[发明专利]一种新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术中的微机电系统工艺制造领域，具体涉及一种新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构及其制备方法。

背景技术

非制冷红外探测技术是无需制冷系统对外界物体的红外辐射(IR)进行感知并转化成电信号经处理后在显示终端输出的技术，可广泛应用于国防、航天、医学、生产监控等众多领域。非制冷红外焦平面探测器由于其能够在室温状态下工作，并具有质量轻、体积小、寿命长、成本低、功率小、启动快及稳定性好等优点，满足了民用红外系统和部分军事红外系统对长波红外探测器的迫切需要，近几年来发展迅猛。非制冷红外探测器主要包括测辐射热计、热释电和热电堆探测器等，其中基于微机电系统(MEMS)制造工艺的微测辐射热计(Micro-bolometer)红外探测器由于其响应速率高，制作工艺简单且与集成电路制造工艺兼容，具有较低的串音和较低的1/f噪声，较高的帧速，工作无需斩波器，便于大规模生产等优点，是非制冷红外探测器的主流技术之一。

微测辐射热计(Micro-bolometer)是基于具有热敏特性的材料在温度发生变化时电阻值发生相应的变化而制造的一种非制冷红外探测器。工作时对支撑在绝热结构上的热敏电阻两端施加固定的偏置电压或电流源，入射红外辐射引起的温度变化使得热敏电阻阻值减小，从而使电流、电压发生改变，并由读出电路(ROIC)读出电信号的变化。作为热敏电阻的材料必须具有较高的电阻温度系数(TCR)，较低的1/f噪声，适当的电阻值和稳定的电性能，以及易于制备等要求。目前主流的热敏材料包括氧化钒(VOx)、非晶硅以及高温超导材料(YBCO)等，另外也有关于氧化钛，氧化镍等材料作为微测辐射热计热敏材料的研究报道。

非制冷红外焦平面阵列探测器的单元通常采用悬臂梁微桥结构，利用牺牲层释放工艺形成微桥支撑结构，支撑平台上的热敏材料通过微桥与基底读出电路相连。现在对探测器的分辨率要求越来越高，阵列要求越来越大，如果芯片的尺寸不变，则像元越来越小，对像元的平坦度要求会越来越高；两层微桥结构需要两层牺牲层，两层牺牲层吸收的能量较多，且两层牺牲层对平坦度的要求更高；但是传统双层工艺牺牲层需要蚀刻两次，由于蚀刻过第一层牺牲层的原因，蚀刻完后晶圆表面不平整，影响第二层牺牲层涂覆，导致第二层牺牲层不平整。

随着像元尺寸的逐步缩小，入射到红外像元中的红外辐射能量以平方率的方式缩小。当像元尺寸由25微米下降到17微米时，入射能量降低一倍；当像素降低至12微米时，入射能量仅为25微米的25％。

另外，传统的锚点孔采用斜孔，采用PVD(物理气相沉积)工艺在斜孔内沉积金属电极，有利于电极侧壁填充，但是占用了有效面积，采用直孔工艺，利用CVD(化学气相沉积)沉积钨填充侧壁，然后，利用化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization，CMP)工艺完成钨研磨，可以降低了锚点孔占的面积，提高填充系数。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构及其制备方法，涂覆第二层牺牲层时，第一层还没有进行蚀刻，晶圆表面非常平整，后续两层牺牲层可以连续进行蚀刻，且锚点孔为直孔，减少占用面积。

本发明一种新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构，技术方案如下：一种新型双层非制冷红外焦平面探测器像素结构，包括一包含读出电路的半导体基座和一具有微桥支撑结构的探测器，所述探测器与所述半导体基座的读出电路形成电连接，其特征在于，所述探测器包括金属反射层、绝缘介质层、支撑层、保护层、金属电极层和热敏层，所述金属反射层包括若干个金属块，所述支撑层包括第一支撑层和第二支撑层，所述保护层包括第一保护层和第二保护层；

所述半导体基座的读出电路上依次设置有金属反射层和绝缘介质层；

所述第一支撑层设置在所述绝缘介质层的上方，所述第一支撑层上方依次设置热敏层、第一保护层和第二支撑层；

所述第一保护层和第二支撑层上设有接触孔，所述接触孔的下端终止于所述热敏层，所述接触孔内充满金属电极和金属坞，所述金属坞设置在所述金属电极的上方，所述金属电极与所述热敏层电连接；

所述第二支撑层上设有锚点孔，所述锚点孔包括第一锚点孔和第三锚点孔，所述锚点孔为直孔，且底部设有通孔，所述通孔的下端终止于所述金属块，所述通孔和锚点孔内充满所述金属电极和金属坞，所述金属电极层和金属坞上设有第二保护层。

进一步，所述绝缘介质层为氮化硅薄膜，所述支撑层为氮化硅薄膜，所述保护层为氮化硅薄膜，所述热敏层为氧化钒薄膜或氧化钛薄膜。