CN105161507B - 双层可见光红外混合成像探测器像元结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了双层可见光红外混合成像探测器像元结构及其制备方法，包括：衬底；位于衬底下表面的可见光感应区域、金属互连以及位于衬底上表面的红外感应区域；红外感应区域包括：第一、第二红外感应结构、接触沟槽结构、支撑部件、介质层；第一红外感应结构位于介质层上；第一红外感应结构与第二红外感应结构都与接触沟槽结构相连，接触沟槽结构与金属互连相连，通过接触沟槽结构将第一红外感应结构和第二红外感应结构所形成的电信号传输到金属互连；第一红外感应结构下方的衬底中具有第一空腔，第二红外感应结构与第一红外感应结构之间具有第二空腔；支撑部件与第二红外感应结构之间具有第三空腔；具有第四释放孔的介质层下方的衬底中具有第四空腔。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种双层可见光红外混合成像探测器像元结构及其制备方法。
背景技术
随着工业和生活水平的发展，单纯的红外成像或者单纯的可见光成像已不能满足需求，具有更宽波段的成像技术越来越受到关注，特别是能同时对可见光和红外光敏感的成像技术。
然而，现有的混合成像器件中，采用透镜形成两条光路来分别对可见光和红外光进行感应成像，最后采用计算机处理系统合成在一起，由于光路的分离造成所形成的红外图像部分和可见光图像部分产生较大的对准偏差，严重影响成像质量。
由于微电子机械系统(MEMS)技术具有微小、智能、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等诸多优点，如果能将混合成像技术与微电子技术相结合，研究出微电子技术领域的混合成像技术，将能够避免现有的红外图像和可见光图像的对准偏差大的问题。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种双层可见光红外混合成像探测器像元结构及其制备方法，从而将混合成像技术微型化和芯片化，提高混合成像的质量。
为了实现上述目的，本发明提供了一种双层可见光红外混合成像探测器像元结构，其包括：
一半导体衬底，作为可见光过滤层；
可见光感应区域，位于所述半导体衬底下表面，所述可见光感应区域包括可见光感应部件和接触部件；
金属互连，位于所述半导体衬底下表面；所述金属互连与所述可见光感应区域的所述接触部件相连；
红外感应区域，位于半导体衬底上表面，并且具有双层红外感应结构，其包括：
第一空腔，位于所述半导体衬底中；
介质层，覆盖于所述第一空腔和所述半导体衬底上表面；位于所述半导体衬底上表面的所述介质层中具有第一释放孔，所述第一释放孔下方的所述半导体衬底中具有第二空腔；
接触沟槽结构，位于所述第一空腔两侧的所述介质层中；
接触孔，其顶部与所述接触沟槽结构相连，其底部与所述金属互连相连；
第一红外感应结构，位于所述第一空腔上方的所述介质层上，所述第一红外感应结构边缘与所述接触沟槽结构相连；所述第一红外感应结构和所述第一红外感应结构下方的所述介质层中具有第二释放孔；
第二红外感应结构，位于所述第一红外感应结构之上，且所述第二红外感应结构边缘与所述接触沟槽结构相连；所述第二红外感应结构与所述第一红外感应结构之间构成第三空腔；
支撑部件，位于所述第二红外感应结构的外围且与所述第二红外感应结构不接触；所述支撑部件的两侧具有支撑孔，所述支撑部件的顶部具有第三释放孔；所述支撑孔底部位于所述接触沟槽结构外侧的所述介质层上；所述支撑部件与所述第二红外感应结构之间具有第四空腔，并且所述第二红外感应结构和所述支撑部件之间具有连通的空隙；所述支撑部件的内表面具有红外反射材料或者整个所述支撑部件为红外反射材料；
其中，可见光和红外光从所述半导体衬底下表面射入，通过所述可见光感应区域，部分所述可见光被所述可见光感应部件吸收；经所述半导体衬底过滤掉可见光后，红外光透过所述半导体衬底之后进入所述第一空腔，然后进入所述第一红外感应结构且部分所述红外光被所述第一红外感应结构吸收；未被所述第一红外感应结构吸收的红外光继续穿过所述第三空腔进入所述第二红外感应结构且部分所述红外光被所述第二红外感应结构吸收；未被所述第二红外感应结构吸收的红外光进入所述第四空腔，然后被所述红外反射材料反射回到所述第二红外感应结构，进而被所述红外感应结构吸收。
优选地，所述第一红外感应结构的底部与所述接触沟槽结构的顶部相齐平；所述第二红外感应结构边缘底部与所述接触沟槽结构顶部相连，所述第二红外感应结构顶部的下表面高于所述第一红外感应结构上表面；所述第一红外感应结构的上表面与所述第二红外感应结构的侧壁内表面及其顶部之间形成所述第二空腔。
优选地，所述第一红外感应结构包括第一下释放保护层、第一红外感应部件、第一电极层和第一上释放保护层；所述第二红外感应结构包括第二下释放保护层、第二红外感应部件、第二电极层和第二上释放保护层；所述第一电极层的底部与所述第二电极层的底部相连且均与所述接触沟槽结构相连接。
优选地，所述第二红外感应结构顶部具有第四释放孔。
优选地，在所述晶圆下表面中具有前道器件，所述可见光感应部件和所述前道器件相间设置；在所述前道器件底部具有后道互连；所述后道互连与所述通孔底部相连。
优选地，所述第二空腔侧壁与所述接触沟槽结构外侧壁的距离不大于2微米。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种所述的双层可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法，其包括：
步骤01：提供一半导体衬底；并在所述半导体衬底下表面制备所述可见光感应区域的所述可见光感应部件和所述接触部件、以及所述金属互连；
步骤02：在所述半导体衬底的上表面形成所述介质层，并且在所述待形成所述接触沟槽结构区域两侧的所述介质层中形成所述第一释放孔；
步骤03：在所述金属互连上方的所述半导体衬底中形成所述接触孔，以及在所述接触孔上方的所述介质层中形成所述接触沟槽结构；
步骤04：在所述接触沟槽结构之间的所述介质层上形成所述第一红外感应结构，所述第一红外感应结构的边缘与所述接触沟槽结构相连接；并且，在所述第一红外感应结构和所述第一红外感应结构下方的所述介质层中形成所述第二释放孔；
步骤05：在所述第一红外感应结构上方形成第一牺牲层；并且刻蚀所述第一牺牲层，使所述第一牺牲层的侧壁不超过所述第一红外感应结构的边缘；
步骤06：在所述第一牺牲层表面形成所述第二红外感应结构；所述第二红外感应结构的边缘与所述接触沟槽结构相连；
步骤07：在所述介质层和所述第二红外感应结构上形成第二牺牲层；并且图案化所述第二牺牲层，在所述第二牺牲层中形成沟槽；所述沟槽的底部暴露出所述接触沟槽结构外侧的所述介质层的部分表面；
步骤08：在所述第二牺牲层表面和所述沟槽中沉积一层支撑材料，从而形成所述支撑部件，并且在所述支撑部件顶部形成所述第三释放孔；
步骤09：通过所述第二红外感应结构与所述支撑部件之间的所述连通的空隙、所述第一释放孔、所述第二释放孔和所述第三释放孔进行释放工艺，将所述第一释放孔下方的部分所述半导体衬底、所述第一牺牲层、所述第二牺牲层和第二释放孔下方的部分所述半导体衬底释放掉，从而分别形成所述第二空腔、所述第三空腔、所述第四空腔和所述第一空腔。
优选地，所述第一红外感应结构包括第一下释放保护层、第一红外感应部件、第一电极层和第一上释放保护层；所述第二红外感应结构包括第二下释放保护层、第二红外感应部件、第二电极层和第二上释放保护层；所述步骤05中，所述第一牺牲层的侧壁不超过所述第一电极层的边缘；所述步骤06中，所述第一电极层的底部与所述第二电极层的底部相连且均与所述接触沟槽结构相连接。
优选地，当所述第一牺牲层、所述第二牺牲层以及所述第三牺牲层的材料均为非晶硅时，采用XeF2作为释放气体，将所述第一牺牲层、所述第二牺牲层以及所述第三牺牲层去除，此时，所述上释放保护层和所述下释放保护层的材料为二氧化硅和铝的复合材料；或者当所述第一牺牲层、所述第二牺牲层以及所述第三牺牲层的材料均为氧化硅时，可以采用气态氟化氢作为释放气体，将所述第一牺牲层、所述第二牺牲层以及所述第三牺牲层的材料去除，此时，所述上释放保护层和所述下释放保护层的材料为氮化硅、或硅；或者当所述第一牺牲层、所述第二牺牲层以及所述第三牺牲层的材料为有机物时，可以采用O2作为释放气体，将全所述第一牺牲层、所述第二牺牲层以及所述第三牺牲层的材料去除，此时，所述上释放保护层和所述下释放保护层的材料为无机物材料。
优选地，所述步骤06中，还包括：在所述第二红外感应结构顶部形成第四释放孔；所述步骤09中，所述释放孔工艺的进行还包括通过所述第四释放孔。
本发明的双层可见光红外混合成像探测器像元结构及其制备方法，将可见光感应区域和红外感应区域集成在芯片中，巧妙的利用晶圆作为光过滤层，无需另外设置光过滤层，并且，所采用的双红外感应结构中，第一红外感应结构下方设置了空腔，上述两种结构使得形成的器件在垂直方向上的高度降低，从而减小了器件的体积、减少了工艺步骤和节约了成本，使可见光红外混合成像微型化、芯片化成为可能；此外，在衬底中形成空腔，可以减少光在较长路径传播过程中的损失，提高了透射率，从而提高了器件的混合成像质量；再者，在第一红外感应结构两侧的介质层下方设置了空腔，可以更进一步避免第一红外感应结构中的热传递到衬底中，提高了器件的性能；而且，在半导体衬底上形成双红外感应结构，可以增加对红外光的吸收率，进一步提高混合成像质量。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例的双层可见光红外混合成像探测器像元结构的横截面结构示意图
图2为本发明的一个较佳实施例的双层可见光红外混合成像探测器像元结构的制作方法的流程示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
本发明的双层可见光红外混合成像探测器像元结构，包括：作为可见光过滤层的半导体衬底；位于所述半导体衬底下表面的可见光感应区域，所述可见光感应区域包括可见光感应部件和引出极；金属互连以及位于半导体衬底上表面的红外感应区域；红外感应区域包括双红外感应结构；红外感应区域具体包括：第一红外感应结构、第二红外感应结构、接触沟槽结构、支撑部件、介质层；第一红外感应结构位于接触沟槽结构之间的介质层上；介质层覆盖于第一空腔和半导体衬底上表面；位于半导体衬底上表面的介质层中具有第一释放孔，第一释放孔下方的半导体衬底中具有第二空腔；第一红外感应结构与第二红外感应结构都与接触沟槽结构相连，接触沟槽结构与金属互连相连，通过接触沟槽结构将第一红外感应结构和第二红外感应结构所形成的电信号传输到金属互连；第一红外感应结构下方的半导体衬底中具有第一空腔，第二红外感应结构与第一红外感应结构之间具有第三空腔；支撑部件与第二红外感应结构之间具有第四空腔；第一红外感应结构中具有第二释放孔；或者第一红外感应结构与第一红外感应结构下方的介质层中具有第二释放孔；支撑部件顶部具有第三释放孔。支撑部件内表面具有红外反射材料或者支撑部件的材料为红外反射材料。
探测时，可见光和红外光从半导体衬底下表面射入，通过可见光感应区域，部分可见光被所述可见光感应部件吸收；经半导体衬底过滤掉可见光后，红外光透过半导体衬底之后进入所述第一空腔，然后进入第一红外感应结构且部分红外光被第一红外感应结构吸收；未被第一红外感应结构吸收的红外光继续穿过第三空腔进入第二红外感应结构且部分红外光被第二红外感应结构吸收；未被第二红外感应结构吸收的红外光进入第四空腔，然后被红外反射材料反射回到第二红外感应结构，进而被红外感应结构吸收。
需要注意的是，半导体衬底可以为具有前道器件、前道互连和后道互连的半导体衬底，半导体衬底的材料可以为硅或者锗硅，只要是能够吸收可见光的材料均可应用于本发明中的半导体衬底中，这样可以提高探测精度和成像质量。
第一空腔可以避免红外光在传播过程中的损失，并且将第一红外感应结构和半导体衬底隔离开来，减少第一红外感应结构的热损失而起到热隔离作用；第三空腔可以避免红外光在传播过程中的损失，并且将第二红外感应结构和第一红外感应结构以及半导体衬底隔离开来，进一步减少第二红外感应结构的热损失而起到热隔离作用；第四空腔用作谐振腔；第二空腔可以避免红外光在传播过程中的损失，并且将第一红外感应结构和半导体衬底隔离开来。
以下结合附图1-2和具体实施例对本发明的双层可见光红外混合成像探测器像元结构及其制备方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图1，在本发明的一个实施例中，箭头方向表示光线射入方向，双层可见光红外混合成像探测器像元结构，包括：
一硅衬底200，作为可见光过滤层；
可见光感应区域，位于硅衬底200下表面，可见光感应区域包括可见光感应部件201和将可见光感应部件所形成的电信号输出的接触部件；接触部件作为引出极；可见光感应部件可以为PN结，利用光电转换原理，来形成对可见光的感应；
后道金属互连203，位于硅衬底200下表面；
前道器件202，在硅衬底200下表面中，可见光感应部件201和前道器件202相间设置；在前道器件202和可见光感应部件201均与后道金属互连203相连接；位于可见光感应区域两侧的硅晶圆200表面的后道金属互连203部分与接触孔209底部相连。
红外感应区域，位于硅衬底200上表面，包括：
第一空腔211，位于硅衬底200中；如果硅衬底200为多层，则可以位于硅衬底200的顶层中；
介质层204，覆盖于第一空腔211和硅衬底200上表面；位于硅衬底200上表面的介质层204中具有第一释放孔K’1，第一释放孔K’1下方的硅衬底200中具有第二空腔212；本实施例中，第二空腔212侧壁与接触沟槽结构210外侧壁的距离可以不大于2微米，甚至可以相接触，这是因为第二空腔212和第一空腔211可以对红外感应区域与衬底起到一定的热隔离作用，从而避免衬底对红外感应区域的干扰。需要说明的是，由于释放工艺的原因，第一空腔上的介质层的厚度可能会小于硅衬底上表面的介质层的厚度。
接触沟槽结构210，位于第一空腔211两侧的介质层204中；
接触孔209，顶部与接触沟槽结构210相连，底部与后道金属互连203相连，用于将第一红外感应结构所输出的电信号输出到后道金属互连203上；
第一红外感应结构，位于第一空腔211上方的介质层204上，第一红外感应结构边缘与接触沟槽结构210相连；第一红外感应结构和第一红外感应结构下方的介质层204中具有第二释放孔K’2；
第二红外感应结构，位于第一红外感应结构之上，且第二红外感应结构边缘与接触沟槽结构210相连；第二红外感应结构与第一红外感应结构之间构成第三空腔213；第二红外感应结构顶部具有第四释放孔K’4；
其中，第一红外感应结构的底部接触沟槽结构210的顶部相齐平；第二红外感应结构边缘底部与接触沟槽结构210顶部相连，第二红外感应结构顶部的下表面高于第一红外感应结构上表面；第一红外感应结构的上表面与第二红外感应结构的侧壁内表面及其顶部之间形成第三空腔213。第一红外感应结构包括第一下释放保护层205、第一红外感应部件206、第一电极层207和第一上释放保护层208，第一下释放保护层205底部具有介质层204部分；第二红外感应结构包括第二下释放保护层205’、第二红外感应部件206’、第二电极层207’和第二上释放保护层208’；第一电极层207的底部与第二电极层207’的底部相连且均与接触沟槽结构210相连接。
具体的，第一红外感应结构的第一下释放保护层205、第一红外感应部件206、第一电极层207和第一上释放保护层208构成具有凹凸起伏表面的第一微桥结构，第一上释放保护层208和第一下释放保护层205将第一红外感应部件206和第一电极层207包覆在其中；本实施例中，第一下释放保护层205的整个底部与接触沟槽结构210的顶部齐平；第一微桥结构直接搭接在硅衬底200上表面，而无需在第一微桥结构边缘设置支撑孔用于支撑第一微桥结构；具体的，第一红外感应部件206的整个底部具有第一下释放保护层205；第二释放孔K’2穿透第一上释放保护层208、第一电极层207、第一红外感应部件206和第一下释放保护层205；第一红外感应部件206，位于可见光感应区域的上方；第一电极层207，位于第一红外感应部件206上，用于输出第一红外感应部件206产生的电信号；第一电极层207的边缘超出第一红外感应部件206的边缘；第一上释放保护层208，覆盖第一电极层207表面并填充于第一电极层207的图案间距中，第一电极层207的图案间距中的第一上释放保护层208的底部与第一红外感应部件206的顶部接触；其中，第一上释放保护层208与第一红外感应部件206两者相接触的部分以及该接触部分下方的第一下释放保护层205中具有第二释放孔K’2；并且，第二释放孔K’2下方的硅衬底100中具有第一空腔211。
第二红外感应结构的第二下释放保护层206’、第二红外感应部件207’、第二电极层208’和第二上释放保护层209’构成具有凹凸起伏表面的第二微桥结构，第二上释放保护层209’和第二下释放保护层206’将第二红外感应部件207’和第二电极层208’包覆在其中；具体的，第二红外感应部件207’的整个底部具有第二下释放保护层206’；第二红外感应部件207’，位于可见光感应区域的上方；第二电极层208’，位于第二红外感应部件207’上，用于输出第二红外感应部件207’产生的电信号；第二电极层208’的边缘超出第二红外感应部件207’的边缘；第二上释放保护层209’，覆盖第二电极层208’表面并填充于第二电极层208’的图案间距中，第二电极层208’的图案间距中的第二上释放保护层209’的底部与第二红外感应部件207’的顶部接触。第二红外感应结构两端也可以具有支撑孔。本实施例中，第二红外感应结构顶部具有第四释放孔K’4。支撑部件215，位于第二红外感应结构的外围且与第二红外感应结构不接触；支撑部件215边缘具有支撑孔；支撑孔底部位于接触沟槽结构210外侧的介质层204表面，支撑部件和第二红外感应结构之间构成第四空腔214；在支撑部件顶部具有第三释放孔K’3；支撑部件215的内表面具有红外反射材料或者整个支撑部件215为红外反射材料。需要说明的是，图1中显示的为器件的横截面结构示意图，整个器件中，第二红外感应结构与支撑部件之间具有连通的空隙，例如，在纵截面结构上，第二红外感应结构的边缘不具有侧壁，因此，红外感应结构的该边缘与支撑部件之间具有连通的空隙。
本发明的一个较佳实施例中，请参阅图2，以制备上述的双层可见光红外混合成像探测器像元结构为例来描述本发明的单芯片可见光红外混合成像器件的制备方法，其包括以下步骤：
步骤01：提供一半导体衬底；并在半导体衬底下表面制备可见光感应区域的可见光感应部件和接触部件；
具体的，这里可以为硅衬底；硅衬底的材料可以为非晶硅；可见光感应部件为光电二极管，光电二极管及其接触部件的制备可以采用现有的方法；接触部件可以为接触孔。首先，在晶圆下表面中形成前道器件和可见光感应部件，可见光感应部件和前道器件相间设置；然后，在前道器件底部形成后道金属互连。
在本发明的其它实施例中，本步骤01中，还包括：在后道互连的图案之间形成光吸收增强材料。
步骤02：在半导体衬底的上表面形成介质层，并且在待形成接触沟槽结构区域两侧的介质层中形成第一释放孔；
具体的，介质层的沉积可以但不限于采用化学气相沉积法，可以但不限于采用化学机械研磨工艺来进行平坦化工艺来平坦化介质层顶部。第一释放孔的形成可以采用光刻和刻蚀工艺来进行。
步骤03：在金属互连上方的半导体衬底中形成接触孔，以及在接触孔上方的介质层中形成接触沟槽结构；
具体的，可以采用大马士革工艺在介质层和晶圆中形成顶部具有接触沟槽结构的通孔，并采用化学机械研磨工艺来进行平坦化接触沟槽结构顶部；接触沟槽结构用于与电极层的边缘相连接。这里，通孔底部与位于可见光感应区域外侧的晶圆下表面的后道互连部分相连接。
步骤04：在接触沟槽结构之间的介质层上形成第一红外感应结构，第一红外感应结构的边缘与接触沟槽结构相连接；并且，在第一红外感应结构和第一红外感应结构下方的介质层中形成第二释放孔；
具体的，包括：
首先，在接触沟槽结构之间的介质层和接触沟槽结构的上表面依次形成第一下释放保护层材料和第一红外感应材料，并图案化红外感应材料和下释放保护层材料，以形成第一下释放保护层和第一红外感应部件，例如，采用光刻和刻蚀工艺，来刻蚀红外感应材料的边缘和下释放保护层材料的边缘，从而使形成的下释放保护层的边缘和形成的红外感应部件的边缘齐平，并且不超过通孔顶部内壁所在位置，这样，所形成的红外感应部件和下释放保护层就不会遮挡到通孔顶部；
然后，在红外感应材料表面和通孔表面形成金属材料，并图案化金属材料，以形成第一电极层；电极层的边缘超过红外感应材料的边缘，并且与通孔顶部相接触；例如，可以采用物理气相沉积工艺在衬底上表面沉积一层金属材料，然后经光刻和刻蚀工艺，在金属材料中刻蚀出凹槽，形成第一电极层；需要说明的是，由于附图中仅是从器件的截面结构来描述的，电极层虽在附图中的位置显示为间断的表面，但是，电极层可以在器件的其它位置为连续的表面。
接着，在第一电极层表面及其图案间距中形成第一上释放保护层材料，然后图案化上释放保护层材料，以形成第一上释放保护层，第一上释放保护层将第一电极层两端暴露出；第一上释放保护层填充于第一电极层的图案间距中的部分与第一红外感应部件相接触。
最后，在第一上释放保护层与第一红外感应部件两者相接触的部分形成第二释放孔。
步骤05：在第一红外感应结构上方形成第一牺牲层；并且刻蚀第一牺牲层，述第一牺牲层的侧壁不超过第一红外感应结构的边缘；
具体的，可以采用化学气相沉积工艺或者涂覆来形成第一牺牲层材料。可以但不限于采用化学机械研磨工艺来平坦化第一牺牲层顶部表面。这里，第一牺牲层的侧壁不超过第一电极层的边缘。
步骤06：在第一牺牲层表面形成第二红外感应结构；第二红外感应结构的边缘与接触沟槽结构相连；
具体的，可以但不限于依次形成第二下释放保护层、第二红外感应部件、第二电极层和第二上释放保护层，形成每个层的过程中都包括沉积步骤和图案化该层的步骤；还包括在第二红外感应结构顶部形成第四释放孔，第四释放孔可以更有利于释放掉释放工艺中所需释放的材料；第二上释放保护层和第二下释放保护层将第二红外感应部件和电极层包覆住；在本发明的其它实施例中，第二电极层和第二红外感应部件的形成顺序可以互换；该第二红外感应结构中也可以不形成释放孔。这里，第一电极层的底部与第二电极层的底部相连且均与接触沟槽结构相连接。
步骤07：在介质层和第二红外感应结构上形成第二牺牲层；并且图案化第二牺牲层，在第二牺牲层中形成沟槽；沟槽的底部暴露出接触沟槽结构外侧的介质层的部分表面；
具体的，首先，可以采用化学气相沉积工艺或者涂覆来形成第二牺牲层，可以但不限于采用化学机械研磨工艺来平坦化第二牺牲层顶部表面。然后，可以但不限于采用光刻和刻蚀工艺在第二牺牲层边缘区域形成沟槽，沟槽位于第二红外感应结构外侧，沟槽用于形成后续的支撑孔。
步骤08：在第二牺牲层表面和沟槽中沉积一层支撑材料，从而形成支撑部件，并且在支撑部件顶部形成第三释放孔；
具体的，本实施中，利用红外反射材料对未经第一、第二红外感应结构吸收的红外光进行反射，使第一、第二红外感应结构对红外光再吸收，从而彻底吸收入射的红外光；在支撑部件顶部的内表面具有红外反射材料，例如在第二牺牲层顶部表面形成红外反射材料层，或者整个支撑部件的内表面具有红外反射材料，例如在具有沟槽的第二牺牲层整个表面形成红外反射材料；然后在红外反射材料和未被遮挡的第二牺牲层表面沉积一层支撑材料；或者整个支撑部件可以为红外反射材料，从而形成边缘区域具有支撑孔的支撑部件。
步骤09：通过第二红外感应结构与支撑部件之间的连通的空隙、第一释放孔、第二释放孔和第三释放孔进行释放工艺，将第一释放孔下方的部分半导体衬底、第一牺牲层、第二牺牲层和第二释放孔下方的部分半导体衬底释放掉，从而分别形成第二空腔、第三空腔、第四空腔和第一空腔；
具体的，由于支撑部件位于第二红外感应结构外围且不与之接触，第二红外感应结构的某些边缘与支撑部件之间具有连通的空隙，因此，第二红外感应结构下的第一牺牲层材料可以通过第二红外感应结构和支撑部件的连通的空隙释放出去。本实施例中，由于第二红外感应结构顶部也具有第四释放孔，所以，第一牺牲层材料也同时通过第二红外感应结构顶部的第四释放孔释放出去。当硅衬底和第一、第二牺牲层的材料为非晶硅时，则采用XeF2作为释放气体，将部分硅衬底和全部牺牲层材料去除，此时，上释放保护层和下释放保护层的材料为二氧化硅和铝的复合材料。在本发明的另一实施例中，当硅衬底和第一、第二牺牲层材料均为氧化硅时，可以采用气态氟化氢作为释放气体，将部分硅衬底和全部的牺牲层材料去除，此时，上释放保护层和下释放保护层的材料为氮化硅、或硅等。在本发明的又一实施例中，当硅衬底的上表面的材料以及第一、第二牺牲层材料为有机物时，例如光刻胶，聚酰亚胺，可以采用O2作为释放气体，将部分硅衬底和全部的牺牲层材料去除，此时，上释放保护层和下释放保护层的材料为无机物材料。
综上所述，本发明的双层可见光红外混合成像探测器像元结构及其制备方法，将可见光感应区域和红外感应区域集成在芯片中，巧妙的利用晶圆作为光过滤层，无需另外设置光过滤层，并且，所采用的双红外感应结构中，第一红外感应结构下方设置了空腔，上述两种结构使得形成的器件在垂直方向上的高度降低，从而减小了器件的体积、减少了工艺步骤和节约了成本，使可见光红外混合成像微型化、芯片化成为可能；此外，在衬底中形成空腔，可以减少光在较长路径传播过程中的损失，提高了透射率，从而提高了器件的混合成像质量；再者，在第一红外感应结构两侧的介质层下方设置了第四空腔，可以更进一步避免第一红外感应结构中的热传递到衬底中，提高了器件的性能；而且，在半导体衬底上形成双红外感应结构，可以增加对红外光的吸收率，进一步提高混合成像质量。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (10)
1.一种双层可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，包括：
一半导体衬底，作为可见光过滤层；
可见光感应区域，位于所述半导体衬底下表面，所述可见光感应区域包括可见光感应部件和接触部件；
金属互连，位于所述半导体衬底下表面；所述金属互连与所述可见光感应区域的所述接触部件相连；
红外感应区域，位于半导体衬底上表面，并且具有双层红外感应结构，其包括：
第一空腔，位于所述半导体衬底中；
介质层，覆盖于所述第一空腔和所述半导体衬底上表面；位于所述半导体衬底上表面的所述介质层中具有第一释放孔，所述第一释放孔下方的所述半导体衬底中具有第二空腔；
接触沟槽结构，位于所述第一空腔两侧的所述介质层中；
接触孔，其顶部与所述接触沟槽结构相连，其底部与所述金属互连相连；
第一红外感应结构，位于所述第一空腔上方的所述介质层上，所述第一红外感应结构边缘与所述接触沟槽结构相连；所述第一红外感应结构和所述第一红外感应结构下方的所述介质层中具有第二释放孔；
第二红外感应结构，位于所述第一红外感应结构之上，且所述第二红外感应结构边缘与所述接触沟槽结构相连；所述第二红外感应结构与所述第一红外感应结构之间构成第三空腔；
支撑部件，位于所述第二红外感应结构的外围且与所述第二红外感应结构不接触；所述支撑部件的两侧具有支撑孔，所述支撑部件的顶部具有第三释放孔；所述支撑孔底部位于所述接触沟槽结构外侧的所述介质层上；所述支撑部件与所述第二红外感应结构之间具有第四空腔，并且所述第二红外感应结构和所述支撑部件之间具有连通的空隙；所述支撑部件的内表面具有红外反射材料或者整个所述支撑部件为红外反射材料；
其中，可见光和红外光从所述半导体衬底下表面射入，通过所述可见光感应区域，部分所述可见光被所述可见光感应部件吸收；经所述半导体衬底过滤掉可见光后，红外光透过所述半导体衬底之后进入所述第一空腔，然后进入所述第一红外感应结构且部分所述红外光被所述第一红外感应结构吸收；未被所述第一红外感应结构吸收的红外光继续穿过所述第三空腔进入所述第二红外感应结构且部分所述红外光被所述第二红外感应结构吸收；未被所述第二红外感应结构吸收的红外光进入所述第四空腔，然后被所述红外反射材料反射回到所述第二红外感应结构，进而被所述红外感应结构吸收。
2.根据权利要求1所述的双层可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，所述第一红外感应结构的底部与所述接触沟槽结构的顶部相齐平；所述第二红外感应结构边缘底部与所述接触沟槽结构顶部相连，所述第二红外感应结构顶部的下表面高于所述第一红外感应结构上表面；所述第一红外感应结构的上表面与所述第二红外感应结构的侧壁内表面及其顶部之间形成所述第二空腔。
3.根据权利要求2所述的双层可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，所述第一红外感应结构包括第一下释放保护层、第一红外感应部件、第一电极层和第一上释放保护层；所述第二红外感应结构包括第二下释放保护层、第二红外感应部件、第二电极层和第二上释放保护层；所述第一电极层的底部与所述第二电极层的底部相连且均与所述接触沟槽结构相连接。
4.根据权利要求1所述的双层可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，所述第二红外感应结构顶部具有第四释放孔。
5.根据权利要求1所述的双层可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，在所述半导体衬底下表面中具有前道器件，所述可见光感应部件和所述前道器件相间设置；在所述前道器件底部具有后道互连；所述后道互连与所述接触孔底部相连。
6.根据权利要求1所述的双层可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，所述第二空腔侧壁与所述接触沟槽结构外侧壁的距离不大于2微米。
7.一种权利要求1所述的双层可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法，其特征在于，包括：
步骤01：提供一半导体衬底；并在所述半导体衬底下表面制备所述可见光感应区域的所述可见光感应部件和所述接触部件、以及所述金属互连；
步骤02：在所述半导体衬底的上表面形成所述介质层，并且在待形成所述接触沟槽结构区域两侧的所述介质层中形成所述第一释放孔；
步骤03：在所述金属互连上方的所述半导体衬底中形成所述接触孔，以及在所述接触孔上方的所述介质层中形成所述接触沟槽结构；
步骤04：在所述接触沟槽结构之间的所述介质层上形成所述第一红外感应结构，所述第一红外感应结构的边缘与所述接触沟槽结构相连接；并且，在所述第一红外感应结构和所述第一红外感应结构下方的所述介质层中形成所述第二释放孔；
步骤05：在所述第一红外感应结构上方形成第一牺牲层；并且刻蚀所述第一牺牲层，使所述第一牺牲层的侧壁不超过所述第一红外感应结构的边缘；
步骤06：在所述第一牺牲层表面形成所述第二红外感应结构；所述第二红外感应结构的边缘与所述接触沟槽结构相连；
步骤07：在所述介质层和所述第二红外感应结构上形成第二牺牲层；并且图案化所述第二牺牲层，在所述第二牺牲层中形成沟槽；所述沟槽的底部暴露出所述接触沟槽结构外侧的所述介质层的部分表面；
步骤08：在所述第二牺牲层表面和所述沟槽中沉积一层支撑材料，从而形成所述支撑部件，并且在所述支撑部件顶部形成所述第三释放孔；
步骤09：通过所述第二红外感应结构与所述支撑部件之间的所述连通的空隙、所述第一释放孔、所述第二释放孔和所述第三释放孔进行释放工艺，将所述第一释放孔下方的部分所述半导体衬底、所述第一牺牲层、所述第二牺牲层和第二释放孔下方的部分所述半导体衬底释放掉，从而分别形成所述第二空腔、所述第三空腔、所述第四空腔和所述第一空腔。
8.根据权利要求7所述的双层可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法，其特征在于，所述第一红外感应结构包括第一下释放保护层、第一红外感应部件、第一电极层和第一上释放保护层；所述第二红外感应结构包括第二下释放保护层、第二红外感应部件、第二电极层和第二上释放保护层；所述步骤05中，所述第一牺牲层的侧壁不超过所述第一电极层的边缘；所述步骤06中，所述第一电极层的底部与所述第二电极层的底部相连且均与所述接触沟槽结构相连接。
9.根据权利要求8所述的双层可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法，其特征在于，当所述第一牺牲层、所述第二牺牲层以及所述半导体衬底的材料均为非晶硅时，采用XeF2作为释放气体，将所述第一牺牲层、所述第二牺牲层以及部分所述半导体衬底去除，此时，所述上释放保护层和所述下释放保护层的材料为二氧化硅和铝的复合材料；或者当所述第一牺牲层、所述第二牺牲层以及所述半导体衬底的材料均为氧化硅时，可以采用气态氟化氢作为释放气体，将所述第一牺牲层、所述第二牺牲层以及部分所述半导体衬底的材料去除，此时，所述上释放保护层和所述下释放保护层的材料为氮化硅、或硅；或者当所述第一牺牲层、所述第二牺牲层以及所述半导体衬底的上表面的材料为有机物时，可以采用O2作为释放气体，将全所述第一牺牲层、所述第二牺牲层以及部分所述半导体衬底的材料去除，此时，所述上释放保护层和所述下释放保护层的材料为无机物材料。
10.根据权利要求7所述的双层可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法，其特征在于，所述步骤06中，还包括：在所述第二红外感应结构顶部形成第四释放孔；所述步骤09中，所述释放孔工艺的进行还包括通过所述第四释放孔。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |