Способ изготовления фотодиодов на кристаллах антимонида индия n-типа проводимости

Способ изготовления фотодиодов на кристаллах антимонида индия n-типа проводимости

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, чувствительных к инфракрасному излучению, в частности одно- и многоэлементных фотодиодов (ФД) на кристаллах антимонида индия (InSb), и может быть использовано при изготовлении линейных и матричных приемников излучения.

Известен способ изготовления фотодиодов на антимониде индия, включающий подготовку поверхности исходной пластины антимонида индия, формирование локального р-n перехода на подложке антимонида индия имплантацией ионов бериллия с последующим отжигом, анодное окисление для формирования защитной диэлектрической пленки, нанесение пассивирующего диэлектрика и формирование контактной системы (см. пат. РФ 1589963, МПК 6 Н01L 31/18, 1996 г.). Однако этот способ не позволяет изготавливать фотодиоды с наивысшей токовой чувствительностью.

Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому способ изготовления фотодиодов на антимониде индия, включающий формирование р-n перехода на подложке антимонида индия имплантацией ионов бериллия с энергией ионов 20-100 кэВ и дозой 5·10¹¹-6·10¹⁴ см^-2 с импульсным постимплантационным отжигом излучением галогенных ламп, анодное окисление, нанесение пленки SiO_x термическим распылением и металлизацию, причем в качестве исходных используют кристаллы с концентрацией легирующей примеси 10¹³-10¹⁶ см^-3 (см. пат. РФ 2056671, МПК 6 Н01L 21/265, 1996 г.). Однако этот способ также не позволяет изготавливать фотодиоды с наивысшей токовой чувствительностью.

Техническим результатом при использовании предлагаемого способа является увеличение токовой чувствительности фотодиодов на InSb.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления фотодиодов на кристаллах антимонида индия n-типа проводимости, включающем подготовку пластины исходного кристалла антимонида индия, формирование р-n перехода имплантацией ионов бериллия с постимплантационным отжигом, нанесение защитной и пассивирующей диэлектрических пленок и формирование контактной системы, согласно изобретению используют пластины исходного кристалла антимонида индия с концентрацией примеси 6·10¹³-2·10¹⁴ см^-3, имплантацию ионов бериллия производят при энергии 20-40 кэВ и дозе имплантации (0,8-1,2)·10¹⁴ см^-2, постимплантационный отжиг производят стационарно при температуре 350-375°С в течение 20-30 минут с поверхностной капсулирующей пленкой SiO₂.

Диапазоны заявленных концентраций легирующей примеси в исходном материале и режимы имплантации ионов бериллия находятся внутри диапазонов, известных из прототипа значений, однако только в указанном более узком диапазоне значений обеспечивается достижение технического результата, на который ранее не была установлена известность влияния отличительных признаков, поэтому заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень» (п.19.5.3.(2) «Правил составления, подачи и рассмотрения заявки на выдачу патента на изобретение»).

Технический результат (повышение токовой чувствительности) достигается только при сочетании всех перечисленных условий и диапазонов значений параметров, которые определяются следующими физическими особенностями. ФД на InSb чувствительны к излучению 3-5 мкм, которое поглощается на глубине соответственно 20-50 мкм. Повышение токовой чувствительности S_i обусловлено двумя причинами: увеличением значения диффузионной длины дырок (L_p), что позволит диффундировать всем фотоносителям до р-n перехода, расположенного у поверхности на глубине ˜1 мкм, и улучшением структурных свойств самого р-n перехода, что позволит разделить фотоносители р-n переходом без заметных потерь на рекомбинацию. Для обеспечения наибольшего значения L_p выбираются наиболее совершенные кристаллы и такие режимы имплантации и отжига, которые обеспечивают наибольшее совершенство р-n перехода и сохранение исходного значения L_p. В свою очередь наиболее совершенными являются наименее легированные кристаллы (наименьший уровень легирования теллуром промышленных кристаллов n-типа составляет 6·10¹³ см^-3) с предельным уровнем концентрации 2·10¹⁴ см^-3, превышение которого ухудшает структурные свойства кристалла и уменьшает L_p.

К повышению структурного совершенства р-n переходов на основе InSb, в том числе легированных бериллием, приводит снижение энергии ионов и дозы имплантации, а также использование наиболее совершенных исходных кристаллов. Сохранение свойств исходного кристалла обеспечивается снижением температуры отжига и созданием условий, не допускающих деструкции кристалла за счет испарения летучего компонента - Sb, которому препятствует капсулирующая пленка. Исходя из изложенного выбранный диапазон энергий ионов Ве⁺ (20-40 кэВ) снизу ограничен малой глубиной залегания р⁺-n перехода (менее 0,2 мкм), следствием чего является высокое значение слоевого сопротивления, ограничивающего размер площади собирания носителей р⁺-n переходом, а сверху ограничен началом такого структурного разупорядочения, которое слабо восстанавливается при отжиге. Диапазон доз (0,8-1,2)·10¹⁴ см^-2 снизу ограничен также высоким сопротивлением р⁺-слоя из-за низкой степени легирования, а сверху - слабо восстанавливаемым структурным разупорядочением кристалла.

Отжигом, обеспечивающим наибольшие значения S_i, является стационарный отжиг при температуре в диапазоне 350-375°С в течение 20-30 минут с капсулирующей пленкой SiO₂ на поверхности кристалла. При этом нижняя граница диапазона температур отжига определяется началом ослабления эффекта отжига дефектов, а верхняя граница - началом деструкции поверхности, вызванной отличием значений коэффициента термического расширения (КТР) пленки SiO₂ и InSb. В то же время пленка SiO₂ является в наибольшей мере отвечающей требованиям соответствия КТР и возможностям технологического применения.

Для определения оптимальных значений режимов операций был проведен ряд экспериментов, в процессе которых были изготовлены 64-элементные линейки ФД с размером элемента фоточувствительной площадки 150×150 мкм². В качестве исходного материала выбирались пластины InSb, начиная с наименьшего промышленно выпускаемого уровня легирования 6·10¹³ см^-3 и выше, которые проходили подготовку (очистку, промывку и др.) перед имплантацией ионами Be⁺для формирования р-n перехода. После имплантации на поверхность пластины наносилась капсулирующая пленка SiO₂ методом низкотемпературного разложения моносилана, после чего поводились термический отжиг, стравливание капсулирующей пленки, формирование защитной диэлектрической пленки анодным окислением, нанесение пассивирующей пленки SiO_x и формирование контактной системы. Изготовленные ФД были смонтированы в фотоприемные устройства, в которых измерялись напряжения сигнала при известной мощности потока излучения. Источником излучения, использованным для измерений, являлось абсолютно черное тело с температурой рабочей полости 373 К. Частота модуляции излучения при измерении выходного сигнала составила 800 Гц, полоса пропускания измерительного тракта - 190 Гц, апертурный угол ФПУ ≥ 60°. На основании данных этих измерений рассчитывалось значение токовой чувствительности в соответствии с ГОСТ 17772-79 (Приемники излучения и устройства приемные полупроводниковые электрические. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик. Государственный стандарт СССР, 1979). Режимы операций и полученные результаты приведены в таблице.

Таблица
№	Концентрация примеси в исходном кристалле, см-3	Энергия ионов бериллия при имплантации, кэВ	Доза ионов бериллия при имплантации, см-2	Температура отжига, °С	Время отжига, мин	Токовая чувствительность, А/Вт
1	2	3	4	5	6	7
С выходом за пределы заявленных диапазонов значений параметров
1	3·1014	20	0,8·1014	350	20	0,260
2	3·1014	30	1,2·1014	375	25	0,254
3	4·1014	40	1014	360	30	0,250
4	4·1014	35	1014	355	25	0,225
5	6·1013	18	0,8·1014	350	20	0,232
6	8·1013	45	1014	360	30	0,205
7	1014	18	1,2·1014	365	20	0,251
8	2·1014	45	1014	375	30	0,214
9	6·1013	20	0,7·1014	355	20	0,220
10	8·1013	25	0,6·1014	365	30	0,239
11	1014	30	1,4·1014	370	20	0,215
12	2·1014	40	1,5·1014	375	30	0,210
13	6·1013	20	0,8·1014	340	25	0,255
14	8·1013	30	1014	345	25	0,180
15	1014	35	1014	380	20	0,220
16	2·1014	40	1,2·1014	385	30	0,216
17	6·1013	25	0,8·1014	350	18	0,243
18	8·1013	30	1,2·1014	360	19	0,212
19	1014	30	1014	370	31	0,260
20	1014	35	1014	370	32	0,265
В соответствии с заявленными значениями параметров
21	6·1013	20	0,8·1014	350	20	0,289
22	6·1013	40	0,8·1014	355	20	0,295
23	1014	40	0,8-Ю14	360	25	0,285

1	2	3	4	5	6	7
24	1014	30	1014	365	25	0,299
25	8·1013	30	1014	370	25	0,300
26	8·1013	20	1014	375	30	0,295
27	2·1014	20	1,2·1014	370	30	0,290
28	2·1014	40	1,2·1014	360	30	0,305

Из данных таблицы видно, что изготовление фотодиодов на основе InSb предложенным способом в заявленном диапазоне значений режимов операций обеспечивает повышение токовой чувствительности получаемых фотодиодов на ˜10% и более.

Способ изготовления фотодиодов на кристаллах антимонида индия n-типа проводимости, включающий подготовку пластины исходного кристалла антимонида индия с концентрацией примеси 6·10¹³-2·10¹⁴ см^-3, имплантацию ионов бериллия (Ве⁺) с энергией 20-40 кэВ при дозе 0,8·10¹⁴-1,2·10¹⁴ см^-2, нанесение капсулирующей диэлектрической пленки SiO₂, постимплантационный термический отжиг при температуре 350-375°С в течение 20-30 мин, удаление капсулирующей пленки, нанесение защитной и пассивирующей диэлектрических пленок и формирование контактной системы.