DE112010002206B4

DE112010002206B4 - Bauelemente zur umwandlung von photonen von stärker verspanntem silicium in elektronen und verfahren zur herstellung eines solchen bauelements

Info

Publication number: DE112010002206B4
Application number: DE112010002206.2T
Authority: DE
Inventors: Paul A. Clifton
Original assignee: Acorn Technologies Inc
Current assignee: Acorn Technologies Inc
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2030-03-03
Also published as: US20130284269A1; DE112010002206T5; US20100229929A1; US9029686B2; US8450133B2; WO2010107578A1; DE112010006138B3

Abstract

Lichtempfindliches Bauelement mit:
einem Siliciumsubstrat (10, 20, 40) mit einer Vielzahl von Gräben (12, 26, 44) auf einer Oberfläche, wobei die Gräben (12, 26, 44) so angeordnet sind, dass sie mindestens eine Siliciumrippe (14, 28, 42) definieren; und
verspanntem Material (16, 30, 32, 46) in mindestens zwei der Gräben (12, 26, 44), wobei das verspannte Material (16, 30, 32, 46) eine mechanische Spannung induziert, und wobei die mechanische Spannung in der mindestens einen Siliciumrippe (14, 28, 42) den Bandabstand zumindest eines Teils des Siliciums in der mindestens einen Siliciumrippe (14, 28, 42) verringert und die Empfindlichkeit des lichtempfindlichen Bauelements für Licht-Wellenlängen erhöht, die Licht-Energien entsprechen, die kleiner als der Bandabstand von Bulk-Silicium sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein lichtempfindliches Bauelement, das einen verspannten Halbleiter und insbesondere verspanntes Silicium enthält. Ein solchen Bauelement kann beispielsweise in Solarzellen, Photodetektoren und bildgebenden Bauelementen eingesetzt werden. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen lichtempfindlichen Bauelements.
Beschreibung des Standes der Technik
Eine Möglichkeit zum Umwandeln von Energie aus Licht in Elektrizität besteht darin, Silicium zum Einfangen von Photonen und zum Erzeugen von Elektron-Loch-Paaren zu verwenden. Das ist sowohl für Solarzellen als auch für Bildsensoren wichtig.
Die US 6 087 197 A offenbart Halbleiter-Mikronadeln, die auf einem Siliziumsubstrat gebildet werden. Die Mikronadeln sind ausreichend klein, um Quanteneffekte zu erzielen, um so einen vergrößerten Bandabstand des Materials zu erhalten.
Die Menge der Energie, die von einer Silicium-Fotovoltaik-Solarzelle (in diesem Dokument einfach als „Solarzelle“ bezeichnet) eingefangen wird, ist von der Wellenlänge des einfallenden Lichts abhängig. Silicium hat eine hohe Absorptionsrate für Energie im Bereich der kurzen Wellenlängen des sichtbaren Spektrums und für UV-Wellenlängen. Die Absorptionsrate nimmt ab, wenn die Wellenlängen länger werden, und sie sinkt bei langwelligem Infrarotlicht fast auf null.
Der Absorptionskoeffizient von Silicium für verschiedene Wellenlängen ist in 1 gezeigt. Das sichtbare Spektrum ist der Wellenlängenbereich von etwa 0,4 µm bis 0,7 µm. Der Absorptionskoeffizient ändert sich um mehr als einen Faktor von zehn über das sichtbare Spektrum des Lichts. Der Bandabstand von kristallinem Silicium beträgt bei Raumtemperatur 1,12 eV. Silicium ist im Wesentlichen durchlässig für Licht mit Photonenwellenlängen, die kleiner als dessen Bandabstand sind. Bei modernen Bildsensoren auf Siliciumbasis ist der Detektionswirkungsgrad für rotes Licht (Photonen knapp über dem Bandabstand) kleiner als der Detektionswirkungsgrad für grüne und blaue Wellenlängen.
Bekanntlich ändert sich der Bandabstand von Silicium, wenn das Silicium verspannt wird, sodass sein Kristallgitterabstand zu- oder abnimmt. Wenn das Silicium zugverspannt wird, sodass sein Gitterabstand gegenüber dem von unverspanntem Silicium größer wird, wird der Bandabstand kleiner.
KURZE DARSTELLUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wäre günstig, einen Halbleiter so zu modifizieren, dass er Photonen mit einer Energie einfängt, die kleiner als der Grund-Bandabstand ist (d. h., Photonen von Licht mit einer größeren Wellenlänge), um den Wirkungsgrad von Solarzellen und Bildsensoren zu erhöhen.
Darüber hinaus besteht großes Interesse am Detektieren und Abbilden von nahem Infrarotlicht z. B. für Anwendungsmöglichkeiten bei der optischen Kommunikation, Nachtsicht, Industrieprüfung und Kraftfahrzeugen. Wenn bei einem Bauelement, das aus Silicium hergestellt ist, der Bandabstand des Siliciums in einem lichtempfindlichen Bereich des Bauelements verringert werden kann, wäre das Bauelement empfindlicher für nahe Infrarot-Wellenlängen als ein ähnliches Bauelement, das aus herkömmlichem Silicium gefertigt ist. Das heißt, die Grenze für die optische Detektion mit modifiziertem Silicium würde weiter in den Infrarotbereich des Spektrums verlagert werden und der Wirkungsgrad der optischen Absorption des modifizierten Siliciums würde sich für die rote und nahe Infrarotstrahlung erhöhen.
Bei einem Aspekt der Erfindung wird ein lichtempfindliches Bauelement zur Verfügung gestellt, das ein Siliciumsubstrat mit einer Vielzahl von Gräben auf einer Oberfläche aufweist. Die Gräben sind so angeordnet, dass sie mindestens eine Siliciumrippe definieren. Mindestens zwei der Gräben enthalten zug- oder druckverspanntes Material, das in der mindestens einen Siliciumrippe eine mechanische Spannung induziert, um den Bandabstand zumindest eines Teils des Siliciums in der mindestens einen Siliciumrippe zu verringern.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines lichtempfindlichen Bauelements zur Verfügung gestellt, das das Bereitstellen eines Siliciumsubstrats und das Erzeugen einer Maske auf dem Siliciumsubstrat aufweist. Die Maske hat eine Maskenstruktur. Das Verfahren umfasst das Ätzen in das Siliciumsubstrat entsprechend der Maskenstruktur, um eine Vielzahl von Gräben so zu erzeugen, dass Paare der Gräben eine Vielzahl von Siliciumrippen definieren. In zumindest einem Teil von zwei oder mehr der Siliciumrippen wird eine mechanische Spannung induziert, und es werden Elektroden ausgebildet, um eine elektrische Verbindung mit dem lichtempfindlichen Bauelement herzustellen. Die mechanische Spannung in den zwei oder mehr Siliciumrippen verringert den Energiebandabstand des zumindest einen Teils von zwei oder mehr Siliciumrippen und erhöht die Empfindlichkeit des lichtempfindlichen Bauelements für Licht-Wellenlängen, die nahe an der Grenze für die Absorption von langen Wellenlängen von Silicium liegen, die dem Grund-Energiebandabstand von etwa 1,12 eV bei Raumtemperatur entspricht. Darüber hinaus vergrößert der verringerte Energiebandabstand in Bereichen mit verspanntem Silicium den Bereich der Empfindlichkeit eines lichtempfindlichen Silicium-Bauelements für längere Licht-Wellenlängen, die einer Photonen-Energie entsprechen, die kleiner als der Grund-Energiebandabstand von unverspanntem Bulk-Silicium ist.
Figurenliste

1 zeigt den Absorptionskoeffizienten von Silicium in Abhängigkeit von der Wellenlänge für unverspanntes Silicium und für unterschiedliche Werte der Verspannung bei dem Silicium.
Die 2a und 2b sind Draufsichten von Anordnungen von Rippen auf der Oberfläche einer Solarzelle, eines Photodetektors oder eines bildgebenden Bauelements.
Die 3a bis 3c stellen Aspekte eines bevorzugten Verfahrens zur Herstellung einer Silicium-Solarzelle, eines Photodetektors oder eines bildgebenden Bauelements schematisch dar.
Die 4a bis 4c stellen Aspekte eines weiteren bevorzugten Verfahrens zur Herstellung einer Silicium-Solarzelle, eines Photodetektors oder eines bildgebenden Bauelements schematisch dar.
Die 5a und 5b stellen Aspekte eines weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dar.
Die 6a bis 6d stellen Aspekte eines weiteren bevorzugten Verfahrens zur Herstellung einer Silicium-Solarzelle, eines Photodetektors oder eines bildgebenden Bauelements schematisch dar.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Besonders bevorzugte Silicium-Solarzellen, Silicium-Bildsensoren, Photodetektoren, Avalanche-Photodetektoren und ähnliche lichtempfindliche Bauelemente werden so hergestellt, dass sie verspanntes Silicium an Übergängen oder in anderen aktiven Bereichen der Bauelemente oder in ausreichender Nähe davon enthalten, um eine höhere Empfindlichkeit für Licht mit längeren Wellenlängen zu erzielen. Verspanntes Silicium hat einen kleineren Bandabstand als herkömmliches Silicium. Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, die verspanntes Silicium enthält, wird eine Gruppe von parallelen Gräben in einen Siliciumwafer geätzt, und in den Siliciumrippen zwischen den Gräben wird eine mechanische Spannung induziert. Bei diesem Verfahren kann eine mechanische Spannung in den Siliciumrippen dadurch induziert werden, dass die Gräben mit zug- oder druckverspanntem Siliciumnitrid, Siliciumoxid oder Siliciumoxidnitrid ausgekleidet oder gefüllt werden. Eine abgeschiedene Schicht aus verspanntem Siliciumnitrid haftet an den Wänden der Gräben an und erzeugt eine mechanische Spannung in den angrenzenden Siliciumrippen.
Erfindungsgemäße Implementierungen sind unter anderem Silicium-Solarzellen und Silicium-Bildsensoren. Die bevorzugten Ausführungsformen werden zwar in erster Linie für Solarzellen beschrieben, aber es ist klar, dass die bevorzugten Ausführungsformen auch Bildsensoren, Photodetektoren und Avalanche-Photodetektoren für den Einsatz in der Siliciumphotonik umfassen. Zu den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gehört unter anderem ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, die verspanntes Silicium in der Nähe der pn-Übergänge oder anderer aktiver Bereiche der Solarzelle enthält. Bei einem beispielhaften Verfahren wird eine Gruppe von parallelen Gräben in einen Siliciumwafer geätzt, und in dem Silicium zwischen den Gräben wird eine mechanische Spannung induziert. Die Siliciumstrukturen, die bei einer solchen Solarzelle zwischen den Gräben übrig bleiben, werden als „Rippen“ bezeichnet, und die Rippen enthalten zugverspanntes Silicium. In den Rippen oder in deren Nähe werden Übergänge erzeugt, die für eine Fotovoltaik-Solarzelle geeignet sind.
Der Bandabstand von unverspanntem Silicium beträgt bei Raumtemperatur 1,12 eV. Auf Grund von Daten in der Literatur hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung errechnet, dass eine einachsige Zugspannung von 1 % im Silicium den Bandabstand auf 0,96 eV verringert und dass eine zweiachsige Zugspannung von 1 % den Bandabstand auf etwa 0,88 eV verringert. Bei einem Bandabstand von 1,12 eV fängt Silicium keine Photonen mit einer Wellenlänge von größer als etwa 1,1 µm ein, sodass eine Verringerung des Bandabstands den Energieeinfang dadurch erhöht, dass die eingefangenen Wellenlängen weiter in den Infrarotbereich hinein verlagert werden. Gleichzeitig bewirkt eine Verringerung des Bandabstands einen Anstieg des Absorptionswirkungsgrads bei Licht mit längeren Wellenlängen (rotes Licht), was bei Bildabtast-Bauelementen günstig ist, wie etwa bei ladungsträgergekoppelten Bauelementen (CCD) und CMOS-Bildsensoren (CMOS: komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter), die für Kameras zum Einsatz kommen.
Der Ausgangspunkt für Implementierungen des bevorzugten Verfahrens, die hier beschrieben werden, ist die Ausbildung einer Gruppe von Vertiefungen oder Gräben auf der Oberfläche eines Siliciumsubstrats oder einer Siliciumschicht. Bei einer Solarzelle haben diese Gräben vorzugsweise eine Tiefe von etwa 3 bis 20 µm. Die Siliciumrippen zwischen diesen Vertiefungen oder Gräben haben vorzugsweise eine Höhe, die ungefähr der Tiefe der geätzten Gräben entspricht, eine Länge von 0,2 bis 20 µm und eine Breite von etwa 0,2 bis 2 µm. Rippen mit einem großen Verhältnis von Höhe zu Breite (hoch und schmal) sind zur Erzielung einer großen Menge von zugverspanntem Silicium günstig.
Bei einem Beispiel für ein bevorzugtes Verfahren zur Erzeugung von Gräben und Rippen mit einem großen Verhältnis von Höhe zu Breite wird eine kostengünstige lithografische Technik verwendet, um eine Struktur mit Linien auf einer Schicht aus Maskierungsmaterial, das ein organisches Fotoresist sein kann, auf einer dünnen Schicht aus Siliciumoxid oder Siliciumnitrid zu definieren. Die 2a und 2b zeigen Draufsichten von einer Anordnung von Rippen 14, die auf der Oberfläche eines Siliciumsubstrats 10 ausgebildet worden sind. Zu den kostengünstigen lithografischen Techniken gehört die Strukturübertragung durch Nanoprägen, z. B. Nanoindenting, bei dem die Linienstruktur unter Verwendung einer Schablone auf einer Walze in eine organische Resistschicht eingeprägt wird. Bei einem alternativen lithographischen Verfahren wird eine einfache Interferenz von zwei Lichtstrahlen zum Erzeugen einer Struktur mit Linien in dem Fotoresist verwendet. Die Struktur wird anschließend durch Trocken- oder Nassätzen in die Oxid- oder Nitridmaskenschicht übertragen. Natürlich kann auch die herkömmliche Fotolithografie zum Einsatz kommen.
Nach der Erzeugung der gewünschten Struktur in einer Schicht aus einem harten Maskenmaterial, wie etwa einer Schicht aus Siliciumoxid oder Siliciumnitrid, können die Rippen aus kristallinem Silicium durch Ätzen mittels eines geeigneten Trocken- oder Nassätzverfahrens ausgebildet werden. Zu den geeigneten Trockenätzverfahren gehören das Plasmaätzen und das reaktive Ionenätzen, die bei der Fertigung von Halbleiter- und mikroelektromechanischen (MEMS) Bauelementen häufig zum Einsatz kommen. Zu den geeigneten Nassätzverfahren zur Erzeugung von Gräben in Silicium gehört das kristallografische Ätzen, das auf einer Kaliumhydroxid(KOH)-Lösung oder einer Tetramethylammonium(TMAH)-Lösung beruht. Diese Ätzlösungen ätzen die {100}- und {110}-Kristallebene selektiv mit einer höheren Ätzgeschwindigkeit als der bei der {111}-Ebene, sodass Gräben mit einem großen Verhältnis von Höhe zu Breite in Siliciumwafern mit einer {110}-Oberflächenorientierung geätzt werden können, wodurch Rippen mit Seitenwänden entstehen, die von {111}-Oberflächen definiert werden, wie es von Kendall in „Vertical Etching of Silicon at Very High Aspect Ratios“ („Vertikales Ätzen von Silicium mit sehr großen Verhältnissen von Höhe zu Breite“) in Annual Review of Materials Science, Jg. 9, S. 373 (1979), beschrieben wird. Weitere Nassätzverfahren sind stromloses Ätzen, unter anderem Beizätzen; Ätzen durch chemische Aufdampfung, zum Beispiel unter Verwendung von Gemischen aus HNO₃ und HF; und metallunterstütztes Ätzen.
Im Anschluss an das Ausbilden der Gräben können mehrere Verfahren zum Induzieren einer mechanischen Spannung in den Rippen zum Einsatz kommen, und es können auch mehrere Verfahren gemeinsam verwendet werden. Ein erstes bevorzugtes Verfahren besteht darin, die Gräben mit zugverspanntem Siliciumnitrid oder zugverspanntem Siliciumoxid zu füllen. Zugverspanntes Siliciumnitrid ist in der Halbleiter-Industrie gut bekannt. Wenn es, wie hier beschrieben wird, in den Gräben abgeschieden wird, haftet die abgeschiedene Schicht aus zugverspanntem Siliciumnitrid an den Wänden der Gräben und erzeugt eine einachsige Zugspannung in den benachbarten Siliciumrippen senkrecht zu der Fläche der Seitenwände der Rippen. Außer Siliciumnitrid sind auch andere Materialien bekannt, die eine Zugspannung nach der Beschichtung zeigen und auch an den Wänden der Gräben haften, wodurch eine Zugspannung in den benachbarten Siliciumrippen induziert wird. Ein alternatives Isoliermaterial mit Zugspannung ist durch chemische Aufdampfung (CVD) abgeschiedenes Siliciumoxid, das zum Beispiel durch Unterdruck-CVD (SACVD) abgeschieden wird und anschließend ausgeheilt wird. Der Ausheilungsschritt führt zu einer Verdichtung des abgeschiedenen Siliciumoxids und induziert eine Zugspannung in dem Material. Dieses Verfahren ist in den 3b und 3c schematisch dargestellt.
Hier und im gesamten Dokument bezieht sich die Diskussion auf elastische Spannungen und eine elastische Verformung von Materialien. In der Regel bedeutet das, dass die mechanische Spannung, ein Maß für eine aufgebrachte oder innere Kraft, direkt mit der Beanspruchung zusammenhängt, einem Maß für die Änderung der Größe oder für die Verformung eines Materials in Reaktion auf die mechanische Spannung. Für viele Aspekte der vorliegenden Diskussion können die Begriffe „mechanische Spannung“ und „Beanspruchung“ ausgetauscht werden, um die interessierenden Erscheinungen angemessen zu beschreiben. Aus Gründen der Klarheit dienen die Begriffe „Zug-“ und „Druck-“ zum Bezeichnen von unterschiedlichen Arten von inneren oder äußeren Kräften und von unterschiedlichen Arten der Verformung, gleichgültig, ob sie eine Ausdehnung oder eine Komprimierung beinhalten. Bei den meisten Implementierungen der vorliegenden Erfindung, die Silicium oder Materialien mit überwiegend Silicium verwenden, wird die Zugspannung bei den Materialien bevorzugt, die zum Erzeugen von lichtempfindlichen Bereichen verwendet werden, da die Zugspannung effektiver und effizienter bei der Erzielung einer höheren Empfindlichkeit ist, die bei vielen ins Auge gefassten Implementierungen angestrebt wird.
3b zeigt einen Einkristall-Siliciumwafer 10 mit darin erzeugten Vertiefungen oder Gräben 12. Wie vorstehend dargelegt worden ist, wird eine Maske, die eine Anordnung von Gräben definiert, auf dem Siliciumwafer oder Substrat 10 erzeugt, durch Ätzen werden die Gräben 12 mit Siliciumrippen 14 dazwischen hergestellt, und dann wird die Maske 15 entfernt, sodass die in 3b gezeigte Struktur entsteht. Das dargestellte Verfahren geht dann zur nächsten Beschichtung einer Schicht 16 aus Siliciumnitrid oder einem anderen zugverspanntem Material auf den Rippen 14 und in den Gräben 12 weiter, sodass die Gräben 12 gefüllt werden, wie es in 3b gezeigt ist. Nach der Schutzbeschichtung der zugverspannten Schicht 16 wird das überschüssige abgeschiedene Material durch Nassätzen oder ein anderes bekanntes Verfahren, wie etwa chemisch-mechanisches Polieren, entfernt. 3c zeigt die übrige Siliciumnitrid- oder andere Schicht 16, die in den Gräben zugverspannt worden ist, aber von der Wafer-Oberfläche entfernt wird, und in der Breitenrichtung wird in den Siliciumrippen 14 zwischen den Gräben eine einachsige Zugspannung induziert. Die auf diese Weise in den Rippen induzierte Zugspannung reicht aus, um den Bandabstand zumindest eines Teils des Siliciums in den Rippen zu verringern und seinen Wirkungsgrad beim Einfangen der im Licht vorhandenen Energie zu erhöhen, wie vorstehend dargelegt worden ist. Bei bevorzugten Implementierungen von Fotovoltaik-Solarzellen werden pn-Übergänge in den Rippen oder ausreichend nahe daran hergestellt, sodass durch Photonenabsorption erzeugte Ladungsträger von dem Übergang aufgefangen werden. Herkömmliche Dotierungsschritte, die die Diffusion und Implantation umfassen, können entweder vor oder nach der Erzeugung der Gräben und Rippen durchgeführt werden.
Bei einer Solarzelle oder Fotodiode wird Silicium normalerweise so dotiert, dass ein pn-Dotierungsübergang entsteht. Überschüssige freie Ladungsträger (Elektronen und Löcher) entstehen, wenn Photonen absorbiert werden und Elektron-Loch-Paare erzeugen. Elektronen und Löcher, die in dem Verarmungsgebiet oder innerhalb von ungefähr einer so genannten Diffusionslänge von dem Verarmungsgebiet entfernt erzeugt werden, werden von dem Verarmungsgebiet eingefangen. Das Verarmungsgebiet transportiert Elektronen zu der n-Seite des Übergangs und transportiert Löcher zu der p-Seite des Übergangs. Die Ströme von Elektronen und Löchern liefern einen elektrischen Strom, d. h. die Ausgabe der Solarzelle oder Fotodiode. Bei Bildsensoren [ladungsträgergekoppelten Bauelementen (CCD) oder CMOS-Bildsensoren (CIS)] dienen pn-Übergänge zum Trennen von Elektronen und Löchern, die durch Photonenabsorption erzeugt werden, und zum Erzeugen einer Menge von gespeicherter Ladung zum nachfolgenden elektronischen Auslesen.
Als Alternativen zu dotierten pn-Übergängen können auch andere Übergangsarten in Fotovoltaik-Solarzellen-, Fotodioden- und Bildsensor-Bauelement-Anwendungen zum Einsatz kommen. Beispiele hierfür sind Schottky-Barriere-Übergänge, die an der Grenzfläche zwischen einem Metall und einem Halbleiter entstehen, und Metall-Tunnelisolator-Halbleiter(MIS)-Übergänge.
Nach den Schritten, die in den 3b und 3c gezeigt sind und vorstehend erörtert worden sind, werden Leiter an der Ober- und Unterseite vorzugsweise nach der herkömmlichen Praxis angebracht. Leiter auf der Oberfläche, die die Rippen enthält, werden jeweils in Kontakt mit den Siliciumrippen gebracht.
Es kann eine dünne Schicht aus zugverspanntem oder druckverspanntem Siliciumnitrid zum Beispiel durch Plasma-unterstützte chemische Aufdampfung (PECVD) abgeschieden werden. Die Fa. Applied Materials, Inc. berichtet zum Beispiel, dass ihr System „Producer Cetera“ für Plasma-unterstützte CVD (PECVD) eine integrierte Beschichtung von verspanntem Siliciumnitrid und eine UV-Aushärtungslösung ermöglicht, die eine Zugspannung von bis zu 1,7 GPa liefert, die auf 2,0 GPa erweitert werden kann, und gleichzeitig die Forderung nach einem niedrigen Wärmebudget erfüllt. Diese Beschichtungskammer kann Siliciumnitrid-Schichten mit Druckspannungen bis zu 3,5 GPa beschichten. Durch Ändern von Eingangsfaktoren bei dem PECVD-Verfahren kann eine integrierte Zug- oder Druckspannung in einer vorhersagbaren Größe in dem Bereich von 1,7 GPa für die Zugspannung bis 3,0 GPa für die Druckspannung selektiv in eine abgeschiedene Siliciumnitrid-Dünnschicht eingetragen werden. Siliciumnitrid, das zugverspannt oder druckverspannt abgeschieden wird, ermöglicht einen Prozess zum Induzieren einer Druck- bzw. Zugspannung in dem benachbarten Halbleiter.
Eine zweite Verfahrens-Implementierung ist in den 4a bis 4c schematisch dargestellt. Die Strategie dieses dargestellten Verfahrens besteht darin, druckverspanntes Material, wie etwa Siliciumnitrid, als eine Kappe auf einer Gruppe von Rippen zum Induzieren einer Zugspannung in den Siliciumrippen zu verwenden. Wie in 4a gezeigt ist, wird bei diesem Verfahren druckverspanntes Siliciumnitrid 22 auf der Oberfläche eines Siliciumwafers 20 abgeschieden und als eine harte Maskenschicht zum Ätzen verwendet. Das heißt, die druckverspannte Siliciumnitrid-Schicht 22 wird vorzugsweise mittels der kostengünstigen Fotolithografie strukturiert, um eine Maske 24 herzustellen, wie es in 4b gezeigt ist. Dann werden durch Ätzen Gräben 26 erzeugt, die Rippen 28 definieren, wie es bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren geschehen ist, wobei die Maske 24 das seitliche Ausmaß des Ätzens bestimmt. Wenn die Gräben 26 hergestellt werden, verbleibt eine Kappe aus druckverspanntem Siliciumnitrid 24 auf jeder Rippe 28 (4c). Diese Kappe 24 dehnt sich seitlich zu den Gräben 26 aus, um die Druckspannung der Kappe etwas zu verringern. Da das Siliciumnitrid 24 an dem angrenzenden darunterliegenden Silicium haftet, induziert die Ausdehnung der Kappe 24 eine Zugspannung in dem Silicium in der Nähe der Oberseite der Rippe 28.
Dann werden die Gräben 26 mit einem Material gefüllt, das an den Grabenwänden haftet. Dieses Material kann vorzugsweise ebenfalls zugverspannt sein, und Gleiches gilt auch für das Siliciumnitrid oder Siliciumoxid, das so abgeschieden wird, dass eine Zugspannung entsteht. Nachdem die Gräben gefüllt worden sind, werden die Kappen 24 auf den Rippen 28 vorzugsweise entfernt. Der größte Teil der von den Kappen 24 induzierten Spannung bleibt durch das Material für die Füllung der Gräben in den Rippen 28 bestehen. Wenn das Grabenfüllmaterial zugverspannt ist, wird in das Silicium in den Rippen 28 eine Zugspannung eingetragen, die sowohl von den Kappen als auch von dem Grabenfüllmaterial induziert wird. Es können auch andere Kappen-Materialien verwendet werden, die eine Zugspannung in den Siliciumrippen 28 induzieren.
Nach den Prozessen zur Herstellung der Rippen 28 mit einer seitlichen Zugspannung wird eine weitere Verarbeitung durchgeführt, um die Solarzelle, den Detektor oder das bildgebende Bauelement fertig zu stellen. Wenn vor der Beschichtung der druckverspannten Siliciumnitrid-Schicht 22 (4a) keine Dotierung durchgeführt wird, werden bei dem Verfahren vorzugsweise die zugverspannten Rippen 28 dotiert, um Übergänge herzustellen, die für eine Solarzelle oder ein bildgebendes Bauelement geeignet sind. Nach der Dotierung werden durch herkömmliche Verarbeitung Kontakte auf dem Substrat und den Rippen ausgebildet, um einen Kontakt mit dem Bauelement herzustellen.
Bei dem Verfahren, das in den 4a bis 4c gezeigt ist, kann ein zugverspanntes Grabenfüllmaterial verwendet werden oder auch nicht. Das heißt, bei dem Verfahren, das in den 4a bis 4c gezeigt ist, werden günstig verspannte Rippen hergestellt. Wenn auch ein zugverspanntes Grabenfüllmaterial verwendet wird, so wird dies hier als „kombiniertes Verfahren“ bezeichnet, das in den 5a und 5b dargestellt ist. In den Abbildungen der 5a und 5b werden die gleichen Bezugssymbole wie in den 4a bis 4c verwendet, um gleiche oder ähnliche Strukturen zu identifizieren und Prozessschritte darzustellen, die auf die Prozessphase folgen, die in 4c gezeigt ist.
5a zeigt die Beschichtung von zugverspanntem Siliciumnitrid 30 nach der Herstellung der druckverspannten Siliciumnitrid-Kappen 24 und dem Ätzen der Gräben zwischen den Rippen 28. Das zugverspannte Siliciumnitrid 30 haftet an den Wänden der Gräben und induziert dadurch eine zusätzliche Zugspannung in die Rippen 28 zwischen den Gräben. Die Spannung, die aus dem zugverspannten Siliciumnitrid 30 in den Gräben resultiert, kommt zu der Spannung hinzu, die durch die Entspannung oder Ausdehnung der druckverspannten Siliciumnitrid-Kappen 24 induziert worden ist, was zu einer höheren Gesamtspannung in den Rippen 28 als in dem Fall führt, dass entweder nur druckverspannte Kappen oder nur zugverspanntes Siliciumnitrid als Grabenfüllmaterial verwendet wird.
Nachdem die Gräben gefüllt worden sind, kann das Siliciumnitrid (druckverspannte Kappen und zugverspanntes Füllmaterial) bis zu der Ebene der Oberseite der Siliciumrippen entfernt werden, sodass die Oberflächen der Rippen freiliegen (wie es in 5b gezeigt ist). Das Siliciumnitrid oder andere Materialien, die eine zusätzliche mechanische Spannung bewirken, können durch Nass- oder Trockenätzen oder ein anderes Verfahren, wie etwa chemisch-mechanisches Polieren, entfernt werden. Dadurch bleibt eine Siliciumnitrid- oder andere Vertiefung 32 zurück, die einen Beitrag zu der Zugspannung in den Rippen 28 leistet. Wie vorstehend bei 4c beschrieben worden ist, wird eine Dotierung durchgeführt, um pn-Übergänge herzustellen, die für die Solarzelle, Fotodiode oder das bildgebende Bauelement geeignet sind. Dann werden Elektroden mit den Oberflächen der Rippen und der gegenüber liegenden Oberfläche der Solarzelle oder eines anderen Bauelements in der herkömmlichen Weise verbunden.
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren der vorliegenden Erfindung ist in den 6a bis 6d schematisch dargestellt. Bei diesem Verfahren werden zusätzlich zu den Gräben zwischen den Rippen Gräben in jeder Rippe geätzt, wie es in 2b gezeigt ist. Die Länge jedes Rippenabschnitts beträgt vorzugsweise 1 bis 10 µm. Bei einem bevorzugten Aspekt dieses Verfahrens wird ein druckverspanntes Material, wie etwa Siliciumnitrid, als eine Graben-Deckschicht verwendet, die auf einer Gruppe von Rippen abgeschieden wird, um eine Zugspannung in den Siliciumrippen zu induzieren. 6a zeigt ein Siliciumsubstrat 40 mit Rippen 42 und Gräben 44, die nach einer der vorstehend beschriebenen Methoden erzeugt worden sind. Wie in 6b gezeigt ist, wird eine druckverspannte Siliciumnitrid-Deckschicht 46 auf der Oberfläche der Rippen 42 abgeschieden. Vorzugsweise füllt die Siliciumnitrid-Deckschicht 46 die Gräben nicht vollständig und Schichten, die auf gegenüber liegenden Graben-Seitenwänden abgeschieden werden, berühren außer an der Unterseite der Gräben 44 einander nicht. Da die Siliciumnitrid-Deckschicht 46 an dem angrenzenden Silicium der Rippen 42 haftet, wird durch die Ausdehnung der Siliciumnitrid-Deckschicht 46 eine zweiachsige Zugspannung in dem Silicium der Rippen 42 parallel zu den Seitenwänden der Rippen induziert.
Dann werden die Gräben mit einem zweiten abgeschiedenen Material 48 gefüllt, das vorzugsweise an dem Material der Siliciumnitrid-Deckschicht 46 haftet. Dieses zweite Material 48 sollte unverspannt sein und dient dazu, ein vollständiges Füllen der Gräben zu ermöglichen, was für das nachfolgende Zurückätzen des Siliciumnitrids von der Oberseite der Siliciumrippen mit minimalem Verlust von Nitrid aus den Gräben von Nutzen ist. Nachdem die Gräben mit dem unverspanntem Grabenfüllmaterial 48 gefüllt worden sind, werden das erste druckverspannte Material und die zweiten abgeschiedenen Schichten von den Oberseiten der Rippen entfernt, wie es in 6d gezeigt ist. Beide Materialien verbleiben im Wesentlichen in den Gräben. Wenn das Grabenfüllmaterial 48 unverspannt ist, wird in das Silicium in den Rippen 42 eine zweiachsige Zugspannung, die von dem druckverspannten Material der Deckschicht induziert wird, parallel zu den Grabenwänden eingetragen. Dann erfolgt die Weiterverarbeitung, unter anderem gegebenenfalls eine Dotierung zur Erzeugung von pn-Übergängen, die für die gewünschte Solarzelle oder das gewünschte andere Bauelement geeignet sind, in der vorstehend beschriebenen Weise, um die Solarzelle oder das andere Bauelement fertig zu stellen.
Alternativ werden die Gräben vollständig mit druckverspanntem Material, wie etwa druckverspanntem PECVD-Siliciumnitrid, gefüllt, und in diesem Fall induziert das druckverspannte Siliciumnitrid eine zweiachsige Spannung in den Siliciumrippen in einer Ebene, die zu den Seitenwandflächen der Rippen parallel ist, und zusätzlich eine einachsige Druckspannung senkrecht zu den Seitenwandflächen der Rippen.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung wird Siliciumoxid in den Gräben durch eine Reaktion der Oberfläche des Rippenmaterials Silicium mit einem Oxidationsmittel bei hohen Temperaturen aufwachsen gelassen. Die räumliche Ausdehnung des Oxids, das durch die thermooxidative Reaktion entsteht, erzeugt eine Druckspannung in dem Oxid, und die Größe der Druckspannung nimmt zu, wenn der Graben vollständig mit dem aufgewachsenen Oxid gefüllt ist. Dadurch, dass das druckverspannte Siliciumoxid die Gräben füllt, werden eine zweiachsige Zugspannung in den Siliciumrippen in erster Linie parallel zu den Flächen der Seitenwände der Rippen und eine einachsige Druckspannung in den Siliciumrippen in erster Linie senkrecht zu den Flächen der Seitenwände der Rippen induziert.
Bei Betrieb tritt Licht in die Solarzelle ein. Bei einigen Ausführungen befinden sich die Rippen, in denen zugverspanntes Silicium vorliegt, auf derjenigen Seite der Zelle, auf der Licht empfangen wird, und bei anderen Anwendungen befinden sich die Rippen und somit das verspannte Silicium auf der gegenüber liegenden Seite, von der Licht in die Zelle eintritt.
Da die Rippen verspannt sind, ist der Bandabstand zumindest eines Teils des Siliciums in den Rippen kleiner als der Gleichgewichts-Bandabstand von spannungsfreiem oder Bulk-Silicium. Dadurch erzeugen Photonen mit längeren Wellenlängen Elektron-Loch-Paare, was den Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht. Diese Elektron-Loch-Paare stellen einen zusätzlichen Strom zu dem Strom dar, der in einer Zelle ohne ein verspanntes Material erzeugt werden würde. Die dadurch eingefangene zusätzliche Lichtenergie liefert einen Beitrag zu einer verbesserten Gesamtleistung der Zelle.
Wesentlich für den Betrieb einer Solarzelle oder eines Bildaufnahme-Bauelements ist die Verwendung eines pn-Übergangs, um eine Ladungstrennung zu bewirken und einen Stromfluss zu ermöglichen. Bei Silicium und anderen Halbleitermaterialien wird durch eine entsprechende Dotierung von p- und n-leitenden Materialien ein Übergang erzeugt, der ein „Verarmungsgebiet“ hat, das bewirkt, dass es zu einem Fluss von Elektron-Loch-Paaren kommt.
Die Lage der pn-Übergänge und der zugehörigen Verarmungsgebiete ändert sich in Abhängigkeit von der Konstruktion der Solarzelle oder des Sensors. Unabhängig von der Lage des Verarmungsgebiets können Elektron-Loch-Paare überall in dem Silicium der Zelle oder des Sensors erzeugt werden. Wenn der Abstand des Verarmungsgebiets von der Stelle, an der die Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, klein genug ist (ein Ziel bei der Konstruktion von Zellen oder Sensoren), ist es wahrscheinlich, dass die erzeugten Elektron-Loch-Paare einen Beitrag zu dem erzeugten Strom (bei einer Solarzelle oder Fotodiode) oder zu der eingefangenen Ladung (bei einer CCD- oder CMOS-Bildsensorzelle) leisten.
Die Erzeugung einer mechanischen Spannung in einem Teil des Siliciums oder des anderen Materials, aus dem die Solarzellen oder Bildsensoren bestehen, gilt daher für die gesamte Palette dieser Bauelemente.
Die hier vorgestellten Verfahren können für CMOS-Bildsensoren verwendet werden, bei denen das Silicium oder das andere Material, das zum Einfangen der einzelnen Pixel verwendet wird, aus nur einer einzigen Rippe oder aus einer Gruppe von Rippen bestehen kann. Wenn die Rippen breit sind, kann die mechanische Spannung in dem Silicium in der Nähe der Gräben größer als die Spannung sein, die jeweils in der Mitte der einzelnen Rippen vorhanden ist. Es ist keine einheitliche mechanische Spannung erforderlich, um Nutzen aus der beschriebenen Struktur zu ziehen. Es reicht aus, wenn eine bestimmte Menge von Silicium verspannt wird. Diese Menge hat dann einen geringeren Bandabstand als unverspanntes Silicium, und damit geht eine Verbesserung des Wirkungsgrads im Vergleich zu unverspanntem Silicium einher, mit der es auf längere Wellenlängen von Licht reagiert.
Es können auch andere Halbleitermaterialien, unter anderem Elemente wie Germanium und Verbindungen wie Galliumarsenid, zum Umwandeln von Licht in elektrischen Strom zum Einsatz kommen. Aspekte der Erfindung, die hier beschrieben werden, können für Solarzellen, Fotodioden, Avalanche-Fotodioden, Bildsensoren und andere Anwendungen verwendet werden, deren Leistung durch Erhöhen der Rate der Absorption von Photonen und durch Erzeugen von Elektron-Loch-Paaren für längere Wellenlängen von Licht verbessert werden würde. Zwar bezieht sich die Beschreibung hier auf Silicium, aber es ist klar, dass die Ideen, Mittel und Verfahren, die hier beschrieben werden, gleichermaßen für alle Materialien und Verbindungen gelten, bei denen die Reaktion auf lange Licht-Wellenlängen durch die Nutzung einer mechanischen Spannung in diesen Materialien oder Verbindungen verbessert werden kann.

Claims

Lichtempfindliches Bauelement mit: einem Siliciumsubstrat (10, 20, 40) mit einer Vielzahl von Gräben (12, 26, 44) auf einer Oberfläche, wobei die Gräben (12, 26, 44) so angeordnet sind, dass sie mindestens eine Siliciumrippe (14, 28, 42) definieren; und verspanntem Material (16, 30, 32, 46) in mindestens zwei der Gräben (12, 26, 44), wobei das verspannte Material (16, 30, 32, 46) eine mechanische Spannung induziert, und wobei die mechanische Spannung in der mindestens einen Siliciumrippe (14, 28, 42) den Bandabstand zumindest eines Teils des Siliciums in der mindestens einen Siliciumrippe (14, 28, 42) verringert und die Empfindlichkeit des lichtempfindlichen Bauelements für Licht-Wellenlängen erhöht, die Licht-Energien entsprechen, die kleiner als der Bandabstand von Bulk-Silicium sind.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei es eine Silicium-Solarzelle ist und ein pn-Übergang in der mindestens einen Siliciumrippe (14, 28, 42) erzeugt wird.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei das verspannte Material (46) druckverspanntes Siliciumnitrid ist, das an mindestens einer Seitenfläche der mindestens einen Siliciumrippe (28, 42) haftet.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei das verspannte Material (16, 30, 32) zugverspanntes Siliciumoxid oder Siliciumnitrid ist, das an Wänden von aneinandergrenzenden Rippen (14, 28) haftet.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Siliciumrippe (14, 28, 42) kristallines Silicium ist, die Gräben (12, 26, 44) eine Tiefe von etwa 0,3 bis 20 µm haben und die Rippen eine Breite von etwa 0,2 bis 1 µm und eine Länge von 0,3 bis 20 µm haben.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei es eine Silicium-Solarzelle ist und ein pn-Übergang innerhalb einer Diffusionslänge eines verringerten Bandabstands und eines verspannten Teils der mindestens einen Siliciumrippe (14, 28, 42) erzeugt wird.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei es eine Bildsensorzelle ist und ein pn-Übergang innerhalb einer Diffusionslänge eines verringerten Bandabstands und eines verspannten Teils der mindestens einen Siliciumrippe (14, 28, 42) erzeugt wird.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei es ein Infrarot-Fotodetektor ist, der Photonen in einem Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1400 nm detektieren kann, und ein pn-Übergang innerhalb einer Diffusionslänge eines verringerten Bandabstands und eines verspannten Teils der mindestens einen Siliciumrippe (14, 28, 42) erzeugt wird.
Verfahren zur Herstellung eines lichtempfindlichen Bauelements, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Siliciumsubstrats (10, 20, 40); Erzeugen einer Maske auf dem Siliciumsubstrat (10, 20, 40), wobei die Maske eine Maskenstruktur hat; Ätzen in das Siliciumsubstrat (10, 20, 40) entsprechend der Maskenstruktur, um eine Vielzahl von Gräben (12, 26, 44) zu erzeugen, wobei Paare von Gräben eine Vielzahl von Siliciumrippen (14, 28, 42) definieren; Induzieren einer mechanischen Spannung in zumindest einem Teil von zwei oder mehr der Siliciumrippen (14, 28, 42) und Ausbilden von Elektroden, um elektrische Verbindungen mit dem lichtempfindlichen Bauelement herzustellen, wobei die mechanische Spannung in den zwei oder mehr Siliciumrippen (14, 28, 42) den Bandabstand des zumindest einen Teils von zwei oder mehr Siliciumrippen (14, 28, 42) verringert und die Empfindlichkeit des lichtempfindlichen Bauelements für Licht-Wellenlängen erhöht, die Licht-Energien entsprechen, die kleiner als der Bandabstand von Bulk-Silicium sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Induzieren einer mechanischen Spannung das Induzieren einer Zugspannung durch Beschichten von druckverspanntem Material zum Füllen der Gräben und das Entfernen von überschüssigem druckverspanntem Material von der Oberseite zumindest eines Teils der zwei oder mehr Siliciumrippen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Induzieren einer mechanischen Spannung das Induzieren einer Zugspannung durch Aufwachsenlassen von Siliciumoxid in dem Graben (12, 26) mittels einer thermischen Oxidation umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Induzieren einer mechanischen Spannung das Beschichten von zugverspanntem Siliciumnitrid oder Siliciumoxid in einer Weise umfasst, dass es an Seiten der zwei oder mehr Siliciumrippen (14, 28) haftet.
Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin die folgenden Schritte aufweist: Beschichten von druckverspanntem Siliciumnitrid (46) und Beschichten von unverspanntem Siliciumnitrid (48) in den Gräben (44), damit es an dem druckverspannten Siliciumnitrid (46) anhaftet und Entfernen von überschüssigem unverspanntem Siliciumnitrid (48) und von überschüssigem druckverspanntem Siliciumnitrid (46) von der Oberseite zumindest eines Teils der zwei oder mehr Siliciumrippen (42).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das lichtempfindliche Bauelement eine Silicium-Solarzelle ist und das Verfahren weiterhin das Dotieren der zwei oder mehr Siliciumrippen (14, 28, 42) aufweist, um zwei oder mehr pn-Übergänge zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das lichtempfindliche Bauelement eine Bildsensorzelle ist und das Verfahren weiterhin das Dotieren der zwei oder mehr Siliciumrippen (14, 28, 42) aufweist, um zwei oder mehr pn-Übergänge zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das lichtempfindliche Bauelement ein Infrarot-Fotodetektor ist, der Photonen in einem Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1400 nm detektieren kann, und das Verfahren weiterhin das Dotieren der zwei oder mehr Siliciumrippen (14, 28, 42) aufweist, um zwei oder mehr pn-Übergänge zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Gräben (12, 26, 44) bis zu einer Tiefe von etwa 3 bis 10 µm geätzt werden und eine Breite von etwa 0,2 bis 1 µm haben.
Verfahren nach Anspruch 10, das weiterhin das Dotieren der zwei oder mehr Siliciumrippen (14, 28, 42) aufweist, um zwei oder mehr pn-Übergänge innerhalb einer Diffusionslänge eines entsprechenden verringerten Bandabstands und von verspannten Teilen der zwei oder mehr Siliciumrippen (14, 28, 42) zu erzeugen.