DE102010010016B4 - Verfahren und Anordnung zur Homogenisierung der Reflexionsverluste von Photodioden in integrierten Schaltungen - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Homogenisierung der Reflexionsverluste von Photodioden in integrierten Schaltungen Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Homogenisierung von Reflexionsverlusten von Photodioden in integrierten Schaltungen der CMOS-Technologie mit einer oder mehreren transparenten Isolatorschichten im Fensterbereich der Photodioden durch Erzeugung von mindestens zwei Minima und zwei Maxima aufweisenden periodischen Isolatorschichtdickenschwankungen im Strahleneintrittsfenster, wobei die optischen Dicken der beiden Bereiche der größten und kleinsten Schichtdicke der Isolatorschicht oder der Gesamtschichtdicke des Isolatorschichtstapels einen Unterschied aufweisen sollen, der mindestens ein Viertel der längsten zu detektierenden Wellenlänge beträgt und wobei der Übergang zwischen den unterschiedlichen Schichtdickenbereichen der Einzelschicht oder des Schichtstapels nicht abrupt, sondern stetig geformt ausgebildet wird und der Anteil der Übergangsbereiche der Isolatorschichtdicken größer ist als der Anteil der verbleibenden parallelen Bereiche und die äußere Grenzfläche der Isolatorschicht oder des Isolatorschichtstapels planarisiert wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf unter Anwendung der CMOS-Technologie hergestellte integrierte Schaltungen mit Photodioden, bei denen die Photodioden eine definierte spektrale Empfindlichkeit haben sollen, die unabhängig von üblichen Prozesstoleranzen ist, so dass sie vor allem für Messzwecke geeignet sind.
  • In integrierten Siliziumchips, wie z. B. CMOS-Schaltungen, existieren diverse Dioden, die als Photodetektoren genutzt werden können. Die üblicherweise zur Isolation und Passivierung verwendeten Schichten wie Siliziumoxid und Siliziumnitrid sind lichtdurchlässig und lassen das zu detektierende Licht ohne merkliche Absorption hindurch. Diese Schichten, die im Folgenden als Isolatorschichten bezeichnet werden, haben eine Brechzahl, die zwischen Luft und Silizium liegt. Durch ihre allgemein planparallele Anordnung ergeben sich Interferenzeffekte, die wie ein Fabry-Perot-Interferometer für spezielle Wellenlängen konstruktiv bzw. destruktiv sein können. Wenn quantitative Messaufgaben für monochromatische Lichtquellen, bzw. Lichtquellen mit Linienspektren anstehen, wirken sich diese ungewollten Interferenzen störend aus. Die optische Dicke (Brechzahl × geometrische Dicke) dieser Isolatorschichten liegt im Bereich mehrerer Wellenlängen; ihre natürliche Toleranz (+/–5%) führt dazu, dass die Interferenzbedingung nicht eingehalten werden kann. Auf einem Wafer, im ungünstigsten Fall sogar auf einem Chip können sowohl Minima als auch Maxima auftreten.
  • Ein integrierter Photodetektor soll aber eine eindeutige Zuordnung des Eingangssignales (Lichtleistung) zum Ausgangssignal (Photostrom) aufweisen. Prozesstoleranzen sollen diese Übertragungskennlinie nicht beeinflussen. Es besteht also die Aufgabe, die Verluste, die durch Interferenzen und Reflexionen auftreten, entweder zu minimieren oder konstant und berechenbar zu halten. Insbesondere sollen sich die zugelassenen Schichtdickenschwankungen nicht auf die Messgröße des Detektorsignales auswirken.
  • Eine derzeit favorisierte Lösung besteht darin, den gesamten Isolatorschichtstapel über der Detektordiode zu entfernen und durch eine wesentlich dünnere Schicht zu ersetzen, deren optische Dicke ¼ der Wellenlänge (bzw. ein ungerades Vielfaches davon) beträgt. Diese Lösung ist Bestandteil der Schrift WO 2004/021452 A3 , „Integrated photosensitive structures and passivation method”. Wenn nur eine bestimmte Wellenlänge zu detektieren ist, erlaubt diese Methode eine optimale Anpassung. Für andere Wellenlängen werden Verluste zwar nicht vermieden, sie sind aber reproduzierbar und können einkalkuliert werden. Nachteilig ist der relativ große präparative Aufwand.
  • Es existieren auch Lösungen, die eine Anpassung an mehrere Wellenlängen erlauben: US 2007/0072326 A1 , Dong Zheng et al., ”Photodiode for multiple wavelength Operation”.
  • Eine echte breitbandige Entspiegelung mittels Nanostrukturen ist beschrieben in: WO 2007/042521 A2 , Daniel Gäbler at al., ”Production of self-organized pin-type nanostructures, and the rather extensive applications thereof”. Es handelt sich dabei um ein Verfahren, das nicht der CMOS-Technologie zugerechnet wird und es ist nicht geeignet für hochintegrierte Schaltungen mit einer Mehrzahl transparenter Isolatorschichten aus mehreren Verdrahtungsebenen. Alle diese Lösungen verlangen zusätzlichen technologischen Aufwand zum konventionellen CMOS-Prozess und stellen teilweise gewisse Einschränkungen der Kompatibilität, z. B. der Oberflächenbeschaffenheit solcher Chips dar.
  • Zweck der Erfindung ist die Vermeidung des zusätzlichen Aufwandes zum konventionellen CMOS-Prozess bei Reduzierung der Interferenz/Reflexionsverluste, d. h. der Schwankungen dieser Verluste infolge der prozessbedingt auftretenden Schichtdickentoleranzen der im CMOS-Prozess verwendeten Isolatorschichten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung so zu gestalten, dass die Isolatorschicht oder der Schichtstapel der Isolatorschichten über den Detektorflächen der Photodioden so ausprägt wird, dass die störenden Interferenzen, die bei planparallelen Schichten auftreten, weitestgehend unterdrückt werden.
  • Gelöst wird die Aufgabe mit den in den Ansprüchen 1, 9, 10 und 11 angegebenen Merkmalen. Innerhalb der Detektorfläche wird dafür gesorgt, dass der Schichtstapel, der die erwähnten störenden Interferenzen erzeugt, nicht mehr planparallel ist. Die optische Dicke (Brechzahl × Dicke) soll Unterschiede aufweisen, die mindestens ¼ der längsten zu detektierenden Wellenlänge entsprechen. Dabei soll der Übergang zwischen den unterschiedlichen Schichtdicken nicht abrupt, sondern stetig erfolgen. Der Übergangsbereich soll einen größeren Anteil im Vergleich zu den verbleibenden parallelen Bereichen einnehmen. Es muss innerhalb der Detektorfläche dieser Übergangsbereich mehrmals auftreten.
  • Da im allgemeinen das das zu detektierende Licht die Detektorflaeche ausleuchtet bzw. einen Spot aufweist der einige der erwähnten Übergange überstreicht, erfolgt dann eine Mittelung der verschiedenen vorliegenden Interferenzbedingungen. Die gefürchteten Dickenschwankungen des gesamten Isolatorstapels haben dann kaum noch einen Effekt auf die im Silizium ankommende Lichtleistung – die Reflexionsverluste werden homogenisiert.
  • Die Gegenstände der Ansprüche 1, 9, 10 und 11 weisen die Vorteile auf, dass keine zusätzlichen, d. h. der CMOS-Technologie nicht zugehörigen Verfahrensschritte benötigt werden, um die störenden, lichtwellenlängenabhängigen Interferenzen, die sich an einer planparallelen Isolatorschicht oder an einem Schichtstapel aus Isolatorschichten ergeben, weitestgehend zu unterdrücken und so die im Silizium ankommende Lichtleistung der Photodioden zu vereinheitlichen. Dabei werden Reflexionsverluste zwar nicht vermieden aber die Schwankungen dieser Verluste infolge der Schichtdickentoleranzen der Isolatorschichten werden homogenisiert. Es erfolgt eine Mittelung der verschiedenen vorliegenden Interferenzbedingungen. Die erfindungsgemäße Art der Dickenmodulation und die Dicke selbst der Isolatorschichten oder des Isolatorschichtstapels haben graduellen Einfluss auf den Effekt der Homogenisierung. Ohne die erfindungsgemäße Maßnahme kann im ungünstigsten Fall eine Inhomogenität des erzeugten Fotostromes von 40% auftreten.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes des Anspruchs 1 sind in den Unteransprüchen angegeben. Erfolgt die Dickenmodulation der Isolatorschichten zickzackförmig, wie sie z. B. mit einer KOH-Ätzung erzeugt werden kann, wird der Bereich der Inhomogenität auf von 40 auf 11% beschränkt. Bei sinusförmiger Modulation erreicht man 6% bei einem Modulationshub von 180 nm, 4% bei 800 nm und <1% wenn man 2 μm Modulationshub anwendet. Trapezförmige Modulationen sind dagegen weniger effektiv.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert.
  • Es zeigt 1 schematisch den Teil einer mit CMOS-Technologie hergestellten integrierten Schaltung, welcher eine Photodiode darstellt. Die aus p-Silizium bestehende Halbleiterscheibe (1) bildet die Anode der Photodiode, das n-leitende CMOS-Wannengebiet (2) die Kathode. Das Feldoxid (3) wurde mit dem LOCOS-Verfahren hergestellt, wobei die notwendige Dickenschwankungen der Isolatorschicht (12) erzielt wurden. Die Schicht (4) ist das Isolationsoxid zwischen Silizium und erster Metalllage (7, 8), die Schicht (5) ist das Isolationsoxid zwischen erster und zweiter Metalllage (9). Den Abschluss bildet die Passvierungsschicht (6), die aus Siliziumoxid oder Silziumnitrid bestehen kann. Entscheidend ist die Form der Schicht (3), welche die Schichtdickenvariationen (12) der gesamten Schichtenfolge als Differenz der maximal auftretenden Schichtdicke des Schichtenstapels (11) und der minimalen Dicke des Schichtstapels (10) bewirkt. Technologisch ist die Ausbildung der Schichtdickenvariation (12) elegant zu realisieren, indem über der Fotodiodenfläche Feldoxidstreifen – hergestellt im LOCOS-Verfahren – platziert werden. Dabei wird bekanntlich Silizium verbraucht, wobei infolge des bekannten „Vogelschnabel”-Effektes das An- und Abschwellen der Dicke fast einer Sinusfunktion entspricht. Da die folgenden Isolatorschichten (4, 5, 6) welche die Metallisierung zu isolieren haben, planarisiert wurden, erhält man den angesprochenen stetigen Übergang der Schichtdicke des Isolationsschichtstapels. Feldoxide haben üblicherweise eine Mindestdicke von 400 nm. Zur Herstellung werden etwa 180 nm Silizium verbraucht. Damit ist bei einer typischen Brechzahl des Feldoxides von 1.43 eine optische Dickenschwankung von 260 nm erreichbar. Die oben gestellte Bedingung ist somit für alle Wellenlängen kleiner 1040 nm erfüllt, also nahezu für den gesamten mit Silizium nachweisbaren Lichtbereich. Andere technische Realisierungen der Schichtdickenvariationen (12) sind sowohl durch Formung der Siliziumoberfläche, z. B. durch Ätzen oder auch Formung einer oder mehrer transparenter Deckschichten möglich.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    p-Silizium (CMOS Ausgangsscheibe), dient als Anode einer Fotodiode
    2
    n-Silizium (CMOS n-Wanne), dient als Kathode einer Fotodiode
    3
    Feldoxid, hergestellt im LOCOS-Verfahren
    4
    ILD – Isolationsoxid zwischen Silizium und erster Metalllage,
    5
    IMD – Isolationsoxid zwischen erster und zweiter Metalllage
    6
    Passivierung (Silizium Oxid bzw. Nitrid)
    7, 8
    Strukturen in einer ersten Metalllage
    9
    Strukturen in einer zweiten Metalllage
    10
    minimale Dicke des Isolatorschichtstapels (unterliegt Toleranzen!)
    11
    maximale Dicke des Isolatorschichtstapels
    12
    Dickendifferenz des Isolatorschichtstapels innerhalb einer Fotodiode (beabsichtigt, aber konstant)

Claims (11)

  1. Verfahren zur Homogenisierung von Reflexionsverlusten von Photodioden in integrierten Schaltungen der CMOS-Technologie mit einer oder mehreren transparenten Isolatorschichten im Fensterbereich der Photodioden durch Erzeugung von mindestens zwei Minima und zwei Maxima aufweisenden periodischen Isolatorschichtdickenschwankungen im Strahleneintrittsfenster, wobei die optischen Dicken der beiden Bereiche der größten und kleinsten Schichtdicke der Isolatorschicht oder der Gesamtschichtdicke des Isolatorschichtstapels einen Unterschied aufweisen sollen, der mindestens ein Viertel der längsten zu detektierenden Wellenlänge beträgt und wobei der Übergang zwischen den unterschiedlichen Schichtdickenbereichen der Einzelschicht oder des Schichtstapels nicht abrupt, sondern stetig geformt ausgebildet wird und der Anteil der Übergangsbereiche der Isolatorschichtdicken größer ist als der Anteil der verbleibenden parallelen Bereiche und die äußere Grenzfläche der Isolatorschicht oder des Isolatorschichtstapels planarisiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der benötigte Gang der Isolatorschichtdickenschwankungen von größer oder gleich der längsten zu detektierenden Wellenlänge dadurch hergestellt wird, dass die Grenzfläche zwischen Silizium und transparenter Isolatorschicht, oder Isolatorschichtstapel entsprechend geformt wird
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die spätere Grenzfläche zwischen Silizium und transparenter Isolatorschicht oder dem Isolatorschichtstapel durch Erzeugung von nebeneinander angeordneten Gräben oder Gruben von der ursprünglichen Siliziumoberfläche ausgehend mit dem bekannten Verfahren der V-Grubenätzung geformt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die spätere Grenzfläche zwischen Silizium und transparenter Isolatorschicht oder Isolatorschichtstapel so hergestellt wird, dass mit dem LOCOS-Verfahren (lokale Oxidation durch Siliziumnitridhartmaske), lateral begrenzt Streifen oder anders geartete Inseln aus Siliziumdioxid mit einer Mindestdicke von 330 nm und einer lateralen Ausdehnung von mindestens 350 nm sowie einem Zwischenraum von mindestens 350 nm auf der ursprünglichen Siliziumoberfläche erzeugt werden, wonach die Isolatorschicht oder ein Isolatorschichtstapel abgeschieden wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einebnung der transparenten Isolatorschicht oder des Isolatorschichtstapels durch chemisch-mechanisches Polieren erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einebnung der transparenten Isolatorschicht oder des Isolatorschichtstapels mittels thermischem Verfließens erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einebnung der transparenten Isolatorschicht oder des Isolatorschichtstapels durch Verfüllung der Unebenheiten mittels aufschleuderbaren Glasmaterialien erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einebnung der transparenten Isolatorschicht oder des Isolatorschichtstapels durch Verfüllung von Unebenheiten mittels Opferschichten und anschließendem Rückätzen erfolgt, wobei diese Prozedur gegebenenfalls mehrfach wiederholt werden kann.
  9. Verfahren zur Homogenisierung von Reflexionsverlusten von Photodioden in integrierten Schaltungen der CMOS-Technologie mit einer oder mehreren transparenten Isolatorschichten im Fensterbereich der Photodioden durch Erzeugung von mindestens zwei Minima und zwei Maxima aufweisenden periodischen Isolatorschichtdickenschwankungen im Strahleneintrittsfenster, wobei die optischen Dicken der beiden Bereiche der größten und kleinsten Schichtdicke einen Unterschied aufweisen sollen, der mindestens ein Viertel der längsten zu detektierenden Wellenlänge beträgt und wobei der Übergang zwischen den unterschiedlichen Schichtdicken der Einzelschicht oder des Schichtstapels nicht abrupt, sondern stetig geformt ausgebildet wird und der Anteil der Übergangsbereiche der Isolatorschichtdicken größer ist als der Anteil der verbleibenden parallelen Bereiche und wobei die äußere Grenzfläche der Isolatorschicht oder des Isolatorschichtstapels entsprechend geformt wird.
  10. Verfahren zur Homogenisierung von Reflexionsverlusten von Photodioden in integrierten Schaltungen der CMOS-Technologie mit einer oder mehreren transparenten Isolatorschichten im Fensterbereich der Photodioden durch Erzeugung von mindestens zwei Minima und zwei Maxima aufweisenden periodischen Isolatorschichtdickenschwankungen im Strahleneintrittsfenster, wobei die optischen Dicken der beiden Bereiche der größten und kleinsten Schichtdicke einen Unterschied aufweisen sollen, der mindestens ein Viertel der längsten zu detektierenden Wellenlänge beträgt und wobei der Übergang zwischen den unterschiedlichen Schichtdicken der Einzelschicht oder des Schichtstapels nicht abrupt, sondern stetig geformt ausgebildet wird und der Anteil der Übergangsbereiche der Isolatorschichtdicken größer ist als der Anteil der verbleibenden parallelen Bereiche und wobei der benötigte Gang der Schichtdickenschwankungen dadurch erreicht wird, dass sowohl die Grenzfläche zwischen Silizium und der transparenten Isolatorschicht oder des Isolatorschichtstapels als auch die äußere Grenzfläche geformt werden.
  11. Halbleiteranordnung, bestehend aus einem Gebiet (1) eines ersten Leitungstypes und einem dahinein eingebetteten Gebiet (2) eines zweiten Leitungstypes, so dass beide Gebiete eine Diode zur Lichtdetektion bilden und kontaktierbar ausgeführt sind, aufliegenden transparenten Isolationsschichten (3, 4, 5, 6,) die unter anderem zur Isolation von Metallbahnen (7, 8, 9) in einer oder mehreren Ebenen untereinander sowie zum Halbleiter und zur Außenwelt dienen, sodass die Gesamtdicke (10, 11) aller Isolatorschichten (3, 4, 5, 6) über dem Gebiet des eingebetteten Gebietes 2 nicht konstant ist, sondern einen Gang (12) von mindestens einem Viertel der längsten zu detektierenden Wellenlänge beträgt und der Übergang zwischen den unterschiedlichen Gsamtdicken (12) nicht abrupt, sondern stetig geformt ausgebildet ist und der Anteil der Übergangsbereiche von einer zur anderen Gesamtdicke größer ist als der Anteil der verbleibenden parallelen Bereiche.
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