ПЛАНАРНЫЙ МНОГОПЛОЩАДОЧНЫЙ КРЕМНИЕВЫЙ ФОТОДИОД

Заявляемый планарный многоплощадочный кремниевый фотодиод (ФД) относится к полупроводниковым приборам, чувствительным в диапазоне длин волн (0,4-1,2)мкм и применяемым в фотовольтаическом режиме включения в системах отображения рельефа при низких уровнях засветки. К таким приборам предъявляются требования квантовой эффективности не ниже (50÷60)% при низких уровнях шумового напряжения, которое определяется соотношением Найквиста:
где R - сопротивление контактной системы,
Δf - полоса частот измерения,
Т - абсолютная температура,
k - постоянная Больцмана.
К таким приборам предъявляются также требования работоспособности в нормальных условиях (НУ) и при повышенной (до +70°С) температуре среды с незначительным ухудшением параметров во втором случае.
ш
При этом, одним из важнейших требований является крайне незначительный разброс по площадкам значений U при каждой из заданных температур среды.
+
+
т
т
Известны планарные кремниевые ФД (см. ж. Прикладная физика №3, 2003 г., с. 115-121) на подложках кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением 20 и 130 Ом·см, содержащие планарные р-области фоточувствительных площадок с дефектной периферийной областью, созданной имплантацией ионов , уменьшающей поверхностные утечки, и омический контакт n-n типа на обратной стороне подложки. Недостатком таких ФД является сложность создания периферийной дефектной области. Дополнительным недостатком ФД на подложках с удельным сопротивлением 20 Ом см является повышенный уровень шумового тока (I) и в НУ, и при Т=+70°С, а ФД на подложках с удельным сопротивлением 130 Ом·см - особенно высокий уровень I при Т=+70°С.
+
+
+
2
ш
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и принятым за прототип является планарный ФД на подложках кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением (90-100) Ом·см (см. ж. Прикладная физика, №1, 2002 г., с. 48-55). Характерной особенностью таких ФД является наличие охранного кольца (OK) - дополнительного замкнутого на базу планарного p-n перехода, окружающего планарный p-n переход фоточувствительной площадки и отстоящий от нее на расстояние не больше диффузионной длины дырок в базе. На поверхности рабочей стороны имеется защитная и просветляющая пленка SiO с окнами для контактов. На обратной стороне подложки имеется омический контакт к базе n-n-типа. Контактная система сформирована на основе слоя Аl. Недостатком прототипа является повышенный уровень U и в НУ и при повышенных температурах, а также большой разброс значений этого параметра в многоплощадочных ФД.
Заявляемая полезная модель решает задачу снижения шумового напряжения в НУ и при повышенных температурах, и увеличения равномерности этих параметров по площадкам ФД, что является техническим результатом при использовании устройства.
+
+
2
2
Указанный технический результат достигается тем, что слой алюминия, обеспечивающий контакт к p-областям площадок и ОК и n-областям планарных омических контактов к базе через контактные окна в пленке SiO, имеет толщину на (0,5-2,0) мкм превосходящую толщину пленки SiO в области наиболее глубокого контактного окна.
ш
ш
Такая толщина слоя алюминия обеспечивает отсутствие избыточных значений U, источником которых и в НУ и при повышенных температурах являются флуктуации сопротивления алюминиевых контактов в области границ контактного окна. Левая граница указанного интервала толщин определяет минимальную толщину, при которой флуктуации сопротивления контактов не создают избыточного расшумливания и достигается высокая равномерность значений U по площадкам, а правая граница определяет толщины, при которых происходит подтравливание контактов под фоторезистом при формировании контактной системы.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами фиг. 1 и фиг. 2, на которых схематически изображены кристалл ФД (вид сверху фиг.1a и в разрезе фиг. 1б) и фрагмент области глубокого контактного окна Б, поясняющий возможность генерации флуктуаций сопротивления контакта при толщине слоя алюминия меньше глубины контактного окна или при его небольшом превышении (фиг. 2).
+
+
+
+
2
2
Согласно фиг.1a и формуле полезной модели, на рабочей стороне пластины кремния n-типа проводимости 1 расположены рабочие фоточувствительные площадки 2 и единое ОК 3 (p-слой). Рядом с ОК, а в зазоре между площадками - в разрыве между участками ОК, близлежащими к соседним площадкам, расположены участки n-типа омического контакта 4. Планарная поверхность защищена пленкой SiO 5 с окнами для обеспечения контактов 6 ко всем рабочим площадкам и контактов 7 к n-областям омических контактов к базе и соседним участкам ОК, обеспечивая их электрическое соединение. Контактная система 6, 7 обеспечивается слоем Аl, толщина которого превышает толщину пленки SiO в области самого глубокого контактного окна на (0,5÷2,0) мкм. На обратной стороне имеется слой n-типа 9 (омический контакт к базе) с поверхностным слоем Аl 8.
2
A1
2
SiO2
A1
SiO2
2
Фиг. 2 показывает, что на краях контактных окон имеются «перешейки» 10 между участком Аl, расположенным в глубине окна и участком, расположенным на граничной области SiO. При одной и той же толщине слоя Аl наиболее тонкий перешеек имеет место на границах именно наиболее глубокого контактного окна. В случае, когда толщина слоя Al (d) и толщина пленки SiO (d) находятся в соотношении d<d (фиг. 2a) перешеек 10 является наиболее тонким и он образован подпылением за счет отклонения подложки от нормального положения относительно пучка распыляемых атомов алюминия или за счет миграции этих атомов при подогреве подложки. За счет механических напряжений на краях окна, показанных на чертеже и вызванных разницей в температурных коэффициентах линейного расширения Аl и SiO, перешеек 10 в этом случае пронизан трещинами 11, являющимися источниками генерации шума при флуктуациях тока и температуры.
A1
SiO2
A1
SiO2
При (d-d)<0,5 мкм (фиг. 2б) трещины 11 также могут играть заметную роль в модуляции сопротивления перешейка и генерации шумов. При условии (d-d)>0,5 мкм (фиг. 2в) шумовой ток, обусловленный флуктуациями сопротивления трещин перешейка, эффективно шунтируется достаточно толстым слоем структурно совершенного алюминия, который «гасит» шумовые проявления в перешейке и в контакте в целом.
2
При фотовольтаическом включении предлагаемого ФД в отсутствие засветки происходит генерация напряжения шума, которое уменьшено за счет применения контактных слоев Аl с толщиной, превосходящей на (0,5÷2,0) мкм толщину защитной пленки SiO в месте наиболее глубокого контактного окна.
A1
Были изготовлены 16-площадочные ФД на рабочую длину волны 0,53 мкм с площадками размером 1,4×1,4 мм, расположенными в линию, с зазором между площадками 150 мкм в соответствии с предложением, с отступлениями от предложения, а также без закороченного ОК и по прототипу с толщиной контактного слоя Al d ~0,75 мкм.
Изготовлена партия из 30 пластин n-Si толщиной 0,4 мм с удельным сопротивлением 4,5 Ом·см по следующему технологическому маршруту:
2
SiO2
1 - окисление при температуре 1150°С (сухой-влажный-сухой кислород) до толщины пленки SiO d=0,6 мкм;
+
2 - загонка и разгонка атомов бора с окислением для создания p-областей площадок и ОК толщиной ~1,5 мкм и поверхностной окисной пленки толщиной ~0,3 мкм;
15
-2
+
1
2
3 - имплантация ионов фосфора с энергией 60 кэВ и дозой 2·10 см с последующим отжигом в атмосфере азота при T=600°С (1 час) и Т=900°С (1 час) для создания n-области вокруг каждой площадки и на обратной стороне пластины;
4 - вскрытие контактных окон в областях толстой (0,6 мкм) и тонкой (0,3 мкм) окисной пленки, нанесение слоя Аl толщиной 0,15; 0,35; 0,75; 1,2; 2,5 и 2,9 мкм по 5 пластин каждого варианта исполнения и формирование контактной системы с применением фотолитографии.
После изготовления и разрезания пластин на ЧИПы (16 площадок с двумя планарными омическими контактами) последние приклеивались на ситалловый растр, на который разваривались все планарные контакты кристалла.
Кристаллы на растре последовательно стыковали с одной и той же группой усилителей с полосой частот Δf=70 Гц и на них вольтметром В3-54 измеряли значения напряжения шума при температурах (20±2)°С и (70±2)°С соответственно  и .
Средние значения измеренных параметров и их неравномерности для каждого из вариантов исполнения кристаллов представлены в таблице. При этом неравномерность каждого параметра ΔП рассчитывалась по формуле:
max
min
где П, П,  - соответственно максимальное, минимальное и среднее значение рассматриваемого параметра по данному варианту исполнения.
В таблице жирным шрифтом выделены позиции, не отвечающие установленным нормам.
Как следует из данных таблицы, при уменьшении толщины слоя Аl ниже заявленного значения происходит заметное ухудшение параметров  и  и их равномерности. При этом последовательное уменьшение толщины этого слоя ухудшает сначала параметры  и , а затем и  и  ниже нормы. При превышении заявленного значения толщины слоя Аl происходит заметное подтравливание контактов.
Таким образом, предлагаемый планарный многоплощадочный ФД при фотовольтаическом включении в нормальных условиях и при повышенных температурах обеспечивает улучшение таких параметров как напряжение шума и его равномерность по площадкам.