DE10040459A1

DE10040459A1 - PIN-Fotodiode in einer vertikal strukturierten Schichtenfolge und Verfahren zur Herstellung einer PIN-Diode

Info

Publication number: DE10040459A1
Application number: DE10040459A
Authority: DE
Inventors: Alexander Benedix; Bernd Klehn
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2002-03-21
Also published as: WO2002017404A1; TW506140B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine PIN-Fotodiode (1) mit einer Schichtenfolge mit einer ersten Schicht (2) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer intrinsischen Schicht (3) und einer zweiten Schicht (4) eines zweiten Leitfähigkeitstyps. Zumindest die intrinsische Schicht (3) der Schichtenfolge weist eine vertikale Strukturierung auf, auf deren Seitenwände (5) Licht einfallen kann. Das Verfahren zum Herstellung dieser PIN-Fotodiode (1) sieht vor, daß auf die Schichtenfolge eine vertikale Strukturierung durchgeführt wird, so daß Seitenwände (5) gebildet werden, wobei die intrinsische Schicht (3) freigelegt wird, so daß Licht auf die intrinsische Schicht (3) einfallen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine PIN-Fotodiode und ein Verfahren zu deren Herstellung.

PIN-Fotodioden basieren üblicherweise auf vertikal eingeord neten PIN-Strukturen. Dabei wird die Raumladungszone, in der bei Photoneneinstrahlung Ladungsträgepaare erzeugt werden, vergrößert, indem eine intrinsische hochohmige Schicht zwi schen eine p- und eine n-Schicht eingebracht wird. Die Be strahlung der intrinsischen Schicht, in der die Ladungsträ gerpaare hauptsächlich erzeugt werden, erfolgt von der Ober fläche des Schichtensaufbaus. Da sich auf dieser Oberfläche Strukturen befinden, die eine vollständige oder teilweise Ab schattung bewirken, wird nur ein Teil der Photoneneinstrah lung in Ladungsträgerpaare umgewandelt, so daß der spektrale Wirkungsgrad der Fotodiode vermindert ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine PIN-Fotodiode zur Verfü gung zu stellen, die sehr effektiv ist und einfach aufgebaut werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die PIN-Fotodiode gemäß Anspruch 1 sowie das Herstellungsverfahren nach Anspruch 7 gelöst. Er findungsgemäße Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprü chen angegeben.

Die erfindungsgemäße PIN-Fotodiode weist eine Schichtenfolge aus Halbleitermaterial auf. Diese Schichtenfolge weist eine erste Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine intrin sische Schicht und eine zweite Schicht eines zweiten Leitfä higkeitstyps auf. Die Schichtenfolge ist wenigstens teilweise mit einer vertikalen Strukturierung versehen, d. h. die Ober fläche der Schichtenfolge ist mit geometrischen Formen, z. B. Gräben, versehen, die ganz oder teilweise durch die Schichten der Schichtenfolge hindurchreichen. Durch die vertikale Strukturierung wird die intrinsische Schicht wenigstens ab schnittsweise freigelegt. Auf diese Weise ist es möglich, daß Photonen direkt auf die intrinsische Schicht treffen, in der sie Ladungsträgerpaare ausbilden. Dabei werden die Photonen nicht durch eine darüberliegende Schicht oder eine eventuell darauf aufgebrachte Kontaktierung abgeschirmt. Daraus folgt eine Verbesserung des Verhältnisses von Kontaktabschattungs fläche zu Einstrahlfläche.

Vorzugsweise verläuft die vertikale Strukturierung schräg zur Schichtenfolge, so daß die Kontaktabschattungsfläche auf der ersten Schicht bezüglich der freigelegten Abschnitte der in trinsischen Schicht klein wird. Ein weiterer Vorteil ist, daß durch gegenüberliegende, schräg ausgerichtete Seitenwände ein reflektierter Anteil von eingestrahltem Licht auf die gegen überliegende, schräg verlaufende Seitenwand eingestrahlt wird. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Fotodiode weiter er höht, da der Anteil von in die Umgebung reflektiertem Licht vermindert wird.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, daß die Schichtenfolge eine im wesentlichen pyramidenförmige bzw. kegelförmige Struktur aufweist. Dies hat den Vorteil, daß die erste Schicht, die sich an der Spitze der pyramidenförmigen bzw. kegelförmigen Struktur befindet, klein gegenüber den frei gelegten Bereiche der intrinsischen Schicht ist, wodurch die Abschattung durch diese Struktur gering ist. Weiterhin hat diese Struktur den Vorteil, daß einfallendes Licht, das an einer Seitenwand reflektiert wird, unter einem anderen Winkel auf die gegenüberliegende Seitenwand einfällt, in der es dann absorbiert wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die unterste Schicht in einem Siliziumsubstrat gebildet, auf dem dann die intrinsische Schicht und eine weitere dotierte Schicht eines anderen Leitfähigkeitstyps aufgebracht wird.

Erfindungsgemäß wird dann eine PIN-Fotodiode so hergestellt, daß eine vertikale Strukturierung vorgenommen wird, wodurch zumindest die intrinsische Schicht teilweise freigelegt wird. Dabei umfassen die vertikalen Strukturen vorzugsweise die er ste und die intrinsische Schicht und lassen die zweite Schicht vorzugsweise unberührt. Dadurch ist es möglich, eine erfindungsgemäße PIN-Fotodiode, die effektiv ist, einfach herzustellen.

Vorzugsweise werden die Seitenwände der vertikalen Struktu rierungen schräg ausgeführt, so daß kegelförmige, pyramiden förmige- oder V-grabenförmige Strukturen in der Schichten folge entstehen. Dies erfolgt vorzugsweise durch einen selek tiven anisotropen Ätzprozess, der z. B. verschiedene Ätzge schwindigkeiten aufweist, die abhängig von der Kristallrich tung sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die erste Schicht und die intrinsische Schicht auf einem (100)- Siliziumsubstrat hergestellt werden, wobei zum Ausbilden der vertikalen Strukturierung eine Ätzmaske in (110)-Richtung auf der Oberfläche der Schichtenfolge strukturiert wird. Beim an schließendem Ätzen mit einem anisotropen Ätzmittel, z. B. Kaliumhydroxid, enstehen Seitenwände mit einem Winkel von 54,7° zur (100)-Oberfläche. Dies hat den Vorteil, daß diese Struktur mit einem anisotropen Ätzverfahren hergestellt wer den kann, daß sich an den Kristallrichtungen des Halbleiter materials orientiert. Es gewährleistet weiterhin eine beson ders einfache und leicht zu beherrschende Herstellung des ab geschrägten Bereichs der Schichtenfolge.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß die erste Schicht und/oder die intrinsische Schicht epitaktisch auf ein Substratmaterial aufgewachsen werden. Diese haben den Vorteil, daß die so aufgewachsenen Schichten sehr exakt in ihrer Dicke und Qualität bestimmt werden können.

Die Erfindung wird dann anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Ausführungsform der erfin dungsgemäßen PIN-Fotodiode;

Fig. 2 eine Aufsicht auf die Halbleiterstruktur entspre chend dem Fig. 1 gezeigten Querschnitt;

Fig. 3 einen Herstellungsprozeß für die in Fig. 1 gezeigte PIN-Fotodiode, wobei Fig. 3a, 3b und 3c Querschnit te durch die Halbleiterstruktur gemäß der Erfindung nach verschiedenen Prozeßschritten wiedergeben.

Die in den Figuren gezeigten Halbleiterstrukturen sind nicht maßstäblich.

Als Halbleitermaterial für die in der Zeichnung gezeigten er findungsgemäßen PIN-Fotodiode dient vorzugsweise Silizium. Sie wird dabei vorzugsweise mit Hilfe der Standard-Planar technik gefertigt, bei der eine Abfolge von jeweils ganzflä chig an der Scheibenoberfläche wirkenden Einzelprozesse durchgeführt wird, die über geeignete Maskierungsschichten gezielt zur lokaler Veränderung des Halbleitermaterials füh ren.

Die in Fig. 1 gezeigte PIN-Fotodiode 1 ist auf einer Oberflä che eines n-dotierten Siliziumsubstrats 2 ausgebildet. Die Dotierungskonzentration des Siliziumsubstrats 2 ist hoch und liegt vorzugsweise zwischen etwa 10¹⁸ bis 10²¹ cm^-3. Auf dem Substrat 2 ist eine Schicht 3 aus intrinsischem Silizium, d. h. Silizium ohne Dotierung, aufgebracht, auf der sich eine Schicht aus hochdotiertem p⁺-Silizium befindet. Die intrin sische Schicht 3 und die p⁺-dotierte-Schicht 4 sind mit einer vertikalen Strukturierung versehen, wodurch Seitenwände 5 ge bildet werden. Die Seitenwände 5 verlaufen schräg zur Schichtenfolge. Die p⁺-Siliziumschicht weist weiterhin eine Kontak tierung 6 auf, die beim Betrieb der PIN-Fotodiode mit Masse GND oder einer niedrigen Spannung verbunden ist. Die Dicke der intrinsischen Schicht 3 und der p⁺-Siliziumschicht 4 ist vorzugsweise so gewählt, daß einerseits die vertikale Struk turierung sich nahezu durch die gesamte intrinsische Schicht 3 bis zur Grenzlinie zwischen intrinsische Schicht 3 und dem Substrat 2 erstreckt und daß andererseits eine ausreichend große Dachfläche der so entstandenen pyramidenförmigen Struk turen verbleibt, um die p⁺-Siliziumschicht 4 sicher zu kon taktieren. Es ist weiterhin vorgesehen, daß zwischen bestimm ten Bereichen von einer oder mehreren pyramidenförmigen Strukturen Metallkontakte 7 auf dem n⁺-Siliziumssubtrat 2 vorgesehen sind. Dazu sind zwischen den pyramidenförmigen Strukturen in einem bestimmten Bereich die intrinsische Schicht 3 und p⁺-Silizium-Schicht 4 entfernt, so daß das n⁺- Substrat 2 freigelegt ist, in dem dann die Metallkontakte 7 zur Kontaktierung des n⁺-Substrats 2 aufgebracht werden. Über die Metallkontakte 7 wird die PIN-Fotodiode mit Vdd oder einer hohen Spannung verbunden.

Fällt nun ein Lichtstrahl 10 auf einen freigelegten intrin sischen Bereich auf einer Seitenwand 5, so erzeugt der absor bierte Anteil Ladungsträgerpaare, die durch die Raumladungs zonen von n⁺-Schicht und p⁺-Schicht getrennt werden und die somit einen Stromfluß durch die PIN-Fotodiode 1 ermöglichen. Ein Teil 11 des Lichtstrahls wird reflektiert. Der reflek tierte Anteil 11 des Lichtsstrahl 10 wird aufgrund des Ein fallwinkels von der abgeschrägten Fläche auf die gegenüber liegende abgeschrägte Fläche einer gegenüberliegende Seiten wand 5 gelenkt. Dort fällt dieser reflektierte Lichtanteil 11 unter einem zumeist geringerem (zur Flächennormalen) Winkel ein und wird großteils unter Erzeugung von Ladungsträgerpaa ren dort absorbiert. Durch diese Struktur wird erreicht, daß ein Lichtstrahl zu fast 100% im intrinsischen Gebiet absor biert wird.

Die Wahl der Schichtdicke der intrinsischen Schicht bietet die Möglichkeit, einen optimalen Kompromiß aus spektraler Empfindlichkeit und Geschwindigkeit der PIN-Fotodiode 1 zu bestimmen, indem die effektive Einstrahlfläche erhöht wird, d. h. das Verhältnis der Kontaktabschattungsfläche der Kon taktierung der p⁺-Silizium-Schicht zur Gesamteinstrahlfläche wird verbessert. Weiterhin wird die Reflektion des einge strahlten Lichtes starkt vermindert, da ein großer Anteil des reflektierten Lichtes in gegenüberliegende schräge Seitenwän de eingestrahlt wird.

Die pyramidenförmige Struktur der intrinsischen Schicht und der P-Silizium-Schicht hat vorzugsweise ein rechteckigen, be sonders bevorzugt einen quadratischen Grundriß, kann aber auch andere Grundrisse, wie z. B. runde, aufweisen. Durch einen Feldaufbau aus pyramidenförmigen Strukturen, d. h. die Pyramiden werden z. B. nebeneinander angeordnet, können die elektrischen Parameter der PIN-Fotodiode 1 durch parallel und/oder serielles Verschalten der Kontaktierungen der p⁺- Silizium-Schicht festgelegt werden. In Fig. 2 ist beispiels weise eine solche Feldanordnung von in Form eines Schach brettmusters nebeneinanderliegenden pyramidenförmigen Struk turen gezeigt. Die Kontaktierung der n⁺-Substrat-Schicht wird vorzugsweise neben einer solchen Feldanordnung durchgeführt, indem ebene Bereiche vorgesehen werden, in denen die Sub stratschicht freigelegt ist. Die verbliebenen Inseln der p⁺- Schicht werden in der gezeigten Ausführungsform über Längs leitungen 13 miteinander verbunden.

Fig. 3a bis 3c zeigen ein mögliches Herstellungsverfahren für die in Fig. 1 dargestellte PIN-Fotodiode 1. Auf der Oberfläche eines n⁺-dotierten Siliziumssubstrats 2 wird eine Schichten folge gebildet, die aus einer intrinsischen Silizium-Schicht 3 und einer p⁺-dotierten Silizium-Schicht 4 besteht. Vorzugs weise erfolgt die Herstellung der Schichtenstruktur durch epitaktisches Aufwachsen z. B. unter Verwendung von Si₂H₂Cl₂, P₂H₆ und AsH₃ enthaltenen Prozessgasen im Temperaturenbereich von 800°C bis 1000°C und im Druckbereich von 500 Pa bis 2000 Pa. Die Siliziumschichten werden dabei so aufgewachsen, daß eine (100)-Oberfläche entsteht. Ein Querschnitt durch die ge samte Schichtenfolge ist in Fig. 3a gezeigt.

In einem nächstem Prozeßschritt wird die aufgebrachte Schich tenfolge durch anisotropes Ätzen unter Verwendung einer foto litographisch gebildenen Maske strukturiert. Hierzu wird in einem ersten Schritt eine Ätzmaske erzeugt. Diese Ätzmaske kann z. B. aus Siliziumdioxid bestehen, das ganzflächig auf der Scheibenoberfläche abgeschieden und anschließend über ein Fotolitographie-Prozeß strukturiert wird. Beim Fotolitogra phie-Prozeß wird eine Fotolackschicht auf der Ätzmasken schicht abgeschieden, die dann über eine Maske belichtet wird, um quadratische Bereiche mit einer Breite von z. B. 100 nm festzulegen. Alternativ kann die Fotolackschicht auch di rekt, z. B. mit einem Elektronenstrahl, beschrieben werden. Anschließend wird der Fotolack entwickelt und gehärtet und dann mittels eines ersten Ätzvorgangs die Ätzmaske struktu riert, so daß entsprechend den belichteten Strukturen quadra tische Bereiche auf der Schichtenoberfläche zurückbleiben. Anschließend wird dann die Fotolackschicht wieder vollständig entfernt. Ein Querschnitt durch die Scheibenstrukturen nach diesem Prozeßschritt ist im Fig. 3b gezeigt. Es verbleibt die Maskierungsschicht 12 aus Siliziumoxid auf der Schichtenfol ge.

Nach dem Erstellen der Ätzmaske wird über ein weiteren aniso tropen Ätzschritt die Pyramiden-Struktur der PIN-Fotodiode geätzt. Eine solche anisotrope Ätzung ergibt sich aus der Tatsache, daß aufgrund des kristallinen Aufbaus des Siliziums (100)- und (110)-Kristallebenen deutlich schneller abgetragen werden, als die (111)-Ebene. Für die anisotropische Silizium ätzung eignen sich z. B. Alkalilaugen wie KOH, NaOH oder LiOH oder auch eine sogenannte EDP-Lösung. Es lassen sich jedoch auch trocken-chemische Ätzverfahren, z. B. ein reaktives Ionenätzen einsetzen, wobei die Ätzgasmischung, z. B. BCl₃, Cl₂, HBr und/oder HCl enthalten kann.

Durch den Ätzprozeß ensteht eine pyramidenförmige Struktur der Schichtenfolge aus intrinsischer Schicht und p⁺-Silizium- Schicht 4, wie in Fig. 3c und in der Aufsicht der Fig. 2 ge zeigt ist, die vorzugsweise etwa auf Höhe des Übergangs zwi schen n⁺-Substrat 2 und intrinsischer Schicht 3 ihre Basis hat. Die anisotrope Ätzung der Schichtenfolge sorgt dabei für ein definierten Winkel zur (110)-Oberfläche des n⁺-dotierten Siliziumssubstrat 2 von 54,7°. Selbstverständlich ist es mög lich, daß die pyramidenförmige Struktur ihre Basis auch in der intrinsischen Schicht bzw. in der n⁺-Schicht haben kann, ohne die Funktion der PIN-Diode einzuschränken.

Das vorgestellte Verfahren zum Ausbilden der Schichtenfolge der PIN-Fotodiode 1 ermöglicht es, Strukturen in verschie denen Größenbereichen, z. B. auch im Sub-100 nm Bereich, aus zubilden. Vorteilhaft ist hier insbesondere die leichte An wendbarkeit und Beherrschbarkeit des anisotropen Ätzprozes ses, mit dem sich auf einfache Weise die abgeschrägte Fläche der intrinsischen Schicht 3 herstellen läßt. Der Einsatz epitaktischer Verfahren zum Schichtenaufbau sorgt darüber hinaus für eine genau definierte Dicke der intrinsischen Schicht 3, da sich die Schichtdicke sehr genau einstellen läßt.

Es liegt weiterhin im Rahmen der Erfindung, über die oben ge nannte Ausführungsform hinaus die angegebenen Abmessungen, Konzentration, Materialien und Prozesse in geeigneter Weise zu modifizieren, um die erfindungsgemäße PIN-Fotodiode zu er zeugen. Insbesondere ist es dabei möglich, den Leitfähig keitstyp der dotierten Gebiete in der PIN-Struktur komplemen tär auszuführen. Darüber hinaus können die angegeben Materia lien zur Ausbildung der verschiedenen Schichten durch andere, in diesem Zusammenhang bekannte Materialien ersetzt werden. Außerdem können in geeigneter Weise die vorgestellten Herstellungsprozesse abgeändert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirkli chung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Bezugszeichenliste

1

PIN-Fotodiode

2

n⁺

-dotiertes Silizium-Substrat

3

Intrinsische Silizium-Schicht

4

p⁺

-Schicht

5

Seitenwand der pyramidenförmigen Strukturierung

6

Kontaktierung der p⁺

-Schicht

7

Kontaktierung der n⁺

-Schicht

10

einfallender Lichtstrahl

11

reflektierter Lichtstrahl

12

Maskierungsschicht

13

Längsleitungen

Claims

1. PIN-Fotodiode aufweisend eine Schichtenfolge mit einer ersten Schicht (2) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer intrinsischen Schicht (3) und einer zweiten Schicht (4) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die intrinische Schicht (3) der Schichten folge wenigstens teilweise eine vertikale Strukturierung (5) aufweist, auf die Licht einfallen kann.

2. PIN-Fotodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Strukturierung (5) der intrinsischen Schicht schräg zur Schichtenfolge verläuft.

3. PIN-Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die intrinsische Schicht (3) und die zweite Schicht eine im wesentlichen pyrami denförmige oder kegelförmige Struktur aufweist.

4. PIN-Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (2) der Schichten folge in einem Siliziumsubstrat (2) ausgebildet ist.

5. PIN-Fotodiode nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (4) und die intrinsische Schicht (3) auf einer (100)-Oberfläche des Substrates (2) ausgebildet sind, wobei die Seitenwände (5) der vertikalen Strukturierung in (111)-Richtung ver laufen und einen Winkel von 54,7° zur (100)-Oberfläche des Substrats (2) aufweisen.

6. PIN-Fotodiode nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (4) eine ebene Oberfläche zur Kontaktierung (6) aufweist.

7. Fotodiodenarray mit PIN-Fotodioden nach einem der voran gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die PIN- Fotodioden aneinandergrenzend vorzugsweise schachbrett artig angeordnet sind, wobei die erste Schicht (2) der PIN-Fotodioden als gemeinsame Schicht ausgebildet ist.

8. Verfahren zum Herstellen einer PIN-Fotodiode mit einer Schichtenfolge aus Halbleitermaterial, die eine erste Schicht (2) eines ersten Leitfähigkeitstyp, eine intrin sische Schicht (3) und eine zweite Schicht (4) eines zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die intrinsische Schicht (3) durch eine vertikale Strukturierung wenigstens teilweise freigelegt wird, so daß Licht auf die intrinsische Schicht (3) einfallen kann.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Strukturierung der intrinsischen Schicht (3) schräg verläuft.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die intrinsische Schicht (3) und die zweite Schicht (4) im wesentlichen pyramidenförmig bzw. kegelförmig strukturiert werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die vertikale Strukturierung der Schichtenfolge mit Hilfe eines selektiven anisotropen Ätzprozeß ausgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß mit einem anisotropen Ätzverfahren ke gelförmige, pyramidenförmige und/oder V-grabenförmige Strukturen auf der Oberfläche der Schichtenfolge herge stellt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die zweite Schicht (4) und die intrin sische Schicht (3) auf einem (100)- Siliziumsubstrat (2) hergestellt werden, wobei zum Ausbilden der vertikalen Strukturierung eine Ätzmaske in (110)-Richtung auf der (100)-Oberfläche strukturiert wird und beim anschließen den Ätzen eine Seitenwand (5) mit einem Winkel von 54,7° zur (100)-Oberfläche des Siliziumsubstrats (2) gebildet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, daß die zweite Schicht (4) und/oder die in trinsische Schicht (3) epitaktisch aufgewachsen werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, daß auf einem Halbleitersubstrat ein Foto diodenarray ausgebildet ist, wobei die erste Schicht (2) der PIN-Fotodioden als gemeinsame Schicht ausgebildet wird.