СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАНАРНЫХ p- n -ПЕРЕХОДОВ НА КРИСТАЛЛАХ INAS n-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ Российский патент 1995 года по МПК H01L21/265 

Изобретение относится к способам изготовления полупроводниковых приборов и может быть использовано при изготовлении диодов, транзисторов, в том числе фотодиодов и фототранзисторов, а также более сложных приборов на кристаллах InAs, обладающих высоким значением пробивного напряжения (U_пр.), дифференциального сопротивления (R_д) и квантовой эффективности ( η ), а также высокой стабильностью параметров.

При всех известных способах обработки и защиты поверхности InAs поверхностный встроенный заряд положителен и его величина составляет 10¹² см^-2 и более. Такой заряд приводит к формированию на p-области инверсионного поверхностного канала при концентрациях легирующей примеси вплоть до (5-7)^.10¹⁷ см^-3. Из этого следует, что использование в качестве исходного материала кристаллов p-типа проводимости с концентрацией примеси менее (5-7)^.10¹⁷ см^-3 исключено из-за формирования инверсионных поверхностных каналов, а при больших концентрациях пробивное напряжение p-n-переходов составляет менее 50 мВ, что в большинстве практических применений недопустимо. Поэтому использование исходного материала p-типа проводимости исключено, допустимо использование только материала n-типа проводимости, при этом следует формировать p-n-переходы p⁺-n-типа с концентрацией в p⁺-области 10¹⁸см^-3 и выше.

Известен способ изготовления p⁺-n-переходов на InAs диффузией атомов кадмия и меза-травлением для выделения планарных границ p⁺-n-переходов без применения защитной и пассивирующей диэлектрических пленок [1]
Недостатком способа является невозможность изготовления планарных p⁺-n-переходов из-за отсутствия маскирующих пленок при диффузии кадмия, низкие пробивные напряжения из-за большого положительного встроенного поверхностного заряда, формирующего на поверхности n-области n⁺-слой с концентрацией больше 10¹⁷ см^-3, низкая стабильность вольтамперных характеристик (низкая стабильность дифференциального сопротивления R_д) из-за отсутствия защитного стабилизирующего поверхность покрытия и низкий выход годных, обусловленный невозможностью стабильного получения слоев p₊-типа с требуемой концентрацией и толщиной.

За прототип принят способ [2] заключающийся в имплантации ионов Сd⁺ в пластины InAs, обработанные традиционно шлифовкой с применением алмазных порошков с последующими химико-механической и затем химико-динамической полировками, и постимплантационного отжига при температуре 600-700^оС без защиты поверхности в месте выхода p⁺-n-перехода диэлектрическими пленками.

Этот способ позволяет изготовить планарные p+-n-переходы, однако их электрические и фотоэлектрические параметры, такие как пробивное напряжение, дифференциальное сопротивление и квантовая эффективность, оказываются низким настолько, что применение таких p⁺-n-переходов в большинстве практически важных случаев не имеет смысла. Это обусловлено высокой степенью дефектности металлургической границы p⁺-n-перехода, произведенной таким "тяжелым" ионом, как Сd⁺. Дефектность столь высока, что последующий отжиг не дает возможности восстановить ее хоть в малой мере, близкой к тому уровню, который соответственно диффузионным p⁺-n-переходам или случаю имплантации "легких" ионов, таких как Ве⁺ и Мg⁺, с последующим отжигом.

Предлагаемое изобретение направлено на получение планарных p⁺-n-переходов на InAs с высоким и пробивным напряжением, дифференциальным сопротивлением и квантовой эффективностью, а также стабильностью дифференциального сопротивления. При осуществлении изобретения получаются слои p⁺-типа с требуемой концентрацией и толщиной и высокой степенью структурного совершенства в области металлургической границы p⁺-перехода, а поверхность защищается и стабилизируется так, что положительный заряд на границе раздел InAs-диэлектрик не превосходит 6^.10¹¹ см^-2.

Способ изготовления планарных p⁺-n-переходов на InAs включает формирование локальных легированных областей ионной имплантацией и отжигом и отличается тем, что в качестве исходных кристаллов используют либо эпитаксиальные пленки, либо пластины, вырезанные из слитка n-типа проводимости и шлифованные без применения алмазных порошков, формирование легированных областей осуществляют имплантацией ионов бериллия с энергией 30-100 кэВ и дозой 10¹³-10¹⁴ см^-2 и последующим отжигом при температуре 550-600^оС, после чего осуществляют защиту поверхности анодным окислением в электролите на основе винной кислоты, этиленгликоля и фтористого аммония в гальваностатическом режиме при плотности тока 0,5-1 мА^.см^-2 с последующим нанесением пассивирующей диэлектрической пленки.

Изобретение основывается на следующих экспериментальных результатах.

1. Имплантация ионов Ве⁺ со средними (30-100 кэВ) энергиями и дозами (10¹³-13^.10¹⁴ см^-2) позволяет при низких температурах отжига (550-600^оС) достичь столь высокого уровня отжига радиационных дефектов, что обеспечивается качество металлургической границы p⁺-n-перехода, не уступающее диффузионным p⁺-n-переходам. При этом гарантируется фактически 100%-ный выход годных и воспроизводимость параметров (R_дU_пр. η ).

2. Имплантация ионов Ве⁺ позволяет формировать качественные p⁺-n-переходы только при использовании в качестве исходных кристаллов либо эпитаксиальных пленок, либок пластин InAs, вырезанных из слитков n-типа проводимости и прошедших шлифовку без применения алмазных порошков и паст с последующими химико-механической и химико-динамической полировками. При применении алмазных порошков и паст большинство p⁺-n-переходов оказывается закороченными. Это объясняется формированием при ионной имплантации устойчивых дефектных образований на основе глубоких дефектов, введенных при шлифовке на алмазном порошке и пронизывающих металлургическую границу.

3. Применение для защиты поверхности анодной окисной пленки (АОП), использование для этого электролита на основе винной кислоты и этиленгликоля с добавкой фторсодержащей компоненты (NH₄F) и проведение анодирования в гальваностатическом режиме при плотности тока i ≅ 1 мА^.см^-2 обеспечивают положительный встроенный заряд на поверхности, не превышающий (5-6)^.10¹¹ см^-2, что гарантирует отсутствие поверхностного канала на p⁺-области и такое обогащение поверхности n-области, при котором пробивное напряжение составляет не менее 10-15 В, в отличие от случая обработки поверхности меза-травлением и отмывками, когда встроенный заряд составляет (8-10)^.10¹¹ см^-2, что приводит к уменьшению пробивных напряжений до 0,3-1 В.

Нанесение на поверхность АОП пленки типа SiO, Si₃N₄, Al₂O₃стабилизирует встроенный поверхностный заряд и как следствие ВАХ(R_д) p⁺-n-переходов.

Пределы параметров, приведенных в формуле изобретения, обусловлены тем, что превышение указанных значений энергии ионов и дозы имплантации, а также несоблюдение указанного диапазона температур отжига приводит к заметному понижению величин U_пр, R_д и η p+-n-переходов. Превышение параметров имплантации создает неотжигающиеся дефекты, а их понижение приводит к заметному увеличению слоевого сопротивления; уход в область низких температур отжига не обеспечивает эффективный отжиг радиационных дефектов, а превышение температуры 600^оС при отжиге существенно деформирует электрические параметры исходного кристалла. Состав электролита и использование гальваностатического режима при 0,5-1 мА^.см^-2 соответствует формированию встроенного заряда, не превышающего (5-6)^.10¹¹ см^-2. Низкий предел плотности тока при анодировании соответствует разумной производительности, а верхний началу заметного возрастания встроенного заряда. Нанесение пассивирующей диэлектрической пленки поверх анодноокисленной обеспечивает стабилизацию основных параметров R_д, Uпр, η
П р и м е р. Были изготовлены p⁺-n-переходы в виде 64-элементных линеек с размерами элементов 150х150 мкм² в соответствии с предлагаемым решением с пассивирующей пленкой Si₃N₄ и металлизацией из Cr+Au. Изготовлены также p⁺-n-переходы со следующими отступлениями от условий, указанных в формуле: либо исходными кристаллами были пластины, вырезанные из слитка и обработанные с применением алмазных порошков, либо плотность тока при анодировании превышала 1 мА^.см^-2, либо на поверхность не наносилась пассивирующая пленка. Были также изготовлены p⁺-n-переходы по способу-прототипу: имплантация ионов Сd⁺ и отжиг при температуре 650^оС без поверхностных защитных пленок; исходными были эпитаксиальные структуры n⁺-n-типа.

На всех p⁺-n-переходах при 77 К измерялись величины R_д, U_пр, η и стабильность R_д, обозначаемая как где = 1 где ΔR_д изменение первоначальной величины R_д при вылежке в течение 1 мес в нормальных условиях и прогревах при 60^оС в течение 24 ч. Данные измерений всех образцов представлены в таблице.

Из таблицы следует, что осуществление предлагаемого изобретения обеспечивает изготовление планарных p₊-n-переходов на InAs, повышает их дифференциальное сопротивление, пробивное напряжение, квантовую эффективность и стабильность R_д.

Использование: в способах, предназначенных для изготовления диодов, транзисторов, в том числе фотодиодов и фототранзисторов, а также приборов на кристаллах арсенида индия. Сущность изобретения: способ изготовления планарных p⁺- n -переходов на кристаллах inAs n-типа проводимости основан на методе ионной имплантации с последующим отжигом. В качестве исходных кристаллов используют эпитаксиальные пленки или пластины, вырезанные из стекла и шлифованные без применения алмазных порошков, имплантацию осуществляют ионами бериллия с энергией 30 100 кэВ и дозой 10¹³-3·10¹⁴см^-2, а после отжига при 550 600°С проводят защиту поверхности формированием пленки анодного окисла в электролите на основе винной кислоты, этиленгликоля и фтористого аммония в гальваностатическом режиме при плотности тока 0,5-1 мA·см^-2 с последующим нанесением пассивирующей диэлектрической пленки. 1 табл.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАНАРНЫХ p-n-ПЕРЕХОДОВ НА КРИСТАЛЛАХ Inas n-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ методом ионной имплантации с последующим отжигом, отличающийся тем, что в качестве исходных кристаллов используют либо эпитаксиальные пленки, либо пластины, вырезанные из слитка и шлифованные без применения алмазных порошков, имплантацию осуществляют ионами беррилия с энергией 30 100 кэВ и дозой 1 · 10¹³ 3 · 10¹⁴см^-2, отжиг проводят при 550 - 600^oС, после чего осуществляют защиту поверхности формированием пленки анодного окисла в электролите на основе винной кислоты, этиленгликоля и фтористого аммония в гальваностатическом режиме при плотности тока 0,5 1,0 мА · см^-2 с последующим нанесением пассивирующей диэлектрической пленки.