CN105206636B - 可调节的混合成像探测器像元结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可调节的混合成像探测器像元结构及其制备方法，包括将可见光感应区域和红外感应区域集成在芯片中，红外感应区域包括：位于半导体衬底上表面的红外窗口材料，用于选择性透过所需波段的红外光；位于红外窗口材料两侧的半导体衬底上表面的互连层；位于红外窗口材料和互连层的上表面的介质层；在红外窗口材料上方两侧的介质层中具有接触沟槽结构；红外感应结构，其具有第一中间拱起部分和第一端部支撑部分，第一中间拱起部分位于红外窗口材料的正上方对应位置，且与介质层之间构成第一空腔；第一端部支撑部分的电极层与接触沟槽结构相接触；以及位于红外感应结构的外围且的支撑部件。

Description

可调节的混合成像探测器像元结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种入射光可调节的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入射光可调节的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，本发明提供了入射光可调节的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引出极；

红外感应区域，位于半导体衬底上表面，其包括：

红外窗口材料，位于所述半导体衬底上表面，用于选择性透过所需波段的红外光；

互连层，位于所述红外窗口材料两侧的所述半导体衬底上表面；

介质层，位于所述红外窗口材料和所述互连层的上表面；在所述红外窗口材料上方两侧的所述介质层中具有接触沟槽结构；

红外感应结构，包括：下释放保护层、红外感应部件、电极层和上释放保护层；所述红外感应结构具有第一中间拱起部分和第一端部支撑部分，所述第一中间拱起部分位于所述红外窗口材料的正上方对应位置，且与所述红外增透材料层之间构成第一空腔；所述第一端部支撑部分的电极层与所述接触沟槽结构相接触，用于将所述红外感应部件产生的电信号通过所述接触沟槽结构传输到所述互连层中；

支撑部件，位于所述红外感应结构的外围且与所述红外感应结构不接触；所述支撑部件包括第二中间拱起部分和第二端部支撑部分；所述第二端部支撑部分位于所述接触沟槽结构外侧的所述介质层表面，所述第二中间拱起部分与所述第一中间拱起部分之间构成第二空腔，并且所述红外感应结构与所述支撑部件之间具有连通的空隙；在所述第二中间拱起部分的顶部具有释放孔；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，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继续进入所述红外感应区域，所述红外光被所述红外感应部件吸收；未经所述红外感应部件吸收的红外光，经所述红外反射材料反射到所述红外感应部件，进而被所述红外感应部件吸收。

优选地，所述可见光感应区域位于所述红外感应区域的正下方。

优选地，所述介质层的材料为红外增透介质材料，用于增加从所述红外窗口材料穿过的所述所需波段的红外光的透过性以及对所述互连层进行隔离。

优选地，所述第一中间拱起部分的顶部具有释放孔。

优选地，所述互连层为后道互连层，所述后道互连层下表面连接有前道器件。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种上述的入射光可调节的可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法，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引出极；

步骤02：在所述半导体衬底的上表面形成一层介质材料，并在所述介质材料中待形成所述红外窗口材料的区域两侧形成所述互连层；

步骤03：去除所述互连层之间的所述介质材料，并在去除所述介质材料之后所形成的镂空区域中填充所述红外窗口材料；

步骤04：在所述红外窗口材料和所述互连层的上表面形成所述介质层，并在所述红外窗口材料上方两侧的所述互连层的上表面形成所述接触沟槽结构；

步骤05：在所述介质层和所述接触沟槽结构的上表面形成第一牺牲层材料，并图案化所述第一牺牲层材料，使所述第一牺牲层材料的侧壁与所述接触沟槽结构的外侧壁在水平方向上具有一定的间距；

步骤06：在所述第一牺牲层材料的侧壁和顶部、以及未被所述第一牺牲层材料遮挡的所述接触沟槽结构上表面形成所述红外感应结构；其中，所述红外感应结构的所述第一中间拱起部分位于所述第一牺牲层材料的侧壁和顶部，所述红外感应结构的所述第一端部支撑部分的所述电极层与未被所述第一牺牲层材料遮挡的所述接触沟槽结构相接触；

步骤07：在完成所述步骤06的所述半导体衬底上形成一层第二牺牲层材料，并平坦化所述第二牺牲层材料的顶部表面；

步骤08：图案化所述第二牺牲层材料，使所述第二牺牲层材料的侧壁超过所述接触沟槽结构的外侧壁，且图案化后的所述第二牺牲层材料与所述互连层的外侧壁在水平方向上具有一定的间距；

步骤09：在图案化后的所述第二牺牲层材料顶部和侧壁、以及未被所述第二牺牲层材料遮挡的所述介质层上形成所述支撑部件，并在所述支撑部件的顶部形成释放孔；其中，所述支撑部件的所述第二中间拱起部分位于图案化后的所述第二牺牲层材料顶部和侧壁，且所述释放孔位于所述第二中间拱起部分的顶部；所述第二端部支撑部分位于所述未被所述第二牺牲层材料遮挡的所述介质层上；

步骤10：通过所述红外感应结构与所述支撑部件之间的所述连通的空隙、以及所述支撑部件顶部的所述释放孔进行释放工艺，以去除所述第一牺牲层材料和所述第二牺牲层材料，从而在所述第一中间拱起部分与所述介质层之间构成第一空腔，以及在所述第二中间拱起部分与所述第一中间拱起部分之间构成第二空腔。

优选地，所述步骤06中，还包括：在所述红外感应结构的所述第一中间拱起部分的顶部形成释放孔；所述步骤10中的释放工艺还包括通过所述红外感应结构的所述释放孔。

优选地，所述可见光感应区域位于所述红外感应区域的正下方。

优选地，所述互连层为后道互连层，所述步骤02中，在形成所述介质层之前，包括：在待形成所述后道互连层的区域下方形成前道器件。

优选地，所述步骤04中，采用大马士革工艺形成所述接触沟槽结构。

优选地，所述介质层的材料为红外增透介质材料，用于增加从所述红外窗口材料穿过的所述所需波段的红外光的透过性以及对所述互连层进行隔离。

为了实现上述目的，本发明还提供了上述入射光可调节的可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法，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引出极；

步骤02：在所述晶圆上表面形成所述互连层；在所述互连层中刻蚀出所述沟槽，并在所述沟槽中填充所述红外窗口材料；

步骤03：在所述互连层上形成所述接触沟槽结构，在所述接触沟槽结构之间以及所述接触沟槽结构外侧形成所述介质层；

步骤04：在所述接触沟槽结构和所述介质层上形成第一牺牲层；

步骤05：在所述第一牺牲层中形成第一沟槽，所述第一沟槽底部暴露出所述接触沟槽结构；

步骤06：在具有所述第一沟槽的所述第一牺牲层上形成所述红外感应结构；位于所述第一支撑孔底部的所述红外感应结构与暴露的所述接触沟槽结构相连接；

步骤07：在完成所述步骤06的所述晶圆上形成第二牺牲层；

步骤08：在所述第二牺牲层中形成第二沟槽，所述第二沟槽底部暴露出所述接触沟槽结构外侧的所述介质层；

步骤09：在具有所述第二沟槽的所述第二牺牲层上形成所述支撑部件，并且在所述支撑部件顶部形成所述第一释放孔；

步骤10：通过所述红外感应结构边缘与所述支撑部件之间的所述连通的空隙、以及所述第一释放孔进行释放工艺，将所述第一牺牲层和所述第二牺牲层释放掉，从而形成所述第一空腔和所述第二空腔。

优选地，所述介质层的材料为红外增透介质材料，用于增加从所述红外窗口材料穿过的所述所需波段的红外光的透过性以及对所述互连层进行隔离。

本发明的入射光可调节的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，通过采用半导体衬底作为可见光过滤层，而无需额外增加可见光过滤层，减小了器件体积和成本；并且采用红外窗口材料来过滤掉不需要波段的红外光，对所需成像的入射光的选择性，实现了对混合成像的入射光的调节控制，进一步地可以采用红外增透介质层增加所需波段红外光的透过性，从而提高了红外感应区域的成像质量，而且使可见光红外混合成像微型化、芯片化成为可能。

附图说明

图1为本发明的第一实施例的可见光红外混合成像探测器像元结构的截面结构示意图

图2为本发明的第二实施例的可见光红外混合成像探测器像元结构的截面结构示意图

图3为本发明的第三实施例的可见光红外混合成像探测器像元结构的截面结构示意图

图4为本发明的一个较佳实施例的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

图5为本发明的另一个较佳实施例的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；位于半导体衬底下表面的可见光感应区域，可见光感应区域包括可见光感应部件和引出极；位于半导体衬底上表面的红外感应区域，其包括：位于半导体衬底上表面的红外窗口材料，用于选择性透过所需波段的红外光；位于红外窗口材料两侧的半导体衬底上表面的互连层；位于红外窗口材料和互连层的上表面的介质层；在红外窗口材料上方两侧的介质层中具有接触沟槽结构；红外感应结构；以及支撑部件；其中，红外感应结构包括：下释放保护层、红外感应部件、电极层和上释放保护层；红外感应结构具有第一中间拱起部分和第一端部支撑部分，第一中间拱起部分位于所述红外窗口材料的正上方对应位置，且与介质层之间构成第一空腔；第一端部支撑部分的电极层与接触沟槽结构相接触，用于将红外感应部件产生的电信号通过接触沟槽结构传输到互连层中；支撑部件位于红外感应结构的外围且与红外感应结构不接触；支撑部件包括第二中间拱起部分和第二端部支撑部分；第二端部支撑部分位于接触沟槽外侧的介质层表面，第二中间拱起部分与第一中间拱起部分之间构成第二空腔，并且红外感应结构与支撑部件之间具有连通的空隙；在第二中间拱起部分的顶部具有释放孔；支撑部件的内表面具有红外反射材料或者整个支撑部件为红外反射材料。

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。

第一空腔增加红外感应结构与半导体衬底之间的距离，起到红外感应结构与半导体衬底以及介质层之间的热隔离作用；第二空腔为谐振腔，用于将未经红外感应结构吸收的红外光进行反复多次反射到红外感应结构上，从而实现对入射的红外光的完全吸收。

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，所述可见光被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继续进入红外感应区域，红外光被红外感应部件吸收；未经红外感应部件吸收的红外光，经红外反射材料反射到红外感应部件，进而被红外感应部件吸收。

以下结合附图1-5和具体实施例对本发明的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，在本发明的第一实施例中，箭头方向表示光线射入方向，可见光红外混合成像探测器像元结构，包括：

一硅衬底100，作为可见光过滤层；硅衬底100中具有前道器件114；

可见光感应区域VS，位于硅衬底100下表面，可见光感应区域VS包括可见光感应部件和将可见光感应部件所形成的电信号输出的接触孔115；接触孔115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；可见光感应区域VS中的可见光感应部件可以为一个，也可以为多个且呈阵列分布；

红外感应区域，位于可见光区域VS的正上方，包括：

红外窗口材料103，位于硅衬底100上表面，用于选择性透过所需波段的红外光；红外窗口材料103可以为常规的红外光滤波材料，可以为硅、锗硅或者硫化硒等。在红外窗口材料103两侧还具有介质层101，介质层101用于隔离相邻的红外感应区域的互连层，本实施例中互连层为后道互连层102。

后道互连层102，位于红外窗口材料103两侧的硅衬底100上表面；在后道互连层下方的连接有前道器件；

红外增透介质层104，用于增加从红外窗口材料103穿过的所需波段的红外光的透过性以及对后道互连层102进行隔离，其位于红外窗口材料103和后道互连层102的上表面；在红外窗口材料103上方两侧的红外增透介质层104中具有接触沟槽结构105；红外增透介质层104的材料可以为氧化硅。需要说明的是，在本发明的其它实施例中，该介质层104也可以为普通介质层，而不具有红外增透功能。

红外感应结构，具有下释放保护层106、红外感应部件107、电极层108、上释放保护层109；其中，下释放保护层106、红外感应部件107、电极层108和上释放保护层109构成具有凹凸起伏表面的微桥结构，上释放保护层109和下释放保护层106将红外感应部件107和电极层108包覆在其中；具体的，红外感应部件107的整个底部具有下释放保护层106；红外感应部件107，位于可见光感应区域VS的上方；电极层108，位于红外感应部件107上，用于输出红外感应部件107产生的电信号；电极层108的边缘超出红外感应部件107的边缘；上释放保护层109，覆盖电极层108表面并填充于电极层108的图案间距中，电极层108的图案间距中的上释放保护层109的底部与红外感应部件107的顶部接触；其中，接触沟槽结构的材料可以为Al、Pt；上释放保护层109和下释放保护层106的材料可为二氧化硅(SiO₂)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)等基于Si、0、C、N等成分的薄膜，还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，也可为掺有B、P、C或F等元素的上述薄膜，例如氟硅玻璃(FSG)、硼硅玻璃(BPSG)或磷硅玻璃(PSG)等。上释放保护层109和下释放保护层106将红外感应部件107和电极层108所暴露的部分包住，用以在进行释放工艺时，起到有效保护红外感应部件和电极层的作用，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，也可以避免电极层作为电极发生短路。红外感应部件107的材料可以为非晶硅或氧化钒等。电极层108的材料可以为钛、钽、上下层叠的氮化钛和钛、或上下层叠的钽和氮化钽。

微桥结构的第一中间拱起部分位于红外窗口材料103的正上方对应位置，且与红外增透材料层104之间构成第一空腔112；第一端部支撑部分的电极层108与接触沟槽结构105相接触，用于将红外感应部件107产生的电信号通过接触沟槽结构105传输到后道互连层102中；第一中间拱起部分的顶部具有释放孔K1。

支撑部件110，位于微桥结构的外围且与微桥结构不接触；支撑部件110包括第二中间拱起部分和第二端部支撑部分；第二端部支撑部分位于接触沟槽结构105外侧的红外增透介质层104表面，第二中间拱起部分与第一中间拱起部分之间构成第二空腔113；在第二中间拱起部分的顶部具有释放孔K2；支撑部件110的内表面具有红外反射材料或者整个支撑部件110为红外反射材料。本实施例中，支撑部件110的第二端部支撑部分构成支撑孔111，从而提高支撑部件的支撑能力。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，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，红外感应结构的边缘不具有支撑孔，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。

请参阅图2，在本发明的第二实施例中，箭头方向表示光线射入方向，可见光红外混合成像探测器像元结构，包括：

一硅衬底200，作为将可见光过滤掉的过滤层；硅衬底200上表面具有前道器件213；

可见光感应区域VS2，位于硅衬底200下表面，其包括可见光感应部件和将可见光感应部件所形成的电信号输出的第一接触孔209，第一接触孔209作为可见光感应部件的引出极；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；

红外感应区域IR2，包括：

互连层201，位于硅衬底200上表面；

介质层202，位于互连层201上；在介质层202中具有接触沟槽结构203；

红外感应结构，其为顶部具有凹凸起伏表面和边缘具有第一支撑孔210的微桥结构，其从下往上依次包括：下释放保护层204、红外敏感材料层205、电极层206和上释放保护层207；电极层206的顶部具有若干间断，红外敏感材料层205的顶部呈连续的平坦表面，上释放保护层207基于电极层206的形状而形成凹凸起伏的顶部；上释放保护层207与下释放保护层204将红外敏感材料层205和电极层206暴露的部分覆盖住；位于第一支撑孔210底部的电极层206与接触沟槽结构203接触，微桥结构与介质层202上表面之间具有第一空腔；支撑部件208，位于微桥结构的外围，且与微桥结构不接触，支撑部件208边缘具有第二支撑孔211，第二支撑孔211底部与介质层202相连，支撑部件208顶部具有第一释放孔K’；在支撑部件208的整个内表面或其顶部的内表面具有红外反射材料、或者整个支撑部件208为红外反射材料；支撑部件208与微桥结构之间具有第二空腔；本发明的其它实施例中，还包括：与接触沟槽结构203相连的第二接触孔，作为微桥结构的引出极，第二接触孔的另一端与互连层201相连。需要说明的是，第二接触孔也可以不穿透半导体衬底，而是位于互连层中，例如，半导体衬底表面具有互连层，只要将接触沟槽结构与这些互连层相连即可。在本发明的其它实施例中，微桥结构的顶部还可以具有第二释放孔。需要说明的是，图2中显示的为器件的一横截面结构示意图，整个器件中，红外感应结构与支撑部件之间具有连通的空隙，例如，在纵截面上，红外感应结构的边缘不具有支撑孔，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。

沟槽，位于互连层201中，其位于微桥结构下方的介质层202下表面，且位于可见光感应部件VS2上方；

红外窗口材料212，位于沟槽中，用于将所入射的可见光和非所需波段的红外光过滤掉，只允许透过所需波段的红外光。红外窗口材料212的材料可以为硅、锗硅或者硫化硒等；红外窗口材料212的顶部不超过互连层的顶部，也即是，红外窗口材料212可以填充满沟槽，或者红外窗口材料212不填满沟槽。

转换单元，用于将可见光感应区域和红外感应区域所输出的电信号进行计算并转换为图像。可见光感应区域和红外感应区域所输出的电信号分别通过第一接触孔和第二接触孔，再经互连层分别发送给转换单元。

其中，电极层206与接触沟槽结构203接触，用于将微桥结构中的红外敏感材料层205所形成的电信号输出。接触沟槽结构203的材料可以为Al、Pt；介质层202的材料为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅或非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和碳化硅，或者掺有硼、磷、碳或氟等杂质元素的上述材料；上释放保护层207和下释放保护层204的材料可为二氧化硅(SiO₂)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)等基于Si、O、C、N等成分的薄膜，还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，也可为掺有B、P、C或F等元素的上述薄膜，例如氟硅玻璃(FSG)、硼硅玻璃(BPSG)或磷硅玻璃(PSG)等。上释放保护层207和下释放保护层204将红外敏感材料层205和电极层206包围，用以在进行释放工艺时，起到有效保护红外敏感材料层205和电极层206的作用，同时在制造过程和使用过程中隔离外界的污染和损伤，提高红外敏感材料层的可靠性，也可以避免电极层发生短路。红外敏感材料层205的材料可以为非晶硅或氧化钒等。电极层206的材料可以为钛、钽、上下层叠的氮化钛和钛或上下层叠的钽和氮化钽。

请参阅图3，在本发明的第三实施例中，箭头方向表示光线射入方向，可见光红外混合成像探测器像元结构，包括：

一硅衬底300，作为将可见光过滤掉的过滤层；硅衬底300上表面具有前道器件313；

可见光感应部分VS3，位于半导体衬底300下表面，其包括可见光感应部件和将可见光感应部件所形成的电信号输出的第一接触孔309，第一接触孔309作为可见光感应部件的引出极；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；

红外感应部分IR3，包括：

互连层301，位于硅衬底300上表面；

介质层302，位于互连层301上；在介质层302中具有接触沟槽结构303；

红外感应部件为顶部具有凹凸起伏表面和边缘具有第一支撑孔310的微桥结构，其从下往上依次包括：下释放保护层304、电极层306、红外敏感材料层305和上释放保护层307；电极层306的顶部具有若干凹槽；基于电极层306的形状，红外敏感材料层305的顶部呈连续的凹凸起伏表面，从而上释放保护层307基于红外敏感材料层305的形状而形成凹凸起伏的顶部；上释放保护层307与下释放保护层304将红外敏感材料层305和电极层306暴露的部分均覆盖住；位于第一支撑孔310底部的电极层306与接触沟槽结构303接触，微桥结构与介质层302上表面之间具有第一空腔；支撑部件308，位于微桥结构的外围，且与微桥结构不接触，其边缘具有第二支撑孔311，第二支撑孔311的底部与介质层302相连，支撑部件308顶部具有释放孔K”；在支撑部件308顶部的内表面具有红外反射材料层或者整个支撑部件为红外反射材料层；支撑部件308与微桥结构之间具有第二空腔；本发明的其它实施例中，还包括与接触沟槽结构303相连的第二接触孔，作为微桥结构的引出极，第二接触孔与互连层301相连接；其中，电极层306与接触沟槽结构303接触，用于将红外敏感材料层305所形成的电信号输出。在本发明的其它实施例中，微桥结构的顶部还可以具有第二释放孔。需要说明的是，图3中显示的为器件的一横截面结构示意图，整个器件中，红外感应结构与支撑部件之间具有连通的空隙，例如，在纵截面上，红外感应结构的边缘不具有支撑孔，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。

沟槽，位于互连层301中，其位于微桥结构下方的介质层302下表面，且位于可见光感应部件VS3上方；

红外窗口材料312，位于沟槽中，用于将透过可见光感应部分VS3的入射光中的可见光过滤掉，只允许透过所需波段的红外光，例如，所需波段的红外光为远红外光，则透红外材料层可以将可见光、近红外和中红外过滤掉。红外窗口材料312可以为硅、锗硅或者硫化硒等；红外窗口材料312的顶部不超过互连层的顶部，也即是，红外窗口材料312可以填充满沟槽，或者红外窗口材料312布满沟槽的底部而不填充满沟槽；

转换单元，用于将可见光感应部分和红外感应部分所输出的电信号进行计算并转换为图像。可见光感应部分和红外感应部分所输出的电信号分别通过第一接触孔和第二接触孔，再经互连层分别发送给转换单元。

关于金属图案、上释放保护层和下释放保护层以及电极层、红外敏感材料层的材料可以参见上述第二实施例。

本发明的一个较佳实施例中，请参阅图4，以制备上述的第一实施例的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引出极；

具体的，这里为硅衬底；可见光感应部件为光电二极管，光电二极管及其引出极的制备可以采用现有的方法；在硅衬底下表面中形成可见光感应部件，可见光区域位于红外感应区域正下方，可见光感应部件可以位于红外感应部件正下方；而在本发明的其它实施例中，可见光感应部件也可以不位于红外感应部件下方。

步骤02：在半导体衬底的上表面形成一层介质材料，并在介质材料中待形成红外窗口材料的区域两侧形成互连层；

具体的，首先，在待形成后道互连层下方的区域形成前道器件，然后，可以但不限于采用化学气相沉积法在硅衬底上形成介质层，接着，在前道器件的上方的介质层中形成后道互连层，后道互连层的制备可以采用常规工艺，这里不再赘述。

步骤03：去除互连层之间的介质材料，并在去除介质材料之后所形成的镂空区域中填充红外窗口材料；

具体的，可以但不限于采用光刻和刻蚀工艺去除后道互连层之间的介质材料，然后，可以但不限于采用气相沉积工艺来形成红外窗口材料。红外窗口材料可以为常规的红外光滤波材料，可以为硅、锗硅或者硫化硒等。

步骤04：在红外窗口材料和互连层的上表面形成介质层，并在红外窗口材料上方两侧的互连层的上表面形成接触沟槽结构；

具体的，本实施例中，介质层的材料为红外增透介质材料，用于增加从红外窗口材料穿过的所需波段的红外光的透过性以及对后道互连层进行隔离，可以但不限于采用气相沉积法来形成，红外增透介质材料可以为氧化硅；可以但不限于采用大马士革工艺形成接触沟槽结构，接触沟槽结构用于将红外感应部件产生的电信号输出到后道互连层中。

步骤05：在介质层和接触沟槽结构的上表面形成第一牺牲层材料，并图案化第一牺牲层材料，使第一牺牲层材料的侧壁与接触沟槽结构的外侧壁在水平方向上具有一定的间距；

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。使第一牺牲层材料的侧壁与接触沟槽结构的外侧壁在水平方向上具有一定的间距，可以确保后续形成的电极层与接触沟槽结构相连接。

步骤06：在第一牺牲层材料的侧壁和顶部、以及未被第一牺牲层材料遮挡的接触沟槽上表面形成红外感应结构；其中，红外感应结构的第一中间拱起部分位于第一牺牲层材料的侧壁和顶部，红外感应结构结构的第一端部支撑部分的电极层与未被第一牺牲层材料遮挡的接触沟槽结构相接触；

具体的，可以但不限于依次形成下释放保护层、红外感应部件、电极层和上释放保护层，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；还包括在第一中间拱起部分的顶部形成释放孔；上释放保护层和下释放保护层将红外感应部件和电极层包覆住；在本发明的其它实施例中，电极层和红外感应部件的形成顺序可以互换。

步骤07：在完成步骤06的半导体衬底上形成一层第二牺牲层材料，并平坦化第二牺牲层材料的顶部表面；

具体的，可以采用化学气相沉积工艺或者涂覆来形成第二牺牲层材料。可以但不限于采用化学机械研磨工艺来平坦化第二牺牲层顶部表面。

步骤08：图案化第二牺牲层材料，使第二牺牲层材料的侧壁超过接触沟槽的外侧壁，且图案化后的第二牺牲层材料与互连层的外侧壁在水平方向上具有一定的间距；

具体的，可以但不限于采用光刻和刻蚀工艺来图案化第二牺牲层材料；第二牺牲层的侧壁超过接触沟槽结构的外侧壁，可以确保接触沟槽结构位于后续的支撑部件之内；图案化后的第二牺牲层材料与互连层的外侧壁在水平方向上具有一定的间距，可以确保后续形成的支撑部件的底部端部支撑部分位于后道互连层上方，也即是确保后续形成的第二空腔过大而影响到相邻的红外感应区域或支撑部件的形成。

步骤09：在图案化后的第二牺牲层材料顶部和侧壁、以及未被第二牺牲层材料遮挡的介质层上形成支撑部件，并在支撑部件的顶部形成释放孔；其中，支撑部件的第二中间拱起部分位于图案化后的第二牺牲层材料顶部和侧壁，且释放孔位于第二中间拱起部分的顶部；第二端部支撑部分位于未被第二牺牲层材料遮挡的红外增透介质层上；

具体的，本实施例中，支撑部件位于微桥结构的外围且不与之接触；由于上述第二牺牲层材料的侧壁与后道互连层的外侧壁之间具有一定的间距，从而可以按照牺牲层材料的形状在牺牲层材料表面和侧壁形成一层支撑材料，而且支撑材料在端部支撑部分还可以形成支撑孔，从而增加支撑材料的支撑能力。

步骤10：通过红外感应结构与支撑部件之间的连通的空隙、以及支撑部件顶部的释放孔进行释放工艺，以去除第一牺牲层材料和第二牺牲层材料，从而在第一中间拱起部分与介质层之间构成第一空腔，以及在第二中间拱起部分与第一中间拱起部分之间构成第二空腔。

具体的，由于支撑部件位于微桥结构外围且不与之接触，而微桥结构下的第一牺牲层材料的边缘与第二牺牲层材料接触，微桥结构的某些边缘与支撑部件之间具有连通的空隙，因此，微桥结构下的第一牺牲层材料可以通过支撑部件和微桥结构的连通的空隙释放出去。本实施例中，由于微桥结构顶部也同时具有释放孔，所以，第一牺牲层材料也同时通过微桥结构顶部的释放孔释放出去。当硅衬底的材料、第一牺牲层材料以及第二牺牲层材料均为非晶硅时，可以采用XeF₂作为释放气体，将全部的第一牺牲层材料和第二牺牲层材料去除，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，当第一牺牲层材料以及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，将全部的第一牺牲层材料和第二牺牲层材料去除，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，当第一牺牲层材料以及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，将全部的第一牺牲层材料和第二牺牲层材料去除，此时，上释放保护层和下释放保护层的材料为所有无机物材料。

本发明的另一个较佳实施例中，请参阅图5，上述的第二实施例中的可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤01：提供一半导体衬底，在半导体衬底下表面形成可见光感应区域的可见光感应部件和引出极；

具体的，这里为硅衬底；可见光感应部分包括制备可见光感应部件及其引出极，这里的引出极为第一接触孔。可见光感应部分的制备可以采用现有的方法，本发明对此不再赘述。

步骤02：在半导体衬底上表面形成互连层；在互连层中刻蚀出沟槽，并在沟槽中填充红外窗口材料；

具体的，本实施例中，在形成互连层之前，先在硅衬底上表面形成前道器件；前道器件位于可见光感应区域两侧上方的硅衬底上表面。然后再形成互连层。

互连层的形成方法可以采用现有工艺；可以采用光刻和刻蚀工艺来形成沟槽；可以采用气相沉积法在沟槽中沉积红外窗口材料。红外窗口材料的顶部不超过互连层顶部，其可以填充满沟槽，或者红外窗口材料布满沟槽底部。

在本发明的其它实施例中，还可以包括：在对应于接触沟槽结构下方的互连层中刻蚀出第二接触孔，并在第二接触孔中填充导电金属。第二接触孔一端与接触沟槽结构相连，另一端连接于互连层中，或者穿透硅衬底且连接到硅衬底下表面的其它互连层中。

步骤03：在互连层上表面形成接触沟槽结构，在接触沟槽结构之间以及接触沟槽结构外侧形成介质层；

具体的，可以采用物理气相沉积工艺在晶圆上表面先沉积一层金属层，然后经光刻和刻蚀工艺，在金属层中刻蚀出凹槽，形成金属图案，也即是接触沟槽结构；接着，在接触沟槽结构上沉积介质层，介质层填充于接触沟槽结构之间以及接触沟槽结构的外侧，这种设置可以防止接触沟槽结构之间发生短路。由于介质层沉积时会沉积到接触沟槽结构顶部表面，因此，需要化学机械研磨将介质层平坦化，最终形成的介质层的厚度与接触沟槽结构的厚度相同。

步骤04：在接触沟槽结构和介质层上形成第一牺牲层；

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；

步骤05：在第一牺牲层中形成第一沟槽，第一沟槽底部暴露出接触沟槽结构；

具体的，可以但不限于采用光刻和刻蚀工艺来形成第一沟槽；第一沟槽用于后续形成第一支撑孔。

步骤06：在具有第一沟槽的第一牺牲层上形成红外感应结构；位于第一支撑孔底部的红外感应结构与暴露的接触沟槽结构相连接；

具体的，这里，红外感应结构为上述的顶部具有凹凸起伏表面且边缘具有第一支撑孔的微桥结构；微桥结构中，电极层位于红外敏感材料层上表面，电极层的顶部具有若干凹槽，红外敏感材料层的顶部呈连续的平坦表面，该微桥结构的制备方法包括：

步骤061：在第一牺牲层上和第一支撑孔中沉积下释放保护层，刻蚀出下释放保护层图案，同时刻蚀掉位于第一支撑孔底部的下释放保护层部分，暴露出部分接触沟槽结构；

步骤062：在下释放保护层上和暴露出的部分接触沟槽结构表面沉积所红外敏感材料，刻蚀出红外敏感材料层图案，同时刻蚀掉位于第一支撑孔底部的红外敏感材料层部分；

步骤063：在红外敏感材料层表面和第一支撑孔底部沉积电极材料，并刻蚀出电极层图案，同时在电极材料中形成多个凹槽，从而形成电极层；电极层的多个凹槽底部的红外敏感材料层暴露出来；红外敏感材料层的两端部和电极层的两端部分别对应齐平。

步骤064：在电极层和暴露的红外敏感材料层表面形成上释放保护层。

本本发明的其它实施例中，本步骤06还包括：在形成的微桥结构的顶部形成第二释放孔。

步骤07：在完成步骤06的半导体衬底上形成第二牺牲层；

具体的，第二牺牲层的形成可以但不限于采用涂覆或其他化学气相沉积工艺。第二牺牲层的材料与第一牺牲层的材料相同。

步骤08：在第二牺牲层中形成第二沟槽，第二沟槽底部暴露出接触沟槽结构外侧的介质层；

具体的，可以但不限于采用光刻和刻蚀工艺来形成第二沟槽；第二沟槽用于后续形成第二支撑孔。

步骤09：在具有第二沟槽的第二牺牲层上形成支撑部件，并且在支撑部件顶部形成第一释放孔；

具体的，这里，采用红外反射材料对未经红外敏感材料层吸收的红外光进行反射，进而被红外敏感材料层吸收，从而彻底吸收入射的红外光；在支撑部件的整个内表面具有红外反射材料，可以在第二牺牲层整个表面形成红外反射材料，或者支撑部件的顶部的内表面具有红外反射材料，可以在第二牺牲层顶部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，则无需再沉积红外反射材料。

步骤10：通过红外感应结构边缘与支撑部件之间的连通的空隙、以及第一释放孔进行释放工艺，将第一牺牲层和第二牺牲层释放掉，从而形成第一空腔和第二空腔。

具体的，当第一牺牲层和第二牺牲层的材料为非晶硅时，则采用XeF₂作为释放气体，将第一牺牲层和第二牺牲层去除。

在本发明的其它实施例中，第二接触孔的形成也可以在形成第一空腔和第二空腔之后，其包括：从硅衬底下表面刻蚀出接触孔图案，并填充金属，形成上述的第二接触孔。

本发明中的又一个实施例中，上述的第三实施例中的可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法，与上述的第二实施例中的可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法基本相同，区别在于，微桥结构中，电极层位于红外敏感材料层下表面，电极层的顶部具有若干凹槽，红外敏感材料层的顶部呈连续的凹凸起伏表面，该微桥结构的制备方法包括：

步骤061：在第一牺牲层上和第一支撑孔中沉积下释放保护层，刻蚀出下释放保护层图案，同时刻蚀掉位于第一支撑孔底部的下释放保护层部分，暴露出部分接触沟槽结构；

步骤062：在下释放保护层上和暴露出的部分接触沟槽结构表面沉积电极材料，并刻蚀出电极层图案，同时在电极材料中形成多个凹槽，从而形成电极层；电极层的多个凹槽底部的下释放保护层暴露出来；

步骤063：在电极层表面和暴露的部分下释放保护层表面沉积红外敏感材料，刻蚀出红外敏感材料层图案，从而形成红外敏感材料层；红外敏感材料层的两端部与图案化的电极层的两端部分别对应齐平；

步骤064：在红外敏感材料层表面形成上释放保护层。

综上所述，本发明的入射光可调节的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，通过采用半导体衬底作为可见光过滤层，而无需额外增加可见光过滤层，减小了器件体积和成本；并且采用红外窗口材料来过滤掉不需要波段的红外光，实现了对入射光的选择调节控制，还可以进一步采用红外增透介质层增加所需波段红外光的透过性，从而提高了红外感应区域的成像质量，而且使可见光红外混合成像微型化、芯片化成为可能。

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引出极；

红外感应区域，位于半导体衬底上表面，其包括：

红外窗口材料，用于选择性透过所需波段的红外光；

互连层，位于所述红外窗口材料两侧的所述半导体衬底上表面；

介质层，位于所述红外窗口材料和所述互连层的上表面；在所述红外窗口材料上方两侧的所述介质层中具有接触沟槽结构；

红外感应结构，包括：下释放保护层、红外感应部件、电极层和上释放保护层；所述红外感应结构具有第一中间拱起部分和第一端部支撑部分，所述第一中间拱起部分位于所述红外窗口材料的正上方对应位置，且与所述介质层之间构成第一空腔；所述第一端部支撑部分的电极层与所述接触沟槽结构相接触，用于将所述红外感应部件产生的电信号通过所述接触沟槽结构传输到所述互连层中；

支撑部件，位于所述红外感应结构的外围且与所述红外感应结构不接触；所述支撑部件包括第二中间拱起部分和第二端部支撑部分；所述第二端部支撑部分位于所述接触沟槽结构外侧的所述介质层表面，所述第二中间拱起部分与所述第一中间拱起部分之间构成第二空腔，并且所述红外感应结构与所述支撑部件之间具有连通的空隙；在所述第二中间拱起部分的顶部具有释放孔；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剩余的可见光后，红外光透过所述半导体衬底继续进入所述红外感应区域，部分所述红外光被所述红外感应部件吸收；未经所述红外感应部件吸收的红外光，经所述红外反射材料反射到所述红外感应部件，进而被所述红外感应部件吸收。

2.根据权利要求1所述的可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，所述可见光感应区域位于所述红外感应区域的正下方。

3.根据权利要求1所述的可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，所述介质层的材料为红外增透介质材料，用于增加从所述红外窗口材料穿过的所述所需波段的红外光的透过性以及对所述互连层进行隔离。

4.根据权利要求1所述的可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，所述第一中间拱起部分的顶部具有释放孔。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，所述互连层为后道互连层，所述后道互连层下表面连接有前道器件。

6.一种权利要求1所述的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引出极；

步骤02：在所述半导体衬底的上表面形成一层介质材料，并在所述介质材料中待形成所述红外窗口材料的区域两侧形成所述互连层；

步骤03：去除所述互连层之间的所述介质材料，并在去除所述介质材料之后所形成的镂空区域中填充所述红外窗口材料；

步骤04：在所述红外窗口材料和所述互连层的上表面形成所述介质层，并在所述红外窗口材料上方两侧的所述互连层的上表面形成所述接触沟槽结构；

步骤05：在所述介质层和所述接触沟槽结构的上表面形成第一牺牲层材料，并图案化所述第一牺牲层材料，使所述第一牺牲层材料的侧壁与所述接触沟槽结构的外侧壁在水平方向上具有一定的间距；

步骤06：在所述第一牺牲层材料的侧壁和顶部、以及未被所述第一牺牲层材料遮挡的所述接触沟槽结构上表面形成所述红外感应结构；其中，所述红外感应结构的所述第一中间拱起部分位于所述第一牺牲层材料的侧壁和顶部，所述红外感应结构的所述第一端部支撑部分的所述电极层与未被所述第一牺牲层材料遮挡的所述接触沟槽结构相接触；

步骤07：在完成所述步骤06的所述半导体衬底上形成一层第二牺牲层材料，并平坦化所述第二牺牲层材料的顶部表面；

步骤08：图案化所述第二牺牲层材料，使所述第二牺牲层材料的侧壁超过所述接触沟槽结构的外侧壁，且图案化后的所述第二牺牲层材料与所述互连层的外侧壁在水平方向上具有一定的间距；

步骤09：在图案化后的所述第二牺牲层材料顶部和侧壁、以及未被所述第二牺牲层材料遮挡的所述介质层上形成所述支撑部件，并在所述支撑部件的顶部形成释放孔；其中，所述支撑部件的所述第二中间拱起部分位于图案化后的所述第二牺牲层材料顶部和侧壁，且所述释放孔位于所述第二中间拱起部分的顶部；所述第二端部支撑部分位于所述未被所述第二牺牲层材料遮挡的所述介质层上；

步骤10：通过所述红外感应结构与所述支撑部件之间的所述连通的空隙、以及所述支撑部件顶部的所述释放孔进行释放工艺，以去除所述第一牺牲层材料和所述第二牺牲层材料，从而在所述第一中间拱起部分与所述介质层之间构成第一空腔，以及在所述第二中间拱起部分与所述第一中间拱起部分之间构成第二空腔。

7.根据权利要求6所述的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：在所述红外感应结构的所述第一中间拱起部分的顶部形成释放孔；所述步骤10中的释放工艺还包括通过所述红外感应结构的所述释放孔。

8.根据权利要求6或7所述的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，所述介质层的材料为红外增透介质材料，用于增加从所述红外窗口材料穿过的所述所需波段的红外光的透过性以及对所述互连层进行隔离。

9.一种权利要求1所述的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引出极；

步骤02：在所述半导体衬底上表面形成所述互连层；在所述互连层中刻蚀出所述沟槽，并在所述沟槽中填充所述红外窗口材料；

步骤03：在所述互连层上形成所述接触沟槽结构，在所述接触沟槽结构之间以及所述接触沟槽结构外侧形成所述介质层；

步骤04：在所述接触沟槽结构和所述介质层上形成第一牺牲层；

步骤05：在所述第一牺牲层中形成第一沟槽，所述第一沟槽底部暴露出所述接触沟槽结构；

步骤06：在具有所述第一沟槽的所述第一牺牲层上形成所述红外感应结构；位于所述第一沟槽底部的所述红外感应结构与暴露的所述接触沟槽结构相连接；

步骤07：在完成所述步骤06的所述半导体衬底上形成第二牺牲层；

步骤08：在所述第二牺牲层中形成第二沟槽，所述第二沟槽底部暴露出所述接触沟槽结构外侧的所述介质层；

步骤09：在具有所述第二沟槽的所述第二牺牲层上形成所述支撑部件，并且在所述支撑部件顶部形成第一释放孔；

步骤10：通过所述红外感应结构边缘与所述支撑部件之间的所述连通的空隙、以及所述第一释放孔进行释放工艺，将所述第一牺牲层和所述第二牺牲层释放掉，从而形成所述第一空腔和所述第二空腔。

10.根据权利要求9所述的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，所述介质层的材料为红外增透介质材料，用于增加从所述红外窗口材料穿过的所述所需波段的红外光的透过性以及对所述互连层进行隔离。