Усовершенствование и унификация базовой имплантационной технологии фотодиодов из антимонида индия

Актуальность темы

.

В настоящее время для детектирования инфракрасного излучения в спектральном диапазоне длин волн (1+5,5) мкм используются фотодиоды (ФД) из антимонида индия. Такие ФД широко применяются в медицинских тепловизорах, спектрофотометрах, спектрометрах Фурье, анализаторах газов и в приборах специального назначения. Технология производства ФД из 1п8Ь прошла длинный эволюционный путь к современной базовой имплантационной, минуя сплавные и эпитаксиальные методы формирования р-и-переходов, а затем и диффузионные. Технология изготовления ФД с применением ионной имплантации обладает рядом таких неоспоримых преимуществ как возможность создания мелкозалегающих /?-я-переходов, контроля профиля концентрации примеси, воспроизведения практически любой конфигурации и размерности фоточувствительного элемента.

Современная базовая имплантационная технология разработана совместно ГНЦ РФ ФГУП «НПО «Орион» и ОАО «Московский Завод «Сапфир», где она и применяется для производства ФД из 1п8Ь начиная с 1988 года. Концептуальными особенностями этой технологии являются:

— Применение локальной имплантации ионов Ве+ для создания малоразмерного планарного р±я-перехода.

— Отжиг осуществляется в стационарном режиме, проводимом в диффузионной печи при Т=375°С в течение 30 минут под капсулирующей пленкой 8Ю2.

— Защита поверхности осуществляется двухслойным диэлектрикомвыращенной собственной анодной окисной плёнкой (АОП) и напыляемым затем слоем 8ЮХ.

— Металлизация осуществляется нанесением слоя Сг+Аи.

— Важным элементом базовой топологии является охранное кольцо (ОК), представляющее собой дополнительный короткозамкнутый р±п-переход, окаймляющий площадку, линейку или матрицу площадок.

Опыт многолетнего производства фотодиодов из ЪгёЬ по базовой планарной имплантационной технологии, а также научно-исследовательские работы, проводимые в центральном конструкторском бюро ОАО «Московский Завод «Сапфир», позволили определить ряд технических проблем, в рамках которых целесообразно усовершенствование серийной технологии.

Во-первых, процесс постимплантационного отжига, осуществляемый в стационарном режиме, требует наличия капсулирующей пленки 8Ю2, наносимой низкотемпературным окислением токсичного моносилана. Сам отжиг осуществляется в атмосфере взрывоопасного водорода. Поэтому актуальной задачей является разработка альтернативных, более технологичных процессов отжига, не требующих применения токсичных и взрывоопасных газов.

Во-вторых, нерешённой до настоящего времени задачей является отслоение защитной плёнки 8ЮХ от АОП. По этой причине в осенне-зимний период бракуется до 20% фотодиодных кристаллов, а в жаркие летние месяцы производство полностью останавливается. Поэтому чрезвычайно актуален поиск путей устранения или ослабления этого явления.

В-третьих, к моменту начала работы над диссертацией, по радиационно-сплавной технологии изготавливался растровый двухплощадочный ФД в составе ФПУ БС-19. Задача перевода этого прибора на базовую имплантационную технологию важна для унификации технологии всей производимой продукции, что позволит снизить себестоимость, упростить технологии, повысить выход годных, экономить материалы и электроэнергию, а также улучшить фотоэлектрические параметры приборов.

Актуальной задачей является создание матричного фотоприемного устройства (ФПУ) на основе 1п8Ь. Так как в технологии матричных ФПУ засветка осуществляется с обратной р-и-переходу стороны (со стороны базы), то к толщине базовой области матричного кристалла предъявляется требование меньше диффузионной длины носителей заряда, составляющей менее 15мкм. Получить подобную пластину из объемного монокристалла затруднительно технически и достаточно трудозатратно. Поэтому в рамках планарной имплантационной технологии перспективным направлением для изготовления матричных кристаллов является замена исходных пластин 1п8Ь на эпитаксиальные пленки с оптически прозрачными подложками.

Цель данной работы — усовершенствование и унификация базовой имплантационной технологии фотодиодов из антимонида индия.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

1. Исследование особенностей превращения дефектной структуры имплантированных слоев и разработка режимов имплантационного легирования с применением постимплантационного импульсного фотонного отжига излучением галогенных ламп.

2. Изучение особенностей отслоений покрытий на кристаллах приборных структур, разработка модели и предложений по повышению адгезионной прочности пленок на ионно-легированных приборных структурах.

3. Показать возможности и преимущества унификации базовой имплантационной технологии для ФД, производимых по технологии-предшественнице.

4. Определение возможности применения эпитаксиальных пленок, выращенных продольной кристаллизацией на сапфире, для изготовления фотодиодов.

Научная новизна работы.

1. Установлено, что наиболее эффективный отжиг дефектов структуры имплантированного ионами Ве+ слоя 1п8Ь с применением излучения галогенных ламп происходит при двухстадийном режиме. Разработаны модельные представления этого явления.

2. Обнаружено положительное влияние предварительной имплантации кристалла и последующего отжига, произведенных до формирования анодной окисной пленки, на прочность адгезии пленки 8ЮХ к анодной окисной пленке. Описаны модельные представления этого явления.

3. Определены при исследованиях металлургической границы ионнолегированных //-«-переходов методом наведенного тока значения диффузионной длины дырок в базовой области и за планарной границей р±п-перехода в зависимости от степени легирования исходных кристаллов.

Практическая значимость.

1. Разработана методика экспресс-оценки эффективности отжига радиационных дефектов, заключающаяся в измерении напряжения термо-э.д.с. на легированном слое и расчете по этому напряжению значения концентрации основных носителей заряда.

2. Определены режимы импульсного фотонного отжига, позволяющие получить наилучшие структурные свойства слоев 1п8Ь р-типа проводимости, имплантированных ионами Ве+.

3. Предложены рекомендации по топологии имплантированной ионами Ве+ области для повышения прочности адгезии пленки 8ЮХ в приборных структурах.

4. Установлены пределы возможного практического применения эпитаксиальных пленок, полученных продольной кристаллизацией на сапфире, для создания матричного фотоприемного устройства на ¡-пБЬ.

Работа выполнена на кафедре «Материалы микро-, оптои наноэлектроники» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова» (МИТХТ) и в ОАО «Московский завод «Сапфир».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований и модельные представления особенностей импульсного фотонного отжига дефектов, образованных имплантацией ионов Ве+ в кристаллы 1п8Ь при малых дозах и энергиях. Режимы изготовления слоев р-типа проводимости на 1п8Ь с применением импульсного фотонного отжига, рекомендуемые к внедрению в серийное производство.

2. Результаты исследований прочности адгезии защитной пленки 8ЮХ к анодной окисной пленке и модельные представления о механизме повышения прочности адгезии. Рекомендации в серийную технологию по повышению прочности адгезии защитной пленки 8ЮХ на кристаллах приборных структур.

3. Предложения по унификации технологии изготовления серийного фотодиода ФПУ БС-19 и результаты сравнительного исследования приборов, изготовленных по предложению и по технологии-предшественнице.

4. Результаты исследования возможности применения эпитаксиальных пленок, полученных продольной кристаллизацией на сапфире, для изготовления планарного малоразмерного фотодиода.

Личный вклад.

Участие в постановке задач исследований, измерениях, обработка и интерпретация полученных результатов.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на I Всероссийской конференции «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Нижний Новгород, 2006).

Публикации.

По результатам диссертационной работы имеется 4 публикации. Заявка на изобретение.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 135 страниц машинописного текста, содержит 12 таблиц и 36 рисунков.

Выводы по работе.

1. Разработана методика экспресс-контроля результатов отжига радиационных дефектов в слоях 1п8Ь, имплантированных ионами Ве+, по измеренному напряжению термо-э.д.с.

2. Показано, что наиболее эффективный отжиг радиационных дефектов, образованных при имплантации кристаллов 1п8Ь ионами Ве+ с энергией не.

1А О более 40 кэВ и дозой не более 1,2−10 см' происходит при двухстадийном режиме отжига. Полученные данные позволяют сделать вывод о наличии в имплантированном слое двух типов дефектов донорного типа, компенсирующих проводимость р-типа, обусловленную электрически активными атомами Ве:

1) скопления У1п (вакансий в позициях 1п);

2) ассоциаты точечных дефектов, в состав которых могут входить ¥-'1п и.

1п], 8Ь, Ве] (атомы Ве, 1п и 8Ь в междоузельных позициях).

3. Определены режимы и условия импульсного фотонного отжига для использования в серийной технологии: двухстадийный режим со следующими параметрами:

1-ая стадия: температура образца в импульсе Т1=300−330°С при длительности импульса Т1=(40−120)с;

2-ая стадия: температура образца в импульсе Т2=385−400°С при длительности импульса т2=(10−20)с.

4. Проведены исследования фотодиодов, изготовленных с применением ИФО, и показано преимущество структурных свойств //-«-переходов таких ФД. Определены характерные значения диффузионной длины в базовой области и на переферии//-«-переходов:

— диффузионная длина дырок в базе для исходных кристаллов марок ИСЭ-0, ИСЭ-1 и ИСЭ-2 В составляет не менее 10 мкм, а для кристаллов марки ИСЭ-3 — около 5 мкм;

— диффузионная длина дырок вблизи поверхности за пределами планарной границы р±п перехода составляет 8−10 мкм независимо от марки использовавшихся кристаллов.

5. Изучены особенности отслоения пассивирующих слоев 8ЮХ от защитной анодной окисной пленки. Обнаружено положительное влияние имплантации ионов Ве+ и последующего отжига на прочность адгезии слоя 8ЮХ к АОП, выращенной на таком кристалле. Развиты модельные представления этого явления. Разработаны рекомендации по повышению прочности адгезии для внедрения в серийную технологию, которые заключаются в проведении имплантации ионов бериллия по всей поверхности кристалла за пределами планарных границ рабочих р±п-переходов и отжига с последующим стравливанием тонкого слоя кристалла.

6. Показаны возможность и преимущества замены радиационно-сплавной технологии, применяемой для изготовления серийно выпускаемых фотодиодов ФПУ БС-19, на базовую имплантационную. Изучены В АХ, спектральные характеристики, спектральные плотности мощности шума и фотоэлектрические параметры приборов, изготовленных по технологии-предшественнице, в сравнении с приборами, произведенными по имплантационной технологии. Показано, что унификация привела к повышению в 2−3 раза пороговых параметров, увеличению термостойкости, повышению квантовой эффективности, снижению темновых токов, увеличению пробивных напряжений и повышению выхода годных ФД. Унифицированная технология фотодиодов и ФПУ БС-19 внедрена в производство.

7. Показано, что фотодиоды, изготовленные на эпитаксиальных пленках 1п8Ь, полученных продольной кристаллизацией на сапфире, по сигналам, шумам и пороговой чувствительности в 2−3 раза уступают приборам, изготовленным по серийной технологии на объемных монокристаллах. Причина заключается в зернистости и внутренних механических напряжениях пленок, получаемых продольной кристаллизацией.