本發(fā)明涉及半導(dǎo)體，更具體地涉及一種晶圓級(jí)雙色紅外焦平面芯片及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、雙色紅外探測(cè)器具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它能夠同步采集目標(biāo)和環(huán)境在兩個(gè)不同紅外波段的紅外輻射信號(hào)，從而有效抑制背景噪聲，顯著提升系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)效果。這一特性使其在衛(wèi)星遙感、夜視偵察、紅外預(yù)警等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2、然而，傳統(tǒng)的雙色紅外探測(cè)器芯片通常采用單襯底雙外延結(jié)構(gòu)，即在一個(gè)單一的襯底上依次外延生長(zhǎng)兩種不同波段的紅外探測(cè)材料。這種結(jié)構(gòu)下，兩種紅外探測(cè)材料必須與襯底晶格匹配，這就極大地限制了可選材料的組合范圍，進(jìn)而制約了器件性能的優(yōu)化空間。

3、傳統(tǒng)工藝在制作過程中，需要在雙色紅外探測(cè)器晶圓和雙色讀出電路晶圓表面分別制備銦柱陣列，且每個(gè)像元都需要配置兩個(gè)獨(dú)立的銦柱以實(shí)現(xiàn)電連接。由于金屬銦價(jià)格昂貴，加之采用負(fù)膠剝離工藝制備銦柱陣列時(shí)材料利用率較低，這導(dǎo)致了大量貴金屬的浪費(fèi)，顯著增加了生產(chǎn)成本。

4、隨著像元間距的不斷縮小，光刻工藝的深寬比限制與銦柱高度的維持要求之間形成了工藝沖突，這使得陣列密度的進(jìn)一步提升遇到了瓶頸。此外，通過銦柱實(shí)現(xiàn)互聯(lián)后，還需要在底部填充環(huán)氧樹脂膠，這一步驟對(duì)工藝精度要求較高，進(jìn)一步增加了工藝的復(fù)雜性和難度。

5、更令人棘手的是，由于倒裝互聯(lián)、底部填充等工藝只能逐個(gè)芯片實(shí)施，因此必須將晶圓劃片為單個(gè)探測(cè)器芯片與讀出電路芯片分別處理。這不僅延長(zhǎng)了單批次的處理時(shí)間，還難以滿足規(guī)?；a(chǎn)的需求。鑒于上述種種問題，亟需開發(fā)一種全新的晶圓級(jí)雙色紅外焦平面芯片技術(shù)路線，以實(shí)現(xiàn)批量化制造。以解決傳統(tǒng)雙色紅外探測(cè)器材料受限、工藝復(fù)雜、成本高昂等核心問題，從而突破器件產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、（一）要解決的技術(shù)問題

2、鑒于上述問題，本發(fā)明提供了一種晶圓級(jí)雙色紅外焦平面芯片及其制備方法，通過三維堆疊架構(gòu)和晶圓鍵合技術(shù)，解決傳統(tǒng)雙色紅外探測(cè)器材料受限、工藝復(fù)雜、成本高昂等核心問題。

3、（二）技術(shù)方案

4、針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)施例提出一種晶圓級(jí)雙色紅外焦平面芯片及其制備方法。

5、根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一種晶圓級(jí)雙色紅外焦平面芯片，包括：鍵合層，包括相對(duì)設(shè)置的第一表面和第二表面；第一探測(cè)器外延層，位于鍵合層的第一表面上，其中，第一探測(cè)器外延層上設(shè)置有第一公共電極臺(tái)面和多個(gè)呈陣列分布的第一像元臺(tái)面，每個(gè)第一像元臺(tái)面之間以及第一像元臺(tái)面與第一公共電極臺(tái)面之間通過第一溝槽隔離；第二探測(cè)器外延層，位于鍵合層的第二表面上，其中，第二探測(cè)器外延層上設(shè)置有第二公共電極區(qū)和多個(gè)呈陣列分布的第二像元臺(tái)面，第二像元臺(tái)面與第一像元臺(tái)面在鍵合層上的投影相重疊，第二公共電極區(qū)與第一公共電極臺(tái)面在鍵合層上的投影相重疊，每個(gè)第二像元臺(tái)面之間通過第二溝槽隔離；頂電極通孔，貫穿第一探測(cè)器外延層、鍵合層以及第二探測(cè)器外延層，以及頂電極通孔位于第一像元臺(tái)面以及第二像元臺(tái)面的區(qū)域；公共電極通孔，貫穿第一探測(cè)器外延層、鍵合層以及第二探測(cè)器外延層，以及公共電極通孔位于第一公共電極臺(tái)面以及第二公共電極區(qū)的區(qū)域；雙色讀出電路晶圓，包括雙色讀出電路基板，以及位于雙色讀出電路基板同一側(cè)的第一頂電極觸點(diǎn)，第二頂電極觸點(diǎn)，第一公共電極觸點(diǎn)和第二公共電極觸點(diǎn)；第一頂電極，位于第一像元臺(tái)面上，與第一像元臺(tái)面的頂部表面以及第一頂電極觸點(diǎn)電學(xué)連接，其中，第一像元臺(tái)面的頂部表面為遠(yuǎn)離第一表面的面；第二頂電極，貫穿頂電極通孔，且與第二像元臺(tái)面的頂部表面以及第二頂電極觸點(diǎn)電學(xué)連接，其中，第二像元臺(tái)面的頂部表面為遠(yuǎn)離第二表面的面；第一公共電極，位于第一公共電極臺(tái)面上，與第一公共電極臺(tái)面的頂部表面以及第一公共電極觸點(diǎn)電學(xué)連接，其中，第一公共電極臺(tái)面的頂部表面為遠(yuǎn)離第一表面的面；第二公共電極，貫穿公共電極通孔，且與第二公共電極區(qū)的頂部表面以及第二公共電極觸點(diǎn)電學(xué)連接，其中，第二公共電極區(qū)的頂部表面為遠(yuǎn)離第二表面的面。

6、在一些示例性的實(shí)施例中，第一探測(cè)器外延層包括沿垂直于第一平面且背離第一平面的方向依次設(shè)置的第一接觸層、第一勢(shì)壘層、第一吸收層和第二接觸層，第一溝槽貫穿第二接觸層、第一吸收層、第一勢(shì)壘層以及部分第一接觸層；第一像元臺(tái)面包括第二接觸層、第一吸收層、第一勢(shì)壘層以及部分第一接觸層；第一公共電極臺(tái)面包括第二接觸層、第一吸收層、第一勢(shì)壘層以及部分第一接觸層。

7、在一些示例性的實(shí)施例中，還包括第一鈍化層，第一鈍化層覆蓋第一溝槽的底部表面、第一溝槽的側(cè)面以及第二接觸層遠(yuǎn)離鍵合層一側(cè)的部分表面。

8、在一些示例性的實(shí)施例中，第二探測(cè)器外延層包括沿垂直于第二平面且背離第二平面的方向依次設(shè)置的第四接觸層、第二吸收層、第二勢(shì)壘層和第三接觸層，第二溝槽貫穿第三接觸層、第二勢(shì)壘層、第二吸收層以及部分第四接觸層；第二像元臺(tái)包括第三接觸層、第二勢(shì)壘層、第二吸收層以及部分第四接觸層；第二公共電極區(qū)包括部分第四接觸層。

9、在一些示例性的實(shí)施例中，還包括第二鈍化層，第二鈍化層覆蓋第二溝槽的底部表面、第二溝槽的側(cè)面、第三接觸層的部分表面以及第四接觸層的部分表面。

10、在一些示例性的實(shí)施例中，第一鈍化層的材料包括sio2、sixny、sion、al2o3、zns、硫化層、光刻膠以及環(huán)氧樹脂中的一種或多種的組合。

11、在一些示例性的實(shí)施例中，第二鈍化層的材料包括sio2、sixny、sion、al2o3、zns、硫化層、光刻膠以及環(huán)氧樹脂中的一種或多種的組合。

12、在一些示例性的實(shí)施例中，第一探測(cè)器外延層的材料包括iv族、iii-v族或ii-vi族半導(dǎo)體材料；第二探測(cè)器外延層的材料包括iv族、iii-v族或ii-vi族半導(dǎo)體材料。

13、在一些示例性的實(shí)施例中，第一探測(cè)器外延層的材料以及第二探測(cè)器外延層的材料與目標(biāo)探測(cè)波段相關(guān)。

14、根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供了一種晶圓級(jí)雙色紅外焦平面芯片的制備方法，包括：提供第一探測(cè)器晶圓、第二探測(cè)器晶圓和雙色讀出電路晶圓，其中，雙色讀出電路晶圓包括讀出電路基板，以及位于電路基板同一側(cè)的第一頂電極觸點(diǎn)，第二頂電極觸點(diǎn)，第一公共電極觸點(diǎn)和第二公共電極觸點(diǎn)；在第一探測(cè)器晶圓上形成呈陣列分布的第一像元臺(tái)面和第一公共電極臺(tái)面，其中，每個(gè)第一像元臺(tái)面之間以及第一像元臺(tái)面與第一公共電極臺(tái)面之間通過第一溝槽隔離；在第一像元臺(tái)面和第一公共電極臺(tái)面的表面形成第一鈍化層；開設(shè)電極窗口，在第一公共電極臺(tái)面的頂部表面形成第一頂電極，在第一公共電極臺(tái)面的頂部表面形成第一公共電極；鍵合第一探測(cè)器晶圓和雙色讀出電路晶圓，使第一頂電極和第一頂電極觸點(diǎn)電學(xué)連接，第一公共電極和第一公共電極觸點(diǎn)電學(xué)連接；鍵合第一探測(cè)器晶圓和第二探測(cè)器晶圓，鍵合界面處形成介質(zhì)鍵合層；在第二探測(cè)器晶圓上形成呈陣列分布的第二像元臺(tái)面和第二公共電極區(qū)，其中，第二像元臺(tái)面與第一像元臺(tái)面在鍵合層上的投影相重疊，第二公共電極區(qū)與第一公共電極臺(tái)面在鍵合層上的投影相重疊，每個(gè)第二像元臺(tái)面之間通過第二溝槽隔離；在第二像元臺(tái)面和第二公共電極區(qū)中心分別形成頂電極通孔和公共電極通孔；在第二像元臺(tái)面和第二公共電極區(qū)的表面以及頂電極通孔和公共電極通孔的表面形成第二鈍化層；開設(shè)電極窗口，并形成第二頂電極和第二公共電極，第二頂電極和第二頂電極觸點(diǎn)電連接，第二公共電極和第二公共電極觸點(diǎn)電連接。

15、在一些示例性的實(shí)施例中，第一探測(cè)器晶圓包括依次設(shè)置的第一探測(cè)器襯底、第一腐蝕停止層以及第一探測(cè)器外延層，其中，第一探測(cè)器外延層包括依次設(shè)置的第一接觸層、第一勢(shì)壘層、第一吸收層以及第二接觸層，其中，第一接觸層位于第一腐蝕停止層上；第二探測(cè)器晶圓包括依次設(shè)置的第二探測(cè)器襯底、第二腐蝕停止層以及第二探測(cè)器外延層，其中，第二探測(cè)器外延層包括依次設(shè)置的第三接觸層、第二勢(shì)壘層、第二吸收層以及第四接觸層，其中，第三接觸層位于第一腐蝕停止層上。

16、在一些示例性的實(shí)施例中，在第一探測(cè)器晶圓上形成呈陣列分布的第一像元臺(tái)面和第一公共電極臺(tái)面包括在第二接觸層上沉積第一掩膜層；通過光刻和刻蝕工藝，在第一掩膜層上形成臺(tái)面圖案，其中，臺(tái)面圖案輪廓與第一像元臺(tái)面和第一公共電極臺(tái)面的輪廓相同；刻蝕第一探測(cè)器外延層至第一接觸層的一半深度，形成呈陣列分布的第一像元臺(tái)面和第一公共電極臺(tái)面；去除第一掩膜層。

17、在一些示例性的實(shí)施例中，鍵合第一探測(cè)器晶圓和雙色讀出電路晶圓包括：對(duì)第一探測(cè)器晶圓和雙色讀出電路晶圓進(jìn)行表面處理，以使處理表面產(chǎn)生懸掛鍵；對(duì)準(zhǔn)第一探測(cè)器晶圓和雙色讀出電路晶圓，使第一頂電極與第一頂電極觸點(diǎn)對(duì)齊，第一公共電極與第一公共電極觸點(diǎn)對(duì)齊；鍵合第一探測(cè)器晶圓和雙色讀出電路晶圓，通過真空鍵合設(shè)備升溫加壓，使第一頂電極與第一頂電極觸點(diǎn)熔合，第一公共電極與第一公共電極觸點(diǎn)熔合；以及去除第一探測(cè)器晶圓的第一探測(cè)器襯底和第一腐蝕停止層。

18、在一些示例性的實(shí)施例中，鍵合第一探測(cè)器晶圓和第二探測(cè)器晶圓包括：在第一探測(cè)器晶圓遠(yuǎn)離雙色讀出電路的一側(cè)形成第一鍵合介質(zhì)層；在第二探測(cè)器晶圓遠(yuǎn)離第二探測(cè)器襯底的一側(cè)表面形成第二鍵合介質(zhì)層；對(duì)第一探測(cè)器晶圓和第二探測(cè)器晶圓進(jìn)行表面處理，以使第一鍵合介質(zhì)層和第二鍵合介質(zhì)層表面的化學(xué)鍵斷裂，產(chǎn)生懸掛鍵；對(duì)齊第一探測(cè)器晶圓和第二探測(cè)器晶圓，加壓使第一鍵合介質(zhì)層和第二鍵合介質(zhì)層通過范德華力貼合；鍵合第一探測(cè)器晶圓和第二探測(cè)器晶圓，通過真空鍵合設(shè)備升溫加壓，使第一鍵合介質(zhì)層和第二鍵合介質(zhì)層之間形成共價(jià)鍵，得到鍵合層；去除第二探測(cè)器晶圓的第二探測(cè)器襯底和第二腐蝕停止層。

19、在一些示例性的實(shí)施例中，在第二探測(cè)器晶圓上形成呈陣列分布的第二像元臺(tái)面和第二公共電極區(qū)包括：在第二探測(cè)器外延層上遠(yuǎn)離第一探測(cè)器晶圓的一側(cè)形成第二掩膜層；在第二掩膜層表面形成臺(tái)面圖案，其中，臺(tái)面圖案輪廓與第二像元臺(tái)面和第二公共電極區(qū)的輪廓相同；刻蝕第二探測(cè)器外延層，形成呈陣列分布的第二像元臺(tái)面和第二公共電極區(qū)；以及去除第二掩膜層。

20、在一些示例性的實(shí)施例中，在第二像元臺(tái)面和第二公共電極區(qū)中心分別形成頂電極通孔和公共電極通孔包括：在第二探測(cè)器外延層遠(yuǎn)離第一探測(cè)器晶圓的一側(cè)形成第三掩膜層；在第三掩膜層表面形成通孔圖案，其中，通孔圖案輪廓與頂電極通孔和公共電極通孔的輪廓相同；刻蝕第二探測(cè)器外延層，鍵合層和第一探測(cè)器外延層，以暴露出雙色讀出電路晶圓的第二頂電極觸點(diǎn)和第二公共電極觸點(diǎn)；以及去除第三掩膜層。

21、（三）有益效果

22、從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種晶圓級(jí)雙色紅外焦平面芯片及其制備方法，至少具有如下有益效果：

23、（1）先基于探測(cè)器晶圓和讀出電路晶圓的低溫晶圓鍵合，實(shí)現(xiàn)異質(zhì)集成，之后再形成像元臺(tái)面陣列，最后劃片封裝，能夠?qū)崿F(xiàn)紅外焦平面陣列芯片的晶圓級(jí)批量生產(chǎn)，從而降低工藝的復(fù)雜性和成本，提高生產(chǎn)效率。

24、（2）結(jié)構(gòu)方面，突破了傳統(tǒng)單襯底外延的材料限制，使兩種波段的探測(cè)器晶圓可獨(dú)立制備，提升了材料體系兼容性；通過絕緣鍵合介質(zhì)層實(shí)現(xiàn)雙波段探測(cè)器晶圓的物理隔離，有效避免兩種波段信號(hào)之間的電串?dāng)_；通過通孔互連結(jié)構(gòu)，可以有效縮小像元間距，提升陣列密度。

25、（3）工藝方面，采用晶圓鍵合技術(shù)替代傳統(tǒng)銦柱互連，無(wú)需使用金屬銦互聯(lián)，降低了材料成本；省去環(huán)氧樹脂膠填充等復(fù)雜工序，簡(jiǎn)化了工藝步驟，降低了精度要求；實(shí)現(xiàn)全晶圓級(jí)加工，單批次可同時(shí)處理大量芯片，提高了生產(chǎn)效率。