具有台阶支撑的混合成像探测器像元结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种具有台阶支撑的可见光红外混合成像探测器像元结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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，研究出微电子技术领域的混合成像技术，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。
【发明内容】
[0005]为了克服以上问题，本发明旨在提供一种具有台阶支撑的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。
[0006]为了实现上述目的，本发明提供了一种可见光红外混合成像探测器像元结构，包括:
[0007]—晶圆，用作将可见光过滤掉的过滤层；
[0008]可见光感应区域，位于所述晶圆下表面，其包括可见光感应部件和将所述可见光感应部件所形成的电信号输出的引出极；
[0009]介质层，位于所述晶圆的上表面；
[0010]红外感应区域，位于所述晶圆上表面，其包括:
[0011]红外感应结构，对应于所述可见光感应部件的上方，其具有红外感应部件和电极层，所述红外感应部件用于吸收穿过所述晶圆的红外光，并产生电信号；所述红外感应结构的边缘具有第一支撑孔，所述第一支撑孔底部具有多级台阶状侧壁；所述红外感应结构与所述所述介质层之间具有第一空腔；所述台阶状侧壁用于提高所述第一支撑孔的支撑能力、所述第一支撑孔底部的填充能力和降低所述第一支撑孔底部的导热速率；
[0012]接触沟槽结构，在所述可见光感应区域上方两侧的所述介质层中；所述接触沟槽结构将所述红外感应部件所形成的电信号输出；位于所述第一支撑孔具有多级台阶状侧壁的底部的所述电极层与所述接触沟槽结构相连接；
[0013]支撑部件，位于所述红外感应结构的外围，且与所述红外感应结构不接触，其顶部具有第一释放孔；所述支撑部件边缘具有第二支撑孔，所述第二支撑孔底部位于所述介质层上表面；在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，所述红外反射材料用于将未经所述红外感应部件吸收的红外光反射到所述红外感应部件上；所述支撑部件与所述红外感应结构之间具有第二空腔，并且所述红外感应结构与所述支撑部件之间具有连通的空隙；以及
[0014]转换单元，用于将所述可见光感应区域和所述红外感应区域所输出的电信号进行计算并转换为图像；
[0015]其中，可见光和红外光从所述晶圆下表面射入，通过所述可见光感应区域，所述可见光被所述可见光感应部件吸收；然后，经所述晶圆过滤掉未被所述可见光感应部件吸收的可见光，透过所述晶圆的红外光继续射入所述红外感应部件中，所述红外光被所述红外感应部件吸收；未经所述红外感应部件吸收的远红外光，经所述红外反射材料反射到所述红外感应部件，进而被所述红外感应部件吸收。
[0016]优选地，所述红外感应区域还包括:接触孔，其一端与所述接触沟槽结构相连，另一端穿透所述晶圆下表面，用于将所述红外感应部件所形成的电信号输出；所述转换单元与所述可见光感应区域的所述引出极和所述接触孔相连。
[0017]优选地，所述红外感应结构为顶部具有凹凸起伏表面且边缘具有第一支撑孔的微桥结构，所述红外感应部件为红外敏感材料层，所述微桥结构包括:下释放保护层、上释放保护层、以及位于所述下释放保护层和所述上释放保护层之间的红外敏感材料层、电极层；所述上释放保护层与所述下释放保护层将所述红外敏感材料层和所述电极层所暴露的部分均覆盖住。
[0018]优选地，所述电极层位于所述红外敏感材料层上表面，所述电极层的顶部具有若干凹槽，所述红外敏感材料层的顶部呈连续的平坦表面；或者所述电极层位于所述红外敏感材料层下表面，所述电极层的顶部具有若干凹槽，所述红外敏感材料层的顶部呈连续的凹凸起伏表面。
[0019]优选地，所述晶圆的材料为非晶硅、单晶硅或锗硅。
[0020]优选地，所述微桥结构顶部具有第二释放孔。
[0021]为了实现上述目的，本发明还提供了一种上述的可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法，其包括以下步骤:
[0022]步骤01:提供一晶圆，在所述晶圆下表面形成所述可见光感应区域；
[0023]步骤02:在所述晶圆上表面形成介质层，在介质层中形成所述接触沟槽结构；
[0024]步骤03:在所述接触沟槽结构和所述介质层上形成第一牺牲层；
[0025]步骤04:在所述第一牺牲层中形成具有多级台阶状侧壁的第一沟槽，所述第一沟槽底部暴露出所述接触沟槽结构表面；
[0026]步骤05:在具有所述第一沟槽的所述第一牺牲层上形成所述红外感应结构；包括形成所述第一支撑孔的具有多级台阶状侧壁的底部；所述红外感应结构的位于所述第一支撑孔具有多级台阶状侧壁的底部的所述电极层通过所述第一沟槽与暴露的所述接触沟槽表面相连接；
[0027]步骤06:在完成所述步骤05的所述晶圆上形成第二牺牲层；
[0028]步骤07:在所述第二牺牲层中形成第二沟槽，所述第二沟槽底部暴露出所述接触沟槽结构外侧的所述介质层表面；
[0029]步骤08:在具有所述第二沟槽的所述第二牺牲层上形成所述支撑部件，在所述支撑部件的顶部形成所述第一释放孔；所述第二支撑孔底部的所述支撑部件与暴露的所述介质层相连接；
[0030]步骤09:通过所述微桥结构与所述支撑部件之间的所述连通的空隙以及所述支撑部件顶部的第一释放孔进行释放工艺，将所述第一牺牲层和所述第二牺牲层释放掉，从而形成所述第一空腔和所述第二空腔。
[0031]优选地，所述步骤05中，还包括:在所述红外感应结构顶部形成第二释放孔。
[0032]优选地，所述红外感应结构为顶部具有凹凸起伏表面且边缘具有第一支撑孔的微桥结构，所述红外感应部件为红外敏感材料层，所述微桥结构包括:下释放保护层、上释放保护层，以及位于所述下释放保护层和所述上释放保护层之间的红外敏感材料层、电极层；所述上释放保护层与所述下释放保护层将所述红外敏感材料层和所述电极层所暴露的部分均覆盖住。
[0033]优选地，所述电极层位于所述红外敏感材料层上表面，所述电极层的顶部具有若干凹槽，所述红外敏感材料层的顶部呈连续的平坦表面；或者所述电极层位于所述红外敏感材料层下表面，所述电极层的顶部具有若干凹槽，所述红外敏感材料层的顶部呈连续的凹凸起伏表面。
[0034]优选地，所述晶圆下表面具有前道器件和后道互连；所述步骤01包括:首先，在所述晶圆下表面形成可见光感应区域以及前道器件，然后，在所述晶圆下表面形成后道互连；所述后道互连与所述可见光感应区域以及所述前道器件相连接，其中，所述可见光感应区域中的所述可见光感应部件通过所述可见光感应部件的所述引出极与所述后道互连相连接;
[0035]所述步骤02包括:在所述晶圆上表面沉积一层介质层；然后在所述可见光感应区域上方两侧的所述介质层中采用大马士革工艺形成所述接触沟槽结构以及在所述接触沟槽结构下方的所述晶圆中形成第二接触孔；所述接触沟槽结构和所述接触孔中填充有导电金属；然后采用化学机械研磨将所述导电金属顶部表面平坦化，最终形成的所述介质层的厚度与所述导电金属的高度相同；其中，所述接触孔穿透所述晶圆下表面与所述后道互连相连接。
[0036]优选地，所述可见光感应部件的所述引出极为第一接触孔。
[0037]优选地，所述步骤04中，包括采用光刻和刻蚀工艺在所述第一牺牲层对应于所述第一支撑孔底部的位置形成具有多级台阶状侧壁的沟槽。
[0038]本发明的可见光红外混合成像探测器像元结构及其制备方法，将可见光感应区域和红外感应区域集成在芯片中，采用晶圆作为可见光过滤层，无需额外增设可见光过滤层，提高了可见光红外混合成像的质量，减小了体积，使可见光红外混合成像微型化、芯片化成为可能。采用