小型化銻化銦探測器制備

李海燕,劉佳星,杜紅燕,杜孟新

(1.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015；2.機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所，北京 100055)

1 引 言

銻化銦材料為Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半導(dǎo)體材料,晶體結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定的閃鋅礦結(jié)構(gòu),因高量子效率、高載流子遷移率等材料屬性,銻化銦成為中波紅外探測器制備的首選材料。自20世紀六七十年代至本世紀初,銻化銦紅外探測器歷經(jīng)單元、少元、多元線列的一代器件發(fā)展至面陣凝視、超大規(guī)模面陣,技術(shù)逐漸成熟并進入大規(guī)模應(yīng)用狀態(tài),基于銻化銦材料的紅外探測器在中波波段表現(xiàn)出極高靈敏度、長期工作的性能穩(wěn)定性以及高空間均勻性等特點,結(jié)合其良好的可生產(chǎn)性、低成本、高性價比等優(yōu)點,銻化銦紅外探測器具有良好的發(fā)展前景[1]。

隨著紅外探測技術(shù)的不斷成熟發(fā)展,探測器陣列規(guī)模越來越大,像元規(guī)格已由原來的128×128發(fā)展到現(xiàn)在的640×512、2 k×2 k乃至4 k×4 k,隨著面陣規(guī)格提升,配套杜瓦與制冷系統(tǒng)的規(guī)格也同步提升,這與人們對探測器輕型化、小型化的配置需求相左,為實現(xiàn)探測器芯片小型化、高密度高分辨率的制備,小像元尺寸、窄像元間距面陣芯片的制備技術(shù)提上日程,從國際主流廠商的產(chǎn)品參數(shù)來看,探測器像元尺寸由50 μm下降到30 μm、25 μm、15 μm,以以色列SCD公司研制的一款型號為“Blackbird”的產(chǎn)品為例,該產(chǎn)品為面陣規(guī)格1920×1536的銻化銦紅外探測器,像元中心間距僅為10 μm。目前,國際主流廠商Raythoen、sofradior、SCD等公司探測器產(chǎn)品像元間距25 μm、15 μm產(chǎn)品已實現(xiàn)批量化生產(chǎn),國內(nèi)相關(guān)方面的研發(fā)一直處于落后狀態(tài),發(fā)展緩慢。近幾年,隨著國內(nèi)紅外焦平面探測器應(yīng)用的增多及應(yīng)用水平的提高,市場對銻化銦焦平面探測器的需求不斷增加,本文在研究國外銻化銦產(chǎn)品發(fā)展路線的基礎(chǔ)上,基于銻化銦材料,通過離子注入成結(jié)工藝、干法刻蝕工藝技術(shù)突破,研究窄像元間距探測器的研制。

表1 銻化銦探測器主要生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品情況[2]

2 工藝設(shè)計

目前國內(nèi)成熟的銻化銦紅外探測器光敏芯片的制備工藝采用擴散工藝方式形成PN結(jié)結(jié)構(gòu),通過腐蝕液濕法腐蝕的技術(shù)制備臺面結(jié)型焦平面陣列,研究國外主流廠商的產(chǎn)品研制技術(shù)路線,對比目前國內(nèi)成熟的產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)路線,出于提高器件性能與大面陣、窄間距焦平面陣列的研發(fā)目標,本文研究在采用離子注入技術(shù)與干法刻蝕技術(shù)制備焦平面陣列。

2.1 離子注入技術(shù)

從成結(jié)工藝發(fā)展技術(shù)路線來看,離子注入技術(shù)是繼擴散技術(shù)之后發(fā)展起來的一種高精度可控成結(jié)技術(shù)。

圖1 離子注入工藝原理圖

離子注入工藝對注入雜質(zhì)的高精度控制使其利于實現(xiàn)較大面積上薄而均勻的摻雜和更為理想的突變PN結(jié),引入較小的噪聲電流,實現(xiàn)高精度、高可重復(fù)性、高性能的材料摻雜[3],其精確設(shè)計與實現(xiàn)能力決定了器件PN結(jié)的光伏效能水平,從源頭決定了探測器最終的整體性能效果,可自定義的摻雜設(shè)計使該工藝在器件性能提升、器件尺寸縮小方面起著至關(guān)重要的作用。離子注入技術(shù)之所以在國內(nèi)沒有全面推開使用在于其工藝實現(xiàn)難度高,因此,在國內(nèi)目前銻化銦器件的研制中,擴散技術(shù)仍為主流技術(shù),離子技術(shù)尚未達到批量化生產(chǎn)的技術(shù)水平。通過文獻調(diào)研可制,用于銻化銦成結(jié)注入的元素有鎂、鈹、鎘、鋅等,注入元素質(zhì)量大,注入易形成多孔材料表面,該表面很難用退火工藝進行彌補優(yōu)化,因此,考慮到注入雜質(zhì)質(zhì)量越大,注入損傷越嚴重,越難消除,本文研究采用原子質(zhì)量最小的鈹元素進行注入[4-5]。

2.2 干法刻蝕技術(shù)

焦平面陣列分平面結(jié)結(jié)構(gòu)、臺面結(jié)結(jié)構(gòu),當像元間距縮小到一定程度時,平面結(jié)結(jié)構(gòu)存在像元間信號串音的風(fēng)險,因此臺面結(jié)結(jié)構(gòu)是器件發(fā)展到一定程度時必要采用的結(jié)構(gòu)方案。臺面結(jié)型焦平面陣列的制備方法有濕法腐蝕技術(shù)、干法刻蝕技術(shù),濕法腐蝕技術(shù)目前應(yīng)用成熟,其特點是縱向腐蝕過程中伴隨著嚴重的橫向鉆蝕,在像元中心間距較大時,該工藝方案尚可使用,當像元中心間距縮小到一定程度時,濕法腐蝕技術(shù)會造成像元的嚴重損失,限制了小像元尺寸技術(shù)的發(fā)展,此時,就必須要采用干法刻蝕技術(shù)。

刻蝕工藝可實現(xiàn)高精度、微尺寸的圖形刻蝕,其實現(xiàn)難點在于實現(xiàn)低粗糙度、低損傷的器件結(jié)構(gòu)的制備,本文研究采用感應(yīng)耦合等離子體干法刻蝕設(shè)備進行InSb臺面結(jié)型焦平面陣列的制備工藝,實現(xiàn)小尺寸、高占空比焦平面陣列的制備。銻化銦材料在刻蝕氣體體系上有氯基刻蝕氣體體系、甲烷基刻蝕氣體體系、氯基甲烷基混合刻蝕氣體體系,最后一種刻蝕氣體體系氣體種類最多,刻蝕參數(shù)調(diào)整難度最大；對比前兩種刻蝕氣體體系,氯基刻蝕氣體體系刻蝕速率更高,考慮實驗中器件性能差別不大,本文最終選取氯基刻蝕氣體體系進行臺面成型[6-7]。

3 實驗及結(jié)果

取N型<111>面InSb晶片,經(jīng)清洗、表面腐蝕后,表面生長一層掩膜材料用于將材料表面與外界環(huán)境隔離,采用離子注入工藝將摻雜元素Be注入N型InSb材料中,退火加熱激活注入雜質(zhì)、消除注入損傷,經(jīng)表面處理后形成具有良好表面狀態(tài)的PN結(jié)結(jié)構(gòu)材料；材料表面制備刻蝕掩膜,采用BCl3/Ar刻蝕氣體體系組合進行干法刻蝕工藝形成臺面結(jié)型焦平面陣列制備[4]；去除掩膜結(jié)構(gòu),進行表面處理后淀積鈍化層結(jié)構(gòu),進行電極孔及電極制備,最終形成具有完整器件結(jié)構(gòu)的臺面結(jié)型焦平面陣列的光敏器件,工藝流程如圖2所示。

圖2 器件制備工藝流程

設(shè)計128×128面陣規(guī)格、像元中心間距15 μm、像元間距1 μm的光敏芯片光刻版圖,臺面刻蝕后焦平面陣列形貌如圖3(a)所示,對比圖3(b)濕法腐蝕工藝效果,刻蝕工藝制備的焦平面陣列,像元間隙可縮小到1～2 μm,像元占空比可達到70 %左右,而相同光刻線寬的情況下腐蝕工藝制備的器件占空比約42 %,像元占空比有明顯提升,可明顯提升組件的靈敏度與空間分辨率。

按圖2描述工藝流程進行器件流片,對器件進行I-V測試,測試結(jié)果如圖4所示,開路電壓65～75 mV,零偏電流7～10 nA,反偏電壓測至-1 V時仍能保持很好的性能曲線。將光敏芯片與電路芯片倒裝互連、封裝組件后進行測試,測試性能參數(shù)表2所示。組件參數(shù)性能表現(xiàn)良好。

圖3 焦平面陣列效果圖

圖4 128/15 μm器件I-V特性圖

表2 128/15 μm組件測試結(jié)果

在此基礎(chǔ)上,設(shè)計128×128(10 μm)、像元間距1 μm的光敏芯片光刻版圖進行進一步的窄間距器件試制探索(器件形貌圖如圖5所示),從工藝實現(xiàn)角度來看,占空比可達64 %左右,I-V性能測試結(jié)果顯示器件性能表現(xiàn)良好且穩(wěn)定。

圖5 128/10 μm器件形貌圖

圖6 128/10 μm器件I-V特性圖

4 總 結(jié)

本文針對國外技術(shù)路線,研究采用離子注入技術(shù)、干法刻蝕技術(shù),初步實現(xiàn)了128×128陣列規(guī)格15 μm像元中心間距的銻化銦中波紅外探測器的制備,并通過組件封裝測試了器件性能,組件性能結(jié)果良好,在此基礎(chǔ)上首次進行了128/10 μm面陣規(guī)格光敏芯片性能的研制,128/10 μm器件同樣表現(xiàn)出良好的性能特點,像元間距縮小至1 μm,有效提高占空比。本文的研究內(nèi)容初探離子注入技術(shù)、干法刻蝕技術(shù)的應(yīng)用,為后續(xù)小型化、輕型化、高分辨率紅外焦平面探測器的進一步研發(fā)與制備奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。