CN112840189A - 用于制造包括悬挂的检测元件的电磁辐射检测装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造电磁辐射检测装置的方法，该方法包括以下步骤：产生由包括外侧通孔(54a)的支撑柱(50)悬挂的检测元件(80；60)，所述外侧通孔是由于在竖直孔(51)中存在凸销(2a)而造成关注层(52)的连续性局部断开而形成。
Description
技术领域
本发明的领域是用于制造包括布置在衬底上的至少一个热检测器的电磁辐射检测装置的方法的领域。热检测器包括通过至少一个支撑柱悬挂的至少一个检测元件，并通过布置在衬底上的一个堆叠在另一个上的多个牺牲层制成。本发明尤其适用于红外或太赫兹成像、热成像、甚至气体检测的领域。
背景技术
电磁辐射检测装置可以包括敏感像素，每个敏感像素由包括与读出衬底热绝缘的吸收性膜的热检测器形成。吸收性膜包括与测温换能器热学地关联的待检测电磁辐射的吸收器，所述测温换能器的电气特性在强度上随着换能器的加热而变化。
然而，由于测温换能器的温度高度依赖于其环境，吸收性膜与衬底和布置在衬底中的读出电路热绝缘。因此，吸收性膜一般通过锚固柱21悬挂在衬底上方，并通过热绝缘臂与之热绝缘。这些锚固柱21和热绝缘臂通过确保吸收性膜电连接到读出衬底，还具有电气功能。
通常，寻求在减小像素间距的同时优化热检测器的性能。为此，一种方式在于制造一种热检测器，该热检测器包括悬挂在读出衬底10上方的三维结构，并具有彼此叠置的多个独立的功能级。
由此，文献WO2009/026505描述了这样的热检测器的示例，所述热检测器包括位于读出衬底10上并与该读出衬底接触的反射器，和通过锚固柱21悬挂在读出衬底上方的三维结构。三维结构包括第一级和第二级，在所述第一级中包括热绝缘臂和包含测温换能器(在此为热敏电阻材料)的膜，所述第二级包括待检测的电磁辐射的吸收器。支撑柱确保了既将吸收器保持在热敏电阻的膜上方，又将这两个元件热连接。吸收器和反射器一同形成增强对电磁辐射的吸收的光学腔。此外，在吸收性层中设置有可能穿过的凹口，以减小热检测器的热质量。
此外，在Li等人的题为Recent development of ultra small pixel uncooledfocal plane array，DRS，Proc.SPIE 2007，Vol.6542，p.1Y.1-1Y.12的文章中描述了一种与前述热检测器类似的热检测器，其中，吸收器和支撑柱看起来是由相同材料一体形成。因此，该吸收器包括上周边部分，该上周边部分以平面的方式围绕布置在热敏电阻膜上的空心竖直中央部分延伸。
此外，已知在称为above IC的工艺的背景下制造包括热检测器的检查装置，即，使用包括在单个读出衬底上实施的微电子生产操作(沉积、光刻，和蚀刻)的连续序列的方法。热检测器由此通过沉积在读出衬底上并且彼此堆叠的各种牺牲层制成，然后最后被去除以确保将包含测温换能器的膜悬挂在衬底上方。在专利申请EP2743659中特别描述了这种制造方法的示例。
需要提供一种用于制造改进的检测装置的方法，该检测装置的一个或更多个热检测器包括通过至少一个支撑柱悬挂在衬底上方的检测元件(吸收器等)，所述热检测器通过沉积在衬底上并彼此堆叠的牺牲层制成。
发明内容
本发明的目的在于至少部分地弥补现有技术的缺陷，更具体地在于提出一种用于制造具有优化性能且同时准许减小敏感像素的横向尺寸的电磁辐射检测装置的方法。
为此，本发明的目的是一种用于制造电磁辐射检测装置的方法，该检测装置包括衬底和至少一个热检测器，所述衬底包括读出电路；所述至少一个热检测器布置在衬底上并连接到读出电路，包括通过至少一个支撑柱悬挂在衬底上方的检测元件。该制造方法包括以下步骤：
o在衬底上沉积第一牺牲层；
o在第一牺牲层上产生旨在形成凸销的至少一个中间垫，该中间垫由至少一种对随后用于蚀刻牺牲层的化学蚀刻剂敏感的材料制成；
o在第一牺牲层和中间垫上沉积第二牺牲层；
o通过局部蚀刻第一和第二牺牲层，产生被侧边缘横向地限定的至少一个竖直孔，所述至少一个竖直孔布置为使得中间垫的一部分突出到竖直孔中，由此形成凸销；
o在竖直孔的侧边缘上保形沉积旨在形成支撑柱的关注层，该关注层则限定支撑柱的空的内部空间，凸销导致关注层的连续性的局部断开，形成支撑柱的外侧通孔；
o沉积牺牲填充层以填充支撑柱的空的内部空间；
o在第二牺牲层和牺牲填充层上产生检测元件，该检测元件布置在支撑柱上并与该支撑柱接触；
o通过用所述蚀刻剂来蚀刻所述牺牲层和中间垫来悬挂检测元件，牺牲填充层则通过外侧通孔被蚀刻。
该制造方法的某些优选但非限制性的方面如下。
支撑柱的内部空间可以通向位于与衬底相对处的上开口上，所述上开口被检测元件封闭。
关注层可在竖直孔的侧边缘处具有平均厚度，凸销相对于侧边缘突出至少等于所述平均厚度的距离。
中间垫可由选自Ti、Ta2O5和氮化硅的材料制成。
关注层可通过化学气相沉积来沉积。
关注层可由选自WSi、TiN和TiW的材料制成。
牺牲层可以由矿物材料制成，并可通过在酸性介质下的湿化学蚀刻来去除。
在沉积牺牲填充层的步骤之后，该牺牲填充层可包括上部部分和下部部分，所述上部部分覆盖关注层的覆盖第二牺牲层的围绕竖直孔的上部面的周边部分，所述下部部分填充支撑柱的内部空间。
所述方法可以包括去除牺牲填充层的上部部分以使得下部部分与关注层的周边部分齐平的步骤。
检测元件可以是待检测的电磁辐射的吸收器，支撑柱布置在膜上并与该膜接触，所述膜包括测温换能器并通过热绝缘臂悬挂在衬底上方，反射器布置在衬底上并与该衬底接触。
检测元件可以是吸收性膜，所述吸收性膜吸收待检测的电磁辐射并且包括测温换能器，支撑柱布置在通过锚固柱悬挂在衬底上方的热绝缘臂上并与该热绝缘臂接触，反射器布置在吸收性膜与热绝缘臂之间。
附图说明
通过阅读以下优选实施例的详细描述，本发明的其他方面、目的、优点和特征将变得更加明显，该描述是通过非限制性示例并参照附图给出的，其中：
图1A至1I示出根据第一实施方式的用于制造检测装置的方法的各个步骤，其中，检测元件是热检测器的吸收器；
图2A至2H示出根据第二实施方式的用于制造检测装置的方法的各个步骤，其中，检测元件是热检测器的热敏电阻吸收性膜。
具体实施方式
在附图和本说明书的其余部分中，相同的附图标记代表相同或相似的元件。而且，为了附图的清楚起见，未按比例显示各种元件。此外，不同的实施例和变型不相互排斥，而是可相互组合。除非另有说明，否则表述“大致”、“大约”、“约”是指正负10％误差，优选地正负5％误差。此外，除非另有说明，否则表述“包括”必须理解为“包括至少一个”，而不是“包括仅一个”。
本发明涉及一种用于制造电磁辐射、例如红外或太赫兹辐射的检测装置的方法。该检测装置可由此特别适于检测波长为大约8μm至14μm的LWIR(英文为Long WavelengthInfrared，长波长红外)范围的红外辐射。
检测装置包括一个或更多个热检测器，优选地相同的热检测器的矩阵，所述一个或更多个热检测器布置在衬底上并连接到位于衬底中的读出电路。热检测器由此形成周期性设置的敏感像素，并可在衬底的平面中具有约为数十微米(例如等于大约10μm，甚至更小)的横向尺寸(称为像素间距)。
根据本发明，所述一个或多个热检测器中的每个包括通过至少一个空心支撑柱悬挂在衬底上方的检测元件。检测元件参与检测关注的电磁辐射。所述检测元件可由此根据第一实施方式涉及保持在包括测温换能器的膜上方的待检测电磁辐射的吸收器，甚至根据第二实施方式涉及包括测温换能器的膜。以下示意性地详细说明这些不同的实施方式，其它构造是可行的。
此外，热检测器有利地包括通过锚固柱悬挂在衬底上方且包括彼此叠置(即布置为相互面对且平行)的多个单独的功能级的三维结构。像测温换能器和吸收器那样，检测元件和支撑柱优选地布置在三维结构的不同级中。
本发明由此特别适用于包括测温换能器的热检测器，该测温换能器通过锚固柱21悬挂在衬底上且通过热绝缘臂与衬底热绝缘。锚固柱21和热绝缘臂还确保将测温换能器连接到读出电路。一般地，测温换能器是一种具有随加热变化的电气特性的元件，并可以是由例如钒或钛的氧化物或无定形硅形成的热敏电阻材料、由热电或铁电材料形成的电容、二极管(pn或pin结)，甚至是金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
此外，这样的热检测器中的每个包括布置为与测温换能器热连接的待检测的电磁辐射的吸收器。优选地，热检测器中的每个还包括面对吸收器布置的反射器，以形成四分之一波干涉腔，由此允许最大化吸收器对待检测的电磁辐射的吸收。
此外，根据本发明，所述一个或更多个热检测器由沉积在衬底上且彼此堆叠的各个牺牲层制成，然后借助于化学蚀刻剂去除所述牺牲层，以尤其是获得检测元件和有利地三维结构的悬挂。根据本发明，支撑柱则是空心的且包括外侧通孔(即，未被封闭的开口)，以允许移除位于支撑柱的内部空间中的牺牲填充层的部分。这样的制造方法由此允许减小支撑柱的热质量，因此优化与热检测器关联的热时间常数。检测装置的性能因此得到改善。在对于产生减小的像素间距的热检测器情况下，这特别有利，支撑柱的内部空间沿着Z轴通向上开口，例如被检测元件封闭的上开口。
图1A至1I示出根据第一实施例的用于制造检测装置1的方法的各个步骤。在此示出单个热检测器20，但检测装置1有利地包括相同的热检测器20(敏感像素)的矩阵阵列。在该示例中，检测元件对应于热检测器20的吸收器80。该吸收器通过至少一个支撑柱50保持在包含测温换能器64(在此为例如无定形硅或钒的氧化物的热敏电阻材料)的膜60上方。
此外，每个热检测器20在此包括通过锚固柱21悬挂在读出衬底10上方的三维结构，其包括彼此叠置的两个独立的功能级。在下部的第一级中，热绝缘臂30和热敏电阻膜60以大致平面的方式延伸。在上部的第二级中，检测元件(这里是通过支撑柱50悬挂在热敏电阻膜60上方的吸收器80)以大致平面的方式延伸。该支撑柱则确保吸收器80与热敏电阻64之间的热连接。反射器40在这里由布置在读出衬底10上方并与该读出衬底接触的平面层形成。
此外，这里通过使用沉积在读出衬底10上且彼此堆叠的矿物牺牲层制造每个热检测器20，这些牺牲层旨在随后通过在酸性介质下的湿化学蚀刻(例如借助于气相氢氟酸(HF))去除。
这里，在说明书的其余部分，定义了正交的三维直接参照系(X，Y，Z)，其中(X，Y)平面与检测装置1的衬底的主平面大致平行，并且其中，Z轴沿着与读出衬底10的主平面大致正交并朝向检测元件的方向取向。在本说明书下文中，术语“下”和“上”将被理解为与在+Z方向上距衬底的距离增加的位置有关。
参照图1A，首先制造用于检测元件(吸收器)和用于支撑柱的支撑件。所述支撑件在此涉及热检测器的三维结构的下部的功能级。为此，首先制造读出衬底10，在该示例中，所述读出衬底由硅制成并且由包含适于控制和读出热检测器的读出电路12的支撑衬底11形成。
读出电路12在此的形式为位于支撑衬底11中的CMOS集成电路。所述集成电路包括通过由例如基于硅的矿物材料(例如氧化硅SiOx、氮化硅SiNx或它们的合金)的介电材料13制成的金属间绝缘层13相互分隔的例如金属的导电线部分14。所述集成电路还可以包括有源或无源电子元件(未示出)，例如二极管、晶体管、电容器、电阻器等等，所述有源或无源电子元件通过电气互连一方面连接到热检测器、另一方面连接到连接垫(未示出)，所述连接垫旨在将检测装置1连接到外部电子装置。
示意性地，导电部分14和导电通道15可以例如通过镶嵌工艺例如由铜、铝、或钨制成，其中填充形成在金属间绝缘层13中的槽。铜或钨可以可选地位于由钛的氮化物或其它制成的子层之间。可以使用CMP(Chemical-Mechanical Polishing，化学机械抛光)技术使导电部分14与读出衬底10的上部面齐平。
也制造了热检测器20的反射器40。反射器40在此由前一互连水平的导电线的部分14形成，该部分由适于反射待检测的电磁辐射的材料制成。该反射器面对热敏电阻膜60，并旨在与吸收器一起形成针对待检测的电磁辐射的四分之一波干涉腔。
然后沉积保护层16以覆盖金属间绝缘层13、导电部分14，和在此的反射器40。该保护层16在此对应于蚀刻停止层，该蚀刻停止层由对随后用于去除矿物牺牲层的化学蚀刻剂(例如在气相HF环境下)具有显著惰性的材料制成。该保护层16由此形成化学惰性且密封的层。该保护层是电绝缘的，以避免导体部分14之间的任何短路。因此，可以在去除牺牲层的步骤期间防止下面的矿物绝缘层13被蚀刻。该保护层可以由铝的氧化物或氮化物、铝的氮化物或三氟化物、或没有故意掺杂的无定形硅形成。该保护层可以例如通过物理气相沉积(PVD)沉积，并可具有约为十多纳米至数百纳米、例如10nm至500nm、优选地20nm至100nm的厚度。
然后制造锚固柱21。为此，首先在读出衬底10上沉积例如由矿物材料(例如通过等离子辅助化学气相沉积(PECVD)来沉积硅的氧化物SiOx)制成的下部的第一牺牲层71。该矿物材料能够通过湿化学蚀刻被去除，尤其是通过在酸性介质下的化学侵蚀，蚀刻剂优选地是气相氢氟酸(HF)。沉积该矿物牺牲层71，以便在读出衬底10的大致整个表面上连续地延伸，从而覆盖保护层16。牺牲层71沿着Z轴的厚度可以约为数百纳米至数微米。
然后，在穿过牺牲层71和保护层16预先产生的竖直孔中制造锚固柱21。它们可以通过用一种或更多种导电材料填充竖直开孔来制造。作为示例，它们可以各自包括通过PVD或金属有机化学气相沉积(MOCVD)在竖直孔的侧边缘和底部上沉积的TiN层，和填充由TiN层在横向上限定的空间的由铜或钨制成的导电芯部。然后，化学机械抛光(CMP)的步骤允许去除多余的填充材料并且使由牺牲层71和锚固柱21形成的上部面平坦化。锚固柱21因此形成由至少一种导电材料制成的导电垫，其沿着Z轴从读出衬底10延伸到热绝缘臂30。所述锚固柱与导电部分14接触，由此确保将热检测器20电连接到读出电路12。
然后制造热绝缘臂30和包括热敏电阻材料64的膜60。热绝缘臂30使热敏电阻膜60与读出衬底10热绝缘，电连接热敏电阻材料64，并使热敏电阻膜60保持悬挂在读出衬底10上方。为此，在牺牲层71上沉积下部介电层31，然后沉积导电层32和中间介电层63。锚固柱21与导电层32之间的电接触通过预先穿过下部介电层31产生并被导电层32的材料填充的开口来获得。导电层32由此与锚固柱21的上端部接触。所述导电层由导电材料、例如厚度为几纳米至几十纳米(例如10nm)的TiN制成。下部介电层31和中间介电层63可以由(除其它外)无定形硅、硅的碳化物、氧化铝Al2O3或铝的氮化物制成。它们可以具有几十纳米、例如20nm的厚度，并参与确保热绝缘臂30的刚性化。
热敏电阻膜60在此由下部绝缘层31、由导电层32获得并通过侧向间隔彼此隔离的两个电极62、中间绝缘层63和热敏电阻材料64(例如由无定形硅或钒或钛的氧化物制成)的堆叠形成，其中中间绝缘层覆盖电极62和除了通向电极62的两个通孔之外的侧向间隔。热敏电阻材料64通过开口与两个电极62接触。然后沉积上部保护层65以覆盖热敏电阻材料64，并可选地覆盖与热绝缘臂30齐平的中间介电层63。所述上部保护层允许保护热敏电阻材料64使其免受随后去除矿物牺牲层期间使用的化学蚀刻剂的损害。然后通过光刻和局部蚀刻来实现介电层31、63、导电层32、和上部保护层65的构造，以在XY平面中限定热绝缘臂30以及限定热敏电阻膜60。
参照图1B，然后制造旨在形成凸销的中间垫2，即中间垫2中的每个突出到支撑柱的每个竖直孔内的部分。为此，首先沉积第一中间牺牲层72.1以覆盖支撑柱的支撑件(在此为热绝缘臂30和热敏电阻膜60)，以及下部牺牲层71。牺牲层72.1由与牺牲层71的材料相同或相似的矿物材料制成。
然后在第一中间牺牲层72.1的上部面上制造中间垫2，所述中间垫由对随后用于去除各个牺牲层的蚀刻剂敏感(即能够被其蚀刻)的材料制成。该材料可选自(除其它外)硅的氮化物、钛、钽的氧化物Ta2O5，其优选地在低温(例如300℃)下通过PECVD沉积。中间垫的厚度取决于待蚀刻的牺牲层72.1、72.2的性质和厚度，并且其厚度约为几十纳米至几百纳米，例如100nm至300nm。每个中间垫2布置在XY平面中以使得一部分突出到旨在形成支撑柱的竖直孔中。
参照图1C和1D，然后制造旨在形成空心支撑柱的竖直孔51。为此，首先沉积第二中间矿物牺牲层72.2以覆盖下方的牺牲层72.1以及旨在形成凸销2a的中间垫2。两个中间牺牲层72.1、72.2的厚度使得可以限定将检测元件(吸收器)与热敏电阻膜60分开的距离，并由此，利用牺牲层71来限定吸收器与反射器40之间的沿着Z轴的四分之一波干涉腔的尺寸。然后，例如由SiN或等同材料制成的蚀刻停止层81可以覆盖第二中间牺牲层72.2。
然后，通过光刻和蚀刻来制造竖直孔51，并从上到下贯穿(如存在的话)蚀刻停止层81、第二中间牺牲层72.2和第一中间牺牲层71.2，以通向支撑柱的支撑件(在此在热敏电阻膜60上)。每个竖直孔51在横向上由与Z轴大致平行地延伸的侧边缘51a限定。为了获得每个凸销2a相对于竖直孔51的侧边缘51a的突出、更确切地说沿着Z轴在凸销2a下方突出，中间牺牲层72.1、72.2的蚀刻包括轻微的各向同性，特别是在第一中间牺牲层72.1的蚀刻期间。蚀刻可以是RIE(英文为Reactive Ion Etching，反应离子蚀刻)类型。此外，竖直孔51可以在XY平面中具有面积大致等于例如0.25μm2的方形、矩形或圆形的直截面。在检测LWIR红外范围的情况下，它们可以在XY平面中具有约为0.5μm的尺寸，并具有大约0.5μm至1.5μm、例如等于大约1μm的高度。
由于预先布置每个中间垫2，一部分则相对于每个竖直孔51的侧边缘51a突出。该部分因此形成凸销2a，即旨在引起之后沉积的关注层的连续性的局部断开的凸起部分。优选地，它相对于侧边缘51a在XY平面中突出至少大于关注层在侧边缘51a(形成支撑柱的竖直壁)中要具有的厚度的距离。由此，在这些竖直壁旨在具有大约50nm的平均厚度的情况下，凸销2a然后突出优选地至少等于50nm的距离。优选地，为了保持支撑柱的机械强度，凸销2a可在竖直孔51的局部周长的最多一半上延伸。
参照图1E，制造旨在保持检测元件(在此为吸收器)悬挂的支撑柱50。为此，沉积关注层52以覆盖竖直孔51的侧边缘51a并与支撑件接触，在此与热敏电阻膜60接触。关注层52通过保形沉积技术来沉积，例如通过化学气相沉积(英文为Chemical Vapor Deposition)、甚至通过物理气相沉积(英文为Physical Vapor Deposition)，例如通过阴极溅射(英文为Sputtering)或其它技术。关注层由选自(除其它外)硅化钨WSi、TiN、TiW的至少一种材料制成。
本发明人由此观察到，当这样的关注层(由WSi、TiN等制成)以保形的方式、优选地通过CVD沉积在凸销2a突出到其中的竖直孔51中时，在凸销2a下方的关注层52的连续性中发生局部断开。因此形成外侧孔54a，其之后会被利用以去除会存在于支撑柱50的内部空间53中的牺牲填充层。
为了形成空心支撑柱50，关注层的厚度小于竖直孔51在XY平面中的横向尺寸，以使得该竖直孔51不会完全被关注层52的材料填充。作为示例，关注层52可具有几十纳米至几百纳米(例如在XY平面中为大约150nm，并且例如在大致与XY平面正交的平面中为50nm)的大致恒定的厚度，而竖直孔51则可具有相等的例如大约0.5μm的横向尺寸。而且，除了在侧向上限定空的内部空间53处的外侧孔54a之外，支撑柱50由沿着Z轴竖直地延伸的层52形成。该内部空间53通向沿着+Z方向的上部开口54b。支撑柱50因此包括在竖直孔51的侧边缘51a上延伸的竖直壁50a，它们通过与上部开口54b相对且支撑在热敏电阻膜60上并与该热敏电阻膜接触的下部支撑壁50b相互连接。支撑柱50的竖直壁50a在此与读出衬底10的XY平面大致正交地延伸。
参照图1F，然后沉积填充矿物牺牲层73，以覆盖关注层52并填充支撑柱50的内部空间53。牺牲填充层73优选地由与下方的牺牲层的材料相同的矿物介电材料制成。该牺牲填充层包括覆盖关注层52的在蚀刻停止层81上延伸的周边部分52a的上部部分73b，和位于内部空间53中的下部部分73a。因此获得了基本平坦的表面，其有利于随后的技术操作。
参照图1G，然后去除牺牲填充层73的上部部分73b以暴露关注层52的周边部分52a的上部面。然后，通过选择性蚀刻，去除周边部分52a，然后去除蚀刻停止层81。由此，使得第二中间牺牲层72.2的上部面自由(即不被覆盖)，并且牺牲填充层的下部部分73a具有相对于第二中间牺牲层72.2的自由上部面突出的部分。还使得支撑柱50的竖直壁50a的沿着Z轴的上端部自由。
参照图1H，然后制造每个热检测器的检测元件，即在此为吸收器80。为此，沉积由能够吸收待检测的电磁辐射的材料制成的连续层，以覆盖牺牲层72.2的上部面、支撑柱50的竖直壁50a的自由端部，和牺牲填充层的下部部分73a。该层可以被另外的薄层覆盖，可以覆盖或封装在另外的薄层，从而允许吸收器80的刚度增加。该附加层可以由例如无定形硅的介电材料制成。吸收性层80的厚度选择为使得其阻抗适配于真空的阻抗(吸收性层的电阻率接近377Ω/sq)。然后局部地蚀刻吸收性层，以由此获得热检测器的吸收器80，它因此面对反射器40设置。由此，吸收器80在反射器40上方连续且大致平坦地延伸。它因此封闭了支撑柱50的上开口54b。
参照图1I，实现将每个热检测器20的吸收器80、在此更宽范地说三维结构22悬挂在读出衬底10上方。为此，通过化学蚀刻去除各个矿物牺牲层71、72.1、72.2、73。更确切地说，通过在酸性介质下(在此在气相氢氟酸下)湿化学蚀刻各个矿物牺牲层来实现悬挂。通过支撑柱50的外侧通孔54a，而不是通过上开口54b(因为它被封闭了)，牺牲填充层73的下部部分73a被同时去除。形成凸销2a的中间垫2也被去除，这是因为它们由对于所使用的蚀刻剂敏感的材料制成，这只可以防止它们掉落在热敏电阻材料膜上或保持固定到支撑柱50而损害检测装置1的性能(并且因此干扰光学腔中的电磁辐射)。
由此，这种制造方法允许获得性能得到优化且其敏感像素的矩阵能够具有减小的像素间距的检测装置1。实际上，支撑柱50是空心的，即它们没有被关注层52的材料或被牺牲填充层73的材料填充。由此，它们具有特别小的热质量，这有助于减小热检测器20的热时间常数。而且，吸收器在此以大致平坦的方式延伸，并具有大的吸收表面，由此允许形成优化的四分之一波干涉腔，这有助于改善热检测器20的性能。
图2A至2H示出根据第二实施方式的检测装置1的制造方法的不同步骤。检测装置1与图1I所示的类似，不同之处主要在于检测元件在此是由热敏电阻材料制成的吸收性膜60。所述吸收性膜通过一个或更多个支撑柱50悬挂，该支撑柱还参与将热敏电阻材料64连接到读出电路12。而且，反射器40并非布置在读出衬底10上并与该读出衬底接触，而是位于三维结构22的中间级中。
更确切地说，热检测器20在此包括具有通过锚固柱21悬挂在衬底上方的彼此叠置的三个单独的级的三维结构22：下部层包括热绝缘臂30，中间级包括反射器40，上部级包括检测元件(在此为热敏电阻吸收性膜60)，该检测元件通过支撑柱50悬挂。在本示例中，支撑柱50是空心柱，所述支撑柱的上部开口54b被吸收性膜60封闭，所述支撑柱中的每个包括允许从侧面移除初始位于支撑柱50的内部空间53中的牺牲填充层73的外侧孔54a。
参照图2A，首先制造三维结构的下部级和中间层。读出衬底10与参照图1A所述的相同或相似，不再详细说明。保护层16由矿物材料制成的第一下部牺牲层71.1覆盖。在牺牲层71.1上布置有热绝缘臂30，所述热绝缘臂在与锚固柱21接触的第一端部34和旨在用于支撑检测元件(在此为吸收性膜60)的支撑柱的第二端部35之间蛇形地延伸。热绝缘臂30由下部介电层31、导电层32和上部介电层33的堆叠形成，并通过锚固柱21悬挂在读出衬底10上方。
为了然后实现中间级，沉积第二下部矿物牺牲层71.2以覆盖下方的牺牲层71.1，以及热绝缘臂30。牺牲层71.2的厚度允许限定将三维结构的下部级和中间级、即反射器40和热绝缘臂30分开的距离。该厚度可以为约几百纳米至几微米，例如为500nm至5μm，优选地为1μm至2μm。
然后制造竖直孔，所述竖直孔旨在形成反射器40的支撑垫41。所述竖直孔通过光刻和蚀刻产生，并贯穿第二下部牺牲层71.2，以通向热绝缘臂30、优选地通向热绝缘臂30的布置在锚固柱21上的第一端部34，以使得支撑垫41优选地位于与锚固柱21相对的位置。作为变型，每个支撑垫41可布置在读出衬底10上并与该读出衬底接触，而不是布置在热绝缘臂30上。在本示例中，然后沉积优选地由介电材料(例如无定形硅)制成的支撑连续层42，以填充竖直孔并覆盖第二下部牺牲层71.2。支撑层42然后被形成反射器40的反射性层覆盖，该反射性层由对所关注的电磁辐射具有反射性的材料制成(例如由铝、铜、钨或其它材料制成的金属层)。支撑层42和反射器40可以在所有敏感像素处连续地延伸，或在敏感像素之间是分开的。
参照图2B，然后制造旨在形成凸销的中间垫2。该步骤在此与上文中参照图1B所述的相同或相似，不再详细说明。如有必要，通过局部蚀刻反射性层40和支撑层42来制造通孔43，该支撑层与热绝缘臂30的旨在容纳支撑柱50的部分(这里为第二端部35的部分)垂直。中间垫2在穿过通孔43预先沉积在反射器40上和下方的牺牲层71.2上的第一中间矿物牺牲层72.1的上部面上制造，并且被布置为之后形成竖直孔51中的凸销2a。中间垫2由对之后用于去除各个牺牲层的蚀刻剂敏感的材料制成。如前所述，该材料可以选自优选地在低温(例如，除其它外，300℃)下通过PECVD沉积的氮化硅SiN、钛Ti、氧化钽Ta2O5。它们具有约为几百纳米、例如100nm至300nm的厚度。
参照图2C，然后制造旨在形成空心支撑柱的竖直孔51。为此，首先沉积第二中间矿物牺牲层72.2，以覆盖下方的牺牲层72.1，以及中间垫2。第一和第二中间牺牲层72.1、72.2的厚度允许限定三维结构22的中间级与上部级之间的沿着Z轴的四分之一波干涉腔的尺寸。
然后在第二中间牺牲层72.2的上部面上沉积吸收性膜60的下部介电层61，以及旨在形成极化电极的导电层62。下部介电层61可以由至少一种介电材料制成。作为示例，它可以由例如厚度为10nm至50nm的用于防止之后的化学蚀刻的薄保护子层(例如由无定形硅、Al2O3或AlN制成)形成，该薄保护子层可选地覆盖有厚度为10nm至30nm的例如由SiN制成(尤其是在薄保护子层由无定形硅制成时)的钝化子层。此外，导电层62的材料对于待检测的电磁辐射具有吸收性：在极化电极之外，该导电层62还旨在形成吸收器。该导电层优选地由Ti、TiN、TaN、WN或其它材料制成，并具有大约3nm至20nm的厚度。它在此覆盖下部介电层61。
然后制造旨在形成空心支撑柱50的竖直孔51。所述竖直孔通过光刻和蚀刻制造，并贯穿(从上到下)导电层62、下部介电层61、第二和第一中间牺牲层72.2、72.1，和第二下部牺牲层71.2，以及上部介电层33，以由此通向热绝缘臂30的导电层32、在此通向第二端部35处。为了获得凸销2a相对于每个竖直孔51的侧边缘51a的、更确切地说在凸销2a下方沿着Z轴的突出，牺牲层的蚀刻包括轻微的各向同性，尤其是在第一中间牺牲层72.1和/或71.2的蚀刻期间。
如前所述，中间垫2的一部分则相对于每个竖直孔51的侧边缘51a突出。该部分因此形成凸销2a。凸销2a优选地相对于侧边缘51a在XY平面中突出至少大于关注层52在侧边缘51a中具有的厚度的距离。由此，在支撑柱50的竖直壁50a旨在具有大约50nm的平均厚度的情况下，凸销2a则有利地突出至少等于50nm的距离。优选地，为了保持支撑柱50的机械强度，凸销2a可在竖直孔的局部周长的最多一半上延伸。
参照图2D，制造旨在保持吸收性膜悬挂并将所述吸收性膜连接到读出电路12的支撑柱50。为此，首先沉积关注层52以覆盖每个竖直孔51的侧边缘51a并一方面与热绝缘臂30的导电层32接触，另一方面与旨在形成极化电极的导电层62接触。关注层52通过保形沉积技术来沉积，例如通过化学气相沉积(CVD)，甚至通过物理气相沉积(PVD)，例如通过阴极溅射或其它技术。它由选自(除其它外)WSi、TiN和TiW的在此导电的材料制成。
如前所述，在凸销2a突出到其中的竖直孔51中，这种关注层52(由WSi、TiN等制成)、优选地通过CVD的保形沉积导致关注层52的局部连续性的断开，尤其是在凸销2a下方。因此形成外侧孔54a，其随后将用于去除将存在于导电柱的内部空间53中的牺牲填充层73。由此，支撑柱50通过锚固柱21和热绝缘臂30与读出电路12电接触，并允许连接极化电极62。所述支撑柱包括通过布置在热绝缘臂30上并与该热绝缘臂接触的下支撑壁50b相互连接的竖直壁50a。由竖直壁50a横向限定的内部空间53通向沿着+Z方向与支撑壁50b相对的上开口54b。
最后，沉积矿物牺牲填充层73以覆盖形成支撑柱50的关注层52并填充它们的内部空间53。牺牲层73优选地由与下方的牺牲层的材料相同的介电材料制成。该牺牲层因此包括覆盖关注层52的周边部分52a的上部部分73b，和填充支撑柱50的内部空间53的下部部分73a。
参照图2E，继续制造检测元件，即在此为形成三维结构22的上部级的热敏电阻吸收性膜60。为此，去除牺牲填充层73的上部部分73b以暴露关注层52的上部面。牺牲填充层73的下部部分73a由此被保留。所述下部部分在关注层52的与XY平面平行的周边部分52a处齐平。由此获得便利之后的技术操作的大致平坦的表面(否则会必须去除会落在支撑柱50的内部空间53中的层)。
然后，通过光刻和蚀刻，在XY平面中结构化导电层62以限定极化电极。还蚀刻关注层52的周边部分52a，以仅保留与极化电极62接触的上部部分。极化电极62相互大致共面且电绝缘。所述极化电极实现为具有约为377Ω/sq的电阻率。极化电极62中的每个与不同的支撑柱50接触，并在XY平面中相互分隔优选地小于大约λc/5的、甚至小于1μm的距离。优选地，电极62的材料不同于关注层52的材料，以便获得这两种材料之间的选择性蚀刻。由此，电极62可由TiN制成，关注层52可由WSi制成。
参照图2F，完成制造吸收性膜60。由此，通过一系列沉积、光刻和蚀刻步骤，实现中间绝缘层63，该中间绝缘层由介电材料制成(例如由Al2O3或AlN制成)并且在通向电极62的开口处之外覆盖电极62和所述电极之间的侧向间隔。沉积例如由无定形硅或钒或钛的氧化硅制成的热敏电阻材料64的部分，其通过开口与电极62电接触。它可具有例如为50nm至200nm的厚度。最后，沉积厚度为10nm至50nm的例如由无定形硅、Al2O3或AlN制成的上保护层65，以覆盖热敏电阻材料64，以保护它免受之后实施的化学侵蚀。
由此，吸收性膜60被支撑柱50悬挂，其还将热敏电阻材料64连接到读出电路12。吸收性膜60、更确切地说在此的中间介电层63，覆盖每个导电柱的上开口54b。该开口则被封闭，并且不允许移除牺牲填充层73。
参照图2G和2H，去除牺牲层71.1、71.2、72.1、72.2和73，以将三维结构22悬挂在读出衬底10上方。悬挂在此是通过化学蚀刻各个矿物牺牲层来获得的，在此通过借助于气相氢氟酸的侵蚀的湿化学蚀刻。同时穿过支撑柱50的外侧通孔54a，移除牺牲填充层73的下部部分73a，还去除中间垫2，这是因为它们由对所使用的蚀刻剂敏感的材料制成，这允许避免损害检测装置1的性能。
因此，获得一种检测装置1，该检测装置在此包括可具有减小的像素间距的敏感像素矩阵，每个敏感像素具有低的时间常数。实际上，支撑柱50是空心的，这允许减小支撑柱50的热质量，以及由此减小热检测器20的热时间常数。而且，像素间距可以特别小。尽管支撑柱50的上开口54b被吸收性膜60封闭，但是牺牲填充层73可通过外侧通孔54a有效地从内部空间53中移除。
此外，检测装置1的该实施方式特别有利，这是因为四分之一波干涉腔具有最优性能。实际上，热绝缘、光反射、和所关注的电磁辐射吸收/检测的各个功能级的该竖直设置允许同时实现在XY平面上具有小横向尺寸(例如约为十微米，甚至更小)的敏感像素，同时优化热检测器20的性能。实际上，由于关于吸收性膜60的存在没有限制，通过在第一级的平面中制造具有大的长度的热绝缘臂30，可改善吸收性膜60的热绝缘(并因此增大热检测器20的热阻)。而且，热检测器20具有大的填充因子FF，该FF(英文为Fill Factor)参数定义为在与衬底的平面平行的XY平面中，吸收性膜的面积与敏感像素的总面积的比值。填充因子FF特别大，这是因为吸收性膜60的尺寸不受第三级的平面中的热绝缘臂30的存在的限制。而且，保持热检测器20的光学效率，即，参数FF与热检测器20的吸收率ε的乘积，吸收率ε定义为每单位面积吸收的待检测的电磁辐射的入射能量的比例。
此外，热绝缘臂30位于下部级中而不是中间级中并且因此位于四分之一波干涉腔的外部的这一事实允许保持热检测器20的性能。实际上，在四分之一波干涉腔中存在热绝缘壁30可能会导致干涉腔的破坏，并因此导致吸收率ε的降低。吸收性膜60的吸收器62通常布置在与反射器40相距一距离处，以使得反射波与入射在吸收性膜60上的波产生相长干涉，即与反射器相距大致等于λc/4n的距离处，λc是待检测的电磁辐射的光谱范围的中心波长(例如LWIR范围为10μm)，n是位于四分之一波干涉腔中的介质(通常是真空)的折射率。但是，在于四分之一波干涉腔内存在热绝缘臂30可能会导致热检测器20的吸收率ε的减小，一方面由于光学路径的改变允许在吸收性膜上发生相长干涉，和另一方面由于热绝缘臂30对电磁辐射的吸收不为零。显然，由于上述结果，在此将热绝缘臂30布置在四分之一波干涉腔的外部的情况下，可以避免这些缺点。因此，热检测器20的性能得以保持。
以上描述了具体实施方式。各种修改和变型对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
Claims (11)
1.一种用于制造电磁辐射检测装置(1)的方法，所述检测装置(1)包括：
-包括读出电路(12)的衬底(10)；
-至少一个热检测器(20)，其布置在所述衬底(10)上并连接到读出电路(12)，所述至少一个热检测器包括通过至少一个支撑柱(50)悬挂在衬底(10)上方的检测元件(80；60)；
所述方法包括以下步骤：
o在所述衬底(10)上沉积第一牺牲层(72.1)；
o在所述第一牺牲层(72.1)上产生旨在形成凸销(2a)的至少一个中间垫(2)，该中间垫(2)由对随后用于蚀刻牺牲层(71、72.1、72.2、73)的化学蚀刻剂敏感的至少一种材料制成；
o在所述第一牺牲层(72.1)和中间垫(2)上沉积第二牺牲层(72.2)；
o通过局部蚀刻第一和第二牺牲层(72.1、72.2)，产生被侧边缘(51a)横向地限定的至少一个竖直孔(51)，所述至少一个竖直孔定位为使得所述中间垫(2)的一部分突出到竖直孔(51)中，由此形成凸销(2a)；
o在所述竖直孔(51)的侧边缘(51a)上保形沉积旨在形成支撑柱(50)的关注层(52)，所述关注层则限定支撑柱(50)的空的内部空间(53)，所述凸销(2a)导致关注层(52)的连续性的局部断开，从而形成所述支撑柱(50)中的外侧通孔(54a)；
o沉积牺牲填充层(73)，以填充所述支撑柱(50)的空的内部空间(53)；
o在所述第二牺牲层(72.2)和牺牲填充层(73)上产生检测元件(80；60)，所述检测元件布置在支撑柱(50)上并与所述支撑柱接触；
o通过用蚀刻剂来蚀刻所述牺牲层(72.1、72.2、73)和中间垫(2)，悬挂所述检测元件(80；60)，所述牺牲填充层(73)则通过所述外侧通孔(54a)被蚀刻。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述支撑柱(50)的内部空间(53)通向位于与所述衬底(10)相对的上开口(54b)，所述上开口(54b)被检测元件(80；60)封闭。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其中，所述关注层(52)在竖直孔(51)的侧边缘(51a)处具有平均厚度(emoy)，所述凸销(2a)相对于侧边缘(51a)突出至少等于所述平均厚度的距离。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的制造方法，其中，所述中间垫(2)由选自Ti、Ta2O5和氮化硅的材料制成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的制造方法，其中，所述关注层(52)通过化学气相沉积来沉积。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的制造方法，其中，所述关注层(52)由选自WSi、TiN和TiW的材料制成。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的制造方法，其中，所述牺牲层(72.1、72.2、73)由矿物材料制成，并通过在酸性介质下的湿化学蚀刻来去除。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的制造方法，其中，在沉积所述牺牲填充层(73)的步骤之后，该牺牲填充层包括覆盖所述关注层(52)的周边部分(52a)的上部部分(73b)和填充所述支撑柱(50)的内部空间(53)的下部部分(73a)，所述关注层覆盖第二牺牲层(72.2)的围绕竖直孔(51)的上部面。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其包括去除所述牺牲填充层(73)的上部部分(73b)的步骤，以使得所述下部部分(73a)与关注层(52)的周边部分(52a)齐平。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的制造方法，其中，所述检测元件是待检测的电磁辐射的吸收器(80)，所述支撑柱(50)布置在膜(60)上并与所述膜接触，所述膜包括测温换能器(64)并通过热绝缘臂(30)悬挂在衬底(10)上方，反射器(40)布置在所述衬底(10)上并与该衬底接触。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的制造方法，其中，所述检测元件是吸收性膜(60)，其吸收待检测的电磁辐射并且包括测温换能器(64)，所述支撑柱(50)布置在通过锚固柱(21)悬挂在所述衬底(10)上方的热绝缘臂上并与所述热绝缘臂接触，反射器(40)布置在所述吸收性膜(60)与热绝缘臂(30)之间。
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