InAs/GaSb II類超晶格長波焦平面陣列臺面ICP刻蝕技術(shù)研究

王海澎，木迎春，彭秋思，黃佑文，李俊斌，龔曉丹，劉 玥，敖 雨，周旭昌，李東升，孔金丞

〈材料與器件〉

InAs/GaSb II類超晶格長波焦平面陣列臺面ICP刻蝕技術(shù)研究

王海澎，木迎春，彭秋思，黃佑文，李俊斌，龔曉丹，劉 玥，敖 雨，周旭昌，李東升，孔金丞

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

本文采用SiO2/SiN作為掩膜對InAs/GaSbⅡ類超晶格紅外材料進行感應(yīng)耦合等離子體（ICP）刻蝕條件研究，得到InAs/GaSbⅡ類超晶格較好的刻蝕條件以提升紅外探測器性能。對ICP刻蝕過程中容易出現(xiàn)臺面?zhèn)认蜚@蝕以及臺面底部鉆蝕兩種現(xiàn)象進行了詳細研究，通過增加SiO2膜層厚度以及減小Ar氣流量，可有效減少臺面?zhèn)认蜚@蝕；通過減小下電極射頻功率（RF），可有效消除臺面底部鉆蝕。采用適當厚度的SiO2/SiN掩膜以及優(yōu)化后的ICP刻蝕參數(shù)可獲得光亮平整的刻蝕表面，表面粗糙度達到0.193nm；刻蝕臺面角度大于80°，刻蝕選擇比大于8.5:1；采用優(yōu)化后的ICP刻蝕條件制備的長波640×512焦平面器件暗電流密度降低約1個數(shù)量級，達到3×10－4A/cm2，響應(yīng)非均勻性、信噪比以及有效像元率等相關(guān)指標均有所提高，并獲得了清晰的焦平面成像圖。

InAs/GaSbⅡ類超晶格；SiO2/SiN掩膜；ICP刻蝕

0 引言

基于GaSb材料，包括InAs，GaSb，AlSb等材料可以靈活地設(shè)計成各種新型材料和器件，尤其是InAs/GaSb超晶格具有獨特的Ⅱ型能帶結(jié)構(gòu)，可以在器件結(jié)構(gòu)中很方便地加入勢壘層，提高器件工作溫度和減小暗電流，在制作高性能紅外探測器方面具有很大的潛力[1-3]。對于Ⅱ類超晶格紅外探測器，在器件制備過程中臺面?zhèn)缺诮嵌群捅砻娲植诙葘ζ骷谋砻媛╇娏骱驮肼暤扔休^大的影響，嚴重制約著器件的性能。隨著InAs/GaSbⅡ類超晶格紅外焦平面陣列規(guī)模的增大，光敏元的尺寸和間距越來越小，所要求的線寬越來越小，精細度越來越高，對臺面?zhèn)缺诮嵌群捅砻娲植诙忍岢隽烁叩囊骩4-5]。然而，傳統(tǒng)的光刻膠掩膜已經(jīng)無法滿足工藝要求，取而代之的是二氧化硅（SiO2）等掩膜材料，相對于光刻膠掩膜層，復(fù)合掩膜層與超晶格材料具有較高的選擇比，采用復(fù)合掩膜層能夠獲得更好的臺面角度以及更光滑的側(cè)壁形貌[6]。同時，對干法刻蝕工藝提出了更高的要求，良好的干法刻蝕工藝可以降低臺面的側(cè)向及底部鉆蝕，從而提高陣列芯片上的占空比和器件的量子效率，降低光敏元間的串擾[7]。

本文采用SiO2/SiN復(fù)合掩膜，利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕設(shè)備（Inductively coupled plasma）在不同工藝條件下刻蝕臺面，并對ICP刻蝕臺面出現(xiàn)的不同形貌特征進行了分析研究，通過調(diào)節(jié)ICP刻蝕工藝參數(shù)，獲得了表面光滑的臺面，刻蝕臺面角度大于80°，刻蝕選擇比大于8.5:1。同時對比不同臺面刻蝕條件制備的長波640×512焦平面器件測試結(jié)果，側(cè)壁平整光滑的焦平面器件暗電流密度降低1個數(shù)量級，達到10－4A/cm2，焦平面器件綜合性能有較大提高。

1 實驗方法

通過分子束外延（molecular beam epitaxy）生長得到InAs/GaSbⅡ類超晶格材料。材料結(jié)構(gòu)為PπMN結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)見表1。

在上述材料襯底上首先通過ICP-chemical vapor deposition（ICP-CVD）依次制備一定厚度的SiO2/SiN復(fù)合掩膜層，如圖1(a)、(b)、(c)所示。隨后在復(fù)合膜層上通過光刻工藝獲得臺面隔離溝槽3mm，中心距15mm的光刻圖形，如圖1(d)所示；通過反應(yīng)離子刻蝕（Reactive Ion Etching），使得光刻圖形轉(zhuǎn)移至復(fù)合掩膜層上，即在復(fù)合掩膜層上獲得間距3mm，中心距15mm的圖形，如圖1(e)所示；隨即通過ICP以Cl基氣體刻蝕超晶格材料并獲得間距約3mm，深度約為3.1mm的臺面結(jié)構(gòu)，如圖1(f)所示；最后去除剩余SiO2掩膜層，如圖1(g)所示。

表1 InAs /GaSbⅡ類超晶格材料結(jié)構(gòu)

圖1 長波640×512紅外焦平面器件制備流程

InAs/GaSbⅡ類超晶格材料的刻蝕設(shè)備為Sentech SI500，刻蝕氣體為SiCl4/Ar/H2，實驗分別采用4種ICP刻蝕工藝條件，如表2所示。通過掃描電鏡表征掩膜與超晶格材料選擇比和側(cè)壁形貌，原子力顯微鏡表征刻蝕表面粗糙度，焦平面測試系統(tǒng)表征長波640×512紅外焦平面器件暗電流及相關(guān)性能參數(shù)。

表2 InAs /GaSbⅡ類超晶格材料ICP刻蝕條件

2 結(jié)果與討論

2.1 SiO2/SiN復(fù)合掩膜層刻蝕

以CHF3/O2為刻蝕氣體通過RIE設(shè)備對二氧化硅及氮化硅掩膜進行刻蝕，結(jié)果如圖2所示。掩膜刻蝕后刻蝕區(qū)域表面光滑，與超晶格材料表層形貌一致，刻蝕區(qū)域的均一性較好，刻蝕后掩膜側(cè)壁較為陡峭，這得益于CHF3基刻蝕氣體對二氧化硅和光刻膠有較好的刻蝕選擇性。

2.2 InAs/GaSbⅡ類超晶格材料刻蝕

基于2.1制備的掩膜圖形，采用條件1對InAs / GaSbⅡ類超晶格材料刻蝕后的角度大于80°，刻蝕深度為3.15mm，臺面隔離槽頂部寬為3.05mm，底部寬為2.87mm，剩余的SiO2約為3300?，同時側(cè)壁及底部較為光滑、無刻蝕產(chǎn)物殘留，如圖3(a)所示，InAs/GaSb刻蝕速率為～3940?/min，掩膜刻蝕速率為～460?/min，超晶格材料與掩膜的選擇比大于8.5:1。同時，利用原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）對刻蝕臺面底部進行粗糙度測量，在2mm×2mm面積內(nèi)其均方根平均粗糙度達到0.193nm，如圖3(b)所示。

圖2 RIE刻蝕SiO2+SiN掩膜SEM圖

圖3 ICP刻蝕條件1樣品SEM及刻蝕區(qū)域AFM圖

以上結(jié)果表明采用復(fù)合掩膜刻蝕能夠獲得理想的臺面陣列，但在臺面頂部出現(xiàn)倒角，即側(cè)向鉆蝕，如圖3(a)黑框所示。采用刻蝕條件2制備臺面，對比條件1將SiO2掩膜厚度由6000?增加到8000?，臺面刻蝕結(jié)果如圖4(a)所示，掩膜厚度增加后，臺面頂部側(cè)向鉆蝕有所緩解。

采用ICP刻蝕條件3制備臺面，對比條件2，將Ar氣流量減小5sccm，臺面頂部側(cè)向鉆蝕現(xiàn)象完全消失，如圖4(b)黑框內(nèi)所示。因此，結(jié)合實驗結(jié)果及刻蝕參數(shù)分析臺面頂部側(cè)向鉆蝕現(xiàn)象消失的原因主要有兩個，原因①：由于沉積SiN/SiO2掩膜厚度較薄，等離子體的物理轟擊作用較多地作用在超晶格材料側(cè)壁上[8]，如圖5(a)，同時由于Cl基刻蝕氣體的化學(xué)作用，使得超晶格材料的刻蝕速率快于SiN/SiO2掩膜，從而在頂部出現(xiàn)側(cè)向鉆蝕現(xiàn)象；因此通過增加SiN/SiO2掩膜厚度使得等離子體的物理轟擊作用較多的作用在SiN/SiO2掩膜上，如圖5(b)，達到改善側(cè)向鉆蝕目的；原因②：超晶格材料各向異性刻蝕主要來自于SiCl4/H2與InAs/GaSb反應(yīng)形成的聚合物附著在側(cè)壁上形成阻擋層，阻止刻蝕氣體進一步對側(cè)壁的化學(xué)作用。但由于刻蝕過程中Ar氣的比例過高，物理刻蝕作用過強使得側(cè)壁聚合物分解，側(cè)壁上的化學(xué)作用持續(xù)進行，從而出現(xiàn)側(cè)向鉆蝕。

圖4 ICP刻蝕條件2和條件3樣品SEM圖

圖5 掩膜圖形影響臺面頂部側(cè)向鉆蝕示意圖

增加SiN/SiO2掩膜厚度和降低Ar氣流量，雖然解決了頂部側(cè)向鉆蝕問題，但在臺面底部出現(xiàn)了鉆蝕。為了解決底部鉆蝕，將RF功率增加到150W，即ICP刻蝕條件4，結(jié)果如圖6(a)所示，臺面底部鉆蝕現(xiàn)象消失。分析其主要原因為在射頻源等離子體中，偏壓是由附著在襯底上的電子產(chǎn)生，但由于SiO2薄膜的絕緣性，電子聚集在SiO2膜層上，尤其是在SiO2膜層角落，使得膜層表面帶負電[9]，從而影響Ar＋離子的運動軌跡，導(dǎo)致底部鉆蝕的形成，如圖6(b)所示。因此，在增加RF功率后，提高Ar＋離子的動能以保證Ar+離子刻蝕方向性，降低膜層表面電荷對Ar+離子的運動軌跡的影響。在該條件下，臺面?zhèn)缺诙钢鼻夜饣?，刻蝕角度約為88°，選擇比大于8.5:1。同時，采用刻蝕條件4制備的臺面底部在2mm×2mm面積內(nèi)其均方根平均粗糙度約為0.2nm，如圖6(c)所示，說明ICP刻蝕條件1和4對平面刻蝕效果基本一致。

2.3 長波640×512焦平面器件測試結(jié)果

由于采用條件1、2、3制備臺面均出現(xiàn)側(cè)向鉆蝕或底部鉆蝕現(xiàn)象，不是理想的臺面制備條件，因此僅選取條件1和條件4進行器件結(jié)果對比。采用ICP刻蝕條件1和條件4制備長波640×512焦平面器件，77K下器件光譜測試結(jié)果表明50%截止波長為9.26mm，如圖7(a)所示。77K下暗電流對比結(jié)果如圖7(b)所示，在臺面刻蝕工藝改善后，即采用條件4制備的長波640×512焦平面器件暗電流密度降低約1個數(shù)量級，達到3×10－4A/cm2，反向偏壓曲線平坦區(qū)更長，說明側(cè)壁形貌以及光滑程度對器件暗電流存在較大影響。臺面?zhèn)缺诖植谝皇怯捎诳涛g沉積物附著在側(cè)壁，二是由于刻蝕過程中物理轟擊作用過大，而沉積物在側(cè)壁容易形成漏電通道，過強的物理轟擊作用會帶來額外的刻蝕損傷，同時，臺面頂部側(cè)向鉆蝕以及底部鉆蝕位置的鈍化膜覆蓋度會減小，當器件在降溫過程中，鈍化膜容易開裂甚至脫落，降低鈍化膜對側(cè)壁漏電的抑制作用，上述原因均會增大器件暗電流。

圖6 采用ICP刻蝕條件4制備樣品相關(guān)結(jié)果

圖7 器件光譜響應(yīng)及暗電流測試結(jié)果

采用ICP刻蝕條件4制備的焦平面器件，其黑體響應(yīng)非均勻性較低，信噪比高，盲元率低，具有較好的器件性能，如圖8及表3所示，同時該器件獲得了清晰的焦平面成像圖，如圖9所示。

圖8 長波640×512紅外焦平面信號響應(yīng)圖

表3 長波640×512紅外焦平面相關(guān)參數(shù)對比

圖9 長波640×512紅外焦平面成像圖

3 結(jié)論

利用一定厚度的SiO2/SiN復(fù)合掩膜層以及優(yōu)化后的ICP干法刻蝕工藝，獲得了光滑的刻蝕表面以及接近垂直的臺面角度，臺面刻蝕角度大于80°，InAs/GaSb超晶格材料與掩膜刻蝕選擇比大于8.5:1。同時由分析結(jié)果可知，SiO2/SiN復(fù)合掩膜層的厚度以及Ar氣流量的大小對臺面頂部的側(cè)向鉆蝕程度有一定影響，而下電極射頻功率（RF）會影響到臺面底部的鉆蝕程度，通過增加掩膜層厚度、減小Ar氣流量可有效減緩側(cè)向鉆蝕程度，而減小下電極射頻功率（RF）可有效減緩底部的鉆蝕程度。同時對比長波640×512焦平面器件測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用ICP刻蝕條件4制備的器件暗電流密度較小，約3×10－4A/cm2，響應(yīng)非均勻性、信噪比以及有效像元率等相關(guān)指標均有所提高。

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ICP Dry Etching of Type II InAs/GaSb Superlattice Long-wavelength Focal Plane Arrays

WANG Haipeng，MU Yingchun，PENG Qiusi，HUANG Youwen，LI Junbing，GONG Xiaodan，LIU Yue，AO Yu，ZHOU Xuchang，LI Dongsheng，Kong Jincheng

(,650223,)

Dielectrical layer SiO2/SiN is used as a mask in studying inductively coupled plasma (ICP) etching conditions of InAs/GaSbⅡsuperlattice infrared materialsfor improving the electrical performance of the device. In this article, ICP etching parameters of InAs/GaSb type-II superlattice with SiO2/SiN were investigated. Two common phenomena observed in the ICP etching process, mesa lateral undercutting and under mesa undercutting, were analyzed in detail. The mesa lateral undercutting was efficiently improved by increasing the thickness of the SiO2film and reducing the Ar gas flow rate. The table undercut was effectively eradicated by reducing the radio frequency (RF) power of the bottom electrode. A bright and flat etching surface with a surface roughness of 0.193nm was obtained by using an appropriate thickness of SiO2/SiN mask and optimized ICP etching parameters. The etching mesa angle was greater than 80°, and the etching selection ratio was greater than 8.5:1. The dark current density of a long-wavelength 640×512 focal plane array manufactured using improved ICP etching conditions was lower by an order of magnitude, reaching 3×10-4A/cm2. Other parameters, such as response non-uniformity, signal-to-noise ratio, and effective pixel rate were also improved, and a clear image was obtained.

InAs/GaSb type II superlattice, SiO2/SiN mask, ICP etching

TN215

A

1001-8891(2022)10-1027-06

2022-02-08；

2022-03-22.

王海澎（1988-），男，工程師，主要從事紅外探測器芯片技術(shù)研究。E-mail：W_hpeng@163.com。

孔金丞（1979-），男，研究員級高級工程師，主要從事紅外探測器材料及器件技術(shù)方面研究。E-mail：kongjincheng@163.com。