Prozessschritte zur Herstellung des Detektors

hochdotierten Schichten spielen diese eingebauten Verunreinigungen keine Rolle, jedoch können bei intrinsischen Schichten durchaus Hintergrunddotierungen bis zu mehreren 10¹⁶ cm^-3 erreicht werden. Diese unerwünschte Hintergrunddotierung hat einen leichten p-Typ Charakter für Germanium, womit der eigentliche pn-Übergang des p-i-n-Detektors an der Grenze der Absorptionsschicht zur oberen Kontaktschicht entsteht. Im Gegensatz dazu erhalten Silizium-Schichten eine leichte n-Typ Dotierung von typischerweise 10¹⁴ cm^-3.

Abb. 42: Schichtenstapel eines Doppel-Hetero Detektors nach MBE.

Die obere Kontaktschicht besteht aus einer n-dotierten Germanium-Schicht und einer Silizium-Cap-Schicht und schließt den Schichtaufbau ab (Abb. 42). Beide Schichten haben eine Dotierung mit Antimon in einer Höhe von N_D = 10²⁰ cm^-3. Aufgrund des schwierigen Einbaus von Antimon (Segregation) wird hier mit einer Antimon-Vorbelegung gestartet. Das Wachstum selber findet bei einer Temperatur von 160 °C statt. Die Silizium-Cap-Schicht ist auf der einen Seite für die spätere Prozessierung notwendig, kann aber auf der anderen Seite mit den richtigen Schichtdicken auch das Einkoppeln des optischen Signals verbessern (Antireflektionsschicht). Für die Entwicklung des Doppel-Hetero-Detektors wird der Schichtanteil von Silizium in der oberen Kontaktschicht erhöht. Für kleine Bauteilstrukturen und somit kleinen Kontaktflächen spielt der Kontaktwiderstand der oberen Kontaktschicht eine große Rolle für den Serienwiderstand, so dass wieder eine hohe Dotierung erzielt werden muss.

entsprechender Maskenlithographie und anschließendem Materialabtrag durch Ätzen ermöglicht. Der Prozessablauf ist im folgenden Schema dargestellt (Abb. 43).

Abb. 43: Prozessschema für die Herstellung eines Germanium-Detektors.

Die Photodetektoren benötigen in der Standardherstellung einen Maskensatz aus vier einzelnen Masken: die erste Maske für die große Mesa der unteren Kontaktschicht, die zweite Maske für die kleine Mesa der Absorptionsschicht und der oberen Kontaktschicht, die dritte Maske für die Öffnung der Oxidfenster und die vierte Maske für die Strukturierung der Metallisierung. Die Schichtanalytik für die einzelnen Prozesse beinhaltet die Messung der Schichtdicke mit dem Ellipso- oder Profilometer, Bestimmung der Rauigkeit mit optischen Mikroskopen oder dem Profilometer und Überprüfung der hergestellten Strukturen mit dem optischen Mikroskop. Ein typischer Schichtenstapel der gewachsenen Doppel-Hetero Schichtstruktur ist in Tab. 1 zu sehen.

Tab. 1: Typischer Schichtenaufbau eines Doppel-Hetero Detektors.

Nominelle Schichtdicke [nm] Nominelle Dotierung [cm^-3]

Pufferschicht (i-Si) 100

Untere Kontaktschicht (p-Si) 400 1·10²⁰

Untere Kontaktschicht (p-Ge) 100 1·10²⁰

Absorptionsschicht (i-Ge) 300

Obere Kontaktschicht (n-Ge) 100 1·10²⁰

Obere Kontaktschicht (n-Si) 100 1·10²⁰

Gesamte Dicke 1100

Die Reinigung der zu prozessierenden Germanium-Schichten kann nicht über die Standard Silizium-Reinigung (Piranha (Schwefelsäure), RCA1, RCA2) erfolgen, da diese Lösungen, vor allem das Schwefelsäure-Wasserstoffperoxid-Gemisch, die Germanium-Schichten angreifen und abtragen, selbst wenn die Germanium-Schichten mit einer 25 nm dicken Silizium-Schicht bedeckt sind. Deshalb werden die Germanium-Schichten erst 10 min in Aceton und anschließend 5 min in Isopropanol mit Ultraschall-Unterstützung gereinigt.

Danach folgt ein Sauerstoff Dip im Plasmaverascher. Beim Sauerstoff-Dip werden vorhandene organische Reste auf der Oberfläche verbrannt. Dazu werden die Proben in einer Prozesskammer (Tepla300) für 20 s einem Sauerstoff-Plasma mit 300 W ausgesetzt. Vor der anschließenden Lithographie müssen die Proben 30 min bei einer Temperatur von 130 °C im Ofen gelagert werden, die restlichen Wasserverbindungen werden dadurch von der Probenoberfläche entfernt. Diese Reinigungsschritte werden analog bei jedem Prozessschritt durchgeführt.

Die Photolithographie der Proben startet mit dem Aufbringen des Haftvermittlers HMDS (Hexamethyldisilazan). Der Haftvermittler modifiziert die Halbleiteroberfläche und verbessert die Haftung des Photolacks. Anschließend wird der Photolack aufgebracht und mit dem Spinner gleichmäßig auf der Probe verteilt. Als Photolack wird der Positivlack AZ6612 verwendet. In seltenen Fällen wird auf den Lack AZ5214 (Image-Reversal resist oder Maskenumkehrphotolack) zurückgegriffen, der bis zum Jahr 2006 als Positivlack für den Detektorprozess verwendet wurde. Bei dem Positivlack werden die belichteten Flächen entwickelt und gelöst. Für die Auflösung kleinerer Strukturen, wie zum Beispiel Gitterkoppler für die Optik, sollten dünnere Lacke wie ECI3007 verwendet werden. Nach der Belackung werden die Scheiben 90 s lang bei 110 °C auf einer beheizten Platte (Hot Plate) einem Backschritt unterzogen (Pre-(Exposure)-Bake). Dieser reduziert den Lösemittelanteil im Lack, führt zu einer geringeren Maskenverschmutzung, zu einem verringerten Dunkelabtrag (besseres Lackprofil) und senkt die Chance auf Gasblasenbildung im Lack.

Damit der Photolack nach dem Backen genug Wasser aufnehmen kann (Rehydrierung), müssen die Scheiben abhängig vom Photolack, der Lackdicke und der Luftfeuchtigkeit einige Minuten ruhen. Die Rehydrierung hat einen erheblichen Einfluss auf die Entwicklungsrate und auf das Photolackprofil. Für die Belichtung werden die belackten

Scheiben in den MaskAligner (MA6) gelegt, auf die eingespannte Maske justiert und belichtet. Bei den Maskenschritten für die Strukturierung der Halbleiterschichten beträgt die Belichtungsdauer 4,0 bis 4,2 s, bei Oxidfensteröffnen 4,3 s und bei der Strukturierung der Metallisierung 3,3 s. Die Belichtungszeit hängt von der Lichtdurchlässigkeit der Maske und von eventuellen Reflektionen (z.B. Metallisierung) an der Probe ab. Die Belichtungslampe ist eine Quecksilberdampflampe mit einer durchschnittlichen Belichtungsleistung von 350 W oder 14 mW/cm² für die Wellenlänge 405 nm (h-Linie). Nach der Belichtung werden die Scheiben für 40 s in einer Entwicklungslösung AZ726 entwickelt, kontrolliert und für 90 s bei 110 °C einem Aushärtungsschritt auf der beheizten Platte unterzogen (Post-Bake). Ein Sauerstoff-Dip im Plasmaverascher entfernt Lackreste in den entwickelten Flächen und schließt den Lithographieschritt ab.

Die Halbleiterschichten werden mit einem Trockenätzverfahren, dem so genannten induktiv gekoppelten reaktiven Ionenätzen (ICP-RIE, inductively coupled plasma reactive ion etching), strukturiert. Silizium- und Germanium-Schichten werden mit unterschiedlichen Rezepten geätzt, da Germanium eine ungefähr doppelt so hohe und stärker schwankende Ätzrate besitzt. Das Ätzverfahren gliedert sich in zwei Schritte: Chlor-Ätzen und Bromwasserstoff (HBr)-Ätzen. Mit dem kurzen Chlor-Ätzen werden Oberflächenschichten wie natürliche Oxide entfernt. Da dieser Prozess allein nur teilweise anisotrop und wenig selektiv ist, wird für das eigentliche Ätzen Bromwasserstoff verwendet. Der Chlor-Ätz-Schritt für Germanium dauert 5 s bei einem Druck von 2 mTorr und einem Chlor-Fluss von 20 sccm.

Die Dauer des Bromwasserstoff-Ätzschrittes hängt von der gewünschten Ätztiefe ab, der Druck beträgt hier 4 mTorr und der HBr-Fluss liegt bei 20 sccm. Die eingespeiste HF-Leistung beträgt an der Spule 800 W und an der Platte 18 W.

Abb. 44: Zeitlicher Verlauf des ICP-Signals für den Ätzprozess eines Doppel-Hetero-Detektors mit den entsprechenden Material- und Schichtübergängen.

Für den Doppel-Hetero-Detektor bietet die ICP-Anlage die Möglichkeit, den Ätzverlauf zu überwachen. Ein internes Spektrometer analysiert das Plasma und zeichnet den zeitlichen

Signalverlauf wie in Abb. 44 auf. Es sind für Silizium- und Germanium-Schichten unterschiedliche Signalverläufe zu sehen: die Hetero-Übergänge sind deutlich zu erkennen und die Ätzraten als auch Ätzzeiten können entsprechend bestimmt werden. Diese Kontrolle funktioniert nur für das erste Ätzen, da bei dem zweiten Ätzen Silizium- und Germanium-Flächen gleichzeitig geätzt werden.

Nach dem Ätzen muss der restliche Photolack entfernt werden. Für geätzte Silizium-Schichten werden die Proben für zwei bis vier Minuten in einem Plasmaverascher einem 1000 W Sauerstoff-Plasma ausgesetzt. In einem folgenden Reinigungsschritt werden die nicht sichtbaren Lackreste entfernt. Germanium-Schichten reagieren auf die Plasmabehandlung teilweise mit rauen Oberflächen, so dass es hier besser ist, den Photolack mit NMP (N-Methyl-2-pyrrolidon) oder DMSO (Dimethylsulfoxid) zu entfernen. Die Proben werden für 30 min in einem Ultraschallbecken behandelt, das bei NMP auf 90 °C und bei DMSO auf 60 °C erwärmt wird. Noch sichtbare Photolackreste an den Mesakanten können mit einem 60 sek Plasmaverascher-Schritt analog zu den Silizium-Schichten entfernt werden. Hier muss beachtet werden, dass die Prozesstemperatur kleiner als 100 °C gehalten wird. Die Entfernung der Lackreste ist bei Germanium-Schichten deshalb so kritisch, da die nachfolgende Reinigung den schlecht entfernbaren Photolack nicht oder nur teilweise entfernt, im Gegensatz zu der Standard-Silizium-Reinigung. Diese nicht sichtbaren Lackreste stellen ein Problem dar, da sie für den nächsten Ätzschritt als Maskenschicht bestehen bleiben und zu rauen Oberflächen oder Materialresten an den Mesakanten führen können. Bei grober Verschmutzung besteht die Gefahr von kurzgeschlossenen Bauteilen.

Abb. 45: Strukturierung der großen Mesa (Maskenschritt 1, linke Seite) und kleinen Mesa (Maskenschritt 2, rechte Seite).

Die linke Seite der Abb. 45 zeigt die strukturierten Schichten nach dem ersten Maskenschritt und Ätzen, bei dem die große Mesa hergestellt wurde. Für den zweiten Maskenschritt werden die analogen Abläufe verwendet, bis auf die Ätzzeiten. Die Ätzzeiten müssen so angepasst werden, dass der Ätzstopp in der unteren Kontaktschicht erfolgt und das möglichst nahe an der Grenzfläche zu der Absorptionsschicht, um den Schichtwiderstand der unteren Kontaktschicht klein zu halten. Eine gute Einschätzung der Ätzzeiten bietet die in-situ Messkurve der ersten Ätzung (große Mesa). Hier sind die zeitlichen Übergänge der Silizium- und Germanium-Schichten sichtbar, deshalb kann der zweite Übergang als erste Richtzeit für das folgende Ätzen genommen werden. Nach dem zweiten Maskenschritt und Ätzen sind Schichten wie auf der rechten Seite von Abb. 45 strukturiert. Wird die untere Kontaktschicht nicht erreicht, muss die Probe nass mit Wasserstoffperoxid nachgeätzt werden, da ein anschließender Trockenätzschritt die Germanium-Oberfläche schädigen könnte. Für eine Ätztiefe von 100 nm sollte die Probe für 5 min bei 25 °C in Wasserstoffperoxid geätzt werden.

Sind die Halbleiterschichten strukturiert und gereinigt, wird eine Passivierungsschicht aus Siliziumdioxid aufgewachsen. Diese Passivierungsschicht isoliert auf der einen Seite die Mesakante von den Kontaktanschlüssen und auf der anderen Seite soll sie offene Bindungen an der Mesakante sättigen und damit die Oberflächenströme reduzieren. Das Siliziumdioxid wird in der PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition)-Anlage in einem Silan Prozess abgeschieden. Die reinen Silizium-Detektoren werden mit einem TEOS (Tetraethoxysilan)-Prozess passiviert, dessen Oxid eine bessere Absättigung der offenen Bindungen an den Mesaflanken erreicht und so den Rekombinationsstrom deutlich senkt. Der

Silan Prozess findet bei 390 °C und einer Leistung von 20 W statt. Die Flüsse liegen für Silan mit Argon bei 145 sccm und für Lachgas bei 710 sccm. Bei einem Druck von 1000 mTorr erhält man eine Siliziumdioxid-Abscheiderate von 70 nm/s. Die gewünschte Dicke der Passivierungsschicht hängt von der Verwendung des Detektors ab, denn diese Schicht hat einen großen Einfluss auf die optische Einkopplung eines Lichtsignals. Bei vertikalen Germanium-Detektoren mit einer oberen Kontaktschicht aus Silizium beträgt die optimale Schichtdicke für Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 µm ungefähr 270 nm.

Die Oxidschicht muss nun an bestimmten Stellen geöffnet werden, damit die darunter liegenden Halbleiterschichten metallisch kontaktiert werden können. Mit einem Photolithographieschritt (Maskenschritt 3) mit anschließendem Ätzen werden die Oxidfenster geöffnet. Das Ätzen geschieht in zwei Schritten: Trocken-Ätzen und abschießendem Nass-Ätzen. Zuerst wird ein Trocken-Ätzschritt (Reaktives Ionenätzen) mit der RIE (reactive ion etching)-Anlage durchgeführt, bei dem 50 nm Restoxid stehen gelassen werden. Die Prozessparameter für diesen Ätzprozess mit CHF₃ sind 38 mTorr für den Druck, 150 W eingestellte Leistung und ein Gasfluss von 100 sccm. Danach wird der Nass-Ätzschritt durchgeführt um das restliche Oxid zu entfernen. Als Ätzlösung dient die mit Ammoniumfluorid gepufferte Flusssäure (BHF). Dieser Doppelätzprozess hat den Vorteil, dass das Trocken-Ätzen die Oberflächen nicht beschädigt. Es dürfen aber keine Verschmutzungen über das BHF Ätzen entstehen. Der Photolack wird, wie oben erwähnt, schichtenspezifisch entfernt. Die Schichten haben nun eine Struktur wie auf der linken Seite von Abb. 46. Die Kontaktschicht wird über das Verfahren der Kathodenzerstäubung (Sputtern) aufgebracht. Als Targetmaterial und damit als Kontaktmaterial wird Aluminium verwendet. Die Dicke der Aluminium-Schicht liegt abhängig von der Anwendung zwischen 1,2 µm und 1,8 µm. Die Kontaktschicht muss anschließend mit einem Photolithographieschritt (Maskenschritt 4) und anschließendem Ätzen strukturiert werden wie auf der rechten Seite von Abb. 46 zu sehen ist. Nach dem Sputtern der Aluminium Schicht wird keine Reinigung durchgeführt, sondern es folgt direkt das Ausheizen. Es wird kein Haftvermittler verwendet. Die Strukturierung wird wieder über einen Zweistufen-Ätzprozess erreicht.

Abb. 46: Öffnen der Kontaktlöcher (Maskenschritt 3, linke Seite) und Strukturierung der Metallkontaktschicht (Maskenschritt 4, rechte Seite).

Zuerst werden die Proben mit der ICP-RIE in einem einfachem HBr-Schritt (Programm:

Al_HBr) geätzt und anschließend wird das Restmetall nasschemisch mit Phosphorsäure (H₃PO₄) entfernt. So werden zum einen die Metallsäume an den Mesakanten entfernt und zum anderen wird die Oxidschicht nicht angegriffen und die eingestellten optischen Eigenschaften bleiben unverändert. Die genaue Ätzzeit in der ICP-RIE wird über die Testprobe ermittelt.

Dazu wird eine hohe Ätzzeit eingestellt und über die eingebaute Endpunktkontrolle die Zeit abgelesen, wann die Metallschicht abgetragen ist. Bei den folgenden scharfen Proben werden von dieser Testzeit 10 s abgezogen, um die ideale Ätzzeit zu ermitteln. Dieser Trick ist notwendig, da die zur Verfügung stehenden Analysemethoden die Dicke der Rest-Aluminiumschicht nicht genau bestimmen können. Das folgende Nass-Ätzen hat in der Regel eine Dauer von 20 bis 40 s und wird über ein optisches Mikroskop kontrolliert und gegebenenfalls nachgeätzt. Der Photolack kann bei einer Aluminium-Metallisierung nicht mit dem Plasmaverascher entfernt werden, da die Gefahr von Kurzschlüssen in den Halbleiterschichten („Spiking“) bei hohen Temperaturen deutlich steigt. Deshalb kann nur NMP oder DMSO für die Lackentfernung verwendet werden. Entsprechend erhalten die Germanium-Detektoren im Gegensatz zu den Silizium-Dioden keine Kontakttemperung in Formiergas-Atmosphäre. Die Auswirkungen einer Kontakttemperung von 5 min in der RTP sind in Abb. 47 dargestellt.

Abb. 47: Strom-Spannungs-Kennlinien für p-i-n-Detektoren nach einer 5 min RTP bei verschiedenen Temperaturen.

Ab einer Temperatur von 250 °C zeigt sich ein erstes Abweichen gegenüber der normalen Kennlinie und die Detektoren erhalten einen neuen Strompfad (Leitwert) parallel dem pn-Übergang. Dabei diffundiert Aluminium in (und durch) die relaxierte Silizium-Schicht bis zu den Germanium-Schichten. Bei 350 °C ist dann nur noch der Kurzschlussstrom zu sehen.

Prozessierte Detektoren sollten daher nicht für längere Zeit über 200 °C erwärmt werden. Mit einer geringeren Dicke der oberen Kontaktschicht tritt dieser Effekt auch bei niedrigeren Temperaturen auf [81].

Abb. 48: REM-Aufnahme eines Querbruches an einer Mesa-Kante nach dem vollständigen Prozess.

In Abb. 48 ist die REM-Aufnahme eines Querbruches entlang der Mesa zu sehen. Die Hetero-Struktur ist aufgrund der unterschiedlichen Kontraste von Germanium und Silizium deutlich

zu erkennen, sowie die Aluminium-Kontakte der oberen (rechts) und unteren (links) Kontaktschicht. Die Mesa-Kante hat einen schönen Ätzverlauf und auch die Siliziumoxid-Passivierung hat eine gute Kantenbedeckung.

In Abb. 49 ist eine REM-Aufnahme der Oberfläche des fertig prozessierten Detektors zu sehen und in Abb. 50 eine entsprechende 3D-Darstellung.

Abb. 49: REM-Aufnahme eines prozessierten Detektors.

Abb. 50: 3D Zeichnung eines fertigen Detektors.