一種小尺寸紅外傳感器結構及其製備方法與流程

2023-08-02 04:42:06 2

本發明涉及傳感器技術領域，具體涉及一種小尺寸紅外傳感器結構及其製備方法。

背景技術：

紅外傳感器通常由敏感材料來感應到所需探測物質發射的紅外光線，並且由電連接層將探測到的紅外光線信號傳輸到外界電路中。傳統的紅外傳感器工作過程中，進入紅外傳感器的紅外光線的損失速率較快，造成探測靈敏度下降。通常採用減小紅外傳感器的尺寸來降低光線的損失速率。

然而，由於現有的光刻和刻蝕工藝條件的限制，小尺寸紅外傳感器結構的製備過程複雜繁瑣，工藝成本升高。

技術實現要素：

為了克服以上問題，本發明旨在提供一種小尺寸紅外傳感器結構及其製備方法，從而簡化製備工藝。

為了達到上述目的，本發明提供了一種小尺寸紅外傳感器結構，具有多個像元結構，每個像元結構具有紅外探測區域、與紅外探測區域相電連的導電梁、以及用於支撐導電梁並與導電梁電連接的導電支撐孔；相鄰的所述像元結構之間通過導電梁共同連接至一個導電支撐孔。

優選地，所共同連接至的一個所述導電支撐孔設置於相鄰的所述紅外探測區域之間的下方；以所共同連接至的一個所述導電支撐孔的中心線為對稱軸，相鄰的所述像元結構呈鏡像對稱。

優選地，所述導電梁與所述導電支撐孔的側壁連續為同一層，所述導電梁的層次結構和所述導電支撐孔的側壁的層次結構相同，所述導電梁的每一層均與所述導電支撐孔的側壁的相應層連續為同一層。

優選地，所述導電梁和與之相連接的導電支撐孔中，導電支撐孔的側壁沿所述導電支撐孔的內徑方向依次具有第一下釋放保護層、第一電連接層、第一上釋放保護層，導電梁靠近所述紅外探測區域的一側向外依次具有第二下釋放保護層、第二電連接層和第二上釋放保護層，導電支撐孔的第一下釋放保護層和導電梁的第二下釋放保護層相連接，導電支撐孔的第一上釋放保護層和導電梁的第二上釋放保護層相連接，導電支撐孔的第一電連接層和導電梁的第二電連接層相連接；

或者，所述導電梁和與之相連接的導電支撐孔中，導電支撐孔的側壁沿所述導電支撐孔的內徑方向依次具有第一釋放保護層和第一電連接層、或第一電連接層和第一釋放保護層，導電梁靠近所述紅外探測區域的一側向外依次具有第二釋放保護層和第二電連接層、或第二電連接層和第二釋放保護層；導電支撐孔的第一釋放保護層和導電梁的第二釋放保護層相連接，導電支撐孔的第一電連接層和導電梁的第二電連接層相連接；

或者，所述導電梁和與之相連接的導電支撐孔中，導電支撐孔的側壁由第一電連接層構成，導電梁由第二電連接層構成，第一電連接層和第二電連接層相連接。

優選地，所述導電梁中每一層的水平寬度小於所述支撐孔的頂部中相應層厚度。

優選地，所述導電支撐孔的側壁呈階梯狀，所述溝槽的側壁呈階梯狀。

為了達到上述目的，本發明還提供了一種小尺寸紅外傳感器結構的製備方法，其包括：

步驟01：提供一半導體器件襯底；半導體器件襯底表面具有互連層；

步驟02：在半導體器件襯底表面的互連層上沉積一層犧牲層；

步驟03：在犧牲層上分出紅外探測區域、導電梁區域和導電支撐孔區域；在導電支撐孔區域的犧牲層中刻蝕出支撐孔，同時在導電梁區域的犧牲層中刻蝕出溝槽；溝槽長度方向上的一端與支撐孔相交，且溝槽長度方向上的另一端與紅外探測區域相交；

步驟04：在完成步驟03的半導體器件襯底上沉積導電材料和紅外敏感材料層，並通過離子注入對其進行摻雜處理；所述導電材料和所述紅外敏感材料層覆蓋於所述溝槽側壁和底部、所述支撐孔側壁和底部、以及暴露的犧牲層表面；

步驟05：圖案化所述導電材料和所述紅外敏感材料層，形成紅外探測區域的圖案和所述導電支撐孔的圖案，同時去除溝槽底部和溝槽頂部外側的所述導電材料和所述紅外敏感材料層，保留所述溝槽側壁的所述導電材料和所述紅外敏感材料層，從而在溝槽側壁形成導電梁，在支撐孔中形成導電支撐孔；

步驟06：採用釋放工藝，釋放掉所有的犧牲層。

優選地，所述步驟03中，採用大馬士革工藝來刻蝕犧牲層，從而得到具有階梯狀側壁的接觸孔和溝槽。

為了達到上述目的，本發明還提供了一種權利要求4所述的小尺寸紅外傳感器結構的製備方法，包括：

步驟01：提供一半導體器件襯底；半導體器件襯底表面具有互連層；

步驟02：在半導體器件襯底表面的互連層上沉積一層犧牲層；

步驟03：在犧牲層上分出紅外探測區域、導電梁區域和導電支撐孔區域；在導電支撐孔區域的犧牲層中刻蝕出支撐孔，同時在導電梁區域的犧牲層中刻蝕出溝槽；溝槽長度方向上的一端與支撐孔相交，且溝槽長度方向上的另一端與紅外探測區域相交；

步驟04：在完成步驟03的半導體器件襯底上沉積導電材料和紅外敏感材料層；其中，在沉積紅外敏感材料層時，採用掩膜將所述紅外探測區域之外的區域全部遮蔽住，只暴露出紅外探測區域，從而在紅外探測區域的犧牲層表面覆蓋有導電材料和紅外敏感材料層，並且在溝槽側壁和底部、支撐孔側壁和底部覆蓋有導電材料；

步驟05：圖案化所述導電材料和所述紅外敏感材料層，形成紅外探測區域的圖案和所述導電支撐孔的圖案，同時去除溝槽底部和溝槽頂部外側的所述導電材料，保留所述溝槽側壁的所述導電材料，從而在溝槽側壁形成導電梁，在支撐孔中形成導電支撐孔；

步驟06：採用釋放工藝，釋放掉所有的犧牲層。

優選地，所述步驟03中，採用大馬士革工藝來刻蝕犧牲層，從而得到具有階梯狀側壁的接觸孔和溝槽。

本發明的小尺寸紅外傳感器結構及其製備方法，通過在導電梁區域刻蝕出溝槽，利用溝槽側壁來形成導電梁，從而實現了相鄰像元結構共同享有一個導電支撐孔的小尺寸紅外傳感器結構，從而提高了像元結構的集成度，增大了像元結構中紅外探測區域的面積，提高了紅外探測效率。

附圖說明

圖1為本發明的一個較佳實施例的小尺寸紅外傳感器結構的俯視示意圖

圖2為圖1中沿bb'方向的截面結構示意圖

圖3為圖1中導電梁沿aa'方向的截面結構示意圖

圖4為圖1中導電梁和紅外探測區域接觸區域沿cc'方向的截面結構示意圖

圖5為本發明的一個較佳實施例的小尺寸紅外傳感器結構的製備方法的流程示意圖

圖6～12為本發明的一個較佳實施例的小尺寸紅外傳感器結構的製備方法的各步驟示意圖

具體實施方式

為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明並不局限於該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護範圍內。

以下結合附圖1～12和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式、使用非精準的比例，且僅用以方便、清晰地達到輔助說明本實施例的目的。

請參閱圖1，本實施例的一種小尺寸紅外傳感器結構，具有多個像元結構，圖1中僅示例出了相鄰的兩個像元結構x1和x2，每個像元結構具有紅外探測區域s、與紅外探測區域s相電連的導電梁l、以及用於支撐導電梁l並與導電梁l電連接的導電支撐孔z；相鄰的像元結構例如x1和x2之間通過導電梁l共同連接至一個導電支撐孔z。這裡的導電梁l由導電材料102和紅外敏感材料層101構成，但這不用於限制本發明的範圍。圖1中，襯底100具有互連層c，互連層c中具有接觸孔104，互連層c位於襯底100的表層。導電支撐孔z的底部的導電材料101與互連層c中的接觸孔104相接觸，從而實現導電支撐孔z與互連層c的電連。

本實施例中，圖1中，為了便於表達，虛線框中的導電支撐孔z表示剝去其頂層的導電材料102和紅外敏感材料層101後的示意結構，圖1中左上方和右上方的導電支撐孔z為正常的俯視結構示意圖。虛線框中的導電支撐孔z為相鄰的像元結構所共享的，具體的，所共同連接至的該虛線框中的一個導電支撐孔z設置於相鄰的紅外探測區域l之間的下方；以所共同連接至的該虛線框中的導電支撐孔z的中心線為對稱軸，相鄰的像元結構x1、x2呈鏡像對稱。這裡，像元結構x1的導電梁和像元結構x2的導電梁相連於虛線框中的導電支撐孔z。

這裡，導電梁l和與之相連接的導電支撐孔z為一體成型，請參閱圖1，導電梁l與導電支撐孔z的側壁連續為同一層，導電梁l的層次結構和導電支撐孔z的側壁的層次結構相同，導電梁l的每一層均與導電支撐孔z的側壁的相應層連續為同一層。當然，在本發明的其它實施例中，導電梁l和與之相連接的導電支撐孔z也可以分開成型，而導電梁l與導電支撐孔z的側壁仍然連接為同一層，導電梁l的層次結構和導電支撐孔z的側壁的層次結構相同，導電梁l的每一層均與導電支撐孔z的側壁的相應層仍然連接為同一層。

請參閱圖1，導電梁l和與之相連接的導電支撐孔z中，導電支撐孔z的側壁由第一電連接層構成，導電梁l由第二電連接層構成，第一電連接層和第二電連接層相連接。這裡，在第一電連接層側壁還形成有第一紅外敏感材料層；在第二電連接層側壁還形成有第二紅外敏感材料層，本實施例中，第一電連接層和第二電連接層為同一層電連接層102，第一紅外敏感材料層和第二紅外敏感材料層為同一層紅外敏感材料層101。當然，在本發明的其它實施例中，第一紅外敏感材料層和第二紅外敏感材料層還可以不為同一層、第一電連接層和第二電連接層還可以不為同一層。

在本發明的其它實施例中，導電梁和與之相連接的導電支撐孔中，導電支撐孔的側壁沿導電支撐孔的內徑方向依次具有第一下釋放保護層、第一電連接層、第一上釋放保護層，導電梁靠近紅外探測區域的一側向外依次具有第二下釋放保護層、第二電連接層和第二上釋放保護層，導電支撐孔的第一下釋放保護層和導電梁的第二下釋放保護層相連接，導電支撐孔的第一上釋放保護層和導電梁的第二上釋放保護層相連接，導電支撐孔的第一電連接層和導電梁的第二電連接層相連接。在本發明的又一個實施例中，導電梁和與之相連接的導電支撐孔中，導電支撐孔的側壁沿導電支撐孔的內徑方向依次具有第一釋放保護層和第一電連接層、或第一電連接層和第一釋放保護層，導電梁靠近紅外探測區域的一側向外依次具有第二釋放保護層和第二電連接層、或第二電連接層和第二釋放保護層；導電支撐孔的第一釋放保護層和導電梁的第二釋放保護層相連接，導電支撐孔的第一電連接層和導電梁的第二電連接層相連接。

本實施例中，請參閱圖2和3，圖2為圖1中沿bb'方向的截面結構示意圖，圖3為圖1中導電梁沿aa'方向的截面結構示意圖，需要說明的是，為了便於表達，對圖2和圖3中的襯底100中的互連層和接觸孔未示出。導電梁l中每一層的水平寬度小於導電支撐孔z的頂部中相應層的厚度，例如，導電梁l的紅外敏感材料層101的水平寬度為與之連接的導電支撐孔z的頂部的紅外敏感材料層101的水平寬度的60～70％，導電梁l的電連接層102的水平寬度為與之連接的導電支撐孔z的頂部的電連接層102的水平寬度的60～70％。這是因為，通過控制沉積各個層的厚度，各層水平方向上的豎直厚度大於在溝槽側壁的水平寬度，從而得到的導電梁l中各層的厚度小於相應層的水平方向上的豎直厚度。在不提高光刻和刻蝕工藝難度的前提下，實現了導電梁的尺寸的進一步減小，提高了紅外探測區域的感光面積，以及提高了紅外探測器的轉換效率。較佳的，導電梁的水平寬度為0.5nm～1nm，因為當導電梁的水平寬度小於0.5nm時，不能形成連續的導電梁。當導電梁的水平寬度大於1nm時，導電梁的尺寸太大會使得紅外光線的損耗加快。

此外，如圖2和3所示，為了提高導電支撐孔z的支撐能力、抗彎曲能力和抗衝擊能力，將導電支撐孔z的側壁設置為階梯狀；同時，為了提高導電梁l的支撐能力、抗彎曲能力和抗衝擊能力，將導電梁l的側壁也設置為階梯狀。

需要說明的是，如圖1所示，在導電梁l的導電材料102和紅外敏感材料層101與導電支撐孔z的導電材料102和紅外敏感材料層101分別一一對應相連續，從而實現導電梁l與導電支撐孔z的電連。請參閱圖4並結合圖1，圖4為圖1中導電梁和紅外探測區域接觸區域沿cc'方向的截面結構示意圖，在導電梁l與紅外探測區域s相接觸的一端，且與導電梁l長度方向垂直的側壁(圖4中虛線框中所示，圖1中橢圓形虛線所示)的導電材料102和紅外敏感材料層101與紅外探測區域s的相應的導電材料102和紅外敏感材料層101分別一一對應相連續，從而實現導電梁l與紅外探測區域s的電連。

請參閱圖5～10，為了便於表達，圖6～10中僅列出了製備導電梁的結構示意圖和製備支撐孔的結構示意圖，而對其它結構不做示意。本實施例的上述的小尺寸紅外傳感器結構的製備方法，包括：

步驟01：請參閱圖6，提供一半導體器件襯底100；半導體器件襯底100表面具有互連層(未示出)；

具體的，半導體器件襯底100表層的互連層可以為前道互連工藝製備的互連層。

步驟02：請參閱圖7，在半導體器件襯底100表面的互連層上沉積一層犧牲層105；

具體的，可以但不限於採用化學氣相沉積方法在半導體器件襯底100表面沉積犧牲層105；犧牲層105的材料可以採用常規的犧牲層材料，例如無機犧牲層材料氧化矽，或有機犧牲層材料。

步驟03：請參閱圖8和圖9，在犧牲層105上分出紅外探測區域s'(圖9中虛線框所示)、導電梁區域和導電支撐孔區域；在導電支撐孔區域107的犧牲層105中刻蝕出支撐孔107，同時在導電梁區域的犧牲層105中刻蝕出溝槽106；圖8中左側為溝槽的截面結構示意圖，圖8中右側為支撐孔的截面結構示意圖，圖9為襯底100上的結構的俯視示意圖，需要說明的是，圖9中對於溝槽106和支撐孔107的結構輪廓做了示意，為了便於表達，圖9中沒有示出溝槽106的階梯和支撐孔107的階梯。

具體的，請參閱圖9，溝槽106長度方向上的一端與支撐孔107相交，且溝槽106長度方向上的另一端與紅外探測區域s'相交；在進行刻蝕之前，先在掩膜版的版圖中製備好紅外探測區域、導電梁區域和導電支撐孔區域的圖案，獲得版圖圖形，掩膜版的版圖圖形可以參考圖9所示襯底的俯視結構示意；然後，利用製備好的掩膜版在犧牲層105相應位置刻蝕出支撐孔107和溝槽106。請繼續參閱圖8，這裡還可以採用大馬士革工藝來刻蝕犧牲層105，從而得到具有階梯狀側壁的接觸孔107和溝槽106。這裡需要說明的是，溝槽106的深度決定了導電梁l的高度，通常，支撐孔107的深度要大於溝槽106的深度，如圖8中右側的支撐孔結構示意圖中的虛線位置表示溝槽底部所在位置。

步驟04：請參閱圖10，圖10中左側為在溝槽中沉積材料的截面結構示意圖，圖10中右側為在支撐孔中沉積材料的截面結構示意圖。這裡，在完成步驟03的半導體器件襯底100上沉積導電材料102和紅外敏感材料層101，並通過離子注入對其進行摻雜處理；結合圖9，導電材料102和紅外敏感材料層101覆蓋於溝槽106的側壁和底部、支撐孔107的側壁和底部、以及暴露的犧牲層105的表面；

需要說明的是，關於導電材料102和紅外敏感材料層101的沉積順序可以互換，如果先沉積紅外敏感材料層101，需在沉積導電材料102之前增加一步刻蝕掉支撐孔107底部的紅外敏感材料層101的步驟，從而使得支撐孔107中後續沉積的導電材料102能夠與互連層的接觸孔相電連。

此外，本實施例中，在沉積導電材料102和紅外敏感材料層101之前，還包括，在完成步驟03的半導體器件襯底100上沉積下釋放保護層；和/或在沉積了導電材料102和紅外敏感材料層103之後還繼續沉積一層上釋放保護層。關於上釋放保護層、下釋放保護層的沉積方法可以但不限於採用化學氣相沉積方法，這是本領域技術人員可以知曉的，這裡不再贅述。

步驟05：請參閱圖11並結合圖8和圖1，圖11中左側為在圖案化後的溝槽的截面結構示意圖，圖11中右側為圖案化後的支撐孔的截面結構示意圖。圖案化導電材料102和紅外敏感材料層101，形成紅外探測區域s的圖案和導電支撐孔z的圖案，同時去除溝槽106底部和溝槽106頂部外側的導電材料102和紅外敏感材料層101，保留溝槽106側壁的導電材料102和紅外敏感材料層101，這樣，就在溝槽106側壁形成導電梁l，在支撐孔107中形成導電支撐孔z。

具體的，可以但不限於採用光刻和刻蝕工藝來圖案化導電材料102和紅外敏感材料層101，以形成紅外探測區域s的圖案和導電支撐孔z的圖案，從而在支撐孔107中形成導電支撐孔z；刻蝕的時候還同時去除了溝槽106底部和溝槽106頂部外側的導電材料102和紅外敏感材料層101，所保留的溝槽106側壁的導電材料102和紅外敏感材料層101最終形成導電梁l。需要說明的是，請再次參閱圖11並結合圖1和圖8，在溝槽106側壁的導電材料102和紅外敏感材料層101，與支撐孔107側壁的導電材料102和紅外敏感材料層101分別一一對應相連續，從而實現導電梁l與導電支撐孔z的電連。在溝槽106與紅外探測區域s相接觸的一端且與溝槽106長度方向垂直的側壁(圖1中橢圓形虛線框所示)的導電材料102和紅外敏感材料層101，與紅外探測區域s的相應的導電材料102和紅外敏感材料層101分別一一對應相連續，從而實現導電梁l與紅外探測區域s的電連。

需要說明的是，這利用溝槽106側壁沉積的材料來形成導電梁l的原因是，所沉積的導電梁l在水平方向的寬度會小於沉積於犧牲層105表面的導電材料102和紅外敏感材料層101的厚度總和，從而巧妙地利用溝槽106側壁的材料沉積來減小導電梁l的尺寸，同時，後續可以採用常規的各向異性刻蝕工藝來刻蝕去除溝槽106頂部外側和溝槽106底部的導電材料102和紅外敏感材料層101，不會增加工藝難度，因此，在不需要挑戰小尺寸光刻工藝的條件下，也即是採用現有工藝即可減少導電梁l的尺寸。較佳的，導電梁l在水平方向的寬度為犧牲層105表面沉積的導電材料102和紅外敏感材料層101的厚度總和的60～70％。

步驟06：請參閱圖12，圖12中左側為釋放掉犧牲層後的溝槽的截面結構示意圖，圖12中右側為釋放掉犧牲層後的支撐孔的截面結構示意圖。這裡，請結合圖11，採用釋放工藝，釋放掉所有的犧牲層105。

具體的，可以採用常規釋放工藝，這是本領域技術人員可以知曉的，這裡不再贅述。

需要說明的是，在本發明的其它實施例中，在上述步驟04中，在完成步驟03的半導體器件襯底100上沉積導電材料102和紅外敏感材料層101的過程中，在沉積紅外敏感材料層101時，還可以採用掩膜將紅外探測區域s之外的區域全部遮蔽住，只暴露出紅外探測區域s，從而在紅外探測區域s的犧牲層105表面覆蓋了導電材料102和紅外敏感材料層101，並且在溝槽106側壁和底部、支撐孔107側壁和底部僅覆蓋有導電材料102；這樣，上述步驟05可以具體包括：圖案化導電材料102和紅外敏感材料層101，形成紅外探測區域s的圖案和導電支撐孔z的圖案，同時去除溝槽106底部和溝槽106頂部外側的導電材料102，保留溝槽106側壁的導電材料102，從而在溝槽106側壁形成導電梁l，在支撐孔107中形成導電支撐孔z，從而使得後續得到的導電梁l和導電支撐孔107中不具有紅外敏感材料層101。

雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然實施例僅為了便於說明而舉例而已，並非用以限定本發明，本領域的技術人員在不脫離本發明精神和範圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發明所主張的保護範圍應以權利要求書為準。