探测器及其制造方法与流程

1.本发明涉及半导体集成电路制造领域，尤其涉及一种探测器及其制造方法。


背景技术：

2.微电子机械系统(micro electro mechanical system，mems)技术因具有微小、智能、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等诸多优点，已开始广泛应用在包括探测技术领域的诸多领域。探测器是探测技术领域中应用非常广泛的一种mems产品，它利用敏感材料探测层，吸收线并将所吸收的线转化成电信号，以实现热成像功能。敏感材料探测层通常为非晶硅或氧化钒。该热成像功能使得探测器可应用于电力网络的安全检测、森林火警的探测以及人体温度的探测等场所。
3.探测器工艺一般与互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，cmos)工艺兼容性比较差，故而早期很难实现大规模的生产。近年来由于mems产品的市场需求逐渐扩大，cmos-mems的概念逐渐被人提出。cmos-mems是利用cmos技术制作外围读取及信号处理电路，然后在cmos电路上面制作传感器及微机械系统的结构，而工艺兼容性问题始终是困扰cmos-mems技术的关键。
4.以非制冷式探测器为例，其像元使用微桥单元结构形成电连接和谐振腔；而在探测器微桥单元结构制作结束后，一般做法是先进行划片，将单个芯片划片分离出；然后进行释放，通过化学反应将微桥单元结构内的牺牲层去除；最后通过封装完成探测器芯片的真空及光学方面增加透射的结构要求。然而，尽管通过cmos工艺的统计过程控制(statistical process control，spc)控制可以得到很高的硅片级成品率，但当划片释放后，整个芯片像元区的微桥单元结构已经悬空，对封装提出很高的要求，任何操作不当都会造成微桥单元结构的断裂，事实上在进行封装工艺时往往造成很高的成品率损失；同时，由于需要增透膜材料增强线的透射，且需要真空封装，其所需要的封装成本非常高。
5.因此，如何提供一种探测器的封装方案，以实现大幅度提高产品性能和可靠性，已成为业界亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明提供一种探测器及其制造方法，用以改善封装时的成品率损失，大幅提高了产品性能和可靠性。
7.第一方面，本发明提供一种探测器，包括：第一衬底，位于第一衬底上的金属反射层，所述金属反射层具有金属反射图案；位于金属反射层上的微桥单元结构；以及位于微桥单元结构外围的封装结构，所述封装结构包括第二衬底结构和与所述第二衬底结构发生键合的沟槽结构，所述沟槽结构位于所述第一衬底上；所述沟槽结构包括形成沟槽的边墙和所述沟槽内部的多层金属结构，所述多层金属结构的高度低于所述沟槽的深度；所述第二衬底结构包括第二衬底和位于所述第二衬底的第二表面的多层金属结构，所述第二衬底的第一表面的多层金属结构与所述沟槽内部的多层金属结构相互键合。
8.本发明实施例提供的探测器的有益效果如下：通过进行沟槽内金属沉积和图形化形成沟槽内部的多层金属结构，且利用第二衬底形成对应的多层金属结构结构，将第一衬底和第二衬底通过熔融金属层键合在一起，形成探测器结构，改善封装时的成品率损失，大幅提高了产品性能和可靠性。
9.在一种可能的实现方案中，该探测器还包括：所述第二衬底结构的多层金属结构的旁侧设置有吸气剂金属层，所述旁侧为临近所述微桥单元结构一侧。因封装形成真空腔时，会有气体逸出，并引起真空度下降；使用吸气剂金属层可以吸附气体，以维持较低的真空度。
10.在另一种可能的实现方案中，所述第二衬底的第一表面和所述第二衬底的第二表面均设置有增透膜和滤光膜，且所述第二衬底的第一表面上设置有周期性的金属图形，所述第二表面位于所述第一表面的相对侧。该结构中增透膜用于增强光线的透射，滤光膜用于过滤不需要的光线。
11.在其它可能的实现方案中，所述微桥单元结构包括：敏感材料探测层、金属电极层以及包覆所述敏感材料探测层和所述金属电极层的释放保护层，其中，所述释放保护层用于保护所述敏感材料探测层和金属电极层。释放保护层包覆敏感材料探测层和金属电极，从而在进行释放工艺时，能够有效地对敏感材料探测层和金属电极进行保护；同时，在制造过程和使用过程中，隔离外界的污染和损伤，提高敏感材料探测层的可靠性；另外，也可以避免金属电极的短路。这样敏感材料探测层和金属电极被释放保护层保护起来，可以避免敏感材料探测层被污染或损伤。
12.在一种可能的实现方案中，形成所述沟槽结构的边墙为介质层或者吸气剂金属层。
13.在一种可能的实现方案中，所述吸气剂金属层的材料为包括钒和钛金属的合金。
14.在其它可能的实现方案中，所述沟槽结构内部的多层金属结构包括沿远离所述第一衬底方向依次层叠的钛层、氮化钛层和铝层；或者，所述沟槽结构内部的多层金属结构包括沿远离所述第一衬底方向依次层叠的金层、铜层和钛层。
15.在一种可能的实现方案中，所述第二衬底结构的多层金属结构包括沿远离所述第二衬底方向依次层叠的钛层、氮化钛层和锗层，或者，所述第二衬底结构的多层金属结构包括沿远离所述第二衬底方向依次层叠的钛层、铜层和金层。
16.在一种可能的实现方案中，所述增透膜和滤光膜包括锗、硒化锌材料中的一种或多种。
17.第二方面，本发明实施例还提供一种探测器的制造方法，该方法包括：在第一衬底上依次形成金属反射层以及微桥单元结构；在所述第一衬底上旋涂有机化合物；图形化形成位于所述探测器外围的沟槽结构，所述沟槽结构包括形成沟槽的边墙和所述沟槽内部的多层金属结构，所述多层金属结构的高度低于所述沟槽的深度；
18.释放形成悬空的所述微桥单元结构；形成第二衬底结构，第二衬底结构包括第二衬底和位于所述第二衬底的第一表面的多层金属结构；将所述第二衬底的第一表面的多层金属结构与所述沟槽内部的多层金属结构相互键合，形成密闭腔体。
19.本发明实施例提供的制造方法的有益效果如下：该方案在完成微桥单元结构后，即进行电学测试，然后使用低应力的有机化合物旋涂在第一衬底上，并图形化形成沟槽结
构，再利用第二衬底形成与沟槽结构对应的结构，将第一衬底和第二衬底通过熔融键合在一起，形成整个探测器的封装结构，从而实现探测器产品的芯片级真空结构，解决了探测器释放封装时的成品率损失，降了封装成本，并大幅度提高产品性能和可靠性。
20.在一种可能的实现方案中，形成第二衬底结构之后，将所述第二衬底的第一表面的多层金属结构与所述沟槽内部的多层金属结构相互键合之前，所述方法还包括：在所述第二衬底结构的多层金属结构的旁侧形成吸气剂金属层，所述旁侧为临近所述微桥单元结构一侧。该吸气剂金属层用于吸附气体，以维持较低的真空度。
21.在另一种可能的实现方案中，形成第二衬底结构之后，将所述第二衬底的第一表面的多层金属结构与所述沟槽内部的多层金属结构相互键合之前，还包括：在所述第二衬底第二表面和第一表面均形成增透膜和滤光膜，所述第二表面位于所述第一表面的相对侧。
22.在一种可能的实现方案中，在所述第二衬底的第二表面形成增透膜和滤光膜之后，还包括：在所述第二衬底的第二表面上形成周期性的金属图形。
附图说明
23.图1为本发明提供的一种光电探测器的剖面结构示意图；
24.图2为本发明提供的图1中的光电探测器的立体结构示意图；
25.图3为本发明提供的一种光电探测器的制造方法流程示意图；
26.图4a至图4d为执行图3所示s301的剖视示意图；
27.图4e为执行图3所示s302后的剖视示意图；
28.图4f为执行图3所示s303后形成沟槽的剖视示意图；
29.图4g为执行图3所示s303后形成沟槽结构的剖视示意图；
30.图4h为执行图3所示s304后的剖视示意图。
31.图标记说明：
32.101第一衬底；102金属反射层；103介质层；
33.200微桥单元结构；201第一释放保护层；202敏感材料探测层；203金属电极；204第二释放保护层；205增透材料层；
34.300沟槽结构；301边墙；302多层金属结构；
35.400第二衬底结构；401第二衬底；402多层金属结构；403吸气剂金属层；404增透膜；405滤光膜；406金属图形
具体实施方式
36.下面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描述。其中，在本发明实施例的描述中，以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本发明的限制。如在本发明的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，在本发明以下各实施例中，“至少一个”、“一个或多个”是指一个或两个以上(包含两个)。术语“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系；例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a
和b，单独存在b的情况，其中a、b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
37.在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本发明的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“连接”包括直接连接和间接连接，除非另外说明。“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
38.在本发明实施例中，“示例性地”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明实施例中被描述为“示例性地”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性地”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
39.本发明提供了一种探测器，图1中(a)示出了探测器的剖面图，图1中(b)为图1中(a)中的微桥单元结构的放大图，探测器包括：第一衬底101；覆盖在该第一衬底101上的金属反射层102，该金属反射层102具有金属反射图案；位于金属反射层102上的微桥单元结构200。
40.其中，所述微桥单元结构200依次包括：第一释放保护层201、敏感材料探测层202、金属电极层203、第二释放保护层204和增透材料层205；第二释放保护层204在结构上包覆敏感材料探测层202和金属电极层203，用以对敏感材料探测层202和金属电极层203加以保护。示例性的，金属反射层102可采用铝材料。敏感材料探测层202的材料可采用非晶硅或氧化钒。在本发明一实施例中，金属电极层203可为钛电极、钽电极、上下层叠的氮化钛和钛电极以及上下层叠的钽和氮化钽电极之一或其组合。
41.在本发明一实施例中，上述第一释放保护层201和第二释放保护层204可以为二氧化硅(sio2)、氮氧化硅(sion)、氮化硅(sin)、碳化硅(sic)等基于硅、氧、碳、氮等成分的薄膜，也可为非化学计量比的上述薄膜，例如富氧或富硅的二氧化硅膜层，也可为掺有硼、磷、碳或氟等杂质元素的上述薄膜，例如氟硅玻璃(fsg)、硼硅玻璃(bpsg)或磷硅玻璃(psg)等，以及上述材料所构成的复合膜层。
42.一种可能的实施方式中，位于金属反射层102各金属反射图案之间还可包括介质层103，且介质层103的高度与金属反射层102的高度一致。具体来说，介质层103可采用二氧化硅、氮氧化硅、或者掺有氟等杂质元素的二氧化硅、氮氧化硅。
43.该探测器还包括位于微桥单元结构200外围的封装结构，该封装结构包括位于第一衬底101上的沟槽结构300，以及和所述沟槽结构300发生键合的第二衬底结构400。
44.在一种具体实施方式中，所述微桥单元结构200外围的沟槽结构300依次可包括：形成沟槽的边墙301和所述沟槽内部的多层金属结构302。可选地，所述多层金属结构302的高度h低于所述沟槽的深度d，这样可以防止在发生键合时金属因热熔溢出边墙301。
45.可选地，所述沟槽结构300内部的多层金属结构302包括沿远离所述第一衬底方向依次层叠的钛层3011、氮化钛层3012和铝层3013；或者，所述沟槽结构300内部的多层金属
结构302包括沿远离所述第一衬底101方向依次层叠的金层3011、铜层3012和钛层3013。
46.在一种具体实施方式中，形成所述沟槽结构300的边墙301为介质层或者吸气剂金属层。示例性的，所述吸气剂金属层的材料为包括钒和钛金属的合金。
47.在另一种具体实施方式中，所述微桥单元结构200外围的第二衬底结构400包括第二衬底401和位于所述第二衬底401的第一表面的多层金属结构402，所述第二衬底401的第一表面的多层金属结构402与所述沟槽内部的多层金属结构301相互键合。可选地，所述第二衬底结构400的多层金属结构402包括沿远离所述第二衬底401方向依次层叠的钛层4021、氮化钛层4022和锗层4023，或者，所述第二衬底结构400的多层金属结构包括沿远离所述第二衬底401方向依次层叠的钛层4021、铜层4021和金层4023。
48.在一种具体实施方式中，所述第二衬底结构400的多层金属结构402的旁侧设置有吸气剂金属层403，所述旁侧为临近所述微桥单元结构200一侧。因封装形成真空腔时，会有气体逸出，并引起真空度下降；使用该吸气剂金属层403可以吸附气体，以维持较低的真空度。所述第二衬底结构400的多层金属结构从临近第一衬底的一侧开始依次是锗层、氮化钛层和钛层，或者是所述第二衬底结构的金属层结构是金层、铜层和钛层的组合。
49.在一种具体实施方式中，所述第二衬底401的临近所述第一衬底101的第一表面和远离所述第一衬底101的第二表面均设置有增透膜404和滤光膜405。该结构中增透膜404用于增强线的透射，滤光膜405用于过滤不需要的光线。可选地，在所述第二衬底结构400的远离所述第一衬底101的第二表面还可以设置有周期性的金属图形406。示例性的，所述增透膜404和滤光膜405包括锗、硒化锌材料中的一种或多种。
50.图2示例性地示出了封装后的探测器的立体结构示意图，从图1和图2可见，通过进行沟槽内金属沉积和图形化形成沟槽内部的多层金属结构，且利用第二衬底形成对应的多层金属结构结构，将第一衬底和第二衬底通过熔融金属层键合在一起所形成的探测器结构，能够改善封装时的成品率损失，大幅提高了产品性能和可靠性。
51.参考图3，本发明还提供一种探测器的制造方法，包括如下步骤：
52.s301，在第一衬底101上依次形成金属反射层102以及微桥单元结构200。
53.具体来说，如图4a所示，可先通过物理气相沉积技术在第一衬底101上形成金属反射层102并图形化，所述金属反射层102的金属材料可以为铝(al)、铂(pt)等；接着，通过光刻、刻蚀等工艺在金属反射层102上刻出凹槽，形成金属反射图案，从而在光电探测器像元里面形成谐振腔结构，以利于光线的吸收。之后，本实施例可以在所述金属反射层102的各金属反射图案之间填充介质层103并实现介质层平坦化。介质层103所采用的介质材料可为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅之一或其组合，和/或掺有硼、磷、碳或氟等杂质元素的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅之一或其组合。
54.关于微桥单元结构200的具体形成过程可以包括如下步骤：可通过涂敷或者其他成膜工艺，在介质层103上形成成膜作为牺牲层104，如图4a，在本发明一实施例中，牺牲层104的材料可为硅或者聚酰亚胺。之后，可在牺牲层104上刻蚀形成通孔01，形成支撑槽；之后依次可沉积形成第一释放保护层201和敏感材料探测层202，并实现第一释放保护层201和敏感材料探测层202的图形化。如图4b所示，在所述敏感材料探测层202表面沉积金属电极203，以实现电接触，之后对金属电极203进行图形化；接着，再沉积第二释放保护层204。其中，第二释放保护层204包覆住敏感材料探测层202和金属电极203，从而在进行释放工艺
时，能够有效地对敏感材料探测层202和金属电极203进行保护；同时，在制造过程和使用过程中，隔离外界的污染和损伤，提高敏感材料探测层202的可靠性；另外，也可以避免金属电极203的短路。可选地，还可以沉积增透材料层205，如图4d所示，基于上述步骤，最终实现的本发明探测器的单元结构200如图4d所示。
55.s302，在所述第一衬底101上旋涂有机化合物206。
56.其中，旋涂有机化合物206，如图4e所示。该有机化合物可以为聚酰亚胺(polyimide，pi)，该聚酰亚胺的应力低于牺牲层104的应力，这样可以避免因应力太大，对整个结构和产品造成影响。
57.s303，图形化所述有机化合物206形成沟槽，形成位于所述探测器外围的沟槽结构300，所述沟槽结构300包括形成沟槽的边墙302和所述沟槽内部的多层金属结构301，所述多层金属结构301的高度低于所述沟槽的深度。
58.示例性地，如图4f所示，图形化所述有机化合物206形成沟槽a，之后沉淀多层金属，并图行化去除沟槽a之外的多层金属，仅保留沟槽a内的多层金属，且使得沟槽a内多层金属的高度低于沟槽边墙302的高度，沉积边墙302和多层金属结构301，并图形化，形成如图4g所示的半导体结构。
59.s304，释放形成悬空的所述微桥单元结构。
60.示例性地，去除牺牲层104和有机化合物206，释放完成所述第一衬底的结构之后的半导体结构如图4h所示。
61.s305，形成第二衬底结构400，第二衬底结构包括第二衬底401和位于所述第二衬底401的第一表面的多层金属结构402。
62.示例性地，如图1所示，第二衬底结构400包括第二衬底401和位于所述第二衬底401的第一表面的多层金属结构402。
63.s306，将所述第二衬底第一表面的多层金属结构402与所述沟槽内部的多层金属结构301相互键合。
64.一种可能的实施方式中，形成第二衬底结构之后，将所述第二衬底的第一表面的多层金属结构与所述沟槽内部的多层金属结构相互键合之前，在所述第二衬底结构400的多层金属结构402的旁侧形成吸气剂金属层403，所述旁侧为临近所述微桥单元结构200一侧。
65.在另一种可能的实施方式中，形成第二衬底结构之后，将所述第二衬底的第一表面的多层金属结构与所述沟槽内部的多层金属结构相互键合之前，在所述第二衬底结构400第二表面和第一表面形成增透膜404和滤光膜405，可选地，在所述第二衬底的第二表面形成增透膜和滤光膜之后，在所述第二衬底结构400的第二表面形成周期性的金属图形406。示例性地，该金属图形406可以为周期性圆形或椭圆形的薄层au(或ag、pt等)图形。
66.值得说明的是，所述第二衬底的第二表面和第一表面上的增透膜404和滤光膜405可以同时形成，也可以先后形成。例如，一种实施例中，可以先在所述第二衬底的第二表面上依次形成增透膜404和滤光膜405，之后在所述第二衬底的第二表面上形成金属图形406，进一步地，在所述第二衬底的第一表面上依次形成增透膜404和滤光膜405，然后在所述第二衬底的第一表面上形成多层金属结构402。另一种实施例中，可以在第二衬底第二表面和第一表面上同时形成增透膜404和滤光膜405之后，再在所述第二衬底的第二表面上形成金
属图形406，进一步地，在所述第二衬底的第一表面上形成多层金属结构402。应理解，根据工艺需要，也可以在第二衬底的第二表面和第一表面上形成增透膜404和滤光膜405之后，先在所述第二衬底的第一表面上形成多层金属结构402，再形成所述第二衬底的第二表面上的金属图形406。
67.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
68.总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。