電容結構及其制備方法、可調節諧振波段的紅外探測器與流程

本發明涉及半導體技術領域，具體涉及一種電容結構及其制備方法、可調節諧振波段的紅外探測器。

背景技術：

紅外探測器是將入射的紅外輻射信號轉變為電信號輸出的器件，其利用熱敏元件檢測物體的存在或移動，探測器收集外界的紅外輻射進而聚集到紅外傳感器上，紅外傳感器采用熱敏元件，熱敏元件在接受了紅外輻射溫度發生變化時就會輸出信號，將其轉換為電信號，然后對電信號進行波形分析。

傳統的紅外探測器通常是利用不同吸收波段的紅外吸收材料來對紅外探測器所探測的紅外波段進行選擇。然而，采用不同吸收波段的紅外吸收材料對波段的選擇針對一個紅外探測器只能有一種，如需更換吸收波段，就需要再制備具有其它吸收波段的紅外材料，從而使得紅外探測器的應用受到限制，使用靈活性也不高。

技術實現要素：

為了克服以上問題，本發明旨在提供一種電容結構和具有該電容結構的紅外探測器，電容結構中設置三層電極層，利用最頂部和最底部的電極層來屏蔽中間的電極層，進一步的，通過調節電容結構的電壓來使最頂部的電極層產生形變，可以來調節紅外探測器的諧振腔的有效高度，從而來選擇紅外探測器所要吸收的紅外諧振波長。

為了達到上述目的，本發明提供了一種集成于硅襯底上的電容結構，包括：

底部電極層，位于硅襯底上，作為上電極層的引出極；在底部電極層的邊緣區域上具有第一導電結構；

下電極層，位于底部電極層上方，且與底部電極層之間具有間距；

第二導電結構，與下電極層相接觸，第二導電結構作為下電極層的引出極；

上電極層，位于下電極層上方，上電極層的邊緣區域具有支撐結構，從而使得上電極層與下電極層之間形成一空腔；支撐結構與第一導電結構相接觸；其中，

在向上電極層和下電極層施加電壓時，上電極層和底部電極層共同構成下電極層的屏蔽結構。

優選地，上電極層在下電極層上的垂直投影的輪廓將下電極層的輪廓包圍；下電極層在底部電極層的垂直投影的輪廓被底部電極層的輪廓包圍；所述第一導電結構在水平面內呈連續封閉圖形，所述支撐結構在水平面內也呈連續封閉圖形，從而所述第一導電結構與所述支撐結構共同構成一環繞結構來環繞在下電極層的外側，使得所述下電極層被所述底部電極層、所述第一導電結構和所述上電極層包裹。

優選地，所述下電極層和所述底部電極層之間采用底部介質層相隔離，所述第一導電結構位于所述底部介質層中。

優選地，所述下電極層和所述底部電極層之間采用空氣相隔離，使得所述上電極層和底部電極層之間構成一連通空腔，所述下電極層位于所述連通空腔內；所述第二導電結構的底部與硅襯底上表面相接觸，使得所述第二導電結構還用于支撐所述下電極層。

優選地，所述下電極層上表面覆蓋有絕緣層。

為了達到上述目的，本發明還提供了一種可調節諧振波段的紅外探測器，包括硅襯底以及位于硅襯底上的紅外探測結構，紅外探測結構與硅襯底之間具有諧振腔；紅外探測器中，在諧振腔的底部具有上述任意一項所述的電容結構，使得上電極層與所述紅外探測結構之間的距離構成所述諧振腔的有效高度，在向上電極層和下電極層施加電壓時，上電極層發生彎曲變形，使得所述空腔的高度發生變化，此時，所述諧振腔的有效高度隨所述空腔的高度的變化呈反比例的線性變化。

為了達到上述目的，本發明還提供了一種上述的電容結構的制備方法，包括：

步驟01：在硅襯底表面制備底部電極層；

步驟02：在底部電極層上制備出第一導電結構，在硅襯底上制備出第二導電結構以及與第二導電結構相接觸的下電極層；

步驟03：在所述完成所述步驟02的硅襯底上形成犧牲層，并且在犧牲層中刻蝕出用于形成所述支撐結構的溝槽；

步驟04：在所述犧牲層上表面和所述支撐結構的圖案中分別形成所述上電極層以及上電極層的支撐結構；

步驟05：通過釋放工藝去除所述犧牲層。

優選地，在所述步驟02和所述步驟03之間還包括：在所述下電極層上制備絕緣層。

優選地，所述步驟02具體包括：在完成所述步驟01的硅襯底上形成底部介質層，在底部介質層中刻蝕出第一導電結構、第二導電結構和下電極層的圖案；然后，在這些圖案中填充導電材料，從而形成第一導電結構、第二導電結構和下電極層。

優選地，所述步驟05中包括：通過釋放工藝去除所述犧牲層和所述底部介質層。

本發明設置了底部電極層、下電極層和上電極層來構成電容結構，底部電極層不僅作為上電極層的引出極，而且底部電極層和上電極層共同構成下電極層的屏蔽結構，這樣，當電容結構在施加電壓時，利用所形成的屏蔽結構來屏蔽下電極層的靜電力，可以使得本發明的電容結構應用于各種場合而無需考慮對其它器件或部件的影響；進一步的，本發明采用該電容結構設置與紅外探測器的諧振腔的底部，對該電容結構施加電壓時，可以避免電容結構對紅外探測器的各電路的影響；同時，電容結構在施加不同電壓時，上電極層會發生彎曲變形，導致諧振腔的有效高度發生變化，從而導致所獲得的諧振波長發生變化，實現對諧振波長可選擇性。

附圖說明

圖1a為本發明的實施例一的電容結構的截面結構示意圖

圖1b為本發明的實施例一的電容結構的俯視結構示意圖

圖2為本發明的實施例一的電容結構的制備方法的流程示意圖

圖3～10為本發明的實施例一的電容結構的制備方法的各制備步驟示意圖

圖11為本發明的實施例一的紅外探測器的截面結構示意圖

圖12a為本發明的實施例二的電容結構的俯視結構示意圖

圖12b為圖12a的AA’方向的電容結構的截面結構示意圖

圖12c為圖12a的BB’方向的電容結構的截面結構示意圖

圖13～18為本發明的實施例二的電容結構的制備方法的各制備步驟示意圖

圖19為本發明的實施例二的紅外探測器的截面結構示意圖

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。當然本發明并不局限于該具體實施例，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范圍內。

本發明的集成于硅襯底上的電容結構，包括：位于硅襯底上的底部電極層，作為上電極層的引出極；在底部電極層的邊緣區域上具有第一導電結構；

位于底部電極層上方的下電極層，其與底部電極層之間具有間距；與下電極層相接觸的第二導電結構，第二導電結構作為下電極層的引出極；位于下電極層上方的上電極層，上電極層的邊緣區域具有支撐結構，從而使得上電極層與下電極層之間形成一空腔；支撐結構與第一導電結構相接觸；其中，在向上電極層和下電極層施加電壓時，上電極層和底部電極層共同構成下電極層的屏蔽結構。

需要說明的是，第二導電結構可以與硅襯底表面接觸用于支撐下電極層，也可以在下電極層和底部電極層之間設置介質層來支撐第二導電結構。

實施例一

以下結合附圖1a～11和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式、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1a，本實施例的硅襯底100的表面具有互連層101，集成于硅襯底100上的電容結構包括：

底部電極層102，與硅襯底100上的互連層101相連，作為上電極層104的引出極，在底部電極層102的邊緣區域上具有第一導電結構103；第一導電結構可以由頂部導電塊和底部導電柱構成；

下電極層106，位于底部電極層102上方，且與底部電極層102之間具有間距；這里，下電極層106與底部電極層102之間采用空氣相隔離，使得上電極層106和底部電極層102之間構成一連通空腔，下電極層106位于連通空腔內；請參閱圖1b，第二導電結構105(為了便于清楚表達各部分的關系，第二導電結構用虛線框表示出來)的底部與硅襯底100上表面的互連層101相接觸，使得第二導電結構105還能夠用于支撐下電極層106。這里，下電極層106上表面還可以覆蓋有絕緣層S，這樣，當上電極層104變形量較大時，可以避免上電極層104與下電極層106相接觸，從而擴大了上電極層104的變形空間。這里，第二導電結構105的頂部與下電極層106相接觸，第二導電結構105作為下電極層106的引出極；為了避免第二導電結構105與底部電極層102以及互連層101相接觸而發生短路，第二導電結構105的側壁表面還具有絕緣層。

上電極層104，位于下電極層106上方，上電極層104的邊緣區域具有支撐結構1041，從而使得上電極層104與下電極層106之間形成一空腔；支撐結構1041與第一導電結構103相接觸；上電極層104中具有多個孔，孔可以為任意形狀，孔的尺寸較佳的為納米級，也即是多個微孔形成與上電極層104中，這樣，可以增加上電極層104的抗撓曲能力和提高其柔度，避免上電極層104在變形時產生裂紋，提高電容結構的使用壽命。同時，由于本實施例的第一導電結構為封閉結構，上電極層104的多個孔還可以作為釋放孔，便于制備工藝的順利進行。

這里，請結合附圖1a和1b，上電極層104在下電極層106上的垂直投影的輪廓將下電極層106的輪廓包圍；下電極層106在底部電極層102的垂直投影的輪廓被底部電極層102的輪廓包圍；第一導電結構103在水平面內呈連續封閉圖形，1041支撐結構在水平面內也呈連續封閉圖形，從而第一導電結構103與支撐結構1041共同構成一環繞結構來環繞在下電極層106的外側，使得下電極層106被底部電極層102、第一導電結構103和上電極層104包裹。

本實施例中，在向上電極層和下電極層施加電壓時，上電極層和底部電極層共同構成下電極層的屏蔽結構，這是因為，在向下電極層施加電壓時，特別是施加不同的電壓時，下電極層的靜電力會對電容結構所應用的器件產生較大影響例如下電極層下方具有互連層電路等，利用上電極層和底部電極層構成的屏蔽結構可以屏蔽下電極層產生的靜電力，從而避免對電容結構所應用的器件的影響，擴寬了本實施例的電容結構的應用場合和使用方便性。

請參閱圖2，本實施例的上述電容結構的制備方法，包括：

步驟01：在硅襯底表面制備底部電極層；

具體的，請參閱圖3，可以但不限于采用化學氣相沉積法來在互連層101上沉積底部電極層102，然后經光刻和刻蝕工藝刻蝕出底部電極層圖案，來完成底部電極層102的制備。

步驟02：在底部電極層上制備出第一導電結構，在硅襯底上制備出第二導電結構以及與第二導電結構相接觸的下電極層；

具體的，首先，請參閱圖4，在底部電極層102中刻蝕出用于形成第二導電結構下部分的溝槽；然后，請參閱圖5，在底部電極層102和暴露的互連層101上形成一層底部介質層X1；接著，請參閱圖6，在底部介質層X1中可以但不限于采用光刻和刻蝕工藝來刻蝕出第一導電結構的圖案、第二導電結構的圖案和下電極層的圖案；然后，請參閱圖7，在第一導電結構的圖案、第二導電結構的圖案和下電極層的圖案中沉積導電材料，從而形成第一導電結構103，第二導電結構105和下電極層106，這里在第二導電結構的圖案進行沉積導電材料之前，先在第二導電結構的圖案側壁形成一層絕緣材料，用于隔離第二導電結構105與底部電極層102和部分互連層101。這里，底部介質層X1的材料可以與后續犧牲層的材料相同也可以不相同，本實施例中，底部介質層X1的材料與后續犧牲層的材料相同，從而可以在后續的釋放工藝中同時去除底部介質層X1和犧牲層。

需要說明的是，本步驟02中，如果需要第一導電結構103、第二導電結構105與底部電極層106的導電材料不相同，可以不同時刻蝕出第一導電結構的圖案、第二導電結構的圖案和底部電極層的圖案，例如，先刻蝕出第一導電結構的圖案和第二導電結構的圖案，在其中沉積第一種導電材料；然后刻蝕出底部電極層的圖案，在其中沉積第二種導電材料。

本實施例中，請再次參閱圖7，在步驟02和步驟03之間還可以包括：在下電極層上制備絕緣層S，這樣可以避免上電極層104發生較大變形時與下電極層106相接觸而導致短路問題的發生。

步驟03：在完成步驟02的硅襯底上形成犧牲層，并且在犧牲層中刻蝕出用于形成支撐結構的溝槽；

具體的，請參閱圖8，可以但不限于采用氣相沉積法來形成犧牲層X2，然后，可以但不限于采用光刻和刻蝕工藝在犧牲層X2中刻蝕出溝槽，該溝槽用于后續形成支撐結構。

步驟04：在犧牲層上表面和支撐結構的圖案中分別形成上電極層以及上電極層的支撐結構；

具體的，請參閱圖9，可以但不限于采用氣相沉積法在犧牲層X2的表面和溝槽內沉積上電極層，還可以在上電極層中刻蝕出多個孔。

步驟05：通過釋放工藝去除犧牲層。

具體的，請參閱圖10，釋放工藝可以采用常規工藝這里不再贅述，將底部介質層X1和犧牲層X2同時去除，從而在上電極層104和底部電極層102之間形成連通空腔。

請參閱圖11，本實施例中的可調節諧振波段的紅外探測器，在上述硅襯底100表面的互連層101上設置有紅外探測結構和支撐柱，紅外探測結構和支撐柱以及互連層101之間構成諧振腔，在諧振腔的底部具有上述的電容結構，使得上電極層104與紅外探測結構之間的距離構成諧振腔的有效高度。有效高度用于決定進入諧振腔的紅外光的諧振波長。

在向上電極層104和下電極層106施加電壓時，上電極層104發生彎曲變形，使得上電極層和下電極層106之間的空腔的高度發生變化，此時，諧振腔的有效高度隨空腔的高度的變化呈反比例的線性變化，如圖11中，彎曲虛線表示上電極層104的發生彎曲，此時，上電極層104與紅外探測結構之間的距離變大，而上電極層104與下電極層106之間的距離變小。這里，紅外探測結構具有金屬層108、紅外敏感材料層109和下介質層110，在金屬層上也可以覆蓋有上介質層，導電支撐結構107用于支撐紅外探測結構，導電支撐結構107與金屬層108相接觸，導電支撐結構107底部與互連層101相接觸，從而將紅外敏感材料層探測的電信號通過金屬層108和導電支撐結構107傳輸到互連層中。

實施例二

請參閱圖12a至12c，其中，圖12c中，為了清楚表達各部分關系，選擇BB’的路徑來切割圖12a中的電容結構。這里，硅襯底200上表面具有互連層201，互連層201上設置有底部電極層202，底部電極層202上方設置有下電極層206，下電極層206上方設置有上電極層204，上電極層204中具有支撐結構2041，支撐結構2041與第一導電結構203相接觸。關于底部電極層202、下電極層206和上電極層204的具體結構和關系與實施例一中的底部電極層102、下電極層106和上電極層104的具體結構和關系相同。

本實施例二的電容結構與實施例一的電容結構的區別在于：本實施例二中，下電極層206和底部電極層202之間具有底部介質層J，即采用底部介質層J相隔離，第一導電結構203位于底部介質層J中。當然，本實施例二中也可以不具有底部介質層J，底部介質層J的采用是為了更好的支撐下電極層206；此時，作為下電極層206的引出極的第二導電結構205的一端呈水平放置且與下電極層206相接觸連接，另一端呈豎直放置且與互連層201相連；從圖12c中可以看到，為了避免第二導電結構205與部分互連層相接觸而短路，第二導電結構205下部分的側壁與部分互連層之間具有絕緣層；圖12c中，為了表達出第二導電結構與第一導電結構在縱向上的關系，用第二導電結構205下方的虛線框表示第一導電結構203。

本實施例二的電容結構的制備方法，包括：

步驟01’：在硅襯底表面制備底部電極層；

具體的，首先，請參閱圖13，可以但不限于采用光刻和刻蝕工藝在互連層201中制備出第二導電結構下部分205’；然后，請參閱圖14，可以但不限于采用化學氣相沉積法來在互連層201上沉積底部電極層202，并且可以經光刻和刻蝕工藝刻蝕出底部電極層圖案，來完成底部電極層202的制備。

步驟02’：在底部電極層上制備出第一導電結構，在硅襯底上制備出第二導電結構以及與第二導電結構相接觸的下電極層；

具體的，首先，請參閱圖15，在底部電極層102、暴露的互連層101以及第二導電結構下部分205’上形成一層底部介質層J；接著，請參閱圖16，在底部介質層J中可以但不限于采用光刻和刻蝕工藝來刻蝕出第一導電結構的圖案、第二導電結構的圖案和下電極層的圖案；然后，在第一導電結構的圖案、第二導電結構的圖案和下電極層的圖案中沉積導電材料，從而形成第一導電結構203，第二導電結構205和下電極層206。這里，底部介質層J的材料可以與后續犧牲層的材料相同也可以不相同，本實施例二中，底部介質層J的材料與后續犧牲層的材料不相同，從而可以在后續的釋放工藝中只去除犧牲層。

需要說明的是，本步驟02’中，如果需要第一導電結構203、第二導電結構205與底部電極層206的導電材料不相同，可以不同時刻蝕出第一導電結構的圖案、第二導電結構的圖案和底部電極層的圖案，例如，先刻蝕出第一導電結構的圖案和第二導電結構的圖案，在其中沉積第一種導電材料；然后刻蝕出底部電極層的圖案，在其中沉積第二種導電材料。

本實施例中，在步驟02和步驟03之間還可以包括：在下電極層上制備絕緣層，這樣可以避免上電極層204發生較大變形時與下電極層206相接觸而導致短路問題的發生。

步驟03’：在完成步驟02的硅襯底上形成犧牲層，并且在犧牲層中刻蝕出用于形成支撐結構的溝槽；

步驟04’：在犧牲層上表面和支撐結構的圖案中分別形成上電極層以及上電極層的支撐結構；

具體的，請參閱圖17，為完成步驟04的結構，在犧牲層X表面和溝槽中形成了上電極層204，還可以在上電極層204中刻蝕出多個孔。關于步驟03’和步驟04’的具體制備過程分別與實施例一中的步驟03和04相同，這里不再贅述。

步驟05’：通過釋放工藝去除犧牲層。

具體的，請參閱圖18，釋放工藝可以采用常規工藝這里不再贅述，將犧牲層X去除。

請參閱圖19，本實施例中的可調節諧振波段的紅外探測器，在上述硅襯底200表面的互連層201上設置有紅外探測結構和支撐柱，紅外探測結構和支撐柱以及互連層201之間構成諧振腔，在諧振腔的底部具有上述的電容結構，使得上電極層204與紅外探測結構之間的距離構成諧振腔的有效高度。有效高度用于決定進入諧振腔的紅外光的諧振波長。

在向上電極層204和下電極層206施加電壓時，上電極層204發生彎曲變形，使得上電極層和下電極層206之間的空腔的高度發生變化，此時，諧振腔的有效高度隨空腔的高度的變化呈反比例的線性變化，如圖19中，彎曲虛線表示上電極層204的發生彎曲，此時，上電極層204與紅外探測結構之間的距離變大，而上電極層204與下電極層206之間的距離變小。這里，紅外探測結構具有金屬層208、紅外敏感材料層209和下介質層210，在金屬層上也可以覆蓋有上介質層，導電支撐結構207用于支撐紅外探測結構，導電支撐結構207與金屬層208相接觸，導電支撐結構207底部與互連層201相接觸，從而將紅外敏感材料層探測的電信號通過金屬層208和導電支撐結構207傳輸到互連層中。

雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然所述實施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本發明，本領域的技術人員在不脫離本發明精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發明所主張的保護范圍應以權利要求書所述為準。