CN103413863A - 一种延伸波长的平面型铟镓砷红外探测器芯片制备方法 - Google Patents

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邓洪海
朱龙源
邵秀梅
李雪
李淘
唐恒敬
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王云姬
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Abstract

本发明公开了一种延伸波长的平面型铟镓砷红外探测器芯片制备方法。对于传统的PIN型铟镓砷红外探测器，由于磷化铟帽层或者衬底的吸收，限制了铟镓砷探测器在可见光波段的量子效率。本发明使用加入阻挡层的铟镓砷外延材料制备器件，在探测器阵列器件制备后与读出电路耦合，采用湿法和干法相结合的技术减薄衬底，提高器件在可见光波段的量子效率。另外，采用这种新工艺制备的平面型铟镓砷红外探测器芯片，在实现波长延伸的同时，在常规波段也能保持和传统的铟镓砷探测器相当的量子效率和暗电流。

Description

一种延伸波长的平面型铟镓砷红外探测器芯片制备方法
技术领域
本发明涉及的红外探测器芯片制备方法，具体是指一种背照射平面型铟镓砷（InGaAs）红外探测器芯片制备工艺。
背景技术
铟镓砷探测器在室温下有较高的量子效率，使其在军事和商业领域得到广泛的应用。衬底和帽层的吸收抑制了铟镓砷探测器在可见光波段的量子效率。常规铟镓砷探测器的响应光谱范围在短波红外波段范围。对于某些需要同时探测可见光和短波红外的应用，如微光夜视，需要采用两个分离的探测器分别进行探测，成像系统复杂，系统尺寸和重量较大。本专利提出一种延伸波长的平面型铟镓砷红外探测器芯片制备方法，可以同时探测可见光和短波红外辐射，同时保持和传统铟镓砷探测器相当的量子效率和暗电流。采用这种方法制备的铟镓砷红外探测器芯片，可以被应用于微光夜视等领域。
发明内容
本发明创新性地提出了采用具有阻挡层结构的铟镓砷外延材料，通过一种干法和湿法相结合的新工艺，在利用常规工艺制备器件后实现磷化铟衬底的剥离，提高了探测器在可见光波段的量子效率，实现探测波段向短波方向延伸，同时在常规波段也能保持和传统的铟镓砷探测器一致的性能。
本发明所使用的铟镓砷外延材料结构如附图1所示，它包括半绝缘磷化铟衬底1、N型铟镓砷腐蚀阻挡层2、N型磷化铟接触层3、铟镓砷本征吸收层4、N型磷化铟帽层5。本发明的延伸波长的平面型铟镓砷红外探测器芯片结构如附图2所示，它包括N型磷化铟接触层3、铟镓砷本征吸收层4、N型磷化铟帽层5、氮化硅扩散掩膜层6、光敏元扩散区7、氮化硅钝化层8、P电极9、加厚电极10、铟柱11、读出电路12、环氧树脂13。本发明的延伸波长的平面型铟镓砷红外探测器芯片制备工艺是在现有工艺基础之上，在划片后加入衬底减薄的工艺。将芯片与读出电路倒焊，充胶，利用干法和湿法相结合的方法去除磷化铟衬底，然后通过选择性湿法腐蚀去除铟镓砷腐蚀阻挡层。如附图3所示，具体的芯片制备工艺步骤流程如下：
1）在传统的平面型铟镓砷外延材料中生长一层铟镓砷腐蚀阻挡层；
2）按常规工艺制备背照射平面型光敏芯片；
3）芯片清洗，依次使用三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇、去离子水清洗外延片，氮气吹干；
4）与读出电路倒焊，将读出电路12和芯片通过铟柱倒焊在一起；
5）充胶，在读出电路和芯片之间充入环氧树脂13，在50℃下固化48小时以上；
6）去除衬底，采用干法和湿法相结合的方法去除磷化铟衬底1，正面涂光刻胶保护后于65℃热板上烘烤120min，采用化学机械抛光去除大部分磷化铟衬底，抛光转速为12转/分钟，然后采用湿法腐蚀去除剩余的磷化铟衬底，腐蚀液采用36.5%盐酸溶液和磷酸溶液的混合液，其体积配比为3：1，腐蚀温度为25℃；
7）去除腐蚀阻挡层，湿法腐蚀铟镓砷腐蚀阻挡层2，腐蚀液采用50%酒石酸溶液和双氧水的混合液，其体积配比为5：1，腐蚀温度为35℃；
8）光刻胶剥离，三氯乙烯浸泡，丙酮浮胶，乙醇清洗，氮气吹干；
9）芯片测试。
本发明的优点在于：
A.采用一种低损伤的减薄工艺，利用干法和湿法相结合的方法去除磷化铟衬底，然后通过选择性湿法腐蚀去除铟镓砷腐蚀阻挡层，衬底减薄后器件表面晶格损伤较小，并且可以有效控制衬底减薄后InP层厚度，从而提高器件在可见波段的量子效率。
B．通过优化充胶工艺和化学机械抛光工艺，可以实现不同规格的延伸波长的平面型铟镓砷红外面阵探测器芯片制备。
C.在实现波长延伸的同时，在常规波段也能保持和传统的铟镓砷探测器相当的量子效率和暗电流。
附图说明
图1为本发明的铟镓砷外延材料的结构图。
图2为本发明的平面型铟镓砷探测器的剖面结构示意图。
图3为本发明的工艺步骤流程图。
图4为本发明的实施例工艺步骤流程图。
图中：
1——半绝缘InP衬底；
2——铟镓砷腐蚀阻挡层；
3——N型InP接触层；
4——铟镓砷本征吸收层；
5——N型InP帽层；
6——氮化硅扩散掩膜层；
7——光敏元扩散区；
8——氮化硅钝化层；
9——P电极；
10——加厚电极；
11——铟柱；
12——读出电路；
13——环氧树脂。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方法作进一步地详细说明。
如附图1所示，本实施例所用的外延片为采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在厚度为300μm，载流子浓度>3×1018cm-3的半绝缘InP衬底1上依次生长厚度为0.5μm的铟镓砷腐蚀阻挡层2，载流子浓度>2×1018cm-3；0.2μm的N型InP层3，载流子浓度>2×1018cm-3；厚度为2.5μm的铟镓砷本征吸收层4，载流子浓度5×1016cm-3；厚度为1μm的N型InP帽层5,载流子浓度5×1016cm-3。本实施例的平面型铟镓砷红外探测器芯片制备工艺是在现有工艺基础之上，在划片后加入衬底减薄的工艺。将芯片与读出电路倒焊，充胶，利用干法和湿法相结合的方法去除磷化铟衬底，然后通过湿法腐蚀去除铟镓砷腐蚀阻挡层。
如附图4所示，本实施例芯片的具体制备工艺步骤如下：
1）外延材料清洗，依次使用三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇、去离子水清洗外延片，氮气吹干；
2）淀积氮化硅扩散掩膜，用作氮化硅扩散掩膜层6，采用等离子体增强化学气相沉积工艺淀积厚度为230nm的氮化硅；
3）第一次光刻，采用正胶光刻，显影后于65℃烘箱中烘烤20min；
4）开光敏元扩散窗口，采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀氮化硅。然后用氢氟酸缓冲液在室温下腐蚀5s，腐蚀液体积比配比为HF：NH4F：H2O=3：6：10；
5）光刻胶剥离，三氯乙烯浸泡，丙酮浮胶，乙醇清洗，氮气吹干；
6）闭管扩散，形成光敏元扩散区7，采用粉末状Zn3P2作为扩散源，真空度为2.5×10-4Pa；
7）开管取片，打开石英管将外延片取出，并依次用三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇、去离子水清洗外延片，氮气吹干；
8）第二次光刻，采用正胶光刻，显影后于65℃烘箱中烘烤30min；
9）开N槽，用氢氟酸缓冲液在室温下腐蚀氮化硅掩膜，腐蚀液配比与步骤4）相同，采用氩离子刻蚀技术刻蚀N槽，然后湿法腐蚀铟镓砷，腐蚀液体积比为50%酒石酸溶液:H2O2=5：1，腐蚀温度保持在35℃；
10）光刻胶剥离，丙酮浮胶，乙醇清洗，氮气吹干；
11）淀积氮化硅钝化膜，用作氮化硅钝化层8，采用等离子体增强化学气相沉积工艺，条件与步骤2）相同，钝化层厚度为300nm；
12）第三次光刻，采用正胶光刻，显影后于65℃烘箱烘烤15min；
13）开P电极孔，采用工艺条件与步骤4）相同；
14）光刻胶剥离，工艺条件与步骤10）相同；
15）第四次光刻，采用正胶光刻，显影后于65℃烘箱烘烤15min；
16）生长P电极，用作P电极9，采用离子束溅射工艺淀积厚度为50nm的Au；
17）光刻胶剥离，热丙酮浸泡，丙酮浮胶，乙醇清洗，氮气吹干；
18）快速热退火，退火条件为：氮气保护气氛，退火温度为450℃，温度保持时间为20s；
19）第五次光刻，采用正胶光刻，显影后于65℃烘箱中烘烤30min；
20）开N电极孔，采用氢氟酸缓冲液腐蚀氮化硅钝化膜打开N电极孔，腐蚀条件与步骤4）相同；
21）光刻胶剥离，工艺条件与步骤10）相同；
22）第六次光刻，采用正胶光刻，显影后于65℃烘箱中烘烤30min；
23）生长加厚电极，用作加厚电极10，采用离子束溅射工艺依次淀积厚度分别为20nm、400nm的Cr、Au，淀积条件与步骤16）相同；
24）光刻胶剥离，工艺条件与步骤17）相同；
25）第七次光刻，采用正胶光刻，显影后于65℃烘箱中烘烤30min；
26）铟柱生长，采用蒸发镀膜技术生长铟柱11；
27）划片；
28）芯片清洗，依次使用三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇、去离子水清洗外延片，氮气吹干；
29）与读出电路倒焊，将读出电路12和芯片通过铟柱倒焊在一起；
30）充胶，在读出电路和芯片之间充入环氧树脂13，在50℃下固化48小时以上；
31）去除衬底，采用干法和湿法相结合的方法去除磷化铟衬底1，正面涂光刻胶保护后于65℃热板上烘烤120min，采用化学机械抛光去除大部分磷化铟衬底，抛光转速为12转/分钟，然后采用湿法腐蚀去除剩余的磷化铟衬底，腐蚀液采用36.5%盐酸溶液和磷酸溶液的混合液，其体积配比为3：1，腐蚀温度为25℃；
32）去除腐蚀阻挡层，湿法腐蚀铟镓砷腐蚀阻挡层2，腐蚀液采用50%酒石酸溶液和双氧水的混合液，其体积配比为5：1，腐蚀温度为35℃；
33）光刻胶剥离，工艺条件与步骤10）相同；34）芯片测试。

Claims (1)

1.一种延伸波长的平面型铟镓砷红外探测器芯片制备方法，其步骤包括：1)在传统的平面型铟镓砷外延材料中生长一层铟镓砷腐蚀阻挡层，2）制备背照射光敏芯片，3）将光敏芯片与读出电路倒焊，4）充胶，5）去除磷化铟衬底，6）去除铟镓砷腐蚀阻挡层，7）光刻胶剥离，8）芯片测试，其特征在于：
A.所述的步骤1）中，在传统的平面型铟镓砷外延材料上采用金属有机化学气相沉积工艺生长一层厚度为0.2μm的铟镓砷腐蚀阻挡层；
B．所述的步骤5）中，去除磷化铟衬底采用化学机械抛光和湿法腐蚀相结合的方法，机械抛光转速为12转/分钟，湿法腐蚀液采用36.5%盐酸溶液和磷酸溶液的混合液，其体积配比为3：1，腐蚀温度为25℃；
C．所述的步骤6）中，采用湿法腐蚀去除铟镓砷腐蚀阻挡层，腐蚀液为50%酒石酸溶液和双氧水的混合液，其体积配比为5：1，腐蚀温度为35℃。
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