1 引 言

碲镉汞(MCT,Hg1-xCdxTe)是一种重要的红外探测材料,由于其禁带宽度可调,探测光谱范围由短波波段一直延伸到甚长波波段。目前,制备大面阵、多光谱、高性能的第三代红外探测器已是碲镉汞焦平面器件的主流发展方向。干法刻蚀工艺是碲镉汞焦平面探测器制备的关键工序之一,与传统湿法腐蚀相比,干法刻蚀有良好的选择性、均匀性、各向异性等优点[1]。但是,碲镉汞材料是一种极易损伤的材料,Hg-Te键较弱和CdTe成分的挥发性较差,致使碲镉汞材料的损伤阈值很小,在干法刻蚀过程中,等离子体很容易在碲镉汞刻蚀区域的表面引起等离子体诱导损伤,汞空位p型碲镉汞材料经刻蚀后,会在表面形成n型反型层,甚至器件出现负开启现象[2-3],从而影响器件的光学和电学性能。因此,研究干法刻蚀损伤及其抑制具有重要的意义。

目前,干法刻蚀通常采用ICP刻蚀设备,ICP设备的优点是能够独立控制等离子体密度和下电极的自偏压,因此能在下电极自偏压很低的同时维持高密度的等离子体,保证在很低的轰击损伤下实现较高的刻蚀速率[4]。在抑制和消除损伤的方法上,除了要在刻蚀工艺中抑制损伤的产生,也可利用后处理技术来消除已经产生的损伤。湿法腐蚀和热处理工艺是常用的两种后处理技术,结合后处理技术的刻蚀工艺称为混合型刻蚀技术,本文通过对干法刻蚀工艺及湿法刻蚀工艺损伤状态的研究,提出了一种低损伤混合型刻蚀技术。

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2 实 验

采用液相外延工艺在CdZnTe衬底材料上生长HgCdTe外延层,使用磁控溅射设备在HgCdTe表面生长厚度为CdTe及ZnS复合钝化膜层,经过热处理工艺后,形成载流子浓度为5×1015～1×1016/cm3的p型HgCdTe膜层。

本文采用如图1所示单元器件结构,其中接触孔2采用湿法腐蚀工艺完成,接触孔1采用ICP刻蚀技术或基于A64溶液的湿法腐蚀方法进行p型接触孔刻蚀,接触孔生长CrAuPt复合金属体系实现电极引出,完成碲镉汞单元器件结构样品的制备。利用扫描电子显微镜(SEM)和激光扫描显微镜观察接触孔形貌,使用半导体参数测试仪测试pn结的IV特性,研究p型接触孔的刻蚀损伤。

  

图1 碲镉汞单元器件结构示意图Fig.1 Schematic diagram of HgCdTe device unit structure

样品1、样品2、样品3和样品4制备开口尺寸为6 μm×6 μm的光刻图形,以CH4/H2/Ar为刻蚀气体对样品接触孔1进行ICP干法刻蚀,对比不同刻蚀自偏压下p型接触孔上的刻蚀损伤。

图3可以看出,干法刻蚀后接触孔表面存在凹凸不平,湿法腐蚀的表面光滑平整,干湿混合刻蚀工艺和干法混合刻蚀工艺后处理后的形貌明显优于单步刻蚀工艺后的效果,与湿法处理的形貌相当。图4(a)中进一步反映了p型接触孔经干法刻蚀工艺后出现表面反型,湿法腐蚀从理论上说不会产生表面损伤,因此,干法刻蚀后经湿法处理可以消除表面损伤,图4(d)中经干法混合刻蚀工艺处理后的表面损伤与湿法工艺处理后的效果相当,这说明干法混合刻蚀工艺也可消除表面损伤。同时,考虑到湿法腐蚀工艺存在各向异性差、钻蚀严重、腐蚀深度重复性差和均匀性不好等缺点,干法混合刻蚀工艺在碲镉汞焦平面芯片制备中存在明显的优势。

样品9制备开口尺寸为4 μm×4 μm的光刻图形,对样品接触孔1进行干法混合刻蚀工艺,研究其在小尺寸p型接触孔上的刻蚀损伤。

从表1可以看出,随着下电极射频功率的下降,DC自偏压随之变小,刻蚀速率快速下降。一般来说,DC自偏压越低,离子能量越小,刻蚀产生的诱导损伤越轻。从图2发现,p孔存在结特性,p型接触孔均存在明显的刻蚀损伤,表面已经变为n型,出现pn结特性,随着DC自偏压的降低,未出现明显的好转,这是由于自偏压过高导致干法刻蚀损伤已经远超过HgCdTe的损伤阈值,使得刻蚀后p型材料表面出现反型。

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3 实验结果及讨论

3.1 刻蚀自偏压对碲镉汞刻蚀损伤的影响

样品5、样品6、样品7和样品8分别采用表2中的刻蚀工艺进行80 μm×120 μm接触孔刻蚀。图3为四片样品经不同刻蚀工艺处理后的激光扫描显微镜三维图像。p型接触孔的IV测试曲线如图4所示。

 

表1 刻蚀自偏压及刻蚀时间随RF功率变化情况Tab.1 The situation of self bias voltage and etching time change with RF power

  

RF功率/WDC自偏压/V刻蚀时间/s刻蚀深度/μm样品11001026161.01样品265747110.72样品350519640.9样品4252117100.45

  

(a)102 V

  

(b)74 V

  

(c) 51 V

  

(d)21 V图2 不同刻蚀自偏压下p型接触孔IV测试曲线Fig.2 IV curve characteristic of p-type hole under different self etching bias voltage

样品5、样品6、样品7和样品8制备开口尺寸为80 μm×120 μm的光刻图形,分别对样品接触孔1进行ICP干法刻蚀工艺、湿法刻蚀工艺、干法湿法混合刻蚀工艺以及干法混合刻蚀工艺,对比不同刻蚀工艺在p型接触孔上的刻蚀损伤。

3.2 不同刻蚀工艺在P型接触孔上的刻蚀损伤

选取以下干法刻蚀条件:ICP功率为300 W,反应室工作压力为5 mTorr,基底温度为30 ℃,CH4∶H2∶Ar的流量比为3∶16∶10,RF功率分别取100 W、65 W、50 W和25 W,DC自偏压及刻蚀时间如表1所示,p型接触孔的IV测试曲线如图2所示。

 

表2 四片样品分别采用的p型接触孔刻蚀工艺Tab.2 p-type hole etching process for four samples

  

Step 1Step 2样品5RF65W干法刻蚀样品6A64湿法腐蚀样品7RF65W干法刻蚀A64湿法腐蚀样品8RF65W干法刻蚀零偏压干法刻蚀

  

图3 样品经不同刻蚀工艺处理后的激光扫描显微镜三维图像Fig.3 Three dimensional LSM image of four samples with different etching process

 

 

 

  

图4 样品经不同刻蚀工艺处理后的IV测试曲线Fig.4 IV curve characteristic of four samples with different etching process

妈妈和劳拉、玛丽在篷车里吃着面包和糖蜜，马吃着挂在脖颈上的饲料袋里的谷粒，爸爸则走进那家商店用兽皮交换旅途上需要的东西。他们不能在镇子里待得太久，因为他们必须在当天穿过丕平湖。

3.3 干法混合刻蚀工艺在P型接触孔上的刻蚀损伤

从图5可以看出,样品接触孔经干法混合刻蚀工艺处理后孔底干净,无明显生成物产生,形貌良好。图6显示,经过干法混合刻蚀工艺刻蚀的接触孔,IV曲线呈现出标准的电阻接触特性,这说明表面刻蚀损伤已经基本消除,干法混合刻蚀工艺可以有效解决碲镉汞p型材料刻蚀表面反型的问题。

  

图5 样品经干法混合刻蚀工艺处理后接触孔SEM形貌Fig.5 SEM image of the sample with new dry mixed etching technique

  

图6 样品经干法混合刻蚀工艺处理后的IV测试曲线Fig.6 IV curve characteristic of the sample with new dry mixed etching technique

4 结 论

碲镉汞材料是一种极易损伤的材料,单步干法刻蚀工艺后p型接触孔反型严重,湿法腐蚀工艺虽然不会产生表面损伤,但在小尺寸接触孔上存在各向异性差、钻蚀严重、腐蚀深度重复性差和均匀性不好等问题,本文提出了一种新型的干法混合刻蚀技术,该技术通过两步干法刻蚀工艺实现,有效的降低了刻蚀引入的表面损伤,同时又能实现较好的接触孔形貌,因此,该工艺在碲镉汞焦平面芯片制备中存在明显的优势。

参考文献:

[1] E Laffosse,J Baylet,J P Chamona.Inductively coupled plasma etching of HgCdTe using a CH4 based mixture[J].Journal of Electronic Materials,2005,34(6):740-745.

[2] XING Suxia,CHAI Yi.The Analysis of HgCdTe loophole p-n junction’s abnormal characteristics[J].Infrared Technology,2002,24(6):81-85.(in Chinese)

邢素霞,蔡毅等.碲镉汞环孔p-n结反常特性分析[J].红外技术,2002,24(6):81-85.

[3] Wenting Yin,Wenhong Zhou,JianHuang.Etch induced damage of HgCdTe caused by inductively coupled plasma etching technique[J].Proc.of SPIE,2010,7658(4A):1-5.

[4] LI Zhen,HU Xiaoyan,SHI Chunwei,et al.A study of MCT contact hole etching by ICP process[J].Laser & Infrared,2008,38(12):1211-1214.(in Chinese)

李震,胡小燕,史春伟,等.碲镉汞器件接触孔的ICP刻蚀工艺研究[J].激光与红外,2008,38(12):1211-1214.