一种改善微测辐射热计中氧化钒与钛电极接触的方法与流程

1.本发明涉及红外探测及成像领域，具体涉及利用离子注入方法来改善微测辐射热计中氧化钒与钛电极接触。


背景技术：

2.红外探测器是一种探测、识别和分析物体红外信息的红外成像器件，可以分为制冷型和非制冷型两大类。非制冷红外探测器主要包括微测辐射热计、热释电红外探测器、热电堆红外探测器和光机械红外探测器等，其中基于热敏电阻材料的微测辐射热计与mems微加工工艺兼容，能进行高通量生产。微测辐射热计通常由单个基板上的微测辐射热计阵列(像素)集成，每个像素单元的结构包括传感器部分、读出电路和连接部分。传感器结构主要包括两部分，第一部分是红外吸收结构，红外吸收结构决定了微测辐射热计对红外辐射的吸收率；第二部分为整个探测单元的核心，也就是热敏电阻层。氧化钒具有高电阻温度系数(tcr)，对环境温度变化敏感，被广泛用于热敏电阻传感器。
3.一般来说，需要一个导电路径来实现热敏电阻层氧化钒(vox)和底层读出集成电路之间的互联。这种连接主要靠沉积一层电极金属来实现，电极金属主要分成两部分，一是从像素桥通向金属支撑结构的金属连线，这部分主要实现电极金属和底层读出电路的连接；另一部分的连接主要是电极金属和热敏感层氧化钒的直接接触，一般为欧姆接触，这就要求接触部分的氧化钒具有很好的导电性，要求低电阻率。氧化钒作为高tcr材料，电阻较大，而接触区域的电阻过大会降低器件性能，因此需要对连接区域的氧化钒做适当处理以降低其电阻率。
4.反向溅射可以有效降低薄膜电阻率，将电极接触部分vox向后溅射，可以改变其电学特性。然而，反溅射可能会侵蚀桥接区域的保护介质层，特别是桥接边缘，这可能导致接触区域短路。此外，反溅主要是一种表面现象，对vox深度的控制较差，导致接触区域电阻的可预测性较差，氩反溅射本质上是一种清洗过程，不能提供有效的控制。因此，需要一种高度可控、精确、可重复的方法，实现氧化钒与电极金属更好的电接触，提高器件信噪比。
5.为此我们提出一种改善微测辐射热计中氧化钒与钛电极接触的方法来解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的旨在克服现有技术中的不足，提供一种高度可控、精确和可重复的方法来实现更好的金半接触。离子注入技术，因其具有良好的可控性和重复性，设备操作简单，在制备半导体氧化物薄膜、精确调控其微观结构和改性等方面，有着其他工艺无法比拟的优势，离子注入技术将离化的元素进行加速，使其具有较高的动能，最终将掺杂元素注入材料，在这个过程中主要通过离子能量和离子剂量来实现注入深度和成分的控制，以解决上述背景技术中提出现有技术中的问题。
7.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
8.一种改善微测辐射热计中氧化钒与钛电极接触的方法，该方法为离子注入，注入区域为微测辐射热计结构中氧化钒与钛电极接触区域。
9.优选的，注入元素为ti、w、mo、v、ta中的一种或两种，元素质量比例在50％～75％。
10.优选的，注入剂量6
×
10
15
～9
×
10
16
，注入深度为10nm～20nm。
11.优选的，在注入后对该结构进行脉冲电流快速退火，规定其真空度优于1
×
10-3
pa，脉冲频率为10～100hz，所需电流密度为(4～7)
×
103a/mm2，脉冲宽度为5～50μs，退火温度为250～400℃，加热时间为0.1～15s。
12.钒氧化物家族中的一些价态较低的氧化物，如v2o3或vo，在室温下呈现金属性，他们的tcr要低于vo2，但要比通常使用的电极金属高。高能离子轰击过渡金属氧化物可造成失氧现象从而使其电阻率显著降低，因而可应用于热敏电阻层的电极连接区域，将这些区域转化为低电阻率混合相氧化钒来实现更好的接触，从而降低接触噪声提高器件整体性能。通过添加一个离子注入掩膜，保护热敏电阻层感应区域，然后在氧化钒中电极接触区域进行离子注入，将高价态vox混合物转换为低价态的vo2/v2o3/vo的混合相，从而实现低电阻率氧化钒与金属金属互连。vox的成分变化取决于注入能量和注入剂量，而vox的成分变化也会影响电阻率。当增加vox中v2o3的量可将电阻率减小到约10-2
ω
·
cm，而增加vo的比例可将电阻率减小到10-3
ω
·
cm。因此，混合相vo2/v2o3/vo的电阻率取决于vox各相的比例。
13.本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种改善微测辐射热计中氧化钒与钛电极接触的方法，与现有技术相比，具有以下优点：
14.通过增加离子注入掩膜层(如光刻胶)，可以准确定位需要注入的区域。此外，可以通过srim软件来实现离子注入过程的模拟仿真，通过选择注入元素、注入能量、注入剂量等可以得到注入元素在薄膜深度方向上的分布情况，还可以得到反溅原子的分布图，通过分析反溅原子分布还可以确定vox薄膜的失氧比例。因此，可以通过选择合适的注入能量和注入剂量可以更准确控制注入深度和薄膜成分。
15.离子注入会对晶格造成损失，产生大量缺陷，这些缺陷对材料的物理和化学性能会造成负面影响，而这些影响可以通过后续退火处理来消除。对于vox薄膜，普通真空退火都会造成vox电阻减小从而降低其电阻温度系数，并且随着退火时间越长，电阻不断减小。脉冲电流快速退火可以改变材料微结构，通过再结晶、细化晶粒从而增大薄膜电阻，保证退火后vox电阻不会减小太多。通过脉冲电流的快速加热和快速冷却可以实现细化晶粒，获得细晶组织；此外，脉冲电流也可以降低相变时的形核势垒从而提高形核率。
16.根据本发明的实例，通过离子注入降低了vox桥中电极金属接触区域的电阻率从而实现更好的电连接。这个过程提供了连接悬浮热敏电阻层vox与底层读出电路所需的电连接。
17.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
18.图1为本发明实施例中在读出集成电路衬底
①
上生长牺牲层
②
与第一介质层
③
的示意图；
19.图2为本发明实施例中在所述vox层
④
上沉积第二介质层
⑤
和离子注入掩膜层
⑥
的示意图，通过离子注入，形成了低电阻区域
⑦
；
20.图3为本发明实施例中剥离离子注入掩膜层的示意图；
21.图4为本发明实施例中最后沉积金属电极层
⑧
的示意图；
22.图5为本发明实施例中快速退火装置的示意图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.本发明提供了如图1-5所示的实施例：
25.一种改善微测辐射热计中氧化钒与钛电极接触的方法，该方法为离子注入，注入区域为微测辐射热计结构中氧化钒与钛电极接触区域。
26.注入元素为ti、w、mo、v、ta中的一种或两种，元素质量比例在50％～75％；注入剂量6
×
10
15
～9
×
10
16
，注入深度为10nm～20nm；在注入后对该结构进行脉冲电流快速退火，规定其真空度优于1
×
10-3
pa，脉冲频率为10～100hz，所需电流密度为(4～7)
×
103a/mm2，脉冲宽度为5～50μs退火温度为250～400℃，加热时间为0.1～15s。
27.用于制造本发明的像素的工艺的实施例包括以下步骤：
28.如图1所示，在读出集成电路衬底
①
上生长牺牲层
②
与第一介质层
③
，并在所述集成电路衬底和介电层之间设置支撑柱，该支撑柱还应包括连接所用的通孔；
29.在所述介质层上形成一层vox，作为热敏电阻传感层
④
；
30.如图2所示，在所述vox层上沉积第二介质层
⑤
，作为钝化绝缘层；
31.如图2所示，在所述介电层上沉积离子注入掩模层
⑥
，图案化所述掩模层并刻蚀第二介质层
⑤
，留下受保护的vox热敏感桥区域；
32.如图2所示，注入w离子，由此所述vox热敏感层电极区域转化为低价态混合相氧化钒(v2o5/vo2/v2o3/vo)，从而降低所述vox层的电极区域的电阻率，形成vox低电阻区域
⑦
；
33.如图3所示，剥离离子注入掩膜层。对氧化钒进行脉冲电流快速退火处理，快速退火装置如图5所示，在氧化钒电极处进行连通后，施加脉冲频率为10～100hz，电流密度为4～7
×
103a/mm2，脉冲宽度为5～50μs的脉冲电流，加热时间为0.1-15s。
34.最后沉积金属电极层
⑧
，如图4所示，通过柱孔和刻蚀第二介质层形成的孔与底层读出电路和氧化钒互联。沉积掩膜层和离子注入针对选定的离散区域，也就是氧化钒桥中与金属电极接触区域，降低该区域的电阻率，实现更好的接触，从而降低接触区域噪声，提高器件信噪比。
35.本发明中混合相vox薄膜的制备方法包括直流溅射法、rf溅射法、真空蒸发法、离子注入法。vox薄膜的钝化层为cvd工艺形成的sin薄膜。钝化层sin和离子掩膜层图形化方法包括剥离法、干法刻蚀法、湿法腐蚀方法。离子注入能量50-150kev，离子注入剂量6
×
10
15
，注入元素为w/ti，衬底为vox。获得了具有不同注入深度的vox-w/ti。离子注入后的退
火方式为脉冲电流快速退火，通过定义电流密度、脉冲频率、脉冲间隔、加热时间来控制退火温度。
36.本发明中的有益效果：本发明针对微测辐射热计中热敏感层vox与电极金属钛的接触要求，利用离子注入方法，在氧化钒电极接触区域进行离子注入，高能离子注入的反溅效应会造成明显的失氧从而降低该区域的电阻，实现更好的金半接触。此外注入元素选择ti和w，w元素掺杂可以降低相变温度，缩小薄膜热滞宽度，提高薄膜电阻温度系数，从而提升器件整体性能；电极金属为ti，注入元素也选择ti，能实现氧化钒与ti电极更好的接触。注入后对薄膜进行脉冲电流快速退火可以有效优化结晶，细化晶粒，从而使得薄膜整体电阻不会降低太多。
37.以下是本发明的具体实施例：
38.实施例1：
39.如图1所示，在衬底上以mems工艺形成像素尺寸为17
×
17um的640
×
640焦平面阵列桥结构，桥面为以cvd工艺制备的厚度120nm的第一介质层sin薄膜；然后再采用反应磁控溅射工艺制备厚度为80nm、方阻为170kω/口的vox薄膜，以ar和o2作为反应气体，氧氩比为3：100；再沉积第二介质层sin和离子注入掩膜层；结合光刻工艺图案化掩膜层并以能量为450ev、束流密度为3ma/cm2的ar离子束流刻蚀掩膜层及第二介质层，暴露vox电极区域；接着离子注入vox电极区域，注入能量为150kev，注入剂量为6
×
10
15
、注入元素为ti，vox薄膜注入区域电阻为600ω；然后将离子注入掩膜层剥离；最后采用直流磁控溅射工艺制备金属ti层作为与vox直接接触电极。注入后退火方式为脉冲电流快速退火，退火温度为275℃，加热时间为7s，其真空度优于1
×
10-3
，所需脉冲频率为75hz，电流密度为4
×
103a/mm2，脉冲宽度为25μs。将该阵列进行真空封装后，以5μs、200μa的偏置脉冲，在工作温度为25℃的环境下进行性能测试，该焦平面阵列器件的netd为41mk。
40.实施例2：
41.在衬底上以mems工艺形成像素尺寸为17
×
17um的640
×
640焦平面阵列桥结构，桥面为以cvd工艺制备的厚度120nm的第一介质层sin薄膜；然后再采用反应磁控溅射工艺制备厚度为80nm、方阻为170kω/口的vox薄膜，以ar和o2作为反应气体，氧氩比为3：100；再沉积第二介质层sin和离子注入掩膜层；结合光刻工艺图案化掩膜层并以能量为450ev、束流密度为3ma/cm2的ar离子束流刻蚀掩膜层及第二介质层，暴露vox电极区域；离子注入vox电极区域，注入能量为150kev，注入剂量为6
×
10
15
、注入元素为w、vox薄膜注入区域电阻为410ω；接着再将离子注入掩膜层剥离；然后采用直流磁控溅射工艺制备金属ti层作为与vox直接接触电极。注入后退火方式为脉冲电流快速退火，退火温度为275℃，加热时间为7s，其真空度优于1
×
10-3
，所需脉冲频率为75hz，电流密度为4
×
103a/mm2，脉冲宽度为25μs。将该阵列进行真空封装后，以5μs、200μa的偏置脉冲，在工作温度为25℃的环境下进行性能测试，该焦平面阵列器件的netd为33mk。
42.实施例3：
43.在衬底上以mems工艺形成像素尺寸为17
×
17um的640
×
640焦平面阵列桥结构，桥面为以cvd工艺制备的厚度120nm的第一介质层sin薄膜；然后再采用反应磁控溅射工艺制备厚度为80nm、方阻为170kω/口的vox薄膜，以ar和o2作为反应气体，氧氩比为3：100；再沉积第二介质层sin和离子注入掩膜层；结合光刻工艺图案化掩膜层并以能量为450ev、束流
密度为3ma/cm2的ar离子束流刻蚀掩膜层及第二介质层，暴露vox电极区域；离子注入vox电极区域，注入能量为150kev，注入剂量为3
×
10
15
、注入元素为w，完成了w元素的注入后再以同样的注入能量150kev和注入剂量3
×
10
15
对同样的区域进行ti元素的注入，从而实现w和ti共掺杂，注入区域电阻减小到450ω；接着再将离子注入掩膜层剥离；然后采用直流磁控溅射工艺制备金属ti层作为与vox直接接触电极。注入后退火方式为脉冲电流快速退火，退火温度为275℃，加热时间为7s，其真空度优于1
×
10-3
，所需脉冲频率为75hz，电流密度为4
×
103a/mm2，脉冲宽度为25μs。将该阵列进行真空封装后，以5μs、200μa的偏置脉冲，在工作温度为25℃的环境下进行性能测试，该焦平面阵列器件的netd为29mk。
44.实施例4：
45.在衬底上以mems工艺形成像素尺寸为17
×
17um的640
×
640焦平面阵列桥结构，桥面为以cvd工艺制备的厚度120nm的第一介质层sin薄膜；然后再采用反应磁控溅射工艺制备厚度为80nm、方阻为170kω/口的vox薄膜，以ar和o2作为反应气体，氧氩比为3:100；再沉积第二介质层sin和离子注入掩膜层；结合光刻工艺图案化掩膜层并以能量为450ev、束流密度为3ma/cm2的ar离子束流刻蚀掩膜层及第二介质层，暴露vox电极区域；离子注入vox电极区域，注入能量为150kev，注入剂量为3
×
10
15
、注入元素为w，完成了w元素的注入后再以同样的注入能量150kev和注入剂量3
×
10
15
对同样的区域进行ti元素的注入，从而实现w和ti共掺杂；接着再将离子注入掩膜层剥离；然后采用直流磁控溅射工艺制备金属ti层作为与vox直接接触电极。注入后退火为真空退火，退火温度为275℃，升温速率为10℃/min、保温时间为30min，真空度优于1
×
10-3
。将该阵列进行真空封装后，以5μs、200μa的偏置脉冲，在工作温度为25℃的环境下进行性能测试，该焦平面阵列器件的netd为45mk。
46.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。