Введение к работе
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 InSb прошла длинный эволюционный путь к современной базовой имплантационной, минуя сплавные и эпитаксиальные методы формирования />-и-переходов, а затем и диффузионные. Технология изготовления ФД с применением ионной имплантации обладает рядом таких неоспоримых преимуществ как возможность создания мелкозалегающих />-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 InSb начиная с 1988 года. Концептуальными особенностями этой технологии являются:
Применение локальной имплантации ионов Ве+ для создания малоразмерного планарного />+-и-перехода.
Отжиг осуществляется в стационарном режиме, проводимом в диффузионной печи при Т=375С в течение 30 минут под капсулирующей пленкой Si02.
- Защита поверхности осуществляется двухслойным диэлектриком -
выращенной собственной анодной окисной плёнкой (АОП) и напыляемым затем
слоем SiOx.
Металлизация осуществляется нанесением слоя Cr+Au.
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 InSb 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 Si02, 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 SiOx 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 InSb. Так как в технологии матричных ФПУ засветка осуществляется с обратной />-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 планарнои имплантационной технологии перспективным направлением для изготовления матричных кристаллов является замена исходных пластин InSb 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.
Изучение особенностей отслоений покрытий на кристаллах приборных структур, разработка модели и предложений по повышению адгезионной прочности пленок на ионно-легированных приборных структурах.
Показать возможности и преимущества унификации базовой имплантационной технологии для ФД, производимых по технологии-предшественнице.
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 InSb с применением излучения галогенных ламп происходит при двухстадийном режиме. Разработаны модельные представления этого явления.
Обнаружено положительное влияние предварительной имплантации кристалла и последующего отжига, произведенных до формирования анодной окисной пленки, на прочность адгезии пленки SiOx к анодной окисной пленке. Описаны модельные представления этого явления.
Определены при исследованиях металлургической границы ионнолегированных р -и-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
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.
Определены режимы импульсного фотонного отжига, позволяющие получить наилучшие структурные свойства слоев InSb р-типа проводимости, имплантированных ионами Ве+.
Предложены рекомендации по топологии имплантированной ионами Ве+ области для повышения прочности адгезии пленки SiOx в приборных структурах.
Установлены пределы возможного практического применения эпитаксиальных пленок, полученных продольной кристаллизацией на сапфире, для создания матричного фотоприемного устройства на InSb.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты исследований и модельные представления особенностей импульсного фотонного отжига дефектов, образованных имплантацией ионов Ве+ в кристаллы InSb при малых дозах и энергиях. Режимы изготовления слоев р-типа проводимости на InSb с применением импульсного фотонного отжига, рекомендуемые к внедрению в серийное производство.
Результаты исследований прочности адгезии защитной пленки SiOx к анодной окисной пленке и модельные представления о механизме повышения прочности адгезии. Рекомендации в серийную технологию по повышению прочности адгезии защитной пленки SiOx на кристаллах приборных структур.
Предложения по унификации технологии изготовления серийного фотодиода ФПУ БС-19 и результаты сравнительного исследования приборов, изготовленных по предложению и по технологии-предшественнице.
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 InSb 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 SiOx 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.
