DE20100418U1

DE20100418U1 - Photodetektor

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Publication number: DE20100418U1
Application number: DE20100418U
Authority: DE
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2000-01-15
Filing date: 2001-01-11
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2011-01-12
Also published as: US20010008287A1

Description

Agilent Technologies, Inc. Az. 20 99 0024

PHOTODETEKTOR

Die Erfindung betrifft einen Photodetektor zur Detektion elektromagnetischer Wellen, insbesondere im UV-Bereich, der mit wenigstens einer eine Substratoberfläche aufweisenden, zum Beispiel im wesentlichen aus Silizium bestehenden Substratschicht und wenigstens einer die Substratoberfläche zumindest teilweise bedeckenden, die elektromagnetischen Wellen hindurchtreten lassen Deckschicht mit einer Deckschichtoberfläche ausgebildet ist.

&iacgr;&ogr; Photodetektoren wie Silizium-Photodioden werden üblicherweise mit einer dünnen

reflexionsmindernden Schicht, insbesondere aus Siliziumdioxid bedeckt. Diese Deckschicht dient im wesentlichen als Schutzschicht gegen unerwünschte Umwelteinflüsse, beispielsweise gegen Eindiffundieren von Feuchtigkeit und/oder mobiler Teilchen bzw. Fremdatome, welche die im wesentlichen aus Silizium bestehende Substratschicht des Photodetektors verunreinigen können. Je dicker diese Schutzschicht bzw. diese Schutzschichten sind, desto effektiver ihre Schutzwirkung. In experimentellen Untersuchungen hat sich gezeigt, daß die Dicke der Schutzschichten wesentlich die Höhe und den spektralen Verlauf der Reflexionsstärke beeinflussen. Dabei treten abhängig von der Schichtdicke und/oder Wellenlänge unerwünsche Interferenzmuster, also Schwingungen bzw. Oszillationen der Reflexionswerte auf. Die Anzahl der Schwingungen bzw. Oszillationen steigen mit zunehmender Schichtdicke und/oder abnehmender Wellenlänge stark an. Folglich können insbesondere bei großen Schutzschichtdicken und/oder kleinen Wellenlängen bereits sehr kleine Veränderungen der Schichtdicke in der Größenordnung von wenigen hundertste!

Mikrometern zu großen Schwankungen der Reflexionswerte führen. Außerdem wird der Photodetektor insbesondere im UV-Bereich empfindlich gegen spektrale Verschiebungen. Bei größeren Schichtdicken, die wegen ihrer besseren Schutzwirkung an sich bevorzugt werden, treten erhebliche Interferenzerscheinungen auf. Diese sind außerdem von Instrument zu Instrument unterschiedlich ausgebildet, weil die derzeit möglichen und wirtschaftlich vertretbaren Herstellungstoleranzen nicht noch weiter reduzierbar sind.

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Aus diesen Gründen wird bei Silizium-Photodiöden meist eine Oxidschichtdicke von ungefähr 0,1 Mikrometer angestrebt. Dadurch lassen sich zwar unerwünschte Indifferenzerscheinungen im wesentlichen vermeiden, jedoch ist beispielsweise bei der Herstellung einer Photodiodenzeile in CMOS-Techno-Iogie ein Zurückätzen der in der Prozeßfolge auf über 1 Mikrometer angewachsenen Oxidschicht erforderlich. Dieser zusätzliche Arbeitsgang ist aufwendig und unerwünscht und je nach dem Herstellungsaufwand mit relativ großen Schichtdickentoleranzen verbunden. Im übrigen bedeutet eine auf 0,1 Mikrometer verringerte Oxidschicht eine dementsprechend reduzierte

&iacgr;&ogr; Schutzwirkung in Verbindung mit einer kürzeren Einsatz- bzw. Lebensdauer des

Photodetektors. Aus diesen Gründen wird bei heute üblichen CMOS-Prozessen eine aus dem Standardprozeß anfallende Oxidschicht von etwa 1 bis 2 Mikrometern favorisiert.

Ein Photodetektor gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1 ist aus der US-PS 4,277,793 bekannt. Dieser Photodetektor weist eine p- oder n-dotierte Halbleitersubstratschicht auf, die mit querschnittlich halbkreisförmigen Vertiefungen unter Ausbildung einer wellenartigen Oberflächenstruktur versehen ist. Die mittels eines isotropen Ätzverfahrens hergestellten Vertiefungen können mit einer aus Silizium-Monoxid bestehenden Anti-Reflex-Beschichtung überzogen sein. Die sich dabei ausbildende querschnittliche Oberflächenstruktur entspricht derjenigen der Halbleitersubstratschicht, so daß die Anti-Reflex-Beschichtung eine querschnittlich homogene, d.h. stets gleich große Schichtdicke aufweist. Durch die halbkreisförmigen Vertiefungen bzw. die wellenartige Oberflächenstruktur wird ein reduziertes Rückstrahlvermögen und eine vergrößerte optische Pfadlänge in Verbindung mit einer Erhöhung der Photoempfindlichkeit bei Anwendungen im Langwellenbereich erreicht. Dabei können jedoch noch immer die unerwünschten Interferenzmuster bzw. Oszillationen der Reflexionsstärke und eine erhöhte Empfindlichkeit des Photodetektors gegenüber spektralen Verschiebungen auftreten.

Photodetektoren der eingangs genannten Art werden auch in Spektrophotometern oder in Diodearraydetektoren von Flüssigkeitschromatographiesystemen

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verwendet. In dieser Applikation sind die oben erwähnten Aspekte hinsichtlich der Oxidschichtdicke und deren Auswirkungen besonders wichtig.

Einerseits ist es wünschenswert den Schutz und damit die Zuverlässigkeit des Photodetektors durch Wahl einer dicken Oxidschicht zu erhöhen, insbesondere bei seiner Verwendung in einer mit aggressiven Chemikalien kontaminierten Umgebung. Andererseits ist aufgrund der Auswirkungen von spektralen Verschiebungen auf das Meßergebnis eine dünne Oxidschicht zu bevorzugen.

&iacgr;&ogr; Spektrale Verschiebungen sind auf Effekte in einer von Flüssigkeit durchströmten

Flußzelle zurückzuführen. Solche Effekte werden durch Änderungen der Flußrate und dadurch bedingte Einflüsse auf das Strömungsverhalten oder durch Änderungen des Brechungsindex aufgrund von Änderungen der Zusammensetzung des Lösungsmittels (Eluent) oder durch eine zu analysierende Probensubstanz in der Flusszelle verursacht. Außerdem können Verschiebungen optischer Komponenten beispielsweise aufgrund thermischer Ausdehnungen oder aufgrund der Einwirkung von Feuchte bedingt sein.

Die Auswirkungen spektraler Verschiebungen auf das Meßergebnis sind durch das Auftreten der oben erwähnten Oszillationen in der spektralen Reflexionscharakteristik in Abhängigkeit der Oxidschichtdicke begründet. Mit zunehmender Dicke der Oxidschicht steigt die Häufigkeit der Oszillationen, mit der Folge, daß die spektrale Empfindlichkeitscharakteristik sehr steile Flanken ausweist. Es kann leicht nachvollzogen werden, daß bereits aufgrund von kleinen, aber unvermeidlichen spektralen Verschiebungen, große Ausgangssignaländerungen beim Betrieb von Diodenarraydetektoren verursacht werden. Die Größe dieser unerwünschten Ausgangssignaländerung ist direkt korrelliert mit der Häufigkeit der Oszillationen, die wiederum von der gewählten Oxidschichtdicke abhängig ist. Dies bedeutet, daß die Beeinflussung und Verfälschung des Meßergebnisses in zunehmenden Maß von der Oxiddicke abhängig ist. Folglich wäre es wünschenswert, eine dünne Oxidschicht zu wählen, was aber im Widerspruch zu der aus Schutzgründen geforderten hohen Schichtdicke steht.

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Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung bei Photodetektoren der eingangs genannten Art, die Ausbildung von Interferenzerscheinungen durch Oszillationen der Reflexionsstärke unabhängig von der Deckschichtdicke, bei günstiger Photoempfindlichkeit, insbesondere im UV-Bereich, zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Schutzanspruchs 1 insbesondere dadurch gelöst, daß die Deckschicht in einem die Substratschicht schneidenden Querschnitt im wesentlichen sägezahn-, trapez- und/oder V-förmig ausgebildet ist und eine inhomogene Deckschichtdicke aufweist. Durch eine ausreichende

&iacgr;&ogr; Inhomogenität der Deckschichtdicke, insbesondere der Oxidschicht innerhalb

eines Photodiodenelements läßt sich eine von der Deckschichtdicke unabhängige &ldquor;Mischung" der Reflexionswerte erreichen, so daß die unerwünschte Indifferenzstruktur bzw. die Oszillationen insbesondere bei großen Deckschichtdicken vermieden werden. Dadurch können auch große Oxidschichtdicken problemlos realisiert werden, so daß eine besonders große Schutzwirkung ermöglicht ist.

Vorteilhafterweise sind die Substratschicht mit wenigstens einer Ausnehmung und/oder die Deckschicht mit wenigstens einer Erhebung ausgebildet. Die dadurch auftretenden Mehrfachreflexionen vermindern zusätzlich den Reflexionsgrad und tragen insbesondere im UV-Bereich zu einer höheren optischen Empfindlichkeit des Photodetektors bei. Derartige Ausnehmungen und/oder Erhebungen lassen sich in günstiger Weise, beispielsweise durch anisotropes Ätzen herstellen. Bedingt durch die Materialeigenschaften und Werkstoffstruktur der im wesentlichen aus Silizium bestehenden Substratschicht lassen sich die Ausnehmungen in der Substratschicht und dementsprechend die Oxidschichtdickenverteilung bzw. Inhomogenität der Deckschichtdicke besonders genau und reproduzierbar herstellen.

Zweckmäßigerweise sind die Ausnehmung und/oder die Erhebung pyramidenförmig gestaltet. Eine derartige Raumstruktur läßt sich bei Deckschichten aus Siliziumdioxid und insbesondere bei den im wesentlichen aus Silizium bestehenden Substratschichten besonders günstig und reproduzierbar

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insbesondere mit Hilfe eines anisotropen Ätzverfahrens erreichen. Ferner läßt sich durch die vorstehenden Maßnahmen die Zahl der Mehrfachreflexionen noch weiter erhöhen, so daß die optische Empfindlichkeit der Photodetektoren weiter verbessert werden kann.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Ausnehmung und/oder die Erhebung wenigstens eine querschnittlich im wesentlichen gerade Flanke aufweisen. Dadurch läßt sich eine Deckschichtdickenverteilung erzielen, bei der alle Deckschichtdicken gleich verteilt, das heißt gleich häufig vorkommen. Unter &iacgr;&ogr; diesen Voraussetzungen ist eine besonders günstige &ldquor;Mischung" der

Reflexionswerte erzielbar, so daß unabhängig von der Deckschichtdicke störende Interferenzen bzw. Oszillationen der Reflexionswerte bzw. der Ausgangssignale des Photodetektors vermieden werden können.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Substratschicht mit wenigstens einer zumindest eine querschnittlich im wesentlichen gerade Flanke enthaltende Ausnehmung und die Deckschichtoberfläche im wesentlichen eben ausgebildet sind. Diese bevorzugte Ausführungsvariante ermöglicht eine besonders günstige Herstellung sowohl der Ausnehmungen als auch der Applikation der Deckschicht und ermöglicht eine besonders gut reproduzierbare präzise Deckschichtdickenverteilung.

Zweckmäßigerweise bildet die im wesentlichen gerade Flanke mit der Deckschichtoberfläche einen Winkel von größer als 45°, vorzugsweise von größer oder gleich 54,7° aus. Dieser letztgenannte Winkel läßt sich bedingt durch die Kristallstruktur der im wesentlichen aus Silizium bestehenden Substratschicht besonders günstig realisieren. Wenn möglichst viele Flanken, d.h. mit schrägen Flächen versehene Ausnehmungen vorgesehen sind, läßt sich die Anzahl an Reflexionen und folglich die optische Empfindlichkeit noch weiter erhöhen.

Es ist ferner zweckmäßig, wenn wenigstens zwei Flanken gegenüberliegend und in einem Winkel zueinander angeordnet sind, der vorzugsweise kleiner als 90°, insbesondere kleiner oder gleich 70,6° ist. Durch diese Maßnahme und

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insbesondere durch das Vorsehen einer Vielzahl von Flanken können die Reflexionswerte und die optische Empfindlichkeit der Photodetektoren weiter verbessert werden.

Von besonderem Vorteil ist es, insbesondere bei Anwendungen in einem Wellenlängenbereich von 200 bis 800 Nanometern, wenn die Deckschichtdicke eine absolute, d.h. von der Gesamtdicke der Deckschicht unabhängige Dickeninhomogenität von mindestens 0,5 Mikrometer, vorzugsweise von mindestens einem Mikrometer aufweist. Durch diese einfach erscheinende

&iacgr;&ogr; Maßnahme hat sich überraschenderweise gezeigt, daß insbesondere im UV-

Bereich, vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich von 200 bis 800 Nanometern, störende Interferenzen durch Oszillationen der Reflexionsstärke bzw. der Oszillationen der Ausgangssignale der Photodetektoren unabhängig von dem Gesamtwert der Deckschichtdicke vermieden werden können.

Vorteilhafterweise ist die Substratschicht vorzugsweise mittels eines anisotropen Ätzverfahrens mit wenigstens einer Ausnehmung versehen, die anschließend mit der Deckschicht aufgefüllt ist. Wenn zur Herstellung der Ausnehmungen anisotrope Ätzververfahren eingesetzt werden, lassen sich in besonders günstiger Weise sägezahn-, trapez- und/oder im Querschnitt V-förmige Ausnehmungen in der im wesentlichen aus Silizium bestehenden Substratschicht erreichen, die in vorteilhafter Weise mit der Deckschicht aufgefüllt werden können.

Dabei ist vorteilhafterweise die wenigstens eine Ausnehmung mit der Deckschicht vollständig ausgefüllt und die Substratoberfläche ist vollständig unter Ausbildung einer im wesentlichen ebenen Deckschichtoberfläche überdeckt. Dies ermöglicht eine besonders günstige, reproduzierbare und präzise Herstellung der vorteilhaften Deckschichtdickenverteilung. Hierzu kann es ferner zweckmäßig sein, die Deckschichtoberfläche zusätzlich mechanisch, chemisch, physikalisch und/oder auf eine andere geeignete Weise zu planarisieren.

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Eine besonders günstige und einfache Herstellung läßt sich dadurch erzielen, daß die Deckschicht als flüssiger bzw. hochviskoser Stoff, vorzugsweise mittels eines Glas-Spin-Verfahrens auf die Substratschicht aufgebracht ist.

Von besonderem Vorteil ist es ferner, wenn die Substratschichtoberfläche vor dem Vorsehen der wenigstens einen Ausnehmung im wesentlichen eben ausgebildet ist und vorzugsweise vor der Durchführung von halbleiterbildenden Verfahrensschritten mit der wenigstens einen Ausnehmung versehen ist. Mit diesem, auch als &ldquor;Pre-Processing" bezeichenbaren Verfahren lassen sich

&iacgr;&ogr; besonders genaue und reproduzierbare Deckschichtdickenverteilungen

realisieren, indem die ursprünglich hochebene Substratschicht des Silizium-Wafers unmittelbar mit den Ausnehmungen versehen wird. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen mit Hilfe eines anisotropen Ätzverfahrens ausgebildet und weisen einen sägezahn-, trapez- und/oder V-förmigen Querschnitt in der senkrecht zur hochplanaren Substratoberfläche des Silizium-Wafers gebildeten Ebene auf.

Dabei lassen sich bedingt durch die Kristallstruktur des Siliziumsubstrates hochpräzise und reproduzierbar herstellbare gerade Flanken realisieren. Die Ausnehmungen können vorteilhaft mit Siliziumdioxid, beispielsweise mittels thermischer Verfahren oder mittels der vorstehend beschriebenen bevorzugten Verfahren, aufgefüllt und/oder überschichtet sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung betrifft diese ein Spektrometer zur Analyse der spektralen Zusammensetzung von elektromagnetischen Wellen, die durch eine zu analysierende Probe verändert und/oder von einer zu analysierenden Probe emittiert werden, mit einem Photodetektor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung betrifft diese einen Photodiodenarray-Detektor zur Analyse der spektralen Zusammensetzung von elektromagnetischen Wellen, die durch eine zu analysierende Probe verändert und/oder von einer zu analysierenden Probe emittiert werden, wobei vorzugsweise die Probe während der Analyse durch eine Probenzelle fließt, mit einer Mehrzahl von Photodetektoren nach einem der Ansprüche 1 bis 13. Dabei kann der

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Photodiodenarray-Detektor zweckmäßigerweise auch als Spektrometer ausgebildet sein.

Wenn die elektromagnetischen Wellen durch die Probe verändert werden, kann der Photodetektor als Absorptionsdetektor eingesetzt werden, wobei vorzugsweise ein auf die Probe treffender polychromatischer Lichtstrahl teilweise von der Probe absorbiert wird. Wenn die elektromagnetischen Wellen von der Probe emittiert werden, kann der Photodetektor als Fluoreszenzdetektor eingesetzt werden.

&iacgr;&ogr; Vorstehende Maßnahmen tragen sowohl einzeln als auch in Kombination

untereinander zur Schaffung von Photodetektoren bei, bei denen Interferenzen durch Oszillationen der Reflexionsstärke bzw. Oszillationen die Ausgangssignale der Photodetektoren unabhängig von der Deckschichtdicke bei günstiger Photoempfindlichkeit, insbesondere im UV-Bereich, vermieden werden können.

Weitere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der Erfindung sind im nachfolgenden, anhand der Figuren abgehandelten Beschreibungsteil entnehmbar.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen stark vergrößerten schematischen Querschnitt einer ersten

bevorzugten Ausführungsvariante des Photodetektors entlang der in Fig. 3 gezeigten Schnittlinie 1-1 mit in der Substratschicht vorgesehenen pyramidenstumpfförmigen Ausnehmungen mit im Querschnitt trapez- bzw. V-förmigen Schnittkanten;

Fig. 2 einen vergrößerten schematischen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Photodetektors, wobei die Substratschichtoberfläche eben ausgebildet ist und wobei auf dieser

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pyramidenstumpfförmige Erhebungen der Deckschicht angeordnet sind, die in dem gezeigten Querschnitt ebenfalls trapez- bzw. V-förmige Schnittkanten aufweisen;

Fig. 3 eine vergrößerte Draufsicht des Photodetektors gemäß Fig. 1, mit in

einer regelmäßigen Matrix

angeordneten pyramidenstumpfförmigen Ausnehmungen in der Substratschicht;

Fig. 4 eine vergrößerte Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines

Photodetektors mit sich in Längsrichtung des Photodetekors erstreckenden
V-förmigen Ausnehmungen in der Substratschicht;

Fig. 5 eine vergrößerte Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines

Photodetektors mit sich in Querrichtung des Phototdetektors erstreckenen
V-förmigen Ausnehmungen in der Substratschicht;

Fig. 6 die Reflexionskurven von reinem Silizium und von einem mit

Siliziumdioxid überdeckten Silizium-Phototdetektor nach dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung;

Fig. 7 die Instrumentenprofile von als Photodiodenarrays gestalteten Silizium-Photodetektoren nach dem Stand der Technik und gemäß der

Erfindung.

Der in Fig. 1 gezeigte Fotodetektor 20 weist die Substratschicht 21 eines < 100 > orientierten Silizium-Wafers auf, dessen Substratoberfläche vollständig mit der Deckschicht 26 aus Siliziumoxid überdeckt ist. Diese weist die ebene Deckschichtoberfläche 27 auf. Die Substratschicht 21 ist mit den pyramidenstumpfförmigen Ausnehmungen 30, 31, 32 versehen, die in dem in Fig. gezeigten, senkrecht zur Deckschichtoberfläche 27 ausgebildeten Querschnitt

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23 trapez- bzw. V-förmige Schnittkanten aufweist. Die schrägen Schnittkanten bilden dabei die im wesentlichen gerade verlaufenden Flanken 33, 34, 35, 36, 37, 38 aus. Die Flanken 33, 34, 35, 36, 37, 38 der Ausnehmungen 30, 31, 32 entsprechenden den Schnittlinien der < 111 > orientierten Kristallebenen der < 100 > orientierten Silizium-Wafer-Substratschicht. Jede Flanke 33, 34, 35, 36, 37, 38 bildet mit der ebenen Deckschichtoberfläche 27 den Winkel 41 aus, der hier etwa 54,7° beträgt. Aufgrund der pyramidenförmigen Ausbildung der Ausnehmungen, 30, 31, 32 sind jeweils zwei der Flanken 33, 34; 35, 36; 37, 38 gegenüberliegend und in einem Winkel 43 zueinander angeordnet, der hier etwa 70,6° beträgt. Die

&iacgr;&ogr; Ausnehmungen 30, 31, 32 sind im Ausführungsbeispiel derart gestaltet bzw.

angeordnet, daß zwischen den sich gegenüberliegenden Flanken 33, 34; 35, 36; 37, 38 jeweils eine horizontal bzw. parallel zur Deckschichtoberfläche 27 verlaufende obere Stumpffläche 39 sowie eine untere Stumpffläche 46 ausgebildet sind. Die obere Stumpffläche 39 weist die Stegbreite 49 auf und die untere Stumpffläche 46 weist die Spitzenbreite 52 auf. Idealerweise sind die Stegbreite 49 und die Spitzenbreite 52 möglichst klein, d.h. gegen Null gehend ausgebildet, um eine lineare Dickenverteilung der Deckschichtdicke 28 zu erreichen, bei der entlang der Substratoberfläche 22 betrachtet jede Deckschichtdicke gleich häufig bzw. gleich verteilt vorkommt. Dadurch lassen sich im Hinblick auf die Unterdrückung bzw. Vermeidung von Interferenzen und Oszillationen der Reflexionswerte bzw. der Ausgangssignale des Photodetektors 20 die besten &ldquor;Mischergebnisse" erzielen. Dafür ist es theoretisch ausreichend, daß der Photodetektor 20 in einer einzigen Richtung, vorzugsweise über die gesamte Breite 61 (Fig. 3) oder Länge eine rampenförmig linear ansteigende bzw. abfallende Deckschichtdicke aufweist. Um eine möglichst hohe optische Empfindlichkeit, d.h. eine möglichst große Photonenausbeute zu erzielen und um nicht zu tief in das Substrat hineinarbeiten zu müssen, ist eine möglichst große Anzahl der Ausnehmungen 30, 31, 32 und ein möglichst steiler Winkel 41 bzw. 43 angestrebt.

Die als Pyramidenstumpf 40 ausgebildeten Ausnehmungen 30, 31, 32 weisen die Basisbreite 47 auf, die vorzugsweise 1 bis 5 Mikrometer beträgt.

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Die Deckschicht 26 weist eine maximale Deckschichtdicke 29 auf, die vorzugsweise etwa 2 Mikrometer beträgt. Wie aus Fig. 1 gut ersichtlich, ist die Deckschicht 26 in dem gezeigten Querschnitt 23 trapez- bzw. V-förmig ausgebildet und weist eine inhomogene Deckschichtdicke 25 auf. In den Bereichen oberhalb der oberen Stumpffläche 39 und der unteren Stumpffläche 46 weist die Deckschicht 26 die konstante Deckschichtdicke 24 bzw. 29 auf, die dem jeweils minimalen bzw. maximalen Wert der Deckschichtdicke entsprechen. Im Bereich der Flanken 33, 34, 35, 36, 37, 38 der Ausnehmungen 30, 31, 32 ist der konstanten Deckschichtdicke 24 ein linear ansteigender bzw. linear abfallender

&iacgr;&ogr; Anteil der Deckschichtdicke überlagert, wobei dieser einen maximalen, der

Deckschichtdicke 28 entsprechenden Wert erreicht. Die maximale Deckschichtdicke 29 ergibt sich aus der Summe der minimalen Deckschichtdicke 24 und der Deckschichtdicke 28.

Die der Deckschichtdicke 28 entsprechende Dickeninhomogenität der Deckschicht 26, die im Ausführungsbeispiel eine lineare Deckschichtdickenverteilung mit Werten zwischen Null und dem maximalen, der Deckschichtdicke 28 entsprechenden Wert aufweist, beträgt vorzugsweise mindestens 0,5 Mikrometer, insbesondere mindestens 1 Mikrometer und der Photodetektor 20 weist typischerweise eine Gesamthöhe bzw. Gesamtdicke 54 auf, die etwa 0,5 bis 2 mm beträgt.

Durch eine derartige Variation der absoluten Deckschichtdickenverteilung lassen sich in besonders günstiger Weise die Interferenzerscheinungen, d.h. die Oszillationen der Reflexionswerte bzw. die Oszillationen der Ausgangssignale des Photodetektors vermeiden.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Photodetektors 70. Im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird bei diesem eine inhomogene Deckschichtdicke 78 durch Vorsehen von Erhebungen 80, 81, 82 der Deckschicht 76 erreicht. Der Photodetektor 70 weist die Substratschicht 71 mit der ebenen Substratoberfläche 72 auf. Auf der Substratoberfläche 72 sind die als Pyramidenstumpf 90 gestalteten Erhebungen

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80, 81, 82 der Deckschicht 76 angeordnet. Die Erhebungen 80, 81, 82 sind in dem in Fig. 2 gezeigten, senkrecht zur Deckschichtoberfläche 77 ausgebildeten Querschnitt 96, mit den im wesentlichen geraden Flanken 83, 84, 85, 86, 87, 88 ausgebildet. Dabei sind jeweils zwei der Flanken 83, 84; 85, 86; 87, 88 gegenüberliegend und in einem Winkel zueinander angeordnet, der vorzugsweise kleiner als 90° ist. Im Unterschied zu dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird folglich in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante eine inhomogene Deckschichtdicke 78 der Deckschicht 76 alleine durch eine Variation der Deckschichtdicke 79 der Deckschicht 76 erreicht.

Es versteht sich, daß zur Erzielung der erfindungsgemäßen inhomogenen Deckschichtdicke auch die Gestaltungen gemäß den Fig. 1 und 2 kombinierbar sind. Dabei können die geometrische Struktur der Substratschicht einerseits und die der Deckschicht andererseits derart aufeinander abgestimmt gestaltet sein, daß eine inhomogene Deckschichtdicke der Deckschicht erzielt wird. Es versteht sich ferner, daß zu diesem Zwecke auch die Substratschicht 21 mit Erhebungen und/oder die Deckschicht mit Ausnehmungen versehen sein kann.

Die Fig. 3 zeigt den Photodetektor 20 gemäß Fig. 1 in einer Draufsicht, in der die regelmäßige, matrixartige Anordnung der als Pyramidenstümpfe 40 gestalteten Ausnehmungen 30, 31, 32 gut ersichtlich ist. Die Ausnehmungen 30, 31, 32 weisen jeweils die parallelen Breitenkanten 56 und die senkrecht dazu ausgebildeten parallelen Tiefenkanten 57 auf, wobei die Breitenkante 56 eine Basisbreite 47 aufweisen und die Tiefenkanten 57 eine Basistiefe 48. Die Breitenkanten 56 bzw. die Tiefenkanten 57 sind wie in Fig. 3 gezeigt vorzugsweise parallel zu den Querkanten 58 bzw. den Längskanten 59 des Photodetektors 20 ausgebildet, so daß die Breitenkanten 56 und die Tiefenkanten 57 entsprechend der Kristallorientierung in der Substratschicht des Silizium-Wafers stets parallel zu bestimmten Kristallebenen ausgebildet sind. Dadurch lassen sich eine besonders günstige Flächenausnutzung und eine maximale Anzahl von schrägen Flächen bzw. Flanken der Ausnehmungen 30, 31, 32 erreichen. Die Breite 61 des Photodetektors 20 beträgt vorzugsweise 25 Mikrometer bei Photodiodenarrays bis einige Millimeter bei Photodioden. Der in Fig. 3 mit der Schnittlinie 1-1 bezeichnete

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Querschnitt 23 des Photodetektors und auch der in Fig. 3 mit der Schnittlinie 10&Igr;&Ogr; bezeichnete, als Längsschnitt ausgebildete Querschnitt entsprechen dem in Fig. 1 gezeigten Querschnitt 23.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Photodetektors 120 gezeigt.

Dieser weist sich in Längsrichtung bzw. parallel zu den Längskanten 159 des Photodetektors 120 erstreckende trapez- bzw. V-förmige Ausnehmungen 130, 131, 132 auf, die jeweils parallel zueinander angeordnet sind. Die querschnittliche Anordnung und Gestaltung der Ausnehmungen 130, 131, 132 wie sich sich in dem

&iacgr;&ogr; durch den Schnitt 11-11 in Fig. 4 angedeuteten Querschnitt ergibt, entspricht den

in Fig. 1 gezeigten Verhältnissen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Photodetektors 220 ist in Fig. 5 gezeigt. Dieser ist ähnlich wie der Photodetektor 120 mit den im Querschnitt trapez- bzw. V.-förmigen Ausnehmungen 230, 231, 232 ausgebildet. Im Gegensatz dazu sind die Ausnehmungen 230, 231, 232 des Photodetektors 220 quer zur Längsachse des Photodetektors 220 ausgebildet, so daß die Breitenkanten 256 der Ausnehmungen 230, 231, 232 parallel zu der Querkante 258 des Photodetektors 220 verlaufen bzw. die Tiefenkanten 257 der Ausnehmungen 230, 232, 232 parallel zu der Längskante 259 des Photodetektors 220 verlaufen. Der sich

entlang der Schnittlinien 12-12 in

Fig. 5 ergebende Querschnitt des Photodetektors 220 entspricht dem in Fig. 1 gezeigten Querschnitt.

In Fig. 6 sind die Reflexionskurven, d.h. die als Funktion der Wellenlänge aufgetragene Reflexionsstärke von reinem Silizium und von einem mit Siliziumdioxid überdeckten Silizium-Photodetektor nach dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung gezeigt. Im Vergleich zu der mit reinem Silizium ermittelten Reflexionskurve 64 weist die Reflexionskurve 65 eines Photodetektors mit einer gemäß dem Stand der Technik ausgebildeten Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von 0,5 Mikrometer starke Oszillationen der Reflexionsstärke 62 auf. Wie ebenfalls gut aus Fig. 6 ersichtlich, nimmt die Anzahl der Oszillationen mit abnehmender Wellenlänge zu. Demgegenüber läßt sich mit dem

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erfindungsgemäß ausgebildeten Photodetektor mit einer inhomogenen Deckschichtdicke ein gegenüber der Reflexionskurve 64 von reinem Silizium nahezu identischer Kurvenverlauf der Reflexionskurve 66 erzielen, ohne daß irgendwelche störenden Interferenzen bzw. Oszillationen der Reflexionsstärke 62 auftreten. Bedingt durch die Ausbildung der eine Mehrfachreflexion ermöglichenden schrägen Flanken der Ausnehmungen 30, 31, 32 und durch die "Mischung" der

Reflexionswerte lassen sich deutlich kleinere Reflexionswerte erzielen.

In Fig. 7 sind verschiedene Instrumentenprofile abhängig von der Geometrie und Dicke der Siliziumdioxiddeckschichten gezeigt, wobei das Instrumentenausgangssignal 67 über der Wellenlänge 68 aufgetragen ist. Am Beispiel des Instrumentenprofils 91 eines mit einer 0,5 Mikrometer dicken Deckschicht aus Siliziumdioxid bedeckten Silizium-Photodioden-arrays nach dem Stand der Technik lassen sich deutlich die Oszillationen des Instrumentenausgangssignals 67 erkennen. Die steilen Flanken innerhalb der Oszillationsbereiche führen zu einer insbesondere im UV-Bereich großen Empfindlichkeit des Photodetektors gegen spektrale Verschiebungen. In Fig. 7 ebenfalls aufgetragen sind die Instrumentenprofile 92, 93 und 94 von mit 0,08 Mikrometer, 0,1 Mikrometer bzw. 0,12 Mikrometer dicken Deckschichten aus Siliziumdioxid bedeckten Silizium-Photodiodenarrays. Daraus geht hervor, daß bereits bei einem sehr geringen Dickenunterschied von hier nur 0,02 Mikrometer eine deutliche spektrale Verschiebung der jeweils erzielbaren Instrumentenprofile und auch jeweils deutlich unterschiedlich große Pegel der Instrumentenausgangssignale 67 auftreten. Mit Silizium-Wafern, die mit einer derart dünnen homogenen Oxidschichtdicke bedeckt sind, lassen sich zwar ebenfalls interferenzarme bzw. interferenzfreie Instrumentenprofile 67 erreichen, jedoch ist der hierzu erforderliche fertigungstechnische Aufwand nicht unerheblich. Ferner können sich im Rahmen wirtschaftlich vertretbarer Fertigungstoleranzen die vorstehend beschriebenen spektralen Verschiebungen und Variationen der Pegel der Instrumentenausgangssignale einstellen. Diese können außerdem von Instrument zu Instrument variieren und erfordern folglich dementsprechende Anpassungen der Auswerteelektronik jedes einzelnen Geräts. Schließlich lassen

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sich mit den nach dem Stand der Technik ausgebildeten Deckschichten nur eine relativ begrenzte Photonenausbeute in Verbindung mit einer dementsprechend begrenzten optischen Empfindlichkeit der Photodetektoren erreichen.

Im Gegensatz hierzu läßt sich mit einem erfindungsgemäß als Photodiodenarraydetektor eines Spektrophotometers ausgebildeten Photodetektor das in Fig. 7 gezeigte Instrumentenprofil 95 erzielen. Es treten keine unerwünschten Interferenzerscheinungen bzw. Oszillationen der Instrumentenausgangssignale 67 auf. Ferner lassen sich im Vergleich zum Stand

&iacgr;&ogr; der Technik insgesamt und insbesondere im UV-Bereich deutlich höhere Werte

der Instrumentenausgangssignale 67 erzielen, was eine dementsprechend höhere optische Empfindlichkeit des Photodetektors bedeutet.

Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Deckschichtausbildung nicht nur in bzw. mit Deckschichten aus Siliziumdioxid möglich ist, sondern daß die Deckschicht auch aus einem anderen Material, beispielsweise aus Siliziumnitrid bestehen kann und/oder daß mehrere Deckschichten mit unterschiedlichen stofflichen bzw. werkstofflichen Zusammensetzungen vorgesehen sein können.

Nachfolgend werden am Beispiel der Herstellung von Photodetektoren mit wenigstens einer Ausnehmung (30, 31, 32) in der Substratschicht (21) weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben:

Gemäß einem ersten bevorzugten Herstellungsverfahren wird die Substratschicht eines Silizium-Wafers vor der Durchführung von halbleiterbildenden Verfahrensschritten, wie bestimmten Dotierungen oder dergleichen, mit der wenigstens einen Ausnehmung versehen (&ldquor;Pre-Processing"). Dabei läßt es sich in vorteilhafter Weise ausnutzen, daß die Substratoberfläche 22 der Silizium-Wafer hocheben ausgebildet ist. Wenn in diese hocheben ausgebildete Substratoberfläche 22 der Substratschicht 21 wie nachfolgend beschrieben, in ihrer geometrischen Anordnung und ihren geometrischen Abmaßen präzise ausbildbare Ausnehmungen 30, 31, 32 eingebracht werden, läßt sich eine insgesamt besonders genaue und präzise Deckschichtdickenverteilung der

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Siliziumdioxid-Deckschicht erreichen. Dadurch lassen sich besonders günstige Verhältnisse im Hinblick auf die Vermeidung von Interferenzerscheinungen bzw. Oszillationen der Reflexionsstärke und folglich der Ausgangssignale der Photodetektoren sowie eine besonders große optische Empfindlichkeit erzielen.

In dem als &ldquor;Pre-Processing" bezeichneten Herstellungsverfahren wird zunächst auf dem Silizium-Wafer in herkömmlicher Weise eine Schicht aus Siliziumdioxid aufgebracht. Auf dieser wird eine weitere Schicht appliziert, die aus Siliziumnitrid besteht. Auf der Siliziumnitrid-Schicht wird schließlich eine auch als Photoresist

&iacgr;&ogr; bezeichnete photoempfindliche Schicht aufgebracht. Diese wird nachfolgend unter

Zuhilfenahme einer Maske belichtet, deren Öffnungen entsprechend der Umfangsgeometrie der zu schaffenden Ausnehmungen gestaltet sind. Anschließend werden im Falle eines "positiven" Photoresist die belichteten Flächenbereiche und im Falle eines "negativen" Photoresist die nicht belichteten Flächenbereiche mit Hilfe geeigneter üblicher Ätzverfahren entfernt. Anschließend bzw. parallel werden die darunter liegenden Schichten aus Siliziumnitrid und Siliziumdioxid in den der Umfangsgeometrie der Maskenöffnungen entsprechenden Bereichen entfernt. Schließlich wird mit Hilfe eines anisotropen Ätzverfahrens die Substratschicht mit wenigstens einer Ausnehmung versehen.

Dabei werden aufgrund der Kristallstruktur der verwendeten < 100 > orientierten Silizium-Wafer die < 100 > orientierten Ebenen weggeätzt, während die in einem Winkel von etwa 54,7° zur Wafer-Oberfläche angeordneten < 111 > Kristallebenen durch das Ätzmittel im wesentlichen nicht angegriffen werden. Dadurch lassen sich in besonders günstiger Weise und hochgenau die mit den Pyramidenstümpfen 40 ausgebildeten Ausnehmungen 30, 31, 32 herstellen.

Nachdem die pyramidenförmigen Ausnehmungen 30, 31, 32 hergestellt sind, werden die aus Siliziumdioxid und Siliziumnitrid bestehenden Ätzmasken entfernt. Anschließend werden die Ausnehmungen 30, 31, 32 in besonders günstiger und vorteilhafter Weise mit Hilfe eines Glas-Spin-Verfahrens mit dem Siliziumdioxid enthaltenden flüssigen bzw. hochviskosen Deckschichtmaterial vorzugsweise derart aufgefüllt, daß die Ausnehmungen 30, 31, 32 vollständig mit der Deckschicht 26 aus Siliziumdioxid ausgefüllt sind und die Substratoberfläche 22 vollständig unter Ausbildung der im wesentlichen ebenen Deckschichtoberfläche

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27 überdeckt wird. Anschließend kann der Photodetektor 20 unter Anwendung üblicher CMOS-Verfahren, beispielsweise einer Dotierung durch Implantation von Ionen, also üblichen halbleiterbildenden Verfahrensschritten komplettiert werden.

Gemäß einem alternativen, als &ldquor;Post-Processing" bezeichneten Herstellungsverfahren, erfolgt zunächst die Herstellung des Photodetektorchips in einer üblichen CMOS-Technologie. Anschließend wird die aus Siliziumdioxid und Siliziumnitrid bestehende Passivierungsschicht im Diodenbereich entfernt. Nachfolgend wird die Umfangsgeometrie der Ausnehmungen 30, 31, 32 mit Hilfe bekannter photolithographischer Verfahren definiert. Nachfolgend werden die als Pyramidenstümpfe 40 gestalteten Ausnehmungen 30, 31, 32 mit Hilfe eines anisotropen Ätzverfahrens hergestellt und nachfolgend, wie vorstehend beschrieben, mit Siliziumdioxid unter Ausbildung der Deckschicht 26 auf- bzw. ausgefüllt.

.1.7*.

Claims

1. Photodetektor zur Detektion elektromagnetischer Wellen, insbesondere im UV-Bereich, der mit wenigstens einer eine Substratoberfläche aufweisenden, zum Beispiel aus Silizium bestehenden Substratschicht und wenigstens einer die Substratoberfläche zumindest teilweise bedeckenden, die elektromagnetischen Wellen hindurchtretenlassenden Deckschicht mit einer Deckschichtoberfläche ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (26, 76) in einem die Substratschicht (21, 71) schneidenden Querschnitt (23, 96) im wesentlichen sägezahn-, trapez- und/oder V-förmig ausgebildet ist und eine inhomogene Deckschichtdicke (25, 78) aufweist.

2. Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratschicht (21, 71) mit wenigstens einer Ausnehmung (30, 31, 32; 130, 131, 132; 230, 231, 232) und/oder die Deckschicht (76) mit wenigstens einer Erhebung (80, 81, 82) ausgebildet sind.

3. Photodetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (30, 31, 32) und/oder die Erhebung (80, 81, 82) pyramidenförmig gestaltet sind.

4. Photodetektor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (30, 31, 32; 130, 131, 132; 230, 231, 232) und/oder die Erhebung (80, 81, 82) wenigstens eine querschnittlich im wesentlichen gerade Flanke (33, 34, 35, 36, 37, 38; 83, 84, 85, 86, 87, 88) aufweisen.

5. Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratschicht (21) mit wenigstens einer zumindest eine querschnittlich im wesentlichen gerade Flanke (33, 34, 35, 36, 37, 38) enthaltenden Ausnehmung (30, 31, 32) und die Deckschichtoberfläche (27) im wesentlichen eben ausgebildet sind.

6. Photodetektor nach einem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanke (33, 34, 35, 36, 37, 38) mit der Deckschichtoberfläche (27) einen Winkel (41) von größer als 45 Grad, vorzugsweise von größer oder gleich 54,7 Grad ausbildet.

7. Photodetektor nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Flanken (33, 34; 35, 36; 37, 38) gegenüberliegend und in einem Winkel (43) zueinander angeordnet sind, der vorzugsweise kleiner als 90 Grad, insbesondere kleiner oder gleich 70,6 Grad beträgt.

8. Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichtdicke (25, 78) eine Dickeninhomogenität von mindestens 0,5 Mikrometer aufweist.

9. Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichtdicke (25, 78) eine Dickeninhomogenität von mindestens 1 Mikrometer aufweist.

10. Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratschicht (21) vorzugsweise mittels eines anisotropen Äzverfahrens mit wenigstens einer Ausnehmung (30, 31, 32) versehen ist, die anschließend mit der Deckschicht (26) aufgefüllt ist.

11. Photodetektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Ausnehmung (30, 31, 32) mit der Deckschicht (26) ausgefüllt und die Substratoberfläche (22) vollständig unter Ausbildung einer im wesentlichen ebenen Deckschichtoberfläche (27) überdeckt ist.

12. Photodetektor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (26) als flüssiger bzw. hochviskoser Stoff, vorzugsweise mittels eines Glas-Spin-Verfahrens auf die Substratschicht (21) aufgebracht ist.

13. Photodetektor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratoberfläche (22) vor dem Vorsehen der wenigstens einen Ausnehmung (30, 31, 32) im wesentlichen eben ausgebildet ist und vorzugsweise vor der Durchführung von halbleiterbildenden Verfahrensschritten mit der wenigstens einen Ausnehmung (30, 31, 32) versehen ist.

14. Spektrometer zur Analyse der spektralen Zusammensetzung von elektromagnetischen Wellen, die durch eine zu analysierende Probe verändert und/oder von einer zu analysierenden Probe emittiert werden, mit einem Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 13.

15. Photodiodenarray-Detektor zur Analyse der spektralen Zusammensetzung von elektromagnetischen Wellen, die durch eine zu analysierende Probe verändert und/oder von einer zu analysierenden Probe emittiert werden, wobei vorzugsweise die Probe durch eine Probenzelle fließt, mit einer Mehrzahl von Photodetektoren nach einem der Ansprüche 1 bis 13.