CN106847950B - 离子注入制备氧化钛电极的红外探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离子注入制备氧化钛电极的红外探测器，在支撑层和连接金属上设有氧化钛薄膜，氧化钛薄膜包括在位于中部的半导体氧化钛薄膜和位于所述半导体氧化钛薄膜两侧的导体氧化钛薄膜，使用氧化钛作为热敏层薄膜，且对部分氧化钛薄膜进行离子注入，使该部分氧化钛薄膜成为导体氧化钛薄膜，代替现有技术中的金属电极，工艺简单，产能较高。还涉及上述探测器的制备方法，包括在支撑层上依次制备氧化钛薄膜、第一保护层和光阻的步骤和去除氧化钛薄膜上面未被光阻覆盖的第一保护层薄膜，并对露出的氧化钛薄膜进行离子注入，离子注入后的氧化钛薄膜为导体氧化钛薄膜的步骤，还包括去除光阻，沉积第二保护层，进行结构释放的步骤。

Description

离子注入制备氧化钛电极的红外探测器及其制备方法
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，具体涉及一种离子注入制备氧化钛电极的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，其中基于微机电***(MEMS)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(ROIC)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)，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。
现在一般使用氧化钒作为热敏薄膜，但是氧化钒热敏薄膜和集成电路制造工艺的兼容性不好，工厂担心氧化钒材料和钒材料玷污设备，需要对氧化钒工艺后的设备，进行单独配置且进行隔离，防止玷污其它产品和工艺设备。
另外，现有技术中一般通过沉积金属电极与热敏层薄膜电连接，将热敏层感受到的温度变化传递到基座的读出电路上，还需要将金属电极层通过光刻或蚀刻图形化处理，工艺繁琐，产能较低，且浪费资源，且不管是先沉积热敏薄膜，再沉积电极，还是先沉积电极，后沉积热敏薄膜，两者都不在一个平面上，多一个平面，对平坦度就多一分影响，工艺步骤越多，就可能带来越多的缺陷，影响良率。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种离子注入制备氧化钛电极的红外探测器，使用氧化钛作为热敏层薄膜，且对部分氧化钛薄膜进行离子注入，使该部分氧化钛薄膜成为导体氧化钛薄膜，代替现有技术中的金属电极，工艺简单，产能较高。
本发明中解决上述技术问题的技术方案如下：离子注入制备氧化钛电极的红外探测器，包括一带有读出电路的半导体基座和与所述半导体基座电连接的探测器本体，其特征在于，所述探测器本体包括金属反射层、绝缘介质层、支撑层和氧化钛薄膜，所述半导体基座上设有金属反射层和绝缘介质层，所述金属反射层包括若干个金属块；
所述绝缘介质层上设有支撑层，所述支撑层上设有锚点孔和通孔，所述通孔终止于所述金属块，所述锚点孔和所述通孔内填充有连接金属，所述支撑层和所述连接金属上设有氧化钛薄膜，所述氧化钛薄膜包括在位于中部的半导体氧化钛薄膜和位于所述半导体氧化钛薄膜两侧的导体氧化钛薄膜，所述半导体氧化钛薄膜上设有第一保护层，所述导体氧化钛薄膜和所述第一保护层上设有第二保护层。
进一步，所述连接金属为钨、铝或铜。
进一步，所述支撑层为氮化硅薄膜，厚度为
本发明中离子注入制备氧化钛电极的红外探测器的有益效果：(1)使用氧化钛薄膜作为热敏层薄膜，具有较好的稳定性，电阻回复速度快，电阻记忆效应少；
(2)增大了热敏薄膜的面积，从而增大了填充率，且两侧的氧化钛薄膜离子注入后成为了导体氧化钛薄膜，导电性更好，导体氧化钛薄膜区域相当于现有技术中的金属电极层，中部的氧化钛薄膜未被离子注入，相当于现有技术中的热敏层薄膜，省去了电极层单独沉积薄膜，光刻及蚀刻等步骤，大幅简化工艺步骤，节省成本，提高产能；
本发明还涉及上述离子注入制备氧化钛电极的红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在包含读出电路半导体基座上制作金属反射层，并对金属反射层进行图形化处理，图形化后的金属反射层形成若干个金属块；所述金属块与半导体基座上的读出电路电连接；然后，在完成图形化金属反射层上沉积绝缘介质层；
步骤2：在所述的绝缘介质层上沉积牺牲层，并对牺牲层进行图形化处理，在图形化处理后的牺牲层上形成锚点孔，并在在图形化处理后的牺牲层上沉积支撑层；
步骤3：采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉部分支撑层，支撑层蚀刻终止于所述金属块，形成通孔，在所述通孔和锚点孔内沉积连接金属；
步骤4：在支撑层上沉积氧化钛薄膜，并在氧化钛薄膜上沉积第一保护层，然后，在第一保护层的中部上涂覆光阻，所述光阻覆盖区域为半导体氧化钛薄膜，并作为探测器的热敏层薄膜；
步骤5：用蚀刻方法(干法或湿法)去除氧化钛薄膜上面未被光阻覆盖的第一保护层薄膜，第一保护层蚀刻终止于所述氧化钛薄膜，露出部分氧化钛薄膜，然后再对露出的氧化钛薄膜进行离子注入，离子是氩、氪或氮离子，注入能量控制在1Kev～100Kev之间，离子浓度控制在1×1013ions/cm2～1×1021ions/cm2之间，离子注入后的氧化钛薄膜为导体氧化钛薄膜；
步骤6：去除光阻，在导体氧化钛薄膜和未被蚀刻掉的第一保护层上沉积第二保护层；
步骤7：采用光刻和蚀刻的方法，对第二保护层进行图形化处理，第二保护层蚀刻终止于牺牲层，然后，进行结构释放，去掉牺牲层形成微桥结构。
本发明的有益效果：
(1)使用氧化钛薄膜作为热敏层薄膜，具有较好的稳定性，电阻回复速度快，电阻记忆效应少；
(2)氧化钛薄膜的制作过程与CMOS制程兼容，不用因为污染问题而安排专门的机台，使产能和效率大幅提升；
(3)增大了热敏薄膜的面积，从而增大了填充率，且两侧氧化钛薄膜离子注入后成为了导体氧化钛薄膜，导电性更好，导体氧化钛薄膜区域相当于现有技术中的金属电极层，中部的氧化钛薄膜未被离子注入，相当于现有技术中的热敏层薄膜，省去了电极层单独沉积薄膜，光刻及蚀刻等步骤，大幅简化工艺步骤，节省成本，提高产能；
(4)不用沉积金属电极层，少一个平面的沉积，就能够进一步提高探测器的平坦度，有效提升制造良率。
进一步，金属反射层的厚度为金属反射层对波长为8～14μm的红外光的反射率在99％以上。
进一步，所述的绝缘介质层为氮化硅薄膜或者氧化硅薄膜，厚度为
进一步，所述牺牲层为聚酰亚胺或者非晶碳，厚度为1.0～2.5μm。
进一步，所述第一保护层和第二保护层都是利用化学气相沉积低应力氮化硅形成的。
附图说明
图1为本发明中金属反射层和绝缘介质层形成示意图；
图2为本发明中牺牲层和支撑层形成示意图；
图3为本发明中通孔形成示意图；
图4为本发明中连接金属填充通孔示意图；
图5为本发明中氧化钛薄膜形成示意图；
图6为本发明中第一保护层形成示意图；
图7为本发明中光阻形成示意图；
图8为本发明中离子注入氧化钛薄膜示意图；
图9为本发明中第二保护层形成示意图；
图10为本发明中第二保护层图形化示意图；
图11为本发明中探测器结构示意图；
在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：1、半导体基座，2、金属反射层，2-1、金属块，3、绝缘介质层，4、牺牲层，5、支撑层，6、锚点孔，7、通孔，8、连接金属，9、氧化钛薄膜，9-1、半导体氧化钛薄膜，9-2、导体氧化钛薄膜，10、第一保护层，11、光阻，12、第二保护层。
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。
本发明涉及离子注入制备氧化钛电极的红外探测器，如图11所示，离子注入制备氧化钛电极的红外探测器，包括一带有读出电路的半导体基座1和与所述半导体基座1电连接的探测器本体，所述探测器本体包括金属反射层2、绝缘介质层3、支撑层5和氧化钛薄膜9，所述半导体基座1上设有金属反射层2和绝缘介质层3，所述金属反射层2包括若干个金属块2-1；
所述绝缘介质层3上设有支撑层5，所述支撑层5上设有锚点孔和通孔，所述通孔终止于所述金属块2-1，所述锚点孔和所述通孔内填充有连接金属8，所述支撑层5和所述连接金属8上设有氧化钛薄膜9，所述氧化钛薄膜9包括位于中部的半导体氧化钛薄膜9-1和设于所述半导体氧化钛薄膜9-1两侧的导体氧化钛薄膜9-2，所述半导体氧化钛薄膜9-1上设有第一保护层10，所述导体氧化钛薄膜9-2和所述第一保护层10上设有第二保护层12。所述连接金属8为钨、铝或铜，所述支撑层5为氮化硅薄膜，厚度为
本发明还涉及上述离子注入制备氧化钛电极的红外探测器的制备方法如图1-图11所示，离子注入制备氧化钛电极的红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在包含读出电路半导体基座1上制作金属反射层2，并对金属反射层2进行图形化处理，图形化后的金属反射层2形成若干个金属块2-1；所述金属块2-1与半导体基座1上的读出电路电连接；然后，在完成图形化金属反射层2上沉积绝缘介质层3，如图1所示；金属反射层2的厚度为 金属反射层2对波长为8～14μm的红外光的反射率在99％以上，所述的绝缘介质层3为氮化硅薄膜或者氧化硅薄膜，厚度为
步骤2：在所述的绝缘介质层3上沉积牺牲层4，并对牺牲层4进行图形化处理，在图形化处理后的牺牲层4上形成锚点孔6，在图形化处理后的牺牲层4上沉积支撑层5，如图2所示；所述支撑层5为氮化硅薄膜，所述牺牲层4为聚酰亚胺，所述牺牲层4的厚度为1.0～2.5μm，所述支撑层5的厚度为
步骤3：采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉部分支撑层5，支撑层5蚀刻终止于所述金属块2-1，形成通孔7，如图3所示；在所述通孔7和锚点孔6内沉积连接金属8，如图4所示；所述连接金属8为铝、钨或铜。
步骤4：在支撑层5上沉积氧化钛薄膜9，如图5所示；并在氧化钛薄膜9上沉积第一保护层10，如图6所示；然后，在第一保护层10上涂覆光阻11，如图7所示；所述光阻覆盖区域为半导体氧化钛薄膜9-1，并作为探测器的热敏层薄膜。
步骤5：用蚀刻方法(干法或湿法)去除氧化钛薄膜9上面未被光阻覆盖的第一保护层薄膜10，第一保护层10蚀刻终止于所述氧化钛薄膜9，露出部分氧化钛薄膜9，然后再对露出的氧化钛薄膜9进行离子注入，如图8所示；离子是氩、氪或氮离子，注入能量控制在1Kev～100Kev之间，离子浓度控制在1×1013ions/cm2～1×1021ions/cm2之间，离子注入后的氧化钛薄膜为导体氧化钛薄膜9-2，所述导体氧化钛薄膜9-2相当于现有技术中金属电极层，具备很好的导电性，及时将所述热敏层薄膜感受到的温度变化传递到读出电路。
步骤6：去除光阻11，在导体氧化钛薄膜9-2和未被蚀刻掉的第一保护层10上沉积第二保护层12，如图9所示。
步骤7：采用光刻和蚀刻的方法，对第二保护层12进行图形化处理，第二保护层12蚀刻终止于牺牲层4，如图10所示；然后，进行结构释放，去掉牺牲层4形成微桥结构，如图11所示。
以上所述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。

Claims (8)

1.离子注入制备氧化钛电极的红外探测器，包括一带有读出电路的半导体基座和与所述半导体基座电连接的探测器本体，其特征在于，所述探测器本体包括金属反射层、绝缘介质层、支撑层和氧化钛薄膜，所述半导体基座上设有金属反射层和绝缘介质层，所述金属反射层包括若干个金属块；
所述绝缘介质层上设有支撑层，所述支撑层上设有锚点孔和通孔，所述通孔终止于所述金属块，所述锚点孔和所述通孔内填充有连接金属，所述支撑层和所述连接金属上设有氧化钛薄膜，所述氧化钛薄膜包括位于中部的半导体氧化钛薄膜和位于所述半导体氧化钛薄膜两侧的导体氧化钛薄膜，所述半导体氧化钛薄膜上设有第一保护层，所述导体氧化钛薄膜和所述第一保护层上设有第二保护层。
2.根据权利要求1所述的离子注入制备氧化钛电极的红外探测器，其特征在于，所述连接金属为钨、铝或铜。
3.根据权利要求1所述的离子注入制备氧化钛电极的红外探测器，其特征在于，其特征在于，所述支撑层为氮化硅薄膜，厚度为
4.权利要求1-3任一项所述的离子注入制备氧化钛电极的红外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在包含读出电路半导体基座上制作金属反射层，并对金属反射层进行图形化处理，图形化后的金属反射层形成若干个金属块；所述金属块与半导体基座上的读出电路电连接；然后，在完成图形化金属反射层上沉积绝缘介质层；
步骤2：在所述的绝缘介质层上沉积牺牲层，并对牺牲层进行图形化处理，在图形化处理后的牺牲层上形成锚点孔，并在图形化处理后的牺牲层上沉积支撑层；
步骤3：采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉部分支撑层，支撑层蚀刻终止于所述金属块，形成通孔，在所述通孔和锚点孔内沉积连接金属；
步骤4：在支撑层上沉积氧化钛薄膜，并在氧化钛薄膜上沉积第一保护层，然后，在第一保护层上涂覆光阻，所述光阻覆盖区域为半导体氧化钛薄膜，并且作为探测器的热敏层薄膜；
步骤5：用干法蚀刻或湿法蚀刻的方法去除氧化钛薄膜上面未被光阻覆盖的第一保护层薄膜，第一保护层蚀刻终止于所述氧化钛薄膜，露出部分氧化钛薄膜，对露出的氧化钛薄膜进行离子注入，离子是氩、氪或氮离子，注入能量控制在1Kev～100Kev之间，离子浓度控制在1×1013ions/cm2～1×1021ions/cm2之间，离子注入后的氧化钛薄膜为导体氧化钛薄膜；
步骤6：去除光阻，在导体氧化钛薄膜和未被蚀刻掉的第一保护层上沉积第二保护层；
步骤7：采用光刻和蚀刻的方法，对第二保护层进行图形化处理，第二保护层蚀刻终止于牺牲层，然后，进行结构释放，去掉牺牲层形成微桥结构。
5.根据权利要求4所述的离子注入制备氧化钛电极的红外探测器的制备方法，其特征在于，金属反射层的厚度为金属反射层对波长为8～14μm的红外光的反射率在99％以上。
6.根据权利要求4所述的离子注入制备氧化钛电极的红外探测器的制备方法，其特征在于，所述的绝缘介质层为氮化硅薄膜或者氧化硅薄膜，厚度为
7.根据权利要求4所述的离子注入制备氧化钛电极的红外探测器的制备方法，其特征在于，所述牺牲层为聚酰亚胺或者非晶碳，厚度为1.0～2.5μm。
8.根据权利要求4所述的离子注入制备氧化钛电极的红外探测器的制备方法，其特征在于，所述第一保护层和第二保护层都是利用化学气相沉积低应力氮化硅形成的。
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