DE4306565A1 - Verfahren zur Herstellung eines blauempfindlichen Photodetektors - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines blauempfindlichen Photodetektors

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Description

Das Folgende betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines blauempfindlichen Photodetektors, d. h. eines solchen, der im Bereich blauen sichtbaren Lichtes und des sich anschlie­ ßenden UV-Bereichs bis zur Wellenlänge von 190 nm, ab der die Absorption von Luft beginnt, empfindlich ist.
Stand der Technik
Photodetektoren bestehen im wesentlichen aus einem Halblei­ ter mit einem pn-Übergang. Der Halbleiter kann ein Element­ halbleiter, z. B. Si, sein oder ein Verbindungshalbleiter, z. B. InP. Um eine hohe Blauempfindlichkeit zu erzielen, muß erreicht werden, daß auch Ladungsträger, die sehr nahe der Halbleiteroberfläche erzeugt werden, nicht an der Oberfläche rekombinieren, sondern den pn-Übergang erreichen. Vorzugs­ weise liegt der pn-Übergang daher dicht unter der Oberflä­ che, d. h. es wird ein sogenannter flacher pn-Übergang ver­ wendet.
Flache pn-Übergänge lassen sich am besten durch Implantation von Ionen, insbesondere schwerer Ionen, erzielen. Um p-Lei­ tung in einem n-Substrat zu erzielen, werden z. B. B⁺-Ionen oder BF2⁺-Ionen bei Energien von einigen zehn keV implan­ tiert.
Problematisch in Zusammenhang mit Ionenimplantation ist es jedoch, daß das Maximum der Dotierstoffkonzentration nicht an der Oberfläche des Substrats sondern in demselben liegt, wodurch ein Konzentrationsprofil und damit ein Profil des elektrischen Feldes erzeugt wird, das dazu führt, daß im Halbleiterbereich oberhalb des Feldmaximums bei Absorption kurzwelligen Lichts erzeugte Ladungsträger zur Halbleiter­ oberfläche driften und dort rekombinieren ohne zum Photo­ strom beizutragen.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, bestehen verschiedene Mög­ lichkeiten, wie sie auch in EP-A-0 342 391 beschrieben sind.
Eine Möglichkeit ist die, durch eine Streuschicht zu implan­ tieren, z. B. durch eine dünne Schicht des Halbleitersubstra­ tes, die zuvor durch Beschuß mit nichtdotierenden Ionen ge­ stört wurde, z. B. durch Beschuß von Silizium mit Si⁺, oder durch eine Schicht aus einem Oxid oder Nitrid. Durch diese Maßnahme soll erreicht werden, daß der Konzentrationsan­ stieg des Dotierstoffs im wesentlichen in der Streuschicht liegt, damit dicht unterhalb der Halbleiteroberfläche er­ zeugte Ladungsträger nicht zur Oberfläche driften. Es hat sich jedoch gezeigt, daß dieses Ziel nicht in zufriedenstel­ lender Weise erreicht wird. In der beigefügten Fig. 4 zeigt der gestrichelt eingezeichnete Verlauf a die spektrale Em­ pfindlichkeit für eine Si-Standardphotodiode an. Wie erkenn­ bar, besteht zu kürzeren Wellenlänge als etwa 300 nm hin kei­ ne nennenswerte Empfindlichkeit mehr. Durch die genannte Maßnahme wird allerdings sogenanntes Channeling, d. h. ver­ stärkte Implantation in Vorzugsrichtungen des Kristallgit­ ters, vermieden.
Eine zweite Maßnahme ist die, den Halbleiter abzuätzen, nachdem Ionenimplantation durch eine Streuschicht hindurch ausgeführt wurde. Hierdurch ist es möglich, das Maximum der Dotierstoffkonzentration an die Oberfläche des Halbleiters zu verlegen und infolgedessen eine sehr hohe Quantenausbeute zu erzielen. Jedoch ist der Ätzverfahrensschritt aufwendig und damit teuer.
Es bestand demgemäß das Problem, ein einfach ausführbares Verfahren zum Herstellen eines blauempfindlichen Photodetek­ tors anzugeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Es zeichnet sich vor allem durch folgen­ de Schritte aus:
  • - vor einer Ionenimplanation wird auf einem Substrat eine dielektrische Streuschichtanordnung ausgebildet, die mindes­ tens eine Oxidschicht aufweist und so dick ist, daß das Ma­ ximum der implantierten Ionen innerhalb der Schichtanordnung liegt; und
  • - Nachdiffusion wird so ausgeführt, daß keine weitere Oxida­ tion des Substrats erfolgt.
Durch diese Maßnahmen wird erzielt, daß innerhalb des Sub­ strates die höchste Dotierungskonzentration an der Oberflä­ che oder, wegen des sogenannten Segregationseffektes, unmit­ telbar unter dieser liegt. Dieser Konzentrationsverlauf führt zu einem Verlauf des elektrischen Feldes innerhalb des Substrates, der im wesentlichen verhindert, daß die durch die Lichtabsorption erzeugten Ladungsträger an die Substrat­ oberfläche gelangen und dort rekombinieren, ohne zum Photo­ strom beizutragen.
Vorzugsweise wird die genannte Schichtanordnung so aufge­ bracht, daß sie nicht nur zur genannten Konzentrationsver­ teilung führt, sondern daß sie zugleich gewünschte Passi­ vierungseigenschaften und/oder Antireflexionseigenschaften aufweist. Von besonderem Vorteil ist es im Fall der Verwen­ dung eines Si-Substrates, die dielektrische Schichtanordnung aus einer SiO2-Schicht und einer darüberliegenden Si3N4- Schicht herzustellen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1a und 1b einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Photodetektor bzw. ein zugehöriges Konzen­ trationsprofil;
Fig. 2a und b ein Dotierungsprofil für einen bekannten bzw. einen erfindungsgemäßen Photodetektor;
Fig. 3 ein Flußdiagramm zum Erläutern eines erfindungsgemä­ ßen Herstellverfahrens; und
Fig. 4 ein Spektralempfindlichkeitsdiagramm mit einer ge­ strichelt eingezeichneten Kurve a für einen bekannten Si- Standardphotodetektor und einer durchgezogen eingezeichneten Kurve b für einen erfindungsgemäßen Photodetektor.
Fig. 1a zeigt schematisch einen Photodetektor mit einem Sub­ strat 10 und einer dielektrischen Schichtanordnung 11. Diese beiden Abschnitte sind nicht maßstabsgetreu dargestellt, damit die dielektrische Schichtanordnung 11 überhaupt er­ kennbar wird und damit auch die Lage eines pn-Übergangs 12 innerhalb des Substrates 10 erkennbar wird. Das Substrat 10 kann eine Dicke von einigen 100 µm aufweisen. Beim darge­ stellten Beispiel handelt es sich um ein Substrat aus n-Si, das in seinem Oberflächenbereich mit Bor dotiert ist, wo­ durch ein p-leitender Bereich geschaffen ist. Der pn-Über­ gang 12 liegt z. B. etwa 0,4 µm unter der Substratoberflä­ che. Die dielektrische Schichtanordnung 11 weist eine Ge­ samtdicke von 0,1 µm auf, und sie besteht aus zwei Teil­ schichten, nämlich einer unteren SiO2-Schicht einer Dicke von 0,03 µm und einer oberen Si3N4-Schicht einer Dicke von 0,07 µm.
Fig. 1b zeigt schematisch den Verlauf der Konzentration von Borionen ab der Oberfläche des Detektors in sein Inneres hinein. Fig. 2b stellt den Dotierungsverlauf innerhalb der dielektrischen Schichtanordnung 11 deutlicher dar, die in diesem Fall allerdings nur aus einer SiO2-Schicht besteht. Die Konzentrationskurve verläuft nicht stetig, da es an der Grenze zwischen der SiO2-Schicht und dem Si-Substrat zum Segregationseffekt kommt, gemäß dem sich bei der thermischen Nachdiffusion Boratome in der SiO2-Schicht an der Grenze zum Substrat anreichern, während eine sehr dünne Oberflächen­ schicht im Si-Substrat an Boratomen verarmt. Dieser Segrega­ tionsbereich ist in Fig. 2b durch gestrichelte Linien ein­ gegrenzt. Durch den Segregationseffekt liegt die Boratomkon­ zentration nach der Nachdiffusion an der Grenze zwischen der SiO2-Schicht und dem Si-Substrat etwas höher als das Maximum der Boratomkonzentration innerhalb der SiO2-Schicht. La­ dungsträger, die durch Absorption kurzwelligen Lichts inner­ halb des Segregationsbereichs im Si-Substrat erzeugt werden, gelangen nicht zum pn-Übergang, sondern bewegen sich zur Substratoberfläche hin und rekombinieren dort, ohne zum Pho­ tostrom beizutragen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird jedoch ein äußerst eng begrenzter Segregationsbereich erzielt, weswegen nur ein sehr kleiner Anteil der Ladungs­ träger durch Wanderung zur Halbleiteroberfläche verloren geht.
Fig. 2a veranschaulicht dasselbe Dotierungsprofil, jedoch für einen bekannten Photodetektor mit einer Streuoxidschicht aus SiO2 einer Dicke von 0,02 µm, die nach der herkömmlichen Nachdiffusion in oxidierender Atmosphäre bis zu einer Dicke von 0,2 µm angewachsen ist. Bei dieser oxidierenden Nach­ diffusion verbreitert sich auch, was entscheidend ist, der Segregationsbereich erheblich. Dieser breite Segregations­ bereich hat zur Folge, daß Ladungsträger, die durch blaues Licht oder solches im nahen UV erzeugt werden, nur in gerin­ gem Ausmaß zum pn-Übergang gelangen, da diese Ladungsträger überwiegend dicht unter der Substratoberfläche entstehen, wo der Konzentrationsverlauf gemäß Fig. 2a und damit der zuge­ hörige Potentialverlauf dafür sorgt, daß diese Ladungsträ­ ger zur Halbleiteroberfläche statt zum pn-Übergang laufen. Dies steht im Gegensatz zur oben beschriebenen Funktion des erfindungsgemäß hergestellten Photodetektors.
Die vorstehend beschriebenen Effekte führen zu einer Verbes­ serung der spektralen Empfindlichkeit im genannten Wellen­ längenbereich, wie sie aus dem Vergleich der Kurven a und b in Fig. 4 unmittelbar erkennbar ist. In Fig. 4 ist noch eine Gerade eingezeichnet, die kennzeichnet, welcher Photostrom bezogen auf konstante Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts erzielt würde, wenn die Quantenausbeute 100% betragen würde.
Fig. 3 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes Herstellverfah­ ren in Form eines Flußdiagramms. Es sind alle Verfahrens­ schritte weggelassen, die die Vorbereitung des Substrates betreffen, wie auch alle Schritte nach einer Nachdiffusion, z. B. Schritte zum Aufbringen von Elektroden.
Beim Flußdiagramm von Fig. 3 ist angenommen, daß ein Si-Pho­ todetektor hergestellt wird. Ausgegangen wird von einem n⁻- Subtrat einer Leitfähigkeit von 103 Ωcm, was einer Phosphor­ dotierung von 5 × 1012/cm3 entspricht. Auf der Substratober­ fläche wird eine SiO2-Schicht mit einer Dicke von 0,03 µm thermisch bei etwa 950°C in einer N2O2-Atmosphäre aufge­ wachsen. In einem zweiten Schritt s2 wird eine Si3N4-Schicht mit einer Dicke von 0,07 µm durch CVD-Abscheidung aufge­ bracht. Hierzu wird das Substrat auf etwa 800°C erhitzt, und Dichlorsilan (SiCl2H2) und N2 werden bei einem Druck von etwa 4 mbar in eine HF-Plasmakammer eingebracht, wo eine Reaktion zur Bildung von Si3N4 stattfindet.
In einem dritten Schritt s3 werden BF2⁺-Ionen bei 40 keV im­ plantiert, was zu einem Maximum der Konzentration in einer Tiefe von etwa 0,03 µm unter der Oberfläche des Gesamtauf­ baus führt. Die Implantation erfolgt so lange, bis die ge­ wünschte p-Dotierung erzielt ist, z. B. eine solche von 1020 B/cm3. Welche Eindringtiefen mit welchen Ionen bei wel­ chen Beschleunigungsenergien erzielbar sind, sind Standard­ werken über Ionenimplantation zu entnehmen, z. B. dem Buch "Ionenimplantation" von H. Ryssel et al., Teubner, Stutt­ gart 1978. Die Ionen, die Beschleunigungsspannungen und die Schichtdicke der dielektrischen Schicht sind so zu wählen, daß das Maximum der Dotierungskonzentration innerhalb der dielektrischen Schichtanordnung liegt.
In einem Verfahrensschritt s4 erfolgt ein Tempervorgang zum Ausheilen von Implantationsschäden, bei welchem Tempervor­ gang auch eine Nachdiffusion erfolgt, die unter anderem den oben genannten Segregationseffekt bewirkt. Wesentlich bei dieser Nachdiffusion ist, daß sie im Gegensatz zu üblicher Nachdiffusion so erfolgt, daß das Substrat nicht weiter oxi­ diert. Dies wird beim Ausführungsbeispiel durch Verwendung einer N2-Atmosphäre erzielt. Es kann jedoch auch eine andere nichtoxidierende Atmosphäre verwendet werden, z. B. eine Ar- Atmosphäre. Wenn in herkömmlicher Weise in oxidierender At­ mosphäre (O2, N2O2) gearbeitet wird, muß die Oberfläche des Bauelements gegen das Eindringen von Sauerstoff geschützt sein, was insbesondere durch eine Si3N4-Schicht bewerkstel­ ligt werden kann.
Bis zur Fertigstellung eines Detektors schließen sich noch zahlreiche weitere Verfahrensschritte an (Elektrodenherstel­ lung, Kontaktierung, Einbau in ein Gehäuse), worauf hier je­ doch nicht näher eingegangen wird.
Die vorstehend beschriebene Kombination einer SiO2-Schicht und einer Si3N4-Schicht führt in bekannter Weise zu ausge­ zeichneten Passivierungseigenschaften und gleichzeitig zu Antireflexionseigenschaften, wenn die Schichtdicken ent­ sprechend gewählt sind.
Als dielektrische Schichtanordnung können nach Material und Schichtdicke beliebige Einzelschichten oder Einzelschicht­ folgen verwendet werden. Wesentlich ist nur, daß das Maximum der Dotierstoffkonzentration nach der Ionenimplantation in­ nerhalb der dielektrischen Schichtanordnung liegt und daß diese Schichtanordnung bei der Nachdiffusion im wesentlichen nicht dicker wird, um einen verstärkten Segregationseffekt zu vermeiden. Andere Eigenschaften der dielektrischen Schichtanordnung, die nicht mit dem Dotierungsverlauf und dem Segregationseffekt zusammenhängen, können in beliebiger Weise gewählt werden, also z. B. zur Optimierung der Passi­ vierungs- und der Antireflexionseigenschaften, wie beim Aus­ führungsbeispiel.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen eines im Bereich kurzwelligen Lichtes empfindlichen Photodetektors, bei dem in einem Substrat ein flacher pn-Übergang durch Ionenimplantation erzeugt wird, wobei
  • - das Substrat (10) mit einer dielektrischen Streuschichtan­ ordnung (11) bedeckt wird, die mindestens eine Oxidschicht unmittelbar auf dem Substrat aufweist;
  • - Ionen durch die Streuschichtanordnung in das Substrat implantiert werden; und
  • - ein Nachdiffusionsprozeß bei erhöhter Temperatur stattfin­ det;
    dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Streuschichtanordnung (11) mit solcher Dicke aufge­ bracht wird, daß das Maximum der implantierten Ionen inner­ halb derselben liegt; und
  • - der Nachdiffusionsprozeß so ausgeführt wird, daß keine weitere wesentliche Oxidation des Substrates erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachdiffusion in nichtoxidierender Atmosphäre ausge­ führt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Nachdiffusionsschritt über der Oxidschicht eine Passivierungsschicht ausgebildet wird, die das Eindringen von Sauerstoff im wesentlichen verhindert.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Streuschichtanordnung (11) eine Fol­ ge von Teilschichten dielektrischer Materialien verwendet wird, die mit solcher Dicke aufgebracht werden, daß die Schichtfolge im Spektralbereich des zu empfangenden Lichtes möglichst gut antireflektierend wirkt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall eines Si-Substrates eine Schicht aus Si3N4 auf einer Schicht aus SiO2 verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierungsionen Molekülionen verwen­ det werden.
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