吳會(huì)利，劉 劍，申 猛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng) 110032)

1 引言

紫外光電探測(cè)器是一種可以將紫外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)、利用光生伏特效應(yīng)制成的器件。由于工作在紫外波段，需要考慮紫外光子能量高、吸收系數(shù)大以及探測(cè)器易老化的特點(diǎn)，因此紫外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用與可見(jiàn)光及紅外探測(cè)器不盡相同。紫外探測(cè)器可以用于臭氧探測(cè)、污染探測(cè)、生物藥劑探測(cè)、火焰探測(cè)、衛(wèi)星內(nèi)及衛(wèi)星外通信、發(fā)光器件校準(zhǔn)、紫外成像以及太陽(yáng)紫外輻射監(jiān)測(cè)等方面。近幾年來(lái)，以寬帶隙材料為基底制備的紫外探測(cè)器獲得了長(zhǎng)足發(fā)展，這些包括SiC、GaN、AlN、ZnO、ZnSe、AlGaN 等寬禁帶半導(dǎo)體。與早期的紫外光電倍增管和紫外增強(qiáng)型Si 探測(cè)器相比，寬帶隙材料紫外探測(cè)器具有噪聲低、靈敏度高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、化學(xué)性能穩(wěn)定，不容易損壞等特點(diǎn)［1］。

目前發(fā)展最為成熟的寬帶隙半導(dǎo)體材料是SiC和GaN。它們都具有很寬的帶隙(SiC為3.26eV，GaN為3.39eV)，較高的熔點(diǎn)和臨界電場(chǎng)?；趯?duì)缺陷控制和工藝能力等方面的考慮，我們采用SiC作為襯底，以下主要討論SiC 紫外探測(cè)器的生產(chǎn)研制工藝。

2 熱氧化層的制備

SiC 和Si 一樣，都是能夠通過(guò)熱氧化的方法在襯底表面生長(zhǎng)一層熱氧化層的半導(dǎo)體材料，這使得SiC 比其他化合物半導(dǎo)體材料具有更好的鈍化層。此鈍化層可以將器件表面與外界環(huán)境隔離開(kāi)來(lái)，使器件對(duì)外界環(huán)境的干擾不甚敏感，降低表面漏電，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性。

在SiC 襯底上生長(zhǎng)SiO2要比Si 襯底緩慢得多。為了能在較短的時(shí)間內(nèi)生長(zhǎng)出需要的氧化層，一般是采取在高溫(1100℃左右)氧化爐中生長(zhǎng)的方法:氧化采用干氧—?dú)溲酢裳踅惶嫜趸姆椒ㄟM(jìn)行的。所謂干氧，是指用來(lái)氧化的氣體中不含(或者含有極少的)水蒸氣，氧化速率較慢，但是生成的SiO2薄膜結(jié)構(gòu)均勻致密，不含水汽，鈍化效果佳。氫氧氧化就是指采用H2和O2合成的方式制備氧化層，生長(zhǎng)速率較快，約在10－15nm/min 左右(H2:6L，O2:5L)，雖然不如干氧氧化層致密，但質(zhì)量要明顯好于水汽氧化生長(zhǎng)的氧化層。采用交替氧化的方法，既能夠保證生長(zhǎng)速度及厚度，也能夠保證SiO2薄膜的質(zhì)量，所以是用來(lái)鈍化SiC 器件的好方法。

為了獲得潔凈的樣品表面，氧化分兩步進(jìn)行:①先通過(guò)干氧(10min)—?dú)溲?30min)一干氧(10min)的方法生長(zhǎng)一層薄薄的犧牲層，再用緩沖的HF 酸溶液(HF:NH4F:H2O=3:6:10)腐蝕去除，然后沖水甩干，此時(shí)的襯底表面比較潔凈。②迅速將清洗過(guò)的樣品送入氧化爐，再進(jìn)行干氧(30min)—?dú)溲?8h)一干氧(30min)氧化襯底表面，這樣得到的氧化層厚度約為95nm，與理論設(shè)計(jì)的厚度基本一致。由于該鈍化層同時(shí)也是SiC 紫外探測(cè)器的減反射膜的一部分，特征波長(zhǎng)約為280nm(見(jiàn)圖1)。對(duì)于熱氧化生長(zhǎng)的氧化層，由于氧化生長(zhǎng)速率是非線性的，厚度很難控制，因此實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果是比較理想的，基本符合要求。

圖1 熱氧化樣品表面的反射譜

3 光敏區(qū)后的快退火工藝

退火是離子注入摻雜必不可少的一項(xiàng)技術(shù)措施，其作用是消除由注入所產(chǎn)生的晶格損傷，恢復(fù)材料少子壽命和載流子遷移率。由于光電探測(cè)器的光敏區(qū)結(jié)深較淺，為了避免對(duì)其參數(shù)的影響，不進(jìn)行傳統(tǒng)的熱退火處理，而采用影響較小的快速退火方式，以減少注入雜質(zhì)分布的偏離，達(dá)到消除晶格損傷和激活雜質(zhì)的目的。

在增透抗反膜形成前進(jìn)行快速退火處理，避免對(duì)增透抗反膜的影響。目前采用的快速退火設(shè)備是利用高頻感應(yīng)加熱環(huán)形石墨腔作為大面積均勻紅外熱輻射源，對(duì)半導(dǎo)體硅片進(jìn)行瞬時(shí)高溫?zé)崽幚硪赃_(dá)到快速退火的目的。

具體工藝如下:

硅片常規(guī)清洗后，利用推拉系統(tǒng)進(jìn)入腔體，20秒鐘內(nèi)硅片從室溫升到900℃，退火工藝為900℃20 秒，然后退出腔體迅速降溫，這樣就可以起到快速恢復(fù)少子壽命和載流子遷移率的作用［2］。由于時(shí)間較短，在退火后光敏區(qū)雜質(zhì)分布與剛注入時(shí)的分布幾乎一致，對(duì)光電參數(shù)影響較小。

4 增透抗反射膜的制備

探測(cè)器對(duì)增透抗反射膜的光學(xué)要求是折射率匹配，吸收系數(shù)小;力學(xué)要求是粘附力強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度大，堅(jiān)硬不易破裂;化學(xué)要求是抗腐蝕，抗輻射，抗沾污。增透抗反膜的作用主要是為了加強(qiáng)光線的透射幾率和保護(hù)表面不讓裸硅暴露在外，基于反射率、量子效率和機(jī)械性能(包括附著力、硬度、應(yīng)力等)考慮，采用SiO2+Al2O3增透抗反射膜［3］。

Al2O3薄膜的淀積采用電子束蒸發(fā)技術(shù)。相對(duì)于其他淀積技術(shù)如電阻加熱蒸發(fā)、離子輔助淀積及磁控濺射等，電子束蒸發(fā)擁有薄膜厚度控制精確，薄膜消光系數(shù)小，薄膜折射率較易控制等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光學(xué)薄膜制備領(lǐng)域。因此綜合考慮，SiO2+Al2O3(SiO2采用熱氧化工藝)減反射膜的制備采用電子束蒸發(fā)工藝進(jìn)行。

基本工藝如下:

首先對(duì)晶片進(jìn)行RCA 標(biāo)準(zhǔn)清洗，再將晶片浸入40:1 HF 溶液除去表面一層很薄的氧化層。在薄膜淀積之前，要將電子束蒸發(fā)設(shè)備的腔體清潔干凈，然后再將待蒸發(fā)材料、晶片放入合適的位置。封閉腔體，升溫的同時(shí)進(jìn)行抽真空，直至基底溫度升為300℃，腔體真空度達(dá)到3.0 ×10－3Pa。此時(shí)，再通氧氣使氧分壓達(dá)到2.0 ×10－2Pa，以防止蒸發(fā)材料在蒸發(fā)成氣態(tài)后失氧。然后，用電子束轟擊蒸發(fā)材料表面，先預(yù)熔蒸發(fā)材料，再進(jìn)行蒸發(fā)淀積。Al2O3蒸發(fā)材料的純度為99.99%，蒸發(fā)速率為0.28nm/s。在蒸發(fā)淀積過(guò)程中，采用石英晶體監(jiān)控和光學(xué)監(jiān)控同時(shí)進(jìn)行，以將薄膜厚度誤差降到最低。薄膜淀積結(jié)束后，將腔體降溫充氣，最后將樣品取出，Al2O3層厚度做到42nm 左右。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于光電探測(cè)器而言，除了做好增透抗反膜的制備工作，在實(shí)際生產(chǎn)研制過(guò)程中，退火工藝、刻蝕工藝、電極工藝等也需要重點(diǎn)關(guān)注，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都可能對(duì)器件性能產(chǎn)生較大影響。

［1］張永林，狄紅衛(wèi).光電子技術(shù)［M］.北京:北京高等教育出版社，2005－5.

［2］劉玉玲，檀柏梅，張楷亮.微電子技術(shù)工程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004－10.

［3］張健亮，陳康民.PIN 結(jié)光電二極管的工藝原理和制造［J］.中國(guó)集成電路，2004(9):72－74.