DE10350643B4

DE10350643B4 - Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Oberfläche auf optischen integrierten Schaltkreisen

Info

Publication number: DE10350643B4
Application number: DE10350643A
Authority: DE
Inventors: Holger Dr. Wille; Gernot Dr. Langguth; Karl-Heinz Müller
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: WO2005045941A2; WO2005045941A3; US7736927B2; US20060251995A1; DE10350643A1; CN100452443C; CN1875490A

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Oberfläche eines Silizium-Photodetektors, bei dem auf der Oberfläche des Photodetektors ein Hard-Mask-Gitter hergestellt und nachfolgend ein Strukturätzschritt in das Silizium ausgeführt wird, wobei die beim Ätzen unterbrochene Anode oder Kathode des Photodetektors durch einen Implantationsschritt unter Vorhandensein des Hard-Mask-Gitters wieder hergestellt wird, so dass der fertiggestellt Photodetektor das Hard-Mask-Gitter aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Oberfläche auf optischen integrierten Schaltkreisen zur Verbesserung der Absorption von Licht in Photodetektoren.
Derartige Photodetektoren, wie PIN-Photodioden, bestehen aus einer Katode (n-Gebiet), einer Isolation (i-Gebiet) und einer Anode (p-Gebiet). Diese Struktur wird auf einem Substrat, beispielsweise einem Si-Substrat) durch eine erste Implantation, Epitaxie und eine zweite Implantation hergestellt.
Um eine gute Lichtabsorption in einem gewünschten Wellenlängenbereich zu erreichen, werden auf der Photodiode, bzw. den integrierten Photodetektoren, einfache ARC-Schichten (anti reflecting coating, Antireflex-Beschichtung) abgeschieden, deren Nachteil allerdings darin besteht, dass diese auf eine bestimmte Wellenlänge optimiert sind und damit für Multispektralanwendungen ungeeignet sind.
Es ist in Grenzen möglich, ein verbreitertes Absorptionsmaximum zu erreichen, indem durch vielfach abgeschiedene dünne dielektrische Schichten ein entsprechender ARC-Schichtaufbau realisiert wird. Dieses Verfahren weist jedoch besondere Nachteile in der Kombination mit der in eine Chiptechnologie integrierten Photodiode auf.
Insbesondere bedeutet die Realisierung von Vielfachschichten ein entsprechendes Mehrfaches an Prozesskosten im Vergleich zu einer einzelnen Schichtabscheidung. Außerdem erhöht sich dadurch die Durchlaufzeit in der Produktion, wodurch ein Stau bei den jeweiligen Beschichtungsanlagen (Flaschenhalseffekt) hervorgerufen wird. Darüber ist die notwendige Genauigkeit der Schichten auf Schichtdicken von wenigen Nanometern schwer realisierbar.
Darüber hinaus lassen sich in der Halbleiterfertigung die erforderlichen Lichtbrechungsindizes nicht realisieren bzw. sind nicht verfügbar. Bei ARC-Schichten, insbesondere bei Mehrfachschichten, ist eine gewisse Dämpfung des einfallenden Lichtes nicht zu vermeiden.
Um diesen Nachteil auszugleichen, bzw. zu vermeiden und möglichst viel Licht absorbieren zu können, ist es bekannt, strukturierte Mikropyramiden auf der Oberfläche des Photodetektors auszubilden. Durch diese Mikropyramiden wird das Absorptionsverhalten unabhängig von der Wellenlange des eingestrahlten Lichtes. Dadurch wird das Licht auch vorwiegend im oberen Teil des Photodetektors absorbiert, was zur Folge hat, dass die notwendige Epitaxiedicke bei der Herstellung des Photodetektors verringert werden kann.
Beispiele für ARC-Schichten und Mikropyramiden werden beschrieben in „Silicon Solar Cells, Advanced Principles and Practice", Martin A. Green, veröffentlicht vom Centre for Photovoltaic Devices and Systems, University of New South Wales, Sydney, Printed by Bridge Printery Pty. Ltd, March 1995.
Aus der DE 29 52 431 A1 geht ein Verfahren hervor, bei dem eine Siliziumscheibe mit einem gegen ein Ätzmittel resistenten Überzug mit offenen Bereichen versehen wird und dann durch die Öffnungen pyramidenförmige Vertiefungen in der Scheibenoberfläche erzeugt werden. Die benötigten P-N-Übergänge werden anschließend durch Diffusion hergestellt. Ein ähnliches Verfahren zur Verbesserung der Lichtabsorption wird in der US 2002/0000244 A1 beschrieben.
In der DE 195 22 539 C2 wird die Herstellung von dotierten Bereichen in einem Basismaterial beschrieben. Ausgangspunkt ist hierbei ein mit einer geeigneten Maske texturiertes Basismaterial, in dessen Oberfläche dann die genannten Dotierbereiche erzeugt werden. Anschließend daran wird eine Gitter-Emitter-Struktur auf der Oberflächenseite der Solarzelle hergestellt.
US 2002/0000244 A1 offenbart, dass Ionenimplantationstechniken zur Bildung von Übergängen zur Heilung von Oberflächenschäden wünschenswert sind.
Diese Mikropyramiden auf der Oberfläche des Photodetectors können durch selektives Ätzen realisiert werden, indem die (111)-Kristallebenen frei gelegt werden, so dass Pyramiden mit quadratischen Grundflächen entstehen. Weiterhin wird in dieser Druckschrift auch die Verwendung invertierter Pyramiden (d. h. auf der Spitze stehender Pyramiden) beschrieben, um die Absorption von Licht im Photodetektor zu verbessern. Die Herstellung derartiger invertierter Pyramiden ist allerdings mit einem erheblichen Aufwand verbunden, so dass diese Variante für eine praktische Anwendung nicht geeignet ist.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein mit geringem Aufwand und damit geringen Kosten realisierbares Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Oberfläche für optische integrierte Schaltkreise zu schaffen, das kompatibel zu IC- und single Device Technologien ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindungen. Bei einem Ausführungsbeispiele wird auf der Oberfläche des Photodetektors photolithographisch ein regelmäßiges Hard-Mask-Gitter hergestellt, nachfolgend ein Strukturätzschritt bis in eine vorgegebene Tiefe in das Silizium ausgeführt und die beim Ätzen unterbrochene Anode oder Kathode des Photodetektors durch einen weiteren Implantationsschritt wieder hergestellt.
Der Strukturätzschritt wird bevorzugt durch anisotropes, nasschemisches Ätzen ausgeführt, wobei auch eine Trockenätzung in Betracht kommen kann.
Durch den Strukturätzschritt werden regelmäßig verteilt angeordnete Vertiefungen (Trenches) mit einer Tiefe von etwa 0,5 μm bis 5 μm, die spitzere Winkel als Pyramiden mit (111)-Flächen aufweisen, oder bevorzugt inverse Pyramiden erzeugt.
Die Hard-Maske (Hartmaske) wird weiterhin derart photolithographisch strukturiert, dass diese Stegbreiten von 0,5 μm und Maschenöffnungen mit einer Breite von 0,5 μm bis 5 μ aufweist. Die Hard-Maske wird bevorzugt durch SiO₂-Abscheidung und nachfolgende photolithographische Strukturierung hergestellt.
Dieses Verfahren ist kompatibel zu einer Bipolar-, CMOS- oder BiCMOS-Technologie für IC's und Single Devices. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Pyramiden bilden solche Winkel zum senkrecht einfallenden Licht, dass durch Reflexion und Brechung ein großer Teil unabhängig von der Wellenlänge im Silizium absorbiert wird. Der effektive Lichtweg verlängert sich durch die Mehrfachbrechung an den Pyramiden im Vergleich zum senkrechten Lichteinfall an planaren Oberflächen.
Die Folge ist, dass die Epitaxiedicke zurück genommen werden kann, so dass sich die Anlagenkosten und die Durchlaufzeit verringern. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Photodetektor bei reduzierter Abmessung in vertikaler Richtung, insbesondere dessen Isolierung, in lateraler Richtung verkleinert werden kann und somit kostengünstiger hergestellt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt ebenso wie bei der Anwendung von Standard-Antireflexschichten nur einen Photolithografieschritt und ist somit preiswert und schnell durchführbar.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungsfiguren zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines Photodetektors;
2: eine Draufsicht auf eine photolithographisch erzeugte Hard-Maske auf dem Photodetektor;
3: die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten inversen Pyramiden; und
4: eine Pyramide nach der Wiederherstellung der durch den vorhergehenden Ätzschritt unterbrochenen Anode.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Photodetektors bestehend aus einer Kathode 1 (n-Gebiet), einer Isolation 2 (i-Gebiet) und einer darüber angeordneten Anode 3 (p-Gebiet). Diese Struktur wird auf einem Substrat, beispielsweise einem Si-Substrat, durch Arsen-Implantation, Epitaxie und Bor-Implantation hergestellt. Diese Struktur ist Bestandteil eines flächenmäßig großen Wafers, das durch eine SiO2-Abscheidung und nachfolgende Photolithographie mit einer Hard-Maske 4 versehen worden ist. Die Strukturierung der Hard-Maske 4 kann durch übliches Trockenätzen erfolgen, so dass Stege 5 mit einer Breite von 0,3 μm bis 1 μm und Maschenöffnungen 6 mit einer Breite von 0,5 μm bis 5 μ entstehen.
Anschließend wird ein Strukturätzschritt, bevorzugt durch anisotropes, nasschemisches Ätzen, ausgeführt, durch den regelmäßig verteilt angeordnete Vertiefungen (Trenches) mit einer Tiefe etwa 1,5 μm, die spitzere Winkel als Pyramiden mit (111)-Flächen aufweisen, oder bevorzugt inverse Pyramiden 7 erzeugt.
Da durch den Strukturätzschritt die Anode 3 unterbrochen worden ist, wird diese durch eine abschließende Bor-Implantation wieder hergestellt und somit der Photodetektor fertig gestellt.
Alternativ für die erwähnte nasschemische Ätzung kann auch eine Trockenätzung vorgenommen werden, so dass Trenches (Vertiefungen) mit geraden Wänden entstehen. Mit derartigen Trenches anstelle der inversen Pyramiden 7 lässt sich bereits eine deutliche Verbesserung der Lichtabsorption erreichen. Unter bestimmten Ätzbedingungen, bevorzugt unter Verwendung einer kristallografisch anisotrop wirksamen Ätzlösung (z. B. Cholin, KOH), ist es auch möglich, die inversen Pyramiden 7 in die Oberfläche des Siliziums zu ätzen.

1: Katode
2: Isolation
3: Anode
4: Hard-Maske
5: Steg
6: Maschenöffnung
7: inverse Pyramide

Claims

Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Oberfläche eines Silizium-Photodetektors, bei dem auf der Oberfläche des Photodetektors ein Hard-Mask-Gitter hergestellt und nachfolgend ein Strukturätzschritt in das Silizium ausgeführt wird, wobei die beim Ätzen unterbrochene Anode oder Kathode des Photodetektors durch einen Implantationsschritt unter Vorhandensein des Hard-Mask-Gitters wieder hergestellt wird, so dass der fertiggestellt Photodetektor das Hard-Mask-Gitter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strukturätzschritt durch anisotropes, nasschemisches Ätzen ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Strukturätzschritt regelmäßig verteilt angeordnete etwa 0,5 μm bis 5 μm tiefe Vertiefungen (Trenches) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Strukturätzschritt Trenches erzeugt werden, die spitzere Winkel als Pyramiden mit (111)-Flächen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hard-Mask-Gitter derart photolithographisch strukturiert wird, dass dieses Stegbreiten von ca. 0,5 μm und Maschenöffnungen mit einer Breite von 0,5 μ bis 5 μm aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hard-Mask-Gitter durch SiO2-Abscheidung und nachfolgende photolithographische Strukturierung hergestellt wird.