红外焦平面芯片及其制备方法、红外焦平面探测器与流程

1.本发明涉及芯片技术领域，具体为一种红外焦平面芯片、红外焦平面探测器以及红外焦平面芯片的制备方法。


背景技术：

2.红外探测器芯片是红外探测器的“心脏”部分，其结构如图1所示。其主要包含读出电路1、互连金属3、包含p
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n结、阵列的红外光敏层2以及最表面的抗反膜4，其中光敏材料和读出电路最边缘的部分为公共电极区。其工作原理为：各个像元p
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n结产生的光电流，沿水平方向流经p型材料并达到最边缘的公共电极地7处，再通过互连金属达到读出电路的公共电极，实现光生电子的电流回路。
3.采用传统的红外探测器阵列工艺结构，电流流经探测器背面共用的p型区域时，因每个像素到四周p型区域路径不一样，使每个像素到四周p型区域的材料体电阻（rp）不一样，中心像素到周围像素更远，电阻更大。随着面阵尺寸增加，背景辐射能量增大，中心像素和边缘像素的gpol工作点的电压差越突出。为保证探测器所有像素工作正常，需要按照中心像素选择gpol工作点。周围像素的成像质量因工作点偏离最佳gpol工作点，而出现周围噪声大，成像质量差的问题。该现象在长波器件上更为突出。
4.各个像元的工作原理图如图2所示。part1部分和探测器材料、工艺相关；part2部分是电路内部将红外光电子转化成模拟电压信号的过程，和读出电路相关。将part1部分细化成part1s，每个像素都通过电路给定相同的gpol电压（vgpol），因每个像素的结电阻（rn(i,j) ），以及像元到公共电极地的压降电阻（rp）都存在差异。导致加到各个像素的实际gpol电压（v
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gpol）存在差别，该gpol电压是影响红外成像的重要偏压。
5.为降低中心像素和边缘像素gpol工作点之间的电压偏差，可通过降低电流流向电路公共电极subpv的压降电阻（rp）。
6.专利cn108922898a在敏感材料正面生长等电位的金属，降低压降电阻（rp），实现减小中心像素和边缘像素之间gpol工作电压。该方法仅适用于平面结的材料结构，且随像元间距减小（目前红外的发展方向），等电位线导致的像元间短路失效的风险大大增加。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种红外焦平面芯片、红外焦平面探测器以及红外焦平面芯片的制备方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。
8.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种红外焦平面芯片，包括衬底、红外敏感层、于所述衬底上设置的读出电路以及连接所述红外敏感层的互连金属，于所述红外敏感层的n型区设抗反膜，所述红外敏感层的p型区具有不透红外光的金属层，所述金属层通过引线与公共电极地连接。
9.进一步，所述抗反膜于所述红外敏感层上阵列分布。
10.进一步，所述阵列为沿x方向和y方向阵列。
11.进一步，所述金属层的线宽小于二分之一的像元间距。
12.进一步，所述金属层为锡金，所述金属层的锡厚度大于1μm；所述金属层的金厚度大于0.5μm。
13.本发明实施例提供另一种技术方案：一种红外焦平面探测器，包括上述的红外焦平面芯片。
14.本发明实施例提供另一种技术方案：一种红外焦平面芯片的制备方法，包括如下步骤：预先制备衬底、读出电路、红外敏感层、互连金属以及抗反膜；通过负胶光刻工艺，在抗反膜上制备金属图形；采用湿法腐蚀工艺去除所述金属图形对应的抗反膜，以裸露出抗反膜下方的红外敏感层；在裸露出的红外敏感层上生长不透红外光的金属层，并剥离去除光刻胶和多余的金属；最后，将所述金属层和所述读出电路的公共电极地通过引线连接。
15.进一步，采用5%稀hcl，腐蚀30s去除抗反膜。
16.进一步，采用电子束蒸发进行所述金属层的生长，所述金属层为锡金，所述金属层的锡厚度大于1μm；所述金属层的金厚度大于0.5μm。
17.进一步，采用湿法腐蚀工艺去除所述金属图形对应的抗反膜，且剩下的抗反膜于所述红外敏感层上阵列分布，阵列为沿x和y方向阵列。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、通过简单、低成本的方式在p型区（即芯片背面）增加金属层，实现了降低中心像素和边缘像素gpol工作点之间的电压偏差，进而提高了探测器边缘像素的成像质量，大大提高芯片良率，并降低制造成本。
19.2、在p型区（即芯片背面）生长等电位的金属，是在芯片加工完成后根据实际使用情况选择性进行，实现相同的等电位功效，大大增加了该工艺的灵活度。而且避免了正面等电位加工工艺受限于平面结的局限性，和小像元芯片加工时等电位金属和像元间短路而失效的风险。同时，通过设计背面等电位金属的周期性结构（厚度、形状），可实现光增强电信号，减小光串音的效果，进一步改善红外芯片的成像质量，避免挡光而降低探测器灵敏度。
附图说明
20.图1为传统的红外焦平面芯片的示意图；图2为传统的红外焦平面芯片的各个像元的工作原理图；图3为本发明实施例提供的一种红外焦平面芯片的第一视角的示意图；图4为本发明实施例提供的一种红外焦平面芯片的第二视角的示意图；图5为本发明实施例提供的一种红外焦平面芯片的各个像元的工作原理图；图6为本发明实施例提供的一种红外焦平面芯片的等电位结构的示意图（台面结）；图7为本发明实施例提供的一种红外焦平面芯片的等电位结构的示意图（平面结）；
附图标记中：1
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读出电路；2
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红外敏感层；3
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互连金属；4
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抗反膜；5
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金属层；6
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引线；7
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公共电极地；8
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像元；9
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隔离槽。
具体实施方式
21.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它实施例，都属于本发明保护的范围。
22.请参阅图3至图5，本发明实施例提供一种红外焦平面芯片，包括衬底、红外敏感层2、于所述衬底上设置的读出电路1以及连接所述红外敏感层2的互连金属3，于所述红外敏感层2的n型区设抗反膜4，所述红外敏感层2的p型区具有不透红外光的金属层5，所述金属层5通过引线6与公共电极地7连接。在本实施例中，通过简单、低成本的方式在p型区（即芯片背面）增加金属层，实现了降低中心像素和边缘像素gpol工作点之间的电压偏差，进而提高了探测器边缘像素的成像质量，大大提高芯片良率，并降低制造成本。具体地，如图4所示，金属层5和抗反膜4分别用白色和黑色表示，它们形成一整层并位于红外敏感层2上，通过在探测器背面p型区域表面生长不透红外光的金属，并通过引线6和电路公共电极subpv相连，实现降低各个像素电流流向电路公共电极subpv的压降电阻（rp），降低中心像素的gpol工作点，进而减小边缘像素最佳gpol工作点的偏离度。同时金属层5可阻挡周围p型区域的光生电子，进一步改善周围像素成像质量。其中的引线6为金丝引线。本金属层5适用于不同类型的红外光敏材料焦平面，以及制备的各种像素规模、各种像素尺寸的阵列。对于长波或者2k
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2k以上更大规模的焦平面芯片，通过本专利方法，其对周围像素的成像质量改善效果会更为突出。优选的，在p型区（即芯片背面）生长等电位的金属，是在芯片加工完成后根据实际使用情况选择性进行，实现相同的等电位功效，大大增加了该工艺的灵活度。而且避免了正面等电位加工工艺受限于平面结的局限性，和小像元芯片加工时等电位金属和像元间短路而失效的风险。同时，通过设计背面等电位金属的周期性结构（厚度、形状），可实现光增强电信号，减小光串音的效果，进一步改善红外芯片的成像质量，避免挡光而降低探测器灵敏度。具体地，如图6和图7所示，图6为台面结的等电位结构的示意图，图7为平面结的等电位结构的示意图，图6中，金属层5下方具有隔离槽9，图7中，金属层下方拱形结构处注入成结，通过电路标记光刻对位实现金属层5精确刻套，实现如图6和图7的相对像元的位置，进而实现不挡光的效果。
23.作为本发明实施例的优化方案，请参阅图3至图5，所述抗反膜4于所述红外敏感层2上阵列分布。优选的，所述阵列为沿x方向和y方向阵列。在本实施例中，如图4所示，抗反膜4是方形阵列分布，周期性分布在焦平面各像元8的正上方。金属层5和抗返膜4图形互补，优选的，所述金属层5的线宽小于二分之一的像元8间距，该线宽表示在x方向和y方向的金属线宽度。
24.作为本发明实施例的优化方案，请参阅图3至图5，所述金属层为锡，所述金属层的厚度大于1μm；或者所述金属层为金，所述金属层的厚度大于0.5μm。锡金可增加金属与半导体的粘附性，同时改善金属半导体的接触电阻，进一步改善周围像素的压降电阻。当然本实施例并不限制金属的类型、厚度以及加工工艺。
25.本发明实施例提供一种红外焦平面探测器，它包括上述的红外焦平面芯片。在红外焦平面探测器中利用上述的红外焦平面芯片，使得红外焦平面探测器具有上述芯片的优点，此处就不再赘述。
26.请参阅图3至图5，本发明实施例提供一种红外焦平面芯片的制备方法，包括如下步骤：s1，预先制备衬底、读出电路1、红外敏感层2、互连金属3以及抗反膜4；s2，通过负胶光刻工艺，在抗反膜4上制备金属图形；曝光后图形区无光刻胶，p型区（即芯片背面）被裸露出来；s3，采用湿法腐蚀工艺去除所述金属图形对应的抗反膜4，以裸露出抗反膜4下方的红外敏感层2；s4，在裸露出的红外敏感层2上生长不透红外光的金属层5，并剥离去除光刻胶和多余的金属（锡和金），在红外焦平面p型区（即芯片背面）留下等电位结构（即金属层5）；s5，最后，将所述金属层5和所述读出电路1的公共电极地7通过引线6连接，该引线6可以是金丝引线。
27.在本实施例中通过本方法避免了正面等电位工艺的局限性和小尺寸加工的风险（等电位线导致的像元8间短路失效）。通过简单、低成本的方式在p型区（即芯片背面）增加金属层，实现了降低中心像素和边缘像素gpol工作点之间的电压偏差，进而提高了探测器边缘像素的成像质量，大大提高芯片良率，并降低制造成本。优选的，采用p型区（即芯片背面）生长等电位的金属，是在芯片加工完成后根据实际使用情况选择性进行，实现相同的等电位功效，大大增加了该工艺的灵活度。而且避免了正面等电位加工工艺受限于平面结的局限性，和小像元芯片加工时等电位金属和像元间短路而失效的风险。同时，通过设计背面等电位金属的周期性结构（厚度、形状），可实现光增强电信号，减小光串音的效果，进一步改善红外芯片的成像质量，避免挡光而降低探测器灵敏度。
28.作为本发明实施例的优化方案，在所述s3步骤中，可以采用5%稀hcl，腐蚀30s去除抗反膜4。
29.作为本发明实施例的优化方案，采用电子束蒸发进行所述金属层5的生长，所述金属层为锡，所述金属层的厚度大于1μm；或者所述金属层为金，所述金属层的厚度大于0.5μm。
30.作为本发明实施例的优化方案，采用湿法腐蚀工艺去除所述金属图形对应的抗反膜4，且剩下的抗反膜4于所述红外敏感层2上阵列分布，阵列为沿x和y方向阵列。在本实施例中，如图4所示，抗反膜4是方形阵列分布，那么金属层5亦是如此。优选的，所述金属层5的线宽小于二分之一的像元8间距，周期性分布在焦平面各像元8之间。该线宽表示在x方向和y方向的金属线宽度。
31.作为本发明实施例的优化方案，在s1步骤中，具体是通过红外焦平面成结、退火、金属电极、倒焊互连、衬底去除、生长抗反膜4，一系列工艺得到传统的红外焦平面芯片，该芯片包含了衬底、读出电路1、红外敏感层2、互连金属3以及抗反膜4等常规部分。
32.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。