黑硅層制作方法及黑硅pin光電探測器制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光電探測器制作技術(shù)，尤其涉及一種黑硅層制作方法及黑硅PIN光電探測器制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硅的禁帶寬度為1.1eV,能量小于禁帶寬度的光子無法將電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，導(dǎo)致硅基光電器件在紅外波段沒有響應(yīng)。1998年，哈佛大學(xué)Mazur等在利用飛秒激光與硅材料相互作用中，發(fā)現(xiàn)了一種具有奇特光電性能的材料一黑娃[Appl Phys Lett, 1998，73: 1673]，它對近紫外-近紅外波段的光(0.25?2.5 μ m)吸收率高，反射率低，可應(yīng)用于低成本硅基近紅外光電探測器和夜視系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外用于制備黑硅的方法很多，主要有飛秒激光脈沖法、深反應(yīng)離子刻蝕法和化學(xué)腐蝕法。
[0003]采用化學(xué)腐蝕法制作黑硅，具有操作簡便、設(shè)備要求低、成本和工藝損傷低等優(yōu)點，但化學(xué)腐蝕法需要用金屬催化，容易引入金屬沾污，導(dǎo)致后續(xù)工藝無法進行離子注入、高溫退火等工藝，與許多硅基光電探測器制造工藝不兼容，在實際應(yīng)用中受到很大限制。
[0004]采用深反應(yīng)離子刻蝕法(DRIE)制備黑硅時，需要交替進行刻蝕處理和鈍化處理，交替次數(shù)可能多達上百次，且刻蝕處理時需要將溫度降至_20°C以下，鈍化處理時又需將溫度升至20°C ~30°C，不僅能量消耗巨大，而且操作十分麻煩、加工效率較低，另外，深反應(yīng)離子刻蝕工藝一般僅在MEMS工藝線上采用，適用面較窄。
[0005]采用飛秒激光脈沖法制備黑硅，可實現(xiàn)原位摻雜，有利于紫外到近紅外光吸收，但生產(chǎn)效率低，成本高，不適于規(guī)?；a(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對【背景技術(shù)】中的問題，本發(fā)明提出了黑硅層制作方法，所涉及的硬件包括刻蝕腔和設(shè)置于刻蝕腔內(nèi)的上電極、下電極，上電極和下電極位置相對；具體的制作方法為:1)將硅襯底平放于下電極的上側(cè)面上，硅襯底的上側(cè)面記為加工面，2)所述上電極上設(shè)置有多個通氣孔，常溫條件下，向刻蝕腔內(nèi)通入六氟化硫和氧氣，并使六氟化硫和氧氣通過通氣孔吹拂到加工面上，六氟化硫流量為50sccm?150sccm，氧氣流量為20sccm?100sccm，3)將刻蝕腔內(nèi)的刻蝕壓力調(diào)節(jié)為20mTorr?10mTorr后，在上電極和下電極之間施加射頻功率為300W?800W的電壓，電壓持續(xù)時間為230~250秒；處理完成后，硅襯底上的加工面即形成黑娃層。
[0007]本發(fā)明的原理是:
反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)是半導(dǎo)體行業(yè)中十分常見的工藝方法，常用于對硅襯底進行刻蝕或鈍化處理，其原理是:六氟化硫和氧氣會在等離子體中裂解生成F*、0*、SFx+三種反應(yīng)基團，其中，F(xiàn)*基團與硅發(fā)生反應(yīng)時，會生成揮發(fā)性的SiF4氣體，從而使硅襯底被刻蝕，F(xiàn)*和O*基團與娃發(fā)生反應(yīng)時，會在娃襯底表面形成不揮發(fā)的S1xFy聚合物，從而實現(xiàn)對娃襯底的鈍化處理，另外，SFx+基團可以去除S1xFy聚合物并生成揮發(fā)性的SOxFy和SiF4氣體，對刻蝕作用具有輔助效果；現(xiàn)有技術(shù)中，一般通過控制電壓功率，來使反應(yīng)氣體單獨發(fā)揮刻蝕作用或單獨發(fā)揮鈍化作用；
基于現(xiàn)有黑硅制備技術(shù)的弊端，發(fā)明人對黑硅制備技術(shù)進行了大量探索，尤其對深反應(yīng)離子刻蝕法(DRIE)及由其制作出的黑硅進行了深入研宄；如【背景技術(shù)】中所述的，深反應(yīng)離子刻蝕法存在操作復(fù)雜、能耗較大、效率低下的弊端，造成這些弊端的根本原因是:相比于早年的反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，深反應(yīng)離子刻蝕法操作過程中需要交替進行刻蝕和鈍化處理，這就可以通過適量的鈍化來對刻蝕凹陷處的側(cè)壁進行保護，從而抵消刻蝕作用的一部分水平分量，避免刻蝕凹陷處的側(cè)壁在水平方向上被過度刻蝕，而黑硅層實質(zhì)上是由大量密集排列在硅襯底表面的微小凸起結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，基于常規(guī)思路，深反應(yīng)離子刻蝕法的工藝特性與黑硅層的形貌特征就很好的契合了，而深反應(yīng)離子刻蝕法的工藝就決定了需要多次交替進行刻蝕和鈍化，并且在刻蝕操作時需要將溫度降至-20°C以下、在鈍化操作時又需要將溫度上升至常溫狀態(tài)，從產(chǎn)業(yè)化角度考慮，用深反應(yīng)離子刻蝕法制作黑硅層，于是就存在操作復(fù)雜、能耗較大、效率低下的問題了 ；
受深反應(yīng)離子刻蝕法交替進行刻蝕和鈍化的啟發(fā)，發(fā)明人考慮能不能讓刻蝕和鈍化同時作用到硅表面，從而避免交替操作以及相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)，于是發(fā)明人進行了大量的探索，并創(chuàng)造性地提出了如下思路:基于流體力學(xué)可知，氣體流動存在混沌性，這就使得吹拂到加工面上的氣體(即六氟化硫和氧氣)也處于混沌狀態(tài)，此時，通過在上電極和下電極之間施加電壓使氣體同時裂解出具備刻蝕作用和鈍化作用的反應(yīng)基團，受氣體的混沌狀態(tài)影響，起不同作用的反應(yīng)基團均會以彌散分布的形式作用到硅表面上，使刻蝕區(qū)和鈍化區(qū)以較為均勻的方式分布在硅表面，從而形成用于構(gòu)成黑硅層的大量微小凸起結(jié)構(gòu)，這就可以讓刻蝕作用和鈍化作用同時作用在硅表面，無須交替，更不用調(diào)節(jié)溫度，在常溫下就能實現(xiàn)黑硅層制作；完成了原理構(gòu)思后，發(fā)明人進行了大量的試驗，試驗證明前述思路確實可行，于是發(fā)明人又進行了大量的參數(shù)設(shè)計試驗，并最終獲得了本發(fā)明的方案。另外，從本發(fā)明方案中的硬件配制可以看出，本發(fā)明僅采用常見的可實現(xiàn)反應(yīng)離子刻蝕的反應(yīng)離子刻蝕機即可，相比于現(xiàn)有技術(shù)，硬件需求也得到了相應(yīng)降低。
[0008]值得強調(diào)的是，雖然，通過控制電壓功率可以調(diào)節(jié)氣體裂化物起刻蝕作用或鈍化作用是本領(lǐng)域的基本常識，但本發(fā)明創(chuàng)造性地將其結(jié)合到了黑硅制作技術(shù)中，通過參數(shù)優(yōu)化，使氣體裂化物中各種反應(yīng)基團的配比滿足黑硅制作需求，是本發(fā)明的獨創(chuàng)。
[0009]基于前述方案，本發(fā)明還提出了一種黑硅PIN光電探測器制備方法，包括:1)提供硅襯底，2)在硅襯底正面制作P+摻雜層，3)在硅襯底背面制作黑硅層，4)在黑硅層區(qū)域制作N+區(qū)，5)在黑硅層表面制作增透膜，6)在器件上制作金屬電極；7)將器件置于氮氫環(huán)境中，在200°C?500°C條件下熱處理1min?60min ;其創(chuàng)新在于:步驟3)中，采用如下方法制作黑硅層:所涉及的硬件包括刻蝕腔和設(shè)置于刻蝕腔內(nèi)的上電極、下電極，上電極和下電極位置相對；將硅襯底平放于下電極的上側(cè)面上，硅襯底背面與上電極相對，所述上電極上設(shè)置有多個通氣孔，常溫條件下，向刻蝕腔內(nèi)通入六氟化硫和氧氣，并使六氟化硫和氧氣通過通氣孔吹拂到加工面上，六氟化硫流量為50sccm?150sccm，氧氣流量為20sccm?10sccm,將刻蝕腔內(nèi)的刻蝕壓力調(diào)節(jié)為20mTorr?10mTorr后，在上電極和下電極之間施加射頻功率為300W?800W的電壓，電壓持續(xù)時間為230~250秒；處理完成后，硅襯底(I)背面即形成黑硅層；步驟4)中，采用離子注入工藝制作N+區(qū)；步驟4)的操作完成后，先對器件進行快速退火處理，然后再進行步驟5)的操作。
[0010]該黑硅PIN光電探測器制備方法的創(chuàng)新之處在于:得益于本發(fā)明對于黑硅層制作的創(chuàng)新，使得PIN光電探測器可以采用離子注入工藝來制作N+區(qū)并進行快速退火處理，采用離子注入工藝后，由離子注入工藝的工藝特性決定了，N+區(qū)的結(jié)深可控，并且可以形成與黑硅層形貌相似的形貌。
[0011]優(yōu)選地，步驟4)中，離子注入時采用磷離子注入、硫離子注入、砸離子注入或碲離子注入。
[0012]優(yōu)選地，快速退火