CN102376824B - 一种台面型铟镓砷探测器制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种台面型铟镓砷探测器制备方法，包括将蒸镀P-InP接触电极以及高温快速退火过程置于氮化硅钝化之前，其优点在于：避免了在高温快速退火过程中，由于材料表面污染或者残留颗粒而导致的氮化硅钝化膜损坏，提高了探测器制备的成品率，特别适用于长线列和面阵探测器研制，同时消除了高温快速退火过程对钝化膜与材料表面接触状态的影响；另一方面，在离子刻蚀后引入热处理的工艺，有效地减小材料表面由于刻蚀离子所引入的表面固定电荷，并采用化学腐蚀、硫化的方法去除表面氧化物和减少离子刻蚀后表面的晶格损伤、悬挂键，降低表面态密度，有效减小表面复合暗电流。

Description

一种台面型铟镓砷探测器制备方法

技术领域

本发明涉及红外探测器件制备工艺技术，具体是指一种台面型铟镓砷探测器制备方法，它适用于制备低暗电流、高可靠性的台面型铟镓砷探测器。

背景技术

铟镓砷短波红外探测器工作在较高温度下(比如说室温)，可以获得很好的性能，在民用、军事和航空航天领域有着广泛的应用前景。铟镓砷光电探测器有两种常用制备工艺，包括台面型工艺和平面型工艺。平面型工艺具有一些不可避免的缺点，包括光敏元横向扩大和锌(Zn)扩散造成的缺陷、横向扩散造成的串音、以及扩散工艺复杂等。另一方面，台面型制备工艺步骤简单、成本低，在实现系统的小型化、低功耗和低成本方面具有较强的竞争力。台面型铟镓砷探测器芯片结构如附图2所示，它由InP衬底1、N型InP层2、InGaAs吸收层3、P型InP帽层4、P电极区5、N电极区6和氮化硅钝化层7组成。现有的台面型探测器制备工艺方法(唐恒敬、张可峰、吴小利、朱慧、李永富、宁锦华、李淘、汪洋、李雪、龚海梅，背照射铟镓砷微台面探测器芯片及制备工艺，申请号：200710173512.8)主要包含5个大步骤：

步骤1.在外延片上通过刻蚀形成P-InP/i-InGaAs台面；

步骤2.在芯片的表面和侧壁覆盖氮化硅钝化膜7；

步骤3.在台面的P-InP局部区域上依次蒸镀Ti、Pt、Au金属膜作为接触电极区5；

步骤4.高温快速退火；

步骤5.在台面一侧的N-InP层上依次溅镀Cr、Au金属膜作为接触电极区6。

在现有台面型铟镓砷探测器制备工艺过程中，台面刻蚀造成表面态密度增大，限制了探测器暗电流性能的提高，另外在沉积氮化硅钝化膜之后，利用高温快速退火合金化的方法实现P-InP欧姆接触带来了新的问题，退火之后钝化膜可能会由于局部应力的释放而损坏，影响了长线列和面阵探测器制备的均匀性和成品率。

发明内容

基于上述台面型探测器制备工艺存在的问题，本发明的目的是提供一种台面型铟镓砷(InGaAs)探测器芯片制备方法，解决由于退火所引起的钝化膜损坏失效的问题，提高长线列和面阵探测器制备的均匀性和成品率，另外通过引入热处理、化学腐蚀去除表面氧化物和表面硫化的工艺过程，有效的减小离子刻蚀所引入的表面态密度，提高探测器的暗电流性能。

本发明的台面型铟镓砷探测器制备方法是在现有工艺流程的技术基础之上，将蒸镀P电极和高温快速退火置于刻蚀台面步骤之前；在刻蚀台面步骤之后引入热处理的工艺；在沉积氮化硅步骤之前引入化学腐蚀的步骤去除表面氧化物，并且采用硫化铵溶液进行硫化，然后才沉积氮化硅、溅镀N电极。如图1所示，具体工艺流程步骤如下：

1.外延片材料清洗，依次采用三氯甲烷、乙醚、丙酮、MOS级乙醇清洗，氮气吹干；

2.第一次光刻，开P电极孔，正胶光刻曝光显影后在65℃下烘烤20～30分钟；

3.采用电子束蒸发蒸镀金属膜，作为P-InP接触电极区5，在真空为2～4×10^-2Pa，电子束能量100eV的条件下，依次蒸镀Ti、Pt、Au金属膜，厚度依次为20、30、20nm；

4.采用丙酮进行光刻胶剥离，并依次采用分析级乙醇、MOS级乙醇清洗干净后在65℃下烘烤5～10分钟；

5.快速退火，在氮气保护气氛中，对于截止波长为1.7μm的In_0.53Ga_0.47As探测器芯片，退火温度为350～400℃，温度保持时间为60～90秒；而对于截止波长为2.4μm的In_0.78Ga_0.22As探测器芯片，退火温度为420～450℃，温度保持时间为45～60秒；

6.芯片表面沉积氮化硅，沉积衬底温度为330℃、RF功率为40W、SiH₄气流量50ml/min、N₂气流量为900ml/min，沉积厚度为400nm；

7.第二次光刻，显影后在80～85℃下坚膜40～60分钟；

8.采用氢氟酸缓冲液腐蚀氮化硅制备刻蚀掩膜，氢氟酸缓冲液溶液体积比配比为HF∶NH₄F∶H₂O＝3∶6∶10，腐蚀时缓冲液的温度保持在23～26℃；

9.采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀P-InP/i-InGaAs台面，刻蚀条件为：ICP功率为330～400W、RF功率为100～150W、气体流量Cl₂∶N₂＝10sccm∶60sccm、腔体压强为4～5mTorr、温度为140～170℃；

10.热处理，在氢气保护气氛中，热处理温度为400～450℃，温度保持时间为20～30分钟；

11.采用酒石酸溶液腐蚀刻蚀表面，酒石酸溶液是先用固态酒石酸与水按重量比1∶1配成酒石酸，然后用酒石酸与双氧水按体积比5∶1配制而成的，腐蚀时溶液的温度保持在25～35℃；

12.采用氢氟酸缓冲液去除氮化硅掩膜，溶液与步骤8中相同，腐蚀时缓冲液温度保持在45～50℃；

13.采用硫酸溶液去除表面氧化物，硫酸溶液体积比配比为95％H₂SO₄∶H₂O为1∶15～1∶10，腐蚀时溶液的温度保持在50～60℃；

14.芯片表面硫化，硫化铵溶液温度保持在23～26℃，硫化时间为30～40分钟，去离子水冲洗1～2分钟；

15.芯片表面沉积氮化硅钝化膜7，沉积条件与步骤6相同，沉积厚度为500nm；

16.第三次光刻，显影后在80～85℃下坚膜40～60分钟；

17.采用氢氟酸缓冲液腐蚀氮化硅，开P、N电极孔，腐蚀时溶液的温度保持在23～26℃；

18.第四次光刻，正胶光刻曝光显影后在65℃下烘烤20～30分钟；

19.采用离子溅射溅镀金属膜，作为N电极区6以及加厚P电极区5，依次溅镀Cr、Au金属膜，厚度依次为20、400nm；

20.光刻胶剥离、清洗，采用丙酮剥离光刻胶，依次采用分析级乙醇、MOS级乙醇清洗干净后在65℃下烘烤5～10分钟；

21.在芯片表面旋涂光刻胶进行保护，在65℃烘烤下30～50分钟

22.划片、芯片测试。

本发明的优点在于：

A.将蒸镀P-InP接触电极以及高温快速退火过程置于氮化硅钝化之前，避免了在高温快速退火过程中，由于材料表面污染或者残留颗粒而导致的氮化硅钝化膜损坏，提高了探测器制备的成品率，特别适用于长线列和面阵探测器。同时，这样的工艺顺序消除了高温快速退火过程对钝化膜与材料表面接触状态的影响，从而消除对探测器表面钝化效果的影响。

B.在离子刻蚀后引入热处理工艺，可以有效地减小材料表面由于刻蚀离子所引入的表面固定电荷，并且可以修复晶格。采用化学腐蚀的方法减少刻蚀表面的晶格损伤，减小探测器表面复合电流。

C.采用化学腐蚀的方法去除刻蚀表面的氧化物，硫化的方法中和悬挂键，降低刻蚀表面的表面态密度，有效减小表面复合暗电流。

附图说明

图1为本发明的台面型铟镓砷探测器制备工艺步骤流程图；

图2为本发明涉及的铟镓砷探测器的剖面结构示意图；

图中：

1——半绝缘InP衬底；

2——N型InP层；

3——铟镓砷吸收层；

4——P型InP帽层；

5——P电极区；

6——N电极区；

7——氮化硅(SiN_x)钝化层。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方法作详细的说明。

如附图2所示，本实施例探测器所用的外延片为采用气源分子束外延技术(GSMBE)在厚度为350μm的半绝缘InP衬底1上依次生长厚度为1.5μm的N型InP层2，掺杂浓度大于2×10¹⁸cm^-3；厚度为1.5μm的铟镓砷吸收层3，掺杂浓度为3×10¹⁶cm^-3；厚度为0.6μm的P型InP帽层4，掺杂浓度大于2×10¹⁸cm^-3。在P-InP帽层局部区域上依次蒸镀Ti、Pt、Au金属膜作为P电极区5并快速退火，然后在此P-InP/i-InGaAs/N-InP外延片上通过刻蚀形成P-InP/i-InGaAs台面，芯片表面和侧壁覆盖氮化硅钝化膜7，在台面的一边于N-InP层上依次溅镀Cr、Au金属膜作为N电极区6。

本实施例探测器芯片制备的具体工艺流程为：

1.依次采用三氯甲烷、乙醚、丙酮、MOS级乙醇清洗外延片，氮气吹干；

2.第一次光刻：正胶光刻，曝光显影后在65℃下烘烤20分钟；

3.采用电子束蒸发依次蒸镀Ti、Pt、Au金属膜，厚度依次为20、30、20nm，作为与P-InP接触的P电极区5，真空2×10^-2Pa，电子束能量100eV；

4.采用丙酮进行光刻胶剥离，并依次采用分析级乙醇、MOS级乙醇清洗干净后在65℃下烘烤10分钟；

5.快速退火，在氮气保护气氛中，对于截止波长为1.7μm的In_0.53Ga_0.47As探测器芯片，退火温度为400℃，温度保持时间为60秒，而对于截止波长为2.4μm的In_0.78Ga_0.22As探测器芯片，退火温度为420℃，温度保持时间为45秒；

6.芯片表面采用PECVD沉积氮化硅，沉积衬底温度为330℃、RF功率为40W、SiH₄气流量50ml/min、N₂气流量为900ml/min，沉积厚度为400nm；

7.第二次光刻：正胶光刻，在85℃下坚膜45分钟；

8.采用氢氟酸缓冲液腐蚀氮化硅制备刻蚀掩膜，氢氟酸缓冲液溶液体积比配比为HF∶NH₄F∶H₂O＝3∶6∶10，腐蚀时溶液的温度保持在25℃；

9.采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀P-InP/i-InGaAs台面，刻蚀条件：ICP功率为350W、RF功率为120W、气体流量Cl₂∶N₂＝10sccm∶60sccm、腔体压强为4mTorr、温度为150℃；

10.热处理，在氢气保护气氛中，热处理温度为400℃，温度保持时间为20分钟；

11.采用酒石酸溶液腐蚀刻蚀表面，酒石酸溶液是先用固态酒石酸与水按重量比1∶1配成酒石酸，然后用酒石酸与双氧水按体积比5∶1配制而成的，腐蚀时溶液的温度保持在35℃；

12.采用氢氟酸缓冲液去除氮化硅掩膜，腐蚀时溶液温度保持在50℃；

13.采用硫酸溶液去除表面氧化物，硫酸溶液体积比配比为95％H₂SO₄∶H₂O＝1∶10，腐蚀时溶液的温度保持在60℃；

14.芯片表面硫化，硫化铵溶液温度保持在25℃，硫化时间为30分钟，去离子水冲洗2分钟；

15.芯片表面采用PECVD沉积氮化硅钝化膜7，沉积条件与步骤6相同，沉积厚度为500nm；

16.第三次光刻：正胶光刻，在85℃下坚膜45分钟；

17.采用氢氟酸缓冲液腐蚀氮化硅，开P、N电极孔，腐蚀时溶液的温度保持在25℃；

18.第四次光刻：正胶光刻，曝光显影后在65℃下烘烤20分钟；

19.采用离子溅射依次溅镀Cr、Au金属膜，厚度依次为20、400nm，作为N电极区6以及加厚P-InP接触电极区5；

20.采用丙酮剥离光刻胶，依次采用分析级乙醇、MOS级乙醇清洗干净后在65℃下烘烤6分钟；

21.在表面旋涂光刻胶进行保护，在65℃烘烤下30分钟；

22.划片、芯片测试。

Claims (1)

1.一种台面型铟镓砷探测器制备方法，其特征在于，探测器的制备工艺流程如下：1.外延材料清洗，2.第一次光刻，3.蒸镀P电极，4.光刻胶剥离，5.P电极退火，6.沉积氮化硅掩膜，7.第二次光刻，8.制备刻蚀掩膜，9.刻蚀台面，10.热处理，11.化学腐蚀去除表面损伤，12.去除刻蚀掩膜，13.腐蚀去除表面氧化物，14.芯片表面硫化，15.沉积氮化硅钝化膜，16.第三次光刻，17.开P、N电极孔，18.第四次光刻，19.溅镀N电极以及P电极加厚，20.光刻胶剥离，21.正面光刻胶保护，22.划片、芯片测试；其中：

A.步骤5中的P电极退火工艺，在氮气保护气氛中，对于截止波长为2.4μm的In_0.78Ga_0.22As探测器，退火温度为420～450℃，温度保持时间为45～60秒；

B.步骤9中的刻蚀台面工艺，采用氮化硅作为掩膜，感应耦合等离子刻蚀条件为：ICP功率为330～400W、RF功率为100～150W、气体流量Cl₂：N₂=10sccm：60sccm、腔体压强为4～5mTorr、温度为140～170℃；

C.步骤10中的热处理工艺，在氢气保护气氛中，烘烤温度为400～450℃，温度保持时间为20～30分钟；

D.步骤13中的腐蚀去除表面氧化物工艺，硫酸溶液体积比配比为95%H₂SO₄：H₂O为1：15～1：10，腐蚀时溶液的温度保持在50～60℃；E.步骤14中的芯片表面硫化工艺，硫化铵溶液温度保持在23～26℃，硫化时间为30～40分钟，去离子水冲洗1～2分钟。

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