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基于干法刻蝕工藝路線和濕法腐蝕工藝路線研究

MEMS ? 來源:MEMS ? 2023-08-25 09:16 ? 次閱讀

雙色紅外探測器具有抗干擾能力強、探測波段范圍廣、目標特征信息豐富等優(yōu)點,因此被廣泛應用于導彈預警、氣象服務、精確制導、光電對抗和遙感衛(wèi)星等領域。雙色紅外探測技術可降低虛警率,實現(xiàn)復雜背景下的目標識別,從而顯著提高系統(tǒng)性能。碲鎘汞材料、量子阱材料和銻化物Ⅱ類超晶格材料均可用于制備雙色紅外探測器。其中,InAs/GaSb Ⅱ類超晶格材料因其帶隙靈活可調、電子有效質量更大、大面積均勻性高等特點以及成本優(yōu)勢,成為制備雙色探測器的優(yōu)選材料。

據(jù)麥姆斯咨詢報道,近期,華北光電技術研究所和中國科學院半導體研究所的科研團隊在《紅外》期刊上發(fā)表了以“InAs/GaSb Ⅱ類超晶格雙色紅外焦平面器件的干法刻蝕與濕法腐蝕制備對比研究”為主題的文章。該文章第一作者為溫濤高級工程師,主要從事紅外探測器器件方面的研究工作。

本文所采用的InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長/長波雙色材料是在N型GaSb襯底上,用分子束外延(MBE)技術生長背靠背的NMπP-PπMN結構來實現(xiàn)的。我們分別采用干法刻蝕工藝路線和濕法腐蝕工藝路線制備了面陣規(guī)模為320×256、像元中心距為30 μm的InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長/長波雙色紅外焦平面器件,然后對其進行了性能測試,并對兩種工藝路線制備的器件的臺面形貌、接觸孔形貌、伏安特性和中測性能進行了對比研究。

實驗

如圖1所示,材料采用NMπP-PπMN背靠背結構實現(xiàn)長/長波雙色紅外探測。圖1中,紅色通道(上方深色區(qū)域)和藍色通道(下方深色區(qū)域)均采用p-πM-n結構,通道內勢壘層選用本征摻雜的M結構來抑制產(chǎn)生復合電流和隧穿電流。M結構中,在InAs/GaSb中間插入AlSb層,形成InAs/GaSb/AlSb/GaSb,使能帶結構呈“M”形。N型上下電極和接觸層以及勢壘層均采用了18 ML/3 ML/5 ML/3 ML的InAs/GaSb/AlSb/GaSb M結構。其中,N型接觸層的厚度約為0.5 μm,摻雜濃度在101? cm?3量級。藍色通道吸收層采用弱p型摻雜10.5 ML/7 ML的InAs/GaSb超晶格,而紅色通道則將弱p型摻雜12.5 ML/7 ML的InAs/GaSb作為吸收區(qū)。兩通道的中間P型接觸層通過P型摻雜8 ML/12 ML的InAs/GaSb連接在高P型GaSb中間層的兩端。當上電極偏壓為正值時,紅色通道處于反偏狀態(tài)(即處在工作模式),下方的藍色通道處于導通狀態(tài)。反之,當上電極偏壓為負值時,藍色通道處于反偏狀態(tài)(即處在工作模式),上方的紅色通道處于導通狀態(tài)。

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圖1 InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長/長波雙色材料的結構示意圖

制作InAs/GaSb Ⅱ類超晶格紅外焦平面器件時,首先需要形成臺面結構,將像元隔離,接著需要制備臺面上與臺面下的接觸孔,最后在接觸孔上覆蓋電極以便實現(xiàn)像元的電學引出。完成電極制備的InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長/長波雙色器件如圖2所示。臺面成型及接觸孔制備工藝通常有干法刻蝕和濕法腐蝕兩種方式。濕法腐蝕工藝簡單且無損傷,但不可避免地存在鉆蝕且各向同性,常被用于像元中心距較大的面陣器件制備。干法刻蝕工藝各向異性,幾乎無鉆蝕,但不可避免地存在刻蝕損傷,常被用于像元中心距較小的面陣器件制備。

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圖2 InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長/長波雙色器件的結構示意圖

實驗采用一片2 in長/長波雙色InAs/GaSb Ⅱ類超晶格材料(NMπP-PπMN背靠背結構)并將其劃為A、B兩片,然后通過光刻制備320×256(30 μm)焦平面陣列。采用由磷酸、檸檬酸、雙氧水、水配置而成的腐蝕液對A片進行臺面濕法腐蝕,并通過感應耦合等離子體(ICP)設備以及三氯化硼體系對B片進行臺面干法刻蝕。臺面制備完成后,利用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)設備對A、B兩片進行SiO?表面鈍化并完成接觸孔光刻。A片通過氟化銨緩沖液濕法腐蝕接觸孔,B片通過ICP設備以及三氟甲烷體系干法刻蝕接觸孔,接著濺射Ti/Pt/Au金屬化體系并通過剝離工藝形成電極。經(jīng)伏安測試后,A、B兩片分別進行劃片、清洗、表面篩選和倒裝互連,最后將混成芯片分別封入杜瓦并在77 K下對其進行性能測試。器件尺寸通過掃描電鏡及測量顯微鏡測得,臺階深度通過臺階儀測試得到,伏安曲線通過半導體參數(shù)分析儀測得,器件形貌通過共聚焦顯微鏡以及掃描電鏡觀察和分析。

結果與討論

臺面形貌對比

臺面成型是臺面結焦平面器件制備的關鍵工序。臺面的鉆蝕程度、表面粗糙度、側壁形貌對焦平面器件的信號及噪聲具有直接的影響。InAs/GaSb Ⅱ類超晶格雙色器件的有源層較厚(通常為8 ~ 10 μm),需要形成深臺面結構以實現(xiàn)像元之間的物理隔離。

圖3所示為A片(濕法腐蝕)制備的臺面形貌??梢钥闯觯捎跐穹ǜg的各向同性,在向下腐蝕的同時也向兩側鉆蝕,導致濕法腐蝕后臺面的占空比較小。經(jīng)計算可知,濕法腐蝕臺面后紅色通道的占空比僅為25.8%,藍色通道的占空比為65.7%。同時,兩個方向的臺面?zhèn)缺谛蚊策€存在明顯的差異,且側壁坡度很不均勻。這些都會影響器件的性能。

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圖3 A片(濕法腐蝕)臺面形貌的掃描電鏡圖

圖4為B片(干法刻蝕)制備的臺面形貌。可以看出,由于干法刻蝕利用了等離子體的各向異性刻蝕,鉆蝕很小,占空比較大。經(jīng)計算可知,干法刻蝕臺面后紅色通道的占空比為62.7%,藍色通道的占空比為76.5%。同時干法刻蝕后臺面?zhèn)缺谄露染鶆颍欣阝g化層的覆蓋。

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圖4 B片(干法刻蝕)臺面形貌的掃描電鏡圖

接觸孔形貌對比

接觸孔形貌對器件電極的臺階覆蓋好壞具有直接的影響。圖5(a)所示為A片(濕法腐蝕)制備的接觸孔形貌??梢钥闯?,由于濕法腐蝕的橫向鉆蝕,電極孔腐蝕后直徑較大,但側壁坡度較緩,有利于金屬體系的覆蓋。圖6(b)所示為B片(干法刻蝕)制備的接觸孔形貌??梢钥闯?,干法刻蝕后電極孔側壁比較陡直,這種形貌并不利于金屬層的臺階覆蓋。在電極制備完成后,側壁處有明顯的空隙。由于后續(xù)工藝要通過銦柱進行倒裝互連,銦可能通過這些縫隙擴散到超晶格材料表面而導致漏電,嚴重影響器件的長期可靠性。

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圖5 用濕法(a)/干法(b)工藝制備接觸孔后的形貌對比圖

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圖6 濕法(a)/干法(b)工藝芯片在77 K下的伏安曲線對比圖

伏安曲線對比

紅外焦平面芯片的伏安特性是評價器件性能的重要參數(shù)。其中,光電流與器件的信號值相關,阻抗最大值與器件的優(yōu)值因子RA直接相關。圖6為濕法/干法工藝芯片在77 K下的伏安曲線對比圖。具體測試結果如下:濕法工藝芯片紅色通道的阻抗最大值為1.9 MΩ,相應電流為29.5 nA;藍色通道的阻抗最大值為61.2 MΩ,相應電流為-18.7 nA。干法工藝芯片紅色通道的阻抗最大值為2.4 MΩ,相應電流為72.5 nA;藍色通道的阻抗最大值為137.9 MΩ,相應電流為-40.3 nA。可以看出,干法工藝芯片的阻抗值明顯比濕法工藝芯片高,且光電流較大。

中測結果對比

表1列出了濕法/干法工藝芯片封入杜瓦后在77 K下的中測性能對比數(shù)據(jù)。可以看出,濕法工藝芯片無論是紅色通道還是藍色通道,其信號值都明顯比干法工藝芯片小,平均峰值探測率及噪聲等效溫差也都明顯比干法工藝芯片差,僅在盲元率方面略優(yōu)于干法工藝芯片。在響應率非均勻性指標上,紅色通道是干法工藝路線略優(yōu),藍色通道是濕法工藝路線略優(yōu)。

結束語

本文采用InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長/長波雙色材料,分別基于干法刻蝕工藝路線和濕法腐蝕工藝路線,通過臺面成型、表面鈍化、開接觸孔、電極制備和倒裝互連等工藝,獲得了面陣規(guī)模為320×256、像元中心距為30 μm的InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長/長波雙色混成芯片。分別將其封入杜瓦,并在77 K下進行了性能測試。結果表明,用濕法工藝制備的器件信號弱,性能相對較差,不過有效像元率相對較高;用干法工藝制備的器件信號強,性能相對較好,但盲元率相對較高,電極臺階覆蓋相對較差。該研究為InAs/GaSb Ⅱ類超晶格雙色焦平面器件的后續(xù)優(yōu)化奠定了基礎。然而目前制備的長/長波雙色InAs/GaSb Ⅱ類超晶格面陣器件還存在一些問題。比如,無論是用濕法工藝制備的器件還是用干法工藝制備的器件,其紅色通道伏安曲線的平坦區(qū)較短,阻抗值較小,各項性能指標明顯比藍色通道差,后續(xù)還需要進一步優(yōu)化。

審核編輯:彭菁

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原文標題:InAs/GaSb Ⅱ類超晶格雙色紅外焦平面器件的干法刻蝕與濕法腐蝕制備對比研究

文章出處:【微信號:MEMSensor,微信公眾號:MEMS】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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