Способ изготовления фотодиода

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Глухманчук Владимир Владимирович Солодуха Виталий Александрович Становский Владимир Владимирович Соловьев Ярослав Александрович Сивец Василий Иосифович Сарычев Олег Эрнстович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(57) Способ изготовления фотодиода, заключающийся в том, что формируют на кремниевой подложке оксид кремния, формируют области катода -типа проводимости и анода-типа проводимости, осуществляют легирование непланарной стороны кремниевой подложки ионами гелия с дозой 1013-1015 см-2 и энергией 30-150 кэВ, осуществляют отжиг в среде азота при температуре 500-750 С в течение 0,5-6 ч, формируют контакты к областям катода и анода, создают металлизацию. Фиг. 1 Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к технологии изготовления фотодиодов, и может быть использовано для изготовления быстродействующих инфракрасных фотодетекторов. Известен способ изготовления фотодиода 1, включающий формирование последовательно расположенных и контактирующих по всей прилегающей поверхности слоев полупроводника -типа проводимости, широкозонного непоглощающего полупроводника с собственной проводимостью, поглощающего полупроводника с собственной проводимостью, полупроводника -типа проводимости, контактов к слоям полупроводников - и 15054 1 2011.10.30 типа проводимости. Когда в область - перехода фотодиода подается оптическое излучение, в поглощающем полупроводнике с собственной проводимостью генерируются фотоносители, в которых вследствие инерционности процессов переноса и наличия потенциального барьера на границе между широкозонным непоглощающим полупроводником с собственной проводимостью и поглощающим полупроводником с собственной проводимостью накапливается избыточный электрический заряд в поглощающем полупроводнике с собственной проводимостью, что способствует увеличению фототока. Однако формирование гетероперехода между широкозонным непоглощающим полупроводником с собственной проводимостью и поглощающим полупроводником с собственной проводимостью является дорогостоящим блоком технологических операций, что существенно повышает стоимость изготовления фотодиодов, а выход годных фотодиодов уменьшается из-за повышенной дефектности. Известен способ изготовления фотодиода 2, включающий формирование оксида кремния, формирование областей катода -типа проводимости и областей анода -типа проводимости, формирование контактов к областям катода и анода, формирование металлизации. При облучении планарной стороны фотодиода потоком инфракрасного излучения, в подложке с собственным типом проводимости, между анодом и катодом,генерируются электронно-дырочные пары (фотоносители), создающие дополнительный ток (фототок) через обратно смещенный переход. Однако, когда фотодиод облучается инфракрасным излучением в диапазоне длин волн 1,2-1,6 мкм, фотоносители генерируются, главным образом, в глубине слаболегированной кремниевой подложки. По этой причине внутреннее электрическое поле между катодом и анодом оказывает на них довольно слабое влияние. При этом многие из них успевают рекомбинировать на дефектах и примесных атомах, не достигнув областей катода и анода. В результате фотодиоды, изготовленные по данной технологии, имеют недостаточную величину фототока, в связи с чем данный способ характеризуется низким выходом годных и высоким уровнем затрат на их производство. Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ изготовления фотодиода 3, включающий легирование непланарной стороны кремниевой подложки ионами гелия дозой 1016-1017 см-2, энергией 180-220 кэВ, отжиг в среде азота при температуре 800-1050 С, формирование оксида кремния, формирование области катода-типа проводимости и анода -типа проводимости, формирование контактов к областям катода и анода, формирование металлизации. Путем легирования непланарной стороны кремниевой подложки ионами гелия и последующего отжига в среде азота в кремниевой подложке формируют скрытый слой, состоящий из множества микрополостей размером 0,05-5 мкм. Этот пузырьковый слой действует как диффузное зеркало, вызывая диффузное (ненаправленное) отражение падающего инфракрасного излучения от поверхности пузырьков обратно в активную область фотодиода. В результате увеличивается квантовая эффективность фотодиода и возрастает фототок. Однако, чтобы сформировать пузырьковый слой с такими размерами пузырьков,необходимо использовать дозы ионов гелия 1016-1017 см-2 и температуру отжига в диапазоне 800-1050 С, что существенно повышает затраты на изготовление фотодиодов. При этом наблюдается низкий выход годных фотодиодов. В основу изобретения положена задача повышения выхода годных фотодиодов и снижения затрат на их изготовление. Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления фотодиода,включающем легирование непланарной стороны кремниевой подложки ионами гелия,формирование оксида кремния, формирование областей катода -типа проводимости и анода -типа проводимости, формирование контактов к областям катода и анода, формирование металлизации легирование ионами гелия и отжиг в среде азота выполняют перед 2 15054 1 2011.10.30 формированием контактов к областям анода и катода, причем легирование ионами гелия проводят дозой 1013-1015 см-2, энергией 30-150 кэВ, а отжиг проводят при температуре 500-750 С в течение 0,5-6 ч. Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показал, что заявляемый способ отличается от известного тем, что легирование ионами гелия и отжиг в среде азота выполняют перед формированием контактов к областям катода и анода, причем легирование ионами гелия проводят дозой 10-1015 см-2, энергией 30-150 кэВ, а отжиг проводят при температуре 500-750 С в течение 0,5-6 ч. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Известно, что при легировании непланарной стороны подложки ионами гелия создается геттерирующий слой,который при последующей термической активации оттягивает на себя быстро диффундирующие примеси и дефекты кристаллической решетки из объема кремниевой подложки, а время жизни фотоносителей существенно увеличивается. Это приводит к увеличению величины фототока фотодиода. При дозе менее 1013 см-2 созданный геттерирующий слой не обладает достаточной эффективностью, а значит, положительный эффект не наблюдается. При дозе более 1015 см-2 не наблюдаются дальнейшие улучшения, но при этом увеличивается длительность операций легирования ионами гелия и отжига в азоте, что экономически нецелесообразно. При энергии ионов менее 30 кэВ глубина залегания геттерирующего слоя слишком мала, чтобы эффективно геттерировать примеси из приповерхностного слоя кремния на планарной стороне подложки, в котором расположены область катода и область анода. При энергии ионов более 200 кэВ не наблюдается дальнейшего увеличения выхода годных фотодиодов. При температуре отжига менее 500 С, длительности менее 0,5 ч снижается выход годных фотодиодов. При температуре отжига более 700 С, длительности более 6 ч увеличиваются затраты, что экономически нецелесообразно. Если нарушается последовательность операций, заявляемая в способе изготовления фотодиода, то положительный эффект не наблюдается. Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3, где на фиг. 1 изображен поперечный разрез фотодиода, изготовленного по способу-прототипу, включающему легирование непланарной стороны кремниевой подложки (1) ионами гелия (2), отжиг в среде азота,формирование оксида кремния (3), формирование областей катода (4) -типа проводимости и анода (5) -типа проводимости, формирование контактов (6) к областям катода (4) и анода (5), формирование металлизации (7). На фиг. 2 показана кремниевая подложка (1) после формирования оксида кремния (2),формирования областей катода (3), области анода (4), легирования ионами гелия (5) и отжига в азоте. На фиг. 3 изображен поперечный разрез фотодиода, изготовленного по заявляемому способу после формирования на кремниевой подложке (1) оксида кремния (2), формирования областей катода (3), области анода (4), легирования ионами гелия (5), отжига в азоте, формирования контактов (6) к областям катода (3) и анода (4) и формирования металлизации (7). Предложенный способ формирования структуры, изображенной на фиг. 3, может быть использован для изготовленияинфракрасных фотодиодов. Сначала на кремниевой подложке КОФ-90 (1) сформировали оксид кремния (2) толщиной 0,50,03 мкм. Затем стандартными методами фотолитографии, диффузии фосфора сформировали область катода (3) (фиг. 2). После этого стандартными методами фотолитографии, ионной имплантацией бора дозой 150 мкКл/см 2, энергией 30 кэВ сформировали область анода (4) (фиг. 2). Далее осуществили легирование ионами гелия (5) в непланарную 3 15054 1 2011.10.30 сторону подложки с дозой и энергией, приведенными в таблице. После этого выполнили отжиг в азоте с температурой и длительностью отжига, приведенными в таблице. Затем стандартными методами сформировали контакты (6) и металлизацию (7) (фиг. 3). В таблице приведены сравнительные данные по выходу годных фотодиодов и затрат,вносимых операциями легирования ионами гелия и отжига в азоте. Сравнительные данные по выходу годных фотодиодов и затрат, вносимых операциями легирования ионами гелия и отжига в азоте фотодиодов,изготовленных согласно заявляемому способу и прототипу Легирование ионами гелия неплаОтжиг в азоте нарной стороны подложки Вг/Вг пр, З/З пр,п/п отн. ед отн. ед Температура, Время отДоза, см-2 Энергия, кэВ С жига, час 1 61012 25 475 0,25 1,102 0,28 13 2 10 30 500 0,5 1,357 0,36 14 3 10 100 600 3 1,754 0,54 4 1015 150 750 6 1,763 0,71 15 5 510 160 800 8 1,767 0,89 6 Прототип 1,0 1,0 Вг/Вг пр, где Вг - выход годных фотодиодов, изготовленных по заявляемому способу, Вг пр - выход годных фотодиодов, изготовленных по способу-прототипу.З/З пр, где З - затраты (вносимые операциями легирования ионами гелия и отжига в азоте) на изготовление фотодиодов, изготовленных по заявляемому способу, З пр - затраты (вносимые операциями легирования ионами гелия и отжига в азоте) на изготовление фотодиодов, изготовленных по способу-прототипу. Как видно из таблицы, выход годных приборов, изготовленных согласно предложенному способу изготовления фотодиодов, по сравнению с прототипом обеспечивает увеличение выхода годных в 1,357-1,763 раза, а затраты, вносимые операциями легирования ионами гелия и отжига в азоте по сравнению с прототипом уменьшаются в 1,4-2,78 раза. Таким образом, предложенное изобретение позволяет решить задачу повышения выхода годных фотодиодов и снижения затрат на изготовление. Источники информации 1. Патент Республики Беларусь 9651, МПК 01 31/00, опубл.30.08.2007. 2. Патент США 5525828, МПК 01 31/02, опубл. 11.06.1996. 3. Патент США 7161220, МПК 01 27/14, опубл. 09.01.2007. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4