一种新型红外探测器BIB硅外延片的制造方法与流程

本发明属于半导体基础材料硅外延片领域，具体而言，是关于一种新型红外探测器bib(阻止杂质带红外探测器)硅外延片的制造方法。

背景技术

阻挡杂质(bib)探测器具有覆盖波长宽、暗电流低、光电导增益高、响应速度快、抗辐照性能高的优点。它是利用杂质光电导实现探测的,由于杂质电离能较小,因此能对较长波红外有响应。传统非本征型光电导(espc)红外探测器需要高的掺杂浓度来改善吸收性能，但其最大掺杂浓度却受到由此产生的杂质带电导引起的过大暗电流的限制，bib红外探测器巧妙地在电极和红外吸收层之间引入一个本征层(阻挡层)来阻断杂质带内暗电流的传导，使之能够有更高的掺杂浓度。bib器件阻挡层的结构设计大大降低了器件的暗电流,也因此bib器件红外吸收层的杂质浓度可以比espc器件高2个数量级(可达10¹⁷数量级)，量子效率得到显著提升。另一方面,bib器件掺杂浓度的提升和体积较espc器件的大为减小，增强了其对宇宙粒子冲击的调节能力，有利于天基天文红外探测。此外，由于重掺杂效应,bib器件中的杂质能级扩展成为杂质带,进一步减小了杂质电离能,可实现更长波长的红外线探测。

bib探测器的掺杂半导体主要是硅、锗和砷化镓。因硅材料容易获得大直径高纯度的均匀硅单晶，且硅器件工艺成熟，具备更好的均匀性、稳定性，覆盖波长宽，使得硅类bib焦平面器件跻身天文5μm以上主流探测器。

bib探测器中最重要的结构是阻挡层和红外吸收层，红外吸收层夹在低阻硅衬底和近本征阻挡层之间。吸收层的掺杂浓度通常为10¹⁷～10¹⁸cm^-3，为了极大地提高量子效率，红外吸收层厚度一般取10～45μm；理想阻挡层必须尽可能纯，但实际该层一般能达到10¹³cm^-3量级，厚度介于3～6μm之间。这些薄层通常采用离子注入、中子嬗变的方法掺杂形成吸收层，但为了减少晶格损伤，掺杂浓度一般不会太高；而通过外延的方法，可在生长过程中引入高浓度掺杂。由于硅外延生长比较复杂，低阻吸收层和本征层电阻率相差5个数量级，层间自掺杂以及腔体环境自掺杂对本征层电阻率的影响非常大；而该新型bib红外探测器(阻止杂质带红外探测器)为了保证探测的精确度，要求吸收层和本征层过渡区尽可能宽，本征电阻率尽可能高；高浓度吸收层的自掺杂和本征层要求的高电阻率、窄过渡区存在强烈地冲突，很难在重掺杂的吸收层上生长高纯的平区较宽的阻挡层。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

技术实现要素：

发明目的：提供一种制造红外探测器bib用硅外延片的工艺技术

技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：

一种新型红外探测器bib硅外延片的制造方法，具体方案为：

bib红外探测器用衬底片为尺寸直径15cm、局部平整度≤3μm的重掺as的n型<100>抛光片，且电阻率≤0.004ω.cm，不背封衬底，

气腐条件的选择：通过hcl原位高温抛光，气腐温度1160℃；

使用两步外延法，低阻吸收层和本征层分开生长，即，

第一步外延，为n型低阻吸收层生长：采用三氯氢硅为原料，生长温度1030℃～1060℃，生长速率为0.7～1.1μm/min，不通稀释，通入磷烷掺杂流量为30～60sccm/min，相应外延掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁸cm^-3，在衬底片上制备出低阻吸收层；吸收层制备好后缓慢降温到室温，同时通入h2吹扫，在低阻吸收层表面形成浓度低于低阻吸收层浓度的缓冲层以降低吸收层自掺杂对第二步本征外延的影响；

第二步外延：生长本征阻挡层前，先气腐腔体，将残余的杂质随气体带走；外延时，生长温度980～1020℃，生长速率控制在0.1～0.2μm/min，本征层分两段生长；第一段生长0.5μm，通过高阻层抑制腔体和衬底边缘自掺杂，两段中间加3～6min的h2吹除，在低阻吸收层和本征层之间进一步形成高阻缓冲层；第二段继续生长本征层，直至最终浓度为10¹²～10¹³cm^-3。

有益效果：

本发明阻止杂质带红外探测器用硅外延片的制造方法，在于综合多种自掺杂抑制工艺：合适的抛光片技术参数；采取hcl抛光工艺以及大流量h2吹扫，减少n型杂质对n型外延层的自掺杂效应；采取两步外延法，长完低阻吸收层后大流量气腐腔体，然后低温低速生长本征阻挡层的工艺方法；实现了高浓度吸收层和低浓度本征层过渡区尽可能宽、本征电阻率尽可能高的外延参数，达到了bib红外探测器的器件参数要求。

附图说明

图1为本发明所采用的装置示意图。

图2为采用本发明生长的硅外延层纵向电阻率典型分布图。

图3为本发明的纵向结构图。

图4为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明采用设备为意大利pe-2061s常压硅外延生长设备，高纯石墨基座作为高频感应加热体，主要载气h2纯度为99.9999％以上。

设备的准备工作包括，

反应器清洗：石英钟罩以及反应室中使用的石英零件在进行外延前必须仔细清洗，衬底清除石英钟罩内壁和石英件上的淀积残留物，降低腔体自掺杂。

反应室高温处理：外延生长之前，石墨基座必须进行hcl高温处理，去除基座和腔体吸附的残余反应物，并淀积一层本征多晶硅。

请再结合图3及图4所示，该新型红外探测器bib硅外延片的制造方法的步骤包括：

a、为满足bib器件设计的要求，选择重掺as的n型<100>抛光片，电阻率≤0.004，直径15cm的局部平整度≤3μm，不背封衬底；为减少背面自掺杂影响，采取了包硅工艺，降低衬底自掺杂对后续生长bib高阻本征层的影响。

b、hcl原位抛光工艺：为了得到外延前洁净的表面，保证外延层的晶格质量，适当增加抛光时间和提高工艺温度，在1160℃，选择合适的hcl流量3l/min，抛光时间8mim；抛光结束后高温大流量h2吹扫10min以上，以排除反应器中残余的n型杂质，减小外延生长时的自掺杂效应。

c、两步外延法第一步外延：综合考虑自掺杂、晶格质量、电阻率控制以及生长效率等因素，采用超高纯三氯氢硅(tcs)，生长温度1030℃～1060℃，生长速率控制在0.7～1.1μm/min，不通稀释，掺杂设定30～60sccm/min，浓度做到10¹⁷～10¹⁸cm-3，在重掺衬底上制备出低阻吸收层；吸收层制备好后缓慢降温到室温，同时大流量h2吹扫，通过大流量低温退火工艺，在bib低阻吸收层表面形成浓度相对较低的缓冲层，降低吸收层自掺杂对第二步本征外延的影响。

d、两步外延法第二步外延：为减少吸收层外延时腔体附着的高浓度自掺杂对bib本征层的影响，长本征阻挡层前，先气腐腔体，将残余的杂质随大流量气体带走；外延时，生长温度980～1020℃，生长速率控制在0.1～0.2μm/min，本征层分两段生长；第一段生长0.5μm，通过高阻层抑制腔体和衬底边缘自掺杂，两段中间加3～6min大流量h2吹除，在低阻吸收层和本征层之间进一步形成高阻缓冲层；第二段继续生长本征层，最终浓度做到10¹²～10¹³cm-3。

本发明“一种阻止杂质带红外探测器用硅外延片的制造方法”，在于综合多种自掺杂抑制工艺：合适的抛光片技术参数；采取hcl抛光工艺以及大流量h2吹扫，减少n型杂质对n型外延层的自掺杂效应；采取两步外延法，长完低阻吸收层后大流量气腐腔体，然后低温低速生长本征阻挡层的工艺方法；实现了高浓度吸收层和低浓度本征层过渡区尽可能宽、本征电阻率尽可能高的外延参数，达到了bib红外探测器的器件参数要求。如图2所示，为采用本发明生长的硅外延层纵向电阻率典型分布图，通过图2可验证上述有益效果能够通过本发明的技术方案实现：外延层纵向电阻率典型分布吸收层与衬底过渡区陡直，本征阻挡层有较宽平区。

另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。