离子注入工艺是对高能离子进行分析、聚焦与调节后，以一种特定的扫描模式，将其均匀地注入芯片上。在离子注入的过程中，温度是PN结成型的重要参数，注入温度对增强扩散和晶格缺陷的影响很大。对于碲镉汞的离子注入工艺而言，由于碲镉汞的特殊性，注入区原子的扩散过程不仅仅出现在热处理工艺中。如果注入工艺本身温度较高，那么原子的扩散过程在注入中就会发生。碲镉汞离子注入工艺本身就能直接形成较好的n⁺n⁻p结。因此，注入温度很大程度上影响着注入区的实际尺寸和有效结深。离子注入技术中碲镉汞芯片的温度控制具有重要研究价值。
据麦姆斯咨询报道，近期，华北光电技术研究所的科研团队在《红外》期刊上发表了以“碲镉汞离子注入温度研究”为主题的文章。该文章第一作者为何斌助理工程师，主要从事碲镉汞红外探测器的研究工作。
本文从离子注入工艺的温度控制出发，研究了离子注入工艺中的束流、注入能量、接触面粗糙度等因素对温控的影响，并结合器件的I-V曲线，探究了碲镉汞红外探测器工艺中注入温度的影响。
如图1(a)所示，将温度试纸贴在芯片上，表征离子注入过程中芯片表面的实际温度。采用半导体参数测试仪采集器件的I-V特性曲线。
如图1(b)所示，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表面上生长CdTe及ZnS复合钝化膜层；基于离子注入技术，通过注入高能B离子，在HgCdTe上形成PN结；利用干法刻蚀技术在碲镉汞表面上刻蚀出电极接触孔，并用离子束沉积设备引出电极，完成器件的制备。
图1 (a)离子注入温度测试图；(b)器件结构图
在离子注入过程中，注入能量是指注入离子携带的总能量，束流是指单位时间、单位面积内注入离子的数量。一般来说，注入能量与束流越高，芯片表面的热效应越大。如图2所示，当采用高能离子轰击芯片表面时，虽然芯片与硅片背面有冷却系统，但由于光刻胶的导热性差，巨大的热效应依然会导致芯片表面有一定温升，引起芯片的实际温度与设定温度不一致。
图2 离子注入工艺的模型图
图3所示为采用不同的离子注入参数时，在0℃与20℃冷却温度下，芯片表面温度与注入能量、束流的关系曲线。在图3(a)中，样品背面采用循环水实现0℃控温。当恒定注入能量分别为150 keV、200 keV、250 keV和300keV时，芯片表面温度随着注入束流的增大而升高。在小束流30~60 μA范围内，温度变化整体上较为缓慢；在束流60~120 μA范围内，芯片表面温度与注入束流几乎成正比；当束流大于120 μA时，芯片表面温度开始陡增。
对比图3(a)中注入能量分别为150 keV、200 keV、250 keV和300 keV时的温度-束流曲线，可以发现注入能量增大也会增加芯片表面温度。当束流处于30~60 μA且注入能量从150 keV增至300 keV时，芯片温度升高10℃；当束流处于60~130 μA且注入能量从150 keV增至300 keV时，芯片温度升高5~19℃左右。
在图3(b)中，样品背面采用循环水实现20℃控温，芯片表面温度随注入能量及束流的变化关系与图2(a)极相似。当恒定注入能量为150 keV、200 keV、250 keV、300 keV且束流处于30~60 μA时，温度可控制在一个理想的范围内；若继续增大束流，芯片表面温度与注入束流成正比，并逐渐开始失控。若恒定束流，芯片表面温度也随注入能量的增大而上升；注入能量从150 keV增至300 keV时，芯片温度升高6～14℃左右。
图3 芯片表面温度与注入能量、束流的关系曲线：(a) 0℃控温；(b) 20℃控温
试验结果表明，在离子注入工艺中束流与能量对芯片表面温度的影响较大，过大的束流与能量都会让芯片表面温度失控。在实际工艺参数的选择中，注入能量决定了离子的注入深度，通常不会轻易变动。我们可以选择一个较低的注入束流以及背面冷却温度，以尽量降低芯片表面温度（保证低于光刻胶的耐受温度），从而提高工艺过程的成品率。
接触面粗糙度对芯片温度的影响
如图4所示，实际工艺中存在个别芯片背面较差、承载芯片的硅片在多次注入后稍粗糙等情况。为了探究不同导热接触面对离子注入工艺的影响程度，本文选择背面粗糙度不同的芯片，观察离子注入后的光刻掩膜图案。
图4 芯片与硅片接触面的模型图
如图5所示，对于背面粗糙度不同的芯片A与B，采用相同的工艺参数，试验结束后光刻掩膜的形貌差距较大。结果表明，图5(a)中芯片A背面整体高度较为均匀，背面光滑；图5(b)中，在离子注入后，芯片A表面光刻掩膜正常，并未有光刻胶变形等现象。然而，图5(c)中芯片B背面整体高度相差极大（最大达5 μm），芯片背面呈现较多的小坑，较为粗糙；图5(d)中，在离子注入后，芯片B表面光刻胶严重变形甚至裂开，造成光刻掩膜失效。从传热学上看，在芯片和硅片导热系数不变时，芯片面型差与硅片粗糙将减小传热面，引起芯片温度极度失控。
在离子注入工艺中，需要对芯片和硅片的接触面加以重视。在芯片背面，我们可以采用磨抛工艺来降低粗糙度，并采用表面光滑的硅片承载芯片。一个好的接触表面有利于增大换热面积，降低区域温度升幅，保证光刻掩膜不变形，提高工艺过程的稳定性。
图5 基于相同的工艺参数，试验结束后光刻掩膜的形貌：(a)芯片A的背面；(b)芯片A在离子注入后的光刻掩膜形状；(c)芯片B的背面；(d)芯片B在离子注入后的光刻掩膜形状
离子注入温度对碲镉汞红外探测器的影响
研究器件在很大程度上是研究漏电流与器件加工工艺的关系。为了探究离子注入温度对碲镉汞红外探测器的影响，将同一片碲镉汞材料划开。图6(a)与图6(b)所示分别是注入温度为0℃与85℃时的I-V曲线。
图6 (a)注入温度为0℃时的I-V曲线；(b)注入温度为85℃时的I-V曲线
对比图6(a)与图6(b)的第四象限可知，当反向电压为50 mV时，注入温度为 0℃的碲镉汞光敏元的反向电流为8 nA，注入温度为85℃的碲镉汞光敏元的反向电流为14.9 nA。在I-V曲线的第一象限内，注入温度为0℃的碲镉汞光敏元的开启电压为83.7 mV，注入温度为85℃的碲镉汞光敏元的开启电压为117.5mV对于相同的离子注入剂量及束流等条件，离子注入温度较高的碲镉汞芯片表现出更大的反向电流和开启电压。
根据图6(a)与图6(b)的开启电压与反向电流信息，可以发现注入温度越高，实际的注入区面积越大。一般认为碲镉汞B离子注入依靠损伤成结，其有效结深往往比注入深度延长1~3 μm左右。当B离子注入到碲镉汞芯片时，与内部晶格原子发生连续撞击，造成大量的晶格损伤，表现出Hg-Te键断裂，大量间隙Hg原子形成N型层。当注入温度较高时，我们认为注入区Hg原子的扩散过程在注入中就会发生，大量的间隙Hg原子发生横向扩散，增大了PN结的面积。
对比图6(a)与图6(b)的反向电流与平坦电压信息可知，注入温度较高的PN结的反向漏电更易增加。这很可能是因为注入温度较高，原子晶格处于较高的能量状态，在被注入离子破坏后，容易得到较多的射程端缺陷和离子注入损伤。这些离子注入带来的晶格损伤在后续的退火工艺中无法完全消除，使得少子寿命降低，引入了较大的漏电流。若从光敏元的性能考虑，为了保证注入区的实际面积与设计面积接近，并避免较多的晶格损伤，我们应该尽量选择一个较低的注入温度。
本文研究了离子注入工艺中束流、注入能量、接触面粗糙度等因素对注入温度的影响，并结合器件的I-V曲线，探究了碲镉汞红外探测器工艺中注入温度的影响。实验结果表明，束流、注入能量、冷却温度以及接触面对于控制芯片温度具有重要作用。为了保证注入温度低于光刻胶的耐受温度，提高工艺过程的成品率，我们可以选择较低的注入束流和冷却温度；同时在芯片背面，可以采用磨抛工艺来降低粗糙度，并选用表面光滑的硅片来优化导热面。从光敏元的I-V曲线分析，较低的注入温度有利于减小PN结的暗电流，阻止注入区面积的横向扩散，从而提高碲镉汞红外探测器的整体性能。后续将重点研究注入温度对碲镉汞的热扩散作用，并结合透射电镜和I-V曲线等手段对注入机理作进一步解释。
DOI: 10.3969/j.issn.1672-8785.2023.02.003
