Способ изготовления фотодиодной матрицы Российский патент 2025 года по МПК H10F71/00 

Предлагаемое изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, чувствительных к инфракрасному излучению, в частности одно- и многоэлементных фотодиодов на антимониде индия (InSb), и может быть использовано при изготовлении линейных и матричных структур фотодиодов.

Изготовление фоточувствительных элементов, в том числе на основе узкозонных материалов, таких как антимонид индия, представляет собой комплексную технологическую задачу, включающую множество этапов. Одним из ключевых этапов изготовления является пассивация поверхности фоточувствительных элементов различными диэлектрическими покрытиями. Затем следует этап вскрытия окон (область на меза-структуре размером 5×5 мкм, сформированное методом фотолитографии). Вскрытие осуществляют с помощью травления через предварительно сформированную фоторезистивную маску, которое осуществляется либо плазмохимическим методом, либо жидкостным травлением.

Пассивация фоточувствительных элементов диэлектрическими покрытиями влияет на электрофизические характеристики фотодиодных матриц, в том числе, уровень темнового тока и количество дефектных элементов при рабочем напряжении смещения. Качество границы раздела диэлектрик/полупроводник определяет стабильность и надежность фотоприемных устройств. Разработка надежных способов формирования границ раздела диэлектрик/полупроводник, при которых обеспечивается низкое (менее 10¹¹ см^-2 эВ^-1) и равномерное распределение плотности интерфейсных состояний (D_it), является сложной технологической задачей. Широко применяются в технологии изготовления матричных фоточувствительных элементов такие диэлектрические покрытия как SiO_x, SiO₂. Качество пассивации фоточувствительных элементов на основе антимонида индия во многом зависит от температуры осаждения диэлектрической пленки. Уменьшение температуры процесса приводит к снижению плотности поверхностных состояний. Однако формирование диэлектрических пленок на основе оксидов кремния проводят при температурах не менее 100°С. Лучшими показателями диэлектрической проницаемости среди серийно используемых пассивирующих покрытий имеют такие материалы как Si₃N₄ и Al₂O₃, однако их формирование требует достаточно сложных технологических процессов.

Формирование же диэлектрической пленки ZnS методом электроннолучевого испарения (ЭЛИ) возможно проводить при комнатной температуре, используя относительно простое технологическое оборудование.

В зависимости от используемого диэлектрического покрытия выбирают различные способы вскрытия «окон» в диэлектрическом покрытии. Эта операция необходима для последующего формирования металлического контакта к р-области р-n перехода. При использовании жидкостного травления для операции «вскрытия окон» необходимо учитывать клин травления, неравномерность края травления, скорость и технологичность процесса. При использовании плазмохимического травления необходимо учитывать селективность травления слоя диэлектрика по отношению к основному материалу. Так при использовании диэлектрического слоя SiO_x вскрытие окон осуществляется с помощью плазмо-химического травления (ПХТ) в плазме CF₄/O₂. Однако все вышеперечисленные способы не подходят для вскрытия окон в диэлектрическом слое ZnS.

Целью данного изобретения является создание фотодиодной матрицы с улучшенной равномерностью распределения плотности состояний (D_it) на границе раздела диэлектрик-полупроводник.

Техническим результатом является уменьшение количества технологических операций при изготовлении фотодиодной матрицы за счет использования процесса пассивации ZnS методом электронно-лучевого испарения (ЭЛИ) и формирования «окон» в диэлектрическом слое ZnS методом «взрывной» литографии с достижением улучшенной равномерностью плотности состояний на границе раздела диэлектрик-полупроводник.

В патенте на изобретение [US 10297708] приводятся данные по формированию диэлектрического слоя ZnS методом атомно-слоевого осаждения (АСО) на различные полупроводниковые материалы, в том числе антимонид индия. Однако в данном патенте не описан способ изготовления фоточувствительного элемента и нет информации по формированию окон в диэлектрическом покрытии. Кроме того, сам диэлектрический слой сформирован относительно трудоемким способом атомно-слоевого осаждения (АСО).

В статье [S. Park, D. Choi, Н. Park, D. Moon/ Suppression of surface leakage current in InSb photodiode by ZnS passivation /Int. J. Nanotechnol., Vol. 13] приводится информация по характеризации слоя ZnS, сформированного методом электронно-лучевого испарения на подложку антимонида индия, однако дальнейшее изготовление фоточувствительного элемента и операция вскрытия окон не описана.

Наиболее близким аналогом предложенного способа является способ изготовления фотодиодов на антимониде индия n-типа проводимости, описанный в авторском свидетельстве [SU 1589963 A1 (H01L 31/18, 26.09.1988)]. В известном способе проводилось изготовление фотодиодов на антимониде индия n-типа проводимости, включающем подготовку поверхности исходной пластины антимонида индия, формирование легированных областей р-типа проводимости, анодное окисление, приводящееся в гальваностатическом режиме при плотности тока 0,02-0,5 мА/см², в электролите, содержащем в качестве электропроводной добавки сернистый натрий в количестве 0,1 М, а в качестве органического растворителя изопропиловый спирт, нанесение пассивирующего диэлектрика и формирование контактной системы.

Недостатком данного способа является использование гибридного диэлектрического покрытия, в котором применяется анодное окисление, при котором получается неравномерным распределение плотности состояний на границе раздела D_it.

Задачей изобретения является создание фотодиодной матрицы с улучшенной равномерностью распределения плотности состояний на границе раздела D_it и уменьшение количества технологических операций.

Решение поставленной задачи и получение технического результата обеспечивается за счет того, что способ изготовления фотодиодной матрицы включает подготовку поверхности исходной пластины антимонида индия n-типа проводимости, формирование легированных областей р-типа проводимости с постимплантационным отжигом, нанесение диэлектрической пленки и формирование контактной системы, после проведения постимплантационного отжига - удаление собственного оксидного слоя пластины антимонида индия n-типа проводимости в разбавленном растворе 1:10 концентрированной фтороводородной кислоты, формирование меза-элементов с помощью последовательности действий, включающей формирование фоторезистной маски с заданной топологией, химическое травление и операцию «вскрытие окон» методом «взрывной» фотолитографии, при этом в качестве диэлектрической пленки наносят диэлектрический слой ZnS толщиной 100-500 нм.

Для оценки качества пассивации были изготовлены МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) структуры, необходимые для проведения измерений вольт-фарадным методом распределения плотности состояний (D_it), следующим образом.

Изготовление МДП включает в себя всю последовательность операций изготовления матрицы, за исключением операции формирования легированных областей р-типа проводимости с постимплантационным отжигом. Поэтому описание операций по изготовлению МДП является одновременно более подробным описанием и существенных признаков заявляемого изобретения.

Проводят подготовку поверхности исходной пластины антимонида индия n-типа, в частности, посредством химико-механического и химико-динамического полирования. Собственный оксидный слой удаляют в разбавленном растворе 1:10 концентрированной фтороводородной кислоты (HF, 45% масс, о.с.ч.) в деионизованной воде в течение 30 секунд.

Формируют меза-элементы с помощью последовательности действий:

- формирование фоторезистной маски с заданной топологией;

- химическое травление.

Химическое травление осуществляют посредством меза-травителя при следующем соотношении компонентов (объемные доли): 2 части 46% плавиковой кислоты ОСЧ, 2 части 30% перекиси водорода ОСЧ и 450 частей деионизованной воды. После травления образцы промывались в деионизованной воде в течение 5 минут и высушивались чистым газообразным азотом.

Проводят операцию «вскрытия окон» методом «взрывной» фотолитографии, включает в себя следующую последовательность действий:

- формируют фоторезистную маску с заданным топологическим рисунком для дальнейшего создания окон в диэлектрической пленке;

- методом электронно-лучевого испарения формируют диэлектрическую пленку ZnS на пластине антимонида индия n-типа толщиной 100-500 нм;

- пластину погружают в диметилформадид (ДФМА), после чего слой ZnS вместе с фоторезистом удаляется там, где согласно топологическому рисунку, должно быть вскрыто «окно» - этап проведения «взрывной» фотолитографии.

После операции «вскрытия окон» формируют контактную систему.

С помощью установки Keithley 4200A-SCS Parameter Analyzer оценивались величины фиксированного в диэлектрике заряда и плотности состояний на границе раздела методом вольт-фарадных характеристик (C-V характеристик). Измерения проводили при температуре жидкого азота. Измерения проводились при отсутствии внешней засветки на частотах от 1 кГц до 1 МГц со скоростью развертки 0,1 В/с.

Характеристики диэлектрических слоев ZnS, полученных методом ЭЛИ, сравнивались с диэлектрическими характеристиками образцов, полученных по способу, описанному в прототипе.

На рисунке показана типичная вольт-фарадная характеристика (C-V характеристика).

На оси абсцисс показано изменение напряжения, на оси ординат - изменение емкости. Кривая 1 показывает изменение емкости в зависимости от приложенного напряжения от - 4 В до +3 В, кривая 2 - изменение емкости в зависимости от приложенного напряжения от +3 В до - 4 В.

Проведено сравнение среднего значения плотности состояний на границе раздела D_it диэлектрических покрытий по площади пластины, изготовленных по способам, показанным в заявляемом способе и в прототипе.

Для образцов, диэлектрическое покрытие которых изготавливалось по заявляемому способу, разброс D_it не превышает 7% против 16% для образцов, диэлектрическое покрытие, которое изготавливалось по способу в прототипе.

Таким образом, диэлектрическое покрытие, сформированное по заявляемому способу, имеет более высокую однородность, следовательно повышается качество изготавливаемой фотодиодной матрицы.

Количество технологических операций уменьшается из-за того, что операция анодного окисления не требуется и не проводится.

Пример осуществления.

Фотодиодная матрица была изготовлена путем обработки поверхности подложки антимонида индия (нелегированных пластин InSb ориентации (100) n-типа с концентрацией носителей заряда ~ 5×10¹⁴ см^-3) с применением химико-механического и химико-динамического полирования, после чего проводился стандартный процесс фотолитографии. Проводят легирование областей р-типа проводимости с постимплантационным отжигом.

Постимплантационный отжиг проводят в интервале температуры от 200 до 500°С. Таким образом происходит формирование локального р-n перехода на подложке антимонида индия. Химическое травление осуществлялось посредством меза-травителя при следующем соотношении компонентов (объемные доли): 2 части 46% плавиковой кислоты ОСЧ, 2 части 30% перекиси водорода ОСЧ и 450 частей деионизованной воды. После травления образцы промывались в деионизованной воде в течение 5 минут и высушивались чистым газообразным азотом. Затем формировали фоторезистную маску с заданным топологическим рисунком для дальнейшего создания окон в диэлектрическом покрытии. Методом электронно-лучевого испарения формировали диэлектрический слой ZnS толщиной 100-500 нм на пластине антимонида индия n-типа.

Затем пластину погружали в ДФМА, после чего слой ZnS вместе с фоторезистом удалялся. После операции «вскрытия окон» формировали контактную систему.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, чувствительных к инфракрасному излучению. Способ изготовления фотодиодной матрицы согласно изобретению включает подготовку поверхности исходной пластины антимонида индия n-типа проводимости, формирование легированных областей р-типа проводимости, постимплантационный отжиг, нанесение диэлектрического слоя ZnS толщиной 100-500 нм, при этом после проведения постимплантационного отжига удаляют собственный оксидный слой пластины антимонида индия n-типа проводимости в разбавленном растворе 1:10 концентрированной фтороводородной кислоты, формируют меза-элементы с помощью последовательности действий, включающих формирование фоторезистной маски с заданной топологией, химическое травление и операцию «вскрытие окон» методом «взрывной» фотолитографии. Изобретение обеспечивает возможность создания матричного фоточувствительного элемента с улучшенной равномерностью распределения плотности состояний на границе раздела диэлектрик-полупроводник и уменьшенным количеством технологических операций. 1 ил.

Способ изготовления фотодиодной матрицы, включающий подготовку поверхности исходной пластины антимонида индия n-типа проводимости, формирование легированных областей р-типа проводимости с постимплантационным отжигом, нанесение диэлектрической пленки и формирование контактной системы, отличающийся тем, что после проведения постимплантационного отжига удаляют собственный оксидный слой пластины антимонида индия n-типа проводимости в разбавленном растворе 1:10 концентрированной фтороводородной кислоты, формируют меза-элементы с помощью последовательности действий, включающих формирование фоторезистной маски с заданной топологией, химическое травление и операцию «вскрытие окон» методом «взрывной» фотолитографии, при этом в качестве диэлектрической пленки наносят диэлектрический слой ZnS толщиной 100-500 нм.