DE19737796A1

DE19737796A1 - Fotodiode und Verfahren für ihre Herstellung

Info

Publication number: DE19737796A1
Application number: DE19737796A
Authority: DE
Inventors: Richard Billings Merrill
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: Foveon Inc
Priority date: 1996-10-21
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 1998-04-30
Also published as: KR19980032306A

Description

Die Erfindung betrifft eine Fotodiode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Fotodiode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Es ist bekannt, Fotodioden auf Halbleitersubstraten auszubil den, wobei beispielsweise eine p+/n-Fotodiode ein n-leitendes Halblei tersubstrat und einen p+-Bereich, der darin ausgebildet ist, aufweist. Der p+-Bereich ist dabei anfänglich in bezug auf das Halbleitersubstrat umgekehrt vorgespannt und schwimmt dann. Unter diesen Bedingungen er zeugt Lichtenergie in Form von Photonen, die auf die Fotodiode fallen, eine Anzahl von Elektron-Loch-Paaren in dem Halbleitersubstrat und dem p+-Bereich. Die Löcher in dem n-leitenden Halbleitersubstrat diffundie ren zu der p-n-Sperrschicht, wo sie unter dem Einfluß des elektrischen Feldes an der Sperrschicht zum p+-Bereich gelenkt werden, während die Elektronen von der positiven, an dem Halbleitersubstrat anliegenden Spannung angezogen werden.

Die in dem p+-Bereich gebildeten Löcher verbleiben in diesem, während die hierin gebildeten Elektronen zur p-n-Sperrschicht diffundie ren, wo sie in das Halbleitersubstrat gelenkt werden. Daher wird durch die Hinzufügung jedes fotoerzeugten Lochs im p+-Bereich die Spannung am p+-Bereich entsprechend erhöht. Dementsprechend variiert die Spannung am p+-Bereich proportional zur Photonenabsorptionsrate.

Eine derartige Fotodiode unterliegt allerdings einem thermisch oder auch durch andere Quellen erzeugten Rauschen. So diffundieren bei spielsweise Elektron-Loch-Paare, die thermisch im Halbleitersubstrat er zeugt werden, von diesem in den p+-Bereich, wo jedes zusätzliche Loch fehlerhafterweise ein weiteres Photon repräsentiert.

Um dieses Rauschen zu begrenzen, ist es bekannt, bei einer p+/n-Fotodiode eine n-Wanne vorzusehen, die in einem p-leitenden Halb leitersubstrat ausgebildet ist, während der p+-Bereich in der n-Wanne ausgebildet ist. Letztere wird in bezug auf das Halbleitersubstrat durch Anlegen einer negativen Spannung an das Substrat und einer positiven Spannung an die n-Wanne umgekehrt vorgespannt. Zusätzlich ist der p+-Be reich anfänglich in bezug auf die n-Wanne umgekehrt vorgespannt und schwimmt dann. Unter diesen Bedingungen diffundieren in der n-Wanne ge bildete Löcher zur p-n-Sperrschicht, wo sie unter dem Einfluß des elek trischen Feldes in den p+-Bereich gelenkt werden, während die Elektronen durch die an die n-Wanne angelegte positive Spannung angezogen werden. Entsprechend verbleiben im p+-Bereich gebildete Löcher im p+-Bereich, während darin gebildete Elektronen zur p-n-Sperrschicht diffundieren und zur n-Wanne gelenkt und durch die daran angelegte positive Spannung ge sammelt werden. Auch hier erhöht daher das Hinzufügen jedes fotoerzeug ten Lochs im p+-Bereich die Spannung am p+-Bereich entsprechend. Aller dings werden thermisch oder durch andere Rauschquellen erzeugte Löcher aus dem Substrat durch Aufrechterhaltung der umgekehrten Vorspannung an der Wannen-Substrat-Grenzschicht daran gehindert, vom Halbleitersubstrat in den p+-Bereich durch die p-n-Grenzschicht zu diffundieren. Statt des sen werden die Löcher im Halbleitersubstrat von der daran angelegten ne gativen Spannung angezogen, während die Elektronen aus diesen Elektron- Loch-Paaren im Halbleitersubstrat zur p-n-Grenzschicht diffundieren, wo sie in die n-Wanne gelenkt und durch die daran angelegte positive Span nung gesammelt werden. Auf diese Weise wird der Rauschpegel beträchtlich reduziert. Nachteilig ist jedoch eine relativ geringe Quantenausbeute, da in der n-Wanne fotoerzeugte Löcher nicht nur zum p+-Bereich, sondern auch zum Halbleitersubstrat diffundieren können, wo diese Löcher und die dadurch repräsentierte Fotoinformation verloren sind. Bei einer Fotodio de einer CMOS-Schaltung geht im allgemeinen etwa die Hälfte der in der n-Wanne fotoerzeugten Löcher an das Halbleitersubstrat verloren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Fotodiode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 zu schaffen, die zu einer Fotodiode mit ver besserter Quantenausbeute führt.

Dadurch, daß über dem Halbleitersubstrat eine Isolierschicht vorgesehen ist, wird nicht nur die Quantenausbeute erhöht, sondern auch das Rauschen gesenkt, da Löcher aus dem Halbleitersubstrat daran gehin dert werden, in den Bereich der Fotodiode zu diffundieren.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt im Schnitt schematisch eine p+/n-Fotodiode.

Fig. 2 und 3 zeigen im Schnitt weitere Ausführungsformen einer p+/n-Fotodiode.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm bezüglich einer Gleichgewichtung der Fotoansprache bezüglich roter und blauer Strahlung in Abhängigkeit von der Schichtdicke.

Fig. 5 illustriert die beschränkte Wirkung von sekundären und tertiären Photonen.

Fig. 6 zeigt im Schnitt eine Fotodiode in Verwendung mit einer aktiven Pixelsensorzelle.

Fig. 7 zeigt eine n+/p-Fotodiode.

Fig. 8 und 9 zeigen weitere Ausführungsformen einer n+/p-Foto diode.

Die in Fig. 1 dargestellte Fotodiode 100, die auf einem Halb leitersubstrat 110 ausgebildet ist. Die umfaßt eine Isolierschicht 112, etwa aus Siliciumdioxid, die auf dem Halbleitersubstrat 110 ausgebildet ist. Eine Schicht 114 aus n-leitendem Material ist auf der Isolier schicht 112 ausgebildet, und in dieser ist ein p+-Bereich 116 ausgebil det. Hierbei verhindert die Isolierschicht 112, daß in der n-leitenden Schicht 114 gebildete Löcher zum Halbleitersubstrat 110 hin verlorenge hen. Statt dessen wird der Hauptteil dieser Löcher von der Isolierschicht 112 wegreflektiert, um durch den p+-Bereich 116 gesammelt zu werden. So mit wird durch die Isolierschicht 112 die Quantenausbeute der Fotodiode 100 wesentlich vergrößert.

Zusätzlich verhindert die Isolierschicht 112, daß thermische oder in sonstiger Weise im Halbleitersubstrat 110 erzeugte Löcher in den p+-Bereich 116 diffundieren, wodurch das Problem des Rauschens erheblich reduziert wird.

Da bei einer derartigen Fotodiode einige Löcher trotzdem an Getterstellen an der Oberfläche der Isolierschicht 112 verlorengehen können, ist bei der Fotodiode 200 gemäß Fig. 2 die n-leitende Schicht 114 zweischichtig ausgebildet, sie umfaßt eine vergrabene n+-Schicht 118, die auf der Isolierschicht 112 angeordnet ist, und eine darüber be findliche n-leitende Schicht 114', in der der p+-Bereich 116 ausgebildet ist.

Aufgrund der erhöhten Dotierungskonzentration der n+-Schicht 118 ist diese etwas positiver als die n-Schicht 114', so daß sie Löcher, die in der n-Schicht 114' gebildet werden, zurück in den p+-Bereich 116 reflektiert. Die Elektronen aus diesen Elektron-Loch-Paaren werden wie bei der vorhergehenden Ausführungsform von der an die n-leitende Schicht 114 angelegte positive Spannung angezogen, und zwar unabhängig davon, ob die Elektronen durch die n+-Schicht 118 laufen oder nicht. Auf diese Weise reduziert die n+-Schicht 118 die Anzahl von Löchern der Fotoinfor mation, die sonst zur Isolierschicht 112 verlorengehen, wodurch die Quantenausbeute der Fotodiode 200 weiter erhöht wird.

Gemäß der in Fig. 3 dargestellten Fotodiode 300 wird das Rau schen weiter verringert, indem ein Isoliergraben 120, etwa aus einem Oxid, ausgebildet wird, der sich durch die n-leitende Teilschicht 114, die n+-Teilschicht 118 und die Isolierschicht 112 erstreckt, um die n-leitende Schicht 114 zu umgeben. Der Oxidgraben 120 liefert eine Bar riere, die die Bewegung von Löchern in und aus der Fotodiode 300 stark beschränkt, wodurch die Anzahl von Löchern, die außerhalb als Rauschen erzeugt und durch den p+-Bereich 116 gesammelt werden könnten, wesent lich reduziert wird, wodurch gleichzeitig der Verlust an Löchern an be nachbarte Fotodioden begrenzt wird.

Ein wesentlicher Vorteil der Fotodiode 300 besteht darin, daß sie weniger durch die Einwirkung von Hochenergieteilchen beeinträchtigt wird, die übliche Fotodioden blind machen, da sie eine extrem hohe An zahl von Elektron-Loch-Paaren bis in die tiefsten Abschnitte der Foto diode hinein erzeugen können. Bei der Fotodiode 300 werden jedoch nur Löcher durch den p+-Bereich 116 gesammelt, die in dem durch die Isolier schicht 112 und den Oxidgraben 120 begrenzten Bereich erzeugt werden.

Die Fotodioden 100, 200 und 300 liefern ein automatisches Blooming dadurch, daß dann, wenn das Potential am p+-Bereich 116 etwa 0,6 V größer als das Potential an der n-leitenden Schicht 114 ist, die Grenzschicht zwischen den beiden Bereichen vorwärts vorgespannt wird.

Bei den Fotodioden 100, 200 und 300 kann die Zahl von Löchern, die durch rotes oder infrarotes Licht erzeugt und gesammelt werden, durch die Dicke der n-leitenden Schicht 114 variiert werden, was ande rerseits die Anzahl von Löchern variiert, die in dem Halbleitersubstrat 110 und der n-leitenden Schicht 114 erzeugt werden. Die Dicke der n-lei tenden Schicht 114 wird durch Entfernen eines Teils hiervon bis zum Er reichen einer vorbestimmten Dicke, wie etwa einer Dicke von vier um va riiert.

Hierbei wird genutzt, daß rote und infrarote Photonen leicht die Isolierschicht 112 durchdringen können, daß jedoch Elektron-Loch- Paare, die durch rote und infrarote Photonen gebildet werden können, die Isolierschicht 112 nicht durchdringen können.

Bei einer entsprechend dünnen n-leitenden Schicht 114 werden daher weniger Löcher durch rote und infrarote Photonen in der n-leiten den Schicht 114 gebildet, während mehr Löcher durch rote und infrarote Photonen im Halbleitersubstrat gebildet werden, da eine größere Anzahl von roten und infraroten Photonen die Isolierschicht 112 durchdringt und somit im Halbleitersubstrat 110 entsprechende Elektron-Loch-Paare bil det.

Bei einer relativ dicken n-leitenden Schicht 114 hingegen wer den mehr Löcher durch rote und infrarote Photonen in der n-leitenden Schicht 114 und weniger entsprechende Löcher im Halbleitersubstrat 112 erzeugt, da weniger rote und infrarote Photonen die Isolierschicht 112 durchdringen.

Fig. 4 illustriert den Abgleich der Fotoansprache auf rotes und blaues Licht durch Variieren der Stärke der n-leitenden Schicht 114. Durch den Oberflächengrenzschichteffekt wird die Anzahl von blauen Pho tonen, die erfaßt werden, reduziert, während die Anzahl von roten Photo nen, die wirksam werden, durch Reduzierung der Stärke der n-leitenden Schicht 114 reduziert wird. Durch Einstellen der Stärke der n-leitenden Schicht 114 auf einen Wert, der etwa die gleiche Anzahl von roten Lö chern wie blauen Löchern erzeugt, kann die Fotoansprache ausgeglichen werden. Da ferner weniger rote Löcher gesammelt werden, wenn die rote und blaue Fotoansprache ausgeglichen sind, werden auch weniger infrarote Löcher gesammelt.

Zusätzlich zum Ausgleich von roter und blauer Fotoansprache kann die Elektron-Loch-Paarerzeugung von Photonen mit ausgewählten Wel lenlängen durch Zurückreflektieren dieser Photonen reduziert werden, so daß die reflektierten Photonen außer Phase mit einfallenden Photonen sind, die die gleiche Wellenlänge bei einer vorbestimmten Phasenver schiebung von beispielsweise 180 Grad besitzen, wodurch sie mit einfal lenden Photonen zerstörerisch interferieren.

Dies ist in Fig. 5 dargestellt, gemäß der durch Einstellen der Tiefe der Grenzschicht zwischen der n-leitenden Schicht 114 und der Iso lierschicht 112 die Wirkung sekundärer Photonen reduziert werden kann, da die sekundären Photonen an dieser Grenzschicht reflektiert werden und mit einfallenden sekundären Photonen interferieren.

Ähnlich kann die Wirkung von tertiären Photonen durch Einstel len der Tiefe der Grenzschicht zwischen Isolierschicht 112 und Halblei tersubstrat 110 reduziert werden, so daß die tertiären Photonen, die an dieser Grenzschicht reflektiert werden, mit einfallenden tertiären Pho tonen zerstörerisch interferieren. Demgemäß wird es ermöglicht, daß die Elektron-Loch-Paarerzeugung von Photonen mit ausgewählten Wellenlängen reduziert wird.

Fig. 6 zeigt die Verwendung der Fotodiode 300 im Zusammenhang mit einer aktiven Pixelsensorzelle 400.

Wie in den Fig. 7-9 dargestellt, können die Fotodioden 100, 200 und 300 auch als n+/p-Fotodioden ausgebildet sein.

Claims

1. Fotodiode auf einem Halbleitersubstrat (110) mit einer Schicht (114) aus Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps (114) und einem in dieser ausgebildeten Bereich (116) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleitersububstrat (110) und unter der Schicht (114) eine Isolier schicht (112) angeordnet ist.

2. Fotodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (110) vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist.

3. Fotodiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitfähigkeitstyp n-leitend und der zweite p-leitend ist.

4. Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schicht (114) zweischichtig ist, wobei deren obere Teilschicht (114'), in der der Bereich (116) ausgebildet ist, mit einer kleineren Dotierungskonzentration als diejenige der unteren Teilschicht (118) versehen ist.

5. Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schicht (114) von einem Bereich (120) aus Isoliermate rial umgeben ist, der bis zu der Isolierschicht (112) reicht.

6. Verfahren zur Herstellung einer Fotodiode auf einem Halb leitersubstrat (110), wobei eine Schicht (114) aus Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps (114) aufgebracht und in dieser ein Be reich (116) eines zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleitersububstrat (110) und unter der Schicht (114) eine Isolierschicht (112) angeordnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (114) aus n-leitendem Material und der Bereich (116) aus p-lei tendem Material hergestellt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodiode auf einem Halbleitersubstrat (110) des zweiten Leitfä higkeitstyps hergestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schicht (114) zweischichtig hergestellt wird, wobei deren obere Teilschicht (114'), in der der Bereich (116) ausgebildet wird, mit einer kleineren Dotierungskonzentration als diejenige der un teren Teilschicht (118) hergestellt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß um die Schicht (114) ein Bereich (120) aus Isolierma terial ausgebildet wird, der bis zu der Isolierschicht (112) reicht.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der ersten Teilschicht (114') der Schicht (114) entfernt wird, bis eine vorbestimmte Tiefe erreicht ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Teil der zweiten Teilschicht (118) der Schicht (114) entfernt wird, bis eine vorbestimmte Tiefe erreicht ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schicht (114) mit einer vorbestimmten Tiefe derart hergestellt wird, daß die Anzahl von Elektron-Photonen-Paaren, die von roten Photonen erzeugt werden, etwa gleich der Anzahl von Elektron-Pho tonen-Paaren, die von blauen Photonen erzeugt werden, ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schicht (114) mit einer vorbestimmten Tiefe derart hergestellt wird, daß die Photonen, die eine ausgewählte Wellenlänge aufweisen, die von der Isolierschicht (112) reflektiert wird, außer Pha se mit einfallenden Photonen sind, die die ausgewählte Wellenlänge mit vorbestimmter Phasenverschiebung von vorzugsweise 180° aufweisen.