Способ изготовления кремниевого фотодиода Российский патент 2025 года по МПК H10F71/00 

Заявляемое изобретение относится к технологии изготовления кремниевых фотодиодов (ФД), чувствительных к излучению с длинами волн 0,4-1,0 мкм и изготавливаемых на кремнии n-типа проводимости. Они предназначены для использования в многоспектральных фотоприемных устройствах, где наряду с кремниевым фотодиодом используются фотоприемники, работающие в длинноволновой части спектра (>2 мкм). Для применения в указанных устройствах кремниевый фотодиод должен обеспечивать пропускание указанного излучения для обеспечения чувствительности следующих за ним фотоприемников.

Известен патент №2169412 с приоритетом от 05.10.1999 г., Вовк О.В. Способ изготовления фотодиода, в котором описана технология ФД, содержащая эпитаксиальную структуру n-n⁺ с фоточувствительными элементами в виде планарных р⁺-n переходов.

Известна техническая документация АГЦ 3.368.253 ТУ на фотодиод ФД 297М, г. Москва, ВИМИ, 992, способ изготовления которого принят в качестве ближайшего аналога. В подложке из монокристаллического кремния n-типа проводимости с помощью диффузии бора через пленку двуокиси кремния (SiO₂) сформированы фоточувствительные области р⁺-типа проводимости. На другой стороне подложки диффузией фосфора сформирован слой n⁺-типа проводимости для геттерирования загрязняющих примесей. Создание двухслойных омических контактов к фоточувствительной р⁺-области и контактному слою n⁺-типа проводимости осуществляется путем нанесения пленки алюминия.

Недостатком этого способа изготовления является поглощение длинноволнового ИК-излучения на свободных носителях заряда в сильнолегированных диффузионных слоях n⁺-типа. Это особенно негативно сказывается на чувствительности многоспектральных фотоприемных устройств (ФПУ) в длинноволновом диапазоне спектра, в состав которого входит кремниевый фотодиод.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение поглощения длинноволнового РЖ-излучения в сильнолегированных диффузионных слоях кремниевого фотодиода для улучшения параметров многоспектральных ФПУ.

Технический результат достигается тем, что после проведения следующих высокотемпературных термодиффузионных процессов для создания структуры ФД:

- термического окисления,

- диффузии бора для создания областей р⁺-типа проводимости (фоточувствительных площадок),

- диффузии фосфора в лицевую поверхность пластины для создания омического контакта к n-области (подложке), проводится ионная имплантация аргона с дозой 2⋅10¹⁵ ион/см² и энергией 100 кэВ в тыльную поверхность образца с последующим отжигом пластин со сформированными структурами при температуре 850°С с медленным охлаждением (<3 К/мин).

Исключение в структуре фотодиода n⁺-слоя с обратной стороны фотодиода приводит к уменьшению поглощения длинноволнового ИК-излучения (фиг. 1). На фиг.1 показаны спектры пропускания излучения с n⁺-слоем с обратной стороны образца и без него. Наблюдается увеличение пропускания ИК-излучения, особенно значительное в диапазоне более 2,5-3,5 мкм и более 6 мкм. Локальный пик поглощения на длине волны 9 мкм связан с поглощением на атомах кислорода, растворенного в кремнии при его выращивании методом Чохральского.

Нарушенный слой, создаваемый имплантацией ионов аргона на тыльной поверхности образца, обеспечивает высокую растворимость загрязняющих примесей на тыльной стороне образца при последующем отжиге.

Отжиг образцов при 850°С с медленным охлаждением (<3 К/мин):

- обеспечивает диффузию загрязняющих примесей к нарушенному слою, их захват нарушенным слоем для очистки от этих примесей объема образца, что обеспечивает низкие значения темновых токов,

- приводит к восстановлению кристаллической решетки в области нарушенного слоя.

Результатом является значительное увеличение пропускания длинноволнового ИК-излучения (>2 мкм) с сохранением низких значений темновых токов за счет геттерирования загрязняющих примесей нарушенным слоем, созданным имплантацией ионов аргона.

Сущность изобретения поясняется схемой, на которой представлены последовательности термодиффузионных процессов, используемые при изготовлении аналога и - в предлагаемом изобретении.

Результаты предлагаемого изобретения были использованы при изготовлении фотоприемного устройства (ФПУ) ФЭПП многоспектральный ФМ-112, в котором на одной оптической оси последовательно расположены кремниевый фотодиод (ФД) и фоторезистор на сульфиде свинца (ФР). При использовании в ФПУ ФД, изготавливаемого по технологии прототипа, наблюдалось уменьшение фоточувствительности ФР в 5-6 раз по сравнению с измеренным без ФД. Применение в ФПУ ФД, изготавливаемого по технологии прототипа, но со стравливанием n⁺-слоя с тыльной поверхности образца, приводило к увеличению темновых токов ФД до значений 5⋅10^-11-10^-10А. Применение ФД, изготавливаемого по технологическому маршруту, описанному в предлагаемом изобретении, позволило увеличить фоточувствительнось ФР в ФПУ в 5-6 раз при снижении темновых токов ФД до значений 10^-12-10^-11А.

Изобретение относится к технологии изготовления кремниевых фотодиодов (ФД), чувствительных к излучению с длинами волн 0,4-1,0 мкм и изготавливаемых на кремнии n-типа проводимости. Они предназначены для использования в многоспектральных фотоприемных устройствах (ФПУ), где наряду с кремниевым фотодиодом используются фотоприемники, работающие в длинноволновой части спектра (>2 мкм). Для применения в указанных устройствах кремниевый фотодиод должен обеспечивать пропускание указанного излучения для обеспечения чувствительности следующих за ним фотоприемников. Способ изготовления кремниевого фотодиода включает процессы термического окисления, диффузии бора для формирования областей р⁺-типа проводимости, диффузии фосфора в лицевую поверхность пластины для создания контакта к n-области (подложке) и процессы формирования омических контактов, при этом для уменьшения поглощения излучения в сильнолегированных диффузионных слоях и сохранения низкого уровня темновых токов после выполнения указанных термических процессов до формирования омических контактов проводится ионная имплантация аргона с дозой 2⋅10¹⁵ ион/см² и энергией 100 кэВ в тыльную поверхность образца с последующим отжигом пластин со сформированными структурами при температуре 850°С с медленным охлаждением (<3 К/мин). Изобретение обеспечивает уменьшение поглощения длинноволнового ИК-излучения в сильнолегированных диффузионных слоях кремниевого фотодиода для улучшения параметров многоспектральных ФПУ. 2 ил.

Способ изготовления кремниевого фотодиода, включающий процессы термического окисления, диффузии бора для формирования областей р⁺-типа проводимости, диффузии фосфора в лицевую поверхность пластины для создания контакта к n-области - подложке и процессы формирования омических контактов, отличающийся тем, что для уменьшения поглощения излучения в сильнолегированных диффузионных слоях и сохранения низкого уровня темновых токов после выполнения указанных термических процессов до формирования омических контактов проводится ионная имплантация аргона с дозой 2⋅10¹⁵ ион/см² и энергией 100 кэВ в тыльную поверхность образца с последующим отжигом пластин со сформированными структурами при температуре 850°С с медленным охлаждением <3 К/мин.