專利名稱：微橋結(jié)構(gòu)紅外探測器以及制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微機電技術領域，具體涉及利用大馬士革銅制程工藝制造紅外探測器 焦平面陣列的工藝方法。
背景技術：
微機電(MEMS)產(chǎn)品已廣泛用于人們的日常生活中，包括汽車安全氣囊加速度計、 汽車和醫(yī)用壓力傳感器、微麥克風、噴墨打印磁頭及非制冷非紅外探測器等。MEMS產(chǎn)品一般 包括MEMS結(jié)構(gòu)和CMOS處理電路部分。由于MEMS與CMOS工藝兼容性比較差，故而早期很 難實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)。近年來由于MEMS產(chǎn)品的市場需求逐漸擴大，CM0S-MEMS的概念逐漸 被人提出。CM0S-MEMS是利用CMOS技術制作外圍讀取及信號處理電路，然后在CMOS電路上 面制作傳感器及微機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，但工藝的兼容性問題始終是困擾CM0S-MEMS技術的關 鍵。另一方面，現(xiàn)今MEMS工藝平臺還未像半導體行業(yè)實現(xiàn)標準化和產(chǎn)業(yè)化，多數(shù)制造平臺 都是為某個產(chǎn)品而建立的，不適合更廣泛的產(chǎn)品代工，所以借鑒并引進半導體行業(yè)的技術 經(jīng)驗對MEMS產(chǎn)品的制造發(fā)展將非常有利。紅外探測器一般是采用在CMOS電路上集成MEMS微橋結(jié)構(gòu)，利用敏感材料探測層 (通常為非晶硅或氧化機)吸收紅外線且將其轉(zhuǎn)化成電信號，據(jù)此來實現(xiàn)熱成像功能。當 前紅外探測器主要發(fā)展方向為減小像元結(jié)構(gòu)尺寸并增大陣列尺寸，改善探測器的圖像分 辨率，擴大紅外探測器的應用范圍，其MEMS制造工藝的水平已成為制約產(chǎn)品性能的主要因 素。紅外探測器的微橋結(jié)構(gòu)從早期的100*100微米縮小到現(xiàn)今的17*17微米像元結(jié)構(gòu)，例 如《BAE公司17微米焦平面紅外探測器》(SPIE(國際光學工程學會)2009年紅外技術和 及其應用討論會，SPIE 卷 7298，72980P-1 72980P-6 頁，Richard Blackwell.等，“17um Microbolometer FPA Technology at BAESystems,"Proceedings of SPIE conference on infrared technology andapplications XXXV, 2009. SPIE Vol. 7298, pp. 1-6) 小的像元 結(jié)構(gòu)可以減小薄膜的應力不匹配并增強探測器的靈敏度和分辨率；另外，對于相同的陣列 規(guī)模，小的像元結(jié)構(gòu)意味著更小的探測器及鏡頭尺寸，從而可以縮小紅外熱像儀系統(tǒng)的重 量和尺寸，增加紅外熱像儀的便攜性。縮小像元尺寸對MEMS加工工藝提出了更高的要求。對于傳統(tǒng)的微橋結(jié)構(gòu)紅外探 測器，一般采用鋁(Al)柱支撐微橋結(jié)構(gòu)，例如《非晶硅技術在CEA/LETi的發(fā)展》(SPIE(國 際光學工程學會)2002年光電探測器材料與設備，SPIE卷4650，138 149頁，E Μ0ΤΤΙΝ. 等，"Amorphous silicontechnology improvement at CEA/LETI, "Proceedings of SPIE PhotodetectorMaterials and Devices VII, 2002. SPIE Vol. 4650，pp. 138-149)，這種結(jié)構(gòu) 對鋁在通孔中填充效果及刻蝕選擇比要求較高，另外鋁柱支撐也存在著電阻率較大及易出 現(xiàn)電遷移等問題，從而影響紅外探測器的整體性能；因此，如何借鑒現(xiàn)有的半導體工藝改進 紅外探測器加工制造工藝，解決其MEMS工藝表面平坦化問題等，并大幅度提高產(chǎn)品成品率 和可靠性，已成為業(yè)界亟待解決的技術問題。
發(fā)明內(nèi)容
為了提高紅外探測器的加工工藝水平，改善其CMOS與MEMS部分的工藝兼容性，本 發(fā)明提出一種基于大馬士革工藝的Cu柱紅外探測器結(jié)構(gòu)及制造方法。本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案一種微橋結(jié)構(gòu)紅外探測器，其特征在于包括硅襯底，作為紅外探測器的讀出電路；金屬反射層，沉積在所述硅襯底之上；介質(zhì)層，沉積于金屬反射層的凹槽內(nèi)，且該介質(zhì)層的高度與該金屬反射層的高度
一致；犧牲層和用于作為釋放犧牲層保護的第一釋放保護層，沉積在所述介質(zhì)層和金屬 反射層上，并光刻刻蝕形成通孔；銅或鎢橋墩，沉積在犧牲層的通孔內(nèi)；金屬電極，沉積在銅或鎢橋墩及第一釋放保護層之上；敏感材料探測層，沉積在金屬電極和第一釋放保護層上。在本發(fā)明提供的紅外探測器結(jié)構(gòu)中用銅或鎢柱支撐微橋結(jié)構(gòu)，有利于實現(xiàn)CMP工 藝，微橋平面平坦化，有利于后續(xù)加工。進一步，所述該紅外探測器還包括介質(zhì)絕緣層，沉積于金屬電極和敏感材料探測層之上；紅外吸收增強層，沉積在介質(zhì)絕緣層上。第二釋放保護層，第二釋放保護層包圍該敏感材料探測層和該金屬電極，用以保 護敏感材料探測層和金屬電極。本發(fā)明所述金屬反射層為高紅外反射率金屬薄膜，金屬選自鋁、金、銀或銅。本發(fā)明所述犧牲層材料選自與CMOS工藝兼容的非晶硅、多晶硅或二氧化硅。本發(fā)明所述介質(zhì)層、介質(zhì)絕緣層、第一釋放保護層和第二釋放保護層的材料為二 氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅，或非化學計量比的氮氧化硅、氮化硅和碳化硅，或摻有硼、磷的上述材料。本發(fā)明所述金屬電極選自鈦電極、鉭電極、上下層疊的氮化鈦和鈦電極或上下層 疊的鉭或氮化鉭電極。氮化鉭(TaN為)Cu擴散阻擋材料，金屬電極還可以為氮化鉭/鉭 (TaN/Ta)的復合層，另外，通過調(diào)節(jié)TaN薄膜中的Ta/N元素比可以改變TaN薄膜的電阻率， 得到最有利于紅外吸收的TaN薄膜；本發(fā)明所述敏感材料探測層為非晶硅或氧化釩，其可以實現(xiàn)與CMOS工藝很好的兼容。本發(fā)明所述紅外吸收增強層為金屬鈦、鉭、鉬或為氮化鈦、氮化鉭等金屬化合物薄 膜。通過改變薄膜的N元素含量調(diào)整薄膜的方塊電阻在377ohm/ □左右，使其紅外吸收效 果達到最佳。本發(fā)明另一目的是提供諸如上述紅外探測器的制造方法，包括以下步驟a.在硅襯底上形成金屬反射層并圖形化；b.在金屬反射層上形成介質(zhì)層，并實現(xiàn)其平坦化；
c.刻蝕介質(zhì)層并停在金屬反射層上表面，確保介質(zhì)層的高度與金屬反射層的高度
一致；d.沉積犧牲層和化學機械平坦化停止層；e.刻蝕微橋通孔，電鍍金屬銅/鎢并化學機械拋光平坦化；f.沉積金屬電極層和探測器敏感材料層并圖形化，沉積介質(zhì)層；g.沉積紅外吸收增強層并圖形化，沉積釋放保護層；h.圖形化微橋結(jié)構(gòu)，釋放犧牲層得到懸空的微橋結(jié)構(gòu)；在實現(xiàn)介質(zhì)層的平坦化后，采用干法刻蝕的終點檢測來刻蝕介質(zhì)并停在該金屬反 射層的表面，以確保該介質(zhì)層的高度與該金屬反射層的高度一致。本發(fā)明制造方法利用大馬士革CMOS銅制程工藝制造微橋結(jié)構(gòu)。大馬士革工藝是 集成電路互連技術中的成熟工藝，可有效減小互連電阻值，降低芯片的功耗，(可參見資料， 成立，李加元等，VLSI芯片制備中的多層互連新技術，《半導體技術》，2006. 11)，《利用大馬 士革工藝制備Cu柱結(jié)構(gòu)紅外探測器既可改善其MEMS部分的加工能力又提高了紅外探測器 的性能》。本發(fā)明有益的效果是(1)、本發(fā)明利用大馬士革銅工藝制造紅外探測器極大程度提升紅外探測器的加 工制造能力，為小尺寸像元結(jié)構(gòu)加工提供了加工方法，另外也改善了探測器中CMOS與MEMS 部分的工藝兼容性。(2)、本發(fā)明紅外探測器結(jié)構(gòu)可以把化學機械拋光工藝(CMP)引入紅外探測器的 加工中，實現(xiàn)平坦化的微橋平面，有利于后續(xù)工藝的進行。(3)、本發(fā)明利用Cu柱支撐微橋結(jié)構(gòu)，相對于傳統(tǒng)的Al柱性能更好，主要由于Al 的電阻率2. 83*10-8ohm.m相比于Cu的1. 75*10_8ohm. m較大，且Al易發(fā)生電遷移。(1)、本發(fā)明的微橋結(jié)構(gòu)附加紅外吸收增強層的，當像元尺寸縮小導致紅外吸收有 效面積減小時可明顯改善微橋結(jié)構(gòu)的紅外吸收效果。
圖1所示為本發(fā)明實施例中微橋結(jié)構(gòu)紅外探測器的示意圖；圖2為本發(fā)明實施例中微橋結(jié)構(gòu)紅外探測器的剖面圖；圖3 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、⑴、(j)、(k)、(1)、(m)、(η)、(ο)為制 造本發(fā)明的微橋結(jié)構(gòu)制作方法示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明請參看圖1和圖2，本實施例提出一種紅外探測器，適用于電力網(wǎng)絡的安全檢測、 森林火警的探測以及人體溫度的探測等場所。發(fā)明微橋結(jié)構(gòu)可廣泛應用于非制冷紅外探測 器，氣體探測器，微加熱平臺，紅外線輻射源器件等微機電系統(tǒng)和器件。紅外探測器依次包括讀出電路11、第一介質(zhì)層121、金屬反射層13、第二介質(zhì)層 122、犧牲層14、銅柱16、第一釋放保護層151、金屬電極17、敏感材料探測層18、介質(zhì)絕緣層 19、紅外吸收層20、第二釋放保護層152。
本發(fā)明紅外探測器硅襯底，作為紅外探測器的讀出電路；金屬反射層13，沉積在所述硅襯底之上；第一介質(zhì)層121，沉積于金屬反射層13的凹槽內(nèi)，且該介質(zhì)層的高度與該金屬反 射層的高度一致；犧牲層14和用于作為釋放犧牲層保護的第一釋放保護層151，沉積在所述第一介 質(zhì)層121和金屬反射層13上，并光刻刻蝕形成通孔；銅橋墩16，沉積在犧牲層14的通孔內(nèi)；金屬電極17，沉積在銅或鎢橋墩及釋放保護層之上；敏感材料探測層18，沉積在金屬電極17和第一釋放保護層151上。紅外探測器的讀出電路11由標準的CMOS工藝制作，紅外探測器的金屬反射層13 通過鎢通孔與讀出電路11實現(xiàn)電連接。金屬反射層13沉積在第一介質(zhì)層121上，使用光 刻、刻蝕等工藝實現(xiàn)金屬反射層13圖案，其作用是作為紅外光譜的反射層，提高紅外探測 器的紅外吸收，從而提高紅外探測器的響應度。本實施例中，金屬反射層13由物理氣相沉 積(PVD)技術形成，該金屬材料可以是鋁、鉭、鈦等金屬薄膜。第二介質(zhì)層122沉積在金屬反射層13之上，形成層間介質(zhì)(IMD)和線間介質(zhì) (ILD)，再利用化學機械拋光(CMP)工藝實現(xiàn)介質(zhì)層122表面的平坦化。在實現(xiàn)第二介質(zhì)層 122平坦化的同時，盡量使第二介質(zhì)層122的高度接近金屬反射層13的高度。然后采用干 法刻蝕的終點檢測來實現(xiàn)刻蝕介質(zhì)層122并停到金屬反射層13上表面。第二介質(zhì)層122的 作用是實現(xiàn)金屬反射層13表面的平坦化，使探測器后續(xù)的光刻和刻蝕等工藝更容易實現(xiàn)。 本實施例中，第二介質(zhì)層122由增強等離子化學氣相沉積(PECVD)技術形成，該介質(zhì)層材料 可以是二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等介質(zhì)絕緣材料。銅柱16使用大馬士革銅互連工藝實現(xiàn)。在金屬反射層13和第二介質(zhì)層122之上 沉積犧牲層14和釋放保護層151，利用光刻和刻蝕實現(xiàn)銅柱16的填充圖形。然后使用大 馬士革銅互連工藝中標準的銅電鍍工藝(ECP)和化學機械拋光(CMP)工藝，完成銅柱16的 填充和圖形化。銅柱16既作為犧牲層14釋放后微橋的支撐結(jié)構(gòu)，也作為微橋與金屬反射 層13的電連接結(jié)構(gòu)。本實施例中，犧牲層14的材料為非晶硅，由增強等離子化學氣相沉積 (PECVD)技術形成，釋放犧牲層14非晶硅的反應氣體為二氟化氙；釋放保護層151的材料 可以是二氟化氙釋放非晶硅時選擇比較高的二氧化硅或者氮化硅，由增強等離子化學氣相 沉積(PECVD)技術形成，既作為釋放保護層，也作為化學機械拋光(CMP)銅的停止層。金屬電極17沉積在第一釋放保護層151和銅柱16之上，作為敏感材料和銅柱16 的電連接材料。本實施例中，金屬電極17的材料可以是由物理氣相沉積(PVD)技術形成的 鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鈦和氮化鈦的疊層、鉭和氮化鉭的疊層等金屬薄膜。使用光刻和干 法刻蝕實現(xiàn)金屬電極17的圖形化。敏感材料探測層18沉積在金屬電極17之上，作為紅外敏感材料。本實施例中，敏 感材料可以是非晶硅或者氧化釩等具有較高的電阻溫度系數(shù)的薄膜材料。非晶硅由增強等 離子化學氣相沉積(PECVD)技術形成，氧化釩由物理氣相沉積(PVD)技術形成。敏感材料之上，依次沉積介質(zhì)絕緣層19、紅外吸收層20和第二釋放保護層152。本 實施例中，紅外吸收層20材料作為提高紅外探測器紅外吸收效率的主要結(jié)構(gòu)，可以是氮化 鈦和氮化鉭等具有很高紅外吸收率的材料，由物理氣相沉積(PVD)技術形成；介質(zhì)絕緣層19作為敏感材料和紅外吸收層20之間的絕緣結(jié)構(gòu)，可是二氧化硅和氮化硅等絕緣材料，由 增強等離子化學氣相沉積(PECVD)技術形成；釋放保護層152作為釋放犧牲層14的保護材 料，可以是二氟化氙釋放非晶硅時選擇比較高的二氧化硅或者氮化硅，由增強等離子化學 氣相沉積(PECVD)技術形成。最后利用光刻和干法刻蝕制作探測器的微橋圖形，在二氟化氙氣體中釋放犧牲層 14非晶硅，形成懸空的紅外探測器的微橋結(jié)構(gòu)30。圖3為本發(fā)明較佳實施例的紅外探測器的制造方法流程圖。第一步，如圖3(a)所示，在第一介質(zhì)層121之上沉積金屬反射層13并圖形化，然 后第二沉積介質(zhì)層122并化學機械拋光(CMP)，拋光后的第二介質(zhì)層122的厚度高于金屬反 射層13。第二步，如圖3(b)所示，采用干法刻蝕的終點檢測來實現(xiàn)刻蝕介質(zhì)層122并停到 金屬反射層13上表面。第三步，如圖3(c)所示，在金屬反射層13和第二介質(zhì)層122之上沉積犧牲層14， 犧牲層14的厚度一般為2微米左右。第四步，如圖3(d)所示，在犧牲層14之上沉積第一釋放保護層151。第五步，如圖3(e)所示，圖形化第一釋放保護層151。第六步，如圖3(f)所示，圖形化犧牲層14。第七步，如圖3(g)所示，使用大馬士革銅互連工藝電鍍銅，銅的最低點必須高于 第一釋放保護層151。第八步，如圖3(h)所示，化學機械拋光(CMP)銅，停在第一釋放保護層151的上表第九步，如圖3(i)所示，沉積金屬電極17并圖形化。第十步，如圖3(j)所示，沉積敏感材料探測層18并圖形化。第十一步，如圖3(k)所示，沉積介質(zhì)絕緣層19。第十二步，如圖3(1)所示，沉積紅外吸收層20并圖形化。第十三步，如圖3(m)所示，沉積第二釋放保護層152。第十四步，如圖3 (η)所示，以形成圖形的方法刻蝕出微橋結(jié)構(gòu)30。第十五步，如圖3(0)所示，通過去除犧牲層14釋放并形成懸空的微橋結(jié)構(gòu)30。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技 術領域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種的更動與潤飾。因 此，本發(fā)明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。
權利要求
一種微橋結(jié)構(gòu)紅外探測器，其特征在于包括硅襯底，作為紅外探測器的讀出電路；金屬反射層，沉積在所述硅襯底之上；介質(zhì)層，沉積于金屬反射層的凹槽內(nèi)，且該介質(zhì)層的高度與該金屬反射層的高度一致；犧牲層和用于作為釋放犧牲層保護的第一釋放保護層，沉積在所述介質(zhì)層和金屬反射層上，并光刻刻蝕形成通孔；銅或鎢橋墩，沉積在犧牲層的通孔內(nèi)；金屬電極，沉積在銅或鎢橋墩及第一釋放保護層之上；敏感材料探測層，沉積在金屬電極和第一釋放保護層上。
2.根據(jù)權利要求1所述的微橋結(jié)構(gòu)紅外探測器，其特征是，該紅外探測器還包括 介質(zhì)絕緣層，沉積于金屬電極和敏感材料探測層之上；紅外吸收增強層，沉積在介質(zhì)絕緣層上。第二釋放保護層，第二釋放保護層包圍該敏感材料探測層和該金屬電極，用以保護敏 感材料探測層和金屬電極。
3.根據(jù)權利要求1所述的微橋結(jié)構(gòu)紅外探測器，其特征是所述金屬反射層為高紅外反 射率金屬薄膜，金屬選自鋁、金、銀或銅。
4.根據(jù)權利要求1所述的紅外探測器，其特征是犧牲層材料選自與CMOS工藝兼容的非 晶硅、多晶硅或二氧化硅。
5.根據(jù)權利要求2所述的紅外探測器，其特征是介質(zhì)層、介質(zhì)絕緣層、第一釋放保護層 和第二釋放保護層的材料為二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅，或非化學計量比的氮氧化硅、氮化硅和碳化硅，或 摻有硼、磷的上述材料。
6.根據(jù)權利要求1所述的紅外探測器，其特征是所述金屬電極選自鈦電極、鉭電極、上 下層疊的氮化鈦和鈦電極或上下層疊的鉭或氮化鉭電極。
7.根據(jù)權利要求1所述的紅外探測器，其特征是，敏感材料探測層為非晶硅或氧化釩。
8.根據(jù)權利要求2所述的紅外探測器，其特征是，紅外吸收增強層為金屬鈦、鉭、鉬或 為氮化鈦、氮化鉭等金屬化合物薄膜。
9.一種如權利要求2所述的紅外探測器的制造方法，其特征是，包括以下步驟a.在硅襯底上形成金屬反射層并圖形化；b.在金屬反射層上形成介質(zhì)層，并實現(xiàn)其平坦化；c.刻蝕介質(zhì)層并停在金屬反射層上表面，確保介質(zhì)層的高度與金屬反射層的高度一致；d.沉積犧牲層和化學機械平坦化停止層；e.刻蝕微橋通孔，電鍍金屬銅/鎢并化學機械拋光平坦化；f.沉積金屬電極層和探測器敏感材料層并圖形化，沉積介質(zhì)層；g.沉積紅外吸收增強層并圖形化，沉積釋放保護層；h.圖形化微橋結(jié)構(gòu)，釋放犧牲層得到懸空的微橋結(jié)構(gòu)；在實現(xiàn)介質(zhì)層的平坦化后，采用干法刻蝕的終點檢測來刻蝕介質(zhì)并停在該金屬反射層的表面，以確保該介質(zhì)層的高度與該金屬反射層的高度一致。
10.根據(jù)權利要求9所述的紅外探測器的制造方法，其特征是，本制造方法利用大馬士 革CMOS銅制程工藝制造微橋結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種微橋結(jié)構(gòu)紅外探測器，屬于微機電技術領域，包括硅襯底，作為紅外探測器的讀出電路；金屬反射層，沉積在所述硅襯底之上；介質(zhì)層，沉積于金屬反射層的凹槽內(nèi)，且該介質(zhì)層的高度與該金屬反射層的高度一致；犧牲層和用于作為釋放犧牲層保護的第一釋放保護層，沉積在所述介質(zhì)層和金屬反射層上，并光刻刻蝕形成通孔；銅或鎢橋墩，沉積在犧牲層的通孔內(nèi)；金屬電極，沉積在銅或鎢橋墩及第一釋放保護層之上；敏感材料探測層，沉積在金屬電極和第一釋放保護層上。本發(fā)明大馬士革工藝制造Cu柱微橋結(jié)構(gòu)，并引入化學機械拋光工藝(CMP)可以制造出平坦化的微橋平面，有利于后續(xù)工藝，改善性能。
文檔編號B81B7/02GK101927976SQ200910153649
公開日2010年12月29日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權日2009年9月30日
發(fā)明者姜利軍, 康曉旭, 池積光, 錢良山 申請人:浙江大立科技股份有限公司;上海集成電路研發(fā)中心有限公司