双层可见光红外混合成像探测器像元结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供了双层可见光红外混合成像探测器像元结构及其制备方法，包括：衬底；位于衬底下表面的可见光感应区域、金属互连以及位于衬底上表面的红外感应区域；红外感应区域包括：第一、第二红外感应结构、接触沟槽结构、支撑部件、介质层；第一红外感应结构位于介质层上；第一红外感应结构与第二红外感应结构都与接触沟槽结构相连，接触沟槽结构与金属互连相连，通过接触沟槽结构将第一红外感应结构和第二红外感应结构所形成的电信号传输到金属互连；第一红外感应结构下方的衬底中具有第一空腔，第二红外感应结构与第一红外感应结构之间具有第二空腔；支撑部件与第二红外感应结构之间具有第三空腔；具有第四释放孔的介质层下方的衬底中具有第四空腔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微电子
，具体涉及一种双层可见光红外混合成像探测器像元结构及其制备方法。
技术介绍
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
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。
技术实现思路
为了克服以上问题，本专利技术旨在提供一种双层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，本专利技术提供了一种双层可见光红外混合成像探测器像元结构，其包括：一半导体衬底，作为可见光过滤层；可见光感应区域，位于所述半导体衬底下表面，所述可见光感应区域包括可见光感应部件和接触部件；金属互连，位于所述半导体衬底下表面；所述金属互连与所述可见光感应区域的所述接触部件相连；红外感应区域，位于半导体衬底上表面，并且具有双层红外感应结构，其包括：第一空腔，位于所述半导体衬底中；介质层，覆盖于所述第一空腔和所述半导体衬底上表面；位于所述半导体衬底上表面的所述介质层中具有第一释放孔，所述第一释放孔下方的所述半导体衬底中具有第二空腔；接触沟槽结构，位于所述第一空腔两侧的所述介质层中；接触孔，其顶部与所述接触沟槽结构相连，其底部与所述金属互连相连；第一红外感应结构，位于所述第一空腔上方的所述介质层上，所述第一红外感应结构边缘与所述接触沟槽结构相连；所述第一红外感应结构和所述第一红外感应结构下方的所述介质层中具有第二释放孔；第二红外感应结构，位于所述第一红外感应结构之上，且所述第二红外感应结构边缘与所述接触沟槽结构相连；所述第二红外感应结构与所述第一红外感应结构之间构成第三空腔；支撑部件，位于所述第二红外感应结构的外围且与所述第二红外感应结构不接触；所述支撑部件的两侧具有支撑孔，所述支撑部件的顶部具有第三释放孔；所述支撑孔底部位于所述接触沟槽结构外侧的所述介质层上；所述支撑部件与所述第二红外感应结构之间具有第四空腔，并且所述第二红外感应结构和所述支撑部件之间具有连通的空隙；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；其中，可见光和红外光从所述半导体衬底下表面射入，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部件吸收；经所述半导体衬底过滤掉可见光后，红外光透过所述半导体衬底之后进入所述第一空腔，然后进入所述第一红外感应结构且部分所述红外光被所述第一红外感应结构吸收；未被所述第一红外感应结构吸收的红外光继续穿过所述第三空腔进入所述第二红外感应结构且部分所述红外光被所述第二红外感应结构吸收；未被所述第二红外感应结构吸收的红外光进入所述第四空腔，然后被所述红外反射材料反射回到所述第二红外感应结构，进而被所述红外感应结构吸收。优选地，所述第一红外感应结构的底部与所述接触沟槽结构的顶部相齐平；所述第二红外感应结构边缘底部与所述接触沟槽结构顶部相连，所述第二红外感应结构顶部的下表面高于所述第一红外感应结构上表面；所述第一红外感应结构的上表面与所述第二红外感应结构的侧壁内表面及其顶部之间形成所述第二空腔。优选地，所述第一红外感应结构包括第一下释放保护层、第一红外感应部件、第一电极层和第一上释放保护层；所述第二红外感应结构包括第二下释放保护层、第二红外感应部件、第二电极层和第二上释放保护层；所述第一电极层的底部与所述第二电极层的底部相连且均与所述接触沟槽结构相连接。优选地，所述第二红外感应结构顶部具有第四释放孔。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，所述第二空腔侧壁与所述接触沟槽结构外侧壁的距离不大于2微米。为了实现上述目的，本专利技术还提供了一种所述的双层可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法，其包括：步骤01：提供一半导体衬底；并在所述半导体衬底下表面制备所述可见光感应区域的所述可见光感应部件和所述接触部件、以及所述金属互连；步骤02：在所述半导体衬底的上表面形成所述介质层，并且在所述待形成所述接触沟槽结构区域两侧的所述介质层中形成所述第一释放孔；步骤03：在所述金属互连上方的所述半导体衬底中形成所述接触孔，以及在所述接触孔上方的所述介质层中形成所述接触沟槽结构；步骤04：在所述接触沟槽结构之间的所述介质层上形成所述第一红外感应结构，所述第一红外感应结构的边缘与所述接触沟槽结构相连接；并且，在所述第一红外感应结构和所述第一红外感应结构下方的所述介质层中形成所述第二释放孔；步骤05：在所述第一红外感应结构上方形成第一牺牲层；并且刻蚀所述第一牺牲层，使所述第一牺牲层的侧壁不超过所述第一红外感应结构的边缘；步骤06：在所述第一牺牲层表面形成所述第二红外感应结构；所述第二红外感应结构的边缘与所述接触沟槽结构相连；步骤07：在所述介质层和所述第二红外感应结构上形成第二牺牲层；并且图案化所述第二牺牲层，在所述第二牺牲层中形成沟槽；所述沟槽的底部暴露出所述接触沟槽结构外侧的所述介质层的部分表面；步骤08：在所述第二牺牲层表面和所述沟槽中沉积一层支撑材料，从而形成所述支撑部件，并且在所述支撑部件顶部形成所述第三释放孔；步骤09：通过所述第二红外感应结构与所述支撑部件之间的所述连通的空隙、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，将所述第一释放孔下方的部分所述半导体衬底、所述第一牺牲层、所述第二牺牲层和第二释放孔下方的部分所述半导体衬底释放掉，从而分别形成所述第二空腔、所述第三空腔、所述第四空腔和所述第一空腔。优选地，所述第一红外感应结构包括第一下释放保护层、第一红外感应部件、第一电极层和第一上释放保护层；所述第二红外感应结构包括第二下释放保护层、第二红外感应部件、第二电极层和第二上释放保护层；所述步骤05中，所述第一牺牲层的侧壁不超过所述第一电极层的边缘；所述步骤06中，所述第一电极层的底部与所述第二电极层的底部相连且均与所述接触沟槽结构相连接。优选地，当所述第一牺牲层、所述第二牺牲层以及所述第三牺牲层的材料均为非晶硅时，采用XeF2作为释放气体，将所述第一牺牲层、所述第二牺牲层以及所述第三牺牲层去除，此时，所述上释放保护层和所述下释放保护层的材料为二氧化硅和铝的复合材料；或者当所述第一牺牲层、所述第二牺牲层以及所述第三本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双层可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，包括：一半导体衬底，作为可见光过滤层；可见光感应区域，位于所述半导体衬底下表面，所述可见光感应区域包括可见光感应部件和接触部件；金属互连，位于所述半导体衬底下表面；所述金属互连与所述可见光感应区域的所述接触部件相连；红外感应区域，位于半导体衬底上表面，并且具有双层红外感应结构，其包括：第一空腔，位于所述半导体衬底中；介质层，覆盖于所述第一空腔和所述半导体衬底上表面；位于所述半导体衬底上表面的所述介质层中具有第一释放孔，所述第一释放孔下方的所述半导体衬底中具有第二空腔；接触沟槽结构，位于所述第一空腔两侧的所述介质层中；接触孔，其顶部与所述接触沟槽结构相连，其底部与所述金属互连相连；第一红外感应结构，位于所述第一空腔上方的所述介质层上，所述第一红外感应结构边缘与所述接触沟槽结构相连；所述第一红外感应结构和所述第一红外感应结构下方的所述介质层中具有第二释放孔；第二红外感应结构，位于所述第一红外感应结构之上，且所述第二红外感应结构边缘与所述接触沟槽结构相连；所述第二红外感应结构与所述第一红外感应结构之间构成第三空腔；支撑部件，位于所述第二红外感应结构的外围且与所述第二红外感应结构不接触；所述支撑部件的两侧具有支撑孔，所述支撑部件的顶部具有第三释放孔；所述支撑孔底部位于所述接触沟槽结构外侧的所述介质层上；所述支撑部件与所述第二红外感应结构之间具有第四空腔，并且所述第二红外感应结构和所述支撑部件之间具有连通的空隙；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；其中，可见光和红外光从所述半导体衬底下表面射入，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部件吸收；经所述半导体衬底过滤掉可见光后，红外光透过所述半导体衬底之后进入所述第一空腔，然后进入所述第一红外感应结构且部分所述红外光被所述第一红外感应结构吸收；未被所述第一红外感应结构吸收的红外光继续穿过所述第三空腔进入所述第二红外感应结构且部分所述红外光被所述第二红外感应结构吸收；未被所述第二红外感应结构吸收的红外光进入所述第四空腔，然后被所述红外反射材料反射回到所述第二红外感应结构，进而被所述红外感应结构吸收。...

【技术特征摘要】
1.一种双层可见光红外混合成像探测器像元结构，其特征在于，包括：
一半导体衬底，作为可见光过滤层；
可见光感应区域，位于所述半导体衬底下表面，所述可见光感应区域包括
可见光感应部件和接触部件；
金属互连，位于所述半导体衬底下表面；所述金属互连与所述可见光感应
区域的所述接触部件相连；
红外感应区域，位于半导体衬底上表面，并且具有双层红外感应结构，其
包括：
第一空腔，位于所述半导体衬底中；
介质层，覆盖于所述第一空腔和所述半导体衬底上表面；位于所述半导
体衬底上表面的所述介质层中具有第一释放孔，所述第一释放孔下方的所述半
导体衬底中具有第二空腔；
接触沟槽结构，位于所述第一空腔两侧的所述介质层中；
接触孔，其顶部与所述接触沟槽结构相连，其底部与所述金属互连相
连；
第一红外感应结构，位于所述第一空腔上方的所述介质层上，所述第
一红外感应结构边缘与所述接触沟槽结构相连；所述第一红外感应结构和所述
第一红外感应结构下方的所述介质层中具有第二释放孔；
第二红外感应结构，位于所述第一红外感应结构之上，且所述第二红
外感应结构边缘与所述接触沟槽结构相连；所述第二红外感应结构与所述第一
红外感应结构之间构成第三空腔；
支撑部件，位于所述第二红外感应结构的外围且与所述第二红外感应
结构不接触；所述支撑部件的两侧具有支撑孔，所述支撑部件的顶部具有第三
释放孔；所述支撑孔底部位于所述接触沟槽结构外侧的所述介质层上；所述支
撑部件与所述第二红外感应结构之间具有第四空腔，并且所述第二红外感应结
构和所述支撑部件之间具有连通的空隙；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；
其中，可见光和红外光从所述半导体衬底下表面射入，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部件吸收；经所述半导体衬底过滤
掉可见光后，红外光透过所述半导体衬底之后进入所述第一空腔，然后进入所
述第一红外感应结构且部分所述红外光被所述第一红外感应结构吸收；未被所
述第一红外感应结构吸收的红外光继续穿过所述第三空腔进入所述第二红外感

\t应结构且部分所述红外光被所述第二红外感应结构吸收；未被所述第二红外感
应结构吸收的红外光进入所述第四空腔，然后被所述红外反射材料反射回到所
述第二红外感应结构，进而被所述红外感应结构吸收。
2.根据权利要求1所述的双层可见光红外混合成像探测器像元结构，其特
征在于，所述第一红外感应结构的底部与所述接触沟槽结构的顶部相齐平；所
述第二红外感应结构边缘底部与所述接触沟槽结构顶部相连，所述第二红外感
应结构顶部的下表面高于所述第一红外感应结构上表面；所述第一红外感应结
构的上表面与所述第二红外感应结构的侧壁内表面及其顶部之间形成所述第二
空腔。
3.根据权利要求2所述的双层可见光红外混合成像探测器像元结构，其特
征在于，所述第一红外感应结构包括第一下释放保护层、第一红外感应部件、
第一电极层和第一上释放保护层；所述第二红外感应结构包括第二下释放保护
层、第二红外感应部件、第二电极层和第二上释放保护层；所述第一电极层的
底部与所述第二电极层的底部相连且均与所述接触沟槽结构相连接。
4.根据权利要求1所述的双层可见光红外混合成像探测器像元结构，其特
征在于，所述第二红外感应结构顶部具有第四释放孔。
5.根据权利要求1所述的双层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。
6.根据权利要求1所述的双层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...

【专利技术属性】
技术研发人员：康晓旭，
申请(专利权)人：上海集成电路研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31