像元，由电极图形定义的敏感层电阻通过两个支撑及电连接孔分别连接到相邻的两个低层像元的电极层上，直至电连接到衬底上，可以将这两个支撑及电连接孔设置在高层像元的对角位置，那么与之连接的两个低层像元则位于高层像元对角位置的正下方，可以是左下、右上或者左上、右下，如图3所示，这样既可以简化结构，方便工艺实现，又可以保障整个结构的稳定性和良好的电连接效果；
而处于周边非重叠区的高层像元，其中一个支撑及电连接孔的深度大于另一个，由电极图形定义的敏感层电阻通过深度大的支撑及电连接孔与衬底电连接，通过深度小的支撑及电连接孔连接到相邻的低层像元的电极层上，直至电连接到衬底上，同样，也可以将这两个深度不同的支撑及电连接孔设置在高层像元的对角位置，与处于中心重叠区域的高层像元一致，便于进行统一制作，降低工艺的复杂度。
本发明还提供了一种基于上文所述的新型红外探测器的制备方法，如图1和2所示，具体包括以下步骤：
步骤一、在带有读取电路的衬底上，利用沉积刻蚀工艺制作M*N阵列排布的多个微桥谐振腔结构，形成第一层像元集合；
步骤二、在第一层像元集合上继续制作(M+1)*(N+1)阵列排布的多个微桥谐振腔结构，形成第二层像元集合，该第二层像元集合将第一层像元集合完全覆盖且两两对应错开排布，在第二层像元集合中，每个像元的微桥谐振腔结构均包括设置在对角位置的两个支撑及电连接孔，
对于处于中心重叠区的第二层像元，其两个支撑及电连接孔的底部分别与其正下方第一层像元集合中两个相邻像元的中心附近位置接触，且与第一层像元集合中两个相邻像元的微桥谐振腔结构中的电极层相连；
对于处于周边非重叠区的第二层像元，其中一个支撑及电连接孔的深度大于另一个，深度小的支撑及电连接孔的底部与其正下方第一层像元集合中对应像元的中心附近位置接触，且与第一层像元集合中对应像元的微桥谐振腔结构中的电极层相连；深度大的支撑及电连接孔的底部与衬底连接；
步骤三、重复步骤一至二，相邻两层的像元集合中高层阵列排布的行数和列数均比低层阵列排布的行数和列数多一，直至完成所有层像元集合的制作，形成最终产品。
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 (8)

1.一种新型多层红外探测器，其特征在于：包括设置在带读取电路的衬底上的多层阵列排布的像元集合，每个像元均包括含微桥桥面、梁结构、支撑及电连接孔在内的微桥谐振腔结构，相邻两层的像元集合中对应的高层像元与低层像元均相互错开排布，且高层像元中微桥桥面的投影面与低层像元中的梁结构、支撑及电连接孔、相邻像元的间隙的投影面重叠。
2.根据权利要求1所述的新型多层红外探测器，其特征在于：每个所述低层像元的投影面与同所述低层像元位置相对应的上层相邻两行或两列的四个高层像元的投影面均部分重叠。
3.根据权利要求2所述的新型多层红外探测器，其特征在于：每个所述低层像元的投影面中心点与同所述低层像元位置相对应的上层相邻两行或两列的四个高层像元的投影面组成的整体图像的中心点位于同一直线上。
4.根据权利要求3所述的新型多层红外探测器，其特征在于：在带读取电路的所述衬底上设置有两层阵列排布的像元集合，第一层设置有2*2个像元，分别标记为A1、A2、A3、A4，第二层设置有3*3个像元，分别标记为B1、B2…B9，则第一层像元集合对应的阵列被扩充后形成的阵列为4*4阵列，即(A1+B1)/4、(A1+B2)/4、(A2+B2)/4、(A2+B3)/4；(A1+B4)/4、(A1+B5)/4、(A2+B5)/4、(A2+B6)/4；(A3+B4)/4、(A3+B5)/4、(A4+B5)/4、(A4+B6)/4；(A3+B7)/4、(A3+B8)/4、(A4+B8)/4、(A4+B9)/4，其中，(A1+B1)/4表示像元A1中与像元B1重叠的四分之一投影面，依次类推，直至(A4+B9)/4。
5.根据权利要求3所述的新型多层红外探测器，其特征在于：相邻两层的所述像元集合中的高层像元集合将低层像元集合全部覆盖，将高层像元集合分成周边非重叠区和中心重叠区，处于周边非重叠区的高层像元通过支撑及电连接孔与衬底连接，处于中心重叠区的高层像元通过支撑及电连接孔与对应的低层像元的电极层连接，以实现与衬底电连接。
6.根据权利要求5所述的新型多层红外探测器，其特征在于：每层所述像元集合中的像元由下至上分别设置有敏感层、电极层、释放保护层和吸收层，所述电极层位于敏感层之上，覆盖于每个像元表面，具有图形；同时，处于中心重叠区的高层像元，由电极图形定义的敏感层电阻通过两个支撑及电连接孔分别连接到相邻的两个低层像元的电极层上，
处于周边非重叠区的高层像元，其中一个支撑及电连接孔的深度大于另一个，由电极图形定义的敏感层电阻通过深度大的支撑及电连接孔与衬底电连接，通过深度小的支撑及电连接孔连接到相邻的低层像元的电极层上。
7.根据权利要求6所述的新型多层红外探测器，其特征在于：与位于所述中心重叠区的高层像元的两个支撑及电连接孔分别连接的两个低层像元位于所述高层像元对角位置的正下方。
8.一种如权利要求1所述的新型多层红外探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、在带有读取电路的衬底上，制作M*N阵列排布的多个微桥谐振腔结构，形成第一层像元集合；
步骤二、在所述第一层像元集合上继续制作(M+1)*(N+1)阵列排布的多个微桥谐振腔结构，形成第二层像元集合，所述第二层像元集合将第一层像元集合完全覆盖且两两对应错开排布，在所述第二层像元集合中，每个像元的微桥谐振腔结构均包括设置在对角位置的两个支撑及电连接孔，
对于处于中心重叠区的第二层像元，其两个支撑及电连接孔的底部分别与其正下方第一层像元集合中两个相邻像元的中心附近位置接触，且与所述两个相邻像元的微桥谐振腔结构中的电极层相连；
对于处于周边非重叠区的第二层像元，其中一个支撑及电连接孔的深度大于另一个，深度小的支撑及电连接孔的底部与其正下方第一层像元集合中对应像元的中心附近位置接触，且与所述对应像元的微桥谐振腔结构中的电极层连接；深度大的支撑及电连接孔的底部与衬底连接；
步骤三、重复步骤一至二，相邻两层的像元集合中高层阵列排布的行数和列数均比低层阵列排布的行数和列数多一，直至完成所有层像元集合的制作。
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