автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Усовершенствование и унификация базовой имплантационной технологии фотодиодов из антимонида индия

На правах рукописи

005020369 Мо*4^

Максимов Александр Дмитриевич

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И УНИФИКАЦИЯ БАЗОВОЙ ИМПЛАНТАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ФОТОДИОДОВ ИЗ АНТИМОНИДА ИНДИЯ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

5 дпр гш

Москва 2012

005020369

Работа выполнена на кафедре «Материалы микро-, опто- и наноэлектроники» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова» (МИТХТ) и в ОАО «Московский завод «САПФИР»

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

Карпов Владимир Владимирович

доктор физико-математических наук, профессор

Мордкович Виктор Наумович (Институт проблем микроэлектроники и особочистых материалов РАН, г. Черноголовка)

доктор химических наук, профессор Маренкин Сергей Федорович (Институт общей и неорганической химии им. Н.С.Курнакова РАН, г. Москва)

Московский энергетический институт (ТУ), кафедра «Полупроводниковая электроника» 14

Защита состоится 17 апреля 2012 г. в ШОО на заседании диссертационного совета Д 212.120.06, созданного на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова» по адресу: 119571, Москва, проспект Вернадского, 86, ауд. М - 119.

Ваши отзывы на автореферат просим присылать по адресу: 119571, Москва, пр. Вернадского, 86, МИТХТ им. М.В. Ломоносова

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119571, Москва, пр. Вернадского, д. 86, МИТХТ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат диссертации разослан «16» марта 2012 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д 212.120.06 Кузьмичева Г.М.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время для детектирования инфракрасного излучения в спектральном диапазоне длин волн (1^-5,5) мкм используются фотодиоды (ФД) из антимонида индия. Такие ФД широко применяются в медицинских тепловизорах, спектрофотометрах, спектрометрах Фурье, анализаторах газов и в приборах специального назначения. Технология производства ФД из 1п8Ь прошла длинный эволюционный путь к современной базовой имплантационной, минуя сплавные и эпитаксиальные методы формирования ^-«-переходов, а затем и диффузионные. Технология изготовления ФД с применением ионной имплантации обладает рядом таких неоспоримых преимуществ как возможности создания мелкозалегающих р-и-переходов, контроля профиля концентрации примеси, воспроизведения практически любой конфигурации и размерности фоточувствительного элемента.

Современная базовая имплантационная технология разработана совместно ГНЦ РФ ФГУП «НПО «Орион» и ОАО «Московский Завод «Сапфир», где она и применяется для производства ФД из 1пБЬ начиная с 1988 года. Концептуальными особенностями этой технологии являются:

- Применение локальной имплантации ионов Ве+ для создания малоразмерного планарного //-«-перехода.

- Отжиг осуществляется в стационарном режиме, проводимом в диффузионной печи при Т=375°С в течение 30 минут под капсулирующей пленкой БЮг-

- Защита поверхности осуществляется двухслойным диэлектриком -выращенной собственной анодной окисной плёнкой (АОП) и напыляемым затем слоем БЮ*.

- Металлизация осуществляется нанесением слоя Сг+Аи.

- Важным элементом базовой топологии является охранное кольцо (ОК), представляющее собой дополнительный короткозамкнутый р'-п-переход, окаймляющий площадку, линейку или матрицу площадок.

Опыт многолетнего производства фотодиодов из 1пБЬ по базовой планарной имплантационной технологии, а также научно-исследовательские работы, проводимые в центральном конструкторском бюро ОАО «Московский Завод «Сапфир», позволили определить ряд технических проблем, в рамках которых целесообразно усовершенствование серийной технологии.

Во-первых, процесс постимплантационного отжига, осуществляемый в стационарном режиме, требует наличия капсулирующей пленки БЮ2, наносимой низкотемпературным окислением токсичного моносилана. Сам отжиг осуществляется в атмосфере взрывоопасного водорода. Поэтому актуальной задачей является разработка альтернативных, более технологичных процессов отжига, не требующих применения токсичных и взрывоопасных газов.

Во-вторых, нерешённой до настоящего времени задачей является отслоение защитной плёнки БЮ* от АОП. По этой причине в осенне-зимний период

бракуется до 20% фотодиодных кристаллов, а в жаркие летние месяцы производство полностью останавливается. Поэтому чрезвычайно актуален поиск путей устранения или ослабления этого явления.

В-третьих, к моменту начала работы над диссертацией, по радиационно-сплавной технологии изготавливался растровый двух площадочный ФД в составе ФПУ БС-19. Задача перевода этого прибора на базовую имплантационную технологию важна для унификации технологии всей производимой продукции, что позволит снизить себестоимость, упростить технологии, повысить выход годных, экономить материалы и электроэнергию, а также улучшить фотоэлектрические параметры приборов.

Актуальной задачей является создание матричного фотоприемного устройства (ФПУ) на основе 1п5Ь. Так как в технологии матричных ФПУ засветка осуществляется с обратной р-л-переходу стороны (со стороны базы), то к толщине базовой области матричного кристалла предъявляется требование меньше диффузионной длины носителей заряда, составляющей менее 15мкм. Получить подобную пластину из объемного монокристалла затруднительно технически и достаточно трудозатратно. Поэтому в рамках планарной имплантационной технологии перспективным направлением для изготовления матричных кристаллов является замена исходных пластин ЛпБЬ на эпитаксиальные пленки с оптически прозрачными подложками.

Цель данной работы - усовершенствование и унификация базовой имплантационной технологии фотодиодов из антимонида индия.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

1. Исследование особенностей превращения дефектной структуры имплантированных слоев и разработка режимов имплантационного легирования с применением постимплантационного импульсного фотонного отжига излучением галогенных ламп.

2. Изучение особенностей отслоений покрытий на кристаллах приборных структур, разработка модели и предложений по повышению адгезионной прочности пленок на ионно-легированных приборных структурах.

3. Показать возможности и преимущества унификации базовой имплантационной технологии для ФД, производимых по технологии-предшественнице.

4. Определение возможности применения эпитаксиальных пленок, выращенных продольной кристаллизацией на сапфире, для изготовления фотодиодов.

Научная новизна работы

1. Установлено, что наиболее эффективный отжиг дефектов структуры имплантированного ионами Ве+ слоя 1пБЬ с применением излучения галогенных ламп происходит при двухстадийном режиме. Разработаны модельные представления этого явления.

2. Обнаружено положительное влияние предварительной имплантации кристалла и последующего отжига, произведенных до формирования анодной окисной пленки, на прочность адгезии пленки БЮХ к анодной окисной пленке. Описаны модельные представления этого явления.

3. Определены при исследованиях металлургической границы ионнолегированных р+--;-мереходов методом наведенного тока значения диффузионной длины дырок в базовой области и за планарной границей р*-п-перехода в зависимости от степени легирования исходных кристаллов.

Практическая значимость

1. Разработана методика экспресс-оценки эффективности отжига радиационных дефектов, заключающаяся в измерении напряжения термо-э.д.с. на легированном слое и расчете по этому напряжению значения концентрации основных носителей заряда.

2. Определены режимы импульсного фотонного отжига, позволяющие получить наилучшие структурные свойства слоев 1пБЬ р-типа проводимости, имплантированных ионами Ве+.

3. Предложены рекомендации по топологии имплантированной ионами Ве области для повышения адгезионной прочности пленки БЮХ в приборных структурах.

4. Установлены пределы возможного практического применения эпитаксиальных пленок, полученных продольной кристаллизацией на сапфире, для создания матричного фотоприемного устройства на 1пБЬ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований и модельные представления особенностей импульсного фотонного отжига дефектов, образованных имплантацией ионов Ве+ в кристаллы 1пБЬ при малых дозах и энергиях. Режимы изготовления слоев р-типа проводимости на 1пБЬ с применением импульсного фотонного отжига, рекомендуемые к внедрению в серийное производство.

2. Результаты исследований прочности адгезии защитной пленки 8ЮХ к анодной окисной пленке и модельные представления о механизме повышения прочности адгезии. Рекомендации в серийную технологию по повышению прочности адгезии защитной пленки БЮХ на кристаллах приборных структур.

3. Предложения по унификации технологии изготовления серийного фотодиода ФПУ БС-19 и результаты сравнительного исследования приборов, изготовленных по предложению и по технологии-предшественнице.

4. Результаты исследования возможности применения эпитаксиальных пленок, полученных продольной кристаллизацией на сапфире, для изготовления планарного малоразмерного фотодиода.

Личный вклад

Разработка процессов экспресс-контроля эффективности отжига радиационных дефектов, введенных в кристаллы ЬгёЬ имплантацией ионов Ве , и режимов отжига излучением галогенных ламп. Сборка экспериментального оборудования методики экспресс-контроля, модернизация установки

импульсного фотонного отжига, проведение экспериментов, измерений, обработка полученных результатов и разработка модели механизмов, происходящих при отжиге радиационных дефектов. Создание модели, описывающей повышение прочности адгезии пассивирующей пленки БЮ* к анодной окисной пленке. Участие в постановке задач исследований, измерениях, обработке и интерпретации полученных результатов на этапах работ по унификации базовой имплантационной технологии для производства ФД по технологии-предшественнице и при определении возможности применения эпитаксиальных пленок, выращенных продольной кристаллизацией на сапфире, для изготовления фотодиодов.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на I Всероссийской конференции «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Нижний Новгород, 2006).

Публикации

По результатам диссертационной работы имеется 4 публикации. Заявка на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 138 страниц машинописного текста, содержит 12 таблиц и 36 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи работы, представлены положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость.

В главе 1 представлен литературный обзор по теме диссертации. Рассмотрены физические основы работы фотодиодов, их основные параметры, особенности фотодиодов из 1пБЬ, проведен анализ технологий производства таких фотодиодов, обоснованы задачи диссертации.

В главе 2 представлены методики экспериментов и измерений, применявшихся при решении поставленных задач.

1. В части исследования особенностей превращения дефектной структуры имплантированных слоев и разработка режимов имплантационного легирования с применением постимплантационного импульсного фотонного отжига излучением галогенных ламп

Работа по исследованию возможности применения импульсного фотонного отжига (ИФО) проводилась в 3 этапа. На первом этапе проводилась разработка экспресс-метода оценки эффективности отжига. Количественным показателем, отражающим качество отжига радиационных дефектов, является концентрация дырок в легированном слое, рассчитанная из постоянной Холла. Однако измерение эффекта Холла требует специальной подготовки образцов, кроме того процесс проведения измерений занимает длительное время. Поэтому для экспресс-оценки эффективности отжига дефектов рассмотрена возможность применения метода измерения величины напряжения термо-э.д.с. (итэдс) на слое. Для отжига применялась автоматизированная установка «Оникс-1», предназначенная для программируемого нагрева и охлаждения образцов излучением галогенных ламп. Диапазон параметров отжига выбран на основе проведенных ранее работ. Условия проведения эксперимента и использованные методики исследований представлены в табл.1.

Таблица 1. Условия проведения эксперимента и использованные методики исследований.__

Операция Параметры Установка

Имплантация ионов Ве+ Энергия Е=40кэВ Доза Ф=1,2*1014 см"2 Везувий-5

Импульсный фотонный отжиг Т=(290-Ы30)°С, время нагрева *нагр=15с, время отжига т^^ЗОс, скорость охлаждения уохл~1 Оград/мин; Атмосфера Аг Оникс-1

Измерение эффекта Холла Н=1264 эрстед Собрана во время выполнения работы

Измерение напряжения термо-э.д.с. ТхОЛ.ЗОНД.-78К ^ГОП ЧОНЛ 73К Собрана во время выполнения работы

Контроль окисления поверхности пластины Эллипсометр ЛЭФ-ЗМ-1

Из измеренных значений напряжения Холла, проводимости

имплантированного слоя и напряжения термо-э.д.с. рассчитывались концентрации и подвижности дырок.

Выражения для расчета концентрации дырок и их подвижности из измерений эффекта Холла:

(щл-и;л)-с1, ' (1)

R, = -

B-ta

где 1/24 - напряжение Холла в магнитном поле, 1)°24 - напряжение Холла в отсутствие магнитного поля, <1 - глубина залегания р-л-перехода, В - величина индукции магнитного поля, 1ц- ток через образец.

п _ , где е - элементарный заряд, р - концентрация дырок. ер

сг = е-р-(1 > где ц — подвижность дырок, а - проводимость слоя. Выражение для расчета концентрации дырок из результатов измерений итмс:

Р~ехР

кЬТ V ' 12

(2)

где - плотность состояний в валентной зоне, 5 - коэффициент, который определяется зависимостью времени релаксации (т) от кинетической энергии носителей заряда (£), АТ - разность температур нагреваемого и ненагреваемого зондов, к- постоянная Болыдаана.

На втором этапе работ по исследованию возможности применения ИФО определялись оптимальные режимы постимплантационного отжига излучением галогенных ламп. Исследовалось влияние числа стадий отжига, температур и длительностей стадий на качество отжига дефектов в имплантированном слое. Количественным параметром являлось измеренное на слое значение итздс. В табл. 2 представлены условия проведения эксперимента и использованные методики исследований.

Таблица 2. Условия проведения эксперимента и использованные методики

Операция Параметры Установка

Имплантация ионов Ве+ Е=30 кэВ Ф=6*10" см"2 Везувий-5

ИФО Т=(20(Н-400)°С, Атмосфера Аг Оникс-1

Измерение напряжения термо-э.д.с. 1*ХОЛ.ЗОНД.~78К Тгоо.тонп-373К Собрана во время выполнения работы

Контроль окисления поверхности пластины Эллипсометр ЛЭФ-ЗМ-1

На третьем этапе методом наведенного тока (НТ) проведены исследования 64-х площадочных линеек планарных фотодиодов с размером фоточувствительной площадки (р+-л-перехода) 150x150 мкм и шагом 180 мкм, созданных на кристаллах InSb п-типа проводимости с ориентацией (100) марок ИСЭ-1, ИСЭ-2в и ИСЭ-3, с применением разработанного режима ИФО и стационарного отжига. Метод НТ позволяет наблюдать и исследовать электрическую активность дефектов, визуализировать периметр р-п-перехода и места локального пробоя р-л-перехода. В коммерческой программе Mocasim по

данным исследований методом НТ рассчитаны диффузионные длины неравновесных носителей заряда. Технологические особенности, операции и режимы изготовления исследованных образцов представлены в табл. 3 и 4.

Таблица 3. Технологические особенности изготовления образцов.

№ образца Марка 1пБЬ Режим имплантации Режим отжига Основа электролита для АО Глубина р+-п перехода, мкм Величина отрицательного заряда на границе ГпБЬ-АОП, см"2

ИСЭ-1 ИСЭ-2 исэ-з двух-стадийный одностадийный стационарный ИФО V) & Персульфат аммония 0,8 0,5 <1-•10м (2*3)-•10й

1 + + + + + +

2 + + + + + +

3 + + + + + +

4 + + + + + +

Таблица 4. Технологические операции и режимы изготовления исследованных образцов. __

Операция Параметры Установка

Одностадийный режим имплантации Е=30 кэВ Ф=6*1013 см"2 Везувий-5

Двухстадийный режим имплантации Е,=100кэВ и Ф,=3-10м см"* Е2=40кэВ и Ф2=1-1014 см"2 Везувий-5

Стационарный отжиг Т=375°С, 0,5часа, Атмосфера Аг+Н2 Капсулирующая плёнка 8Ю2 Диффузионная печь

Импульсный фотонный отжиг (при двухстадийном режиме отжига) Т,=300°С, ткагр1=15с, т^^с, Т2=385°С, т„аф2=Юс, тотж2=20с, у0И1~1 Оград/мин; Атмосфера Аг Оникс-1

Анодное окисление в гальваностатическом режиме для создания АОП толщиной 0,05 мкм Плотность тока-0,05 мА/см2 Время окисления: 20-30мин.

Напыление пленки БЮ* толщиной 0,5 мкм Т=60-90°С Установка вакуумного напыления ВУ-1А

Нанесение токопроводящего слоя Сг с ё=800А и Аи с с}=0,5мкм Т<90°С Установка вакуумного напыления УВП -741-3

ИСЭ-1 (100) ИСЭ-2в(100) ИСЭ-З (100) п=(0,8-2)-1014см"3 п=(0,6-3)-1015см"3 п=(5-8)-1015см'3

Измерение методом НТ Езл.пучИ=(Ю-38)кэВ, 1^,=Ю-1ОАТ^„=90К Растровый электронный микроскоп 1БМ 840

Расчет диффузионных длин В коммерческой программе МосаБт

2. В части изучения особенностей отслоений покрытий на кристаллах приборных структур, разработка модели и предложений по повышению адгезионной прочности пленок на ионно-легированных приборных структурах

Для решения проблемы отслоения защитной плёнки БЮХ от АОП исследовались 64-х площадочные линейки планарных фотодиодов, изготовленные в серийном производстве в течение -3-х лет. С помощью проекционного оптического микроскопа фотодиодные линейки группировались в партии с учетом внешнего вида, характера отслоения и времени изготовления. Характер отслоения фиксировался фотографированием цифровой камерой. Для исследования топологии поверхности использовалась рентгеновская топография (СиКа-излучение рентгеновской трубки, кристалл-монохроматор 1п8Ь, вырезанный в плоскости (211), отражение (800), брегговский угол 12°). Эти работы выполнены в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского.

3. В части исследования возможности и преимуществ унификации базовой имплантациониой технологии для ФД, производимых по технологии-предшественнице

Для определения возможности и преимуществ унификации базовой имплантациониой технологии для ФД, производимых по технологии-предшественницы, исследовались ФД ФПУ БС-19, изготовленные по двум технологиям - радиационно-сплавной и базовой имплантациониой. Измерялись фотоэлектические параметры ФД, исследовались их вольт-амперные и спектральные характеристики, а также спектры плотности мощности шума.

В табл. 5 представлены основные технологические операции процесса изготовления ФД по радиационно-сплавной технологии, а на рис. 1 - поперечное сечение исследуемых структур.

Таблица 5. Основные технологические операции процесса изготовления ФД по радиационно-сплавной технологии.________

Двухплощадочный растровый ФД: центральная круговая фоточувствительная площадка (ФЧП) (00.5 мм) и окружающая ее кольцевая ФЧП (внутренний 00.9 мм и внешний 01.5 мм).

Исходные материалы подложка р-1п5Ь марки ИСД-4 с р~10исм_-) сплавной материал гЯпБЬ марки ИСЭТ-П-2 с п~5х1018см""3

Сплавление Радиационный нагрев в атмосфере Н2 высокотемпературным ленточным нагревателем до Т=(380+430)°С

Выделение ФЧП Формирование методом электроэрозии кольцеобразных колодцев для создания кольцевой и круговой площадок.

Защита р-п-переходов Анодное окисление в вольтстатическом режиме в электролите на основе КОН

а) 6)

Рис. 1. Поперечное сечение исследуемых структур:

а) радиационно-сплавной ФД:

1 - подложка п+-типа;

2 - круговая площадка р-типа;

3 - кольцевая площадка р-типа;

4 - контакты к площадкам и базе;

5 - сапфир с растром;

6 - клей.

б) планарный ФД, изготовленный по базовой имплантационной технологии:

1 - подложка п-типа;

2 - круговая площадка р+-типа (планарный р+-п переход);

3 - кольцевая площадка р+-типа (планарный р+-п переход);

4 - дополнительный короткозамкнутый р+-п переход;

5 - пленка собственного анодного окисла;

6 - пленка БЮ*;

7 - закоротка дополнительного р+-п перехода (контакт к базе);

8 - контакты к площадкам;

9 - растр на поверхности ФЧП;

10 - сапфировое окно капсулы;

11 - фильтр из 1пАб;

12 - воздушный зазор.

Методики измерений и исследований:

1. Измерения электрических и фотоэлектрических параметров ФП и их спектральных характеристик проводились в ОАО «Московский Завод «Сапфир» в соответствии с ГОСТ 17772-88.

2. Измерения ВАХ, напряжения (тока) сигнала и шума, спектральных плотностей мощности шума (СПМШ) проводились на кафедре «Полупроводниковая электроника» МЭИ (ТУ).

4. В части определения возможности применения эпитаксиальных пленок, выращенных продольной кристаллизацией на сапфире, для изготовления фотодиодов

Проведены работы по определению возможности создания по базовой имплантационной технологии кристалла матричного фоточувствительного элемента, изготовленного на эпитаксиальной пленке. Исследовались планарные фотодиодные структуры с топологией 64-х элементных фотодиодных линеек серийного фотоприемного устройства (ФПУ) ФУЛ. 132-04. Материалом служили

эпитаксиальные пленки п-типа проводимости с концентрацией электронов (3-4)-1015 см"3 и подвижностью (8-9) 104 см2/с при Т=77К, полученные на сапфире методом продольной кристаллизации. Кристаллизация проводилась в Институте физико-химических проблем керамических материалов РАН.

На р-п-переходах изготовленных линеек измерялись прямые и обратные ветви ВАХ, по которым определялись напряжения отсечки, пробивные напряжения, дифференциальные сопротивления прямой и обратной ветвей, снимались картины наведенного тока и определялись значения диффузионных длин дырок. Изготовленные линейки капсулировались, капсулы крепились в корпус ФД, стыковались с усилителями ФПУ и на них проводились измерения электрических и фотоэлектрических параметров (ФЭП) ФПУ и их спектральных характеристик.

Измерения ВАХ и ФЭП ФПУ проводились в ОАО «Московский Завод «Сапфир» в соответствии с ГОСТ 17772-88. Исследования методом наведенного тока проводились в ИПТМ РАН (г. Черноголовка).

В главе 3 представлены результаты исследований особенностей превращения дефектной структуры имплантированных слоев и разработки режимов имплантационного легирования с применением постимплантационного импульсного фотонного отжига излучением галогенных ламп.

Для применения в исследованиях проведена разработка экспресс-метода оценки эффективности отжига дефектов, введенных при ионной имплантации в ГпБЬ.

На основе применения методик экспериментов измерения, представленных в разделе 2.2. показана возможность применения метода измерения итдс на легированном слое для экспресс-оценки эффективности отжига дефектов.

Это следует из результатов, представленных на рис. 2 зависимостей концентрации дырок в легированном слое, рассчитанных по формулам (1) и (2) из измеренных значений постоянной Холла Ях и итэдс от температуры отжига.

Соответствие характера этих зависимостей и близкие значения р, полученные при одинаковых условиях ИФО, позволяют сделать вывод о возможности применения

метода измерения 11тэдс для экспресс-оценки эффективности отжига дефектов. Для внедрения такого контроля достаточно использовать

1Ю МО ЭД> МО

400 420

Рис. 2. Зависимости концентрации дырок в легированном слое от температуры ИФО, рассчитанные из Ях и итдс.

пластины-спутники, проходящие по технологическому маршруту вместе с пластинами, из которых в результате будут изготовлены ФД. В качестве спутников следует использовать пластины, забракованные на операции обработки поверхности (химико-динамической полировки). Исходя из представленных результатов и соображений простоты и удобства метод измерения итздс выбран в качестве экспресс-метода оценки эффективности отжига дефектов на следующем этапе работы - при исследовании особенностей отжига радиационных дефектов и определении оптимальных режимов постимплантационного отжига излучением галогенных ламп.

Особенности отжига радиационных дефектов и определение оптимальных режимов постимплантационного отжига излучением галогенных ламп

В работе приведены результаты исследований, направленных на определение оптимальных режимов ИФО. Из литературных данных известно, что проявление р-типа проводимости в ионно-имплантированном слое бериллия в 1п8Ь при отжиге заключается не в сдвиге атомов Ве из междоузельных позиций в позиции 1п, а в ликвидации радиационных дефектов донорного типа, обеспечивающих проводимость п-типа в имплантированном слое. Изучение результатов последовательного постадийного отжига серии образцов в диапазоне температур (20(Н390)°С, при котором температура последующей стадии на 20-И0°С превышала температуру предыдущей, показало, что имеется 2 характерных диапазона температур отжига, в которых происходит резкий подъем значений итэдс: АТ1~290-330°С и АТ2=360-390°С. Из этого сделан вывод о наличии двух типов дефектов, обладающих разными энергиями связи. Для этих участков температур рассчитаны значения энергии активации отжига, составляющие Е„1=2.96эВ и Еа2=б.21эВ, соответственно. Поскольку значение Еа1 соответствует энергии активации движения вакансий 1п в кристаллах ¡пБЬ, то это свидетельствует о том, что дефекты, отжигающиеся при более низких температурах ДТЬ представляют собой скопления вакансий 1п или дивакансии 1п, скорость исчезновения которых ограничена скоростью ухода вакансий 1п на стоки в кристалле или на поверхность. Интервал температур ДТг соответствует отжигу, по-видимому, сложных ассоциатов точечных дефектов, в состав которых, как показали термодинамические расчеты, могут входить вакансии в позициях 1п и атомы Ве, 1п и БЬ в междоузельных позициях. Исчезновение этих дефектов при отжиге отраничено скоростью развала ассоциатов.

Исходя из наличия двух типов дефектов исследовалась эффективность ИФО при одно-, двух- и трехстадийном режимах с разными температурами и длительностями стадий. В табл. 6 представлены режимы отжигов, результаты измерения итэйс и расчета значений концентрации дырок.

Таблица 6. Режимы отжигов, результаты измерения итдс и расчета значений концентрации дырок. _

№ образца Стадия 1 Стадия 2 Стадия 3 итадомВ р, см"3

Т °с тотж>С Т °с ^отжз с Т °с ^отж? с

1 390 20 *** *** *** *** 28 7.01*1017

2 285 20 385 20 *** *** 39 1.42*1018

3 285 40 385 20 *** *** 44 1.97*10"

4 285 80 385 20 *** *** 44 1.97*1018

5 285 120 385 20 *** *** 44 1.97*1018

6 285 180 385 20 *** *** 43 1.84*1018

7 285 40 385 40 ф*ф *** 39 1.42*1018

8 300 20 385 20 *** *** 39 1.42+1018

9 300 40 385 20 *** *** 46 2.24*10"

10 300 80 385 20 *** *** 46 2.24*1018

11 300 120 385 20 *** *** 46 2.24Ч018

12 300 180 385 20 *** *** 45 2.10*1018

13 300 180 385 40 *** *** 45 2.10*1018

14 330 20 385 20 *** 37 1.25*1018

15 330 80 385 20 *** *** 46 2.24*10"

16 330 180 385 20 *** *** 45 2.10*1018

17 280 20 340 20 385 15 42 1.73*1018

18 Постадийный отжиг при температурах (250-К390)°С 35 1.00*1018

В результате этих экспериментов установлено, что наиболее эффективный отжиг происходит в двухстадийном режиме со следующими параметрами:

1-ая стадия: температура образца в импульсе Т^ЗОО-ЗЗО'С при длительности импульса Т1=(40-Ч20)с;

2-ая стадия: температура образца в импульсе Т2=385-400°С при длительности импульса г2=(10^20)с.

Этот результат объясняется тем, что при двухстадийном режиме происходит независимый последовательный отжиг сначала скоплений вакансий и дивакансий, а затем ассоциатов, благодаря чему в каждый момент времени не создаются условия по концентрациям для образования новых ассоциатов из освобождающихся точечных дефектов, что, по-видимому, происходит при одностадийном отжиге. При этом двухстадийный режим позволяет не только получить большее значение итэдс и, соответственно, более эффективно отжечь дефекты, но и снизить температуру эффективного отжига. Эффективность двухстадийного режима ИФО на -60% выше, чем одностадийного, и на -25% -чем последовательного постадийного.

Результаты исследований фотодиодных структур методом наведенного тока

На третьем этапе методом НТ в соответствии с разделом 2.2 проведены исследования многоэлементных планарных фотодиодных структур, изготовленных на кристаллах 1пБЬ с применением ИФО и стационарного отжига. Исследовались картины собирания генерируемых электронным пучком неравновесных носителей заряда. Из зависимостей сигнала НТ исследуемых образцов, нормированного по току зондирующего пучка и энергии электронов, от энергии электронов (рис. 3) и зависимостей распределения сигнала НТ по координате в зазоре между площадкой и охранным кольцом (рис. 4) определялись диффузионные длины носителей заряда.

Особенности образцов: 1 - ИСЭ-1, двухстадийная имплантация (2-х ИИ), стационарный отжиг (СО); 2-ИСЭ-1, 1-ая ИИ, СО; З-ИСЭ-2, 1-ая ИИ, ИФО; 4 - ИСЭ-3,2-х ИИ, СО. Рис. 3. Зависимости сигнала НТ исследуемых Рис. 4. Распределение сигнала НТ по

образцов, нормированного по току координате в зазоре между площадкой и

зондирующего пучка и энергии электронов, ОК.

от энергии электронов.

Расчёт экспериментальных зависимостей рис. 3 показал, что диффузионная дайна электронов в р+-слое составляет ~ 0,5 мкм; диффузионная длина дырок в базе высокоомных кристаллов ИСЭ-0, ИСЭ-1, ИСЭ-2, где концентрация легирующей примеси не превышает 2-1015см"3, составляет не менее 10 мкм, а в базе образцов на основе низкоомных кристаллов марки ИСЭ-3 с концентрацией (б-Ю'^-Ю'^см"3 составляет около 5 мкм. Анализ спада сигнала НТ при удалении электронного зонда от края р+-п-перехода (рис. 4) даёт для диффузионной длины дырок вблизи поверхности за планарной границей значения в пределах 8-10 мкм на всех исследованных образцах. При этом из данных рис.3 (получение наибольших значений тока сигнала) установлено, что наилучшие структурные свойства р+-п перехода получены на наиболее высокоомных кристаллах при наименьших энергии (Е<40кэВ) и дозе имплантации (Ф<1,2-1014см"2) ионов бериллия при использовании ИФО.

Выводы по главе 3

I. Для экспресс-оценки эффективности отжига радиационных дефектов может быть применен метод измерения термо-э.д.с., не требующий специальной подготовки образцов для измерений и затрат времени по сравнению с методом

измерения эффекта Холла. При этом эффективность отжига следует контролировать на пластинах-спутниках, проходящих по технологическому маршруту вместе с пластинами, из которых в результате будут изготовлены ФД. В качестве спутников возможно использовать пластины, забракованные на операциях обработки поверхности пластин (химико-динамической полировки).

2. В результате работ по определению оптимальных режимов постимплантационного отжига излучением галогенных ламп установлено, что:

2.1. Радиационные дефекты, образующиеся при имплантации ионов Ве+ в 1пБЬ при малых энергии и дозе, представляют собой электрически активные центры п-типа, которые перекомпенсируют электрически активные атомы Ве. При этом имеются радиационные дефекты двух типов: скопления вакансий и сложные ассоциаты дефектов. При этом перекомпенсацию определяют ассоциаты, только после отжига которых проводимость определяется электрически активными атомами Ве.

2.2. Эффективность отжига радиационных дефектов повышается при переходе от одностадийного к постадийному режиму. При этом происходит независимый и более полный отжиг как скоплений вакансий на низкотемпературной стадии, так и ассоциатов на высокотемпературной стадии.

2.3. Сопоставление результатов исследований влияния числа стадий, длительности и температуры стадий показало, что оптимальным режимом ИФО является следующий двухстадийный:

1-ая стадия: Температура образца в импульсе Т1=300-330оС при длительности импульса т1=(40-;-120)с;

2-ая стадия: Температура образца в импульсе Т2=385-400°С при длительности импульса т2-(Ю^20)с.

При этом эффективность отжига в 1.5 раза выше лучших результатов, получаемых при одностадийном отжиге.

3. Исследование фотодиодных линеек методом наведенного тока, изготовленных по серийной технологии и технологии с применением ИФО показало, что:

3.1. по сравнению с серийными приборами лучшие свойства металлургической границы //-«-перехода характерны для имплантации ионов с наименьшими энергией и дозой при применении ИФО;

3.2. наиболее совершенные имплантационные //-«-переходы, изготавливаемые с применением ИФО, получаются на самых высокоомных кристаллах марок ИСЭ-0, ИСЭ-1 и ИСЭ-2. При увеличении степени легирования и переходе к марке ИСЭ-3 р '-«-переходы становятся менее совершенными;

3.3. диффузионная длина дырок в базе для исходных кристаллов марок ИСЭ-0, ИСЭ-1 и ИСЭ-2в составляет не менее 10 мкм, а для кристаллов марки ИСЭ-3 - около 5 мкм;

3.4. диффузионная длина дырок вблизи поверхности за пределами планарной границы р+-п перехода составляет 8-10 мкм независимо от марки использовавшихся кристаллов. В главе 4 представлены результаты изучения особенностей отслоений покрытий на кристаллах приборных структур, разработки модели и предложений по повышению адгезионной прочности пленок на ионно-легированных приборных структурах.

Механизмы образования анодной окисной пленки и ее взаимодействия с пленкой 8ЮХ

Защита поверхности в серийной технологии осуществляется формированием АОП толщиной 0,05-0,055мкм в безводном электролите на основе Ыа28 в гальваностатическом режиме при плотности тока около 0,05 мА/см с последующим нанесением пленки БЮХ толщиной 0,45-0,6мкм (напыление в вакууме при Т=60-90°С). В состав электролита помимо сульфида натрия входят глицерин и изопропиловый спирт.

Процесс анодного окисления начинается с разрыва связей поверхностных атомов и образования на поверхности островков оксидов 1п и БЬ, в дальнейшем разрастающихся в сплошное покрытие. Образование неравновесной фазы оксидов 1п203 и БЬ20з протекает по реакции: 21п8Ь+302-*1п203+8Ь20з

При этом скорость окисления 1п выше за счет большей величины электроотрицательности (Э0щ=0,4 и Э05Ь=-0,27). Кроме того, менее стабильный БЬгОз (свободная энергия Гиббса ДО=-151,5кКал/моль), взаимодействуя с 1п и 1пБЬ, переходит в элементарную сурьму с образованием 1п203 (ДС=-198,6кКал/моль):

21п8Ь+302->21п203+48Ь и 21п8Ь+8Ь203—1п203+48Ь.

Одновременно с ростом окисной пленки происходит конкурирующий процесс растворения в электролите образующихся оксидов.

При последующем нанесении пленки БЮХ на АОП термодинамически нестабильная окись кремния может доокисляться до диоксида кремния с реакциям:

1п203+3БЮ*—>21п+3/2( 1 +х)8Ю2 8Ь20з+38Юх—>28Ь+3/2(1 +х)8Ю2 8Ь205+38Юх->8Ь20з+3/2(1+х)8Ю2.

Выращенная на АОП пленка БЮ* представляет собой довольно рыхлый слой из конгломератов молекул 8ЮХ, удерживаемых на поверхности АОП ван-дер-ваальсовскими силами (физическая адгезия).

Рис. 5. Внешний вид фотодиодной линейки на 1п8Ь (фрагмент из 11-13

площадок) в случае отслоения защитного покрытия БЮХ (слева) и линейки, изготовленной по тому же техпроцессу без проявления сезонного эффекта (справа), где нет отслоений.

Штриховой линией обозначены внешние границы охранного кольца.

Анализ картин отслоения (см. рис. 5) показал, что отслоения происходят по периферийным нелегированным участкам кристалла. Они начинаются от линии разрезания кристалла, где нет пленки 8ЮХ, и останавливаются на границе легированных областей. Над легированными участками р+ площадок и ОК, а также над узкими нелегированными полосками между ними отслоение наблюдается редко.

Проведенные рентгено-

топографические исследования (см. рис. 6-8) показывают, что система 1п8Ь-АО-8Юх является достаточно напряженной и неоднородной вдоль поверхности.

Рис. 6. Топограммы 1п8Ь- Рис. 7. Топограммы 1п8Ь-

фотодиодных линеек различных фотодиодных линеек различных

партий с отслоением защитного партий без отслоения защитного

покрытия. покрытия.

Предложена модель, объясняющая положительное влияние имплантации и отжига кристалла, подвергающегося последующему анодному окислению, на прочность адгезии слоев 8ЮХ, наносимых на АОП. Основными положениями модели являются:

1. Повышение прочности адгезии на легированных участках обусловлено образованием на границе раздела 8Юх-АОП связей между незавершенными связями атомов Ве, перешедшими в АОП в процессе анодного окисления, и кислорода в 8ЮХ.

2. Дополнительным положительным фактором является геттерирование введенными при имплантации радиационными нарушениями остаточных загрязнений пластины. Из-за этого последующие отжиг и травление приводят к получению более развитого микрорельефа кристалла, характеризующегося более высокой свободной энергией поверхности и изотропностью свойств. Это

позволяет получать менее напряженные и более однородные по составу АОП, что способствует повышению прочности адгезии к ней слоя БЮ*.

Для решения проблемы «сезонности» следует увеличить время прогрева пластин в вакууме перед нанесением пленки 8ЮХ, а также поднять по возможности температуру прогрева с 90°С до °С, что позволит удалить с поверхности адсорбированные из

-110-120 эффективно пластины

происходят преимущественно на

Рис. 8. Топограммы участка

поверхности 1п8Ь вблизи границы АОП-8Юх:

Слева - участок кристалла только с АОП; справа - поверхность с покрытием АО+8Юх.

влажной атмосферы молекулы воды.

Выводы по главе 4

1. Отслоения БЮ* от АОП неимплантированных участках поверхности кристалла.

2. Для решения проблемы отслоения слоя БЮХ от АОП на нелегированных участках кристалла предложено проводить имплантацию этих участков ионами бериллия и отжиг с последующим стравливанием тонкого слоя с поверхности этих участков. Это позволяет повысить прочность адгезии БЮ* к АОП по всей поверхности пластины за счет образования связей Ве-0 на границе раздела БЮ*-АОП и повышения структурного совершенства поверхности кристалла и развития микрорельефа поверхности.

В главе 5 представлены результаты исследований возможности и преимуществ унификации базовой имплантационной технологии для ФД, производимых по технологии-предшественнице.

Результаты измерений фотоэлектрических параметров ФД двухплощадочных растровых ФПУ БС-19, произведенных по имплантационной и радиационно-сплавной технологиям, представлены в табл. 7. На рис. 9 представлены относительные спектральные зависимости чувствительности исследуемых ФД, на рис. 10 - их вольт-амперные характеристики.

Таблица 7. Значения параметров кольцевой и круговой площадок планарных

Тип фотодиода Тип площадки Параметр

< О г—I * 1 со 3 4- 2 'я х ^ а * О 2 ® * я С) и 3 ж н О: ¡^ «1 ь -« 1° з . 3 X 5 о 3 О к »-5

Планар-ный кольцевая 3,2 0,35 9 0,01 6 6,4 0,139 2,52 46,0 120

круговая 0,5 1 1,4 0,00 8 6,1 0,139 44,6 350

радиа- ционно- сплавной кольцевая 1,9 0,2 4,5 0,02 2,2 0,123 1,62 19,5 14

круговая 0,3 0,8 0,01 2,5 0,123 20,3 160

обнаружительная способность, Б, - интегральная токовая чувствительность, - токовая чувствительность в максимуме спектральной чувствительности, £> хтах -обнаружительная способность в максимуме спектральной чувствительности, К -коэффициент использования излучения, Яд - дифференциальное сопротивление при нулевом смещении, рассчитанные из экспериментальных темновых ВАХ при температуре фона 300К.

Рис. 9. Относительные спектральные зависимости чувствительности планарных (1) и радиационно-сплавных (2) ФД.

Рис. 10. Вольтамперные характеристики планарных (1,2) и радиационно-сплавных (3,4) фотодиодов. 1,3-кольцевые площадки, 2,4 - круговые площадки.

Из данных табл. 7 видно, что планарные ФД превосходят радиационно-сплавные ФД по всем измеренным параметрам. Определено, что у планарных ФД квантовая эффективность на -50% выше, чем у радиационно-сплавных ФД, причем за счет более широкой спектральной характеристики (рис. 9) выигрыш составляет -25%, а дополнительное увеличение на -25% обусловлено более совершенной металлургической границей р-п перехода. Из рис. 10 следует, что

для планарных ФД характерны более крутые прямые ветви, более пологие участки обратных ветвей темновых ВАХ при малых напряжениях и больший по сравнению с радиационно-сплавными ФД уровень тока на этих участках, что свидетельствует об их преимущественно фоновой природе и в меньшей мере о поверхностных утечках.

На ФД обоих типов измерялись СПМШ, представленные на рис. 11 и 12.

I

—Вл8 с—

—КмВ и—---

—вмВ

—-ЗИмВ --------

с?-'";.';.—. "гви;

г - V -•" У-■ У'-• ■

Рис. 11. СПМШ планарного ФД. Рис. 12. СПМШ радиационно-сплавного

ФД.

СПМШ на рис. 11 свидетельствуют о незначительной поверхностной утечке и стабильности планарных ФД. У радиационно-сплавных ФД (рис. 12) во всем диапазоне частот преобладает шум типа 1// уже при небольших прямом и обратном смещениях. Такого вида спектры характерны для нестабильных ФД со значительными поверхностными утечками. В табл. 8 представлены экспериментальные значения квадрата шумового тока ФД на частоте 4 кГц (столбец 2) и значения, рассчитанные для дробового шума при преобладании фонового тока над остальными (столбец 4) по формуле:

^ " ^, где 1ф - фоновый ток, ц - элементарный заряд, Л/ - полоса пропускания усилителя.

Таблица 8. Результаты шумового анализа планарных и радиационно-

сплавных Ф£

Тип фотодиода а2,/А0 А2ГЦ"' V мкА (12,/40теор А2ГЦ]

Планарный 2-10'24 7,85 2,5-10"24

радиационно -сплавной МО"54 3,2 МО"24

Хорошее совпадение

теоретических и

экспериментальных значений

К /4/ (данные столбцов 2 и 4) табл. 8 свидетельствует как о достоверности результатов измерений, так и о том, что приборы работают в режиме ограничения фоном.

Изучение стойкости к прогревам при температурах 90-;-100оС, обратным смещениям и равномерности чувствительности площадок ФД показало значительное превосходство планарных ФД над радиационно-сплавными. При этом выход годных ФД в 3+-5 раз выше также для планарных ФД.

Выводы по главе 5 I

1. Замена радиационно-сплавной технологии на планарную имплантационную позволила улучшить в 2-3 раза пороговые параметры двухплощадочных ФД ФПУ БС-19. Это происходит из-за повышения квантовой эффективности ФД на -50% и снижения уровня поверхностных утечек. При этом 25% 1«о"растания квантовой эффективности обусловлерм расширением спектральной характеристики, а остальные -25% - повышением качества металлургической границы р- п-перехода;

2. Наиболее значительное улучшение пороговых параметров при замене технологии происходит на большей площадке из-за резкого уменьшения токов утечки, приведшего к кардинальному снижению уровня шумов. При этом фактически устранен шум типа 1//\

3. Планарные ФД значительно превосходят радиационно-сплавные ФД по термической стойкости, допустимым обратным смещениям, равномерности чувствительности площадок и выходу годных.

В главе 6 представлены результаты исследований по определению возможности создания по базовой имплантационной технологии матричного фоточувствительного кристалла на основе эпитаксиальной пленки, полученной на сапфире методом продольной кристаллизации.

В табл. 9 представлены результаты измерений фотоэлектрических -параметров серийных ФПУ и ФПУ, изготовленных с ФД на основе эпитаксиальных пленок.

Таблица 9. Результаты измерений фотоэлектрических параметров серийных ФПУ и ФПУ с ФД на эпитаксиальных пленках.__

Параметр ФПУс ФД на эпитаксиальных пленках Серийный ФПУ

ит В 0,2-0,4 3-5

Ъ 25 - 65кОм >50М<Эм

иш, мкВ 30-60 18-20

ис, мкВ 180-220 280-420

Ф,„ Вт-см"1-Гц'"2 (3-6)-10"ш (0,8- 1)-1(Г10

Где и„р - пробивное напряжение ФД, Ф„ - пороговая чувствительность. Из результатов измерений видно, что ФД уступают серийным по всем

измеренным параметрам, в результате чего пороговая чувствительность в 3-6 раз хуже, чем у аналога.

В соответствии с картиной наведённого тока (см. рис. 13а) это объясняется зернистостью плёнки ТпБЬ (размер зерна ] 0-30 мкм) и меньшей продольной и поперечной диффузионной длинами дырок в таких структурах: менее 5 мкм (более 10 мкм у аналога), что обусловлено механическими напряжениями в плёнке. При этом картины наведённого тока имеют качественное соответствие с картинами структур - аналогов (см. рис.136 и 13в).

Из картин наведённого тока видно, что, что поверхностные свойства и их влияние на характер собирания

неравновесных носителей в случае наряженных

эпитаксиальных слоёв, и монокристаллов марки ИСЭ-2 и ИСЭ-3, аналогичны. Отсюда следует, что избыточные темновые токи ФД на основе эпитаксиальных плёнок являются не поверхностными, а определяются избыточным током через металлургическую границу р+-п перехода, которая в данном случае существенно уступает по структурному совершенству р -п переходам на монокристаллах марки ИСЭ-2 и ИСЭ-3 из-за наличия механических

напряжений.

Рисунок: 13. Изображения р+-п-переходов

в режиме наведённого тока: а) образец на эпитаксиальной структуре;

б) образец на кристалле марки ИСЭ-2;

в) образец на кристалле марки ИСЭ-3.

Выводы по главе 6

Применение эпитаксиальных плёнок 1пЭЬ, полученных продольной кристаллизацией на сапфире, для изготовления фотодиодов по базовой технологии на основе применения имплантации ионов Ве+ и анодной оксидной плёнки с последующим нанесением плёнки БЮ* для защиты поверхности позволяет получать фотодиоды с вдвое меньшей токовой чувствительностью и вдвое большим уровнем темновых токов по сравнению с ФД, изготовленными на «толстых» кристаллах. При этом и диффузионная длина дырок также вдвое меньше, чем в приборных структурах на основе монокристаллов. Эти отличия обусловлены зернистостью и механическими напряжениями в эпитаксиальных плёнках.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана методика экспресс-контроля результатов отжига радиационных дефектов в слоях МБЬ, имплантированных ионами Ве , по измеренному напряжению термо-э.д.с.

2. Показано, что наиболее эффективный отжиг радиационных дефектов, образованных при имплантации кристаллов 1п8Ь ионами Ве+ с энергией не более 40 кэВ и дозой не более 1,2-1014см"2 происходит при двухстадийном режиме отжига. Полученные данные позволяют сделать вывод о наличии в

имплантированном слое двух типов дефектов донорного типа, компенсирующих проводимость р-типа, обусловленную электрически активными атомами Ве:

1) скопления у'ы (вакансий в позициях 1п);

2) ассоциаты точечных дефектов, в состав которых могут входить у'1п и

1п],8Ь°.,Ве] (атомы Ве, 1п и БЬ в междоузельных позициях).

3. Определены режимы и условия импульсного фотонного отжига для использования в серийной технологии:

двухстадийный режим со следующими параметрами:

1-ая стадия: температура образца в импульсе Т1=300-330°С при длительности импульса Т1=(4СИ-120)с;

2-ая стадия: температура образца в импульсе Т2=385-400°С при длительности импульса т2=(10-Н20)с.

4. Проведены исследования фотодиодов, изготовленных с применением ИФО, и показано преимущество структурных свойств /Аи-переходов таких ФД. Определены характерные значения диффузионной длины в базовой области и на переферии //-«-переходов:

- диффузионная длина дырок в базе для исходных кристаллов марок ИСЭ-0, ИСЭ-1 и ИСЭ-2в составляет не менее 10 мкм, а для кристаллов марки ИСЭ-3 - около 5 мкм;

- диффузионная длина дырок вблизи поверхности за пределами планарной границы р+-п перехода составляет 8-10 мкм независимо от марки использовавшихся кристаллов.

5. Изучены особенности отслоения пассивирующих слоев БЮ* от защитной анодной окисной пленки. Обнаружено положительное влияние имплантации ионов Ве+ и последующего отжига на прочность адгезии слоя 8ЮХ к АОП, выращенной на таком кристалле. Развиты модельные представления этого явления. Разработаны рекомендации по повышению прочности адгезии для внедрения в серийную технологию, которые заключаются в проведении имплантации ионов бериллия по всей поверхности кристалла за пределами планарных границ рабочих р+-п-переходов и отжига с последующим стравливанием тонкого слоя кристалла.

6. Показаны возможность и преимущества замены радиационно-сплавной технологии, применяемой для изготовления серийно выпускаемых фотодиодов ФПУ БС-19, на базовую им плантационную. Изучены В АХ, спектральные характеристики, спектральные плотности мощности шума и фотоэлектрические параметры приборов, изготовленных по технологии-предшественнице, в сравнении с приборами, произведенными по имплантационной технологии. Показано, что унификация привела к повышению в 2-3 раза пороговых параметров, увеличению термостойкости, повышению квантовой эффективности, снижению темновых токов, увеличению пробивных напряжений и повышению выхода годных ФД. Унифицированная технология фотодиодов и ФПУ БС-19 внедрена в производство.

7. Показано, что фотодиоды, изготовленные на эпитаксиальных пленках InSb, полученных продольной кристаллизацией на сапфире, по сигналам, шумам и пороговой чувствительности в 2-3 раза уступают приборам, изготовленным по серийной технологии на объемных монокристаллах. Причина заключается в зернистости и внутренних механических напряжениях пленок, получаемых продольной кристаллизацией.

Основные результаты по теме диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Астахов, В. П. Особенности адгезионных свойств пленок на ионно-легированных приборных структурах / В. В. Карпов, В. В. Крапухин, А.Д. Максимов, В. С. Туловчиков, Д.И. Тетельбаум // Журнал «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования». - 2007. - №6. -С.87-92.

2. Астахов, В.П. Исследование планарных фотодиодных структур на пленках InSb, полученных на сапфире методом продольной 1фисталлизации / В.В. Карпов, В.В. Крапухин, А.Д. Максимов, А.Г. Падалко, О.Н. Пашкова, Е.Б. Якимов //Журнал «Прикладная физика». - 2008. - №3. - С.114-117.

3. Астахов, В.П. Результаты замены серийной радиационно-сплавной технологии изготовления фотодиодов из InSb на базовую имплантационную / A.M. Гуляев, В.В. Карпов, А.Д. Максимов, И.Н. Мирошникова // Журнал «Вестник Нижегородского Университета им. Н.И. Лобачевского». - Серия «Физика твердого тела». - 2009. - №5. - С.48-54.

4. Астахов, В.П. Исследование многоэлементных малоразмерных ионно-легированных фотодиодных структур на кристаллах InSb методом наведённого тока / В.Г. Зиновьев, В.В. Карпов, А.Д. Максимов, Е.Б. Якимов // Журнал «Вестник Нижегородского Университета им. Н.И. Лобачевского». - серия «Физика твердого тела». - 2009. - №6. - С.56-61.

5. Максимов, А.Д. Способ изготовления слоев р-типа проводимости на кристаллах InSb / A.B. Артамонов, В.П. Астахов, В.В. Карпов // Заявка на изобретение №2012104905. - МПК H01L21/265.

6. Астахов, В.П. Исследование многоэлементных малоразмерных ионно-легированных фотодиодных структур на кристаллах InSb методом наведённого тока / В.В. Карпов, А.Д. Максимов, Е.Б. Якимов //1 всероссийская конференция «Физические и физико-химические основы ионной имплантации». Сборник докладов, г. Нижний Новгород, 24-27 октября 2006. - С.88.

7. Астахов, В.П. Результаты замены серийной радиационно-сплавной технологии изготовления фотодиодов из InSb на базовую имплантационную / А.М. Гуляев, В.В. Карпов, А.Д. Максимов, И.Н. Мирошникова //1 всероссийская конференция «Физические и физико-химические основы ионной имплантации». Сборник докладов, г. Нижний Новгород, 24-27 октября 2006. - С.89.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю к.ф-м.н., доц. Карпову В.В., д.т.н„ проф. Астахову В.П. (за неоценимую помощь и поддержку на всех этапах работы), Соловьевой Г.С. (за помощь в проведении экспериментов, обсуждении результатов), Мануйловой Л.К. (за помощь в проведении экспериментов).

Подписано в печать<3.03.12 Формат 60x84/16. Бумага писчая. Отпечатано на ризографе. Уч. изд. листов 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 46

Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В .Ломоносова.

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

61 12-2/443

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Московский государственный университет тонких химических технологий имени

М.В. Ломоносова»

ОАО «Московский завод «САПФИР»

На правах рукописи Экз №

Максимов Александр Дмитриевич

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И УНИФИКАЦИЯ БАЗОВОЙ ИМПЛАНТАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ФОТОДИОДОВ ИЗ

АНТИМОНИДА ИНДИЯ

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

диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

Карпов Владимир Владимирович

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..............................................................................................................................................5

Глава 1. Фотодиоды из 1п8Ь - особенности, параметры, технология производства.................11

1.1. Принцип работы фотодиода....................................................................................11

1.2. Теория вольт-амперной характеристики р-п-перехода.........................................13

Теория идеального р-п-перехода................................................................................14

Теория Шокли-Нойса-Саа...........................................................................................16

1.3. Влияние поверхности...............................................................................................18

1.4. Шумы ФД..................................................................................................................23

1.5. Основные параметры и их зависимость от конструктивно-технологических особенностей ФД.............................................................................................................27

Токовая чувствительность...........................................................................................27

Пороговая чувствительность.......................................................................................28

Спектральная характеристика.....................................................................................30

1.6. Технологии изготовления ФД из ГпБЬ....................................................................31

Сплавная технология....................................................................................................31

Диффузионная технология..........................................................................................33

Эпитаксиальная технология........................................................................................35

Результаты применения ионной имплантации для создания ФД на 1пБЬ..............37

Особенности процессов дефектообразования, происходящих при имплантации

ионов Ве+в 1п8Ь........................................................................................................................40

Базовая имплантационная технология изготовления ФД из 1пБЬ...........................43

1.7. Постановка задач по усовершенствованию и унификации базовой имплантационной технологии фотодиодов из Ы>Ь.....................................................47

Исследование особенностей превращения дефектной структуры имплантированных слоев и разработка режимов имплантационного легирования с применением постимплантационного импульсного фотонного отжига излучением

галогенных ламп.......................................................................................................................48

Изучение особенностей отслоений покрытий на кристаллах приборных структур, разработка модели и предложений по повышению адгезионной прочности пленок на ионно-легированных приборных структурах...............................49

Исследование возможности и преимуществ унификации базовой имплантационной технологии для ФД, производимых по технологии-предшественнице......................................................................................................................50

Определение возможности применения эпитаксиальных пленок, выращенных

продольной кристаллизацией на сапфире для изготовления фотодиодов.........................52

Глава 2. Методики и установки для проведения экспериментов и измерений..........................53

2.1. Методики проведения экспериментов....................................................................53

2.1.1. В части исследования особенностей превращения дефектной структуры имплантированных слоев и разработка режимов имплантационного легирования с применением постимплантационного ИФО излучением галогенных ламп......................53

Исследуемые образцы и методики измерений, использованные для разработки метода экспресс-оценки эффективности отжига и определения

оптимальных режимов ИФО...............................................................................................54

Установка импульсного фотонного отжига «Оникс-1».......................................57

Фото диодные структуры, исследованные методом наведенного тока...............58

2.1.2. В части изучения особенностей отслоений покрытий на кристаллах приборных структур, разработка модели и предложений по повышению адгезионной прочности пленок на ионно-легированных приборных структурах...................................62

2.1.3. В части исследования возможности и преимуществ унификации базовой имплантационной технологии для ФД, производимых по технологии-предшественнице......................................................................................................................63

ФД, изготовленные по радиационно-сплавной технологии................................64

ФД, изготовленные по базовой имплантационной технологии...........................66

2.1.4. В части определения возможности применения эпитаксиальных пленок, выращенных продольной кристаллизацией на сапфире для изготовления фотодиодов ..68

2.2. Методики измерений................................................................................................70

2.2.1. Измерение эффекта Холла.................................................................................70

2.2.2. Измерение термо-э.д.с........................................................................................73

2.2.3. Эллипсометрия...................................................................................................75

2.2.4. Метод наведенного тока....................................................................................77

2.2.5. Рентгеновская топография.................................................................................79

2.2.6. Вольт-амперные характеристики и спектр плотности мощности шума.......79

2.2.7. Измерение фотоэлектрических параметров фотоприемников......................82

Глава 3. Результаты исследований особенностей превращения дефектной структуры имплантированных слоев и разработки режимов имплантационного легирования с применением постимплантационного импульсного фотонного отжига излучением галогенных ламп...............................................................................................................................85

3.1. Разработка экспресс-метода оценки эффективности отжига дефектов, введенных при ионной имплантации в InSb.................................................................85

3.2. Определение оптимальных режимов постимплантационного отжига излучением галогенных ламп.........................................................................................89

Определение оптимальных температур отжига........................................................89

Исследование влияния стадийности отжига..............................................................91

Определение оптимальных параметров ИФО...........................................................94

3.3. Исследование фотодиодных структур методом наведенного тока.....................97

Анализ изображений, полученных в режиме НТ......................................................97

Расчет диффузионных длин носителей заряда........................................................100

3.4. Выводы по главе 3..................................................................................................103

Глава 4. Результаты изучения особенностей отслоений покрытий на кристаллах

приборных структур, разработки модели и предложений по повышению адгезионной прочности пленок на ионно-легированных приборных структурах.........................................106

4.1. Механизмы образования анодной окисной пленки и ее взаимодействия с пленкой SiOx...................................................................................................................106

4.2. Анализ фотографий картин отслоения пленок SiOx...........................................107

4.3. Анализ рентгеновских топограмм фотодиодных линеек...................................108

4.4. Выводы по главе 4..................................................................................................115

Глава 5. Результаты исследований возможности и преимуществ унификации базовой

имплантационной технологии для ФД, производимых по технологии-предшественнице.... 116

5.1. Результаты измерений фотоэлектрических параметров ФД..............................116

5.2. Измерение спектров плотности мощности шума................................................121

5.3. Выводы по главе 5..................................................................................................123

Глава 6. Результаты исследований по определению возможности создания по базовой имплантационной технологии матричного фоточувствительного кристалла на основе

эпитаксиальной пленки, полученной на сапфире методом продольной кристаллизации......125

6.1. Выводы по главе 6..................................................................................................128

Выводы по работе..........................................................................................................................129

Введение

Актуальность темы

В настоящее время для детектирования инфракрасного излучения в спектральном диапазоне длин волн (1+5,5) мкм используются фотодиоды (ФД) из антимонида индия. Такие ФД широко применяются в медицинских тепловизорах, спектрофотометрах, спектрометрах Фурье, анализаторах газов и в приборах специального назначения. Технология производства ФД из 1п8Ь прошла длинный эволюционный путь к современной базовой имплантационной, минуя сплавные и эпитаксиальные методы формирования р-и-переходов, а затем и диффузионные. Технология изготовления ФД с применением ионной имплантации обладает рядом таких неоспоримых преимуществ как возможность создания мелкозалегающих /?-я-переходов, контроля профиля концентрации примеси, воспроизведения практически любой конфигурации и размерности фоточувствительного элемента.

Современная базовая имплантационная технология разработана совместно ГНЦ РФ ФГУП «НПО «Орион» и ОАО «Московский Завод «Сапфир», где она и применяется для производства ФД из 1п8Ь начиная с 1988 года. Концептуальными особенностями этой технологии являются:

- Применение локальной имплантации ионов Ве+ для создания малоразмерного планарного р+-я-перехода.

- Отжиг осуществляется в стационарном режиме, проводимом в диффузионной печи при Т=375°С в течение 30 минут под капсулирующей пленкой 8Ю2.

- Защита поверхности осуществляется двухслойным диэлектриком -выращенной собственной анодной окисной плёнкой (АОП) и напыляемым затем слоем 8ЮХ.

- Металлизация осуществляется нанесением слоя Сг+Аи.

- Важным элементом базовой топологии является охранное кольцо (ОК), представляющее собой дополнительный короткозамкнутый р+-п-переход, окаймляющий площадку, линейку или матрицу площадок.

Опыт многолетнего производства фотодиодов из ЪгёЬ по базовой планарной имплантационной технологии, а также научно-исследовательские работы, проводимые в центральном конструкторском бюро ОАО «Московский Завод «Сапфир», позволили определить ряд технических проблем, в рамках которых целесообразно усовершенствование серийной технологии.

Во-первых, процесс постимплантационного отжига, осуществляемый в стационарном режиме, требует наличия капсулирующей пленки 8Ю2, наносимой низкотемпературным окислением токсичного моносилана. Сам отжиг осуществляется в атмосфере взрывоопасного водорода. Поэтому актуальной задачей является разработка альтернативных, более технологичных процессов отжига, не требующих применения токсичных и взрывоопасных газов.

Во-вторых, нерешённой до настоящего времени задачей является отслоение защитной плёнки 8ЮХ от АОП. По этой причине в осенне-зимний период бракуется до 20% фотодиодных кристаллов, а в жаркие летние месяцы производство полностью останавливается. Поэтому чрезвычайно актуален поиск путей устранения или ослабления этого явления.

В-третьих, к моменту начала работы над диссертацией, по радиационно-сплавной технологии изготавливался растровый двухплощадочный ФД в составе ФПУ БС-19. Задача перевода этого прибора на базовую имплантационную технологию важна для унификации технологии всей производимой продукции, что позволит снизить себестоимость, упростить технологии, повысить выход годных, экономить материалы и электроэнергию,

а также улучшить фотоэлектрические параметры приборов.

Актуальной задачей является создание матричного фотоприемного устройства (ФПУ) на основе 1п8Ь. Так как в технологии матричных ФПУ засветка осуществляется с обратной р-и-переходу стороны (со стороны базы), то к толщине базовой области матричного кристалла предъявляется требование меньше диффузионной длины носителей заряда, составляющей менее 15мкм. Получить подобную пластину из объемного монокристалла затруднительно технически и достаточно трудозатратно. Поэтому в рамках планарной имплантационной технологии перспективным направлением для изготовления матричных кристаллов является замена исходных пластин 1п8Ь на эпитаксиальные пленки с оптически прозрачными подложками.

Цель данной работы - усовершенствование и унификация базовой имплантационной технологии фотодиодов из антимонида индия.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

1. Исследование особенностей превращения дефектной структуры имплантированных слоев и разработка режимов имплантационного легирования с применением постимплантационного импульсного фотонного отжига излучением галогенных ламп.

2. Изучение особенностей отслоений покрытий на кристаллах приборных структур, разработка модели и предложений по повышению адгезионной прочности пленок на ионно-легированных приборных структурах.

3. Показать возможности и преимущества унификации базовой имплантационной технологии для ФД, производимых по технологии-предшественнице.

4. Определение возможности применения эпитаксиальных пленок,

выращенных продольной кристаллизацией на сапфире, для изготовления фотодиодов.

Научная новизна работы

1. Установлено, что наиболее эффективный отжиг дефектов структуры имплантированного ионами Ве+ слоя 1п8Ь с применением излучения галогенных ламп происходит при двухстадийном режиме. Разработаны модельные представления этого явления.

2. Обнаружено положительное влияние предварительной имплантации кристалла и последующего отжига, произведенных до формирования анодной окисной пленки, на прочность адгезии пленки 8ЮХ к анодной окисной пленке. Описаны модельные представления этого явления.

3. Определены при исследованиях металлургической границы ионнолегированных //-«-переходов методом наведенного тока значения диффузионной длины дырок в базовой области и за планарной границей р+-п-перехода в зависимости от степени легирования исходных кристаллов.

Практическая значимость

1. Разработана методика экспресс-оценки эффективности отжига радиационных дефектов, заключающаяся в измерении напряжения термо-э.д.с. на легированном слое и расчете по этому напряжению значения концентрации основных носителей заряда.

2. Определены режимы импульсного фотонного отжига, позволяющие получить наилучшие структурные свойства слоев 1п8Ь р-типа проводимости, имплантированных ионами Ве+.

3. Предложены рекомендации по топологии имплантированной ионами Ве+ области для повышения прочности адгезии пленки 8ЮХ в приборных структурах.

4. Установлены пределы возможного практического применения эпитаксиальных пленок, полученных продольной кристаллизацией на сапфире, для создания матричного фотоприемного устройства на ¡пБЬ.

Работа выполнена на кафедре «Материалы микро-, опто- и наноэлектроники» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова» (МИТХТ) и в ОАО «Московский завод «Сапфир».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований и модельные представления особенностей импульсного фотонного отжига дефектов, образованных имплантацией ионов Ве+ в кристаллы 1п8Ь при малых дозах и энергиях. Режимы изготовления слоев р-типа проводимости на 1п8Ь с применением импульсного фотонного отжига, рекомендуемые к внедрению в серийное производство.

2. Результаты исследований прочности адгезии защитной пленки 8ЮХ к анодной окисной пленке и модельные представления о механизме повышения прочности адгезии. Рекомендации в серийную технологию по повышению прочности адгезии защитной пленки 8ЮХ на кристаллах приборных структур.

3. Предложения по унификации технологии изготовления серийного фотодиода ФПУ БС-19 и результаты сравнительного исследования приборов, изготовленных по предложению и по технологии-предшественнице.

4. Результаты исследования возможности применения эпитаксиальных пленок, полученных продольной кристаллизацией на сапфире, для изготовления планарного малоразмерного фотодиода.

Личный вклад

Участие в постановке задач исследований, измерениях, обработка и интерпретация полученных результатов.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на I Всероссийской конференции «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Нижний Новгород, 2006).

Публикации

По результатам диссертационной работы имеется 4 публикации. Заявка на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 135 страниц машинописного текста, содержит 12 таблиц и 36