СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ Российский патент 2009 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для изготовления на базе твердых растворов теллурида кадмия и ртути Cd_xHg_1-xTe (KPT) фотоприемных устройств (ФПУ), в частности матричного типа, предназначенных для регистрации и измерения инфракрасного (ИК) излучения.

При изготовлении ИК фотоприемников с использованием фоточувствительных структур фотодиодного типа используют р-n или n-р Cd_xHg_1-xTe структуры. На практике наиболее распространено применение KPT фотодиодов n-р типа, формируемых ионной имплантацией бора в рабочую область Cd_xHg_1-xTe р-типа проводимости, в которой происходит поглощение ИК излучения. Для достижения высоких и стабильных рабочих характеристик фотоприемников используют пассивирование поверхности рабочей области Cd_xHg_1-xTe, включая участки выхода р-n или n-р перехода на поверхность. Традиционно для пассивации поверхности CdxHg_1-xTe применяют нанесение слоев анодного окисла, анодного фторида или сульфида, ZnS, SiO₂, Si₃N₄ CdTe, а также их сочетаний.

Известен способ изготовления фоточувствительной структуры (патент Японии №2000-12876 на изобретение, МПК: 7 Н01L 31/0264), заключающийся в том, что в подложке с рабочей областью заданного типа проводимости создают в составе рабочей области подложки области другого типа проводимости, формируя фотодиоды, после окончания формирования фотодиодов подложку с рабочей областью подвергают анодированию в электролите с формированием слоя анодированного материала подложки на ее поверхности, затем на слое, полученном анодированием, формируют последовательно пассивирующие диэлектрические слои CdTe и ZnS. Причем толщины слоев подобраны таким образом, чтобы минимизировать механические напряжения в структуре при охлаждении, возникающие из-за разности коэффициентов термического расширения используемых материалов. В качестве подложки, выполняющей функцию рабочей области, используют кристаллическую подложку Cd_xHg_1-xTe р-типа проводимости. При анодировании подложки с рабочей областью в электролите с формированием слоя анодированного материала на ее поверхности формируют слой анодного сульфида, задающий свойства границы раздела между рабочей областью Cd_xHg_1-xTe и защитными пассивирующими слоями, в частности, снижающий плотность поверхностных состояний. Создание в составе рабочей области областей другого типа проводимости с формированием в результате фотодиодов осуществляют тем, что на поверхность рабочей области наносят слой фоторезиста, в котором изготавливают сквозные, до поверхности рабочей области, окна, после чего проводят ионную имплантацию, обеспечивающую наличие в подложке областей n⁺-типа проводимости под участками поверхности подложки с удаленным защитным фоторезистом при изготовлении сквозных окон. Ионную имплантацию проводят при условиях использования ионов бора с энергией и дозой, обеспечивающими их проникновение вглубь и формирование области другого типа проводимости.

К недостаткам приведенного технического решения относится низкая термическая стабильность структур, невозможность использования термообработок и технологических операций при повышенных температурах (80-160°С); низкое качество электрической пассивации поверхности полупроводника рабочей области. Указанные недостатки обусловлены следующим.

Во-первых, нанесение ex-situ слоя CdTe приводит к появлению на границе раздела между рабочей областью Cd_xHg_1-xTe и слоем CdTe медленных поверхностных состояний и большому встроенному заряду в слое CdTe (G.Sudo, N.Kajihara, Y.Miyamoto, and К.Tanikawa, Appl.Phys. Lett., 51, p.1521 (1987); W.Chang and R.Krishnan,J. Electrochem. Soc., 140, p.829 (1993); W.E.Tenant, W.E.Cockrum, J.B. Gilpin, M.A.Kinch, M.B.Reine, and R.P.Ruth, J. Vac. Sci. Technol., В 10, p.1359 (1992); J.M.Arias, J.G. Pasko, M.Zandian, S.H.Shin, G.M. Williams, L.O. Bubulac, and R.E.De Wames, J. Electron. Mater., 22, p.1049 (1993); S.M.Johnson, D.R.Rhiger, J.P.Rosebeck, J.M.Peterson, S.M.Taylor, and M.E.Boyd, J. Vac. Sci. Technol., В 10, p.1499 (1992); J. Cheung and I. Shin, J. Vac. Sci. Technol., В 10, p.1538 (1992)). Наличие большого встроенного положительного заряда приводит к изгибу энергетических зон у поверхности рабочей области вплоть до появления инверсного слоя, что ухудшает электрофизические параметры фотоприемного устройства.

Во-вторых, при повышенных температурах в фоточувствительных структурах, изготавливаемых описанным способом, может произойти инверсия типа проводимости в рабочей области на большие глубины (Р.Brogowski and J.Piotrowski «The p-to-n conversion of HgCdTe, HgZnTe and HgMnTe by anodic oxidation subsequent heat treatment», Semicond. Sci. Technol., 5, (1990) p.p.530-532), что приводит к деградации фоточувствительных структур, а также делает невозможным проведение дальнейших технологических операций по изготовлению фоточувствительной структуры Cd_xHg_1-xTe р-типа проводимости при повышенных температурах (80÷160°С) и термообработок. Термообработки используются для улучшения качества сформированных ионной имплантацией n-р переходов (Akira Ajisawa and Naoki Oda, «Improvement in HgCdTe diode characteristics by low temperature post-implantation annealing". Journal of Electronic Materials, 1995, V.24, №9, pp.1105-1111; В.В.Васильев, В.Н.Овсюк, Д.Ю.Протасов, Н.Х.Талипов. «Влияние термообработок на параметры фотодиодов, сформированных ионной имплантацией бора в гетероэпитаксиальные слои МЛЭ CdHgTe р-типа», Прикладная физика, 2005, №2, стр.37-42). Изготавливаемые приведенным способом структуры не термостабилизированы, для них свойственно наличие избыточной ртути в анодном сульфиде. В известном техническом решении отсутствуют меры, обеспечивающие термическую стабильность структур и устранение избыточной ртути из слоя, полученного анодированием.

В качестве ближайшего технического решения выявлен способ изготовления фоточувствительной структуры (патент Японии №63-4628 на изобретение, МПК: 4 Н01L 21/425), заключающийся в том, что подложку с рабочей областью заданного типа проводимости подвергают анодированию в электролите с формированием слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности, затем на слое, полученном анодированием, формируют изолирующий слой, после чего приступают к созданию в составе рабочей области подложки областей другого типа проводимости, формируя фотодиоды, после окончания формирования фотодиодов исходный изолирующий слой, подвергавшийся технологическим воздействиям при формировании фотодиодов, удаляют и взамен наносят изолирующий слой, использующийся в сочетании со слоем, полученным анодированием, для пассивации поверхности. В качестве подложки, выполняющей функцию рабочей области, используют кристаллическую подложку Cd_xHg_1-xTe р-типа проводимости. При анодировании подложки с рабочей областью в электролите с формированием слоя анодированного материала на ее поверхности формируют слой анодного окисла или анодного нитрида. В качестве изолирующего слоя осаждают слой двуокиси кремния или сульфида цинка. Создание в подложке областей другого типа проводимости с формированием в результате фотодиодов осуществляют тем, что на изолирующий слой наносят слой фоторезиста, в котором изготавливают сквозные, до изолирующего слоя, окна, после чего проводят ионную имплантацию, обеспечивающую наличие в подложке областей n⁺-типа проводимости под участками поверхности подложки с удаленным защитным фоторезистом при изготовлении сквозных окон. Ионную имплантацию проводят при условиях использования ионов бора с энергией и дозой, обеспечивающими «пробивание» изолирующего и анодного слоев и формирование области другого типа проводимости. В финале в качестве изолирующего слоя, использующегося в сочетании со слоем, полученным анодированием, для пассивации поверхности наносят слой двуокиси кремния или другого подобного ему материала.

К недостаткам ближайшего технического решения относится низкая термическая стабильность структур, невозможность использования термообработок и технологических операций при повышенных температурах (80-160°С); низкое качество электрической пассивации поверхности полупроводника рабочей области. Указанные недостатки обусловлены следующим.

Во-первых, используемый слой, полученный анодированием подложки в электролите, в рассматриваемом случае, анодный окисел, характеризуется большим встроенным положительным зарядом, что приводит к изгибу энергетических зон у поверхности рабочей области вплоть до появления инверсного слоя (A.Rogalski, «Infrared detectors», Gordon and Breach Science Publishers, 2000, p.p.439-444). Для пассивации поверхности Cd_xHg_1-xTe р-типа проводимости использование указанных анодных окисных слоев при изготовлении фоточувствительных структур является неблагоприятным, поскольку ухудшает качество изготавливаемых структур и, в целом, электрофизические параметры ФПУ.

Во-вторых, при повышенных температурах в фоточувствительных структурах, изготавливаемых описанным способом, может наблюдаться инверсия типа проводимости в рабочей области на большие глубины (Р.Brogowski and J.Piotrowski «The p-to-n conversion of HgCdTe, HgZnTe and HgMnTe by anodic oxidation subsequent heat treatment», Semicond. Sci. Technol, 5, (1990) p.p.530-532), что приводит к деградации фоточувствительных структур, а также делает невозможным проведение дальнейших, технологических операций по изготовлению фоточувствительной структуры Cd_xHg_1-xTe на базе р-типа проводимости при повышенных температурах (80÷160°С) и термообработок для улучшения параметров сформированных ионной имплантацией n-р переходов. Термическая нестабильность связана в основном с наличием избыточной ртути в анодном окисле.

Техническим результатом изобретения является:

- расширение температурного диапазона в сторону повышения температур, используемых при технологических операциях, повышение термической стабильности структур;

- повышение качества электрической пассивации поверхности рабочей области.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления фоточувствительной структуры, заключающемся в том, что подложку с рабочей областью заданного типа проводимости подвергают анодированию в электролите с формированием слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности и далее приступают к созданию в составе рабочей области областей другого типа проводимости относительно заданного, формируя фотодиоды, причем после формирования слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности проводят термическую обработку при условиях, обеспечивающих одновременно уменьшение встроенного заряда в слое анодированного материала и устранение избыточной ртути из него, или изначально выбирают подложку с рабочей областью, тип проводимости которой противоположен заданному, а после формирования слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности проводят термическую обработку при условиях, обеспечивающих одновременно уменьшение встроенного заряда в слое анодированного материала и устранение избыточной ртути из него, и также одновременно при этом изменяют тип проводимости рабочей области на заданный тип проводимости.

В способе в качестве подложки используют пластину GaAs.

В способе в составе подложки формируют буферный слой CdTe.

В способе рабочую область на поверхности подложки формируют эпитаксиальным выращиванием Cd_xHg_1-xTe.

В способе в качестве заданного типа проводимости рабочей области выбирают р-тип проводимости.

В способе в качестве слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности формируют слой анодного окисла.

В способе после термической обработки на слое, полученном анодированием, формируют диэлектрическую пленку из изолирующих слоев.

В способе диэлектрическую пленку выполняют двухслойной в составе изолирующих слоев SiO₂ и Si₃N₄.

В способе создание в составе рабочей области областей другого типа проводимости относительно заданного с формированием фотодиодов осуществляют тем, что после термической обработки на поверхность наносят слой фоторезиста, изготавливают сквозные, до поверхности рабочей области, окна, после чего проводят ионную имплантацию, обеспечивающую наличие в рабочей области указанных областей под участками поверхности рабочей области с изготовленными сквозными окнами.

В способе в рабочей области р-типа проводимости сформированы варизонные слои, уменьшающие влияние поверхностной рекомбинации, примыкающие к ее поверхностям со стороны подложки и слоя, полученного анодированием, между которыми размещен рабочий поглощающий слой.

В способе ионную имплантацию осуществляют с использованием ионов бора с энергией и дозой, достаточными для формирования в рабочем поглощающем слое областей n - типа проводимости.

В способе проводят термическую обработку при условиях, обеспечивающих одновременно уменьшение встроенного заряда в слое анодированного материала и устранение избыточной ртути из него, а также одновременно при этом изменяют тип проводимости рабочей области на заданный тип проводимости в инертной атмосфере при температуре 215÷225°С длительностью 24 часа.

В способе в качестве инертной атмосферы используют атмосферу гелия.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. На Фиг.1 схематически представлено расположение основных конструктивных слоев изготавливаемой фоточувствительной структуры в поперечном сечении, где 1 - подложка GaAs, 2 - буферный слой CdTe, 3 - варизонный слой Cd_xHg_1-хТе, 4 - рабочий поглощающий слой Cd_xHg_1-xTe, 5 - варизонный слой Cd_xHg_1-xTe, 6 - слой анодного окисла. На Фиг.2 приведено распределение ширины запрещенной зоны по толщине эпитаксиальных слоев, отсчитанной от границы с буферным слоем CdTe, где 3 - варизонный слой Cd_xHg_1-xTe, 4 - рабочий поглощающий слой Cd_xHg_1-xTe, 5 - варизонный слой Cd_xHg_1-xTe. На Фиг.3 схематически изображено изготовление фоточувствительной структуры фотодиодного типа, где 1 - подложка GaAs, 2 - буферный слой CdTe, 3 - варизонный слой Cd_xHg_1-xTe, 4 - рабочий поглощающий слой Cd_xHg_1-xTe, 5 - варизонный слой Cd_xHg_1-xTe, 6 - слой анодного окисла, 7 - диэлектрическая пленка из слоев SiO₂ и Si₃N₄, 8 - область n⁺-типа проводимости, 9 - область n-типа проводимости. На Фиг.4 представлены вольтамперные характеристики диодов фоточувствительной структуры: а). полученных при изначально заданном р-типе проводимости рабочей области с рабочим поглощающим слоем Cd_xHg_1-xTe с х=0,223, при использовании термической обработки при 215°С; б). полученных при изначально заданном р-типе проводимости рабочей области с рабочим поглощающим слоем Cd_xHg_1-xTe с х=0,221, при использовании термической обработки при 222°С; в). полученных при изначально противоположном (n-типе) заданному (р-типу) типу проводимости рабочей области с рабочим поглощающим слоем Cd_xHg_1-xTe с х=0,298, при использовании термической обработки при 225°С.

Достижение технического результата базируется на следующих предпосылках.

Во-первых, показано (G.H.Winton, N.Warrington, L.Faraone «Thermal stability of photochemical native oxide films on Hg_1-xCd_xTe», J. Vac. Sci. Technol, A 14(4), Jul/Aug 1996, p.p.2325-2330), что избыточная ртуть, присутствующая в анодном окисле, способна выходить из него при термических обработках.

Во-вторых, установлено, что термические обработки способны приводить к уменьшению встроенного положительного заряда в естественном окисле (Yan-Li Shi, Ying Yao, Yu-hui Su, Li Lu, Ying Tian, Jian-Cai Chen, Xiang-Hua Ma «.Effects of annealing on surface passivation of P-Type Hg_1-xCd_xTe grown by LP», Proceedings SPIE, Vol.5964, 2005, p.p.59640Y.1-59640Y.10).

В-третьих, показано (G. L. Destefanis «Electrical Doping of HgCdTe by ion implantation and heat treatment» J. Cryst. Growth., v. 86, (1988), p.p.700-720), что проведение отжига нелегированного Cd_xHg_1-xTe при температурах свыше 200°С в течение длительного времени (часы или десятки часов) обуславливает то, что тип проводимости и концентрация электронов определяются концентрацией образовавшихся вакансий ртути.

В-четвертых, известно (Н.X.Талипов, В.Н.Овсюк, В.Г.Ремесник, В.В.Васильев «Электрическая активация имплантированных в p-Hg_1-xCd_xTe (x=0.22) атомов бора при низкотемпературном отжиге под анодным окислом», Автометрия, №4, 1996 г., с.с.82-88), что отжиг при температурах более 200°С, проводимый в течение нескольких часов, не приводит к конверсии или появлению слоя n-типа в Cd_xHg_1-xTe р-типа.

Термическая обработка нелегированного специально материала Cd_xHg_1-xTe, проводимая после формирования слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности, то есть анодного окисла, до создания в составе рабочей области фотодиодов, обеспечивает заданный тип проводимости, а именно р-тип проводимости с концентрацией дырок (6÷10)·10¹⁵ см^-3, независимо от того каким был исходный тип проводимости. Тип проводимости рабочей области до нанесения на ее поверхность слоя анодного окисла (6) (см. Фиг.1) и проведения термической обработки может совпадать с заданным или быть противоположным ему. В первом случае обеспечивается сохранение изначально присутствующего заданного типа проводимости рабочей области, во втором случае - смена исходного типа проводимости рабочей области за счет образования вакансий ртути при отжиге на заданный.

Формирование заданного р-типа проводимости рабочей области происходит в результате образования вакансий ртути и выхода последней из объема рабочей области при проведении термической обработки.

В отношении слоя анодного окисла (6) термическая обработка, как показано в приведенных публикациях, может устранять встроенный положительный заряд и обеспечивать выход ртути из слоя анодного окисла. Первое позитивно влияет на качество электрической пассивации поверхности рабочей области при использовании слоев анодного окисла в этих целях. Второе, то есть выход ртути из слоя анодного окисла (6), обеспечивает термическую стабильность фоточувствительной структуры в целом.

В итоге выход избыточной для формируемой структуры, с рабочей областью р-типа проводимости, ртути из слоя анодного окисла (6) в процессе отжига повышает термическую стабильность изготавливаемой фоточувствительной структуры в целом, позволял расширить температурный диапазон проводимых технологических операций в сторону повышения температур с сохранением при этом требуемых электрофизических параметров рабочей области, в частности, варизонных слоев (3) и (5) и поглощающего рабочего слоя (4).

Технический результат обусловлен отжигом, влияние которого проявляется в двух направлениях: уменьшения величины встроенного в слой анодного окисла (6) заряда и вывода избыточной ртути из анодного окисла, которая является причиной термической нестабильности структуры.

Таким образом, после формирования слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности термическую обработку следует проводить при условиях, обеспечивающих одновременно уменьшение встроенного заряда и устранение избыточной ртути из изготавливаемой структуры в целом с возможным изменением при этом также и типа проводимости рабочей области на заданный тип проводимости. Указанные условия заключаются в использовании температуры отжига 215-225°С и его длительности около 24 часа, в частности в гелии. Отжиг проводят с использованием атмосферы, например гелия, или аргона, или азота, или водорода. Проведение отжига в вакууме приводит к разрушению в приповерхностной области

Cd_xHg_1-xTe его кристаллической решетки с образованием элементарного теллура.

В ходе апробации способа у изготовленных структур экспериментально установлено повышение адгезии изолирующего слоя двуокиси кремния и нитрида кремния, наносимого на пассивирующий слой анодного окисла. Предполагаемое объяснение этого факта - снижение разности в коэффициентах термического расширения анодного окисла и SiO₂, а также возможность химической модификации границы раздела анодный окисел/SiO₂ за счет взаимодействия указанных окислов.

Создание фотодиодов следует осуществлять только после термической обработки, уменьшающей встроенный заряд и устраняющей избыточную ртуть из слоя анодного окисла изготавливаемой структуры, и после изменения типа проводимости рабочей области на заданный тип проводимости, если это предусмотрено выбором исходного типа проводимости. В противном случае отжиг в указанных условиях приведет к деградации сформированных до него n-р переходов. Губительными для фоточувствительных структур также окажутся и осуществляемые с использованием повышенных температур другие технологические операции и термообработки.

Термообработки используются для улучшения качества сформированных ионной имплантацией n-р переходов (Akira Ajisawa and Naoki Oda, «Improvement in HgCdTe diode characteristics by low temperature post-implantation annealing». Journal of Electronic Materials, 1995, V.24, №9, p.p.1105-1111; В.В.Васильев, В.Н.Овсюк, Д.Ю.Протасов, Н.Х.Талипов. «Влияние термообработок на параметры фотодиодов, сформированных ионной имплантацией бора в гетероэпитаксиальные слои МЛЭ CdHgTe р-типа», Прикладная физика, 2005, №2, стр.37-42).

При изготовлении гибридных сборок мгогоэлементных матриц фотоприемников с кремниевыми микросхемами обработки фотосигнала с матриц широко используется технология монтажа методом перевернутого кристалла (flip-chip) с помощью индиевых столбов. При этом для повышения механической прочности столбов при многократном охлаждении сборки до рабочей температуры жидкого азота применяют оплавление индиевых столбов (P.Tribolet, «HgCdTe technology in France», Comptes Rendus Physique, 2003, V.4, №10, pp.1121-1131), которое требует нагрева выше температуры плавления индия 156°С.

На основании вышесказанного способ изготовления фоточувствительной структуры включает следующие технологические этапы в нижеприведенной последовательности (см. Фиг.1 - Фиг.3).

1. Подложку (1) с рабочей областью подвергают анодированию в электролите с формированием слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности. При анодировании формируют слой анодного окисла (6). В качестве подложки (1) используют пластину GaAs. При этом в составе подложки формируют буферный слой (2) CdTe толщиной 5÷7 мкм, а рабочую область на поверхности подложки формируют эпитаксиальным выращиванием Cd_xHg_1-xTe толщиной 10÷12 мкм. В рабочей области в процессе эпитаксиального выращивания создают варизонные слои (3) и (5), уменьшающие влияние поверхностной рекомбинации, примыкающие к ее поверхностям со стороны подложки (1) и слоя, полученного анодированием, между которыми размещен рабочий поглощающий слой (4). Толщина варизонного слоя (3), примыкающего к буферному слою (2), составляет 1÷2 мкм, а толщина варизонного слоя (5), примыкающего к поверхности, составляет 0,5÷1 мкм (см. Фиг.1). Состав рабочего поглощающего слоя (4) Cd_xHg_1-xTe характеризуется величиной х=0,21-0,35, в варизонных слоях возрастает от значения в рабочем поглощающем слое до 0,5 на поверхностях рабочей области, что выражается в вариации ширины запрещенной зоны (см. Фиг.2). Также в составе рабочей области могут быть выполнены и другие слои, имеющие свое функциональное назначение. В качестве исходного типа проводимости рабочей области используют заданный тип проводимости, а именно р-тип, свойственный готовой фоточувствительной структуре, или противоположный тип проводимости. Анодирование осуществляют в гальваностатическом режиме при плотности постоянного тока 0,1÷0,15 мА/см². Катодом служит пластина из углерода. В качестве электролита используют раствор 1,1 г КОН в 7 мл Н₂O, смешанный с 327 мл этиленгликоля. Слой анодного окисла (6) осаждают толщиной 60÷70 нм.

2. После формирования слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности проводят термическую обработку при условиях, обеспечивающих одновременно уменьшение встроенного заряда в анодном окисле и устранение избыточной ртути из анодного окисла, и также одновременно при этом изменяют тип проводимости рабочей области на заданный тип проводимости, если исходный тип проводимости рабочей области отличался от типа, свойственного готовой фоточувствительной структуре. Указанные условия заключаются в использовании температуре отжига 215÷225°С, длительности около 24 часов, атмосферы гелия или аргона, или азота, или водорода.

3. После термической обработки на слое, полученном анодированием, то есть на термически обработанном анодном окисле формируют диэлектрическую пленку (7) из изолирующих слоев (см. Фиг.3). Наносят сначала SiO₂, а затем Si₃N₄. Слой SiO₂ толщиной около 100 нм наносят плазмохимическим методом с использованием удаленной плазмы при температуре 90÷120°С в атмосфере аргона при давлении 80÷300 мм.рт.ст. из смеси 5% SiH₄» в аргоне и N₂O в потоке Не. Для защиты слоя SiO₂ от воздействия атмосферной влаги поверх него наносят слой Si₃Н₄ толщиной около 50 нм плазмохимичееким методом, базирующимся на осуществлении реакции взаимодействия моносилана (SiH₄) с аммиаком (NН₃) в плазме ВЧ разряда.

4. Приступают к созданию в составе рабочей области областей другого типа проводимости относительно заданного, формируя фотодиоды (см. Фиг.3). После термической обработки и формирования диэлектрической пленки (7) из изолирующих слоев на поверхность наносят слой фоторезиста (не показан). Проводят фотолитографию. Изготавливают сквозные, до поверхности рабочей области, окна. Изготовление окон предпочтительно проводить после нанесения диэлектриков, поскольку при формировании областей n⁺-типа проводимости (8) и областей n-типа проводимости (9) под участками поверхности рабочей области р-типа с изготовленными сквозными окнами указанный процесс протекает не только вглубь, но в латеральном направлении. Таким образом, граница n-р перехода, выходящая на поверхность рабочей области, гарантированно будет защищена пассивирующим анодным окислом и диэлектрической пленкой (7) из изолирующих слоев. В противном случае в результате неточного совмещения фотошаблонов возможно отсутствие защиты пассивирующим слоем границы n-р перехода из-за выхода на участок поверхности рабочей области, не покрытый пассивирующим слоем, что приведет к появлению токов утечки фотодиода. После изготовления окон проводят ионную имплантацию для изготовления в рабочей области р-типа проводимости областей n⁺-типа проводимости (8). При этом используют ионы бора с энергией и дозой, достаточными для формирования в рабочем поглощающем слое р-типа областей n⁺ - типа проводимости (8), в частности с энергией 50÷150 кэВ, дозой 10¹³÷10¹⁵ см^-2.

Таким образом, вопреки сложившемуся мнению (A. Rogalski, «Infrared detectors», Gordon and Breach Science Publishers, 2000, p.p.439-444; P.Norton, «HgCdTe infrared detectors», Opto-Electronics Rewiev, 2002, V.10, №3, pp.159-174) о невозможности применения пассивации посредством слоя анодного окисла рабочей области Cd_xHg_1-xTe p-типа проводимости и получения при этом качественных фоточувствительных структур фотодиодного типа на базе нелегированного Cd_xHg_1-xTe, благодаря введению операции отжига в процесс изготовления структур, было достигнуто существенное улучшение качества последних и, следовательно, качества ФПУ.

В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления способа с достижением указанного технического результата, приводим нижеследующие примеры реализации.

Пример 1.

Подложку (1) с рабочей областью подвергают анодированию в электролите с формированием слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности. При анодировании формируют слой анодного окисла (6). В качестве подложки (1) используют пластину GaAs. При этом в составе подложки формируют буферный слой (2) CdTe толщиной 6 мкм, а рабочую область на поверхности подложки формируют эпитаксиальным выращиванием Cd_xHg_1-xTe толщиной 11 мкм. В рабочей области в процессе эпитаксиального выращивания создают варизонные слои (3) и (5), уменьшающие влияние поверхностной рекомбинации, примыкающие к ее поверхностям со стороны подложки (1) и слоя, полученного анодированием, между которыми размещен рабочий поглощающий слой (4). Толщина варизонного слоя (3), примыкающего к буферному слою (2), составляет 1,5 мкм, а толщина варизонного слоя (5), примыкающего к поверхности, составляет 0,65 мкм (см. Фиг.1). В качестве исходного типа проводимости рабочей области используют заданный тип проводимости, а именно р-тип с концентрацией дырок 8·10¹⁵ см^-3, свойственный готовой фоточувствительной структуре, состав рабочего поглощающего слоя характеризуется значением х=0,223. Анодирование осуществляют в гальваностатическом режиме при плотности постоянного тока 0,15 мА/см². Катодом служит пластина из углерода. В качестве электролита используют раствор 1,1 г КОН в 7 мл Н₂О, смешанный с 327 мл этиленгликоля. Слой анодного окисла (6) осаждают толщиной 70 нм.

После формирования слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности проводят термическую обработку, при условиях, обеспечивающих одновременно уменьшение встроенного заряда в анодном окисле и устранение избыточной ртути из изготавливаемой структуры в целом. Температура отжига составляет 215°С, длительность около 24 часа, отжиг протекает в атмосфере гелия.

После термической обработки на слое, полученном анодированием, то есть на термически обработанном анодном окисле формируют диэлектрическую пленку (7) из изолирующих слоев (см. Фиг.3). Наносят сначала SiO₂, а затем Si₃N₄. Слой SiO₂ толщиной около 100 нм наносят плазмохимическим методом с использованием удаленной плазмы при температуре 120°С в атмосфере аргона при давлении 300 мм рт.ст. из смеси 5% SiH₄ в аргоне и N₂O в потоке Не. Для защиты слоя SiO₂ от воздействия атмосферой влаги поверх него наносят слой Si₂N₄ толщиной около 50 нм плазмохимическим методом, базирующимся на осуществлении реакции взаимодействия моносилана (SiH₄) с аммиаком (NНз) в плазме ВЧ разряда.

Приступают к созданию в составе рабочей области областей другого типа проводимости относительно заданного, формируя фотодиоды (см. Фиг.3). После термической обработки и формирования диэлектрической пленки (7) из изолирующих слоев на поверхность наносят слой фоторезиста (не показан). Проводят фотолитографию. Изготавливают сквозные, до поверхности рабочей области, окна размером 10×10 мкм². После изготовления окон проводят ионную имплантацию для изготовления в рабочей области р-типа проводимости областей n⁺-типа проводимости (8). При этом используют ионы бора с энергией и дозой, достаточными для формирования в рабочем поглощающем слое р-типа областей n⁺ - типа проводимости (8) с энергией 50 кэВ и дозой 6·10¹³ см^-2.

Вольтамперные характеристики полученных диодов показаны на Фиг.4а). Среднее значение произведения сопротивления при нулевом смещении на площадь, подвергнутую имплантации (площадь окна), R₀A составляет около 0,7 Ом·см² при рабочей температуре 78 К. Поскольку диффузионная длина носителей заряда равна 10÷20 мкм, то площадь сбора темновых носителей может превышать площадь р-n перехода на порядок величины, обеспечивая увеличение величины R₀A, что соответствует известным из литературы экспериментальным данным, полученным для качественных диодов на основе Cd_xHg_1-xTe при составе рабочего поглощающего слоя с х=0,223. Динамическое сопротивление диодов при обратном смещении имеет максимальное значение около 100 МОм, что обеспечивает получение высоких параметров изображения при совместной работе матричного фотоприемника с кремниевой микросхемой обработки сигнала.

Пример 2.

Подложку (1) с рабочей областью подвергают анодированию в электролите с формированием слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности. При анодировании формируют слой анодного окисла (6). В качестве подложки (1) используют пластину GaAs. При этом в составе подложки формируют буферный слой (2) CdTe толщиной 6 мкм, а рабочую область на поверхности подложки формируют эпитаксиальным выращиванием Cd_xHg_1-xTe толщиной 11 мкм. В рабочей области в процессе эпитаксиального выращивания создают варизонные слои (3) и (5), уменьшающие влияние поверхностной рекомбинации, примыкающие к ее поверхностям со стороны подложки (1) и слоя, полученного анодированием, между которыми размещен рабочий поглощающий слой (4). Толщина варизонного слоя (3), примыкающего к буферному слою (2) составляет 1,5 мкм, а толщина варизонного слоя (5), примыкающего к поверхности, составляет 0,65 мкм (см. Фиг.1). В качестве исходного типа проводимости рабочей области используют противоположный заданному тип проводимости, а именно n-тип с концентрацией фоновых доноров 4·10¹⁴cм^-3, не свойственный готовой фоточувствительной структуре, состав рабочего поглощающего слоя характеризуется значением х=0,221. Анодирование осуществляют в гальваностатическом режиме при плотности постоянного тока 0,15 мА/см². Катодом служит пластина из углерода. В качестве электролита используют раствор 1,1 г КОН в 7 мл Н₂O, смешанный с 327 мл этиленгликоля. Слой анодного окисла (6) осаждают толщиной 70 нм.

После формирования слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности проводят термическую обработку при условиях, обеспечивающих одновременно уменьшение встроенного заряда в анодном окисле и устранение избыточной ртути из изготавливаемой структуры в целом. Температура отжига составляет 222°С, длительность около 24 часа, отжиг протекает в атмосфере гелия.

После термической обработки на слое, полученном анодированием, то есть на термически обработанном анодном окисле формируют диэлектрическую пленку (7) из изолирующих слоев (см. Фиг.3). Наносят сначала SiO₂, а затем Si₃N₄. Слой SiO₂ толщиной около 100 нм наносят плазмохимическим методом с использованием удаленной плазмы при температуре 120°С в атмосфере аргона при давлении 300 мм.рт.ст. из смеси 5% SiH₄ в аргоне и N₂O в потоке Не. Для защиты слоя SiO₂ от воздействия атмосферой влаги поверх него наносят слой Si₃N₄ толщиной около 50 нм плазмохимическим методом, базирующимся на осуществлении реакции взаимодействия моносилана (SiH₄) с аммиаком (NН₃) в плазме ВЧ разряда.

Приступают к созданию в составе рабочей области областей другого типа проводимости относительно заданного, формируя фотодиоды (см. Фиг.3). После термической обработки и формирования диэлектрической пленки (7) из изолирующих слоев на поверхность наносят слой фоторезиста (не показан). Проводят фотолитографию. Изготавливают сквозные, до поверхности рабочей области окна размером 10×10 мкм². После изготовления окон проводят ионную имплантацию для изготовления в рабочей области р-типа проводимости областей n⁺-типа проводимости (8). При этом используют ионы бора с энергией и дозой, достаточными для формирования в рабочем поглощающем слое р-типа областей n⁺ - типа проводимости (8) с энергией 50 кэВ и дозой 9·10¹⁴cм^-2.

Вольтамперные характеристики полученных диодов показаны на Фиг.4б). Среднее значение произведения сопротивления при нулевом смещении на площадь, подвергнутую имплантации (площадь окна), R₀A составляет около 2 Ом·см² при рабочей температуре 78 К. Поскольку диффузионная длина носителей заряда равна 10-20 мкм, то площадь сбора темновых носителей может превышать площадь р-n перехода на порядок величины, обеспечивая увеличение величины R₀A, что соответствует известным из литературы экспериментальным данным, полученным для качественных диодов на основе Cd_xHg_1-xTe с составом рабочего поглощающего слоя с х=0,221. Динамическое сопротивление диодов при обратном смещении имеет максимальное значение около 100 МОм, что обеспечивает получение высоких параметров изображения при совместной работе матричного фотоприемника с кремниевой микросхемой обработки сигнала.

Пример 3.

Подложку (1) с рабочей областью подвергают анодированию в электролите с формированием слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности. При анодировании формируют слой анодного окисла (6). В качестве подложки (1) используют пластину GaAs. При этом в составе подложки формируют буферный слой (2) CdTe толщиной 6 мкм, а рабочую область на поверхности подложки формируют эпитаксиальным выращиванием Cd_xHg_1-xTe толщиной 11 мкм. В рабочей области в процессе эпитаксиального выращивания создают варизонные слои (3) и (5), уменьшающие влияние поверхностной рекомбинации, примыкающие к ее поверхностям со стороны подложки (1) и слоя, полученного анодированием, между которыми размещен рабочий поглощающий слой (4). Толщина варизонного слоя (3), примыкающего к буферному слою (2), составляет 1,5 мкм, а толщина варизонного слоя (5), примыкающего к поверхности, составляет 0,65 мкм (см. Фиг.1). В качестве исходного типа проводимости рабочей области используют противоположный заданному тип проводимости, а именно n-тип с концентрацией фоновых доноров 2,5·10¹⁴ см^-3, не свойственный готовой фоточувствительной структуре, состав рабочего поглощающего слоя характеризуется значением х=0,298. Анодирование осуществляют в гальваностатическом режиме при плотности постоянного тока 0,15 мА/см². Катодом служит пластина из углерода. В качестве электролита используют раствор 1,1 г КОН в 7 мл Н₂O, смешанный с 327 мл этиленгликоля. Слой анодного окисла (6) осаждают толщиной 65 нм.

После формирования слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности проводят термическую обработку при условиях, обеспечивающих одновременно уменьшение встроенного заряда в анодном окисле и устранение избыточной ртути из изготавливаемой структуры в целом, и также одновременно при этом изменяют тип проводимости рабочей области на заданный тип проводимости, поскольку исходный тип проводимости рабочей области отличен от типа, свойственного готовой фоточувствительной структуре. Температура отжига составляет 225°С, длительность около 24 часа, отжиг протекает в атмосфере гелия.

После термической обработки на слое, полученном анодированием, то есть на термически обработанном анодном окисле формируют диэлектрическую пленку (7) из изолирующих слоев (см. Фиг.3). Наносят сначала SiO₂, а затем Si₃N₄. Слой SiO₂ толщиной около 100 нм наносят плазмохимическим методом с использованием удаленной плазмы при температуре 120°С в атмосфере аргона при давлении 300 мм.рт.ст. из смеси 5% S_iH₄ в аргоне и N₂O в потоке Не. Для защиты слоя SiO₂ от воздействия атмосферой влаги поверх него наносят слой Si₃N₄ толщиной около 50 нм плазмохимическим методом, базирующимся на осуществлении реакции взаимодействия моносилана (SiH₄) с аммиаком (NН₃) в плазме ВЧ разряда.

Приступают к созданию в составе рабочей области областей другого типа проводимости относительно заданного, формируя фотодиоды (см. Фиг.3). После термической обработки и формирования диэлектрической пленки (7) из изолирующих слоев на поверхность наносят слой фоторезиста (не показан). Проводят фотолитографию. Изготавливают сквозные, до поверхности рабочей области окна размером 10×10 мкм². После изготовления окон проводят ионную имплантацию для изготовления в рабочей области р-типа проводимости областей n⁺-типа проводимости (8). При этом используют ионы бора с энергией и дозой, достаточными для формирования в рабочем поглощающем слое р-типа областей n⁺-типа проводимости (8) с энергией 50 кэВ дозой 6·10¹⁴ см^-2.

Вольтамперные характеристики полученных диодов показаны на Фиг.4в). Поскольку в этом примере использован состав, свойственный для широкозонного рабочего поглощающего слоя (х=0,298), величины темновых токов диодов оказались ниже токовой чувствительности измерительной установки, равной 0,1 нА. Оценочное значение динамического сопротивление диодов при обратном смещении составляет 10¹⁰ Ом, что обеспечивает получение высоких параметров изображения при совместной работе матричного фотоприемника с кремниевой микросхемой обработки сигнала. Примерное значение произведения сопротивления при нулевом смещении на площадь, подвергнутую имплантации (площадь окна), R₀A составляет 10⁴÷10⁵ Ом·см² при рабочей температуре 78 К. Поскольку диффузионная длина носителей заряда равна 10-20 мкм, то площадь сбора темновых носителей может превышать площадь р-n перехода на порядок величины, обеспечивая увеличение величины R₀A, что соответствует известным из литературы экспериментальным данным, полученным для качественных диодов на основе Cd_xHg_1-xTe с указанным составом рабочего поглощающего слоя.

Способ изготовления фоточувствительной структуры заключается в том, что подложку с рабочей областью заданного типа проводимости подвергают анодированию в электролите с формированием слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности, далее приступают к созданию в составе рабочей области областей другого типа проводимости относительно заданного, формируя фотодиоды. Согласно изобретению после формирования слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности проводят термическую обработку при условиях, обеспечивающих одновременно уменьшение встроенного заряда в слое анодированного материала и устранение избыточной ртути из него, или изначально выбирают подложку с рабочей областью, тип проводимости которой противоположен заданному. После формирования слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности проводят термическую обработку при условиях, обеспечивающих одновременно уменьшение встроенного заряда в слое анодированного материала и устранение избыточной ртути из него, и также одновременно при этом изменяют тип проводимости рабочей области на заданный тип проводимости. За счет уменьшения встроенного заряда в слое анодного окисла и устранения избыточной ртути из него при термической обработке достигают расширения температурного диапазона в сторону повышения температур, используемых при технологических операциях, повышения термической стабильности структур, а также повышения качества электрической пассивации поверхности рабочей области. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления фоточувствительной структуры, заключающийся в том, что подложку с рабочей областью заданного типа проводимости подвергают анодированию в электролите с формированием слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности, далее приступают к созданию в составе рабочей области областей другого типа проводимости относительно заданного, формируя фотодиоды, отличающийся тем, что после формирования слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности проводят термическую обработку при условиях, обеспечивающих одновременно уменьшение встроенного заряда в слое анодированного материала и устранение избыточной ртути из него, или изначально выбирают подложку с рабочей областью, тип проводимости которой противоположен заданному, а после формирования слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности проводят термическую обработку, при условиях обеспечивающих одновременно уменьшение встроенного заряда в слое анодированного материала и устранение избыточной ртути из него, и также одновременно при этом изменяют тип проводимости рабочей области на заданный тип проводимости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве подложки используют пластину GaAs.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в составе подложки формируют буферный слой CdTe.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочую область на поверхности подложки формируют эпитаксиальным выращиванием Cd_xHg_1-xTe.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве заданного типа проводимости рабочей области выбирают р-тип проводимости.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве слоя анодированного материала рабочей области на ее поверхности формируют слой анодного окисла.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что после термической обработки на слое, полученном анодированием, формируют диэлектрическую пленку из изолирующих слоев.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что диэлектрическую пленку выполняют двухслойной, в составе изолирующих слоев SiO₂ и Si₃N₄.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что создание в составе рабочей области областей другого типа проводимости относительно заданного с формированием фотодиодов осуществляют тем, что после термической обработки на поверхность наносят слой фоторезиста, изготавливают сквозные, до поверхности рабочей области, окна, после чего проводят ионную имплантацию, обеспечивающую наличие в рабочей области указанных областей под участками поверхности рабочей области с изготовленными сквозными окнами.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что в рабочей области р-типа проводимости сформированы варизонные слои, уменьшающие влияние поверхностной рекомбинации, примыкающие к ее поверхностям со стороны подложки и слоя, полученного анодированием, между которыми размещен рабочий поглощающий слой.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что ионную имплантацию осуществляют с использованием ионов бора с энергией и дозой достаточными для формирования в рабочем поглощающем слое областей n-типа проводимости.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят термическую обработку, при условиях, обеспечивающих одновременно уменьшение встроенного заряда в слое анодированного материала и устранение избыточной ртути из него, а также одновременно при этом изменяют тип проводимости рабочей области на заданный тип проводимости в инертной атмосфере при температуре 215-225°С длительностью 24 ч.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что в качестве инертной атмосферы используют атмосферу гелия.