Способ изготовления планарного лавинного фотодиода Российский патент 2018 года по МПК H01L31/107 

Заявляемый способ изготовления планарного лавинного фотодиода (ЛФД) относится к области технологий полупроводниковых приборов на основе эпитаксиальных структур InP/InGaAs, чувствительных к излучению в диапазоне длин волн 0,9-1,7 мкм. Такие технологии предназначены для изготовления фоточувствительных приборов, как одноэлементных, так и матричных. Эти приборы используются в лазерных оптико-электронных системах обнаружения источника излучения, в волоконно-оптических системах передачи информации, в автоматических системах ориентации при взлете-посадке летательных аппаратов, в лазерных дальномерах и формирователях сигналов двух- и трехмерного изображения (в том числе безопасных для зрения - работающих на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм), в космических системах оптической связи и приборах ночного видения. Применяются они и в оптической рефлектометрии, динамической спектрометрии, квантовой криптографии, в томографах, при анализе микроэлектронных СБИС (регистрация излучения от горячих точек в МОП-транзисторах) и в другой аппаратуре.

Наиболее близким к заявляемому способу и принятым за прототип является способ изготовления планарного лавинного фотодиода, описанный в [United States Patent, US 6,492,239 B2, Dec. 10, 2002 METHOD FOR FABRICATING AVALANCHE PHOTODIODE Авторы: Seung-Kee Yang, Dong-Soo Bang, Seoul (KR)].

Известный способ изготовления планарного лавинного фотодиода представлен на фиг. 1-12, включает

- последовательное эпитаксиальное наращивание на подложке InP n-типа (1) n- InP буферный слой (2), поглощающий слой InGaAs (3) n-типа, разделительный слой InGaAsP (4) n-типа, зарядовый слой InP (5) n-типа и слой умножения InP (6) n-типа;

- формирование защитного слоя на слое умножения InP (7);

- 1-я ФЛГ: селективное травление светопоглощающей области в защитном слое и слое умножения InP.

Эта стадия включает в себя 2 этапа, на которых происходит, во-первых, травление светопоглощающей области защитного слоя и слоя умножения InP на заданную глубину (d) путем сухого плазмохимического травления (фиг. 2); и, во вторую очередь, влажное химическое травление, чтобы обеспечить заданный профиль травления с положительным наклоном боковой стенки для уменьшения кривизны области пространственного заряда (создание эффекта охранного кольца) и предотвращение раннего краевого пробоя. Анизотропия плазмохимического травления обеспечивает независимость его глубины и рельефа от кристаллографической ориентации полупроводниковой пластины. Если вертикальная граница, образованная на первом этапе травления, остается неизмененной, то плотность тока на прямоугольных вершинах увеличивается во время работы, тем самым снижая напряжение пробоя устройства. Таким образом, кривизна границы формируется путем влажного химического травления;

- 2-я ФЛГ: селективное травление защитного слоя в области охранного кольца до слоя умножения;

- 3-я ФЛГ: формирование маски фоторезиста (8) для создания локального источника диффузии над протравленной светопоглощающей областью и областью формирования охранного кольца (фиг. 3);

- напыление источника диффузии Zn₃P₂ (9), (фиг. 4);

- удаление фоторезиста с напыленным слоем источника диффузии методом «взрыва» (фиг. 5);

- формирование слоя SiO₂ (10) на исходном слое Zn₃P₂ (9), предотвращающего испарение источника диффузии (фиг. 6);

- диффузию из твердого источника в слой умножения при заданной температуре для одновременного формирования p-n-переходов в области охранного кольца (11) и в активной области (12) (фиг. 7);

- удаление слоя, предотвращающего испарение источника диффузии (фиг. 8);

- формирование светоотражающего слоя (13) на диффузионном слое (фиг. 10);

- 4-я ФЛГ: локальное травление через маску фоторезиста (14) светоотражающего слоя для формирования контактного окна на светопоглощающей области (фиг. 11);

- 5-я ФЛГ: формирование слоя верхнего электрода (15) на диффузионной области, образованной на светопоглащающей области (фиг. 12);

- образование нижнего электродного слоя (16) на обратной стороне подложки (фиг. 12).

Недостатками описанного способа-прототипа являются

- сложность (двухстадийность) процесса травления светопоглощающей области в умножающем слое InP, состоящего из сухого (плазмохимического) и влажного травления для обеспечения заданного рельефа. Плазмохимическое травление обеспечивает требуемую глубину и ее независимость от кристаллографической ориентации пластины. Но плазмохимическое травление InP требует использования сложного, дорогостоящего оборудования, взрывоопасных газов-травителей (смеси газов СН₄ и Н₂ или BCl₃);

- необходимость многостадийного процесса создания локального тонкопленочного источника диффузии, необходимость использования для его защиты от испарения специального дополнительного слоя и последующего удаления защитного слоя после процесса диффузии. Создание тонкопленочного источника диффузии требует использования вакуумного напылительного оборудования, а нанесение защитного покрытия - оборудования для плазмохимического или пиролитического осаждения SiO₂.

Перечисленные недостатки приводят к увеличению производственного цикла и трудоемкости изготовления ЛФД. Большое количество технологических операций уменьшает процент выхода годных изделий.

Заявляемый способ изготовления решает задачи сокращения производственного цикла, уменьшения трудоемкости, увеличения процента выхода годных изделий и, как следствие, сокращения себестоимости серийного производства коммерческих ЛФД на основе эпитаксиальных структур InP/InGaAs.

Способ изготовления поясняется фиг. 13-19, на которых в соответствии с заявляемым способом представлена последовательность технологических операций, формирующих ЛФД.

Способ изготовления включает

- последовательное эпитаксиальное наращивание на подложку InP n-типа InP буферного слоя n-типа, поглощающего слоя InGaAs n-типа, разделительного слоя InGaAsP, зарядового слоя InP n-типа и слоя умножения InP n-типа;

- формирование защитного слоя на слое умножения InP;

- 1-я ФЛГ: селективное травление светопоглощающей области в защитном слое и слое умножения InP; включающее травление светопоглощающей области защитного слоя и слоя умножения InP на заданную глубину для обеспечения заданного профиля травления с положительным наклоном боковой стенки для уменьшения кривизны области пространственного заряда (создание эффекта охранного кольца) и предотвращение раннего краевого пробоя (фиг. 13);

- 2-я ФЛГ: селективное травление защитного слоя в области охранного кольца до слоя умножения (фиг. 14);

- диффузию из газообразного источника в слой умножения при заданной температуре(фиг. 15);

- формирование светоотражающего слоя на диффузионном слое (фиг. 16);

3-я ФЛГ: локальное травление через маску фоторезиста светоотражающего слоя для формирования контактного окна на светопоглощающей области (фиг. 17);

- 4-я ФЛГ: формирование слоя верхнего электрода на диффузионной области, образованной на светопоглащающей области (фиг. 18);

- образование нижнего электродного слой на обратной стороне подложки (фиг. 18).

Селективное травление углубления в светопоглощающей области умножающего слоя InP осуществляется методом жидкостного химического травления, которое за счет подбора травителя, время травления и ориентации фотошаблона относительно кристаллографического направления на пластине, обозначенного базовым срезом, обеспечивает воспроизводимую глубину и профиль травления в указанном слое InP.

Диффузия Zn₃P₂ осуществляется в откаченной и запаянной кварцевой ампуле при заданной температуре.

Способ отличается следующим.

1. Для травления углубления в светопоглощающей области используется только жидкостное химическое травление, которое за счет подбора травителя, время травления и ориентации фотошаблона относительно кристаллографического направления на пластине обозначенного базовым срезом обеспечивает воспроизводимую глубину и профиль травления в эпитаксиальном слое InP.

Т.о., исключается операция плазмохимического травление InP, требующая специального дорогостоящего оборудования и взрывоопасных газов-травителей

2. Диффузия Zn₃P₂ осуществляется в откаченной и запаянной кварцевой ампуле.

Т.о., диффузия Zn из тонкопленочного твердого локального источника с защитой диэлектриком, препятствующим его испарению при заданной температуре, заменяется на диффузию из газообразного источника в кварцевой откаченной и запаянной ампуле. В сравнении с прототипом устраняется:

1) операция нанесения диффундирующего слоя Zn₃P₂ методом напыления в вакууме;

2) операция нанесения слоя, препятствующего испарению диффундирующего слоя при последующей термической обработке (диффузии) методом плазмохимического или пиролитического осаждения;

3) операция удаления слоя, препятствующего испарению диффундирующего слоя после формирования p-n-перехода (диффузии) методом плазмохимического или химического травления;

и сокращается число фотолитографий (4 ФЛГ вместо 5): операция формирования рисунка в диффундирующем слое («взрыв»).

Изобретение обеспечивает способ изготовления планарного лавинного фотодиода по более простой технологии.

Преимущества предложенного способа изготовления особенно важны при серийном производстве коммерческих лавинных фотодиодов. Осуществление предложенного способа изготовления лавинных фотодиодов приведет к сокращению технологического цикла, уменьшению трудоемкости и, как следствие, сокращению себестоимости ЛФД.

Пример реализации заявляемого способа. В соответствии с заявляемым способом авторы изготовили фотодиоды с фоточувствительной площадкой диаметром ∅ 0,25 мм. Исходным материалом является гетероэпитаксиальная структура, выращенная методом МОС-гидридной эпитаксии с параметрами, указанными в таблице 1.

Технология формирования фотодиодов на указанных пластинах включает в себя следующие процессы.

Химическая обработка поверхности в HF:H₂O = 1:10, H₂SO₄:H₂O₂:H₂O = 1:1:8.

Нанесение пассивирующего и одновременно маскирующего покрытия Si₃N₄ методом низкотемпературного плазмо-химического осаждения. Отжиг в водороде для формирования границы раздела.

1-я ФЛГ: вскрытие в маскирующем покрытии окна для светопоглощающей области.

Жидкостное химическое травление InP с контролируемой глубиной и профилем в смеси кислот HCl:HNO₃:H₃PO₄=3:7:5.

2-я ФЛГ: вскрытие в маскирующем покрытии окон для охранных колец.

Ампульная диффузия цинка (Zn₃P₂) для создания p-n-перехода в InP в светопоглощающей области и области охранного кольца при температуре 500°С в течение 15-25 мин.

Нанесение просветляющего покрытия Si₃N₄ (13) методом низкотемпературного плазмохимического осаждения.

3-я ФЛГ: вскрытие контактных окон в просветляющем покрытии.

Напыление контактной металлизации TiAu со стороны эпитаксии для создания контакта к р⁺-области.

4-я ФЛГ: формирование рисунка в контактной металлизации к р⁺-области.

Удаление защитного покрытия со стороны подложки.

Напыление контактной металлизации TiAu со стороны подложки (16) для создания контакта к n⁺-области.

Вжигание металлизации (15, 16) в водороде для получения омического контакта к р⁺-n⁺-областям.

Исследование образцов, изготавливаемых по заявляемому способу.

Для исследования жидкостного травления и диффузии одновременно с рабочими фотодиодами на пластине изготавливались тестовые структуры.

Путем пересчета CV-характеристик тестовых образцов были определены глубины p-n-переходов и расстояния от p-n-переходов до умножающего n-InP/зарядного n⁺-InP в травленной и нетравленной областях. Глубина травления контролировалась профилометром Dektak. Поверхность исследовалась на оптическом и сканирующем электронном микроскопе.

Разработанный травитель обеспечивает необходимую глубину травления 0,2-0,5 мкм за время травления 15-25 сек, ориентация фотошаблона параллельно базовому срезу пластины обеспечивает воспроизводимость результатов как по глубине, так и по профилю травления.

Результаты расчета расстояния от p-n-переходов до умножающего n-InP/зарядного n⁺-InP в травленной и нетравленной областях совпадают с результатами прямых измерений глубины травления. Результаты исследований подтвердили возможность использования только жидкостного травления для обеспечения необходимых для формирования охранного кольца параметров углубления светопоглощающей области.

При глубине травления 0,5 мкм подтравка составила 1,1 мкм.

Анизотропия (подтравка/глубина травления) жидкостного травления для данного применения является положительным фактором. Авторами предлагается химический травитель, который обеспечивает и необходимую глубину, и необходимый профиль травления слоя InP для изготовления планарного лавинного фотодиода (фиг. 20). Пригодность предложенного способа изготовления подтверждается результатами измерения параметров ЛФД.

У изготовленного фотодиода были исследованы вольт-амперная (фиг. 21) и вольт-емкостная (CV) характеристики (фиг. 22). Кроме того, экспериментально определена зависимость коэффициента умножения М от напряжения, которая представлена на фиг. 23.

Начальный умножаемый ток не превышал 20 нА. Низкий уровень темнового тока сопоставим с соответствующими значениями для коммерческих ЛФД G8931-20 фирмы Hamamatsu [каталог фирмы Hamamatsu, Япония]. Максимальное усиление - 48. Напряжение пробоя - 66 В.

Использование: для изготовления фоточувствительных приборов. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления планарного лавинного фотодиода включает последовательное эпитаксиальное наращивание на подложку InP n-типа InP буферного слоя n-типа, поглощающего слоя InGaAs n-типа, разделительного слоя InGaAsP, зарядового слоя InP n-типа и слоя умножения InP n-типа; формирование защитного слоя на слое умножения InP; 1-ю ФЛГ: селективное травление светопоглощающей области в защитном слое и слое умножения InP; включающее травление светопоглощающей области защитного слоя и слоя умножения InP на заданную глубину для обеспечения заданного профиля травления с положительным наклоном боковой стенки для уменьшения кривизны области пространственного заряда (создание эффекта охранного кольца) и предотвращение раннего краевого пробоя; 2-ю ФЛГ: селективное травление защитного слоя в области охранного кольца до слоя умножения; диффузию из твердого источника в слой умножения при заданной температуре; формирование светоотражающего слоя на диффузионном слое; 3-ю ФЛГ: локальное травление через маску фоторезиста светоотражающего слоя для формирования контактного окна на светопоглощающей области; 4-ю ФЛГ: формирование слоя верхнего электрода на диффузионной области, образованной на светопоглащающей области; образование нижнего электродного слой на обратной стороне подложки, при этом селективное травление углубления в светопоглощающей области умножающего слоя InP осуществляется методом жидкостного химического травления, которое за счет подбора травителя, время травления и ориентации фотошаблона относительно кристаллографического направления на пластине, обозначенного базовым срезом, обеспечивает воспроизводимую глубину и профиль травления в указанном слое InP; диффузия Zn₃P₂ осуществляется в откаченной и запаянной кварцевой ампуле при заданной температуре. 23 ил.

Способ изготовления планарного лавинного фотодиода, включающий

- последовательное эпитаксиальное наращивание на подложку InP n-типа InP буферного слоя n-типа, поглощающего слоя InGaAs n-типа, разделительного слоя InGaAsP, зарядового слоя InP n-типа и слоя умножения InP n-типа;

- формирование защитного слоя на слое умножения InP;

- 1-ю ФЛГ: селективное травление светопоглощающей области в защитном слое и слое умножения InP; включающее травление светопоглощающей области защитного слоя и слоя умножения InP на заданную глубину для обеспечения заданного профиля травления с положительным наклоном боковой стенки для уменьшения кривизны области пространственного заряда (создание эффекта охранного кольца) и предотвращение раннего краевого пробоя;

- 2-ю ФЛГ: селективное травление защитного слоя в области охранного кольца до слоя умножения;

- диффузию из твердого источника в слой умножения при заданной температуре;

- формирование светоотражающего слоя на диффузионном слое;

3-ю ФЛГ: локальное травление через маску фоторезиста светоотражающего слоя для формирования контактного окна на светопоглощающей области;

- 4-ю ФЛГ: формирование слоя верхнего электрода на диффузионной области, образованной на светопоглащающей области;

- образование нижнего электродного слой на обратной стороне подложки,

отличающийся тем, что

- селективное травление углубления в светопоглощающей области умножающего слоя InP осуществляется методом жидкостного химического травления, которое за счет подбора травителя, время травления и ориентации фотошаблона относительно кристаллографического направления на пластине, обозначенного базовым срезом, обеспечивает воспроизводимую глубину и профиль травления в указанном слое InP;

- диффузия Zn₃P₂ осуществляется в откаченной и запаянной кварцевой ампуле при заданной температуре.