DE2734726A1 - METHOD OF MANUFACTURING SILICON PHOTODIODES - Google Patents

METHOD OF MANUFACTURING SILICON PHOTODIODES

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DE2734726A1
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Description

Beschreibungdescription

Die Erfindung bezieht sich auf Photodioden, insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung von η -p-ftt-p -Silicium-Avalanchephotodioden oder von η -JT-p -Siliciumphotodioden des p-i-n-Typus.The invention relates to photodiodes, in particular to a method for producing η -p-ftt-p -silicon avalanche photodiodes or η -JT-p -silicon photodiodes of the pin type.

Das Aufkommen des Lasers und die damit verknüpfte Aussicht auf seine Verwendung als Trägerquelle für optische Nachrichtenübertragung hat großes Interesse an der Entwicklung Photodetektoren stimuliert, die gegenüber schwachen Signalen hochempfindlich sind und gegenüber Lichtintensitätsmodulationen ein schnelles Ansprechverhalten zeigen. Ein optischer Empfänger, der üblicherweise einen Photodetektor und einen Verstärker an seinem Ausgang enthält, sollte nach H. Melchior, "Journal of Luminescence", Band 7, Seiten 390-414 (1973) gewisse allgemeine Betriebskriterien erfüllen, nämlich:The advent of the laser and the prospect associated with it its use as a carrier source for optical communications has been of great interest in development Stimulates photodetectors that are highly sensitive to weak signals and to light intensity modulations show a quick response. An optical receiver, usually a photodetector and a Contains amplifier at its output should, according to H. Melchior, "Journal of Luminescence", Volume 7, pages 390-414 (1973) meet general operating criteria, namely:

1. großes Ansprechverhalten (Quantenwirkungsgrad) bei der Wellenlänge des einfallenden optischen Signals;1. Great response behavior (quantum efficiency) in the Wavelength of the incident optical signal;

2. ausreichend elektrische Bandbreite (d. h. Ansprechgeschwindigkeit) , um an die Informationsbandbreite angepaßt zu sein, und2. Sufficient electrical bandwidth (i.e. speed of response) to match the information bandwidth, and

3. minimales überschüssiges Rauschen, das durch den Nachweis- und Verstärkungsprozeß eingeführt wird.3. Minimal excess noise caused by the detection and reinforcement process is introduced.

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Ein üblicher Photodetektor-Typus ist eine Photodiode, die als wesentliches Element eine Verarmungs-Halbleiterzone mit hoher elektrischer Feldstärke (Hochfeldzone) aufweist, die zur Trennung der durch Band-zu-Band-Anregung photonisch angeregten Elektronen/Löcher-Paare dient. Hochgeschwindigkeitsphotodioden sind üblicherweise mit einer sehr niedrigen Impedanz verbunden, um es den photonisch angeregten Ladungsträgern zu ermöglichen, im Laststromkreis einen Photostrom zu induzieren, während sie sich durch die Hochfeldzone bewegen. Photodioden, die zum Nachweis von sichtbarem Licht und von Strahlung im nahen Infraroten dienen, werden üblicherweise mit vergleichsweise hohen Sperrspannungen betrieben, um die Ladungsträgerdriftzeit zu reduzieren und die Diodenkapazität zu erniedrigen, ohne übermäßig hohe Dunkelströme einzuführen (siehe Melchior, supra, Seite 397). Beispielsweise dringt bei einer in Sperrrichtung betriebenen und auf der p-Seite mit Strahlung beaufschlagten p-i-n-Photodiode die nicht an der Oberfläche reflektierte Strahlung bis zu einer gewissen Tiefe in das Photodiodenmaterial ein, bevor sie absorbiert wird und Photoladungsträger erzeugt. Elektronen und Löcher, die innerhalb der Hochfeldzone des Überganges (i-Schicht) erzeugt werden, und die Minoritätsladungsträger , die von den p- und η-Schichten vor Rekombination zum übergang diffundieren, werden in derA common type of photodetector is a photodiode, the essential element is a depletion semiconductor zone with high electric field strength (high field zone) which is used to separate the electron / hole pairs which are photonically excited by band-to-band excitation serves. High speed photodiodes are usually associated with a very low impedance to enable the photonically excited charge carriers to induce a photocurrent in the load circuit, as they move through the high field zone. Photodiodes that are used to detect visible light and of radiation in the near infrared are usually used with comparatively high reverse voltages operated to reduce the carrier drift time and lower the diode capacitance without excessive introduce high dark currents (see Melchior, supra, page 397). For example, one penetrates in the reverse direction operated and exposed to radiation on the p-side p-i-n photodiode not on the surface reflected radiation to a certain depth into the photodiode material before it is absorbed and photocarriers are generated. Electrons and holes that are within the high field zone of the transition (i-layer) are generated, and the minority charge carriers from the p- and η-layers in front Recombination to diffuse transition will be in the

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Hochfeldzone gesammelt und tragen zum Photostrom bei.Collected high field zone and contribute to the photocurrent.

Der tatsächliche Quantenwirkungsgrad und die Ansprechgeschwindigkeit von Photodioden hängen stark von der Betriebswellenlänge und von Aufbau und Material der Diode ab. Beispielsweise werden Siliciumphotodioden vorzugsweise im nahen Ultravioletten und im Infraroten bis zu etwa 1um Wellenlänge benutzt. Siliciumphotodioden müssen aber wegen der'sich stark ändernden Lichteindringtiefe für jede interessierende Wellenlänge optimal angepaßt werden (siehe Melchior, supra, Seite 400). Die Ansprechgeschwindigkeit wird bei den größeren Wellenlängen reduziert, wenn die Breite der Hochfeldzone zunimmt.The actual quantum efficiency and the speed of response of photodiodes depend heavily on the operating wavelength and on the structure and material of the Diode off. For example, silicon photodiodes are preferably used in the near ultraviolet and infrared used up to about 1um wavelength. Silicon photodiodes But because of the strongly changing light penetration depth for each wavelength of interest be optimally adapted (see Melchior, supra, page 400). The response speed will be at the larger wavelengths reduced as the width of the high field zone increases.

Dunkelströme in Photodioden begrenzen die Empfindlichkeit gegenüber schwachen Lichtsignalen und können entweder im Innern oder an der Oberfläche entstehen. Oberflachenleckströme, die speziell bei Siliciumphotodioden hohen spezifischen Widerstandes ein Problem sind, können durch spezielle Oberflächenbehandlungen und verschiedene Schutzringanordnungen reduziert werden. Andererseits sind aus dem Innern herrührende Leckstörme bei Siliciumphotodioden hauptsächlich die Folge einer Ladungsträgererzeugung innerhalb der Raumladungsschicht. Für sorgfältig ge-Dark currents in photodiodes limit the sensitivity to weak light signals and can either im Arise inside or on the surface. Surface leakage currents, which are a problem especially in the case of silicon photodiodes of high specific resistance, can be caused by special surface treatments and various guard ring arrangements can be reduced. On the other hand are out Internal leakage currents in silicon photodiodes are mainly the result of charge carrier generation within the space charge layer. For carefully

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arbeitete Siliciumdioden sind Dunkelströme bis herabworked silicon diodes are dark currents right down

—6 —8 3-6 -8 3

zu 10 bis 10 A pro mm Verarmungsvolumen erreicht worden (siehe Melchior, supra, Seite 405) .10 to 10 A per mm of depletion volume has been achieved (see Melchior, supra, page 405).

Ein besonders brauchbarer Photodiodentyp ist die Avanalcheghotodiode (APD) , die den Nachweis optischer Signale mit interner PhotostromverStärkung kombiniert. Eine interne Stromverstärkung findet in einer APD statt, wenn die Ladungsträger ausreichend Energie durch ihre Bewegung in einer Hochfeldzone eines stark in Sperrrichtung vorgespannten Überganges erreicht haben, um neue Elektronen/Löcher-Paare im Wege eines Stoßionisationsmechanismus freizusetzen. Die Stromverstärkung einer APD schwankt wegen der statistischen Natur des Ladungsträger-Vervielfachungsprozesses. Selbst für räumlich gleichförmige Avalanchezonen geben die statistischen Verstärkungsschwankungen Anlaß zu einem Überschußrauschen über das vervielfachte "Schuß"-Rauschen hinaus und ist üblicherweise an Hand eines überschußrauschfaktors gekennzeichnet, der gegeben ist durchA particularly useful type of photodiode is the Avanalcheghotodiode (APD), which provides optical detection Signals combined with internal photocurrent amplification. An internal current amplification takes place in an APD, if the charge carriers have enough energy by moving in a high field zone a strong reverse direction biased transition to create new electron / hole pairs by way of an impact ionization mechanism to release. The current gain of an APD varies because of the statistical nature of the carrier multiplication process. Even for spatially uniform avalanche zones, the statistical gain fluctuations give rise to excess noise over the multiplied "shot" noise and is common marked on the basis of an excess noise factor, which is given by

M >M>

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Hierin bedeutet <i„ > das mittlere Rauschstromstärkenquadrat am Ausgang der APD geteilt durch das mittlereHere, <i "> means the mean square of the noise current at the exit of the APD divided by the middle one

Rauschquadrat <i . > des primären Photostroms mal dem Quadrat der durchschnittlichen Verstärkung M. Bei einer Silicium-APD ist die Ionisationsrate Λ für Elektronen viel größer als die Ionisationsrate ß für Löcher (d. h. ß/<*. liegt zwischen 0,02 und 0,2); folglich nimmt F(M) viel rascher für Löcherinjektion als für Elektroneninjektion zu (siehe Melchior, supra , Seite 409) . Diese Erwägung legt nahe, daß eine η -p-lf-p Silicium-APD rückseitig beleuchtet werden kann (d. h. daß der Lichteinfall auf die vom übergang entferntgelegene ρ -Schicht erfolgt derart, daß Elektronen in die Vervielfachungszone injiziert werden), statt von vorne beleuchtet zu werden (d. h. daß der Lichteinfall auf die η -Schicht in der Nähe des Überganges derart erfolgt, daß Löcher gleichfalls in die Vervielfachungszone injiziert werden). Die Anwendung dieses Prinzips beim Entwurf einer η -ρ-Jt-ρ -Silicium-APD ist in der Arbeit "An Optimized Avalanche Photodiode" von H. W. Ruegg in "IEEE Transactions on Electron Devices", Band ED-14, Nr. 5, Seiten 239-251 (1976), beschrieben. Bei dieser APD-Art, die insbesondere für Hochgeschwindigkeitsnachweis bei GaAs-Laser-Wellenlängen brauchbar ist, ist eine Ladungsträgervervielfachung aufNoise square <i. > the primary photocurrent times the square of the average gain M. For a silicon APD, the ionization rate Λ for electrons is much greater than the ionization rate ß for holes (ie ß / <*. is between 0.02 and 0.2); consequently, F (M) increases much more rapidly for hole injection than for electron injection (see Melchior, supra, p. 409). This consideration suggests that a η -p-lf-p silicon APD can be backlit (ie, the incident light on the p-layer remote from the junction is such that electrons are injected into the multiplication zone) rather than frontlit (ie that the incidence of light on the η -layer in the vicinity of the transition occurs in such a way that holes are also injected into the multiplication zone). The application of this principle in the design of a η -ρ-Jt-ρ -Silicon-APD is in the work "An Optimized Avalanche Photodiode" by HW Ruegg in "IEEE Transactions on Electron Devices", Volume ED-14, No. 5, pages 239-251 (1976). In this type of APD, which is particularly useful for high-speed detection at GaAs laser wavelengths, there is a multiplication of charge carriers

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die schmale n+-p-Zone beschränkt, und die breitere JV-Zone wirkt hauptsächlich als ein Kollektor für photonisch angeregte Elektronen, die von auf die ρ -Schicht einfallendem Licht erzeugt werden. Ruegg führt ( supra auf Seite 247, Spalte 1) aus, daß "das optimalisierte Bauelement erfordert, daß die beleuchtete Oberfläche (die ρ -Schicht) dem p-n -Übergang entgegengesetzt gelegen sein muß, um eine reine Elektroneninjektion in die Vervielfachungszone sicherzustellen". Folglich verlangt er, daß "in diesem Fall die Gesamtdicke des Bauelementes in der Größenordnung der Eindringtiefe des nachzuweisenden Lichtes liegen muß" (20 bis 30 um für GaAs-Laser-Wellenlängen). Er fährt dann fort, daß, "weil Plättchen dieser Dicke nicht zu handhaben sind, es die einzige naheliegende Lösung war, lokale Vertiefungen (an den Stellen der Vorrichtungen) in ein wesentlich dickeres Siliciumplättchen einzuätzen". Leider erhöht die Notwendigkeit, gleichförmig dicke Hohlräume zu ätzen oder, äquivalent hierzu, das Substrat durch Läppen in der Dicke zu verringern, die Herstellungskosten für diesen APD-Typ wesentlich. Eine Kostenzunahme resultiert auch aus dem Umstand, daß die in der Dicke geschwächten Plättchen schwierig zu handhaben sind, leicht brechen, zu Verwerfungen neigen und eine Maskenausrichtung ebenso erschweren wie den schließlichen Einbau in die Verkapselung.the narrow n + -p zone is limited, and the wider JV zone acts mainly as a collector for photonically excited electrons generated by light incident on the ρ -layer. Ruegg states (supra on page 247, column 1) that "the optimized component requires that the illuminated surface (the ρ layer) must be opposite to the pn junction in order to ensure pure electron injection into the multiplication zone". Consequently, he demands that "in this case the total thickness of the component must be of the order of magnitude of the penetration depth of the light to be detected" (20 to 30 µm for GaAs laser wavelengths). He then goes on to say that "because wafers of this thickness cannot be handled, the only obvious solution was to etch local depressions (at the locations of the devices) in a much thicker silicon wafer". Unfortunately, the need to etch uniformly thick cavities or, equivalently, to reduce the substrate in thickness by lapping, significantly increases the cost of manufacturing this type of APD. An increase in cost also results from the fact that the flakes, which have been weakened in thickness, are difficult to handle, break easily, are prone to warping and make mask alignment as difficult as their eventual incorporation into the encapsulation.

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Eine Alternative ist daher die, das Bauelement auf einer dicken ρ -Zone zu erzeugen und mit vorderseitiger Beleuchtung durch die η -Schicht zu arbeiten, so daß das Plättchen nicht in der Dicke geschwächt zu werden braucht. Wie erwähnt, tritt aber hier eine gemischte Löcher- und Elektroneninjektion mit einem begleitenden Rausch-Zuwachs auf. Bei bekannten vorderseitig beleuchteten η -p-JT-p -Silicium-APD's (siehe US-PS 3 886 579) waren die Bauelemente noch nicht hinsichtlich der Reduzierung des Uberschußrauschens optimalisiert, ebenso nicht hinsichtlich niedriger Leckströme und Langzeitstabilität. Es ist daher fraglich, ob solche Vorrichtungen in einem optischen übertragungssystem überhaupt brauchbar ist, bei dem die Empfängerempfindlichkeit typischerweise bei -55 dBm (z. B. bei einer Wellenlänge von 0,825 um und einem Datenfluß von 44,7 Megabit/sec.) gelegen ist. Natürlich würde man dann wünschen, das Rauschverhalten und die Dunkelströme in einer zuverlässigen APD zu reduzieren, ohne daß hierzu ein übermäßig komplexes Verfahren angewandt werden müßte, so daß die generell niedrigeren Kosten und Handhabungsvorteile einer vorderseitig beleuchteten APD ausgenutzt werden können.An alternative is therefore to produce the component on a thick ρ zone and to work with front-side lighting through the η layer so that the plate does not have to be weakened in terms of its thickness. As mentioned, however, a mixed hole and electron injection occurs here with an accompanying increase in noise. In known front-illuminated η-p-JT-p -silicon APDs (see US Pat. No. 3,886,579), the components were not yet optimized with regard to reducing excess noise, nor were they optimized with regard to low leakage currents and long-term stability. It is therefore questionable whether such devices are at all useful in an optical transmission system in which the receiver sensitivity is typically -55 dBm (e.g. at a wavelength of 0.825 µm and a data flow of 44.7 megabits / sec.) . Of course, one would then wish to reduce the noise performance and dark currents in a reliable APD without the need for an overly complex procedure, so that the generally lower cost and handling advantages of a front-lit APD can be exploited.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, Siliciumphotodioden wie η -ρ-ί*-ρ -APD's und η -ίϊ-ρ -Dioden vom p-i-n-Typus herzustellen, die vorderseitig beleuchtbar sind, ohne daß hier-The object of the invention is therefore to produce silicon photodiodes such as η -ρ-ί * -ρ -APD's and η -ίϊ-ρ diodes of the p-i-n type, which can be illuminated from the front without

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bei übermäßiges Rauschen, insbesondere Uberschußrauschen bei APD's in Kauf zu nehmen ist, und zugleich Vorsorge insbesondere dafür getroffen ist, daß bei vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten die Diode während der Fabrikation leicht zu handhaben ist, hohen Quantenwirkungsgrad, kurze Ansprechzeit, niedrige Dunkelströme und gute Zuverlässigkeit besitzt sowie - im Falle einer p-i-n-Photodiode - niedrige Kapazität hat und bei niedrigen Spannungen betrieben werden kann.in the case of excessive noise, especially excess noise at APD's is to be accepted, and at the same time precaution In particular, it is taken that at comparatively low manufacturing costs, the diode during the fabrication is easy to handle, high quantum efficiency, short response time, low dark currents and has good reliability and - in the case of a p-i-n photodiode - has low capacitance and at can be operated at low voltages.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen angegeben.The inventive solution to this problem is in the Claims specified.

Hiernach wird mit anderen Worten eine vorderseitig beleuchtbare Silciumphotodiode bevorzugt hergestellt durch: 1. Aufwachsenlassen einer epitaktischen tt-Siliciumschicht hohen spezifischen Widerstandes auf einem p-Siliciumsubstrat hoher Leitfähigkeit und niedriger Versetzungsdichte, 2. Erzeugen eines n-Schutzringes in der Jt-Schicht durch Phosphordiffusion, 3. Erzeugen einer den Schutzring umgebenden p-Kanalstoppzone in der it-Schicht durch Bordiffusion, 4. Einführen von Phosphor in die Rückseite des Substrats zur Getterung von Baufehlern und/oder Verunreinigungen, 5. Erhöhen und Erniedrigen der Ofentemperatur in rampenförmigem Verlauf (temperature ramping) während der Schritte 2, 3 und 4 zur Verringerung von Kristallbau-In other words, a silicon photodiode which can be illuminated from the front is preferably produced according to this by: 1. Growing a tt epitaxial silicon layer high resistivity on a p-type silicon substrate with high conductivity and low dislocation density, 2. Creation of an n-protection ring in the Jt layer by phosphorus diffusion, 3. Creation of the protection ring surrounding p-channel stop zone in the it-layer Boron diffusion, 4. Introducing phosphorus into the back the substrate for gettering structural defects and / or impurities, 5. increasing and decreasing the furnace temperature in a ramp-shaped course (temperature ramping) during steps 2, 3 and 4 to reduce crystal structure

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fehlern, 6. Erzeugen einer η -Schicht in der Jt-Schicht, 7. Erzeugen eines Antireflexions/Passivierungsbelages auf wenigstens der η -Schicht und der Zone zwischen Schutzring und Kanalstoppzone und 8. Erzeugen elektrischer Kontakte zum Substrat, zum Schutzring und zur Kanalstoppzone derart, daß der Schutzringkontakt den Oberflächenteil des metallurgischen JV-n-Uberganges und der KanalStoppzonenkontakt den Oberflächenteil des metallurgischen Jl-p-Uberganges überlappen.fail, 6. Creation of an η -layer in the Jt-layer, 7. Creation of an anti-reflection / passivation coating on at least the η -layer and the zone between the guard ring and the channel stop zone and 8. generating electrical Contacts to the substrate, to the guard ring and to the channel stop zone such that the guard ring contact the Surface part of the metallurgical JV-n junction and the channel stop zone contact overlap the surface part of the metallurgical Jl-p junction.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich auf die Herstellung einer vorderseitig beleuchteten n+-p-Jt-p+-Silicium-APD mit hohem Quantenwirkungsgrad (besser als 90% bei GaAs-AlGaAs-Laser-Wellenlängen von z. B. 0,80 bis 0,90 um), kurzen Ansprechzeiten (z. B. eine Nanosekunde), hoher Verstärkung (z. B. M = 100), niedriger Überschußrauschfaktor (z. B. F(M) = 4 bis 6 bei M = 100), niedrigem Dunkelstrom (10~ A) und guter Zuverlässigkeit. Entsprechend dieser Ausführungsform geht das Verfahren nach folgenden Schritten vor sich: 1. Aufwachsenlassen einer etwa 30 bis 60 (im dicken epitaktischen K-Siliciumschicht hohen Widerstandes ( >300 Ohm.cm) auf einem ρ -Siliciumsubstrat hoherOne embodiment of the method according to the invention relates to the production of a front-illuminated n + -p-Jt-p + silicon APD with high quantum efficiency (better than 90% for GaAs-AlGaAs laser wavelengths of, for example, 0.80 up to 0.90 µm), short response times (e.g. one nanosecond), high gain (e.g. M = 100), low excess noise factor (e.g. F (M) = 4 to 6 at M = 100) , low dark current (10 ~ A) and good reliability. According to this embodiment, the method proceeds according to the following steps: 1. Growing an approximately 30 to 60 (in the thick epitaxial K-silicon layer high resistance (> 300 ohm.cm) on a ρ silicon substrate higher

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Leitfähigkeit (die Verwendung epitaktischer Züchtungsmethoden macht das vorliegende Verfahren besonders geeignet für chargenweise Bearbeitung von Plättchen großen Durchmessers (z. B. 76 rom Durchmesser oder darüber) );Conductivity (the use of epitaxial growth methods makes the present method special suitable for batch processing of large diameter plates (e.g. 76 rom diameter or about that) );

2. Erzeugen eines n-Schutzringes in der η-Schicht durch Vorausgehendes Niederschlagen und Eindiffundieren von Phosphor;2. Creation of an n-protection ring in the η-layer by prior precipitation and diffusion of Phosphorus;

3. Erzeugen einer den Schutzring umgebenden p-Kanalstoppzone durch vorausgehendes Niederschlagen und Eindiffundieren von Bor;3. Creation of a p-channel stop zone surrounding the guard ring by prior precipitation and diffusion of boron;

4. Implantieren von 30 bis 150 keV Borionen in die J*-Schicht4. Implant 30 to 150 keV boron ions into the J * layer

12 -2 in einer Dosis von etwa 4 bis 6 χ 10 cm ;12 -2 at a dose of about 4 to 6 χ 10 cm;

5. Hineintreiben der implantierten Borionen durch 2 bis Stunden langes Erwärmen auf etwa 1150 bis 12000C in einer geeigneten Atmosphäre, um eine etwa 2 bis 12 um dicke p-Schicht zu erzeugen;To produce 5-driving of the implanted boron ions by 2 to hours heating at about 1150 to 1200 0 C in a suitable atmosphere to a about 2 to 12 m thick p-layer;

6. Maskieren der p-Schicht und Einführen von Phosphor in die Rückseite (p-Substrat) von einer POCl.-Quelle oder dergl. durch 30 bis 60 Minuten langes Erwärmen auf etwa 1000 bis 11000C, um Baufehler und/oder Verunreinigungen zu gettern;6. masking the p-layer and introducing phosphorus into the back (p-substrate) by a POCl. source or the like. By 30 to 60 minutes long heating to 1100 0 C to structural defects and / or impurities at about 1000 gettern;

7. Erhöhen und Erniedrigen der Ofentemperatur in rampen-7. Increase and decrease the furnace temperature in ramp

förmigem Verlauf während der Schritte 2 bis 6, um Kristallbaufehler zu reduzieren;shape during steps 2 to 6 to eliminate crystal defects to reduce;

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8. Erzeugen einer 0,1 bis 1,0 Mikrometer dicken n+-Dünnschicht in der p-Schicht;8. Create a 0.1 to 1.0 micrometer thick n + thin layer in the p-layer;

9. Erzeugen eines Antireflex- und Passivierungsbelages aus einer dünnen SiO2~Schicht auf der η -Schicht und einer eine Viertel Wellenlänge dicken Si3N4-Schicht auf der SiO2-Schicht;9. Production of an anti-reflective and passivation coating from a thin SiO 2 layer on the η layer and a quarter-wavelength thick Si 3 N 4 layer on the SiO 2 layer;

10. Nach Erzeugung der SiO^-Schicht, jedoch vor Erzeugung der SijN.-Schicht erfolgende 10 bis 30 Minuten lange Warmbehandlung bei etwa 850 bis 950° C in einer 1 bis 5% HCl enthaltenden Atmosphäre, um bewegliche ionische Verunreinigungen im SiO2 zu gettern oder elnzufangen;10. After the SiO ^ layer has been produced, but before the SijN. Layer has been produced, heat treatment for 10 to 30 minutes at about 850 to 950 ° C. in an atmosphere containing 1 to 5% HCl in order to remove mobile ionic impurities in the SiO 2 gettering or catching;

11. Erzeugen einer p++-Kontaktschicht hoher Leitfähigkeit auf der Rückseite des ρ -Substrates; und11. Creation of a p ++ contact layer of high conductivity on the back of the ρ substrate; and

12. Erzeugen elektrischer Kontakte zum Substrat, zum Schutzring und zur Kanalstoppzone derart, daß der Schutzringkontakt den Oberflächenteil des metallurgischen jr-n-Uberganges und der Kanalstoppzonenkontakt den Oberflächenteil des metallurgischen ff-p-Überganges überlappen.12. Create electrical contacts to the substrate, to the guard ring and to the channel stop zone in such a way that the guard ring contact the surface part of the metallurgical jr-n junction and the channel stop zone contact the surface part of the metallurgical ff-p transition overlap.

Zusätzlich ist es ein Merkmal des vorliegenden APD-Herstellungsverfahrens, daß die n+-Schicht extrem dünn ausgebildet ist, um die Löcherinjektion und damit ein Uberschußrauschen zu reduzieren, das durch auf diese Schicht einfallende Strahlung verursacht wird. Obgleich diese SchichtIn addition, it is a feature of the present APD manufacturing method that the n + layer is made extremely thin in order to reduce the hole injection and thus excess noise caused by radiation incident on this layer. Although this layer

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extrem dünn ist, wird ein Kantendurchbruch selbst bei Sperrspannungen von 250 bis 400 V durch die speziell verwendete Schutzringanordnung vermieden.is extremely thin, an edge breakthrough will occur even with Blocking voltages of 250 to 400 V are avoided by the specially used guard ring arrangement.

Ein weiteres Merkmal des vorliegenden APD-Herstellungsverfahrens liegt darin, daß der Ionenimplantationsschritt 4, der Treibschritt 5 und die nachfolgenden Erwärmungsschritte so gegenseitig aneinander angepaßt sind, daß das elektrische Feldprofil in der Vervielfachungszone (der p-Schicht) im wesentlichen dreieckig ist. Dieses Profil liefert einen Ausgleich zwischen den gegenläufigen Effekten feldabhängiger Ionisierungsgeschwindigkeiten und gemischter Injektion von Photoladungsträger in die Hochfeldzone in dem Ausmaß, daß das niedrige Rauschverhalten einer reinen Elektroneninjektion in einem breiten Diffusionstiefenbereich angenähert wird.Another feature of the present APD manufacturing process is that the ion implantation step 4, the driving step 5 and the subsequent heating steps are mutually adapted to each other that the electric field profile in the multiplication zone (the p-layer) is substantially triangular. This Profile provides a balance between the opposing effects of field-dependent ionization rates and mixed injection of photocarriers into the high field zone to the extent that the low noise performance a pure electron injection in a wide diffusion depth range is approximated.

Ein weiteres Merkmal des vorliegenden Verfahrens zur Herstellung von sowohl n+-p-JV-p+ APD's als auch n+-Jt-p+- Photodioden ist es, daß die Dunkelströme zwei bis drei Größenordnungen niedriger als bisher liegen, und zwar hauptsächlich wegen der HCl-Getterung nach Verfahrensschritt 10 und wegen der P-Getterung nach Schritt 6 in Kombination mit der in Schritt 3 erzeugten Kanalstoppzone .Another feature of the present process for making both n + -p-JV-p + APDs and n + -Jt-p + photodiodes is that the dark currents are two to three orders of magnitude lower than before, primarily because of the HCl gettering after process step 10 and because of the P gettering after step 6 in combination with the channel stop zone generated in step 3.

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Nachstehend ist die Erfindung an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert; es zeigen:The invention is explained in detail with reference to the drawing; show it:

Fig. 1 eine Schrägansicht im Schnitt einerFig. 1 is an oblique view in section of a

n+-p-it-p+-Silicium-APD, die entsprechend einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist,n + -p-it-p + silicon APD, which is produced according to an embodiment of the method according to the invention,

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung des elektrischen Feldprofils und des Multiplikationsfaktorprofils, wie dieses für eine theoretische APD der in Fig. 1 dargestellten Art errechnet ist, und2 shows a diagram to illustrate the electric field profile and the multiplication factor profile, how this is calculated for a theoretical APD of the type shown in FIG. 1, and

Fig. 3 eine Schnittansicht einer η -Λ-ρ -Siliciumphotodiode, die entsprechend einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.3 is a sectional view of a η -Λ-ρ silicon photodiode, corresponding to a further embodiment of the method according to the invention is made.

η -p-Jf-p -APDη -p-Jf-p -APD

Von der in Fig. 1 dargestellten Silicium-APD, die entsprechend einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens hergestellt ist,, sei zunächst der Aufbau beschrieben, sodann die Wirkungsweise und Herstellung.
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The structure of the silicon APD shown in FIG. 1, which is produced according to an embodiment of the present method, will first be described, then the mode of operation and production.
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Die dargestellte APD weist ein ρ -SiIiciumsubstrat 10 auf, auf dem eine yt-Siliciumschicht 12 hohen spezifischen Widerstandes epitaktisch aufgewachsen ist. An der Oberseite der Λ-Schicht 12 ist eine p-Schicht 14 eingebracht, in der eine dünne n+-Schicht 16 erzeugt ist. Dieser Teil der Anordnung definiert eine elementare n+-p-JT-p -APD, in der die p-Schicht die Vervielfacherzone ist. Beim tatsächlichen Bauelement ist jedoch dessen Aufbau noch an die Anforderungen des Systems anzupassen, für das die APD bestimmt ist. Im einzelnen ist ein n-Schutzring 18 in der f>-Schicht 12, die p-Schicht und die n+-Schicht 16 umgebend, erzeugt. Die η -Schicht 16 erstreckt sich seitlich über die p-Schicht 14, um den Schutzring 18 zu überlappen, der einen Kantendurchbruch des η -p-übergangs unter normalen Betriebsbedingungen verhindert. Die η -Schicht dient auch als Kontaktschicht für einen ringförmigen Metallkontakt 20 (Feldplatte) ζ. Β. aus PtSi-Ti-Pt-Au oder Al. Hieran ist der Pluspol einer Vorspannungsquelle (nicht dargestellt) angeschlossen.The APD shown has a ρ silicon substrate 10 on which a yt silicon layer 12 of high specific resistance is grown epitaxially. A p-layer 14, in which a thin n + -layer 16 is produced, is introduced on the upper side of the Λ-layer 12. This part of the array defines an elementary n + -p-JT-p -APD in which the p-layer is the multiplier region. In the case of the actual component, however, its structure still has to be adapted to the requirements of the system for which the APD is intended. In detail, an n-protection ring 18 is produced in the f> -layer 12, surrounding the p-layer and the n + -layer 16. The η -layer 16 extends laterally over the p-layer 14 in order to overlap the protective ring 18, which prevents the η-p-junction from breaking through the edge under normal operating conditions. The η layer also serves as a contact layer for an annular metal contact 20 (field plate) ζ. Β. made of PtSi-Ti-Pt-Au or Al. The positive pole of a bias voltage source (not shown) is connected to this.

Zusätzlich ist eine p-Kanal stopp zone 22 in der rt-Schicht erzeugt. Die Kanalstoppzone umgibt den Schutzring 18 im Abstand und dient zur Verhinderung von Inversionsschichten an der Oberfläche der /t-Schicht 12 hohen spezifischen Widerstandes. Eine ringförmige Metallkontaktierung bzw. Feldplatte (ζ. B. PtSi-Ti-Pt-Au oder Al) ist zur p-Kanalstoppzone 22In addition, there is a p-channel stop zone 22 in the rt layer generated. The channel stop zone surrounds the protective ring 18 at a distance and serves to prevent inversion layers the surface of the / t layer 12 of high resistivity. An annular metal contact or field plate (ζ. B. PtSi-Ti-Pt-Au or Al) is to the p-channel stop zone 22

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und damit zum p+-Substrat 10 hergestellt. Ein Kontaltt/3A / 2 zum Substrat 10 ist auch über eine Metallschicht 26 (z. B. Ti-Au) an der Substratunterseite hergestellt. Eine weitere Metallschicht 30 (z. B. Gold) ist auf einem Montage-Keramikblock 32 erzeugt. Eine leitende Epoxy-Schicht 28 oder dergl. (z. B. ein Lotvorformling) dient zur Befestigung der APD am Block 32. Der negative Anschluß der Vorspannungsquelle ist mit der Metallschicht 30 und, falls gewünscht und wie dargestellt, mit der Kanalstopp-Feldplatte 24 verbunden.and thus produced to form the p + substrate 10. A contact / 3A / 2 to the substrate 10 is also made via a metal layer 26 (e.g. Ti-Au) on the underside of the substrate. Another metal layer 30 (e.g. gold) is produced on a ceramic assembly block 32. A conductive epoxy layer 28 or the like (e.g. a solder preform) is used to secure the APD to the block 32. The negative connection of the bias voltage source is to the metal layer 30 and, if desired and as shown, to the channel stop field plate 24 tied together.

Zur Reduzierung von Ionenansammlungen an oder auf der Oberfläche einer dielektrischen Schicht 35 oberhalb von Obarflächenteilen 34 des metallurgischen p-jt-Übergangs überlappt die Kanalstopp-Feldplatte 24 den Übergangsteil 34 und reduziert dadurch sowohl Rauschen wie auch Leckstrom und verbessert die Betrxebszuverlässigkeit. Aus demselben Grund überlappt die Schutzringfeldplatte 20 den Oberflächenteil 36 des metallurgischen η- rc-übergangs.To reduce ion accumulation on or on the surface of a dielectric layer 35 above surface portions 34 of the metallurgical p-jt junction, the channel stop field plate 24 overlaps the junction portion 34 and thereby reduces both noise and leakage current and improves operational reliability. For the same reason, the protective ring field plate 20 overlaps the surface part 36 of the metallurgical η-rc transition.

Zur Reflexionsverringerung der nachzuweisenden Strahlung 38 ist die η -Schicht 16 mit einem Antireflexionsbelag bedeckt, der aus einer dünnen SiO2-Schicht 40 und einer eine Viertel Wellenlänge dicken Si3N4-Schicht 42 aufgebaut ist. Diese Schichten dienen auch zur Passivierung der Oberfläche. Beachte, daß eine SiO0- und eine Si,N--Schicht,In order to reduce the reflection of the radiation 38 to be detected, the η layer 16 is covered with an antireflection coating made up of a thin SiO 2 layer 40 and a Si 3 N 4 layer 42 that is a quarter wavelength thick. These layers also serve to passivate the surface. Note that a SiO 0 - and a Si, N - layer,

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wobei die letztere als Schicht 35 bezeichnet ist, auch zwischen Schutzring und Kanalstoppzone vorgesehen sind, wobei jedoch hier die SiO2-Schicht dicker ist, da etwas SiO2 von vorausgegangenen noch zu beschreibenden Verfahrensschritten zurückgeblieben war.The latter is referred to as layer 35 and is also provided between the protective ring and the channel stop zone, but here the SiO 2 layer is thicker because some SiO 2 was left behind from the previous process steps still to be described.

Zum Betrieb legt man eine hinreichend hohe Sperrspannung (typischerweise einige Hundert Volt) an die Kontakte 20 und 30 an, um die JT-Schicht 12 und p-Schicht 14 vollständig hinsichtlich freier Ladungsträger zu verarmen (wobei sich die Verarmung seitlich bis etwa zu den Linien 13 und vertikal herab bis zum Substrat 10 erstreckt), und das aktive Gebiet des Bauelementes, eine kreisförmige Zone 44 in der Mitte des Schutzrings, wird mit der nachzuweisenden Strahlung 38 beaufschlagt. Die Strahlung erzeugt photonisch angeregte Ladungsträger hauptsächlich in der IT-Schicht. Diese Ladungsträger werden in der als Hochfeldzone wirkenden p-Schicht 14 vervielfacht. Elektronen werden in der n+~Schicht 16 und Löcher im ρ -Substrat 10 gesammelt. Der resultierende Photostrom fließt in eine an die Kontakte 20 und 30 angeschlossene Last (nicht dargestellt). Da das Bauelement von vorne beleuchtet wird, tritt gemischte Ladungsträgerinjektion auf. D. h., die auf die η -Schicht 16 einfallende Strahlung erzeugt Löcher, die in die p-Schicht injiziert und dort vervielfacht werden; und dieselbe Strahlung, die zur p-Schicht und 3t-SchichtFor operation, a sufficiently high reverse voltage (typically a few hundred volts) is applied to contacts 20 and 30 in order to completely depletion of JT-layer 12 and p-layer 14 with regard to free charge carriers (with the depletion laterally up to approximately the lines 13 and extends vertically down to the substrate 10), and the active area of the component, a circular zone 44 in the center of the protective ring, is exposed to the radiation 38 to be detected. The radiation generates photonically excited charge carriers mainly in the IT layer. These charge carriers are multiplied in the p-layer 14, which acts as a high field zone. Electrons are collected in the n + layer 16 and holes in the ρ substrate 10. The resulting photocurrent flows into a load (not shown) connected to contacts 20 and 30. Since the device is illuminated from the front, mixed charge carrier injection occurs. That is to say, the radiation incident on the η -layer 16 generates holes which are injected into the p-layer and multiplied there; and the same radiation that goes to the p-layer and 3t-layer

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durchdringt, erzeugt Elektronen, die in die Vervielfachungszone injiziert werden. Um das niedrige Rauschverhalten einer reinen Elektroneninjektion (d. h. einer rückseitig beleuchteten APD) zu erhalten, wird die η -Schicht sehr dünn gemacht und das elektrische Feldprofil (E) so geformt, wie dieses in Fig. 2 dargestellt ist. D. h. das Feld ist in der η -Schicht nahezu Null, steigt sehr steil in der Nähe des n+-p-überganges an und hat in der p-Schicht eine im wesentlichen dreieckige Gestalt. Das Dreieckprofil erzeugt eine Vervielfachung (M) mit extrem niedrigem Rauschen für Elektronen, die nahe der p-JF-Grenzflache (x2) eintreten, und ebenso ein relativ niedriges Rauschen (im Vergleich zu einem Rechteckfeldprofil) für gemischte Löcher- und Elektroneninjektion in der p-Schicht, die von der vorderseitigen Beleuchtung erzeugt wird.penetrates, generates electrons that are injected into the multiplication zone. In order to obtain the low noise behavior of a pure electron injection (ie an APD illuminated from the back), the η layer is made very thin and the electric field profile (E) is shaped as shown in FIG. I. E. the field is almost zero in the η -layer, rises very steeply in the vicinity of the n + -p-junction and has an essentially triangular shape in the p-layer. The triangle profile produces an extremely low noise multiplication (M) for electrons entering near the p-JF interface (x 2 ) and also relatively low noise (compared to a rectangular field profile) for mixed hole and electron injection in the p-layer generated by the front lighting.

Es sei bemerkt, daß die Dünne der η -Schicht auch der Verringerung der optischen Absorption in dieser Schicht dient und dadurch einen hohen Quantenwirkungsgrad unterstützt. Andernfalls würde eine beachtliche Anzahl der in der η -Schicht erzeugten Minoritätsladungsträger rekombinieren, bevor diese die Hochfeldzone der p-Schicht erreichen.It should be noted that the thinness of the η -layer also reduces the optical absorption in this layer serves and thereby supports a high quantum efficiency. Otherwise, a significant number of the in The minority charge carriers generated in the η-layer recombine before they reach the high field zone of the p-layer.

Obgleich das Diagramm nach Fig. 2 nur theoretische Berechnungen wiedergibt, waren die zur vorliegenden Erfindung benannten Erfinder in der Lage, die wesentlichen CharakteristikaAlthough the diagram of Fig. 2 shows only theoretical calculations, those were for the present invention named inventor will be able to identify the essential characteristics

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dieses Diagrammes in einer η -p-jr-p -Silicium-APD entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens wie folgt zu realisieren.of this diagram in a η -p-jr-p -silicon APD to be implemented in accordance with an exemplary embodiment of the present method as follows.

1. Auf einem p-Siliciumsubstrat 10 niedriger Versetzungsdichte, das mit Bor auf etwa 5 χ 1017 - 1,2 χ 1018 cm"3 dotiert war, wurde eine etwa 30 bis 60 μπι dicke Siliciumschicht 12 eines hohen spezifischen Widerstandes (>300 Ohm.cm) epitaktisch aufwachsen gelassen. Vorzugsweise ist die epitaktische Schicht dicker als 35μπι, um wenigstens 95% der durch Strahlung bei einer Wellenlänge von etwa 0,825 um photonisch angeregten Ladungsträger zu sammeln. Die epitaktischen Schichten wurden in einem Reaktor unter Verwendung von Dichlorosilan (SiH3Cl2) als die Siliciumguelle gezüchtet. Die Wachstumsgeschwindigkeit war beispielsweise 3,5 um pro Minute bei einer Niederschlagstemperatur von etwa 1100 bis 12000C. Diboran wurde als Dotierstoffquelle benutzt, und vor dem Wachstum wurde eine ein Mikrometer starke HCl-Xtzung in situ bei 11600C durchgeführt. Da diese Schichten hohen Widerstandes auf stark dotierten Substraten gezüchtet werden, muß die Autodotierung aus dem Substrat sorgfältig kontrolliert werden.1. On a p-silicon substrate 10 of low dislocation density, which was doped with boron to about 5 10 17 - 1.2 χ 10 18 cm " 3 , a 30 to 60 μm thick silicon layer 12 of high resistivity (> 300 The epitaxial layer is preferably thicker than 35 μm in order to collect at least 95% of the charge carriers photonically excited by radiation at a wavelength of about 0.825 μm. The epitaxial layers were made in a reactor using dichlorosilane (SiH 3 Cl 2) grown as the Siliciumguelle. the growth rate was, for example, 3.5 microns per minute at a deposition temperature of about 1100 to 1200 0 C. diborane was used as a dopant source, and prior to growth of a one micron thick HCl Xtzung was situ in carried out at 1160 0 C., since these high resistance layers are grown on heavily doped substrates, the auto doping from the substrate must be carefully k be controlled.

2. Sodann wurde auf der eptiaktischen Schicht durch Oxidation des Siliciums in feuchter O2-ümgebung, beipsiels-2. Then was on the eptiactic layer by oxidation of the silicon in a moist O 2 environment, for example

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weise zwei Stunden lang bei 10500C eine SiC^-Schicht erzeugt. Unter Verwendung üblicher Photolithographischer Methoden wurde eine öffnung in das Oxid eingebracht, um die Bildung des Schutzrings 18 zu ermöglichen.wisely for two hours at 1050 0 C a SiC ^ layer is produced. Using conventional photolithographic methods, an opening was made in the oxide in order to enable the protective ring 18 to be formed.

3. Sodann erfolgte eine Phosphordiffusion in die öffnung durch 15 bis 30 Minuten langes vorausgehendes Niederschlagen einer Phosphorglasschicht aus einer POCl--Quelle bei 900 bis 9500C durchgeführt. Die Phosphorglasschicht wurde entfernt und der Phosphor wurde in die darunter liegenden Teile der epitaktischen Schicht 12 durch Erwärmen auf 1100 bis 12000C für 30 bis 60 Minuten (nicht kritisch) in einer Atmosphäre von N2 + 0,1% O2 eindiffundiert. Zur Reduzierung der in den Schichten erzeugten Kristallbaufehler wurden die Halbleiterbauelemente in einen Ofen verbracht, der bei etwa 9000C leer lief. Sodann wurde die Temperatur allmählich (z. B. mit 4 bis 8°C/Minute) auf 1100 bis 12000C erhöht. Aus demselben Grund wurde die Temperatur auf 9000C heruntergeregelt, nachdem die Diffusion über die vorgeschriebene Zeit hinweg stattgefunden hatte. Dieser Diffusionsschritt lieferte den n-Schutzring 18.3. Then, there was a phosphorus diffusion in the opening by 15 to 30 minutes long preliminarily depositing a phosphorus glass layer of POCl - source at 900 to 950 0 C. The phosphor glass layer was removed and the phosphorus was diffused into the underlying parts of the epitaxial layer 12 by heating to 1100 to 1200 ° C. for 30 to 60 minutes (not critical) in an atmosphere of N 2 + 0.1% O 2. To reduce the crystal defects generated in the layers of the semiconductor devices were placed in an oven which was idling at approximately 900 0 C. Then the temperature is gradually (z. B. 4 to 8 ° C / minute) to 1100 was increased to 1200 0 C. For the same reason, the temperature was regulated down to 900 ° C. after the diffusion had taken place over the prescribed time. This diffusion step provided the n-guard ring 18.

4. Sodann wurde der Oxidations- und Maskierschritt 2 wiederholt, um eine öffnung für die Kanalstoppzone zu erzeugen.4. The oxidation and masking step 2 was then repeated in order to produce an opening for the channel stop zone.

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, 5. Anschließend erfolgte eine Bordiffusion in die öffnung durch vorausgehendes 1 bis 2 Stunden langes Niederschlagen einer Borglasschicht aus einer BN-Quelle bei 950 bis 975°C. Die Borglasschicht wurde entfernt und das Bor dann in die darunter liegenden Teile der epitaktischen Schicht durch Erhitzen auf 1100 bis 12000C für 30 bis 60 Minuten (nicht kritisch) in einer Atmosphäre von im wesentlichen 100% 0, eindiffundiert. Aus denselben Gründen wie bei Schritt 3 wurde die Ofentemperatur zwischen 9000C und der Bor-Eintreibung stemperatur in rampenförmigem Verlauf erhöht und erniedrigt. Dieser Diffusionsschritt lieferte die p-Kanalstoppzone 22., 5. Boron diffusion into the opening then took place by previously depositing a boron glass layer from a BN source at 950 to 975 ° C. for 1 to 2 hours. The boron glass layer was removed and the boron then diffused into the underlying parts of the epitaxial layer by heating to 1100 to 1200 ° C. for 30 to 60 minutes (not critical) in an atmosphere of essentially 100%. For the same reasons as in step 3, the furnace temperature between 900 0 C and the boron recovery was increased in a ramp-ture curve and lowered. This diffusion step provided the p-channel stop zone 22.

6. Der Oxidations- und Maskierschritt (2) wurde erneut wiederholt, um eine öffnung zu erzeugen, die dicht beim Schutzring 18 und diesen teilweise überlappend gelegen ist. Sodann wurden Borionen in die Oberfläche der epitaktischen Schicht 12 mit einer Energie von 30 bis 150 keV6. The oxidation and masking step (2) was repeated again in order to create an opening close to the Protective ring 18 and this is located partially overlapping. Then boron ions were in the surface of the epitaxial Layer 12 with an energy of 30 to 150 keV

12 —2 und einer Dosis von 4 - 6 χ 10 cm implantiert. Die Steuerung der Dosis auf innerhalb ^5% für einen gegebenen Bauelement-Entwurf war besonders wichtig. Wählte man beispielsweise die Dosis zu hoch, so würde der gesamte Erwärmungszyklus (d. h. Zeit und Temperatur aller nachfolgenden Schritte, bei denen Erwärmung stattfindet) auf längere Zeiten und/oder höhere Temperaturen, wenn möglich, zu modifizieren sein. Wenn umgekehrt die anfängliche Dosis 13/1412-2 and a dose of 4-6 χ 10 cm. the Control the dose to within ^ 5% for a given Component design was particularly important. For example, if you set the dose too high, the whole would be Heating cycle (i.e. time and temperature of all subsequent Steps in which heating takes place) for longer times and / or higher temperatures, if possible, to be modified. If conversely the initial dose is 13/14

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zu klein gewählt wäre, würde die Vorrichtung eine sehr kleine Verstärkung und eine hohe Durchbruchspannung haben.were chosen to be too small, the device would have a very small gain and a high breakdown voltage.

7. Nach der Implantation wurden die Borionen in die epitaktische Schicht durch zwei bis acht Stunden langes Erwärmen auf etwa 1150 bis 12500C in einer Atmosphäre aus 0,1 bis 1,0 % O2 und Stickstoff oder Argon hineingetrieben. Beispielsweise lieferte dieser Schritt für eine vier Stunden lange Erhitzung auf 1200° C eine etwa 6um dicke p-Schicht 14 (die Vervielfachungszone). Für die angegebenen Verfahrensbedingungen reicht jedoch de.r Dickenbereich für diese Schicht von 2 bis 12 um, mit einem bevorzugten Dickenbereich von 5 bis 7 um für eine APD mit einem Vervielfachungsfaktor M =100 bei 300 V. Wie bei den Verfahrensschritten 3 und 5 wurde die Ofentemperatur in rampenförmigem Verlauf zwischen 9000C und der Eintreibungstemperatur erhöht und erniedrigt.7. After the implantation, the boron ions were driven into the epitaxial layer by two to eight hours heating at about 1150 to 1250 0 C in an atmosphere of 0.1 to 1.0% O 2 and nitrogen or argon. For example, this step provided an approximately 6 µm thick p-layer 14 (the multiplication zone) for four hours of heating at 1200 ° C. For the specified process conditions, however, the thickness range for this layer is from 2 to 12 μm, with a preferred thickness range of 5 to 7 μm for an APD with a multiplication factor M = 100 at 300 V. As in process steps 3 and 5, the Oven temperature ramps up and down between 900 ° C. and the drive-in temperature.

8. Sodann wurde das ganze Plättchen erneut eine Stunde lang bei etwa 10500C oxidiert. Das Oxid wurde dann nur von der Rückseite des Substrats 10 entfernt.8. The whole platelet was then oxidized again at about 1050 ° C. for one hour. The oxide was then removed from the back of substrate 10 only.

9. Unter Verwendung einer POCl3 -Quelle wurde dann eine Phosphorglasschicht auf der Rückseite des Substrats 10 erzeugt. Andere Phosphorquellen, z. B. PBr3, sind für9. A phosphor glass layer was then produced on the back of the substrate 10 using a POCl 3 source. Other sources of phosphorus, e.g. B. PBr 3 , are for

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diesen Zweck ebenso geeignet wie für die früheren vorgängigen Phosphorniederschläge. Der Phosphor wurde in die Rückseite durch 30 bis 60 Minuten langes Erhitzen auf etwa 1000 bis 11000C in einer Atmosphäre von im wesentlichen aus N, + 0,1% eindiffundiert. Durch die Phosphoratome verursachten Dehnungs und/oder Fehlanpassungsversetzungen waren hinsichtlich einer Getterung von Verunreinigungen (insbesondere von schnelldiffundierenden metallischen Verunreinigungen) und von anderen Defektbildungsstellen wirksam. Dieser Schritt spielte eine bedeutsame Rolle bei der Reduzierung der Dunkelströme in den vorliegenden APD1s. Wie bei den Verfahrensschritten 3 und 5 wurde die Of en temper a tür -zwischen 9000C und der Diffusionstemperatur in rampenförmigem Verlauf erhöht und erniedrigt.just as suitable for this purpose as for the earlier previous phosphorus precipitations. The phosphorus was diffused into the rear side by heating for 30 to 60 minutes at about 1000 to 1100 ° C. in an atmosphere of essentially N, + 0.1%. The elongation and / or misalignment dislocations caused by the phosphorus atoms were effective in gettingtering of contaminants (particularly fast diffusing metallic contaminants) and other defect formation sites. This step played a significant role in reducing the dark currents in the present APD 1 s. As with the method steps 3 and 5, the Of en temper a door -between was increased 900 0 C and the diffusion temperature in the course ramped and degraded.

10. Als nächstes wurde die Phosphorglasschicht auf der Rückseite entfernt und das Plättchen wurde. 10 Minuten lang bei etwa 9000C erneut oxidiert. Unter Verwendung üblicher photolithographischer Methoden wurde das Oxid maskiert und eine öffnung für die η -Schicht 16 erzeugt.10. Next, the phosphor glass layer on the back was removed and the plaque was. Oxidized again at about 900 ° C. for 10 minutes. Using conventional photolithographic methods, the oxide was masked and an opening for the η layer 16 was produced.

11. Die η -Schicht 16 wurde durch einen vorgängigen Phosphorniederschlag (d. h. Niederschlag einer Phosphorglasschicht aus einer POCl3-QUeIIe) erzeugt, gefolgt von einer etwa 20 bis 30 Minuten langen Erwärmung auf etwa 920 bis 9300C in einer Atmosphäre von im wesentlichen aus N2 + 0,1% O2. Die Glasschicht wurde dann entfernt.11. The η layer 16 was formed (3 -QUeIIe ie precipitation of a phosphorus glass layer from a POCl) by an antecedent phosphorus precipitation, followed by about 20 to 30 minute heating to about 920-930 0 C in an atmosphere of essentially of N 2 + 0.1% O 2 . The glass layer was then removed.

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Dieser Schritt resultierte in einer etwa 0,3 μπι dicken η -Schicht. Nachfolgende Erwärmungsschritte erhöhten die Dicke auf etwa 0,4 um - ein bevorzugter Wert - , obgleich ein Bereich 0,1 bis 1,0 um geeignet ist. Alternativ kann die η -Schicht durch einen vorausgehenden Arsenniederschlag oder durch Arsenionenimplantation, gefolgt von einem Hineintreiben, erzeugt werden. Mit diesem Schritt wird das vorher implantierte Bor kompensiert und dadurch die Tiefe des p-n+-Uberganges bestimmt. Zeit und Temperatur sind kritisch, weil tiefere Diffusionen die Gesamtladung in der p-Schicht reduzieren und die Durchbruchsspannung erhöhen. Zusätzlich erzeugt dieser Schritt in Verbindung mit den Implantations- und Hineintreibschritten 6 und 7 das gewünschte dreieckige elektrische Feldprofil.This step resulted in an approximately 0.3 μm thick η layer. Subsequent heating steps increased the thickness to about 0.4 µm - a preferred value - although a range of 0.1 to 1.0 µm is suitable. Alternatively, the η -layer can be generated by a previous arsenic deposition or by arsenic ion implantation, followed by drifting in. With this step, the previously implanted boron is compensated and thereby the depth of the pn + junction is determined. Time and temperature are critical because deeper diffusions reduce the overall charge in the p-layer and increase the breakdown voltage. In addition, this step, in conjunction with the implantation and drive-in steps 6 and 7, creates the desired triangular electric field profile.

12. An dieser Zwischenstufe des Verfahrens wurden die Bauelemente geprüft, um ihre Stromspannungskennlinien und Leckströme zu messen. Die die Sollwerte erfüllenden Dioden wurden der nachfolgenden Verarbeitung unterworfen. Jene, die die Solldaten nicht erreichten, sondern in der kritischen p-Schicht überdotiert waren, wurden in dem Bestreben erhitzt, sie auf die Solldaten zu bringen. Erneutes Prüfen und Erwärmen kann wiederholt werden, bis die Bauelemente die Solldaten erreichen.12. At this intermediate stage of the process, the components were tested to determine their voltage characteristics and measure leakage currents. The diodes meeting the target values were subjected to the following processing. Those who did not reach the target data, but were overdoped in the critical p-layer, were in the Effort heated to bring them to the target data. Renewed testing and heating can be repeated, until the components reach the target data.

13. Die die Solldaten erfüllenden Bauelemente wurden mit einer dünnen (etwa 10 bis 20 nm dicken) SiO2~Schicht 40 im allgemein bekannten Trockenoxidationsverfahren beschichtet.13. The components meeting the target data were coated with a thin (approximately 10 to 20 nm thick) SiO 2 layer 40 in the generally known dry oxidation process.

14. Sodann wurde die SiO2-Schicht einer 10 bis 30 Minuten langen Warmbehandlung bei etwa 850 bis 9500C in einer Atmosphäre von 1 bis 5% HCl in N2 unterworfen. Dieser Schritt ist zur Reduzierung des Leckstroms wichtig, da hierbei bewegliche Ionen wie Na-Ionen im Oxid wirksam gegettert oder eingefangen werden.14 was then subjected to the SiO 2 layer of a 10 to 30 minute heat treatment at about 850 to 950 0 C in an atmosphere of 1 to 5% HCl in N 2. This step is important to reduce the leakage current as it effectively gettered or trapped mobile ions such as Na ions in the oxide.

15. Nach der Getterung wurde eine eine Viertel Wellenlänge dicke Si3N4~Schicht 42 (etwa 100 nm für λ gemessen im Material) auf die SiO.-Schicht 40 im Dampfreaktionsniederschlagsverfahren niedergeschlagen. Die Schichten 40 und 42 dienten zur Passivierung des Bauelementes gegen äußere Verunreinigungen und - im vom Schutzring 18 eingeschlossenen aktiven Bereich als Antireflexionsbelag.15. After gettering, a quarter wavelength thick Si 3 N 4 ~ layer 42 (about 100 nm for λ measured in the material) was deposited on the SiO. Layer 40 in the vapor reaction deposition method. The layers 40 and 42 served to passivate the component against external contamination and - in the active area enclosed by the protective ring 18 - as an anti-reflection coating.

16. Als nächstes wurden in den Schichten 40 und 42 Kontaktfenster für die Schutzring- und Kanalstopp-Feldplatten 20 bis 24 eingebracht.16. Next, contact windows for the guard ring and channel stop field plates 20 were made in layers 40 and 42 introduced to 24.

17. Das anfänglich etwa 500 μπι dicke Substrat wurde dann rückseitig geätzt oder geläppt, um etwa 75um Material und damit die Phosphorschicht zu entfernen, die durch die17. The initially about 500 μm thick substrate was then etched or lapped on the back to remove about 75um of material and thus the phosphor layer that was covered by the

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früheren Diffusionsschritte (ζ. B. den Getterungsschritt 9) erzeugt war. Zur Reduzierung des Kontaktwiderstandes wurden in die Rückseite Borionen mit etwa 30 bis 50 keV in einerearlier diffusion steps (ζ. B. the gettering step 9) was generated. To reduce the contact resistance were in the back boron ions with about 30 to 50 keV in one

1 ·> -2
Dosis von (2-4) χ 10 3 cm implantiert. Die Borionen wurden dann durch 30 bis 60 Minuten langes Erwärmen auf etwa 750 bis 8000C in Stickstoffatmosphäre aktiviert.
1> -2
Implanted dose of (2-4) χ 10 3 cm. The boron ions were activated by 30 to 60 minutes heating at about 750 to 800 0 C in a nitrogen atmosphere.

18. Unter Verwendung einer Maskierung wurde Metall zur Bildung der Schutzring- und Kanalstopp-Feldplatten 20 bzw. 24 aus einer PtSi-Ti-Pt-Au-Metallisierung niedergeschlagen. Um eine Ionenansammlung an den Oberflächenteilen 34 und 36 der iV-p- und JP-n-Ubergänge zu vermeiden, wurden diese Feldplatten so ausgebildet, daß sie diese metallurgischen Übergänge überlappen. Da die Oxid-Nitrid-Schichten über diesen Zonen dünn sind und da hohe Sperrspannungen angelegt werden, würde ohne diese Überlappung ein Impulsrauschen infolge von Oberflächenmlkroplasmen und/oder Leckstrom resultieren.18. Metal was deposited using a mask to form the guard ring and channel stop field plates 20 and 24, respectively, from a PtSi-Ti-Pt-Au metallization. In order to avoid ion accumulation on the surface portions 34 and 36 of the iV-p and JP-n junctions, these field plates were formed so that they overlap these metallurgical junctions. Since the oxide-nitride layers over these zones are thin and since high reverse voltages are applied, impulse noise due to surface croplasmas and / or leakage current would result without this overlap.

19. Das Bauelement wurde dann etwa 16 bis 24 Stunden lang bei 300 bis 3200C in einer Atmosphäre aus N3 + 8 bis 15%19. The component was then for about 16 to 24 hours at 300 to 320 0 C in an atmosphere of N 3 + 8 to 15%

H_ getempert, um die Oberflächenzustandsdichte zu reduzieren und das Gold in den Kontaktgebieten zur Verbesserung der Lötbarkeit zu tempern.H_ annealed to reduce the surface state density and annealing the gold in the contact areas to improve solderability.

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20. Schließlich wurde eine Ti-Au-Legierungsschicht 26 auf das Substrat 10 niedergeschlagen. Unter Verwendung einer leitenden Epoxyschicht 28 wurde die APD an der Goldschicht 30 des keramischen Mcntageblocks 32 befestigt.20. Finally, a Ti-Au alloy layer 26 was deposited on the substrate 10. Under use A conductive epoxy layer 28 attached the APD to the gold layer 30 of the ceramic mounting block 32.

Unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens wurden H+-P-Jf-P+-SiIiCiUm-APD1S mit beispielsweise folgenden Daten hergestellt: Das ρ -Substrat 10 war 500(im dick; die epitaktische tt-Schicht 12 war 50μπι dick und hatte einen spezifischen Widerstand von mehr als 300 Ohm.cm; die ionenimplantierte p-Schicht 14 war etwa 6 μπι dick und hatte ein im wesentlichen dreieckiges elektrischen Feldprofil; und die η -Schicht 16 war etwa 0,4μπι dick. Der Durchmesser der aktiven Zone 44 war etwa 100μΐη, der Innen- und Außendurchmesser des Schutzrings 18 betrug 180 bzw. 290 um, während die entsprechenden Werte des Kanalstopps 22 bei 350 bzw. 460 μπι lagen.Using the method described above, H + -P-Jf-P + -SiIiCiUm-APD 1 S were produced with, for example, the following data: The ρ substrate 10 was 500 μm thick; the epitaxial tt layer 12 was 50 μm thick and had a specific resistance of more than 300 Ohm.cm; the ion-implanted p-layer 14 was about 6 μm thick and had an essentially triangular electrical field profile; and the η layer 16 was about 0.4 μm thick was about 100 μm, the inner and outer diameter of the protective ring 18 was 180 and 290 μm, while the corresponding values of the channel stop 22 were 350 and 460 μm, respectively.

Die Strahlung eines bei Zimmertemperatur im Dauerstrichbetrieb bei λ = 0,825 μπι stimuliert emittierenden GaAs-AlGaAs-Ubergangslasers mit Doppelheterostruktur wurde über eine optische Faser auf den aktiven Bereich der APD gekoppelt.The radiation of a GaAs-AlGaAs transition laser that emits in continuous wave operation at λ = 0.825 stimulates the radiation with double heterostructure was coupled to the active area of the APD via an optical fiber.

Diese APD wurde zwischen voller Verarmung der p-Schicht und If-Schicht 12 bei 100V und Durchbruch bei 375 V betrieben.This APD was operated between full depletion of the p-layer and If-layer 12 at 100V and breakdown at 375V.

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In diesem Spannungsbereich konnten Stromverstärkungen von fünf bis mehrere hundert erreicht werden. Bei einer Verstärkung von hundert war der Uberschußrauschfaktor nur 4 bis 6 über der Schußrauschgrenze. Der Gesamtdunkelstrom betrug nur etwa 10 A und jener Teil, der eventuell vervielfacht wird, lag etwa bei 10~ A. Der Quantenwirkungsgrad lag oberhalb 95% und die Ansprechgeschwindigkeit war etwa 1 ns. Beim Einbau in einen optischen Empfänger war die Empfindlichkeit -55 dBm bei λ = 825nm und bei 44,7Megabit/sec. Bezüglich der Betriebszuverlässigkeit sei bemerkt, daß die mittlere Zeit bis zum Ausfallen desIn this voltage range, current gains of five to several hundred could be achieved. At a Boosting a hundred, the excess noise factor was only 4 to 6 above the shot noise limit. The total dark current was only about 10 A and the part that may be multiplied was about 10 ~ A. The quantum efficiency was above 95% and the response speed was about 1 ns. When built into an optical receiver the sensitivity was -55 dBm at λ = 825nm and at 44.7 megabits / sec. With regard to the operational reliability, it should be noted that the mean time until the failure of the

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Bauelementes etwa zu 10 bis 10 Stunden bestimmt wurde, wobei die Messungen auf mechanische und elektrische Vorspannungsalterungsteste bei 2000C bezogen waren.Component was determined to take about 10 to 10 hours, the measurements being based on mechanical and electrical preload aging tests at 200 ° C.

Die speziellen Werte für die wichtigeren Parameter, die zur Herstellung dieser APD benutzt wurden, waren wie folgt:The specific values for the more important parameters used to make this APD were as follows:

In Schritt 3 wurde der Phosphor eine Stunde lang bei 12000C eindiffundiert.In step 3, the phosphorus was diffused in at 1200 ° C. for one hour.

In Schritt 5 wurde Bor eine Stunde lang bei 11500C eindiffundiert. In step 5, boron was diffused in at 1150 ° C. for one hour.

In Schritt 6 wurden Borionen bei einer Energie von 150 keVIn step 6, boron ions were at an energy of 150 keV

12 —2 und mit einer Dosis von 5,5x10 cm ^5% implantiert.12-2 and implanted at a dose of 5.5x10 cm ^ 5%.

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In Schritt 7 wurden die Borionen vier Stunden lang bei 1200°C eingetrieben.In step 7, the boron ions were driven in at 1200 ° C for four hours.

In Schritt 9 wurde die rückseitige Phosphorglasschicht eine Stunde lang auf 11000C erhitzt.J~In Schritt 11 wurde die Phosphorglasschicht auf der p-Schicht 30 Minuten lang auf 925°C erhitzt.In step 9, the back phosphor glass layer was for one hour at 1100 0 C ~ erhitzt.J In step 11, the phosphorus glass layer is heated on the p-layer for 30 minutes at 925 ° C.

In Schritt 14 wurde die SiOj-Schicht 10 Minuten lang auf 9Q0°C in N2 + 5% HCl erhitzt.In step 14, the SiOj layer was heated to 90 ° C. in N 2 + 5% HCl for 10 minutes.

η -jr-p -Photodiodeη -jr-p photodiode

Es wurde gefunden, daß der vorstehende APD-Herstellungsprozeß außer der Ionenimplantations- und -eintreibschritte auch ein wirksamer Weg ist, η -ft-p -Siliciumphotodioden mit hohem Quantenwirkungsgrad (besser als 90% bei Wellenlängen eines GaAs-AlGaAs-Lasers),kurzen Ansprechzeiten (beispielsweise 1 ns bei 10OV oder 4ns bei 5 V),niedrigen Dunkelströmen (z. B. 10~ A), niedriger Kapazität (z. B. 1,5 pf bei 10V) und mit guter Zuverlässigkeit (z. B. mittlere Zeit bis zum Ausfall )^10 Stunden) herzustellen. Diese Art von Detektor ist insbesondere brauchbar bei Systemen,It has been found that the above APD manufacturing process, in addition to the ion implantation and drive-in steps, is also an effective way to produce η -ft-p silicon photodiodes with high quantum efficiency (better than 90% at wavelengths of a GaAs-AlGaAs laser), short response times (e.g. 1 ns at 10OV or 4ns at 5 V), low dark currents (e.g. 10 ~ A), low capacitance (e.g. 1.5 pf at 10V) and with good reliability (e.g. medium time until failure) ^ 10 hours). This type of detector is particularly useful in systems

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wo eine Verstärkung in der Photodiode nicht wesentlich ist, beispielsweise bei optischen LED-Systemen für kurze Entfernungen und niedrige Datenfluß-Werte.where amplification in the photodiode is not essential is, for example in optical LED systems for short distances and low data flow values.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Photodiode sind der besseren Vergleichsmöglichkeit halber für Komponenten, die denen der Ausführungsform nach Fig. 1 entsprechen, gleiche Bezugszeichen gewählt worden. Der Herstellungsprozeß umfaßt hiernach beispielsweise folgende Schritte: 1. Epitaktisches Aufwachsenlassen einer etwa 30 bis 60um dicken p-Siliciumschicht hohen spezifischen Widerstandes (>300 Ohm.cm) auf einem p+-Siliciumsubstrat 10 hoher Leitfähigkeit; 2. Erzeugen eines n-Schutzringes 18 in der Tf-Schicht 12 durch vorausgehenden Niederschlag und Diffusion von Phosphor; 3. Erzeugen einer den Schutzring 18 umgebenden p-Kanalstoppzone 22 durch vorausgehenden Niederschlag und Diffusion von Bor; 4. Einführen von Phosphor in die Rückseite des ρ -Substrates 10 von einer POCl--Quelle oder dergl. durch 30 bis 60 Minuten langes Erwärmen auf etwa 1000 bis 11000C , um dadurch Baufehler und/oder Verunreinigungen zu gettern; 5. Erhöhen und Erniedrigen der Ofentemperatur in rampenförmigem Verlauf während der Schritte 2, 3 und 4 zur Reduzierung von Kristallbaufehlern; 6. Erzeugen einer etwa 100 bis 1000 nm dicken n+-Dünnschicht 16 in der fr-Schicht 12;In the photodiode shown in FIG. 3, the same reference numerals have been chosen for the sake of better comparability for components which correspond to those of the embodiment according to FIG. 1. The manufacturing process then comprises the following steps, for example: 1. epitaxially growing a p-type silicon layer with a thickness of about 30 to 60 μm with a high specific resistance (> 300 ohm.cm) on a p + -silicon substrate 10 of high conductivity; 2. Production of an n-protection ring 18 in the Tf layer 12 by prior precipitation and diffusion of phosphorus; 3. Creation of a p-channel stop zone 22 surrounding the protective ring 18 by previous precipitation and diffusion of boron; 4. introduction of phosphorus into the back of the ρ -Substrates 10 from a POCl - source or the like, by 30 to 60 minutes heating at about 1000 to 1100 0 C, thereby to getter structural defects and / or impurities. 5. Increase and decrease the furnace temperature in a ramp-shaped manner during steps 2, 3 and 4 to reduce crystal defects; 6. Production of an n + thin layer 16 approximately 100 to 1000 nm thick in the fr layer 12;

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7. Erzeugen eines Antireflexions- und Passivierungsbelages 40-42 aus einer SiO.-Dünnschicht auf der η -Schicht 16 und einer eine Viertel Wellenlänge dicken Si3N4-Schicht auf der Schicht; 8. Nach Erzeugen der SiO^-Schicht, jedoch vor Erzeugung der Si3N.-Schicht entsprechend Schritt 7, Durchführen einer 10 bis 30 Minuten langen Warmbehandlung bei 850 bis 9500C in einer 1 bis 5% HCl enthaltenden Atmosphäre, um bewegliche ionische Verunreinigungen im SiO2 zu gettern oder einzufangen; 9. Erzeugen einer ρ -Kontaktschicht (nicht dargestellt) auf der Rückseite des ρ -Substrates 10; und 10. Erzeugen elektrischer Kontakte zum Substrat 10, zum Schutzring 18 und zur Kanalstoppzone 22 derart, daß der Schutzringkontakt 20 den Oberflächenteil des metallurgischen je-n-Uber ganges überlappt, und der Kanalstoppkontakt 24 den Oberflächenteil des metallurgischen 7*-p-Uberganges überlappt.7. Production of an anti-reflection and passivation coating 40-42 from an SiO thin layer on the η layer 16 and a quarter wavelength thick Si 3 N 4 layer on the layer; 8. After generating the ^ layer, but before the production of Si 3 N-layer according to step 7, performing a 10 to 30 minute heat treatment at 850 to 950 0 C in a 1 to 5% HCl-containing atmosphere to movable SiO gettering or trapping ionic impurities in the SiO 2; 9. Production of a ρ contact layer (not shown) on the rear side of the ρ substrate 10; and 10. Creating electrical contacts to the substrate 10, to the guard ring 18 and to the channel stop zone 22 such that the guard ring contact 20 overlaps the surface part of the metallurgical per-n transition, and the channel stop contact 24 overlaps the surface part of the metallurgical 7 * -p transition .

Bei der Durchführung eines jeden der vorstehenden Verfahrensschritte wird wie nach dem entsprechenden Schritt bei der APD-Hersteilung gearbeitet, jedoch mit einer Ausnahme. Während der Phosphoreintreibschritt für die Herstellung des Schutzringes bei der APD (Schritt 3 jenes Herstellungsverfahrens) 30 bis 60 Minuten lang bei 1100 bis 12000C stattfindet, wird der entsprechende Schritt (hier der Schritt 2) für die p-i-n-Photodiode über eine längere Zeitspanne hinweg (z. B. 120 Minuten) vorzugsweise bei einer Temperatur am oberen EndeWhen carrying out each of the above process steps, the procedure is the same as for the corresponding step in the APD production, but with one exception. While the phosphor drive-in step for the production of the protective ring in the APD (step 3 of that production process) takes place for 30 to 60 minutes at 1100 to 1200 0 C, the corresponding step (here step 2) for the pin photodiode takes place over a longer period of time (e.g. 120 minutes) preferably at a high end temperature

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jenes Bereiches (beispielsweise 12000C)durchgeführt, um das gewünschte Diffusionsprofil im Bauelement zu erzeugen. Im einzelnen sind kürzere Erwärmungszeiten und niedrigere Temperaturen bei der APD-Schutzringerzeugung brauchbar, weil die APD-Herstellung einen zusätzlichen Warmbehandlungsschritt, nämlich den Ionenimplantationsund -eintreibungsschritt einschließt, der seinerseits eine gewisse Weiterdiffusion bereits früher eingebrachter Dotierstoffatome verursacht.that range (for example 1200 0 C) carried out in order to generate the desired diffusion profile in the component. In particular, shorter heating times and lower temperatures can be used in the APD guard ring production because the APD production includes an additional heat treatment step, namely the ion implantation and driving-in step, which in turn causes a certain further diffusion of dopant atoms that were introduced earlier.

Schließlich sei bemerkt, daß es vom Bauelement-Verhalten her gesehen vorzuziehen ist, alle Verfahrensschritte auszuführen, die das Erhöhen und Erniedrigen der Ofentemperatür in rampenförmigem Verlauf, die rückseitige Phosphorgetterung, die HCl-Getterung, die Kanalstop- und Schutzringerzeugung und -kontaktierung und die elektrische Feldprofilierung (im Falle einer APD) betreffen , jedoch ausgewählte Unterkombinationen dieser Schritte immer noch zu guten wenngleich nicht optimalen Bauelementen und Betriebseigenschaften führen.Finally, it should be noted that it depends on device behavior it is preferable to carry out all process steps that involve raising and lowering the furnace temperature in a ramp-shaped course, the phosphor gettering on the back, the HCl gettering, the channel stop and guard ring generation and contacting and the electrical field profiling (in the case of an APD) relate, however, to selected sub-combinations these steps still result in good, albeit suboptimal, components and operating properties to lead.

Zahlreiche Abwandlungen sind möglich. Beispielsweise eignet sich das Verfahren auch zur Herstellung von Siliciumphotodioden für den Strahlungsnachweis bei Wellenlängen im Bereich von 500 bis 100nm. An beiden Grenzen diesesNumerous modifications are possible. For example, the method is also suitable for the production of silicon photodiodes for the detection of radiation at wavelengths in the range from 500 to 100 nm. At both borders this

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Bereichs kann eine gewisse Beeinträchtigung des Quantenwirkungsgrades und/oder des Uberschußrauschfaktors vorhanden sein. So sei beispielsweise bemerkt, daß in einem sauberen Ofen, der eine im wesentlichen natriumfreie Umgebung liefert, der HCl-Getterungsschritt nicht zwingend ist und weggelassen werden kann. Zweitens können offensichtlich auch die Reihenfolge der Erzeugung von Kanalstopzone und Schutzring ausgetauscht werden. Drittens ist es möglich, insoweit die Schutzring- und Feldplatten-Anordnungen beide zur Verringerung des elektrischen Feldes an der Oberfläche der epitaktischen Siliciumschicht diene*, gute Bauelemente ohne Schutzringe zu bauen. Das Vorsehen von Schutzringen ist jedoch aus zwei Gründen vorzuziehen: 1. Erleichterung der Metallisierung bei beiden Bauelement-Typen; d. h. wegen der sehr dünnen Ausbildung der η -Schicht könnte sich der Metallkontaktierung zum η -Jt-Ubergang durchlegieren oder durchdiffundieren und dadurch das Betriebsverhalten verschlechtern; und 2. Vermeidung von Druck auf die APD-VerStärkungsζone; d. h., wegen der Druckempfindlichkeit der Verstärkung/Spannungskennlinie einer APD bedeutet die Anordnung der Metallisierung über den Schutzringen statt auf der n+-Schicht, daß Vorgänge wie das Bonden von Anschlußleitern und Aufsetzen von Prüfsonden die APD-Kennlinie nicht beeinträchtigen werden.A certain impairment of the quantum efficiency and / or the excess noise factor can be present in the range. For example, it should be noted that in a clean oven which provides an essentially sodium-free environment, the HCl gettering step is not mandatory and can be omitted. Second, the sequence in which the channel stop zone and guard ring are generated can obviously also be interchanged. Thirdly, to the extent that the guard ring and field plate assemblies both serve to reduce the electric field at the surface of the epitaxial silicon layer, it is possible to build good components without guard rings. However, the provision of guard rings is preferable for two reasons: 1. Facilitating the metallization in both component types; ie because of the very thin formation of the η layer, the metal contact to the η -Jt transition could alloy or diffuse through and thereby worsen the operating behavior; and 2. avoidance of pressure on the APD reinforcement zone; that is, because of the pressure sensitivity of the gain / voltage characteristic of an APD, the arrangement of the metallization over the guard rings instead of on the n + layer means that processes such as bonding leads and placing test probes will not impair the APD characteristic.

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Claims (12)

BLUMBACH · WESER · BERGEN . KRAMER ZWIRNER · HIRSCH BLUMBACH · WESER · BERGEN. KRAMER ZWIRNER · HIRSCH PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2734726PATENT LAWYERS IN MUNICH AND WIESBADEN 2734726 Postadresse München: Patenlconsult 8 München 60 Radedcestrafle 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger StraSe 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Postal address Munich: Patenlconsult 8 Munich 60 Radedcestrafle 43 Telephone (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postal address Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger StraSe 43 Telephone (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Western Electric Company, Incorporated Hartman, 2/4-3/4-5/6-5/7 New York, N. Y. 10007, USAWestern Electric Company, Incorporated Hartman, 2 / 4-3 / 4-5 / 6-5 / 7 New York, N.Y. 10007, USA Verfahren zum Herstellen von SlliciumphotodiodenProcess for manufacturing silicon photodiodes PatentansprücheClaims V1.)Verfahren zum Herstellen einer Siliciumphotodiode für vorderseitige Beleuchtung,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte
V1 .) Method of manufacturing a silicon photodiode for front lighting,
characterized by the following process steps
a) epitaktisches Aufwachsenlassen einer JT-Siliciumschicht hohen spezifischen Widerstandes auf einem p-Siliciumsubstrat hoher Leitfähigkeit und niedriger Versetzungsdichte,a) epitaxially growing a JT silicon layer high resistivity on a p-type silicon substrate of high conductivity and lower Dislocation density, b) Erzeugen eines η-leitenden Schutzringes in der ft-Schicht durch Phosphordiffusion,b) Creation of an η-conductive protective ring in the ft-layer by phosphorus diffusion, c) Erzeugen einer um den Schutzring verlaufenden p-KanalStoppzone in der jr-Schicht durch Bordiffusion,c) creation of a p-channel stop zone in the jr-layer running around the guard ring by boron diffusion, g) Erhöhen und Erniedrigen der Diffusionstemperatur in rampenförmigem Verlauf (temperature ramping) währendg) increasing and decreasing the diffusion temperature in ramp-shaped course (temperature ramping) during München: Kremer ■ Dr. Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Or. Bergen · ZwirnerMunich: Kremer ■ Dr. Weser · Hirsch - Wiesbaden: Blumbach · Or. Bergen · Zwirner 709886/0849 «r» μαι. inspect709886/0849 «r» μαι. inspect der Schritte b) und c) zum Reduzieren von Kristallbaufehlern, of steps b) and c) to reduce crystal defects, h) Erzeugen einer η -Schicht in der jr^Schicht, i) Erzeugen eines Antireflexbelages auf wenigstens der η -Schicht und eines Passivierungsbelages auf der Zone zwischen dem Schutzring und der Kanalstoppzone undh) Creation of an η -layer in the jr ^ layer, i) Generating an anti-reflective coating on at least the η layer and a passivation coating on the Zone between the guard ring and the channel stop zone and j) Erzeugen von elektrischen Kontakten zum Substrat, zum Schutzring und zur Kanalstoppzone derart, daß der Schutzringkontakt den Oberflächenteil des metallurgischen f^n-übergangs und der Kanalstoppzonenkontakt den Oberflächenteil des metallurgischen It-p-Uberganges überlappen.j) producing electrical contacts to the substrate, to the guard ring and to the channel stop zone in such a way that the protective ring contact the surface part of the metallurgical f ^ n junction and the channel stop zone contact overlap the surface part of the metallurgical It-p junction.
2. Verfahren nach Anspruch,2. The method according to claim, gekennzeichnet weiterhin durch den Verfahrensschritt f) Einführen von Phosphor in die Rückseite des Substrates, um eine Getterung von Baufehlern und/oder Verunreinigungen zu bewirken, und Ausführen des Temperaturerhöhung 9- und -erniedrigungsschrittes g) auch während des Schrittes f).further characterized by the process step f) introducing phosphorus into the back of the substrate, in order to gettering of structural defects and / or impurities, and to carry out the temperature increase 9 and lowering step g) also during step f). 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Ausführen der Antireflex- und Passivierungsbelag-Erzeugung nach Schritt i) wie folgt:3. The method according to claim 1 or 2, characterized by performing the anti-reflective and Passivation layer generation after step i) as follows: 709886/0849709886/0849 1. Erzeugen einer dünnen SiC^-Schicht,1. Creation of a thin SiC ^ layer, 2. Temperung der SiO^-Schicht bei erhöhter Temperatur in einer HCl-enthaltenden Atmosphäre und2. Annealing of the SiO ^ layer at an elevated temperature in an atmosphere containing HCl and 3. Erzeugen einer etwa eine Viertel Wellenlänge dicken Si3N4-Schicht auf der SiO2~Schicht.3. Generation of a Si 3 N 4 layer about a quarter wavelength thick on the SiO 2 layer. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Einfügen der nachstehenden zusätzlichen Verfahrensschritte in die VerfahrensSchrittfolge zur Herstellung einer für vorderseitige Beleuchtung bestimmten η -p-it-p -Silicium-Avalanchephotodiode:4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized by inserting the following additional process steps into the process step sequence for the production of an η -p-it-p -silicon avalanche photodiode intended for front lighting: d) Implantieren von Borionen in einen Oberflächenteii der JV-Schicht innerhalb des Schutzrings,d) implanting boron ions into a surface part the JV layer within the guard ring, e) Hineintreiben der implantierten Borionen durch Erwärmung, um eine p-Schicht zu erhalten,e) driving in the implanted boron ions by heating in order to obtain a p-layer, Ausführen des Schrittes g), nämlich Erhöhen und Erniedrigen der Diffusionstemperatur zur Reduzierung von Kristallbaufehlern, auch während des Schrittes e), und k) gegenseitiges Anpassen des Implantationsschrittes d), des Hineintreibschrittes e) und des η -Schicht-Erzeugungsschrittes h) in Kombination mit nachfolgenden Schritten, die eine Erwärmung einschließen, derart, daß das resultierende elektrische Feldprofil in der p-Schicht im wesentlichen dreieckförmig und von der gewünschten Größe ist.Carrying out step g), namely increasing and decreasing the diffusion temperature to reduce crystal structural defects, also during step e), and k) mutual adaptation of implantation step d), the driving-in step e) and the η -layer generation step h) in combination with the following Steps that include heating such that the resulting electric field profile in the p-layer is substantially triangular in shape and of the desired size. 709886/0849709886/0849 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer für den Nachweis von Strahlung bei einer Wellenlänge von etwa 800 bis 900 Nanometer geeigneten Diode in Schritt a) die epitaktische Schicht wenigstens 30 um dick und mit einem spezifischen Widerstand von wenigstens 300 Ohm.cm aufwachsen gelassen wird, in Schritt e) die Borionen zum Erhalt einer etwa 2 bis 12 um dicken p-Schicht hineingetrieben werden und5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that for the production of a diode suitable for the detection of radiation at a wavelength of approximately 800 to 900 nanometers in step a) the epitaxial layer at least 30 µm thick and with a specific resistance of at least 300 Ohm.cm is allowed to grow, in step e) the boron ions to obtain an approximately 2 up to 12 µm thick p-layer can be driven in and in Schritt h) die η -Schicht in einer Dicke von etwa o,1 bis 1,0 μπι erzeugt wird.in step h) the η layer is generated in a thickness of about 0.1 to 1.0 μm. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß6. The method according to claim 4 or 5, characterized in that in Schritt d) die Borionen mit 30 - 150 keV in einerin step d) the boron ions with 30-150 keV in one 12 -2 Dosis von etwa 4 bis 6 χ 10 cm implantiert werden12 -2 dose of approximately 4 to 6 χ 10 cm can be implanted in Schritt e) die Borionen durch 2 bis 8 Stunden langes Erwärmen auf etwa 1150 bis 12500C in einer im wesentlichen aus N2 + 0,1 bis 1,0% O2 bestehenden Atmosphäre eingetrieben werden.the boron ions 2 atmosphere composed to be driven in step e) by 2 to 8 hours heating at about 1150 to 1250 0 C in a essentially of N 2 + 0.1 to 1.0% O. 709886/0849709886/0849 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, gekennzeichnet durch Erhöhen und Erniedrigen der Temperatur In rampenförmigem Verlauf Im Schritt g) zwischen der Diffusionstemperatur und einer niedrigeren, jedoch erhöhten Temperatur, Einführen von Phosphor im Schritt f) durch Niederschlagen einer Phosphorglasschicht und 30 bis 60 Minuten langes Erhitzen auf etwa 1000 bis 1100° C und 10 bis 30 Minuten langes Tempern der SiOj-Schicht im Schritt i)-2 bei etwa 850 bis 950° C in einer etwa 1 bis 5 % HCl enthaltenden Atmosphäre.7. The method according to any one of claims 4 to 5, characterized by increasing and decreasing the Temperature ramped in step g) between the diffusion temperature and a lower, but increased temperature, Introducing phosphorus in step f) by depositing a phosphor glass layer and 30 to 60 Heating to about 1000 to 1100 ° C for minutes and 10 to 30 minutes long annealing of the SiOj layer in Step i) -2 at about 850 to 950 ° C in an atmosphere containing about 1 to 5% HCl. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphorglasschicht im Schritt f) aus einer POCl.-Quelle niedergeschlagen wird. 8. The method according to any one of claims 2 to 7, characterized in that the phosphor glass layer is deposited in step f) from a POCl source . 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch 9. The method according to any one of claims 4 to 8, characterized by Erzeugen des Schutzrings im Schritt b) durch 15 bis 30 Minuten langes Niederschlagen einer Phosphorglasschicht bei etwa 900 bis 950° C, Entfernen der Glasschicht, Aufheizen eines Ofens auf die untere erhöhte Temperatur von etwa 900° C, Verbringen des Bauelementes in den Ofen in einer Atmosphäre von im wesentlichenProduction of the protective ring in step b) by depositing a phosphor glass layer for 15 to 30 minutes at about 900 to 950 ° C, removing the glass layer, heating an oven to the lower raised Temperature of about 900 ° C, placing the component in the furnace in an atmosphere of substantially 709886/0849709886/0849 aus N2 + 0,1% O2 ι allmähliches Erhöhen der Temperatur auf etwa 1100 bis 12000C, etwa 30 bis 60 Minuten langes Konstanthalten der Temperatur zur Bewirkung der gewünschten Phosphordiffusion, allmähliches Verringern der Temperatur zurück auf etwa 900° C, Entnehmen des Bauelementes aus dem Ofen; of N 2 + 0.1% O 2 ι gradually increasing the temperature to about 1100 to 1200 0 C, about 30 to 60 minutes long keeping constant the temperature for effecting the desired phosphorus diffusion, gradually decreasing the temperature back to about 900 ° C, removing the component out of the furnace; Erzeugen der Kanalstoppzone im Schritt c) durch 1 bis 2 Stunden langes Niederschlagen einer Borglasschicht bei etwa 950 bis 975° C, Entfernen der Glasschicht, Erwärmen eines Ofens auf die untere erhöhte Temperatur von etwa 900° C, Verbringen des Bauelementes in den Ofen in eine Atmosphäre von im wesentlichen 100% O2, allmähliches Erhöhen der Temperatur auf etwa 1100 bis 1200° C, etwa 30 bis 60 Minuten langes Konstanthalten der Temperatur, um die gewünschte Bordiffusion zu bewerkstelligen, allmähliches Verringern der Temperatur zurück auf etwa 900° C, Entnahme des Bauelementes aus dem Ofen;Creating the channel stop zone in step c) by depositing a boron glass layer for 1 to 2 hours at about 950 to 975 ° C, removing the glass layer, heating a furnace to the lower elevated temperature of about 900 ° C, placing the component in the furnace in a Atmosphere of essentially 100% O 2 , gradually increasing the temperature to about 1100 to 1200 ° C, holding the temperature constant for about 30 to 60 minutes to achieve the desired boron diffusion, gradually reducing the temperature back to about 900 ° C, removal the component out of the furnace; Erhöhen und Erniedrigen der Ofentemperatur in rampenförmigem Verlauf im Schritt e) zwischen etwa 900° C und der Borioneneintreibungstemperatur wie bei der Prozedur nach den Schritten b) und/oder c); und Erhöhen und Erniedrigen der Temperatur in rampenförmigem Verlauf im Schritt f) zwischen etwa 900° C und der Erwärmungstemperatur zum Einführen von PhosphorIncrease and decrease the furnace temperature in a ramp-shaped manner Course in step e) between about 900 ° C and the boron ion injection temperature as in the Procedure according to steps b) and / or c); and ramping up and down the temperature Course in step f) between about 900 ° C and the heating temperature for introducing phosphorus 703686/0849703686/0849 wie bei der Prozedur nach den Schritten b) und/oder c).as in the procedure after steps b) and / or c). 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dafi das Herstellen eines elektrischen Kontaktes Im Schritt j) zum Substrat wie folgt geschieht:10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the production of a electrical contact in step j) to the substrate happens as follows: 1. Entfernen von genügend Material von der Rückseite des Substrats, um die in vorausgegangenen Schritten erzeugte phosphordotierte Schicht zu entfernen,1. Remove enough material from the back of the substrate in order to remove the phosphorus-doped layer produced in previous steps, 2. Implantieren von Borionen in die Rückseite bei2. Implanting boron ions into the backside einer Energie von etwa 30 bis 50 keV mit eineran energy of about 30 to 50 keV with a 15 -2 Dosis von etwa 2 bis 4 χ 10 cm ,15 -2 dose of about 2 to 4 χ 10 cm, 3. 30 bis 60 Minuten langes Erwärmen bei etwa 750 bis 800° C in Stickstoffatmosphäre.3. Heating for 30 to 60 minutes at about 750 to 800 ° C in a nitrogen atmosphere. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,11. The method according to any one of claims 1 to 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schritt j) zusätzlich ein Temperungsschritt bei etwa 300 bis 320° C 16 bis 24 Stunden lang in einer Atmosphäre von im wesentlichen aus N- + 8-15% H2 durchgeführt wird.characterized in that after step j) an additional tempering step is carried out at about 300 to 320 ° C for 16 to 24 hours in an atmosphere of essentially N- + 8-15% H 2 . 12. Siliciumphotodiode für vorderseitige Beleuchtung, gekennzeichnet durch ihre Herstellung im Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche12. Silicon photodiode for front lighting, characterized by their production in the process according to one or more of the preceding claims 700886/0849700886/0849
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