一种非制冷红外器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种非制冷红外器件及其制作方法。

背景技术

近年来，红外探测领域蓬勃发展，尤其是非制冷红外成像技术的突破，解决了红外成像技术中最为突出的低温（～77K）冷却工作的要求；同时与读出电路的大规模或超大规模集成，使得红外热像仪具有了高密度、小型化、便携带的优点。

非制冷红外器件是红外热像仪的核心器件，为使非制冷红外器件的信号便于处理，通常需要配备读出电路，用于对器件进行信号选择、放大、滤波、AD转换等功能。目前，器件与读出电路的集成主要有单片集成和3D集成两种形式。其中，单片集成采用CMOS工艺将器件与电路制作在同一个晶圆上；3D集成则是在电路片上通过MEMS工艺继续制作器件来实现。这两种形式中，虽然器件和电路的功能彼此独立；但是，无论两部分的加工工艺是同时制作，还是串行制作，为了兼容彼此，各自的性能都会有所妥协。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供了一种非制冷红外器件及非制冷红外器件的制作方法，器件通过简单的结构以及与其兼容的MEMS工艺，实现了一种具有开关与放大功能的非制冷红外器件，该器件可与电路分别制造，且后期通过打线集成；从而克服现有的单片集成和3D集成为实现制作，器件和电路的性能需彼此妥协的问题。

作为本发明的一个方面，提供一种非制冷红外器件，包括：敏感区、悬臂梁、框架、有源器件和金属引线，其中，所述敏感区通过所述悬臂梁与所述框架机械连接，并悬空；所述有源器件位于所述框架上，并通过所述悬臂梁与所述敏感区电学连接；所述金属引线位于所述有源器件上，将有源器件信号引出。

进一步地，所述框架包括衬底和支撑层，所述敏感区包括支撑层、功能材料层和红外吸收层，所述悬臂梁包括支撑层、导线层和导线保护层，所述有源器件包括栅电极、栅绝缘层、有源层、源电极、漏电极和有源区介质层，且所述源电极和漏电极均与有源层相连接，其中，所述衬底上设置有所述支撑层，所述支撑层上分别设置有所述功能材料层、导线层以及栅电极，所述功能材料层上设置有所述红外吸收层，所述导线层上设置有所述导线保护层，所述栅电极上设置有所述栅绝缘层，所述栅绝缘层上设置有所述有源层，所述有源层上分别设置有所述源电极和漏电极，所述有源层、源电极以及漏电极上均设置有所述有源区介质层，所述栅电极连接所述金属引线，所述源电极或漏电极连接所述金属引线；其中，所述衬底的正面或背面设置有隔热空腔以悬空所述敏感区。

进一步地，所述框架包括衬底和支撑层，所述敏感区包括支撑层、功能材料层和红外吸收层，所述悬臂梁包括支撑层、导线层和导线保护层，所述有源器件包括栅电极、栅绝缘层、有源层、源电极、漏电极和有源区介质层，且所述源电极和漏电极均与有源层相连接，其中，所述衬底上设置有支撑层，所述支撑层上分别设置有功能材料层、导线层、有源层，所述功能材料层上设置有所述红外吸收层，所述导线层上设置有所述导线保护层，所述有源层上分别设置有所述栅绝缘层、源电极和漏电极，所述栅绝缘层中设置有所述栅电极，所述有源层、源电极以及漏电极上均设置有所述有源区介质层，所述栅电极连接所述金属引线，所述源电极或漏电极连接所述金属引线；其中，所述衬底的正面或背面设置有隔热空腔以悬空所述敏感区。

进一步地，所述衬底为绝缘体或半导体；所述支撑层和导线保护层的材料均为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其组合；所述功能材料层为热敏电阻、二极管、热电堆或热释电结构；所述导线层的材料为掺杂的半导体或金属；所述栅电极、源电极以及漏电极均为导电材料，导电材料为掺杂的半导体或金属；所述红外吸收层的材料为氧化硅、氮化硅或两者中至少一种和钛的组合；所述栅绝缘层和有源区介质层的材料均为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其组合；所述有源层为半导体或金属氧化物。

进一步地，所述金属引线包括接触孔和金属导线，其中，将所述栅电极用所述金属导线穿过所述接触孔引出，将所述源电极或漏电极用所述金属导线穿过所述接触孔引出。

进一步地，所述金属导线的材料包括Ti、Mo、Al、Cu、Au、Pt中的一种或其组合。

进一步地，所述敏感区的支撑层通过悬臂梁的支撑层与框架的支撑层连接，实现所述敏感区通过所述悬臂梁与所述框架机械连接并悬空；所述功能材料层通过所述导线层和所述有源层连接，实现所述有源器件通过所述悬臂梁与所述敏感区电学连接。

作为本发明的另一个方面，提供一种非制冷红外器件的制作方法，其中，所述非制冷红外器件的制作方法包括：

提供框架；

在所述框架上分别形成敏感区、悬臂梁、有源器件；

在所述有源器件上形成金属引线；

正面或背面刻蚀所述框架，形成隔热空腔，以悬空所述敏感区。

进一步地，还包括：

提供衬底；

在所述衬底上淀积支撑层；

在所述支撑层上淀积并图形化，形成功能材料层、导线层、栅电极；

在所述功能材料层上淀积刻蚀形成红外吸收层；

在所述导线层上淀积刻蚀形成导线保护层；

在所述栅电极上淀积刻蚀形成栅绝缘层；

在所述栅绝缘层上淀积刻蚀形成有源层；

在所述有源层上淀积刻蚀形成源电极和漏电极；

在所述有源层、源电极以及漏电极上淀积刻蚀形成有源区介质层，并通过刻蚀介质在所述栅电极上形成接触孔，以及在源电极或者漏电极上形成接触孔，在接触孔上通过淀积金属并图形化形成金属引线；

正面或背面刻蚀所述衬底，形成隔热空腔，悬空敏感区。

进一步地，还包括：

提供衬底；

在所述衬底上淀积支撑层；

在支撑层上淀积并图形化，形成功能材料层、导线层、有源层；

在所述功能材料层上淀积刻蚀形成红外吸收层；

在所述导线层上淀积刻蚀形成导线保护层；

在所述有源层上淀积刻蚀形成栅绝缘层；

在所述栅绝缘层上淀积刻蚀形成栅电极；

在所述有源层上淀积刻蚀形成源电极和漏电极；

在所述有源层、源电极以及漏电极上淀积刻蚀形成有源区介质层，并通过刻蚀介质在所述栅电极上形成接触孔，以及在源电极或者漏电极上形成接触孔，在接触孔上通过淀积金属并图形化形成金属引线；

正面或背面刻蚀所述衬底，形成隔热空腔，悬空敏感区。

本发明的有益效果在于：在未增加器件制作的工艺难度及成本的情况下，通过红外器件的制作同时形成了有源器件；器件具备基本的开关与放大功能，使其后期可与电路实现打线集成，为器件和电路的集成提供了新的集成方案，有利于器件和电路性能的单独优化。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

图1至图6为本发明实施例一中的工艺形成剖面示意图。

图1为本发明实施例一中衬底上形成支撑层示意图。

图2为本发明实施例一中功能材料层、导线层以及栅电极形成示意图。

图3为本发明实施例一中红外吸收层形成示意图。

图4为本发明实施例一中导线保护层和栅绝缘层形成示意图。

图5为本发明实施例一中有源层、源电极以及漏电极形成示意图。

图6为本发明实施例一中有源区介质层、接触孔、金属引线以及隔热空腔形成示意图。

图7至图12为本发明实施例二中的工艺形成剖面示意图。

图7为本发明实施例二中衬底上形成支撑层示意图。

图8为本发明实施例二中功能材料层、导线层以及有源层形成示意图。

图9为本发明实施例二中红外吸收层形成示意图。

图10为本发明实施例二中导线保护层和栅绝缘层形成示意图。

图11为本发明实施例二中栅电极、源电极以及漏电极形成示意图。

图12为本发明实施例二中有源区介质层、接触孔、金属引线以及隔热空腔形成示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：101-衬底；102-支撑层；103-功能层；104-导线层；105-栅电极；106-红外吸收层；107-导线保护层；108-栅绝缘层；109-有源层；110-源电极；111-有源区介质层；112-金属引线；113-隔热空腔；114-漏电极。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明实施例中提供了一种非制冷红外器件，包括：敏感区、悬臂梁、框架、有源器件和金属引线，其中，所述敏感区通过所述悬臂梁与所述框架机械连接，并悬空；所述有源器件位于所述框架上，并通过所述悬臂梁与所述敏感区电学连接；所述金属引线位于所述有源器件上，将有源器件信号引出。

优选地，本发明实施例一中的非制冷红外器件的结构剖面图如图6所示，所述框架包括衬底101和支撑层102，所述敏感区包括支撑层102、功能材料层103和红外吸收层106，所述悬臂梁包括支撑层102、导线层104和导线保护层107，所述有源器件包括栅电极105、栅绝缘层108、有源层109、源电极110、漏电极114和有源区介质层111，且所述源电极110和漏电极114均与有源层109相连接，其中，所述衬底101上设置有所述支撑层102，所述支撑层102上分别设置有所述功能材料层103、导线层104以及栅电极105，所述功能材料层103上设置有所述红外吸收层106，所述导线层104上设置有所述导线保护层107，所述栅电极105上设置有所述栅绝缘层108，所述栅绝缘层108上设置有所述有源层109，所述有源层109上分别设置有所述源电极110和漏电极114，所述有源层109、源电极110以及漏电极114上均设置有所述有源区介质层111，所述栅电极105连接所述金属引线112，所述源电极110或漏电极114连接所述金属引线112；其中，所述衬底101的正面或背面设置有隔热空腔113以悬空所述敏感区。

优选地，本发明实施例二中的非制冷红外器件的结构剖面图如图12所示，所述框架包括衬底101和支撑层102，所述敏感区包括支撑层102、功能材料层103和红外吸收层106，所述悬臂梁包括支撑层102、导线层104和导线保护层107，所述有源器件包括栅电极105、栅绝缘层108、有源层109、源电极110、漏电极114和有源区介质层111，且所述源电极110和漏电极114均与有源层109相连接，其中，所述衬底101上设置有支撑层102，所述支撑层102上分别设置有功能材料层103、导线层104、有源层109，所述功能材料层103上设置有所述红外吸收层106，所述导线层104上设置有所述导线保护层107，所述有源层109上分别设置有所述栅绝缘层108、源电极110和漏电极114，所述栅绝缘层108中设置有所述栅电极105，所述有源层109、源电极110以及漏电极114上均设置有所述有源区介质层111，所述栅电极105连接所述金属引线112，所述源电极110或漏电极114连接所述金属引线112；其中，所述衬底101的正面或背面设置有隔热空腔113以悬空所述敏感区。

优选地，所述衬底101为绝缘体或半导体，如石英、硅、SOI；所述支撑层102和导线保护层107是介质材料，可为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其组合；所述功能材料层103为热敏电阻、二极管、热电堆或热释电结构；所述导线层104是导电材料，可为掺杂的半导体或金属；所述栅电极105、源电极110以及漏电极114均为导电材料，导电材料为掺杂的半导体或金属；所述红外吸收层106是具有高红外吸收率的材料，可为氧化硅、氮化硅或两者中至少一种和钛的组合；所述栅绝缘层108和有源区介质层111的材料均为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其组合；所述有源层109为半导体或金属氧化物。

优选地，所述金属引线112包括接触孔和金属导线，其中，将所述栅电极105用所述金属导线穿过所述接触孔引出，将所述源电极110或漏电极114用所述金属导线穿过所述接触孔引出。

优选地，所述金属导线的材料包括Ti、Mo、Al、Cu、Au、Pt中的一种或其组合。

优选地，所述敏感区的支撑层102通过悬臂梁的支撑层102与框架的支撑层102连接，实现所述敏感区通过所述悬臂梁与所述框架机械连接并悬空；所述功能材料层103通过所述导线层104和所述有源层109连接，实现所述有源器件通过所述悬臂梁与所述敏感区电学连接。

在本发明实施例中还提供了一种非制冷红外器件的制作方法，包括以下步骤：

提供框架；

在所述框架上分别形成敏感区、悬臂梁、有源器件；

在所述有源器件上形成金属引线；

正面或背面刻蚀所述框架，形成隔热空腔113，以悬空所述敏感区。

具体地，为进一步说明本发明提出的非制冷红外器件的制作实现，

图1至图6为本发明实施例一中的工艺形成剖面示意图，如图1-6所示，包括：

如图1所示，提供衬底101，在所述衬底101上淀积支撑层102；

如图2所示，在所述支撑层102上依次淀积功能材料层103、导线层104、栅电极105，并进行图形化得到所需图形；

如图3所示，在所述功能材料层103上淀积刻蚀形成红外吸收层106，其中，为增强红外吸收，可以通过牺牲层材料来形成谐振腔结构；

如图4所示，分别在所述导线层104上淀积刻蚀形成导线保护层107，在所述栅电极105上淀积刻蚀形成栅绝缘层108；

如图5所示，依次在所述栅绝缘层108上淀积刻蚀形成有源层109，在所述有源层109上淀积刻蚀形成源电极110和漏电极114；

如图6所示，在所述有源层109、源电极110以及漏电极114上淀积刻蚀形成有源区介质层111，并通过刻蚀介质在所述栅电极105上形成接触孔，以及在源电极110或者漏电极114上形成接触孔，在接触孔上通过淀积金属并图形化形成金属引线112（由于栅引线不在此剖面上，故未画出）；正面或背面刻蚀所述衬底101，形成隔热空腔113，悬空敏感区；

图6即为本发明实施例一的最终结构剖面图。

图7至图12为本发明实施例二中的工艺形成剖面示意图，如图7-12所示，包括：

如图7所示，提供衬底101，在所述衬底101上淀积支撑层102；

如图8所示，在支撑层102上依次淀积功能材料层103、导线层104、有源层109，并进行图形化得到所需图形；

如图9所示，在所述功能材料层103上淀积刻蚀形成红外吸收层106，其中，为增强红外吸收，可以通过牺牲层材料来形成谐振腔结构；

如图10所示，分别在所述导线层104上淀积刻蚀形成导线保护层107，在所述有源层109上淀积刻蚀形成栅绝缘层108；

如图11所示，依次在所述栅绝缘层108上淀积刻蚀形成栅电极105，在所述有源层109上淀积刻蚀形成源电极110和漏电极114；

如图12所示，在所述有源层109、源电极110以及漏电极114上淀积刻蚀形成有源区介质层111，并通过刻蚀介质在所述栅电极105上形成接触孔，以及在源电极110或者漏电极114上形成接触孔，在接触孔上通过淀积金属并图形化形成金属引线112（由于栅引线不在此剖面上，故未画出）；正面或背面刻蚀所述衬底101，形成隔热空腔113，悬空敏感区；

图12即为本发明实施例二的最终结构剖面图。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。