RU2716036C1 - Способ изготовления многоплощадочного кремниевого pin-фоточувствительного элемента с низким уровнем темновых токов - Google Patents

Способ изготовления многоплощадочного кремниевого pin-фоточувствительного элемента с низким уровнем темновых токов Download PDF

Info

Publication number
RU2716036C1
RU2716036C1 RU2019117951A RU2019117951A RU2716036C1 RU 2716036 C1 RU2716036 C1 RU 2716036C1 RU 2019117951 A RU2019117951 A RU 2019117951A RU 2019117951 A RU2019117951 A RU 2019117951A RU 2716036 C1 RU2716036 C1 RU 2716036C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
phosphorus
layer
gettering
substrate
diffusion
Prior art date
Application number
RU2019117951A
Other languages
English (en)
Inventor
Артем Викторович Галашин
Галина Владимировна Либерова
Дарья Григорьевна Манжуло
Original Assignee
Акционерное общество "НПО "Орион"
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 Акционерное общество "НПО "Орион" filed Critical Акционерное общество "НПО "Орион"
Priority to RU2019117951A priority Critical patent/RU2716036C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2716036C1 publication Critical patent/RU2716036C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1804Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table
    • 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

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

Изобретение относится к технологии изготовления кремниевых pin-фоточувствительных элементов (ФЧЭ), чувствительных к излучению с длиной волны 1,06 мкм. Они предназначены для использования в различной электронно-оптической аппаратуре, в которой требуется регистрация коротких импульсов лазерного излучения (10-40 не) при напряжениях смещения порядка 200 В. Способ изготовления многоплощадочного кремниевого pin-фоточувствительного элемента включает ионную имплантацию бора и разгонку в тыльную поверхность подложки, термическое окисление, диффузию и разгонку фосфора для создания областей фоточувствительных площадок и охранного кольца с одновременным окислением формирования защитной пленки двуокиси кремния, ионную имплантацию аргона и диффузию фосфора в тыльную поверхность подложки для геттерирования, удаление геттерирующего слоя, диффузию бора в тыльную поверхность подложки для создания контактного слоя р+-типа проводимости, химическое травление пленки двуокиси кремния для получения просветляющего покрытия, создание двухслойных золотых омических контактов к фоточувствительным площадкам, охранному кольцу и тыльному слою р+-типа проводимости, при этом согласно изобретению проводится двухстадийное геттерирование для удаления загрязняющих примесей, включающее в себя загонку фосфора в тыльную сторону пластины при температуре 1100°С в течение 20 минут и последующий отжиг в течение 1 часа, удаление фосфоросиликатного стекла с тыльной стороны пластины, ионную имплантацию аргона в тыльную сторону пластины с дозой 2⋅1015 см-2 и энергией 100 кЭв, термический отжиг при температуре 1000°С в течение 1 часа. Изобретение обеспечивает снижение уровня темновых токов. 1 ил., 1 табл., 1 пр.

Description

Изобретение относится к технологии изготовления кремниевых pin-фоточувствительных элементов (ФЧЭ), чувствительных к излучению с длиной волны 1,06 мкм. Они предназначены для использования в различной электронно-оптической аппаратуре, в которой требуется регистрация коротких импульсов лазерного излучения (10-40 не) при напряжениях смещения порядка 200 В. К такой аппаратуре относятся лазерные дальномеры, системы наведения по лучу, обнаружители лазерного излучения, системы защиты от лазерного оружия, высокоточное оружие и другие системы [А.М. Филачев, И.И. Таубкин, М.А. Тришенков. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. М.: Физматкнига, 2007 г., 384 с].
Задачей предлагаемого изобретения является снижение уровня темновых токов, увеличение процента выхода годных.
Известен кремниевый pin-фотодиод [патент на полезную модель РФ №108883, заявитель ФГУП «НПО «Орион»], чувствительный к длине волны 1,06 мкм, способ изготовления которого принят в качестве прототипа.
Известен способ изготовления кремниевого многоплощадочного pin-фоточувствительного элемента (ФЧЭ) с низким уровнем темновых токов [патент на изобретение РФ №2654961, заявитель АО «НПО «Орион»], который принят в качестве ближайшего аналога. Изготовление ФЧЭ включает в себя следующие технологические операции:
- ионная имплантация бора в тыльную поверхность подложки;
- длительная разгонка бора;
- термическое окисление;
- диффузия фосфора для создания областей фоточувствительных площадок и охранного кольца;
- разгонка фосфора с одновременным окислением для выращивания защитной пленки двуокиси кремния;
- ионная имплантация аргона и диффузия фосфора в тыльную поверхность подложки для геттерирования загрязняющих примесей;
- удаление геттерирующего слоя;
- диффузия бора в тыльную поверхность подложки для создания контактного слоя р+-типа проводимости;
- химическое травление пленки двуокиси кремния для получения просветляющего покрытия;
- создание двухслойных омических контактов к фоточувствительным площадкам, охранному кольцу и тыльному слою р+-типа проводимости методом напыления пленки золота с подслоем хрома, причем толщина пленки хрома на тыльном слое составляет 5-6 нм.
Недостатком этих приборов является то, что величина темновых токов для некоторых применений не может обеспечить требуемую пороговую чувствительность фотоприемного устройства.
Предлагаемый способ изготовления позволяет снизить уровень темновых токов, а также повысить процент выхода годных ФЧЭ.
Известно, что примеси тяжелых металлов, таких как Au, Fe и Cu и микродефекты, декорированные этими примесями, вводят генерационно-рекомбинационные центры в запрещенной зоне кремния. Эти центры приводят к уменьшению времени жизни неосновных носителей заряда и увеличению темновых токов ФЧЭ. Для удаления микродефектов и примесей металлов из активной части приборов на пластине применяется процесс геттерирования.
В способе изготовления ФЧЭ - аналога используется комплексное геттерирование нарушенными слоями на тыльной поверхности подложки, созданными имплантацией аргона и загонкой фосфора при температуре Т=1000°С, и последующим отжигом в течение 1 часа при этой же температуре. В предлагаемом способе геттерирование проводится в две стадии.
На первой стадии проводится геттерирование фосфором, включающим в себя загонку фосфора при температуре Т=1100°С в течение 20 минут, отжиг при этой же температуре в течение 1 часа и последующее удаление образовавшегося фосфорно-силикатного стекла. На второй стадии проводится геттерирование имплантированным аргоном с последующим отжигом в течение 1 часа при температуре Т=1000°С.
Процесс геттерирования фосфором при повышенной температуре более эффективен, так как за счет более высокой поверхностной концентрации фосфора повышается плотность образующихся дислокаций несоответствия, которые геттерируют из пластины точечные дефекты и примеси. Измеренные глубина p-n-перехода на тыльной стороне пластины hj и поверхностное сопротивление n+-слоя Rs составляют 4 мкм и 1,2 Ом/кв. см соответственно. Тогда сопротивление n+-слоя р=RS*hj=1,2*4*10-4≈0,0005 Ом*см. Такому уровню сопротивления соответствует достаточно высокая плотность дислокаций (105-106) см-2 [К. Рейви «Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии», Москва, «Мир», 1984, стр. 79].
Эффективность геттерирования увеличивается также за счет того, что повышенная концентрация фосфора в n+-слое и слое фосфорно-силикатного стекла, образующемся во время геттерирования, обеспечивает большую растворимость в них примесей тяжелых металлов. При удалении фосфорно-силикатного стекла вместе с ним удаляются и растворенные в нем примеси.
Известна работа [А.К. Будтолаев, И.А. Евлентьев, Г.В. Либерова, С.Д. Сиваченко, В.Е. Степанюк, Журнал «Прикладная физика», 2015, №6, стр. 80-81], в которой проведено сравнение методов геттерирования нарушенными слоями и показано, что при изготовлении pin-фотодиодов наряду с диффузией фосфора также эффективен метод ионной имплантации аргона с последующим термическим отжигом.
Геттерирование аргоном в предлагаемом способе изготовления ФЧЭ может быть более эффективно по сравнению с аналогом за счет того, что:
- имплантация аргона проводится в поверхность, уже частично очищенную в процессе геттерирования фосфором;
- на структурные нарушения, создаваемые диффузией фосфора, накладываются нарушения, вносимые имплантацией аргона, и за счет этого во время повторного геттерирования эффективно удаляются примеси тяжелых металлов.
Режимы геттерирования: доза имплантации аргона D=2*1015 см-2; энергия Е=100 кэВ; температура отжига Т=1000°С, время отжига 1 час.
Предлагаемый способ изготовления pin-ФЧЭ включает в себя следующие технологические операции:
1 ионная имплантация бора в тыльную поверхность подложки;
2 длительная разгонка бора;
3 термическое окисление;
4 диффузия фосфора для создания областей фоточувствительных площадок и охранного кольца;
5 разгонка фосфора с одновременным окислением для выращивания защитной пленки двуокиси кремния;
6 геттерирование для удаления загрязняющих примесей, включающее в себя:
- загонку фосфора в тыльную сторону пластины при температуре 1100°С в течение 20 минут и последующий отжиг в течение 1 часа;
- удаление фосфорно-силикатного стекла с тыльной стороны пластины;
- ионную имплантацию аргона в обратную сторону пластины: доза D=2*1015 cm-2; энергия Е=100 кэВ;
- термический отжиг при температуре 1000°С в течение 1 часа;
7 удаление гетерирующего слоя.
8 диффузия бора в тыльную поверхность подложки для создания контактного слоя р+-типа проводимости;
9 химическое травление пленки двуокиси кремния для получения просветляющего покрытия;
10 создание двухслойных омических контактов к фоточувствительным площадкам, охранному кольцу и тыльному слою p+-типа проводимости методом напыления пленки золота с подслоем хрома, причем толщина пленки хрома на тыльном слое составляет 5-6 нм.
Структура ФЧЭ, представлена на рисунке фиг. 1, где 1 - фоточувствительная площадка n+-типа проводимости; 2- охранное кольцо n+-типа проводимости; 3, 4 - защитная и просветляющая пленки двуокиси кремния; 5 - база ФЧЭ; 6 - ОПЗ, 7 - контактный слой p+-типа проводимости; 8, 9 - контактная система Au-Cr к n+- и р+-областям.
Пример.
По предлагаемому способу были изготовлены 8-и площадочные фоточувствительные элементы на пластинах кремния p-типа проводимости. Для сравнения также были изготовлены ФЧЭ, у которых геттерирование проводилось стандартным методом и одностадийным методом загонки фосфора при температуре Т=1100°С и последующим отжигом при этой же температуре в течение 1 часа. В таблице 1. Приведены результаты измерения величины плотности темновых токов IT, а также процент выхода годных изделий.
Figure 00000001
Из данных таблицы следует, что:
- образцы, изготовленные по предлагаемому методу геттерирования превосходят по своим параметрам образцы, изготовленные по стандартному методу геттерирования и одностадийному методу геттерирования диффузией фосфора;
- геттерирование аргоном вносит существенный вклад в снижение величины плотности темновых токов.

Claims (1)

  1. Способ изготовления многоплощадочного кремниевого pin-фоточувствительного элемента с низким уровнем темновых токов, включающий операции: ионная имплантация бора в тыльную поверхность подложки; длительная разгонка бора; термическое окисление; диффузия фосфора для создания областей фоточувствительных площадок и охранного кольца; разгонка фосфора с одновременным окислением для выращивания защитной пленки двуокиси кремния; ионная имплантация аргона и диффузия фосфора в тыльную поверхность подложки для геттерирования загрязняющих примесей; удаление геттерирующего слоя; диффузия бора в тыльную поверхность подложки для создания контактного слоя р+-типа проводимости; химическое травление пленки двуокиси кремния для получения просветляющего покрытия; создание двухслойных омических контактов к фоточувствительным площадкам, охранному кольцу и тыльному слою р+-типа проводимости методом напыления пленки золота с подслоем хрома, причем толщина пленки хрома на тыльном слое составляет 5-6 нм, отличающийся тем, что для снижения уровня темновых токов ФЧЭ и увеличения процента выхода годных проводится двухстадийное геттерирование для удаления загрязняющих примесей, включающее в себя загонку фосфора в тыльную сторону пластины при температуре 1100°С в течение 20 минут и последующий отжиг в течение 1 часа, удаление фосфоросиликатного стекла с тыльной стороны пластины, ионную имплантацию аргона в тыльную сторону пластины с дозой 2⋅1015 см-2 и энергией 100 кЭв, термический отжиг при температуре 1000°С в течение 1 часа.
RU2019117951A 2019-06-10 2019-06-10 Способ изготовления многоплощадочного кремниевого pin-фоточувствительного элемента с низким уровнем темновых токов RU2716036C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019117951A RU2716036C1 (ru) 2019-06-10 2019-06-10 Способ изготовления многоплощадочного кремниевого pin-фоточувствительного элемента с низким уровнем темновых токов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019117951A RU2716036C1 (ru) 2019-06-10 2019-06-10 Способ изготовления многоплощадочного кремниевого pin-фоточувствительного элемента с низким уровнем темновых токов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2716036C1 true RU2716036C1 (ru) 2020-03-05

Family

ID=69768423

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019117951A RU2716036C1 (ru) 2019-06-10 2019-06-10 Способ изготовления многоплощадочного кремниевого pin-фоточувствительного элемента с низким уровнем темновых токов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2716036C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2537087C1 (ru) * 2013-09-10 2014-12-27 Открытое акционерное общество "НПО "Орион" СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВОГО p-i-n ФОТОДИОДА
RU2541416C1 (ru) * 2014-02-04 2015-02-10 Открытое акционерное общество "НПО "Орион" СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВОГО p-i-n ФОТОДИОДА
RU2544869C1 (ru) * 2013-11-13 2015-03-20 Открытое акционерное общество "Швабе-Фотосистемы" СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАНАРНЫХ pin-ФОТОДИОДОВ БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДИ НА ВЫСОКООМНОМ p-КРЕМНИИ
RU2654961C1 (ru) * 2017-04-26 2018-05-23 Акционерное общество "НПО "Орион" Способ изготовления многоплощадочного быстродействующего кремниевого pin-фоточувствительного элемента

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2537087C1 (ru) * 2013-09-10 2014-12-27 Открытое акционерное общество "НПО "Орион" СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВОГО p-i-n ФОТОДИОДА
RU2544869C1 (ru) * 2013-11-13 2015-03-20 Открытое акционерное общество "Швабе-Фотосистемы" СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАНАРНЫХ pin-ФОТОДИОДОВ БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДИ НА ВЫСОКООМНОМ p-КРЕМНИИ
RU2541416C1 (ru) * 2014-02-04 2015-02-10 Открытое акционерное общество "НПО "Орион" СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВОГО p-i-n ФОТОДИОДА
RU2654961C1 (ru) * 2017-04-26 2018-05-23 Акционерное общество "НПО "Орион" Способ изготовления многоплощадочного быстродействующего кремниевого pin-фоточувствительного элемента

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10374109B2 (en) Silicon-based visible and near-infrared optoelectric devices
US7576369B2 (en) Deep diffused thin photodiodes
US20100148040A1 (en) Geiger-mode photodiode with integrated and adjustable quenching resistor, photodiode array, and manufacturing method thereof
Hurwitz et al. Planar InSb photodiodes fabricated by Be and Mg ion implantation
EP1794804A2 (en) Method for manufacturing of silicon-based detektors having laser-microstructured sulfur-doped surface layers
RU101866U1 (ru) Фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси
US4141756A (en) Method of making a gap UV photodiode by multiple ion-implantations
RU2541416C1 (ru) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВОГО p-i-n ФОТОДИОДА
Bao et al. Germanium pn junctions by laser doping for photonics/microelectronic devices
RU2716036C1 (ru) Способ изготовления многоплощадочного кремниевого pin-фоточувствительного элемента с низким уровнем темновых токов
DE102010037355A1 (de) Kristalline Solarzelle und Verfahren zur Herstellung einer solchen
RU82381U1 (ru) КРЕМНИЕВЫЙ pin-ФОТОДИОД
Lim et al. Improved planar InAs avalanche photodiodes with reduced dark current and increased responsivity
RU2654961C1 (ru) Способ изготовления многоплощадочного быстродействующего кремниевого pin-фоточувствительного элемента
Schunck et al. Efficient indium tin oxide/polycrystalline silicon solar cells
RU2532594C1 (ru) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВОГО p-i-n ФОТОДИОДА
JPS6155791B2 (ru)
US10622495B2 (en) Method, process and fabrication technology for oxide layers
CN109301025A (zh) 一种低击穿电压雪崩光电探测器及其制备方法
RU2575939C1 (ru) Способ изготовления сенсора ионизирующего излучения
US3591431A (en) Diffused p-n junction diodes and methods of diffusion therefor
RU2432640C1 (ru) Фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси и способ его изготовления
RU2654998C1 (ru) Способ изготовления многоплощадочного кремниевого pin-фоточувствительного элемента
Wagh et al. Gallium‐implanted silicon
Karimi Characterization of Proton and Sulfur Implanted GaSb Photovoltaics and Materials