Научный архив: статьи

При разработке и изготовлении новой БИС иногда возникает необходимость редактирования схемы или топологии кристалла с целью улучшения его параметров. Рассмотрены методы коррекции топологии кристаллов, используемые для устранения ошибок при разработке и проектировании БИС. Представлены достоинства и недостатки методов коррекции.

В работе рассмотрены основные источники металлических примесей, ухудшающих темновые токи кремниевых фотодиодов. С использованием методов спектрального, нейтронно-активационного анализа (НАА) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) показано, что основным источником примеси переходных элементов, прежде всего железа, является газовая атмосфера реактора, которая загрязняется из аппаратуры для проведения термодиффузионных процессов. Также установлено, что концентрационные профили межузельного железа, полученные методом ЭПР, и термодоноров в кремнии р-типа близки, что свидетельствует об основной роли Fe i 0 в образовании последних. Применение двухстенных реакторов, операций геттерирования примесей и медленного охлаждения образцов после высокотемпературных операций позволяет существенно снизить темновые токи фотодиодов.

При создании фотоприемных устройств УФ- и ИК-диапазонов используются кристаллы, изготовленные из разных материалов. Гибридизация разнородных подложек осуществляется методом перевернутого кристалла с помощью сформированных на каждом кристалле индиевых микроконтактов. Рассмотрены методы гибридизации кристаллов с разной формой индиевых микроконтактов. Исследовано влияние формы микроконтактов на надежность гибридизации кристаллов.

Исследованы вольтамперные характеристики (ВАХ) отдельных фотодиодов матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) планарного типа на основе гетероэпитаксиальной структуры р-InP/InGaAs/n-InP формата 320256 элементов с шагом 30 мкм и размером фоточувствительной площадки 2020 мкм2. При подаче смещения на отдельные ФЧЭ получены большие значения темновых токов и фототоков при слабых засветках, что свидетельствует о наличии связи с соседними элементами. Подача напряжения одновременно на соседние площадки (измерение в режиме “охранного кольца”) приводила к уменьшению темнового и фототока, и при напряжении обратного смещения от -2 до -6 В для различных образцов, величина темнового тока составляла менее 1 пА, а фоточувствительность 0,8 А/Вт. Дано качественное объяснение механизма взамосвязи между элементами наличием инверсионного слоя на гетероэпитаксиальной границе.

Приведены результаты работы по улучшению параметров кремниевых координатных фотодиодов (ФД). Показано, что введение в технологический маршрут операции геттерирования диффузионным слоем фосфора приводит к существенному уменьшению темновых токов, что связано с резким снижением концентрации глубокого ГРЦ, определяющего темновой ток в ФД, изготовленных без применения данной операции. Приведены типичные параметры ФД.

Приведены соотношения, определяющие требования к сопротивлению инверсионного слоя для уменьшения влияния тока охранного кольца на темновой ток и шумы фотодиодов, и получения заданного значения коэффициента взаимосвязи между ФЧЭ в многоэлементных ФД. Показано, что зависимости тока охранного кольца от напряжения смещения и заряда на границе раздела Si—SiO2 при наличии инверсионного слоя удовлетворяют модели генерации тока в его области пространственного заряда. Сопротивление инверсионного слоя возрастает с ростом напряжения смещения в соответствии с зависимостью Rи ~V 1,5.

Используя сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов на основе модели процессов геттерирования, показано, что основным механизмом геттерирования генерационно-рекмбинационных центров (ГРЦ) при диффузии фосфора является формирование ионых пар P+-Fe2-. При диффузии бора основным геттером является слой боросиликатного стекла. Определены зависимости эффективности геттерирования от параметров процесса.

Исследован механизма образования тока утечки в р+–n-переходах фотодиодов при наличии локальных дефектов. Рассмотрены закономерности образования локальных дефектов в диэлектрических слоях с целью определения условий, снижающих их плотность. На пластинах монокристаллического кремния (Cz-Si) n-типа диаметром 100 мм с удельным сопротивлением 4–5 Омсм и ориентацией (100) изготавливались элементы (ФЧЭ) с размером площадок 1,41,4 мм2. Технологический цикл изготовления включал операции окисления в парах H2O + HCl, фотолитографии, загонки (осаждения) бора из BN, диффузии бора и диффузии фосфора в различных режимах. В качестве источника диффузанта при диффузии фосфора использовались как жидкие источники POCL3 и PCL3, так и твердый источника – пластины метафосфата алюминия (МФА) (Al2O3, 3P2O5). Установлено, что вольт-амперная характеристика (ВАХ) кремниевых фотодиодов с аномальными «мягкими» характеристиками определяется туннельным механизмом протекания тока. Применение оптимальных режимов геттерирования приводит к резкому снижению количества фоточувствительных элементов с аномальными ВАХ.

При гибридизации кристаллов БИС считывания и матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) методом перевернутого монтажа используются индиевые микроконтакты, создаваемые на обоих кристаллах. В статье рассмотрена модифицированная топология индиевых микроконтактов, позволяющая повысить надежность гибридизации кристаллов. Проведены первые стыковки индиевых микроконтактов предложенной топологии, представлены фотографии расстыкованных образцов.

Проанализированы особенности построения архитектур лавинных фотодиодов с разделенными областями поглощения (InGaAs) и умножения (InAlAs). Рассмотрены две архитектуры: p+–M–с–i–n+ и p+–i–с–M–n+-типа, реализованные в гетероструктурах (ГЭС) InGaAs/InAlAs/InP. Обязательными для каждой архитектуры являлись три основных слоя: поглощающий (i), зарядовый (c) и умножающий (М). На основе данных ГЭС InGaAs/InAlAs/InP, выращенных методом МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ), формировались матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ). Исследования вольтамперных характеристик лавинных элементов в матрицах позволило рассчитать коэффициенты умножения фототока, которые в диапазоне обратных напряжений смещения U = 8—14 В изменялись от 1 до 18—25.

В результате рассмотрения структуры лавинного фотодиода на основе InGaAs/InP с раздельными областями поглощения и умножения проведена оценка дозы легирующей примеси в зарядовом слое, допустимый диапазон значений которой при заданном коэффициенте умножения определяется толщиной области умножения и напряженностью поля в области поглощения. Показано, что для снижения рабочего напряжения ЛФД необходимо уменьшать толщины слоя умножения и зарядового слоя. При этом ограничением для толщины слоя умножения является допустимая напряженность поля, а для зарядового слоя при оптимальной дозе – точность воспроизведения его толщины.

Методом спада фотопроводимости -PCD в образцах кремниевых пластин n-типа, выращенных методом Чохральского, обнаружены кольцевые неоднородности в распределении времени жизни неосновных носителей заряда, отсутствующие или слабо выраженные в кремнии р-типа. Средняя величина указанных неоднородностей возрастает при проведении термических операций при изготовлении фотодиодов. Обнаруженные кольцевые неоднородности в распределении времени жизни коррелируют с неоднородностями в распределении фото- и темнового тока фотодиодов, изготовленных на исследованных пластинах.