WO1997029517A2 - U/v radiation detector - Google Patents

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WO1997029517A2
WO1997029517A2 PCT/CH1997/000025 CH9700025W WO9729517A2 WO 1997029517 A2 WO1997029517 A2 WO 1997029517A2 CH 9700025 W CH9700025 W CH 9700025W WO 9729517 A2 WO9729517 A2 WO 9729517A2
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WO
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photodiode
layer
semiconductor layer
conductivity type
photolithography
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Application number
PCT/CH1997/000025
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German (de)
French (fr)
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WO1997029517A3 (en
Inventor
Daniel Bolliger
Piero Malcovati
Pasqualina Sarro
Original Assignee
Laboratorium Für Physikalische Elektronik
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components 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
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/1443Devices controlled by radiation with at least one potential jump or surface barrier
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0216Coatings
    • H01L31/02161Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02162Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors

Definitions

  • the invention relates to a radiation detector which is particularly suitable for the detection of ultraviolet (UV) radiation, and a method for producing the same, according to the preambles of the independent claims.
  • UV ultraviolet
  • Ultraviolet-sensitive radiation detectors made from semiconductor materials, in particular from silicon, are known. They are used, for example, in flame monitoring in combustion plants. Common to all is the pursuit of high spectral selectivity, i. H. after a high sensitivity at those UV wavelengths for which the emission of a burner flame is high, and after a low sensitivity at the other wavelengths. If this requirement is met, only the burner flame is actually monitored and extraneous light in the combustion chamber does not cause false signals.
  • EP-296 371 tries to achieve a high photodiode sensitivity in the wavelength range between 200 nm and 400 nm by limiting the depth of the effective sensor volume. It is known (cf. S. Sze, "Physics of Semiconductor Devices", Wiley, New York, 1981) that the majority of UV radiation penetrating into silicon is absorbed in silicon after a penetration depth of 10 nm. In contrast, the penetration depth of longer-wave light (in the visible and infrared spectral range) is orders of magnitude greater, so that it is practically not absorbed in the thin sensor volume near the surface and does not contribute to the output signal. The depth of the effective sensor volume is limited by means of an additional potential threshold built into the silicon in a special manufacturing step. Additional optical absorption and interference filters as well as lenses in front of the photodiode can further improve the spectral sensitivity and selectivity.
  • the photocurrents of the UV radiation detector disclosed in EP-296 371 are very small, typically 1 pA to 1 nA. This makes the UV radiation detector sensitive to external electromagnetic interference. It is therefore necessary to install a signal amplifier very close to the photodiode. This can be achieved with many discrete components, for example in the patent specification CH-680 390. However, this increases the assembly effort and the arrangement is complex; in addition, with such a detector, the electrical connection paths between the individual components are long and therefore prone to failure.
  • EP-579 045 the photodiode and the evaluation electronics are integrated on the same chip. Such an integration brings with it the problem that the UV photodiode with a limited depth of the active sensor volume requires a special manufacturing process which is incompatible with processes used in the manufacture of integrated circuits (IC). For this reason, bipolar transistors and resistors must be developed and used for the evaluation electronics.
  • EP 579 045 solves this problem by coupling doping values and layer thicknesses of the photodiode and the transistors to one another, ie using the same doped semiconductor layers for the photodiode and transistors at the same time.
  • EP-579 045 also has the disadvantage that it uses special electronic elements such as special bipolar transistors or high-impedance resistors which cannot be produced using standard processes.
  • the maximum sensitivity is at a wavelength of 310 nm. This is a serious disadvantage when used in flame monitoring. With a conventional arrangement of a flame detector in a fire system, it cannot be ruled out that extraneous light will fall into the combustion chamber. Sunlight in particular can have a greater intensity at 310 nm than the burner flame; Even light from fluorescent tubes can cover the flame signal at 310 nm. Thus, the above-mentioned UV radiation sensors would have to be operated in complete darkness and could only be used with great uncertainty in industrial burners into which stray light penetrates.
  • EP-579 045 also has the disadvantage that unfiltered scattered light can fall onto the UV photodiode and the transistors without hindrance. In this way, parasitic currents are generated in the photodiode and in the transistors, which are still powerful be reinforced. External light in the combustion chamber leads to a large error signal.
  • EP-579 045 Another disadvantage of EP-579 045 is the very long response time of up to 2.5 s of the electrical evaluation circuit. This makes the UV radiation detector disclosed therein unsuitable for flame monitoring in firing systems, since the risk that a flame failure will not be registered quickly enough and fuel will continue to be fed into the hot combustion chamber unburned for seconds poses a great security risk represents.
  • the photodiode and the evaluation electronics should be integrated on one chip; however, the semiconductor layers, which are used on the one hand for the photodiode and on the other hand for the transistors, should be able to be produced in a decoupled manner, so that a separate optimization of the UV sensor and the transistors is achieved without mutual impairment.
  • the maximum sensitivity of the UV radiation detector should be at a wavelength below 250 nm, so that it is insensitive when used as a flame monitor on scattered radiation from the sun and artificial light sources.
  • the sensitive spectral band should be adjustable in the manufacturing process.
  • a bipolar standard process is used, as is customary in the manufacture of ICs.
  • the evaluation electronics are produced with such a standard process.
  • the photodiode is produced in a few additional additional steps that are shifted between the standard process steps.
  • the manufacture of the photodiode is consequently decoupled from that of the evaluation electronics. Both components can therefore be optimized independently of one another in such a way that each individual component exhibits ideal behavior.
  • the manufacturing method according to the invention is divided into method steps such that structures produced in previous method steps are not significantly impaired by the process variants and / or process temperatures used in one method step.
  • the additional steps inserted into the standard process are the following: use of a thin TEOS oxide with a very low thermal budget, which is compatible with the bipolar transistors previously produced in standard process steps; Implantations of the photodiode layers; Contacting method for a thin PN junction with implanted polysilicon; two step etching process for the Opening the contact window; Adaptation of standard bipolar transistors; brief annealing of the photodiode layers without changing the properties of the bipolar transistors.
  • Basing on a standard process has great advantages.
  • the evaluation electronics circuit uses a feedback-controlled differential amplifier with load current at both inputs and adjustable step response time.
  • a constant input current is added to the photocurrent in an input stage;
  • the total current and the constant input current are amplified by an essentially identical amplification factor and converted into voltages, the difference of which serves as the output voltage. Only standard elements are used for the evaluation electronics.
  • UV radiation detector can be efficiently shielded from stray light by applying a second metallization to its surface with the exception of the active sensor surface.
  • Interference filters directly on the active sensor surface and / or absorption filters in front of the photodiode additionally improve the spectral selectivity.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a photodiode according to the invention
  • FIG. 3 shows schematic electronic band structures in the photodiode according to FIG. 1,
  • FIG. 6 shows a schematic cross section through a contact window produced using a two-stage etching process according to the invention
  • FIG. 8 shows an electrical circuit diagram of a differential amplifier of an amplifier according to the invention.
  • FIGS. 1, 4 and 5 show an electrical circuit diagram of a feedback-controlled differential amplifier according to the invention.
  • individual elements of FIGS. 1, 4 and 5 are not drawn to scale in the vertical direction.
  • the same vertical and horizontal scales are not used in FIGS. 1, 4, 5 and 6.
  • a photodiode and an evaluation circuit are integrated in a single integrated circuit on the same chip.
  • schematic cross sections through exemplary embodiments of photodiode and transistors are shown separately in FIGS. 1 and 4 and 5.
  • the integrated circuit is located on a surface of a generally doped semiconductor substrate and essentially consists of semiconductor layers which differ in their position, geometry and doping with different charge carriers of different concentrations.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through an embodiment of a photodiode 1 according to the invention.
  • a UV radiation detector according to the invention can be used with one or even with several such photodiodes be equipped.
  • a semiconductor substrate 2 is preferably doped so that it belongs to the first conductivity type P;
  • the semiconductor substrate 2 is one having an impurity concentration of 10 14 -10 17 cm -3, preferably 5 "10 1S cm" 3, doped monocrystalline, preferably ⁇ 100> oriented, silicon wafer.
  • a first, structured semiconductor layer 4 of the second conductivity type N + a so-called buried layer 2, on the semiconductor substrate 2.
  • the entire surface 3 of the semiconductor substrate 2 is covered with a second semiconductor layer 5 of the second conductivity type N, preferably one 3.5 ⁇ m thick epitaxial layer made of monocrystalline silicon doped with a concentration of IO 16 cm "3 .
  • Connection regions 6 of the second conductivity type N + connect the buried layer 4 to the surface 7 of the epitaxial layer 5.
  • the photodiode 1 essentially consists of a sequence of differently doped structured semiconductor layers in the epitaxial layer 5.
  • a first photodiode semiconductor layer 9 of the first conductivity type P lies at a depth of approximately 800 to approximately 350 nm below the surface 7 of the Epitaxial layer 5.
  • a second photodiode semiconductor layer 10 of the second conductivity type N + adjoins it and ranges from approximately 350 nm to approximately 100 nm.
  • a third photodiode semiconductor layer 11 of the first conductivity type P + lies directly below the surface 7 of the epitaxial layer 5 and is approximately 100 nm thick.
  • the three photodiode semiconductor layers 9-11 are interleaved: at their edge, the first photodiode semiconductor layer 9 extends to the surface 7 of the epitaxial layer 5, so that the second photodiode semiconductor layer 10 on the surface 7 in the first photodiode half - layer 9 is arranged;
  • the first and second photodiode semiconductor layers 9 and 10 have connection regions 12 and 13 of the first conductivity type P + and the second semiconductor type N, respectively Mistake.
  • first, structured oxide layer 14 On the surface 7 of the epitaxial layer 5 there is a first, structured oxide layer 14 outside the photodiode 1 and in the area of the photodiode 1 a second, structured oxide layer 15, which are interrupted in particular in the connection regions 12, 13, so that contact windows are formed .
  • a first, structured metal layer 16 on the first and second oxide layers 14 and 15 forms a conductor system with corresponding contacts in the connection regions 12, 13; it is preferably 600 nm thick and preferably consists of aluminum with approximately 1% silicon.
  • a third, structured oxide layer 17 separates the first metal layer 16 from a second, structured metal layer 18.
  • the second metal layer 18 is preferably 600 nm thick and preferably consists of aluminum with approximately 1% silicon.
  • a 150-400 nm thick, preferably 200 nm thick polycrystalline silicon layer 19 of the first conductivity type P + essentially forms the connection region 20 of the third photodiode semiconductor layer 11. It prevents 16 metal tips from being deposited by the extraordinarily thin third layer when the first metal layer 16 is applied Photodiode semiconductor layer 11 penetrate (“spiking") and form undesirable short-circuits of the PN junction between the third and second photodiode semiconductor layers 10 and 11. There are no metal layers above the actual photodiode 1, so that there an entry window 21 (only partially shown in FIG. 1) enables the access of electromagnetic radiation 22 to be detected to the photodiode 1.
  • the entrance window 21 can be provided with an interference filter 23 which only allows a desired part of the electromagnetic spectrum, for example UV radiation with wavelengths between 200 nm and 250 nm, to pass.
  • an interference filter 23 which only allows a desired part of the electromagnetic spectrum, for example UV radiation with wavelengths between 200 nm and 250 nm, to pass.
  • Methods for calculating such interference filters 23 are known per se (cf. B. Baltes, D. Bradley, "Interference filters for the far ultraviolet (1700 ⁇ to 2400 ⁇ )", Appl. Opt. 5, 971-975 (1966)) .
  • the transmission of the interference filter 23 can be matched to the desired spectral band, ie the wavelength at which the UV radiation detector has its maximum sensitivity can be set during manufacture.
  • an interference filter 23 for the wavelength of 310 nm can consist of a sequence of the following layers listed in the direction of incidence of the light: 37.5-42.5 nm, preferably 40.0 nm, SiO 2 ; 12.5-17.5 nm, preferably 15 nm, Al; 70-76 nm, preferably 72.5 nm, SiO ,; 17-23 nm, preferably 19.8 nm, Al; 68-98 nm, preferably 83 nm, Si0 2 .
  • This coating of the entry window 21 also serves to protect the photodiode 1 from external influences.
  • An additional, suitably chosen absorption filter 24, which is attached in front of the entrance window 21, can additionally increase the spectral selectivity of the UV radiation detector.
  • FIG. 2 shows schematically doping concentrations C (logarithmically plotted) in the photodiode 1 along the line II-II shown in broken lines in FIG. 1, as a function of the depth d.
  • line 25 means the concentration of charge carriers of the first conductivity type P
  • line 26 the concentration of charge carriers of the second conductivity type N
  • the line 27 the concentration of charge carriers of the first conductivity type P + .
  • the individual regions 5, 9, 10, 11 and 19 correspond to the first, second and third photodiode semiconductor layers or the polycrystalline silicon layer.
  • FIG. 3 schematically shows the electronic band structures in the photodiode along the line II-II shown in dash-dot lines in FIG. 1, ie electrical potentials E as a function of the depth d.
  • the line E v corresponds to the valence band, the line E c to the conduction band; E F represents the Fermi level.
  • a potential barrier 28 in the region of the second photodiode semiconductor layer 10 is clearly recognizable.
  • Electromagnetic radiation 22 incident through the entrance window 21 is absorbed in the semiconductor materials and generates charge carriers. If the corresponding semiconductor material belongs to the first conductivity type P, the majority carriers are holes and the minority carriers are electrons, and vice versa.
  • a course of the band structures, as shown in FIG. 3, is a direct consequence of the doping profiles shown in FIG. 2 and has the following two advantages.
  • the band structure contributes to the spectral selectivity of the photodiode.
  • selectivity is achieved by the potential barrier 28 for holes and electrons caused by the second and third photodiode semiconductor layer, which limits the depth of the active sensor volume.
  • This limitation means that practically only UV radiation with its small penetration depth (typically 10 nm or less in silicon) contributes to the photodiode output signal, but longer-wave electromagnetic radiation with greater penetration depths does not.
  • Charge carriers that are generated beyond the potential barrier 28 can This is because they do not cross barrier 28 and therefore do not contribute to the photodiode output signal.
  • the charge carriers are locally separated from one another by the band structure shown in FIG. 3 before they can recombine.
  • the greatest doping concentration is in the second oxide layer 15 above the photodiode 1; the holes drift toward the boundary between the third photodiode semiconductor layer 11 and the second oxide layer 15 because of the internal electric field, while the electrons move in the opposite direction.
  • the doping concentrations and the band structures in the region of the entry window 21 are qualitatively similar to those in FIGS. 2 and 3.
  • FIGS. 4 and 5 show bipolar transistors which are known per se and can be produced using the method according to the invention on the same semiconductor substrate 2. They have the buried layer 4 already described on the occasion of FIG. 1 with a connection region 6, the epitaxial layer 5 and an insulation ring 8. Analogously to the photodiode 1 in FIG. 1, the bipolar transistors are covered with a first oxide layer 14 with contact windows, a first metal layer 16, a third oxide layer 17 and a second metal layer 18.
  • FIG. 5 shows a vertical bipolar transistor 29, for example of the NPN
  • the epitaxial layer 5 acts as a collector, the buried layer 4 reducing the collector resistance.
  • the base is covered by an approximately 200 nm thick, structured transistor semiconductor layer 30 of the first guide.
  • Ability type P formed with a connection region 31.
  • the emitter is formed by a second, structured transistor semiconductor layer 32 of the second semiconductor type N.
  • FIG. 6 shows a lateral bipolar transistor 33, for example of the PNP type.
  • collector 34 and emitter 35 are formed analogously to the base connection region 31 of the vertical bipolar transistor from FIG. 5.
  • the epitaxial layer 5 acts as a base.
  • a semiconductor substrate 2 with a surface 3 is assumed.
  • a doped semiconductor substrate 2 is selected which belongs to the first conductivity type P, for example one with a foreign atom concentration of 10 14 -10 17 cm “3 , preferably 5" 10 15 cm “3 , doped with boron or phosphorus, Preferably ⁇ 100> -oriented silicon wafer with a polished surface 3.
  • the method according to the invention essentially consists of the following process steps carried out in succession: a) pretreatment of one surface 3 of the semiconductor substrate 2, b) production of bipolar transistors 29, 33 and parts of at least one photodiode 1 over this surface 3 of the semiconductor substrate 2, c) production of at least one photodiode 1 by successively implanting different ions with energies determining the depth of the implantation by means of appropriately structured photoresist layers and d) producing contact windows for contacting transistors 29, 33 and photodiode 1 and manufacture of a conductor system.
  • the pretreatment of the surface 3 of the semiconductor substrate 2 comprises the production of the buried layer 4 and the epitaxial layer 5, the production of the insulation rings 8 and the connections 6 and the deposition of the first oxide layer 14; it is known per se. There are some process steps with high temperatures, typically over 1000 ° C.
  • the buried layer 4 is a first semiconductor layer of the second conductivity type N +, structured by means of photolithography, and is preferably produced by means of ion implantation, for example of antimony ions, and then annealed at approximately 1200 ° C.
  • the second semiconductor layer 5 of the second conductivity type N is preferably deposited by means of epitaxy and is, for example, an arsenic-doped single-crystalline silicon layer with an arsenic concentration of approximately IO 16 cm "3.
  • the insulation rings 8 of the first conductivity type P + and the connections 6 of the second Conductivity type N + are defined by means of photolithography and produced by implantation and diffusion of foreign atoms.
  • the first oxide layer 14 is preferably deposited thermally at a temperature of approximately 1000 ° C., so that it has a thickness of approximately 330 nm.
  • the base connection regions 31 are preferably first produced, then the bases 30 themselves and then the emitters 32. Simultaneously with the corresponding transistor elements, connection regions 12, 13 of the photo diode are produced in the method according to the invention.
  • the base connection regions 31 and the photodiode connection regions 12 of the first semiconductor type P + are preferably made by implanting boron ions using a correspondingly structured photoresist layer made.
  • the bases 30 of the first conductivity type P are preferably produced by implanting boron ions through a correspondingly structured photoresist layer.
  • a previously structured oxide mask which can be formed by the suitably structured first oxide layer 14, is preferably required; arsenic ions are preferably implanted through these.
  • the dopants are activated and tempered in a chemically inert environment, preferably for 10-90 minutes at 900-1250 ° C. in an argon environment.
  • collectors 34 and emitters 35 of the first conductivity type P + are produced analogously to the manufacture of the base connection regions 31 in the vertical bipolar transistors 29.
  • the active photodiode region is first defined by producing a window in the first oxide layer 14 by means of photolithography and etching. Then a second oxide layer 15 applied as an implant oxide. This is preferably done by deposition of a 10-40 nm thick tetraethyl orthosilicate (TEOS) oxide layer using the gravure chemical vapor depositon process, for example at 700 ° C. for 4 minutes.
  • TEOS oxide layer 15 has the advantage that it can be manufactured with a low thermal budget.
  • the three photodiode semiconductor layers 9-11 of the photodiode 1 are preferably produced in succession from the first, deepest, to the third photodiode semiconductor layer lying directly below the surface of the epitaxial layer 5.
  • the implantation energies determine the depth, the implanted ions the conductivity type and the surface density the concentration of the layers 9-11.
  • ions of the first conductivity type for example boron ions with a surface density of 10 12 -10 14 cm "2 , preferably 3-10 13 cm " 2 , and an energy of 120-300 keV are used. preferably 170 keV implanted.
  • ions of the second conductivity type are used, for example phosphorus ions with a surface density of 10 12 -5 "10 14 cm “ 2 , preferably 3 "10 13 cm “ 2 , and with an energy of 90-250 keV , preferably 170 keV, implanted.
  • ions of the first conductivity type for example boron ions with a surface density of 5 "10 13 -5" 10 15 cm “2 , preferably 1.5" IO 14 cm '2 , and with an energy of 4- 12 keV, preferably 8 keV, implanted.
  • contact windows are produced at the contact points provided. This is done by means of photolithography and etching of the oxide layers 14, 15 present in each case at the contact points provided.
  • electrical contacting of the third photodiode semiconductor layer 11 is prepared.
  • the second oxide layer 15 is removed from the provided contact points by means of photolithography and etching.
  • a 150-400 nm thick, preferably 200 nm thick, polycrystalline silicon layer 19 is deposited by means of gravure chemical vapor deposition methods over the photo diode 1 or also over the entire surface of the processed semiconductor substrate.
  • Ions of the first conductivity type P + are implanted at the intended contact points through a photoresist layer, for example boron ions with a surface density of 10 14 -5 "10 15 cm “ 2 , preferably IO 15 cm “2 , and with an energy of 20-50 keV, preferably 25 keV.
  • the resulting high doping concentration at the transition from the polycrystalline silicon layer 19 to the monocrystalline semiconductor permits low-resistance contact to the third photodiode semiconductor layer 11, which is only about 100 nm thick, without impairing its doping profile at the transition to the second photodiode semiconductor layer 10. Thereafter, if necessary, the polycrystalline silicon layer 19 is removed by means of photolithography and etching outside the photo diode 1.
  • the thermal budget of which is such that the existing doping profiles do not diffuse out.
  • a first annealing step the processed semiconductor substrate is annealed for 10-200 minutes, preferably 20 minutes, at 550-750 ° C., preferably 600 ° C., in a chemically inert environment, preferably an Ar environment.
  • a second annealing step the processed semiconductor substrate is annealed for 3-20 s, preferably for about 5 s, at 900-1200 ° C, preferably at 970 ° C, in a chemically inert environment, preferably in an N 2 environment .
  • the polycrystalline silicon layer 19 acts as a diffusion barrier and effectively prevents bring the first metal layer 16 metal tips through the extraordinarily thin third photodiode semiconductor layer 11 ("spiking") and undesired short-circuits of the PN junction between the third photodiode semiconductor layer 11 and the second photodiode semiconductor layer 10 form.
  • the doping ratios allow low-resistance contacting of the third photodiode semiconductor layer 11.
  • Etching contact windows at the locations at which the first oxide layer 14 and the second oxide layer 15 are located one above the other with known, simple etching processes would have major disadvantages.
  • a strong under-etching of the second oxide layer is observed with wet etching.
  • dry etching leads to a rough contact surface, which results in an unacceptably high contact resistance.
  • a new, two-stage etching process is used in the manufacturing method according to the invention. In a first etching step, dry etching is carried out, for example for about 30 seconds. In a second etching step, the remaining oxide (approx. 20 nm to 50 nm) is wet-etched away.
  • FIG. 6 shows a schematic cross section through a contact window produced with the two-stage etching process according to the invention at a stage in which photoresist 36 has not yet been removed.
  • a first metal layer 16 is applied to the processed surface, preferably an approximately 600 nm thick layer of aluminum and 1% silicon by means of cathode sputtering at approximately 300 ° C.
  • This first metal layer 16 is structured by means of photolithography and etching.
  • a third oxide layer 17 is deposited on the processed surface, preferably 800 nm by means of plasma deposition at 350 ° C.
  • This third oxide layer 17 can be structured by means of photolithography and etching.
  • the second metal layer 18 is applied over the third oxide layer 17, preferably an approximately 1400 nm thick layer of aluminum and 1% silicon by means of cathode sputtering at approximately 300 ° C.
  • This second metal layer 18 can also be structured by means of photolithography and etching.
  • the processed semiconductor substrate is annealed at approximately 350-500 ° C., preferably at 400 ° C., in a chemically inert environment.
  • An interference filter 23 with maximum transmission around the wavelength of 310 nm can be produced, for example, by first reducing the oxide 15, 17 remaining on the active sensor surface by means of photolithography and etching to 68-98 nm, preferably 83 nm becomes.
  • the processed semiconductor substrate is annealed for 10-60 minutes, preferably 15 minutes, at 350-500 ° C., preferably 400 ° C., in a chemically inert environment, preferably in an N 2 environment.
  • Other layer combinations which lead to interference filters 23 with different transmission properties are possible.
  • the evaluation electronics should on the one hand be able to process the electrical signal supplied by the photodiode 1 and on the other hand be able to be produced by the described production method.
  • the photocurrents I Ph supplied by the photodiode 1 according to the invention are in the picoampere range; the bipolar transistors 29, 33 described above and manufactured using the method according to the invention are, however, suitable for less small currents. Therefore, a constant input current I Bl is symmetrically added to the photocurrent I Pn in the evaluation electronics; the bipolar transistors 29, 33 can thus be operated at their optimum operating point.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of an input stage 37 of the evaluation circuit according to the invention. It allows good electrical isolation of the photodiode 1 from the electronic components of the UV radiation detector even at higher temperatures.
  • the real photodiode 1 is schematically divided into an ideal UV photodiode in FIG. Iode 1.1, which is only sensitive to ultraviolet electromagnetic radiation, and a parasitic IR photodiode 1.2, which is sensitive to visible and IR radiation.
  • the constant input current I Bj is fed into each of three identical input branches 38-40. Only the constant input current I Bl flows in a first input branch 38.
  • a second input branch 39 is connected to the anodic side of the ideal UV photodiode 1.1. There the UV photocurrent I Ph is added to the constant input current I Bi .
  • a third input branch 40 the cathodic currents of the two photodiodes are added to the constant input current I Bl and led to earth; the anodic current of the IR photodiode is also led to earth.
  • Three identical transistors Q u , Q 13 and Q 15 are kept at the same base-emitter voltage by a constant voltage V Bi .
  • the constant input current I Bl flows in a first output branch 41 of the input stage 37, while the total current I Bl + I Pn flows in a second output branch 42. These currents are fed into a differential amplifier 43.
  • FIG. 8 An exemplary embodiment of a differential amplifier 43 of the evaluation circuit according to the invention is shown in FIG. 8; it is a totally symmetrical two-stage differential amplifier 43.
  • the two input currents are conducted through two input branches 44, 45 into the differential amplifier 43. There they are multiplied by the factors ß 16 and ß 18 or ß 19 and ß 20 .
  • FIG. 9 shows a circuit diagram of an exemplary embodiment of an evaluation circuit according to the invention. It consists of the input stage 37, an amplifier 46 and a feedback loop / current source 47.
  • the two currents amplified in the differential amplifier 43 are combined with one in the amplifier 46
  • Factor K is reflected in the transistors Q 24 and Q 23 and finally converted into voltages by resistors R 3 and R 2 , the difference V 0 of which serves as the output voltage.
  • V 0 ß 16 ß 18 KR 3 I Ph ; V 0 is therefore independent of the input current I Bi .
  • the feedback loop / current source 47 feeds the correct input current I Bi back into the amplifier 46.
  • the charge carriers which must charge the junction capacitance of the photodiode 1 of typically 2.7 nF, are supplied by both the input current I Bj and the photocurrent I Pn .
  • the input current I Bi in the large The order of a few nanoamperes is much larger than the photocurrent I Ph in the order of a few picoamperes.
  • the circuit must be modified slightly. Such modifications are easy for the person skilled in the art to make and are also part of the invention.

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Abstract

In the u/v radiation detector, a photodiode (1) and an electronic evaluation system with bipolar transistors (29, 33) are integrated on a semiconductor substrate (2). The semiconductor layers used for the photodiode (1) and the bipolar transistors (29, 33) are produced separately, making it possible to optimise the individual components. The electronic evaluation system is produced by means of standard IC process steps, while the photodiode (1) involves additional intermediate steps. The photodiode (1) consists of three interlaced semiconductor layers (9-11) of different types of conductivity arranged in an epitaxial layer (5) on the semiconductor substrate (2). The photodiode semiconductor layers (9-11) are in contact through contact windows in oxide layers (14, 15, 17) at contact points with a first structured metal layer (16) forming a conductor system. A second metal layer (18) screens the electronic components from electromagnetic radiation. The spectral sensitivity is increased by means of an interference filter (23) and/or an absorption filter (24).

Description

UV-STRAHLUNGSDETEKTOR UV RADIATION DETECTOR
Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor, welcher sich speziell für die Detektion von ultravioletter (UV) Strahlung eignet, und ein Verfahren zur Herstellung desselben, gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Patent¬ ansprüche.The invention relates to a radiation detector which is particularly suitable for the detection of ultraviolet (UV) radiation, and a method for producing the same, according to the preambles of the independent claims.
Ultraviolett-empfindliche Strahlungsdetektoren aus Halbleitermaterialien, ins¬ besondere aus Silizium, sind bekannt. Sie finden beispielsweise Verwendung in der Flammenüberwachung in Feuerungsanlagen. Allen gemeinsam ist das Bestreben nach einer hohen spektralen Selektivität, d. h. nach einer grossen Empfindlichkeit bei denjenigen UV- Wellenlängen, für welche die Emission einer Brermerflamme hoch ist, und nach einer kleinen Empfindlichkeit bei den übrigen Wellenlängen. Wenn diese Forderung erfüllt ist, wird tatsächlich nur die Brennerflamme überwacht, und Fremdlicht im Verbrennungsraum verursacht keine Fehlsignale.Ultraviolet-sensitive radiation detectors made from semiconductor materials, in particular from silicon, are known. They are used, for example, in flame monitoring in combustion plants. Common to all is the pursuit of high spectral selectivity, i. H. after a high sensitivity at those UV wavelengths for which the emission of a burner flame is high, and after a low sensitivity at the other wavelengths. If this requirement is met, only the burner flame is actually monitored and extraneous light in the combustion chamber does not cause false signals.
Die Patentschrift EP-296 371 versucht, eine grosse Photodiodenempfindlich¬ keit im Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und 400 nm durch eine Be- grenzung der Tiefe des wirksamen Sensorvolumens zu erreichen. Es ist näm¬ lich bekannt (vgl. S. Sze, "Physics of Semiconductor Devices", Wiley, New York, 1981), dass der grösste Teil von in Silizium eindringender UV-Strahlung bereits nach 10 nm Eindringtiefe im Silizium absorbiert ist. Dagegen ist die Eindringtiefe von längerwelligem Licht (im sichtbaren und infraroten Spek¬ tralbereich) um Grössenordnungen grösser, so dass dieses im dünnen Sensor- volumen nahe der Oberfläche praktisch nicht absorbiert wird und nicht zum Ausgangssignal beiträgt. Die Tiefenbegrenzung des wirksamen Sensorvolu¬ mens erfolgt mittels einer zusätzlichen, in einem speziellen Fabrikationsschritt im Silizium eingebauten Potentialschwelle. Zusätzliche optische Absorptions¬ und Interferenzfilter sowie Linsen vor der Photodiode können die spektrale Empfindlichkeit und Selektivität noch verbessern.The patent specification EP-296 371 tries to achieve a high photodiode sensitivity in the wavelength range between 200 nm and 400 nm by limiting the depth of the effective sensor volume. It is known (cf. S. Sze, "Physics of Semiconductor Devices", Wiley, New York, 1981) that the majority of UV radiation penetrating into silicon is absorbed in silicon after a penetration depth of 10 nm. In contrast, the penetration depth of longer-wave light (in the visible and infrared spectral range) is orders of magnitude greater, so that it is practically not absorbed in the thin sensor volume near the surface and does not contribute to the output signal. The depth of the effective sensor volume is limited by means of an additional potential threshold built into the silicon in a special manufacturing step. Additional optical absorption and interference filters as well as lenses in front of the photodiode can further improve the spectral sensitivity and selectivity.
Die Photoströme des in der EP-296 371 offenbarten UV-Strahlungsdetektors sind sehr klein, typischerweise 1 pA bis 1 nA. Dies macht den UV-Strahlungs- detektor empfindlich auf aussere elektromagnetische Störungen. Darum ist es nötig, einen Signalverstärker sehr nahe bei der Photodiode anzubringen. Dies kann mit vielen diskreten Komponenten erreicht werden, wie beispielsweise in der Patentschrift CH-680 390. Dadurch wird aber der Montageaufwand gross und die Anordnung komplex; ausserdem sind bei einem solchen Detektor die elektrischen Verbindungswege zwischen den einzelnen Komponenten lang und deshalb störungsanfällig.The photocurrents of the UV radiation detector disclosed in EP-296 371 are very small, typically 1 pA to 1 nA. This makes the UV radiation detector sensitive to external electromagnetic interference. It is therefore necessary to install a signal amplifier very close to the photodiode. This can be achieved with many discrete components, for example in the patent specification CH-680 390. However, this increases the assembly effort and the arrangement is complex; in addition, with such a detector, the electrical connection paths between the individual components are long and therefore prone to failure.
In der Patentschrift EP-579 045 werden die Photodiode und die Auswertelek- tronik auf dem gleichen Chip integriert. Eine solche Integration bringt das Problem mit sich, dass die UV-Photodiode mit begrenzter Tiefe des aktiven Sensorvolumens einen speziellen Herstellungsprozess verlangt, welcher sich nicht mit in der Herstellung von integrierten Schaltkreisen (IC) verwendeten Prozessen verträgt. Darum müssen für die Auswertelektronik bipolare Transi- stören und Widerstände entwickelt und verwendet werden. Die EP-579 045 löst dieses Problem, indem sie Dotierungswerte und Schichtdicken der Photo¬ diode und der Transistoren aneinanderkoppelt, d. h. die gleichen dotierten Halbleiterschichten für Photodiode und Transistoren gleichzeitig verwendet. Dabei nimmt man den Nachteil in Kauf, dass ein Kompromiss zwischen den zum Teil diametral entgegengesetzten Anforderungen an gute UV-Photodio¬ den und an gute Transistoren gesucht werden muss, der für beide Komponen¬ ten unbefriedigend ausfällt. Die in der EP-579 045 offenbarte Auswertschal¬ tung hat ausserdem den Nachteil, dass sie spezielle elektronische Elemente wie spezielle Bipolartransistoren oder hochohmige Widerstände verwendet, welche nicht mit Standardprozessen herstellbar sind.In the patent specification EP-579 045, the photodiode and the evaluation electronics are integrated on the same chip. Such an integration brings with it the problem that the UV photodiode with a limited depth of the active sensor volume requires a special manufacturing process which is incompatible with processes used in the manufacture of integrated circuits (IC). For this reason, bipolar transistors and resistors must be developed and used for the evaluation electronics. EP 579 045 solves this problem by coupling doping values and layer thicknesses of the photodiode and the transistors to one another, ie using the same doped semiconductor layers for the photodiode and transistors at the same time. The disadvantage is that a compromise must be sought between the partially diametrically opposed requirements for good UV photodiodes and good transistors, which is unsatisfactory for both components. The evaluation circuit disclosed in EP-579 045 also has the disadvantage that it uses special electronic elements such as special bipolar transistors or high-impedance resistors which cannot be produced using standard processes.
Bei den oben genannten, zum Stand der Technik gehörenden UV-Strahlungs¬ detektoren liegt die maximale Empfindlichkeit bei einer Wellenlänge von 310 nm. Dies ist ein schwerwiegender Nachteil bei der Verwendung in der Flam¬ menüberwachung. Bei einer üblichen Anordnung eines Flammendetektors in einer Feuemngsanlage kann nicht ausgeschlossen werden, dass Fremdlicht in den Verbrennungsraum fällt. Gerade Sonnenlicht kann bei 310 nm eine grös¬ sere Intensität aufweisen als die Brennerflamme; auch Licht von Fluoreszenz- röhren kann bei 310 nm das Flammensignal überdecken. Somit müssten die oben genannten UV-Strahlungssensoren bei vollkommener Dunkelheit betrie¬ ben werden und könnten in industriellen Brennern, in welche Streulicht ein¬ dringt, nur mit grösser Unsicherheit eingesetzt werden.In the case of the above-mentioned UV radiation detectors belonging to the prior art, the maximum sensitivity is at a wavelength of 310 nm. This is a serious disadvantage when used in flame monitoring. With a conventional arrangement of a flame detector in a fire system, it cannot be ruled out that extraneous light will fall into the combustion chamber. Sunlight in particular can have a greater intensity at 310 nm than the burner flame; Even light from fluorescent tubes can cover the flame signal at 310 nm. Thus, the above-mentioned UV radiation sensors would have to be operated in complete darkness and could only be used with great uncertainty in industrial burners into which stray light penetrates.
Die in der EP-579 045 offenbarte integrierte Anordnung hat auch den Nach¬ teil, dass ungefiltertes Streulicht ungehindert auf die UV-Photodiode und auf die Transistoren fallen kann. Auf diese Weise werden parasitäre Ströme in der Photodiode und in den Transistoren erzeugt, welche erst noch kräftig verstärkt werden. Fremdlicht in der Brennkammer führt so zu einem grossen Fehlersignal.The integrated arrangement disclosed in EP-579 045 also has the disadvantage that unfiltered scattered light can fall onto the UV photodiode and the transistors without hindrance. In this way, parasitic currents are generated in the photodiode and in the transistors, which are still powerful be reinforced. External light in the combustion chamber leads to a large error signal.
Ein weiterer Nachteil der EP-579 045 besteht in einer sehr langen Antwortzeit von bis zu 2.5 s der elektrischen Auswertschaltung. Dies macht den darin offenbarten UV-Strahlungsdetektor für die Flammenüberwachung in Feue¬ rungsanlagen ungeeignet, denn die Gefahr, dass ein Ausfall der Flamme nicht genügend schnell registriert wird und während Sekunden weiterhin Brennstoff unverbrannt in die heisse Brennkammer geführt wird, stellt ein grosses Si¬ cherheitsrisiko dar.Another disadvantage of EP-579 045 is the very long response time of up to 2.5 s of the electrical evaluation circuit. This makes the UV radiation detector disclosed therein unsuitable for flame monitoring in firing systems, since the risk that a flame failure will not be registered quickly enough and fuel will continue to be fed into the hot combustion chamber unburned for seconds poses a great security risk represents.
Die Verwendung eines hochohmigen Widerstandes am Ausgang der Verstär- kerschaltung zur Transimpedanzumwandlung, wie in der EP-579 045 offen¬ bart, führt dazu, dass der Eingang der nachfolgend zu verwendenden Signal¬ verarbeitungsstufe extrem hochohmig sein muss, was nicht üblich ist. Es kann sogar zu Problemen wegen Inkompatibilität führen.The use of a high-impedance resistor at the output of the amplifier circuit for transimpedance conversion, as disclosed in EP-579 045, means that the input of the signal processing stage to be used subsequently has to be extremely high-impedance, which is not common. It can even cause incompatibility issues.
Es ist also Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen UV-Strahlungsdetektor zu schaffen, welcher die oben aufgezählten Nachteile nicht aufweist, und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben. Insbesondere soll die Photodiode und die Auswertelektronik auf einem Chip integriert sein; dabei sollen aber die Halbleiterschichten, welche einerseits für die Photodiode und andererseits für die Transistoren gebraucht werden, entkoppelt herstellbar sein, sodass eine getrennte Optimierung des UV-Sensors und der Transistoren ohne ge¬ genseitige Beeinträchtigung erreicht wird. Die maximale Empfindlichkeit des UV-Strahlungsdetektors soll bei einer Wellenlänge unterhalb von 250 nm liegen, damit er bei der Verwendung als Flammenüberwacher unempfindlich auf Streustrahlung von Sonne und von künstlichen Lichtquellen ist. Das emp¬ findliche Spektralband soll im Herstellungsprozess einstellbar sein.It is therefore an object of the present invention to provide a UV radiation detector which does not have the disadvantages listed above, and to specify a method for its production. In particular, the photodiode and the evaluation electronics should be integrated on one chip; however, the semiconductor layers, which are used on the one hand for the photodiode and on the other hand for the transistors, should be able to be produced in a decoupled manner, so that a separate optimization of the UV sensor and the transistors is achieved without mutual impairment. The maximum sensitivity of the UV radiation detector should be at a wavelength below 250 nm, so that it is insensitive when used as a flame monitor on scattered radiation from the sun and artificial light sources. The sensitive spectral band should be adjustable in the manufacturing process.
Die Aufgabe wird gelöst durch den erfindungsgemassen UV-Strahlungsdetek¬ tor und das erfindungsgemässe Verfahren zu seiner Herstellung, wie sie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert sind.The object is achieved by the UV radiation detector according to the invention and the method according to the invention for its production, as defined in the independent patent claims.
Bei erfindungsgemassen Verfahren zur Herstellung eines UV-Strahlungsdetek¬ tors wird von einem bipolaren Standard-Prozess ausgegangen, wie er in der IC-Herstellung üblich ist. Mit einem solchen Standardprozess wird die Aus¬ wertelektronik hergestellt. Die Photodiode wird in einigen zusätzlichen, zwi¬ schen die Standard-Prozessschritte geschobenen Zusatzschritten hergestellt. Somit ist die Herstellung der Photodiode von derjenigen der Auswertelek¬ tronik konsequent entkoppelt. Beide Komponenten können also unabhängig voneinander derart optimiert werden, dass jede einzelne Komponente ein ideales Verhalten aufweist. Das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren ist derart in Verfahrensschritte aufgeteilt, dass in vorangehenden Verfahrens- schritten hergestellte Strukturen durch die in einem Verfahrensschritt ange¬ wandten Prozessvarianten und/oder Prozesstemperaturen nicht wesentlich beeinträchtigt werden.In the method according to the invention for producing a UV radiation detector, a bipolar standard process is used, as is customary in the manufacture of ICs. The evaluation electronics are produced with such a standard process. The photodiode is produced in a few additional additional steps that are shifted between the standard process steps. The manufacture of the photodiode is consequently decoupled from that of the evaluation electronics. Both components can therefore be optimized independently of one another in such a way that each individual component exhibits ideal behavior. The manufacturing method according to the invention is divided into method steps such that structures produced in previous method steps are not significantly impaired by the process variants and / or process temperatures used in one method step.
Speziell handelt es sich bei den in den Standardprozess eingeschobenen Zu¬ satzschritten um die folgenden: Verwendung eines dünnen TEOS-Oxides mit sehr geringem thermischem Budget, welches verträglich ist mit den bereits vorher in Standard-Prozessschritten hergestellten Bipolartransistoren; Implan¬ tationen der Photodiodenschichten; Kontaktierungsmethode für einen dünnen PN-Übergang mit implantiertem Polysilizium; zweistufiger Atzprozess für die Öffnung der Kontaktfenster; Anpassung der Standard-Bipolartransistoren; kurzes Tempern der Photodiodenschichten, ohne dass die Eigenschaften der Bipolartransistoren verändert würden.Specifically, the additional steps inserted into the standard process are the following: use of a thin TEOS oxide with a very low thermal budget, which is compatible with the bipolar transistors previously produced in standard process steps; Implantations of the photodiode layers; Contacting method for a thin PN junction with implanted polysilicon; two step etching process for the Opening the contact window; Adaptation of standard bipolar transistors; brief annealing of the photodiode layers without changing the properties of the bipolar transistors.
Das Basieren auf einem Standard-Prozess hat grosse Vorteile. Erstens ist der Entwurf der Auswertelektronik einfach, weil für Standard-Prozesse meist Bibliotheken mit gängigen elektronischen Komponenten vorliegen, so dass diese nicht neu entwickelt werden müssen. Zweitens ist die Herstellung schnell und preisgünstig, weil die benötigte Technologie vorhanden ist.Basing on a standard process has great advantages. First, the design of the evaluation electronics is simple, because standard processes usually have libraries with common electronic components, so that they do not have to be newly developed. Second, manufacturing is quick and inexpensive because the technology is available.
Die erfindungsgemässe Auswertelektronik-Schaltung verwendet einen rück¬ kopplungsgesteuerten Differentialverstärker mit Laststrom an beiden Eingän- gen und einstellbarer Schrittantwortzeit. In einer Eingangsstufe wird ein kon¬ stanter Eingangsstrom zum Photostrom addiert; in einem Differentialverstär¬ ker werden der Summenstrom und der konstante Eingangsstrom um einen im wesentlichen gleichen Verstärkungsfaktor verstärkt und in Spannungen umge¬ wandelt, deren Differenz als Ausgangsspannung dient. Für die Auswertelek- tronik werden nur Standardelemente verwendet.The evaluation electronics circuit according to the invention uses a feedback-controlled differential amplifier with load current at both inputs and adjustable step response time. A constant input current is added to the photocurrent in an input stage; In a differential amplifier, the total current and the constant input current are amplified by an essentially identical amplification factor and converted into voltages, the difference of which serves as the output voltage. Only standard elements are used for the evaluation electronics.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemassen UV-Strahlungsdetek¬ tors und vorteilhafte Varianten des Herstellungsverfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Der UV-Detektor kann effizient vor Streu¬ licht abgeschirmt werden, indem auf seiner Oberfläche mit Ausnahme der aktiven Sensorfläche eine zweite Metallisierung aufgebracht wird. Interferenz¬ filter direkt auf der aktiven Sensorfläche und/oder Absorptionsfilter vor der Photodiode verbessern zusätzlich die spektrale Selektivität. Im folgenden wird die Erfindung andhand von Figuren detailliert beschrieben. Dabei zeigen:Advantageous embodiments of the UV radiation detector according to the invention and advantageous variants of the production method result from the dependent patent claims. The UV detector can be efficiently shielded from stray light by applying a second metallization to its surface with the exception of the active sensor surface. Interference filters directly on the active sensor surface and / or absorption filters in front of the photodiode additionally improve the spectral selectivity. The invention is described in detail below with reference to figures. Show:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Photodiode,1 shows a schematic cross section through a photodiode according to the invention,
Fig. 2 schematische Dotierungskonzentrationen in der Photodiode gemäss Fig. 1,2 shows schematic doping concentrations in the photodiode according to FIG. 1,
Fig. 3 schematische elektronische Bandstrukturen in der Photodiode ge¬ mäss Fig. 1,3 shows schematic electronic band structures in the photodiode according to FIG. 1,
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch einen Vertikal-Bipolartran- sistor,4 shows a schematic cross section through a vertical bipolar transistor,
Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch einen Lateral-Bipolartransi- stor,5 shows a schematic cross section through a lateral bipolar transistor,
Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch ein mit einem erfindungs- gemässen zweistufigen Atzprozess hergestelltes Kontaktfenster,6 shows a schematic cross section through a contact window produced using a two-stage etching process according to the invention,
Fig. 7 ein elektrisches Schaltbild einer Eingangsstufe eines erfindungs¬ gemassen Verstärkers,7 shows an electrical circuit diagram of an input stage of an amplifier according to the invention,
Fig. 8 ein elektrisches Schaltbild eines Differentialverstärkers eines erfin¬ dungsgemassen Verstärkers und8 shows an electrical circuit diagram of a differential amplifier of an amplifier according to the invention and
Fig. 9 ein elektrisches Schaltbild eines erfindungsgemassen rückkopplungs¬ gesteuerten Differentialverstärkers. Zwecks einer übersichtlicheren Darstellung sind einzelne Elemente der Figu¬ ren 1, 4 und 5 in vertikaler Richtung nicht massstabsgetreu eingezeichnet. Aus demselben Grund wird in den Figuren 1, 4, 5 und 6 nicht der gleiche vertikale und horizontale Massstab verwendet.9 shows an electrical circuit diagram of a feedback-controlled differential amplifier according to the invention. For the purpose of a clearer representation, individual elements of FIGS. 1, 4 and 5 are not drawn to scale in the vertical direction. For the same reason, the same vertical and horizontal scales are not used in FIGS. 1, 4, 5 and 6.
Beim erfindungsgemassen UV-Strahlungsdetektor sind eine Photodiode und eine Auswertschaltung in einer einzigen integrierten Schaltung auf demselben Chip integriert. Der Übersichtlichkeit halber sind aber schematische Quer¬ schnitte durch Ausführungsbeispielen von Photodiode und Transistoren in den Figuren 1 und 4 bzw. 5 getrennt dargestellt. Die integrierte Schaltung befindet sich auf einer Fläche eines im allgmeinen dotierten Halbleitersubstrates und besteht im wesentlichen aus Halbleiterschichten, welche sich durch ihre Lage, Geometrie und Dotierung mit verschiedenen Ladungsträgern verschiedener Konzentrationen unterscheiden.In the UV radiation detector according to the invention, a photodiode and an evaluation circuit are integrated in a single integrated circuit on the same chip. For the sake of clarity, however, schematic cross sections through exemplary embodiments of photodiode and transistors are shown separately in FIGS. 1 and 4 and 5. The integrated circuit is located on a surface of a generally doped semiconductor substrate and essentially consists of semiconductor layers which differ in their position, geometry and doping with different charge carriers of different concentrations.
Bei dotierten Halbleitermaterialien muss zwischen Halbleitermaterialien eines ersten Leitfähigkeitstyps P bzw. N und Halbleitermaterialien eines zweiten Leitfähigkeitstyps N bzw. P unterschieden werden. Nachfolgend gilt jeweils die Annahme, dass der erste Leitfähigkeitstyp P und der zweite Leitfähigkeitstyp N sei; dabei ist jeweils wohlverstanden, dass das Umgekehrte beim erfin¬ dungsgemassen UV-Strahlungsdetektor auch möglich ist. Die Bezeichnung P+ bezeichnet ein Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps, welches stär¬ ker mit Fremdatomen dotiert ist als eines, welches mit P bezeichnet ist; ana- loges gilt für N+ bezüglich N.In the case of doped semiconductor materials, a distinction must be made between semiconductor materials of a first conductivity type P or N and semiconductor materials of a second conductivity type N or P. In the following, the assumption applies that the first conductivity type is P and the second conductivity type is N; it is well understood that the reverse is also possible with the UV radiation detector according to the invention. The designation P + denotes a semiconductor material of the first conductivity type which is more strongly doped with foreign atoms than one which is labeled P; the same applies to N + with respect to N.
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemassen Photodiode 1. Ein erfindungsgemässer UV-Strah- lungsdetektor kann mit einer oder auch mit meheren solchen Photodioden ausgestattet sein. Ein Halbleitersubstrat 2 ist vorzugsweise so dotiert, dass es zum ersten Leitfähigkeitstyp P gehört; beispielsweise ist das Halbleitersubstrat 2 eine mit einer Fremdatomkonzentration von 1014-1017 cm'3, vorzugsweise 5« 101S cm"3 mit Bor oder Phosphor, dotierte einkristalline, vorzugsweise < 100 > -orientierte, Siliziumscheibe. Unmittelbar auf einer Fläche 3 des Halb¬ leitersubstrates 2 befindet sich eine erste, strukturierte Halbleiterschicht 4 des zweiten Leitfähigkeitstyps N+, eine sogenannte vergrabene Schicht ("buried layer"). Die ganze Fläche 3 des Halbleitersubstrates 2 ist mit einer zweiten Halbleiterschicht 5 des zweiten Leitfähigkeitstyps N bedeckt, vorzugsweise einer 3.5 μm dicken Epitaxieschicht aus mit einer Konzentration von IO16 cm"3 dotiertem monokristallinem Silizium. Anschlussregionen 6 des zweiten Leitfä¬ higkeitstyps N+ verbinden die vergrabene Schicht 4 mit der Oberfläche 7 der Epitaxieschicht 5. Ein Isolationsring 8 (von dem in Fig. 1 nur die eine Quer- schnittsfläche dargestellt ist) des ersten Leitfähigkeitstyps P+ umgibt seitlich die Photodiode 1 und isoliert sie elektrisch von den übrigen Komponenten des UV-Strahlungsdetektors.FIG. 1 shows a schematic cross section through an embodiment of a photodiode 1 according to the invention. A UV radiation detector according to the invention can be used with one or even with several such photodiodes be equipped. A semiconductor substrate 2 is preferably doped so that it belongs to the first conductivity type P; For example, the semiconductor substrate 2 is one having an impurity concentration of 10 14 -10 17 cm -3, preferably 5 "10 1S cm" 3, doped monocrystalline, preferably <100> oriented, silicon wafer. Immediately on a surface 3 of boron or phosphorus There is a first, structured semiconductor layer 4 of the second conductivity type N + , a so-called buried layer 2, on the semiconductor substrate 2. The entire surface 3 of the semiconductor substrate 2 is covered with a second semiconductor layer 5 of the second conductivity type N, preferably one 3.5 μm thick epitaxial layer made of monocrystalline silicon doped with a concentration of IO 16 cm "3 . Connection regions 6 of the second conductivity type N + connect the buried layer 4 to the surface 7 of the epitaxial layer 5. An insulation ring 8 (of which only one cross-sectional area is shown in FIG. 1) of the first conductivity type P + laterally surrounds the photodiode 1 and isolates them electrically from the other components of the UV radiation detector.
Die Photodiode 1 besteht im wesentlichen aus einer Folge verschieden dotier- ter strukturierter Halbleiterschichten in der Epitaxieschicht 5. Eine erste Pho¬ todioden-Halbleiterschicht 9 des ersten Leitfähigkeitstyps P liegt in einer Tiefe von ca. 800 bis ca. 350 nm unter der Oberfläche 7 der Epitaxieschicht 5. Eine zweite Photodioden-Halbleiterschicht 10 des zweiten Leitfähigkeitstyps N+ schliesst sich daran an und reicht von ca. 350 nm bis ca. 100 nm. Eine dritte Photodioden-Halbleiterschicht 11 des ersten Leitfähigkeitstyps P+ liegt unmittelbar unter der Oberfläche 7 der Epitaxieschicht 5 und ist ca. 100 nm dick. Die drei Photodioden-Halbleiterschichten 9-11 sind ineinander ver¬ schachtelt: An ihrem Rand reicht die erste Photodioden-Halbleiterschicht 9 bis zur Oberfläche 7 der Epitaxieschicht 5, so dass die zweite Photodioden- Halbleiterschicht 10 an der Oberfläche 7 in der ersten Photodioden-Halblei- terschicht 9 angeordnet ist; analoges gilt für die zweite und dritte Photodio¬ den-Halbleiterschicht 10 und 11. Die erste bzw. zweite Photodioden-Halblei¬ terschicht 9 bzw. 10 ist mit Anschlussregionen 12 bzw. 13 des ersten Leitfähig¬ keitstyps P+ bzw. des zweiten Halbleitertyps N versehen.The photodiode 1 essentially consists of a sequence of differently doped structured semiconductor layers in the epitaxial layer 5. A first photodiode semiconductor layer 9 of the first conductivity type P lies at a depth of approximately 800 to approximately 350 nm below the surface 7 of the Epitaxial layer 5. A second photodiode semiconductor layer 10 of the second conductivity type N + adjoins it and ranges from approximately 350 nm to approximately 100 nm. A third photodiode semiconductor layer 11 of the first conductivity type P + lies directly below the surface 7 of the epitaxial layer 5 and is approximately 100 nm thick. The three photodiode semiconductor layers 9-11 are interleaved: at their edge, the first photodiode semiconductor layer 9 extends to the surface 7 of the epitaxial layer 5, so that the second photodiode semiconductor layer 10 on the surface 7 in the first photodiode half - layer 9 is arranged; The same applies analogously to the second and third photodiode semiconductor layers 10 and 11. The first and second photodiode semiconductor layers 9 and 10 have connection regions 12 and 13 of the first conductivity type P + and the second semiconductor type N, respectively Mistake.
An der Oberfläche 7 der Epitaxieschicht 5 befinden sich ausserhalb der Pho¬ todiode 1 eine erste, strukturierte Oxidschicht 14 sowie im Bereich der Photo¬ diode 1 eine zweite, strukturierte Oxidschicht 15, welche insbesondere bei den Anschlussregionen 12, 13 unterbrochen sind, sodass Kontaktfenster entstehen. Eine erste, strukturierte Metallschicht 16 auf der ersten und zweiten Oxid¬ schicht 14 und 15 bildet ein Leitersystem mit entsprechenden Kontakten bei den vorgesehenen Anschlussregionen 12, 13; sie ist vorzugsweise 600 nm dick und besteht vorzugsweise aus Aluminium mit ca. 1% Silizium. Eine dritte, strukturierte Oxidschicht 17 trennt die erste Metallschicht 16 von einer zwei¬ ten, strukturierten Metallschicht 18. Die zweite Metallschicht 18 ist vorzugs¬ weise 600 nm dick und besteht vorzugsweise aus Aluminium mit ca. 1% Silizi¬ um. Sie dient hauptsächlich dazu, elektromagnetische Strahlung von den elek¬ tronischen Komponenten fernzuhalten und so unerwünschte parasitäre Photo- ströme und Fehlersignale zu vermeiden. Eine 150-400 nm dicke, vorzugsweise 200 nm dicke polykristalline Siliziumschicht 19 des ersten Leitfähigkeitstyps P+ bildet im wesentlichen die Anschlussregion 20 der dritten Photodioden- Halbleiterschicht 11. Sie verhindert, dass beim Aufbringen der ersten Metall¬ schicht 16 Metallspitzen durch die aussergewöhnlich dünne dritte Photodio- den-Halbleiterschicht 11 dringen ("spiking") und unerwünschte Kurzschlüsse des PN-Übergangs zwischen der dritten und zweiten Photodioden-Halbleiter¬ schicht 10 und 11 bilden. Über der eigentlichen Photodiode 1 befinden sich keine Metallschichten, so dass dort ein (in Fig. 1 nur teilweise dargestelltes) Eintrittsfenster 21 den Zugang von zu detektierenden elektromagnetischer Strahlung 22 zur Photo¬ diode 1 ermöglicht. Das Eintrittsfenster 21 kann mit einem Interfernzfilter 23 versehen sein, welches nur einen gewünschten Teil des elektromagnetischen Spektrums, beispielsweise UV-Strahlung mit Wellenlängen zwischen 200 nm und 250 nm, durchlässt. Methoden zur Berechnung solcher Interferenzfilter 23 sind an sich bekannt (vgl. B. Baltes, D. Bradley, "Interference filters for the far ultraviolet (1700 Ä to 2400 Ä)", Appl. Opt. 5, 971-975 (1966)). Mit einer geeigneten Wahl der Interferenzfilterschichten kann die Transmission des Interferenzfilters 23 auf das gewünschte Spektralband abgestimmt werden, d. h. die Wellenlänge, bei welcher der UV-Strahlungsdetektor seine maximale Empfindlichkeit hat, kann in der Herstellung eingestellt werden. Beispiels¬ weise kann ein Interferenzfilter 23 für die Wellenlänge von 310 nm aus einer Abfolge der folgenden, in Einfallsrichtung des Lichtes aufgezählten Schichten bestehen: 37.5-42.5 nm, vorzugsweise 40.0 nm, Si02; 12.5-17.5 nm, vorzugs¬ weise 15 nm, AI; 70-76 nm, vorzugsweise 72.5 nm, SiO,; 17-23 nm, vorzugs¬ weise 19.8 nm, AI; 68-98 nm, vorzugsweise 83 nm, Si02. Diese Beschichtung des Eintrittsfensters 21 dient gleichzeitig zum Schutz der Photodiode 1 vor ausseren Einwirkungen. Ein zusätzliches, geeignet gewähltes Absorptionsfilter 24, welches vor dem Eintrittsfenster 21 angebracht wird, kann die spektrale Selektivität des UV-Strahlungsdetektors zusätzlich erhöhen.On the surface 7 of the epitaxial layer 5 there is a first, structured oxide layer 14 outside the photodiode 1 and in the area of the photodiode 1 a second, structured oxide layer 15, which are interrupted in particular in the connection regions 12, 13, so that contact windows are formed . A first, structured metal layer 16 on the first and second oxide layers 14 and 15 forms a conductor system with corresponding contacts in the connection regions 12, 13; it is preferably 600 nm thick and preferably consists of aluminum with approximately 1% silicon. A third, structured oxide layer 17 separates the first metal layer 16 from a second, structured metal layer 18. The second metal layer 18 is preferably 600 nm thick and preferably consists of aluminum with approximately 1% silicon. It mainly serves to keep electromagnetic radiation away from the electronic components and thus to avoid unwanted parasitic photo currents and error signals. A 150-400 nm thick, preferably 200 nm thick polycrystalline silicon layer 19 of the first conductivity type P + essentially forms the connection region 20 of the third photodiode semiconductor layer 11. It prevents 16 metal tips from being deposited by the extraordinarily thin third layer when the first metal layer 16 is applied Photodiode semiconductor layer 11 penetrate ("spiking") and form undesirable short-circuits of the PN junction between the third and second photodiode semiconductor layers 10 and 11. There are no metal layers above the actual photodiode 1, so that there an entry window 21 (only partially shown in FIG. 1) enables the access of electromagnetic radiation 22 to be detected to the photodiode 1. The entrance window 21 can be provided with an interference filter 23 which only allows a desired part of the electromagnetic spectrum, for example UV radiation with wavelengths between 200 nm and 250 nm, to pass. Methods for calculating such interference filters 23 are known per se (cf. B. Baltes, D. Bradley, "Interference filters for the far ultraviolet (1700 Å to 2400 Ä)", Appl. Opt. 5, 971-975 (1966)) . With a suitable choice of the interference filter layers, the transmission of the interference filter 23 can be matched to the desired spectral band, ie the wavelength at which the UV radiation detector has its maximum sensitivity can be set during manufacture. For example, an interference filter 23 for the wavelength of 310 nm can consist of a sequence of the following layers listed in the direction of incidence of the light: 37.5-42.5 nm, preferably 40.0 nm, SiO 2 ; 12.5-17.5 nm, preferably 15 nm, Al; 70-76 nm, preferably 72.5 nm, SiO ,; 17-23 nm, preferably 19.8 nm, Al; 68-98 nm, preferably 83 nm, Si0 2 . This coating of the entry window 21 also serves to protect the photodiode 1 from external influences. An additional, suitably chosen absorption filter 24, which is attached in front of the entrance window 21, can additionally increase the spectral selectivity of the UV radiation detector.
Der Aufbau und die Wirkungsweise der erfindungsgemassen Photodiode 1 ge¬ mäss Fig. 1 werden anhand der Figuren 2 und 3 weiter erklärt. Figur 2 zeigt schematisch Dotierungskonzentrationen C (logarithmisch aufgetragen) in der Photodiode 1 entlang der in Fig. 1 strichpunktiert eingezeichenten Linie II-II, als Funktion der Tiefe d. Darin bedeutet die Linie 25 die Konzentration von Ladungsträgern des ersten Leitfähigkeitsyps P, die Linie 26 die Konzentration von Ladungsträgern des zweiten Leitfähigkeitstyps N und die Linie 27 die Konzentration von Ladungsträgern des ersten Leitfähigkeitsyps P+. Die einzel¬ nen Gebiete 5, 9, 10, 11 bzw. 19 entsprechen der ersten, zweiten, dritten Pho¬ todioden-Halbleiterschicht bzw. der polykristallinen Siliziumschicht.The structure and the mode of operation of the photodiode 1 according to the invention according to FIG. 1 are further explained with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. 2 shows schematically doping concentrations C (logarithmically plotted) in the photodiode 1 along the line II-II shown in broken lines in FIG. 1, as a function of the depth d. Therein line 25 means the concentration of charge carriers of the first conductivity type P, line 26 the concentration of charge carriers of the second conductivity type N and the line 27 the concentration of charge carriers of the first conductivity type P + . The individual regions 5, 9, 10, 11 and 19 correspond to the first, second and third photodiode semiconductor layers or the polycrystalline silicon layer.
Figur 3 zeigt schematisch die elektronischen Bandstrukturen in der Photodio¬ de entlang der in Fig. 1 strichpunktiert eingezeichneten Linie II-II, d. h. elek¬ trische Potentiale E als Funktion der Tiefe d. Die Linie Ev entspricht dem Valenzband, die Linie Ec dem Leitungsband; EF stellt das Fermi-Niveau dar. Deutlich erkennbar ist eine Potentialbarriere 28 im Bereich der zweiten Pho¬ todioden-Halbleiterschicht 10. Durch das Eintrittsfenster 21 einfallende elek¬ tromagnetische Strahlung 22 wird in den Halbleitermaterialien absorbiert und erzeugt Ladungsträger. Wenn das entsprechende Halbleitermaterial zum er- sten Leitfähigkeitstyp P gehört, so sind die Majoritätsträger Löcher und die Minoritätsträger Elektronen, und umgekehrt. Ein Verlauf der Bandstrukturen, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, ist eine direkte Konsequenz der in Fig. 2 darge¬ stellten Dotierprofile und hat folgende zwei Vorteile.FIG. 3 schematically shows the electronic band structures in the photodiode along the line II-II shown in dash-dot lines in FIG. 1, ie electrical potentials E as a function of the depth d. The line E v corresponds to the valence band, the line E c to the conduction band; E F represents the Fermi level. A potential barrier 28 in the region of the second photodiode semiconductor layer 10 is clearly recognizable. Electromagnetic radiation 22 incident through the entrance window 21 is absorbed in the semiconductor materials and generates charge carriers. If the corresponding semiconductor material belongs to the first conductivity type P, the majority carriers are holes and the minority carriers are electrons, and vice versa. A course of the band structures, as shown in FIG. 3, is a direct consequence of the doping profiles shown in FIG. 2 and has the following two advantages.
Erstens trägt die Bandstruktur zur spektralen Selektivität der Photodiode bei. Eine solche Selektivität wird erreicht durch die von der zweiten und dritten Photodioden-Halbleiterschicht verursachten Potentialbarriere 28 für Löcher und Elektronen, welche die Tiefe des aktiven Sensorvolumens begrenzt. Durch diese Begrenzung wird erreicht, dass praktisch nur UV-Strahlung mit ihrer kleinen Eindringtiefe (von typischerweise 10 nm oder weniger in Silizi¬ um) zum Photodioden-Ausgangssignal beiträgt, längerwellige elektromagneti¬ sche Strahlung mit grosseren Eindringtiefen hingegen nicht. Ladungsträger, welche jenseits der Potentialbarriere 28 erzeugt werden, können die Potential- barriere 28 nämlich nicht überqueren und tragen daher nicht zum Photodio¬ den-Ausgangssignal bei.First, the band structure contributes to the spectral selectivity of the photodiode. Such selectivity is achieved by the potential barrier 28 for holes and electrons caused by the second and third photodiode semiconductor layer, which limits the depth of the active sensor volume. This limitation means that practically only UV radiation with its small penetration depth (typically 10 nm or less in silicon) contributes to the photodiode output signal, but longer-wave electromagnetic radiation with greater penetration depths does not. Charge carriers that are generated beyond the potential barrier 28 can This is because they do not cross barrier 28 and therefore do not contribute to the photodiode output signal.
Zweitens werden die Ladungsträger durch die in Fig. 3 dargestellte Band¬ struktur örtlich voneinander getrennt, bevor sie rekombinieren können. Die grösste Dotierkonzentration befindet sich in der zweiten Oxidschicht 15 über der Photodiode 1; die Löcher driften wegen des internen elektrischen Feldes zur Grenze zwischen der dritten Photodioden-Halbleiterschicht 11 und der zweiten Oxidschicht 15 hin, während sich die Elektronen in die umgekehrte Richtung bewegen.Second, the charge carriers are locally separated from one another by the band structure shown in FIG. 3 before they can recombine. The greatest doping concentration is in the second oxide layer 15 above the photodiode 1; the holes drift toward the boundary between the third photodiode semiconductor layer 11 and the second oxide layer 15 because of the internal electric field, while the electrons move in the opposite direction.
Die Dotierungskonzentrationen und die Bandstrukturen im Bereich des Ein¬ trittsfensters 21 verlaufen qualitativ ähnlich wie in den Fig. 2 und 3.The doping concentrations and the band structures in the region of the entry window 21 are qualitatively similar to those in FIGS. 2 and 3.
In den Figuren 4 und 5 sind mit dem erfindungsgemassen Verfahren auf dem¬ selben Halbleitersubstrat 2 herstellbare, an sich bekannte Bipolartransistoren dargestellt. Sie weisen die bereits anlässlich der Fig. 1 beschriebene vergrabe- ne Schicht 4 mit einer Anschlussregion 6, die Epitaxieschicht 5 und einen Isolationsring 8 auf. Die Bipolartransistoren sind, analog zur Photodiode 1 von Fig. 1, mit einer ersten Oxidschicht 14 mit Kontaktfenstern, einer ersten Me¬ tallschicht 16, einer dritten Oxidschicht 17 und einer zweiten Metallschicht 18 bedeckt.FIGS. 4 and 5 show bipolar transistors which are known per se and can be produced using the method according to the invention on the same semiconductor substrate 2. They have the buried layer 4 already described on the occasion of FIG. 1 with a connection region 6, the epitaxial layer 5 and an insulation ring 8. Analogously to the photodiode 1 in FIG. 1, the bipolar transistors are covered with a first oxide layer 14 with contact windows, a first metal layer 16, a third oxide layer 17 and a second metal layer 18.
Figur 5 zeigt einen Vertikal-Bipolartransistor 29, beispielsweise vom NPN-FIG. 5 shows a vertical bipolar transistor 29, for example of the NPN
Typ. Die Epitaxieschicht 5 wirkt als Kollektor, wobei die vergrabene Schicht 4 den Kollektorwiderstand vermindert. Die Basis wird von einer ca. 200 nm dicken ersten, strukturierten Transistor-Halbleiterschicht 30 des ersten Leitfä- higkeitstyps P mit einer Anschlussregion 31 gebildet. Der Emitter wird durch eine zweite, strukturierte Transistor-Halbleiterschicht 32 des zweiten Halblei¬ tertyps N gebildet.Type. The epitaxial layer 5 acts as a collector, the buried layer 4 reducing the collector resistance. The base is covered by an approximately 200 nm thick, structured transistor semiconductor layer 30 of the first guide. Ability type P formed with a connection region 31. The emitter is formed by a second, structured transistor semiconductor layer 32 of the second semiconductor type N.
Figur 6 zeigt einen Lateral-Bipolartransistor 33, beispielsweise vom PNP-Typ. Hier werden Kollektor 34 und Emitter 35 analog zur Basis- Anschlussregion 31 des Vertikal-Bipolartransistors von Fig. 5 gebildet. Die Epitaxieschicht 5 wirkt als Basis.FIG. 6 shows a lateral bipolar transistor 33, for example of the PNP type. Here collector 34 and emitter 35 are formed analogously to the base connection region 31 of the vertical bipolar transistor from FIG. 5. The epitaxial layer 5 acts as a base.
Beim erfindungsgemassen Verfahren zur Herstellung eines UV-Strahlungsde¬ tektors wird von einem Halbleitersubstrat 2 mit einer Fläche 3 ausgegangen. Vorzugsweise wird ein dotiertes Halbleitersubstrat 2 gewählt, welches zum er- sten Leitfähigkeitstyp P gehört, beispielsweise eine mit einer Fremdatomkon¬ zentration von 1014-1017 cm"3, vorzugsweise 5« 1015 cm"3 mit Bor oder Phosphor, dotierte einkristalline, vorzugsweise < 100 > -orientierte, Siliziumscheibe mit einer polierten Fläche 3. Das erfindungsgemässe Verfahren besteht im we¬ sentlichen aus den folgenden nacheinander durchgeführten Verfahrens- schritten: a) Vorbehandlung der einen Fläche 3 des Halbleitersubstrates 2, b) Herstellung von Bipolartransistoren 29, 33 und von Teilen mindestens einer Photodiode 1 über dieser Fläche 3 des Halbleitersubstrates 2, c) Herstellung mindestens einer Photodiode 1 durch aufeinanderfolgendes Implantieren verschiedener Ionen mit die Tiefe der Implantation bestim¬ menden Energien durch entsprechend strukturierte Photolackschichten und d) Herstellung von Kontaktfenstern zur Kontaktierung von Transistoren 29, 33 und Photodiode 1 sowie Herstellung eines Leitersystems. Die Vorbehandlung der Fläche 3 des Halbleitersubstrates 2 umfasst die Her¬ stellung der vergrabenen Schicht 4 und der Epitaxieschicht 5, die Herstellung der Isolationsringe 8 und der Verbindungen 6 und die Deposition der ersten Oxidschicht 14; sie ist an sich bekannt. Es treten einige Prozessschritte mit hohen Temperaturen, typischerweise über 1000 °C, auf.In the method according to the invention for producing a UV radiation detector, a semiconductor substrate 2 with a surface 3 is assumed. Preferably, a doped semiconductor substrate 2 is selected which belongs to the first conductivity type P, for example one with a foreign atom concentration of 10 14 -10 17 cm "3 , preferably 5" 10 15 cm "3 , doped with boron or phosphorus, Preferably <100> -oriented silicon wafer with a polished surface 3. The method according to the invention essentially consists of the following process steps carried out in succession: a) pretreatment of one surface 3 of the semiconductor substrate 2, b) production of bipolar transistors 29, 33 and parts of at least one photodiode 1 over this surface 3 of the semiconductor substrate 2, c) production of at least one photodiode 1 by successively implanting different ions with energies determining the depth of the implantation by means of appropriately structured photoresist layers and d) producing contact windows for contacting transistors 29, 33 and photodiode 1 and manufacture of a conductor system. The pretreatment of the surface 3 of the semiconductor substrate 2 comprises the production of the buried layer 4 and the epitaxial layer 5, the production of the insulation rings 8 and the connections 6 and the deposition of the first oxide layer 14; it is known per se. There are some process steps with high temperatures, typically over 1000 ° C.
Die vergrabene Schicht 4 ist eine erste, mittels Photolithographie strukturierte Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps N+ und wird vorzugsweise mittels Ionenimplantation, beispielsweise von Antimon-Ionen, hergestellt und anschliessend bei ca. 1200 °C getempert. Die zweite Halbleiterschicht 5 des zweiten Leitfähigkeitstyps N wird vorzugsweise mittels Epitaxie deponiert und ist beispielswese eine Arsen-dotierte einkristalline Siliziumschicht mit einer Arsenkonzentration von ca. IO16 cm"3. Die Isolationsringe 8 des ersten Leit- fähigkeitstyps P+ und die Verbindungen 6 des zweiten Leitfähigkeitstyps N+ werden mittels Photolithographie definiert und mittels Implantation und Dif¬ fusion von Fremdatomen hergestellt. Die erste Oxidschicht 14 wird vorzugs¬ weise thermisch bei einer Temperatur von ca. 1000 °C deponiert, sodass sie eine Dicke von ca. 330 nm aufweist.The buried layer 4 is a first semiconductor layer of the second conductivity type N +, structured by means of photolithography, and is preferably produced by means of ion implantation, for example of antimony ions, and then annealed at approximately 1200 ° C. The second semiconductor layer 5 of the second conductivity type N is preferably deposited by means of epitaxy and is, for example, an arsenic-doped single-crystalline silicon layer with an arsenic concentration of approximately IO 16 cm "3. The insulation rings 8 of the first conductivity type P + and the connections 6 of the second Conductivity type N + are defined by means of photolithography and produced by implantation and diffusion of foreign atoms.The first oxide layer 14 is preferably deposited thermally at a temperature of approximately 1000 ° C., so that it has a thickness of approximately 330 nm.
Die Herstellung von Bipolartransistoren ist an sich bekannt; nachfolgend wird ein für die Erfindung vorteilhafter Prozess beschrieben. Für die Vertikal-Bipo- lartransistoren 29 (wie in Fig. 4 dargestellt) werden vorzugsweise zunächst die Basis- Anschlussregionen 31, dann die Basen 30 selbst und danach die Emitter 32 hergestellt. Gleichzeitig mit den entsprechenden Transistorelementen wer¬ den im erfindungsgemassen Verfahren Anschlussregionen 12, 13 der Photo¬ diode hergestellt. Die Basis-Anschlussregionen 31 und die Photodioden- An¬ schlussregionen 12 des ersten Halbleitertyps P+ werden vorzugsweise durch Implantation von Bor-Ionen durch eine entsprechend strukturierte Photolack- schicht hergestellt. Die Basen 30 des ersten Leitfähigkeitstyps P werden vor¬ zugsweise durch Implantation von Bor-Ionen durch eine entsprechend struktu¬ rierte Photolackschicht hergestellt. Zur Herstellung der Emitter 32 und der Photodioden-Anschlussregionen 13 des zweiten Leitfähigkeitstyps N wird vor- zugsweise eine vorgängig strukturierte Oxidmaske, welche durch die geeignet strukturierte erste Oxidschicht 14 gebildet werden kann, benötigt; durch diese hindurch werden vorzugsweise Arsen-Ionen implantiert. Abschliessend werden die Dotierungen in einer chemisch inerten Umgebung aktiviert und getem¬ pert, vorzugsweise während 10-90 Minuten bei 900-1250 °C in einer Argon- Umgebung.The manufacture of bipolar transistors is known per se; A process which is advantageous for the invention is described below. For the vertical bipolar transistors 29 (as shown in FIG. 4), the base connection regions 31 are preferably first produced, then the bases 30 themselves and then the emitters 32. Simultaneously with the corresponding transistor elements, connection regions 12, 13 of the photo diode are produced in the method according to the invention. The base connection regions 31 and the photodiode connection regions 12 of the first semiconductor type P + are preferably made by implanting boron ions using a correspondingly structured photoresist layer made. The bases 30 of the first conductivity type P are preferably produced by implanting boron ions through a correspondingly structured photoresist layer. To produce the emitters 32 and the photodiode connection regions 13 of the second conductivity type N, a previously structured oxide mask, which can be formed by the suitably structured first oxide layer 14, is preferably required; arsenic ions are preferably implanted through these. Finally, the dopants are activated and tempered in a chemically inert environment, preferably for 10-90 minutes at 900-1250 ° C. in an argon environment.
Für die Lateral-Bipolartransistoren 33 (wie in Fig. 5 dargestellt) werden Kol¬ lektoren 34 und Emitter 35 des ersten Leitfähigkeitstyps P+ analog zur Her- Stellung der Basis-Anschlussregioπen 31 bei den Vertikal-Bipolartransistoren 29 hergestellt.For the lateral bipolar transistors 33 (as shown in FIG. 5), collectors 34 and emitters 35 of the first conductivity type P + are produced analogously to the manufacture of the base connection regions 31 in the vertical bipolar transistors 29.
Die oben beschriebenen Schritte des erfindungsgemassen Herstellungsver- fahrens lassen sich mit in der IC-Herstellung üblichen Prozessen ausführen. Für die nachfolgend beschriebene Herstellung der Photodiode 1 werden teil¬ weise neue Spezialprozessschritte gebraucht. Aus der erfindungsgemassen konsequenten Trennung der Transistorgerstellung und der Photodiodenher¬ stellung ergibt sich der entscheidende Vorteil, dass beide Komponenten un- abhängig voneinander optimiert werden können.The above-described steps of the manufacturing method according to the invention can be carried out using processes customary in IC manufacturing. New special process steps are sometimes required for the production of the photodiode 1 described below. The consequent separation of the transistor production and the photodiode production according to the invention results in the decisive advantage that both components can be optimized independently of one another.
Vor der Photodiodenherstellung wird zunächst die aktive Photodiodenregion definiert, indem ein Fenster in der ersten Oxidschicht 14 mittels Photolitho- graphie und Ätzen hergestellt wird. Danach wird eine zweite Oxidschicht 15 als Implantoxid aufgebracht. Dies geschieht vorzugsweise durch Deposition einer 10-40 nm dicken Tetra-Äthyl-Ortho-Silikat-(TEOS-)Oxidschicht mittels Tiefdruck-Chemical-Vapor-Depositon-Verfahren, beispielsweise bei 700 °C während 4 Minuten. Eine solche TEOS-Oxidschicht 15 hat den Vorteil, dass ihre Herstellung mit einem geringen thermischen Budget auskommt.Before the photodiode production, the active photodiode region is first defined by producing a window in the first oxide layer 14 by means of photolithography and etching. Then a second oxide layer 15 applied as an implant oxide. This is preferably done by deposition of a 10-40 nm thick tetraethyl orthosilicate (TEOS) oxide layer using the gravure chemical vapor depositon process, for example at 700 ° C. for 4 minutes. Such a TEOS oxide layer 15 has the advantage that it can be manufactured with a low thermal budget.
Die drei Photodioden-Halbleiterschichten 9-11 der (in Fig. 1 dargestellten) Photodiode 1 werden vorzugsweise nacheinander von der ersten, am tiefsten liegenden, bis zur dritten, unmittelbar unter der Oberfläche der Epitaxie¬ schicht 5 liegenden Photodioden-Halbleiterschicht hergestellt. Die Implanta¬ tionsenergien bestimmen die Tiefe, die implantierten Ionen den Leitfähig¬ keitstyp und die Flächendichte die Konzentration der Schichten 9-11. Für die erste Photodioden-Halbleiterschicht 9 werden Ionen des ersten Leitfähigkeits- typs, beispielsweise Bor-Ionen mit einer Flächendichte von 1012-1014 cm"2, vorzugsweise 3- 1013 cm"2, und einer Energie von 120-300 keV, vorzugsweise 170 keV, implantiert. Für die zweite Photodioden-Halbleiterschicht 10 werden Ionen des zweiten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise Phosphor-Ionen mit einer Flächendichte von 1012-5« 1014 cm"2, vorzugsweise 3« 1013 cm"2, und mit einer Energie von 90-250 keV, vorzugsweise 170 keV, implantiert. Für die dritte Photodioden-Halbleiterschicht 11 werden Ionen des ersten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise Bor-Ionen mit einer Flächendichte von 5« 1013-5« 1015 cm"2, vorzugsweise 1.5« IO14 cm'2, und mit einer Energie von 4-12 keV, vorzugsweise 8 keV, implantiert.The three photodiode semiconductor layers 9-11 of the photodiode 1 (shown in FIG. 1) are preferably produced in succession from the first, deepest, to the third photodiode semiconductor layer lying directly below the surface of the epitaxial layer 5. The implantation energies determine the depth, the implanted ions the conductivity type and the surface density the concentration of the layers 9-11. For the first photodiode semiconductor layer 9, ions of the first conductivity type, for example boron ions with a surface density of 10 12 -10 14 cm "2 , preferably 3-10 13 cm " 2 , and an energy of 120-300 keV are used. preferably 170 keV implanted. For the second photodiode semiconductor layer 10, ions of the second conductivity type are used, for example phosphorus ions with a surface density of 10 12 -5 "10 14 cm " 2 , preferably 3 "10 13 cm " 2 , and with an energy of 90-250 keV , preferably 170 keV, implanted. For the third photodiode semiconductor layer 11, ions of the first conductivity type, for example boron ions with a surface density of 5 "10 13 -5" 10 15 cm "2 , preferably 1.5" IO 14 cm '2 , and with an energy of 4- 12 keV, preferably 8 keV, implanted.
Zur Kontaktierung von Bipolatrtansistoren 29, 33 und Photodiode 1 werden Kontaktfenster an den vorgesehenen Kontaktstellen hergestellt. Dies geschieht mittels Photolithographie und Ätzen der jeweils vorhandenen Oxidschichten 14, 15 an den vorgesehenen Kontaktstellen. Zuerst wird eine elektrische Kontaktierung der dritten Photodioden-Halblei¬ terschicht 11 vorbereitet. Dazu wird die zweite Oxidschicht 15 von vorgesehe¬ nen Kontaktstellen mittels Photolithographie und Ätzen entfernt. Eine 150- 400 nm dicke, vorzugsweise 200 nm dicke, poly kristalline Siliziumschicht 19 wird mittels Tiefdruck-Chemical-Vapor-Deposition- Verfahren über der Photo¬ diode 1 oder auch auf der ganzen Fläche des bearbeiteten Halbleitersubstra¬ tes deponiert. An den vorgesehenen Kontaktstellen werden Ionen des ersten Leitfähigkeitstyps P+ durch eine Photolackschicht implantiert, beispielsweise Bor-Ionen mit einer Flächendichte von 1014-5 « 1015 cm"2, vorzugsweise IO15 cm"2, und mit einer Energie von 20-50 keV, vorzugsweise 25 keV. Die so entstandene hohe Dotierkonzentration am Übergang von der polykristallinen Siliziumschicht 19 zum monokristallinen Halbleiter erlaubt einen niederohmi- gen Kontakt zur nur ca. 100 nm dicken dritten Photodioden-Halbleiterschicht 11, ohne deren Dotierprofil am Übergang zur zweiten Photodioden-Halblei¬ terschicht 10 zu beeinträchtigen. Danach wird, falls nötig, die polykristalline Siliziumschicht 19 mittels Photolithographie und Ätzen ausserhalb der Photo¬ diode 1 entfernt. Schliesslich folgen zwei Temperschritte, deren thermisches Budget so beschaffen ist, dass die bestehenden Dotierprofile nicht ausdiffun- dieren. In einem ersten Temperschritt wird das bearbeitete Halbleitersubstrat während 10-200 Minuten, vorzugsweise 20 Minuten, bei 550-750 °C, vorzugs- wesie 600 °C, in einer chemisch inerten Umgebung, vorzugsweise Ar-Umge¬ bung, getempert. In einem zweiten Temperschritt wird das bearbeitete Halb¬ leitersubstrat während 3-20 s, vorzugswesie während ca. 5 s, bei 900-1200 °C, vorzugsweise bei 970 °C, in einer cheimsch inerten Umgebung, vorzugsweise in N2-Umgebung, getempert.For the contacting of bipolar transistors 29, 33 and photodiode 1, contact windows are produced at the contact points provided. This is done by means of photolithography and etching of the oxide layers 14, 15 present in each case at the contact points provided. First, electrical contacting of the third photodiode semiconductor layer 11 is prepared. For this purpose, the second oxide layer 15 is removed from the provided contact points by means of photolithography and etching. A 150-400 nm thick, preferably 200 nm thick, polycrystalline silicon layer 19 is deposited by means of gravure chemical vapor deposition methods over the photo diode 1 or also over the entire surface of the processed semiconductor substrate. Ions of the first conductivity type P + are implanted at the intended contact points through a photoresist layer, for example boron ions with a surface density of 10 14 -5 "10 15 cm " 2 , preferably IO 15 cm "2 , and with an energy of 20-50 keV, preferably 25 keV. The resulting high doping concentration at the transition from the polycrystalline silicon layer 19 to the monocrystalline semiconductor permits low-resistance contact to the third photodiode semiconductor layer 11, which is only about 100 nm thick, without impairing its doping profile at the transition to the second photodiode semiconductor layer 10. Thereafter, if necessary, the polycrystalline silicon layer 19 is removed by means of photolithography and etching outside the photo diode 1. Finally there are two tempering steps, the thermal budget of which is such that the existing doping profiles do not diffuse out. In a first annealing step, the processed semiconductor substrate is annealed for 10-200 minutes, preferably 20 minutes, at 550-750 ° C., preferably 600 ° C., in a chemically inert environment, preferably an Ar environment. In a second annealing step, the processed semiconductor substrate is annealed for 3-20 s, preferably for about 5 s, at 900-1200 ° C, preferably at 970 ° C, in a chemically inert environment, preferably in an N 2 environment .
Die polykristalline Siliziumschicht 19 wirkt bei der nachfolgenden Metalli- sierung als Diffusionsbarriere und verhindert wirkungsvoll, dass beim Auf- bringen der ersten Metallschicht 16 Metallspitzen durch die aussergewöhnlich dünne dritte Photodioden-Halbleiterschicht 11 dringen ("spiking") und uner¬ wünschte Kurzschlüsse des PN-Übergangs zwischen der dritten Photodioden- Halbleiterschicht 11 und zweiten Photodioden-Halbleiterschicht 10 bilden. Darüber hinaus erlauben die Dotierverhältnisse eine niederohmige Kontaktie¬ rung der dritten Photodioden-Halbleiterschicht 11.During the subsequent metallization, the polycrystalline silicon layer 19 acts as a diffusion barrier and effectively prevents bring the first metal layer 16 metal tips through the extraordinarily thin third photodiode semiconductor layer 11 ("spiking") and undesired short-circuits of the PN junction between the third photodiode semiconductor layer 11 and the second photodiode semiconductor layer 10 form. In addition, the doping ratios allow low-resistance contacting of the third photodiode semiconductor layer 11.
Ein Ätzen von Kontaktfenstern an denjenigen Stellen, an denen sich die erste Oxidschicht 14 und die zweite Oxidschicht 15 übereinander befinden, mit be¬ kannten, einfachen Ätzprozessen würde grosse Nachteile mit sich bringen. Einerseits wird nämlich mit Nassätzen ein starkes Unterätzen der zweiten Oxidschicht beobachtet. Andererseits führt Trockenätzen zu einer rauhen Kontaktoberfläche, was einen inakzeptabel hohen Kontaktwiderstand zur Folge hat. Um diese Nachteile zu beseitigen, wird im erfindungsgemassen Herstellungsverfahren ein neuer, zweistufiger Atzprozess angewendet. In ei¬ nem ersten Ätzschritt wird, beispielsweise während ca. 30 Sekunden, trocken geätzt. In einem zweiten Ätzschritt wird das verbleibende Oxid (ca. 20 nm bis 50 nm) nass weggeätzt. Der Ätz-Endpunkt kann beispielsweise mit einem Hydrophobie-Test festgestellt werden. Figur 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein mit dem erfindungsgemassen zweistufigen Atzprozess hergestelltes Kontaktfenster in einem Stadium, in welchem Photolack 36 noch nicht entfernt ist.Etching contact windows at the locations at which the first oxide layer 14 and the second oxide layer 15 are located one above the other with known, simple etching processes would have major disadvantages. On the one hand, a strong under-etching of the second oxide layer is observed with wet etching. On the other hand, dry etching leads to a rough contact surface, which results in an unacceptably high contact resistance. In order to eliminate these disadvantages, a new, two-stage etching process is used in the manufacturing method according to the invention. In a first etching step, dry etching is carried out, for example for about 30 seconds. In a second etching step, the remaining oxide (approx. 20 nm to 50 nm) is wet-etched away. The etching end point can be determined, for example, using a hydrophobicity test. FIG. 6 shows a schematic cross section through a contact window produced with the two-stage etching process according to the invention at a stage in which photoresist 36 has not yet been removed.
Es ist bekannterweise vorteilhaft, unmittelbar vor der Metallisierung das gan¬ ze bearbeitete Substrat kurz in Flusssäure (HF) zu tauchen, um eine natürlich aufgewachsene Oxidschicht zu entfernen. Zur Herstellung von elektrischen Kontakten und eines Leitersystems wird eine erste Metallschicht 16 auf die bearbeitete Oberfläche aufgebracht, vor¬ zugsweise eine ca. 600 nm dicke Schicht aus Aluminium und 1 % Silizium mittels Kathodenzerstäubung bei ca. 300 °C. Diese erste Metallschicht 16 wird mittels Photolithographie und Ätzen strukturiert.It is known that it is advantageous to immerse the entire processed substrate briefly in hydrofluoric acid (HF) immediately before the metallization in order to remove a naturally grown oxide layer. To produce electrical contacts and a conductor system, a first metal layer 16 is applied to the processed surface, preferably an approximately 600 nm thick layer of aluminum and 1% silicon by means of cathode sputtering at approximately 300 ° C. This first metal layer 16 is structured by means of photolithography and etching.
Es ist vorteilhaft, praktisch die gesamte Detektoroberfläche mit Ausnahme des Eintrittsfensters 21 mit einer zweiten Metallschicht 18 zu bedecken, wel- ehe die Aufgabe hat, die elektronischen Komponenten von unerwünschter elektromagnetischer Strahlung abzuschirmen. Zu diesem Zweck wird eine dritte Oxidschicht 17 auf die bearbeitete Oberfläche deponiert, vorzugsweise 800 nm mittels Plasmadeposition bei 350 °C. Diese dritte Oxidschicht 17 kann mittels Photolithographie und Ätzen strukturiert werden. Über die dritte Oxidschicht 17 wird die zweite Metallschicht 18 aufgebracht, vorzugsweise eine ca. 1400 nm dicke Schicht aus Aluminium und 1 % Silizium mittels Ka¬ thodenzerstäubung bei ca. 300 °C. Auch diese zweite Metallschicht 18 kann mittels Photolithographie und Ätzen strukturiert werden. Abschliessend wird das bearbeitete Halbleitersubstrat bei ca. 350-500 °C, vorzugsweise bei 400 °C, in einer chemisch inerten Umgebung getempert.It is advantageous to cover practically the entire detector surface with the exception of the entrance window 21 with a second metal layer 18, which has the task of shielding the electronic components from unwanted electromagnetic radiation. For this purpose, a third oxide layer 17 is deposited on the processed surface, preferably 800 nm by means of plasma deposition at 350 ° C. This third oxide layer 17 can be structured by means of photolithography and etching. The second metal layer 18 is applied over the third oxide layer 17, preferably an approximately 1400 nm thick layer of aluminum and 1% silicon by means of cathode sputtering at approximately 300 ° C. This second metal layer 18 can also be structured by means of photolithography and etching. Finally, the processed semiconductor substrate is annealed at approximately 350-500 ° C., preferably at 400 ° C., in a chemically inert environment.
Vorteilhafterweise wird ein Interferenzfilter 23 mit Transmission im Ultravio¬ lett, welches gleichzeitig als Schutzschicht dienen kann, auf dem Eintrittsfen- ster 21 der Photodiode 1 hergestellt. Ein Interferenzfilter 23 mit maximaler Transmission um die Wellenlänge von 310 nm herum kann beispielsweise hergestellt werden, indem zuerst das auf der aktiven Sensorfläche verbleiben¬ de Oxid 15, 17 mittels Photolithographie und Ätzen bis auf 68-98 nm, vorzugs¬ weise 83 nm, reduziert wird. Dann werden auf das auf das Eintrittsfenster 21 durch eine entsprechend strukturierte Photolithographieschicht nacheinander eine 17-23 nm dicke, vorzugsweise 19.8 nm dicke, AI-Schicht, danach eine 70- 76 nm dicke, vorzugsweise 72.5 nm dicke, SiO,-Schicht, danach eine 12.5-17.5 nm dicke, vorzugsweise 15.0 nm dicke, AI-Schicht und danach eine 37.5-42.5 nm dicke, vorzugsweise 40.0 nm dicke, Si02-Schicht mittels Bedampfen bzw. Kathodenzerstäubung aufgebracht. Abschliessend wird das bearbeitete Halb¬ leitersubstrat während 10-60 Minuten, vorzugsweise 15 Minuten, bei 350-500 °C, vorzugsweise 400 °C, in einer chemisch inerten Umgebung, worzugsweise in N2-Umgebung, getempert. Andere Schichtenkombinationen, die zu Inter¬ ferenzfiltern 23 mit anderen Transmissionseigenschaften führen, sind möglich. Durch die Herstellung eines geeigneten Interferenzfilters 23 kann also die spektrale Empfindlichkeit und Selektivität des UV-Strahlungsdetektors im erfindungsgemassen Verfahren gewählt und eingestellt werden.An interference filter 23 with transmission in the ultraviolet, which can simultaneously serve as a protective layer, is advantageously produced on the entrance window 21 of the photodiode 1. An interference filter 23 with maximum transmission around the wavelength of 310 nm can be produced, for example, by first reducing the oxide 15, 17 remaining on the active sensor surface by means of photolithography and etching to 68-98 nm, preferably 83 nm becomes. Then one after the other on the entry window 21 through a correspondingly structured photolithography layer a 17-23 nm thick, preferably 19.8 nm thick, Al layer, then a 70- 76 nm thick, preferably 72.5 nm thick, SiO 2 layer, then a 12.5-17.5 nm thick, preferably 15.0 nm thick, Al layer and then a 37.5-42.5 nm thick, preferably 40.0 nm thick, Si0 2 layer applied by means of vapor deposition or sputtering. Finally, the processed semiconductor substrate is annealed for 10-60 minutes, preferably 15 minutes, at 350-500 ° C., preferably 400 ° C., in a chemically inert environment, preferably in an N 2 environment. Other layer combinations which lead to interference filters 23 with different transmission properties are possible. By producing a suitable interference filter 23, the spectral sensitivity and selectivity of the UV radiation detector can thus be selected and adjusted in the method according to the invention.
Die Auswertelektronik soll einerseits das von der Photodiode 1 gelieferte elektrische Signal verarbeiten können und andererseits durch das beschriebe¬ ne Herstellungsverfahren herstellbar sein. Die von der erfindungsgemassen Photodiode 1 gelieferten Photoströme IPh liegen im Picoampere-Bereich; die oben beschriebenen, mit dem erfindungsgemassen Verfahren hergestellten Bipolartransistoren 29, 33 sind aber für weniger kleine Ströme geeignet. Des¬ halb wird in der Auswertelektronik ein konstanter Eingangsstrom IBl zum Photostrom IPn symmetrisch hinzugefügt; so können die Bipolartransistoren 29, 33 in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden.The evaluation electronics should on the one hand be able to process the electrical signal supplied by the photodiode 1 and on the other hand be able to be produced by the described production method. The photocurrents I Ph supplied by the photodiode 1 according to the invention are in the picoampere range; the bipolar transistors 29, 33 described above and manufactured using the method according to the invention are, however, suitable for less small currents. Therefore, a constant input current I Bl is symmetrically added to the photocurrent I Pn in the evaluation electronics; the bipolar transistors 29, 33 can thus be operated at their optimum operating point.
In Fig. 7 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Eingangsstufe 37 der erfindungsgemassen Auswertschaltung dargestellt. Sie erlaubt eine gute elek¬ trische Isolation der Photodiode 1 gegenüber den elektronischen Komponen¬ ten des UV-Strahlungsdetektors sogar bei höheren Temperaturen. Die reele Photodiode 1 ist in Fig. 6 schematisch aufgeteilt in eine ideale UV-Photod- iode 1.1, welche nur auf ultraviolette elektromagnetische Strahlung empfind¬ lich ist, und eine parasitäre IR-Photodiode 1.2, welche auf sichtbare und IR- Strahlung empfindlich ist. Der konstante Eingangsstrom IBj wird in jeden von drei identischen Eingangsästen 38-40 eingespiesen. In einem ersten Eingangs- ast 38 fliesst nur den konstante Eingangsstrom IBl. Ein zweiter Eingangsast 39 ist mit der anodischen Seite der idealen UV-Photodiode 1.1 verbunden. Dort wird der UV-Photostrom IPh zum konstanten Eingangsstrom IBi addiert. In einem dritten Eingangsast 40 werden die kathodischen Ströme der beiden Photodioden zum konstanten Eingangsstrom IBl addiert und zur Erde geführt; ebenso zur Erde geführt wird der anodische Strom der IR-Photodiode. Drei identische Transistoren Qu, Q13 und Q15 werden durch eine konstante Span¬ nung VBi auf der gleichen Basis-Emitter-Spannung gehalten. In einem ersten Ausgangsast 41 der Eingangsstufe 37 fliesst der konstante Eingangsstrom IBl, während in einem zweiten Ausgangsast 42 der Summenstrom IBl + IPn fliesst. Diese Ströme werden in einen Differentialverstärker 43 geführt.FIG. 7 shows an exemplary embodiment of an input stage 37 of the evaluation circuit according to the invention. It allows good electrical isolation of the photodiode 1 from the electronic components of the UV radiation detector even at higher temperatures. The real photodiode 1 is schematically divided into an ideal UV photodiode in FIG. Iode 1.1, which is only sensitive to ultraviolet electromagnetic radiation, and a parasitic IR photodiode 1.2, which is sensitive to visible and IR radiation. The constant input current I Bj is fed into each of three identical input branches 38-40. Only the constant input current I Bl flows in a first input branch 38. A second input branch 39 is connected to the anodic side of the ideal UV photodiode 1.1. There the UV photocurrent I Ph is added to the constant input current I Bi . In a third input branch 40, the cathodic currents of the two photodiodes are added to the constant input current I Bl and led to earth; the anodic current of the IR photodiode is also led to earth. Three identical transistors Q u , Q 13 and Q 15 are kept at the same base-emitter voltage by a constant voltage V Bi . The constant input current I Bl flows in a first output branch 41 of the input stage 37, while the total current I Bl + I Pn flows in a second output branch 42. These currents are fed into a differential amplifier 43.
Eine beispielhafte Ausführungsform eines Differentialverstärkers 43 der erfin¬ dungsgemassen Auswertschaltung ist in Fig. 8 dargestellt; es handelt sich um einen total symmetrischen zweistufigen Differentialverstärker 43. Die zwei Eingangsströme werden durch zwei Eingangsäste 44, 45 in den Differentialver¬ stärker 43 geführt. Dort werden sie mit den Faktoren ß16 und ß18 bzw. ß19 und ß20 multipliziert.An exemplary embodiment of a differential amplifier 43 of the evaluation circuit according to the invention is shown in FIG. 8; it is a totally symmetrical two-stage differential amplifier 43. The two input currents are conducted through two input branches 44, 45 into the differential amplifier 43. There they are multiplied by the factors ß 16 and ß 18 or ß 19 and ß 20 .
Figur 9 zeigt ein Schaltschema einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemassen Auswertschaltung. Sie besteht aus der Eingangsstufe 37, einem Verstärker 46 und einer Rückkopplungsschleife/Stromquelle 47. Die Versorgungsspannung beträgt beispielsweise Vιn = 5 V. Die beiden im Diffe- rentialverstärker 43 verstärkten Ströme werden im Verstärker 46 mit einem Faktor K in die Transistoren Q24 bzw. Q23 gespiegelt und schliesslich durch Widerstände R3 bzw. R2 in Spannungen umgewandelt, deren Differenz V0 als Ausgangsspannung dient. Die erfindungsgemässe Auswertschaltung ist völlig symmetrisch, d. h. Q16 = Q20, Q18 = Q19 und R2 = R3. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung V0 gegeben durch V0 = ß16ß18KR3IPh ; V0 ist also unabhängig vom Eingangsstrom IBi. Beispielhafte Werte der vor¬ kommenden Grossen sind ß16 « ß18 = 140, K = 2, R3 = 28 kΩ. Damit ergibt sich für Photoströme IPh im Bereich von Bruchteilen von Picoampere bis Nanoampere ein resultierender Verstärkerwiderstand von V0/IPh = 1.1 GΩ; ein Photodioden-Ausgangsstrom von IPh = 1 pA wird also in eine Ausgangs¬ spannung von ca. V0 « 1 mV umgewandelt.FIG. 9 shows a circuit diagram of an exemplary embodiment of an evaluation circuit according to the invention. It consists of the input stage 37, an amplifier 46 and a feedback loop / current source 47. The supply voltage is, for example, V in = 5 V. The two currents amplified in the differential amplifier 43 are combined with one in the amplifier 46 Factor K is reflected in the transistors Q 24 and Q 23 and finally converted into voltages by resistors R 3 and R 2 , the difference V 0 of which serves as the output voltage. The evaluation circuit according to the invention is completely symmetrical, ie Q 16 = Q 20 , Q 18 = Q 19 and R 2 = R 3 . In this case the output voltage V 0 is given by V 0 = ß 16 ß 18 KR 3 I Ph ; V 0 is therefore independent of the input current I Bi . Exemplary values of the preceding sizes are ß 16 ß 18 = 140, K = 2, R 3 = 28 kΩ. This results in a resulting amplifier resistance of V 0 / I Ph = 1.1 GΩ for photocurrents I Ph in the range of fractions from picoampere to nanoampere; a photodiode output current of I Ph = 1 pA is thus converted into an output voltage of approximately V 0 1 mV.
Wegen des grossen resultierenden Verstärkerwiderstandes und um das Rau¬ schen tief zu halten, muss der Eingangsstrom IBl klein und gut kontrolliert sein. Dies wird durch die Rückkopplungsschleife/Stromquelle 47 gewährlei¬ stet, welche eine teilweise Kopie der Verstärkerstufe 46 ist: Q4 = Q18, Q5 = Q16 und R! = R3. Die Rückkopplungsschleife/Stromquelle 47 speist den rich- tigen Eingangsstrom IBi in den Verstärker 46 zurück. Die Stabilität der Rück¬ kopplungsschleife wird durch einen Kompensationskondensator 48 von bei¬ spielsweise Cc = 12 pF gewährleistet. Durch Verändern einer Referenzspan¬ nung VBi kann der Eingangsstrom IBl präzis gemäss
Figure imgf000025_0001
eingestellt werden.
Because of the large resulting amplifier resistance and in order to keep the noise low, the input current I Bl must be small and well controlled. This is ensured by the feedback loop / current source 47, which is a partial copy of the amplifier stage 46: Q 4 = Q 18 , Q 5 = Q 16 and R ! = R 3 . The feedback loop / current source 47 feeds the correct input current I Bi back into the amplifier 46. The stability of the feedback loop is ensured by a compensation capacitor 48 of, for example, C c = 12 pF. By changing a reference voltage V Bi , the input current I Bl can be precisely according to
Figure imgf000025_0001
can be set.
Die Ladungsträger, welche die Sperrschichtkapazität der Photodiode 1 von typischerweise 2.7 nF aufladen müssen, werden sowohl vom Eingangsstrom IBj als auch vom Photostrom IPn geliefert. Der Eingangsstrom IBi in der Grossen- ordnung von einigen Nanoampere ist viel grösser als der Photostrom IPh in der Grössenordnung von einigen Picoampere. Durch Einstellen des Eingangs¬ stroms IBl zwischen 1 nA und 10 nA kann daher die Schrittantwortzeit zwi¬ schen 500 ms und 50 ms eingestellt werden. Dies ist ein grösser Vorteil der erfindungsgemassen Schaltung.The charge carriers, which must charge the junction capacitance of the photodiode 1 of typically 2.7 nF, are supplied by both the input current I Bj and the photocurrent I Pn . The input current I Bi in the large The order of a few nanoamperes is much larger than the photocurrent I Ph in the order of a few picoamperes. By setting the input current I Bl between 1 nA and 10 nA, the step response time can therefore be set between 500 ms and 50 ms. This is a major advantage of the circuit according to the invention.
Wenn der UV-Photodetektor mit mehreren Photodioden 1 ausgestattet ist, so muss die Schaltung leicht modifiziert werden. Solche Modifikationen sind für den Fachmann einfach vorzunehmen und gehören ebenfalls zur Erfindung. If the UV photodetector is equipped with several photodiodes 1, the circuit must be modified slightly. Such modifications are easy for the person skilled in the art to make and are also part of the invention.

Claims

P A T E N T A N S P R U C H E PATENT CLAIMS
1. Verfahren zur Herstellung eines UV-Strahlungsdetektors, bestehend aus mindestens einer UV-Photodiode (1) und einer Auswertelektronik mit Bipolartransistoren (29, 33), wobei Photodiode (1) und Auswertelektronik auf einer Fläche (3) eines Halbleitersubstrates (2) eines ersten Leitfähig- keitstyps (P) hergestellt werden, gekennzeichnet durch folgende nachein¬ ander durchgeführte Verfahrensschritte:1. A method for producing a UV radiation detector, consisting of at least one UV photodiode (1) and evaluation electronics with bipolar transistors (29, 33), the photodiode (1) and evaluation electronics on a surface (3) of a semiconductor substrate (2) of the first conductivity type (P), characterized by the following process steps carried out in succession:
a) Vorbehandlung der einen Fläche (3) des Halbleitersubstrates (2),a) pretreatment of one surface (3) of the semiconductor substrate (2),
b) Herstellung von Bipolartransistoren (29, 33) und Teilen der minde¬ stens einen Photodiode (1) über der einen Fläche (3) des Halblei¬ tersubstrates (2),b) production of bipolar transistors (29, 33) and parts of the at least one photodiode (1) over one surface (3) of the semiconductor substrate (2),
c) Herstellung der mindestens einen Photodiode ( 1) durch aufeinand- erfolgendes Implantieren verschiedener Ionen mit die Tiefe der Im¬ plantation bestimmenden Energien durch entsprechend strukturierte Photolackschichten undc) production of the at least one photodiode (1) by successively implanting different ions with energies determining the depth of the implantation by means of appropriately structured photoresist layers and
d) Herstellung von Kontaktfenstern zur Kontaktierung der Bipolartransi- stören (29, 33) und der Photodioden ( 1) sowie Herstellung einesd) Production of contact windows for contacting the bipolar transistor (29, 33) and the photodiodes (1) and production of a
Leitersystems.Conductor system.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Ver- fahrensschritt Prozessvarianten und/oder Prozesstemperaturen derart gewählt werden, dass in vorherigen Verfahrensschritten hergestellte Struk¬ turen nicht wesentlich beeinträchtigt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that process variants and / or process temperatures in such a step can be chosen so that structures produced in previous method steps are not significantly impaired.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleitersubstrat (2) eine mit einer Fremdatomkonzentration von 1014- 1017 cm'3 dotierte einkristalline Siliziumscheibe des ersten Leitfähigkeits¬ typs (P) gewählt wird.Method according to Claim 1 or 2, characterized in that a single-crystalline silicon wafer of the first conductivity type (P) doped with a foreign atom concentration of 10 14-10 17 cm '3 is selected as the semiconductor substrate (2).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung der einen Fläche (3) des Halbleitersubstrates (2) in den folgenden Schritten besteht:4. The method according to any one of claims 1-3, characterized in that the pretreatment of one surface (3) of the semiconductor substrate (2) consists in the following steps:
al) Herstellung einer ersten, mittels Photolithographie strukturiertenal) production of a first, structured by means of photolithography
Halbleiterschicht (4) eines zweiten Leitfähigkeitstyps (N + ) mittels Ionenimplantation,Semiconductor layer (4) of a second conductivity type (N + ) by means of ion implantation,
a2) Herstellung einer zweiten, unstrukturierten Halbleiterschicht (5) des zweiten Leitfähigkeitstyps (N) mittels Epitaxie,a2) production of a second, unstructured semiconductor layer (5) of the second conductivity type (N) by means of epitaxy,
a3) Herstellung von Isolationsringen (8) des ersten Leitfähigkeitstyps (P+) mittels Photolithographie, Implantation und Diffusion von Fremdatomen,a3) production of insulation rings (8) of the first conductivity type (P + ) by means of photolithography, implantation and diffusion of foreign atoms,
a4) Herstellung von Verbindungen (6) des zweiten Leitfähigkeitstyps (N + ) zur ersten Halbleiterschicht mittels Photolithographie, Im¬ plantation und Diffusion von Fremdatomen und a5) Deposition einer ersten Oxidschicht (14) mittels thermischer Oxi¬ dation.a4) Production of connections (6) of the second conductivity type (N + ) to the first semiconductor layer by means of photolithography, implantation and diffusion of foreign atoms and a5) deposition of a first oxide layer (14) by means of thermal oxidation.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung von Bipolartransistoren (29, 33) und Teilen der minde¬ stens einen Photodiode ( 1) in den folgenden Schritten besteht:5. The method according to any one of claims 1-4, characterized in that the production of bipolar transistors (29, 33) and parts of the at least one photodiode (1) consists in the following steps:
bl) Implantation von Ionen des ersten Leitfähigkeitstyps (P+) durch eine entsprechend strukturierte Photolackschicht zwecks Herstel- lung von Anschlussregionen (12, 31, 34, 35),bl) implantation of ions of the first conductivity type (P + ) through a correspondingly structured photoresist layer for the purpose of producing connecting regions (12, 31, 34, 35),
b2) Implantation von Ionen des ersten Leitfähigkeitstyps (P) durch eine entsprechend strukturierte Photolackschicht zwecks Herstel¬ lung von Basen (30),b2) implantation of ions of the first conductivity type (P) through a correspondingly structured photoresist layer for the purpose of producing bases (30),
b3) Implantation von Ionen eines zweiten Leitfähigkeitstyps (N) durch eine entsprechend strukturierte Oxid-Schicht zwecks Her¬ stellung von Emittern (32) und Anschlussregionen (13) undb3) implantation of ions of a second conductivity type (N) through a correspondingly structured oxide layer for the purpose of producing emitters (32) and connection regions (13) and
b4) Aktivierung und Tempern der Dotierungen während 10-90 Mi¬ nuten bei 900-1250 °C in einer chemisch inerten Umgebung.b4) Activation and annealing of the dopants for 10-90 minutes at 900-1250 ° C. in a chemically inert environment.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass für die mindestens eine Photodiode (1) drei mittels Photolithographie strukturierte Photodioden-Halbleiterschichten (9-11) hergestellt werden, wobei die Implantationsenergien so gewählt werden, dass eine erste Pho¬ todioden-Halbleiterschicht (9) am tiefsten, eine dritte Photodioden-Halb¬ leiterschicht (11) unmittelbar unter der Oberfläche (7) und eine zweite Photodioden-Halbleiterschicht (10) zwischen der ersten (9) und der drit- ten (11) Photodioden-Halbleiterschicht zu liegen kommt, und wobei für die erste (9) und dritte (11) Photodioden-Halbleiterschicht Ionen des ersten Leitfähigkeitstyps (P, P+) und für die zweite Photodioden-Halblei¬ terschicht (10) Ionen des zweiten Leitfähigkeitstyps (N + ) implantiert werden.6. The method according to any one of claims 1-5, characterized in that for the at least one photodiode (1) three photodiode semiconductor layers (9-11) structured by means of photolithography are produced, the implantation energies being selected such that a first phase Todioden semiconductor layer (9) deepest, a third photodiode semiconductor layer (11) immediately below the surface (7) and a second photodiode semiconductor layer (10) between the first (9) and the third th (11) photodiode semiconductor layer comes to lie, and wherein for the first (9) and third (11) photodiode semiconductor layer ions of the first conductivity type (P, P + ) and for the second photodiode semiconductor layer (10) ions of the second conductivity type (N + ).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Her¬ stellung der ersten Photodioden-Halbleiterschicht (9) Bor-Ionen mit einer Flächendichte von 1012-1014 cm'2 und einer Energie von 120-300 keV implantiert werden, zwecks Herstellung der zweiten Photodioden-Halblei¬ terschicht (10) Phosphor-Ionen mit einer Flächendichte von 1012-5- 1014 cm"2 und mit einer Energie von 90-250 keV implantiert werden und dass zwecks Herstellung der dritten Photodioden-Halbleiterschicht (11) Bor- Ionen mit einer Flächendichte von 5 * 1013-5 - 1015 cm"2 und mit einer Ener¬ gie von 4-12 keV implantiert werden.7. The method according to claim 6, characterized in that for the manufacture of the first photodiode semiconductor layer (9) boron ions are implanted with a surface density of 10 12 -10 14 cm '2 and an energy of 120-300 keV Production of the second photodiode semiconductor layer (10) phosphorus ions with a surface density of 10 12 -5 -10 14 cm "2 and with an energy of 90-250 keV are implanted and that for the production of the third photodiode semiconductor layer (11 ) Boron ions with a surface density of 5 * 10 13 -5 - 10 15 cm "2 and with an energy of 4-12 keV can be implanted.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Photodiodenherstellung zunächst im Bereich der mindestens ei¬ nen Photodiode die erste Oxidschicht (14) mittels Photolithographie und Ätzen entfernt wird und danach eine 10-40 nm dicke zweite Oxidschicht (15) als Tetra-Äthyl-Ortho-Silikat (TEOS) mittels Tiefdruck-Chemical- Vapor-Depositon-Verfahren deponiert wird.8. The method according to any one of claims 4-7, characterized in that before the photodiode production, first in the region of the at least one photodiode, the first oxide layer (14) is removed by means of photolithography and etching, and then a 10-40 nm thick second oxide layer ( 15) is deposited as tetraethyl orthosilicate (TEOS) using the gravure chemical vapor deposit process.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktfenster zur Kontaktierung von Bipolartransistoren (29, 33) und Photodioden (1) hergestellt werden, indem Oxid (14, 15) von vorgesehe- nen Kontaktstellen mittels Photolithographie und Ätzen entfernt wird. 9. The method according to any one of claims 1-8, characterized in that contact windows for contacting bipolar transistors (29, 33) and photodiodes (1) are produced by removing oxide (14, 15) from the intended contact points by means of photolithography and etching becomes.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entfernung von Oxid (14, 15) an denjenigen Stellen, an denen sich die erste Oxidschicht (14) und die zweite Oxidschicht (15) übereinander befinden, ein zweistufiger Atzprozess angewendet wird, wobei in einem ersten Ätzschritt trocken geätzt und in einem zweiten Ätzschritt verblei¬ bendes Oxid nass weggeätzt wird.10. The method according to claims 8 and 9, characterized in that a two-stage etching process is used to remove oxide (14, 15) at those points at which the first oxide layer (14) and the second oxide layer (15) are located one above the other is etched dry in a first etching step and remaining oxide is etched away wet in a second etching step.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-10, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Herstellung der Photodioden-Halbleiterschichten (9-11) eine elektrische Kontaktierung der dritten Photodioden-Halbleiterschicht (11) vorbereitet wird, indem Oxid (15) von vorgesehenen Kontaktstellen mit¬ tels Photolithographie und Ätzen entfernt wird, eine 150-400 nm dicke polykristalline Siliziumschicht (19) mittels Tiefdruck-Chemical-Vapor-11. The method according to any one of claims 6-10, characterized in that after the production of the photodiode semiconductor layers (9-11) an electrical contacting of the third photodiode semiconductor layer (11) is prepared by using oxide (15) from the contact points provided ¬ removed by photolithography and etching, a 150-400 nm thick polycrystalline silicon layer (19) by means of gravure chemical vapor
Deposition- Verfahren über der Photodiode (1) deponiert wird, Halbleiter¬ schichten des ersten Leitfähigkeitstyps (P+) mittels Photolithographie und Ionenimplantation mit einer Flächendichte von 10l4-5 ■ IO15 cm"2 und mit einer Energie von 20-50 keV hergestellt werden und das bearbeitete Halbleitersubstrat während 10-200 Minuten bei 550-750 °C in einer che¬ misch inerten Umgebung und während 3-20 s bei 900-1200 °C in einer chemisch inerten Umgebung getempert wird.Deposition method over which the photodiode (1) is deposited, semiconductor layers of the first conductivity type (P + ) are produced by means of photolithography and ion implantation with an areal density of 10 14 -5 10 15 cm 2 and with an energy of 20-50 keV and the processed semiconductor substrate is annealed for 10-200 minutes at 550-750 ° C in a chemically inert environment and for 3-20 s at 900-1200 ° C in a chemically inert environment.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Herstellung von elektrischen Kontakten und eines Leitersystems eine erste Metallschicht (16) mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht, mittels Photolithographie und Ätzen strukturiert und bei 350-500 °C in einer chemisch inerten Umgebung getempert wird. 12. The method according to any one of claims 1-11, characterized in that for the purpose of producing electrical contacts and a conductor system, a first metal layer (16) applied by means of sputtering, structured by means of photolithography and etching and at 350-500 ° C in a chemically inert environment is annealed.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Abschirmung von elektronischen Komponenten vor elektromagne¬ tischer Strahlung eine zweite Metallschicht (18) über den elektronischen Komponenten aufgebracht wird.13. The method according to any one of claims 1-12, characterized in that a second metal layer (18) is applied over the electronic components for the purpose of shielding electronic components from electromagnetic radiation.
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14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Oxidschicht (17) deponiert und mittels Photolithographie und Ätzen strukturiert wird, die zweite Metallschicht (18) aufgebracht und mittels 0 Photolithographie und Ätzen strukturiert wird und das bearbeitete Halb¬ leitersubstrat bei 350-500 °C in einer chemisch inerten Umgebung getem¬ pert wird.14. The method according to claim 13, characterized in that a third oxide layer (17) is deposited and structured by means of photolithography and etching, the second metal layer (18) is applied and structured by means of photolithography and etching and the processed semiconductor substrate at 350- 500 ° C in a chemically inert environment.
5 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass auf der mindestens einen Photodiode (1) ein Interferenzfilter (23) mit Transmission im ultravioletten Spektralbereich hergestellt wird.5 15. The method according to any one of claims 1-14, characterized in that an interference filter (23) with transmission in the ultraviolet spectral range is produced on the at least one photodiode (1).
0 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Inter¬ ferenzfilter (23) hergestellt wird, indem die Oxiddicke auf der Photodiode ( 1) mittels Photolithographie und Ätzen bis auf 68-98 nm reduziert wird, auf die verbleibende Oxidschicht über der Photodiode ( 1) durch eine entsprechend strukturierte Photolithographieschicht nacheinander eine 17- 5 23 nm dicke AI-Schicht, eine 70-76 nm dicke Si02-Schicht, eine 12.5-17.5 nm dicke AI-Schicht und eine 37.5-42.5 nm dicke Si02-Schicht mittels Be¬ dampfen bzw. Kathodenzerstäubung aufgebracht werden und das bearbei¬ tete Halbleitersubstrat während 10-60 Minuten bei 350-500 °C in einer chemisch inerten Umgebung getempert wird. 0 16. The method according to claim 15, characterized in that the interference filter (23) is produced by reducing the oxide thickness on the photodiode (1) by means of photolithography and etching to 68-98 nm, onto the remaining oxide layer above the Photodiode (1) through a correspondingly structured photolithography layer one after the other a 17-5 23 nm thick Al layer, a 70-76 nm thick Si0 2 layer, a 12.5-17.5 nm thick Al layer and a 37.5-42.5 nm thick Si0 2 -Layer are applied by means of evaporation or cathode sputtering and the processed semiconductor substrate is annealed for 10-60 minutes at 350-500 ° C. in a chemically inert environment. 0
17. UV-Strahlungsdetektor, erhältlich durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1-16, bestehend aus mindestens einer Photodiode (1) mit ei¬ nem Eintrittsfenster (21) für elektromagnetische Strahlung (22) und einer Auswertelektronik mit Bipolartransistoren (29, 33), wobei die mindestens eine Photodiode (1) und die Auswertschaltung in einer zweiten Halblei¬ terschicht (5) des zweiten Leitfähigkeitstyps (N) auf einer Fläche (3) eines Halbleitersubstrates (2) eines ersten Leitfähigkeitstyps (P) angeord¬ net sind, eine erste Halbleiterschicht (4) des zweiten Leitfähigkeitstyps (N + ) sich zwischen dem Halbleitersubstrat (2) und der zweiten Halblei- terschicht (5) befindet, die mindestens eine Photodiode (1) im wesentli¬ chen aus einer ersten Photodioden-Halbleiterschicht (9) des ersten Leitfä¬ higkeitstyps (P), aus einer zweiten Photodioden-Halbleiterschicht (10) des zweiten Leitfähigkeitstyps (N+) und aus einer dritten Photodioden-Halb¬ leiterschicht (11) des ersten Leitfähigkeitstyps (P+) besteht, die zweite Photodioden-Halbleiterschicht (10) an der Oberfläche (7) in der ersten17. UV radiation detector, obtainable by the method according to one of claims 1-16, consisting of at least one photodiode (1) with an entrance window (21) for electromagnetic radiation (22) and evaluation electronics with bipolar transistors (29, 33) , the at least one photodiode (1) and the evaluation circuit being arranged in a second semiconductor layer (5) of the second conductivity type (N) on a surface (3) of a semiconductor substrate (2) of a first conductivity type (P), one first semiconductor layer (4) of the second conductivity type (N + ) is located between the semiconductor substrate (2) and the second semiconductor layer (5), which at least one photodiode (1) consists essentially of a first photodiode semiconductor layer (9) of the first conductivity type (P), from a second photodiode semiconductor layer (10) of the second conductivity type (N + ) and from a third photodiode semiconductor layer (11) of the first Lei ability type (P + ), the second photodiode semiconductor layer (10) on the surface (7) in the first
Photodioden-Halbleiterschicht (9) angeordnet ist und die dritte Photodio¬ den-Halbleiterschicht (11) an der Oberfläche (7) in der zweiten Photodio¬ den-Halbleiterschicht (10) angeordnet ist und die Photodioden-Halbleiter¬ schichten (9-11) an Kontaktstellen durch Kontaktfenster in Oxidschichten (14, 15) an der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht (5) hindurch mit einer ersten, strukturierten Metallschicht (16) kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich an der Kontaktstelle der dritten Photodioden- Halbleiterschicht (11) eine poly kristalline Siliziumschicht (19) des ersten Leitfähigkeitstyps (P+) zwischen der dritten Photodioden-Halbleiter- Schicht (11) und der ersten Metallschicht (16) befindet.Photodiode semiconductor layer (9) is arranged and the third photodiode semiconductor layer (11) is arranged on the surface (7) in the second photodiode semiconductor layer (10) and the photodiode semiconductor layers (9-11) are contacted at contact points through contact windows in oxide layers (14, 15) on the surface of the second semiconductor layer (5) with a first, structured metal layer (16), characterized in that at the contact point of the third photodiode semiconductor layer (11) poly crystalline silicon layer (19) of the first conductivity type (P + ) between the third photodiode semiconductor layer (11) and the first metal layer (16).
18. UV-Strahlungsdetektor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die polykristalline Siliziumschicht (19) 150-400 nm dick ist. - 32 -18. UV radiation detector according to claim 17, characterized in that the polycrystalline silicon layer (19) is 150-400 nm thick. - 32 -
19. UV-Strahlungsdetektor nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeich¬ net, dass sich über der ersten Metallschicht (16) eine dritte Oxidschicht (17) und darüber eine zweite Metallschicht (18) befindet, welche zur Abschirmung von elektronischen Komponenten vor elektromagnetischer Strahlung dient.19. UV radiation detector according to claim 17 or 18, characterized in that there is a third oxide layer (17) above the first metal layer (16) and a second metal layer (18) above it, which is used to shield electronic components from electromagnetic radiation serves.
20. UV-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 17-19, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das Eintrittsfenster (21) mit einem optischen Inter- ferenzfilter (23) versehen ist.20. UV radiation detector according to one of claims 17-19, characterized ge indicates that the entrance window (21) is provided with an optical interference filter (23).
21. UV-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 17-20, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass vor dem Eintrittsfenster (21) ein optisches Absorp- tionsfilter (24) angebracht ist.21. UV radiation detector according to one of claims 17-20, characterized ge indicates that an optical absorption filter (24) is attached in front of the entrance window (21).
22. Auswertschaltung zur Auswertung eines Photostroms IPn für einen UV- Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 17-21, gekennzeichnet durch eine Eingangsstufe (37), in welcher ein konstanter Eingangsstrom (IBl) zum Photostrom (IPh) addiert wird, woraus ein Summenstrom (IBl + IPn) resultiert, und durch einen Verstärker (46) mit Bipolartransistoren (29, 33), in welchem der Summenstrom (IBi + IPn) und der konstante Ein¬ gangsstrom (IBl) um einen im wesentlichen gleichen Verstärkungsfaktor verstärkt und in Spannungen umgewandelt werden, deren Differenz als22. Evaluation circuit for evaluating a photocurrent I Pn for a UV radiation sensor according to one of claims 17-21, characterized by an input stage (37) in which a constant input current (I Bl ) is added to the photocurrent (I Ph ), from which a Total current (I Bl + I Pn ) results, and by an amplifier (46) with bipolar transistors (29, 33), in which the total current (I Bi + I Pn ) and the constant input current (I Bl ) by an essentially same gain factor and converted into voltages, the difference as
Ausgangsspannung (V0) dient.Output voltage (V 0 ) is used.
23. Auswertschaltung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der konstante Eingangsstrom (IBl) so gross ist, dass die Bipolartransistoren (29, 33) des Verstärkers (46) an ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden.23. Evaluation circuit according to claim 22, characterized in that the constant input current (I Bl ) is so large that the bipolar transistors (29, 33) of the amplifier (46) can be operated at their optimum operating point.
24. Auswertschaltung nach Anspruch 22 oder 23, gekennzeichnet durch eine Rückkopplungsschleife (47), in welcher der konstante Eingangsstrom (IBl) kontrolliert und stabilisiert wird.24. Evaluation circuit according to claim 22 or 23, characterized by a feedback loop (47) in which the constant input current (I Bl ) is controlled and stabilized.
25. Auswertschaltung nach einem der Ansprüche 22-24, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der konstante Eingangsstrom (IBl) mit einer Referenzspan¬ nung (VBl) einstellbar ist.25. Evaluation circuit according to one of claims 22-24, characterized gekenn¬ characterized in that the constant input current (I Bl ) with a reference voltage (V Bl ) is adjustable.
26. Auswertschaltung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittantwortzeit der Schaltung durch Einstellen des konstanten Ein¬ gangsstroms (IBl) einstellbar ist. 26. Evaluation circuit according to claim 25, characterized in that the step response time of the circuit can be set by setting the constant input current (I Bl ).
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