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(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(cè)器制備的首選材料。自20世紀(jì)六七十年代至本世紀(jì)初,銻化銦紅外探測(cè)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(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用狀態(tài),基于銻化銦材料的紅外探測(cè)器在中波波段表現(xiàn)出極高靈敏度、長(zhǎng)期工作的性能穩(wěn)定性以及高空間均勻性等特點(diǎn),結(jié)合其良好的可生產(chǎn)性、低成本、高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn),銻化銦紅外探測(cè)器具有良好的發(fā)展前景[1]。

隨著紅外探測(cè)技術(shù)的不斷成熟發(fā)展,探測(cè)器陣列規(guī)模越來(lái)越大,像元規(guī)格已由原來(lái)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(duì)探測(cè)器輕型化、小型化的配置需求相左,為實(shí)現(xiàn)探測(cè)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(guó)際主流廠商的產(chǎn)品參數(shù)來(lái)看,探測(cè)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(hào)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(cè)器,像元中心間距僅為10 μm。目前,國(guó)際主流廠商Raythoen、sofradior、SCD等公司探測(cè)器產(chǎn)品像元間距25 μm、15 μm產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn),國(guó)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(guó)內(nèi)紅外焦平面探測(cè)器應(yīng)用的增多及應(yīng)用水平的提高,市場(chǎng)對(duì)銻化銦焦平面探測(cè)器的需求不斷增加,本文在研究國(guó)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(guò)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(cè)器的研制。

表1 銻化銦探測(cè)器主要生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品情況[2]

2 工藝設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)成熟的銻化銦紅外探測(cè)器光敏芯片的制備工藝采用擴(kuò)散工藝方式形成PN結(jié)結(jié)構(gòu),通過(guò)腐蝕液濕法腐蝕的技術(shù)制備臺(tái)面結(jié)型焦平面陣列,研究國(guó)外主流廠商的產(chǎn)品研制技術(shù)路線,對(duì)比目前國(guó)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(biāo),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(lái)看,離子注入技術(shù)是繼擴(kuò)散技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)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(duì)注入雜質(zhì)的高精度控制使其利于實(shí)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(shí)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(jì)與實(shí)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(cè)器最終的整體性能效果,可自定義的摻雜設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)沒(méi)有全面推開(kāi)使用在于其工藝實(shí)現(xiàn)難度高,因此,在國(guó)內(nèi)目前銻化銦器件的研制中,擴(kuò)散技術(shù)仍為主流技術(shù),離子技術(shù)尚未達(dá)到批量化生產(chǎn)的技術(shù)水平。通過(guò)文獻(xiàn)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(jìn)行彌補(bǔ)優(yōu)化,因此,考慮到注入雜質(zhì)質(zhì)量越大,注入損傷越嚴(yán)重,越難消除,本文研究采用原子質(zhì)量最小的鈹元素進(jìn)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(tái)面結(jié)結(jié)構(gòu),當(dāng)像元間距縮小到一定程度時(shí),平面結(jié)結(jié)構(gòu)存在像元間信號(hào)串音的風(fēng)險(xiǎn),因此臺(tái)面結(jié)結(jié)構(gòu)是器件發(fā)展到一定程度時(shí)必要采用的結(jié)構(gòu)方案。臺(tái)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(diǎn)是縱向腐蝕過(guò)程中伴隨著嚴(yán)重的橫向鉆蝕,在像元中心間距較大時(shí),該工藝方案尚可使用,當(dāng)像元中心間距縮小到一定程度時(shí),濕法腐蝕技術(shù)會(huì)造成像元的嚴(yán)重?fù)p失,限制了小像元尺寸技術(shù)的發(fā)展,此時(shí),就必須要采用干法刻蝕技術(shù)。

刻蝕工藝可實(shí)現(xiàn)高精度、微尺寸的圖形刻蝕,其實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于實(shí)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(jìn)行InSb臺(tái)面結(jié)型焦平面陣列的制備工藝,實(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)中器件性能差別不大,本文最終選取氯基刻蝕氣體體系進(jìn)行臺(tái)面成型[6-7]。

3 實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(jìn)行干法刻蝕工藝形成臺(tái)面結(jié)型焦平面陣列制備[4]；去除掩膜結(jié)構(gòu),進(jìn)行表面處理后淀積鈍化層結(jié)構(gòu),進(jìn)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(tái)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(jì)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(tái)面刻蝕后焦平面陣列形貌如圖3(a)所示,對(duì)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(dá)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(jìn)行器件流片,對(duì)器件進(jìn)行I-V測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖4所示,開(kāi)路電壓65～75 mV,零偏電流7～10 nA,反偏電壓測(cè)至-1 V時(shí)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(jìn)行測(cè)試,測(cè)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(cè)試結(jié)果

在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)128×128(10 μm)、像元間距1 μm的光敏芯片光刻版圖進(jìn)行進(jìn)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(shí)現(xiàn)角度來(lái)看,占空比可達(dá)64 %左右,I-V性能測(cè)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(duì)國(guó)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(shí)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(cè)器的制備,并通過(guò)組件封裝測(cè)試了器件性能,組件性能結(jié)果良好,在此基礎(chǔ)上首次進(jìn)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(diǎn),像元間距縮小至1 μm,有效提高占空比。本文的研究?jī)?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(cè)器的進(jìn)一步研發(fā)與制備奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。