CN105244357B - 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
本发明提供了可见光红外混合成像探测器像元结构及其制备方法，包括：用作光过滤层的晶圆；可见光感应区域和外接电路；介质层；及红外感应区域，其包括：红外感应部件、电极层、上释放保护层，位于电极层图案中的释放保护层底部与红外感应部件顶部接触，且两者相接触的部分具有第一释放孔；第一释放孔下方具有第一空腔；位于电极层边缘下方的多个通孔；通孔外侧的介质层具有第二释放孔；第二释放孔下方具有第二空腔；以及顶部具有第三释放孔的支撑部件，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区域之间具有第三空腔；以及封盖材料层。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种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，本发明提供了可见光红外混合成像探测器像元结构，其包括：
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第一引出极；
外接电路，位于所述可见光感应区域边缘外侧的所述晶圆下表面；
介质层，位于所述晶圆上表面；
红外感应区域，位于所述晶圆上表面，其包括：
红外感应部件，位于所述介质层上；
电极层，位于所述红外感应部件上，用于输出所述红外感应部件产生的电信号；所述电极层的边缘超出所述红外感应部件的边缘；
上释放保护层，覆盖所述电极层表面并填充于所述电极层的图案之间，位于所述电极层的图案间距中的所述上释放保护层底部与所述红外感应部件的顶部接触；其中，所述上释放保护层与所述红外感应部件两者相接触的部分具有第一释放孔；并且，所述第一释放孔下方的所述晶圆中具有第一空腔；
多个通孔，穿透所述介质层，与所述电极层的边缘相接触，所述通孔的底部与所述外接电路相连接，从而形成第二引出极；所述红外感应部件的边缘不超过所述通孔顶部内壁；其中，红外感应部件位于所述通孔之间的所述介质层上；所述通孔外侧的所述介质层具有第二释放孔；并且，所述第二释放孔下方的所述晶圆中具有第二空腔；
支撑部件，位于所述红外感应区域的外围，且与所述红外感应区域不接触，其顶部具有第三释放孔；所述支撑部件底部位于所述通孔外侧的介质层上表面；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区域之间具有第三空腔；以及
封盖材料层，覆盖于所述支撑部件表面；
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，部分所述可见光被所述可见光感应区域吸收；然后，经所述晶圆过滤掉未被所述可见光感应区域吸收的可见光，剩余的红外光透过所述晶圆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。
优选地，所述红外感应部件的整个底部具有下释放保护层；所述第一释放孔穿透所述下释放保护层。
优选地，所述下释放保护层、所述红外感应部件、所述电极层和所述上释放保护层构成具有凹凸起伏表面的微桥结构。
优选地，所述通孔的顶部为接触沟槽结构，所述接触沟槽结构与所述电极层的边缘相接触。
优选地，所述第二空腔的侧壁与所述接触沟槽结构外侧壁的距离不大于2微米。
优选地，所述介质层的厚度与所述接触沟槽结构的高度相同。
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，在所述后道互连的图案之间具有光吸收增强材料。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种上述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：提供一晶圆，在所述晶圆下表面形成所述可见光感应部件、所述第一引出极、以及外接电路；
步骤02：在所述晶圆的上表面沉积所述介质层；
步骤03：在所述介质层中和晶圆中且对应于所述外接电路的区域形成多个通孔，所述通孔穿透所述介质层和所述晶圆，所述通孔的底部与所述外接电路相连接；
步骤04：在所述介质层表面和所述通孔顶部表面形成一层红外感应材料，并图案化所述红外感应材料，以形成所述红外感应部件，所述红外感应部件的边缘不超过所述通孔顶部内壁；
步骤05：在所述红外感应部件表面、所述通孔表面和所述通孔外侧的所述介质层表面形成金属材料，并图案化金属材料，以形成电极层；所述电极层的边缘超过所述红外感应部件的边缘，并且与所述通孔顶部相接触；
步骤06：在所述电极层表面及其图案间距中、以及所述通孔外侧的所述介质层表面形成上释放保护层材料，然后图案化所述上释放保护层材料，以形成所述上释放保护层，所述上释放保护层将所述电极层覆盖住；所述上释放保护层填充于所述电极层的图案间距中的部分与所述红外感应部件相接触；
步骤07：在所述上释放保护层与所述红外感应部件两者相接触的部分、以及所述两者相接触部分下方的所述介质层中形成第一释放孔、以及在位于所述通孔外侧的所述介质层中形成第二释放孔；
步骤08：在完成所述步骤07的所述晶圆上表面形成牺牲层材料，并图案化所述牺牲层材料，使所述牺牲层材料的边缘不超过相邻的所述红外感应区域的边界；
步骤09：在所述牺牲层材料上覆盖一层支撑材料，然后在所述支撑材料的顶部形成第三释放孔，从而形成支撑部件；其中，在所述支撑部件顶部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；
步骤10：通过所述第一释放孔、所述第二释放孔和所述第三释放孔进行释放工艺，以去除所述第一释放孔和所述第二释放孔下方的部分所述晶圆、以及去除所述第三释放孔下方的全部所述牺牲层材料，从而在所述第一释放孔下方的所述晶圆中形成所述第一空腔，在所述第二释放孔下方的所述晶圆中形成所述第二空腔，以及在所述支撑部件和所述红外感应区域之间形成所述第三空腔；
步骤11：在所述支撑部件表面形成所述覆盖材料层。
优选地，所述步骤01中，还包括：在所述晶圆下表面中形成前道器件，所述可见光感应部件和所述前道器件相间设置；以及在所述前道器件底部形成后道互连；所述后道互连与所述通孔底部相连。
优选地，所述步骤01中，还包括：在所述后道互连的图案之间形成光吸收增强材料。
优选地，所述步骤02中，还包括：在所述通孔的顶部形成接触沟槽结构，所述接触沟槽结构与所述电极层的边缘相接触。
优选地，所述步骤04中，还包括：在形成所述红外感应材料之前，先在所述介质层材料表面和所述通孔顶部表面形成一层下释放保护层材料；然后，图案化所述红外感应材料和所述下释放保护层材料，以形成所述红外感应部件和下释放保护层；所述下释放保护层的边缘和所述红外感应部件的边缘齐平；
所述步骤07中，还包括：在所述上释放保护层与所述红外感应部件两者相接触的部分、以及所述两者相接触部分下方的所述下释放保护层和所述下释放保护层下方的所述介质层中形成第一释放孔。
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，巧妙的利用晶圆作为光过滤层，红外感应结构位于介质层上，使得形成的器件在垂直方向上的高度降低，可以减少光在较长路径传播过程中的损失，从而减小了器件的体积、减少了工艺步骤和节约了成本，提高了光利用率，使可见光红外混合成像微型化、芯片化成为可能；并且在晶圆中形成空腔，可以提高透射率，从而提高了器件的成像质量；而且，不需要多次形成牺牲层材料来进行多次释放工艺以形成空腔，从而简化了制备工艺，节约了成本。
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、近红外光和中红外光过滤掉的过滤层的晶圆；位于所述晶圆下表面的可见光感应区域，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第一引出极；位于所述可见光感应区域边缘外侧的所述晶圆下表面的外接电路，位于所述晶圆上表面的红外感应区域以及位于晶圆上表面的介质层；红外感应区域包括：位于所述可见光感应部分的上方的红外感应部件，位于所述红外感应部件上且用于输出所述红外感应部件产生的电信号的电极层，电极层的边缘超出红外感应部件的边缘；覆盖电极层表面并填充于电极层的图案间距中的上释放保护层，电极层的图案间距中的释放保护层的底部与红外感应部件的顶部接触；其中，上释放保护层与红外感应部件两者相接触的部分具有第一释放孔，还可以选择在两者非接触部分设置第一释放孔穿透上释放保护层、金属部件和红外感应部件；并且，第一释放孔下方的晶圆中具有第一空腔；位于电极层的边缘下方的多个通孔，且通孔的顶部与电极层相接触，通孔的底部与外接电路相连接，从而形成第二引出极；其中，红外感应部件位于所述通孔之间的所述介质层上；所述通孔外侧的所述介质层具有第二释放孔；并且，所述第二释放孔下方的所述晶圆中具有第二空腔；位于红外感应区域的外围且与红外感应区域不接触的支撑部件，其顶部具有第三释放孔；支撑部件底部位于通孔外侧的介质层上表面；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部件上；支撑部件与红外感应区域之间具有第三空腔；以及覆盖于支撑部件表面的封盖材料层。
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，这样可以提高探测精度和成像质量。
第一空腔和第二空腔用于将将红外感应部件与晶圆隔离开来，起到红外感应部件结构与晶圆以及介质层之间的热隔离作用，第三空腔用作谐振腔，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，部分可见光被可见光感应区域吸收；然后，经晶圆过滤掉未被可见光感应区域吸收的可见光，红外光透过晶圆继续进入红外感应区域，部分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：
硅晶圆100，用作将可见光过滤掉的过滤层；
可见光感应区域，位于硅晶圆100下表面，其包括可见光感应部件101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；可见光感应部件101可以为PN结，利用光电转换原理，来形成对可见光的感应；
前道器件102，在硅晶圆100下表面中，可见光感应部件101和前道器件102相间设置；在前道器件102底部具有后道互连103；位于可见光感应区域两侧的硅晶圆100表面的后道互连103部分与通孔109底部相连，作为通孔109的外接电路；
介质层104，位于硅晶圆100上表面；
红外感应区域，具有下释放保护层105、红外感应部件106、电极层107、上释放保护层108以及底部介质层104；其中，下释放保护层105、红外感应部件106、电极层107和上释放保护层108构成具有凹凸起伏表面的微桥结构，上释放保护层108和下释放保护层105将红外感应部件106和电极层107包覆在其中；本实施例中，微桥结构直接搭接在硅晶圆100上表面，而无需在微桥结构边缘设置支撑孔用于支撑微桥结构；具体的，红外感应部件106的整个底部具有下释放保护层105；第一释放孔K1穿透上释放保护层108、电极层107、红外感应部件106和下释放保护层105；红外感应部件106，位于可见光感应区域的上方；电极层107，位于红外感应部件106上，用于输出红外感应部件106产生的电信号；电极层107的边缘超出红外感应部件106的边缘；上释放保护层108，覆盖电极层107表面并填充于电极层107的图案间距中，电极层107的图案间距中的上释放保护层108的底部与红外感应部件106的顶部接触；其中，上释放保护层108与红外感应部件106两者相接触的部分以及该接触部分下方的下释放保护层105中具有第一释放孔K1；并且，第一释放孔K1下方的硅晶圆100中具有第一空腔111；其中，接触沟槽结构的材料为Al或Pt；上释放保护层108和下释放保护层105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108和下释放保护层105将红外感应部件106和电极层107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106的材料可以为非晶硅或氧化钒等。电极层107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。
本实施例中，红外感应部件106位于通孔109之间的介质层104上；通孔1009外侧的介质层104具有第二释放孔K2；并且，第二释放孔K2下方的晶圆100中具有第二空腔；介质层104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。
本实施例中的可见光红外混合成像探测器像元结构中，多个通孔109，其位于电极层107的边缘下方，通孔109的顶部为接触沟槽结构110，接触沟槽结构110与电极层107的边缘相接触，通孔109的底部与位于可见光感应区域外侧的硅晶圆100下表面的后道互连部分相连接；用于将微桥结构中的红外感应部件106所形成的电信号输出。本实施例中，第二空腔的侧壁与接触沟槽结构外侧壁的距离可以不大于2微米，甚至可以相接触，这是因为第二空腔和第一空腔可以对红外感应区域与晶圆起到一定的隔离作用，从而避免晶圆对红外感应区域的干扰。较佳的，底部介质层的厚度与接触沟槽的高度相同。
支撑部件114，位于微桥结构的外围，且与微桥结构不接触，其顶部具有第三释放孔K3；支撑部件112边缘具有支撑孔115，支撑孔115的底部位于通孔109外侧的介质层104上表面；在支撑部件112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106吸收的红外光反射到红外感应部件106上；支撑部件112与红外感应区域之间具有第三空腔113；以及
封盖材料层116，覆盖于支撑部件114表面。
在本实施例中，在后道互连103的图案之间具有光吸收增强材料117，从而更有利于提高光吸收率，进一步提高器件的成像质量。
以下结合附图2和具体实施例对本发明的单芯片可见光红外混合成像器件的制备方法作进一步详细说明。
本发明的一个较佳实施例中，请参阅图2，以上述的第一个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，在晶圆下表面形成可见光感应部件、第一引出极、以及外接电路；
具体的，这里为硅晶圆；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；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：在晶圆的上表面沉积介质层；
具体的，介质层材料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。
步骤03：在介质层中和晶圆中且对应于外接电路的区域形成多个通孔，通孔穿透介质层和晶圆，通孔的底部与外接电路相连接；
具体的，还包括：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：在介质层表面和通孔顶部表面形成一层红外感应材料，并图案化红外感应材料，以形成红外感应部件，红外感应部件的边缘不超过通孔顶部内壁；
具体的，在形成红外感应材料之前，先在介质层表面和通孔顶部表面形成一层下释放保护层材料，再在该下释放保护层材料表面沉积红外感应材料；然后，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；
步骤05：在红外感应部件表面、通孔表面和通孔外侧的介质层表面形成金属材料，并图案化金属材料，以形成电极层；电极层的边缘超过红外感应部件的边缘，并且与通孔顶部相接触；
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。
步骤06：在电极层表面及其图案间距中、以及通孔外侧的介质层表面形成上释放保护层材料，然后图案化上释放保护层材料，以形成上释放保护层，上释放保护层将电极层覆盖住；上释放保护层填充于电极层的图案间距中的部分与红外感应部件相接触；
具体的，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；经光刻和刻蚀工艺，刻蚀上释放保护层的边缘超过通孔的顶部外壁。
步骤07：在上释放保护层与红外感应部件两者相接触的部分、以及两者相接触部分下方的介质层中形成第一释放孔、以及在位于通孔外侧的介质层中形成第二释放孔；
具体的，在上释放保护层与红外感应部件两者相接触的部分、以及两者相接触部分下方的下释放保护层和下释放保护层下方的介质层中形成第一释放孔；第一释放孔穿透上释放保护层、电极层、红外感应部件、下释放保护层和介质层；
本实施例中，第一释放孔位于电极层的凹槽位置中，这里，凹槽穿透电极层；然则在本发明的其它实施例中，第一释放孔也可以同时位于电极层的凹槽位置中，以及位于电极层的非凹槽位置中。也即是，本发明中，无论在电极层的哪个位置，必有第一释放孔位于电极层的凹槽位置中。
步骤08：在完成步骤07的晶圆上表面形成牺牲层材料，并图案化牺牲层材料，使牺牲层材料的边缘不超过相邻的红外感应区域的边界；
具体的，可以采用化学气相沉积工艺或者涂覆来形成牺牲层材料。牺牲层材料的边缘不超过相邻的红外感应区域的边界，是为了在相邻红外感应区域的牺牲层材料间具有一定的间距，从而不影响相邻红外感应区域的制备，同时也为后续所形成的支撑材料的形成提供支撑作用。
步骤09：在牺牲层材料上覆盖一层支撑材料，然后在支撑材料的顶部形成第三释放孔，从而形成支撑部件；
具体的，本实施例中，由于上述牺牲层材料的支撑以及在牺牲层材料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，而且支撑材料在相邻牺牲层材料的间距位置还可以形成支撑孔，从而增加支撑材料的支撑能力。
这里，本实施例中，为了提高进入红外感应区域的光吸收率，在支撑部件顶部的内表面设置红外反射材料层，从而彻底吸收入射的红外光；可以在部分或全部牺牲层材料顶部表面形成红外反射材料层，然后在红外反射材料层和未被遮挡的牺牲层材料表面沉积一层支撑材料；也可以在全部牺牲层材料的顶部表面和侧壁形成红外反射材料层，然后在红外反射材料层表面和侧壁沉积一层支撑材料；或者支撑材料本身为红外反射材料，则可以直接在牺牲层材料顶部表面和侧壁形成红外反射材料作为支撑材料。
步骤10：通过第一释放孔、第二释放孔和第三释放孔进行释放工艺，以去除第一释放孔和第二释放孔下方的部分晶圆、以及去除第三释放孔下方的全部牺牲层材料，从而在第一释放孔下方的晶圆中形成第一空腔，在第二释放孔下方的晶圆中形成第二空腔，以及在支撑部件和红外感应区域之间形成第三空腔；
具体的，当硅衬底和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，当硅衬底中上层材料以及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所有无机物材料。
第二空腔侧壁与接触沟槽结构外侧壁的距离可以不大于2微米，甚至可以相接触，这是因为第二空腔和第一空腔可以将红外感应区域与晶圆起到一定的热隔离作用，从而避免晶圆对红外感应区域的干扰。较佳的，介质层的厚度与接触沟槽的高度相同。
步骤11：在支撑部件表面形成覆盖材料层。
具体的，覆盖材料层的形成可以但不限于采用化学气相沉积工艺，覆盖材料层用于保护像素单元结构。
需要说明的是，本发明中，一个红外感应区域下方可以相对设置一个或多个可见光感应部件例如光电二极管。
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，巧妙的利用晶圆作为光过滤层，红外感应结构位于介质层上，使得形成的器件在垂直方向上的高度降低，可以减少光在较长路径传播过程中的损失，从而减小了器件的体积、减少了工艺步骤和节约了成本，提高了光利用率，使可见光红外混合成像微型化、芯片化成为可能；并且在晶圆中形成空腔，可以提高透射率，从而提高了器件的成像质量；而且，不需要多次形成牺牲层材料来进行多次释放工艺以形成空腔，从而简化了制备工艺，节约了成本。
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第一引出极；
外接电路，位于所述可见光感应区域边缘外侧的所述晶圆下表面；
介质层，位于所述晶圆上表面；
红外感应区域，位于所述晶圆上表面，其包括：
红外感应部件，位于所述介质层上；
电极层，位于所述红外感应部件上，用于输出所述红外感应部件产生的电信号；所述电极层的边缘超出所述红外感应部件的边缘；
上释放保护层，覆盖所述电极层表面并填充于所述电极层的图案之间，位于所述电极层的图案间距中的所述上释放保护层底部与所述红外感应部件的顶部接触；其中，所述上释放保护层与所述红外感应部件两者相接触的部分具有第一释放孔；并且，所述第一释放孔下方的所述晶圆中具有第一空腔；
多个通孔，穿透所述介质层，与所述电极层的边缘相接触，所述通孔的底部与所述外接电路相连接，从而形成第二引出极；所述红外感应部件的边缘不超过所述通孔顶部内壁；其中，红外感应部件位于所述通孔之间的所述介质层上；所述通孔外侧的所述介质层具有第二释放孔；并且，所述第二释放孔下方的所述晶圆中具有第二空腔；
支撑部件，位于所述红外感应区域的外围，且与所述红外感应区域不接触，其顶部具有第三释放孔；所述支撑部件底部位于所述通孔外侧的介质层上表面；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区域之间具有第三空腔；以及
封盖材料层，覆盖于所述支撑部件表面；
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，部分所述可见光被所述可见光感应区域吸收；然后，经所述晶圆过滤掉未被所述可见光感应区域吸收的可见光，剩余的红外光透过所述晶圆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，所述红外感应部件的整个底部具有下释放保护层；所述第一释放孔穿透所述下释放保护层；所述下释放保护层、所述红外感应部件、所述电极层和所述上释放保护层构成具有凹凸起伏表面的微桥结构。
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，所述通孔的顶部为接触沟槽结构，所述接触沟槽结构与所述电极层的边缘相接触。
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，所述第二空腔的侧壁与所述接触沟槽结构外侧壁的距离不大于2微米。
5.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，所述介质层的厚度与所述接触沟槽结构的高度相同。
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，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。
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，其特征在于，在所述后道互连的图案之间具有光吸收增强材料。
8.一种权利要求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部件、所述第一引出极、以及外接电路；
步骤02：在所述晶圆的上表面沉积所述介质层；
步骤03：在所述介质层中和晶圆中且对应于所述外接电路的区域形成多个通孔，所述通孔穿透所述介质层和所述晶圆，所述通孔的底部与所述外接电路相连接；
步骤04：在所述介质层表面和所述通孔顶部表面形成一层红外感应材料，并图案化所述红外感应材料，以形成所述红外感应部件，所述红外感应部件的边缘不超过所述通孔顶部内壁；
步骤05：在所述红外感应部件表面、所述通孔表面和所述通孔外侧的所述介质层表面形成金属材料，并图案化金属材料，以形成电极层；所述电极层的边缘超过所述红外感应部件的边缘，并且与所述通孔顶部相接触；
步骤06：在所述电极层表面及其图案间距中、以及所述通孔外侧的所述介质层表面形成上释放保护层材料，然后图案化所述上释放保护层材料，以形成所述上释放保护层，所述上释放保护层将所述电极层覆盖住；所述上释放保护层填充于所述电极层的图案间距中的部分与所述红外感应部件相接触；
步骤07：在所述上释放保护层与所述红外感应部件两者相接触的部分、以及所述两者相接触部分下方的所述介质层中形成第一释放孔、以及在位于所述通孔外侧的所述介质层中形成第二释放孔；
步骤08：在完成所述步骤07的所述晶圆上表面形成牺牲层材料，并图案化所述牺牲层材料，使所述牺牲层材料的边缘不超过相邻的所述红外感应区域的边界；
步骤09：在所述牺牲层材料上覆盖一层支撑材料，然后在所述支撑材料的顶部形成第三释放孔，从而形成支撑部件；其中，在所述支撑部件顶部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；
步骤10：通过所述第一释放孔、所述第二释放孔和所述第三释放孔进行释放工艺，以去除所述第一释放孔和所述第二释放孔下方的部分所述晶圆、以及去除所述第三释放孔下方的全部所述牺牲层材料，从而在所述第一释放孔下方的所述晶圆中形成所述第一空腔，在所述第二释放孔下方的所述晶圆中形成所述第二空腔，以及在所述支撑部件和所述红外感应区域之间形成所述第三空腔；
步骤11：在所述支撑部件表面形成覆盖材料层。
9.根据权利要求8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01中，还包括：在所述晶圆下表面中形成前道器件，所述可见光感应部件和所述前道器件相间设置；以及在所述前道器件底部形成后道互连；所述后道互连与所述通孔底部相连。
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，所述步骤01中，还包括：在所述后道互连的图案之间形成光吸收增强材料；所述步骤02中，还包括：在所述通孔的顶部形成接触沟槽结构，所述接触沟槽结构与所述电极层的边缘相接触；所述步骤04中，还包括：在形成所述红外感应材料之前，先在所述介质层材料表面和所述通孔顶部表面形成一层下释放保护层材料；然后，图案化所述红外感应材料和所述下释放保护层材料，以形成所述红外感应部件和下释放保护层；所述下释放保护层的边缘和所述红外感应部件的边缘齐平；所述步骤07中，还包括：在所述上释放保护层与所述红外感应部件两者相接触的部分、以及所述两者相接触部分下方的所述下释放保护层和所述下释放保护层下方的所述介质层中形成第一释放孔。
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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 |