一种非制冷红外焦平面探测器微桥的制作方法和结构

摘要

本发明涉及一种非制冷红外焦平面探测器微桥的制作方法和结构，该制作方法包括：在以读出电路为基底的晶圆上制备反射层；在反射层上依次制备绝缘介质层、第一牺牲层和第一支撑层；蚀刻第一支撑层，在反射层上方制备第一通孔；在第一支撑层上依次制备第一电极、第一介质层、第一钝化层、第二牺牲层、第二支撑层、热敏层、保护层；蚀刻第二支撑层，在第一电极上方制备第二通孔；蚀刻保护层，在热敏层上方制备接触孔；在热敏层及第二支撑层上依次制备第二电极、第二介质层、第二钝化层、第三牺牲层、第三支撑层、第三钝化层；释放各层牺牲层，得到探测器结构。本发明通过三层微桥结构提高了像素结构的有效填充因子及红外吸收效率。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术中的微机电系统工艺制造领域领域，尤其涉及一种非制冷红外焦平面探测器微桥的制作方法和结构。

背景技术

非制冷红外探测技术是无需制冷系统对外界物体的红外辐射进行感知并转化成电信号经处理后在显示终端输出的技术，可广泛应用于国防、航天、医学、生产监控等众多领域。非制冷红外焦平面探测器由于其能够在室温状态下工作，并具有质量轻、体积小、寿命长、成本低、功率小、启动快及稳定性好等优点，满足了民用红外系统和部分军事红外系统对长波红外探测器的迫切需要，近几年来发展迅猛。非制冷红外探测器主要包括测辐射热计、热释电和热电堆探测器等，其中基于微机电系统制造工艺的微测辐射热计红外探测器由于其响应速率高，制作工艺简单且与集成电路制造工艺兼容，具有较低的串音和较低的1/f噪声，较高的帧速，工作无需斩波器，便于大规模生产等优点，是非制冷红外探测器的主流技术之一。

微测辐射热计是基于具有热敏特性的材料在温度发生变化时电阻值发生相应的变化而制造的一种非制冷红外探测器。工作时对支撑在绝热结构上的热敏电阻两端施加固定的偏置电压或电流源，入射红外辐射引起的温度变化使得热敏电阻阻值减小，从而使电流、电压发生改变，并由读出电路读出电信号的变化。作为热敏电阻的材料必须具有较高的电阻温度系数，较低的1/f噪声，适当的电阻值和稳定的电性能，以及易于制备等要求。目前主流的热敏材料包括氧化钒、非晶硅以及高温超导材料等，另外也有关于氧化钛，氧化镍等材料作为微测辐射热计热敏材料的研究报道。

非制冷红外焦平面阵列探测器的单元通常采用悬臂梁微桥结构，它利用牺牲层释放工艺形成桥支撑结构，支撑平台上的热敏材料通过微桥与基底读出电路相连。悬臂梁使用绝热支撑层对红外吸收层平台起到机械支撑作用，同时也使用一种导电材料作为电极提供基底读出电路与热敏材料的电性连接。金属电极的一端通过接触孔与支撑层上的热敏材料连接，另一端通过桥墩和通孔与基底读出电路的金属电极相连，从而读出热敏材料的电信号变化。为了使红外探测器具有较高的灵敏度和较低的噪声，这就要求悬臂梁具有很好的绝热性和尽可能低的接触电阻。

传统的非制冷红外探测器器件制备方法是:(中国专利CN102315329A，美国专利：US6322670B2)

1.在读出电路上溅射金属如Al、Au、Pt、NiCr薄膜，并进行图形化后形成反射层，再利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在反射层上制备低应力Si₃N₄薄膜作为保护层；

2.制备牺牲层聚酰亚胺PI或者非晶碳结构，并光刻蚀刻形成牺牲层图形，利用PECVD在PI图形上沉积低应力的Si₃N₄薄膜做为支撑层；

3.制备热敏层薄膜(VOx)或者非晶硅，对热敏薄膜图形化后，沉积一层介质薄膜对热敏图形进行覆盖保护，介质薄膜可以是Si₃N₄或SiO₂；

4.在桥墩处利用反应离子刻蚀(RIE)蚀刻出通孔，通孔与基底读出电路的金属电极块相连；

5.在热敏薄膜上利用RIE蚀刻出接触孔，接触孔是电极薄膜与支撑层上的热敏材料相连接；

6.蚀刻好通孔和接触孔后，接着沉积金属电极薄膜(Ti、TiN、Cr、NiCr等)，再利用光刻和蚀刻技术制作金属电极实现其电连接；

7.制备钝化层薄膜，然后进行钝化层图形化，对传感器单元进行隔离和结构释放位置开口，结构释放后，形成非制冷红外探测器结构。

该方法存在的问题如下：

在传统双层微桥设计中，底层是桥腿结构，顶层热敏平台层。入射光辐射被顶层平台层与底层桥腿结构吸收，底层桥腿所吸收的红外辐射对于顶层平台层的温升并没有太多贡献，这就导致了入射红外辐射并没有真正转变为敏感区域温升，没有对信号响应进行贡献，对于12um及更小像元响应偏低，不能满足高效率非制冷红外探测器的成像需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种非制冷红外焦平面探测器微桥的制作方法和结构，具体技术方案如下：

一种高吸收率非制冷红外焦平面探测器微桥的制作方法，包括以下步骤：

步骤1，在以读出电路为基底的晶圆上制备反射层；

步骤2，在所述反射层上依次制备绝缘介质层、第一牺牲层和第一支撑层；

步骤3，光刻和蚀刻所述绝缘介质层和所述第一支撑层，在所述反射层上制备第一通孔；

步骤4，在所述第一支撑层上依次制备第一电极、第一介质层、第一钝化层、第二牺牲层、第二支撑层、热敏层和保护层；

步骤5，光刻和蚀刻所述第一介质层第二支撑层，在所述第一电极上制备第二通孔；

步骤6，光刻和蚀刻所述保护层，在所述热敏层上制备接触孔；

步骤7，在所述热敏层及所述第二支撑层上依次制备第二电极、第二介质层、第二钝化层、第三牺牲层、第三支撑层和第三钝化层；

步骤8，释放所述第一牺牲层、所述第二牺牲层和所述第三牺牲层，得到三层微桥结构。

本发明的有益效果是：通过在读出电路上制作反射层，以及在反射层上依次制备绝缘介质层、第一牺牲层和第一支撑层，在第一支撑层上设置第一通孔，在第一支撑层上依次制备第一电极、第一介质层、第一钝化层、第二牺牲层、第二支撑层、热敏层、保护层，在第一电极上制备第二通孔，在热敏层上制备接触孔，在热敏层及所述第二支撑层上依次制备第二电极、第二介质层、第二钝化层、第三牺牲层、第三支撑层、第三钝化层，并牺牲各层牺牲层，得到了三层微桥支撑结构，增加热敏薄膜及第三层伞状结构的面积，有效提升入射红外辐射的吸收效率，减少桥腿结构无效吸收的比例，提高吸收平台的吸收比例，保证入射的红外辐射真正转变为有效敏感元区域的温升。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，步骤2中，所述反射层的材料包括厚度为的金属薄膜，所述金属薄膜对波长为8～14μm的红外光的反射率大于99％；通过蚀刻所述反射层形成反射层图形，并在所述反射层图形上沉积绝缘介质，得到绝缘介质层，所述绝缘介质包括厚度均为的Si₃N₄或SiO₂薄膜；通过在所述绝缘介质层上沉积牺牲层材料，得到第一牺牲层；通过蚀刻所述第一牺牲层形成第一牺牲层图形，并在所述第一牺牲层图形上沉积支撑层材料，得到第一支撑层。

进一步地，蚀刻所用的气体包括SF₆、CHF₃、O₂或CF₄、O₂等。

进一步地，步骤4中，通过在所述第一支撑层上沉积电极层材料，得到第一电极；光刻和蚀刻所述第一电极形成第一电极图形，并在所述第一电极图形上沉积介质层材料，得到第一介质层；通过蚀刻所述第一介质层及所述第一支撑层形成第一钝化层；通过在所述第一钝化层上沉积牺牲层材料，得到第二牺牲层；通过蚀刻所述第二牺牲层形成第二牺牲层图形，并在所述第二牺牲层图形上沉积支撑层材料，得到第二支撑层；通过在所述第二支撑层上沉积热敏层材料，得到热敏层，所述热敏层材料包括厚度均为方阻均为50～5000KΩ/□的V₂O₅或α-Si薄膜；通过在所述热敏层上沉积保护层材料，得到保护层，所述保护层材料包括厚度为的Si₃N₄薄膜，所述保护层通过等离子体增强化学气相沉积得到。

进一步地，步骤7中，通过在所述热敏层及所述第二支撑层上沉积电极层材料，得到第二电极；光刻和蚀刻所述第二电极形成第二电极图形，并在所述第二电极图形上沉积介质层材料，得到第二介质层；通过蚀刻所述第二介质层及所述第二支撑层形成第二钝化层；通过在所述第二钝化层上沉积牺牲层材料，得到第三牺牲层；通过蚀刻所述第三牺牲层形成第三牺牲层图形，并在所述第三牺牲层图形上沉积支撑层材料，得到第三支撑层；通过蚀刻所述第三支撑层形成第三钝化层。

进一步地，所述牺牲层材料包括Al薄膜、非晶碳或者耐温光刻胶(如BCD、PI)，所述第一牺牲层、所述第二牺牲层和所述第三牺牲层的厚度均为1.0～2.5um。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用Al薄膜、非晶碳或者耐温光刻胶作为牺牲材料，有利于牺牲层的释放。

进一步地，所述支撑层材料包括Si₃N₄薄膜，所述第一支撑层、所述第二支撑层和所述第三支撑层的厚度均为所述第一支撑层、所述第二支撑层和所述第三支撑层均通过等离子体增强化学气相沉积得到。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用Si₃N₄薄膜作为支撑材料，更好的支撑结构。

进一步地，所述电极层材料包括V、Ti、NiCr或TiN薄膜，所述第一电极和所述第二电极的厚度均为所述第一电极和所述第二电极均通过物理气相沉积得到。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用V、Ti、NiCr或TiN薄膜作为电极材料，使结构的导电性更好。

进一步地，所述介质层材料包括Si₃N₄薄膜，所述第一介质层和所述第二介质层的厚度均为所述第一介质层和所述第二介质层均通过等离子体增强化学气相沉积得到。

进一步地，所述热敏层的沉积方法包括电子束蒸发、激光蒸发、离子束沉积或物理气相沉积，沉积所述热敏层之前先沉积V/V₂O₅/V复合薄膜做为过渡层，所述过渡层的厚度为所述热敏层的蚀刻方法包括离子束刻蚀或反应离子刻蚀，并使用终点监测设备对蚀刻过程进行监控。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过终点监测技术对蚀刻反应进行监控，使热敏薄膜更加完整，防止被完全蚀刻。

进一步地，本发明所述的制作方法，不限于非制冷红外探测器，同时也用于太赫兹器件和其他光学传感器件。

一种非制冷红外焦平面探测器微桥的结构：包括在以读出电路为基底的晶圆上设置有被蚀刻过的金属反射层，以及在金属反射层上设置的绝缘介质层，在的绝缘介质层上设置有被蚀刻过的第一支撑层，在第一支撑层上设置有第一通孔，在第一支撑层及第一通孔上设置有第一电极，在第一电极上设置有被蚀刻过的第一介质层，第一介质层之上设置有被蚀刻过的第二支撑层，第二支撑层上设置有热敏层以及第二通孔，热敏层上设置有被蚀刻过的保护层，保护层上设置有接触孔，接触孔、第二通孔以及第二支撑层上设置有第二电极，第二电极上设置有被蚀刻过的第二介质层，第二介质层之上设置有被蚀刻过的第三支撑层。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种非制冷红外焦平面探测器微桥的制作方法的反射层形成示意图；

图2为本发明实施例提供的一种非制冷红外焦平面探测器微桥的制作方法的第一牺牲层形成示意图；

图3为本发明实施例提供的一种非制冷红外焦平面探测器微桥的制作方法的第一钝化层形成示意图；

图4为本发明实施例提供的一种非制冷红外焦平面探测器微桥的制作方法的第二牺牲层形成示意图；

图5为本发明实施例提供的一种非制冷红外焦平面探测器微桥的制作方法的热敏层形成示意图；

图6为本发明实施例提供的一种非制冷红外焦平面探测器微桥的制作方法的第二钝化层形成示意图；

图7为本发明实施例提供的一种非制冷红外焦平面探测器微桥的制作方法的第三牺牲层形成示意图；

图8为本发明实施例提供的一种非制冷红外焦平面探测器微桥的制作方法的结构形成示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1.读出电路，2.反射层，3.绝缘介质层，4.第一牺牲层，5.第一支撑层，6.第一通孔，7.第一电极，8.第一介质层，9.第一钝化层，10.第二牺牲层，11.第二支撑层，12.热敏层，13.保护层，14.第二通孔，15.接触孔，16.第二电极，17.第二介质层，18.第二钝化层，19.第三牺牲层，20.第三支撑层，21.第三钝化层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一种实施例提供了一种非制冷红外焦平面探测器微桥的制作方法，参见图1至图8，其具体工艺步骤如下：

如图1所示，在以读出电路1为基底的晶圆上制作反射层2，反射层2所用材料为金属，金属薄膜厚度为反射层2金属对特定波长(如8～14um)的红外光的反射率在99％以上，蚀刻反射层2后在反射层2图形上沉积绝缘介质层3，绝缘介质层3可采用Si₃N₄薄膜或者SiO₂薄膜，薄膜厚度

如图2所示，在绝缘介质层3上制备第一牺牲层4，第一牺牲层4可以选用Al薄膜、非晶碳或者耐温光刻胶，例如耐温光刻胶可以选用BCD或PI，第一牺牲层4厚度为1.0～2.5um，然后蚀刻第一牺牲层4，在第一牺牲层4图形上沉积第一支撑层5，第一支撑层5利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积低应力Si₃N₄薄膜得到，第一支撑层5厚度为

如图3所示，光刻和蚀刻第一支撑层5以及绝缘介质层3，露出下面的反射层2，形成第一通孔6，然后在第一支撑层5及反射层2上沉积第一电极7，第一电极7利用物理气相沉积(PVD)沉积，一般使用V、Ti、NiCr、TiN薄膜，厚度为厚度一般根据电极方阻决定，然后蚀刻出第一电极7图形，然后在第一电极7图形上沉积第一介质层8，第一介质层8为利用PECVD沉积的Si₃N₄介质层，厚度为蚀刻第一介质层8及第一支撑层5形成第一钝化层9。

如图4所示，在第一钝化层9上制备第二牺牲层10，第二牺牲层10可以选用铝薄膜、光刻胶、非晶碳或者耐温光刻胶，如BCD或PI，第二牺牲层10厚度为1.0～2.5um，然后蚀刻第二牺牲层10，在第二牺牲层10图形上沉积第二支撑层11，第二支撑层11利用PECVD沉积低应力Si₃N₄薄膜得到，第二支撑层11厚度为

如图5所示，在第二支撑层11上沉积热敏层12，热敏层12材料为氧化钒、α-Si薄膜层，热敏层12薄膜的厚度和方阻根据器件的性能决定，热敏层12薄膜的厚度为方阻为50～5000KΩ/□，沉积热敏层12可采用电子束蒸发、激光蒸发、离子束沉积(IBD)或PVD的方法生长，沉积热敏层12的时候可以先沉积一层V/V₂O₅/V复合薄膜做为过渡层，过渡层厚度为热敏层12的蚀刻可以使用离子束刻蚀(IBE)或反应离子刻蚀(RIE)的方法，然后在热敏层12上沉积保护层13，保护层13为利用PECVD沉积的低应力Si₃N₄薄膜，Si₃N₄薄膜厚度

如图6所示，利用光刻和蚀刻的方法，使用SF₆、CHF₃、O₂或CF₄、O₂等气体作为蚀刻气体，蚀刻第二支撑层11及第一介质层8形成第二通孔14，然后蚀刻保护层13，形成接触孔15，露出下面的热敏层12，由于热敏薄膜厚度较薄，需要使用终点监测技术进行蚀刻反应结束监控，以免将热敏薄膜全部蚀刻干净，然后在热敏层12及第二支撑层11上沉积第二电极16，第二电极16利用PVD沉积，一般使用Ti、NiCr、TiN薄膜，厚度为厚度一般根据电极方阻决定，然后蚀刻出第二电极16图形，并在第二电极16图形上沉积第二介质层17，第二介质层17为利用PECVD沉积的Si₃N₄介质层，厚度为然后蚀刻第二介质层17及第二支撑层11形成第二钝化层18。

如图7所示，在第二钝化层18上制备第三牺牲层19，第三牺牲层19可以选用铝薄膜、光刻胶、非晶碳或者耐温光刻胶如BCD或PI，第三牺牲层19厚度为1.0～2.5um，然后蚀刻第三牺牲层19，在第三牺牲层19图形上沉积第三支撑层20，第三支撑层20利用PECVD沉积低应力Si₃N₄薄膜得到，第三支撑层20厚度为

如图8所示，蚀刻第三支撑层20形成第三钝化层21，释放各层牺牲层，得到三层微桥结构。

上述实施例提供的制作方法，通过在读出电路1上制作反射层2，以及在反射层2上依次制备绝缘介质层3、第一牺牲层4和第一支撑层5，在第一支撑层5上设置第一通孔6，在第一支撑层5上依次制备第一电极7、第一介质层8、第一钝化层9、第二牺牲层10、第二支撑层11、热敏层12、保护层13，在第一电极7上制备第二通孔14，在热敏层12上制备接触孔15，在热敏层12及所述第二支撑层11上依次制备第二电极16、第二介质层17、第二钝化层18、第三牺牲层19、第三支撑层20、第三钝化层21，并牺牲各层牺牲层，得到了三层微桥支撑结构，增加热敏薄膜及第三层伞状结构的面积，有效提升入射红外辐射的吸收效率，减少桥腿结构无效吸收的比例，提高吸收平台的吸收比例，保证入射的红外辐射真正转变为有效敏感元区域的温升。

本发明的另一种实施例提供了一种非制冷红外焦平面探测器微桥的结构，如图8所示，包括：

在以读出电路1为基底的晶圆上设置有被蚀刻过的金属反射层2，以及在金属反射层2上设置的绝缘介质层3，在的绝缘介质层3上设置有被蚀刻过的第一支撑层5，在第一支撑层5上设置有第一通孔6，在第一支撑层5及第一通孔6上设置有第一电极7，在第一电极7上设置有被蚀刻过的第一介质层8，第一介质层8之上设置有被蚀刻过的第二支撑层11，第二支撑层11上设置有热敏层12以及第二通孔14，热敏层12上设置有被蚀刻过的保护层13，保护层13上设置有接触孔15，接触孔15、第二通孔14以及第二支撑层11上设置有第二电极16，第二电极16上设置有被蚀刻过的第二介质层17，第二介质层17之上设置有被蚀刻过的第三支撑层20。

应理解，与本发明所公开的结构相类似的结构，或采用其他材质通过本发明所述的制作方法中任一项得到的结构，均应包含在本发明保护范围之内。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。