探测器及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及半导体制造工艺， 且特别涉及探测器及其制造方法。背景技术 微电子机械系统 (MEMS) 技术具有微小、 智能、 可执行、 可集成、 工艺兼容性好、 成 本低等诸多优点， 故其已开始广泛应用在包括红外探测技术领域的诸多领域。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 或氧化矾 ) 吸收红外线且将其转化成电信号， 据此来实现热成像功能。
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 技术制作外围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 系统的结构， 而工艺兼容性问题始终是困扰 CMOS-MEMS 技术的关键。
以非制冷式探测器为例， 其像元使用微桥结构形成电连接和谐振腔 ； 而在探测器 微桥结构制作结束后， 一般做法是先进行划片， 将单个芯片划片分离出 ； 然后进行释放， 通 过化学反应将微桥结构内的牺牲层去除 ； 最后通过封装完成探测器芯片的真空及光学方面 增加透射的结构要求。 然而， 尽管通过 CMOS 工艺的 SPC 控制可以得到很高的硅片级成品率， 但当划片释放后， 整个芯片像元区的微桥结构已经悬空， 对封装提出很高的要求， 任何操作 不当都会造成微桥结构的断裂， 事实上在进行封装工艺时往往造成很高的成品率损失 ； 同 时， 由于需要增透膜材料增强红外线的透射， 且需要真空封装， 其所需要的封装成本非常 高。
因此， 如何提供一种探测器及其制造方法， 解决 CMOS-MEMS 技术的工艺兼容性问 题， 并大幅度提高产品性能和可靠性， 已成为业界亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提出一种探测器及其制造方法， 解决了 CMOS-MEMS 技术的工艺兼容性问 题， 并大幅度提高产品性能和可靠性。
为了达到上述目的， 发明提出一种探测器， 包括 ： 硅衬底 ； 位于硅衬底上的金属反 射层 ； 位于所述金属反射层上的微桥探测器结构， 依次包括 ： 敏感材料探测层、 金属电极层 以及包围所述敏感材料探测层和所述金属电极层并起到保护作用的释放保护层 ； 以及探测 器外围支撑结构， 所述探测器外围支撑结构为无柱支撑结构。
可选的， 所述探测器外围支撑结构包括 ： 包含释放孔的释放保护层以及增透材料 层， 其中所述增透材料层在释放孔处形成的悬挂形貌形成真空的无柱支撑结构。
可选的， 还包括位于金属反射层各金属反射图案之间的介质层， 所述介质层的高 度与所述金属反射层的高度一致。
可选的， 所述介质层采用二氧化硅、 氮氧化硅、 氮化硅和碳化硅或其组合， 或者掺 有硼、 磷、 碳或氟等杂质元素的二氧化硅、 氮氧化硅、 氮化硅和碳化硅或其组合。可选的， 所述金属反射层和所述微桥探测器结构之间还包括黏附层， 用于增强材 料之间的接触。
可选的， 所述黏附层的材料为基于正硅酸乙酯或者硅烷的氧化硅。
可选的， 所述金属反射层的材料为铝或铂。
可选的， 所述释放保护层为基于硅、 氧、 碳、 氮成分的薄膜、 富氧或富硅的二氧化硅 薄膜、 掺有硼、 磷、 碳或氟杂质元素且基于硅、 氧、 碳、 氮成分的薄膜或富氧或富硅的二氧化 硅薄膜中的一种或其组合。
可选的， 所述敏感材料探测层的材料为非晶硅或氧化钒。
可选的， 所述金属电极层为钛电极、 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之一或其组合。
可选的， 所述金属电极层与所述金属反射层直接电连接。
可选的， 所述增透材料层的材料为锗。
本发明还提出一种探测器制造方法， 包括 ： 在硅衬底上形成金属反射层以及探测 器微桥结构 ； 形成所述探测器外围的无柱支撑结构。
可选的， 所述在硅衬底上形成金属反射层以及探测器微桥结构包括 ： 在硅衬底上 形成金属反射层并图形化 ； 在所述金属反射层的各金属反射图案之间填充介质层并实现所 述介质层的平坦化 ； 在所述介质层上沉积形成第一牺牲层 ； 在所述第一牺牲层上形成第一 支撑槽 ； 在所述第一支撑槽表面形成释放保护层和敏感材料探测层， 并实现其图形化。
可选的， 所述在第一支撑槽表面形成释放保护层和敏感材料探测层并实现其图形 化之后还包括 ： 在所述敏感材料探测层表面沉积金属电极， 实现电接触 ； 实现所述金属电 极的图形化 ； 再次沉积形成释放保护层并图形化， 造成对所述敏感材料探测层和所述金属 电极的包围。
可选的， 所述金属反射层的材料为铝或铂。
可选的， 所述形成探测器外围的无柱支撑结构包括 ： 形成覆盖所述探测器微桥结 构的第二牺牲层 ； 形成覆盖所述第二牺牲层的释放保护层， 并实现释放孔的图形化 ； 形成 覆盖所述释放保护层的增透材料层， 并通过形成所述增透材料层时释放孔顶端悬挂引起的 接触实现所述探测器外围真空的无柱支撑结构。
可选的， 所述释放保护层为基于硅、 氧、 碳、 氮成分的薄膜、 富氧或富硅的二氧化硅 薄膜、 掺有硼、 磷、 碳或氟杂质元素且基于硅、 氧、 碳、 氮成分的薄膜或富氧或富硅的二氧化 硅薄膜中的一种或其组合。
可选的， 所述增透材料层的材料为锗。
可选的， 所述形成增透材料层包括 ： 采用释放工艺去除所述第一牺牲层和第二牺 牲层 ； 接着， 利用 PVD 或 CVD 沉积形成增透材料层。
可选的， 所述形成第二牺牲层还包括形成第二支撑槽。
相较于现有技术， 本发明探测器及其制作方法通过先制作探测器微桥结构， 然后 制作包含释放孔的释放保护层以及覆盖释放孔的增透材料层， 在探测器外围形成无柱的支 撑结构， 从而实现探测器产品的芯片级真空结构， 解决了探测器释放封装时的成品率损失， 降了封装成本， 并大幅度提高产品性能和可靠性。附图说明
图 1 为本发明探测器一种实施方式的剖面结构示意图 ； 图 2 为本发明探测器制作方法一种实施方式的流程示意图 ； 图 3 为图 2 所示步骤 S1 一种具体实施方式的流程示意图 ； 图 4 为执行图 3 所示步骤 S11 的剖视示意图 ； 图 5 为执行图 3 所示步骤 S12 后的剖视示意图 ； 图 6 为执行图 3 所示步骤 S13 后的剖视示意图 ； 图 7 为执行图 3 所示步骤 S14 后的剖视示意图 ； 图 8 为执行图 3 所示步骤 S15 后的剖视示意图 ； 图 9 为图 3 所示步骤 S16 一种具体实施方式的流程示意图 ； 图 10 为执行图 3 所示步骤 S16 后的剖视示意图 ； 图 11 为图 2 所示步骤 S2 一种具体实施方式的流程示意图 ； 图 12 为执行图 11 所示步骤 S21 和步骤 S22 后的剖视示意图 ； 图 13 为执行图 11 所示步骤 S23 后的剖视示意图 ； 图 14 为执行图 2 所示步骤 S3 中去除第一牺牲层和第二牺牲层后的剖视示意图 ； 图 15 为执行图 2 所示步骤 S3 中形成增透材料层后的剖视示意图。具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图， 对本发明探测器及其制作方法进行详细阐述。
参考图 1， 本发明还提供了一种探测器， 其具体实施方式包括 ：
硅衬底 101 ；
覆盖在该硅衬底 101 上的金属反射层 102， 该金属反射层 102 具有金属反射图案 ；
位于金属反射层 102 上的微桥探测器结构， 其中， 所述微桥探测器结构依次包括 ： 敏感材料探测层 112、 金属电极层 113 和释放保护层 110 ； 释放保护层 110 在结构上包围敏 感材料探测层 112 和金属电极层 113， 用以对敏感材料探测层 112 和金属电极层 113 加以保 护。
以及探测器外围支撑结构， 其中， 所述探测器外围支撑结构为无柱支撑结构。
在一种具体实施方式中， 所述探测器外围支撑结构依次可包括 ： 包含释放孔 123 的释放保护层 110 以及增透材料层 124， 其中增透材料层 124 在释放孔 123 处形成的悬挂形 貌形成所述探测器外围真空的无柱支撑结构。
其中， 金属反射层 102 可采用铝材料。
其中， 位于金属反射层 102 各金属反射图案之间还可包括介质层 103， 且介质层 103 的高度与金属反射层 102 的高度一致。具体来说， 介质层 103 可采用二氧化硅、 氮氧化 硅、 或者掺有氟等杂质元素的二氧化硅、 氮氧化硅。
在本发明一实施例中， 金属反射层 102 与所述微桥探测器结构之间还可采用黏附 层以增加黏附性， 其中， 所述黏附层可采用二氧化硅或者掺有硼、 磷、 碳或氟等杂质元素之 一或其组合的二氧化硅， 或基于正硅酸乙酯 (TEOS) 或硅烷的氧化硅。
在本发明一实施例中， 释放保护层 110 可为二氧化硅 (SiO2)、 氮氧化硅 (SiON)、 氮 化硅 (SiN)、 碳化硅 (SiC) 等基于硅、 氧、 碳、 氮等成分的薄膜， 也可为非化学计量比的上述薄膜， 例如富氧或富硅的二氧化硅膜层， 也可为掺有硼、 磷、 碳或氟等杂质元素的上述薄膜， 例如氟硅玻璃 (FSG)、 硼硅玻璃 (BPSG) 或磷硅玻璃 (PSG) 等， 以及上述材料所构成的复合膜 层。
在本发明一实施例中， 敏感材料探测层 112 的材料可采用非晶硅或氧化钒。
在本发明一实施例中， 金属电极层 113 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之一或其组合。
在本发明一实施例中， 可采用锗作为增透材料层 124 的材料。
参考图 2， 本发明提供了一种探测器制作方法， 包括 ：
步骤 S1， 在硅衬底上依次形成金属反射层以及探测器微桥结构。
具体来说， 参考图 3， 步骤 S1 可包括 ：
步骤 S11， 在硅衬底上形成金属反射层并图形化。
其中， 参考图 4， 可先通过物理气相沉积 (PVD) 技术在硅衬底 200 上沉积形成金属 反射层 201， 所述金属可为铝 (Al)、 铂 (Pt) 等 ； 接着， 通过光刻、 刻蚀等工艺在金属反射层 201 上刻出凹槽， 形成金属反射图案， 从而在探测器像元里面形成谐振腔结构， 以利于红外 线的吸收。
步骤 S12， 在所述金属反射层的各金属反射图案之间填充介质层并实现介质层平坦化。 其中， 参考图 5， 介质层 202 所采用的介质材料可为二氧化硅、 氮氧化硅、 氮化硅和 碳化硅之一或其组合， 和 / 或掺有硼、 磷、 碳或氟等杂质元素的二氧化硅、 氮氧化硅、 氮化硅 和碳化硅之一或其组合。
在一种具体实现中， 步骤 S12 可包括 ： 首先， 采用沉积工艺在金属反射图案层上形 成第一介质层， 使第一介质层填充金属反射图案层中各图案之间的凹槽， 以防止金属反射 图案层中的短路 ； 具体来说， 可采用化学气相淀积工艺 (CVD) 工艺进行沉积。接着， 再根据 化学机械抛光工艺对所述第一介质层表面进行抛光， 以实现介质层表面的平坦化。
在另一种具体实现中， 步骤 S12 可包括 ： 首先， 采用沉积工艺在金属反射图案层上 形成第一介质层， 使第一介质层填充金属反射图案层中各图案之间的凹槽， 以防止金属反 射图案层中的短路。接着， 在所述第一介质层上通过旋涂玻璃 (SOG) 形成第二介质层， 以填 补所述第一介质层的不平。其中， 尽量使第二介质层的高度接近金属反射层的高度。
步骤 S13， 在所述介质层上沉积形成第一牺牲层。具体来说， 参考图 6， 可通过涂敷 或者其他 CVD 工艺， 在介质层 202 上形成 CVD 非晶硅层作为第一牺牲层 203。在本发明一实 施例中， 第一牺牲层 203 的材料可为硅或者聚酰亚胺 (polymide)。
步骤 S14， 在所述第一牺牲层上形成第一支撑槽。
具体来说， 参考图 7， 可在第一牺牲层 203 上刻蚀形成通孔 204， 形成第一支撑槽。
步骤 S15， 在所述第一支撑槽表面形成释放保护层和敏感材料探测层， 并实现其图 形化。参考图 8， 依次可沉积形成释放保护层 206 和敏感材料探测层 207， 并实现释放保护 层 206 和敏感材料探测层 207 的图形化。
其中， 当第一牺牲层 203 为聚酰亚胺 (polymide) 时， 释放保护层 206 可为二氧化 硅 (SiO2)、 氮氧化硅 (SiON)、 氮化硅 (SiN)、 碳化硅 (SiC) 等基于硅、 氧、 碳、 氮等成分的薄 膜， 也可为非化学计量比的上述薄膜， 例如富氧或富硅的二氧化硅膜层， 也可为掺有硼、 磷、
碳或氟等杂质元素的上述薄膜， 例如氟硅玻璃 (FSG)、 硼硅玻璃 (BPSG) 或磷硅玻璃 (PSG) 等， 以及上述材料所构成的复合膜层 ； 当第一牺牲层 203 为硅时， 释放保护层 206 可为例如 富氧或富硅的二氧化硅膜层， 也可为掺有硼、 磷、 碳或氟等杂质元素且基于硅、 氧、 碳、 氮等 成分的薄膜， 例如氟硅玻璃 (FSG)、 硼硅玻璃 (BPSG) 或磷硅玻璃 (PSG) 等。
其中， 敏感材料探测层 207 可采用非晶硅或氧化钒等材料。
步骤 S16， 沉积金属电极与释放保护层， 并实现其图形化。 具体来说， 参考图 9 及图 10， 步骤 S16 可包括 ：
在所述敏感材料探测层 207 表面沉积金属电极 208， 实现电接触。其中， 金属电极 208 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之一 或其组合。
实现金属电极 208 的图形化 ；
接着， 再沉积释放保护层 206。
其中， 释放保护层 206 包围住敏感材料探测层 207 和金属电极 208， 从而在进行释 放工艺时， 能够有效地对敏感材料探测层 207 和金属电极 208 进行保护 ； 同时， 在制造过程 和使用过程中， 隔离外界的污染和损伤， 提高敏感材料探测层 207 的可靠性 ； 另外， 也可以 避免金属电极 208 的短路。这样敏感材料探测层 207 和金属电极 208 被释放保护层 206 保 护起来， 可以避免敏感材料探测层 207 被污染或损伤。 最后， 实现像元图形和 PAD 图形， 从而实现本发明探测器的内部微桥结构。
在形成所述内部微桥结构之后， 继续执行步骤 S2， 形成所述探测器外围的无柱支 撑结构。
参考图 11， 步骤 S2 可包括 ：
步骤 S21， 沉积以形成覆盖所述探测器微桥结构的第二牺牲层。其中， 参考图 12， 第二牺牲层 209 所采用的材料或实现的工艺步骤可与第一牺牲层 203 所采用材料或实现 的工艺步骤一致。具体地， 第一牺牲层 203 和第二牺牲层 209 的材料可为硅或者聚酰亚胺 (polymide)。
其中， 所述形成第二牺牲层还包括形成第二支撑槽结构。例如， 参考图 12， 在第二 牺牲层 209 中形成第二支撑槽 210。
接着， 执行步骤 22， 在所述第二支撑槽以及第二牺牲层表面进行沉积， 形成释放保 护层， 并实现释放孔图形化。
参考图 13， 在沉积在所述第二支撑槽以及第二牺牲层表面的释放保护层 206 中形 成释放孔 211 图案， 其中， 释放保护层 206 可为二氧化硅 (SiO2)、 氮氧化硅 (SiON)、 氮化硅 (SiN)、 碳化硅 (SiC) 等基于硅、 氧、 碳、 氮等成分的薄膜， 也可为非化学计量比的上述薄膜， 例如富氧或富硅的二氧化硅膜层， 也可为掺有硼、 磷、 碳或氟等杂质元素的上述薄膜， 例如 氟硅玻璃 (FSG)、 硼硅玻璃 (BPSG) 或磷硅玻璃 (PSG) 等， 以及上述材料所构成的复合膜层。
最后， 执行步骤 S23， 形成增透材料层。
其中， 参考图 14， 在释放孔 211 打开后， 先进行释放工艺， 去除第一牺牲层 203 和第 二牺牲层 209。具体来说， 可采用二氟化氙作为释放气体， 将暴露出来的硅材料去除。
接着， 参考图 15， 利用 PVD 或 CVD 沉积形成增透材料层 212。利用 CVD 和 PVD 技术 工艺腔内的真空条件， 使得增透材料层 212 在沉积时通过释放孔 211 顶端悬挂所引起的接
触， 实现探测器内部的真空结构， 形成真空封装。在具体实施例中， 可采用锗作为增透材料 层 212 的材料。
相较于现有技术， 本发明探测器及其制作方法通过先制作探测器微桥结构， 然后 制作包含释放孔的释放保护层以及覆盖释放孔的增透材料层， 在探测器外围形成无柱的支 撑结构， 从而实现探测器产品的芯片级真空结构， 解决了探测器释放封装时的成品率损失， 降了封装成本， 并大幅度提高产品性能和可靠性。
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。