CN101445215A - 红外探测器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种红外探测器及其制造方法，在其硅衬底上依次沉积有金属反射层、介质层、牺牲层、敏感材料探测层和金属电极。金属反射层具有金属反射图案。介质层的高度与金属反射层的高度一致。本发明还提出上述红外探测器的制造方法，包括以下步骤：在硅衬底上形成金属反射层并实现其图形化；在金属反射层上形成介质层，并实现其平坦化；刻蚀介质并停在金属层上表面，确定介质层的高度与金属反射层的高度一致；沉积牺牲层；以及制作微桥红外吸收结构。

Description

红外探测器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种红外探测器的制造工艺，且特别涉及一种用于红外线探测器及其制造方法。
背景技术
微电子机械***(MEMS)技术具有微小、智能、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等诸多优点，故其已开始广泛应用在包括红外探测技术领域的诸多领域。红外探测器是红外探测技术领域中应用非常广泛的一种MEMS产品，它利用敏感材料探测层(通常为非晶硅或氧化机)吸收红外线且将其转化成电信号，据此来实现热成像功能。
红外探测器工艺一般与CMOS工艺兼容性比较差，故而早期很难实现大规模的生产。近年来由于MEMS产品的市场需求逐渐扩大，CMOS-MEMS的概念逐渐被人提出。CMOS-MEMS是利用CMOS技术制作***读取及信号处理电路，然后在CMOS电路上面制作传感器及微机械***的结构，而工艺兼容性问题始终是困扰CMOS-MEMS技术的关键。
以非制冷式红外探测器为例，其单元结构中广泛使用金属反射层结构。在CMOS读出电路制备结束后，通过淀积金属并光刻、刻蚀形成金属反射层图形。然而形成金属反射层图形后，其表面不再是平坦的，平坦化问题会积累到后续工艺中，因而给后续工艺带来很多问题，如光刻曝光深度等，并最终影响其产品性能、可靠性和成品率。
因此，如何提供一种红外探测器及其制造方法，解决其MEMS工艺表面平坦化问题，并大幅度提高产品成品率和可靠性，已成为业界亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提出一种红外探测器，其金属反射层上沉积有平坦化的介质层，能够实现红外探测器的平坦，以利于后续工艺的进行。
为了达到上述目的，发明提出一种红外探测器，在其硅衬底上依次沉积有金属反射层、介质层、牺牲层、释放保护层、敏感材料探测层和金属电极。金属反射层具有金属反射图案。介质层的高度与金属反射层的高度一致。
在本发明一实施例中，该介质层的材料为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅，或者掺有硼、磷、碳或氟等杂质元素的上述材料。
在本发明一实施例中，该敏感材料探测层和该金属电极被释放保护层所包围，用以保护该敏感材料探测层和该金属电极。
在本发明一实施例中，该敏感材料探测层的材料为非晶硅或氧化钒。
在本发明一实施例中，该金属电极为钛电极、钽电极、上下层叠的氮化钛和钛电极或上下层叠的钽和氮化钽电极。
为了达到上述目的，本发明还提出上述红外探测器的制造方法，包括以下步骤：在硅衬底上形成金属反射层并实现其图形化；在金属反射层上形成介质层，并实现其平坦化；刻蚀介质并停在金属层上表面，确定介质层的高度与金属反射层的高度一致；沉积牺牲层；以及制作微桥红外吸收结构。
在本发明一实施例中，在该金属反射层上形成该介质层时，采用了化学气相淀积工艺将该介质层淀积在该金属反射层上。
在本发明一实施例中，在该金属反射层上形成该介质层后，采用化学机械抛光工艺或者旋涂玻璃的工艺，实现该介质层的平坦化。
在本发明一实施例中，在实现该介质的平坦化后，采用干法刻蚀的终点检测来刻蚀介质并停到该金属反射层的表面，以确定该介质层的高度与该金属反射层的高度一致。
本发明的有益效果为：解决了MEMS工艺表面平坦化问题；防止了金属反射层之间的短路，大幅度提高产品成品率和可靠性。
附图说明
图1所示为本发明较佳实施例的红外探测器的剖面图；
图2为本发明较佳实施例的红外探测器的制造方法流程图；
图3显示了完成步骤S20后红外探测器的剖视图；
图4显示了完成步骤S22后红外探测器的剖视图，；
图5显示了完成步骤S24后红外探测器的剖视图；
图6显示了完成步骤S26后红外探测器的剖视图；
图7显示了完成步骤S26后红外探测器的剖视图；
图8为图2中步骤S28的操作流程图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
请参看图1，图1所示为本发明较佳实施例的红外探测器的剖面图。本实施例提出一种红外探测器，其可以用于电力网络的安全检测、森林火警的探测以及人体温度的探测等场所。
红外探测器依次包括硅衬底10、金属反射层11、介质层12、牺牲层13、释放保护层161、敏感材料探测层14、金属电极15和释放保护层162。
金属反射层11沉淀在硅衬底10上，并使用光刻、刻蚀等工艺刻出凹槽，构成金属反射图案，其作用是在像元里面形成谐振腔结构，以利于红外线的吸收。本实施例中金属反射层11由物理气相沉积(PVD)技术沉积形成，该金属材料可以是Al、Pt等材料。
介质层12位于金属反射层11的凹槽内，并填满图案之间的凹槽。这种设置可以防止金属反射层11的金属之间造成短路。介质层12的材料为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅，或者掺有硼、磷、碳或氟等杂质元素的上述材料。
介质层12利用化学气相淀积工艺(CVD)技术淀积在金属反射层11上，形成层间介质(IMD)和线间介质(ILD)，再利用化学机械抛光工艺实现介质层12表面的平坦化。另外，介质层12淀积在金属反射层11上之后，也可以利用旋涂玻璃(SOG)的方法形成另一层介质于介质层12上，以填补介质层12的不平，实现介质层12表面的平坦化。在实现介质层12平坦化的同时，尽量使介质层12的高度接近金属反射层11的高度。
牺牲层13沉淀于介质层12上。在本实施例中，所述探测器牺牲层为多孔硅，其通过涂敷或者CVD工艺制成。
牺牲层13上依次沉积有敏感材料探测层14和金属电极15，以形成红外吸收机构来将红外光转换为电流供读取电路读取。
在牺牲层13上刻蚀出通孔131，其作用在于让金属电极15容纳在该通孔131内，对金属电极15起到支撑作用。另外，敏感材料探测层14被金属反射层11、牺牲保护层161和162、金属电极15保护起来，可以避免敏感材料探测层14被污染或损伤。
释放保护层161、162可为二氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)等基于Si、O、C、N等成分的薄膜，还可为非化学计量比的上述薄膜，例如富氧或富硅的二氧化硅，也可为掺有B、P、C或F等元素的上述薄膜，例如氟硅玻璃(FSG)、硼硅玻璃(BPSG)或磷硅玻璃(PSG)等。释放保护层161和162将敏感材料探测层14和金属电极15包围，用以在进行释放工艺时，起到有效保护敏感材料探测层14和金属电极15的作用，同时在制造过程和使用过程中隔离外界的污染和损伤，提高敏感材料探测层14的可靠性，也可以避免金属电极15的短路。
敏感材料探测层14为非晶硅或氧化钒等。
金属电极15为钛电极、钽电极、上下层叠的氮化钛和钛电极或上下层叠的钽和氮化钽电极。
本发明的红外探测器制造方法中红外探测器制作在硅衬底10上。图2为本发明较佳实施例的红外探测器的制造方法流程图。
请同时参考图1和图2，本发明的红外探测器制造方法首先进行步骤S20，在硅衬底10上制作金属反射层11并实现其图形化。实现金属反射层11的图形化即是在金属反射层11上刻蚀出适于形成谐波的金属反射图案。本实施例中金属反射层的沉积温度是摄氏100度到400度之间，以保证CMOS电路金属互连线的稳定性，以及满足金属反射层11的特性要求。
接着进行步骤S22，在金属反射层11上形成介质层12，并实现其平坦化。该步骤可以由旋涂玻璃(SOG，spin on glass)工艺完成。
步骤S24为刻蚀介质层12并停在金属反射层11的表面上。本实施例中，采用了干法刻蚀的终点检测来实现刻蚀介质并停到金属反射层11上表面。检测并确定介质层的高度与金属反射层的高度一致。
再继续进行步骤S26，在介质层12上沉积牺牲层13，通过涂敷或者CVD工艺制成。
接着进行步骤S27，在牺牲层13上光刻刻蚀形成通孔131(如图1所示)。
步骤S28为制作微桥红外吸收结构，红外吸收结构包括了牺牲层13上面依次沉积的敏感材料探测层14和金属电极15。该红外吸收结构所起的作用为吸收红外光，进而产生电流供读取电路读取。步骤S28例如包括制作敏感材料探测层14、牺牲保护层161和162、金属电极15。步骤S28将在后续做详细说明。
图3～图7分别显示了完成步骤S20～S26的红外探测器的剖面结构图。
参见图3，结合参见图2，图3显示了完成步骤S20后红外探测器的剖视图，如图所示，金属反射层11叠在硅衬底10上，并且已经实现了图形化。
图4显示了完成步骤S22后红外探测器的剖视图，如图所示，介质层12沉积在金属反射层11上，且实现了平坦化。
图5显示了完成步骤S24后红外探测器的剖视图，如图所示，介质层12被刻蚀，其高度与金属反射层11的高度一致。
图6显示了完成步骤S26后红外探测器的剖视图，如图所示，介质层12上沉积了牺牲层13。
图7显示了完成步骤S26后红外探测器的剖视图，如图所示，牺牲层13上刻蚀出通孔131，以供后续步骤S28的完成。
图8为图2中步骤S28的操作流程图。
请参考图1和图8，其至少包括以下步骤：
步骤S70：在牺牲层13上光刻刻蚀形成通孔
步骤S71：在牺牲层13上沉积释放保护层161；
步骤S72：在释放保护层161上制作敏感材料探测层14；
步骤S74：在敏感材料探测层14上涂布光刻胶，在通孔底部光刻出电连接图形；
步骤S76：刻蚀敏感材料探测层14以在其上形成通孔内的电连接图形；
步骤S78：去除光刻胶并沉积金属层；
步骤S710：在金属层上涂布光刻胶，并光刻出金属电极图形；
步骤S712：进行刻蚀工艺形成金属电极15；
步骤S714：在金属电极15上沉积释放保护层162。
在沉积释放保护层161和敏感材料探测层14及后续工艺时，薄膜也会在通孔131内(包括侧壁和底部)沉积形成介质；后续步骤会刻蚀去掉通孔131底部金属反射层11上的介质，并沉积金属形成电连接；通过金属沉积之后，通孔131底部与金属电极15相连的是金属反射层11，同时起到电连接和支撑的作用。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种红外探测器，其特征是，包括：
硅衬底；
金属反射层，沉积在该硅衬底上，该金属反射层具有凹槽以构成金属反射图案；
介质层，沉积于凹槽内，且该介质层的高度与该金属反射层的高度一致；
牺牲层，沉积在该介质层和该金属反射层上，并光刻刻蚀形成通孔；
敏感材料探测层，沉积在该牺牲层上；以及金属电极，沉积在该敏感材料探测层上。
2.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征是，该介质层的材料为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅，或者掺有硼、磷、碳或氟等杂质元素的上述材料。
3.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征是，还包括释放保护层包围该敏感材料探测层和该金属电极，用以保护该敏感材料探测层和该金属电极。
4.根据权利要求3所述的红外探测器，其特征是，其中该释放保护层的材料为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅，或者掺有硼、磷、碳或氟等杂质元素的上述材料。
5.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征是，该敏感材料探测层的材料为非晶硅或氧化钒。
6.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征是，该金属电极为钛电极、钽电极、上下层叠的氮化钛和钛电极或上下层叠的钽和氮化钽电极。
7.一种红外探测器的制造方法，其特征是，包括以下步骤：
在硅衬底上形成金属反射层并实现其图形化；
在金属反射层上形成介质层，并实现其平坦化；
刻蚀介质并停在金属层上表面，确定介质层的高度与金属反射层的高度一致；
沉积牺牲层；以及制作微桥红外吸收结构。
8.根据权利要求7所述的红外探测器的制造方法，其特征是，在该金属反射层上形成该介质层时，采用了化学气相淀积工艺将该介质层淀积在该金属反射层上。
9.根据权利要求7所述的红外探测器的制造方法，其特征是，在该金属反射层上形成该介质层后，采用化学机械抛光工艺或者旋涂玻璃的工艺，实现该介质层的平坦化。
10.根据权利要求7所述的红外探测器的制造方法，其特征是，在实现该介质的平坦化后，采用干法刻蚀的终点检测来刻蚀介质并停到该金属反射层的表面，以确定该介质层的高度与该金属反射层的高度一致。
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