CC BY
70
Физика твердого тела Вестник Ниже городского университета им. Н.И. Лоб ачевского, 2009, N9 6 (1),с. 56-61
УДК 621.383.4:546
ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ИОННО-ЛЕГИРОВАННЫХ ФОТОДИОДНЫХ СТРУКТУР НА КРИСТАЛЛАХ ^Ь МЕТОДОМ НАВЕДЁННОГО ТОКА
© 2009 г. В.П. Астахов 1, В.Г. Зиновьев 2, В.В. Карпов 1, А.Д. Максимов 2, Е.Б. Якимов 3
1 ОАО «Московский завод «Сапфир»
2 Московская госакадемия тонкой химической технологии (ТУ) им. М.В. Ломоносова 3 Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН
info_sapphir@mail.ru
Поступила в редакцию 29.04.2009
Исследованы многоэлементные планарные фотодиодные структуры на кристаллах ТпЯЬ, полученные с применением имплантации ионов Ве+ при формировании р+-и-перехода и анодного окисления для защиты поверхности. Обнаружено влияние степени легирования исходных кристаллов на распределение сигнала наведенного тока по поверхности кристаллов за пределами планарных границ р+-и-переходов. Наиболее совершенные р+-и-переходы формируются на наиболее высокоомных кристаллах при наименьших из использовавшихся энергии и дозе имплантации, а также постимплантаци-онном импульсном фотонном отжиге. Произведены оценки величин диффузионной длины во всех типах изучавшихся структур.
Ключевые слова: антимонид индия, имплантация, наведенный ток, анодное окисление, постим-плантационный отжиг.
Исследовались 64-площадочные линейки планарных фотодиодов с размером фоточувствитель-ной площадки (р-п-перехода) 150x150 мкм, изготовленные на кристаллах 1п8Ъ п-типа проводимости с ориентацией (100) марок ИСЭ-1, ИСЭ-2у и ИСЭ-3 с концентрацией примеси (теллура) (0.8 -- 2)-1014, (0.6 - 3)1015 и (5 - 8)1015 см-3, соответственно. Линейки планарных структур изготавливались в условиях серийного производства по базовой технологии, включающей локальную имплантацию ионов бериллия. Постимпланта-ционный отжиг - стационарный с капсулирую-щей плёнкой БЮ2 при Т = 375°С в течение 0.5 часа в потоке Аг и Н2 по серийной технологии либо импульсный фотонный (ИФО) без капсулирующей плёнки излучением галогенных ламп при Т = 380°С в течение 30 с в форвакууме. Защита поверхности осуществлялась формированием анодной окисной плёнки толщиной 0.05 мкм и последующим термическим напылением плёнки БЮ* толщиной 0.5 мкм. Для создания контактов напылялась плёнка золота толщиной 0.5 мкм с подслоем хрома толщиной
0.08 мкм. В случае изготовления по серийной технологии имплантация была двухстадийной с энергиями ионов и дозами имплантации, составляющими Е1 = 100 кэВ и Ф1 = 3-1014 см-2 на
14 -2
первой стадии и Е2 = 40 кэВ и Ф2 = 1-10 см на второй стадии; при этом глубина залегания
^-и-перехода составляла ~ 0.8 мкм. В случае применения ИФО имплантация была односта-
14 -2
дийной (Е = 40 кэВ и Ф = 1-10 см ), при этом глубина ^+-и-перехода составляла ~ 0.5 мкм. Анодное окисление при формировании защитной плёнки проводилось в гальваностатическом режиме в двух вариантах: в электролите на основе №28, когда границе раздела 1пБЪ - анодная окисная плёнка (АОП) свойственен небольшой (менее 1011 см-2) отрицательный заряд, и в электролите на основе персульфата аммония (ПА), когда заряд на границе раздела также отрицателен, но больше, чем в первом случае, по абсолютной величине и составляет ~(2^3)-1011 см-2. Топология линейки фотодиодов представлена на рис. 1. Характерным для этой топологии является наличие оригинального охранного кольца (ОК) - дополнительного закороченного р-п-перехода шириной 160 мкм, охватывающего всю линейку и расположенного на расстоянии 30 мкм от границ площадок. Закоротка ОК осуществляется с помощью узких металлизированных участков в виде меток совмещения, расположенных по краям и в центре линейки на границе ОК, удалённой от площадок. Поскольку закороченный ^ -и-переход является областью с нулевой скоростью генерации и бесконечной скоростью рекомбинации, ОК оттягивает на себя часть равновесных и неравновесных
Границы охранного
Рис. 1. Топология 64-площадочной фотодиодной структуры
Таблица
Особенности изготовления образцов и результаты технологического контроля
№ образца Марка !п8Ъ Режим имплантации Режим отжига Основа электролита Глубина + р -«-перехода, мкм Величина отрицательного заряда на границе 1й8Ъ-АОП, см-2
О о к о о к т О о к двухстадийный одностадийный 5 Н 3 и и о н я св н о О е К 1П С? £ < С 00 о но о о V "о •I- <4
1 + + + + + +
2 + + + + + +
3 + + + + + +
4 + + + + + +
5 + + + + + +
дырок базы от планарных границ площадок, уменьшая темновой ток [1] и нейтрализуя проявления неравновесных процессов типа взрывных шумов [2, 3].
Технологические особенности изготовления исследованных образцов представлены в табл.
Исследования фотодиодов методом наведенного тока (НТ) проводились в растровом электронном микроскопе 18М 840 при энергии электронного пучка 10-38 кэВ, токе пучка ~ 10-10 А и температуре образцов ~ 90 К. При этом к измерительной цепи подсоединялся вывод одной из площадок и базовый электрод; выводы остальных площадок были разомкнуты. Изображения фотодиодов в режиме НТ получали при энергии электронов 38 кэВ. Для оценки диффузионной длины
неравновесных носителей заряда измеряли как зависимость сигнала НТ от энергии пучка [4, 5], так и спад сигнала НТ при удалении пучка от
ч-* +
планарной границы р -п-перехода в соответствии с методикой работ [4, 6]. Для моделирования полученных зависимостей по методике работы [7] рассчитывалась вероятность собирания носителей заряда путем численного решения диффузионного уравнения, которая сворачивалась с функцией, описывающей зависимость скорости генерации неравновесных носителей заряда от глубины. Распределение скорости генерации неравновесных электронно-дырочных пар по глубине для 1и8Ъ, покрытого диэлектриком, рассчитывалось методом Монте-Карло [8] с использованием коммерческой программы МОСА81М [9].
Результаты и их обсуждение
На рис. 2 (а-г) представлены изображения в режиме НТ фрагмента линейки образца № 2 и отдельных площадок образцов №№ 2, 3 и 5, изготовленных на основе кристаллов 1пБЪ с различным уровнем легирования (см. таблицу). Здесь и далее следует учитывать, что все результаты для образца № 4 соответствуют аналогичным для образца № 2. Видно (рис. 2а), что собирание генерированных электронным пучком неравновесных носителей заряда происходит, в основном, в пределах площадки, присоединённой к измерительной цепи (яркий контраст). Однако, хотя и в значительно меньшей степени, собирание происходит также с соседних площадок: контраст от них значительно слабее и уменьшается по мере отдаления от исследуемой площадки. Собирание наблюдается и на ОК. Эти данные свидетельствуют о формировании вблизи границы раздела п-1пБЪ с диэлектриком инверсионного канала, посредством которого соседние площадки последовательно подсоединены к анализируемой площадке. По-видимому, инверсионный канал образуется за счёт увеличения отрицательного заряда, накапливаемого на защитной плёнке при электронном облучении, поскольку взаимосвязь между соседними площадками, а значит, и канал между ними отсутствует при измерении сигналов от светового зонда.
Наличие собирания носителей на ОК свидетельствует о заметном сопротивлении легиро-+
ванного р -слоя, делающем при используемом уровне наведенного тока малоэффективными замыкания, осуществляемые только по краям и в центральной части ОК.
На изображениях, представленных на рис. 2б, 2в, 2г, видно, что имеет место значительное собирание неравновесных носителей заряда за пределами легированной ^-области площадки в области «рамки», внутренняя граница которой соответствует планарной границе площадки, а внешняя граница - примерно середине расстояния между ближайшими площадками и между площадкой и ОК. Это свидетельствует о собирании неравновесных носителей из-за планар-+
ных границ р -п-переходов и о равновероятном растекании носителей, генерируемых между
+
р -п-переходами, к этим переходам, что соответствует также данным измерений с применением оптического зонда. Следует подчеркнуть, что в случае более низкоомных кристаллов марки ИСЭ-2 и ИСЭ-3 сигнал НТ в «рамке» (рис. 2в и 2г) заметно выше, чем на площадке, +
где р -п-переход параллелен поверхности, чего
не наблюдается в случае высокоомных кристаллов (марки ИСЭ-1, рис. 2б). По нашему мнению, это отличие обусловлено соотношением между глубиной ^-п-перехода и толщиной приповерхностного наведённого канала в этих образцах. На слаболегированном кристалле марки ИСЭ-1 толщина канала сравнима с глубиной ^-п-перехода, поэтому выходящая на
+
поверхность вертикальная граница р -«-перехода практически не изменяет сигнал (рис. 2б). С большой толщиной канала согласуется и достаточно широкая область собирания неравновесных носителей заряда. На кристаллах марки ИСЭ-2 и ИСЭ-3 со средним и высоким уровнями легирования наблюдается повышение сигнала НТ вблизи края ^+-п-перехода, что свидетельствует о том, что глубина ^-п-перехода в них больше толщины приповерхностного канала.
На рис. 3 для площадок фотодиодов всех вариантов технологии представлены зависимости наведённого тока, нормированного по величине тока зондирующего пучка и энергии электронов, от энергии электронов. Эти зависимости отражают эффективность собирания носителей, генерированных на различных глубинах. При этом следует иметь в виду, что при изменении энергии от 10 до 38 кэВ проекционная глубина проникновения электронов увеличивается примерно от 0.4 до 5 мкм. Заметный сигнал НТ появляется при энергии электронов около 10 кэВ, что соответствует их проникновению на глубину, несколько превышающую толщину диэлектрического покрытия. При увеличении энергии до 20 кэВ наведённый ток возрастает достаточно круто, а при больших энергиях стремится к насыщению. Расчёт экспериментальных зависимостей показал, что диффузионная длина электронов в ^ -слое составляет ~ 0.5 мкм; диффузионные длины дырок в базе образцов № 1, № 2 и № 3 превышают 10 мкм, а в базе образца № 5 составляет около 5 мкм.
Сопоставление данных рис. 3 и таблицы свидетельствует о том, что в случае наиболее мелкого ^-п-перехода и наиболее высокоомного кристалла (образец № 2) сигнал НТ имеет самые высокие значения при всех энергиях электронов. Это соответствует наилучшим структурным свойствам р -п-перехода, который был получен на наиболее высокоомном кристалле при наименьших энергии и дозе имплантации ионов бериллия при использовании ИФО. Как показывают результаты моделирования соответствующих зависимостей, различия между образцами №№ 1, 2 и 3 могут быть объяснены разной глубиной ^-п-перехода и возможным различием степени структурного совершенства
Рис. 2. Изображения исследуемых образцов в режиме НТ: а - фрагмент линейки образца № 2; б, в, г - площадки образцов № 2, № 3 и № 5, соответственно
металлургической границы ^+-и-перехода. Низкие же значения сигнала НТ, полученные на образце № 5 (самый низкоомный исходный кристалл), можно объяснить только в предположении, что существенная часть генерированных носителей рекомбинирует в ^-«-переходе и не даёт вклад в сигнал НТ. Эти данные качественно соответствуют результатам измерений диффузионной длины в базе и фотоэлектрических сигналов и свидетельствуют о том, что при аналогичных технологических режимах наибо-
+
лее совершенные ионно-легированные р -«-переходы на 1пБЪ получаются на более высокоомных кристаллах. Для ^р-и-переходов на кремнии
такой результат известен (см., например, данные работы [10]).
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 в случае материалов марки ИСЭ-2у и ИСЭ-3 и серийной технологии (образцы № 3 и № 5) значения в пределах 8-10 мкм. В случае материала марки ИСЭ-1 (образцы № 1 и № 2) измеренные зависимости сильно искажены из-за наличия инверсного ^р-слоя в зазоре между площадкой и ОК. При этом характер искажения определяется эффективностью зарядки поверхности электронным пучком, что, в свою
Еь, кэВ
Рис. 3. Зависимости сигнала НТ исследуемых образцов, нормированного по току зондирующего пучка и энергии электронов, от энергии электронов (указаны номера образцов).
х, мкм
Рис. 4. Распределение сигнала НТ по координате в зазоре между площадкой и ОК; х = 0 соответствует границе площадки, присоединённой к измерительной схеме (указаны номера образцов)
очередь, определяется концентрацией ловушек на границе Іп8Ь - анодная окисная плёнка.
Следует отметить, что возможное влияние инверсного слоя на поверхности образцов № 3 и № 5 также может несколько искажать значения диффузионной длины за пределами планарных границ _р+-«-перехода в этих образцах.
Заключение
Таким образом, показано, что исследования методом НТ позволяют получить важную информацию о свойствах фотодиодов на основе
1п8Ъ. Проведённые исследования многоплоща-
+
дочных р -п-переходов с единым закороченным охранным кольцом, изготовленных на кристаллах 1п8Ъ с применением имплантации ионов бериллия и анодного окисления для защиты поверхности, выявили следующее:
• лучшие свойства металлургической гра-
+
ницы р -п-перехода характерны для имплантации ионов с наименьшими энергией и дозой при применении импульсного фотонного отжига;
• при аналогичных условиях изготовления более совершенные имплантационные ^+-п-пе-
реходы получаются на более высокоомных кристаллах марки ИСЭ-1 и ИСЭ-2у, чем на кристаллах марки ИСЭ-3;
• диффузионная длина дырок в базе для исходных кристаллов марок ИСЭ-1 и ИСЭ-2у составляет не менее 10 мкм, а для кристаллов марки ИСЭ-3 - около 5 мкм; диффузионная длина вблизи поверхности за пределами планарной границы р-и-перехода составляет 8-10 мкм независимо от марки использовавшихся кристаллов.
Список литературы
1. Астахов В.П., Гиндин Д.А., Карпов В.В.// Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. № 6. С.72.
2. Астахов В.П., Борисов С.Р., Варганов С.В. и др. Патент 8И 1589963 А1 от 17.01.1995.
3. Астахов В.П., Дудкин В.Ф., Кернер Б.С. и др. // Микроэлектроника. 1989. Т. 18. Вып. 5. С. 455.
4. Якимов Е.Б. // Зав. лаб. 2002. Т. 68. С. 63.
5. Wu C.J., Wittry D.B. // J. Appl. Phys. 1978. V. 49. P. 2827.
6. Kuiken H.K., van Opdorp C. // J. Appl. Phys. 1985. V. 57. P. 2077.
7. Donolato C. // Appl. Phys. Lett. 1985. V. 46. P. 270.
8. Bielajew A.F. Fundamentals of the Monte Carlo method for neutral and charged particle transport. Ann Arbor: The University of Michigan, 2001. P. 348.
9. Reimer L. Monte Carlo simulation MOCASIM. Software manual. Alte Schanze 22, D-48159 Munster, Germany.
10. Астахов В.П., Гиндин Д. А., Карпенко Е.Ф. и др. // Прикладная физика. 2000. № 3. С. 115.
INVESTIGATION OF MULTIELEMENT LOW-SIZE ION-IMPLANTED PHOTODIODE STRUCTURES ON InSb CRYSTALS BY ELECTRON BEAM INDUCED CURRENT METHOD
V.P. Astakhov, V.G. Zinoviev, V.V. Karpov, A.D. Maksimov, E.B. Yakimov
Multielement planar photodiode structures produced on InSb crystals using Be+ ion implantation to form the p+-«-junction and anodic oxidation to protect the surface have been studied by the Electron Beam Induced Current (EBIC) method using a scanning electron microscope. It has been found that the initial crystal doping level affects the EBIC distribution across the crystal surface outside the planar p+-«-junction boundaries. The most perfect p+-«-junctions have been shown to be formed on the most high-ohmic crystals at the least implantation energies and doses used together with the pulse photon postimplantation annealing. The diffusion length values in all the types of the structures studied have been estimated.
Keywords: InSb, implantation, induced current, anodic oxidation, postimplantation annealing.
