Способ изготовления многоплощадочного 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 180-200 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, 384 с.].

Задачей предлагаемого изобретения является повышение импульсной монохроматической чувствительности на длине волны 1,06 мкм и повышение быстродействия изделия.

В кремнии излучение лазера с длиной волны 1,06 мкм проникает на глубину ~700 мкм [М.А. Тришенков. Фотоприемные устройства и ПЗС. М.: Радио и связь, 1992, с. 33], поэтому для обеспечения эффективного собирания генерированных носителей за короткое время требуется распространить область пространственного заряда (ОПЗ) на всю толщину базы ФЧЭ. Оценим необходимую величину удельного сопротивления исходной кремниевой подложки р-типа проводимости для выполнения этого условия. Как известно, толщина ОПЗ определяется по следующей формуле:

где

ε_s=11,9 - диэлектрическая постоянная кремния;

ε_о=8,85×10^-14 Ф/см - диэлектрическая проницаемость вакуума;

U=200 В - напряжение на р-n - переходе;

ϕ_к=0,5 В - контактная разность потенциалов р-n - перехода;

q=1,6*10^-19 Кл - заряд электрона;

N_A - концентрация акцепторной примеси в исходной пластине.

Так как концентрация примеси связана с удельным сопротивлением ρ формулой

где

μ_р=450 см²/(В*с) - дрейфовая подвижность дырок в кремнии,

то тогда

следовательно,

При типичной толщине базы 650 мкм удельное сопротивление исходной кремниевой пластины должно составлять не менее 20 кОм*см.

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 ближайшего аналога. Фотодиод изготовлен по планарной диффузионной технологии с маскирующей и защитной пленкой термического окисла, выращенного при температуре 1150°С 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. На обратной стороне пластины выполнялось геттерирование с последующим снятием легированного геттерирующего слоя и формированием омического контактного слоя р⁺-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°С.

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 прототипа. 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, 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 фоточувствительных площадок и охранного кольца ФЧЭ. 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°С, при которой выполняется загонка фосфора для создания геттерирующего слоя. Оценим толщину контактного слоя.

Загонка бора из твердого источника проводится при температуре 980°С. Бор распределяется по закону

где

коэффициент диффузии бора [Е.З. Мазель, Ф.П. Пресс. Планарная технология кремниевых приборов. М.: Энергия, 1974, с. 156];

t - время загонки, с;

k - постоянная Больцмана;

Т - температура процесса, К;

N₀=1,1*10²⁰ см^-3 - максимальная растворимость бора в кремнии при данной температуре [Р. Маллер, Т.Кейминс. Элементы интегральных микросхем. М.: Мир, 1989, с. 117].

Приравнивая в (5) N(x,t)=N_A~2*10¹¹ см^-3 (средняя концентрация примеси в исходной подложке с удельным сопротивлением (25÷50) кОм*см), найдем, что даже при времени загонки 1,5 часа толщина р⁺-слоя составит всего лишь ~0,8 микрон. 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 для исключения выхода ОПЗ на тыльную поверхность кремниевой подложки и тем самым обеспечивает 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 увеличения процента выхода годных ФЧЭ.

Результат достигается тем, что на начальном этапе изготовления ФЧЭ проводятся ионная имплантация бора в тыльную поверхность подложки и его длительная разгонка, затем проводятся процессы формирования структуры ФЧЭ:

- термическое окисление;

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

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

- 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 приведена на чертеже, 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.

Процесс геттерирования складывается из загонки фосфора в тыльную сторону подложки при температуре 1000°С в течение 20 минут и последующего отжига в течение 1 часа. Распределение примеси описывается законом Гаусса:

где

- количество примеси, введенное за время загонки, см^-2;

t_з, с - время загонки;

D=2*10^-13 см²/с -коэффициент диффузии фосфора [Е.З. Мазель, Ф.П. Пресс. Планарная технология кремниевых приборов. М.: Энергия, 1974, с. 154];

N₀=4*10²⁰ см^-3 - максимальная растворимость фосфора [Р. Маллер, Т. Кейминс. Элементы интегральных микросхем. М.: Мир, 1989, с. 117];

t_p, с - время отжига.

Из (7) следует, что толщина n⁺-слоя составляет примерно 3 мкм.

Следовательно, глубина разгонки бора должна быть не менее 13-15 микрон.

Распределение концентрации имплантированной примеси с последующей разгонкой описывается формулой

где

D_S - доза легирующей примеси, см^-2;

R_p - средний проецированный пробег, см;

ΔR_p - стандартное отклонение проецированного пробега, см;

D - коэффициент диффузии бора, см²/с;

t - суммарное время разгонки, с.

Для получения требуемой толщины р⁺-слоя были выбраны режимы ионной имплантации и рассчитано суммарное время разгонки. Ниже приведены значения этих параметров:

D_S=1*10¹⁵ см^-2;

Е=50 кэВ - энергия ионов;

R_p=0,2741 мкм, ΔR_p=0,0550 мкм для энергии 50 кэВ [X. Риссел, И. Руге. Ионная имплантация. М.: Наука, 1983, с. 301];

D=6*10^-13 см²/с [Е.З. Мазель, Ф.П. Пресс. Планарная технология кремниевых приборов. М.: Энергия, 1974, с. 156];

t=20 часов.

На начальном этапе время разгонки при температуре 1150°С составляет 14 часов, затем разгонка продолжается при этой же температуре на этапах термического окисления подложки (2 часа) и разгонки фосфора (4 часа).

Из (9) следует, что глубина разгонки бора составляет ≈16 мкм, что соответствует требуемому значению.

По предлагаемому способу были изготовлены 8-площадочные фоточувствительные элементы на пластинах кремния с удельным сопротивлением ρ≈35 кОм*см. Для сравнения также были изготовлены ФЧЭ на пластинах с ρ≈35 и ρ≈14 кОм*см по стандартной технологии. В таблице приведены результаты измерения величин темновых токов фоточувствительных площадок I_тпл и охранного кольца I_тк, 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.

Таким образом, ФЧЭ, изготовленные по предлагаемому способу, превосходят по фотоэлектрическим параметрам и проценту выхода годных ФЧЭ, изготовленные по стандартному методу.