一种红外探测器芯片晶圆及红外探测器、制备方法与流程

本技术涉及红外探测器，更具体地说，涉及一种红外探测器芯片晶圆、红外探测器、红外探测器芯片晶圆的制备方法。

背景技术：

1、用于探测物体红外辐射信号的电子元件被称为红外探测器。探测器的核心是探测器芯片，探测器芯片由mems传感器和cmos读出电路构成。红外探测器分为制冷红外探测器，非制冷红外探测器，非制冷光子探测器。

2、微测辐射热计是非制冷红外探测器应该最广泛的一种，微测辐射热计为mems(micro-electro-mechanical system，微机电系统)微桥结构。

3、目前，mems微测辐射热计结构的红外探测器大多采用横向互联引线键合技术实现与外部电路的连接，这种技术相对成熟，但是这种连接方式会导致互连可靠性低、信号传输存在延迟及红外探测器封装体积增加。

4、综上所述，如何增强非制冷红外探测器互连可靠性，降低信号传输延迟和封装体积，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术的目的是提供一种红外探测器芯片晶圆及红外探测器、制备方法，用于增强红外探测器互连可靠性，降低信号传输延迟和封装体积。

2、为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

3、一种红外探测器芯片晶圆，包括衬底晶圆、设置在所述衬底晶上表面的外延层、设置在所述外延层上表面的层间介质、设置在所述层间介质中的集成电路、设置在所述层间介质的上表面且与所述集成电路相连的微测辐射热计；

4、所述集成电路处设有贯穿所述层间介质、所述外延层及所述衬底晶圆的通孔，所述通孔的侧壁设有绝缘层，且所述通孔内填充有导电材料，以使所述集成电路与所述导电材料相连；

5、所述衬底晶圆的下表面设有与所述导电材料相连的导电结构，以使所述集成电路通过所述导电结构与外部电路相连。

6、优选的，所述通孔内还设有位于所述绝缘层与所述导电材料之间的黏附阻挡层。

7、优选的，所述通孔内还设有位于所述黏附阻挡层和所述导电材料之间的种子层。

8、优选的，所述导电结构包括位于所述通孔处的第一导电结构；

9、或者，所述导电结构包括从所述通孔处延伸至所述通孔外的第二导电结构；各所述第二导电结构间并不相连。

10、优选的，所述第一导电结构包括第一金属化层、位于所述第一金属化层下表面的第一焊料。

11、优选的，所述第二导电结构包括位于所述衬底晶圆下表面除所述通孔处之外的位置处的第一pi层、从所述通孔处延伸至所述通孔外的第二金属化层、位于所述第二金属化层下表面再布线层、位于所述再布线层下表面的预设区域处的第三金属化层、位于所述第三金属化层下表面的第二焊料、位于所述第一pi层下表面未设置所述第二金属化层处及所述再布线层下表面未设置所述第二焊料处的第二pi层；

12、其中，位于所述通孔处的所述第二金属化层与所述导电材料相连，延伸至所述通孔外的所述第二金属化层位于所述第一pi层的下表面，所述预设区域为所述通孔对应区域之外的区域。

13、优选的，所述集成电路包括cmos区、多层导电电路互连区，所述cmos区中包括cmos组件，所述多层导电电路互连区包括用于将所述cmos组件与所述微测辐射热计相连的多层导电电路互连层，每层所述导电电路互连层均包括接触孔、位于所述接触孔处的导电层；

14、其中，位于底层的所述导电电路互连层中的接触孔与所述cmos组件相连，除位于底层的所述导电电路互连层外的其余所述导电电路互连层中的接触孔与下一层的所述导电电路互连层中的导电层相连，位于顶层的所述导电电路互连层中的导电层还与所述微测辐射热计相连，且位于顶层的所述导电电路互连层中还包括与所述导电材料相连的信号传输导电层。

15、一种晶圆级封装的红外探测器，包括如上述任一项所述的红外探测器芯片晶圆、键合在所述红外探测器芯片晶圆上方的窗口晶圆，所述红外探测器与所述窗口晶圆形成第一真空腔体，所述红外探测器芯片晶圆中的微测辐射热计位于所述第一真空腔体内。

16、优选的，所述窗口晶圆出射面还包括吸气剂区域。

17、一种像素级封装的红外探测器，包括如上述任一项所述的红外探测器芯片晶圆、设置在所述红外探测器芯片晶圆上表面的像素封装层；所述像素封装层与所述红外探测器芯片晶圆形成与所述红外探测器芯片晶圆中的各微测辐射热计一一对应的第二真空腔体，各所述微测辐射热计分别位于相应的所述第二真空腔体内。

18、优选的，所述像素封装层包括在与所述微测辐射热计对应区域内设置有释放孔的罩体层、位于所述罩体层上表面的密封层。

19、一种金属封装或陶瓷封装的红外探测器，包括管壳、设置在所述管壳中的如上述任一项所述的红外探测器芯片晶圆，其中，所述红外探测器芯片晶圆通过其中的导电结构与所述管壳中的电路相连。

20、一种红外探测器芯片晶圆的制备方法，包括：

21、在衬底晶圆上生长外延层，在所述外延层上表面设置层间介质，并在所述层间介质中制备集成电路；

22、将所述层间介质的上表面与第一载片晶圆键合，从所述衬底晶圆的下表面刻蚀贯穿所述衬底晶圆、所述外延层及所述层间介质且与所述集成电路相连的通孔；

23、在所述通孔的侧壁上沉积绝缘层，并对所述通孔顶部进行所述绝缘层的反刻；

24、在所述通孔内填充导电材料，对所述衬底晶圆进行退火处理；所述导电材料与所述集成电路相接触；

25、去除所述第一载片晶圆，在所述层间介质上表面制备与所述集成电路相连的所述微测辐射热计；

26、在所述衬底下表面制备与所述通孔中的导电材料相连的导电结构，以使所述集成电路通过所述导电结构与外部电路相连。

27、优选的，在将所述层间介质的上表面与第一载片晶圆键合之后，还包括：

28、从所述衬底晶圆的下表面对所述衬底晶圆进行减薄，以使所述衬底晶圆的厚度位于预设范围内。

29、优选的，从所述衬底晶圆的下表面对所述衬底晶圆进行减薄，包括：

30、对所述衬底晶圆的下表面进行粗研磨；

31、在粗研磨后，对所述衬底晶圆的下表面进行细研磨；

32、对所述衬底晶圆进行湿法腐蚀或cmp处理。

33、优选的，在所述通孔内填充导电材料之前，还包括：

34、在所述绝缘层表面沉积黏附阻挡层；

35、在所述黏附阻挡层表面沉积种子层。

36、优选的，在所述层间介质上表面制备所述微测辐射热计之前，还包括：

37、在所述衬底晶圆下表面键合第二载片晶圆；

38、在所述衬底下表面制备与所述通孔中的导电材料相连的导电结构之前，还包括：

39、去除所述第二载片晶圆。

40、优选的，在所述衬底下表面制备与所述通孔中的导电材料相连的导电结构，包括：

41、在所述衬底下表面所述通孔处设置第一导电结构；

42、或者，在所述衬底下表面从所述通孔处延伸至所述通孔外设置第二导电结构。

43、优选的，在所述衬底下表面所述通孔处设置第一导电结构，包括：

44、在所述衬底晶圆下表面设置第一光刻胶；

45、对所述第一光刻胶进行图形化，以将所述通孔处裸露出来；

46、在所述通孔处设置第一金属化层，并去除所述第一光刻胶，且在所述第一金属化层下表面设置第一焊料。

47、优选的，在所述衬底下表面从所述通孔处延伸至所述通孔外设置第二导电结构，包括：

48、在所述衬底晶圆下表面设置第一pi层；

49、对所述第一pi层进行图形化，以将所述通孔处裸露出来；

50、在所述第一pi层下表面沉积所述第二金属化层，在所述第二金属化层表面设置第二光刻胶；

51、对所述第二光刻胶进行图形化，以将从所述通孔处延伸至所述通孔外的位置处的所述第二金属化层裸露出来；

52、在裸露出来的所述第二金属化层下表面生成再布线层，并去除剩余的所述第二光刻胶及其覆盖的所述第二金属化层；

53、在所述第一pi层下表面及所述再布线层下表面设置第二pi层，对所述第二pi层进行图形化，以将所述再布线层下表面的预设区域处裸露出来；所述预设区域为所述通孔对应区域之外的区域；

54、在所述第二金属化层下表面的预设区域处设置第三金属化层，在所述第三金属化层下表面设置第二焊料。

55、一种晶圆级封装的红外探测器的制备方法，包括：

56、采用如上述任一项所述的红外探测器的制备方法制备红外探测器；

57、其中，在所述红外探测器的制备方法中，在所述层间介质上表面制备所述微测辐射热计，包括：

58、在所述层间介质上表面设置第一介质层，在所述第一介质层上制备所述微测辐射热计，并去除所述第一介质层；

59、在所述层间介质上表面制备所述微测辐射热计之后，还包括：

60、在窗口晶圆的上表面设置入射面区域、在所述窗口晶圆的下表面设置出射面区域，在所述窗口晶圆的下表面设置焊料区域，通过所述焊料区域将所述窗口晶圆的下表面与所述红外探测器的上表面键合在一起，以使所述窗口晶圆与所述红外探测器形成第一真空腔体；

61、所述入射面区域及所述出射面区域用于对所述红外探测器中的微测辐射热计的工作波段进行抗反射和增透，所述红外探测器中的微测辐射热计位于所述第一真空腔体中。

62、优选的，在将所述窗口晶圆的下表面与所述红外探测器的上表面键合在一起之前，还包括：

63、在所述窗口晶圆出射面设置吸气剂区域；

64、在将所述窗口晶圆的下表面与所述红外探测器的上表面键合在一起时，还包括：

65、激活所述吸气剂区域。

66、一种像素级封装的红外探测器的制备方法，包括：

67、采用如上述任一项所述的红外探测器的制备方法制备红外探测器；

68、其中，在所述红外探测器的制备方法中，在所述层间介质上表面制备所述微测辐射热计，包括：

69、在所述层间介质上表面设置第一介质层，在所述第一介质层上制备所述微测辐射热计；

70、在所述第一介质层上制备所述微测辐射热计之后，在所述衬底下表面制备与所述通孔中的导电材料相连的导电结构之前，还包括：

71、在所述第一介质层上表面设置第二介质层；

72、对所述第二介质层和所述第一介质层进行图形化，以去除未分布所述微测辐射热计处的所述第二介质层和所述第一介质层；

73、在所述红外探测器上表面沉积像素封装层，并去除所述像素封装层与所述红外探测器之间的所述第二介质层和所述第一介质层，以使所述像素封装层与所述红外探测器形成与各所述微测辐射热计一一对应的第二真空腔体；各所述微测辐射热计分别位于相应的所述第二真空腔体内。

74、优选的，在所述红外探测器上表面沉积像素封装层，并去除所述像素封装层与所述红外探测器之间的所述第二介质层和所述第一介质层，包括：

75、在所述红外探测器上表面设置罩体层，在所述罩体层上与各所述微测辐射热计对应的区域中设置释放孔；

76、通过所述释放孔去除所述像素封装层与所述红外探测器之间的所述第二介质层和所述第一介质层；

77、在所述罩体层上表面设置密封层。

78、一种金属封装或陶瓷封装的红外探测器的制备方法，包括：

79、采用如上述任一项所述的红外探测器的制备方法制备红外探测器；

80、其中，在所述红外探测器的制备方法中，在所述层间介质上表面制备所述微测辐射热计，包括：

81、在所述层间介质上表面设置第一介质层，在所述第一介质层上制备所述微测辐射热计；

82、在所述第一介质层上表面键合第三载片晶圆；

83、在所述衬底下表面制备与所述通孔中的导电材料相连的导电结构后，还包括：

84、去除所述第三载片晶圆，并去除所述第一介质层；

85、将所述红外探测器设置在管壳中，并将所述红外探测器中的导电结构与所述管壳中的电路相连。

86、本技术提供了一种红外探测器芯片晶圆及红外探测器、制备方法，其中，红外探测器包括衬底晶圆、设置在衬底晶上表面的外延层、设置在外延层上表面的层间介质、设置在层间介质中的集成电路、设置在层间介质的上表面且与集成电路相连的微测辐射热计；集成电路处设有贯穿层间介质、外延层及衬底晶圆的通孔，通孔的侧壁设有绝缘层，且通孔内填充有导电材料，以使集成电路与导电材料相连；衬底晶圆的下表面设有与导电材料相连的导电结构，以使集成电路通过导电结构与外部电路相连。

87、本技术公开的上述技术方案，在集成电路处设置贯穿层间介质、外延层和衬底晶圆的通孔，并在通孔内填充导电材料，以使得红外探测器中的集成电路可通过通孔中的导电材料、衬底晶圆下表面设置的导电结构与外部电路相连，即使得集成电路可通过通孔与外部电路互连，也即使得红外探测器可通过通孔处的导电结构与外部电路互连，而不再需要通过从集成电路引出互连线来与外部电路相连，因此，可有效缩短电互联长度，提高互连可靠性，减少信号传输延迟，并可减小红外探测器封装体积，使得红外探测器可满足向着高密度互连、小型化、高性能、多功能的发展需求。其中，在通孔侧壁上设置绝缘层可阻断导电材料和衬底晶圆的电导通，以保证红外探测器的可靠性。