CN118173568B - 红外热感应像素单元阵列成像器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种远红外热感应像素单元阵列成像器件及其制造方法，由构置于半导体基板之上的热感应像素单元阵列构成；所述阵列中的每个热感应像素单元包括：相互连通的上空腔体和下空腔体，悬浮在上空腔体和下空腔体之间的感应单元，感应单元通过垂直构置于基板之上的第一垂直互连组件和第二垂直互连组件与基板内的晶体管相连；在热感应像素单元之间具有隔离墙，不仅能够实现热感应像素单元的像素级真空和微波串扰隔离，而且通过像素级微波与真空腔体区分隔离，解决上述性能上的局限或缺陷。

Description

红外热感应像素单元阵列成像器件及其制造方法

技术领域

本申请涉及医疗器械领域，尤其涉及一种红外热感应像素单元阵列成像器件及其制造方法。

背景技术

非制冷红外成像传感器由于体积微小，灵敏度高，应用十分广泛。图1为一个典型的非制冷远红外辐射感应单元阵列成像传感器R900的局部剖面图。如图1所示，所有的像素单元R90的红外吸收及热感应片体211及与其相连的导电互连支架R210，均构置于一个完全连通的大真空腔体R220内，同时，构置于大真空腔体R220之上的一整片红外可透视真空封盖片体R300，首先接收外部垂直及一定倾角射向其的远红外辐射电磁波。由此，至少有两个直接的因素导致像素的热感应及感应信号串扰，一是一定倾角射向封盖的电磁波因折射而传至邻近像素，二是像素内的热感应片体211及导电互连支架R210对进入大空腔体R220的电磁波，垂直及倾斜的射至临近像素，而大空腔体R220底部的反射片体120也会产生少量的侧面反射。因此，传统非制冷焦平面热感应像素单元阵列传感器R900的像素间热感应及信号串扰是难以根本解决的。由于严重影响传感器的信噪比，以及成像的清晰度。

此外，由于采用低熔点合金，如金、银，熔合真空封盖以形成真空腔体R220，封合整个热辐射吸收及感应单元阵列，对于大尺寸及高分辨率的成像传感器芯片，有相当大的挑战，且会严重影响其加共成品率和成本。

发明内容

为了解决上述产品性能的问题，本发明提供了一种红外热感应像素单元阵列成像器件及其制造方法。

一种远红外热辐射感应单元阵列成像传感器，由构置于半导体基板之上的热感应像素单元阵列构成；所述阵列中的每个热感应像素单元包括：相互连通的上空腔体和下空腔体，悬浮在上空腔体和下空腔体之间的感应单元，感应单元通过垂直构置于基板之上的第一垂直互连组件和第二垂直互连组件与基板内的晶体管相连；在热感应像素单元之间具有隔离墙。

本发明所提供的一种远红外热感应像素单元阵列成像传感器及其制造方法，不仅能够实现热感应像素单元的像素级真空和微波串扰隔离，而且通过像素级微波与真空腔体区分隔离，解决上述性能上的局限或缺陷；同时，也提供了一整套全晶级的微器件加工及真空封盖工艺流程，可以有效的解决加工成品率和成本的瓶颈。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的非制冷红外成像传感器的剖面示意图；

图2为本发明的红外热感应像素单元阵列成像器件剖面示意图；

图3a-图3h为以一个热感应像素单元为例，红外热感应像素单元阵列成像器件的制造方法示意图；

图4a-4c为以一个热感应像素单元为例，红外热感应像素单元阵列成像器件的另一制造方法示意图。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指装置在正常使用状态下的上和下，“内、外”是指相对于装置轮廓而言的。此外，术语“第一、第二、第三”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。由此，限定有“第一、第二、第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。本发明中为电学器件，因此连接、互连均表示导电互连。由于附图是对同一装置的描述，因此图中相同标号表示同一部件。

下面结合附图对本发明的具体实例进行进一步详细说明。

如图2所示，本发明的红外热感应像素单元阵列成像器件900，由构置于硅半导体基板100之上的热感应像素单元90阵列构成；所述阵列中的每个热感应像素单元90包括：

相互连通的上空腔体340和下空腔体240，悬浮在上空腔体340和下空腔体240之间的感应单元315，感应单元通过垂直构置于基板之上的垂直互连组件与基板100内的晶体管121相连，在本实施例中，半导体基板为硅衬底或者其他半导体材料的衬底，晶体管为硅基晶体管或者其它半导体材料晶体管。在热感应像素单元90之间具有隔离墙。

图2详细展示了本发明的红外热感应像素单元阵列成像器件中一个热感应像素单元90的剖面示意图。

继续参考图2所示的一个热感应像素单元90。在本实施例中，隔离墙510为蜂窝状，具体位于感应单元315之间。隔离墙510的材料为绝缘介质材料，如SiO2。隔离墙510包括上墙体510a和下墙体510b。在本发明的一实施例中，在上空腔体340对应的隔离墙中，设置有金属上侧壁243，在下空腔体240对应的隔离墙中，设置有金属下侧壁343。从而，上墙体侧向由金属上侧壁243包围，下墙体侧向由金属下侧壁包围。同时，上空腔体340和下空腔体240与隔离墙510顶面，以及下空腔体的底部基板表面均覆盖有阻挡层423，优选的材料为Si3N4薄膜，通过化学气相沉积形成，阻挡层用于在去除牺牲层材料时保护。可选的，在下空腔体240的底部还设置有金属底部反射层444，从而金属上侧壁243、金属下侧壁343和金属底部反射层444可以进一步加强空腔内光线的利用，使其进一步反射到热感应像素单元90，进行再次收集。

热感应像素单元90之间，由隔离墙510所侧向分割，每个热感应像素单元90包括：感应单元315、第一水平连接片体311、红外透射窗422和微透镜521。感应单元315构置于上腔体340和下腔体240之间，所述感应单元315用于红外辐射吸收及感应，上腔体340和下腔体240相通，构成一个真空腔，感应单元315悬置于上腔体340和下腔体240之间。第一水平连接片体311，与感应单元315相连，并部分水平填入隔离墙510内，用于支撑并连接悬置在上腔体340和下腔体240之间的感应单元315。所述感应单元还包括：压敏单元，和设置在压敏单元两端的压敏电异单元；压敏电异单元的另一端通过第一垂直互连组件和第二垂直互连组件连接基板内的晶体管。

在热感应像素单元90下方的基底中具有与感应单元315电连接的CMOS晶体管电路。

红外透镜窗422置于上腔体340之上，为透明材质，即可透光又可封闭上腔体和下腔体构成的真空腔体。微透镜521构置于红外透镜窗422之上，对入射红外辐射起聚合作用的。其中，红外透镜窗422包含有至少一个形成上下腔体的物理层释放穿孔(未图示)及将其部分填堵的实现上下空腔与外部隔离的穿孔塞424。

第一水平连接片体311通过垂直填入隔离墙510内的第二垂直互连件224以及半导体基板100内的第一垂直互连件131与红外成像传感器下方基板100内的CMOS晶体管121电性相连，将所连红外透射窗422承受的外压转换成感应电信号，并传输。其中，隔离墙510及真空腔体均构置于基板上。所述基板为半导体硅基板。

红外透镜窗422的空腔一侧的表面设置有一个由N型或P型掺杂的半导体Si或Ge构成的压阻单元441，并通过第二垂直互连件224与基板100内的第二CMOS晶体管122互连，用于增加感应外部压力的功能。

为了解决现有技术中，不同的热感应像素单元之间串扰即损耗，本发明利用在热感应像素单元90之间形成隔离墙510，从而将反射和折射的光有效收集到该热感应像素单元内，提高了利用率，同时也提高了精确度。

下面参考图3～图4对上述热感应像素单元90的形成方法进行说明。

参考图3a～3h所示，首先提供一半导体基底100，在半导体基底中可以形成有CMOS晶体管器件和互连组件。

接着，在半导体基底上形成第一介质层111，以及位于第一介质层之间的阻挡层423。

接着，在第一介质层111和阻挡层上淀积第一金属层101。由于第一介质层111的厚度大于阻挡层的厚度，因此在阻挡层上方形成一个沟槽区域。

接着，在沟槽区域填充第一牺牲层103，并在第一牺牲层及其外围的第一介质层上形成热感应材料102，用于形成后续的感应单元。

接着，淀积第二介质层104。

接着，淀积透明介质105。

接着，淀积第二金属层106。

接着，淀积第二牺牲层107，并利用第二牺牲层进行刻蚀，在淀积透明介质105中形成第一通孔105a，热感应材料102中形成第二通孔102a，利用第一通孔和第二通孔，去除第一牺牲层、第二牺牲层以及第一牺牲层对应区域的第二介质层。

接着，填充第一通孔，形成红外透射窗422。

最后，在红外透射窗上形成微透镜521。

其中，所述第一金属层和第二金属层的材料为Cu。

可选的，所述步骤：在第一牺牲层及其外围的第一介质层上形成热感应材料102，用于形成后续的感应单元，具体的还可以包括形成压敏单元，和设置在压敏单元两端的压敏电异单元；压敏电异单元的另一端通过第一垂直互连组件和第二垂直互连组件连接基板内的晶体管。例如，可以在形成第一牺牲层后，在其上形成压敏单元以及压敏单元两端的压敏电异单元，然后继续在压敏单元上形成热感应材料102。

可选的，在形成第二介质层104之后，还包括在第二介质层上对应第一牺牲层的区域形成压阻单元441，其由N型或P型掺杂的半导体Si或Ge构成，然后淀积透明介质105，透明介质105覆盖压阻单元441。从而，在形成器件后，红外透镜窗422的空腔一侧的表面设置有一个由N型或P型掺杂的半导体Si或Ge构成的压阻单元441，并通过第二垂直互连件224与基板100内的第二CMOS晶体管122互连，用于增加感应外部压力的功能。

最终，形成图2所示的红外热感应像素单元阵列成像器件。由于隔离墙是分上墙体和下墙体，最佳的由硅为主的介质和金属，尤其是金属Cu垂直填入介质SiO2内联合构成。其中，下墙体部分与第一垂直互连件和第二垂直互连件一起制成，而因为介质为SiO2，因此就需要在隔离墙510侧表面以及下空腔体240底面形成牺牲材料释放或去除的阻挡层，优选Si3N4。这一工艺流程及架构与通用的CMOS的后段BEOL互连层工艺较为兼容，感应单元315可选用SiO2或微晶硅/非晶硅或CMOS的BEOL制程中常用的材料之外，还可以用Ge作为牺牲层材料，因为与CMOS之BEOL制成兼容，其它材料可借用BEOL制成内的。

附图4a～4c为以一个热感应像素单元为例，红外热感应像素单元阵列成像器件的另一制造方法示意图。

在该方法中，如图所示，第一介质层和第二介质层均替换为牺牲层材料。

从而，在去除牺牲层的过程中一并去除。然后，在填充第一通孔等过程中一并填充表面的开口。从而利用上空腔体和下空腔体的金属侧壁包围成真空腔体，同时也充当隔离墙进行物理隔离的作用。

本发明所提供的红外热感应单元阵列成像传感器件，由于具有独特的热感应单元像素90间完全的辐射隔离和真空腔体隔离构造，以及顶部有微波聚合作用的微透镜521，与传统的非制冷焦平面热红外阵列传感器相比，可以有效的解决像素间的微波信号串扰，提高感应电信号的信噪比以及整个成像传感器的成像清晰度。

本发明的红外热感应像素单元阵列成像器件制造方法，和现有的半导体制造品工艺兼容。基于对目标物体所发出的8-12微米波长远红外热辐射的感应及所获取电信号的放大，模数转换等信号处理。红外热成像器件(也称为成像芯片)与之匹配的光学成像，包括透镜装置，具有极为广泛的应用，从安防、医疗、交通、环保到航天等人类社会的各个领域。

相比需要低温制冷以维持有效的热点感应功能及敏感度的制冷化合物半导体远红外成像传感器如碲镉汞，以MEMS微机电系统微基本工艺及物理构架的非制冷焦平面红外传感器单元阵列成像传感器，凭借其更强的环境适应性，无需低温制冷，与硅基CMOS信号读取、方法、处理电路基体的原为一体化集成、较高分辨率且相对较低制造成本等诸多优势，称为各个领域应用的首选。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (14)

1.一种远红外热辐射感应单元阵列成像传感器的形成方法，其特征在于，包括步骤：

提供一半导体基底；

在半导体基底上形成第一介质层，以及位于第一介质层之间的阻挡层；

在第一介质层和阻挡层上淀积第一金属层，第一介质层的厚度大于阻挡层的厚度，在阻挡层上方具有一个沟槽区域；

在沟槽区域填充第一牺牲层，并在第一牺牲层及其外围的介质上形成热感应材料；

淀积第二介质层；

淀积透明介质；

淀积第二金属层；

淀积第二牺牲层，并利用牺牲层进行刻蚀，在淀积透明介质中形成第一通孔，热感应材料中形成第二通孔，利用第一通孔和第二通孔，去除第一牺牲层、第二牺牲层以及第一牺牲层对应区域的第二介质层；

填充第一通孔，形成红外透射窗；

在红外透射窗上形成微透镜。

2.如权利要求1所述的远红外热辐射感应单元阵列成像传感器的形成方法，其特征在于，第一介质层作为隔离墙的下墙体，材料为SiO2；第二介质层作为隔离墙的上墙体，材料为SiO2；所述第一金属层和第二金属层的材料为Cu。

3.如权利要求1所述的远红外热辐射感应单元阵列成像传感器的形成方法，其特征在于，还包括步骤：在形成第一牺牲层后，在其上形成压敏单元以及压敏单元两端的压敏电异单元，然后压敏单元连接热感应材料。

4.如权利要求1所述的远红外热辐射感应单元阵列成像传感器的形成方法，其特征在于，在形成第二介质层之后，还包括在第二介质层上对应第一牺牲层的区域形成压阻单元，其由N型或P型掺杂的半导体Si或Ge构成，透明介质覆盖压阻单元。

5.如权利要求1所述的远红外热辐射感应单元阵列成像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一介质层和第二介质层的材料为牺牲层材料；在所述去除第一牺牲层和第二牺牲层的步骤中还包括去除牺牲层材料。

6.一种利用权利要求1至5任意一项所述的形成方法形成的远红外热辐射感应单元阵列成像传感器，其特征在于，由构置于半导体基板之上的热感应像素单元阵列构成；所述阵列中的每个热感应像素单元包括：

相互连通的上空腔体和下空腔体，悬浮在上空腔体和下空腔体之间的感应单元，感应单元通过垂直构置于基板之上的第一垂直互连组件和第二垂直互连组件与基板内的晶体管相连；

在热感应像素单元之间具有隔离墙。

7.如权利要求6所述的远红外热辐射感应单元阵列成像传感器，其特征在于，在上空腔体上封盖有像素红外透射窗。

8.如权利要求7所述的远红外热辐射感应单元阵列成像传感器，其特征在于，所述像素红外透射窗上构置有热辐射波微聚焦透镜。

9.如权利要求8所述的远红外热辐射感应单元阵列成像传感器，其特征在于，在上空腔体对应的隔离墙中设置有金属上侧壁；在下空腔体对应的隔离墙中，设置有金属下侧壁。

10.如权利要求9所述的远红外热辐射感应单元阵列成像传感器，其特征在于，所述感应单元包括：压敏单元，和设置在压敏单元两端的压敏电异单元；压敏电异单元的另一端通过第一垂直互连组件和第二垂直互连组件连接基板内的晶体管。

11.如权利要求10所述的远红外热辐射感应单元阵列成像传感器，其特征在于，底部半导体基板表面均覆盖有阻挡层，材料为Si3N4薄膜。

12.如权利要求11所述的远红外热辐射感应单元阵列成像传感器，其特征在于，在下空腔体的底部还设置有金属底部反射层。

13.如权利要求12所述的远红外热辐射感应单元阵列成像传感器，其特征在于，红外透镜窗的空腔一侧的表面设置有一个由N型或P型掺杂的半导体Si或Ge构成的压阻单元。

14.如权利要求13所述的远红外热辐射感应单元阵列成像传感器，其特征在于，所述隔离墙为金属侧墙。