RU2544869C1 - METHOD OF MANUFACTURE OF PLANAR LARGE AREA pin PHOTO DIODES ON HIGH-RESISTANCE p-SILICONE - Google Patents

METHOD OF MANUFACTURE OF PLANAR LARGE AREA pin PHOTO DIODES ON HIGH-RESISTANCE p-SILICONE Download PDF

Info

Publication number
RU2544869C1
RU2544869C1 RU2013150449/28A RU2013150449A RU2544869C1 RU 2544869 C1 RU2544869 C1 RU 2544869C1 RU 2013150449/28 A RU2013150449/28 A RU 2013150449/28A RU 2013150449 A RU2013150449 A RU 2013150449A RU 2544869 C1 RU2544869 C1 RU 2544869C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
implantation
annealing
stage
kev
ions
Prior art date
Application number
RU2013150449/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Петрович Астахов
Павел Дмитриевич Гиндин
Владимир Владимирович Карпов
Наталья Игоревна Евстафьева
Елена Федоровна Карпенко
Геннадий Михайлович Лихачёв
Евгения Зиновьевна Крайтерман
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Швабе-Фотосистемы"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Швабе-Фотосистемы" filed Critical Открытое акционерное общество "Швабе-Фотосистемы"
Priority to RU2013150449/28A priority Critical patent/RU2544869C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2544869C1 publication Critical patent/RU2544869C1/en

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: offered invention relates to technology of manufacture of semiconductor devices, in particular, to methods of manufacture of planar large area pin-photo diodes based on high-resistance silicon of p-type conductivity. The method includes preparation of a plate of source p-silicon or silicon epitaxial structure of p-p-type, formation of a mask for implantation of Pions into a working area and a security ring, two-phase implantation of Pions with the energy and the dose respectively (30÷40) keV and (3÷4)·10cmon the first and (70÷100) keV and (8÷10)·10cmat the second stage for formation of n-p transitions of working area and the security ring, implantation ofions with the energy (60÷100) keV and the dose (2÷3)·10 cmfrom the back side of the plate, two-phase post-implantation annealing at duration and temperature respectively no less than 1 hour and (570÷600)°C on the first stage and no less than 5 hours and (890÷900)°C at the second stage, protection and an enlightenment of a surface of working area and protection of the periphery of the security ring by application of SiOfilm, and annealing, initial decrease of temperature after annealing up to 300°C and application of SiOfilm at the temperatures over 300°C is made in the conditions of oxygen lack, and implantation Pandions is performed one after another in any sequence.EFFECT: optimum selected implantation doses, modes and conditions of post-implantation annealing and conditions of application of protective and lightening coating provide increase of current sensitivity of pin-photo diodes at high background flares with preservation of low level of dark currents at decrease of complexity, labour input and energy consumption of manufacture.2 cl, 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, в частности, к способам создания планарных pin-фотодиодов большой площади на основе высокоомного (удельное сопротивление 1÷20 кОм·см) кремния p-типа проводимости.The present invention relates to a technology for the manufacture of semiconductor devices, in particular, to methods for creating planar pin photodiodes of a large area based on high-resistance (resistivity 1 ÷ 20 kΩ · cm) p-type silicon.

Известен способ изготовления планарных pin-фотодиодов большой площади, в котором кристалл после вырезания из пластины подвергается термическому окислению, затем с применением метода фотолитографии на торцевых поверхностях и обратной стороне кристалла окисел стравливается и в свободные от окисла поверхности проводится диффузия бора для создания p+-областей, затем проводится второе термическое окисление кристалла, с применением фотолитографии на рабочей стороне вытравливаются «окна», в которые для формирования рабочей области и окружающего ее охранного кольца (ОК) n+-типа проводится диффузия фосфора, затем проводится фотолитография и вскрытие контактных окон, напыление металла и формирование рисунка контактной системы на рабочей области и ОК (см. А.А. Ащеров и др. Оптимизация надежности кремниевых pin-фотодиодов по темновому току. Ж. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 1999, №1, с.35-38). Такой способ позволяет создавать высокофоновые планарные pin-фотодиоды большой площади, однако он является чрезвычайно сложным, трудо-энерго- и материалоемким.A known method of manufacturing planar pin-photodiodes of large area, in which the crystal is subjected to thermal oxidation after cutting from the plate, then, using the method of photolithography on the end surfaces and the back of the crystal, the oxide is etched and boron diffusion is carried out to form oxide surfaces to create p + regions , then a second thermal oxidation of the crystal is carried out, using photolithography, “windows” are etched on the working side, into which, to form the working area and surrounding The protective ring (OK) of the n + type surrounding it is diffused with phosphorus, then photolithography and opening of the contact windows, deposition of metal and the formation of the contact system pattern on the working area and OK are performed (see A. A. Ascherov et al. Reliability of silicon pin photodiodes for dark current. J. Technology and design in electronic equipment, 1999, No. 1, p. 35-38). This method allows you to create high-planar planar pin-photodiodes of a large area, but it is extremely complex, labor-energy-and material-intensive.

Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому способ изготовления планарных pin-фотодиодов большой площади на пластинах высокоомного p-кремния, в которые для формирования n+-p перехода рабочей области производят двухстадийную имплантацию ионов P+ с энергией 40 кэВ и дозой 1·1015 см-2 на первой и энергией 80 кэВ и дозой 2·105 см-2 на второй стадии и постимплантационный двухстадийный отжиг в атмосфере осушенного азота при температуре 600°С в течение 0,5 часа на первой и температуре 900° С в течение 0,5 часа на второй стадии, в обратную сторону пластин имплантируют ионы B F 2 +

Figure 00000001
с энергией 100 кэВ и дозой 2·1015 см-3 для формирования одновременно геттерирующей области и омического контакта p+-p-типа к базе и проводят второй постимплантационный отжиг в атмосфере осушенного азота при температуре 900°C в течение 0,5 часа, после чего осуществляют низкодозовое легирование периферии n+-p перехода бором с последующей имплантацией этой области ионами N2+с энергией 100 кэВ и дозой 6 1016 см-2 (см. В.П. Астахов и др. О возможности применения ионной имплантации при производстве pin-фотодиодов на кремнии. Ж. Прикладная физика, 6, 1999, с.26-31). Однако такой способ является также чрезвычайно сложным, трудоемким, энерго- и материалозатратным из-за необходимости дополнительно проводить низкодозовое легирование бором, формировать локальную маску, стойкую к имплантации больших доз ионов N 2 +
Figure 00000002
при больших токах, и проводить длительную (в течение 4-10 часов) имплантацию этих ионов. Кроме того, этот способ не позволяет получать pin-фотодиоды большой площади, работающие при повышенных фоновых засветках, например, от солнца или других источников излучения, из-за резкого снижения токовой чувствительности при появлении и увеличении фонового тока, которое обусловлено высоким уровнем слоевого сопротивления n+-области.Known closest in technical essence to the proposed method for the manufacture of planar pin photodiodes of large area on wafers of high resistance p-silicon, in which to form an n + -p junction of the working area, two-stage implantation of P + ions with an energy of 40 keV and a dose of 1 · 10 15 is performed cm -2 at the first and an energy of 80 keV and a dose of 2 · 10 5 cm -2 at the second stage and postimplantation two-stage annealing in the atmosphere of dried nitrogen at a temperature of 600 ° C for 0.5 hours at the first and a temperature of 900 ° C for 0 , 5 hours in the second stage, back side plates implanted ions B F 2 +
Figure 00000001
with an energy of 100 keV and a dose of 2 · 10 15 cm -3 to simultaneously form a gettering region and an ohmic p + -p type contact to the base, and conduct a second post-implantation annealing in an atmosphere of dried nitrogen at a temperature of 900 ° C for 0.5 hour, after which low-dose doping of the periphery of the n + -p junction with boron is carried out, followed by implantation of this region with N 2 + ions with an energy of 100 keV and a dose of 6 10 16 cm -2 (see V.P. Astakhov et al. On the possibility of using ion implantation with production of pin photodiodes on silicon (J. Applied Physics, 6, 1999, pp. 26-31). However, this method is also extremely complex, time-consuming, energy- and material-intensive due to the need to additionally carry out low-dose doping with boron, to form a local mask resistant to implantation of large doses of ions N 2 +
Figure 00000002
at high currents, and carry out a long (within 4-10 hours) implantation of these ions. In addition, this method does not allow to obtain large-area pin photodiodes operating with increased background illumination, for example, from the sun or other radiation sources, due to a sharp decrease in current sensitivity when the background current appears and increases, due to the high level of layer resistance n + -regions.

Задачей, решаемой при использовании предлагаемого способа, является возможность создавать планарные pin-фотодиоды большой площади при снижении сложности, трудоемкости и энергозатрат. Техническим результатом является повышение токовой чувствительности pin-фотодиодов при высоких фоновых засветках с сохранением низкого уровня темновых токов.The problem to be solved when using the proposed method is the ability to create planar pin-photodiodes of a large area while reducing complexity, complexity and energy consumption. The technical result is to increase the current sensitivity of pin photodiodes at high background illumination while maintaining a low level of dark currents.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления планарных pin-фотодиодов на высокоомном p-кремнии, включающем подготовку пластины исходного p-кремния или кремниевой эпитаксиальной структуры p+-p-типа, формирование маски для имплантации ионов P+ в рабочую область и охранное кольцо, двухстадийную имплантацию ионов P+ с для формирования n+-p переходов рабочей области и охранного кольца, имплантацию ионов B F 2 +

Figure 00000003
с обратной стороны пластины для создания одновременно области геттера и омического контакта к базе, двухстадийный постимплантационный отжиг, защиту и просветление поверхности рабочей области вместе с защитой периферии охранного кольца и создание контактов по периферии рабочей области и на охранном кольце, новым является то, что имплантацию ионов P+ проводят при энергии и дозе соответственно (30÷40) кэВ и (3÷4)·1015 см-2 на первой и (70÷100) кэВ и (8÷10)·1015 см-2 на второй стадии, имплантацию ионов B F 2 +
Figure 00000003
производят при энергии и дозе (60÷100) кэВ и (2÷3)·1015 см-2, постимплантационный отжиг проводят при продолжительности и температуре соответственно не менее 1 часа и (570÷600)°C на первой и не менее 5 часов и (890÷900)°C на второй стадии, защиту и просветление поверхности рабочей области и защиту периферии охранного кольца осуществляют нанесением пленки SiO2, причем отжиг, начальное снижение температуры после отжига до 300°C и нанесение пленки SiO2 при температурах выше 300°C производят в условиях отсутствия кислорода, а имплантацию ионов P+ и B F 2 +
Figure 00000003
проводят одну за другой в любой последовательности.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing planar pin photodiodes on high-resistance p-silicon, which includes preparing a plate of the original p-silicon or silicon epitaxial p + -p-type structure, the formation of a mask for implantation of P + ions in the working area and security ring, two-stage implantation of P + c ions for the formation of n + -p transitions of the working area and the guard ring, ion implantation B F 2 +
Figure 00000003
on the reverse side of the plate to simultaneously create a getter and ohmic contact to the base, two-stage post-implantation annealing, protection and enlightenment of the surface of the working area together with protection of the periphery of the guard ring and the creation of contacts around the periphery of the work region and on the guard ring, the new is that ion implantation P + is carried out at an energy and dose of respectively (30 ÷ 40) keV and (3 ÷ 4) · 10 15 cm -2 in the first and (70 ÷ 100) keV and (8 ÷ 10) · 10 15 cm -2 in the second stage implantation of ions B F 2 +
Figure 00000003
produced at an energy and dose of (60 ÷ 100) keV and (2 ÷ 3) · 10 15 cm -2 , post-implantation annealing is carried out at a duration and temperature of at least 1 hour and (570 ÷ 600) ° C at the first and at least 5 hours and (890 ÷ 900) ° C in the second stage, the protection and enlightenment of the surface of the working area and the protection of the periphery of the guard ring are carried out by applying a SiO 2 film, with annealing, an initial temperature decrease after annealing to 300 ° C and applying a SiO 2 film at temperatures above 300 ° C is carried out in the absence of oxygen, and the implantation of P + and B F 2 +
Figure 00000003
spend one after another in any sequence.

В частном случае имплантацию ионов P+ для создания рабочей области и охранного кольца производят одновременно.In a particular case, the implantation of P + ions to create a working area and a guard ring is performed simultaneously.

Имплантация ионов P+ в двухстадийном режиме при энергии ионов (30÷40) кэВ и дозе (3÷4)·1015 см-2 на первой и энергии ионов (70÷100) кэВ и дозе (8÷10)·1015 см-2 на второй стадии с последующим двухстадийным отжигом с температурой (570÷600)°C и продолжительностью не менее 1 часа на первой и температурой (890÷900)°C и продолжительностью не менее 5 часов на второй стадии в условиях отсутствия кислорода при самом отжиге и начальном снижении температуры до 300°C позволяет получать планарные n+-p переходы рабочей области и ОК с качественными металлургической границей и поверхностью в области планарных границ n+-p переходов, обеспечивающими низкий уровень темнового тока, и n+-слоем, имеющим высокую проводимость, способную обеспечить работоспособность pin-фотодиода при фоновых засветках не ниже 20 мВт/см2 при рабочем напряжении 20 В и выше.The implantation of P + ions in a two-stage mode at an ion energy of (30 ÷ 40) keV and a dose of (3 ÷ 4) · 10 15 cm -2 at the first and ion energy (70 ÷ 100) keV and a dose of (8 ÷ 10) · 10 15 cm -2 at the second stage, followed by two-stage annealing with a temperature of (570 ÷ 600) ° C and a duration of at least 1 hour at the first and a temperature of (890 ÷ 900) ° C and a duration of at least 5 hours at the second stage in the absence of oxygen at Annealing itself and an initial decrease in temperature to 300 ° C allows one to obtain planar n + -p transitions of the working area and OK with a high-quality metallurgical boundary and surface in the region of planar boundaries of n + -p junctions, providing a low level of dark current, and an n + -layer, having a high conductivity, capable of ensuring the operability of a pin photodiode with background illumination of at least 20 mW / cm 2 at an operating voltage of 20 V or higher .

Это объясняется следующим.This is explained by the following.

При создании планарных pin-фотодиодов большой площади на высокоомном p-кремнии необходимо формировать прелой n+-p перехода рабочей области, обладающий высокой проводимостью при обеспечении низкого уровня темновых токов n+-p переходов рабочей области и ОК. Уровень проводимости n+-слоя должен быть тем выше, чем выше уровень фоновой засветки, таким, чтобы при фоновом токе падение напряжения на последовательном сопротивлении этого слоя в цепи «контакт к n+-слою - n+-слой - n+-p переход рабочей области - база фотодиода - омический контакт к базе» было минимальным, не уменьшающим заметно смещение на n+-p переходе при рабочем напряжении.When creating planar pin photodiodes of a large area on high-resistance p-silicon, it is necessary to form a pre-n + -p junction of the working region with high conductivity while ensuring a low level of dark currents of n + -p junction junctions and OK. The conductivity level of the n + layer should be the higher, the higher the level of background illumination, such that at the background current the voltage drop across the series resistance of this layer in the circuit “contact to the n + layer - n + layer - n + -p junction of the working area — photodiode base — ohmic contact to the base ”was minimal, not noticeably decreasing the displacement at the n + -p junction at the operating voltage.

Уровень проводимости n+-слоя возрастает при увеличении дозы легирования и толщины слоя. Увеличение дозы при той же толщине слоя дает слабый эффект из-за снижения подвижности носителей заряда при увеличении концентрации легирующих атомов. При этом рост концентрации легирующих атомов увеличивает вероятность образования дислокации при постимплантационном отжиге, шунтирующих n+-p переход и повышающих темновой ток. Таким образом, необходима высокая, но оптимальная доза загонки легирующих атомов, которую удобно обеспечить имплантацией в двухстадийном режиме, при котором будет уменьшена опасная с точки зрения дислокации концентрация в максимумах распределения имплантированных атомов по сравнению с одностадийным режимом и достаточно высокая, но не выше 900°C температура постимплантационного отжига, безопасная для структуры исходного кристалла. При этом достаточная толщина слоя (d) будет обеспечена длительностью отжига (t) согласно формуле:The conductivity level of the n + layer increases with increasing doping dose and layer thickness. An increase in the dose at the same layer thickness gives a weak effect due to a decrease in the mobility of charge carriers with an increase in the concentration of doping atoms. In this case, an increase in the concentration of doping atoms increases the likelihood of the formation of dislocations during postimplantation annealing, shunting the n + -p junction and increasing the dark current. Thus, a high but optimal dose of the doping of the alloying atoms is necessary, which is conveniently ensured by implantation in the two-stage mode, at which the concentration dangerous at the dislocation point of view at the maxima of the distribution of the implanted atoms is reduced compared with the single-stage mode and sufficiently high, but not higher than 900 ° C post-implantation annealing temperature, safe for the structure of the initial crystal. In this case, a sufficient thickness of the layer (d) will be provided by the duration of annealing (t) according to the formula:

Figure 00000004
Figure 00000004

где Д - коэффициент диффузии примесных атомов при температуре отжига.where D is the diffusion coefficient of impurity atoms at the annealing temperature.

Таким образом, увеличение доз имплантации ионов P+ выше указанных пределов приводит к увеличению уровня темновых токов из-за начала роста дислокации при отжиге, а их снижение за указанные нижние пределы - к снижению уровня безопасных фоновых засветок из-за снижения проводимости n+-слоя. Заявляемый диапазон энергии ионов P+ также является оптимальным: уход за 30 и 40 кэВ на первой стадии либо слишком сильно сдвигает максимум профиля распределения имплантированных атомов к поверхности, либо - ко второму максимуму, обусловленному энергией ионов второй стадии; выход за пределы (70÷100) кэВ на второй стадии соответственно сближает максимумы либо приводит к избыточной дефектности. Во всех этих случаях следствием является избыточная дефектность формируемого n+-слоя и n+-p перехода, результатом чего являются избыточные темновые токи и пониженная бесфоновая и фоновая чувствительности. Снижение температуры и продолжительности первой стадии отжига ниже указанного предела приводит к увеличению темнового тока из-за недостаточности отжига аморфного слоя, а второй стадии - к уменьшению чувствительности при фоновых засветках из-за уменьшения проводимости n+-слоя. Завышение предельной температуры первой стадии повышает вероятность образования поликристаллической фазы при рекристаллизации, а второй - стимулирует начало деградации объемных свойств кристалла.Thus, an increase in the doses of P + ion implantation above the specified limits leads to an increase in the level of dark currents due to the onset of growth of the dislocation during annealing, and their decrease beyond the indicated lower limits leads to a decrease in the level of safe background flares due to a decrease in the conductivity of the n + layer . The claimed energy range of P + ions is also optimal: leaving 30 and 40 keV in the first stage either shifts the maximum of the distribution profile of the implanted atoms to the surface too much, or to the second maximum, due to the energy of the second stage ions; going beyond (70 ÷ 100) keV in the second stage, respectively, brings the maxima closer together or leads to excessive defectiveness. In all these cases, the consequence is excessive defectiveness of the formed n + layer and n + -p junction, which results in excess dark currents and reduced backgroundless and background sensitivity. A decrease in temperature and duration of the first stage of annealing below the indicated limit leads to an increase in dark current due to insufficient annealing of the amorphous layer, and the second stage leads to a decrease in sensitivity during background illumination due to a decrease in the conductivity of the n + layer. An overestimation of the limiting temperature of the first stage increases the likelihood of the formation of a polycrystalline phase during recrystallization, and the second stimulates the onset of degradation of the bulk properties of the crystal.

Слой, создаваемый имплантацией ионов B F 2 +

Figure 00000003
, выполняющий двойную функцию: геттера и омического контакта, играет важную роль при отжиге, собирая подвижные дефекты из области базы и за счет этого увеличивая время жизни неосновных носителей заряда и уменьшая скорость их генерации. Это свойство геттерирующего слоя приводит к увеличению токовой чувствительности и уменьшению темнового тока фотодиода. Доза имплантации ионов B F 2 +
Figure 00000003
, составляющая (2÷3)·1015 см-2 ,соответствует оптимальной дефектности геттерирующего слоя при энергии ионов не ниже 60 кэВ. Геттерирующие свойства резко ослабляются при энергии ионов ниже 60 кэВ и дозах за пределами указанного диапазона, приводя к снижению токовой чувствительности и увеличению темнового тока.Ion Implantation Layer B F 2 +
Figure 00000003
performing a dual function: getter and ohmic contact, plays an important role in annealing, collecting mobile defects from the base region and thereby increasing the lifetime of minority charge carriers and reducing the rate of their generation. This property of the gettering layer leads to an increase in current sensitivity and a decrease in the dark current of the photodiode. Ion implantation dose B F 2 +
Figure 00000003
, component (2 ÷ 3) · 10 15 cm -2 , corresponds to the optimal defectiveness of the gettering layer at an ion energy of at least 60 keV. The gettering properties are sharply weakened at ion energies below 60 keV and doses outside the specified range, leading to a decrease in current sensitivity and an increase in dark current.

Снижению темнового тока способствует то, что постимплантационный отжиг с последующим снижением температуры и защита поверхности с одновременным ее просветлением нанесением слоя SiO2 осуществляются в условиях отсутствия кислорода при температурах выше 300°C. Необходимость выполнения этого условия объясняется тем, что при температурах выше 300°C при наличии кислорода происходит активное образование положительного встроенного заряда на границе Si-SiO2 такой величины, при которой формируется поверхностный канал n-типа проводимости на p-базе, из-за чего резко возрастает темновой ток. Это может происходить при отжиге вследствие наличия естественной поверхностной пленки SiO2, даже если отжиг производится в нейтральной атмосфере осушенного и очищенного от кислорода азота, но при охлаждении эта атмосфера контролируется только до температур выше 300°C, например до 500°C или 400°C, ниже которых воздух начинает контактировать с образцами в печи. Если охлаждение, как и сам отжиг, проводится в атмосфере осушенного и очищенного азота вплоть до 300°C или ниже, то образование поверхностного канала не происходит. Канал не образуется и в случае нанесения защитного и просветляющего слоя SiO2, например, таким способом, как разложение молекул летучих металлоорганических соединений, содержащих кислород, в плазме аргона, если температура процесса также не превышает 300°C. При более высоких температурах этого процесса встроенный заряд резко возрастает и образуется канал. В случае использования таких методов нанесения слоев SiO2, при которых в зоне расположения пластин отсутствуют свободные ионы, атомы или молекулы кислорода, например, распыление кварца пучком электронов или нейтральных частиц, ограничение по температуре процесса отсутствует.The reduction of the dark current is facilitated by the fact that post-implantation annealing followed by a decrease in temperature and surface protection with its simultaneous bleaching by applying a layer of SiO 2 are carried out in the absence of oxygen at temperatures above 300 ° C. The need to fulfill this condition is explained by the fact that at temperatures above 300 ° C in the presence of oxygen, a positive built-in charge is actively formed at the Si-SiO 2 interface of such a magnitude that a n-type surface channel is formed on the p-base, due to which the dark current rises sharply. This can occur during annealing due to the presence of a natural surface SiO 2 film, even if annealing is performed in a neutral atmosphere of dried and oxygen-free nitrogen, but when cooled, this atmosphere is controlled only to temperatures above 300 ° C, for example, to 500 ° C or 400 ° C below which air begins to come into contact with samples in the furnace. If cooling, like the annealing itself, is carried out in an atmosphere of dried and purified nitrogen up to 300 ° C or lower, then the formation of a surface channel does not occur. The channel does not form in the case of applying a protective and antireflection layer of SiO 2 , for example, in such a way as the decomposition of molecules of volatile organometallic compounds containing oxygen in argon plasma, if the process temperature also does not exceed 300 ° C. At higher temperatures of this process, the built-in charge increases sharply and a channel forms. In the case of using such methods of deposition of SiO 2 layers in which free ions, atoms or oxygen molecules, for example, sputtering of quartz by a beam of electrons or neutral particles, are absent in the plate location zone, there is no limitation on the process temperature.

Упрощение технологии, снижение трудоемкости, энергетических и материальных затрат достигаются в предложении за счет того, что имплантации ионов P+ и B F 2 +

Figure 00000003
производят в любой последовательности, два постимплантационных процесса отжига после имплантации каждого типа ионов (P+ и B F 2 +
Figure 00000005
) заменены на один, который проводится после имплантации обоих типов ионов, при этом формирование маски и низкодозовое легирование периферии n+-p переходов бором с последующей высокодозовой имплантацией ионов N 2 +
Figure 00000006
исключают, заменив эти процессы низкотемпературным нанесением слоя SiO2, например, либо одним из хорошо отработанных процессов разложения молекул гексаметилдисилаксана или тетраэтоксисилана в плазме аргона при температуре ниже 300°C, либо другим методом без ограничения температуры процессов, если при их проведении у поверхности пластин отсутствует кислород. В частном случае выполнения это обеспечивается также тем, что имплантацию ионов P+ для создания рабочей области и ОК производят одновременно.Simplification of technology, reduction of labor intensity, energy and material costs are achieved in the proposal due to the fact that implantation of P + ions and B F 2 +
Figure 00000003
produce in any sequence, two post-implantation annealing processes after implantation of each type of ion (P + and B F 2 +
Figure 00000005
) replaced by one that is performed after implantation of both types of ions, with the formation of a mask and low-dose doping of the periphery of n + -p junctions with boron followed by high-dose implantation of ions N 2 +
Figure 00000006
exclude by replacing these processes with low-temperature deposition of a SiO 2 layer, for example, either with one of the well-established processes for the decomposition of hexamethyldisilaxane or tetraethoxysilane molecules in argon plasma at temperatures below 300 ° C, or by another method without limiting the temperature of the processes, if there are no processes at the surface of the plates oxygen. In the particular case of execution, this is also ensured by the fact that the implantation of P + ions to create a working area and OK is performed simultaneously.

Согласно предложенному способу и с отступлениями от заявленных технологических параметров была изготовлена партия pin-фотодиодов из 30 штук полированных пластин кремния с удельным сопротивлением (8÷12) кОм см диаметром 60 мм и толщиной (0,25÷0,27) мм. Количество фотодиодов на каждой пластине - 5 штук. При этом защитный и просветляющий слой SiO2 толщиной ~0,5 мкм наносился низкотемпературным (при 250°C) разложением молекул гексаметилдисилаксана в плазме аргона, при котором в разрядной камере имеются ионы, атомы и молекулы кислорода. Постимплантационный отжиг проводился в атмосфере осушенного и очищенного от кислорода азоте, включая охлаждение до заданной температуры, ниже которой в атмосферу печи попадал кислород атмосферы. Металлические контакты в виде колец на рабочей области и ОК создавались термическим напылением системы Cr+Au с последующим вжиганием в атмосфере осушенного и очищенного азота при температуре 300°C.According to the proposed method and with deviations from the stated technological parameters, a batch of pin photodiodes was made of 30 pieces of polished silicon wafers with a specific resistance of (8 ÷ 12) kΩ cm with a diameter of 60 mm and a thickness of (0.25 ÷ 0.27) mm. The number of photodiodes on each plate is 5 pieces. In this case, a ~ 0.5 μm thick SiO 2 protective and antireflective layer was deposited by low-temperature (at 250 ° C) decomposition of hexamethyldisilaxane molecules in argon plasma, in which ions, atoms and oxygen molecules were present in the discharge chamber. Postimplantation annealing was carried out in an atmosphere of dried and oxygen-free nitrogen, including cooling to a predetermined temperature, below which atmospheric oxygen entered the furnace atmosphere. Metal contacts in the form of rings on the working area and OK were created by thermal spraying of the Cr + Au system, followed by annealing in the atmosphere of dried and purified nitrogen at a temperature of 300 ° C.

Была изготовлена также партия из 3 пластин по способу-прототипу. Всего по каждому варианту технологии изготовлено по 3 пластины, то есть по 15 pin-фотодиодов, на которых при рабочем напряжении 20 В и температуре 20 C измерены средние значения бесфоновой импульсной токовой чувствительности на рабочей длине волны 0,9 мкм (S0,9), импульсной токовой чувствительности на длине волны 0,9 мкм при постоянном фоновом потоке от источника А, составляющем 20 мВт/см2 ( S 0 , 9 ф )

Figure 00000007
и темнового тока рабочей области при параллельном подключении ОК (IT). Длительность импульсов засветки составляла 100 нс при мощности 10-6 Вт. Измеренные значения вместе с условиями изготовления каждой группы пластин представлены в таблице.A batch of 3 plates was also manufactured using the prototype method. In total, for each technology variant, 3 plates were manufactured, that is, 15 pin photodiodes, on which, at an operating voltage of 20 V and a temperature of 20 C, the average values of the zero-voltage pulse current sensitivity at a working wavelength of 0.9 μm were measured (S 0.9 ) , pulse current sensitivity at a wavelength of 0.9 μm with a constant background flow from source A of 20 mW / cm 2 ( S 0 , 9 f )
Figure 00000007
and the dark current of the workspace with parallel connection OK (I T ). The duration of the illumination pulses was 100 ns at a power of 10 -6 watts. The measured values along with the manufacturing conditions of each group of plates are presented in the table.

Из данных таблицы следует, что предложение обеспечивает получение заявленного технического решения.From the table it follows that the proposal ensures the receipt of the claimed technical solution.

ТаблицаTable № п/пNo. p / p Особенности изготовленияManufacturing Features S0,9, (А/Вт)S 0.9 , (A / W) S 0 , 9 ф

Figure 00000008
(А/Вт) S 0 , 9 f
Figure 00000008
(A / W) IT, (мкА)I T , (μA) 1one 22 33 4four 55 1one по прототипуprototype 0,430.43 0,070,07 0,60.6 22 по предложению с последовательностью имплантацииon offer with implantation sequence 2.12.1 сначала ионов P+ затем B F 2 +
Figure 00000003
first P + ions then B F 2 +
Figure 00000003
0,460.46 0,350.35 0,650.65
2.22.2 сначала ионов B F 2 +
Figure 00000003
затем P+
ions first B F 2 +
Figure 00000003
then P +
0,430.43 0,320.32 0.720.72
33 по предложению с отступлением:on the retreat proposal: 3.13.1 занижены в 1,5 раза дозы имплантации ионов P+ на каждом этапе по сравнению с заявленным нижним пределом1.5 times lower doses of implantation of P + ions at each stage compared to the stated lower limit 0,420.42 0,220.22 0,810.81 3.23.2 завышены в 1,5 раза дозы имплантации ионов P+ на каждом этапе по сравнению с заявленным верхним пределом1.5 times higher than the dose of implantation of P + ions at each stage compared with the stated upper limit 0,470.47 0,310.31 7,67.6 3.33.3 энергия ионов B F 2 +
Figure 00000003
на 20 кэВ ниже допустимого предела
ion energy B F 2 +
Figure 00000003
20 keV below acceptable limit
0,370.37 0,230.23 4,44.4
3.43.4 на 0,5 часа уменьшена длительность первой стадии отжигаthe duration of the first stage of annealing is reduced by 0.5 hours 0,410.41 0,330.33 3,83.8

1one 22 33 4four 55 3.53.5 на 1 час уменьшена длительность второй стадии отжигаthe duration of the second stage of annealing is reduced by 1 hour 0,470.47 0,260.26 0,770.77 3.63.6 отжиг и охлаждение после отжига в осушенном азоте до 350 Cannealing and cooling after annealing in dry nitrogen to 350 C 0,450.45 0,340.34 2323 3.73.7 нанесение слоя SiO2 при температуре 330 Capplication of a layer of SiO 2 at a temperature of 330 C 0,440.44 0,340.34 3232 3.83.8 выход за заявленные пределы на (30-50)% либо энергии ионов P+ или B F 2 +

Figure 00000003
, либо дозы ионов B F 2 +
Figure 00000003
going beyond the declared limits by (30-50)% of either the energy of P + ions or B F 2 +
Figure 00000003
or doses of ions B F 2 +
Figure 00000003
0,39-0,420.39-0.42 0,21-0,280.21-0.28 1,76-4,51.76-4.5

Измеренные значения, полученные при отступлении от предложения и выделенные в таблице, соответствуют представленным выше объяснениям, а именно:The measured values obtained by deviating from the proposal and highlighted in the table correspond to the above explanations, namely:

- занижение дозы имплантации ионов P+ (п.3.1) или длительности высокотемпературной стадии отжига (п.3.5) приводит к заметному снижению фоновой импульсной токовой чувствительности из-за снижения проводимости n+-слоя;- underestimation of the dose of P + ion implantation (clause 3.1) or the duration of the high-temperature annealing stage (clause 3.5) leads to a noticeable decrease in the background pulsed current sensitivity due to a decrease in the conductivity of the n + layer;

- занижение энергии ионов B F 2 +

Figure 00000003
(п.3.3) уменьшает бесфоновую и фоновую импульсные токовые чувствительности вместе с увеличением темнового тока из-за ослабления геттерирующей активности имплантированного слоя;- underestimation of ion energy B F 2 +
Figure 00000003
(Clause 3.3) reduces the backgroundless and background pulsed current sensitivities together with an increase in the dark current due to the weakening of the gettering activity of the implanted layer;

- завышение дозы имплантации ионов P+ на обеих стадиях (п.3.2) и занижение длительности первой стадии отжига (п.3.4) приводят к повышению темнового тока соответственно из-за генерации дислокации в n+-p переходах и недостаточной эффективности отжига аморфного слоя;- an overestimation of the dose of implantation of P + ions at both stages (Section 3.2) and an underestimation of the duration of the first stage of annealing (Section 3.4) lead to an increase in dark current, respectively, due to the generation of a dislocation in n + -p junctions and insufficient efficiency of annealing of the amorphous layer;

- завышение температуры, при которой в реакторе печи при отжиге и охлаждении после отжига (п.3.6) и при нанесении слоя SiO2 (п.3.7) допускается присутствие кислорода, приводит к резкому увеличению темнового тока из-за резкого увеличения положительного встроенного заряда на границе Si-SiO2 и формирования поверхности каналов;- an increase in the temperature at which oxygen is allowed in the furnace reactor during annealing and cooling after annealing (Section 3.6) and during the deposition of a SiO 2 layer (Section 3.7) leads to a sharp increase in the dark current due to a sharp increase in the positive built-in charge by the boundary of Si-SiO 2 and the formation of the surface of the channels;

- выход за заявленные пределы либо энергии ионов P+ или B F 2 +

Figure 00000003
, либо дозы ионов B F 2 +
Figure 00000003
(п.3.8) приводит к заметным уменьшению фоновой импульсной токовой чувствительности и возрастанию темнового тока за счет увеличения степени дефектности n+-слоя.- going beyond the declared limits of either the energy of ions P + or B F 2 +
Figure 00000003
or doses of ions B F 2 +
Figure 00000003
(Sec. 3.8) leads to a noticeable decrease in the background pulsed current sensitivity and an increase in the dark current due to an increase in the degree of imperfection of the n + layer.

Таким образом выполнение условий предлагаемого способа обеспечивает максимальный уровень фоновой импульсной токовой чувствительности и минимальный уровень темнового тока pin-фотодиодов на основе высокоомного p-кремния при упрощении технологии, снижении трудоемкости, энергопотребления и расхода материалов.Thus, the fulfillment of the conditions of the proposed method provides the maximum level of background pulsed current sensitivity and the minimum level of dark current of pin-photodiodes based on high-resistance p-silicon while simplifying the technology, reducing the complexity, power consumption and material consumption.

Claims (2)

1. Способ изготовления планарных pin-фотодиодов большой площади на высокоомном p-кремнии, включающий подготовку пластины исходного p-кремния или кремниевой эпитаксиальной структуры p+-p-типа, формирование маски для имплантации ионов P+ в рабочую область и охранное кольцо, двухстадийную имплантацию ионов P+ для формирования n+-p переходов рабочей области и охранного кольца, имплантацию ионов
Figure 00000009
с обратной стороны пластины для создания одновременно области геттера и омического контакта к базе, двухстадийный постимплантационный отжиг, защиту и просветление поверхности рабочей области вместе с защитой периферии охранного кольца и создание контактов по периферии рабочей области и на охранном кольце, отличающийся тем, что имплантацию ионов P+ проводят при энергии и дозе соответственно (30÷40) кэВ и (3÷4)·1015 см-2 на первой и (70÷100) кэВ и (8÷10)·1015 см-2 на второй стадии, имплантацию ионов
Figure 00000010
производят при энергии (60÷100) кэВ и дозе (2÷3)·1015 см-2, постимплантационный отжиг проводят при продолжительности и температуре соответственно не менее 1 часа и (570÷600)°C на первой и не менее 5 часов и (890÷900)°C на второй стадии, защиту и просветление поверхности рабочей области и защиту периферии охранного кольца осуществляют нанесением пленки SiO2, причем отжиг, начальное снижение температуры после отжига до 300°C и нанесение пленки SiO2 при температурах выше 300°C производят в условиях отсутствия кислорода, а имплантацию ионов P+ и
Figure 00000010
проводят одну за другой в любой последовательности.
1. A method of manufacturing planar pin-photodiodes of large area on high-resistance p-silicon, including preparing a plate of the original p-silicon or silicon epitaxial p + -p-type structure, the formation of a mask for implantation of P + ions in the work area and the guard ring, two-stage implantation P + ions for the formation of n + -p transitions of the workspace and the guard ring, ion implantation
Figure 00000009
on the reverse side of the plate to simultaneously create a getter and ohmic contact to the base, two-stage post-implantation annealing, protection and enlightenment of the surface of the working area together with protection of the periphery of the guard ring and the creation of contacts along the periphery of the workspace and on the guard ring, characterized in that the implantation of P ions + carried out at an energy and dose, respectively (30 ÷ 40) keV and (3 ÷ 4) · 10 15 cm -2 in the first and (70 ÷ 100) keV and (8 ÷ 10) · 10 15 cm -2 in the second stage, ion implantation
Figure 00000010
produced at an energy of (60 ÷ 100) keV and a dose of (2 ÷ 3) · 10 15 cm -2 , post-implantation annealing is carried out at a duration and temperature of at least 1 hour and (570 ÷ 600) ° C at the first and at least 5 hours and (890 ÷ 900) ° C in the second stage, the protection and enlightenment of the surface of the working area and the protection of the periphery of the guard ring are carried out by applying a SiO 2 film, annealing, initial temperature reduction after annealing to 300 ° C, and applying an SiO 2 film at temperatures above 300 ° C is performed in the absence of oxygen, and the implantation of P + and
Figure 00000010
spend one after another in any sequence.
2. Способ изготовления планарных pin-фотодиодов большой площади на высокоомном p-кремнии по п.1, отличающийся тем, что имплантацию ионов P+ для создания рабочей области и охранного кольца производят одновременно. 2. A method of manufacturing a planar large-area planar pin-photodiodes on high-resistance p-silicon according to claim 1, characterized in that the implantation of P + ions to create a working area and a guard ring is performed simultaneously.
RU2013150449/28A 2013-11-13 2013-11-13 METHOD OF MANUFACTURE OF PLANAR LARGE AREA pin PHOTO DIODES ON HIGH-RESISTANCE p-SILICONE RU2544869C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013150449/28A RU2544869C1 (en) 2013-11-13 2013-11-13 METHOD OF MANUFACTURE OF PLANAR LARGE AREA pin PHOTO DIODES ON HIGH-RESISTANCE p-SILICONE

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013150449/28A RU2544869C1 (en) 2013-11-13 2013-11-13 METHOD OF MANUFACTURE OF PLANAR LARGE AREA pin PHOTO DIODES ON HIGH-RESISTANCE p-SILICONE

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2544869C1 true RU2544869C1 (en) 2015-03-20

Family

ID=53290783

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013150449/28A RU2544869C1 (en) 2013-11-13 2013-11-13 METHOD OF MANUFACTURE OF PLANAR LARGE AREA pin PHOTO DIODES ON HIGH-RESISTANCE p-SILICONE

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2544869C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU168495U1 (en) * 2016-03-31 2017-02-06 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" Silicon p-i-n low dark current photodiode
RU2716036C1 (en) * 2019-06-10 2020-03-05 Акционерное общество "НПО "Орион" Method of producing a multi-site silicon pin-photosensitive element with low dark current level

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100419383B1 (en) * 1996-05-23 2004-06-04 에스케이 주식회사 Method for fabricating p-i-n amorphous silicon solar cell
KR20080088147A (en) * 2007-03-29 2008-10-02 한국전기연구원 Method of manufacturing p-i-n photo-diode
RU2011106038A (en) * 2009-07-21 2012-08-27 Чези-Чентро Элеттротекнико Спериментале Италиано Джачинто Мотта С.П.А. (It) PHOTOELECTRIC ELEMENT HAVING A HIGH EFFICIENCY OF TRANSFORMATION
CN102856441A (en) * 2012-09-14 2013-01-02 京东方科技集团股份有限公司 Manufacture methods of X-ray detector back panel and PIN photodiode

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100419383B1 (en) * 1996-05-23 2004-06-04 에스케이 주식회사 Method for fabricating p-i-n amorphous silicon solar cell
KR20080088147A (en) * 2007-03-29 2008-10-02 한국전기연구원 Method of manufacturing p-i-n photo-diode
RU2011106038A (en) * 2009-07-21 2012-08-27 Чези-Чентро Элеттротекнико Спериментале Италиано Джачинто Мотта С.П.А. (It) PHOTOELECTRIC ELEMENT HAVING A HIGH EFFICIENCY OF TRANSFORMATION
CN102856441A (en) * 2012-09-14 2013-01-02 京东方科技集团股份有限公司 Manufacture methods of X-ray detector back panel and PIN photodiode

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Астахов В.П., И др., О возможности применения ионной имплантации при производстве pin-фотодиодов на кремнии. "Прикладная физика", N6, 1999, с.26-31. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU168495U1 (en) * 2016-03-31 2017-02-06 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" Silicon p-i-n low dark current photodiode
RU2716036C1 (en) * 2019-06-10 2020-03-05 Акционерное общество "НПО "Орион" Method of producing a multi-site silicon pin-photosensitive element with low dark current level

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2016010097A1 (en) Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method
US10720330B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
US9870923B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the semiconductor device
JP3684962B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
Fogarassy et al. Silicon solar cells realized by laser induced diffusion of vacuum‐deposited dopants
US9570541B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP6111572B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
KR20150023071A (en) Patterned doping for polysilcon emitter solar cells
CN110676333B (en) Single photon Si-APD detector and manufacturing method thereof
US4116717A (en) Ion implanted eutectic gallium arsenide solar cell
RU2544869C1 (en) METHOD OF MANUFACTURE OF PLANAR LARGE AREA pin PHOTO DIODES ON HIGH-RESISTANCE p-SILICONE
Young et al. High‐efficiency Si solar cells by beam processing
Donnelly et al. Uniform‐carrier‐concentration p‐type layers in GaAs produced by beryllium ion implantation
Sansbury et al. CONDUCTIVITY AND HALL MOBILITY OF ION‐IMPLANTED SILICON IN SEMI‐INSULATING GALLIUM ARSENIDE
Hansen et al. Oxide-passivated silicon pn junction particle detectors
Grekhov et al. High-voltage (900 V) 4 H-SiC Schottky diodes with a boron-implanted guard pn junction
Vobecký et al. High-power silicon pin diode with the radiation enhanced diffusion of gold
JPH08148443A (en) Method of ion implantation
RU155167U1 (en) HIGH TEMPERATURE RADIATION-RESISTANT CARBIDE SILICON DETECTOR OF UV RADIATION
TW201251102A (en) Method of defect reduction in ion implanted solar cell structures
US12057316B2 (en) Semiconductor device fabricated using channeling implant
Wagh et al. Gallium‐implanted silicon
SILARD Analysis of ‘anomalous’ I-V characteristics of silicon p+-n-n+ photodiodes fabricated by boron implant through SiO2 layers
Allebe et al. Process integration towards PERL structure
Simard-Normandin Electrical characteristics and contact resistance of B+-and BF 2+-implanted silicon diodes with furnace and rapid thermal annealing

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner