CN113720480B - 基于cmos工艺的红外探测器镜像像元和红外探测器 - Google Patents
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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红外转换结构通过第一柱状结构和支撑底座与CMOS测量电路系统电连接；梁结构位于吸收板临近衬底的一侧，吸收板和梁结构之间设置有绝缘的第二柱状结构和图案化金属结构，至少部分反射板位于图案化金属结构的正投影区域内，沿垂直于衬底的方向，图案化金属结构与梁结构和吸收板之间均有间距。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
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，提高了探测结果的准确性。
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、红外转换结构和多个第一柱状结构，所述第一柱状结构位于所述反射层和所述红外转换结构之间，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第一柱状结构和所述支撑底座与所述CMOS测量电路系统电连接；
所述红外转换结构包括吸收板和多个梁结构，所述梁结构位于所述吸收板临近所述CMOS测量电路系统的一侧，所述吸收板和所述梁结构之间设置有第二柱状结构，所述吸收板用于将红外信号转换为电信号并通过所述第二柱状结构和对应的所述梁结构与对应的所述第一柱状结构电连接；
所述CMOS红外传感结构还包括位于所述吸收板和梁结构之间的图案化金属结构，所述图案化金属结构与所述第二柱状结构绝缘设置，至少部分所述反射板位于所述图案化金属结构的正投影区域内，沿垂直于所述CMOS测量电路系统的方向，所述图案化金属结构与所述梁结构和所述吸收板之间均有间距。
可选地，所述CMOS红外传感结构还包括图案化介质结构，所述图案化金属结构通过所述图案化介质结构与所述第二柱状结构绝缘且固定。
可选地，所述图案化金属结构通过对应所述第一柱状结构设置的支撑结构悬空设置于所述梁结构和所述吸收板之间，所述梁结构包括第一电极层和钝化层，所述支撑结构贯穿所述第一电极层和所述钝化层与对应的所述第一柱状结构电连接。
可选地，其特征在于，牺牲层用于使所述CMOS红外传感结构形成镂空结构，构成所述牺牲层的材料是氧化硅，采用气相氟化氢、四氟化碳和三氟甲烷中的至少一种对所述牺牲层进行腐蚀。
可选地，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，所述梁结构分别连接中间支撑结构和所述第一柱状结构，多个所述梁结构中，由所述中间支撑结构向对应的所述第一柱状结构的梁路径中，交汇于同一节点的两条并行梁结构分别为第一半桥结构和第二半桥结构，所述第一半桥结构和所述第二半桥结构形成热对称结构；其中，所述第一半桥结构的长度大于所述第二半桥结构的长度，沿垂直于所述CMOS测量电路系统的方向，所述第一半桥结构的厚度大于所述第二半桥结构的厚度。
可选地，所述CMOS红外传感结构还包括位于所述反射层上的至少一层包覆所述第一柱状结构。
可选地，构成所述密闭释放隔绝层的材料包括硅、锗、锗化硅、非晶硅、非晶锗、非晶硅锗、非晶碳、碳化硅、氧化铝或氮化硅中的至少一种。
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。
可选地，所述支撑底座的边长小于等于3微米且大于等于0.5微米。
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工艺的红外探测器镜像像元。
本公开提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
(1)通过红外转换结构包括吸收板和多个梁结构，梁结构位于吸收板临近CMOS测量电路系统的一侧，吸收板和梁结构之间设置有第二柱状结构，吸收板用于将红外信号转换为电信号并通过第二柱状结构和对应的梁结构与对应的第一柱状结构电连接，将吸收板和梁结构设置于不同层，梁结构的面积不会对吸收板的面积造成影响，有利于实现更大面积的吸收板，从而能够提高红外探测器镜像像元的辐射吸收量，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结构的尺寸不再受制于吸收板的面积和梁结构的面积之和，能够减小红外探测器镜像像元的尺寸，有利于红外探测器向小型化发展。
(2)通过CMOS红外传感结构还包括位于吸收板和梁结构之间的图案化金属结构，至少部分反射板位于图案化金属结构的正投影区域内，透过吸收板的红外光在图案化金属结构的表面发生反射，反射板不会反射红外光，即改变了CMOS测量电路系统与吸收板之间的谐振腔的高度，使得谐振腔不再满足红外光的谐振条件，故谐振腔内不会产生谐振光，此时，吸收板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。
(3)通过图案化金属结构与第二柱状结构绝缘设置，沿垂直于CMOS测量电路系统的方向，图案化金属结构和吸收板之间有间距，图案化金属结构和梁结构之间也有间距，图案化金属与吸收板和梁结构均绝缘，避免图案化金属结构造成电路短路，从而避免对红外探测器的电学性能造成影响；此外，在梁结构的周围留有足够的空间，以使梁结构与外部环境进行热交换，避免对梁结构的热导性能造成影响。
(4)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。
(5)通过图案化金属结构位于吸收板临近CMOS测量电路系统的一侧，即图案化金属结构形成于有效像元制备完成之前，故可以通过增加工艺制程，并配合相应的掩膜版同时制备有效像元和镜像像元，使得镜像像元内部增加图案化金属结构，而有效像元的结构不发生变化，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。
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；
图3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4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5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6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7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8为本发明实施例提供的一种梁结构的结构示意图；
图9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13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14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15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16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17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。
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102。
具体地，CMOS红外传感结构102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102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102，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102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102包括位于CMOS测量电路系统101上的反射层110、红外转换结构120和多个第一柱状结构130，第一柱状结构130位于反射层110和红外转换结构120之间，反射层110包括反射板112和支撑底座111，红外转换结构120通过第一柱状结构130和支撑底座111与CMOS测量电路系统101电连接。红外转换结构120包括吸收板121和多个梁结构122，梁结构122位于吸收板121临近CMOS测量电路系统101的一侧，吸收板121和梁结构122之间设置有第二柱状结构123，吸收板121用于将红外信号转换为电信号并通过第二柱状结构123和对应的梁结构122与对应的第一柱状结构130电连接。
具体地，第一柱状结构130位于反射层110和红外转换结构120之间，用于在CMOS测量电路系统101上的牺牲层释放后支撑红外转换结构120，牺牲层位于反射层110与红外转换结构120之间，第一柱状结构130为金属结构，吸收板121经由红外信号转换出来的电信号经过对应的第二柱状结构123、对应的梁结构122、对应的第一柱状结构130以及对应的支撑底座111传输至CMOS测量电路系统101，CMOS测量电路系统101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102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第一柱状结构130传输至与第一柱状结构130电连接的支撑底座111，图1和图2示例性地示意沿平行于CMOS测量电路系统101的方向，CMOS红外传感结构包括四个第一柱状结构130，可以设置其中两个第一柱状结构130用于传输正电信号，另两个第一柱状结构130用于传输接地电信号，也可以设置CMOS红外传感结构包括两个第一柱状结构130，分别传输正电信号和接地电信号。另外，反射层110包括反射板112和支撑底座111，反射层110的一部分用于充当第一柱状结构130与CMOS测量电路系统101电连接的电介质，即支撑底座111，反射板112则用于反射红外线至吸收板121，配合反射层110和吸收板121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，CMOS红外传感结构102还包括位于吸收板121和梁结构122之间的图案化金属结构140，图案化金属结构140与第二柱状结构123绝缘设置，至少部分反射板112位于图案化金属结构140的正投影区域内，沿垂直于CMOS测量电路系统的方向，图案化金属结构140与梁结构122和吸收板121之间均有间距。
具体地，吸收板121和梁结构122之间设置有图案化金属结构140，且图案化金属结构140覆盖至少部分反射板112，透过吸收板121的红外光入射至图案化金属结构140后，被图案化金属结构140反射至吸收板121，此时反射板112接收不到红外光，因此改变了谐振腔的高度，破坏了谐振腔产生谐振的条件，使得红外光在谐振腔中不会产生谐振，也就是说，此时谐振腔中不会产生谐振光。
吸收板121通过第二柱状结构123与对应的梁结构122电连接，梁结构122通过对应的第一柱状结构130与支撑底座111电连接，支撑底座111与CMOS测量电路系统101电连接。吸收板121能够吸收目标物体的红外辐射能量，将温度信号转换成有效电信号，并将有效电信号通过第二柱状结构123传输至对应的梁结构122，梁结构122继续将有效电信号通过对应的第一柱状结构130和支撑底座111传输至读出电路，同时梁结构122还是一种热传导的部件，用于散热。吸收板121还能够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，并将噪声信号依次通过第二柱状结构123、梁结构122、第一柱状结构130和支撑底座111传递至读出电路。由于反射层110与吸收板121之间不产生谐振光，吸收板121能够吸收的红外辐射能量很少，可以认为吸收板121对红外辐射信号不响应，此时，吸收板121产生的电信号为噪声信号，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吸收板和梁结构之间的图案化金属结构，至少部分反射板位于图案化金属结构的正投影区域内，透过吸收板的红外光在图案化金属结构的表面发生反射，反射板不会反射红外光，即改变了CMOS测量电路系统与吸收板之间的谐振腔的高度，使得谐振腔不再满足红外光的谐振条件，故谐振腔内不会产生谐振光，此时，吸收板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，本发明实施例提供方案中，图案化金属结构140位于吸收板121临近CMOS测量电路系统101的一侧，如图2所示。图案化金属结构140形成于有效像元制备完成之前，故可以通过增加工艺制程，并配合相应的掩膜版同时制备有效像元和镜像像元，使得镜像像元内部增加图案化金属结构140，而有效像元的结构不发生变化，实现两种像元结构的同步制备，从而简化红外探测器工艺流程。
CMOS红外传感结构102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102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。
第二柱状结构123穿过图案化金属结构140与对应的梁结构122接触，且与图案化金属结构140绝缘，如图2所示。沿垂直于CMOS测量电路系统101的方向，图案化金属结构140如图2所示与吸收板121之间有间距，且与梁结构122之间也有间距，即图案化金属结构140与探测电路绝缘，从而避免对红外探测器的电学性能造成影响。同时，图案化金属结构140与梁结构122有间距，在梁结构122周围留有足够的空间，以使梁结构122与周围环境进行热交换，从而避免影响梁结构122的热导性能。
梁结构122位于吸收板121临近CMOS测量电路系统101的一侧，即梁结构122位于吸收板121不同层，梁结构122的面积不会对吸收板121的面积造成影响，有利于实现更大面积的吸收板121，从而能够提高红外探测器镜像像元的辐射吸收量，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结构的尺寸不再受制于吸收板121的面积和梁结构122的面积之和，能够减小红外探测器镜像像元的尺寸，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121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121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，结合图1和图2所示，CMOS红外传感结构102还包括图案化介质结构150，图案化金属结构140通过图案化介质结构150与第二柱状结构123绝缘且固定。
示例性，图4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，如图4所示，红外探测器镜像像元100制备方法可以包括采用CMOS工艺在CMOS测量电路系统101上依次形成反射层110、第一柱状结构130和梁结构122。在梁结构122背离CMOS测量电路系统101一侧设置图案化金属结构140，且图案化金属结构140与梁结构122之间存在间距，利用介质材料填充图案化金属结构140并形成图案化介质结构150，第二柱状结构123通过图案化介质结构150与图案化金属结构140绝缘固定，并且穿过图案化介质结构150与梁结构122电连接。在第二柱状结构123上形成吸收板121，从而形成如图4所示红外探测器镜像像元。通过与图案化金属结构140同层设置的图案化介质结构150实现与第二柱状结构123绝缘和固定，能够减少红外探测器镜像像元中膜层的数量，减少工艺制程的数量，从而能够节省红外探测器的工艺时间，提升红外探测器的生产效率。
可选地，图5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6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，结合图5和图6所示，图案化金属结构140通过对应第一柱状结构130设置的支撑结构160悬空设置于梁结构122和吸收板121之间，梁结构122包括第一电极层211和钝化层220，支撑结构160贯穿第一电极层211和钝化层220与对应的第一柱状结构130电连接。
具体地，以图6所示的红外探测器镜像像元为例，红外探测器镜像像元100制备方法可以包括采用CMOS工艺在CMOS测量电路系统101上形成反射层110，刻蚀反射层110形成支撑底座111和反射板112。在反射层110上依次形成第一柱状结构130、第一电极层211和钝化层220，其中，第一柱状结构130与支撑底座111直接接触，第一电极层211与第一柱状结构130直接接触。在钝化层220上形成通孔，该通孔贯穿第一电极层211并露出第一柱状结构130，在露出的第一柱状结构130上形成支撑结构160，其中，支撑结构160远离CMOS测量电路系统101一侧的表面高于钝化层220远离CMOS测量电路系统101一侧的表面，因而在支撑结构160所在膜层上形成的图案化金属结构140与梁结构122之间有间距。
在图案化金属结构140远离CMOS测量电路系统101一侧形成第二柱状结构123，第二柱状结构123穿过图案化金属结构140和钝化层220与第一电极层211接触，且第二柱状结构123远离CMOS测量电路系统101一侧的表面高于图案化金属结构140远离CMOS测量电路系统101一侧的表面，因而在第二柱状结构123所在膜层上形成的吸收板121与图案化金属结构140之间有间距。
本发明实施例通过设置支撑结构160贯穿第一电极层211和钝化层220，即第一电极层211和钝化层220包覆支撑结构160，第一电极层211和钝化层220可以向支撑结构160提供支撑，增强支撑结构160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。
此外，将支撑结构160采用金属材料制备，能够与第一电极层211和第一柱状结构130电连接，不会影响红外探测器镜像像元的电学性能，避免对红外探测器的电学性能造成影响。
可选地，反射层110和吸收板121之间设置有牺牲层(图中未示出)，牺牲层用于使CMOS红外传感结构102形成镂空结构，构成牺牲层的材料是氧化硅，采用气相氟化氢、四氟化碳和三氟甲烷中的至少一种对所述牺牲层进行腐蚀。牺牲层可以由氧化硅制备而成，氧化硅是CMOS工艺中常用的一种材料，即氧化硅与CMOS工艺兼容，故利用CMOS工艺能够形成牺牲层。例如：在反射层110一侧形成沉积一层氧化硅层，再通过刻蚀形成带有特定图案的氧化硅层，即形成牺牲层。由此可知，CMOS测量电路系统101中的读出电路和牺牲层均可利用CMOS工艺来制备，有利于实现红外探测器的全CMOS工艺流片，即可以利用CMOS工艺实现红外探测器的一体化制作，有利于提高红外探测器的制作良率和产能，降低红外探测器的制作成本。
可选地，继续参见图4和图6，梁结构122包括第一电极层211，吸收板121包括第二电极层212和热敏层230，第二电极层212通过第二柱状结构123与第一电极层211电连接，第一电极层211与第一柱状结构130电连接。
示例性地，如图4和图6所示，热敏层230位于第二电极层212远离CMOS测量电路系统101一侧，热敏层230用于将温度信号转换成电信号，第二电极层212用于调节热敏层230的电阻。第一电极层211包括正电极结构和负电极结构，热敏层230产生的正热敏信号通过第二柱状结构123传输至正电极结构，正电极结构将热敏层230产生的正热敏信号通过对应的第一柱状结构130传输至读出电路，热敏层230产生的负热敏信号通过第二柱状结构123传输至负电极结构，负电极结构将热敏层230产生的正热敏信号通过对应的第一柱状结构130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230和第二电极层212临近梁结构122一侧设置支撑层，支撑层用于在释放掉牺牲层后支撑吸收板121，还可以在热敏层230和第二电极层212远离梁结构122一侧设置钝化层，钝化层用于保护热敏层230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230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121包括热敏层230，热敏层230材料为非晶硅、非晶碳、非晶锗或非晶硅锗时，梁结构122上的支撑层和/或钝化层可以由热敏层230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122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4和图6仅示例性地可以设置第二电极层212位于热敏层230临近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230远离CMOS测量电路系统101的一侧，第二电极层212与热敏层230之间还设置有介质层。介质层和热敏层230中间镂空以形成贯穿介质层和热敏层230的通孔，第二柱状结构123穿过该通孔与第二电极层212实现电连接，如图7所示。
可选地，图8为本发明实施例提供的一种梁结构的结构示意图，如图8所示，梁结构122分别连接中间支撑结构170和第一柱状结构130，多个梁结构122中，由中间支撑结构170向对应的第一柱状结构130的梁路径中，交汇于同一节点的两条并行梁结构122分别为第一半桥结构1221和第二半桥结构1222，第一半桥结构1221和第二半桥结构1222形成热对称结构；其中，第一半桥结构1221的长度大于第二半桥结构1222的长度，沿垂直于CMOS测量电路系统101的方向，第一半桥结构1221的厚度大于第二半桥结构1222的厚度。
具体地，吸收板121和梁结构122位于不同层时，吸收板121位于梁结构122临近CMOS测量电路系统101一侧，与梁结构122同层设置有中间支撑结构170，用于支撑梁结构122，维持梁结构122的稳定性。中间支撑结构170与梁结构122采用同一工艺流程制备，即中间支撑结构170包括第一电极层和钝化层。
示例性地，如8图所示，并行梁结构a和并行梁结构b交汇于同一节点A，并行梁结构c和并行梁结构d交汇于节点B和节点C，并行梁结构e和并行梁结构f交汇于同一节点D。另外，热对称结构中的第一半桥结构1221的长度大于第二半桥结构1222的长度，因此，并行梁结构a为第一半桥结构1221，并行梁结构b为第二半桥结构1222，二者构成一个热对称结构，并行梁结构c为第一半桥结构1221，并行梁结构d为第二半桥结构1222，二者构成一个热对称结构，并行梁结构e为第一半桥结构1221，并行梁结构f为第二半桥结构1222，二者构成一个热对称结构。
第一半桥结构1221的厚度大于第二半桥结构1222的厚度，在第一半桥结构1221和第二半桥结构1222长度相等的情况下，第一半桥结构1221由于其厚度较大，相较于第二半桥结构1222，其上的热量传导速度更快。本公开实施例对第一半桥结构1221和第二半桥结构1222的长度进行不对称设计，即设置第一半桥结构1221的长度大于第二半桥结构1221的长度，减缓了厚度因素导致的热量传导速度较快的第一半桥结构1221上的热量传导速度，进而实现了热对称结构中的第一半桥结构1221与第二半桥结构1222的热导非平衡差值小于等于设定值，设定值例如可以为20％，即热对称结构中的第一半桥结构1221与第二半桥结构1222的热量传导速度的差距小于等于20％，以第一半桥结构1221的热量传导速度为1为例，则第二半桥结构1222的热量传导速度大于等于0.8，小于等于1.2。
结合图1、图2和图8所示，并行梁结构a和并行梁结构b的热导相近，并行梁结构c和并行梁结构d的热导相近，并行梁结构e和并行梁结构f的热导相近，吸收板121的热量经过并行梁结构a和并行梁结构b后，基本同步传送至并行梁结构c和并行梁结构d，经过并行梁结构c和并行梁结构d后，热量又基本同步传送至并行梁结构e和并行梁结构f，经由并行梁结构e和并行梁结构f后，热量基本同步传送到上方的第一柱状结构130和下方的第一柱状结构130上，并由CMOS测量电路系统101进行散热。
这样，热量由吸收板121，经过第一半桥结构1221达到下方第一柱状结构130和经过第二半桥结构1222到达上方第一柱状结构130的时间相近，进而实现了梁结构122上的热平衡，降低了红外探测器镜像像元100的总热导，优化了红外探测器的总热导，例如红外焦平面探测器的红外探测性能，使得红外探测器的噪声等效温差(Noise EquivalentTemperature Difference，NETD)性能提高15％以上。
另外，本公开实施例设置厚度较大的第一半桥结构1221的长度，大于厚度较小的第二半桥结构1221的长度，相较于第一半桥结构1221和第二半桥结构1222的长度完全相同的对称结构，减小了红外探测器镜像像元100在相同力的作用下受到的应力和形变，相同作用力下，红外探测器镜像像元100受到的应力降低至少10％，形变降低至少50％，提高了红外探测器镜像像元100的稳定性和抗冲击能力，进而提高了整个红外探测器的结构稳定性，增强了红外探测器的力学强度。
需要说明是，图8仅示例性地设置红外探测器镜像像元100包括三个第一半桥结构1221和三个第二半桥结构1222构成的三个热对称结构，本公开实施例对红外探测器镜像像元100中所包含的热对称结构的具体数量不作限定，确保红外探测器镜像像元100包括至少一个热对称结构即可。
可选地，图9为本发明实施例提供的又一种红外探测器镜像像元的结构示意图，红外转换结构可以如图1、图2和图5所示包括两个梁结构122，红外转换结构还可以如图9所示包括四个梁结构122，即红外转换结构包括沿第一方向XX’设置的第一梁结构122a和第二梁结构122b，以及沿第二方向YY’设置的第三梁结构122c和第四梁结构122d，第一方向XX’垂直于第二方向YY’。
如图9所示，第一梁结构122a和第二梁结构122b包括热对称结构，热对称结构的位置可参照图1、图2和图5，第三梁结构122c和第四梁结构122d不包括热对称结构，第一梁结构122a和第二梁结构122b满足热对称关系，第三梁结构122c和第四梁结构122d满足热对称关系。
如图9所示，设置第三梁结构122c的热导小于等于第一梁结构122a的热导或者第二梁结构122b的热导，第四梁结构122d热导小于等于第一梁结构122a的热导或者第二梁结构122b的热导，有利于减小红外探测器镜像像元的总热导，优化红外探测器像镜像像元构成的红外探测器的红外探测性能。
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130，如图1、图2、图5和图9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130，即设置红外探测器镜像像元100包括第一柱状结构130，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130，即设置红外探测器镜像像元100包括两个第一柱状结构130，如图10所示。
可选地，红外探测器镜像像元100中的第一柱状结构130可以如图1、图2、图8和图9所示是空心柱结构，第一柱状结构130也可以如图10所示是实心柱结构。
示例性的，如图1、图2、图8和图9所示，第一柱状结构130可以是空心柱结构，空心柱结构的导热小，能够降低整体结构的热导。第一柱状结构130也可以是实心柱结构，如图10所示，在第一柱状结构130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。
可选地，继续参见图10，反射板112与接地的支撑底座111电接触。
具体地，如图10所示，接地的支撑底座111起到支撑作用的同时，还能够将电荷释放至地。反射板112与接地的支撑底座111电连接，能够将反射板112累积的电荷通过支撑底座释放至地，防止电荷累积影响电路电学性能。
可选地，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，如图11所示，CMOS红外传感结构还包括位于反射层110上的至少一层密闭释放隔绝层181，密闭释放隔绝层181用于在制作CMOS红外传感结构102的刻蚀过程中，保护CMOS测量电路系统101不受工艺影响，密闭释放隔绝层181包覆第一柱状结构130。
示例性地，如图11所示，CMOS红外传感结构包括一层密闭释放隔绝层181，密闭释放隔绝层181位于反射层110上，且包覆第一柱状结构130。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181覆盖位于密闭释放隔绝层181下方的介质层和支撑底座111，起到保护下方介质层以及CMOS测量电路系统的作用。同时，密闭释放隔绝层181包覆第一柱状结构130，可以作为第一柱状结构130的支撑结构，增强第一柱状结构130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。
与此同时，对于红外探测器全CMOS工艺而言，密闭释放隔绝层181位于镜像像元与有效像元中，对有效像元来说，密闭释放隔绝层181位于其谐振腔内，密闭释放隔绝层181的折射率大于真空的折射率，因此，通过密闭释放隔绝层181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。
图12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，密闭释放隔绝层181还可以位于CMOS测量电路系统101和CMOS红外传感结构102之间的界面，例如密闭释放隔绝层181位于反射层110和CMOS测量电路系统101之间，即密闭释放隔绝层181位于反射层110的金属互连层的下方，支撑底座111通过贯穿密闭释放隔绝层181的通孔与CMOS测量电路系统101电连接。具体地，由于CMOS测量电路系统101和CMOS红外传感结构102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102，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181。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181，利用密闭释放隔绝层181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181后，在密闭释放隔绝层181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181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13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，CMOS测量电路系统101和CMOS红外传感结构102之间的界面设置有至少一层密闭释放隔绝层181，且CMOS红外传感结构102中设置有至少一层密闭释放隔绝层181，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181，且反射层110上设置有至少一层密闭释放隔绝层181，效果同上，这里不再赘述。
图11仅示例性说明了CMOS红外传感结构包括一层密闭释放隔绝层181，在其他实施方式中，CMOS红外传感结构还可以如图14所示包括两层密闭释放隔绝层181，或者更多层的密闭释放隔绝层181，在实际应用中根据具体需求设定密闭释放隔绝层的数量，本发明实施例对此不做具体限制。
图15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15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15，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、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第一柱状结构130，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102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121之间的空腔形成，红外光透过吸收板121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，又由于第一柱状结构130的设置，梁结构122和吸收板121构成控制热传递的悬空微桥结构，第一柱状结构130既电连接支撑底座111和对应的梁结构122，又用于支撑位于第一柱状结构130上的红外转换结构120。
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15所示。
图16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16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。
可选地，构成密闭释放隔绝层181的材料包括硅、锗、锗化硅、非晶硅、非晶锗、非晶硅锗、非晶碳、碳化硅、氧化铝、碳氮化硅或氮化硅中的至少一种。
具体地，硅、锗、锗化硅、非晶硅、非晶锗、非晶硅锗、非晶碳、碳化硅、氧化铝或氮化硅均为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181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101不受侵蚀。另外，密闭释放隔绝层181覆盖CMOS测量电路系统101设置，密闭释放隔绝层181还可以用于在制作CMOS红外传感结构102的刻蚀过程中，保护CMOS测量电路系统101不受工艺影响。
可选地，继续参见图11和图14所示，CMOS红外传感结构102还包括：第二介质层平坦层182，平坦层182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，采用化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工艺使得平坦层182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形成图案，即形成支撑底座111和反射板112。支撑底座111和反射板112之间存在空隙，反射层110的表面存在凹陷。在反射层110上沉积形成平坦层182，平坦层182能够填充反射层110的凹陷，此时，平坦层182背离CMOS测量电路系统101一侧的表面不平整，其中，与支撑底座111和反射板112对应的膜层表面较高。采用CMP工艺对平坦层182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182的膜面的高度，以使平坦层182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。
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102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102，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122的宽度，即梁结构122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立体结构示意图。如图13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。
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 (11)
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、红外转换结构和多个第一柱状结构，所述第一柱状结构位于所述反射层和所述红外转换结构之间，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第一柱状结构和所述支撑底座与所述CMOS测量电路系统电连接；
所述红外转换结构包括吸收板和多个梁结构，所述梁结构位于所述吸收板临近所述CMOS测量电路系统的一侧，所述吸收板和所述梁结构之间设置有第二柱状结构，所述吸收板用于将红外信号转换为电信号并通过所述第二柱状结构和对应的所述梁结构与对应的所述第一柱状结构电连接；
所述CMOS红外传感结构还包括位于所述吸收板和梁结构之间的图案化金属结构，所述图案化金属结构与所述第二柱状结构绝缘设置，至少部分所述反射板位于所述图案化金属结构的正投影区域内，所述反射板接收不到红外光，沿垂直于所述CMOS测量电路系统的方向，所述图案化金属结构与所述梁结构和所述吸收板之间均有间距；
所述反射板与接地的所述支撑底座电接触且一体成型。
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CMOS红外传感结构还包括图案化介质结构，所述图案化金属结构通过所述图案化介质结构与所述第二柱状结构绝缘且固定。
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，所述图案化金属结构通过对应所述第一柱状结构设置的支撑结构悬空设置于所述梁结构和所述吸收板之间，所述梁结构包括第一电极层和钝化层，所述支撑结构贯穿所述第一电极层和所述钝化层与对应的所述第一柱状结构电连接。
4.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，牺牲层用于使所述CMOS红外传感结构形成镂空结构，构成所述牺牲层的材料是氧化硅，采用气相氟化氢、四氟化碳和三氟甲烷中的至少一种对所述牺牲层进行腐蚀。
5.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。
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，所述梁结构分别连接中间支撑结构和所述第一柱状结构，多个所述梁结构中，由所述中间支撑结构向对应的所述第一柱状结构的梁路径中，交汇于同一节点的两条并行梁结构分别为第一半桥结构和第二半桥结构，所述第一半桥结构和所述第二半桥结构形成热对称结构；其中，所述第一半桥结构的长度大于所述第二半桥结构的长度，沿垂直于所述CMOS测量电路系统的方向，所述第一半桥结构的厚度大于所述第二半桥结构的厚度。
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位于所述反射层上的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红外传感结构的刻蚀过程中，保护所述CMOS测量电路系统不受工艺影响，所述密闭释放隔绝层包覆所述第一柱状结构。
8.根据权利要求7所述的基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元，其特征在于，构成所述密闭释放隔绝层的材料包括硅、锗、锗化硅、非晶碳、碳化硅、氧化铝或氮化硅中的至少一种。
9.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。
10.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，所述支撑底座的边长小于等于3微米且大于等于0.5微米。
11.一种基于CMOS工艺的红外探测器，其特征在于，包括如权利要求1-10任一项所述的基于CMOS工艺的红外探测器镜像像元。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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