Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления многоплощадочного кремниевого pin-фоточувствительного элемента с низким уровнем темновых токов

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 не) 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, увеличение процента выхода годных.

Известен кремниевый pin-фотодиод [патент на полезную модель РФ №108883, заявитель ФГУП «НПО «Орион»], чувствительный к длине волны 1,06 мкм, способ изготовления которого принят в качестве прототипа.

Известен способ изготовления кремниевого многоплощадочного pin-фоточувствительного элемента (ФЧЭ) с низким уровнем темновых токов [патент на изобретение РФ №2654961, заявитель АО «НПО «Орион»], который принят в качестве ближайшего аналога. Изготовление ФЧЭ включает в себя следующие технологические операции:

- 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.

Недостатком этих приборов является то, что величина темновых токов для некоторых применений не может обеспечить требуемую пороговую чувствительность фотоприемного устройства.

Предлагаемый способ изготовления позволяет снизить уровень темновых токов, а также повысить процент выхода годных ФЧЭ.

Известно, что примеси тяжелых металлов, таких как Au, Fe и Cu и микродефекты, декорированные этими примесями, вводят генерационно-рекомбинационные центры в запрещенной зоне кремния. Эти центры приводят к уменьшению времени жизни неосновных носителей заряда и увеличению темновых токов ФЧЭ. Для удаления микродефектов и примесей металлов из активной части приборов на пластине применяется процесс геттерирования.

В способе изготовления ФЧЭ - аналога используется комплексное геттерирование нарушенными слоями на тыльной поверхности подложки, созданными имплантацией аргона и загонкой фосфора при температуре Т=1000°С, и последующим отжигом в течение 1 часа при этой же температуре. В предлагаемом способе геттерирование проводится в две стадии.

На первой стадии проводится геттерирование фосфором, включающим в себя загонку фосфора при температуре Т=1100°С в течение 20 минут, отжиг при этой же температуре в течение 1 часа и последующее удаление образовавшегося фосфорно-силикатного стекла. На второй стадии проводится геттерирование имплантированным аргоном с последующим отжигом в течение 1 часа при температуре Т=1000°С.

Процесс геттерирования фосфором при повышенной температуре более эффективен, так как за счет более высокой поверхностной концентрации фосфора повышается плотность образующихся дислокаций несоответствия, которые геттерируют из пластины точечные дефекты и примеси. Измеренные глубина p-n-перехода на тыльной стороне пластины hj и поверхностное сопротивление n⁺-слоя Rs составляют 4 мкм и 1,2 Ом/кв. см соответственно. Тогда сопротивление n⁺-слоя р=R_S*hj=1,2*4*10^-4≈0,0005 Ом*см. Такому уровню сопротивления соответствует достаточно высокая плотность дислокаций (10⁵-10⁶) см^-2 [К. Рейви «Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии», Москва, «Мир», 1984, стр. 79].

Эффективность геттерирования увеличивается также за счет того, что повышенная концентрация фосфора в n⁺-слое и слое фосфорно-силикатного стекла, образующемся во время геттерирования, обеспечивает большую растворимость в них примесей тяжелых металлов. При удалении фосфорно-силикатного стекла вместе с ним удаляются и растворенные в нем примеси.

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 ионной имплантации аргона с последующим термическим отжигом.

Геттерирование аргоном в предлагаемом способе изготовления ФЧЭ может быть более эффективно по сравнению с аналогом за счет того, что:

- имплантация аргона проводится в поверхность, уже частично очищенную в процессе геттерирования фосфором;

- на структурные нарушения, создаваемые диффузией фосфора, накладываются нарушения, вносимые имплантацией аргона, и за счет этого во время повторного геттерирования эффективно удаляются примеси тяжелых металлов.

Режимы геттерирования: доза имплантации аргона D=2*10¹⁵ см^-2; энергия Е=100 кэВ; температура отжига Т=1000°С, время отжига 1 час.

Предлагаемый способ изготовления pin-ФЧЭ включает в себя следующие технологические операции:

1 ионная имплантация бора в тыльную поверхность подложки;

2 длительная разгонка бора;

3 термическое окисление;

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

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

6 геттерирование для удаления загрязняющих примесей, включающее в себя:

- загонку фосфора в тыльную сторону пластины при температуре 1100°С в течение 20 минут и последующий отжиг в течение 1 часа;

- удаление фосфорно-силикатного стекла с тыльной стороны пластины;

- ионную имплантацию аргона в обратную сторону пластины: доза D=2*10¹⁵ cm^-2; энергия Е=100 кэВ;

- термический отжиг при температуре 1000°С в течение 1 часа;

7 удаление гетерирующего слоя.

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

9 химическое травление пленки двуокиси кремния для получения просветляющего покрытия;

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

Структура ФЧЭ, представлена на рисунке 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 p⁺-типа проводимости; 8, 9 - контактная система Au-Cr к n⁺- и р⁺-областям.

Пример.

По предлагаемому способу были изготовлены 8-и площадочные фоточувствительные элементы на пластинах кремния p-типа проводимости. Для сравнения также были изготовлены ФЧЭ, у которых геттерирование проводилось стандартным методом и одностадийным методом загонки фосфора при температуре Т=1100°С и последующим отжигом при этой же температуре в течение 1 часа. В таблице 1. Приведены результаты измерения величины плотности темновых токов I_T, а также процент выхода годных изделий.

Из данных таблицы следует, что:

- образцы, изготовленные по предлагаемому методу геттерирования превосходят по своим параметрам образцы, изготовленные по стандартному методу геттерирования и одностадийному методу геттерирования диффузией фосфора;

- геттерирование аргоном вносит существенный вклад в снижение величины плотности темновых токов.