CN117374167A - 一种基于浅刻蚀的高速大功率单行载流子探测器制造方法 - Google Patents
一种基于浅刻蚀的高速大功率单行载流子探测器制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于浅刻蚀的高速大功率单行载流子探测器制造方法，通过采用浅刻蚀形成台面型探测器，可以实现更佳的横向关键尺寸控制，在提高器件制备的均匀性的同时，有效提升器件的频响特性和饱和电流。浅台面技术还可以减少台面侧壁的粗糙度和刻蚀损伤，降低器件暗电流和改善器件可靠性，有效改善探测器的最大功率容限和线性度。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子器件制造方法，尤其涉及一种基于浅刻蚀的高速大功率单行载流子探测器制造方法。
背景技术
高速单行载流子探测器是一种先进的光电探测器器件架构，其利用吸收光子产生的电子实现载流子的高速输运，大幅降低了空间电荷效应，因而探测器具有高速、高饱和输出等优点，被广泛应用于模拟光通信和光载无线系统中。但是高速单行探测器外延结构设计复杂，器件性能对横向尺寸和台面控制极为敏感。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于浅刻蚀的高速大功率单行载流子探测器制造方法。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
本发明高速大功率单行载流子探测器包括高速探测器外延结构，所述高速探测器外延结构由衬底、下高掺接触层、载流子输运层、低掺吸收层、高掺吸收层、上高掺接触层组成，制造方法包括以下步骤：
S1：在衬底上通过有机金属化学气相沉积法MOCVD依次外延生长下高掺接触层、载流子输运层、低掺吸收层、高掺吸收层、上高掺接触层形成探测器的层状外延结构；
S2：采用盐酸磷酸体系溶液根据设计台面形状和尺寸选择性腐蚀上高掺接触层；
S3：采用柠檬酸双氧水体系溶液根据设定形状选择性腐蚀高掺吸收层、低掺吸收层，通过调整腐蚀时间、腐蚀温度和柠檬酸双氧水体系溶液配比获得所需腐蚀的台面结构；
S4：在步骤S3形成的台面结构表面上采用等离子化学淀积法PECVD生长氮化硅层，结合光刻工艺去除环绕台面结构外部分的氮化硅层，作为步骤S5的掩模层；
S5：采用磷酸双氧水溶液选择性刻蚀去除台面结构外载流子输运层使下高掺接触层暴露在外；
S6：结合光刻工艺，进一步采用氟化物等离子干法刻蚀台面结构顶部剩余的氮化硅层；
S7：结合剥离光刻工艺和真空电子束蒸发工艺，在上高掺接触层和下高掺接触层上分别或同时沉积金属欧姆接触层，并采用快速退火对金属欧姆接触层进行合金化处理；
S8：对步骤S7形成的结构采用聚酰亚胺或苯丙环丁烯BCB聚合物进行平坦化处理后，进行聚合物无氧高温固化处理；
S9：通过光刻在金属欧姆接触层周围区域定义引线或键合用的金属电极区域，然后采用电子束蒸发在金属电极区域淀积金属薄膜，再采用剥离工艺形成探测器金属电极；
S10：对步骤S9形成的探测器结构经表面处理后制得高速大功率单行载流子探测器。
优选的，所述步骤S2采用的盐酸磷酸体系溶液摩尔配比为：HCl:H3PO4:H2O = 1:3:2。所述步骤S3中采用的柠檬酸双氧水体系溶液摩尔配比为：C6H8O7:H2O2:H2O = 1:5:25。所述步骤S5中采用的磷酸双氧水溶液摩尔配比为：H3PO4:H2O2:H2O = 1:1:35。所述步骤S7中金属欧姆接触层采用P型金属或N型金属的一种，所述N型金属包括20nm Ge/50nm Au/25nmNi/200nm Au, 所述P型金属包括20nm Ti/20nm Pt/200nm Au。所述步骤S4中氮化硅层的厚度为250nm。
进一步，所述步骤S10中表面处理包括介电材料抗反射膜、芯片包覆保护层、电极焊点开孔、晶片背面减薄抛光工艺中的一种或多种。
本发明的优点是：
本发明是一种基于浅刻蚀的高速大功率单行载流子探测器制造方法，与现有技术相比，本发明实现工艺简单，应用灵活。可以容易地实现器件关键横向和纵向工艺尺寸的精确控制，有效地改善器件的光电性能、均匀性和可靠性，实现高可靠性、高均匀性和高性能探测器的大规模制备。
附图说明
图1是本发明的高速探测器外延结构示意图；
图2是常规深刻蚀探测器截面示意图；
图3是本发明浅刻蚀探测器截面示意图；
图4是本发明的实施例流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
高速光电探测器的频响主要由两部分决定：载流子输运(渡越时间) 和容抗延迟。为了降低容抗延迟对器件频响特性的影响，在常规高速探测器在制备时，通常采用刻蚀技术实现小尺寸台面，从而降低器件电容。然而由于高速探测器外延结构复杂，各层中不同的半导体材料和组分，导致深刻蚀的小台面有诸多实际问题，如台面侧壁平整度，侧向腐蚀和横向尺寸控制等，严重影响器件的性能、良率、可靠性和均匀性。
如图1所示：高速大功率单行载流子探测器包括高速探测器外延结构，所述高速探测器外延结构由衬底0、下高掺接触层1、载流子输运层2、低掺吸收层3、高掺吸收层4、上高掺接触层5组成，所述高速探测器外延结构通过金属气相外延或分子束外延方法在所述衬底0上依次外延生长下高掺接触层1、载流子输运层2、低掺吸收层3、高掺吸收层4、上高掺接触层5形成层状结构。通过光刻和刻蚀技术，在高速探测器的外延结构上制备具有横向电流控制效应的浅刻蚀台面，在简化工艺的同时，实现适合大规模制备高可靠性、高均匀度的高速探测器的制备。
常规深刻蚀探测器截面如图2所示：在常规高速探测器在制备时，通常采用刻蚀技术实现小尺寸台面，从而降低器件电容。然而由于高速探测器外延结构复杂，各层中不同的半导体材料和组分，导致深刻蚀的小台面有诸多实际问题，如台面侧壁平整度，侧向腐蚀和横向尺寸控制等，严重影响器件的性能、良率、可靠性和均匀性。
本发明提出的浅刻蚀技术，可在确保器件性能和工艺简单的同时，有效地解决上述问题，可用于大规模制备高可靠性、高均匀度的高速探测器。此外，应用浅刻蚀技术还可实现台面侧壁形貌的控制、更有效的器件关键横向尺寸控制，并可改善探测器的热传导特性，增加器件最大工作功率和线性度。
图3是浅刻蚀技术制备的高速探测器截面示意图，以下是浅刻蚀技术的工艺步骤范例 (说明: 这并未实现浅刻蚀技术的唯一方案，此处无需也难以对所有实施方案予以穷举。凡在本发明原则内的所有代替方案、改进等，均包含在本专利的保护范围内)。
S1：在衬底0上通过有机金属化学气相沉积法（MOCVD）依次外延生长下高掺接触层1、载流子输运层2、低掺吸收层3、高掺吸收层4、上高掺接触层5形成层状结构；
S2：采用盐酸磷酸体系溶液根据设计台面形状和尺寸选择性腐蚀上高掺接触层5；因为该溶液体系对上高掺吸收层4材料的刻蚀速率非常低，腐蚀会自动停止在高掺吸收层4以上。
S3：采用柠檬酸双氧水体系溶液根据设定形状选择性腐蚀高掺吸收层4、低掺吸收层3，通过调整腐蚀时间、腐蚀温度和柠檬酸双氧水体系溶液配比获得所需腐蚀的台面结构；浅刻蚀形成的台面具有高度均匀性、有效控制器件横向尺寸，且器件具有低漏电流和高可靠性。
S4：在步骤S3形成的台面结构表面上采用等离子化学淀积法PECVD生长厚度250nm的氮化硅层，结合光刻工艺去除环绕台面结构外部分的氮化硅层，作为步骤S5的掩模层；
S5：采用磷酸双氧水溶液选择性刻蚀去除台面结构外载流子输运层2使下高掺接触层1暴露在外；
S6：结合光刻工艺，进一步采用氟化物等离子干法刻蚀台面结构顶部剩余的氮化硅层；
S7：结合剥离光刻工艺和真空电子束蒸发工艺，在上高掺接触层5和下高掺接触层1上分别或同时沉积金属欧姆接触层，并采用快速退火对金属欧姆接触层进行合金化处理；
S8：对步骤S7形成的结构采用聚酰亚胺或苯丙环丁烯(BCB)聚合物进行平坦化处理后，进行聚合物无氧高温固化处理；
S9：通过光刻在金属欧姆接触层周围区域定义引线或键合用的金属电极区域，然后采用电子束蒸发在金属电极区域淀积金属薄膜，再采用剥离工艺形成探测器金属电极；
S10：对步骤S9形成的探测器结构经表面处理后制得高速大功率单行载流子探测器。
实施例，如图4所示本发明的一种具体实施方案示例：
一、在InP半绝缘衬底（本实施例采用磷化钴衬底，图中6区域）上，用MOCVD依次外延生长高掺N型InP接触层，N型In0.52Al0.48As载流子输运层，InGaAsP界面层，In0.53Ga0.47As吸收层，InP阻挡层，高掺P型InGaAs接触层（图中7区域）。
二、采用盐酸磷酸体系溶液（典型溶液摩尔配比HCl:H3PO4:H2O = 1:3:2）选择性腐蚀吸收层以上InP层，因为该溶液体系对InGaAs材料的刻蚀速率非常低，腐蚀会自动停止在吸收层InGaAs以上。
三、进一步采用柠檬酸双氧水体系溶液（典型溶液摩尔配比C6H8O7:H2O2:H2O = 1:5:25）选择性腐蚀InGaAs吸收层，通过适当调整腐蚀时间、腐蚀温度和腐蚀液配比，可取的理想的探测器台面制备效果，浅刻蚀形成的台面具有高度均匀性、有效控制器件横向尺寸，且器件具有低漏电流和高可靠性。
四、在该结构的表面上采用等离子化学淀积法生长厚度250nm的氮化硅层，结合光刻工艺去除环绕台面外部分的氮化硅层，作为下一步化学刻蚀的掩模层。
五、采用磷酸双氧水溶液（典型溶液摩尔配比H3PO4:H2O2:H2O = 1:1:35）选择性刻蚀去除台面外InAlAs输运层，使其下高掺的N型接触层暴露在外。
六、结合光刻工艺，进一步采用氟化物等离子干法刻蚀台面顶部剩余的氮化硅材料。
七、结合剥离光刻工艺和真空电子束蒸发技术，在台面上P型重掺杂和台面下N型重掺杂接触层上分别或同时沉积金属欧姆接触层(例如：20nm Ti/20nm Pt/200nm Au；或N型金属20nm Ge/50nm Au/25nm Ni/200nm Au, P型金属20nm Ti/20nm Pt/200nm Au)，并采用快速退火对接触电极进行合金化处理。
八、对上述结构采用聚酰亚胺或苯丙环丁烯（BCB）聚合物（图中8区域）进行平坦化处理后，进行聚合物无氧高温固化处理，实现器件浅台面钝化和探测器侧壁的保护。
九、通过光刻在接触孔周围区域定义引线或键合用的金属电极区域（图中9阳极金属，图中10阴极金属），然后采用电子束蒸发淀积金属薄膜，采用剥离工艺形成探测器金属电极。
十、根据具体器件设计和需要，进一步完成探测器后续的正面制备工艺和背面后道工艺（例如：采用等离子增强气相淀积法沉积氮化硅的抗反射膜、介电材料抗反射膜，芯片包覆保护层，电极焊点开孔，晶片背面减薄抛光等）。
上述制备流程、刻蚀技术和材料的选择仅为本发明的实现范例。具体工艺流程步骤的选取、刻蚀工艺和刻蚀深度的选择 (如湿法选择性和非选择性溶液、或干法刻蚀技术，可以独立或混用以实现更佳浅台面刻蚀技术; 浅台面的刻蚀亦可停止在层中或不同设计层)、器件台面形貌和横向尺寸的选取和优化等，均可用于实现本发明中探测器浅台面技术，以取得更好的器件性能和可靠性。本发明亦适用于其它类型的高速光电探测器设计和采用其它材料体系的探测器，可用于实现正入射、背入射和波导型等多类探测器的制造生产。
浅刻蚀技术一方面可有效提升器件性能(如降低器件暗电流，改善器件频响特性，增加器件线性度，和提高功率容限等)；另一方面同时可以极大地简化器件的制备，提升大规模量产的良率和探测器可靠性。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于浅刻蚀的高速大功率单行载流子探测器制造方法，其特征在于：高速大功率单行载流子探测器包括高速探测器外延结构，所述高速探测器外延结构由衬底（0）、下高掺接触层（1）、载流子输运层（2）、低掺吸收层（3）、高掺吸收层（4）、上高掺接触层（5）组成，制造方法包括以下步骤：
S1：在衬底（0）上通过有机金属化学气相沉积法（MOCVD）依次外延生长下高掺接触层（1）、载流子输运层（2）、低掺吸收层（3）、高掺吸收层（4）、上高掺接触层（5）形成探测器的层状外延结构；
S2：采用盐酸磷酸体系溶液根据设计台面形状和尺寸选择性腐蚀上高掺接触层（5）；
S3：采用柠檬酸双氧水体系溶液根据设定形状选择性腐蚀高掺吸收层（4）、低掺吸收层（3），通过调整腐蚀时间、腐蚀温度和柠檬酸双氧水体系溶液配比获得所需腐蚀的台面结构；
S4：在步骤S3形成的台面结构表面上采用等离子化学淀积法（PECVD）生长氮化硅层，结合光刻工艺去除环绕台面结构外部分的氮化硅层，作为步骤S5的掩模层；
S5：采用磷酸双氧水溶液选择性刻蚀去除台面结构外载流子输运层（2）使下高掺接触层（1）暴露在外；
S6：结合光刻工艺，进一步采用氟化物等离子干法刻蚀台面结构顶部剩余的氮化硅层；
S7：结合剥离光刻工艺和真空电子束蒸发工艺，在上高掺接触层（5）和下高掺接触层（1）上分别或同时沉积金属欧姆接触层，并采用快速退火对金属欧姆接触层进行合金化处理；
S8：对步骤S7形成的结构采用聚酰亚胺或苯丙环丁烯（BCB）聚合物进行平坦化处理后，进行聚合物无氧高温固化处理；
S9：通过光刻在金属欧姆接触层周围区域定义引线或键合用的金属电极区域，然后采用电子束蒸发在金属电极区域淀积金属薄膜，再采用剥离工艺形成探测器金属电极；
S10：对步骤S9形成的探测器结构经表面处理后制得高速大功率单行载流子探测器。
2.根据权利要求1所述的基于浅刻蚀的高速大功率单行载流子探测器制造方法，其特征在于：所述步骤S2采用的盐酸磷酸体系溶液摩尔配比为：HCl:H3PO4:H2O = 1:3:2。
3.根据权利要求1所述的基于浅刻蚀的高速大功率单行载流子探测器制造方法，其特征在于：所述步骤S3中采用的柠檬酸双氧水体系溶液摩尔配比为：C6H8O7:H2O2:H2O = 1:5:25。
4.根据权利要求1所述的基于浅刻蚀的高速大功率单行载流子探测器制造方法，其特征在于：所述步骤S5中采用的磷酸双氧水溶液摩尔配比为：H3PO4:H2O2:H2O = 1:1:35。
5.根据权利要求1所述的基于浅刻蚀的高速大功率单行载流子探测器制造方法，其特征在于：所述步骤S7中金属欧姆接触层采用P型金属或N型金属的一种，所述N型金属包括20nm Ge/50nm Au/25nm Ni/200nm Au, 所述P型金属包括20nm Ti/20nm Pt/200nm Au。
6.根据权利要求1所述的基于浅刻蚀的高速大功率单行载流子探测器制造方法，其特征在于：所述步骤S10中表面处理包括介电材料抗反射膜、芯片包覆保护层、电极焊点开孔、晶片背面减薄抛光工艺中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的基于浅刻蚀的高速大功率单行载流子探测器制造方法，其特征在于：所述步骤S4中氮化硅层的厚度为250nm。
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