一种小尺寸红外传感器结构及其制备方法与流程

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种小尺寸红外传感器结构及其制备方法。

背景技术：

红外传感器通常由敏感材料来感应到所需探测物质发射的红外光线，并且由电连接层将探测到的红外光线信号传输到外界电路中。传统的红外传感器工作过程中，进入红外传感器的红外光线的损失速率较快，造成探测灵敏度下降。通常采用减小红外传感器的尺寸来降低光线的损失速率。

然而，由于现有的光刻和刻蚀工艺条件的限制，小尺寸红外传感器结构的制备过程复杂繁琐，工艺成本升高。

技术实现要素：

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种小尺寸红外传感器结构及其制备方法，从而简化制备工艺。

为了达到上述目的，本发明提供了一种小尺寸红外传感器结构，具有多个像元结构，每个像元结构具有红外探测区域、与红外探测区域相电连的导电梁、以及用于支撑导电梁并与导电梁电连接的导电支撑孔；相邻的所述像元结构之间通过导电梁共同连接至一个导电支撑孔。

优选地，所共同连接至的一个所述导电支撑孔设置于相邻的所述红外探测区域之间的下方；以所共同连接至的一个所述导电支撑孔的中心线为对称轴，相邻的所述像元结构呈镜像对称。

优选地，所述导电梁与所述导电支撑孔的侧壁连续为同一层，所述导电梁的层次结构和所述导电支撑孔的侧壁的层次结构相同，所述导电梁的每一层均与所述导电支撑孔的侧壁的相应层连续为同一层。

优选地，所述导电梁和与之相连接的导电支撑孔中，导电支撑孔的侧壁沿所述导电支撑孔的内径方向依次具有第一下释放保护层、第一电连接层、第一上释放保护层，导电梁靠近所述红外探测区域的一侧向外依次具有第二下释放保护层、第二电连接层和第二上释放保护层，导电支撑孔的第一下释放保护层和导电梁的第二下释放保护层相连接，导电支撑孔的第一上释放保护层和导电梁的第二上释放保护层相连接，导电支撑孔的第一电连接层和导电梁的第二电连接层相连接；

或者，所述导电梁和与之相连接的导电支撑孔中，导电支撑孔的侧壁沿所述导电支撑孔的内径方向依次具有第一释放保护层和第一电连接层、或第一电连接层和第一释放保护层，导电梁靠近所述红外探测区域的一侧向外依次具有第二释放保护层和第二电连接层、或第二电连接层和第二释放保护层；导电支撑孔的第一释放保护层和导电梁的第二释放保护层相连接，导电支撑孔的第一电连接层和导电梁的第二电连接层相连接；

或者，所述导电梁和与之相连接的导电支撑孔中，导电支撑孔的侧壁由第一电连接层构成，导电梁由第二电连接层构成，第一电连接层和第二电连接层相连接。

优选地，所述导电梁中每一层的水平宽度小于所述支撑孔的顶部中相应层厚度。

优选地，所述导电支撑孔的侧壁呈阶梯状，所述沟槽的侧壁呈阶梯状。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种小尺寸红外传感器结构的制备方法，其包括：

步骤01：提供一半导体器件衬底；半导体器件衬底表面具有互连层；

步骤02：在半导体器件衬底表面的互连层上沉积一层牺牲层；

步骤03：在牺牲层上分出红外探测区域、导电梁区域和导电支撑孔区域；在导电支撑孔区域的牺牲层中刻蚀出支撑孔，同时在导电梁区域的牺牲层中刻蚀出沟槽；沟槽长度方向上的一端与支撑孔相交，且沟槽长度方向上的另一端与红外探测区域相交；

步骤04：在完成步骤03的半导体器件衬底上沉积导电材料和红外敏感材料层，并通过离子注入对其进行掺杂处理；所述导电材料和所述红外敏感材料层覆盖于所述沟槽侧壁和底部、所述支撑孔侧壁和底部、以及暴露的牺牲层表面；

步骤05：图案化所述导电材料和所述红外敏感材料层，形成红外探测区域的图案和所述导电支撑孔的图案，同时去除沟槽底部和沟槽顶部外侧的所述导电材料和所述红外敏感材料层，保留所述沟槽侧壁的所述导电材料和所述红外敏感材料层，从而在沟槽侧壁形成导电梁，在支撑孔中形成导电支撑孔；

步骤06：采用释放工艺，释放掉所有的牺牲层。

优选地，所述步骤03中，采用大马士革工艺来刻蚀牺牲层，从而得到具有阶梯状侧壁的接触孔和沟槽。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种权利要求4所述的小尺寸红外传感器结构的制备方法，包括：

步骤01：提供一半导体器件衬底；半导体器件衬底表面具有互连层；

步骤02：在半导体器件衬底表面的互连层上沉积一层牺牲层；

步骤03：在牺牲层上分出红外探测区域、导电梁区域和导电支撑孔区域；在导电支撑孔区域的牺牲层中刻蚀出支撑孔，同时在导电梁区域的牺牲层中刻蚀出沟槽；沟槽长度方向上的一端与支撑孔相交，且沟槽长度方向上的另一端与红外探测区域相交；

步骤04：在完成步骤03的半导体器件衬底上沉积导电材料和红外敏感材料层；其中，在沉积红外敏感材料层时，采用掩膜将所述红外探测区域之外的区域全部遮蔽住，只暴露出红外探测区域，从而在红外探测区域的牺牲层表面覆盖有导电材料和红外敏感材料层，并且在沟槽侧壁和底部、支撑孔侧壁和底部覆盖有导电材料；

步骤05：图案化所述导电材料和所述红外敏感材料层，形成红外探测区域的图案和所述导电支撑孔的图案，同时去除沟槽底部和沟槽顶部外侧的所述导电材料，保留所述沟槽侧壁的所述导电材料，从而在沟槽侧壁形成导电梁，在支撑孔中形成导电支撑孔；

步骤06：采用释放工艺，释放掉所有的牺牲层。

优选地，所述步骤03中，采用大马士革工艺来刻蚀牺牲层，从而得到具有阶梯状侧壁的接触孔和沟槽。

本发明的小尺寸红外传感器结构及其制备方法，通过在导电梁区域刻蚀出沟槽，利用沟槽侧壁来形成导电梁，从而实现了相邻像元结构共同享有一个导电支撑孔的小尺寸红外传感器结构，从而提高了像元结构的集成度，增大了像元结构中红外探测区域的面积，提高了红外探测效率。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的小尺寸红外传感器结构的俯视示意图

图2为图1中沿bb'方向的截面结构示意图

图3为图1中导电梁沿aa'方向的截面结构示意图

图4为图1中导电梁和红外探测区域接触区域沿cc'方向的截面结构示意图

图5为本发明的一个较佳实施例的小尺寸红外传感器结构的制备方法的流程示意图

图6～12为本发明的一个较佳实施例的小尺寸红外传感器结构的制备方法的各步骤示意图

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。

以下结合附图1～12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，本实施例的一种小尺寸红外传感器结构，具有多个像元结构，图1中仅示例出了相邻的两个像元结构x1和x2，每个像元结构具有红外探测区域s、与红外探测区域s相电连的导电梁l、以及用于支撑导电梁l并与导电梁l电连接的导电支撑孔z；相邻的像元结构例如x1和x2之间通过导电梁l共同连接至一个导电支撑孔z。这里的导电梁l由导电材料102和红外敏感材料层101构成，但这不用于限制本发明的范围。图1中，衬底100具有互连层c，互连层c中具有接触孔104，互连层c位于衬底100的表层。导电支撑孔z的底部的导电材料101与互连层c中的接触孔104相接触，从而实现导电支撑孔z与互连层c的电连。

本实施例中，图1中，为了便于表达，虚线框中的导电支撑孔z表示剥去其顶层的导电材料102和红外敏感材料层101后的示意结构，图1中左上方和右上方的导电支撑孔z为正常的俯视结构示意图。虚线框中的导电支撑孔z为相邻的像元结构所共享的，具体的，所共同连接至的该虚线框中的一个导电支撑孔z设置于相邻的红外探测区域l之间的下方；以所共同连接至的该虚线框中的导电支撑孔z的中心线为对称轴，相邻的像元结构x1、x2呈镜像对称。这里，像元结构x1的导电梁和像元结构x2的导电梁相连于虚线框中的导电支撑孔z。

这里，导电梁l和与之相连接的导电支撑孔z为一体成型，请参阅图1，导电梁l与导电支撑孔z的侧壁连续为同一层，导电梁l的层次结构和导电支撑孔z的侧壁的层次结构相同，导电梁l的每一层均与导电支撑孔z的侧壁的相应层连续为同一层。当然，在本发明的其它实施例中，导电梁l和与之相连接的导电支撑孔z也可以分开成型，而导电梁l与导电支撑孔z的侧壁仍然连接为同一层，导电梁l的层次结构和导电支撑孔z的侧壁的层次结构相同，导电梁l的每一层均与导电支撑孔z的侧壁的相应层仍然连接为同一层。

请参阅图1，导电梁l和与之相连接的导电支撑孔z中，导电支撑孔z的侧壁由第一电连接层构成，导电梁l由第二电连接层构成，第一电连接层和第二电连接层相连接。这里，在第一电连接层侧壁还形成有第一红外敏感材料层；在第二电连接层侧壁还形成有第二红外敏感材料层，本实施例中，第一电连接层和第二电连接层为同一层电连接层102，第一红外敏感材料层和第二红外敏感材料层为同一层红外敏感材料层101。当然，在本发明的其它实施例中，第一红外敏感材料层和第二红外敏感材料层还可以不为同一层、第一电连接层和第二电连接层还可以不为同一层。

在本发明的其它实施例中，导电梁和与之相连接的导电支撑孔中，导电支撑孔的侧壁沿导电支撑孔的内径方向依次具有第一下释放保护层、第一电连接层、第一上释放保护层，导电梁靠近红外探测区域的一侧向外依次具有第二下释放保护层、第二电连接层和第二上释放保护层，导电支撑孔的第一下释放保护层和导电梁的第二下释放保护层相连接，导电支撑孔的第一上释放保护层和导电梁的第二上释放保护层相连接，导电支撑孔的第一电连接层和导电梁的第二电连接层相连接。在本发明的又一个实施例中，导电梁和与之相连接的导电支撑孔中，导电支撑孔的侧壁沿导电支撑孔的内径方向依次具有第一释放保护层和第一电连接层、或第一电连接层和第一释放保护层，导电梁靠近红外探测区域的一侧向外依次具有第二释放保护层和第二电连接层、或第二电连接层和第二释放保护层；导电支撑孔的第一释放保护层和导电梁的第二释放保护层相连接，导电支撑孔的第一电连接层和导电梁的第二电连接层相连接。

本实施例中，请参阅图2和3，图2为图1中沿bb'方向的截面结构示意图，图3为图1中导电梁沿aa'方向的截面结构示意图，需要说明的是，为了便于表达，对图2和图3中的衬底100中的互连层和接触孔未示出。导电梁l中每一层的水平宽度小于导电支撑孔z的顶部中相应层的厚度，例如，导电梁l的红外敏感材料层101的水平宽度为与之连接的导电支撑孔z的顶部的红外敏感材料层101的水平宽度的60～70％，导电梁l的电连接层102的水平宽度为与之连接的导电支撑孔z的顶部的电连接层102的水平宽度的60～70％。这是因为，通过控制沉积各个层的厚度，各层水平方向上的竖直厚度大于在沟槽侧壁的水平宽度，从而得到的导电梁l中各层的厚度小于相应层的水平方向上的竖直厚度。在不提高光刻和刻蚀工艺难度的前提下，实现了导电梁的尺寸的进一步减小，提高了红外探测区域的感光面积，以及提高了红外探测器的转换效率。较佳的，导电梁的水平宽度为0.5nm～1nm，因为当导电梁的水平宽度小于0.5nm时，不能形成连续的导电梁。当导电梁的水平宽度大于1nm时，导电梁的尺寸太大会使得红外光线的损耗加快。

此外，如图2和3所示，为了提高导电支撑孔z的支撑能力、抗弯曲能力和抗冲击能力，将导电支撑孔z的侧壁设置为阶梯状；同时，为了提高导电梁l的支撑能力、抗弯曲能力和抗冲击能力，将导电梁l的侧壁也设置为阶梯状。

需要说明的是，如图1所示，在导电梁l的导电材料102和红外敏感材料层101与导电支撑孔z的导电材料102和红外敏感材料层101分别一一对应相连续，从而实现导电梁l与导电支撑孔z的电连。请参阅图4并结合图1，图4为图1中导电梁和红外探测区域接触区域沿cc'方向的截面结构示意图，在导电梁l与红外探测区域s相接触的一端，且与导电梁l长度方向垂直的侧壁(图4中虚线框中所示，图1中椭圆形虚线所示)的导电材料102和红外敏感材料层101与红外探测区域s的相应的导电材料102和红外敏感材料层101分别一一对应相连续，从而实现导电梁l与红外探测区域s的电连。

请参阅图5～10，为了便于表达，图6～10中仅列出了制备导电梁的结构示意图和制备支撑孔的结构示意图，而对其它结构不做示意。本实施例的上述的小尺寸红外传感器结构的制备方法，包括：

步骤01：请参阅图6，提供一半导体器件衬底100；半导体器件衬底100表面具有互连层(未示出)；

具体的，半导体器件衬底100表层的互连层可以为前道互连工艺制备的互连层。

步骤02：请参阅图7，在半导体器件衬底100表面的互连层上沉积一层牺牲层105；

具体的，可以但不限于采用化学气相沉积方法在半导体器件衬底100表面沉积牺牲层105；牺牲层105的材料可以采用常规的牺牲层材料，例如无机牺牲层材料氧化硅，或有机牺牲层材料。

步骤03：请参阅图8和图9，在牺牲层105上分出红外探测区域s'(图9中虚线框所示)、导电梁区域和导电支撑孔区域；在导电支撑孔区域107的牺牲层105中刻蚀出支撑孔107，同时在导电梁区域的牺牲层105中刻蚀出沟槽106；图8中左侧为沟槽的截面结构示意图，图8中右侧为支撑孔的截面结构示意图，图9为衬底100上的结构的俯视示意图，需要说明的是，图9中对于沟槽106和支撑孔107的结构轮廓做了示意，为了便于表达，图9中没有示出沟槽106的阶梯和支撑孔107的阶梯。

具体的，请参阅图9，沟槽106长度方向上的一端与支撑孔107相交，且沟槽106长度方向上的另一端与红外探测区域s'相交；在进行刻蚀之前，先在掩膜版的版图中制备好红外探测区域、导电梁区域和导电支撑孔区域的图案，获得版图图形，掩膜版的版图图形可以参考图9所示衬底的俯视结构示意；然后，利用制备好的掩膜版在牺牲层105相应位置刻蚀出支撑孔107和沟槽106。请继续参阅图8，这里还可以采用大马士革工艺来刻蚀牺牲层105，从而得到具有阶梯状侧壁的接触孔107和沟槽106。这里需要说明的是，沟槽106的深度决定了导电梁l的高度，通常，支撑孔107的深度要大于沟槽106的深度，如图8中右侧的支撑孔结构示意图中的虚线位置表示沟槽底部所在位置。

步骤04：请参阅图10，图10中左侧为在沟槽中沉积材料的截面结构示意图，图10中右侧为在支撑孔中沉积材料的截面结构示意图。这里，在完成步骤03的半导体器件衬底100上沉积导电材料102和红外敏感材料层101，并通过离子注入对其进行掺杂处理；结合图9，导电材料102和红外敏感材料层101覆盖于沟槽106的侧壁和底部、支撑孔107的侧壁和底部、以及暴露的牺牲层105的表面；

需要说明的是，关于导电材料102和红外敏感材料层101的沉积顺序可以互换，如果先沉积红外敏感材料层101，需在沉积导电材料102之前增加一步刻蚀掉支撑孔107底部的红外敏感材料层101的步骤，从而使得支撑孔107中后续沉积的导电材料102能够与互连层的接触孔相电连。

此外，本实施例中，在沉积导电材料102和红外敏感材料层101之前，还包括，在完成步骤03的半导体器件衬底100上沉积下释放保护层；和/或在沉积了导电材料102和红外敏感材料层103之后还继续沉积一层上释放保护层。关于上释放保护层、下释放保护层的沉积方法可以但不限于采用化学气相沉积方法，这是本领域技术人员可以知晓的，这里不再赘述。

步骤05：请参阅图11并结合图8和图1，图11中左侧为在图案化后的沟槽的截面结构示意图，图11中右侧为图案化后的支撑孔的截面结构示意图。图案化导电材料102和红外敏感材料层101，形成红外探测区域s的图案和导电支撑孔z的图案，同时去除沟槽106底部和沟槽106顶部外侧的导电材料102和红外敏感材料层101，保留沟槽106侧壁的导电材料102和红外敏感材料层101，这样，就在沟槽106侧壁形成导电梁l，在支撑孔107中形成导电支撑孔z。

具体的，可以但不限于采用光刻和刻蚀工艺来图案化导电材料102和红外敏感材料层101，以形成红外探测区域s的图案和导电支撑孔z的图案，从而在支撑孔107中形成导电支撑孔z；刻蚀的时候还同时去除了沟槽106底部和沟槽106顶部外侧的导电材料102和红外敏感材料层101，所保留的沟槽106侧壁的导电材料102和红外敏感材料层101最终形成导电梁l。需要说明的是，请再次参阅图11并结合图1和图8，在沟槽106侧壁的导电材料102和红外敏感材料层101，与支撑孔107侧壁的导电材料102和红外敏感材料层101分别一一对应相连续，从而实现导电梁l与导电支撑孔z的电连。在沟槽106与红外探测区域s相接触的一端且与沟槽106长度方向垂直的侧壁(图1中椭圆形虚线框所示)的导电材料102和红外敏感材料层101，与红外探测区域s的相应的导电材料102和红外敏感材料层101分别一一对应相连续，从而实现导电梁l与红外探测区域s的电连。

需要说明的是，这利用沟槽106侧壁沉积的材料来形成导电梁l的原因是，所沉积的导电梁l在水平方向的宽度会小于沉积于牺牲层105表面的导电材料102和红外敏感材料层101的厚度总和，从而巧妙地利用沟槽106侧壁的材料沉积来减小导电梁l的尺寸，同时，后续可以采用常规的各向异性刻蚀工艺来刻蚀去除沟槽106顶部外侧和沟槽106底部的导电材料102和红外敏感材料层101，不会增加工艺难度，因此，在不需要挑战小尺寸光刻工艺的条件下，也即是采用现有工艺即可减少导电梁l的尺寸。较佳的，导电梁l在水平方向的宽度为牺牲层105表面沉积的导电材料102和红外敏感材料层101的厚度总和的60～70％。

步骤06：请参阅图12，图12中左侧为释放掉牺牲层后的沟槽的截面结构示意图，图12中右侧为释放掉牺牲层后的支撑孔的截面结构示意图。这里，请结合图11，采用释放工艺，释放掉所有的牺牲层105。

具体的，可以采用常规释放工艺，这是本领域技术人员可以知晓的，这里不再赘述。

需要说明的是，在本发明的其它实施例中，在上述步骤04中，在完成步骤03的半导体器件衬底100上沉积导电材料102和红外敏感材料层101的过程中，在沉积红外敏感材料层101时，还可以采用掩膜将红外探测区域s之外的区域全部遮蔽住，只暴露出红外探测区域s，从而在红外探测区域s的牺牲层105表面覆盖了导电材料102和红外敏感材料层101，并且在沟槽106侧壁和底部、支撑孔107侧壁和底部仅覆盖有导电材料102；这样，上述步骤05可以具体包括：图案化导电材料102和红外敏感材料层101，形成红外探测区域s的图案和导电支撑孔z的图案，同时去除沟槽106底部和沟槽106顶部外侧的导电材料102，保留沟槽106侧壁的导电材料102，从而在沟槽106侧壁形成导电梁l，在支撑孔107中形成导电支撑孔z，从而使得后续得到的导电梁l和导电支撑孔107中不具有红外敏感材料层101。

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。