悬挂式红外探测器像元结构及其制备方法技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种悬挂式红外探测器像元结构及其制备
方法。
背景技术
红外探测器是将入射的红外辐射信号转变为电信号输出的器件，其利用热敏元件
检测物体的存在或移动，探测器手机外界的红外辐射进而聚集到红外传感器上，红外传感
器采用热敏元件，热敏元件在接受了红外辐射温度发生变化时就会输出信号，将其转换为
电信号，然后对电信号进行波形分析。传统红外探测器像元结构中仅使用一种类型热敏电
阻，通常是负温度系数的非晶硅或者氧化钒，并通过电路将其变化的信号放大输出。
然而，采用热敏元件的探测器结构的灵敏度通常不是很高，且结构较为复杂，探测
过程复杂，如果采用灵敏度较高的热敏元件则材料的成本昂贵；
因此，急需对现有红外探测器进行改进，来提高灵敏度，降低结构复杂度和成本。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种红外探测器像元结构及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种红外探测器像元结构，位于一硅衬底上，包
括：硅衬底表面的导电金属区；红外探测结构，位于硅衬底上方，用于探测红外光并产生电
信号；导电梁结构，与红外探测结构相电连，用于将红外探测结构产生的电信号传输到导电
金属区；导电梁结构包括：位于导电梁结构最顶层的顶层导电梁以及多层导电沟槽；
所述导电沟槽包括：底部与导电金属区接触且顶部位于导电梁结构最顶层的第一
导电沟槽，以及底部高于第一导电沟槽底部且顶部位于导电梁结构最顶层的第二导电沟
槽；其中，
第一导电沟槽的顶部和第二导电沟槽顶部分别与顶层导电梁两端接触连接；第二
导电沟槽的底部与红外探测结构的相连接；所述红外探测结构产生的电信号首先经第二导
电沟槽底部传输到第二导电沟槽顶部，再经顶层导电梁传输到第一导电沟槽的顶部，然后
从第一导电沟槽顶部传输到第一导电沟槽底部进而传输到导电金属区；再经导电金属区传
输到互连层中。
优选地，所述顶层导电梁由导电层以及包围导电层的释放保护层构成；所述第一
导电沟槽和所述第二导电沟槽均由上释放保护层、下释放保护层以及位于上释放保护层和
下释放保护层之间的导电层构成。
优选地，所述顶层导电梁由导电层以及位于导电层上表面的释放保护层构成；所
述第一导电沟槽和所述第二导电沟槽均由导电层以及位于导电层上的释放保护层构成。
优选地，所述顶层导电梁由导电层构成；所述第一导电沟槽和所述第二导电沟槽
均由导电层构成。
优选地，所述顶层导电梁底部具有凸起。
优选地，所述硅衬底表面还具有反射区，反射区位于红外探测结构下方，且在反射
区和导电金属区之间具有介质层；互连层还连接有外部电路。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种制备上述的红外探测器像元结构的方
法，其包括：
步骤01：提供一硅衬底，硅衬底表面具有导电金属区；
步骤02：在所述硅衬底上形成第一层牺牲层；在第一层牺牲层中刻蚀出第一导电
沟槽下部分的图案，并且在部分第一导电沟槽的图案中形成导电层，从而形成所述第一导
电沟槽的下部分；
步骤03：在第一牺牲层上形成所述红外探测结构，红外探测结构与所述第一导电
沟槽下部分不接触；
步骤04：在完成步骤03的硅衬底上形成第二层牺牲层，在第二层牺牲层中刻蚀出
第二导电沟槽的图案、顶层导电梁的图案、以及剩余的第一导电沟槽上部分的图案，并且在
第二导电沟槽的图案、顶层导电梁的图案、以及剩余的第一导电沟槽上部分的图案中形成
导电层，从而形成完整的所述第一导电沟槽、所述第二导电沟槽和所述顶层导电梁；
步骤05：经释放工艺，将所有的牺牲层都释放掉。
优选地，所述步骤02中具体包括：首先，在所述硅衬底上形成第一层牺牲层；然后，
在第一层牺牲层中刻蚀出第一导电沟槽下部分的图案；其次，在第一导电沟槽下部分的图
案中依次形成下释放保护层、导电层和上释放保护层，或者依次形成导电层和释放保护层，
或者只形成导电层。
优选地，步骤04中，所述在第二导电沟槽的图案、顶层导电梁的图案、以及剩余的
第一导电沟槽下部分的图案中形成导电层的过程包括：依次形成下释放保护层、导电层和
上释放保护层；或者依次形成导电层和释放保护层；或者只形成导电层。
优选地，所述步骤04中，形成所述顶层导电梁的图案之前，还包括在所述顶层导电
梁的图案对应下方的所述第二牺牲层中形成凸起图案，从而使得后续沉积的导电层也沉积
在凸起图案中，以形成底部具有凸起的顶层导电梁。
本发明的红外探测器像元结构及其制备方法，通过设置纵向上多层分布的导电沟
槽和导电梁构成的导电梁结构，实现了电信号在纵向上的阶梯传输，减少了器件横向占用
面积，提高了像元结构的集成密度，即提高了像元结构的填充因子；并且，微桥结构可以设
置于导电梁结构之上、也可以悬挂于导电梁结构中，可见，微桥结构的设置位置变得更加灵
活，使微桥结构的水平面积占用率提高，不仅减小了单个像元的水平面积，提高了单个硅片
的集成度，还提高了探测灵敏度和信噪比，提高了整个红外探测器的性能。
附图说明
图1a为本发明的一个较佳实施例的红外探测器像元结构的俯视结构示意图
图1b为本发明的一个较佳实施例的红外探测器像元结构的侧视结构示意图
图1c为本发明的一个较佳实施例的微桥结构的截面结构示意图
图2为本发明的一个较佳实施例的红外探测器像元结构的制备方法的流程示意图
图3-7为本发明的一个较佳实施例的红外探测器像元结构的制备方法的各制备步
骤的示意图
图8a为本发明的一个较佳实施例的导电沟槽、与导电沟槽相连接的导电梁的结构
示意图
图8b为本发明的一个较佳实施例的导电沟槽、与导电沟槽相连接的导电梁的结构
示意图
图8c为本发明的一个较佳实施例的导电沟槽、与导电沟槽相连接的导电梁的结构
示意图
图9a为本发明的一个较佳实施例的实体导电梁底部结构示意图
图9b为本发明的一个较佳实施例的实体导电梁底部结构示意图
图9c为本发明的一个较佳实施例的实体导电梁底部结构示意图
图9d为本发明的一个较佳实施例的实体导电梁底部结构示意图
图10a为本发明的一个较佳实施例的槽体导电梁底部结构示意图
图10b为本发明的一个较佳实施例的槽体导电梁底部结构示意图
图10c为本发明的一个较佳实施例的槽体导电梁底部结构示意图
图10d为本发明的一个较佳实施例的槽体导电梁底部结构示意图
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。
本发明中，红外探测器像元结构，位于一硅衬底上，包括：硅衬底表面的导电金属
区，位于硅衬底上方的红外探测结构，用于探测红外光并产生电信号；与红外探测结构相电
连的导电梁结构，用于将红外探测结构产生的电信号传输到导电金属区；导电梁结构包括：
竖直方向上排布的至少一层导电梁和多层导电沟槽；其中，每一层导电梁的两端分别连接
底部不在同一水平面的两层导电沟槽，红外探测结构与其中一层导电沟槽或其中一层导电
梁相接触；导电金属区与其中另一层导电沟槽底部接触；红外探测结构产生的电信号沿着
导电沟槽的高度方向和导电梁的水平方向传输，从而在竖直方向上呈迂回路径传输向下到
导电金属区；
红外探测结构下方、导电梁之间和导电梁下方均为空腔；红外探测结构下方构成
空腔；空腔底部的反射区将未被红外探测结构吸收的红外光反射到红外探测结构上，可以
经多次反射来完成红外探测结构对红外光的探测；该空腔构成红外探测器像元结构的谐振
腔；
本发明的一个实施例中，导电梁结构最顶层具有顶层导电梁；导电沟槽包括：底部
与导电金属区接触且顶部位于导电梁结构最顶层的第一导电沟槽，以及底部高于第一导电
沟槽底部且顶部位于导电梁结构最顶层的第二导电沟槽；第一导电沟槽的顶部和第二导电
沟槽顶部分别与顶层导电梁两端连接；第二导电沟槽的底部与红外探测结构的相连接；红
外探测结构产生的电信号首先经第二导电沟槽底部传输到第二导电沟槽顶部，再经顶层导
电梁传输到第一导电沟槽的顶部，然后从第一导电沟槽顶部传输到第一导电沟槽底部进而
传输到导电金属区。
本发明的另一个实施例中，每一层导电沟槽的底部与其下方相邻层的导电沟槽的
顶部分别连接于一导电梁的两端；导电梁结构最顶层只具有顶层导电沟槽，顶层导电沟槽
的顶部与红外探测结构相连接，使红外探测结构位于导电梁结构之上，每一层的导电沟槽
和导电梁构成了迂回阶梯状的结构，从而使红外探测结构产生的电信号的传输路径呈迂回
阶梯状；红外探测结构产生的电信号从顶层导电沟槽的顶部传输到顶层导电沟槽的底部，
再经导电梁传输到下一层的导电沟槽的顶部，经过多层导电沟槽和导电梁之间的传输，最
后传输到导电金属区；
本发明的另一个实施例中，每一层导电沟槽的底部与其下方相邻层的导电沟槽的
顶部连接于同一导电梁并且分别连接于一导电梁的两端；导电梁结构的最顶层中具有顶层
导电沟槽和顶层导电梁；顶层导电梁与红外探测结构相连接，使红外探测结构位于导电梁
结构之上，每一层的导电沟槽和导电梁构成了迂回阶梯状的结构，从而使红外探测结构产
生的电信号的传输路径呈迂回阶梯状；红外探测结构产生的电信号从顶层导电梁传输到顶
层导电沟槽的顶部，再传输到顶层导电沟槽的底部，经过多层导电沟槽和导电梁之间的传
输，最后传输到导电金属区。
还需要说明的是，本发明的一个较佳实施例多种，由于导电金属层和/或上释放保
护层和/或下释放保护层的每一层均是同时沉积在导电沟槽的图案、导电梁的图案及其底
部的凸起图案中，有可能把这些图案填满形成实体，也有可能不填满形成槽体，那么，导电
梁及其底部的凸起、导电沟槽的组合结构包括实体导电梁或槽体导电梁、导电梁底部的实
体凸起或槽体凸起、以及实体导电沟槽或槽体导电沟槽的任意组合，均在本发明的范围之
内。
需要说明的是，本发明的红外探测器像元结构可以为前照式也可以为背照式。本
发明导电梁结构中，以一层导电沟槽和与其顶部相接触的一层导电梁来构成一个层单元；
如果某一层导电沟槽顶部没有导电梁则认为该层导电沟槽为一个单独的层单元；如果有竖
直方向上长度不一致的导电沟槽，则认为较短的那个导电沟槽所在层为一个层单元，则较
长的导电沟槽就跨两层或多层。
此外，本发明中，制备上述红外探测器像元结构的方法可以包括：
提供一硅衬底，并且在硅衬底表面形成导电金属区；
在硅衬底上方先形成所述导电梁结构再形成所述红外探测结构，或者，在硅衬底
上方先形成所述红外探测结构再形成所述导电梁结构，其中，所述红外探测结构与所述导
电梁结构的其中一层的导电梁或导电沟槽相接触，所述导电梁结构的另一层导电沟槽底部
与导电金属区相接触。
以下结合附图1a-9d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。
需要说明的是，本实施例中，硅衬底表面还具有反射区，反射区位于红外探测结构
下方，且在反射区和导电金属区之间具有介质层；互连层连接外部电路。红外探测结构采用
微桥结构。导电层采用导电金属层。
本实施例中，请参阅图1a和图1b，图1b为沿图1a中AA’截面结构示意图图，图1a中，
为了方便表示，将微桥结构揭掉，用粗虚线框表示微桥结构所占区域，红外探测器像元结构
位于一硅衬底101上，硅衬底101中具有互连层(未示出)，硅衬底表面101具有与互连层相电
连的导电金属区102、反射区F以及位于导电金属区102和反射区F之间的介质区103；互连层
连接外部电路；需要说明的是，本实施例中的互连层可以用其它可以连接导电金属区和外
部电路的导电结构替代。本实施例的像元结构还包括：
微桥结构105，位于反射区F上方，用于探测红外光并产生电信号；请参阅图1c，微
桥结构可以包括下释放保护层1063、红外敏感材料层1061、电极层1062和上释放保护层
1064。电极层1062与导电梁结构的导电梁107相连接，确保微桥结构106产生的电信号通过
导电梁结构传输到导电金属区102，进而传输到互连层和外部电路中。
导电梁结构，与微桥结构106相电连；导电梁结构包括底部不在同一层的第一导电
沟槽104、第二导电沟槽105，本实施例中，导电沟槽可以分为两层，图1b中虚线所示，虚线下
方为第一层，虚线上方为第二层，第一导电沟槽104贯穿第一层和第二层，第二导电沟槽105
位于第二层；需要说明的是，本发明中，第一导电沟槽104不限于只贯穿两层，第二导电沟槽
105的底部也不限于只位于第二层；这里，第一导电沟槽104的竖直方向的长度大于第二导
电沟槽105竖直方向的长度，第一导电沟槽104的顶部与第二导电沟槽105的顶部齐平；本实
施例中，还具有顶层导电梁107，第一导电沟槽104的顶部与顶层导电梁107的一端接触；第
二导电沟槽105的顶部与该顶层导电梁107的另一端接触，第二导电沟槽105的底部与微桥
结构106接触，从而使微桥结构106悬挂于导电梁结构之间，微桥结构106产生的电信号首先
经第二导电沟槽105底部传输到第二导电沟槽105顶部，再经顶层导电梁107传输到第一导
电沟槽104顶部，然后从第一导电沟槽104顶部传输到第一导电沟槽104底部进而传输到导
电金属区102。其中，第二导电沟槽105位于反射区F的上方，第一导电沟槽104位于金属导电
区102上。
微桥结构106下方、顶层导电梁107与微桥结构106之间均为空的；
这里需要说明的是，如图1a和1b所示，微桥结构106悬挂于导电梁结构中，硅衬底
101两侧分别具有两个导电梁结构，这两个导电梁结构分别与微桥结构106的两个对角相接
触连接。
因此，本实施例实现了电信号在纵向上的阶梯传输，减少了器件横向占用面积，提
高了像元结构的集成密度，即提高了像元结构的填充因子。
请参阅图8a，右图中，虚线框内表示第一导电沟道或第二导电沟槽，虚线框外的结
构表示导电梁，虚线方向的截面图如图8a的左图所示，导电梁可以由导电金属层M以及包围
导电金属层M的上释放保护层S1、下释放保护层S2构成；相应的，第一导电沟槽和第二导电
沟槽均可以由：上释放保护层S1、下释放保护层S2以及位于上释放保护层S1和下释放保护
层S2之间的导电金属层M构成。
请参阅图8b，虚线框内表示第一导电沟道或第二导电沟槽，虚线框外的结构表示
导电梁，导电梁可以由导电金属层M以及位于导电金属层M上表面的释放保护层S构成；相应
的，第一导电沟槽和第二导电沟槽均由导电金属层M以及位于导电金属层M上的释放保护层
S构成。
请参阅图8c，虚线框内表示第一导电沟道或第二导电沟槽，虚线框外的结构表示
导电梁，导电梁可以由导电金属层M构成；相应的，第一导电沟槽和第二导电沟槽由导电金
属层M构成。
在本实施例中，导电梁结构中的顶层导电梁107底部具有凸起，如图9a-9d所示，图
9a中所示的一个较佳实施例的导电梁非中心区域的底部具有竖直方向的长条状凸起，图9b
中所示的一个较佳实施例的导电梁的两端底部具有竖直方向的长条状凸起，这种凸起的设
置还特别适用于导电梁底部无任何支撑的情况，凸起设置于导电梁两端底部可以避免导电
梁两端的过度弯曲。此外，这些长条状凸起的厚度与导电梁的厚度相同，凸起的长度为导电
梁长度的一半以下；在本发明的其它实施例中，多个凸起还可以位于导电梁任意部分的底
部，该凸起的形状还可以为倒半球体如图9c所示，倒锥体如图9d所示等，这些凸起的分布可
以呈等间距阵列排布，如矩形阵列，或可以位于导电梁的等分处，例如，如图9a所示，虚线为
中心所在位置，凸起位于导电梁的四等分处且非中心处，如图9c所示凸起位于导电梁的三
等分处，这些凸起的设置用于增强导电梁的强度，避免导电梁悬空设置时过度弯曲导致整
个器件变形和性能失效；同时还可以增强导电梁的弯曲强度，在震动情况下，可以对导电梁
产生有效支撑，使其不易由于突发的变形产生断裂；较佳的，凸起不设置于导电梁的中心
处；并且，这些凸起分布的密度可以从导电梁的两端向中心逐渐递减，也即是凸起之间的间
距从导电梁的两端向中心逐渐增加，从而对悬空的导电梁的中心起到有效的支撑和保护。
本实施例中，由于导电金属层和/或上释放保护层和/或下释放保护层的每一层均
是同时沉积在第二导电沟槽的图案、凸起图案、顶层导电梁的图案和第一导电沟槽上部分
的图案中，有可能把这些图案填满，形成实体，也有可能不填满，形成槽体，其中，凸起可能
被填满也可能不被填满，形成实体或槽体，那么，导电梁、凸起、第一导电沟槽和第二导电沟
槽的结构包括实体的导电梁或槽体的导电梁、实体的凸起或槽体的凸起、实体的第一导电
沟槽或槽体的第一导电结构、以及实体的第二导电结构或槽体的第二导电沟槽的结构的任
意组合，均在本发明的范围之内。如图9a-9d显示了实体导电梁及其底部的凸起的四种结
构，图10a-10d显示了槽体导电梁及其底部的槽体凸起的四种结构。其中，图10a中的槽体凸
起的位置与图9a的实体槽体的位置相同；图10b中的槽体凸起的位置与图9b的实体槽体的
位置相同；图10c中的槽体凸起的位置与图9c的实体槽体的位置相同；图10d中的槽体凸起
的位置与图9d的实体槽体的位置相同；关于图10a-10d中槽体凸起相对于槽体导电梁的位
置可以参考图9a-9d中实体凸起相对于实体槽体导电梁的位置，这里不再赘述。
此外，本实施例中，第一导电沟槽和第二导电沟槽均可以填充满导电金属，从而形
成导电柱的形状。
请参阅图2，本实施例中，制备上述的红外探测器像元结构的方法，包括：
步骤01：请参阅图3，提供一硅衬底101，并且在硅衬底101表面形成导电金属区
102；这里，硅衬底101表面还具有反射区F以及位于导电金属区102和反射区F之间的介质区
103；硅衬底101中具有互连层，互连层与导电金属区102相电连，互连层连接外部电路；
步骤02：请参阅图4，在硅衬底101上形成第一层牺牲层X11；在第一层牺牲层X11中
刻蚀出第一导电沟槽下部分的图案104’，并且在第一导电沟槽下部分的图案104’中形成导
电金属层，从而形成第一导电结构的下部分；
具体的，步骤02中具体包括：
首先，在硅衬底101上形成第一层牺牲层X11；
然后，在第一层牺牲层X11中刻蚀出第一导电沟槽下部分的图案104’；这里，仅制
备了第一导电沟槽下部分的图案104’，后续在第二层牺牲层中继续形成剩余的第一导电沟
槽上部分的图案，从而构成最终的底部位于第一层且顶部位于第二层的第一导电沟槽。
其次，在第一导电沟槽下部分的图案104’中依次形成下释放保护层、导电金属层
和上释放保护层，或者形成导电金属层和上释放保护层，或者只形成导电金属层，且位于第
一导电沟槽下部分的图案侧壁的导电金属层之间具有空隙；或者导电金属层填充满第一导
电沟槽下部分的图案，形成导电柱。
上释放保护层和下释放保护层是用于保护导电金属层在释放工艺中不受到损伤，
确保器件的导电性能和灵敏度；导电材料可以为导电金属，如铝、铜等；如果是铝，则无需形
成上释放保护层和下释放保护层；
在沉积了导电金属层之后还包括：将导电金属层平坦化，去除高于第一层牺牲层
X11表面的导电金属层。
步骤03：请参阅图5，在第一牺牲层X11上形成红外探测结构，红外探测结构与第一
导电沟槽下部分104’不接触；
具体的，此时微桥结构106的电极层不与已经制备的第一层牺牲层X11中的第一导
电沟槽下部分的图案104’的顶部接触。
步骤04：请参阅图6，在完成步骤03的硅衬底101上形成第二层牺牲层X12，在第二
层牺牲层X12中刻蚀出第二导电沟槽105的图案、顶层导电梁107的图案和剩余的第一导电
沟槽104上部分的图案，并且在第二导电沟槽105的图案、顶层导电梁107的图案和第一导电
沟槽104下部分的图案中沉积导电材料，从而形成完整的第一导电沟槽104，第二导电沟槽
105和顶层导电梁107；
具体的，首先，在顶层导电梁107的图案对应下方的第二牺牲层X12中形成凸起图
案、第二导电沟槽105的图案和剩余的第一导电沟槽104上部分的图案；然后，形成顶层导电
梁107的图案。关于凸起图案的描述可以参考上述关于凸起的描述，这里不再赘述，从而使
得后续沉积的导电金属层也沉积在凸起图案中，以形成底部具有凸起的顶层导电梁107。这
里，微桥结构106与第二导电沟槽105的底部相接触；形成导电金属层的过程，包括：
在第二导电沟槽的图案、顶层导电梁的图案及其底部的凸起图案、和第一导电沟
槽上部分的图案中均依次形成下释放保护层、导电金属层和上释放保护层，或者形成导电
金属层和上释放保护层，或者只形成导电金属层，且位于第一导电沟槽侧壁的导电金属层
之间具有空隙，位于第二导电沟槽侧壁的导电金属层之间具有空隙；或者导电金属层填充
满第二导电沟槽的图案和剩余的第一导电沟槽上部分的图案，则第一导电沟槽和第二导电
沟槽呈导电柱的形状。本实施例中，由于导电金属层和/或上释放保护层和/或下释放保护
层的每一层均是同时沉积在第二导电沟槽的图案、凸起图案、顶层导电梁的图案和第一导
电沟槽上部分的图案中，有可能把这些图案填满，形成实体，也有可能不填满，形成槽体，那
么，导电梁、凸起、第一导电沟槽和第二导电沟槽的组合结构包括实体导电梁或槽体导电
梁、实体凸起或槽体凸起、实体第一导电沟槽或槽体第一导电沟槽、以及实体第二导电结构
或槽体第二导电沟槽的结构的任意组合，均在本发明的范围之内。
在形成导电金属层之后还包括：将导电金属层平坦化，去除高于第二层牺牲层X12
表面的导电金属层；微桥结构106与第二导电沟槽105的底部相接触；
步骤05：请参阅图7，经释放工艺，将所有的牺牲层X11、X12都释放掉。
具体的，释放工艺可以根据牺牲层的材料来设置合适的工艺参数，这里不再赘述。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述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所述为准。