Способ изготовления планарных pin-фотодиодов большой площади на высокоомном p-кремнии

Способ изготовления планарных pin-фотодиодов большой площади на высокоомном p-кремнии

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, в частности, к способам создания планарных pin-фотодиодов большой площади на основе высокоомного (удельное сопротивление 1÷20 кОм·см) кремния p-типа проводимости.

Известен способ изготовления планарных pin-фотодиодов большой площади, в котором кристалл после вырезания из пластины подвергается термическому окислению, затем с применением метода фотолитографии на торцевых поверхностях и обратной стороне кристалла окисел стравливается и в свободные от окисла поверхности проводится диффузия бора для создания p⁺-областей, затем проводится второе термическое окисление кристалла, с применением фотолитографии на рабочей стороне вытравливаются «окна», в которые для формирования рабочей области и окружающего ее охранного кольца (ОК) n⁺-типа проводится диффузия фосфора, затем проводится фотолитография и вскрытие контактных окон, напыление металла и формирование рисунка контактной системы на рабочей области и ОК (см. А.А. Ащеров и др. Оптимизация надежности кремниевых pin-фотодиодов по темновому току. Ж. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 1999, №1, с.35-38). Такой способ позволяет создавать высокофоновые планарные pin-фотодиоды большой площади, однако он является чрезвычайно сложным, трудо-энерго- и материалоемким.

Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому способ изготовления планарных pin-фотодиодов большой площади на пластинах высокоомного p-кремния, в которые для формирования n⁺-p перехода рабочей области производят двухстадийную имплантацию ионов P⁺ с энергией 40 кэВ и дозой 1·10¹⁵ см^-2 на первой и энергией 80 кэВ и дозой 2·10⁵ см^-2 на второй стадии и постимплантационный двухстадийный отжиг в атмосфере осушенного азота при температуре 600°С в течение 0,5 часа на первой и температуре 900° С в течение 0,5 часа на второй стадии, в обратную сторону пластин имплантируют ионы B F 2 + с энергией 100 кэВ и дозой 2·10¹⁵ см^-3 для формирования одновременно геттерирующей области и омического контакта p⁺-p-типа к базе и проводят второй постимплантационный отжиг в атмосфере осушенного азота при температуре 900°C в течение 0,5 часа, после чего осуществляют низкодозовое легирование периферии n⁺-p перехода бором с последующей имплантацией этой области ионами N₂ ⁺с энергией 100 кэВ и дозой 6 10¹⁶ см^-2 (см. В.П. Астахов и др. О возможности применения ионной имплантации при производстве pin-фотодиодов на кремнии. Ж. Прикладная физика, 6, 1999, с.26-31). Однако такой способ является также чрезвычайно сложным, трудоемким, энерго- и материалозатратным из-за необходимости дополнительно проводить низкодозовое легирование бором, формировать локальную маску, стойкую к имплантации больших доз ионов N 2 + при больших токах, и проводить длительную (в течение 4-10 часов) имплантацию этих ионов. Кроме того, этот способ не позволяет получать pin-фотодиоды большой площади, работающие при повышенных фоновых засветках, например, от солнца или других источников излучения, из-за резкого снижения токовой чувствительности при появлении и увеличении фонового тока, которое обусловлено высоким уровнем слоевого сопротивления n⁺-области.

Задачей, решаемой при использовании предлагаемого способа, является возможность создавать планарные pin-фотодиоды большой площади при снижении сложности, трудоемкости и энергозатрат. Техническим результатом является повышение токовой чувствительности pin-фотодиодов при высоких фоновых засветках с сохранением низкого уровня темновых токов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления планарных pin-фотодиодов на высокоомном p-кремнии, включающем подготовку пластины исходного p-кремния или кремниевой эпитаксиальной структуры p⁺-p-типа, формирование маски для имплантации ионов P⁺ в рабочую область и охранное кольцо, двухстадийную имплантацию ионов P⁺ с для формирования n⁺-p переходов рабочей области и охранного кольца, имплантацию ионов B F 2 + с обратной стороны пластины для создания одновременно области геттера и омического контакта к базе, двухстадийный постимплантационный отжиг, защиту и просветление поверхности рабочей области вместе с защитой периферии охранного кольца и создание контактов по периферии рабочей области и на охранном кольце, новым является то, что имплантацию ионов P⁺ проводят при энергии и дозе соответственно (30÷40) кэВ и (3÷4)·10¹⁵ см^-2 на первой и (70÷100) кэВ и (8÷10)·10¹⁵ см^-2 на второй стадии, имплантацию ионов B F 2 + производят при энергии и дозе (60÷100) кэВ и (2÷3)·10¹⁵ см^-2, постимплантационный отжиг проводят при продолжительности и температуре соответственно не менее 1 часа и (570÷600)°C на первой и не менее 5 часов и (890÷900)°C на второй стадии, защиту и просветление поверхности рабочей области и защиту периферии охранного кольца осуществляют нанесением пленки SiO₂, причем отжиг, начальное снижение температуры после отжига до 300°C и нанесение пленки SiO₂ при температурах выше 300°C производят в условиях отсутствия кислорода, а имплантацию ионов P⁺ и B F 2 + проводят одну за другой в любой последовательности.

В частном случае имплантацию ионов P⁺ для создания рабочей области и охранного кольца производят одновременно.

Имплантация ионов P⁺ в двухстадийном режиме при энергии ионов (30÷40) кэВ и дозе (3÷4)·10¹⁵ см^-2 на первой и энергии ионов (70÷100) кэВ и дозе (8÷10)·10¹⁵ см^-2 на второй стадии с последующим двухстадийным отжигом с температурой (570÷600)°C и продолжительностью не менее 1 часа на первой и температурой (890÷900)°C и продолжительностью не менее 5 часов на второй стадии в условиях отсутствия кислорода при самом отжиге и начальном снижении температуры до 300°C позволяет получать планарные n⁺-p переходы рабочей области и ОК с качественными металлургической границей и поверхностью в области планарных границ n⁺-p переходов, обеспечивающими низкий уровень темнового тока, и n⁺-слоем, имеющим высокую проводимость, способную обеспечить работоспособность pin-фотодиода при фоновых засветках не ниже 20 мВт/см² при рабочем напряжении 20 В и выше.

Это объясняется следующим.

При создании планарных pin-фотодиодов большой площади на высокоомном p-кремнии необходимо формировать прелой n⁺-p перехода рабочей области, обладающий высокой проводимостью при обеспечении низкого уровня темновых токов n⁺-p переходов рабочей области и ОК. Уровень проводимости n⁺-слоя должен быть тем выше, чем выше уровень фоновой засветки, таким, чтобы при фоновом токе падение напряжения на последовательном сопротивлении этого слоя в цепи «контакт к n⁺-слою - n⁺-слой - n⁺-p переход рабочей области - база фотодиода - омический контакт к базе» было минимальным, не уменьшающим заметно смещение на n⁺-p переходе при рабочем напряжении.

Уровень проводимости n⁺-слоя возрастает при увеличении дозы легирования и толщины слоя. Увеличение дозы при той же толщине слоя дает слабый эффект из-за снижения подвижности носителей заряда при увеличении концентрации легирующих атомов. При этом рост концентрации легирующих атомов увеличивает вероятность образования дислокации при постимплантационном отжиге, шунтирующих n⁺-p переход и повышающих темновой ток. Таким образом, необходима высокая, но оптимальная доза загонки легирующих атомов, которую удобно обеспечить имплантацией в двухстадийном режиме, при котором будет уменьшена опасная с точки зрения дислокации концентрация в максимумах распределения имплантированных атомов по сравнению с одностадийным режимом и достаточно высокая, но не выше 900°C температура постимплантационного отжига, безопасная для структуры исходного кристалла. При этом достаточная толщина слоя (d) будет обеспечена длительностью отжига (t) согласно формуле:

где Д - коэффициент диффузии примесных атомов при температуре отжига.

Таким образом, увеличение доз имплантации ионов P⁺ выше указанных пределов приводит к увеличению уровня темновых токов из-за начала роста дислокации при отжиге, а их снижение за указанные нижние пределы - к снижению уровня безопасных фоновых засветок из-за снижения проводимости n⁺-слоя. Заявляемый диапазон энергии ионов P⁺ также является оптимальным: уход за 30 и 40 кэВ на первой стадии либо слишком сильно сдвигает максимум профиля распределения имплантированных атомов к поверхности, либо - ко второму максимуму, обусловленному энергией ионов второй стадии; выход за пределы (70÷100) кэВ на второй стадии соответственно сближает максимумы либо приводит к избыточной дефектности. Во всех этих случаях следствием является избыточная дефектность формируемого n⁺-слоя и n⁺-p перехода, результатом чего являются избыточные темновые токи и пониженная бесфоновая и фоновая чувствительности. Снижение температуры и продолжительности первой стадии отжига ниже указанного предела приводит к увеличению темнового тока из-за недостаточности отжига аморфного слоя, а второй стадии - к уменьшению чувствительности при фоновых засветках из-за уменьшения проводимости n⁺-слоя. Завышение предельной температуры первой стадии повышает вероятность образования поликристаллической фазы при рекристаллизации, а второй - стимулирует начало деградации объемных свойств кристалла.

Слой, создаваемый имплантацией ионов B F 2 + , выполняющий двойную функцию: геттера и омического контакта, играет важную роль при отжиге, собирая подвижные дефекты из области базы и за счет этого увеличивая время жизни неосновных носителей заряда и уменьшая скорость их генерации. Это свойство геттерирующего слоя приводит к увеличению токовой чувствительности и уменьшению темнового тока фотодиода. Доза имплантации ионов B F 2 + , составляющая (2÷3)·10¹⁵ см^-2 ,соответствует оптимальной дефектности геттерирующего слоя при энергии ионов не ниже 60 кэВ. Геттерирующие свойства резко ослабляются при энергии ионов ниже 60 кэВ и дозах за пределами указанного диапазона, приводя к снижению токовой чувствительности и увеличению темнового тока.

Снижению темнового тока способствует то, что постимплантационный отжиг с последующим снижением температуры и защита поверхности с одновременным ее просветлением нанесением слоя SiO₂ осуществляются в условиях отсутствия кислорода при температурах выше 300°C. Необходимость выполнения этого условия объясняется тем, что при температурах выше 300°C при наличии кислорода происходит активное образование положительного встроенного заряда на границе Si-SiO₂ такой величины, при которой формируется поверхностный канал n-типа проводимости на p-базе, из-за чего резко возрастает темновой ток. Это может происходить при отжиге вследствие наличия естественной поверхностной пленки SiO₂, даже если отжиг производится в нейтральной атмосфере осушенного и очищенного от кислорода азота, но при охлаждении эта атмосфера контролируется только до температур выше 300°C, например до 500°C или 400°C, ниже которых воздух начинает контактировать с образцами в печи. Если охлаждение, как и сам отжиг, проводится в атмосфере осушенного и очищенного азота вплоть до 300°C или ниже, то образование поверхностного канала не происходит. Канал не образуется и в случае нанесения защитного и просветляющего слоя SiO₂, например, таким способом, как разложение молекул летучих металлоорганических соединений, содержащих кислород, в плазме аргона, если температура процесса также не превышает 300°C. При более высоких температурах этого процесса встроенный заряд резко возрастает и образуется канал. В случае использования таких методов нанесения слоев SiO₂, при которых в зоне расположения пластин отсутствуют свободные ионы, атомы или молекулы кислорода, например, распыление кварца пучком электронов или нейтральных частиц, ограничение по температуре процесса отсутствует.

Упрощение технологии, снижение трудоемкости, энергетических и материальных затрат достигаются в предложении за счет того, что имплантации ионов P⁺ и B F 2 + производят в любой последовательности, два постимплантационных процесса отжига после имплантации каждого типа ионов (P⁺ и B F 2 + ) заменены на один, который проводится после имплантации обоих типов ионов, при этом формирование маски и низкодозовое легирование периферии n⁺-p переходов бором с последующей высокодозовой имплантацией ионов N 2 + исключают, заменив эти процессы низкотемпературным нанесением слоя SiO₂, например, либо одним из хорошо отработанных процессов разложения молекул гексаметилдисилаксана или тетраэтоксисилана в плазме аргона при температуре ниже 300°C, либо другим методом без ограничения температуры процессов, если при их проведении у поверхности пластин отсутствует кислород. В частном случае выполнения это обеспечивается также тем, что имплантацию ионов P⁺ для создания рабочей области и ОК производят одновременно.

Согласно предложенному способу и с отступлениями от заявленных технологических параметров была изготовлена партия pin-фотодиодов из 30 штук полированных пластин кремния с удельным сопротивлением (8÷12) кОм см диаметром 60 мм и толщиной (0,25÷0,27) мм. Количество фотодиодов на каждой пластине - 5 штук. При этом защитный и просветляющий слой SiO₂ толщиной ~0,5 мкм наносился низкотемпературным (при 250°C) разложением молекул гексаметилдисилаксана в плазме аргона, при котором в разрядной камере имеются ионы, атомы и молекулы кислорода. Постимплантационный отжиг проводился в атмосфере осушенного и очищенного от кислорода азоте, включая охлаждение до заданной температуры, ниже которой в атмосферу печи попадал кислород атмосферы. Металлические контакты в виде колец на рабочей области и ОК создавались термическим напылением системы Cr+Au с последующим вжиганием в атмосфере осушенного и очищенного азота при температуре 300°C.

Была изготовлена также партия из 3 пластин по способу-прототипу. Всего по каждому варианту технологии изготовлено по 3 пластины, то есть по 15 pin-фотодиодов, на которых при рабочем напряжении 20 В и температуре 20 C измерены средние значения бесфоновой импульсной токовой чувствительности на рабочей длине волны 0,9 мкм (S_0,9), импульсной токовой чувствительности на длине волны 0,9 мкм при постоянном фоновом потоке от источника А, составляющем 20 мВт/см² ( S 0 , 9 ф ) и темнового тока рабочей области при параллельном подключении ОК (I_T). Длительность импульсов засветки составляла 100 нс при мощности 10^-6 Вт. Измеренные значения вместе с условиями изготовления каждой группы пластин представлены в таблице.

Из данных таблицы следует, что предложение обеспечивает получение заявленного технического решения.

Таблица
№ п/п	Особенности изготовления	S0,9, (А/Вт)	S 0 , 9 ф (А/Вт)	IT, (мкА)
1	2	3	4	5
1	по прототипу	0,43	0,07	0,6
2	по предложению с последовательностью имплантации
2.1	сначала ионов P+ затем B F 2 +	0,46	0,35	0,65
2.2	сначала ионов B F 2 + затем P+	0,43	0,32	0.72
3	по предложению с отступлением:
3.1	занижены в 1,5 раза дозы имплантации ионов P+ на каждом этапе по сравнению с заявленным нижним пределом	0,42	0,22	0,81
3.2	завышены в 1,5 раза дозы имплантации ионов P+ на каждом этапе по сравнению с заявленным верхним пределом	0,47	0,31	7,6
3.3	энергия ионов B F 2 + на 20 кэВ ниже допустимого предела	0,37	0,23	4,4
3.4	на 0,5 часа уменьшена длительность первой стадии отжига	0,41	0,33	3,8

1	2	3	4	5
3.5	на 1 час уменьшена длительность второй стадии отжига	0,47	0,26	0,77
3.6	отжиг и охлаждение после отжига в осушенном азоте до 350 C	0,45	0,34	23
3.7	нанесение слоя SiO2 при температуре 330 C	0,44	0,34	32
3.8	выход за заявленные пределы на (30-50)% либо энергии ионов P+ или B F 2 + , либо дозы ионов B F 2 +	0,39-0,42	0,21-0,28	1,76-4,5

Измеренные значения, полученные при отступлении от предложения и выделенные в таблице, соответствуют представленным выше объяснениям, а именно:

- занижение дозы имплантации ионов P⁺ (п.3.1) или длительности высокотемпературной стадии отжига (п.3.5) приводит к заметному снижению фоновой импульсной токовой чувствительности из-за снижения проводимости n⁺-слоя;

- занижение энергии ионов B F 2 + (п.3.3) уменьшает бесфоновую и фоновую импульсные токовые чувствительности вместе с увеличением темнового тока из-за ослабления геттерирующей активности имплантированного слоя;

- завышение дозы имплантации ионов P⁺ на обеих стадиях (п.3.2) и занижение длительности первой стадии отжига (п.3.4) приводят к повышению темнового тока соответственно из-за генерации дислокации в n⁺-p переходах и недостаточной эффективности отжига аморфного слоя;

- завышение температуры, при которой в реакторе печи при отжиге и охлаждении после отжига (п.3.6) и при нанесении слоя SiO₂ (п.3.7) допускается присутствие кислорода, приводит к резкому увеличению темнового тока из-за резкого увеличения положительного встроенного заряда на границе Si-SiO₂ и формирования поверхности каналов;

- выход за заявленные пределы либо энергии ионов P⁺ или B F 2 + , либо дозы ионов B F 2 + (п.3.8) приводит к заметным уменьшению фоновой импульсной токовой чувствительности и возрастанию темнового тока за счет увеличения степени дефектности n⁺-слоя.

Таким образом выполнение условий предлагаемого способа обеспечивает максимальный уровень фоновой импульсной токовой чувствительности и минимальный уровень темнового тока pin-фотодиодов на основе высокоомного p-кремния при упрощении технологии, снижении трудоемкости, энергопотребления и расхода материалов.

1. Способ изготовления планарных pin-фотодиодов большой площади на высокоомном p-кремнии, включающий подготовку пластины исходного p-кремния или кремниевой эпитаксиальной структуры p⁺-p-типа, формирование маски для имплантации ионов P⁺ в рабочую область и охранное кольцо, двухстадийную имплантацию ионов P⁺ для формирования n⁺-p переходов рабочей области и охранного кольца, имплантацию ионов с обратной стороны пластины для создания одновременно области геттера и омического контакта к базе, двухстадийный постимплантационный отжиг, защиту и просветление поверхности рабочей области вместе с защитой периферии охранного кольца и создание контактов по периферии рабочей области и на охранном кольце, отличающийся тем, что имплантацию ионов P⁺ проводят при энергии и дозе соответственно (30÷40) кэВ и (3÷4)·10¹⁵ см^-2 на первой и (70÷100) кэВ и (8÷10)·10¹⁵ см^-2 на второй стадии, имплантацию ионов производят при энергии (60÷100) кэВ и дозе (2÷3)·10¹⁵ см^-2, постимплантационный отжиг проводят при продолжительности и температуре соответственно не менее 1 часа и (570÷600)°C на первой и не менее 5 часов и (890÷900)°C на второй стадии, защиту и просветление поверхности рабочей области и защиту периферии охранного кольца осуществляют нанесением пленки SiO₂, причем отжиг, начальное снижение температуры после отжига до 300°C и нанесение пленки SiO₂ при температурах выше 300°C производят в условиях отсутствия кислорода, а имплантацию ионов P⁺ и проводят одну за другой в любой последовательности.

2. Способ изготовления планарных pin-фотодиодов большой площади на высокоомном p-кремнии по п.1, отличающийся тем, что имплантацию ионов P⁺ для создания рабочей области и охранного кольца производят одновременно.