ITUB20154111A1 - Fotodiodo a valanga in carburo di silicio per la rilevazione di radiazione ultravioletta e relativo procedimento di fabbricazione - Google Patents

Fotodiodo a valanga in carburo di silicio per la rilevazione di radiazione ultravioletta e relativo procedimento di fabbricazione Download PDF

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Massimo Cataldo Mazzillo
Antonella SCIUTO
Dario Sutera
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St Microelectronics Srl
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Description

DESCRIZIONE
"FOTODIODO A VALANGA IN CARBURO DI SILICIO PER LA RILEVAZIONE DI RADIAZIONE ULTRAVIOLETTA E RELATIVO PROCEDIMENTO DI FABBRICAZIONE"
La presente invenzione è relativa ad un fotodiodo a valanga in carburo di silicio per la rilevazione di radiazione ultravioletta e al relativo procedimento di fabbricazione .
Come è noto, nel campo tecnico della rivelazione di fotoni, è sentita l'esigenza di avere dispositivi che consentano di rilevare radiazione elettromagnetica ultravioletta con elevata sensibilità, dunque capaci di rilevare un numero anche limitato di fotoni ultravioletti. A tal proposito, la regione spettrale della radiazione ultravioletta è compresa tra lOOnm e 400nm.
Ad esempio, 1'articolo "High-Temperature Single Photon Detection Performance of 4H-SÌC Avalanche Photodiodes", di Dong Zhou et al., IEEE Photonics Technology Lettere, voi.26, no.11, 1 giugno 2014, descrive un fotodiodo in carburo di silicio, in cui il confinamento laterale del campo elettrico è ottenuto mediante adozione di una cosiddetta struttura del tipo cosiddetto "beveled mesa". Tale fotodiodo si caratterizza per ridotte correnti di buio (''dark current"), grazie alla ridotta generazione termica all'interno del carburo di silicio; inoltre, tale fotodiodo è particolarmente adatto a rilevare radiazione ultravioletta, dal momento che esibisce un'intrinseca insensibilità nel visibile. Tuttavia, 1'implementazione di una struttura mesa comporta l'impossibilità di formare, ad esempio, un rilevatore con alto fattore di riempimento (''fili factor").
Scopo della presente invenzione è fornire un fotodiodo a valanga in carburo di silicio ed un processo di fabbricazione che consentano di risolvere almeno in parte gli inconvenienti dell'arte nota.
Secondo l'invenzione, vengono forniti un fotodiodo a valanga in carburo di silicio, una schiera di fotodiodi, un sistema che utilizza la schiera di fotodiodi ed un procedimento di fabbricazione di un fotodiodo, come definiti, rispettivamente, nelle rivendicazioni 1, 9, 10 e 11.
Per una migliore comprensione dell'invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 (non in scala) mostra schematicamente una sezione trasversale di una forma di realizzazione del presente fotodiodo;
- la figura 2 mostra schematicamente una vista prospettica di una schiera di fotodiodi;
- le figure 3-29 (non in scala) mostrano schematicamente sezioni trasversali di una forma di realizzazione del presente fotodiodo durante fasi successive di un procedimento di fabbricazione;
- le figure 30-32 (non in scala) mostrano schematicamente sezioni trasversali di una forma di realizzazione del presente fotodiodo durante fasi successive di un procedimento di fabbricazione; e
- la figura 33 mostra uno schema a blocchi di un sistema includente una schiera di fotodiodi.
La figura 1 mostra un esempio di realizzazione di un fotodiodo 1 del tipo a valanga 1. Il fotodiodo 1 può appartenere, ad esempio, ad una schiera 220 di fotodiodi, come illustrato in figura 2, la quale mostra anche una sorgente luminosa esterna 200 atta ad emettere radiazione ultravioletta. La schiera 220 può comprendere, oltre al fotodiodo 1, un qualsiasi numero di fotodiodi, tali fotodiodi essendo ad esempio uguali al fotodiodo 1.
Nuovamente con riferimento alla figura 1, il fotodiodo 1 è integrato in una piastrina ("chip") 101, la quale forma un corpo semiconduttore 2 di carburo di silicio. In particolare, il corpo semiconduttore 2 può essere formato da carburo di silicio di politipo 4H (4H-SÌC).
Il corpo semiconduttore 2 include un substrato 4 di tipo N+, il quale è delimitato inferiormente da una superficie inferiore Sinfed ha uno spessore ad esempio pari a 350μπι; inoltre, il substrato 4 è drogato ad esempio con azoto ed ha un livello di drogaggio ad esempio pari a l*10<19>cm<-3>.
Inoltre, il corpo semiconduttore 2 comprende un primo, un secondo ed un terzo strato epitassiale 6, 8, 10.
Il primo strato epitassiale 6 è disposto sul substrato 4, è di tipo N-, ha uno spessore ad esempio compreso tra Ιμιτι e 10pm ed ha un livello di drogaggio ad esempio pari a l*10<14>cm<-3>, e comunque non superiore a l*10<15>cm<-3>.
Il secondo strato epitassiale 8 sovrasta, in contatto diretto, il primo strato epitassiale 6, è di tipo N, ha uno spessore ad esempio compreso tra 0,8pm e l,2pm ed ha un livello di drogaggio ad esempio pari a 5*10<17>cm<-3>.
Il terzo strato epitassiale 10 sovrasta, in contatto diretto, il secondo strato epitassiale 8, è di tipo N-, ha uno spessore ad esempio compreso tra 0,lpm e 0,2pm ed ha un livello di drogaggio ad esempio pari a l*10<14>cm<-3>.
Il primo, il secondo ed il terzo strato epitassiale 6, 8, 10 possono essere drogati ad esempio con azoto. Inoltre, il terzo strato epitassiale 10 forma una superficie superiore Ssup, la quale delimita superiormente il corpo semiconduttore 2. A tal proposito, in figura 1 è altresì mostrato un asse H del corpo semiconduttore 2, il quale è perpendicolare alla superficie inferiore Sinfe alla superficie superiore Ssup.
Una regione di anodo 12, di tipo P+ e di forma circolare o poligonale (ad esempio, quadrangolare), si estende attraverso il terzo strato epitassiale 10, a partire dalla superficie superiore Ssup, nonché all'interno di una porzione superiore del secondo strato epitassiale 8. In particolare, la regione di anodo 12 è drogata ad esempio con alluminio, ha uno spessore compreso ad esempio tra 0,05pm e 0,25pm ed ha un picco di livello di drogaggio ad esempio pari a 5*10<is>cm<-3>.
Ai fini pratici, la regione di anodo 12, il secondo strato epitassiale 8 ed il primo strato epitassiale 6 formano una giunzione PNI, dal momento che il comportamento elettrico del primo strato epitassiale 6 è equiparabile a quello di uno strato intrinseco; il secondo strato epitassiale 8 funge quindi da regione di catodo. La giunzione PNI è destinata a ricevere fotoni e a generare la corrente di valanga, come descritto in dettaglio in seguito .
In maggior dettaglio, la giunzione PNI è tale per cui, in uso, a cavallo dell'interfaccia tra la regione di anodo 12 ed il secondo strato epitassiale 8 si forma una regione svuotata, la quale, grazie al drogaggio della regione di anodo 12, non si estende fino alla superficie superiore Ssup, né si estende all'interno del primo strato epitassiale 6. Conseguentemente, il fotodiodo 1 si caratterizza per una tensione di breakdown ridotta (dell'ordine di qualche decina di Volt), senza che ciò penalizzi la sensibilità del fotodiodo 1; infatti, i portatori generati all'interno del primo strato epitassiale 6 in seguito all'assorbimento di fotoni hanno tempi di vita elevati, grazie al basso drogaggio del primo strato epitassiale 6, e riescono a raggiungere la regione svuotata, dove possono innescare la valanga ,
Il fotodiodo 1 comprende inoltre un anello di guardia 16 di forma anulare (ad esempio, circolare o poligonale) e di tipo P-, il quale si estende nel terzo strato epitassiale 10, a partire dalla superficie superiore Ssup, nonché all'interno di una porzione superiore del secondo strato epitassiale 8. In maggior dettaglio, l'anello di guardia 16 circonda la regione di anodo 12, con la quale è in contatto diretto, è drogato ad esempio con alluminio o boro ed ha un picco di livello di drogaggio ad esempio pari a l*10<is>cm<-3>, Inoltre, senza alcuna perdita di generalità, nella forma di realizzazione mostrata in figura 1, l'anello di guardia 16 ha uno spessore superiore rispetto allo spessore della regione di anodo 12, quindi si estende fino ad una profondità maggiore rispetto alla regione di anodo 12.
Operativamente, l'anello di guardia 16 forma un diodo PN con il secondo ed il terzo strato epitassiale 8, 10, in modo da prevenire il breakdown di bordo ("edge breakdown") della regione di anodo 12.
Il fotodiodo 1 comprende inoltre una regione di isolamento laterale 24, la quale ha ad esempio una forma anulare (ad esempio, circolare o poligonale) e circonda, a distanza, la regione d'anello 16.
In dettaglio, la regione di isolamento laterale 24 si estende nel corpo semiconduttore 2 a partire dalla superficie superiore Ssup, attraversando interamente il terzo strato epitassiale 10, il secondo strato epitassiale 8 ed il primo strato epitassiale 6, fino a contattare il substrato 4. In pratica, la porzione di corpo semiconduttore 2 circondata dalla regione di isolamento laterale 24 forma la cosiddetta area attiva A del fotodiodo 1.
In maggior dettaglio, la regione di isolamento laterale 24 si estende all'interno di una corrispondente trincea 25, la quale è appunto riempita dalla regione di isolamento laterale 24. Ad esempio, la trincea 25 può avere una profondità compresa tra 2μπι e Ιΐμπι ed una larghezza compresa tra lpm e 2pm.
La regione di isolamento laterale 24 comprende una regione di rivestimento laterale 27, la quale è disposta più esternamente ed è in contatto diretto con il corpo semiconduttore 2. Inoltre, la regione di isolamento laterale 24 comprende una regione conduttiva 28, la quale è disposta più internamente, ed alla quale nel seguito ci si riferisce come alla regione conduttiva di isolamento 28.
La regione conduttiva di isolamento 28 è formata da materiale conduttivo (ad esempio, tungsteno o polisilicio) ed è circondata inferiormente e lateralmente dalla regione di rivestimento laterale 27, la quale a sua volta riveste il fondo e le pareti laterali della trincea 25, Relativamente alla regione rivestimento laterale 27, essa è formata ad esempio da uno strato di rivestimento sottile 27a, il quale è disposto più esternamente ed è formato ad esempio da titanio, e da uno strato di rivestimento spesso 27b, il quale è disposto più internamente ed è formato ad esempio da nitruro di titanio. In pratica, lo strato di rivestimento sottile 27a riveste il fondo e le pareti laterali della trincea 25.
Lo spessore dello strato di rivestimento sottile 27a è ad esempio pari a 45nm, mentre lo spessore dello strato di rivestimento spesso 27b è ad esempio pari a 70nm.
Il fotodiodo 1 comprende inoltre regione conduttiva superiore 30, formata ad esempio da nitruro di silicio (Ni2Si) e disposta sulla superficie superiore Ssup.
In dettaglio, la regione conduttiva superiore 30 ha ad esempio una forma anulare e sovrasta almeno parte dell'anello di guardia 16 ed una porzione periferica della regione di anodo 12, con i quali è in contatto diretto. Senza alcuna perdita di generalità, è ad esempio possibile che la regione di anodo 12, l'anello di guardia 16, la regione conduttiva superiore 30 e la regione di isolamento laterale 24 abbiano una simmetria circolare attorno all'asse H del fotodiodo 1.
Su una regione periferica della superficie superiore Ssup, lateralmente sfalsata rispetto alla regione conduttiva superiore 30, è presente una prima regione dielettrica 32, la quale circonda la regione conduttiva superiore 30, con cui è in contatto diretto.
La prima regione dielettrica 32 si estende inoltre su una porzione periferica dell'anello di guardia 16; in aggiunta, la prima regione dielettrica 32 si estende al di sopra della regione di isolamento laterale 24, con cui è in contatto diretto.
Il fotodiodo 1 comprende inoltre una metallizzazione superiore 35, formata ad esempio da una lega di alluminio, silicio e rame (AlSiCu). La metallizzazione superiore 35 si estende al di sopra di una porzione della regione conduttiva superiore 30, con cui è in contatto diretto. In uso, attraverso la metallizzazione superiore 35, è possibile polarizzare la giunzione PNI.
Il fotodiodo 1 comprende inoltre una seconda regione dielettrica 38 di tipo stratiforme, la quale è formata ad esempio da nitruro di silicio (SÌ3N4)ed ha uno spessore ad esempio pari a 200nm. La seconda regione dielettrica 38 si estende sulla prima regione dielettrica 32, nonché su una porzione centrale della regione di anodo 12, lasciando però almeno in parte esposta la metallizzazione superiore 35. Operativamente, la seconda regione dielettrica 38 funge da passivazione, nonché da strato antiriflesso. A tal proposito, la seconda regione dielettrica 38 ha uno spessore tale per cui essa esibisce una trasmittanza elevata (ad esempio, almeno pari a 80%) nell'ultravioletto (ad esempio, a 290nm); a tal fine, lo spessore della seconda regione dielettrica 38 può ad esempio essere circa pari a 170nm o 230nm.
Il fotodiodo 1 comprende inoltre una regione conduttiva inferiore 40, la quale si estende a contatto con il corpo semiconduttore 2, al di sotto della superficie inferiore Sinf, ed è formata ad esempio da siliciuro di nichel. Inoltre, il fotodiodo 1 comprende una metallizzazione inferiore 42, disposta al di sotto della regione conduttiva inferiore 40 e a diretto contatto con quest'ultima; ad esempio, sebbene non mostrato, la metallizzazione inferiore 42 può essere formata da una struttura multistrato includente tre strati disposti in successione e formati rispettivamente da titanio, nichel e oro.
In pratica, il fotodiodo 1 è tale per cui la corrente di valanga generata al suo interno scorre lungo la direzione dell'asse H. Inoltre, la regione di isolamento laterale 24 consente, grazie alla presenza della regione conduttiva di isolamento 28, di isolare otticamente i fotodiodi della schiera 220. In altre parole, la regione di isolamento laterale 24 consente di limitare gli effetti negativi sul fotodiodo 1 indotti da fotoni generati per elettroluminescenza durante il processo di moltiplicazione a valanga in fotodiodi adiacenti, tale effetto essendo noto come "crosstalk ottico". Ciascun fotodiodo della schiera 220 è quindi otticamente disaccoppiato dagli altri fotodiodi.
Il fotodiodo 1 può essere fabbricato usando ad esempio il procedimento descritto nel seguito e rappresentato nelle figure 3-29.
Inizialmente, come mostrato in figura 3, viene predisposto il corpo semiconduttore 2, il quale include il substrato 4 ed il primo, il secondo ed il terzo strato epitassiale 4, 6, 8, Inoltre, sebbene non mostrato, sul corpo semiconduttore 2 vengono successivamente formati i cosiddetti segni di allineamento, in modo di per sé noto, A tal proposito, al fine di formare i segni di allineamento è ad esempio possibile depositare uno strato sacrificale sul corpo semiconduttore 2 e successivamente rimuovere ("eteh") selettivamente porzioni dello strato sacrificale e sottostanti porzioni di carburo di silicio, utilizzando una maschera di resisi, successivamente, il resist e le porzioni residue di strato sacrificale vengono rimosse, effettuando rispettivamente un attacco a secco ("dry etch") ed un attacco umido ("wet etch"). In ogni caso, ai fini della formazione del presente fotodiodo, i dettagli relativi alla formazione dei segni di allineamento sono irrilevanti.
Successivamente, come mostrato in figura 4, sulla superficie superiore Ssupdel corpo semiconduttore 2 viene deposto un primo strato dielettrico 60, formato ad esempio mediante deposizione di ossido TEOS ed avente ad esempio uno spessore pari a 0,8pm.
In seguito, come mostrato in figura 5, viene rimossa selettivamente una porzione del primo strato dielettrico 60, in modo da esporre una sottostante porzione del terzo strato epitassiale 10, in cui verrà formata la regione di anodo 12. In modo di per sé noto e pertanto non mostrato in dettaglio, la rimozione selettiva della summenzionata porzione del primo strato dielettrico 60 può avvenire applicando, sul primo strato dielettrico 60, un corrispondente strato di resist (non mostrato), e successivamente eseguendo un processo di fotolitografia ed un successivo attacco (secco o umido); lo strato di resist viene quindi rimosso. La porzione residua del primo strato dielettrico 60 forma una prima maschera 62, la quale definisce una prima finestra 63,
Successivamente, come mostrato in figura 6, si esegue attraverso la prima finestra 63 un processo di doppio impianto di specie droganti di tipo P (ad esempio, di ioni di alluminio), rappresentato dalle frecce 65, in modo da localizzare le specie droganti in un primo straterello 12', il quale si affaccia sulla superficie superiore Ssup(in particolare, sulla prima finestra 63), attraversa il terzo strato epitassiale 10 e si estende in una porzione superiore del secondo strato epitassiale 8. In dettaglio, il doppio impianto avviene con dosaggi rispettivamente pari a 5*10<13>cm<“2>(primo impianto) e l*10<14>cm<“2>(secondo impianto), con energie rispettivamente pari a 30KeV (primo impianto) e 80KeV (secondo impianto) e a una temperatura di 500 °C.
Successivamente, come mostrato in figura 7, la prima maschera 62 viene rimossa mediante un attacco umido.
In seguito, come mostrato in figura 8, sulla superficie superiore Ssupviene formato uno strato polimerico 68 (ad esempio, formato da un resist), il quale ha uno spessore ad esempio pari a 2,5pm e contiene atomi di carbonio .
Come mostrato in figura 9, lo strato polimerico 68 viene successivamente sottoposto ad un processo di pirolisi, mediante esecuzione di un processo termico ad una temperatura ad esempio pari a circa 800°C, della durata di circa trenta minuti ed in ambiente argon; tali operazioni conducono all'evaporazione dei componenti volatili dello strato polimerico 68 ed alla conseguente formazione, da parte degli atomi di carbonio, di uno strato carbonioso 70.
Come mostrato in figura 10, viene quindi eseguito un ulteriore processo termico per attivare le specie droganti presenti nel primo straterello 12', nonché per ridurre i danni reticolari causati dal summenzionato doppio impianto. Tale ulteriore processo termico viene eseguito ad una temperatura ad esempio pari a circa 1650°C ed ha una durata ad esempio pari a circa trenta minuti; inoltre, anche tale ulteriore processo termico viene eseguito in un ambiente argon. In seguito all'esecuzione di questo ulteriore processo termico, il primo straterello 12' forma la regione di anodo 12.
Ai fini pratici, la presenza dello strato carbonioso 70 consente di prevenire la formazione di rugosità superficiali del corpo semiconduttore 2 durante l'esecuzione del summenzionato processo termico di attivazione delle specie droganti; inoltre, la presenza dello strato carbonioso 70 riduce la diffusione verso l'esterno delle specie droganti durante il summenzionato processo termico.
In seguito, come mostrato in figura 11, viene eseguito un ulteriore processo termico in ambiente ossigeno, ad una temperatura ad esempio pari a circa 900°C e con una durata ad esempio pari a circa trenta minuti; tale processo termico comporta la reazione del carbonio dello strato carbonioso 70 con l'ossigeno e la conseguente generazione di componenti volatili, i quali si disperdono. Conseguentemente, sulla superficie superiore Ssupsi forma uno strato ossidato 72.
Successivamente, come mostrato in figura 12, lo strato ossidato 72 viene rimosso, ad esempio mediante un attacco umido. Tale attacco umido comporta anche la rimozione di un primo strato di ossido termico (non mostrato) formatosi sulla superficie inferiore S±nfdel corpo semiconduttore 2 durante il processo termico descritto con riferimento alla figura 11.
In seguito, come mostrato in figura 13, sulla superficie superiore Ssupdel corpo semiconduttore 2 viene deposto un secondo strato dielettrico 76, formato ad esempio da ossido TEOS ed avente ad esempio uno spessore pari a 0,8pm.
In seguito, come mostrato in figura 14, viene rimossa selettivamente una porzione del secondo strato dielettrico 76, in modo da esporre una sottostante porzione del terzo strato epitassiale 10, la quale circonda la regione di anodo 12, e nella quale verrà formato l'anello di guardia 16. In modo di per sé noto e pertanto non mostrato in dettaglio, la rimozione selettiva della summenzionata porzione del secondo strato dielettrico 76 può avvenire applicando, sul secondo strato dielettrico 76, un corrispondente strato di resisi (non mostrato), e successivamente eseguendo un processo di fotolitografia e un successivo attacco (secco o umido); lo strato di resist viene quindi rimosso. La porzione residua del secondo strato dielettrico 76 forma una seconda maschera 77, la quale definisce una seconda finestra 79 di forma anulare.
Successivamente, come mostrato in figura 15, si esegue attraverso la seconda finestra 79 un nuovo processo di doppio impianto di specie droganti di tipo P (ad esempio, di ioni di boro), rappresentato dalle frecce 80, in modo da localizzare le specie droganti in un secondo straterello 16' , il quale si affaccia sulla superficie superiore Ssup(in particolare, sulla seconda finestra 79), attraversa il terzo strato epitassiale 10 e si estende in una corrispondente porzione superiore del secondo strato epitassiale 8. In dettaglio, il nuovo doppio impianto avviene con dosaggi rispettivamente pari a 8*10<14>cm<-2>(primo impianto) e l,2*10<15>cm<-2>(secondo impianto), con energie rispettivamente pari a 30KeV (primo impianto) e 80KeV (secondo impianto) e a temperatura ambiente.
Successivamente, come mostrato in figura 16, viene eseguito un nuovo processo termico per recuperare il danno causato dal precedente impianto di specie droganti nel secondo straterello 16' e formare l'anello di guardia 16; tale processo termico avviene ad una temperatura ad esempio pari a circa 1050 °C e con una durata ad esempio pari a circa novanta minuti, in ambiente ossigeno. Inoltre, tale processo può non comportare la completa attivazione delle specie droganti presenti nel secondo straterello 16'; in tal caso, l'anello di guardia 16 forma comunque una sacca ad alta resistività.
In seguito, come mostrato in figura 17, la seconda maschera 77 viene rimossa mediante un attacco umido; tale attacco umido comporta anche la rimozione di un secondo strato di ossido termico (non mostrato) formatosi sulla superficie inferiore Sinfdel corpo semiconduttore 2 durante il processo termico descritto con riferimento alla figura 16.
Successivamente, come mostrato in figura 18, sulla superficie superiore Ssupviene formato uno strato protettivo 82, il quale è formato ad esempio da ossido TEOS o da resist ed ha uno spessore ad esempio pari a O.Spm. Inoltre, al di sotto della superficie inferiore Sinfviene formato, ad esempio mediante sputtering, uno strato 84 di nichel, al quale nel seguito ci si riferisce come allo strato inferiore 84.
In seguito, lo strato protettivo 82 viene rimosso e successivamente viene eseguito un processo di siliciurizzazione, il quale prevede una ricottura ("annealing") della durata di sessanta secondi, ad una temperatura ad esempio pari a 1000°C ed in ambiente azoto. Come mostrato in figura 19, al termine del processo di siliciurizzazione, al di sotto della superficie inferiore Sinfè presente la regione conduttiva inferiore 40, la quale ha uno spessore ad esempio pari a 400nm.
Successivamente, come mostrato in figura 20, sulla superficie superiore Ssupviene formato un terzo strato dielettrico 86. Ad esempio, il terzo strato dielettrico 86 è formato mediante deposizione di ossido TEOS ed ha uno spessore pari a 0,4pm.
In seguito, come mostrato in figura 21, sul terzo strato dielettrico 86 viene formata una terza maschera 88, formata ad esempio da un corrispondente strato di resist sagomato mediante fotolitografia. La terza maschera 88 lascia esposta una porzione anulare del terzo strato dielettrico 86, la quale si affaccia su una terza finestra 90 definita dalla terza maschera 88.
In seguito, come mostrato in figura 22, viene eseguito un attacco a secco, il quale consente di rimuovere selettivamente una porzione del terzo strato dielettrico 86 affacciata alla terza finestra 90 ed una sottostante porzione di corpo semiconduttore 2, in modo da formare la trincea 25.
In seguito, la terza maschera 88 viene rimossa; successivamente, come mostrato in figura 23, mediante sputtering vengono formati in successione tre strati 127a, 127b, 128, ai quali nel seguito ci si riferisce rispettivamente come al primo, al secondo ed al terzo strato di rivestimento 127a, 127b e 128.
In dettaglio, il primo strato di rivestimento 127a è formato da titanio ed ha uno spessore ad esempio pari a 45nm; inoltre, il primo strato di rivestimento 127a riveste le pareti laterali e la parete di fondo della trincea 25, nonché il terzo strato dielettrico 86. Il secondo strato di rivestimento 127b è formato da nitruro di titanio, ha uno spessore ad esempio pari a 70nm e riveste il primo strato di rivestimento 127a, Infine, il terzo strato di rivestimento 128 è formato da tungsteno e riveste il secondo strato di rivestimento 127b, in modo da riempire la trincea 25.
Successivamente, come mostrato in figura 24, le porzioni del primo, del secondo e del terzo strato di rivestimento 127a, 127b, 128 disposte al di sopra del terzo strato dielettrico 86 vengono rimosse mediante un attacco secco. In tal modo, le porzioni rimanenti del primo, del secondo e del terzo strato di rivestimento 127a, 127b, 128 formano rispettivamente lo strato di rivestimento sottile 27a, lo strato di rivestimento spesso 27b e la regione conduttiva di isolamento 28.
In seguito, sebbene non mostrato, è possibile eseguire cosiddette operazioni di planarizzazione di tipo di per sé noto e non descritte in dettaglio, in quanto irrilevanti ai fini del presente fotodiodo. Ad esempio, tali operazioni di planarizzazione possono comprendere il deposito, al di sopra del terzo strato dielettrico 86, di ulteriore ossido TEOS, nonché la successiva deposizione di "spin on glass" (SOG), l'indurimento dello spin on glass deposto e, infine, l'esecuzione di una molatura.
Successivamente, come mostrato in figura 25, sulla superficie superiore Ssup, viene formato un quarto strato dielettrico 100, il quale include il terzo strato dielettrico 86 (o, nel caso di esecuzione delle operazioni di planarizzazione, ciò che rimane di tale strato), nonché ulteriore ossido TEOS formato mediante deposizione. Il quarto strato dielettrico 100 ha ad esempio uno spessore pari a Ιμπι,
In seguito, come mostrato in figura 26, viene rimossa selettivamente una porzione del quarto strato dielettrico 100, in maniera tale per cui la porzione residua del quarto strato dielettrico 100 forma la prima regione dielettrica 32. In modo di per sé noto e pertanto non mostrato in dettaglio, la rimozione selettiva della summenzionata porzione del quarto strato dielettrico 100 può avvenire applicando, sul quarto strato dielettrico 100, un corrispondente strato di resist (non mostrato), e successivamente eseguendo un processo di fotolitografia e un successivo attacco umido; lo strato di resist viene quindi rimosso.
In seguito, come mostrato in figura 27, sulla prima regione dielettrica 32 e sulla porzione esposta di materiale semiconduttore, cioè sull'anello di guardia 16 e sulla regione di anodo 12, viene formato mediante sputtering uno strato di nichel 102, al quale nel seguito ci si riferisce come allo strato superiore 102. Ad esempio, lo strato superiore 102 ha uno spessore pari a lOOnm.
In seguito, come mostrato in figura 28, viene rimossa selettivamente una porzione dello strato superiore 102. In modo di per sé noto e pertanto non mostrato in dettaglio, la rimozione selettiva della summenzionata porzione dello strato superiore 102 può avvenire applicando, sullo strato superiore 102, un corrispondente strato di resist (non mostrato), e successivamente eseguendo un processo di fotolitografia e un successivo attacco umido; lo strato di resist viene quindi rimosso. La porzione residua dello strato superiore 102 forma una regione 104, alla quale nel seguito ci si riferisce come alla regione da siliciurizzare 104.
Successivamente, come mostrato in figura 29, viene eseguito un processo di siliciurizzazione, il quale prevede una ricottura ( "annealing") della durata di sessanta secondi, ad una temperatura ad esempio pari a 750°C ed in ambiente azoto. In seguito a tale processo di siliciurizzazione, la regione da siliciurizzare 104 forma la regione conduttiva superiore 30, la quale ha uno spessore ad esempio pari a 200nm.
In modo di per sé noto e pertanto non mostrato, vengono successivamente formati, in successione, la metallizzazione superiore 35, la seconda regione dielettrica 38 e la metallizzazione inferiore 42.
Secondo una variante del processo di fabbricazione descritto in precedenza, successivamente alle operazioni descritte con riferimento alla figura 6, cioè successivamente alla formazione del primo straterello 12', è possibile eseguire le seguenti operazioni.
In dettaglio, come mostrato in figura 30, la prima maschera 62 viene rimossa, e successivamente sulla superficie superiore Ssupviene formata la seconda maschera 77. Inoltre, attraverso la seconda finestra 79 viene effettuato un impianto di ioni di alluminio, rappresentato dalle frecce 110, in modo da localizzare le specie droganti nel secondo straterello, qui indicato con 16". In dettaglio, 1' impianto avviene con un dosaggio pari a 5*10<13>crrf<2>e con un'energia pari a 140KeV.
In seguito, come mostrato in figura 31, la seconda maschera 77 viene rimossa e sulla superficie superiore Ssup, viene formato lo strato carbonioso 70, ottenuto mediante formazione e successiva pirolisi dello strato polimerico 68; ad esempio, la formazione dello strato carbonioso può essere ottenuta mediante esecuzione di un processo termico ad una temperatura ad esempio pari a circa 800°C, della durata di circa trenta minuti ed in ambiente argon.
Successivamente, come mostrato in figura 32, viene eseguito un ulteriore processo termico per attivare le specie droganti presenti nel primo straterello 12' e nel secondo straterello 16", nonché per ridurre i danni reticolari causati dagli impianti. Tale ulteriore processo termico viene eseguito ad una temperatura ad esempio pari a circa 1650°C ed ha una durata ad esempio pari a circa trenta minuti; inoltre, anche tale ulteriore processo termico viene eseguito in un ambiente argon. In seguito all'esecuzione di questo ulteriore processo termico, il primo straterello 12' ed il secondo straterello 16" formano rispettivamente la regione di anodo 12 e l'anello di guardia 16.
In seguito, lo strato carbonioso 70 viene rimosso come descritto in precedenza, mediante ossidazione. Successivamente, vengono eseguite le operazioni descritte in precedenza con riferimento alle figure 18-29.
Indipendentemente dai dettagli relativi al processo di fabbricazione, la schiera 220 di fotodiodi può essere utilizzata, come mostrato in figura 33, in un generico sistema 500, nel quale la schiera 220 è collegata a un microcontrollore 520, il quale è a sua volta collegato a un elaboratore 530 che comanda uno schermo 540. Il microcontrollore 520 elabora il segnale di uscita della schiera 220 e fornisce un segnale elaborato all'elaboratore 530, il quale consente di analizzare tale segnale elaborato e di visualizzare le informazioni associate a tale segnale elaborato sullo schermo 540.
I vantaggi che il presente fotodiodo in carburo di silicio consente di ottenere emergono chiaramente dalla discussione precedente. In particolare, dal momento che il confinamento laterale del campo elettrico è ottenuto mediante l'anello di guardia 16, anziché mediante una struttura mesa, è possibile implementare un ricevitore avente un elevato fattore di riempimento ed una ridotta area morta, e quindi una risposta ottica migliorata. Inoltre, dal momento che il fotodiodo 1 forma una giunzione PNI, anziché una giunzione FIN, esso si caratterizza per una tensione di breakdown relativamente ridotta (ad esempio, inferiore, in modulo, a 100 Volt), cosa che ne agevola, ad esempio, l'impiego in modalità Geiger. A tal proposito, il fotodiodo 1 può funzionare appunto come un cosiddetto fotodiodo a valanga operante in modalità Geiger ("Geiger-mode avalanche photodiode", GM-APD), anche noto come diodo a valanga a singolo fotone (''Single Photon Avalanche Diode'', SPAD), A tal fine, il fotodiodo 1 viene polarizzato ad una tensione inversa superiore, in modulo, alla tensione di breakdown. In tal modo, è sufficiente la generazione di una singola coppia elettrone-lacuna, in seguito all'assorbimento di un fotone incidente sul fotodiodo 1, per innescare un processo di ionizzazione che causa una moltiplicazione a valanga dei portatori, con guadagni nell'intorno di IO<6>e conseguente generazione in tempi rapidi (centinaia di picosecondi) della corrente di valanga. Tale corrente di valanga può essere opportunamente raccolta, tipicamente mediante una circuiteria esterna collegata alla giunzione PNI, ad esempio attraverso la metallizzazione superiore 35 e la metallizzazione inferiore 42, e rappresenta un segnale di uscita del fotodiodo 1.
In aggiunta, la presenza del primo strato epitassiale 6 garantisce un buon assorbimento dei fotoni anche al di sotto della giunzione PN formata dalla regione di anodo 12 e dal secondo strato epitassiale 8.
Dal momento che la regione di anodo 12 ha uno spessore particolarmente ridotto, il fotodiodo 1 ha inoltre un'elevata sensibilità nei confronti di radiazione avente una ridotta lunghezza d'onda, dal momento che la giunzione risulta molto prossima alla superficie superiore Ssupe la radiazione ultravioletta ha appunto una bassa capacità di penetrare nel corpo semiconduttore 2. A tal proposito, lo spessore della regione di anodo 12 è ridotto ed il drogaggio ha una buona uniformità grazie al fatto che la regione di anodo 12 viene formata mediante impiantazione.
Risulta infine evidente che al fotodiodo e al processo di fabbricazione descritti possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall' ambito della presente invenzione.
Ad esempio, i tipi di conducibilità possono essere invertiti rispetto a quanto descritto; a tal proposito, tuttavia, l'adozione di una struttura di tipo P su N (come nella forma di realizzazione mostrata in figura 1) consente di beneficiare del fatto che nel carburo di silicio il tasso di ionizzazione da impatto delle lacune è superiore rispetto al tasso di ionizzazione da impatto degli elettroni.
Sono inoltre possibili forme di realizzazione prive del terzo strato epitassiale 10, la cui funzione è quella di facilitare 1'inversione del tipo di drogaggio in almeno una porzione del corpo semiconduttore, destinata a formare la regione di anodo 12.
Relativamente, invece, al primo strato epitassiale 6, esso può essere formato da carburo di silicio intrinseco.
Relativamente alla regione di isolamento laterale 24, essa è facoltativa e può quindi essere assente, ad esempio nel caso in cui sia presente un singolo fotodiodo.
Per quanto concerne la regione di rivestimento laterale 27, essa può essere formata da un solo strato di rivestimento, o comunque può essere formata da una successione di strati diversa da quanto descritto.
Relativamente alla trincea 25, essa può avere una forma diversa rispetto a quanto descritto; ad esempio, la trincea 25 può avere una profondità differente rispetto a quanto descritto e può quindi estendersi, ad esempio, anche attraverso parte del substrato 4, oppure può estendersi, ad esempio, in modo da non attraversare interamente il primo strato epitassiale 6.
Relativamente alla metallizzazione superiore 35, essa può essere formata (ad esempio) da due rispettivi strati, il primo dei quali è formato da titanio, il secondo dei quali è formato da una lega di alluminio, silicio e rame.
Relativamente alla regione conduttiva di isolamento 28, essa può essere formata da materiali diversi rispetto a quanto descritto ed inoltre può includere a sua volta una pluralità di sottoregioni. Ad esempio, la regione conduttiva di isolamento può includere un nucleo di tungsteno, il quale è rivestito da un rispettivo strato di titanio; in tal caso, la regione di isolamento laterale 24 è formata, procedendo dall'esterno verso l'interno, dallo strato di rivestimento sottile 27a, dallo strato di rivestimento spesso 27b, dallo strato di titanio della regione conduttiva di isolamento e dal nucleo di tungsteno della regione conduttiva di isolamento.

Claims (19)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Fotodiodo a valanga per la rilevazione di radiazione ultravioletta, comprendente: - un corpo (2) di carburo di silicio di un primo tipo di conducibilità, delimitato da una superficie frontale (SSuP)e formante una regione di catodo (6,8); - una regione di anodo (12) di un secondo tipo di conducibilità, la quale si estende all'interno di detto corpo a partire dalla superficie frontale e contatta la regione di catodo; e - un anello di guardia (16) del secondo tipo di conducibilità, il quale si estende all'interno di detto corpo a partire dalla superficie frontale e circonda la regione di anodo.
  2. 2. Fotodiodo secondo la rivendicazione 1, in cui l'anello di guardia (16) ha un livello di drogaggio inferiore al livello di drogaggio della regione di anodo (12).
  3. 3. Fotodiodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la regione di anodo (12) ha uno spessore compreso tra 0,05pm e 0,25pm.
  4. 4. Fotodiodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il corpo (2) comprende una regione a basso drogaggio (6) ed una regione ad alto drogaggio (8), la regione ad alto drogaggio essendo interposta tra la regione di anodo (12) e la regione a basso drogaggio, con le quali è in contatto diretto.
  5. 5. Fotodiodo secondo la rivendicazione 4, in cui detta regione a basso drogaggio (6) è intrinseca.
  6. 6. Fotodiodo secondo la rivendicazione 4, in cui detta regione a basso drogaggio (6) ha un livello di drogaggio non superiore a l*10<15>crrf<3>.
  7. 7. Fotodiodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre: - una trincea (25), la quale si estende attraverso il corpo (2) a partire dalla superficie frontale (Ssup)e circonda l'anello di guardia (16); e - una regione conduttiva (28) estendentesi all'interno della trincea.
  8. 8. Fotodiodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una struttura antiriflesso (38), la quale si estende a contatto con la regione di anodo (12) ed ha una trasmittanza a 290nm almeno pari a 80%.
  9. 9. Schiera di fotodiodi comprendente almeno un fotodiodo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
  10. 10. Sistema di rivelazione di radiazione ultravioletta, comprendente: un'unità di elaborazione (520); e una schiera (220) secondo la rivendicazione 9, accoppiata a detta unità di elaborazione (520).
  11. 11. Procedimento per la fabbricazione di un fotodiodo a valanga per la rilevazione di radiazione ultravioletta, comprendente le fasi di: - in un corpo (2) di carburo di silicio di un primo tipo di conducibilità, il quale è delimitato da una superficie frontale (Ssup)e forma una regione di catodo (6,8), formare una regione di anodo (12) di un secondo tipo di conducibilità, la quale si estende all'interno di detto corpo a partire dalla superficie frontale e contatta la regione di catodo; e - formare un anello di guardia (16) del secondo tipo di conducibilità, il quale si estende all'interno di detto corpo a partire dalla superficie frontale e circonda la regione di anodo.
  12. 12. Procedimento secondo la rivendicazione 11, in cui detta fase di formare una regione di anodo (12) comprende: - effettuare un primo impianto selettivo di specie ioniche droganti del secondo tipo di conducibilità all'interno di detto corpo (2), in modo da formare una prima regione impiantata (12'); e successivamente - effettuare un primo trattamento termico.
  13. 13. Procedimento secondo la rivendicazione 12, in cui detta fase di formare una regione di anodo (12) comprende inoltre la fase di formare sulla superficie frontale (Ssup)uno strato carbonioso (70), dopo aver effettuato detto primo impianto selettivo e prima di effettuare detto primo trattamento termico.
  14. 14. Procedimento secondo la rivendicazione 12 o 13, in cui detta fase di formare un anello di guardia (16) comprende le fasi di: - dopo aver formato la regione di anodo (12), effettuare un secondo impianto selettivo di specie ioniche droganti del secondo tipo di conducibilità all'interno di detto corpo (2), in modo da formare una seconda regione impiantata (16'); e successivamente - effettuare un secondo trattamento termico.
  15. 15. Procedimento secondo la rivendicazione 12, in cui detta fase di formare un anello di guardia (16) comprende la fase di: - dopo aver formato la prima regione impiantata (12') e prima di effettuare il primo trattamento termico, effettuare un secondo impianto selettivo di specie ioniche droganti del secondo tipo di conducibilità all'interno di detto corpo (2), in modo da formare una seconda regione impiantata (16').
  16. 16. Procedimento secondo la rivendicazione 15, comprendente inoltre la fase di formare sulla superficie frontale (Ssup)uno strato carbonioso (70), dopo aver effettuato detti primo e secondo impianto selettivo e prima di effettuare detto primo trattamento termico.
  17. 17. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 11 a 16, comprendente inoltre la fase di formare detto corpo (2) in modo che abbia una regione a basso drogaggio (6) ed una regione ad alto drogaggio (8), la regione ad alto drogaggio essendo interposta tra la regione di anodo (12) e la regione a basso drogaggio, con le quali è in contatto diretto.
  18. 18. Procedimento secondo una rivendicazione qualsiasi da 11 a 17, comprendente inoltre le fasi di: - scavare, all'interno di detto corpo (2), una trincea (25); e - formare, all'interno della trincea, una regione conduttiva (28).
  19. 19. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 11 a 18, comprendente inoltre la fase di formare sulla regione di anodo (12) una struttura antiriflesso (38), in modo che abbia una trasmittanza a 290nm almeno pari a 80%.
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