СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2007 года по МПК H01L31/18 

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

Известен способ изготовления металлических межсоединений (патент Японии №3346794, опубл. 18.11.02), состоящий в том, что на полупроводниковую пластину с пленкой межслойной изоляции наносят магнетронным распылением слои титана, молибдена и меди. Далее формируют защитную маску и проводят реактивное ионное травление нанесенных слоев.

Недостатком вышеуказанного способа является то, что при изготовлении омических контактов фотопреобразователя необходимо нанесение металлов на поверхность полупроводника, при этом возникает проблема прецизионной остановки травления на границе металл - полупроводник.

Признаки вышеуказанного аналога, общие с предлагаемым способом следующие: напыление трехслойной металлизации, создание защитной маски, стравливание ионами нанесенных слоев металлизации за пределами контактных областей.

Известен способ селективного вытравливания подзатворных областей n⁺-GaAs до слоя Al_0,2Ga_0,8As при изготовлении псевдоморфных транзисторов (Jap.J. Appl. Phys. V.39 (2000), p.1, №8, с.4699-4703 «Highly selective GaAs/Al_0,2Ga_0,8As Wet Etch Process for the Gate Recess of Low - Voltage - Power Pseudomorphic High - Voltage - Power Mobility Transistor).

В этом способе вытравливание подконтактного n⁺-GaAs слоя толщиной 1400 Å до низколегированного слоя n - Al_0,2Ga_0,8As осуществляют при температуре 23÷25°С в водном растворе лимонной кислоты, лимонно-кислого калия, перекиси водорода: (0,5М)С₆Н₈O₇·Н₂O÷(0,5М)К₃С₆Н₅O₇·Н₂O=5÷5÷1,5.

Далее создают затвор на поверхности Al_0,2Ga_0,8As.

Недостатком вышеуказанного способа является то, что при изготовлении фотопреобразователей на полупроводниковых структурах p⁺-GaAs/p⁺-GaAlAs/n-GaAs/n-Ge травление р⁺-GaAs слоя по маске контактов хром - палладий - серебро (Cr/Pd/Ag) при комнатной температуре практически отсутствует. Длительное нахождение в растворе приводит к окислению и помутнению серебряных контактов и деградации параметров фотопреобразователей.

Признаком вышеуказанного аналога, общим с предлагаемым способом, является селективное стравливание подконтактного полупроводникового слоя p⁺-GaAs до широкозонного слоя GaAlAs в растворе лимонной кислоты, лимонно-кислого калия и воды.

Известен способ изготовления фотопреобразователя (патент РФ №2244986, опубл. 20.05.05), принятый за прототип и состоящий в том, что на полупроводниковую пластину 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, наносят слой двуокиси кремния, напыляют слой контактной металлизации на тыл пластины, далее формируют защитный слой фоторезиста на слое двуокиси кремния, потом наращивают тыльный контакт электрохимическим осаждением серебра, после удаления фоторезиста создают фоторезистивную маску с окнами над контактными областями фотопреобразователя, затем стравливают слой двуокиси кремния в окнах, после удаления фоторезиста напыляют последовательно слои контактной металлизации хрома толщиной 200÷400 Å, палладия толщиной 200÷500 Å, серебра толщиной 500÷1500 Å, 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 p+-GaAs слоя за пределами контактных областей наносят просветляющее покрытие.

Недостаток способа-прототипа заключается в том, что термообработка при 450°С гальванически утолщенных лицевых контактов приводит к термическим напряжениям на границе металл-полупроводник и к увеличению переходного сопротивления.

Признаки прототипа, общие с признаками предлагаемого способа, следующие: напыление слоя контактной металлизации на тыл пластины; формирование защитного слоя фоторезиста; наращивание тыльного контакта электрохимическим осаждением серебра; удаление фоторезиста; напыление последовательно слоев контактной металлизации хрома толщиной 200÷400 Å, палладия толщиной 200÷500 Å, серебра толщиной 500÷1500 Å; создание фоторезистивной маски с рисунком контактов; наращивание контактов электрохимическим осаждением серебра; удаление фоторезиста; стравливание напыленных слоев контактной металлизации ионно-лучевым травлением; проведение термообработки пластины; создание фоторезистивной маски с рисунком окон по периметру фотопреобразователя; вытравливание слоев арсенида галлия до германиевой подложки; удаление фоторезиста; стравливание р⁺-GaAs слоя за пределами контактных областей; нанесение просветляющего покрытия.

Технический результат, достигаемый в предлагаемом способе, заключается в улучшении качества лицевых контактов фотопреобразователя за счет повышения адгезии и снижения переходного сопротивления посредством напыления на непокрытую пластину контактных слоев хрома при температуре 300÷350°С, палладия, серебра - при температуре 200÷250°С.

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, p⁺-GaAlAs широкозонный слой, p⁺-GaAs контактный слой, включающем напыление слоя контактной металлизации на тыл пластины, формирование защитного слоя фоторезиста, наращивание тыльного контакта электрохимическим осаждением серебра, удаление фоторезиста, напыление последовательно слоев контактной металлизации хрома толщиной 200÷400 Å, палладия толщиной 200÷500 Å, серебра толщиной 500÷1500 Å, создание фоторезистивной маски с рисунком контактов, наращивание контактов электрохимическим осаждением серебра, удаление фоторезиста, стравливание напыленных слоев контактной металлизации ионно-лучевым травлением, проведение термообработки пластины, создание фоторезистивной маски с рисунком окон по периметру фотопреобразователя, вытравливание слоев арсенида галлия до германиевой подложки, удаление фоторезиста, стравливание p⁺-GaAs слоя за пределами контактных областей, нанесение просветляющего покрытия, после напыления слоя контактной металлизации на тыл проводят термообработку пластины и напыляют последовательно слои контактной металлизации хрома при температуре 300÷350°С, палладия, серебра при температуре 200÷250°С, после удаления фоторезистивной маски с рисунком контактов стравливают слои серебра и палладия ионно-лучевым травлением до слоя хрома, далее удаляют слой хрома в водном растворе соляной кислоты, а после вытравливания слоев арсенида галлия до германиевой подложки и удаления фоторезиста, стравливают p⁺-GaAs слой за пределами контактных областей в водном растворе лимонной кислоты, лимонно-кислого калия и перекиси водорода при температуре 40÷50°С.

При нагреве пластины менее 300°С ухудшается адгезия контактов к поверхности полупроводника, снижается прочность сварного соединения с внешними выводами.

Нагрев пластины свыше 350°С нецелесообразен, так как термические напряжения приводят к генерации дефектов на поверхности эпитаксиального слоя, снижению КПД фотопреобразователя.

В предлагаемом способе напыление контактов слоя хрома при температуре отжига на пластине 300÷350°С обеспечивает надежную адгезию и низкое переходное сопротивление контактов. Тонкий слой хрома, обладая близким к GaAs коэффициентом термического расширения, в данном температурном интервале не вызывает существенных термических напряжений и деградации параметров фотопреобразователя. Адгезия последующих слоев палладия и серебра к хрому и между собой достигается при значительно меньших температурах 200÷250°С, при этом остается низким общий уровень термических напряжений.

Контактные слои хрома, палладия и серебра напыляют на открытую поверхность пластины без защитного слоя диэлектрика. Для защиты полупроводника от воздействия ионов используют слой хрома. Скорость ионного травления палладия и серебра значительно (˜ в 5 раз) больше, чем хрома, что позволяет надежно останавливать травление в нижележащем слое даже при большой неравномерности потока ионов. В последующем хром травится химически, при этом нет необходимости в нанесении защитного слоя никеля на серебряные контакты.

В предлагаемом способе утолщенные (7÷8 мкм) контакты формируют самосовмещенно с использованием одной операции фотолитографии, без дополнительных защитных слоев диэлектрика и никеля, что значительно упрощает технологический маршрут.

Удаление контактного р⁺-GaAs слоя в водном растворе лимонной кислоты, лимонно-кислого калия и перекиси водорода при повышенной температуре 40÷50°С обеспечивает быстрое травление полупроводника (˜2 мин), без воздействия на серебряные контакты.

При температуре раствора менее 40°С значительно увеличивается время стравливания р⁺-GaAs слоя до 30 мин, что нежелательно, так как ухудшаются параметры фотопреобразователя. При температуре раствора более 50°С снижается селективность удаления p⁺-GaAs слоя, стравливание нижележащего широкозонного слоя GaAlAs приводит к деградации параметров фотопреобразователя (тока короткого замыкания, напряжения холостого хода).

Отличительные признаки, обуславливающие соответствие предлагаемого способа критерию «новизна», следующие: после напыления слоя контактной металлизации на тыл проводят термообработку пластины; напыляют последовательно слои контактной металлизации хрома при температуре 300÷350°С, палладия и серебра при температуре 200÷250°С; стравливают слои серебра и палладия ионно-лучевым травлением до слоя хрома; удаляют слой хрома в водном растворе соляной кислоты; стравливают р⁺-GaAs слой за пределами контактных областей в водном растворе лимонной кислоты, лимонно-кислого калия и перекиси водорода при температуре 40÷50°С.

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 вышеуказанный технический результат, заключающийся в улучшении качества лицевых контактов фотопреобразователя за счет повышения адгезии и снижения переходного сопротивления, в литературных источниках не обнаружено. Поэтому, по мнению авторов, предлагаемый способ изготовления фотопреобразователя, соответствует критерию «изобретательский уровень».

Предлагаемый способ изготовления фотопреобразователя иллюстрирован на фиг.1÷4.

1 - полупроводниковая пластина;

2 - слои контактной металлизации палладий-серебро, напиленные на тыл пластины;

3 - гальванически выращенный слой серебра на тыльной стороне пластины;

4 - слои контактной металлизации хром - палладий - серебро;

5, 6 - гальванически выращенный слой серебра лицевых контактов фотопреобразователя и шунтирующего диода;

7 - меза-канавки по периметру активной области фотопреобразователя с шунтирующим диодом;

8 - просветляющее покрытие.

В качестве примера реализации способа используют полупроводниковую пластину со структурой n-Ge подложка, n-GaAs буферный слой, n-GaAs базовый слой, p-GaAs эмиттерный слой, p⁺-GaAlAs широкозонный слой, p⁺-GaAs контактный слой.

Напыляют контактный слой металлизации палладий-серебро на тыл пластины. Толщина слоя палладия ˜400 Å, серебра ˜1000 Å. Альтернативно может быть нанесен сплав золото-германий толщиной ˜0,15 мкм. Не извлекая платину из камеры напылительной установки, проводят термообработку при температуре ˜450°С, t=30 сек, в вакууме, что необходимо для снижения переходного сопротивления тыльного контакта.

Далее напыляют на лицевую сторону пластины слои контактной металлизации хрома при температуре 350°С, палладия и серебра при температуре 250°С. Напыление осуществляют непосредственно на всю поверхность полупроводника.

Толщины напыляемых слоев хрома ˜300 Å, палладия ˜400 Å, серебра ˜1000 Å.

Напыление слоя хрома толщиной менее 200 Å нецелесообразно из-за сквозной диффузии палладия. Слой хрома толщиной более 400 Å нежелателен из-за увеличения последовательного сопротивления контактов. Слой палладия необходим для адгезионной связки слоев хрома и серебра. При толщине слоя палладия менее 200 Å связка не обеспечивается из-за взаимодиффузии серебра и палладия, при толщине более 500 Å расход драгоценного металла непроизводителен. При толщинах слоя серебра менее 500 Å ухудшается адгезия последующего гальванического осадка, при толщинах слоя серебра более 1500 Å расход металла непроизводителен.

Адгезия контактного слоя хрома к поверхности полупроводника увеличивается с ростом температуры пластины. Оптимальный температурный режим 300÷350°С. При этом одновременно выполняется отжиг лицевой контактной металлизации, необходимый для снижения переходного сопротивления металл - полупроводник. При температурах менее 300°С ухудшается адгезия контактной металлизации. Температуры свыше 350°С, после нанесения сплошного слоя металлизации, нежелательны, так как тонкие эпитаксиальные слои GaAs более чувствительны к термическим напряжениям по сравнению с подложкой германия. Возникающие при этом поверхностные дефекты ухудшают параметры фотопреобразователя.

Напыление слоев палладия и серебра выполняется при остывании пластины до 250°С, что целесообразно для снижения термических напряжений в металлизации, так как коэффициенты термического расширения палладия и серебра (10,6·10^-6К^-1 и 19,2·10^-6K^-1) существенно выше, чем хрома и арсенида галлия (соответственно 6,6·10^-6К^-1 и 5,82·10^-6К^-1).

Далее создают защитный слой фоторезиста. Используют фоторезист ФП-4-04-Т. Наращивают тыльный контакт электрохимическим осаждением серебра. Толщина осажденного слоя 7 мкм. Наращиванием тыльного контакта на начальном этапе изготовления фотопреобразователя придают необходимую прочность хрупкой пластине. Удаляют фоторезист в диметилформамиде (см. фиг.1).

Создают фоторезистивную маску с рисунком лицевых контактов фотопреобразователя и шунтирующего диода. Используют фоторезист ФП-4-04-Т. Режим термообработки: сушка 100°С, t=2 часа. Проявление в 1% растворе гидроокиси калия (КОН) с последующей промывкой в 0,5% КОН и деионизованной воде. Альтернативно, для создания маски может быть использован защитный слой фоторезиста на лицевой стороне пластины после выполнения гальванического наращивания тыльного контакта, что позволяет сократить расход фоторезиста, но предъявляет повышенные требования к бездефектности и химической стойкости защитного слоя. Далее наращивают лицевые контакты электрохимическим осаждением серебра. Для этого пластину укладывают тыльной стороной на жесткий носитель, прижим к которому осуществляется силами поверхностного натяжения раствора. Осаждения на тыл при этом не происходит. Гальванический осадок толщиной 7 мкм имеет плотную мелкокристаллическую структуру. Фоторезист удаляют (см. фиг.2).

Далее стравливают напыленные слои серебра и палладия ионно-лучевым травлением по маске гальванически утолщеных контактов. При этом слой хрома, скорость распыления которого значительно (˜в 5 раз) меньше, чем суммарного слоя палладия, серебра, остается на пластине и защищает поверхность полупроводника от воздействия ионов аргона. Используют источник ионов ИИ-4-0,15 «Радикал», режим, сочетающий ускоренное и медленное травление, р˜8·10^-2 мм рт.ст.

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.

Удаляют слой хрома в водном растворе соляной кислоты HCl÷H₂O=1÷1. Травление инициируют, прикасаясь алюминиевой проволочкой к контактам фотопреобразователя. Воздействия на серебро, палладий и полупроводниковый слой р⁺-GaAs при этом не происходит.

Создают фоторезистивную маску с рисунком окон по периметру активной области фотопреобразователя и контакта шунтирующего диода. Вытравливают слои арсенида галлия до германиевой подложки. При этом электрически изолируются лицевые контакты фотопреобразователя и шунтирующего диода. Используют водный раствор ортофосфорной кислоты и перекиси водорода состава: Н₃PO₄ (85%)÷H₂O₂ (30%)÷Н₂О=4÷1÷2. Время травления t=15 мин. Фоторезист удаляют в диметилформамиде (см. фиг.3).

Стравливают p⁺-GaAs слой за пределами контактных областей фотопреобразователя в водном растворе лимонной кислоты, лимонно-кислого калия и перекиси водорода состава: (1М)С₆Н₈O₇·Н₂O÷(1М)К₃С₆Н₅O₇·Н₂O÷Н₂O₂(30%)=2÷2÷1.

Травление осуществляют при температуре раствора 45°С, чем обеспечивают удаление p⁺-GaAs слоя толщиной ˜0,2 мкм за При комнатной температуре (˜25°С) травление протекает значительно медленнее в ˜10 раз, что приводит к потемнению серебряных контактов и деградации параметров фотопреобразователя. При более высокой температуре, свыше 50°С существенно снижается селективность травления, что делает невозможным своевременную остановку травления на слое GaALAs.

Далее наносят просветляющее покрытие, маскируя при этом площадки контактов фотопреобразователя и диода, для приварки внешних выводов.

Лазерную резку и разделение пластины на чипы выполняют по металлизированному тылу, что предотвращает возникновение сколов и механических повреждений разделяемых частей (см. фиг.4).

Предлагаемый способ изготовления фотопреобразователя обеспечивает получение контактов с хорошей адгезией и низким переходным сопротивлением, так как напыление контактного слоя хрома осуществляется при высокой температуре на пластине 300÷350°С. При этом одновременно происходит отжиг лицевых контактов.

Утолщенные контакты Cr/Pd/Ag формируют самосовмещенно с использованием одной операции фотолитографии.

Токоподвод при электрохимическом наращивании контактов выполняют по сплошному металлическому слою, что дает высокую равномерность осаждения на пластинах большого диаметра.

Ионно-лучевое стравливание слоев серебра и палладия до слоя хрома устраняет необходимость в нанесении защитного слоя никеля.

Формируемые контакты имеют четкую геометрию края.

Гальваническое наращивание контактов только там, где это необходимо, сокращает расход драгоценного металла.

Использование: для изготовления устройств, преобразующих свет в электрическую энергию. Технический результат изобретения заключается в улучшении качества лицевых контактов фотопреобразователя за счет повышения адгезии и снижения переходного сопротивления. Сущность: способ изготовления фотопреобразователя на полупроводниковой пластине со структурой n-Ge подложка, n-GaAs буферный слой, n-GaAs базовый слой, p-GaAs эмиттерный слой, p⁺-GaAlAs широкозонный слой, p⁺-GaAs контактный слой, осуществляют напыление слоя контактной металлизации на тыл пластины, формирование защитного слоя фоторезиста, наращивание тыльного контакта электрохимическим осаждением серебра, удаление фоторезиста, напыление последовательно слоев контактной металлизации хрома толщиной 200÷400 Å, палладия толщиной 200÷500 Å, серебра толщиной 500÷1500 Å, создание фоторезистивной маски с рисунком контактов, наращивание контактов электрохимическим осаждением серебра, удаление фоторезиста, стравливание напыленных слоев контактной металлизации ионно-лучевым травлением, проведение термообработки пластины, создание фоторезистивной маски с рисунком окон по периметру фотопреобразователя, вытравливание слоев арсенида галлия до германиевой подложки, удаление фоторезиста, стравливание p⁺-GaAs слоя за пределами контактных областей и нанесение просветляющего покрытия. После напыления слоя контактной металлизации на тыл проводят термообработку пластины и напыляют последовательно слои контактной металлизации хрома при температуре 300÷350 Å, палладия и серебра при температуре 200÷250 Å. После удаления фоторезистивной маски с рисунком контактов стравливают слои серебра и палладия ионно-лучевым травлением до слоя хрома, далее удаляют слой хрома в водном растворе соляной кислоты, а после вытравливания слоев арсенида галлия до германиевой подложки и удаления фоторезиста, стравливают p⁺-GaAs слой за пределами контактных областей в водном растворе лимонной кислоты, лимонно-кислого калия и перекиси водорода при температуре 40÷50°С. 4 ил.

Способ изготовления фотопреобразователя на полупроводниковой пластине со структурой n-Ge подложка, n-GaAs буферный слой, n-GaAs базовый слой, р-GaAs эмиттерный слой, p⁺-GaAlAs широкозонный слой, p⁺-GaAs контактный слой, включающий напыление слоя контактной металлизации на тыл пластины, формирование защитного слоя фоторезиста, наращивание тыльного контакта электрохимическим осаждением серебра, удаление фоторезиста, напыление последовательно слоев контактной металлизации хрома толщиной 200÷400 Å, палладия толщиной 200÷500 Å, серебра толщиной 500÷1500 Å, создание фоторезистивной маски с рисунком контактов, наращивание контактов электрохимическим осаждением серебра, удаление фоторезиста, стравливание напыленных слоев контактной металлизации ионно-лучевым травлением, проведение термообработки пластины, создание фоторезистивной маски с рисунком окон по периметру фотопреобразователя, вытравливание слоев арсенида галлия до германиевой подложки, удаление фоторезиста, стравливание p⁺-GaAs слоя за пределами контактных областей, нанесение просветляющего покрытия, отличающийся тем, что после напыления слоя контактной металлизации на тыл проводят термообработку пластины, напыляют последовательно слои контактной металлизации хрома при температуре 300÷350°С, палладия и серебра при температуре 200÷250°С, стравливание напыленных слоев контактной металлизации ионно-лучевым травлением осуществляют до слоя хрома, удаляют слой хрома в водном растворе соляной кислоты, а стравливание p⁺-GaAs слоя за пределами контактных областей производят в водном растворе лимонной кислоты, лимонно-кислого калия и перекиси водорода при температуре 40÷50°С.