Введение к работе
Актуальность работы обусловлена тем, что защита поверхности планарных р-п-переходов - одно из важнейших направлений развития технологии изготовления приборов фотоэлектроники. Особое место среди этих приборов занимают фотодиоды на основе кремния - основной тип фотоприемников для видимого и ближнего ИК-диаиазонов спектра. Одной из главных задач при производстве кремниевых импульсных фотодиодов типа pin и некоторых марок низкочастотных фотодиодов является достижение максимальной величины пороговой чувствительности. Для других фотодиодов одним из отбраковочных параметров является темповой ток при рабочем напряжении, поскольку увеличение этого тока приводит к непроизводительным потерям мощности. Оба эти параметра зависят от величины обратного тока р-n-перехода, которая в реальных случаях определяется поверхностной утечкой.
Влияние поверхности сказывается в тем большей мере, чем более высокоомный кремний используется при производстве фотодиодов. Это и определяет тот факт, что современные технологии изготовления фотодиодов и, в частности, ріп-фотодиодов на основе высокоомного p-Si обеспечивают выход годных приборов на уровне единиц процентов или менее. В связи с этим особенно актуальной является разработка новых методов защиты поверхности, направленных на создание условий, устраняющих или уменьшающих влияние поверхности на параметры фотодиодов.
Анализ литературных данных [1-3] позволяет заключить, что перспективным является использование для этих целей ионной имплантации в режимах, позволяющих создавать слои необходимой толщины с компенсированной проводимостью. Такие слои могут экранировать поле поверхностных зарядов и быть делителем напряжения между поверхностью и объемом в пользу последнего. Возможны два вида применения ионной имплантации: обработка готовых структур с целью исправления их характеристик и обработка поверхности в технологическом цикле изготовления приборов. В первом случае необходимо применение «легких» ионов, так как обработку следует проводить через поверхностные защитные диэлектрические слои и наиболее пригодными для этой цели являются протоны при доступных энергиях (200-400 кэВ). Во вто-
ром случае лучшие результаты следует ожидать от применения молекулярных ионов азота или «тяжелых» ионов, например, аргона. Второй способ предпочтительнее, так как техникой протонного облучения обладает ограниченное число исследовательских организаций, однако для некоторых дорогостоящих типов приборов фотоэлектроники применение уникальных технологий, таких как протонное облучение, может быть экономически оправдано.
Не менее актуальными являются исследования, направленные на удешевление технологии в условиях мелкосерийного производства. Это может быть достигнуто за счет перехода от высокотемпературных диффузионных и окислительных процессов, являющихся основными в технологии изготовления фотодиодов на Si, к имплантационным процессам формирования пданарных р-п-переходов, защиты поверхности и геттерирования. Поскольку имплантация является более управляемым процессом, чем диффузия и окисление, то от такого перехода можно ожидать дополнительных преимуществ в части достижения более высоких параметров фотодиодов и их воспроизводимости. Следует отметить, что в публикациях имеется досточно много данных, позволяющих выбрать режимы основных процессов ионной имплантации при формировании фотодиодных структур, однако не определены возможности применения ионной имплантации для защиты поверхности таких структур.
Цель работы заключается в разработке методов защиты поверхности кремниевых фотодиодов с применением ионной имплантации и получении кремниевых фотодиодов на основе имплантационных процессов легирования, геттерирования и защиты поверхности. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
- исследовать влияние облучения протонами периферии р-п-переходов pin-фотодиодов на основе высокоомного p-Si и последующего вакуумного отжига на их характеристики, а также влияние этих воздействий на удельное сопротивление, параметры кристаллической решетки и толщшгу облученных слоев кремния. На основе результатов исследований определить механизм изменения параметров pin-фотодиодов и режимы оптимальной обработки; - изучить влияние имплантации периферии р-п-переходов ионами Кг2+ или Аг+ на вольт-амперные характеристики
фотодиодных структур различной топологии, сформированных как диффузией, так и ионной имплантацией на р- и n-Si и определить оптимальные режимы такой имплантации;
- исследовать возможности замены процессов диффузионного легирования, окисления и диффузионного геттерирования на имплантациониые процессы при изготовлении кремниевых фотодиодов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые проведено исследование изменения структурных
и электрофизических свойств высокоомпого кремния при
облучении его протонами с энергиями 200-400 кэВ, дозами 1014 -
5x1016 см"2 и поезтедующем вакуумном отжиге при температурах
200-900С. Показано, что при облучении протонами с дозой Ф>1016
см"2 в кремнии в пределах пробегов протонов формируется слой с
компенсированной проводимостью, в котором при отжиге при
температурах Т=250-300С происходит уменьшение удельного
сопротивления на порядок величины относительно исходного
кристалла, а за его пределами формируется заглубленный слой с
компенсированной проводимостью толщиной до 3 мкм.
-
Проведено экспериментальное моделирование поверхностного канала в структурах pin-фотодиодов на высокоомном p-Si с охранным кольцом при варьировании величины его сопротивления, на основании которого выявлено, что в исследуемых структурах имеется диапазон сопротивлений канала, в котором темновые токи фотодиода минимальны, а его фотоэлектрические параметры не ухудшаются.
-
Исследован и описан механизм влияния структурных и электрофизических характеристик поверхностных слоев кремния, образованных при протонном облучении и отжиге, на параметры ріп-фотодиодов.
4. Впервые проведено изучение влияния имплантации периферии р-n-переходов ионами N2+ или Аг+с энергией 100 кэВ в диапазоне доз (1-6)х1016 см"2 на вольт-амперные характеристики диффузионных и ионно-легированных фотодиодных структур с такими р-п-переходами. Показано, что улучшение вольт-амперных характеристик достигается при достижении пороговой дозы облучения, индивидуальной для каждого метода формирования
структур, что объясняется достижением соответствия толщины нарушенного слоя и глубины залегания р-п-переходов. Практическая значимость:
1. Разработан метод защиты поверхности кремниевых pin-
фотодиодов с охранным кольцом и защитной термической пленкой
SiC>2, включающий облучение периферии р-п-переходов протонами
и последующий отжиг. Определен оптимальный режим облучения и
отжига для данного типа приборов с диффузионными р-п-
переходами глубиной ~ 3 мкм: Е = 300 кэВ, Ф = 1016 см'2, Т = 300С
(2 часа). Показано, что применение метода к кристаллам, забра
кованным после конечной стадии их изготовления перед корпуси-
рованием, повышает выход годных приборов в несколько раз.
2. Определены оптимальные режимы имплантации
периферии р-п-переходов ионами N2+ или Аг+ для различных типов
фотодиодных структур, сформированных диффузией или ионной
имплантацией. Показано, что применение этих режимов позволяет
уменьшить темновые токи структур в 10-100 раз.
3. Применение разработанных имплантационных процессов
защиты поверхности позволило изготовить ионно-легированные
фотодиоды на основе n-Si с характеристиками, соответствующими
требованиям ТУ для их диффузионных аналогов.
Основные положення, выносимые иа защиту!
1. Результаты исследований структурных и
электрофизических характеристик поверхностных слоев кремния,
формируемых при облучении протонами с энергией 200-400 кэВ и
дозой 1014 - 5x101б см"2 и последующем вакуумном отжиге при
температурах 200-900С.
2. Результаты изучения механизма влияния удельного
сопротивления, параметра кристаллической решетки и толщины
поверхностных слоев кремния, модифицированных облучением
протонами и последующим вакуумным отжигом, на ВАХ ріп-фо-
тодиодов; режимы оптимальной протонной обработки диффузион
ных pin-фотодиодов с глубиной залегания р-п-переходов ~ 3 мкм.
3. Результаты исследований влияния имплантации периферии р-п-
переходов ионами N2+ или Аг+ на вольт-амперные характеристики
фотодиодных структур различных типов, сформированных
диффузией или ионной имплантацией; режимы
оптимальных обработок - и мплантащш и последующего отжига,
приводящие к значительному уменьшению темповых токов для каждого типа структур.
4. Режимы ионного легирования, генерирования и защиты поверхности, позволяющие изготавливать фотодиоды на основе n-Si с характеристиками, соответствующими требованиям ТУ для их диффузионных аналогов.
Апробация работы:
Основные результаты диссертации отражены в публикациях
[1-11] и докладывались на VIII международном совещании
«Радиационная физика твердого тела.» (Севастополь, 1998 г.), XIV
Международной конференции по фотоприемникам, электронным и
ионно-плазменным технологиям (Москва, 1998 г.), Второй
Российской конференции по материаловедению и физико-
химическим основам технологий получения легированных
кристаллов кремния «Кремний - 2000» (Москва, 2000 г.), XVI
Международной научно-технической конференции по
фотоэлектронике и приборами ночного видения (Москва, 2000 г.), Международном научно-техническом семинаре «Применение силовой электроники в электротехнике.» (Москва, 2000 г.).
Работа отмечена 3й премией Московского Физического Общества среди научных работ аспирантов 2000 г.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 145 страниц машинописного текста, включая 48 рисунков и 7 таблиц. Список литературы состоит из 180 наименований.
