一种新型非制冷红外焦平面探测器像元及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种新型非制冷红外焦平面探测器像元及其制作方法，属于非制冷红外焦平面探测器领域技术领域。其自半导体衬底往上，依次包括三层结构，第一层的桥腿结构包括金属反射层、绝缘介质层、第一支撑层、第一支撑层保护层、第一金属电极层和第一氮化硅介质层；第二层的热转换结构包括第二支撑层、第二支撑层保护层、第二金属电极层、第二氮化硅介质层、热敏层和热敏层保护层；第三层的吸收层结构包括第三支撑层、吸收层和吸收层保护层。本发明专利技术还公开了上述新型非制冷红外焦平面探测器像元的制作方法。本发明专利技术的非制冷红外焦平面探测器像元，能显著提高红外辐射的吸收率，提升探测器的响应率，为制造更大阵列和更小像元的探测器打下基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新型非制冷红外焦平面探测器像元及其制作方法，属于非制冷红外焦平面探测器领域

技术介绍
随着像元尺寸逐步缩小，单个传感器所吸收的目标辐射能量显著减少。为了维持相对一致的传感器灵敏度，必须提升传感器的响应率。传感器的响应率取决于像元尺寸、传感器与衬底间的热导、传感器的光学吸收效率与热敏材料性能。在传统双层微桥结构中，第一层为细长桥腿构成的桥腿支撑结构，用以提升传感器与衬底间的热导。第二层包含氧化钒层，用以吸收目标红外辐射并转变为电学信号。当红外辐射入射到红外探测器像元时，除顶层对红外辐射有吸收外，底部桥腿对于入射的红外辐射也有部分吸收作用，但对于顶层温升贡献有限。随着像元尺寸的进一步缩小，需进一步提升顶层结构的吸收效率。美国Raytheon曾申请专利(美国专利：US6690014B1)。该专利采用的技术方案采用双层微桥结构，第一层为支撑桥腿，第二层为热敏层非晶硅薄膜。该结构虽然可以有效的探测红外辐射，但是当像元缩小时，热敏层的面积随之减小，从而导致吸收率会下降非常明显。所以该结构不利于制作高响应率的小像元探测器。此外，DRS专利(美国专利：US891161B2)采用类似Raytheon的结构，制作双层结构，第一层的热绝缘桥腿采用蛇形结构，第二层制作悬空探测器，两层结构与基底形成两个谐振腔。该结构同Raytheon专利的利弊相同。非制冷红外探测技术是无需制冷系统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，满足了民用红外系统和部分军事红外系统对长波红外探测器的迫切需要，近几年来发展迅猛，正朝着高灵敏、宽谱段、高分辨率、低功耗、小型化和智能化的方向发展。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:ReadoutIntegratedCircuits)读出电信号的变化。微测辐射热计的红外辐射探测过程，主要是通过悬空的微桥结构来完成的，所以微测辐射热计的结构制造是决定其性能的关键因素。传统结构为双层结构，底层桥腿，顶层热敏层，而对热敏层的温升贡献主要集中在顶层结构，底层的桥腿结构等其余结构的温升贡献都比较小，从而导致探测器的灵敏度比较低。中国专利技术专利授权公告号为CN103715307B的《一种非制冷红外探测器及其制备方法》，公开了一种非制冷红外探测器的制备方法及其结构。该专利使用的单层微桥结构，桥腿和热敏层均在同一层。该结构在制作大尺寸像元时，可以有效的提升吸收率。但是随着像元尺寸的缩小，该结构将不能满足高吸收率探测器像元的需求。另外，由于该结构的谐振腔高度有限，能够检测到的红外波长范围有限，主要集中在8-14μm。鉴于此，有必要开发一种新的非制冷红外焦平面探测器像元，以解决现有技术的不足。
技术实现思路
本专利技术的目的之一，是提供一种新型非制冷红外焦平面探测器像元的制作方法。本专利技术的制作方法简单，能够提高与集成电路的兼容性，从而可以实现规模化生产，降低生产成本。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种新型非制冷红外焦平面探测器像元的制作方法，包括如下步骤：步骤1：提供一包含读出电路的半导体衬底，在半导体衬底上沉积一金属层；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；在绝缘介质层上沉积第一牺牲层，并对第一牺牲层进行平坦化处理，在完成平坦化处理后的第一牺牲层上沉积SiO2薄膜作为第一支撑层；再在第一支撑层沉积氮化硅薄膜作为第一支撑层保护层；步骤2：在从所述第一支撑层保护层至所述半导体衬底方向上通过光刻和反应离子蚀刻的方法蚀刻第一通孔，第一通孔蚀刻终止于与读出电路电连接的金属电极块；步骤3：在第一支撑层保护层上和第一通孔的底部沉积第一金属电极层，并对第一金属电极层进行图形化，形成金属连线和金属电极；在完成图形化处理后的第一金属电极层上沉积第一氮化硅介质层；然后自第一氮化硅介质层垂直向下，依次蚀刻第一氮化硅介质层、第一金属电极层、第一支撑层保护层和第一支撑层，蚀刻终止于所述第一牺牲层；形成桥腿结构；步骤4：在桥腿结构上沉积第二牺牲层，并对第二牺牲层进行平坦化处理，在完成平坦化处理后的第二牺牲层上沉积SiO2薄膜作为第二支撑层；再在第二支撑层上沉积氮化硅薄膜作为第二支撑层保护层；在从所述第二支撑层保护层至所述第一金属电极层方向上通过光刻和反应离子蚀刻的方法蚀刻第二通孔，第二通孔蚀刻终止于与第一金属电极层；步骤5：在第二支撑层保护层上和第二通孔的底部沉积第二金属电极层，并对第二金属电极层进行图形化；步骤6：在完成图形化处理后的第二金属电极层上沉积第二氮化硅介质层；在沉积完第二氮化硅介质层的第二金属电极层上通过光刻和反应离子蚀刻的方法，刻蚀掉第二金属电极层上方的部分第二氮化硅介质层，露出第二金属电极层，形成接触孔；步骤7：在形成接触孔的第二氮化硅介质层上沉积热敏层，并对热敏层进行图形化；步骤8：在完成图形化处理后的热敏层上沉积氮化硅薄膜作为热敏层保护层，并对热敏层保护层进行图形化；步骤9：自完成图形化处理后的热敏层保护层垂直向下，依次蚀刻热敏层保护层、热敏层、第二氮化硅介质层、第二金属电极层、第二支撑层保护层，蚀刻终止于第二牺牲层；形成包含微桥腿和热敏结构的热转换结构；步骤10：在包含微桥腿和热敏结构的热转换结构上沉积第三牺牲层，并对第三牺牲层进行平坦化处理，在完成平坦化处理后的第三牺牲层上沉积SiO2薄膜作为第三支撑层；再在第三支撑层上沉积吸收层薄膜作为吸收层；再在吸收层上沉积氮化硅薄膜作为吸收层保护层，形成吸收层结构；步骤11：自吸收保护层垂直向下，依次蚀刻吸收保护层、吸收层和第三支撑层，蚀刻终止于第三牺牲层；然后释放第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层，即得所述新型非制冷红外焦平面探测器像元。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步，步骤1中，所述金属反射层厚度为0.05-0.40μm；所述绝缘介质层为氮化硅薄膜或者SiO2薄膜，所述绝缘介质层的厚度为0.02-0.30μm；所述第一牺牲层为非晶碳、非晶硅、聚酰亚胺中的一种；采用PECVD方法沉积SiO2薄膜作为第一支撑层；所述第一支撑层的厚度为0.05-0.30μm；采用PECVD方法沉积氮化硅薄膜作为第一支撑层保护层；所述第一支撑层保护层的厚度为0.05-0.30μm。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型非制冷红外焦平面探测器像元的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：提供一包含读出电路的半导体衬底(1)，在半导体衬底(1)上沉积一金属层；并对金属层进行图形化，形成金属反射层(2)图形和金属电极块(3)；金属电极块(3)与半导体衬底(1)上的读出电路电连接；在完成图形化的金属层上沉积绝缘介质层(4)；在绝缘介质层(4)上沉积第一层牺牲层(51)，并对第一牺牲层(51)进行平坦化处理，在完成平坦化处理后的第一牺牲层(51)上沉积SiO2薄膜作为第一支撑层(6)；再在第一支撑层(6)上沉积氮化硅薄膜作为第一支撑层保护层(7)；步骤2：在从所述第一支撑层保护层(7)至所述半导体衬底(1)方向上通过光刻和反应离子蚀刻的方法蚀刻第一通孔(8)，第一通孔(8)蚀刻终止于与读出电路电连接的金属电极块(3)；步骤3：在第一支撑层保护层(7)上和第一通孔(8)的底部沉积第一金属电极层(9)，并对第一金属电极层(9)进行图形化，形成金属连线(91)和金属电极(92)；在完成图形化处理后的第一金属电极层(9)上沉积第一氮化硅介质层(10)；然后自第一氮化硅介质层(10)垂直向下，依次蚀刻第一氮化硅介质层(10)、第一金属电极层(9)、第一支撑层保护层(7)和第一支撑层(6)，蚀刻终止于所述第一牺牲层(51)；形成桥腿结构；步骤4：在桥腿结构上沉积第二牺牲层(52)，并对第二牺牲层(52)进行平坦化处理，在完成平坦化处理后的第二牺牲层(52)上沉积SiO2薄膜作为第二支撑层(11)；再在第二支撑层(11)上沉积氮化硅薄膜作为第二支撑层保护层(12)；在从所述第二支撑层保护层(12)至所述第一金属电极层(9)方向上通过光刻和反应离子蚀刻的方法蚀刻第二通孔(13)，第二通孔(13)蚀刻终止于与第一金属电极层(9)；步骤5：在第二支撑层保护层(12)上和第二通孔(13)的底部沉积第二金属电极层(14)，并对第二金属电极层(14)进行图形化；步骤6：在完成图形化处理后的第二金属电极层(14)上沉积第二氮化硅介质层(15)；在沉积完第二氮化硅介质层(15)的第二金属电极层(14)上通过光刻和反应离子蚀刻的方法，刻蚀掉第二金属电极层(14)上方的部分第二氮化硅介质层(15)，露出第二金属电极层(14)，形成接触孔(16)；步骤7：在形成接触孔(16)的第二氮化硅介质层(15)上沉积热敏层(17)，并对热敏层(17)进行图形化；步骤8：在完成图形化处理后的热敏层(17)上沉积氮化硅薄膜作为热敏层保护层(18)，并对热敏层保护层(18)进行图形化；步骤9：自完成图形化处理后的热敏层保护层(18)垂直向下，依次蚀刻热敏层保护层(18)、热敏层(17)、第二氮化硅介质层(15)、第二金属电极层(14)、第二支撑层保护层(12)，蚀刻终止于第二牺牲层(52)；形成包含微桥腿和热敏结构的热转换结构；步骤10：在包含微桥腿和热敏结构的热转换结构上沉积第三牺牲层(53)，并对第三牺牲层(53)进行平坦化处理，在完成平坦化处理后的第三牺牲层(53)上沉积SiO2薄膜作为第三支撑层(19)；再在第三支撑层(19)上沉积吸收层薄膜作为吸收层(20)；再在吸收层(20)上沉积氮化硅薄膜作为吸收层保护层(21)，形成吸收层结构；步骤11：自吸收保护层(21)垂直向下，依次蚀刻吸收保护层(21)、吸收层(20)和第三支撑层(19)，蚀刻终止于第三牺牲层(53)；然后释放第一牺牲层(51)、第二牺牲层(52)和第三牺牲层(53)，即得所述新型非制冷红外焦平面探测器像元。...

【技术特征摘要】
1.一种新型非制冷红外焦平面探测器像元的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：提供一包含读出电路的半导体衬底(1)，在半导体衬底(1)上沉积一金属层；并对金属层进行图形化，形成金属反射层(2)图形和金属电极块(3)；金属电极块(3)与半导体衬底(1)上的读出电路电连接；在完成图形化的金属层上沉积绝缘介质层(4)；在绝缘介质层(4)上沉积第一层牺牲层(51)，并对第一牺牲层(51)进行平坦化处理，在完成平坦化处理后的第一牺牲层(51)上沉积SiO2薄膜作为第一支撑层(6)；再在第一支撑层(6)上沉积氮化硅薄膜作为第一支撑层保护层(7)；步骤2：在从所述第一支撑层保护层(7)至所述半导体衬底(1)方向上通过光刻和反应离子蚀刻的方法蚀刻第一通孔(8)，第一通孔(8)蚀刻终止于与读出电路电连接的金属电极块(3)；步骤3：在第一支撑层保护层(7)上和第一通孔(8)的底部沉积第一金属电极层(9)，并对第一金属电极层(9)进行图形化，形成金属连线(91)和金属电极(92)；在完成图形化处理后的第一金属电极层(9)上沉积第一氮化硅介质层(10)；然后自第一氮化硅介质层(10)垂直向下，依次蚀刻第一氮化硅介质层(10)、第一金属电极层(9)、第一支撑层保护层(7)和第一支撑层(6)，蚀刻终止于所述第一牺牲层(51)；形成桥腿结构；步骤4：在桥腿结构上沉积第二牺牲层(52)，并对第二牺牲层(52)进行平坦化处理，在完成平坦化处理后的第二牺牲层(52)上沉积SiO2薄膜作为第二支撑层(11)；再在第二支撑层(11)上沉积氮化硅薄膜作为第二支撑层保护层(12)；在从所述第二支撑层保护层(12)至所述第一金属电极层(9)方向上通过光刻和反应离子蚀刻的方法蚀刻第二通孔(13)，第二通孔(13)蚀刻终止于与第一金属电极层(9)；步骤5：在第二支撑层保护层(12)上和第二通孔(13)的底部沉积第二金属电极层(14)，并对第二金属电极层(14)进行图形化；步骤6：在完成图形化处理后的第二金属电极层(14)上沉积第二氮化硅介质层(15)；在沉积完第二氮化硅介质层(15)的第二金属电极层(14)上通过光刻和反应离子蚀刻的方法，刻蚀掉第二金属电极层(14)上方的部分第二氮化硅介质层(15)，露出第二金属电极层(14)，形成接触孔(16)；步骤7：在形成接触孔(16)的第二氮化硅介质层(15)上沉积热敏层(17)，并对热敏层(17)进行图形化；步骤8：在完成图形化处理后的热敏层(17)上沉积氮化硅薄膜作为热敏层保护层(18)，并对热敏层保护层(18)进行图形化；步骤9：自完成图形化处理后的热敏层保护层(18)垂直向下，依次蚀刻热敏层保护层(18)、热敏层(17)、第二氮化硅介质层(15)、第二金属电极层(14)、第二支撑层保护层(12)，蚀刻终止于第二牺牲层(52)；形成包含微桥腿和热敏结构的热转换结构；步骤10：在包含微桥腿和热敏结构的热转换结构上沉积第三牺牲层(53)，并对第三牺牲层(53)进行平坦化处理，在完成平坦化处理后的第三牺牲层(53)上沉积SiO2薄膜作为第三支撑层(19)；再在第三支撑层(19)上沉积吸收层薄膜作为吸收层(20)；再在吸收层(20)上沉积氮化硅薄膜作为吸收层保护层(21)，形成吸收层结构；步骤11：自吸收保护层(21)垂直向下，依次蚀刻吸收保护层(21)、吸收层(20)和第三支撑层(19)，蚀刻终止于第三牺牲层(53)；然后释放第一牺牲层(51)、第二牺牲层(52)和第三牺牲层(53)，即得所述新型非制冷红外焦平面探测器像元。2.根据权利要求1所述的一种新型非制冷红外焦平面探测器像元的制作方法，其特征在于，步骤1中，所述金属反射层(2)厚度为0.05-0.40μm；所述绝缘介质层(4)为氮化硅薄膜或者SiO2薄膜，所述绝缘介质层(4)的厚度为0.02-0.30μm；所述第一牺牲层(51)为非晶碳、非晶硅、聚酰亚胺中的一种；采用PECVD方法沉积SiO2薄膜作为第一支撑层(6)；所述第一支撑层(6)的厚度为0.05-0.30μm；采用PECVD方法沉积氮化硅薄膜作为第一支撑层保护层(7)；所述第一支撑层保护层(7)的厚度为0.05-0.30μm。3.根据权利要求1所述的一种新型非制冷红外焦平面探测器像元的制作方法，其特征在于，步骤3中，采用PVD方法沉积所述第一金属电极层(9)，所述第一金属电极层(9)为Ti薄膜、NiCr薄膜或TiN薄膜中的一种；所述第一金属电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏臣，邱栋，王鹏，陈文礼，
申请(专利权)人：烟台睿创微纳技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37