DE19942692B4 - Optoelektronische Mikroelektronikanordnung - Google Patents
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Abstract
Optoelektronische
Mikroelektronikanordnung, umfassend:
– ein Halbleitersubstrat (20);
– eine im Halbleitersubstrat (20) gebildete dotierte Wanne (21);
– eine aus dem Halbleitersubstrat (20) hervorstehende Mesa (26), die einen den gleichen Leitungstyp wie die Wanne (21) umfassenden Teil (26) aufweist;
– eine integrierte Photodiode mit einem optoelektronisch aktiven Teil, der durch Sperrschichten bildende Dotierungsgebiete (24, 25, 26, 27; 44, 45, 26) gebildet ist, die teils in der Mesa (26) und teils innerhalb der im Halbleitersubstrat (20) gebildeten Wanne (21) angeordnet sind;
– einen Lichtwellenleiter (28, 47), der auf der im Halbleitersubstrat gebildeten Wanne (21) angeordnet ist und die Mesa (26) umgibt, so daß Licht sowohl über eine Seitenwand der Mesa (26) als auch über eine Oberfläche der Wanne (21) in den optoelektronisch aktiven Diodenteil einkoppelt.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Mikroelektronikanordnung mit einer integrierten Photodiode.
- In der Mikroelektronik ist es üblich geworden, neben rein elektronischen Anordnungen, wie integriertem Halbleiterschaltkreisen, in denen elektronische Funktionseinheiten, wie Transistoren, Dioden, Kapazitäten usw. in einem Halbleitersubstrat integriert sind, mit derartigen elektronischen Funktionseinheiten auch optische Elemente zu kombinieren. Dabei ermöglicht es die moderne Halbleitertechnologie, Photosensoren in Form von Photodioden und Lichtwellenleiter mit elektronischen Systemen, wie etwa Verstärkern, monolithisch zu integrieren. Dies kann beispielsweise in MOS-Technologie erfolgen, wobei die Herstellung von Photosensoren in Form von Photodioden und Lichtwellenleitern mit der Herstellung der elektronischen Verstärkerfunktionseinheiten prozeßkompatibel ist.
- Eine optoelektronische Mikroelektronikanordnung der vorgenannten Art ist prinzipiell aus "Microelectronic Engineering" Bd. 15 (1991), Seiten 289–292 bekannt. Diese Druckschrift erläutert anhand einer integrierten Struktur in CMOS-Technik mit einem NMOS- und einem PMOS-Transistor sowie einer Photodiode die Technologie für eine monolithische Integration.
- Der prinzipielle Aufbau einer bekannten Photodiode ist in
1 dargestellt. In einem Siliziumsubstrat10 des einen Leitungstyps mit schwacher Dotierung, beispielsweise vom p-Leitungstyp, sind zur Isolation gegen nicht dargestellte elektronische Funktionseinheiten, wie den oben erwähnten MOS-Transistoren, Grabenisolationen11 ,12 vorgesehen, bei denen es sich um sog. STI-Gebiete (shallow trench isolation) mit Siliziumdioxid handeln kann. In dem Bereich zwischen den Grabenisolationen11 ,12 sind eine Zone13 des einen Leitungstyps, also etwa des p-Leitungstyps, sowie eine Zone14 des entgegengesetzten Leitungstyps, also etwa des n-Leitungstyps, vorgesehen, die im Vergleich zur Dotierungskonzentration des Substrats10 eine große Dotierungskonzentration besitzen. Der vorstehend verwendete Begriff "schwache Dotierung" für die Substratdotierung bedeutet also eine geringe Dotierungskonzentration im Vergleich zur Dotierungskonzentration der Zonen13 und14 . Zwischen den Zonen13 und14 liegt also eine schwach dotierte Zone15 , die praktisch auch als intrinsische Zone bezeichnet werden kann. Werden wie üblich geringe Dotierungskonzentration mit einem Minus- und große Dotierungskonzentration mit einem Plus-Zeichen gekennzeichnet, so ergibt sich bei den oben beispielsweise angegebenen Leitungstypen für das Substrat10 sowie die Zonen13 und14 ein optoelektronisch aktiver Diodenteil der Zonenfolge p+-Zone13 -, p–-Zone15 – sowie n+-Zone14 –. - Auf dem Substrat mit den Grabenisolationen
11 ,12 und den Zonen13 ,14 ,15 ist ein Lichtwellenleiter16 vorgesehen, der beispielsweise aus Siliziumoxidnitrid/Siliziumdioxid bestehen kann. Aus einer in diesem Lichtwellenleiter16 laufenden, schematisch durch einen Pfeil17 angedeuteten Lichtwelle wird Licht durch eine Leckwellenkopplung in den optoelektronisch aktiven Diodenteil eingekoppelt. In1 ist die Lichteinkoppelung aus dem Lichtwellenleiter16 in die Zone15 durch einen Pfeil18 angedeutet. Natürlich wird auch Licht über die Gebiete der Zonen13 und14 eingekoppelt, was jedoch nicht eigens dargestellt ist. Das eingekoppelte Licht generiert in der Zone15 Ladungsträger, welche ihrerseits den Diodenphotostrom generieren. - Eine Photodiode der vorstehend erläuterten Art stellt eine laterale bzw. planare Diode dar. Um dabei eine gute Lichtausbeute und damit einen größeren Photostrom realisiseren zu können, muß die Fläche des optoelektronisch aktiven Diodenteils in Laterialrichtung gesehen möglichst groß sein. Dies bedeutet aber, daß solche planaren Photodioden in einem integrierten System eine vergleichsweise große Chipfläche benötigen, wodurch die Integrationsdichte beeinträchtigt wird. Für großintegrierte Systeme geht die Tendenz zu immer kleineren Strukturen, beispielsweise MOS-Transistoren mit immer kleineren Kanallängen. Die dadurch gewonnene Chipfläche wird durch planare Photodioden dann mindestens teilweise wieder zunichte gemacht. Dies ist insbesondere auch von wirtschaftlichem Nachteil, da Chipfläche ein wesentlich ins Gewicht fallender Kostenfaktor ist.
- In der
DE 26 24 436 A1 ist eine Photodiodenstruktur gezeigt, bei der zur Verbesserung der Lichteinkopplung eine gegenüber einem Substrat hervorstehende Struktur in Form einer Mesa ausgebildet ist. Das Licht koppelt mit senkrechter Komponente in die Mesa ein, so dass der Einkopplungsgrad erhöht wird. Die Mesa wird in einer epitaktischen Schicht gebildet. Eine vergleichbare Photodiodenstruktur ist in derDE 39 20 219 C2 gezeigt. - In der
US 4 970 386 ist ein optischer Sensor mit einem vertikalen Feldeffekttransistor gezeigt. Die Lichtleitfasern sind im Bereich der Kopplungszone seitlich abgeflacht und berühren dort die vertikalen Anteile eines Feldeffekttransistors. Nur im Bereich dieser vertikalen Anteile erfolgt die Einkopplung des zu empfangenden optischen Signals. - Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bezogen auf eine vorgegebene Lichtausbeute Chipfläche sparende Photodiodenstruktur anzugeben, die darüber hinaus mit MOS-Technologien für Transistorstrukturen insbesondere kleiner Kanallängen kompatibel ist.
- Diese Aufgabe wird bei einer optoelektronischen Mikroelektronikanordnung der eingangs genannten Art durch die Maßnahmen nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Weiterbildungen des Erfindungsgedankens hinsichtlich der Anordnung sind Gegenstand entsprechender Unteransprüche.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 den oben bereits erläuterten Aufbau einer bekannten Photodiode; -
2A eine erste Ausführungsform einer vertikalen Photodiode im Querschnitt; -
2B einen Teil eines Layouts der vertikalen Photodiode nach2A ; -
3 eine zweite Ausführungsform einer vertikalen Photodiode im Querschnitt; und -
4 eine Ausführungsform eines vertikalen MOS-Feldeffekttransistors zur Erläuterung der Herstellungsmöglichkeiten von optoelektronischen Mikroelektronikanordnungen mit solchen Transistoren und vertikalen Photodioden. - Vor einer detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele sei zunächst darauf hingewiesen, daß es sich bei den Figuren der Zeichnung lediglich um schematische Darstellungen handelt. Es sind dabei zur Vereinfachung der Darstellung zum Beispiel keine tatsächlichen Größenverhältnisse oder sich bei der Herstellung von Isolationsschichten und dotierten Zonen ergebenden Kantenverrundungen berücksichtigt.
- Gemäß
2A ist in einem Siliziumsubstrat20 durch eine Wanne ein Gebiet21 eines Leitungstyps, vorzugsweise vom n-Leitungstyp, ausgebildet. Zur Isolation gegen weitere in einer Mikroelektronikanordnung vorhandene Funktionseinheiten, wie MOS-Feldeffekttransistoren, sind im Substrat20 Grabenisolationen22 ,23 in Form von STI-Gebieten vorgesehen. Weiterhin sind im Substrat20 innerhalb der Grabenisolationen22 ,23 Zonen24 ,25 des einen Leitungstyps mit gegenüber der Dotierungskonzentration des Wannengebietes21 großer Dotierungskonzentration vorgesehen. Ausgehend von einem Wannengebiet21 mit n-Leitungstyp handelt es sich dann um Zonen vom n+-Leitungstyp. - Wesentlich für die Ausbildung einer vertikalen Photodiode ist die Ausbildung einer aus dem Substrat
20 herauspreparierten, auf diesem senkrecht stehenden Mesa26 , die also den gleichen Leitungstyp und die gleiche Dotierungskonzentration wie das Wannengebiet21 besitzt. In dieser Mesa ist auf der dem Wannengebiet21 abgewandten Seite eine Zone27 mit gegenüber dem Leitungstyp des Wannengebietes entgegengesetztem Leitungstyp und vergleichsweise hoher Dotierungskonzentration vorgesehen. Wiederum ausgehend von einem Wannengebiet21 mit n-Leitungstyp handelt es sich dann um eine Zone27 vom p+-Leitungstyp. - Bei dem insoweit beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der optoelektronisch wirksame Diodenteil also durch die Zonen
24 ,25 (es kann sich dabei auch um eine einzige zusammenhängende Zone handeln), die Zone der Mesa26 unterhalb der Zone27 sowie die Zone27 gebildet. Geht man davon aus, daß das Wannengebiet21 als intrinsisches Gebiet betrachtet werden kann, so handelt es sich also um eine pin-Diodenstruktur. - In einer abgewandelten Ausführungsform kann an Stelle der p+-Zone
27 auch eine Silizid-Schicht Verwendung finden, wodurch eine Schottky-Diodenstruktur entsteht. - In beiden Fällen wird also durch die Zone bzw. Schicht
27 eine Sperrschicht gebildet. - Die Mesa
26 ist von einem Lichtwellenleiter28 umgeben, der, wie oben angegeben, aus Siliziumoxidnitrid/Siliziumdioxid bestehen kann. Dieser Lichtwellenleiter28 ist auf dem Substrat20 , vorzugsweise auf einer optischen Vergütungsschicht32 , auf einem Oxid vorgesehen. Die Lichteinkopplung vom Lichtwellenleiter28 in den optoelektronisch aktiven Diodenteil im Bereich der Zone der Mesa26 unterhalb der Zone27 ist schematisch durch einen Pfeil33 angedeutet. - Vervollständigt wird die Photodiodenstruktur durch elektrische Kontakte
29 und30 für die Zone27 und die Zonen24 bzw.25 . Schließlich ist eine strichpunktiert dargestellte Passivierung31 vorgesehen, bei der es sich um Oxide und/oder Nitride handeln kann. - Erfindungswesentlich bei einer Photodiode der vorstehend beschriebenen Art ist es, daß die vertikale Mesa und damit der senkrecht stehende optoelektronisch aktive Diodenteil von dem Lichtwellenleiter umgeben ist, d.h. dieser verläuft parallel zu der Mesa und also auch zum optoelektronisch aktiven Diodenteil. Licht wird damit über die vertikale Seitenwand der Mesa in den optoelektronisch aktiven Diodenteil eingekoppelt. Damit ist eine große Lichteinkoppelfläche bei vergleichsweise kleiner Grundfläche der Mesa in lateraler Richtung realisierbar. Bei kleiner Grundfläche ist also gegenüber bekannten planaren Strukturen nach
1 eine höhere Lichtausbeute und damit ein größerer Photostrom erreichbar. - Darüber hinaus ist aufgrund des parallel zur Längserstreckung der Mesa verlaufenden Lichtwellenleiters die erwünschte große Lichteinkopplung in den optoelektronisch aktiven Diodenteil von einer unerwünschten Lichteinkopplung über das Substrat entkoppelt.
- Bei einer geschlossenen Ringstruktur des Lichtwellenleiters
28 und die Mesa26 gemäß der Layout-Darstellung nach2B ergibt sich eine weitere Erhöhung der Lichtausbeute, weil zunächst reflektierte Lichtanteile später doch noch absorbiert werden. Dieser Sachverhalt ist in2B durch eine Vielzahl von die Lichteinstrahlung schematisch repräsentierenden Pfeilen33 angedeutet. - Bei dem Ausführungsbeispiel einer vertikalen Photodiode nach
3 , in der gleiche Elemente wie in den2A und2B mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, sind ebenso wie beim Ausführungsbeispiel nach den2A und2B ein Sub strat20 mit einem Wannengebiet21 , Grabenisolationen22 ,23 und eine Mesa26 vorhanden. In Abweichung vom Ausführungsbeispiel nach den2A und2B sind bei diesem Ausführungsbeispiel zwei hoch dotierte Zonen44 ,45 unterschiedlichen Leitungstyps vorgesehen, die sich aus dem Wannengebiet21 unterhalb der Mesa26 längs deren Rand erstrecken. Geht man wiederum davon aus, daß das Wannengebiet21 vom n-Leitungstyp ist, so ist etwa die Zone44 vom n+-Leitungstyp und die Zone45 vom p+-Leitungstyp. Die Mesa26 ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel von einem Lichtwellenleiter47 vorzugsweise ringförmig umgeben. Aus diesem Lichtwellenleiter47 wird ebenfalls über die vertikale Seitenwand der Mesa26 Licht eingekoppelt, was durch einen Pfeil52 angedeutet ist. Daraus ergeben sich wiederum die bereits anhand des Ausführungsbeispiels nach den2A und2B erläuterten günstigen Wirkungen. - Vervollständigt wird die Photodiode nach
3 durch elektrische Kontakte48 ,49 für die Zonen44 ,45 sowie strichpunktiert dargestellte Passivierungen51 . - Erfindungsgemäße Photodioden der vorstehend erläuterten Art eignen sich in vorteilhafter Weise für eine Integration in integrierten Schaltkreisen mit an sich bekannten Vertikal-MOS-Feldeffekttransistoren. Ein solcher Transistor ist schematisch in
4 dargestellt. Er baut ebenfalls auf einem Substrat60 mit einem Wannengebiet61 auf, das im Falle eines n-Kanal-MOS-Transistors vom p-Leitungstyp ist. Eine Isolation gegen weitere Funktionseinheiten in einem integrierten Schaltkreis wird durch Grabenisolationen62 ,63 (STI-Gebiete) gebildet. Im Wannengebiet61 ist eine zusammenhängende Zone64 mit im Vergleich zu dessen Leitungstyp entgegengesetztem Leitungstyp und vergleichsweise großer Dotierungskonzentration vorgesehen. Besitzt das Wannengebiet p-Leitungstyp, so ist die Zone64 vom n+-Leitungstyp. In einer Mesa65 ist auf deren vom Wannengebiet61 abgewandten Seite eine Zone66 vorgesehen, die bei den vorstehend angegebenen Leitungstypen für das Wannengebiet61 , die Zone64 sowie die Mesa65 vom n+-Leitungstyp ist. Vervollständigt wird der Transistoraufbau durch einen Spacer67 aus Polysilizium oder amorphem Silizium, der gegenüber dem Mesasubstrat isoliert ist, Kontakte68 ,69 für die Zonen64 ,66 sowie strichpunktiert dargestellte Passivierungen70 . - Es sei darauf hingewiesen, daß sich für einen p-Kanal-Transistor die oben angegebenen Leitungstypen für das Wannengebiet
61 , die Zone64 , die Mesa65 und die Zone66 umkehren. - Wie aus einem Vergleich der
2A ,2B ,3 und4 ersichtlich ist, eignet sich die erfindungsgemäße Ausbildung von vertikalen Photodioden besonders gut für eine Integration in einem CMOS-Prozeß. Es wird bei der Integration von optoelektronischen Mikroelektronikanordnungen mit MOS-Transistoren und Photodioden in Vertikalausbildung beispielsweise möglich, die Anzahl von Metallisierungsebenen für elektrische Verbindungen und Anschlüsse zu reduzieren, wenn Photodioden als Empfänger in optischen Übertragungsstrecken auf einem Chip arbeiten. Weiterhin lassen sich durch Ausnutzung von Selbstjustierungstechniken, z.B. einer Spacer-Technologie, zusätzlich die Integrationsdichten erhöhen, wenn Spacer-Dicken unter der lithographischen Minimalweite verwendet werden. - Werden alternativ zu vertikalen MOS-Transistoren mit einer Mesa-Struktur nach
4 Ring- bzw. Steg-Transistoren zusammen mit vertikalen Photodioden integriert, so wird eine "aktive" Verbesserung der elektrischen Eigenschaften möglich. Insbesondere werden parasitäre Bipolareffekte und Kurzkanaleffekte vermieden. - Die einzelnen Prozeßschritte bei der Integration von erfindungsgemäßen optoelektronischen Mikroelektronikanordnungen sind an sich konventioneller Art. So ist insbesondere nach einem STI-Prozeß zur Herstellung der Grabenisolationen, nach Wannen-Implantationen und ggf. einer zusätzlichen Implan tation zur Herstellung einer Zone
27 nach2A die Herstellung einer Nitridmaske zur Ausbildung der Mesas von Bedeutung, da durch die Höhe dieser Mesen die Kanallänge von MOS-Transistoren sowie die Höhe des zu durchstrahlenden Bahngebietes von Photodioden festgelegt wird. Die Gesamtfläche von Photodioden wird dabei durch die Höhe der Mesen und deren Breite in lateraler Richtung auf dem Substrat festgelegt. - Gate-Oxide, Gate-Polysilizium oder aber Metall-Gate-Materialien werden in üblicher Weise aufgewachsen bzw. abgeschieden, wobei Polysilizium-Gates mit einer Maske strukturiert werden, die auch zum Schutz der Seitenwände von Photodioden nach den
2A und2B verwendbar ist. Source- und Drain-Gebiete von MOS-Transistoren sowie dotierte Zonen von Photodioden können durch Implantationstechniken hergestellt werden. Oxidische Vergütungsschichten für Photodioden, wie die Schichten32 und50 nach den2A ,2B und3 können ggf. gesondert aufgebracht werden. Lichtwellenleiter werden aus einem Material mit geeigneter Brechungszahl aufgebracht und mittels einer Maske strukturiert. Schließlich werden Passivierungen aufgebracht und Prozesse, wie Kontaktlochätzung, Silizidierung und Metallisierung durchgeführt. Eine Silizidierung erfolgt dabei, wenn an Stelle einer dotierten Zone27 nach2A eine Silizid-Schicht unter Bildung einer Schottky-Diode verwendet wird. Als optoelektronische Materialien kommen neben Silizium auch Verbindungshalbleiter in Frage.
Claims (7)
- Optoelektronische Mikroelektronikanordnung, umfassend: – ein Halbleitersubstrat (
20 ); – eine im Halbleitersubstrat (20 ) gebildete dotierte Wanne (21 ); – eine aus dem Halbleitersubstrat (20 ) hervorstehende Mesa (26 ), die einen den gleichen Leitungstyp wie die Wanne (21 ) umfassenden Teil (26 ) aufweist; – eine integrierte Photodiode mit einem optoelektronisch aktiven Teil, der durch Sperrschichten bildende Dotierungsgebiete (24 ,25 ,26 ,27 ;44 ,45 ,26 ) gebildet ist, die teils in der Mesa (26 ) und teils innerhalb der im Halbleitersubstrat (20 ) gebildeten Wanne (21 ) angeordnet sind; – einen Lichtwellenleiter (28 ,47 ), der auf der im Halbleitersubstrat gebildeten Wanne (21 ) angeordnet ist und die Mesa (26 ) umgibt, so daß Licht sowohl über eine Seitenwand der Mesa (26 ) als auch über eine Oberfläche der Wanne (21 ) in den optoelektronisch aktiven Diodenteil einkoppelt. - Optoelektronische Mikroelektronikanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronisch aktive Diodenteil umfaßt: – eine Zone (
27 ), die am vom Halbleitersubstrat (20 ) abgewandten Ende der Mesa (26 ) angeordnet ist und die eine im Vergleich zur Wanne (21 ) entgegengesetzten Leitungstyp bewirkende Dotierung aufweist; – eine innerhalb der Wanne (21 ) an der Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnete Zone (24 ,25 ), die den gleichen Leitungstyp aufweist wie die Wanne und eine höhere Dotierstoffkonzentration als die Wanne (21 ) hat; und – den genannten Teil (26 ) der Mesa. - Optoelektronische Mikroelektronikanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem vom Halbleitersubstrat (
20 ) abgewandten Ende der Mesa angeordnete Zone (27 ) aus einem Silizid besteht. - Optoelektronische Mikroelektronikanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem vom Halbleitersubstrat abgewandten Ende der Mesa angeordnete Zone (
27 ) im Vergleich zur Wanne (21 ) eine höhere Dotierungskonzentration aufweist. - Optoelektronische Mikroelektronikanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronisch aktive Diodenteil umfaßt: – eine erste Zone (
44 ), die einen im Vergleich zur Wanne (21 ) gleichen Leitungstyp bewirkende Dotierung aufweist und die eine im Vergleich zur Wanne (21 ) höhere Dotierungskonzentration hat; – eine zweite Zone (45 ), die eine im Vergleich zur Wanne (21 ) entgegengesetzten Leitungstyp bewirkende Dotierung aufweist und die eine im Vergleich zur Wanne (21 ) höhere Dotierungskonzentration hat; und – den genannten Teil (26 ) der Mesa; – wobei die ersten und zweiten Zonen (44 ,45 ) jeweils an einer Seitenwand der Mesa (26 ) sowie an einer Oberfläche der im Halbleitersubstrat (20 ) gebildeten Wanne (21 ) angeordnet sind. - Optoelektronische Mikroelektronikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (
28 ,47 ) die Mesa (26 ) ringförmig umgibt. - Optoelektronische Mikroelektronikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zusätzlich umfassend einen vertikalen MOS-Feldeffekttransistor, der aufweist: – eine im Halbleitersubstrat (
60 ) gebildete Wanne (61 ) eines ersten Leitungstyps; – eine aus dem Halbleitersubstrat (60 ) im Bereich der Wanne hervorstehende Mesa (65 ), die einen Teil (65 ) mit dem gleichen Leitungstyp wie die Wanne (61 ) umfaßt; – ein Dotierungsgebiet des zur Wanne des MOS-Feldeffekttransistors entgegengesetzten Leitungstyps, das an der Oberfläche der im Halbleitersubstrat (60 ) gebildeten Wanne (61 ) des MOS-Feldeffekttransistors angeordnet ist; – ein Dotierungsgebiet (66 ) des zur Wanne (61 ) des MOS-Feldeffekttransistors entgegengesetzten Leitungstyps, das an dem vom Halbleitersubstrat (60 ) abgewandten Ende der Mesa (65 ) des MOS-Feldeffekttransistors angeordnet ist; und – einen Silizium umfassenden Spacer (67 ), der an einer Seitenwand der Mesa (65 ) des MOS-Feldeffekttransistors angeordnet ist und gegenüber dem genannten Teil (65 ) der Mesa des MOS-Feldeffekttransistors isoliert ist.
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