Способ изготовления матричного фотоприемника

Изобретение относится к технологии изготовления матриц фоточувствительных элементов с p-n-переходами для микрофотоэлектроники инфракрасного диапазона. Способ изготовления матрицы фотодиодных элементов с n⁺-р-переходами на основе теллурида кадмия-ртути включает пассивацию поверхности эпитаксиальным наращиванием диэлектрика теллурида кадмия, фотолитографию, химическое травление площадок в местах расположения n⁺-р-переходов на 2-3 мкм вглубь теллурида кадмия-ртути и ионное легирование или ионную бомбардировку в плазме. Предложенный способ позволяет получить фотодиоды с малыми темновыми токами и высокой квантовой эффективностью, обеспечивающими высокую обнаружительную способность. 4 ил.

 

Изобретение относится к области технологии полупроводниковых приборов, более конкретно, к технологии изготовления матриц фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с p-n-переходами для микрофотоэлектроники инфракрасного (ИК) диапазона. Предлагаемый способ может применяться для изготовления МФЧЭ на основе полупроводникового твердого раствора теллурида кадмия-ртути (КРТ) p-типа проводимости.

Технология изготовления МФЧЭ на основе КРТ включает в себя набор стандартных операций планарной технологии, применяемых для производства полупроводниковых интегральных микросхем. Вместе имеется ряд проблем, которые связаны со спецификой исходного узкозонного материала КРТ. Матрица фотодиодов выполняется в виде дискретных областей n-типа проводимости в базовом слое КРТ p-типа проводимости. Малая ширина запрещенной зоны вызывает необходимость тщательной пассивации для предотвращения поверхностных утечек, однако в отличие от кремния собственный окисел для этой цели применяться не может. Несобственные диэлектрические покрытия КРТ также не дают воспроизводимых результатов и температурной стабильности параметров МФЧЭ. Эффективную пассивацию поверхности позволяет получить нанесение близкого по химическому составу и кристаллической структуре диэлектрического слоя теллурида кадмия (CdTe), например, при помощи молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). При определенных режимах вблизи границы раздела p-КРТ и CdTe образуется состояние плоских зон или слабое обогащение основными носителями заряда (дырками), что обеспечивает необходимые характеристики и стабильность МФЧЭ.

Эпитаксиальное наращивание слоя CdTe проходит при довольно высокой температуре (200С° и более), что приводит к изменению свойств поверхностного слоя пластины КРТ. Это увеличивает темновой ток фотодиода и уменьшает фототок, приводя к понижению фотоэлектрических параметров МФЧЭ. Для снижения температуры нанесения диэлектрика может применяться вариант метода «горячей стенки» (Патент РФ на изобретение №2298251, Бюл. №12 от 27.04.2007, Способ получения тонких пленок теллурида кадмия, автор Головин С.Д. и др.).

С целью получения высоких фотоэлектрических параметров технология изготовления МФЧЭ на основе КРТ должна предусматривать возможность заглубления p-n-переходов под исходной поверхностью, на которую наносится пассивирующее покрытие теллурида кадмия.

Наиболее часто встречается планарная технология изготовления матрицы фотодиодов, при которой все p-n-переходы целиком расположены в одной плоскости на поверхности кристалла и которая включает в себя процессы пассивации поверхности, литографии и локального введения примесных атомов. Один из вариантов такой технологии разработан на фирме SOFRADIR (Франция) (P.Tribolet, P.Chorier, A.Manissandjian, P.Costa, J-P.Chatard. High performance infrared detectors at Sofradir. Proceedings of SPIE, vol.4028 (2000), p.1-18) с использованием ионной имплантации для формирования малоразмерных n⁺-p-переходов. Он является наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа. Преимуществом прототипа является использование стандартных технологических операций при изготовлении МФЧЭ и, следовательно, универсальность, простота и экономичность.

Ионная имплантация и другие методы получения n⁺-областей в КРТ p-типа за счет внесения радиационных дефектов, такие как бомбардировка при ионном травлении в плазме Ar или реактивном ионном травлении в плазме Н₂/СН₄, испытывают сложности с созданием глубоколегированных областей. В результате p-n-переходы создаются на глубине около 1 мкм в приповерхностном слое полупроводниковой пластины КРТ, и их свойства зависят от характеристик этого слоя. Близость p-n-переходов к поверхности препятствует использованию эпитаксиального пассивирующего покрытия теллурида кадмия, что является недостатком полностью планарного варианта.

Известна также технология изготовления МФЧЭ на КРТ, разработанная фирмой Raytheon (США) (D.J.Gulbransen, S.H.Black, A.C.Childs, C.F.Fletcher, S.M.Johnson, W.A.Radford, G.M.Vendzor, J.P.Sienick, A.D.Thompson, J.H.Griffith, A.A.Buell, M.F.Vilela, M.D.Newton. Wide FOV FPAs for a shipboard distributed aperture system. Proceedings of SPIE, vol.5406 (2004), p.305-316), являющаяся аналогом предлагаемой полезной модели. Она основана на получении при помощи молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) двухслойной структуры с p-n-гетеропереходом, формировании массива ФЧЭ по меза-технологии и пассивации поверхности меза-структуры нанесением диэлектрика теллурида кадмия. При этом глубина залегания p-n-переходов, определяющаяся толщиной верхнего p-слоя, может выбираться в широких пределах, и влияние приповерхностого слоя под диэлектриком на свойства фотодиодов ослабляется.

Другим аналогом является способ, представленный фирмой QinetiQ Ltd, Великобритания (D.J.Hall, L.Buckle, N.T.Gordon, J.Giess, J.E.Hails, J.W.Cairns, R.W.Lawrence, A.Graham, R.S.Hall, C.Maltby, T.Ashley. Long wavelength infrared focal plane arrays fabricated from HgCdTe grown on silicon substrates. Proceedings of SPIE, vol.5406 (2004), p.317-322), отличающийся от предыдущего тем, что двухслойный гетеропереход получается при помощи эпитаксии из металлорганических соединений и имеет более традиционную структуру (верхний слой имеет n-тип проводимости).

Преимуществом известных способов-аналогов, основанных на выращивании гетероперехода, получении меза-структуры и нанесении покрытия теллурида кадмия является углубленное расположение p-n-переходов, а недостатком является то, что пассивация КРТ при применяемой в обоих случаях меза-технологии на профилированной поверхности сложнее и менее воспроизводима по сравнению с планарным вариантом, где пассивируемая поверхность является плоской и ровной. К недостаткам также можно отнести необходимость крайне дорогостоящего оборудования для эпитаксиального выращивания гетеропереходов на основе КРТ.

Задачей изобретения является получить фотодиоды с малыми темновыми токами и высокой квантовой эффективностью, обеспечивающими высокую обнаружительную способность.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления матрицы фотодиодных элементов с n⁺-p-переходами на основе теллурида кадмия-ртути, включает в себя процессы пассивации поверхности эпитаксиальным наращиванием диэлектрика теллурида кадмия, фотолитографии, химического травления площадок в местах расположения n⁺-p-переходов на 2-3 микрометра вглубь теллурида кадмия-ртути и ионного легирования или ионной бомбардировки в плазме.

Предлагаемое изобретение представляет собой вариант технологии изготовления МФЧЭ на основе КРТ, который позволяет удалить n⁺-p-переходы от поверхности и в то же время избежать пассивации меза-структуры.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в известный способ изготовления фоточувствительных матриц ИК-диапазона на основе теллурида кадмия-ртути по планарной технологии, включающий в себя технологические операции пассивации поверхности, получения n⁺-p-переходов ионным легированием или ионной бомбардировкой в плазме, формирования общего контакта и изготовления индиевых столбчатых контактов, ввели эпитаксиальное наращивание диэлектрического слоя теллурида кадмия в качестве пассивирующего покрытия и дополнительно ввели операцию травления площадок в местах расположения n⁺-p-переходов на 2-3 микрометра вглубь КРТ.

Применение эпитаксиального слоя теллурида кадмия в качестве пассивирующего покрытия КРТ позволяет получить фотодиоды с высокими значениями шунтирующего сопротивления, что необходимо для нормальной работы схем обработки сигнала. Оно также улучшает воспроизводимость процесса изготовления, повышает однородность и температурную стабильность параметров матриц.

Химическое травление площадок p-n-переходов на 2-3 микрометра вглубь КРТ позволяет удалить базовые p-области фотодиодов от приповерхностного слоя КРТ и получить фотодиоды с малыми темновыми токами и высокой квантовой эффективностью, обеспечивающими высокую обнаружительную способность. Появляющийся из-за травления рельеф не препятствует процессу гибридизации матрицы с кремниевым мультиплексором, так как высота индиевых столбчатых контактов составляет около 10-12 микрометров. Изготовление столбиков при этом упрощается, поскольку при фотолитографии по напыленному слою индия становится возможным проводить совмещение не по специальным знакам, а непосредственно по рисунку, образованному углубленными площадками дискретных n-областей фотодиодов.

Сущность изобретения поясняется графическими изображениями, где схематически изображены операции получения p-n-переходов, а именно:

Фиг.1 - фотолитография;

Фиг.2 - химическое травление площадки p-n-перехода на глубину 3 микрометра;

Фиг.3 - удаление фоторезиста;

Фиг.4 - ионное легирование.

На фиг.1-4 показаны: 1 - слой фоторезиста; 2 - слой диэлектрического пассивирующего покрытия теллурида кадмия толщиной 0,5 микрометра; 3 - теллурид кадмия-ртути p-типа проводимости; 4 - теллурид кадмия-ртути n⁺-типа проводимости.

Изготовление матрицы фотодиодных элементов с n⁺-p-переходами на основе теллурида кадмия-ртути осуществляют следующим образом. На поверхность эпитаксиального слоя КРТ p-типа проводимости с целью пассивации наносят эпитаксиальное покрытие теллурида кадмия толщиной около 0,5 микрометра. Затем проводят следующие технологические операции: при помощи фотолитографии и химического травления в местах расположения n⁺-p-переходов площадки протравливают на 2-3 микрометра вглубь КРТ; слой фоторезиста удаляют и проводят ионное легирование или ионную бомбардировку в плазме для получения n⁺-областй. При помощи фотолитографии, химического травления, напыления металлического покрытия и «взрыва» фоторезиста формируется общий контакт к p-типу. Напыляют металлическое покрытие индия толщиной 10-12 микрометров и при помощи фотолитографии и химического травления на местах p-n-переходов и общих контактов формируют индиевые столбики для стыковки с кремниевыми схемами обработки сигнала.

Маскирующим покрытием при проведении ионного легирования служит слой диэлектрика теллурида кадмия.

Способ изготовления матрицы фотодиодных элементов с n⁺-р-переходами на основе теллурида кадмия-ртути, включающий в себя процессы пассивации поверхности эпитаксиальным наращиванием диэлектрика теллурида кадмия, фотолитографии и ионного легирования или ионной бомбардировки в плазме, отличающийся тем, что перед операцией ионного легирования или ионной бомбардировки в плазме дополнительно проводят химическое травление площадок в местах расположения n⁺-р-переходов на 2-3 микрометра вглубь теллурида кадмия-ртути.