Фотоприемное устройство (варианты) и способ его изготовления Российский патент 2017 года по МПК H01L31/18 H01L31/04 

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники, в частности к способам изготовления структур фотоэлектрических приемных устройств (ФПУ), предназначенных для преобразования светового излучения определенного спектрального диапазона в электрический сигнал.

Наиболее распространенными твердотельными фотоэлектронными изделиями, предназначенными для преобразования оптических сигналов в электрические, являются полупроводниковые фотодиоды (ФД). По механизму действия и параметрам они приближаются к идеальным преобразователям фотонов в электроны и обладают значительными преимуществами перед другими типами фотоприемных устройств (ФПУ).

Детекторы излучений (ДИ) обозначаются как преобразователи энергии падающих фотонов в энергию электрических носителей или, более просто, в электрические сигналы (ток или напряжение). Существует большое разнообразие ДИ, различающихся физической основой, аппаратной реализацией и функциональными характеристиками. Каждая электрооптическая система нуждается в детекторах, которые оптимально подходят для специальных приложений.

Обычно, используемые ДИ можно классифицировать следующим образом [1]:

(а) детекторы генерируемых сигналов физических процессов:

- электро-оптические детекторы, в том числе:

- отдельные (единичные) электро-оптические ячейки;

- фотоэлектрические умножители (ФЭУ);

- полупроводниковые детекторы (фоторезисторы);

- фотовольтаические детекторы (фотодиоды);

- тепловые детекторы (болометры);

(б) по числу детекторов в общем корпусе, в том числе:

- единичные детекторы;

- детекторные матрицы:

- линейки детекторов (одномерные матрицы);

- площадные детекторы (двумерные матрицы).

Существующие оптические сенсоры различных разновидностей и конфигураций не представлены в приведенной выше классификации - здесь только приведены некоторые из большинства известных детекторов излучений.

Недостатком многих из них является недостаточный уровень радиационной стойкости к эффектам разупорядочения (DD=Displacement Damage)) от нейтронов и протонов, эффектам полной поглощенной дозы (TID = Total Ionizing Dose) гамма-рентгеновского излучения (γ-X-Ray), переходным процессам от этих видов ионизирующего излучения (TREE = Transient Radiation Electrical Effects).

Наименьшей стойкостью к воздействию ионизирующих излучений (ИИ) обладают фототранзисторы и лазерные диоды (ЛД), что ограничивает их применение в составе ФПУ и схем оптической рязвязки, например оптронов.

На Фиг. 1 приведено схематическое представление фотопроводящего детектора. Для формирования выходного сигнала в схему фотовольтаического ФПУ включают резистор нагрузки (Фиг. 2). На Фиг. 3 (а) показан падающий прямоугольный во времени δ-импульс фотонной радиации с энергией Е_λ, на Фиг. 3 (б) - результирующий импульс тока от воздействия импульсного падающего фотонного излучения.

В настоящее время в ряде случаев используют так называемую 3D вертикальную технологию для современных полупроводниковых сенсоров радиации и считывающей электроники (ПСиСЭ) [2]. Применение 3D вертикальной интеграции для ПСиСЭ приносит определенные преимущества для пиксельных полупроводниковых (ПП) датчиков радиации в «фронтальных» (cutting-edge) научных экспериментах при высокой излучающей способности ускорителей частиц и современных источниках рентгеновского излучения. Эти эксперименты предъявляют очень строгие требования к функционированию сенсоров и выводной электронике, в отношении шага пикселя (элемента отображения), устойчивости к воздействию радиации, отношению сигнал/шум и пропускной способности передачи данных высокой интенсивности. 3D вертикальная интеграция двух и более слоев сенсоров и приборов технологии «комплементарные металл-оксид-полупроводник» (КМОП) обычно заставляет разработчиков растягивать процесс формирования на уровне пикселей функционально и добиваться получения нестандартной структуры, где каждый слой предназначен для реализации специфических функций.

Современная интегральная микроэлектроника, во всяком случае, играет очень важную роль для разработки пиксельных сенсоров для коммерческих приложений отображения информации. Функционирование устройств отображения в большей степени увеличивается путем соединения двух и более слоев с сенсорами технологии КМОП и сопутствующей электроники вывода сигнала, которые покрывают с инверсной стороны оловом для увеличения отражения и выполняют мозаичным способом для получения большей зоны обзора при устранении мертвой зоны [3]. В последние годы в результате исследований было установлено, что 3D интеграция дает возможность получить преимущества в функционировании в связке полупроводниковых детекторов радиации в будущих экспериментах с ускорителями частиц высоких энергий [4]. В этих приложениях фундаментальной проблемой является оснащение трека вывода тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) пиксельными сенсорами с высоким разрешением. К этим сенсорам совместно с электроникой вывода сигнала предъявляются требования по уменьшению длины шага пикселей (≤20 мкм для этих приложений), высокой степени радиационной стойкости (PC), большому значению отношения сигнал/шум, минимальной массы для снижения рассеяния частиц, низкой величины рассеиваемой электрической мощности и возможности передачи высокоинтенсивной информации. В пересечении с требованиями для таких приложений сформулированы дополнительные требования к элементарной электронной ячейке, накрывающей каждый пиксель сверху, по величине отношения сигнал/шум и интенсивности передачи информации. Эти функции включают усиление, фильтрацию, калибровку, регулировку порога дискриминации, аналого-цифровое преобразование, компенсацию ухода нулевого уровня (называемые также «поддерживающими» мерами = sparspecification). 3D интеграция может решить проблемы интеграции всех этих функций в одном маленьком пикселе, избегая агрессивного масштабирования технологии КМОП ниже технологического размера 100 нм [5], которая является весьма дорогостоящей и непригодной для разработчиков аналоговых схем.

В дальнейшем были реализованы два общих научно-исследовательских направления и технические решения для применения 3D вертикальной интеграции в физике высоких энергий. Первое рассматривали как классическую концепцию MAPS (Monolitic Active Pixel Sensors) технологии КМОП генерации зарядового сигнала и его сбора в обедненной области кремния. В этом случае вертикальный двух (или более) слоев сенсор технологии КМОП способен сепарировать аналоговую электронику «фронт-спад» от цифровой электроники вывода информации, давая ощутимые преимущества в размерах частей пикселей, функциональности и работоспособности. Была разработана дифференциальная архитектура выводной электроники для управления большим потоком данных без ограничений, которые появляются, если цифровую часть электроники встраивали в ту же подложку, что и сенсор (как и в стандартной MAPS).

Второе направление исследований зондировало возможность использования 3D интеграции для объединения слоев, изготовленных по различным технологиям, т.е. соединяли конструкции сенсора с полностью обедненной высокоомной кремниевой подложкой электроники вывода, изготовленной по глубоко субмикронной технологии КМОП. Это дает существенные преимущества в отношении радиационной стойкости и отношения сигнал/шум. Исключая фиксацию треков (trecking) в экспериментах по физике высоких энергий, эту технологию также применяли для фиксации распределения X-Ray таких современных источников, как XFEL (X-Ray Federal Electronic Laboratory, США).

3D вертикальную интегральную технологию считают чрезвычайно перспективной при проектировании MAPS. В стандартной MAPS, которая плохо интегрируется с продвижением функционирования в пиксельные ячейки, т.к. исключает применение структур полевых транзисторов р-типа проводимости (P-MOSFETs = P-Type-Metall-Oxid-Semiconductor Field Effect Transistors), вместо которых используют локально включенные карманы N-типа, которые укомплектованы для сбора заряда и сигнальные электроды (также N-типа) и снижают коэффициент использования. Многослойные сенсорные структуры (соединяют с тонкой пленкой вертикальной сквозной перемычкой) способны устранить эти типичные ограничения MAPS. В приборах 3D MAPS, например, пленка может быть выполнена в виде главного чувствительного электрода и аналоговой схемы, в то время как цифровую электронику размещают на верхней пленке. В этом случае используют исключительно электронику технологии КМОП в пиксельной ячейке, где большая часть (а не все) структуры P-MOSFETs и конкурирующие с ними N-карманы перемещают из сенсорной пленки, достигая, в принципе, 100% коэффициента использования. Мультипленочная структура позволяет снизить шаг пикселей и уменьшить емкость сенсора, позволяя получить лучший компромисс между уровнем шумов и мощностью рассеяния.

В проекте VIPIX (Very Integrated Pixels) планировали использование 3D интеграции в MAPS с глубокими карманами n-типа проводимости {Deep N-Well = DNW)) [6]. В ячейке пикселя этого прибора электрод, собирающий заряд, выполняли в виде структуры DNW, которая доступна многим процессам КМОП. Электроды располагали сверху относительно протяженной части площади ячейки. На этом пути большую часть аналоговых и цифровых блоков используют в пикселе, предусматривающем, что площадь стандартной структуры N-кармана, содержащего структуру P-MOSFETs, мало совпадает с электродом DNW, с которым она скомплектована для сбора заряда. 3D-рализация обещает получить ряд дополнительных преимуществ для этого типа семейства приборов: 1) большинство (но не все) структур P-MOSFETs, с которыми конкурируют N-карманы, перемещают из пленки, где размещены чувствительные сенсоры, улучшая эффективность сбора заряда; 2) появляется возможность увеличить сложность и функциональность электроники вывода при эксплуатации мультипленочных структур приборов [7]. Для проекта VIPIX на первом этапе в направлении разработки 3D разрабатывали двухуровневую DNS MAPS со связью «друг-напротив-друга» двух гетероэпитаксиальных структур (ГЭС) технологии КМОП с проектными нормами 130 мкм, выполненными с использованием вертикального интегрального процесса фирмы Tezzaron Semiconductor [8]. Это так называемое сквозное отверстие в середине (via middle) приближается к 3D-интеграции, где сквозные отверстия через кремний (Trough-Silicon Vias = TSVs) для вертикального соединения тщательно протравливают в ГЭС технологии КМОП после этапов изготовления транзисторов. Высокая плотность TSVs (с шагом в несколько микрон) может быть реализована с использованием этой разновидности технологического процесса.

Основным недостатком сенсоров 3D-технологии является технологическая сложность ее воспроизведения.

Помимо сенсоров ИИ широкое распространение получили ФПУ для детектирования лазерного излучения (ЛИ) и микроволнового излучения [9]. В качестве основных сенсоров используют лавинные диоды (Impact Ionization Avalanche Transit Time = IMPATT), лавинно-пролетные диоды (Trapped Plasma Avalanche Transit Time = TRAPATT), структуры технологии MOSFET и транзисторные осцилляторы. Процедура контроля этих излучений сводится к следующему: фоточувствительный материал освещают источником фотонов; падающее излучение поглощают в заданном спектральном диапазоне чувствительными слоями; генерируют свободные носители заряда.

Известно ФПУ на GaAs структуры р⁺-n-i(AROC) -n⁺ [10], в котором i-слой на основе просветляющего оптического покрытия (Antireflecting Optical Coating = AROC) формируют для уменьшения собственной емкости ФПУ, увеличения напряженности электрического поля и коэффициента лавинного размножения носителей заряда, что, в целом, способствует повышению быстродействия и росту амплитуды напряжения выходного импульса. На Фиг. 4 приведены (с) - зонно-энергетическая диаграмма, (d) - напряжение переменного тока, (е) - инжекционный и примесный токи [9]. Обладая повышенным уровнем стойкости к эффектам разупорядочения (DD) кристаллической решетки ПП материала от нейтронного и протонного излучений из-за наличия высокоомного i-слоя собственного типа проводимости, эти приборы обладают повышенной чувствительностью к эффектам TREE, которые проявляются в виде аддитивных паразитных РИТ утечки.

Наиболее близким техническим решением, которое принято за прототип, является ФПУ оптрона 66212 на длину волны 850 нм фирмы "Micropac Industries, Inc.", которое выполняют в виде фототранзисторного детектора, который вместе с оптически связанным с ним светоизлучающим диодом (СИД) (LED = Light Emitting Diode), выполненным по технологии GaAlAs с длиной волны 850 нм в виде структуры p-i-n, а структуру GaAsAl монтируют в герметичном 4-контактном безвыводном кристаллодержателе (LCC = Leadless Chip Carrier) [11]. Для исследования структурных повреждений (DD = Displacement Damage) при деградации от эффектов полной поглощенной дозы (TID) на ускорителе протонного пучка LBNL BASE (Lowrence Berkeley National Laboratory/Berkeley Accelerator Space Effects) в июне 2010 г. провели испытания. Контролировали коэффициент передачи тока (CTR=Current Transfer Ratio) усилителя как функцию флюенса протонов при измерении выходного тока I_CE в зависимости от величины прямого тока I_F. Приборы облучали при электрическом смещении. При облучении флюенсом до 2⋅10¹² протон/см² с энергией 50 МэВ наблюдали деградацию CTR для всех тестированных приборов. Были рассчитаны доверительные 90/99% границы, основанные на простом стандартном отклонении и одномерных доверительных границах. Снижение CTR из данных спецификаций наблюдали между флюенсами 4⋅10¹¹ протон/см² и 8⋅10¹¹ протон/см² при напряжении V_CE=1 В, как это показано на Фиг. 5. Значение CTR нормировано на максимальное среднее пиковое значение CTR до облучения, которое при V_CE=1 В составило 8,9.

Недостатком [11] является отсутствие данных по стойкости ФПУ и оптрона в целом к эффектам TREE.

Техническим результатом является разработка способа изготовления радиационно стойкого приемника оптического излучения (фотоприемного устройства = ФПУ или детектора) на кремниевых диодных структурах технологии «кремний-на-сапфире» (КНС) и его реализация.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления фотоприемного устройства (ФПУ) путем формирования на подложке планарных слоев ФПУ и топологического рисунка фоточувствительных элементов, областей анода и катода, создания металлизации и пассивирующего покрытия и контактных площадок, резки и сборки кристалла ФПУ в корпусе в качестве материала подложки используют гетероэпитаксиальные структуры (ГЭС) технологии «кремний-на-сапфире» (КНС) с толщиной эпитаксиального слоя кремния 5 мкм, проводимостью n-типа с удельным сопротивлением от 4,5 Ом⋅см до 10 Ом⋅см и концентрацией основной примеси не менее 10¹⁵см^-3.

Кроме того, на инверсную сторону ГЭС наносят слой поликристаллического кремния.

Кроме того, формирование границ отдельных фоточувствительных элементов (ФЧЭ) производят путем травления канавок по периметру ФЧЭ на всю глубину эпитаксиального слоя кремния.

Кроме того,, травление канавок проводят путем глубинного плазмохимического травления кремния по маске фоторезиста.

Кроме того, формирование топологического рисунка рабочих слоев области анода и катода осуществляют методом контактной фотолитографии с соблюдением необходимости совмещения фотолитографий (ФЛ) р-анодд и n-катода.

Кроме того, при формировании областей р-анода и n-катода вначале эпитаксиальную пленку кремния окисляют на глубину 0,3 мкм, затем осаждают пленки диоксида кремния (SiO₂) и нитрида кремния (Si₃N₄) плазменно-химическим осаждением.

Кроме того, при формировании областей р-анода и n-катода выполняют ФЛ по вскрытию окисленной эпитаксиальной пленки кремния (SiO₂+CVDSiO₂+Si₃N₄).

Кроме того, при формировании областей p-анода выполняют имплантацию ионов бора, энергия ионов Е=40 кэВ, доза D=500 мкКлсм^-2, через буферный оксид по маске фоторезиста.

Кроме того, при формировании областей n-катода, выполняют имплантацию ионов фосфора, энергия ионов Е=40 кэВ, доза D=800 мкКлсм^-2, через буферный оксид по маске фоторезиста.

Кроме того, полученную структуру отжигают при температуре от 850 до 950°С.

Кроме того, выбирают оптимальное соотношение параметров технологических процессов ионной имплантации - доза ионов и энергия ионов и высокотемпературного отжига в диапазоне температур от 850 до 950°С.

Кроме того, реализуют процесс отжига с форсажем - плавным повышением температуры, двойной отжиг: 10 мин в атмосфере азота при 850°С и 10 мин в атмосфере азота при 950°С.

Кроме того, при создании металлизации вначале напыляют методом магнетронного распыления сплав алюминия с 1% кремния толщиной 1,0 мкм.

Кроме того, при формировании рисунка металлизации выполняют операцию фотокопирования (ФК), а затем производят плазмохимическое травление (ПХТ) алюминия и жидкостное травление кремниевой крошки.

Кроме того, при создании металлизации выполняют операцию «вжигание металла» при температуре Т=450°С в течение 15 минут в атмосфере сухого азота.

Кроме того, при создании пассивирующего покрытия областей ФЧЭ осуществляют осаждение слоя ФСС толщиной 1,0 мкм с содержанием фосфора от 3% до 5%.

Кроме того, при создании металлизации, включающей формирование контактных площадок, выполняют вскрытие контактных площадок путем проведения ФК «пассивация» и последующего химического травления ФСС.

Кроме того, в состав структуры ФПУ вводят тестовую линейку, содержащую набор тестовых элементов:

резистор с рабочей областью, выполненной на области анода;

резистор с рабочей областью, выполненной на области катода;

одиночный диод малой площади;

одиночный диод малой площади, ограниченный «канавкой»;

три и десять параллельно соединенных диодов, ограниченных «канавкой»;

три и десять параллельно соединенных диодов, не ограниченных «канавкой».

Кроме того, тестовые резисторы выполнены в слоях анода и катода на активной области.

Кроме того, тестовые диоды двух видов выполняют для анода с размерами элементарного диода 50×50 мкм.

Кроме того, для контроля качества формирования планарных слоев ФПУ, в поле кристалла (чипа) ФПУ вводят контролируемые элементы и идентификаторы слоев.

Кроме того, для условного обозначения тестовых резисторов в слое металлизации для резистора в слое катода выполняют условное обозначение «R_K», а для резистора в слое анода выполняют условное обозначение «R_A».

Кроме того, для контроля электрофизических параметров ФПУ используют измерения зондовой станцией на тестовых структурах и на рабочих кристаллах.

Кроме того, для разделения пластин на кристаллы (чипы) ФПУ используют метод дисковой резки с использованием дисковой пилы с алмазным покрытием с толщиной кромки пилы 0,036 мм при одновременной подаче деионизованной воды.

Кроме того, глубину резки осуществляют на глубину от 2/3 до 3/4 толщины пластины.

Кроме того, ФПУ размещают в металлостеклянных корпусах.

Технический результат достигается тем, что в фотоприемном устройстве, образованном электрическим последовательным, параллельным или последовательно-параллельным соединением элементарных диодов, топологические слои сформированы на ГЭС технологии КНС с толщиной эпитаксиального слоя кремния 5 мкм, проводимостью n-типа с удельным сопротивлением от 4,5 Ом⋅см до 10 Ом⋅см, с концентрацией основной примеси не менее 10¹⁵см^-3 и нанесенным на инверсную сторону ГЭС слоем поликристаллического кремния, а структуры элементарных диодов сформированы в порядке чередования снизу-вверх топологических слоев: «активная область», «n-карман», «анод», «катод», «металл», «пассивация».

Кроме того, элементарные диоды изолированы между собой сквозными до слоя сапфира «канавками» шириной 20 мкм.

Кроме того, контактные площадки элементарных диодов выведены за пределы «канавок».

Кроме того, каждый из элементарных диодов соединен с другими из диодной матрицы контактными площадками в количестве 8 штук, расположенными равномерно по периферии каждого из элементарных диодов.

Кроме того, контактные площадки сформированы сверху вниз из слоев «пассивация-металл».

Кроме того, ширина вскрытой области пассивации составляет 130 мкм.

Кроме того, в состав ФПУ введена тестовая линейка с набором тестовых элементов:

резистором с рабочей областью, выполненной на области анода;

резистором с рабочей областью, выполненной на области катода;

одиночным диодом малой площади;

одиночным диодом малой площади, ограниченным «канавкой»;

тремя и десятью параллельно соединенными диодами, ограниченными «канавкой»;

тремя и десятью параллельно соединенными диодами, не ограниченными «канавкой».

Кроме того, введенные в поле кристалла (чипа) ФПУ тестовые элементы в основных проектных слоях сформированы с размерами:

в слое «активная область» 6,0 мкм;

в слое «n-карман» 2,6 мкм;

в слое «анод» 6,0 мкм;

в слое «катод» 6,0 мкм;

в слое «металлизация» 4,0 мкм;

в слое «пассивация» не контролируется.

Кроме того, в фотоприемном устройстве, образованном электрическим параллельным соединением элементарных диодов, двадцать элементарных диодов соединены в группу параллельно с общим размером одного фоточувствительного элемента (ФЧЭ) (1,40±0,01)×(1,40±0,01) мм², при этом размер элементарного диода составляет 68,0×1440,7 мкм².

Кроме того, в фотоприемном устройстве, образованном электрическим последовательно-параллельным соединением элементарных диодов, ФПУ выполнено в виде левого и правого ФЧЭ, каждый из которых содержит по двадцать элементарных диодов, соединенных в группу параллельно.

Изобретение поясняется следующими иллюстрациями:

Фиг. 1. Схематическое представление фотопроводящего детектора:

Е - поток энергии фотонов;

R_L - сопротивление нагрузки;

V_L - выходной сигнал детектора;

a, b, h - длина, ширина и высота чипа.

Фиг. 2. Схема включения резистора нагрузки.

Фиг. 3. Результирующий сигнал от воздействия импульсного падающего излучения: а) спадающий прямоугольный во времени δ-импульс фотонной радиации с энергией Е_λ; b) импульс выходного тока детектора (τ_Rise - время нарастания переднего фронта импульса; τ_Fall - время спада заднего фронта импульса).

Фиг. 4. (а) - структура реального диода p⁺-n-i-n*, (b) - электрическое поле в лавинной области, (с) - зонно-энергетическая диаграмма, (d) - напряжение переменного тока, (е) - инжекционный и примесный токи [9].

Фиг. 5. CTRs Mii 66212 как функция входного тока и флюенса протонов в качестве параметра. CTRs демонстрирует среднее значение для всех тестируемых приборов. Для всех данных V_CE=1 B [11]: X - Input Forward Current (A) - входной ток (A); Y - Normalized CTR - нормированное значение коэффициента усиления тока.

Фиг. 6. Этап вскрытия областей для формирования p-анода и n-катода.

Фиг. 7. Этап формирования областей p-анода.

Фиг. 8. Этап формирования областей p-анода и n-катода.

Фиг. 9. Этап формирования металлизации.

Фиг. 10. Этап формирования пассивации.

Фиг. 11. Схема разварки кристалла фотодиодов 2Д301С-01 (слева) и 2Д301С-02 (справа) в корпус типа КТ-2: 1. Анод левый; 2. Катод левый; 3. Катод правый; 4. Анод правый.

Фиг. 12. Пример выполнения «канавок».

Фиг. 13. Внешний вид топологии ФПУ.

Фиг. 14. Топология тестовых элементов.

Фиг. 15. Вид элементарного фоточувствительного элемента ФЧЭ: (а) - схематичное изображение элементарного ФЧЭ; (б) - топология элементарного ФЧЭ.

Фиг. 16. Конфигурация контролируемых элементов.

Фиг. 17. Пример вывода контактной площадки за пределы изолирующих «канавок»: (а) - вывод металлизации за пределы области, ограниченной «канавками»; (б) - исполнение контактных площадок за пределами области, ограниченной «канавками».

Фиг. 18. Идентификаторы слоев.

Фиг. 19. Импульсные характеристики по току одноэлементных ФПУ при частоте следования оптических импульсов 100 кГц.

Фиг. 20. Импульсные характеристики по току одноэлементных ФПУ при частоте следования оптических импульсов 1 МГц.

Фиг. 21. Импульсные характеристики по току двухэлементных ФПУ при частоте следования оптических импульсов 100 кГц.

Фиг. 22. Импульсные характеристики по току двухэлементных ФПУ при частоте следования оптических импульсов 1 МГц.

Фиг. 23. Сравнительные результаты измерения пороговой мощности на одиночных фотодиодах 2Д301С-01 двух технологий.

Фиг. 24. Схема расположения контролируемых точек на пластине.

Фиг. 25. Результаты исследований на стенде лазерных исследований параметров ФПУ на кремниевых структурах:

- внизу показан импульс лазерного излучения;

- вверху показан отклик темнового тока.

Фиг. 26. Результаты исследований на стенде лазерных исследований параметров ФПУ в структурах КНС:

- внизу показан импульс лазерного излучения;

- вверху показан отклик темнового тока

Фиг. 27. Осциллограмма сигналов на выходе ФПУ при воздействии импульса излучения установки ЛИУ-10М (имп. №4361, С1 - ФПУ КНС №17, прав., С2 - ФПУ КНС №17, лев., С3-ФПУ Si №13, прав., С4 - ФПУ Si №13, лев.).

Фиг. 28. Осциллограмма сигналов на выходе ФПУ при воздействии импульса излучения установки ЛИУ-10М (имп. №4364, М2 - ФПУ Si №10, М3 - ФПУ КНС №4, М4 - ФПУ Si №11).

Фиг. 29. Осциллограмма сигналов на выходе ФПУ при воздействии импульса излучения установки Аргумент-1000 (имп. №1, М2 - ФПУ Si №10, М3 - ФПУ КНС №4, М4 - ФПУ Si №11).

Фиг. 30. Осциллограмма сигналов на выходе ФПУ при воздействии импульса излучения установки ГИР-2 (имп. №1, С1 - ФПУ КНС №3, С2 - ФПУ Si №10, С3 - ФПУ КНС №4, С4 - ФПУ Si №11).

Фиг. 31. Осциллограмма сигналов на выходе ФПУ при воздействии импульса излучения установки ГИР-2 (имп. №2, С1 - ФПУ КНС №1, С2 - ФПУ Si №8, С3 - ФПУ КНС №2, С4 - ФПУ Si №9).

Фиг. 32. Изменение выходного напряжения ФПУ-КНС-1 №1, 2 и ФПУ-Si-1 №8, 9 в процессе воздействия фактора с характеристикой 7.И₇.

Фиг. 33. Изменение выходного напряжения ФПУ-КНС-2 №5 и ФПУ-Si-2 №12 в процессе воздействия спецфактора с характеристикой 7.И₇.

Пример конкретной реализации

Фотоприемное устройство, в котором формируют на подложечном материале топологический рисунок ФЧЭ, формируют области анода и катода, создают металлизацию, пассивирующее покрытие и контактные площадки. Сформированные чипы ФПУ на исходной ГЭС подвергают резке и последующей сборке скрайбированного чипа ФПУ в корпус. Для обеспечения стойкости ФПУ к дозовым эффектам и переходным процессам ионизирующего излучения (TREE) в качестве материала подложки используют ГЭС технологии КНС с толщиной эпитаксиального слоя кремния 5 мкм, проводимостью кремния типа с удельным сопротивлением от 4,5 до 10 Ом⋅см и концентрацией основной примеси не менее 10¹⁵см^-3.

Для компенсации механических напряжений на границах раздела слоев ГЭС технологии КНС на инверсную сторону ГЭС наносят слой поликристаллического кремния.

Для формирования границ отдельных ФЧЭ на всю глубину эпитаксиальной пленки кремния (Фиг. 12) формируют «канавки».

Для реализации процесса глубинного плазмохимического травления кремниевых канавок процесс глубинного травления проводят по маске фоторезиста (ФР).

Перечень основных проектных слоев приведен в табл. 1.

Формирование топологического рисунка рабочих слоев осуществлялось методом контактной фотолитографии с соблюдением необходимости совмещения фотолитографий (ФЛ) p-анода и n-катода (Фиг. 13).

Для формирования областей р-анода и n-катода вначале эпитаксиальную пленку кремния окисляют на глубину 0,3 мкм, затем осаждают пленки SiO₂ и Si₃N₄ методом CVD.

Для формирования областей р-анода и n-катода выполняют ФЛ по вскрытию окисленной эпитаксиальной пленки кремния (SiO₂+CVDSiO₂+Si₃N₄) (Фиг. 6).

Для формирования областей р-анода выполняют имплантацию ионов бора (энергия ионов Е=40 кэВ, доза D=500 мкКл⋅см^-2) через буферный оксид по маске фоторезиста (Фиг. 7).

Для формирования областей n-катода выполняют имплантацию ионов фосфора (энергия ионов Е=40 кэВ, доза D=800 мкКл⋅см^-2) через буферный оксид по маске фоторезиста.

Для разгонки примеси при достижении полной электрической активности примеси без значительного протекания диффузии атомов примеси полученная структура отжигалась при температуре 850-950°С (Фиг. 8).

Для получения низких значений темнового тока (не более 0,05 мкА) и достаточно высоких значений токовой чувствительности (не менее 0,4 А/Вт) выбирают оптимальным соотношение параметров технологических процессов ионной имплантации (доза ионов и энергия ионов) и высокомпературного отжига в диапазоне 850-950°С. Для учета различия в значениях коэффициентов теплового расширения материалов слоев ГЭС технологии КНС реализуют процесс отжига с форсажем (плавным повышением температуры), двойной отжиг: 10 мин в атмосфере N₂ при 850°С и 10 мин в атмосфере N₂ при 950°С. В табл. 2 приведены режимы отжига для исходных ГЭС с различными значениями удельного сопротивления кремния.

На основе анализа полученных данных можно сделать вывод о том, что наблюдаются различия в параметрах ФПУ, изготовленных по различным технологиям, таких как темновой ток и токовая чувствительность. Из данных табл. 2 следует, что ФПУ, изготовленные на кремниевых пластинах, имеют лучшие характеристики, что обусловлено особенностями технологии получения эпитаксиальных слоев монокристаллического кремния при изготовлении структур технологии КНС. К числу таких особенностей относятся повышенная по сравнению с объемным кремнием дефектность пленок, а также влияние внутренних механических напряжений, возникающих при выращивании пленок полупроводника толщиной 5 мкм.

Полученные результаты демонстрируют отсутствие прямой зависимости токовой чувствительности от глубины залегания p-n-перехода. В снижение уровня токовой чувствительности привносит вклад удельное сопротивление исходных структур.

Для формирования рисунка металлизации выполняют операцию фотокопирования (ФК), а затем производят плазмохимическое травление (ПХТ) Al и жидкостное травление кремниевой крошки (Фиг. 9).

Для снижения сопротивления контактов металла, перед осаждением ФСС выполняют операцию «вжигание металла» при температуре Т=450°С в течение 15 минут в атмосфере сухого N₂.

Для пассивации изготовляемых приборов осуществляли осаждение слоя ФСС толщиной 1,0 мкм с содержанием фосфора от 3 до 5%.

Для формирования контактных площадок, выполняют вскрытие контактных площадок путем проведения ФК «пассивация» и последующего химического травления ФСС (Фиг. 10).

Для формирования металлизации вначале напыляют методом магнетронного распыления сплав Al с 1% Si толщиной 1,0 мкм.

Для контроля технологических операций формирования структуры ФПУ в его состав введена тестовая линейка, содержащая набор тестовых элементов (Фиг. 14): резистор с рабочей областью, выполненной на области анода; резистор с рабочей областью, выполненной на области катода; одиночный диод малой площади; одиночный диод малой площади, ограниченный «канавкой»; три и десять параллельно соединенных диодов, ограниченных «канавкой»; три и десять параллельно соединенных диодов, не ограниченных «канавкой».

Для определения сопротивления слоев ФПУ тестовые резисторы выполнены в слоях PPlus (анод) и NPlus (катод) на активной области.

Для контроля качества проведения процессов травления межслойного диэлектрика, металла и оценки работоспособности ФПУ тестовые диоды двух видов выполняют для анода с размерами элементарного диода 50×50 мкм (Фиг. 15).

Для контроля качества формирования планарных слоев ФПУ в поле кристалла (чипа) ФПУ вводят контролируемые элементы и идентификаторы слоев. Конфигурация контролируемых элементов приведена на Фиг. 16. Размеры контролируемых элементов приведены в табл. 3.

Для условного обозначения тестовых резисторов в слое Metall 1 для резистора в слое NPlus (катод) выполняют условное обозначение «R_K», а для резистора в слое PPlus (анод) выполняют условное обозначение «R_A».

Для контроля ЭФП ФПУ используют измерения зондовой станцией на тестовых структурах и на рабочих кристаллах.

Для разделения пластин на кристаллы (чипы) ФПУ используют метод дисковой резки с использованием дисковой пилы с алмазным покрытием с толщиной кромки пилы 0,036 мм при одновременной подаче деионизованной воды.

Для оптимизации глубины резки ее осуществляют на глубину от 2/3 до 3/4 толщины пластины.

Для приклейки чипов в корпусах ФПУ применяют токопроводящий клей, например ТОК-2.

Для обеспечения прохождения светового потока к фронтальной поверхности ФПУ их размещают в металлостеклянных корпусах, аналогичных корпусам фотодиодов ФД-20-31 ФГЦЭ3.368.103ТУ или ФД-20-33Л АГЦ3.368.120ТУ.

ФПУ, образованное электрическим последовательным, параллельным или последовательно-параллельным соединением элементарных диодов (Фиг. 15), в котором для формирования структуры элементарного диода сформированы топологические слои в порядке чередования снизу вверх: «активная область» (Active (9)), «n-карман) (Nwell (19)), Р⁺-стоки («анод») (PPlus (51)), N⁺-стоки («катод») (NPlus (54)), «металлизация» (Metall (70)), «пассивация» (Ovgl (92)).

Для обеспечения стойкости к переходным процессам от воздействия импульсного ионизирующего излучения (TREE) топологичесие слои сформированы на ГЭС технологии КНС с толщиной эпитаксиального слоя 5 мкм, проводимостью n-типа с удельным сопротивлением от 4,5 до 10 Ом⋅см, с концентрацией основной примеси не менее 10¹⁵см^-3 и нанесенным на инверсную сторону ГЭС слоем поликристаллического кремния.

Для обеспечения электрической развязки элементарные диоды изолированы между собой сквозными до слоя сапфира «канавками» шириной 20 мкм (Фиг. 12).

Для обеспечения условий контактирования контактные площадки выведены за пределы «канавок» (Фиг. 17).

Для обеспечения соединения каждого из элементарных диодов по периферии с другими из диодной матрицы контактные площадки в количестве восьми штук расположены равномерно по периферии каждого из элементарных диодов.

Для обеспечения защиты контактных площадок от неблагоприятных условий эксплуатации контактные площадки сформированы сверху вниз из слоев «пассивация - металлизация».

Для обеспечения электрического соединения контактных площадок смежных элементарных диодов ширина вскрытой области пассивации составляет 130 мкм.

Для контроля технологических операций формирования структуры ФПУ в его состав введена тестовая линейка с набором тестовых элементов (Фиг. 14): резистор с рабочей областью, выполненной на области анода; резистор с рабочей областью, выполненной на области катода; одиночный диод малой площади; одиночный диод малой площади, ограниченный «канавкой»; три и десять параллельно соединенных диодов, ограниченных «канавкой»; три и десять параллельно соединенных диодов, не ограниченных «канавкой».

Для контроля качества формирования планарных слоев ФПУ введенные в поле кристалла (чипа) ФПУ введенные контролируемые элементы (Фиг. 16) в основных проектных слоях сформированы с размерами: в «активном слое» 6,0 мкм; в слое «n-карман» 2,6 мкм; в слое «анод» 6,0 мкм; в слое «катод» 6,0 мкм; в слое «металлизация» 4,0 мкм; в слое «пассивация» не контролируется.

ФПУ, образованное электрическим параллельным соединением элементарных диодов, в котором для увеличения токовой чувствительности всего устройства в целом двадцать элементарных диодов соединены в группу параллельно с общим размером одного ФЧЭ (1,40±0,01)×(1,40±0,01) мм², при этом размер элементарного диода составляет 68,0×1440,7 мкм².

Для разварки чипа ФПУ в корпус, например типа КТ-2, катод ФПУ соединен с выводом «3» корпуса, а анод ФПУ соединен с выводом «4» корпуса (Фиг. 11).

ФПУ, образованное электрическим последовательно-параллельным соединением элементарных диодов, в котором для увеличения токовой чувствительности всего устройства в целом ФПУ выполнено в виде левого и правого ФЧЭ, каждый из которых содержит по двадцать элементарных диодов, соединенных в группу параллельно.

Для разварки чипа ФПУ в корпус типа КТ-2 катод левого ФПУ соединен с выводом «2» корпуса, анод левого ФПУ соединен с выводом «1» корпуса, катод правого ФПУ соединен с выводом «3» корпуса, а анод правого ФПУ соединен с выводом «4» корпуса (Фиг. 11).

Для реализации прочности приваренных выводов кристалла к траверсам выводов в корпусе применяют ультразвуковую сварку, для разварки выбирают алюминиевую проволоку АК-0,9 ПМ-30(А) и применяют дополнительную оснастку в виде фиксирующего кольца, понижающего резонансную частоту этих траверсов, надеваемого на траверсы перед разваркой.

Разброс ЭФП по пластине при измерениях на структурах КНС составлял 10-12%. Это обусловлено несовершенством исходной пленки и рассовмещением слоев при формировании фотолитографий, что является особенностью метода контактной ФЛГ.

Для последующего корпусирования были отобраны пластины ЭФО-01-05 (объемный кремний) и ЭФО-02-02 (КНС).

После проведения операций по сборке кристаллов в корпуса (резка пластин на кристаллы, монтаж в корпуса, разварка выводов и приваривание крышек) были проведены измерения ЭФП. Результаты измерений темнового тока, токовой чувствительности, измеренных на ФПУ, изготовленных по кремниевой технологии и по планарной КНС технологии - одноэлементный ФПУ, приведены в табл. 2, двухэлементный ФПУ - в табл. 3.

Для исследования импульсных характеристик были проведены измерения характеристик ФПУ разных вариантов исполнения в импульсном режиме по току на частотах 1 кГц, 100 кГц и 1 МГц. Осциллограммы выходных сигналов одноэлементных ФПУ по КНС технологии представлены на Фиг. 19 (100 кГц), Фиг. 20 (1 МГц) двухэлементных ФПУ по КНС технологии - на Фиг. 21 (100 кГц), Фиг. 22 (1 МГц), соответственно.

По осциллограммам на Фиг. 19-22 были определены следующие параметры:

- амплитуда сигнала U_m;

- длительность t_0,5 по уровню 0,5 U_m;

- длительность фронта t_0,1-0,9 по уровню (0,1-0,9)U_m;

- длительность спада t_0,9-0,1 по уровню (0,9-0,1)U_m.

В табл. 4 приведены результаты измерений темнового тока, токовой чувствительности одноэлементного ФПУ, изготовленных по кремниевой технологии и по планарной КНС технологии.

В табл. 5 приведены результаты измерений темнового тока, токовой чувствительности двухэлементного ФПУ, изготовленного по кремниевой технологии и по планарной КНС технологии.

В табл. 6 приведены результаты измерений электрических параметров ФПУ по кремниевой технологии на частотах следования оптических импульсов от 1 кГц до 1МГц.

В табл. 7 приведены результаты измерений электрических параметров ФПУ по планарной КНС технологии на частотах следования оптических импульсов от 1 кГц до 1МГц.

В табл. 8 приведены значения коэффициента фотоэлектрической связи между ФЧЭ двухэлементных ФПУ на образцах КНС.

Результаты измерений электрических параметров ФПУ по кремниевой объемной технологии на частотах следования оптических импульсов от 1 кГц до 1МГц представлены в табл. 6, а ФПУ по планарной КНС технологии - в табл. 7.

Измеренная собственная постоянная времени составила 40 нс. Данные по исследованию коэффициента фотоэлектрической связи между ФЧЭ ФПУ на образцах КНС приведены в табл. 8. Таким образом, при мощности светового излучения 6,94 мкВт значение фототока на объемном кремнии составляет 14,782 мкА, на КНС - структурах - 9,443 мкА.

Измерения пороговой мощности проводились на одиночных фотодиодах 2Д301С-01. Для измерений были взяты образцы, изготовленные как по технологии КНС, так и образцы на объемном кремнии. Пороговая мощность измерялась методом измерения фототока при воздействии на образец светового облучения калиброванной мощности. Так, при мощности на выходе излучателя 0,1 мВт мощность излучения, падающего на ФЧЭ, составляет 0,00694 мВт или 6,94 мкВт.

Результаты измерений представлены в табл. 9 и на Фиг. 23. Причем в табл. 9 приведены только минимальные и максимальные значения пороговой мощности.

Для исследования стойкости ФПУ к воздействию фактора 7.И7 на моделирующих установках на каждой пластине были измерены 10 точек в 5 зонах (схема расположения контролируемых точек на пластине представлена на Фиг. 24). Измерялись ЭФП кристаллов одиночных фотодиодов 2Д301С-01. Результаты измерений сведены в табл. 10 и табл. 11.

В табл. 10 и табл. 11 содержатся только данные о максимальных и минимальных значениях измеренных значений темнового и фототоков.

Стойкость корпусированных изделий определяется на испытательном комплексе РИК 0401. По методике, аналогичной., используемой, при испытаниях кристаллов на пластине проводился комплекс измерений значений темнового тока через каждые значения уровня 0,2×6У_С по фактору 7.И₇.

^*) При измерении темнового тока исследовалась динамика его изменения в процессе набора дозы облучения (значение в верхней строке соответствующей графы таблицы), а также степень восстановления параметров после кратковременного (порядка 1 мин) прекращения облучения (значение в нижней строке).

^*) При измерении темнового тока исследовалась динамика его изменения в процессе набора дозы облучения (значение в верхней строке соответствующей графы таблицы), а также степень восстановления параметров после кратковременного (порядка 1 мин) прекращения облучения (значение в нижней строке).

После достижения фактором 7.И₇ уровня 6У_С источник выключался и измерялась величина фототока. Результаты измерений представлены в табл. 12-15. В таблицах приведены максимальные и минимальные значения темнового тока и фототока.

Исследование стойкости ФПУ к воздействию фактора 7.И₆ по эффектам TREE проводилось с использованием лазерного имитатора «Радон-8Н» из состава лазерного аппаратно-программного комплекса ЛАПК-0501 по общим аттестованным методикам РД В 319.03.22-97 и ОСТ 11.073.013 (часть 10, метод 1000-1).

При воздействии лазерного импульса фиксировалось изменение параметра «Темновой ток». Примеры воздействия лазерного импульса приведены на Фиг. 25 и Фиг. 26.

Затем были проведены исследования уровня стойкости экспериментальных образцов ФПУ к воздействию факторов с характеристиками 7.И₆ (Фиг. 27, Фиг. 28, Фиг. 29), 7.,И₁ (Фиг. 30, Фиг. 31), 7.И₇ (Фиг. 32, Фиг. 33). Объектами исследований являлись ФПУ в корпусном исполнении на кремниевых пластинах и на КНС, включающие в себя один или два ФЧЭ. До и после исследований контролировали следующие параметры ФПУ: фототок; амплитуду фотосигнала длительность сигнала по уровню 0,5 от амплитудного значения; длительность фронта фотосигнала по уровню от 0,1 до 0,9 от амплитудного значения; длительность спада сигнала по уровню от 0,1 до 0,9 от амплитудного значения.

Исследования влияния факторов с характеристиками 7.И₆, 7.И₁, 7.И₇ на работу ФПУ показали следующее:

Исследования на воздействие фактора с характеристикой 7.И₆ были проведены до уровня 0,6×5Ус. После воздействия остаточных эффектов в сохранивших работоспособность образцах ФПУ на основе КНС обнаружено не было. Деградация параметров сохранивших работоспособность образцов на основе Si не превышала 5%.

Исследования на воздействие фактора с характеристикой 7.И₁ были проведены до уровня 1,1×3Ус. После воздействия деградация ФПУ технологии КНС не превышала 4%, в то время как деградация ФПУ на Si составила более 80% (то есть ФПУ на Si теряли работоспособность). В момент воздействия выходное напряжение на ФПУ как на основе объемного Si, так и на основе КНС возрастало в 2,5÷4,5 раза. Форма выходного напряжения повторяла форму импульса излучения, длительность которого на полувысоте составляла приблизительно 450 мкс.

Исследования на воздействие спецфактора с характеристикой 7.И₇ были проведены до уровня 6Ус. В процессе воздействия излучения установки испытательный контейнер с установленными в нем ФПУ был размещен в поле излучения. Воздействие продолжалось в течение 33 мин, в течение которых на объектах был достигнут уровень воздействия 6Ус фактора 7.И₇.

После воздействия деградация фотосигнала ФПУ на основе Si составила 10÷20%. Деградация ФПУ на основе КНС не превышала 7%, при этом у образцов с одной фоточувствительной площадкой наблюдалось восстановление (увеличение) фотосигнала на 15÷25% по сравнению с уровнем до воздействия.

Анализируя полученные данные по стойкости чипов ФПУ на пластинах, можно сделать вывод о том, что на токовую чувствительность воздействие фактора 7.И₇ влияния не оказывает. Изменение параметров до и после воздействия остаются в пределах погрешности позиционирования источника фактора 7.И₇ относительно кристалла. Что касается темнового тока, то ситуация здесь не столь однозначная. На пластине из партии ЭФО-01-04, выполненной по технологии объемного кремния, в процессе воздействия наблюдается увеличение темнового тока, однако после снятия воздействия наблюдается восстановление первоначальных параметров. На кристаллах, выполненных по технологии КНС (партия ЭФО-02), восстановление первоначальных параметров происходит медленнее. Для готовых образцов по полученным данным можно сделать выводы, в целом аналогичные тем, которые получили при испытаниях чипов ФПУ на пластине. Также можно с большой долей вероятности считать, что при корпусировании стойкость кристаллов к воздействию ВВФ увеличивается за счет экранирующего эффекта.

Проведены исследования стойкости экспериментальных образцов к воздействию фактора 7.И₆ по стойкости к эффектам TREE. Из полученных результатов видно, что образцы ФПУ (изготовленные на объемном Si и на структурах КНС) сохранили работоспособность после воздействия лазерным импульсом. Время восстановление работоспособности кремниевого образца порядка 150 мкс. Время восстановления образца, изготовленного на структурах КНС, ~0,5 мкс.

Из приведенных результатов видно, что фактор с характеристикой 7.И₇ оказывает влияние на параметры ФПУ, однако, не столь значительное, как фактор с характеристикой 7.И₁.

Деградация напряжения ФПУ на основе Si составила 10÷20%. Деградация ФПУ на основе КНС не превышала 7%, при этом у образцов с одной фоточувствительной площадкой наблюдалось восстановление (увеличение) напряжения на 15÷25% по сравнению с уровнем до воздействия.

Таким образом, показан достаточно высокий уровень стойкости ФПУ КНС к воздействию факторов с характеристиками 7.И₇, 7.И₆, 7.И₁ в отличие от ФПУ на объемном кремнии.

Литература

1. Menn Nafthaly. Practical Optics / Elsevier Academic Press: Burlington, MA, USA; San Diego, CA, USA; London, UK, 2004. - P. 334.

2. Re Valeric 3D Vertical Technologies for Advanced Semiconductor Radiation Sensor and Readout Electronics // 4th IEEE International Workshop on Advances in Sensors and Interfaces 28-29 June 2011 Borgo Egnazia Savelletri di Fasano, (Brindisi), Italy IEEE Catalog Number: CFP11IWI-USB ISBN: 978-1-4577-0622-6. - pp. 33-36.

3. Berdermann E. For the NoRDHDia, "Advance Diamond Particle Detector", Nuclear Physics News, Vol. 19, No. 1 (2009), 79-86.

4. Adam W. et al for RAD42 collaboration, "The Development Diamiond Tracking detector for LHC", NIMA, 514 (2003), 79-86.

5. Попов В.П., Ильницкий M.A. Работоспособность и надежность КМОП транзисторов с нанометровыми размерами элементов при радиационных воздействиях / Труды 1-й российско-белорусской научно-технической конференции «Элементная база отечественной радиоэлектроники», посвященной 110-летию со дня рождения О.В. Лосева / Под ред. А.Э. Рассадина. - Н. Новгород: НИЖЕГОРОДСКАЯ РАДИОЛАБОРАТОРИЯ. 2013. В 2-х т. Т. 1. С. 102-108.

6. Patti, L. et al, "Monolitic Pixel Detectors in 0,13 μm CMOS Technology with Sensor Level Continuous Time Charge Amplification and Shaping" Nucl. Instr. Meth., Vol. A568 (2006), pp. 159-166.

7. Patti, L. et al, "Vertical Integrated Deep N-well CMOS MAPS With Sparsification and Time Stamping Capabilities For Thin Charged Particle Trackers", Nucl. Instr. Meth., Vol. A624 (2010), pp. 79-86.

8. Patti, R.S. "Thre-Dimensional Integrated Circuits and Future of System-in-Chip Design", Proceedings of the IEEE, Vol. 94, No. 6 (2006), pp. 1214-1224.

9. Menzer Mark A. Applied Optics Fundamentals and Device Applications Nano, MOEMS, and Biotechnology / NY, FL USA: CRC Press Taylor & Francis Group, 2011. P. 675.

10. Blash, K.P. et al., Monolitic optical integrated control circuitry for GaAs MMIC-based phased arrys, Proc. SPIE 578, September, 1985.

11. Cochran Donna J., Boutte Alvin J., Campola Michael J., Carts Martin A., Casey Megan C., Chen Dakai, LaBel Kenneth A., Ladbury Raymond L., Lauenstein Jean-Marie, Marshall Cheryl J., O'Bryan Martha V., Timothy R. O'Bryan, Pellish Jonathan A., Sanders Anthony В., and Xapsos Michael A. Recent Total Ionizing Dose and Displacement Damage Compendium of Candidate Electronics for NASA Space Systems / 2010 IEEE Radiation Effects Data Workshop Record, L. Scheick, Editor, New Jersey, IEEE, 2010.

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники, в частности к способам изготовления структур фотоэлектрических приемных устройств (ФПУ), предназначенных для преобразования светового излучения определенного спектрального диапазона в электрический сигнал. В способе изготовления фотоприемного устройства (ФПУ) путем формирования на подложке топологического рисунка фоточувствительных элементов, областей анода и катода, создания металлизации и пассивирующего покрытия и контактных площадок, резки и сборки кристалла ФПУ в корпусе, для обеспечения стойкости ФПУ к дозовым эффектам и переходным процессам ионизирующего излучения в качестве материала подложки используют гетероэпитаксиальные структуры (ГЭС) технологии «кремний-на-сапфире» (КНС) с толщиной эпитаксиального слоя кремния 5 мкм, проводимостью n-типа с удельным сопротивлением от 4,5 Ом⋅см до 10 Ом⋅см и концентрацией основной примеси не менее 10¹⁵см^-3. В фотоприемном устройстве, образованном электрическим последовательным, параллельным или последовательно-параллельным соединением элементарных диодов, для обеспечения стойкости к переходным процессам от воздействия импульсного ионизирующего излучения топологические слои сформированы на ГЭС технологии КНС с толщиной эпитаксиального слоя кремния 5 мкм, проводимостью n-типа с удельным сопротивлением от 4,5 Ом⋅см до 10 Ом⋅см, с концентрацией основной примеси не менее 10¹⁵см^-3 и нанесенным на инверсную сторону ГЭС слоем поликристаллического кремния, а структуры элементарных диодов сформированы в порядке чередования снизу вверх топологических слоев: «активная область», «n-карман», «анод», «катод», «металл», «пассивация». Технический результат - разработка способа изготовления радиационно стойкого приемника оптического излучения (фотоприемного устройства или детектора) на кремниевых диодных структурах технологии «кремний-на-сапфире» (КНС) и его реализация. 2 н. и 34 з.п. ф-лы, 15 табл., 33 ил.

1. Способ изготовления фотоприемного устройства (ФПУ) путем формирования на подложке планарных слоев ФПУ и топологического рисунка фоточувствительных элементов, областей анода и катода, создания металлизации и пассивирующего покрытия и контактных площадок, резки и сборки кристалла ФПУ в корпусе, отличающийся тем, что в качестве материала подложки используют гетероэпитаксиальные структуры (ГЭС) технологии «кремний-на-сапфире» (КНС) с толщиной эпитаксиального слоя кремния 5 мкм, проводимостью n-типа с удельным сопротивлением от 4,5 Ом⋅см до 10 Ом⋅см и концентрацией основной примеси не менее 10¹⁵ см^-3.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на инверсную сторону ГЭС наносят слой поликристаллического кремния.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование границ отдельных фоточувствительных элементов (ФЧЭ) производят путем травления канавок по периметру ФЧЭ на всю глубину эпитаксиального слоя кремния.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что травление канавок проводят путем глубинного плазмохимического травления кремния по маске фоторезиста.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование топологического рисунка рабочих слоев области анода и катода осуществляют методом контактной фотолитографии с соблюдением необходимости совмещения фотолитографий (ФЛ) р-анода и n-катода.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что при формировании областей p-анода и n-катода вначале эпитаксиальную пленку кремния окисляют на глубину 0,3 мкм, затем осаждают пленки диоксида кремния (SiO₂) и нитрида кремния (Si₃N₄) плазменно-химическим осаждением.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что при формировании областей p-анода и n-катода выполняют ФЛ по вскрытию окисленной эпитаксиальной пленки кремния (SiO₂+CVDSiO₂+Si₃N₄).

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что при формировании областей р-анода выполняют имплантацию ионов бора, энергия ионов Е=40 кэВ, доза D=500 мкКл⋅см^-2, через буферный оксид по маске фоторезиста.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что при формировании областей n-катода, выполняют имплантацию ионов фосфора, энергия ионов Е=40 кэВ, доза D=800 мкКл⋅см^-2, через буферный оксид по маске фоторезиста.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что полученную структуру отжигают при температуре от 850 до 950°С.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что выбирают оптимальное соотношение параметров технологических процессов ионной имплантации - доза ионов и энергия ионов и высокотемпературного отжига в диапазоне температур от 850 до 950°С.

12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что реализуют процесс отжига с форсажем - плавным повышением температуры, двойной отжиг: 10 мин в атмосфере азота при 850°С и 10 мин в атмосфере азота при 950°С.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при создании металлизации вначале напыляют методом магнетронного распыления сплав алюминия с 1% кремния толщиной 1,0 мкм.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что при формировании рисунка металлизации выполняют операцию фотокопирования (ФК), а затем производят плазмохимическое травление (ПХТ) алюминия и жидкостное травление кремниевой крошки.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что при создании металлизации выполняют операцию «вжигание металла» при температуре Т=450°С в течение 15 минут в атмосфере сухого азота.

16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при создании пассивирующего покрытия областей ФЧЭ осуществляют осаждение слоя ФСС толщиной 1,0 мкм с содержанием фосфора от 3% до 5%.

17. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при создании металлизации, включающей формирование контактных площадок, выполняют вскрытие контактных площадок путем проведения ФК «пассивация» и последующего химического травления ФСС.

18. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в состав структуры ФПУ вводят тестовую линейку, содержащую набор тестовых элементов:

резистор с рабочей областью, выполненной на области анода;

резистор с рабочей областью, выполненной на области катода;

одиночный диод малой площади;

одиночный диод малой площади, ограниченный «канавкой»;

три и десять параллельно соединенных диодов, ограниченных «канавкой»;

три и десять параллельно соединенных диодов, не ограниченных «канавкой».

19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что тестовые резисторы выполнены в слоях анода и катода на активной области.

20. Способ по п. 18, отличающийся тем, что тестовые диоды двух видов выполняют для анода с размерами элементарного диода 50×50 мкм.

21. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для контроля качества формирования планарных слоев ФПУ в поле кристалла (чипа) ФПУ вводят контролируемые элементы и идентификаторы слоев.

22. Способ по п. 19, отличающийся тем, что для условного обозначения тестовых резисторов в слое металлизации для резистора в слое катода выполняют условное обозначение «R_K», а для резистора в слое анода выполняют условное обозначение «R_A».

23. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для контроля электрофизических параметров ФПУ используют измерения зондовой станцией на тестовых структурах и на рабочих кристаллах.

24. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для разделения пластин на кристаллы (чипы) ФПУ используют метод дисковой резки с использованием дисковой пилы с алмазным покрытием с толщиной кромки пилы 0,036 мм при одновременной подаче деионизованной воды.

25. Способ по п. 24, отличающийся тем, что глубину резки осуществляют на глубину от 2/3 до 3/4 толщины пластины.

26. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ФПУ размещают в металлостеклянных корпусах.

27. Фотоприемное устройство, образованное электрическим последовательным, параллельным или последовательно-параллельным соединением элементарных диодов, отличающееся тем, что топологические слои сформированы на ГЭС технологии КНС с толщиной эпитаксиального слоя кремния 5 мкм, проводимостью n-типа с удельным сопротивлением от 4,5 Ом⋅см до 10 Ом⋅см, с концентрацией основной примеси не менее 10¹⁵ см^-3 и нанесенным на инверсную сторону ГЭС слоем поликристаллического кремния, а структуры элементарных диодов сформированы в порядке чередования снизу вверх топологических слоев: «активная область», «n-карман», «анод», «катод», «металл», «пассивация».

28. Фотоприемное устройство по п. 27, отличающееся тем, что элементарные диоды изолированы между собой сквозными до слоя сапфира «канавками» шириной 20 мкм.

29. Фотоприемное устройство п. 28, отличающееся тем, что контактные площадки элементарных диодов выведены за пределы «канавок».

30. Фотоприемное устройство по п. 29, отличающееся тем, что каждый из элементарных диодов соединен с другими из диодной матрицы контактными площадками в количестве 8 штук, расположенными равномерно по периферии каждого из элементарных диодов.

31. Фотоприемное устройство по п. 30, отличающееся тем, что контактные площадки сформированы сверху вниз из слоев «пассивация - металл».

32. Фотоприемное устройство по п. 31, отличающееся тем, что ширина вскрытой области пассивации составляет 130 мкм.

33. Фотоприемное устройство по п. 27, отличающееся тем, что в состав ФПУ введена тестовая линейка с набором тестовых элементов:

резистором с рабочей областью, выполненной на области анода;

резистором с рабочей областью, выполненной на области катода;

одиночным диодом малой площади;

одиночным диодом малой площади, ограниченным «канавкой»;

тремя и десятью параллельно соединенными диодами, ограниченными «канавкой»;

тремя и десятью параллельно соединенными диодами, не ограниченными «канавкой».

34. Фотоприемное устройство по п. 33, отличающееся тем, что введенные в поле кристалла (чипа) ФПУ тестовые элементы в основных проектных слоях сформированы с размерами:

в слое «активная область» 6,0 мкм;

в слое «n-карман» 2,6 мкм;

в слое «анод» 6,0 мкм;

в слое «катод» 6,0 мкм;

в слое «металлизация» 4,0 мкм;

в слое «пассивация» не контролируется.

35. Фотоприемное устройство по п. 27, образованное электрическим параллельным соединением элементарных диодов, отличающееся тем, что двадцать элементарных диодов соединены в группу параллельно с общим размером одного фоточувствительного элемента (ФЧЭ) (1,40±0,01)×(1,40±0,01) мм², при этом размер элементарного диода составляет 68,0×1440,7 мкм².

36. Фотоприемное устройство по п. 27, образованное электрическим последовательно-параллельным соединением элементарных диодов, отличающееся тем, что ФПУ выполнено в виде левого и правого ФЧЭ, каждый из которых содержит по двадцать элементарных диодов, соединенных в группу параллельно.