Способ изготовления матричного фотоприемного устройства
METHOD FOR MANUFACTURING A MATRIX PHOTODETECTOR

Предлагаемое изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, чувствительных к инфракрасному излучению, в частности одно- и многоэлементных фотодиодов на антимониде индия (InSb), и может быть использовано при изготовлении линейных и матричных фотодиодов.
Одним из наиболее важных этапов в данной технологии является качественная пассивация фоточувствительных элементов диэлектрическими покрытиями, что критическим образом влияет на электрофизические характеристики фотодиодных матриц, в том числе на уровень темнового тока и количество дефектных элементов при рабочем напряжении смещения. Усовершенствование технологических режимов и применение новых способов формирования диэлектрических пленок позволит повысить качество пассивации за счет снижения величины плотности поверхностных состояний, обеспечения высокой сплошности и равномерности покрытия.
Целью данного изобретения является создание матричного фотоприемного устройства с улучшенными характеристиками за счет применения диэлектрического покрытия на поверхности антимонида индия более высокого качества. Более высокое качество диэлектрического покрытия достигается благодаря следующим отличительным особенностям, присущим предлагаемому покрытию:
it
11
-1
-2
- величина плотности поверхностных состояний, D, на границе полупроводник-диэлектрик не более 10 эВ см;
F
11
-2
- величина фиксированного заряда, N, не более 3×10 см;
- высокая однородность толщины диэлектрического слоя по площади пластины;
- конформное покрытие сложных профилей (например, меза-элементов) диэлектрическим слоем без разрывов.
3
5
В настоящее время в технологии производства фотодиодных матричных чувствительных элементов на основе InSb достаточно остро ощущается как нехватка новых диэлектрических покрытий, так и способов их нанесения из-за постоянно повышающихся требований к параметрам ИК МФПУ. Основные сложности в технологии формирования диэлектрических покрытий на поверхности бинарных соединений АБ включают:
it
F
- высокие величины D и N из-за избыточного количества элементарных In и Sb в приповерхностных слоях;
- недостаточно высокую однородность электрофизических характеристик по площади пластины, что главным образом связано с распределением толщины диэлектрического слоя;
- неполное покрытие сложных профилей (меза-элементов) диэлектрическим слоем (низкая конформность);
- невысокая воспроизводимость процесса.
x
В настоящее время наиболее распространенными способами нанесения диэлектрических покрытий является термическое напыление SiO при низких температурах (менее 100 С°) в сочетании с анодным оксидированием поверхности. Также используется методы PECVD и photo-CVD.
x
2
3
3
5
Используемый в производстве МФПУ SiO обладает невысокими значениями диэлектрической проницаемости, ε менее 3,9. Возникает необходимость поиска и апробирования новых видов диэлектриков с высоким ε (high-k диэлектрики) для пассивации InSb и разработки способов их нанесения. AlO (ε=9,0) является одним из возможных кандидатов, как один из наиболее изученных материалов, широко применяемый для пассивации соединений на основе элементов группы АБ т.ч. GaAs, InGaAs и др.
Метод атомно-слоевого осаждения (АСО) лишен большинства перечисленных недостатков: обладает высокой контролируемостью процесса вплоть до одного монослоя, а также высокой конформностью формируемых пленок. Кроме того, формирование диэлектрических пленок данным способом не требует проведения дополнительной операции анодного оксидирования.
В патенте [US 9,355,839 В2] приводятся данные по формированию диэлектрических слоев методом АСО. Недостатком данного способа являются не оптимизированные режимы формирования диэлектрических слоев, без учета материала подложки.
2
3
2
3
В статье [Atomic layer deposition of AlO on GaSb using in situ hydrogen plasma exposure Laura B. Ruppalt, Erin R. Cleveland, James G. Champlain, Sharka M. Prokes, J. Brad Boos, Doewon Park, and Brian R. Bennett] использовали предварительную обработку в плазме подложек GaSb перед осаждением AlO. Применение предварительной обработки в плазме для материала InSb имеет ряд ограничений: ввиду особенностей материала возможно формирование уровней энергий в запрещенной зоне.
Во всех описанных способах не приводятся данные по использованию метода АСО как пассивирующего диэлектрика по всей площади пластины.
Известен способ изготовления [RU 2313854 С1] фотодиода на антимониде индия, включающем формирование локального р-n перехода на подложке, формирование защитной диэлектрической пленки анодным окислением, нанесение пассивирующей пленки и формирование контактных площадок, анодное окисление проводя т в электролите следующего состава:
4
2
2
8
- 45-55 объемных % 0,05 моль/л раствора персульфата аммония ((NH)SO) в глицерине;
x
- 45-55 объемных % диметилформамида в гальваностатическом режиме в две стадии, причем плотность тока уменьшается на каждой последующей стадии. Пассивирующая пленка SiO и контактные площадки Cr+Au наносились резистивным напылением.
Данный способ применим для изготовления одиночных и линейных фотодиодов, но равномерность диэлектрического покрытия по площади пластины в данном способе также не оценивалась.
В патенте [RU 2056671] показан способ изготовления фотодиодов на антимониде индия на подложку антимонида индия n-типа проводимости со сформированным в ней р-n переходом. После формирования р-n перехода наносят защитную диэлектрическую пленку анодным окислением, пассивирующую диэлектрические пленки и контактную систему. Недостатком данного способа является возможное отслоение пассивирующей пленки, обусловленное гидратацией. Эффективная дегидратация поверхности происходит при температурах выше 250°С, а при более низких температурах требуются слишком большие длительности прогрева. Однако при температурах 100-120°С происходит деградация диэлектрических характеристик.
17
19
-3
В качестве прототипа использован способ изготовления [RU 2313853], где проводилось формирование локального р-n перехода на подложке, анодное окисление для формирования защитной диэлектрической пленки, нанесение пассивирующей диэлектрической пленки и формирование контактной системы. Перед анодным окислением проводили легирование свободных от локального р-n перехода поверхностных областей подложки диффузией или ионной имплантацией с постимплантационным отжигом до концентрации легирующей примеси 5⋅10-10 см. При этом ближнюю к р-n переходу границу области легирования не доводили до него на 5-50 мкм, а нанесение пассивирующей пленки производили, не доводя ее на расстояние не менее 10 мкм до дальней от р-n перехода границы области легирования.
Недостатком данного способа является достаточно сложная архитектура формируемого диэлектрического покрытия, которую сложно реализовывать в матричных фотоприемных устройствах.
F
Задачей изобретения является формирование диэлектрического покрытия с улучшенными защитными свойствами: уменьшенной величиной фиксированного заряда N, улучшенной однородностью по площади пластины и конформностью.
Задача решается за счет того, что на сформированные предварительным химическим травлением меза-элементы наносят защитный диэлектрический слой методом АСО с предварительным удалением оксидного слоя в разбавленном растворе концентрированной - предварительное удаление оксидного слоя в растворе фтороводородной кислоты;
формируют защитную диэлектрическую пленку типично толщиной 10 нм методом АСО: 100 циклов попеременной подачи триметилалюминия (ТМА) и паров воды;
осуществляют «вскрытие окон» в диэлектрическом слое в буферном травителе на основе фтороводородной кислоты и фторида аммония.
Процесс проводился при температуре 200 С°.
Сущность изобретения поясним на примерах практического исследования электрофизических параметров структуры с заявляемым диэлектриком.
Собственный оксидный слой удалялся в разбавленном растворе 1:10 концентрированной фтороводородной кислоты (HF, 45 масс. %, о.с.ч.) в деионизованной воде в течение 30 секунд непосредственно перед нанесением диэлектрических слоев методом АСО.
2
3
Методом атомно-слоевого осаждения выращивались диэлектрические слои AlO на установке TFS 200-187 при температуре 200 С°. Был сформирован слой толщиной приблизительно 10 нм использовалось 100 циклов попеременной подачи ТМА и паров воды. После формирования диэлектрических покрытий образцы промывались в изопропиловом спирте и высушивались в потоке сухого газообразного азота
-4
2
С помощью установки Keithley 4200A-SCS Parameter Analyzer оценивались величины фиксированного в диэлектрике заряда и плотности состояний на границе раздела методом C-V характеристик. Измерения проводили при температуре жидкого азота. Для измерений изготавливались МДП-структуры, в которых контакт к диэлектрику формировался с применением «взрывной» фотолитографии и последующего термического напыления индиевых металлических контактов площадью 1×10 см. Общий контакт создавался с помощью вольфрамового зонда контактной системы.
Измерения проводились при отсутствии внешней засветки на частотах от 1 кГц до 1 МГц со скоростью развертки ОД В/с.
Характеристики диэлектрических слоев, полученных методом АСО, сравнивались с диэлектрическими характеристиками образцов, полученных в серийном производстве, имеющих комбинированное диэлектрическое покрытие: 50 нм слой, полученный с помощью анодного оксидирования в персульфате аммония в режиме «петля», на который термически напылялся слой SiOx (установка Kurt J Lesker PVD 75 Proline) толщиной 200 нм.
11
-2
11
-2
2
3
Средние значения Nf для образцов, полученного методом АСО и образцов, имеющих гибридное покрытие, составили 1,4×10 см и 2,9×10 см, (Фиг. 1 и Фиг. 2) соответственно, что может указывать на меньшее содержание кристаллической сурьмы в диэлектрическом слое. При сравнении среднего значения Dit на образцах, изготовленных по технологии нанесения АСО (Фиг. 3) и имеющих гибридное диэлектрическое покрытие (Фиг. 4) можно заметить меньший разброс значений Dit по площади пластины: для образца А не превышает 9% против 20% на образце Б, что наиболее вероятно связано с высокой однородностью толщины нанесенного слоя AlO методом АСО.
Результаты измерений воспроизводились спустя 48 часов после проведения первых исследований, что показывает стабильность покрытий во времени (при атмосферных условиях).