WO2005045941A2 - Verfahren zur herstellung einer antireflektierenden oberfläche auf optischen integrierten schaltkreisen - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for producing an antireflecting surface on optical integrated circuits for improving the absorption of light in photodetectors.
- Such photodetectors such as PIN photodiodes, consist of a cathode (n-region), an isolation (i-region) and an anode (p-region). This structure is fabricated on a substrate, such as an Si substrate, by a first implant, epitaxy, and a second implant.
- the required refractive indices can not be realized or are not available in semiconductor production.
- ARC layers in particular for multilayers, a certain attenuation of the incident light can not be avoided.
- ARC layers and micropyramides are described in "Silicon Solar Cells, Advanced Principles and Practice," Martin A. Green, published by the Center for Photovoltaic Devices and Systems, University of New South Wales, Sydney, Printed by Bridge Printery Pty , March 1995.
- micropyramids on the surface of the photodetector can be realized by selective etching by exposing the (111) crystal planes so that pyramids arise with square bases.
- this document also describes the use of inverted pyramids (ie, pyramidal pyramids) to enhance the absorption of light in the photodetector.
- inverted pyramids ie, pyramidal pyramids
- the production of such inverted pyramids is associated with considerable expense, so that this variant is not suitable for practical use.
- the invention is based on the object, a realizable with little effort and thus low cost
- the object underlying the invention is achieved in that a regular hard-mask grating is produced photolithographically on the surface of the photodetector, that subsequently a structure etching step is carried out to a predetermined depth into the silicon and that the anode or cathode interrupted during the etching of the photodetector is restored by a further implantation step.
- the pattern etching step is preferably carried out by anisotropic, wet-chemical etching, wherein a dry etching may also be considered.
- the pattern etching step generates regularly distributed depressions (trenches) having a depth of about 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m, which have more acute angles than pyramids with (111) faces, or preferably inverse pyramids.
- the hard mask (hard mask) is further photolithographically structured in such a way that these web widths of 0.5 .mu.m and mesh openings with a width of 0.5 .mu.m to 5 .mu.m having.
- the hard mask is preferred by SiO 2
- This method is compatible with bipolar, CMOS or BiCMOS technology for ICs and single devices.
- the pyramids produced by the method according to the invention form such angles to the vertically incident light that a large part is absorbed by reflection and refraction independently of the wavelength in the silicon.
- the effective light path is extended by the multiple refraction at the pyramids compared to the vertical light incident on planar surfaces.
- the epitaxy thickness can be reduced, thus reducing equipment costs and lead time.
- Another advantage is that the photodetector can be reduced in lateral direction with reduced dimension in the vertical direction, in particular its isolation, and thus can be produced more cheaply.
- the method according to the invention requires only one photolithographic step and is therefore cheap and can be carried out quickly.
- FIG. 1 a schematic representation of a photodetector
- FIG. 2 is a plan view of a photolithographically generated hard mask on the photodetector
- Fig. 1 shows the basic structure of a photodetector consisting of a cathode 1 (n-region), an insulation 2 (i-area) and an anode 3 arranged above (p-area).
- This structure is fabricated on a substrate, such as an Si substrate, by arsenic implantation, epitaxy, and boron implantation.
- This structure is part of a large-area wafer which has been provided with a hard mask 4 by SiO 2 deposition and subsequent photolithography.
- the structuring of the hard mask 4 can be done by conventional dry etching, so that webs 5 with a width of 0.3 .mu.m to 1 .mu.m and mesh openings 6 with a width of 0.5 .mu.m to 5 .mu.m arise.
- a pattern etching step preferably by anisotropic, wet-chemical etching, is carried out, through the regularly distributed recesses (trenches) with a depth of about 1.5 ⁇ m, which have more acute angles than pyramids with (111) faces, or preferably inverse pyramids. the 7 generated.
- the anode 3 Since the anode 3 has been interrupted by the structure etching step, it is restored by a final boron implantation and thus the photodetector is completed.
- a dry etching can also be carried out so that trenches (recesses) with straight walls are formed. With such trenches in place of the inverse pyramids 7 can already achieve a significant improvement in light absorption. Under certain etching conditions, preferably using a crystallographically anisotropically effective etching solution (eg choline, KOH), it is also possible to etch the inverse pyramids 7 into the surface of the silicon.
- a crystallographically anisotropically effective etching solution eg choline, KOH
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Oberfläche auf optischen integrierten Schaltkreisen zur Verbesserung der Absorption von Licht in Photodetektoren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit geringem Aufwand und damit geringen Kosten realisierbares Verfahren zur Herstellung einer antireflektieren-den Oberfläche auf optischen integrierten Schaltkreisen zu schaffen, das kompatibel zu IC- und single Device Technolo-gien ist. Erreicht wird das dadurch, dass auf der Oberfläche des Photodetektors photolithographisch ein regelmäßiges Hard-Mask-Gitter hergestellt wird, dass nachfolgend ein Strukturätzschritt bis in eine vorgegebene Tiefe in das Silizium ausgeführt wird, so dass regelmäßig verteilt angeordnete inverse Pyramiden entstehen und dass die beim Ätzen unterbrochene Anode oder Kathode des Photodetektors durch einen weiteren Implantationsschritt wieder hergestellt wird.
Description
Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Oberfläche auf optischen integrierten Schaltkreisen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Oberfläche auf optischen integrierten Schaltkreisen zur Verbesserung der Absorption von Licht in Photodetektoren .
Derartige Photodetektoren, wie PIN-Photodioden, bestehen aus einer Katode (n-Gebiet) , einer Isolation (i-Gebiet) und einer Anode (p-Gebiet) . Diese Struktur wird auf einem Substrat, beispielsweise einem Si-Substrat) durch eine erste Implantation, Epitaxie und eine zweite Implantation hergestellt.
Um eine gute Lichtabsorption in einem gewünschten Wellenlängenbereich zu erreichen, werden auf der Photodiode, bzw. den integrierten Photodetektoren, einfache ARC-Schichten (anti reflecting coating, Antireflex-Beschichtung) abgeschieden, deren Nachteil allerdings darin besteht, dass diese auf eine bestimmte Wellenlänge optimiert sind und damit für Multi- spektralanwendungen ungeeignet sind.
Es ist in Grenzen möglich, ein verbreitertes Absorptionsma- ximum zu erreichen, indem durch vielfach abgeschiedene dünne dielektrische Schichten ein entsprechender ARC-Schichtauf- bau realisiert wird. Dieses Verfahren weist jedoch besondere Nachteile in der Kombination mit der in eine Chiptechnologie integrierten Photodiode auf.
Insbesondere bedeutet die Realisierung von Vielfachschichten ein entsprechendes Mehrfaches an Prozesskosten im Vergleich zu einer einzelnen Schichtabscheidung. Außerdem erhöht sich dadurch die Durchlaufzeit in der Produktion, wodurch ein Stau bei den jeweiligen Beschichtungsanlagen (Flaschenhalseffekt) hervorgerufen wird. Darüber ist die notwendige Genauigkeit der Schichten auf Schichtdicken von wenigen Nano- metern schwer realisierbar.
Darüber hinaus lassen sich in der Halbleiterfertigung die erforderlichen Lichtbrechungsindizes nicht realisieren bzw. sind nicht verfügbar. Bei ARC-Schichten, insbesondere bei Mehrfachschichten, ist eine gewisse Dämpfung des einfallenden Lichtes nicht zu vermeiden.
Um diesen Nachteil auszugleichen, bzw. zu vermeiden und möglichst viel Licht absorbieren zu können, ist es bekannt, strukturierte Mikropyra iden auf der Oberfläche des Photodetektors auszubilden. Durch diese Mikropyramiden wird das Ab- sorptionsverhalten unabhängig von der Wellenlange des eingestrahlten Lichtes. Dadurch wird das Licht auch vorwiegend im oberen Teil des Photodetektors absorbiert, was zur Folge hat, dass die notwendige Epitaxiedicke bei der Herstellung des Photodetektors verringert werden kann.
Beispiele für ARC-Schichten und Mikropyramiden werden beschrieben in „Silicon Solar Cells, Advanced Principles and Practice", Martin A. Green, veröffentlicht vom Centre for Photovoltaic Devices and Systems, University of New South Wales, Sydney, Printed by Bridge Printery Pty. Ltd, March 1995.
Diese Mikropyramiden auf der Oberfläche des Photodetectors können durch selektives Ätzen realisiert werden, indem die (111) -Kristallebenen frei gelegt werden, so dass Pyramiden
mit quadratischen Grundflächen entstehen. Weiterhin wird in dieser Druckschrift auch die Verwendung invertierter Pyramiden (d.h. auf der Spitze stehender Pyramiden) beschrieben, um die Absorption von Licht im Photodetektor zu verbessern. Die Herstellung derartiger invertierter Pyramiden ist allerdings mit einem erheblichen Aufwand verbunden, so dass diese Variante für eine praktische Anwendung nicht geeignet ist.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein mit geringem Aufwand und damit geringen Kosten realisierbares
Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Oberfläche für optische integrierte Schaltkreise zu schaffen, das kompatibel zu IC- und single Device Technologien ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass auf der Oberfläche des Photodetektors photolithographisch ein regelmäßiges Hard-Mask-Gitter hergestellt wird, dass nachfolgend ein Strukturätzschritt bis in eine vorgegebene Tiefe in das Silizium ausgeführt wird und dass die beim Ätzen unterbrochene Anode oder Kathode des Photodetektors durch einen weiteren Implantationsschritt wieder hergestellt wird.
Der Strukturätzschritt wird bevorzugt durch anisotropes, nasschemisches Ätzen ausgeführt, wobei auch eine Trockenätzung in Betracht kommen kann.
Durch den Strukturätzschritt werden regelmäßig verteilt angeordnete Vertiefungen (Trenches) mit einer Tiefe von etwa 0,5 μm bis 5 μm, die spitzere Winkel als Pyramiden mit (111)- Flächen aufweisen, oder bevorzugt inverse Pyramiden erzeugt.
Die Hard-Maske (Hartmaske) wird weiterhin derart photolithographisch strukturiert, dass diese Stegbreiten von 0,5 μm und Maschenöffnungen mit einer Breite von 0,5 μm bis 5 μ
aufweist. Die Hard-Maske wird bevorzugt durch Siθ2~
Abscheidung und nachfolgende photolithographische Strukturierung hergestellt.
Dieses Verfahren ist kompatibel zu einer Bipolar-, CMOS- o- der BiCMOS-Technologie für IC's und Single Devices. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Pyramiden bilden solche Winkel zum senkrecht einfallenden Licht, dass durch Reflexion und Brechung ein großer Teil unabhängig von der Wellenlänge im Silizium absorbiert wird. Der effektive Lichtweg verlängert sich durch die Mehrfachbrechung an den Pyramiden im Vergleich zum senkrechten Lichteinfall an planeren Oberflächen.
Die Folge ist, dass die Epitaxiedicke zurück genommen werden kann, so dass sich die Anlagenkosten und die Durchlaufzeit verringern. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Photodetektor bei reduzierter Abmessung in vertikaler Richtung, insbesondere dessen Isolierung, in lateraler Richtung verkleinert werden kann und somit kostengünstiger hergestellt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt ebenso wie bei der Anwendung von Standard-Antireflexschichten nur einen Photo- lithografieschritt und ist somit preiswert und schnell durchführbar.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungsfiguren zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Photodetektors;
Fig. 2: eine Draufsicht auf eine photolithographisch erzeugte Hard-Maske auf dem Photodetektor;
Fig. 3: die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge- stellten inversen Pyramiden; und
Fig. 4: eine Pyramide nach der Wiederherstellung der durch den vorhergehenden Ätzschritt unterbrochenen Anode.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Photodetektors bestehend aus einer Katode 1 (n-Gebiet) , einer Isolation 2 (i-Gebiet) und einer darüber angeordneten Anode 3 (p- Gebiet) . Diese Struktur wird auf einem Substrat, beispiels- weise einem Si-Substrat) durch Arsen-Implantation, Epitaxie und Bor-Implantation hergestellt. Diese Struktur ist Bestandteil eines flächenmäßig großen Wafers, das durch eine Si02-Abscheidung und nachfolgende Photolithographie mit einer Hard-Maske 4 versehen worden ist. Die Strukturierung der Hard-Maske 4 kann durch übliches Trockenätzen erfolgen, so dass Stege 5 mit einer Breite von 0,3 μm bis 1 μm und Maschenöffnungen 6 mit einer Breite von 0,5 μm bis 5 μ entstehen.
Anschließend wird ein Strukturätzschritt, bevorzugt durch anisotropes, nasschemisches Ätzen, ausgeführt, durch den regelmäßig verteilt angeordnete Vertiefungen (Trenches) mit einer Tiefe etwa 1,5 μm, die spitzere Winkel als Pyramiden mit (111) -Flächen aufweisen, oder bevorzugt inverse Pyrami- den 7 erzeugt.
Da durch den Strukturätzschritt die Anode 3 unterbrochen worden ist, wird diese durch eine abschließende Bor- Implantation wieder hergestellt und somit der Photodetektor fertig gestellt.
Alternativ für die erwähnte nasschemische Ätzung kann auch eine Trockenätzung vorgenommen werden, so dass Trenches (Vertiefungen) mit geraden Wänden entstehen. Mit derartigen Trenches anstelle der inversen Pyramiden 7 lässt sich bereits eine deutliche Verbesserung der Lichtabsorption erreichen. Unter bestimmten Ätzbedingungen , bevorzugt unter Verwendung einer kristallografisch anisotrop wirksamen Ätzlösung (z.B. Cholin, KOH) , ist es auch möglich, die inversen Pyramiden 7 in die Oberfläche des Siliziums zu ätzen.
Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Oberfläche auf optischen integrierten Schaltkreisen
Bezugzeichenliste
Katode Isolation Anode Hard-Maske Steg Maschenöffnung inverse Pyramide
Claims
1. Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden 0- berfläche für optische integrierte Schaltkreise zur Verbesserung der Absorption von Licht in Silizium-Photodetektoren, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass auf der 0- berfläche des Photodetektors photolithographisch ein regelmäßiges Hard-Mask-Gitter hergestellt wird, dass nachfolgend ein Strukturätzschritt bis in eine vorgegebene Tiefe in das Silizium ausgeführt wird und dass die beim Ätzen unterbro- chene Anode oder Kathode des Photodetektors durch einen weiteren Implantationsschritt wieder hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Strukturätzschritt durch anisotropes, nasschemisches Ätzen ausgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass durch den Strukturätzschritt regelmäßig verteilt angeordnete etwa 0,5 μm bis 5 μm tiefe Vertiefungen (Trenches) erzeugt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass durch den Strukturätzschritt Trenches erzeugt werden, die spitzere Winkel als Py-
ramiden mit (111) -Flächen aufweisen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Hard-Maske derart photoli- thographisch strukturiert wird, dass diese Stegbreiten von ca. 0,5 μm und Maschenöffnungen mit einer Breite von 0,5 μ bis 5 μm aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t, dass die Hard-Maske durch Si02-Abscheidung und nachfolgende photolithographische Strukturierung hergestellt wird.
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