CN113451436B - 一种氮化物紫外雪崩光电探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种氮化物紫外雪崩光电探测器及其制作方法；所述氮化物紫外雪崩光电探测器的芯片结构包括：P型层、N型层、上电极和下电极，其中所述P型层设置于N型层上方，经刻蚀和光刻工艺露出部分N型层，所述上电极置于P型层上方，所述下电极置于N型层露出部分上方，所述上电极与下电极位于芯片同面，芯片表面除电极区域外均覆盖介质膜，所述介质膜为双层复合膜，由内至外分别为SiNX介质膜和BCB介质膜；本发明利用SiNX介质膜的致密性特点和BCB材料介电常数低的特点，完成对台阶侧壁和底部全覆盖，减少产生气泡和空洞等工艺问题；提高紫外探测器的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种氮化物紫外雪崩光电探测器及其制作方法。
背景技术
基于氮化物半导体制备的全固态紫外雪崩光电探测器(Avalanche PhotodiodeDetector，APD)用于探测极微弱的紫外光信号，具有体积小、重量轻、功耗低、成本低廉等优点，在军用和民用方面都具有重要的应用价值和发展前景，如紫外告警与制导、碳氢化合物燃烧火焰的探测、生化基因的检测、紫外天文学的研究、短距离的通信以及皮肤病的治疗等。
该类氮化物半导体APD器件必须使用台面型结构，且在台面刻蚀工艺后必须进行表面钝化和处理以减小刻蚀带来的表面及界面损伤。传统的处理方法是在台面刻蚀工艺和表面处理后，淀积复合结构的SiO2/SiNX介质膜或单层BCB膜钝化，这种处理方法能够适用于大部分低偏压工作的光电探测器，但对于在高电压(80-120伏特)、高频率条件下工作的紫外雪崩光电探测器而言，具有一定局限性，体现在以下几个方面：1)在高频工作时，淀积多层复合结构SiO2/SiNX复合介质膜的寄生电容对紫外雪崩探测器噪声产生较大影响；2)氮化物材料本身对介质膜表面应力更敏感，氧化硅(SiO2)为疏松多孔结构，氮化硅(SiNX)膜虽然较致密但随厚度增加时应力迅速增大，当紫外雪崩探测器在高电压下工作时，芯片自热效应明显，此时介质膜的应力和粘附性问题显得突出，3)SiO2材料在空气中非常容易吸潮，严重影响钝化界面状态；4)当使用单层BCB膜时，易产生空洞和气泡，台阶覆盖率差。即使对材料表面进行硫化处理，也因硫化物化学稳定性较差，而导致器件存在可靠性问题。
综上所述，使用传统的介质膜结构和工艺方法制备的氮化物紫外雪崩光电探测器易出现暗电流大、噪声大、可靠性差等问题，影响了器件的灵敏度和环境适应性。
发明内容
为了解决上述传统复合结构的SiO2/SiNX介质膜或单层BCB膜钝化工艺技术造成的寄生电容高、厚膜应力大、吸潮等问题，本发明发现采用SiNx膜和BCB膜的组合可以克服单层BCB膜与材料本身粘附不好的问题；并且进一步发现SiNx膜在经六甲基二硅胺处理后和BCB膜的粘附性很好，同时利用SiNx具有台面覆盖性好的优点，采用“BCB+SiNx”膜的结构可以完成对台阶侧壁和底部全覆盖，不易产生气泡和空洞等工艺问题。本发明针对台面型紫外探测器，提出新的表面钝化工艺，提供一种氮化物紫外雪崩光电探测器及其制作方法。该方法利用BCB介电常数低、粘附性及热稳定性好，不吸潮的优点，采用氮化硅与BCB相结合的复合膜结构和工艺方法，克服采用传统的“氮化硅+二氧化硅”单层或复合介质膜寄生电容大、吸潮、高电压下稳定性差、厚膜应力大的缺陷，以及使用单层BCB膜时表面稳定性差等问题。
在本发明的第一方面，本发明提供了一种氮化物紫外雪崩光电探测器，所述氮化物紫外雪崩光电探测器的芯片结构包括：P型层、N型层、上电极和下电极，所述P型层设置于N型层上方，经刻蚀和光刻工艺露出部分N型层，所述上电极置于P型层上方，所述下电极置于N型层露出部分上方，所述上电极与下电极位于芯片同面，芯片表面除电极区域外均覆盖介质膜，所述介质膜为双层复合膜，由内至外分别为SiNX介质膜和BCB介质膜。
进一步的，N型层材料采用GaN或AlxGa1-xN材料；厚度范围为0.1～1微米；有效电子浓度不小于1×1017cm-3，其中x为Al组分，0＜x＜1。
进一步的，P型层材料采用GaN或AlxGa1-xN材料；厚度范围为0.05～0.5微米，有效空穴浓度不小于1×1016cm-3，其中x为Al组分，0＜x＜1。
优选的，对所述SiNX膜采用六甲基二硅胺处理后再与所述BCB膜连接。
优选的，所述SiNX介质膜厚度为0.2-0.3μm，所述BCB介质膜厚度为1.0-3.5μm。
在本发明的第二方面，本发明还提供了一种氮化物紫外雪崩光电探测器制作方法，包括以下步骤：
S1、采用等离子体化学气相沉积生长SiO2刻蚀掩膜形成P型层和N型层结构，并采用光刻和湿法腐蚀工艺制作SiO2刻蚀掩膜；
S2、采用ICP刻蚀设备进行台阶外延材料刻蚀，暴露出部分N型层；
S3、对芯片表面清洗，去除P型层和N型层所形成的台阶顶部和侧壁的刻蚀生成物和腐蚀损伤层以及去除刻蚀掩膜，并在氮气气氛中退火消除刻蚀损伤；
S4、在N型层暴露出的上表面两侧光刻下电极孔，采用磁控溅射和剥离工艺制作在N型层上表面制作Ni/Au下电极，在氮气氛围下，对下电极合金；
S5、采用PECVD工艺，在P型层表面和N型层表面生长SiNX介质膜。在生长完毕后，使用六甲基二硅胺(HMDS)对生长有SiNX介质膜的芯片表面浸泡，浸泡完成后再进行甩干和烘烤；
S6、在P型层上表面光刻上电极孔，采用磁控溅射和剥离工艺在P型层上表面制作Ni/Au上电极，在氮气氛围下，对上电极合金；
S7、在芯片表面旋涂BCB介质膜，并光刻露出上下电极孔，在氮气气氛中固化BCB介质膜；
S8、在上下电极孔表面采用高频等离子体打胶机处理，采用磁控溅射和光刻剥离工艺制作P型层上电极的延伸电极。
进一步的，在P型层表面和N型层表面生长SiNX介质膜之前/后还对所述SiNX介质膜采用六甲基二硅胺处理，其中在六甲基二硅胺浸泡时间为3～5min，烘烤温度为90～120℃，烘烤时间为120～180S。
进一步的，对上电极合金的温度低于对下电极合金的温度。
进一步的，所述下电极所采用的梯度升温和降温的条件为350～450℃/120S、800～900℃/30S、350～450℃/120S。
本发明的有益效果：
本发明利用SiNX介质膜的致密性能够对台阶侧壁和底部紧密贴附；利用BCB材料介电常数低的特点，降低介质膜的寄生电容，从而降低雪崩探测器噪声；利用BCB材料粘附性和热稳定性高的特点，减少厚膜应力过高，以及高电压下因芯片自热导致介质膜稳定性差等问题；本发明还对SiNx介质膜采用六甲基二硅胺处理，使得处理后的SiNx介质膜和BCB介质膜的粘附性很好，采用“BCB+SiNx”膜的结构可以完成对台阶侧壁和底部全覆盖，不易产生气泡和空洞等工艺问题；利用BCB材料不吸潮和SiNX吸潮程度弱于氧化硅(SiO2)且致密性好的特点，提高紫外探测器的可靠性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明实施例的氮化物紫外雪崩光电探测器表面结构剖面图；
图2为本发明实施例的氮化物紫外雪崩光电探测器制作方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种氮化物紫外雪崩光电探测器，包括：N型层、P型层、上电极、下电极，所述P型层设置于N型层上表面，P型层的长度短于N型层，能够使得部分N型层暴露；所述上电极设置于P型层上表面，所述下电极位于所述N型层上表面的左右两端；P型层的右侧、P型层除上电极位置的上表面，以及N型层除下电极位置的上表面均镀有介质膜，所述介质膜为双层复合膜，由内至外分别为SiNX介质膜和BCB介质膜。
其中，所述氮化物紫外雪崩光电探测器采用SiO2衬底材料，在所述衬底材料上进行台面刻蚀等工艺。
在一些实施例中，所述N型层所采用的材料为GaN或AlxGa1-xN材料；厚度范围为0.1～1微米；有效电子浓度不小于1×1017cm-3，其中x为Al组分，0＜x＜1。
在一些实施例中，所述P型层所采用的材料为GaN或AlxGa1-xN材料；厚度范围为0.05～0.5微米，有效空穴浓度不小于1×1016cm-3，其中x为Al组分，0＜x＜1。
其中，所述氮化物紫外雪崩光电探测器是圆台面结构，因此P型层和N型层为圆台面形状，因此所述P型层的直径可以为20-100μm，厚度为0.05-0.3μm；所述N型层的直径比P型层大20-50μm，厚度为0.05-0.1μm。
在一些实施例中，所述上下电极均采用Ni/Au合金电极。
在一个优选实施例中，对所述SiNX膜采用六甲基二硅胺处理后再与所述BCB膜连接。
在一些实施例中，所述SiNX介质膜厚度为0.2-0.3μm，所述BCB介质膜厚度为1.0-3.5μm。
图2是本发明实施例中一种氮化物紫外雪崩光电探测器制作方法流程图，如图2所示，包括以下步骤：
S1、采用等离子体化学气相沉积生长SiO2刻蚀掩膜形成P型层和N型层结构，并采用光刻和湿法腐蚀工艺制作SiO2刻蚀掩膜；
本发明实施例中采用等离子体化学气相沉积(PECVD)在外延材料上以300～350℃生长SiO2刻蚀掩膜，其厚度为0.2-0.4μm；刻蚀完成后，将采用光刻和湿法腐蚀工艺制作SiO2刻蚀掩膜，在进行湿法腐蚀的过程中，熔液里的反应剂与被腐蚀薄膜的表面分子发生化学反应，生成各种反应产物。这些反应产物应该是气体，或者是能溶于腐蚀液中的物质。这样，这些反应产物就不会再沉积到被腐蚀的薄膜上。
S2、采用ICP刻蚀设备进行台阶外延材料刻蚀，暴露出部分N型层；
本步骤中，采用ICP刻蚀设备对一个完整的外延材料进行刻蚀，刻蚀P型层两端，使得部分位于P型层下方的N型层能够部分暴露；本实施例中采用感应耦合等离子刻蚀机(ICP)刻蚀外延材料的刻蚀精度为±50nm。
S3、对整个芯片表面清洗，去除P型层和N型层所形成的台阶顶部和侧壁的刻蚀生成物和腐蚀损伤层以及去除刻蚀掩膜，并在氮气气氛中退火消除刻蚀损伤；
本步骤中，芯片表面清洗采用用氢氧化铵NH4OH与双氧水H2O2的水溶液、盐酸(HCl)与H2O2的水溶液对刻蚀表面进行腐蚀与清洗；清洗完成后，退火消除刻蚀损伤，退火温度为350～450℃。
举个例子，刻蚀完成后，依次使用氢氧化铵NH4OH与双氧水H2O2的水溶液(NH4OH：H2O2：H2O＝1:2:7)、盐酸(HCl)与H2O2的水溶液(HCl：H2O2：H2O＝1:2:7)对芯片表面进行清洗，去除台阶顶部和侧壁刻蚀生成物；采用氢氟酸(HF)去除SiO2刻蚀掩膜。
S4、在N型层暴露出的上表面两侧光刻下电极孔，采用磁控溅射和剥离工艺制作在N型层上表面制作Ni/Au下电极，在氮气氛围下，对下电极合金；
其中，采用磁控溅射和剥离工艺制作Ti/Al/Ti/Au下电极，厚度Ti 20±5nm/Al:100±10nm/Ti 20±5nm/Au:50±10nm；下电极在氮气中合金，温度为850～950℃。
在一个优选实施例中，下电极合金在氮气中采用梯度升温和降温，所述升降温条件为350～450℃,/120S、800～900℃/30S、350～450℃,/120S，也就是说在温度350～450℃保持120S后，升温至800～900℃并保持30S，最后再降温至350～450℃并保持120S。
S5、采用PECVD工艺，在P型层表面和N型层表面生长SiNX介质膜；
在本步骤中，采用PECVD，在温度300～350℃下，在P型层表面和N型层表面生长SiNX介质膜为0.1-0.2μm。生长SiNX介质膜之后，将芯片在六甲基二硅胺浸泡，时间为3～5min，浸泡后可以在甩干机上使用+3000rpm转速进行甩干，然后在90～120℃热板上进行烘烤，烘烤时间为120～180S。
本发明采用SiNX介质膜与BCB介质膜结合的方式，能够避免传统硫化处理的单层BCB膜化学稳定性差，所导致的可靠性差的问题，还能够解决SiNX介质膜的应力和粘附性问题，本发明将这两种介质膜结合起来，并且利用六甲基二硅胺(HMDS)对生长有SiNX介质膜的芯片浸泡，能够让SiNx介质膜和BCB介质膜成功粘附在一起，减少芯片表面容易出现的气泡和空洞情况的发生。
S6、在P型层上表面光刻上电极孔，采用磁控溅射和剥离工艺在P型层上表面制作Ni/Au上电极，在氮气氛围下，对上电极合金；
上下电极孔表面处理采用高频等离子打氧机，功率100～150W，打氧30～60S，氧气流量100-200ml/min；采用磁控溅射和剥离工艺制作Ni/Au上电极30±10nm/30±10nm；将外延衬底加热温度为70℃。
本步骤中，上电极在氮气气氛中合金，在600℃～650℃时合金60S。
S7、在芯片表面旋涂BCB介质膜，并光刻露出上下电极孔，在氮气气氛中固化BCB介质膜；
其中，在氮气气氛中固化BCB，氧气含量≤100ppm；固化温度为250-280℃，固化时间为50min～80min，升降温速率小于3℃/min；BCB固化后厚度为1.0-3.5μm。
S8、在上下电极孔表面采用高频等离子体打胶机处理，采用磁控溅射和光刻剥离工艺制作P型层上电极的延伸电极。
其中，在上下电极孔表面处理采用高频等离子体打胶机处理30s；(配比为NH4F:HF:H2O＝5:1:1)氢氟酸腐蚀10-15s；采用磁控溅射和光刻剥离工艺制作P电极的延伸电极，电极厚度为Ni/Au为30±10nm/400±50nm。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左端”、“右端”、“上表面”、“下表面”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种氮化物紫外雪崩光电探测器，所述氮化物紫外雪崩光电探测器的芯片结构包括：P型层、N型层、上电极和下电极，其特征在于，所述P型层设置于N型层上方，经光刻、湿法腐蚀和刻蚀工艺露出部分N型层，所述上电极置于P型层上方，所述下电极置于N型层露出部分上方，所述上电极与下电极位于芯片同面，芯片表面除电极区域外均覆盖介质膜，所述介质膜为双层复合膜，由内至外分别为SiNX介质膜和BCB介质膜；且在所述SiNX介质膜表面浸润有六甲基二硅胺，所述SiNX介质膜和BCB介质膜之间通过六甲基二硅胺粘附。
2.根据权利要求1所述的一种氮化物紫外雪崩光电探测器，其特征在于，N型层材料采用GaN或AlxGa1-xN材料；厚度范围为0.1～1微米；有效电子浓度不小于1×1017cm-3，其中x为Al组分，0＜x＜1。
3.根据权利要求1所述的一种氮化物紫外雪崩光电探测器，其特征在于，P型层材料采用GaN或AlxGa1-xN材料；厚度范围为0.05～0.5微米，有效空穴浓度不小于1×1016cm-3，其中x为Al组分，0＜x＜1。
4.根据权利要求1或3所述的一种氮化物紫外雪崩光电探测器，其特征在于，所述SiNX介质膜厚度为0.2-0.3μm，所述BCB介质膜厚度为1.0-3.5μm。
5.一种氮化物紫外雪崩光电探测器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用等离子体化学气相沉积生长SiO2刻蚀掩膜形成P型层和N型层结构，并采用光刻和湿法腐蚀工艺制作SiO2刻蚀掩膜；
S2、采用ICP刻蚀设备进行台阶外延材料刻蚀，暴露出部分N型层；
S3、对芯片表面清洗，去除P型层和N型层所形成的台阶顶部和侧壁的刻蚀生成物和腐蚀损伤层以及去除刻蚀掩膜，并在氮气气氛中退火消除刻蚀损伤；
S4、在N型层暴露出的上表面两侧光刻下电极孔，采用磁控溅射和剥离工艺制作在N型层上表面制作Ni/Au下电极，在氮气氛围下，对下电极合金；
S5、采用PECVD工艺，在P型层表面和N型层表面生长SiNX介质膜，使用六甲基二硅胺(HMDS)浸泡生长有SiNX介质膜的芯片表面，浸泡完成后对芯片表面进行甩干和烘烤；其中在六甲基二硅胺中浸泡时间为3～5min，在甩干机上使用+3000rpm转速进行甩干后，烘烤温度为90～120℃，烘烤时间为120～180S；
S6、在P型层上表面光刻上电极孔，采用磁控溅射和剥离工艺在P型层上表面制作Ni/Au上电极，在氮气氛围下，对上电极合金；
S7、在芯片表面旋涂BCB介质膜，并光刻露出上下电极孔，在氮气气氛中固化BCB介质膜；
S8、在上下电极孔表面采用高频等离子体打胶机处理，采用磁控溅射和光刻剥离工艺制作P型层上电极的延伸电极。
6.根据权利要求5所述的一种氮化物紫外雪崩光电探测器制作方法，其特征在于，对上电极合金的温度低于对下电极合金的温度。
7.根据权利要求5所述的一种氮化物紫外雪崩光电探测器制作方法，其特征在于，所述下电极所采用的梯度升温和降温的条件为350～450℃下保持120S、800～900℃下保持30S、350～450℃下保持120S。
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