一种覆盖可见光波段和红外波段的光电探测器的制作方法

本发明涉及宽谱段图像探测器研制技术领域，具体为一种覆盖可见光波段和红外波段的光电探测器。

背景技术：

传统的cmos图像传感器由于si材料本身的限制，仅能探测波长350nm～1100nm范围入射光线，在光能量的激发下产生光生电子，并通过读出电路，输出代表光明暗信息的，实现可见光探测。传统的红外探测器，采用红外敏感材料如碲镉汞等制备像元，利用cmos工艺完成红外读出电路的制造，像元和红外读出电路通过铟柱实现像素级互联，红外探测器覆盖的波长范围为1000nm～3um。在对地观测，目标跟踪，微光夜视，星体导航等应用领域，由于成像光线环境复杂，波长范围通常覆盖350nm～3um，无法通过单一的红外探测器或者可见光探测器实现全波段探测。光电探测具有位置固定性，特定角度的观测仅能容纳一种探测器观测。因此，覆盖350nm～3um全波段的光电探测器，对获取全面光电信息具有重要意义。

在前照式图像传感器中，光子通过微透镜到达衬底的光电二极管之前，需要穿过后道介质层。介质层约有2-3μm厚。一方面，虽然二氧化硅介质层相对可见光而言是透明的，但还是会吸收一部分能量，使得穿透介质层抵达硅片表面光电二极管的光子数减少。另一方面，2-3μm厚的后道介质层，是由多种淀积方式的多层二氧化硅薄膜累积而成的，势必会有一部分光子在不同层之间的界面处被反射。对于前照式cmos可见光图像传感器，顶视图如图1所示，侧视图如图2所示，纵向剖面图如图3所示，位于光电二极管上方的介质层对入射光子有较强的吸收和反射作用，造成透射率低于80％。又由于光电二极管中的转化效率以及传输晶体管的传输效率的损失，前照式像元的量子效率较低。

背照式与前照式最大的不同点就在于：前照式的光信号需要穿过后道工艺的介质层才能抵达光电二极管表面，光信号不可避免的在介质层中受到反射以及损耗；而背照式的光信号从背面直接抵达光电二极管，只要工艺处理得当，除了被反射一小部分，光信号几乎全部抵达二极管中。背照工艺的流程为首先完成载有cis器件像元及读出电路的晶圆制造，然后将cis晶圆与载片通过氧化物—氧化物键合工艺进行键合。两片晶圆键合后要求界面处无气泡与空洞，缺陷数量小于50，晶圆翘曲度小于50μm，高度差小于4μm将cis晶圆减薄至2μm～5μm。减薄后晶圆不平整度要求在0.2μm以下，在减薄后的晶圆上生长高k介质，通过刻蚀工艺形成像元间的金属隔离结构，通过刻蚀工艺形成cis器件的压焊区(pad)的开窗，通过金属淀积工艺形成压焊区。如图4所示为硅片-硅片键合，如图5所示为键合后晶圆，如图6为晶圆减薄形成背照式图像传感器。图7为背照式图像传感器纵向剖面图，背照式图像传感器可以探测波长范围350nm～1μm的图像信息。

由于硅对波长1μm～3μm的红外波不敏感，因此，红外探测材料为碲镉汞等。由于硅基读出电路具有功耗和面积开销较小的特点，因此红外器件的读出电路制造于硅晶片上。红外像元和读出电路的信号沟通采用铟柱互联方式，图8所示为红外像元和读出电路互联示意图；图9所示红外探测器侧视图。图10红外探测器纵向剖面图，红外探测器可探测波长范围1μm～3μm的图像信息。

技术实现要素：

针对现有技术中图像传感器探测波段范围窄存在无法满足复杂光照环境成像的问题，本发明提供一种覆盖可见光波段和红外波段的光电探测器，结构简单，操作方便，便于在复杂的光照条件下进行成像，满足星体追踪，目标识别，深空探测等多领域的应用需求。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种覆盖可见光波段和红外波段的光电探测器，包括光电探测器本体，光电探测器本体包括靠近光线由顶至底设置的第一晶圆、第二晶圆和第三晶圆；第一晶圆、第二晶圆和第三晶圆依次叠加设置；第一晶圆上装配有若干个可见光像元和读出电路；第二晶圆上装配有若干个红外读出电路；第三晶圆上装配有若干个红外像元阵列；第一晶圆与第二晶圆硅片键合设置，第三晶圆通过第一晶圆与第二晶圆硅片键合后互联设置，实现可见光波段图像和红外波段图像的探测。

优选的，第一晶圆和第二晶圆均为硅基cmos晶圆，第一晶圆和第二晶圆采用氧化物-氧化物的化学键互联，断键互联工艺。

进一步的，氧化物-氧化物键合机理为第一晶圆和第二晶圆表面的sio2表面的si-o键以及h2o分子的h-o在进入键合机台前会被等离子体打断，使得表面产生非常多的悬挂键，进入键合机台后，机台会对第一晶圆和第二晶圆的硅片设有贴合力，用于将第一晶圆和第二晶圆的硅片结合，使得第一晶圆和第二晶圆的硅片表面的si-o键重新结合。

优选的，第三晶圆采用非硅基红外感光材料；第三晶圆通过第一晶圆与第二晶圆硅片键合后采用铟柱互联设置。

优选的，红外像元的读出电路硅片上设有1-2μm的钝化层开孔，用于实现铟注入顶层铝中，实现电气互联。

优选的，光电探测器本体采用硅通孔tsv技术刻蚀硅层，通过金属连接将第一晶圆和第二晶圆的压焊点pad均引出至最顶层，易于实现器件封装。

优选的，光电探测器本体采用片外处理技术，完成两种谱段数据融合，实现高动态范围成像。

优选的，光电探测器本体的探测范围为350nm～3μm波长。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种覆盖可见光波段和红外波段的光电探测器，光电探测器本体包括靠近光线由顶至底设置的第一晶圆、第二晶圆和第三晶圆；其中，第一晶圆上装配有若干个可见光像元和读出电路；第二晶圆上装配有若干个红外读出电路；第三晶圆上装配有若干个红外像元阵列，根据光谱的波长特点，将对可见光即短波敏感的像元置于宽光谱探测器的最顶层，将对红外光即穿透能力强的中长波敏感的像元置于宽光谱探测器的最下层，优化堆叠层次和互联方式。

进一步的，传统的背照式图像传感器，采用载有电路的晶圆和无电路的载片通过氧化物-氧化物键合方式。最终形成的背照式图像传感器厚度约为750μm，但是仅表面5μm以内为核心电路，本发明将传统背照式的载片替换为红外像素的读出电路，通过硅片-硅片的氧化物-氧化物键合方式连接，首先将两片晶圆进行断键处理，晶圆表面产生悬挂键，然后将二晶圆贴合，悬挂键互联实现键合，最终形成的背照式可见光图像传感器和红外读出电路集成于同一器件上成为超宽光谱光电探测器件，厚度约为750μm，表面以及底面均为核心电路，充分利用了背照式器件背面的空白区域，有利于提升器件集成度，降低器件重量。

进一步的，传统的红外探测器采用红外敏感像元位于最靠近光的位置，读出电路处于远离光的位置，本发明针对红外波长较长，红外波长在硅中的损耗极小的特点，变换叠放层次，将硅片叠放于靠近光源的位置，红外像元置于硅片下方；该叠放层次符合光的吸收特性。

进一步的，光电探测器本体采用硅通孔tsv技术将红外探测器读出电路的压焊区和可见光探测器的读出电路压焊区，通过刻蚀，开窗，金属积淀等方式，引出至芯片表面。通过封装键合工艺与封装连接。

进一步的，光电探测器本体采用片外处理技术，通过数据融合算法，实现可见光信息和红外信息的融合，最终实现超宽波段探测，超高动态范围，满足微光夜视，天文观测等复杂光照环境的成像。

附图说明

图1为现有技术中前照式cmos图像传感器顶视图；

图2为现有技术中前照式cmos图像传感器侧视图；

图3为现有技术中前照式cmos图像传感器纵向剖面图；

图4为现有技术中硅片-硅片键合的结构示意图；

图5为现有技术中键合后晶圆的结构示意图；

图6为现有技术中晶圆减薄形成背照式图像传感器；

图7为现有技术中背照式图像传感器纵向剖面图；

图8为现有技术中红外像元和读出电路互联结构示意图；

图9为现有技术中红外探测器侧视图；

图10为现有技术中红外探测器纵向剖面图；

图11为本发明中宽光谱探测器互联示意图；

图12为本发明中宽光谱探测器侧视图；

图13为现有技术中背照式器件压焊区开窗剖面图；

图14为本发明中宽光谱探测器pad形成示意图。

图中：1-第一晶圆；2-第二晶圆；3-第三晶圆。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供了一种覆盖可见光波段和红外波段的光电探测器，如图11和图12所示，包括光电探测器本体，所述光电探测器本体包括靠近光线由顶至底设置的第一晶圆1、第二晶圆2和第三晶圆3；所述第一晶圆1、第二晶圆2和第三晶圆3依次叠加设置；所述第一晶圆1上装配有若干个可见光像元和读出电路；所述第二晶圆2上装配有若干个红外读出电路；所述第三晶圆3上装配有若干个红外像元阵列；第一晶圆1与第二晶圆2硅片键合设置，所述第三晶圆3通过第一晶圆1与第二晶圆2硅片键合后互联设置，实现可见光波段图像和红外波段图像的探测。

第一晶圆1和第二晶圆2均为硅基cmos晶圆，第一晶圆1和第二晶圆2采用氧化物-氧化物的化学键互联，断键互联工艺。

氧化物-氧化物键合机理为第一晶圆1和第二晶圆2表面的sio2表面的si-o键以及h2o分子的h-o在进入键合机台前会被等离子体打断，使得表面产生非常多的悬挂键，进入键合机台后，机台会对第一晶圆1和第二晶圆2的硅片设有贴合力，用于将第一晶圆1和第二晶圆2的硅片结合，使得第一晶圆1和第二晶圆2的硅片表面的si-o键重新结合。

第三晶圆3采用非硅基红外感光材料；第三晶圆3通过第一晶圆1与第二晶圆2硅片键合后采用铟柱互联设置。

红外像元的读出电路硅片上设有1-2μm的钝化层开孔，用于实现铟注入顶层铝中，实现电气互联。

光电探测器本体采用硅通孔tsv技术刻蚀硅层，通过金属连接将第一晶圆1和第二晶圆2的压焊点pad均引出至最顶层，易于实现器件封装；光电探测器本体采用片外处理技术，完成两种谱段数据融合，实现高动态范围成像；光电探测器本体的探测范围为350nm～3μm波长

本发明将背照式图像传感器载片替换为红外读出电路，提升了器件的集成度降低了器件重量；将叠放层次进行优化，将对短波可见光敏感的像元置于接近光源的位置，将对红外敏感的像元置于远离光源的位置，由于红外穿透能力强，光路损失少，实现一款超宽光谱图像探测器。通过高集成度器件实现超宽波长的图像探测，避免在复杂应用中同时搭载可见光和红外探测器两套设备的缺陷，对提升器件集成度，起到重要作用。

根据图11中所示，通过cmos工艺流程，将载有可见光图像传感器的第一晶圆1和载有红外读出电路的第二晶圆2，晶片-晶片互联采用氧化物-氧化物键合。氧化物-氧化物键合机理为，第一晶圆1与第二晶圆2的两个硅片表面的sio2表面的si-o键以及h2o分子的h-o在进入键合机台前会被等离子体打断，使得表面产生非常多的悬挂键，进入键合机台后，机台会对第一晶圆1和第二晶圆2的硅片设有贴合力，慢慢的将第一晶圆1与第二晶圆2的两个硅片紧密结合在一起，使得两片硅片表面的si-o键重新结合。两片硅片在键合之前需要在上下两片硅片上做好对位标记，在流片完成时需要选定特定的位置放好对位标记，以此能够让键合机台识别对位标记，从而让两片硅片在键合时能够找到对位标记进行对准。在硅片进入键合机台后，在硅片的上、下各有摄像头来识别硅片表面的对位标记，待准确识别对位标记后，两片硅片就会准确对准。两片硅片键合工艺完成后，需要在不破坏硅片的前提下对两片硅片的键合界面处进行缺陷检测，利用超声波扫描显微镜可检验界面处是否有气泡、硅片边缘处是否有灰边等。

根据图12所示，第三晶圆3上装配有若干个红外像元阵列，第三晶圆3通过第一晶圆1与第二晶圆2硅片键合后采用铟柱互联设置。红外像元的读出电路硅片需要完成1～2μm的钝化层开孔，用于实现铟注入顶层铝中，实现电气互联。

根据图13所示，背照式cmos图像传感器的压焊区通过开窗(≤50μm)，金属积淀等方式引出至器件表面；本发明中为实现封装的便捷性，将压焊区引至器件表面，如图14所示，红外探测器读出电路采用tsv技术，通过开孔(≥500μm)和金属积淀方式引出至器件表面。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明思路的前提下，还可以设计若干简单的替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。