可释放热失配应力的硅基碲镉汞凝视红外焦平面器件芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种可释放热失配应力的硅基碲镉汞凝视红外焦平面器件芯片，该芯片包括Ｓｉ衬底，与Ｓｉ衬底牢固结合的碲镉汞外延薄膜，通过常规的器件芯片制备工艺在碲镉汞外延薄膜上形成的光敏元列阵，在每１０－２０个光敏元间的隔离区，均匀地置有通过等离子体刻蚀形成的可释放热失配应力的小孔，从而使焦平面器件芯片在室温－低温（８０Ｋ）的温度循环过程中，热失配应力在局部小区域得到释放，使整个焦平面范围内的光敏元性能不因为热失配应力而导致失效，提高芯片的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及碲镉汞红外焦平面器件芯片，具体是指一种可释放热失配应力的像元规模在320×240及以上的硅基碲镉汞凝视红外焦平面列阵器件芯片。
技术介绍
凝视红外焦平面列阵器件是既具有红外信息获取又具有信息处理功能的先进的成像传感器，在空间对地观测、光电对抗、机器人视觉、搜索与跟踪、医用和工业热成像、以及导弹精确制导等军、民用领域有重要而广泛的应用。红外焦平面器件是一个由多层构成的器件，包含外延衬底、HgCdTe薄膜、Si读出电路、互连In柱、粘结胶以及引线基板等。器件的工作温度通常在80K左右，由于各层材料之间的热膨胀系数不同导致焦平面器件在工作中承受很大的热应力，热应力是导致红外焦平面器件失效的重要因素之一。特别是当像元数规格大于320×240时，热应力导致器件光敏元性能降低甚至完全失效的问题更加突出。采用与读出电路热匹配的Si基碲镉汞材料制备探测器芯片是国际上近年来努力的目标。采用Si衬底的碲镉汞薄膜材料不仅具有与Si读出电路热匹配的特点，还具备极其廉价、大面积、热导率高从而使焦平面器件均匀性更好、平整度、机械强度以及晶体质量高、衬底杂质少等特点。然而Si衬底与碲镉汞外延薄膜之间热失配很大，热应力导致器件失效的问题依然存在。
技术实现思路
基于上述Si衬底与碲镉汞外延薄膜之间存在的热失配问题，本专利技术的目的是要提出一种可释放它们之间热失配应力的硅基碲镉汞红外焦平面列阵器件芯片。本专利技术所指的是像元数320×240及以上的硅基碲镉汞红外焦平面列阵器件芯片，该芯片包括<211>晶向的Si衬底，与Si衬底牢固结合的碲镉汞外延薄膜，通过常规的器件芯片制备工艺在碲镉汞外延薄膜上形成的光敏元列阵，其特征在于在每10-20个光敏元间的隔离区，均匀地置有通过等离子体刻蚀形成的小孔，小孔尺度小于有效光敏元面积的1％，小孔深度为碲镉汞外延薄膜的厚度，小孔内表面置有钝化层。本专利技术的优点是通过在焦平面器件的光敏元列阵隔离区均匀地引入应力释放点，即小孔，使焦平面器件在室温—低温(80K)的温度循环过程中，热失配应力在局部小区域得到释放，从而使整个焦平面范围内的光敏元性能不因为热失配应力而导致失效，提高芯片的可靠性。附图说明图1为本专利技术的器件芯片的剖面结构示意图；图2为本专利技术的器件芯片的平面结构示意图。具体实施方法下面结合附图，以像元数320×240芯片为例对本专利技术作进一步的说明本专利技术的硅基碲镉汞红外焦平面列阵芯片，包括Si衬底1，采用外延方法在Si衬底上生长碲镉汞外延薄膜2，通过常规的器件芯片制备工艺在碲镉汞外延薄膜上形成光敏元列阵3，再利用半导体器件工艺线上的设备条件，在像元隔离区光刻出小孔4图形，然后运用等离子体干法刻蚀技术将小孔内的HgCdTe材料刻蚀穿，最后进行器件芯片的表面钝化。等离子体干法无损刻蚀小孔的具体过程如下将芯片装入ICP等离子体刻蚀机，抽真空至5×10-5Torr，设定刻蚀装置的CH4流量为每分钟2个标准立方厘米(sccm)；Ar流量为每分钟40个标准立方厘米(sccm)；N2流量为每分钟15个标准立方厘米(sccm)；装置的腔体压强为10mTorr；在上述工艺参数下，刻蚀时间约120分钟。所说的ICP等离子体刻蚀机由英国牛津仪器Oxford Instrument PlasmaTechnology出品，型号ICP65 System 80plus。本专利技术的小孔的引入必须以不影响焦平面器件电学性能为前提，即要满足两个条件1.小孔周围材料不受损伤、电学性能没有改性；2.小孔的引入对临近小孔的光敏元有效信号收集面积影响不大，光敏元的响应均匀性改变不大。第一个条件必须依靠先进的等离子体干法无损伤刻蚀技术(ICP或者ECR)实现。为满足第二条件，小孔尺度要控制在小于有效光敏元面积的1％。理由分析如下以像元数为320×240的焦平面器件为例，其像元中心距通常为30μm，光敏元尺寸为22μm×22μm，光敏元间隔8μm。红外焦平面器件每个像元响应信号的大小与有效光敏元面积成正比，而有效光敏元面积Aeff＝(a+Lp)2(对正方形光敏元而言)，其中a为方形光敏元边长，Lp为少子扩散长度。对1-3μm、3-5μm、8-12μm三个响应波段的HgCdTe材料来说，少子扩散长度一般都大于10μm，所以对像元数为320×240硅基红外焦平面器件来说，有效光敏元面积实际就等于像元中心距的平方，即30μm×30μm。小孔尺寸控制在Φ3μm，使小孔周围的4个光敏元有效面积减小值小于1％，所以可以认为对信号影响不大，从而不影响焦平面的均匀性。本专利技术已成功地运用于像元数320×240硅基HgCdTe红外焦平面器件，经对比实验，芯片在室温与液氮温度之间的循环次数由原来10次提高到100次而性能不变。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可释放热失配应力的硅基碲镉汞凝视红外焦平面器件芯片，该芯片包括〈２１１〉晶向的Ｓｉ衬底（１），与Ｓｉ衬底牢固结合的碲镉汞外延薄膜（２），通过常规的器件芯片制备工艺在碲镉汞外延薄膜上形成的光敏元列阵（３），其特征在于：在每１０－２ ０个光敏元间的隔离区，均匀地置有通过等离子体刻蚀形成的小孔（４），小孔尺度小于有效光敏元面积的１％，小孔深度为碲镉汞外延薄膜的厚度，小孔内表面置有钝化层。

【技术特征摘要】
1.一种可释放热失配应力的硅基碲镉汞凝视红外焦平面器件芯片，该芯片包括<211>晶向的Si衬底(1)，与Si衬底牢固结合的碲镉汞外延薄膜(2)，通过常规的器件芯片制备工艺在碲镉汞外...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓宁，叶振华，何力，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]