CN109755327A - 原子尺度多层复合膜钝化的延伸波长铟镓砷探测器及方法 - Google Patents
原子尺度多层复合膜钝化的延伸波长铟镓砷探测器及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种原子尺度多层复合膜钝化的延伸波长铟镓砷探测器及方法，其结构为：在半绝缘InP衬底上，依次为N+型InP层，组分渐变的N+型InxAl1‑xAs缓冲层，InxGa1‑xAs吸收层，P+型InxAl1‑xAs帽层，多层氧化铝和氮化硅复合膜，P电极，加厚电极。本发明的优点在于：原子层淀积生长的多层氧化铝薄膜具有优秀的台阶覆盖性，薄膜非常平滑且连续无针孔；原子层沉积具有自清洁作用，能去除表面侧面的自然氧化物，使得器件的表面侧面电流得到抑制；由于原子层沉积的自限制性，使得氧化铝生长速率缓慢，所以采用原子层沉积多层氧化铝和感应耦合等离子体沉积氮化硅结合的方式生长多层氧化铝和氮化硅复合膜作为钝化膜的结构，有利于改善台面型延伸波长铟镓砷探测器表面和侧面钝化。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器的制备技术，具体是指一种原子尺度的多层复合膜钝化的延伸波长铟镓砷探测器及其制备方法，它适用于制备大面阵、小像元、高深宽比、高灵敏度、高可靠性的高密度台面型铟镓砷探测器焦平面。
背景技术
延伸波长铟镓砷焦平面探测器向大规模、高密度、高灵敏度的方向发展，对于1280×1024元及更大规模的面阵器件，光敏元尺寸≤15μm，台面型器件之间的刻蚀隔离槽≤2μm，为了解决高深宽比、高密度器件的钝化需求，进一步降低器件暗电流，需要开发在原子尺度上的器件钝化工艺新方法。
台面型延伸波长铟镓砷探测器的剖面结构如附图1所示，它由半绝缘InP衬底1、N+型InP层2、组分渐变的N+型InxAl1-xAs缓冲层3、InxGa1-xAs吸收层4、P+型InxAl1-xAs帽层5、多层氧化铝6和氮化硅7复合膜、P电极8、加厚电极9组成。目前，台面型铟镓砷探测器的工艺主要包括以下主要步骤：
步骤1.在外延片上沉积刻蚀掩膜；
步骤2.通过干法刻蚀和湿法腐蚀结合的方法形成台面；
步骤3.通过湿法腐蚀去除残留的氮化硅掩膜；
步骤4.通过湿法腐蚀在外延片上开N槽；
步骤5.在P孔表面电子束蒸发生长Ti/Pt/Au作为P电极；
步骤6.在器件表面淀积氮化硅钝化膜；
步骤7.通过干法刻蚀在外延片上开P、N电极孔；
步骤8.在P电极上和N区表面，溅镀Cr/Au金属膜作为加厚电极。
在现有的台面型铟镓砷焦平面探测器芯片制备工艺过程中，通常采用感应耦合等离子体化学气相沉淀积生长的氮化硅钝化膜实现台面型探测器的表面侧面钝化，该钝化方式对降低探测器暗电流密度发挥了较好的作用，钝化膜生长前表面处理和钝化膜生长流程控制是器件性能保障的关键。随着探测器向高密度、小像素、大面阵方向发展，高密度、高深宽比台面器件的表面侧面钝化面临新的问题，感应耦合等离子体化学气相沉淀积生长的氮化硅钝化膜在高密度、高深宽比台面侧面的覆盖性差。因此，需要针对性的发展一种台阶覆盖性好、表面侧面钝化效果好的适配高密度、高深宽比台面器件的钝化膜，从而降低延伸波长铟镓砷探测器的暗电流。
发明内容
基于上述高密度、高深宽比台面型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原子尺度的多层复合膜钝化的延伸波长铟镓砷探测器及其制备方法，使得钝化膜的台阶覆盖性好，并且钝化膜的钝化效果好，器件暗电流密度小。
一种原子尺度的多层复合膜钝化的延伸波长铟镓砷探测器，其结构为：在半绝缘InP衬底1上，依次生长N+型InP层2，组分渐变的N+型InxAl1-xAs缓冲层3，InxGa1-xAs吸收层4，P+型InxAl1-xAs帽层5，多层氧化铝6和氮化硅7复合膜，P电极8，加厚电极9；其中：
在所述的台面型延伸波长铟镓砷探测器表面覆盖有多层氧化铝和氮化硅的多层复合膜，该钝化膜的台阶覆盖性好，并且钝化效果好，暗电流密度小。
本发明是在原有工艺技术基础之上进行改进。钝化膜由原有的单层氮化硅钝化膜改进为多层氧化铝和氮化硅多层复合膜。具体工艺流程步骤如下：
1淀积氮化硅刻蚀掩膜，用作刻蚀掩膜，采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术淀积厚度为400±20nm的氮化硅。
2刻蚀台面，分为刻蚀氮化硅和刻蚀形成台面两部分。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2000±5W、RF功率为40±5W、温度为5±1℃，采用SF6气体刻蚀；采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术刻蚀台面，刻蚀条件为：ICP功率为350±5W、RF功率为130±5W、采用Cl2气和N2气作为刻蚀气体、温度为170±5℃；
3去除氮化硅掩膜，采用氢氟酸缓冲液在室温下腐蚀120±5s，腐蚀液体积比为HF:NH4F:H2O为3:6:10；
4开N槽，用酒石酸溶液在腐蚀铟镓砷层，腐蚀液体积比为重量比酒石酸溶液:H2O为1:1，腐蚀速率为0.5±0.05μm/min；
5生长P电极，用作P电极8，采用电子束蒸发工艺淀积厚度为20nm/30nm/20nm的Ti/Pt/Au；
6快速热退火，退火条件为：氮气保护气氛，退火温度为420±5℃，温度保持时间为40±5s；
7淀积多层氧化铝，采用原子层沉积技术生长单层厚度0.1nm、累计层数为190～210层的氧化铝作为多层复合膜的第一部分6，生长氧化铝的温度为150±5℃；
8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技术生长580～620nm的氮化硅作为多层复合膜的第二部分7，生长条件为：ICP功率为750±5W、采用SiH4和N2作为工艺气体，衬底温度75±5℃，控制腔体压强稳定；
9开P、N电极孔，首先采用磷酸水溶液在室温下腐蚀多层氧化铝30±5s，腐蚀液体积比为H3PO4:H2O为1:20(H3PO4为85％)；再刻蚀氮化硅，工艺条件与步骤2中的刻蚀氮化硅的相同；
10生长加厚电极，生长加厚电极，用作加厚电极9，采用离子束溅射工艺依次淀积厚度分别为20±5nm/400±20nm的Cr/Au；
本发明的优点在于：
1原子层淀积是一种交替饱和反应，以其连续性和自限制性来满足原子层控制和淀积薄膜的保形性。在高深宽比表面，原子层淀积生长的多层氧化铝薄膜具有优秀的台阶覆盖性及保形性，生长的薄膜非常平滑，且连续无针孔。
2原子层沉积具有自清洁作用，能在反应初始阶段能去除台面表面和侧面的自然氧化物，进一步减小表面缺陷，优化表面侧面的钝化效果。
3由于原子层沉积的自限制性，其生长速度十分缓慢，所以采用原子层沉积多层氧化铝和感应耦合等离子体化学气相沉积氮化硅双层钝化膜结构，有利于改善台面型延伸波长铟镓砷探测器表面和侧面钝化效果。
附图说明
图1为本发明的台面型延伸波长铟镓砷探测器芯片的剖面结构示意图；
图2为本发明的台面型延伸波长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)--N+型铟铝砷缓冲层
(4)--铟镓砷吸收层；
(5)--P+型InP帽层；
(6)--多层氧化铝；
(7)--氮化硅；
(8)--P电极；
(9)--加厚电极；
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气源分子束外延(GSMBE)技术，在厚度为350±20μm的N型衬底1上，依次生长N+型InP层2，组分渐变的铟铝砷缓冲层3，铟镓砷吸收层4，P+型InP帽层5。本实施例的多层复合膜钝化的台面型延伸波长铟镓砷探测器制备工艺是在原有工艺基础之上，将氮化硅钝化膜改进为多层氧化铝和氮化硅的复合膜。本实施例探测器光敏芯片制备的具体工艺流程为：
实施例1
1淀积氮化硅刻蚀掩膜，用作刻蚀掩膜，采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术淀积厚度为400±20nm的氮化硅，RF功率为40±5W、衬底温度330±5℃、气体流量SiH4:N2为1:18；
2刻蚀台面，分为刻蚀氮化硅和刻蚀形成台面两部分。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2000±5W、RF功率为40±5W、采用SF6作为刻蚀气体，温度为5±1℃；采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术刻蚀台面，刻蚀条件为：ICP功率为350±5W、RF功率为130±5W、采用Cl2和N2作为刻蚀气体，温度为170±5℃；
3去除氮化硅掩膜，采用氢氟酸缓冲液在室温下腐蚀120±5s，腐蚀液体积比为HF:NH4F:H2O为3:6:10；
4开N槽，用酒石酸溶液腐蚀铟镓砷层，腐蚀液体积比为重量比酒石酸溶液:H2O为1:1，腐蚀速率为0.5±0.05μm/min；
5生长P电极，用作P电极8，采用电子束蒸发工艺淀积厚度为20±5nm/30±5nm/20±5nm的Ti/Pt/Au，；
6快速热退火，退火条件为氮气保护气氛，退火温度为420±5℃，温度保持时间为40±5s；
7淀积多层氧化铝，采用原子层沉积(ALD)技术生长多层氧化铝作为多层复合膜钝化膜的第一部分6，生长氧化铝的生长温度150±5℃，单层厚度0.1nm，累计层数为190层；
8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580nm的氮化硅作为多层复合膜钝化膜的第二部分7，生长条件为：ICP功率为750±5W、衬底温度75±5℃、采用SiH4和N2作为工艺气体，SiH4:N2为1.15:1；
9开P、N电极孔，首先采用磷酸水溶液在室温下腐蚀多层氧化铝30±5s，腐蚀液体积比为H3PO4:H2O为1:20(H3PO4为85％)；再刻蚀氮化硅，工艺条件与步骤2中的刻蚀氮化硅的相同；
10生长加厚电极，用作加厚电极9，采用离子束溅射工艺依次淀积厚度分别为20±5nm/400±20nm的Cr/Au。
实施例2
1淀积氮化硅刻蚀掩膜，用作刻蚀掩膜，采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术淀积厚度为400±20nm的氮化硅，RF功率为40±5W、衬底温度330±5℃、气体流量SiH4:N2为1:18；
2刻蚀台面，分为刻蚀氮化硅和刻蚀形成台面两部分。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2000±5W、RF功率为40±5W、采用SF6作为刻蚀气体，温度为5±1℃；采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术刻蚀台面，刻蚀条件为：ICP功率为350±5W、RF功率为130±5W、采用Cl2和N2作为刻蚀气体，温度为170±5℃；
3去除氮化硅掩膜，采用氢氟酸缓冲液在室温下腐蚀120±5s，腐蚀液体积比为HF:NH4F:H2O为3:6:10；
4开N槽，用酒石酸溶液腐蚀铟镓砷层，腐蚀液体积比为重量比酒石酸溶液:H2O为1:1，腐蚀速率为0.5±0.05μm/min；
5生长P电极，用作P电极8，采用电子束蒸发工艺淀积厚度为20±5nm/30±5nm/20±5nm的Ti/Pt/Au，；
6快速热退火，退火条件为氮气保护气氛，退火温度为420±5℃，温度保持时间为40±5s；
7淀积多层氧化铝，采用原子层沉积(ALD)技术生长多层氧化铝作为多层复合膜钝化膜的第一部分6，生长氧化铝的生长温度150±5℃，单层厚度0.1nm，累计层数为200层；
8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600nm的氮化硅作为多层复合膜钝化膜的第二部分7，生长条件为：ICP功率为750±5W、衬底温度75±5℃、采用SiH4和N2作为工艺气体，SiH4:N2为1.15:1；
9开P、N电极孔，首先采用磷酸水溶液在室温下腐蚀多层氧化铝30±5s，腐蚀液体积比为H3PO4:H2O为1:20(H3PO4为85％)；再刻蚀氮化硅，工艺条件与步骤2中的刻蚀氮化硅的相同；
10生长加厚电极，用作加厚电极9，采用离子束溅射工艺依次淀积厚度分别为20±5nm/400±20nm的Cr/Au。
实施例3
1淀积氮化硅刻蚀掩膜，用作刻蚀掩膜，采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术淀积厚度为400±20nm的氮化硅，RF功率为40±5W、衬底温度330±5℃、气体流量SiH4:N2为1:18；
2刻蚀台面，分为刻蚀氮化硅和刻蚀形成台面两部分。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2000±5W、RF功率为40±5W、采用SF6作为刻蚀气体，温度为5±1℃；采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术刻蚀台面，刻蚀条件为：ICP功率为350±5W、RF功率为130±5W、采用Cl2和N2作为刻蚀气体，温度为170±5℃；
3去除氮化硅掩膜，采用氢氟酸缓冲液在室温下腐蚀120±5s，腐蚀液体积比为HF:NH4F:H2O为3:6:10；
4开N槽，用酒石酸溶液腐蚀铟镓砷层，腐蚀液体积比为重量比酒石酸溶液:H2O为1:1，腐蚀速率为0.5±0.05μm/min；
5生长P电极，用作P电极8，采用电子束蒸发工艺淀积厚度为20±5nm/30±5nm/20±5nm的Ti/Pt/Au，；
6快速热退火，退火条件为氮气保护气氛，退火温度为420±5℃，温度保持时间为40±5s；
7淀积多层氧化铝，采用原子层沉积(ALD)技术生长多层氧化铝作为多层复合膜钝化膜的第一部分6，生长氧化铝的生长温度150±5℃，单层厚度0.1nm，累计层数为210层；
8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600nm的氮化硅作为多层复合膜钝化膜的第二部分7，生长条件为：ICP功率为750±5W、衬底温度75±5℃、采用SiH4和N2作为工艺气体，SiH4:N2为1.15:1；
9开P、N电极孔，首先采用磷酸水溶液在室温下腐蚀多层氧化铝30±5s，腐蚀液体积比为H3PO4:H2O为1:20(H3PO4为85％)；再刻蚀氮化硅，工艺条件与步骤2中的刻蚀氮化硅的相同；
10生长加厚电极，用作加厚电极9，采用离子束溅射工艺依次淀积厚度分别为20±5nm/400±20nm的Cr/Au。
Claims (2)
1.一种原子尺度多层复合膜钝化的延伸波长铟镓砷探测器，其结构为：在半绝缘InP衬底(1)上，依次为N+型InP层(2)，组分渐变的N+型InxAl1-xAs缓冲层(3)，InxGa1-xAs吸收层(4)，P+型InxAl1-xAs帽层(5)，多层氧化铝Al2O3(6)和氮化硅SiNx(7)复合膜，P电极(8)，加厚电极(9)，其特征在于：
所述的多层复合膜是指多层氧化铝Al2O3(6)和氮化硅SiNx(7)复合膜，其中多层氧化铝Al2O3的层数为190～210层，氮化硅SiNx的厚度为580nm～620nm。
2.一种制备如权利要求1所述的一种原子尺度的多层复合膜钝化的延伸波长铟镓砷探测器的方法，具体步骤如下：在台面型延伸波长铟镓砷外延材料上1)淀积氮化硅刻蚀掩膜，2)刻蚀台面，3)去除氮化硅掩膜4)开N槽，5)生长P电极，6)快速热退火，7)淀积多层氧化铝钝化膜，8)淀积氮化硅钝化膜，9)开P、N电极孔，10)生长加厚电极，其特征在于：
在步骤7)中所述的淀积多层氧化铝钝化膜方法为：采用原子层沉积技术生长，单层厚度0.1nm、累计层数为190～210层，生长温度为150±5℃。
在步骤8)中所述的淀积氮化硅钝化膜方法为：采用感应耦合等离子体化学气相淀积技术生长580nm～620nm的氮化硅作为钝化膜，生长条件为：ICP功率为750±5W、衬底温度75±5℃。
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