一种基于CMOS工艺的多层结构的红外探测器制造技术

本公开涉及一种基于CMOS工艺的多层结构的红外探测器，红外探测器中的CMOS测量电路系统和CMOS红外传感结构均使用CMOS工艺制备，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，多层结构的红外探测器中，第一柱状结构包括至少一层实心柱状结构和/或至少一层空心柱状结构，第二柱状结构包括至少一层实心柱状结构和/或至少一层空心柱状结构，吸收板上形成有至少一个孔状结构，孔状结构至少贯穿吸收板中的介质层；和/或，梁结构上形成有至少一个孔状结构。通过本公开的技术方案，解决了传统MEMS工艺红外探测器的性能低，像素规模低，良率低以及一致性差的问题，优化了吸收板的平坦化程度，减小了梁结构的热导，优化了红外探测器的性能。了红外探测器的性能。了红外探测器的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CMOS工艺的多层结构的红外探测器


[0001]本公开涉及红外探测
，尤其涉及一种基于CMOS工艺的多层结构的红外探测器。

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，本公开提供了一种基于CMOS工艺的多层结构的红外探测器，解决了传统MEMS工艺红外探测器的性能低，像素规模低，良率低以及一致性差的问题，优化了吸收板的平坦化程度，减小了梁结构的热导，优化了红外探测器的性能。
[0011]本公开提供了一种基于CMOS工艺的多层结构的红外探测器，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；
[0014]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三层金属互连层、至少三层介质层和多个互连通孔，所述金属互连层至少包括反射层和两层电极层，所述介质层至少包括两层牺牲层和热敏感介质层；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；
[0015]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以及控制热传递的悬空微桥结构，所述悬空微桥结构包括至少一层梁结构和至少一层吸收板，所述梁结构位于所述吸收板临近或者远离所述CMOS测量电路系统的一侧，所述反射层和所述梁结构之间设置有第一柱状结构且所述第一柱状结构直接电连接所述反射层中的支撑底座和对应的所述梁结构，所述梁结构通过所述第一柱状结构和所述支撑底座与所述CMOS测量电路系统电连接，所述吸收板与所述梁结构之间设置有第二柱状结构且所述第二柱状结构直接电连接对应的所述吸收板和对应的所述梁结构，所述吸收板用于将红外信号转换为电信号并通过所述第二柱状结构和对应的所述梁结构与对应的所述第一柱状结构电连接；
[0016]所述第一柱状结构包括至少一层实心柱状结构和/或至少一层空心柱状结构，所述第二柱状结构包括至少一层实心柱状结构和/或至少一层空心柱状结构；
[0017]所述吸收板上形成有至少一个孔状结构，所述孔状结构至少贯穿所述吸收板中的介质层；和/或，所述梁结构上形成有至少一个孔状结构；
[0018]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；
[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]可选地，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。
[0021]可选地，所述牺牲层用于使所述CMOS红外传感结构形成镂空结构，构成所述牺牲层的材料是氧化硅，采用post
‑
CMOS工艺腐蚀所述牺牲层。
[0022]可选地，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，所述第一柱状结构采用所述金属互连工艺和所述通孔工艺连接对应的所述梁结构和所述CMOS测量电路系统，所述第二柱状结构采用所述金属互连工艺和所述通孔工艺连接对应的所述吸收板与对应的所述梁结构；
[0023]所述梁结构包括第一电极层，或者所述梁结构包括第一介质层和第一电极层，或者所述梁结构包括第一电极层和第二介质层，或者所述梁结构包括第一电极层和第一热敏
感介质层，或者所述梁结构包括第一介质层、第一电极层和第二介质层，或者所述梁结构包括第一介质层、第一电极层和第一热敏感介质层，或者所述梁结构包括第一电极层、第一热敏感介质层和第二介质层，或者所述梁结构包括第一介质层、第一电极层、第一热敏感介质层和第二介质层，所述吸收板包括第二电极层和第二热敏感介质层，或者所述吸收板包括第三介质层、第二电极层和第二热敏感介质层，或者所述吸收板包括第二电极层、第二热敏感介质层和第四介质层，或者所述吸收板包括第三介质层、第二电极层、第二热敏感介质层和第四介质层；其中，构成所述第一介质层的材料包括非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、氧化铝或非晶碳中的至少一种，构成所述第二介质层的材料包括非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、氧化铝或非晶碳中的至少一种，构成所述第三介质层的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于CMOS工艺的多层结构的红外探测器，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三层金属互连层、至少三层介质层和多个互连通孔，所述金属互连层至少包括反射层和两层电极层，所述介质层至少包括两层牺牲层和热敏感介质层；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以及控制热传递的悬空微桥结构，所述悬空微桥结构包括至少一层梁结构和至少一层吸收板，所述梁结构位于所述吸收板临近或者远离所述CMOS测量电路系统的一侧，所述反射层和所述梁结构之间设置有第一柱状结构且所述第一柱状结构直接电连接所述反射层中的支撑底座和对应的所述梁结构，所述梁结构通过所述第一柱状结构和所述支撑底座与所述CMOS测量电路系统电连接，所述吸收板与所述梁结构之间设置有第二柱状结构且所述第二柱状结构直接电连接对应的所述吸收板和对应的所述梁结构，所述吸收板用于将红外信号转换为电信号并通过所述第二柱状结构和对应的所述梁结构与对应的所述第一柱状结构电连接；所述第一柱状结构包括至少一层实心柱状结构和/或至少一层空心柱状结构，所述第二柱状结构包括至少一层实心柱状结构和/或至少一层空心柱状结构；所述吸收板上形成有至少一个孔状结构，所述孔状结构至少贯穿所述吸收板中的介质层；和/或，所述梁结构上形成有至少一个孔状结构；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。2.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的多层结构的红外探测器，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的多层结构的红外探测器，其特征在于，所述牺牲层用于使所述CMOS红外传感结构形成镂空结构，构成所述牺牲层的材料是氧化硅，采用post
‑
CMOS工艺腐蚀所述牺牲层。
4.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的多层结构的红外探测器，其特征在于，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，所述第一柱状结构采用所述金属互连工艺和所述通孔工艺连接对应的所述梁结构和所述CMOS测量电路系统，所述第二柱状结构采用所述金属互连工艺和所述通孔工艺连接对应的所述吸收板与对应的所述梁结构；所述梁结构包括第一电极层，或者所述梁结构包括第一介质层和第一电极层，或者所述梁结构包括第一电极层和第二介质层，或者所述梁结构包括第一电极层和第一热敏感介质层，或者所述梁结构包括第一介质层、第一电极层和第二介质层，或者所述梁结构包括第一介质层、第一电极层和第一热敏感介质层，或者所述梁结构包括第一电极层、第一热敏感介质层和第二介质层，或者所述梁结构包括第一介质层、第一电极层、第一热敏感介质层和第二介质层，所述吸收板包括第二电极层和第二热敏感介质层，或者所述吸收板包括第三介质层、第二电极层和第二热敏感介质层，或者所述吸收板包括第二电极层、第二热敏感介质层和第四介质层，或者所述吸收板包括第三介质层、第二电极层、第二热敏感介质层和第四介质层；其中，构成所述第一介质层的材料包括非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、氧化铝或非晶碳中的至少一种，构成所述第二介质层的材料包括非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、氧化铝或非晶碳中的至少一种，构成所述第三介质层的材料包括非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、氧化铝或非晶碳中的至少一种，构成所述第四介质层的材料包括非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、氧化铝或非晶碳中的至少一种，构成所述第一热敏感介质层的材料包括由氧化钛、氧化钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、石墨烯、钛酸锶钡薄膜、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，构成所述第二热敏感介质层的材料包括由氧化钛、氧化钒、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶锗氧硅、硅、锗、锗硅、锗氧硅、石墨烯、钛酸锶钡薄膜、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；或者，所述梁结构包括第一介质层、第一电极层和第二介质层，所述吸收板包括第三介质层和第二电极层，或者所述吸收板包括第二电极层和第四介质层，或者所述吸收板包括第三介质层、第二电极层和第四介质层，或者所述吸收板包括支撑层、第三介质层、第二电极层和第四介质层，或者所述吸收板包括第三介质层、第二电极层、第四介质层和钝化层，或者所述吸收板包括支撑层、第三介质层、第二电极层、第四介质层和钝化层；其中，构成所述第一介质层的材料包括由非晶硅、非晶锗、非晶锗硅或非晶碳制备的电阻温度系数大于设定值的材料中的至少一种，构成所述第二介质层的材料包括由非晶硅、非晶锗、非晶锗硅或非晶碳制备的电阻温度系数大于设定值的材料中的至少一种，构成所述第三介质层的材料包括由非晶硅、非晶锗、非晶锗硅或非晶碳制备的电阻温度系数大于设定值的材料中的至少一种，构成所述第四介质层的材料包括由非晶硅、非晶锗、非晶锗硅或非晶碳制备的电阻温度系数大于设定值的材料中的至少一种；构成所述第一电极层的材料包括钛、氮化钛、钽、氮化钽、钛钨合金、镍铬合金、镍铂合金、镍硅合金、镍、铬、铂、钨、铝或铜中的至少一种，构成所述第二电极层的材料包括钛、氮化钛、钽、氮化钽、钛钨合金、镍铬合金、镍铂合金、镍硅合金、镍、铬、铂、钨、铝或铜中的至少一种。5.根据权利要求4所述的基于CMOS工艺的多层结构的红外探测器，其特征在于，所述反射层和所述悬空微桥...

【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：