автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Исследование процессов формирования и защиты поверхности планарных p-n переходов и модернизация базовой технологии изготовления фотодиодов на основе InSb

Страница

Введение

Глава 1. Влияние процессов формирования и защиты по- 8 верхности планарных р-n переходов на характеристики фотодиодов на основе InSb.

1.1. Основные параметры и характеристики ФД.

1.2. Основные свойства и параметры InSb.

1.3. Способы изготовления фотодиодов на InSb.

1.4. Особенности ионной имплантации в InSb.

1.5. Применение отжига в технологии изготовления ФД из 24 InSb.

1.6. Защита и просветление поверхности с помощью ди- 28 электрических пленок.

1.7. Влияние состава электролита и режима анодирования 33 на свойства АОП и границы раздела lnSb-АОП.

1.8. Влияние дополнительного короткозамкнутого р-n пере- 36 хода, расположенного вблизи основного.

1.9. Выводы главы 1.

Глава 2. Результаты разработки фотодиодов на InSb с уль- 39 транизкими темновыми токами для низкофоновых систем.

2.1. Базовая технология изготовления фотодиодов на осно- 39 ве InSb.

2.2. Предпосылки разработки фотодиодов для низкофо- 49 новых систем обнаружения.

2.3. Методики экспериментов.

2.4. Экспериментальные результаты и их обсуждение.

2.5. Выводы главы 2.

Глава 3. Использование альтернативных способов защиты 61 поверхности р-п переходов в технологии изготовления ФД.

3.1. Предпосылки разработки альтернативных способов по- 61 лучения АОП.

3.2. Методики экспериментов

3.3. Результаты измерений и их обсуждение

3.4. Выводы главы 3.

Глава 4. Результаты исследований по модернизации техно- 81 логии изготовления ФД на inSb.

4.1. Влияние исходного материала на чувствительность ФД.

4.2. Методики эксперимента.

4.3. Результаты измерений и их обсуждение.

4.4. Выводы главы 4 88 Выводы 89 Список цитированной литературы 90 Список собственных публикаций S5 Приложение 1 96 Приложение 2 100 Приложение 3 106 Приложение

Актуальность работы.

Для регистрации ИК-излучения во втором окне прозрачности атмосферы (3-5 мш) широко используются фотодиоды (ФД) на основе inSb. К настоящему времени на ОАО «Московский завод «Сапфир» разработана и внедрена в серийное производство базовая технология изготовления ФД на InSb, основными характерными чертами которой являются имплантация ионов Be"" при формировании пленарного р-n перехода и анодное окисление для защиты поверхности.

Базовая технология надежно обеспечивает выпуск ФД с параметрами, требуемыми для заказчика. Б первую очередь это относится к чувствительности и напряжению шума. Однако для ряда специальных задач требуются ФД с более низкими значениями напряжения шума, соответствующими снижению уровня темновых токов на порядок величины и более. Эту задачу существующая технология решить не в состоянии. Поэтому актуальной является задача модернизации базовой технологии, позволяющей обеспечить выпуск ФД с требуемым уровнем шумов.

Не менее актуальными являются исследования, направленные на увеличение чувствительности приборов.

Одним из определяющих процессов в технологии изготовления ФД является защита поверхности р-n перехода, осуществляемая с помощью двухслойного диэлектрика, нижним слоем которого является анодная окисная пленка (АОП), выращенная в электролите на основе Na2S. Такая АОП вполне обеспечивает высокое совершенство границы раздела inSb-АОП, но она выдерживает прогрев лишь до температуры Т=120°С, после превышения которой р-n переход может закоротиться вследствие структурных превращений в окисле, который при высоких температурах становится проводящим. Поэтому актуальными являются исследования, направленные на разработку альтернативных способов защиты р-n перехода, позволяющих повысить его термостойкость и соответственно температуры технологических процессов нанесения защитных и проводящих слоев, что в свою очередь уменьшит процент брака за счет их отслоений.

Учитывая тот факт, что постимплантационный отжиг, применяемый в базовой технологии, требует наличия капсулирующей пленки (получаемой контролируемым низкотемпературным окислением токсичного моносилана), а также наличия восстановит ельний ашосферы, в качестве которой используется взрывоопасный водород, представляется актуальной задача поиска режимов отжига, исключающих применение вредных и взрывоопасных веществ.

Цель работы заключается в разработке основ модернизированной технологии изготовления ФД на inSb с применением ионной имплантации, позволяющей снизить темновые токи ФД до величин, требуемых для реализации режима ограничения фоном (ОФ) в низкофоновых системах и при этом исключающей применение токсичных и взрывоопасных веществ в технологическом процессе, а также в получении более термостабильной АОП, которая дала бы возможность наносить последующие слои SiO* и Сг+Au при более высоких температурах, уменьшив тем самым брак по их отслоению. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1)Разработать основы технологии, позволяющей изготавливать ФД с уровнем шумов, соответствующим уровню плотности темнового тока при обратном смещении 200 мВ менее 1,2*10"°А/см'г;

2)Исследовать возможность замены АОП, получаемой в электролите на основе ЫагЗ, на альтернативную, более термостойкую, позволяющую повысить температуру нанесения последующих покрытий в технологическом маршруте изготовления ФД и упростив при этом подготовку электролита;

3)Разработать такой технологический маршрут, который исключает применение токсичных и взрывоопасных веществ;

4) Исследовать возможность увеличения токовой чувствительности за счет применения в качестве исходного материала кристаллов InSb более высоко-омных марок для увеличения диффузионной длины неосновных носителей заряда.

Практическая значимость

1)Разработаны основы модернизированной базовой технологии изготовления ФД на InSb с применением ионной имплантации (ИИ), позволяющей изготавливать ФД как для традиционных потребителей, так и для разработчиков низкофоновых систем обнаружения и исключающей применение токсичных и взрывоопасных веществ. По предварительным данным, такая технология увеличит выход годных ФД для низкофоновых систем с 7% (в базовой технологии) до 78%.

2)Разработана технология получения термостойкой АОП, формируемой в электролите на основе персульфата аммония (ПА) в гальваностатическом режиме с последующими низкотоковыми стадиями. Такая АОП обеспечивает большую термическую стойкость ФД и позволяет повысить температуру (от 120°С до 170°С) нанесения защитных и проводящих пленок, что является предпосылкой снижения брака при производстве ФД, связанного с отслоением этих пленок. Кроме того, эта АОП в состоянии повысить равномерность ВАХ малоразмерных многоэлементных фотодиодов по площади поверхности благодаря повышенной равномерности электрической прочности.

3)Найдены пути повышения токовой чувствительности ФД на 33% по сравнению с базовой технологией. Это обеспечивается за счет применения в качестве исходного материала кристаллов марки ИСЭ-1, ИИ в "мягких" режимах, стационарного отжига при Т=375°С с капсулирующей пленкой, защиты поверхности с помощью АОП на основе Na2S.

Научная новизна.

1) Показано, что в случае малоразмерного р-n перехода приближение к нему области с бесконечной скоростью рекомбинации и нулевой скоростью генерации носителей заряда приводит к уменьшению темнового тока, вызванному увеличением диффузионного оттока в эту область равновесных неосновных носителей заряда, генерируемых в базе вблизи планарных границ малоразмерного р-n перехода.

2)Предложена модель формирования оптимального термостойкого защитного покрытия на основе процессов ступенчатого гальваностатического (ГС) режима анодного окисления (АО) в электролите на основе персульфата аммония.

3) Показано, что введение дополнительных низкотоковых стадий АО в ГС режиме увеличивает электрическую прочность АОП на InSb и равномерность этого параметра по площади пленки. Очевидно, что на этих стадиях происходит эффективное заращивание неокисленных участков InSb, оставшихся после первой стадии АО, и, как следствие, повышение электрической прочности всей АОП.

Основные положения, выносимые на защиту: 1 результаты исследований вольт-амперных характеристик (ВАХ) ионноим-плантированных ФД, сформированных при различных вариантах технологии и топологии ФД на InSb, показавшие преимущества применения ИИ в мягких'' режимах, импульсного фотонного отжига (ИФО) при Т=390°С, проведения разварки от растра к ФЧ площадке, использования утолщенного слоя SiOx под КП, приближения КЗ р-n перехода к границам ФЧ площадок.

2)Способ формирования термостойкого защитного покрытия, основанный на ступенчатом ГС-режиме АО в электролите на основе ПА, позволяющий повысить температуру нанесения защитных и проводящих пленок.

3)Модель формирования оптимального термостойкого защитного покрытия на основе процессов ступенчатого АО.

4)Основные положения модернизированной технологии изготовления ФД на inSb, имеющей следующие отличия от базовой: применение в качестве исходного материала кристаллов марки ИСЭ-1, формирование р-n перехода осуществляется имплантацией ионов Be" с Е=40 кэВ, Ф=20 мкКул/см^ и последующим ИФО при Т=390сС в течение 30 с, а защита поверхности - путем АО в электролите на основе ПА в трехстадийном ГС-режиме АО (ji=90 мкА/ см2, ti =45 мин; j2=27 мкА/ см2, т2 =10 мин; j3=9 мкА/ см2, т3 =15 мин).

5)Основные условия обеспечения повышенной токовой чувствительности, заключающиеся в применении в качестве исходного материала кристаллов марки ИСЭ-1, ИИ в "мягких" режимах, стационарного отжига при Т=375аС с капсулирующей пленкой, защиты поверхности с помощью АОП на основе электролита Na2S.

Апробация работы:

Основные результаты диссертации отражены в публикациях [1-5] и докладывались на XIV Международной конференции по фотоприемникам, электронным и ионно-плазменным технологиям (Москва, 1998г.) и XVI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва,2000г.).

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списков собственных публикаций и цитируемой литературы, четырех приложений. Объем диссертации составляет 109 страниц машинописного текста, включая 24 рисунка и 8 таблиц. Список литературы состоит из 67 наименований.

Выводы

1) Разработана технология получения термостойкой анодной окисной пленки, формируемой в электролите на основе персульфата аммония. Такая пленка обеспечивает большую термическую стойкость фотодиодов и позволяет повысить на 40° температуру нанесения защитных и проводящих пленок; что является предпосылкой снижения брака, связанного с отслоением пленок.

2) Предложена модель формирования оптимального термостойкого защитного покрытия на основе процессов ступенчатого анодного окисления.

3) Показана возможность снижения темновых токов малоразмерных пла-нарных фотодиодов за счет приближения к ним охватывающего дополнительного закороченного р-n перехода.

4) Показана перспективность применения в качестве исходного материала для изготовления фотодиодов на InSb кристаллов марки ИСЭ-1, обладающих высоким значением времени жизни. Применение таких кристаллов позволяет повысить токовую чувствительность фотодиодов на 33% по сравнению с фотодиодами, изготовленными на материале марки ИСЭ-2в. Оптимальными являются следующие процессы: имплантация ионов Ве+ с Е=40 кэВ, Ф=20 мкКул/см2, стационарный термический отжиг при Т=375°С с капсулирующей пленкой, защиту поверхности с анодной окисной пленкой на основе Na2S.

5)Разработаны основы модернизированной базовой технологии изготовления фотодиодов на InSb с применением ионной имплантации, позволяющей изготавливать фотодиоды не только для традиционных потребителей, но и для разработчиков низкофоновых систем обнаружения, и исключающей применение токсичных и взрывоопасных веществ. Основные особенности этой технологии: применение в качестве исходного материала кристаллов марки ИСЭ-1, формирование р-n перехода осуществляется имплантацией ионов Ве+ с Е=40 кэВ, Ф=20 мкКул/см2 и последующим импульсным фотонным отжигом при Т=390°С в течение 30 с, а защита поверхности - путем анодного окисления в электролите на основе персульфата аммония в ступенчатом гальваностатическом режиме анодного окисления (ji=90 мкА/ см2, xi =45 мин; j2=27 мкА/ см2, т2 =10 мин; j3=9 мкА/ см2, хз =15 мин). По оценкам, такая технология увеличит выход годных фотодиодов для низкофоновых систем с 7% (при базовой технологии) до 78%. Все элементы технологии отработаны на производстве и прошли проверку.

1. Шокли В., Нойс Р. , Саа К. Генерация и рекомбинация носителей тока в слое объемного заряда и характеристики р-n перехода, 1957.

2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М, Энергия, 1984.

3. Под ред.Р.Дж.Киеса .Фотоприемники видимого и ИК диапазонов. М, Радио и связь,1985.

4. Хадсон Р. Инфракрасные системы. М, Мир, 1972.

5. Круз П., Макглоуин П., Макквистан Р. Основы инфракрасной техники. М,1964.

6. ШольЖ., Марфан И., Мюнш М. и др. Приемники инфракрасного излучения. М, Мир, 1969.

7. Ван-дер-Зил А. Флуктуационные явления в полупроводниках. М, 1961.

8. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах. М, 1986.

9. Hsu S., Whittier R., Mead С. Solid State Electronics, v.13, 1970.

10. Кернер B.C., Кузнецова E.M. Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции «Флуктационные явления в физических системах». Пущино, 1985.

11. Астахов В.П., Кернер B.C. и др. Механизм взрывных шумов р-n переходов. Микроэлектроника, вып.5, 1989.

12. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. М, Высшая школа, 1987.

13. Шалимова К.В. Физика полупроводников. М, Энергоатомиздат,1985.

14. Гуляев A.M., Карпов В.В., Мирошникова И.Н. Расчет параметров фотоприемников. М, МЭИ,1997.

15. Химическая энциклопедия. М, Советская энциклопедия, т.2, 1990.

16. Маделунг О. Физика полупроводниковых соединений элементов III и V групп. М, Мир, 1967.

17. Willardson R., Goering H. Preparation of lll-V compounds. Compound semiconductors, v.1, 1967.

18. Крапухин В.В., Соколов И.А., Кузнецов Г.Д. Технология материалов электронной техники. М, МИСИС, 1995.

19. Косогов О.В., Марамзина A.M. Новый приемник излучения. ВОТ, cep.11, вып.4, 1968.

20. Laser Focus Buyers Guide. January, 1979.

21. Комплект технической документации ОС2.003.023. НПО "Орион", 1982.

22. Hurwitz С., Dounely Y. Planar InSb photodiodes fabricated by Be and Mg ion implantations. Solid-State Electronics, v. 18, 1975.

23. Верходанов С.П., Герасименко Н.Н. Линейки ФП с р-n переходами, созданными легированием InSb ионами Mg. Спецэлектроника, сер.2, вып.2, 1980.

24. Болтакс Б.И. Диффузия в полупроводниках. М, Наука, 1962.

25. McNally P. Ion implantation of Sbln and InSb. Radiation Effects, v.6, 1970.

26. Богатырев B.A., Качурин Г.А., Смирнов С.Л. Внедрение ионов в InSb при повышенных температурах. ФТП, т. 12, вып.1, 1978.

27. Богатырев В.А., Качурин Г.А. Отжиг дефектов после ионной имплантации. ФТП, т.11, вып. 7, 1977.

28. Robeck I., Kasai I. Photodiodes with high photosensivity, produced by Be+-ions implantation. Electron Device Meeting, Washington, DC, 1981.

29. Гаврилов A.A., Данилов Ю.А., Качурин Г.А. Формирование р-слоев при внедрении ионов Мд+ в InSb. Электронная техника, сер.2, вып.2,1980.

30. Myasnikov A.M., Gerasimenko N.N. Ion implantation and thermal annealing of lll-V compound semiconducting systems. Semiconductors and semimetals, v.46, Academic press, 1997.

31. Белотелов С.В. и др. Характеристики планарных фотодиодов на InSb, изготовленных внедрением ионов Ве+. Микроэлектроника, вып.1, 1979.

32. Данилов Ю.А., Туловчиков B.C. Аномальное радиационное разупоря-дочение InSb при ионной имплантации. ФТП, т.14, вып.1,1980.

33. Васильев В.К., Горенков С.Н. Исследование низкоуровневых нарушений в имплантационных монокристаллах InSb методом характеристического рентгеновского излучения. ФТП, т. 18, вып. 1,1984.

34. Данилов Ю.А., Попов Ю.С., Туловчиков B.C. Глубокое проникновение дефектов в InSb при имплантации. Сб. Труды XI Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. МГУ, 1982.

35. Данилов Ю.А., Максимов С.К., Павлов П.В. Связь структурных изменений в InSb с условиями процесса ионного внедрения. Электронная техника, сер.7. вып.1, 1989.

36. Астахов В.П., Дудкин В.Ф., Сидорова Г.Ю. и др. Дефектные области за пределами пробегов ионов при имплантации бериллия в InSb. ВОТ, сер.11, вып.1-2,1993.

37. Астахов В.П., Дудкин В.Ф., Карпов В.В. Применение импульсного лампового отжига в технологии изготовления фотодиодов из InSb. ВОТ, cep.11, вып.1-2,1993.

38. Итальянцев А.Г., Мордкович В.Н. Эмиссионная модель аннигиляции агломератов точечных дефектов в условиях быстрого нагрева кристалла. Журнал теплофизики, т.53, вып.5, 1983.

39. Астахов В.П., Данилов Ю.А. и др. Особенности импульсного фотонного отжига антимонида индия. Физика и химия обработки материалов, №1,1988.

40. Трохин А.С., Скакун Л.А., Стоянова И.Г. и др. Локализация атомов бериллия в кристаллической решетке антимонида индия при ионной имплантации. Поверхность, №8,1988.

41. Суйковская Н.В. Химические методы получения тонких прозрачных пленок. Л, Химия, 1971.

42. Гребенщиков И.В., Власов А.Г., Суйковская и др. Просветление оптики, Гостехиздат, 1946.

43. Власов А.Г. Опт.-мех. пром, №2, вып.11, 1946.

44. Манохина и др. Диэлектрики в разработке и производстве приборов на InSb. Обзоры по ЭТ, вып.6,1979

45. Арбузов С.Н., Зигель В.В. и др. Формирование АОП и свойства МДП-структур на InSb. Физика окисных пленок, 1982.

46. Файзуллин Ф.Ф. и др. Анодное окисление InSb в растворе гидроокиси калия. Электрохимия, т.5, вып.5, 1989.

47. Лезина Т.Д. и др. Кинетика анодного окисления InSb в растворе орто-фосфорной кислоты. Электрохимия, вып.11, 1981.

48. Алехин А.П., Лаврищев В.П., Сорокин И.Н. Кинетика анодирования антимонида индия в сернокислых растворах. ЭТ, Микроэлектроника, вып.З, 1975.

49. Алехин А.П., Комарец И.В., Лаврищев В.П., Сорокин И.Н. Электролит для анодного окисления InSb. А.с. №495971 от 20.10.1973.

50. Давыдов В.Н., Лезина Т.Д. Влияние условий анодирования антимонида индия на характеристики МОП-структур. Микроэлектроника, т. 12, вып.2, 1983.

51. Евстафьева Н.И., Ежов В.П., Зиновьев В.Г., Карпов В.В., Лиходед В.Н. О возможных причинах нестабильности собственного анодного оксида антимонида индия. Физико-химические процессы в микроэлектронике. Сборник научных трудов, 1990.

52. Аристов и др. Состав АОП на InSb. Поверхность, №9, 1985.53.3ахарчук и др. Фазовый анализ окисных слоев на InSb методомвольтамперметрии на угольно-пастовом электроде. Известия Сибирского отделения АН СССР, сер.4, №4, вып.2, 1980.

53. Wilmsen. Химический состав и строение термического и АО на соединениях А3В5. J. Vac. Sci. Technol., v. 13, 1976.

54. Hung R., You E. Surface study of anodized indium antimonide. J.Journ. of Applied Physics, v.41, 5, 1970.

55. Арбузов C.H., Зигель В.В., Колбин М.Н. и др. Электронная спектроскопия анодного окисла и свойства МДП-структур на антимониде индия. Поверхность, №8, 1983.

56. Семененко Л.В., Усова В.А. Исследование системы InSb- анодный окисел методом эллипсометрии. Микроэлектроника, т.9, вып.1, 1980.

57. Бекетов Г.В., Бибик В.Ф. и др. Механизм роста анодного окисла на InSb. УФЖ, №4, 1988.

58. Малиновская Т.Д., Рояк А.Я., Фефелова И.И. Структурно-морфологические закономерности формирования анодных оксидов на соединениях А3В5. Поверхность, №1, 1991.9 5

59. Список собственных публикаций.

60. Астахов В.П., Винецкий Ю.Р., Карпов В.В., Талимов А.В. и др. Результаты разработки фотодиодов на InSb с ультранизкими темновыми токами для высокочувствительных ИК ПЗС. Прикладная физика, №2, 1999, с.86-93.

61. Астахов В.П., Гиндин Д.А., Карпов В.В., Талимов А.В. Повышение термостойкости фотодиодов на InSb. Прикладная физика, №5, 2001, с.30-36.

62. Астахов В.П., Гиндин Д.А., Карпов В.В., Талимов А.В. Повышение термостойкости фотодиодов на InSb. Тезисы докладов XVI Международной конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения, 25-27 мая 2000г, Москва, с. 115.

63. Талимов А.В., Филиновский В.Ю. Формирование термостойких анодных окисных пленок и использование их для изготовления фотодиодов на InSb. Прикладная физика (в печати).