[发明专利]一种高光谱图像传感器的单片集成方法

说明书

本发明公开了一种高光谱图像传感器的单片集成方法，包括：在CMOS图像传感器晶圆的感光区域表面上形成底反射层；采用区域选择性原子层沉积工艺在底反射层上形成透明空腔层；透明空腔层由N个台阶结构组成，N＝2^m，m≥1，且m为正整数，在透明空腔层上形成顶反射层。本发明提供的高光谱图像传感器的单片集成方法优化了现有技术采用刻蚀工艺导致的不均匀性累积的问题，同时在空腔层材料的选择上拓展到无法以刻蚀方法制造空腔层的材料。类似的一维的区域选择性原子层沉积方式可以延伸，如增加另一个维度并且做几个重复区域的话，即可以形成马赛克型多重不同高度和重复该结构的空腔层，可以应用到快照式高光谱图像传感器并大大提高其性能，如像素等。

技术领域

本发明涉及高光谱成像技术领域，尤其涉及一种高光谱图像传感器的单片集成方法。

背景技术

高光谱成像技术能够将一个复合光谱分为多个波长的光谱带，其可以实现分谱段精确分析，因此，高光谱成像技术广泛应用在遥感检测、食品安全监控、生物医学技术领域。因为之前的高光谱成像系统是基于实验室研发型，所以体积大、分析速度慢、成本高等问题。需要解决如上问题，以欧洲微电子中心(IMEC)为代表的研究所提出一个以滤波器单片集成在CMOS图像传感器的方法。

目前，用于制备高光谱图像传感器的一种制备方法是将CMOS图像传感器的感光区域和多波段滤波器单片集成在一起，该制备方法制成的高光谱图像传感器具有体积小、分析速度快和成本低等特点。其中，位于CMOS图像传感器顶部的滤波器通常为法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Pérot interometers)，其结构示意图如图1所示，其包括两个相对的具有高反射率的反射层：底反射层11和顶反射层12，在两反射层11和12之间设置有一个透明空腔层13(Transparent Cavity Layer)，该透明空腔层13由多个台阶结构组成，一个台阶结构对应一个光谱带。

透明空腔层的作用是光能够在两高反射率反射层之间实现分谱段反射的空间。

现有技术中，用于制备具有台阶结构的透明空腔层的方法是采用光刻-刻蚀工艺实现。例如，一个由8个台阶结构组成的透明空腔层至少需要3次光刻-刻蚀工艺才能制成。图2示出了采用光刻刻蚀工艺制备8层台阶结构的透明空腔层的结构剖面示意图。

由于空腔层的台阶高度决定了其对应滤波器的中心光谱波长，所以，在多台阶(如>100台阶结构)法布里-珀罗干涉仪中，其对空腔层的各台阶高度要求非常精确。然而据报道，基于刻蚀工艺形成的图形尺寸在每次刻蚀过程中在同一晶圆内均存在至少2.7％左右的不均匀性。这就意味着刻蚀步骤越多，形成的图形的尺寸不均匀性越大。而对于由多个台阶结构组成的透明空腔层来说，就需要多步刻蚀工艺，如此，由于逐步刻蚀积累的尺寸不均匀性，最终通过刻蚀工艺形成的空腔层上的台阶结构的高度均匀性较差，严重的话最终器件脱离设计谱段而失效。

另外，无论等离子刻蚀还是湿法腐蚀很难被应用到特定材料的刻蚀，如氧化铪(HfO₂)。因为镧系过度金属(包括Hf)的卤族化合物沸点都很高(>300℃)，所以它们很难被等离子刻蚀等方式刻蚀干净。以含丰富氟化氢(HF)分子为主的液体化学液是可以湿法刻蚀HfO₂，但是一般含HF的化学液都会破坏光刻胶和HfO₂的界面层，导致光刻胶脱落。这不得不增加硬掩膜，导致整体工序、成本和不确定因素也相应的增加。如此，若采用光刻-刻蚀工艺制作透明空腔层，则在选择用于制作透明空腔层材料上就受到了刻蚀工艺的限制。

发明内容

为了解决由于刻蚀工艺带来的台阶结构高度均匀性较差、器件失效的问题，同时扩大用于制作透明空腔层材料的选择范围，本发明提供了一种高光谱图像传感器的单片集成方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种高光谱图像传感器的单片集成方法，包括：