СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЕНСОРА ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СВЕТА Российский патент 2024 года по МПК H01L21/02 G01T1/24 

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, предназначенных для преобразования воздействия ионизирующего излучения и света в электрический сигнал. В частности, изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых чувствительных элементов, представляющих собой p-i-n-диод, предназначенный для использования в различных системах измерения уровней радиации и регистрации фотонов света. В настоящее время сенсоры на основе p-i-n-диодов продолжают совершенствоваться с учетом современных достижений технологии микроэлектроники.

Из уровня техники известен патент, способ изготовления фотодиода (ФД), в котором описана технология изготовления ФД, с фоточувствительными областями в виде планарных р+-n-переходов /1/. Планарный р+-n-переход изготавливается диффузией бора в кремнии n-типа, что ведет к более высокому уровню загрязнения БДП, чем создание р+-n-перехода при помощи ионной имплантации бора, так как современное имплантационное оборудование имеет очень низкий уровень загрязнения металлами и с помощью этого оборудования очень просто получать контролируемый имплантационный профиль.

При диффузии бора формируется профиль, максимум концентрации которого находится на поверхности кремния. При последующей разгонке в инертной среде, кислородосодержащей среде или при диффузии фосфора часть бора уходит на границу раздела при этом он становится неактивным /2/. Максимальная концентрация бора смещается в глубину кремниевой пластины, а на поверхности формируется слой, обедненный бором. В результате такого профиля формируется поле, препятствующее прохождению дырок через границу раздела, и часть этих дырок будет рекомбинировать в этом месте, что приводит к уменьшению амплитуды электрического сигнала. Поэтому стараются создать такой профиль рапределения бора, при котором максимум концентрации находится на границе раздела SiO₂ - Si, и последующие термообработки не влияют (на максимум профиля). Проще всего получать такой профиль при имплантации бора, регулируя энергию ионов так, чтобы максимум попал на границу раздела.

В данном патенте не указан, какой метод выращивания кремния применяется для изготовления используемых в технологическом процессе пластин. Поэтому, в случае изготовления p-i-n-диода на высокоомном кремнии, выращенного методом Чохральского, который содержит кислород в больших концентрациях, при температуре 650°С образуются вторичные термодоноры, которые могут влиять одновременно на проводимость подложки и снижать времени жизни неосновных носителей заряда, что приводит к увеличению тока утечки /3/.

Известен патент технология изготовления кремниевых p-i-n фотодиодов, чувствительных к излучению с длинами волн 0,9-1,06 мкм /4/. При данной длине волны поглощение света в кремнии происходит от нескольких десятков микрон до сотен микрон /5/. Образование внутренних стоков (центров) в объеме пластины, на которых будет сегрегировать БДП приведет к дополнительным генерационно-рекомбинационным центрам, что увеличит ток утечки. Формирование р+-области после удаления n+-слоя приведет к дополнительным загрязнениям, которые слабо будут геттерироваться, так как сам р+-слой, образованный бором, не обладает такими геттерирующими свойствами, как слой фосфора.

Известен патент на способ изготовления сенсора ионизирующего излучения, принятый нами за прототип. Недостатком данного способа изготовления является то, что на линии реза присутствует р+слой, из которого может происходить инжекция носителей заряда в область пространственного заряда (ОПЗ) регистрирующего р-n перехода /6/. Чтобы этого не происходило, необходимо увеличивать расстояние от последнего охранного кольца до линии реза, что приводит к увеличению «мертвого» пространства, которое необходимо для регистрации ионизирующего излучения и фотонов света.

Ограничение по энергии имплантации фосфора и бора приводит к дополнительным операциям по защите обратной стороны пластины от механических повреждений, которые могут попасть в ОПЗ, что может привести к увеличению токов утечки.

Отсутствие операции устранения рисок и царапин, которые могут оставаться после процесса химико-механической полировки, на которых, если они не отожгутся в процессах окисления или в различных отжигах, может сегрегировать БДП, что приведет к увеличению токов утечки или к микроплазменному пробою.

Такие операции, как отмывка в Каро и в аммиачно-перекисном растворе, связаны с подкислением поверхности кремниевой пластины. Этот окисел содержит БДП, которые есть в исходных химических реактивах. Если окисел не убрать, то из него происходит загрязнение объема кремниевой пластины, что приводит к дополнительному росту тока утечки.

Задачей изобретения является повышение эффективности серийного изготовления сенсора для регистрации ионизирующего излучения и фотонов света.

Сущность изобретения состоит в том, что способ изготовления сенсора ионизирующего излучения и света, включающий травление кремния на полупроводниковой пластине, вырезанной из слитка сверхчистого кремния n-типа проводимости, химическую отмывку полупроводниковой пластины, формирование слоя окисла кремния термическим окислением в атмосфере сухого кислорода с добавлением хлорсодержащего компонента, имплантацию ионов примеси р-типа в рабочую сторону пластины и ионов примеси n-типа в нерабочую сторону пластины, вторую химическую отмывку, нанесение слоя алюминия, двухстадийный постимплантационный отжиг, отличающийся тем, что обе химические отмывки пластины проводятся в растворе разбавленной плавиковой кислоты, второе окисление производится в две стадии: первая стадия проводится в атмосфере сухого кислорода, включающей хлорсодержащий компонент; вторая стадия проводится в атмосфере азота с добавлением кислорода, включающей хлорсодержащий компонент, после чего проводится диффузия примеси n-типа и последняя имплантация примесей р-типа, далее проводится химическая обработка с финишным освежением в разбавленном растворе плавиковой кислоты в течение не менее 5 секунд, затем производится двухстадийный постимплантационный отжиг: первый отжиг при температуре от 800-900°С и второй отжиг при температуре от 675-775°С в инертной атмосфере или в инертной атмосфере с содержанием кислорода.

При первом отжиге данный диапазон температур необходим одновременно для максимальной активации примеси р-типа и для предотвращения отжига точечных дефектов, которые необходимы для геттерирования БДП во второй стадии. Во втором отжиге данный диапазон температур необходим для оптимального геттерирования внешним геттером БДП.

Использование травления исходной кремниевой пластины позволяет устранить риски и царапины, остающиеся после химико-механической полировки пластины, которые снижают выход годных р-i-n диодов. Использование разбавленного раствора плавиковой кислоты позволяет удалять ионы серы и БДП с поверхности пластины, которые могут оставаться после обработки в растворе Каро. Использование двухстадийного постимплантационного отжига после последней имплантации примеси р-типа, приводит к более полной активации примеси р-типа. При создании n+-слоя на линии реза предпочтительно использовать диффузионный процесс, так как он позволяет создать n+-область на линии реза и на обратной стороне за один процесс, а при удалении ФСС можно получить необходимую толщину тонкого SiO₂ и одновременно n+-слой на обратной стороне, который будет являться геттером для БДП и защитой нерабочей стороны от механических повреждений. Использование химической отмывки перед постимплантационным, активационным отжигом либо в КАРО, либо в АПР, либо вместе, либо отмывку в мегазвуке, но с окончательной отмывкой в разбавленном растворе плавиковой кислоты, снижает ток утечки минимум в 2 раза за счет удаления тонкого окисла, содержащего БДП. В данном способе получения профиля бора с максимальной концентрацией на границе раздела Si-SiO₂ делается с помощью ионной имплантации путем подбора энергии ионов бора или BF2+с последующей активацией примеси при температуре 800-900°С в инертной атмосфере, что обеспечивает активацию примеси примерно 90%. При этом положение максимума распределения примеси не изменяется /7/.

Фиг. 1 - Структура p-i-n-диода, изготовленного по ИДТ, где 1 - охранное кольцо, 2 - тело диода, 3 - дорожка реза n+-типа, 4 - контакты из Al, 5 - геттерирующий слой, 6 - слой диэлектрика SiO₂.

Пример конкретного выполнения

1) Травление кремния на полупроводниковой пластине;

2) Химическая отмывка, включающая освежение в разбавленном растворе плавиковой кислоты;

3) Окисление в атмосфере сухого кислорода и хлорсодержащего компонента;

4) Фотолитография под глубокую имплантацию ионов примеси р-типа;

5) Травление SiO₂;

6) Имплантация ионов примеси р-типа в рабочую сторону;

7) Фотолитография под вскрытие тела диода;

8) Окисление - высокотемпературная разгонка бора: первая стадия в атмосфере сухого кислорода и хлорсодержащего компонента; вторая стадия в атмосфере инертного газа с добавлением кислорода и хлорсодержащего компонента;

9) Фотолитография под n+;

10) Травление SiO₂;

11) Химическая отмывка, включающая освежение в разбавленном растворе плавиковой кислоты;

12) Диффузия примеси n-типа;

13) Удаление ФСС;

14) Имплантация ионов примеси р-типа в рабочую сторону через тонкий диэлектрик;

15) Фотолитография под контакты;

16) Травление SiO₂;

17) Химическая отмывка и освежение в разбавленном растворе плавиковой кислоты

18) Активация примесей р и n типа при температуре 800-900°С;

19) Отжиг для геттерирования БДП на обратную сторону при температуре 675-775°С;

20) Освежение контактов;

21) Напыление Al на обе стороны;

22) Фотолитография по Al;

23) Травление Al;

24) Вжигание Al;

В результате изготовления p-i-n диодов по данной технологии (ИДТ) была получена следующая структура, схематически представленная на фиг. 1.

За счет минимизации количества БДП и других примесей, которые влияют на проводимость подложки, остатков органических загрязнений и остатков приповерхностного нарушенного слоя сокращается количество собственных свободных электронов. При этом более высокая, по сравнению с аналогами, чувствительность определяется тем, что ток утечки не более 5 нА/см², эффективность сбора заряда (уровень сигнала элемента) не менее 99%.

Изобретение представляет собой технологический процесс изготовления сенсора по планарной технологии, позволяющий получить сенсоры с уникально высоким значением времени жизни неосновных носителей заряда, что обеспечивается применением последовательности операций и условий обработки кремниевых пластин.

Источники информации:

1. Патент РФ №2654992.

2. Бубенников A.M. Моделирование интегральных микротехнологий, приборов и схем: Учеб. пособие для спец. «Физика и технология материалов и компонентов электронной техники». - М.: Высш. шк., 1989. - 320 с: ил.

3. Асташенков А.С., Бринкевич Д.И., Петров В.В. Свойства кремния, легированного примесью никеля методом диффузии // Доклады БГУИР. - 2008. - №8. - С. 37-43.

4. Патент РФ №2532594.

5. An Introduction to the Silicon Photomultiplier // SensL. - 2011. - C. 1-16.

6. Патент РФ №2575939. - прототип.

7. Maria Jose Caturla, Mark D. Johnson and T. Diaz de la Rubia The fraction of substitutional boron in silicon during ion implantation and thermal annealing // American Institute of Physics. - 1998. - Vol.72, rn21. - C. 2736-2738.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, предназначенных для преобразования воздействия ионизирующего излучения и света в электрический сигнал. Сенсор для преобразования воздействия ионизирующего излучения и света в электрический сигнал. Способ изготовления сенсора ионизирующего излучения и света, включающий травление кремния на полупроводниковой пластине, вырезанной из слитка сверхчистого кремния n-типа проводимости, химическую отмывку полупроводниковой пластины, формирование слоя окисла кремния термическим окислением в атмосфере сухого кислорода с добавлением хлорсодержащего компонента, имплантацию ионов примеси р-типа в рабочую сторону пластины и ионов примеси n-типа в нерабочую сторону пластины, вторую химическую отмывку, нанесение слоя алюминия, двухстадийный постимплантационный отжиг, при этом обе химические отмывки пластины проводятся в растворе разбавленной плавиковой кислоты, второе окисление производится в две стадии: первая стадия проводится в атмосфере сухого кислорода, включающей хлорсодержащий компонент; вторая стадия проводится в атмосфере азота с добавлением кислорода, включающей хлорсодержащий компонент, после чего проводится диффузия примеси n-типа и последняя имплантация примесей р-типа, далее проводится химическая обработка с финишным освежением в разбавленном растворе плавиковой кислоты в течение не менее 5 секунд, затем производится двухстадийный постимплантационный отжиг: первый отжиг при температуре от 800-900°С и второй отжиг при температуре от 675-775°С в инертной атмосфере или в инертной атмосфере с содержанием кислорода. Изобретение обеспечивает возможность производства высокочувствительного элемента детектора, а также его более простое изготовление на базе планарной технологии. 1 ил.

Способ изготовления сенсора ионизирующего излучения и света, включающий травление кремния на полупроводниковой пластине, вырезанной из слитка сверхчистого кремния n-типа проводимости, химическую отмывку полупроводниковой пластины, формирование слоя окисла кремния термическим окислением в атмосфере сухого кислорода с добавлением хлорсодержащего компонента, имплантацию ионов примеси р-типа в рабочую сторону пластины и ионов примеси n-типа в нерабочую сторону пластины, вторую химическую отмывку, нанесение слоя алюминия, двухстадийный постимплантационный отжиг, отличающийся тем, что обе химические отмывки пластины проводятся в растворе разбавленной плавиковой кислоты, второе окисление производится в две стадии: первая стадия проводится в атмосфере сухого кислорода, включающей хлорсодержащий компонент; вторая стадия проводится в атмосфере азота с добавлением кислорода, включающей хлорсодержащий компонент, после чего проводится диффузия примеси n-типа и последняя имплантация примесей р-типа, далее проводится химическая обработка с финишным освежением в разбавленном растворе плавиковой кислоты в течение не менее 5 секунд, затем производится двухстадийный постимплантационный отжиг: первый отжиг при температуре от 800-900°С и второй отжиг при температуре от 675-775°С в инертной атмосфере или в инертной атмосфере с содержанием кислорода.