CN113720467B - 基于cmos工艺的红外探测器镜像像元和红外探测器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元和红外探测器，该镜像像元包括：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红外传感结构包括位于反射层、密闭释放隔绝层和红外转换结构，所述密闭释放隔绝层位于所述反射层和所述红外转换结构之间，所述密闭释放隔绝层分别与所述反射层和所述红外转换结构接触设置；所述反射层包括反射板和支撑底座，所述红外转换结构通过所述支撑底座与所述CMOS测量电路系统电连接。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。

Description

基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元和红外探测器

技术领域

本公开涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元和红外探测器。

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。

红外探测器的工作原理是吸收红外辐射信号，红外辐射信号的吸收引起温度的变化，温度变化引起自身电阻值的变化，通过测量电阻值的变化探测红外辐射信号的大小。红外探测器在工作过程中，可能会引入衬底噪声、背景噪声以及自热产生的噪声等，影响到红外探测器探测结果的准确性。

现有技术中，红外探测器中设置有镜像像元，通过镜像像元获取红外探测器的噪声信号，从而得到降噪后的探测信号，提高探测结果的准确性。但是，目前并没有公开能够获取噪声信号的像元结构。

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，本公开提供了一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元和红外探测器，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。

第一方面，本公开实施例提供了一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元，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测量电路系统上方直接制备所述CMOS红外传感结构；

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CMOS红外传感结构包括位于所述CMOS测量电路系统上的反射层、密闭释放隔绝层和红外转换结构，所述密闭释放隔绝层位于所述反射层和所述红外转换结构之间，所述密闭释放隔绝层分别与所述反射层和所述红外转换结构接触设置；所述密闭释放隔绝层用于在制作所述CMOS红外传感结构的刻蚀过程中，保护所述CMOS测量电路系统不受工艺影响；

所述反射层包括反射板和支撑底座，所述红外转换结构通过所述支撑底座与所述CMOS测量电路系统电连接。

可选地，所述红外转换结构包括吸收板和多个梁结构，所述吸收板用于将红外信号转换为电信号并通过对应的所述梁结构与对应的所述支撑底座电连接；

所述吸收板和所述梁结构位于同一层或位于不同层。

可选地，所述红外转换结构还包括连接结构，所述吸收板用于将红外信号转换为电信号并通过对应的所述梁结构与对应的所述连接结构电连接，所述连接结构通过贯穿所述密闭释放隔绝层的通孔与对应的所述支撑底座电连接。

可选地，所述吸收板位于所述梁结构临近所述CMOS测量电路系统的一侧。

可选地，所述CMOS红外传感结构还包括第一柱状结构，所述第一柱状结构位于所述梁结构和所述反射层之间，所述第一柱状结构的一端与对应的所述梁结构电连接，另一端通过贯穿所述密闭释放隔绝层的通孔与对应的所述支撑底座电连接。

可选地，所述红外转换结构还包括第二柱状结构，所述梁结构包括第一电极层，所述吸收板包括第二电极层和热敏层，所述第二电极层通过所述第二柱状结构与所述第一电极层电连接，所述第一电极层与所述第一柱状结构电连接。

可选地，所述CMOS红外传感结构还包括：

平坦层，所述平坦层包括图案化介质结构，所述图案化介质结构与所述支撑底座位于同层，采用CMP工艺使得所述平坦层背离所述CMOS测量电路系统的表面与所述反射层背离所述CMOS测量电路系统的表面齐平。

第二方面，本公开实施例提供了一种基于CMOS工艺的红外探测器，包括如第一方面提供的任一种基于CMOS工艺的红外探测器像素结构。

可选地，还包括红外探测器有效像元，所述红外探测器有效像元的CMOS测量电路系统、反射层、密闭释放隔绝层和红外转换结构分别与所述红外探测器镜像像元的CMOS测量电路系统、反射层、密闭释放隔绝层和红外转换结构采用同种工艺同时制作；

所述红外探测器有效像元中，位于所述密闭释放隔绝层和所述红外转换结构之间的牺牲层被释放掉。

可选地，所述红外探测器镜像像元中，所述红外转换结构包括吸收板和多个梁结构，所述吸收板用于将红外信号转换为电信号并通过对应的所述梁结构与对应的所述支撑底座电连接，所述吸收板和所述梁结构位于同一层；

所述红外探测器有效像元中，所述密闭释放隔绝层和所述红外转换结构之间还设置有柱状结构。

本公开提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

(1)通过CMOS红外传感结构包括位于CMOS测量电路系统上的反射层、密闭释放隔绝层和红外转换结构，密闭释放隔绝层位于反射层和红外转换结构之间，密闭释放隔绝层分别与反射层和红外转换结构接触设置，反射层包括反射板和支撑底座，红外转换结构通过支撑底座与CMOS测量电路系统电连接，减小了红外转换结构与反射板之间的距离，破坏了谐振腔的形成条件，此时红外转换结构与反射层之间未形成谐振腔，红外转换结构不响应红外辐射信号，即红外转换结构产生的电信号源于温度噪声，因此，通过镜像像元能够获取到红外探测器的噪声信号，据此能够获取更加准确的探测信号，从而提高探测结果的准确性。此外，另外，减小红外转换结构与反射板之间的距离，即减小了红外探测器镜像像元的厚度，在红外探测器镜像像元的上方能够留出较大的空间，利用该空间能够制备吸气剂，从而有效利用了红外探测器镜像像元的空间，避免占用额外的空间，有利于红外探测器向小型化发展。

(2)通过将密闭释放隔绝层位于反射层和红外转换结构之间，密闭释放隔绝层分别与反射层和红外转换结构接触设置，就镜像像元而言，在反射层和红外转换结构之间无需形成牺牲层，因此能够避免牺牲层残留对红外探测器镜像像元的影响；就有效像元而言，密闭释放隔绝层位于谐振腔内，密闭释放隔绝层的折射率大于真空的折射率，因此，通过密闭释放隔绝层能够增大谐振腔的光程，从而能够减小谐振腔的实际高度，进而减小了牺牲层的厚度，降低牺牲层的释放难度。此外，支撑底座作为读出电路和CMOS红外传感结构电连接的结构，密闭释放隔绝层覆盖位于密闭释放隔绝层下方的介质层和支撑底座，起到保护下方介质层以及CMOS测量电路系统的作用。

(3)本发明实施例利用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；红外探测器以氧化硅作为牺牲层，氧化硅与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为本发明实施例提供的一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的立体分解结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的立体分解结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的膜层结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的膜层结构示意图；

图5为本发明实施例提供的又一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的膜层结构示意图；

图6为本发明实施例提供的又一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的膜层结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种CMOS测量电路系统的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的膜层结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的立体结构示意图；

图10为本发明实施例提供的另一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的立体结构示意图；

图11为本发明实施例提供的又一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的膜层结构示意图；

图12为本发明实施例提供的一种基于CMOS工艺的红外探测器的立体结构示意图；

图13为本发明实施例提供的一种基于CMOS工艺的红外探测器的膜层结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明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发明，但本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为本发明实施例提供的一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的立体分解结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的立体分解结构示意图，结合图1和图2所示，基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元100包括CMOS测量电路系统101和CMOS红外传感结构，CMOS测量电路系统101和CMOS红外传感结构均使用CMOS工艺制备，在CMOS测量电路系统101上直接制备CMOS红外传感结构。

具体地，CMOS红外传感结构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101，CMOS测量电路系统101根据接收到的电信号反映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101和CMOS红外传感结构均使用CMOS工艺制备，在CMOS测量电路系统101上直接制备CMOS红外传感结构，即先采用CMOS工艺制备CMOS测量电路系统101，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。

由此，本发明实施例利用CMOS工艺实现了CMOS测量电路系统101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；红外探测器以氧化硅作为牺牲层，氧化硅与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。

结合图1和图2，CMOS红外传感结构包括位于CMOS测量电路系统101上的反射层110、密闭释放隔绝层120和红外转换结构130，密闭释放隔绝层120位于反射层110和红外转换结构130之间，密闭释放隔绝层120分别与反射层110和红外转换结构130接触设置。反射层110包括反射板112和支撑底座111，红外转换结构130通过支撑底座111与CMOS测量电路系统101电连接。

具体地，反射层110包括支撑底座111和反射板112，在反射层110上形成有密闭释放隔绝层120，密闭释放隔绝层120用于在制作CMOS红外传感结构的刻蚀过程中，保护CMOS测量电路系统101不受工艺影响。在密闭释放隔绝层120上形成有红外转换结构130，如图1和图2所示。反射板112用于对红外光进行二次反射，红外转换结构130通过支撑底座111与CMOS测量电路系统101电连接，减小了红外转换结构130与反射板112之间的距离，反射板112无法将红外光反射至红外转换结构130上，红外转换结构130无法接收到反射板112反射的光束，故红外转换结构130与CMOS测量电路系统101之间并未形成谐振腔。

红外转换结构130能够吸收目标物体的红外辐射能量，并将温度信号转换成电信号。由于反射层110与红外转换结构130之间未形成谐振腔，红外转换结构130能够吸收的红外辐射能量很少，可以认为红外转换结构130对红外辐射信号不响应。此时，红外转换结构130产生的电信号源于CMOS测量电路系统101的热辐射和外部环境的热辐射等温度噪声，即红外转换结构130产生的信号为噪声信号，镜像像元产生的电信号即为噪声信号，因此，通过红外探测器镜像像元能够获取到红外探测器的噪声信号。

红外探测器包括有效像元和镜像像元，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。

综上所述，本发明实施例通过CMOS红外传感结构包括位于CMOS测量电路系统上的反射层、密闭释放隔绝层和红外转换结构，密闭释放隔绝层位于反射层和红外转换结构之间，密闭释放隔绝层分别与反射层和红外转换结构接触设置，反射层包括反射板和支撑底座，红外转换结构通过支撑底座与CMOS测量电路系统电连接，降低了红外转换结构与反射板之间的距离，破坏了谐振腔的形成条件，此时红外转换结构与反射层之间未形成谐振腔，红外转换结构不响应红外辐射信号，即红外转换结构产生的电信号源于温度噪声，因此，通过镜像像元能够获取到红外探测器的噪声信号，据此能够获取更加准确的探测信号，从而提高探测结果的准确性。

CMOS红外传感结构的CMOS制作工艺包括金属互连工艺、通孔工艺以及RDL工艺，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，介质层至少包括一层牺牲层和一层热敏感介质层，热敏感介质层至少包括热敏层，还可以包括支撑层和/或钝化层，金属互连层至少包括反射层110和电极层；其中，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中的热敏层，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101将红外目标信号转化成可实现电读出的信号。

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，通孔工艺用于形成连接上下金属互连层的互连通孔，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钨柱电连接，采用RDL工艺可以在CMOS测量电路系统101的顶层金属上再制备红外探测器中的反射层110，反射层110上的支撑底座111与CMOS测量电路系统101的顶层金属电连接。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。

另外，减小红外转换结构130与反射板112之间的距离，即减小了红外探测器镜像像元的厚度，在红外探测器镜像像元的上方能够留出较大的空间，利用该空间能够制备吸气剂，从而有效利用了红外探测器镜像像元的空间，避免占用额外的空间，有利于红外探测器向小型化发展。

图3为本发明实施例提供的一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的膜层结构示意图，密闭释放隔绝层120位于反射层110和红外转换结构130之间，密闭释放隔绝层120分别与反射层110和红外转换结构130接触设置，就镜像像元而言，在反射层110和红外转换结构130之间无需形成牺牲层，因此能够避免牺牲层残留对红外探测器镜像像元的影响；就有效像元而言，密闭释放隔绝层120位于谐振腔内，密闭释放隔绝层120的折射率大于真空的折射率，因此，通过密闭释放隔绝层120能够增大谐振腔的光程，从而能够减小谐振腔的实际高度，进而减小了牺牲层的厚度，降低牺牲层的释放难度。此外，支撑底座111作为读出电路和CMOS红外传感结构电连接的结构，密闭释放隔绝层120覆盖位于密闭释放隔绝层120下方的介质层和支撑底座111，起到保护下方介质层以及CMOS测量电路系统101的作用。

图4为本发明实施例提供的另一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的膜层结构示意图，CMOS测量电路系统101和CMOS红外传感结构之间的界面设置有至少一层密闭释放隔绝层120，且CMOS红外传感结构中设置有至少一层密闭释放隔绝层120，即反射层110和CMOS测量电路系统101之间设置有至少一层密闭释放隔绝层120。具体地，由于CMOS测量电路系统101和CMOS红外传感结构均采用CMOS工艺制备形成，当制备形成CMOS测量电路系统101后，将制备形成包含有CMOS测量电路系统101的晶圆传输至下一道工艺制备形成CMOS红外传感结构，因为氧化硅是CMOS工艺中最常用的介质材料，CMOS电路上多以氧化硅作为金属层间的绝缘层，所以腐蚀2um左右厚度的氧化硅时如果没有隔绝层作为阻挡，将会严重影响电路，所以为了释放所述牺牲层氧化硅时不会腐蚀CMOS测量电路系统上的氧化硅介质，设置了密闭释放隔绝层120。在制备形成CMOS测量电路系统101后，在CMOS测量电路系统101上制备形成密闭释放隔绝层120，利用密闭释放隔绝层120对CMOS测量电路系统101进行保护，而为了保证支撑底座111与CMOS测量电路系统101的电连接，在制备形成密闭释放隔绝层120后，在密闭释放隔绝层120对应支撑底座111的区域采用刻蚀工艺形成通孔，通过通孔实现支撑底座111与CMOS测量电路系统101的电连接。另外，设置密闭释放隔绝层120与支撑底座111形成密闭结构，将CMOS测量电路系统101与牺牲层完全隔开，实现对CMOS测量电路系统101的保护。

图5为本发明实施例提供的又一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的膜层结构示意图。如图5所示，在上述实施例的基础上，CMOS测量电路系统101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101包括间隔设置的金属互连层1011、介质层1012以及位于底部的硅衬底1013，上下金属互连层1011通过通孔1014实现电连接。

结合图1至图5，CMOS红外传感结构102包括由反射层110和热敏感介质层构成的谐振腔，CMOS测量电路系统101用于测量和处理一个或多个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。

具体地，谐振腔例如可以由反射层110和吸收板131之间的空腔形成，红外光透过吸收板131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。

可选地，可以在CMOS测量电路系统101的金属互连层上层或者同层制备CMOS红外传感结构102。

具体地，这里的CMOS测量电路系统101的金属互连层可以为CMOS测量电路系统101中的顶层金属，可以在CMOS测量电路系统101的金属互连层上层制备CMOS红外传感结构102，CMOS红外传感结构102通过位于CMOS测量电路系统101的金属互连层上层的支撑底座111与CMOS测量电路系统101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101，如图5所示。

图6为本发明实施例提供的又一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的膜层结构示意图。如图6所示，也可以在CMOS测量电路系统101的金属互连层同层制备CMOS红外传感结构102，即CMOS测量电路系统101与CMOS红外传感结构102同层设置，设置CMOS红外传感结构102位于CMOS测量电路系统101的一侧，CMOS测量电路系统101的顶部同样可以设置有密闭释放隔绝层，以保护CMOS测量电路系统101。

图7为本发明实施例提供的一种CMOS测量电路系统的结构示意图。结合图1至图3，CMOS测量电路系统101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V。

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101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131与CMOS测量电路系统101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131都与CMOS测量电路系统101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101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，红外转换结构130包括吸收板131和多个梁结构132，吸收板131用于将红外信号转换为电信号并通过对应的梁结构132与对应的支撑底座111电连接，吸收板131和梁结构132如图1所示位于同一层，或如图2所示位于不同层。

具体地，如图1和图2所示，红外转换结构130包括多个梁结构132，每个梁结构132均与对应的支撑底座111电连接。吸收板131用于吸收目标物体的红外辐射能量，并将红外辐射能量转换为有效电信号，梁结构132通过支撑底座111将吸收板131产生的有效电信号传递至读出电路，同时梁结构132还是一种热传导的部件，用于散热。此外，吸收板131还用于吸收温度噪声辐射的能量，并将温度噪声辐射的能量转换为噪声信号，梁结构132通过支撑底座111将吸收板131产生的噪声电信号传递至读出电路，以实现红外探测器的噪声信号的检测。

需要说明的是，图1和图2仅示例性展示了红外转换结构130包括两个梁结构132，在实际应用中，梁结构132的数量可以是更多个，本发明实施例对此不作具体限制。

图1示例性展示了吸收板131和梁结构132位于同一层，图2示例性展示了吸收板131和梁结构132位于不同层，在实际应用中，并不作为对吸收板131和梁结构132的具体结构具体限制。

可选地，继续参见图1，红外转换结构130还包括连接结构133，吸收板131用于将红外信号转换为电信号并通过对应的梁结构132与对应的连接结构133电连接，连接结构133通过贯穿密闭释放隔绝层120的通孔121与对应的支撑底座111电连接。

示例性地，结合图1和图3所示，红外探测器镜像像元100制备方法可以包括在CMOS测量电路系统101上形成反射层110，刻蚀反射层110以形成反射板112和支撑底座111，在反射层110上形成密闭释放隔绝层120，刻蚀与支撑底座111正对的密闭释放隔绝层120形成通孔121，采用金属材料填充通孔121形成与支撑底座111接触的连接结构133，在连接结构133和密闭释放隔绝层120上形成红外转换结构130。

本发明实施例中，连接结构133贯穿密闭释放隔绝层120，即密闭释放隔绝层120包覆连接结构133，密闭释放隔绝层120可以作为连接结构133的支撑结构，增强连接结构133的力学强度，提高镜像像元100的结构稳定性，从而能够提高红外探测器的结构稳定性和抗冲击能力。

可选地，继续参见图2，吸收板131位于梁结构132临近CMOS测量电路系统101的一侧。

示例性地，图8为本发明实施例提供的另一种红外探测器镜像像元的膜层结构示意图，结合图2和图8所示，红外探测器镜像像元100制备方法可以包括在CMOS测量电路系统101上形成反射层110，刻蚀反射层110以形成反射板112和支撑底座111，在反射层110上依次形成密闭释放隔绝层120、吸收板131和梁结构132，以使吸收板131和梁结构132位于不同层，且吸收板131位于梁结构132临近CMOS测量电路系统101的一侧。

本发明实施例通过将吸收板131和梁结构132设置于不同层，梁结构132的面积不会对吸收板131的面积造成影响，有利于实现更大面积的吸收板131，从而能够提高吸收板131吸收的温度噪声的辐射量，即能够提高红外探测器的辐射吸收量，从而能够获取到更加准确的噪声信号，利于提高红外探测器的探测性能。此外，红外探测器镜像像元100的尺寸不再受制于吸收板131的面积和梁结构132的面积之和，能够减小红外探测器镜像像元100的尺寸，有利于红外探测器向小型化发展。

可选地，继续参见图2和图8，CMOS红外传感结构还包括第一柱状结构140，第一柱状结构140位于梁结构132和所述反射层110之间，第一柱状结构140的一端与对应的梁结构132电连接，另一端通过贯穿密闭释放隔绝层120的通孔121与对应的支撑底座111电连接。

示例性地，以图2和图8所示的红外探测器镜像像元为例，红外探测器镜像像元100制备方法可以包括在CMOS测量电路系统101上形成反射层110，刻蚀反射层110以形成反射板112和支撑底座111，在反射层110上依次形成密闭释放隔绝层120和吸收板131，其中，吸收板131未覆盖支撑底座111。在密闭释放隔绝层120和吸收板131上依次形成牺牲层，刻蚀与支撑底座111正对的牺牲层和密闭释放隔绝层120，形成贯穿牺牲层和密闭释放隔绝层120的通孔121，在通孔121内填充金属材料形成与支撑底座111接触的第一柱状结构140。在第一柱状结构140和牺牲层上形成梁结构132，释放牺牲层，形成如图8所示的红外探测器镜像像元。

本发明实施例中，第一柱状结构140贯穿密闭释放隔绝层120，即密闭释放隔绝层120包覆部分第一柱状结构140，密闭释放隔绝层120可以作为第一柱状结构140的支撑结构，增强第一柱状结构140的力学强度，提高镜像像元100的结构稳定性，从而能够提高红外探测器的结构稳定性和抗冲击能力。

可选地，红外探测器镜像像元100可以设置包括一组或者两组对角设置的两个第一柱状结构140，如图2所示，示例性地设置红外探测器镜像像元100包括两组对角设置的两个第一柱状结构140，即设置红外探测器镜像像元100包括第一柱状结构140，也可以设置红外探测器镜像像元100包括一组对角设置的两个第一柱状结构140，即设置红外探测器镜像像元100包括两个第一柱状结构140，如图9所示。

可选地，红外探测器镜像像元100中的第一柱状结构140可以如图2所示是实心柱结构，第一柱状结构140也可以如图9所示是空心柱结构。

示例性的，如图2所示，第一柱状结构140可以是实心柱结构，在第一柱状结构140内部不会有残留的牺牲层，从而能够提高红外探测器镜像像元100的真空度，避免对红外探测器镜像像元100的电学性能造成影响。同时，实心柱结构的机械强度较高，能够提高红外探测器镜像像元100的结构稳定性。示例性的，实心柱结构的材料可以是铝、铜、钨中的至少一种。第一柱状结构140也可以是空心柱结构，如图9所示，空心柱结构的导热小，能够降低整体结构的热导。

可选地，图10为本发明实施例提供的又一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元的结构示意图，红外转换结构130可以如图1和图2所示包括两个梁结构132，红外转换结构还可以如图10所示包括四个梁结构132，即红外转换结构包括沿第一方向XX’设置的第一梁结构132a和第二梁结构132b，以及沿第二方向YY’设置的第三梁结构132c和第四梁结构132d，第一方向XX’垂直于第二方向YY’。

可选地，继续参见图2和图8，红外转换结构130还包括第二柱状结构134，梁结构132包括第一电极层211，吸收板131包括第二电极层212和热敏层220，第二电极层212通过第二柱状结构134与第一电极层211电连接，第一电极层211与第一柱状结构140电连接。

示例性地，如图8所示，热敏层220位于密闭释放隔绝层120上，第二电极层212位于热敏层220上，第二柱状结构134位于第二电极层212上，在第二柱状结构134所在膜层上形成第一电极层211。

具体地，第一电极层211包括第一电极和第二电极，第二电极层212包括第三电极和第四电极，第三电极与第一电极电连接，第四电极与第二电极电连接。第三电极将热敏层220的产生的正热敏信号通过对应的第二柱状结构134传递至第一电极，第一电极通过对应的第一柱状结构140将正热敏信号传递至读出电路，第四电极将热敏层220的产生的负热敏信号通过对应的第二柱状结构134传递至第二电极，第二电极通过对应的第一柱状结构140将负热敏信号传输至读出电路，以实现噪声信号的检测功能。可以在热敏层220和第二电极层212临近梁结构132一侧设置支撑层，支撑层用于在释放掉牺牲层后支撑吸收板131，还可以在热敏层220和第二电极层212远离梁结构132一侧设置钝化层，钝化层用于保护热敏层220和第二电极层212不被氧化或者腐蚀。

示例性地，可以设置构成热敏层220的材料可以包括非晶硅、非晶锗、非晶硅锗、氧化钛、氧化钒或氧化钛钒中的至少一种，构成支撑层的材料可以包括非晶碳、氧化铝、非晶硅、非晶锗或非晶锗硅中的一种或多种，构成电极层的材料可以包括钛、氮化钛、钽、氮化钽、钛钨合金、镍铬合金、镍硅合金、镍或铬中的一种或多种，构成钝化层的材料可以包括非晶碳、氧化铝、非晶硅、非晶锗或非晶锗硅中的一种或多种。另外，设置吸收板131包括热敏层220，热敏层220材料为非晶硅、非晶碳、非晶锗或非晶硅锗时，梁结构132上的支撑层和/或钝化层可以由热敏层220来代替，因为非晶硅、非晶锗或非晶硅锗的热导率较小，有利于降低梁结构132的热导率，进一步提高红外探测器的红外响应率。

需要说明的是，图8仅示例性地可以设置第二电极层212位于热敏层220远离CMOS测量电路系统101的一侧。在其他实施方式中，也可以设置第二电极层212位于热敏层220临近CMOS测量电路系统101的一侧，第二电极层212与热敏层220之间还设置有介质层，介质层和热敏层220中间镂空以形成贯穿介质层和热敏层220的通孔，第二柱状结构134通过该通孔与第二电极层212电连接，如图11所示。

可选地，继续参见图3、图8和图11，CMOS红外传感结构还包括：平坦层150，平坦层150包括图案化介质结构，图案化介质结构与支撑底座111位于同层，采用CMP工艺使得平坦层150背离CMOS测量电路系统101的表面与反射层110背离CMOS测量电路系统101的表面齐平。

具体地，在CMOS测量电路系统101上形成反射层110，再通过刻蚀反射层110形成支撑底座111和反射板112。支撑底座111与反射板112之间存在空隙，在反射层110上沉积形成平坦层150，平坦层150能够填充支撑底座111与反射板112之间存在空隙，此时，平坦层150背离CMOS测量电路系统101一侧的表面不平整，其中，支撑底座111对应的膜层表面较高。采用CMP工艺对平坦层150背离CMOS测量电路系统101一侧表面进行抛光处理，降低支撑底座111和反射板112对应的平坦层150的膜面的高度，以使平坦层150背离CMOS测量电路系统101一侧的表面与反射层110背离CMOS测量电路系统101的表面齐平，确保后续工艺形成的各膜层比较平整，从而能够降低工艺难度，对工艺参数的控制精度较高，进而提高红外探测器的良率。

可选地，可以设置红外探测器镜像像元是基于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，支撑底座111的边长小于等于3微米且大于等于0.5微米。

具体地，可以设置构成基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元反射层110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101和CMOS红外传感结构均使用CMOS工艺制备，在CMOS测量电路系统101上直接制备CMOS红外传感结构，能够实现支撑底座111的边长小于等于3微米且大于等于0.5微米，梁结构132的宽度，即梁结构132中单线条的宽度小于等于0.3um，谐振腔的高度大于等于1.5um，小于等于2.5um，单个像元的边长大于等于6um，小于等于17um。对于探测器全CMOS工艺而言，通过同一制程能够在有效像元和镜像像元中均形成反射层110，对有效像元来说，支撑底座111的边长越小，即支撑底座111的面积越小，反射板112的面积越大，传感器吸收的红外辐射能量越多，从而能够提高红外探测器的探测效率。

本发明实施例还提供了一种基于CMOS工艺的红外探测器，图12为本发明实施例提供的一种基于CMOS工艺的红外探测器的立体结构示意图。如图12所示，基于CMOS工艺的红外探测器200包括上述实施例中的任一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元100，上述实施例所述的有益效果，这里不再赘述。示例性地，红外探测器例如可以是非制冷红外焦平面探测器。

可选地，图13为本发明实施例提供的一种基于CMOS工艺的红外探测器的膜层结构示意图，基于CMOS工艺的红外探测器200还包括：红外探测器有效像元201，红外探测器有效像元201的CMOS测量电路系统101、反射层110、密闭释放隔绝层120和红外转换结构130分别与红外探测器镜像像元100的CMOS测量电路系统101、反射层110、密闭释放隔绝层120和红外转换结构130采用同种工艺同时制作。红外探测器有效像元201中，位于密闭释放隔绝层120和红外转换结构130之间的牺牲层被释放掉。

具体地，采用同一种工艺同时制备红外探测器有效像元201的CMOS测量电路系统101和红外探测器镜像像元100的CMOS测量电路系统101、红外探测器有效像元201的反射层110和红外探测器镜像像元100的反射层110、红外探测器有效像元201的密闭释放隔绝层120和红外探测器镜像像元100的密闭释放隔绝层120以及红外探测器有效像元201的红外转换结构130和红外探测器镜像像元100的红外转换结构130。红外探测器有效像元201中密闭释放隔绝层120和红外转换结构130之间存在牺牲层，红外探测器镜像像元100中密闭释放隔绝层120和红外转换结构130直接接触，红外探测器有效像元201的厚度大于镜像像元的厚度，在红外探测器镜像像元100的上方与红外探测器有效像元201对应的区域制备吸气剂，能够充分利用红外探测器中的有效空间，无需占用额外的空间，利于红外探测器的小型化发展。

本发明实施例通过采用同样的工艺同时制备红外探测器镜像像元和红外探测器有效像元，实现两种像元结构的同步制备，从而简化红外探测器的工艺流程。

红外探测器有效像元201中，密闭释放隔绝层120位于谐振腔内，密闭释放隔绝层120的折射率大于真空的折射率，因此，通过密闭释放隔绝层120能够增大谐振腔的光程，从而能够减小谐振腔的实际高度，进而减小了牺牲层的厚度，降低牺牲层的释放难度。

可选地，结合图1和图13，红外探测器镜像像元100中，红外转换结构130包括吸收板131和多个梁结构132，吸收板131用于将红外信号转换为电信号并通过对应的梁结构132与对应的支撑底座111电连接，吸收板131和梁结构132位于同一层。红外探测器有效像元201中，密闭释放隔绝层120和红外转换结构130之间还设置有柱状结构。

具体地，如图1和图13所示，红外探测器镜像像元100中吸收板131和梁结构132位于同一层，无需对吸收板131和梁结构132分别制作掩膜板，减少了制程数量，能够简化红外探测器的工艺流程，节省红外探测器的生产成本，提高生产效率。

红外探测器有效像元201中，密闭释放隔绝层120和红外转换结构130之间设置有牺牲层，释放牺牲层后密闭释放隔绝层120和红外转换结构130无接触，因此需要设置支撑结构以支撑红外转换结构130，维持红外转换结构130的稳定性，同时还需要设置电连接结构，以使红外转换结构130和CMOS测量电路系统101电连接。由此可知，在密闭释放隔绝层120和红外转换结构130之间设置柱状结构，能够维持红外转换结构130的稳定性以及保证红外探测器200能够正常传输电信号。

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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述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所述的这些实施例，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)

1.一种基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元，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测量电路系统上方直接制备所述CMOS红外传感结构；

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CMOS红外传感结构包括位于所述CMOS测量电路系统上的反射层、密闭释放隔绝层和红外转换结构，所述密闭释放隔绝层位于所述反射层和所述红外转换结构之间，所述密闭释放隔绝层分别与所述反射层和所述红外转换结构接触设置；所述密闭释放隔绝层用于在制作所述CMOS红外传感结构的刻蚀过程中，保护所述CMOS测量电路系统不受工艺影响；

所述反射层包括反射板和支撑底座，所述红外转换结构通过所述支撑底座与所述CMOS测量电路系统电连接；

所述红外转换结构还包括连接结构，所述红外转换结构通过所述连接结构与所述支撑底座接触，所述密闭释放隔绝层包覆所述连接结构。

2.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元，其特征在于，所述红外转换结构包括吸收板和多个梁结构，所述吸收板用于将红外信号转换为电信号并通过对应的所述梁结构与对应的所述支撑底座电连接；

所述吸收板和所述梁结构位于同一层或位于不同层。

3.根据权利要求2所述的基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元，其特征在于，所述吸收板用于将红外信号转换为电信号并通过对应的所述梁结构与对应的所述连接结构电连接，所述连接结构通过贯穿所述密闭释放隔绝层的通孔与对应的所述支撑底座电连接。

4.根据权利要求2所述的基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元，其特征在于，所述吸收板位于所述梁结构临近所述CMOS测量电路系统的一侧。

5.根据权利要求4所述的基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元，其特征在于，所述CMOS红外传感结构还包括第一柱状结构，所述第一柱状结构位于所述梁结构和所述反射层之间，所述第一柱状结构的一端与对应的所述梁结构电连接，另一端通过贯穿所述密闭释放隔绝层的通孔与对应的所述支撑底座电连接。

6.根据权利要求5所述的基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元，其特征在于，所述红外转换结构还包括第二柱状结构，所述梁结构包括第一电极层，所述吸收板包括第二电极层和热敏层，所述第二电极层通过所述第二柱状结构与所述第一电极层电连接，所述第一电极层与所述第一柱状结构电连接。

7.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元，其特征在于，所述CMOS红外传感结构还包括：

平坦层，所述平坦层包括图案化介质结构，所述图案化介质结构与所述支撑底座位于同层，采用CMP工艺使得所述平坦层背离所述CMOS测量电路系统的表面与所述反射层背离所述CMOS测量电路系统的表面齐平。

8.一种基于CMOS工艺的红外探测器，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元。

9.根据权利要求8所述的基于CMOS工艺的红外探测器，其特征在于，还包括红外探测器有效像元，所述红外探测器有效像元的CMOS测量电路系统、反射层、密闭释放隔绝层和红外转换结构分别与所述红外探测器镜像像元的CMOS测量电路系统、反射层、密闭释放隔绝层和红外转换结构采用同种工艺同时制作；

所述红外探测器有效像元中，位于所述密闭释放隔绝层和所述红外转换结构之间的牺牲层被释放掉。

10.根据权利要求9所述的基于CMOS工艺的红外探测器，其特征在于，所述红外探测器镜像像元中，所述红外转换结构包括吸收板和多个梁结构，所述吸收板用于将红外信号转换为电信号并通过对应的所述梁结构与对应的所述支撑底座电连接，所述吸收板和所述梁结构位于同一层；

所述红外探测器有效像元中，所述密闭释放隔绝层和所述红外转换结构之间还设置有柱状结构。

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