DE102005048365A1

DE102005048365A1 - Verfahren zur Entspiegelung von fotoelektronischen Bauelementen durch selbstorganisierte Nanostrukturen und entsprechende Bauelemente

Info

Publication number: DE102005048365A1
Application number: DE102005048365A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr. Bach; Daniel Gäbler
Original assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Current assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Priority date: 2005-10-10
Filing date: 2005-10-10
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2025-10-11
Also published as: DE102005048365B4

Abstract

Die Entspiegelung von fotoelektronischen Bauelementen, wie z. B. Photodioden als Bestandteil einer integrierten Schaltung oder auch als diskretes Bauelement, wird nicht in konventioneller Weise mit lambda/4-Schichten, sondern durch mittels RIE-Ätzung erzeugten Nanostrukturen vorgenommen, die eine weitaus bessere Breitbandcharakteristik aufweisen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf fotoempfindliche Bauelemente in integrierten Schaltungen und auf diskrete Bauelemente wie Fotozellen. Fotozellen dienen der Umwandlung von Licht in elektrische Energie, Fotodioden z.B. sollen Lichtsignale in elektrische Signale umwandeln. Für beide ist eine hohe Sensitivität wünschenswert. Fotodioden stellen in der Mikroelektronik einen integrierbaren Sensor dar, dessen Fläche möglichst klein sein soll bzw. der auch kleinste Lichtmengen detektieren soll. Fotozellen sollen einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. In allen Fällen sind Reflexionsverluste minimal zu gestalten. Prinzipiell erfolgt die Umwandlung der Photonen in Elektronen im Silizium selbst. Die Ladungsträger werden durch ein elektrisches Feld, welches durch einen pn-Übergang gebildet wird, abgesaugt. Damit dies geschieht, müssen die Photonen jedoch zuerst in das Silizium eindringen. Durch die großen Unterschiede der Impedanzen von Luft und Silizium wird jedoch eine Vielzahl von Photonen an der Grenzfläche reflektiert und gelangt nicht zum Ort der Umwandlung. Dadurch verringert sich die Sensitivität der Fotodiode bzw. die Effizienz der Fotozelle.

Nun gibt es in einer integrierten Fotodiode keinen Luft/Silizium-Übergang, da Halbleiterbauelemente für gewöhnlich durch eine Passivierungsschicht geschützt werden. Es handelt sich also im Allgemeinen um eine Anordnung Luft/SiO₂/Si oder Luft/Si₃N₄/Si. Man hat ein Dreischichtsystem mit zwei Grenzflächen. Der Anteil des in das Silizium eindringenden Lichtes wird durch Reflexionen an diesen Grenzflächen und deren Interferenzen beeinflusst und hängt von Schichtdicke, dem Material und der Wellenlänge ab. Im günstigsten Fall (konstruktive Interferenz für die Transmission) kann nahezu alles Licht ausgenutzt werden, im ungünstigsten Fall (destruktive Interferenz) verliert man 30 ... 50%, abhängig von der Wellenlänge, nämlich genau soviel wie auch an der blanken Silizium/Luft Grenzfläche reflektiert wird.

Für eine gegebene Wellenlänge kann man die Dicke und das Material der Zwischenschicht so auswählen, dass konstruktive Interferenz und damit eine maximale Entspiegelung eintritt (K. Bach, Integrierte fotoempfindliche Strukturen und Passivierungsverfahren, (Patent Nr.: DE 10393435 D ).

Es bleiben aber folgende Einschränkungen bzw. Nachteile bestehen:

1. Die Schichtdicken müssen eng toleriert sein.
2. Die Entspiegelung gelingt nur für eine bestimmte Wellenlänge befriedigend; man findet auch andere Wellenlängen, die andere Interferenzordnungen darstellen, für die gut entspiegelt wird, diese sind aber nicht frei wählbar.
3. Um die Reflexion in einem breiten Wellenlängenbereich auf nahe Null zu vermindern, versagt eine Entspiegelung durch einfache λ/4-Schichten. Es wären Materialien mit fein abgestuften Brechzahlen zwischen 1 (Luft) und der maximalen entsprechenden Brechzahl von Silizium für den angestrebten Wellenlängenbereich notwendig (Der Brechungsindex von Silizium ist stark Wellenlängenabhängig, liegt für gewöhnlich jedoch über 3,5). Solche sind aber in der konventionellen Halbleitertechnologie nicht verfügbar.
4. Die aufgebrachten Schichten müssen im verwendeten Wellenlängenbereich eine sehr geringe Absorption Aufweisen

In typischen Anwendungsgebieten für integrierte Fotodioden werden im Allgemeinen keine breitbandigen Lichtquellen eingesetzt, sondern bevorzugt Leucht- bzw Laserdioden. Diese senden nur mit einer bestimmten Wellenlänge und auf diese könnte eine konventionelle λ/4-Antireflexionsschicht abgestimmt werden. Oft sollen aber solche integrierten Photosensoren in der gleichen Bauform für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden und diese implizieren verschiedene Lichtwellenlängen. Ein Beispiel stellen die Pick Up-Systeme moderner CD/DVD Kombilaufwerke dar. Diese haben ohne Umbau bei drei unterschiedlichen Wellenlängen (blau, rot, infrarot) optimal zu arbeiten, wobei sich diese Wellenlängen nicht mehr durch verschiedene Ordnungen konstruktiver Interferenzen darstellen lassen. Selbst bei optimaler Anpassung von λ/4-Schichten gelingt mit den üblichen Materialien Siliziumdioxid bzw. Siliziumnitrid niemals eine 100-prozentige Transmission. Mit Siliziumdioxid bleibt mindestens ein Reflexionsanteil von 8%. Mit Nitrid ist dieser Anteil im sichtbaren zwar deutlich kleiner, aber für Wellenlängen unterhalb von 400 nm wird die Absorption signifikant und führt ihrerseits zu Lichtverlusten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit geringem Aufwand und damit geringen Kosten realisierbares Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Oberfläche für integrierte optoelektronische Schaltkreise zu schaffen, das kompatibel zu diskreten und integrierten Bauelementetechnologien ist und außerdem die in Punkt 1 bis 3 genannten Nachteile nicht besitzt.

Gelöst wird die Aufgabe mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Der Gegenstand des Anspruchs 1 weist die Vorteile auf, dass das entsprechende Verfahren kompatibel zu einer Bipolar-, CMOS- oder BiCMOS Technologie für integrierte oder diskrete Bauelemente ist. Es kann alternativ oder ergänzend zu einer Antireflexionsbeschichtung angewendet werden. Es ist nicht aufwändiger als diese, weist jedoch eine wellenlängenunabhängige Entspiegelung guter Qualität über den gesamten für Silizium-Photodioden interessanten Wellenlängenbereich auf. Ein weiterer Vorteil der Entspiegelung ist deren geringe Einfallswinkelabhängikeit im Vergleich zu λ/4-Schichten oder regelmäßigen Strukturen.

Für Fotodioden besonders wichtig ist die Eigenschaft der in dem angegebenen Verfahren erreichten Defektfreiheit der genutzten Bereiche, da die erzeugten Elektron-Loch-Paare ansonsten rekombinieren und nicht durch das elektrische Feld abgesaugt werden können, was eine empfindliche Verringerung der Sensitivität darstellt.

Es existieren bereits alternative Strukturierungsverfahren, die jedoch den erheblichen Nachteil der Defektbildung bei der Strukturerzeugung aufweisen.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispieles unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert. Es zeigen

1 eine konventionelle Fotodiodenentspiegelung in schematischer Schnittdarstellung,

2 eine erfindungsgemäß entspiegelte Fotodiode in schematischer Schnittdarstellung,

3 ein Diagramm der Reflexionen an auf verschiedene Weise entspiegelten Siliziumoberflächen,

4 die Elektronenmikroskopaufnahme eines Übergangsbereiches zwischen einer mit SiO₂ passivierten und einer freien Si-Oberfläche nach der RIE-Behandlung,

5 die transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme einer einzelnen Si-Spitze der RIE-behandelten Oberfläche und

6 das Diagramm der spektralen Empfindlichkeiten von gleich aufgebauten Dioden mit unterschiedlichen Passivierugsschichten.

Die selbstorganiserten Nanostrukturen haben eine der Anwendung als Entspiegelungsschicht angemessene geometrische Form: Die lateralen Abstände müssen kleiner als die Wellenlänge im Medium sein, damit keine Streuverluste auftreten. Unter der Annahme, dass die kürzeste zu entspiegelnde Wellenlänge 400 nm ist, reichen 100 nm mittlerer Strukturabstand für Silizium aus. Die Nanostrukturen (2 und 4) sind mit etwa > 500 nm ausreichend hoch: Ab 400 nm ist bereits eine sehr gute Entspiegelung zu beobachten, die sich mit steigender Höhe noch leicht verbessern lässt.
Die Reduzierung der Reflexion an einer derartigen Oberfläche kann mit einer Impedanzanpassung zwischen den zwei Materialien erklärt werden. Die Strukturen erzeugen einen graduellen Impedanzübergang zwischen den Materialien. Dieser Übergang muss hinreichend breit (hier die Höhe der Strukturen) sein, um entsprechend zu wirken. Der graduelle Übergang funktioniert nach dem Prinzip des effektiven Mediums, wobei zwei Stoffe so miteinander gemischt werden, dass es für die Anwendung als ein Stoff mit gemischten Eigenschaften der beiden Ausgangsmaterialien erscheint. Da die Nanostrukturen Nadelform aufweisen, entsteht quasi ein kontinuierlicher Übergang von einem zum anderen Medium (hier von Luft zu Silizium).
Aus der Elektrotechnik ist seit vielen Jahren bekannt (D. M. Pozar, Microwave Engineering (Second Edition), John Wiley and Sons, New York 1998), dass zumindest an einem Ende des Überganges eine bestimmte nichtlineare Form besonders effektiv ist.
Die hier verwendeten Strukturen weisen genau solch eine Form auf. Sie sind sehr spitz, laufen aber sehr flach aus, was in einer zuerst geringen, am Ende aber sehr starken Impedanzänderung resultiert (2 u. 5). Die gemessenen Reflexionsspektern bestätigen die drastische Reduzierung der Reflexionsverluste (siehe 3).
Des Weiteren zeigen kristallografische Untersuchungen, dass die Nanostrukturen bei ihrer Herstellung einkristallin geblieben sind (5). Es entstehen also keine zusätzlichen Generations-, und Rekombinationszentren. Damit ist die Gefahr von ungewollten Fotostromverlusten bzw. erhöhten Dunkelströmen ausreichend reduziert. Spektrale Fotostrommessungen (6) an derart erfindungsgemäß entspiegelten Dioden bestätigen die erhöhte Sensitivität in einem großen Wellenlängenbereich. Insbesondere entfallen die starken, auf Interferenzen zurückzuführenden Oszillationen, die bei normaler Passivierung integrierter Fotodioden üblich sind.

Claims

Verfahren zur Entspiegelung von Silizium-Fotodioden, dadurch gekennzeichnet, dass im Oberflächenbereich des Diodenfensters kristallfehlerfreie, nadelartige Strukturen in Nanometerdimensionen mit einem Aspektverhältnis von 4 zu 1 und größer mittels eines reaktiven Ionenätzprozesses (reaktive ion etching) RIE unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SF₆, ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation in einem einzigen Prozessschritt erzeugt werden, wobei die Siliziumscheibe während des Prozesses auf einer konstanten Temperatur im Bereich von 27 ± 5 Grad Celsius gehalten und mit einer Plasmaleistung im Bereich von etwa 100 bis 300 Watt gearbeitet wird wobei höhere Plasmaleistungen bei größeren Prozessdrücken notwendig sind und das Verhältnis der Arbeitsgasflüsse, das in Abhängigkeit von den geometrischen Anlagenparametern vorher empirisch festgestellt wurde, so eingestellt ist, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Siliziumscheibe eine selbstmaskiernde Wirkung zeigt, was im Bereich der Gasflüsse für SF₆: 50–150 cm³/s und für O₂ 20–200: cm³/s zu erreichen ist und die Prozesszeit nur wenige Minuten beträgt.
Fotoelektronische Bauelemente, dadurch gekennzeichnet, dass diese im optisch aktiven Fensterbereich eine reflexionsmindernde Schicht aus statistisch regelmäßig verteilten, defektarmen Silizium-Nadeln mit einer Höhe von 400 bis 1500 nm und einem Aspektverhältnis größer 4:1 aufweisen, so wie sie durch die Anwendung des RIE-Verfahrens gemäß Anspruch 1 entstehen.