專利名稱：一種紅外探測器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外探測領(lǐng)域，尤其涉及一種紅外探測器及其制備方法。
背景技術(shù)：
紅外探測器是一種對紅外輻射敏感的器件，其可以把不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換為可見或者可測量的信號。紅外探測器按制冷方式可以分為制冷型紅外探測器和非制冷型紅外探測器。由于非制冷型紅外探測器具有室溫工作、無需制冷、光譜響應(yīng)與波長無關(guān)、制備工藝相對簡單、成本低、體積小、易于使用、維護和可靠性好等優(yōu)點，成為紅外探測器的一個極富前景的發(fā)展方向。目前最主流的非制冷型紅外探測器是氧化釩微橋紅外探測器，其通過在微橋橋面上制作電阻溫度系數(shù)(TCR)較高的氧化釩熱敏薄膜實現(xiàn)熱探測。這種類型的紅外探測器的 制備工藝流程包括4個部分(具體如圖I所示)(1)在硅片上制備紅外輻射探測器的讀出電路(ROIC) ；(2)淀積犧牲層薄膜、光刻、刻蝕圖形；(3)在圖形化的犧牲層上依次淀積低應(yīng)力氮化硅支撐層、氧化釩薄膜，并制作用于互連的金屬布線層，最后在薄膜表面淀積一層很薄的氮化硅保護層；(4)刻蝕硅片上的犧牲層，釋放紅外輻射探測器的微橋結(jié)構(gòu)。在圖I所示的工藝流程中，讀出電路制作完成后，需要合適的化學(xué)機械拋光(CMP)工藝來實現(xiàn)硅片表面的平整化，以控制之后微橋結(jié)構(gòu)的橋面高度均勻性。所以，這種工藝流程需要使用較為嚴(yán)格的讀出電路平坦化技術(shù)。另外，上述結(jié)構(gòu)在微橋結(jié)構(gòu)的邊緣需要預(yù)留足夠的空間用于電信號的引出，因此不利于整個探測單元的尺寸減小。并且這種結(jié)構(gòu)在同一襯底上制作，對工藝集成和工藝控制具有嚴(yán)格的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中在制備紅外探測器時的上述缺陷，提供一種能夠克服上述缺陷的紅外探測器及其制備方法。本發(fā)明提供一種紅外探測器，該紅外探測器包括紅外探測元件和讀出電路，紅外探測元件形成在第一襯底的一側(cè)，紅外探測元件的邊緣具有電極孔，其中，讀出電路形成在第二襯底的一側(cè)，并且讀出電路具有電極，第一襯底上形成有貫穿第一襯底的并且填充有導(dǎo)電材料的硅通孔，所述紅外探測元件的電極孔與所述讀出電路的電極通過硅通孔中填充的導(dǎo)電材料彼此電連接。本發(fā)明還提供一種制備紅外探測器的方法，該方法包括在第一襯底一側(cè)上刻蝕形成孔并在孔中填充導(dǎo)電材料；在第一襯底形成了所述孔的一側(cè)上制備紅外探測元件，該紅外探測元件具有電極孔，電極孔與所述孔電接觸；將所述第一襯底的未制備有所述紅外探測元件的一側(cè)減薄直至露出所述孔以形成硅通孔；對所述第一襯底的未制備有所述紅外探測元件的一側(cè)進行金屬化；
在第二襯底上制備讀出電路，所述讀出電路具有電極；將第一襯底的經(jīng)金屬化的一側(cè)與第二襯底的制備有所述讀出電路的一側(cè)進行鍵合，從而實現(xiàn)所述紅外探測元件的電極孔與所述讀出電路的電極通過硅通孔中填充的導(dǎo)電材料彼此電連接。由于在根據(jù)本發(fā)明的紅外探測器中，紅外探測元件和讀出電路通過硅通孔進行互連，所以不需要如同現(xiàn)有技術(shù)那樣，在完成讀出電路的制作之后進行嚴(yán)格的化學(xué)機械拋光工藝來確保帶有讀出電路的硅片表面的高度均勻性。另外，由于采用了硅通孔技術(shù)，所以不需要在紅外探測元件的邊緣預(yù)留足夠的空間以用于引出紅外探測元件的電學(xué)信號，所以能夠降低紅外探測器的尺寸。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)中紅外探測器的制備工藝流程； 圖2為根據(jù)本發(fā)明提供的紅外探測器的剖面圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明提供的紅外探測器的制備流程圖；圖4-圖17為根據(jù)本發(fā)明的微橋結(jié)構(gòu)非制冷型紅外探測器的制備工藝流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖來對根據(jù)本發(fā)明的非制冷型紅外探測器進行詳細描述。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的紅外探測器包括紅外探測元件I和讀出電路2，紅外探測元件I形成在第一襯底100的一側(cè)，紅外探測元件I的邊緣具有電極孔，其中，讀出電路2形成在第二襯底200的一側(cè)，并且讀出電路2具有電極，第一襯底100上形成有貫穿第一襯底100的并且填充有導(dǎo)電材料的硅通孔8，所述紅外探測元件I的電極孔與所述讀出電路2的電極通過硅通孔8中填充的導(dǎo)電材料彼此電連接。這樣，由于根據(jù)本發(fā)明的紅外探測器的紅外探測元件I與讀出電路2是制作在不同的襯底上的，所以在紅外探測元件I的高度(例如微橋的高度)與讀出電路的表面二者并無關(guān)聯(lián)，降低了對工藝集成和工藝控制的要求，并降低了對讀出電路2的表面平坦化的要求；而且，由于紅外探測元件I與讀出電路2通過硅通孔8進行互連，從而不需要在紅外探測元件I的邊緣預(yù)留空間以用于引出紅外探測元件I的電學(xué)信號，所以還降低了紅外探測器的電路面積。在根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，硅通孔8可以利用金屬微凸點、微柱或焊盤結(jié)構(gòu)等與讀出電路2的電極電連接。硅通孔8內(nèi)可以填充有各種類型的導(dǎo)電材料，例如銅、鎢、多晶硅、導(dǎo)電聚合物、金屬-聚合物復(fù)合材料等中的一者或多者。另外，硅通孔8是深寬比較大的通孔。根據(jù)紅外探測器單元尺寸的要求，硅通孔8的直徑可以位于1-20微米的范圍內(nèi)，硅通孔8的深度可以位于20-200微米的范圍內(nèi)。圖2還示出了紅外探測元件I的示例性微橋結(jié)構(gòu)。但是需要說明的是，本發(fā)明的紅外探測器中的紅外探測元件I不僅可以是微橋結(jié)構(gòu)，而且還可以是其他結(jié)構(gòu)，例如微懸臂結(jié)構(gòu)。圖2中所示的微橋結(jié)構(gòu)的紅外探測元件I包括反射層3、支撐層4、熱敏元件層5、互連層6和保護層7，并且支撐層4、熱敏元件層5、互連層6和保護層7依次層疊，反射層3與支撐層4之間則形成有空腔，該空腔構(gòu)成了諧振腔，在紅外探測元件I的邊緣還有與硅通孔8互連的電極孔9，互連層6電連接到該電極孔9。下面結(jié)合圖3對根據(jù)本發(fā)明的紅外探測器的制備方法進行描述。如圖3所述，根據(jù)本發(fā)明的制備紅外探測器的方法包括S31、在第一襯底一側(cè)上刻蝕形成孔并在孔中填充導(dǎo)電材料；S32、在第一襯底形成了所述孔的一側(cè)上制備紅外探測元件，該紅外探測元件具有電極孔，該電極孔與所述孔電接觸； S33、將所述第一襯底的未制備有所述紅外探測元件的一側(cè)減薄直至露出所述孔以形成硅通孔；S34、對所述第一襯底的未制備有所述紅外探測元件的一側(cè)進行金屬化；S35、在第二襯底上制備讀出電路，所述讀出電路具有電極；S36、將第一襯底的經(jīng)金屬化的一側(cè)與第二襯底的制備有所述讀出電路的一側(cè)進行鍵合，從而實現(xiàn)所述紅外探測元件的電極孔與所述讀出電路的電極通過硅通孔中填充的導(dǎo)電材料彼此電連接。下面以微橋結(jié)構(gòu)的紅外探測元件為例，結(jié)合圖4-圖17來說明根據(jù)本發(fā)明的紅外探測器的詳細制備流程。首先，如圖4所示，在第一襯底100上形成孔。該第一襯底100可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的硅襯底、絕緣體上硅(SOI)襯底或者其他襯底。該孔是高深寬比的孔。根據(jù)紅外探測器單元尺寸的要求，該孔的直徑可以位于I微米到20微米的范圍內(nèi)，該孔的深度可以位于20微米到200微米的范圍內(nèi)。另外，可以采用深度反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)工藝或者其他刻蝕工藝來形成該孔。之后，如圖5所示，在形成的孔的底部和側(cè)壁上形成絕緣層10。其中，可以采用熱氧化或化學(xué)汽相淀積(CVD)等工藝來形成絕緣層10。之后，如圖6所示，在形成所述絕緣層10的所述孔的底部和側(cè)壁上形成擴散阻擋層20。其中，該擴散阻擋層20可以采用物理汽相淀積(PVD)或化學(xué)汽相淀積(CVD)或原子層淀積(ALD)等工藝形成，并且，淀積所采用的材料可以是Ti、Ta、TiN、TaN等。之后，如圖7所示，在形成所述擴散阻擋層20的所述孔的底部和側(cè)壁上形成種子層30，并之后在該孔內(nèi)填充導(dǎo)電材料40 (諸如銅、鎢、多晶硅、導(dǎo)電聚合物、金屬-聚合物復(fù)合材料等)。其中，可以通過化學(xué)汽相淀積、化學(xué)鍍或電接技技術(shù)等形成種子層30，可以通過電鍍、物理汽相淀積、化學(xué)汽相淀積等工藝來填充導(dǎo)電材料40。之后，可以對填充了導(dǎo)電材料40的第一襯底100的表面進行拋光(例如，采用化學(xué)機械拋光等工藝)。圖4-圖7的流程實現(xiàn)了硅通孔的前期制作。之后，如圖8所示，在第一襯底100上形成反射層3并進行圖形化。該反射層3可以通過光刻、化學(xué)汽相淀積或物理汽相淀積等工藝形成。該反射層3可以采用NiCr合金、Au等金屬材料。反射層3的作用是提高紅外探測器的紅外吸收，從而提高紅外探測器的響應(yīng)度。之后，如圖9所示，在反射層3上形成犧牲層50并進行圖形化。其中，犧牲層50可以選用非晶硅材料，并且該犧牲層50可以通過等離子增強化學(xué)汽相淀積或物理汽相淀積等工藝形成。之后，如圖10所示，在犧牲層50上形成支撐層4。該支撐層4的材料可以選用氮化硅等材料，并且該支撐層4可以通過化學(xué)汽相淀積或物理汽相淀積等工藝形成。之后，如圖11所示，在支撐層4上形成熱敏元件層5并進行圖形化。其中，該熱敏元件層5可以通過化學(xué)汽相淀積或物理汽相淀積等工藝形成。形成該熱敏元件層5的材料可以是具有較高電阻溫度系數(shù)的薄膜材料(例如，氧化釩等)。之后，如圖12所示，在熱敏元件層5上形成互連層6并進行圖形化，該互連層6上具有用于與所形成的硅通孔電連接的電極孔9。其中，該互連層6可以通過化學(xué)汽相淀積或物理汽相淀積等工藝形成。之后，如圖13所示，在熱敏元件層5和互連層6上形成保護層7并進行圖形化。其中，該保護層7可以通過化學(xué)汽相淀積或物理汽相淀積等工藝形成。至此，通過圖8-圖13就形成了微橋結(jié)構(gòu)的紅外探測元件I。從圖13可以看出，該紅外探測元件I包括反射層3、支撐層4、熱敏元件層5、互連層6和保護層7。其中，犧牲層50將在后續(xù)的工藝流程中被去除，以形成反射層3與支撐層4之間的諧振空腔。
之后，如圖14所示，將形成了微橋結(jié)構(gòu)的第一襯底100與臨時鍵合圓片60進行鍵合，例如，通過鍵合膠80進行鍵合。該臨時鍵合圓片60相當(dāng)于保護膜，能夠在后續(xù)流程中對微橋結(jié)構(gòu)進行保護。應(yīng)當(dāng)理解的是，除了臨時鍵合圓片60，還可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他保護結(jié)構(gòu)實現(xiàn)在后續(xù)流程中對微橋結(jié)構(gòu)的保護。之后，如圖15所示，對帶有微橋結(jié)構(gòu)的第一襯底100進行背面減薄，以露出在圖4-圖7中形成的孔。然后，對暴露的孔進行金屬化工藝，以制備后續(xù)流程中鍵合用的金屬微凸點、微柱或焊盤結(jié)構(gòu)70。之后，如圖16所示，在第二襯底200上制備紅外探測器的讀出電路2，并利用倒裝鍵合工藝，將帶有微橋結(jié)構(gòu)的紅外探測元件I的第一襯底100與帶有讀出電路2的第二襯底200進行鍵合以實現(xiàn)紅外探測元件I與讀出電路2的電連接。其中，根據(jù)本發(fā)明的紅外探測器的讀出電路2可以采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進行制作。之后，如圖17所示，去掉臨時鍵合圓片60和鍵合膠80，并刻蝕犧牲層50，得到最終的紅外探測器。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，圖4-圖17僅是以微橋結(jié)構(gòu)的紅外探測器為例說明了根據(jù)本發(fā)明的紅外探測器的制備流程，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下，可進行各種修改和變形。例如，可以先去掉臨時鍵合圓片60和鍵合膠80，然后再進行帶有微橋結(jié)構(gòu)的紅外探測元件I的第一襯底100與帶有讀出電路2的第二襯底200的鍵合；也可以先制備紅外探測元件1，然后再制備硅通孔，等等。而且，根據(jù)本發(fā)明的紅外探測器中的紅外探測元件的結(jié)構(gòu)并不局限于微橋結(jié)構(gòu)，其也可以采用微懸臂結(jié)構(gòu)。由于微懸臂結(jié)構(gòu)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是公知的，所以此處不再贅述。
權(quán)利要求
1.一種紅外探測器，該紅外探測器包括紅外探測元件和讀出電路，紅外探測元件形成在第一襯底的一側(cè)，紅外探測元件的邊緣具有電極孔，其中，讀出電路形成在第二襯底的一偵牝并且讀出電路具有電極，第一襯底上形成有貫穿第一襯底的并且填充有導(dǎo)電材料的硅通孔，所述紅外探測元件的電極孔與所述讀出電路的電極通過硅通孔中填充的導(dǎo)電材料彼此電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的紅外探測器，其中，所述紅外探測元件為微橋結(jié)構(gòu)元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外探測器，其中，所述紅外探測元件包括反射層、支撐層、熱敏元件層、互連層和保護層，并且所述支撐層、所述熱敏元件層、所述互連層和所述保護層依次層疊，所述反射層與所述支撐層之間形成有空腔，所述互連層連接到所述電極孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的紅外探測器，其中，所述導(dǎo)電材料選自銅、鎢、多晶硅、導(dǎo)電聚合物、金屬-聚合物復(fù)合材料構(gòu)成的組中的一者或多者。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的紅外探測器，其中，所述硅通孔的直徑位于l-20i!m的范圍內(nèi)，所述硅通孔的深度位于20-200 u m的范圍內(nèi)。
6.一種制備紅外探測器的方法，該方法包括 在第一襯底一側(cè)上刻蝕形成孔并在孔中填充導(dǎo)電材料； 在第一襯底形成了所述孔的一側(cè)上制備紅外探測元件，該紅外探測元件具有電極孔，該電極孔與所述孔電接觸； 將所述第一襯底的未制備有所述紅外探測元件的一側(cè)減薄直至露出所述孔以形成硅通孔； 對所述第一襯底的未制備有所述紅外探測元件的一側(cè)進行金屬化； 在第二襯底上制備讀出電路，所述讀出電路具有電極； 將第一襯底的經(jīng)金屬化的一側(cè)與第二襯底的制備有所述讀出電路的一側(cè)進行鍵合，從而實現(xiàn)所述紅外探測元件的電極孔與所述讀出電路的電極通過硅通孔中填充的導(dǎo)電材料彼此電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，該方法還包括 在對第一襯底進行減薄之前，在第一襯底的制備有所述紅外探測元件的一側(cè)上形成保護膜；以及 在將第一襯底的經(jīng)金屬化的一側(cè)與第二襯底的制備有所述讀出電路的一側(cè)進行鍵合之后，去掉所述保護膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，所述在第一襯底一側(cè)上刻蝕形成孔并在孔中填充導(dǎo)電材料的步驟包括 在第一襯底一側(cè)上刻蝕形成孔； 在所述孔的底部和側(cè)壁上形成絕緣層； 在形成了所述絕緣層的所述孔的底部和側(cè)壁上形成擴散阻擋層； 在形成了所述擴散阻擋層的所述孔的底部和側(cè)壁上形成種子層； 在形成了所述種子層的所述孔內(nèi)填充導(dǎo)電材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，所述硅通孔的直徑位于1-20y m的范圍內(nèi)，所述硅通孔的深度位于20-200 u m的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，導(dǎo)電材料選自銅、鎢、多晶硅、導(dǎo)電聚合物、金屬-聚合物復(fù)合材料構(gòu)成的組中的一者或者多者。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在第一襯底的制備有所述紅外探測元件的一側(cè)上形成保護膜包括在所述第一襯底的制備有所述紅外探測元件的一側(cè)上鍵合保護性硅片。
全文摘要
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的紅外探測器在其讀出電路制作完成后需要合適的化學(xué)機械拋光工藝來實現(xiàn)硅片表面的平坦化，電路面積大，以及系統(tǒng)集成工藝要求高的缺陷，提供一種紅外探測器及其制備方法。該紅外探測器包括紅外探測元件和讀出電路，紅外探測元件形成在第一襯底的一側(cè)，紅外探測元件的邊緣具有電極孔，其中，讀出電路形成在第二襯底的一側(cè)，并且讀出電路具有電極，第一襯底上形成有貫穿第一襯底的并且填充有導(dǎo)電材料的硅通孔，所述紅外探測元件的電極孔與所述讀出電路的電極通過硅通孔中填充的導(dǎo)電材料彼此電連接。
文檔編號H01L31/09GK102798471SQ201110319208
公開日2012年11月28日 申請日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者蔡堅, 王濤, 王謙 申請人:清華大學(xué)