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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Photodiode,

Fig. 2 schematische Dotierungskonzentrationen in der Photodiode gemäss Fig. 1,

Fig. 3 schematische elektronische Bandstrukturen in der Photodiode ge¬ mäss Fig. 1,

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch einen Vertikal-Bipolartran- sistor,

Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch einen Lateral-Bipolartransi- stor,

Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch ein mit einem erfindungs- gemässen zweistufigen Atzprozess hergestelltes Kontaktfenster,

Fig. 7 ein elektrisches Schaltbild einer Eingangsstufe eines erfindungs¬ gemassen Verstärkers,

Fig. 8 ein elektrisches Schaltbild eines Differentialverstärkers eines erfin¬ dungsgemassen Verstärkers und

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.

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.

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.

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 10 ¹⁴ -10 ¹⁷ cm ^'3 , vorzugsweise 5« 10 ^1S 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 IO ¹⁶ 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.

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.

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, Si0 ₂ ; 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, Si0 ₂ . 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.

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.

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 E _v entspricht dem Valenzband, die Linie E _c dem Leitungsband; E _F 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.

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.

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.

Die Dotierungskonzentrationen und die Bandstrukturen im Bereich des Ein¬ trittsfensters 21 verlaufen qualitativ ähnlich wie in den Fig. 2 und 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.

Figur 5 zeigt einen Vertikal-Bipolartransistor 29, beispielsweise vom 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.

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.

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 10 ¹⁴ -10 ¹⁷ cm ^"3 , vorzugsweise 5« 10 ¹⁵ 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.

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. IO ¹⁶ 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.

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.

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.

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.

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.

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 10 ¹² -10 ¹⁴ cm ^"2 , vorzugsweise 3- 10 ¹³ 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 10 ¹² -5« 10 ¹⁴ cm ^"2 , vorzugsweise 3« 10 ¹³ 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« 10 ¹³ -5« 10 ¹⁵ cm ^"2 , vorzugsweise 1.5« IO ¹⁴ cm ^'2 , und mit einer Energie von 4-12 keV, vorzugsweise 8 keV, implantiert.

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 10 ¹⁴ -5 « 10 ¹⁵ cm ^"2 , vorzugsweise IO ¹⁵ 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 N ₂ -Umgebung, getempert.

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.

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.

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.

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.

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, Si0 ₂ -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 N ₂ -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.

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 I _Ph 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 I _Bl zum Photostrom I _Pn symmetrisch hinzugefügt; so können die Bipolartransistoren 29, 33 in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden.

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 I _Bj wird in jeden von drei identischen Eingangsästen 38-40 eingespiesen. In einem ersten Eingangs- ast 38 fliesst nur den konstante Eingangsstrom I _Bl . Ein zweiter Eingangsast 39 ist mit der anodischen Seite der idealen UV-Photodiode 1.1 verbunden. Dort wird der UV-Photostrom I _Ph zum konstanten Eingangsstrom I _Bi addiert. In einem dritten Eingangsast 40 werden die kathodischen Ströme der beiden Photodioden zum konstanten Eingangsstrom I _Bl addiert und zur Erde geführt; ebenso zur Erde geführt wird der anodische Strom der IR-Photodiode. Drei identische Transistoren Q _u , Q ₁₃ und Q ₁₅ werden durch eine konstante Span¬ nung V _Bi auf der gleichen Basis-Emitter-Spannung gehalten. In einem ersten Ausgangsast 41 der Eingangsstufe 37 fliesst der konstante Eingangsstrom I _Bl , während in einem zweiten Ausgangsast 42 der Summenstrom I _Bl + I _Pn fliesst. Diese Ströme werden in einen Differentialverstärker 43 geführt.

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 ß ₁₆ und ß ₁₈ bzw. ß ₁₉ und ß ₂₀ multipliziert.

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 V _ιn = 5 V. Die beiden im Diffe- rentialverstärker 43 verstärkten Ströme werden im Verstärker 46 mit einem

Faktor K in die Transistoren Q ₂₄ bzw. Q ₂₃ gespiegelt und schliesslich durch Widerstände R ₃ bzw. R ₂ in Spannungen umgewandelt, deren Differenz V ₀ als Ausgangsspannung dient. Die erfindungsgemässe Auswertschaltung ist völlig symmetrisch, d. h. Q ₁₆ = Q ₂₀ , Q ₁₈ = Q ₁₉ und R ₂ = R ₃ . In diesem Fall ist die Ausgangsspannung V ₀ gegeben durch V ₀ = ß ₁₆ ß ₁₈ KR ₃ I _Ph ; V ₀ ist also unabhängig vom Eingangsstrom I _Bi . Beispielhafte Werte der vor¬ kommenden Grossen sind ß ₁₆ « ß ₁₈ = 140, K = 2, R ₃ = 28 kΩ. Damit ergibt sich für Photoströme I _Ph im Bereich von Bruchteilen von Picoampere bis Nanoampere ein resultierender Verstärkerwiderstand von V ₀ /I _Ph = 1.1 GΩ; ein Photodioden-Ausgangsstrom von I _Ph = 1 pA wird also in eine Ausgangs¬ spannung von ca. V ₀ « 1 mV umgewandelt.

Wegen des grossen resultierenden Verstärkerwiderstandes und um das Rau¬ schen tief zu halten, muss der Eingangsstrom I _Bl klein und gut kontrolliert sein. Dies wird durch die Rückkopplungsschleife/Stromquelle 47 gewährlei¬ stet, welche eine teilweise Kopie der Verstärkerstufe 46 ist: Q ₄ = Q ₁₈ , Q ₅ = Q ₁₆ und R _! = R ₃ . Die Rückkopplungsschleife/Stromquelle 47 speist den rich- tigen Eingangsstrom I _Bi in den Verstärker 46 zurück. Die Stabilität der Rück¬ kopplungsschleife wird durch einen Kompensationskondensator 48 von bei¬ spielsweise C _c = 12 pF gewährleistet. Durch Verändern einer Referenzspan¬ nung V _Bi kann der Eingangsstrom I _Bl präzis gemäss eingestellt werden.

Die Ladungsträger, welche die Sperrschichtkapazität der Photodiode 1 von typischerweise 2.7 nF aufladen müssen, werden sowohl vom Eingangsstrom I _Bj als auch vom Photostrom I _Pn geliefert. Der Eingangsstrom I _Bi in der Grossen-

ordnung von einigen Nanoampere ist viel grösser als der Photostrom I _Ph in der Grössenordnung von einigen Picoampere. Durch Einstellen des Eingangs¬ stroms I _Bl 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.

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.