一种非制冷CMOS红外探测器制造技术

本公开涉及一种非制冷CMOS红外探测器，红外探测器中CMOS测量电路系统和CMOS红外传感结构均使用CMOS工艺制备，在CMOS测量电路系统上方直接制备CMOS红外传感结构；CMOS红外传感结构的CMOS制作工艺包括金属互连工艺、通孔工艺、IMD工艺以及RDL工艺，红外探测器中的牺牲层用于使CMOS红外传感结构形成镂空结构，构成有效像元和/或镜像像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post

【技术实现步骤摘要】
一种非制冷CMOS红外探测器


[0001]本公开涉及红外探测
，尤其涉及一种非制冷CMOS红外探测器。

技术介绍

[0002]监控市场、车辅市场、家居市场、智能制造市场以及手机应用等领域都对非制冷高性能的芯片有着强烈的需求，且对芯片性能的好坏、性能的一致性以及产品的价格都有一定的要求，每年预计有亿颗以上芯片的潜在需求，而目前的工艺方案和架构无法满足市场需求。
[0003]目前红外探测器采用的是测量电路和红外传感结构结合的方式，测量电路采用CMOS(Complementary Metal
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Oxide
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Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺制备，而红外传感结构采用MEMS(Micro
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Electro
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Mechanical System，微电子机械系统)工艺制备，导致存在如下问题：
[0004](1)红外传感结构采用MEMS工艺制备，以聚酰亚胺作为牺牲层，与CMOS工艺不兼容。
[0005](2)聚酰亚胺作为牺牲层，存在释放不干净影响探测器芯片真空度的问题，还会使后续薄膜生长温度受限制，不利于材料的选择。
[0006](3)聚酰亚胺会造成谐振腔高度不一致，工作主波长难以保证。
[0007](4)MEMS工艺制程的控制远差于CMOS工艺，芯片的性能一致性和探测性能都会受到制约。
[0008](5)MEMS产能低，良率低，成本高，不能实现大规模批量生产。
[0009](6)MEMS现有的工艺能力不足以支撑更高性能的探测器制备，更小的线宽以及更薄的膜厚，不利于实现芯片的小型化。

技术实现思路

[0010]为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种非制冷CMOS红外探测器，解决了传统MEMS工艺红外探测器的性能低，像素规模低，良率低等问题，优化了红外探测器的性能。
[0011]本公开提供了一种非制冷CMOS红外探测器，包括：
[0012]CMOS测量电路系统和CMOS红外传感结构，所述CMOS测量电路系统和所述CMOS红外传感结构均使用CMOS工艺制备，在所述CMOS测量电路系统上直接制备所述CMOS红外传感结构；
[0013]所述红外探测器包括有效像元阵列和镜像像元阵列，镜像像元用于消除有效像元除辐射吸收以外产生的热信号，所述热信号包括环境背景热信号、电阻热信号和衬底热信号；
[0014]针对所述有效像元：
[0015]所述CMOS测量电路系统上方包括至少一层密闭释放隔绝层，所述密闭释放隔绝层
用于在制作所述CMOS红外传感结构的释放刻蚀过程中，保护所述CMOS测量电路系统不受工艺影响；
[0016]所述CMOS红外传感结构的CMOS制作工艺包括金属互连工艺、通孔工艺、IMD工艺以及RDL工艺，所述CMOS红外传感结构包括至少两层金属互连层、至少两层介质层和多个互连通孔，所述介质层至少包括一层牺牲层和一层热敏感介质层，所述金属互连层至少包括反射层和电极层；其中，所述热敏感介质层用于将其吸收的红外辐射对应的温度变化转化为电阻变化，进而通过所述CMOS测量电路系统将红外目标信号转化成可实现电读出的信号，所述牺牲层用于使所述CMOS红外传感结构形成镂空结构；
[0017]所述CMOS红外传感结构包括由所述反射层和所述热敏感介质层构成的谐振腔、控制热传递的悬空微桥结构以及具有电连接和支撑功能的柱状结构，所述CMOS测量电路系统用于测量和处理一个或多个所述CMOS红外传感结构形成的阵列电阻值，并将红外信号转化为图像电信号；
[0018]所述CMOS测量电路系统包括偏压产生电路、列级模拟前端电路和行级电路，所述偏压产生电路的输入端连接所述行级电路的输出端，所述列级模拟前端电路的输入端连接所述偏压产生电路的输出端，所述行级电路中包括行级镜像像元和行选开关，所述列级模拟前端电路中包括盲像元；其中，所述行级电路分布在每个像素内并根据时序产生电路的行选通信号选取待处理信号，并在所述偏压产生电路的作用下输出电流信号至所述列级模拟前端电路以进行电流电压转换输出；
[0019]所述行级电路受所述行选开关控制而被选通时向所述偏压产生电路输出第三偏置电压，所述偏压产生电路根据输入的恒压及所述第三偏置电压输出第一偏置电压和第二偏置电压，所述列级模拟前端电路根据所述第一偏置电压和所述第二偏置电压得到两路电流，并对所产生的两路电流之差进行跨阻放大并作为输出电压输出；
[0020]构成所述有效像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post
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CMOS工艺腐蚀所述有效像元中的牺牲层，所述刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种；和/或，构成所述镜像像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post
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CMOS工艺腐蚀所述镜像像元中的牺牲层，所述刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种。
[0021]可选地，针对所述有效像元，在所述CMOS测量电路系统的金属互连层上层或者同层制备所述CMOS红外传感结构。
[0022]可选地，针对所述有效像元，所述密闭释放隔绝层位于所述CMOS测量电路系统和所述CMOS红外传感结构之间的界面和/或位于所述CMOS红外传感结构中；
[0023]所述密闭释放隔绝层至少包含一层介质层，构成所述密闭释放隔绝层的介质材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、碳氮化硅、非晶碳、氧化钛或氧化铝中的至少一种。
[0024]可选地，针对所述有效像元，所述密闭释放隔绝层位于所述反射层远离所述CMOS测量电路系统的一侧，所述反射层和所述密闭释放隔绝层之间设置有至少一层介质层，构成所述介质层的材料包括锗、硅或锗硅中的至少一种。
[0025]可选地，针对所述有效像元，所述CMOS红外传感结构包括吸收板、梁结构、所述反射层和所述柱状结构；
[0026]所述吸收板用于吸收所述红外目标信号并将所述红外目标信号转换为电信号，所述吸收板包括金属互连层和至少一层所述热敏感介质层，构成所述热敏感介质层的材料包括由氧化钛、氧化钒、氧化钛钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、非晶碳、石墨烯、钇钡铜氧、铜或铂制备的电阻温度系数大于设定值的材料中的至少一种；
[0027]所述梁结构和所述柱状结构用于传输所述电信号并用于支撑和连接所述吸收板，所述梁结构至少包括金属互连层，所述柱状结构采用所述金属互连工艺和所述通孔工艺连接所述梁结构和所述CMOS测量电路系统；
[0028]所述反射层用于反射红外信号并与所述热敏感介质层形成所述谐振腔，所述反射层包括至少一层金属互连层。
[0029]可选地，针对所述有效像元，所述梁结构和所述吸收板的至少两端电连接，所述CMOS红外传感结构包括至少两个所述柱状结构和至本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非制冷CMOS红外探测器，其特征在于，包括：CMOS测量电路系统和CMOS红外传感结构，所述CMOS测量电路系统和所述CMOS红外传感结构均使用CMOS工艺制备，在所述CMOS测量电路系统上直接制备所述CMOS红外传感结构；所述红外探测器包括有效像元阵列和镜像像元阵列，镜像像元用于消除有效像元除辐射吸收以外产生的热信号，所述热信号包括环境背景热信号、电阻热信号和衬底热信号；针对所述有效像元：所述CMOS测量电路系统上方包括至少一层密闭释放隔绝层，所述密闭释放隔绝层用于在制作所述CMOS红外传感结构的释放刻蚀过程中，保护所述CMOS测量电路系统不受工艺影响；所述CMOS红外传感结构的CMOS制作工艺包括金属互连工艺、通孔工艺、IMD工艺以及RDL工艺，所述CMOS红外传感结构包括至少两层金属互连层、至少两层介质层和多个互连通孔，所述介质层至少包括一层牺牲层和一层热敏感介质层，所述金属互连层至少包括反射层和电极层；其中，所述热敏感介质层用于将其吸收的红外辐射对应的温度变化转化为电阻变化，进而通过所述CMOS测量电路系统将红外目标信号转化成可实现电读出的信号，所述牺牲层用于使所述CMOS红外传感结构形成镂空结构；所述CMOS红外传感结构包括由所述反射层和所述热敏感介质层构成的谐振腔、控制热传递的悬空微桥结构以及具有电连接和支撑功能的柱状结构，所述CMOS测量电路系统用于测量和处理一个或多个所述CMOS红外传感结构形成的阵列电阻值，并将红外信号转化为图像电信号；所述CMOS测量电路系统包括偏压产生电路、列级模拟前端电路和行级电路，所述偏压产生电路的输入端连接所述行级电路的输出端，所述列级模拟前端电路的输入端连接所述偏压产生电路的输出端，所述行级电路中包括行级镜像像元和行选开关，所述列级模拟前端电路中包括盲像元；其中，所述行级电路分布在每个像素内并根据时序产生电路的行选通信号选取待处理信号，并在所述偏压产生电路的作用下输出电流信号至所述列级模拟前端电路以进行电流电压转换输出；所述行级电路受所述行选开关控制而被选通时向所述偏压产生电路输出第三偏置电压，所述偏压产生电路根据输入的恒压及所述第三偏置电压输出第一偏置电压和第二偏置电压，所述列级模拟前端电路根据所述第一偏置电压和所述第二偏置电压得到两路电流，并对所产生的两路电流之差进行跨阻放大并作为输出电压输出；构成所述有效像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post
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CMOS工艺腐蚀所述有效像元中的牺牲层，所述刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种；和/或，构成所述镜像像元中的牺牲层的材料包括硅、锗或锗硅中的至少一种，采用刻蚀气体并采用post
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CMOS工艺腐蚀所述镜像像元中的牺牲层，所述刻蚀气体包括氟化氙、氯气、溴气、四氯化碳或氟氯代烃中的至少一种。2.根据权利要求1所述的非制冷CMOS红外探测器，其特征在于，针对所述有效像元，在所述CMOS测量电路系统的金属互连层上层或者同层制备所述CMOS红外传感结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟光杰，武佩，潘辉，翟光强，
申请(专利权)人：北京北方高业科技有限公司，
类型：发明
国别省市：