WO2019185787A1 - Fotoempfindliches halbleiterbauelement, verfahren zum bilden eines fotoempfindlichen halbleiterbauelements - Google Patents

Fotoempfindliches halbleiterbauelement, verfahren zum bilden eines fotoempfindlichen halbleiterbauelements Download PDF

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Manuel Schmidt
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Vishay Semiconductor Gmbh
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    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
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    • H01L31/11—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by two potential barriers, e.g. bipolar phototransistors
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    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof

Definitions

  • Photosensitive Semiconductor Device A method of forming a photosensitive semiconductor device
  • the invention relates to a photosensitive semiconductor component and a method for forming a photosensitive semiconductor component.
  • the invention relates to phototransistors adapted to ambient light detection.
  • Such components are used, for example, to adapt the luminosity of active optical displays to the ambient light situation, that is, for example, to control the luminosity of backlights of displays in vehicles or mobile digital devices depending on the ambient light.
  • ambient light transistors In order for such ambient light transistors to provide a customized output, they must have a spectral response that mimics the effective effects of the perception of displays, that is, the spectral distribution of ambient lighting on the one hand and the human vision over the wavelength on the other hand.
  • the human eye is generally sensitive to wavelengths in the range between about 400 nm and 800 nm. Wavelengths shorter than 400 nm are UV light, wavelengths longer than 800 nm infrared light (IR). UV and IR radiation are no longer perceived by the eye. Regularly optical sensors are insufficiently adapted to the needs of ambient light detection.
  • the semiconductor device 90 may be considered as a combination of a photodiode 98 with a amplifying transistor 99. It is built up on a substrate 91 with n + doping. Above this is a weaker doped layer 92 with n-doping. In the upper region of this layer 92, the p-doped layer 93 is diffused, which acts as an anode for the diode 98. For the adjacent transistor 99, it is the base layer directly connected thereto. In the base layer 93, an n + - doped emitter layer 94 is diffused.
  • the adaptation of the detection characteristic takes place in that the thickness d1 of the layer 92 is set to a comparatively low value of, for example, about 2.5 ⁇ m to 3 ⁇ m, compared with conventional photosensitive components. In contrast, normal values are layer thicknesses of 10 pm to 30 pm.
  • the thickness d1 By setting the thickness d1 to comparatively low values, one makes use of the wavelength-dependent absorption behavior of radiation in semiconductor material in conjunction with the different degrees of doping (n + in 91, n in 92). Short wavelengths penetrate comparatively small in the semiconductor and are absorbed substantially in said 3 pm of the layer 92.
  • the thickness d1 of the lightly doped layer 92 the thickness d2 of the anode / base layer 93 also has to be set relatively thin to approximately 1 .mu.m.
  • the emitter layer 94 is accordingly even thinner. Therefore, the total thickness of the vertical transistor 99 in the vertical direction of the drawing plane becomes very small. This leads to massive difficulties in terms of obtaining components with only slightly scattering properties. In the case of very flat structures as indicated in FIG. 9, characteristic values of the transistor can deviate by a factor of 5, so that the value of such components is limited.
  • the object of the invention is therefore to provide a flat-conductor component and a production method therefor, which permit the production of semiconductor components which are well adapted to ambient light detection and with reduced scattering of the characteristic values thereof.
  • a layered structure of a heavily doped substrate as a collector, above a qualitatively equal, but weakly doped semiconductor layer, in or above an oppositely doped base layer and again in or above it in some areas of a doped as the substrate emitter ter Mrs specified In this case, the lightly doped layer and / or the base layer have in the vertical (perpendicular to the substrate surface) cross section Attempts laterally adjacent areas of different thickness, wherein the transistor part of the semiconductor device in the thicker region of the weaker doped layer and / or the base layer is formed and the diode part in the thinner region.
  • the weakly doped layer is thinner (ie thicker in the transistor region) in the diode region, this results in an improvement in the adaptation of the characteristic over the mechanism described above in the diode part by reducing the red sensitivity.
  • the transistor in the vertical direction of the drawing plane can be made thicker by also making the base layer and the emitter layer thicker in the thick region of the less doped layer, so that it is easier to reduce variations in the transistor properties ,
  • the base layer (in the transistor part) has a thicker and (in the diode part) thinner region, this causes the unfavorable reaction of the base doping on the photocurrent generation to be reduced by short-wave light in the underlying, less heavily doped layer, so that the relative Sensitivity of the diode part to short wavelengths (blue) is increased.
  • the thickness of the less doped layer may then be selected to be approximately constant higher than optimal for red suppression, up to conventional values. Even then, the transistor part can be made thicker and therefore more reproducible.
  • the embodiments are preferably combined, that is to say both the weaker doped layer and the base layer in the diode part are formed with thinner regions in order to combine the effects of red reduction and blue enhancement.
  • a method of forming a photosensitive semiconductor device comprising the steps of providing a semiconductor substrate of the first Conductive type as a collector layer over which forming a lower doped layer of the first conductivity type, therein or thereabove forming a semiconductor base layer of the second conductivity type, therein or above forming an emitter layer of the first conductivity type so that a part of the base layer area is not separated from the emitter layer is covered, wherein the lower doped layer and / or the semiconductor base layer are formed with areas of different thickness and the emitter layer is formed in the region of the largest thickness of the lower doped layer and / or the semiconductor base layer.
  • a method of forming a photosensitive semiconductor device comprising the steps of a) providing a semiconductor substrate of the first conductivity type as a collector layer, b.) Forming a lower doped layer of the first conductivity type, on or in a first In the region of the substrate surface, a first region of the lower doped layer of a first thickness is formed which is less than a first threshold value, or on a second region of the substrate surface, a second region of the lower doped layer of a second thickness is formed which is higher as a second threshold, which is higher than the first threshold, wherein on or in the substrate surface the first region and the second region adjoin one another or have a transition region between them on or in the substrate surface, on or in which a transition region is smaller doped C.) Forming on or in the lower doped layer of a semiconductor base layer of the second conductivity type having a first base layer region over at least a portion of the first A portion of the lower doped layer, a second base layer region over at least a portion of the
  • the first region and the second region of the lower doped semiconductor layer may be formed by a. First epitaxially depositing on the semiconductor substrate a first semiconductive layer having the lower doping level, b.) Then the first semiconducting layer over the first region of the substrate surface is further alsdotiert, preferably up to the doping degree of the substrate or higher or lower, and c.) Then on the first semiconductive layer, a second semiconducting layer with the lower doping degree is preferably epitaxially applied.
  • the first region and the second region of the less-doped semiconductor layer can also be produced by epitaxially depositing first a first semiconducting layer with the lower degree of doping first on the semiconductor substrate, and then b) on the first semiconductive layer a second semiconducting layer is applied to the second region of the substrate surface and not over the first region of the substrate surface.
  • the first region and the second region of the less-doped semiconductor layer can also be produced by a. First epitaxially depositing on the semiconductor substrate a semiconducting layer with the lower doping level of the thickness of the second region of the less-doped semiconductor layer, and b. ), then the semiconductive layer over the first region of the substrate surface is removed, preferably by etching, until the thickness of the first region of the less doped semiconductor layer is reached.
  • the first conductivity type is an n-type doping and the second conductivity type is a p-type doping. But it can also be the other way around.
  • a photosensitive semiconductor device has a.) A semiconductor substrate of the first conductivity type as a collector layer, b.) A lower doped layer of the first conductivity type with regions of different thicknesses, c.) A semiconductor base layer of the second conductivity type in or over at least D) an emitter layer of the first conductivity type over at least portions of the base layer but not over at least a portion of the overlying portion of the base layer overlying the thinner portion of the lower doped layer.
  • a further photosensitive semiconductor component has a.) A semiconductor substrate of the first conductivity type as a collector layer, b.) A less doped layer of the first conductivity type, c.) Over at least a portion of the less doped layer a semiconductor base layer of the second Conductivity type with regions of different thicknesses, d.) An emitter layer of the first conductivity type over at least a portion of the thicker region of the base layer but not over at least a portion of the thinner region of the base layer.
  • FIG. 1
  • 1 shows an embodiment of the semiconductor device according to the invention
  • 2 shows schematically a first production method
  • Fig. 8 is a plan view of a wafer
  • Fig. 9 shows an embodiment of the prior art.
  • FIG. 1 shows schematically the cross section through a single semiconductor component 1.
  • the cross section along the dashed line marked with the arrows A - A can lie perpendicular to the plane of the drawing.
  • the light incident surface is the surface of the semiconductor component exposed at the top in the figure.
  • the semiconductor component is constructed on a substrate 10 whose thickness t9 can be several hundred, for example greater than 200 pm or greater than 300 pm and less than 1 mm or less than 700 pm.
  • the substrate 10 shown in FIG. 1 is heavily n-doped (n + ). Above this there is a layer 11 which is weaker n-doped (h) than the substrate. 12 denotes a p-doped base layer and 13 denotes an n + -doped emitter layer. 1 shows in combination a thickening of the lightly doped layer 11 and a thickening of the base layer 12 in the right part of the figure, which corresponds to the transistor region. In this case, the thickness of the lightly doped layer (as well as that of other layers) is to be understood as measured starting from the free surface 2 of the planar conductor component and therefore includes the thicknesses of the overlying layers.
  • t1 denote the thickness of the less-doped layer 11 in its thinner region
  • t2 the thickness of the less-doped layer 11 in its thicker region
  • t3 the thickness of the base layer in its thinner region
  • t4 the thickness of the base layer 12 in their thicker area.
  • the drawing of Fig. 1 shows that there (right part of the figure, transistor part of Flalbleiterbauelements), where the weaker doped layer 1 1 is configured thick, and the base layer 12 is made thick, and vice versa (in the diode part of the Flalbleiterbauelements in the left part the Figure).
  • the different configuration of the thickness of the less heavily doped layer 1 1 is brought about by further dotting a (lower lying) region of the less heavily doped layer, as described below.
  • This region is the region designated 10a in FIG. 1, which in terms of its doping intensity can correspond to that (n + ) of the substrate 10.
  • the thick and thin regions of the less heavily doped layer 11 and of the base layer 12 lie next to one another in a top view and also in the section of FIG. 1 in the left-right direction and at best have a transition region between them.
  • 10-1 symbolizes a region of the substrate over which a first region 1 1 -1 of lesser thickness of the less heavily doped layer 11 and a first region 12-1 of lesser thickness of the base layer 12 lie.
  • 10-2 symbolizes a region of the substrate over which a second region 1 1 -2 of the less heavily doped layer 1 1 of greater thickness can lie and / or over which a second region 12-2 of the base layer Layer 12 may be greater thickness. It corresponds approximately to the transistor region of the semiconductor component. Between the regions 10-1 and 10-2 on the substrate, there may be a transition region 10-3 of a certain width w, within which the said dimensions / thicknesses merge into one another. Over the transition region 10-3 of the substrate lies a transition region 11 -3 of the less heavily doped layer 11 and a transition region 12-3 of the base layer.
  • Fig. 1 The operation of the structure of Fig. 1 is as follows: In the range 10-1, 11-1 and 12-1, which substantially corresponds to a photodiode, the ratios for a suitably sized red suppression are set.
  • the thickness t1 of the less heavily doped layer 11 is comparatively small, so that a significant proportion of the long wavelengths are absorbed in the underlying doped region 10a, which is higher at, for example, 10 nm.
  • B. n + is doped, so that the red absorption takes place in areas of high recombination, so that the contribution of the long wavelengths to the signal is lower.
  • the ratios are set to improve the reproducibility of transistor characteristics.
  • the thickness t2 of the less heavily doped layer 11 and also the thickness t4 of the base layer 12 (measured from the substrate surface 2) are comparatively high, so that the difficulties in obtaining reproducible characteristics of the transistors resulting from the known flat design of the transistors, is retrieved.
  • the thicknesses t1 and t2 of the regions of the more heavily doped layer 11 are determined starting from the substrate surface 2 and to this extent include the thicknesses of the respective overlying regions of the base layer 12.
  • the thickness t4 of the thicker part 12-2 of the base layer 12 in turn, includes the thickness t5 of the emitter layer 13.
  • the transitional area 10-3, 11 -3, 12-3 does not have its own technical function. However, it is in fact present as the area within which the different dimensions of the layers of the two adjacent areas merge into each other. Its width w is also determined by the necessities and constraints that exist to this extent and can be very small.
  • FIGS. 2a to 2f a method of fabricating a semiconductor device having different thick regions of the less heavily doped layer 11 will be described.
  • the method is suitable for producing the embodiment of FIG. 1.
  • FIG. 8 shows, by way of example, the arrangement of many semiconductor devices 1 to be manufactured in a rectangular / square grid, which is imaged on a larger wafer 70 by the manufacturing process.
  • the adjacent semiconductor devices 1 are simultaneously processed in the same way by the respectively suitable process steps and are separated at the end by being cut along the free spaces between them.
  • FIG. 2 shows processes and processes to a single semiconductor component 1 as if it were manufactured alone. In fact, however, in many cases the production takes place in parallel with other semiconductor components 1 as indicated in FIG. 8.
  • Fig. 2a shows the provision of a wafer 10 of semiconductor material.
  • the semiconductor material is n-doped, in particular to an n + doping concentration.
  • a first semiconductive layer 11a with the lower doping level n is applied to the substrate 10, preferably over the entire area.
  • a part of the layer 11a is then further n-doped, so that it reaches an increased n-doping concentration, but which may still be below the n + concentration of the substrate 10 or may be the same or even higher can be.
  • this part of the once lower doped layer 11 a becomes a part of the higher doped substrate 10, which is indicated by reference numeral 10 a.
  • a second semiconducting layer 11b with the lower doping level n is then applied to the first layer 11a.
  • a weaker doped layer 11 which on the left has a thinner area of thickness t1 and on the right a thicker area of thickness t2.
  • the layers 11 a and 11 b can be applied by epitaxy.
  • the n-doping of these layers 11 a and 11 b already takes place together with the epitaxial deposition of the layers.
  • a base layer 12 is then formed. It is p-doped and can be made thicker in the thicker part of the weaker doped layer 11 than in the thinner part of the weaker doped layer 11. It obtains in this way the different thicknesses t3 and t4 as shown in Fig. 2e.
  • the thicker region 12-2 can be manufactured first, followed by the thinner region 12-1 thereafter. It is important that in each case under the areas of the base layer 12 still areas of the weaker doped layer 11 remain, which allow the formation of a significant space charge zone up to the more doped th layer of substrate 10 and further on doped region 10a.
  • an emitter layer 13 having a thickness t5 is formed last in the thicker part of the base layer 12. It can be diffused by diffusing n-type dopants into the previously p-doped region of the base layer 12. be diert.
  • the emitter layer 13 can function as an emitter, while the substrate layer 10 can function as a collector. Seen vertically, the emitter layer 13 can be part of the thicker part of the base layer 12, so that in this way a vertical transistor of n + 13, p12, h ⁇ 1 and n + 10 is formed.
  • a photodiode has been formed, consisting of p12, h ⁇ 1 and n + 10a, 10.
  • FIG. 3 shows a further possibility of forming a planar conductor component having regions of different thickness of the less heavily doped layer 11.
  • the steps of FIGS. 3a and 3b correspond qualitatively to those of FIGS. 2a and 2b and will not be explained further.
  • the thickness t1 of the first semiconducting layer 11a is equal to that which is desired for the thinner portion 11-1 of the less heavily doped layer 11 last.
  • a second semiconductive n-layer 11d of the lesser degree of doping is applied over part of the first semiconducting layer 11a.
  • the layers 11 c and 11 d can be applied again by epitaxy by, for example, suitable masking.
  • the second semiconducting layer 11 d is produced such that the total thickness of the two layers 11 c and 11 d corresponds to the last desired thickness t 2 of the thicker region 11 -2 of the less heavily doped layer 11.
  • the substrate surface 2 is then no longer flat, but stepped.
  • a base layer 12 is then produced, for example by indiffusion of p material from above into the surface. This can be done so that the base layer 12 has a smaller thickness t3 in the thinner region 11 -1 of the less heavily doped layer 11 than in the thicker region 11 -2 of the lower doped layer 11, where the base layer 12 has a thickness t 4 greater than t3 is.
  • the production can be carried out in such a way that on the left side of the surface approaching the surface 2 Rich area of the base layer 12 a portion of the lower doped layer 11 stops.
  • the emitter layer 13 is again formed, which can be manufactured by implanting n-material from above to the desired thickness t5, which is smaller than t4.
  • FIGS. 4a and 4b qualitatively correspond to those of FIG. 2 and will not be explained separately.
  • the less heavily doped layer 11 e is produced equal to a thickness t 2, for example by means of epitaxy, which corresponds to the last desired thickness of the thicker region 11 - 2 of the less heavily doped layer 11. This results in the layered structure of the more heavily doped substrate 10 with n + concentration as the collector layer and the weaker doped layer 11 with n concentration above it.
  • a base layer 12 is then produced, for example by diffusing p material into the less heavily doped layer 11 from above. This takes place until a layer thickness t4 which corresponds to the last desired layer thickness of the thicker region 12-2 of the base layer 12 is reached.
  • FIG. 4d shows two further steps in combination that can be performed in each of the two possible sequences.
  • part of the base layer 12 is removed, for example by etching, so that in this area the base layer 12 assumes a thickness t3 and subsequently the weaker doped layer 11, measured from the component surface 2, has a reduced thickness t1.
  • the emitter ter Mrs 13 made up to a thickness t5, such as by diffusion of n-type material.
  • Fig. 5 shows an embodiment in which the weaker (h) doped layer 11 has a substantially constant thickness t6, but the base layer has regions of different thicknesses as described qualitatively before. It has been shown that even the provision of a thin base region (thickness t3 in FIG. 5) in the region of the photodiode alone brings about an improvement in the adaptation of the component characteristic, thereby reducing the negative retroactive effect of the base doping on the processes in FIG Space charge zone can be reduced in the lightly doped layer 11 below. Therefore, the thickness t6 of the less heavily doped layer 11 can be selected to be higher than the value optimal for the red reduction, so that the transistor region can accordingly be made thicker and therefore more reproducible. It saves in this construction, the cost of producing different thickness areas 11 -1, 11 -2 of the weaker doped layer eleventh
  • FIG. 6 shows a method of forming a constant-thickness waveguide device of the less-doped layer 11 as shown qualitatively in FIG. Referring again to FIG. 6a, as previously described, a substrate 10 having n + doping is provided first.
  • a layer 11 with n concentration is formed, for example by means of epitaxy. It is manufactured with the last desired layer thickness t6.
  • a base layer 12 having regions of different layer thickness is then formed, for instance by firstly providing, as in FIG. 6c, in a subregion of the semiconductor (transistor region) a uniformly deep layer of thickness 17 with p Doping is made until the desired thicker Layer thickness t7 is reached as the first end depth.
  • a less deep layer 12-2 of the thickness t3 is then produced with p-type doping until the desired weaker layer thickness t3 is reached as the second final depth.
  • an emitter layer 13 can then be diffused into the thicker region of the base layer 12, or, as shown in FIG. 6e, can again be deposited separately up to a thickness t8 on the thicker region of the base layer be applied. The latter can be done again by epitaxy. In this construction, the thickness of the emitter layer is not included in the thick areas of the base layer and the weaker doped layer.
  • Fig. 7 shows the beginning of another manufacturing process.
  • An n + -doped substrate 10 with differently doped regions is produced.
  • a uniform n + base doping can be generated.
  • more mobile dopants 72 for n-doping, for example, phosphorus
  • more mobile dopants 71 for example n-doping, arsenic, antimony
  • More mobile dopants, such as phosphorus for n-doping or aluminum for p-doping have a higher diffusion coefficient than other dopants, which, given otherwise identical conditions, reflects their greater tendency to diffuse compared to other dopants.
  • the less doped layer 11 is then built up, for example by means of epitaxy.
  • the mobile n-type dopants 72 simultaneously diffuse with the layer structure and / or in a step which is specifically induced thereafter in the above-mentioned a priori less doped layer 11, so that there vertically seen in the lower region 10a whose lower doping due to the diffusion from below to a higher value to about n + increases.
  • the upwardly diffusing dopant atoms 72 cause a reduction in the thickness of the lower doped layer from t2 in the transistor region above the substrate region 10-2 to tl in the diode region above the substrate region 10-1.
  • the individual regions may appear island-like, ie in such a way that the base regions 12 of the individual semiconductor components are separated from each other by weaker doped regions 11, along which the singulation takes place.
  • the respective existing emitter layers 13 may be completely island-like within the respective base layer 12.
  • the wafer 10 may have a thickness t9 higher than 100 miti or higher than 200 miti or higher than 300 miti or higher than 400 miti and smaller than 1 mm or smaller than 800 miti.
  • the net layer thickness of the lightly doped layer 11 (taken between the lower limit of the base layer 12 and the upper limit of the heavily doped layer 10, 10a in the vertical direction in the drawing plane) may be at least 1 in its first region 11-1 and in its second region 11-2 miti or at least 2 miti and / or at most 5 miti or at most 4 miti or at most 3 miti.
  • the thickness t1 of the thin region of the lightly doped layer 11 is smaller than a first threshold value th 1 and the thickness t2 of the thicker part 11 -2 of the weaker doped layer 11 is greater than a second threshold value th2.
  • the first threshold th1 may be 7 miti or 5 miti or 4 miti or 3 miti or 2 miti.
  • the second threshold, th2, may be 4 miti or 5 miti or, in general, may be k2 times the first threshold, where k2 is 1, 1 or 1, 2 or 1, 5 or 2.
  • the minimum thickness t1 of the first region 11-1 of the lower-doped layer 11 may be greater than k1 times the first threshold value th1, where k1 is 0.1 or 0.2 or 0.3.
  • the maximum thickness t2 of the second region 11 -2 of the less doped layer 11 may be smaller than k3 times the second threshold th2, where k3 is 5 or 3 or 2 or 1.5.
  • the first base layer region 12-1 may have a thickness t3 that is less than a third threshold value th3 and greater than 0.1 times or 0.2 times the third threshold value th3, wherein the third threshold value 3 is miti or 2 miti or 0.2 times or 0.3 times or 0.4 times the first threshold th1.
  • the second base layer region 12-2 may have a thickness t4 that is greater than a fourth threshold th4 and less than 3 times or 2 times or 1.5 times the fourth threshold value th4, where the fourth threshold value is 2 miti or 3 miti or 4 miti or 5 miti or it may be 1, 5 or 2 times or 3 times the third threshold th3.
  • the width w of the transition region 10-3 may be smaller than k4 times the first threshold value th1 or k4 times the thickness t1 of the first region 11-1 of the lower-doped layer 11, where k4 is 3 or 2 or 1 or 0.5 or 0, 2 is.
  • the first base layer region 12-1 may have a thickness t3 that is less than k5 times the thickness t4 of the second base layer region 12-2, where k5 may be 1 or 0.9 or 0.7 or 0.5 or 0.4.
  • the thickness t3 of the first region 12-1 of the base layer 12 may be k6 times the thickness t1 of the first region 11-1 of the less heavily doped layer 11, where k6 is greater than 0.2 or greater than 0.3 and / or less is 0.5 or less than 0.3 or less than 0.1 or less than 0.05.
  • the thickness t4 of the second region 12-2 of the base layer 12 may be k7 times the thickness t3 of the second region 11-2 of the less heavily doped layer 11, where k7 is greater than 0.1 or greater than 0.2 or greater is 0.5 or greater than 0.6 and / or less than 0.9 or less than 0.8 or less than 0.7.
  • the thickness t5 of the emitter layer 13 may be k8 times the thickness t4 of the second region 12-2 of the base layer 12, k8 being greater than 0.2 or greater than 0.4 or greater than 0.6 and / or less than 0 , 99 or less than 0.9 or less than 0.8 or less than 0.7.
  • the thickness t6 of the less heavily doped layer 11 in FIG. 5 may be thicker than a lower limit, which is 3 miti or 4 miti or 5 miti, and may be thinner than an upper limit of 15 miti or 10 miti or 8 miti or 6 miti is.
  • the thickness t7 of the thick region of 12-2 of the base layer may be dimensioned as t4 of FIG.
  • the Thresholds th3 and th4 for forming the different thickness regions 12-1 and 12-2 of the base layer 12 may be as described with reference to FIG. 1, or may be reduced by 20% or 30% or 40%.
  • the thickness t5 of the emitter layer 13 as shown in Fig. 5 may be as described with reference to Fig.
  • the thickness t8 of the emitter layer 13 as shown in Fig. 6 may be thicker than a lower limit which is 1 with i or 2 with i and may be thinner than an upper limit which is 6 with i or 5 with i or 4 with i or 3 with i.
  • a semiconductor device may have a dimension of a * b, where a is between 0.3 mm and 1 mm, preferably about 0.7 mm, and b between 0.3 mm and 1 mm , preferably 0.7 mm.
  • the transistor portion may occupy 5% -35%, preferably 17% -22% of the area, the diode portion occupy 65% -95%, preferably 78% -83% of the area.
  • the following doping levels may be present:
  • Substrate 10 h +, 10 17 - 3 * 10 19
  • Lower doped layer 11 n, 5 * 10 12 - 10 16
  • Base layer 12 p, 10 15 - 10 18
  • Emitter layer 13 n +, 5 * 10 18 - 10 2 °
  • a thickness is assigned a parameter such as t1
  • this in itself does not mean that the thickness must necessarily have constant value.
  • the center values of the transition region can be taken as layer boundary.
  • thicknesses with a tolerance of ⁇ 10% or ⁇ 5% or ⁇ 2% of the nominal value shall be understood.
  • the base layer it will not have the function of a transistor base over its entire extent. In regions, it acts as part of the diode, in particular its anode.
  • npn transistors are shown in the drawings. As such, they or the individual layers are also partially addressed in the description. However, this should not exclude the possibility that inverse structures (pnp transistors) can also be used with the invention.
  • the conductivity as the first conductivity type and the second conductivity type are addressed in the usual way.
  • the first conductivity type is an n-type doping and the second conductivity type is a p-type doping.
  • the drawings and description exclusively describe this assignment, this should not rule out that the assignment can also be the other way around, ie the first conductivity type is p-doping and the second conductivity type is n-doping.
  • first region 10-1 of the substrate serves primarily to describe the spatial arrangement of the overlying regions of individual layers. On the substrate itself, these areas are indistinguishable in many embodiments.

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Abstract

Ein photoempfindlicher Transistor hat ein Halbleitersubstrat (10) des ersten Leitfähigkeitstyps als eine Kollektorschicht, darüber eine geringer dotierte Schicht (11) des ersten Leitfähigkeitstyps mit Bereichen unterschiedlicher Dicke, eine Halbleiter-Basisschicht (12) des zweiten Leitfähigkeitstyps über mindestens Teilen der Bereiche der geringer dotierten Schicht (11), und eine Emitterschicht (13) des ersten Leitfähigkeitstyps über mindestens Teilen der Basisschicht (12), aber nicht über mindestens einem Teil des über dem dünneren Bereich der geringer dotierten Schicht (11) liegenden Teils der Basisschicht (12).

Description

Fotoempfindliches Halbleiterbauelement Verfahren zum Bilden eines fotoempfindlichen Halbleiterbauelements
Die Erfindung betrifft ein fotoempfindliches Halbleiterbauelement sowie ein Verfah- ren zum Bilden eines fotoempfindlichen Halbleiterbauelements. Insbesondere be- fasst sich die Erfindung mit an Umgebungslichtdetektion angepassten Fototransis- toren. Solche Bauelemente werden beispielsweise dafür verwendet, die Leucht- stärke aktiver optischer Anzeigen an die Umgebungslichtsituation anzupassen, also beispielsweise die Leuchtstärke von Hintergrundbeleuchtungen von Displays in Fahrzeugen oder mobilen digitalen Geräten abhängig vom Umgebungslicht zu steuern.
Damit solche Umgebungslichttransistoren eine angepasste Ausgabe liefern, müs- sen sie eine spektrale Empfindlichkeit aufweisen, die die wirksamen Effekte der Wahrnehmung von Anzeigen nachbildet, also einerseits die spektrale Verteilung der Umgebungsbeleuchtung und andererseits die menschliche Sehfähigkeit über der Wellenlänge. Das menschliche Auge ist allgemein für Wellenlängen im Be- reich zwischen etwa 400 nm und 800 nm empfindlich. Wellenlängen kürzer als 400 nm sind UV-Licht, Wellenlängen länger als 800 nm Infrarotlicht (IR). UV- und IR-Strahlung werden vom Auge nicht mehr wahrgenommen. Regelmäßig sind optische Sensoren unzureichend an die Notwendigkeiten der Umgebungslichtdetektion angepasst. Sehr häufig liegt, wenn eine Empfindlichkeit über einen höheren spektralen Bereich überhaupt gegeben ist, eine relativ zu ho- he Empfindlichkeit im Bereich langer Wellenlängen (700 nm bis 800 nm, "rot") vor und eine relativ zu geringe Empfindlichkeit im Bereich kurzer Wellenlängen (400 nm bis 500 nm, "blau").
Fig. 9 zeigt einen bekannten Aufbau für die Anpassung eines Umgebungs- lichtsensors an die Erfordernisse der Umgebungslichtdetektion. Gezeigt ist ein Querschnitt durch einen geschichteten Halbleiteraufbau. Das Halbleiterbauele- ment 90 kann als Kombination einer Fotodiode 98 mit einem verstärkenden Tran- sistor 99 angesehen werden. Es ist auf einem Substrat 91 mit n+-Dotierung aufge- baut. Darüber liegt eine schwächer dotierte Schicht 92 mit n -Dotierung. Im oberen Bereich dieser Schicht 92 ist die p-dotierte Schicht 93 eindiffundiert, die für die Diode 98 als Anode fungiert. Für den danebenliegenden Transistor 99 ist sie die unmittelbar damit verbundene Basisschicht. In die Basisschicht 93 ist eine n+- dotierte Emitterschicht 94 eindiffundiert.
Die Anpassung der Detektionskennlinie erfolgt dadurch, dass die Dicke d1 der Schicht 92 auf einen gegenüber herkömmlichen photoempfindlichen Bauteilen vergleichsweise geringen Wert von beispielsweise etwa 2,5 pm bis 3 pm gesetzt wird. Normale Werte sind demgegenüber Schichtdicken von 10pm bis 30 pm. Mit dem Setzen der Dicke d1 auf vergleichsweise geringe Werte macht man sich das wellenlängenabhängige Absorptionsverhalten von Strahlung in Halbleitermaterial in Verbindung mit den unterschiedlichen Dotierungsgraden (n+ in 91 , n in 92) zunutze. Kurze Wellenlängen dringen vergleichsweise gering in den Halbleiter ein und werden im Wesentlichen in den genannten 3 pm der Schicht 92 absorbiert. Wegen des geringen Dotierungsgrads dieser Schicht ist die Lebensdauer der ge- nerierten Träger vergleichsweise hoch, so dass dementsprechend ein relativ ho- her Fotostrom resultierend aus dem kurzwelligen Licht (blau) erzeugt wird. Dem- gegenüber gelangt langwelliges Licht (rot) mindestens teilweise tiefer in den Halb- leiter, also von oben in die Schicht 91 hinein. Rotes Licht wird deshalb zu einem merklichen Anteil in der Substratschicht 91 eines hohen Dotierungsgrads n+ ab- sorbiert. Da dort der Dotierungsgrad hoch ist, ist auch die Rekombinationsrate hoch und die Trägerlebensdauer vergleichsweise kurz. Die relative Wandlung langwelliger (roter) Strahlung in Fotostrom ist deshalb geringer, so dass mit einem solchen Aufbau der bekannten relativen Überempfindlichkeit von Sensoren für rotes Licht gegenüber blauem Licht abgeholfen ist.
Nachteil dieses Aufbaus ist es allerdings, dass wegen der vergleichsweise gerin- gen Dicke d1 der schwach dotierten Schicht 92 auch die Dicke d2 der Ano- den/Basisschicht 93 relativ dünn auf etwa 1 pm gesetzt werden muss. Die Emit- terschicht 94 ist dementsprechend noch dünner. Deshalb wird die Gesamtdicke des vertikalen Transistors 99 in vertikaler Richtung der Zeichnungsebene sehr gering. Dies führt zu massiven Schwierigkeiten dahingehend, Bauelemente mit nur gering streuenden Eigenschaften zu erhalten. Bei sehr flachen Aufbauten wie in Fig. 9 angedeutet, können Kennwerte des Transistors um den Faktor 5 voneinan- der abweichen, so dass der Wert solcher Bauelemente beschränkt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Flalbleiterbauelement und ein Herstel- lungsverfahren hierfür anzugeben, die die Herstellung von gut an Umgebungs- lichtdetektion angepassten Halbleiterbauelementen mit verringerter Streuung der Kennwerte derselben erlauben.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ge- löst.
Gemäß der Erfindung wird ein geschichteter Aufbau eines stark dotierten Sub- strats als Kollektor, darüber einer qualitativ gleich, aber schwächer dotierten Halb- leiterschicht, darin oder darüber einer entgegengesetzt dotierten Basisschicht und wiederum darin oder darüber bereichsweise einer wie das Substrat dotierten Emit- terschicht angegeben. Die schwach dotierte Schicht und/oder die Basisschicht weisen dabei im vertikalen (senkrecht zur Substratoberfläche) Querschnitt be- trachtet seitlich nebeneinander liegende Bereiche unterschiedlicher Dicke auf, wo- bei der Transistorteil des Halbleiterbauelements im dickeren Bereich der schwä- cher dotierten Schicht und/oder der Basisschicht ausgebildet ist und der Diodenteil im dünneren Bereich.
Soweit die schwächer dotierte Schicht im Diodenbereich dünner (also im Transis- torbereich dicker) ausgebildet ist, bewirkt dies im Diodenteil eine Verbesserung der Anpassung der Kennlinie über den oben beschriebenen Mechanismus, indem die Rotempfindlichkeit reduziert wird. Im dickeren Bereich kann demgegenüber auch der Transistor in vertikaler Richtung der Zeichenebene betrachtet dicker ge- baut werden, indem im dicken Bereich der schwächer dotierten Schicht auch die Basisschicht und die Emitterschicht dicker ausgebildet werden können, so dass es einfacher ist, Streuungen der Transistoreigenschaften zu verringern.
Soweit die Basisschicht (im Transistorteil) einen dickeren und (im Diodenteil) ei- nen dünneren Bereich aufweist, bewirkt dies, dass die ungünstige Rückwirkung der Basisdotierung auf die Photostromgenerierung durch kurzwelliges Licht in der darunter liegenden schwächer dotierten Schicht reduziert wird, so dass die relative Empfindlichkeit des Diodenteils gegenüber kurzen Wellenlängen (blau) erhöht wird. Es kann dann die Dicke der schwächer dotierten Schicht auf einen in etwa konstanten höheren Wert als er für die Rotunterdrückung optimal wäre, bis hin zu konventionellen Werten gewählt werden. Auch dann kann der Transistorteil dicker und deshalb besser reproduzierbar aufgebaut werden.
Vorzugsweise werden die Ausführungsformen kombiniert, also sowohl schwächer dotierte Schicht als auch Basisschicht im Diodenteil mit dünneren Bereichen aus- gebildet, um die Effekte Rotreduktion und Blauanhebung zu kombinieren.
Angegeben wird ein Verfahren zum Bilden eines photoempfindlichen Halbleiter- bauelements, mit den Schritten Bereitstellen eines Halbleitersubstrats des ersten Leitfähigkeitstyps als eine Kollektorschicht, darüber Bilden einer geringer dotierten Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps, darin oder darüber Bilden einer Halbleiter- Basisschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, darin oder darüber Bilden einer Emit- terschicht des ersten Leitfähigkeitstyps so, dass ein Teil des Basisschichtbereichs nicht von der Em itterschicht überdeckt ist, wobei die geringer dotierte Schicht und/oder die Halbleiter-Basisschicht mit Bereichen unterschiedlicher Dicke ausge- bildet werden und die Emitterschicht im Bereich der größten Dicke der geringer dotierten Schicht und/oder der Halbleiter-Basisschicht ausgebildet wird.
Konkreter sprechend wird ein Verfahren angegeben zum Bilden eines photoemp- findlichen Halbleiterbauelements, mit den Schritten a.) Bereitstellen eines Halb- leitersubstrats des ersten Leitfähigkeitstyps als eine Kollektorschicht, b.) Bilden einer geringer dotierten Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps, indem auf oder in einem ersten Bereich der Substratoberfläche ein erster Bereich der geringer do- tierten Schicht einer ersten Dicke ausgebildet wird, die geringer ist als ein erster Schwellenwert , auf oder in einem zweiten Bereich der Substratoberfläche ein zweiter Bereich der geringer dotierten Schicht einer zweiten Dicke ausgebildet wird, die höher ist als ein zweiter Schwellenwert , der höher ist als der erste Schwellenwert , wobei auf oder in der Substratoberfläche der erste Bereich und der zweite Bereich aneinander angrenzen oder auf oder in der Substratoberfläche zwischen sich einen Übergangsbereich haben, auf oder in dem ein Übergangsbe- reich der geringer dotierten Schicht ausgebildet wird, wobei die Dotierungskon- zentration in der geringer dotierten Schicht geringer eingestellt wird als die des Substrats , c.) Bilden auf oder in der geringer dotierten Schicht einer Halbleiter- Basisschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einem ersten Basisschichtbereich über zumindest einem Teil des ersten Bereichs der geringer dotierten Schicht , einem zweiten Basisschichtbereich über zumindest einem Teil des zweiten Be- reichs der geringer dotierten Schicht und womöglich einem Übergangs- Basisschichtbereich über zumindest einem Teil des Übergangsbereichs der gerin- ger dotierten Schicht , d.) Bilden auf oder in dem zweiten Basisschichtbereich ei- ner Em itterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps so, dass mindestens ein Teil des ersten Basisschichtbereichs nicht von der Emitterschicht überdeckt ist.
Der erste Bereich und der zweite Bereich der geringer dotierten Halbleiterschicht können hergestellt werden, indem a.) zuerst auf dem Halbleitersubstrat eine erste halbleitende Schicht mit dem geringeren Dotierungsgrad vorzugsweise epitaktisch aufgebracht wird, b.) dann die erste halbleitende Schicht über dem ersten Bereich der Substratoberfläche weiter aufdotiert wird, vorzugsweise bis auf den Dotie- rungsgrad des Substrats oder höher oder niedriger, und c.) dann auf der ersten halbleitende Schicht eine zweite halbleitende Schicht mit dem geringeren Dotie- rungsgrad vorzugsweise epitaktisch aufgebracht wird.
Der erste Bereich und der zweite Bereich der geringer dotierten Halbleiterschicht können auch hergestellt werden, indem a.) zuerst auf dem Halbleitersubstrat eine erste halbleitende Schicht mit dem geringeren Dotierungsgrad vorzugsweise epi- taktisch aufgebracht wird, und b.) dann auf der ersten halbleitende Schicht über dem zweiten Bereich der Substratoberfläche und nicht über dem ersten Bereich der Substratoberfläche eine zweite halbleitende Schicht aufgebracht wird.
Der erste Bereich und der zweite Bereich der geringer dotierten Halbleiterschicht können auch hergestellt werden, indem a.) zuerst auf dem Halbleitersubstrat eine halbleitende Schicht mit dem geringeren Dotierungsgrad der Dicke des zweiten Bereichs der geringer dotierten Halbleiterschicht vorzugsweise epitaktisch aufge- bracht wird, und b.) danach die halbleitende Schicht über dem ersten Bereich der Substratoberfläche so weit vorzugsweise durch Ätzen abgetragen wird, bis die Dicke des ersten Bereichs der geringer dotierten Halbleiterschicht erreicht ist.
Angegeben wird auch ein Verfahren wie oben, bei dem a.) die geringer dotierte Schicht gleichförmig dick oder ungleichförmig dick auf dem Substrat ausgebildet wird, b.) dann die Basisschicht in die geringer dotierte Schicht eindiffundiert wird c.) dann ein Teilbereich der Basisschicht weiter vertieft wird, und d.) dann in oder über dem vertieften Bereich der Basisschicht die Emitterschicht ausgebildet wird.
In dem Verfahren wie oben ist der erste Leitfähigkeitstyp eine n-Dotierung und der zweite Leitfähigkeitstyp eine p-Dotierung. Es kann aber auch umgekehrt sein.
Ein photoempfindliches Halbleiterbauelement hat a.) ein Halbleitersubstrat des ersten Leitfähigkeitstyps als eine Kollektorschicht, b.) darüber eine geringer dotier- ten Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps mit Bereichen unterschiedlicher Dicke, c.) eine Halbleiter-Basisschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps in oder über mindes- tens Teilen der Bereiche der geringer dotierten Schicht , d.) eine Emitterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps über mindestens Teilen der Basisschicht , aber nicht über mindestens einem Teil des über dem dünneren Bereich der geringer dotier- ten Schicht liegenden Teils der Basisschicht .
Ein weiteres photoempfindliches Halbleiterbauelement hat a.) ein Halbleitersub- strat des ersten Leitfähigkeitstyps als eine Kollektorschicht, b.) darüber eine gerin- ger dotierten Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps, c.) über mindestens einem Teil der geringer dotierten Schicht eine Halbleiter-Basisschicht des zweiten Leitfähig- keitstyps mit Bereichen unterschiedlicher Dicke, d.) eine Emitterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps über mindestens einem Teil des dickeren Bereichs der Basis- schicht , aber nicht über mindestens einem Teil des dünneren Bereich der Basis- schicht .
Nachfolgend werden Bezug nehmend auf die Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, es zeigen
Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiter bauelements, Fig. 2 schematisch ein erstes Herstellungsverfahren,
Fig. 3 schematisch ein zweites Herstellungsverfahren,
Fig. 4 schematisch ein drittes Herstellungsverfahren,
Fig. 5 den Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des
Halbleiterbauelements,
Fig. 6 ein weiteres Herstellungsverfahren,
Fig. 7 ein weiteres Herstellungsverfahren,
Fig. 8 die Draufsicht auf einen Wafer, und
Fig. 9 eine Ausführungsform des Standes der Technik.
Fig. 1 zeigt schematisch den Querschnitt durch ein einzelnes Halbleiterbauele- ment 1. In Fig. 8 kann der Querschnitt längs der mit den Pfeilen A-A markierten gestrichelten Linie senkrecht zur Zeichenebene liegen. In Fig. 1 ist ebenso wie in Fig. 5 anzunehmen, dass die Lichteinfallsfläche die oben in der Figur freiliegende Oberfläche des Halbleiterbauelements ist. Allgemein wird das Halbleiterbauele- ment auf einem Substrat 10 aufgebaut, dessen Dicke t9 einige 100 miti sein kann, beispielsweise größer als 200 pm oder größer als 300 pm und kleiner als 1 mm oder kleiner als 700 pm.
Das in Fig. 1 gezeigte Substrat 10 ist stark n-dotiert (n+). Darüber befindet sich eine Schicht 11 , die schwächer n-dotiert (h ) ist als das Substrat. Mit 12 ist eine p- dotierte Basisschicht bezeichnet und mit 13 eine n+-dotierte Emitterschicht. Die Fig. 1 zeigt in Kombination eine Verdickung der schwach dotierten Schicht 1 1 und eine Verdickung der Basisschicht 12 im rechten Teil der Figur, der dem Tran- sistorbereich entspricht. Dabei ist die Dicke der schwach dotierten Schicht (wie auch diejenige anderer Schichten) als ausgehend von der freien Oberfläche 2 des Flalbleiterbauelements gemessen zu verstehen und schließt deshalb die Dicken der darüber liegenden Schichten ein.
In Fig. 1 bezeichnen t1 die Dicke der schwächer dotierten Schicht 1 1 in ihrem dünneren Bereich, t2 die Dicke der schwächer dotierten Schicht 1 1 in ihrem dicke- ren Bereich, t3 die Dicke der Basisschicht in ihrem dünneren Bereich und t4 die Dicke der Basisschicht 12 in ihrem dickeren Bereich. Die Zeichnung der Fig. 1 zeigt, dass dort (rechter Teil der Figur, Transistorteil des Flalbleiterbauelements), wo die schwächer dotierte Schicht 1 1 dick ausgestaltet ist, auch die Basisschicht 12 dick ausgestaltet ist, und umgekehrt (im Diodenteil des Flalbleiterbauelements im linken Teil der Figur).
In der Ausführungsform der Fig. 1 wird die unterschiedliche Gestaltung der Dicke der schwächer dotierten Schicht 1 1 dadurch herbeigeführt, dass ein (tiefer liegen- der) Bereich der schwächer dotierten Schicht weiter aufdotiert wird, wie nachfol- gend beschrieben. Dieser Bereich ist der in Fig. 1 mit 10a bezeichnete Bereich, der in seiner Dotierungsstärke derjenigen (n+) des Substrats 10 entsprechen kann. Die dicken und dünnen Bereiche der schwächer dotierten Schicht 1 1 und der Ba- sisschicht 12 liegen in Draufsicht und auch im Schnitt der Fig. 1 in Links-Rechts- Richtung nebeneinander und haben allenfalls zwischen sich einen Übergangsbe- reich. 10-1 symbolisiert einen Bereich des Substrats, über dem ein erster Bereich 1 1 -1 geringerer Dicke der schwächer dotierten Schicht 1 1 und ein erster Bereich 12-1 geringerer Dicke der Basisschicht 12 liegen. Er entspricht in etwa dem Dio- denbereich des Flalbleiterbauelements. 10-2 symbolisiert einen Bereich des Sub- strats, über dem ein zweiter Bereich 1 1 -2 der schwächer dotierten Schicht 1 1 grö- ßerer Dicke liegen kann und/oder über dem ein zweiter Bereich 12-2 der Basis- Schicht 12 größerer Dicke liegen kann. Er entspricht in etwa dem Transistorbe- reich des Halbleiterbauelements. Zwischen den Bereichen 10-1 und 10-2 auf dem Substrat kann ein Übergangsbereich 10-3 einer gewissen Breite w liegen, inner- halb dessen die genannten Maße/Dicken ineinander übergehen. Über dem Über- gangsbereich 10-3 des Substrats liegt ein Übergangsbereich 11 -3 der schwächer dotierten Schicht 11 und ein Übergangsbereich 12-3 der Basisschicht.
Die Wirkungsweise des Aufbaus der Fig. 1 ist die folgende: Im Bereich 10-1 , 11 -1 und 12-1 , der im Wesentlichen einer Fotodiode entspricht, sind die Verhältnisse für eine geeignet dimensionierte Rotunterdrückung eingestellt. Die Dicke t1 der schwächer dotierten Schicht 11 ist vergleichsweise gering, so dass ein merklicher Anteil der langen Wellenlängen im darunterliegenden dotierten Bereich 10a ab- sorbiert wird, der höher auf z. B. n+ dotiert ist, so dass die Rotabsorption in Berei- chen hoher Rekombination stattfindet, so dass der Beitrag der langen Wellenlän- gen zum Signal geringer wird. Im Bereich 10-2, 11 -2, 12-2 und 13, der im Wesent- lichen einem vertikalen Bipolartransistor entspricht, sind die Verhältnisse auf Ver- besserung der Reproduzierbarkeit von Transistorkennlinien eingestellt. Die Dicke t2 der schwächer dotierten Schicht 11 und auch die Dicke t4 der Basisschicht 12 (gemessen von der Substratoberfläche 2 aus) sind vergleichsweise hoch, so dass den Schwierigkeiten zur Erlangung reproduzierbarer Kennwerte der Transistoren, die sich aus der bekannten flachen Bauweise der Transistoren ergaben, abgehol- fen ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Dicken t1 und t2 der Bereiche der schwä- eher dotierten Schicht 11 ausgehend von der Substratoberfläche 2 bestimmt wer- den und insoweit die Dicken der jeweiligen darüberliegenden Bereiche der Basis- schicht 12 einschließen. Die Dicke t4 des dickeren Teils 12-2 der Basisschicht 12 wiederum schließt die Dicke t5 der Emitterschicht 13 ein. Der Übergangsbereich 10-3, 11 -3, 12-3 hat keine eigene technische Funktion. Er ist jedoch faktisch vorhanden als der Bereich, innerhalb dessen die unterschiedli- chen Maße der Schichten der beidseits benachbarten Bereiche ineinander über- gehen. Seine Breite w ist auch durch die insoweit vorliegenden Notwendigkeiten und Zwänge bestimmt und kann sehr gering sein.
Bezug nehmend auf die Fig. 2a bis 2f wird ein Flerstellungsverfahren für ein Halb- leiterbauelement mit unterschiedlichen dicken Bereichen der schwächer dotierten Schicht 11 beschrieben. Das Verfahren eignet sich zur Herstellung der Ausfüh- rungsform der Fig. 1.
Allgemein ist insoweit zu sagen, dass die beschriebenen Halbleiterbauelemente nicht einzeln gefertigt werden, sondern als nebeneinandergereihte Teile in einem größeren Wafer, wie dies für die Ausführungsform der Figuren 1 und 5 schema- tisch in Fig. 8 gezeigt ist. Fig. 8 zeigt beispielhaft die Anordnung vieler zu fertigen- der Halbleiterbauelemente 1 in einem rechtwinkligen/quadratischen Raster, das durch den Herstellungsvorgang auf einem größeren Wafer 70 abgebildet wird. Die nebeneinanderliegenden Halbleiterbauelemente 1 werden gleichzeitig in gleicher Weise durch die jeweils geeigneten Prozessschritte bearbeitet und werden am Ende vereinzelt, indem sie längs der Freiräume zwischen ihnen geschnitten wer- den. Demgegenüber zeigt Fig. 2 (und auch die Fig. 3, 4 und 6) Vorgänge und Ab- läufe zu einem einzelnen Halbleiterbauelement 1 so, als ob es alleine gefertigt würde. Tatsächlich aber erfolgt in vielen Fällen die Fertigung parallel mit anderen Halbleiterbauelementen 1 wie in Fig. 8 angedeutet.
Fig. 2a zeigt die Bereitstellung eines Wafers 10 aus Halbleitermaterial. Das Halb- leitermaterial ist n-dotiert, insbesondere auf eine n+-Dotierungskonzentration.
Gemäß Fig. 2b wird auf dem Substrat 10 eine erste halbleitende Schicht 11 a mit dem geringeren Dotierungsgrad n vorzugsweise flächendeckend aufgebracht. Gemäß Fig. 2c wird dann ein Teil der Schicht 11 a weiter n-dotiert, so dass dieser eine erhöhte n-Dotierungskonzentration erreicht, die aber noch unter der n+- Konzentration des Substrats 10 liegen kann oder gleich sein kann oder sogar hö- her sein kann. Faktisch wird dadurch dieser Teil der einst niedriger dotierten Schicht 11 a ein Teil des höher dotierten Substrats 10, was durch Bezugsziffer 10a angedeutet ist.
Gemäß Fig. 2d wird dann eine zweite halbleitende Schicht 11 b mit dem geringe- ren Dotierungsgrad n auf der ersten Schicht 11 a aufgebracht. Nach der in Fig. 2d gezeigten Bearbeitung liegt eine schwächer dotierte Schicht 11 vor, die links einen dünneren Bereich der Dicke t1 und rechts einen dickeren Bereich der Dicke t2 hat.
Die Schichten 11 a und 11 b können mittels Epitaxie aufgebracht werden. Vor- zugsweise erfolgt die n -Dotierung dieser Schichten 11 a und 11 b schon zusam- men mit dem epitaktischen Auftrag der Schichten.
Gemäß Fig. 2e wird dann eine Basisschicht 12 ausgebildet. Sie ist p-dotiert und kann im dickeren Teil der schwächer dotierten Schicht 11 dicker als im dünneren Teil der schwächer dotierten Schicht 11 ausgeführt werden. Sie erhält auf diese Weise die unterschiedlichen Dicken t3 und t4 wie in Fig. 2e gezeigt. Hier kann zu- erst nur der dickere Bereich 12-2 gefertigt werden und daran anschließend dane- ben der dünnere Bereich 12-1. Wichtig ist, dass jeweils unter den Bereichen der Basisschicht 12 noch Bereiche der schwächer dotierten Schicht 11 verbleiben, die die Ausbildung einer nennenswerten Raumladungszone bis hin zur stärker dotier- ten Schicht aus Substrat 10 und weiter auf dotiertem Bereich 10a erlauben.
Gemäß Figur 2f) wird im dickeren Teil der Basisschicht 12 zuletzt eine Emitter- schicht 13 einer Dicke t5 ausgebildet. Sie kann eindiffundiert werden, indem n- Dotierungsstoffe in den vorher p-dotierten Bereich der Basisschicht 12 eindiffun- diert werden. Die Em itterschicht 13 kann als Emitter fungieren, während die Sub- stratschicht 10 als Kollektor fungieren kann. Vertikal betrachtet lässt die Emitter- schicht 13 einen Teil des dickeren Teils der Basisschicht 12 stehen, so dass auf diese Weise ein vertikaler Transistor aus n+13, p12, hΊ 1 und n+10 entsteht. Im linken Teil der Fig. 2 ist dagegen eine Fotodiode entstanden, bestehend aus p12, hΊ 1 und n+10a, 10.
Fig. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit der Bildung eines Flalbleiterbauelements mit unterschiedlich dicken Bereichen der schwächer dotierten Schicht 11. Die Schritte der Fig. 3a und 3b entsprechen qualitativ denen der Fig. 2a und 2b und werden nicht weiter erläutert. Allerdings ist die Dicke t1 der ersten halbleitenden Schicht 11 a gleich diejenige, die für den dünneren Bereich 11 -1 der schwächer dotierten Schicht 11 zuletzt gewünscht wird. Über einen Teil der ersten halbleitenden Schicht 11 a wird - in Fig. 3c auf der rech- ten Seite - eine zweite halbleitende n -Schicht 11 d des geringeren Dotierungs- grads aufgetragen. Auch hier können die Schichten 11 c und 11 d wieder mittels Epitaxie durch beispielsweise geeignete Maskierungen aufgetragen werden. Die zweite halbleitende Schicht 11 d wird so gefertigt, dass die Gesamtdicke der zwei Schichten 11 c und 11 d der zuletzt gewünschten Dicke t2 des dickeren Bereichs 11 -2 der schwächer dotierten Schicht 11 entspricht. Die Substratoberfläche 2 ist dann nicht mehr eben, sondern stufig ausgebildet.
Gemäß Fig. 3d wird dann eine Basisschicht 12 gefertigt, etwa durch Eindiffundie- ren von p-Material von oben in die Oberfläche. Dies kann so erfolgen, dass die Basisschicht 12 im dünneren Bereich 11 -1 der schwächer dotierten Schicht 11 eine geringere Dicke t3 hat als im dickeren Bereich 11 -2 der geringer dotierten Schicht 11 , wo die Basisschicht 12 eine Dicke t4 hat, die größer als t3 ist. Die Fer- tigung kann so erfolgen, dass links des an die Oberfläche 2 heranreichenden Be- reichs der Basisschicht 12 ein Bereich der geringer dotierten Schicht 11 stehen bleibt.
Zuletzt wird gemäß Fig. 3e wieder die Emitterschicht 13 gebildet, die durch Im- plantieren von n-Material von oben bis zur gewünschten Dicke t5, die kleiner ist als t4, gefertigt werden kann.
Im Ergebnis erhält man ein Halbleiterbauelement, das in seinen elektrischen Ei- genschaften dem der Fig. 2 entspricht.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens des Halb- leiterbauelements. Die Fig. 4a und 4b entsprechen qualitativ denen der Fig. 2 und werden nicht extra erläutert. Allerdings wird die schwächer dotierte Schicht 11 e gleich mit einer Dicke t2 gefertigt, etwa mittels Epitaxie, die der zuletzt gewünsch- ten Dicke des dickeren Bereichs 11-2 der schwächer dotierten Schicht 11 ent- spricht. Es entsteht auf diese Weise der geschichtete Aufbau des stärker dotierten Substrats 10 mit n+-Konzentration als Kollektorschicht und der schwächer dotier- ten Schicht 11 mit n -Konzentration darüber.
Gemäß Fig. 4c wird dann eine Basisschicht 12 gefertigt, etwa indem p-Material in die schwächer dotierte Schicht 11 von oben eindiffundiert wird. Dies erfolgt bis zur Erreichung einer Schichtdicke t4, die der zuletzt gewünschten Schichtdicke des dickeren Bereichs 12-2 der Basisschicht 12 entspricht.
Fig. 4d zeigt der Einfachheit halber zwei weitere Arbeitsschritte in Kombination, die in jeder der zwei möglichen Folgen vollzogen werden können. Zum einen wird ein Teil der Basisschicht 12 entfernt, etwa durch Ätzen, so dass in diesem Bereich die Basisschicht 12 eine Dicke t3 annimmt und dem folgend die schwächer dotier- te Schicht 11 , gemessen ab der Bauelementoberfläche 2, eine verringerte Dicke t1. Zum anderen wird im verbleibenden dickeren Teil der Basisschicht 12 die Emit- terschicht 13 bis zu einer Dicke t5 gefertigt, etwa durch Eindiffundieren von n- Material.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der die schwächer (h ) dotierte Schicht 11 im Wesentlichen konstante Dicke t6 hat, aber die Basisschicht Bereiche unter- schiedlicher Dicke hat wie qualitativ schon vorher beschrieben. Es hat sich ge- zeigt, dass auch das Vorsehen eines dünnen Basisbereichs (Dicke t3 in Fig. 5) im Bereich der Fotodiode schon für sich alleine eine Verbesserung der Anpassung der Bauelementcharakteristik bewirkt, indem dadurch die negative Rückwirkung der Basisdotierung auf die Vorgänge in der Raumladungszone in der schwächer dotierten Schicht 11 darunter verringert werden. Es kann deshalb die Dicke t6 der schwächer dotierten Schicht 11 auf einen höheren als für die Rotreduzierung op- timalen Wert gewählt werden, so dass auch der Transistorbereich dementspre- chend dicker und damit besser reproduzierbare Kennwerte aufweisend gefertigt werden kann. Man spart sich bei dieser Bauweise den Aufwand für die Fertigung unterschiedlich dicker Bereiche 11 -1 , 11 -2 der schwächer dotierten Schicht 11.
Fig. 6 zeigt ein Verfahren zur Bildung eines Flalbleiterbauelements mit konstanter Dicke der schwächer dotierten Schicht 11 wie qualitativ in Fig. 5 gezeigt. Gemäß Fig. 6a wird wieder, wie vorher beschrieben, zunächst ein Substrat 10 mit n+- Dotierung bereitgestellt.
Darauf wird gemäß Fig. 6b eine Schicht 11 mit n -Konzentration ausgebildet, bei spielsweise mittels Epitaxie. Sie wird mit der zuletzt gewünschten Schichtstärke t6 gefertigt.
Gemäß Fig. 6c und Fig. 6d wird dann eine Basisschicht 12 mit Bereichen unter- schiedlicher Schichtdicke ausgebildet, etwa indem zuerst wie in Fig. 6c angedeu- tet in einem Teilbereich des Halbleiters (Transistorbereich) eine gleichmäßig tiefe Schicht der Stärke 17 mit p-Dotierung gefertigt wird, bis die gewünschte dickere Schichtstärke t7 als erste Endtiefe erreicht ist. In einem angrenzenden Bereich (Diodenbereich) wird dann, wie in Fig. 6d gezeigt, eine weniger tiefe Schicht 12-2 der Stärke t3 mit p-Dotierung gefertigt, bis die gewünschte schwächere Schicht- stärke t3 als zweite Endtiefe erreicht ist.
Je nach Dimensionierungsverhältnissen kann dann wie in Fig. 5 gezeigt eine Emit- terschicht 13 in den dickeren Bereich der Basisschicht 12 eindiffundiert werden, oder sie kann, wie in Fig. 6e gezeigt, nochmals separat bis zu einer Dicke t8 auf den dickeren Bereich der Basisschicht aufgebracht werden. Letzteres kann wieder mittels Epitaxie erfolgen. Bei dieser Bauweise ist die Dicke der Emitterschicht nicht in die der dicken Bereiche der Basisschicht und der schwächer dotierten Schicht eingerechnet.
Fig. 7 zeigt den Anfang eines weiteren Herstellungsverfahrens. Es wird ein n+- dotiertes Substrat 10 mit unterschiedlich dotierten Bereichen gefertigt. Zunächst kann eine gleichmäßige n+-Grunddotierung erzeugt werden. Im Bereich 10-1 der späteren Photodiode werden dann zusätzlich mobilere Dotierungsstoffe 72 (für n- Dotierung etwa Phosphor) und/oder Dotierungsstoffe in höherer Konzentration eindiffundiert, was im Bereich 10-2 des späteren Transistors nicht mehr erfolgt, so dass es dort bei der n+-Grunddotierung mit den weniger mobilen Dotierungsstoffen 71 (für n-Dotierung etwa Arsen, Antimon)bleibt, wie in Figur 7a gezeigt. Mobilere Dotierungsstoffe wie Phosphor für n-Dotierung oder Aluminium für p-Dotierung haben einen verglichen mit anderen Dotierungsstoffen höheren Diffusionskoeffi- zienten, der ihre bei sonst gleichen Bedingungen verglichen mit anderen Dotie- rungsstoffen stärkere Diffusionsneigung widerspiegelt.
Im nächsten Schritt wird dann darüber die geringer dotierte Schicht 11 aufgebaut, etwa mittels Epitaxie. Im Bereich 10-1 der Diode diffundieren simultan mit dem Schichtaufbau und/oder in einem eigens danach induzierten Schritt die mobileren n-Dotierungsstoffe 72 in die oben angrenzende a priori geringer dotierte Schicht 11 , so dass dort vertikal betrachtet im unteren Bereich 10a deren geringere Dotie- rung wegen der Diffusion von unten auf einen höheren Wert bis etwa n+ steigt. Auf diese Weise bewirken die nach oben diffundierenden Dotierungsatome 72 eine Verringerung der Dicke der geringer dotierten Schicht von t2 im Transistorbereich über dem Substratbereich 10-2 auf tl im Diodenbereich über dem Substratbereich 10-1 .
Es kann dann wie in Figur 2 gezeigt fortgefahren werden.
Es entsteht auf diese Weise ein Transistor vergleichsweise hoher vertikaler Ab- messung, so dass dessen Kennwerte auch hinreichend genau einstellbar sind. Die Anpassung der Bauelementkennlinie an die Tageslichterfassung erfolgt durch das Vorsehen des dünnen Bereichs 12-2 der Basisschicht 12 wie weiter oben be- schrieben.
Allgemein zu den Herstellungsverfahren ist zu sagen, dass sie auch die nicht dar- gestellten Schritte der Anbringung von Kontakten mindestens auf den Kollektor- und Emitterschichten 10 und 13, die Vereinzelung, Einhäusung, Kontaktierung und weitere Schritte aufweisen.
In Draufsicht können in der Fig. 8 die einzelnen Bereiche inselartig erscheinen, also derart, dass die Basisbereiche 12 der einzelnen Halbleiterbauelemente von- einander von schwächer dotierten Bereichen 11 getrennt sind, längs derer dann die Vereinzelung erfolgt. Die jeweils vorhandenen Emitterschichten 13 können vollständig innerhalb der jeweiligen Basisschicht 12 inselartig liegen.
Es erfolgen jetzt die Angaben von Dimensionierungen, die jeweils für sich und in ihrer gewählten Darstellungskombination optional zu verstehen sind, auch wenn sie nachfolgend unbedingt angegeben sind. Die Angaben sind als beliebig mitei- nander kombinierbar zu verstehen, soweit dies technisch möglich ist. Der Wafer 10 kann eine Dicke t9 haben, die höher als 100 miti oder höher als 200 miti oder höher als 300 miti oder höher als 400 miti ist und die kleiner als 1 mm o- der kleiner als 800 miti ist.
Die Netto-Schichtdicke der schwächer dotierten Schicht 11 (genommen zwischen Untergrenze der Basisschicht 12 und Obergrenze der stark dotierter Schicht 10, 10a in vertikaler Richtung in der Zeichnungsebene) kann in ihrem ersten Bereich 11 -1 und in ihrem zweiten Bereich 11 -2 mindestens 1 miti oder mindestens 2 miti sein und/oder höchstens 5 miti oder höchstens 4 miti oder höchstens 3 miti.
Die Dicke t1 des dünnen Bereichs der schwächer dotierten Schicht 11 ist kleiner als ein erster Schwellenwert th 1 und die Dicke t2 des dickeren Teils 11 -2 der schwächer dotierten Schicht 11 ist größer als ein zweiter Schwellenwert th2. Der erste Schwellenwert th1 kann 7 miti oder 5 miti oder 4 miti oder 3 miti oder 2 miti sein. Der zweite Schwellenwert th2 kann 4 miti oder 5 miti sein oder kann allge mein das k2-fache des ersten Schwellenwerts sein, wobei k2 1 ,1 oder 1 ,2 oder 1 ,5 oder 2 ist. Die Mindestdicke t1 des ersten Bereichs 11 -1 der geringer dotierten Schicht 11 kann größer als k1 mal der erste Schwellenwert th1 sein, wobei k1 0,1 oder 0,2 oder 0,3 ist. Die maximale Dicke t2 des zweiten Bereichs 11 -2 der gerin- ger dotierten Schicht 11 kann kleiner als k3 mal der zweite Schwellenwert th2 sein, wobei k3 5 oder 3 oder 2 oder 1 ,5 ist.
Der erste Basisschichtbereich 12-1 kann eine Dicke t3 haben, die kleiner ist als ein dritter Schwellenwert th3 und größer ist als das 0,1 -fache oder 0,2-fache des dritten Schwellenwerts th3, wobei der dritte Schwellenwert 3 miti oder 2 miti oder das 0,2-fache oder 0,3-fache oder 0,4-fache des ersten Schwellenwerts th1 sein kann. Der zweite Basisschichtbereich 12-2 kann eine Dicke t4 haben, die größer ist als ein vierter Schwellenwert th4 und kleiner ist als das 3-fache oder 2-fache oder 1 ,5-fache des vierten Schwellenwerts th4, wobei der vierte Schwellenwert 2 miti oder 3 miti oder 4 miti oder 5 miti oder das 1 ,5-fache oder 2-fache oder 3-fache des dritten Schwellenwerts th3 sein kann.
Die Breite w des Übergangsbereichs 10-3 kann kleiner sein als k4 mal der erste Schwellenwert th1 oder k4 mal die Dicke t1 des ersten Bereichs 11 -1 der geringer dotierten Schicht 11 , wobei k4 3 oder 2 oder 1 oder 0,5 oder 0,2 ist.
Der erste Basisschichtbereich 12-1 kann eine Dicke t3 haben, die geringer ist als k5 mal die Dicke t4 des zweiten Basisschichtbereichs 12-2, wobei k5 1 oder 0,9 oder 0,7 oder 0,5 oder 0,4 sein kann.
Die Dicke t3 des ersten Bereichs 12-1 der Basisschicht 12 kann das k6-fache der Dicke t1 des ersten Bereichs 11-1 der schwächer dotierten Schicht 11 sein, wobei k6 größer als 0,2 oder größer als 0,3 und/oder kleiner als 0,5 oder kleiner als 0,3 oder kleiner 0,1 oder kleiner 0,05 ist.
Die Dicke t4 des zweiten Bereichs 12-2 der Basisschicht 12 kann das k7-fache der Dicke t3 des zweiten Bereichs 11 -2 der schwächer dotierten Schicht 11 sein, wo- bei k7 größer als 0,1 oder größer als 0,2 oder größer als 0,5 oder größer als 0,6 und/oder kleiner als 0,9 oder kleiner als 0,8 oder kleiner als 0,7 ist.
Die Dicke t5 der Emitterschicht 13 kann das k8-fache der Dicke t4 des zweiten Bereichs 12-2 der Basisschicht 12 wird, wobei k8 größer als 0,2 oder größer als 0,4 oder größer als 0,6 und/oder kleiner als 0,99 oder kleiner als 0,9 oder kleiner als 0,8 oder kleiner als 0,7 ist.
Die Dicke t6 der schwächer dotierten Schicht 11 in Fig. 5 kann dicker als eine Un- tergrenze sein, die 3 miti oder 4 miti oder 5 miti ist und kann dünner als eine Ober- grenze sein, die 15 miti oder 10 miti oder 8 miti oder 6 miti ist. Die Dicke t7 des di- cken Bereichs der 12-2 der Basisschicht kann wie t4 der Figur 1 bemaßt sein. Die Schwellenwerte th3 und th4 für die Bildung der unterschiedlich dicken Bereiche 12-1 und 12-2 der Basisschicht 12 können wie Bezug nehmend auf Fig. 1 be- schrieben sein oder können demgegenüber um 20 % oder um 30 % oder um 40 % verringert sein. Die Dicke t5 der Emitterschicht 13 wie in Fig. 5 gezeigt kann wie Bezug nehmend auf Fig. 1 beschrieben sein oder kann demgegenüber um 20 % oder um 30 % oder um 40 % verringert sein. Die Dicke t8 der Emitterschicht 13 wie in Fig. 6 gezeigt kann dicker als eine Untergrenze sein, die 1 miti oder 2 miti ist und kann dünner als eine Obergrenze sein, die 6 miti oder 5 miti oder 4 miti oder 3 miti ist.
Die Abmessungen in Draufsicht können wie folgt sein: Ein Halbleiterbauteil kann eine Abmessung von a * b haben, wobei a zwischen 0,3 mm und 1 mm, vorzugs- weise etwa 0,7 mm, und b zwischen 0,3 mm und 1 mm, vorzugsweise 0,7 mm sein können. Der Transistorteil kann 5% - 35%, vorzugsweise 17% bis 22% der Fläche einnehmen, der Diodenteil 65% bis 95%, vorzugsweise 78% bis 83% der Fläche.
Es können folgenden Dotierungsgrade vorliegen:
• Substrat 10: h+, 1017 - 3*1019
• geringer dotierte Schicht 11 : n-, 5*1012 - 1016
• Basisschicht 12: p, 1015 - 1018
• Emitterschicht 13: n+, 5*1018 - 102°
In der vorliegenden Beschreibung sollen Merkmale auch dann als miteinander kombinierbar verstanden werden, wenn ihre Kombination nicht ausdrücklich be- schrieben ist, soweit die Kombination technisch möglich ist. Merkmale, die in ei- nem gewissen Kontext oder in einer Figur oder in einem Patentanspruch oder in einer Ausführungsform beschrieben sind, sollen auch aus diesem Kontext, dieser Figur, diesem Patentanspruch oder dieser Ausführungsform lösbar verstanden werden und mit anderen Kontexten, Figuren, Patentansprüchen oder Ausfüh- rungsformen kombinierbar verstanden werden, soweit die Kombination technisch möglich ist. Beschreibungen von Verfahrensschritten sollen auch als Beschrei- bung des damit hergestellten Produkts verstanden werden, und umgekehrt. Soweit Schichtdicken angesprochen bzw. bemaßt sind, sind diese als Maß aus- gehend von der in Bezug genommenen Substratoberfläche hin zur entfernt lie genden Schichtgrenze zu verstehen, soweit sich nicht konkret etwas anderes ergibt. Soweit einer Dicke ein Parameter wie etwa t1 zugeordnet ist, bedeutet dies für sich alleine nicht, dass die Dicke zwingend konstanten Wert haben muss. So- weit die Übergänge zwischen Schichten nicht scharf abgegrenzt sind, können Mit- tenwerte des Übergangsbereichs als Schichtgrenze genommen werden. Soweit (im Wesentlichen) konstante Schichtdicken angesprochen sind, sollen darunter Dicken mit einer Toleranz von ±10% oder ±5% oder ±2% des Nennwerts verstan- den werden. Soweit die Basisschicht angesprochen ist, wird diese nicht über ihre gesamte Erstreckung hinweg die Funktion einer Transistorbasis haben. Bereichs- weise fungiert sie als Teil der Diode, insbesondere deren Anode.
Zur Vereinfachung der Beschreibung der Erfindung sind in den Zeichnungen npn- Transistoren gezeigt. Als solche werden sie bzw. die einzelnen Schichten teilweise auch in der Beschreibung angesprochen. Dies soll aber nicht ausschließen, dass auch dazu inverse Aufbauten (pnp-Transistoren) zum Einsatz mit der Erfindung kommen können. In den Patentansprüchen sind in üblicher weise die Leitfähigkei- ten als erster Leitfähigkeitstyp und zweiter Leitfähigkeitstyp angesprochen. In den Zeichnungen ist der erste Leitfähigkeitstyp eine n-Dotierung und der zweite Leitfä- higkeitstyp eine p-Dotierung. Wenngleich Zeichnungen und Beschreibung aus- schließlich diese Zuordnung beschreiben, soll dies nicht ausschließen, dass die Zuordnung auch anders herum sein kann, also erster Leitfähigkeitstyp ist p- Dotierung und zweiter Leitfähigkeitstyp ist n-Dotierung. Die Nennung von erstem Bereich 10-1 des Substrats, zweitem Bereich 10-2 des Substrats und Übergangsbereich 10-3 des Substrats dient vorrangig der Be- schreibung der räumlichen Anordnung der darüber liegenden Bereiche einzelner Schichten. Auf dem Substrat selbst sind diese Bereiche in vielen Ausführungsfor- men nicht zu unterscheiden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bilden eines photoempfindlichen Halbleiterbauelements, mit den Schritten
• Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (10) des ersten Leitfähigkeits typs als eine Kollektorschicht,
• darüber Bilden einer geringer dotierten Schicht (11 ) des ersten Leit- fähig keitstyps,
• darin oder darüber Bilden einer Halbleiter-Basisschicht (12) des
zweiten Leitfähigkeitstyps,
• darin oder darüber Bilden einer Emitterschicht (13) des ersten Leitfä- higkeitstyps so, dass ein Teil des Basisschichtbereichs (12-1 ) nicht von der Emitterschicht (13) überdeckt ist,
• wobei die geringer dotierte Schicht (11 ) und/oder die Halbleiter- Basisschicht (12) mit Bereichen unterschiedlicher Dicke ausgebildet werden und die Emitterschicht (13) im Bereich der größten Dicke der geringer dotierten Schicht (11 ) und/oder der Halbleiter-Basisschicht (12) ausgebildet wird.
2. Verfahren zum Bilden eines photoempfindlichen Halbleiterbauelements, mit den Schritten
a.) Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (10) des ersten Leitfäh igkeits- typs als eine Kollektorschicht,
b.) Bilden einer geringer dotierten Schicht (11 ) des ersten Leitfähigkeits typs, indem
• auf oder in einem ersten Bereich (10-1 ) der Substratoberfläche ein erster Bereich (11 -1 ) der geringer dotierten Schicht (11 ) einer ersten Dicke (t1 ) ausgebildet wird, die geringer ist als ein erster Schwellen- wert (th1 ),
• auf oder in einem zweiten Bereich (10-2) der Substratoberfläche ein zweiter Bereich (11 -2) der geringer dotierten Schicht (11 ) einer zwei- ten Dicke (t2) ausgebildet wird, die höher ist als ein zweiter Schwel- lenwert (th2), der höher ist als der erste Schwellenwert (th1 ),
• wobei auf oder in der Substratoberfläche der erste Bereich (10-1 ) und der zweite Bereich (10-2) aneinander angrenzen oder auf oder in der Substratoberfläche zwischen sich einen Übergangsbereich (10-3) einschließen, auf oder in dem ein Übergangsbereich (11 -3) der ge- ringer dotierten Schicht (11 ) ausgebildet wird,
• wobei die Dotierungskonzentration (h ) in der geringer dotierten
Schicht (11 ) geringer eingestellt wird als die (n+) des Substrats (10), c.) Bilden auf oder in der geringer dotierten Schicht (11 ) einer Halbleiter-
Basisschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einem ersten Basisschicht- bereich (12-1 ) über zumindest einem Teil des ersten Bereichs (11 -1 ) der geringer dotierten Schicht (11 ), einem zweiten Basisschichtbereich (12-2) über zumindest einem Teil des zweiten Bereichs (11 -2) der geringer dotier- ten Schicht (11 ) und womöglich einem Übergangs-Basisschichtbereich (12- 3) über zumindest einem Teil des Übergangsbereichs (11 -3) der geringer dotierten Schicht (11 ),
d.) Bilden auf oder in dem zweiten Basisschichtbereich (12-2) einer
Emitterschicht (13) des ersten Leitfähigkeitstyps so, dass mindestens ein Teil des ersten Basisschichtbereichs (12-1 ) nicht von der Emitterschicht (13) überdeckt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der erste Bereich (11 -1 ) und der zwei- te Bereich (11 -2) der geringer dotierten Halbleiterschicht (11 ) hergestellt werden, indem a.) zuerst auf dem Halbleitersubstrat (10) eine erste halbleitende Schicht
(11 a) mit dem geringeren Dotierungsgrad (n-) vorzugsweise epitaktisch aufgebracht wird,
b.) dann die erste halbleitende Schicht (11 a) über dem ersten Bereich
(10-1 ) der Substratoberfläche weiter aufdotiert wird, vorzugsweise bis auf den Dotierungsgrad (n+) des Substrats (10) oder höher oder niedriger, und c.) dann auf der ersten halbleitende Schicht (11 a) eine zweite halblei tende Schicht (11 b) mit dem geringeren Dotierungsgrad (h ) vorzugsweise epitaktisch aufgebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der erste Bereich (11 -1 ) und der zwei- te Bereich (11 -2) der geringer dotierten Halbleiterschicht (11 ) hergestellt werden, indem
a.) zuerst auf dem Halbleitersubstrat (10) eine erste halbleitende Schicht (11 a) mit dem geringeren Dotierungsgrad (h ) vorzugsweise epitaktisch auf- gebracht wird, und
b.) dann auf der ersten halbleitende Schicht (11 c) über dem zweiten Be- reich (10-2) der Substratoberfläche und nicht über dem ersten Bereich (10- 1 ) der Substratoberfläche eine zweite halbleitende Schicht (11 d) aufge- bracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der erste Bereich (11 -1 ) und der zwei- te Bereich (11 -2) der geringer dotierten Halbleiterschicht (11 ) hergestellt werden, indem
a.) zuerst auf dem Halbleitersubstrat (10) eine halbleitende Schicht
(11 e) mit dem geringeren Dotierungsgrad (h ) der Dicke (t2) des zweiten Bereichs (11 -2) der geringer dotierten Halbleiterschicht (11 ) vorzugsweise epitaktisch aufgebracht wird, und
b.) danach die halbleitende Schicht (11 e) über dem ersten Bereich (10-
1 ) der Substratoberfläche so weit vorzugsweise durch Ätzen abgetragen wird, bis die Dicke (t1 ) des ersten Bereichs (11 -2) der geringer dotierten Halbleiterschicht (11 ) erreicht ist.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem
a.) die geringer dotierte Schicht (11 ) gleichförmig dick oder ungleichför- mig dick auf dem Substrat (10) ausgebildet wird,
b.) in einem Teilbereich der geringer dotierten Schicht (11 ), ggf. in ihrem dickeren Bereich, die Basisschicht (12) in die geringer dotierte Schicht (11 ) bis zu einer ersten Endtiefe (t7) eindiffundiert wird,
c.) dann in einem angrenzenden Bereich der geringer dotierten Schicht (11 ) die Basisschicht (12) in die geringer dotierte Schicht (11 ) bis zu einer zweiten Endtiefe (t3) eindiffundiert wird, die kleiner als die ersten Endtiefe (t7) ist, und
d.) dann in oder über dem tieferen Bereich der Basisschicht (12) die
Emitterschicht (13) ausgebildet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem
a.) das Substrat (10) mit einem Bereich höher mobiler und/oder höher konzentrierter Dotierungsstoffe (71 , 72) ausgebildet wird,
b.) auf dem Substrat (10) die geringer dotierte Schicht (11 ) so ausgebil- det wird, dass aus dem Bereich des Substrats (10) mit mobileren und/oder höher konzentrierten Dotierungsstoffen (72) Dotierungsstoffe in den an- grenzenden Bereich (10a) der schwächer dotierte Schicht (11 ) diffundieren, c.) in oder über der geringer dotierten Schicht (11 ) einer Halbleiter-
Basisschicht (12) des zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet wird,
d.) darin oder darüber einer Emitterschicht (13) des ersten Leitfähig- keitstyps so gebildet wird, dass ein Teil des Basisschichtbereichs (12-1 ) nicht von der Emitterschicht (13) überdeckt ist, wobei die Emitterschicht (13) im Bereich der größten Dicke der geringer dotierten Schicht (11 ) und/oder der Halbleiter-Basisschicht (12) ausgebildet wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schwellenwert (th1 ) auf 7 pm oder 5 pm oder 4 pm oder 3 pm oder 2 pm gesetzt wird und die Dicke (t1 ) des ersten Bereichs (11 -1 ) der geringer dotierten Schicht (11 ) auf größer als k1 mal der erste Schwel- lenwert (th1 ) eingestellt wird, wobei k1 0,1 oder 0,2 ist.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schwellenwert (th2) k2 mal der erste Schwellenwert (th1 ) oder 4 pm oder 5 pm sein kann, wobei k2 1 ,1 oder 1 ,2 oder 1 ,5 oder 2 ist, und die Dicke (t2) des zweiten Bereichs (11 -2) der geringer dotierten Schicht (11 ) keiner als k3 mal der zweite Schwellenwert (th2) sein kann, wobei k3 5 oder 3 oder 2 ist.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Basisschichtbereich (12-1 ) eine Dicke (t3) hat, die kleiner ist als ein dritter Schwellenwert (th3) und größer ist als das 0,1 -fache oder 0,2- fache des dritten Schwellenwerts (th3), wobei der dritte Schwellenwert 3 pm oder 2 pm sein kann oder das 0,2-fache oder 0,3-fache oder 0,4-fache des ersten Schwellenwerts (th1 ), und dass der zweite Basisschichtbereich (12-
2) eine Dicke (t4) hat, die größer ist als ein vierter Schwellenwert (th4) und kleiner ist als das 3-fache oder 2-fache des vierten Schwellenwerts (th4), wobei der vier Schwellenwert 2 pm oder 3 pm oder 4 pm oder 5 pm sein kann oder das 1 , 2-fache oder 1 ,5-fache oder 2-fache des dritten Schwel- lenwerts (th3),
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, das so durchgeführt wird, dass die Breite (w) des Übergangsbereichs (10-3) kleiner wird als k4 mal der erste Schwellenwert (th 1 ) oder k4 mal die Dicke (t1 ) des ersten Be- reichs (11 -1 ) der geringer dotierten Schicht (11 ), wobei k4 3 oder 2 oder 1 oder 0,5 ist.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, das so durchgeführt wird, dass der erste Basisschichtbereich (12-1 ) eine Dicke (t3) erhält, die gerin- ger ist als k5 mal die Dicke (t4) des zweiten Basisschichtbereichs (12-2), wobei k5 1 oder 0,9 oder 0,7 oder 0,5 sein kann.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, das so durchgeführt wird, dass
• die Dicke (t3) des ersten Bereichs (12-1 ) der Basisschicht (12) das k6-fache der Dicke (t1 ) des ersten Bereichs (11 -1 ) der schwächer do- tierten Schicht (11 ) wird, wobei k6 größer als 0,2 oder größer als 0,3 und/oder kleiner als 0,5 oder kleiner als 0,3 oder kleiner als 0,1 oder kleiner als 0,05 ist, und/oder
• die Dicke (t4) des zweiten Bereichs (12-2) der Basisschicht (12) das k7-fache der Dicke (t3) des zweiten Bereichs (11 -2) der schwächer dotierten Schicht (11 ) wird, wobei k7 größer als 0,1 oder größer als 0,2 oder größer als 0,5 oder größer als 0,6 und/oder kleiner als 0,9 oder kleiner als 0,8 oder kleiner als 0,7 ist, und/oder
• die Dicke (t5) der Emitterschicht (13) das k8-fache der Dicke (t4) des zweiten Bereichs (12-2) der Basisschicht (12) wird, wobei k8 größer als 0,2 oder größer als 0,4 oder größer als 0,6 und/oder kleiner als 0,99 oder kleiner als 0,9 oder kleiner als 0,8 oder kleiner als 0,7 ist.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der erste Leitfä higkeitstyp eine n-Dotierung und der zweite Leitfähigkeitstyp eine p- Dotierung ist, oder umgekehrt.
15. Photoempfindliches Halbleiterbauelement mit a.) einem Halbleitersubstrat (10) des ersten Leitfähigkeitstyps als eine
Kollektorschicht,
b.) darüber einer geringer dotierten Schicht (11 ) des ersten Leitfähig- keitstyps mit Bereichen unterschiedlicher Dicke,
c.) einer Halbleiter-Basisschicht (12) des zweiten Leitfähigkeitstyps über mindestens Teilen der Bereiche der geringer dotierten Schicht (11 ), d.) einer Emitterschicht (13) des ersten Leitfähigkeitstyps über mindes- tens Teilen der Basisschicht (12), aber nicht über mindestens einem Teil des über dem dünneren Bereich der geringer dotierten Schicht (11 ) liegen- den Teils der Basisschicht (12).
16. Photoempfindliches Halbleiterbauelement mit
a.) einem Halbleitersubstrat (10) des ersten Leitfähigkeitstyps als eine Kollektorschicht,
b.) darüber einer geringer dotierten Schicht (11 ) des ersten Leitfähig keitstyps,
c.) über mindestens einem Teil der geringer dotierten Schicht (11 ) einer
Halbleiter-Basisschicht (12) des zweiten Leitfähigkeitstyps mit Bereichen unterschiedlicher Dicke,
d.) einer Emitterschicht (13) des ersten Leitfähigkeitstyps über mindes- tens einem Teil des dickeren Bereichs der Basisschicht (12), aber nicht über mindestens einem Teil des dünneren Bereich der Basisschicht (12).
17. Photoempfindliches Halbleiterbauelement, vorzugsweise nach Anspruch 15 oder 16, mit
a.) einem Halbleitersubstrat (10) des ersten Leitfähigkeitstyps als eine
Kollektorschicht,
b.) einer geringer dotierten Schicht (11 ) des ersten Leitfähigkeitstyps mit • auf oder in einem ersten Bereich (10-1 ) der Substratoberfläche ei- nem ersten Bereich (11-1 ) der geringer dotierten Schicht (11 ) einer ersten Dicke (t1 ), die geringer ist als ein erster Schwellenwert (th1 ),
• auf oder in einem zweiten Bereich (10-2) der Substratoberfläche ei- nem zweiten Bereich (11 -2) der geringer dotierten Schicht (11 ) einer zweiten Dicke (t2), die höher ist als ein zweiter Schwellenwert (th2), der höher ist als der erste Schwellenwert (th1 ),
• wobei auf oder in der Substratoberfläche der erste Bereich (10-1 ) und der zweite Bereich (10-2) aneinander angrenzen oder auf oder in der Substratoberfläche zwischen sich einen Übergangsbereich (10-3) haben, auf oder in dem ein Übergangsbereich (11 -3) der geringer do- tierten Schicht (11 ) liegt,
• wobei die Dotierungskonzentration (h ) der geringer dotierten Schicht (11 ) geringer eingestellt wird als die (n+) des Substrats (10), c.) auf oder in der geringer dotierten Schicht (11 ) einer Halbleiter-
Basisschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einem ersten Basisschicht- bereich (12-1 ) über zumindest einem Teil des ersten Bereichs (11 -1 ) der geringer dotierten Schicht (11 ), einem zweiten Basisschichtbereich (12-2) über zumindest einem Teil des zweiten Bereichs (11 -2) der geringer dotier- ten Schicht (11 ), und womöglich einem Übergangs-Basisschichtbereich (12- 3) über zumindest einem Teil des Übergangsbereichs (11 -3) der geringer dotierten Schicht (11 ),
d.) auf oder in dem zweiten Basisschichtbereich (12-2) einer Emitter- schicht (13) des ersten Leitfähigkeitstyps, die mindestens einen Teil des ersten Basisschichtbereichs (12-1 ) nicht überdeckt.
18. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem einer oder mehrere der folgenden Dotierungsgrade vorliegen:
• Substrat 10: n+, 1017 - 3*1019
• geringer dotierte Schicht 11 : n , 5*1012 - 1016 • Basisschicht 12: p, 1015 - 1018
• Emitterschicht 13: n+, 5*1018 - 1020
PCT/EP2019/057847 2018-03-29 2019-03-28 Fotoempfindliches halbleiterbauelement, verfahren zum bilden eines fotoempfindlichen halbleiterbauelements WO2019185787A1 (de)

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