СПОСОБ СОЗДАНИЯ НА ОБРАЗЦАХ CdHgTe P-ТИПА СТРУКТУР С ГЛУБОКОКОМПЕНСИРОВАННЫМ СЛОЕМ Российский патент 1994 года по МПК H01L21/425 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к фотоэлектронике и может быть использовано для создания многоэлементных ИК-фотоприемников на основе n⁺/n^-p- или n⁺/p^-/p- и МДП-фотодиодов, а также приборов зарядовой связи (ПЗС) или инжекции (ПЗИ).

Известны способы создания на Cd/_xHg_1-xTe (КРТ) р-типа структур с п-р переходом на поверхности полупроводника. Они основаны на использовании термической диффузии легирующей примеси [1], отжиге КРТ, покрытом анодным окислом [2], и отжиге КРТ в парах ртути [3], а также [2]. Все эти способы являются аналогами. Основным технологическим недостатком аналогов является необходимость использования высокотемпературных (> 200^оС) отжигов, при которых в поверхностном слое КРТ возможны не только структурные изменения, но и изменения состава [4] Понижение температуры резко замедляет до многих часов, и даже дней, процесс образования п-р-переходов, приводя тем самым к уменьшению производительности и удорожанию производства ИК-фотоприемников. Кроме этого все аналоги обладают еще одним существенным недостатком, который затрудняет применение их для создания фотоприемников дальнего (>10 мкм) ИК-диапазона. Это связано с тем, что для повышения обнаружительной способности (D*) таких фотоприемников необходимо всемерное понижение туннельных токов в области пространственного заряда (ОПЗ) [5]. Понижение туннельных токов в указанных способах возможно лишь путем создания плавных глубоких п-р-переходов. Однако, при этом возникает проблема сохранения вольт-ваттной чувствительности, и повышение D* становится проблематичным.

Известен способ создания n⁺/n^-/p- и/или n⁺/p^-/p- структур, использующий ионную имплантацию с последующим высокотемпературным (>200^оС) отжигом в парах ртути [6]. Этот способ взят за прототип. В способе, в зависимости от остаточных, фоновых (N_ф), примесей в объеме полупроводника, концентрация которых определяется технологией получения КРТ, между n⁺-поверхностным слоем и р-объемом образуется промежуточный n^--либо р^--слой, а при малых N_ф образуется и собственный i-слой. В дальнейшем, для определенности, будем говорить о промежуточном слое, как о глубококомпенсированном слое, в котором основные акцепторные уровни, связанные с вакансиями ртути, устранены заполнением атомами ртути. Для краткости такой промежуточный слой будем называть k-слоем.

Основным недостатком прототипа являются высокие дозы имплантации (>10¹⁴ см^-2), вызывающие значительные структурные изменения в поверхностных слоях КРТ [G.L. Destefanis. Nuclear Jnstrum. Meth., 1983, v.209/210, p.567-580], и наличие послеимплантационного длительного (>40 мин.) высокотемпературного (>200^оС) отжига в парах ртути.

Целью изобретения является упрощение и ускорение технологического процесса создания структур с глубококомпенсированным слоем при меньших дозах имплантации.

Цель изобретения достигается тем, что в известном способе создания на образце Сd_xHg_1-xTe р-типа структур с глубококoмпенсированным слоем, имплантацию проводят ионами с энергией 10-150 кэВ и дозой 10¹²-10¹⁴ см^-2в нагретый до 70-170^оС образец или/и до имплантации ионов на поверхность образца наносят капсулирующий диэлектрик, а имплантацию проводят ионами, энергию которых увеличивают на величину энергетических потерь в диэлектрике. Затем проводят удаление поверхностного слоя образца толщиной не менее величины пробега ионов в полупроводнике и не более значения, при котором концентрация электронов на поверхности равна 10¹⁵-10¹⁷ см^-3.

С целью создания на образце структур с глубококомпенсированным слоем, лежащим на поверхности (k-р-структур), после проведения имплантации, проводят удаление поверхностного слоя образца до выхода на поверхность глубококомпенсированного слоя.

Совмещение процесса имплантации ионов с нагревом полупроводника позволяет исключить длительные высокотемпературные отжиги в парах ртути, необходимые как для отжигов дефектов, так и для диффузии ртути из имплантированного слоя, что на порядок уменьшает время процесса создания глубококомпенсированного слоя, причем при меньших дозах имплантации, в связи с чем предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Необходимо отметить, что горячая имплантация используется не только в обычном ее применении для уменьшения дефектообразования, но и для значительного уменьшения времени процесса создания глубококомпенсированного слоя, причем при меньших дозах имплантации. В данном случае, за время, равное времени имплантации (не более нескольких минут), образующаяся в области внедрения ртуть за счет радиационно-ускоренной диффузии диффундирует вглубь полупроводника, приводя к возникновению между n⁺-слоем и объемом р-типа глубококомпенсированного k-слоя.

Предлагаемый способ позволяет создавать n⁺-k-p-структуры, предназначенные для изготовления (на основе фотодиодов) фотоприемников, включая высокочастотные, или k-р-структуры - для фотоприемников на основе МДП-систем.

Создание n⁺-k-p-структур включает в себя следующие последовательно выполняемые операции: (1) химико-динамическую полировку рабочей поверхности КРТ, как полупроводниковой подложки, так и эпитаксиальной пленки; (2) ионную имплантацию при заданной температуре КРТ. Создание k-р-структур, кроме выше приведенных операций, имеет еще одну операцию: (3) удаление поверхностного слоя, осуществляемого на глубину n⁺-слоя, когда концентрация свободных носителей в глубоко компенсированном слое практически выходит на насыщение.

Конкретные ИК-фотоприемники на полученных структурах создаются по известным технологиям [1], включающим нанесение диэлектриков и формирование электродов регистрации и обработки информации. При этом применимы меза- и планарная технологии. В последнем случае для создания предлагаемых структур в локальных участках поверхности КРТ, применяют обычные способы маскирования, например, фоторезистом или диэлектриком (Риссел Х., Руге И. Ионная имплантация. - М.: Наука, 1983, с. 59-65).

Для создания n⁺k-p-структур с концентрацией электронов n_o = 10¹⁵-10¹⁷ см^-3, проводят удаление поверхностного слоя не менее величины пробега ионов (R_p) и не более значения, при котором в n⁺-слое достигаются эти значения n_o. Такие структуры наиболее пригодны для создания на их основе планарных фотодиодов, так как одновременно с понижением рекомбинации носителей в n⁺-слое понижаются поверхностные токи утечки.

Наличие k-слоя позволяет существенно, не менее чем на порядок, повысить обнаружительную способность данных фотоприемников при работе их в далекой ( 10 мкм) инфракрасной области. Это связано с подавлением туннельных токов за счет снижения напряженности поля в ОПЗ. Например, при изготовлении указанных фотоприемников на КРТ р-типа с х ≃ 0,2 с обычной концентрацией акцепторных уровней 10¹⁵-10¹⁷ см^-3 для работы фотоприемников с наибольшей обнаружительной способностью при температуре жидкого азота достаточно иметь концентрацию свободных носителей в k-слое на уровне 10¹⁴ см^-3, а толщину слоя ≈ 1 мкм. При этом D* будет, примерно, на два порядка больше значения, достигаемого в фотоприемниках на структурах без k-слоя [1], а также [5]. Кроме этого, подавление туннельных токов в ОПЗ снимает принципиальное, физическое ограничение на создание фотоприемников далекого инфракрасного диапазона на основе ПЗИ и ПЗС. Для промышленно выпускаемого КРТ р-типа концентрация электрически активных уровней (N_А) находятся как раз на уровне 10¹⁵-10¹⁶ см^-3. Для таких образцов образование k-слоя, обеспечивающего подавление туннельных токов, происходит при имплантации ионами с энергией 10-150 кэВ и дозой 10¹²-10¹⁴ см^-2 при температуре КРТ во время имплантации (Т_и) 70-170^оС. При данных энергиях ионов толщина n⁺-слоя не превышает ≈ 1 мкм, что соизмеримо с длиной диффузии дырок. Поэтому процессы рекомбинации в n⁺-слое и на поверхности незначительно влияют на фотоответ. Увеличение энергии ионов выше 150 кэВ нецелесообразно, из-за быстрого уширения n⁺-слоя и роста в нем концентрации радиационных дефектов. Облучение с энергией ионов ниже 10 кэВ требует специального, нестандартного оборудования. Увеличивать дозу больше 10¹⁴ см^-2 нежелательно из-за быстрого роста с дозой концентрации радиационных дефектов в n⁺-слое. Уменьшение дозы облучения меньше 10¹² см-2 сужает n⁺-слой до значений (<1 мкм), не достаточных для подавления туннельных токов. Именно такие структуры получаются обычными методами имплантации. Выбор температуры имплантации так же связан с необходимостью создания k-слоев, достаточных для подавления туннельных токов в ОПЗ. Так, нижнее значение 70^оС обеспечивает при всех дозах толщину k-слоя не менее ≈ 1 мкм. Отметим, что получение таких слоев при малых дозах <5 ˙ 10¹³ см^-2 можно достигнуть лишь данным методом. Повышение температуры до 140-150^оС увеличивает толщину k-слоя, тогда как дальнейшее ее повышение приводит к уменьшению толщины к-слоя, по-видимому, за счет быстрого "разбегания" ртути по всему объему образца. Поэтому, выше 170^оС нагревание образца нецелесообразно. Кроме этого, верхнее значение температуры имплантации ограничивается еще испарением ртути из поверхностных слоев КРТ. Это обстоятельство, строго говоря, необходимо учитывать при нагревах образца выше 120-150^оС. Поэтому при этих температурах желательно использование капсулирующих диэлектрических покрытий с малым коэффициентом диффузии ртути и не взаимодействующих с КРТ. В этом случае для получения в КРТ тех же самых структурах, что и без диэлектрической пленки, энергию ионов необходимо соответственно увеличить на энергетические потери в диэлектрической пленке, а саму пленку после имплантации удалить.

При необходимости удаления поверхностного слоя как, например, в случае создания k-р-структур, толщина его определяется по профилю концентрации свободных носителей, найденному на спутниковых образцах, тогда как сам профиль определяется из дифференциальных Холловских измерений [Риссел Х., Руге И. Ионная имплантация. - М.: Наука, 1983, с. 149-153].

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

П р и м е р 1. Имплантация проводилась в Cd_xHg_1-xTe (х = 0,25, N_A = 8˙ 10¹⁵ см^-3), нагретый до T_и, ионами бора В⁺ с энергией 100 кэВ, дозой 3˙ 10¹³ см^-2. T_и = 20, 100, 150^оС, t_и ≃ 30 с. Нагрев до T_и и охлаждение до комнатной температуры (20^оС) занимал 2-4 мин. Таким образом, весь процесс создания структур с k-слоем проходит за время не более 5 мин. Определение профиля концентрации в структурах осуществлялось из дифференциальных Холловских измерений, проводимых при температуре жидкого азота, с послойным травлением.

На фиг. 1 (а, б) приведены, соответственно, профили слоевой концентрации (N_s), электронной концентрации (n) и подвижности электронов ( μ_n), полученные по прим. 1, где кривыми 1, 3, 4 показаны профили N_s и n, а кривыми 1а, 3а, 4а - профили подвижности электронов ( μ_n). Эти профили получены при температуре имплантации 20^оС, 100^оС, 150^оС. Тогда как кривые 2 и 2а - при T_и = 20^оС но с проведением послеимплантационного отжига при условиях имплантации с T_и= 100^оС. Буквами Р₁, Р₂, Р₃, Р₄отмечены глубины, при которых концентрация дырок выходит на объемное значение Р. Стрелками 1, 2, 3, 4 на фиг. 1а приведены минимальные значения μ_n в n+-слое, полученном при выше указанных режимах имплантации. Образование k-слоя (полка на кривых 3, 4) происходит только за счет объединения процессов имплантации и нагрева. При данной дозе имплантации даже длительные, порядка нескольких десятков минут, после имплантационные отжиги при температурах < 170^оС не приводят к появлению k-слоя. Наблюдается лишь размытие n⁺-слоя. Наличие больших значений μ_n на уровне 2 ˙ 10⁵ см²/В ˙ с в k-слое, указывает, что процесс компенсации ртутью в k-слое идет через заполнение вакансий ртути, дающих акцепторные уровни. Для Х = 0,25 туннельные токи не столь существенны, тем не менее, укажем, что для создания k-p-структур для фотоприемников, использующих МДП-системы, достаточно удалить поверхностный слой КРТ толщиной 1 мкм (см. кривые 3, 4 фиг. 1б), когда компенсация электронов близка к насыщению.

П р и м е р 2. Имплантация проводилась в Cd_xHg_1-xTe (x = 0,22) ионами бора с энергией 135 кэВ и дозой 1˙ 10¹⁴ см^-2. Для защиты поверхности от температурного воздействия при T_и ≥120^оС до имплантации был нанесен пиролитический SiO₂ толщиной 1000 , энергетические потери в котором составляют 30-35 кэВ (Риссел Х. , Руге И. Ионная имплантация. - М.: Наука, 1983, с. 328).

На фиг. 2 (а, б) приведены профили N_s, n и μ_n, полученные по прим. 2. Система обозначений на фиг. 2 аналогична обозначениям на фиг. 1, только в этом случае кривые 1, 2, 3, 4, 5 и, соответственно, кривые 1а, 2а, 3а, 4а, 5а получены при температурах имплантации, соответственно, равных 20^оС; 100^оС; 150^оС; 200^оС; 250^оС. Фиг. 2 (а, б) иллюстрирует зависимость толщины k-слоя от температуры имплантации. Видно, что при T_и ≥ 200^оС образование k-слоя не происходит. Для состава х = 0,22 уже становится существенным наличие туннельных токов в ОПЗ. Наличие k-слоя в фотоприемниках, изготавливаемых на n⁺-k-p-структурах (кривые 1, 2, 3 фиг. 2) и k-р-структурах, получаемых из этих n⁺-k-р-структур удалением поверхностного слоя толщиной 0,8 мкм, когда концентрация электронов близка к насыщению, дает возможность увеличить D* не менее, чем на порядок.

П р и м е р ы 3-6. Имплантация проводилась по примеру 1.

Результаты всех экспериментов по Прим. 1-6 сведены в таблицу, где указаны характеристики исходного Cd_xHg_1-xTe (X, N_A), режимы имплантации ионами В⁺, глубины полученных n+-слоя и k-слоя. Время имплантации при дозах D = 10¹⁴-10¹² см^-2, соответственно равнялось 20-60 сек. Номера образцов в таблице соответствуют номерам примеров, иллюстрирующих изобретение.

При комнатной температуре имплантация дозами, меньше 5 ˙ 10¹³см^-2, не приводит к образованию k-слоя. Для создания k-р-структур для третьего образца достаточно удалить поверхностный слоя толщиной ≈1,3 мкм, для четвертого и шестого - 1 мкм, для пятого образца - 0,3 мкм. При этом ожидаемое увеличение D* будет не менее двух порядков.

В заключение отметим, что проведение имплантации в нагретый КРТ позволило для создания структур с k-слоем значительно понизить как дозу имплантации, так и энергию ионов, что существенно для понижения дефектообразований в КРТ. При этом наличие нагрева в момент имплантации еще больше понижает вероятность образования дефектов. Кроме того, использование предлагаемого способа приводит к упрощению и ускорению технологического процесса создания структур на Cd_xHg_1-xTe р-типа.

Использование: полупроводниковая техника, в частности технология изготовления фотоприборов. Сущность: в нагретый до температуры 70 170°С образец Cd_xHg_1-xTe P-типа проводят имплантацию ионов с энергией 10 150 кэВ и дозой 10¹²- 10¹⁴ см^-2. При маскировании образца капсулирующим диэлектрическим покрытием, имплантацию проводят ионами, энергию которых увеличивают на величину энергетических потерь в диэлектрике. После имплантации ионов проводят удаление поверхностного слоя образца толщиной не менее величины пробега ионов в полупроводнике и не более значения, при котором концентрация электронов на поверхности равна 10¹⁵- 10¹⁷ см^-3. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. СПОСОБ СОЗДАНИЯ НА ОБРАЗЦАХ Cd_xHg_1-xTe P-ТИПА СТРУКТУР С ГЛУБОКОКОМПЕНСИРОВАННЫМ СЛОЕМ, включающий имплантацию ионов в образец, отличающийся тем, что имплантацию проводят ионами с энергией 10 - 150 кэВ и дозой 10¹² - 10¹⁴ см^-2 в нагретый до 70 - 170^oС образец. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после имплантации ионов удаляют поверхностный слой образца до выхода на поверхность глубококомпенсированного слоя. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что до имплантации ионов на поверхность образца наносят капсулирующий диэлектрик. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что после имплантации ионов удаляют поверхностный слой образца толщиной не менее величины пробега ионов в образце и не более толщины, на которой концентрация электронов выходит на значение 10¹⁵ - 10¹⁷ см^-3.