CN112117351B - 一种用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法、探测器芯片 - Google Patents

一种用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法、探测器芯片 Download PDF

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Abstract

本申请涉及探测器芯片技术领域，公开了一种用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法、探测器芯片，包括：在内部已制备好pn结的碲镉汞晶片表面依次形成碲化镉层和硫化锌层；在硫化锌层表面形成对应于除待形成的接触孔区域以外的区域的光刻胶；以光刻胶为掩膜，通过湿法腐蚀工艺去除掉对应于待形成的接触孔区域的硫化锌；去除光刻胶；以经湿法腐蚀工艺处理后的硫化锌层为刻蚀掩膜，通过干法刻蚀工艺刻蚀掉对应于待形成的接触孔区域的碲化镉层和部分碲镉汞材料，形成接触孔图形；通过电极沉积工艺和离子束刻蚀工艺在接触孔区域内形成金属电极。这样进行接触孔刻蚀和金属电极沉积，可以提升碲镉汞材料与金属电极之间的欧姆接触效果。

Description

一种用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法、探测器芯片
技术领域
本发明涉及探测器芯片技术领域，特别是涉及一种用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法、探测器芯片。
背景技术
碲镉汞是一种制备红外探测器的重要材料，由于其禁带宽度可调，探测光谱范围由短波波段一直延伸到甚长波波段，其具有光电探测效率高等优势，广泛应用于预警探测、红外侦察、成像制导等军事和民事领域。探测器芯片制备是红外探测技术的核心，制备芯片的工序主要有光刻、湿化学、离子注入、钝化、电极制备以及干法刻蚀等半导体器件工艺，刻蚀和电极沉积是器件工艺中的关键环节，是红外焦平面芯片pn结电学性能引出的重要手段，碲镉汞芯片制备要求金属与半导体之间构成欧姆接触，即电阻较低，粘附性好，性能稳定。通常采用光刻工艺在芯片表面制备图形，干法刻蚀工艺刻蚀到碲镉汞层制备接触孔，用湿化学工艺去掉光刻胶后采用离子束沉积设备在芯片表面沉积金属电极，然后采用离子束刻蚀设备将不需要的金属去除从而完成探测器芯片pn结电学性能引出。
在现有碲镉汞pn结电学性能引出工艺过程中，干法刻蚀后得到的新鲜碲镉汞表面具有较强的化学活性，在湿化学去胶工艺过程中，碲镉汞表面与去胶液长时间接触并暴露在空气环境中，会出现被氧化的问题，另外，在湿法去胶过程中，光刻胶容易在刻蚀孔底面残留，以上问题均可能导致金属与碲镉汞材料之间界面处产生一个额外的寄生电阻，影响电极欧姆接触的效果。该寄生电阻导致红外探测器各像元的接触电阻产生差异，由于接触电阻存在一定的分压作用，会影响加在每个像元上的工作电压，经光电转换后像元的输出信号即会出现差异，进而导致探测器芯片的响应一致性变差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法、探测器芯片，可以避免碲镉汞表面氧化或杂质影响碲镉汞材料与金属电极之间的欧姆接触，提升欧姆接触效果。其具体方案如下：
一种用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法，包括：
在碲镉汞晶片表面依次形成碲化镉层和硫化锌层；所述碲镉汞晶片的内部已制备好pn结；
在所述硫化锌层表面形成对应于除待形成的接触孔区域以外的其它区域的光刻胶；
以所述光刻胶为掩膜，通过湿法腐蚀工艺去除掉所述硫化锌层中对应于待形成的接触孔区域的硫化锌；
对所述光刻胶进行去除；
以经湿法腐蚀工艺处理后的硫化锌层为刻蚀掩膜，通过干法刻蚀工艺刻蚀掉对应于待形成的接触孔区域的碲化镉层，并刻蚀部分碲镉汞材料，形成接触孔图形；
通过电极沉积工艺和离子束刻蚀工艺在接触孔区域内形成金属电极。
优选地，在本发明实施例提供的上述用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法中，在所述硫化锌层表面形成对应于除待形成的接触孔区域以外的其它区域的光刻胶，具体包括：
在所述硫化锌层表面形成光刻胶层；
采用具有与接触孔所在位置相对应的透光区域的掩膜版对所述光刻胶层进行曝光显影，在所述硫化锌层表面形成对应于除待形成的接触孔区域以外的其它区域的光刻胶。
优选地，在本发明实施例提供的上述用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法中，以所述光刻胶为掩膜，通过湿法腐蚀工艺去除掉所述硫化锌层中对应于待形成的接触孔区域的硫化锌，具体包括：
将形成有所述碲化镉层、所述硫化锌层和所述光刻胶的碲镉汞晶片置入稀盐酸腐蚀液；
在超声环境下，以所述光刻胶为掩膜，通过所述稀盐酸腐蚀液去除掉所述硫化锌层中对应于待形成的接触孔区域的硫化锌。
优选地，在本发明实施例提供的上述用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法中，对所述光刻胶进行去除，具体包括：
通过丙酮溶液去掉所述光刻胶。
优选地，在本发明实施例提供的上述用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法中，以经湿法腐蚀工艺处理后的硫化锌层为刻蚀掩膜，通过干法刻蚀工艺刻蚀掉对应于待形成的接触孔区域的碲化镉层，并刻蚀部分碲镉汞材料，形成接触孔图形，具体包括：
通过ICP干法刻蚀设备，以经湿法腐蚀工艺处理后的硫化锌层为刻蚀掩膜，利用CH4、H2和Ar的组合气体或H2和Ar的组合气体，刻蚀掉对应于待形成的接触孔区域的碲化镉层，并刻蚀部分碲镉汞材料，形成接触孔图形。
优选地，在本发明实施例提供的上述用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法中，在进行干法刻蚀工艺时，采用刻蚀碲镉汞和碲化镉的速率快于刻蚀硫化锌速率的工艺配方进行刻蚀。
优选地，在本发明实施例提供的上述用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法中，刻蚀掉的部分碲镉汞材料的厚度范围为100nm至300nm。
优选地，在本发明实施例提供的上述用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法中，所述碲化镉层的厚度范围为100nm至300nm。
优选地，在本发明实施例提供的上述用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法中，所述硫化锌层的厚度范围为300至500nm。
本发明实施例还提供了一种探测器芯片，所述探测器芯片采用本发明实施例提供的上述用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法制作而成。
从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法，包括：在碲镉汞晶片表面依次形成碲化镉层和硫化锌层；碲镉汞晶片的内部已制备好pn结；在硫化锌层表面形成对应于除待形成的接触孔区域以外的其它区域的光刻胶；以光刻胶为掩膜，通过湿法腐蚀工艺去除掉硫化锌层中对应于待形成的接触孔区域的硫化锌；对光刻胶进行去除；以经湿法腐蚀工艺处理后的硫化锌层为刻蚀掩膜，通过干法刻蚀工艺刻蚀掉对应于待形成的接触孔区域的碲化镉层，并刻蚀部分碲镉汞材料，形成接触孔图形；通过电极沉积工艺和离子束刻蚀工艺在接触孔区域内形成金属电极。
本发明通过采用硫化锌介质膜层替代光刻胶作为刻蚀掩膜，可实现刻蚀与电极沉积工艺的紧密衔接，避免碲镉汞表面氧化或杂质影响碲镉汞材料与金属电极之间的欧姆接触，提升碲镉汞芯片的响应一致性。另外，采用湿法腐蚀硫化锌的方法可以将接触孔干法刻蚀由三种材料降为两种材料，提高接触孔深度均匀性，同时，由于硫化锌掩膜层的厚度相比于光刻胶很薄，刻蚀生成物可快速离开刻蚀区域，不会导致生成物的残留，可形成更为光滑平整的接触孔形貌，同样可提升欧姆接触的效果。此外，本发明还针对用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法提供了相应的探测器芯片，该探测器芯片具有相应的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法流程图；
图2至图6分别为本发明实施例提供的用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法在各步骤执行后的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法，如图1所示，包括以下步骤：
S101、在碲镉汞晶片表面依次形成碲化镉层和硫化锌层；碲镉汞晶片的内部已制备好pn结；
可以理解的是，本发明是基于表面生长碲化镉(CdTe)和硫化锌(ZnS)双层介质膜层的碲镉汞(HgCdTe)材料，其中与碲镉汞材料接触的碲化镉层厚度范围可以设置为100nm至300nm，处于表面的硫化锌层的厚度范围可以设置为300nm至500nm。碲镉汞材料与衬底形成的碲镉汞晶片内部已制备好pn结，需要按照以下步骤完成pn结电学性能引出；
S102、在硫化锌层表面形成对应于除待形成的接触孔区域以外的其它区域的光刻胶；
S103、以光刻胶为掩膜，通过湿法腐蚀工艺去除掉硫化锌层中对应于待形成的接触孔区域的硫化锌；
在实际应用中，采用湿法腐蚀硫化锌的方法可以将接触孔干法刻蚀由三种材料降为两种材料，提高接触孔深度均匀性，又由于硫化锌掩膜层的厚度相比于光刻胶很薄，刻蚀生成物可快速离开刻蚀区域，可形成更为光滑平整的接触孔形貌，进而提升欧姆接触效果；
S104、对光刻胶进行去除；
S105、以经湿法腐蚀工艺处理后的硫化锌层为刻蚀掩膜，通过干法刻蚀工艺刻蚀掉对应于待形成的接触孔区域的碲化镉层，并刻蚀部分碲镉汞材料，形成接触孔图形；
需要说明的是，通过采用经湿法腐蚀工艺处理后的硫化锌层替代光刻胶作为刻蚀掩膜进行接触孔刻蚀，然后就可以直接下一步进行金属电极沉积，实现刻蚀与电极沉积工艺的紧密衔接，避免碲镉汞表面氧化或杂质影响碲镉汞材料与金属电极之间的欧姆接触，进一步提升欧姆接触效果；这里刻蚀掉的部分碲镉汞材料的厚度范围可以设置为100nm至300nm；
S106、通过电极沉积工艺和离子束刻蚀工艺在接触孔区域内形成金属电极。
在本发明实施例提供的上述用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法，用于碲镉汞红外焦平面探测器芯片制备过程中的pn结电学引出工艺过程。该方法通过采用硫化锌介质膜层替代光刻胶作为刻蚀掩膜，可实现刻蚀与电极沉积工艺的紧密衔接，避免碲镉汞表面氧化或杂质影响碲镉汞材料与金属电极之间的欧姆接触，提升碲镉汞芯片的响应一致性。另外，该方法采用湿法腐蚀硫化锌的方法可以将接触孔干法刻蚀由三种材料降为两种材料，提高接触孔深度均匀性，同时，由于硫化锌掩膜层的厚度相比于光刻胶很薄，刻蚀生成物可快速离开刻蚀区域，不会导致生成物的残留，可形成更为光滑平整的接触孔形貌，同样可提升欧姆接触的效果。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法中，步骤S102在硫化锌层表面形成对应于除待形成的接触孔区域以外的其它区域的光刻胶，具体可以采用该方式实现：首先，在硫化锌层表面形成光刻胶层；然后，采用掩膜版对光刻胶层进行曝光显影，在硫化锌层表面形成对应于除待形成的接触孔区域以外的其它区域的光刻胶。该掩膜版具有与接触孔所在位置相对应的透光区域。这样形成光刻胶的图形只需进行曝光显影工序即可，无需刻蚀工艺，可以简化工艺，节省成本，减少资源浪费。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法中，由于盐酸与碲化镉不发生反应，步骤S103以光刻胶为掩膜，通过湿法腐蚀工艺去除掉硫化锌层中对应于待形成的接触孔区域的硫化锌，具体可以采用该方式实现：首先，将形成有碲化镉层、硫化锌层和光刻胶的碲镉汞晶片置入稀盐酸腐蚀液；然后，在超声环境下，以光刻胶为掩膜，通过稀盐酸腐蚀液去除掉硫化锌层中对应于待形成的接触孔区域的硫化锌。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法中，步骤S104对光刻胶进行去除，具体可以采用该方式实现：通过丙酮溶液去掉光刻胶。需要说明的是，也可以通过其它有机溶剂对光刻胶进行处理，只要满足光刻胶的完全去除即可，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法中，步骤S105以经湿法腐蚀工艺处理后的硫化锌层为刻蚀掩膜，通过干法刻蚀工艺刻蚀掉对应于待形成的接触孔区域的碲化镉层，并刻蚀部分碲镉汞材料，形成接触孔图形，具体可以采用该方式实现：通过ICP干法刻蚀设备，以经湿法腐蚀工艺处理后的硫化锌层为刻蚀掩膜，利用CH4、H2和Ar的组合气体或H2和Ar的组合气体，刻蚀掉对应于待形成的接触孔区域的碲化镉层，并刻蚀部分碲镉汞材料，形成接触孔图形。
进一步地，需要注意的是，在具体实施时，在进行上述干法刻蚀工艺的过程中，采用刻蚀碲镉汞和碲化镉的速率应快于刻蚀硫化锌速率的工艺配方进行刻蚀。这样当接触孔刻蚀停止时，硫化锌层仅轻微刻蚀，不会影响硫化锌层的整体性能。
下面以一个具体实例详细地说明本发明实施例提供的用于碲镉汞pn结电学性能引出方法，具体步骤如下：
步骤一、在碲镉汞晶片表面依次形成碲化镉层和硫化锌层；碲镉汞晶片的内部已制备好pn结；
具体地，如图2所示，在碲镉汞晶片01表面依次形成碲化镉层02和硫化锌层03这个双层介质膜层；其中，碲镉汞晶片01的内部已制备好pn结；碲化镉层02的厚度范围为100nm至300nm；硫化锌层03的厚度范围可以设置为300nm至500nm；
步骤二、在硫化锌层表面形成对应于除待形成的接触孔区域以外的其它区域的光刻胶；
具体地，如图2所示，在硫化锌层03表面形成光刻胶层；采用具有与接触孔所在位置相对应的透光区域的掩膜版对光刻胶层进行曝光显影，在硫化锌层03表面形成对应于除待形成的接触孔区域以外的其它区域的光刻胶04；
步骤三、以光刻胶为掩膜，通过湿法腐蚀工艺去除掉硫化锌层中对应于待形成的接触孔区域的硫化锌，之后对光刻胶进行去除；
具体地，如图3所示，将形成有碲化镉层02、硫化锌层03和光刻胶04的碲镉汞晶片01放入经过稀释的盐酸腐蚀液中，在超声环境下，以光刻胶04为掩膜，通过稀释的盐酸腐蚀液将硫化锌层03中对应于待形成的接触孔区域的硫化锌腐蚀掉，盐酸与碲化镉层02不会发生反应，然后，如图4所示，使用丙酮溶液去掉表面光刻胶04；
步骤四、以经湿法腐蚀工艺处理后的硫化锌层为刻蚀掩膜，通过干法刻蚀工艺刻蚀掉对应于待形成的接触孔区域的碲化镉层，并刻蚀部分碲镉汞材料，形成接触孔图形；
具体地，将去掉光刻胶后的碲镉汞晶片01放入ICP干法刻蚀设备中，采用CH4、H2和Ar的组合气体或H2和Ar的组合气体，选择刻蚀碲化镉和碲镉汞的速率快于刻蚀硫化锌速率的工艺配方进行刻蚀，如图5所示，以经湿法腐蚀工艺处理后的硫化锌层03作为掩膜，刻蚀碲化镉层02及碲镉汞晶片01，通常碲镉汞晶片01刻蚀掉100nm至300nm厚度即可停止，因此，当接触孔刻蚀停止时，表面硫化锌层03仅轻微刻蚀，并不影响硫化锌层03的整体性能；
步骤五、通过电极沉积工艺和离子束刻蚀工艺在接触孔区域内形成金属电极；
具体地，刻蚀完成后，直接将形成接触孔图形的碲镉汞晶片01放入电极沉积设备中，生长金属电极层，这样刻蚀形成的新鲜的碲镉汞界面即可与金属形成良好的接触，避免表面氧化或杂质的影响。最后，如图6所示，通过离子束刻蚀工艺去掉不需要的金属部分，完成金属电极05的制备，最终实现碲镉汞pn结电学性能引出。
至此，经过具体实例提供的上述步骤一至步骤五引出了用于碲镉汞pn结电学性能。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种探测器芯片，采用本发明实施例提供的上述用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法制作而成。由于该探测器芯片的结构解决问题的原理与前述一种用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法相似，因此该结构的实施可以参见用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法的实施，重复之处不再赘述。对于该探测器芯片的其它必不可少的组成部分均为本领域的普通技术人员应该理解具有的，在此不做赘述，也不应作为对本发明的限制。
本发明实施例提供的一种用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法，包括：在碲镉汞晶片表面依次形成碲化镉层和硫化锌层；碲镉汞晶片的内部已制备好pn结；在硫化锌层表面形成对应于除待形成的接触孔区域以外的其它区域的光刻胶；以光刻胶为掩膜，通过湿法腐蚀工艺去除掉硫化锌层中对应于待形成的接触孔区域的硫化锌；对光刻胶进行去除；以经湿法腐蚀工艺处理后的硫化锌层为刻蚀掩膜，通过干法刻蚀工艺刻蚀掉对应于待形成的接触孔区域的碲化镉层，并刻蚀部分碲镉汞材料，形成接触孔图形；通过电极沉积工艺和离子束刻蚀工艺在接触孔区域内形成金属电极。这样通过采用硫化锌介质膜层替代光刻胶作为刻蚀掩膜，可实现刻蚀与电极沉积工艺的紧密衔接，避免碲镉汞表面氧化或杂质影响碲镉汞材料与金属电极之间的欧姆接触，提升碲镉汞芯片的响应一致性。另外，采用湿法腐蚀硫化锌的方法可以将接触孔干法刻蚀由三种材料降为两种材料，提高接触孔深度均匀性，同时，由于硫化锌掩膜层的厚度相比于光刻胶很薄，刻蚀生成物可快速离开刻蚀区域，不会导致生成物的残留，可形成更为光滑平整的接触孔形貌，同样可提升欧姆接触的效果。此外，本发明还针对用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法提供了相应的探测器芯片，该探测器芯片具有相应的优点。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法、探测器芯片进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法，其特征在于，包括：
在碲镉汞晶片表面依次形成碲化镉层和硫化锌层；所述碲镉汞晶片的内部已制备好pn结；所述碲化镉层的厚度范围为100nm至300nm；所述硫化锌层的厚度范围为300nm至500nm；
在所述硫化锌层表面形成对应于除待形成的接触孔区域以外的其它区域的光刻胶；
以所述光刻胶为掩膜，通过湿法腐蚀工艺去除掉所述硫化锌层中对应于待形成的接触孔区域的硫化锌；所述硫化锌层的厚度相比于所述光刻胶很薄；
对所述光刻胶进行去除；
以经湿法腐蚀工艺处理后的硫化锌层为刻蚀掩膜，通过干法刻蚀工艺刻蚀掉对应于待形成的接触孔区域的碲化镉层，并刻蚀部分碲镉汞材料，形成接触孔图形；刻蚀掉的部分碲镉汞材料的厚度范围为100nm至300nm；在进行干法刻蚀工艺时，采用刻蚀碲镉汞和碲化镉的速率快于刻蚀硫化锌速率的工艺配方进行刻蚀；
通过电极沉积工艺和离子束刻蚀工艺在接触孔区域内形成金属电极。
2.根据权利要求1所述的用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法，其特征在于，在所述硫化锌层表面形成对应于除待形成的接触孔区域以外的其它区域的光刻胶，具体包括：
在所述硫化锌层表面形成光刻胶层；
采用具有与接触孔所在位置相对应的透光区域的掩膜版对所述光刻胶层进行曝光显影，在所述硫化锌层表面形成对应于除待形成的接触孔区域以外的其它区域的光刻胶。
3.根据权利要求2所述的用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法，其特征在于，以所述光刻胶为掩膜，通过湿法腐蚀工艺去除掉所述硫化锌层中对应于待形成的接触孔区域的硫化锌，具体包括：
将形成有所述碲化镉层、所述硫化锌层和所述光刻胶的碲镉汞晶片置入稀盐酸腐蚀液；
在超声环境下，以所述光刻胶为掩膜，通过所述稀盐酸腐蚀液去除掉所述硫化锌层中对应于待形成的接触孔区域的硫化锌。
4.根据权利要求3所述的用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法，其特征在于，对所述光刻胶进行去除，具体包括：
通过丙酮溶液去掉所述光刻胶。
5.根据权利要求4所述的用于碲镉汞pn结电学性能引出的方法，其特征在于，以经湿法腐蚀工艺处理后的硫化锌层为刻蚀掩膜，通过干法刻蚀工艺刻蚀掉对应于待形成的接触孔区域的碲化镉层，并刻蚀部分碲镉汞材料，形成接触孔图形，具体包括：
通过ICP干法刻蚀设备，以经湿法腐蚀工艺处理后的硫化锌层为刻蚀掩膜，利用CH4、H2和Ar的组合气体或H2和Ar的组合气体，刻蚀掉对应于待形成的接触孔区域的碲化镉层，并刻蚀部分碲镉汞材料，形成接触孔图形。
6.一种探测器芯片，其特征在于，所述探测器芯片采用如权利要求1至5任一项所述的方法制作而成。
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