CN114112055A - 一种基于cmos工艺的红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种基于CMOS工艺的红外探测器及其制备方法，红外探测器包括CMOS测量电路系统和位于CMOS测量电路系统上的CMOS红外传感结构，CMOS测量电路系统和CMOS红外传感结构均采用CMOS工艺制备；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；红外探测器像元还包括加固结构，加固结构位于第一柱状结构上且对应第一柱状结构所在位置设置，加固结构用于增强第一柱状结构与梁结构之间的连接稳固性。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，增强了红外探测器像元的结构稳定性。
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工艺的红外探测器及其制备方法。
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。
另外，目前的红外探测器中，梁结构容易从与之接触的柱状结构上脱落，导致红外探测器像元的结构稳定性较差，进而导致包括红外探测器像元的红外探测器的结构稳定性较差。
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工艺的红外探测器及其制备方法，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，增强了红外探测器像元的结构稳定性。
第一方面，本公开提供了一种基于CMOS工艺的红外探测器，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；
所述红外探测器像元还包括加固结构，所述加固结构位于所述第一柱状结构上且对应所述第一柱状结构所在位置设置，所述加固结构用于增强所述第一柱状结构与所述梁结构之间的连接稳固性。
可选地，所述加固结构包括加重块状结构，所述加重块状结构位于所述梁结构远离所述CMOS测量电路系统的一侧且所述加重块状结构与所述梁结构接触设置。
可选地，构成所述加重块状结构的材料包括非晶硅、非晶锗、非晶硅锗、非晶碳、碳化硅、氧化铝、铝、铜、钨、金、铂、镍、铬、钛钨合金、镍铬合金、镍铂合金或镍硅合金中的至少一种。
可选地，所述梁结构对应所述第一柱状结构所在位置形成有通孔，所述通孔露出至少部分所述第一柱状结构；
所述加固结构包括加重块状结构，所述加重块状结构包括填充所述通孔的第一部分和位于所述通孔外的第二部分，所述第二部分的正投影覆盖所述第一部分的正投影。
可选地，构成所述加重块状结构的材料包括铝、铜、钨、金、铂、镍、铬、钛钨合金、镍铬合金、镍铂合金或镍硅合金中的至少一种。
可选地，构成所述第一柱状结构的材料包括铝，构成所述第二柱状结构的材料包括钨。
可选地，所述CMOS红外传感结构还包括第一介质层，所述第一介质层至少覆盖所述第一柱状结构的侧面；
所述CMOS红外传感结构还包括第二介质层，所述第二介质层至少覆盖所述第二柱状结构的侧面。
可选地，所述梁结构分别连接中间支撑结构和所述柱状结构，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，所述红外探测器中的牺牲层用于使所述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post-CMOS工艺腐蚀所述牺牲层；
所述post-CMOS工艺采用气相氟化氢、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。
第二方面，本公开提供了一种基于CMOS工艺的红外探测器的制备方法，用于制备如第一方面的基于CMOS工艺的红外探测器，基于CMOS工艺的红外探测器的制备方法包括：
在所述CMOS测量电路系统上形成所述反射层；
在所述反射层上形成所述第一柱状结构；
在所述反射层上形成第一牺牲层；其中，构成所述第一牺牲层的材料包括氧化硅；
在所述第一牺牲层上形成所述梁结构；
形成所述加固结构；
在所述加固结构上形成第二牺牲层；其中，构成所述第二牺牲层的材料包括氧化硅；
刻蚀所述第二牺牲层以形成对应所述第二柱状结构所在位置的第一通孔；
在所述第一通孔内形成所述第二柱状结构；
在所述第二牺牲层上形成所述吸收板。
可选地，在所述反射层上形成所述第一柱状结构之前，还包括：
在所述CMOS测量电路系统上形成整层反射层；
刻蚀所述整层反射层以形成所述反射板和所述支撑底座；
在所述反射层上形成第四介质层并采用CMP工艺处理所述第四介质层；其中，针对所述第四介质层的CMP工艺的抛光终止界面与所述反射层远离所述CMOS测量电路系统的表面齐平。
可选地，在所述反射层上形成所述第一柱状结构之后，还包括：
形成整面的第一介质层；
在所述反射层上形成第一牺牲层，包括：
在所述第一介质层上形成所述第一牺牲层并采用CMP工艺处理所述第一牺牲层和所述第一介质层；其中，针对所述第一牺牲层和所述第一介质层的CMP工艺的抛光终止界面与所述第一柱状结构远离所述CMOS测量电路系统的表面齐平。
可选地，在所述第一通孔内形成所述第二柱状结构，包括：
形成整面的第二介质层并刻蚀所述第二介质层以形成对应所述电连接结构所在位置的第二通孔；其中，所述第二通孔露出至少部分所述电连接结构；
形成整面的金属层；其中，所述金属层填充所述第二通孔；
采用CMP工艺处理所述金属层和所述第二介质层；其中，针对所述金属层和所述第二介质层的CMP工艺的抛光终止界面与所述第二牺牲层远离所述CMOS测量电路系统的表面齐平；其中，位于所述第二通孔内的金属层形成所述第二柱状结构。
可选地，形成所述加固结构，包括：
在所述梁结构上形成整面的加固层；
刻蚀所述加固层形成所述加固结构；其中，所述加固结构包括加重块状结构；
或者，形成所述加固结构，包括：
在所述梁结构对应所述第一柱状结构所在位置形成通孔；其中，所述通孔露出至少部分所述第一柱状结构；
在所述梁结构上形成整面的加固层；
刻蚀所述加固层形成所述加固结构；其中，所述加固结构包括加重块状结构，所述加重块状结构包括填充所述通孔的第一部分和位于所述通孔外的第二部分，所述第二部分的正投影覆盖所述第一部分的正投影。
可选地，在所述第二牺牲层上形成所述吸收板之后，还包括：
释放所述第一牺牲层和所述第二牺牲层。
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：
(1)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。
(2)本公开实施例还设置CMOS红外传感结构包括位于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，第一柱状结构位于反射层和红外转换结构之间，反射层包括反射板和支撑底座，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，使得红外探测器实现了将红外信号转换为电信号，并利用CMOS测量电路系统反向出对应红外信号的温度信号，实现了红外探测器有效像元的温度检测功能。另外，设置红外探测器像元还包括加固结构，加固结构位于第一柱状结构上且对应第一柱状结构所在位置设置，加固结构用于增强第一柱状结构与梁结构之间的连接稳固性，可有效增强第一柱状结构与梁结构之间的力学稳定性，从而提升红外探测器像元及包括红外探测器像元的红外探测器的结构稳定性。另外，设置梁结构位于吸收板临近CMOS测量电路系统的一侧，梁结构不影响吸收板所占面积，有利于增加吸收板所占面积，提升红外探测灵敏性。
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的立体结构拆分图；
图3为本公开实施例提供的一种红外探测器的剖面结构示意图；
图4为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种梁结构的俯视结构示意图；
图6为本公开实施例提供的另一种红外探测器的剖面结构示意图；
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的剖面结构示意图；
图9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10为本公开实施例提供的另一种红外探测器的剖面结构示意图；
图11为本公开实施例提供的一种红外探测器的制备方法的流程示意图；
图12至图29分别为图11所示制备方法中各步骤对应的剖面结构示意图。
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的立体结构拆分图，图3为本公开实施例提供的一种红外探测器的剖面结构示意图。结合图1至图3，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至图3，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3、红外转换结构4和多个第一柱状结构5，第一柱状结构5位于反射层3和红外转换结构4之间，反射层3包括反射板7和支撑底座8，红外转换结构4通过第一柱状结构5和支撑底座8与CMOS测量电路系统1电连接。
具体地，第一柱状结构5位于反射层3和红外转换结构4之间，用于在读出电路衬1与红外转换结构4之间的的牺牲层释放后支撑红外转换结构4，第一柱状结构5为金属结构，红外转换结构4经由红外信号转换出来的电信号经过对应的第一柱状结构5以及对应的支撑底座8传输至CMOS测量电路系统1，CMOS测量电路系统1处理电信号以反向出温度信息，实现红外探测器非接触式的红外温度检测。红外转换结构4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5传输至与对应的第一柱状结构5电连接的支撑底座8，图1至图3示例性地示意沿平行于CMOS测量电路系统1的方向，红外探测器包括两个第一柱状结构5，可以设置其中一个第一柱状结构5用于传输正电信号，另一个第一柱状结构5用于传输接地电信号，也可以设置红外探测器包括四个第一柱状结构5，两两为一组分别传输正电信号和接地电信号。
另外，反射层3包括反射板7和支撑底座8，反射层3的一部分用于充当柱状结构与CMOS测量电路系统1电连接的电介质，即支撑底座8，反射板7则用于反射红外线至红外转换结构4，配合反射层3和红外转换结构4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。
本公开实施例设置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3、红外转换结构4和多个第一柱状结构5，第一柱状结构5位于反射层3和红外转换结构4之间，反射层3包括反射板7和支撑底座8，红外转换结构4通过第一柱状结构5和支撑底座8与CMOS测量电路系统1电连接，使得红外探测器实现了将红外信号转换为电信号，并利用CMOS测量电路系统1反向出对应红外信号的温度信号，实现了红外探测器有效像元的温度检测功能。
结合图1至图3，红外转换结构4包括吸收板9和多个梁结构10，梁结构10位于吸收板9临近CMOS测量电路系统1的一侧，吸收板9和梁结构10之间设置有第二柱状结构6，吸收板9用于将红外信号转换为电信号并通过第二柱状结构6和对应的梁结构10与对应的第一柱状结构5电连接。具体地，梁结构10可以包括第一支撑层24、第一电极层25和第一钝化层26，第一电极层25位于第一支撑层24和第一钝化层26之间，第一支撑层24临近CMOS测量电路系统1设置，吸收板9可以包括第二支撑层27、第二电极层28和热敏层29，第二电极层28位于热敏层29与第二支撑层27，第二支撑层27临近CMOS测量电路系统1设置，第二电极层28通过第二柱状结构6与第一电极层25电连接。
具体地，第一柱状结构5用于在梁结构10与反射层3之间的牺牲层释放后支撑梁结构10，第二柱状结构6用于在梁结构10与吸收板9之间的牺牲层释放掉后支撑吸收板9，第一支撑层24用于在释放掉牺牲层后支撑梁结构10上方膜层，第二支撑层27用于在释放掉牺牲层后支撑吸收板9上方膜层，热敏层29用于将红外温度检测信号转换为红外检测电信号，热敏层29转换出来的红外检测电信号通过第二电极层28以及对应的第二柱状结构6分别传输至两侧梁结构10中的第一电极层25，第一电极层25包括电绝缘的块状电极251和252，块状电极251和252分别用于传输红外检测电信号的正信号和接地信号，第一电极层25再进一步将红外检测电信号通过对应的第一柱状结构5和支撑底座8传输至CMOS测量电路系统1，两个梁结构10分别传输红外检测电信号的正信号和接地信号，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，第一钝化层26用于保护第一电极层25不被氧化或者腐蚀，热敏层29在实现红外信号转电信号的同时保护第二电极层28不被氧化或者腐蚀。另外，可以设置对应吸收板9，第二电极层28位于第二支撑层27和热敏层29形成的密闭空间内，实现对吸收板9中第二电极层28的保护，对应梁结构10，第一电极层25位于第一支撑层24和第一钝化层26形成的密闭空间内，实现对梁结构10中第一电极层25的保护。
示例性地，可以设置构成热敏层29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，构成第一支撑层24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，构成第二支撑层27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，构成第一钝化层26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，构成第一电极层25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，构成第二电极层28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。另外，设置吸收板9和梁结构10位于不同层，梁结构10不影响吸收板9所占面积，有利于增加吸收板10所占面积，提高红外探测器的红外探测灵敏度。
结合图1至图3，红外探测器像元还包括加固结构12(图1和图2未示出)，加固结构12位于第一柱状结构5上且对应第一柱状结构5所在位置设置，加固结构12用于增强第一柱状结构5与梁结构10之间的连接稳固性。具体地，设置红外探测器像元还包括加固结构12，加固结构12位于第一柱状结构5上且对应第一柱状结构5所在位置设置，加固结构12用于增强第一柱状结构5与梁结构10之间的连接稳固性，可有效增强第一柱状结构5与梁结构10之间的力学稳定性，从而提升红外探测器像元及包括红外探测器像元的红外探测器的结构稳定性。
可选地，结合图1至图3，可以设置加固结构12包括加重块状结构13，加重块状结构13位于梁结构10远离CMOS测量电路系统1的一侧且加重块状结构13与梁结构10接触设置。具体地，设置加固结构12对应第一柱状结构5所在位置设置，加重块状结构13位于梁结构10远离CMOS测量电路系统1的一侧且加重块状结构13与梁结构10接触设置，相当于在梁结构10对应第一柱状结构5的位置增加一个盖板，利用加固结构12自身的重量压住梁结构10，从而增强梁结构10与第一柱状结构5之间的力学强度，提升红外探测器的结构稳定性。
示例性地，可以设置构成加重块状结构13的材料包括非晶硅、非晶锗、非晶硅锗、非晶碳、碳化硅、氧化铝、铝、铜、钨、金、铂、镍、铬、钛钨合金、镍铬合金、镍铂合金或镍硅合金中的至少一种。具体地，加固结构12可为由介质或金属沉积的单层结构，也可为由两层、三层或更多层单层结构叠加形成的多层结构，上述构成加固结构12的材料均不会被VHF(气相氟化氢)腐蚀，从而后续在利用VHF腐蚀牺牲层以释放牺牲层的过程中，不会对加固结构12造成影响，从而确保设置加固结构12可增强梁结构10与第一柱状结构5之间的连接处位置的力学强度，防止梁结构10与第一柱状结构5之间因连接不牢而发生脱落，从而提升红外探测器的结构稳定性。
图4为本公开实施例提供的另一种红外探测器像元的剖面结构示意图。结合图1、图2和图4，可以设置梁结构10对应第一柱状结构5所在位置形成有通孔，通孔露出至少部分第一柱状结构5，加固结构12包括加重块状结构13，加重块状结构13包括填充通孔的第一部分和位于通孔外的第二部分，第二部分的正投影覆盖第一部分的正投影。
具体地，梁结构10对应第一柱状结构5所在位置包括镂空区，即形成有通孔，通孔外的第二部分与通孔内的第一部分一体成型，第一部分填充或者说嵌入通孔内并与第一柱状结构5接触设置，第二部分的正投影覆盖第一部分的正投影，即第二部分的面积大于第一部分的面积。该红外探测器像元中，加固结构12相当于由第一部分和第二部分构成的铆钉结构，第一部分的底面接触第一柱状结构5的顶面，第一部分的侧面还接触梁结构10形成的镂空区的侧面，第二部分的下表面接触通孔外表面。由此，在利用加固结构12自身的重力压住梁结构10的同时，还增大了加固结构12与第一柱状结构5以及梁结构10的接触面积，进一步增大了梁结构10与第一柱状结构5之间的力学强度，提升红外探测器的结构稳定性。
示例性地，可以设置构成加重块状结构13的材料包括铝、铜、钨、金、铂、镍、铬、钛钨合金、镍铬合金、镍铂合金或镍硅合金中的至少一种。具体地，加固结构12可为由金属沉积的单层结构，也可为由两层、三层或更多层单层金属结构叠加形成的多层结构，上述构成加固结构12的材料均不会被VHF(气相氟化氢)腐蚀，从而后续在利用VHF腐蚀牺牲层以释放牺牲层的过程中，不会对加固结构12造成影响，从而确保设置加固结构12可增强梁结构10与第一柱状结构5之间的连接处位置的力学强度，防止梁结构10与第一柱状结构5之间因连接不牢而发生脱落，从而提升红外探测器的结构稳定性。另外，设置图4所示结构的红外探测器中的加固结构12为金属材料，能够确保梁结构10与对应的第一柱状结构5之间的电连接性。示例性地，结合图1至图4，可以设置构成第一柱状结构5的材料包括铝，构成第二柱状结构6的材料包括钨。
可选地，结合图1至图4，CMOS红外传感结构2还包括第一介质层15，第一介质层15至少覆盖第一柱状结构5的侧面。具体地，CMOS红外传感结构2还包括第一介质层15，第一介质层15至少覆盖第一柱状结构5的侧面，梁结构10中的第一电极层25通过第一介质层15形成的通孔与第一柱状结构5电连接，在形成第一柱状结构5之后，在第一柱状结构5上形成整层的第一介质层15，构成第一介质层15的材料例如可以为碳化硅，对应第一柱状结构5所在位置形成贯穿第一介质层15的通孔，梁结构10中的第一电极层25通过第一介质层15形成的通孔与第一柱状结构5电连接，以实现经由红外信号转换得到的电信号的传输，且第一介质层15包覆第一柱状结构5的侧面，且覆盖了CMOS测量电路系统1，实现了对第一柱状结构5以及CMOS测量电路系统1的有效保护，第一柱状结构5和CMOS测量电路系统1不会受外部环境中水氧的影响，也不会受用于释放牺牲层的试剂的影响。
可选地，结合图1至图4，CMOS红外传感结构2还包括第二介质层16，第二介质层16至少覆盖第二柱状结构6的侧面，可以设置第二介质层16露出第二柱状结构6的上表面，以提供吸收板9中的第二电极层28与第二柱状结构6的电接触区域，以实现经由红外信号转换得到的电信号的传输，构成第二介质层16的材料例如可以为非晶碳或氧化铝，第二介质层16至少覆盖第二柱状结构6的侧面，实现了第二柱状结构6的有效保护，第二柱状结构6不会受外部环境中水氧的影响，也不会受用于释放牺牲层的试剂的影响。
图5为本发明实施例提供的一种梁结构的俯视结构示意图。结合图1至图5，梁结构10分别连接中间支撑结构170和第一柱状结构5，中间支撑结构170可以包括第一支撑层24、第一电极层25和第一钝化层26，梁结构10中，由中间支撑结构170向对应的第一柱状结构5的梁路径中，交汇于同一节点的两条并行梁结构10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，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，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1212，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至图5，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9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图5上方的第一柱状结构5和下方的第一柱状结构5上，并由CMOS测量电路系统1进行散热。
这样，热量由吸收板9，经过第一半桥结构1221达到下方第一柱状结构5和经过第二半桥结构1222到达上方第一柱状结构5的时间相近，进而实现了梁结构10上的热平衡，降低了红外探测器的总热导，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 Equivalent Temperature 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5示例性地设置红外探测器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，确保红外探测器包括至少一个热对称结构即可。
可选地，结合图1至图5，CMOS红外传感结构2还可以包括第四介质层21，第四介质层21包括图案化介质结构，图案化介质结构与反射板7以及支撑底座8位于同层，采用CMP工艺使得第四介质层21背离CMOS测量电路系统1的表面与反射层3背离CMOS测量电路系统1的表面齐平。具体地，在制备形成反射板7以及支撑底座8后，在反射板7以及支撑底上沉积整层的第四介质层21，第四介质层21填充反射板7与支撑底座8之间的空隙，采用CMP工艺处理第四介质层以及反射层3，使得第四介质层背离CMOS测量电路系统1的表面与反射层3背离CMOS测量电路系统1的表面齐平，有效实现了图案化介质结构、反射板7以及支撑底座8表面的平坦化，可降低后续膜层的制备难度，有利于优化整个红外探测器的平坦化程度。另外，第四介质层21与反射板7以及支撑底座8合理搭配还可以很好的保护CMOS测量电路系统1。示例性地，可以设置构成第四介质层21的材料包括硅、锗、硅锗合金、非晶硅、非晶锗、非晶硅锗、非晶碳、碳化硅、氧化铝、氧化硅、硅碳氮或氮化硅中的至少一种，第四介质层21的厚度可以大于等于1000A，小于等于10000A。另外，第四介质层21还起到电绝缘的作用，能够有效防止第一柱状结构5和反射板7电连接，第四介质层21还起到隔离作用，作为第一柱状结构5的刻蚀截止界面。
可选地，结合图1至图5，可以设置反射层3上方还设置有保护介质层22，保护介质层22对应支撑底座8所在位置形成通孔，第一柱状结构5通过该通孔与对应的支撑底座8电连接。示例性地，构成支撑底座8的材料例如可以包括铝，构成保护介质层22的材料例如可以包括氧化硅、氮化硅、碳化硅或者氮氧化硅中的一种或多种，保护介质层22能够在牺牲层被释放掉后保护支撑底座8不被氧化和腐蚀。
示例性地，结合图1至图5，梁结构10反射层3与之间还设置有待释放的第一牺牲层，梁结构10与吸收板9之间还设置有待释放的第二牺牲层，牺牲层用于使CMOS红外传感结构2形成镂空结构，即第一牺牲层和第二牺牲层用于使CMOS红外传感结构2形成镂空结构，构成牺牲层，例如第一牺牲层和第二牺牲层的材料是氧化硅，采用post-CMOS工艺腐蚀牺牲层，例如第一牺牲层和第二牺牲层，示例性地，post-CMOS工艺可以采用气相氟化氢、四氟化碳和三氟甲烷中的至少一种对牺牲层，例如第一牺牲层和第二牺牲层进行腐蚀，设置构成牺牲层的材料是氧化硅，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，红外转换结构4经由红外信号转换出来的电信号经过对应的第一柱状结构5和第二柱状结构6以及对应的支撑底座8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第一柱状结构5和第二柱状结构6传输至对应的支撑底座8，图1至图5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包括两组柱状结构，每组柱状结构包括一个第一柱状结构5和一个第二柱状结构6，可以设置其中一组柱状结构用于传输正电信号，另一组柱状结构用于传输接地电信号，也可以设置CMOS红外传感结构2包括四组柱状结构，两两为一组分别传输正电信号和接地电信号。另外，反射层3包括反射板7和支撑底座8，反射层3的一部分用于充当柱状结构与CMOS测量电路系统1电连接的电介质，即支撑底座8，反射板7则用于反射红外线至红外转换结构4，配合反射层3和红外转换结构4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至图5，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17，密闭释放隔绝层17用于在制作CMOS红外传感结构2的刻蚀过程中，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17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，密闭释放隔绝层17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17采用的CMOS工艺抗腐蚀材料包括硅、锗、硅锗合金、非晶硅、非晶锗、非晶硅锗、非晶碳、碳化硅、氧化铝、氮化硅或碳氮化硅中的至少一种。
图2示例性地设置密闭释放隔绝层17位于CMOS红外传感结构2中，密闭释放隔绝层17例如可以位于反射层3的金属互连层的上方，密闭释放隔绝层17包覆第一柱状结构5，通过设置密闭释放隔绝层17包覆第一柱状结构5，一方面可以利用密闭释放隔绝层17作为第一柱状结构5处的支撑，提高了第一柱状结构5的稳定性，保证第一柱状结构5与红外转换结构4以及支撑底座8的电连接。另一方面，包覆第一柱状结构5的密闭释放隔绝层17可以减少第一柱状结构5与外界环境的接触，减少第一柱状结构5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。另外，红外探测器的谐振腔通过释放氧化硅牺牲层后的真空腔来实现，反射层3作为谐振腔的反射层，牺牲层位于反射层3和红外转换结构4之间，设置位于反射层3上的至少一层密闭释放隔绝层17选择硅、锗、硅锗合金、非晶硅、非晶锗或非晶硅锗作为谐振腔的一部分时，不影响反射层的反射效果，可以减小谐振腔高度，进而减小牺牲层的厚度，减小氧化硅构成的牺牲层的释放难度。另外，设置密闭释放隔绝层17与第一柱状结构5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。
图6为本公开实施例提供的另一种红外探测器的剖面结构示意图。与图3和图4所示结构的红外探测器不同的是，图6所示结构的红外探测器中，密闭释放隔绝层17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17位于反射层3和CMOS测量电路系统1之间，即密闭释放隔绝层17位于反射层3的金属互连层的下方，支撑底座8通过贯穿密闭释放隔绝层17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制备形成CMOS红外传感结构2，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所述CMOS测量电路系统上的氧化硅介质，设置了密闭释放隔绝层17。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17，利用密闭释放隔绝层17对CMOS测量电路系统1进行保护，而为了保证支撑底座8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17后，在密闭释放隔绝层17对应支撑底座8的区域采用刻蚀工艺形成通孔，通过通孔实现支撑底座8与CMOS测量电路系统1的电连接。另外，设置密闭释放隔绝层17与支撑底座8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。
图7为本公开实施例提供的另一种红外探测器的剖面结构示意图。与图3、图4以及图6所示结构的红外探测器不同的是，图7所示结构的红外探测器中，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17，且CMOS红外传感结构2中设置有至少一层密闭释放隔绝层17，即反射层3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17，且反射层3上设置有至少一层密闭释放隔绝层17，效果同上，这里不再赘述。
示例性地，构成密闭释放隔绝层17的材料可以包括硅、锗、硅锗合金、非晶硅、非晶锗、非晶硅锗、非晶碳、碳化硅、氧化铝、氮化硅或碳氮化硅中的至少一种，密闭释放隔绝层17的厚度大于等于100A，小于等于2000A。具体地，硅、锗、硅锗合金、非晶硅、非晶锗、非晶硅锗、非晶碳、碳化硅、氧化铝、氮化硅和碳氮化硅均为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17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17覆盖CMOS测量电路系统1设置，密闭释放隔绝层17还可以用于在制作CMOS红外传感结构2的刻蚀过程中，保护CMOS测量电路系统1不受工艺影响。另外，当反射层3上设置有至少一层密闭释放隔绝层17时，设置构成密闭释放隔绝层17的材料包括硅、锗、硅锗合金、非晶硅、非晶锗、非晶硅锗、非晶碳、碳化硅、氧化铝、氮化硅或碳氮化硅中的至少一种，第一介质层的厚度大于100A，小于等于2000A，在设置密闭释放隔绝层17提高第一柱状结构5稳定性的同时，密闭释放隔绝层17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17影响谐振腔的反射过程，进而避免密闭释放隔绝层17对红外探测器探测灵敏度的影响。
结合图1至图7，CMOS红外传感结构2的CMOS制作工艺包括金属互连工艺、通孔工艺以及RDL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，热敏感介质层至少包括热敏层29，还可以包括第一支撑层24、第二支撑层27以及第一钝化层26，金属互连层至少包括反射层3和电极层，电极层可以包括第一电极层25和第二电极层28；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29，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。
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1的顶层金属上再制备红外探测器中的反射层3，反射层3上的支撑底座8与CMOS测量电路系统1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。
图8为本公开实施例提供的另一种红外探测器的剖面结构示意图。如图8所示，在上述实施例的基础上，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8，CMOS红外传感结构2包括由反射层3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柱状结构，柱状结构包括第一柱状结构5和第二柱状结构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3和吸收板9之间的空腔形成，红外光透过吸收板9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5和第二柱状结构6的设置，梁结构10和吸收板9构成控制热传递的悬空微桥结构。
图9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9，CMOS测量电路系统1包括偏压产生电路701、列级模拟前端电路801和行级电路901，偏压产生电路701的输入端连接行级电路901的输出端，列级模拟前端电路801的输入端连接偏压产生电路701的输出端，行级电路901中包括行级镜像像元Rsm和行选开关K1，列级模拟前端电路801中包括盲像元RD；其中，行级电路901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701的作用下输出电流信号至列级模拟前端电路801以进行电流电压转换输出；行级电路901受行选开关K1控制而被选通时向偏压产生电路701输出第三偏置电压VRsm，偏压产生电路701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801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901包括行级镜像像元Rsm和行选开关K1，行级电路901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701的连接，即行级电路901受行选开关K1控制而被选通时向偏压产生电路701输出第三偏置电压VRsm。偏压产生电路701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801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801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9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9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701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701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，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9，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8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10为本公开实施例提供的另一种红外探测器的剖面结构示意图，也可以如图10所示，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10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17，以保护CMOS测量电路系统1。
可选地，结合图1至图10，CMOS红外传感结构2包括吸收板9、梁结构10、反射层3、第一柱状结构5和第二柱状结构6，吸收板9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9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9中的金属互连层为吸收板9中的第二电极层28，用于传输由红外信号转换得到的电信号，热敏感介质层至少包括热敏层29，还可以包括第二支撑层27，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，即构成热敏层29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。
梁结构10、第一柱状结构5和第二柱状结构6用于传输电信号并用于支撑和连接吸收板9，吸收板9中的电极层19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10和不同的柱状结构传输至与柱状结构电连接的支撑底座8，进而传输至CMOS测量电路系统1，梁结构10包括金属互连层和至少一层介质层，梁结构10中的金属互连层为梁结构10中的第一电极层25，梁结构10中的第一电极层25和吸收板9中的第二电极层28电连接，梁结构10中的介质层可以包括第一支撑层24和第一钝化层26。
第一柱状结构5采用金属互连工艺和通孔工艺连接梁结构10和CMOS测量电路系统1，第二柱状结构6采用金属互连工艺和通孔工艺连接梁结构10和吸收板9，第二柱状结构6上方需要通过贯穿吸收板9中第二支撑层27的通孔与吸收板9中的第二电极层28电连接，第二柱状结构6下方需要通过贯穿梁结构10中第一钝化层26的通孔与梁结构10中的第一电极层25电连接，第一柱状结构5的上方需要通贯穿梁结构10中第一支撑层24的通孔与梁结构10中的第一电极层25电连接，第一柱状结构5的下方需要通贯穿支撑底座8上介质层的通孔与对应的支撑底座8电连接。反射板7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7用于反射红外信号并与热敏感介质层中的热敏层形成谐振腔，反射层3包括至少一层金属互连层，金属互连层用于形成支撑底座8，也用于形成反射板7。
可选地，可以设置梁结构10和吸收板9的至少两端电连接，CMOS红外传感结构2包括至少两个柱状结构，一个柱状结构包括第一柱状结构5和第二柱状结构6，和至少两个支撑底座8，电极层19包括至少两个电极端。具体地，如图1所示，梁结构10与吸收板9的两端电连接，每个梁结构10与吸收板9的一端电连接，CMOS红外传感结构2包括两个柱状结构，电极层19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10和柱状结构传输至支撑底座8。另外，也可以如图1和图2所示，设置梁结构10与吸收板9的四端电连接，每个梁结构10与吸收板9的两端电连接，CMOS红外传感结构2包括四个柱状结构，一个柱状结构包括第一柱状结构5和第二柱状结构6，一个梁结构10连接两个柱状结构。需要说明的是，本公开实施例对梁结构10与吸收板9的连接端的数量不作具体限定，确保分别存在梁结构10与电极端相对应，梁结构10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，能够实现柱状结构的径向边长大于等于0.5um，小于等于3um，例如实现第一柱状结构5的径向边长大于等于0.5um，小于等于3um，第二柱状结构6的径向边长大于等于0.5um，小于等于3um，梁结构10的宽度，即梁结构10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，CMOS红外传感结构2单个像元的边长大于等于6um，小于等于17um。
本公开实施例还提供了一种基于CMOS工艺的红外探测器的制备方法，图11为本公开实施例提供的一种红外探测器的制备方法的流程示意图。红外探测器的制备方法可以用于制备如上述实施例的红外探测器。如图11所示，基于CMOS工艺的红外探测器的制备方法包括：
S110、在CMOS测量电路系统上形成反射层。
如图12和图13所示，提供CMOS测量电路系统1，在CMOS测量电路系统1上形成整层反射层3，构成反射层3的材料例如可以为铝，刻蚀整层反射层3以形成反射板7和支撑底座8，在反射层3上形成第四介质层21并采用CMP工艺处理第四介质层21，构成第四介质层21的材料例如可以为氧化硅，针对第四介质层21的CMP工艺的抛光终止界面与反射层3远离CMOS测量电路系统1的表面齐平，即抛光第四介质层21的上表面与反射层3的上表面齐平终止。由此，有效实现了图案化介质结构、反射以及支撑底座8表面的平坦化，可降低后续膜层的制备难度，有利于优化整个红外探测器的平坦化程度。另外，第四介质层21与反射板7以及支撑底座8合理搭配还可以很好的保护CMOS测量电路系统1。示例性地，可以设置构成第四介质层21的材料包括硅、锗、硅锗合金、非晶硅、非晶锗、非晶硅锗、非晶碳、碳化硅、氧化铝、氧化硅、碳氮化硅或氮化硅中的至少一种，第四介质层21的厚度可以大于等于1000A，小于等于10000A。
如图14所示，沉积第四介质层21并采用CMP工艺处理第四介质层21之后，在反射层3上形成至少一层保护介质层22，刻蚀保护介质层22以形成对应支撑底座8所在位置的通孔，该通孔露出至少部分支撑底座8，构成保护介质层22的材料例如可以为氮化硅，厚度例如可以为1000A，保护介质层22能够有效保护反射层3以及第四介质层21不受外界水氧或者用于释放牺牲层的试剂的影响。另外，第四介质层21还起到电绝缘的作用，能够有效防止第一柱状结构5和反射板7电连接，第四介质层21还起到隔离作用，作为第一柱状结构5的刻蚀截止界面。
S120、在反射层上形成第一柱状结构。
如图15所示，在反射层3上形成第一柱状结构5，例如可以是在如图14所示的保护介质层22上形成第一柱状结构5，构成第一柱状结构5的材料例如可以为铝，第一柱状结构5的截面呈正梯形。
如图16所示，在反射层3上形成第一柱状结构5之后，形成整面的第一介质层15，例如可以在第一柱状结构5的上方形成整面的第一介质层15，构成第一介质层15的材料例如可以为碳化硅，第一介质层15包覆第一柱状结构5的侧面，且覆盖了CMOS测量电路系统1，实现了对第一柱状结构5以及CMOS测量电路系统1的有效保护，第一柱状结构5和CMOS测量电路系统1不会受外部环境中水氧的影响，也不会受用于释放牺牲层的试剂的影响。
S130、在反射层上形成第一牺牲层；其中，构成第一牺牲层的材料包括氧化硅。
如图17所示，在第一介质层15上形成第一牺牲层31并采用CMP工艺处理第一介质层15和第一牺牲层31，针对第一介质层15和第一牺牲层31的CMP工艺的抛光终止界面与第一柱状结构5远离CMOS测量电路系统1的表面齐平，即采用CMP工艺抛光第一介质层15和第一牺牲层31，使得抛光后露出第一柱状结构5的上表面，为后续实现梁结构10与第一柱状结构5的电接触做准备。
S140、在第一牺牲层上形成梁结构。
如图18所示，在第一牺牲层31的上方形成梁结构10，可以先在第一牺牲层31上形成第一支撑层24，刻蚀对应第一柱状结构5所在位置设置的第一支撑层24以形成露出第一柱状结构5上表面的通孔。
如图19所示，在第一支撑层24上形成整面的第一电极层25，刻蚀第一电极层25形成图案化电极结构，对应吸收板9位置的图案化电极结构包括分别用于传输正负信号的两个图案化电极结构，同时形成对应梁结构10形状的图案化电极结构，图案化电极结构通过对应第一柱状结构5上表面的通孔与对应的第一柱状结构5电连接。
如图20所示，在第一电极层25上形成整面的第一钝化层26。
S150、形成加固结构。
如图21所示，形成加固结构12，可以是在梁结构10上形成整面的加固层，刻蚀加固层形成加固结构12，加固结构12包括加重块状结构13。或者参照图4，形成加固结构12可以是在梁结构10对应第一柱状结构5所在位置形成通孔，通孔露出至少部分第一柱状结构5，在结构10上形成整面的加固层，刻蚀加固层形成加固结构12，加固结构12包括加重块状结构13，加重块状结构13包括填充通孔的第一部分和位于通孔外的第二部分，第二部分的正投影覆盖第一部分的正投影。
如图22所示，刻蚀第一钝化层26和第一支撑层24，使得对应梁结构10，第一电极层25位于第一钝化层26和第一支撑层24形成的密闭空间内，实现对梁结构10中第一电极层25的保护。
S160、在加固结构上形成第二牺牲层；其中，构成第二牺牲层的材料包括氧化硅。
如图23所示，在加固结构12上形成第二牺牲层32，构成第二牺牲层32的材料包括氧化硅，以兼容CMOS工艺。
S170、刻第二牺牲层以形成对应第二柱状结构所在位置的第一通孔。
如图23所示，刻蚀第二牺牲层32以形成对应第二柱状结构6所在位置的第一通孔，该通孔可以露出梁结构10中的第一钝化层26。
S180、在第一通孔内形成第二柱状结构。
如图24所示，在第二牺牲层32上形成整面的第二介质层16，对应第二柱状结构6所在位置，刻蚀第二介质层16和梁结构10中的第一钝化层26，以露出梁结构10中的电连接结构，即露出梁结构10中的部分第一电极层25，为实现第二柱状结构6与第一电极层25的电连接做准备。
如图25所示，在第二介质层16上形成整面的金属层，金属层填充第二通孔，即金属结构填充刻蚀第二介质层16和梁结构10中的第一钝化层26形成的对应第二柱状结构6所在位置的通孔，采用CMP工艺处理金属层和第二介质层16，针对金属层和第二介质层16的CMP工艺的抛光终止界面与第二牺牲层32远离CMOS测量电路系统1的表面齐平，位于第二通孔内的金属层形成第二柱状结构6。另外，第二介质层16至少覆盖第二柱状结构6的侧面，第二介质层16露出第二柱状结构6的上表面，以提供吸收板9中的第二电极层28与第二柱状结构6的电接触区域，以实现经由红外信号转换得到的电信号的传输，构成第二介质层16的材料例如可以为非晶碳或氧化铝，第二介质层16至少覆盖第二柱状结构6的侧面，实现了第二柱状结构6的有效保护，第二柱状结构6不会受外部环境中水氧的影响，也不会受用于释放牺牲层的试剂的影响。
S190、在第二牺牲层上形成吸收板。
如图26所示，在第二牺牲层32的上方形成吸收板9，可以先在第二牺牲层32上形成第二支撑层27，刻蚀对应第二柱状结构6所在位置设置的第二支撑层27以形成露出第二柱状结构6上表面的通孔。
如图27所示，在第二支撑层27上形成整面的第二电极层28，刻蚀第二电极层28形成图案化电极结构，对应吸收板9位置的图案化电极结构包括分别用于传输正负信号的两个图案化电极结构，图案化电极结构通过对应第二柱状结构6上表面的通孔与对应的第二柱状结构6电连接。
如图28所示，在第二电极层28上形成整面的热敏层29，以形成完整的吸收板9。
如图29所示，在第二牺牲层32的上方形成吸收板9之后，还包括释放第一牺牲层31和第二牺牲层32，以形成最终的红外探测器产品，构成第一牺牲层31的材料可以包括氧化硅，例如可以采用气相氟化氢、四氟化碳和三氟甲烷中的至少一种释放第一牺牲层31，构成第二牺牲层32的材料可以包括氧化硅，例如可以采用气相氟化氢、四氟化碳和三氟甲烷中的至少一种释放第二牺牲层32。
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 (15)
1.一种基于CMOS工艺的红外探测器，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；
所述红外探测器像元还包括加固结构，所述加固结构位于所述第一柱状结构上且对应所述第一柱状结构所在位置设置，所述加固结构用于增强所述第一柱状结构与所述梁结构之间的连接稳固性。
2.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的红外探测器，其特征在于，所述加固结构包括加重块状结构，所述加重块状结构位于所述梁结构远离所述CMOS测量电路系统的一侧且所述加重块状结构与所述梁结构接触设置。
3.根据权利要求2所述的基于CMOS工艺的红外探测器，其特征在于，构成所述加重块状结构的材料包括非晶硅、非晶锗、非晶硅锗、非晶碳、碳化硅、氧化铝、铝、铜、钨、金、铂、镍、铬、钛钨合金、镍铬合金、镍铂合金或镍硅合金中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的红外探测器，其特征在于，所述梁结构对应所述第一柱状结构所在位置形成有通孔，所述通孔露出至少部分所述第一柱状结构；
所述加固结构包括加重块状结构，所述加重块状结构包括填充所述通孔的第一部分和位于所述通孔外的第二部分，所述第二部分的正投影覆盖所述第一部分的正投影。
5.根据权利要求4所述的基于CMOS工艺的红外探测器，其特征在于，构成所述加重块状结构的材料包括铝、铜、钨、金、铂、镍、铬、钛钨合金、镍铬合金、镍铂合金或镍硅合金中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的红外探测器，其特征在于，构成所述第一柱状结构的材料包括铝，构成所述第二柱状结构的材料包括钨。
7.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的红外探测器，其特征在于，所述CMOS红外传感结构还包括第一介质层，所述第一介质层至少覆盖所述第一柱状结构的侧面；
所述CMOS红外传感结构还包括第二介质层，所述第二介质层至少覆盖所述第二柱状结构的侧面。
8.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的红外探测器，其特征在于，所述梁结构分别连接中间支撑结构和所述柱状结构，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。
9.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的红外探测器，其特征在于，
所述红外探测器中的牺牲层用于使所述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post-CMOS工艺腐蚀所述牺牲层；
所述post-CMOS工艺采用气相氟化氢、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。
10.一种基于CMOS工艺的红外探测器的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-9任一项所述的基于CMOS工艺的红外探测器，基于CMOS工艺的红外探测器的制备方法包括：
在所述CMOS测量电路系统上形成所述反射层；
在所述反射层上形成所述第一柱状结构；
在所述反射层上形成第一牺牲层；其中，构成所述第一牺牲层的材料包括氧化硅；
在所述第一牺牲层上形成所述梁结构；
形成所述加固结构；
在所述加固结构上形成第二牺牲层；其中，构成所述第二牺牲层的材料包括氧化硅；
刻蚀所述第二牺牲层以形成对应所述第二柱状结构所在位置的第一通孔；
在所述第一通孔内形成所述第二柱状结构；
在所述第二牺牲层上形成所述吸收板。
11.根据权利要求10所述的基于CMOS工艺的红外探测器的制备方法，其特征在于，在所述反射层上形成所述第一柱状结构之前，还包括：
在所述CMOS测量电路系统上形成整层反射层；
刻蚀所述整层反射层以形成所述反射板和所述支撑底座；
在所述反射层上形成第四介质层并采用CMP工艺处理所述第四介质层；其中，针对所述第四介质层的CMP工艺的抛光终止界面与所述反射层远离所述CMOS测量电路系统的表面齐平。
12.根据权利要求10所述的基于CMOS工艺的红外探测器的制备方法，其特征在于，在所述反射层上形成所述第一柱状结构之后，还包括：
形成整面的第一介质层；
在所述反射层上形成第一牺牲层，包括：
在所述第一介质层上形成所述第一牺牲层并采用CMP工艺处理所述第一牺牲层和所述第一介质层；其中，针对所述第一牺牲层和所述第一介质层的CMP工艺的抛光终止界面与所述第一柱状结构远离所述CMOS测量电路系统的表面齐平。
13.根据权利要求10所述的基于CMOS工艺的红外探测器的制备方法，其特征在于，在所述第一通孔内形成所述第二柱状结构，包括：
形成整面的第二介质层并刻蚀所述第二介质层以形成对应所述电连接结构所在位置的第二通孔；其中，所述第二通孔露出至少部分所述电连接结构；
形成整面的金属层；其中，所述金属层填充所述第二通孔；
采用CMP工艺处理所述金属层和所述第二介质层；其中，针对所述金属层和所述第二介质层的CMP工艺的抛光终止界面与所述第二牺牲层远离所述CMOS测量电路系统的表面齐平；其中，位于所述第二通孔内的金属层形成所述第二柱状结构。
14.根据权利要求10所述的基于CMOS工艺的红外探测器的制备方法，其特征在于，形成所述加固结构，包括：
在所述梁结构上形成整面的加固层；
刻蚀所述加固层形成所述加固结构；其中，所述加固结构包括加重块状结构；
或者，形成所述加固结构，包括：
在所述梁结构对应所述第一柱状结构所在位置形成通孔；其中，所述通孔露出至少部分所述第一柱状结构；
在所述梁结构上形成整面的加固层；
刻蚀所述加固层形成所述加固结构；其中，所述加固结构包括加重块状结构，所述加重块状结构包括填充所述通孔的第一部分和位于所述通孔外的第二部分，所述第二部分的正投影覆盖所述第一部分的正投影。
15.根据权利要求10所述的基于CMOS工艺的红外探测器的制备方法，其特征在于，在所述第二牺牲层上形成所述吸收板之后，还包括：
释放所述第一牺牲层和所述第二牺牲层。
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