基于GaSb材料，包括InAs、GaSb、AlSb等材料可以靈活地設計成各種新型材料和器件，尤其是InAs/GaSb超晶格具有獨特的II型能帶結構，可以在器件結構中很方便地加入勢壘層，提高器件工作溫度和減小暗電流，在制作高性能紅外探測器方面具有很大的潛力。對于II類超晶格紅外探測器，在器件制備過程中臺面側壁角度和表面粗糙度對器件的表面漏電流和噪聲等有較大的影響，嚴重制約著器件的性能。隨著InAs/GaSb II類超晶格紅外焦平面陣列規模的增大，光敏元的尺寸和間距越來越小，所要求的線寬越來越小，精細度越來越高，對臺面側壁角度和表面粗糙度提出了更高的要求。然而，傳統的光刻膠掩膜已經無法滿足工藝要求，取而代之的是二氧化硅（SiO2）等掩膜材料，相對于光刻膠掩膜層，復合掩膜層與超晶格材料具有較高的選擇比，采用復合掩膜層能夠獲得更好的臺面角度以及更光滑的側壁形貌。同時，對干法刻蝕工藝提出了更高的要求，良好的干法刻蝕工藝可以降低臺面的側向及底部鉆蝕，從而提高陣列芯片上的占空比和器件的量子效率，降低光敏元間的串擾。

據麥姆斯咨詢報道，近期，昆明物理研究所的研究人員在《紅外技術》期刊上發表了題為“InAs/GaSb?II類超晶格長波焦平面陣列臺面ICP刻蝕技術研究”的最新論文。第一作者為王海澎工程師，主要從事紅外探測器芯片技術研究。通信作者為孔金丞研究員級高級工程師，主要從事紅外探測器材料及器件技術方面研究。

本文采用SiO2/SiN作為掩膜對InAs/GaSb II類超晶格紅外材料進行感應耦合等離子體（ICP）刻蝕條件研究，得到InAs/GaSb II類超晶格較好的刻蝕條件以提升紅外探測器性能。采用SiO2/SiN復合掩膜，利用ICP刻蝕設備在不同工藝條件下刻蝕臺面，并對ICP刻蝕臺面出現的不同形貌特征進行了分析研究，通過調節ICP刻蝕工藝參數，獲得了表面光滑的臺面，刻蝕臺面角度大于80°，刻蝕選擇比大于8.5:1。同時對比不同臺面刻蝕條件制備的長波640×512焦平面器件測試結果，側壁平整光滑的焦平面器件暗電流密度降低1個數量級，達到10??A/cm2，焦平面器件綜合性能有較大提高。

長波640×512 紅外焦平面器件制備

通過分子束外延（molecular beam epitaxy）生長得到InAs/GaSb II類超晶格材料，材料結構為PπMN結構。在此材料襯底上首先通過ICP-chemical vapor deposition（ICP-CVD）依次制備一定厚度的SiO2/SiN復合掩膜層，如圖1（a）、（b）、（c）所示。隨后在復合膜層上通過光刻工藝獲得臺面隔離溝槽3 μm，中心距15μm的光刻圖形，如圖1（d）所示；通過反應離子刻蝕（Reactive Ion Etching），使得光刻圖形轉移至復合掩膜層上，即在復合掩膜層上獲得間距3μm，中心距15μm的圖形，如圖1（e）所示；隨即通過ICP以Cl基氣體刻蝕超晶格材料并獲得間距約3μm，深度約為3.1μm的臺面結構，如圖1（f）所示；最后去除剩余SiO2掩膜層，如圖1（g）所示。

圖1 長波640×512紅外焦平面器件制備流程

InAs/GaSb II類超晶格材料的刻蝕設備為Sentech SI500，刻蝕氣體為SiCl4/Ar/H2，實驗分別采用4種ICP刻蝕工藝條件，如表1所示。通過掃描電鏡表征掩膜與超晶格材料選擇比和側壁形貌，原子力顯微鏡表征刻蝕表面粗糙度，焦平面測試系統表征長波640×512紅外焦平面器件暗電流及相關性能參數。

表1 InAs/GaSb II類超晶格材料ICP刻蝕條件

InAs/GaSb II類超晶格材料刻蝕

以CHF3/O2為刻蝕氣體通過RIE設備對二氧化硅及氮化硅掩膜進行刻蝕，結果如圖2所示。基于此制備的掩膜圖形，采用條件1對InAs/GaSbⅡ類超晶格材料刻蝕后的角度大于80°，刻蝕深度為3.15μm，臺面隔離槽頂部寬為3.05μm，底部寬為2.87μm，剩余的SiO2約為3300?，同時側壁及底部較為光滑、無刻蝕產物殘留，如圖3（a）所示，InAs/GaSb刻蝕速率為～3940?/min，掩膜刻蝕速率為～460?/min，超晶格材料與掩膜的選擇比大于8.5:1。同時，利用原子力顯微鏡（AFM）對刻蝕臺面底部進行粗糙度測量，在2μm×2μm面積內其均方根平均粗糙度達到0.193nm，如圖3（b）所示。

圖2 RIE刻蝕SiO2+SiN掩膜SEM圖

圖3 ICP刻蝕條件1樣品SEM及刻蝕區域AFM圖

以上結果表明采用復合掩膜刻蝕能夠獲得理想的臺面陣列，但在臺面頂部出現倒角，即側向鉆蝕，如圖3（a）黑框所示。采用刻蝕條件2制備臺面，對比條件1將SiO2掩膜厚度由6000?增加到8000?，臺面刻蝕結果如圖4（a）所示，掩膜厚度增加后，臺面頂部側向鉆蝕有所緩解。

采用ICP刻蝕條件3制備臺面，對比條件2，將Ar氣流量減小5sccm，臺面頂部側向鉆蝕現象完全消失，如圖4（b）黑框內所示。

圖4 ICP刻蝕條件2和條件3樣品SEM圖

加SiN/SiO2掩膜厚度和降低Ar氣流量，雖然解決了頂部側向鉆蝕問題，但在臺面底部出現了鉆蝕。為了解決底部鉆蝕，將RF功率增加到150W，即ICP刻蝕條件4，結果如圖5（a）所示，臺面底部鉆蝕現象消失。分析其主要原因為在射頻源等離子體中，偏壓是由附著在襯底上的電子產生，但由于SiO2薄膜的絕緣性，電子聚集在SiO2膜層上，尤其是在SiO2膜層角落，使得膜層表面帶負電，從而影響Ar?離子的運動軌跡，導致底部鉆蝕的形成，如圖5（b）所示。因此，在增加RF 功率后，提高Ar?離子的動能以保證Ar?離子刻蝕方向性，降低膜層表面電荷對Ar?離子的運動軌跡的影響。在該條件下，臺面側壁陡直且光滑，刻蝕角度約為88°，選擇比大于8.5:1。同時，采用刻蝕條件4制備的臺面底部在2μm×2μm面積內其均方根平均粗糙度約為0.2nm，如圖5（c）所示，說明ICP刻蝕條件1和4對平面刻蝕效果基本一致。

圖5?采用ICP刻蝕條件4制備樣品相關結果

長波640×512 焦平面器件測試結果

采用ICP刻蝕條件1和條件4制備長波640×512焦平面器件，77K下器件光譜測試結果表明50%截止波長為9.26μm，如圖6（a）所示。77K下暗電流對比結果如圖6（b）所示，在臺面刻蝕工藝改善后，即采用條件4制備的長波640×512焦平面器件暗電流密度降低約1個數量級，達到3×10??A/cm2，反向偏壓曲線平坦區更長，說明側壁形貌以及光滑程度對器件暗電流存在較大影響。

圖6 器件光譜響應及暗電流測試結果

采用ICP刻蝕條件4制備的焦平面器件，其黑體響應非均勻性較低，信噪比高，盲元率低，具有較好的器件性能，如圖7所示，同時該器件獲得了清晰的焦平面成像圖，如圖8所示。

圖7 長波640×512紅外焦平面信號響應圖

圖8 長波640×512紅外焦平面成像圖

結論

利用一定厚度的SiO2/SiN復合掩膜層以及優化后的ICP干法刻蝕工藝，獲得了光滑的刻蝕表面以及接近垂直的臺面角度，臺面刻蝕角度大于80°，InAs/GaSb超晶格材料與掩膜刻蝕選擇比大于8.5:1。同時由分析結果可知，SiO2/SiN復合掩膜層的厚度以及Ar氣流量的大小對臺面頂部的側向鉆蝕程度有一定影響，而下電極射頻功率（RF）會影響到臺面底部的鉆蝕程度通過增加掩膜層厚度、減小Ar氣流量可有效減緩側向鉆蝕程度，而減小下電極射頻功率可有效減緩底部的鉆蝕程度。同時對比長波640×512焦平面器件測試結果發現，采用ICP刻蝕條件4制備的器件暗電流密度較小，約3×10??A/cm2，響應非均勻性、信噪比以及有效像元率等相關指標均有所提高。

審核編輯：湯梓紅

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