Способ изготовления утоньшенного многоэлементного фотоприемника на основе антимонида индия с улучшенной однородностью и повышенной механической прочностью Российский патент 2024 года по МПК H01L31/41 G01J5/06 

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых фотоприемников (ФП) и может использоваться для создания матричных фотоприемников (МФП) различного назначения, в том числе гибридных, в которых БИС считывания соединяется с фоточувствительной матрицей (матрицей ФЧЭ, МФЧЭ) при помощи In микроконтактов с последующим утоньшением [Болтарь К.О., Киселева Л.В., Лопухин А.А., Савостин А.В. Способ изготовления матричного фотоприемника (варианты) // Патент № RU 2460174 C1 от 04.05.2011].

Стабильность работы современных тепловизионных и теплопеленгационных систем на основе МФП из антимонида индия при распознавании объектов и формировании тепловизионного изображения обеспечивается однородностью свойств фоточувствительных элементов по площади фотодиодных матриц. С увеличением формата МФП растет фоточувствительная площадь, что усложняет получение однородных параметров по всех точках МФП. Одним из наиболее важных факторов однородности является максимальное сокращение областей с повышенной скоростью рекомбинации фотогенерированных носителей тока, определяемой высокой плотностью поверхностных состояний.

В мире известны способы изготовления фоточувствительных матриц на основе антимонида индия с утоньшенной базой до 10±2 мкм. Толщина базы матрицы ФЧЭ определяется балансом между достижением оптимального квантового выхода и взаимосвязью, обусловленной боковой диффузией неосновных носителей заряда. В процессе технологической обработки базы фоточувствительных матриц, возможно окисление и локальные механические повреждения поверхности, что приводит к образованию неоднородных пленок собственного окисла и возникновению нарушенных слоев определенной глубины. Оптическое излучение, падающее на тыльную сторону фоточувствительной матрицы, генерирует электронно-дырочные пары, при этом часть фотоносителей может собираться на длине диффузии с тыльной стороны базы матрицы ФЧЭ и рекомбинировать вследствие высокой плотности центров поверхностной рекомбинации. В известном способе [Патенты №№ US 5262633, US 5449943, US 5646437] авторы предлагают минимизировать плотность поверхностных состояний тем, что после абразивной химико-механической обработки базы матрицы формируют со стороны засветки тонкий пассивирующий слой германия (Ge) или нитрида кремния (Si₃N₄) толщиной 75Å и далее широкополосное интерференционное покрытие, состоящее из четырех чередующихся слоев кремния и оксидов кремния: Si -1170Å, SiO_x -1300Å, SiO - 2000Å, SiO₂-2400Å в результате низкотемпературного процесса. Перед нанесением покрытий удаляют области собственного окисла и слоев с нарушенной кристаллической структурой, обрабатывая поверхность тыльной стороны матрицы ФЧЭ в плазме кислорода с последующим жидкостным химическим травлением в растворе соляной кислоты (при соотношении HCl/ Н₂О_{деионизованная} : 50/50) в течение 30 секунд и затем в растворе молочной кислоты и азотной кислоты (при соотношении молочная кислота/HNO₃: 70/10) в течение трех минут. Однако у этого способа есть недостатки, обусловленные тем, что жидкостная химическая обработка не позволяет полностью удалить все загрязнения, потому что и сама является источником неорганических и органических загрязнений, создающих области с высокой плотностью поверхностных состояний. Воспроизводимость и однородность скорости жидкостного травления также невозможно хорошо контролировать. Более того, скорость травления очень чувствительна к изменению таких параметров как размер и плотность элементов топологии. Для решения этих проблем предложены методы травления ионами аргона поверхности InSb [Chulkyun Seok, Minkyung Choi, Sehun Park, Jinwook Jung, Yongjo Park, In-Sang Yang, and Euijoon Yoona. Raman Spectroscopy of the Damages Induced by Ar-Ion Beam Etching of InSb (100) Surface // ECS Solid State Letters, 3 (3) P27-P29 (2014)]. В этой статье определена величина нарушенного слоя, представляющего собой фазу аморфного InSb, толщиной, не превышающей 50 Å в случае наибольшей мощности источника ионно-лучевого травления ионами Ar⁺ с энергией ~1кэВ, что значительно меньше размеров наблюдаемых механических повреждений.

Таким образом, прототипом данного изобретения является способ [Седнев М.В., Лопухин А.А., Атрашков А.С. Способ изготовления матричного ИК фотоприемника // Патент № RU 2628449 C1 от 16.08.2017], где улучшение однородности параметров МФП достигается тем, что при изготовлении многоэлементного фотоприемника на основе антимонида индия, включающего изготовление матрицы фоточувствительных элементов из антимонида индия с тонкой базой, соединенных (элементов) со схемой считывания индиевыми микроконтактами, перед напылением на тыльную (освещаемую) сторону МФЧЭ герметизирующего и антиотражающего покрытия из ZnS с поверхности МФЧЭ бомбардировкой положительно заряженными ионами удаляется слой собственного окисла с неоднородно распределенным встроенным зарядом и формируется слой с однородно распределенным встроенным зарядом, обеспечиваемым бомбардировкой однородным потоком ионов аргона. У данного способа есть определенные недостатки: во-первых, проведение однократной ионной обработки перед нанесением антиотражающего покрытия не позволяет полностью удалить локальные области нарушенных слоев, возникающие вследствие возможных механических повреждений поверхности тыльной стороны матриц при технологической обработке (химико-динамическое полирование поверхности при утоньшении матриц; центрифугирование в процессе сушки и т.д.); во-вторых, однослойное антиотражающее покрытие из ZnS не обеспечивает требуемый диапазон спектрального пропускания просветляющего покрытия и механических прочностных характеристик МФП.

Предложен способ изготовления утоньшенного многоэлементного фотоприемника на основе антимонида индия, включающий изготовление матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с тонким поглощающим слоем, гибридизированную с большой интегральной схемой (БИС) считывания индиевыми микроконтактами, с нанесенным на тыльную сторону МФЧЭ просветляющим покрытием, отличающийся тем, что перед напылением просветляющего покрытия с поверхности МФЧЭ в результате обработки низкоэнергетическим потоком положительно заряженных ионов аргона удаляют нарушенный слой необходимой толщины, после чего формируют просветляющее покрытие на основе многослойных интерференционных слоев кремния и двуокиси кремния. Перед напылением просветляющего покрытия с поверхности высокочастотным катодным распылением ионами аргона с энергией менее 0,25 кэВ удаляют нарушенный слой толщиной не менее 0,5 мкм, после чего формируют просветляющее покрытие на основе многослойных интерференционных слоев кремния и двуокиси кремния, где первым адгезионным слоем напыляют двуокись кремния. Просветляющее покрытие формируют широкополосным с количеством слоев не менее 5 электроннолучевым испарением.

Обработка ионами аргона перед просветлением создает на поверхности с тыльной стороны матрицы необходимый положительный встроенный заряд, соответствующий величине изгиба зон не менее половины и не более ширины запрещенной зоны, который формирует отталкивающее поле неосновных носителей заряда, проникающее на глубину более 1000 Å, поэтому образующийся в процессе воздействия низкоэнергетическим потоком положительно заряженных ионов аморфный приповерхностный слой толщиной менее 50 Å не будет влиять на процессы поверхностной рекомбинации.

Известно, что слой SiO₂ используется в качестве адгезионного покрытия для различных материалов. После ионной обработки поверхности адгезионный эффект усиливается, более того свойства диоксида кремния позволяют применять SiO₂ для пассивации поверхности тыльной стороны антимонида индия с целью обеспечения низкой скорости поверхностной рекомбинации.

Нанесение многослойных интерференционных покрытий позволяет решить проблему хрупкости утоньшенных МФЧЭ полупроводниковых структур, которые могут легко раскалываться под действием механических напряжений при охлаждении до криогенных температур вследствие напряжений, возникающих из-за разности коэффициентов линейного теплового расширения (ТКР) между кремниевой БИС считывания и полупроводниковой фоточувствительной матрицей. Многослойное интерференционное покрытие на основе чередующихся слоев SiO₂ и Si компенсирует механические напряжения, возникающие в каждом отдельном слое таким образом, что механическая прочность утоньшенной матрицы ФЧЭ повышается. Кроме этого, перераспределение механических напряжений с лицевой, имеющих центрально-симметричное распределение на тыльную сторону матрицы ФЧЭ с более однородным распределением напряжений по площади, способствует как упрочнению, так и сокращению числа электронных состояний на рабочей стороне, вследствие чего, возможно понижение уровня темновых токов фоточувствительных элементов. Благодаря широкополосности оптические свойства многослойного просветляющего покрытия имеют более высокую воспроизводимость за счет подавления значительных погрешностей оптической толщины слоев вследствие некоррелированности случайных и систематических ошибок толщин слоев и уникальной комбинации толщин предложенного многослойного покрытия.

Сущность изобретения поясняется фигурами:

На фиг.1 показан рисунок с фотоэлектрическими изображениями распределения чувствительности по площади поверхности МФЧЭ вверху и интегральные распределения чувствительности в царапинах глубиной ~1000 Å в центре после {1, 5, 9, 11} стандартных обработок ионами аргона продолжительностью каждой пять минут, а также оптическое изображение поверхности МФЧЭ справа после гибридизации с БИС считывания и утонынения до ~10 мкм.

На фиг.2 показан рисунок улучшения чувствительности в царапине глубиной до 1000 Å.

На фиг.3 показаны результаты 3х мерного моделирования конструкции InSb

- In микроконтакты - Si при слое Si на утоньшенной стороне InSb толщиной 1 мкм.

На фиг.4 показаны результаты 3х мерного моделирования конструкции InSb

- In микроконтакты - Si при семислойном просветляющем покрытии на основе слоев двуокиси кремния и кремния на утоньшенной стороне InSb. На фиг.5 показаны результаты сравнения экспериментальных спектров отражения первого и девятого процессов напыления многослойной интерференционной структуры на основе двуокиси кремния и кремния SiO₂ 0,80 - Si 0,96 (7 чередующихся слоев на утоньшенной тыльной стороне InSb) и расчетного спектра отражения при стандартном отклонении толщины слоев первого процесса от расчетного - 35,4%.

На фиг.6 показана таблица примера реализации первого процесса напыления многослойной интерференционной семислойной чередующейся структуры на основе двуокиси кремния и кремния SiO₂ 0,80 - Si 0,96 с указанием последовательности и толщины напыляемых слоев, а также их сравнение с расчетами.

Технический результат достигается тем, что перед напылением просветляющего покрытия с поверхности МФЧЭ в результате обработки низкоэнергетическим потоком положительно заряженных ионов аргона удаляют нарушенный слой необходимой толщины, после чего формируют просветляющее покрытие на основе многослойных интерференционных слоев кремния и двуокиси кремния. Перед напылением просветляющего покрытия с поверхности высокочастотным катодным распылением ионами аргона с энергией менее 0,25 кэВ удаляют нарушенный слой толщиной не менее 0,5 мкм, после чего формируют просветляющее покрытие на основе многослойных интерференционных слоев кремния и двуокиси кремния, где первым адгезионным слоем напыляют двуокись кремния и просветляющее покрытие изготавливают широкополосным с количеством слоев не менее 5, формируют электроннолучевым испарением.

Пример.

Изготовлен многоэлементный фотоприемник на основе матрицы фоточувствительных элементов с поглощающим слоем из антимонида индия толщиной 10 мкм, гибридизированной с БИС считывания индиевыми микроконтактами высотой 5 мкм и шагом 40 мкм. После процесса утоныпения базы данной матрицы при измерении фотоэлектрических характеристик были замечены области пониженной чувствительности, соответствующие механическим повреждениям поверхности тыльной стороны глубиной до 1000 Å. Высокочастотным катодным распылением положительно заряженных ионов аргона с энергией менее 0,25 кэВ было проведено 11 обработок со стороны засветки МФЧЭ, что соответствовало удалению механически поврежденного и нарушенного слоев суммарной толщиной около 6600 Å. Продолжительность каждой обработки составляла пять минут, число ионных обработок, необходимых для подавления рекомбинации в царапине определялось соотношением глубины поврежденного и нарушенного слоев. Глубина механически поврежденных слоев контролировалась методом атомно-силовой микроскопии. Нарушенные слои оценивались по стадийному стравливанию тыльной стороны ионами аргона с последующим контролем рекомбинации по фотоэлектрическим характеристикам. На рисунке (фиг.1) показано улучшение чувствительности в царапинах после {1, 5, 9, 11} стандартных обработок ионами аргона при засветке тыльной стороны матрицы коротковолновым излучением светодиода СД (λ ~ 0,5 мкм). Заметно, что после 11-ти ионных обработок фотоэлектрическое изображение чувствительности становится более однородным (фиг.1), улучшение чувствительности в царапине возрастает в среднем примерно в 10 раз (на 11,75%) (фиг.2). Для максимального подавления рекомбинации в царапине потребовалось всего 13 ионных обработок (две ионных обработки непосредственно перед просветлением), чтобы удалить нарушенные слои (дефектный и напряженный) глубиной, превышающей механически поврежденный в 5÷6 раз. Со стороны засветки было сформировано семислойное интерференционное просветляющее покрытие на основе чередующихся слоев кремния и двуокиси кремния, где первым адгезионным слоем являлась двуокись кремния, которое позволило получить однородное распределение чувствительности по всей площади матрицы (фиг.1 - справа сверху), и вследствие компенсации механических напряжений, возникающих в каждом отдельном слое (фиг.3-напряжения при нанесении одного слоя кремния, фиг.4 - компенсированные напряжения в семислойном просветляющем покрытии) получить механически прочную структуру МФЧЭ. Из результатов сравнения экспериментальных спектров отражения первого процесса напыления многослойной интерференционной структуры на основе двуокиси кремния и кремния SiO₂ 0,80 - Si 0,96 (7 чередующихся слоев на утоньшенной тыльной стороне InSb) и расчетного спектра отражения видно (см. фиг.5), что при стандартном отклонении толщины слоев первого процесса от расчетного ~ 35% (см. фиг.6), максимумы отражения в требуемом широкополосном покрытии не превышают 5,5%. Такая высокая воспроизводимость многослойного широкополосного покрытия позволяет обеспечивать приемлемые характеристики отражения даже при очень грубых ошибках, вплоть до отсутствия целого слоя.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых фотоприемников (ФП) и может использоваться для создания матричных фотоприемников (МФП) различного назначения, в том числе гибридных, в которых БИС считывания соединяется с фоточувствительной матрицей (матрицей ФЧЭ, МФЧЭ) при помощи In микроконтактов с последующим утоньшением. Предложен способ изготовления утоньшенного многоэлементного фотоприемника на основе антимонида индия, включающий изготовление матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с тонким поглощающим слоем, гибридизированную с большой интегральной схемой (БИС) считывания индиевыми микроконтактами, с нанесенным на тыльную сторону МФЧЭ просветляющим покрытием, при этом перед напылением просветляющего покрытия с поверхности матрицы фоточувствительных элементов в результате обработки низкоэнергетическим потоком положительно заряженных ионов аргона удаляют нарушенный слой необходимой толщины, после чего формируют просветляющее покрытие на основе многослойных интерференционных слоев кремния и двуокиси кремния. Многослойное интерференционное покрытие компенсирует механические напряжения, возникающие в каждом отдельном слое таким образом, что механическая прочность утоньшенной матрицы ФЧЭ повышается, а также перераспределяет механические напряжения с лицевой на тыльную сторону матрицы ФЧЭ с более однородным распределением по площади, таким образом способствует как упрочнению, так и понижению уровня темновых токов фоточувствительных элементов. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ изготовления утоньшенного многоэлементного фотоприемника на основе антимонида индия с улучшенной однородностью и повышенной механической прочностью, включающий изготовление матрицы фоточувствительных элементов с тонким поглощающим слоем, гибридизированную с большой интегральной схемой считывания индиевыми микроконтактами, с нанесенным на тыльную сторону матрицы фоточувствительных элементов просветляющим покрытием, отличающийся тем, что перед напылением просветляющего покрытия с поверхности матрицы фоточувствительных элементов в результате обработки низкоэнергетическим потоком положительно заряженных ионов аргона удаляют нарушенный слой необходимой толщины, после чего формируют просветляющее покрытие на основе многослойных интерференционных слоев кремния и двуокиси кремния.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед напылением просветляющего покрытия с поверхности матрицы фоточувствительных элементов в процессе высокочастотного катодного распыления ионами аргона с энергией менее 0,25 кэВ удаляют нарушенный слой толщиной не менее 0,5 мкм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что просветляющее покрытие на основе многослойных интерференционных слоев кремния и двуокиси кремния, где первым адгезионным слоем напыляют двуокись кремния и просветляющее покрытие изготавливают широкополосным с количеством слоев не менее 5, формируют электроннолучевым испарением.