CN115939262B - 一种平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片的制备方法，对钝化层和外延层依次进行刻蚀，刻蚀工艺完成后采用电子束蒸发沉积金薄膜制造欧姆接触，其中外延层刻蚀通过湿法刻蚀掉工艺实现；对钝化层进行刻蚀，刻蚀工艺完成后采用电子束蒸发沉积金薄膜制造肖特基接触点，其中钝化层刻蚀通过干法湿法相结合的刻蚀工艺实现；制备肖特基二极管的金属微桥和电极，其中平面肖特基二极管阴极通过生长在缓冲层上的欧姆接触引出，平面肖特基二极管阳极通过与肖特基接触的空气微桥引出；对钝化层、外延层、缓冲层以及基片衬底进行刻蚀，使金属微桥和基片衬底分离形成空气桥结构。本发明提高了器件的性能和良率。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹探测器领域，具体涉及一种平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片的制备方法。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1~10 THz范围内的电磁波，处于电学向光子学、宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域，其波长在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合。太赫兹的高穿透性，低能量性以及高带宽特性使得其在安全检查医学成像和带宽通信等领域具有广阔的应用前景。现有太赫兹关键核心器件，比如太赫兹源和探测器还不成熟，给太赫兹技术的发展带来了很大的困难。然而肖特基二极管有非常优异的非线性整流特性以及可以常温下零偏工作，使得其成为解决高灵敏太赫兹探测器的首选。
肖特基二极管最初是由肖特基博士提出的，肖特基二极管是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结制作而成的。肖特基二极管的平面结构最初是由触须式二极管发展而来的，触须结构非常脆弱并且难以采用平面制造工艺集成，并且在批量生产中稳定性差，使得肖特基二极管的制造工艺逐渐从触须式转换为平面结构。
然而在平面结构的肖特基二极管中会引入了其他的制备工艺问题，解决这些制备工艺难题是获得高性能二极管芯片的关键。比如在制备肖特基接触点的时候既要将二氧化硅钝化层刻蚀干净又不能对外延层产生刻蚀损伤，通常采用干法刻蚀的方法很容易产生过刻蚀情况，从而对外延层造成刻蚀损伤，而采用湿法刻蚀的情况下会产生很大的横向刻蚀，从而导致肖特基结面积增大，进而导致肖特基结电容增大，使得肖特基二极管的截止频率降低，最终导致二极管芯片的高频特性急剧恶化。此外，为了提高二极管芯片的高频工作特性需要减小焊盘电容，这就要求将空气微桥下方的外延层、缓冲层和部分衬底完全刻蚀去除，在制备空气微桥结构的时候即要确保将空气微桥下方的外延层、缓冲层和部分衬底完全刻蚀去除的同时，又不能让空气微桥断裂，这就需要对刻蚀空气桥的开窗和逐层刻蚀时间进行精准把控。正是因为存在刻蚀时间长短和刻蚀种类不同的工艺问题，所以给太赫兹二极管芯片的规模化和阵列化的制备带来了。
发明内容
本发明的目的在于提出一种平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片的制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片的制备方法，所述平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片包括基片衬底、缓冲层、外延层和钝化层，其中缓冲层生长在基片衬底上，所述外延层生长在缓冲层上，所述钝化层生长在外延层上，所述制备方法包括依次制备欧姆接触、肖特基接触点以及空气微桥，具体工艺步骤如下：
第一步，制备肖特基欧姆接触：通过在基片光刻矩形窗口对钝化层和外延层依次进行刻蚀，刻蚀工艺完成后采用电子束蒸发沉积金薄膜制造欧姆接触；
第二部，制备肖特基接触点：通过光刻圆形窗口对钝化层进行刻蚀，刻蚀工艺完成后采用电子束蒸发沉积金薄膜制造肖特基接触点；
第三步，制备肖特基二极管的金属微桥和电极，其中平面肖特基二极管阴极通过生长在缓冲层上的欧姆接触引出，平面肖特基二极管阳极通过与肖特基接触的空气微桥引出；
第四步，制造空气微桥结构：光刻制备矩形窗口，进一步对钝化层、外延层、缓冲层以及基片衬底进行刻蚀，是金属微桥和基片衬底分离形成空气桥结构。
进一步的，所述欧姆接触生长在缓冲层表面或者嵌入缓冲层内部，所述肖特基接触生长在外延层表面，不可嵌入外延层内部。
进一步的，所述钝化层为SiO2、SiNx、HfO2、TaN或TiN等介质薄膜的一种，钝化层厚度为200-500 nm，优选300 nm，所述基片衬底的材料为InP, GaAs, GaN或蓝宝石等材料的一种，所述外延层的材料为轻掺杂的n-InGaAs或n-GaAs, 缓冲层的材料为重掺杂的n+InGaAs或n+GaAs。
进一步的，所述欧姆接触制备采用反应离子刻蚀干法刻蚀钝化层和湿法刻蚀外延层工艺，其中干法刻蚀气体配方优选CF4:O2=30:10 SCCM，湿法刻蚀溶液优选磷酸和双氧水混合溶液。
进一步的，所述肖特基接触点制备采用反应离子干法刻蚀去除光刻显影残留的光刻胶和部分钝化层，再采用湿法刻蚀去除剩余的钝化层，湿法刻蚀配方优选BOE溶液。
进一步的，所述空气微桥制备通过光刻获得矩形刻蚀窗口，矩形窗口位于金属微桥两侧，其长度等于金属微桥长度；接着依次刻蚀去除矩形窗口区域的钝化层、外延层、缓冲层和一定厚度的衬底材料，使得金属微桥和衬底分离获得空气腔结构。其中，钝化层的刻蚀和欧姆接触制备中钝化层的刻蚀工艺条件一致，外延层和缓冲层的刻蚀采用欧姆接触制备中外延层的湿法刻蚀工艺配方，刻蚀时间大于等于欧姆接触制备中外延层的湿法刻蚀时间的2倍；矩形窗口区域的基片衬底材料刻蚀采用湿法腐蚀的刻蚀工艺，湿法腐蚀配方优选磷酸和盐酸混合液。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）通过干法刻蚀湿法刻蚀相结合的刻蚀工艺，解决了在制作肖特基接触点过程中对外延层刻蚀损伤的难题，大大提高了器件的性能和良率。2）将刻蚀图形形状设置为矩形，通过在矩形区域内逐层刻蚀的方法形成空气微桥，解决了高质量空气微桥的制备工艺难题，显著提高了二极管芯片的工艺稳定性和良率，适合芯片的阵列化和规模化制造。
附图说明
图1 为平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片的整套制备工艺流程。
图2 为肖特基二极管芯片结构示意图，其中1，2，3为关键制造工艺，用于制备欧姆接触、肖特基接触点和空气微桥。
图3为整套制造工艺流程中的关键工艺流程图，其中（a）-(d)分别对应欧姆接触制造、肖特基接触制造、金属微桥及微纳功能结构制造和空气微桥制造。
图4为欧姆接触结构的制备工艺流程图，其中（a）-(c)分别对应钝化层刻蚀\外延及缓冲层刻蚀和金属沉积。
图5为肖特基接触点结构的制备工艺流程图，其中（a）-(c)分别对应RIE干法刻蚀、湿法刻蚀和金属沉积。
图6为空气微桥结构的制备工艺流程图，其中（a）-(c)分别对应钝化层刻蚀、外延层刻蚀和缓冲层及部分衬底刻蚀。
图7为对应图 3关键工艺结构的显微光学图，其中（a）-(d)分别对应欧姆接触结构、肖特基接触点结构、金属微桥及微纳功能结构和空气微桥结构。
图8为制备的肖特基二极管的I-V特性曲线图。
实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本发明通过采用干法湿法相结合的刻蚀工艺解决了肖特基接触点制备过程中对外延层刻蚀损伤的难题，以及在制备空气微桥结构的工艺中采用在矩形开窗区域内逐层刻蚀的刻蚀工艺解决了空气微桥结构的制备难题。
如图1、2所示，一种平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片的制备方法，所述平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片包括基片衬底、缓冲层、外延层和钝化层，其中缓冲层生长在基片衬底上，所述外延层生长在缓冲层上，所述钝化层生长在外延层上，所述制备方法包括依次制备欧姆接触、肖特基接触点以及空气微桥，具体工艺步骤如下：
如图3(a)所示，制备肖特基欧姆接触，首先通过在基片光刻矩形窗口对钝化层刻蚀，如图4(a)所示。其次对外延层进行刻蚀，如图4(b)所示。最后采用电子束蒸发沉积金薄膜制造欧姆接触，如图4(c)所示；
如图3(b)所示，制备肖特基接触点，首先通过光刻圆形窗口采用干法刻蚀部分钝化层，如图5(a)所示。其次采用湿法刻蚀剩余钝化层，如图5(b)所示。最后采用电子束蒸发沉积金薄膜制造肖特基接触点，如图5(c)所示；
如图3(c)所示，制备肖特基二极管的金属微桥和电极，其中平面肖特基二极管阴极通过生长在缓冲层上的欧姆接触引出，平面肖特基二极管阳极通过与肖特基接触的空气微桥引出；
如图3(d)所示，制备空气微桥结构，首先光刻制备矩形窗口对钝化层进行刻蚀，如图6(a)所示。其次对外延层和缓冲层进行刻蚀，如图6(b)所示，最后对基片衬底进行刻蚀，使金属微桥和基片衬底分离形成空气桥结构，如图6(c)所示。
进一步的，所述钝化层为SiO2、SiNx、HfO2、TaN或TiN等介质薄膜的一种，钝化层厚度为200-500 nm，优选300 nm，所述基片衬底的材料为InP, GaAs, GaN或蓝宝石等材料的一种，所述外延层的材料为轻掺杂的n-InGaAs或n-GaAs, 缓冲层的材料为重掺杂的n+InGaAs或n+GaAs，其中重掺指掺杂元素足以达到破坏原本征材料能带结构，轻掺就是还达不到破会本征材料能带结构。
进一步的，所述欧姆接触制备采用反应离子刻蚀干法刻蚀钝化层和湿法刻蚀外延层工艺，其中干法刻蚀气体配方优选CF4:O2=30:10 SCCM，湿法刻蚀溶液优选磷酸和双氧水混合溶液。
进一步的，所述肖特基接触点制备采用反应离子干法刻蚀去除光刻显影残留的光刻胶和部分钝化层，再采用湿法刻蚀去除剩余的钝化层，湿法刻蚀配方优选BOE溶液。
进一步的，所述空气微桥制备通过光刻获得矩形刻蚀窗口，矩形窗口位于金属微桥两侧，其长度等于金属微桥长度；接着依次刻蚀去除矩形窗口区域的钝化层、外延层、缓冲层和一定厚度的衬底材料，使得金属微桥和衬底分离获得空气腔结构。其中，钝化层的刻蚀和欧姆接触制备中钝化层的刻蚀工艺条件一致，外延层和缓冲层的刻蚀采用欧姆接触制备中外延层的湿法刻蚀工艺配方，刻蚀时间大于等于欧姆接触制备中外延层的湿法刻蚀时间的2倍；矩形窗口区域的基片衬底材料刻蚀采用湿法腐蚀的刻蚀工艺，湿法腐蚀配方优选磷酸和盐酸混合液。
为了验证本发明方案的有效性，进行如下实验。
本实施例中，一种平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片制造工艺，制造工艺流程图步骤如图1所示，具体包括：
(1)将生长好缓冲层、外延层和二氧化硅钝化层的基片先后放入丙酮、酒精和去离子水中超声清洗10分钟，使用N2气枪吹净基片表面，备用；
(2)在样品表面以此旋涂LOR10B、AZ1500光刻胶，使用光刻机曝光4s，显影14s，在去离子水中定影两分钟，具体光刻条件如表1所示。
表1：光刻条件
(3)光刻显影之后，将样品送入反应离子刻蚀机(RIE)中进行干法刻蚀去掉表面的二氧化硅钝化层，具体刻蚀条件如表2所示。
表2：反应离子二氧化硅的工艺条件
(4)刻蚀完二氧化硅钝化层后，用湿法刻蚀外延层，刻蚀过程中需要将基片直立放入磷酸和双氧水混合刻蚀液中，然后每隔30s对基片进行轻微的横向晃动，以保证刻蚀均匀，具体刻蚀条件如表3所示。
表3：湿法刻蚀外延层的工艺条件
(5)将刻蚀好的基片用气枪吹干，然后将样品送入磁控溅射溅射生长金薄膜，直流溅射生长金薄膜条件如表4所示。
表4：直流溅射金薄膜的工艺条件
(6)利用超声剥离形成欧姆接触，其实物如图7(a)所示。
(7)再次进行光刻，只旋涂AZ1500并烘干，此次光刻不需要旋涂LOR10B，工艺同步骤2，光刻显影后得到肖特基接触图形，然后在反应离子刻蚀机(RIE)中进行刻蚀去掉部分的二氧化硅，具体刻蚀条件如表2所示，但是此时刻蚀时间改为3min。
(8)然后用BOE溶液浸泡30s去除剩余的二氧化硅材料，这样既能保证二氧化硅层刻蚀完全，又不会对外延层产生刻蚀损伤，同时也不会因为长时间的湿法刻蚀导致横向刻蚀严重的情况。
(9)刻蚀完毕后用气枪吹干再次进行长金操作，工艺条件如表4所示。
(10)利用超声剥离肖特基接触，此时应尽可能的减小超声功率，防止肖特基接触被超声洗掉，其实物如图7(b)所示。
(11)再次进行光刻，此时工艺同步骤2，光刻显影后得到平面肖特基二极管的电极和金属桥图形，然后将样品送入磁控溅射溅射生长金薄膜，直流溅射生长金薄膜条件如表4所示。
(12)利用超声剥离电极，其实物如图7(c)所示。
(13)再次进行光刻，此时工艺同步骤2，光刻显影后得到刻蚀空气桥的图形，将样品送入反应离子刻蚀机(RIE)中进行刻蚀去掉表面的二氧化硅层，具体刻蚀条件如表2所示。然后再将样品放入磷酸和双氧水混合刻蚀液中30min，刻蚀掉外延层和缓冲层。
(14)然后将刻蚀完缓冲层的样品放入磷酸混合刻蚀液中刻蚀InP衬底，这样可以进一步减小寄生电容，从而提升肖特基二极管的截止频率。
表5：湿法刻蚀InP衬底的工艺条件
(15)刻蚀完成后将样品依次通过丙酮、酒精、水，将残胶去除，后烘干，得到图7(d)所示图形。
(16)对制作好的平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片进行-1V~1V上的I-V测试，得到如图8所示的I-V特性曲线。由此可以得出用此方法制得的平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片重复性和一致性高，并且性能好。
综上所述，基于本发明工艺制备的平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片，采用干法湿法相结合的刻蚀工艺解决了肖特基接触点制备过程中对外延层刻蚀损伤的难题，以及在制备空气微桥结构的工艺中采用在矩形开窗区域内逐层刻蚀的刻蚀工艺解决了空气微桥结构的制备难题。由此得到了工艺和性能稳定、可阵列化和大规模化制造的平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片的制备方法，其特征在于，所述平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片包括基片衬底、缓冲层、外延层和钝化层，其中缓冲层生长在基片衬底上，所述外延层生长在缓冲层上，所述钝化层生长在外延层上，具体工艺步骤包括：
第一步，对钝化层和外延层依次进行刻蚀，刻蚀工艺完成后采用电子束蒸发沉积金薄膜制造欧姆接触，其中外延层刻蚀通过湿法刻蚀掉工艺实现；
第二步，对钝化层进行刻蚀，刻蚀工艺完成后采用电子束蒸发沉积金薄膜制造肖特基接触点，其中钝化层刻蚀通过干法湿法相结合的刻蚀工艺实现；
第三步，制备肖特基二极管的金属微桥和电极，其中平面肖特基二极管阴极通过生长在缓冲层上的欧姆接触引出，平面肖特基二极管阳极通过与肖特基接触的空气微桥引出；
第四步，对钝化层、外延层、缓冲层以及基片衬底进行刻蚀，使金属微桥和基片衬底分离形成空气桥结构；
所述欧姆接触生长在缓冲层表面或者嵌入缓冲层内部，所述肖特基接触生长在外延层表面，不可嵌入外延层内部；
第一步，对钝化层和外延层依次进行刻蚀，刻蚀工艺完成后采用电子束蒸发沉积金薄膜制造欧姆接触，具体方法为：
（11）在样品表面旋涂LOR10B、AZ1500光刻胶，使用光刻机曝光4s，显影14s，在去离子水中定影两分钟；
（12）光刻显影之后，将样品送入反应离子刻蚀机中进行干法刻蚀，去掉表面的二氧化硅钝化层，其中干法刻蚀气体配方为CF4:O2=30:10 SCCM，刻蚀压强为4Pa，刻蚀功率为150Ws，刻蚀时间为4min30s；
（13）刻蚀完二氧化硅钝化层后，用湿法刻蚀外延层，刻蚀过程中需要将基片直立放入磷酸和双氧水混合刻蚀液中，然后每隔30s对基片进行横向晃动，以保证刻蚀均匀，磷酸、双氧水、水的体积比为3:1:50，刻蚀时间为8min；
（14）将刻蚀好的基片用气枪吹干，然后将样品送入磁控溅射溅射生长金薄膜；
（15）利用超声剥离形成欧姆接触；
第二步，对钝化层进行刻蚀，刻蚀工艺完成后采用电子束蒸发沉积金薄膜制造肖特基接触点，具体方法为：
(21)在样品表面只旋涂AZ1500并烘干，光刻显影后得到肖特基接触图形，然后在反应离子刻蚀机中进行干法刻蚀去掉部分的二氧化硅，其中干法刻蚀气体配方为CF4:O2=30:10SCCM，刻蚀时间为3min；
(22)用BOE溶液浸泡30s去除剩余的二氧化硅材料；
(23)刻蚀完毕后用气枪吹干再次进行长金操作；
(24)利用超声剥离肖特基接触；
第四步，对钝化层、外延层、缓冲层以及基片衬底进行刻蚀，使金属微桥和基片衬底分离形成空气桥结构，具体方法为：
（41）进行光刻，通过光刻获得矩形刻蚀窗口，矩形窗口位于金属微桥两侧，其长度等于金属微桥长度；
（42）依次刻蚀去除矩形窗口区域的钝化层、外延层、缓冲层和一定厚度的基片衬底材料，使得金属微桥和衬底分离获得空气腔结构，其中钝化层的刻蚀采用干法刻蚀工艺，干法刻蚀气体配方为CF4:O2=30:10 SCCM；外延层和缓冲层的刻蚀采用湿法刻蚀工艺，湿法刻蚀溶液选择磷酸和双氧水混合刻蚀液，但两层的总刻蚀时间大于等于欧姆接触制备中外延层的湿法刻蚀时间的2倍；基片衬底的刻蚀采用湿法刻蚀工艺，湿法刻蚀溶液选择磷酸和盐酸混合刻蚀液刻蚀，磷酸:盐酸体积比为4:1，刻蚀时间为1min；
（43）将样品依次通过丙酮、酒精、水，将残胶去除，后烘干。
2.根据权利要求1所述的平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片的制备方法，其特征在于，所述钝化层为SiO2、SiNx、HfO2、TaN或TiN的一种，所述基片衬底的材料为InP, GaAs,GaN或蓝宝石的一种，所述外延层的材料为轻掺杂的n-InGaAs或n-GaAs，所述缓冲层的材料为重掺杂的n+InGaAs或n+GaAs。
3.根据权利要求1或2所述的平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片的制备方法，其特征在于，所述钝化层的厚度为200-500 nm。
4.根据权利要求1或2所述的平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片的制备方法，其特征在于，所述钝化层的厚度为300 nm。
5.根据权利要求1所述的平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片的制备方法，其特征在于，第三步，制备肖特基二极管的金属微桥和电极，其中平面肖特基二极管阴极通过生长在缓冲层上的欧姆接触引出，平面肖特基二极管阳极通过与肖特基接触的空气微桥引出，具体方法为：
(31)进行光刻，光刻显影后得到平面肖特基二极管的电极和金属桥图形；
(32)将样品送入磁控溅射溅射生长金薄膜；
(33)利用超声剥离电极。
6.一种平面肖特基二极管太赫兹探测器，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的平面肖特基二极管太赫兹探测器芯片的制备方法得到。
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- 2023-03-03 CN CN202310196281.1A patent/CN115939262B/zh active Active
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