СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВОГО p-i-n ФОТОДИОДА Российский патент 2015 года по МПК H01L31/18 

Заявляемое изобретение относится к технологии изготовления кремниевых p-i-n фотодиодов (ФД), чувствительных к излучению с длинами волн 0,9-1,06 мкм. Они предназначены для использования в различной электронно-оптической аппаратуре, в которой требуется регистрация коротких импульсов лазерного излучения (10-40 нс).

Одними из основных параметров таких ФД являются: величина темнового тока при рабочем напряжении, определяющая уровень шума ФД, и, следовательно, его пороговую чувствительность, а также величина коэффициентов фотоэлектрической связи между фоточувствительными площадками в многоэлементных ФД.

Известно авторское свидетельство [а.с. №680538 с приоритетом от 19.02.1976 г. Климанов Е.А., Кулыманов А.В., Лисейкин В.П. «Способ изготовления p-i-n фотодиода»], в котором описан способ изготовления ФД, где для снижения темновых токов используется геттерирование электрически активных дефектов с помощью диффузионного n⁺-слоя, создаваемого на пассивных поверхностях пластины.

Известен патент США [US 4127932 с приоритетом от 06.08.1976 г. A.R. Hartman, H. Melhior, D.P. Schinke, R.G. Smith, «Method of fabricating silicon photodiodes»], в котором для снижения темновых токов также используется геттерирование диффузионным слоем дефектов в объеме образцов и отжиг структур с изготовленной контактной системой в форминг-газе при 300° для снижения плотности поверхностных состояний.

Известен кремниевый p-i-n фотодиод большой площади [патент на полезную модель РФ №56069 U1 с приоритетом 21.11.2005 г., Филачев A.M., Кравченко Н.В., Хакуашев П.Е., Огнева О.В., Чинарева И.В., заявитель ФГУП «НПО «Орион»], чувствительный на длинах волн 1,06 мкм и 0,9 мкм, способ изготовления которого принят в качестве ближайшего аналога. В подложке из монокристаллического кремния р-типа проводимости с помощью диффузии фосфора через пленку двуокиси кремния (SiO₂) сформированы области n⁺-типа проводимости: фоточувствительная область и область охранного кольца. На другой стороне подложки диффузией бора сформирован слой р-типа проводимости. Создание двухслойных омических контактов к фоточувствительной области, области охранного кольца и контактному слою р-типа проводимости осуществляется путем нанесения пленки золота с подслоем титана.

Недостатком указанных методов изготовления ФД является снижение процента выхода годных изделий по значениям темновых токов фоточувствительных площадок и охранного кольца, а также значениям коэффициентов фотоэлектрической связи между фоточувствительными площадками из-за образования инверсионных и конверсионных слоев с высокой концентрацией неосновных носителей заряда - электронов в приповерхностных областях кремния р-типа с низкой концентрацией основных носителей (порядка 10¹² см^-3). Образование этих слоев приводит к большому вкладу поверхностных токов утечки в темновые токи фоточувствительных площадок и охранного кольца и снижению сопротивления между ними. Указанные слои возникают во время высокотемпературных процессов из-за образования положительного встроенного заряда на границе окисел-кремний и диффузии загрязняющих примесей, приводящих к изменению типа проводимости с р-типа на n-тип в приповерхностной области кремния.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение уровня темнового тока фоточувствительных площадок и охранного кольца, снижение значений коэффициентов взаимосвязи между фоточувствительными площадками многоэлементных ФД и увеличение процента выхода годных приборов.

Поставленная цель обеспечивается устранением инверсионных и конверсионных слоев в приповерхностных областях ФД, что достигается тем, что после проведения всех высокотемпературных операций (окисление, диффузия фосфора, геттерирование, диффузия бора) проводят стравливание диэлектрической пленки двуокиси кремния с поверхности пластины и травление приповерхностного слоя кремния на глубину меньше одного микрона с последующим осаждением пленки двуокиси кремния одним из низкотемпературных методов (например, разложение тетраэтоксисилана, окисление моносилана) при температуре, не превышающей 800°С. Затем известными методами проводят формирование двухслойных омических контактов к фоточувствительной области, области охранного кольца и контактному слою р⁺-типа проводимости.

Предлагаемый способ изготовления позволяет снизить токи охранного кольца и получать значения сопротивлений поверхностных каналов между фоточувствительными площадками, фоточувствительными площадками и охранным кольцом на уровне десятков мгОм, что обеспечивает низкие значения поверхностных токов утечки фоточувствительных площадок, охранного кольца и коэффициентов взаимосвязи между фоточувствительными площадками.

Низкие значения поверхностных токов утечки и коэффициентов взаимосвязи достигаются за счет того, что большие значения сопротивления поверхностного канала между охранным кольцом и фоточувствительными площадками приводят к протеканию периферийных токов утечки по цепи охранного кольца, препятствуя их ответвлению в цепи фоточувствительных площадок.

Одновременно увеличение сопротивления поверхностного канала между фоточувствительными площадками уменьшает перетекание фототоков между ними, что снижает коэффициент фотоэлектрической взаимосвязи между площадками.

Таким образом, технический результат - снижение уровня темнового тока фоточувствительных площадок и охранного кольца, снижение значений коэффициентов взаимосвязи между фоточувствительными площадками многоэлементных ФД и увеличение процента выхода годных приборов, достигается тем, что после проведения высокотемпературных термодиффузионных процессов для создания структуры ФД:

- термического окисления;

- диффузии фосфора для создания областей n⁺-типа проводимости (фоточувствительных площадок и охранного кольца);

- диффузии фосфора в тыльную поверхность пластины для геттерирования загрязняющих примесей;

- диффузии бора в тыльную поверхность пластины после стравливания геттерирующего n⁺-слоя для создания слоя р⁺-типа проводимости,

перед операцией создания омических контактов проводят стравливание диэлектрической пленки с поверхности кремния и травление кремния на глубину менее одного микрона с последующим осаждением пленки двуокиси кремния одним из низкотемпературных методов (например, разложение тетраэтоксисилана, окисление моносилана) при температуре, не превышающей 800°C. Затем производят формирование омических контактов известными методами.

Изобретение относится к технологии изготовления кремниевых p-i-n фотодиодов (ФД), чувствительных к излучению с длинами волн 0,9-1,06 мкм. Они предназначены для использования в различной электронно-оптической аппаратуре, в которой требуется регистрация коротких импульсов лазерного излучения (10-40 нс). Технический результат изобретения - снижение уровня темнового тока фоточувствительных площадок и охранного кольца, снижение значений коэффициентов взаимосвязи между фоточувствительными площадками многоэлементных ФД и увеличение процента выхода годных приборов, достигается тем, что после проведения высокотемпературных термодиффузионных процессов для создания структуры ФД: - термического окисления; - диффузии фосфора для создания областей n⁺-типа проводимости (фоточувствительных площадок и охранного кольца); - диффузии фосфора в тыльную поверхность пластины для генерирования загрязняющих примесей; - диффузии бора в тыльную поверхность пластины после стравливания геттерирующего n⁺-слоя для создания слоя p⁺-типа проводимости, перед операцией создания омических контактов проводят стравливание диэлектрической пленки с поверхности кремния и травление кремния на глубину менее одного микрона с последующим осаждением пленки двуокиси кремния одним из низкотемпературных методов при температуре, не превышающей 800°С. Затем производят формирование омических контактов известными методами.

Способ изготовления кремниевого фотодиода, включающий термодиффузионные операции термического окисления, диффузии фосфора для формирования областей n⁺-типа проводимости, диффузии фосфора для геттерирования загрязняющих примесей, диффузии бора для формирования областей p⁺-типа проводимости и операцию создания двухслойных омических контактов к фоточувствительной области, области охранного кольца и контактному слою p⁺-типа проводимости путем нанесения пленки золота с подслоем титана или хрома, отличающийся тем, что для снижения темновых токов фоточувствительных площадок и охранного кольца, снижения значений коэффициентов взаимосвязи между фоточувствительными площадками многоэлементных фотодиодов (ФД) и увеличения процента выхода годных приборов после выполнения термодиффузионных операций перед операцией создания омических контактов проводят стравливание диэлектрической пленки с поверхности кремния и травление кремния на глубину менее одного микрона с последующим осаждением пленки двуокиси кремния одним из низкотемпературных методов при температуре, не превышающей 800°C.