CN105206637B - 具有台阶支撑的混合成像探测器像元结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有台阶支撑的混合成像探测器像元结构及其制备方法，包括：一晶圆，位于晶圆下表面的可见光感应区域，位于晶圆上表面的红外感应区域，以及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的转换单元；其中，红外感应区域包括：位于介质层中具有多级台阶状侧壁的接触沟槽结构以及红外感应结构，红外感应结构与介质层上表面之间具有第一空腔；位于红外感应结构外围的支撑部件，其与红外感应结构不接触，其底部与介质层相连，其顶部具有释放孔；在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；支撑部件与红外感应结构之间具有第二空腔。

Description

具有台阶支撑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，具体涉及一种具有台阶支撑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具有台阶支撑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，本发明提供了一种可见光红外混合成像探测器像元结构，包括：

一晶圆，用作将可见光过滤掉的过滤层；

可见光感应区域，位于所述晶圆下表面，其包括可见光感应部件和将所述可见光感应部件所形成的电信号输出的引出极；

介质层，位于所述晶圆的上表面；

红外感应区域，位于所述晶圆上表面，其包括：

红外感应结构，对应于所述可见光感应部件的上方，其具有红外感应部件和电极层，所述红外感应部件用于吸收穿过所述晶圆的红外光，并产生电信号；所述红外感应结构的边缘具有第一支撑孔，所述第一支撑孔底部具有多级台阶状侧壁；所述红外感应结构与所述所述介质层之间具有第一空腔；所述台阶状侧壁用于提高所述第一支撑孔的支撑能力、所述第一支撑孔底部的填充能力和降低所述第一支撑孔底部的导热速率；

接触沟槽结构，在所述可见光感应区域上方两侧的所述介质层中；所述接触沟槽结构将所述红外感应部件所形成的电信号输出；位于所述第一支撑孔具有多级台阶状侧壁的底部的所述电极层与所述接触沟槽结构相连接；

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，其顶部具有第一释放孔；所述支撑部件边缘具有第二支撑孔，所述第二支撑孔底部位于所述介质层上表面；在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，所述红外反射材料用于将未经所述红外感应部件吸收的红外光反射到所述红外感应部件上；所述支撑部件与所述红外感应结构之间具有第二空腔，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；以及

转换单元，用于将所述可见光感应区域和所述红外感应区域所输出的电信号进行计算并转换为图像；

其中，可见光和红外光从所述晶圆下表面射入，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；然后，经所述晶圆过滤掉未被所述可见光感应部件吸收的可见光，透过所述晶圆的红外光继续射入所述红外感应部件中，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远红外光，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，所述红外感应区域还包括：接触孔，其一端与所述接触沟槽结构相连，另一端穿透所述晶圆下表面，用于将所述红外感应部件所形成的电信号输出；所述转换单元与所述可见光感应区域的所述引出极和所述接触孔相连。

优选地，所述红外感应结构为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，所述红外感应部件为红外敏感材料层，所述微桥结构包括：下释放保护层、上释放保护层、以及位于所述下释放保护层和所述上释放保护层之间的红外敏感材料层、电极层；所述上释放保护层与所述下释放保护层将所述红外敏感材料层和所述电极层所暴露的部分均覆盖住。

优选地，所述电极层位于所述红外敏感材料层上表面，所述电极层的顶部具有若干凹槽，所述红外敏感材料层的顶部呈连续的平坦表面；或者所述电极层位于所述红外敏感材料层下表面，所述电极层的顶部具有若干凹槽，所述红外敏感材料层的顶部呈连续的凹凸起伏表面。

优选地，所述晶圆的材料为非晶硅、单晶硅或锗硅。

优选地，所述微桥结构顶部具有第二释放孔。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种上述的可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法，其包括以下步骤：

步骤01：提供一晶圆，在所述晶圆下表面形成所述可见光感应区域；

步骤02：在所述晶圆上表面形成介质层，在介质层中形成所述接触沟槽结构；

步骤03：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04：在所述第一牺牲层中形成具有多级台阶状侧壁的第一沟槽，所述第一沟槽底部暴露出所述接触沟槽结构表面；

步骤05：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；包括形成所述第一支撑孔的具有多级台阶状侧壁的底部；所述红外感应结构的位于所述第一支撑孔具有多级台阶状侧壁的底部的所述电极层通过所述第一沟槽与暴露的所述接触沟槽表面相连接；

步骤06：在完成所述步骤05的所述晶圆上形成第二牺牲层；

步骤07：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表面；

步骤08：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，在所述支撑部件的顶部形成所述第一释放孔；所述第二支撑孔底部的所述支撑部件与暴露的所述介质层相连接；

步骤09：通过所述微桥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，所述步骤05中，还包括：在所述红外感应结构顶部形成第二释放孔。

优选地，所述红外感应结构为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，所述红外感应部件为红外敏感材料层，所述微桥结构包括：下释放保护层、上释放保护层，以及位于所述下释放保护层和所述上释放保护层之间的红外敏感材料层、电极层；所述上释放保护层与所述下释放保护层将所述红外敏感材料层和所述电极层所暴露的部分均覆盖住。

优选地，所述电极层位于所述红外敏感材料层上表面，所述电极层的顶部具有若干凹槽，所述红外敏感材料层的顶部呈连续的平坦表面；或者所述电极层位于所述红外敏感材料层下表面，所述电极层的顶部具有若干凹槽，所述红外敏感材料层的顶部呈连续的凹凸起伏表面。

优选地，所述晶圆下表面具有前道器件和后道互连；所述步骤01包括：首先，在所述晶圆下表面形成可见光感应区域以及前道器件，然后，在所述晶圆下表面形成后道互连；所述后道互连与所述可见光感应区域以及所述前道器件相连接，其中，所述可见光感应区域中的所述可见光感应部件通过所述可见光感应部件的所述引出极与所述后道互连相连接；

所述步骤02包括：在所述晶圆上表面沉积一层介质层；然后在所述可见光感应区域上方两侧的所述介质层中采用大马士革工艺形成所述接触沟槽结构以及在所述接触沟槽结构下方的所述晶圆中形成第二接触孔；所述接触沟槽结构和所述接触孔中填充有导电金属；然后采用化学机械研磨将所述导电金属顶部表面平坦化，最终形成的所述介质层的厚度与所述导电金属的高度相同；其中，所述接触孔穿透所述晶圆下表面与所述后道互连相连接。

优选地，所述可见光感应部件的所述引出极为第一接触孔。

优选地，所述步骤04中，包括采用光刻和刻蚀工艺在所述第一牺牲层对应于所述第一支撑孔底部的位置形成具有多级台阶状侧壁的沟槽。

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，将可见光感应区域和红外感应区域集成在芯片中，采用晶圆作为可见光过滤层，无需额外增设可见光过滤层，提高了可见光红外混合成像的质量，减小了体积，使可见光红外混合成像微型化、芯片化成为可能。采用多级台阶状侧壁的底部能够提高第一支撑孔的支撑能力、第一支撑孔底部的填充能力和降低第一支撑孔底部的导热速率，从而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截面结构示意图

图3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

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：用作将可见光过滤掉的过滤层的一晶圆，位于晶圆下表面的可见光感应区域，位于晶圆上表面的介质层和红外感应区域，支撑部件，以及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的转换单元；其中，可见光感应区域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引出极；红外感应区域包括：对应于可见光感应部件上方的红外感应结构，其具有红外感应部件和电极层，红外感应部件用于吸收穿过晶圆的红外光，并产生电信号；红外感应结构的边缘具有第一支撑孔，第一支撑孔底部具有多级台阶状侧壁；红外感应结构与介质层之间具有第一空腔；台阶状侧壁用于提高第一支撑孔的支撑能力、第一支撑孔底部的填充能力和降低第一支撑孔底部的导热速率；以及在可见光感应区域上方两侧的介质层中的接触沟槽结构；接触沟槽结构将红外感应结构所形成的电信号输出；位于第一支撑孔具有多级台阶状侧壁的底部的电极层与接触沟槽结构相连接；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，其顶部具有第一释放孔；支撑部件边缘具有第二支撑孔，第二支撑孔底部位于介质层上表面；在支撑部件顶部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，红外反射材料用于将未经红外感应部件吸收的红外光反射到红外感应结构上；支撑部件与红外感应结构之间具有第二空腔，并且红外感应结构与支撑部件之间具有连通的空隙。

需要注意的是，晶圆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晶圆中。通过晶圆作为可见光过滤层，可以提高红外成像质量。还需要说明的是，选择不同材料的晶圆，不同材料的晶圆还可以过滤掉中红外和近红外。也即是，可以根据所需的红外光波段来选择晶圆材料。

第一空腔增加红外感应结构与晶圆之间的距离，起到红外感应结构与晶圆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，可见光和红外光从晶圆下表面射入，通过可见光感应区域，可见光被可见光感应部件吸收；然后，经晶圆过滤掉未被可见光感应部件吸收的可见光，透过晶圆的红外光继续射入红外感应部件中，红外光被红外感应部件吸收；未经红外感应部件吸收的远红外光，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1-2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，可见光红外混合成像探测器像元结构，包括：

一硅晶圆101，用作将可见光过滤掉的过滤层；硅晶圆101的材料可以为非晶硅、单晶硅或锗硅；硅晶圆101中具有前道器件113。需要说明的是，在红外感应区域下方与可见光感应区域上方的区域不得设置任何互连和器件，以避免对光路的干扰。

后道互连112，在可见光感应区域VS两侧的硅晶圆101下表面；

可见光感应区域VS，位于晶圆101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(未画出)，第一接触孔作为第一引出极，第一接触孔与后道互连112相连接；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；

介质层102，位于晶圆101上表面；

红外感应区域IR，包括：位于可见光感应区域上方两侧的介质层102中的接触沟槽结构103；红外感应结构为顶部具有凹凸起伏表面和边缘具有第一支撑孔110的微桥结构，第一支撑孔底部具有多级台阶状侧壁，如图1中虚线圆圈区域所示，台阶状侧壁用于提高第一支撑孔的支撑能力、第一支撑孔底部的填充能力和降低支撑孔底部的导热速率；红外感应结构的顶部还具有第二释放孔K1；微桥结构从下往上依次包括：下释放保护层104、红外敏感材料层105、电极层106和上释放保护层107；电极层106的顶部具有若干间断，红外敏感材料层105的顶部呈连续的平坦表面，上释放保护层107基于电极层106的形状而形成凹凸起伏的顶部；上释放保护层107与下释放保护层104将红外敏感材料层105和电极层106暴露的部分覆盖住；位于第一支撑孔110具有多级台阶状侧壁的底部的电极层106与接触沟槽结构103接触，微桥结构与介质层102上表面之间具有第一空腔；支撑部件108，位于微桥结构的外围，且与微桥结构不接触，支撑部件108边缘具有第二支撑孔111，第二支撑孔111底部与介质层102相连，支撑部件108顶部具有第一释放孔K2；在支撑部件108顶部的内表面具有红外反射材料或者整个支撑部件108为红外反射材料；支撑部件108与微桥结构之间具有第二空腔，并且微桥结构与支撑部件108之间具有连通的空隙；以及与接触沟槽结构103相连的第二接触孔109，第二接触孔109穿透硅晶圆101且与后道互连112相连接。需要说明的是，图1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。

还需要说明的是，第二接触孔也可以不穿透晶圆，例如，晶圆中具有互连层，只要将接触沟槽结构与这些互连层相连即可。

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；转换单元与可见光感应区域的第一接触孔和红外感应区域的第二接触孔相连；

其中，电极层106与接触沟槽103接触，用于将微桥结构中的红外敏感材料层105所形成的电信号输出。接触沟槽结构103的材料可以为Al、Pt；介质层102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107和下释放保护层104的材料可为二氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(Si0N)、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107和下释放保护层104将红外敏感材料层105和电极层106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105和电极层106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，也可以避免金属电极的短路。红外敏感材料层105的材料可以为非晶硅或氧化钒等。电极层106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2，在本发明的另一个实施例中，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：

一硅晶圆201，用作将可见光过滤掉的过滤层；硅晶圆201的材料可以为非晶硅、单晶硅或锗硅。硅晶圆201中具有前道器件213。需要说明的是，在红外感应区域下方与可见光感应区域上方的区域不得设置任何互连和器件，以避免对光路的干扰。

后道互连212，在可见光感应区域VS’两侧的硅晶圆201下表面。

可见光感应区域VS’，位于晶圆201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(未画出)，第一接触孔作为第一引出极，第一接触孔与后道互连212相连接；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；

介质层202，位于硅晶圆201的上表面；

红外感应部分IR’，包括：位于可见光感应区域上方两侧的介质层202中的接触沟槽结构203；红外感应结构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，微桥结构顶部还具有释放孔K’1，其从下往上依次包括：下释放保护层204、电极层206、红外敏感材料层205和上释放保护层207；电极层206的顶部具有若干间断；基于电极层206的形状，红外敏感材料层205的顶部呈连续的凹凸起伏表面，从而上释放保护层207基于红外敏感材料层205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暴露的部分均覆盖住；位于第一支撑孔210具有多级台阶状侧壁(如虚线框中所示)的底部的电极层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108，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211，第二支撑孔211的底部与介质层202相连，支撑部件108顶部具有释放孔K’2；在支撑部件208顶部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；支撑部件208与微桥结构之间具有第二空腔；以及与接触沟槽结构203相连的第二接触孔209，作为第二引出极，第二接触孔209穿透晶圆且与后道金属212相连接；其中，电极层206与接触沟槽结构203接触，用于将红外敏感材料层205所形成的电信号输出。关于接触沟槽结构、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实施例。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。

还包括转换单元，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；转换单元与可见光感应区域的第一接触孔和红外感应区域的第二接触孔相连。

以下结合附图3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的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。

本发明的一个较佳实施例中，请参阅图3，对上述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：提供一晶圆，在晶圆下表面形成可见光感应区域；

具体的，这里为硅晶圆；可见光感应区域的制备可以采用现有的方法，本发明对此不再赘述。本实施例中，该步骤01可以包括：首先，在硅晶圆下表面形成可见光感应区域以及前道器件，然后，在硅晶圆下表面形成后道互连，后道互连应当与可见光感应区域以及前道器件相连接，其中，可见光感应区域中的可见光感应部件通过第一接触孔与后道互连相连接。

步骤02：在晶圆上表面形成介质层，在介质层中形成接触沟槽结构；

具体的，可以但不限于采用化学气相沉积法来沉积一层介质层；然后在可见光感应区域上方两侧的介质层中可以但不限于采用大马士革工艺形成接触沟槽结构以及在接触沟槽结构下方的硅晶圆中形成第二接触孔；接触沟槽结构和第二接触孔中填充有导电金属；然后采用化学机械研磨将导电金属顶部表面平坦化，最终形成的介质层的厚度与导电金属的高度相同。这里，第二接触孔穿透硅晶圆下表面与后道互连相连接。

步骤03：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04：在第一牺牲层中形成具有多级台阶状侧壁的第一沟槽，第一沟槽底部暴露出接触沟槽结构表面；

具体的，第一沟槽用于形成后续的第一支撑孔；可以但不限于采用光刻和刻蚀工艺在第一牺牲层对应于第一支撑孔底部的位置形成具有多级台阶状侧壁的沟槽。

步骤05：在具有第一沟槽的第一牺牲层上形成红外感应结构；包括形成第一支撑孔的具有多级台阶状侧壁的底部；红外感应结构的位于第一支撑孔具有多级台阶状侧壁的底部的电极层通过第一沟槽与暴露的接触沟槽表面相连接；

具体的，本实施例中，红外感应结构为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，红外敏感材料层作为红外感应部件，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051：在完成步骤04的所述晶圆上沉积下释放保护层，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，暴露出接触沟槽结构顶部；

步骤052：在下释放保护层上和暴露出的接触沟槽结构顶部沉积所红外敏感材料，刻蚀出红外敏感材料层图案，同时刻蚀掉位于接触沟槽结构顶部的红外敏感材料层部分；

步骤053：在红外敏感材料层表面和接触沟槽结构顶部沉积电极材料，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054：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。

在本发明的其它实施例中，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051：在完成步骤04的晶圆上沉积下释放保护层，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，暴露出接触沟槽结构顶部；

步骤052：在下释放保护层上和暴露出的接触沟槽结构顶部沉积电极材料，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下释放保护层暴露出来；

步骤053：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054：在红外敏感材料层表面形成上释放保护层。

本实施例中，还包括：在微桥结构的顶部形成第二释放孔。

步骤06：在完成步骤05的晶圆上形成第二牺牲层；

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07：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表面；

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

步骤08：在具有第二沟槽的第二牺牲层上形成支撑部件，在支撑部件的顶部形成第一释放孔；第二支撑孔底部的支撑部件与暴露的介质层相连接；

具体的，利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，使红外敏感材料层对其吸收，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，可以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，可以在具有第二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。

步骤09：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，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。

在本发明的另一个实施例中，与上述制备方法的区别在于，后道互连、第一接触孔和第二接触孔也可以在形成第一空腔和第二空腔之后制备，包括：在晶圆中的可见光感应区域以及接触沟槽结构下方刻蚀出接触孔图案，并填充金属，形成第一接触孔和第二接触孔，第一接触孔与第二接触孔均穿透晶圆下表面；然后，在硅晶圆下表面形成后道互连，后道互连与第一接触孔、第二接触孔相连接。

在本发明的又一个实施例中，与上述制备方法的区别在于，第一接触孔和第二接触孔也可以在第一空腔和第二空腔之后制备，包括：在晶圆中的可见光感应区域以及接触沟槽结构下方刻蚀出接触孔图案，并填充金属，形成第一接触孔和第二接触孔，第一接触孔与第二接触孔均穿透晶圆下表面且与晶圆下表面的后道互连相连接。

综上所述，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，将可见光感应部分和红外感应部分集成在芯片中，采用晶圆作为可见光过滤层，无需额外增设可见光过滤层，提高了可见光红外混合成像的质量，减小了体积，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：

一晶圆，用作将可见光过滤掉的过滤层；

可见光感应区域，位于所述晶圆下表面，其包括可见光感应部件和将所述可见光感应部件所形成的电信号输出的引出极；

介质层，位于所述晶圆的上表面；

红外感应区域，位于所述晶圆上表面，其包括：

红外感应结构，对应于所述可见光感应部件的上方，其具有红外感应部件和电极层，所述红外感应部件用于吸收穿过所述晶圆的红外光，并产生电信号；所述红外感应结构的边缘具有第一支撑孔，所述第一支撑孔底部具有多级台阶状侧壁；所述红外感应结构与所述所述介质层之间具有第一空腔；所述台阶状侧壁用于提高所述第一支撑孔的支撑能力、所述第一支撑孔底部的填充能力和降低所述第一支撑孔底部的导热速率；

接触沟槽结构，在所述可见光感应区域上方两侧的所述介质层中；所述接触沟槽结构将所述红外感应部件所形成的电信号输出；位于所述第一支撑孔具有多级台阶状侧壁的底部的所述电极层与所述接触沟槽结构相连接；

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，其顶部具有第一释放孔；所述支撑部件边缘具有第二支撑孔，所述第二支撑孔底部位于所述介质层上表面；在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，所述红外反射材料用于将未经所述红外感应部件吸收的红外光反射到所述红外感应部件上；所述支撑部件与所述红外感应结构之间具有第二空腔，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；以及

转换单元，用于将所述可见光感应区域和所述红外感应区域所输出的电信号进行计算并转换为图像；

其中，可见光和红外光从所述晶圆下表面射入，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；然后，经所述晶圆过滤掉未被所述可见光感应部件吸收的可见光，透过所述晶圆的红外光继续射入所述红外感应部件中，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远红外光，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，所述红外感应区域还包括：接触孔，其一端与所述接触沟槽结构相连，另一端穿透所述晶圆下表面，用于将所述红外感应部件所形成的电信号输出；所述转换单元与所述可见光感应区域的所述引出极和所述接触孔相连。

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，所述红外感应结构为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，所述红外感应部件为红外敏感材料层，所述微桥结构包括：下释放保护层、上释放保护层、以及位于所述下释放保护层和所述上释放保护层之间的红外敏感材料层、电极层；所述上释放保护层与所述下释放保护层将所述红外敏感材料层和所述电极层所暴露的部分均覆盖住。

4.根据权利要求3所述的可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，所述电极层位于所述红外敏感材料层上表面，所述电极层的顶部具有若干凹槽，所述红外敏感材料层的顶部呈连续的平坦表面；或者所述电极层位于所述红外敏感材料层下表面，所述电极层的顶部具有若干凹槽，所述红外敏感材料层的顶部呈连续的凹凸起伏表面。

5.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，所述晶圆的材料为非晶硅、单晶硅或锗硅。

6.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，所述红外感应结构顶部具有第二释放孔。

7.一种权利要求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，包括以下步骤：

步骤01：提供一晶圆，在所述晶圆下表面形成所述可见光感应区域；

步骤02：在所述晶圆上表面形成介质层，在介质层中形成所述接触沟槽结构；

步骤03：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04：在所述第一牺牲层中形成具有多级台阶状侧壁的第一沟槽，所述第一沟槽底部暴露出所述接触沟槽结构表面；

步骤05：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；包括形成所述第一支撑孔的具有多级台阶状侧壁的底部；所述红外感应结构的位于所述第一支撑孔具有多级台阶状侧壁的底部的所述电极层通过所述第一沟槽与暴露的所述接触沟槽表面相连接；

步骤06：在完成所述步骤05的所述晶圆上形成第二牺牲层；

步骤07：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表面；

步骤08：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，在所述支撑部件的顶部形成所述第一释放孔；所述第二支撑孔底部的所述支撑部件与暴露的所述介质层相连接；

步骤09：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。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤05中，还包括：在所述红外感应结构顶部形成第二释放孔。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述晶圆下表面具有前道器件和后道互连；所述步骤01包括：首先，在所述晶圆下表面形成可见光感应区域以及前道器件，然后，在所述晶圆下表面形成后道互连；所述后道互连与所述可见光感应区域以及所述前道器件相连接，其中，所述可见光感应区域中的所述可见光感应部件通过所述可见光感应部件的所述引出极与所述后道互连相连接；

所述步骤02包括：在所述晶圆上表面沉积一层介质层；然后在所述可见光感应区域上方两侧的所述介质层中采用大马士革工艺形成所述接触沟槽结构以及在所述接触沟槽结构下方的所述晶圆中形成第二接触孔；所述接触沟槽结构和所述接触孔中填充有导电金属；然后采用化学机械研磨将所述导电金属顶部表面平坦化，最终形成的所述介质层的厚度与所述导电金属的高度相同；其中，所述接触孔穿透所述晶圆下表面与所述后道互连相连接。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤04中，包括采用光刻和刻蚀工艺在所述第一牺牲层对应于所述第一支撑孔底部的位置形成具有多级台阶状侧壁的沟槽。