专利名称：红外焦平面阵列器件及其制作方法
技术领域：
本发明涉及红外成像技术领域，特别涉及一种红外焦平面阵列器件及其制作方法。
背景技术：
红外成像技术广泛应用于军事、工业、农业、医疗、森林防火、环境保护等各领域， 红外成像装置的核心部件是红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array, IRFPA)。根据工作原理分类，红外成像装置可分为光子型红外探测器和非制冷型红外探测器。光子型红外探测器采用窄禁带半导体材料，如HgCdTe、InSb等，利用光电效应实现红外光信号向电信号的转换，因而要工作在77K或更低的温度下，这就需要匹配笨重而又复杂的制冷设备，导致这种红外成像装置难以小型化，携带不方便；另一方面，HgCdTe和 InSb等材料价格昂贵、制备困难，且与常规IC工艺不兼容，所以光子型红外探测器的价格一直居高不下。上述因素都极大地阻碍了红外成像装置(例如红外摄像机)的广泛应用，特别是在民用方面，迫切需要开发一种性能适中、价格低廉的新型红外摄像机。非制冷型红外探测器通过红外探测单元吸收红外线，继而红外能量引起红外探测单元的电学特性发生变化， 把红外能量转化为电信号，通过读出电路读取该信号并进行处理。红外焦平面阵列器件由多个探测单元的组成，是非制冷型红外探测器的核心部件，图1和图2是现有的两种非制冷红外探测器的结构示意图。这两种结构主要以单晶硅 PN结二极管作为红外传感层，利用单晶硅PN结二极管的温敏特性对加工工艺不敏感的特点，从而有利于制作出均勻性很好的红外焦平面阵列器件。而且图中的两种结构都是采用共振吸收结构来提高红外吸收效率，为了提高红外吸收效率，制作有专门的金属反射层，而其中的金属反射层结构复杂，制作难度较大。此外，上述两种结构均是采用两步释放法，即第一步采用O2等离子体灰化方法释放Polymide (聚酰亚胺)牺牲层从而形成衬底上面的共振吸收结构的空腔A，第二步采用XeF2气相释放方法释放衬底内的单晶硅，从而制作出悬空结构的空腔B。主要的问题在于，共振吸收结构非常复杂，不易于制造，而且Polymide牺牲层材料与常规的IC工艺也不兼容。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种红外焦平面阵列器件，其结构既能够提高红外吸收效率又能够采用常规的IC制作工艺，有利于降低制作成本。为解决上述问题，本发明提供一种红外焦平面阵列器件，包括衬底；空腔，位于所述衬底内；红外传感层，悬空于所述空腔的上方；悬臂梁，悬空于所述衬底上方，一端与衬底固定连接，另一端与红外传感层固定连接；红外反射层，遮盖于所述红外传感层的上方并且与红外传感层之间具有共振腔， 通过支撑柱与所述红外传感层连接。优选的，所述空腔周围的衬底为用于散热的热沉，所述悬臂梁与衬底连接的一端即连接在所述热沉上。所述悬臂梁基本设置于所述热沉上方，与热沉之间具有间隙。所述悬臂梁包括电引线及电引线介质层，所述电引线从红外传感层吸收热量并散入所述热沉。优选的，所述红外传感层包括单晶硅电阻、单晶硅PN结二极管、单晶锗硅电阻或者单晶锗硅PN结二极管。所述衬底为SOI衬底，则所述红外传感层由所述SOI衬底中的顶硅层制作。所述红外反射层包括金属层和所述金属层外部的支撑介质层。所述金属层包括Ti或者TiN。红外反射层与红外传感层之间的共振腔的厚度范围为1-3. 5um。所述电引线的材料为Ti，TiN或Ti/TiN复合层，所述热沉的材料为非晶硅或多晶娃。相应的，本发明还提供一种红外焦平面阵列器件的制作方法，包括以下步骤提供衬底，在所述衬底上形成热沉沟槽以及所述热沉沟槽内的支撑介质层；去除热沉沟槽底部的支撑介质层，并在所述热沉沟槽内形成热沉；在所述衬底表面形成第一介质层，并在所述热沉位置的第一介质层上形成第一释放牺牲层及第一释放牺牲层上面的悬臂梁；在所述热沉沟槽外的第一介质层上形成红外传感层，并在整个衬底表面覆盖第二释放牺牲层；在所述第二释放牺牲层上形成红外反射层及其支撑柱；采用气相腐蚀方法释放掉第一释放牺牲层、第二释放牺牲层以及红外传感层下面的衬底材料。与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点本发明实施例的红外焦平面阵列器件中，采用红外传感层以及在其上制作专门的红外反射层的方式来制作红外吸收结构，红外反射层为简单的膜层结构，这样一来，既增加了红外反射层的面积，提高红外吸收效率，同时也降低的红外吸收结构的制作难度，有利于大规模生产制造，降低成本。此外，热隔离结构的悬臂梁设置于热沉上方，使其不占据空腔的面积，则相应的能够增大红外传感层的面积，提供红外吸收效率。热隔离结构的悬臂梁通过锚与衬底上的热沉连接，将红外传感层的热量及时导入热沉中散发，从而有利于减小相邻探测单元之间的串扰，提高成像质量。在制作过程中，同时采用与IC兼容的多晶硅或非晶硅作为释放牺牲层、电引线以及红外吸收层的材料，有利于在常规IC生产线进行生产，降低制作成本。
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。图1和图2是现有的两种非制冷红外探测器的结构示意图；图3为本发明实施例中红外焦平面阵列器件的结构示意图；图4为图3的顶视图；图5为图4中多个探测单元的阵列示意图；图6至图11为本发明实施例中红外焦平面阵列器件的制作方法的示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。对于目前的民用非制冷型红外探测器来说，降低成本是大规模应用的关键，以硅平面工艺为核心的集成电路制造技术已经发展的相对成熟，如果能利用常规的IC工艺来制作非制冷型红外探测器的核心部件红外焦平面阵列器件，则将大大降低设备制造成本。基于此，本发明利用红外传感层以及在其上制作专门的反射层的方式来制作红外吸收结构，既增加了反射层的面积，提高红外吸收效率，同时也降低的红外吸收结构的制作难度，有利于大规模生产制造，降低成本。以下详细说明本发明所述红外焦平面阵列器件及其制作方法的具体实施例。图3为本实施例中红外焦平面阵列器件的结构示意图，图4为图3的顶视图，为清楚的表明本发明的创新点，图中仅示出了红外焦平面阵列的一个探测单元，图5为图4中多个探测单元的阵列示意图。如图所示，所述红外焦平面阵列器件包括衬底101 ；空腔104，位于所述衬底101内；红外传感层105，悬空于所述空腔104的上方；悬臂梁106，悬空于所述衬底101上方，其一端与衬底101固定连接，另一端与红外传感层105固定连接；红外反射层109，遮盖于所述红外传感层105的上方并且与红外传感层105之间具有共振腔110，通过支撑柱107与所述红外传感层105连接。其中，所述衬底101为SOI衬底，空腔104通过释放衬底内的单晶硅而形成，本实施例中所述空腔104基本为矩形，占据了一个探测单元的大部分面积；所述空腔104周围为用于散热的热沉108，热沉108外部包覆有支撑介质层111 ；所述悬臂梁106与衬底101连接的一端即通过锚112固定连接在所述热沉108上。所述热沉的材料可以为为非晶硅、多晶硅或金属。所述悬臂梁106也设置于热沉108上方，与所述红外传感层105之间隔离，本实施例中的探测单元共有两个悬臂梁106，它们分别连接在红外传感层105的对角(参见图4)， 以支撑该红外传感层105悬空，从而形成悬空的热隔离结构。所述悬臂梁106在所述热沉108上方，可以不用占据空腔104上的空间，相当于增大红外传感层105的面积，有利于提高红外吸收效率。所述悬臂梁106包括电引线1061及电引线介质层1062，所述电引线1061从红外传感层105吸收热量并散入所述热沉108，由于热沉108位于红外传感层105的周围可以将其产生的热量及时排走，从而减小探测单元之间的信号串扰，提高成像质量。所述电引线 1061的材料为Ti，TiN或Ti/TiN复合层。所述红外传感层105包括红外吸收层1051和包裹在所述红外吸收层外的支撑介质层1052。所述衬底为SOI衬底，则所述红外吸收层1051由所述SOI衬底中的顶硅层制作。其中，所述红外吸收层1051包括单晶硅电阻、单晶硅PN结二极管、单晶锗硅电阻或者
单晶锗硅PN结二极管。所述红外反射层109直接遮盖于红外传感层105上方，通过支撑柱107支持，红外反射层109与红外传感层105之间的间距(共振腔的厚度)范围为1-3. 5um。所述红外反射层109包括金属层1091和所述金属层外部的支撑介质层1092。所述金属层的材料包括 Ti或者TiN0如图5所示，红外焦平面阵列器件由多个探测单元重复排列组成，通过读出电路 (图中未示出)处理，从而实现红外成像。图6至图11为上述红外焦平面阵列器件的制作方法的示意图，所述方法包括以下步骤如图6所示，提供SOI衬底101，在所述衬底101上通过常规IC工艺中的光刻、刻蚀方法形成热沉沟槽113，然后在所述热沉沟槽113内采用热氧化或CVD工艺形成氧化层， 作为热沉的支撑介质层111。 如图7所示，通过IC工艺中的刻蚀方法刻蚀掉热沉沟槽底部的支撑介质层111，采用CVD(化学气相淀积)方法在所述衬底101表面淀积多晶硅或非晶硅等填充物，然后采用平坦化方法去掉热沉沟槽外的多晶硅或非晶硅等填充物，在所述热沉沟槽内形成热沉108。 其中，所述热沉108的侧壁为支撑介质层111，底部与衬底101直接接触。如图8所示，在所述衬底101表面形成第一介质层114，并在所述第一介质层114 上形成第一释放牺牲层402及其上面的悬臂梁106 ；具体的，可以采用热氧化或CVD方法， 然后采用CVD方法在淀积第一多晶硅层(图中未示出)，通过光刻、刻蚀的方法保留热沉 108上方的第一多晶硅层，以作为第一释放牺牲层402，用于释放后形成热隔离结构的悬臂梁，接着，采用CVD方法生长第二介质层115，然后采用CVD方法在所述第二介质层115上淀积第二多晶硅层(图中未示出)，通过光刻、刻蚀的方法由所述第二多晶硅层形成悬臂梁的电引线1061，然后进一步在所述电引线1061上形成第三介质层(图中未示出)，所述第二介质层115和第三介质层共同组成悬臂梁的电引线介质层1062(见图9)。如图9所示，在所述热沉沟槽外的第一介质层114表面形成红外传感层105，并在整个衬底表面覆盖第二释放牺牲层403。具体的，通过IC工艺中常规的光刻、刻蚀、溅射、
6PECVD工艺制造出红外传感层105，红外传感层105中的红外吸收层由单晶硅电阻或单晶硅 PN结二极管构成，通过悬臂梁中的电引线1061把信号引出到外围的读出电路(图中未示出)，然后在第一介质层114中制作出释放孔111，露出下面的衬底表面，再采用PECVD方法在整个衬底表面淀积非晶硅层，作为第二释放牺牲层403。如图10所示，在所述第二释放牺牲层403上形成红外反射层109及其支撑柱107。 具体的，采用光刻、刻蚀的方法在所述第二释放牺牲层403内形成支撑柱开口(图中未标号)，然后，依次采用PECVD方法淀积第四介质层(图中未标号)、采用溅射或电子束蒸发方法淀积金属层1091、采用PECVD方法淀积最上面的第五介质层(图中未标号)，所述第四介质层和第五介质层组成金属层外部的支撑介质层1092，最后采用光刻、刻蚀的方法制作出释放区域。如图11所示，采用XeF2气相腐蚀方法释放掉第一释放牺牲层402(见图8)、第二释放牺牲层403 (见图8)以及红外传感层105下面的衬底材料，制作出悬空结构。本发明实施例的红外焦平面阵列器件中，采用红外传感层以及在其上制作专门的红外反射层的方式来制作红外吸收结构，红外反射层为简单的膜层结构，这样一来，既增加了红外反射层的面积，提高红外吸收效率，同时也降低的红外吸收结构的制作难度，有利于大规模生产制造，降低成本。此外，热隔离结构的悬臂梁设置于热沉上方，使其不占据空腔的面积，则相应的能够增大红外传感层的面积，提供红外吸收效率。热隔离结构的悬臂梁通过锚与衬底上的热沉连接，将红外传感层的热量及时导入热沉中散发，从而有利于减小相邻探测单元之间的串扰，提高成像质量。在制作过程中，同时采用与IC兼容的多晶硅或非晶硅作为释放牺牲层、电引线以及红外吸收层的材料，有利于在常规IC生产线进行生产，降低制作成本。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种红外焦平面阵列器件，其特征在于，包括衬底；空腔，位于所述衬底内；红外传感层，悬空于所述空腔的上方；悬臂梁，悬空于所述衬底上方，一端与衬底固定连接，另一端与红外传感层固定连接；红外反射层，遮盖于所述红外传感层的上方并且与红外传感层之间具有共振腔，通过支撑柱与所述红外传感层连接。
2.根据权利要求1所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，所述空腔周围的衬底为用于散热的热沉，所述悬臂梁与衬底连接的一端即连接在所述热沉上。
3.根据权利要求2所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，所述悬臂梁基本设置于所述热沉上方，与热沉之间具有间隙。
4.根据权利要求2所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，所述悬臂梁包括电引线及电引线介质层，所述电引线从红外传感层吸收热量并散入所述热沉。
5.根据权利要求1所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，所述红外传感层包括单晶硅电阻、单晶硅PN结二极管、单晶锗硅电阻或者单晶锗硅PN结二极管。
6.根据权利要求2所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，所述衬底为SOI衬底，则所述红外传感层由所述SOI衬底中的顶硅层制作。
7.根据权利要求1所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，所述红外反射层包括金属层和所述金属层外部的支撑介质层。
8.根据权利要求1所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，所述金属层包括Ti或者TiN。
9.根据权利要求1所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，红外反射层与红外传感层之间的共振腔的厚度范围为1-3. 5um。
10.根据权利要求4所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，所述电引线的材料为Ti， TiN或Ti/TiN复合层，所述热沉的材料为非晶硅或多晶硅。
11.一种红外焦平面阵列器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤提供衬底，在所述衬底上形成热沉沟槽以及所述热沉沟槽内的支撑介质层；去除热沉沟槽底部的支撑介质层，并在所述热沉沟槽内形成热沉；在所述衬底表面形成第一介质层，并在所述热沉位置的第一介质层上形成第一释放牺牲层及第一释放牺牲层上面的悬臂梁；在所述热沉沟槽外的第一介质层上形成红外传感层，并在整个衬底表面覆盖第二释放牺牲层；在所述第二释放牺牲层上形成红外反射层及其支撑柱；采用气相腐蚀方法释放掉第一释放牺牲层、第二释放牺牲层以及红外传感层下面的衬底材料。
全文摘要
本发明提供一种红外焦平面阵列器件，包括衬底；空腔，位于所述衬底内；红外传感层，悬空于所述空腔的上方；悬臂梁，悬空于所述衬底上方，一端与衬底固定连接，另一端与红外传感层固定连接；红外反射层，遮盖于所述红外传感层的上方并且与红外传感层之间具有共振腔，通过支撑柱与所述红外传感层连接。相应的，本发明还提供一种红外焦平面阵列器件的制作方法。本发明提供的红外焦平面阵列器件及其制作方法采用红外传感层以及在其上制作专门的红外反射层的方式来制作红外吸收结构，红外反射层为简单的膜层结构，这样一来，既增加了红外反射层的面积，提高红外吸收效率，同时也降低的红外吸收结构的制作难度，有利于大规模生产制造，降低成本。
文档编号G01J5/20GK102386268SQ20101026796
公开日2012年3月21日 申请日期2010年8月30日 优先权日2010年8月30日
发明者刘战峰, 欧文 申请人:中国科学院微电子研究所
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
