CN111847375B - 一种红外探测器结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种红外探测器结构及其制造方法，该结构包括从下到上依次层叠的带有处理电路的衬底、顶层金属层、通孔层和像元阵列，所述像元阵列中的每一个像元包括从上到下依次层叠的微桥谐振腔和铝反射层，所述铝反射层位于所述微桥谐振腔和通孔层之间，所述微桥谐振腔上表面为所述像元接收入射光的表面；其中，所述带有处理电路的衬底和顶层金属层为平面水平结构，所述微桥谐振腔上表面与所述带有处理电路的衬底和顶层金属层之间呈倾斜锐角设置。因此，本发明能够在缩减平面投影面积的情况下，将实际吸收入射光的面积保持不变甚至增大。
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计及制造领域，涉及一种红外探测器结构及其制造方法，尤其涉及一种红外探测器结构及其制造方法，用于提高红外探测器有效吸收面积。
背景技术
微机电***(Microelectro Mechanical Systems，MEMS)传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
传统的红外探测器通常使用CMOS-MEMS器件和平面工艺制作微桥谐振腔结构，其微桥谐振腔构成的像元结构均为平面水平结构，并在该平面上接收入射光形成图像。随着半导体技术的发展，像元结构不断按比例缩小，虽然相同面积下能够大幅度提升像元阵列大小，但单个像元的面积减小会导致灵敏度和性能下降，从而造成一系列性能下降问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种红外探测器结构及其制造方法，实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种红外探测器结构，包括从下到上依次层叠的带有处理电路的衬底、顶层金属层和像元阵列，所述像元阵列中的每一个像元包括从上到下依次层叠的微桥谐振腔和铝反射层，所述铝反射层位于所述微桥谐振腔和顶层金属层之间，所述微桥谐振腔上表面为所述像元接收入射光的表面；其中，所述带有处理电路的衬底和顶层金属层为平面水平结构，所述微桥谐振腔上表面与所述带有处理电路的衬底和顶层金属层之间呈倾斜锐角设置。
进一步地，所述像元阵列中的相邻两列或相邻两行的所述微桥谐振腔上表面呈V字型设置。
进一步地，所述像元阵列中的相邻两列的所述微桥谐振腔上表面呈V字型设置，所述像元阵列中第一列的倾斜面呈外高里低设置；或者，所述像元阵列中的相邻两行的所述微桥谐振腔上表面呈V字型设置，所述像元阵列中第一行的倾斜面呈外高里低设置。
进一步地，所述像元阵列中相邻两列的所述微桥谐振腔之间设有光屏蔽结构，或者，所述像元阵列中相邻两行的所述微桥谐振腔之间设有光屏蔽结构。
进一步地，所述像元阵列中的相邻两列或相邻两行的所述铝反射层之间具有平行于所述通孔层的中间铝反射层；所述光屏蔽结构设置于相邻两列或相邻两行的所述微桥谐振腔上表面所构成的V字型底端之间，且位于所述中间铝反射层上，与所述中间铝反射层相接触。
进一步地，所述的红外探测器结构还包括位于所述顶层金属层和像元阵列之间的通孔层，所述微桥谐振腔上表面与所述铝反射层平行，所述通孔层的上表面为与所述带有处理电路的衬底和顶层金属层之间呈倾斜锐角设置。
进一步地，所述的红外探测器结构还包括位于所述顶层金属层和像元阵列之间的通孔层，所述带有处理电路的衬底与所述顶层金属层平行设置；所述铝反射层与所述顶层金属层平行设置，所述微桥谐振腔上表面与所述铝反射层之间呈倾斜锐角设置。
进一步地，所述微桥谐振腔包括高端支撑和电连接孔和低端支撑和电连接孔，所述微桥谐振腔在所述高端支撑和电连接孔与低端支撑和电连接孔之间的上表面包括多个台阶，呈阶梯状。
进一步地，所述微桥谐振腔的高端支撑和电连接孔与低端支撑和电连接孔的上表面平行于所述铝反射层。
实现上述目的，本发明的又技术方案如下：
一种上述红外探测器结构的制造方法，用于在需图形化膜层上形成倾斜状图形结构，其中，所述需图形化膜层为所述微桥谐振腔或所述通孔层，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：在带有处理电路的衬底上依次形成刻蚀阻挡层、需图形化膜层和光刻胶层；
步骤S2：提供灰阶光刻板，所述灰阶光刻板上使用阶梯状厚度的不透明材料或部分透明材料；
步骤S3：采用所述灰阶光刻板，图形化所述光刻胶(PR)层，形成倾斜状光刻胶图形；
步骤S4：将所述倾斜状光刻胶图形刻蚀并转移到需图形化膜层上，并形成所述需图形化膜层的倾斜状图形结构。
从上述技术方案可以看出，本发明提出一种具有微桥谐振腔的像元结构及其制造方法，用于提高红外探测器有效吸收面积，该方案将平面微桥谐振腔制作成一定倾斜角度的结构，或者具有台阶状倾斜的微桥谐振腔结构，能够在缩减平面投影面积的情况下，将实际吸收入射光的面积保持不变甚至增大，从而解决像元面积减小造成的灵敏度等性能下降的问题，能够大幅度提升产品性能并降低成本。
附图说明
图1所示为传统的平面工艺制作微桥谐振腔上表面和本发明实施例中采用的斜面工艺制作微桥谐振腔上表面的示意说明图
图2所示为本发明实施例中红外探测器结构的相邻两个像元的示意图
图3所示为本发明实施例中在相邻两个像元之间增加光屏蔽结构(用于防止光串扰光)的示意图
图4所示为本发明实施例中微桥谐振腔上表面呈台阶状倾斜微桥表面的结构示意图
图5所示为本发明实施例中通孔层的上表面为与带有处理电路的衬底和顶层金属层之间呈倾斜锐角设置的结构示意图
图6所示为本发明实施例中通用倾斜面制造方法的示意图
具体实施方式
下面结合附图1-6，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，本发明提出的一种红外探测器结构，用于提高红外探测器有效吸收面积，该方案将平面微桥谐振腔制作成一定倾斜角度的结构，或者具有台阶状倾斜的微桥谐振腔结构。
请参阅图1，图1所示为传统的平面工艺制作微桥谐振腔上表面和本发明实施例中采用的斜面工艺制作微桥谐振腔上表面的示意说明图。如图1所示，传统的平面工艺制作微桥谐振腔上表面，其光吸收面小，本发明实施例中采用的斜面工艺制作微桥谐振腔上表面，其光吸收面大。也就是说，本发明的红外探测器结构能够在缩减平面投影面积的情况下，将实际吸收入射光的面积保持不变甚至增大，从而解决像元面积减小造成的灵敏度等性能下降的问题，能够大幅度提升产品性能并降低成本。
在本发明的实施例中，与传统的红外探测器结构相同的是，红外探测器结构包括从下到上依次层叠的带有处理电路的衬底、顶层金属层、通孔层和像元阵列，所述像元阵列中的每一个像元包括从上到下依次层叠的微桥谐振腔和铝反射层，所述铝反射层位于所述微桥谐振腔和通孔层之间，所述微桥谐振腔上表面为所述像元接收入射光的表面；其中，所述带有处理电路的衬底和顶层金属层为平面水平结构。与传统的红外探测器结构不相同的是，本发明的红外探测器结构的微桥谐振腔上表面与所述带有处理电路的衬底和顶层金属层之间呈倾斜锐角设置。
从理论上说，所述像元阵列中的每一个像元的微桥谐振腔上表面与所述带有处理电路的衬底和顶层金属层之间呈倾斜锐角设置的方向规定，从实际使用过程中，所述像元阵列中的相邻两列或相邻两行的所述微桥谐振腔上表面可以呈V字型设置。
较佳地，在本发明的实施例中，所述像元阵列中的相邻两列的所述微桥谐振腔上表面呈V字型设置，所述像元阵列中第一列的倾斜面可以呈外高里低设置；或者，所述像元阵列中的相邻两行的所述微桥谐振腔上表面呈V字型设置，所述像元阵列中第一行的倾斜面可以呈外高里低设置。
具体地，请参阅图2，图2所示为本发明实施例中红外探测器结构的相邻两个像元的示意图。如图2所示，像元阵列中的相邻两列或相邻两行的所述微桥谐振腔上表面呈V字型设置。
为防止像元阵列中相邻两列的所述微桥谐振腔上表面之间的光串扰光，在本发明的实施例中，所述像元阵列中相邻两列的所述微桥谐振腔之间可以设有光屏蔽结构，或者，所述像元阵列中相邻两行的所述微桥谐振腔之间可以设有光屏蔽结构。
请参阅图3，图3所示为本发明实施例中在相邻两个像元之间增加光屏蔽结构(用于防止光串扰)的示意图。如图3所示，所述像元阵列中的相邻两列或相邻两行的所述铝反射层之间具有平行于所述通孔层的中间铝反射层；所述光屏蔽结构设置于位于相邻两列或相邻两行的所述微桥谐振腔上表面所构成的V字型底端之间，且位于所述中间铝反射层上，与所述中间铝反射层相接触。
在本发明的实施例中，微桥谐振腔上表面与所述带有处理电路的衬底和顶层金属层之间呈倾斜锐角设置可以通过以下三个具有代表性的具体实施例实现：
实施例一
再请参阅图2，如图2所示，该红外探测器结构还包括位于所述顶层金属层和像元阵列之间的通孔层；所述带有处理电路的衬底、通孔层与所述顶层金属层平行设置；所述铝反射层与所述顶层金属层平行设置，所述微桥谐振腔上表面与所述铝反射层之间呈倾斜锐角设置。
在本发明实施例中，微桥谐振腔的上表面包括了高端支撑和电连接孔与低端支撑和电连接孔的上表面，也包括了高端支撑和电连接孔与低端支撑和电连接孔之间的微桥面的上表面，即高端支撑和电连接孔上表面、低端支撑和电连接孔上表面以及它们之间的微桥面一起构成了一个斜面。高端支撑和电连接孔、低端支撑和电连接孔与微桥面的结构组成与现有技术相同，在此不再赘述。
实施例二
请参阅图4，图4所示为本发明实施例中微桥谐振腔上表面呈台阶状倾斜微桥表面的结构示意图。如图4所示，在该本发明的实施例中，该红外探测器结构还包括位于所述顶层金属层和像元阵列之间的通孔层；所述带有处理电路的衬底、通孔层与所述顶层金属层平行设置；所述铝反射层与所述顶层金属层平行设置。所述微桥谐振腔包括高端支撑和电连接孔和低端支撑和电连接孔，所述微桥谐振腔在所述高端支撑和电连接孔与低端支撑和电连接孔之间的上表面包括多个台阶，呈阶梯状。
较佳地，所述微桥谐振腔的高端支撑和电连接孔与低端支撑和电连接孔的上表面平行于所述铝反射层。因此，上述结构也实现了所述微桥谐振腔上表面与所述铝反射层之间呈倾斜锐角设置的结构。
实施例三
请参阅图5，图5所示为本发明实施例中通孔层的上表面为与带有处理电路的衬底和顶层金属层之间呈倾斜锐角设置的结构示意图。如图5所示，在该本发明的实施例中，该红外探测器结构还包括位于所述顶层金属层和像元阵列之间的通孔层；所述微桥谐振腔上表面与所述铝反射层平行，所述通孔层的上表面为与所述带有处理电路的衬底和顶层金属层之间呈倾斜锐角设置。也就是说，所述微桥谐振腔的结构不需要进行任何改变，只要改变通孔层的表面斜度就可以实现所述微桥谐振腔上表面与所述铝反射层之间呈倾斜锐角设置的结构。
请参阅图6，图6所示为本发明实施例中通用倾斜面制造方法的示意图。如图6所示，在本发明的实施例中，该通用倾斜面的制造方法，其使用灰阶光刻板，将光刻胶曝光形成倾斜面形状，然后通过刻蚀工艺将光刻胶的倾斜面形状，转移到需要图形化倾斜面的薄膜上。需要说明的是，该需要图形化倾斜面可以是微桥谐振腔倾斜上表面，也可以是通孔层上表面。
具体地，上述倾斜结构中倾斜面的通用制造方法，其可以包括如下步骤：
步骤S1：在带有处理电路的衬底上依次形成刻蚀阻挡层、需图形化膜层和光刻胶(PR)层；
步骤S2：提供灰阶光刻板，所述灰阶光刻板上使用阶梯状厚度的不透明材料或部分透明材料；较佳地，所述阶梯状厚度的倾斜图形中，厚度最厚的地方完全不透光，厚度为0的地方100％透光，而中间区域的透光率与厚度成反比。
步骤S3：采用所述灰阶光刻板，图形化所述光刻胶(PR)层，形成倾斜状光刻胶图形；其中，经过所述灰阶光刻板的光刻后，以正胶为例，100％透光的地方，曝光显影后，光刻胶被全部去除；不透光的地方，光刻胶完全保留，部分透光的区域，光刻胶保留的厚度与透光率成反比；
步骤S4：将所述倾斜状光刻胶图形刻蚀并转移到需图形化膜层上，并形成该膜层的倾斜状图形。转移的概念是：将光刻胶图形通过刻蚀工艺，在衬底上形成；这里指倾斜状光刻胶形状通过刻蚀后，在衬底上形成倾斜形状。
一旦在需图形化膜层上形成倾斜状图形结构后，后续薄膜会沿着该倾斜状图形结构，保持原有形状生长，因此，后续工艺接近现有CMOS平面工艺。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种红外探测器结构，包括从下到上依次层叠的带有处理电路的衬底、顶层金属层、通孔层和像元阵列，所述像元阵列中的每一个像元包括从上到下依次层叠的微桥谐振腔和铝反射层，所述铝反射层位于所述微桥谐振腔和顶层金属层之间，所述微桥谐振腔上表面为所述像元接收入射光的表面；其特征在于，所述带有处理电路的衬底、通孔层、铝反射层和顶层金属层为平面水平结构，所述微桥谐振腔的上表面包括了高端支撑和电连接孔与低端支撑和电连接孔的上表面，也包括了高端支撑和电连接孔与低端支撑和电连接孔之间的微桥面的上表面，所述微桥谐振腔上表面与所述带有处理电路的衬底、通孔层和顶层金属层之间呈倾斜锐角设置，即所述高端支撑和电连接孔上表面、所述低端支撑和电连接孔上表面以及它们之间的微桥面一起构成了一个斜面；在垂直方向，所述铝反射层位于所述微桥谐振腔和顶层金属层之间，且在水平方向，所述铝反射层位于所述高端支撑的电连接孔和所述低端支撑的电连接孔之间；或者，所述带有处理电路的衬底和顶层金属层为平面水平结构，所述通孔层的上表面与所述带有处理电路的衬底、和顶层金属层之间呈倾斜锐角设置，所述微桥谐振腔的上表面包括了两个端支撑的上表面，也包括了两个端支撑之间的微桥面的上表面，所述微桥谐振腔上表面和所述铝反射层与所述通孔层的上表面平行设置；所述铝反射层位于所述微桥谐振腔和顶层金属层之间，且位于所述两个端支撑底部的之间。
2.根据权利要求1所述的红外探测器结构，其特征在于，所述像元阵列中的相邻两列或相邻两行的所述微桥谐振腔上表面呈V字型设置。
3.根据权利要求2所述的红外探测器结构，其特征在于，所述像元阵列中的相邻两列的所述微桥谐振腔上表面呈V字型设置，所述像元阵列中第一列的倾斜面呈外高里低设置；或者，所述像元阵列中的相邻两行的所述微桥谐振腔上表面呈V字型设置，所述像元阵列中第一行的倾斜面呈外高里低设置。
4.根据权利要求1所述的红外探测器结构，其特征在于，所述像元阵列中相邻两列的所述微桥谐振腔之间设有光屏蔽结构，或者，所述像元阵列中相邻两行的所述微桥谐振腔之间设有光屏蔽结构。
5.根据权利要求4所述的红外探测器结构，其特征在于，所述像元阵列中的相邻两列或相邻两行的所述铝反射层之间具有平行于所述顶层金属层的中间铝反射层；所述光屏蔽结构设置于相邻两列或相邻两行的所述微桥谐振腔上表面所构成的V字型底端之间，且位于所述中间铝反射层上，与所述中间铝反射层相接触。
6.根据权利要求1-5中任意一个所述的红外探测器结构，其特征在于，所述微桥谐振腔在所述高端支撑和电连接孔与低端支撑和电连接孔之间的上表面包括多个台阶，呈阶梯状。
7.根据权利要求6所述的红外探测器结构，其特征在于，所述微桥谐振腔的高端支撑和电连接孔与低端支撑和电连接孔的上表面平行于所述铝反射层。
8.一种权利要求1所述的红外探测器结构的制造方法，其特征在于，包含在需图形化膜层上形成倾斜状图形结构步骤，具体包括：
步骤S1：在带有处理电路的衬底上依次形成刻蚀阻挡层、需图形化膜层和光刻胶层，其中，所述需图形化膜层包括所述微桥谐振腔或所述通孔层；
步骤S2：提供灰阶光刻板，所述灰阶光刻板上使用阶梯状厚度的不透明材料或部分透明材料；
步骤S3：采用所述灰阶光刻板，图形化所述光刻胶层，形成倾斜状光刻胶图形；
步骤S4：将所述倾斜状光刻胶图形刻蚀并转移到需图形化膜层上，并形成所述需图形化膜层的倾斜状图形结构。
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