探討碲鎘汞紅外探測器工藝中注入溫度的影響

離子注入工藝是對高能離子進行分析、聚焦與調節(jié)后，以一種特定的掃描模式，將其均勻地注入芯片上。在離子注入的過程中，溫度是PN結成型的重要參數(shù)，注入溫度對增強擴散和晶格缺陷的影響很大。對于碲鎘汞的離子注入工藝而言，由于碲鎘汞的特殊性，注入?yún)^(qū)原子的擴散過程不僅僅出現(xiàn)在熱處理工藝中。如果注入工藝本身溫度較高，那么原子的擴散過程在注入中就會發(fā)生。碲鎘汞離子注入工藝本身就能直接形成較好的n?n?p結。因此，注入溫度很大程度上影響著注入?yún)^(qū)的實際尺寸和有效結深。離子注入技術中碲鎘汞芯片的溫度控制具有重要研究價值。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，華北光電技術研究所的科研團隊在《紅外》期刊上發(fā)表了以“碲鎘汞離子注入溫度研究”為主題的文章。該文章第一作者為何斌助理工程師，主要從事碲鎘汞紅外探測器的研究工作。

本文從離子注入工藝的溫度控制出發(fā)，研究了離子注入工藝中的束流、注入能量、接觸面粗糙度等因素對溫控的影響，并結合器件的I-V曲線，探究了碲鎘汞紅外探測器工藝中注入溫度的影響。

實驗

如圖1(a)所示，將溫度試紙貼在芯片上，表征離子注入過程中芯片表面的實際溫度。采用半導體參數(shù)測試儀采集器件的I-V特性曲線。

如圖1(b)所示，采用液相外延工藝在CdZnTe襯底材料上生長HgCdTe外延層；使用磁控濺射設備在HgCdTe表面上生長CdTe及ZnS復合鈍化膜層；基于離子注入技術，通過注入高能B離子，在HgCdTe上形成PN結；利用干法刻蝕技術在碲鎘汞表面上刻蝕出電極接觸孔，并用離子束沉積設備引出電極，完成器件的制備。

圖1 (a)離子注入溫度測試圖；(b)器件結構圖

實驗結果與討論

注入能量與束流對芯片溫度的影響

在離子注入過程中，注入能量是指注入離子攜帶的總能量，束流是指單位時間、單位面積內(nèi)注入離子的數(shù)量。一般來說，注入能量與束流越高，芯片表面的熱效應越大。如圖2所示，當采用高能離子轟擊芯片表面時，雖然芯片與硅片背面有冷卻系統(tǒng)，但由于光刻膠的導熱性差，巨大的熱效應依然會導致芯片表面有一定溫升，引起芯片的實際溫度與設定溫度不一致。

圖2 離子注入工藝的模型圖

圖3所示為采用不同的離子注入?yún)?shù)時，在0℃與20℃冷卻溫度下，芯片表面溫度與注入能量、束流的關系曲線。在圖3(a)中，樣品背面采用循環(huán)水實現(xiàn)0℃控溫。當恒定注入能量分別為150 keV、200 keV、250 keV和300keV時，芯片表面溫度隨著注入束流的增大而升高。在小束流30~60 μA范圍內(nèi)，溫度變化整體上較為緩慢；在束流60~120 μA范圍內(nèi)，芯片表面溫度與注入束流幾乎成正比；當束流大于120 μA時，芯片表面溫度開始陡增。

對比圖3(a)中注入能量分別為150 keV、200 keV、250 keV和300 keV時的溫度-束流曲線，可以發(fā)現(xiàn)注入能量增大也會增加芯片表面溫度。當束流處于30~60 μA且注入能量從150 keV增至300 keV時，芯片溫度升高10℃；當束流處于60~130 μA且注入能量從150 keV增至300 keV時，芯片溫度升高5~19℃左右。

在圖3(b)中，樣品背面采用循環(huán)水實現(xiàn)20℃控溫，芯片表面溫度隨注入能量及束流的變化關系與圖2(a)極相似。當恒定注入能量為150 keV、200 keV、250 keV、300 keV且束流處于30~60 μA時，溫度可控制在一個理想的范圍內(nèi)；若繼續(xù)增大束流，芯片表面溫度與注入束流成正比，并逐漸開始失控。若恒定束流，芯片表面溫度也隨注入能量的增大而上升；注入能量從150 keV增至300 keV時，芯片溫度升高6～14℃左右。

圖3 芯片表面溫度與注入能量、束流的關系曲線：(a) 0℃控溫；(b) 20℃控溫

試驗結果表明，在離子注入工藝中束流與能量對芯片表面溫度的影響較大，過大的束流與能量都會讓芯片表面溫度失控。在實際工藝參數(shù)的選擇中，注入能量決定了離子的注入深度，通常不會輕易變動。我們可以選擇一個較低的注入束流以及背面冷卻溫度，以盡量降低芯片表面溫度（保證低于光刻膠的耐受溫度），從而提高工藝過程的成品率。

接觸面粗糙度對芯片溫度的影響

如圖4所示，實際工藝中存在個別芯片背面較差、承載芯片的硅片在多次注入后稍粗糙等情況。為了探究不同導熱接觸面對離子注入工藝的影響程度，本文選擇背面粗糙度不同的芯片，觀察離子注入后的光刻掩膜圖案。

圖4 芯片與硅片接觸面的模型圖

如圖5所示，對于背面粗糙度不同的芯片A與B，采用相同的工藝參數(shù)，試驗結束后光刻掩膜的形貌差距較大。結果表明，圖5(a)中芯片A背面整體高度較為均勻，背面光滑；圖5(b)中，在離子注入后，芯片A表面光刻掩膜正常，并未有光刻膠變形等現(xiàn)象。然而，圖5(c)中芯片B背面整體高度相差極大（最大達5 μm），芯片背面呈現(xiàn)較多的小坑，較為粗糙；圖5(d)中，在離子注入后，芯片B表面光刻膠嚴重變形甚至裂開，造成光刻掩膜失效。從傳熱學上看，在芯片和硅片導熱系數(shù)不變時，芯片面型差與硅片粗糙將減小傳熱面，引起芯片溫度極度失控。

在離子注入工藝中，需要對芯片和硅片的接觸面加以重視。在芯片背面，我們可以采用磨拋工藝來降低粗糙度，并采用表面光滑的硅片承載芯片。一個好的接觸表面有利于增大換熱面積，降低區(qū)域溫度升幅，保證光刻掩膜不變形，提高工藝過程的穩(wěn)定性。

圖5 基于相同的工藝參數(shù)，試驗結束后光刻掩膜的形貌：(a)芯片A的背面；(b)芯片A在離子注入后的光刻掩膜形狀；(c)芯片B的背面；(d)芯片B在離子注入后的光刻掩膜形狀

離子注入溫度對碲鎘汞紅外探測器的影響

研究器件在很大程度上是研究漏電流與器件加工工藝的關系。為了探究離子注入溫度對碲鎘汞紅外探測器的影響，將同一片碲鎘汞材料劃開。圖6(a)與圖6(b)所示分別是注入溫度為0℃與85℃時的I-V曲線。

圖6 (a)注入溫度為0℃時的I-V曲線；(b)注入溫度為85℃時的I-V曲線

對比圖6(a)與圖6(b)的第四象限可知，當反向電壓為50 mV時，注入溫度為 0℃的碲鎘汞光敏元的反向電流為8 nA，注入溫度為85℃的碲鎘汞光敏元的反向電流為14.9 nA。在I-V曲線的第一象限內(nèi)，注入溫度為0℃的碲鎘汞光敏元的開啟電壓為83.7 mV，注入溫度為85℃的碲鎘汞光敏元的開啟電壓為117.5mV對于相同的離子注入劑量及束流等條件，離子注入溫度較高的碲鎘汞芯片表現(xiàn)出更大的反向電流和開啟電壓。

根據(jù)圖6(a)與圖6(b)的開啟電壓與反向電流信息，可以發(fā)現(xiàn)注入溫度越高，實際的注入?yún)^(qū)面積越大。一般認為碲鎘汞B離子注入依靠損傷成結，其有效結深往往比注入深度延長1~3 μm左右。當B離子注入到碲鎘汞芯片時，與內(nèi)部晶格原子發(fā)生連續(xù)撞擊，造成大量的晶格損傷，表現(xiàn)出Hg-Te鍵斷裂，大量間隙Hg原子形成N型層。當注入溫度較高時，我們認為注入?yún)^(qū)Hg原子的擴散過程在注入中就會發(fā)生，大量的間隙Hg原子發(fā)生橫向擴散，增大了PN結的面積。

對比圖6(a)與圖6(b)的反向電流與平坦電壓信息可知，注入溫度較高的PN結的反向漏電更易增加。這很可能是因為注入溫度較高，原子晶格處于較高的能量狀態(tài)，在被注入離子破壞后，容易得到較多的射程端缺陷和離子注入損傷。這些離子注入帶來的晶格損傷在后續(xù)的退火工藝中無法完全消除，使得少子壽命降低，引入了較大的漏電流。若從光敏元的性能考慮，為了保證注入?yún)^(qū)的實際面積與設計面積接近，并避免較多的晶格損傷，我們應該盡量選擇一個較低的注入溫度。

結束語

本文研究了離子注入工藝中束流、注入能量、接觸面粗糙度等因素對注入溫度的影響，并結合器件的I-V曲線，探究了碲鎘汞紅外探測器工藝中注入溫度的影響。實驗結果表明，束流、注入能量、冷卻溫度以及接觸面對于控制芯片溫度具有重要作用。為了保證注入溫度低于光刻膠的耐受溫度，提高工藝過程的成品率，我們可以選擇較低的注入束流和冷卻溫度；同時在芯片背面，可以采用磨拋工藝來降低粗糙度，并選用表面光滑的硅片來優(yōu)化導熱面。從光敏元的I-V曲線分析，較低的注入溫度有利于減小PN結的暗電流，阻止注入?yún)^(qū)面積的橫向擴散，從而提高碲鎘汞紅外探測器的整體性能。后續(xù)將重點研究注入溫度對碲鎘汞的熱擴散作用，并結合透射電鏡和I-V曲線等手段對注入機理作進一步解釋。

編輯：黃飛