Formation of Dislocations During Phosphorus Doping in the Technology of Silicon p-i-n Photodiodes and their Influence on Dark Currents

Abstract

При виготовленні p-i-n фотодіодів (ФД) на основі кремнію р-типу провідності встановлено, що при збільшенні часу дифузії фосфору суттєво знижується відсоток виходу придатних виробів. До 10 % складає брак по зовнішньому вигляду, решта – по розкиду рівнів темнових струмів фоточутливих елементів (ФЧЕ) одного ФД. Імовірною причиною описаного міг бути нерівномірний розподіл дефектів по ФЧЕ, спричинений збільшенням концентрації домішки фосфору. Даний факт потребував додаткового дослідження для визначення причини появи нерівномірного розподілу темнових струмів та встановлення оптимальної концентрації домішки, яка б забезпечувала низький темновий струм при мінімальному розкиді. Для дослідження впливу поверхневого опору n+-шару на концентрацію дислокацій та їх розподіл було виготовлено ФД із різною тривалістю дифузії фосфору, відповідно із різним значенням поверхневого опору. Для виявлення природи розкиду темнових струмів по фоточутливих елементах, браковані кристали досліджувались із застосуванням селективного травлення. Встановлено, що умови виникнення структурних дефектів в межах одного злитка можуть бути неоднакові за рахунок розкиду питомого опору. Досліджено залежність густини дислокацій від поверхневого опору після дифузії фосфору. Аналітично вирахувано внесок дислокацій в генераційну та поверхневу складові темнового струму Побачено, що ФЧЕ, які володіли підвищеним рівнем темнового струму, була притаманна підвищена концентрація дислокацій порівняно із характерною густиною для придатних кристалів при даному поверхневому опорі. Фактичними причинами нерівномірності розподілу дислокацій є нерівномірність розподілу точкових дефектів, згенерованих при окисленні та наявність мікродефектів утворених під час механічного чи хіміко-динамічного полірування. При накладанні локально підвищеної кількості "ростових" дефектів та точкових дефектів, набутих у процесі механічних, хімічних чи термічних операцій, спостерігаються критичні несправності та розкиди темнових струмів з максимальними значеннями.

In the manufacture of p-type silicon-based p-i-n photodiodes (PDs), it was found that when the time of phosphorus diffusion increases, the yield of fit products significantly decreases. Up to 10 % are the rejects as to external appearance, the rest – as to the spread of dark current levels of PD responsive elements (REs), since the double spread of dark currents is considered a defect. Probably, the above occurrence might be caused by non-uniform distribution of defects across REs because of the increase in phosphorus impurity. An additional investigation was required to find out the cause of non-uniform distribution of dark currents and to establish the optimal concentration of impurities, which would provide for a low dark current with minimum spread. To study the effect of the surface resistance of the n+-layer on the concentration of dislocations and their distribution, PDs were made with different duration of the predeposition, accordingly, with different values of the surface resistance. To reveal the nature of the distribution of dark currents on REs, defective crystals were studied using selective etching. It was established that conditions for the occurrence of structural defects within one ingot may be different due to the spread of specific resistance. The dependence of the dislocation density on the surface resistance after phosphorus diffusion was studied. It was noted that REs of a high level of dark currents were characterized by an increased concentration of dislocations as compared to the characteristic density for good crystals at a given surface resistance. The actual reasons for the dislocations distribution non-uniformity are the irregular distribution of point defects generated during oxidation and the presence of microdefects formed during mechanical or chemical-dynamic polishing. When locally increased numbers of growth defects and point defects acquired during the mechanical, chemical or thermal operations are superimposed, critical faults and spread of dark currents with maximum values are observed.