JP2015002348A - 光検出器アレイをドライエッチングするシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩｎＡｓＳｂに基づく光検出器アレイをドライエッチングするためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】光検出器のアレイ１００を作る方法は、隣接し合う光検出器１０２の間に画定された少なくとも１つのトレンチ１０４を含む、ＩｎＡｓＳｂから形成された光検出器１０２のアレイのパターンを受容すること、及びＢｒＣｌ_３及びＡｒを含むプラズマを用いて少なくとも１つのトレンチ１０４をドライエッチングすることを含む。
【選択図】図１

Description

本開示の分野は、概してドライエッチングに関し、具体的には、光検出器のドライエッチングのための方法及びシステムに関する。

一般的に、光検出器は、様々なカメラシステムにおいて、光を検出するために使用される。光検出器は、一連のセンサ、又は、互いに電気的に絶縁された一連のセンサによって形成される焦点面アレイ（ＦＰＡ）を含む。センサを互いに絶縁する形式の一つは、エッチングを手段とするものであり、かかるエッチングでは、センサの間にトレンチを作成するよう材料が除去される。ウェットエッチングプロセスは等方性処理であり、かかる処理によって、材料を除去するために溶液（例えば酸又は基礎液）が使用される。ドライエッチングプロセスは異方性処理であり、かかる処理では、材料はプラズマへの曝露の後に除去される。いくつかの既知のウェットエッチングプロセスでは、酸性溶液がトレンチ内をラテラルにエッチングし、画素単位の光応答の減少（すなわち曲線因子の低減）の原因となる。いくつかの既知のドライエッチングプロセスでは、強腐食の中で、画素単位の光応答を減少させるか、又は暗電流を増加させる有機化合物が形成され、低感度の画像が提供されるに至る。

したがって、実施の際に画素単位の光応答を減少させないエッチング方法の開発が必要である。

一態様では、光検出器のアレイを作る方法が提供される。方法は、隣接し合う光検出器の間に画定された少なくとも１つのトレンチを含む、ＩｎＡｓＳｂから形成された光検出器のアレイのパターンを受容すること、及び、ＢｒＣｌ_３及びＡｒを含むプラズマを用いて少なくとも１つのトレンチをドライエッチングすることを含む。

別の態様では、光検出器アレイを使用した撮像方法が提供される。方法は、光検出器アレイを提供すること、及び、光検出器アレイの第１の光検出器と光検出器アレイの第２の光検出器によって波長を受容することを含み、第１の光検出器と第２の光検出器の間にはトレンチが形成され、トレンチは、ＢｒＣｌ_３とＡｒを使用するドライエッチングによって形成される。

更に別の態様では、撮像に使用するための光検出器アレイが提供される。光検出器アレイは、ＩｎＡｓＳｂから形成された第１の光検出器、ＩｎＡｓＳｂから形成された第２の光検出器、及び、第１の光検出器と第２の光検出器の間に形成されたトレンチを含み、トレンチは、ＢｒＣｌ_３とＡｒを使用して形成される。

上述の特徴、機能及び利点は、様々な実施形態において単独で実現することが可能であり、また別の実施形態において組み合わせることも可能である。これらの実施形態の更なる詳細については、以下の説明及び図面を参照して明らかにされる。

例示的な光検出器アレイの斜視図である。 図１に示す光検出器アレイに使用される可能性があるトレンチの斜視図を示したものである。 図１に示す光検出器アレイに使用される可能性があるトレンチの代替的な斜視図を示したものである。 図２及び図３に示すトレンチをドライエッチングする例示的な方法のフローチャートである。 ウェットエッチングプロセスでエッチングされた光検出器のアレイのＩ−Ｖ特性を評価する図表である。 図４に示す方法のような、ドライエッチングプロセスでエッチングされた光検出器のアレイのＩ−Ｖ特性を評価する図表である。

本明細書で記述されるシステム及び方法により、ＩｎＡｓＳｂに基づく光検出器のドライエッチングが可能になる。本明細書で使用されているように、「ドライエッチング」又は「エッチング」という用語は、材料を移動させ、又は取り除く反応性ガスであるイオンあるいはプラズマへの曝露による、材料の除去を表す。

図１は例示的な光検出器アレイ１００の斜視図である。例示的な実施形態では、光検出器アレイ１００は、半導体基板上に形成された光検出器のアレイ又はセンサ１０２を備える。センサ１０２は、ドライエッチングプロセスによって形成されたトレンチ１０４によって隔てられる。一実施形態では、光検出器１００は、幅２７ｕｍの１６のセンサを備える。代替的には、光検出器アレイ１００は、本明細書に記述されるような、撮像を促進する任意のサイズ及び形状を有する、任意の数のセンサを備えることが可能である。センサ１０２は、ＩｎＡｓＳｂを含む材料から形成され、センサ１０２が２つの波長を検出するように、デュアルバンド容量内で作動するよう構成されることがある。一実施形態では、光検出器アレイ１００は、赤外線撮像装置に組み込まれるよう構成される。

図２は、図１に示す光検出器アレイ１００に使用されることがあるトレンチ２００の斜視図を示したものであり、図３は、図２に示すトレンチ２００の代替的な斜視図である。例示的な実施形態では、トレンチ２００は、光検出器アレイ１００のような光検出器アレイ内に作成された空隙である。トレンチ２００は、光検出器アレイ１００の材料をエッチングによって除くことで作成される。一実施形態では、トレンチ２００は、第１光吸収層２０４、バリア層２０６及び第２光吸収層２０８をエッチングするか、又は除去して、層２０４、２０６及び２０８を備えた、分離した台形状部（ｍｅｓａ）２０７と２０９を形成する。第１光吸収層２０４及び第２光吸収層２０８は、ＩｎＡｓＳｂを含む。

例示的な実施形態では、層２０４、２０６及び２０８を含むがそれだけに限定されない光検出器アレイ１００の材料が、エッチングによって除かれ、少なくとも部分的には第１側壁部２１０、第２側壁部２１２及び基底部２１４によって画定された、第１側壁部２１０と第２側壁部２１２の間に伸びるトレンチ２００を形成する。一実施形態では、トレンチ２００は６ｕｍの深さ及び６．５ｕｍの幅を有する。側壁部２１０及び２１２は、トレンチ２００がＵ型を形成するように、滑らかに直立する。代替的には、トレンチ２００は、本明細書に記述されるような、撮像を促進する任意のサイズ又は形状を有する可能性がある。例示的な実施形態では、トレンチ２００は、隣接する光検出器又はセンサが互いに電気的に絶縁されるような、サイズ及び形状となる。

トレンチ２００は、側壁部２１０と２１２が誘電マスク２０２の下を削り取らないように形成される。つまり、トレンチ２００は、マスク２０２とトレンチの中心線２１６との間に延在する距離２１４が、距離２１８のような、側壁部２１０と中心線２１６との間のどの距離とも少なくとも等しいか、又はかかる距離よりも大きくなるように形成される。同様に、マスク２０２とトレンチの中心線２１６との間に延在する距離２２０は、距離２２２のような、側壁部２１２と中心線２１６との間のどの距離とも少なくとも等しいか、又はかかる距離よりも大きくなる。

図４は、図２及び図３に示すトレンチ２００をドライエッチングする例示的な方法のフローチャート３００である。例示的な実施形態では、ＩｎＡｓＳｂから形成された光検出器のアレイのパターンが受容される３０２。受容されたパターン３０２は、図２に示すトレンチ２００のような、隣接する光検出器を隔てる複数のトレンチを含む。一実施形態では、トレンチの幅は１〜５ｕｍとなる。代替的には、トレンチは、任意の量あってもよく、本明細書に記述されるような、撮像を促進するサイズを有しうる。

一実施形態では、受容されたパターン３０２は、プラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）を使用して、誘電ハードマスクをＩｎＡｓＳｂ上に堆積させることを含む。一実施形態では、ハードマスクはＳｉ０_２を含み、１７５°Ｃで堆積する。代替的には、ハードマスクは、任意の材料を用いて、任意の温度で堆積しうる。フォトリソグラフィが、ハードマスク上で光検出器のアレイのパターンを画定するよう実行され、ハードマスクはエッチングされる。一実施形態では、ハードマスクは、ＣＦ_４プラズマを使用してエッチングされる。パターンがハードマスクに転写されると、フォトレジストは除去される。一実施形態では、フォトレジストは、ＡＺ４００Ｔストリッパ及び超音波を使用して除去される。代替的には、フォトレジストは、本明細書に記述されるような、トレンチの形成を促進する任意のやり方において除去されうる。ハードマスクにおけるパターンを含むＩｎＡｓＳｂは、ドライエッチング用の担体に乗せられたグリースである。一実施形態では、担体は４インチのシリコン（Ｓｉ）キャリアである。

例示的な実施形態では、ＩｎＡｓＳｂから形成された光検出器のアレイのパターンが受容された３０２後、受容されたパターン３０２に内包されるトレンチのドライエッチングを実行するため、光検出器は真空チャンバ内に配置される３０４。ガスのプラズマが、トレンチをエッチングするために、真空内に導入される３０６。一実施形態では、プラズマは、ＢＣｌ_３とＡｒを含む。いくつかの実施形態では、１〜１００ｓｓｃｍの範囲内のＢＣｌ_３が使用され、１〜１００ｓｃｃｍの範囲内のＡｒが使用される。代替的には、本明細書に記述されるような、エッチングを促進する任意の分量のＢＣｌ_３及びＡｒが使用されうる。トレンチのエッチングが行われる前に、イオンが反応性になるように、プラズマはイオン化される３０６。いくつかの実施形態では、プラズマは、ＲＦ信号を使用してイオン化される３０６。代替的には、本明細書に記述されるような、エッチングを促進する任意のやり方において、プラズマはイオン化されうる。

プラズマがイオン化された３０６後に、プラズマは、材料がエッチングによって除かれるように加速される３１０。例示的な実施形態では、ＢＣｌ_３はＩｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ａｓ及びＳｂの原子に反応して、Ｃｌ合成物を形成する。Ａｒイオンは、化学エッチング製品（例えばＣｌ合成物）を機械的にスパッタリングして、化学エッチング製品の脱離を引き起こすよう構成される。一実施形態では、ＢＣｌ_３に加えてＡｒイオンも、トレンチの一部を化学的にエッチンングする。ＢＣｌ_３とＡｒを使用することで、結果として、光検出器が滑らかな側壁部を有し、光検出器の下を削り取ることが防止されるようなエッチングを行うことが可能になる。

いくつかの実施形態では、トレンチのエッチングは調整される３１２。一実施形態では、バイアス出力及び／又は圧力を調整することで、エッチングの速度が調整される。バイアス出力はイオンの運動量を制御し、圧力は、イオンの平均自由行程を変化させることで、イオンのスピードに影響を与える。そのため、バイアス出力及び／又は圧力は、エッチングの速度に影響を与える。例示的な実施形態では、バイアス電圧は１０〜３００Ｖの範囲内であり、圧力は１〜２０ｍＴの範囲内である。代替的には、バイアス出力は任意の電圧であってもよく、圧力は、本明細書に記述されるような、エッチングを促進する任意の圧力でありうる。一実施形態では、圧力が増大して、光検出器の台形状部の基部で形状を改善し、かつ、圧力が減少して、光検出器の台形状部の上で形状を改善する。本明細書で使用されているように、「形状」とは、台形状部の表面の垂直度と祖度のうち、少なくとも１つを表す。本明細書で使用されているように、「祖度」とは、表面の水平面からの逸脱を表す。いくつかの実行形態では、「祖度」又は「粗面」は、一又は複数のひび割れ、凸部、あるいは穴を有する表面を含む。同様に、「滑らか」又は「滑らかさ」とは、欠陥（例えばひび割れ、凸部及び穴）がなく、祖度を免れた表面を表す。したがって、いくつかの実行形態では、形状を改善することは、台形状部の表面の垂直度と祖度のうち、少なくとも１つを変造することを含む可能性がある。

いくつかの実施形態では、エッチングは、ＩＣＰ出力の変更によって調整される３１２。ＩＣＰ出力の増大により、光検出器の側壁部の基部で形状が改善される。同様に、エッチングに使用されるプラズマのガス比も、側壁部の形状を改善するために調整されることがある。一実施形態では、ＡｒのＢＣｌ_３に対する比率を増加させて、光検出器の側壁部で滑らかなエッチングを実現する。例示的な実施形態では、エッチングに使用されるＩＣＰ出力は、１００〜１２００Ｗの範囲内である。代替的には、本明細書に記述されるような、エッチングを促進する任意のＩＣＰ出力及びガス比が使用されうる。一実施形態では、光検出器の側壁部の勾配を変更し、又は決定するために、温度が調整される。真空中の温度が上昇するにつれ、光検出器の側壁部はより垂直度を増す。光検出器の下を削り取ることがないように、光検出器の間にトレンチが作成されることに注目されたい。

例示的な実施形態では、側壁部の台形状部の外側面にはバリア層２０６が露出しているため、トレンチのエッチングは、この領域に損傷が起こらないように実現される。バリア層２０６の周囲の材料が損傷した場合、機器の暗電流が増加し、光検出器の表面漏洩が発生することがある。光検出器におけるかかる表面漏洩により、損傷した光検出器を使用する機器を用いて取り込まれた画像のノイズが増大する可能性がある。

図５Ａは、１２０Ｋでウェットエッチングプロセスによってエッチングされた光検出器のアレイのＩ−Ｖ特性を評価する図表であり、図５Ｂは、図４に示す、１２０Ｋでドライエッチングプロセス３００によってエッチングされた光検出器のアレイのＩ−Ｖ特性を評価する図表である。図５Ａと５Ｂの各々は、バイアス電圧（Ｖ）に比例する電流密度（Ａ／ｃｍ^２）を示している。かかる図表は、トレンチのエッチングの中で引き起こされた損傷を明らかにすることがある。比較対象として、下記の方程式は、機器の暗電流の原因となる光検出器の材料損傷を示すために使用される。

方程式中で、Ｊ_Ｔは暗電流密度の総和であり、Ｊ_Ｂｕｌｋはバルク部の暗電流密度であり、Ｐは機器の周囲長であり、Ａは機器の面積であり、かつ、Ｊ_{Ｓｕｒｆａｃｅ}は側壁部に沿った表面漏洩密度である。

本開示の一態様によると、光検出器アレイ１００は、撮像における使用のために提供され、前記光検出器アレイは、ＩｎＡｓＳｂから形成された第１の光検出器、ＩｎＡｓＳｂから形成された第２の光検出器、及び、第１の光検出器と第２の光検出器の間に形成されたトレンチ２００を含み、トレンチは、ＢｒＣｌ_３とＡｒを使用して形成される。

トレンチ２００は、第１の光検出器が第２の光検出器から電気的に絶縁されるように形成されるため、有利である

トレンチ２００は、第１の光検出器及び第２の光検出器の側壁部が滑らかになるように形成されるため、有利である。

トレンチ２００は、第１の光検出器及び第２の光検出器の側壁部が直立するように形成されるため、有利である。

第１の光検出器及び第１の光検出器は、デュアルバンド容量内で作動するよう構成されるため、有利である。

第１の光検出器及び第１の光検出器は、赤外線信号を処理するよう構成されるため、有利である。

本開示の一態様によると、光検出器のアレイを作る方法が提供され、前記方法は、隣接し合う光検出器の間に画定された少なくとも１つのトレンチ２００を含む、ＩｎＡｓＳｂから形成された光検出器のアレイのパターン３０２を受容すること、及び、ＢｒＣｌ_３及びＡｒを含むプラズマを用いて少なくとも１つのトレンチをドライエッチングすることを含む。

光検出器のアレイを作る方法は更に、少なくとも１つのトレンチ２００を化学的にエッチングすること、及び、ドライエッチングによって形成されたＣｌ合成物の脱離を引き起こすことのうち少なくとも１つのために、Ａｒイオンを機械的にスパッタリングすることを含むため、有利である。

光検出器のアレイのパターン３０２は、誘電ハードマスクを堆積すること、フォトリソグラフィを使用して、ハードマスクに、光検出器のアレイのパターン３０２を画定すること、パターンを誘電ハードマスク上にエッチングすること、及び、ストリッパと超音波のうち少なくとも１つを使用して誘電ハードマスクを除去することによって形成されるため、有利である。

少なくとも１つのトレンチ２００のドライエッチングは更に、少なくとも１つのトレンチ２００をドライエッチングして、光検出器のアレイの滑らかな側壁部を形成することを含むため、有利である。

少なくとも１つのトレンチ２００をドライエッチングすることは更に、バイアス出力を調整してエッチング速度を制御することを含むため、有利である。

少なくとも１つのトレンチ２００をドライエッチングすることは更に、ＩＣＰ出力を増大して光検出器の側壁部の基部で形状を改善することを含むため、有利である。

少なくとも１つのトレンチ２００をドライエッチングすることは更に、Ａｒの比率を増大して光検出器のアレイの側壁部の滑らかさを改善することを含むため、有利である。

少なくとも１つのトレンチ２００をドライエッチングすることは更に、圧力が増大して、光検出器の一又は複数の台形状部の基部で形状を改善すること、又は、圧力が減少して、光検出器の一又は複数の台形状部の上で形状を改善することのうち、少なくとも１つを備えるため、有利である。

誘電ハードマスクを堆積することは更に、ＳｉＯ_２を含む誘電ハードマスクを、プラズマ気相蒸着を使用して堆積することを含むことが好ましい。

パターンを誘電ハードマスク上にエッチングすることは更に、ＣＦ_４プラズマを使用してパターンを誘電ハードマスク上にエッチングすることを含むことが好ましい。

本開示の一態様によると、光検出アレイを使用して撮像する方法が提供され、前記方法は、光検出器アレイを提供すること、及び、光検出器アレイの第１の光検出器と光検出器アレイの第２の光検出器によって波長を受容することを含み、第１の光検出器と第２の光検出器の間にはトレンチ２００が形成され、トレンチ２００は、ＢｒＣｌ_３とＡｒを使用するドライエッチングによって形成される。

光検出器アレイの第１の光検出器と光検出器アレイの第２の光検出器によって波長を受容することは更に、光検出器アレイの第１の光検出器と光検出器アレイの第２の光検出器によって、第１帯域及び第２帯域で波長を受容することを含むため、有利である。

光検出器アレイの第１の光検出器と光検出器アレイの第２の光検出器によって波長を受容することは更に、滑らかな側壁部を有する光検出器アレイの第１の光検出器と滑らかな側壁部を有する光検出器アレイの第２の光検出器によって波長を受容することを含むため、有利である。

光検出器アレイの第１の光検出器と光検出器アレイの第２の光検出器によって波長を受容することは更に、直立する側壁部を有する光検出器アレイの第１の光検出器と、直立する側壁部を有する光検出器アレイの第２の光検出器によって波長を受容することを含むため、有利である。

少なくともいくつかの既知のエッチングシステムと比較して、本明細書で記述されるシステム及び方法は、光検出器の下を削り取ることを防止し、かつ／又は排除するよう、光検出器アレイに内包されるトレンチをドライエッチングすることを可能にするものである。光検出器の下を削り取らずにトレンチを形成することで、高感度の画像を提供する画素単位の光応答の変形が防止される。本明細書で記述されるシステム及び方法はまた、隣接した光検出器を電気的に絶縁するトレンチを作成し、光検出器が滑らかに直立する側壁部を備えたまま、その一方で電気的性能を保持することも可能にする。大面積機器の低バイアス動作も、本明細書で記述される方法及びシステムを使用することで実現される。

本発明の種々の実施形態の具体的な特徴が、一部の図面には示され他の図面には示されないことがあるが、このような図解は便宜的に行われているにすぎない。本発明の原理に従い、ある図面の任意の特徴は、他の任意の図面の任意の特徴と組み合わせて参照され、及び／又は特許請求されることがある。

本明細書では実施例を使用し、ベストモードを含む様々な実施形態を開示して、当業者が、任意の機器やシステムの作成及び使用、並びに内包された任意の方法の実施を含め、これらの実施形態を実施できるようにしている。特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって画定され、当業者であれば想起する他の実施例も含みうる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構成要素を有する場合、あるいは、それらが特許請求の範囲の文言とわずかに異なる均等な構成要素を有する場合は、特許請求の範囲の範囲内にあることを意図する。

１００ 光検出器アレイ
１０２ センサ
１０４ トレンチ
２００ トレンチ
２０２ 誘電マスク
２０４ 第１光吸収層
２０６ バリア層
２０７ 台形状部（ｍｅｓａ）
２０８ 第２光吸収層
２０９ 台形状部（ｍｅｓａ）
２１０ 第１側壁部
２１２ 第２側壁部
２１４ 基底部・マスクとトレンチの中心線との間の距離
２１６ トレンチの中心線
２１８ 距離
２２０ 距離
２２２ 距離

Claims (10)

1. 撮像に使用される光検出器アレイ（１００）であって、
   ＩｎＡｓＳｂから形成された第１の光検出器、
   ＩｎＡｓＳｂから形成された第２の光検出器、並びに
   前記第１の光検出器と前記第２の光検出器との間に、ＢｒＣｌ_３及びＡｒを使用して形成されたトレンチ（２００）
   を備える光検出器アレイ。
2. 前記トレンチ（２００）は、前記第１の光検出器が前記第２の光検出器から電気的に絶縁されるように形成される、請求項１に記載の光検出器アレイ。
3. 前記トレンチ（２００）は、前記第１の光検出器及び前記第２の光検出器の側壁部が滑らかになるように形成される、請求項１又は２に記載の光検出器アレイ。
4. 前記トレンチ（２００）は、前記第１の光検出器及び前記第２の光検出器の側壁部が直立するように形成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の光検出器アレイ。
5. 前記第１の光検出器及び前記第２の光検出器は、デュアルバンド容量内で作動するよう構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の光検出器アレイ。
6. 前記第１の光検出器及び前記第２の光検出器は、赤外線信号を処理するよう構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の光検出器アレイ。
7. 光検出器のアレイを作る方法であって、
   隣接し合う光検出器の間に画定された少なくとも１つのトレンチ（２００）を含む、ＩｎＡｓＳｂから形成された前記光検出器のアレイのパターン（３０２）を受容すること、並びに
   ＢｒＣｌ_３及びＡｒを含むプラズマを用いて前記少なくとも１つのトレンチをドライエッチングすること
   を含む方法。
8. 前記少なくとも１つのトレンチ（２００）を化学的にエッチングすること、及び、前記ドライエッチングによって形成されたＣｌ合成物の脱離を引き起こすことのうち少なくとも１つのために、Ａｒイオンを機械的にスパッタリングすることを更に含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記光検出器のアレイの前記パターン（３０２）は、
   誘電ハードマスクを堆積すること、
   前記光検出器のアレイの前記パターン（３０２）を、フォトリソグラフィを使用して前記ハードマスクに画定すること、
   前記パターンを前記誘電ハードマスク上にエッチングすること、及び
   ストリッパと超音波のうち少なくとも１つを使用して、前記誘電ハードマスクを除去すること
   によって形成される、請求項７又は８に記載の方法。
10. 前記少なくとも１つのトレンチ（２００）のドライエッチングは更に、前記少なくとも１つのトレンチ（２００）をドライエッチングして、前記光検出器のアレイの滑らかな側壁部を形成することを含む、請求項７から９のいずれか一項に記載の方法。

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