CN106124059A - 红外探测器像元结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种红外探测器像元结构及其制备方法，通过在硅衬底底部键合键合衬底，利用键合衬底中的红外吸收层来吸收部分的红外光，在硅衬底中设置填充有红外敏感气体的密闭空腔，在密闭空腔上键合压电转换结构，当红外敏感气体吸收到红外光发生膨胀时，会挤压压电部件，导致压电转换结构产生的压电信号发生变化，从而实现对红外光的探测。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种红外探测器像元结构及其制备方法。
背景技术
红外探测器是将入射的红外辐射信号转变为电信号输出的器件，其利用热敏元件检测物体的存在或移动，探测器手机外界的红外辐射进而聚集到红外传感器上，红外传感器采用热敏元件，热敏元件在接受了红外辐射温度发生变化时就会输出信号，将其转换为电信号，然后对电信号进行波形分析。传统红外探测器像元结构中仅使用一种类型热敏电阻，通常是负温度系数的非晶硅或者氧化钒，并通过电路将其变化的信号放大输出。
然而，采用热敏元件的探测器结构的灵敏度通常不是很高，且结构较为复杂，探测过程复杂，如果采用灵敏度较高的热敏元件则材料的成本昂贵。
因此，急需对现有红外探测器进行改进，来提高灵敏度，降低结构复杂度和成本。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种红外探测器像元结构及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种红外探测器像元结构，包括键合衬底、键合于所述键合衬底上的硅衬底、以及位于硅衬底上的压电转换结构；其中，
所述键合衬底中具有红外吸收层；红外吸收层用于吸收红外光；
所述硅衬底中包括填充有红外敏感气体的密闭空腔区域；
所述压电转换结构位于所述硅衬底的所述密闭空腔区域上方；其中，
当红外光进入红外吸收层后，一部分红外光被红外吸收层吸收，一部分红外光透过红外吸收层进入密闭空腔，被密闭空腔内的红外敏感气体吸收掉，密闭空腔内的红外敏感气体吸收了红外光之后产生热量以及红外吸收层吸收了红外光之后产生热量传递给红外敏感气体，使得红外敏感气体产生膨胀并且作用于所述压电转换结构，所述压电转换结构形成的压电信号产生变化，从而实现对红外光的探测。
优选地，所述压电转换结构包括：底电极、顶电极以及位于顶电极和底电极之间的压电材料层；底电极键合于所述硅衬底和所述氧化层上；所述底电极与所述密闭空腔直接接触；当红外敏感气体产生膨胀并且作用于压电转换结构时，导致所述压电材料层形成的压电信号产生变化，通过所述顶电极和所述底电极将产生变化的压电信号传输到外部电路。
优选地，所述硅衬底的密闭空腔区域具有上梳齿状结构和下梳齿状结构，且所述上梳齿状结构的顶部与所述底电极相接触连接，所述底电极的下方连接有多个接触块，多个接触块的底部与所述上梳齿状结构的顶部相接触连接；上梳齿状结构的梳齿与下梳齿状结构的梳齿两两相间设置；上梳齿状结构的底部与所述红外吸收层之间具有空隙；所述下梳齿状结构的梳齿之间的空腔底部与所述红外吸收层相接触连接；所述上梳齿状结构的和所述下梳齿状结构之间的空腔被所述底电极、所述氧化层、所述密闭空腔之外的所述硅衬底以及所述键合衬底密封，从而形成所述密闭空腔区域。
优选地，所述键合衬底中还具有互连电路，相邻的所述上梳齿状结构的梳齿和所述下梳齿状结构的梳齿及其之间的红外敏感气体构成竖直电容结构，所述下梳齿状结构的梳齿与所述互连电路相电连而构成所述竖直电容结构的下电极，所述压电转换结构的底电极作为所述竖直电容结构的上电极；当红外敏感气体产生膨胀时，红外敏感气体的压力作用于所述压电转换结构和所述竖直电容结构，导致所述竖直电容结构的电容信号产生变化以及导致所述压电材料层的压电信号产生变化，通过所述顶电极和所述底电极将产生变化的压电信号传输到外部电路，通过所述互连电路和所述底电极将产生变化的电容信号传输到外部电路，从而实现对红外光的探测。
优选地，所述红外窗口层具有多个沟槽，所述沟槽位于所述下梳齿状结构相邻的梳齿之间的下方以及所述密封空腔之外的所述硅衬底的下方，且不位于所述下梳齿状结构的梳齿的下方；所述红外吸收层填充与所述多个沟槽中。
优选地，所述压电部件的顶部还具有介质保护层，介质保护层覆盖于整个所述压电部件上。
优选地，在所述密闭空腔区域之外的所述硅衬底的边缘区域表面具有氧化层；所述压电转换结构中，所述压电材料层对应于所述上梳齿状结构上方且所述压电材料层的边缘区域不位于所述氧化层上方对应区域，所述底电极的边缘区域覆盖于所述氧化层上，所述顶电极的长度小于所述压电材料层的长度，从而使覆盖于整个所述压电转换结构上的所述介质保护层形成多级台阶状结构。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种制备上述的红外探测器像元结构的方法，包括：
步骤01：提供键合衬底，在键合衬底中形成所述红外吸收层；
步骤02：提供一硅衬底，在所述硅衬底中形成填充有红外敏感气体的密闭空腔区域，将硅衬底与所述键合衬底相键合；
步骤03：将所述压电转换结构键合于所述硅衬底上，且所述压电转换结构与密闭空腔直接接触；其中，所述压电转换结构包括底电极、顶电极以及位于顶电极和底电极之间的压电材料层。
优选地，所述步骤02具体包括：
步骤021：在所述硅衬底顶部沉积氧化层；
步骤022：在所述硅衬底中刻蚀出上梳齿状结构和下梳齿状结构，其中，上梳齿状结构的顶部和下梳齿状结构的顶部与所述氧化层相接触；所述上梳齿状结构的底部高于所述下梳齿状结构的底部；
步骤023：将所述键合衬底与所述硅衬底的底部相键合；
步骤024：在对应于所述上梳齿状结构的梳齿顶部的所述氧化层中刻蚀出凹槽；
步骤025：在凹槽中填充导电材料，并且平坦化导电材料顶部与氧化层顶部齐平，以形成接触块；
步骤026：将对应于所述密封空腔区域上方的所述氧化层去除，保留所述密闭空腔区域之外的所述硅衬底的边缘区域表面的所述氧化层。
优选地，所述步骤01具体包括：首先，在键合衬底中形成一红外窗口层；然后，在所述红外窗口层中在所述刻蚀出多个沟槽，沟槽位于下梳齿状结构相邻的梳齿之间区域的下方以及所述密封空腔之外的所述硅衬底的下方，且不位于所述下梳齿状结构的梳齿的下方；再在所述多个沟槽中沉积所述红外吸收层。
本发明的红外探测器像元结构及其制备方法，通过在硅衬底底部键合了键合衬底，利用键合衬底中的红外吸收层来吸收部分的红外光，在硅衬底中设置填充有红外敏感气体的密闭空腔，在密闭空腔上键合压电转换结构，当红外敏感气体吸收到红外光发生膨胀时，会挤压压电转换结构，导致压电转换结构产生的压电信号发生变化，从而实现对红外光的探测；进一步的，在硅衬底中设置上梳齿状结构和下梳齿状结构，从而同时构成竖直电容结构和填充有红外敏感气体的密闭空腔；红外吸收层吸收了红外光之后会产生热量传递给红外敏感气体，同时红外敏感气体吸收了红外光之后自身也会产生热量，从而红外敏感气体发生膨胀，导致上梳齿状结构和下梳齿状结构产生相对位移，使得竖直电容结构的电容产生变化，同时，红外敏感气体的膨胀也导致压电部件的压电信号产生变化，从而实现对红外光的探测。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例的红外探测器像元结构的示意图
图2为本发明的一个较佳实施例的红外探测器像元结构的制备方法的路程示意图
图3-12为本发明的一个较佳实施例的红外探测器像元结构的制备方法的各制备步骤的示意图
图13为本发明的一个较佳实施例的红外探测器像元结构的示意图
图14为本发明的一个较佳实施例的红外探测器像元结构的制备方法的流程示意图
图15-23为本发明的一个较佳实施例的红外探测器像元结构的制备方法的各制备步骤示意图
图24为本发明的另一个较佳实施例的红外探测器像元结构的制备方法的流程示意图
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。
本发明的红外探测器像元结构，包括键合衬底、键合于所述键合衬底上的硅衬底、以及位于硅衬底上的压电转换结构；其中，键合衬底中具有红外吸收层；红外吸收层用于吸收红外光；硅衬底中包括填充有红外敏感气体的密闭空腔区域；压电转换结构位于硅衬底的所述密闭空腔区域上方；其中，当红外光进入红外吸收层后，一部分红外光被红外吸收层吸收，一部分红外光透过红外吸收层进入密闭空腔，被密闭空腔内的红外敏感气体吸收掉，密闭空腔内的红外敏感气体吸收了红外光之后产生热量以及红外吸收层吸收了红外光之后产生热量传递给红外敏感气体，导致红外敏感气体产生膨胀并且作用于所述压电转换结构，导致压电转换结构形成的压电信号产生变化，从而实现对红外光的探测。
在本发明的一个实施例中，压电转换结构是采用压电材料构成的，利用的是压电材料在受到应力时产生的电信号发生改变；在一个实施例中，压电转换结构是采用MOS器件构成的，利用MOS器件的沟道在受到应力时产生的电信号发生改变；在一个实施例中，在密闭空腔内部还可以再设置压电转换结构，压电转换结构是采用电容结构构成的，利用的是电容结构在受到应力时产生的电信号发生改变。在一个实施例中，在密闭空腔内的顶部和侧壁可以设置反射层，用于将进入密闭空腔的红外光反射到密闭空腔内被红外敏感气体吸收，没有被红外气体吸收的红外光进而被密闭空腔底部的红外吸收层吸收。
本发明的另一个实施例中，具有密闭空腔的硅衬底为SOI衬底的底部硅层，底部硅层之上还具有中间介质层和顶部硅层；压电转换结构位于底部硅层中的密闭空腔上方，其包括具有第一导电类型沟道的第一MOS器件和围绕第一MOS器件外围的具有第二导电类型沟道的第二MOS器件；第一导电类型与第二导电类型相反；第一导电类型沟道对应于密闭空腔上方中间区域，第二导电类型沟道横跨于所述第一密闭空腔侧壁上方的部分层间介质上且围绕第一导电类型沟道设置。
本发明中的一些实施例中，在密闭空腔下方之外的键合衬底中可以设置有开口，用于将相邻像元单元之间进行隔离；在密闭空腔之外的硅衬底中也可以设置开口，用于将密闭空腔与相邻像元结构隔离；在密闭空腔上方之外的压电转换结构边缘区域也可以设置开口，用于将压电转换结构与相邻像元结构隔离；从而避免相邻像元之间的串扰。
实施例一
以下结合附图1-12和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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，本实施例中，红外探测像元结构包括：键合衬底01、位于键合衬底01上的硅衬底02、位于硅衬底02中的密闭空腔区域(虚线框所示)、位于硅衬底02上的压电部件(压电部件为本实施例的压电转换结构，本发明其它实施例的压电转换结构不限于压电部件)，在密闭空腔区域上方之外的硅衬底02边缘区域的表面具有氧化层03，氧化层03将硅衬底02边缘区域与压电部件相隔离开来。
键合衬底01中从下往上依次具有红外窗口层11和红外吸收层12，红外窗口层11具有多个沟槽，红外吸收层12填充于多个沟槽中；沟槽位于下梳齿状结构021相邻的梳齿之间的下方以及密封空腔之外的硅衬底02的下方，且不位于下梳齿状结构021的梳齿的下方；在密闭空腔下方之外的键合衬底01中可以设置有第一开口K1，用于将相邻像元单元之间进行隔离；
压电转换结构具有底电极05、压电材料层06和顶电极07，在顶电极07的顶部还具有介质保护层08，介质保护层08覆盖于整个压电部件上，压电材料层06对应于上梳齿状结构022上方且压电材料层06的边缘区域不位于氧化层03上方对应区域，底电极05的边缘区域覆盖于氧化层03上，顶电极07的长度小于压电材料层06的长度，从而使覆盖于整个压电转换结构上的介质保护层08形成多级台阶状结构；对应于氧化层03及其上方的压电转换结构中还具有第三开口K3，用于将压电转换结构与相邻像元结构之间隔离开来；
硅衬底02的密闭空腔区域具有上梳齿状结构022和下梳齿状结构021，且上梳齿状结构022的顶部与底电极05相接触连接，底电极05的下方连接有多个接触块04，多个接触块04的底部与上梳齿状结构022的顶部相接触连接；接触块04的材料与底电极05的材料相同；上梳齿状结构022的梳齿与下梳齿状结构021的梳齿两两相间设置；上梳齿状结构022的底部与红外吸收层12之间具有空隙；下梳齿状结构021的梳齿之间的空腔底部与红外吸收层12相接触连接；上梳齿状结构022的和下梳齿状结构021之间的空腔被底电极05、氧化层03、密闭空腔之外的硅衬底02以及键合衬底01密封，从而形成密闭空腔区域；这里，压电部件的底电极05键合于接触块04、氧化层03上，底电极05的底部与氧化层03的顶部齐平。在密闭空腔之外的硅衬底02中可以设置第二开口K2，用于将密闭空腔与相邻像元结构隔离；这里，上梳齿状结构022与下梳齿状结构021的高度比例可以为(10～40):1。
本实施例中，键合衬底01中还具有互连电路，相邻的上梳齿状结构022的梳齿和下梳齿状结构021的梳齿及其之间的红外敏感气体构成竖直电容结构，下梳齿状结构021的梳齿与互连电路相电连而构成竖直电容结构的下电极，压电部件的底电极05作为竖直电容结构的上电极；
因此，当红外敏感气体产生膨胀时，红外敏感气体的压力作用于压电转换结构和所述竖直电容结构，导致竖直电容结构的电容信号产生变化以及导致压电材料层的压电信号产生变化，通过顶电极和底电极将产生变化的压电信号传输到外部电路，通过互连电路和底电极将产生变化的电容信号传输到外部电路，从而实现对红外光的探测；同时，由于压电信号和电容信号同时发生变化来得到了较强的变化信号，提高了探测器的灵敏度。
请参阅图2-12，以下对本实施例的红外探测器的制备方法进一步详细说明。本实施例中，所制备的红外探测器的结构如上述描述；请参阅图2，本实施例的制备方法包括：
步骤01：提供键合衬底，在键合衬底中形成红外吸收层；
具体的，请参阅图3，首先，在键合衬底01中形成红外窗口层11；然后，在红外窗口层11中在刻蚀出多个沟槽；沟槽应当位于下梳齿状结构相邻的梳齿之间区域的下方以及密封空腔之外的硅衬底的下方，且不位于下梳齿状结构的梳齿的下方；再在所多个沟槽中沉积红外吸收层12；然后，在密闭空腔下方之外的键合衬底01中形成第一开口K1，用于将相邻像元单元之间进行隔离。
步骤02：提供一硅衬底，在硅衬底中形成填充有红外敏感气体的密闭空腔区域，将硅衬底与键合衬底相键合；
具体的，本步骤02包括：
步骤021：请参阅图4，在硅衬底02顶部沉积氧化层03；
这里，在沉积氧化层03之前，先在密闭空腔之外的硅衬底02中刻蚀形成第二开口K2，用于将密闭空腔与相邻像元结构隔离；然后再沉积氧化层03；其中，在密闭空腔区域之外的硅衬底02的边缘区域表面具有氧化层03；
步骤022：请参阅图5，在硅衬底02中刻蚀出上梳齿状结构022和下梳齿状结构021，其中，上梳齿状结构022的顶部和下梳齿状结构021的顶部与氧化层03相接触；上梳齿状结构022的底部高于下梳齿状结构021的底部；
步骤023：请参阅图6，将键合衬底01与硅衬底02的底部相键合；
步骤024：请参阅图7，在对应于上梳齿状结构022的梳齿顶部的氧化层03中刻蚀出凹槽；
步骤025：请参阅图8，在凹槽中填充导电材料，并且平坦化导电材料顶部与氧化层03顶部齐平，以形成接触块04；
步骤026：请参阅图9，将对应于密封空腔区域上方的氧化层03去除，保留密闭空腔区域之外的硅衬底02的边缘区域表面的氧化层03；
步骤03：将压电转换结构键合于硅衬底上，且压电转换结构与密闭空腔直接接触。
具体的，包括：首先，请参阅图10，在一衬底上依次形成底电极05、压电材料层06和顶电极07，还可以在顶电极07上形成介质保护层08，从而构成压电转换结构；然后，请参阅图11，将制备好的压电转换结构底部(底电极05底部)与氧化层03、接触块04顶部相键合；
最后，请参阅图12，在氧化层03以及对应于氧化层03上方的压电部件中刻蚀出第三开口K4，用于将压电转换结构与相邻像元结构之间隔离开来。
实施例二
以下结合附图13-24和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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13，本实施例中，红外探测器像元结构包括键合衬底1和具有底部硅层21、层间介质22和顶部硅层23的SOI衬底2；其中，具有密闭空腔Q1和Q2的硅衬底为SOI衬底2的底部硅层21，底部硅层21之上还具有层间介质22和顶部硅层23。
键合衬底1中从上到下依次具有红外吸收层12和红外窗口层11，键合衬底1还具有若干第一开口K1，第一开口K1穿透整个键合衬底1，从而在键合衬底1上形成第一开口K1所围成的区域和第一开口K1所围成的区域外的区域；红外窗口层11用于选择透过的红外光波段；红外吸收层12用于吸收红外光；这里的键合衬底1可以为硅衬底，红外窗口层11的材料可以为透过某个波段红外光的材料，红外吸收层12可以为硅衬底本身，这样在制备时，只需在硅衬底上沉积红外窗口材料层即可；也可以在硅衬底上依次形成红外吸收层和红外窗口层。
SOI衬底2的底部硅层21位于红外吸收层12上，且将第一开口K1顶部封住；底部硅层21中包括第一密闭空腔Q1和位于第一密闭空腔Q1周围的第二密闭空腔Q2；第一密闭空腔Q1位于第一开口K1所围成的区域的部分红外吸收层12上，且第一密闭空腔Q1的底部被第一开口K1所围成的区域的部分红外吸收层12封住；第二密闭空腔Q2位于第一开口K1所围成的区域外的部分红外吸收层12上，且第二密闭空腔Q2的底部被第一开口K1所围成的区域外的部分红外吸收层12封住；其中，第一密闭空腔Q1顶部和侧壁具有反射层3；第一密闭空腔Q1内填充有红外敏感气体；红外敏感气体是受到红外照射而产生能量变化的气体，例如，CO2，CO，CH4，或SO2等红外吸收峰在3μm-30μm波段；第二密闭空腔Q2内为真空状态；第一密闭空腔Q1的宽度远大于第二密闭空腔的宽度。
SOI衬底2上还具有金属前介质6、穿透层间介质22和底部硅层21且对应于第二密闭空腔Q2上方的第二开口K2、后道互连层7、以及穿透层间介质层22、顶部硅层23、金属前介质6和后道互连层7的第三开口K3；在第一密闭空腔Q1上方的顶部硅层23中具有第一导电类型沟道C1的第一MOS器件和围绕第一MOS器件外围的具有第二导电类型沟道C2的第二MOS器件；层间介质22将第一密闭空腔Q1和第二密闭空腔Q2的顶部封住；第一导电类型与第二导电类型相反；例如，第一MOS器件为PMOS，第二MOS器件为NMOS，或者第一MOS器件为NMOS，第二MOS器件为PMOS。
其中，第一导电类型沟道C1对应于第一密闭空腔Q1上方中间区域，第二导电类型沟道C2横跨于第一密闭空腔Q1侧壁上方的部分层间介质22上且围绕第一导电类型沟道C1设置；部分金属前介质6填充于第二开口K2中，从而将第二密闭空腔Q2的顶部封住，金属前介质6还可以全部填充于第二开口K2中，但不可以填入第二密闭空腔Q2中；第三开口K3位于第一密闭空腔Q1和第二密闭空腔Q2之间的部分底部硅层21上，且其底部被第一密闭空腔Q1和第二密闭空腔Q2之间的部分底部硅层21封住；第二开口K2围绕第三开口K3设置；第三开口K3围绕第二MOS器件设置；第二导电类型沟道C2的形状与第一密闭空腔Q1的形状一致，例如，第一密闭空腔Q1呈方形，则第一导电类型沟道C1和第二导电类型沟道C2呈同心回型设置，再例如，第一密闭空腔呈圆形，则第一导电类型沟道和第二导电类型沟道呈同心环型设置；从如图1中可以看到，第一导电类型沟道C1为矩形，第二导电类型沟道C2为方形，第二导电类型沟道C2完全在第一密闭空腔Q1侧壁上方，从而能够第一密闭空腔Q1侧壁对第二到导电型沟道C2产生拉应力。第一开口K1、第二开口K2和第二密闭空腔Q2的设置可以将第一密闭空腔Q1与其它区域隔离开来；具体的，第一开口为了实现键合衬底1的背面器件区域与其它区域的隔离；第二开口是为了打开第二密闭空腔Q2，并将其中气体去除后形成真空；第二密闭空腔是为了将硅衬底体内(底部硅层21)形成器件与其它部分相隔离。同样，第三开口是为了实现SOI衬底2的器件区域与其它区域的隔离。
红外探测器像元进行探测时，红外光穿过红外窗口层11被过滤后，选择性地得到所需波段的红外光；所需波段的红外光进入红外吸收层12，部分红外光被红外吸收层12吸收，没有被红外吸收层12吸收的红外光进入第一密闭空腔Q1中，所需波段的红外光进入第一密闭空腔Q1中，第一密闭空腔Q1中的红外敏感气体受到所需波段的红外光照射而产生能量变化，第一密闭空腔Q1中间区域对第一导电类型沟道C1产生压应力，第一密闭空腔Q1的侧壁对第二导电类型沟道C2产生拉应力，从而使第一MOS器件和第二MOS器件分别产生相反的电信号，形成差分输出。同时，没有被红外敏感气体吸收的红外光被第一密闭空腔Q1顶部和侧壁的反射层3反射到第一密闭空腔Q1中，部分被反射的红外光被红外敏感气体吸收，部分被反射的红外光进入红外吸收层12被红外吸收层12吸收。在红外探测器探测时，可以采用屏蔽某一像元或某一区域像元的方式，使得未被屏蔽的像元产生电信号和屏蔽的像元产生电信号之间产生信号差，这样便于去除噪声，得到准确明显的信号。关于差分输出的原理是本领域技术人员可以知晓的，这里不再赘述。
本实施例中针对上述红外探测器像元结构的制备方法，可以包括：
步骤01：提供键合衬底，在键合衬底中形成红外吸收层；
步骤02：提供一底部硅层，在底部硅层中形成填充有红外敏感气体的密闭空腔，将底部硅层与键合衬底相键合；
步骤03：将压电转换结构形成于底部硅层上。
请参阅图14，本实施例中，制备上述红外探测器像元结构的制备方法具体包括：
步骤101：在键合衬底中依次形成红外吸收层和红外窗口层；且提供一SOI衬底；SOI衬底具有底部硅层、层间介质和顶部硅层；
具体的，请参阅图15，采用气相沉积法在硅衬底1(键合衬底)上依次沉积红外吸收层12和红外窗口层11，所提供的SOI衬底2可以采用常规SOI衬底，具有底部硅层21、层间介质22和顶部硅层23。
步骤102：将SOI衬底倒置，在真空环境下在底部硅层中形成第一密闭空腔和第二密闭空腔；
具体的，请参阅图16，使SOI衬底2的底部硅层21朝上，采用等离子体刻蚀工艺来刻蚀第一密闭空腔Q1去和第二密闭空腔Q2。第一密闭空腔Q1的宽度远大于第二密闭空腔Q2的宽度。
步骤103：在真空环境下在第一密闭空腔中沉积反射层；
具体的，请参阅图17，采用真空气相沉积法在第一密闭空腔Q1中沉积反射层3，反射层3可以为金属反射层。考虑到金属反射层具有对热量的快速传递效果，应当避免金属反射层与红外吸收层的直接接触，因此，在真空环境下在第一密闭空腔Q1中沉积反射层3时，使第一密闭空腔Q1侧壁的反射层3的高度低于第一密闭空腔Q1的高度，从而使第一密闭空腔Q1侧壁的反射层3顶部与红外吸收层12之间具有间隙。
步骤104：在真空环境下将键合衬底的底部与底部硅层键合，且在键合过程中，向第一密闭空腔和第二密闭空腔中填充红外敏感气体；
具体的，请参阅图18，可以采用常规的键合工艺使硅衬底1(键合衬底)的底部与底部硅层21相键合，对第一密闭空腔Q1和第二密闭空腔Q2中填充红外敏感气体的工艺，采用非真空键合工艺，在第一密闭空腔Q1和第二密闭空腔Q2内通入红外敏感气体；键合后，第一密闭空腔Q1和第二密闭空腔Q2内都填充有红外敏感气体，后续SOI硅片表面的第二开口打开，将第二密闭空腔里面的红外敏感气体抽真空去除。
步骤105：在键合衬底中刻蚀出第一开口，第一开口穿透键合衬底，且位于第一密闭空腔和第二密闭空腔之间的区域上方；
具体的，请参阅图19，可以采用光刻和等离子体干法刻蚀工艺在硅衬底1(键合衬底)中刻蚀出第一开口K1；第一开口K1穿透硅衬底1(键合衬底)，且位于第一密闭空腔Q1和第二密闭空腔Q2之间的区域上方
步骤106：将SOI衬底再反转过来，在顶部硅层中形成具有第一导电类型沟道的第一MOS器件和具有第二导电类型沟道的第二MOS器件；
具体的，请参阅图20，使SOI衬底2的顶部硅层23朝上，采用常规的CMOS工艺来制备第一MOS器件和第二MOS器件，这里不再赘述。从而在顶部硅层23中形成具有第一导电类型沟道C1的第一MOS器件和具有第二导电类型沟道C2的第二MOS器件；
步骤107：在顶部硅层和层间介质中且对应于第二密闭空腔上方刻蚀出第二开口，通过第二开口抽真空将第二密闭空腔中的红外敏感气体释放出来；
具体的，请参阅图21，可以采用光刻和刻蚀工艺来在顶部硅层23和层间介质22中且对应于第二密闭空腔Q2上方刻蚀出第二开口K2；
步骤108：在完成步骤107的SOI衬底上在真空环境下沉积金属前介质；金属前介质将第二开口顶部封住，从而第二密闭空腔中呈真空状态；
具体的，请参阅图22，这里，可以采用真空环境下的气相沉积法来沉积金属前介质6；通过调整工艺参数，使得金属前介质6将第二开口K2顶部封住，在第二开口K2中形成真空状态；金属前介质6填充第二开口K2的上部部分，或金属前介质6将第二开口K2填充满，但是金属前介质6不能填充于第二密闭空腔Q2中；
步骤109：在金属前介质上形成后道互连层，然后，在后道互连层、金属前介质、顶部硅层和层间介质中刻蚀出第三开口；第三开口对应于第一密闭空腔和第二密闭空腔之间的区域上方。
具体的，请参阅图23，后道互连层7的制备可以采用常规工艺，这里不再赘述；可以采用光刻和刻蚀工艺来在后道互连层7、金属前介质6、顶部硅层23和层间介质22中刻蚀出第三开口K3。第三开口K3对应于第一密闭空腔Q1和第二密闭空腔Q2之间的区域上方
在本发明的另一个实施例中的红外探测器像元结构的制备方法，请参阅图24，具体包括：
步骤201：在键合衬底中依次形成红外吸收层和红外窗口层；且提供一SOI衬底；SOI衬底具有底部硅层、层间介质和顶部硅层；
具体的，关于此步骤201可以参考上述实施例中步骤101的描述，这里不再赘述。
步骤202：将SOI衬底倒置，在底部硅层中刻蚀出第一密闭空腔和第二密闭空腔；
具体的，关于此步骤202可以参考上述实施例中步骤102的描述，这里不再赘述。
步骤203：在第一密闭空腔中沉积反射层；然后，在第一密闭空腔中充入红外敏感气体；
具体的，可以采用常压气相沉积法在第一密闭空腔中沉积反射层，反射层可以为金属反射层。考虑到金属反射层具有对热量的快速传递效果，应当避免金属反射层与红外吸收层的直接接触，因此，在真空环境下在第一密闭空腔中沉积反射层时，使第一密闭空腔侧壁的反射层的高度低于第一密闭空腔的高度，从而使第一密闭空腔侧壁的反射层顶部与红外吸收层之间具有间隙。在第一密闭空腔中充入红外敏感气体的同时，可能不可避免会有一些红外敏感气体进入第二密闭空腔中；但是在后续第二开口形成后和沉积金属前介质时均在真空环境下，由于抽真空可以将第二密闭空腔内的一些红外敏感气体抽出，因此第二密闭空腔可以在后续形成真空状态；
步骤204：在常压下将键合衬底的底部与底部硅层键合；
具体的，键合时，第一密闭空腔和第二密闭空腔内都填充有红外敏感气体；
步骤205：在键合衬底中刻蚀出第一开口，第一开口穿透键合衬底，且位于第一密闭空腔和第二密闭空腔之间的区域上方；
步骤206：将SOI衬底再反转过来，在顶部硅层中形成具有第一导电类型沟道的第一MOS器件和具有第二导电类型沟道的第二MOS器件；
步骤207：在顶部硅层和层间介质中且对应于第二密闭空腔上方抽真空刻蚀出第二开口；
具体的，打开第二开口和后续沉积金属前介质层的工艺均为真空环境，因此，如果第二密闭空腔内存在红外敏感气体或其它气体均可以被抽出而形成真空。
步骤208：在完成步骤207的SOI衬底上在真空环境下沉积金属前介质；金属前介质将第二开口顶部封住，从而第二密闭空腔中形成真空状态；
步骤209：在金属前介质上形成后道互连层，然后，在后道互连层、金属前介质、顶部硅层和层间介质中刻蚀出第三开口；第三开口对应于第一密闭空腔和第二密闭空腔之间的区域上方。
具体的，关于此步骤205～209的具体描述可以参考上述一个实施例中的步骤105～109的描述，这里不再赘述。
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)
1.一种红外探测器像元结构，其特征在于，包括键合衬底、键合于所述键合衬底上的硅衬底、以及位于硅衬底上的压电转换结构；其中，
所述键合衬底中具有红外吸收层；红外吸收层用于吸收红外光；
所述硅衬底中包括填充有红外敏感气体的密闭空腔区域；
所述压电转换结构位于所述硅衬底的所述密闭空腔区域上方；其中，
当红外光进入红外吸收层后，一部分红外光被红外吸收层吸收，一部分红外光透过红外吸收层进入密闭空腔，被密闭空腔内的红外敏感气体吸收掉，密闭空腔内的红外敏感气体吸收了红外光之后产生热量以及红外吸收层吸收了红外光之后产生热量传递给红外敏感气体，使得红外敏感气体产生膨胀并且作用于所述压电转换结构，所述压电转换结构形成的压电信号产生变化，从而实现对红外光的探测。
2.根据权利要求1所述的红外探测器像元结构，其特征在于，所述压电转换结构包括：底电极、顶电极以及位于顶电极和底电极之间的压电材料层；底电极键合于所述硅衬底和所述氧化层上；所述底电极与所述密闭空腔直接接触；当红外敏感气体产生膨胀并且作用于压电转换结构时，导致所述压电材料层形成的压电信号产生变化，通过所述顶电极和所述底电极将产生变化的压电信号传输到外部电路。
3.根据权利要求2所述的红外探测器像元结构，其特征在于，所述硅衬底的密闭空腔区域具有上梳齿状结构和下梳齿状结构，且所述上梳齿状结构的顶部与所述底电极相接触连接，所述底电极的下方连接有多个接触块，多个接触块的底部与所述上梳齿状结构的顶部相接触连接；上梳齿状结构的梳齿与下梳齿状结构的梳齿两两相间设置；上梳齿状结构的底部与所述红外吸收层之间具有空隙；所述下梳齿状结构的梳齿之间的空腔底部与所述红外吸收层相接触连接；所述上梳齿状结构的和所述下梳齿状结构之间的空腔被所述底电极、所述氧化层、所述密闭空腔之外的所述硅衬底以及所述键合衬底密封，从而形成所述密闭空腔区域。
4.根据权利要求3所述的红外探测器像元结构，其特征在于，所述键合衬底中还具有互连电路，相邻的所述上梳齿状结构的梳齿和所述下梳齿状结构的梳齿及其之间的红外敏感气体构成竖直电容结构，所述下梳齿状结构的梳齿与所述互连电路相电连而构成所述竖直电容结构的下电极，所述压电转换结构的底电极作为所述竖直电容结构的上电极；当红外敏感气体产生膨胀时，红外敏感气体的压力作用于所述压电转换结构和所述竖直电容结构，导致所述竖直电容结构的电容信号产生变化以及导致所述压电材料层的压电信号产生变化，通过所述顶电极和所述底电极将产生变化的压电信号传输到外部电路，通过所述互连电路和所述底电极将产生变化的电容信号传输到外部电路，从而实现对红外光的探测。
5.根据权利要求3所述的红外探测器像元结构，其特征在于，所述红外窗口层具有多个沟槽，所述沟槽位于所述下梳齿状结构相邻的梳齿之间的下方以及所述密封空腔之外的所述硅衬底的下方，且不位于所述下梳齿状结构的梳齿的下方；所述红外吸收层填充与所述多个沟槽中。
6.根据权利要求3所述的红外探测器像元结构，其特征在于，所述压电部件的顶部还具有介质保护层，介质保护层覆盖于整个所述压电部件上。
7.根据权利要求3所述的红外探测器像元结构，其特征在于，在所述密闭空腔区域之外的所述硅衬底的边缘区域表面具有氧化层；所述压电转换结构中，所述压电材料层对应于所述上梳齿状结构上方且所述压电材料层的边缘区域不位于所述氧化层上方对应区域，所述底电极的边缘区域覆盖于所述氧化层上，所述顶电极的长度小于所述压电材料层的长度，从而使覆盖于整个所述压电转换结构上的所述介质保护层形成多级台阶状结构。
8.一种制备权利要求1所述的红外探测器像元结构的方法，其特征在于，包括：
步骤01：提供键合衬底，在键合衬底中形成所述红外吸收层；
步骤02：提供一硅衬底，在所述硅衬底中形成填充有红外敏感气体的密闭空腔区域，将硅衬底与所述键合衬底相键合；
步骤03：将所述压电转换结构键合于所述硅衬底上，且所述压电转换结构与密闭空腔直接接触；其中，所述压电转换结构包括底电极、顶电极以及位于顶电极和底电极之间的压电材料层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤02具体包括：
步骤021：在所述硅衬底顶部沉积氧化层；
步骤022：在所述硅衬底中刻蚀出上梳齿状结构和下梳齿状结构，其中，上梳齿状结构的顶部和下梳齿状结构的顶部与所述氧化层相接触；所述上梳齿状结构的底部高于所述下梳齿状结构的底部；
步骤023：将所述键合衬底与所述硅衬底的底部相键合；
步骤024：在对应于所述上梳齿状结构的梳齿顶部的所述氧化层中刻蚀出凹槽；
步骤025：在凹槽中填充导电材料，并且平坦化导电材料顶部与氧化层顶部齐平，以形成接触块；
步骤026：将对应于所述密封空腔区域上方的所述氧化层去除，保留所述密闭空腔区域之外的所述硅衬底的边缘区域表面的所述氧化层。
10.根据权利要求9述的方法，其特征在于，所述步骤01具体包括：首先，在键合衬底中形成一红外窗口层；然后，在所述红外窗口层中在所述刻蚀出多个沟槽，沟槽位于下梳齿状结构相邻的梳齿之间区域的下方以及所述密封空腔之外的所述硅衬底的下方，且不位于所述下梳齿状结构的梳齿的下方；再在所述多个沟槽中沉积所述红外吸收层。
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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 |