低表面漏电流台面型光电探测器及其制作方法与流程

本发明属于探测器芯片制造技术领域，具体为一种低表面漏电流台面型光电探测器及其制作方法。

背景技术：

半导体器件性能严重受到半导体表面效应的影响。在台面工艺制作中，晶格周期性会遭到破坏，最外层原子表面将产生悬挂键，这些悬挂键可以俘获体内电子或者空穴，形成表面耗尽层增加表面态。且最外层表面还存在其它缺陷和杂质氧化物，这些因素会在禁带中引入杂质能级产生复合中心，增大表面复合速率，增加器件表面漏电流，严重影响了器件电学性能。

台面型光电探测器被广泛应用于高速电子器件和光电子器件中，工作时常处于一定偏压状态，表面高电场下会加剧减少表面复合中心的少子寿命，增加表面漏电流。因此，台面光电探测器的侧壁钝化是一个很难的问题。目前降低台面型器件表面漏电流的工艺方法有：

(1)、一种台面铟镓砷探测器制备方法(申请号201110317200.6)与pin台面ingaas红外探测器及其制备方法(申请号201510031343.9)在湿法刻蚀台面后，均采用硫化降低表面态，然后用无机钝化膜(氮化硅或者是氧化铝)来保护硫化层。这种工艺引入的等离子体轰击以及较高的生长温度(一般大于250℃)会破坏硫化层，劣化钝化效果，使表面漏电流增大。

(2)、基于免等离子工艺降低暗电流的光电探测器芯片制作方法(申请号201310013303.2)避免了等离子体对腐蚀表面的损伤，采用有机钝化膜(苯并环丁烯bcb)取代化学气相沉积钝化工艺，降低暗电流。但在bcb钝化之前，并未做表面硫化处理，腐蚀侧壁表面容易产生较高表面态，使钝化效果劣化。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种低表面漏电流台面型光电探测器及其制作方法。解决台面型器件由于湿法刻蚀造成的侧壁表面钝化困难问题。在台面成型工艺之后，首先通过硫化有效降低腐蚀材料表面态，拥有与平面型器件相当的暗电流水平。再采用不会给硫化层带来破坏的苯丙环丁烯(bcb)作为保护层，起到使硫化层长期稳定的作用。在施加偏压下，光电探测器暗电流中来自表面漏电流的成分也很小，其主要产生于体暗电流，提供了一种低表面漏电流台面型光电探测器的制作方法。

所述低表面漏电流台面型光电探测器的制作方法包括以下步骤：

s1、在外延片的顶层沉积掩膜，通过光刻工艺开出台面刻蚀窗口；

s2、采用湿法刻蚀将所述外延片刻蚀成外延台面，进行表面化学清洗，去除湿法刻蚀反应残留产物、表面氧化物以及杂质沾污物；

s3、采用硫化工艺处理，钝化外延台面的侧壁表面，降低其表面态；

s4、使用六甲基二硅胺处理侧壁表面，再涂覆苯并环丁烯，形成保护层；在氮气气氛保护下，采用分布升温固化；

s5、刻蚀部分保护层，使所述外延台面的顶部裸露，根据蒸发或溅射方式在所述接触层上表面淀积金属膜，经剥离后形成p型电极；

s6、将外延台面的背面减薄，在背面沉积增透膜；

s7、采用带胶剥离制作n型电极。

进一步的，所述步骤s1具体包括：采用等离子增强化学气相沉积，在所述外延片上生长一层复合介质膜，通过光刻工艺旋涂光刻胶，曝光显影后，用氟化氢腐蚀掉所述复合介质膜，将其清洗干净，留下台面刻蚀掩膜，从而确定出台面刻蚀窗口。

进一步的，步骤s2中，将外延片按照台面刻蚀窗口进行刻蚀，刻蚀掉所述外延片中的部分缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层、倍增层和接触层；从而形成了外延台面；为了方便描述，本发明的外延台面也即台面。

进一步的，所述步骤s3中的硫化工艺处理采用的原材料包括(nh4)2s、(nh4)2sx、h2s、nas、zns中的任意一种或几种，钝化方式包括湿法化学反应和磁控溅射。

优选的，所述步骤s4中的使用六甲基二硅胺处理侧壁表面包括采用气相涂布、溶液沉浸、旋转涂布方式等。

本发明的一种低表面漏电流台面型光电探测器，包括外延台面，在外延台面的下表面沉积有增透膜，在增透膜上形成n电极；在外延台面上表面涂覆有保护层；在保护层上方淀积金属膜，形成p电极；所述外延台面包括衬底层，以及顺序层叠于所述衬底上的缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层、倍增层和接触层；所述缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层、倍增层、接触层以及p型电极均同心且半径依次减小，从而形成的台面侧壁为倾斜表面。

优选的，所述衬底层、缓冲层、电荷层以及倍增层的材料均为inp，所述吸收层的材料为ingaas，所述渐变层以及接触层的材料为ingaasp。

优选的，所述缓冲层的厚度为0.1～1μm；吸收层的厚度1～3μm；渐变层的厚度为0.01～0.1μm，电荷层的厚度为0.1～0.5μm；倍增层以及接触层的厚度均为0.05～0.1μm。

优选的，所述缓冲层的掺杂浓度小于8×10¹⁷cm^-3；渐变层的掺杂浓度小于等于1×10¹⁷cm^-3；电荷层的掺杂浓度为5×10¹⁶～5×10¹⁷cm^-3；倍增层和接触层的掺杂浓度均大于1×10¹⁹cm^-3。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

(1)、腐蚀液的择优选择，对不同材料的腐蚀具有各向同性，使外延台面的侧壁不存在材料界面分层，连续平滑的材料交界面利于台面钝化。同时在湿法腐蚀过程中，反应生成物残留易去除，不会覆盖或粘附在侧壁阻碍化学反应。

(2)、采用硫化反应在材料表面生成硫化钝化层，能够有效降低材料表面态。并通过硫化层与苯并环丁烯(bcb)相结合的方式，分别作为钝化层与保护隔绝层，能够显著提升了硫化层的长期稳定性。

(3)、采用苯并环丁烯(bcb)替代无机钝化膜(si3n4和sio2)保护表面硫化钝化层，具有明显有益效果。首先，避免了化学气相沉积(cvd)工艺中的高能等离子体对硫化层表面轰击，或高温生长条件下硫化层的分解，所导致钝化效果劣化。其次，通过六甲基二硅胺(hmds)改善表面附着性，增强硫化层与苯并环丁烯(bcb)的界面接触。最后，苯并环丁烯(bcb)固化过程不像聚酰亚胺固化反应一样会释放气体，造成疏松的孔洞。其固化不是简单的蒸发掉挥发物变为固体，而是热固化中发生化学反应使分子基团结构变化，整个反应过程中没有气体生成，更利于保护硫化层表面。

(4)、该方法制备出的台面型光电探测器，在外加偏压下有较低暗电流，说明具有很好的表面态。同时，暗电流大小与面积成正比，表面其主要组分来自体暗电流，漏电流成分很小，显示出该方法有良好的钝化效果。

附图说明

图1是外延材料结构示意图；

图2是刻蚀台面工艺示意图；

图3表面硫化钝化和bcb保护层工艺示意图；

图4芯片背面工艺示意图；

图中，1、衬底层，2、缓冲层，3、吸收层，4、渐变层，5、电荷层，6、倍增层，7、接触层，8、复合介质膜，9、p型电极，10、保护层，11、增透膜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

本发明的一种低表面漏电流台面型光电探测器的制作方法可按照以下方案实现：

(1)、定义台面刻蚀窗口，在外延片顶层沉积掩膜，通过光刻工艺开出台面刻蚀窗口；

(2)、采用湿法刻蚀将外延片刻蚀成台，接着进行表面化学清洗，去除湿法刻蚀反应残留产物，表面氧化物，表面杂质沾污物。

(3)、采用硫化工艺处理，钝化侧壁表面，降低其表面态。

(4)、用六甲基二硅胺(hmds)处理表面增强附着性，再涂覆bcb。在n2气氛保护下，采用分布升温固化。

(5)、定义p电极，用蒸发或溅射方式淀积金属膜，经剥离后形成p电极图形。

(6)、背面减薄，在背面沉积增透膜。

(7)、定义n电极，采用带胶剥离制作n电极，完成光电探测器芯片工艺制作。

所述步骤(2)中的腐蚀溶液要求满足：对各种待腐蚀材料的腐蚀速率基本一致，材料交界面连续光滑，溶液腐蚀速率稳定可控，且反应残留产物易去除。

所述步骤(2)中的表面化学清洗包括有机溶剂和弱酸性溶液，如：乙醇、丙酮、冰乙酸、柠檬酸、h2so4与双氧水的混合溶液、氢氟酸与氟化铵的混合溶液中的任意一种或几种。

所述步骤(3)中的硫化工艺原材料包括有：(nh4)2s、(nh4)2sx、h2s、nas、zns中的任意一种或几种，硫钝化方式包括湿法化学反应和磁控溅射。

所述步骤(4)中的六甲基二硅胺(hmds)表面处理方式包括：气相涂布、溶液沉浸、旋转涂布等。涂布完成后，在一定温度(90～120℃)下烘烤约1～5min。

所述步骤(4)中的bcb为非光敏性，亦可以是光敏性bcb。具有良好的电绝缘性能、热稳定性、粘附性好、抗吸湿性好和应力小等特点。其bcb固化温度相对较低，热固化分为2步反应过程，分子所受的热达到开环能量后，先是其环丁烯四圆环发生开环反应产生中间体。紧接着开环产物经热反应而自加成聚合,形成高分子化的聚合母体实现bcb的固化。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，以雪崩光电二极管的台面制作工艺为列，其外延片结构如图1所示包括了：n型inp衬底1；n型inp缓冲层2，厚度为0.1～1μm，掺杂浓度小于8×10¹⁷cm^-3；非掺-ingaas吸收层3，厚度1～3μm；n型ingaasp渐变层4，厚度为0.01～0.1μm，掺杂浓度小于等于1×10¹⁷cm^-3；n型inp电荷层5，其厚度为0.1～0.5μm，掺杂浓度为5×10¹⁶～5×10¹⁷cm^-3；inp倍增层6、p型-ingaasp接触层7，厚度0.05～0.1μm，掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-3。

具体制备过程如下：

(11)采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)，生长一层sinx/sio2/sinx复合介质膜8，通过光刻工艺旋涂光刻胶，曝光显影后，用hf腐蚀掉介质膜，清洗干净，留下台面刻蚀掩膜。通过单片式湿法刻蚀设备用溴水溶液(hbr、h2o2和h2o组成)进行台面成型刻蚀，腐蚀液温度20℃，时间4min，腐蚀深度至n型衬底，如图2所示。

(22)表面清洗，去离子水冲洗5min、并依次用丙酮、乙醇煮沸3min，在常温hf酸溶液中侵泡30sec，去除表面有机物和氧化物，冲水5min，烘干。

(33)表面硫化钝化，将外延片放置于60℃硫化胺溶液中，浸泡30min，在材料表面生成硫化层。取出后去离子水冲洗5min，氮气筒中烘干。

(44)在hmds溶液中沉浸3min，在95℃下烘烤5min。

(55)涂覆ap3000，条件4000rpm/30sec，紧接着涂覆bcb保护层10，条件4000rpm/30sec。在氮气保护下(其中o2含量小于100ppm)，按升温曲线：50℃恒温5min，之后每升高50℃恒温15min，至最终固化温度260℃下恒温60min。用5200nj光刻胶，经曝光显影，制作出p型电极图形。接着等离子体气体cf4：o2＝90:60ml/min，在150w功率下，刻蚀掉bcb保护层10使台面的顶层材料裸露出来。

(66)使用电子束蒸发台，在80℃下蒸镀一层ti/pt/au金属膜，用剥离方式制作出p型电极9，如图3所示。

(77)将台面的背面减薄后，生长一层sinx作为增透膜11，光刻制作出n电极图形，用氢氟酸腐蚀掉增透膜，清洗干净后。蒸镀一层cr/au，通过光刻制作出n电极，完成工艺制作，如图4所示。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。