一种用于锑化铟热扩散工艺的掩膜制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于锑化铟热扩散工艺的掩膜制备方法，步骤一、将处理好的锑化铟衬底放入PECVD设备中进行掩膜淀积，得到氧化硅/氮氧化硅掩膜；步骤二、对淀积的掩膜进行掩膜图形光刻；步骤三、将光刻掩膜图形后的晶片放入干法刻蚀设备进行干法刻蚀，干法刻蚀的射频功率60～200W，反应腔压强5～20Pa，干法刻蚀气体为三氟甲烷或四氟化碳，总气体流量控制在100～250sccm，干法刻蚀后的掩膜剩余厚度为300～800nm；步骤四、将干法刻蚀后的掩膜进行氧离子处理；步骤五、将处理后的晶片放入根据氢氟酸：氟化铵体积比为1:20～1:30的刻蚀溶液中进行湿化学法刻蚀，再进行热扩散工艺处理。通过本发明的方法制备出能够很好适应热扩散工艺环境的掩膜材料能够实现基于热扩散工艺的锑化铟表面局部掺杂。
【专利说明】一种用于锑化铟热扩散工艺的掩膜制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料【技术领域】，尤其涉及一种用于锑化铟热扩散工艺的掩膜制备方法。
【背景技术】
[0002]锑化铟是一种重要的中波红外探测器件材料，经过几十年的发展，芯片结构已由单元、多元向一维线列和二维面阵焦平面阵列方向发展。目前，对中波高分辨率锑化铟红外焦平面探测器的研究已转入应用阶段，各种规格的锑化铟红外焦平面探测器已大量装备于各种军用及民用系统中。
[0003]目前，锑化铟材料制备红外焦平面探测器正逐渐向高分辨率，小尺寸方向发展，在新的器件结构和更高的工艺可靠性要求下，锑化铟红外焦平面器件正逐步从台面结构向平面结构方向发展，这就使得锑化铟材料的局部掺杂成结成为焦平面芯片中的一道关键工艺。通常，锑化铟材料上的掺杂采用离子注入和热扩散这两种工艺，离子注入工艺中采用经过曝光显影的光刻胶作为掩膜，实现局部掺杂；而用于热扩散工艺局部掺杂的掩膜还没有较为成熟和标准的制备工艺，这使得热扩散工艺无法实现在锑化铟材料上的局部掺杂。
【发明内容】
[0004]鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于锑化铟热扩散工艺的掩膜制备方法，用以解决现有技术中热扩散工艺无法实现在锑化铟材料上的局部掺杂的问题。
[0005]本发明主要是通过以下技术方案实现的:
[0006]—种用于铺化铟热扩散工艺的掩膜制备方法，该方法包括:
[0007]步骤一、将处理好的锑化铟衬底放入PECVD设备中进行掩膜淀积，得到氧化硅/氮氧化硅掩膜；
[0008]步骤二、对淀积的掩膜进行掩膜图形光刻；
[0009]步骤三、将光刻掩膜图形后的晶片放入干法刻蚀设备进行干法刻蚀，干法刻蚀的射频功率60?200W，反应腔压强5?20Pa，干法刻蚀气体为三氟甲烷CHF3或四氟化碳CF4,总气体流量控制在100?250sccm，干法刻蚀后的掩膜剩余厚度为300?800nm ；
[0010]步骤四、将干法刻蚀后的掩膜进行氧离子处理；
[0011]步骤五、将处理后的晶片放入根据氢氟酸HF:氟化铵NH4F体积比为1:20?1:30的刻蚀溶液中进行湿化学法刻蚀，然后进行热扩散工艺处理。
[0012]优选地，步骤一之前还包括:
[0013]对准备进行掩膜材料淀积的锑化铟材料进行清洗，并使用紫外臭氧去胶设备在加热至70?100°C的条件下对锑化铟材料处理I?3小时。
[0014]优选地，掩膜淀积采用的衬底温度200?350°C，射频功率10?60W，反应腔压强30?80Pa，且掩膜淀积时笑气N2O/硅烷SiH4体积比40:1?60:1，氮氧化硅层淀积时笑气N2O/氨气NH3/硅烷SiH4体积比为40:40:1?60:60:1，总反应气体流量控制在100?250sccm,淀积时间根据PECVD系统淀积的氧化硅和氮氧化硅薄膜的应力及速率进行计算，使得氧化硅层的应力与总厚度的乘积与氮氧化硅层的应力与总厚度的乘积相等。
[0015]优选地，所述氧离子处理采用的反应腔压强为200?300Pa，氧气流量为200?400sccm，射频功率为30?60W，时间为10?30min。
[0016]优选地，湿化学法刻蚀的步骤之后，热扩散工艺处理之前还包括:
[0017]使用丙酮对将经过二次刻蚀的晶片进行去胶。
[0018]优选地，丙酮去胶的步骤之后，热扩散工艺处理之前还包括:
[0019]使用紫外臭氧去胶设备在加热至70?100°C的条件下对晶片处理I?3小时，再将晶片放入浓度低于10%的盐酸浸泡5?15min,并使用去离子水冲洗超过lOmin。
[0020]本发明提供的一种用于锑化铟热扩散工艺的掩膜制备方法，通过采用PECVD工艺制备氧化硅/氮氧化硅薄膜和干法/湿法两次刻蚀等一系列工艺，可以制备出能够很好适应热扩散工艺环境的掩膜材料，实现基于热扩散工艺的锑化铟表面局部掺杂。
[0021]本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明实施例的锑化铟衬底上的氧化硅/氮氧化硅复合掩膜的结构示意图；
[0023]图2为本发明实施例的掩膜上设置光刻胶后的效果示意图；
[0024]图3为本发明实施例的干法刻蚀后的效果示意图；
[0025]图4为本发明实施例的湿法刻蚀后的效果示意图；
[0026]图5为基于本发明实施例的方法制备出的红外焦平面探测器芯片的1-V特性曲线图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本发明的主题模糊不清时，将省略本文所描述的器件中已知功能和结构的详细具体说明。
[0028]本发明实施例设计了一种用于锑化铟热扩散工艺的掩膜制备方法，是在对锑化铟材料热扩散工艺环境特点进行分析的基础上，采用PECVD工艺在锑化铟衬底表面淀积氧化硅/氮氧化硅薄膜，作为扩散掩膜的材料，可以在热扩散工艺条件下保持物理和化学稳定，同时可以有效阻挡掺杂离子；采用干法RIE/湿化学法(湿法)对氧化硅/氮氧化硅薄膜进行两次刻蚀，避免扩散掩膜在刻蚀过程中的图形退化和对锑化铟材料的损伤；在工艺流程中加入了氧离子去胶和紫外臭氧去胶工艺对热扩散掩膜制备进行必要的处理，从而保证和提高热扩散掩膜的性能和质量。该方法包括:
[0029]步骤一、将处理好的锑化铟衬底放入PECVD设备中进行掩膜淀积，得到氧化硅/氮
氧化硅掩膜；
[0030]该步骤具体包括:[0031]将处理好的锑化铟衬底放入PECVD设备中进行掩膜淀积，掩膜淀积采用的衬底温度200?350°C，射频功率10?60W，反应腔压强30?80Pa，且掩膜淀积时笑气N2O/硅烷SiH4体积比不低于40:1?60:1，氮氧化硅层淀积时笑气N2O/氨气NH3/硅烷SiH4体积比为40:40:1?60:60:1，总反应气体流量控制在100?250sccm，淀积时间根据PECVD系统淀积的氧化硅和氮氧化硅薄膜的应力及速率进行计算，使得氧化硅层的应力与总厚度的乘积与氮氧化硅层的应力与总厚度的乘积相等，从而得到氧化硅/氮氧化硅掩膜，具体的掩膜效果参见图1。
[0032]实施步骤一的过程中为了获得更好的效果，需要去除锑化铟材料上的杂质，具体的，本发明实施例在对准备进行掩膜材料淀积的锑化铟材料进行清洗，并使用紫外臭氧去胶设备在加热至70?100°C的条件下对锑化铟材料处理I?3小时，从而尽可能的去除锑化铟材料上的杂质，获得更好的掩膜效果。
[0033]氧化硅/氮氧化硅掩膜的淀积，本发明实施例中采用PECVD工艺进行掩膜材料的淀积，因为PECVD工艺具有低温，高致密性的特点，另外更重要的是PECVD工艺淀积的多层复合结构氧化硅和氮氧化硅薄膜具有可以使薄膜与衬底之间的剪切力大幅降低，减小薄膜淀积后薄膜本身和衬底的形变，使掩膜刻蚀后由于应力释放产生的二次形变变小，提高掩膜在高温热扩散中的可靠性。工艺中淀积的氧化硅/氮氧化硅复合薄膜结构，如图1。这种结构的薄膜每层之间都存在相互束缚的剪切应力，在对膜厚进行一定调整后，根据Stoney公式，可以使得衬底在薄膜淀积后基本不发生形变，衬底与复合薄膜之间的剪切力也可以保持在较低的水平，从而使掩膜在刻蚀后和热扩散中由于产生新的形变导致掩膜脱落的可能性降低，提高掩膜的可靠性。另外PECVD淀积掩膜时还应遵循一下原则:淀积温度为200?350°C，这是为了保证淀积的氧化硅/氮氧化硅薄膜具有足够的致密性；较低的射频功率，低于60W，目的是为了尽量降低等离子体对锑化铟材料的损伤；控制氮氧化硅材料的化学组分，保证其良好的电介质特性。
[0034]步骤二、对淀积的掩膜进行掩膜图形光刻；
[0035]即在掩膜上根据需要设置光刻胶，将需要进行热扩散工艺处理的位置露出来，具体如图2所示，图中掩膜上分布有多处光刻胶。
[0036]步骤三、将光刻掩膜图形后的晶片放入干法刻蚀设备进行干法刻蚀，干法刻蚀的射频功率60?200W，反应腔压强5?20Pa，干法刻蚀气体为三氟甲烷CHF3或四氟化碳CF4,总气体流量控制在100?250sccm，干法刻蚀后的掩膜剩余厚度为300?800nm，具体如图3所示；
[0037]步骤四、将干法刻蚀后的掩膜进行氧离子处理，具体的氧离子处理采用的反应腔压强为200?300Pa，氧气流量为200?400sccm，射频功率为30?60W，时间为10?30min。
[0038]步骤五、将处理后的晶片放入根据氢氟酸HF:氟化铵NH4F体积比为1:20?1:30的刻蚀溶液中进行湿化学法刻蚀，得到如图4所示的，然后进行热扩散工艺处理。
[0039]具体的本发明实施例在进行湿化学法刻蚀的步骤之后，热扩散工艺处理之前还包括:
[0040]使用丙酮对将经过二次刻蚀的晶片进行去胶，然后再使用紫外臭氧去胶设备在加热至70?100°C的条件下对晶片处理I?3小时，再将晶片放入浓度低于10%的盐酸浸泡5?15min，并使用去离子水冲洗超过lOmin，这些操作构成完整且彻底的去胶过程。[0041]本发明实施例的掩膜的刻蚀，是基于RIE干法刻蚀与湿化学法刻蚀的二次刻蚀工艺，因为单一的RIE工艺在对锑化铟表面及表面附近的材料进行刻蚀时，其等离子体的轰击作用会使锑化铟的晶体结构产生损伤，产生不可逆的结果；而单一的湿化学刻蚀由于具有各向同性的性质，导致在对较厚的薄膜进行刻蚀时会产生钻蚀现象，使掩膜图形退化，从而带来工艺风险。本发明中，首先利用RIE工艺良好的方向特性，将氧化硅/氮氧化硅掩膜刻蚀至剩余300?800nm ;再采用氢氟酸(HF)溶液将剩余的掩膜彻底腐蚀，这样图形的横向钻蚀较小，且不会发生不规则边缘形貌，这一过程如图2-4所示。在这样的二次刻蚀工艺中，RIE工艺中应采用氟基气体对掩膜材料进行刻蚀，并在刻蚀工艺过程中将射频功率保持在30?80W，避免等离子体对锑化铟材料的损伤，同时尽量降低反应腔内的压强，提高刻蚀生成物的排出效率。湿化学法刻蚀采用的HF溶液应加入缓冲剂，降低溶液的刻蚀速率，提高刻蚀的可控性，并且在湿化学法刻蚀中尽量降低过刻时间，以保证掩膜图形的完整性。
[0042]另外，为了提高掩膜和其制备流程的可靠性，掩膜淀积和刻蚀工艺中需要增加必要的表面处理工艺。首先，在PECVD工艺前需要对锑化铟衬底进行紫外臭氧处理，目的是去除衬底表面可能存在的光刻胶等残余有机物，并提高掩膜的粘附性；然后是需要在RIE刻蚀后对衬底进行低功率的氧离子处理，目的是去除RIE工艺中残留在刻蚀区的聚合物，提高刻蚀区表面对湿化学刻蚀溶液的浸润性；在完成对氧化硅/氮氧化硅掩膜的二次刻蚀后，先用丙酮进行去胶，在对衬底进行紫外臭氧处理，彻底去除衬底表面的残余光刻胶及刻蚀生成物。
[0043]通过本发明的方法所得的掩膜形貌及性能良好，能够在高温热扩散环境下保持物理和化学稳定性，且有效阻挡掺杂离子的扩散，能够作为锑化铟材料上使用的热扩散工艺掩膜。
[0044]图5为基于本发明实施例的方法制备出的红外焦平面探测器芯片的1-V特性曲线图，如图5所示，样品有良好的锑化铟PN结1-V特性，开路电压IOOmV,反偏截止特性良好，O?-1V时没有发生击穿现象，且无明显漏电，同时同一焦平面管芯上不同像元的1-V特性曲线有很好的一致性。
[0045]下面以一个具体的例子对本发明进行详细的说明:
[0046]步骤一、掩膜材料淀积前的处理:对准备进行掩膜材料淀积的锑化铟材料进行彻底的清洗，并使用紫外臭氧去胶设备在加热至70?100°C的条件下对锑化铟材料处理I?3小时；
[0047]步骤二、掩膜淀积。将处理好的锑化铟衬底放入PECVD设备中进行以下参数的工艺淀积:衬底温度200?300°C，射频功率10?60W，反应腔压强30?80Pa ;反应气体比例根据PECVD系统的具体情况，计算在氧化硅层淀积时笑气(N2O)/硅烷(SiH4)体积比不低于40:1，氮氧化硅层淀积时笑气(N2O)/氨气(NH3)/硅烷(SiH4)体积比不低于40:40:1，总反应气体流量控制在100?250sCCm ;淀积时间根据PECVD系统淀积的氧化硅和氮氧化硅薄膜的应力及速率具体情况进行计算，应使得氧化硅层的应力与总厚度的乘积与氮氧化硅层的应力与总厚度的乘积相等；
[0048]步骤三、对淀积好氧化硅/氮氧化硅掩膜的晶片进行掩膜图形光刻；
[0049]步骤四、RIE工艺刻蚀:将光刻掩膜图形后的晶片放入RIE设备进行第一次刻蚀，刻蚀工艺参数为:射频功率60?200W，反应腔压强5?20Pa，采用三氟甲烷(CHF3)或四氟化碳(CF4)主要作为刻蚀气体，总气体流量控制在100?250sCCm ;刻蚀时间根据掩膜厚度和刻蚀速率进行计算，应使刻蚀后的掩膜剩余厚度为300?800nm ；
[0050]步骤五、将RIE工艺刻蚀后的晶片进行氧离子处理，反应腔压强为200?300Pa，氧气流量为200?400sccm，射频功率30?60W，时间10?30min ；
[0051]步骤六、湿化学法刻蚀:将处理后的晶片放入根据氢氟酸(HF)氟化铵(NH4F)体积比不低于1:20配比好的刻蚀溶液中，搅拌溶液使刻蚀反应更加均匀，控制刻蚀时间，使刻蚀区的掩膜材料恰好被完全刻蚀。
[0052]步骤七、使用丙酮对将经过二次刻蚀的晶片进行去胶，再使用紫外臭氧去胶设备在加热至70?100°C的条件下对晶片处理I?3小时，再将晶片放入浓度低于10%的盐酸浸泡5?15min，并使用去离子水冲洗超过lOmin，处理后的锑化铟晶片即可装入真空石英管进行热扩散工艺。
[0053]通过对本发明制得的锑化铟材料红外探测器芯片的测试结果表明，这种基于PECVD淀积的氧化硅/氮氧化硅薄膜的掩膜可以有效的阻挡热扩散工艺中的掺杂离子，实现锑化铟材料在热扩散工艺中的局部掺杂，作为一种平面局部掺杂的技术基础，为制备高分辨率、小间距锑化铟红外焦平面探测器芯片提供更多更广的技术途径。
[0054]本发明提供的一种用于锑化铟热扩散工艺的掩膜制备方法，通过采用PECVD工艺制备氧化硅/氮氧化硅薄膜和干法/湿法两次刻蚀等一系列工艺，可以制备出能够很好适应热扩散工艺环境的掩膜材料，实现基于热扩散工艺的锑化铟表面局部掺杂。
[0055]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种用于锑化铟热扩散工艺的掩膜制备方法，其特征在于，包括: 步骤一、将处理好的锑化铟衬底放入PECVD设备中进行掩膜淀积，得到氧化硅/氮氧化娃掩膜； 步骤二、对淀积的掩膜进行掩膜图形光刻； 步骤三、将光刻掩膜图形后的晶片放入干法刻蚀设备进行干法刻蚀，干法刻蚀的射频功率60?200W，反应腔压强5?20Pa，干法刻蚀气体为三氟甲烷CHF3或四氟化碳CF4,总气体流量控制在100?250sccm，干法刻蚀后的掩膜剩余厚度为300?800nm ； 步骤四、将干法刻蚀后的掩膜进行氧离子处理； 步骤五、将处理后的晶片放入根据氢氟酸HF:氟化铵NH4F体积比为1:20?1:30的刻蚀溶液中进行湿化学法刻蚀，然后进行热扩散工艺处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一之前还包括: 对准备进行掩膜材料淀积的锑化铟材料进行清洗，并使用紫外臭氧去胶设备在加热至70?100°C的条件下对锑化铟材料处理I?3小时。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，掩膜淀积采用的衬底温度200?350°C，射频功率10?60W，反应腔压强30?80Pa，且掩膜淀积时笑气N2O/硅烷SiH4体积比40:1?60:1,氮氧化硅层淀积时笑气N2O/氨气NH3/硅烷SiH4体积比为40:40:1?60:60:1，总反应气体流量控制在100?250SCCm，淀积时间根据PECVD系统淀积的氧化硅和氮氧化硅薄膜的应力及速率进行计算，使得氧化硅层的应力与总厚度的乘积与氮氧化硅层的应力与总厚度的乘积相等。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧离子处理采用的反应腔压强为200?300Pa，氧气流量为200?400sccm，射频功率为30?60W，时间为10?30min。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于，湿化学法刻蚀的步骤之后，热扩散工艺处理之前还包括: 使用丙酮对将经过二次刻蚀的晶片进行去胶。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，丙酮去胶的步骤之后，热扩散工艺处理之前还包括: 使用紫外臭氧去胶设备在加热至70?100°C的条件下对晶片处理I?3小时，再将晶片放入浓度低于10%的盐酸浸泡5?15min,并使用去离子水冲洗超过lOmin。
【文档编号】H01L21/311GK103762163SQ201410005806
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月7日 优先权日:2014年1月7日
【发明者】亢喆, 邱国臣 申请人:中国电子科技集团公司第十一研究所