專利名稱：硅基碲鎘汞器件的伸縮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅(Si)基碲鎘汞(HgCdTe)紅外焦平面列陣器件的芯片，具體是指可以緩解芯片的Si襯底與外延膜HgCdTe之間的熱失配應(yīng)力的一種伸縮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)芯片。
背景技術(shù)：
紅外焦平面列陣器件是既具有紅外信息獲取又具有信息處理功能的先進(jìn)的成像傳感器，在空間對(duì)地觀測(cè)、光電對(duì)抗、機(jī)器人視覺、搜索與跟蹤、醫(yī)用和工業(yè)熱成像、以及導(dǎo)彈精確制導(dǎo)等軍、民用領(lǐng)域有重要而廣泛的應(yīng)用。
隨著上述系統(tǒng)需求的不斷提高，紅外焦平面器件的發(fā)展趨勢(shì)是朝大規(guī)模、多色探測(cè)等方面發(fā)展。在大面陣紅外探測(cè)器的研制過程中，降低材料成本、提高器件可靠性等焦平面實(shí)用化技術(shù)問題日漸突出。Si基HgCdTe材料的應(yīng)用很好地解決了材料成本的問題。但是，相對(duì)于通常所用材料CdZnTe基HgCdTe或GaAs基HgCdTe來說，Si與HgCdTe之間的熱膨脹系數(shù)相差太大(50％)，而前者大約14％。所以當(dāng)材料從外延生長(zhǎng)溫度(接近200℃)冷卻到室溫(～25℃)，再從室溫冷卻到器件工作溫度(約-193℃)時(shí)，襯底Si與HgCdTe外延膜之間的巨大熱失配使得材料存在很大的內(nèi)應(yīng)力，經(jīng)過多次的溫度循環(huán)后，會(huì)導(dǎo)致材料缺陷增殖，影響材料性能，導(dǎo)致器件失效。理論分析表明，隨著器件尺寸的不斷增大，由兩層材料熱失配導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力引起器件失效的問題更顯突出。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述已有芯片結(jié)構(gòu)上存在的問題，本發(fā)明的目的是為了緩解大尺寸Si基與外延膜HgCdTe熱失配應(yīng)力而提出一種伸縮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的芯片。
本發(fā)明的技術(shù)方案是通過不影響焦平面器件芯片每一個(gè)光敏元電學(xué)信號(hào)引出的前提下，將光敏元之間以及光敏元與公共電極之間的電學(xué)連接通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而將非連接部分的HgCdTe材料和緩沖層材料完全刻穿，使焦平面器件芯片光敏元的基區(qū)不再是整個(gè)芯片尺寸級(jí)的大片連續(xù)，而是將各光敏元小基區(qū)通過伸縮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接。這樣在高低溫循環(huán)時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以比較自由的伸縮以緩解材料內(nèi)的失配應(yīng)力，即將低溫下由于Si和HgCdTe的熱膨脹系數(shù)的巨大差異所帶來的連續(xù)大面積薄膜材料的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為伸縮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的微小區(qū)域的應(yīng)變，抑制了材料內(nèi)的位錯(cuò)增殖，使整個(gè)芯片范圍內(nèi)的光敏元性能不因?yàn)闊崾鋺?yīng)力而導(dǎo)致失效，從而提高芯片的可靠性。
本發(fā)明的器件芯片包括Si襯底，在Si襯底上依次置有與其牢固結(jié)合的碲化鎘緩沖層、碲鎘汞外延薄膜，通過常規(guī)的器件芯片制備工藝在HgCdTe外延薄膜上形成光敏元列陣和公共電極，其特征在于光敏元與光敏元之間，光敏元與公共電極之間是通過光刻和干法刻蝕形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接，非網(wǎng)絡(luò)連接部分的HgCdTe材料被刻蝕去除，即每個(gè)光敏元區(qū)域自成一個(gè)小島，小島與小島之間以及與公共電極之間通過網(wǎng)絡(luò)連接。小島與小島之間的隔離槽寬為2-3μm，網(wǎng)絡(luò)線寬為8-10μm。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)適合于光敏元數(shù)320×240及以上的Si基HgCdTe紅外焦平面列陣器件芯片。
本發(fā)明帶來的一個(gè)非常顯著的優(yōu)點(diǎn)就是，無論器件規(guī)模有多大，器件尺寸有多大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都等效地將大芯片分解成光敏元尺度為單位的小芯片的集成，這樣在力學(xué)上器件的性能基本上與規(guī)模大小無關(guān)，從而有希望根本解決焦平面器件規(guī)模擴(kuò)大后的可靠性問題。


圖1為本發(fā)明的器件芯片的平面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的A-A’剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖1的B-B’剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為圖1的C-C’剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方法下面結(jié)合附圖，以光敏元數(shù)320×240芯片為例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)說明本發(fā)明的Si基HgCdTe紅外焦平面列陣芯片，包括Si襯底1，采用外延方法在Si襯底上依次生長(zhǎng)碲化鎘緩沖層2、HgCdTe外延薄膜3，然后通過光刻、離子注入、表面介質(zhì)生長(zhǎng)等常規(guī)的器件芯片制備工藝在碲鎘汞外延薄膜上形成光敏元4列陣和公共電極5，再利用半導(dǎo)體器件工藝線上的設(shè)備條件，光刻出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖形，運(yùn)用等離子體干法刻蝕技術(shù)將非網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接部分8的HgCdTe材料和碲化鎘緩沖層刻蝕穿，即每個(gè)光敏元區(qū)域自成一個(gè)小島，小島與小島之間以及與公共電極之間通過網(wǎng)絡(luò)連接，最后進(jìn)行器件芯片的表面鈍化。小島與小島之間的隔離槽6寬為2μm，網(wǎng)絡(luò)線7寬為9μm。
本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)芯片必須保證焦平面器件的電學(xué)輸出，即每一光敏元都成為網(wǎng)絡(luò)的連接點(diǎn)。另外，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還要滿足兩個(gè)條件1.隔離槽周圍材料不受損傷、電學(xué)性能沒有改性；2.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)光敏元有效信號(hào)收集面積影響不太大，不影響信號(hào)的讀出。第一個(gè)條件依靠先進(jìn)的等離子體干法無損傷刻蝕技術(shù)(ICP或者ECR)可以實(shí)現(xiàn)。至于第二個(gè)條件，分析表明完全可以滿足，理由如下以光敏元數(shù)為320×240的焦平面器件為例，其光敏元中心距通常為30μm，光敏元的PN結(jié)區(qū)401尺寸為22μm×22μm，光敏元的PN結(jié)區(qū)間隔為8μm。紅外焦平面器件每個(gè)光敏元響應(yīng)信號(hào)的大小與有效光敏元面積成正比，而有效光敏元面積Aeff＝(a+Lp)2(對(duì)正方形光敏元而言)，其中a為正方形光敏元邊長(zhǎng)，Lp為少子擴(kuò)散長(zhǎng)度。對(duì)1-3μm、3-5μm、8-12μm三個(gè)響應(yīng)波段的HgCdTe材料來說，少子擴(kuò)散長(zhǎng)度一般都大于10μm，所以對(duì)光敏元數(shù)為320×240硅基紅外焦平面器件來說，有效光敏元面積實(shí)際就等于光敏元中心距的平方，即30μm×30μm。小島與小島之間的隔離槽寬為2μm，則隔離后有效光敏元面積為28×28μm2，再加上小島之間的網(wǎng)絡(luò)線連接區(qū)域面積，總的有效光敏元面積約為原來的90％，所以可以認(rèn)為對(duì)信號(hào)影響不大，不影響讀出，10％的信號(hào)損失完全可以通過調(diào)整讀出電路的積分時(shí)間得到補(bǔ)償，從而不影響焦平面器件的性能。
權(quán)利要求
1.一種硅基碲鎘汞器件的伸縮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)芯片，包括Si襯底(1)，在Si襯底上依次置有與其牢固結(jié)合的碲化鎘緩沖層(2)、碲鎘汞外延薄膜(3)，通過常規(guī)的器件芯片制備工藝在HgCdTe外延薄膜上形成光敏元(4)列陣和公共電極(5)，其特征在于光敏元(4)與光敏元(4)之間，光敏元與公共電極(5)之間是通過光刻和干法刻蝕形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接，非網(wǎng)絡(luò)連接部分(8)的碲化鎘材料、碲鎘汞外延薄膜材料被刻蝕去除，即每個(gè)光敏元自成一個(gè)小島，小島與小島之間以及與公共電極之間通過網(wǎng)絡(luò)連接；小島與小島之間的隔離槽(6)寬為2-3μm，網(wǎng)絡(luò)線(7)寬為8-10μm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅基碲鎘汞器件的伸縮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)芯片，該芯片包括Si襯底，在Si襯底上依次置有與其牢固結(jié)合的碲化鎘緩沖層、碲鎘汞外延薄膜，通過器件芯片制備工藝在HgCdTe外延薄膜上形成特殊的網(wǎng)絡(luò)狀光敏元列陣，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在溫度變化時(shí)可以比較自由地伸縮。本發(fā)明帶來的一個(gè)非常顯著的優(yōu)點(diǎn)是，無論器件規(guī)模有多大，器件尺寸有多大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都等效地將大芯片分解成以光敏元尺度為單位的小芯片的集成，這樣在力學(xué)上器件的性能基本上與規(guī)模大小無關(guān)，從而有希望根本解決焦平面器件規(guī)模擴(kuò)大后的可靠性問題。
文檔編號(hào)H01L23/52GK101030591SQ20071003866
公開日2007年9月5日 申請(qǐng)日期2007年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月29日
發(fā)明者胡曉寧, 李言謹(jǐn), 葉振華, 何力 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所