[发明专利]一种铟表面处理的方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子工艺领域中金属表面处理技术，具体涉及一种铟表面处理的工艺方法。

背景技术

红外焦平面阵列是现代成像系统的核心部件，它由探测器与读出电路通过互连构成，示意图如附图1所示。因此，互连工艺直接关系到焦平面器件的性能和成品率。对互连材料选择的技术要求是：首先需要向全部探测元和读出电路输入端提供完全的机械和电学连接；其次需要缓冲低温下探测器和读出电路的热膨胀失配。金属铟的熔点温度为156℃，沸点温度2080℃，蒸汽压为1.33Pa时其蒸发温度是952℃，真空蒸发产生的铟层热应力较小。铟是一种低熔点软金属，在室温下本征应力可以很快消失，达到小于5×10²N/cm^2[1]。因此，铟成为理想的互连材料。

红外焦平面阵列一般通过铟柱进行互连，要求：1）铟柱高度大于5μm；2）直径尽可能小；3）平整度高；4）表面光滑，不被氧化[2]。但是铟象所谓的“valve金属”一样，在潮湿环境中自然地生成氧化层[3]。且从室温25℃到沸点1807℃，在热力学上氧化铟都比金属铟更加稳定[4]。为了去除铟柱表面的氧化层，研究人员首先采用的方法是盐酸溶液[5]。通过反应

In₂O₃(s)+6H⁺(aq)+6e^-→2In(m)+3H₂O(aq)

盐酸在去除表面氧化层的同时，也跟下层铟发生反应

2In+6HCl→2InCl₃+3H₂

湿法腐蚀的各项异性导致铟柱本身被削减的同时相貌变得高低不平，降低了互连的机械强度。

通过计算还原性氢气与铟反应的吉布斯自由能变化，发现当湿度和氢气比例处于某一值确定值时，是可以在热力学上达到氧化铟与铟平衡的。附图2给出的是铟和氧化铟系统热力学的氧化还原曲线，其中，还原区域随着湿度的增加发生漂移。湿度左边对应的区间代表热力学氧化区间，右边代表还原区间；曲线则代表了铟与氧化铟的平衡态。

但是用分子氢去除氧化铟的工艺要求温度至少在380℃以上才能有显著的反应速率。IRFPAs不能承受这一温度。采用氢原子虽然可以大大降低反应温度[5]，但是也存在再次被氧化的问题[6]。对ITO选择性刻蚀的研究启发了研究者们选用CH4/H2等离子刻蚀的探索[7,8]。其中以F.Greer的研究结果最显著[9]。他们采用两步刻蚀的方法，在成功去除氧化铟同时降低了对铟柱本身的刻蚀。然而，此方法并未能防止干净的铟再次被氧化。

文中所涉及到的参考文献如下：

[1]黄江平，杨春丽，黎力，杨登全，张丽华，李玉英，红外技术，25（6），2003，p54。

[2]杨春丽，黄江平，黎力，杨登全，张丽华，李玉英，红外技术，26（1），2004，p67。

[3]S.Omanovic,M.Methikos-Hukovic,Thin Solid Films,266,1995,p31.

[4]J.Kim,H.Schoeller,J.Cho,and S.Park,Journal of Electronic Materials,37(4),2008,p483.

[5]Y.Kim,J.Choi,K.Choi,H.Lee and C.Kim,Proc.SPIE,3061,1997,p60.

[6]Giles Humpston and Dvid M.Jacobson,Principles of soldering,The materials Information Society,Matertials Park,OH,2004.

[7]I.Adesida,D.G.Ballegeer,J.W.Seo,A.Ketterson,H.Chang,and T.Gessert,J.Vac.Sci.Technol.B9.3551(1991)

[8]R.J.Saia,R.F.Kwasnick,and C.Y.Wei,J.Electrochem.Soc.,138,493(1991).

[9]F.Greer,M.Dickie,R.P.Vasquez,T.J.Jones,M.E.Hoenk and S.Nikzad,J.Vac.Sci.Technol.B,27,2009,2132.

发明内容