一種差分輸出的紅外探測器單元結(jié)構(gòu)及制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種可與CMOS工藝兼容的差分輸出的紅外探測器單元結(jié)構(gòu)及制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)具有微小、智能、可執(zhí)行、可集成、工藝兼容性好、成本低等諸多優(yōu)點，故其已開始廣泛應(yīng)用在包括紅外探測技術(shù)領(lǐng)域的諸多領(lǐng)域。
[0003]紅外探測器是紅外探測技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛的一種MEMS產(chǎn)品，其一般是采用在CMOS電路上集成MEMS微橋結(jié)構(gòu)，利用熱敏電阻(通常為負溫度系數(shù)的非晶硅或氧化礬)吸收紅外線，且通過電路將其變化的信號轉(zhuǎn)化成電信號放大輸出，據(jù)此來實現(xiàn)熱成像功能。
[0004]在現(xiàn)有的紅外探測器的微橋結(jié)構(gòu)中，微橋結(jié)構(gòu)的橋面通常由具有負溫度系數(shù)的負性敏感材料層和金屬電極層組成，通過負性敏感材料層吸收紅外線引起電阻的變化，并通過金屬電極層連接微橋橋面兩端的兩個支撐柱，再經(jīng)支撐柱電連接至外圍讀出電路，將負性敏感材料層變化的電阻信號轉(zhuǎn)化成電信號放大輸出，據(jù)此來實現(xiàn)熱成像功能。
[0005]目前，在MEMS與CMOS之間的工藝兼容性正得到逐步解決的同時，如何不斷減小MEMS紅外探測器的像元結(jié)構(gòu)尺寸，提高MEMS紅外探測器的靈敏度，已成為當前紅外探測器的主要發(fā)展方向。
[0006]現(xiàn)有的MEMS紅外探測器由于采用了負溫度系數(shù)的非晶硅或氧化礬作為熱敏電阻來吸收紅外線，而非晶硅的電阻溫度系數(shù)為2-3%左右、氧化礬的電阻溫度系數(shù)相對較高，為3-4%左右；經(jīng)過工藝集成后，非晶硅或氧化礬的電阻溫度系數(shù)將進一步變差，導(dǎo)致MEMS紅外探測器的靈敏度也隨之降低。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)中，為了解決非晶硅或氧化礬的電阻溫度系數(shù)在工藝集成后變差的問題，通常需要通過增大像元面積、即增大熱敏電阻的面積，以保持MEMS紅外探測器的靈敏度不受損失。但這種方法與MEMS紅外探測器小型化、便攜式的發(fā)展方向不相符合。
[0008]因此，如何在不增加像元面積的情況下，進一步提高MEMS紅外探測器的靈敏度，已成為業(yè)界亟待解決的重要課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種差分輸出的紅外探測器單元結(jié)構(gòu)及制造方法，可在不增加像元面積的情況下提高MEMS紅外探測器的靈敏度。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一方面，本發(fā)明提供了一種差分輸出的紅外探測器單元結(jié)構(gòu)，包括:
[0012]硅襯底，其包含紅外探測器的讀出電路；
[0013]金屬反射層，設(shè)于硅襯底上，其具有金屬反射圖形和電連接圖形；
[0014]介質(zhì)層，位于金屬反射層各圖形之間，并與金屬反射層的高度一致；
[0015]犧牲層和第一釋放保護層，位于金屬反射層和介質(zhì)層上；
[0016]負性敏感材料層和金屬電極層，位于第一釋放保護層上，所述負性敏感材料層具有負溫度系數(shù)；
[0017]刻蝕阻擋層，位于負性敏感材料層和金屬電極層上；
[0018]隔離層，位于刻蝕阻擋層上，其提供絕緣保護；
[0019]正性敏感材料層，位于隔離層上，所述正性敏感材料層具有正溫度系數(shù)，并與負性敏感材料層和金屬電極層構(gòu)成紅外探測器單元的微橋結(jié)構(gòu)；
[0020]第一-第四金屬支撐柱，位于金屬反射層和隔離層之間，其中，第一、第二金屬支撐柱上端分別連接金屬電極層，第三、第四金屬支撐柱上端分別連接正性敏感材料層，各所述金屬支撐柱下端通過電連接圖形分別連接硅襯底中的讀出電路；所述金屬支撐柱提供犧牲層釋放后對微橋結(jié)構(gòu)的支撐，以及與讀出電路之間的電連接；
[0021]第二釋放保護層，位于正性敏感材料層上，并將其包覆。
[0022]優(yōu)選地，所述金屬反射層材料為鋁或鉑；所述介質(zhì)層材料為二氧化硅、氮氧化硅、
氮化硅和碳化硅或其組合，或者摻有硼、磷、碳或氟等雜質(zhì)元素的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或其組合。
[0023]優(yōu)選地，所述犧牲層材料為非晶硅或聚酰亞胺；所述釋放保護層材料為基于硅、氧、碳、氮成分的薄膜、富氧或富硅的二氧化硅薄膜、摻有硼、磷、碳或氟雜質(zhì)元素且基于硅、氧、碳、氮成分的薄膜或富氧或富硅的二氧化硅薄膜中的一種或其組合。
[0024]優(yōu)選地，所述負性敏感材料層材料為非晶硅、氧化礬或鍺硅；所述金屬電極層材料為鈦、鉭、上下層疊的氮化鈦和鈦以及上下層疊的鉭和氮化鉭之一或其組合；所述正性敏感材料層材料為鉑、鈦或鉭、鉻、鎳、鐵及其合金；所述金屬支撐柱材料為鋁。
[0025]優(yōu)選地，所述刻蝕阻擋層材料為氮化硅；所述隔離層材料為二氧化硅、氮氧化硅或氮化娃。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還提供了一種差分輸出的紅外探測器單元結(jié)構(gòu)的制造方法，包括:
[0027]提供一硅襯底，所述硅襯底形成有讀出電路；
[0028]在硅襯底上形成金屬反射層并圖形化，形成金屬反射圖形和電連接圖形；
[0029]在金屬反射層的圖形之間填充介質(zhì)層并實現(xiàn)介質(zhì)層的平坦化；
[0030]在金屬反射層和介質(zhì)層上依次沉積犧牲層和第一釋放保護層；
[0031]在第一釋放保護層上依次沉積具有負溫度系數(shù)的負性敏感材料層和金屬電極層，并實現(xiàn)其圖形化；
[0032]在金屬電極層上沉積刻蝕阻擋層，并打開支撐孔刻蝕窗口 ；
[0033]刻蝕形成第一-第四支撐孔，停止在電連接圖形；然后，沉積支撐孔金屬，并實現(xiàn)其圖形化，形成第一-第四金屬支撐柱，其中，第一、第二金屬支撐柱上端分別連接金屬電極層；
[0034]沉積隔離層，并打開第三、第四金屬支撐柱的電連接窗口 ；
[0035]在隔離層上沉積具有正溫度系數(shù)的正性敏感材料層，與第三、第四金屬支撐柱形成電連接，并實現(xiàn)其圖形化；
[0036]在正性敏感材料層上沉積第二釋放保護層，并打開釋放窗口 ；
[0037]通過釋放工藝進行犧牲層的釋放，形成懸空的微橋結(jié)構(gòu)。
[0038]優(yōu)選地，所述金屬反射層材料為鋁或鉑；所述介質(zhì)層材料為二氧化硅、氮氧化硅、
氮化硅和碳化硅或其組合，或者摻有硼、磷、碳或氟等雜質(zhì)元素的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或其組合。
[0039]優(yōu)選地，所述犧牲層材料為非晶硅或聚酰亞胺；所述釋放保護層材料為基于硅、氧、碳、氮成分的薄膜、富氧或富硅的二氧化硅薄膜、摻有硼、磷、碳或氟雜質(zhì)元素且基于硅、氧、碳、氮成分的薄膜或富氧或富硅的二氧化硅薄膜中的一種或其組合。
[0040]優(yōu)選地，所述負性敏感材料層材料為非晶硅、氧化礬或鍺硅；所述金屬電極層材料為鈦、鉭、上下層疊的氮化鈦和鈦以及上下層疊的鉭和氮化鉭之一或其組合；所述正性敏感材料層材料為鉑、鈦或鉭、鉻、鎳、鐵及其合金；所述金屬支撐柱材料為鋁。
[0041]優(yōu)選地，所述刻蝕阻擋層材料為氮化硅；所述隔離層材料為二氧化硅、氮氧化硅或氮化娃。
[0042]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明通過在現(xiàn)有像元的具有負溫度系數(shù)的負性敏感材料層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加具有正溫度系數(shù)的正性敏感材料層，形成紅外像元的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，可在不增加像元面積的情況下，改善MEMS紅外探測器的紅外吸收效果，提高MEMS紅外探測器的靈敏度；在負性敏感材料層和正性敏感材料層分別設(shè)置兩個金屬支撐柱結(jié)構(gòu)，并通過絕緣隔離層將微橋結(jié)構(gòu)與金屬支撐柱結(jié)構(gòu)進行固定，有效增強了微橋結(jié)構(gòu)的機械強度及穩(wěn)定性；此外，還可在外圍讀出電路設(shè)置差分敏感放大器電路，將紅外探測器單元結(jié)構(gòu)中的一些寄生效應(yīng)所產(chǎn)生的噪聲消除，從而得到更加靈敏且低噪聲的MEMS紅外探測器產(chǎn)品。
【附圖說明】
[0043]圖1是本發(fā)明一較佳實施例的一種差分輸出的紅外探測器單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖2-圖6是本發(fā)明一較佳實施例的一種差分輸出的紅外探測器單元結(jié)構(gòu)的制造方法的工藝步驟示意圖。
【具體實施方式】
[0045]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0046]需要說明的是，在下述的【具體實施方式】中，在詳述本發(fā)明的實施方式時，為了清楚地表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以便于說明，特對附圖中的結(jié)構(gòu)不依照一般比例繪圖，并進行了局部放大、變形及簡化處理，因此，應(yīng)避免以此作為對本發(fā)明的限定來加以理解。
[0047]在以下本發(fā)明的【具體實施方式】中，請參閱圖