一種用於銻化銦熱擴散工藝的掩膜製備方法
2023-11-10 17:36:02
一種用於銻化銦熱擴散工藝的掩膜製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於銻化銦熱擴散工藝的掩膜製備方法，步驟一、將處理好的銻化銦襯底放入PECVD設備中進行掩膜澱積，得到氧化矽/氮氧化矽掩膜；步驟二、對澱積的掩膜進行掩膜圖形光刻；步驟三、將光刻掩膜圖形後的晶片放入幹法刻蝕設備進行幹法刻蝕，幹法刻蝕的射頻功率60～200W，反應腔壓強5～20Pa，幹法刻蝕氣體為三氟甲烷或四氟化碳，總氣體流量控制在100～250sccm，幹法刻蝕後的掩膜剩餘厚度為300～800nm；步驟四、將幹法刻蝕後的掩膜進行氧離子處理；步驟五、將處理後的晶片放入根據氫氟酸：氟化銨體積比為1:20～1:30的刻蝕溶液中進行溼化學法刻蝕，再進行熱擴散工藝處理。通過本發明的方法製備出能夠很好適應熱擴散工藝環境的掩膜材料能夠實現基於熱擴散工藝的銻化銦表面局部摻雜。
【專利說明】一種用於銻化銦熱擴散工藝的掩膜製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料【技術領域】，尤其涉及一種用於銻化銦熱擴散工藝的掩膜製備方法。
【背景技術】
[0002]銻化銦是一種重要的中波紅外探測器件材料，經過幾十年的發展，晶片結構已由單元、多元向一維線列和二維面陣焦平面陣列方向發展。目前，對中波高解析度銻化銦紅外焦平面探測器的研究已轉入應用階段，各種規格的銻化銦紅外焦平面探測器已大量裝備於各種軍用及民用系統中。
[0003]目前，銻化銦材料製備紅外焦平面探測器正逐漸向高解析度，小尺寸方向發展，在新的器件結構和更高的工藝可靠性要求下，銻化銦紅外焦平面器件正逐步從臺面結構向平面結構方向發展，這就使得銻化銦材料的局部摻雜成結成為焦平面晶片中的一道關鍵工藝。通常，銻化銦材料上的摻雜採用離子注入和熱擴散這兩種工藝，離子注入工藝中採用經過曝光顯影的光刻膠作為掩膜，實現局部摻雜；而用於熱擴散工藝局部摻雜的掩膜還沒有較為成熟和標準的製備工藝，這使得熱擴散工藝無法實現在銻化銦材料上的局部摻雜。
【發明內容】
[0004]鑑於上述的分析，本發明旨在提供一種用於銻化銦熱擴散工藝的掩膜製備方法，用以解決現有技術中熱擴散工藝無法實現在銻化銦材料上的局部摻雜的問題。
[0005]本發明主要是通過以下技術方案實現的:
[0006]—種用於鋪化銦熱擴散工藝的掩膜製備方法，該方法包括:
[0007]步驟一、將處理好的銻化銦襯底放入PECVD設備中進行掩膜澱積，得到氧化矽/氮氧化矽掩膜；
[0008]步驟二、對澱積的掩膜進行掩膜圖形光刻；
[0009]步驟三、將光刻掩膜圖形後的晶片放入幹法刻蝕設備進行幹法刻蝕，幹法刻蝕的射頻功率60?200W，反應腔壓強5?20Pa，幹法刻蝕氣體為三氟甲烷CHF3或四氟化碳CF4,總氣體流量控制在100?250sccm，幹法刻蝕後的掩膜剩餘厚度為300?800nm ；
[0010]步驟四、將幹法刻蝕後的掩膜進行氧離子處理；
[0011]步驟五、將處理後的晶片放入根據氫氟酸HF:氟化銨NH4F體積比為1:20?1:30的刻蝕溶液中進行溼化學法刻蝕，然後進行熱擴散工藝處理。
[0012]優選地，步驟一之前還包括:
[0013]對準備進行掩膜材料澱積的銻化銦材料進行清洗，並使用紫外臭氧去膠設備在加熱至70?100°C的條件下對銻化銦材料處理I?3小時。
[0014]優選地，掩膜澱積採用的襯底溫度200?350°C，射頻功率10?60W，反應腔壓強30?80Pa，且掩膜澱積時笑氣N2O/矽烷SiH4體積比40:1?60:1，氮氧化矽層澱積時笑氣N2O/氨氣NH3/矽烷SiH4體積比為40:40:1?60:60:1，總反應氣體流量控制在100?250sccm,澱積時間根據PECVD系統澱積的氧化矽和氮氧化矽薄膜的應力及速率進行計算，使得氧化矽層的應力與總厚度的乘積與氮氧化矽層的應力與總厚度的乘積相等。
[0015]優選地，所述氧離子處理採用的反應腔壓強為200?300Pa，氧氣流量為200?400sccm，射頻功率為30?60W，時間為10?30min。
[0016]優選地，溼化學法刻蝕的步驟之後，熱擴散工藝處理之前還包括:
[0017]使用丙酮對將經過二次刻蝕的晶片進行去膠。
[0018]優選地，丙酮去膠的步驟之後，熱擴散工藝處理之前還包括:
[0019]使用紫外臭氧去膠設備在加熱至70?100°C的條件下對晶片處理I?3小時，再將晶片放入濃度低於10%的鹽酸浸泡5?15min,並使用去離子水衝洗超過lOmin。
[0020]本發明提供的一種用於銻化銦熱擴散工藝的掩膜製備方法，通過採用PECVD工藝製備氧化矽/氮氧化矽薄膜和幹法/溼法兩次刻蝕等一系列工藝，可以製備出能夠很好適應熱擴散工藝環境的掩膜材料，實現基於熱擴散工藝的銻化銦表面局部摻雜。
[0021]本發明的其他特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明實施例的銻化銦襯底上的氧化矽/氮氧化矽複合掩膜的結構示意圖；
[0023]圖2為本發明實施例的掩膜上設置光刻膠後的效果示意圖；
[0024]圖3為本發明實施例的幹法刻蝕後的效果示意圖；
[0025]圖4為本發明實施例的溼法刻蝕後的效果示意圖；
[0026]圖5為基於本發明實施例的方法製備出的紅外焦平面探測器晶片的1-V特性曲線圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖來具體描述本發明的優選實施例，其中，附圖構成本申請一部分，並與本發明的實施例一起用於闡釋本發明的原理。為了清楚和簡化目的，當其可能使本發明的主題模糊不清時，將省略本文所描述的器件中已知功能和結構的詳細具體說明。
[0028]本發明實施例設計了一種用於銻化銦熱擴散工藝的掩膜製備方法，是在對銻化銦材料熱擴散工藝環境特點進行分析的基礎上，採用PECVD工藝在銻化銦襯底表面澱積氧化矽/氮氧化矽薄膜，作為擴散掩膜的材料，可以在熱擴散工藝條件下保持物理和化學穩定，同時可以有效阻擋摻雜離子；採用幹法RIE/溼化學法(溼法)對氧化矽/氮氧化矽薄膜進行兩次刻蝕，避免擴散掩膜在刻蝕過程中的圖形退化和對銻化銦材料的損傷；在工藝流程中加入了氧離子去膠和紫外臭氧去膠工藝對熱擴散掩膜製備進行必要的處理，從而保證和提高熱擴散掩膜的性能和質量。該方法包括:
[0029]步驟一、將處理好的銻化銦襯底放入PECVD設備中進行掩膜澱積，得到氧化矽/氮
氧化矽掩膜；
[0030]該步驟具體包括:[0031]將處理好的銻化銦襯底放入PECVD設備中進行掩膜澱積，掩膜澱積採用的襯底溫度200?350°C，射頻功率10?60W，反應腔壓強30?80Pa，且掩膜澱積時笑氣N2O/矽烷SiH4體積比不低於40:1?60:1，氮氧化矽層澱積時笑氣N2O/氨氣NH3/矽烷SiH4體積比為40:40:1?60:60:1，總反應氣體流量控制在100?250sccm，澱積時間根據PECVD系統澱積的氧化矽和氮氧化矽薄膜的應力及速率進行計算，使得氧化矽層的應力與總厚度的乘積與氮氧化矽層的應力與總厚度的乘積相等，從而得到氧化矽/氮氧化矽掩膜，具體的掩膜效果參見圖1。
[0032]實施步驟一的過程中為了獲得更好的效果，需要去除銻化銦材料上的雜質，具體的，本發明實施例在對準備進行掩膜材料澱積的銻化銦材料進行清洗，並使用紫外臭氧去膠設備在加熱至70?100°C的條件下對銻化銦材料處理I?3小時，從而儘可能的去除銻化銦材料上的雜質，獲得更好的掩膜效果。
[0033]氧化矽/氮氧化矽掩膜的澱積，本發明實施例中採用PECVD工藝進行掩膜材料的澱積，因為PECVD工藝具有低溫，高緻密性的特點，另外更重要的是PECVD工藝澱積的多層複合結構氧化矽和氮氧化矽薄膜具有可以使薄膜與襯底之間的剪切力大幅降低，減小薄膜澱積後薄膜本身和襯底的形變，使掩膜刻蝕後由於應力釋放產生的二次形變變小，提高掩膜在高溫熱擴散中的可靠性。工藝中澱積的氧化矽/氮氧化矽複合薄膜結構，如圖1。這種結構的薄膜每層之間都存在相互束縛的剪切應力，在對膜厚進行一定調整後，根據Stoney公式，可以使得襯底在薄膜澱積後基本不發生形變，襯底與複合薄膜之間的剪切力也可以保持在較低的水平，從而使掩膜在刻蝕後和熱擴散中由於產生新的形變導致掩膜脫落的可能性降低，提高掩膜的可靠性。另外PECVD澱積掩膜時還應遵循一下原則:澱積溫度為200?350°C，這是為了保證澱積的氧化矽/氮氧化矽薄膜具有足夠的緻密性；較低的射頻功率，低於60W，目的是為了儘量降低等離子體對銻化銦材料的損傷；控制氮氧化矽材料的化學組分，保證其良好的電介質特性。
[0034]步驟二、對澱積的掩膜進行掩膜圖形光刻；
[0035]即在掩膜上根據需要設置光刻膠，將需要進行熱擴散工藝處理的位置露出來，具體如圖2所示，圖中掩膜上分布有多處光刻膠。
[0036]步驟三、將光刻掩膜圖形後的晶片放入幹法刻蝕設備進行幹法刻蝕，幹法刻蝕的射頻功率60?200W，反應腔壓強5?20Pa，幹法刻蝕氣體為三氟甲烷CHF3或四氟化碳CF4,總氣體流量控制在100?250sccm，幹法刻蝕後的掩膜剩餘厚度為300?800nm，具體如圖3所示；
[0037]步驟四、將幹法刻蝕後的掩膜進行氧離子處理，具體的氧離子處理採用的反應腔壓強為200?300Pa，氧氣流量為200?400sccm，射頻功率為30?60W，時間為10?30min。
[0038]步驟五、將處理後的晶片放入根據氫氟酸HF:氟化銨NH4F體積比為1:20?1:30的刻蝕溶液中進行溼化學法刻蝕，得到如圖4所示的，然後進行熱擴散工藝處理。
[0039]具體的本發明實施例在進行溼化學法刻蝕的步驟之後，熱擴散工藝處理之前還包括:
[0040]使用丙酮對將經過二次刻蝕的晶片進行去膠，然後再使用紫外臭氧去膠設備在加熱至70?100°C的條件下對晶片處理I?3小時，再將晶片放入濃度低於10%的鹽酸浸泡5?15min，並使用去離子水衝洗超過lOmin，這些操作構成完整且徹底的去膠過程。[0041]本發明實施例的掩膜的刻蝕，是基於RIE幹法刻蝕與溼化學法刻蝕的二次刻蝕工藝，因為單一的RIE工藝在對銻化銦表面及表面附近的材料進行刻蝕時，其等離子體的轟擊作用會使銻化銦的晶體結構產生損傷，產生不可逆的結果；而單一的溼化學刻蝕由於具有各向同性的性質，導致在對較厚的薄膜進行刻蝕時會產生鑽蝕現象，使掩膜圖形退化，從而帶來工藝風險。本發明中，首先利用RIE工藝良好的方向特性，將氧化矽/氮氧化矽掩膜刻蝕至剩餘300?800nm ;再採用氫氟酸(HF)溶液將剩餘的掩膜徹底腐蝕，這樣圖形的橫向鑽蝕較小，且不會發生不規則邊緣形貌，這一過程如圖2-4所示。在這樣的二次刻蝕工藝中，RIE工藝中應採用氟基氣體對掩膜材料進行刻蝕，並在刻蝕工藝過程中將射頻功率保持在30?80W，避免等離子體對銻化銦材料的損傷，同時儘量降低反應腔內的壓強，提高刻蝕生成物的排出效率。溼化學法刻蝕採用的HF溶液應加入緩衝劑，降低溶液的刻蝕速率，提高刻蝕的可控性，並且在溼化學法刻蝕中儘量降低過刻時間，以保證掩膜圖形的完整性。
[0042]另外，為了提高掩膜和其製備流程的可靠性，掩膜澱積和刻蝕工藝中需要增加必要的表面處理工藝。首先，在PECVD工藝前需要對銻化銦襯底進行紫外臭氧處理，目的是去除襯底表面可能存在的光刻膠等殘餘有機物，並提高掩膜的粘附性；然後是需要在RIE刻蝕後對襯底進行低功率的氧離子處理，目的是去除RIE工藝中殘留在刻蝕區的聚合物，提高刻蝕區表面對溼化學刻蝕溶液的浸潤性；在完成對氧化矽/氮氧化矽掩膜的二次刻蝕後，先用丙酮進行去膠，在對襯底進行紫外臭氧處理，徹底去除襯底表面的殘餘光刻膠及刻蝕生成物。
[0043]通過本發明的方法所得的掩膜形貌及性能良好，能夠在高溫熱擴散環境下保持物理和化學穩定性，且有效阻擋摻雜離子的擴散，能夠作為銻化銦材料上使用的熱擴散工藝掩膜。
[0044]圖5為基於本發明實施例的方法製備出的紅外焦平面探測器晶片的1-V特性曲線圖，如圖5所示，樣品有良好的銻化銦PN結1-V特性，開路電壓IOOmV,反偏截止特性良好，O?-1V時沒有發生擊穿現象，且無明顯漏電，同時同一焦平面管芯上不同像元的1-V特性曲線有很好的一致性。
[0045]下面以一個具體的例子對本發明進行詳細的說明:
[0046]步驟一、掩膜材料澱積前的處理:對準備進行掩膜材料澱積的銻化銦材料進行徹底的清洗，並使用紫外臭氧去膠設備在加熱至70?100°C的條件下對銻化銦材料處理I?3小時；
[0047]步驟二、掩膜澱積。將處理好的銻化銦襯底放入PECVD設備中進行以下參數的工藝澱積:襯底溫度200?300°C，射頻功率10?60W，反應腔壓強30?80Pa ;反應氣體比例根據PECVD系統的具體情況，計算在氧化矽層澱積時笑氣(N2O)/矽烷(SiH4)體積比不低於40:1，氮氧化矽層澱積時笑氣(N2O)/氨氣(NH3)/矽烷(SiH4)體積比不低於40:40:1，總反應氣體流量控制在100?250sCCm ;澱積時間根據PECVD系統澱積的氧化矽和氮氧化矽薄膜的應力及速率具體情況進行計算，應使得氧化矽層的應力與總厚度的乘積與氮氧化矽層的應力與總厚度的乘積相等；
[0048]步驟三、對澱積好氧化矽/氮氧化矽掩膜的晶片進行掩膜圖形光刻；
[0049]步驟四、RIE工藝刻蝕:將光刻掩膜圖形後的晶片放入RIE設備進行第一次刻蝕，刻蝕工藝參數為:射頻功率60?200W，反應腔壓強5?20Pa，採用三氟甲烷(CHF3)或四氟化碳(CF4)主要作為刻蝕氣體，總氣體流量控制在100?250sCCm ;刻蝕時間根據掩膜厚度和刻蝕速率進行計算，應使刻蝕後的掩膜剩餘厚度為300?800nm ；
[0050]步驟五、將RIE工藝刻蝕後的晶片進行氧離子處理，反應腔壓強為200?300Pa，氧氣流量為200?400sccm，射頻功率30?60W，時間10?30min ；
[0051]步驟六、溼化學法刻蝕:將處理後的晶片放入根據氫氟酸(HF)氟化銨(NH4F)體積比不低於1:20配比好的刻蝕溶液中，攪拌溶液使刻蝕反應更加均勻，控制刻蝕時間，使刻蝕區的掩膜材料恰好被完全刻蝕。
[0052]步驟七、使用丙酮對將經過二次刻蝕的晶片進行去膠，再使用紫外臭氧去膠設備在加熱至70?100°C的條件下對晶片處理I?3小時，再將晶片放入濃度低於10%的鹽酸浸泡5?15min，並使用去離子水衝洗超過lOmin，處理後的銻化銦晶片即可裝入真空石英管進行熱擴散工藝。
[0053]通過對本發明製得的銻化銦材料紅外探測器晶片的測試結果表明，這種基於PECVD澱積的氧化矽/氮氧化矽薄膜的掩膜可以有效的阻擋熱擴散工藝中的摻雜離子，實現銻化銦材料在熱擴散工藝中的局部摻雜，作為一種平面局部摻雜的技術基礎，為製備高解析度、小間距銻化銦紅外焦平面探測器晶片提供更多更廣的技術途徑。
[0054]本發明提供的一種用於銻化銦熱擴散工藝的掩膜製備方法，通過採用PECVD工藝製備氧化矽/氮氧化矽薄膜和幹法/溼法兩次刻蝕等一系列工藝，可以製備出能夠很好適應熱擴散工藝環境的掩膜材料，實現基於熱擴散工藝的銻化銦表面局部摻雜。
[0055]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
【權利要求】
1.一種用於銻化銦熱擴散工藝的掩膜製備方法，其特徵在於，包括: 步驟一、將處理好的銻化銦襯底放入PECVD設備中進行掩膜澱積，得到氧化矽/氮氧化娃掩膜； 步驟二、對澱積的掩膜進行掩膜圖形光刻； 步驟三、將光刻掩膜圖形後的晶片放入幹法刻蝕設備進行幹法刻蝕，幹法刻蝕的射頻功率60?200W，反應腔壓強5?20Pa，幹法刻蝕氣體為三氟甲烷CHF3或四氟化碳CF4,總氣體流量控制在100?250sccm，幹法刻蝕後的掩膜剩餘厚度為300?800nm ； 步驟四、將幹法刻蝕後的掩膜進行氧離子處理； 步驟五、將處理後的晶片放入根據氫氟酸HF:氟化銨NH4F體積比為1:20?1:30的刻蝕溶液中進行溼化學法刻蝕，然後進行熱擴散工藝處理。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟一之前還包括: 對準備進行掩膜材料澱積的銻化銦材料進行清洗，並使用紫外臭氧去膠設備在加熱至70?100°C的條件下對銻化銦材料處理I?3小時。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，掩膜澱積採用的襯底溫度200?350°C，射頻功率10?60W，反應腔壓強30?80Pa，且掩膜澱積時笑氣N2O/矽烷SiH4體積比40:1?60:1,氮氧化矽層澱積時笑氣N2O/氨氣NH3/矽烷SiH4體積比為40:40:1?60:60:1，總反應氣體流量控制在100?250SCCm，澱積時間根據PECVD系統澱積的氧化矽和氮氧化矽薄膜的應力及速率進行計算，使得氧化矽層的應力與總厚度的乘積與氮氧化矽層的應力與總厚度的乘積相等。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述氧離子處理採用的反應腔壓強為200?300Pa，氧氣流量為200?400sccm，射頻功率為30?60W，時間為10?30min。
5.根據權利要求1-4中任意一項所述的方法，其特徵在於，溼化學法刻蝕的步驟之後，熱擴散工藝處理之前還包括: 使用丙酮對將經過二次刻蝕的晶片進行去膠。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，丙酮去膠的步驟之後，熱擴散工藝處理之前還包括: 使用紫外臭氧去膠設備在加熱至70?100°C的條件下對晶片處理I?3小時，再將晶片放入濃度低於10%的鹽酸浸泡5?15min,並使用去離子水衝洗超過lOmin。
【文檔編號】H01L21/311GK103762163SQ201410005806
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月7日 優先權日:2014年1月7日
【發明者】亢喆, 邱國臣 申請人:中國電子科技集團公司第十一研究所