CN111384212A - 一种背照式bib红外探测器硅外延片的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种背照式BIB红外探测器用硅外延片的制造方法，选择N型<100>掺PH抛光片，电阻率＞10000Ω.cm，不背封衬底，减少衬底自掺杂影响。通过HCL原位高温抛光，以去除表面杂质和缺陷，改善衬底表面质量。通过大流量高温吹除工艺，减少炉腔内自掺杂影响。使用两步三层外延法，背电极层、低阻吸收层同步生长，本征阻挡层分步生长，两步之间大流量H2降温吹除；本征层外延装片前大流量气腐腔体，外延时低速低温生长。本发明通过特殊工艺，在高阻衬底上，制备出了薄层低浓度的背电极层，通过控制自掺杂使得过渡区较为陡直，且本征阻挡层有较宽平区，满足BIB器件设计的要求。

Description

一种背照式BIB红外探测器硅外延片的制造方法

技术领域

本发明属于半导体基础材料硅外延片领域，具体而言，是关于一种背照式BIB远红外探测器硅外延片的制造方法。

背景技术

阻挡杂质带红外探测器(BIB)在天文光子和成像探测领域都有重要应用，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，是红外天文应用中探测波长大于5μm的首选探测器。BIB红外探测器利用电子吸收光子从杂质带跃迁到导带实现探测的，由于杂质电离能较小，因此能对远红外和太赫兹波段低能光子响应。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，阻挡杂质带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1～2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BIB探测器中吸收层的高掺杂，杂质能级宽化形成杂质带及禁带宽度变窄，进一步减小了杂质电离能，因此BIB探测器可实现更长波长的红外线探测。

BIB探测器根据主材料和掺杂杂质的不同，可获得不同的光频响应。考虑到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，对后期读出电路集成兼容有利，且具备更好的均匀性、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。

传统的BIB材料生长中，简并掺杂的背电极层通过离子注入实现，然而高能量大剂量的离子注入会损伤晶格衬底，引入大量的缺陷，导致器件局部击穿漏电效益，从而造成暗电流。暗电流会给器件带来噪声，从而降低器件的信噪比。同时，新型的BIB红外探测器为了保证探测的精准度，要求吸收层和本征层过渡区尽量窄，本征电阻率尽可能高，吸收层和本征层中掺杂浓度控制精确。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种背照式BIB红外探测器硅外延片的制造方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种背照式BIB红外探测器硅外延片的制造方法，包括以下步骤：

(1)、选择N型<100>掺PH抛光片，电阻率＞10000Ω.cm，不背封衬底，尺寸为直径10cm、局部平整度≤3μm；

(2)、利用HCL对桶式外延炉进行刻蚀；

(3)、第一步外延，为背电极层和N型低阻吸收层生长：第一层，采用三氯氢硅为原料，生长温度1030℃～1060℃，生长速率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，在衬底片上制备出第一层背电极层；第二层，采用三氯氢硅为原料，生长温度1040℃～1070℃，生长速率0.8～1.2μm/min，不通稀释，通入磷烷掺杂流量为20～50sccm/min，相应外延掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁸cm-3，制备出第二层外延层为低阻吸收层；低阻吸收层制备完成后降温到室温，同时通入H2吹扫，在低阻吸收层表面形成低于低阻吸收层浓度的缓冲层；

(4)、第二步外延：生长本征阻挡层前，先气腐腔体；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自掺杂，两段中间加5～15min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.本征层制备完成后缓缓降温到室温，同时通入H2吹扫。

相对于现有技术，本发明可具有以下有益效果：

有益效果：

1.本发明使用N型<100>掺PH抛光片，电阻率＞10000Ω.cm，不背封衬底，进一步减少了衬底自掺杂对于外延过渡区的影响。同时，利用高阻衬底制备的背照式BIB用硅外延片，背电极层、吸收层和阻挡层均采用外延生长。较传统的BIB器件制备过程，可减少缺陷引入，提升外延质量。

2.通过HCL原位高温抛光，进一步提升衬底表面质量。通过高温下大流量H2吹扫，纯度分步生长，降低腔体自掺杂对于N型外延层的影响。使吸收层和本征层过渡区尽量窄，本征电阻率尽可能高。

3、本发明第一步外延将背电极层和N型低阻吸收层同步生长，通过设定合适的硅源流量、生长温度、稀释流量、掺杂流量，在一步外延中制备出了满足器件参数要求的双层外延结构。(BIB器件的性能很大程度上取决于吸收层和本征层中掺杂浓度的控制)

附图说明

图1为采用本发明生长的硅外延层纵向电阻率典型分布图。

图2为背照式BIB器件的结构示意图

图3为本发明制造硅外延片时，衬底与外延层的纵向结构图。

图4为本发明制造方法的流程图。

具体实施方式

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，降低腔体自掺杂影响。

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2及图3所示，该新型远红外探测器用硅外延片的制造方法和步骤包括：

A、为满足器件设计的要求，选择衬底片尺寸为直径10cm、局部平整度≤3μm的N型<100>掺PH抛光片，且电阻率＞10000Ω.cm，不背封衬底。降低自掺杂对后续生长高阻本征层的影响。

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。气腐条件的选择：气腐温度1130℃～1180℃，氢气流量240～320slm，气腐流量2～5slm，气腐时间5～10mins。抛光结束后高温(1100℃～1180℃)大流量H2(320slm～400slm)吹扫3-6mins，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益。

使用两步三层外延法，背电极层、低阻吸收层同步生长，本征层分步生长，即，

第一步外延，为背电极层和N型低阻吸收层生长：第一层，采用三氯氢硅为原料，生长温度1030℃～1060℃，生长速率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，在衬底片上制备出第一层背电极层，厚度较薄；第二层，采用三氯氢硅为原料，生长温度1040℃～1070℃，生长速率0.8～1.2μm/min，不通稀释，通入磷烷掺杂流量为20～50sccm/min，相应外延掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁸cm-3，制备出第二层外延层为低阻吸收层。低阻吸收层制备完成后缓缓降温到室温，同时通入H2吹扫，在低阻吸收层表面形成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自掺杂，两段中间加5～15min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.本征层制备完成后缓缓降温到室温，同时通入H2吹扫。

基于以上的制造方法，选取三个具体实施例进行进一步对本技术方案进行说明。

实施例1：选择N型<100>掺PH抛光片，电阻率＞10000Ω.cm，不背封衬底，尺寸为直径10cm、局部平整度≤3μm。外延时，生长温度1030℃，生长速率0.7μm/min，气腐温度1130℃，氢气流量240slm,气腐流量2slm，气腐时间5mins，烘焙温度设定为1100℃，烘焙时间设定为3mins。外延后，利用高强度汇聚光(照度≥230000LX)检验外延片，表面缺陷密度～0.08/cm²。

实施例2：选择N型<100>掺PH抛光片，电阻率＞10000Ω.cm，不背封衬底，尺寸为直径10cm、局部平整度≤3μm。外延时，生长温度1050℃，生长速率0.9μm/min，气腐温度1150℃，氢气流量280slm,气腐流量3slm，气腐时间8mins，烘焙温度设定为1150℃，烘焙时间设定为5mins。外延后，利用高强度汇聚光(照度≥230000LX)检验外延片，表面缺陷密度～0.06/cm²。

实施例3：选择N型<100>掺PH抛光片，电阻率＞10000Ω.cm，不背封衬底，尺寸为直径10cm、局部平整度≤3μm。外延时，生长温度1060℃，生长速率1.1μm/min，气腐温度1180℃，氢气流量320slm,气腐流量5slm，气腐时间10mins，烘焙温度设定为1180℃，烘焙时间设定为6mins。外延后，利用高强度汇聚光(照度≥230000LX)检验外延片，表面缺陷密度～0.05/cm²。

而为进一步说明上述实施例所带来的有益效果，以下提供一个现有的常规外延工艺所制造的硅外延片用以做比对基础。

对比例：选择已通过高能量、大剂量的离子注入工艺完成背电极制备的衬底，通过外延工艺制备吸收层和阻挡层，从而满足BIB器件的设计需求。外延时，生长温度1060℃，生长速率1.1μm/min，气腐温度1180℃，氢气流量320slm,气腐流量5slm，气腐时间10mins，烘焙温度设定为1180℃，烘焙时间设定为6mins。外延后，利用高强度汇聚光(照度≥230000LX)检验外延片，表面缺陷密度～0.2/cm²。

通过常规工艺对比例与本方案三个实施例相比可知，本发明提供的三种实施例的制造方法获得的硅外延片表面缺陷分别可达到密度～0.08/cm²、～0.06/cm²、～0.05/cm²。远远低于现有技术对比例昨早的硅外延片表面缺陷密度数据，通过该对比证实本发明中提供的技术方案能够获得有效提高硅外延片质量的有益效果。

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。

Claims (5)

1.一种背照式BIB红外探测器硅外延片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、选择N型<100>掺PH抛光片，电阻率＞10000Ω.cm，不背封衬底，尺寸为直径10cm、局部平整度≤3μm

(2)、利用HCL对桶式外延炉进行刻蚀；

(3)、第一步外延，为背电极层和N型低阻吸收层生长：第一层，采用三氯氢硅为原料，生长温度1030℃～1060℃，生长速率0.7～1.1μm/min，不通稀释，通入磷烷掺杂流量为85～95sccm/min，相应外延掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁸cm-3，在衬底片上制备出第一层背电极层；第二层，采用三氯氢硅为原料，生长温度1040℃～1070℃，生长速率0.8～1.2μm/min，不通稀释，通入磷烷掺杂流量为60～70sccm/min，相应外延掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁸cm-3，制备出第二层外延层为低阻吸收层；低阻吸收层制备完成后降温到室温，同时通入H2吹扫，在低阻吸收层表面形成低于低阻吸收层浓度的缓冲层；

(4)、第二步外延：生长本征阻挡层前，先气腐腔体；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，通过高阻层抑制自掺杂，两段中间加5～15min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.本征层制备完成后缓缓降温到室温，同时通入H2吹扫。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(4)中，气腐腔体时，气腐条件的选择为：通过HCL原位高温抛光，气腐温度1130℃～1180℃，氢气流量240～320slm，气腐流量2～5slm，气腐时间5～10mins。

3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，步骤(1)中，利用HCL对桶式外延炉进行刻蚀时，温度设定为1100℃～1190℃，HCL气体纯度≥99.99％，HCL气体的流量设定为10-40slm，刻蚀时间设定为6～10mins。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤(2)中，高温烘焙时，氢气气体的流量设定为320slm～400slm，氢气气体纯度≥99.9999％，烘焙温度设定为1100℃～1180℃，烘焙时间设定为3～6mins。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，桶式外延炉的基座为高纯石墨基座，作为高频感应加热体。

Images