CN103887371A - 一种InP基面阵器件均匀刻蚀的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
一种InP基面阵器件均匀刻蚀的工艺方法，属于半导体光电子技术领域。本发明采用干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法，提出干-湿-干刻蚀工艺：先用ICP（干法）刻蚀到本征层，然后利用高选择性腐蚀液对本征层进行腐蚀（湿法），最后再用ICP刻蚀重掺杂层（干法）。本方法结合了干法刻蚀界面陡直和湿法腐蚀停止的特点；减少了ICP的使用，避免了大量副产物的堆积，减薄了掩膜用SiO2层厚度，得到了陡直平整干净的界面效果，对具有不同的宽深比沟槽的大面积阵列器件一次工艺实现大面积均匀刻蚀，降低了工艺难度，提高器件成品率。
Description
技术领域
本发明是制备面阵光探测器件的工艺技术，具体涉及一种InP衬底面阵光探测器件的制备工艺，属于半导体光电子技术领域。
背景技术
InP基PIN红外探测器主要为InGa1-xAsx/InP材料系统。其器件结构的实现采用分子束外延（MBE）或金属有机化学汽相淀积（MOCVD或OMVPE）技术外延生长得到。经过标准的半导体工艺过程，得到PIN结构红外探测单个器件，其基本结构如图1所示（以InGa1-xAsx/InP系统为例）：InP衬底1；InGaAs腐蚀阻挡层2；N型InP接触层3；InGaAs本征吸收层4；P型InP层5；P型InGaAs接触层6；P金属电极7；N金属电极8。如为阵列器件，需将InGaAs本征吸收层隔离成面阵单元，倒装在读出电路上，磨去或腐蚀掉InP衬底并腐蚀掉InGaAs腐蚀阻挡层。传统工艺中采用离子束刻蚀即ICP刻蚀台面，然而工艺过程中存在如下问题：1、ICP需要刻蚀InP、InGaAs两种材料，速率不稳定，无法精确确定刻蚀深度；2、材料与掩膜用的SiO2刻蚀选择比较小，需要生长较厚的SiO2，但光刻腐蚀厚的SiO2层会使SiO2层侧向腐蚀严重，导致ICP刻蚀界面的坡度变大；3、ICP刻蚀会导致界面粗糙缺陷多，长时间刻蚀产生的副产物堆积会阻碍刻蚀，使刻蚀速率变慢；4、ICP在面阵器件的刻蚀中存在大面积不均匀的问题；5、不同宽深比沟槽的刻蚀速率不同，需要分别光刻，使工艺步骤增加，成品率下降。
发明内容
本发明的目的在于克服上述工艺的缺点，提供一种简单高效的方法以提高刻蚀质量，保证大面积刻蚀的均匀性，简化工艺，大幅提高面阵器件的工艺成品率和器件性能，并提高效率。
本发明提出了一种干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的刻蚀方法，该方法不需要厚的SiO2掩膜，兼有ICP刻蚀台面陡直和湿法腐蚀界面光滑缺陷少的特点，解决了大面积阵列器件刻蚀的不均匀问题。
一种提高大面积阵列器件刻蚀的均匀性的方法，其特征在于，采用高选择比的腐蚀液对需要刻饰的材料进行腐蚀修饰，所述的高选择比的腐蚀液为对需要刻饰的材料具有腐蚀作用，而对无需刻饰的材料无腐蚀作用。
为达到上述目的，本发明的一种InP基面阵器件均匀刻蚀的工艺方法，其特征在于，采用干-湿-干刻蚀工艺步骤，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、先采用ICP干法刻蚀技术去除材料中需要去除的P型InGaAs接触层（6）、需要去除的P型InP层（5）和需要去除的本征InGaAs层（4）的部分厚度，并使得需要去除的本征InGaAs层（4）保留部分厚度；
（2）、然后采用对InP材料高选择比的腐蚀液对保留部分厚度的本征InGaAs层（4）进行湿法腐蚀，从而对刻蚀界面进行修整，修整停在本征InGaAs层（4）和N型InP层（3）的界面，消除由于干法刻蚀在刻蚀不同宽深比沟槽时造成的刻蚀深度的差异，消除ICP长时间刻蚀产生的副产物堆积，消除干法刻蚀产生的界面损伤，最后再用ICP干法刻蚀N型InP层（3）到需要的位置；
（3）、然后在保留的P型InGaAs接触层（6）上制备P金属电极，在N型InP层（3）上制备N金属电极。
高选择比的腐蚀液为能够对本征InGaAs层（4）进行腐蚀而对N型InP层（3）无腐蚀作用的腐蚀液，这样使得腐蚀精确停在本征InGaAs层（4）和N型InP层（3）的界面。
采用本发明的刻蚀方法，只要求第一次ICP刻蚀达到本征InGaAs层（4）即可，由于本征InGaAs层（4）较厚，所以对刻蚀时间/深度的精度要求大为降低，降低了工艺难度，提高了成品率。第二步采用高选择比腐蚀液进行湿法腐蚀，腐蚀会停在本征InGaAs层（4）和N型InP层（3）的界面，这不但可以弥补第一步刻蚀速率不均的问题，还可以获得更好的刻蚀界面。
单纯的ICP刻蚀需要较厚的SiO2掩膜（实验中刻蚀3μm的深度需要800nm的SiO2），SiO2在腐蚀的时候不可避免的会产生侧向腐蚀，这必然会加大ICP刻蚀后台面的坡度。采用干-湿-干的刻蚀方法可大幅度减薄SiO2的厚度，避免SiO2侧向腐蚀引起的ICP刻蚀界面不够陡直的问题。
本发明减少了ICP刻蚀的使用，避免了因长时间ICP刻蚀副产物堆积影响刻蚀速率的问题；湿法腐蚀的采用也使得刻蚀后的界面更加光滑缺陷少。
附图2、3对比了ICP刻蚀和干-湿-干方法刻蚀侧面的SEM效果图，图中能明显看出运用了湿法腐蚀的界面更为光滑。
本发明另一个优势是在面阵器件工艺中能有效地补偿由于ICP刻蚀面积的差异而引起的刻蚀不均匀的问题。面阵器件中，每个面元间隔很小，为了更好的隔离面元，需要在面元间制作大宽深比的隔离槽，同时在整个面阵器件周围还需要刻蚀小宽深比的隔离槽。采用ICP刻蚀会造成两种隔离槽深度的严重不一致，因此常规的ICP刻蚀需要分成两次刻蚀，这增加了工艺步骤，降低了成品率。采用干-湿-干方法可以利用湿法腐蚀停技术保证大面积刻蚀到同一层，提高了刻蚀均匀性，同时实现一次光刻完成不同宽深比的隔离槽的制作，简化工艺，提高面阵器件的成品率。
本发明的物理思想也可运用到其他结构和材料中，其本质是利用腐蚀液的高选择比来腐蚀某一层材料来补偿刻蚀过程中的不均匀问题。也可以加入湿法腐蚀来获得更好的界面效果。
InP基面阵器件制备工艺属于半导体光电子领域。传统InP基面阵器件的制作工艺中，采用ICP刻蚀技术同时刻蚀InP、InGaAs两种材料，由于两种材料的刻蚀速率不同，无法精确确定刻蚀深度；材料与掩膜用的SiO2刻蚀选择比较小，需要生长较厚的SiO2，光刻腐蚀厚的SiO2层会导致SiO2层侧向腐蚀严重，导致ICP刻蚀界面的坡度变大；ICP刻蚀会导致界面粗糙缺陷多，长时间刻蚀产生的副产物堆积会阻碍刻蚀，使刻蚀速率变慢；ICP在面阵的刻蚀中存在大面积不均匀的问题。本方法结合了干法刻蚀界面陡直和湿法腐蚀停止的特点；减少了ICP的使用，避免了大量副产物的堆积，减薄了掩膜用SiO2层厚度，得到了陡直平整干净的界面效果，对具有不同的宽深比沟槽的大面积阵列器件一次工艺实现大面积均匀刻蚀，降低了工艺难度，提高器件成品率。
与单纯的ICP刻蚀技术相比，本发明具有以下优点：
1）具有较为光滑的界面（如图2、3）。
2）具有非常低的暗电流，实验结果在～10-8A，其导致器件的低功耗和低噪声，实验测得的黑体探测率达到1010cm·Hz1/2/W数量级峰值探测率可达到1012数量级。
3）降低了工艺参数的要求，工艺简单易于实现。
4）在面阵器件中能有效保证大面积刻蚀均匀性。
5）适用于各种器件结构的InP基阵列器件的刻蚀工艺。
附图说明
图1：器件结构示意图；
图2：ICP刻蚀侧视图SEM图；
图3：干-湿-干方法刻蚀的SEM侧视图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
本发明的方法适用于InP基面阵器件工艺。这里以InP基InGaAs的PIN探测器为例。
首先，用ICP刻穿P型接触InGsAs层6和P型InP层5一共200nm，并刻蚀进入本征区InGaAs层4,本征InGaAs层4层厚度为2.7～2.8μm，所以ICP刻蚀时间更容易把握。
ICP刻蚀我们采用H2/Cl2/CH4气体组分分别为12/10/18sccm，ICP功率1000W，平均刻蚀速率为250nm/min。
然后，用对InP高选择比的InGaAs腐蚀液对较厚的本征InGaAs层进行腐蚀，溶液腐蚀速率稳定且选择比高，所以腐蚀时间上也留有较大的余量；
在面阵工艺中湿法的采用是为了补偿大面积刻蚀的不均匀问题，阵列中面元间间隔较小，为更好的隔离各个单元ICP刻蚀深度可尽量接近P型InP接触层3，然后用腐蚀液除去余下的少量本征层来达到刻蚀均匀的效果。
InGaAs腐蚀液我们采用的是H3PO4：H2O2：H2O，体积比例为3:4:30，其中H3PO4为浓磷酸，H2O2为弄得双氧水，室温下腐蚀速率为450nm/min,与InP的腐蚀比大于320。
最后，再用ICP刻蚀P型InP接触层3，InP接触层厚度为500nm，从上到下300nm范围内为重掺杂区，刻蚀到这个范围内即可，然后进行一下步P金属电极7；N金属电极8的制备。
上述工艺使得效率高，成品高，面阵中器件均匀。
Claims (3)
1.一种InP基面阵器件均匀刻蚀的工艺方法，其特征在于，采用干-湿-干刻蚀工艺步骤，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、先采用ICP干法刻蚀技术去除材料中需要去除的P型InGaAs接触层（6）、需要去除的P型InP层（5）和需要去除的本征InGaAs层（4）的部分厚度，并使得需要去除的本征InGaAs层（4）保留部分厚度；
（2）、然后采用对InP材料高选择比的腐蚀液对保留部分厚度的本征InGaAs层（4）进行湿法腐蚀，从而对刻蚀界面进行修整，修整停在本征InGaAs层（4）和N型InP层（3）的界面，消除由于干法刻蚀在刻蚀不同宽深比沟槽时造成的刻蚀深度的差异，最后再用ICP干法刻蚀N型InP层（3）到需要的位置；
（3）、然后在保留的P型InGaAs接触层（6）上制备P金属电极，在N型InP层（3）上制备N金属电极。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，高选择比的腐蚀液为能够对本征InGaAs层（4）进行腐蚀而对N型InP层（3）无腐蚀作用的腐蚀液，这样使得腐蚀精确停在本征InGaAs层（4）和N型InP层（3）的界面。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，ICP干法刻蚀只需不使本征InGaAs层（4）被刻穿，ICP干法刻蚀刚到不到InP层（3），腐蚀液起到消除深度差和表面修复的作用。
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