CN112133790A - 高速光电探测器制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速光电探测器制备方法，包括以下步骤：制备台面型光电探测器的P‑I‑N高台；在P‑I‑N高台上涂覆两层光刻胶，保障了后续光刻胶作为腐蚀掩蔽层的可靠性，降低了器件的暗电流，增加了光刻显影的工艺窗口，可以很好地控制显影的钻蚀，保证了光敏面的大小，降低耦合难度，而得到高性能的高速InGaAs/InP PIN光电探测器。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器芯片制造加工技术领域，涉及一种高速光电探测器的制作加工工艺方法。
背景技术
5G作为第五代移动通讯网络，已经成为国家战略的一部分。据相关机构预测，截止2020年，我国仅基站规模就将达到千亿市场，整体5G产业市场前景非常广阔。一个光纤通讯系统通常由半导体激光器，半导体探测器和光纤等光电器件组成。其中，半导体光电探测器是光接收系统的核心器件，光电探测器是一种受光器件，具有将光信号转换为电信号的功能。随着5G移动通讯网络的快速发展，高速度，高响应度的InGaAs/InP PIN结构光电探测器得到了极大地发展。
InGaAs/InP PIN结构光电探测器基本结构可以分为平面结构和台面结构。平面结构制作工艺简单，工艺周期短。但是相比于台面结构，台面结构可以取出平面结构的弯曲部分，改善表面的击穿电压，减小器件电容，更容易实现高速通讯传输的要求。因此，台面型结构光电探测器被广泛应用于高速光电子器件。但是，在台面结构的制备过程中，需要经过多次的光刻腐蚀来获得所需要的台型结构。但是随着光刻次数的增加，所获得的台型结构将会变得越来越高，这将会极大地增加后续工艺的难度。
高速台面型光电探测器的制备工艺，可以大致分为以下几个步骤：
(1)P-ring制备：经过光刻工艺，腐蚀工艺，蒸发镀金工艺，制备金属P-ring；
(2)台面结构制备：经过连续的光刻工艺和腐蚀工艺，制备获得所需要的P-I-N高台结构；
(3)电极窗口制备：经过光刻工艺，腐蚀工艺，在“P-ring”和“N台”处打开P/N电极窗口；
(4)电极制备：经过光刻工艺，蒸发镀金工艺，制备特定图形的P型和N型金属电极，形成欧姆接触；
(5)减薄抛光：经过磨片以及抛光工艺将晶圆厚度减薄至解理所需的厚度。
在上述(2)中，要经过多次连续的湿法腐蚀工艺。将晶圆按照外延层的顺序对光刻形成的图形窗口进行湿法腐蚀，腐蚀掉所述外延片I区外延层、N区外延层和衬底层，形成高速台面型光电探测器的特殊外延台面。但是，随着腐蚀的次数增多，特别是N台(N区外延层+衬底层)腐蚀结束后，所制备的外延台面基本成型，台面高度达到大约5μm，5μm的台面高度对上述(3)、(4)步工艺增加了极大难度。
上述(3)、(4)步工艺包含清洗-匀胶—曝光—显影—腐蚀—去胶等工艺步骤。现有的光刻胶型号为台湾永光科技EPG516型光刻胶，其厚度最高只能达到大约2.3μm，这样的光刻胶厚度已经不能对大约5μm的台面起到很好的腐蚀掩蔽作用。特别是台面顶部区域，会因为光刻胶太薄出现显影图形的钻蚀从而导致台面型光探测器光敏面面积减小，增加后续耦合的难度，或者经过RIE刻蚀后容易露出所保护的图形区域，从而导致表面漏流，严重影响器件的响应度、暗电流、量子效率、可靠性和运行速度等性能指标。
常规的解决办法是寻找更厚的光刻胶代替现有的EPG516型光刻胶，让台面得到有效的保护。但是，厚度更大的光刻胶粘稠度也会越大。首先，粘稠度过大会增加匀胶的困难，因为粘稠度太大，容易堵塞液体运输管道等问题，不能通过自动匀胶机实现全自动匀胶；其次，手动匀胶也会因为其高的粘稠度而导致匀胶厚度均匀性差的问题，从而增大曝光、显影的难度，显影后容易出现胶薄的区域出现钻蚀导致图形窗口变大，胶厚的区域显影不彻底的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速光电探测器的制备方法，该方法通过工艺的优化，可以很好的解决因台面探测器外延高台的形成，普通厚度的光刻胶难以在后续的工艺步骤中对外延高台形成良好的保护作用的问题，有效减少了器件表面态的形成，减小器件的暗电流，保障了光敏面的大小，提升了器件响应度，大大提高器件的性能。
为达上述目的，本发明提供了一种高速光电探测器制备方法，包括以下步骤：
制备台面型光电探测器的P-I-N高台；
在P-I-N高台上涂覆第一层光刻胶，并进行软烘烤，烘烤温度为90℃—120℃；
在第一层光刻胶上再涂覆第二层光刻胶，并进行软烘烤，烘烤温度为90℃—120℃；
采用接触式曝光机进行曝光，显影前进行软烘烤，显影后得到P/N电极图形窗口；
120℃—150℃进行硬烘烤；
使用反应离子刻蚀机对光刻形成的P/N电极窗口进行刻蚀，露出P/N电极窗口；
用去胶液去掉光刻时作为掩蔽膜层的光刻胶。
接上述技术方案，该方法还包括电极制备，具体为：
1)匀胶：涂覆电极剥离专用光刻胶，在专用光刻胶上涂覆第二层光刻胶并进行软烘烤；再涂覆第三层光刻胶，并进行软烘烤；
2)曝光/显影：采用接触式曝光机进行曝光，显影前用进行软烘烤，显影后得到电极图形窗口；
3)蒸发镀金：使用蒸发镀金设备，在电极图形窗口上蒸镀Ti-Pt-Au，形成欧姆接触；
4)电极剥离：去胶液进行金属剥离，形成Ti-Pt-Au P/N PAD。
接上述技术方案，软烘烤的时间为90s-120s。
接上述技术方案，硬烘烤的时间为150s-180s。
接上述技术方案，涂覆专用光刻胶时，转速为4000转，180℃-200℃进行固化180s-200s。
接上述技术方案，涂覆第一层光刻胶和第二层光刻胶的转速为4500转。
本发明产生的有益效果是：本发明的高速光电探测器制备方法在连续湿法腐蚀后形成高台结构，涂覆双层光刻胶，保障了后续光刻胶作为腐蚀掩蔽层的可靠性，降低了器件的暗电流，增加了光刻显影的工艺窗口，可以很好地控制显影的钻蚀，保证了光敏面的大小，降低耦合难度，而得到高性能的高速InGaAs/InP PIN光电探测器。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例高速光电探测器制备方法流程图；
图2是本发明实施例高速InGaAs/InP PIN光电探测器外延结构示意图；
图3是本发明实施例高速InGaAs/InP PIN光电探测器～5μm高台结构示意图；
图4是本发明实施例电极P/N窗口制备流程图；
图5是本发明实施例电极制备流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的高速光电探测器制备方法主要在完成制备台面型光电探测器的P-I-N高台后，进行电极窗口制备时，采用“双层胶工艺”代替现有的“单层胶工艺”，具体为：
S1、在P-I-N高台上涂覆第一层光刻胶，并进行软烘烤，烘烤温度为90℃—120℃；
S2、在第一层光刻胶上再涂覆第二层光刻胶，并进行软烘烤，烘烤温度为90℃—120℃；
S3、采用接触式曝光机进行曝光，显影前进行软烘烤，显影后得到目标图形窗口；
S4、120℃—150℃进行硬烘烤；
双层胶涂覆后，因为光层光刻胶需要经过多次的烘烤，导致烘烤时间过长而不易去除。在双层胶工艺中，可通过降低烘烤的温度来降低去胶的难度。
在进行电极制备时，也采用“双层胶工艺”代替现有的“单层胶工艺”。
本发明实施例以高速台面型InGaAs/InP PIN光电探测器为例，其外延结构如附图2所示，从下至上依次为：
(1)350μm InP衬底层
(2)0.5μm InGaAs层(N区)
(3)3μm InGaAs层(I区)
(4)0.5μm InGaAsP层(过渡层)
(5)0.2μm InGaAs层(P区)
通过多次光刻，按照光刻图形进行腐蚀，得到大约5μm高度的外延台面；5μm高台形成后，通过优化光刻工艺，采用“双层胶工艺”代替现有的“单层胶工艺”，解决后面“开P/N窗口”和“电极蒸镀”工艺中高台表面难以良好掩蔽的问题。
光电探测器的制备过程还包括以下步骤：
1、P-ring制备
a.光刻+蒸镀金：涂覆LOR+EPG512光刻胶，EPG512胶厚大约1.3μm——使用接触式曝光机进行曝光，显影得到目标图形窗口——使用蒸发镀金技术制作金层。
b.金层剥离：去胶液进行剥离，得到P型金属环。
2、台面结构制备
a.光刻1+湿法腐蚀：涂覆EPG512光刻胶，胶厚大约1.3μm——使用接触式曝光机进行曝光，显影得到目标图形窗口——使用一定浓度的氢溴酸(HBr)系腐蚀液按照光刻形成的图形窗口进行外延结构的腐蚀，此次光刻主要腐蚀0.5μm InGaAsP层(过渡层)。此时，台面高度为大约0.7μm。
b.光刻2+湿法腐蚀：涂覆EPG512光刻胶，胶厚大约1.3μm——使用接触式曝光机进行曝光，显影得到目标图形窗口——使用一定浓度的磷酸(H3PO4)系腐蚀液按照光刻形成的图形窗口进行外延结构的腐蚀，此次光刻主要腐蚀3μm InGaAs层(I区)。此时台面高度为大约3.7μm。
c.光刻3+湿法腐蚀：涂覆EPG516光刻胶，胶厚大约2.3μm——使用接触式曝光机进行曝光，显影得到目标图形窗口——使用一定浓度的磷酸(H3PO4)系腐蚀液以及盐酸(HCl)腐蚀液按照光刻形成的图形窗口进行外延结构的腐蚀，此次光刻主要腐蚀0.5μm InGaAs层(N区)和衬底。此时台面高度为大约5μm，如图2所示。
d.去胶+沉积AR膜：去胶液去掉前面三次连续光刻+湿法腐蚀作为掩蔽膜层的光刻胶——PECVD沉积200nm SiNx+300nm SiO2，该复合沉积膜既作为光电探测器的减反射膜层，又可以作为光电探测器光敏面的保护膜层。
3、电极窗口制备：
经过连续的湿法腐蚀，大约5μm高度的台面结构已经形成，如图3所示。现有的EPG516光刻胶的厚度已经不足以满足光刻掩蔽膜层的要求。本次光刻的目的在于打开P/N电极窗口，如果涂覆单层的EPG516光刻胶，高台顶端光刻胶会比其余区域偏薄，这样会导致在显影过后因为光刻胶厚度不均匀出现窗口显影钻蚀过多的情况，光刻显影工艺窗口极小，工艺实现困难。而且，即使光刻显影图形正常，在后续RIE刻蚀窗口区域薄膜时，同样会对光刻胶膜层产生刻蚀，这样刻蚀后光刻胶不能对窗口图形进行掩蔽，其余区域薄膜也会被刻蚀，导致探测器暗电流过大，可靠性降低等问题。在经过大量实验以后，提出涂覆双层EPG516光刻胶的方法来解决这一问题，如图4所示，为电极窗口的制备过程。
1)匀胶：涂覆EPG516光刻胶，转速为4500转——90℃-120℃进行软烘烤90s-120s——涂覆第二层EPG516光刻胶，转速为4500转——90℃-120℃进行软烘烤90s-120s，此时双层EPG516胶厚大约3.5μm。
2)曝光/显影：采用接触式曝光机进行曝光——为了减小双层胶因为厚度更厚产生的驻波效应，增加光刻胶的分辨率，显影前用90℃-120℃进行软烘烤90s-120s——显影得到P/N电极图形窗口。
3)高固：120℃-150℃进行硬烘烤150s-180s。
4)RIE刻蚀：使用反应离子刻蚀机(RIE)对目标图形形成的P/N电极窗口进行刻蚀，露出P/N电极窗口。
5)去胶：去胶液去掉光刻时作为掩蔽膜层的光刻胶。
4、电极制备：
因为电极窗口和电极制备工艺都是外延高台形成之后进行的，5μm高台的高度已经超过了单层胶516的覆盖极限。电极窗口制备时可能会因胶厚不均匀导致显影出现钻蚀或者台面胶太薄，RIE刻蚀后台面光刻胶与气体反应，光刻胶不足以对外延台面形成保护。电极制备过程中可能会出现显影钻蚀导致金层难以剥离或者影响光敏面的大小，增加耦合的难度。因此在电极窗口制备和电极制备时，本专利都采用涂覆双层胶的工艺。如图5所示，为电极的制备过程。
1)匀胶：涂覆电极剥离专用光刻胶LOR，转速为4000转——180℃-200℃进行LOR固化180s-200s——涂覆EPG516光刻胶，转速为4500转——90℃-120℃进行软烘烤90s-120s——涂覆第二层EPG516光刻胶，转速为4500转——90℃-120℃进行软烘烤90s-120s，此时双层EPG516胶厚大约3.5μm。
2)曝光/显影：采用接触式曝光机进行曝光——为了减小双层胶因为厚度更厚产生的驻波效应，增加光刻胶的分辨率，显影前用90℃-120℃进行软烘烤90s-120s——显影得到电极图形窗口。
3)蒸发镀金：使用蒸发镀金设备，蒸镀Ti-Pt-Au，形成欧姆接触。
4)剥离：去胶液进行金属剥离，形成Ti-Pt-Au P/N PAD。
5、减薄抛光：经过磨片以及抛光工艺将晶圆厚度减薄至解理所需的厚度。
经过上述1-5工艺步骤之后完成高速InGaAs/InP PIN光电探测器制作。在经过连续的湿法腐蚀后，形成大约5μm高台结构，导致单层EPG516光刻胶在后续的工艺中不能对光刻图形形成良好的掩蔽。这会造成在后续工艺中因为显影钻蚀或者RIE刻蚀薄膜出现光敏面变小，难以耦合以及表面漏电流，暗电流增大等问题，从而影响器件的灵敏度和可靠性。开发出一种双层EPG516光刻胶做光刻掩蔽的方法。连续涂覆两层EGP516光刻胶，光刻胶厚度达到大约3.5μm，对湿法腐蚀形成的高台结构形成充分的保护，减小了器件的暗电流，增加器件的可靠性。在保证光刻胶分辨率的前提下，控制好显影的钻蚀，保证了光敏面的大小，降低了高速探测器耦合的难度。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种高速光电探测器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备台面型光电探测器的P-I-N高台；
在P-I-N高台上涂覆第一层光刻胶，并进行软烘烤，烘烤温度为90℃—120℃；
在第一层光刻胶上再涂覆第二层光刻胶，并进行软烘烤，烘烤温度为90℃—120℃；
采用接触式曝光机进行曝光，显影前进行软烘烤，显影后得到P/N电极图形窗口
120℃—150℃进行硬烘烤；
使用反应离子刻蚀机对光刻形成的P/N电极窗口图形进行刻蚀，露出P/N电极窗口；
用去胶液去掉光刻时作为掩蔽膜层的光刻胶。
2.根据权利要求1所述的高速光电探测器制备方法，其特征在于，该方法还包括电极制备，具体为：
1) 匀胶：涂覆电极剥离专用光刻胶，在专用光刻胶上涂覆第二层光刻胶并进行软烘烤；再涂覆第三层光刻胶，并进行软烘烤；
2) 曝光/显影：采用接触式曝光机进行曝光，显影前进行软烘烤，显影后得到电极图形窗口；
3) 蒸发镀金：使用蒸发镀金设备，在电极图形窗口上蒸镀Ti-Pt-Au，形成欧姆接触；
4) 剥离：去胶液进行金属剥离，形成Ti-Pt-Au P/N PAD。
3.根据权利要求1所述的高速光电探测器制备方法，其特征在于，软烘烤的时间为90s-120s。
4.根据权利要求1所述的高速光电探测器制备方法，其特征在于，硬烘烤的时间为150s-180s。
5.根据权利要求1所述的高速光电探测器制备方法，其特征在于，涂覆专用光刻胶时，转速为4000转，180℃-200℃进行固化180s-200s。
6.根据权利要求1所述的高速光电探测器制备方法，其特征在于，涂覆第一层光刻胶和第二层光刻胶的转速为4500转。
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