CN106248222B - 红外探测器像元结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的红外探测器像元结构及其制备方法，包括具有红外吸收层的键合衬底和以及与键合衬底相键合的底部硅层，在底部硅层中形成第一密闭空腔，以及围绕第一密闭空腔形成真空态的第二密闭空腔；第一密闭空腔被红外吸收层和层间介质封闭，第一密闭空腔中填充红外敏感气体；在第一密闭空腔下方和上方周围分别具有第一开口、第二开口和第三开口，用于将像元结构与其它区域隔离；红外光依次穿过红外吸收层后进入第一密闭空腔中，使得红外敏感气体受到该过滤的红外光照射而产生能量变化，从而对第一导电类型沟道和第二导电类型沟道产生应力，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，本发明探测方便且探测精度高。
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，本发明旨在一种灵敏度高且简单的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底部硅层、以及位于底部硅层上的压电转换结构；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；
所述底部硅层中包括填充有红外敏感气体的第一密闭空腔；红外敏感气体是受到红外照射而产生能量变化的气体；
压电转换结构位于所述第一密闭空腔上方，其包括具有第一导电类型沟道的第一MOS器件和围绕所述第一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所述第一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所述第一导电类型沟道设置；
红外光进入红外吸收层，部分红外光被红外吸收层吸收，没有被红外吸收层吸收的红外光进入所述第一密闭空腔中，所述第一密闭空腔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，所述第一密闭空腔中间区域对所述第一导电类型沟道产生压应力，所述第一密闭空腔的侧壁对所述第二导电类型沟道产生拉应力，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。
优选地，所述硅层和所述压电转换结构位于一个SOI衬底中；在底部硅层上依次具有层间介质和顶部硅层；其中，SOI衬底的底部硅层位于所述键合衬底的红外吸收层上；所述第一密闭空腔位于所述底部硅层中；所述第一MOS器件和所述第二MOS器件位于所述顶部硅层中，所述第一MOS器件和所述第二MOS器件通过层间介质与所述底部硅层相隔离。
优选地，键合衬底的红外吸收层底部还具有从红外窗口层，所述键合衬底还具有若干第一开口，所述第一开口穿透所述键合衬底，从而在所述键合衬底上形成第一开口所围成的区域和第一开口所围成的区域外的区域；红外窗口层用于选择透过的红外光波段；所述底部硅层还将所述第一开口顶部封住。
优选地，所述底部硅层中还设置有位于所述第一密闭空腔周围的第二密闭空腔；第一密闭空腔位于所述第一开口所围成的区域的部分所述红外吸收层上，且第一密闭空腔的底部被所述第一开口所围成的区域的部分所述红外吸收层封住；第二密闭空腔位于所述第一开口所围成的区域外的部分所述红外吸收层上，且第二密闭空腔的底部被所述第一开口所围成的区域外的部分所述红外吸收层封住。
优选地，第一密闭空腔顶部和侧壁具有反射层；第二密闭空腔内为真空状态；没有被红外敏感气体吸收的红外光被所述第一密闭空腔顶部和侧壁的反射层反射到第一密闭空腔中，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所述红外吸收层被红外吸收层吸收。
优选地，SOI衬底上还具有金属前介质、穿透层间介质和底部硅层且对应于所述第二密闭空腔上方的第二开口、后道互连层、以及穿透层间介质层、顶部硅层、金属前介质和后道互连层的第三开口；部分金属前介质填充于第二开口中，从而将第二密闭空腔的顶部封住，第三开口位于第一密闭空腔和第二密闭空腔之间的部分所述底部硅层上，且其底部被第一密闭空腔和第二密闭空腔之间的部分所述底部硅层封住；第二开口围绕第三开口设置；第三开口围绕所述第二MOS器件设置；第一开口、第二开口和第二密闭空腔的设置用于将所述第一密闭空腔与其它区域隔离开来。
优选地，所述第一密闭空腔的侧壁上的反射层底部与所述红外吸收材料层的上表面具有间隙。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种上述的红外探测器像元结构的制备方法，其包括：
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：提供一底部硅层，在所述底部硅层中形成填充有红外敏感气体的第一密闭空腔，将底部硅层与所述键合衬底相键合；
步骤03：将所述压电转换结构形成于所述底部硅层上；所述压电转换结构包括：具有第一导电类型沟道的第一MOS器件和围绕所述第一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所述第一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所述第一导电类型沟道设置。
优选地，具体包括：
步骤101：在所述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；所述SOI衬底具有底部硅层、层间介质和顶部硅层；
步骤102：将所述SOI衬底倒置，在真空环境下在所述底部硅层中形成所述第一密闭空腔和所述第二密闭空腔；
步骤103：在真空环境下在所述第一密闭空腔中沉积所述反射层；
步骤104：在真空环境下将所述键合衬底的底部与所述底部硅层键合，且在键合过程中，向所述第一密闭空腔和所述第二密闭空腔中填充所述红外敏感气体；
步骤105：在所述键合衬底中刻蚀出第一开口，第一开口穿透所述键合衬底，且位于所述第一密闭空腔和所述第二密闭空腔之间的区域上方；
步骤106：将所述SOI衬底再反转过来，在所述顶部硅层中形成所述具有第一导电类型沟道的第一MOS器件和所述具有第二导电类型沟道的第二MOS器件；
步骤107：在所述顶部硅层和所述层间介质中且对应于所述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；
步骤108：在完成所述步骤107的SOI衬底上在真空环境下沉积金属前介质；金属前介质将所述第二开口顶部封住，从而第二密闭空腔中呈真空状态；
步骤109：在所述金属前介质上形成所述后道互连层，然后，在所述后道互连层、所述金属前介质、所述顶部硅层和所述层间介质中刻蚀出所述第三开口；所述第三开口对应于所述第一密闭空腔和所述第二密闭空腔之间的区域上方。
优选地，具体包括：
步骤201：在所述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；所述SOI衬底具有底部硅层、层间介质和顶部硅层；
步骤202：将所述SOI衬底倒置，在所述底部硅层中刻蚀出所述第一密闭空腔和所述第二密闭空腔；
步骤203：在所述第一密闭空腔中沉积所述反射层；然后，在所述第一密闭空腔中充入所述红外敏感气体；
步骤204：在常压下将所述键合衬底的底部与所述底部硅层键合；
步骤205：在所述键合衬底中刻蚀出第一开口，第一开口穿透所述键合衬底，且位于所述第一密闭空腔和所述第二密闭空腔之间的区域上方；
步骤206：将所述SOI衬底再反转过来，在所述顶部硅层中形成所述具有第一导电类型沟道的第一MOS器件和所述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；
步骤208：在完成所述步骤207的SOI衬底上在真空环境下沉积金属前介质；金属前介质将所述第二开口顶部封住，从而第二密闭空腔中形成真空状态；
步骤209：在所述金属前介质上形成所述后道互连层，然后，在所述后道互连层、所述金属前介质、所述顶部硅层和所述层间介质中刻蚀出所述第三开口；所述第三开口对应于所述第一密闭空腔和所述第二密闭空腔之间的区域上方。
本发明利用第一密闭空腔中密封的红外敏感气体随温度变化而产生的体积变化，施加到第一导电类型沟道和第二导电类型沟道的应力引起器件电流的变化，从而使得探测方便且探测精度高。
附图说明
图1a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1b为本发明的一个较佳实施例的沟道与第一密闭空腔的位置关系示意图
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流程示意图
图3-11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12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。
本发明的一个实施例中，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第一密闭空腔上方，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；
其中，红外光进入红外吸收层，部分红外光被红外吸收层吸收，没有被红外吸收层吸收的红外光进入密闭空腔中，密闭空腔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，密闭空腔中间区域对第一导电类型沟道产生压应力，密闭空腔的侧壁对第二导电类型沟道产生拉应力，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。
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。
以下结合附图1a-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1a和1b，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，
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；请结合图1a和图1b，图1b中粗虚线表示第一密闭空腔的侧壁位置，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；如图1b所示，粗虚线表示第一密闭空腔的侧壁位置，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。
请参阅图2，本实施例中，制备上述红外探测器像元结构的制备方法，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3，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4，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5，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：在真空环境下将所述键合衬底的底部与所述底部硅层键合，且在键合过程中，向所述第一密闭空腔和所述第二密闭空腔中填充红外敏感气体；
具体的，请参阅图6，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7，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8，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：在所述顶部硅层和所述层间介质中且对应于所述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9，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10，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11，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12，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可以参考上述实施例中步骤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底部硅层、以及位于底部硅层上的压电转换结构；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；
所述底部硅层中包括填充有红外敏感气体的第一密闭空腔；红外敏感气体是受到红外照射而产生能量变化的气体；
压电转换结构位于所述第一密闭空腔上方，其包括具有第一导电类型沟道的第一MOS器件和围绕所述第一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所述第一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所述第一导电类型沟道设置；
红外光进入红外吸收层，部分红外光被红外吸收层吸收，没有被红外吸收层吸收的红外光进入所述第一密闭空腔中，所述第一密闭空腔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，所述第一密闭空腔中间区域对所述第一导电类型沟道产生压应力，所述第一密闭空腔的侧壁对所述第二导电类型沟道产生拉应力，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。
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，所述硅层和所述压电转换结构位于一个SOI衬底中；在底部硅层上依次具有层间介质和顶部硅层；其中，SOI衬底的底部硅层位于所述键合衬底的红外吸收层上；所述第一密闭空腔位于所述底部硅层中；所述第一MOS器件和所述第二MOS器件位于所述顶部硅层中，所述第一MOS器件和所述第二MOS器件通过层间介质与所述底部硅层相隔离。
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，键合衬底的红外吸收层底部还具有从红外窗口层，所述键合衬底还具有若干第一开口，所述第一开口穿透所述键合衬底，从而在所述键合衬底上形成第一开口所围成的区域和第一开口所围成的区域外的区域；红外窗口层用于选择透过的红外光波段；所述底部硅层还将所述第一开口顶部封住。
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，所述底部硅层中还设置有位于所述第一密闭空腔周围的第二密闭空腔；第一密闭空腔位于所述第一开口所围成的区域的部分所述红外吸收层上，且第一密闭空腔的底部被所述第一开口所围成的区域的部分所述红外吸收层封住；第二密闭空腔位于所述第一开口所围成的区域外的部分所述红外吸收层上，且第二密闭空腔的底部被所述第一开口所围成的区域外的部分所述红外吸收层封住。
5.根据权利要求4所述的红外探测器像元结构，其特征在于，第一密闭空腔顶部和侧壁具有反射层；第二密闭空腔内为真空状态；没有被红外敏感气体吸收的红外光被所述第一密闭空腔顶部和侧壁的反射层反射到第一密闭空腔中，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所述红外吸收层被红外吸收层吸收。
6.根据权利要求4所述的红外探测器像元结构，其特征在于，SOI衬底上还具有金属前介质、穿透层间介质和底部硅层且对应于所述第二密闭空腔上方的第二开口、后道互连层、以及穿透层间介质层、顶部硅层、金属前介质和后道互连层的第三开口；部分金属前介质填充于第二开口中，从而将第二密闭空腔的顶部封住，第三开口位于第一密闭空腔和第二密闭空腔之间的部分所述底部硅层上，且其底部被第一密闭空腔和第二密闭空腔之间的部分所述底部硅层封住；第二开口围绕第三开口设置；第三开口围绕所述第二MOS器件设置；第一开口、第二开口和第二密闭空腔的设置用于将所述第一密闭空腔与其它区域隔离开来。
7.根据权利要求1所述的红外探测器像元结构，其特征在于，所述第一密闭空腔的侧壁上的反射层底部与所述红外吸收材料层的上表面具有间隙。
8.一种权利要求1所述的红外探测器像元结构的制备方法，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：提供一底部硅层，在所述底部硅层中形成填充有红外敏感气体的第一密闭空腔，将底部硅层与所述键合衬底相键合；
步骤03：将所述压电转换结构形成于所述底部硅层上；所述压电转换结构包括：具有第一导电类型沟道的第一MOS器件和围绕所述第一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所述第一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所述第一导电类型沟道设置。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，具体包括：
步骤101：在所述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；所述SOI衬底具有底部硅层、层间介质和顶部硅层；
步骤102：将所述SOI衬底倒置，在真空环境下在所述底部硅层中形成所述第一密闭空腔和第二密闭空腔；
步骤103：在真空环境下在所述第一密闭空腔中沉积反射层；
步骤104：在真空环境下将所述键合衬底的底部与所述底部硅层键合，且在键合过程中，向所述第一密闭空腔和所述第二密闭空腔中填充所述红外敏感气体；
步骤105：在所述键合衬底中刻蚀出第一开口，第一开口穿透所述键合衬底，且位于所述第一密闭空腔和所述第二密闭空腔之间的区域上方；
步骤106：将所述SOI衬底再反转过来，在所述顶部硅层中形成所述具有第一导电类型沟道的第一MOS器件和所述具有第二导电类型沟道的第二MOS器件；
步骤107：在所述顶部硅层和所述层间介质中且对应于所述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；
步骤108：在完成所述步骤107的SOI衬底上在真空环境下沉积金属前介质；金属前介质将所述第二开口顶部封住，从而第二密闭空腔中呈真空状态；
步骤109：在所述金属前介质上形成后道互连层，然后，在所述后道互连层、所述金属前介质、所述顶部硅层和所述层间介质中刻蚀出第三开口；所述第三开口对应于所述第一密闭空腔和所述第二密闭空腔之间的区域上方。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，具体包括：
步骤201：在所述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；所述SOI衬底具有底部硅层、层间介质和顶部硅层；
步骤202：将所述SOI衬底倒置，在所述底部硅层中刻蚀出所述第一密闭空腔和第二密闭空腔；
步骤203：在所述第一密闭空腔中沉积反射层；然后，在所述第一密闭空腔中充入所述红外敏感气体；
步骤204：在常压下将所述键合衬底的底部与所述底部硅层键合；
步骤205：在所述键合衬底中刻蚀出第一开口，第一开口穿透所述键合衬底，且位于所述第一密闭空腔和所述第二密闭空腔之间的区域上方；
步骤206：将所述SOI衬底再反转过来，在所述顶部硅层中形成所述具有第一导电类型沟道的第一MOS器件和所述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；
步骤208：在完成所述步骤207的SOI衬底上在真空环境下沉积金属前介质；金属前介质将所述第二开口顶部封住，从而第二密闭空腔中形成真空状态；
步骤209：在所述金属前介质上形成后道互连层，然后，在所述后道互连层、所述金属前介质、所述顶部硅层和所述层间介质中刻蚀出第三开口；所述第三开口对应于所述第一密闭空腔和所述第二密闭空腔之间的区域上方。
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