一種改善表面鈍化的平面型銦鎵砷光敏芯片的制作方法
【技術領域】
[0001]本專利涉及紅外探測器件制備工藝技術，具體是指一種改善表面鈍化效果的平面型銦鎵砷光敏芯片及制備方法，它適用于制備高靈敏度、高可靠性的平面型銦鎵砷探測器。
【背景技術】
[0002]銦鎵砷短波紅外探測器在室溫下，就能夠獲得很好的性能，這使得其在民用、軍事和航空航天領域有著廣泛的應用前景。因為平面型工藝為器件的制備帶入較低的損傷，這使得平面型器件具有比較優(yōu)異的性能，在實現(xiàn)系統(tǒng)的高性能、小型化、低功耗方面具有較強的競爭力。
[0003]平面型銦鎵砷探測器芯片的剖面結構如附圖1所示，它由InP襯底1、N型InP層2、銦鎵砷吸收層3、N型InP帽層4、光敏擴散區(qū)5、氮化硅鈍化層6、P電極7和加厚電極8組成。目前，平面型工藝主要包含以下6個大步驟:
[0004]步驟1.在外延片上制備擴散掩膜；
[0005]步驟2.通過閉管擴散在外延層中形成PN結；
[0006]步驟3.通過刻蝕在外延片上開N槽；
[0007]步驟4.在器件表面淀積氮化硅鈍化膜；
[0008]步驟5.在P區(qū)表面上濺射生長P電極；
[0009]步驟6.在N區(qū)表面和P電極上，濺鍍Cr、Au金屬膜作為接觸電極區(qū)。
[0010]在現(xiàn)有平面型銦鎵砷探測器芯片制備工藝過程中，外延材料不僅要經歷在空氣中暴露，而且要經歷擴散等高溫過程，一方面會使得氮化硅擴散掩膜的表面鈍化作用會有所降低，另一方面掩膜窗口暴露的InP表面也會受到嚴重的氧化。此外，在淀積氮化硅鈍化膜的工藝中，等離子增強化學氣相淀積技術(PECVD)產生的等離子體會對外延材料表面造成比較大的損傷。工藝中的這些問題都限制了探測器暗電流性能的提高，因此需要在工藝上進行改進和創(chuàng)新，使探測器的性能得到提升。

【發(fā)明內容】

[0011]基于上述平面型探測器芯片制備工藝中存在的問題，本專利創(chuàng)新性地提出了一種提升表面鈍化效果的平面型銦鎵砷光敏芯片，提升了工藝中器件表面的鈍化，降低了表面態(tài)密度，實現(xiàn)探測器暗電流進一步降低。
[0012]一種改善表面鈍化的平面型銦鎵砷光敏芯片，其結構為:在半絕緣InP襯底I上，依次生長N型InP層2，銦鎵砷本征吸收層3，N型InP帽層4，氮化硅(SiNx)鈍化層6，P電極7及加厚電極8 ;其中:
[0013]在所述的平面型銦鎵砷光敏芯片表面覆蓋有一層氮化硅(SiNx)鈍化層6，該鈍化層為不包含掩模層的單層厚度均勻氮化硅層。
[0014]本專利是在現(xiàn)有工藝技術基礎之上進行改進。首先，在開N槽之后，引入了去除擴散掩模和濕法硫化兩步工藝；其次，在氮化硅鈍化膜的生長技術進行了改進，由原來的PECVD技術改進成ICPCVD技術。如附圖2所示，具體工藝流程步驟如下:
[0015]I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；
[0016]2淀積氮化硅擴散掩膜，用作擴散掩膜層，采用等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)技術淀積厚度為230nm的氮化硅，襯底溫度為330°C、RF功率為40W、氣體流量為SiH4-N2= 50mT,/miη:QOOmT,/miη ；
[0017]3開擴散窗口，采用感應耦合等離子體(ICP)刻蝕技術刻蝕氮化硅，刻蝕條件為:ICP功率為2000W、RF功率為40胃、3?6氣體流量45sccm、腔體壓強為9.4mTorr、溫度為5°C，然后用氫氟酸緩沖液在室溫下腐蝕10s，腐蝕液體積比為HF:NH4F:H20 = 3:6:10 ;
[0018]4閉管擴散，形成光敏擴散區(qū)5，采用粉末狀Zn3P2作為擴散源，真空度為3X10_4Pa，擴散條件為:在300°C溫度下保持時間12min，然后在530°C溫度下，保持時間9min ；
[0019]5開N槽，用氫氟酸緩沖液在室溫下腐蝕氮化硅掩膜，腐蝕液配比與步驟4)相同，采用氬離子刻蝕技術刻蝕N槽，刻蝕條件為:離子能量300eV，束流80cm_3，然后濕法腐蝕銦鎵砷，腐蝕液體積比為酒石酸溶液=H2O2= 5:1，腐蝕溫度保持在35 °C ;
[0020]6去除擴散掩膜，采用氫氟酸緩沖液濕法腐蝕，腐蝕液配比與步驟3)相同；
[0021]7硫化，采用濕法硫化，硫化溶液為含硫量為8%硫化銨溶液，在室溫條件下，硫化時間50分鐘；
[0022]8淀積氮化硅鈍化膜，采用感應耦合等離子體化學氣相淀積(ICPCVD)技術生長400nm的氮化硅作為鈍化膜6，生長條件為:ICP功率為750W、襯底溫度75°C、壓強范圍12mtor;r、氣體流量 SiH4-N2范圍為 15.5mT,/miη: 12.5mL/min ；
[0023]9開P電極孔，采用工藝條件與步驟3)相同；
[0024]10生長P電極，用作P電極7，采用離子束濺射工藝淀積厚度為50nm的Au，真空度為3 X 10_2Pa，離子束能量為10eV ；
[0025]11快速熱退火，退火條件為:氮氣保護氣氛，退火溫度為450°C，溫度保持時間為35s ;
[0026]12開N電極孔，采用工藝條件與步驟3)相同；
[0027]13生長加厚電極，用作加厚電極8，采用離子束濺射工藝依次淀積厚度分別為20nm、400nm的Cr、Au，淀積條件與步驟10)相同；
[0028]14 劃片；
[0029]15測試，通過金絲引出電極并進行測試。
[0030]本專利的優(yōu)點在于:
[0031]I濕法去除擴散掩膜可以增強新淀積氮化硅的鈍化作用，因為擴散掩膜經過了高溫擴散的破壞，這會使得擴散掩膜本身的鈍化作用降低，而且會阻礙隨后淀積的SiN鈍化膜鈍化作用，選擇濕法腐蝕是因為該腐蝕液只腐蝕氮化硅而不腐蝕外延材料，將不會對外延層表面帶來損傷，所以濕法去除擴散掩膜可以增強新淀積氮化硅的鈍化作用。
[0032]2濕法硫化工藝，濕法硫化可以去除InP表面的氧化層，中和懸掛鍵，有效減少器件的表面態(tài)密度，此外，硫化可以在外延層表面形成一層很薄的硫化層，該硫化層可以保護表面，避免表面被空氣氧化。
[0033]3將淀積氮化硅鈍化膜的工藝有，等離子體增強化學氣相淀積工藝(PECVD)換成感應耦合等離子體化學氣相淀積工藝(ICPCVD)。這是因為ICPCVD可以低溫生長，薄膜的應力小；產生的等離子體能量比較低對材料表面的破壞比較?。簧L的氮化硅膜更致密，氮和硅的成鍵狀態(tài)更好。
【附圖說明】
[0034]圖1為本專利的銦鎵砷探測器芯片的剖面結構示意圖。
[0035]圖2為本專利的平面型銦鎵砷探測器芯片制備工藝步驟流程圖；
[0036]圖中:
[0037]I——半絕緣InP襯底；
[0038]2——N 型 InP 層；
[0039]3——銦鎵砷本征吸收層；
[0040]4——N型InP帽層；
[0041]5--光敏擴散區(qū)；
[0042]6——氮化硅(SiNx)鈍化層；
[0043]7——P電極；
[0044]8——加厚電極。
【具體實施方式】
[0045]下面結合附圖對本專利的具體實施方法作詳細的說明。
[0046]如附圖1所示，本實施例所用的外延片為采用金屬有機化學氣相淀積(MOCVD)技術，在厚度為350 μ m的半絕緣InP襯底I上，依次生長厚度為0.5 μ m的N型InP層2，載流子濃度>2 X 118CnT3;厚度為2.5 ym的銦鎵砷本征吸收層3，載流子濃度為5 X 10 16cm_3;厚度為I μπι的N型InP帽層4，載流子濃度為5X 116CnT3。本實施例的平面型銦鎵砷紅外探測器芯片制備工藝是在現(xiàn)有工藝基礎之上，在閉管擴散之后，加入氮氣氛圍熱處理的工藝；在淀積氮化硅鈍化膜之前，引入了去除擴散掩膜和硫化的工藝，以及將鈍化膜的淀積工藝由等離子體增強化學氣相淀積工藝換成感應耦合等離子體化學氣相淀積工藝。
[0047]本實施例探測器芯片制備的具體工藝流程為:
[0048]I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；
[0049]2淀積氮化硅擴散掩膜，用作擴散掩膜層，采用等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)技術淀積厚度為230nm的氮化硅，襯底溫度為330°C、RF功率為40W、氣體流量為SiH4-N2= 50mT,/miη:QOOmT,/miη ；
[0050]3開擴散窗口，采用感應耦合等離子體(ICP)刻蝕技術刻蝕氮化硅，刻蝕條件為:ICP功率為2000W、RF功率為40胃、3?6氣體流量45sccm、腔體壓強為9.4mTorr、溫度為5°C，然后用氫氟酸緩沖液在室溫下腐蝕10s，腐蝕液體積比為HF:NH4F:H20 = 3:6:10 ;
[0051]4閉管擴散，形成光敏擴散區(qū)5，采用粉末狀Zn3P2作為擴散源，真空度為3X10_4Pa，擴散條件為:在300°C溫度下保持時間12min，然后在530°C溫度下，保持時間9min ；
[0052]5開N槽，用氫氟酸緩沖液在室溫下腐蝕氮化硅掩膜，腐蝕液配比與步驟4)相同，采用氬離子刻蝕技術刻蝕N槽，刻蝕條件為:離子能量300eV，束流80cm_3，然后濕法腐蝕銦鎵砷，腐蝕液體積比為酒石酸溶液=H2O2= 5:1，腐蝕溫度保持在35 °C ;
[0053]6去除擴散掩膜，采用氫氟酸緩沖液濕法腐蝕，腐蝕液配比與步驟3)相同；
[0054]7硫化，采用濕法硫化，硫化溶液為含硫量為8%硫化銨溶液，在室溫條件下，硫化時間50分鐘；
[0055]8淀積氮化硅鈍化膜，采用感應耦合等離子體化學氣相淀積(ICPCVD)技術生長400nm的氮化硅作為鈍化膜6，生長條件為:ICP功率為750W、襯底溫度75°C、壓強范圍12mtor;r、氣體流量 SiH4-N2范圍為 15.5mT,/miη: 12.5mL/min ；
[0056]9開P電極孔，采用工藝條件與步驟3)相同；
[0057]10生長P電極，用作P電極7，采用離子束濺射工藝淀積厚度為50nm的Au，真空度為3 X 10_2Pa，離子束能量為10eV ；
[0058]11快速熱退火，退火條件為:氮氣保護氣氛，退火溫度為450°C，溫度保持時間為35s ;
[0059]12開N電極孔，采用工藝條件與步驟3)相同；
[0060]13生長加厚電極，用作加厚電極8，采用離子束濺射工藝依次淀積厚度分別為20nm、400nm的Cr、Au，淀積條件與步驟10)相同；
[0061]14 劃片；
[0062]15測試，通過金絲引出電極并進行測試。
【主權項】
1.一種改善表面鈍化的平面型銦鎵砷光敏芯片，其結構為:在半絕緣InP襯底(I)上，依次生長N型InP層(2)，銦鎵砷本征吸收層(3)，N型InP帽層(4)，氮化硅(SiNx)鈍化層(6)，P電極(7)及加厚電極⑶；其特征在于: 在所述的平面型銦鎵砷光敏芯片表面覆蓋有一層氮化硅(SiNx)鈍化層￠)，該鈍化層為不包含掩模層的單層均勻氮化硅層。
【專利摘要】本專利公開了一種改善表面鈍化的平面型銦鎵砷光敏芯片，平面型銦鎵砷光敏芯片的結構為：在半絕緣InP襯底上，依次生長N型InP層，銦鎵砷本征吸收層，N型InP帽層，氮化硅(SiNx)鈍化層，P電極及加厚電極(8)。制備工藝在原有工藝基礎之上改進得到，包括擴散掩膜的去除、硫化和感應耦合等離子體化學氣相淀積(ICPCVD)技術生長氮化硅鈍化膜。本專利的優(yōu)點在于：芯片的鈍化層結構比較均勻；有效減少器件的表面態(tài)密度，且表面形成的硫化膜能夠避免表面再次被氧化；工藝對材料表面損傷小，薄膜致密、與襯底之間應力匹配，元素成鍵狀態(tài)好，鈍化效果優(yōu)。
【IPC分類】H01L31-0216, H01L31-101, H01L31-18
【公開號】CN204332968
【申請?zhí)枴緾N201420770646
【發(fā)明人】曹高奇, 唐恒敬, 王云姬, 李雪, 邵秀梅, 程吉鳳, 龔海梅
【申請人】中國科學院上海技術物理研究所
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2014年12月9日