CN109449238A - 一种大规模小像元铟镓砷焦平面探测器制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大规模小像元铟镓砷焦平面探测器制备方法，具体步骤如下：1)淀积氮化硅扩散掩膜，2)开扩散窗口，3)闭管扩散，4)生长P电极，5)快速热退火，6)开N槽，7)淀积氮化硅钝化膜，8)开P、N电极孔，9)生长加厚电极，10)金属化，11)生长铟柱。本发明的优点在于：1、制备工艺更简单，首先生长P区电极的工艺方法，降低光刻偏差和过刻蚀可能导致的P区电极与N区InP材料之间的导通风险；2、引入感应耦合等离子体化学气相沉积(ICPCVD)技术生长低温氮化硅钝化膜，芯片的表面钝化层结构致密，降低工艺过程对材料表面造成的损伤，改善表面钝化效果；3、金属化区域和铟柱区域一体化光刻生长技术，降低器件的接触电阻。
Description
技术领域
本发明是关于焦平面探测器的制备技术，具体是指一种大规模小像元焦平面探测器制备方法，它适用于制备高密度、高可靠性的平面型铟镓砷焦平面探测器。所述的大规模是指2000ⅹ2000元以上，所述的小像元是指中心距10μm以下。
背景技术
短波红外铟镓砷探测器具有高探测率、高量子效率、室温工作等优异性能，在军事、民用以及航空航天领域有广泛应用价值。随着短波红外成像技术向高分辨率发展的技术需求，需要开发高性能的大规模、小像元铟镓砷焦平面探测器的制备工艺方法。
铟镓砷探测器芯片的剖面结构如附图所示，它由N型InP衬底1、N型InP缓冲层2、InGaAs吸收层3、N型InP帽层4、光敏区5、氮化硅钝化层6、P电极7、接触电极8、金属化金9和铟柱10组成。目前铟镓砷焦平面探测器的工艺主要包括以下主要步骤：
步骤1.在外延片上生长扩散掩膜；
步骤2.通过闭管扩散在外延层中形成PN结；
步骤3.通过刻蚀在外延片上开N槽；
步骤4.在器件表面淀积氮化硅钝化膜；
步骤5.通过刻蚀在外延片上开P电极孔；
步骤6.在P区表面溅射生长P电极；
步骤7.通过湿法腐蚀在外延片上开N电极孔；
步骤8.在P电极上和N区表面，溅镀Cr、Au、Cr金属膜作为加厚电极；
步骤9.在加厚电极上光刻出金属化孔，溅射Au金属膜；
步骤10.在金属化膜上光刻出铟孔，生长In柱。
随着探测器向高密度、小像素、大面阵方向发展，在现有的平面型铟镓砷焦平面探测器芯片制备工艺过程中，较高温度淀积表面钝化膜之后，通过光刻和刻蚀工艺定义P区电极孔，之后生长P区电极的工艺方法，存在以下问题：
1、在高密度小像素的光敏芯片阵列研制中，通过光刻和刻蚀工艺定义P区电极孔，由于光刻偏差和过刻蚀的存在，P区电极与N区InP材料之间存在导通风险；
2、P电极生长之前，在淀积氮化硅钝化膜的工艺中，等离子增强化学气相淀积技术(PECVD)产生的等离子体会对外延材料表面造成一定损伤。
3、在高密度小像素的光敏芯片阵列研制中，随着有效光敏区面积减小，探测器的周长面积比增大，表面漏电在小像素探测器的暗电流成分中影响显著，降低淀积氮化硅钝化膜工艺过程对外延材料表面造成的损伤是十分必要的。
4、在小像素光敏芯片的金属化和生长铟柱的光刻对准中存在一定偏差，导致电极和铟柱的接触面积降低，存在影响器件接触电阻的问题。
本发明在铟镓砷焦平面探测器的制备工艺进行改进和创新，适用于大规模小像元铟镓砷焦平面探测器的制备，有利于解决焦平面探测器盲元率增加和暗电流性能降低的问题，使焦平面探测器的成品率和性能得到提升。
发明内容
基于上述铟镓砷焦平面探测器芯片制备工艺中存在的问题，本发明创新性地提出了一种大规模小像元焦平面探测器芯片制备方法，有利于降低焦平面探测器的盲元率和暗电流，使焦平面探测器的成品率和性能得到提升。
本发明是在原有工艺技术基础之上进行改进。首先，在扩散成结后先生长P电极，再生长氮化硅钝化膜；其次，在氮化硅钝化膜的生长技术进行了改进，由原来的PECVD技术改进为ICPCVD技术低温生长氮化硅钝化膜；最后将金属化与生长铟柱的两步光刻改为一体化光刻生长。具体工艺流程步骤如下：
1淀积氮化硅扩散掩膜，用作扩散掩膜，采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术淀积厚度为230nm±20nm的氮化硅，RF功率为40W±10W、衬底温度330℃±10℃、气体流量SiH4:N2为1:18。
2开扩散窗口，采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术刻蚀氮化硅，刻蚀条件为：ICP功率为2000W±50W、RF功率为40W±5W、SF6气体流量45sccm±5sccm、腔体压强为9.4mTorr±0.1mTorr、温度为5℃±1℃，然后用氢氟酸缓冲液在室温下腐蚀5s±1s，腐蚀液体积比为HF:NH4F:H2O为3:6:10；
3闭管扩散，形成光敏扩散区5，采用粉末状Zn3P2作为扩散源，真空度为5ⅹ10-5Pa以下，扩散条件为：在200℃±10℃温度下保持时间12min±1min，然后在530℃±10℃温度条件下保持时间11min±1min，快速取出。
4生长P电极，用作P电极7，采用离子束溅射工艺淀积厚度为50nm±10nm的Au，真空度为3ⅹ10-2Pa以下，离子束能量为100eV±10eV；
5快速热退火，退火条件为：氮气保护气氛，退火温度为450℃±10℃，温度保持时间为15s±2s；
6开N槽，用氢氟酸缓冲液在室温下腐蚀氮化硅掩膜，腐蚀液配比与步骤2)相同，采用氩离子刻蚀技术刻蚀N槽，刻蚀条件为：离子能量300eV±10eV，束流80cm-3±5cm-3，然后湿法腐蚀铟镓砷，腐蚀液体积比为酒石酸溶液:H2O2＝5:1，腐蚀温度保持在35℃±2℃；
7淀积低温氮化硅钝化膜，采用感应耦合等离子体化学气相淀积(ICPCVD)技术生长300nm±30nm的氮化硅作为钝化膜6，生长条件为：ICP功率为750W±10W、衬底温度75℃±5℃、气体流量SiH4:N2为6:5；
8开P、N电极孔，采用工艺条件与步骤2)相同；
9生长加厚电极，用作加厚电极8，采用离子束溅射工艺依次淀积厚度分别为20nm±2nm、400nm±40nm、30nm±3nm的Cr、Au、Cr，淀积条件与步骤4)相同；
10金属化，用作与铟柱接触的金属化金9，淀积条件与步骤4)相同；
11生长铟柱，用作铟柱10。
本发明的优点在于：
1制备工艺更简单，首先生长P区电极的工艺方法，降低光刻偏差和过刻蚀可能导致的P区电极与N区InP材料之间的导通风险。此外，在P电极生长之前不需要对外延材料进行刻蚀，减少了材料表面的损伤，有利于P型欧姆接触的形成。
2引入感应耦合等离子体化学气相沉积(ICPCVD)技术生长低温氮化硅钝化膜，芯片的表面钝化层结构致密，降低工艺过程对材料表面造成的损伤，改善表面钝化效果，有利于降低表面漏电。
3金属化区域和铟柱区域一体化光刻生长技术，减少了工艺步骤，降低了光刻对准难度，降低了器件的接触电阻。
附图说明
图1为本发明的铟镓砷探测器芯片的剖面结构示意图；
图2为本发明的平面型铟镓砷探测器芯片制备工艺步骤流程图；
图中：
1--半绝缘衬底InP衬底；
2--N型InP层；
3--铟镓砷本征吸收层；
4--N型InP帽层；
5--光敏扩散区；
6--氮化硅(SiNx)钝化层；
7--P电极；
8--加厚电极；
9--金属化金；
10--铟柱
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细的说明。
如附图1所示，本实施例所用的外延片为采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)技术，在厚度为350μm的N型衬底1上，依次生长厚度为0.5μm的N型InP层2，载流子浓度≥2×1018cm-3；厚度为2.5μm的铟镓砷本征吸收层3，载流子浓度为5×1016cm-3；厚度为1μm的N型InP帽层4，载流子浓度为5×1016cm-3。本实施例的大规模小像元焦平面探测器芯片制备工艺是在原有工艺基础之上，将淀积钝化膜与生长P电极的顺序交换；钝化膜淀积工艺由等离子体增强化学气相淀积技术改进为感应耦合等离子体化学气相淀积技术；金属化区域和铟柱区域一体化光刻生长。
本实施例探测器光敏芯片制备的具体工艺流程为：
1淀积氮化硅扩散掩膜，用作扩散掩膜，采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术淀积厚度为230nm±20nm的氮化硅，RF功率为40W±5W、衬底温度330℃±10℃、气体流量SiH4:N2为1:18。
2开扩散窗口，采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术刻蚀氮化硅，刻蚀条件为：ICP功率为2000W±50W、RF功率为40W±5W、SF6气体流量45sccm±5sccm、腔体压强为9.4mTorr±0.1mTorr、温度为5℃±1℃，然后用氢氟酸缓冲液在室温下腐蚀5s±1s，腐蚀液体积比为HF:NH4F:H2O为3:6:10；3闭管扩散，形成光敏扩散区5，采用粉末状Zn3P2作为扩散源，真空度为5ⅹ10-5Pa以下，扩散条件为：在200℃±10℃温度下保持时间12min±1min，然后在530℃±10℃温度条件下保持时间11min±1min，快速取出。
4生长P电极，用作P电极7，采用离子束溅射工艺淀积厚度为50nm±10nm的Au，真空度为3ⅹ10-2Pa以下，离子束能量为100eV±10eV；
5快速热退火，退火条件为：氮气保护气氛，退火温度为450℃±10℃，温度保持时间为15s±2s；
6开N槽，用氢氟酸缓冲液在室温下腐蚀氮化硅掩膜，腐蚀液配比与步骤2)相同，采用氩离子刻蚀技术刻蚀N槽，刻蚀条件为：离子能量300eV±10eV，束流80cm-3±5cm-3，然后湿法腐蚀铟镓砷，腐蚀液体积比为酒石酸溶液:H2O2＝5:1，腐蚀温度保持在35℃±2℃；
7淀积低温氮化硅钝化膜，采用感应耦合等离子体化学气相淀积(ICPCVD)技术生长300nm±30nm的氮化硅作为钝化膜6，生长条件为：ICP功率为750W±10W、衬底温度75℃±5℃、气体流量SiH4:N2为6:5；
8开P、N电极孔，采用工艺条件与步骤2)相同；
9生长加厚电极，用作加厚电极8，采用离子束溅射工艺依次淀积厚度分别为20nm±2nm、400nm±40nm、30nm±3nm的Cr、Au、Cr，淀积条件与步骤4)相同；
10金属化，用作与铟柱接触的金属化金9，淀积条件与步骤4)相同；
11生长铟柱，用作铟柱10。
Claims (1)
1.一种大规模小像元铟镓砷焦平面探测器制备方法，制备的具体方法步骤如下：1)淀积氮化硅扩散掩膜，2)开扩散孔，3)扩散成结，4)生长P电极，5)快速热退火，6)开N槽，7)淀积氮化硅钝化膜，8)开P、N电极孔，9)生长加厚电极，10)金属化，11)生长铟柱，其特征在于：
在步骤7)中所述的淀积氮化硅钝化膜的方法为：采用感应耦合等离子体化学气相淀积技术生长300nm的氮化硅为钝化膜，生长条件为：ICP功率为750W、衬底温度75℃、气体流量SiH4:N2为6:5；
步骤10)和步骤11)中所述的金属化和生长铟柱采用一体化光刻生长的方法，使用厚胶进行光刻，胶厚约为6μm。
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