Способ изготовления кремниевого p-i-n фотодиода
Изобретение относится к технологии изготовления кремниевых p-i-n фотодиодов (ФД), чувствительных к излучению с длинами волн 0,9-1,06 мкм. Согласно изобретению в способе изготовления кремниевых p-i-n фотодиодов для снижения концентрации электрически активных центров, создаваемых загрязняющими примесями с низкими значениями коэффициентов диффузии, процесс термического окисления проводят при температуре не выше 950°C и последующие процессы диффузии (диффузия фосфора для создания n+-областей, геттерирование диффузионным n+-слоем, диффузия бора для создания p+-области) проводят при температурах, не превышающих указанную. В этом случае из-за резкого уменьшения коэффициентов диффузии примесей с понижением температуры процессов (экспоненциальная зависимость от температуры) в объем кремния проникают в основном примеси с высокими коэффициентами диффузии, которые затем эффективно удаляются с помощью процессов геттерирования. Благодаря этому снижается концентрация генерационно-рекомбинационных центров в i-области фотодиода, что приводит к снижению темнового тока ФД (не менее, чем на порядок) и увеличению процента выхода годных приборов.
Заявляемое изобретение относится к технологии изготовления кремниевых p-i-n фотодиодов (ФД), чувствительных к излучению с длинами волн 0,9-1,06 мкм. Они предназначены для использования в различной электронно-оптической аппаратуре, в которой требуется регистрация коротких импульсов лазерного излучения (10-40 нс).
Одним из основных параметров таких ФД является величина темнового тока при рабочем напряжении, определяющая уровень шума ФД, и, следовательно, его пороговую чувствительность.
Известно авторское свидетельство [№680538 с приоритетом от 19.02.1976 г., Климанов Е.А., Кулыманов А.В., Лисейкин В.П. Способ изготовления p-i-n фотодиода], в котором описан способ изготовления ФД, в котором для снижения темновых токов используется геттерирование электрически активных дефектов с помощью диффузионного n+-слоя, создаваемого на пассивных поверхностях пластины.
Известен патент США [US 4127932 с приоритетом от 06.08.1976 г., A.R. Hartman, H. Melhior, D.P. Schinke, R.G. Smith. Method of fabricating silicon photodiodes], в котором для снижения темновых токов также используется геттерирование диффузионным слоем дефектов в объеме образцов и отжиг структур с изготовленной контактной системой в форминг-газе при 300°C для снижения плотности поверхностных состояний.
Известен кремниевый p-i-n фотодиод большой площади [патент на полезную модель РФ №56069 U1, ФГУП «НПО «Орион»], чувствительный на длинах волн 1,06 мкм и 0,9 мкм, способ изготовления которого принят в качестве ближайшего аналога. В подложке из монокристаллического кремния p-типа проводимости с помощью диффузии фосфора через пленку двуокиси кремния (SiO2) сформированы области n+-типа проводимости: фоточувствительная область и область охранного кольца. На другой стороне подложки диффузией бора сформирован слой p+-типа проводимости. Создание двухслойных омических контактов к фоточувствительной области, области охранного кольца и контактному слою p+-типа проводимости осуществляется путем нанесения пленки золота с подслоем титана или хрома.
Недостатком указанных методов изготовления ФД является использование высокотемпературных процессов окисления кремния при температурах 1100-1150°C для создания диэлектрического покрытия, служащего защитной маской при диффузии, для пассивации поверхности кремния и защиты прибора от воздействия внешней среды. Во время процесса окисления в течение длительного времени (не менее часа) в объем кремниевой пластины с ее поверхности проникают загрязняющие примеси как с высокими значениями коэффициентов диффузии (железо, медь), так и с низкими (титан, платина и другие). Указанные примеси являются активными генерационно-рекомбинационными центрами в кремнии и приводят к возрастанию темновых токов фотодиодов. Примеси с высокими значениями коэффициентов диффузии (железо, медь) затем достаточно эффективно удаляются из объема кремния с помощью процессов генерирования, однако примеси с низкими коэффициентами диффузии остаются в объеме в значительных концентрациях, что приводит к повышенным значениям темновых токов ФД.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение уровня темнового тока (не менее, чем на порядок) и увеличение процента выхода годных приборов.
Поставленная цель достигается тем, что для снижения концентрации электрически активных центров, создаваемых загрязняющими примесями с низкими значениями коэффициентов диффузии, процесс термического окисления проводится при температуре не выше 950°C и последующие процессы диффузии (диффузия фосфора для создания n+-областей, геттерирование диффузионным n+-слоем, диффузия бора для создания p+-области) проводятся при температурах, не превышающих указанную. В этом случае из-за резкого уменьшения коэффициентов диффузии примесей с понижением температуры процессов (экспоненциальная зависимость от температуры) в объем кремния проникают в основном примеси с высокими коэффициентами диффузии, которые затем эффективно удаляются с помощью процессов геттерирования. Благодаря этому снижается концентрация генерационно-рекомбинационных центров в i-области фотодиода, что приводит к снижению темнового тока ФД. В то же время указанные температуры процессов являются достаточными для формирования качественного термического окисла и n+ и p+ диффузионных областей с заданными глубинами и концентрациями легирующих примесей.
Технический результат обеспечивается тем, что высокотемпературные термодиффузионные процессы для создания структуры ФД:
- термическое окисление;
- диффузия фосфора для создания областей n+-типа проводимости (фоточувствительных площадок и охранного кольца);
- диффузия фосфора в тыльную поверхность пластины для геттерирования загрязняющих примесей;
- диффузия бора в тыльную поверхность пластины после стравливания геттерирующего n+-слоя для создания слоя p+-типа проводимости, проводятся при температурах, не превышающих 950°C.
Способ изготовления кремниевого p-i-n фотодиода, включающий операции термического окисления, диффузии фосфора для формирования областей n+-типа проводимости, диффузии фосфора для геттерирования загрязняющих примесей, диффузии бора для формирования областей p+-типа проводимости, создания двухслойных омических контактов к фоточувствительной области, области охранного кольца и контактному слою p+-типа проводимости путем нанесения пленки золота с подслоем титана или хрома, отличающийся тем, что для снижения темновых токов фотодиодов операции термического окисления кремния, диффузии фосфора, геттерирования, диффузии бора проводят при температурах, не превышающих 950°C.
