一种红外探测器及其制作方法与流程

本发明涉及半导体集成电路和传感器技术领域，特别是涉及一种高灵敏度高均匀性的红外探测器及其制作方法。

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平面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，也导致了敏感电阻均匀性的下降。

此外，传统技术因使用多个支撑和电连接柱，从而导致了产品填充因子的下降。

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，提供一种红外探测器及其制作方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种红外探测器，包括：衬底和红外微桥桥面，所述微桥桥面通过支撑和电连接柱悬设于所述衬底上，所述支撑和电连接柱为一个，设于所述微桥桥面的下方，使所述微桥桥面形成以所述支撑和电连接柱为中心的悬空结构，所述微桥桥面自下而上包括依次相连的下电极层、敏感层和上电极层，所述下电极层、所述敏感层和所述上电极层还通过向所述支撑和电连接柱中进行延伸而成为其结构组成部分；其中，所述下电极层和所述上电极层之间相隔离，并沿所述支撑和电连接柱向下引出，与所述衬底中设置的处理电路分别相连。

进一步地，所述下电极层和所述上电极层在所述支撑和电连接柱中的延伸部分形成相套设的环形结构，所述衬底上对应设有相套设的环形外电极和内电极，所述下电极层和所述上电极层的所述环形结构下端分别连接所述外电极和所述内电极的上端，所述外电极和所述内电极的下端分别连接至所述处理电路。

进一步地，所述上电极层包括位于所述敏感层上的第一上电极层，和位于所述第一上电极层上的第二上电极层，所述第一上电极层和所述第二上电极层之间设有隔离层，所述隔离层自所述悬空结构外侧将所述第一上电极层、所述敏感层和所述下电极层的端部包覆，使所述第一上电极层和所述第二上电极层同时与所述下电极层相隔离，同时，所述隔离层还通过向所述支撑和电连接柱中进行延伸而成为其结构组成部分，并使所述第二上电极层与所述下电极层相隔离；其中，所述隔离层在所述微桥桥面上形成红外窗口，并在所述微桥桥面靠近所述支撑和电连接柱的位置上向下延伸进入所述第一上电极层，将所述第一上电极层位于所述支撑和电连接柱中的延伸部分与位于所述微桥桥面上的部分隔断，所述第二上电极层通过所述窗口与所述第一上电极层相连，从而使所述第一上电极层位于所述微桥桥面上的部分通过所述第二上电极层与所述衬底中设置的处理电路相连。

进一步地，所述窗口为介于所述支撑和电连接柱和所述微桥桥面外侧之间的环形开口。

进一步地，所述第二上电极层位于所述微桥桥面上的部分为平层结构。

进一步地，所述衬底上还设有反射层，所述反射层与所述微桥桥面之间形成谐振腔。

进一步地，所述下电极层和所述上电极层材料包括tin或pt。

一种红外探测器制作方法，包括以下步骤：

提供一含有处理电路的衬底，在所述衬底上形成牺牲层，在所述牺牲层中形成支撑和电连接孔；其中，所述支撑和电连接孔为一个；

在所述牺牲层上依次沉积下电极层材料、敏感层材料和上电极层材料，使所述下电极层材料、敏感层材料和上电极层材料沿所述支撑和电连接孔内壁填充，并图形化，在所述支撑和电连接孔中形成支撑和电连接柱，以及形成以所述支撑和电连接柱为中心的下电极层、敏感层和上电极层，使所述下电极层与所述上电极层之间相隔离，且使所述下电极层和上电极层沿所述支撑和电连接柱向下引出，与所述处理电路分别相连；

采用释放工艺去除所述牺牲层，形成通过所述支撑和电连接柱与所述衬底相连的微桥桥面，所述微桥桥面包括依次相连的下电极层、敏感层和上电极层，并形成以所述支撑和电连接柱为中心的悬空结构。

进一步地，还包括以下步骤：在形成牺牲层前，先在对应所述支撑和电连接孔位置的所述衬底上形成相套设的环形外电极和内电极，使所述外电极和所述内电极的下端分别连接至所述处理电路，并在进行所述支撑和电连接孔填充时，使所述下电极层材料和所述上电极层材料的下端分别连接所述外电极和所述内电极的上端。

进一步地，所述上电极层包括第一上电极层和第二上电极层，其制作方法包括以下步骤：

先在所述牺牲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和敏感层材料沿所述支撑和电连接孔内壁填充，并图形化，去除位于所述支撑和电连接孔底部上的部分敏感层材料和下电极层材料，露出所述衬底的表面，形成敏感层和下电极层；

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支撑和电连接孔内壁填充，并图形化，去除位于所述支撑和电连接孔底部上的部分第一上电极层材料，露出所述衬底的表面，并使所述第一上电极层材料通过所述敏感层与所述下电极层及所述衬底相隔断，形成第一上电极层；

在靠近所述支撑和电连接孔位置的所述第一上电极层上形成围绕所述支撑和电连接孔的环形沟槽，使所述第一上电极层位于所述支撑和电连接孔中的部分与位于所述敏感层表面上的部分相隔断；

在所述第一上电极层上沉积隔离层材料，使所述隔离层材料沿所述支撑和电连接孔内壁填充，并填充所述沟槽，图形化所述隔离层材料，去除位于所述支撑和电连接孔底部上的部分隔离层材料，露出所述衬底的表面，并去除位于所述支撑和电连接孔以外的所述敏感层上方的部分隔离层材料，形成具有红外窗口的隔离层；

在所述隔离层上沉积第二上电极层材料，使所述第二上电极层材料沿所述支撑和电连接孔内壁填充，并通过与所述衬底的表面接触而与所述处理电路相连，同时，通过所述红外窗口与所述第一上电极层相连；对所述第二上电极层材料进行平坦化后，形成第二上电极层。

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)的红外探测器结构，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微桥结构，使得敏感电阻的均匀性仅受到薄膜厚度影响，避免了由光刻、刻蚀定义图形尺寸带来的较大均匀性差异，从而提高了像元的均匀性。并且，由于整个微桥表面面积都成为像元的电阻区域，也就是图形尺寸远大于平面光刻、刻蚀定义的尺寸，从而能够提升其均匀性一致性。此外，使用单个支撑和电连接柱结构，有效提升了感光面积和填充因子，从而能够明显提高灵敏度和均匀性。

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一的一种红外探测器结构示意图。

图3是本发明一较佳实施例二的一种红外探测器结构示意图。

图4是本发明一较佳实施例的一种相套设的环形内电极和外电极结构示意图。

图5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一的一种红外探测器结构示意图。如图2所示，本发明的一种红外探测器，包括：衬底1和设于衬底1上的红外微桥桥面ⅰ。其中，微桥桥面ⅰ只通过一个支撑和电连接柱ⅱ悬设于衬底1上。支撑和电连接柱ⅱ设于微桥桥面ⅰ的下方，使微桥桥面ⅰ形成以支撑和电连接柱ⅱ为中心的悬空结构。这里的中心为泛指，其不限于以支撑和电连接柱ⅱ为中心的对称结构，即微桥桥面ⅰ在支撑和电连接柱ⅱ之上可以是不对称分布的。衬底1中设有处理电路12。

请参考图2。微桥桥面ⅰ自下而上包括依次相连的下电极层6、敏感层5和上电极层4。下电极层6、敏感层5和上电极层4还通过向支撑和电连接柱ⅱ中进行延伸，而成为支撑和电连接柱ⅱ的结构组成部分。这样，下电极层6、敏感层5和上电极层4分别具有位于支撑和电连接柱ⅱ中的部分和位于支撑和电连接柱ⅱ以外的微桥桥面ⅰ上的部分(微桥像元结构)，这两个部分相互连接为一体。

下电极层6和上电极层4之间可通过敏感层5相隔离。其中，位于支撑和电连接柱ⅱ中的下电极层6部分和上电极层4部分，沿支撑和电连接柱ⅱ向下引出，与衬底1中设置的处理电路12分别相连。

在敏感层5和上电极层4之间还可设有隔离层3。隔离层3同样通过向支撑和电连接柱ⅱ中进行延伸，而成为支撑和电连接柱ⅱ的结构组成部分。同时，隔离层3在支撑和电连接柱ⅱ的底部与衬底1表面相接触，从而将下电极层6和上电极层4隔断。并且，隔离层3还在微桥桥面ⅰ上形成红外窗口；窗口可为介于支撑和电连接柱ⅱ和微桥桥面ⅰ外侧之间的环形开口。上电极层4可通过红外窗口与敏感层5相连。隔离层3还从微桥桥面ⅰ的悬空结构外侧，将敏感层5和下电极层6的端部包覆，使覆盖在隔离层3上的上电极层4的端部与下电极层6的端部之间相隔离。

请参考图2。下电极层6、敏感层5、隔离层3和上电极层4在支撑和电连接柱ⅱ中的延伸部分形成相套设的环形结构。同时，在衬底1上对应设有相套设的环形外电极10和内电极11。

请参考图4。外电极10和内电极11在衬底1上可形成相套设的同心环结构。其中，内电极11也可形成图示实心的柱形结构；外电极10和内电极11之间可采用介质材料进行填充。

请参考图2并结合参考图4。下电极层6和上电极层4的环形结构下端分别连接外电极10和内电极11的上端，外电极10和内电极11的下端分别连接至处理电路12。

支撑和电连接柱ⅱ的中心可以是图示的空心结构。或者，也可以通过填充形成实心结构。

进一步地，在衬底1上还设有反射层2；反射层2与微桥桥面ⅰ之间形成谐振腔7。

下电极层6和上电极层4材料可包括tin或pt等在释放工艺中不会受到损伤的材料。

衬底1、敏感层5、隔离层3和反射层2以及外电极10和内电极11等都可采用常用材料制作。

请参考图5，其显示图2中本发明的敏感电阻的结构原理。如图5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(上电极层4)和下电极(下电极层6)分别位于敏感层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材料本身的电阻率较高，但仍可以得到较小的电阻值。

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微桥桥面ⅰ结构，即利用平面工艺，使位于微桥桥面ⅰ上的下电极层6、敏感层5和上电极层4均为平层结构，不采用光刻/刻蚀等图形化工艺在下电极层6、敏感层5和上电极层4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。

由于微桥桥面ⅰ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7的光学特性。

上述图2的本发明的一种红外探测器结构，可采用以下方法制造。

首先，提供一个含有处理电路12的衬底1。

接着，在对应支撑和电连接柱ⅱ位置的衬底1上，通过光刻、刻蚀及填充等工艺，形成一个相套设的环形外电极10和内电极11，并使外电极10和内电极11的下端分别连接至处理电路12。

然后，在衬底1上沉积反射层2材料，通过光刻、刻蚀等工艺，对反射层2材料进行图形化，在对应外电极10和内电极11的位置上分别形成电连接图形(例如相套设的环形电连接图形)8、9，使电连接图形8、9分别与外电极10和内电极11的上端相连，以及在电连接图形8、9两侧形成独立设置的反射层2。

接着，在衬底1及反射层2上形成牺牲层(图略)，并通过光刻、刻蚀等工艺，在对应外电极10和内电极11位置的牺牲层中形成一个支撑和电连接孔(参考支撑和电连接柱ⅱ所在位置)，露出衬底1表面上的电连接图形8、9。支撑和电连接孔用于后续形成支撑和电连接柱ⅱ。

接着，在牺牲层上依次沉积下电极层6材料和敏感层5材料，使下电极层6材料和敏感层5材料沿支撑和电连接孔内壁填充。通过光刻、刻蚀，对下电极层6材料和敏感层5材料进行图形化，去除位于支撑和电连接孔底部上的部分敏感层5材料和下电极层6材料，使下电极层6材料的下端与下方外电极10上的电连接图形8相连，从而通过外电极10与衬底1中的处理电路12相连，并露出内电极11上的电连接图形9，形成敏感层5和下电极层6。

接着，在敏感层5上沉积隔离层3材料，使隔离层3材料沿支撑和电连接孔内壁填充，并通过光刻、刻蚀，对隔离层3材料进行图形化，去除位于支撑和电连接孔底部上的部分隔离层3材料，露出内电极11上的电连接图形9，并去除位于支撑和电连接孔以外的敏感层5表面上的部分隔离层3材料，形成红外窗口，从而形成具有红外窗口的隔离层3。

接着，在隔离层3上沉积上电极层4材料，使上电极层4材料沿支撑和电连接孔内壁填充，并使上电极层4材料的下端与下方内电极11上的电连接图形9相连，从而通过内电极11与衬底1中的处理电路12相连。同时，上电极层4材料通过红外窗口与敏感层5相连，形成上电极层4。这样，在支撑和电连接孔中就形成由下电极层6、敏感层5、隔离层3和上电极层4材料组成的支撑和电连接柱ⅱ结构，同时，在支撑和电连接孔以外的牺牲层表面上形成由下电极层6、敏感层5、隔离层3和上电极层4材料组成的微桥桥面ⅰ结构。

最后，采用释放工艺去除牺牲层，形成通过支撑和电连接柱ⅱ与衬底1相连的微桥桥面ⅰ，并形成以支撑和电连接柱ⅱ为中心的微桥桥面ⅰ的悬空结构。

在以下本发明的具体实施方式中，请参考图3，图3是本发明一较佳实施例二的一种红外探测器结构示意图。如图3所示，与图2显示的实施例一的区别之处在于，本实施例二中，上电极层4可包括位于敏感层5上的第一上电极层4-1和第二上电极层4-2，隔离层3设置在第一上电极层4-1和第二上电极层4-2之间。

其中，第一上电极层4-1、隔离层3和第二上电极层4-2依次设于敏感层5上，并通过向支撑和电连接柱ⅱ中进行延伸，而与敏感层5和下电极层6一起成为支撑和电连接柱ⅱ的结构组成部分。

在支撑和电连接柱ⅱ中，隔离层3的下端抵触在外电极10上的电连接图形8与内电极11上的电连接图形9之间的衬底1表面上，使第二上电极层4-2和第一上电极层4-1同时与下电极层6相隔离；同时，第一上电极层4-1还通过敏感层5与下电极层6相隔离。并且，下电极层6的下端与下方外电极10上的电连接图形8相连，第二上电极层4-2的下端与下方内电极11上的电连接图形9相连。

在微桥桥面ⅰ上，隔离层3自悬空结构的外侧将第一上电极层4-1、敏感层5和下电极层6的端部包覆，使第一上电极层4-1和第二上电极层4-2同时与下电极层6相隔离。同时，隔离层3在微桥桥面ⅰ上形成有红外窗口，第二上电极层4-2通过窗口与下方的第一上电极层4-1相连。在靠近支撑和电连接柱ⅱ的微桥桥面ⅰ位置，在第一上电极层4-1上形成有一个围绕支撑和电连接柱ⅱ的贯通第一上电极层4-1的沟槽13，隔离层3通过该沟槽13向下延伸进入第一上电极层4-1，将第一上电极层4-1位于支撑和电连接柱ⅱ中的延伸部分与位于微桥桥面ⅰ上的部分隔断。从而使第一上电极层4-1位于微桥桥面ⅰ上的部分通过窗口上的第二上电极层4-2与衬底1中设置的处理电路12相连。

进一步地，第二上电极层4-2位于微桥桥面ⅰ上的部分可为平层结构。

上述图3的本发明的一种红外探测器结构的第一上电极层4-1和第二上电极层4-2，可采用以下方法制造。

在形成下电极层6和敏感层5后，先在敏感层5上沉积第一上电极层4-1材料，使第一上电极层4-1材料沿支撑和电连接孔内壁填充，并通过光刻、刻蚀，对第一上电极层4-1材料进行图形化，去除位于支撑和电连接孔底部上的第一上电极层4-1材料，露出内电极11上的电连接图形9，并使第一上电极层4-1材料通过敏感层5与下电极层6及衬底1相隔断，形成第一上电极层4-1。

接着，在支撑和电连接孔以外，靠近支撑和电连接孔位置的第一上电极层4-1上形成一个围绕支撑和电连接孔的环形沟槽13，使第一上电极层4-1位于支撑和电连接孔中的部分与位于敏感层5表面上的部分相隔断。

然后，再在第一上电极层4-1上沉积隔离层3材料，使隔离层3材料沿支撑和电连接孔内壁填充，并同时对沟槽13进行填充；通过光刻、刻蚀，对隔离层3材料进行图形化，去除位于支撑和电连接孔底部上的隔离层3材料，使隔离层3材料的下端抵触在衬底1的表面上，且位于外电极10上的电连接图形8以内，露出内电极11上的电连接图形9，并去除位于支撑和电连接孔以外的敏感层5上方的部分隔离层3材料，形成红外窗口，从而形成隔离层3。红外窗口例如可位于沟槽13与微桥结构外侧之间的敏感层5上方的适当位置上。

接着，在隔离层3上沉积第二上电极层4-2材料，使第二上电极层4-2材料沿支撑和电连接孔内壁填充，并使第二上电极层4-2材料的下端与下方内电极11上的电连接图形9相连，从而通过内电极11与衬底1中的处理电路12相连。同时，使第二上电极层4-2材料通过红外窗口与第一上电极层4-1相连，对第二上电极层4-2材料表面进行平坦化后，形成第二上电极层4-2。这样，在支撑和电连接孔中就形成由下电极层6、敏感层5、第一上电极层4-1、隔离层3和第二上电极层4-2材料组成的支撑和电连接柱ⅱ结构；同时，在支撑和电连接柱ⅱ以外的牺牲层表面上形成由下电极层6、敏感层5、第一上电极层4-1、隔离层3和第二上电极层4-2材料组成的微桥桥面ⅰ结构。

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。