CN111128992A - 一种抗辐照近红外焦平面探测器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体光电探测器领域，具体涉及一种抗辐照近红外焦平面探测器及制作方法；所述探测器包括探测器阵列芯片和CMOS读出电路；所述探测器阵列芯片通过铟柱连接CMOS读出电路；所述探测器阵列芯片的像元区由中心向四周依次为有效像元、哑元和冗余像元构成；本发明借助金属遮罩层对哑元进行遮挡，使得哑元不输出光生信号；利用哑元提供补偿电流，分流有效像元在辐照之后上升的暗电流；本发明结构简单，考虑工艺制作的可行性，能够有效解决近红外焦平面探测器在空间辐照环境中性能参数退化的问题。

Description

一种抗辐照近红外焦平面探测器及制作方法

技术领域

本发明属于半导体光电探测器领域，具体涉及一种抗辐照近红外InGaAs焦平面探测器的制作方法。

背景技术

近红外InGaAs焦平面探测器具有近室温工作、高探测率、高均匀性、性能稳定、低成本等优点，且具有优异的透烟、透雾及透尘埃成像能力，广泛应用于光谱分析、微光夜视、军事侦察监视等。随着航天技术的迅猛发展，其应用场景逐步向空间领域拓展，在空间激光探测、航天遥感等多领域发挥重要作用。空间环境存在大量高能质子、电子和γ射线同InGaAs焦平面成像系统相互作用，可导致其性能退化甚至失效。

近红外InGaAs焦平面探测器通常包含InGaAs探测器阵列与硅基CMOS读出电路芯片两部分。CMOS读出电路本身，通过形栅结构、保护环设计和采用更先进的工艺制程等手段可以达到较为理想的抗辐效果。但是，辐照将致使探测器阵列的暗电流显著增加，甚至淹没光生电流，使得整个焦平面成像系统失效。降低探测器阵列辐照损伤的常见方法有外壳屏蔽、缩小有源区几何尺寸等。但外壳屏蔽会导致器件整体重量增加而不利于空间应用，过小的PN结几何尺寸将会限制焦平面探测器的光响应极限，使得光生电流淹没在电子系统的噪声中而无法测量。

因此，探测器阵列的抗辐加固是整个近红外InGaAs焦平面探测器的关键，亟待寻找一种有效抑制辐照损伤对InGaAs焦平面探测器的不利影响的方法。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明提供一种抗辐照近红外InGaAs焦平面探测器的设计及制作方法，其结构设计力求简单，并考虑工艺制作的可行性，能够有效解决近红外InGaAs焦平面探测器在空间辐照环境中性能参数退化的问题，满足空间激光探测、航天遥感等领域对InGaAs焦平面探测器高灵敏、低噪声、长寿命的应用要求。

针对近红外InGaAs焦平面探测器现有抗辐加固方案中存在的技术问题，提出了一种抗辐照焦平面探测器，能够有效抑制辐照损伤对InGaAs焦平面探测器的不利影响。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种抗辐照近红外焦平面探测器，包括探测器阵列芯片和CMOS读出电路；所述探测器阵列芯片通过铟柱连接CMOS读出电路；

所述探测器阵列芯片包括外延片，所述外延片依次由衬底层、缓冲层、吸收层、渐变层、帽层和接触层构成；在外延片的中心区域设置有像元区，在像元区的外围设置有一圈第一导电类型电极，在第一导电类型电极的外围设置有第一导电类型接触孔；所述像元区由中心向四周依次为有效像元、哑元和冗余像元，所述像元区为第二导电类型电极。

基于与本发明的同一构思，本发明还提出了一种抗辐照近红外焦平面探测器的制作方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：制作由衬底层、缓冲层、吸收层、渐变层、帽层和接触层构成的外延片；

步骤2：在外延片上刻蚀出像元区，包括由中心向四周的有效像元、哑元和冗余像元；并对各种像元掺杂第二导电类型杂质；

步骤3：在像元区的外围采用湿法腐蚀工艺制作出第一导电类型接触孔；

步骤4：制作共面电极，在像元区上方制作出第二导电类型电极，在第一导电类型电极接触孔及其邻近区域制作出第一导电类型电极；

步骤5：将外延片的背面进行减薄抛光，并对减薄抛光后的外延片溅射增透膜；

步骤6：在哑元的垂直对应位置，在增透膜表面制作有金属遮罩层；

步骤7：采用双层厚膜胶光刻技术，在各种像元和第一导电类型电极上方制作出铟凸点的光刻胶模型孔；

步骤8：采用热蒸发工艺，制作出铟凸点阵列；

步骤9：在倒装焊接设备上将探测器阵列芯片与CMOS读出电路两者的铟凸点作为铟柱进行倒装互连。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用哑元提供补偿电流，分流探测器阵列有效像元在辐照之后上升的暗电流，从而降低辐照对整个焦平面成像系统的不利影响。

(2)本发明利用冗余像元分布于哑元外围，保证哑元与有效像元具有相同的结构和工作状态，从而输出相同的暗电流信号。

(3)本发明利用金属遮罩层对哑元进行遮挡，使得哑元不受入射光影响，不增加额外重量，结构简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明的探测器阵列芯片的结构图；

图2为本发明的外延片的剖面结构图；

图3为本发明的像元区局部的示意图；

图4为本发明的金属遮罩层的示意图；

图5为本发明的像元区域电极的示意图；

图6为本发明经过倒装互联后的抗辐照近红外焦平面探测器的剖面结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

为了方便说明，在下列实施例中，设定第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。但是本发明所保护的方案中，第一导电类型也可以为P型，第二导电类型也可以为N型。

如图1所示，本实施例给出探测器阵列芯片的一种结构图，所述探测器阵列芯片包括外延片，在外延片的中心区域设置有像元区，像元区呈阵列结构，在像元区的外围设置有一圈N电极，在N电极的外围设置有N接触孔(N孔)。所述像元区为P电极。

在另一个实施例中，在像元区的外围设置有一圈P电极，在第一导电类型电极的外围设置有P接触孔。所述像元区为N电极。

如图2所示，在一个实施例中，所述外延片依次由衬底层、缓冲层、吸收层、渐变层、帽层和接触层构成。优选的，所述衬底层为InP衬底。

如图3所示，在一个实施例中，所述像元区由中心向四周依次为有效像元、哑元和冗余像元；像元区位于芯片中心区域；在像元阵列中，最中心的像元阵列作为有效阵列，最外围的一圈像元作为冗余像元，在冗余像元向内的一圈像元为哑元。

在一个优选实施例中，所述有效像元、哑元和冗余像元的像元间距和直径一致；并且在PN结尺寸和互连凸点结构等具有相同设计。

另外，在一个实施例中，在接触层上淀积扩散掩膜并刻蚀，形成包含有效像元、哑元和冗余像元的像元区扩散窗口，在所述像元区扩散窗口内将P型杂质扩散至帽层中，形成PN结；在冗余像元外围刻蚀至缓冲层，形成N接触孔。

如图4所示，所述探测器阵列芯片为背照式结构，将外延片的背面作为光入射面，在衬底层表面上设置有增透膜，在增透膜上设置有金属遮罩层；所述金属遮罩层位于哑元在光入射面的垂直投影区域，可以有效阻挡近红外波段光线进入哑元的吸收层中，使哑元不输出光生信号。

本发明中的探测器阵列芯片采用平面背照式结构、PN电极共面引出方案设计。

本实施例探测器阵列基于PIN型双异质结InP/InGaAs/InP结构设计，采用平面工艺制作。

本实施例给出一种抗辐照近红外焦平面探测器的制作方法，具体制作步骤如下：

步骤101：制作由缓冲层、吸收层、渐变层、帽层和接触层构成的外延片；

步骤102：在接触层上淀积扩散掩膜并刻蚀，形成包含有效像元、哑元和冗余像元的像元区扩散窗口，在扩散窗口内将P型杂质扩散至帽层材料中，形成PN结；

步骤103：在冗余像元外围利用湿法刻蚀至缓冲层，形成N接触孔，即N电极的接触孔；

步骤104：在像元区域制作P电极，在N接触孔附近区域制作N电极，并与N接触孔相连接；

步骤105：将外延片的背面进行减薄抛光，并在其抛光面溅射制作增透膜；

步骤106：于光入射面定义金属遮罩层，采用带胶剥离的方法，制作TiAu遮罩层。

步骤107：采用厚膜胶光刻技术，在P、N电极上方制作In凸点模型孔；

步骤108：采用热蒸发工艺在In凸点模型孔表面蒸发一定厚度的In金属膜，通过金属层剥离工艺形成In凸点，如图5所示，包括像元区凸点和N极凸点；将外延片解理为探测器阵列芯片单元；

步骤109：重复步骤107-步骤108，制作CMOS读出电路In凸点；

步骤1010：如图6所示，利用倒装焊接设备将探测器阵列芯片倒置于读出电路上方，将两者In凸点进行对准连接。

步骤1011：倒装互连完成后，取下倒装集成的焦平面芯片，用环氧树脂填充。进行工艺检验，制作完毕。

在一个实施例中，步骤101中的外延片结构生长可以采用以下方式进行：

探测器阵列外延结构基于PIN型双异质结InP/InGaAs/InP结构设计，以减弱辐照对探测器芯片响应度的影响。具体如下：在n型磷化铟(n⁺-InP)衬底上生长n型磷化铟(n-InP)缓冲层，其生长厚度为0.2～1微米，掺杂浓度小于等于2×10¹⁸cm^-3；在n型磷化铟缓冲层上生长非掺杂的铟镓砷(i-InGaAs)吸收层，其生长厚度为1～3微米；在吸收层上生长n型铟镓砷磷(n-InGaAsP)渐变层，其生长厚度为0.01～0.1微米，掺杂浓度小于等于2×10¹⁷cm^-3；在渐变层上生长n型磷化铟(n-InP)帽层，其生长厚度为0.1～1微米，掺杂浓度小于等于5×10¹⁶cm^-3；在帽层上生长n型磷化铟(n-InGaAs)接触层，其生长厚度为0.05～0.5微米，掺杂浓度小于等于5×10¹⁶cm^-3；至此，完成了磷化铟基外延片结构的生长。其剖面结构可以参考如图2所示。

在一个实施例中，步骤102中像元区的形成包括：

采用等离子增强化学气相淀积(PECVD)设备在外延片表面生长氮化硅(SiN_x)薄膜作为选择扩散掩膜，其生长厚度为50～300nm，以降低辐照效应在钝化层与半导体界面的正电荷积累，提高器件抗辐能力。采用光刻曝光方式在SiNx钝化层上定义出像元位置，由内向外依次为有效像元、哑元和冗余像元，其间距和直径相同。

在一个实施例中，步骤102中PN结的形成过程包括：

在像元区的扩散窗口中；采用MOCVD扩散的方法同时对三种像元进行p型掺杂，并将P型杂质扩散到帽层中，形成PN结。

在一个实施例中，制作N接触孔的方式包括：

采用湿法腐蚀的方法完成本次刻蚀，避免干法刻蚀过程中存在的工艺辐射损伤。湿法腐蚀可以直接利用光刻胶作为腐蚀掩模，腐蚀InGaAs/InGaAsP材料所用的第一腐蚀液为H₂SO₄、H₂O₂、H₂O的混合溶液；腐蚀InP材料所用的第二腐蚀液为HCl、H₃PO₄的混合溶液。湿法腐蚀在常温下进行，为了保证刻蚀温度不发生变化，刻蚀在水浴中进行。将外延片按以下顺序依次在腐蚀液中浸泡：第一腐蚀液→第二腐蚀液→第一腐蚀液→第二腐蚀液。然后取出去离子水冲洗10分钟以上，有机溶剂去胶后充分脱水干燥。

在一个实施例中，步骤104中制作PN共面电极的方式包括：

采用光刻曝光方式在像元区上方定义出P电极位置，在N接触孔及邻近区域定义出N电极位置。再利用电子束蒸发Ti/Pt/Au金属膜，总厚度为0.2～1.0微米，采用金属剥离工艺形成PN电极。

在一个实施例中，步骤105背面磨抛、溅射增透膜的过程包括：

通过机械磨抛和湿法腐蚀相结合的方式对外延片进行衬底部分移除，避免减薄工艺对探测器阵列芯片造成机械应力损伤，防止工艺损坏导致焦平面抗辐性能下降。利用磁控溅射方法制作多层宽光谱增透膜。

在一个实施例中，步骤106中制备金属遮罩层的方式包括：

利用双面光刻设备在光入射面定义金属遮罩层，再利用电子束蒸发Ti/Au金属膜，总厚度0.5～2.0微米，金属剥离工艺形成金属遮罩层。

在一个实施例中，步骤107中采用双层厚膜胶光刻技术，制作In凸点模型孔的方式包括：

采用旋涂的方式在外延层表面涂覆AZ P4620厚膜光刻胶，厚度为4～8μm；涂覆AZ5214E型剥离光刻胶，厚度为1～3μm。利用光刻曝光方式同时在像元区和N电极上方定义出In柱凸点的光刻胶模型孔。镜检合格后进行光刻胶坚膜固化。

在一个实施例中，步骤108中采用热蒸发工艺，制作In凸点阵列的方式包括：

利用热蒸发工艺制备In金属膜，厚度为6.0～12.0μm，金属剥离工艺形成In凸点阵列，结构示意如图5所示。同理，CMOS读出电路采用相同方式完成In凸点阵列的制作。

在一个实施例中，步骤1010中所采用倒装互联也即是集成互连包括：

集成互连是红外焦平面器件制作过程中关键步骤之一，需要在专业的高精度(精度要求小于1μm)倒装设备上进行，将探测器阵列芯片和CMOS读出电路中的In凸点对应进行连接，集成互连后的结构示意图如图6所示，经倒焊互连工艺后，InGaAs探测器阵列芯片和CMOS读出电路芯片的构成上下对应关系；入射光从探测器阵列芯片的背面进入，从增透膜中进入探测器阵列芯片；而由于金属遮罩层阻挡了哑元部分的入射光，能够有效阻挡近红外波段光线进入哑元，使哑元不受外界光照影响。

通过CMOS读出电路对有效像元、哑元及冗余像元施加相同的偏置电压。信号采集时，有效像元对目标进行探测并产生光生电流提供给读出电路；而哑元由于金属遮罩层的遮挡作用，不产生光生信号。而焦平面探测器受到辐照时，金属遮罩层不能有效阻止高能质子、电子或伽马射线对哑元形成辐照损伤，同时，由于有效像元、哑元具有相同结构和工作状态，将在受到辐照后增加近乎相同的暗电流。此时，读出电路利用哑元输出的电流信号产生与有效像元暗电流大小相同、方向相反的补偿电流，并利用补偿电流分流有效像元的输出电流，将有效像元辐照之后增加的暗电流全部导入读出电路衬底之中，使得从有效像元流入读出电路像元积分电容的光生电流与辐照前相同，从而排除辐照损伤对有效像元电流信号输出的不利影响，起到增强焦平面成像系统抗辐能力的作用。

其中，读出电路在获取辐照补偿电流时，可以采用镜像电流源的方式。镜像电流源的输入端与哑元的输出端连接。当该哑元输出电流流入读出电路时，产生与该暗电流大小相同，方向相反的补偿电流。同时，焦平面读出电路关键电路版图采用环栅结构和保护环设计，读出电路加固设计的基本要求使其自身具有与应用场景相适应的抗辐能力。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗辐照近红外焦平面探测器，包括探测器阵列芯片和CMOS读出电路；所述探测器阵列芯片通过铟柱连接CMOS读出电路；

其特征在于，所述探测器阵列芯片包括外延片，所述外延片依次由衬底层、缓冲层、吸收层、渐变层、帽层和接触层构成；在外延片的中心区域设置有像元区，在像元区的外围设置有一圈第一导电类型电极，在第一导电类型电极的外围设置有第一导电类型接触孔；所述像元区由中心向四周依次为有效像元、哑元和冗余像元，所述像元区为第二导电类型电极。

2.根据权利要求1所述的一种抗辐照近红外焦平面探测器，其特征在于，所述探测器阵列芯片为背照式结构，将外延片的背面作为光入射面，在衬底层表面上设置有增透膜，在增透膜上设置有金属遮罩层；所述金属遮罩层位于哑元在光入射面的垂直投影区域。

3.根据权利要求1所述的一种抗辐照近红外焦平面探测器，其特征在于，所述在外延片的中心区域设置有像元区包括在接触层上淀积扩散掩膜并刻蚀，形成包含有效像元、哑元和冗余像元的像元区扩散窗口，在所述像元区扩散窗口内将第二导电类型杂质扩散至帽层中，形成PN结；在冗余像元外围刻蚀至缓冲层，形成第一导电类型接触孔。

4.根据权利要求1或3所述的一种抗辐照近红外焦平面探测器，其特征在于，所述有效像元、哑元和冗余像元的像元间距和直径一致。

5.一种抗辐照近红外焦平面探测器的制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：制作由衬底层、缓冲层、吸收层、渐变层、帽层和接触层构成的外延片；

步骤2：在外延片上刻蚀出像元区，包括由中心向四周的有效像元、哑元和冗余像元；并对各种像元掺杂第二导电类型杂质；

步骤3：在像元区的外围采用湿法腐蚀工艺制作出第一导电类型接触孔；

步骤4：制作共面电极，在像元区上方制作出第二导电类型电极，在第一导电类型电极接触孔及其邻近区域制作出第一导电类型电极；

步骤5：将外延片的背面进行减薄抛光，并对减薄抛光后的外延片溅射增透膜；

步骤6：在哑元的垂直对应位置，在增透膜表面制作有金属遮罩层；

步骤7：采用双层厚膜胶光刻技术，在各种像元和第一导电类型电极上方制作出铟凸点的光刻胶模型孔；

步骤8：采用热蒸发工艺，制作出铟凸点阵列；

步骤9：在倒装焊接设备上将探测器阵列芯片与CMOS读出电路两者的铟凸点作为铟柱进行倒装互连。

6.根据权利要求5所述的一种抗辐照近红外焦平面探测器的制作方法，其特征在于，所述在外延片上刻蚀出像元区包括采用等离子增强化学气相淀积设备在外延片的接触层表面生长氮化硅薄膜作为扩散掩膜，采用光刻曝光方式在接触层上刻蚀出由内向外的、且间距和直径一致的有效像元、哑元和冗余像元。

7.根据权利要求5所述的一种抗辐照近红外焦平面探测器的制作方法，其特征在于，所述制作出第一导电类型接触孔包括采用湿法腐蚀的方法刻蚀出第一导电类型接触孔，利用光刻胶做掩模，迭代采用不同的腐蚀液，对外延片进行腐蚀。

8.根据权利要求5或7所述的一种抗辐照近红外焦平面探测器的制作方法，其特征在于，所述外延片采用双异质结InGaAs/InGaAsP材料。

9.根据权利要求5所述的一种抗辐照近红外焦平面探测器的制作方法，其特征在于，所述步骤4中制作电极包括利用电子束蒸发金属膜，采用金属剥离工艺，形成电极。

10.根据权利要求5所述的一种抗辐照近红外焦平面探测器的制作方法，其特征在于，所述步骤9进行倒装互联后还包括利用环氧树脂进行填充。

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