СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к электрическому оборудованию, в частности к полупроводниковым приборам, а именно: к фотопреобразователям.

Известен способ изготовления серебряных омических контактов фотопреобразователя на пластине арсенида галлия (1), заключающийся в том, что на поверхности полупроводниковой пластины со структурой: n-Ge подложка, p⁺-GaAs слой, р⁺-GaAlAs широкозонный слой создают фоторезистивную маску с рисунком контактов фотопреобразователя, вытравливают широкозонный слой р⁺-GaAlAs, напыляют контактные слои серебра на тыльную и лицевую стороны пластины, удаляют фоторезист с напыленным слоем металла, а затем проводят термообработку пластины.

Недостаток вышеуказанного способа заключается в том, что для удовлетворительной адгезии серебра к поверхности р⁺-GaAs слоя необходим нагрев пластин в камере напылительной установки, а это приводит к задубливанию фоторезистивной маски и затрудняет ее последующее удаление со слоем напыленного металла. Удаление большей части напыленного серебра вместе с фоторезистивной маской неэкономично.

Известен способ изготовления фотопреобразователя на полупроводниковой пластине (2) со структурой n-Ge подложка, n-GaAs буферный слой, n-GaAs базовый слой, р-GaAs эмиттерный, p⁺-GaAlAs широкозонный слой, слой p⁺-GaAs контактный слой, принятый за прототип. Способ заключается в том, что на поверхности пластины создают фоторезистивную маску с окнами, защищающую подконтактные области полупроводника, стравливают р⁺-GaAs слой за пределами контактных областей фотопреобразователя и напыляют просветляющее покрытие Та₂О₅, Аl₂O₃, удаляют фоторезист, создают фоторезистивную маску с рисунком лицевых контактов, напыляют контактную металлизацию, создают тыльный контакт фотопреобразователя.

Недостаток способа-прототипа заключается в том, что для формирования лицевых контактов фотопреобразователя необходимы фоторезисты с термостабильными свойствами. Оплывание края маски, загрязнение поверхности пластины в окнах при температуре ~180-200° С затрудняет последующее удаление фоторезиста и ухудшает адгезию контактов.

Удаление большей части напыленного слоя драгметаллов толщиной ~6-7 мкм вместе с фоторезистом неэкономично.

Необходимость термообработки (при ~450° С) контактов приводит к деградации ряда просветляющих покрытий, в том числе сернистого цинка и моноокиси кремния (ZnS, SiO), тем самым ограничивая их выбор.

При гальваническом наращивании тыльного контакта фотопреобразователя после формирования лицевых контактов имеют место микропробои защитной маски из-за неоднородного рельефа поверхности, что снижает выход годных приборов.

Технический результат, достигаемый в предлагаемом способе, заключается в улучшении качества лицевых контактов фотопреобразователя за счет повышения адгезии, снижения переходного сопротивления посредством напыления контактной металлизации хром-палладий-серебро в условиях высокотемпературного нагрева пластин до 180-200° С. Кроме того, экономичность предлагаемого способа заключается в снижении расхода драгоценного металла за счет электрохимического наращивания контактов. Осуществление меза-изоляции фотопреобразователя до нанесения просветляющего покрытия устраняет необходимость обтравливания торцов и дополнительной защиты диэлектриком.

Достигается вышеуказанный технический результат тем, что в предлагаемом способе изготовления фотопреобразователя на полупроводниковой пластине со структурой: n-Ge подложка, n-GaAs буферный слой, n-GaAs базовый слой, р-GaAs эмиттерный слой, р⁺-GaAlAs широкозонный слой, p⁺-GaAs контактный слой, включающем создание фоторезистивной маски с окнами, стравливание p⁺-GaAs слоя за пределами контактных областей фотопреобразователя, нанесение просветляющего покрытия, удаление фоторезиста, создание фоторезистивной маски с рисунком контактов, напыление контактной металлизации, создание тыльного контакта фотопреобразователя, на лицевую сторону пластины наносят слой двуокиси кремния, затем напыляют слой контактной металлизации на тыл пластины, далее формируют защитный слой фоторезиста на слое двуокиси кремния, потом наращивают тыльный контакт электрохимическим осаждением, после удаления фоторезиста создают фоторезистивную маску с окнами над контактными областями фотопреобразователя, затем вытравливают слой двуокиси кремния в окнах, после удаления фоторезиста напыляют последовательно слои контактной металлизации хрома толщиной 200-400 , палладия толщиной 200-500 , серебра толщиной 500-1500 , после создания фоторезистивной маски с рисунком контактов наращивают контакты электрохимическим осаждением серебра и защитного слоя никеля, после удаления фоторезиста стравливают напыленные слои контактной металлизации ионно-лучевым травлением, проводят термообработку пластины, затем создают фоторезистивную маску с рисунком окон по периметру фотопреобразователя, далее удаляют слой двуокиси кремния в окнах, потом вытравливают слои арсенида галлия до германиевой подложки, после снятия фоторезиста удаляют слой двуокиси кремния, а после стравливания р⁺-GaAs слоя за пределами контактных областей наносят просветляющее покрытие.

Напыление слоя хрома толщиной менее 200 нецелесообразно из-за сквозной диффузии слоя палладия. Напыление слоя хрома толщиной более 700 также нецелесообразно из-за увеличения сопротивления металлизации и длительности последующего травления.

Промежуточный слой палладия необходим для адгезионной связки слоев хрома и серебра. При толщинах слоя палладия менее 200 связка не обеспечивается в силу встречной диффузии и контакта разделяемых слоев. Адгезия слоя серебра на хроме недостаточна, что приводит к последующему расслоению металлизации. Нанесение слоя палладия толщиной более 500 нежелательно из-за расхода драгоценного металла.

Напыление слоев серебра толщиной менее 500 нецелесообразно из-за взаимодиффузии со слоем палладия и частичного стравливания серебра (~200 ) непосредственно перед гальваническим наращиванием контактов. В случае осаждения серебра на слой палладия или германиевую подложку адгезия осадка неудовлетворительна.

Толщины слоев серебра более 1500 нежелательны в связи с увеличением длительности травления и неэффективного расхода драгоценного металла.

Отличительные признаки, обуславливающие соответствие предлагаемого способа критерию “новизна”, следующие: нанесение на лицевую сторону пластины двуокиси кремния, затем напыление слоя контактной металлизации на тыл пластины, формирование защитного слоя фоторезиста на слое двуокиси кремния, наращивание тыльного контакта электрохимическим осаждением, удаление фоторезиста, создание фоторезистивной маски с окнами над контактными областями фотопреобразователя, вытравливание слоя двуокиси кремния в окнах, удаление фоторезиста, напыление последовательно слоев контактной металлизации хрома толщиной 200-700 , палладия толщиной 200-500 и серебра толщиной 500-1500 , создание фоторезистивной маски с рисунком контактов, наращивание контактов электрохимическим осаждением серебра и защитного слоя никеля, удаление фоторезиста, стравливание напыленных слоев контактной металлизации ионно-лучевым травлением, проведение термообработки пластины, создание фоторезистивной маски с рисунком окон по периметру фотопреобразователя, удаление двуокиси кремния в окнах, вытравливание слоев арсенида галлия до германиевой подложки, после снятия фоторезиста удаление слоя двуокиси кремния, а после стравливания p⁺-GaAs слоя за пределами контактных областей нанесение просветляющего покрытия.

Для доказательства предлагаемого способа соответствия критерию “изобретательский уровень” была проанализирована вся совокупность признаков и отдельно отличительных. Установлено, что применение вышеуказанных отличительных признаков, дающих в совокупности с известными признаками технический результат, заключающийся в улучшении качества лицевых контактов фотопреобразователя за счет повышения адгезии, снижения переходного сопротивления посредством напыления контактной металлизации хром-палладий-серебро в условиях высокотемпературного нагрева пластин до 180-200° С, снижении расхода драгоценного металла за счет электрохимического наращивания контактов, в литературных источниках не обнаружено. Таким образом, предлагаемый способ изготовления фотопреобразователя, по мнению авторов, соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Предлагаемый способ изготовления фотопреобразователя схематично представлен на фиг.1-8.

Фиг.1. Вид пластины с электрохимически наращенным тыльным контактом и термически напыленной контактной металлизацией на лицевой стороне.

Фиг.2. Вид пластины с электрохимически наращенными по фоторезистивной маске лицевыми контактами и защитным слоем никеля.

Фиг.3. Вид пластины после ионно-лучевого обтравливания контактной металлизации.

Фиг.4 Вид пластины с фоторезистивной маской для травления меза-канавок.

Фиг.5. Вид пластины с меза-канавками по периметру фотопреобразователя.

Фиг.6. Вид пластины после стравливания p⁺-GaAs слоя.

Фиг.7. Вид пластины после нанесения просветляющего покрытия.

Фиг.8. Вид фотопреобразователя после лазерной резки пластины.

Обозначения, принятые на фигурах:

1 - полупроводниковая пластина с эпитаксиальными слоями;

2 - слой двуокиси кремния;

3 - слой контактной металлизации на тыле пластины;

4 - электрохимически осажденный слой серебра на тыле пластины;

5 - слои контактной металлизации на лицевой стороне пластины;

6 - фоторезистивная маска с рисунком лицевых контактов;

7 - электрохимически осажденный слой серебра на лицевых контактах;

8 - укрепляющий слой металлизации по периметру пластины;

9 - защитный слой никеля;

10 - фоторезистивная маска с рисунком двух рамок по периметру фотопреобразователя;

11 - внутренняя меза-канавка;

12 - внешняя меза-канавка;

13 - просветляющее покрытие.

Для конкретного примера изготовления фотопреобразователя используют полупроводниковую пластину 1 со структурой: n⁺-Ge подложка, n⁺-GaAs буферный слой, n-GaAs базовый слой, р-GaAs эмиттерный слой, p⁺-GaAlAs шйрокозонный слой, p⁺-GaAs контактный слой с параметрами:

р⁺-GaAs контактный слой: толщина 0,2 мкм, концентрация 2× 10¹⁹aт/cм³; p⁺-GaAlAs широкозонный слой: толщина 300 , концентрация 2× 10¹⁸ат/см³; р-GaAs эмиттерный слой: толщина 0,5 мкм, концентрация 1,7× 10¹⁸ат/см³, n-GaAs базовый слой: толщина 2,5 мкм, концентрация 1,6× 10¹⁸ат/см³; n⁺-GaAs буферный слой: толщина 1 мкм, концентрация 1,5× 10¹⁸ат/см³; n⁺-Ge подложка: толщина ~200 мкм, удельное сопротивление ≤ 0,1 Oм× см.

На лицевую сторону пластины 1 наносят слой двуокиси кремния 2 толщиной 0,15 мкм. Напыляют контактный слой серебра 3 толщиной 1000 на тыл пластины 1. Формируют защитный слой фоторезиста на слое двуокиси кремния 2. Используют фоторезист ФП 25 КС; толщина слоя 10 мкм. Режим термообработки фоторезиста следующий: сушка при температуре Т=100° С в течение 1 часа, дубление при температуре Т=140° С в течение 30 мин.

Далее электрохимическим осаждением слоя серебра 4 наращивают тыльный контакт 3. Толщина осажденного слоя 7 мкм. Наращиванием тыльного контакта на начальном этапе технологического маршрута усиливают механическую прочность хрупкой пластины, снижают риск возникновения трещин и сколов. Двуслойная защита фоторезистом и слоем двуокиси кремния 2 обеспечивает электрическую изоляцию поверхности пластины 1 в процессе электрохимического осаждения серебра. В отсутствие слоя фоторезиста наблюдаются микропробои диэлектрика. Слой двуокиси кремния 2 защищает поверхность пластины 1 от органических загрязнений. Фоторезист удаляют в диметилформамиде. Далее создают фоторезистивную маску с окнами над контактными областями фотопреобразователя, при этом используют фоторезист ФП 4-04С. Затем вытравливают слой двуокиси кремния 2 в окнах маски в растворе фтористоводородной кислоты HF(50%):Н₂O=1:10 за время t=45 с. Далее удаляют фоторезист. Потом напыляют последовательно слои контактной металлизации 5 (фиг.1): хрома, палладия, серебра с толщинами, соответственно 400 , 400 , 1000 . Напыление на диэлектрическую маску 2 осуществляется после лампового нагрева до ~180°С, что обеспечивает хорошую адгезию контактной металлизации 5 к поверхности полупроводника. В случае “взрывного” метода напыления на фоторезистивную маску адгезия контактов неудовлетворительна из-за остаточного газовыделения фоторезистом при нагреве пластин.

Подслой хрома обеспечивает лучшую адгезию контактной металлизации 5 к поверхности p⁺-GaAs слоя пластины в сравнении, например, с титаном и серебром.

Далее создают фоторезистивную маску 6 с рисунком контактов. Рисунок контактов шире рисунка в слое двуокиси кремния 2 на 1 мкм. Небольшой отрицательный наклон стенок в окнах маски 6 достигается за счет обработки фоторезистивного слоя в поверхностно-активном веществе (ПАВ) перед экспонированием. ПАВ типа ОП-10 в концентрации 1 г/л, время обработки в растворе 20 с.

Одновременно с рисунком контактов в фоторезистивном слое 6 создают окно в виде рамки над краем пластины вдоль ее периметра. Ширина рамки ~1,5 мм. Наращивают контакты фотопреобразователя электрохимическим осаждением слоя 7 серебра. Ширина контактов соответствует размеру окна в фоторезистивной маске и равна 12 мкм. Единый металлический слой на тыле и по краю лицевой стороны 8 образует “оправу с ребрами жесткости”, повышающую механическую прочность пластины. Высокая электропроводность сплошной пленки контактной металлизации 5 обеспечивает равномерное осаждение серебра на всей площади пластины. Используют импульсный реверсивный режим осаждения: анодный импульс тока i_a=8 мА/см², длительность импульса t=5× 10^-3 с, катодный импульс тока i_к=80 мА/см², длительность импульса t=1× 10^-3 с. Продолжительность процесса 30 мин. Начальным импульсом положительной полярности i_a стравливают тонкий слой серебра и его окислов (~200 ), что необходимо для хорошей адгезии гальванического осадка. Последующим чередованием катодного и анодного импульсов наращивают слой серебра толщиной 7 мкм. В реверсивном режиме с длительностью катодного импульса менее 5× 10^-3 с формируется плотный мелкозернистый осадок с ровной геометрией края, так как возникающие поверхностные неоднородности преимущественно растворяются в течение анодного импульса.

Далее электрохимическим осаждением наносят защитный слой 9 никеля толщиной 0,15 мкм (фиг.2), что необходимо для защиты серебряных контактов при ионно-лучевом травлении. При толщине слоя 9 никеля менее 500 защита не обеспечивается. Затем удаляют фоторезист.

Далее стравливают термически напыленные слои 5 контактной металлизации ионно-лучевым травлением, используя в качестве маски контакты фотопреобразователя. Режим травления ионами аргона следующий: U=3,2 кВ, I=84 мА, t=70 мин. Скорость распыления хрома значительно меньше, чем серебра и палладия (~ в 5 и 2 раза соответственно), что и обуславливает необходимость введения защитного слоя 9 никеля. Скорости травления хрома и никеля существенно не отличаются. В силу неоднородности пространственного распределения потока ионов удаление различных участков слоя хрома происходит не одновременно. Слой двуокиси кремния 2 защищает поверхность пластины 1 от воздействия ионов аргона (фиг.3).

При значительной неоднородности потока ионов (более 30%) целесообразно жидкостное дотравливание слоя хрома. Для этого пластину 1 укладывают в кварцевый стакан с раствором лицевой стороной вверх. Используют водный раствор соляной кислоты НСl(30%):H₂O=1:1. Касаясь алюминиевым проводом контактов фотопреобразователя, электрохимически инициируют растворение хрома, так как электродный потенциал алюминия более электроотрицателен. Электропроводность тонкой пленки хрома при этом значения не имеет, так как после инициирования травления вблизи контактных дорожек зона, в которой пленка хрома уже удалена, распространяется волнообразно на всю поверхность пластины вне электрической связи с контактными дорожками. В отсутствие электрохимического инициирования хром не травится. Удаление слоев серебра и палладия химическим жидкостным травлением недопустимо, так как в первую очередь стравливается электрохимически осажденный слой серебра вследствие существенно более высокой скорости его травления относительно термически напыленного слоя.

Далее проводят термообработку пластины 1 при 450° С в течение 1 мин в вакууме для снижения переходного сопротивления омических контактов.

Затем создают фоторезистивную маску 10 с рисунком двух окон в виде рамок по периметру фотопреобразователя (фиг.4).

Удаляют слой двуокиси кремния 2 в окнах маски в водном растворе фтористоводородной кислоты HF(50%):Н₂О=1:10 за время t=45 с. Затем вытравливают слои арсенида галлия до германиевой подложки. Используют водный раствор серной кислоты и перекиси водорода H₂SO₄(84%):Н₂O₂(30%):Н₂О=5:2:1, время травления t=8 мин. Внутренняя меза-канавка 11 при этом изолирует р/п переход по периметру фотопреобразователя, внешняя меза-канавка 12 используется для лазерного разделения пластин на чипы. Фоторезист удаляют растворением в диметилформамиде, слой двуокиси кремния при этом защищает светочувствительную поверхность пластины от органических загрязнений (фиг.5). Далее удаляют слой 2 двуокиси кремния в водном растворе фтористоводородной кислоты HF(50%):H₂O=1:10 за время t=30 с. Частично слой 2 двуокиси кремния ~500 уже удален направленно ионно-лучевым травлением.

При использовании плазмохимического метода травления на установке 08 ПХО-100Т-005 в режиме: газовый реагент CF₄, давление Р~5 Па, падающая мощность W=400 Вт, время травления t=5 мин, боковой подтрав двуокиси кремния под контактами практически отсутствует. Участок двуокиси кремния под контактами изолирует границу раздела металл - полупроводник от воздействия окружающей среды.

Далее стравливают р⁺-GaAs слой за пределами контактных областей по маске сформированных контактов (фиг.6). В качестве селективного травителя используют водный раствор лимонной кислоты, лимонно-кислого калия и перекиси водорода в концентрации 0,5 М С₆Н₈O₇·_{Н2О:0,5 М К3С6Н5O7·H2O:H2O=5:5:1,5; рН~5,5. Время травления t=3 мин.}

Наносят двуслойное просветляющее покрытие 13: сернистый цинк (ZnS), окись кремния (SiO). При этом одновременно защищается поверхность р/п перехода на гранях внутренней меза-канавки 11 (фиг.7).

Далее осуществляют резку германиевой подложки по внешней меза-канавке 12 (фиг.8).

Коэффициент полезного действия изготовленного фотопреобразователя составляет 19% в условиях нулевой атмосферной массы АМО.

В предлагаемом способе напыление контактной металлизации 5 на диэлектрическую маску 2 осуществляют при нагреве пластины 1 до 180-200° С, что обеспечивает хорошую адгезию контактов, при этом нет необходимости в особых термостабильных фоторезистах.

Токоподвод при электрохимическом наращивании контактов выполняют по сплошному металлическому слою 5, что дает высокую равномерность осаждения на пластинах 1 большой площади. Формируемый в импульсном режиме гальванический осадок имеет плотную мелкозернистую структуру и ровную геометрию края.

Электрохимическое наращивание контактов позволяет экономично расходовать драгоценный металл.

Меза-изоляция р/п перехода с защитой просветляющим покрытием 13 обеспечивает низкий уровень шунтирующего тока фотопреобразователя, при этом нет необходимости в нанесении дополнительного слоя диэлектрика на торцы пластины.

Формирование просветляющего покрытия 13 после термообработки контактов позволяет использовать нетермостойкие просветляющие слои.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент США №4564720, 1986 г.

2. Патент США №5330586, 1994 г. (прототип)

Изобретение относится к электрическому оборудованию. Технический результат: улучшение качества лицевых контактов фотопреобразователя за счет повышения адгезии, снижения переходного сопротивления, снижение расхода драгоценного металла за счет электрохимического наращивания контактов. Сущность: на лицевую сторону полупроводниковой пластины со структурой n-Ge подложка, n-GaAs буферный слой, n-GaAs базовый слой, р-GaAs эмиттерный слой, р⁺-GaAlAs широкозонный слой, р⁺-GaAs контактный слой наносят слой двуокиси кремния. Напыляют слой контактной металлизации на тыл пластины. Формируют защитный слой фоторезиста на слое двуокиси кремния и наращивают тыльный контакт электрохимическим осаждением. После удаления фоторезиста создают фоторезистивную маску с окнами над контактными областями фотопреобразователя. Затем вытравливают слой двуокиси кремния в окнах, после удаления фоторезиста напыляют последовательно слои контактной металлизации хрома. После создания фоторезистивной маски с рисунком контактов наращивают контакты электрохимическим осаждением серебра и защитного слоя никеля. После удаления фоторезиста стравливают напыленные слои контактной металлизации ионно-лучевым травлением, проводят термообработку пластины и создают фоторезистивную маску с рисунком окон по периметру фотопреобразователя. Затем удаляют слой двуокиси кремния в окнах и вытравливают слои арсенида галлия до германиевой подложки. После снятия фоторезиста удаляют слой двуокиси кремния, а после стравливания р⁺-GaAs слоя за пределами контактных областей наносят просветляющее покрытие. 8 ил.

Способ изготовления фотопреобразователя на полупроводниковой пластине со структурой n-Ge подложка, n-GaAs буферный слой, n-GaAs базовый слой, р-GaAs эмиттерный слой, р⁺-GaAlAs широкозонный слой, р⁺-GaAs контактный слой, включающий создание фоторезистивной маски с окнами, стравливание p⁺-GaAs слоя за пределами контактных областей фотопреобразователя, нанесение просветляющего покрытия, удаление фоторезиста, создание фоторезистивной маски с рисунком контактов, напыление контактной металлизации, создание тыльного контакта фотопреобразователя, отличающийся тем, что на лицевую сторону пластины наносят слой двуокиси кремния, затем напыляют слой контактной металлизации на тыл пластины, потом формируют защитный слой фоторезиста на слое двуокиси кремния, далее наращивают тыльный контакт электрохимическим осаждением, после удаления фоторезиста создают фоторезистивную маску с окнами над контактными областями фотопреобразователя, затем вытравливают слой двуокиси кремния в окнах, после удаления фоторезиста напыляют последовательно слои контактной металлизации хрома толщиной 200-700 , палладия толщиной 200-500 , серебра толщиной 500-1500 , после создания фоторезистивной маски с рисунком контактов наращивают контакты электрохимическим осаждением серебра и защитного слоя никеля, после удаления фоторезиста стравливают напыленные слои контактной металлизации ионно-лучевым травлением, далее проводят термообработку пластины, затем создают фоторезистивную маску с рисунком окон по периметру фотопреобразователя, потом удаляют слой двуокиси кремния в окнах и вытравливают слои арсенида галлия до германиевой подложки, после снятия фоторезиста удаляют слой двуокиси кремния, а после стравливания р⁺-GaAs слоя за пределами контактных областей наносят просветляющее покрытие.