CN113340436A - 一种非制冷cmos红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种非制冷CMOS红外探测器，红外探测器中CMOS测量电路系统和CMOS红外传感结构均使用CMOS工艺制备，在CMOS测量电路系统上方直接制备CMOS红外传感结构；CMOS红外传感结构的CMOS制作工艺包括金属互连工艺、通孔工艺、IMD工艺以及RDL工艺，红外探测器中的牺牲层用于使CMOS红外传感结构形成镂空结构，构成有效像元和/或镜像像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post‑CMOS工艺腐蚀牺牲层，刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳和氟氯代烃中的至少一种。通过本公开的技术方案，解决了传统MEMS工艺红外探测器的性能低，像素规模低，良率低等问题，优化了红外探测器的性能。
Description
技术领域
本公开涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种非制冷CMOS红外探测器。
背景技术
监控市场、车辅市场、家居市场、智能制造市场以及手机应用等领域都对非制冷高性能的芯片有着强烈的需求，且对芯片性能的好坏、性能的一致性以及产品的价格都有一定的要求，每年预计有亿颗以上芯片的潜在需求，而目前的工艺方案和架构无法满足市场需求。
目前红外探测器采用的是测量电路和红外传感结构结合的方式，测量电路采用CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺制备，而红外传感结构采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械系统)工艺制备，导致存在如下问题：
(1)红外传感结构采用MEMS工艺制备，以聚酰亚胺作为牺牲层，与CMOS工艺不兼容。
(2)聚酰亚胺作为牺牲层，存在释放不干净影响探测器芯片真空度的问题，还会使后续薄膜生长温度受限制，不利于材料的选择。
(3)聚酰亚胺会造成谐振腔高度不一致，工作主波长难以保证。
(4)MEMS工艺制程的控制远差于CMOS工艺，芯片的性能一致性和探测性能都会受到制约。
(5)MEMS产能低，良率低，成本高，不能实现大规模批量生产。
(6)MEMS现有的工艺能力不足以支撑更高性能的探测器制备，更小的线宽以及更薄的膜厚，不利于实现芯片的小型化。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种非制冷CMOS红外探测器，解决了传统MEMS工艺红外探测器的性能低，像素规模低，良率低等问题，优化了红外探测器的性能。
本公开提供了一种非制冷CMOS红外探测器，包括：
CMOS测量电路系统和CMOS红外传感结构，所述CMOS测量电路系统和所述CMOS红外传感结构均使用CMOS工艺制备，在所述CMOS测量电路系统上直接制备所述CMOS红外传感结构；
所述红外探测器包括有效像元阵列和镜像像元阵列，镜像像元用于消除有效像元除辐射吸收以外产生的热信号，所述热信号包括环境背景热信号、电阻热信号和衬底热信号；
针对所述有效像元：
所述CMOS测量电路系统上方包括至少一层密闭释放隔绝层，所述密闭释放隔绝层用于在制作所述CMOS红外传感结构的释放刻蚀过程中，保护所述CMOS测量电路系统不受工艺影响；
所述CMOS红外传感结构的CMOS制作工艺包括金属互连工艺、通孔工艺、IMD工艺以及RDL工艺，所述CMOS红外传感结构包括至少两层金属互连层、至少两层介质层和多个互连通孔，所述介质层至少包括一层牺牲层和一层热敏感介质层，所述金属互连层至少包括反射层和电极层；其中，所述热敏感介质层用于将其吸收的红外辐射对应的温度变化转化为电阻变化，进而通过所述CMOS测量电路系统将红外目标信号转化成可实现电读出的信号，所述牺牲层用于使所述CMOS红外传感结构形成镂空结构；
所述CMOS红外传感结构包括由所述反射层和所述热敏感介质层构成的谐振腔、控制热传递的悬空微桥结构以及具有电连接和支撑功能的柱状结构，所述CMOS测量电路系统用于测量和处理一个或多个所述CMOS红外传感结构形成的阵列电阻值，并将红外信号转化为图像电信号；
所述CMOS测量电路系统包括偏压产生电路、列级模拟前端电路和行级电路，所述偏压产生电路的输入端连接所述行级电路的输出端，所述列级模拟前端电路的输入端连接所述偏压产生电路的输出端，所述行级电路中包括行级镜像像元和行选开关，所述列级模拟前端电路中包括盲像元；其中，所述行级电路分布在每个像素内并根据时序产生电路的行选通信号选取待处理信号，并在所述偏压产生电路的作用下输出电流信号至所述列级模拟前端电路以进行电流电压转换输出；
所述行级电路受所述行选开关控制而被选通时向所述偏压产生电路输出第三偏置电压，所述偏压产生电路根据输入的恒压及所述第三偏置电压输出第一偏置电压和第二偏置电压，所述列级模拟前端电路根据所述第一偏置电压和所述第二偏置电压得到两路电流，并对所产生的两路电流之差进行跨阻放大并作为输出电压输出；
构成所述有效像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post-CMOS工艺腐蚀所述有效像元中的牺牲层，所述刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种；和/或，构成所述镜像像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post-CMOS工艺腐蚀所述镜像像元中的牺牲层，所述刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种。
可选地，针对所述有效像元，在所述CMOS测量电路系统的金属互连层上层或者同层制备所述CMOS红外传感结构。
可选地，针对所述有效像元，所述密闭释放隔绝层位于所述CMOS测量电路系统和所述CMOS红外传感结构之间的界面和/或位于所述CMOS红外传感结构中；
所述密闭释放隔绝层至少包含一层介质层，构成所述密闭释放隔绝层的介质材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、碳氮化硅、非晶碳、氧化钛或氧化铝中的至少一种。
可选地，针对所述有效像元，所述密闭释放隔绝层位于所述反射层远离所述CMOS测量电路系统的一侧，所述反射层和所述密闭释放隔绝层之间设置有至少一层介质层，构成所述介质层的材料包括锗、硅或锗硅中的至少一种。
可选地，针对所述有效像元，所述CMOS红外传感结构包括吸收板、梁结构、所述反射层和所述柱状结构；
所述吸收板用于吸收所述红外目标信号并将所述红外目标信号转换为电信号，所述吸收板包括金属互连层和至少一层所述热敏感介质层，构成所述热敏感介质层的材料包括由氧化钛、氧化钒、氧化钛钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、非晶碳、石墨烯、钇钡铜氧、铜或铂制备的电阻温度系数大于设定值的材料中的至少一种；
所述梁结构和所述柱状结构用于传输所述电信号并用于支撑和连接所述吸收板，所述梁结构至少包括金属互连层，所述柱状结构采用所述金属互连工艺和所述通孔工艺连接所述梁结构和所述CMOS测量电路系统；
所述反射层用于反射红外信号并与所述热敏感介质层形成所述谐振腔，所述反射层包括至少一层金属互连层。
可选地，针对所述有效像元，所述梁结构和所述吸收板的至少两端电连接，所述CMOS红外传感结构包括至少两个所述柱状结构和至少两个支撑底座，所述电极层包括至少两个电极端。
可选地，针对所述有效像元，所述吸收板上形成有至少一个孔状结构，所述孔状结构至少贯穿所述吸收板中的介质层；和/或，所述梁结构上形成有至少一个孔状结构；
所述反射层和所述悬空微桥结构之间设置有至少一层图案化金属互连层，所述图案化金属互连层位于所述密闭释放隔绝层的上方或者下方并与所述反射层之间电绝缘，所述图案化金属互连层用于调节所述红外探测器的谐振模式。
可选地，针对所述有效像元，所述红外探测器还包括超材料结构和/或偏振结构，所述超材料结构或者所述偏振结构为至少一层金属互连层。
可选地，所述红外探测器是基于3nm、7nm、10nm、14nm、22nm、28nm、32nm、45nm、65nm、90nm、130nm、150nm、180nm、250nm或350nm CMOS工艺制程。
可选地，构成所述金属互连层的金属连线材料包括铝、铜、钨、钛、镍、铬、铂、银、钌或钴中的至少一种。
本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本公开实施例利用CMOS工艺实现了CMOS测量电路系统和CMOS红外传感结构在CMOS生产线上一体化制备，相较于MEMS工艺，CMOS不存在工艺兼容问题，解决了MEMS工艺面临的技术难点，采用CMOS工艺产线工艺制备红外探测器也可以减小运输成本，减少运输等问题造成的风险；红外探测器以硅、锗或锗硅中的至少一种作为牺牲层，硅、锗以及锗硅与CMOS工艺完全兼容，制备工艺简单且易于控制，CMOS工艺也不会出现牺牲层聚酰亚胺释放不干净影响探测器芯片真空度的问题，且后续薄膜生长温度不受牺牲层材料的限制，可以实现牺牲层多层工艺设计，不受工艺限制，可以很容易地利用牺牲层实现平坦化，降低工艺难度和可能存在的风险；一体化CMOS工艺制备的红外探测器可实现芯片高良品率、低成本、高产能且大规模集成化生产的目标，为红外探测器提供更广阔的应用市场；基于CMOS工艺的红外探测器可以使红外探测器实现特征结构更小的尺寸和更薄的膜厚，使得红外探测器占空比更大、热导更低、热容更小，从而使得红外探测器的探测灵敏度更高、探测距离更远以及探测性能更好；基于CMOS工艺的红外探测器，可以使探测器像元尺寸更小，实现相同阵列像素下更小的芯片面积，更利于实现芯片小型化；基于CMOS工艺的红外探测器，工艺产线成熟，工艺控制精度更高，可以更好地达到设计要求，产品的一致性更好，更利于电路片调整性能，更利于产业化批量生产。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例提供的一种红外探测器中有效像元的立体结构示意图；
图2为本公开实施例提供的一种红外探测器中有效像元的剖面结构示意图；
图3为本公开实施例提供的另一种红外探测器中有效像元的剖面结构示意图；
图4为本公开实施例提供的另一种红外探测器中有效像元的剖面结构示意图；
图5为本公开实施例提供的另一种红外探测器中有效像元的剖面结构示意图；
图6为本公开实施例提供的一种CMOS测量电路系统的结构示意图；
图7为本公开实施例提供的另一种红外探测器中有效像元的剖面结构示意图；
图8为本公开实施例提供的另一种红外探测器中有效像元的立体结构示意图；
图9为本公开实施例提供的另一种红外探测器中有效像元的立体结构示意图；
图10为本公开实施例提供的另一种红外探测器中有效像元的立体结构示意图；
图11为本公开实施例提供的另一种红外探测器中有效像元的立体结构示意图；
图12为本公开实施例提供的一种偏振结构的俯视结构示意图；
图13为本公开实施例提供的另一种偏振结构的俯视结构示意图；
图14为本公开实施例提供的另一种偏振结构的俯视结构示意图；
图15为本公开实施例提供的另一种红外探测器中有效像元的立体结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1为本公开实施例提供的一种红外探测器中有效像元的立体结构示意图，图2为本公开实施例提供的一种红外探测器中有效像元的剖面结构示意图。结合图1和图2，红外探测器包括多个阵列排布的红外探测器像元，基于CMOS工艺的红外探测器包括CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2，CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2均使用CMOS工艺制备，在CMOS测量电路系统1上直接制备CMOS红外传感结构2。
具体地，CMOS红外传感结构2用于将外部红外信号转换为电信号并传输至CMOS测量电路系统1，CMOS测量电路系统1根据接收到的电信号反向出对应红外信号的温度信息，实现红外探测器的温度检测功能。设置CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2均使用CMOS工艺制备，在CMOS测量电路系统1上直接制备CMOS红外传感结构2，即先采用CMOS工艺制备CMOS测量电路系统1，再利用CMOS生产线以及该生产线兼容的各项工艺的参数，利用CMOS工艺连续制备CMOS红外传感结构2。
由此，本公开实施例利用CMOS工艺实现了CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2在CMOS生产线上一体化制备，相较于MEMS工艺，CMOS不存在工艺兼容问题，解决了MEMS工艺面临的技术难点，采用CMOS产线工艺制备红外探测器也可以减小运输成本，减少运输等问题造成的风险；红外探测器以硅、锗或锗硅中的至少一种作为牺牲层，硅、锗以及锗硅与CMOS工艺完全兼容，制备工艺简单且易于控制，CMOS工艺也不会出现牺牲层聚酰亚胺释放不干净影响探测器芯片真空度的问题，且后续薄膜生长温度不受牺牲层材料的限制，可以实现牺牲层多层工艺设计，不受工艺限制，可以很容易地利用牺牲层实现平坦化，降低工艺难度和可能存在的风险；一体化CMOS工艺制备的红外探测器可实现芯片高良品率、低成本、高产能且大规模集成化生产的目标，为红外探测器提供更广阔的应用市场；基于CMOS工艺的红外探测器可以使红外探测器实现特征结构更小的尺寸和更薄的膜厚，使得红外探测器占空比更大、热导更低、热容更小，从而使得红外探测器的探测灵敏度更高、探测距离更远以及探测性能更好；基于CMOS工艺的红外探测器，可以使探测器像元尺寸更小，实现相同阵列像素下更小的芯片面积，更利于实现芯片小型化；基于CMOS工艺的红外探测器，工艺产线成熟，工艺控制精度更高，可以更好地达到设计要求，产品的一致性更好，更利于电路片调整性能，更利于产业化批量生产。
红外探测器包括有效像元阵列和镜像像元阵列，有效像元阵列包括多个阵列排布的有效像元，镜像像元阵列包括多个阵列排布的镜像像元，镜像像元用于消除有效像元除辐射吸收以外产生的热信号，热信号包括环境背景热信号、电阻热信号和衬底热信号。具体地，有效像元和镜像像元均由于热辐射而发生阻值变化，镜像像元与有效像元受到同样的固定辐射时，镜像像元与有效像元的阻值相同，二者的温度系数也相同，二者在相同环境温度下的温度漂移量相同，两者的变化同步。由此可知，镜像像元与有效像元的区别在于镜像像元不响应红外辐射信号，而有效像元响应红外辐射信号，也就是说，有效像元产生的信号为红外辐射信号与噪声信号的叠加，对有效像元产生的信号进行降噪后，能够获取目标物的红外辐射信号，从而提高探测结果的准确性。
结合图1和图2，针对所述有效像元，CMOS红外传感结构2包括位于CMOS测量电路系统1上的反射层4、悬空微桥结构40和多个柱状结构6，柱状结构6位于反射层4和悬空微桥结构40之间，反射层4包括反射板41和支撑底座42，悬空微桥结构40通过柱状结构6和支撑底座42与CMOS测量电路系统1电连接。
具体地，柱状结构6位于反射层4和悬空微桥结构40之间，用于在CMOS测量电路系统1上的牺牲层释放后支撑悬空微桥结构40，牺牲层位于反射层与悬空微桥结构40之间，柱状结构6中包括金属结构，悬空微桥结构40经由红外信号转换出来的电信号经过对应的柱状结构6以及对应的支撑底座42传输至CMOS测量电路系统1，CMOS测量电路系统1处理电信号以反映出温度信息，实现红外探测器非接触式的红外温度检测。CMOS红外传感结构2通过不同的电极结构输出正电信号和接地电信号，正电信号和接地电信号通过不同的柱状结构6传输至与柱状结构6电连接的支撑底座32，图1和图2示例性地示意沿平行于CMOS测量电路系统1的方向，CMOS红外传感结构2包括两个柱状结构6，可以设置其中一个柱状结构6用于传输正电信号，另一个柱状结构6用于传输接地电信号，也可以设置CMOS红外传感结构2包括四个柱状结构6，四个柱状结构6可以两两为一组分别传输正电信号和接地电信号，由于红外探测器包括多个阵列排布的红外探测器像元，四个柱状结构6也可以选择其中的两个柱状结构6分别传输正电信号和接地电信号，另外两个柱状结构6供给相邻的红外探测器像元进行电信号的传输。另外，反射层4包括反射板41和支撑底座42，反射层4的一部分用于充当柱状结构6与CMOS测量电路系统1电连接的电介质，即支撑底座42，反射板41则用于反射红外线至悬空微桥结构40，配合反射层4和悬空微桥结构40之间形成的谐振腔实现红外线的二次吸收，以提高红外探测器的红外吸收率，优化红外探测器的红外探测性能。
结合图1和图2，针对有效像元，红外转换结构包括吸收板10和多个梁结构11，吸收板10用于将红外信号转换为电信号并通过对应的梁结构11与对应的柱状结构6电连接，示例性地，可以设置吸收板10和梁结构11均包括热敏感介质层12，构成热敏感介质层12的材料包括由氧化钛、氧化钒、氧化钛钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、非晶碳、石墨烯、钇钡铜氧、铜或铂制备的电阻温度系数大于设定值的材料中的至少一种具体地，吸收板10用于将红外信号转换为电信号并通过对应的梁结构11与对应的柱状结构6电连接，吸收板10包括支撑层13、电极层14、热敏感介质层12和钝化层15，梁结构11同样可以包括支撑层13、电极层14、钝化层15，梁结构11还可以包括热敏感介质层12，支撑层13位于钝化层15临近CMOS测量电路系统1的一侧，电极层14和热敏感介质层12位于支撑层13和钝化层15之间，钝化层15包覆电极层14，热敏感介质层12覆盖梁结构11所在位置，利用热敏材料如非晶硅、非晶锗或非晶锗硅的热导率小的特点有利于降低梁结构11的热导，热敏感介质层12可以替代支撑层13作为梁结构11的支撑材料，也可以替代钝化层15作为梁结构11的电极保护材料。
具体地，支撑层13用于在释放掉牺牲层后支撑悬空微桥结构40中的上方膜层，热敏感介质层12用于将红外温度检测信号转换为红外检测电信号，电极层14用于将热敏感介质层12转换出来的红外检测电信号通过左右两侧的梁结构11传输至CMOS测量电路系统1，两个梁结构11分别传输红外检测电信号的正负信号，CMOS测量电路系统1中的读出电路通过对获取到的红外检测电信号的分析实现非接触式的红外温度检测，钝化层15用于保护电极层14不被氧化或者腐蚀。另外，热敏感介质层12可以位于电极层14的上方，也可以位于电极层14的下方。可以设置对应吸收板10，热敏感介质层12和电极层14位于支撑层13和钝化层15形成的密闭空间内，实现对吸收板10中热敏感介质层12和电极层14的保护，对应梁结构11，电极层14位于支撑层13和钝化层15形成的密闭空间内，实现对梁结构11中电极层14的保护。
示例性地，可以设置构成热敏感介质层12的材料包括由氧化钛、氧化钒、氧化钛钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、非晶碳、石墨烯、钇钡铜氧、铜或铂制备的电阻温度系数大于设定值的材料中的至少一种，构成支撑层13的材料可以包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化钛或非晶碳中的一种或多种，构成电极层14的材料可以包括钛、氮化钛、钽、氮化钽、钛钨合金、镍铬合金、镍铂合金、镍硅合金、镍、铬、铂、钨、铝或铜中的一种或多种，构成钝化层15的材料可以包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化钛或非晶碳中的一种或多种。结合图1和图2，CMOS测量电路系统1上方可以包括至少一层密闭释放隔绝层3，密闭释放隔绝层3用于在制作CMOS红外传感结构2的释放刻蚀过程中，保护CMOS测量电路系统1不受工艺影响。可选地，密闭释放隔绝层3位于CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2之间的界面和/或位于CMOS红外传感结构2中，即可以设置密闭释放隔绝层3位于CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2之间的界面，或者设置密闭释放隔绝层3位于CMOS红外传感结构2中，或者设置CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2之间的界面设置有密闭释放隔绝层3且CMOS红外传感结构2中设置有密闭释放隔绝层3，密闭释放隔绝层3用于在进行腐蚀工艺释放牺牲层时保护CMOS测量电路系统1不受侵蚀，密闭释放隔绝层3至少包含一层介质层，构成密闭释放隔绝层3的介质材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、碳氮化硅、非晶碳、氧化钛或氧化铝中的至少一种。
图2示例性地设置密闭释放隔绝层3位于CMOS红外传感结构2中，密闭释放隔绝层3例如可以为位于反射层4的金属互连层的上方的一层介质层或多层介质层，这里示例性地示出了密闭释放隔绝层3为一层介质层，此时构成密闭释放隔绝层3的材料可以包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、碳氮化硅、非晶碳、氧化钛或氧化铝中的至少一种，密闭释放隔绝层3的厚度小于牺牲层的厚度。红外探测器的谐振腔通过释放牺牲层后的真空腔来实现，反射层4作为谐振腔的反射层，牺牲层位于反射层4和悬空微桥结构40之间，设置位于反射层4上的至少一层密闭释放隔绝层3选择氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、碳氮化硅、非晶碳、氧化钛或氧化铝等材料作为谐振腔的一部分时，不影响反射层4的反射效果，可以减小谐振腔高度，进而减小牺牲层的厚度，减小牺牲层的释放难度。另外，设置密闭释放隔绝层3与柱状结构6形成密闭结构，将CMOS测量电路系统1与牺牲层完全隔开，实现了对CMOS测量电路系统1的保护。
图3为本公开实施例提供的另一种红外探测器中有效像元的剖面结构示意图。在上述实施例的基础上，针对有效像元，图3同样设置密闭释放隔绝层3位于CMOS红外传感结构2中，密闭释放隔绝层3位于反射层4远离CMOS测量电路系统1的一侧，反射层4和密闭释放隔绝层3之间设置有至少一层介质层43，图3示例性地设置反射层4和密闭释放隔绝层3之间设置有一层介质层43，构成介质层43的材料包括锗、硅或锗硅中的至少一种，介质层43用于调节红外探测器谐振腔的高度。具体地，密闭释放隔绝层3例如可以为位于反射层4的金属互连层的上方的一层介质层或多层介质层，这里示例性地示出了密闭释放隔绝层3为一层介质层，且密闭释放隔绝层3以及介质层43包覆柱状结构6，此时构成密闭释放隔绝层3的材料可以包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、碳氮化硅、非晶碳、氧化钛或氧化铝中的至少一种，密闭释放隔绝层3的厚度以及介质层43的厚度同样小于牺牲层的厚度。通过设置密闭释放隔绝层3以及介质层43包覆柱状结构6，一方面可以利用密闭释放隔绝层3以及介质层43作为柱状结构6处的支撑，提高了柱状结构6的稳定性，保证柱状结构6与悬空微桥结构40以及支撑底座42的电连接。另一方面，包覆柱状结构6的密闭释放隔绝层3以及介质层43可以减少柱状结构6与外界环境的接触，减少柱状结构6与外界环境的接触电阻，进而减少红外探测器像元的噪声，提高红外探测传感器的探测灵敏度，同时可以防止柱状结构6裸露在外的金属发生电击穿。同样地，红外探测器的谐振腔通过释放牺牲层后的真空腔来实现，反射层4作为谐振腔的反射层，牺牲层位于反射层4和悬空微桥结构40之间，设置位于反射层4上的至少一层密闭释放隔绝层3选择氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、碳氮化硅、非晶碳、氧化钛或氧化铝等材料作为谐振腔的一部分，同时设置密闭释放隔绝层3和反射层4之间的介质层43选择硅、锗或锗硅材料中的至少一种作为谐振腔的一部分，硅、锗或锗硅对红外光的高透过率特性使得密闭释放隔绝层3和介质层43均不影响反射层4的反射效果，且可以大幅度减小谐振腔高度，进而减小牺牲层的厚度，减小牺牲层的释放难度。另外，设置密闭释放隔绝层3与柱状结构6形成密闭结构，将CMOS测量电路系统1与牺牲层完全隔开，实现了对CMOS测量电路系统1的保护。
图4为本公开实施例提供的另一种红外探测器中有效像元的剖面结构示意图。与上述实施例所示结构的红外探测器不同的是，图4所示结构的红外探测器中，针对有效像元，密闭释放隔绝层3位于CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2之间的界面，例如密闭释放隔绝层3位于反射层4和CMOS测量电路系统1之间，即密闭释放隔绝层3位于反射层4的金属互连层的下方，支撑底座42通过贯穿密闭释放隔绝层3的通孔与CMOS测量电路系统1电连接。具体地，由于CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2均采用CMOS工艺制备形成，当制备形成CMOS测量电路系统1后，将制备形成包含有CMOS测量电路系统1的晶圆传输至下一道工艺以制备形成CMOS红外传感结构2，因为腐蚀2um左右厚度的牺牲层时如果没有隔绝层作为阻挡，将会影响电路，为了确保释放牺牲层时不会腐蚀CMOS测量电路系统上的介质，本公开实施例在CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2之间的界面设置了密闭释放隔绝层3。在制备形成CMOS测量电路系统1后，在CMOS测量电路系统1上制备形成密闭释放隔绝层3，利用密闭释放隔绝层3对CMOS测量电路系统1进行保护，而为了保证支撑底座42与CMOS测量电路系统1的电连接，在制备形成密闭释放隔绝层3后，在密闭释放隔绝层3对应支撑底座42的区域采用刻蚀工艺形成通孔，通过通孔实现支撑底座42与CMOS测量电路系统1的电连接。另外，设置密闭释放隔绝层3与支撑底座42形成密闭结构，将CMOS测量电路系统1与牺牲层完全隔开，实现对CMOS测量电路系统1的保护。
示例性地，构成密闭释放隔绝层3的材料可以包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、碳氮化硅、非晶碳、氧化钛或氧化铝中的至少一种。具体地，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、碳氮化硅、非晶碳、氧化钛或氧化铝均为CMOS工艺抗腐蚀材料，即这些材料不会受牺牲层释放用试剂的腐蚀，因此密闭释放隔绝层3可以用于在进行腐蚀工艺释放牺牲层时保护CMOS测量电路系统1不受侵蚀。另外，密闭释放隔绝层3覆盖CMOS测量电路系统1设置，密闭释放隔绝层3还可以用于在制作CMOS红外传感结构2的释放刻蚀过程中，保护CMOS测量电路系统1不受工艺影响。另外，当反射层4上设置有至少一层密闭释放隔绝层3时，设置构成密闭释放隔绝层3的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、碳氮化硅、非晶碳、氧化钛或氧化铝中的至少一种，在设置密闭释放隔绝层3提高柱状结构6稳定性的同时，密闭释放隔绝层3几乎不会影响谐振腔内的反射过程，可以避免密闭释放隔绝层3影响谐振腔的反射过程，进而避免密闭释放隔绝层3对红外探测器探测灵敏度的影响。
图5为本公开实施例提供的另一种红外探测器中有效像元的剖面结构示意图。与图2至图4所示结构的红外探测器不同的是，图5所示结构的红外探测器中，针对有效像元，CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2之间的界面设置有至少一层密闭释放隔绝层3，且CMOS红外传感结构2中设置有至少一层密闭释放隔绝层3，即反射层4和CMOS测量电路系统1之间设置有至少一层密闭释放隔绝层3，且反射层4上设置有至少一层密闭释放隔绝层3，效果同上，这里不再赘述。
结合图1至图5，牺牲层位于悬空微桥结构40与反射层4之间，牺牲层用于使CMOS红外传感结构2形成镂空结构，有效像元和镜像像元中均包含有牺牲层，有效像元中的牺牲层用于使有效像元中的CMOS红外传感结构形成镂空结构，镜像像元中的牺牲层用于使镜像像元中的CMOS红外传感结构形成镂空结构，设置构成有效像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post-CMOS工艺腐蚀有效像元中的牺牲层，刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种；和/或，构成镜像像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post-CMOS工艺腐蚀镜像像元中的牺牲层，刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种。具体地，可以设置构成有效像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post-CMOS工艺腐蚀有效像元中的牺牲层，刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种，或者设置构成镜像像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post-CMOS工艺腐蚀镜像像元中的牺牲层，刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种，或者设置构成有效像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post-CMOS工艺腐蚀有效像元中的牺牲层，刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种，且构成镜像像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post-CMOS工艺腐蚀镜像像元中的牺牲层，刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种。优选地设置构成有效像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post-CMOS工艺腐蚀有效像元中的牺牲层，刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种，或者优选地设置构成有效像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post-CMOS工艺腐蚀有效像元中的牺牲层，刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种，且构成镜像像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post-CMOS工艺腐蚀镜像像元中的牺牲层，刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种。
构成有效像元和/或镜像像元中牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，其中的硅可以是单晶形态、多晶形态或非晶形态中的至少一种，锗可以是单晶形态、多晶形态或非晶形态中的至少一种，锗硅可以是单晶形态、多晶形态或非晶形态中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post-CMOS工艺腐蚀牺牲层，刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种。示例性地，post-CMOS工艺可以采用氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种对有效像元和/或镜像像元中的牺牲层进行腐蚀，氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳以及氟氯代烃均为对硅、锗以及锗硅具有腐蚀特性的气体。具体地，反射层4与悬空微桥结构40之间具有牺牲层，当反射层4上设置有密闭释放隔绝层3时，密闭释放隔绝层3与悬空微桥结构40之间具有牺牲层，构成牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，以兼容CMOS工艺，可以采用post-CMOS工艺，即后CMOS工艺腐蚀牺牲层以在最终的红外探测芯片产品中释放掉牺牲层。
结合图1至图5，针对有效像元，CMOS红外传感结构2的CMOS制作工艺包括金属互连工艺、通孔工艺、IMD(Inter Metal Dielectric)工艺以及RDL(重新布线)工艺，CMOS红外传感结构2包括至少两层金属互连层、至少两层介质层和多个互连通孔，介质层至少包括一层牺牲层和一层热敏感介质层，金属互连层至少包括反射层4和电极层，热敏感介质层包括电阻温度系数大于设定值的热敏材料，电阻温度系数例如可以大于等于0.015/K，电阻温度系数大于设定值的热敏材料构成热敏感介质层，热敏感介质层用于将其吸收的红外辐射对应的温度变化转化为电阻变化，进而通过CMOS测量电路系统1将红外目标信号转化成可实现电读出的信号。另外，热敏感介质层包括电阻温度系数大于设定值的热敏材料，电阻温度系数例如可以大于等于0.015/K，有利于提高红外探测器的探测灵敏度。
具体地，金属互连工艺用于实现上下两层金属互连层的电连接，例如实现柱状结构6中的导电层与支撑底座42的电连接，通孔工艺用于形成连接上下金属互连层的互连通孔，例如形成连接柱状结构6中的导电层与支撑底座42的互连通孔，IMD工艺用于实现上下金属互连层之间的隔离，即电绝缘，例如实现吸收板10和梁结构11中的电极层与反射板41之间的电绝缘，RDL工艺即重布线层工艺，具体是指在电路顶层金属的上方重新布一层金属且与电路顶层金属有金属柱，例如钨柱电连接，采用RDL工艺可以在CMOS测量电路系统1的顶层金属上再制备红外探测器中的反射层4，反射层4上的支撑底座42与CMOS测量电路系统1的顶层金属电连接。另外，如图2所示，CMOS测量电路系统1的CMOS制作工艺同样可以包括金属互连工艺和通孔工艺，CMOS测量电路系统1包括间隔设置的金属互连层101、介质层102以及位于底部的硅衬底103，上下金属互连层101通过通孔104实现电连接。
结合图1至图5，针对有效像元，CMOS红外传感结构2包括由反射层4和热敏感介质层构成的谐振腔、控制热传递的悬空微桥结构40以及具有电连接和支撑功能的柱状结构6，CMOS测量电路系统1用于测量和处理一个或多个CMOS红外传感结构2形成的阵列电阻值，并将红外信号转化为图像电信号。
具体地，谐振腔例如可以由反射层4和吸收板10之间的空腔形成，红外光透过吸收板10在谐振腔内发生来回反射，以提高红外探测器的探测灵敏度，又由于柱状结构6的设置，梁结构11和吸收板10构成控制热传递的悬空微桥结构40，柱状结构6既电连接支撑底座42和对应的梁结构11，又用于支撑位于柱状结构6上的悬空微桥结构40。
图6为本公开实施例提供的一种CMOS测量电路系统的结构示意图。结合图1至图6，针对有效像元，CMOS测量电路系统1包括偏压产生电路7、列级模拟前端电路8和行级电路9，偏压产生电路7的输入端连接行级电路9的输出端，列级模拟前端电路8的输入端连接偏压产生电路7的输出端，行级电路9中包括行级镜像像元Rsm和行选开关K1，列级模拟前端电路8中包括盲像元RD；其中，行级电路9分布在每个像素内并根据时序产生电路的行选通信号选取待处理信号，并在偏压产生电路7的作用下输出电流信号至列级模拟前端电路8以进行电流电压转换输出；行级电路9受行选开关K1控制而被选通时向偏压产生电路7输出第三偏置电压VRsm，偏压产生电路7根据输入的恒压及第三偏置电压VRsm输出第一偏置电压V1和第二偏置电压V2，列级模拟前端电路8根据第一偏置电压V1和第二偏置电压V2得到两路电流，并对所产生的两路电流之差进行跨阻放大并作为输出电压输出。
具体地，行级电路9包括行级镜像像元Rsm和行选开关K1，行级电路9用于根据行选开关K1的选通状态生成第三偏置电压VRsm。示例性地，行级镜像像元Rsm可以进行遮光处理，使行级镜像像元Rsm受到温度恒等于衬底温度的遮光片的固定辐射，行选开关K1可以用晶体管实现，行选开关K1闭合，行级镜像像元Rsm与偏压产生电路7的连接，即行级电路9受行选开关K1控制而被选通时向偏压产生电路7输出第三偏置电压VRsm。偏压产生电路7可以包括第一偏压产生电路71和第二偏压产生电路72，第一偏压产生电路71用于根据输入的恒压生成第一偏置电压V1，输入的恒压例如可以为电压恒定的正电源信号。第二偏压产生电路72可以包括偏压控制子电路721和多个选通驱动子电路722，偏压控制子电路721用于根据第三偏置电压VRsm控制选通驱动子电路722分别产生对应的第二偏置电压V2。
列级模拟前端电路8包括多个列控制子电路81，列控制子电路81与选通驱动子电路722对应设置，示例性地，可以设置列控制子电路81与选通驱动子电路722一一对应设置，选通驱动子电路722用于根据其自身的选通状态向对应的列控制子电路81提供第二偏置电压V2。示例性地，可以设置选通驱动子电路722被选通时，选通驱动子电路722向对应的列控制子电路81提供第二偏置电压V2；选通驱动子电路722未被选通时，选通驱动子电路722停止向对应的列控制子电路81提供第二偏置电压V2。
列级模拟前端电路8包括有效像元RS和盲像元RD，列控制子电路用于根据第一偏置电压V1和盲像元RD产生第一电流I1，以及根据第二偏置电压V2和有效像元RS产生第二电流I2，并对第一电流I1与第二电流I2的差值进行跨阻放大后输出，行级镜像像元Rsm与有效像元RS在相同环境温度下的温度漂移量相同。
示例性地，行级镜像像元Rsm与CMOS测量电路系统1之间热绝缘，且对行级镜像像元Rsm进行遮光处理，行级镜像像元Rsm受到来自温度恒等于衬底温度的遮光片的固定辐射。有效像元RS的吸收板10与CMOS测量电路系统1之间热绝缘，且有效像元RS接受外部辐射。行级镜像像元Rsm与有效像元RS的吸收板10都与CMOS测量电路系统1之间热绝缘，因此行级镜像像元Rsm与有效像元RS均具有自热效应。
通过行选开关K1选通对应的行级镜像像元Rsm时，行级镜像像元Rsm与有效像元RS均由于焦耳热而发生阻值变化，但行级镜像像元Rsm与有效像元RS受到同样的固定辐射时，行级镜像像元Rsm与有效像元RS的阻值相同，二者的温度系数也相同，二者在相同环境温度下的温度漂移量相同，两者的变化同步，有利于利用行级镜像像元Rsm与有效像元RS在相同环境温度下的温度漂移量相同的特性，有效补偿行级镜像像元Rsm与有效像元RS由于自热效应而发生的阻值变化，实现读出电路的稳定输出。
另外，通过设置第二偏压产生电路7包括偏压控制子电路721和多个选通驱动子电路722，偏压控制子电路721用于根据行控制信号控制选通驱动子电路722分别产生对应的第二偏置电压V2，使得每行像素均有一路驱动单独驱动该行的像素整列，降低了对第二偏置电压V2的要求，即提高了偏压产生电路7的驱动能力，有利于利用读出电路驱动更大规模的红外探测器像素阵列。另外，CMOS测量电路系统1的具体细节工作原理为本领域技术人员公知内容，这里不再赘述。
可选地，针对有效像元，可以设置在CMOS测量电路系统1的金属互连层上层或者同层制备CMOS红外传感结构2。具体地，这里的CMOS测量电路系统1的金属互连层可以为CMOS测量电路系统1中的顶层金属，结合图1至图5，可以设置在CMOS测量电路系统1的金属互连层上层制备CMOS红外传感结构2，CMOS红外传感结构2通过位于CMOS测量电路系统1的金属互连层上层的支撑底座42与CMOS测量电路系统1电连接，实现将经由红外信号转换成的电信号传输至CMOS测量电路系统1。
图7为本公开实施例提供的另一种红外探测器中有效像元的剖面结构示意图，也可以如图7，针对有效像元，设置在CMOS测量电路系统1的金属互连层同层制备CMOS红外传感结构2，即CMOS测量电路系统1与CMOS红外传感结构2同层设置，可以如图7所示，设置CMOS红外传感结构2位于CMOS测量电路系统1的一侧，CMOS测量电路系统1的顶部同样可以设置有密闭释放隔绝层3，以保护CMOS测量电路系统1
可选地，结合图1至图7，CMOS红外传感结构2包括吸收板10、梁结构11、反射层4和柱状结构6，吸收板10包括用于吸收红外目标信号并将红外目标信号转换为电信号，吸收板10包括金属互连层和至少一层热敏感介质层，构成热敏感介质层的材料包括非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、氧化钛、氧化钒或氧化钛钒中的至少一种，吸收板10中的金属互连层为吸收板10中的电极层14，用于传输由红外信号转换得到的电信号，构成热敏感介质层的材料包括由氧化钛、氧化钒、氧化钛钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、非晶碳、石墨烯、钇钡铜氧、铜或铂制备的电阻温度系数大于设定值的材料中的至少一种。
梁结构11和柱状结构6用于传输电信号并用于支撑和连接吸收板10，吸收板10中的电极层14包括两个图案化电极结构，两个图案化电极结构分别输出正电信号和接地电信号，正电信号和接地电信号通过不同的梁结构11和不同的柱状结构6传输至与柱状结构6电连接的支撑底座，进而传输至CMOS测量电路系统1，梁结构11至少包括金属互连层，梁结构11中的金属互连层为梁结构11中的电极层14，梁结构11中的电极层14和吸收板10中的电极层14电连接，梁结构11中也可以设置支撑层13和钝化层15等介质层。
柱状结构6采用金属互连工艺和通孔工艺连接梁结构11和CMOS测量电路系统1，例如图2所示，柱状结构6上方需要通过贯穿梁结构11中支撑层13的通孔与梁结构11中的电极层14电连接，柱状结构6的下方需要通贯穿支撑底座42上介质层的通孔与对应的支撑底座42电连接。反射板41用于反射红外信号并与热敏感介质层形成谐振腔，即反射板41用于反射红外信号并与热敏感介质层12形成谐振腔，反射层4包括至少一层金属互连层，金属互连层用于形成支撑底座42，也用于形成反射板41。另外，柱状结构6可以如图1所示包括一层独立柱状结构，也可以如图2所示包括多层独立柱状结构，有利于优化柱状结构6的陡直度。
可选地，结合图1至图7，针对有效像元，可以设置吸收板10上形成有至少一个孔状结构，孔状结构至少贯穿吸收板10中的介质层；和/或，梁结构11上形成有至少一个孔状结构，即可以设置仅吸收板10上形成有孔状结构，或者仅梁结构11上形成有孔状结构，或者吸收板10和梁结构11上均形成有孔状结构。示例性地，无论是吸收板10上的孔状结构还是梁结构11上的孔状结构，孔状结构均可以为圆形孔状结构、方形孔状结构、多边形孔状结构或者不规则图形孔状结构，本公开实施例对吸收板10和梁结构11上的孔状结构的形状不作具体限定，且本公开实施例对吸收板10和梁结构11上孔状结构的数量不作具体限定。
由此，设置吸收板10上形成有至少一个孔状结构，孔状结构至少贯穿吸收板10中的介质层，由于反射层4和吸收板10之间设置有最终需要释放的牺牲层，而牺牲层的释放需要在红外探测器制作工艺的最后用化学试剂对牺牲层进行腐蚀，吸收板10上的孔状结构有利于增加释放用的化学试剂与牺牲层的接触面积，加快牺牲层的释放速率。另外，吸收板10面积相对梁结构11面积较大，吸收板10上的孔状结构有利于释放吸收板10的内应力，优化吸收板10的平坦化程度，且有利于提高吸收板10的结构稳定性，进而提高整个红外探测器的结构稳定性。另外，设置梁结构11上形成有至少一个孔状结构，有利于进一步减小梁结构11的热导，提高红外探测器的红外探测灵敏度。
当梁结构11仅包括电极层14时，梁结构11上的孔状结构贯穿梁结构11中的电极层14，当梁结构11包括介质层时，孔状结构至少贯穿梁结构11中的介质层，以图2所示结构的红外探测器为例，此时吸收板10上的孔状结构可以贯穿吸收板10中的支撑层13和钝化层15，吸收板10上的孔状结构也可以贯穿吸收板10中的支撑层13、电极层14和钝化层15，吸收板10上的孔状结构也可以贯穿吸收板10中的支撑层13、电极层14、热敏感介质层12和钝化层15，梁结构11上的孔状结构可以贯穿梁结构11中未设置电极层14位置的支撑层13和钝化层15，或者梁结构11上的孔状结构贯穿梁结构11中的支撑层13、电极层14和钝化层15。
可选地，针对有效像元，可以设置红外探测器还包括超材料结构和/或偏振结构，超材料结构或者偏振结构为至少一层金属互连层。图8为本公开实施例提供的另一种红外探测器中有效像元的立体结构示意图，如图8所示，针对有效像元，构成超材料结构的金属互连层可以包括多个阵列排布的金属重复单元20，每个金属重复单元包括两个对角设置的L型图案化结构21，此时红外探测器的红外吸收谱段为3微米至30微米波段。也可以如图9所示，设置构成超材料结构的金属互连层上设置有多个阵列排布的图案化镂空结构22，图案化镂空结构22呈开口圆环状，此时红外探测器的红外吸收谱段为3微米至30微米波段。也可以如图10所示，设置构成超材料结构的金属互连层上设置有多个直线条带结构23和多个回折条带结构24，直线条带结构23和回折条带结构24沿垂直于直线条带结构23的方向交替排列，此时红外探测器的红外吸收谱段为8微米至24微米波段。也可以如图11所示，设置构成超材料结构的金属互连层上设置有多个阵列排布的图案化镂空结构25，图案化镂空结构25呈正六边形，此时红外探测器的红外吸收谱段为3微米至30微米波段。需要说明的是，本公开实施例对构成超材料结构的金属互连层上的具体图案不作限定，确保重复的图案能实现超材料结构或者偏振结构的功能即可。
具体地，超材料是一种基于广义斯涅尔定律，通过控制波前相位、振幅以及偏振进行电磁或光学波束调控的材料，也可以称为超表面或者超结构，超表面或超结构为超薄的二维阵列平面，可以灵活有效地操纵电磁波的相位、极化方式以及传播模式等特性。本公开实施例利用如图8至图11所示的图案化结构形成电磁超材料结构，即形成了具备超常电磁性质的人工复合结构或复合材料，以实现对电磁波和光波性能的剪裁，从而获得电磁波吸收特殊器件，本公开实施例利用图案化结构形成的超材料结构与红外探测器结构相结合，超材料结构吸收的红外电磁波会增强红外探测器本身吸收的红外电磁波信号，超材料结构吸收的红外电磁波与微桥式探测器结构本身吸收的红外电磁波叠加，超材料结构吸收的红外电磁波与入射红外电磁波的分量产生耦合，也就是说，超材料结构的设置使得吸收的红外电磁波信号的强度增加，从而提高了红外探测器对入射红外电磁波的吸收率。
图12为本公开实施例提供的一种偏振结构的俯视结构示意图。如图12所示，针对有效像元，偏振结构26可以包括若干个依次排列的光栅27，相邻光栅27之间的间隔为10nm至500nm，光栅27可以如图12所示为直线型，也可以如图13和图14所示为弯曲型，且偏振结构26中的光栅27可以任意角度旋转或组合，偏振结构26的设置可以使CMOS传感结构吸收特定方向的偏振光。示例性地，光栅27可以为刻蚀金属薄膜，即刻蚀金属互连层形成的结构。具体地，偏振是光的一个重要信息，偏振探测可以把信息量从三维，例如光强、光谱和空间，扩充到七维，例如光强、光谱、空间、偏振度、偏振方位角、偏振椭率和旋转的方向，由于地物背景的偏振度远小于人造目标的偏振度，因此红外偏振探测技术在空间遥感领域有非常重要的应用。在现有的偏振探测系统中，偏振元件独立于探测器之外，需要在整机的镜头上增加偏振片，或者进行偏振镜头的设计，这种方法的成本比较高，设计难度也比较大。通过旋转偏振元件获取偏振信息，这种现有的偏振探测系统的缺点是光学元件复杂，而且光路系统复杂。另外，通过偏振片与探测器组合采集的偏振图像需要通过图像融合算法进行处理，不仅复杂而且也相对不准确。
本公开实施例通过将偏振结构26与非制冷红外探测器进行单片集成，不仅可以实现偏振敏感型红外探测器的单片集成，而且极大地降低了光学设计的难度，简化了光学系统，减少了光学元件，降低了光学系统的成本。另外，通过单片集成的偏振型非制冷红外探测器采集的图像为原始红外图像信息，CMOS测量电路系统1只需要处理红外探测器探测的信号就可以得到准确的图像信息，而不需要进行现有探测器的图像融合，极大的提升了图像的真实性与有效性。另外，偏振结构26也可以位于吸收板10上方且不与吸收板10接触设置，即偏振结构26可以为位于悬空微桥结构40上方的悬空结构，偏振结构26与悬空微桥结构40可以采用柱子连接支撑的方式或者采用键合支撑的方式，偏振结构26与红外探测器像元可以一一对应键合，也可以采用整个芯片键合的方式。由此单独悬空的金属光栅结构不会造成红外敏感微桥结构的形变，不会影响敏感薄膜的热敏特性。
示例性地，结合图1至图14，超材料结构为至少一层金属互连层，偏振结构为至少一层金属互连层，超材料结构或者偏振结构可以是支撑层13临近CMOS测量电路系统1一侧的至少一层金属互连层，例如可以设置构成超材料结构或者偏振结构的金属互连层位于支撑层13临近CMOS测量电路系统1的一侧且与支撑层13接触设置，即金属互连层位于悬空微桥结构40的最下方。示例性地，也可以设置超材料结构或者偏振结构是钝化层15远离CMOS测量电路系统1一侧的至少一层金属互连层，例如可以设置构成超材料结构或者偏振结构的金属互连层位于钝化层15远离CMOS测量电路系统1的一侧且与钝化层15接触设置，即金属互连层位于悬空微桥结构40的最上方。示例性地，也可以设置超材料结构或者偏振结构为位于支撑层13和钝化层15中间的且与电极层14电绝缘的至少一层金属互连层，例如可以设置构成超材料结构或者偏振结构的金属互连层位于支撑层13与电极层14之间且与电极层14电绝缘或者位于钝化层15与电极层14之间且与电极层14电绝缘。示例性地，也可以设置电极层14作为超材料结构层或者偏振结构层，即可以在电极层14上形成上述实施例所述的图案化结构。
可选地，结合图1至图14，针对有效像元，反射层4和悬空微桥结构40之间可以设置有至少一层图案化金属互连层，图案化金属互连层位于密闭释放隔绝层3的上方或者下方并与反射层4之间电绝缘，图案化金属互连层用于调节红外探测器的谐振模式。具体地，布拉格反射镜(Bragg reflector)是一种利用不同界面反射光的相长干涉对不同波长的光进行增强反射的光学器件，由多个1/4波长反射镜组成以实现对多个波长入射光的高效反射，本公开实施例设置反射层4和悬空微桥结构40之间设置有至少一层图案化金属互连层，至少一层图案化金属互连层、反射层4以及吸收板10形成类似布拉格反射镜的结构，至少一层图案化金属互连层的设置相当于改变了反射层4与吸收板10中热敏感介质层构成的整体谐振腔介质的厚度，使得红外探测器像元可以形成多个介质厚度不同的谐振腔，红外探测器像元可以选择不同波长的光进行增强反射调节，进而利用至少一层图案化金属互连层调节红外探测器的谐振模式，由此以提高红外探测器的红外吸收率，拓宽红外探测器的红外吸收谱段，增加红外探测器的红外吸收谱段。
示例性地，可以设置至少一层图案化金属互连层位于密闭释放隔绝层3远离CMOS测量电路系统1的一侧和/或至少一层图案化金属互连层位于密闭释放隔绝层3临近CMOS测量电路系统1的一侧。示例性地，可以设置图案化金属互连层包括多个阵列排布的金属重复单元，每个金属重复单元可以包括两个对角设置的L型图案化结构、圆形结构、扇形结构、椭圆形结构、圆环结构、开口环结构或者多边形结构中的至少一种，也可以设置图案化金属互连层包括多个阵列排布的图案化镂空结构，图案化镂空结构可以包括圆形镂空结构、开口环状镂空结构或者多边形镂空结构中的至少一种，本公开实施例对图案化金属互连层所包含的具体图案不作限定。
可选地，针对有效像元，可以设置梁结构11和吸收板10至少两端电连接，CMOS红外传感结构2包括至少两个柱状结构6和至少两个支撑底座42，电极层14包括至少两个电极端。具体地，如图1所示，梁结构11与吸收板10两端电连接，每个梁结构11与吸收板10的一端电连接，CMOS红外传感结构2包括两个柱状结构6，电极层14包括至少两个电极端，至少部分电极端传输正电信号，至少部分电极端传输负电信号，并通过对应的梁结构11和柱状结构6传输至支撑底座42。
图15为本公开实施例提供的另一种红外探测器中有效像元的立体结构示意图。如图15所示，针对有效像元，也可以设置梁结构11与吸收板10的四端电连接，每个梁结构11与吸收板10的两端电连接，CMOS红外传感结构2包括四个柱状结构6，一个梁结构11连接两个柱状结构6。需要说明的是，本公开实施例对梁结构11与吸收板10的连接端的数量不作具体限定，确保分别存在梁结构11与电极端相对应，梁结构11用于传输对应的电极端输出的电信号即可。
可选地，可以设置红外探测器是基于3nm、7nm、10nm、14nm、22nm、28nm、32nm、45nm、65nm、90nm、130nm、150nm、180nm、250nm或350nm CMOS工艺制程，前述尺寸表征集成电路的工艺节点，即表征集成电路加工过程中的特征尺寸。
可选地，可以设置构成红外探测器中的金属互连层的金属连线材料包括铝、铜、钨、钛、镍、铬、铂、银、钌或钴中的至少一种，例如可以设置构成反射层的材料包括铝、铜、钨、钛、镍、铬、铂、银、钌或钴中的至少一种。另外，设置CMOS测量电路系统1和CMOS红外传感结构2均使用CMOS工艺制备，在CMOS测量电路系统1上直接制备CMOS红外传感结构2，能够实现柱状结构6的径向边长大于等于0.5um，小于等于3um，梁结构11的宽度，即梁结构11中单线条的宽度小于等于0.3um，谐振腔的高度小于等于2.5um。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种非制冷CMOS红外探测器，其特征在于，包括：
CMOS测量电路系统和CMOS红外传感结构，所述CMOS测量电路系统和所述CMOS红外传感结构均使用CMOS工艺制备，在所述CMOS测量电路系统上直接制备所述CMOS红外传感结构；
所述红外探测器包括有效像元阵列和镜像像元阵列，镜像像元用于消除有效像元除辐射吸收以外产生的热信号，所述热信号包括环境背景热信号、电阻热信号和衬底热信号；
针对所述有效像元：
所述CMOS测量电路系统上方包括至少一层密闭释放隔绝层，所述密闭释放隔绝层用于在制作所述CMOS红外传感结构的释放刻蚀过程中，保护所述CMOS测量电路系统不受工艺影响；
所述CMOS红外传感结构的CMOS制作工艺包括金属互连工艺、通孔工艺、IMD工艺以及RDL工艺，所述CMOS红外传感结构包括至少两层金属互连层、至少两层介质层和多个互连通孔，所述介质层至少包括一层牺牲层和一层热敏感介质层，所述金属互连层至少包括反射层和电极层；其中，所述热敏感介质层用于将其吸收的红外辐射对应的温度变化转化为电阻变化，进而通过所述CMOS测量电路系统将红外目标信号转化成可实现电读出的信号，所述牺牲层用于使所述CMOS红外传感结构形成镂空结构；
所述CMOS红外传感结构包括由所述反射层和所述热敏感介质层构成的谐振腔、控制热传递的悬空微桥结构以及具有电连接和支撑功能的柱状结构，所述CMOS测量电路系统用于测量和处理一个或多个所述CMOS红外传感结构形成的阵列电阻值，并将红外信号转化为图像电信号；
所述CMOS测量电路系统包括偏压产生电路、列级模拟前端电路和行级电路，所述偏压产生电路的输入端连接所述行级电路的输出端，所述列级模拟前端电路的输入端连接所述偏压产生电路的输出端，所述行级电路中包括行级镜像像元和行选开关，所述列级模拟前端电路中包括盲像元；其中，所述行级电路分布在每个像素内并根据时序产生电路的行选通信号选取待处理信号，并在所述偏压产生电路的作用下输出电流信号至所述列级模拟前端电路以进行电流电压转换输出；
所述行级电路受所述行选开关控制而被选通时向所述偏压产生电路输出第三偏置电压，所述偏压产生电路根据输入的恒压及所述第三偏置电压输出第一偏置电压和第二偏置电压，所述列级模拟前端电路根据所述第一偏置电压和所述第二偏置电压得到两路电流，并对所产生的两路电流之差进行跨阻放大并作为输出电压输出；
构成所述有效像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post-CMOS工艺腐蚀所述有效像元中的牺牲层，所述刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种；和/或，构成所述镜像像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post-CMOS工艺腐蚀所述镜像像元中的牺牲层，所述刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的非制冷CMOS红外探测器，其特征在于，针对所述有效像元，在所述CMOS测量电路系统的金属互连层上层或者同层制备所述CMOS红外传感结构。
3.根据权利要求1所述的非制冷CMOS红外探测器，其特征在于，针对所述有效像元，所述密闭释放隔绝层位于所述CMOS测量电路系统和所述CMOS红外传感结构之间的界面和/或位于所述CMOS红外传感结构中；
所述密闭释放隔绝层至少包含一层介质层，构成所述密闭释放隔绝层的介质材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、碳氮化硅、非晶碳、氧化钛或氧化铝中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的非制冷CMOS红外探测器，其特征在于，针对所述有效像元，所述密闭释放隔绝层位于所述反射层远离所述CMOS测量电路系统的一侧，所述反射层和所述密闭释放隔绝层之间设置有至少一层介质层，构成所述介质层的材料包括锗、硅或锗硅中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的非制冷CMOS红外探测器，其特征在于，针对所述有效像元，所述CMOS红外传感结构包括吸收板、梁结构、所述反射层和所述柱状结构；
所述吸收板用于吸收所述红外目标信号并将所述红外目标信号转换为电信号，所述吸收板包括金属互连层和至少一层所述热敏感介质层，构成所述热敏感介质层的材料包括由氧化钛、氧化钒、氧化钛钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、非晶碳、石墨烯、钇钡铜氧、铜或铂制备的电阻温度系数大于设定值的材料中的至少一种；
所述梁结构和所述柱状结构用于传输所述电信号并用于支撑和连接所述吸收板，所述梁结构至少包括金属互连层，所述柱状结构采用所述金属互连工艺和所述通孔工艺连接所述梁结构和所述CMOS测量电路系统；
所述反射层用于反射红外信号并与所述热敏感介质层形成所述谐振腔，所述反射层包括至少一层金属互连层。
6.根据权利要求5所述的非制冷CMOS红外探测器，其特征在于，针对所述有效像元，所述梁结构和所述吸收板的至少两端电连接，所述CMOS红外传感结构包括至少两个所述柱状结构和至少两个支撑底座，所述电极层包括至少两个电极端。
7.根据权利要求5所述的非制冷CMOS红外探测器，其特征在于，针对所述有效像元，所述吸收板上形成有至少一个孔状结构，所述孔状结构至少贯穿所述吸收板中的介质层；和/或，所述梁结构上形成有至少一个孔状结构；
所述反射层和所述悬空微桥结构之间设置有至少一层图案化金属互连层，所述图案化金属互连层位于所述密闭释放隔绝层的上方或者下方并与所述反射层之间电绝缘，所述图案化金属互连层用于调节所述红外探测器的谐振模式。
8.根据权利要求5所述的非制冷CMOS红外探测器，其特征在于，针对所述有效像元，所述红外探测器还包括超材料结构和/或偏振结构，所述超材料结构或者所述偏振结构为至少一层金属互连层。
9.根据权利要求1所述的非制冷CMOS红外探测器，其特征在于，所述红外探测器是基于3nm、7nm、10nm、14nm、22nm、28nm、32nm、45nm、65nm、90nm、130nm、150nm、180nm、250nm或350nm CMOS工艺制程。
10.根据权利要求1所述的非制冷CMOS红外探测器，其特征在于，构成所述金属互连层的金属连线材料包括铝、铜、钨、钛、镍、铬、铂、银、钌或钴中的至少一种。
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