CN104900752A - 黑硅层制作方法及黑硅pin光电探测器制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种黑硅层制作方法，1）将硅衬底平放于下电极的上侧面上，硅衬底的上侧面记为加工面，2）所述上电极上设置有多个通气孔，常温条件下，向刻蚀腔内通入六氟化硫和氧气，并使六氟化硫和氧气通过通气孔吹拂到加工面上，六氟化硫流量为50sccm～150sccm，氧气流量为20sccm～100sccm，3）将刻蚀腔内的刻蚀压力调节为20mTorr～100mTorr后，在上电极和下电极之间施加射频功率为300W～800W的电压，电压持续时间为230~250秒；处理完成后，硅衬底上的加工面即形成黑硅层。本发明的有益技术效果是：提出了一种制作黑硅层的全新工艺，该工艺操作简单、能耗低、加工效率高，十分适合产业化推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电探测器制作技术，尤其涉及一种黑硅层制作方法及黑硅PIN光电探测器制备方法。
背景技术
硅的禁带宽度为1.1eV，能量小于禁带宽度的光子无法将电子从价带激发到导带，导致硅基光电器件在红外波段没有响应。1998年，哈佛大学Mazur等在利用飞秒激光与硅材料相互作用中，发现了一种具有奇特光电性能的材料—黑硅[Appl Phys Lett, 1998, 73: 1673]，它对近紫外-近红外波段的光（0.25～2.5μm）吸收率高，反射率低，可应用于低成本硅基近红外光电探测器和夜视系统。目前，国内外用于制备黑硅的方法很多，主要有飞秒激光脉冲法、深反应离子刻蚀法和化学腐蚀法。
采用化学腐蚀法制作黑硅，具有操作简便、设备要求低、成本和工艺损伤低等优点，但化学腐蚀法需要用金属催化，容易引入金属沾污，导致后续工艺无法进行离子注入、高温退火等工艺，与许多硅基光电探测器制造工艺不兼容，在实际应用中受到很大限制。
采用深反应离子刻蚀法（DRIE）制备黑硅时，需要交替进行刻蚀处理和钝化处理，交替次数可能多达上百次，且刻蚀处理时需要将温度降至-20℃以下，钝化处理时又需将温度升至20℃~30℃，不仅能量消耗巨大，而且操作十分麻烦、加工效率较低，另外，深反应离子刻蚀工艺一般仅在MEMS工艺线上采用，适用面较窄。
采用飞秒激光脉冲法制备黑硅，可实现原位掺杂，有利于紫外到近红外光吸收，但生产效率低，成本高，不适于规模化生产。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了黑硅层制作方法，所涉及的硬件包括刻蚀腔和设置于刻蚀腔内的上电极、下电极，上电极和下电极位置相对；具体的制作方法为：1）将硅衬底平放于下电极的上侧面上，硅衬底的上侧面记为加工面，2）所述上电极上设置有多个通气孔，常温条件下，向刻蚀腔内通入六氟化硫和氧气，并使六氟化硫和氧气通过通气孔吹拂到加工面上，六氟化硫流量为50sccm～150sccm，氧气流量为20sccm～100sccm，3）将刻蚀腔内的刻蚀压力调节为20mTorr～100mTorr后，在上电极和下电极之间施加射频功率为300W～800W的电压，电压持续时间为230~250秒；处理完成后，硅衬底上的加工面即形成黑硅层。
本发明的原理是：
反应离子刻蚀技术是半导体行业中十分常见的工艺方法，常用于对硅衬底进行刻蚀或钝化处理，其原理是：六氟化硫和氧气会在等离子体中裂解生成F*、O*、SFx +三种反应基团，其中，F*基团与硅发生反应时，会生成挥发性的SiF4气体，从而使硅衬底被刻蚀，F*和O*基团与硅发生反应时，会在硅衬底表面形成不挥发的SiOxFy聚合物，从而实现对硅衬底的钝化处理，另外，SFx +基团可以去除SiOxFy聚合物并生成挥发性的SOxFy和SiF4气体，对刻蚀作用具有辅助效果；现有技术中，一般通过控制电压功率，来使反应气体单独发挥刻蚀作用或单独发挥钝化作用；
基于现有黑硅制备技术的弊端，发明人对黑硅制备技术进行了大量探索，尤其对深反应离子刻蚀法（DRIE）及由其制作出的黑硅进行了深入研究；如背景技术中所述的，深反应离子刻蚀法存在操作复杂、能耗较大、效率低下的弊端，造成这些弊端的根本原因是：相比于早年的反应离子刻蚀技术，深反应离子刻蚀法操作过程中需要交替进行刻蚀和钝化处理，这就可以通过适量的钝化来对刻蚀凹陷处的侧壁进行保护，从而抵消刻蚀作用的一部分水平分量，避免刻蚀凹陷处的侧壁在水平方向上被过度刻蚀，而黑硅层实质上是由大量密集排列在硅衬底表面的微小凸起结构所构成，基于常规思路，深反应离子刻蚀法的工艺特性与黑硅层的形貌特征就很好的契合了，而深反应离子刻蚀法的工艺就决定了需要多次交替进行刻蚀和钝化，并且在刻蚀操作时需要将温度降至-20℃以下、在钝化操作时又需要将温度上升至常温状态，从产业化角度考虑，用深反应离子刻蚀法制作黑硅层，于是就存在操作复杂、能耗较大、效率低下的问题了；
受深反应离子刻蚀法交替进行刻蚀和钝化的启发，发明人考虑能不能让刻蚀和钝化同时作用到硅表面，从而避免交替操作以及相应的温度调节，于是发明人进行了大量的探索，并创造性地提出了如下思路：基于流体力学可知，气体流动存在混沌性，这就使得吹拂到加工面上的气体（即六氟化硫和氧气）也处于混沌状态，此时，通过在上电极和下电极之间施加电压使气体同时裂解出具备刻蚀作用和钝化作用的反应基团，受气体的混沌状态影响，起不同作用的反应基团均会以弥散分布的形式作用到硅表面上，使刻蚀区和钝化区以较为均匀的方式分布在硅表面，从而形成用于构成黑硅层的大量微小凸起结构，这就可以让刻蚀作用和钝化作用同时作用在硅表面，无须交替，更不用调节温度，在常温下就能实现黑硅层制作；完成了原理构思后，发明人进行了大量的试验，试验证明前述思路确实可行，于是发明人又进行了大量的参数设计试验，并最终获得了本发明的方案。另外，从本发明方案中的硬件配制可以看出，本发明仅采用常见的可实现反应离子刻蚀的反应离子刻蚀机即可，相比于现有技术，硬件需求也得到了相应降低。
值得强调的是，虽然，通过控制电压功率可以调节气体裂化物起刻蚀作用或钝化作用是本领域的基本常识，但本发明创造性地将其结合到了黑硅制作技术中，通过参数优化，使气体裂化物中各种反应基团的配比满足黑硅制作需求，是本发明的独创。
基于前述方案，本发明还提出了一种黑硅PIN光电探测器制备方法，包括：1）提供硅衬底，2）在硅衬底正面制作P+掺杂层，3）在硅衬底背面制作黑硅层，4）在黑硅层区域制作N+区，5）在黑硅层表面制作增透膜，6）在器件上制作金属电极；7）将器件置于氮氢环境中，在200℃～500℃条件下热处理10min～60min；其创新在于：步骤3）中，采用如下方法制作黑硅层：所涉及的硬件包括刻蚀腔和设置于刻蚀腔内的上电极、下电极，上电极和下电极位置相对；将硅衬底平放于下电极的上侧面上，硅衬底背面与上电极相对，所述上电极上设置有多个通气孔，常温条件下，向刻蚀腔内通入六氟化硫和氧气，并使六氟化硫和氧气通过通气孔吹拂到加工面上，六氟化硫流量为50sccm～150sccm，氧气流量为20sccm～100sccm，将刻蚀腔内的刻蚀压力调节为20mTorr～100mTorr后，在上电极和下电极之间施加射频功率为300W～800W的电压，电压持续时间为230~250秒；处理完成后，硅衬底（1）背面即形成黑硅层；步骤4）中，采用离子注入工艺制作N+区；步骤4）的操作完成后，先对器件进行快速退火处理，然后再进行步骤5）的操作。
该黑硅PIN光电探测器制备方法的创新之处在于：得益于本发明对于黑硅层制作的创新，使得PIN光电探测器可以采用离子注入工艺来制作N+区并进行快速退火处理，采用离子注入工艺后，由离子注入工艺的工艺特性决定了，N+区的结深可控，并且可以形成与黑硅层形貌相似的形貌。
优选地，步骤4）中，离子注入时采用磷离子注入、硫离子注入、硒离子注入或碲离子注入。
优选地，快速退火处理时，退火温度为950℃。
本发明的有益技术效果是：提出了一种制作黑硅层的全新工艺，该工艺操作简单、能耗低、加工效率高，十分适合产业化推广。
附图说明
图1、黑硅PIN光电探测器制备方法中，步骤2）的处理完成后，器件的结构示意图；
图2、黑硅PIN光电探测器制备方法中，步骤3）的处理完成后，器件的结构示意图；
图3、黑硅PIN光电探测器制备方法中，步骤5）的处理完成后，器件的结构示意图；
图4、黑硅PIN光电探测器制备方法中，步骤6）的处理完成后，器件的结构示意图；
图5、黑硅PIN光电探测器制备方法中，步骤8）的处理完成后，器件的结构示意图；
图6、黑硅PIN光电探测器制备方法中，步骤9）的处理完成后，器件的结构示意图；
图7、由深反应离子刻蚀法制作出的黑硅层的形貌；
图8、由本发明方案制作出的黑硅层的形貌；
图中各个标记所对应的名称分别为：本征硅衬底1、二氧化硅膜2、氮化硅膜3、P+掺杂层4、黑硅层5、N+区6、增透膜7、背面环形金属电极10、正面金属电极11。
具体实施方式
一种黑硅层制作方法，所涉及的硬件包括刻蚀腔和设置于刻蚀腔内的上电极、下电极，上电极和下电极位置相对；其创新在于：1）将硅衬底1平放于下电极的上侧面上，硅衬底1的上侧面记为加工面，2）所述上电极上设置有多个通气孔，常温条件下，向刻蚀腔内通入六氟化硫和氧气，并使六氟化硫和氧气通过通气孔吹拂到加工面上，六氟化硫流量为50sccm～150sccm，氧气流量为20sccm～100sccm，3）将刻蚀腔内的刻蚀压力调节为20mTorr～100mTorr后，在上电极和下电极之间施加射频功率为300W～800W的电压，电压持续时间为230~250秒；处理完成后，硅衬底1上的加工面即形成黑硅层。
一种黑硅PIN光电探测器制备方法，包括：1）提供硅衬底1，2）在硅衬底1正面制作P+掺杂层4，3）在硅衬底1背面制作黑硅层5，4）在黑硅层5区域制作N+区6，5）在黑硅层5表面制作增透膜7，6）在器件上制作金属电极；7）将器件置于氮氢环境中，在200℃～500℃条件下热处理10min～60min；其创新在于：步骤3）中，采用如下方法制作黑硅层5：所涉及的硬件包括刻蚀腔和设置于刻蚀腔内的上电极、下电极，上电极和下电极位置相对；将硅衬底1平放于下电极的上侧面上，硅衬底1背面与上电极相对，所述上电极上设置有多个通气孔，常温条件下，向刻蚀腔内通入六氟化硫和氧气，并使六氟化硫和氧气通过通气孔吹拂到加工面上，六氟化硫流量为50sccm～150sccm，氧气流量为20sccm～100sccm，将刻蚀腔内的刻蚀压力调节为20mTorr～100mTorr后，在上电极和下电极之间施加射频功率为300W～800W的电压，电压持续时间为230~250秒；处理完成后，硅衬底1背面即形成黑硅层；
步骤4）中，采用离子注入工艺制作N+区6；步骤4）的操作完成后，先对器件进行快速退火处理，然后再进行步骤5）的操作。
进一步地，步骤4）中，离子注入时采用磷离子注入、硫离子注入、硒离子注入或碲离子注入。
进一步地，快速退火处理时，退火温度为950℃。
参见图7、8，从图7中可见，由于深反应离子刻蚀法中刻蚀操作和钝化操作是交替独立进行，黑硅层上的微小凸起外形较为相似，微小凸起之间轮廓分明；从图8可见，由本发明制得的黑硅层，由于受刻蚀和钝化同时作用而成，微小凸起之间留有残余，各个微小凸起形态各异，刻蚀痕迹分布呈无序状态。
Claims (4)
1.一种黑硅层制作方法，所涉及的硬件包括刻蚀腔和设置于刻蚀腔内的上电极、下电极，上电极和下电极位置相对；其特征在于：1）将硅衬底（1）平放于下电极的上侧面上，硅衬底（1）的上侧面记为加工面，2）所述上电极上设置有多个通气孔，常温条件下，向刻蚀腔内通入六氟化硫和氧气，并使六氟化硫和氧气通过通气孔吹拂到加工面上，六氟化硫流量为50sccm～150sccm，氧气流量为20sccm～100sccm，3）将刻蚀腔内的刻蚀压力调节为20mTorr～100mTorr后，在上电极和下电极之间施加射频功率为300W～800W的电压，电压持续时间为230~250秒；处理完成后，硅衬底（1）上的加工面即形成黑硅层。
2.一种黑硅PIN光电探测器制备方法，包括：1）提供硅衬底（1），2）在硅衬底（1）正面制作P+掺杂层（4），3）在硅衬底（1）背面制作黑硅层（5），4）在黑硅层（5）区域制作N+区（6），5）在黑硅层（5）表面制作增透膜（7），6）在器件上制作金属电极；7）将器件置于氮氢环境中，在200℃～500℃条件下热处理10min～60min；
其特征在于：步骤3）中，采用如下方法制作黑硅层（5）：所涉及的硬件包括刻蚀腔和设置于刻蚀腔内的上电极、下电极，上电极和下电极位置相对；将硅衬底（1）平放于下电极的上侧面上，硅衬底（1）背面与上电极相对，所述上电极上设置有多个通气孔，常温条件下，向刻蚀腔内通入六氟化硫和氧气，并使六氟化硫和氧气通过通气孔吹拂到加工面上，六氟化硫流量为50sccm～150sccm，氧气流量为20sccm～100sccm，将刻蚀腔内的刻蚀压力调节为20mTorr～100mTorr后，在上电极和下电极之间施加射频功率为300W～800W的电压，电压持续时间为230~250秒；处理完成后，硅衬底（1）背面即形成黑硅层；
步骤4）中，采用离子注入工艺制作N+区（6）；步骤4）的操作完成后，先对器件进行快速退火处理，然后再进行步骤5）的操作。
3.根据权利要求2所述的黑硅PIN光电探测器制备方法，其特征在于：步骤4）中，离子注入时采用磷离子注入、硫离子注入、硒离子注入或碲离子注入。
4.根据权利要求2所述的黑硅PIN光电探测器制备方法，其特征在于：快速退火处理时，退火温度为950℃。
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