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

基于GaSb材料，包括InAs、GaSb、AlSb等材料可以靈活地設(shè)計(jì)成各種新型材料和器件，尤其是InAs/GaSb超晶格具有獨(dú)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。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(yán)重制約著器件的性能。隨著InAs/GaSb II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(xì)度越來越高，對臺面?zhèn)缺诮嵌群捅砻娲植诙忍岢隽烁叩囊?。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。同時(shí)，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?dāng)_。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，昆明物理研究所的研究人員在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了題為“InAs/GaSb?II類超晶格長波焦平面陣列臺面ICP刻蝕技術(shù)研究”的最新論文。第一作者為王海澎工程師，主要從事紅外探測器芯片技術(shù)研究。通信作者為孔金丞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。

本文采用SiO2/SiN作為掩膜對InAs/GaSb II類超晶格紅外材料進(jìn)行感應(yīng)耦合等離子體（ICP）刻蝕條件研究，得到InAs/GaSb II類超晶格較好的刻蝕條件以提升紅外探測器性能。采用SiO2/SiN復(fù)合掩膜，利用ICP刻蝕設(shè)備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(jìn)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(shí)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(gè)數(shù)量級，達(dá)到10??A/cm2，焦平面器件綜合性能有較大提高。

長波640×512 紅外焦平面器件制備

通過分子束外延（molecular beam epitaxy）生長得到InAs/GaSb II類超晶格材料，材料結(jié)構(gòu)為PπMN結(jié)構(gòu)。在此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3 μm，中心距15μm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3μm，中心距15μm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3μm，深度約為3.1μm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。

圖1 長波640×512紅外焦平面器件制備流程

InAs/GaSb II類超晶格材料的刻蝕設(shè)備為Sentech SI500，刻蝕氣體為SiCl4/Ar/H2，實(shí)驗(yàn)分別采用4種ICP刻蝕工藝條件，如表1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1 InAs/GaSb II類超晶格材料ICP刻蝕條件

InAs/GaSb II類超晶格材料刻蝕

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(jìn)行刻蝕，結(jié)果如圖2所示?；诖酥苽涞难谀D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3.15μm，臺面隔離槽頂部寬為3.05μm，底部寬為2.87μm，剩余的SiO2約為3300?，同時(shí)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(shí)，利用原子力顯微鏡（AFM）對刻蝕臺面底部進(jìn)行粗糙度測量，在2μm×2μm面積內(nèi)其均方根平均粗糙度達(dá)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。

圖4 ICP刻蝕條件2和條件3樣品SEM圖

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5（a）所示，臺面底部鉆蝕現(xiàn)象消失。分析其主要原因?yàn)樵?a target="_blank">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(fù)電，從而影響Ar?離子的運(yùn)動軌跡，導(dǎo)致底部鉆蝕的形成，如圖5（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(yùn)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(shí)，采用刻蝕條件4制備的臺面底部在2μm×2μm面積內(nèi)其均方根平均粗糙度約為0.2nm，如圖5（c）所示，說明ICP刻蝕條件1和4對平面刻蝕效果基本一致。

圖5?采用ICP刻蝕條件4制備樣品相關(guān)結(jié)果

長波640×512 焦平面器件測試結(jié)果

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9.26μm，如圖6（a）所示。77K下暗電流對比結(jié)果如圖6（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(gè)數(shù)量級，達(dá)到3×10??A/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。

圖6 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7所示，同時(shí)該器件獲得了清晰的焦平面成像圖，如圖8所示。

圖7 長波640×512紅外焦平面信號響應(yīng)圖

圖8 長波640×512紅外焦平面成像圖

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(shí)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可有效減緩底部的鉆蝕程度。同時(shí)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??A/cm2，響應(yīng)非均勻性、信噪比以及有效像元率等相關(guān)指標(biāo)均有所提高。

審核編輯：湯梓紅

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