一种基于上下分布电极的红外MEMS结构及其制造方法与流程

本发明涉及红外探测器技术领域，特别是涉及一种基于上下分布电极的红外mems结构及其制造方法。

背景技术：

传统红外mems探测器产品一般采用微桥谐振腔结构，其敏感电阻是定义在微桥表面的平面上的，即其敏感电阻是由敏感层上的电极图形定义出的电阻。

请参考图1，图1是一种传统红外mems探测器的敏感电阻电极分布形式。如图1所示，传统红外mems探测器结构中，在微桥表面的平面上设有敏感层，并在在敏感层的左右两端上分别设有一个金属电极，形成水平方向上的敏感电阻结构。其中，敏感电阻的大小是由位于两个金属电极之间的敏感层的横向长度l决定的。

根据电阻率关系公式：

r＝ρ×l/s

其中，r为电阻，ρ为电阻率，l为导体长度，s为导体面积。

可以看出，在敏感层的厚度(决定s大小)一定时，敏感电阻的大小主要受到位于两个金属电极之间的敏感层的横向长度l(敏感层的膜层图形面积)的制约。

为了提高探测器面内和芯片内的均匀性，设计者会将上述微桥平面的图形尺寸定义得尽可能足够大(即上述公式中导体长度l较长)，这造成敏感电阻的阻值也相对较大。同时，由于敏感层本身是电阻率较高的高阻材料，进一步导致敏感电阻较大，在相同电压下信号较小。

而且，在形成微桥平面时，针对微桥平面上的各个膜层所采取的各种图形化(光刻/刻蚀)工艺，也导致了谐振腔光学特性的局部不均匀。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于上下分布电极的红外mems结构及其制造方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于上下分布电极的红外mems结构，包括：自下而上依次设置的衬底、牺牲层和红外微桥桥面，所述微桥桥面通过分设于所述牺牲层中的两个导电通孔与所述衬底相连，所述微桥桥面包括自下而上依次设置的下电极层、敏感层和第一上电极层；其中，所述微桥桥面被一绝缘沟槽隔离为一第一部分和面积小于所述第一部分的一第二部分，第二上电极层搭接于所述第一部分和所述第二部分上被隔断的所述第一上电极层的表面上，所述第二部分通过其上被隔断的所述第一上电极层和所述下电极层连接其中一个所述导电通孔，所述第一部分仅通过其上被隔断的所述下电极层连接另一个所述导电通孔，所述牺牲层经释放去除后形成谐振腔。

进一步地，所述绝缘沟槽设于靠近所述其中一个所述导电通孔一侧的所述微桥桥面上。

进一步地，位于所述第一部分上的所述下电极层、敏感层和第一上电极层为平层结构。

进一步地，所述第二部分上设有电连接孔，所述电连接孔穿过位于所述第二部分上的所述敏感层，并连通位于所述电连接孔底部的所述第二部分上的所述下电极层，位于所述第二部分上的所述第一上电极层延伸入所述电连接孔，并与位于所述电连接孔底部的所述下电极层相连。

进一步地，所述电连接孔在位于所述第二部分上的所述第二上电极层上形成开口。

进一步地，所述导电通孔中填充有导电材料，所述导电材料的上端高出所述牺牲层表面，并在所述牺牲层表面上延伸形成支撑底座，所述支撑底座上设有环状介质层，所述下电极层置于所述支撑底座上，并通过所述下电极层下表面上的材质延伸进入所述环状介质层内侧，与所述支撑底座相连。

进一步地，所述下电极层与所述牺牲层之间设有第一释放保护层，所述微桥桥面的表面及侧面上覆盖有第二释放保护层。

进一步地，所述绝缘沟槽中填充有绝缘材料，所述绝缘材料的上端高出所述第一上电极层表面，并在所述第一上电极层表面上延伸形成支撑梁，所述第二上电极层覆盖于所述第一上电极层和所述支撑梁上。

一种基于上下分布电极的红外mems结构制造方法，包括以下步骤：

提供一衬底，在所述衬底上形成牺牲层，在所述牺牲层中形成两个通孔；

在所述牺牲层表面上依次沉积扩散阻挡层材料和通孔金属材料，以在所述通孔侧壁上形成扩散阻挡层，并在所述通孔中填充通孔金属，形成导电通孔；

去除所述扩散阻挡层材料上覆盖的通孔金属材料，使所述扩散阻挡层材料露出；

在所述扩散阻挡层材料表面上沉积第一介质材料，并在所述导电通孔上方区域形成覆盖所述扩散阻挡层材料的第一介质图形；

去除所述第一介质图形下方以外的所述扩散阻挡层材料，使所述牺牲层露出，并在所述第一介质图形下方形成由剩余的所述扩散阻挡层材料所构成的支撑底座；

在所述牺牲层表面上沉积第一释放保护层材料，将所述第一介质图形覆盖，并形成第一释放保护层平面图形；

依次去除所述第一介质图形以内区域上的部分第一释放保护层材料和第一介质材料，露出所述支撑底座，并在所述支撑底座上形成由剩余的所述第一介质材料所构成的环状介质层；

在所述第一释放保护层上依次沉积下电极层材料和敏感层材料，使所述下电极层材料进入环状介质层内侧，与所述支撑底座相连，并形成下电极层和敏感层平面图形；

在对应其中一个所述导电通孔上方的所述敏感层上形成一电连接孔，使所述电连接孔的底部停止于所述下电极层上；

在所述敏感层上沉积第一上电极层材料，使所述第一上电极层材料沿所述电连接孔侧壁进入所述电连接孔，与位于所述电连接孔底部的所述下电极层相连，并形成第一上电极层平面图形；

在靠近所述其中一个所述导电通孔一侧的所述第一上电极层上向下形成一沟槽，停止于所述第一释放保护层上，所述沟槽将所述第一上电极层、敏感层和下电极层分割成独立的一第一部分和面积小于所述第一部分的一第二部分；

在所述第一上电极层表面上沉积第二介质材料，将所述沟槽填满，形成绝缘沟槽；

对第一上电极层表面上的第二介质材料进行图形化，形成连接所述绝缘沟槽的支撑梁；

在所述第一上电极层表面上沉积第二上电极层材料，将所述支撑梁覆盖，对所述第二上电极层材料进行图形化，形成同时搭接于所述第一部分和所述第二部分上被隔断的所述第一上电极层的表面上的第二上电极层；

在所述第二上电极层上沉积第二释放保护层材料，并图形化。

进一步地，还包括：

在所述衬底上形成金属互连层，并使导电通孔的下端与所述金属互连层相连；以及

在形成第二释放保护层图形后，采用释放工艺去除所述牺牲层，形成通过所述导电通孔与所述衬底相连的微桥桥面，和位于所述衬底与微桥桥面之间的谐振腔。

从上述技术方案可以看出，本发明一方面通过形成基于上下分布电极(即形成垂直敏感电阻)的红外mems结构，在敏感电阻中形成垂直方向电流，这样当微桥结构整体面积不变的情况下(微桥面积尺寸远大于微桥厚度尺寸)，敏感电阻的阻值仅受到薄膜厚度影响，因而虽然敏感层材料本身的电阻率较高，但仍可以得到较小的电阻值。同时，本发明利用平面工艺形成红外mems微桥结构，使得敏感电阻的均匀性仅受到薄膜厚度影响，而不会受以往光刻/刻蚀等图形化工艺的影响；由于微桥表面面积尺寸一般在10～20μm量级，面积尺寸较大，故其尺寸方面的工艺控制也会较好，加上半导体成膜工艺的均匀性要远远好于图形化工艺，故其均匀性可以得到较好地控制，使敏感电阻的均匀性也得到了大幅度的提升，有效改善了谐振腔的光学特性。

附图说明

图1是一种传统红外mems探测器的敏感电阻电极分布形式示意图。

图2是本发明一较佳实施例的一种基于上下分布电极的红外mems结构示意图。

图3是本发明的敏感电阻电极分布形式示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参考图2，图2是本发明一较佳实施例的一种基于上下分布电极的红外mems结构示意图。如图2所示，本发明的一种基于上下分布电极的红外mems结构，可包括：自下而上依次设置的衬底1、牺牲层2和红外微桥桥面9。其中，微桥桥面9通过分设于牺牲层2中的两个导电通孔3与衬底1相连，并得以支撑于衬底1上。

牺牲层2用于红外微桥桥面9制造时作为承载层，并在红外微桥桥面9形成后，通过释放工艺对牺牲层2进行去除，从而在衬底1和悬空的微桥桥面9之间形成谐振腔。

请参考图2。衬底1中可设有金属互连层14；微桥桥面9通过导电通孔3的下端与金属互连层14相连。

微桥桥面9包括自下而上依次设置的下电极层4和4’、敏感层5和5’和第一上电极层6和6’。并且，微桥桥面9被一个绝缘沟槽13隔离为两个相独立的第一部分(位于图示左侧)和第二部分(位于图示右侧)。其中，第一部分和第二部分中分别含有一段下电极层4、4’、敏感层5、5’和第一上电极层6、6’，即第一部分含有一段下电极层4、敏感层5和第一上电极层6，第二部分含有另一段下电极层4’、敏感层5’和第一上电极层6’，使得第一部分与第二部分之间在电学上相隔离，但第一部分与第二部分之间又是通过绝缘沟槽13中填充的介质(第二介质)连接在了一起。其中，绝缘沟槽13设于尽量靠近其中一个导电通孔3(位于图示右侧)一侧的微桥桥面9上，以使分割形成的第一部分的面积远大于第二部分的面积，即微桥桥面9的主体是由第一部分形成的。

在第一上电极层6和6’的表面上还设有第二上电极层8；第二上电极层8同时搭接在第一部分和第二部分上，即第二上电极层8同时搭接在第一部分和第二部分上被绝缘沟槽13隔断的两个第一上电极层6和6’的表面上，使微桥桥面9相隔离的第一部分和第二部分之间通过第二上电极层8又形成了电学上的相互连接。

位于微桥桥面9的第二部分上的被绝缘沟槽13隔断的第一上电极层6’与同样位于第二部分上的下电极层4’相连接，并进一步通过下电极层4’与其中一个导电通孔3(位于图示右侧)相连接；而第一部分仅通过位于第一部分上被绝缘沟槽13隔断的下电极层4连接另一个导电通孔3(位于图示左侧)，而位于第一部分上的第一上电极层6与位于第一部分上的下电极层4不直接相连，避免上下电极之间的短路。

这样，就形成了一种基于上下分布电极(即形成垂直敏感电阻)的红外mems结构，并在敏感电阻中形成垂直方向电流。其中，本发明的敏感电阻可以视为是由位于第一部分上的下电极层4、敏感层5和第一上电极层6所构成，且第一上电极层6进一步通过第二上电极层8与第二部分下方的一个位于图示右侧的导电通孔3的连接得以引出，而位于第一部分上的下电极层4通过位于图示左侧的另一个导电通孔3得以引出。

请参考图3，图3是本发明的敏感电阻电极分布形式示意图，其显示图2中本发明的敏感电阻的结构原理。如图3所示，有别于图1中的传统敏感电阻的水平方向电极分布形式，本发明的敏感电阻采用了上下分布的电极形式，即上电极(第一上电极层6)和下电极(下电极层4)分别位于敏感层(敏感层5)的上层和下层，形成垂直方向电流。此时，前述电阻率公式中的导体长度l即转化为本发明中敏感层5的垂直方向厚度l，而导体面积s则转化为本发明中敏感层5的水平方向面积s。

当微桥结构整体面积不变的情况下(微桥面积尺寸远大于微桥厚度尺寸)，敏感电阻的阻值仅受到薄膜厚度影响，因而虽然敏感层5和5’材料本身的电阻率较高，但仍可以得到较小的电阻值。

请参考图2。同时，为了提高敏感电阻的均匀性，本发明利用平面工艺形成红外mems微桥结构，即利用平面工艺，使位于第一部分上的下电极层4、敏感层5和第一上电极层6均为平层结构，不采用光刻/刻蚀等图形化工艺在下电极层4、敏感层5和第一上电极层6的平层结构中形成图形，使得敏感电阻的均匀性仅受到薄膜厚度影响，而不会受以往光刻/刻蚀等图形化工艺的影响。

由于微桥表面面积尺寸一般在10～20μm量级，面积尺寸较大，故其尺寸方面的工艺控制也会较好，加上半导体成膜工艺的均匀性要远远好于图形化工艺，故其均匀性可以得到较好地控制，使敏感电阻的均匀性也得到了大幅度的提升，从而有效改善了谐振腔的光学特性。

而微桥桥面9上第二部分的主要作用是作为敏感电阻上电极的引出结构。

请参考图2。第二部分上设有电连接孔17，电连接孔17的位置与下方的导电通孔3位置对应。电连接孔17穿过位于第二部分上的敏感层5’，并连通位于电连接孔17底部的第二部分上的下电极层4’，位于第二部分上的第一上电极层6’延伸入电连接孔17，并与位于电连接孔17底部的下电极层4’相连。这样，作为敏感电阻的上电极的位于第一部分上的第一上电极层6，就可以通过第二上电极层8的搭接，由电连接孔17、图示右侧导电通孔3向下引出至衬底1中。即第一部分和第二部分的底面分别连接其中的一个导电通孔3。

作为一优选的实施方式，绝缘沟槽13中填充有绝缘材料(第二介质)；绝缘材料的上端高出第一上电极层6和6’表面，并在第一上电极层6和6’表面上延伸形成支撑梁12，以增强绝缘沟槽13中的绝缘材料对第一部分和第二部分的连接可靠性。第二上电极层8覆盖于第一上电极层6和6’和支撑梁12上，可进一步增加第一部分与第二部分之间的连接强度。

绝缘材料除了形成支撑梁12外，还可以通过图形化在第一部分和第二部分表面上形成第二上电极层8的搭接口，并可进一步覆盖在微桥桥面9的其他表面及侧面上，形成保护层7。

请参考图2。导电通孔3中填充有导电材料，导电材料可包括形成在通孔侧壁上的扩散阻挡层31，例如ti、tin及其组合等，以及填充在通孔内的通孔金属32，例如w等。其中，导电材料的上端可高出牺牲层2表面，并在牺牲层2表面上延伸形成支撑底座16。同时，在支撑底座16上可设有环状介质层15，下电极层4和4’分别置于其中一个支撑底座16上，并通过下电极层4和4’下表面上的材质延伸各自进入一个环状介质层15内侧，与对应的支撑底座16相连。

进一步地，下电极层4和4’与牺牲层2之间可设有第一释放保护层10。

电连接孔17在位于第二部分上的第二上电极层8上可形成开口。同时，在微桥桥面9的表面及侧面上可覆盖有第二释放保护层11。第二释放保护层11可经由微桥桥面9的侧面与第一释放保护层10相连；并且，第二释放保护层11可通过电连接孔17的开口进入电连接孔17中，对露出于电连接孔17内壁表面的第二上电极层8、绝缘材料(第二介质)和第一上电极层6’进行覆盖。

下面通过具体实施方式并结合附图2，对本发明的一种基于上下分布电极的红外mems结构制造方法进行详细说明。

本发明的一种基于上下分布电极的红外mems结构制造方法，可用于制备例如图2的一种基于上下分布电极的红外mems结构，并可包括以下步骤：

首先，提供一衬底1，例如可以是形成有金属互连层14的衬底1。衬底1中可带有处理电路(asic)。

然后，在衬底1上沉积牺牲层材料并图形化，形成牺牲层2。

接着，可通过光刻和刻蚀工艺，在牺牲层2中形成两个连通金属互连层14的通孔。然后，在牺牲层2表面上依次沉积扩散阻挡层材料(例如ti、tin及其组合等)和通孔金属材料(例如w等)，使扩散阻挡层材料沉积在通孔侧壁上，形成扩散阻挡层31，并使通孔金属材料将通孔填满，形成通孔金属32，并使通孔金属32的下端与金属互连层14连接，形成导电通孔3。

之后，可利用高选择比刻蚀工艺，去除通孔以外位于扩散阻挡层材料上的通孔金属材料，使扩散阻挡层材料露出。

接着，在扩散阻挡层材料表面上沉积第一介质材料，并通过光刻和刻蚀工艺，在导电通孔3上方区域形成覆盖扩散阻挡层材料的第一介质图形。形成第一介质图形时，刻蚀停止在扩散阻挡层材料上。

接着，可选用湿法高选择比工艺，去除第一介质图形下方以外的扩散阻挡层材料，使牺牲层2露出，仅保留位于第一介质图形下方的扩散阻挡层材料，在第一介质图形下方形成由剩余的扩散阻挡层材料所构成的台阶形的支撑底座16。

形成第一介质图形的目的，是为了在图形化牺牲层2表面上的金属扩散阻挡层时作为使用的掩模。该步工艺使用湿法去除扩散阻挡层材料，如果直接在金属上进行光刻，光刻胶容易在湿法工艺中脱落。

接着，在牺牲层2表面上沉积第一释放保护层材料，将第一介质图形覆盖；并通过光刻和刻蚀工艺，形成第一释放保护层10的平面图形。

接着，通过光刻和刻蚀工艺，依次去除第一介质图形以内区域上的部分第一释放保护层材料和第一介质材料，露出支撑底座16，并在支撑底座16上形成由剩余的第一介质材料所构成的环状介质层15。

接着，在第一释放保护层10上依次沉积下电极层材料和敏感层材料。在沉积下电极层材料时，使下电极层材料填充进入环状介质层15内侧，与支撑底座16形成连接。然后，按常规工艺形成下电极层4和4’和敏感层5和5’的平面图形。

接着，通过光刻和刻蚀工艺，在对应图示右侧一个导电通孔3上方的敏感层5和5’上形成一个电连接孔17图形，使电连接孔17的底部停止于下电极层4’上。

接着，在敏感层5和5’上沉积第一上电极层材料，使第一上电极层材料沿电连接孔17侧壁进入电连接孔17，与位于电连接孔17底部的下电极层4’相连；然后，按常规工艺形成第一上电极层6和6’的平面图形。

接着，在靠近图示右侧一个导电通孔3左侧的第一上电极层6和6’上向下形成一个沟槽，停止于第一释放保护层10上。利用沟槽将第一上电极层6和6’、敏感层5和5’和下电极层4和4’分别分割成独立的一个第一部分和面积小于第一部分的一个第二部分。即在图示沟槽左侧形成包括第一上电极层6、敏感层5和下电极层4的第一部分，在图示沟槽右侧形成包括第一上电极层6’、敏感层5’和下电极层4’的第二部分。

接着，在第一上电极层6和6’表面上沉积第二介质材料，将沟槽填满，形成绝缘沟槽13。

然后，对第一上电极层6和6’表面上的第二介质材料进行图形化，形成连接绝缘沟槽13的支撑梁12。

接着，在第一上电极层6和6’表面上沉积第二上电极层材料，将支撑梁12覆盖；对第二上电极层材料进行图形化，形成同时搭接于第一部分和第二部分上被隔断的第一上电极层6和6’的表面上的第二上电极层8。

接着，在第二上电极层8上沉积第二释放保护层材料，并图形化。

在形成第二释放保护层11图形后，可进一步采用释放工艺去除牺牲层2，形成通过导电通孔3与衬底1相连的微桥桥面9，并形成位于衬底1与微桥桥面9之间的谐振腔。

以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。