автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Исследования и разработка технологии изготовления PIN-фотодиодов на основе кремния с применением ионной имплантации

На правах рукописи

БОЛЕСОВ ИГОРЬ АНАТОЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ PIN-ФОТОДИОДОВ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ.

05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной

техники.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2004

Работа выполнена на кафедре технологии полупроводниковых материалов Московской государственной академии тонкой химической технологии имени М.В. Ломоносова и на ОАО «Московский завод «Сапфир».

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук,

доцент Карпов Владимир Владимирович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Гуляев Александр Михайлович доктор физико-математических наук, профессор Мордкович Виктор Наумович

Ведущая организация

Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина

Защита состоится «16 » марта 2004 г. в 14 00 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.120.06 в Московской государственной академии тонкой химической технологии имени М.В. Ломоносова по адресу: 117571 Москва, проспект Вернадского, 86, ауд. М 119

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В. Ломоносова (119831 Москва, ул. Малая Пироговская, 1).

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Г.М.Кузьмичева

февраля 2004 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы обусловлена тем, что pin-фотодиоды относятся к наиболее востребованным приборам фотоэлектроники специального назначения. Главное их применение - в объектах, наводимых по лазерному лучу с длиной волны 1,06 мкм. При переходе к разработке pin-фотодиодов новых поколений с повышенными требованиями к фотоэлектрическим параметрам на основе имеющейся производственной базы, как правило, наблюдаются "сбои", приводящие к резкому и длительному снижению или вообще утере выхода годных приборов.

Эти "сбои" обусловлены наличием неконтролируемых примесей в химических реактивах и газах, используемых в технологических процессах, неконтролируемых потоков примесных атомов, выделяющихся при термических обработках, а также "сбоями" в режимах проведения термообработок. Зачастую поиск причин снижения выхода годных продолжается длительное время и не всегда удается четко определить его причины. В этих случаях проще бывает найти возможность устранить следствие этих причин-

В этом смысле огромные возможности дает значительно продвинувшийся к настоящему времени метод ионной имплантации. Метод позволяет модифицировать свойства кристаллов и аморфных пленок, изменяя их в диапазоне свойств от полуметалла до диэлектрика, позволяет эффективно и в высшей степени управляемо создавать слои, выполняющие функции стоков дефектов и быстродиффундирующих атомов. К тому же метод, как правило, сопровождается низкотемпературными термообработками, щадящими объемные свойства кристалла. В то же время ионная имплантация проигрывает в конкуренции с диффузионной технологией по качеству металлургической границы p-n-переходов и диэлектрическим свойствам защитных диэлектрических пленок, использующихся одновременно и как маска при локальных процессах диффузии.

Отсюда следует, что и с точки зрения достижения наилучших характеристик создаваемых приборов и экономической эффективности перспективно сочетание диффузионных и

имплантационных процессов в технологии полупроводниковых приборов, в том числе pin-фотодиодов.

Цель работы заключается в том, чтобы в процессе разработки pin-фотодиода нового поколения на основе имеющейся технологической базы ОАО «МЗ «Сапфир» провести комплексные исследования характеристик изготавливаемых приборных структур, выявить наиболее характерные недостатки имеющейся технологии и определить возможности устранить последствия этих недостатков за счет разработанных имплантационных процессов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В планарных диффузионных pin-структурах на Si обнаружен размерный эффект продольной поверхностной миграции положительных ионов из защитной пленки SiO2, показывающий необходимость полного удаления защитной пленки, содержащей эти ионы.

2. Показана более высокая эффективность ионов по сравнению с ионами N при поверхностных обработках планарных диффузионных п+-р переходов. Результат объясняется более эффективным дефектообразованием в Si при имплантации ионов

N2+.

3. Показано, что дефектные поверхностные слои, сформированные ионной имплантацией, обладают способностью устранять поверхностные инверсионные слои, сформированные положительным зарядом, встроенным в защитную пленку SiO2 на поверхности p-Si.

4. Обнаружен эффект повышения защитных свойств планарных п+-р переходов дефектными поверхностными слоями, созданными имплантацией ионов при предварительном подлегировании поверхности с применением имплантации ионов бора.

Эффект объясняется повышением дефектности слоев, формируемых ионной имплантацией, при большей степени легирования за счет повышения эффективности связывания имплантационных дефектов при наличии примесных атомов.

5. Обнаружена возможность низкотемпературного (500'С) геттерирования подвижных ионов в защитной термической пленке SiO2 дефектами, введенными в пленку имплантацией ионов

Показано положительное влияние такого геттерирования на ВАХ планарных диффузионных п+-р переходов pin-структур.

6. Показана возможность повышения эффективности геттерирования базовой области планарных диффузионных pin-структур при применении имплантации ионов BF2+ после диффузионного подлегирования. При этом время жизни неосновных носителей заряда в базе возрастет в 1,5-2 раза.

Практическая значимость:

1. Разработана и внедрена в производство экспресс-методика измерения и расчета C-V характеристик тестовых МДП-структур для технологического контроля процессов окисления при изготовлении диффузионных pin-структур.

2. Разработана методика измерения диффузионной длины неосновных носителей заряда и скорости поверхностной рекомбинации в тонких полупроводниковых пластинах на основе формирования симметричных р-n переходов на противоположных сторонах пластины и измерения сигналов фотоответа при двух полярностях приложенного к такой структуре напряжения и двух диаметрах пучка воздействующего излучения.

3. Разработан и предложен для практического применения метод поверхностной обработки, приводящей к уменьшению темновых токов диффузионных pin- структур за счет введения дефектов при имплантации периферии всех п+-р переходов после стравливания защитной пленки SiO2 ионами N2+ (Е=100кэВ, Ф=6-101бсм2) и предварительного имплантационного подлегирования в течение 2 часов в атмосфере азота).

4. Предложен и рекомендован для внедрения в серийную технологию метод формирования стоп-канала, заключающийся в имплантации ионов В+ (Е=100 кэВ, Ф=3,6*1014 см-2) через защитную пленку SiO2 толщиной ~ 0,55 мкм.

5. Предложен и рекомендован для внедрения в серийную технологию метод геттерирования подвижных ионов в защитной пленке SiO2 диффузионных pin-структур, включающий обработку пленки имплантацией ионов N2+ (Е=60 кэВ, Ф=11016см-2) и последующий низкотемпературный отжиг (500°С в 1 час в потоке азота).

6. Предложен и рекомендован к внедрению в серийную технологию метод дополнительного геттерирования диффузионных pin-структур, позволяющий в 1,5-2 раза увеличить время жизни неосновных носителей заряда в базе. Метод заключается в имплантации ионов BF2+ (Е=100 кэВ, Ф=3*1015 см"2) в обратную сторону пластины с последующим отжигом при температуре 900°С в течение 1 часа после формирования омического контакта загонкой бора.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований влияния поверхностной обработки, приводящей к уменьшению темновых токов диффузионных pin-структур за счет введения дефектов при имплантации; периферии всех п+-р переходов после стравливания защитной пленки SiO2 ионами N и (Е=100кэВ, Ф=(1/6)*1016 см"2) и предварительного имплантационного подлегирования (В+, Е=100 кэВ Ф=6*1013 см2, 800°С в течение 2 часов в атмосфере азота).

2. Результаты формирования стоп-канала, имплантацией ионов В+ (Е=100 кэВ, Ф=3,6*1014см-2) через защитную пленку SiO2 толщиной ~ 0,55 мкм.

3. Результаты геттерирования подвижных ионов в защитной пленке SiO2 диффузионных pin-структур, за счет обработки пленки имплантацией ионов (Е=60 кэВ, Ф=1*1016 см-2) и последующего низкотемпературного отжига (500°С в 1 час в потоке азота).

4. Результаты дополнительного геттерирования диффузионных pin-структур, имплантацией ионов BF2+ (Е=100 кэВ, Ф=3*10 см-2) в обратную сторону пластины после формирования на ней омического контакта загонкой бора с последующим отжигом при температуре 900°С в течение 1 часа.

Апробация работы:

Основные результаты диссертации отражены в публикациях [1-5] и докладывались на XVII Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборами ночного видения (Москва, 2000г.), Международном научно-методическом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2002г.).

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 127 страниц машинописного текста, включая 40 рисунков и 20 таблиц. Список литературы состоит из 133 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении производится обоснование выбора темы диссертационной работы и ее актуальности. Сформулированы цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе описан принцип работы рт-фотодиодов, рассмотрены основные процессы, протекающие в р-п-переходе, а также представлен обзор механизмов влияния состояния поверхности на вольт-амперные характеристики (ВАХ) р-п-переходов.

Представлены литературные данные по влиянию имплантации ионов бора и БР2+. Описаны механизмы взаимодействия различных ионов с кремнием и структурных изменений, обусловленных имплантацией.

Рассмотрены возможности применения ионной имплантации в технологии изготовления полупроводниковых приборов. Отмечается, что применение методов ионной имплантации в отечественной технологии изготовления приборов фотоэлектроники на кремнии носит крайне ограниченный характер: она применяется только для формирования р-слоев п+р1р+-структур лавинных фотодиодов и для геттерирования в технологии изготовления отдельных видов рт-фотодиодов.

Вторая глава начинается с представления методик исследования. Объектом исследования являются диффузионные планарные структуры 8-ми площадочных рт-фотодиодов на основе высокоомного (р= 10/20 кОм*см) кремния р-типа проводимости, топология которых представлена на рисунке 1.

В первой части второй главы представлены требования, предъявляемые к pin-фотодиоду и основные процессы планарной диффузионной технологии изготовления pin-фотодиодов.

Во второй части главы описываются применявшиеся методики исследования планарных диффузионных pin-структур, а также представлены результаты разработки двух оригинальных методик: экспресс-методики измерения ^^характеристик МДП-структур и диффузионной длины неосновных носителей заряда в тонких пластинах полупроводника.

В третьей части главы представлены результаты исследований диффузионных pin-структур и тестовых МДП-структур - спутников.

Из представленных результатов исследований видно, что главным признаком диффузионных pin-структур являются высокие темновые токи. Для выявления причин повышенных значений темновых токов проведено изучение таких параметров как время жизни неосновных носителей заряда в базе рт-структур встроенный заряд на границе в

тестовых МДП-структурах, обратные вольт-амперные характеристики (ВАХ) и темновые токи фоточувствительных площадок и охранного кольца (ОК) pin-структур. На приборных структурах изучено влияние стравливания защитной пленки SiO2 на локальных участках поверхности различных конфигураций.

При исследовании обратных ВАХ диффузионных планарных pin-структур (типичные ВАХ см. на рисунке 2) установлено, что как для площадок, измеренных с ОК, так и для

самого OK BAX аппроксимируются зависимостью вида 1т~ ип, где п = 0,9 — 1,0, что свидетельствует о том, что в данном случае темновой ток определяется инверсионным каналом на поверхности высокоомной р-области. Характерно при этом, что и большие и малые площадки, несмотря на различие в площадях в 50 раз, имеют практически идентичные ВАХ, а при отключении' ОК ВАХ площадок и самого ОК совпадают, что также свидетельствует о связи всех площадок посредством высокой поверхностной проводимости.

Рисунок 2. Характерная ВАХ. (БП-болыпая площадка, МП-малая площадка).

Для прояснения влияния пленки БЮг на ВАХ образцов pin-структур был проведен эксперимент по стравливанию защитной пленки термического окисла с локальных участков поверхности приборной структуры с последующим расширением этих участков и затем полным удалением пленки.

В результате этих экспериментов обнаружен и исследован размерный эффект от стравливания защитной пленки SiO2. Эффект проявляется как увеличение длительности кардинального улучшения ВАХ после начала измерения при увеличении ширины стравленных участков

После полного стравливания окисла происходит устойчивое кардинальное улучшение ВАХ исследуемых структур, заключающееся в значительном, до двух и более порядков величины, снижении темновых токов площадок с ОК, и снижении

токов OK до 5 раз (см. рисунок 3). Такой размерный эффект интерпретируется на основе электромиграции положительных ионов из пленки 8Юг на свободную поверхность кремния в

электрическом поле поверхностной области пространственного

+

заряда п -р-перехода.

Измеренные на этих образцах величины времени жизни неосновных носителей заряда значительно

превосходят величины, характерные для приборов-прототипов.

1 10 100 1000

Рисунок 3. В АХ рт-структур до и после стравливания пленки Б Юг-- Исходная

----------------После снятия Б Юг

Параллельно осуществлялось исследование С-У-характеристик; тестовых МДП-структур, сформированных на основе того же высокоомного кремния р-типа проводимости.

Структуры Б ¡-Б Юг последовательно подкладывались в следующие процессы формирования pin-структуры: загонка-разгонка фосфора, геттерирование, подлегирование (загонка бора), после чего также изучались С-У-характеристики МДП-структур.

В ходе этих экспериментов после первого измерения С-У-характеристики проводились выдержки при смещениях -100 и + 100 В, после чего повторно измерялись С-У-характеристики.

Для исходных МДП-структур наблюдаемые изменения вида С-У- характеристик при этих измерениях; представлены на рисунке 4.

I-1—1—I—1—|-1-1-1—I—I—I—I—1—0-т——»—I—I—1—I—I—I—I—I—<—I—I—I—|

150 -100 -50 0 50 100 150

и, в

Рисунок 4.Результаты измерения С-У-характеристик с выдержкой при -100 В и +100 В в течение 3 часов.

В таблице 1 представлены данные, которые показывают как изменяется С-У-характеристика и значения после всех операций изготовления рт-структуры и выдержек при смещениях +100 В (д*,0° ) и -100 В (д"100 ).

Таблица 1. Изменение встроенного заряда в процессе изготовления рт-структуры._____

Стадия Окисление Загонка фосфора Разгонка фосфора Геттерирование Загонка бора

д°3 см"2 3,5610" 4,7-10" 3,2-10" 4,8-10" 8,75-10"

Гк-100 -2 д58 см 1,1-10" 1,510" 1,0-10" 1,6-10" 3,0-10"

/-»+100 -2 д-й см 3,810" 5,010" 3,6-10" 5,0-10" 1.1-1012

Полученные данные свидетельствуют о том, что и сразу после формирования и после всех операций в пленке имеется неподвижный встроенный положительный заряд и заряд подвижных положительно заряженных ионов, содержание которых в пленке БЮг увеличивается в процессе создания pin-структуры. Об этом свидетельствует тот факт, что выдержка при —100 В в 3-4 раза снижает величину за счет оттягивания положительных ионов к полевому электроду.

В целом данные этой главы показывают, что металлургическая граница создаваемых диффузионных переходов достаточно совершенна, а избыточные темновые токи и связь между площадками обусловлены высокой концентрацией подвижных положительных ионов в защитной пленке БЮг, которая особенно возрастает на стадии формирования омического контакта.

Третья глава посвящена исследованию влияния различных вариантов топологии стоп-канала и технологии его формирования на ВАХ рт-структур, а также исследуется влияние имплантационного гсттерирования (ионами ВРг+) на время жизни электронов в базе и на ВАХ диффузионных -переходов.

Рассмотрены два варианта стоп-канала:

1. Внешний стоп-канал, сформированный вокруг ОК.

2. Комбинированный стоп-канал, представляющий собой сочетание внешнего стоп-канала с промежуточным стоп-каналом, расположенным в середине зазора между площадками и ОК.

Важной особенностью поверхностного стоп-канала является необходимость оптимальной степени легирования, обеспечивающей одновременно столь высокий уровень, чтобы поверхностный заряд не создавал наведенного инверсионного канала, и в то же время достаточно низкой, чтобы обеспечить требуемое пробивное или рабочее напряжение р-п перехода, окружаемого этим стоп-каналом. Исходя из этого выбирались режимы формирования стоп-канала с применением ионной имплантации.

Результаты по каждому режиму формирования внешнего стоп-канала представлены в таблице 2 в порядке убывания;его эффективности.

Из этих результатов следует, что наиболее эффективный внешний стоп-канал создается за счет введения! дефектов при имплантации ионов бора с Е=100 кэВ и Ф=3,6-1014 см"2 через пленку 8Юг толщиной 0,54. мкм. Этот вариант является наиболее технологичным, т.к. не требует локального удаления пленки ЗЮг, а имплантация может производиться через маску из фоторезиста.

Следует отметить, что в этом а случае наблюдается сочетание наименьших токов ОК и площадок, однако, как и в остальных случаях токи больших и малых площадок отличаются мало, хотя их площади отличаются в 50 раз. Это свидетельствует о том, что внешний стоп-канал, уменьшая токи ОК и площадок, не устраняет связь между площадками.

Комбинированный стоп-канал формировался диффузией и

15 2

имплантацией различных доз (от 6-10 до 3-10 см") ионов бора через пленку При этом рассматривалось также влияние

постимплантационного отжига.

В таблице 3 представлены результаты: по комбинированному стоп-каналу в порядке снижения его эффективности. Данные таблицы свидетельствуют о том, что наилучшее разделение площадок обеспечивается

имплантированным слоем с оптимальной степенью дефектности, достигаемой сочетанием дозы имплантации ионов бора, проводимой через пленку БЮг, и температуры отжига (В+ Е= 100 кэВ. Ф=7,2-1014см2> 500оС, 30 минут). Такие режимы следует считать оптимальными для разделения площадок.

Таким образом целесообразно ввести раздельное формирование промежуточного (только между площадками) и внешнего стоп каналов в указанных выше оптимальных для каждого вида стоп-канала режимах.

Таблица 2. Методы и результаты формирования внешнего стоп-канала.

№ Режим формирования /т, мкА п

БП МП ОК БП МП ОК

1 Имплантация средних доз ионов В через пленку ЗЮ2 толщиной -0,54 мкм. (Е= 100 кэВ, Ф= 3,6-1014см"2) 0,053 0,04 119,4 0,9 0,63 0,9

2 Диффузия бора после 1-го окисления 0,028 0,02 182,3 1,2 1,3 0,7

3 Низкодозовое подаегирование после удаления 8Ю2 В*(Е=100юВ, Ф=2,4-ю"см'2,800°С, 2часа) 0,048 0,08 220,0 1,0 1,07 1Д

4 Низкодозовая двухстадийная имплантация ионов В (Е1=40 кэВ, Ф,=6 ■10юсм*,> Е2=100 кэВ, Ф2= ию'ш'2) 0,053 0,08 240,8 1,5 1,4 1,0

5 Имплантация средних доз ионов В через пленку 5Ю2 толщиной -0,54 мкм и отжиг.(Е= 100 кэВ, Ф= 7Д-10"см'2,500°С, 30 минут) 1,65 1,39 107,0 1,3 1,45 1,2

Таблица 3. Режимы и результаты формирования

! комбинированного стоп-канала.

№ Режим формирования /т, мкА п

БП МП ОК БП МП ОК

1 Имплантация ионов В через пленку Si02 толщиной-0,55 мкм: Е= 100 юВ, Ф= 7,2-1 о'4см2 +500°С, 30 минут. 0,53 0,036 318,3 1,0 1,56 0,92

2 Низкодозовое легирование В* (Е=60 юВ, Ф=610'2 см"2 + 600°С, 30 мин.+900°С, 60 мин.) с последующим переокислением 6,25 0,25 162,5 0,73 0,61 1,1

3 Диффузия бора после 1-го окисления 186,8 0,075 474,3 0,75 0,36 1,4

4 Высокодозовая имплантация ионов В через пленку Si02 толщиной -0,54 мкм: Е= 100 кэВ, Ф= 3-1013см2 30,8 8,42 366,0 0,45 0,5 0,72

5 Имплантация ионов В через пленку Si02 толщиной ~0,55 мкм: Е=100кэВ,Ф=3,6-10"см"2 6^8 5,25 483,5 1,6 1,2 1,01

Изучена возможность применения гетгерирования на основе процессов имплантации ионов ВБг* в обратную сторону

пластины с последующим отжигом. Указанный тип ионов выбран исходя из его высокой дефектообразующей способности и одновременной возможности легирования атомами бора, т.е. возможности совмещения процессов геттерирования и формирования омического контакта к высокоомной базе pin-структуры, а также из-за высокой интенсивности пучков этих ионов, получаемых на промышленных установках типа «Везувий».

Обработке по этому варианту подвергалась партия пластин, изготовленная по диффузионной технологии, но не прошедшая диффузионного геттерирования. Геттерирование осуществлялось имплантацией ионов в обратную

сторону пластины и последующим отжигом при температуре 900°С в атмосфере азота в течение 1 часа.

Параллельно аналогичной обработке подвергалась партия диффузионных pin-структур, прошедших полный цикл изготовления, включая диффузионные геттерирование и подлегирование.

Полученные данные свидетельствуют о низкой эффективности выбранных режимов геттерирования по сравнению с диффузионным геттерированием, но в качестве дополнительного геттерирования их применение целесообразно из-за возможности повышения значений т и снижения уровня темновых токов.

В четвертой главе поставлена задача найти такие режимы обработки периферии п+-р переходов диффузионных pin-структур, которые позволили бы полностью устранить поверхностные утечки, либо ввести их в такие рамки, которые соответствуют приборам наиболее высокого класса.

На диффузионных pin-структурах проводились ионные обработки периферии поверхности п+-р-переходов после

стравливания пленки включая все поверхностные участки р-

+

типа с захватом . планарных границ всех п -р-переходов и ближайшие к границе ^-области шириной 20 мкм, в соответствии с топологией, представленной на рисунке 5.

Применялась имплантация ионов К1" и При этом на первом этапе сравнивались эффективности обработки ионами N и На следующем этапе определялось - увеличивает ли

положительный эффект увеличение дозы имплантации того типа ионов, который является наиболее эффективным. После выбора режима обработки, такой обработке будут подвергались меза-структуры, вытравленные по топологии, представленной на рисунке 5, где травление произведено на участках, обозначенных как имплантированные.

Рисунок 5. Топология pin-структуры для изучения ионных обработок периферии ^-р-переходов.-

Кроме того, изучено влияние имплантации тех же участков после их подлегирования акцепторными атомами.

Вторым направлением работ было изучение возможности геттерирования подвижных положительных ионов в защитной пленке , ответственных за формирование наведенного канала. Геттерирование проводилось также с применением имплантации ионов N и N2 в периферийные участки всех п+-р-переходов, покрытые пленкой БЮг толщиной ~0,35 мкм над ^-областями и ~0,6 мкм над р-областями.

После обработки периферии имплантацией ионов N темновые токи снизились в раз для больших и в раз для малых площадок, в то время как ток ОК снизился в раза. В результате отжига в азоте темновые токи площадок и самого ОК практически вернулись к исходным значениям.

При имплантации ионов наблюдается меньший

положительный эффект: темновые токи больших площадок снизились в ~5 раз, малых площадок — в ~13 раз, в то время как величина темнового тока ОК уменьшилась только на Однако в отличие от случая имплантации ионов N в результате отжига темновой ток снизился дополнительно в ~3 раза для больших площадок, и в ~1,5 раза для малых площадок. Дополнительное снижение величины тока ОК составило ~35%

При этом совокупность имплантация - отжиг привели к наименьшим значениям тока ОК.

Результаты, полученные в данной части работы, свидетельствуют о том, что структурные дефекты, создаваемые имплантацией в поверхностных областях кристалла в п+ и р-областях, снижают токи утечки по поверхности. В большей мере -в случае имплантации ионов N и в меньшей - при имплантации ионов N2*. Это отличие обусловлено, по-видимому, большей глубиной пробега ионов N и формированием более глубоких компенсированных высокоомных слоев в этом случае. После отжига ситуация изменяется;; на противоположную: в случае имплантации ионов достигаются наименьшие значения токов ОК. Это вызвано, по-видимому, продольным (вдоль поверхности) геттерированием ионов из защитной пленки БЮг более дефектными областями, сформированными имплантацией ионов в то время как области, сформированные имплантацией ионов К+, отжигаются без оказания геттерирующего действия.

Из представленных данных следует, что для уменьшения

+

поверхностных токов утечки п -р-переходов планарных диффузионных рт-структур более эффективна имплантация ионов N2* в сочетании с низкотемпературным (500°С) отжигом:

Далее возникает вопрос, будет ли возрастать эффективность снижения токов утечки при увеличении дозы имплантации ионов Поэтому был проведен эксперимент на группе образцов с топологией, представленной на рисунке 5, имплантировавшихся ионами N2* с дозой, увеличенной в 6 раз.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что увеличение дозы имплантации 1 • 1016 см"2 до 6-1016 см"2 а е т темновой ток больших площадок в раз, а малых - в раз увеличивая при этом токи ОК. Дальнейшее увеличение дозы не влияет на результат. Отжиг привел к сильнейшей деградации ВАХ площадок. Эти результаты объясняются уменьшением проводимости поверхностного слоя, получаемого при больших дозах имплантации ионов и повышением эффективности

перетекания тока площадок в ОК по этому слою.

Следующие эксперименты показали, что меза-травление приводит к снижению тока площадок в 5-5-6 раз, несколько

уменьшается также ток ОК. Последующая имплантация поверхности ионами N2* приводит к тому, что токи площадок уменьшаются еще в 2 раза, однако ток ОК вернулся к исходному значению, как и в предыдущем случае. Это объясняется тем, что при имплантации на поверхности формируется слой с пониженным сопротивлением, близким к оптимальному для отвода, тока в OK, a OK оказалось связанным таким же сопротивлением с омическим контактом по периферии кристалла.

Также проводилась имплантация ионов N2+ после: подлегирования приповерхностной области бором в соответствии с топологией рисунка 5 до концентрации, обеспечивающей отсутствие инверсионного поверхностного канала при положительном заряде 1012 см"2 и выше (формирование поверхностного р+-слоя). После такого подлегирования производилась высокодозовая двухстадийная имплантация этих

областей ионами с целью формирования на основе

+

легированного р -слоя компенсированного высокоомного поверхностного слоя. Предполагалось, что в данном случае возможна более эффективная компенсация поверхностного заряда. Кроме того, наличие легирующих атомов может привести к изменению механизма дефектообразования и формированию более глубокого и более высокоомного поверхностного слоя, наличие которого может улучшить обратную ветвь ВАХ.

После подлегирования поверхностной области пробивные напряжения снизились; наблюдается резкое возрастание темнового тока при напряжениях В.

После 1-ой имплантации ионов N2+ пробивные напряжения стали выше 250 В,темновой ток больших площадок снижается на два порядка величины, малых площадок — в 400 раз относительно исходных значений. Исходный ток ОК был не предельным, но он тоже уменьшился на . Вторая имплантация дополнительно снижает темновой ток площадок в раза и ток ОК на

Сравнение всех обработок периферии п+-р-персходов по топологии рисунка 5 (имплантация ионов N+, N2+, меза-травление. подлегирование с последующей имплантацией ионов свидетельствует о том, что подлегирование с последующей имплантацией ионов является наиболее результативной

обработкой с точки зрения уменьшения темновых токов и

приближения обратных ветвей ВАХ к теоретическим, соответствующим теории Шокли-Нойса-Саа.

Были опробованы два режима генерирования пленит БЮг с применением имплантации ионов N и N2* с целью удаления из пленки подвижных ионов. Имплантация производилась в поверхностные области пленки также по топологии рисунка 5.

Энергия ионов выбрана 60 кэВ - такой, чтобы они не проникали через пленку. Доза имплантации выбрана равной МО16 см"2. Последующий геттерирующий отжиг проводился в атмосфере азота в течение 1 часа. Для геттерирования, выбраны две температуры отжига: сначала при 500°С и затем 900°С в расчете на более и менее подвижные ионы.

Имплантация ионов N приводит к снижению темновых токов площадок в 7-25 раз; темновой ток ОК снижается более чем в ~2 раза. Это объясняется тем, что при имплантации происходит компенсация заряда положительно заряженных ионов за счет образования комплексов имплантационных дефектов с этими ионами; при этом ионы в большой мере нейтрализуются. Последующий отжиг уже при температуре 500°С практически восстанавливает ситуацию по темновым токам, которая была до имплантации, что свидетельствует о распаде и диссоциации дефектов, созданных при ионной имплантации в пленке БЮ., и высвобождении ионов из их комплексов с радиационными дефектами и возвращении этих ионов к границе раздела БьБЮ.,. Последующий отжиг при температуре 900°С ситуацию не изменил, что свидетельствует об эффективности отжига дефектов, созданных при имплантации ионов уже при температуре 500°С.

Имплантация ионов К2+ снижает темновой ток площадок в 4-15 раз, а ток ОК — всего на ~25%, однако в отличие от случая имплантации ионов N отжиг при температуре 500°С хоть и незначительно - в 1,5-4,6 раз, но уменьшил токи площадок и почти вдвое - ток ОК. В результате ток ОК оказался в -2,5 раза ниже исходного. Последующий отжиг при температуре 900°С ситуацию также не изменяет. Эти результаты свидетельствуют о том, что имплантация ионов создает стойкие дефекты,

которые уже при температуре 500°С являются эффективным стоком положительно заряженных ионов из объема пленки, позволяя проводить ее эффективное геттерирование, в том числе и продольное (вдоль поверхности). Дефекты оказались настолько стойкими, что даже отжиг при температуре 900°С не разрушил их и не повлиял на результаты геттерирования.

Сравнение результатов в целом позволяет выбрать для практического применения геттерирование пленки БЮ,, производимое локальной имплантацией ионов N2* при Е=60 кэВ и Ф=1*1016 см"2 и последующим отжигом при температуре 500°С. При этом главным критерием для выбора служило положительное влияния такого геттерирования на ток ОК. Отсутствие какого-либо эффекта в результате дополнительного отжига при температуре 900°С свидетельствует о высокой подвижности ионов, находящихся в пленке 8Юг, поскольку температура 500°С оказывается достаточной для того, чтобы обеспечить их эффективный сток на дефекты, созданные имплантацией ионов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Проведены комплексные исследования приборных и тестовых структур 8-площадочных квадрантных планарных рт-фотодиодов с охранным кольцом, изготавливавшихся на стадии разработки диффузионной технологии в условиях серийного производства ОАО «Московский завод «САПФИР». Показано, что р-п переходы изготавливаемых приборных структур на основе высокоомного р-Б1 имеют более совершенную хметаллургическую границу и более высокую степень геттерирования объема кристалла по сравнению с прибором-прототипом. В то же время для изготовленных рт-фотодиодов характерны избыточные темновые токи, делающие фотодиоды несоответствующими требованиям по этому параметру. Избыточные темновые токи обусловлены утечкой по поверхностному каналу, наводимому в быстродиффундирующими ионами в защитной пленке Б102. Источник этих ионов и механизм их проникновения в пленку в период выполнения диссертационной работы в производстве не обнаружен.

2. Изучены возможности снижения темновых токов топологическими приемами: созданием стоп-каналов двух типов методами диффузии и ионной имплантации - внешнего (за пределами охранного кольца) и - внешнего в сочетании с промежуточным (между площадками). Показана результативность применения внешнего стоп-канала. Второй тип стоп-канала требует тщательного подбора режимов и условий ионной имплантации.

З.Определены возможности снижения поверхностных токов утечки с применением ионных обработок двумя способами:

— имплантационным низкодозовым подпегированием периферии р-п переходов атомами бора (В ,.Е=100 кэВ, Ф=6-10 см"2) и отжигом (Т1=600°С, ^=30 мин и Т2=900°С, 12=60 мин) с последующей высокодозовой имплантацией ионов (Е=100 кэВ, Ф=6-1015 см'2);

— генерированием подвижных ионов из защитной пленки БЮг имплантацией ионов (Е=60 кэВ, Ф=1-1016 см"2) в периферийные области защищенного р-п перехода с последующим отжигом (Т=500°С, 1=2-=4 ч, в атмосфере азота).

Оба. способа позволяют довести значение темновых токов до требуемого уровня. Второй способ рекомендован для внедрения в серийную технологию.

4.Разработан способ дополнительного геттерирования кристалла (после завершения формирования приборной структуры) имплантацией обратной стороны пластины: ионами

с последующим отжигом при температуре 900'С в течение 1 часа в атмосфере азота). Способ позволяет увеличить значение х в базе готовой структуры на 20-г50%. Способ рекомендован для внедрения в серийную технологию.

5. Разработана экспресс-методика определения концентрации основных носителей заряда в поверхностной области и встроенного заряда в диэлектрике МДП-структуры без формирования омического контакта к полупроводнику и напыления электродного слоя на диэлектрик и полупроводник. Метод основан на измерении С-У характеристики МДП-структуры с прижимными индиевыми контактами и ее корректировки на

основе результатов измерения добротности структуры. Способ внедрен в серийную технологию pin-ФД.

6. Предложен способ измерения времени жизни неосновных носителей заряда и скорости поверхностной рекомбинации в тонких (d<L) пластинах полупроводника. Способ заключается в создании планарных симметричных р+-п (п+-р) переходов на обеих сторонах пластины и измерении токов, возбуждаемых световым или электронным пучком двух диаметров при обеих полярностях напряжения, прикладываемого к пластине. Расчетные формулы выведены на основе теории фототранзистора с «оторванной» базой.

Перечень работ, опубликованных по теме диссертации

Г. В.П. Астахов, И.А. Болесов, Д.А. Гиндин, В.В.Карпов, К.В.Сорокин О влиянии поверхностных и контактных явлений на характеристики фотодиодов на п-кремнии // Прикладная физика, №1,2002г., с.48-55.

2. В.П. Астахов, И.А. Болесов, Е.Ф. Карпенко, В.В. Карпов, П.И. Лапин, Н.В. Филиппенко. Результаты ионных обработок поверхности при изготовлении pin-фотодиодов на кремнии. // Прикладная физика, №5,2003г., с. 106-111.

3. В.П. Астахов, И.А. Болесов, В.В. Карпов, Н.В. Филиппенко. // Результаты поверхностной обработки периферии планарных р-п-переходов ртфотодиодов на кремнии / Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Доклады Международного научно-методического семинара 3-6 декабря 2002г. - М., 2003. с.88-96.

4. И.А. Болесов, В.П. Астахов, В.В. Карпов. Измерение диффузионной длины неосновных носителей заряда в тонких пластинах полупроводниковых кристаллов. // Приборы и техника эксперимента, № 2,2003г., с.93-95.

5. В.П. Астахов, И.А. Болесов, Е.Ф. Карпенко, В.В: Карпов, П.И. Лапин, Н.В. Филиппенко О возможностях применения ионных обработок при производстве pin-фотодиодов на кремнии. / Тезисы докладов XVII Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения 2731 мая 2002 г, Москва, Россия.

> 2 654

Подписано в печать с£^.*?/..<^'Формат 60x84/16. Бумага писчая. Отпечатано на ризографе.-Уч. изд. листов 1,6.Тираж 100 экз. Заказ

Лицензия на издательскую деятельность ИД № 03507 от 15.12.2000

Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова.

Издательско-полиграфический центр. 119571 Москва, пр. Вернадского 86.

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Физические основы работы pin-ФД и влияние 10 поверхности на их характеристики.

1.1.1 Особенности работы фотодиодов.

1.1.2 Влияние поверхности на ВАХ диода. 11 1.1.3. Методы устранения влияния поверхности.

1.2. Влияние облучения на свойства кремния.

1.2.1 Облучение ионами В+ и BF2+.

1.2.2 Влияние облучения ионами азота.

1.2.3 Влияние облучения другими ионами.

1.3. Применение ионной имплантации в технологии 20 изготовления полупроводниковых приборов.

1.3.1 Применение ИИ для формирования активных областей.

1.3.2 Применение ИИ для модификации и управления 23 свойствами ранее сформированных структур.

1.3.3 Применение ИИ для формирования изолирующих слоев.

1.4. Выводы главы 1.

Глава 2. Методики исследований, разработка измерительных 29 методик и результаты исследований диффузионных планарных pin-структур.

2.1 Объект исследования

2.2 Маршрут изготовления pin-фотодиодов.

2.3 Методики исследований

2.3.1 Методика измерения ВАХ pin-структур.

2.3.2 Измерение сопротивления канала.

2.3.3 Измерение времени жизни неосновных носителей заряда 34 в базе по переходным характеристикам (метод Лэкса).

2.3.4 Разработка экспресс-методики измерения C-V 35 характеристик МДП-структур.

2.3.5 Разработка методики измерения диффузионной длины неосновных носителей заряда в тонких пластинах полупроводниковых кристаллов.

2.4. Результаты исследований диффузионных планарных pin- 50 структур.

2.4.1 Результаты локального и полного стравливания 52 защитной пленки SiC>2.

2.4.2 Результаты изучения C-V-характеристик МДП-структур.

2.4.3 Обсуждение результатов экспериментов.

2.5. Выводы главы 2.

Глава 3. Исследование влияния топологических приемов и 64 имплантационного геттерирования на ВАХ диффузионных pin-структур.

3.1. Результаты формирования внешнего стоп-канала.

3.1.1 Внешний диффузионный стоп-канал.

3.1.2 Внешний имплантационный стоп-канал.

3.1.2.1 Внешний стоп-канал, сформированный низкодозовым 69 подлегированием.

3.1.2.2 Внешний стоп-канал, сформированный низкодозовой 72 двухстадийной имплантацией ионов бора.

3.1.2.3 Внешний стоп-канал, сформированный имплантацией 75 средних доз ионов В+ через пленку Si02.

3.1.2.4 Обсуждение результатов по внешнему стоп-каналу.

3.2. Результаты применения комбинированного стоп-канала.

3.2.1. Диффузионный комбинированный стоп-канал.

3.2.2. Комбинированный имплантационный стоп-канал.

3.2.2.1 Комбинированный стоп-канал, сформированный 83 низкодозовым легированием.

3.2.2.2 Комбинированный стоп-канал, сформированный 85 имплантацией ионов В+ через пленку S1O2 со средними дозами.

3.2.2.3 Комбинированный стоп-канал, сформированный 87 высокодозовой имплантацией ионов В+ через пленку Si02

3.2.2.4. Обсуждение результатов по комбинированному стоп-каналу.

3.3. Результаты применения имплантации ионов BF2+ для 89 геттерирования pin-структур.

3.4. Выводы главы

Глава 4. Результаты ионных обработок поверхности, 92 направленных на устранение недостатков диффузионной технологии.

4.1. Сравнение результатов имплантации ионов N"1" и N2+.

4.2. Имплантация ионов N2+ после формирования 94 меза-структуры.

4.3. Имплантация ионов N2+ после подлегирования 101 приповерхностной области бором.

4.4. Результаты имплантационного геттерирования защитной 106 пленки Si02 и границы раздела Si-Si02.

4.5. Выводы главы 4. 110 Основные результаты и выводы 113 Список литературы

Актуальность работы обусловлена тем, что pin-фотодиоды относятся к наиболее востребованным приборам фотоэлектроники специального назначения. Главное их применение - в объектах, наводимых по лазерному лучу с длиной волны 1,06 мкм. Разработаны и по диффузионной технологии серийно изготавливаются на ОАО «МЗ «Сапфир» pin-фотодиоды первого поколения, стыкующиеся с предварительными усилителями, и выпускающиеся в составе фотоприемного устройства. При переходе к разработке pin-фотодиодов новых поколений с повышенными требованиями к фотоэлектрическим параметрам на основе имеющейся производственной базы, как правило, наблюдаются "сбои", приводящие к резкому и длительному снижению или вообще утере выхода годных приборов.

Эти "сбои" обусловлены наличием неконтролируемых примесей в химических реактивах и газах, используемых в технологических процессах, неконтролируемых потоков примесных атомов, выделяющихся при термических обработках, а также "сбоями" в режимах проведения термообработок. Зачастую поиск причин снижения выхода годных продолжается длительное время и не всегда удается четко определить его причины. В этих случаях проще бывает найти возможность устранить следствие этих причин.

В этом смысле огромные возможности дает значительно продвинувшийся к настоящему времени метод ионной имплантации. Метод позволяет модифицировать свойства кристаллов и аморфных пленок, изменяя их в диапазоне свойств от полуметалла до диэлектрика, позволяет эффективно и в высшей степени управляемо создавать слои, выполняющие функции стоков дефектов и быстродиффундирующих атомов. К тому же метод, как правило, сопровождается низкотемпературными термообработками, щадящими объемные свойства кристалла. В то же время ионная имплантация проигрывает в конкуренции с диффузионной технологией по качеству металлургической границы р-п-переходов и диэлектрическим свойствам защитных диэлектрических пленок, использующихся одновременно и как маска при локальных процессах диффузии.

Отсюда следует, что и с точки зрения достижения наилучших характеристик создаваемых приборов и экономической эффективности перспективно сочетание диффузионных и имплантационных процессов в технологии полупроводниковых приборов, в том числе pin-фотодиодов.

Цель работы заключается в том, чтобы в процессе разработки pin-фотодиода нового поколения на основе имеющейся технологической базы ОАО «МЗ «Сапфир» провести комплексные исследования характеристик изготавливаемых приборных структур, выявить наиболее характерные недостатки имеющейся технологии и определить возможности устранить последствия этих недостатков за счет разработанных имплантационных процессов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В планарных диффузионных pin-структурах на Si обнаружен размерный эффект продольной поверхностной миграции положительных ионов из защитной пленки Si02, показывающий необходимость полного удаления защитной пленки, содержащей эти ионы.

2. Показана более высокая эффективность ионов N2+ по сравнению с ионами N+ при поверхностных обработках планарных диффузионных п+-р переходов. Результат объясняется более эффективным дефектообразованием в Si при имплантации ионов N2+.

3. Показано, что дефектные поверхностные слои, сформированные ионной имплантацией, обладают способностью устранять поверхностные инверсионные слои, сформированные положительным зарядом, встроенным в защитную пленку Si02 на поверхности p-Si.

4. Обнаружен эффект повышения защитных свойств планарных п+-р переходов дефектными поверхностными слоями, созданными имплантацией ионов N2+, при предварительном подлегировании поверхности с применением имплантации ионов бора.

Эффект объясняется повышением дефектности слоев, формируемых ионной имплантацией, при большей степени легирования за счет повышения эффективности связывания имплантационных дефектов при наличии примесных атомов.

5. Обнаружена возможность низкотемпературного (500С) геттерирования подвижных ионов в защитной термической пленке Si02 дефектами, введенными в пленку имплантацией ионов N2+ Показано положительное влияние такого геттерирования на ВАХ планарных диффузионных п+-р переходов pin-структур.

6. Показана возможность повышения эффективности геттерирования базовой области планарных диффузионных pin-структур при применении имплантации ионов BF2+ после диффузионного подлегировании. При этом время жизни неосновных носителей заряда в базе возрастет в 1,5-2 раза.

Практическая значимость:

1. Разработана и внедрена в производство экспресс-методика измерения и расчета C-V характеристик тестовых МДП- структур для технологического контроля процессов окисления при изготовлении диффузионных pin-структур.

2. Разработана методика измерения диффузионной длины неосновных носителей заряда и скорости поверхностной рекомбинации в тонких полупроводниковых пластинах на основе формирования симметричных р-п переходов на противоположных сторонах пластины и измерения сигналов фотоответа при двух полярностях приложенного к такой структуре напряжения и двух диаметрах пучках воздействующего излучения.

3. Разработан и предложен для практического применения метод поверхностной обработки, приводящей к уменьшению темновых токов диффузионных pin- структур за счет введения дефектов при имплантации периферии всех п+-р переходов после стравливания защитной пленки Si02 ионами N2+ (Е=100кэВ, Ф=6-1016см"2) и предварительного имплантационного

13 2 0 подлегирования (В , Е = ЮОкэ В Ф = 6-10 см" , 800 С в течение 2 часов в атмосфере азота).

4. Предложен и рекомендован для внедрения в серийную технологию метод формирования стоп-канала, заключающийся в имплантации ионов В+ (Е=100 кэВ, Ф=3,61014 см'2) через защитную пленку Si02 толщиной ~ 0,55 мкм.

5. Предложен и рекомендован для внедрения в серийную технологию метод геттерирования подвижных ионов в защитной пленке S1O2 диффузионных pin-структур, включающий обработку пленки имплантацией ионов N2+ (Е=60 кэВ, Ф=М016 см"2) и последующий низкотемпературный отжиг (500°С в 1 час в потоке азота).

6. Предложен и рекомендован к внедрению в серийную технологию метод дополнительного геттерирования диффузионных pin-структур, позволяющий в 1,5-2 раза увеличить время жизни неосновных носителей заряда в базе. Метод заключается в имплантации ионов BF2+ (Е=100 кэВ,

1 S "У

Ф=310 см" ) в обратную сторону пластины с последующим отжигом при температуре 900°С в течение 1 часа после формирования омического контакта загонкой бора.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований влияния поверхностной обработки, приводящей к уменьшению темновых токов диффузионных pin- структур за счет введения дефектов при имплантации периферии всех п'-р переходов после стравливания защитной пленки Si02 ионами N+ и N2+ (Е=100кэВ, Ф=(1-г6)-1016 см"2) и предварительного имплантационного подлегирования

13 2°

В , Е=100 кэВ Ф=6-10 см' , 800 С в течение 2 часов в атмосфере азота).

2. Результаты формирования стоп-канала имплантацией ионов В+ (Е=100 кэВ, Ф=3,61014 см"2) через защитную пленку Si02 толщиной ~ 0,55 мкм.

3. Результаты генерирования подвижных ионов в защитной пленке

Si02 диффузионных pin-структур за счет обработки пленки имплантацией

16 2 ионов N2 (Е=60 кэВ, Ф=Ы0 см" ) и последующего низкотемпературного отжига (500°С, 1 час в потоке азота).

4. Результаты дополнительного геттерирования диффузионных pin-структур, позволяющего в 1,5-2 раза увеличить время жизни неосновных носителей заряда в базе. Метод заключается в имплантации ионов BF2+

I ^ 2

Е=100 кэВ, Ф=310 см" ) в обратную сторону пластины после формирования на ней омического контакта загонкой бора с последующим отжигом при температуре 900°С в течение 1 часа. Апробация работы:

Основные результаты диссертации отражены в 5 публикациях (см. страницу 115) и докладывались на XVII Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборами ночного видения (Москва, 2000 г.), Международном научно-методическом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» 3-6 декабря 2002г.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 127 страниц машинописного текста, включая 40 рисунков и 20 таблиц. Список литературы состоит из 134 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Проведены комплексные исследования приборных и тестовых структур 8-площадочных квадрантных планарных pin-фотодиодов с охранным кольцом, изготавливавшихся в условиях серийного производства ОАО «Московский завод «САПФИР». Показано, что р-n переходы изготавливаемых приборных структур на основе высокоомного p-Si имеют более совершенную металлургическую границу и более высокую степень геттерирования объема кристалла по сравнению с прибором-прототипом. В то же время для изготовленных pin-фотодиодов характерны избыточные темновые токи, делающие фотодиоды несоответствующими требованиям по этому параметру. Избыточные темновые токи обусловлены утечкой по поверхностному каналу, наводимому в Si быстродиффундирующими ионами в защитной пленке Si02.

2. Изучены возможности снижения темновых токов топологическими приемами: созданием стоп-каналов двух типов методами диффузии и ионной имплантации - внешнего (за пределами охранного кольца) и - внешнего в сочетании с промежуточным (между площадками). Показана результативность применения внешнего стоп-канала. Второй тип стоп-канала требует тщательного подбора режимов и условий ионной имплантации.

3.Определены возможности устранения поверхностных токов утечки с применением ионных обработок двумя способами:

- имплантационным низкодозовым подлегированием периферии р-п т 2 переходов атомами бора (В , Е=100 кэВ, Ф=610 см" ) и отжигом (Т|=600°С, t|=30 мин и Т2=900°С, t2=60 мин) с последующей высокодозовой имплантацией ионов N2+ (Е=100 кэВ, Ф= 6-1016 см"2); геттерированием подвижных ионов из защитной пленки Si02

Ъ 15 2 имплантацией ионов N2 (Е=100 кэВ, Ф= 6-10 см" ) в периферийные области защищенного р-n перехода с последующим отжигом (Т=500°С, t=2-H- ч, в атмосфере азота).

Оба способа позволяют довести значение темновых токов до требуемого уровня. Второй способ рекомендован для внедрения в серийную технологию.

4.Разработан способ дополнительного геттерирования кристалла (после завершения формирования приборной структуры имплантацией обратной стороны пластины ионами BF2+ (Е=100 кэВ, Ф= 31015 см"2) с последующим отжигом при температуре 900°С в течение 1 часа в атмосфере азота). Способ позволяет увеличить значение т в базе готовой структуры на 20-^50%. Способ рекомендован для внедрения в серийную технологию.

5. Разработана экспресс-методика определения концентрации основных носителей заряда в поверхностной области Si и встроенного заряда в диэлектрике МДП-структуры без формирования омического контакта к полупроводнику и напыления контактных слоев на диэлектрик и полупроводник. Метод основан на измерении C-V характеристики МДП-структуры с прижимными индиевыми контактами и ее корректировки на основе результатов измерения добротности структуры. Способ внедрен в серийную технологию pin-ФД.

6. Предложен способ измерения времени жизни неосновных носителей заряда и скорости поверхностной рекомбинации в тонких (d<L) пластинах полупроводника. Способ заключается в создании планарных симметричных р+-п (п+-р) переходов на обеих сторонах пластины и измерении токов, возбуждаемых световым или электронным пучком двух диаметров при обеих полярностях напряжения, прикладываемого к пластине. Расчетные формулы выведены на основе теории фототранзистора с «оторванной» базой.

Перечень работ, опубликованных по теме диссертации

1. В.П. Астахов, И.А. Болесов, Д.А. Гиндин, В.В.Карпов, К.В.Сорокин О влиянии поверхностных и контактных явлений на характеристики фотодиодов на п-кремнии // Прикладная физика, №1, 2002г., с.48-55.

2. В.П. Астахов, И.А. Болесов, Е.Ф. Карпенко, В.В. Карпов, П.И. Лапин, Н.В. Филиппенко О возможностях применения ионных обработок при производстве pin-фотодиодов на кремнии. / Тезисы докладов XVII Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения 27-31 мая 2002 г, Москва, Россия.

3. В.П. Астахов, И.А. Болесов, В.В. Карпов, Н.В. Филиппенко. // Результаты поверхностной обработки периферии планарных р-п-переходов ртфотодиодов на кремнии / Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Доклады Международного научно-методического семинара 3-6 декабря 2002г. - М., 2003. с.88-96.

4. И.А. Болесов, В.П. Астахов, В.В. Карпов. Измерение диффузионной длины неосновных носителей заряда в тонких пластинах полупроводниковых кристаллов. // Приборы и техника эксперимента, № 2, 2003г., с.93-95.

5. В.П. Астахов, И.А. Болесов, Е.Ф. Карпенко, В.В. Карпов, П.И. Лапин, Н.В. Филиппенко. Результаты ионных обработок поверхности при изготовлении pin-фотодиодов на кремнии. // Прикладная физика, №5, 2003г., с. 106-111.

1. Зи С., "Физика полупроводниковых приборов", Москва, Энергия, 1984, с.580.

2. Wendland P., Optical Spectra, v. 7, N 10, 1973, р.33-36.

3. Климанов Е.А., Кулыманов А.В., Лисейкин В.П., Юнгерман В.М., "О вольтамперной характеристике кремниевого p-i-n-фотодиода большой площади, работающего в режиме полного истощения", Радиотехника и Электроника, 1976, N9, с. 1967-1974.

4. Шокли В., Нойс Р., Саа К.,"Проблемы кремниевых р-п-переходов", Успехи Физических Наук, 1962, т.77, Вып.З, с.327-341.

5. Schmalzwasser Н., Richter A., Wissenschaftliche Zeitschrift der Friedrich Schiller Universitaet Jena, v. 35, N 4, 1986, p.505-508.

6. Вавилов B.C., "Радиационные методы в твердотельной электронике", Москва, Радио и связь, 1990, с. 184.

7. Евсеев Ю.А., Челноков В.Е., "Физические основы работы силовых полупроводниковых приборов.", Москва, Энергия, 1973, с.240.

8. Шалимова К.В., "Физика полупроводников", Москва, Энергоатомиздат, 1985, с.280.

9. Литвинов P.O., "Влияние поверхности на характеристики полупроводниковых приборов.", Киев, Наукова думка, 1972, с.310.

10. Ю.Пикус Г.Е., "Физика поверхности полупроводников", Москва, Наука, 1989, с.240.

11. П.Вул Б.М., "Физика диэлектриков и полупроводников", Москва, Наука, 1988, с.370.

12. Narayan J., Holland O.W., Journal of the Electrochemical Society, v. 131, N 11, 1984, p.2651-2663.

13. И.Агаларзаде П.С., Основы конструирования и технологии обработки поверхности р-п-перехода, под редакцией Челнокова В.Е., Москва, Изд. Сов. Радио, 1978.

14. M.Adler M.S., Power Electronics Specialists Conference, 1975, Calverliti, p.300-304.

15. Wendland P., Silicon Photodiodes, Electro-Optical systems design, N8,1970.

16. Mindok R.M., Horak J.B., Труды конференции "Электрооптические системы", США, май, 1971.

17. Juhson J.С., An investigation of inwersion layer induced leakade current in abrupt p-n junctions, Solid-State Electronics, v. 13, 1970, 1167-1174.

18. Кофтонюк Н.Ф., Электронные элементы на основе структур полупроводник-диэлектрик, Москва, Изд. Энергия, 1976.

19. Tandon J.C, Roulston D.J., Chamberlain S.J, Solid-State Electronics, 1972, 15, 669.

20. Ригман M., Физические основы полевых транзисторов с изолированным затвором, Москва, Изд. Сов. радио, 1971.

21. Белова Г.А., Федорович Ю.В., Инверсионные слои на поверхности сплавных и планарных кремниевых переходов, Электронное приборостроение, 1968, вып.4, с.32-44.

22. Вылеталина О.В., Дзюбанова В.В., Дракин И.А., "Использование ионной имплантации для модификации свойств кремния и создания интегральных схем", Электронная промышленность, N 1, 1994, с.60-64.

23. Бобилева И.Г., Виноградов Р.Н. и др., "Особенности легирования кремния ионами В+ и BF2+", Электронная техника, 1981, серия 2, вып. 145.

24. Geipel Н., Tice W., "Critical microstructure for ion-implantation gettering effects in silicon", Appl. Phys. Lett., 1977, v.30, №9, p. 325-327.

25. Seidel Т.Е., Meek R.L., Cullis A.G., "Direct comparison of ion and diffusion gettering of Au in silicon", J. Appl. Phys., 1975, v.46, №2, p. 600609.

26. Meek R.L., Seidel Т.Е., Cullis A.G., "Diffusion gettering of Au and Cu in silicon", J. Electrochemical Society, 1975, v. 122, №6, p. 786-796.

27. M.V. Whelan «Graphical relations between surface parameter of silicon, to be used in connection with MOS-capacitance measurements», Philips Res. Repts 20, 620-632, 1965.

28. Reeson K.J.,Nucl. Instr. a. Meth., v.B 19/20, 1987, p.269.

29. Качурин ГЛ., Попов В.П., Плотников A.E., "Имплантация азота в кремний.", Физика и техника полупроводников, т.23, вып.З, 1989, с.434-438.

30. Spinelli P. е.а., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research", 1985,Vol.B10/l l,Nl,p.501-505

31. Астахов В.П., "О механизме образования химического соединения ионным внедрением.", Электронная техника, Серия «Материалы», вып.5, 1975, с.66-73.

32. Rimini R., Garnero A., Nucl. Instr. a. Meth., v.B55, 1991, p.561.

33. Барабаненков М.Ю., Леонов А.В., Мордкович B.H., "Влияние природы бомбардирубщих ионов на образование радиационных дефектов в кремнии.", Физика и техника полупроводников, т.32, вып.5, 1998, с.523-526.

34. Svensson B.G., Phys. Rev., v.B52, 1995, p.2522

35. Аброян И.А., Никулина Л.М., "Накопление дефектов в кремнии при последовательном облучении ионами аргона и азота.", Физика и техника полупроводников, т.ЗО, вып. 10, 1996, с. 1893-1897.

36. Glaser Е., Physica Status Solidi, v. A62, N 2, 1982, p.603-614.

37. Mogro-CoMpero A., Defects of Silicon Symposium, San Francisco,1983,p.595-603

38. Holldack K., Kerkow H., Ferntrap W., Phys. St. Sol., v.A94, 1986, p.357.

39. Жуковский П.В., "Влияние условий ионной имплантации на дефектообразование в кремнии.", Физика и техника полупроводников, т.26, вып. 1, 1992, с.150-158.

40. Мейер Дж., Эриксон Л., "Ионное легирование полупроводников", Москва, "Мир", 1973, с.260.

41. Eaglesham D., Phys. World, v.41, N 4, 1995.

42. Narayan J., Defects in Semiconductors, v. 2, 1980, p. 191-207.

43. Булгаков Ю.В., Игнатова E.A., "Особенности термической перестройки радиационных дефектов в кремнии, облученном протонами, дейтронами и альфа-частицами.", Физика и техника полупроводников, т. 14, вып.10, 1980, с.2065-2066

44. Антонова И.В., Качурин Г.А., Шаймеев С.С., Тысченко И.Е., "Формирование электрически активных центров за областью торможения ионов при высокотемпературной имплантации в Si.", Физика и техника полупроводников, т.ЗО, вып. 11, 1996, с.2017-2024

45. Pichler P., Schork R., Klauser Т., Ryssel Н., Appl. Phys. Lett., v.60, 1992, p.953.

46. Schulz M., Metall-Semiconductor Contacts Conference, 1974, London, p.226-233.

47. Kurjata-Pfitzner E., Surfase Technology, v. 10, N 4, 1980, p.259-275

48. Струков Ф.В., Астахов В.П., Борискина JI.В., "Геттерирующая активность дефектов имплантационного происхождения в кремнии.", Поверхность. Физика, Химия, Механика, N6, 1989, с.92-99.

49. Астахов В.П., Дроздов Ю.Н., Карашев Т.Б., Рубцов В.А., Стоянова И.Г., "Свойства pin-диодов, изготовленных внедрением ионов с изменяющейся энергией", Электронная техника, Сер.7,1980,Вып.3(150);

50. Bourguet P., Dupart М., Revue de physique appliquel, 1980,N15,p.647-652;

51. Chiu T.Y., Oldham W.G., International Conference of Ion Implantation: Equipment and Technology, Berlin, 1983,p.465-472

52. Заявка Японии (JP) N 60-94768.

53. Schmidt I.B., Nucl. Instr. a. Meth., v.A377, 1996, p.514.

54. Европейский патент (ЕР) N 0196122.59.Патент ГДР (DD) N 232138.

55. Неустроев В.П., Антонова И.В., Попов В.П., "Формирование донорных центров при различных давлениях в кремнии, облученном ионами кислорода.", Физика и техника полупроводников, т.ЗЗ, вып. 10, 1999, с.1153-115761 .Заявка Японии (JP) N 61 -198681.

56. Патент США (US) N 3933527.

57. Александров О.В., Шевченко Б.Н., Каменец А.В., "Влияние радиационных дефектов на обратные токи кремниевых р-п-переходов.", Физика и техника полупроводников, т.26, вып.5, 1992, с.868-871

58. Вербицкая Е.М., Еремин В.К., Иванов A.M., Строкан Н.Б., Ли 3., Шмидт Б., "Радиационное воздействие дейтронов на приемники излучения из высокоомного кремния.", Физика и техника полупроводников, т.27, вып.7, 1993, с.1113-1120

59. Патент Франции (FR) N 2357065.

60. Заявка Японии (JP) N 60-79718.67.Патент ГДР (DD) N 277552

61. Патент Великобритании (GB) N 2183092

62. Крылов Д.Г., Ладынин Е.А., Галеев А.П., "Модель радиационного накопления в системе Si-Si02.", Физика и техника полупроводников, т.26, вып.7, 1992, с.1347-1351.

63. Макхамов Ш., Турсунов Н.А., Ашуров А., "Об особенностях образования радиационных дефектов в кремниевых структурах.", Журнал технической физики, т.69, вып. 1, 1999, с. 121-123

64. Астахов В.П., Рубцов В.А., Аранович P.M., Павлов П.В., "Эффекты изменения энергии ионов, воздействующих на мишень при имплантации", Физика и техника полупроводников, т. 15, № 6, 1981, с. 1140-1144

65. Гавриков Г.А., Думиш JT.K., Шевченко Б.Н., "Протонное облучение в управлении параметрами полупроводниковых приборов.", Электронная техника, Серия 7, Вып. 1(104), 1981, с.8-12

66. Европейский патент (ЕР) N 688055.

67. Международный патент (WO)N 94/05036.

68. Патент ФРГ (DE) N 2638956.

69. Патент ФРГ (DE) N 3208087.

70. Патент США (US) N 4584028.78.Патент ГДР (DD) N 249997

71. Патент США (US) N 4902647.

72. Патент США (US) N 5198371.

73. Патент США (US) N 5518935.

74. А.с. N705921, Астахов В.П., Аранович P.M., Бромберг Б.В., Дудник В.Я., "Способ создания планарного мелкозалегающего р-п-перехода"83.Патент ГДР (DD) N 257714.84.Патент ГДР (DD) N 259060.85.Патент ГДР (DD) N 264087.

75. Патент США (US) N 5173438.

76. Патент США (US) N 5538916.

77. Заявка Японии (JP) N 61-198746.

78. Заявка Японии (JP) N 63-17227.

79. Патент Германии (DE) N 19618861. 91 .Патент США (US) N 3976511.

80. Патент США (US) N 5358877.

81. Патент США (US) N 5418375.94.Патент ГДР (DD) N 249997.95.Патент ФРГ (DE) N 3743734

82. Патент США (US) N 4131793.

83. Патент США (US) N 5436175.

84. Патент США (US) N 5589407.99.Патент ГДР (DD) N 267135.

85. Патент США (US) N 5395771.

86. Патент Великобритании (GB) N 1478003.

87. Патент Великобритании (GB) N 2211991.

88. Заявка Японии (JP) N 52-3277.104. Патент ГДР (DD) N 255029.105. Патент ГДР (DD) N 270798.

89. Патент США (US) N 4706377.

90. Патент США (US) N 5143858.

91. Европейский патент (ЕР) N 0437702

92. Европейский патент (ЕР) N 671760.

93. Патент США (US) N 5508211.

94. Патент США (US) N 5783841.

95. Абдуллин Х.А., Мукашев Б.Н., "Исследование вакансионных дефектов в монокристаллическом кремнии, облученном при 77 К.", Физика и техника полупроводников, т.29, вып.2, 1995, с.335-345.

96. Аброян И.А., Беляков B.C., Никулина Л.М., Титов А.И., "Влияние распределения бора на профили дефектов при облучении кремния легкими ионами.", Физика и техника полупроводников, т.15, вып.4, 1981, с.740-745.

97. Смирнов Л.С., "Вопросы радиационной технологии полупроводников", Новосибирск, Наука, 1980, с.294.

98. Мукашев Б.Н., Абдуллин Х.А., "Пассивация примеси и радиационных дефектов водородом в кремнии р-типа.", Физика и техника полупроводников, т.22, вып.6, 1988, с. 1020-1024.

99. Морозов Н.П., Тетельбаум Д.И., "Глубокое проникновение радиационных дефектов из ионно-имплантированного слоя в объем полупроводника.", Физика и техника полупроводников, т. 17, вып.5, 1983, с.838-842.

100. Булгаков Ю.В., Яценко Л.А., "Исследование профиля радиационно-нарушенных слоев в кремнии методом растекания тока зонда.", Микроэлектроника, т.9, N 4, 1980, с.68-74.

101. Лугаков П.Ф., Лукъяница В.В., Муша В.В., "Особенности накопления радиационных дефектов в высокоомном р-кремнии.", Физика и техника полупроводников, т.20, вып. 10, 1986, с. 1894-1896.

102. Козловский В.В., Ломасов В.Н., "Протонно-стимулированная диффузия имплантированных в кремний бора и фосфора.", Физика и техника полупроводников, т.21, вып.2, 1987, с.360-362.

103. Бобрикова О.В., Обрехт М.С., Стась В.Ф., "Зарядовые состояния первичных радиационных дефектов и процессы дефектообразования в ОПЗ кремниевых диодных структур.", Физика и техника полупроводников, т.25, вып.5, 1991, с.829-837.

104. Наумова О.В., Смирнов JI.C., Стась В.Ф., "Природа центров Ес-0.37 эВ и образование высокоомных слоев в кремнии п-типа проводимости.", Физика и техника полупроводников, т.31, вып.8, 1997, с.993-996.

105. Колесников Н.В., Мальханов С.Е., "Спектр и пространственное распределение радиационных дефектов в облученном протонами кремнии.", Физика и техника полупроводников, т.22, вып.З, 1988, с.534-536.

106. Кучинский П.В., Ломако В.М., Шалевич A.M., "Особенности возникновения и свойства дефектов в n-Si после облучения и последующего термического отжига.", Физика и техника полупроводников, т.28, вып. 11,1994, с. 1928-1936.

107. Колковский И.И., Лукъяница В.В., "Особенности накопления радиационных дефектов вакансионного и межузельного типов в бездислокационном кремнии с различным содержанием кислорода.", Физика и техника полупроводников, т.31, вып.4, 1997, с.405-409.

108. Кучинский П.В., Ломако В.М., Нетрунин А.П., "Инжекционная, электорополевая и термическая перестройка радиационных дефектов в р-кремнии.", Физика и техника полупроводников, т.23, вып.9, 1989, с.1625-1628.

109. С.М. Рыбкин «Фотоэлектрические явления в полупроводниках», Физматгиз, М., 1963

110. А. Амброзяк «Конструкция и технология полупроводниковых фотоэлектрических приборов», М., 1970

111. И.П. Степаненко «Основы теории транзисторов и транзисторных схем», «Энергия», М., 1977

112. Я.А. Федотов «Основы физики полупроводниковых приборов», «Советское радио», М., 1963

113. P.M. Аранович, В.П. Астахов, Б.В. Бромберг, В.И. Бендер, В .Я. Дудник, И.П. Таратута «Ионно-легированые р-n структуры на кремниикак усилители электронных потоков». «Электронная техника» серия 4, вып. 4, 1978.

114. М.И. Иглицын, Ю.А. Концевой, А.И. Сидоров «ЖТФ», т. 27, вып. 11, 2461, 1957.

115. В.П.Астахов, Д.А.Гиндин, В.В.Карпов, К.В.Сорокин, "О влиянии сопротивления поверхностного канала на темновой ток квадрантных pin-фотодиодов на кремнии", Прикладная физика, 1999, №1-2, с. 79-86.