基于干法刻蝕工藝路線和濕法腐蝕工藝路線研究

雙色紅外探測(cè)器具有抗干擾能力強(qiáng)、探測(cè)波段范圍廣、目標(biāo)特征信息豐富等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈預(yù)警、氣象服務(wù)、精確制導(dǎo)、光電對(duì)抗和遙感衛(wèi)星等領(lǐng)域。雙色紅外探測(cè)技術(shù)可降低虛警率，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景下的目標(biāo)識(shí)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(cè)器。其中，InAs/GaSb Ⅱ類超晶格材料因其帶隙靈活可調(diào)、電子有效質(zhì)量更大、大面積均勻性高等特點(diǎn)以及成本優(yōu)勢(shì)，成為制備雙色探測(cè)器的優(yōu)選材料。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，華北光電技術(shù)研究所和中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的科研團(tuán)隊(duì)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(duì)比研究”為主題的文章。該文章第一作者為溫濤高級(jí)工程師，主要從事紅外探測(cè)器器件方面的研究工作。

本文所采用的InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長(zhǎng)/長(zhǎng)波雙色材料是在N型GaSb襯底上，用分子束外延（MBE）技術(shù)生長(zhǎng)背靠背的NMπP-PπMN結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)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(zhǎng)/長(zhǎng)波雙色紅外焦平面器件，然后對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試，并對(duì)兩種工藝路線制備的器件的臺(tái)面形貌、接觸孔形貌、伏安特性和中測(cè)性能進(jìn)行了對(duì)比研究。

實(shí)驗(yàn)

如圖1所示，材料采用NMπP-PπMN背靠背結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)/長(zhǎng)波雙色紅外探測(cè)。圖1中，紅色通道（上方深色區(qū)域）和藍(lán)色通道（下方深色區(qū)域）均采用p-πM-n結(jié)構(gòu)，通道內(nèi)勢(shì)壘層選用本征摻雜的M結(jié)構(gòu)來(lái)抑制產(chǎn)生復(fù)合電流和隧穿電流。M結(jié)構(gòu)中，在InAs/GaSb中間插入AlSb層，形成InAs/GaSb/AlSb/GaSb，使能帶結(jié)構(gòu)呈“M”形。N型上下電極和接觸層以及勢(shì)壘層均采用了18 ML/3 ML/5 ML/3 ML的InAs/GaSb/AlSb/GaSb M結(jié)構(gòu)。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(jí)。藍(lán)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(guò)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(dāng)上電極偏壓為正值時(shí)，紅色通道處于反偏狀態(tài)（即處在工作模式），下方的藍(lán)色通道處于導(dǎo)通狀態(tài)。反之，當(dāng)上電極偏壓為負(fù)值時(shí)，藍(lán)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(dǎo)通狀態(tài)。

圖1 InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長(zhǎng)/長(zhǎng)波雙色材料的結(jié)構(gòu)示意圖

制作InAs/GaSb Ⅱ類超晶格紅外焦平面器件時(shí)，首先需要形成臺(tái)面結(jié)構(gòu)，將像元隔離，接著需要制備臺(tái)面上與臺(tái)面下的接觸孔，最后在接觸孔上覆蓋電極以便實(shí)現(xiàn)像元的電學(xué)引出。完成電極制備的InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長(zhǎng)/長(zhǎng)波雙色器件如圖2所示。臺(tái)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(jiǎn)單且無(wú)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(wú)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。

圖2 InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長(zhǎng)/長(zhǎng)波雙色器件的結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)采用一片2 in長(zhǎng)/長(zhǎng)波雙色I(xiàn)nAs/GaSb Ⅱ類超晶格材料（NMπP-PπMN背靠背結(jié)構(gòu)）并將其劃為A、B兩片，然后通過(guò)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(duì)A片進(jìn)行臺(tái)面濕法腐蝕，并通過(guò)感應(yīng)耦合等離子體（ICP）設(shè)備以及三氯化硼體系對(duì)B片進(jìn)行臺(tái)面干法刻蝕。臺(tái)面制備完成后，利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）設(shè)備對(duì)A、B兩片進(jìn)行SiO?表面鈍化并完成接觸孔光刻。A片通過(guò)氟化銨緩沖液濕法腐蝕接觸孔，B片通過(guò)ICP設(shè)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(guò)剝離工藝形成電極。經(jīng)伏安測(cè)試后，A、B兩片分別進(jìn)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(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。器件尺寸通過(guò)掃描電鏡及測(cè)量顯微鏡測(cè)得，臺(tái)階深度通過(guò)臺(tái)階儀測(cè)試得到，伏安曲線通過(guò)半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測(cè)得，器件形貌通過(guò)共聚焦顯微鏡以及掃描電鏡觀察和分析。

結(jié)果與討論

臺(tái)面形貌對(duì)比

臺(tái)面成型是臺(tái)面結(jié)焦平面器件制備的關(guān)鍵工序。臺(tái)面的鉆蝕程度、表面粗糙度、側(cè)壁形貌對(duì)焦平面器件的信號(hào)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(tái)面結(jié)構(gòu)以實(shí)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(tái)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(shí)也向兩側(cè)鉆蝕，導(dǎo)致濕法腐蝕后臺(tái)面的占空比較小。經(jīng)計(jì)算可知，濕法腐蝕臺(tái)面后紅色通道的占空比僅為25.8%，藍(lán)色通道的占空比為65.7%。同時(shí)，兩個(gè)方向的臺(tái)面?zhèn)缺谛蚊策€存在明顯的差異，且側(cè)壁坡度很不均勻。這些都會(huì)影響器件的性能。

圖3 A片（濕法腐蝕）臺(tái)面形貌的掃描電鏡圖

圖4為B片（干法刻蝕）制備的臺(tái)面形貌?？梢钥闯?，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(jì)算可知，干法刻蝕臺(tái)面后紅色通道的占空比為62.7%，藍(lán)色通道的占空比為76.5%。同時(shí)干法刻蝕后臺(tái)面?zhèn)缺谄露染鶆颍欣阝g化層的覆蓋。

圖4 B片（干法刻蝕）臺(tái)面形貌的掃描電鏡圖

接觸孔形貌對(duì)比

接觸孔形貌對(duì)器件電極的臺(tái)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(cè)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(cè)壁比較陡直，這種形貌并不利于金屬層的臺(tái)階覆蓋。在電極制備完成后，側(cè)壁處有明顯的空隙。由于后續(xù)工藝要通過(guò)銦柱進(jìn)行倒裝互連，銦可能通過(guò)這些縫隙擴(kuò)散到超晶格材料表面而導(dǎo)致漏電，嚴(yán)重影響器件的長(zhǎng)期可靠性。

圖5 用濕法（a）/干法（b）工藝制備接觸孔后的形貌對(duì)比圖

圖6 濕法（a）/干法（b）工藝芯片在77 K下的伏安曲線對(duì)比圖

伏安曲線對(duì)比

紅外焦平面芯片的伏安特性是評(píng)價(jià)器件性能的重要參數(shù)。其中，光電流與器件的信號(hào)值相關(guān)，阻抗最大值與器件的優(yōu)值因子RA直接相關(guān)。圖6為濕法/干法工藝芯片在77 K下的伏安曲線對(duì)比圖。具體測(cè)試結(jié)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(yīng)電流為29.5 nA；藍(lán)色通道的阻抗最大值為61.2 ＭΩ，相應(yīng)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(yīng)電流為72.5 nA；藍(lán)色通道的阻抗最大值為137.9 ＭΩ，相應(yīng)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(cè)結(jié)果對(duì)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(cè)性能對(duì)比數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，濕法工藝芯片無(wú)論是紅色通道還是藍(lán)色通道，其信號(hào)值都明顯比干法工藝芯片小，平均峰值探測(cè)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(yīng)率非均勻性指標(biāo)上，紅色通道是干法工藝路線略優(yōu)，藍(lán)色通道是濕法工藝路線略優(yōu)。

結(jié)束語(yǔ)

本文采用InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長(zhǎng)/長(zhǎng)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(guò)臺(tái)面成型、表面鈍化、開(kāi)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(zhǎng)/長(zhǎng)波雙色混成芯片。分別將其封入杜瓦，并在77 K下進(jìn)行了性能測(cè)試。結(jié)果表明，用濕法工藝制備的器件信號(hào)弱，性能相對(duì)較差，不過(guò)有效像元率相對(duì)較高；用干法工藝制備的器件信號(hào)強(qiáng)，性能相對(duì)較好，但盲元率相對(duì)較高，電極臺(tái)階覆蓋相對(duì)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(chǔ)。然而目前制備的長(zhǎng)/長(zhǎng)波雙色I(xiàn)nAs/GaSb Ⅱ類超晶格面陣器件還存在一些問(wèn)題。比如，無(wú)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(xiàng)性能指標(biāo)明顯比藍(lán)色通道差，后續(xù)還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

審核編輯：彭菁