高填充红外探测器像元结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种高填充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。

技术实现要素：

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，位于一硅衬底上，硅衬底表面具有导电金属区红外探测结构，位于硅衬底上方，用于探测红外光并产生电信号；导电梁结构，与红外探测结构相电连，用于将红外探测结构产生的电信号传输到导电金属区；导电梁结构包括：位于导电梁结构最顶层的导电梁，以及多层导电沟槽；

每一层导电沟槽的底部与其下方相邻层的导电沟槽的顶部分别连接于一导电梁的两端；其中一层导电沟槽的底部与导电金属区相接触；导电梁结构的最顶层中具有顶层导电沟槽和顶层导电梁；顶层导电梁与红外探测结构相连接，使微桥结构位于导电梁结构之上，每一层的导电沟槽和导电梁构成了迂回阶梯状的结构，从而使微桥结构产生的电信号的传输路径呈迂回阶梯状；微桥结构产生的电信号从顶层导电梁传输到顶层导电沟槽的顶部，再传输到顶层导电沟槽的底部，经过多层导电沟槽和导电梁之间的传输，最后传输到导电金属区。

优选地，所述导电梁由导电层以及包围导电层的释放保护层构成；每层所述导电沟槽由上释放保护层、下释放保护层以及位于上释放保护层和下释放保护层之间的导电层构成。

优选地，所述导电梁由导电层以及位于导电层上表面的释放保护层构成；每层所述导电沟槽由导电层以及位于导电层上的释放保护层构成。

优选地，所述导电梁由导电层构成；每层所述导电沟槽由导电层构成。

优选地，所述导电梁的底部具有凸起。

优选地，所述硅衬底表面还具有反射区，反射区位于红外探测结构下方，且在反射区和导电金属区之间具有介质层；互连层还连接有外部电路。

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：提供一硅衬底，并且在硅衬底表面形成导电金属区；

步骤02：在所述硅衬底上形成一层牺牲层；在该层牺牲层中刻蚀出导电沟槽的图案和/或导电梁的图案，并且在导电沟槽的图案和/或导电梁的图案中形成导电层，从而形成该层的导电沟槽或导电梁；

步骤03：重复步骤02的过程，其中，形成最顶部的牺牲层后，在最顶部的牺牲层中刻蚀出顶层导电沟槽的图案和顶层导电梁的图案，并且在顶层导电沟槽的图案和顶层导电梁的图案中形成导电层，从而形成顶层导电沟槽和顶层导电梁，以完成所述导电梁结构的制备；

步骤04：在最顶层的牺牲层和和顶层导电梁上形成所述红外探测结构，使顶层导电梁的一端与红外探测结构相接触；

步骤05：经释放工艺，将所有的牺牲层都释放掉。

优选地，所述步骤02中，所述形成导电层的过程具体包括：在导电沟槽的图案和/或导电梁的图案中依次形成下释放保护层、导电层和上释放保护层；或者在导电沟槽的图案和/或导电梁的图案中依次形成导电层和释放保护层；或者在导电沟槽的图案和/或导电梁的图案中只形成导电层。

优选地，所述导电沟槽的图案中只形成导电层时，所述导电层填充满所述导电沟槽的图案或者所述导电沟槽侧壁的导电层之间具有空隙。

优选地，所述步骤02中形成所述导电层的过程还包括：对所述导电层平坦化处理，从而去除高于所述牺牲层表面的所述导电层。

本发明的红外探测器像元结构及其制备方法，通过设置纵向上多层分布的导电沟槽和导电梁构成的导电梁结构，实现了电信号在纵向上的阶梯传输，减少了器件横向占用面积，提高了像元结构的集成密度，即提高了像元结构的填充因子；并且，微桥结构可以设置于导电梁结构之上、也可以悬挂于导电梁结构中，可见，微桥结构的设置位置变得更加灵活，使微桥结构的水平面积占用率提高，不仅减小了单个像元的水平面积，提高了单个硅片的集成度，还提高了探测灵敏度和信噪比，提高了整个红外探测器的性能。

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俯视结构示意图

图1b为本发明的一个较佳实施例的红外探测器像元结构的侧视结构示意图

图1c为本发明的一个较佳实施例的微桥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红外探测器像元结构的制备方法的流程示意图

图3-7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8a为本发明的一个较佳实施例的导电沟槽和导电梁的结构示意图

图8b为本发明的一个较佳实施例的导电沟槽和导电梁的结构示意图

图8c为本发明的一个较佳实施例的导电沟槽和导电梁的结构示意图

图9a为本发明的一个较佳实施例的实体导电梁底部结构示意图

图9b为本发明的一个较佳实施例的实体导电梁底部结构示意图

图9c为本发明的一个较佳实施例的实体导电梁底部结构示意图

图9d为本发明的一个较佳实施例的实体导电梁底部结构示意图

图10a为本发明的一个较佳实施例的槽体导电梁底部结构示意图

图10b为本发明的一个较佳实施例的槽体导电梁底部结构示意图

图10c为本发明的一个较佳实施例的槽体导电梁底部结构示意图

图10d为本发明的一个较佳实施例的槽体导电梁底部结构示意图

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。

本发明中，红外探测器像元结构，位于一硅衬底上，包括：硅衬底表面具有导电金属区，位于硅衬底上方的红外探测结构，用于探测红外光并产生电信号；与红外探测结构相电连的导电梁结构，用于将红外探测结构产生的电信号传输到导电金属区；导电梁结构包括：竖直方向上排布的至少一层导电梁和多层导电沟槽；其中，每一层导电梁的两端分别连接底部不在同一水平面的两层导电沟槽，红外探测结构与其中一层导电沟槽或其中一层导电梁相接触；导电金属区与其中另一层导电沟槽底部接触；红外探测结构产生的电信号沿着导电沟槽的高度方向和导电梁的水平方向传输，从而在竖直方向上呈迂回路径传输向下到导电金属区；

红外探测结构下方、导电梁之间和导电梁下方均为空腔；红外探测结构下方构成空腔；空腔底部的反射区将未被红外探测结构吸收的红外光反射到红外探测结构上，可以经多次反射来完成红外探测结构对红外光的探测；该空腔构成红外探测器像元结构的谐振腔；

本发明的一个实施例中，导电梁结构最顶层具有顶层导电梁；导电沟槽包括：底部与导电金属区接触且顶部位于导电梁结构最顶层的第一导电沟槽，以及底部高于第一导电沟槽底部且顶部位于导电梁结构最顶层的第二导电沟槽；第一导电沟槽的顶部和第二导电沟槽顶部分别与顶层导电梁两端连接；第二导电沟槽的底部与红外探测结构的相连接；红外探测结构产生的电信号首先经第二导电沟槽底部传输到第二导电沟槽顶部，再经顶层导电梁传输到第一导电沟槽的顶部，然后从第一导电沟槽顶部传输到第一导电沟槽底部进而传输到导电金属区。

本发明的另一个实施例中，每一层导电沟槽的底部与其下方相邻层的导电沟槽的顶部连接于同一导电梁并且分别连接于该导电梁的两端；导电梁结构最顶层只具有顶层导电沟槽，顶层导电沟槽的顶部与红外探测结构相连接，使红外探测结构位于导电梁结构之上，每一层的导电沟槽和导电梁构成了迂回阶梯状的结构，从而使红外探测结构产生的电信号的传输路径呈迂回阶梯状；红外探测结构产生的电信号从顶层导电沟槽的顶部传输到顶层导电沟槽的底部，再经导电梁传输到下一层的导电沟槽的顶部，经过多层导电沟槽和导电梁之间的传输，最后传输到导电金属区；

本发明的另一个实施例中，每一层导电沟槽的底部与其下方相邻层的导电沟槽的顶部分别接触连接于一导电梁的两端；导电梁结构的最顶层中具有顶层导电沟槽和顶层导电梁；顶层导电梁与红外探测结构相连接，使红外探测结构位于导电梁结构之上，每一层的导电沟槽和导电梁构成了迂回阶梯状的结构，从而使红外探测结构产生的电信号的传输路径呈迂回阶梯状；红外探测结构产生的电信号从顶层导电梁传输到顶层导电沟槽的顶部，再传输到顶层导电沟槽的底部，经过多层导电沟槽和导电梁之间的传输，最后传输到导电金属区。

还需要说明的是，本发明的一个较佳实施例多种，由于导电金属层和/或上释放保护层和/或下释放保护层的每一层均是同时沉积在导电沟槽的图案、导电梁的图案及其底部的凸起图案中，有可能把这些图案填满形成实体，也有可能不填满形成槽体，那么，导电梁及其底部的凸起、导电沟槽的组合结构包括实体导电梁或槽体导电梁、导电梁底部的实体凸起或槽体凸起、以及实体导电沟槽或槽体导电沟槽的任意组合，均在本发明的范围之内。需要说明的是，本发明的红外探测器像元结构可以为前照式也可以为背照式。本发明导电梁结构中，以一层导电沟槽和与其顶部相接触的一层导电梁来构成一个层单元；如果某一层导电沟槽顶部没有导电梁则认为该层导电沟槽为一个单独的层单元；如果有竖直方向上长度不一致的导电沟槽，则认为较短的那个导电沟槽所在层为一个层单元，则较长的导电沟槽就跨两层或多层。

此外，本发明中，制备上述红外探测器像元结构的方法可以包括：

提供一硅衬底，并且在硅衬底表面形成导电金属区；

在硅衬底上方先形成所述导电梁结构再形成所述红外探测结构，或者，在硅衬底上方先形成所述红外探测结构再形成所述导电梁结构，其中，所述红外探测结构与所述导电梁结构的其中一层的导电梁或导电沟槽相接触，所述导电梁结构的另一层导电沟槽底部与导电金属区相接触。

需要说明的是，以下实施例中，硅衬底表面还具有反射区，反射区位于红外探测结构下方，且在反射区和导电金属区之间具有介质层；互连层连接外部电路。红外探测结构采用微桥结构。导电层采用导电金属层。

以下结合附图1a-8c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。

本实施例中，请参阅图1a和图1b，图1b为沿图1a中CC’截面结构示意图图，图1a中，为了方便表示，将微桥结构揭掉，用粗虚线框表示微桥结构所占区域，红外探测器像元结构位于一硅衬底301上，硅衬底301中可以具有互连层，硅衬底301表面具有与互连层相电连的导电金属区302、反射区303以及位于导电金属区302和反射区303之间的介质区303；互连层连接外部电路；需要说明的是，本实施例中的互连层可以用其它可以连接导电金属区和外部电路的导电结构替代。本实施例中红外探测器像元结构还包括：

微桥结构306，位于反射区F”上方，用于探测红外光并产生电信号；请参阅图1c，微桥结构306可以包括下释放保护层1063、红外敏感材料层1061、电极层1062和上释放保护层1064。电极层1062与导电梁结构的导电梁308相连接，确保微桥结构306产生的电信号通过导电梁结构传输到导电金属区302，进而传输到互连层和外部电路中。

导电梁结构，与微桥结构306相电连；导电梁结构中，在导电梁结构的最顶层中具有第二导电沟槽305(顶层导电沟槽)和第二导电梁308(顶层导电梁)；如图1b所示，导电梁结构分两层，虚线下方为第一层，虚线上方为第二层；本实施例中，具有两层导电沟槽分别是第一层导电沟槽304和第二层导电沟槽305，导电梁至少有一层，这里分别是第一层导电梁307和第二层导电梁308；第一层导电沟槽304的顶部和第二层导电沟槽305的底部通过第一层导电梁307相连接；第一层导电沟槽204的底部与导电金属区302相接触，第二层导电沟槽305的顶部与第二层导电梁308的一端接触，第二层导电梁308的另一端与微桥结构306接触，从而使微桥结构306位于导电梁结构之上，每一层的导电沟槽和导电梁构成了迂回阶梯状的结构，从而使红外探测结构产生的电信号的传输路径呈迂回阶梯状；微桥结构306产生的电信号首先经第二层导电梁308传输到第二层导电沟槽305顶部，再传输到第二层导电沟槽305底部，然后经第一层导电梁307传输到第一层导电沟槽304顶部，最后经第一层导电沟槽304底部传输到导电金属区302，由导电金属区302传输到互连层中进而传输到外部电路中；其中，第二层导电沟槽305位于反射区F”的上方，第一导电沟槽104位于金属导电区102上。

微桥结构306下方、导电梁307、308之间、导电梁307下方均为空的。

因此，本实施例实现了电信号在纵向上的阶梯传输，减少了器件横向占用面积，提高了像元结构的集成密度，即提高了像元结构的填充因子。

请参阅图8a，虚线框内表示导电沟槽，虚线框外的结构表示导电梁，图8a左图为图8a右图的虚线位置的截面结构示意图，导电梁可以由导电金属层M以及包围导电金属层M的上释放保护层S1、下释放保护层S2构成；相应的，导电沟槽可以由：上释放保护层S1、下释放保护层S2以及位于上释放保护层S1和下释放保护层S2之间的导电金属层M构成。

请参阅图8b，虚线框内表示导电沟槽，虚线框外的结构表示导电梁，导电梁可以由导电金属层M以及位于导电金属层M上表面的释放保护层S构成；相应的，导电沟槽可以由导电金属层M以及位于导电金属层M上的释放保护层S构成。

请参阅图8c，图8c中，虚线框内表示导电沟槽，虚线框外的结构表示导电梁，导电梁可以由导电金属层M构成；相应的，导电沟槽可以由导电金属层M构成。

在本实施例中，导电梁结构中的第一层导电梁307和第二层导电梁308底部具有多个凸起，如图9a-9d所示，图9a中所示的一个较佳实施例的导电梁非中心区域的底部具有竖直方向的长条状凸起，图9b中所示的一个较佳实施例的导电梁的两端底部具有竖直方向的长条状凸起，这种凸起的设置还特别适用于导电梁底部无任何支撑的情况，凸起设置于导电梁两端底部可以避免导电梁两端的过度弯曲。此外，这些长条状凸起的厚度与导电梁的厚度相同，凸起的长度为导电梁长度的一半以下；在本发明的其它实施例中，多个凸起还可以位于导电梁任意部分的底部，该凸起的形状还可以为倒半球体如图9c所示，倒锥体如图9d所示等，这些凸起的分布可以呈等间距阵列排布，如矩形阵列，或可以位于导电梁的等分处，例如，如图9a所示，虚线为中心所在位置，凸起位于导电梁的四等分处且非中心处，如图9c所示凸起位于导电梁的三等分处，这些凸起的设置用于增强导电梁的强度，避免导电梁悬空设置时过度弯曲导致整个器件变形和性能失效；同时还可以增强导电梁的弯曲强度，在震动情况下，可以对导电梁产生有效支撑，使其不易由于突发的变形产生断裂；较佳的，凸起不设置于导电梁的中心处；并且，这些凸起分布的密度可以从导电梁的两端向中心逐渐递减，也即是凸起之间的间距从导电梁的两端向中心逐渐增加，从而对悬空的导电梁的中心起到有效的支撑和保护。

本实施例中，由于导电金属层和/或上释放保护层和/或下释放保护层的每一层均是同时沉积在第一层导电沟槽304的图案、第一层导电梁307的图案及其底部的凸起图案中或者同时沉积在第二层导电沟槽305、第二层导电梁307的图案及其底部的凸起图案中，有可能把这些图案填满形成实体，也有可能不填满形成槽体，那么，第一层导电梁307及其底部的凸起、第一层导电沟槽304的组合结构包括实体第一层导电梁307或槽体第一层导电梁307、第一层导电梁307底部的实体凸起或槽体凸起、以及实体第一层导电沟槽304或槽体第一层导电沟槽304的任意组合，第二层导电梁308及其底部的凸起、第二层导电沟槽305的组合结构包括实体第二层导电梁308或槽体第二层导电梁308、第二层导电梁308底部的实体凸起或槽体凸起、以及实体第二层导电沟槽305或槽体第二层导电沟槽305的任意组合，均在本发明的范围之内。如图9a-9d显示了实体导电梁及其底部的凸起的四种结构，图10a-10d显示了槽体导电梁及其底部的槽体凸起的四种结构。其中，图10a中的槽体凸起的位置与图9a的实体槽体的位置相同；图10b中的槽体凸起的位置与图9b的实体槽体的位置相同；图10c中的槽体凸起的位置与图9c的实体槽体的位置相同；图10d中的槽体凸起的位置与图9d的实体槽体的位置相同；关于图10a-10d中槽体凸起相对于槽体导电梁的位置可以参考图9a-9d中实体凸起相对于实体槽体导电梁的位置，这里不再赘述。

此外，本实施例中，导电沟槽还可以填充满导电金属，从而形成导电柱的形状。

请参阅图2，本实施例中，制备上述的红外探测器像元结构的方法，包括：

步骤01：请查阅图3，提供一硅衬底301，并且在硅衬底301表面形成导电金属区302；这里，硅衬底表面还具有反射区F”以及位于导电金属区302和反射区F”之间的介质区；硅衬底301中具有互连层，导电金属区302与互连层相电连；互连层连接外部电路；

步骤02：在硅衬底上形成一层牺牲层；在该层牺牲层中刻蚀出导电沟槽的图案和/或导电梁的图案，并且在导电沟槽的图案和/或导电梁的图案中形成导电金属层，从而形成该层的导电沟槽或导电梁；

具体的，请参阅图4，这里，在硅衬底301上形成第一牺牲层X31，在第一层牺牲层X31中刻蚀出第一层导电沟槽304的图案和第一层导电梁307的图案，并在其中形成导电金属层，以形成第一层导电沟槽304和第一层导电梁307；这里还包括，在形成导电金属层之后，将导电金属层平坦化，去除高于第一层牺牲层X31表面的导电金属层。

形成导电金属层的过程具体包括：在第一层导电沟槽304的图案和第一层导电梁307的图案中依次形成下释放保护层、导电金属层和上释放保护层，所形成的结构如图8a所示；或者在第一层导电沟槽304的图案和第一层导电梁307的图案中依次形成导电金属层和上释放保护层，所形成的结构如图8b所示；或者在第一层导电沟槽304的图案和第一层导电梁307的图案中只形成导电金属层；位于第一层导电沟槽304侧壁的导电金属层之间可以具有空隙，所形成的结构如图8c所示；如果导电金属层填充满第一层导电沟槽304的图案和第一层导电梁307的图案，则第一层导电沟槽304则呈导电柱的形状。此外，本实施例中，由于第一层导电梁307底部具有凸起，在形成第一层导电梁307的图案之前，先在对应于第一层导电梁307的图案的下方的第一牺牲层X31中形成这些凸起图案，关于凸起图案的描述可以参考上述凸起的描述，这里不再赘述。然后，所形成的下释放保护层、导电金属层和上释放保护层、或导电金属层和上释放保护层、或导电金属层也同时位于该凸起图案中，从而形成位于第一层导电梁307底部的凸起。

步骤03：重复步骤02的过程，其中，形成最顶部的牺牲层后，在最顶部的牺牲层中刻蚀出顶层导电沟槽的图案和顶层导电梁的图案，并且在顶层导电沟槽的图案和顶层导电梁的图案中形成导电金属层，从而完成导电梁结构的制备；

具体的，请参阅图5，这里，在完成步骤02的硅衬底301上形成第二层牺牲层X32，在第二层牺牲层X32中刻蚀出第二层导电沟槽305的图案和第二层导电梁308的图案，并在其中形成导电金属层，以形成第二层导电沟槽305和第二层导电梁308；这里还包括，在形成导电金属层之后，将导电金属层平坦化，去除高于第二层牺牲层X32表面的导电金属层。

形成导电金属层的过程具体包括：在第二层导电沟槽305的图案和第二层导电梁308的图案中依次形成下释放保护层、导电金属层和上释放保护层，形成如图8a所示的结构；或者在第二层导电沟槽305的图案和第二层导电梁308的图案中依次形成导电金属层和上释放保护层，形成的结构如图8b所示；或者在第二层导电沟槽305的图案和第二层导电梁308的图案中只形成导电金属层；位于第二层导电沟槽侧壁的导电金属层305之间可以具有空隙，形成的结构如图8c所示；如果导电金属层填充满第二层导电沟槽305的图案，则呈导电柱的形状。

此外，本实施例中，由于第二层导电梁308底部具有凸起，所以在形成第二层导电梁308的图案之前，先在对应于第二层导电梁308的图案的下方的第二牺牲层X32中形成这些凸起图案，关于凸起图案的描述可以参考上述凸起的描述，这里不再赘述。然后，所形成的下释放保护层、导电金属层和上释放保护层、或导电金属层和上释放保护层、或导电金属层也同时位于该凸起图案中，从而形成位于第二层导电梁308凸起。

需要说明的是，本实施例中，由于导电金属层和/或上释放保护层和/或下释放保护层的每一层均是同时沉积在第一层导电沟槽304的图案、第一层导电梁307的图案及其底部的凸起图案中或者同时沉积在第二层导电沟槽305、第二层导电梁307的图案及其底部的凸起图案中，有可能把这些图案填满形成实体，也有可能不填满形成槽体，那么，第一层导电梁307及其底部的凸起、第一层导电沟槽304的组合结构包括实体第一层导电梁307或槽体第一层导电梁307、第一层导电梁307底部的实体凸起或槽体凸起、以及实体第一层导电沟槽304或槽体第一层导电沟槽304的任意组合，第二层导电梁308及其底部的凸起、第二层导电沟槽305的组合结构包括实体第二层导电梁308或槽体第二层导电梁308、第二层导电梁308底部的实体凸起或槽体凸起、以及实体第二层导电沟槽305或槽体第二层导电沟槽305的任意组合，均在本发明的范围之内。步骤04：在最顶层的牺牲层和和顶层导电梁上形成红外探测结构，使顶层导电梁的一端与红外探测结构相接触；

具体的，请参阅图6，在第二层牺牲层X32和第二层导电梁308上形成微桥结构306，使微桥结构306与第三层导电梁308接触；

步骤05：请参阅图7，经释放工艺，将所有的牺牲层都释放掉。

具体的，释放工艺可以根据牺牲层的材料来设置合适的工艺参数，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。