DD216141A1

DD216141A1 - Uv-strahlungsempfindliche fotodiode

Info

Publication number: DD216141A1
Application number: DD24836083A
Authority: DD
Inventors: Nina Sieber; Ulrich Lorenz; Helmut Wenzel; Reinhardt Waitschies
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1983-03-01
Filing date: 1983-03-01
Publication date: 1984-11-28

Abstract

Bei einer UV-strahlungsempfindlichen Fotodiode sollen die Diodeneigenschaften fuer den UV-Bereich verbessert werden. Aufgabengemaess war eine technologisch gut herstellbare Diode hoher Empfindlichkeit, hoher Dynamik und kurzer Impulsanstiegs- und -abfallzeiten im Spektralbereich 200 nm < gleich Lambda < gleich 1000 nm zu schaffen, die einen moeglichst geringen rauscharmen Dunkelstrom unterhalb einer moeglichst hohen Durchbruchspannung aufweist. Erfindungsgemaess werden in der Isolatordeckschicht geringer Staerke in einem bestimmten Bereich definiert durch Ionenimplantation Ladungstraeger erzeugt, so dass d. an d. niederohmige Isolatordeckschicht angrenzende Inversionsschicht eine vernachlaessigbare geringe Anzahl an direkt implantierten oder rueckstossimplantierten Ionen und Atomen besitzt.

Description

Titel der Erfindung . " .

UV-strahlungsempfindliche Fotodiode . ^ ,' Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrefft eine UV-strahlungsempfindliche Fotodiode aus p-Siliz-ium mit einer positiven Ladung enthaltenden Isolatordeckschicht, ^die ±m p-Silizium eine n-Inversionsschicht bewirkt und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. . ,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt ist eine Inversionsschicht-Fötodiode (G.G. Slaten, E.H. Snow, US-Patent 3,601,668; H Oi L 15/00), die durch .Aufbringen einer Oxidschicht, hergestellt wird. Weiterhin ist bekannt, daß bei der thermischen Oxidation {ΊΊΖ. 800 ⁰C) von p-Silizium unter bestimmten Bedingungen eine positive Ladung in der aufwächsenden SiO^-Schicht entsteht, die zur Herstellung von' Inversionsschicht-Fotodiodeh genutzt werden kann (T.E. Hansen,¹ Physica Scripta, 18 (1978) S. 471), Eigene Versuche zeigten, daS die bei der

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T-I. AÜG. 198 3* 10730 5

thermischen Oxidation im SiO» entstehende positive Ladung und der davon abhängige Inversionsschicht-, Flächenwiderstand R_Q der UV-Diode durch Restverunreinigungen beeinflußt wird und somit schlecht reproduzierbar ist. Es wurde ein Verfahren gefunden, bei dem ein hoher Inversionsschicht-Flächenwiderstand R_nί» I M (niedrige Oxidladungsdichte) reproduzierbar erreicht werden kann. Damit wurden eine hohe Durchbruchsspannung (U_D^4OO V) /aber auch, ein relativ hoher Dunkelst rom (I₀-Λί 20 nA/bei einer Dioden-

ν fläche von A=I cm ) erzielt. Als Nachteile erweisen sich 'hierbei eine geringe Strahiungsbelastbarkeit (Abweichungen von der Proportionalität des Fotostromes zur eingestrahlten Leistung ab einer bestimmten Strahlungsieistungsdichte), eine generell etwas verringerte spektrale Empfindlichkeit im Bereich 200 nm-f-f .ΛέΙΟΟΟ nm und eine größere Impulsanstiegs- und -abfallzeit» ζ Um eine hohe positive Isolatorladungsdichte (kleiner Inversionsschicht-Flächenwiderstand) zu erzielen, ist bereits ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Solarzellen bekannt ("r. Hezei;~BRD-OS 2S 46 096, H 01 L 31/04) Hierbei wird auf einer dünnen Siliziumoxidschicht (auf ' Si) eine zweite andersartige .Isolatorschicht abge-_ schieden, v/obei die an der Grenzfläche auftretenden Strukturdefekte die feste positive Isolatorladung be- ^/ wirken. Dieses Verfahren erscheint etwas schwierig in

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bezug auf Reproduzierbarkeit einer definierten Isolatorladungsdichte. Eigene Versuche zeigten, daß hierbei nur ein minimaler Inversionsschicht-Flächenwiderstand von etwa 6 kQ erreichbar ist. Weiterhin ist bekannt, daß. durch Ionenimplantation in die Isolatorschicht bis in die Nähe der Obergangsschicht Isolator-Halbleiter in Abhängigkeit von der Implantationsenergie und der lonendosis (nach geeigneter Teraperung der Probe) Isolatorladungsdichten definiert und reproduzierbar

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einstellbar sind. (G. Sixt, A. Goetzberger, Appl. Phys. Lett., ^UVol. 19, No 11 (1971) S. 473; E. Hensel, N. Sieber, 9. Arbeitstagung "Physik der Halbleiteroberfläche", Binz 1978, S. 65). '. Das Problem besteht hierbei in der Geringhaltung bzw. Verringerung von implantationsbedingten Strukturdefekten in der Nähe der Grenzfläche Isolator-Halbleiter bzw. im Halbleiter selbst, die eine stärkere Rekombination von grenzflächennah generierten Elektronen^- Loch-Paaren bewi'rken und somit die UV-Empfindlichkeit von Fotodioden herabsetzen. ,· ,

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden bzw. zu vermindern und die Diodeneigenschaften für den UV-Bereich zu verbessern,

Darlegung des Wesens der Erfindung . . '

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine technologisch gut und reproduzierbar herstellbare UV-strahlungsempfindliche Fotodiode 'mit einer möglichst hohen Empfindlichkeit im Spektralbereich 200 nm— Ai= 1000 nm zu schaffen, die einen weiten Proportionalitätsbereich zwischen eingestrahlter Lichtleistung und abgeführten Fotostrom ,.kurze Impolsanstiegs- und -abfallzeiten und einen möglichst geringen rauscharraen Dunkelst rom unterhalb einer möglichst hohen 'Durchbruchsspannung aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer UV-strahlungsempfliehen Fotodiode aus p-Silizium mit einer positiven Ladung enthaltenden Isolatordeckschicht, die im p-Silizium eine n-Inversionsschicht bewirkt, dadurch gelöst, daß die Isolatordeckschicht geringer Stärke, vorzugsweise mit einer Stärke von 'lh. 50 nm, mindestens in einem Teil ihrer aktiven Fläche durch

Ionenimplantation hervorgerufene Ladungsträger im wesentlichen in einem Bereich der Implantations-Ioneneindringtiefe bis zu 2/3 der Isolatordeckschichtstärke, vorzugsweise im Bereich von /3 bis-¹ZZ der Isolatordecksehichtstärke enthält, und daß die Isolatordeckschichti angrenzende n-Inversionsschichte eine vernachlässigbare geringe Anzahl an direkt implantierten inen und Atomen sowie an rückstoßimplantierten inen und Atomen der Isolatordeckschicht enthält.

Für die Herstellung der Fotodiode ist es vorteilhaft, wenn die Isolatordeckschicht mit einer Anzahl von 4.10 Ionen pro cm , vorzugsweise 10 Ionen pro

2 ' ' / ' ·' " " cm , von Elementen der 5. Hauptgruppe des Perioden-

systems der Elemente, insbesondere Phosphor, Arsen oder Antimon, implantiert wird, und daß die Fotodiode nach der Implantation bei Temperaturen ^400⁰C₁ vorzugsweise ^ 800 C in an sich;bekannter Weise getempert -wird,.. . · ^: ' \

' ' ^ ' ' - ' ' ^:

Es ist dabei zweckmäßig, wenn eine Isolatordeckschicht aus SiO» mit einer Stärke von ^ 50 nm mit Phosphorionen der Energie. £ 20 keV und eine Isplatordeckschicht mit einer Stärke von ;£ 35 nm mit Arsenionen der Energie 30 keV implantiert werden,

Durch die Erfindung wird gezielt die Isolatordeckschicht, die als Antireflexionsschicht, als Trägerschicht von elektrischen Ladungen und als Passivierungsschicht dient, beeinflußt. Der Inversiönsschicht-Flächenwiderstand ist niederohmig, so daß ein großer Fotostrom proportional zur Beleuchtungsstärke bzw, zur eingestrahlten Lichtleistung abgeleitet werden kann und Impülsanstiegs- und -abfallzeiten klein sind.

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Mit der definierten Implantation werden gezielt die Ladungsträger in dem genannten Bereich der Isolatordeckschicht verursacht, so daß lediglich ein vernachlässigbarer Ausläufer des Implantationsprofils bis ins Si-Grundmaterial reicht.

Im Bereich der UV-spezifischen mittleren Absorptionstiefe ( < 100 nm) der UV-Strahlung im Silizium, sind reproduzierbar herstellbar nur wenige Defekte vorhanden, die als Rekombinationszentren wirken, die Grenzflächenzustandsdichte an der Si-SiO„-Grenzflache ist niedrig (N₃₅ £ 10¹¹V^-1Cm"²).

.2

Als vorteilhaft erwies sich die Implantation von Phosphor-, Arsen- oder Antimon-Ionen in das System SiO^ auf Si, wobei die größte positive Oxidladungsdichte pro implantierter Ionenzahl auftrat. Nach der Ionenimplantation erfolgt eine an sich bekannte Temperung, vorteilhaft bei ca, 800⁰O, um implantationsbedingte, re- kombinationswirksame Defekte in Grenzflächennähe im Si auszuheilen. Als besonders vorteilhaft erwies sich die P-Ionenimplantation in dünne SiO₂-Schichten & 35 ... 50 nm mit einer Ionenenergie von _Λ

E £ 20 ... 30 keV und einer Dosis D_p J^₁ ¹. io¹⁴ P-At -cm"², Bei geringen SiO₂ Schichtdicken und kleinen lonenimplantationsenergien besitzt das Profil der implantierten Ionenkonzentration im Bereich der Grenzschicht SiO₂-Si eine steile Flanke, woraus ein gutes Verhält-, nis von festen positiven Oxidladungen zu Grenzflächenzuständen (bzw. rekombinationswirksaraen Defekten) resultiert. Die dünnen SiO₂-Schichten lassen sich vorteilhaft durch anodische oder thermische Oxidation von Si kontrollierbar herstellen. Durch Abscheiden einer zweiten (ggf. dickeren) Isolatordeckschicht (z.B. Ge- sputtertes SiO₂, CVD-Si,N^) auf der dünnen implantier-

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ten SiO₂-Schicht können die Eigenschaften der Deckschicht bzw. Reflexionsminderung, Verstärkung der Inversion in p-Si Passivierung der Si-Oberflache weiter verbessert werden,

Ausf ühruncjsbeispieIe : ' ->

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung, dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Die Zeichnung zeigt eine Inversionsschicht-Fotodiode (nachfolgend als IS-Fotodiode bezeichnet) im Schnitt bei Implantation von Ionen 1 in eine SiO^-Schicht 2

'dar. Eine Implantationsmaske 3, die z.B. aus Fotolack (Resist), aus einer dickeren SiCU-Schicht oder aus einer Metallschicht besteht, bewirkt, daß beim Beschüß mit ,Ionen 1, diese nur in einen Bereich innerhalb eines n⁺^i<ontaktrahmens 4 in die dünne SiO₂- - Schicht 2 eingringen. Der η -Kontaktrahmen 4 kontaktiert eine n-Inversionsschicht 5 durch ein (hier nicht eingezeichnetes) mit einer Al-Schicht versehenes Kontaktfenster nach axjßen. Ein p⁺-Kontaktrahraen 6 untei— bricht die n-Inversionsschicht 5 und begrenzt damit die empfindliche Fläche der Inversionsschicht-Fotodiode, Der p⁺-Kontaktrahmen 6 ist über ein p-Silizium-Substrat 7 relativ niederohmig mit, einem p⁺-Rückkontakt 8 verbunden, der über eine Al-Schicht 9 nach außen kontaktiert ist. Die p⁺- und n⁺-Kontaktrahmen und 4 und der p⁺-Ruckkontakt 8 sind z.B. durch Implantation von B- bzw. ' P-Ionen in das p-Silizium-Sub- ;· strat 7, das nachfolgend getempert .bzw.- "thermisch oxidiert wird (z.B. bei ¹T = 80O⁰C) ,'-hergestellt. Bei der thermischen Oxidation des Substrates aus p-Silizium .bildet sich die SiO₂-Schicht Z, die positive

^; . ' '" · ' " . . 4191.

* ··" · · ο β I I * ο

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Ladungen enthält. Diese positiven Ladungen bewirken in entsprechenden hoehohmigen p-Silizium-Substrat 7 ( ^_n= 200 Ohracra) die Ausbildung der n-Inversionsschicht 5,

Be ausreichender Sauberkeit beim Oxidationsprozeß erhält man n-Inversionsschichten 5 mit einem Flächenwiderstand Rq 3£ 100 kOhm (z,T> bis"RgJ* 1 MOhra) ; anderenfalls kann der Flächenwiderstand Rg unreproduzierbar beträchtlich kleiner werden. Mit dem'Flächenwiderstand R-sind auch die Durchbruchsspannung U_D der Inversionsschicht-Fptodiode ab, da die Feldstärke am Obergang zwischen der n-Inversionsschicht 5 (auf der Seite des n⁺-Kontaktrahniens) und dem p⁺-!<ontaktrahraen δ dann bei entsprechend kleineren Spannungen U ihren kritischen Wert erreicht. Das Anlegen einer erhöhten Spannung (z.B. U .= 30 V) ist zur Erreichung optimaler Funktionsparatneter unter bestimmten Arbeitsbedingungen der Inversionsschicht-Fotodiode ebenso -- erforderlich wie ein geringer Inversionsschicht-Flächenwiderstand Rq im Bereich des: Hauptteils der empfindlichen Fläche. Die Inversionsschicht-Fotodiode funktioniert wie folgt: ^: . ./

- Die einfallenden Fotonen durchdringen mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit (dem sog, Transmissionsköeffizienten) die SiO₂-Schicht 2.

- Im Si-Substrat (p-Si und n-Inversions.schicht) werden sie in Elektronen-Loch-Paare umgesetzt.

- Die Elektronen und Löcher werden im elektrischen Feld getrennt, dasvon den positiven Ladungen in der SiO Schicht 2 und von der von außen angelegten Spannung U aufgebaut wird, und das sich sdvjohl über die n-Inversionsschicht 5 als auch über aLnen der Zeichnung nicht eingezeichnete p-Verarmungsschicht erstreckt,

d.h. Löcher werden aus der n-Inyersonsschicht 5

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ausgestoßen, Elektronen müssen in die η-Inversionsschicht 5 eindringen, (z.B. auch durch Diffusion in die Feldzone bei Paarerzeugung in größeren Tiefen des P-Siliziutn-Substrat 7), _Λ

- Durch Rekombination können Elektronen-Loch-Paare ,verlorengehen, die dann nicht zum Fotostrom beitragen. ' . , . . '

- Elektronen fließen über die n-Inversipnssehicht 5, den n⁺-Kontaktrahmen und eine Al-Schicht nach außen ab, Löcher über das p-Silizium-Substrat 7, den p⁺- Rückkontakt 8 und die Al-Schicht 9.

Die erfindungsgemäße Erzeugung von zusätzlichen festen, positiven. Ladungen in dem Bereich der SiCU-Schicht 2 innerhalb des n⁺-Kontaktrahinens 4 durch Implantation von Ionen, wirkt sich wie folgt auf die Funktionsweise der Inversionsschicht-Fotodiode aus:

- Die hohe Durchbruchsspannung, Up und der niedrige Dunkelstrom I₀ die von dem unbeeinflußten- Bereich · zwischen dem η⁺-!<ontakt rahmen 4 und dem p⁺-i<oirtakt-

rahmen 6 wesentlich bestimmt werden, bleiben erhalten. ·.., .; ' . .' . ' ·. ' ·

- Die Implantation erfolgt rait einer solchen (möglichst hohen) lonendosis-D bei der noch keine bedeutende Verschlechterung des Transtnissionskoeffizienten der SiO₂-Schicht 2 auftritt,

- und mit einer solchen an die Dicke'der SiCU-Schicht 2 angepaßten Ionenenergie, daß eine große Dichte von festen positiven Ladungen möglichst nahe an der Grenzfläche SiO₂-Si erzeugt wird, aber andererseits die Defektdichte an der Grenzfläche und im Si-Substrat so öiedrig gehalten wird, daß nach einer Ausheilung bei einer Temperatur T= 800⁰C nur eine gegenüber des Ausgangszustand gering.fügige erhöhte Dichte von Rekombinationszentren übrig

• bleibt (Das ist insbesondere mit einer möglichst

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dünnen SlOp-Schicht 2 '(^cin ^ ^{50 n}-^m) ^iUnc* .einer niedrigen Ionenenergie zu realisieren, so daß das Konzentrationsprofil der implantierten Ionen über die Tiefe einen steilen Abfall an der Grenzfläche SiO₂-Si aufweist. .

- und mit einer solchen Ionenart (Elemente der 5, Hauptgruppe des PSE), daß beim Eindringen eines relativ geringen. Anteils der.Ionen bei der Implantation und nachfolgenden Temperung in .grenzflächennahe Bereiche des Si-Substrats diese die n-Leitfähigkeit der n-Inversionsschicht 5 zusätzlich erhöhen. · . .' ' ' ' ' ' . - . . ". '

- Die Erhöhung aer Dichte von festen positiven Ladungen in der SiO^-Schicht 2, möglichst nahe an der Grenzfläche SiOp-Si wirkt sich dahingehend aus,,

- Saß die elektrische Feldstärke in dem grenzflächennahen Bereich im Si-Substrat erhöht wird, in denr die UV-Strahlung absorbiert und in Elektronen-Loch-

', paare umgesetzt wird ,.vvas; zu· einer schnelleren Trennung der Paare führt und damit der Rekombination entgegenwirkt, .,'..; _λ

- daß die Dicke der n-Inversionsschicht 5 und die Dichte der Elektronen darin, anwächst und damit eine schnellere und effektivere Trennung von in größeren

Tiefen erzeugten Ladungsträgerpaaren schon ohne Anlegen einer äußeren Spannung U erreicht wird, aber das auch dasAnlegen einer höheren: Spannung U möglichvärd, wodurch sich die Feldzone, in noch., größere Tiefen ins p-Silizium-Substrat 7 ausdehnt, ohne daß die n-Inversions'schicht 5 wesentlich an-Elektronen verarmt: (In aer Zone hoher Feldstärke werden die Ladungsträgerpaare bedeutend schneller ' getrennt und an den Kontakten nach außen_: abtransportiert, wodurch sich die Irapulsanstieg.s-und-abfallzeit entsprechend verkürzt. Andererseits ver-

längert sich die Impulsanstiegs- und abfallzeit durch Verarmung der n-Inversionsschicht 5 an Elektronen, dadurch daß sich ihr Flächenwiderstand R vergrößert, und dieser zusammen mit der Kapazität C der IhversionsschichV-Fotodiode wie ein integrierendes RC-Glied wirkt). ^ · . daß eine erhöhte einfallende Strahlungsleistungsdichte von deV Inversionsschicht-Fotodiode in einen zur Strahlungsleistung annähernd proportionalen Fotostrom umgewandelt werden kann. (Bei zu geringer Dichte von positiven Ladungen in der SiCU-Schicht 2 und zu höher Strahlungsleistuncsdichte übertreffen die inneren Felder zwischen den erzeugten Elektronen-Loch-Paaren das "äußere" Feld der Inversionsschicht-Fotodiode und schirmen es ab (Plasmaeffekt) wodurch nur eine geringe begrenzte Anzahl von Ladungsträgerpaaren vom Rand des bestrahlten Gebietes getrennt und abtransportiert werden können', während der Großteil rekombiniert.

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Claims

Erfindungsanspruch

1. UV-strahlungsempfindliche Fotodiode aus p-Silizium mit einer positive Ladungen enthaltenden Isolatordeckschicht, die im p-Silizium eine η-Inversions- schicht bewirkt, gekennzeichnet dadurch, daS die Isolatordeckschicht geringer Stärke, vorzugsweise mit einer Stärke von^.,5O nm, mindestens in einem Teil ihrer aktiven Fläche durch Ionenimplantation hervorgerufenen Ladungsträger im wesentlichen in einem Bereich der Impiantations-Ioneneindringtiefe bis zu 2/3 der Isolatordeckschichtstärke, vorzugsweise im Bereich von 1/3 bis 1/2 der Isolatordeckschichtstärke enthält , und daß die an die Isolatordeckschicht angrenzende Inversionsschicht eine vernachlässigbare geringe Anzahl an direkt, implantierten Ionen und Atomen sowie an ruckstoSiinpiantierten Ionen und Atomen der Isolatordeck'schicht enthält.
2. Verfahren zur Herstellung der üV-strahlungsesp-

findlichetssFotodiode gemäß Punkt 1, bei dem auf ein p-Silizium-Grundeleiaent eine Isolatordeckschicht aufgebracht wird, die eine n-Inversionsschicht bewirkt , gekennzeichnet dadurch, daß die Isolator-

15 . deckschicht mit einer Anzahl von <C.iO Ionen pro ca , vorzugsweise 10 Ionen pro cm ,von Elementen der 5. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente, insbesondere Phosphor, Arsen oder Antimon , implantiert wird, und daß die Fotodiode nach der Implantation bei Temperaturen y 400 ⁰C, vorzugsweise ,^ 800 C in an sich bekannter Weise getempert wird, " ,„ .....' · ' . · .

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3. Verfahren gemäß Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß eine Isplatordeckschicht aus SiO₂ mit einer Stärke von/^50 nm mit Phosphorionen der Energie >£ 20 keV implantiert wird.
4. Verfahren gemäß Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß eine Isolatordeckschicht aus SiO₂ mit einer Stärke von ^- 35 nm mit Arsenionen der Eneraie
-C30 keV implantiert wird.

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