DE2734726A1

DE2734726A1 - Verfahren zum herstellen von siliciumphotodioden

Info

Publication number: DE2734726A1
Application number: DE19772734726
Authority: DE
Inventors: Adrian Ralph Hartman; Hans Melchior; David Paul Schinke; Richard Grant Smith
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1976-08-06
Filing date: 1977-08-02
Publication date: 1978-02-09
Also published as: GB1561953A; FR2360998B1; JPS6155791B2; FR2360998A1; JPS5341193A; DE2734726C2; CA1078948A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Photodioden, insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung von η -p-ftt-p -Silicium-Avalanchephotodioden oder von η -JT-p -Siliciumphotodioden des p-i-n-Typus.

Das Aufkommen des Lasers und die damit verknüpfte Aussicht auf seine Verwendung als Trägerquelle für optische Nachrichtenübertragung hat großes Interesse an der Entwicklung Photodetektoren stimuliert, die gegenüber schwachen Signalen hochempfindlich sind und gegenüber Lichtintensitätsmodulationen ein schnelles Ansprechverhalten zeigen. Ein optischer Empfänger, der üblicherweise einen Photodetektor und einen Verstärker an seinem Ausgang enthält, sollte nach H. Melchior, "Journal of Luminescence", Band 7, Seiten 390-414 (1973) gewisse allgemeine Betriebskriterien erfüllen, nämlich:

1. großes Ansprechverhalten (Quantenwirkungsgrad) bei der Wellenlänge des einfallenden optischen Signals;

2. ausreichend elektrische Bandbreite (d. h. Ansprechgeschwindigkeit) , um an die Informationsbandbreite angepaßt zu sein, und

3. minimales überschüssiges Rauschen, das durch den Nachweis- und Verstärkungsprozeß eingeführt wird.

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Ein üblicher Photodetektor-Typus ist eine Photodiode, die als wesentliches Element eine Verarmungs-Halbleiterzone mit hoher elektrischer Feldstärke (Hochfeldzone) aufweist, die zur Trennung der durch Band-zu-Band-Anregung photonisch angeregten Elektronen/Löcher-Paare dient. Hochgeschwindigkeitsphotodioden sind üblicherweise mit einer sehr niedrigen Impedanz verbunden, um es den photonisch angeregten Ladungsträgern zu ermöglichen, im Laststromkreis einen Photostrom zu induzieren, während sie sich durch die Hochfeldzone bewegen. Photodioden, die zum Nachweis von sichtbarem Licht und von Strahlung im nahen Infraroten dienen, werden üblicherweise mit vergleichsweise hohen Sperrspannungen betrieben, um die Ladungsträgerdriftzeit zu reduzieren und die Diodenkapazität zu erniedrigen, ohne übermäßig hohe Dunkelströme einzuführen (siehe Melchior, supra, Seite 397). Beispielsweise dringt bei einer in Sperrrichtung betriebenen und auf der p-Seite mit Strahlung beaufschlagten p-i-n-Photodiode die nicht an der Oberfläche reflektierte Strahlung bis zu einer gewissen Tiefe in das Photodiodenmaterial ein, bevor sie absorbiert wird und Photoladungsträger erzeugt. Elektronen und Löcher, die innerhalb der Hochfeldzone des Überganges (i-Schicht) erzeugt werden, und die Minoritätsladungsträger , die von den p- und η-Schichten vor Rekombination zum übergang diffundieren, werden in der

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Hochfeldzone gesammelt und tragen zum Photostrom bei.

Der tatsächliche Quantenwirkungsgrad und die Ansprechgeschwindigkeit von Photodioden hängen stark von der Betriebswellenlänge und von Aufbau und Material der Diode ab. Beispielsweise werden Siliciumphotodioden vorzugsweise im nahen Ultravioletten und im Infraroten bis zu etwa 1um Wellenlänge benutzt. Siliciumphotodioden müssen aber wegen der'sich stark ändernden Lichteindringtiefe für jede interessierende Wellenlänge optimal angepaßt werden (siehe Melchior, supra, Seite 400). Die Ansprechgeschwindigkeit wird bei den größeren Wellenlängen reduziert, wenn die Breite der Hochfeldzone zunimmt.

Dunkelströme in Photodioden begrenzen die Empfindlichkeit gegenüber schwachen Lichtsignalen und können entweder im Innern oder an der Oberfläche entstehen. Oberflachenleckströme, die speziell bei Siliciumphotodioden hohen spezifischen Widerstandes ein Problem sind, können durch spezielle Oberflächenbehandlungen und verschiedene Schutzringanordnungen reduziert werden. Andererseits sind aus dem Innern herrührende Leckstörme bei Siliciumphotodioden hauptsächlich die Folge einer Ladungsträgererzeugung innerhalb der Raumladungsschicht. Für sorgfältig ge-

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arbeitete Siliciumdioden sind Dunkelströme bis herab

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zu 10 bis 10 A pro mm Verarmungsvolumen erreicht worden (siehe Melchior, supra, Seite 405) .

Ein besonders brauchbarer Photodiodentyp ist die Avanalcheghotodiode (APD) , die den Nachweis optischer Signale mit interner PhotostromverStärkung kombiniert. Eine interne Stromverstärkung findet in einer APD statt, wenn die Ladungsträger ausreichend Energie durch ihre Bewegung in einer Hochfeldzone eines stark in Sperrrichtung vorgespannten Überganges erreicht haben, um neue Elektronen/Löcher-Paare im Wege eines Stoßionisationsmechanismus freizusetzen. Die Stromverstärkung einer APD schwankt wegen der statistischen Natur des Ladungsträger-Vervielfachungsprozesses. Selbst für räumlich gleichförmige Avalanchezonen geben die statistischen Verstärkungsschwankungen Anlaß zu einem Überschußrauschen über das vervielfachte "Schuß"-Rauschen hinaus und ist üblicherweise an Hand eines überschußrauschfaktors gekennzeichnet, der gegeben ist durch

M >

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Hierin bedeutet <i„ > das mittlere Rauschstromstärkenquadrat am Ausgang der APD geteilt durch das mittlere

Rauschquadrat <i . > des primären Photostroms mal dem Quadrat der durchschnittlichen Verstärkung M. Bei einer Silicium-APD ist die Ionisationsrate Λ für Elektronen viel größer als die Ionisationsrate ß für Löcher (d. h. ß/<*. liegt zwischen 0,02 und 0,2); folglich nimmt F(M) viel rascher für Löcherinjektion als für Elektroneninjektion zu (siehe Melchior, supra , Seite 409) . Diese Erwägung legt nahe, daß eine η -p-lf-p Silicium-APD rückseitig beleuchtet werden kann (d. h. daß der Lichteinfall auf die vom übergang entferntgelegene ρ -Schicht erfolgt derart, daß Elektronen in die Vervielfachungszone injiziert werden), statt von vorne beleuchtet zu werden (d. h. daß der Lichteinfall auf die η -Schicht in der Nähe des Überganges derart erfolgt, daß Löcher gleichfalls in die Vervielfachungszone injiziert werden). Die Anwendung dieses Prinzips beim Entwurf einer η -ρ-Jt-ρ -Silicium-APD ist in der Arbeit "An Optimized Avalanche Photodiode" von H. W. Ruegg in "IEEE Transactions on Electron Devices", Band ED-14, Nr. 5, Seiten 239-251 (1976), beschrieben. Bei dieser APD-Art, die insbesondere für Hochgeschwindigkeitsnachweis bei GaAs-Laser-Wellenlängen brauchbar ist, ist eine Ladungsträgervervielfachung auf

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die schmale n⁺-p-Zone beschränkt, und die breitere JV-Zone wirkt hauptsächlich als ein Kollektor für photonisch angeregte Elektronen, die von auf die ρ -Schicht einfallendem Licht erzeugt werden. Ruegg führt ( supra auf Seite 247, Spalte 1) aus, daß "das optimalisierte Bauelement erfordert, daß die beleuchtete Oberfläche (die ρ -Schicht) dem p-n -Übergang entgegengesetzt gelegen sein muß, um eine reine Elektroneninjektion in die Vervielfachungszone sicherzustellen". Folglich verlangt er, daß "in diesem Fall die Gesamtdicke des Bauelementes in der Größenordnung der Eindringtiefe des nachzuweisenden Lichtes liegen muß" (20 bis 30 um für GaAs-Laser-Wellenlängen). Er fährt dann fort, daß, "weil Plättchen dieser Dicke nicht zu handhaben sind, es die einzige naheliegende Lösung war, lokale Vertiefungen (an den Stellen der Vorrichtungen) in ein wesentlich dickeres Siliciumplättchen einzuätzen". Leider erhöht die Notwendigkeit, gleichförmig dicke Hohlräume zu ätzen oder, äquivalent hierzu, das Substrat durch Läppen in der Dicke zu verringern, die Herstellungskosten für diesen APD-Typ wesentlich. Eine Kostenzunahme resultiert auch aus dem Umstand, daß die in der Dicke geschwächten Plättchen schwierig zu handhaben sind, leicht brechen, zu Verwerfungen neigen und eine Maskenausrichtung ebenso erschweren wie den schließlichen Einbau in die Verkapselung.

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Eine Alternative ist daher die, das Bauelement auf einer dicken ρ -Zone zu erzeugen und mit vorderseitiger Beleuchtung durch die η -Schicht zu arbeiten, so daß das Plättchen nicht in der Dicke geschwächt zu werden braucht. Wie erwähnt, tritt aber hier eine gemischte Löcher- und Elektroneninjektion mit einem begleitenden Rausch-Zuwachs auf. Bei bekannten vorderseitig beleuchteten η -p-JT-p -Silicium-APD's (siehe US-PS 3 886 579) waren die Bauelemente noch nicht hinsichtlich der Reduzierung des Uberschußrauschens optimalisiert, ebenso nicht hinsichtlich niedriger Leckströme und Langzeitstabilität. Es ist daher fraglich, ob solche Vorrichtungen in einem optischen übertragungssystem überhaupt brauchbar ist, bei dem die Empfängerempfindlichkeit typischerweise bei -55 dBm (z. B. bei einer Wellenlänge von 0,825 um und einem Datenfluß von 44,7 Megabit/sec.) gelegen ist. Natürlich würde man dann wünschen, das Rauschverhalten und die Dunkelströme in einer zuverlässigen APD zu reduzieren, ohne daß hierzu ein übermäßig komplexes Verfahren angewandt werden müßte, so daß die generell niedrigeren Kosten und Handhabungsvorteile einer vorderseitig beleuchteten APD ausgenutzt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, Siliciumphotodioden wie η -ρ-ί*-ρ -APD's und η -ίϊ-ρ -Dioden vom p-i-n-Typus herzustellen, die vorderseitig beleuchtbar sind, ohne daß hier-

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bei übermäßiges Rauschen, insbesondere Uberschußrauschen bei APD's in Kauf zu nehmen ist, und zugleich Vorsorge insbesondere dafür getroffen ist, daß bei vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten die Diode während der Fabrikation leicht zu handhaben ist, hohen Quantenwirkungsgrad, kurze Ansprechzeit, niedrige Dunkelströme und gute Zuverlässigkeit besitzt sowie - im Falle einer p-i-n-Photodiode - niedrige Kapazität hat und bei niedrigen Spannungen betrieben werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen angegeben.

Hiernach wird mit anderen Worten eine vorderseitig beleuchtbare Silciumphotodiode bevorzugt hergestellt durch: 1. Aufwachsenlassen einer epitaktischen tt-Siliciumschicht hohen spezifischen Widerstandes auf einem p-Siliciumsubstrat hoher Leitfähigkeit und niedriger Versetzungsdichte, 2. Erzeugen eines n-Schutzringes in der Jt-Schicht durch Phosphordiffusion, 3. Erzeugen einer den Schutzring umgebenden p-Kanalstoppzone in der it-Schicht durch Bordiffusion, 4. Einführen von Phosphor in die Rückseite des Substrats zur Getterung von Baufehlern und/oder Verunreinigungen, 5. Erhöhen und Erniedrigen der Ofentemperatur in rampenförmigem Verlauf (temperature ramping) während der Schritte 2, 3 und 4 zur Verringerung von Kristallbau-

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fehlern, 6. Erzeugen einer η -Schicht in der Jt-Schicht, 7. Erzeugen eines Antireflexions/Passivierungsbelages auf wenigstens der η -Schicht und der Zone zwischen Schutzring und Kanalstoppzone und 8. Erzeugen elektrischer Kontakte zum Substrat, zum Schutzring und zur Kanalstoppzone derart, daß der Schutzringkontakt den Oberflächenteil des metallurgischen JV-n-Uberganges und der KanalStoppzonenkontakt den Oberflächenteil des metallurgischen Jl-p-Uberganges überlappen.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich auf die Herstellung einer vorderseitig beleuchteten n⁺-p-Jt-p⁺-Silicium-APD mit hohem Quantenwirkungsgrad (besser als 90% bei GaAs-AlGaAs-Laser-Wellenlängen von z. B. 0,80 bis 0,90 um), kurzen Ansprechzeiten (z. B. eine Nanosekunde), hoher Verstärkung (z. B. M = 100), niedriger Überschußrauschfaktor (z. B. F(M) = 4 bis 6 bei M = 100), niedrigem Dunkelstrom (10~ A) und guter Zuverlässigkeit. Entsprechend dieser Ausführungsform geht das Verfahren nach folgenden Schritten vor sich: 1. Aufwachsenlassen einer etwa 30 bis 60 (im dicken epitaktischen K-Siliciumschicht hohen Widerstandes ( >300 Ohm.cm) auf einem ρ -Siliciumsubstrat hoher

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Leitfähigkeit (die Verwendung epitaktischer Züchtungsmethoden macht das vorliegende Verfahren besonders geeignet für chargenweise Bearbeitung von Plättchen großen Durchmessers (z. B. 76 rom Durchmesser oder darüber) );

2. Erzeugen eines n-Schutzringes in der η-Schicht durch Vorausgehendes Niederschlagen und Eindiffundieren von Phosphor;

3. Erzeugen einer den Schutzring umgebenden p-Kanalstoppzone durch vorausgehendes Niederschlagen und Eindiffundieren von Bor;

4. Implantieren von 30 bis 150 keV Borionen in die J*-Schicht

12 -2 in einer Dosis von etwa 4 bis 6 χ 10 cm ;

5. Hineintreiben der implantierten Borionen durch 2 bis Stunden langes Erwärmen auf etwa 1150 bis 1200⁰C in einer geeigneten Atmosphäre, um eine etwa 2 bis 12 um dicke p-Schicht zu erzeugen;

6. Maskieren der p-Schicht und Einführen von Phosphor in die Rückseite (p-Substrat) von einer POCl.-Quelle oder dergl. durch 30 bis 60 Minuten langes Erwärmen auf etwa 1000 bis 1100⁰C, um Baufehler und/oder Verunreinigungen zu gettern;

7. Erhöhen und Erniedrigen der Ofentemperatur in rampen-

förmigem Verlauf während der Schritte 2 bis 6, um Kristallbaufehler zu reduzieren;

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8. Erzeugen einer 0,1 bis 1,0 Mikrometer dicken n⁺-Dünnschicht in der p-Schicht;

9. Erzeugen eines Antireflex- und Passivierungsbelages aus einer dünnen SiO₂~Schicht auf der η -Schicht und einer eine Viertel Wellenlänge dicken Si₃N₄-Schicht auf der SiO₂-Schicht;

10. Nach Erzeugung der SiO^-Schicht, jedoch vor Erzeugung der SijN.-Schicht erfolgende 10 bis 30 Minuten lange Warmbehandlung bei etwa 850 bis 950° C in einer 1 bis 5% HCl enthaltenden Atmosphäre, um bewegliche ionische Verunreinigungen im SiO₂ zu gettern oder elnzufangen;

11. Erzeugen einer p⁺⁺-Kontaktschicht hoher Leitfähigkeit auf der Rückseite des ρ -Substrates; und

12. Erzeugen elektrischer Kontakte zum Substrat, zum Schutzring und zur Kanalstoppzone derart, daß der Schutzringkontakt den Oberflächenteil des metallurgischen jr-n-Uberganges und der Kanalstoppzonenkontakt den Oberflächenteil des metallurgischen ff-p-Überganges überlappen.

Zusätzlich ist es ein Merkmal des vorliegenden APD-Herstellungsverfahrens, daß die n⁺-Schicht extrem dünn ausgebildet ist, um die Löcherinjektion und damit ein Uberschußrauschen zu reduzieren, das durch auf diese Schicht einfallende Strahlung verursacht wird. Obgleich diese Schicht

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extrem dünn ist, wird ein Kantendurchbruch selbst bei Sperrspannungen von 250 bis 400 V durch die speziell verwendete Schutzringanordnung vermieden.

Ein weiteres Merkmal des vorliegenden APD-Herstellungsverfahrens liegt darin, daß der Ionenimplantationsschritt 4, der Treibschritt 5 und die nachfolgenden Erwärmungsschritte so gegenseitig aneinander angepaßt sind, daß das elektrische Feldprofil in der Vervielfachungszone (der p-Schicht) im wesentlichen dreieckig ist. Dieses Profil liefert einen Ausgleich zwischen den gegenläufigen Effekten feldabhängiger Ionisierungsgeschwindigkeiten und gemischter Injektion von Photoladungsträger in die Hochfeldzone in dem Ausmaß, daß das niedrige Rauschverhalten einer reinen Elektroneninjektion in einem breiten Diffusionstiefenbereich angenähert wird.

Ein weiteres Merkmal des vorliegenden Verfahrens zur Herstellung von sowohl n⁺-p-JV-p⁺ APD's als auch n⁺-Jt-p⁺- Photodioden ist es, daß die Dunkelströme zwei bis drei Größenordnungen niedriger als bisher liegen, und zwar hauptsächlich wegen der HCl-Getterung nach Verfahrensschritt 10 und wegen der P-Getterung nach Schritt 6 in Kombination mit der in Schritt 3 erzeugten Kanalstoppzone .

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Nachstehend ist die Erfindung an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Schrägansicht im Schnitt einer

n⁺-p-it-p⁺-Silicium-APD, die entsprechend einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist,

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung des elektrischen Feldprofils und des Multiplikationsfaktorprofils, wie dieses für eine theoretische APD der in Fig. 1 dargestellten Art errechnet ist, und

Fig. 3 eine Schnittansicht einer η -Λ-ρ -Siliciumphotodiode, die entsprechend einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.

η -p-Jf-p -APD

Von der in Fig. 1 dargestellten Silicium-APD, die entsprechend einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens hergestellt ist,, sei zunächst der Aufbau beschrieben, sodann die Wirkungsweise und Herstellung.
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Die dargestellte APD weist ein ρ -SiIiciumsubstrat 10 auf, auf dem eine yt-Siliciumschicht 12 hohen spezifischen Widerstandes epitaktisch aufgewachsen ist. An der Oberseite der Λ-Schicht 12 ist eine p-Schicht 14 eingebracht, in der eine dünne n⁺-Schicht 16 erzeugt ist. Dieser Teil der Anordnung definiert eine elementare n⁺-p-JT-p -APD, in der die p-Schicht die Vervielfacherzone ist. Beim tatsächlichen Bauelement ist jedoch dessen Aufbau noch an die Anforderungen des Systems anzupassen, für das die APD bestimmt ist. Im einzelnen ist ein n-Schutzring 18 in der f>-Schicht 12, die p-Schicht und die n⁺-Schicht 16 umgebend, erzeugt. Die η -Schicht 16 erstreckt sich seitlich über die p-Schicht 14, um den Schutzring 18 zu überlappen, der einen Kantendurchbruch des η -p-übergangs unter normalen Betriebsbedingungen verhindert. Die η -Schicht dient auch als Kontaktschicht für einen ringförmigen Metallkontakt 20 (Feldplatte) ζ. Β. aus PtSi-Ti-Pt-Au oder Al. Hieran ist der Pluspol einer Vorspannungsquelle (nicht dargestellt) angeschlossen.

Zusätzlich ist eine p-Kanal stopp zone 22 in der rt-Schicht erzeugt. Die Kanalstoppzone umgibt den Schutzring 18 im Abstand und dient zur Verhinderung von Inversionsschichten an der Oberfläche der /t-Schicht 12 hohen spezifischen Widerstandes. Eine ringförmige Metallkontaktierung bzw. Feldplatte (ζ. B. PtSi-Ti-Pt-Au oder Al) ist zur p-Kanalstoppzone 22

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und damit zum p⁺-Substrat 10 hergestellt. Ein Kontaltt/3A / 2 zum Substrat 10 ist auch über eine Metallschicht 26 (z. B. Ti-Au) an der Substratunterseite hergestellt. Eine weitere Metallschicht 30 (z. B. Gold) ist auf einem Montage-Keramikblock 32 erzeugt. Eine leitende Epoxy-Schicht 28 oder dergl. (z. B. ein Lotvorformling) dient zur Befestigung der APD am Block 32. Der negative Anschluß der Vorspannungsquelle ist mit der Metallschicht 30 und, falls gewünscht und wie dargestellt, mit der Kanalstopp-Feldplatte 24 verbunden.

Zur Reduzierung von Ionenansammlungen an oder auf der Oberfläche einer dielektrischen Schicht 35 oberhalb von Obarflächenteilen 34 des metallurgischen p-jt-Übergangs überlappt die Kanalstopp-Feldplatte 24 den Übergangsteil 34 und reduziert dadurch sowohl Rauschen wie auch Leckstrom und verbessert die Betrxebszuverlässigkeit. Aus demselben Grund überlappt die Schutzringfeldplatte 20 den Oberflächenteil 36 des metallurgischen η- rc-übergangs.

Zur Reflexionsverringerung der nachzuweisenden Strahlung 38 ist die η -Schicht 16 mit einem Antireflexionsbelag bedeckt, der aus einer dünnen SiO₂-Schicht 40 und einer eine Viertel Wellenlänge dicken Si₃N₄-Schicht 42 aufgebaut ist. Diese Schichten dienen auch zur Passivierung der Oberfläche. Beachte, daß eine SiO₀- und eine Si,N--Schicht,

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wobei die letztere als Schicht 35 bezeichnet ist, auch zwischen Schutzring und Kanalstoppzone vorgesehen sind, wobei jedoch hier die SiO₂-Schicht dicker ist, da etwas SiO₂ von vorausgegangenen noch zu beschreibenden Verfahrensschritten zurückgeblieben war.

Zum Betrieb legt man eine hinreichend hohe Sperrspannung (typischerweise einige Hundert Volt) an die Kontakte 20 und 30 an, um die JT-Schicht 12 und p-Schicht 14 vollständig hinsichtlich freier Ladungsträger zu verarmen (wobei sich die Verarmung seitlich bis etwa zu den Linien 13 und vertikal herab bis zum Substrat 10 erstreckt), und das aktive Gebiet des Bauelementes, eine kreisförmige Zone 44 in der Mitte des Schutzrings, wird mit der nachzuweisenden Strahlung 38 beaufschlagt. Die Strahlung erzeugt photonisch angeregte Ladungsträger hauptsächlich in der IT-Schicht. Diese Ladungsträger werden in der als Hochfeldzone wirkenden p-Schicht 14 vervielfacht. Elektronen werden in der n⁺~Schicht 16 und Löcher im ρ -Substrat 10 gesammelt. Der resultierende Photostrom fließt in eine an die Kontakte 20 und 30 angeschlossene Last (nicht dargestellt). Da das Bauelement von vorne beleuchtet wird, tritt gemischte Ladungsträgerinjektion auf. D. h., die auf die η -Schicht 16 einfallende Strahlung erzeugt Löcher, die in die p-Schicht injiziert und dort vervielfacht werden; und dieselbe Strahlung, die zur p-Schicht und 3t-Schicht

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durchdringt, erzeugt Elektronen, die in die Vervielfachungszone injiziert werden. Um das niedrige Rauschverhalten einer reinen Elektroneninjektion (d. h. einer rückseitig beleuchteten APD) zu erhalten, wird die η -Schicht sehr dünn gemacht und das elektrische Feldprofil (E) so geformt, wie dieses in Fig. 2 dargestellt ist. D. h. das Feld ist in der η -Schicht nahezu Null, steigt sehr steil in der Nähe des n⁺-p-überganges an und hat in der p-Schicht eine im wesentlichen dreieckige Gestalt. Das Dreieckprofil erzeugt eine Vervielfachung (M) mit extrem niedrigem Rauschen für Elektronen, die nahe der p-JF-Grenzflache (x₂) eintreten, und ebenso ein relativ niedriges Rauschen (im Vergleich zu einem Rechteckfeldprofil) für gemischte Löcher- und Elektroneninjektion in der p-Schicht, die von der vorderseitigen Beleuchtung erzeugt wird.

Es sei bemerkt, daß die Dünne der η -Schicht auch der Verringerung der optischen Absorption in dieser Schicht dient und dadurch einen hohen Quantenwirkungsgrad unterstützt. Andernfalls würde eine beachtliche Anzahl der in der η -Schicht erzeugten Minoritätsladungsträger rekombinieren, bevor diese die Hochfeldzone der p-Schicht erreichen.

Obgleich das Diagramm nach Fig. 2 nur theoretische Berechnungen wiedergibt, waren die zur vorliegenden Erfindung benannten Erfinder in der Lage, die wesentlichen Charakteristika

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dieses Diagrammes in einer η -p-jr-p -Silicium-APD entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens wie folgt zu realisieren.

1. Auf einem p-Siliciumsubstrat 10 niedriger Versetzungsdichte, das mit Bor auf etwa 5 χ 10¹⁷ - 1,2 χ 10¹⁸ cm"³ dotiert war, wurde eine etwa 30 bis 60 μπι dicke Siliciumschicht 12 eines hohen spezifischen Widerstandes (>300 Ohm.cm) epitaktisch aufwachsen gelassen. Vorzugsweise ist die epitaktische Schicht dicker als 35μπι, um wenigstens 95% der durch Strahlung bei einer Wellenlänge von etwa 0,825 um photonisch angeregten Ladungsträger zu sammeln. Die epitaktischen Schichten wurden in einem Reaktor unter Verwendung von Dichlorosilan (SiH₃Cl₂) als die Siliciumguelle gezüchtet. Die Wachstumsgeschwindigkeit war beispielsweise 3,5 um pro Minute bei einer Niederschlagstemperatur von etwa 1100 bis 1200⁰C. Diboran wurde als Dotierstoffquelle benutzt, und vor dem Wachstum wurde eine ein Mikrometer starke HCl-Xtzung in situ bei 1160⁰C durchgeführt. Da diese Schichten hohen Widerstandes auf stark dotierten Substraten gezüchtet werden, muß die Autodotierung aus dem Substrat sorgfältig kontrolliert werden.

2. Sodann wurde auf der eptiaktischen Schicht durch Oxidation des Siliciums in feuchter O₂-ümgebung, beipsiels-

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weise zwei Stunden lang bei 1050⁰C eine SiC^-Schicht erzeugt. Unter Verwendung üblicher Photolithographischer Methoden wurde eine öffnung in das Oxid eingebracht, um die Bildung des Schutzrings 18 zu ermöglichen.

3. Sodann erfolgte eine Phosphordiffusion in die öffnung durch 15 bis 30 Minuten langes vorausgehendes Niederschlagen einer Phosphorglasschicht aus einer POCl--Quelle bei 900 bis 950⁰C durchgeführt. Die Phosphorglasschicht wurde entfernt und der Phosphor wurde in die darunter liegenden Teile der epitaktischen Schicht 12 durch Erwärmen auf 1100 bis 1200⁰C für 30 bis 60 Minuten (nicht kritisch) in einer Atmosphäre von N₂ + 0,1% O₂ eindiffundiert. Zur Reduzierung der in den Schichten erzeugten Kristallbaufehler wurden die Halbleiterbauelemente in einen Ofen verbracht, der bei etwa 900⁰C leer lief. Sodann wurde die Temperatur allmählich (z. B. mit 4 bis 8°C/Minute) auf 1100 bis 1200⁰C erhöht. Aus demselben Grund wurde die Temperatur auf 900⁰C heruntergeregelt, nachdem die Diffusion über die vorgeschriebene Zeit hinweg stattgefunden hatte. Dieser Diffusionsschritt lieferte den n-Schutzring 18.

4. Sodann wurde der Oxidations- und Maskierschritt 2 wiederholt, um eine öffnung für die Kanalstoppzone zu erzeugen.

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, 5. Anschließend erfolgte eine Bordiffusion in die öffnung durch vorausgehendes 1 bis 2 Stunden langes Niederschlagen einer Borglasschicht aus einer BN-Quelle bei 950 bis 975°C. Die Borglasschicht wurde entfernt und das Bor dann in die darunter liegenden Teile der epitaktischen Schicht durch Erhitzen auf 1100 bis 1200⁰C für 30 bis 60 Minuten (nicht kritisch) in einer Atmosphäre von im wesentlichen 100% 0, eindiffundiert. Aus denselben Gründen wie bei Schritt 3 wurde die Ofentemperatur zwischen 900⁰C und der Bor-Eintreibung stemperatur in rampenförmigem Verlauf erhöht und erniedrigt. Dieser Diffusionsschritt lieferte die p-Kanalstoppzone 22.

6. Der Oxidations- und Maskierschritt (2) wurde erneut wiederholt, um eine öffnung zu erzeugen, die dicht beim Schutzring 18 und diesen teilweise überlappend gelegen ist. Sodann wurden Borionen in die Oberfläche der epitaktischen Schicht 12 mit einer Energie von 30 bis 150 keV

12 —2 und einer Dosis von 4 - 6 χ 10 cm implantiert. Die Steuerung der Dosis auf innerhalb ^5% für einen gegebenen Bauelement-Entwurf war besonders wichtig. Wählte man beispielsweise die Dosis zu hoch, so würde der gesamte Erwärmungszyklus (d. h. Zeit und Temperatur aller nachfolgenden Schritte, bei denen Erwärmung stattfindet) auf längere Zeiten und/oder höhere Temperaturen, wenn möglich, zu modifizieren sein. Wenn umgekehrt die anfängliche Dosis 13/14

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zu klein gewählt wäre, würde die Vorrichtung eine sehr kleine Verstärkung und eine hohe Durchbruchspannung haben.

7. Nach der Implantation wurden die Borionen in die epitaktische Schicht durch zwei bis acht Stunden langes Erwärmen auf etwa 1150 bis 1250⁰C in einer Atmosphäre aus 0,1 bis 1,0 % O₂ und Stickstoff oder Argon hineingetrieben. Beispielsweise lieferte dieser Schritt für eine vier Stunden lange Erhitzung auf 1200° C eine etwa 6um dicke p-Schicht 14 (die Vervielfachungszone). Für die angegebenen Verfahrensbedingungen reicht jedoch de.r Dickenbereich für diese Schicht von 2 bis 12 um, mit einem bevorzugten Dickenbereich von 5 bis 7 um für eine APD mit einem Vervielfachungsfaktor M =100 bei 300 V. Wie bei den Verfahrensschritten 3 und 5 wurde die Ofentemperatur in rampenförmigem Verlauf zwischen 900⁰C und der Eintreibungstemperatur erhöht und erniedrigt.

8. Sodann wurde das ganze Plättchen erneut eine Stunde lang bei etwa 1050⁰C oxidiert. Das Oxid wurde dann nur von der Rückseite des Substrats 10 entfernt.

9. Unter Verwendung einer POCl₃ -Quelle wurde dann eine Phosphorglasschicht auf der Rückseite des Substrats 10 erzeugt. Andere Phosphorquellen, z. B. PBr₃, sind für

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diesen Zweck ebenso geeignet wie für die früheren vorgängigen Phosphorniederschläge. Der Phosphor wurde in die Rückseite durch 30 bis 60 Minuten langes Erhitzen auf etwa 1000 bis 1100⁰C in einer Atmosphäre von im wesentlichen aus N, + 0,1% eindiffundiert. Durch die Phosphoratome verursachten Dehnungs und/oder Fehlanpassungsversetzungen waren hinsichtlich einer Getterung von Verunreinigungen (insbesondere von schnelldiffundierenden metallischen Verunreinigungen) und von anderen Defektbildungsstellen wirksam. Dieser Schritt spielte eine bedeutsame Rolle bei der Reduzierung der Dunkelströme in den vorliegenden APD¹s. Wie bei den Verfahrensschritten 3 und 5 wurde die Of en temper a tür -zwischen 900⁰C und der Diffusionstemperatur in rampenförmigem Verlauf erhöht und erniedrigt.

10. Als nächstes wurde die Phosphorglasschicht auf der Rückseite entfernt und das Plättchen wurde. 10 Minuten lang bei etwa 900⁰C erneut oxidiert. Unter Verwendung üblicher photolithographischer Methoden wurde das Oxid maskiert und eine öffnung für die η -Schicht 16 erzeugt.

11. Die η -Schicht 16 wurde durch einen vorgängigen Phosphorniederschlag (d. h. Niederschlag einer Phosphorglasschicht aus einer POCl₃-QUeIIe) erzeugt, gefolgt von einer etwa 20 bis 30 Minuten langen Erwärmung auf etwa 920 bis 930⁰C in einer Atmosphäre von im wesentlichen aus N₂ + 0,1% O₂. Die Glasschicht wurde dann entfernt.

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Dieser Schritt resultierte in einer etwa 0,3 μπι dicken η -Schicht. Nachfolgende Erwärmungsschritte erhöhten die Dicke auf etwa 0,4 um - ein bevorzugter Wert - , obgleich ein Bereich 0,1 bis 1,0 um geeignet ist. Alternativ kann die η -Schicht durch einen vorausgehenden Arsenniederschlag oder durch Arsenionenimplantation, gefolgt von einem Hineintreiben, erzeugt werden. Mit diesem Schritt wird das vorher implantierte Bor kompensiert und dadurch die Tiefe des p-n⁺-Uberganges bestimmt. Zeit und Temperatur sind kritisch, weil tiefere Diffusionen die Gesamtladung in der p-Schicht reduzieren und die Durchbruchsspannung erhöhen. Zusätzlich erzeugt dieser Schritt in Verbindung mit den Implantations- und Hineintreibschritten 6 und 7 das gewünschte dreieckige elektrische Feldprofil.

12. An dieser Zwischenstufe des Verfahrens wurden die Bauelemente geprüft, um ihre Stromspannungskennlinien und Leckströme zu messen. Die die Sollwerte erfüllenden Dioden wurden der nachfolgenden Verarbeitung unterworfen. Jene, die die Solldaten nicht erreichten, sondern in der kritischen p-Schicht überdotiert waren, wurden in dem Bestreben erhitzt, sie auf die Solldaten zu bringen. Erneutes Prüfen und Erwärmen kann wiederholt werden, bis die Bauelemente die Solldaten erreichen.

13. Die die Solldaten erfüllenden Bauelemente wurden mit einer dünnen (etwa 10 bis 20 nm dicken) SiO₂~Schicht 40 im allgemein bekannten Trockenoxidationsverfahren beschichtet.

14. Sodann wurde die SiO₂-Schicht einer 10 bis 30 Minuten langen Warmbehandlung bei etwa 850 bis 950⁰C in einer Atmosphäre von 1 bis 5% HCl in N₂ unterworfen. Dieser Schritt ist zur Reduzierung des Leckstroms wichtig, da hierbei bewegliche Ionen wie Na-Ionen im Oxid wirksam gegettert oder eingefangen werden.

15. Nach der Getterung wurde eine eine Viertel Wellenlänge dicke Si₃N₄~Schicht 42 (etwa 100 nm für λ gemessen im Material) auf die SiO.-Schicht 40 im Dampfreaktionsniederschlagsverfahren niedergeschlagen. Die Schichten 40 und 42 dienten zur Passivierung des Bauelementes gegen äußere Verunreinigungen und - im vom Schutzring 18 eingeschlossenen aktiven Bereich als Antireflexionsbelag.

16. Als nächstes wurden in den Schichten 40 und 42 Kontaktfenster für die Schutzring- und Kanalstopp-Feldplatten 20 bis 24 eingebracht.

17. Das anfänglich etwa 500 μπι dicke Substrat wurde dann rückseitig geätzt oder geläppt, um etwa 75um Material und damit die Phosphorschicht zu entfernen, die durch die

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früheren Diffusionsschritte (ζ. B. den Getterungsschritt 9) erzeugt war. Zur Reduzierung des Kontaktwiderstandes wurden in die Rückseite Borionen mit etwa 30 bis 50 keV in einer

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Dosis von (2-4) χ 10 ³ cm implantiert. Die Borionen wurden dann durch 30 bis 60 Minuten langes Erwärmen auf etwa 750 bis 800⁰C in Stickstoffatmosphäre aktiviert.

18. Unter Verwendung einer Maskierung wurde Metall zur Bildung der Schutzring- und Kanalstopp-Feldplatten 20 bzw. 24 aus einer PtSi-Ti-Pt-Au-Metallisierung niedergeschlagen. Um eine Ionenansammlung an den Oberflächenteilen 34 und 36 der iV-p- und JP-n-Ubergänge zu vermeiden, wurden diese Feldplatten so ausgebildet, daß sie diese metallurgischen Übergänge überlappen. Da die Oxid-Nitrid-Schichten über diesen Zonen dünn sind und da hohe Sperrspannungen angelegt werden, würde ohne diese Überlappung ein Impulsrauschen infolge von Oberflächenmlkroplasmen und/oder Leckstrom resultieren.

19. Das Bauelement wurde dann etwa 16 bis 24 Stunden lang bei 300 bis 320⁰C in einer Atmosphäre aus N₃ + 8 bis 15%

H_ getempert, um die Oberflächenzustandsdichte zu reduzieren und das Gold in den Kontaktgebieten zur Verbesserung der Lötbarkeit zu tempern.

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20. Schließlich wurde eine Ti-Au-Legierungsschicht 26 auf das Substrat 10 niedergeschlagen. Unter Verwendung einer leitenden Epoxyschicht 28 wurde die APD an der Goldschicht 30 des keramischen Mcntageblocks 32 befestigt.

Unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens wurden H⁺-P-Jf-P⁺-SiIiCiUm-APD¹S mit beispielsweise folgenden Daten hergestellt: Das ρ -Substrat 10 war 500(im dick; die epitaktische tt-Schicht 12 war 50μπι dick und hatte einen spezifischen Widerstand von mehr als 300 Ohm.cm; die ionenimplantierte p-Schicht 14 war etwa 6 μπι dick und hatte ein im wesentlichen dreieckiges elektrischen Feldprofil; und die η -Schicht 16 war etwa 0,4μπι dick. Der Durchmesser der aktiven Zone 44 war etwa 100μΐη, der Innen- und Außendurchmesser des Schutzrings 18 betrug 180 bzw. 290 um, während die entsprechenden Werte des Kanalstopps 22 bei 350 bzw. 460 μπι lagen.

Die Strahlung eines bei Zimmertemperatur im Dauerstrichbetrieb bei λ = 0,825 μπι stimuliert emittierenden GaAs-AlGaAs-Ubergangslasers mit Doppelheterostruktur wurde über eine optische Faser auf den aktiven Bereich der APD gekoppelt.

Diese APD wurde zwischen voller Verarmung der p-Schicht und If-Schicht 12 bei 100V und Durchbruch bei 375 V betrieben.

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In diesem Spannungsbereich konnten Stromverstärkungen von fünf bis mehrere hundert erreicht werden. Bei einer Verstärkung von hundert war der Uberschußrauschfaktor nur 4 bis 6 über der Schußrauschgrenze. Der Gesamtdunkelstrom betrug nur etwa 10 A und jener Teil, der eventuell vervielfacht wird, lag etwa bei 10~ A. Der Quantenwirkungsgrad lag oberhalb 95% und die Ansprechgeschwindigkeit war etwa 1 ns. Beim Einbau in einen optischen Empfänger war die Empfindlichkeit -55 dBm bei λ = 825nm und bei 44,7Megabit/sec. Bezüglich der Betriebszuverlässigkeit sei bemerkt, daß die mittlere Zeit bis zum Ausfallen des

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Bauelementes etwa zu 10 bis 10 Stunden bestimmt wurde, wobei die Messungen auf mechanische und elektrische Vorspannungsalterungsteste bei 200⁰C bezogen waren.

Die speziellen Werte für die wichtigeren Parameter, die zur Herstellung dieser APD benutzt wurden, waren wie folgt:

In Schritt 3 wurde der Phosphor eine Stunde lang bei 1200⁰C eindiffundiert.

In Schritt 5 wurde Bor eine Stunde lang bei 1150⁰C eindiffundiert.

In Schritt 6 wurden Borionen bei einer Energie von 150 keV

12 —2 und mit einer Dosis von 5,5x10 cm ^5% implantiert.

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In Schritt 7 wurden die Borionen vier Stunden lang bei 1200°C eingetrieben.

In Schritt 9 wurde die rückseitige Phosphorglasschicht eine Stunde lang auf 1100⁰C erhitzt.J~In Schritt 11 wurde die Phosphorglasschicht auf der p-Schicht 30 Minuten lang auf 925°C erhitzt.

In Schritt 14 wurde die SiOj-Schicht 10 Minuten lang auf 9Q0°C in N₂ + 5% HCl erhitzt.

η -jr-p -Photodiode

Es wurde gefunden, daß der vorstehende APD-Herstellungsprozeß außer der Ionenimplantations- und -eintreibschritte auch ein wirksamer Weg ist, η -ft-p -Siliciumphotodioden mit hohem Quantenwirkungsgrad (besser als 90% bei Wellenlängen eines GaAs-AlGaAs-Lasers),kurzen Ansprechzeiten (beispielsweise 1 ns bei 10OV oder 4ns bei 5 V),niedrigen Dunkelströmen (z. B. 10~ A), niedriger Kapazität (z. B. 1,5 pf bei 10V) und mit guter Zuverlässigkeit (z. B. mittlere Zeit bis zum Ausfall )^10 Stunden) herzustellen. Diese Art von Detektor ist insbesondere brauchbar bei Systemen,

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wo eine Verstärkung in der Photodiode nicht wesentlich ist, beispielsweise bei optischen LED-Systemen für kurze Entfernungen und niedrige Datenfluß-Werte.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Photodiode sind der besseren Vergleichsmöglichkeit halber für Komponenten, die denen der Ausführungsform nach Fig. 1 entsprechen, gleiche Bezugszeichen gewählt worden. Der Herstellungsprozeß umfaßt hiernach beispielsweise folgende Schritte: 1. Epitaktisches Aufwachsenlassen einer etwa 30 bis 60um dicken p-Siliciumschicht hohen spezifischen Widerstandes (>300 Ohm.cm) auf einem p⁺-Siliciumsubstrat 10 hoher Leitfähigkeit; 2. Erzeugen eines n-Schutzringes 18 in der Tf-Schicht 12 durch vorausgehenden Niederschlag und Diffusion von Phosphor; 3. Erzeugen einer den Schutzring 18 umgebenden p-Kanalstoppzone 22 durch vorausgehenden Niederschlag und Diffusion von Bor; 4. Einführen von Phosphor in die Rückseite des ρ -Substrates 10 von einer POCl--Quelle oder dergl. durch 30 bis 60 Minuten langes Erwärmen auf etwa 1000 bis 1100⁰C , um dadurch Baufehler und/oder Verunreinigungen zu gettern; 5. Erhöhen und Erniedrigen der Ofentemperatur in rampenförmigem Verlauf während der Schritte 2, 3 und 4 zur Reduzierung von Kristallbaufehlern; 6. Erzeugen einer etwa 100 bis 1000 nm dicken n⁺-Dünnschicht 16 in der fr-Schicht 12;

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7. Erzeugen eines Antireflexions- und Passivierungsbelages 40-42 aus einer SiO.-Dünnschicht auf der η -Schicht 16 und einer eine Viertel Wellenlänge dicken Si₃N₄-Schicht auf der Schicht; 8. Nach Erzeugen der SiO^-Schicht, jedoch vor Erzeugung der Si₃N.-Schicht entsprechend Schritt 7, Durchführen einer 10 bis 30 Minuten langen Warmbehandlung bei 850 bis 950⁰C in einer 1 bis 5% HCl enthaltenden Atmosphäre, um bewegliche ionische Verunreinigungen im SiO₂ zu gettern oder einzufangen; 9. Erzeugen einer ρ -Kontaktschicht (nicht dargestellt) auf der Rückseite des ρ -Substrates 10; und 10. Erzeugen elektrischer Kontakte zum Substrat 10, zum Schutzring 18 und zur Kanalstoppzone 22 derart, daß der Schutzringkontakt 20 den Oberflächenteil des metallurgischen je-n-Uber ganges überlappt, und der Kanalstoppkontakt 24 den Oberflächenteil des metallurgischen 7*-p-Uberganges überlappt.

Bei der Durchführung eines jeden der vorstehenden Verfahrensschritte wird wie nach dem entsprechenden Schritt bei der APD-Hersteilung gearbeitet, jedoch mit einer Ausnahme. Während der Phosphoreintreibschritt für die Herstellung des Schutzringes bei der APD (Schritt 3 jenes Herstellungsverfahrens) 30 bis 60 Minuten lang bei 1100 bis 1200⁰C stattfindet, wird der entsprechende Schritt (hier der Schritt 2) für die p-i-n-Photodiode über eine längere Zeitspanne hinweg (z. B. 120 Minuten) vorzugsweise bei einer Temperatur am oberen Ende

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jenes Bereiches (beispielsweise 1200⁰C)durchgeführt, um das gewünschte Diffusionsprofil im Bauelement zu erzeugen. Im einzelnen sind kürzere Erwärmungszeiten und niedrigere Temperaturen bei der APD-Schutzringerzeugung brauchbar, weil die APD-Herstellung einen zusätzlichen Warmbehandlungsschritt, nämlich den Ionenimplantationsund -eintreibungsschritt einschließt, der seinerseits eine gewisse Weiterdiffusion bereits früher eingebrachter Dotierstoffatome verursacht.

Schließlich sei bemerkt, daß es vom Bauelement-Verhalten her gesehen vorzuziehen ist, alle Verfahrensschritte auszuführen, die das Erhöhen und Erniedrigen der Ofentemperatür in rampenförmigem Verlauf, die rückseitige Phosphorgetterung, die HCl-Getterung, die Kanalstop- und Schutzringerzeugung und -kontaktierung und die elektrische Feldprofilierung (im Falle einer APD) betreffen , jedoch ausgewählte Unterkombinationen dieser Schritte immer noch zu guten wenngleich nicht optimalen Bauelementen und Betriebseigenschaften führen.

Zahlreiche Abwandlungen sind möglich. Beispielsweise eignet sich das Verfahren auch zur Herstellung von Siliciumphotodioden für den Strahlungsnachweis bei Wellenlängen im Bereich von 500 bis 100nm. An beiden Grenzen dieses

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Bereichs kann eine gewisse Beeinträchtigung des Quantenwirkungsgrades und/oder des Uberschußrauschfaktors vorhanden sein. So sei beispielsweise bemerkt, daß in einem sauberen Ofen, der eine im wesentlichen natriumfreie Umgebung liefert, der HCl-Getterungsschritt nicht zwingend ist und weggelassen werden kann. Zweitens können offensichtlich auch die Reihenfolge der Erzeugung von Kanalstopzone und Schutzring ausgetauscht werden. Drittens ist es möglich, insoweit die Schutzring- und Feldplatten-Anordnungen beide zur Verringerung des elektrischen Feldes an der Oberfläche der epitaktischen Siliciumschicht diene*, gute Bauelemente ohne Schutzringe zu bauen. Das Vorsehen von Schutzringen ist jedoch aus zwei Gründen vorzuziehen: 1. Erleichterung der Metallisierung bei beiden Bauelement-Typen; d. h. wegen der sehr dünnen Ausbildung der η -Schicht könnte sich der Metallkontaktierung zum η -Jt-Ubergang durchlegieren oder durchdiffundieren und dadurch das Betriebsverhalten verschlechtern; und 2. Vermeidung von Druck auf die APD-VerStärkungsζone; d. h., wegen der Druckempfindlichkeit der Verstärkung/Spannungskennlinie einer APD bedeutet die Anordnung der Metallisierung über den Schutzringen statt auf der n⁺-Schicht, daß Vorgänge wie das Bonden von Anschlußleitern und Aufsetzen von Prüfsonden die APD-Kennlinie nicht beeinträchtigen werden.

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Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN . KRAMER ZWIRNER · HIRSCH

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2734726

Postadresse München: Patenlconsult 8 München 60 Radedcestrafle 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger StraSe 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237

Western Electric Company, Incorporated Hartman, 2/4-3/4-5/6-5/7 New York, N. Y. 10007, USA

Verfahren zum Herstellen von Slliciumphotodioden

Patentansprüche

V1.)Verfahren zum Herstellen einer Siliciumphotodiode für vorderseitige Beleuchtung,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte

a) epitaktisches Aufwachsenlassen einer JT-Siliciumschicht hohen spezifischen Widerstandes auf einem p-Siliciumsubstrat hoher Leitfähigkeit und niedriger Versetzungsdichte,

b) Erzeugen eines η-leitenden Schutzringes in der ft-Schicht durch Phosphordiffusion,

c) Erzeugen einer um den Schutzring verlaufenden p-KanalStoppzone in der jr-Schicht durch Bordiffusion,

g) Erhöhen und Erniedrigen der Diffusionstemperatur in rampenförmigem Verlauf (temperature ramping) während

München: Kremer ■ Dr. Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Or. Bergen · Zwirner

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der Schritte b) und c) zum Reduzieren von Kristallbaufehlern,

h) Erzeugen einer η -Schicht in der jr^Schicht, i) Erzeugen eines Antireflexbelages auf wenigstens der η -Schicht und eines Passivierungsbelages auf der Zone zwischen dem Schutzring und der Kanalstoppzone und

j) Erzeugen von elektrischen Kontakten zum Substrat, zum Schutzring und zur Kanalstoppzone derart, daß der Schutzringkontakt den Oberflächenteil des metallurgischen f^n-übergangs und der Kanalstoppzonenkontakt den Oberflächenteil des metallurgischen It-p-Uberganges überlappen.
2. Verfahren nach Anspruch,

gekennzeichnet weiterhin durch den Verfahrensschritt f) Einführen von Phosphor in die Rückseite des Substrates, um eine Getterung von Baufehlern und/oder Verunreinigungen zu bewirken, und Ausführen des Temperaturerhöhung 9- und -erniedrigungsschrittes g) auch während des Schrittes f).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Ausführen der Antireflex- und Passivierungsbelag-Erzeugung nach Schritt i) wie folgt:

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1. Erzeugen einer dünnen SiC^-Schicht,

2. Temperung der SiO^-Schicht bei erhöhter Temperatur in einer HCl-enthaltenden Atmosphäre und

3. Erzeugen einer etwa eine Viertel Wellenlänge dicken Si₃N₄-Schicht auf der SiO₂~Schicht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Einfügen der nachstehenden zusätzlichen Verfahrensschritte in die VerfahrensSchrittfolge zur Herstellung einer für vorderseitige Beleuchtung bestimmten η -p-it-p -Silicium-Avalanchephotodiode:

d) Implantieren von Borionen in einen Oberflächenteii der JV-Schicht innerhalb des Schutzrings,

e) Hineintreiben der implantierten Borionen durch Erwärmung, um eine p-Schicht zu erhalten,

Ausführen des Schrittes g), nämlich Erhöhen und Erniedrigen der Diffusionstemperatur zur Reduzierung von Kristallbaufehlern, auch während des Schrittes e), und k) gegenseitiges Anpassen des Implantationsschrittes d), des Hineintreibschrittes e) und des η -Schicht-Erzeugungsschrittes h) in Kombination mit nachfolgenden Schritten, die eine Erwärmung einschließen, derart, daß das resultierende elektrische Feldprofil in der p-Schicht im wesentlichen dreieckförmig und von der gewünschten Größe ist.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer für den Nachweis von Strahlung bei einer Wellenlänge von etwa 800 bis 900 Nanometer geeigneten Diode in Schritt a) die epitaktische Schicht wenigstens 30 um dick und mit einem spezifischen Widerstand von wenigstens 300 Ohm.cm aufwachsen gelassen wird, in Schritt e) die Borionen zum Erhalt einer etwa 2 bis 12 um dicken p-Schicht hineingetrieben werden und

in Schritt h) die η -Schicht in einer Dicke von etwa o,1 bis 1,0 μπι erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß

in Schritt d) die Borionen mit 30 - 150 keV in einer

12 -2 Dosis von etwa 4 bis 6 χ 10 cm implantiert werden

in Schritt e) die Borionen durch 2 bis 8 Stunden langes Erwärmen auf etwa 1150 bis 1250⁰C in einer im wesentlichen aus N₂ + 0,1 bis 1,0% O₂ bestehenden Atmosphäre eingetrieben werden.

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7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, gekennzeichnet durch Erhöhen und Erniedrigen der Temperatur In rampenförmigem Verlauf Im Schritt g) zwischen der Diffusionstemperatur und einer niedrigeren, jedoch erhöhten Temperatur, Einführen von Phosphor im Schritt f) durch Niederschlagen einer Phosphorglasschicht und 30 bis 60 Minuten langes Erhitzen auf etwa 1000 bis 1100° C und 10 bis 30 Minuten langes Tempern der SiOj-Schicht im Schritt i)-2 bei etwa 850 bis 950° C in einer etwa 1 bis 5 % HCl enthaltenden Atmosphäre.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphorglasschicht im Schritt f) aus einer POCl.-Quelle niedergeschlagen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch

Erzeugen des Schutzrings im Schritt b) durch 15 bis 30 Minuten langes Niederschlagen einer Phosphorglasschicht bei etwa 900 bis 950° C, Entfernen der Glasschicht, Aufheizen eines Ofens auf die untere erhöhte Temperatur von etwa 900° C, Verbringen des Bauelementes in den Ofen in einer Atmosphäre von im wesentlichen

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aus N₂ + 0,1% O₂ ι allmähliches Erhöhen der Temperatur auf etwa 1100 bis 1200⁰C, etwa 30 bis 60 Minuten langes Konstanthalten der Temperatur zur Bewirkung der gewünschten Phosphordiffusion, allmähliches Verringern der Temperatur zurück auf etwa 900° C, Entnehmen des Bauelementes aus dem Ofen;

Erzeugen der Kanalstoppzone im Schritt c) durch 1 bis 2 Stunden langes Niederschlagen einer Borglasschicht bei etwa 950 bis 975° C, Entfernen der Glasschicht, Erwärmen eines Ofens auf die untere erhöhte Temperatur von etwa 900° C, Verbringen des Bauelementes in den Ofen in eine Atmosphäre von im wesentlichen 100% O₂, allmähliches Erhöhen der Temperatur auf etwa 1100 bis 1200° C, etwa 30 bis 60 Minuten langes Konstanthalten der Temperatur, um die gewünschte Bordiffusion zu bewerkstelligen, allmähliches Verringern der Temperatur zurück auf etwa 900° C, Entnahme des Bauelementes aus dem Ofen;

Erhöhen und Erniedrigen der Ofentemperatur in rampenförmigem Verlauf im Schritt e) zwischen etwa 900° C und der Borioneneintreibungstemperatur wie bei der Prozedur nach den Schritten b) und/oder c); und Erhöhen und Erniedrigen der Temperatur in rampenförmigem Verlauf im Schritt f) zwischen etwa 900° C und der Erwärmungstemperatur zum Einführen von Phosphor

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wie bei der Prozedur nach den Schritten b) und/oder c).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dafi das Herstellen eines elektrischen Kontaktes Im Schritt j) zum Substrat wie folgt geschieht:

1. Entfernen von genügend Material von der Rückseite des Substrats, um die in vorausgegangenen Schritten erzeugte phosphordotierte Schicht zu entfernen,

2. Implantieren von Borionen in die Rückseite bei

einer Energie von etwa 30 bis 50 keV mit einer

15 -2 Dosis von etwa 2 bis 4 χ 10 cm ,

3. 30 bis 60 Minuten langes Erwärmen bei etwa 750 bis 800° C in Stickstoffatmosphäre.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schritt j) zusätzlich ein Temperungsschritt bei etwa 300 bis 320° C 16 bis 24 Stunden lang in einer Atmosphäre von im wesentlichen aus N- + 8-15% H₂ durchgeführt wird.
12. Siliciumphotodiode für vorderseitige Beleuchtung, gekennzeichnet durch ihre Herstellung im Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche

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