CN109742096B - 大阵列规模红外探测器地线结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大阵列规模红外探测器地线结构，包括：读出电路、多个互连铟柱、P型区、多个N型区、N型层、地线引出电极、N型层电极、引线以及电路内接线；多个互连铟柱设置于读出电路上，P型区设置于多个互连铟柱上，N型区嵌装于P型区内，多个N型区分别与多个互连铟柱相接触，N型层设置于P型区上，地线引出电极设置于读出电路上表面，N型层电极设置于N型层的上表面边缘无像元区域，引线与地线引出电极和N型层电极连接，电路内接线嵌装于读出电路内，电路内接线与地线引出电极连接；能有效消除大阵列规模芯片上中心像元与边界像元由于串联电阻差异导致的分压差异，从而提升器件整体的响应均匀性。

Description

大阵列规模红外探测器地线结构

技术领域

本发明涉及微电子工艺技术领域，尤其涉及一种大阵列规模红外探测器地线结构。

背景技术

近年来，随着半导体技术的发展，以及军事、航天、航空、医学、农业、安防等对于高性能高分辨率制冷型红外探测器的需求逐渐提升，基于倒装互连封装工艺的大面阵规模红外器件研发发展迅速。大面阵芯片的面积增大，外围像元与中心像元之间的响应不一致性增大。

例如中波或短波红外4K×4K分辨率器件，像元尺寸15μm，芯片面积可达65㎜×65mm，长波红外1K×1K分辨率器件，像元尺寸30微米，芯片面积也达35mm×35mm。

碲锌汞HgCdTe材料以其带宽可调，量子效率高成为高性能制冷型红外探测器尤其是长波、甚长波制冷型红外探测器的主要材料。HgCdTe主要通过液相外延LPE、分子数外延MBE、气相外延MOVPE的方式在碲锌锌ZnCdTe或硅Si衬底上外延生长。

通过半导体工艺制备探测器阵列，最后通过倒装互连技术，将探测器芯片与Si读出电路相互连接，再在其中灌注环氧胶水使其固定，并将碲镉汞材料减薄到合适厚度，制备出互连混成芯片，结构如图1所示；

现有碲镉汞红外探测器的技术路线中以N-ON-P工艺最为成熟。即N型区为像元引出，P型区作为公共地，如图2所示，由于碲镉汞材料本身的原因，P型区浓度低(10¹⁵-10¹⁶cm^-3)迁移率低(10²cm²/Vs)，电阻率大，N型区浓度高(10¹⁷-10¹⁸cm^-3)，迁移率高(10⁴cm²/Vs)，电阻率小。

典型的碲镉汞N-ON-P器件结构如图2所示，电学示意图如图3所示，N型区每个电极通过In柱与电路上的像素读出单元相连接，为了不影响内部成像区域其中P型区引出多位于芯片边界处。正常工作时PN结处于反偏状态，可以看到此种结构下中心部分像元的P型区串联电阻较大，边界部分像元的P型区串联电阻较小。

大阵列规模器件上由于面积大，尤其对于长波和甚长波器件的PN结，即使在反偏状态下，本身的阻抗也较小，在100kΩ-1MΩ之间，因此P型区串联电阻的影响较大，电路偏压给每个像元提供相同的偏压时，内部像元PN结上的分压较小，而外部像元PN结上的分压较大，PN结的分压直接影响了光电转化效率，进而导致中心区域和边缘区域的响应不一致性增大，成为阻碍大阵列规模红外探测器芯片发展的重要因素。鉴于此，针对上述问题分析研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明实施例提供一种大阵列规模红外探测器地线结构，用以解决现有技术中大阵列规模红外探测器中心区域和边缘区域的响应不一致的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种大阵列规模红外探测器地线结构，包括：读出电路、多个互连铟柱、P型区、多个N型区、N型层、地线引出电极、N型层电极、引线以及电路内接线；

所述多个互连铟柱设置于所述读出电路上表面，所述P型区设置于所述多个互连铟柱的上端面，所述多个N型区嵌装于所述P型区内，所述多个N型区分别与所述多个互连铟柱相接触，所述N型层设置于所述P型区上表面，所述地线引出电极设置于所述读出电路上表面没有所述互连铟柱的边缘区域，所述N型层电极设置于所述N型层的上表面边缘无像元区域，所述引线与所述地线引出电极和所述N型层电极连接，所述电路内接线嵌装于读出电路内，所述电路内接线与所述地线引出电极连接。

优选地，所述N型层电极具体包括：使用钛Ti或铬Cr为材料的粘附层、和使用金Au或铂Pt+金Au为材料的接触层。

优选地，所述粘附层厚度在10nm-200nm之间，接触层厚度在200nm-1.2um之间。

第二方面，本发明实施例提供一种大阵列规模红外探测器地线结构制备方法，用于权利要求1至3中任一项所述的大阵列规模红外探测器地线结构，所述方法包括如下步骤：

在原始红外探测器地线结构的未加工的P型区上表面进行离子注入或刻蚀，使表面形成一层N型层；其中，所述原始红外探测器地线结构包括读出电路、多个互连铟柱、P型区、多个N型区、地线引出电极以及电路内接线，所述多个互连铟柱设置于所述读出电路上表面，所述P型区设置于所述多个互连铟柱的上端面，所述多个N型区嵌装于所述P型区内，所述多个N型区分别与所述多个互连铟柱相接触，所述地线引出电极设置于所述读出电路上表面没有所述互连铟柱的边缘区域，所述电路内接线嵌装于读出电路内，所述电路内接线与所述地线引出电极连接；

使用钛Ti或铬Cr为材料作为粘附层，使用金Au或铂Pt+金Au为材料作为接触层，制备N型层电极，并将所述N型层电极安装在所述读出电路上表面边缘无像元区域；

通过引线将N型层电极与所述读出电路上的地线引出电极相连接，获得最终的大阵列规模红外探测器地线结构。

优选地，所述在未加工的大阵列规模红外探测器地线结构的P型区上表面进行离子注入或刻蚀，使表面形成一层N型层具体包括：

在所述未加工的大阵列规模红外探测器地线结构的P型区上表面进行硼B离子注入；或者，采用反应离子刻蚀RIE或电感耦合等离子体刻蚀ICP进行等离子体反应刻蚀。

优选地，所述硼B离子注入条件具体为：注入能量100KeV-400KeV，N型区深度1-2μm，N型浓度10¹⁷-10¹⁸cm^-3。

优选地，所述等离子体反应刻蚀条件具体为：压力2-100mbar，等离子体功率80-400W，等离子体偏压50-400V，氩Ar流量2sccm-30sccm；N型区深度1-2μm，N型浓度10¹⁷-10¹⁸cm^-3。

优选地，所述粘附层厚度在10nm-200nm之间，接触层厚度在200nm-1.2um之间。

采用本发明实施例，解决了现有的大阵列规模红外探测器中心区域和边缘区域的响应不一致的问题，通过背面注入工艺、反应离子刻蚀RIE或电感耦合离子体刻蚀ICP这些方式将P型区的表面反型成为迁移率高且浓度高的N型层，起到导线作用；之后通过N型层电极将N型层与读出电路上的地线引出电极连接。其结构等效于在原有P型区串联电阻两端并连了一个处于正偏的低阻PN结，能有效消除大阵列规模芯片上中心像元与边界像元由于串联电阻差异导致的分压差异，从而提升器件整体的响应均匀性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是现有技术中的互连混成芯片结构示意图；

图2是现有技术中的碲镉汞N-ON-P芯片结构示意图；

图3是现有技术中的碲镉汞N-ON-P芯片电学示意图；

图4是本发明实施例提供的大阵列规模红外探测器地线结构示意图；

图5是本发明实施例提供的大阵列规模红外探测器地线结构电路示意图；

图6是本发明实施例提供的大阵列规模红外探测器地线结构制备方法步骤图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

装置实施例

本发明实施例提供一种大阵列规模红外探测器地线结构，如图4所示，包括：读出电路10、多个互连铟柱12、P型区14、多个N型区16、N型层18、地线引出电极20、N型层电极22、引线24以及电路内接线26；

所述多个互连铟柱12设置于所述读出电路10上表面，所述P型区14设置于所述多个互连铟柱12的上端面，所述多个N型区16嵌装于所述P型区14内，所述多个N型区16分别与所述多个互连铟柱12相接触，所述N型层18设置于所述P型区14上表面，所述地线引出电极20设置于所述读出电路10上表面没有所述互连铟柱12的边缘区域，所述N型层电极22设置于所述N型层18的上表面边缘无像元区域，所述引线24与所述地线引出电极20和所述N型层电极22连接，所述电路内接线26嵌装于读出电路10内，所述电路内接线26与所述地线引出电极20连接。

其中，所述N型层电极22具体包括：使用钛Ti或铬Cr为材料的粘附层、和使用金Au或铂Pt+金Au为材料的接触层。

在实际应用中，所述粘附层厚度在10nm-200nm之间，接触层厚度在200nm-1.2um之间。

其中，N型层浓度高且迁移率高，电阻率小，注入层内部的电阻可等效于导线。图5是本发明实施例提供的大阵列规模红外探测器地线结构电路示意图将图5与图3对比可知，对于任意一个像元PN结，该大阵列规模红外探测器地线结构等效于在P型区的串联电阻两端并联了一个处于正偏状态的PN结，使得P型区串联电阻的分压作用降低，提高了中心像元与边界像元的分压的一致性，进而提升了器件整体的响应均匀性。

方法实施例

本发明实施例提供一种大阵列规模红外探测器地线结构制备方法，用于上述装置实施例中的大阵列规模红外探测器地线结构，如图6所示，根据本发明实施例的大阵列规模红外探测器地线结构制备方法具体包括如下步骤：

步骤S11，在原始红外探测器地线结构的未加工的P型区上表面进行离子注入或刻蚀，使表面形成一层N型层；其中，所述原始红外探测器地线结构包括读出电路、多个互连铟柱、P型区、多个N型区、地线引出电极以及电路内接线，所述多个互连铟柱设置于所述读出电路上表面，所述P型区设置于所述多个互连铟柱的上端面，所述多个N型区嵌装于所述P型区内，所述多个N型区分别与所述多个互连铟柱相接触，所述地线引出电极设置于所述读出电路上表面没有所述互连铟柱的边缘区域，所述电路内接线嵌装于读出电路内，所述电路内接线与所述地线引出电极连接；

在步骤11中，在未加工的大阵列规模红外探测器地线结构的P型区上表面进行离子注入或刻蚀，使表面形成一层N型层具体包括：

进行硼B离子注入；在实际应用中，所述B离子注入条件具体为：注入能量100KeV-400KeV，多个N型区深度1-2μm，N型浓度10¹⁷-10¹⁸cm^-3；或者，采用反应离子刻蚀RIE或电感耦合等离子体刻蚀ICP进行等离子体反应刻蚀。

在实际应用中，所述等离子体反应刻蚀条件具体为：压力2-100mbar，等离子体功率80-400W，等离子体偏压50-400V，氩Ar流量2sccm-30sccm；N型区深度1-2μm，N型浓度10¹⁷-10¹⁸cm^-3。

步骤S12，使用钛Ti或铬Cr为材料作为粘附层，使用金Au或铂Pt+金Au为材料作为接触层，制备N型层电极，并将所述N型层电极安装在所述读出电路上表面边缘无像元区域；所述粘附层厚度在10nm-200nm之间，接触层厚度在200nm-1.2um之间。

步骤S13，通过引线将所述N型层电极与所述地线引出电极相连接，获得最终的大阵列规模红外探测器地线结构；

在完成上述处理后，可以根据需要进行封装测试。

本发明实施例中，通过背面注入工艺、反应离子刻蚀RIE或电感耦合等离子体刻蚀ICP这些方式将P型区的表面反型成为迁移率高且浓度高的N型层，起到导线作用。之后通过N型层电极将N型层与读出电路上的地线引出电极连接。此结构等效于在原有P型区串联电阻两端并连了一个处于正偏的低阻PN结，能有效消除大阵列规模芯片上中心像元与边界像元由于串联电阻差异导致的分压差异，从而提升器件整体的响应均匀性。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大阵列规模红外探测器地线结构，其特征在于，包括：读出电路、多个互连铟柱、P型区、多个N型区、N型层、地线引出电极、N型层电极、引线以及电路内接线；

所述多个互连铟柱设置于所述读出电路上表面，所述P型区设置于所述多个互连铟柱的上端面，所述N型区嵌装于所述P型区内，所述多个N型区分别与所述多个互连铟柱相接触，所述N型层设置于所述P型区上表面，所述地线引出电极设置于所述读出电路上表面没有所述互连铟柱的边缘区域，所述N型层电极设置于所述N型层的上表面边缘无像元区域，所述引线与所述地线引出电极和所述N型层电极连接，所述电路内接线嵌装于读出电路内，所述电路内接线与所述地线引出电极连接。

2.如权利要求1所述的大阵列规模红外探测器地线结构，其特征在于，所述N型层电极具体包括：使用钛Ti或铬Cr为材料的粘附层、和使用金Au或铂Pt+金Au为材料的接触层。

3.如权利要求2所述的大阵列规模红外探测器地线结构，其特征在于，所述粘附层厚度在10nm-200nm之间，接触层厚度在200nm-1.2um之间。

4.一种大阵列规模红外探测器地线结构制备方法，其特征在于，用于权利要求1至3中任一项所述的大阵列规模红外探测器地线结构，所述方法包括如下步骤：

在原始红外探测器地线结构的未加工的P型区上表面进行离子注入或刻蚀，使表面形成一层N型层；其中，所述原始红外探测器地线结构包括读出电路、多个互连铟柱、P型区、N型区、地线引出电极以及电路内接线，所述多个互连铟柱设置于所述读出电路上表面，所述P型区设置于所述多个互连铟柱的上端面，所述N型区嵌装于所述P型区内，所述N型区与所述多个互连铟柱相接触，所述地线引出电极设置于所述读出电路上表面没有所述互连铟柱的边缘区域，所述电路内接线嵌装于读出电路内，所述电路内接线与所述地线引出电极连接；

使用钛Ti或铬Cr为材料作为粘附层，使用金Au或铂Pt+金Au为材料作为接触层，制备N型层电极，并将所述N型层电极安装在所述读出电路上表面边缘无像元区域；

通过引线将N型层电极与所述读出电路上的地线引出电极相连接，获得最终的大阵列规模红外探测器地线结构。

5.如权利要求4所述的大阵列规模红外探测器地线结构制备方法，其特征在于，在所述未加工的大阵列规模红外探测器地线结构的P型区上表面进行离子注入或刻蚀，使表面形成一层N型层具体包括：

在所述未加工的大阵列规模红外探测器地线结构的P型区上表面进行硼B离子注入，使表面形成一层N型层；或者，采用反应离子刻蚀RIE或电感耦合等离子体刻蚀ICP进行等离子体反应刻蚀，使表面形成一层N型层。

6.如权利要求5所述的大阵列规模红外探测器地线结构制备方法，其特征在于，所述B离子注入条件具体为：注入能量100KeV-400KeV，N型区深度1-2μm，N型浓度10¹⁷-10¹⁸cm^-3。

7.如权利要求5所述的大阵列规模红外探测器地线结构制备方法，其特征在于，所述等离子体反应刻蚀条件具体为：压力2-100mbar，等离子体功率80-400W，等离子体偏压50-400V，氩Ar流量2sccm-30sccm；N型区深度1-2μm，N型浓度10¹⁷-10¹⁸cm^-3。

8.如权利要求4所述的大阵列规模红外探测器地线结构制备方法，其特征在于，所述粘附层厚度在10nm-200nm之间，接触层厚度在200nm-1.2um之间。

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