DE102005048365B4

DE102005048365B4 - Verfahren der Entspiegelung einer integrierten Silizium-Fotodiode durch selbstorganisierte Nanostrukturen und fotoempfindliches Bauelement

Info

Publication number: DE102005048365B4
Application number: DE102005048365.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bach Konrad; 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: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2025-10-11
Also published as: DE102005048365A1

Abstract

Verfahren der Entspiegelung einer integrierten Silizium-Fotodiode, wobei im Oberflächenbereich des Diodenfensters nadelartige Nanometerstrukturen mittels eines reaktiven Ionenätzprozesses unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SF6 ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation erzeugt werden, wobei dies in einem einzigen Prozessschritt geschieht, bei dem die Siliziumscheibe während des Prozesses auf einer konstanten Temperatur im Bereich von 27 °C ± 5 °C gehalten wird, mit einer Plasmaleistung im Bereich von etwa 100 W bis 300 W gearbeitet wird, wobei höhere Plasmaleistungen bei größeren Prozessdrücken notwendig sind, und das Verhältnis der Arbeitsgasflüsse in Abhängigkeit von den geometrischen Anlagenparametern vorher empirisch festgestellt wird und so eingestellt wird, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Siliziumscheibe eine selbstmaskierende Wirkung hat, wobei als Bereiche für die Gasflüsse von SF650 cm3/s bis 150 cm3/s und von O220 cm3/s bis 200 cm3/s gewählt werden, so dass in einer Prozesszeit von nur wenigen Minuten die nadelartigen Nanometerstrukturen kristallfehlerfrei mit einem Aspektverhältnis von zumindest 4:1 gebildet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von fotoempfindlichen Bauelementen in integrierten Schaltungen und auf solche fotoempfindliche Bauelemente. Fotodioden als fotoempfindliche Bauelemente sollen Lichtsignale in elektrische Signale umwandeln. Eine hohe Sensitivität ist wünschenswert. Fotodioden stellen in der Mikroelektronik einen integrierbaren Sensor dar, dessen Fläche möglichst klein sein soll bzw. der auch kleinste Lichtmengen detektieren soll. Reflexionsverluste sind 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.
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 so viel 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, vgl. integrierte fotoempfindliche Strukturen und Passivierungsverfahren gemäß DE 102 39 642 B3 und DE 102 39 643 B3 .
In Verbindung mit Silizium-Solarzellen ist die Anwendung einer Textur-Ätzung der Oberfläche zum Stand der Technik zu rechnen, vgl. SCHNELL, M.; LUDEMANN, R.; SCHAEFER, S.: Plasma surface texturization for multicrystalline silicon solar cells. In: Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2000, Seiten 367 bis 370, ISBN 0-7803-5772-8.
Prozessparameter, unter denen eine solche Textur auftritt, finden sich in JANSEN, H. [u.a.]: The black silicon method IV, The fabrication of three-dimensional structures in silicon with high aspect ratios for scanning probe microscopy and other applications. In: Micro Electro Mechanical Systems, MEMS '95, Proceedings, IEEE, 1995, S. 88 bis 93. ISBN 0-7803-2503-6.
Es bleiben aber folgende Einschränkungen oder 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- oder 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 Siliziumnitrid ist dieser Anteil im sichtbaren Bereich zwar deutlich kleiner, aber für Wellenlängen unterhalb von 400nm 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 Bauelemente-Technologien ist und außerdem die in Punkten 1 bis 3 genannten Nachteile nicht besitzt.
Gelöst wird die Aufgabe mit den im Anspruch 1 oder Anspruch 2 angegebenen Merkmalen.
Anspruch 1 erbringt die Vorteile, dass das beanspruchte Verfahren kompatibel zu einer Bipolar-, CMOS- oder BiCMOS-Technologie für integrierte 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 erfindungsgemäßen Entspiegelung ist deren geringe Einfallswinkel-Abhängigkeit im Vergleich zu λ/4-Schichten oder regelmäßigen Strukturen.
Für Fotodioden besonders wichtig ist die Eigenschaft der mit dem beanspruchten 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 Nachteil der Defektbildung bei der Strukturerzeugung aufweisen.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert.
Es zeigen ...
1 eine konventionelle Fotodioden-Entspiegelung in schematischer Schnittdarstellung (als Stand der Technik);
2 eine entspiegelte Fotodiode in schematischer Schnittdarstellung gemäß einem Beispiel der Erfindung;
3 ein Diagramm der Reflexionen an auf verschiedene Weise entspiegelten Siliziumoberflächen;
4 eine Elektronenmikroskop-Aufnahme eines Übergangsbereichs zwischen einer mit SiO₂ passivierten und einer freien Si-Oberfläche nach der RIE-Behandlung;
5 die transmissions-elektronen-mikroskopische Aufnahme einer einzelnen Si-Spitze der RIE-behandelten Oberfläche und
6 das Diagramm der spektralen Empfindlichkeiten von gleich aufgebauten Dioden mit unterschiedlichen Passivierungsschichten.
Die selbst-organisierten Nanostrukturen der Beispiele 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 400nm hat, reichen 100nm mittlerer Strukturabstand für Silizium aus. Die Nanostrukturen (2 und 4) sind mit etwa > 500 nm ausreichend hoch: Ab 400nm 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, dass zumindest an einem Ende des Überganges eine bestimmte nichtlineare Form besonders effektiv ist, vgl. Pozar, D. M.: Microwave Engineering (Second Edition), John Wiley and Sons, New York 1998.
Die hier verwendeten Strukturen weisen genau solch eine Form auf. Sie sind sehr spitz, laufen aber (nach unten) sehr flach aus, was in einer zuerst geringen, am Ende aber sehr starken Impedanzänderung resultiert (2 und 5). Die gemessenen Reflexionsspektren 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 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 der Entspiegelung einer integrierten Silizium-Fotodiode, wobei im Oberflächenbereich des Diodenfensters nadelartige Nanometerstrukturen mittels eines reaktiven Ionenätzprozesses unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SF₆ ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation erzeugt werden, wobei dies in einem einzigen Prozessschritt geschieht, bei dem die Siliziumscheibe während des Prozesses auf einer konstanten Temperatur im Bereich von 27 °C ± 5 °C gehalten wird, mit einer Plasmaleistung im Bereich von etwa 100 W bis 300 W gearbeitet wird, wobei höhere Plasmaleistungen bei größeren Prozessdrücken notwendig sind, und das Verhältnis der Arbeitsgasflüsse in Abhängigkeit von den geometrischen Anlagenparametern vorher empirisch festgestellt wird und so eingestellt wird, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Siliziumscheibe eine selbstmaskierende Wirkung hat, wobei als Bereiche für die Gasflüsse von SF₆50 cm³/s bis 150 cm³/s und von O₂20 cm³/s bis 200 cm³/s gewählt werden, so dass in einer Prozesszeit von nur wenigen Minuten die nadelartigen Nanometerstrukturen kristallfehlerfrei mit einem Aspektverhältnis von zumindest 4:1 gebildet werden.
Fotoempfindliches Bauelement in einer integrierten Schaltung, hergestellt nach einem Verfahren des Anspruchs 1, wobei das Bauelement im optisch aktiven Fensterbereich eine reflexionsmindernde Schicht aus statistisch regelmäßig verteilten, defektarmen Silizium-Nadeln mit einer Höhe von 400 nm bis 1500 nm und einem Aspektverhältnis von zumindest 4:1 aufweist, unter Anwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 1.