CN103715307A - 一种非制冷红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非制冷红外探测器制备方法，包括：提供一包含读出电路的半导体衬底，在半导体衬底上依次沉积金属反射层、绝缘介质层、牺牲层、支撑层、金属电极层、氮化硅介质层；刻蚀掉金属电极层上方的部分氮化硅保护层,露出金属电极，形成接触孔；在形成接触孔的半导体衬底上沉积热敏薄膜，对热敏薄膜进行图形化处理，然后沉积氮化硅钝化层，进行钝化层图形化和结构释放。本发明还提出了一种非制冷红外探测器结构，即在金属电极之上覆盖热敏薄膜，使非制冷红外探测器对红外的反射率大大降低，提高了探测器的红外吸收效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术中的微机电***工艺制造领域，具体涉及一种非制冷红外探测器及其制备方法。
背景技术
非制冷红外探测技术是无需制冷***对外界物体的红外辐射（IR）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***和部分军事红外***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MEMS（MEMS:Micro-electromechanical Systems，微机电***）制造工艺的微测辐射热计（Micro-bolometer）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（Micro-bolometer）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致冷红外探测器。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（ROIC:Readout Integrated Circuits）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（TCR:TemperatureCoefficient of Resistance），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（VOx）、非晶硅以及高温超导材料（YBCO）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(Contact)与支撑层上的热敏材料连接，另一端通过桥墩和通孔(Via)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（Sensitivity）和较低的噪声(Noise)，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.ROIC上溅射金属反射层如Al,Au,Pt,NiCr薄膜，并进行图形化后形成反射层图形，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.涂覆牺牲层聚酰亚胺PI(Polyimide)，并光刻蚀刻形成PI孔图形，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），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(Via)，Via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（反应离子刻蚀）蚀刻出接触孔(Contact)，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：
1.热敏薄膜不能承受高温工艺，如果将热敏薄膜放在电极层次之前，就不能兼容标准IC工艺的PVD（物理气相沉积）工艺。
2.电极沉积在热敏薄膜氧化钒之后，氧化钒上接触孔（Contact）处金属电极会反射红外，会降低探测器红外吸收效率。如果先沉积金属电极，再沉积热敏薄膜氧化钒，台面上金属电极之上覆盖着一层热敏薄膜氧化钒，使其对红外辐射的反射率大大降低，提高了探测器的红外吸收效率。
3.氧化钒热敏薄膜和集成电路制造工艺的兼容性不好，工厂（Foundry）担心氧化钒材料和钒材料沾污设备，需要对氧化钒工艺后的设备，进行单独配置且进行隔离，防止沾污其他产品和工艺设备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种非制冷红外探测器的制备方法，解决热敏薄膜与集成电路制造工艺兼容性不好、现有工艺制造的探测器反射率高等问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种非制冷红外探测器制备方法，包括如下步骤：
步骤1:提供一包含读出电路的半导体衬底，在读出电路上沉积一金属层；并对金属层进行图形化，形成金属反射层图形和金属电极块；金属电极块与半导体衬底上的读出电路电连接；在完成图形化的金属层上沉积绝缘介质层；
步骤2:在绝缘介质层上沉积牺牲层，并对牺牲层进行图形化处理，在完成图形化处理后的牺牲层上沉积氮化硅薄膜作为支撑层;
步骤3:在沉积完支撑层的半导体衬底上通过光刻和反应离子蚀刻的方法蚀刻通孔，通孔蚀刻终止于与读出电路电连接的金属电极块；
步骤4：在形成通孔的半导体衬底上沉积金属电极层，并对金属电极层进行图形化，形成金属连线和金属电极；在完成图形化的金属电极层上沉积氮化硅介质层；
步骤5：在沉积完氮化硅介质层的半导体衬底上通过光刻和蚀刻的方法，刻蚀掉金属电极上方的部分氮化硅介质层,露出金属电极，形成接触孔；
步骤6：在形成接触孔的半导体衬底上沉积热敏层，并对热敏层进行图形化，所述热敏层为氧化钒薄膜；
步骤7：在完成图形化的热敏层上沉积氮化硅钝化层，然后进行钝化层图形化和结构释放：去除牺牲层，形成微桥结构。
本发明一种非制冷红外探测器制备方法的有益效果在于：简化工艺，降低成本，能显著提供探测器的良率，降低工艺难度；可以提高氧化钒热敏薄膜和集成电路制造的兼容性，减少设备投入，充分利用工厂的设备和管理生产技术，提高产品的良率和降低成本，且更好地防范对其他产品沾污的可能性，做好风险管理预防。
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，所述步骤6中：在沉积热敏层之前，先沉积一层V/V2O5/V薄膜作为过渡层，所述V/V2O5/V薄膜的厚度为
采用离子束沉积或物理气相沉积的方法在所述过渡层上沉积所述热敏层，所述热敏层厚度为
采用上述进一步方案的有益效果是：完成金属电极蚀刻后，先沉积氮化硅保护层，蚀刻接触孔（Contact），然后在沉积氧化钒薄膜的时候，先沉积一层很薄的V/V2O5/V薄膜，再沉积热敏薄膜氧化钒，经过后续的高温工艺或者退火工艺V/V2O5/V薄膜会形成VOx薄膜，能降低器件噪声。
进一步，所述步骤5：蚀刻接触孔采用SF6、CHF3、O2或CF4、O2气体作为蚀刻气体，采用终点监测设备进行蚀刻反应终点监控。
采用上述进一步方案的有益效果是：电极厚度较薄，使用终点监测设备EPD（End Point Detection）进行蚀刻反应结束监控，避免出现蚀刻过程中将电极全部蚀刻干净的问题。
进一步，所述步骤4中：采用PVD(物理气相沉积)工艺沉积所述金属电极层，所述金属电极层为Ti薄膜，或者NiCr薄膜，或者TiN薄膜；所述金属电极层厚度为
;采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)工艺沉积所述氮化硅介质层；所述氮化硅介质层厚度为
进一步，所述金属反射层厚度为0.05～0.40um。
进一步，所述绝缘介质层为氮化硅薄膜或二氧化硅薄膜，所述绝缘介质层厚度0.02～0.30um。
进一步，所述牺牲层材料为Al或聚酰亚胺。
进一步，所述步骤2中：采用PECVD工艺沉积氮化硅薄膜作为支撑层，所述支撑层厚度为0.10～0.30um。
本发明还公开了一种非制冷红外探测器，包括：一包含读出电路的半导体衬底和一具有微桥支撑结构的探测器，所述探测器与所述半导体衬底的读出电路形成电连接；
所述探测器包括金属反射层、绝缘介质层、支撑层、金属电极层、介质层、热敏层；
所述半导体衬底的读出电路上依次设置有金属反射层和绝缘介质层；
所述支撑层设置于所述绝缘介质层的上方；
所述支撑层上依次设置有所述金属电极层、介质层、热敏层和保护层；
所述介质层上设有接触孔,所述热敏层的热敏薄膜充满所述接触孔，并通过所述接触孔与所述金属电极层连接；
本发明一种非制冷红外探测器的有益效果在于：在金属电极层之上覆盖热敏薄膜氧化钒，使探测器对红外辐射的反射率大大降低，提高了探测器的红外吸收效率。
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，所述绝缘介质层为氮化硅薄膜，所述支撑层为氮化硅薄膜，所述介质层为氮化硅薄膜；所述保护层为氮化硅薄膜；所述热敏层为氧化钒薄膜。
附图说明
图1为本发明中的金属反射层和绝缘介质层形成示意图；
图2为本发明中的牺牲层和支撑层形成示意图；
图3为本发明中的通孔形成示意图；
图4为本发明中金属电极层和介质层形成示意图；
图5为本发明中的连接孔形成示意图；
图6为本发明中的热敏层形成示意图；
图7为本发明中的钝化层图形化形成示意图；
图8为本发明中的微桥结构形成示意图；
图9为本发明一个实施例的器件俯视示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、半导体衬底，2、金属反射层，3、金属电极块，4、绝缘介质层，5、牺牲层，6、支撑层，7、通孔，8、金属电极层，801、金属连线，802、金属电极，9、介质层，10、接触孔，11、热敏层，12、钝化层，13、牺牲层释放开口。
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。
本发明提出了一种新的非制冷红外探测器制备方法，即先完成金属电极层图形化，形成金属电极，然后沉积保护层，蚀刻接触孔，再沉积热敏薄膜；因为先形成金属电极，在金属电极上制作与热敏薄膜的接触孔，可以向像元边缘拓展接触孔的尺寸，增加了像元的填充系数，降低工艺难度且降低热敏薄膜和电极之间的接触电阻，为更小像元尺寸的研发和生产打下基础。
在沉积热敏层氧化钒（VOx）薄膜的时候，先沉积一层很薄的V/V2O5/V薄膜，再沉积热敏薄膜氧化钒，经过后续的高温工艺或者退火工艺V/V2O5/V薄膜会形成VOx薄膜，能减少接触孔接触电阻，降低器件噪声。
本发明提供的非制冷红外探测器制备方法，参见图1至图8，其具体工艺步骤如下：
步骤1:参见图1，提供一包含读出电路（图中未示出）的半导体衬底1，在半导体衬底1上沉积一金属层；在金属层上刻蚀形成金属反射层2图形和金属电极块3；制备金属反射层2厚度为0.05～0.40um；金属电极块3与半导体衬底1上的读出电路电连接；在完成刻蚀的金属层上沉积一层绝缘介质层4；绝缘介质层4为氮化硅薄膜或二氧化硅薄膜，制备绝缘介质层4厚度为0.02～0.30um。
步骤2:参见图2，在绝缘介质层4上沉积牺牲层5，牺牲层5材料为Al或聚酰亚胺，对牺牲层5进行图形化处理，再用PECVD工艺沉积氮化硅薄膜作为支撑层6;制备支撑层6厚度为0.10～0.30um。
步骤3:参见图3，在沉积完支撑层6的半导体衬底上通过光刻和反应离子蚀刻的方法蚀刻通孔7，通孔7蚀刻终止于与读出电路电连接的金属电极块3。
步骤4：参见图4，在形成通孔7的半导体衬底上用PVD工艺沉积金属电极层8;金属电极层8为Ti薄膜，或者NiCr薄膜，或者TiN薄膜；制备金属电极层8厚度为
用光刻和蚀刻的方法，在金属电极层8上刻蚀形成金属连线801和金属电极802；再用PECVD工艺沉积一层氮化硅介质层9；制备氮化硅介质层9厚度为
步骤5：参见图5，在淀积完氮化硅介质层9的半导体衬底上通过光刻和蚀刻的方法，刻蚀掉金属电极802上方的部分氮化硅介质层9,露出金属电极802，形成接触孔10；蚀刻接触孔10采用SF6、CHF3、O2或CF4、O2气体作为蚀刻气体；金属电极802厚度极薄，蚀刻过程中，采用终点监测设备进行蚀刻反应终点监控，以免将金属电极802蚀刻干净。
步骤6：参见图6，在形成接触孔10的半导体衬底上先沉积一层V/V2O5/V薄膜作为过渡层;V/V2O5/V薄膜的厚度为
;然后用离子束沉积（IBD）或物理气相沉积（PVD)的方法在过渡层上沉积热敏层11，热敏层11材料使用氧化钒（VOx），制备热敏层11薄膜厚度为
;用离子束刻蚀(IBE)或反应离子刻蚀(RIE)的方法图形化热敏层11薄膜。
步骤7：在完成热敏层11薄膜图形化处理的半导体衬底上用PECVD的方法沉积氮化硅钝化层12，然后进行钝化层图形化和结构释放：去除牺牲层，形成微桥结构。钝化层图形化和结构释放实施情况如下：在氮化硅钝化层12上通过光刻和蚀刻的方法蚀刻牺牲层释放开口13，牺牲层释放开口13的蚀刻终止于所述牺牲层的表面。把完成牺牲层释放开口13蚀刻的半导体器件放入去胶机中，释放牺牲层，形成微桥结构。
本发明所述工艺制造方法，不限于非制冷红外探测器，同时也用于太赫兹器件(THz:Terahertz)和其他光学传感器件。另外，还可以通过沉积热敏薄膜的设备（PVD或者IBD）在高温下条件下沉积热敏薄膜，提高薄膜的热稳定性；或者通过退火提高热敏薄膜的热稳定性。
本发明提出了一种新的非制冷红外探测器结构，即在金属电极之上覆盖热敏薄膜，使非制冷红外探测器对红外的反射率大大降低，提高了探测器的红外吸收效率。
本发明提供的非制冷红外探测器结构，参见图8至图9，包括：一包含读出电路（图中未示出）的半导体衬底1和一具有微桥支撑结构的探测器，探测器与半导体衬底的读出电路形成电连接；探测器包括金属反射层2、绝缘介质层4、支撑层6、金属电极层8、介质层9、热敏层11；绝缘介质层4、支撑层6、介质层9、保护层12均为氮化硅薄膜，热敏层11为氧化钒薄膜，半导体衬底1的读出电路上依次设置有金属反射层2和绝缘介质层4，支撑层6设置于绝缘介质层4的上方；支撑层6上依次设置有金属电极层8、介质层9、热敏层11和保护层12；介质层9上设有接触孔,热敏层11的热敏薄膜充满接触孔，并通过接触孔与金属电极层8连接。
以上所述实施步骤和方法仅仅表达了本发明的一种实施方式，描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。在不脱离本发明专利构思的前提下，所作的变形和改进应当都属于本发明专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种非制冷红外探测器制备方法，包括如下步骤：
步骤1:提供一包含读出电路的半导体衬底，在读出电路上沉积一金属层；并对金属层进行图形化，形成金属反射层图形和金属电极块；金属电极块与半导体衬底上的读出电路电连接；在完成图形化的金属层上沉积绝缘介质层；
步骤2:在绝缘介质层上沉积牺牲层，并对牺牲层进行图形化处理，在完成图形化处理后的牺牲层上沉积氮化硅薄膜作为支撑层;
步骤3:在沉积完支撑层的半导体衬底上通过光刻和反应离子蚀刻的方法蚀刻通孔，通孔蚀刻终止于与读出电路电连接的金属电极块；
步骤4：在形成通孔的半导体衬底上沉积金属电极层，并对金属电极层进行图形化，形成金属连线和金属电极；在完成图形化的金属电极层上沉积氮化硅介质层；
步骤5：在沉积完氮化硅介质层的半导体衬底上通过光刻和蚀刻的方法，刻蚀掉金属电极上方的部分氮化硅介质层,露出金属电极，形成接触孔；
步骤6：在形成接触孔的半导体衬底上沉积热敏层，并对热敏层进行图形化，所述热敏层为氧化钒薄膜；
步骤7：在完成图形化的热敏层上沉积氮化硅钝化层，然后进行钝化层图形化和结构释放：去除牺牲层，形成微桥结构。
2.根据权利要求1所述一种非制冷红外探测器制备方法，其特征在于：
所述步骤6：在沉积热敏层之前，先沉积一层V/V2O5/V薄膜作为过渡层，所述V/V2O5/V薄膜的厚度为
采用离子束沉积或物理气相沉积的方法在所述过渡层上沉积所述热敏层，所述热敏层厚度为
3.根据权利要求1所述一种非制冷红外探测器制备方法，其特征在于：
所述步骤5：蚀刻接触孔采用SF6、CHF3、O2或CF4、O2气体作为蚀刻气体，采用终点监测设备进行蚀刻反应终点监控。
4.根据权利要求1或2或3所述一种非制冷红外探测器制备方法，其特征在于：所述步骤4：采用PVD工艺沉积所述金属电极层，所述金属电极层为Ti薄膜，或者NiCr薄膜，或者TiN薄膜；所述金属电极层厚度为250～
;采用PECVD工艺沉积所述氮化硅介质层；所述氮化硅介质层厚度为
5.根据权利要求1或2或3所述一种非制冷红外探测器制备方法，其特征在于：所述金属反射层厚度为0.05～0.40um。
6.根据权利要求1或2或3所述一种非制冷红外探测器制备方法，其特征在于：所述绝缘介质层为氮化硅薄膜或二氧化硅薄膜，所述绝缘介质层厚度0.02～0.30um。
7.根据权利要求1或2或3所述一种非制冷红外探测器制备方法，其特征在于：所述牺牲层材料为Al或聚酰亚胺。
8.根据权利要求1或2或3所述一种非制冷红外探测器制备方法，其特征在于：所述步骤2：采用PECVD工艺沉积氮化硅薄膜作为支撑层，所述支撑层厚度为0.10～0.30um。
9.一种非制冷红外探测器，包括：一包含读出电路的半导体衬底和一具有微桥支撑结构的探测器，所述探测器与所述半导体衬底的读出电路形成电连接；其特征在于：
所述探测器包括金属反射层、绝缘介质层、支撑层、金属电极层、介质层、热敏层；
所述半导体衬底的读出电路上依次设置有金属反射层和绝缘介质层；
所述支撑层设置于所述绝缘介质层的上方；
所述支撑层上依次设置有所述金属电极层、介质层、热敏层和保护层；
所述介质层上设有接触孔,所述热敏层的热敏薄膜充满所述接触孔，并通过所述接触孔与所述金属电极层连接。
10.根据权利要求9所述一种非制冷红外探测器，其特征在于：
所述绝缘介质层为氮化硅薄膜，所述支撑层为氮化硅薄膜，所述介质层为氮化硅薄膜；所述保护层为氮化硅薄膜；所述热敏层为氧化钒薄膜。
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