红外传感器件及其制造方法与流程

本公开涉及半导体器件制造领域，更具体地，涉及一种红外传感器件及其制造方法。

背景技术：

微电子机械系统是建立在微米或纳米技术基础上的21世纪前沿技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统、数字处理系统集成为一个整体单元的微型系统。微机电系统的出现使芯片的概念远超越了以处理电信号为目的的集成电路，其功能扩展到机、光、热、电、化学、生物等领域。微机电系统相对与传统的机电系统，实现了信息系统的微型化、智能化、集成化、提高了性能、降低了功耗和成本。

以热电堆红外探测为原理的红外阵列传感器是最早研究并实用化的红外成像器件之一，因具有尺寸小、重量轻、无需致冷、灵敏度高等优点，在安全监视、非接触式测温等方面有越来越重要的地位。红外阵列传感器是由多个红外敏感单元(像素)在同一个芯片上二维排列构成，每个敏感单元都可以接受并检测目标物体辐射的红外能量，经光电转换后输出与目标物体的温度分布及红外辐射强度相关的电信号。红外阵列式传感器相比目前日常广泛应用的单元红外传感器具有精度高，检测范围宽，能输出可观察的图像信号等优点。与主要应用于军事等用途的红外焦平面探测器相比，又具有体积小、成本低、利于隐私保护等优点。

对于热电堆红外探测器而言，在结构、材料、尺寸参数等已优化的情况下，其响应率和探测率等关键性能主要取决于红外吸收层材料对红外辐射的吸收效率。为了提高红外阵列传感器的性能，红外吸收层能以高效率吸收红外辐射是非常重要的。目前常用的有基于光干涉、谐振机理的红外吸收层，膜层厚度与红外波长存在关系，在某些特定波长处吸收率很大，但该种膜层受干涉与谐振条件限制只对某几个特定波长有高的吸收率，再有黑硅、镍黑、镍铬等具有大比表面积、大粗糙度、多孔隙的特殊材料作为红外吸收层，此类结构均具有高的红外吸收率，但缺点是不能与ic工艺兼容，存在污染，尤其对于需要与cmos电路单芯片集成的红外阵列传感器来说无法实现。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种红外传感器件及其制造方法，采用与ic标准工艺完全兼容的工艺方法制造红外传感器件，从而解决了上述问题。

根据本发明的一方面，提供了一种红外传感器件，包括：衬底，用于制作红外传感器芯片；以及绝缘叠层结构，位于所述衬底上，作为复合红外吸收层吸收红外波，其中，所述绝缘叠层结构包括第一氮化硅层、第二氮化硅层以及位于所述第一氮化硅层与所述第二氮化硅层之间的氧化硅层。

优选地，所述红外传感器芯片具有热端，所述第一氮化硅层覆盖所述热端。

优选地，所述氧化硅层作为第一钝化层覆盖所述第一氮化硅层与所述红外传感器芯片的表面。

优选地，所述第二氮化硅层作为第二钝化层和/或减反层，覆盖所述氧化硅层的表面。

优选地，所述红外传感器芯片具有热端，所述绝缘叠层结构覆盖所述热端。

优选地，所述绝缘叠层吸收红外波的波长范围包括8至14μm，吸收率不小于85％。

优选地，所述第一氮化硅层的厚度范围包括0.5至1.5μm，吸收红外波的波长范围包括10至12μm，吸收率不小于85％。

优选地，所述氧化硅层的厚度范围包括3至6μm，吸收红外波的波长范围包括7至10μm以及12至14μm，吸收率不小于85％。

优选地，所述第二氮化硅层的厚度范围包括0.3至1μm，吸收红外波的波长范围包括12至14μm，吸收率不小于85％。

优选地，所述红外传感器芯片包括：红外热电堆阵列式传感器芯片或红外单点式热电堆传感器芯片。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造红外传感器件的方法，包括：包括在衬底上形成绝缘叠层结构，所述衬底用于形成红外传感器芯片，所述绝缘叠层结构作为复合红外吸收层吸收红外波，其中，所述绝缘叠层结构包括第一氮化硅层、第二氮化硅层以及位于所述第一氮化硅层与所述第二氮化硅层之间的氧化硅层。

优选地，形成所述红外传感器芯片的步骤包括在金属互联层上形成层间介质层，其中，所述绝缘叠层结构位于所述层间介质层上。

优选地，形成所述绝缘叠层结构前，所述制造方法还包括对所述层间介质层进行平坦化处理。

优选地，所述红外传感器芯片具有热端，形成所述绝缘叠层的步骤包括：在所述层间介质层上沉积氮化硅薄膜形成所述第一氮化硅层；图案化所述第一氮化硅层；至少在所述第一氮化硅层表面沉积氧化硅薄膜形成氧化硅层；以及在所述氧化硅层表面沉积氮化硅薄膜形成第二氮化硅层，其中，所述第一氮化硅层覆盖所述热端。

优选地，沉积所述氮化硅薄膜方法包括等离子体增强化学的气相沉积法，沉积所述氮化硅薄膜的工艺温度不高于400℃。

优选地，所述气相沉积法的工艺气体包括sih4、氨气以及氮气，工艺高频输出功率包括0.3千瓦。

优选地，沉积氧化硅薄膜的方法包括等离子体增强化学的气相沉积法，分多步沉积所述氧化硅薄膜，沉积所述氧化硅薄膜的工艺温度不高于400℃。

优选地，在分多步沉积所述氧化硅薄膜时，每步沉积厚度不大于2.5μm。

优选地，所述气相沉积法的工艺气体包括sih4、笑气以及氮气，工艺高频输出功率包括0.8千瓦。

优选地，所述绝缘叠层吸收红外波的波长范围包括8至14μm，吸收率不小于85％。

优选地，所述第一氮化硅层的厚度范围包括0.5至1.5μm，吸收红外波的波长范围包括10至12μm，吸收率不小于85％。

优选地，所述氧化硅层的厚度范围包括3至6μm，吸收红外波的波长范围包括8至10μm以及12至14μm，吸收率不小于85％。

优选地，所述第一氮化硅层的厚度范围包括0.3至1μm，吸收红外波的波长范围包括12至14μm，吸收率不小于85％。

优选地，所述红外传感器芯片包括：红外热电堆阵列式传感器芯片或红外单点式热电堆传感器芯片。

根据本发明的红外传感器件及其制造方法，通过氮化硅、氧化硅、和氮化硅复合膜层结构制作出了粘附性高、抗腐蚀能力强、重复性好、热导性高的红外吸收膜层。与现有技术相比，制造本发明的红外传感器件时不需要另外再购置设备以及采购ic标准工艺中不涉及的镍黑、镍铬等特种材料，降低了产线成本。同时氮化硅、氧化硅和氮化硅复合膜层结构及其制造方法成本低、无污染、可作为量产工艺手段。

进一步的，通过对淀积工艺参数以及复合膜层厚度的控制，可以使得红外传感器件对8至14μm的红外波段具有85％以上的平均吸收率，提高了吸收红外波的范围。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。

图1至图6示出了本发明第一实施例制造红外传感器件的方法在各个阶段的截面图。

图7示出了本发明第二实施例的红外传感器件的结构示意图。

图8示出了本发明实施例的复合红外吸收层对红外波的吸收效果模拟图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的红外传感器件。

应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1至图6示出了本发明第一实施例制造红外传感器件的方法在各个阶段的截面图。

本发明实施例的方法开始于衬底101，在衬底101中制作红外传感芯片，如图1所示。

红外传感芯片包括具有冷端与热端的红外热电堆阵列式传感器芯片或红外单点式热电堆传感器芯片。该红外传感芯片通过金属互联层完成金属互联步骤，并在金属互联层上形成了层间介质层。在本实施例中，层间介质层的材料包括氧化物。之后，例如采用化学机械抛光(chemicalmechanicalpolishing,cmp)对层间介质层进行平坦化处理。

进一步的，在衬底101上形成绝缘叠层结构，作为复合红外吸收层吸收红外波。

首先，需要在衬底101的层间介质层表面形成第一氮化层110，如图2所示。

在该步骤中，例如采用等离子体增强化学的气相沉积(plasmaenhancedchemicalvapordeposition,pecvd)工艺在层间介质层的表面沉积氮化硅薄膜。其中，沉积氮化硅薄膜的工艺温度不高于400℃，工艺气体包括sih4、氨气以及氮气，工艺高频输出功率包括0.3千瓦。

该步骤中的氮化硅薄膜作为复合红外吸收层的第一层，即第一氮化层110，其厚度范围包括0.5至1.5μm，优选为1.2μm。在该厚度范围内的第一氮化层110对波长在10至12μm的红外波具有高达85％的吸收率。

然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对第一氮化层110的厚度以及形成第一氮化层110的工艺参数进行其他设置。

进一步的，对第一氮化硅层110进行图案化，使得第一氮化硅层110仅覆盖红外传感芯片的热端，如图3与图4所示。

在该步骤中，例如先在第一氮化硅层110的表面上涂布光刻胶，其中，该光刻胶为正胶，厚度范围包括2至5μm，优选为3μm。然后采用步进式曝光机曝光，再进行两次显影，烘烤后形成图案化的光致抗蚀剂掩膜102。在本实施例中，光致抗蚀剂掩膜102的图案与红外传感芯片的热端相对应。之后，例如采用干法或湿法刻蚀工艺将光致抗蚀剂掩膜102的图案转移至第一氮化硅层110上，从而去除了覆盖红外传感芯片热端以外的氮化硅层。在蚀刻之后通过在溶剂中溶解或灰化去除第一光致抗蚀剂掩膜102。

在本实施例中，形成的第一氮化硅层110仅覆盖红外传感芯片的热端，增加传感器热端与冷端的温度差，进而增加了传感器的灵敏度。

进一步的，在第一氮化硅层110与衬底101表面沉积氧化硅薄膜形成氧化硅层120，如图5所示。

在该步骤中，例如采用pecvd工艺分多步沉积氧化硅薄膜。其中，每步沉积的氧化硅薄膜厚度不大于2.5μm，沉积氮化硅薄膜的工艺温度不高于400℃，工艺气体包括sih4、笑气以及氮气，工艺高频输出功率包括0.8千瓦。以氧化硅层120为5μm为例，为了降低应力，氧化硅层120需要采用低应力淀积法分两步形成，每步淀积的氧化硅厚度为2.5μm。

该步骤中的氧化硅薄膜作为复合红外吸收层的第二层，即氧化硅层120，其厚度范围包括3至6μm，优选为5μm。在该厚度范围内的氧化硅层120对波长在8至10μm以及12至14μm的红外波具有高达85％的吸收率。

然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对氧化硅层120的厚度以及形成氧化硅层120的工艺参数进行其他设置。

在本实施例中，由于氧化硅层120还覆盖了红外传感芯片热端以外的部分，因此氧化硅层120还可以作为器件的第一钝化层保护器件。在一些其他实施例中，氧化硅层120也可以仅覆盖第一氮化硅层110。

进一步的，在氧化硅层120表面沉积氮化硅薄膜形成第二氮化硅层130，如图6所示。

在该步骤中，例如采用pecvd在氧化层120的表面沉积氮化硅薄膜。其中，沉积氮化硅薄膜的工艺温度不高于400℃，工艺气体包括sih4、氨气以及氮气，工艺高频输出功率包括0.3千瓦。

该步骤中的氮化硅薄膜作为复合红外吸收层的第三层，即第二氮化层130，其厚度范围包括0.3至1μm，优选为0.5至0.7μm，更优选为0.6μm。在该厚度范围内的第二氮化硅层130对波长在12至14μm的红外波具有高达85％的吸收率。在本实施例中，由于氮化硅对红外光的反射比氧化硅小，因此第二氮化硅层130放置在器件的顶层作为减反层进一步提高了复合红外吸收层吸收效率。又由于第二氮化硅层130还覆盖了红外传感芯片热端以外的部分，因此第二氮化硅层130还可以作为器件的第二钝化层保护器件。

然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对第二氮化硅层130的厚度以及形成第二氮化硅层的工艺参数进行其他设置。

经由上述工艺步骤，形成了如图6所示的红外传感器件，包括：衬底101与位于衬底101上的绝缘叠层结构，其中，衬底101用于制作红外传感器芯片，绝缘叠层结构作为复合红外吸收层吸收红外波。红外传感器芯片为非制冷长波红外传感器芯，包括红外热电堆阵列式传感器芯片或红外单点式热电堆传感器芯片。

绝缘叠层结构包括第一氮化硅层110、第二氮化硅层120以及位于第一氮化硅层110与第二氮化硅层120之间的氧化硅层130。红外传感器芯片具有热端，第一氮化硅层110仅覆盖热端。氧化硅层120作为第一钝化层覆盖第一氮化硅层110与红外传感器芯片的表面。第二氮化硅层130作为第二钝化层和/或减反层，覆盖氧化硅层120的表面。其中，第一氮化硅层110的厚度范围包括0.5至1.5μm，氧化硅层120的厚度范围包括3至6μm，第二氮化硅层130的厚度范围包括0.3至1μm。

如图8所示，在本实施例中，复合红外吸收层吸收红外波的波长范围包括8至14μm，吸收率不小于85％。第一氮化硅层110吸收红外波的波长范围包括10至12μm，吸收率不小于85％。氧化硅层120吸收红外波的波长范围包括8至10μm以及12至14μm，吸收率不小于85％。第二氮化硅层130吸收红外波的波长范围包括12至14μm，吸收率不小于85％。

图7示出了本发明第二实施例的红外传感器件的结构示意图。

如图7所示，衬底202与位于衬底202上的绝缘叠层结构，其中，绝缘叠层结构包括第一氮化硅层210、第二氮化硅层230以及位于第一氮化硅层210与第二氮化硅层230之间的氧化硅层220，本发明第二实施例与第一实施例的结构类似，此处不再赘述。与第一实施例的不同之处在于，本实施例的氧化硅层220与第二氮化硅层230不再作为钝化层保护器件，使得绝缘叠层结构仅覆盖红外传感器芯片的热端，进一步提高器件冷端与热端的温度差，从而提高器件的灵敏度。

根据本发明的红外传感器件及其制造方法，通过采用与ic标准工艺完全兼容的工艺方法，形成氮化硅、氧化硅和氮化硅复合膜层结构，制作出粘附性高、抗腐蚀能力强、重复性好、热导性高的红外吸收膜层。与现有技术相比，制造本发明的红外传感器件时不需要另外再购置设备以及采购ic标准工艺中不涉及的镍黑、镍铬等特种材料，降低产线成本。同时氮化硅、氧化硅和氮化硅复合膜层结构及其制造方法成本低、无污染、可作为量产工艺手段。

进一步的，通过对淀积工艺参数以及复合膜层厚度的控制，可以使得红外传感器件对8至14μm的红外波段具有85％以上的平均吸收率，提高了吸收红外波的范围。

在以上的描述中，对于各层的构图、蚀刻等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。