雙層可見光紅外混合成像探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙層可見光紅外混合成像探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)和生活水平的發(fā)展，單純的紅外成像或者單純的可見光成像已不能滿足需求，具有更寬波段的成像技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注，特別是能同時(shí)對(duì)可見光和紅外光敏感的成像技術(shù)。
[0003]然而，現(xiàn)有的混合成像器件中，采用透鏡形成兩條光路來(lái)分別對(duì)可見光和紅外光進(jìn)行感應(yīng)成像，最后采用計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)合成在一起，由于光路的分離造成所形成的紅外圖像部分和可見光圖像部分產(chǎn)生較大的對(duì)準(zhǔn)偏差，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。
[0004]由于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)具有微小、智能、可執(zhí)行、可集成、工藝兼容性好、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，如果能將混合成像技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合，研究出微電子技術(shù)領(lǐng)域的混合成像技術(shù)，將能夠避免現(xiàn)有的紅外圖像和可見光圖像的對(duì)準(zhǔn)偏差大的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服以上問題，本發(fā)明旨在提供一種雙層可見光紅外混合成像探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)及其制備方法，從而將混合成像技術(shù)微型化和芯片化，提高混合成像的質(zhì)量。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種雙層可見光紅外混合成像探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)，其包括:
[0007]—半導(dǎo)體襯底，作為可見光過(guò)濾層；
[0008]可見光感應(yīng)區(qū)域，位于所述半導(dǎo)體襯底下表面，所述可見光感應(yīng)區(qū)域包括可見光感應(yīng)部件和接觸部件；
[0009]金屬互連，位于所述半導(dǎo)體襯底下表面；所述金屬互連與所述可見光感應(yīng)區(qū)域的所述接觸部件相連；
[0010]紅外感應(yīng)區(qū)域，位于半導(dǎo)體襯底上表面，并且具有雙層紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)，其包括:
[0011]第一空腔，位于所述半導(dǎo)體襯底中；
[0012]介質(zhì)層，覆蓋于所述第一空腔和所述半導(dǎo)體襯底上表面；位于所述半導(dǎo)體襯底上表面的所述介質(zhì)層中具有第一釋放孔，所述第一釋放孔下方的所述半導(dǎo)體襯底中具有第二空腔；
[0013]接觸溝槽結(jié)構(gòu)，位于所述第一空腔兩側(cè)的所述介質(zhì)層中；
[0014]接觸孔，其頂部與所述接觸溝槽結(jié)構(gòu)相連，其底部與所述金屬互連相連；
[0015]第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)，位于所述第一空腔上方的所述介質(zhì)層上，所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)邊緣與所述接觸溝槽結(jié)構(gòu)相連；所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)和所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)下方的所述介質(zhì)層中具有第二釋放孔；
[0016]第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)，位于所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)之上，且所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)邊緣與所述接觸溝槽結(jié)構(gòu)相連；所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)與所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)之間構(gòu)成第三空腔；
[0017]支撐部件，位于所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)的外圍且與所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)不接觸；所述支撐部件的兩側(cè)具有支撐孔，所述支撐部件的頂部具有第三釋放孔；所述支撐孔底部位于所述接觸溝槽結(jié)構(gòu)外側(cè)的所述介質(zhì)層上；所述支撐部件與所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)之間具有第四空腔，并且所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)和所述支撐部件之間具有連通的空隙；所述支撐部件的內(nèi)表面具有紅外反射材料或者整個(gè)所述支撐部件為紅外反射材料；
[0018]其中，可見光和紅外光從所述半導(dǎo)體襯底下表面射入，通過(guò)所述可見光感應(yīng)區(qū)域，部分所述可見光被所述可見光感應(yīng)部件吸收；經(jīng)所述半導(dǎo)體襯底過(guò)濾掉可見光后，紅外光透過(guò)所述半導(dǎo)體襯底之后進(jìn)入所述第一空腔，然后進(jìn)入所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)且部分所述紅外光被所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)吸收；未被所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)吸收的紅外光繼續(xù)穿過(guò)所述第三空腔進(jìn)入所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)且部分所述紅外光被所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)吸收；未被所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)吸收的紅外光進(jìn)入所述第四空腔，然后被所述紅外反射材料反射回到所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而被所述紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)吸收。
[0019]優(yōu)選地，所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)的底部與所述接觸溝槽結(jié)構(gòu)的頂部相齊平；所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)邊緣底部與所述接觸溝槽結(jié)構(gòu)頂部相連，所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)頂部的下表面高于所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)上表面；所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)的上表面與所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)的側(cè)壁內(nèi)表面及其頂部之間形成所述第二空腔。
[0020]優(yōu)選地，所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)包括第一下釋放保護(hù)層、第一紅外感應(yīng)部件、第一電極層和第一上釋放保護(hù)層；所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)包括第二下釋放保護(hù)層、第二紅外感應(yīng)部件、第二電極層和第二上釋放保護(hù)層；所述第一電極層的底部與所述第二電極層的底部相連且均與所述接觸溝槽結(jié)構(gòu)相連接。
[0021]優(yōu)選地，所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)頂部具有第四釋放孔。
[0022]優(yōu)選地，在所述晶圓下表面中具有前道器件，所述可見光感應(yīng)部件和所述前道器件相間設(shè)置；在所述前道器件底部具有后道互連；所述后道互連與所述通孔底部相連。
[0023]優(yōu)選地，所述第二空腔側(cè)壁與所述接觸溝槽結(jié)構(gòu)外側(cè)壁的距離不大于2微米。
[0024]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種所述的雙層可見光紅外混合成像探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括:
[0025]步驟01:提供一半導(dǎo)體襯底；并在所述半導(dǎo)體襯底下表面制備所述可見光感應(yīng)區(qū)域的所述可見光感應(yīng)部件和所述接觸部件、以及所述金屬互連；
[0026]步驟02:在所述半導(dǎo)體襯底的上表面形成所述介質(zhì)層，并且在所述待形成所述接觸溝槽結(jié)構(gòu)區(qū)域兩側(cè)的所述介質(zhì)層中形成所述第一釋放孔；
[0027]步驟03:在所述金屬互連上方的所述半導(dǎo)體襯底中形成所述接觸孔，以及在所述接觸孔上方的所述介質(zhì)層中形成所述接觸溝槽結(jié)構(gòu)；
[0028]步驟04:在所述接觸溝槽結(jié)構(gòu)之間的所述介質(zhì)層上形成所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)，所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)的邊緣與所述接觸溝槽結(jié)構(gòu)相連接；并且，在所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)和所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)下方的所述介質(zhì)層中形成所述第二釋放孔；
[0029]步驟05:在所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)上方形成第一犧牲層；并且刻蝕所述第一犧牲層，使所述第一犧牲層的側(cè)壁不超過(guò)所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)的邊緣；
[0030]步驟06:在所述第一犧牲層表面形成所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)；所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)的邊緣與所述接觸溝槽結(jié)構(gòu)相連；
[0031]步驟07:在所述介質(zhì)層和所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)上形成第二犧牲層；并且圖案化所述第二犧牲層，在所述第二犧牲層中形成溝槽；所述溝槽的底部暴露出所述接觸溝槽結(jié)構(gòu)外側(cè)的所述介質(zhì)層的部分表面；
[0032]步驟08:在所述第二犧牲層表面和所述溝槽中沉積一層支撐材料，從而形成所述支撐部件，并且在所述支撐部件頂部形成所述第三釋放孔；
[0033]步驟09:通過(guò)所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)與所述支撐部件之間的所述連通的空隙、所述第一釋放孔、所述第二釋放孔和所述第三釋放孔進(jìn)行釋放工藝，將所述第一釋放孔下方的部分所述半導(dǎo)體襯底、所述第一犧牲層、所述第二犧牲層和第二釋放孔下方的部分所述半導(dǎo)體襯底釋放掉，從而分別形成所述第二空腔、所述第三空腔、所述第四空腔和所述第一空腔。
[0034]優(yōu)選地，所述第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)包括第一下釋放保護(hù)層、第一紅外感應(yīng)部件、第一電極層和第一上釋放保護(hù)層；所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)包括第二下釋放保護(hù)層、第二紅外感應(yīng)部件、第二電極層和第二上釋放保護(hù)層；所述步驟05中，所述第一犧牲層的側(cè)壁不超過(guò)所述第一電極層的邊緣；所述步驟06中，所述第一電極層的底部與所述第二電極層的底部相連且均與所述接觸溝槽結(jié)構(gòu)相連接。
[0035]優(yōu)選地，當(dāng)所述第一犧牲層、所述第二犧牲層以及所述第三犧牲層的材料均為非晶硅時(shí)，采用XeF2作為釋放氣體，將所述第一犧牲層、所述第二犧牲層以及所述第三犧牲層去除，此時(shí)，所述上釋放保護(hù)層和所述下釋放保護(hù)層的材料為二氧化硅和鋁的復(fù)合材料；或者當(dāng)所述第一犧牲層、所述第二犧牲層以及所述第三犧牲層的材料均為氧化硅時(shí)，可以采用氣態(tài)氟化氫作為釋放氣體，將所述第一犧牲層、所述第二犧牲層以及所述第三犧牲層的材料去除，此時(shí)，所述上釋放保護(hù)層和所述下釋放保護(hù)層的材料為氮化硅、或硅；或者當(dāng)所述第一犧牲層、所述第二犧牲層以及所述第三犧牲層的材料為有機(jī)物時(shí)，可以采用O2作為釋放氣體，將全所述第一犧牲層、所述第二犧牲層以及所述第三犧牲層的材料去除，此時(shí)，所述上釋放保護(hù)層和所述下釋放保護(hù)層的材料為無(wú)機(jī)物材料。
[0036]優(yōu)選地，所述步驟06中，還包括:在所述第二紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)頂部形成第四釋放孔；所述步驟09中，所述釋放孔工藝的進(jìn)行還包括通過(guò)所述第四釋放孔。
[0037]本發(fā)明的雙層可見光紅外混合成像探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)及其制備方法，將可見光感應(yīng)區(qū)域和紅外感應(yīng)區(qū)域集成在芯片中，巧妙的利用晶圓作為光過(guò)濾層，無(wú)需另外設(shè)置光過(guò)濾層，并且，所采用的雙紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)中，第一紅外感應(yīng)結(jié)構(gòu)下方設(shè)置了空腔，上述兩種結(jié)構(gòu)使得形成的器件在垂直方向上的高度降低，從而減小了器件的體積、減少了工藝步驟和節(jié)約了成本，使可見光紅外混合成像微型化、芯