Способ изготовления многоплощадочного быстродействующего кремниевого pin-фоточувствительного элемента



Способ изготовления многоплощадочного быстродействующего кремниевого pin-фоточувствительного элемента
Способ изготовления многоплощадочного быстродействующего кремниевого pin-фоточувствительного элемента
H01L31/1804 - Полупроводниковые приборы, чувствительные к инфракрасному излучению, свету, электромагнитному, коротковолновому или корпускулярному излучению, предназначенные либо для преобразования энергии такого излучения в электрическую энергию, либо для управления электрической энергией с помощью такого излучения; способы или устройства, специально предназначенные для изготовления или обработки таких приборов или их частей; конструктивные элементы приборов (H01L 51/00 имеет преимущество; приборы, состоящие из нескольких компонентов на твердом теле, сформированных на общей подложке или внутри нее, кроме приборов, содержащих чувствительные к излучению компоненты, в комбинации с одним или несколькими электрическими источниками света H01L 27/00; кровельные покрытия с приспособлениями для размещения и использования устройств для накопления или концентрирования энергии E04D 13/18; получение тепловой энергии с

Владельцы патента RU 2654961:

Акционерное общество "НПО "Орион" (RU)

Изобретение относится к технологии изготовления кремниевых pin-фоточувствительных элементов (ФЧЭ), чувствительных к излучению с длиной волны 1,06 мкм, и может быть использовано в электронно-оптической аппаратуре, в которой требуется регистрация коротких импульсов лазерного излучения (10-40 нс). Способ изготовления многоплощадочного фоточувствительного элемента на подложках кремния с удельным сопротивлением более 20 кОм⋅см включает операции термического окисления, диффузии фосфора для формирования областей n+-типа проводимости, разгонки фосфора с одновременным окислением для выращивания защитной пленки двуокиси кремния, диффузии фосфора в тыльную поверхность подложки для геттерирования загрязняющих примесей, удаления геттерирующего слоя, диффузии бора в тыльную поверхность подложки для формирования контактного слоя p+-типа проводимости, операцию химического травления пленки двуокиси кремния для получения просветляющего покрытия и операцию создания 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. Согласно изобретению для повышения быстродействия и монохроматической импульсной чувствительности на длине волны 1,06 мкм, снижения уровня темновых токов ФЧЭ и увеличения процента выхода годных на первом этапе изготовления ФЧЭ проводятся ионная имплантация бора в тыльную поверхность подложки и его длительная разгонка с целью создания толстого контактного слоя p+-типа проводимости, а также комплексное геттерирование, включающее в себя ионную имплантацию аргона и диффузию фосфора в тыльную поверхность подложки. 1 ил., 1 табл.

 

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 нс) 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, повышение импульсной монохроматической чувствительности на длине волны 1,06 мкм и быстродействия изделия, увеличение процента выхода годных.

Излучение лазера с длиной волны 1,06 мкм проникает в кремний на глубину порядка 700 мкм [М.А. Тришенков. Фотоприемные устройства и ПЗС. М.: Радио и связь, 1992 г. стр. 33], поэтому толщина базы ФЧЭ для обеспечения максимальной чувствительности должна быть такого же порядка, а для эффективного собирания генерированных носителей за короткое время, необходимо распространить область объемного заряда (ОПЗ) на всю толщину базы ФЧЭ. Для выполнения последнего условия при рабочем напряжении порядка 200 В величина удельного сопротивления исходной кремниевой пластины должна составлять не менее 20 кОм⋅см.

Известен способ изготовления кремниевого pin-фотодиода [патент на изобретение №216013161F, ОАО «НПО «Орион»], в котором с целью уменьшения величины темновых токов все технологические операции изготовления фотодиода проводятся при температуре ниже 950°C.

Известен многоплощадочный планарный кремниевый pin-фотодиод [патент на полезную модель РФ №126195, заявитель ОАО «Московский завод «САПФИР»], чувствительный к излучению в диапазоне длин волн 0,4-1,2 мкм, способ изготовления которого принят в качестве прототипа. Фотодиод изготовлен по планарной диффузионной технологии с маскирующей и защитной пленкой термического окисла, выращенного при температуре 1150°C в атмосфере сухого и влажного кислорода, с применением загонки фосфора из газовой фазы и последующей разгонки в атмосфере кислорода для формирования планарных n+-р-переходов фоточувствительных площадок и охранного элемента. Аналогичным образом выполнялось геттерирование на обратной стороне пластины с последующим снятием легированного геттерирующего слоя и формированием омического контактного слоя р+-типа загонкой бора из твердого источника. Для формирования контактов к n+- и р+-слоям проводилось напыление системы Cr+Au с последующим вжиганием при температуре 300°C.

Известен кремниевый pin-фотодиод [патент на полезную модель РФ №108883, заявитель ФГУП «НПО «Орион»], чувствительный на длине волны 1,06 мкм, способ изготовления которого принят в качестве ближайшего аналога. Для повышения чувствительности на длине волны 1,06 мкм в нем сформирована отражающая контактная система, расположенная на контактном слое р+-типа проводимости на тыльной стороне подложки и состоящая из пленок хрома и золота, причем толщина пленки хрома составляет 5-6 нм.

Недостатком этих приборов, является малая глубина контактного слоя (менее 1 мкм), так как в случае использования кремниевых пластин с удельным сопротивлением более 20 кОм⋅см, при напряжении смещения ~200 В, возможен выход ОПЗ на тыльную металлизированную поверхность подложки, где велика скорость поверхностной рекомбинации, что приведет к возрастанию темновых токов ФЧЭ. Кроме того, методы геттерирования, используемые для уменьшения величины темновых токов, эффективны только в случае создания геттера в высокоомном слое кремниевой пластины.

Увеличить глубину контактного слоя на заключительной стадии формирования областей ФЧЭ сложно. Поскольку загонка бора проводится после операции геттерирования, то ее температура не должна превышать 1000°C, при которой выполняется загонка фосфора для создания геттерирующего слоя. Дефекты подложки, а также деформирующие механические напряжения, возникающие на последующих операциях монтажа кристалла ФЧЭ в корпус, могут привести к выходу ОПЗ на тыльную поверхность подложки и, как следствие, к браку по величине темновых токов, особенно это критично для многоплощадочных ФЧЭ.

Предлагаемый способ изготовления позволяет увеличить толщину контактного слоя р+-типа проводимости (до 13-15 мкм) для исключения выхода ОПЗ на тыльную поверхность кремниевой подложки и тем самым обеспечить возможность применения в качестве исходного материала пластин кремния с удельным сопротивлением более 20 кОм⋅см с целью повышения быстродействия и величины импульсной монохроматической чувствительности на длине волны 1,06 мкм, а также увеличить процент выхода годных ФЧЭ.

Результат достигается тем, что на начальном этапе изготовления ФЧЭ проводятся ионная имплантация бора в тыльную поверхность подложки и его длительная разгонка, а затем проводятся последующие технологические операции формирования структуры ФЧЭ.

Поскольку на тыльной поверхности подложки присутствует толстый слой р+-типа проводимости, то эффективность геттерирования методом диффузии фосфора снизится по сравнению с вариантом, когда геттер располагается в высокоомном слое кремния. Известно [К. Рейви. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. Москва: «Мир», 1984, стр. 472], что диффузионное легирование фосфором с высокой поверхностной концентрацией эффективно для геттерирования не только за счет образования дислокационной сетки несоответствия, но и повышенной растворимостью примесей, таких как Au, Fe и Cu, в n+-слое кремния. В обзоре [Зарубежная электронная техника, 1983, 11, стр. 19] показано, что коэффициент сегрегации золота между собственным кремнием и кремнием, легированным фосфором, может быть записан в виде:

где - коэффициент сегрегации;

NP - атомная концентрация фосфора;

NSi - атомная концентрация кремния;

EAu/Si - энергия активации растворения золота в собственном кремнии;

EAu/Si:P - энергия активации растворения золота в кремнии, легированном фосфором;

k - постоянная Больцмана;

T - температура, К

Из уравнения (1) следует, что коэффициент сегрегации золота уменьшается с ростом концентрации атомов кремния, следовательно, диффузия фосфора в высоколегированный контактный слой, не будет давать такого же эффекта геттерирования, как в случае с высокоомным кремнием.

Предлагаемый способ изготовления позволяет повысить эффективность геттерирования с целью снижения темновых токов ФЧЭ. Поставленная задача обеспечивается комплексным методом геттерирования, включающим в себя ионную имплантацию аргона и диффузию фосфора в тыльную поверхностькремниевой подложки. 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 геттерирования ионной имплантацией аргона. В предлагаемом комплексном методе геттерирования сначала проводится ионная имплантация аргона для создания дислокационной сетки, а затем диффузия фосфора.

Предлагаемый способ изготовления pin-ФЧЭ включает в себя следующие процессы:

- 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.

Структура ФЧЭ, представлена на 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 р+-типа проводимости; 8, 9 - контактная система Au-Cr к n+- и р+-областям.

Глубина загонки бора в тыльную сторону выбиралась из условия, чтобы толщина контактного р+-слоя составляла не менее 10 микрон для надежной изоляции ОПЗ от тыльного контакта, но так как после операции геттерирования удаляется слой кремния толщиной, равной глубине загонки фосфора, то глубина загонки бора должна быть больше на эту величину.

Для получения требуемой толщины р+-слоя были выбраны режимы ионной имплантации бора и рассчитано суммарное время разгонки. Они составили:

- доза легирующей примеси DB=2⋅1015 см-2;

- энергия ионов EB=50 кэВ,

- время разгонки t=20 ч.

Также были выбраны режимы комплексного геттерирования:

- ионной имплантации аргона: доза DA=2⋅1015 см-2; энергия ЕА=100 кэВ;

- загонка фосфора при температуре 1000°C в течение 20 мин и последующая разгонка в течение 1 ч.

По предлагаемому способу были изготовлены 8-площадочные фоточувствительные элементы на пластинах кремния с удельным сопротивлением ρ≈30 кОм⋅см. Для сравнения также были изготовлены ФЧЭ на пластинах с ρ≈14 кОм⋅см и ρ≈30 кОм⋅см по стандартной технологии и на пластинах с ρ≈30 кОм⋅см, у которых контактный слой формировался предлагаемым способом, а геттерирование проводилось стандартным методом. В таблице приведены результаты измерения величины плотности темновых токов IT, импульсной монохроматической чувствительности Sλ=1,06 на длине волны 1,06 мкм и быстродействия τ ФЧЭ при рабочем напряжении 200 В, а также процент выхода годных изделий после монтажа кристалла ФЧЭ в корпус.

Из данных таблицы следует:

- образцы №2-4, изготовленные на кремнии с удельным сопротивлением 30 кОм⋅см, имеют выигрыш по величине чувствительности и быстродействию;

- у образцов №2 самый высокий уровень темнового тока и низкий процент выхода годных из-за выхода ОПЗ на тыльную поверхность ФЧЭ;

- образцы №3 имеют повышенный уровень темнового тока из-за низкого эффекта геттерирования;

- образцы №4, изготовленные по предлагаемому способу, сравнимы по величине темновых токов с образцами №1, изготовленными по стандартному методу на более низкоомном материале, и превосходят их по уровню чувствительности, быстродействию и проценту выхода годных.

Способ изготовления многоплощадочного фоточувствительного элемента на подложках кремния с удельным сопротивлением более 20 кОм⋅см, включающий операции термического окисления, диффузии фосфора для формирования областей n+-типа проводимости, разгонки фосфора с одновременным окислением для выращивания защитной пленки двуокиси кремния, диффузии фосфора в тыльную поверхность подложки для геттерирования загрязняющих примесей, удаления геттерирующего слоя, диффузии бора в тыльную поверхность подложки для формирования контактного слоя p+-типа проводимости, операцию химического травления пленки двуокиси кремния для получения просветляющего покрытия и операцию создания 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, отличающийся тем, что для повышения быстродействия и монохроматической импульсной чувствительности на длине волны 1,06 мкм, снижения уровня темновых токов ФЧЭ и увеличения процента выхода годных на первом этапе изготовления ФЧЭ проводятся ионная имплантация бора в тыльную поверхность подложки и его длительная разгонка с целью создания толстого контактного слоя p+-типа проводимости, а также комплексное геттерирование, включающее в себя ионную имплантацию аргона и диффузию фосфора в тыльную поверхность подложки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к получению поликристаллических пленок сульфида и оксида кадмия на монокристаллическом кремнии с помощью техники пиролиза аэрозоля раствора на нагретой подложке при постоянной температуре в интервале 450-500°С.

Изобретение относится к солнечной энергетике, а именно к способам изготовления фотопреобразователей на трехкаскадных эпитаксиальных структурах GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенных на германиевой подложке.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, в том числе солнечных фотоэлектрических элементов (СФЭ). Сущность способа состоит в следующем.

Изобретение относится к структуре двухкаскадного тонкопленочного солнечного модуля (фотопреобразователя) на основе аморфного и микрокристаллического кремния. Тонкопленочный солнечный модуль состоит из последовательно расположенных: фронтальной стеклянной подложки, фронтального контактного слоя из прозрачного проводящего оксида, подслоя из нестехиометрического карбида кремния р-типа, аморфного и микрокристаллического каскадов, соединенных последовательно.

Изобретение относится к оптоэлектронной технике. Способ изготовления диодов средневолнового ИК диапазона спектра включает выращивание на подложке из арсенида индия твердого раствора InAs1-x-ySbxPy и разделенные р-n-переходом слои p- и n-типа проводимости, нанесение на поверхность гетероструктуры фоточувствительного материала, экспонирование через маску с системой темных и светлых полей, проявление, удаление по крайней мере части фоточувствительного материала, подложки и эпитаксиальной структуры при формировании мез(ы), подготовку поверхности для формирования омических контактов, напыление на поверхность слоев и/или подложки металлических композиций заданной геометрии, при этом согласно изобретению способ включает финальную стадию процесса удаления подложки или ее части при химическом травлении в водном растворе соляной кислоты.

Настоящее изобретение относится к способу формирования сильнолегированного серой микроструктурированного кристаллического слоя на поверхности кремния, который может быть использован в солнечной энергетике, оптоэлектронике, приборах ночного и тепловидения.

Изобретение относится к технологии изготовления фотопреобразователя с повышенным коэффициентом полезного действия (КПД). Предложен способ изготовления фотопреобразователя путем формирования в pin-структуре i-слоя на основе арсенида индия InGaAs между слоями GaAs и AlGaAs на подложках GaAs, при давлении 4⋅10-7-10-8 Па, температуре 600-800°С и скорости роста 2 Å/с.

Многопереходной солнечный элемент включает первый субэлемент, состоящий из соединения из InGaAs, причем первый субэлемент имеет первую постоянную решетки, и второй субэлемент со второй постоянной решетки, причем первая постоянная решетки по меньшей мере на 0,008 больше, чем вторая постоянная решетки, и, кроме того, предусмотрен метаморфный буфер, который выполнен между первым субэлементом и вторым субэлементом.

Солнечный фотоэлектрический концентраторный модуль содержит первичный оптический концентратор (3) в виде линзы Френеля, с линейным размером D, оптическая ось (4) которой проходит через центр (5) фотоактивной области фотоэлемента (1), выполненной в виде круга диаметром d, и соосный с ним вторичный концентратор (6), выполненный в виде четвертьволнового радиального градана диаметром d и высотой h1, установленный на расстоянии h2 от фронтальной поверхности линзы Френеля, при этом величины h1, h2, и D удовлетворяют определенным соотношениям.

Настоящее изобретение относится к многомодульным устройствам, сформированным на общей подложке, которые более предпочтительны, чем одиночные модульные устройства, особенно в фотоэлектрических областях применения.

Изобретение относится к области полупроводниковой микроэлектроники, а именно к технологии создания матричных фотоприемных устройств (МФПУ), и может быть использовано при формировании матричных микроконтактов для кристаллов БИС считывания и матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с последующей их гибридизацией методом перевернутого монтажа.

Изобретение относится к получению поликристаллических пленок сульфида и оксида кадмия на монокристаллическом кремнии с помощью техники пиролиза аэрозоля раствора на нагретой подложке при постоянной температуре в интервале 450-500°С.

Изобретение относится к получению поликристаллических пленок сульфида и оксида кадмия на монокристаллическом кремнии с помощью техники пиролиза аэрозоля раствора на нагретой подложке при постоянной температуре в интервале 450-500°С.

Изобретение относится к солнечной энергетике, а именно к способам изготовления фотопреобразователей на трехкаскадных эпитаксиальных структурах GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенных на германиевой подложке.

Изобретение относится к солнечной энергетике, а именно к способам изготовления фотопреобразователей на трехкаскадных эпитаксиальных структурах GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенных на германиевой подложке.

Изобретение относится к полупроводниковым гетероструктурам для изготовления светоизлучающих диодов и фотоэлектрических преобразователей на основе твердых растворов GaPAsN на подложках кремния.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, в том числе солнечных фотоэлектрических элементов (СФЭ). Сущность способа состоит в следующем.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, в том числе солнечных фотоэлектрических элементов (СФЭ). Сущность способа состоит в следующем.

Изобретение относится к структуре двухкаскадного тонкопленочного солнечного модуля (фотопреобразователя) на основе аморфного и микрокристаллического кремния. Тонкопленочный солнечный модуль состоит из последовательно расположенных: фронтальной стеклянной подложки, фронтального контактного слоя из прозрачного проводящего оксида, подслоя из нестехиометрического карбида кремния р-типа, аморфного и микрокристаллического каскадов, соединенных последовательно.

Изобретение относится к оптоэлектронной технике. Способ изготовления диодов средневолнового ИК диапазона спектра включает выращивание на подложке из арсенида индия твердого раствора InAs1-x-ySbxPy и разделенные р-n-переходом слои p- и n-типа проводимости, нанесение на поверхность гетероструктуры фоточувствительного материала, экспонирование через маску с системой темных и светлых полей, проявление, удаление по крайней мере части фоточувствительного материала, подложки и эпитаксиальной структуры при формировании мез(ы), подготовку поверхности для формирования омических контактов, напыление на поверхность слоев и/или подложки металлических композиций заданной геометрии, при этом согласно изобретению способ включает финальную стадию процесса удаления подложки или ее части при химическом травлении в водном растворе соляной кислоты.

Изобретение относится к технологии изготовления кремниевых фотодиодов (ФД), чувствительных к излучению с длинами волн 0,4-1,0 мкм и изготавливаемых на кремнии n-типа проводимости, которые предназначены для использования в различной электронно-оптической аппаратуре с высокой пороговой чувствительностью. Изобретение обеспечивает снижение разброса в величинах чувствительности и темнового тока и увеличение процента выхода годных приборов. Технический результат достигается проведением следующих процессов для создания структуры ФД: термического окисления, диффузии бора для создания областей р+-типа проводимости (фоточувствительных площадок), диффузии фосфора в тыльную поверхность пластины для геттерирования загрязняющих примесей, отжиг пластин со сформированными структурами при температуре ~650°C в атмосфере азота в течение 4 часов, формирования омических контактов. Результатом является значительное увеличение значений и снижение разброса времени жизни неосновных носителей заряда по пластине и соответственно улучшение параметров фотодиодов и их однородности. 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технологии изготовления кремниевых pin-фоточувствительных элементов, чувствительных к излучению с длиной волны 1,06 мкм, и может быть использовано в электронно-оптической аппаратуре, в которой требуется регистрация коротких импульсов лазерного излучения. Способ изготовления многоплощадочного фоточувствительного элемента на подложках кремния с удельным сопротивлением более 20 кОм⋅см включает операции термического окисления, диффузии фосфора для формирования областей n+-типа проводимости, разгонки фосфора с одновременным окислением для выращивания защитной пленки двуокиси кремния, диффузии фосфора в тыльную поверхность подложки для геттерирования загрязняющих примесей, удаления геттерирующего слоя, диффузии бора в тыльную поверхность подложки для формирования контактного слоя p+-типа проводимости, операцию химического травления пленки двуокиси кремния для получения просветляющего покрытия и операцию создания 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. Согласно изобретению для повышения быстродействия и монохроматической импульсной чувствительности на длине волны 1,06 мкм, снижения уровня темновых токов ФЧЭ и увеличения процента выхода годных на первом этапе изготовления ФЧЭ проводятся ионная имплантация бора в тыльную поверхность подложки и его длительная разгонка с целью создания толстого контактного слоя p+-типа проводимости, а также комплексное геттерирование, включающее в себя ионную имплантацию аргона и диффузию фосфора в тыльную поверхность подложки. 1 ил., 1 табл.

Наверх