可调节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，具体涉及一种入射光可调节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入射光可调节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，本发明提供了入射光可调节的可见光红外混合成像探测器像元结构，其包括:
[0007]—半导体衬底，作为可见光过滤层；
[0008]可见光感应区域，位于所述半导体衬底下表面，所述可见光感应区域包括可见光感应部件和引出极；
[0009]红外感应区域，位于半导体衬底上表面，其包括:
[0010]红外窗口材料，位于所述半导体衬底上表面，用于选择性透过所需波段的红外光;
[0011]互连层，位于所述红外窗口材料两侧的所述半导体衬底上表面；
[0012]介质层，位于所述红外窗口材料和所述互连层的上表面；在所述红外窗口材料上方两侧的所述介质层中具有接触沟槽结构；
[0013]红外感应结构，包括:下释放保护层、红外感应部件、电极层和上释放保护层；所述红外感应结构具有第一中间拱起部分和第一端部支撑部分，所述第一中间拱起部分位于所述红外窗口材料的正上方对应位置，且与所述红外增透材料层之间构成第一空腔；所述第一端部支撑部分的电极层与所述接触沟槽结构相接触，用于将所述红外感应部件产生的电信号通过所述接触沟槽结构传输到所述互连层中；
[0014]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；所述支撑部件包括第二中间拱起部分和第二端部支撑部分；所述第二端部支撑部分位于所述接触沟槽结构外侧的所述介质层表面，所述第二中间拱起部分与所述第一中间拱起部分之间构成第二空腔，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；在所述第二中间拱起部分的顶部具有释放孔；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；
[0015]其中，可见光和红外光从所述半导体衬底下表面射入，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；经所述半导体衬底过滤掉可见光后，红外光透过所述半导体衬底继续进入所述红外感应区域，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，所述可见光感应区域位于所述红外感应区域的正下方。
[0017]优选地，所述介质层的材料为红外增透介质材料，用于增加从所述红外窗口材料穿过的所述所需波段的红外光的透过性以及对所述互连层进行隔离。
[0018]优选地，所述第一中间拱起部分的顶部具有释放孔。
[0019]优选地，所述互连层为后道互连层，所述后道互连层下表面连接有前道器件。
[0020]为了实现上述目的，本发明还提供了一种上述的入射光可调节的可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法，包括:
[0021]步骤01:提供一半导体衬底；并在所述半导体衬底下表面制备所述可见光感应区域的所述可见光感应部件和所述引出极；
[0022]步骤02:在所述半导体衬底的上表面形成一层介质材料，并在所述介质材料中待形成所述红外窗口材料的区域两侧形成所述互连层；
[0023]步骤03:去除所述互连层之间的所述介质材料，并在去除所述介质材料之后所形成的镂空区域中填充所述红外窗口材料；
[0024]步骤04:在所述红外窗口材料和所述互连层的上表面形成所述介质层，并在所述红外窗口材料上方两侧的所述互连层的上表面形成所述接触沟槽结构；
[0025]步骤05:在所述介质层和所述接触沟槽结构的上表面形成第一牺牲层材料，并图案化所述第一牺牲层材料，使所述第一牺牲层材料的侧壁与所述接触沟槽结构的外侧壁在水平方向上具有一定的间距；
[0026]步骤06:在所述第一牺牲层材料的侧壁和顶部、以及未被所述第一牺牲层材料遮挡的所述接触沟槽结构上表面形成所述红外感应结构；其中，所述红外感应结构的所述第一中间拱起部分位于所述第一牺牲层材料的侧壁和顶部，所述红外感应结构的所述第一端部支撑部分的所述电极层与未被所述第一牺牲层材料遮挡的所述接触沟槽结构相接触；
[0027]步骤07:在完成所述步骤06的所述半导体衬底上形成一层第二牺牲层材料，并平坦化所述第二牺牲层材料的顶部表面；
[0028]步骤08:图案化所述第二牺牲层材料，使所述第二牺牲层材料的侧壁超过所述接触沟槽结构的外侧壁，且图案化后的所述第二牺牲层材料与所述互连层的外侧壁在水平方向上具有一定的间距；
[0029]步骤09:在图案化后的所述第二牺牲层材料顶部和侧壁、以及未被所述第二牺牲层材料遮挡的所述介质层上形成所述支撑部件，并在所述支撑部件的顶部形成释放孔；其中，所述支撑部件的所述第二中间拱起部分位于图案化后的所述第二牺牲层材料顶部和侧壁，且所述释放孔位于所述第二中间拱起部分的顶部；所述第二端部支撑部分位于所述未被所述第二牺牲层材料遮挡的所述介质层上；
[0030]步骤10:通过所述红外感应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所述释放孔进行释放工艺，以去除所述第一牺牲层材料和所述第二牺牲层材料，从而在所述第一中间拱起部分与所述介质层之间构成第一空腔，以及在所述第二中间拱起部分与所述第一中间拱起部分之间构成第二空腔。
[0031]优选地，所述步骤06中，还包括:在所述红外感应结构的所述第一中间拱起部分的顶部形成释放孔；所述步骤10中的释放工艺还包括通过所述红外感应结构的所述释放孔。
[0032]优选地，所述可见光感应区域位于所述红外感应区域的正下方。
[0033]优选地，所述互连层为后道互连层，所述步骤02中，在形成所述介质层之前，包括:在待形成所述后道互连层的区域下方形成前道器件。
[0034]优选地，所述步骤04中，采用大马士革工艺形成所述接触沟槽结构。
[0035]优选地，所述介质层的材料为红外增透介质材料，用于增加从所述红外窗口材料穿过的所述所需波段的红外光的透过性以及对所述互连层进行隔离。
[0036]为了实现上述目的，本发明还提供了上述入射光可调节的可见光红外混合成像探测器像元结构的制备方法，包括:
[0037]步骤01:提供一半导体衬底；并在所述半导体衬底下表面制备所述可见光感应区域的所述可见光感应部件和所述引出极；
[0038]步骤02:在所述晶圆上表面形成所述互连层；在所述互连层中刻蚀出所述沟槽，并在所述沟槽中填充所述红外窗口材料；
[0039]步骤03:在所述互连层上形成所述接触沟槽结构，在所述接触沟槽结构之间以及所述接触沟槽结构外侧形成所述介质层；
[0040]步骤04:在所述接触沟槽结构和所述介质层上形成第一牺牲层；
[0041]步骤05:在所述第一牺牲层中形成第一沟槽，所述第一沟槽底部暴露出所述接触沟槽结构；
[0042]步骤06: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；位于所述第一支撑孔底部的所述红外感应结构与暴露的所述接触沟槽结构相连接；
[0043]步骤07:在完成所述步骤06的所述晶圆上形成第二牺牲层；
[0044]步骤08: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；
[0045]步骤09: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，并且在所述支撑部件顶部形成所述第一释放孔；
[0046]步骤10:通过所述红外感应结构边缘与所述支撑部件之间的所述连通的空隙、以及所述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。
[0047]优选地，所述介质层的材料为红外增透介质材料，用于增加从所述红外窗口材料穿过的所述所需波段的红外光的透过性以及对所述互连层进行隔离。
[0048]本发明的入射光可调节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，通过采用半导体衬底作为可见光过滤层，而无需额外增加可见光过滤层，减小了器件体积和成本；并且采用红外窗口材料来过滤掉不需要波段的红外光，对所需成像的入射光的选择性，实现了对混合成像的入射光的调节控制，进一步地可以采用红外