CN105185802B - 单芯片可见光红外混合成像探测器像元结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单芯片可见光红外混合成像探测器像元结构及其制备方法，包括：位于一半导体衬底上表面的互连层；位于互连层上的红外感应部分；位于互连层上表面且在红外感应部分之外区域的可见光感应部分；或者红外感应部分下方之外区域的互连层中具有深沟槽，可见光感应部分位于半导体衬底中且暴露于深沟槽底部，以及转换单元；红外感应部分包括：位于互连层上表面的介质层和接触沟槽结构；顶部具有第一释放孔和边缘具有第一支撑孔的红外感应结构，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具有第二支撑孔支撑部件，其顶部具有第一释放孔，支撑部件与红外感应结构之间具有第二空腔；红外增透材料，覆盖于支撑部件表面；以及第二引出极。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种集成于同一芯片的同一表面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单芯片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，本发明提供了一种单芯片可见光红外混合成像探测器像元结构，包括：可见光红外混合成像器件，包括：
互连层，位于一半导体衬底上表面；
红外感应部分，位于所述互连层上；
可见光感应部分，位于所述互连层上表面且在所述红外感应部分之外区域；或者所述红外感应部分下方之外区域的所述互连层中具有深沟槽，所述可见光感应部分位于所述半导体衬底中且暴露于所述深沟槽底部；以及
转换单元，用于将所述可见光感应部分和所述红外感应部分所输出的电信号进行计算并转换为图像；其中，
可见光感应部分包括：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；
红外感应部分包括：
介质层，位于所述互连层上表面；所述介质层中具有接触沟槽结构；
红外感应结构，用于吸收红外光，并产生电信号；所述红外感应结构的顶部具有第一释放孔，其边缘具有第一支撑孔，所述第一支撑孔的底部与所述接触沟槽结构顶部接触，所述红外感应结构与所述介质层上表面之间具有第一空腔；
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，所述支撑部件边缘具有第二支撑孔，所述第二支撑孔底部与所述介质层相连，所述支撑部件顶部具有第二释放孔；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；
红外增透材料，位于所述支撑部件上，用于提高红外光通过所述支撑部件的透过率；
所述互连层中具有第二引出极，所述第二引出极的一端与所述接触沟槽结构相连，另一端连接于所述互连层中，用于将所述红外感应结构所形成的电信号输出；所述转换单元与所述第一引出极和所述第二引出极相连。
优选地，所述红外感应结构为边缘具有第一支撑孔且顶部为凹凸起伏表面的微桥结构，其包括：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，所述电极层与所述接触沟槽结构相连接，用于将所述红外感应敏感材料层所形成的电信号输出。
优选地，所述红外增透材料覆盖于所述支撑部件的顶部表面或覆盖于所述支撑部件的整个外表面。
优选地，所述支撑部件的材料为氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅，或者非化学计量比氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅。
优选地，所述红外增透材料为锗。
优选地，所述半导体衬底为硅衬底。
优选地，所述第一引出极和所述第二引出极包括接触孔和引线。
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探测器像元结构的制备方法，所述可见光感应部分位于所述互连层上表面且在所述红外感应部分之外区域；所述制备方法包括以下步骤：
步骤01：提供一半导体衬底，在所述半导体衬底上表面形成所述互连层，在分别对应于所述可见光感应部分区域和所述红外感应部分区域下方的所述互连层中形成所述第一引出极和所述第二引出极；
步骤02：在对应于所述第一引出极的所述互连层上表面形成所述可见光感应部件；
步骤03：在所述可见光感应部分区域之外的对应于所述第二引出极的所述互连层上表面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顶部；
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，并在所述红外感应结构顶部形成第一释放孔；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：在所述红外感应结构的表面和暴露的部分所述第一牺牲层表面形成第二牺牲层；
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顶部；
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，并在所述支撑部件顶部形成第二释放孔；
步骤10：通过所述支撑部件和所述红外感应结构之间的所述连通的空隙、所述第一释放孔和所述第二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；
步骤11：在所述支撑部件上形成所述红外增透材料。
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器件的制备方法，所述红外感应部分下方之外区域的所述互连层中具有深沟槽，所述可见光感应部分位于所述半导体衬底中且暴露于所述深沟槽底部；所述制备方法包括以下步骤：
步骤01：提供一半导体衬底，在所述半导体衬底上表面形成所述可见光感应部件；
步骤02：在所述半导体衬底上表面形成所述互连层，在对应于所述可见光感应部件的区域上方两侧的所述互连层中形成所述第一引出极，以及在所述可见光感应部分的区域之外的所述互连层中形成所述第二引出极；
步骤03：在对应于所述可见光感应部件上方的所述互连层中刻蚀出深沟槽，以暴露出所述可见光感应部件；
步骤04：在所述可见光感应部分的区域之外的对应于所述第二引出极的所述互连层上表面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05：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06：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顶部；
步骤07：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，在所述红外感应结构顶部形成所述第一释放孔；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08：在所述红外感应结构的表面和暴露的部分所述第一牺牲层表面形成第二牺牲层；
步骤09：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顶部；
步骤10：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，在所述支撑部件顶部形成所述第二释放孔；
步骤11：通过所述支撑部件和所述红外感应结构之间的所述连通的空隙、所述第一释放孔和所述第二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；
步骤12：在所述支撑部件上形成所述红外增透材料。
本发明的单芯片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同一半导体衬底中，不仅提高了可见光红外混合成像的质量还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为本发明的一个较佳实施例的单芯片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单芯片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单芯片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4为本发明的一个较佳实施例的单芯片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。
本发明的单芯片可见光红外混合成像探测器像元结构，包括：位于一半导体衬底上表面的互连层；位于互连层上的红外感应部分；位于互连层上表面且在红外感应部分之外区域的可见光感应部分；或者红外感应部分下方之外区域的互连层中具有深沟槽，可见光感应部分位于半导体衬底中且暴露于深沟槽底部；以及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的转换单元；其中，可见光感应部分包括：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引出极；第一引出极与互连层相连；红外感应部分包括：位于互连层上表面的介质层；介质层中具有接触沟槽结构；红外感应结构，用于吸收红外光，并产生电信号；红外感应结构的边缘具有第一支撑孔，第一支撑孔底部与接触沟槽结构接触，红外感应结构顶部具有第一释放孔；红外感应结构与介质层上表面之间具有第一空腔；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，支撑部件边缘具有第二支撑孔，第二支撑孔底部与介质层相连，支撑部件顶部具有第二释放孔；支撑部件与红外感应解耦股之间具有第二空腔，并且红外感应结构与支撑部件之间具有连通的空隙；红外增透材料，位于支撑部件上，用于提高红外光通过支撑部件的透过率；在互连层中具有第二引出极，第二引出极的一端与接触沟槽结构相连，另一端连接于互连层中，用于将红外感应结构所形成的电信号输出；转换单元与第一引出极和第二引出极相连。
需要说明的是，本发明中，半导体衬底中还可以具有其它器件，这些器件与互连层相连。
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。
还需要说明的是，本发明的红外感应部分和可见光感应部分可以视为两种像元，红外感应部分像元和可见光感应部分像元可以交错排列，也可以一个红外感应部分像元周围排布多个可见光感应部分像元。
以下结合附图1-2和具体实施例对本发明的单芯片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，本发明的一个实施例的单芯片可见光红外混合成像探测器像元结构，包括：
互连层101，位于一半导体衬底100上表面；这里的半导体衬底100可以但不限于为硅衬底；
红外感应部分IR，位于互连层101上；红外感应部分IR包括：
介质层102，位于互连层101上表面；
接触沟槽结构103，位于介质层102中；接触沟槽结构103之间具有一定的间距，接触沟槽结构103之间的间距上方用于形成第一空腔，因此，可以根据实际需要的红外感应结构的尺寸来调整接触沟槽结构103之间的间距；
红外感应结构为边缘具有第一支撑孔110且顶部为凹凸起伏表面的微桥结构，其包括：下释放保护层104、上释放保护层107、以及位于下释放保护层104和上释放保护层107之间的红外敏感材料层105、电极层106；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所暴露的部分均覆盖住。位于第一支撑孔110底部的电极层106与接触沟槽结构103相连接，用于将红外敏感材料层105所形成的电信号输出。微桥结构与介质层102上表面之间具有第一空腔；在微桥结构的顶部具有第一释放孔K1；
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，支撑部件顶部具有第二释放孔K2；支撑部件108与微桥结构之间具有第二空腔；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。
红外增透材料113，覆盖于支撑部件108表面，用于提高红外光通过支撑部件的透过率；这里，红外增透材料113覆盖于支撑部件108的顶部表面，其它实施例中也可以将整个支撑部件外表面包括第二支撑孔全部覆盖。红外增透材料113可以为锗。
第二引出极109包括接触孔和引线，接触孔的其一端与接触沟槽结构103相连，另一端连接于互连层101，用于将红外敏感材料层105所形成的电信号输出。
其中，接触沟槽结构的材料可以为Al或Pt；介质层的材料为二氧化硅、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；释放保护层可为二氧化硅(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。上释放保护层和下释放保护层将红外敏感材料层和电极层包围，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，提高红外敏感材料层的可靠性，也可以避免电极层的短路。红外敏感材料层为非晶硅或氧化钒等。电极层的材料可以为钛、钽、上下层叠的氮化钛和钛或上下层叠的钽和氮化钽。
可见光感应部分VS，位于互连层101上表面且在红外感应部分IR之外区域；可见光感应部分VS包括：可见光感应部件114和将可见光感应部件114所形成的电信号输出的第一引出极112，第一引出极11包括接触孔和引线；可见光感应部件114可以为光电转换二极管；需要说明的是，可见光感应部件114底部具有介质材料，用于隔离可见光感应部件114与互连层101；以及
转换单元，与第一引出极112和第二引出极109相连，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。
请参阅图2，本发明的另一个实施例的单芯片可见光红外混合成像探测器像元结构，包括：
互连层201，位于一半导体衬底200上表面；这里的半导体衬底200可以但不限于为硅衬底；
红外感应部分IR，位于互连层201上表面；红外感应部分IR包括：
接触沟槽结构203，位于介质层202中；接触沟槽结构203之间具有一定的间距，接触沟槽结构203之间的间距上方用于形成第一空腔，因此，可以根据实际需要的红外感应结构的尺寸来调整接触沟槽结构203之间的间距；
红外感应结构为两端具有第一支撑孔210且顶部为凹凸起伏表面的微桥结构，其包括：下释放保护层204、上释放保护层207、以及位于下释放保护层204和上释放保护层207之间的红外敏感材料层205、电极层206；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所暴露的部分均覆盖住。电极层205与接触沟槽结构203相连接，用于将红外敏感材料层205所形成的电信号输出。微桥结构与介质层202上表面之间具有第一空腔；微桥结构顶部具有第一释放孔K’1；
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顶部具有第二释放孔K’2；支撑部件208与微桥结构之间具有第二空腔；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。
红外增透材料213，覆盖于支撑部件208表面，用于提高红外光通过支撑部件208的透过率；这里，红外增透材料213将支撑部件208的整个外表面包括第二支撑孔211全部覆盖。红外增透材料213可以为锗。
第二引出极209包括接触孔和引线，接触孔的一端与接触沟槽结构203相连，另一端连接于互连层202中，用于将红外敏感材料层205所形成的电信号输出。
其中，接触沟槽结构的材料可以为Al、Pt；介质层的材料为二氧化硅、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；释放保护层可为二氧化硅(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。上释放保护层和下释放保护层将红外敏感材料层和电极层包围，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，提高红外敏感材料层的可靠性，也可以避免电极的短路。红外敏感材料层为非晶硅或氧化钒等。电极层的材料可以为钛、钽、上下层叠的氮化钛和钛、或者上下层叠的钽和氮化钽。
可见光感应部分VS包括：可见光感应部件214和将可见光感应部件214所形成的电信号输出的第一引出极212，第一引出极212包括接触孔和引线；可见光感应部件214可以为光电转换二极管；这里，红外感应部分IR下方之外区域的互连层201中具有深沟槽215，可见光感应部分VS位于半导体衬底200中且暴露于深沟槽215底部；需要说明的是，可见光感应部件214底部具有介质材料，用于隔离可见光感应部件214与互连层201；以及
转换单元，与第一引出极212和第二引出极209相连，用于将可见光感应部分VS和红外感应部分IR所输出的电信号进行计算并转换为图像。
以下结合附图3-4和具体实施例对本发明的单芯片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。
请参阅图3，本发明的一个实施例中，上述的单芯片可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法所制备的器件中，可见光感应部分位于互连层上表面且在红外感应部分之外区域；该制备方法包括以下步骤：
步骤101：提供一半导体衬底，在半导体衬底上表面形成互连层，在分别对应于可见光感应部分区域和红外感应部分区域下方的互连层中形成第一引出极和第二引出极；
具体的，可以采用现有的互连工艺来形成互连层、第一引出极和第二引出极。第一引出极顶部与后续的可见光感应部件相连，第二引出极顶部与后续的红外感应部分的接触沟槽结构相连。
步骤102：在对应于第一引出极的互连层上表面形成可见光感应部件；
具体的，可见光感应部件为光电转换二极管，其制备方法可以采用现有工艺。
步骤103：在可见光感应部分的区域之外的对应于第二引出极的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互连层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，在金属图案上沉积介质层，其中，介质层填充于接触沟槽结构之间，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104：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105：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顶部；
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，第一沟槽用于形成后续的第一支撑孔。
步骤106：在具有第一沟槽的第一牺牲层上形成红外感应结构，并在红外感应结构顶部形成第一释放孔；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，红外感应结构为上述的具有凹凸起伏顶部且两端具有支撑孔的微桥结构；其包括：下释放保护层、上释放保护层、以及位于下释放保护层和上释放保护层之间的红外敏感材料层、电极层；上释放保护层与下释放保护层将红外敏感材料层和电极层所暴露的部分均覆盖住。位于第一支撑孔底部的电极层与接触沟槽结构顶部相连接，用于将红外敏感材料层产生的电信号输出。
步骤107：在红外感应结构的表面和暴露的部分第一牺牲层表面形成第二牺牲层；
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108：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顶部；
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，第二沟槽用于形成后续的第二支撑孔。
步骤109：在具有第二沟槽的第二牺牲层上形成支撑部件，并在支撑部件顶部形成第二释放孔；
具体的，可以采用气相沉积法来形成支撑部件。
步骤110：通过支撑部件和红外感应结构之间的连通的空隙、第一释放孔和第二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。
步骤111：在支撑部件上形成红外增透材料。
具体的，利用PVD或CVD沉积红外增透材料；可以在支撑部件的顶部表面沉积红外增透材料，也可以在整个支撑部件外表面沉积红外增透材料；然后，还可以利用悬边工艺(overhang)实现第一空腔和第二空腔的真空结构。
请参阅图4，本发明的另一个实施例中，上述单芯片可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法，所制备的器件中，红外感应部分下方之外区域的互连层中具有深沟槽，可见光感应部分位于半导体衬底中且暴露于深沟槽底部；该制备方法包括以下步骤：
步骤201：提供一半导体衬底，在半导体衬底上表面形成可见光感应部件；
具体的，可见光感应部件可以为光电转换二极管，可以采用现有的方法来形成可见光感应部件。
步骤202：在半导体衬底上表面形成互连层，在对应于可见光感应部件的区域上方两侧的互连层中形成第一引出极，以及在可见光感应部分的区域之外的互连层中形成第二引出极；
具体的，互连层的形成方法可以采用现有的工艺，第一引出极的底部与可见光感应部件相连，第二引出极的顶部与后续的红外感应区域的接触沟槽结构相连。
步骤203：在对应于可见光感应部件上方的互连层中刻蚀出深沟槽，以暴露出可见光感应部件；
具体的，深沟槽的形成可以采用光刻和刻蚀工艺来形成，深沟槽底部将可见光感应部件暴露，从而使可见光感应部件对可见光的吸收不受到互连层的阻碍。
步骤204：在可见光感应部分的区域之外的对应于第二引出极的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互连层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，在整个衬底上沉积介质层，其中介质层填充于沟槽结构之间，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205：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206：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顶部；
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，第一沟槽用于形成后续的第一支撑孔。
步骤207：在具有第一沟槽的第一牺牲层上形成红外感应结构，在红外感应结构顶部形成第一释放孔；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，红外感应结构为上述的具有凹凸起伏顶部且两端具有支撑孔的微桥结构；其包括：下释放保护层、上释放保护层、以及位于下释放保护层和上释放保护层之间的红外敏感材料层、电极层；上释放保护层与下释放保护层将红外敏感材料层和电极层所暴露的部分均覆盖住。位于第一支撑孔底部的电极层与接触沟槽结构顶部相连接，用于将红外敏感材料层产生的电信号输出。
步骤208：在红外感应结构的表面和暴露的部分第一牺牲层表面形成第二牺牲层；
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209：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顶部；
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，第二沟槽用于形成后续的第二支撑孔。
步骤210：在具有第二沟槽的第二牺牲层上形成支撑部件，并在支撑部件顶部形成第二释放孔；
具体的，可以采用气相沉积法来形成支撑部件。
步骤211：通过支撑部件和红外感应结构之间的连通的空隙、第一释放孔和第二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。
步骤212：在支撑部件上形成红外增透材料。
具体的，利用PVD或CVD沉积红外增透材料；可以在支撑部件的顶部表面沉积红外增透材料，也可以在整个支撑部件外表面沉积红外增透材料；然后，还可以利用悬边工艺(overhang)实现第一空腔和第二空腔的真空结构。
综上所述，本发明的集成于同一芯片的同一表面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同一半导体衬底中，不仅提高了可见光红外混合成像的质量还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)
1.一种单芯片可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，包括：
互连层，位于一半导体衬底上表面；
红外感应部分，位于所述互连层上；
可见光感应部分，位于所述互连层上表面且在所述红外感应部分之外区域；或者所述红外感应部分下方之外区域的所述互连层中具有深沟槽，所述可见光感应部分位于所述半导体衬底中且暴露于所述深沟槽底部；以及
转换单元，用于将所述可见光感应部分和所述红外感应部分所输出的电信号进行计算并转换为图像；其中，
可见光感应部分包括：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；
红外感应部分包括：
介质层，位于所述互连层上表面；所述介质层中具有接触沟槽结构；
红外感应结构，用于吸收红外光，并产生电信号；所述红外感应结构的顶部具有第一释放孔，其边缘具有第一支撑孔，所述第一支撑孔的底部与所述接触沟槽结构顶部接触，所述红外感应结构与所述介质层上表面之间具有第一空腔；
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，所述支撑部件边缘具有第二支撑孔，所述第二支撑孔底部与所述介质层相连，所述支撑部件顶部具有第二释放孔；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；
红外增透材料，位于所述支撑部件上，用于提高红外光通过所述支撑部件的透过率；
所述互连层中具有第二引出极，所述第二引出极的一端与所述接触沟槽结构相连，另一端连接于所述互连层中，用于将所述红外感应结构所形成的电信号输出；所述转换单元与所述第一引出极和所述第二引出极相连。
2.根据权利要求1所述的单芯片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边缘具有第一支撑孔且顶部为凹凸起伏表面的微桥结构，其包括：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。
3.根据权利要求2所述的单芯片可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，所述电极层与所述接触沟槽结构相连接，用于将所述红外感应敏感材料层所形成的电信号输出。
4.根据权利要求1所述的单芯片可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，所述红外增透材料覆盖于所述支撑部件的顶部表面或覆盖于所述支撑部件的整个外表面。
5.根据权利要求1所述的单芯片可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，所述支撑部件的材料为化学计量比氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅，或者非化学计量比氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅。
6.根据权利要求1所述的单芯片可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，所述红外增透材料为锗。
7.根据权利要求1所述的单芯片可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，所述半导体衬底为硅衬底。
8.根据权利要求1所述的单芯片可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，所述第一引出极和所述第二引出极包括接触孔和引线。
9.一种权利要求1所述的单芯片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：提供一半导体衬底，在所述半导体衬底上表面形成所述互连层，在分别对应于所述可见光感应部分区域和所述红外感应部分区域下方的所述互连层中形成所述第一引出极和所述第二引出极；
步骤02：在对应于所述第一引出极的所述互连层上表面形成所述可见光感应部件；
步骤03：在所述可见光感应部分区域之外的对应于所述第二引出极的所述互连层上表面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顶部；
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，并在所述红外感应结构顶部形成第一释放孔；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：在所述红外感应结构的表面和暴露的部分所述第一牺牲层表面形成第二牺牲层；
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顶部；
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，并在所述支撑部件顶部形成第二释放孔；
步骤10：通过所述支撑部件和所述红外感应结构之间的所述连通的空隙、所述第一释放孔和所述第二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；
步骤11：在所述支撑部件上形成所述红外增透材料。
10.一种权利要求1所述的单芯片可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法，所述红外感应部分下方之外区域的所述互连层中具有深沟槽，所述可见光感应部分位于所述半导体衬底中且暴露于所述深沟槽底部；其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤01：提供一半导体衬底，在所述半导体衬底上表面形成所述可见光感应部件；
步骤02：在所述半导体衬底上表面形成所述互连层，在对应于所述可见光感应部件的区域上方两侧的所述互连层中形成所述第一引出极，以及在所述可见光感应部分的区域之外的所述互连层中形成所述第二引出极；
步骤03：在对应于所述可见光感应部件上方的所述互连层中刻蚀出深沟槽，以暴露出所述可见光感应部件；
步骤04：在所述可见光感应部分的区域之外的对应于所述第二引出极的所述互连层上表面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05：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06：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顶部；
步骤07：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，在所述红外感应结构顶部形成所述第一释放孔；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08：在所述红外感应结构的表面和暴露的部分所述第一牺牲层表面形成第二牺牲层；
步骤09：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顶部；
步骤10：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，在所述支撑部件顶部形成所述第二释放孔；
步骤11：通过所述支撑部件和所述红外感应结构之间的所述连通的空隙、所述第一释放孔和所述第二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；
步骤12：在所述支撑部件上形成所述红外增透材料。
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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 |