СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЯЧЕЙКИ ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2012 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к области электроники и измерительной техники и предназначено для изготовления ячейки фотоприемного устройства для регистрации излучения в различных спектральных диапазонах видимого спектра излучения в фотоэлектрических спектрально-селективных преобразователях изображения.

Известны способы для изготовления устройств для регистрации видимого излучения в различных спектральных диапазонах на основе интерференционных фильтров, в которых используются разнесенные по площади фоточувствительной структуры области для регистрации различных спектральных диапазонов, при этом они снабжаются дополнительно фильтрами для поглощения определенного спектрального диапазона видимого излучения: синего, зеленого или красного диапазонов [1, 2]. Однако данные способы изготовления фотоприемных устройств позволяют изготавливать устройства, которые имеют сложную конструкцию и технологию изготовления, требуют дополнительной площади для регистрации каждого спектрального диапазона видимого излучения.

От данного недостатка свободны способы изготовления фотоприемных устройств на основе приборов с зарядовой связью с фоточувствительными каналами, размещенными на различных расстояниях в глубине полупроводниковой подложки [3-4]. Устройства данного типа используют эффект спектральной зависимости коэффициента поглощения оптического излучения для различного спектрального диапазона видимого излучения от глубины проникновения излучения в материал кремниевой подложки. Однако работа полученных данным способом устройств данного типа основана на переносе зарядовых пакетов через всю кремниевую структуру для сброса в регистр, что приводит к уменьшению эффективности переноса.

От этого недостатка свободен способ создания фотоприемных устройств, который является наиболее близким аналогом, способ включает изготовление трех вертикально-интегрированных слоев чередующихся n- и p-типов проводимости на полупроводниковой подложке p-типа, причем к каждому указанному слою и подложке формируются омические контакты [5]. Однако данный способ изготовления позволяет создавать устройство, которое имеет достаточно размытый спектральный диапазон для регистрации синего, зеленого и красного диапазона видимого излучения, кроме того, данное устройство может регистрировать только три спектральных диапазона видимого излучения.

Задачей предложенного изобретения - способа изготовления фотоприемного устройства - является обеспечение изготовления фотоприемных устройств, обладающих увеличенной селективностью разложения белого цвета на спектральные диапазоны длин волн для регистрации синего, зеленого и красного спектральных диапазонов видимого излучения и расширенными функциональными возможностями за счет селективной регистрации пяти спектральных диапазонов видимого излучения.

Поставленная задача достигается тем, что предложенный способ изготовления ячейки фотоприемного устройства дополнительно включает процессы формирования трех вертикально-интегрированных слоев чередующихся n- и p-типов проводимости на полупроводниковой подложке p-типа, причем к каждому указанному слою и подложке формируются омические контакты, отличающийся тем, что дополнительно в верхнем полупроводниковом слое вытравливается канавка глубиной, по крайней мере, равной 0,6 глубины верхнего полупроводникового слоя, которая в последующем заполняется полупроводниковым слоем противоположного типа проводимости с основной концентрацией легирующей примеси, по крайней мере, на порядок величины меньше концентрации легирующей примеси в верхнем полупроводниковом слое, и, кроме того, в сформированном в канавке полупроводниковом слое формируется приповерхностный полупроводниковый слой противоположного типа проводимости толщиной, по крайней мере, равной 0,3 толщины расположенного под ним нижележащего полупроводникового слоя противоположного типа проводимости, в котором сформирована канавка, причем концентрация легирующей примеси в данном слое превосходит, по крайней мере, на порядок концентрацию основной примеси нижележащего полупроводникового слоя.

На фиг.1 представлен схематический разрез фотоприемного устройства, полученного с помощью предложенного способа, с пятью вертикально-интегрированными областями противоположного типа проводимости, образующими пять вертикально-интегрированных р-n- переходов:

1 - глубокий слой n-типа проводимости;

2 - глубокий слой p-типа проводимости;

3 - средний слой n-типа проводимости;

4 - средний слой p-типа проводимости;

5 - приповерхностный слой n-типа проводимости.

V₁, V₂, V₃, V₄, V₅ - контакты для управляющих напряжений.

На фиг.2 представлено распределение электрического потенциала в фотоячейке с пятью вертикально-интегрированными слоями противоположного типа проводимости при Т=300К. Кривая 1 - начальное стационарное обедненное состояние n- и p-областей, управляющие напряжения равны: V₁=V₃=V₅=+1,5 В; V₂=V₄=-1,0 В; кривая 2 - равновесное состояние, соответствующие управляющие напряжения равны: V₁=V₂=V₃=V₄=V₅=0.

На фиг.3 представлены спектральные характеристики фоточувствительностей n-областей фотоячейки с пятью вертикально-интегрированными слоями противоположного типа проводимости (сплошные линии): 1 - приповерхностная n-область, 2 - средняя n-область; 3 - глубокая n-область. Для сравнения пунктиром указаны спектральные характеристики фоточувствительностей n- и p-областей фотоячейки с тремя вертикально-интегрированными слоями противоположного типа проводимости.

Предложенный способ изготовления ячейки фотоприемного устройства содержит следующие процессы: процесс формирования в полупроводниковой подложке p-типа проводимости глубокого слоя n-типа проводимости 1, толщиной до 2,5 мкм с концентрацией легирующей примеси, превышающей, по крайней мере, на порядок концентрацию легирующей примеси в подложке p-типа проводимости; процесс формирования в глубоком слое n-типа проводимости среднего слоя p-типа проводимости 2, толщиной до 1,7 мкм с концентрацией легирующей примеси, превышающей, по крайней мере, на порядок концентрацию легирующей примеси в глубоком слое n-типа проводимости; процесс формирования в среднем слое p-типа проводимости среднего слоя n-типа проводимости 3, толщиной до 1,2 мкм с концентрацией легирующей примеси, превышающей, по крайней мере, на порядок концентрацию легирующей примеси в среднем слое p-типа проводимости; процесс формирования в среднем слое n-типа проводимости канавки, глубиной до 0,7 мкм 4;5 и составляющей, по крайней мере, до 0,6 толщины среднего полупроводникового слоя n-типа проводимости, данный процесс может быть осуществлен методом плазмохимического травления, далее вся глубина указанной канавки заполняется методом эпитаксиального осаждения эпитаксиальным полупроводниковым слоем p-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси, по крайней мере, на порядок величины меньшей концентрации легирующей примеси в формируемом в нем верхнем приповерхностном полупроводниковом слое n-типа проводимости 5, толщиной до 0,2 мкм и составляющей, по крайней мере, до 0,3 толщины расположенного под ним нижележащего полупроводникового слоя противоположного типа проводимости, в котором сформирована канавка, причем концентрация легирующей примеси в данном слое превосходит, по крайней мере, на порядок концентрацию основной примеси нижележащего полупроводникового слоя.

Толщины полупроводникового слоя в канавке и толщина сформированного в нем полупроводникового слоя противоположного типа проводимости составляет, по крайней мере, соответственно 0,6 и 0,3 полупроводниковых слоев, в которые они встроены. Указанные толщины обеспечивают оптимальные условия работы вертикально-интегрированных p-n - переходов и селективное разделение цветов оптического излучения. Полученные с помощью предложенного способа изготовления фотоприемной ячейки с пятью вертикально-интегрированными p-n-переходами указанные толщины соответственно равны: для нижнего n-слоя - 2,5 мкм, для среднего p-слоя - 1,7 мкм, для среднего n-слоя - 1,2 мкм, для верхнего p-слоя, полученного эпитаксиальным наращиванием полупроводника p-типа в канавке, вытравленной предварительно в среднем n-слое, 0,7 мкм, толщина приповерхностного полупроводникового слоя, выполненного в верхнем p-слое, равна 0,2 мкм. Указанные толщины были получены оптимизацией рассматриваемой фоточувствительной структуры путем численного расчета на ЭВМ по математической программе приборно-технологического моделирования ISE TCAD с целью получения требуемых максимумов спектральных чувствительностей рассматриваемой структуры фотоячейки с пятью вертикально-интегированными p-n - переходами, изготовленной на полупроводниковом монокристаллическом кремнии.

Указанное численное моделирование толщин полупроводниковых слоев существенно определяется оптическим коэффициентом собственного поглощения полупроводникового монокристаллического кремния для разных длин волн оптического поглощения фоточувствительной ячейкой излучения. Указанный коэффициент непосредственно введен в указанную программу ISE TCAD и для упомянутых выше толщин полупроводниковых слоев n- и p-типов проводимостей соответствующие максимумы спектральных фоточувствительностей для n-типа слоев приходятся на длины волн соответственно: приповерхностный слой - 0,42 мкм (синий), средний n-слой - 0,54 мкм (зеленый), глубокий n-слой - 0,72 мкм (красный). В то время как для оптимизированной структуры фотоячейки с тремя вертикально-интегрированными p-n - переходами (трехслойной структуры фотоячейки, использованной в прототипе) толщины полупроводниковых слоев составляют 0,2 мкм, 0,6 мкм и 2,0 мкм, а соответствующие им максимумы спектральных фоточувствительностей приходятся на длины волн поглощаемого оптического излучения приходятся на длины волн 0,42 мкм, 0,50 мкм и 0,62 мкм. Следовательно, в предложенном методе изготовления фотоячейки максимумы основных трех цветов синего, зеленого и красного разделены по длинам волн лучше, что является существенным для систем технического зрения. Кроме того, предлагаемый способ изготовления фотоячейки позволяет получать структуру, из которой в рабочем режиме могут быть считаны из p-слоев два дополнительных спектрально разделенных фотосигнала с максимумами на длинах волн 0,47 мкм и 0,62 мкм. Наличие этих дополнительных светосигналов расширяет функциональные возможности фотоячейки, изготовленной по предложенному способу изготовления.

Для указанных оптимальных толщин фотоячейки с пятью вертикально-интегрированными p-n - переходами, рассчитанных по программе ISE TCAD, получены соответствующие концентрации основных легирующих примесей соответственно:

для приповерхностного n-слоя 1·10¹⁸ см^-3-1·10¹⁹ см^-3;

для эпитаксиального p-слоя в канавке 1·10¹⁷ см^-3;

для среднего n-слоя 1·10¹⁸ см^-3;

для среднего p-слоя 1·10¹⁷ см^-3;

для глубокого n-слоя 1·10¹⁶ см^-3;

для кремниевой полупроводниковой подложки - 1·10¹⁵ см^-3.

Указанные оптимальные толщины слоев и концентрации легирующих примесей в них позволяют исключить нежелательный лавинный электрический пробой n-p - переходов, существующих на границах рассматриваемых слоев в рабочих режимах фотоячейки с управляющими напряжениями в диапазоне 1÷3 В и подаваемых на соответствующие омические контакты фотоячейки, полученной с помощью предлагаемого способа изготовления фотоячейки для селективной регистрации различных спектральных диапазонов видимого спектра излучения.

Таким образом, предложенный способ позволяет изготавливать в рассматриваемой структуре пять p-n - переходов, удаленных от верхней поверхности кремниевой подложки на глубины 0,2 мкм, 0,7 мкм, 1,2 мкм, 1,7 мкм и 2,5 мкм. При освещении структуры ячейки сверху оптическим излучением указанные глубины залегания p-n - переходов от поверхности подложки обеспечивают разделение образующихся фотоносителей, соответствующих разным диапазонам длин волн оптического излучения. Это является следствием зависимости коэффициента поглощения оптического излучения в кремнии от длины волны [6].

В результате численного расчета на ЭВМ уравнений фоторелаксации n- и p-областей этой структуры установлено, что максимумы спектральных фоточувствительностей лучше разделены, чем в фотоячейке, содержащей три вертикально-интегрированных области с противоположными типами проводимости, и приходятся на длины волн: для приповерхностной n-области 0,42 мкм, для средней p-области 0,47 мкм, для средней n-области 0,53 мкм, для глубокой p-области 0,62 мкм, для глубокой n-области 0,7 мкм, в то время как в фоточувствительной структуре с тремя вертикально-интегрированными областями с противоположными типами проводимости спектральные характеристики фоточувствительностей n- и p-областей структуры фотоячейки раззделены по длинам волн оптического диапазона так, что максимумы спектральных фоточувствительностей приходятся соответственно на длины волн: для приповерхностной n-области 0,42 мкм, для средней p-области 0,5 мкм, для глубокой n-области 0,62 мкм.

Фоточувствительное устройство, изготовленное по предложенному способу, включает в себя процессы ионной имплантации соответствующих легирующих примесей атомов (ионов) фосфора, бора с последующими их "отжигами" для создания последовательно вложенных одна в другую n- и p-областей. Для создания p-n - переходов концентрации соответствующих легирующих примесей увеличиваются в 10 раз (для перекомпенсации предыдущей примеси).

С увеличением концентрации примесей в n- и p-областях существенно уменьшаются соответствующие ОПЗ p-n-переходов и, следовательно, возрастают внутренние электрические поля. Для устранения превышения электрического поля ОПЗ критического значения в двух приповерхностных p-n - переходах изготавливаются полупроводниковые слои с меньшей концентрацией легирующей примеси.

Предложенный способ позволяет создать фотоприемное устройство, которое работает следующим образом: в потенциальных ямах, сформированных управляющими напряжениями в вертикально-интегрированных полупроводниковых слоях, генерируются фотоносители за счет поглощения в каждом из слоев излучения видимого диапазона, соответствующего различным длинам волн в зависимости от глубины размещения вертикально-интегрированного слоя различного типа проводимости, затем производится считывание фотоиндуцированного заряда с помощью МОП транзисторов.

Распределение электрического потенциала в пятидиодной фотоячейке было получено аналитическим решением уравнения Пуассона для каждой n- и p - областей ее структуры.

Кроме того, были выполнены численные расчеты на ЭВМ с помощью программы САПР ISE TCAD одномерного и двумерного распределений электрических потенциалов в полупроводниковой толще структуры фотоячейки в соответствии с толщинами слоев согласно фиг.1 и выбранными концентрациями легирующих примесей в них.

Распределение электрического потенциала в пятидиодной вертикальной фотоячейке при Т=300К представлено на фиг.4, где кривая 1 - начальное стационарное обедненное состояние n- и p-областей, управляющие напряжения равны V₁=V₃=V₅=+1,5 В; V₂=V₄=-1,0 В; кривая 2 - равновесное состояние, соответствующие управляющие напряжения равны V₁=V₂=V₃=V₄=V₅=0

Был также выполнен расчет времени терморелаксации рассматриваемой структуры по соотношению:

При этом учли, что максимальные рассчитанные величины фотоносителей, собираемых в каждой "потенциальной яме", а именно:

в глубокой n-области - ΔQ_n1фото=2,62·10¹¹ см^-2;

в p-области - ΔQ_p1фото=8,2·10¹¹ см^-2;

в средней n-области - ΔQ_n2фото=18,4·10¹¹ см^-2;

в средней p-области - ΔQ_p2фото=13,9·10¹¹ см^-2;

в приповерхностной n-области - ΔQ_n3фото=9,64·10^-11 см^-2.

Кроме того, установлено, что величины соответствующих плотностей термотоков в рассматриваемых n- и p-областях структуры равны (мкА/см²): 2,3; 6,4; 4,6; 10,0; 3,3. Поэтому согласно выражению (1) времена терморелаксации n- и p-областей равны: ; ; ; и . В качестве общего времени терморелаксации всей структуры выбрано наименьшее из указанных времен - 0,018 с. Тогда время цикла (одного периода) управления фотоячейкой равно: Т_цикл=0,001·Т_терм=18 мкс, а соответствующая частота цикла управления фотоячейкой равна .

На основании полученных данных по фототокам построены (в относительном масштабе) спектральные характеристики фоточувствительностей каждой n-области структуры рассматриваемой фотоячейки, которые представлены на фиг.3. Спектральные характеристики фоточувствительностей n-областей пятидиодной фотоячейки (сплошные линии): 1 - приповерхностная n-область, 2 - средняя n-область; 3 - глубокая n-область. Для сравнения пунктиром указаны спектральные характеристики фоточувствительностей n- и p - областей трехдиодной фотоячейки. Эти зависимости показывают, что максимумы спектральных фоточувствительностей n-областей соответствуют следующим длинам волн: для приповерхностной n-области - λ_max=0,42 мкм, для средней n-области - λ_max=0,53 мкм, для глубокой n-области - λ_max-=0,7 мкм. Сравнение со спектральными характеристиками фоточувствительностей n- и p-областей трехдиодной фотоячейки показывает, что предложенная фотоячейка с пятью вертикально-интегрированными фотодиодами проявляет большую селективность в разделении оптического диапазона длин волн на три спектральные области: "синюю", "зеленую" и "красную".

Кроме того, наличие еще двух дополнительных фотосигналов, считываемых из двух p-областей, дает еще два дополнительных спектральных диапазона с максимумами, соответствующими длинам волн: λ_max=0,47 мкм и λ_max=0,62 мкм. Указанные особенности пятидиодной фотоячейки расширяют ее применение в качестве спектрозонального фотоприемника для систем технического зрения.

Таким образом, проведенный анализ конструктивных параметров, амплитуд управляющих напряжений, фотоэлектрических характеристик фотоячейки с пятью вертикально-интегрированными p-n - переходами, полученный с помощью предложенного способа изготовления, показал возможность создания на ее основе спектрозонального фотоэлектрического преобразователя изображений с высокой селективностью выделения нескольких (пяти) оптических диапазонов длин волн. Это делает перспективным его применение в системах технического зрения.

Использованные источники информации

1. Патент США №3971065.

2. Патент США №5502299.

3. Патент США №4651001.

4. Патент США №4677286.

5. Патент США №59698875 (прототип).

6. Dash W.C. and Newman R. Intrinsic Optical Absorption in Single-Crystal Germanium and Silicon at 77K and 300K // Physical Rewiew, vol.99, №4, august 1955, pp.1151-1155.

Изобретение относится к области электроники и измерительной техники. Сущность изобретения: способ изготовления ячейки фотоприемного устройства включает процессы формирования трех вертикально-интегрированных слоев чередующихся n- и р-типов проводимости на полупроводниковой подложке р-типа, причем к каждому указанному слою и подложке формируются омические контакты. В верхнем полупроводниковом слое вытравливается канавка глубиной, по крайней мере, равной 0,6 глубины верхнего полупроводникового слоя, которая в последующем заполняется полупроводниковым слоем противоположного типа проводимости с основной концентрацией легирующей примеси, по крайней мере, на порядок величины меньше концентрации легирующей примеси в верхнем полупроводниковом слое, и, кроме того, в сформированном в канавке полупроводниковом слое формируется приповерхностный полупроводниковый слой противоположного типа проводимости толщиной, по крайней мере, равной 0,3 толщины расположенного под ним полупроводникового слоя противоположного типа проводимости, в котором сформирована канавка, причем концентрация легирующей примеси в данном слое превосходит, по крайней мере, на порядок концентрацию основной примеси нижележащего полупроводникового слоя. Техническим результатом изобретения является обеспечение изготовления фотоприемных устройств, обладающих увеличенной селективностью разложения белого цвета на спектральные диапазоны длин волн и расширенными функциональными возможностями. 3 ил.

Способ изготовления ячейки фотоприемного устройства, включающий процессы формирования трех вертикально-интегрированных слоев чередующихся n- и р-типов проводимости на полупроводниковой подложке р-типа, причем к каждому указанному слою и подложке формируются омические контакты, отличающийся тем, что дополнительно в верхнем полупроводниковом слое вытравливается канавка глубиной, по крайней мере, равной 0,6 глубины верхнего полупроводникового слоя, которая в последующем заполняется полупроводниковым слоем противоположного типа проводимости с основной концентрацией легирующей примеси, по крайней мере, на порядок величины меньше концентрации легирующей примеси в верхнем полупроводниковом слое, и кроме того, в сформированном в канавке полупроводниковом слое формируется приповерхностный полупроводниковый слой противоположного типа проводимости толщиной, по крайней мере, равной 0,3 толщины расположенного под ним нижележащего полупроводникового слоя противоположного типа проводимости, в котором сформирована канавка, причем концентрация легирующей примеси в данном слое превосходит, по крайней мере, на порядок концентрацию основной примеси нижележащего полупроводникового слоя.