InSb红外焦平面探测器阵列及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种InSb红外焦平面探测器阵列及其制作方法。该探测器阵列包括n型InSb衬底(1)和钝化层(7)，n型InSb衬底(1)上刻蚀有t×t个台面(2)，t为整数且t≥1；每个台面(2)上部淀积有阳极(5)，n型InSb衬底(1)边缘上部淀积有“回”字形阴极(6)；所述n型InSb衬底(1)上部和每个台面(2)侧面淀积有保护层(4)；每个台面(2)正下方的n型InSb衬底(1)内设有m个相同的p型等腰三角形掺杂区(3)，m为整数且m≥1，这些p型等腰三角形掺杂区与n型InSb衬底构成pn结。本发明具有工艺简单、量子效率高、串音低的优点，可用于红外侦查和红外医疗领域。
【专利说明】I nSb红外焦平面探测器阵列及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体光伏型探测器【技术领域】，特别涉及Insb红外焦平面探测器阵 列，可用于红外侦查、红外制导和红外医疗。 技术背景
[0002] 红外焦平面探测器阵列是红外系统的核心元件，其功能是将红外辐射转化成其它 我们能够识别的信号。在空间对地观测、光电对抗、机器人视觉、医用和工业热成像、搜索与 跟踪、以及导弹精确制导等军、民领域有重要而广泛的应用，高性能大规模的红外焦平面探 测器阵列已经大量应用于各种重大国家安全项目和重要新型武器系统中。由于其具有不可 替代的地位和作用，世界上的主要工业大国都将红外焦平面阵列器件制备技术列为重点发 展的高技术项目。
[0003] 红外探测器的工作模式主要有光导型和光伏型两种，而光伏型红外探测器由于 存在内建电场，暗电流较小，所以广泛应用于军事中，其中光伏型InSb红外探测器是目前 研究最多的一种光伏型探测器，这种探测器多数以pn结为基础，可以构成光伏型焦平面阵 列。近年来，红外焦平面阵列技术已经呈现出规格越来越大、像元中心距越来越小、多光谱 探测应用越来越多、新材料不断涌现等的发展趋势。在高级红外应用系统的大力驱动下，红 外探测技术已经从第一代的单元和线阵列，逐渐进入了以大面阵、小型化和多色化等特点 的第三代红外焦平面探测器的发展阶段。随着航天和军事领域的飞速发展，对中波红外探 测器件的性能要求越来越高，通过改善材料质量来提高探测器性能已远不能满足当前的应 用需求，因此采用器件结构优化设计来提高探测器性能已成为国内外研究热点。
[0004] 量子效率和串音是衡量InSb光伏型红外焦平面探测器阵列性能的重要参数指 标，它们会影响探测器阵列的探测率，在很大程度上决定着探测器的探测效果。为了提高 量子效率、减小串音，1981年，赵文琴首次提出在InSb阵列探测器中采用质子注入形成 的高阻层进行隔离的方法，制备的InSb阵列探测器的串音降低到1. 7?3. 76%，然而量 子效率的改善并不明显，仅为45%，参见InSb质子轰击损伤的隔离效应，赵文琴，半导 体学报，Vol. 2, No. l，pp. 14-21，1981。2006年，叶振华等人报道了 一种带有增透会聚微 镜的红外焦平面探测器，有效地提高了探测器的光电流，可将串音减小到1%，参见专利 CN100433328C。然而，该发明是通过从外部引入新型的增透会聚微镜来改善探测器的性能， 一方面，增透会聚微镜的制备较为复杂，另一方面，该专利中在半导体器件结构设计方面并 没有本质的创新。2011年，胡伟达等人报道了一种微透镜列阵InSb红外焦平面阵列的结 构，该结构是通过采用硅微透镜结构增加了光吸收，从而改善了器件性能，通过硅微透镜结 构优化可以使串音降低到4. 2%，参见专利CN 102201487 B。然而，该发明需要在硅衬底上 异质外延InSb材料，这将会导致n型InSb区域中尤其是娃衬底与n型InSb区域界面附近 产生大量位错或缺陷，影响光生载流子的产生，并会俘获大量光生载流子，此外该发明还需 要制备硅微透镜，因此该发明实现难度较大。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种制造工艺简单、串音小、量 子效率高的InSb红外焦平面探测器阵列及其制作方法，以提高红外焦平面探测器阵列的 性能。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供了一种InSb红外焦平面探测器阵列，该结构自上 而下包括：n型InSb衬底和钝化层，在n型InSb衬底上刻蚀有tXt个台面，t为整数且 t > 1，每个台面上部淀积有阳极，n型InSb衬底边缘上部淀积有"回"字形阴极；所述n型 InSb衬底上部和台面侧面淀积有保护层，其特征在于：每个台面正下方的n型InSb衬底内 设有m个相同的p型等腰三角形掺杂区，m为整数且m彡1，这些p型等腰三角形掺杂区与 n型InSb衬底构成pn结结构。
[0007] 作为优选，所述的n型InSb衬底刻蚀前的厚度k为3. 5?20 ii m，刻蚀后的厚度s 为3?10 u m，惨杂浓度为1 X 10ncm 3?1 X 1016cm 3。
[0008] 作为优选，所述的每个台面的上、下表面均为正方形，正方形的边长L为10? 60iim，每个台面的高度H均相同，H等于k减去s，且取值范围为0. 5?lOiim。
[0009] 作为优选，所述的相邻两个台面之间的距离屯和最边缘台面与n型InSb衬底边 缘之间的距离d 2相等，且取值范围为0. 4?60 y m。
[0010] 作为优选，所述的m个p型等腰三角形掺杂区的底边长为r，r = L/m，高h小于或 等于n型InSb衬底刻蚀后的厚度s，且h等于3e°°2dl。
[0011] 作为优选，所述的每个台面的下表面与该台面正下方的m个p型等腰三角形掺杂 区的底面相接。
[0012] 为实现上述目的，本发明提供的制作InSb红外焦平面探测器阵列的方法，包括如 下过程：
[0013] 第一步，在n型InSb衬底上第一次制作掩膜，利用该掩膜在n型InSb衬底上刻蚀 制作tXt个台面；
[0014] 第二步，在n型InSb衬底上部、每个台面上部和每个台面侧面淀积厚度为3? 10 y m的介质层；
[0015] 第三步，在介质层上第二次制作掩膜，利用该掩膜在每个台面上部的介质层内刻 蚀制作m个相同的等腰V形凹槽，这些等腰V形凹槽的深度小于或等于介质层的厚度；
[0016] 第四步，对每个等腰V形凹槽下部的n型InSb材料进行p型杂质离子注入，实现 对每个台面的P型掺杂，并在每个台面下部形成m个相同的p型等腰三角形掺杂区，且p型 等腰三角形掺杂区的底边长为r，r = L/m，高h小于或等于n型InSb衬底刻蚀后的厚度s， h 等于 3ea()Ml ;
[0017] 第五步，在介质层上第三次制作掩膜，利用该掩膜刻蚀去除n型InSb衬底上部、每 个台面上部和每个台面侧面的介质层；
[0018] 第六步，在n型InSb衬底上部、每个台面上部和每个台面侧面淀积保护层，即用绝 缘介质材料分别覆盖n型InSb衬底上部、每个台面上部和每个台面侧面的区域；
[0019] 第七步，在保护层上第四次制作掩膜，利用该掩膜刻蚀去除n型InSb衬底边缘上 部和每个台面上部的保护层；
[0020] 第八步，在每个台面上和n型InSb衬底边缘上第五次制作掩膜，利用该掩膜在每 个台面上部淀积金属制作阳极，同时在n型InSb衬底边缘上部淀积金属制作"回"字形阴 极；
[0021] 第九步，在n型InSb衬底的下部淀积钝化层，即用透红外辐射绝缘介质材料覆盖 n型InSb衬底下部的区域，从而完成整个探测器阵列的制作。
[0022] 本发明阵列与传统的InSb红外焦平面探测器阵列比较具有以下优点：
[0023] 1、本发明由于在每个台面下的n型InSb衬底内均形成了 m个相同的p型等腰三 角形掺杂区，减小了 pn结结区与光生载流子产生区之间的距离，并增大了 pn结的结面积， 从而增强了 pn结结区抽取光生载流子的能力，有效抑制了光生载流子向其它探测单元的 运动，因此大大减小了 InSb红外焦平面探测器阵列的串音，显著提高了量子效率。
[0024] 2、本发明通过在台面下n型InSb衬底内引入三角形掺杂区来改善InSb红外焦平 面探测器阵列的性能，避免了在传统InSb红外焦平面探测器阵列制作工艺中光学微透镜 制备、异质外延等所带来的工艺复杂化问题，降低了探测器阵列的制造难度。
[0025] 仿真结果表明，本发明InSb红外焦平面探测器阵列的性能明显优于传统红外焦 平面探测器阵列的性能。
[0026] 以下结合附图和实施例进一步说明本发明的技术内容和效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1是本发明InSb红外焦平面探测器阵列的俯视结构示意图；
[0028] 图2是对图1横向AB的剖面结构示意图；
[0029] 图3是对图1纵向⑶的剖面结构示意图；
[0030] 图4是本发明InSb红外焦平面探测器阵列的工艺制作流程图；
[0031] 图5是本发明与传统的InSb红外焦平面探测器阵列的空穴浓度仿真对比图；
[0032] 图6是本发明与传统的InSb红外焦平面探测器阵列沿入射辐射方向的纵向电场 仿真对比图；
[0033] 图7是本发明与传统的InSb红外焦平面探测器阵列沿入射辐射方向的横向电场 仿真对比图。
【具体实施方式】
[0034] 参照图1、图2和图3,本发明InSb红外焦平面探测器阵列是基于InSb半导体材 料的pn结结构，该结构自上而下包括：n型InSb衬底1和钝化层7。
[0035] 所述n型InSb衬底1上刻蚀有tXt个台面2, t为整数且t彡1，其中n型InSb衬底 1刻蚀前的厚度k为3. 5?20 y m，刻蚀后的厚度s为3?10 y m，掺杂浓度为1 X 10nCm_3? 1 X 1016cnT3 ;每个台面2的上、下表面均为正方形，正方形边长L为10?60 y m，每个台面的 高度H均相同，H的取值范围为0. 5?10 y m ;相邻两个台面2之间的距离为屯，最边缘台面 与n型InSb衬底1边缘之间的距离为d2,屯等于d 2，且取值范围为0.4?60 iim。每个台 面2上部淀积有阳极5 ;n型InSb衬底1边缘上部淀积有"回"字形阴极6,该"回"字形图 形各内边长相等且各外边长相等，其中外边长为tXL+(t+l) Xdi，外边长与内边长之间的 距离为d2/2。每个台面2正下方的n型InSb衬底1内设有m个相同的p型等腰三角形掺 杂区3, m为整数且m彡1，这些p型等腰三角形掺杂区3均与n型InSb衬底1构成pn结 结构；每个台面2的下表面均与该台面正下方的m个p型等腰三角形掺杂区3的底面相接， P型等腰三角形掺杂区3的底边长为r，r = L/m，高h小于或等于n型InSb衬底1刻蚀后 的厚度s，且h等于3eau2dl ; n型InSb衬底1上部和每个台面2侧面淀积有保护层4。
[0036] 上述InSb红外焦平面探测器阵列中：保护层4采用Si02、ZnS、SiN、A1 203、Sc203、 Hf02、Ti0 2或其它绝缘介质材料，其厚度为0. 1?liim;阳极5和阴极6的厚度相同，且均 采用相同的Cr/Au金属组合，金属厚度为0. 03?0. 05 y m/0. 5?1 y m，且下层金属厚度小 于上层金属厚度；钝化层7采用ZnS、Si02、SiN、A120 3、Hf02、Ti02或其它透红外辐射绝缘介 质材料，其厚度为〇.〇5?lum。
[0037] 参照图4,本发明制作InSb红外焦平面探测器阵列给出如下三种实施例：
[0038] 实施例一：制作保护层为SiN，钝化层为SiN，每个台面正下方p型等腰三角形掺杂 区的个数m = 10,阵列大小为20X20的InSb红外焦平面探测器阵列。
[0039] 步骤1，在n型InSb衬底1上刻蚀制作20X20个台面2,如图4a。
[0040] la)在厚度k为20 ii m、掺杂浓度为1 X 1016cm_3的n型InSb衬底1上第一次制作 掩膜，该掩膜图形是由20X20个边长L为60 的正方形组成的阵列，相邻两个正方形之 间的距离屯，以及最边缘正方形与n型InSb衬底1边缘之间的距离d2均为60 y m ;
[0041] lb)利用该掩膜采用反应离子刻蚀技术在n型InSb衬底1上刻蚀出20X20个台 面2,其中每个台面2的高度H均为10 iim，n型InSb衬底1刻蚀后的厚度s为10 iim。刻 蚀台面采用的工艺条件为：Ar/CH4/H2流量比为1:2:6. 6,压强为0. 35Pa，功率为500W。
[0042] 步骤2,在n型InSb衬底1上部、20 X 20个台面2上部和20 X 20个台面2侧面淀 积介质层8,如图4b。
[0043] 采用等离子体增强化学气相淀积技术在n型InSb衬底1上部、20 X 20个台面2上 部和20 X 20个台面2侧面淀积厚度为10 y m的Si02介质层8。
[0044] 淀积介质层采用的工艺条件为：N20流量为90〇SCCm，SiH 4流量为225SCCm，温度为 275°C，RF 功率为 27. 5W，压强为 1250mTorr。
[0045] 步骤3,在介质层8内刻蚀制作等腰V形凹槽9,如图4c。
[0046] 在介质层8上第二次制作掩膜，采用反应离子刻蚀技术在20X20个台面2上部的 介质层8内均刻蚀制作10个相同的等腰V形凹槽9,等腰V形凹槽9的深度为10 iim，底边 长度为6 ii m。
[0047] 刻蚀凹槽采用的工艺条件为：SF6流量为7. 5sCCm，02流量为2. 5sCCm，压强为 12. 5mTorr，偏置电压为125V。
[0048] 步骤4,对等腰V形凹槽9下部的n型InSb材料进行p型杂质离子注入，实现台面 2的p型掺杂，并形成p型等腰三角形掺杂区3,如图4d。
[0049] 对每个等腰V形凹槽9下部的n型InSb材料进行p型杂质离子注入，实现对 20X20个台面2的p型掺杂，同时在每个台面2下部的n型InSb衬底1内形成与介质层8 内10个等腰V形凹槽9形状相似的p型等腰三角形掺杂区3, p型等腰三角形掺杂区3的 底边r为6iim，高h为lOii m，其中掺杂杂质为硼离子，掺杂浓度为1 X 1018cnT3。
[0050] 离子注入采用的工艺条件为：注入剂量为7 X 1013cm_2,注入能量为800keV。
[0051] 步骤5,去除介质层8,如图4e。
[0052] 在介质层8上第三次制作掩膜，采用反应离子刻蚀技术刻蚀去除n型InSb衬底1 上部、20X20个台面2上部和20X20个台面2侧面的介质层8。
[0053] 刻蚀介质层采用的工艺条件：CF4流量为5〇SCCm，0 2流量为7.5SCCm，压强为 17. 5mTorr，功率为 275W。
[0054] 步骤6,在n型InSb衬底1上部、20 X 20个台面2上部和20 X 20个台面2侧面淀 积保护层4,如图4f。
[0055] 采用等离子体增强化学气相淀积技术在n型InSb衬底1上部、20 X 20个台面2上 部和20X20个台面2侧面淀积厚度为1 y m的SiN保护层4。
[0056] 淀积保护层采用的工艺条件为：气体为NH3、N2及SiH 4,气体流量分别为2. 2SCCm、 925sccm 和 225sccm，温度、RF 功率和压强分别为 275°C、22. 5W 和 925mTorr。
[0057] 步骤7,刻蚀去除n型InSb衬底1边缘上部和20X20个台面2上部的保护层4， 如图4g。
[0058] 7a)在保护层4上第四次制作掩膜，该掩膜是由阳极掩膜图形和阴极掩膜图形构 成，其中阳极掩膜图形是由20X20个边长L为60 的正方形所组成的阵列，相邻两个正 方形的间距屯、最边缘正方形与n型InSb衬底1边缘之间的距离d2均为60 iim ;阴极掩 膜图形为"回"字形图形，该"回"字形图形各内边长相等且各外边长相等，其中外边长为 2460 y m，外边长与内边长的间距为30 y m ;
[0059] 7b)利用上述掩膜采用反应离子刻蚀技术刻蚀去除n型InSb衬底1边缘上部和 20 X 20个台面2上部的保护层4。刻蚀保护层采用的工艺条件为：CF4流量为25SCCm，0 2流 量为3sccm，压强为25mTorr，偏置电压为150V。
[0060] 步骤8,在台面2上部淀积金属制作阳极5,同时在n型InSb衬底1边缘上部淀积 金属制作"回"字形阴极6,如图4h。
[0061] 8a)在20X20个台面2上和n型InSb衬底1边缘上第五次制作掩膜，该掩膜图形 与步骤7中第四次制作的掩膜图形完全相同；
[0062] 8b)利用上述掩膜，采用电子束蒸发技术在每个台面2上部和n型InSb衬底1边 缘上部依次淀积Cr、Au金属，制作阳极5和"回"字形阴极6,金属厚度为0. 05 y m/1 y m，再 在N2气氛中进行快速退火。
[0063] 淀积金属采用的工艺条件为：真空度小于1. 8X l(T3Pa，功率范围为200?1000W， 蒸发速率小于3A/s;快速退火采用的工艺条件为：温度为700°C，时间为30s。
[0064] 步骤9,在n型InSb衬底1的下部淀积钝化层7,如图4i。
[0065] 采用等离子体增强化学气相淀积技术在n型InSb衬底1的下部淀积厚度为1 y m 的SiN钝化层7,从而完成整个探测器阵列的制作。
[0066] 淀积钝化层的工艺条件为：气体为NH3、N2及SiH 4，气体流量分别为2. 2SCCm、 925sccm 和 225sccm，温度、RF 功率和压强分别为 275°C、22. 5W 和 925mTorr。
[0067] 实施例二：制作保护层为Si02，钝化层为Si02，每个台面正下方p型等腰三角形掺 杂区的个数m = 4,阵列大小为256X256的InSb红外焦平面探测器阵列。
[0068] 步骤一，在n型InSb衬底1上刻蚀制作256X256个台面2,如图4a。
[0069] 在厚度k为lliim、掺杂浓度为lX1014cm_3的n型InSb衬底1上第一次制作掩 膜，利用该掩膜采用感应耦合等离子反应刻蚀技术，在Ar/CH 4/H2流量比为1:3:10,压强为 lOPa，功率为550W的工艺条件下，在n型InSb衬底1上刻蚀制作256X256个台面高度H 为5 y m、边长L为40 y m的正方形台面2,其中相邻两个台面的间距屯、最边缘台面与n型 InSb衬底边缘之间的距离d2均为30 y m ;n型InSb衬底1刻蚀后的厚度s为6 y m。
[0070] 步骤二，在n型InSb衬底1上部、256X256个台面2上部和256X256个台面2侧 面淀积介质层8,如图4b。
[0071] 采用等离子体增强化学气相淀积技术，在气体为NH3、N2及SiH 4，气体流量分别为 2. 5sccm、950sccm和250sccm，温度、RF功率和压强分别为300°C、25W和950mTorr的工艺 条件下，在n型InSb衬底1上部、256 X 256个台面2上部和256 X 256个台面2侧面淀积厚 度为7 y m的SiN介质层8。
[0072] 步骤三，在介质层8内刻蚀制作等腰V形凹槽9,如图4c。
[0073] 在介质层8上第二次制作掩膜，采用反应离子刻蚀技术在CF4流量为42. 5sCCm，02 流量为3sccm，压强为lOmTorr，功率为220W的工艺条件下，在256X256个台面2上部的介 质层8内刻蚀制作4个相同的等腰V形凹槽9,每个等腰V形凹槽9的底边长为lOym，凹 槽深度为7 y m。
[0074] 步骤四，对等腰V形凹槽9下部的n型InSb材料进行p型杂质离子注入，实现台 面2的p型掺杂，并形成p型等腰三角形掺杂区3,如图4d。
[0075] 对每个等腰V形凹槽9下部的n型InSb材料，在注入剂量为4. 2 X 1013cnT2,注入 能量为450keV的工艺条件下，进行硼离子注入，实现对256 X 256个台面2的p型掺杂，同 时在每个台面2下部的n型InSb衬底1内形成与介质层8内4个等腰V形凹槽9形状相 似的P型等腰三角形掺杂区3, p型等腰三角形掺杂区3的底边长r为10 y m，高h为6 y m， 掺杂浓度为lX1017cm_3。
[0076] 步骤五，去除介质层8，如图4e。
[0077] 在介质层8上第三次制作掩膜，采用反应离子刻蚀技术在CF4流量为2〇SCCm，0 2流 量为2sccm，压强为20mTorr，偏置电压为100V的工艺条件下，刻蚀去除在n型InSb衬底1 上部、256X256个台面2上部和256X256个台面2侧面的介质层8。
[0078] 步骤六，在n型InSb衬底1上部、256X256个台面2上部和256X256个台面2侧 面淀积保护层4,如图4f。
[0079] 采用等离子体增强化学气相淀积技术，在N20流量为85〇SCCm，SiH 4流量为 200sccm，温度为250°C，RF功率为25W，压强为llOOmTorr的工艺条件下，在n型InSb衬底 1上部、256X256个台面2上部和256X256个台面2侧面淀积厚度为0. 5 ii m的Si02保护 层4。
[0080] 步骤七，刻蚀去除n型InSb衬底1边缘上部和256X256个台面2上部的保护层 4,如图4g。
[0081] 在保护层4上第四次制作掩膜，其中该掩膜图形包括阳极掩膜图形和阴极掩膜图 形两部分，阳极掩膜图形是由256X256个边长L为40 y m的正方形所组成的阵列，其中相 邻两个正方形的间距屯、最边缘正方形与n型InSb衬底1边缘之间的距离d2均为30 y m ; 阴极掩膜图形为"回"字形图形，该"回"字形图形各内边长相等且各外边长相等，其中外 边长为17950 iim，外边长与内边长的间距为利用该掩膜米用反应尚子刻蚀技术，在 3?6流量为10sccm，0 2流量为5sccm，压强为15mTorr，偏置电压为150V的工艺条件下，刻蚀 去除n型InSb衬底1边缘上部和256X256个台面2上部的保护层4。
[0082] 步骤八，在台面2上部淀积金属制作阳极5,同时在n型InSb衬底1边缘上部淀积 金属制作"回"字形阴极6,如图4h。
[0083] 在256X256个台面2上和n型InSb衬底1边缘上第五次制作掩膜，该掩膜图形 与步骤七中第四次制作的掩膜图形完全相同；利用该掩膜采用电子束蒸发技术在真空度小 于1.8Xl(T 3Pa，功率范围为300?1100W，蒸发速率小于3A/s的工艺条件下，在每个台面2 上部和n型InSb衬底1边缘上部依次淀积厚度为0. 04 y m/0. 75 y m的Cr、Au金属，并在温 度为750°C，时间为20s的工艺条件下进行快速退火，制作阳极5和"回"字形阴极6。
[0084] 步骤九，在n型InSb衬底1的下部淀积钝化层7,如图4i。
[0085] 采用等离子体增强化学气相淀积技术，在N20流量为85〇SCCm，SiH 4流量为 200sccm，温度为250°C，RF功率为25W，压强为llOOmTorr的工艺条件下，在n型InSb衬底 1的下部淀积厚度为〇. 5 y m的Si02钝化层7,从而完成整个探测器阵列的制作。
[0086] 实施例三：制作保护层为SiN，钝化层为Si02，每个台面正下方p型等腰三角形掺 杂区的个数m = 1，阵列大小为15000X15000的InSb红外焦平面探测器阵列。
[0087] 步骤A，在n型InSb衬底1上刻蚀制作15000X15000个台面2,如图4a。
[0088] 在厚度k为3. 5 ii m、掺杂浓度为1 X 10nCm_3的n型InSb衬底1上第一次制作掩 膜，采用感应耦合等离子反应刻蚀技术在n型InSb衬底1上刻蚀制作15000X 15000个边 长L为10 y m的正方形台面2,相邻两个台面2的间距屯，最边缘台面2与n型InSb衬底1 边缘之间的距离d2均为0. 4 ii m，每个台面的高度H均为0. 5 ii m ;n型InSb衬底刻蚀后的厚 度s为3iim。亥lj蚀台面采用的工艺条件为：Ar/CH4/H2流量比为1:4:13,压强为20Pa，功率 为 600W。
[0089] 步骤B，在n型InSb衬底1上部、15000X15000个台面2上部和15000X15000个 台面2侧面淀积介质层8,如图4b。
[0090] 采用等离子体增强化学气相淀积技术在n型InSb衬底1上部、15000X 15000个 台面2上部和15000X 15000个台面2侧面淀积厚度为3 y m的Si02介质层8。淀积介质 层采用的工艺条件为：N20流量为80〇SCCm，SiH 4流量为175SCCm，温度为225°C，RF功率为 22. 5W，压强为 lOOOmTorr。
[0091] 步骤C，在介质层8内刻蚀制作等腰V形凹槽9,如图4c。
[0092] 在介质层8上第二次制作掩膜，采用反应离子刻蚀技术在15000X 15000个台面2 上部的介质层8内均刻蚀制作1个等腰V形凹槽9,等腰V形凹槽9的底边长度为10 y m， 凹槽深度为3 y m。刻蚀凹槽采用的工艺条件为：SF6流量为5sCCm，02流量为2s CCm，压强为 lOmTorr，偏置电压为100V。
[0093] 步骤D，对等腰V形凹槽9下部的n型InSb材料进行p型杂质离子注入，实现台面 2的p型掺杂，并形成p型等腰三角形掺杂区3,如图4d。
[0094] 对15000 X 15000个台面2上部介质层8内1个等腰V形凹槽9下部的n型InSb 材料进行P型杂质离子注入，实现对每个台面2的p型掺杂，同时在每个台面2下部的n型 InSb衬底1内形成与介质层8内1个等腰V形凹槽9形状相似的p型等腰三角形掺杂区3， P型等腰三角形掺杂区3的底边r为10 iim，高h为m，其中掺杂杂质为镁离子，掺杂浓度 为1 X 1016cm_3。离子注入采用的工艺条件为：注入剂量为6. 3 X 109cm_2,注入能量为30keV。
[0095] 步骤E，去除介质层8,如图4e。
[0096] 在介质层8上第三次制作掩膜，采用反应离子刻蚀技术刻蚀去除在n型InSb衬底 1上部、15000X15000个台面2上部和15000X15000个台面2侧面的介质层8。刻蚀介质 层采用的工艺条件：CF 4流量为40sccm，02流量为2. 5sccm，压强为12. 5mTorr，功率为225W。
[0097] 步骤F，在n型InSb衬底1上部、15000X15000个台面2上部和15000X15000个 台面2侧面淀积保护层4,如图4f。
[0098] 采用等离子体增强化学气相淀积技术在n型InSb衬底1上部、15000 X 15000个台 面2上部和15000 X 15000个台面2侧面淀积厚度为0. 1 y m的SiN保护层4。淀积保护层 采用的工艺条件为：气体为NH3、N2及SiH 4，气体流量分别为2sccm、900sccm和200sccm，温 度、RF功率和压强分别为250°C、25W和900mTorr。
[0099] 步骤G，刻蚀去除n型InSb衬底1边缘上部和15000 X 15000个台面2上部的保护 层4,如图4g。
[0100] 在保护层4上第四次制作掩膜，其中该掩膜图形包括阳极掩膜图形和阴极图形掩 膜两部分，阳极掩膜图形是由15000X15000个边长L为lOym的正方形所组成的阵列， 其中相邻两个正方形的间距屯、最边缘正方形与n型InSb衬底1边缘之间的距离d 2均为 0. 4pm;阴极掩膜图形为"回"字形图形，该"回"字形图形各内边长相等且各外边长相等， 其中外边长为156000. 4 y m，外边长与内边长的间距为0. 2 y m ;利用该掩膜米用反应尚子 刻蚀技术，刻蚀去除n型InSb衬底1边缘上部和15000X 15000个台面2上部的保护层4。 刻蚀保护层采用的工艺条件为：CF4流量为45SCCm，0 2流量为5SCCm，压强为15mTorr，功率 为 250W。
[0101] 步骤H，在台面2上部淀积金属制作阳极5,同时在n型InSb衬底1边缘上部淀积 金属制作"回"字形阴极6,如图4h。
[0102] 在15000 X 15000个台面2上和n型InSb衬底1边缘上第五次制作掩膜，该掩膜 图形与步骤G中第四次制作的掩膜图形完全相同；利用该掩膜采用电子束蒸发技术在每个 台面2上部和n型InSb衬底1边缘上部依次淀积Cr、Au金属，制作阳极5和"回"字形阴 极6,金属厚度为0. 03 y m/0. 5 y m。淀积金属采用的工艺条件为：真空度小于1. 8 X l(T3Pa， 功率范围为160?960W，蒸发速率小于3A/s;快速退火采用的工艺条件为：温度为800°C，时 间为15s。
[0103] 步骤I，在n型InSb衬底1的下部淀积钝化层7,如图4i。
[0104] 采用电子束蒸发技术在n型InSb衬底1的下部，淀积厚度为0.05 iim的Si02 钝化层7,从而完成整个探测器阵列的制作。淀积钝化层采用的工艺条件为：真空度小于 1. 2Xl(T3Pa，功率小于50W，蒸发速率小于2A/s。
[0105] 本发明的效果可通过以下仿真进一步说明。
[0106] 仿真中，传统阵列和本发明阵列均采用7X7的阵列，n型InSb衬底刻蚀后的厚 度s均为10 y m，台面大小L均为40 y m，台面高度H均为5 y m，相邻两个台面的间距屯以 及最边缘台面与n型InSb衬底边缘之间的距离d2均为20 y m，n型InSb掺杂浓度均为 1 X 1015cnT3, p型InSb掺杂浓度均为1 X 1018cnT3 ;本发明阵列中每个台面下p型等腰三角形 掺杂区的个数m = 2, p型等腰三角形掺杂区的底边长r为20iim，高h为lOiim ;仿真中的 辐射源从钝化层一侧，即以背入射方式，垂直照射最中心像元。
[0107] 仿真1 :对传统阵列与本发明阵列中沿入射辐射方向在最中心像元中心处的空穴 浓度进行仿真，结果如图5。
[0108] 由图5可以看出：沿入射辐射方向在最中心像元中心处绝大部分范围内，本发明 探测器阵列的空穴浓度均显著高于传统阵列的空穴浓度，说明本发明探测器阵列收集载流 子的能力明显高于传统探测器阵列。
[0109] 仿真2 :对传统探测器阵列与本发明探测器阵列中最中心像元中心处沿入射辐射 方向的纵向电场进行仿真，结果如图6。
[0110] 由图6可以看出：本发明阵列的电场在光生载流子的主要产生区域，即靠近钝化 层附近的n型InSb衬底中，明显大于传统阵列的电场，说明本发明阵列在光生载流子的主 要产生区域中最中心像元中心处沿入射辐射方向的纵向电场对光生载流子的抽取作用显 著增强，这大大减小了光生载流子产生区域中光生电子空穴对的复合作用，并减少了光生 载流子产生区域中陷阱俘获光生载流子的数量，使得绝大部分光生载流子都被中心像元收 集，而被其他像元收集的光生载流子数量大大减少，因此本发明阵列的量子效率和串音均 明显优于传统阵列。
[0111] 仿真3 :对传统探测器阵列与本发明探测器阵列最中心像元中心处沿入射辐射方 向的横向电场进行仿真，结果如图7。
[0112] 由图7可以看出：本发明阵列的电场，尤其是光生载流子主要产生区域中的电场， 明显小于传统阵列的电场，说明本发明阵列最中心像元中心处沿入射辐射方向的横向电场 对光生载流子的抽取作用显著减小，结合图6仿真结果可知，绝大部分光生载流子都被中 心像元沿入射辐射方向的纵向强电场抽取，而被其他像元收集的光生载流子数量大大减 少，因此本发明阵列的量子效率和串音均明显优于传统阵列。
[0113] 对于本领域的专业人员来说，在了解了本
【发明内容】
和原理后，能够在不背离本发 明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是 这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种InSb红外焦平面探测器阵列，包括n型InSb衬底（1)和钝化层（7)，在n型 InSb衬底（1)上刻蚀有tXt个台面（2)，t为整数且t彡1，每个台面（2)上部淀积有阳极 (5)，n型InSb衬底边缘上部淀积有"回"字形阴极（6);所述n型InSb衬底（1)上部和每 个台面（2)侧面淀积有保护层（4)，其特征在于：每个台面（2)正下方的n型InSb衬底（1) 内设有m个相同的p型等腰三角形掺杂区（3)，m为整数且m3 1，这些p型等腰三角形掺 杂区（3)与n型InSb衬底⑴构成pn结结构。
2. 根据权利要求1所述的InSb红外焦平面探测器阵列，其特征在于n型InSb衬底（1) 刻蚀前的厚度k为3. 5?20ym，刻蚀后的厚度s为3?10ym，掺杂浓度为1X10nCm_3? 1X1016cm3。
3. 根据权利要求1所述的InSb红外焦平面探测器阵列，其特征在于每个台面（2)的 上、下表面均为正方形，正方形的边长L为10?60ym，每个台面的高度H均相同，H等于k 减去s,且取值范围为0. 5?10iim。
4. 根据权利要求1所述的InSb红外焦平面探测器阵列，其特征在于相邻两个台面（2) 之间的距离屯和最边缘台面与n型InSb衬底（1)边缘之间的距离d2相等，且取值范围为 0? 4 ?60um〇
5. 根据权利要求1所述的InSb红外焦平面探测器阵列，其特征在于m个p型等腰三 角形掺杂区（3)的底边长为r，r=L/m，高h小于或等于n型InSb衬底（1)刻蚀后的厚度 s，且h等于3ea°2dl。
6. 根据权利要求1所述的InSb红外焦平面探测器阵列，其特征在于每个台面（2)的下 表面与该台面正下方的m个p型三角形掺杂区（3)的底面相接。
7. -种制作InSb红外焦平面探测器阵列的方法，包括如下过程： 第一步，在n型InSb衬底（1)上第一次制作掩膜，利用该掩膜在n型InSb衬底（1)上 刻蚀制作tXt个台面（2); 第二步，在n型InSb衬底（1)上部、每个台面（2)上部和每个台面（2)侧面淀积厚度 为3?10ym的介质层（8); 第三步，在介质层（8)上第二次制作掩膜，利用该掩膜在每个台面（2)上部的介质层 (8)内刻蚀制作m个相同的等腰V形凹槽（9)，这些等腰V形凹槽（9)的深度小于或等于介 质层⑶的厚度； 第四步，对每个等腰V形凹槽（9)下部的n型InSb材料进行p型杂质离子注入，实现 对每个台面（2)的p型掺杂，并在每个台面（2)下部形成m个相同的p型等腰三角形掺杂 区（3)，且p型等腰三角形掺杂区（3)的底边长为r，r=L/m，，高h小于或等于n型InSb 衬底⑴亥_后的厚度s，且h等于3eafl2S 第五步，在介质层（8)上第三次制作掩膜，利用该掩膜刻蚀去除n型InSb衬底（1)上 部、每个台面（2)上部和每个台面（2)侧面的介质层（8); 第六步，在n型InSb衬底（1)上部、每个台面（2)上部和每个台面（2)侧面淀积保护 层（4)，即用绝缘介质材料分别覆盖n型InSb衬底（1)上部、每个台面（2)上部和每个台面 (2)侧面的区域； 第七步，在保护层（4)上第四次制作掩膜，利用该掩膜刻蚀去除n型InSb衬底（1)边 缘上部和每个台面（2)上部的保护层（4); 第八步，在每个台面（2)上和n型InSb衬底（1)边缘上第五次制作掩膜，利用该掩膜 在每个台面（2)上部淀积金属制作阳极（5)，同时在n型InSb衬底（1)边缘上部淀积金属 制作"回"字形阴极（6); 第九步，在n型InSb衬底（1)的下部淀积钝化层（7)，即用透红外辐射绝缘介质材料覆 盖n型InSb衬底（1)下部的区域，从而完成整个探测器阵列的制作。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述第四步对等腰V形凹槽（9)下部的n型InSb材料进行p型杂质离子注入，掺杂浓度为1X1016cm_3?1X1018cm_3 ;工艺条件为：注 入剂量为 6. 3X109cnT2 ?7X1013cnT2,注入能量为 30keV?800keV。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述第八步制作的阳极（5)和阴极（6)，厚 度相同，均采用相同的Cr/Au两层金属组合，其厚度为0. 03?0. 05ym/0. 5?1ym，且下层 金属厚度小于上层金属厚度。
10. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于： 所述保护层（4)采用Si02、ZnS、SiN、A1203、Sc203、Hf02、Ti02或其它绝缘介质材料，其 厚度为〇? 1?1ym; 所述钝化层（7)采用ZnS、Si02、SiN、A1203、Hf02、Ti02或其它透红外辐射绝缘介质材 料，其厚度为〇.〇5?lum。
【文档编号】H01L31/0352GK104409533SQ201410667776
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】杨翠, 马京立, 张延涛, 毛维, 张小雷, 孟超, 刘鹏, 张建奇 申请人:西安电子科技大学