基于CMOS工艺的红外探测器盲像元和红外探测器的制作方法

本公开涉及红外探测，尤其涉及一种基于cmos工艺的红外探测器盲像元和红外探测器。

背景技术：

1、监控市场、车辅市场、家居市场、智能制造市场以及手机应用等领域都对非制冷高性能的芯片有着强烈的需求，且对芯片性能的好坏、性能的一致性以及产品的价格都有一定的要求，每年预计有亿颗以上芯片的潜在需求，而目前的工艺方案和架构无法满足市场需求。

2、目前红外探测器采用的是测量电路和红外传感结构结合的方式，测量电路采用cmos（complementary metal-oxide-semiconductor，互补金属氧化物半导体）工艺制备，而红外传感结构采用mems（micro-electro-mechanical system，微电子机械系统）工艺制备，导致存在如下问题：

3、（1）红外传感结构采用mems工艺制备，以聚酰亚胺作为牺牲层，与cmos工艺不兼容。

4、（2）聚酰亚胺作为牺牲层，存在释放不干净影响探测器芯片真空度的问题，还会使后续薄膜生长温度受限制，不利于材料的选择。

5、（3）聚酰亚胺会造成谐振腔高度不一致，工作主波长难以保证。

6、（4）mems工艺制程的控制远差于cmos工艺，芯片的性能一致性和探测性能都会受到制约。

7、（5）mems产能低，良率低，成本高，不能实现大规模批量生产。

8、（6）mems现有的工艺能力不足以支撑更高性能的探测器制备，更小的线宽以及更薄的膜厚，不利于实现芯片的小型化。

9、另外，与红外传感器结构中的有效像元进行跨阻放大用的电阻结构通常与红外传感器采用不同的工艺步骤形成，导致红外探测器在应用时电阻结构和红外传感器结构响应于环境参数的变化不一致，从而影响红外探测准确性。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种基于cmos工艺的红外探测器盲像元和红外探测器，以提供一种cmos工艺下红外探测器盲像元的结构，且该盲像元可与cmos有效像元同步制备形成，无需增加额外的工艺步骤，工艺流程较简单；且二者膜层结构相同，响应于相同环境参数的变化一致，进而提升红外探测准确性。

2、本公开提供了一种基于cmos工艺的红外探测器盲像元，形成于cmos测量电路系统上，所述盲像元与cmos有效像元同步制备；所述cmos测量电路系统包括集成电路基板，所述盲像元用于调节所述有效像元两端的电流或电压；

3、所述盲像元包括：位于所述集成电路基板上的反射层、热敏板和柱状结构；所述柱状结构位于所述反射层和所述热敏板之间，所述反射层包括支撑底座，所述热敏板通过所述柱状结构和所述支撑底座与所述集成电路基板电连接；

4、所述热敏板为不具有梁结构的板状结构。

5、在一些实施例中，所述热敏板包括沿远离所述集成电路基板的方向依次层叠的支撑层、热敏层以及钝化层，还包括与所述热敏层接触并位于所述热敏层至少一侧的电极层；

6、所述支撑层用于支撑所述热敏层、电极层以及所述钝化层；

7、所述热敏层用于基于自身电阻变化实现所述盲像元的调节作用；

8、所述电极层用于调节所述热敏层的电阻；

9、所述钝化层用于保护所述热敏层和所述电极层。

10、在一些实施例中，所述柱状结构采用单层立柱；或者，所述柱状结构采用叠加设置的至少两层立柱；

11、每层所述立柱均可为实心金属柱、非金属实心柱或空心柱中的至少一种，构成所述非金属实心柱的侧壁的材料和构成所述空心柱的侧壁的材料均包括金属。

12、在一些实施例中，同一所述盲像元内，柱状结构的数量为两个；

13、单个柱状结构的平面尺寸等于或大于cmos有效像元中的单个柱状结构的平面尺寸的两倍。

14、在一些实施例中，所述盲像元的平面形状为四边形，两个所述柱状结构位于所述盲像元的相对两边；且

15、沿第一方向，单个所述柱状结构的宽度等于或大于对应热敏板宽度的1/4，且小于所述热敏板宽度的1/2；

16、沿第二方向，单个所述柱状结构的宽度等于或大于对应热敏板宽度的1/2，且小于所述热敏板的宽度；

17、所述第一方向为同一所述盲像元内的两个柱状结构的连线方向，所述第二方向垂直于所述第一方向。

18、在一些实施例中，所述盲像元的平面形状为多边形；

19、第一柱状结构位于所述盲像元的一顶角位置处，第二柱状结构半包围所述第一柱状结构，且拐角位于所述盲像元的另一顶角位置处；

20、所述第一柱状结构和所述第二柱状结构分别为同一所述盲像元内的两个所述柱状结构中的一个。

21、在一些实施例中，该盲像元还包括牺牲层；

22、所述牺牲层用于使所述盲像元形成镂空结构，构成所述牺牲层的材料是氧化硅，采用post-cmos工艺腐蚀所述牺牲层；

23、所述post-cmos工艺采用气相氟化氢、四氟化碳和三氟甲烷中的至少一种对所述牺牲层进行腐蚀。

24、在一些实施例中，该盲像元还包括密闭隔绝层；

25、所述密闭隔绝层至少覆盖所述集成电路基板、所述支撑底座以及所述柱状结构的暴露表面；

26、所述密闭隔绝层用于在制作所述盲像元的刻蚀过程中，保护所述集成电路基板、所述支撑底座以及所述柱状结构不受工艺影响；以及用于在制作有效像元的刻蚀过程中，保护所述cmos测量电路系统不受工艺影响。

27、在一些实施例中，所述热敏板临近所述集成电路基板的表面对应所述柱状结构所在位置呈阶梯状，所述热敏板未与所述柱状结构接触的表面高于所述热敏板与所述柱状结构接触的表面。

28、在一些实施例中，所述热敏板至少包括第一层热敏板和第二层热敏板，所述第一层热敏板位于所述第二层热敏板远离所述集成电路基板的一侧；

29、所述第一层热敏板与所述第二层热敏板之间设置所述柱状结构，所述柱状结构用于支撑所述第一层热敏板。

30、本公开还提供了一种基于cmos工艺的红外探测器，包括上述任一种盲像元，还包括cmos有效像元；

31、所述盲像元与所述有效像元采用cmos工艺同步制备。

32、本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

33、（1）本公开实施例提供的红外探测器像元中利用cmos工艺实现了cmos测量电路系统和cmos红外传感结构在cmos生产线上一体化制备，相较于mems工艺，cmos不存在工艺兼容问题，解决了mems工艺面临的技术难点，采用cmos工艺产线工艺制备红外探测器也可以减小运输成本，减少运输等问题造成的风险；红外探测器以氧化硅作为牺牲层，氧化硅与cmos工艺完全兼容，制备工艺简单且易于控制，cmos工艺也不会出现牺牲层聚酰亚胺释放不干净影响探测器芯片真空度的问题，且后续薄膜生长温度不受牺牲层材料的限制，可以实现牺牲层多层工艺设计，不受工艺限制，可以很容易地利用牺牲层实现平坦化，降低工艺难度和可能存在的风险；一体化cmos工艺制备的红外探测器可实现芯片高良品率、低成本、高产能且大规模集成化生产的目标，为红外探测器提供更广阔的应用市场；基于cmos工艺的红外探测器可以使红外探测器实现特征结构更小的尺寸和更薄的膜厚，使得红外探测器占空比更大、热导更低、热容更小，从而使得红外探测器的探测灵敏度更高、探测距离更远以及探测性能更好；基于cmos工艺的红外探测器，可以使探测器像元尺寸更小，实现相同阵列像素下更小的芯片面积，更利于实现芯片小型化；基于cmos工艺的红外探测器，工艺产线成熟，工艺控制精度更高，可以更好地达到设计要求，产品的一致性更好，更利于电路片调整性能，更利于产业化批量生产；

34、（2）通过设置盲像元形成于cmos测量电路系统上，盲像元与cmos有效像元同步制备，共同构成cmos红外传感结构；cmos测量电路系统包括集成电路基板，盲像元用于调节有效像元两端的电流或电压；盲像元包括：位于集成电路基板上的反射层、热敏板和柱状结构；柱状结构位于反射层和热敏板之间，反射层包括支撑底座，热敏板通过柱状结构和支撑底座与集成电路基板电连接；热敏板为不具有梁结构的板状结构，实现了一种电阻结构，由此提供了一种cmos工艺下红外探测器盲像元的结构，且该盲像元可与cmos有效像元同步制备形成，无需增加额外的工艺步骤，工艺流程较简单；且二者膜层结构相同，响应于相同环境参数的变化一致，进而提升红外探测准确性；

35、（3）通过设置柱状结构在盲像元中相对于在有效像元中具有更大的尺寸，可使力学结构更加稳定，更能保证结构的完整性和稳固性；同时，由于柱状结构的尺寸较大，还能够使得电阻更小，从而噪声相对也会减小，有利于探测性能的提高；且导热更好，受衬底、自热温升、热辐射等因素影响更小，可减小温漂，能够实现无挡片探测；以及由于柱状结构的尺寸较大，尺寸上对工艺要求更宽松，相对于单个柱子尺寸较小的结构，该结构在工艺上更容易实现。