Способ изготовления многоплощадочного кремниевого pin-фоточувствительного элемента с низким уровнем темновых токов
METHOD OF PRODUCING A MULTI-SITE SILICON PIN-PHOTOSENSITIVE ELEMENT WITH LOW DARK CURRENT LEVEL

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.
+
+
-4
5
6
-2
S
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*hj=1,2*4*10≈0,0005 Ом*см. Такому уровню сопротивления соответствует достаточно высокая плотность дислокаций (10-10) см [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.
15
-2
Режимы геттерирования: доза имплантации аргона D=2*10 см; 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;
15
-2
- ионную имплантацию аргона в обратную сторону пластины: доза D=2*10 cm; 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.
T
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, 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.