Способ изготовления многоплощадочного быстродействующего кремниевого pin-фоточувствительного элемента

Изобретение относится к технологии изготовления кремниевых pin-фоточувствительных элементов (ФЧЭ), чувствительных к излучению с длиной волны 1,06 мкм. Они предназначены для использования в различной электронно-оптической аппаратуре, в которой требуется регистрация коротких импульсов лазерного излучения (10-40 нс) при напряжениях смещения порядка 200 В. К такой аппаратуре относятся лазерные дальномеры, системы наведения по лучу, обнаружители лазерного излучения, системы защиты от лазерного оружия, высокоточное оружие и другие системы [А.М. Филачев, И.И. Таубкин, М.А. Тришенков. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. М.: Физматкнига, 2007 г., 384 с.].

Задачей предлагаемого изобретения является снижение уровня темновых токов, повышение импульсной монохроматической чувствительности на длине волны 1,06 мкм и быстродействия изделия, увеличение процента выхода годных.

Излучение лазера с длиной волны 1,06 мкм проникает в кремний на глубину порядка 700 мкм [М.А. Тришенков. Фотоприемные устройства и ПЗС. М.: Радио и связь, 1992 г. стр. 33], поэтому толщина базы ФЧЭ для обеспечения максимальной чувствительности должна быть такого же порядка, а для эффективного собирания генерированных носителей за короткое время, необходимо распространить область объемного заряда (ОПЗ) на всю толщину базы ФЧЭ. Для выполнения последнего условия при рабочем напряжении порядка 200 В величина удельного сопротивления исходной кремниевой пластины должна составлять не менее 20 кОм⋅см.

Известен способ изготовления кремниевого pin-фотодиода [патент на изобретение №216013161F, ОАО «НПО «Орион»], в котором с целью уменьшения величины темновых токов все технологические операции изготовления фотодиода проводятся при температуре ниже 950°C.

Известен многоплощадочный планарный кремниевый pin-фотодиод [патент на полезную модель РФ №126195, заявитель ОАО «Московский завод «САПФИР»], чувствительный к излучению в диапазоне длин волн 0,4-1,2 мкм, способ изготовления которого принят в качестве прототипа. Фотодиод изготовлен по планарной диффузионной технологии с маскирующей и защитной пленкой термического окисла, выращенного при температуре 1150°C в атмосфере сухого и влажного кислорода, с применением загонки фосфора из газовой фазы и последующей разгонки в атмосфере кислорода для формирования планарных n⁺-р-переходов фоточувствительных площадок и охранного элемента. Аналогичным образом выполнялось геттерирование на обратной стороне пластины с последующим снятием легированного геттерирующего слоя и формированием омического контактного слоя р⁺-типа загонкой бора из твердого источника. Для формирования контактов к n⁺- и р⁺-слоям проводилось напыление системы Cr+Au с последующим вжиганием при температуре 300°C.

Известен кремниевый pin-фотодиод [патент на полезную модель РФ №108883, заявитель ФГУП «НПО «Орион»], чувствительный на длине волны 1,06 мкм, способ изготовления которого принят в качестве ближайшего аналога. Для повышения чувствительности на длине волны 1,06 мкм в нем сформирована отражающая контактная система, расположенная на контактном слое р⁺-типа проводимости на тыльной стороне подложки и состоящая из пленок хрома и золота, причем толщина пленки хрома составляет 5-6 нм.

Недостатком этих приборов, является малая глубина контактного слоя (менее 1 мкм), так как в случае использования кремниевых пластин с удельным сопротивлением более 20 кОм⋅см, при напряжении смещения ~200 В, возможен выход ОПЗ на тыльную металлизированную поверхность подложки, где велика скорость поверхностной рекомбинации, что приведет к возрастанию темновых токов ФЧЭ. Кроме того, методы геттерирования, используемые для уменьшения величины темновых токов, эффективны только в случае создания геттера в высокоомном слое кремниевой пластины.

Увеличить глубину контактного слоя на заключительной стадии формирования областей ФЧЭ сложно. Поскольку загонка бора проводится после операции геттерирования, то ее температура не должна превышать 1000°C, при которой выполняется загонка фосфора для создания геттерирующего слоя. Дефекты подложки, а также деформирующие механические напряжения, возникающие на последующих операциях монтажа кристалла ФЧЭ в корпус, могут привести к выходу ОПЗ на тыльную поверхность подложки и, как следствие, к браку по величине темновых токов, особенно это критично для многоплощадочных ФЧЭ.

Предлагаемый способ изготовления позволяет увеличить толщину контактного слоя р⁺-типа проводимости (до 13-15 мкм) для исключения выхода ОПЗ на тыльную поверхность кремниевой подложки и тем самым обеспечить возможность применения в качестве исходного материала пластин кремния с удельным сопротивлением более 20 кОм⋅см с целью повышения быстродействия и величины импульсной монохроматической чувствительности на длине волны 1,06 мкм, а также увеличить процент выхода годных ФЧЭ.

Результат достигается тем, что на начальном этапе изготовления ФЧЭ проводятся ионная имплантация бора в тыльную поверхность подложки и его длительная разгонка, а затем проводятся последующие технологические операции формирования структуры ФЧЭ.

Поскольку на тыльной поверхности подложки присутствует толстый слой р⁺-типа проводимости, то эффективность геттерирования методом диффузии фосфора снизится по сравнению с вариантом, когда геттер располагается в высокоомном слое кремния. Известно [К. Рейви. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. Москва: «Мир», 1984, стр. 472], что диффузионное легирование фосфором с высокой поверхностной концентрацией эффективно для геттерирования не только за счет образования дислокационной сетки несоответствия, но и повышенной растворимостью примесей, таких как Au, Fe и Cu, в n⁺-слое кремния. В обзоре [Зарубежная электронная техника, 1983, 11, стр. 19] показано, что коэффициент сегрегации золота между собственным кремнием и кремнием, легированным фосфором, может быть записан в виде:

где - коэффициент сегрегации;

N_P - атомная концентрация фосфора;

N_Si - атомная концентрация кремния;

E_Au/Si - энергия активации растворения золота в собственном кремнии;

E_Au/Si:P - энергия активации растворения золота в кремнии, легированном фосфором;

k - постоянная Больцмана;

T - температура, К

Из уравнения (1) следует, что коэффициент сегрегации золота уменьшается с ростом концентрации атомов кремния, следовательно, диффузия фосфора в высоколегированный контактный слой, не будет давать такого же эффекта геттерирования, как в случае с высокоомным кремнием.

Предлагаемый способ изготовления позволяет повысить эффективность геттерирования с целью снижения темновых токов ФЧЭ. Поставленная задача обеспечивается комплексным методом геттерирования, включающим в себя ионную имплантацию аргона и диффузию фосфора в тыльную поверхностькремниевой подложки. Известна работа [А.К. Будтолаев, И.А. Евлентьев, Г.В. Либерова, С.Д. Сиваченко, В.Е. Степанюк, Журнал «Прикладная физика», 2015, №6, стр. 80-81], в которой проведено сравнение методов геттерирования нарушенными слоями и показано, что при изготовлении pin-фотодиодов наряду с диффузией фосфора также эффективен метод геттерирования ионной имплантацией аргона. В предлагаемом комплексном методе геттерирования сначала проводится ионная имплантация аргона для создания дислокационной сетки, а затем диффузия фосфора.

Предлагаемый способ изготовления pin-ФЧЭ включает в себя следующие процессы:

- ионная имплантация бора в тыльную поверхность подложки;

- длительная разгонка бора;

- термическое окисление;

- диффузия фосфора для создания областей фоточувствительных площадок и охранного кольца;

- разгонка фосфора с одновременным окислением для выращивания защитной пленки двуокиси кремния;

- ионная имплантация аргона и диффузия фосфора в тыльную поверхность подложки для геттерирования загрязняющих примесей;

- удаление геттерирующего слоя;

- диффузия бора в тыльную поверхность подложки для создания контактного слоя р⁺-типа проводимости;

- химическое травление пленки двуокиси кремния для получения просветляющего покрытия;

- создание двухслойных омических контактов к фоточувствительным площадкам, охранному кольцу и тыльному слою р⁺-типа проводимости методом напыления пленки золота с подслоем хрома, причем толщина пленки хрома на тыльном слое составляет 5-6 нм.

Структура ФЧЭ, представлена на Фиг. 1, где 1 - фоточувствительная площадка n⁺-типа проводимости; 2 - охранное кольцо n⁺-типа проводимости; 3, 4 - защитная и просветляющая пленки двуокиси кремния; 5 - база ФЧЭ; 6 - ОПЗ, 7 - контактный слой р⁺-типа проводимости; 8, 9 - контактная система Au-Cr к n⁺- и р⁺-областям.

Глубина загонки бора в тыльную сторону выбиралась из условия, чтобы толщина контактного р⁺-слоя составляла не менее 10 микрон для надежной изоляции ОПЗ от тыльного контакта, но так как после операции геттерирования удаляется слой кремния толщиной, равной глубине загонки фосфора, то глубина загонки бора должна быть больше на эту величину.

Для получения требуемой толщины р⁺-слоя были выбраны режимы ионной имплантации бора и рассчитано суммарное время разгонки. Они составили:

- доза легирующей примеси D^B=2⋅10¹⁵ см^-2;

- энергия ионов E_B=50 кэВ,

- время разгонки t=20 ч.

Также были выбраны режимы комплексного геттерирования:

- ионной имплантации аргона: доза D_A=2⋅10¹⁵ см^-2; энергия Е_А=100 кэВ;

- загонка фосфора при температуре 1000°C в течение 20 мин и последующая разгонка в течение 1 ч.

По предлагаемому способу были изготовлены 8-площадочные фоточувствительные элементы на пластинах кремния с удельным сопротивлением ρ≈30 кОм⋅см. Для сравнения также были изготовлены ФЧЭ на пластинах с ρ≈14 кОм⋅см и ρ≈30 кОм⋅см по стандартной технологии и на пластинах с ρ≈30 кОм⋅см, у которых контактный слой формировался предлагаемым способом, а геттерирование проводилось стандартным методом. В таблице приведены результаты измерения величины плотности темновых токов I_T, импульсной монохроматической чувствительности S_λ=1,06 на длине волны 1,06 мкм и быстродействия τ ФЧЭ при рабочем напряжении 200 В, а также процент выхода годных изделий после монтажа кристалла ФЧЭ в корпус.

Из данных таблицы следует:

- образцы №2-4, изготовленные на кремнии с удельным сопротивлением 30 кОм⋅см, имеют выигрыш по величине чувствительности и быстродействию;

- у образцов №2 самый высокий уровень темнового тока и низкий процент выхода годных из-за выхода ОПЗ на тыльную поверхность ФЧЭ;

- образцы №3 имеют повышенный уровень темнового тока из-за низкого эффекта геттерирования;

- образцы №4, изготовленные по предлагаемому способу, сравнимы по величине темновых токов с образцами №1, изготовленными по стандартному методу на более низкоомном материале, и превосходят их по уровню чувствительности, быстродействию и проценту выхода годных.