СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОДИОДОВ НА КРИСТАЛЛАХ АНТИМОНИДА ИНДИЯ n-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ Российский патент 2008 года по МПК H01L31/18 H01L21/265 

Предлагаемое изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, чувствительных к инфракрасному излучению, в частности одно- и многоэлементных фотодиодов (ФД) на кристаллах антимонида индия (InSb), и может быть использовано при изготовлении линейных и матричных приемников излучения.

Известен способ изготовления фотодиодов на антимониде индия, включающий подготовку поверхности исходной пластины антимонида индия, формирование локального р-n перехода на подложке антимонида индия имплантацией ионов бериллия с последующим отжигом, анодное окисление для формирования защитной диэлектрической пленки, нанесение пассивирующего диэлектрика и формирование контактной системы (см. пат. РФ 1589963, МПК 6 Н01L 31/18, 1996 г.). Однако этот способ не позволяет изготавливать фотодиоды с наивысшей токовой чувствительностью.

Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому способ изготовления фотодиодов на антимониде индия, включающий формирование р-n перехода на подложке антимонида индия имплантацией ионов бериллия с энергией ионов 20-100 кэВ и дозой 5·10¹¹-6·10¹⁴ см^-2 с импульсным постимплантационным отжигом излучением галогенных ламп, анодное окисление, нанесение пленки SiO_x термическим распылением и металлизацию, причем в качестве исходных используют кристаллы с концентрацией легирующей примеси 10¹³-10¹⁶ см^-3 (см. пат. РФ 2056671, МПК 6 Н01L 21/265, 1996 г.). Однако этот способ также не позволяет изготавливать фотодиоды с наивысшей токовой чувствительностью.

Техническим результатом при использовании предлагаемого способа является увеличение токовой чувствительности фотодиодов на InSb.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления фотодиодов на кристаллах антимонида индия n-типа проводимости, включающем подготовку пластины исходного кристалла антимонида индия, формирование р-n перехода имплантацией ионов бериллия с постимплантационным отжигом, нанесение защитной и пассивирующей диэлектрических пленок и формирование контактной системы, согласно изобретению используют пластины исходного кристалла антимонида индия с концентрацией примеси 6·10¹³-2·10¹⁴ см^-3, имплантацию ионов бериллия производят при энергии 20-40 кэВ и дозе имплантации (0,8-1,2)·10¹⁴ см^-2, постимплантационный отжиг производят стационарно при температуре 350-375°С в течение 20-30 минут с поверхностной капсулирующей пленкой SiO₂.

Диапазоны заявленных концентраций легирующей примеси в исходном материале и режимы имплантации ионов бериллия находятся внутри диапазонов, известных из прототипа значений, однако только в указанном более узком диапазоне значений обеспечивается достижение технического результата, на который ранее не была установлена известность влияния отличительных признаков, поэтому заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень» (п.19.5.3.(2) «Правил составления, подачи и рассмотрения заявки на выдачу патента на изобретение»).

Технический результат (повышение токовой чувствительности) достигается только при сочетании всех перечисленных условий и диапазонов значений параметров, которые определяются следующими физическими особенностями. ФД на InSb чувствительны к излучению 3-5 мкм, которое поглощается на глубине соответственно 20-50 мкм. Повышение токовой чувствительности S_i обусловлено двумя причинами: увеличением значения диффузионной длины дырок (L_p), что позволит диффундировать всем фотоносителям до р-n перехода, расположенного у поверхности на глубине ˜1 мкм, и улучшением структурных свойств самого р-n перехода, что позволит разделить фотоносители р-n переходом без заметных потерь на рекомбинацию. Для обеспечения наибольшего значения L_p выбираются наиболее совершенные кристаллы и такие режимы имплантации и отжига, которые обеспечивают наибольшее совершенство р-n перехода и сохранение исходного значения L_p. В свою очередь наиболее совершенными являются наименее легированные кристаллы (наименьший уровень легирования теллуром промышленных кристаллов n-типа составляет 6·10¹³ см^-3) с предельным уровнем концентрации 2·10¹⁴ см^-3, превышение которого ухудшает структурные свойства кристалла и уменьшает L_p.

К повышению структурного совершенства р-n переходов на основе InSb, в том числе легированных бериллием, приводит снижение энергии ионов и дозы имплантации, а также использование наиболее совершенных исходных кристаллов. Сохранение свойств исходного кристалла обеспечивается снижением температуры отжига и созданием условий, не допускающих деструкции кристалла за счет испарения летучего компонента - Sb, которому препятствует капсулирующая пленка. Исходя из изложенного выбранный диапазон энергий ионов Ве⁺ (20-40 кэВ) снизу ограничен малой глубиной залегания р⁺-n перехода (менее 0,2 мкм), следствием чего является высокое значение слоевого сопротивления, ограничивающего размер площади собирания носителей р⁺-n переходом, а сверху ограничен началом такого структурного разупорядочения, которое слабо восстанавливается при отжиге. Диапазон доз (0,8-1,2)·10¹⁴ см^-2 снизу ограничен также высоким сопротивлением р⁺-слоя из-за низкой степени легирования, а сверху - слабо восстанавливаемым структурным разупорядочением кристалла.

Отжигом, обеспечивающим наибольшие значения S_i, является стационарный отжиг при температуре в диапазоне 350-375°С в течение 20-30 минут с капсулирующей пленкой SiO₂ на поверхности кристалла. При этом нижняя граница диапазона температур отжига определяется началом ослабления эффекта отжига дефектов, а верхняя граница - началом деструкции поверхности, вызванной отличием значений коэффициента термического расширения (КТР) пленки SiO₂ и InSb. В то же время пленка SiO₂ является в наибольшей мере отвечающей требованиям соответствия КТР и возможностям технологического применения.

Для определения оптимальных значений режимов операций был проведен ряд экспериментов, в процессе которых были изготовлены 64-элементные линейки ФД с размером элемента фоточувствительной площадки 150×150 мкм². В качестве исходного материала выбирались пластины InSb, начиная с наименьшего промышленно выпускаемого уровня легирования 6·10¹³ см^-3 и выше, которые проходили подготовку (очистку, промывку и др.) перед имплантацией ионами Be⁺для формирования р-n перехода. После имплантации на поверхность пластины наносилась капсулирующая пленка SiO₂ методом низкотемпературного разложения моносилана, после чего поводились термический отжиг, стравливание капсулирующей пленки, формирование защитной диэлектрической пленки анодным окислением, нанесение пассивирующей пленки SiO_x и формирование контактной системы. Изготовленные ФД были смонтированы в фотоприемные устройства, в которых измерялись напряжения сигнала при известной мощности потока излучения. Источником излучения, использованным для измерений, являлось абсолютно черное тело с температурой рабочей полости 373 К. Частота модуляции излучения при измерении выходного сигнала составила 800 Гц, полоса пропускания измерительного тракта - 190 Гц, апертурный угол ФПУ ≥ 60°. На основании данных этих измерений рассчитывалось значение токовой чувствительности в соответствии с ГОСТ 17772-79 (Приемники излучения и устройства приемные полупроводниковые электрические. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик. Государственный стандарт СССР, 1979). Режимы операций и полученные результаты приведены в таблице.

Таблица№ Концентрация примеси в исходном кристалле, см^-3Энергия ионов бериллия при имплантации, кэВДоза ионов бериллия при имплантации, см^-2Температура отжига, °СВремя отжига, минТоковая чувствительность, А/Вт1234567С выходом за пределы заявленных диапазонов значений параметров13·10¹⁴200,8·10¹⁴350200,26023·10¹⁴301,2·10¹⁴375250,25434·10¹⁴4010¹⁴360300,25044·10¹⁴3510¹⁴355250,22556·10¹³180,8·10¹⁴350200,23268·10¹³4510¹⁴360300,205710¹⁴181,2·10¹⁴365200,25182·10¹⁴4510¹⁴375300,21496·10¹³200,7·10¹⁴355200,220108·10¹³250,6·10¹⁴365300,2391110¹⁴301,4·10¹⁴370200,215122·10¹⁴401,5·10¹⁴375300,210136·10¹³200,8·10¹⁴340250,255148·10¹³3010¹⁴345250,1801510¹⁴3510¹⁴380200,220162·10¹⁴401,2·10¹⁴385300,216176·10¹³250,8·10¹⁴350180,243188·10¹³301,2·10¹⁴360190,2121910¹⁴3010¹⁴370310,2602010¹⁴3510¹⁴370320,265В соответствии с заявленными значениями параметров216·10¹³200,8·10¹⁴350200,289226·10¹³400,8·10¹⁴355200,2952310¹⁴400,8-Ю¹⁴360250,285

12345672410¹⁴3010¹⁴365250,299258·10¹³3010¹⁴370250,300268·10¹³2010¹⁴375300,295272·10¹⁴201,2·10¹⁴370300,290282·10¹⁴401,2·10¹⁴360300,305

Из данных таблицы видно, что изготовление фотодиодов на основе InSb предложенным способом в заявленном диапазоне значений режимов операций обеспечивает повышение токовой чувствительности получаемых фотодиодов на ˜10% и более.

Способ изготовления фотодиодов на кристаллах антимонида индия n-типа проводимости включает подготовку пластины исходного кристалла антимонида индия, формирование р-n перехода имплантацией ионов бериллия с постимплантационным отжигом, нанесение защитной и пассивирующей диэлектрических пленок и формирование контактной системы. Согласно изобретению используют пластины исходного кристалла антимонида индия с концентрацией примеси 6·10¹³-2·10¹⁴ см^-3, имплантацию ионов бериллия производят при энергии 20-40 кэВ и дозе имплантации (0,8-1,2)·10¹⁴ см^-2, постимплантационный отжиг производят стационарно при температуре 350-375°С в течение 20-30 минут с поверхностной капсулирующей пленкой SiO₂. Изобретение обеспечивает увеличение токовой чувствительности фотодиодов на InSb. 1 табл.

Способ изготовления фотодиодов на кристаллах антимонида индия n-типа проводимости, включающий подготовку пластины исходного кристалла антимонида индия с концентрацией примеси 6·10¹³-2·10¹⁴ см^-3, имплантацию ионов бериллия (Ве⁺) с энергией 20-40 кэВ при дозе 0,8·10¹⁴-1,2·10¹⁴ см^-2, нанесение капсулирующей диэлектрической пленки SiO₂, постимплантационный термический отжиг при температуре 350-375°С в течение 20-30 мин, удаление капсулирующей пленки, нанесение защитной и пассивирующей диэлектрических пленок и формирование контактной системы.