CN101927976B - 微桥结构红外探测器以及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种微桥结构红外探测器，属于微机电技术领域，包括：硅衬底，作为红外探测器的读出电路；金属反射层，沉积在所述硅衬底之上；介质层，沉积于金属反射层的凹槽内，且该介质层的高度与该金属反射层的高度一致；牺牲层和用于作为释放牺牲层保护的第一释放保护层，沉积在所述介质层和金属反射层上，并光刻刻蚀形成通孔；铜或钨桥墩，沉积在牺牲层的通孔内；金属电极，沉积在铜或钨桥墩及第一释放保护层之上；敏感材料探测层，沉积在金属电极和第一释放保护层上。本发明大马士革工艺制造Cu柱微桥结构，并引入化学机械抛光工艺(CMP)可以制造出平坦化的微桥平面，有利于后续工艺，改善性能。

Description

微桥结构红外探测器以及制造方法

技术领域

本发明属于微机电技术领域，具体涉及利用大马士革铜制程工艺制造红外探测器焦平面阵列的工艺方法。

背景技术

微机电(MEMS)产品已广泛用于人们的日常生活中，包括汽车安全气囊加速度计、汽车和医用压力传感器、微麦克风、喷墨打印磁头及非制冷非红外探测器等。MEMS产品一般包括MEMS结构和CMOS处理电路部分。由于MEMS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，但工艺的兼容性问题始终是困扰CMOS-MEMS技术的关键。另一方面，现今MEMS工艺平台还未像半导体行业实现标准化和产业化，多数制造平台都是为某个产品而建立的，不适合更广泛的产品代工，所以借鉴并引进半导体行业的技术经验对MEMS产品的制造发展将非常有利。

红外探测器一般是采用在CMOS电路上集成MEMS微桥结构，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。当前红外探测器主要发展方向为减小像元结构尺寸并增大阵列尺寸，改善探测器的图像分辨率，扩大红外探测器的应用范围，其MEMS制造工艺的水平已成为制约产品性能的主要因素。红外探测器的微桥结构从早期的100*100微米缩小到现今的17*17微米像元结构，例如《BAE公司17微米焦平面红外探测器》(SPIE(国际光学工程学会)2009年红外技术和及其应用讨论会，SPIE卷7298，72980P-1～72980P-6页，Richard Blackwell.等，“17um Microbolometer FPA Technology at BAESystems，”Proceedings of SPIE conference on infrared technology andapplications XXXV，2009.SPIE Vol.7298，pp.1-6)。小的像元结构可以减小薄膜的应力不匹配并增强探测器的灵敏度和分辨率；另外，对于相同的阵列规模，小的像元结构意味着更小的探测器及镜头尺寸，从而可以缩小红外热像仪***的重量和尺寸，增加红外热像仪的便携性。

缩小像元尺寸对MEMS加工工艺提出了更高的要求。对于传统的微桥结构红外探测器，一般采用铝(Al)柱支撑微桥结构，例如《非晶硅技术在CEA/LETi的发展》(SPIE(国际光学工程学会)2002年光电探测器材料与设备，SPIE卷4650，138～149页，E MOTTIN.等，“Amorphous silicontechnology improvement at CEA/LETI，”Proceedings of SPIE PhotodetectorMaterials and Devices VII，2002.SPIE Vol.4650，pp.138-149)，这种结构对铝在通孔中填充效果及刻蚀选择比要求较高，另外铝柱支撑也存在着电阻率较大及易出现电迁移等问题，从而影响红外探测器的整体性能；因此，如何借鉴现有的半导体工艺改进红外探测器加工制造工艺，解决其MEMS工艺表面平坦化问题等，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

为了提高红外探测器的加工工艺水平，改善其CMOS与MEMS部分的工艺兼容性，本发明提出一种基于大马士革工艺的Cu柱红外探测器结构及制造方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：

一种微桥结构红外探测器，其特征在于包括：

硅衬底，作为红外探测器的读出电路；

金属反射层，沉积在所述硅衬底之上；

介质层，沉积于金属反射层的凹槽内，且该介质层的高度与该金属反射层的高度一致；

牺牲层和用于作为释放牺牲层保护的第一释放保护层，沉积在所述介质层和金属反射层上，并光刻刻蚀形成通孔；

铜或钨桥墩，沉积在牺牲层的通孔内；

金属电极，沉积在铜或钨桥墩及第一释放保护层之上；

敏感材料探测层，沉积在金属电极和第一释放保护层上。

在本发明提供的红外探测器结构中用铜或钨柱支撑微桥结构，有利于实现CMP工艺，微桥平面平坦化，有利于后续加工。

进一步，所述该红外探测器还包括：

介质绝缘层，沉积于金属电极和敏感材料探测层之上；

红外吸收增强层，沉积在介质绝缘层上。

第二释放保护层，第二释放保护层包围该敏感材料探测层和该金属电极，用以保护敏感材料探测层和金属电极。

本发明所述金属反射层为高红外反射率金属薄膜，金属选自铝、金、银或铜。

本发明所述牺牲层材料选自与CMOS工艺兼容的非晶硅、多晶硅或二氧化硅。

本发明所述介质层、介质绝缘层、第一释放保护层和第二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

非化学计量比的氮氧化硅、氮化硅和碳化硅，或

掺有硼、磷的上述材料。

本发明所述金属电极选自钛电极、钽电极、上下层叠的氮化钛和钛电极或上下层叠的钽或氮化钽电极。氮化钽(TaN为)Cu扩散阻挡材料，金属电极还可以为氮化钽/钽(TaN/Ta)的复合层，另外，通过调节TaN薄膜中的Ta/N元素比可以改变TaN薄膜的电阻率，得到最有利于红外吸收的TaN薄膜；

本发明所述敏感材料探测层为非晶硅或氧化钒，其可以实现与CMOS工艺很好的兼容。

本发明所述红外吸收增强层为金属钛、钽、铂或为氮化钛、氮化钽等金属化合物薄膜。通过改变薄膜的N元素含量调整薄膜的方块电阻在377ohm/□左右，使其红外吸收效果达到最佳。

本发明另一目的是提供诸如上述红外探测器的制造方法，包括以下步骤：

a.在硅衬底上形成金属反射层并图形化；

b.在金属反射层上形成介质层，并实现其平坦化；

c.刻蚀介质层并停在金属反射层上表面，确保介质层的高度与金属反射层的高度一致；

d.沉积牺牲层和化学机械平坦化停止层；

e.刻蚀微桥通孔，电镀金属铜/钨并化学机械抛光平坦化；

f.沉积金属电极层和探测器敏感材料层并图形化，沉积介质层；

g.沉积红外吸收增强层并图形化，沉积释放保护层；

h.图形化微桥结构，释放牺牲层得到悬空的微桥结构；

在实现介质层的平坦化后，采用干法刻蚀的终点检测来刻蚀介质并停在该金属反射层的表面，以确保该介质层的高度与该金属反射层的高度一致。

本发明制造方法利用大马士革CMOS铜制程工艺制造微桥结构。大马士革工艺是集成电路互连技术中的成熟工艺，可有效减小互连电阻值，降低芯片的功耗，(可参见资料，成立，李加元等，VLSI芯片制备中的多层互连新技术，《半导体技术》，2006.11)，《利用大马士革工艺制备Cu柱结构红外探测器既可改善其MEMS部分的加工能力又提高了红外探测器的性能》。

本发明有益的效果是：

(1)、本发明利用大马士革铜工艺制造红外探测器极大程度提升红外探测器的加工制造能力，为小尺寸像元结构加工提供了加工方法，另外也改善了探测器中CMOS与MEMS部分的工艺兼容性。

(2)、本发明红外探测器结构可以把化学机械抛光工艺(CMP)引入红外探测器的加工中，实现平坦化的微桥平面，有利于后续工艺的进行。

(3)、本发明利用Cu柱支撑微桥结构，相对于传统的Al柱性能更好，主要由于Al的电阻率2.83*10-8ohm.m相比于Cu的1.75*10-8ohm.m较大，且Al易发生电迁移。

(1)、本发明的微桥结构附加红外吸收增强层的，当像元尺寸缩小导致红外吸收有效面积减小时可明显改善微桥结构的红外吸收效果。

附图说明

图1所示为本发明实施例中微桥结构红外探测器的示意图；

图2为本发明实施例中微桥结构红外探测器的剖面图；

图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)、(m)、(n)、(o)为制造本发明的微桥结构制作方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

请参看图1和图2，本实施例提出一种红外探测器，适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。发明微桥结构可广泛应用于非制冷红外探测器，气体探测器，微加热平台，红外线辐射源器件等微机电***和器件。

红外探测器依次包括读出电路11、第一介质层121、金属反射层13、第二介质层122、牺牲层14、铜柱16、第一释放保护层151、金属电极17、敏感材料探测层18、介质绝缘层19、红外吸收层20、第二释放保护层152。

本发明红外探测器硅衬底，作为红外探测器的读出电路；

金属反射层13，沉积在所述硅衬底之上；

第一介质层121，沉积于金属反射层13的凹槽内，且该介质层的高度与该金属反射层的高度一致；

牺牲层14和用于作为释放牺牲层保护的第一释放保护层151，沉积在所述第一介质层121和金属反射层13上，并光刻刻蚀形成通孔；

铜桥墩16，沉积在牺牲层14的通孔内；

金属电极17，沉积在铜或钨桥墩及释放保护层之上；

敏感材料探测层18，沉积在金属电极17和第一释放保护层151上。

红外探测器的读出电路11由标准的CMOS工艺制作，红外探测器的金属反射层13通过钨通孔与读出电路11实现电连接。金属反射层13沉积在第一介质层121上，使用光刻、刻蚀等工艺实现金属反射层13图案，其作用是作为红外光谱的反射层，提高红外探测器的红外吸收，从而提高红外探测器的响应度。本实施例中，金属反射层13由物理气相沉积(PVD)技术形成，该金属材料可以是铝、钽、钛等金属薄膜。

第二介质层122沉积在金属反射层13之上，形成层间介质(IMD)和线间介质(ILD)，再利用化学机械抛光(CMP)工艺实现介质层122表面的平坦化。在实现第二介质层122平坦化的同时，尽量使第二介质层122的高度接近金属反射层13的高度。然后采用干法刻蚀的终点检测来实现刻蚀介质层122并停到金属反射层13上表面。第二介质层122的作用是实现金属反射层13表面的平坦化，使探测器后续的光刻和刻蚀等工艺更容易实现。本实施例中，第二介质层122由增强等离子化学气相沉积(PECVD)技术形成，该介质层材料可以是二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等介质绝缘材料。

铜柱16使用大马士革铜互连工艺实现。在金属反射层13和第二介质层122之上沉积牺牲层14和释放保护层151，利用光刻和刻蚀实现铜柱16的填充图形。然后使用大马士革铜互连工艺中标准的铜电镀工艺(ECP)和化学机械抛光(CMP)工艺，完成铜柱16的填充和图形化。铜柱16既作为牺牲层14释放后微桥的支撑结构，也作为微桥与金属反射层13的电连接结构。本实施例中，牺牲层14的材料为非晶硅，由增强等离子化学气相沉积(PECVD)技术形成，释放牺牲层14非晶硅的反应气体为二氟化氙；释放保护层151的材料可以是二氟化氙释放非晶硅时选择比较高的二氧化硅或者氮化硅，由增强等离子化学气相沉积(PECVD)技术形成，既作为释放保护层，也作为化学机械抛光(CMP)铜的停止层。

金属电极17沉积在第一释放保护层151和铜柱16之上，作为敏感材料和铜柱16的电连接材料。本实施例中，金属电极17的材料可以是由物理气相沉积(PVD)技术形成的钛、氮化钛、钽、氮化钽、钛和氮化钛的叠层、钽和氮化钽的叠层等金属薄膜。使用光刻和干法刻蚀实现金属电极17的图形化。

敏感材料探测层18沉积在金属电极17之上，作为红外敏感材料。本实施例中，敏感材料可以是非晶硅或者氧化钒等具有较高的电阻温度系数的薄膜材料。非晶硅由增强等离子化学气相沉积(PECVD)技术形成，氧化钒由物理气相沉积(PVD)技术形成。

敏感材料之上，依次沉积介质绝缘层19、红外吸收层20和第二释放保护层152。本实施例中，红外吸收层20材料作为提高红外探测器红外吸收效率的主要结构，可以是氮化钛和氮化钽等具有很高红外吸收率的材料，由物理气相沉积(PVD)技术形成；介质绝缘层19作为敏感材料和红外吸收层20之间的绝缘结构，可是二氧化硅和氮化硅等绝缘材料，由增强等离子化学气相沉积(PECVD)技术形成；释放保护层152作为释放牺牲层14的保护材料，可以是二氟化氙释放非晶硅时选择比较高的二氧化硅或者氮化硅，由增强等离子化学气相沉积(PECVD)技术形成。

最后利用光刻和干法刻蚀制作探测器的微桥图形，在二氟化氙气体中释放牺牲层14非晶硅，形成悬空的红外探测器的微桥结构30。

图3为本发明较佳实施例的红外探测器的制造方法流程图。

第一步，如图3(a)所示，在第一介质层121之上沉积金属反射层13并图形化，然后第二沉积介质层122并化学机械抛光(CMP)，抛光后的第二介质层122的厚度高于金属反射层13。

第二步，如图3(b)所示，采用干法刻蚀的终点检测来实现刻蚀介质层122并停到金属反射层13上表面。

第三步，如图3(c)所示，在金属反射层13和第二介质层122之上沉积牺牲层14，牺牲层14的厚度一般为2微米左右。

第四步，如图3(d)所示，在牺牲层14之上沉积第一释放保护层151。

第五步，如图3(e)所示，图形化第一释放保护层151。

第六步，如图3(f)所示，图形化牺牲层14。

第七步，如图3(g)所示，使用大马士革铜互连工艺电镀铜，铜的最低点必须高于第一释放保护层151。

第八步，如图3(h)所示，化学机械抛光(CMP)铜，停在第一释放保护层151的上表面。

第九步，如图3(i)所示，沉积金属电极17并图形化。

第十步，如图3(j)所示，沉积敏感材料探测层18并图形化。

第十一步，如图3(k)所示，沉积介质绝缘层19。

第十二步，如图3(l)所示，沉积红外吸收层20并图形化。

第十三步，如图3(m)所示，沉积第二释放保护层152。

第十四步，如图3(n)所示，以形成图形的方法刻蚀出微桥结构30。

第十五步，如图3(o)所示，通过去除牺牲层14释放并形成悬空的微桥结构30。

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 (8)

1.一种微桥结构红外探测器，其特征在于包括：

硅衬底，作为红外探测器的读出电路；

金属反射层，沉积在所述硅衬底之上；

铜桥墩，使用大马士革铜互连工艺中标准的铜电镀工艺和化学机械抛光工艺实现，铜桥墩既作为牺牲层释放后微桥的支撑结构，也作为微桥与金属反射层的电连接结构，铜桥墩的高度与释放保护层的高度一致；

介质层，沉积于金属反射层的凹槽内，且该介质层的高度与该金属反射层的高度一致；

牺牲层和用于作为释放牺牲层保护的第一释放保护层，沉积在所述介质层和金属反射层上，并光刻刻蚀形成通孔；

金属电极，沉积在铜桥墩及第一释放保护层之上；

敏感材料探测层，沉积在金属电极和第一释放保护层上；

该红外探测器还包括：

介质绝缘层，沉积于金属电极和敏感材料探测层之上；

红外吸收增强层，沉积在介质绝缘层上；

第二释放保护层，第二释放保护层包围该敏感材料探测层和该金属电极，用以保护敏感材料探测层和金属电极；

牺牲层材料选自与CMOS工艺兼容的非晶硅。

2.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器，其特征是所述金属反射层为高红外反射率金属薄膜，金属选自铝、金、银或铜。

3.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器，其特征是介质层、介质绝缘层、第一释放保护层和第二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

非化学计量比的氮氧化硅、氮化硅和碳化硅，或掺有硼、磷的上述材料。

4.根据权利要求2所述的微桥结构红外探测器，其特征是所述金属电极选自钛电极、钽电极、上下层叠的氮化钛和钛电极或上下层叠的钽或氮化钽电极。

5.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器，其特征是敏感材料探测层为非晶硅或氧化钒。

6.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器，其特征是，红外吸收增强层为金属钛或钽或铂或氮化钛或氮化钽薄膜。

7.一种如权利要求2所述的微桥结构红外探测器的制造方法，其特征是，包括以下步骤：

a．在硅衬底上形成金属反射层并图形化；

b．在金属反射层上形成介质层，并实现其平坦化；

c．刻蚀介质层并停在金属反射层上表面，确保介质层的高度与金属反射层的高度一致；

d．沉积牺牲层和化学机械平坦化停止层；

e．刻蚀牺牲层形成连接通孔，并沉积金属铜，使用铜化学机械抛光工艺形成铜桥墩；

f．沉积金属电极层和探测器敏感材料层并图形化，沉积介质层；

g．沉积红外吸收增强层并图形化，沉积释放保护层；

h．图形化微桥结构，释放牺牲层得到悬空的微桥结构；

在实现介质层的平坦化后，采用干法刻蚀的终点检测来刻蚀介质并停在该金属反射层的表面，以确保该介质层的高度与该金属反射层的高度一致。

8.根据权利要求7所述的微桥结构红外探测器的制造方法，其特征是，本制造方法利用大马士革CMOS铜制程工艺制造微桥结构。

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