CN115196586B - 一种非制冷红外探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，具体公开了一种非制冷红外探测器的制作方法，其中，包括：提供晶圆衬底；根据数模混合集成电路标准工艺在晶圆衬底上分别制作读出电路和部分传感器结构，以及根据MEMS工艺在部分传感器结构基础上完成传感器的制作；根据数模混合集成电路标准工艺在晶圆衬底上制作敏感元件、导线和自对准金属图形；对自对准金属图形进行处理得到支撑梁和吸收区；对吸收区进行加工处理，得到吸收层和位于吸收层上的吸收结构；对晶圆衬底进行处理形成空腔。本发明还提供了一种非制冷红外探测器。本发明提供的非制冷红外探测器的制作方法能够制作得到高探测响应率的单片集成非制冷红外探测器。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种非制冷红外探测器及非制冷红外探测器的制作方法。
背景技术
非制冷红外探测器可用于温度测量与热成像，由传感器和读出电路两部分组成。为实现传感器和读出电路的单片集成，现有技术中，如公开号为CN 103076099 B、CN109216534 A和CN 113677618 A的专利文件中公开的技术方案，均是通过在电路芯片上制造传感器实现，该类方法需要在集成电路工艺之后开发成套传感器工艺，同时在制造传感器时还需要考虑工艺对电路的兼容性；而公开号为CN 102214662 B的现有技术，通过在电路芯片背面制作传感器，利用硅通孔实现电路与传感器的连接，该方法虽然电路与传感器的位置关系与前述现有技术不同，但同样需要在集成电路工艺之后开发成套传感器工艺；另外，公开号为CN 103342332 A的现有技术，是将CMOS工艺进行组合，设计了一套可实现片内热电堆传感器与读出电路集成的工艺方案，该方案虽可将传感器与读出电路同步制作，但一方面，整套工艺为热电堆红外探测器专用，不具普适性；另一方面，整套工艺为定制开发，工艺复杂，且只包含N阱、多晶硅、N/PMOS、金属等简单电路单元，不能满足复杂电路处理的需求，同时传感器通过不同层的金属作为与电路的连接或传感器的最顶层，将导致传感器热导大、吸收率低，从而影响探测器响应率。
发明内容
本发明提供了一种非制冷红外探测器及非制冷红外探测器的制作方法，解决相关技术中存在的探测器响应率低的问题。
作为本发明的第一个方面，提供一种非制冷红外探测器的制作方法，其中，包括：
提供晶圆衬底；
根据数模混合集成电路标准工艺在所述晶圆衬底上分别制作读出电路和部分传感器结构，以及根据MEMS工艺在部分传感器结构基础上完成传感器的制作；
其中，根据数模混合集成电路标准工艺在所述晶圆衬底上制作部分传感器结构，包括：
根据数模混合集成电路标准工艺在所述晶圆衬底上制作敏感元件、导线和自对准金属图形，所述敏感元件和所述导线位于所述晶圆衬底上的同一层或不同层，所述自对准金属图形位于所述敏感元件和所述导线所在层的上方，所述导线环绕所述敏感元件设置；
根据MEMS工艺在部分传感器结构基础上完成传感器的制作，包括：
对所述自对准金属图形进行处理得到支撑梁和吸收区，其中所述支撑梁包围所述导线，所述吸收区包围所述敏感元件；
对所述吸收区进行加工处理，得到吸收层和位于所述吸收层上的吸收结构，其中所述吸收层包围所述敏感元件；
对所述晶圆衬底进行处理形成空腔，所述空腔位于所述吸收区和支撑梁的下方；
其中，所述吸收区、被所述吸收区包围的所述敏感元件、支撑梁、被所述支撑梁包围的所述导线和所述空腔形成所述传感器的像元。
进一步地，所述数模混合集成电路标准工艺为i层多晶硅j层金属工艺，其中i为大于或者等于1的自然数， j为大于或者等于2的自然数。
进一步地，根据数模混合集成电路标准工艺在所述晶圆衬底上制作敏感元件、导线和自对准金属图形，包括：
对i层多晶硅中的至少一层多晶硅进行光刻和刻蚀形成导线；
将具有温敏特性的标准元器件通过单个元件或多个元件串并联的方式形成敏感元件；
对j层金属中的至少第二层以上的金属通过光刻和刻蚀形成自对准金属图形。
进一步地，对所述自对准金属图形进行处理得到支撑梁和吸收区，包括：
对制作得到的具有读出电路以及传感器的所述晶圆衬底进行介质刻蚀，将所述自对准金属图形转移到其下方的介质层上，以形成支撑梁和吸收区。
进一步地，对所述吸收区进行加工处理，得到吸收层和位于所述吸收层上的吸收结构，包括：
对制作得到的具有读出电路以及传感器的所述晶圆衬底进行光刻，并以光刻胶图形作为掩蔽层对所述介质层进行深度可控刻蚀，其中非刻蚀区域形成为吸收层，刻蚀区域形成吸收结构。
进一步地，对所述晶圆衬底进行处理形成空腔，包括：
根据MEMS工艺对所述晶圆衬底进行正面各向同性或各向异性硅刻蚀；或者，
根据MEMS工艺对所述晶圆衬底进行背面各向同性或各向异性硅刻蚀。
进一步地，根据数模混合集成电路标准工艺在所述晶圆衬底上制作读出电路，包括：
根据所述数模混合集成电路标准工艺搭建电阻、电容、二极管和开关管，以形成测温电路、选择电路、放大电路、采样保持电路、数模转换电路、时序控制电路、偏置电路、校准电路和存储电路。
进一步地，所述吸收结构包括所述数模混合集成电路标准工艺中的绝缘介质经MEMS工艺图形化后的周期性立体结构，所述吸收层包括所述数模混合集成电路标准工艺中的绝缘介质。
进一步地，所述敏感元件包括所述数模混合集成电路标准工艺中的多晶硅电阻、金属电阻、二极管和电容中的任意一种；所述导线包括所述数模混合集成电路标准工艺中的多晶硅电阻；所述自对准金属图形包括所述数模混合集成电路标准工艺中的金属。
作为本发明的另一个方面，提供一种非制冷红外探测器，根据前文所述的非制冷红外探测器的制作方法制作得到，其中，所述非制冷红外探测器包括：位于同一晶圆衬底上的传感器和读出电路，所述读出电路环绕所述传感器设置，
所述传感器包括多个像元，且多个像元按照M行×N列的阵列均匀排布，其中M和N均为大于或者等于1的自然数；
每个所述像元均包括：悬空设置的吸收区和支撑梁，所述支撑梁环绕所述吸收区设置，所述吸收区和所述支撑梁的下方均为形成在所述晶圆衬底上的空腔，
所述吸收区包括吸收层和位于所述吸收层上的吸收结构，所述吸收层内嵌入设置敏感元件，
所述支撑梁内嵌入设置导线，所述导线用于连接所述读出电路和所述敏感元件。
本发明提供的非制冷红外探测器的制作方法，基于数模混合集成电路标准工艺制作读出电路以及传感器像元部分结构以及结构上的临时性的自对准金属图形，再利用MEMS工艺通过临时性的自对准金属图形完成传感器像元结构制作，进一步地通过MEMS工艺优化传感器的吸收区。最终，使得制作的非制冷红外探测器，单片内既拥有数模混合集成电路，又简化了MEMS工艺，利用极少的MEMS工艺可实现优化的传感器，从读出电路和传感器两方面提升了探测器性能。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提供的非制冷红外探测器的制作方法的流程图。
图2为本发明提供的在晶圆衬底上制作敏感元件、导线和自对准金属图形的示意图。
图3为本发明提供的制作支撑梁和吸收区后的示意图。
图4为本发明提供的制作吸收层和吸收结构后的示意图。
图5为本发明提供的形成空腔的示意图。
图6为本发明提供的非制冷红外探测器的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本实施例中提供了一种非制冷红外探测器的制作方法，图1是根据本发明实施例提供的非制冷红外探测器的制作方法的流程图，如图1所示，包括：
S100、提供晶圆衬底；
在本发明实施例中，如图晶圆衬底具体可以为硅或SOI形成的衬底。
S200、根据数模混合集成电路标准工艺在所述晶圆衬底上分别制作读出电路和部分传感器结构，以及根据MEMS工艺在部分传感器结构基础上完成传感器的制作；
在本发明实施例中，所述数模混合集成电路标准工艺为i层多晶硅j层金属工艺，其中i为大于或者等于1的自然数， j为大于或者等于2的自然数。
应当理解的是，所述数模混合集成电路标准工艺具有电阻、电容、二极管、MOS管等标准元器件。
其中，根据数模混合集成电路标准工艺在所述晶圆衬底上制作部分传感器结构，如图2所示，包括：
S210、根据数模混合集成电路标准工艺在所述晶圆衬底上制作敏感元件1013、导线1014和自对准金属图形1016，所述敏感元件1013和所述导线1014均位于所述晶圆衬底上的同一层，所述自对准金属图形1016位于所述敏感元件1013和所述导线1014所在层的上方，所述导线1014环绕所述敏感元件1013设置；
具体地，根据数模混合集成电路标准工艺在所述晶圆衬底上制作敏感元件、导线和自对准金属图形，包括：
对i层多晶硅中的至少一层多晶硅进行光刻和刻蚀形成导线；
将具有温敏特性的标准元器件通过单个元件或多个元件串并联的方式形成敏感元件；
对j层金属中的至少第二层以上的金属通过光刻和刻蚀形成自对准金属图形。
根据MEMS工艺在部分传感器结构基础上完成传感器的制作，如图3至图5所示，包括：
S220、对所述自对准金属图形1016进行处理得到支撑梁1012和吸收区1011，其中所述支撑梁1012包围所述导线1014，所述吸收区1011包围所述敏感元件1013；
在本发明实施例中，具体可以包括：
对制作得到的具有读出电路以及传感器的所述晶圆衬底进行介质刻蚀，将所述自对准金属图形转移到其下方的介质层上，以形成支撑梁和吸收区。
应当理解的是，即在前文所述的通过数模混合集成电路标准工艺制作得到的具有读出电路和传感器的晶圆衬底上进行介质刻蚀，将自对准金属图形转移到其下方的介质层上，从而形成氧化硅、氮化硅，或两种材料组合的支撑梁以及吸收区。
S230、对所述吸收区1011进行加工处理，得到吸收层10112和位于所述吸收层10112上的吸收结构10111，其中所述吸收层10112包围所述敏感元件1013；
在本发明实施例中，具体可以包括：
对制作得到的具有读出电路以及传感器的所述晶圆衬底进行光刻，并以光刻胶图形作为掩蔽层对所述介质层进行深度可控刻蚀，其中非刻蚀区域形成为吸收层，刻蚀区域形成吸收结构。
应当理解的是，即在前文所述的通过数模混合集成电路标准工艺制作得到的具有读出电路和传感器的晶圆衬底上进行光刻，并以光刻胶图形作为掩蔽层对介质进行深度可控刻蚀，非刻蚀区域为吸收层，刻蚀区域形成吸收结构，该结构为周期性立体结构包括：圆柱、梯形圆柱、圆锥等。
S240、对所述晶圆衬底进行处理形成空腔1015，所述空腔1015位于所述吸收区1011和支撑梁1012的下方；
在本发明实施例中，具体可以包括：
根据MEMS工艺对所述晶圆衬底进行正面各向同性或各向异性硅刻蚀；或者，
根据MEMS工艺对所述晶圆衬底进行背面各向同性或各向异性硅刻蚀。
其中，所述吸收区1011、被所述吸收区1011包围的所述敏感元件1013、支撑梁1012、被所述支撑梁1012包围的所述导线1014和所述空腔1015形成所述传感器10的像元101。
本发明实施例提供的非制冷红外探测器的制作方法，基于数模混合集成电路标准工艺制作读出电路以及传感器像元部分结构以及结构上的临时性的自对准金属图形，再利用MEMS工艺通过临时性的自对准金属图形完成传感器像元结构制作，进一步地通过MEMS工艺优化传感器的吸收区。最终，使得制作的非制冷红外探测器，单片内既拥有数模混合集成电路，又简化了MEMS工艺，利用极少的MEMS工艺可实现优化的传感器，从读出电路和传感器两方面提升了探测器性能。
在本发明实施例中，如图6所示，根据数模混合集成电路标准工艺在所述晶圆衬底上制作读出电路20，包括：
根据所述数模混合集成电路标准工艺搭建电阻、电容、二极管和开关管，以形成测温电路201、选择电路202、放大电路203、采样保持电路204、数模转换电路205、时序控制电路206、偏置电路207、校准电路208和存储电路209。
具体地，所述吸收结构10111包括所述数模混合集成电路标准工艺中的绝缘介质图形化后的周期性立体结构，所述吸收层10112包括所述数模混合集成电路标准工艺中的绝缘介质。
在本发明实施例中，所述吸收层10112为所述数模混合集成电路标准工艺中的绝缘介质，包括：氧化硅、氮化硅，或两种材料的组合；所述吸收结构10111为所述数模混合集成电路标准工艺中的绝缘介质经MEMS工艺图形化后的周期性立体结构，包括：圆柱、梯形圆柱、圆锥等。
具体地，所述敏感元件1013包括所述数模混合集成电路标准工艺中的多晶硅电阻、金属电阻、二极管和电容中的任意一种；所述导线包括所述数模混合集成电路标准工艺中的多晶硅电阻；所述自对准金属图形包括所述数模混合集成电路标准工艺中的金属。
在本发明实施例中，所述支撑梁1012为所述数模混合集成电路标准工艺中的绝缘介质，包括：氧化硅、氮化硅，或两种材料的组合。
综上，本发明实施例提供的非制冷红外探测器的制作方法，将数模混合集成电路标准工艺与MEMS工艺相结合，在实现单片集成的同时，工艺普适简单，且开发的探测器具响应率高、信号处理能力强的优点。
作为本发明的另一实施例，提供一种非制冷红外探测器，根据前文所述的非制冷红外探测器的制作方法制作得到，其中，所述非制冷红外探测器包括：位于同一晶圆衬底上的传感器10和读出电路20，所述读出电路20环绕所述传感器10设置，
所述传感器10包括多个像元101，且多个像元101按照M行×N列的阵列均匀排布，其中M和N均为大于或者等于1的自然数；
每个所述像元101均包括：悬空设置的吸收区1011和支撑梁1012，所述支撑梁1012环绕所述吸收区1011设置，所述吸收区1011和所述支撑梁1012的下方均为形成在所述晶圆衬底上的空腔1015，
所述吸收区1011包括吸收层10112和位于所述吸收层10112上的吸收结构10111，所述吸收层10112内嵌入设置敏感元件1013，
所述支撑梁1012内嵌入设置导线1014，所述导线1014用于连接所述读出电路20和所述敏感元件1013。
在本发明实施例中，如图6所示，非制冷红外探测器由位于同一晶圆上的传感器10和读出电路20组成。其中，传感器10有M×N（M≥1，N≥1）个像元101，每个像元101包含：吸收区1011、支撑梁1012、敏感元件1013、导线1014和空腔1015，且吸收区1011由吸收结构10111和吸收层10112共同构成。吸收区1011与支撑梁1012悬空在空腔1015上，敏感元件1013嵌在吸收区1011内，导线1014嵌在支撑梁1012内，连接敏感元件1013和读出电路20；读出电路20包含：测温电路201、选择电路202、放大电路203、采样保持电路204、数模转换电路205和时序控制电路206。
综上，本发明实施例提供的非制冷红外探测器，由于通过前文所述的制作方法，基于数模混合集成电路标准工艺制作读出电路以及传感器像元部分结构以及结构上的临时性的自对准金属图形，再利用MEMS工艺通过临时性的自对准金属图形完成传感器像元结构制作，进一步地通过MEMS工艺优化传感器的吸收区。最终，使得制作的非制冷红外探测器，单片内既拥有数模混合集成电路，又简化了MEMS工艺，利用极少的MEMS工艺可实现优化的传感器，从读出电路和传感器两方面提升了探测器性能。
关于本发明实施例提供的非制冷红外探测器的工作原理可以参照前文的非制冷红外探测器的制作方法的描述，此处不再赘述。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种非制冷红外探测器的制作方法，其特征在于，包括：
提供晶圆衬底；
根据数模混合集成电路标准工艺在所述晶圆衬底上分别制作读出电路和部分传感器结构，以及根据MEMS工艺在部分传感器结构基础上完成传感器的制作；
其中，根据数模混合集成电路标准工艺在所述晶圆衬底上制作部分传感器结构，包括：
根据数模混合集成电路标准工艺在所述晶圆衬底上制作敏感元件、导线和自对准金属图形，所述敏感元件和所述导线位于所述晶圆衬底上的同一层或不同层，所述自对准金属图形位于所述敏感元件和所述导线所在层的上方，所述导线环绕所述敏感元件设置；
根据MEMS工艺在部分传感器结构基础上完成传感器的制作，包括：
对所述自对准金属图形进行处理得到支撑梁和吸收区，其中所述支撑梁包围所述导线，所述吸收区包围所述敏感元件；
对所述吸收区进行加工处理，得到吸收层和位于所述吸收层上的吸收结构，其中所述吸收层包围所述敏感元件；
对所述晶圆衬底进行处理形成空腔，所述空腔位于所述吸收区和支撑梁的下方；
其中，所述吸收区、被所述吸收区包围的所述敏感元件、支撑梁、被所述支撑梁包围的所述导线和所述空腔形成所述传感器的像元；
其中，对所述自对准金属图形进行处理得到支撑梁和吸收区，包括：
对制作得到的具有读出电路以及传感器的所述晶圆衬底进行介质刻蚀，将所述自对准金属图形转移到其下方的介质层上，以形成支撑梁和吸收区；
其中，对所述吸收区进行加工处理，得到吸收层和位于所述吸收层上的吸收结构，包括：
对制作得到的具有读出电路以及传感器的所述晶圆衬底进行光刻，并以光刻胶图形作为掩蔽层对所述介质层进行深度可控刻蚀，其中非刻蚀区域形成为吸收层，刻蚀区域形成吸收结构。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述数模混合集成电路标准工艺为i层多晶硅j层金属工艺，其中i为大于或者等于1的自然数，j为大于或者等于2的自然数。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，根据数模混合集成电路标准工艺在所述晶圆衬底上制作敏感元件、导线和自对准金属图形，包括：
对i层多晶硅中的至少一层多晶硅进行光刻和刻蚀形成导线；
将具有温敏特性的标准元器件通过单个元件或多个元件串并联的方式形成敏感元件；
对j层金属中的至少第二层以上的金属通过光刻和刻蚀形成自对准金属图形。
4.据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，对所述晶圆衬底进行处理形成空腔，包括：
根据MEMS工艺对所述晶圆衬底进行正面各向同性或各向异性硅刻蚀；或者，
根据MEMS工艺对所述晶圆衬底进行背面各向同性或各向异性硅刻蚀。
5.据权利要求1至4中任意一项所述的制作方法，其特征在于，根据数模混合集成电路标准工艺在所述晶圆衬底上制作读出电路，包括：
根据所述数模混合集成电路标准工艺搭建电阻、电容、二极管和开关管，以形成测温电路、选择电路、放大电路、采样保持电路、数模转换电路、时序控制电路、偏置电路、校准电路和存储电路。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的制作方法，其特征在于，所述吸收结构包括所述数模混合集成电路标准工艺中的绝缘介质经MEMS工艺图形化后的周期性立体结构，所述吸收层包括所述数模混合集成电路标准工艺中的绝缘介质。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的制作方法，其特征在于，所述敏感元件包括所述数模混合集成电路标准工艺中的多晶硅电阻、金属电阻、二极管和电容中的任意一种；所述导线包括所述数模混合集成电路标准工艺中的多晶硅电阻；所述自对准金属图形包括所述数模混合集成电路标准工艺中的金属。
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