СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ pin-ФОТОДИОДОВ С ОХРАННЫМ КОЛЬЦОМ НА ВЫСОКООМНОМ р-КРЕМНИИ
METHOD OF PRODUCING pin-PHOTODIODES WITH GUARD RING ON HIGH-RESISTIVITY p-SILICON

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, в частности к способам создания планарных диффузионных pin-фотодиодов с охранным кольцом (ОК) на основе высокоомного (удельное сопротивление более 1 кОм·см) р-кремния с низким уровнем темновых токов.
+
Известен способ изготовления планарных диффузионных pin-фотодиодов с ОК на высокооомном р-кремнии, в котором для минимизации темновых токов рабочей области и ОК сначала формируют габариты кристаллов отдельных pin-фотодиодов, затем на кристаллах термическим окислением выращивают слой окиси кремния, стравливают этот слой с обратной и торцевой сторон кристалла и проводят в них диффузию бора, затем исходный окисел и образовавшееся стекло стравливают и проводят второе термическое окисление для формирования на рабочей стороне нового слоя окиси кремния, после этого с применением метода обратной фотолитографии вскрывают «окна» в новом слое для создания n-р переходов рабочей области и ОК и проводят в них диффузию фосфора, затем повторно снимают окись кремния с обратной и торцевых сторон кристалла и в них проводят диффузию бора (см. Ащеулов А.А., Годованюк В.Н., Добровольский Ю.Г., Рюхтин В.В., Романюк И.С. «Оптимизация надежности кремниевых pin-фотодиодов по темновом току», Технология и конструирование в электронной аппаратуре, №1, 1999 г., с.35-38).
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,6</mn><mo>−</mo><mn>16</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mfrac><mrow><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>А</mi></mrow><mrow><mi>с</mi><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
Такой способ позволяет получать удельные значения темнового тока при напряжении 20 В в пределах
при выходе годных кристаллов до 50%. Однако э тот способ является сложным, малопроизводительным и обладает высокой трудоемкостью и энергоемкостью из-за необходимости работать с отдельными кристаллами, а не с пластинами, содержащими от 5 до 15 шт. таких кристаллов, повторения энергоемких операций термического окисления и диффузии бора вместе с повторными операциями фотолитографии, применения нетрадиционной для технологии таких приборов обратной фотолитографии.
+
+
+
Более простым, менее трудоемким и энергоемким является наиболее близкий к предлагаемому способ изготовления планарных диффузионных pin-фотодиодов с ОК на высокоомном р-кремнии, включающий термическое окисление исходной кремниевой пластины для формирования слоя окиси кремния, обеспечивающего маскирование при диффузии и защиту поверхности планарных n-р переходов рабочей области и ОК, вскрытие «окон» в термическом окисном слое на рабочей стороне пластины, загонку атомов фосфора в «окна» и их разгонку, совмещенную с окислением, для формирования планарных n-р переходов рабочей области и ОК, стравливание термического окисного слоя с обратной стороны пластины, загонку в нее атомов фосфора и их разгонку, совмещенную с окислением, для создания геттерирующего слоя и проведения геттерирования, стравливание геттерирующего слоя и подлегирование обратной стороны загонкой атомов бора для создания омического контакта p-р типа к базе, вскрытие в окисном слое контактных «окон» к рабочей области и ОК и зондовый контроль их темновых токов для отбраковки пластин, нанесение металлизации, формирование контактного рисунка и вжигание металла (см. техническую документацию ОАО «МЗ «САПФИР» ЖИАЮ. 432235.012, ЖИАЮ. 432235.037, 2009 г.).
Однако такой способ не обеспечивает стабильный и высокий уровень годных кристаллов по темновому току из-за поверхностных утечек.
Задачей, решаемой предлагаемым способом, и техническим результатом при его использовании является повышение выхода годных фотодиодов за счет снижения уровня темнового тока рабочей области и ОК до заданных значений.
+
+
Указанный технический результат достигается тем, что способ изготовления pin-фотодиодов с ОК на высокоомном р-кремнии включает термическое окисление исходной пластины р-кремния или эпитаксиальной структуры, содержащей слой высокоомного р-кремния, вскрытие «окон» в термическом окисном слое, загонку атомов фосфора в «окна» и их разгонку, совмещенную с окислением, для формирования планарных n-р переходов рабочей области и ОК, создание на обратной стороне пластины геттерирующего слоя и проведение геттерирования, стравливание геттерирующего слоя и подлегирование подконтактной области базы атомами бора для создания омического контакта р-р типа, вскрытие в окисном слое контактных «окон» к рабочей области и ОК и зондовый контроль их темновых токов, отбор пластин, не соответствующих заданным значениям темнового тока, стравливание с них термического окисного слоя и нанесение на свободную поверхность кремния нового защитного слоя окиси кремния при температуре не выше 300°C, вскрытие контактных «окон» в нанесенном слое и повторный зондовый контроль темновых токов и при соответствии темнового тока заданным значениям - нанесение металлизации, формирование контактного рисунка и вжигание металла, а при несоответствии заданным значениям темнового тока - повторное стравливание термического окисного слоя и нанесение на свободную поверхность кремния нового защитного слоя окиси кремния при температуре не выше 300°С с последующим вскрытием «окон» и измерением темновых токов до получения их заданных значений. В частном случае выполнения нанесение нового защитного слоя окиси кремния после стравливания термического окисного слоя проводят методом низкотемпературного разложения молекул металлоорганических соединений, например гексаметилдисилаксана или тетраэтоксисилана, в плазме аргона.
Новым в предложенном способе является то, что после измерения темновых токов, с превышающими их допустимые значения фотодиодами проводят операции стравливания термического окисного слоя и нанесение на свободную поверхность кремния нового защитного слоя окиси кремния при температуре не выше 300°C. При этом происходит удаление встроенного заряда, в результате чего исчезают или ослабляются поверхностные каналы утечки. При нанесении нового защитного слоя окиси кремния при температурах не выше 300°C величина встроенного заряда оказывается недостаточной для образования каналов, что обеспечивает резкое уменьшение темновых токов и увеличение выхода годных приборов. Это объясняется следующим образом.
+
+
При создании планарных pin-фотодиодов с ОК на высокоомном р-кремнии необходимо обеспечение низкого уровня темновых токов рабочей области и ОК, которые обусловлены генерацией носителей заряда дефектными центрами в области пространственного заряда (ОПЗ) планарных n-p переходов и утечками по инверсным каналам на поверхности р-базы за пределами планарных границ n-области. Дефектные центры в ОПЗ в той или иной мере могут быть удалены в результате создания геттерирующего слоя и проведения процесса геттерирования. При успешном геттерировании темновой ток, обусловленный генерацией в ОПЗ, становится существенно меньше тока утечек по поверхностным инверсным каналам. Последние наводятся положительным эффективным поверхностным зарядом, который складывается из зарядов, локализованных непосредственно на поверхностных центрах, и зарядов, встроенных в поверхностный защитный диэлектрический слой на расстоянии до 100 Å от границы кремний-диэлектрик. При достаточно высоком качестве обработки поверхности кристалла в случае применения для защиты поверхности слоя окиси кремния, полученного термическим окислением, положительный эффективный поверхностный заряд является, в основном, встроенным, и его величина определяется условиями роста окисного слоя и охлаждения после проведения этого процесса. При упущениях в контроле условий проведения процесса окисления и охлаждения после процесса, например в случае попадания воздуха в реактор печи с контролируемой атмосферой азота, осушенного и очищенного от кислорода, при охлаждении может происходить значительное увеличение встроенного заряда. Аналогичный эффект возможен при охлаждении после других термических процессов (загонка-разгонка фосфора, загонка бора).
Поскольку обсуждаемый заряд встроен в защитный слой окисла, то он исчезает при стравливании этого слоя, уменьшая токи поверхностных утечек, однако для сохранения такого состояния требуется нанести новый защитный слой с минимальным встроенным зарядом.
Наиболее пригодными для защиты поверхности планарных кремниевых приборов являются слои именно окиси кремния, в которых встроенный заряд определяется вакансиями кислорода. Последние активно формируются в растущем и готовом окисном слое при температурах 400-700°С при наличии даже «следов» кислорода в атмосфере, контактирующей с образцами. По этой причине безопасными для приборных структур на высокоомном кремнии являются температуры не выше 300°C. Поэтому для нанесения нового защитного слоя окиси кремния наиболее пригодны низкотемпературные (при температурах не выше 300°C) методы, из которых в наибольшей мере безопасным для поверхности и отработанным является метод разложения молекул металлоорганических соединений, например гексаметилдисилаксана или тетраэтоксисилана, в плазме аргона.
Таким образом, технический результат достигается за счет того, что защитный слой термической окиси кремния с повышенным встроенным зарядом удаляют вместе с этим зарядом, в результате чего исчезают или ослабляются поверхностные каналы, и на место удаленного слоя наносят новый защитный слой окиси кремния в условиях, когда величина встроенного заряда оказывается недостаточной для образования каналов, что имеет место при температурах нанесения не выше 300°C. При этом темновой ток резко уменьшается.
+
+
3
Согласно предложению была изготовлена партия №1 кристаллов pin-фотодиодов на пластинах р-кремния ⌀60 мм с удельным сопротивлением (10÷15) кОм·см. На аналогичном материале изготовлены также партия №2 с отступлением от предложения и партия №3 - по прототипу. Каждая партия состояла из 10 шт. пластин, на каждой из которых размещалось до 5 шт. кристаллов размером 22×22 мм с планарными n-р переходами рабочей центральной области ⌀14 мм и окружающего ее на расстоянии 0,2 мм ОК с внешним ⌀15,6 мм, защитным слоем окиси кремня на рабочей стороне пластины, омическим контактом p-p типа на обратной стороне пластины и контактами из системы Cr+Au ко всем областям кристалла. Для всех партий температура окисления составляла 1150°C (режим: сухой-влажный-сухой кислород), температуры загонки и разгонки фосфора при формировании рабочей области, ОК и геттерирующего слоя составляли соответственно 950°C и 1130°С, источник при загонке - POCl; температура загонки бора - 980°C, источник - пластины нитрида бора.
2
20
150
20
150
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mn>20</mn></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>K</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mn>150</mn></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>K</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mn>20</mn></mrow><mrow><mi>О</mi><mi>К</mi></mrow></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mn>150</mn></mrow><mrow><mi>О</mi><mi>К</mi></mrow></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mn>20</mn></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>K</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mn>150</mn></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>K</mi></mrow></msubsup></mrow>
В партии №1 после стравливания термического окисного слоя наносился слой окиси кремния разложением паров гексаметилдисилаксана в плазме аргона при температуре 200°C, в партии №2 - при 350°C (отступление от предложения). При этом в обеих партиях слой термического окисла стравливали в буферном травителе (HF:HO=1:10). После формирования контактной системы пластины разрезали на кристаллы, на которых с помощью прижимных зондов при температуре (22±2)°C и обратных напряжениях 20 В и 150 В измеряли темновые токи OK (
и
) и рабочей области при параллельном подключении ОК (I и I). По результатам измерений на годных кристаллах определяли средние значения всех указанных параметров (
,
,
и
) и выход годных для обоих напряжений (η и η), считая, что допустимыми значениями являются
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mn>20</mn></mrow><mrow><mi>О</mi><mi>К</mi></mrow></msubsup><mo>≤</mo><mn>10</mn><mtext> мкА</mtext><msub><mrow><mtext>, I</mtext></mrow><mrow><mtext>20</mtext></mrow></msub><mo>≤</mo><mn>1</mn><mtext> мкА</mtext></mrow>
и
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mn>150</mn></mrow><mrow><mi>О</mi><mi>К</mi></mrow></msubsup><mo>≤</mo><mn>200</mn><mtext> мкА</mtext><msub><mrow><mtext>, I</mtext></mrow><mrow><mtext>150</mtext></mrow></msub><mo>≤</mo><mn>3</mn><mtext> мкА</mtext></mrow>
.
В таблице представлены полученные результаты, из которых следует, что за счет применения предложения выход годных pin-фотодиодов по темновому току при рабочем напряжении 20 В возрос в ~2 раза, а при 150 В - в ~6 раз. При этом средний уровень темновых токов рабочей области и ОК годных фотодиодов практически не изменился.
Таблица
№ партии
Выход годных, η<sub>20</sub>, %
Средний темновой ток ОК, <maths num="10"><math display="block"><mrow><mover accent="true"><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mn>20</mn></mrow><mrow><mi>О</mi><mi>К</mi></mrow></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></math><img file="00000010.tif" he="8" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
мкА
Средний темновой ток рабочей области, <maths num="11"><math display="block"><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></math><img file="00000011.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
мкА
Выход годных, η<sub>150</sub>, %
Средний темновой ток ОК, <maths num="12"><math display="block"><mrow><mover accent="true"><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mn>150</mn></mrow><mrow><mi>О</mi><mi>К</mi></mrow></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></math><img file="00000012.tif" he="8" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
мкА
Средний темновой ток рабочей области, <maths num="13"><math display="block"><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mn>150</mn></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></math><img file="00000013.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
мкА
1
48
9,3
0,92
41
110
7,7
2
20
8,8
0,98
9
106
8,3
3
22
9,5
0,89
7
120
2,8
Поскольку возникновение повышенных токов утечки при изготовлении фотодиодов во многом обусловлено возможной нестабильностью условий проведения технологических операций, с образцами, не ставшими годными по темновому току, были проведены повторные операции стравливания термического окисного слоя и нанесения на свободную поверхность слоя окиси кремния при температуре не выше 300°С, с последующим вскрытием «окон» и измерением темновых токов, получение значения которых показали, что выход годных фотодиодов увеличился еще на ~20%. При этом для оставшихся негодных фотодиодов сохраняется возможность проведения операций повторного стравливания и нанесения слоя окиси кремния при температуре не выше 300°С с последующим контролем темновых токов, что позволяет дополнительно увеличить выход годных фотодиодов и является экономически целесообразным, поскольку стоимость операций стравливания и нанесения окиси кремния значительно ниже стоимости исходного материала - пластин р-кремния или эпитаксиальных структур.