RU2340981C1

RU2340981C1 - Method of making photodetector array

Info

Publication number: RU2340981C1
Application number: RU2007117056/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Вадимович Головин (RU); Сергей Вадимович Головин; Игорь Дмитриевич Бурлаков (RU); Игорь Дмитриевич Бурлаков; Алексей Сергеевич Кашуба (RU); Алексей Сергеевич Кашуба
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ОРИОН"
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2008-12-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: present invention pertains to the technology of making an array of photosensitive elements with p-n-junctions infrared band micro-photoelectronics. The method of making an array of photodiode elements with n⁺-p-junctions based on cadmium-mercury telluride involves surface passivation by epitaxy of cadmium telluride dielectric, photolithography, chemical etching of n⁺-p-junction locations by 2-3 mcm inside the cadmium-mercury telluride and ion implantation or iron bombardment in plasma.

EFFECT: proposed method allows for obtaining photodiodes with small dark current value and high quantum efficiency, providing for high detection capacity.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области технологии полупроводниковых приборов, более конкретно, к технологии изготовления матриц фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с p-n-переходами для микрофотоэлектроники инфракрасного (ИК) диапазона. Предлагаемый способ может применяться для изготовления МФЧЭ на основе полупроводникового твердого раствора теллурида кадмия-ртути (КРТ) p-типа проводимости.The invention relates to the field of technology of semiconductor devices, and more particularly, to a technology for the manufacture of arrays of photosensitive elements (MFCE) with p-n junctions for infrared (IR) microphotoelectronics. The proposed method can be used for the manufacture of MFCE based on a semiconductor solid solution of cadmium-mercury telluride (CMT) p-type conductivity.

Технология изготовления МФЧЭ на основе КРТ включает в себя набор стандартных операций планарной технологии, применяемых для производства полупроводниковых интегральных микросхем. Вместе имеется ряд проблем, которые связаны со спецификой исходного узкозонного материала КРТ. Матрица фотодиодов выполняется в виде дискретных областей n-типа проводимости в базовом слое КРТ p-типа проводимости. Малая ширина запрещенной зоны вызывает необходимость тщательной пассивации для предотвращения поверхностных утечек, однако в отличие от кремния собственный окисел для этой цели применяться не может. Несобственные диэлектрические покрытия КРТ также не дают воспроизводимых результатов и температурной стабильности параметров МФЧЭ. Эффективную пассивацию поверхности позволяет получить нанесение близкого по химическому составу и кристаллической структуре диэлектрического слоя теллурида кадмия (CdTe), например, при помощи молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). При определенных режимах вблизи границы раздела p-КРТ и CdTe образуется состояние плоских зон или слабое обогащение основными носителями заряда (дырками), что обеспечивает необходимые характеристики и стабильность МФЧЭ.The manufacturing technology of MFCE based on MCT includes a set of standard operations of planar technology used for the production of semiconductor integrated circuits. Together, there are a number of problems that are related to the specifics of the initial narrow-gap SRT material. The matrix of photodiodes is made in the form of discrete regions of n-type conductivity in the base layer of CMT p-type conductivity. The small width of the forbidden zone necessitates careful passivation to prevent surface leaks, but unlike silicon, its own oxide cannot be used for this purpose. The improper dielectric coatings of the SRT also do not give reproducible results and the temperature stability of the parameters of the MFCE. Effective passivation of the surface allows one to obtain the deposition of a cadmium telluride (CdTe) dielectric layer close in chemical composition and crystal structure, for example, using molecular beam epitaxy (MBE). Under certain conditions, near the p-CMT and CdTe interface, the state of flat zones or a weak enrichment with the main charge carriers (holes) is formed, which ensures the necessary characteristics and stability of the MFCE.

Эпитаксиальное наращивание слоя CdTe проходит при довольно высокой температуре (200С° и более), что приводит к изменению свойств поверхностного слоя пластины КРТ. Это увеличивает темновой ток фотодиода и уменьшает фототок, приводя к понижению фотоэлектрических параметров МФЧЭ. Для снижения температуры нанесения диэлектрика может применяться вариант метода «горячей стенки» (Патент РФ на изобретение №2298251, Бюл. №12 от 27.04.2007, Способ получения тонких пленок теллурида кадмия, автор Головин С.Д. и др.).The epitaxial growth of the CdTe layer takes place at a rather high temperature (200 ° C or more), which leads to a change in the properties of the surface layer of the CMT plate. This increases the dark current of the photodiode and reduces the photocurrent, leading to a decrease in the photoelectric parameters of the MFCE. To reduce the temperature of the dielectric deposition, a variant of the “hot wall” method can be used (RF Patent for the invention No. 2298251, Bull. No. 12 of 04/27/2007, Method for producing thin films of cadmium telluride, author Golovin SD and others).

С целью получения высоких фотоэлектрических параметров технология изготовления МФЧЭ на основе КРТ должна предусматривать возможность заглубления p-n-переходов под исходной поверхностью, на которую наносится пассивирующее покрытие теллурида кадмия.In order to obtain high photovoltaic parameters, the technology for fabrication of MFCE based on MCT should include the possibility of deepening pn junctions under the initial surface onto which a cadmium telluride passivating coating is applied.

Наиболее часто встречается планарная технология изготовления матрицы фотодиодов, при которой все p-n-переходы целиком расположены в одной плоскости на поверхности кристалла и которая включает в себя процессы пассивации поверхности, литографии и локального введения примесных атомов. Один из вариантов такой технологии разработан на фирме SOFRADIR (Франция) (P.Tribolet, P.Chorier, A.Manissandjian, P.Costa, J-P.Chatard. High performance infrared detectors at Sofradir. Proceedings of SPIE, vol.4028 (2000), p.1-18) с использованием ионной имплантации для формирования малоразмерных n⁺-p-переходов. Он является наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа. Преимуществом прототипа является использование стандартных технологических операций при изготовлении МФЧЭ и, следовательно, универсальность, простота и экономичность.The most common planar technology is the manufacturing of a photodiode array, in which all pn junctions are entirely located in one plane on the surface of the crystal and which includes processes of surface passivation, lithography, and local introduction of impurity atoms. One of the variants of this technology was developed by SOFRADIR (France) (P. Tribolet, P. Chierier, A. Manissandjian, P. Costa, JP. Chatard. High performance infrared detectors at Sofradir. Proceedings of SPIE, vol. 4028 (2000) , p.1-18) using ion implantation to form small n ⁺ -p junctions. It is the closest analogue (prototype) of the proposed method. The advantage of the prototype is the use of standard technological operations in the manufacture of MFCE and, therefore, versatility, simplicity and profitability.

Ионная имплантация и другие методы получения n⁺-областей в КРТ p-типа за счет внесения радиационных дефектов, такие как бомбардировка при ионном травлении в плазме Ar или реактивном ионном травлении в плазме Н₂/СН₄, испытывают сложности с созданием глубоколегированных областей. В результате p-n-переходы создаются на глубине около 1 мкм в приповерхностном слое полупроводниковой пластины КРТ, и их свойства зависят от характеристик этого слоя. Близость p-n-переходов к поверхности препятствует использованию эпитаксиального пассивирующего покрытия теллурида кадмия, что является недостатком полностью планарного варианта.Ion implantation and other methods for producing n ⁺ regions in p-type Raman spectroscopy due to the introduction of radiation defects, such as bombardment during ion etching in Ar plasma or reactive ion etching in H ₂ / CH ₄ plasma, have difficulty creating deep doped regions. As a result, pn junctions are created at a depth of about 1 μm in the surface layer of a CMT semiconductor wafer, and their properties depend on the characteristics of this layer. The proximity of pn junctions to the surface prevents the use of an epitaxial passivating cadmium telluride coating, which is a disadvantage of the completely planar version.

Известна также технология изготовления МФЧЭ на КРТ, разработанная фирмой Raytheon (США) (D.J.Gulbransen, S.H.Black, A.C.Childs, C.F.Fletcher, S.M.Johnson, W.A.Radford, G.M.Vendzor, J.P.Sienick, A.D.Thompson, J.H.Griffith, A.A.Buell, M.F.Vilela, M.D.Newton. Wide FOV FPAs for a shipboard distributed aperture system. Proceedings of SPIE, vol.5406 (2004), p.305-316), являющаяся аналогом предлагаемой полезной модели. Она основана на получении при помощи молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) двухслойной структуры с p-n-гетеропереходом, формировании массива ФЧЭ по меза-технологии и пассивации поверхности меза-структуры нанесением диэлектрика теллурида кадмия. При этом глубина залегания p-n-переходов, определяющаяся толщиной верхнего p-слоя, может выбираться в широких пределах, и влияние приповерхностого слоя под диэлектриком на свойства фотодиодов ослабляется.Also known is the manufacturing technology of MFCE for CMT developed by Raytheon (USA) (DJGulbransen, SHBlack, ACChilds, CFFletcher, SMJohnson, WARadford, GMVendzor, JPSienick, ADThompson, JHGriffith, AABuell, MFVilela , MDNewton. Wide FOV FPAs for a shipboard distributed aperture system. Proceedings of SPIE, vol. 5406 (2004), p.305-316), which is an analogue of the proposed utility model. It is based on obtaining, using molecular beam epitaxy (MBE), a two-layer structure with a pn heterojunction, the formation of an PSE array using the mesa technology, and passivation of the surface of the mesa structure by applying a cadmium telluride dielectric. In this case, the depth of the pn junctions, which is determined by the thickness of the upper p-layer, can be chosen over a wide range, and the influence of the surface layer under the dielectric on the properties of the photodiodes is weakened.

Другим аналогом является способ, представленный фирмой QinetiQ Ltd, Великобритания (D.J.Hall, L.Buckle, N.T.Gordon, J.Giess, J.E.Hails, J.W.Cairns, R.W.Lawrence, A.Graham, R.S.Hall, C.Maltby, T.Ashley. Long wavelength infrared focal plane arrays fabricated from HgCdTe grown on silicon substrates. Proceedings of SPIE, vol.5406 (2004), p.317-322), отличающийся от предыдущего тем, что двухслойный гетеропереход получается при помощи эпитаксии из металлорганических соединений и имеет более традиционную структуру (верхний слой имеет n-тип проводимости).Another analogue is the method presented by QinetiQ Ltd, United Kingdom (DJHall, L. Buckle, NT Gordon, J. Giess, JEHails, JW Cairns, RW Lawrence, A. Graham, RSHall, C. Maltby, T. Ashley. Long wavelength infrared focal plane arrays fabricated from HgCdTe grown on silicon substrates. Proceedings of SPIE, vol. 5406 (2004), p. 317-322), which differs from the previous one in that the two-layer heterojunction is obtained by epitaxy from organometallic compounds and has more traditional structure (the upper layer has n-type conductivity).

Преимуществом известных способов-аналогов, основанных на выращивании гетероперехода, получении меза-структуры и нанесении покрытия теллурида кадмия является углубленное расположение p-n-переходов, а недостатком является то, что пассивация КРТ при применяемой в обоих случаях меза-технологии на профилированной поверхности сложнее и менее воспроизводима по сравнению с планарным вариантом, где пассивируемая поверхность является плоской и ровной. К недостаткам также можно отнести необходимость крайне дорогостоящего оборудования для эпитаксиального выращивания гетеропереходов на основе КРТ.The advantage of the known analogue methods based on growing a heterojunction, obtaining a mesa structure and coating cadmium telluride is an in-depth arrangement of pn junctions, and the disadvantage is that the passivation of CMT with the mesa technology used in both cases on a profiled surface is more complicated and less reproducible compared with the planar version, where the passivated surface is flat and even. The disadvantages also include the need for extremely expensive equipment for epitaxial growth of heterojunctions based on CMT.

Задачей изобретения является получить фотодиоды с малыми темновыми токами и высокой квантовой эффективностью, обеспечивающими высокую обнаружительную способность.The objective of the invention is to obtain photodiodes with low dark currents and high quantum efficiency, providing high detection ability.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления матрицы фотодиодных элементов с n⁺-p-переходами на основе теллурида кадмия-ртути, включает в себя процессы пассивации поверхности эпитаксиальным наращиванием диэлектрика теллурида кадмия, фотолитографии, химического травления площадок в местах расположения n⁺-p-переходов на 2-3 микрометра вглубь теллурида кадмия-ртути и ионного легирования или ионной бомбардировки в плазме.The technical result is achieved by the fact that the method of manufacturing a matrix of photodiode elements with n ⁺ p junctions based on cadmium-mercury telluride includes the processes of surface passivation by epitaxial build-up of cadmium telluride dielectric, photolithography, chemical etching of sites at n ⁺ -p- locations transitions of 2-3 micrometers deep into the cadmium-mercury telluride and ion doping or ion bombardment in plasma.

Предлагаемое изобретение представляет собой вариант технологии изготовления МФЧЭ на основе КРТ, который позволяет удалить n⁺-p-переходы от поверхности и в то же время избежать пассивации меза-структуры.The present invention is a variant of the technology for manufacturing MPEC based on CMT, which allows you to remove n ⁺ -p junctions from the surface and at the same time avoid the passivation of the mesa structure.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в известный способ изготовления фоточувствительных матриц ИК-диапазона на основе теллурида кадмия-ртути по планарной технологии, включающий в себя технологические операции пассивации поверхности, получения n⁺-p-переходов ионным легированием или ионной бомбардировкой в плазме, формирования общего контакта и изготовления индиевых столбчатых контактов, ввели эпитаксиальное наращивание диэлектрического слоя теллурида кадмия в качестве пассивирующего покрытия и дополнительно ввели операцию травления площадок в местах расположения n⁺-p-переходов на 2-3 микрометра вглубь КРТ.The essence of the claimed invention lies in the fact that in a known method for the manufacture of infrared photosensitive matrices based on cadmium-mercury telluride according to planar technology, which includes technological operations of surface passivation, obtaining n ⁺ -p junctions by ion doping or ion bombardment in plasma, the formation of a common contact and the manufacture of indium columnar contacts, introduced the epitaxial build-up of the dielectric layer of cadmium telluride as a passivating coating and additionally introduced whether the etching operation of the sites at the locations of n ⁺ -p junctions by 2-3 micrometers deep into the SRT.

Применение эпитаксиального слоя теллурида кадмия в качестве пассивирующего покрытия КРТ позволяет получить фотодиоды с высокими значениями шунтирующего сопротивления, что необходимо для нормальной работы схем обработки сигнала. Оно также улучшает воспроизводимость процесса изготовления, повышает однородность и температурную стабильность параметров матриц.The use of the epitaxial layer of cadmium telluride as a passivating coating of CMT allows one to obtain photodiodes with high values of shunt resistance, which is necessary for the normal operation of signal processing circuits. It also improves the reproducibility of the manufacturing process, increases the uniformity and temperature stability of the matrix parameters.

Химическое травление площадок p-n-переходов на 2-3 микрометра вглубь КРТ позволяет удалить базовые p-области фотодиодов от приповерхностного слоя КРТ и получить фотодиоды с малыми темновыми токами и высокой квантовой эффективностью, обеспечивающими высокую обнаружительную способность. Появляющийся из-за травления рельеф не препятствует процессу гибридизации матрицы с кремниевым мультиплексором, так как высота индиевых столбчатых контактов составляет около 10-12 микрометров. Изготовление столбиков при этом упрощается, поскольку при фотолитографии по напыленному слою индия становится возможным проводить совмещение не по специальным знакам, а непосредственно по рисунку, образованному углубленными площадками дискретных n-областей фотодиодов.Chemical etching of the sites of pn junctions by 2–3 micrometers deep into the SRT allows one to remove the basic p-regions of the photodiodes from the near-surface layer of the SRT and to obtain photodiodes with low dark currents and high quantum efficiency, which provide high detection ability. The relief appearing due to etching does not impede the hybridization of the matrix with a silicon multiplexer, since the height of the indium column contacts is about 10-12 micrometers. The manufacture of columns is thus simplified, since during photolithography on a sprayed layer of indium it becomes possible to combine not by special signs, but directly by a pattern formed by in-depth areas of discrete n-regions of photodiodes.

Сущность изобретения поясняется графическими изображениями, где схематически изображены операции получения p-n-переходов, а именно:The invention is illustrated by graphical images, which schematically depict the operation of obtaining p-n junctions, namely:

Фиг.1 - фотолитография;Figure 1 - photolithography;

Фиг.2 - химическое травление площадки p-n-перехода на глубину 3 микрометра;Figure 2 - chemical etching of the site of the p-n junction to a depth of 3 micrometers;

Фиг.3 - удаление фоторезиста;Figure 3 - removal of photoresist;

Фиг.4 - ионное легирование.Figure 4 - ion doping.

На фиг.1-4 показаны: 1 - слой фоторезиста; 2 - слой диэлектрического пассивирующего покрытия теллурида кадмия толщиной 0,5 микрометра; 3 - теллурид кадмия-ртути p-типа проводимости; 4 - теллурид кадмия-ртути n⁺-типа проводимости.Figure 1-4 shows: 1 - a layer of photoresist; 2 - a layer of a dielectric passivating coating of cadmium telluride with a thickness of 0.5 micrometer; 3 - p-type cadmium-mercury telluride; 4 - cadmium-mercury telluride n ⁺ -type conductivity.

Изготовление матрицы фотодиодных элементов с n⁺-p-переходами на основе теллурида кадмия-ртути осуществляют следующим образом. На поверхность эпитаксиального слоя КРТ p-типа проводимости с целью пассивации наносят эпитаксиальное покрытие теллурида кадмия толщиной около 0,5 микрометра. Затем проводят следующие технологические операции: при помощи фотолитографии и химического травления в местах расположения n⁺-p-переходов площадки протравливают на 2-3 микрометра вглубь КРТ; слой фоторезиста удаляют и проводят ионное легирование или ионную бомбардировку в плазме для получения n⁺-областй. При помощи фотолитографии, химического травления, напыления металлического покрытия и «взрыва» фоторезиста формируется общий контакт к p-типу. Напыляют металлическое покрытие индия толщиной 10-12 микрометров и при помощи фотолитографии и химического травления на местах p-n-переходов и общих контактов формируют индиевые столбики для стыковки с кремниевыми схемами обработки сигнала.The manufacture of a matrix of photodiode elements with n ⁺ p junctions based on cadmium-mercury telluride is as follows. For passivation, an epitaxial coating of cadmium telluride with a thickness of about 0.5 micrometer is applied to the surface of the p-type CMT epitaxial layer. Then, the following technological operations are carried out: using photolithography and chemical etching at the locations of the n ⁺ -p junctions, the sites are etched 2-3 microns deep into the SRT; the photoresist layer is removed and ion doping or ion bombardment is carried out in the plasma to obtain n ⁺ regions. With the help of photolithography, chemical etching, deposition of a metal coating and the "explosion" of a photoresist, a common contact to the p-type is formed. An indium metal coating 10-12 micrometers thick is sprayed and, using photolithography and chemical etching at the sites of pn junctions and common contacts, indium columns are formed for coupling with silicon signal processing circuits.

Маскирующим покрытием при проведении ионного легирования служит слой диэлектрика теллурида кадмия.The masking coating during ion doping is a cadmium telluride dielectric layer.

Claims

A method of manufacturing a matrix of photodiode elements with n ⁺ p junctions based on cadmium-mercury telluride, including surface passivation by epitaxial build-up of cadmium telluride dielectric, photolithography and ion doping or ion bombardment in a plasma, characterized in that before the ion doping or ion bombardment in plasma additionally conduct chemical etching of sites at the locations of n ⁺ -p junctions by 2-3 micrometers deep into cadmium-mercury telluride.