Способ изготовления планарного р-n перехода на основе высокоомного кремния р-типа проводимости

Способ изготовления планарного р-n перехода на основе высокоомного кремния р-типа проводимости

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, в частности к способам создания планарных p-n переходов на основе высокоомного (удельное сопротивление выше 6-7 Ом·см) кремния p-типа проводимости и их защиты с применением ионной имплантации.

Известен способ изготовления планарного p-n перехода на основе высокоомного кремния p-типа проводимости, в котором формирование p-n перехода проводилось ионной имплантацией фосфора с последующими отжигом при ступенчатом повышении температуры от 300 до 800°С и защитой поверхности путем имплантации ионов N⁺ в периферийную область p-n перехода, включая планарную границу, в двухступенчатом режиме, обеспечивающем создание на некотором расстоянии от поверхности высокоомной области n-типа проводимости и поверхностной пленки Si₃N₄ (см. В.П.Астахов и др. «Свойства pin-диодов, изготовленных внедрением ионов с изменяющейся энергией», Электронная техника, серия 7 ТОПО, вып.1 (110), 1982, с.52-54). Однако защитные свойства такой композиции ограничены низкими диэлектрическими свойствами пленки, из-за чего p-n переходы имеют повышенный уровень темнового тока.

Известен наиболее близкий к предлагаемому способ изготовления планарного p-n перехода на основе высокоомного кремния p-типа проводимости, в котором формирование n⁺-областей p-n перехода и охранного кольца производится имплантацией ионов фосфора с последующими отжигом, а защита поверхности осуществляется имплантацией периферии p-n перехода ионами Ar⁺ или N₂ ⁺ с энергией 100 кэВ и дозой 6-10¹⁶ см^-2 во всю поверхностную область p-типа с захватом бласти n⁺-типа на ˜0,2 мм (см. В.П.Астахов и др. «О возможности применения ионной имплантации при производстве pin-фотодиодов на кремнии», Прикладная физика, 6, 1999, с.26-31). Однако такой способ также не обеспечивает минимальные токи утечки по периферии p-n перехода и его стабилизацию.

Задачей, решаемой при использовании предлагаемого способа, является улучшение параметров приборов на основе высокоомного p-кремния. Техническим результатом при этом является уменьшение обратного тока при рабочем напряжении прибора.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления планарного p-n перехода на подложке высокоомного кремния p-типа проводимости, включающем формирование планарной n-области и защиту поверхности имплантацией ионов азота по периферии n⁺-p перехода, перед имплантацией ионов азота на поверхности p-типа непосредственно вокруг границы n⁺-p перехода легированием бором с дозой (0,8-1)·10¹³ см^-2 формируют поверхностную область p⁺-типа проводимости шириной не менее

,

d - ширина поверхностной области p⁺-типа проводимости;

ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость кремния;

V -рабочее напряжение n⁺-p перехода;

е - заряд электрона;

Р - концентрация дырок в p-кремнии.

В частных случаях выполнения создание поверхностной области p⁺-типа проводят имплантацией ионов В⁺ с энергией 40-60 кэВ с последующим отжигом при температуре 900-1000°С в течение не менее 1 часа, а имплантацию ионов азота осуществляют ионами N₂ ⁺ с энергией 80-100 кэВ и дозой (1-3)·10¹⁶ см^-2, при этом внешняя граница области имплантации ионов N₂ ⁺ соответствует или находится за внешней границей области p⁺-типа, а внутренняя - находится на поверхности n⁺-области на расстоянии не менее 10 мкм от планарной границы n⁺-p перехода.

Главной трудностью при создании p-n переходов на основе p-Si является защита поверхности, поскольку при удельном сопротивлении p-Si выше 6-7 Ом·см и типичных значениях встроенного положительного заряда в защитных пленках Q_ss=(1-10)·10¹¹ см^-2 на поверхности кремния всегда присутствует инверсионный канал, сопротивление которого шунтирует p-n переход, причем сопротивление канала резко уменьшается при увеличении удельного сопротивления p-Si.

При имплантации периферии p-n перехода, в основном поверхности p-области, ионами азота (N⁺ или N₂ ⁺) с энергией 20-100 кэВ и высокими дозами, соответствующими началу формирования пленки Si₃N₄, образуется поверхностный дефектный компенсированный слой, в который слабо проникает поле поверхностного заряда, благодаря чему инверсионный слой значительно утоняется, резко увеличивая сопротивление канала и уменьшая темновой ток. Эффективность такой обработки ионами азота повышается, если предварительно провести легирование поверхности p-области бором до такой степени, чтобы предотвратить формирование канала. Реально это гарантирует доза легирования в 8-10 раз превышающая максимальную величину Q_ss. Такой дозой является доза, составляющая величину (0,8-1)·10¹³ см^-2. Легирование указанной дозой целесообразно производить имплантацией ионов В⁺ с энергией 40-60 кэВ с последующим отжигом при температуре 900-1000°С.

Для достижения максимального эффекта область имплантации ионов В⁺ должна захватывать поверхность p-области от самой границы n⁺-p перехода до планарной границы области пространственного заряда n⁺-p перехода при рабочем напряжении, расстояние до которой определяется формулой (1).

Технический результат достигается за счет того, что легирование приповерхностной области бором в выбранных режимах приводит к исключению инверсионных поверхностных каналов на p-области, а при последующей имплантации ионов азота происходит компенсация материала приповерхностной области кристалла до удельного сопротивления собственного кремния, что и минимизирует или исключает поверхностные утечки. При этом область имплантации ионов азота должна включать в себя всю (допустимо и с некоторым запасом) поверхностную p⁺-область с небольшим (˜10 мкм) захватом n⁺-области для того, чтобы гарантировать отсутствие на поверхности p-области вблизи планарной границы n⁺-p перехода даже небольших необработанных участков. Наличие таких участков и увеличение их площади приводит к увеличению тока утечки.

В соответствии с предложенным формирование поверхностной p⁺-области является эффективным средством ликвидации поверхностных каналов, если концентрация акцепторов в ней составляет 5·10¹⁶-10¹⁷ см^-3 при ее толщине не менее 1-1,5 мкм. Такая область создается при легировании бором дозой (0,8-1)·10¹³ см^-2 которое целесообразно производить ионной имплантацией бором с энергией 40-60 кэВ с последующим отжигом в нейтральной атмосфере при температуре 900-1000°С в течение не менее 1 часа. Нижняя граница используемых доз имплантации при выбранных температурах отжига гарантированно обеспечивает компенсацию поверхностного заряда акцепторными центрами. Превышение верхней границы доз имплантации ионов В⁺ снижает эффективность компенсации поверхностного слоя при последующей обработке ионами азота. Отжиг в нейтральной атмосфере, например осушенном азоте, при температуре 900-1000°С в течение не менее 1 часа при заданных энергии ионов В⁺ и дозах обеспечивает полную активацию атомов бора и формирование легированного слоя с указанными выше значениями концентрации акцепторов и толщин слоя.

Применение ионов N₂ ⁺ при последующей имплантации, направленной на создание компенсирующих центров в p⁺-области, а также формирование поверхностной пленки Si₃N₄ обусловлено большей эффективностью дефектообразования в кремнии ионов N₂ ⁺ по сравнению с ионами N⁺ при меньшей глубине проникновения. При этом энергия ионов N₂ ⁺ и доза имплантации по сравнению с прототипом могут быть уменьшены. Технический результат достигается при энергиях 80-100 кэВ и дозах (1-3)·10¹⁶ см^-2. Уменьшение энергии и дозы имплантации ионов N₂ ⁺ ниже указанных значений заметно увеличивает темновые токи из-за снижения эффективности дефектообразования, а увеличение нецелесообразно, поскольку не приводит к уменьшению уровня темновых токов. Величины энергий ионов обеспечиваются устойчивым режимом работы установок ионной имплантации. Внешняя граница области имплантации должна соответствовать или находиться за внешней границей области р⁺-типа, а внутренняя - на поверхности n⁺-области на расстоянии не менее 10 мкм от планарной границы n⁺-p перехода для обеспечения гарантии ее обработки ионами N₂ ⁺.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором последовательно изображены структуры областей в подложке после каждой операции способа изготовления планарного p-n перехода: а) подложка высокоомного кремния p-типа проводимости со сформированной в ней n⁺-областью; б) структура после операции легирования бором (формирования p⁺-области); в) структура после операции имплантации азота (формирования поверхностной компенсированной области).

Согласно предложенному способу были изготовлены 3 партии образцов на подложках кремния p-типа проводимости со следующими значениями концентрации дырок в p-кремнии (Р) 2·10¹² см^-3, 8·10¹² см^-3, 1,5·10¹³ см^-3 для работы при напряжении n⁺-p перехода (V) 200 В. Данные по изготовлению приведены в таблицах 1, 2, 3 соответственно.

Таким образом, как следует из данных таблиц 1-3, выполнение условий предлагаемого способа обеспечивает минимальный уровень темнового тока p-n переходов на основе высокоомного кремния p-типа проводимости.

1. Способ изготовления планарного p-n перехода на подложке высокоомного кремния p-типа проводимости, включающий формирование планарной n⁺-области и защиту поверхности периферии n⁺-p перехода имплантацией ионов азота, отличающийся тем, что перед имплантацией ионов азота на поверхности p-типа непосредственно вокруг границы n-p перехода легированием бором с дозой (0,8-1)·10¹³ см² формируют поверхностную область p⁺-типа проводимости шириной не менее

где d - ширина поверхностной области p⁺-типа проводимости;

ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость кремния;

V - рабочее напряжение n⁺-p перехода;

е - заряд электрона;

Р - концентрация дырок в p-кремнии.

2. Способ изготовления планарного p-n перехода на основе высокоомного кремния p-типа проводимости по п.1, отличающийся тем, что легирование бором проводят имплантацией ионов B⁺ с энергией 40-60 кэВ с последующим отжигом при температуре 900-1000 С в течение не менее 1 ч.

3. Способ изготовления планарного p-n перехода на основе высокоомного кремния p-типа проводимости по п.1 или 2, отличающийся тем, что имплантацию ионов азота осуществляют ионами N₂ ⁺ с энергией 80-100 кэВ и дозой (1-3)·10¹⁶ см^-2, причем внешняя граница области имплантации соответствует или находится за внешней границей области p⁺-типа, а внутренняя - находится на поверхности n⁺-области на расстоянии не менее 10 мкм от планарной границы n⁺-p перехода.