DE3038910A1 - Verfahren zur herstellung eines infrarotempfindlichen silizium-substrats mit integrierter verarbeitungselektronik - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines infrarotempfindlichen silizium-substrats mit integrierter verarbeitungselektronik

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Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH NE2~UL/Bl/sa Theodor-Stern-Kai 1 UL 79/83
D-6OOO Frankfurt 70
Verfahren zur Herstellung eines infrarotempfindlichen Silizium-Substrats mit integrierter Verarbeitungselektronik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Verfahren sind bekannt.
Körper emittieren bei einer gegebenen Temperatur entsprechend dem Plank'schem Strahlungsgesetz Wärmestrahlen mit einer für die Temperatur charakteristischen Frequenzverteilung. Der überwiegende Anteil der Strahlung liegt im infraroten Wellenbereich. Man hat somit die Möglichkeit, durch Nachweis der Wärmestrahlung ein thermisches Bild des Körpers zu erhalten. Dazu muß die von ihm ausgehende Wärmestrahlung von einem geeigneten Sensor registriert werden. Für praktische Anwendungen müssen die Infrarot-Sensoren in einem der atmosphärischen Fenster empfindlich sein. In der Wärmebild-Technik kommen fast nur die " 3/um - 5/um " und " 8 ,um - ΐΛ/um "-Fenster in Frage. Es gibt verschiedene Detektoren in diesen Wellenlängenbereichen. Eine Klasse von Detektoren besteht z. B, aus PbSe-, PbTe- oder CdHgTe-Verbindungen. Aufgrund von fast
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unvermeidlichen Inhomogenitäten in der Materialzusammensetzung dieser Detektoren weisen sie allerdings sogar untereinander so große Schwankungen in ihrer Empfindlichkeit auf, daß für die, Aufnahme der Wärme- bzw. Temperaturverteilung eines Körpers bisher in der Anwendung fast ausschließlich ein einzelner infrarot-empfindlicher Sensor dieser Art verwendet werden kann. Zur Bildkomposition wird dazu der Körper über ein Spiegel- und Linsensystem abgerastert und die Strahlung auf den Detektor fokussiert, Dessen Photostrom ist ein Maß für die adsorbierte Lichtenergie. Dazu muß der Detektor soweit abgekühlt werden, daß sein thermisches Eigenrauschen sowie das elektronische Rauschen in der Nachweiselektronik hinreichend weit unter dem eigentlichen Signal liegt. Um einen schnellen Bildaufbau zu erhalten, möchte man mehrere Detektoren zu einer Detektorreihe anordnen. Auf diese Weise entfällt das Abrastern des Körpers in einer Dimension. Eine Matrixanordnung hätte neben dem noch schnelleren Bildaufbau den weiteren Vorteil, daß keine beweglichen Spiegel mehr benötigt werden. Dazu müssen allerdings sehr hohe Anforderungen an die Detektorhomogenität gestellt werden, die, wie bereits erwähnt, von den genannten Materialien nicht erfüllt werden«
Vielversprechender als die oben angesprochenen Detektoren erscheinen Detektoren, die aus Silizium-Material mit geeigneten Dotierstoffen für den Nachweis der Infrarot-Strahlung aufgebaut sind. Als Dotierelemente kommen dazu je nach verlangtem Wellenlängenbereich Gallium, Indium, Thallium, Tellur und ähnliches in Frage. Solche Detektoren wurden bereits einzeln und in Zeilenform erfolgreich betrieben. Von K. Numedal und Mitarbeitern (Hughes Aircraft Company, Culver City, California 90230) wurde schon 1975 während der Tagung "International Conference on the
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Application on of Charge-Coupled Devices" eine Matrixanordnung von infrarotempfindlichen Detektoren auf extrinsischetn Silizium vorgestellt. Auch bei diesen Anwendungsformen wird ausreichende Detektorhomogenität gefordert. Inhomogen!- täten rühren von der radialen Ausdiffusion der Dotieratome während der Abkühlphase beim Silizium-Kristallziehen aus der Schmelze her. Durch Anwendung hinreichend hoher Drucke beim Kristallziehen läßt sich diese Umverteilung unterbinden. Weiterhin kann der in Silizium unvermeidliche Rest an Bor-Atomen durch die entsprechende Konzentration an Phosphor-Atomen kompensiert werden. Diese zusätzliche Phosphordotierung läßt sich durch Bestrahlung des infrarotempfindlichen Siliziums mit thermischen Neutronen relativ leicht durchführen. Nach Neutroneneinfang von Siliziumkernen entsteht aus einem gegenüber ß-Zerfall instabilen Siliziumisotop mit bekanntem Wirkungsquerschnitt ein Phosphorkern.
Gegenüber den eingangs angeführten Infrarot-Sensoren weisen die Detektoren auf Silizium-Basis den entscheidenden Vorteil auf, daß sie sich relativ einfach mit der notwendigen Elektronik für die Signalverarbeitung integrieren lassen. Aus der Halbleitertechnologie lassen sich dazu mehrere bekannte Methoden übernehmen.
Infrarotempfindliches Silizium-Substrat und die in der Halbleiterelektronik verwendeten Siliziummaterialien weisen allerdings so unterschiedliche Eigenschaften auf, daß die Integration von IR-Detektoren mit der zugehörigen elektronischen Signalverarbeitung auf extrinsischem Silizium nur bedingt möglich ist. Dieses Problem wird umgangen,' indem auf das lichtempfindliche Silizium-Ausgangsmaterial eine Epitaxieschicht geeigneter Dicke und Dotierung aufgebracht wird. Hier erfolgt dann die elektronische Signalverarbeitung in
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MOS- (oder u. U. auch Bipolar-) Technologie, unter Verwendung von ladungsgekoppelten Anordnungen (CCD). Das neue Problem besteht jetzt darin, den elektrischen Kontakt zwischen IR-Photoleiter und der signalverarbeitenden Elektronik herzustellen. Diese Verbindung wird nach dem Stand der Technik über eine (ringförmige) Diffusion durch die Epitaxieschicht in das lichtempfindliche Substrat hinein realisiert. Unter Umständen wird noch eine zusätzliche Diffusion geringer Eindringtiefe zwischen Kontaktdiffusion des IR-Detektors und der Eingangsdiffusion der Signalverarbeitung benötigt, um diesen Anschluß auch bei räumlich weiter auseinanderliegenden Bauelementen "(Detektoren, Elektronik) sicherzustellen.
Aufgrund dieser Kontaktdiffusion ist die geometrische Festlegung des Detektorbereichs problematisch. Außerdem wird im praktischen Betrieb ein Teil der in Richtung Detektor auftreffenden Photonen bereits vor dem eigentlichen Detektorbereich in der Epitaxieschicht absorbiert und fällt somit als Beitrag zum Photostrom aus.
Eine weitere, noch bedeutendere Schwierigkeit dieser Technologie des Detektoranschlusses an die Elektronik besteht in der unerwünschten Umverteilung von Dotieratomen. Die in Frage kommenden Dotieratome für den Nachweis von Licht im infraroten Wellenlängenbereich weisen relativ hohe Diffusionskoeffizienten auf. Dadurch ergibt sich bei den prozeßbedingten Hochtemperaturschritten eine - u. U. nicht unerhebliche Umverteilung der Dotierstoffe. Insbesondere in der soeben angesprochenen Anschlußdiffusion kann sich infolge der verhältnismäßig langen Diffusionszeit und der bei hoher Temperatur ausgeführten Diffusion diese Umverteilung besonders nachteilig auswirken. Dotieratome des Substrats
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diffundieren in die entgegengesetzt dotierte Epitaxieschicht, während gleichzeitig eine Umdotierung der oberen Schichten des infrarotempfindlichen extrinsischen Siliziumsubstrats durch Dotieratome aus der Epitaxie erfolgt. Dadurch wird die Güte der Epitaxieschicht und folglich auch deren elektrische Eigenschaft beeinträchtigt. Die Umverteilung der Dotieratome kann u. U. sogar einen elektrischen Kurzschluß zwischen Detektorbereich und signalverarbeitender Elektronik verursachen.
Die Kontaktdiffusion stellt somit ein erhebliches Problem für die spätere Funktionsfähigkeit von IR-Sensorelementen mit ihrer zugehörigen Signalverarbeitung auf einem Chip dar. Die notwendige Epitaxiedicke wird von zwei entgegengesetzten Forderungen festgelegt: einerseits sollte sie hinreichend dünn sein, um die Absorption und somit den Nachweis von IR-Photonen in der eigentlichen Detektorzone zu gewährleisten, andererseits darf sich bei den im CCD-Betrieb auftretenden Spannungen und den daraus resultierenden Raumladungszonen unter den einzelnen Elektroden kein Kurzschluß zwischen Epitaxie und Substrat ausbilden. Die Dicke dieser Epitaxie beträgt beim Stand der Technik ca. 10 ,um.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches die aufgeführten Nachteile der Kontaktdiffusion vermeidet.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Epitaxieschicht im Detektorbereich freigeätzt wird.
In den Unteransprüchen sind Aus- bzw. Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
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Das Freiätzen des Detektorbereichs wird an geeigneter Stelle im Herstellungsprozeß eingefügt. Dabei kann sowohl die Anisotropie als auch das dotierungsabhängige Ätzen von Silizium mit z. B. Äthylendiamin (oder anderen kristallorientierten Ätzlösungen) in verschiedenen Kristallorientierungen ausgenutzt werden. Die Ätzrate von Äthylendiamin ist abhängig von der Konzentration an Dotierstoffen in Silizium. Da die Ätzrate beim Übergang auf eine ρ -Schicht praktisch auf Null reduziert wird, ist Äthylendiamin für das Freiätzen der Detektorfenster aus einer n-dotierten Epitaxie hervorragend geeignet. Beim übergang auf das IR-empfindliche Substrat (p-leitend) wird die Ätzrate somit stark reduziert. Dazu geht man von (1,0,0)-Silizium aus, maskiert den optisch für den Detektorbetrieb nicht relevanten Teil der epitaxierten Siliziumscheibe mit Siliziumdioxid und orientiert bei der Fotolithographie die Kanten des rechteckförmigen Detektors parallel bzw. senkrecht zum Fiat. Nach dem Ätzen des Siliziumdioxids im Detektorbereich wird mit (z. B. ) Äthylendiamin die Silizium-Epitaxie bei erhöhter Temperatur bis zum Substrat abgeätzt. Da Äthylendiamin die (1,1,1)-Ebene im Vergleich zu den übrigen Silizium-Kristallebenen nur unwesentlich anätzt, bildet sich beim Ätzen rechteckförmiger Strukturen im (I10,0)-Ausgangsmaterial aufgrund der bevorzugten (1,0,0)-Ätzrichtung eine Wannenform aus. Der Böschungswinkel beträgt ca. 55°. Die elektrische Verbindung des Detektors mit der Signalverarbeitung erfolgt nach dem Freilegen des Detektorferisters z. B. über eine flache Diffusion im Detektorfenster und im Eingang der Signalverarbeitung. Da die- Temperaturbelastung auf die Dotieratome während der bisherigen "p -tief-Kontaktdiffusion" entfällt, kann die Epitaxiedicke auf etwa 5 ,um verringert werden.
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Anstatt mit der soeben angesprochenen "flachen" Anschlußdiffusion zwischen Detektor und Signalverarbeitung kann der Detektorbereich auch über eine polykristalline Siliziumelektrode oder über Aluminium-Verbindungsbahnen kontaktiert werden.
Bei Anwendung der "zwei-Lagen-poly-Silizium-Technologie" bietet sich eine Kontaktierung des Detektors nach dem Wannenätzen mit polykristallinem Silizium an. Dazu ist die Anwendung des poly-Siliziums aus der zweiten Ebene für diese Elektrode vorteilhaft. Die zweite Lage Poly-Silizium wird undotiert abgeschieden, ihre Dotierung erfolgt zugleich mit der Drain-Source-Diffusion der MOS-Technologie.
In den FIG. 1 bis k ist der Prozeßablauf nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt;
Nach der η-dotierten Epitaxie 2 des p-leitenden infrarotempfindlichen Silizium-Ausgangsmaterials 1 wird Feldoxid 3 aufgewachsen. Für die später notwendige elektrische Kontaktierung der Epitaxie 2 werden in einem Fotolithographie-0 schritt Diffusionsfenster k geöffnet. Nach der n+-Diffusion 5 werden diese Fenster zuoxidiert. Anschließend werden die aktiven Bereiche 6, auf denen die Verarbeitungselektronik aufzubauen ist, freigelegt. Nach der Oxidation 7 der aktiven Bereiche (Gate-Oxid, d -^130 nm) wird Bor-dotiertes, polykristallines Silizium 8 abgeschieden. Diese erste poly-Siliziutnebene wird nach deren Strukturierung oxidiert 9 (d ^130 nm), anschließend werden die zu öffnenden Detektorbereiche 10 in der Epitaxieschicht in einem Fotoprozeß freigelegt und dann freigeätzt. Als Maskierung für das
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kristallorientierungsabhängige Siliziumätzen mit (z. B.) Xthylendiamin dient dazu neben dem Feldoxid 3 das zuletzt aufgewachsene Oxid 9· Darauf wird die zweite polykristalline Siliziumebene Il undotiert abgeschieden· Die Dotierung erfolgt nach dem Strukturieren und dem Oxid-Ätzen des späteren Signaleingangs mit Hilfe einer Bor-Diffusion, gleichzeitig mit der Diffusion der Drain/Source-Gebiete. Dabei wird der Detektorbereich elektrisch an den Eingang der signalverarbeitenden Elektronik angekoppelt, 12. In diesem Prozeßschritt wird ebenfalls die Rückseitenkontakt-Diffusion ausgeführt.
In ein als nächstes abgeschiedenes Zwischenoxid 13 werden Kontaktfenster (z. B. l4) zur Kontaktierung der n-dotierten Epitaxie, von Detektoren und Bauelementen der Signalverarbeitung geätzt. Nach dem Aufdampfen von Aluminium 15 und dessen Strukturierung wird ein Abdeckoxid l6 (Oxiddicke stf. 1 /um) abgeschieden. Zusammen mit den Pad-Fenstern wird dann der Detektorbereich wieder freigelegt. Damit ist der technologische Ablauf beendet.
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht nur bei den in der bevorzugten Ausführungsform beschriebenen Halbleitertechnologien und Siliziummaterialien anwendbar ist. Statt des (1,0,0) -Silizium-Ausgangsmaterials sind auch andere Silizium-Kristallorientierungen möglich, zu denen entsprechende Ätzlösungen bzw. Ätzverfahren bestehen. Ebenso können die Dotierungen auch komplementär zu den beschriebenen sein.
Detektorbereiche und Verarbeitungselektronik lassen sich natürlich auf einem Chip auch räumlich getrennt ausführen, wobei dann eine Verknüpfung durch Leiterbahnen vorzunehmen ist.
- Leerseite -

Claims (7)

  1. Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH NE2-UL/Bl/sa Theodor-Stern-Kai 1 UL 79/83
    D-6000 Frankfurt 70
    Patentansprüche
    ■' li Verfahren zur Herstellung eines infrarotempfindlichen Silizium-Substrats mit integrierter Verarbeitungselektronik auf einer darüber aufgebrachten Epitaxieschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxieschicht im Detektorbereich (10) freigeätzt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kristallorientierungsabhängige Atzmittel verwendet werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Äthylendiamin verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasma- oder Ionenstrahlätzverfahren verwendet wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung des freigeätzten Detektorbereichs (10) mit der Verarbeitungselektronik (7 bis 11) durch eine flache Diffusion (12) erfolgt.
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  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung des freigeätzten Detektorbereiches (10) mit der Verarbeitungselektronik (7 bis 11) durch dotierte polykristalline Silizium- oder Aluminium-Verbindungsbahnen erfolgt.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Matrix- oder Zeilenanordnung von Detektorbereichen hergestellt wird.
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