CN113029362A - 一种热敏红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有微桥结构的红外探测器，红外探测器包括基底、牺牲层、桥腿、释放保护层、金属电极、敏感材料探测层、绝缘介质层、红外吸收增强层、增强层保护层、第二释放保护层和钝化层，所述牺牲层释放之后形成部分悬空于所述基底上方的图形化的悬空结构，所述红外吸收增强层采用金属纳米材料，有效增加红外吸收率，增强信号灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器技术领域，尤其涉及一种具有微桥结构的微测辐射热计红外探测器及其制造方法。
背景技术
微机电系统(MEMS)是一种用来实现微小集成器件或系统的技术。它采用集成电路或MEMS专有批量加工工艺进行制造，器件或系统尺寸在几微米到几毫米不等。这些器件(或系统)能够传感、控制和驱动微观尺度结构，并且在宏观尺度上产生效应。
红外探测器一般是采用在CMOS电路上集成MEMS微桥结构，利用敏感材料探测层(通常为非晶硅或氧化机)吸收红外线且将其转化成电信号，据此来实现热成像功能。当前红外探测器主要发展方向为减小像元结构尺寸并增大阵列尺寸，改善探测器的图像分辨率，扩大红外探测器的应用范围。
同样灵敏度的较小的像元可以减小薄膜的应力不匹配并增强探测器分辨率；另外，对于相同的阵列规模，小的像元意味着更小的探测器及镜头尺寸，从而可以缩小红外热像仪系统的重量和尺寸。在缩小红外探测器像元尺寸方向上，现有的红外探测器材料、结构及制作工艺有待进一步的提高。。
发明内容
为了解决上述问题，，本发明提供了一种具有小象元的微桥结构的红外探测器及其制造方法。
本发明提供了一种具有微桥结构的红外探测器，红外探测器依次包括基底、牺牲层、桥腿、释放保护层、金属电极、敏感材料探测层、绝缘介质层、红外吸收增强层、增强层保护层、第二释放保护层和钝化层，所述牺牲层释放之后形成部分悬空于所述基底上方的图形化的悬空结构，所述红外吸收增强层采用金属纳米材料，有效增加红外吸收率，增强信号灵敏度。
所述基底采用硅衬底，包含红外探测器的读出电路，表面形成有金属互连层。所述桥腿与所述基底金属互连层电连接。
所述牺牲层和用于作为释放牺牲层保护的释放保护层沉积在衬底上，牺牲层中通过光刻刻蚀形成通孔。
所述桥腿沉积在牺牲层的通孔内。
所述金属电极，沉积在桥腿及释放保护层之上。
所述敏感材料探测层，沉积在金属电极和释放保护层上。
所述介质绝缘层，沉积于金属电极和敏感材料探测层之上。
所述红外吸收增强层，沉积在介质绝缘层上。
所述第二释放保护层包围所述红外吸收增强层和敏感材料探测层，用以保护敏感材料探测层、红外增强层和金属电极。
红外敏感层和红外吸收增强层吸收红外光，将红外信号转换为电信号，通过电连接传递给微桥结构，通过微桥结构内的电极层传递给基底内的金属互连层，由基底内的读出电路读取，从而实现红外信号的探测。
本发明有益的效果是:
本发明的结构附加红外吸收纳米材料增强层，当像元尺寸缩小导致红外吸收有效面积减小时可明显改善器件的红外吸收效果，同样象元尺寸的情况下，红外吸收效果更佳，从而有更高的灵敏度，达到同样灵敏度，仅需要较小的尺寸，从而器件反应更快，并提高单位衬底面积芯片产量，降低成本。
附图说明
图1为本发明实施例中红外探测器的剖面图。
图2-图11为制造本发明实施例中红外探测器的制作方法示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
上述本发明的各实施例，并配合图式作为例示。除了该多个详细说明之外，本发明亦可广泛地施行于其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本发明的范围内，并以申请专利范围为准。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或元件并未描述于细节中，以避免对本发明形成不必要的限制。
图示中相同或类似的组件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，图式仅为示意的用途，并非代表元件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求图式的简洁。各个部分间连接采用本领域通用的方式即可。
下面结合附图对本发明作进一步说明:
红外探测器依次包括基底1、金属互连层2、桥腿3、第一释放保护层4、金属电极5、敏感材料探测层6、绝缘介质层7、红外吸收增强层8、第二释放保护层9，第二释放保护层同时起到钝化层作用，制造过程中需要在基底和金属互连层上沉积牺牲层10。
本发明红外探测器采用硅衬底，在硅衬底上首先由标准的CMOS工艺制作红外探测器的读出电路1；并在读出电路上形成金属互连层2，用以连接读出电路和探测单元。
在牺牲层10和用于作为释放牺牲层保护的第一释放保护层4上光刻刻蚀形成通孔；所述牺牲层的材料可以是非晶硅或者是掺杂的非晶硅，可以采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺沉积形成。所述牺牲层的材料与其他介质层材料，例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等具有较高的刻蚀选择比，在一个实施例中，本发明所述牺牲层材料选自与CMOS工艺兼容的非晶硅、多晶硅或二氧化硅，所述释放保护层的材料可以是二氟化氙释放非晶硅时选择比较高的二氧化硅或者氮化硅，由增强等离子化学气相沉积(PECVD)技术形成。
所述桥腿3沉积在牺牲层的通孔内,桥腿采用铜、铝或钨材料，利用光刻和刻蚀等工艺实现桥墩的填充图形，在本发明的一个实例中，使用大马士革铜互连工艺实现铜柱。桥腿既作为牺牲层释放后微桥的支撑结构，也作为微桥与金属互联层的电连接结构；在本发明的一个实例中，桥腿需要进行化学机械平整CMP处理。
所述金属电极5沉积在铜或钨桥腿及释放保护层之上，所述金属电极选自铝电极、钛电极、钽电极、上下层叠的氮化钛和钛电极或上下层叠的钽或氮化钽电极。
所述敏感材料探测层6，沉积在金属电极和第一释放保护层上。
所述红外敏感薄膜的材料为具有高电阻温度系数(TCR)的薄膜材料，例如非晶硅或氧化钒等，在本发明的一个具体实施方式中，所述红外敏感薄膜的材料为掺杂的非晶硅，主要采用等离子增强化学气相沉积工艺形成，非晶硅进行掺杂可以降低电阻率和噪声；在本发明的另一具体实施方式中，所述红外敏感薄膜的材料为氧化钒，可以采用物理气相沉积工艺形成，例如采用溅射工艺，也可以采用离子束沉积等工艺；在本发明的一个实施例中，使用离子束沉积(IBD)设备做为氧化钒薄膜的制作设备，金属钒作为溅射靶材，高纯的氧气作为反应气体，氩气作为轰击气体和中和气体。
敏感材料之上，依次沉积介质绝缘层7、红外吸收增强层8和第二释放保护层9。本实施例中，红外吸收层材料作为提高红外探测器红外吸收效率的主要结构。
所述介质绝缘层作为敏感材料和红外吸收增强层之间的绝缘结构，同时也是热敏感层的一种保护层，所述绝缘介质保护层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅和碳化硅，或非化学计量比的氮氧化硅、氮化硅和碳化硅中的一种或几种，或掺有硼、磷的上述材料，在本发明的一个实施例中，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积所述介质层，介质层的材料为氮化硅，厚度为50~120nm。
所述红外吸收增强层生长在绝缘介质层上，采用金属纳米材料沉积而成，所述金属纳米材料增强红外吸收，可以以较小面积达到较高的灵敏度，与其他传统材料作为吸收层的情况相比，纳米粒子例如金纳米棒通过表面等离子谐振效应可以对红外光具有高吸收率，并且可以在几十皮秒内将它们的晶格热耗散到导电层，因此具有更好的吸收率和更快的热响应时间，纳米粒子通过表面等离子体共振效应会引起其对可见与近红外波段特定波长光的散射和吸收，因此可以以其较低的光热能量损失和在红外波段极强的场增强效应，敏感地探测到红外辐射，由于纳米材料的高红外吸收率，可以减少热敏感层和红外吸收层的面积和厚度，可以达到提高器件热响应速度、降低成本等目的；在本发明的一个实施例中，所用纳米粒子为纳米金棒，所述红外吸收层层由受控密度的对准或随机取向纳米粒子层组成，可以通过喷涂、印刷、旋涂等方式沉积纳米粒子层，可以通过微流控等方式控制纳米粒子的对准，使其红外吸收效果达到最佳。
所述释放保护层9的材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅中的一种或几种，可以是二氟化氙释放非晶硅时选择比较高的二氧化硅或者氮化硅，可以采用化学气相沉积工艺形成所述保护层，例如采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法制备，所述释放层也起到钝化层的作用。
最后利用光刻和刻蚀制作探测器的微桥图形，然后在二氟化氙气体中释放牺牲层非晶硅，形成悬空的红外探测器的微桥结构。
本发明另一目的是提供所述红外探测器的制造方法，包括以下步骤:
步骤1: 如图2所示，由标准的CMOS工艺制作红外探测器的读出电路及保护层等基底部分。
步骤2: 如图3所示，在红外探测器的读出电路上依次沉积牺牲层、释放保护层。
步骤3：如图4所示，图形化牺牲层和第一释放保护层，形成桥腿通孔，并填充桥腿，可以使用大马士革铜互连、金属沉积等工艺。
步骤4：如图5所示，沉积金属电极并图形化。
步骤5：如图6所示，沉积敏感材料探测层并图形化。
步骤6：如图7所示，在敏感材料探测层上沉积介质绝缘层。
步骤7：如图8所示，在介质绝缘层上制造红外吸收增强层并图形化。
步骤8：如图9所示，在红外吸收增强层上沉积第二释放保护层并图形化。
步骤9：如图10所示，利用光刻和刻蚀制作探测器的微桥图形。
步骤10：如图11所示，通过去除牺牲层进行器件的结构释放。
本说明书中使用的术语旨在描述特定的实施例，而不是限制性的。除非另有明确说明，否则术语“一”，“一个”和“该”也包括复数形式。当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指明所述特征，整体，步骤，操作，元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或更多其他特征，整体，步骤，操作，元素和/或组件。
在本发明中涉及的“层”包括在一个表面上形成的有厚度的材料或者组分，并不代表这些材料或者组分的特定的厚度或者其他几何维度。在本发明中涉及的“纳米粒子”指在包括具有至少一个尺寸小于100nm的不同形状的纳米粒子，并不代表这些材料或者组分的特定的尺度或者其他几何维度。
以上所述仅为本发明的较佳实施案例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具有微桥结构的红外探测器，其特征在于红外探测器包括基底、牺牲层、桥腿、释放保护层、金属电极、敏感材料探测层、绝缘介质层、红外吸收增强层、增强层保护层和第二释放保护层，所述牺牲层释放之后形成部分悬空于所述基底上方的图形化的悬空微桥结构，所述红外吸收增强层采用金属纳米材料，有效增加红外吸收率，增强信号灵敏度。
2.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于所述基底采用硅衬底，衬底内包含标准的CMOS工艺制作的红外探测器的读出电路，表面形成有金属互连层，所述桥腿与所述衬底金属互连层电连接。
3.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于所述牺牲层和用于作为释放牺牲层保护的释放保护层沉积在衬底上，牺牲层材料选自与CMOS工艺兼容的非晶硅，牺牲层中通过光刻刻蚀形成孔,所述桥腿沉积在牺牲层的通孔内，桥腿采用铜、铝或钨材料。
4.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于所述金属电极，沉积在桥腿及释放保护层之上，所述金属电极选自铝电极、钛电极、钽电极、上下层叠的氮化钛和钛电极或上下层叠的钽或氮化钽电极。
5.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于所述敏感材料探测层，沉积在金属电极和释放保护层上，所述红外敏感薄膜的材料为具有高电阻温度系数的薄膜材料，例如非晶硅或氧化钒等。
6.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于所述介质绝缘层，沉积于金属电极和敏感材料探测层之上，介质绝缘层作为敏感材料和红外吸收增强层之间的绝缘结构，同时也是热敏感层的一种保护层，所述绝缘介质保护层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅和碳化硅，或非化学计量比的氮氧化硅、氮化硅和碳化硅中的一种或几种，或掺有硼、磷的上述材料。
7.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于所述红外吸收增强层采用金属纳米材料沉积而成，沉积在介质绝缘层上，所述金属纳米材料增强红外吸收，可以以较小面积达到较高的灵敏度，所述吸收增强层由受控密度的对准或随机取向纳米粒子层组成。
8.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于所述第二释放保护层包围所述红外吸收增强层和敏感材料探测层，用以保护敏感材料探测层、红外增强层和金属电极，所述第二释放保护层材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅中的一种或几种。
9.一种所述红外探测器的制造方法，包括以下步骤:
步骤1由标准的CMOS工艺制作红外探测器的读出电路及保护层等基底部分；
步骤2在红外探测器的读出电路上依次沉积牺牲层、释放保护层；
步骤3图形化牺牲层和第一释放保护层，形成桥腿通孔，并填充桥腿，可以使用大马士革铜互连、金属沉积等工艺；
步骤4沉积金属电极并图形化；
步骤5沉积敏感材料探测层并图形化；
步骤6在敏感材料探测层上沉积介质绝缘层；
步骤7在介质绝缘层上制造红外吸收增强层并图形化；
步骤8在红外吸收增强层上沉积第二释放保护层并图形化；
步骤9利用光刻和刻蚀制作探测器的微桥图形；
步骤10通过去除牺牲层进行器件的结构释放。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201911354472.6A CN113029362A (zh) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | 一种热敏红外探测器 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN (1) | CN113029362A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116793504A (zh) * | 2023-08-23 | 2023-09-22 | 北京中科海芯科技有限公司 | 一种新型热辐射红外探测器及制作方法 |
-
2019
- 2019-12-25 CN CN201911354472.6A patent/CN113029362A/zh active Pending
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