红外传感器结构、制备方法及探测系统与流程

本发明涉及图像传感器技术领域，具体涉及一种红外传感器结构及其制备方法，以及一种红外探测系统。

背景技术：

常规红外传感器输出信号是灰度信号，仅能显示一定波段内红外吸收信号的强和弱，不能显示某个波段频率信号的强弱，同时输出信号是灰度信号，其直观性较差，不容易被实用者直观地进行观测和判断。

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传感器结构及红外探测系统，从而能够对红外光的各个波段进行细分并且有针对性的探测，提高对不同波段红外光的探测灵敏度，以及可以直观地观测探测结果。

为了达到上述目的，本发明提供了一种多频段输出的红外传感器结构，其具有多个探测单元；多个探测单元均具有谐振腔且多个探测单元中至少一部分探测单元的谐振腔的高度互不相同，使得至少一部分探测单元吸收的入射光频率互不相同。

优选地，每个探测单元具有敏感材料，该敏感材料为si或者vox或者sige，或者通过离子注入形成掺有b、ge杂质的si或者vox或者sige，且谐振腔的底部设置有金属反射层。

优选地，所述至少一部分探测单元按照谐振腔的高度依序排列，谐振腔的高度与吸收入射光的频率呈正比。

优选地，将至少一部分探测单元设置为一组探测单元组合，红外传感器结构中多组所述探测单元组合呈矩阵排列，每一组探测单元组合中，按照谐振腔的高度依序排列。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种红外探测系统，其包括上述的红外传感器结构、颜色赋值器、像素合成器；其中，颜色赋值器将红外传感器结构中多个探测单元吸收的入射光频率分别赋予基础颜色，像素合成器根据探测单元所形成的不同的基础颜色以及探测单元所探测到的信号强度来合成相应探测单元的颜色值。

优选地，将至少一部分探测单元设置为一组探测单元组合，红外传感器结构中多组所述探测单元组合呈矩阵排列，每一组探测单元组合中，按照谐振腔的高度依序排列；

颜色赋值器将每一组探测单元组合中的探测单元分别赋予不同的基础颜色，每一组探测单元组合中分别对应的基础颜色构成基础颜色组合，每个基础颜色组合与每一组探测单元组合一一对应。

优选地，所述基础颜色组合中，不同的基础颜色包括红、绿、蓝、浅蓝，每一组探测单元组合中包含四个探测单元，颜色赋值器将红、绿、蓝、浅蓝分别赋予这四个探测单元，并且这四个探测单元按照2×2矩阵排列。

优选地，所述像素合成器设定每个探测单元的合成区域为包含该探测单元的2×2矩阵，利用这2×2矩阵中的四个不同基础颜色来合成该探测单元的颜色值。

优选地，设定像素合成器对探测单元的扫描方向，每个探测单元的合成区域为以该探测单元沿扫描方向和与扫描方向垂直的方向排列的2×2矩阵。

优选地，每个合成区域中的所述与扫描方向垂直的方向相同。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种红外传感器结构的制备方法，所述红外传感器结构具有多个探测单元；多个探测单元均具有谐振腔且多个探测单元中至少一部分探测单元的谐振腔的高度互不相同，使得至少一部分探测单元吸收的入射光频率互不相同；按照谐振腔的高度从低到高依次制备所述探测单元；谐振腔的高度分为n种，对应于n类探测单元；具体包括：

制备第1层金属互连层；在对应于第一类探测单元下方的谐振腔所在区域两侧的第1层金属互连层中形成有第1金属；

在第1层金属互连层表面形成第2层层间介质层和第2层金属互连层，在对应于第一类探测单元的谐振腔区域内不设置金属，在对应于第一类探测单元的谐振腔两侧和第二类探测单元的谐振腔两侧的第2层金属互连层中形成有第2金属；

在2层层间介质层表面形成第3层层间介质层和第3层金属互连层，在对应于第二类探测单元的谐振腔区域内不设置金属，在对应于第一类探测单元的谐振腔两侧、第二类探测单元的谐振腔两侧和第三类探测单元的谐振腔两侧的第3层金属互连层中形成有第3金属；

……

依此类推，直至完成第n层层间介质层和第n层金属互连层，在对应于第n-1类探测单元的谐振腔区域内不设置金属；并且，在分别对应于第一类探测单元至第n类探测单元下方的谐振腔两侧的第n层金属互连层中均形成有第n金属；并且，每层金属之间采用接触孔相电连；

在第n层金属互连层上形成顶层介质层，在顶层介质层中形成顶层接触孔，顶层接触孔与第n层金属互连层的第n金属相接触；

对待形成的n类探测单元下方对应的区域进行刻蚀，得到n类不同高度的沟槽；其中，第n类探测单元下方刻蚀出的沟槽对应于第n类探测单元的谐振腔的目标尺寸，第n类探测单元下方刻蚀出的沟槽的底部为第n层金属互连层；n≥2且为整数；

在刻蚀出的所有沟槽内填充牺牲层；

在对应于每个沟槽的牺牲层上形成相应的传感结构；

经释放工艺，去除所有的牺牲层，在传感结构下方形成相应的谐振腔，从而形成n类具有不同高度谐振腔的探测单元。

优选地，第n层金属互连层中对应于第n类探测单元的谐振腔底部还形成有金属反射层。

本发明的红外传感器结构，利用不同高度的谐振腔吸收的光波长不同，能够对不同波段的红外入射光进行有效有针对性的探测，提高探测的灵敏度，并且，本发明中，对红外传感器结构中的各个探测单元赋予基础颜色，再根据探测的信号强弱和基础颜色计算得到最终的像素对应的颜色值，从而可以直观地观察和判断。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的红外探测系统的方块图

图2为本发明的一个较佳实施例的被赋予基础颜色的探测单元组合构成的矩阵示意图

图3为本发明的一个较佳实施例的红外传感器结构的示意图

图4为本发明的一个较佳实施例的红外传感器结构的制备方法的流程示意图

图5～13为图4的红外传感器结构的制备方法的各制备步骤示意图

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。

本发明的多频段输出的红外传感器结构，具有多个探测单元；多个探测单元均具有谐振腔且多个探测单元中至少一部分探测单元的谐振腔的高度互不相同，使得至少一部分探测单元吸收的入射光频率互不相同。利用不同高度的谐振腔来实现对红外波段的各个波段的针对性探测，提高了探测灵敏度。

此外，本发明的红外探测系统，包括红外传感器结构、颜色赋值器、像素合成器；利用颜色赋值器将红外传感器结构中多个探测单元吸收的入射光频率分别赋予基础颜色，利用像素合成器根据探测单元所形成的不同的基础颜色以及探测单元所探测到的信号强度来合成相应探测单元的颜色值，从而最终得到针对不同频段的信号的色彩图，可以更加直观的观察和判断各个波段的信号强弱。

本发明的一种红外传感器结构的制备方法，按照谐振腔的高度从低到高依次制备所述探测单元；设谐振腔的高度分为n种，对应于n类探测单元；具体包括：

制备第1层金属互连层；在对应于第一类探测单元下方的谐振腔所在区域两侧的第1层金属互连层中形成有第1金属；

在第1层金属互连层表面形成第2层层间介质层和第2层金属互连层，在对应于第一类探测单元的谐振腔区域内不设置金属，在对应于第一类探测单元的谐振腔两侧和第二类探测单元的谐振腔两侧的第2层金属互连层中形成有第2金属；

在2层层间介质层表面形成第3层层间介质层和第3层金属互连层，在对应于第二类探测单元的谐振腔区域内不设置金属，在对应于第一类探测单元的谐振腔两侧、第二类探测单元的谐振腔两侧和第三类探测单元的谐振腔两侧的第3层金属互连层中形成有第3金属；

……

依此类推，直至完成第n层层间介质层和第n层金属互连层，在对应于第n-1类探测单元的谐振腔区域内不设置金属；并且，在分别对应于第一类探测单元至第n类探测单元下方的谐振腔两侧的第n层金属互连层中均形成有第n金属；并且，每层金属之间采用接触孔相电连；

在第n层金属互连层上形成顶层介质层，在顶层介质层中形成顶层接触孔，顶层接触孔与第n层金属互连层的第n金属相接触；

对待形成的n类探测单元下方对应的区域进行刻蚀，得到n类不同高度的沟槽；其中，第n类探测单元下方刻蚀出的沟槽对应于第n类探测单元的谐振腔的目标尺寸，第n类探测单元下方刻蚀出的沟槽的底部为第n层金属互连层；n≥2且为整数；

在刻蚀出的所有沟槽内填充牺牲层；

在对应于每个沟槽的牺牲层上形成相应的传感结构；

经释放工艺，去除所有的牺牲层，在传感结构下方形成相应的谐振腔，从而形成n类具有不同高度谐振腔的探测单元。

以下结合附图1～9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1，本实施例的一种红外探测系统包括红外传感器结构、颜色赋值器、像素合成器。

本实施例中，颜色赋值器将红外传感器结构中多个探测单元吸收的入射光频率分别赋予基础颜色，像素合成器根据探测单元所形成的不同的基础颜色以及探测单元所探测到的信号强度来合成相应探测单元的颜色值。

请参阅图2，将至少一部分探测单元设置为一组探测单元组合，如图2中虚线框所示为一个探测单元组合，红外传感器结构中多组探测单元组合呈矩阵排列，这里的探测单元组合为2×4矩阵，也即是一共有8个探测单元组合，这8个探测单元组合一共有32个探测单元；每一组探测单元组合中，按照谐振腔的高度依序排列，例如每个探测单元组合中的每个列中按照谐振腔的高度从低到高或从高到低排列，每一行中按照谐振腔的高度从低到高或从高到低排列；颜色赋值器将每一组探测单元组合中的探测单元分别赋予不同的基础颜色，每一组探测单元组合中分别对应的基础颜色构成基础颜色组合，每个基础颜色组合与每一组探测单元组合一一对应。本实施例中，如图2所示，基础颜色组合中，不同的基础颜色包括红、绿、蓝、浅蓝，每一组探测单元组合中包含四个探测单元，颜色赋值器将红、绿、蓝、浅蓝分别赋予这四个探测单元，并且这四个探测单元按照2×2矩阵排列，如图2中虚线框所示的排列方式。

这里，请再次参阅图2，像素合成器设定每个探测单元的合成区域为包含该探测单元的2×2矩阵，利用这2×2矩阵中的四个不同基础颜色来合成该探测单元的颜色值。依次类推，完成整个红外传感器结构中每个探测单元的颜色值合成。

设定像素合成器对探测单元的扫描方向，每个探测单元的合成区域为以该探测单元沿扫描方向和与扫描方向垂直的方向排列的2×2矩阵，本实施例中，可以设定每个合成区域中的与扫描方向垂直的方向相同。

请参阅图3，为了便于表达，附图3中将一个探测单元组合中的四个探测单元都显示在一排中，但这不用于限制本发明的范围；本实施例的多频段输出的红外传感器结构，具有四个探测单元；四个探测单元均具有谐振腔q1，q2，q3，q4，四个探测单元构成一个探测单元组合，这里的探测单元组合中具有四个谐振腔q1，q2，q3，q4高度不同的探测单元，请结合图2，红外传感器结构中多组探测单元组合呈矩阵排列，每一组探测单元组合中，按照谐振腔的高度依序排列，这里，谐振腔的高度与吸收入射光的频率呈正比，也即是谐振腔高度越高，所吸收的入射光的频率越高。此外，如图3所示，每个探测单元的谐振腔q1，q2，q3，q4的底部设置有金属反射层m12，m22，m32，m42。由于这里的探测单元组合中就有四个探测单元，则具有四层金属互连层2011，2021，2031，2041和四层介质层(包括三层层间介质层2022，2032，2042和一层顶层介质层2052)，在分别对应于每个探测单元下方的谐振腔q1，q2，q3，q4所在区域两侧的金属互连层中形成有金属(每层中填充斜线的方块)；并且，每层金属之间采用接触孔(填充斜线的方块之间的窄矩形)相电连，请结合图8和图9，顶层介质层2052中具有顶层接触孔c4，其与第四层金属互连层2041中的第四金属m41相接触。请再次参阅图3，谐振腔q1，q2，q3，q4上方为传感结构，这里的传感结构为微桥结构300，本实施例的微桥结构300中可以具有导电层302和敏感材料层303，此外，本实施例中，在导电层302底部还设置有下释放保护层301，以及上释放保护层304将导电层302和敏感材料层303包覆；导电层302与顶层接触孔c4的顶部相接触，也可以在顶层接触孔c4上设置接触块，则导电层302与顶层接触块相接触即可，同时接触块还起到对微桥结构300的支撑作用。这里，每个探测单元的敏感材料层303的材料为si或者vox或者sige，或者通过离子注入形成掺有b、ge等杂质的si或者vox或者sige。

请参阅图4，针对本实施例的上述红外传感器结构的制备方法，可以按照谐振腔的高度从低到高或从高到低依次制备上述探测单元；本实施例中，请再次参阅图3，每个探测单元组合中，谐振腔q1，q2，q3，q4的高度分为4种，对应于4类探测单元；由于本实施例的红外传感器结构中是由2×4矩阵的8个探测单元组合构成的，因此，针对每个探测单元组合的制备方法相同，针对这8个探测单元组合可以同时制备并且针对这8个探测单元组合中的相同谐振腔高度的探测单元也是同时制备的。具体包括以下步骤：

步骤01：请参阅图5，制备第1层金属互连层2011；在对应于第一类探测单元的谐振腔所在区域两侧的第1层金属互连层2011中形成有第1金属m11；

具体的，第1层金属互连层2011可以形成于一硅衬底100上，第1层金属互连层2011下方还可以具有多层金属互连层。第1层金属互连层2011的制备可以首先形成金属m11图案，再在金属m11图案之间填充隔离介质，也可以首先形成隔离介质层，刻蚀出凹槽后，在凹槽内填充金属m11，从而形成第1层金属互连层2011。本实施例中，在第1层金属互连层2011中对应于第一类探测单元的谐振腔底部还形成有金属反射层m12，该金属反射层m12的材料可以为al。金属反射层m12可以兼容于第1层金属互连层2011的制备过程中，与金属m11同时制备。

步骤02：请参阅图6，在第1层金属互连层2011表面形成第2层层间介质层2022、与第2层金属互连层2021电连的接触孔c1和第2层金属互连层2021，在对应于第一类探测单元的谐振腔区域的第2层层间介质层2022、第2层金属互连层2021内不设置金属，在对应于第一类探测单元的谐振腔两侧以及第二类探测单元的谐振腔两侧的第2层金属互连层2021中形成有第2金属m21；

具体的，可以但不限于采用化学气相沉积方法来形成第2层层间介质层2022，第2层金属互连层2021的制备可以参见第1层金属互连层2011的制备。本实施例中，在第2层金属互连层2021中对应于第二类探测单元的谐振腔底部还形成有金属反射层m22，该金属反射层m22的材料可以为al。金属反射层m22可以兼容于第2层金属互连层2021的制备过程中，与金属m21同时制备。

步骤03：请参阅图7，在2层金属互连层2021表面形成第3层层间介质层2032、与第3层金属互连层2031电连的接触孔c2和第3层金属互连层3032，在对应于第二类探测单元的谐振腔区域和第一类探测单元的谐振腔区域的第3层层间介质层2032和第3层金属互连层2031中不设置金属，在对应于第一类探测单元的谐振腔两侧、第二类探测单元的谐振腔两侧、第三类探测单元的谐振腔两侧的第3层金属互连层2031中形成有第3金属m31；

具体的，可以但不限于采用化学气相沉积方法来形成第3层层间介质层2032，第3层金属互连层2031的制备可以参见第1层金属互连层2011的制备。本实施例中，在第3层金属互连层2031中对应于第三类探测单元的谐振腔底部还形成有金属反射层m32，该金属反射层m32的材料可以为al。金属反射层m32可以兼容于第3层金属互连层2031的制备过程中，与金属m31同时制备。

步骤04：请参阅图8，在第3层金属互连层2031表面形成第4层层间介质层2042、与第4层金属互连层2041电连的接触孔c3和第4层金属互连层2041，在对应于第三类探测单元的谐振腔区域的第4层金属互连层2041和第4层层间介质层2042内不设置金属，在对应于第一类探测单元的谐振腔两侧、第二类探测单元的谐振腔两侧、第三类探测单元的谐振腔两侧、第四类探测单元的谐振腔所在区域两侧的第4层金属互连层2041中形成有第4金属m41；

具体的，可以但不限于采用化学气相沉积方法来形成第4层层间介质层2042，第4层金属互连层2041的制备可以参见第1层金属互连层2011的制备。本实施例中，在第4层金属互连层2041中对应于第四类探测单元的谐振腔底部还形成有金属反射层m42，该金属反射层m42的材料可以为al。金属反射层m42可以兼容于第4层金属互连层2042的制备过程中，与金属m41同时制备。

需要说明的是，当每一层层间介质层和金属互连层的制备都可以参见上述方法，从而制备得到第n层层间介质层和第n层金属互连层。

本实施例中，每层金属之间采用接触孔相电连；接触孔中填充的金属为钨。上述第1层金属互连层至第4层金属互连层中的金属m11，m21，m31，m41可以为al。

步骤05：请参阅图9，在第4层金属互连层2041上形成顶层介质层2052，在顶层介质层2052中形成顶层接触孔c4，顶层接触孔c4与第4层金属互连层2041的第4金属相接触；

具体的，可以但不限于采用气相沉积工艺来形成顶层介质层2052，然后采用光刻和刻蚀工艺在顶层介质层2052中刻蚀出顶层接触孔c4，并且在顶层接触孔c4中填充导电金属，导电金属可以为钨。

步骤06：请参阅图10，对待形成的4类探测单元(共32个探测单元)的谐振腔所对应的区域进行刻蚀，得到4类不同高度的沟槽(共32个沟槽)；

具体的，每一类探测单元中所刻蚀出的沟槽对应于相应类探测单元的谐振腔的目标尺寸，本实施例中，第1类探测单元中所刻蚀出的沟槽的底部为第1层金属互连层2011中的金属反射层m12；第2类探测单元中所刻蚀出的沟槽的底部为第2层金属互连层2021中的金属反射层m22；第3类探测单元中所刻蚀出的沟槽的底部为第3层金属互连层2031中的金属反射层m32；第4类探测单元中所刻蚀出的沟槽的底部为第4层金属互连层2041中的金属反射层m42。

步骤07：请参阅图11，在刻蚀出的所有沟槽内填充牺牲层；

具体的，可以采用物理气相沉积方法来沉积牺牲层，牺牲层可以为无机牺牲材料或有机牺牲材料，例如非晶硅等。

步骤08：请参阅图12，在对应于每个沟槽的牺牲层上形成相应的传感结构；

具体的，本实施例的传感结构为微桥结构300，可以采用薄膜沉积和刻蚀工艺相结合来形成包括导电层302、敏感材料层303、上释放保护层304和下释放保护层301的微桥结构300，这里本领域技术人员可以知晓的，这里不再赘述。这里，微桥结构300的导电层302需要和顶层接触孔c4顶部接触，从而实现微桥结构300向外界的信号传输。

这里需要说明的是，传感结构中可以设置释放孔，也可以不设置释放孔，如果如同本实施例中所示，传感结构的导电层302与顶层接触孔c4接触，则设置释放孔k1；如果如同其它实施例中，微桥结构的导电层通过接触块与顶层接触孔接触，由于微桥结构与牺牲层之间具有空隙，则无需设置释放孔。

步骤09：请参阅图13，经释放工艺，去除所有的牺牲层，在传感结构下方形成相应的谐振腔q1，q2，q3，q4，从而形成4类具有不同高度的谐振腔q1，q2，q3，q4的探测单元。

具体的，释放工艺可以采用常规的释放工艺。针对不同的牺牲层材料，可以采用例如湿法腐蚀工艺等释放工艺。本实施例中，形成具有4类不同高度的谐振腔q1，q2，q3，q4的探测单元，每4个不同高度的谐振腔q1，q2，q3，q4所在探测单元按照2×2矩阵且高度依序排列，例如，最高、次高、中等、低的顺序，环绕排列呈2×2矩阵，如图2所示。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然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为准。