CN107507882A - 一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器及其制备方法，包括在高导硅衬底上外延生长硅掺砷吸收层，掺杂砷离子；在吸收层上外延生长高阻硅阻挡层；再通过光刻、离子注入、快速热退火、深硅刻蚀、等离子体增强化学气相沉积、反应离子束刻蚀、湿法腐蚀、电子束蒸发等工艺制作正、负电极。本发明的优点在于：采用化学气相沉积法外延生长硅掺砷吸收层，便于增加吸收层厚度和调节掺杂浓度，提高吸收层的吸收效率及器件响应率，避免了离子注入引起的损伤，降低了暗电流；将负电极设置在高导硅衬底上，缩短了光生载流子的输运路径，降低了光生载流子被高导硅衬底中杂质和缺陷俘获的几率，进一步降低器件的暗电流，提高响应率。
Description
技术领域
本发明涉及甚长波红外(大于14微米)探测器的制备工艺技术，具体是指一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器的制作方法，它适用于制作低暗电流、高响应率的台面式甚长波红外阻挡杂质带探测器。
背景技术
硅基阻挡杂质带探测器工作在10K以下的低温环境中，可对14～40μm波段范围内的甚长波红外辐射进行有效探测。在民用、军事和航空航天领域有着广泛的应用前景。目前，硅基阻挡杂质带探测器主要采用以下两种制备方法：一种是平面式(也称卧式)结构制备工艺，另一种是台面式(也称立式)结构制备工艺。平面式结构制备工艺是在高阻衬底上通过离子注入形成吸收层，并利用高阻衬底来作为阻挡层，见K.S.Liao,N.Li,X.H.Liu,L.Huang,Q.Y.Zeng,et al.,“Ion-implanted Si:P blocked-impurity-bandphotodetectors for far-infrared and terahertz radiation detection”,SPIE,Voll.8909,pp 890913-1-890913-9。这种制备方法的优点是正、负电极分别与阻挡层和吸收层直接接触，光生载流子传输路径短，收集效率高。缺点是离子注入形成的吸收层厚度受限，一般不超过2微米，限制了器件的响应率。同时，离子注入造成了大量缺陷，容易导致器件的暗电流过大。台面式结构制备工艺通常是在高导衬底上依次连续外延生长吸收层和阻挡层，正电极设置在阻挡层的顶部，负电极设置在高导衬底的底部(廖开升，刘希辉，黄亮，李志锋，李宁，戴宁，“天文用阻挡杂质带红外探测器”，中国科学：物理学力学天文学，2014,44:360–367)。这种制备方法的优点是便于调节吸收层厚度及掺杂浓度，缺点是光生载流子传输路径较长，增加了光生载流子被高导硅衬底中杂质和缺陷俘获的几率，从而导致器件的暗电流较高，光生载流子的收集效率不高。
发明内容
鉴于上述两种硅基阻挡杂质带探测器制备方法存在的不足，本发明采用化学气相沉积法外延生长硅掺砷吸收层，解决平面式硅基阻挡杂质带探测器中离子注入形成吸收层厚度受限的问题，便于增加吸收层厚度和调节掺杂浓度，提高吸收层对甚长波红外辐射的吸收效率及器件响应率，同时避免了离子注入引起的损伤，降低了暗电流；将负电极设置在高导硅衬底上表面，解决目前台面式硅基阻挡杂质带探测器中光生载流子传输路径较长的问题，以缩短光生载流子的传输路径，降低光生载流子的复合几率和探测器暗电流，进一步提高了探测器的响应率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
第一方面，本发明涉及一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器，包括高导硅衬底和设置在高导硅衬底上的第一区域与第二区域；所述第一区域包括依次设置的硅掺砷吸收层、高阻硅阻挡层、正电极接触区和氮化硅钝化层，其中，所述硅掺砷吸收层设置在高导硅衬底上，所述氮化硅钝化层同时覆盖于所述硅掺砷吸收层、高阻硅阻挡层和正电极接触区所组成的侧面上，在所述氮化硅钝化层上设置有正电极；所述第二区域包括设置在高导硅衬底上的氮化硅钝化层，所述氮化硅钝化层上设置有负电极；
第一区域的所述氮化硅钝化层与第二区域的所述氮化硅钝化层连接为一体形成凹字形结构，所述第二区域位于凹部。
优选地，所述硅掺砷吸收层中砷离子的掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-3，所述硅掺砷吸收层的厚度为20～30μm。选择上述砷离子的掺杂浓度范围是为了保证所述硅掺砷吸收层对甚长波红外辐射进行充分吸收；选择上述厚度范围可以在太赫兹辐射完全吸收的前提下确保暗电流尽可能低。
优选地，所述高阻硅阻挡层中无掺杂任何离子，所述高阻硅阻挡层的厚度为4～12μm。以使所述高阻硅阻挡层的电阻率尽可能大，从而保证对器件暗电流起到较好地阻挡作用。
优选地，所述正电极接触区的厚度为100nm。以能够形成良好的欧姆接触，从而达到良好的光生载流子收集效果，
优选地，所述凹字形结构是通过深硅刻蚀法得到，所述凹字形结构的深度为24～42μm。为了确保负电极能与所述高导硅衬底直接接触，从而形成良好的欧姆接触。
优选地，所述正电极通过正电极孔设置在第一区域的氮化硅钝化层上，所述负电极通过负电极孔设置在第二区域的氮化硅钝化层上，其中，正电极孔、负电极孔的深度均与氮化硅钝化层的厚度一致。
更优选地，所述氮化硅钝化层的厚度为200nm。为了有效保护器件表面不被外界环境玷污和氧化，同时避免厚度过大造成甚长波红外辐射能量损失，氮化硅钝化层的厚度为200nm。
优选地，在第一区域的氮化硅钝化层上设置有两个正电极，在第二区域的氮化硅钝化层上设置有一个负电极。以保证电极对光生载流子的充分收集。
第二方面，本发明涉及一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器的制备方法，包括如下步骤：
A 1、在高导硅衬底表面采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)工艺外延生长硅掺砷吸收层；
A2、在硅掺砷吸收层上通过金属有机化合物化学气相沉积工艺外延生长高阻硅阻挡层,不故意掺杂任何离子；
A3、在高阻硅阻挡层上通过光刻、离子注入及快速热退火工艺形成正电极接触区；
A4、在正电极接触区表面通过光刻、深硅刻蚀工艺形成台面结构；
A5、在所述凹形台面的凸起部表面、内侧壁和底部表面通过等离子体增强化学气相沉积工艺沉积氮化硅(SiNx)钝化层；
A6、在凹形台面凸起部的氮化硅钝化层上通过光刻、反应离子束刻蚀(RIE)及湿法腐蚀工艺开正电极孔，在凹形台面底部的氮化硅钝化层上通过光刻、反应离子束刻蚀(RIE)及湿法腐蚀工艺开负电极孔；
A7、在正电极孔、负电极孔内通过光刻、电子束蒸发及电极退火工艺形成欧姆接触良好的正电极、负电极；
A8、在正电极、负电极上通过光刻、电子束蒸发工艺加厚正电极、负电极。
优选地，在步骤A3中，所述离子注入工艺中，注入离子为砷离子，注入能量为20～50keV，注入剂量为1～7×1014cm-2；所述快速热退火工艺中：保护气氛为氮气，退火温度为900～1000℃，退火时间为5～20s。
优选地，在步骤A4中，所述深硅刻蚀的刻蚀深度为24～42μm。
优选地，在步骤A6中，所述正电极孔、负电极孔的开孔方法是反应离子束刻蚀与湿法腐蚀相结合的方法，开孔深度均为200nm。
优选地，在步骤A6中，所述湿法腐蚀工艺使用的腐蚀溶液体积配比为：浓度49％的氢氟酸：水＝1:6，腐蚀时间为15秒。
优选地，在蒸镀正、负电极和加厚正、负电极时，所述光刻工艺均为双层胶光刻工艺，即在器件表面依次先后旋涂光刻胶LOR10A和光刻胶AZ5214进行光刻。
优选地，在步骤A7中，通过所述电子束蒸发工艺蒸镀正电极、负电极包括从下到上依次蒸镀钛、铝、镍和金，其中，蒸镀钛的厚度为30nm，蒸镀铝的厚度为100nm，蒸镀镍的厚度为20nm，蒸镀金的厚度为100nm；在步骤A8中，通过所述电子束蒸发工艺加厚正电极、负电极包括在正电极、负电极上从下到上依次蒸镀镍和金，其中，蒸镀镍的厚度为35nm，蒸镀金的厚度为280nm。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、采用化学气相沉积法外延生长硅掺砷吸收层，便于增加吸收层厚度和调节掺杂浓度，提高吸收层对甚长波红外辐射的吸收效率及器件响应率，同时避免了离子注入引起的损伤，降低了暗电流；
2、将负电极设置在高导硅衬底上表面，缩短了光生载流子的输运路径，降低了光生载流子被高导硅衬底中杂质和缺陷俘获的几率，进一步降低器件的暗电流，提高探测器的响应率。
3、本发明制备的探测器具有两个第一区域和一个第二区域，它们连接为一体形成凹字形结构，由于在第一区域的氮化硅钝化层上设置有两个正电极，在第二区域的氮化硅钝化层上设置有一个负电极，该结构与仅有第一区域和第二区域各一个的传统探测器相比，具有两个光生载流子传输路径，因此提高了电极对光生载流子的收集效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提出的一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器的制作工艺流程图；
图2为本发明涉及的一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器的剖面结构示意图；
图3为在高导硅衬底上生长出硅掺砷吸收层后的结构示意图；
图4为在硅掺砷吸收层上生长出高阻硅阻挡层后的结构示意图；
图5为在高阻硅阻挡层上形成正电极接触区后的结构示意图；
图6为刻蚀形成台面结构后的结构示意图；
图7为在台面表面、侧壁及其底部沉积氮化硅钝化层后的结构示意图；
图8为在氮化硅钝化层上开正、负电极孔后的结构示意图；
图9为本发明实施例制得的台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器实验测试效果图；
图中：1-高导硅衬底；2-硅掺砷吸收层；3-高阻硅阻挡层；4-正电极接触区；5-氮化硅钝化层；6-正电极孔；7-负电极孔；8-正电极；9-负电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例涉及一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器，包括高导硅衬底1和设置在高导硅衬底1上的第一区域与第二区域；所述第一区域包括依次设置的硅掺砷吸收层2、高阻硅阻挡层3、正电极接触区4和氮化硅钝化层5，其中，所述硅掺砷吸收层2设置在高导硅衬底1上，所述氮化硅钝化层5同时覆盖于所述硅掺砷吸收层2、高阻硅阻挡层3和正电极接触区4所组成的侧面上，在所述氮化硅钝化层5上设置有正电极8；所述第二区域包括设置在高导硅衬底1上的氮化硅钝化层5，所述氮化硅钝化层5上设置有负电极9；第一区域的所述氮化硅钝化层5与第二区域的所述氮化硅钝化层5连接为一体形成凹字形结构，所述第二区域位于凹部。
所述硅掺砷吸收层2中砷离子的掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-3，所述硅掺砷吸收层2的厚度为20～30μm。
所述高阻硅阻挡层3的厚度为4～12μm。
所述凹字形结构是通过深硅刻蚀法得到，所述凹字形结构的深度为24～42μm。
所述正电极8通过正电极孔6设置在第一区域的氮化硅钝化层5上，所述负电极9通过负电极孔7设置在第二区域的氮化硅钝化层5上，其中，正电极孔6、负电极孔7的深度均与氮化硅钝化层5的厚度一致。
在第一区域的氮化硅钝化层5上设置有两个正电极8，在第二区域的氮化硅钝化层5上设置有一个负电极9。
本实施例还涉及该台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器的制备方法，制备工艺流程如图1所示，具体包括如下步骤：
S1、高导硅衬底清洗：首先采用丙酮和异丙醇各分别超声10分钟，去离子水冲洗，去除有机污染物；再依次用体积配比为HF：H2O＝1：10的溶液浸泡30秒，以去除表面氧化物；
S2、化学气相沉积生长吸收层：在高导硅衬底1上，采用金属有机化合物化学气相沉积工艺外延生长硅掺砷吸收层2，生长厚度为20～30μm，掺杂砷离子，掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-3，图3为在高导硅衬底上生长出硅掺砷吸收层后的结构示意图；
S3、化学气相沉积生长阻挡层：在硅掺砷吸收层2上，采用金属有机化合物化学气相沉积工艺外延生长高阻硅阻挡层3，不故意掺杂任何离子，生长厚度为4～12μm，图4为在硅掺砷吸收层上生长出高阻硅阻挡层后的结构示意图；
S4、第一次光刻：在高阻硅阻挡层3表面甩正胶AZ5214，厚度1.6μm，曝光显影，以形成光刻标记区域窗口；
S5、等离子体去胶：采用氧气等离子体去胶工艺，进一步去除曝光显影后残留的光刻胶底膜；
S6、蒸镀光刻标记：采用电子束蒸发工艺，在高电阻率硅阻挡层3表面蒸镀光刻标记，真空度5×10-4Pa，蒸发速率1nm/s，依次蒸镀镍、金金属膜，厚度为20nm、180nm；
S7、剥离：采用丙酮进行剥离，室温浸泡2小时，超声清洗10分钟，异丙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，氮气吹干；
S8、第二次光刻：在高阻硅阻挡层3表面甩正胶AZ4620，厚度6.5μm，曝光显影，以形成离子注入区域窗口；
S9、等离子体去胶：采用氧气等离子体去胶工艺，进一步去除曝光显影后残留的光刻胶底膜；
S10、离子注入：采用离子注入工艺，将硅离子注入高电阻率硅阻挡层3，注入能量为20～50keV，注入剂量为1～7×1014cm-2；
S11、快速热退火：在氮气气氛中，采用快速热退火工艺(此处快速热退火工艺是指升、降温速率在20℃/s～250℃/s范围的热退火工艺)，升、降温速率为100℃/s，退火温度为900～1000℃，退火温度保持时间为5～20秒，激活注入离子，修复晶格损伤，形成正电极接触区4(见图5)；
S12、第三次光刻：在高阻硅阻挡层3及正电极接触区4的表面旋涂正胶AZ4620，厚度6.7μm，曝光显影，以形成深硅刻蚀区域窗口；
S13、等离子体去胶：采用氧气等离子体去胶工艺，进一步去除曝光显影后残留的光刻胶底膜；
S14、深硅刻蚀：采用深硅刻蚀工艺，从高阻硅阻挡层3往高导硅衬底1方向刻蚀，刻蚀深度为24～42μm，露出高导硅衬底，形成台面结构(见图6)；
S15、有机清洗：采用丙酮进行有机清洗，超声10分钟，异丙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，氮气吹干；
S16、等离子体增强化学气相沉积：采用等离子体增强化学气相沉积工艺，在台面表面、侧壁及其底部沉积氮化硅钝化层5，沉积厚度为200nm(图7)；
S17、第四次光刻：在氮化硅钝化层5的表面旋涂正胶AZ4620，厚度6.5μm，曝光显影，以形成反应离子束刻蚀所需窗口；
S18、等离子体去胶：采用氧气等离子体去胶工艺，进一步去除曝光显影后残留的光刻胶底膜；
S19、反应离子束刻蚀：采用反应离子束刻蚀工艺，在氮化硅钝化层5上进行刻蚀，刻蚀深度为200nm；
S20、有机清洗：采用丙酮进行有机清洗，超声10分钟，异丙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，氮气吹干，以去除氮化硅钝化层5表面的光刻胶；
S21、湿法腐蚀：采用体积配比为：浓度49％的氢氟酸(HF)：水(H2O)＝1:6的溶液浸泡，腐蚀时间为15秒，去离子水冲洗，氮气吹干，以去除干净反应离子束刻蚀后的残留物，形成正电极孔6和负电极孔7(见图8)；
S22、第五次光刻：采用双层胶光刻工艺，在器件表面依次先后旋涂光刻胶LOR10A和光刻胶AZ5214，曝光显影，以形成蒸镀正、负电极所需窗口；
S23、等离子体去胶：采用氩气等离子体去胶工艺，去除干净曝光显影后残留的光刻胶底膜；
S24、蒸镀正、负电极：采用电子束蒸发工艺蒸镀正、负电极，从下到上依次蒸镀钛、铝、镍和金，蒸镀钛的厚度为30nm，蒸镀铝的厚度为100nm、蒸镀镍的厚度为20nm，蒸镀金的厚度为100nm；
S25、剥离：采用丙酮进行剥离，室温浸泡2小时，超声清洗30分钟，异丙醇超声清洗5分钟，浓度2.38％的四甲基氢氧化氨溶液超声清洗30秒，去离子水冲洗，氮气吹干；
S26、正、负电极退火：采用退火工艺，在氮气气氛中，退火温度为450℃，退火温度保持时间为30分钟，以使电极形成良好的欧姆接触；
S27、第六次光刻：采用双层胶光刻工艺，在器件表面依次旋涂光刻胶LOR10A和光刻胶AZ5214，曝光显影，以形成加厚正、负电极所需窗口；
S28、等离子体去胶：采用氩气等离子体去胶工艺，去除干净曝光显影后残留的光刻胶底膜；
S29、加厚正、负电极：采用电子束蒸发工艺蒸镀正、负电极，从下到上依次蒸镀镍和金，蒸镀镍的厚度为35nm、蒸镀金的厚度为280nm，以加厚正、负电极，完成正电极8和负电极9的制备；
S30、剥离：采用丙酮进行剥离，室温浸泡2小时，超声清洗20分钟，异丙醇超声清洗10分钟，浓度2.38％的四甲基氢氧化氨溶液超声清洗1分钟，去离子水冲洗，氮气吹干(见图2)；
S31、封装：采用砂轮划片及金丝球焊工艺，完成器件封装，至此器件制备完毕。
性能测试
将本实施例制得的探测器用于太赫兹探测，实验测试效果如图9所示，由图9可知，本发明提出的增强收集模式探测器与传统收集模式探测器相比，对甚长波红外辐射响应率得到了明显增强，由此证明了本发明结构的有效性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器，其特征在于，包括高导硅衬底和设置在高导硅衬底上的第一区域与第二区域；所述第一区域包括依次设置的硅掺砷吸收层、高阻硅阻挡层、正电极接触区和氮化硅钝化层，其中，所述硅掺砷吸收层设置在高导硅衬底上，所述氮化硅钝化层同时覆盖于所述硅掺砷吸收层、高阻硅阻挡层和正电极接触区所组成的侧面上，在所述氮化硅钝化层上设置有正电极；所述第二区域包括设置在高导硅衬底上的氮化硅钝化层，所述氮化硅钝化层上设置有负电极；
第一区域的所述氮化硅钝化层与第二区域的所述氮化硅钝化层连接为一体形成凹字形结构，所述第二区域位于凹部。
2.根据权利要求1所述的台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器，其特征在于，所述硅掺砷吸收层中砷离子的掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-3，所述硅掺砷吸收层的厚度为20～30μm。
3.根据权利要求1所述的台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器，其特征在于，所述高阻硅阻挡层的厚度为4～12μm。
4.根据权利要求1所述的台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器，其特征在于，所述凹字形结构是通过深硅刻蚀法得到，所述凹字形结构的深度为24～42μm。
5.根据权利要求1所述的台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器，其特征在于，所述正电极通过正电极孔设置在第一区域的氮化硅钝化层上，所述负电极通过负电极孔设置在第二区域的氮化硅钝化层上，其中，正电极孔、负电极孔的深度均与氮化硅钝化层的厚度一致。
6.根据权利要求5所述的台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器，其特征在于，在第一区域的氮化硅钝化层上设置有两个正电极，在第二区域的氮化硅钝化层上设置有一个负电极。
7.一种根据权利要求1所述的台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
A1、在高导硅衬底表面采用金属有机化合物化学气相沉积工艺外延生长硅掺砷吸收层；
A2、在硅掺砷吸收层上通过金属有机化合物化学气相沉积工艺外延生长高阻硅阻挡层；
A3、在高阻硅阻挡层上通过光刻、离子注入及快速热退火工艺形成正电极接触区；
A4、在正电极接触区表面的中部通过光刻、深硅刻蚀工艺，露出高导硅衬底，形成凹形台面；
A5、在所述凹形台面的凸起部表面、内侧壁和底部表面通过等离子体增强化学气相沉积工艺沉积氮化硅钝化层；
A6、在凹形台面凸起部的氮化硅钝化层上通过光刻、反应离子束刻蚀及湿法腐蚀工艺开正电极孔，在凹形台面底部的氮化硅钝化层上通过光刻、反应离子束刻蚀及湿法腐蚀工艺开负电极孔；
A7、在正电极孔、负电极孔内通过光刻、电子束蒸发及电极退火工艺形成欧姆接触的正电极、负电极；
A8、在正电极、负电极上通过光刻、电子束蒸发工艺加厚正电极、负电极。
8.根据权利要求7所述的台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器的制备方法，其特征在于，在步骤A3中，所述离子注入工艺中：注入离子为砷离子，注入能量为20～50keV，注入剂量为1～7×1014cm-2；所述快速热退火工艺中：保护气氛为氮气，退火温度为900～1000℃，退火时间为5～20s。
9.根据权利要求7所述的台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器的制备方法，其特征在于，在步骤A6中，所述湿法腐蚀工艺使用的腐蚀溶液体积配比为：浓度49％的氢氟酸：水＝1:6，腐蚀时间为15秒。
10.根据权利要求7所述的台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器的制备方法，其特征在于，在步骤A7中，通过所述电子束蒸发工艺蒸镀正电极、负电极包括从下到上依次蒸镀钛、铝、镍和金，其中，蒸镀钛的厚度为30nm，蒸镀铝的厚度为100nm，蒸镀镍的厚度为20nm，蒸镀金的厚度为100nm；在步骤A8中，通过所述电子束蒸发工艺加厚正电极、负电极包括在正电极、负电极上从下到上依次蒸镀镍和金，其中，蒸镀镍的厚度为35nm，蒸镀金的厚度为280nm。
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