專利名稱：一種臺面型銦鎵砷探測器制備方法
技術領域：
本發明涉及紅外探測器件制備工藝技術，具體是指一種臺面型銦鎵砷探測器制備方法，它適用于制備低暗電流、高可靠性的臺面型銦鎵砷探測器。
背景技術：
銦鎵砷短波紅外探測器工作在較高溫度下(比如說室溫)，可以獲得很好的性能， 在民用、軍事和航空航天領域有著廣泛的應用前景。銦鎵砷光電探測器有兩種常用制備工藝，包括臺面型工藝和平面型工藝。平面型工藝具有一些不可避免的缺點，包括光敏元橫向擴大和鋅(Zn)擴散造成的缺陷、橫向擴散造成的串音、以及擴散工藝復雜等。另一方面，臺面型制備工藝步驟簡單、成本低，在實現系統的小型化、低功耗和低成本方面具有較強的競爭力。臺面型銦鎵砷探測器芯片結構如附圖2所示，它由InP襯底1、N型InP層2UnGaAS 吸收層3、P型InP帽層4、P電極區5、N電極區6和氮化硅鈍化層7組成。現有的臺面型探測器制備工藝方法(唐恒敬、張可峰、吳小利、朱慧、李永富、寧錦華、李淘、汪洋、李雪、龔海梅，背照射銦鎵砷微臺面探測器芯片及制備工藝，申請號200710173512. 8)主要包含5個大步驟步驟1.在外延片上通過刻蝕形成P-InP/i-InGaAs臺面； 步驟2.在芯片的表面和側壁覆蓋氮化硅鈍化膜7;
步驟3.在臺面的P-InP局部區域上依次蒸鍍Ti、Pt、Au金屬膜作為接觸電極區 5 ；
步驟4.高溫快速退火；
步驟5.在臺面一側的N-InP層上依次濺鍍Cr、Au金屬膜作為接觸電極區6。 在現有臺面型銦鎵砷探測器制備工藝過程中，臺面刻蝕造成表面態密度增大，限制了探測器暗電流性能的提高，另外在沉積氮化硅鈍化膜之后，利用高溫快速退火合金化的方法實現P-InP歐姆接觸帶來了新的問題，退火之后鈍化膜可能會由于局部應力的釋放而損壞，影響了長線列和面陣探測器制備的均勻性和成品率。
發明內容
基于上述臺面型探測器制備工藝存在的問題，本發明的目的是提供一種臺面型銦鎵砷(InGaAs)探測器芯片制備方法，解決由于退火所引起的鈍化膜損壞失效的問題，提高長線列和面陣探測器制備的均勻性和成品率，另外通過引入熱處理、化學腐蝕去除表面氧化物和表面硫化的工藝過程，有效的減小離子刻蝕所引入的表面態密度，提高探測器的暗電流性能。本發明的臺面型銦鎵砷探測器制備方法是在現有工藝流程的技術基礎之上，將蒸鍍P電極和高溫快速退火置于刻蝕臺面步驟之前；在刻蝕臺面步驟之后引入熱處理的工藝；在沉積氮化硅步驟之前引入化學腐蝕的步驟去除表面氧化物，并且采用硫化銨溶液進行硫化，然后才沉積氮化硅、濺鍍N電極。如圖1所示，具體工藝流程步驟如下
1.外延片材料清洗，依次采用三氯甲烷、乙醚、丙酮、MOS級乙醇清洗，氮氣吹干；2.第一次光刻，開P電極孔，正膠光刻曝光顯影后在65°C下烘烤20 30分鐘；3.采用電子束蒸發蒸鍍金屬膜，作為P-InP接觸電極區5，在真空為2 4X 10 ,電子束能量IOOeV的條件下，依次蒸鍍Ti、Pt、Au金屬膜，厚度依次為20、30、 20nm ；4.采用丙酮進行光刻膠剝離，并依次采用分析級乙醇、MOS級乙醇清洗干凈后在 65°C下烘烤5 10分鐘；5.快速退火，在氮氣保護氣氛中，對于截止波長為1.7μπι的Ina53Giia47As探測器芯片，退火溫度為350 400°C，溫度保持時間為60 90秒；而對于截止波長為2. 4 μ m的 Ina78GEta22As探測器芯片，退火溫度為420 450°C，溫度保持時間為45 60秒；6.芯片表面沉積氮化硅，沉積襯底溫度為330°C、RF功率為40W、SiH4氣流量50ml/ min、N2氣流量為900ml/min，沉積厚度為400nm ；7.第二次光刻，顯影后在80 85°C下堅膜40 60分鐘；8.采用氫氟酸緩沖液腐蝕氮化硅制備刻蝕掩膜，氫氟酸緩沖液溶液體積比配比為 HF NH4F H2O = 3 6 10，腐蝕時緩沖液的溫度保持在23 ；9.采用感應耦合等離子體(ICP)刻蝕P-InP/i-InGaAs臺面，刻蝕條件為ICP功率為330 400W.RF功率為100 150W、氣體流量Cl2 N2 = IOsccm 60sccm、腔體壓強為4 5mTorr、溫度為140 170°C ；10.熱處理，在氫氣保護氣氛中，熱處理溫度為400 450°C，溫度保持時間為 20 30分鐘；11.采用酒石酸溶液腐蝕刻蝕表面，酒石酸溶液是先用固態酒石酸與水按重量比 1 1配成酒石酸，然后用酒石酸與雙氧水按體積比5 1配制而成的，腐蝕時溶液的溫度保持在25 35°C ；12.采用氫氟酸緩沖液去除氮化硅掩膜，溶液與步驟8中相同，腐蝕時緩沖液溫度保持在45 50°C ；13.采用硫酸溶液去除表面氧化物，硫酸溶液體積比配比為95% H2O為 1 15 1 10，腐蝕時溶液的溫度保持在50 60°C ；14.芯片表面硫化，硫化銨溶液溫度保持在23 ，硫化時間為30 40分鐘， 去離子水沖洗1 2分鐘；15.芯片表面沉積氮化硅鈍化膜7，沉積條件與步驟6相同，沉積厚度為500nm ；16.第三次光刻，顯影后在80 85°C下堅膜40 60分鐘；17.采用氫氟酸緩沖液腐蝕氮化硅，開P、N電極孔，腐蝕時溶液的溫度保持在23 26 0C ；18.第四次光刻，正膠光刻曝光顯影后在65°C下烘烤20 30分鐘；19.采用離子濺射濺鍍金屬膜，作為N電極區6以及加厚P電極區5，依次濺鍍Cr、 Au金屬膜，厚度依次為20、400nm ；20.光刻膠剝離、清洗，采用丙酮剝離光刻膠，依次采用分析級乙醇、MOS級乙醇清洗干凈后在65°C下烘烤5 10分鐘；21.在芯片表面旋涂光刻膠進行保護，在65°C烘烤下30 50分鐘
22.劃片、芯片測試。本發明的優點在于A.將蒸鍍P-InP接觸電極以及高溫快速退火過程置于氮化硅鈍化之前，避免了在高溫快速退火過程中，由于材料表面污染或者殘留顆粒而導致的氮化硅鈍化膜損壞，提高了探測器制備的成品率，特別適用于長線列和面陣探測器。同時，這樣的工藝順序消除了高溫快速退火過程對鈍化膜與材料表面接觸狀態的影響，從而消除對探測器表面鈍化效果的影響。B.在離子刻蝕后弓I入熱處理工藝，可以有效地減小材料表面由于刻蝕離子所弓I入的表面固定電荷，并且可以修復晶格。采用化學腐蝕的方法減少刻蝕表面的晶格損傷，減小探測器表面復合電流。C.采用化學腐蝕的方法去除刻蝕表面的氧化物，硫化的方法中和懸掛鍵，降低刻蝕表面的表面態密度，有效減小表面復合暗電流。
圖1為本發明的臺面型銦鎵砷探測器制備工藝步驟流程圖；圖2為本發明涉及的銦鎵砷探測器的剖面結構示意圖；圖中1——半絕緣MP襯底；2-NShP 層；3——銦鎵砷吸收層；4——P型MP帽層；5-P 電極區；6——N電極區；7——氮化硅(SiNx)鈍化層。
具體實施例方式下面對本發明的具體實施方法作詳細的說明。如附圖2所示，本實施例探測器所用的外延片為采用氣源分子束外延技術 (GSMBE)在厚度為350 μ m的半絕緣InP襯底1上依次生長厚度為1. 5 μ m的N型InP層2， 摻雜濃度大于2 X IO18CnT3 ；厚度為1. 5 μ m的銦鎵砷吸收層3，摻雜濃度為3 X 1016cm_3 ；厚度為0. 6 μ m的P型hP帽層4，摻雜濃度大于2X 1018cnT3。在P-InP帽層局部區域上依次蒸鍍Ti、Pt、Au金屬膜作為P電極區5并快速退火，然后在此P-InP/i-InGaAs/N-InP外延片上通過刻蝕形成P-hP/i-hGaAs臺面，芯片表面和側壁覆蓋氮化硅鈍化膜7，在臺面的一邊于N-InP層上依次濺鍍Cr、Au金屬膜作為N電極區6。本實施例探測器芯片制備的具體工藝流程為1.依次采用三氯甲烷、乙醚、丙酮、MOS級乙醇清洗外延片，氮氣吹干；2.第一次光刻正膠光刻，曝光顯影后在65°C下烘烤20分鐘；3.采用電子束蒸發依次蒸鍍Ti、Pt、Au金屬膜，厚度依次為20、30、20nm，作為與 P-InP接觸的P電極區5，真空2X 10- ,電子束能量IOOeV ；
4.采用丙酮進行光刻膠剝離，并依次采用分析級乙醇、MOS級乙醇清洗干凈后在 65°C下烘烤10分鐘；5.快速退火，在氮氣保護氣氛中，對于截止波長為1.7μπι的Ina53Giia47As探測器芯片，退火溫度為400°C，溫度保持時間為60秒，而對于截止波長為2. 4μ m的Ma78GEta22As 探測器芯片，退火溫度為420°C，溫度保持時間為45秒；6.芯片表面采用PECVD沉積氮化硅，沉積襯底溫度為330°C、RF功率為40W、SiH4 氣流量50ml/min、N2氣流量為900ml/min，沉積厚度為400nm ；7.第二次光刻正膠光刻，在85°C下堅膜45分鐘；8.采用氫氟酸緩沖液腐蝕氮化硅制備刻蝕掩膜，氫氟酸緩沖液溶液體積比配比為 HF NH4F H2O = 3 6 10，腐蝕時溶液的溫度保持在25°C ；9.采用感應耦合等離子體(ICP)刻蝕P-hP/i-hGaAs臺面，刻蝕條件ICP功率為350W、RF功率為120W、氣體流量Cl2 N2 = IOsccm 60sccm、腔體壓強為4mTorr、溫度為 150 0C ；10.熱處理，在氫氣保護氣氛中，熱處理溫度為400°C，溫度保持時間為20分鐘；11.采用酒石酸溶液腐蝕刻蝕表面，酒石酸溶液是先用固態酒石酸與水按重量比 1 1配成酒石酸，然后用酒石酸與雙氧水按體積比5 1配制而成的，腐蝕時溶液的溫度保持在35 °C ；12.采用氫氟酸緩沖液去除氮化硅掩膜，腐蝕時溶液溫度保持在50°C ；13.采用硫酸溶液去除表面氧化物，硫酸溶液體積比配比為95% H2O = 1 10，腐蝕時溶液的溫度保持在60°C ；14.芯片表面硫化，硫化銨溶液溫度保持在25°C，硫化時間為30分鐘，去離子水沖洗2分鐘；15.芯片表面采用PECVD沉積氮化硅鈍化膜7，沉積條件與步驟6相同，沉積厚度為 500nm ；16.第三次光刻正膠光刻，在85°C下堅膜45分鐘；17.采用氫氟酸緩沖液腐蝕氮化硅，開P、N電極孔，腐蝕時溶液的溫度保持在 25 0C ；18.第四次光刻正膠光刻，曝光顯影后在65°C下烘烤20分鐘；19.采用離子濺射依次濺鍍Cr、Au金屬膜，厚度依次為20、400nm，作為N電極區6 以及加厚P-InP接觸電極區5 ；20.采用丙酮剝離光刻膠，依次采用分析級乙醇、MOS級乙醇清洗干凈后在65°C下烘烤6分鐘；21.在表面旋涂光刻膠進行保護，在65°C烘烤下30分鐘；22.劃片、芯片測試。
權利要求
1. 一種臺面型銦鎵砷探測器制備方法，其特征在于，探測器的制備工藝流程如下 1.外延材料清洗，2.第一次光刻，3.蒸鍍P電極，4.光刻膠剝離，5. P電極退火，6.沉積氮化硅掩膜，7.第二次光刻，8.制備刻蝕掩膜，9.刻蝕臺面，10.熱處理，11.化學腐蝕去除表面損傷，12.去除刻蝕掩膜，13.腐蝕去除表面氧化物，14.芯片表面硫化，15.沉積氮化硅鈍化膜，16.第三次光刻，17.開P、N電極孔，18.第四次光刻，19.濺鍍N電極以及P電極加厚， 20.光刻膠剝離，21.正面光刻膠保護，22.劃片、芯片測試；其中A.步驟5中的P電極退火工藝，在N2保護氣氛中，對于截止波長為2.4μπι的 Ina78GEta22As探測器，退火溫度為420 450°C，溫度保持時間為45 60秒；B.步驟9中的刻蝕臺面工藝，采用氮化硅作為掩膜，感應耦合等離子刻蝕條件為ICP 功率為330 400W、RF功率為100 150W、氣體流量Cl2 N2 = IOsccm 60sccm、腔體壓強為4 5mTorr、溫度為140 170°C ；C.步驟10中的熱處理工藝，在氫氣保護氣氛中，烘烤溫度為400 450°C，溫度保持時間為20 30分鐘；D.步驟13中的腐蝕去除表面氧化物工藝，硫酸溶液體積比配比為95%H2SO4 H2O為 1 15 1 10，腐蝕時溶液的溫度保持在50 60°C ；E.步驟14中的芯片表面硫化工藝，硫化銨溶液溫度保持在23 ^°C，硫化時間為 30 40分鐘，去離子水沖洗1 2分鐘。
全文摘要
本發明公開了一種臺面型銦鎵砷探測器制備方法，包括將蒸鍍P-InP接觸電極以及高溫快速退火過程置于氮化硅鈍化之前，其優點在于避免了在高溫快速退火過程中，由于材料表面污染或者殘留顆粒而導致的氮化硅鈍化膜損壞，提高了探測器制備的成品率，特別適用于長線列和面陣探測器研制，同時消除了高溫快速退火過程對鈍化膜與材料表面接觸狀態的影響；另一方面，在離子刻蝕后引入熱處理的工藝，有效地減小材料表面由于刻蝕離子所引入的表面固定電荷，并采用化學腐蝕、硫化的方法去除表面氧化物和減少離子刻蝕后表面的晶格損傷、懸掛鍵，降低表面態密度，有效減小表面復合暗電流。
文檔編號H01L31/18GK102376824SQ201110317200
公開日2012年3月14日 申請日期2011年10月18日 優先權日2011年10月18日
發明者喬輝, 劉詩嘉, 唐恒敬, 張在實, 朱耀明, 李淘, 李雪, 湯亦聃, 王云姬, 鄧洪海, 魏鵬, 龔海梅 申請人:中國科學院上海技術物理研究所