СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ФОТОПРИЕМНОГО КРИСТАЛЛА НА ОСНОВЕ МДП-СТРУКТУР
METHOD FOR MANUFACTURE OF MULTIPLE-UNIT PHOTORECEIVING CRYSTAL BASED ON MIS STRUCTURES

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в технологии изготовления приемников инфракрасного (ИК) излучения, например, линейчатого типа.
15
-3
++
18
-3
2
2
2
Известен способ изготовления многоэлементного фотоприемного кристалла на основе МДП-структур (Г.Л.Курышев, А.П.Ковчавцев, Н.А.Валишева «Электронные свойства структур металл-диэлектрик-полупроводник на основе InAs», ФТП, 2001 г., т.35, вып.9, стр.1111-1119), заключающийся в том, что на полупроводниковой подложке создают слой, формирующий границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, после чего осаждают подзатворный диэлектрик, затем созданием затворов на подзатворном диэлектрике формируют фоточувствительные элементы. В качестве подложки используют автоэпитаксиальные структуры InAs n-типа проводимости с концентрацией основных носителей заряда (1÷6)·10см и временем жизни 0,3÷1,8 мкс на сильно легированных n-подложках (концентрация свободных носителей заряда порядка 10см с ориентацией (111)А. Слой, формирующий границу раздела полупроводник-подзатворный диэлектрик, создают посредством окисления подложки во фторсодержащем электролите (анодное окисление). В качестве источника фторид-ионов в электролит, представляющий собой концентрированный раствор аммиака в этиленгликоле в соотношении 1:5 по объему, добавляют фторид аммония. Окисление проводят при комнатной температуре в двухэлектродной ячейке в гальваностатическом режиме при плотности тока 0,5 мА/см. После окисления осаждают в качестве подзатворного диэлектрика двуокись кремния (SiO) толщиной 140 нм при температуре 200÷240°С путем окисления моносилана в кислороде в реакторе пониженного давления (SiO-РПД). Перед окислением поверхность подвергают обезжириванию. Материалом затвора фоточувствительных элементов является окись индия толщиной 0,12 мкм, нанесенная методом ионно-плазменного распыления.
К причинам, препятствующим достижению нижеуказанного технического результата, относится наличие фоточувствительности вне области расположения фоточувствительных элементов - под проводящими шинами и контактами. Фоточувствительность обуславливает незначительная разница пороговых напряжений в фоточувствительной области фотоприемного кристалла и в области проводящих шин. Отсутствие заметной разницы величин порогового напряжения под проводящими шинами и фоточувствительными элементами обусловлено одними и теми же значениями плотности поверхностных состояний и фиксированного заряда на границе раздела полупроводниковая подложка-диэлектрик по всей площади фотоприемного кристалла: в фоточувствительной области, где расположены МДП-структуры, и в области проводящих шин. В приведенном техническом решении отсутствует ярко выраженный фактор, приводящий к подавлению фоточувствительности в области проводящих шин.
2
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ изготовления многоэлементного фотоприемного кристалла на основе МДП-структур (Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона. Под ред. С.П.Синицы, Новосибирск, «Наука», 2001 г., стр.86-87), заключающийся в том, что на полупроводниковой подложке создают слой, формирующий границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, после чего осаждают подзатворный диэлектрик, затем созданием затворов на подзатворном диэлектрике формируют фоточувствительные элементы. В ходе формирования затворов наносят фоторезист и проводят фотолитографию, формируя сквозные окна в фоторезисте, после фотолитографии напыляют проводящую пленку в окнах на подзатворный диэлектрик и осуществляют взрывную фотолитографию, создавая затвор. Далее фоторезист удаляют и осаждают слой защитного диэлектрика, в котором в поле площади фоточувствительных элементов литографически создают сквозные окна, в заключение изготавливают литографически проводящие шины. Перед созданием слоя, формирующего границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, проводят предварительную химическую обработку подложки. В качестве подложки используют пластину InAs. Слой, формирующий границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, создают посредством окисления подложки во фторсодержащем электролите (анодное окисление). Сразу после окисления осаждают в качестве подзатворного диэлектрика SiO-РПД при температуре 220°С. После фотолитографии в качестве проводящей пленки напыляют окись индия толщиной от 0,12 до 0,15 мкм.
К причинам, препятствующим достижению нижеуказанного технического результата, относится наличие фоточувствительности вне области расположения фоточувствительных элементов - под проводящими шинами и контактами. Фоточувствительность обуславливает незначительная разница пороговых напряжений в фоточувствительной области фотоприемного кристалла и в области проводящих шин. Отсутствие заметной разницы величин порогового напряжения под проводящими шинами и фоточувствительными элементами обусловлено одними и теми же значениями плотности поверхностных состояний и фиксированного заряда на границе раздела полупроводниковая подложка-диэлектрик по всей площади фотоприемного кристалла: в фоточувствительной области, где расположены МДП-структуры, и в области проводящих шин. В приведенном техническом решении отсутствует ярко выраженный фактор, приводящий к подавлению фоточувствительности в области проводящих шин.
Техническим результатом изобретения является улучшение электрооптической развязки элементов.
Технический результат достигают тем, что в способе изготовления многоэлементного фотоприемного кристалла на основе МДП-структур, заключающемся в том, что на полупроводниковой подложке создают слой, формирующий границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, после чего осаждают слой подзатворного диэлектрика, затем созданием затворов на подзатворном диэлектрике формируют фоточувствительные элементы, после чего изготавливают проводящие шины, перед созданием слоя, формирующего границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, на полупроводниковую подложку наносят слой диэлектрика, в котором формируют литографически сквозные окна, определяющие фоточувствительную область для каждого фотоприемного кристалла, после чего на полупроводниковой подложке в сформированных в слое диэлектрика сквозных окнах создают слой, формирующий границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, причем площадь окна, сформированного в слое диэлектрика, задана с возможностью охвата площади всех фоточувствительных элементов фотоприемного кристалла, а проводящие шины от затворов фоточувствительных элементов выносят за пределы фоточувствительной области.
В качестве полупроводниковой подложки используют пластину InAs.
В способе слой, формирующий границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, создают посредством анодного окисления подложки во фторсодержащем электролите.
В способе формируют анодный окисел толщиной порядка 10÷15 нм.
В способе формирование фоточувствительных элементов созданием затворов на подзатворном диэлектрике осуществляют тем, что на слой подзатворного диэлектрика наносят фоторезист и проводят фотолитографию, формируя сквозные окна в фоторезисте, располагая их в поле площади слоя, формирующего границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, после формирования сквозных окон в фоторезисте площадью, равной площади фоточувствительного элемента, в окнах в фоторезисте создают затворы путем напыления проводящей пленки, далее фоторезист удаляют и осаждают слой защитного диэлектрика, в котором относительно каждой площадки фоточувствительного элемента литографически создают сквозные, до затвора, окна, в заключение изготавливают литографически проводящие шины, контактирующие с затворами фоточувствительных элементов.
2
В качестве слоев диэлектрика, подзатворного диэлектрика и защитного диэлектрика используют слои SiO толщинами соответственно от 95 до 105 нм; от 135 до 155 нм; от 200 до 220 нм.
2
3
В качестве материала затвора толщиной от 120 до 130 нм используют InO.
Для изготовления проводящих шин используют титан, при толщине слоя от 0,1 до 0,15 мкм.
2
2
2
3
2
2
3
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. На Фиг.1 схематически представлены основные этапы изготовления многоэлементного фотоприемного кристалла на основе МДП-структур, где 1 - полупроводниковая подложка (InAs), 2 - слой диэлектрика (SiO-РПД), 3 - слой (анодный окисел), формирующий границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, 4 - подзатворный диэлектрик (SiO), 5 - затвор фоточувствительного элемента (InO), 6 - слой защитного диэлектрика (SiO-РПД), 7 - проводящие шины. На Фиг.2 схематически показан вид сверху фотоприемного кристалла линейчатого типа, где 7 - проводящие шины, 8 - площадки затворов фоточувствительных элементов, 9 - поле слоя, формирующего границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик (фоточувствительная область). На Фиг.3 схематически приведено изображение полупроводниковой пластины с расположенными на ней фотоприемными кристаллами, где 10 - фотоприемный кристалл. Пунктиром обозначены области 9 расположения площадок затворов фоточувствительных элементов 8. На Фиг.4 схематически представлен процесс изготовления затворов фоточувствительных элементов, где 4 - подзатворный диэлектрик, 11 - фоторезист, 12 - полупрозрачный проводящий слой (InO), 5 - затвор фоточувствительного элемента.
12
-2
-1
12
-2
-1
FB
Достижение технического результата в предлагаемом изобретении базируется на создании значительной разницы пороговых напряжений в фоточувствительной области фотоприемного кристалла и в области проводящих шин. Значительная разница значений пороговых напряжений под проводящими шинами 7 и фоточувствительными элементами и подавление фоточувствительности вне области расположения фоточувствительных элементов, под проводящими шинами 7, достигается за счет формирования областей с различными значениями плотности поверхностных состояний и фиксированного заряда на границе раздела полупроводниковая подложка-диэлектрик в процессе изготовления МДП-структур для фотоприемников (см. Фиг.1 и Фиг.2). Так, в фоточувствительной области, расположенной в поле слоя 3, формирующего границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик (см. Фиг.1), в которой сосредоточены фоточувствительные элементы (Фиг.2), плотность поверхностных состояний (Nss) на границе раздела подложка-подзатворный диэлектрик достигает значения менее 5·10смэВ, а значение напряжения плоских зон (U) от -3 до 5 В. В области расположения проводящих шин 7, лежащей вне поля слоя 3, формирующего границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, характеризующейся наличием более толстого слоя 6 защитного диэлектрика, плотность поверхностных состояний на границе раздела подложка-диэлектрик достигает значения 10смэВ, а значение напряжения плоских зон составляет около -20 В. Разница значений приведенных параметров обеспечивает подавление фоточувствительности в области проводящих шин.
Технологически разница пороговых напряжений и подавление фоточувствительности в области проводящих шин достигается созданием слоя, формирующего границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, в функцию которого входит обеспечить минимальное значение плотности поверхностных состояний и фиксированного заряда только в фоточувствительной области фотоприемного кристалла. Для этого в известный перечень операций вводятся дополнительные операции: перед созданием слоя, формирующего границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, на полупроводниковой подложке 1 осаждают слой диэлектрика 2, затем в нем формируют литографически сквозные окна (Фиг.1). Далее слой 3, формирующий границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, создают не на всей полупроводниковой подложке, в том числе и под проводящими шинами, как это имеет место в вышеприведенном ближайшем техническом решении, а только в сформированном в слое диэлектрика 2 окне. Сформированное окно (Фиг.1) определяет фоточувствительную область фотоприемного кристалла (см. Фиг.2 и 3), в которой будут расположены фоточувствительные элементы (Фиг.2), и задает границу, за которую будут вынесены проводящие шины 7 от площадок фоточувствительных элементов.
Таким образом, заявляемый способ включает в себя следующую последовательность действий (Фиг.1).
Пластины InAs, являющиеся полупроводниковыми подложками 1, отбраковывают по внешнему виду, времени жизни неосновных носителей заряда и толщине.
2
Затем полупроводниковую подложку 1 подвергают предварительной обработке, обезжиривают в смеси моноэталомина с перекисью водорода. После проведения этой общепринятой процедуры на полупроводниковую подложку 1 осаждают слой диэлектрика 2. В качестве диэлектрика используют SiO толщиной 95÷105 нм, который осаждают в реакторе пониженного давления из смеси моносилана с кислородом в аргоне при температуре 220°С. Слой диэлектрика 2 служит маской, обеспечивающей формирование границы раздела с минимальной плотностью поверхностных состояний и фиксированного заряда только в фоточувствительной области кристалла, где посредством проведения последующих технологических операций формируют затворы многоэлементного фотоприемного кристалла на основе МДП-структур: литографически осуществляют вскрытие окон в слое диэлектрика 2 для всех фотоприемных кристаллов (см. Фиг.3), в которых на полупроводниковой подложке 1 создают слой 3, формирующий границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик (см. Фиг.1а).
4
2
2
10
-2
-1
10
-2
12
-2
-1
12
-2
Перед созданием слоя 3 повторно проводят обработку путем обезжиривания в смеси моноэталомина с перекисью водорода. Слой 3 создают посредством анодного окисления подложки в кислотном фторсодержащем электролите в гальваностатическом режиме. Анодный окисел формируют толщиной около 10÷15 нм, при этом напряжение формовки в зависимости от концентрации фторсодержащей добавки (NHF) 0,05÷15 г/л составляет для толщины 10 нм от 6,6 до 14 В, а для толщины 15 нм от 7,9 до 16 В. Назначение слоя 3, полученного на подложке 1 анодным окислением в сквозных окнах SiO, - формирование границы раздела с плотностью поверхностных состояний порядка или менее 5·10смэВ и величиной встроенного заряда порядка 10см, в то время как под слоем диэлектрика 2 (слой - маска SiO) значения приведенных параметров составляют соответственно порядка или более 10смэВ и порядка 10см.
На вышеописанном этапе (см. Фиг.1а) осуществления способа задают геометрически фоточувствительную область фотоприемных кристаллов, например, линейчатого фотоприемника, задают физические параметры границы раздела подложка-подзатворный диэлектрик в фоточувствительной области и в области проводящих шин, определяющие возможность увеличения разницы в значениях пороговых напряжений и улучшения электрооптической развязки элементов. Результатом выполнения данного этапа является увеличение разницы в величинах пороговых напряжений под проводящими шинами, по сравнению с фоточувствительными элементами, на 10÷15 В.
2
После анодного окисления подложки 1 в окнах диэлектрика-маски (слой диэлектрика 2) приступают к этапу осаждения подзатворного диэлектрика 4 и создания затворов 5 (см. Фиг.1б). Подзатворный диэлектрик 4, в качестве которого используют SiO-РПД толщиной 135÷445 нм, осаждают на всей площади полупроводниковой подложки 1, используя для осаждения смесь моносилана с кислородом в аргоне и температуру 220°С. Подзатворный диэлектрик 4 предназначен для обеспечения требуемых диэлектрических свойств МДП-структур, необходимых для надлежащей работы фотоприемников.
Создание затворов 5 осуществляют в фоточувствительной области фотоприемных кристаллов. Для изготовления затворов используют, например, метод взрывной фотолитографии (см. Фиг.4).
2
3
2
3
На осажденный подзатворный диэлектрик 4 наносят фоторезист и проводят фотолитографию (Фиг.4а). После вскрытия окон в фоторезисте осуществляют напыление InO методом катодного распыления толщиной 120÷130 нм (Фиг.4б). Затем путем взрывной фотолитографии по InO формируют затворы 5 фоточувствительных элементов (Фиг.4в).
2
Далее на полупроводниковую подложку 1 поверх сформированных на ней МДП-структур осуществляют нанесение слоя защитного диэлектрика 6 и создание в нем окон для контактов к затворам 5 (Фиг.1в). В качестве защитного диэлектрика используют слой SiO толщиной 200÷220 нм, который получают вышеприведенным методом при температуре 195°С. Назначение данного слоя: во-первых, обеспечение электрической развязки затворов МДП-структур с проводящими шинами 7 и экраном (не показан) и, во-вторых, защита МДП-структур от негативного воздействия последующих технологических операций.
2
2
3
Затем для обеспечения создания контакта проводящих шин 7 и затворов 5 проведением литографии по защитному слою SiO вскрывают окна до затворов 5 из InO. После чего приступают к заключительному этапу (см. Фиг.1г).
Для этого проводят предварительную обработку с целью улучшения адгезии. Заключительный этап изготовления включает создание проводящих шин 7, контактирующих с затворами 5 фоточувствительных элементов (Фиг.1г), и экрана (не показан), а также операции по изготовлению индиевых столбов для Flip-Chip сборки с кремниевым мультиплексором. Для создания проводящих шин 7 напыляют титан методом катодного распыления толщиной порядка 0,1÷0,15 мкм. После чего проводят литографию по титану. Эти две операции обеспечивают изготовление проводящих шин 7 и расположенного между затворами экрана, обеспечивающего защиту от паразитных засветок.
После завершения изготовления проводящих шин 7 и экрана на каждой проводящей шине формируют индиевый столб, предназначенный для соединения фотоприемного кристалла (чипа) с устройством считывания сигналов с фоточувствительных элементов. Для этого проводят напыление индия с адгезионным подслоем никеля. Толщина индия составляет порядка 5÷6 мкм. Затем осуществляют фотолитографию по индий-никелю.
В заключение на непланарную сторону пластины с целью создания контакта напыляют индий толщиной порядка 0,3 мкм. После проведения тестирования пластину разделяют на кристаллы. Каждый фотоприемный кристалл 10 (Фиг.3) может содержать разное количество фоточувствительных элементов, например 2×192, или 2×128, или 1×68, с разным шагом и размером затворов.
Приведенные материалы для создания конструктивных элементов многоэлементных фотоприемных кристаллов на основе МДП-структур и методы формирования из них слоев являются известными, а толщины слоев, используемые материалы и оборудование при проведении литографических процессов являются типичными для существующей технологии.
В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления изобретения с достижением технического результата, приводим нижеследующие примеры реализации.
Пример 1.
На предварительно обезжиренную полупроводниковую подложку наносят слой диэлектрика, в котором формируют литографически сквозные окна, определяющие фоточувствительную область для каждого фотоприемного кристалла. Затем на полупроводниковой подложке в сформированных в слое диэлектрика сквозных окнах создают слой, формирующий границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик. Причем площадь окна, сформированного в слое диэлектрика, задана с возможностью охвата площади всех фоточувствительных элементов фотоприемного кристалла.
Последовательно осаждают слой подзатворного диэлектрика, созданием затворов на подзатворном диэлектрике формируют фоточувствительные элементы и проводящие шины. При этом проводящие шины от затворов фоточувствительных элементов выносят за пределы фоточувствительной области.
В качестве полупроводниковой подложки используют пластину InAs.
Слой, формирующий границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, создают посредством анодного окисления подложки во фторсодержащем электролите. При этом формируют анодный окисел толщиной порядка 15 нм.
Формирование фоточувствительных элементов созданием затворов на подзатворном диэлектрике осуществляют путем последовательного выполнения следующих операций. На слой подзатворного диэлектрика наносят фоторезист. Проводят литографию, формируя сквозные окна в фоторезисте, располагая их в поле площади слоя, формирующего границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик. В окнах, сформированных в фоторезисте, создают затворы путем напыления проводящей пленки и последующего удаления фоторезиста. Осаждают слой защитного диэлектрика. В слое защитного диэлектрика относительно каждого фоточувствительного элемента литографически создают сквозные, до затвора, окна. В заключение изготавливают литографически проводящие шины, контактирующие с затворами фоточувствительных элементов.
2
В качестве слоев диэлектрика, подзатворного диэлектрика и защитного диэлектрика используют слои SiO толщинами соответственно 100 нм, 140 нм, 200 нм.
2
3
В качестве материала проводящей пленки для создания затворов используют InO, который напыляют толщиной 130 нм.
Для изготовления проводящих шин используют титан, напыленный слоем толщиной порядка 0,1 мкм.
Пример 2.
На предварительно обезжиренную полупроводниковую подложку наносят слой диэлектрика, в котором формируют литографически сквозные окна, определяющие фоточувствительную область для каждого фотоприемного кристалла. Затем на полупроводниковой подложке в сформированных в слое диэлектрика сквозных окнах создают слой, формирующий границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик. Причем площадь окна, сформированного в слое диэлектрика, задана с возможностью охвата площади всех фоточувствительных элементов фотоприемного кристалла.
Последовательно осаждают слой подзатворного диэлектрика, созданием затворов на подзатворном диэлектрике формируют фоточувствительные элементы и изготавливают проводящие шины. При этом проводящие шины от металлических электродов фоточувствительных элементов выносят за пределы фоточувствительной области.
В качестве полупроводниковой подложки используют пластину InAs.
Слой, формирующий границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, создают посредством анодного окисления подложки во фторсодержащем электролите. При этом формируют анодный окисел толщиной порядка 13 нм.
Формирование фоточувствительных элементов созданием затворов на подзатворном диэлектрике осуществляют путем последовательного выполнения следующих операций. На слой подзатворного диэлектрика наносят фоторезист. Проводят литографию, формируя сквозные окна в фоторезисте, располагая их в поле площади слоя, формирующего границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик. В окнах, сформированных в фоторезисте, создают затворы путем напыления проводящей пленки и последующего удаления фоторезиста. Осаждают слой защитного диэлектрика. В слое защитного диэлектрика относительно каждого фоточувствительного элемента литографически создают сквозные, до затвора, окна. В заключение изготавливают литографически проводящие шины, контактирующие с затворами фоточувствительных элементов.
2
В качестве слоев диэлектрика, подзатворного диэлектрика и защитного диэлектрика используют слои SiO толщинами соответственно 95 нм, 130 нм, 220 нм.
2
3
В качестве материала проводящей пленки для создания затворов используют InO, который напыляют толщиной 120 нм.
Для изготовления проводящих шин используют титан, напыленный слоем толщиной порядка 0,15 мкм.
Пример 3.
На предварительно обезжиренную полупроводниковую подложку наносят слой диэлектрика, в котором формируют литографически сквозные окна, определяющие фоточувствительную область для каждого фотоприемного кристалла. Затем на полупроводниковой подложке в сформированных в слое диэлектрика сквозных окнах создают слой, формирующий границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик. Причем площадь окна, сформированного в слое диэлектрика, задана с возможностью охвата площади всех фоточувствительных элементов фотоприемного кристалла.
Последовательно осаждают слой подзатворного диэлектрика, созданием затворов на подзатворном диэлектрике формируют фоточувствительные элементы и изготавливают проводящие шины. При этом проводящие шины от площадок фоточувствительных элементов выносят за пределы фоточувствительной области.
В качестве полупроводниковой подложки используют пластину InAs.
Слой, формирующий границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик, создают посредством анодного окисления подложки во фторсодержащем электролите. При этом формируют анодный окисел толщиной порядка 10 нм.
Формирование фоточувствительных элементов созданием затворов на подзатворном диэлектрике осуществляют путем последовательного выполнения следующих операций. На слой подзатворного диэлектрика наносят фоторезист. Проводят литографию, формируя сквозные окна в фоторезисте, располагая их в поле площади слоя, формирующего границу раздела подложка-подзатворный диэлектрик. В окнах, сформированных в фоторезисте, создают затворы путем напыления проводящей пленки и последующего удаления фоторезиста. Осаждают слой защитного диэлектрика. В слое защитного диэлектрика относительно каждого фоточувствительного элемента литографически создают сквозные, до затвора, окна. В заключение изготавливают литографически проводящие шины, контактирующие с затворами фоточувствительных элементов.
2
В качестве слоев диэлектрика, подзатворного диэлектрика и защитного диэлектрика используют слои SiO толщинами соответственно 105 нм, 145 нм, 209 нм.
2
3
В качестве материала проводящей пленки для создания затворов используют InO, который напыляют толщиной 124 нм.
Для изготовления проводящих шин используют титан, напыленный слоем толщиной порядка 0,12 мкм.