CN102169919A - 探测器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种探测器及其制造方法，所述探测器包括：硅衬底；位于硅衬底上的顶层金属层；位于顶层金属层上的顶层通孔层；位于顶层通孔层上的金属功能层；位于金属功能层上的牺牲层；位于牺牲层表面的释放保护层和敏感材料层；位于敏感材料层表面的接触孔以及金属电极；位于金属电极表面的释放保护层；以及位于顶层金属层中的PAD图像；其中，所述PAD图像不被顶层通孔层、金属功能层以及牺牲层覆盖，并且，通过控制金属功能层的厚度以实现对硅片表面图形平整度的控制。本发明将标准CMOS工艺引入探测器工艺中，实现了CMOS工艺与MEMS工艺的兼容，并有效改善了探测器的平整度，大大降低了成本，提高了探测器的性能、成品率和可靠性。

Description

探测器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体技术，特别是探测器及其制造方法。

背景技术

微电子机械***(MEMS)技术因具有微小、智能、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等诸多优点，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钒)吸收红外线并将所吸收的红外线转化成电信号，以实现热成像功能，该热成像功能使得红外探测器可应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。

基于微桥结构的探测器工艺一般与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以及及微机械***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，在采用CMOS技术制备读出电路之后，通过淀积金属并刻蚀形成金属反射层图形；然而，传统工艺使用一般金属反射层实现谐振腔功能及PAD功能，因而该金属反射层厚度往往会比较厚(一般大于6000埃)，在形成金属反射层图形之后，由于其表面的不平坦化问题会积累到后续工艺，从而给后续工艺带来很多问题，如光刻曝光深度等；同时，该金属反射层由于谐振腔的需要，仅使用金属铝即可，但金属铝的反射非常强，会影响到后续膜层的膜厚无法测量，导致无法在线监控后续成膜工艺，并最终影响其产品性能、可靠性和成品率。

因此，如何提供一种探测器及其制造方法，改善CMOS与MEMS工艺的兼容问题，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

本发明在于提供一种探测器及其制造方法，解决在CMOS-MEMS技术中、尤其是MEMS工艺初期的平坦化问题，从而提高探测器的性能、成品率和可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了一种探测器，包括：硅衬底；位于所述硅衬底上的顶层金属层；位于所述顶层金属层上的顶层通孔层；位于所述顶层通孔层上的金属功能层；位于所述金属功能层上的牺牲层及牺牲层上的支撑孔；位于所述牺牲层表面的释放保护层和敏感材料层；位于所述敏感材料层表面的接触孔以及金属电极；位于所述金属电极表面的释放保护层；以及位于所述顶层金属层中的PAD图像；其中，所述PAD图像不被顶层通孔层、金属功能层以及牺牲层覆盖，并且，由于使用顶层金属层实现PAD图像，因而可以通过控制所述金属功能层的厚度以实现对硅片表面图形平整度的控制。

可选的，所述顶层通孔层的各通孔中填充钨。

可选的，所述顶层金属层的顶层金属图案或所述顶层通孔层的顶层通孔图案之间采用介质填充，用于隔离。

可选的，所述介质填充采用二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或其组合，或掺杂有硼、磷、碳、氟元素的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或其组合。

可选的，所述金属功能层与所述顶层金属层通过所述顶层通孔层的各通孔相连接。

可选的，所述金属功能层的厚度为500埃到4000埃。

可选的，所述金属功能层为钛和氮化钛之一或其组合与铝、铝铜、铝硅铜等金属之一或合金的组合。

可选的，所述金属功能层依次具有钛、第一氮化钛、铝、第二氮化钛的膜层，典型厚度分别为100埃、300埃、1000埃、300埃。

可选的，所述牺牲层包括化学气相沉积硅或聚酰亚胺有机物。

可选的，当采用化学气相沉积硅作为所述牺牲层时，采用二氧化硅或掺有杂质及非化学计量比的氧化硅以形成所述释放保护层；当采用聚酰亚胺有机物作为所述牺牲层时，采用氧化硅、硅或氮氧化硅、氮化硅等硅基介质材料以形成所述释放保护层。

可选的，所述牺牲层和所述金属功能层之间还包括基于二氧化硅的黏附层，用于防止金属功能层之间的短路以及增强黏附性。

可选的，所述敏感材料探测层采用非晶硅或氧化钒，或者掺有杂质及非化学计量比的上述材料。

可选的，所述金属电极采用钛电极、钽电极、上下层叠的氮化钛和钛电极以及上下层叠的钽和氮化钽电极中的一种或组合。

可选的，所述金属电极位于所述接触孔的部分与所述金属功能层接触连接。

此外，本发明还提供了一种探测器制造方法，包括：在硅衬底上形成顶层金属层，并实现顶层金属层图形化；在所述顶层金属层上形成顶层通孔层，实现顶层通孔图形化，以及在所述顶层通孔内沉积导电金属并实现顶层通孔层的表面平坦化；在所述顶层通孔层上形成金属功能层并实现所述金属功能层的图形化，所述金属功能层的厚度能够加以调节以实现对硅片表面图形平整度的控制；在所述金属功能层上形成牺牲层，并在所述牺牲层中实现支撑孔图形化；在所述牺牲层表面依次形成第一释放保护层、敏感材料层和接触孔；沉积金属电极并实现其图形化；再次形成第二释放保护层并实现像元图形化；实现PAD图像化，从而在所述顶层金属层中获得PAD图像。

可选的，所述导电金属包括钨。

可选的，还包括：采用CMOS标准工艺，在所述顶层金属层的顶层金属图案或顶层通孔层的顶层通孔图案之间，形成用于隔离的介质填充。

可选的，所述形成金属功能层包括：通过沉积钛、氮化钛、铝、铝铜、铝硅铜等金属之一或合金的组合，形成厚度为500埃到4000埃的金属功能层。

可选的，所述形成金属功能层包括：依次沉积钛层、第一氮化钛层、铝层、第二氮化钛层；刻蚀所述第二氮化钛层直至所述铝层上，仅保留需要在线测试后续膜层厚度的图形区域，实现第二氮化钛层的图形化；刻蚀所述金属功能层，实现所述金属功能层的图形化。

可选的，所述钛层、第一氮化钛层、铝层、第二氮化钛层的厚度分别为100埃、300埃、1000埃、300埃。

可选的，所述实现PAD图像包括：光刻形成PAD图像；通过刻蚀工艺去除PAD图像区域顶层金属层以上的膜层，形成PAD图像。

与现有技术相比，本发明探测器及其制造方法通过顶层金属层来实现PAD图像，并且通过控制金属功能层厚度来实现对硅片表面图形平整度的控制，不仅简化了工艺，而且为后续工艺提供足够的工艺窗口；同时，将标准CMOS标准后道工艺引入探测器金属功能层工艺中，实现了CMOS工艺与MEMS工艺的有效兼容性，并有效地避免了金属功能层之间的短路，大大降低了探测器的制造成本，提高探测器的性能、成品率和可靠性。

附图说明

本发明的探测器及其制造方法由以下的实施例及附图给出：

图1为本发明探测器一种实施方式的剖面示意图；

图2为本发明探测器制造方法一种实施方式的剖面示意图；

图3为图2所示通过步骤S1形成顶层金属层的剖面示意图；

图4为图2所示步骤S2的流程示意图；

图5为图2所示通过步骤S2形成顶层通孔层的剖面示意图；

图6为图2所示通过步骤S3形成金属功能层的剖面示意图；

图7为图2所示步骤S3一种具体实施方式的剖面示意图；

图8为图2所示通过步骤S4形成牺牲层以及支撑孔结构的剖面示意图；

图9为基于图8所示结构在牺牲层和金属功能层之间形成黏附层的的剖面示意图；

图10为图2所示通过步骤S5形成释放保护层的剖面示意图；

图11为图2所示通过步骤S5形成敏感材料层的剖面示意图；

图12为图2所示通过步骤S6形成接触孔图形化以及金属电极的剖面示意图；

图13为图2所示通过步骤S7形成第二释放保护层的剖面示意图；

图14为图2所示通过步骤S8形成PAD图像的剖面示意图。

具体实施方式

以下将对本发明探测器及其制造方法作进一步的详细描述。

参见图1，本发明提供了一种探测器的实施方式，包括：

硅衬底101；

位于硅衬底101上的顶层金属层102；

位于顶层金属层102上的顶层通孔层103；

位于顶层通孔层103上的金属功能层104；

位于金属功能层104上的牺牲层105；

位于牺牲层105表面的释放保护层106和敏感材料层107；

位于敏感材料层107表面的接触孔以及金属电极108；

位于金属电极108表面的释放保护层106；

以及位于顶层金属层102中的PAD图像109；

其中，PAD图像109不被顶层通孔层103、金属功能层104以及牺牲层105覆盖，并且，通过控制金属功能层102的厚度以实现对硅片表面图形平整度的控制。

其中，金属功能层104与顶层金属层102通过顶层通孔层103中的多个通孔形成连接。

顶层金属层102还可包括位于顶层金属图案用于隔离的介质填充110，和/或顶层通孔层103中还可包括位于顶层通孔图案之间用于隔离的介质填充110。该介质填充110可采用二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或其组合，或掺杂有硼、磷、碳、氟元素的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或其组合。

顶层通孔层103的各通孔中可填充钨等导电金属。

金属功能层104的金属材料可为钛和氮化钛之一或其组合与铝、铝铜、铝硅铜等金属之一或合金的组合；金属功能层104的整体厚度可为500埃到4000埃，具体来说，通过控制金属功能层104的厚度可实现对硅片表面图形台阶的控制以及探测器特殊功能(反射谐振腔等)的需求。在具体实施例中，可采用钛层、第一氮化钛层、铝层、第二氮化钛层的组合结构，所形成的金属功能层104的膜厚分别为100埃、300埃、1000埃、300埃。

牺牲层105可采用化学气相沉积硅(CVD-Si)或聚酰亚胺等有机物。此外，为增强黏附性，可在牺牲层105和金属功能层104之间设置基于二氧化硅(SiO₂)的黏附层，一方面可以防止金属功能层104之间的短路，一方面可以增强黏附性。在具体实施例中，可采用基于正硅酸乙酯的二氧化硅作为黏附层，其厚度为1000埃；以及在该黏附层上采用CVD-Si作为牺牲层150。

释放保护层106所采用的材料可根据牺牲层105的材料而确定。例如，当采用CVD-Si作为牺牲层105时，可采用二氧化硅或掺有杂质及非化学计量比的氧化硅以形成释放保护层106；当采用聚酰亚胺等有机物作牺牲层105时，可采用氧化硅、硅或氮氧化硅、氮化硅等硅基介质材料以形成释放保护层106。在具体实施例中，采用二氧化硅(SiO₂)以形成释放保护层106。

敏感材料探测层107可采用非晶硅或氧化钒，或者掺有杂质及非化学计量比的上述材料，例如，可采用红非晶硅形成敏感材料层107。

其中，金属电极108位于接触孔的部分与金属功能层104接触连接。金属电极108可为钛电极、钽电极、上下层叠的氮化钛和钛电极以及上下层叠的钽和氮化钽电极中的一种或组合。例如，可采用氮化钛作为金属电极108。

参考图2，本发明探测器制造方法的一种具体实施方式，包括：

步骤S1，在硅衬底上形成顶层金属层，并实现顶层金属层图形化；

步骤S2，在所述顶层金属层上形成顶层通孔层，实现顶层通孔图形化，以及在所述顶层通孔内沉积导电金属并实现顶层通孔层的表面平坦化；

步骤S3，在所述顶层通孔层上形成金属功能层并实现所述金属功能层的图形化，所述金属功能层的厚度能够加以调节以实现对硅片表面图形平整度的控制；

步骤S4，在所述金属功能层上形成牺牲层，并在所述牺牲层中实现支撑孔图形化；

步骤S5，在所述牺牲层表面依次形成第一释放保护层、敏感材料层和接触孔；

步骤S6，沉积金属电极并实现其图形化；

步骤S7，再次形成第二释放保护层并实现像元图形化；

步骤S8，实现PAD图像化，从而在所述顶层金属层中实现PAD图形。

具体来说，参考图3，在步骤S1中，可通过沉积工艺在硅衬底200上形成顶层金属层210，并通过刻蚀工艺形成顶层金属层的图形化。

参考图4和图5，步骤S2具体可包括：通过沉积工艺在顶层金属层210上形成顶层通孔层220；接着，通过刻蚀工艺在顶层通孔层220中形成通孔图形化；接着，通过化学气相沉积工艺在各通孔221中沉积导电金属，例如钨，以填充通孔221；然后，通过化学机械平坦化(CMP)实现顶层通孔层220表面平坦化，以实现硅片表面平坦化。

在步骤S1和步骤S2中，还可分别在所述顶层金属层的顶层金属图案或顶层通孔层的顶层通孔图案之间，通过CMOS标准工艺的金属层间介质/层间介质隔离(IMD/ILD)工艺形成用于隔离的介质填充。所述介质填充可采用二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或其组合，或掺杂有硼、磷、碳、氟元素的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或其组合。

参考图6，执行步骤S3，形成金属功能层，所述金属功能层通过顶层通孔层220中的各通孔与顶层金属层210形成连接。在步骤S3中，所述形成金属功能层及实现其图形化可包括：通过沉积钛和氮化钛之一或其组合与铝、铝铜、铝硅铜等金属之一或合金的组合，形成厚度可为500埃到4000埃中任意值的金属功能层230；选择性保留设定区域的钛和氮化钛之一或其组合层，并刻蚀该钛和氮化钛之一或其组合层直至铝、铝铜、铝硅铜等金属之一或其合金层；接着，实现整个金属功能层230的图形化。

通过上述步骤形成的金属功能层230，既可以满足金属层反射形成谐振腔，解决探测器特殊功能，例如反射谐振腔等的需求，又可以通过测量保留在设定区域上的在线膜厚对后续工艺进行在线监控，从而通过对金属功能层230厚度的控制实现对硅片表面图形台阶的控制。

在具体实施中，参考图7，首先，可依次沉积钛层231、第一氮化钛层232、铝层233、第二氮化钛层234；接着，曝光第二氮化钛层234，保留需要进行在线(inline)膜厚测试图形上的第二氮化钛234部分，刻蚀第二氮化钛层234直至铝层233上，以形成第二氮化钛234图形化；接下来，刻蚀金属功能层230，实现整个金属功能层的图形化。

其中，所保留的钛层231、第一氮化钛层232、铝层233、第二氮化钛层234的厚度分别可以为100埃、300埃、1000埃、300埃。

参考图8，在步骤S4中，可采用化学气相沉积硅或聚酰亚胺等有机物以形成牺牲层240；进一步地，在牺牲层240中形成支撑孔结构250。

此外，参考图9，在步骤S4中，为增强黏附性，还可在牺牲层240和金属功能层230之间增加一层基于二氧化硅的黏附300，一方面可以防止金属功能层之间的短路，一方面可以增强黏附性。例如，可采用基于正硅酸乙酯的二氧化硅形成厚度为1000埃的黏附层；并且，进一步地在该黏附层上，采用化学气相沉积硅以形成牺牲层。

参考图10，在步骤S5中，具体来说，所述形成释放保护层可包括：根据牺牲层240所采用的材料确定释放保护层的材料，在牺牲层240表面形成释放保护层260。其中，当牺牲层240采用化学气相沉积硅时，释放保护层260可采用氧化硅或二氧化硅；当牺牲层240采用聚酰亚胺等有机物时，释放保护层260可采用氧化硅、硅或氮氧化硅、氮化硅。

参考图11，形成释放保护层260之后，进一步形成敏感材料层270。具体来说，所述形成敏感材料层包括：采用非晶硅或氧化钒以形成敏感材料探测层。在具体实施例中，敏感材料层270可采用红非晶硅。在形成敏感材料层270的基础上，通过刻蚀工艺对敏感材料层270和释放保护层260进行刻蚀，形成多个接触孔271，实现接触孔图形化。

接着，执行步骤S6。参考图12，通过沉积工艺，形成金属电极280并实现图形化。其中，金属电极280在各接触孔271处的部分与金属功能层230相接触并形成连接。具体来说，金属电极可为钛电极、钽电极、上下层叠的氮化钛和钛电极以及上下层叠的钽和氮化钽电极的一种或其组合。在具体实施例中，可采用氮化钛作为金属电极材料。

在步骤S7中，参考图13，形成第二释放保护层290的工艺步骤以及第二释放保护层290的材料可与第一释放保护层相同，也可不相同。其中，本领域技术人员应能理解，形成像元图形化的步骤可采用现有技术中的任一种方案，其步骤的顺序或省略不对本发明思路造成影响。

接下来，执行步骤S8。其中，参考图14，可通过刻蚀工艺，去除PAD图像211所处顶层金属层之上的所有膜层。在上述实施例中，当金属功能层采用Ti\TiN\Al\TiN的结构时，实现PAD图形化时，还包括去除Al层上的TiN层，以实现后续的引线键合和封装步骤。

与现有技术相比，本发明探测器及其制造方法通过顶层金属层来实现PAD图像，并且通过控制金属功能层厚度来实现对硅片表面图形平整度的控制，不仅简化了工艺，而且为后续工艺提供足够的工艺窗口；同时，将标准CMOS标准后道工艺引入探测器金属功能层工艺中，实现了CMOS工艺与MEMS工艺的有效兼容，并有效地避免了金属功能层之间的短路，大大降低了探测器的制造成本，提高探测器的性能、成品率和可靠性。

此外，本发明探测器及其制造方法的具体实施方式还通过对金属功能层选择性保留部分区域铝层上面的氮化钛层，既可以满足金属层反射形成谐振腔，又可以通过对所保留的设定区域图形上的在线膜厚进行测量，来实现对后续工艺的在线监控。

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 (21)

1.一种探测器，包括：硅衬底；位于所述硅衬底上的顶层金属层；位于所述顶层金属层上的顶层通孔层；位于所述顶层通孔层上的金属功能层；位于所述金属功能层上的牺牲层；位于所述牺牲层表面的释放保护层和敏感材料层；位于所述敏感材料层表面的接触孔以及金属电极；位于所述金属电极表面的释放保护层；以及位于所述顶层金属层中的PAD图像；其中，所述PAD图像不被顶层通孔层、金属功能层以及牺牲层覆盖，并且，通过控制所述金属功能层的厚度以实现对硅片表面图形平整度的控制。

2.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述顶层通孔层的各通孔中填充钨。

3.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述顶层金属层的顶层金属图案或所述顶层通孔层的顶层通孔图案之间采用介质填充，用于隔离。

4.如权利要求3所述的探测器，其特征在于，所述介质填充采用二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或其组合，或掺杂有硼、磷、碳、氟元素的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或其组合。

5.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述金属功能层与所述顶层金属层通过所述顶层通孔层的各通孔相连接。

6.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述金属功能层的厚度为500埃到4000埃。

7.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述金属功能层为钛和氮化钛之一或其组合与铝、铝铜、铝硅铜等金属之一或合金的组合。

8.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述金属功能层依次具有钛、第一氮化钛、铝、第二氮化钛的膜层，厚度分别为100埃、300埃、1000埃、300埃。

9.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述牺牲层包括化学气相沉积硅或聚酰亚胺有机物，该牺牲层将金属功能层之间填充。

10.如权利要求9所述的探测器，其特征在于，当采用化学气相沉积硅作为所述牺牲层时，采用二氧化硅或掺有杂质及非化学计量比的氧化硅以形成所述释放保护层；当采用聚酰亚胺有机物作为所述牺牲层时，采用硅基介质材料以形成所述释放保护层。

11.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述牺牲层和所述金属功能层之间还包括基于二氧化硅的黏附层，用于防止金属功能层之间的短路以及增强黏附性。

12.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述敏感材料探测层采用非晶硅或氧化钒，或者掺有杂质及非化学计量比的非晶硅或氧化钒。

13.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述金属电极采用钛电极、钽电极、上下层叠的氮化钛和钛电极以及上下层叠的钽和氮化钽电极中的一种或组合。

14.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述金属电极位于所述接触孔的部分与所述金属功能层接触连接。

15.一种探测器制造方法，包括：

在硅衬底上形成顶层金属层，并实现顶层金属层图形化；

在所述顶层金属层上形成顶层通孔层，实现顶层通孔图形化，以及在所述顶层通孔内沉积导电金属并实现顶层通孔层的表面平坦化；

在所述顶层通孔层上形成金属功能层并实现所述金属功能层的图形化，所述金属功能层的厚度能够加以调节以实现对硅片表面图形平整度的控制；

在所述金属功能层上形成牺牲层，并在所述牺牲层中实现支撑孔图形化；

在所述牺牲层表面依次形成第一释放保护层、敏感材料层和接触孔；

沉积金属电极层并实现其图形化；

再次形成第二释放保护层并实现像元图形化；

实现PAD图像化，从而在所述顶层金属层中获得PAD图像。

16.如权利要求13所述的探测器制造方法，其特征在于，所述导电金属包括钨。

17.如权利要求13所述的探测器制造方法，其特征在于，还包括：采用CMOS标准工艺，在所述顶层金属层的顶层金属图案或顶层通孔层的顶层通孔图案之间，形成用于隔离的介质填充。

18.如权利要求13所述的探测器制造方法，其特征在于，所述形成金属功能层包括：通过沉积钛和氮化钛之一或其组合与铝、铝铜、铝硅铜等金属之一或合金的组合，形成厚度为500埃到4000埃的金属功能层。

19.如权利要求16所述的探测器制造方法，其特征在于，所述形成金属功能层包括：

依次沉积钛层、第一氮化钛层、铝层、第二氮化钛层；

刻蚀所述第二氮化钛层直至所述铝层上，仅保留需要在线测试后续膜层厚度的图形区域，实现第二氮化钛层的图形化；

刻蚀所述金属功能层，实现所述金属功能层的图形化。

20.如权利要求17所述的探测器制造方法，其特征在于，所述钛层、第一氮化钛层、铝层、第二氮化钛层的厚度为100埃、300埃、1000埃、300埃。

21.如权利要求13所述的探测器制造方法，其特征在于，所述实现PAD图像化工艺包括：光刻形成PAD图像；通过刻蚀工艺去除PAD图像区域顶层金属层以上的膜层，形成PAD图像。

Images