一种高填充因子的非制冷红外探测器结构及制备方法

技术领域

本发明涉及红外成像领域，具体涉及一种基于集成电路工艺，具有高填充因子非制冷红外 探测器的结构及制备方法。

背景技术

非制冷红外热像仪利用红外辐射实现热效应成像，因无需制冷、体积小、重量轻、成本低、 功耗小、无需借助环境光源等优点，在航空、航天、电子、汽车、医疗、国防等军民用领域有 着广泛应用。

目前适用范围较广的非制冷红外热像仪主要使用基于MEMS工艺制备的氧化钒和非晶硅 类红外探测器，该类探测器的基本结构是由红外吸收体，氧化钒或非晶硅热敏电阻，支撑臂， 热隔离腔构成。其中红外吸收体可以吸收红外辐射并将其转化为热能，引起自身温度升高，然 后改变热敏电阻阻值的大小，形成电学信号，最后通过读出电路采集；支撑臂是指能够支撑吸 收体，悬空于热隔离腔的上方的结构，热隔离腔可以有效降低和消除吸收体和衬底之间的热传 导，具体结构如图1的(a)所示。该结构由于支撑腿与感光像元在同一平面，不利于填充因子 提升，所以需要使用复杂的工艺在感光像元上面做伞结构提升填充因子，如图1的(b)所示， 但是由于该类探测器制备工艺复杂，技术要求苛刻，所以制备成本较高。为了解决这一问题， D.S.Tezcan等人(A Low-Cost Uncooled InfraredMicrobolometerDetector in Standard CMOS Technology,IEEE TRANSACTIONS ONELECTRON DEVICES,2003,50(2)494-502)提出了一 种基于集成电路工艺制备低成本非制冷红外探测器的方法，由于其与集成电路工艺完全兼容， 可以与读出电路一体化集成，所以工艺简单，制备成本较低，进而受到广泛关注。该类探测器 的基本结构与基于MEMS工艺制备的非制冷红外探测器相似，也是由红外吸收体，热电转换结 构，支撑臂，热隔离腔构成，具体如图1的(c)所示，不同之处在于上述组成部分的材料都选 自CMOS工艺所使用的材料，然后通过简单的Post-CMOS工艺加工形成探测器结构。但是目前 基于CMOS工艺的低成本非制冷红外探测器的支撑臂依然位于红外吸收体两侧，具体如图1的 (d)所示，该支撑臂在像素单元中占据了部分面积，使探测器填充因子较低，而且为了获得 更低的热导，支撑臂需要进一步延长，这将会使其所占面积增大，填充因子进一步下降，而且 受CMOS工艺限制，该类探测器不宜在吸收体上方制备伞结构。由此可见，虽然该类探测器制 备成本较低，但是填充因子也较低。

发明内容

为了解决上述基于CMOS工艺的低成本非制冷红外探测器存在填充因子低的问题，本发明充 分利用CMOS工艺中的介质填充层和金属连接层，设计了位于吸收体上部的悬挂支撑臂，可以充 分克服和解决上述结构所存在的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种高填充因子的非制冷红外探测器结构，由CMOS工艺和post-CMOS工艺制备得到， 包括硅衬底、热隔离腔、红外吸收体、热电转换结构、支撑臂和掩模层；所述硅衬底用于制备 探测器电信号的读取电路，所述读取电路与热电转换结构相连；所述热隔离腔位于红外吸收体 的下方，用于将红外吸收体与周围结构分离；所述支撑臂悬于吸收体上方，一端通过支撑柱与 吸收体相连，另一端延伸至探测器基体与其相连；所述掩模层分别位于红外吸收体、支撑臂和 读取电路的上方。

进一步地，所述热隔离腔为在硅衬底上形成的具有固定深度的T型、V型或矩形腔。

进一步地，所述硅衬底和红外吸收体之间还设有介质层，所述热隔离腔设置在介质层当中。

进一步地，所述吸收体结构为反射腔结构、共振腔结构或者等离激元结构。

进一步地，所述热电转换结构为CMOS工艺中用作晶体管栅极的金属化多晶硅层或者金属 连接层。

进一步地，所述金属化多晶硅层设置为热敏电阻结构、PN结结构或者热电偶结构。

进一步地，所述热电转换结构的上方还沉积有热敏层。

本发明还提供一种高填充因子的非制冷红外探测器结构的制备方法，包括如下步骤：

(1)通过标准CMOS工艺设计所述热隔离腔的牺牲层、红外吸收体、热电转换结构、支 撑臂和掩模层，然后利用标准CMOS工艺制备探测器基本结构；

(2)对步骤(1)制备的结构进行干法垂直刻蚀或湿法刻蚀，直至刻蚀深度到达牺牲层结 束，形成支撑臂的形状，在这个过程中，利用金属掩模保护不需要被刻蚀的区域；

(3)将上述刻蚀后的探测器结构通过干法刻蚀或浸没于湿法刻蚀溶液当中，将牺牲层刻 蚀去除，形成热隔离腔；

(4)进一步将充当掩模的金属层或光刻胶层通过干法或湿法去除，形成最终的探测器结 构。

本发明的非制冷红外探测器在非制冷红外成像领域具有广泛的应用价值，具有以下有益效 果：

(1)本发明设计的悬挂支撑臂可以完全消除目前一般结构的支撑臂在像素单元中占用的 面积，使感光面积增大，同时该结构也充分减少了刻蚀间隙所占用的面积，在不影响探测器其 他性能的前提下大幅度提高了像元的填充因子，并且延长支撑臂长度来获得更小的热导也不会 影响其填充因子。

(2)基于标准CMOS工艺制备的悬挂支撑臂结构，可以与读出电路一体化集成，并且制 备流程简单，有利于更进一步降低非制冷红外探测器的生产成本。

(3)像素单元中预留的刻蚀间隙会随着CMOS工艺的发展，线宽变窄而不断减小，所以 填充因子也会进一步提高。

附图说明

图1为现有技术中，(a)基于MEMS工艺制备的探测器基本结构；(b)带有伞结构的高填充 因子探测器SEM图；(c)基于CMOS工艺制备的探测器基本结构；(d)基于CMOS工艺制备的探 测器SEM图。

图2为本发明一种高填充因子的非制冷红外探测器结构示意图。

图3为实施例1中，(a)经过标准CMOS工艺制备的探测器基本结构；(b)经过第一次ICP刻蚀 后的基本结构；(c)经过湿法刻蚀形成热隔离腔的结构；(d)经过第二次ICP刻蚀去除金属掩模 层的结构。

图4为实施例2中，(a)经过标准CMOS工艺制备的探测器基本结构；(b)经过ICP刻蚀后的基 本结构；(c)经过湿法刻蚀去除牺牲层和金属掩模层的结构。

图5为填充因子比对图，(a)本发明上部支撑腿温度分布图；(b)传统支撑腿温度分布图。

具体实施方式

本实施例提供的高填充因子非制冷红外探测器结构，包括硅衬底、热隔离腔、红外吸收体、 热电转换结构、悬挂支撑臂、掩模层。其中，硅衬底是指适用于集成电路工艺的P型，N型或 本征硅衬底，用于制备探测器电信号的读取电路，并将该电路与热电转换器件相连；热隔离腔 一般位于探测器结构下方，将探测器的吸收体与周围结构分离，降低或隔绝探测器吸收体与周 围衬底或介质层之间的热传导或热传递；红外吸收体是指当外界的红外辐射照射到该吸收体表 面时，可以将其吸收，并将其转化为热能，能引起自身温度变化的结构，本实施例由SiO

上述结构的集成电路制备工艺包括CMOS工艺，BiCMOS工艺，HV-CMOS工艺，HKMG 工艺，SOI-CMOS，FinFET工艺等，本实施例使用的制备方法包括标准CMOS工艺和简单的 Post-CMOS工艺，其中，标准CMOS工艺是指互补金属氧化物半导体制备工艺，通过该工艺 完成探测器基本结构的制备；Post-CMOS工艺主要是对标准CMOS工艺制备的探测器基本结 构进行后续的简单加工，如用于刻蚀探测器和支撑臂形状，热隔离腔的湿法或干法刻蚀工艺， 完成最终的探测器结构制备。具体步骤如下：

1.合理地选择热电转换结构的材料和设计其形状；选择合适的红外吸收体材料和设计红外 吸收体结构，确定吸收体结构大小；选择介质填充层和金属连接层，设计悬挂支撑臂的形状， 长度，长宽比等参数；选择合适的牺牲介质或牺牲层充当探测器的热隔离腔结构；选择合适的 金属层作为Post-CMOS工艺的刻蚀掩模，根据上述设计的结构设计掩模状，定义吸收体，悬 挂支撑臂，热隔离腔等的形状和大小。除此之外，在电路上方选择合适的金属层，根据电路规 模设计合理的掩模大小，保护电路。所述的掩模除金属连接层外，在Post-CMOS工艺当中， 还可以使用正性或负性光刻胶代替。

2.根据上述结构设计，选择合适的集成电路工艺，根据该集成电路工艺设计规则，完成版 图绘制，并利用该工艺完成探测器基本形状的加工。

3.将利用集成电路工艺制备而成的探测器基本结构，通过干法垂直刻蚀或湿法刻蚀，直至 刻蚀深度到达牺牲层结束，形成探测器和支撑臂的基本形状，在这个过程中，金属掩模保护不 需要被刻蚀的区域。

4.将上述刻蚀后的探测器结构通过干法刻蚀或浸没于湿法刻蚀溶液当中，将牺牲层刻蚀去 除，形成热隔离腔。

5.将上述结构中充当掩模的金属层或光刻胶层通过干法或湿法去除，形成最终的探测器结 构。

实施例1

本实施例设计和制备如图2所示的一种高填充因子的非制冷红外探测器具体步骤如下：

(1)首先该探测器结构选择SiO

(2)将上述具有基本结构的探测器放置于电感耦合等离子体(ICP)设备中，利用C

(3)将上述结构放置于TMAH溶液，加Si粉和过硫酸铵配置的湿法刻蚀溶液当中，温度 保持在80℃，刻蚀Si衬底，120分钟之后，探测器底部形成T型热隔离腔203，具体如图3的(c) 所示。

(4)将形成热隔离腔的探测器结构放置于金属等离子体刻蚀机，利用BCl

实施例2

图4为本实施例一种高填充因子的非制冷红外探测器的制备工艺示意图，具体步骤如下：

(1)首先该探测器结构选择SiO

(2)将上述具有基本结构的探测器放置于电感耦合等离子体(ICP)设备中，利用C

(3)将上述结构的Pad位置旋涂光刻胶，并放置于磷酸，乙酸，硝酸配置的湿法刻蚀溶液 当中，溶液在50℃保持恒温加热，持续刻蚀180分钟。然后牺牲层301，用于保护吸收体，悬挂 支撑臂和读取电路的金属掩模302，109，110完全溶解，此时，热隔离腔306形成，一种高填充 因子的非制冷红外探测器制备完成。

本发明一种高填充因子的非制冷红外探测器与传统探测器的具体性能对比如图5所示。当 像元面积为17μm，刻蚀间隙为0.2μm，支撑臂宽0.5μm时，上部支撑腿的填充因子可以达到95.3％， 而传统结构的填充因子为79.9％，相对提高15.4％，并且在支撑腿长度相同的情况下，可以获 得同样温升的效果。值得注意的是本发明所提供的实施例后续可以随工艺制程的减小，将刻蚀 间隙进一步缩小，将会获得更高的填充系数。因此，在非制冷红外成像领域具有较大的优势， 存在更加广泛的应用潜力。