DE19838430C2 - Method of making an array of photodetectors - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel lung eines Arrays von Photodetektoren, insbesondere Photodioden, sowie die Ausgestaltung eines Photo detektorarrays, das nach dem Verfahren hergestellt wird. Unter einem Array von Photodetektoren ist hierbei eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von Photodetektoren zu verstehen.The invention relates to a method of manufacture development of an array of photodetectors, in particular Photodiodes, as well as the design of a photo detector arrays manufactured by the method becomes. Below is an array of photodetectors a one- or two-dimensional arrangement of Understand photodetectors.
Es gibt derzeit viele technische Systeme, bei denen optische Signale erfaßt und zur Weiterverarbei tung in elektrische Signale umgewandelt werden müssen. Beispiele hierfür sind die Anwendungsfelder (magneto- )optische Datenspeicherung, wie bei CD-, DVD- oder MO- Laufwerken, die optische Datenübertragung über Glas fasernetzwerke, sowie die Bereiche Bildverarbeitung, Mustererkennung und optische Spektroskopie. Zur Detek tion der elektromagnetischen Strahlung werden bei diesen Systemen in der Regel Halbleiter-Photodioden als Photodetektoren verwendet, die je nach Anforderung als Einzeldiode, Diodenzeile oder Diodenarray angeordnet werden. Im Bereich der Bildverarbeitung kommen hierbei insbesondere zeilenweise oder flächig angeordnete Detektoren zum Einsatz.There are currently many technical systems at which optical signals detected and for further processing device must be converted into electrical signals. Examples of this are the fields of application (magneto- ) optical data storage, such as CD, DVD or MO Drives, optical data transmission over glass fiber networks, as well as the areas of image processing, Pattern recognition and optical spectroscopy. To Detec tion of electromagnetic radiation these systems usually as semiconductor photodiodes Photodetectors are used, depending on the requirement Single diode, diode array or diode array arranged become. In the area of image processing come here in particular line-wise or flatly arranged Detectors.
Als Grundmaterial zur Herstellung von Photodioden wird ein Halbleitersubstrat, beispielsweise aus Silizium, Germanium, III-V- oder II-VI-Verbindungen, verwendet. Beispiele für III-V-Halbleiter sind GaAs, GaP, InP, InAs, InSb, GaInAs oder InGaAsP, für II-VI- Halbleiter PbSe, PbTe, CdSe oder CdTe.As the basic material for the production of photodiodes becomes a semiconductor substrate, for example Silicon, germanium, III-V or II-VI compounds, used. Examples of III-V semiconductors are GaAs, GaP, InP, InAs, InSb, GaInAs or InGaAsP, for II-VI- Semiconductors PbSe, PbTe, CdSe or CdTe.
Die einfallende elektromagnetische Strahlung wird im Halbleitersubstrat absorbiert und erzeugt Ladungs träger, die schließlich einen Photostrom hervorrufen. Die Größe des Stromflusses hängt von der Beleuchtungs stärke der zu erfassenden Strahlung ab. Der detektier bare Wellenlängenbereich wird durch das verwendete Halbleiter-Grundmaterial bestimmt. Dieser liegt im Fall von Silizium bei ca. 200 nm bis 1100 nm, während er bei Germanium ca. 200 nm bis 1700 nm umfaßt.The incident electromagnetic radiation is absorbs and generates charge in the semiconductor substrate carriers that eventually cause a photocurrent. The size of the current flow depends on the lighting strength of the radiation to be detected. The detect The wavelength range that can be used is determined by the Semiconductor base material determined. This is the case of silicon at around 200 nm to 1100 nm, while at Germanium comprises approximately 200 nm to 1700 nm.
Zwischen den beiden Elektroden der Photodiode wird eine Raumladungszone erzeugt, in deren elektrischem Feld die Trennung der generierten Ladungsträger erfolgt. Um einen hohen Wirkungsgrad der Photodiode zu erhalten, muß gewährleistet werden, daß ein möglichst großer Teil der Strahlung in die Diode eingekoppelt und weitgehend innerhalb der Raumladungszone absorbiert wird. Außerhalb der Raumladungszone erzeugte Ladungs träger rekombinieren überwiegend und tragen nicht zum Photostrom bei. Die Rekombinationsrate wird durch Störungen des Kristallgitters und Defekte, die auch durch Verunreinigungen hervorgerufen werden können, erhöht und ist insbesondere im Bereich der Oberfläche sehr hoch.Between the two electrodes of the photodiode creates a space charge zone in its electrical Field separating the generated charge carriers he follows. To ensure high efficiency of the photodiode received, it must be ensured that a possible much of the radiation is coupled into the diode and largely absorbed within the space charge zone becomes. Charge generated outside the space charge zone carriers predominantly recombine and do not contribute Photocurrent at. The recombination rate is determined by Disruption of the crystal lattice and defects, too can be caused by impurities, increased and is particularly in the area of the surface very high.
Die Strahlungseinkopplung in die Photodiode wird durch die Brechungsindizes des Halbleitermaterials, der Deckschicht über der Photodiode und der Umgebung be stimmt. Bei monochromatischer Strahlung treten außerdem Interferenzeffekte durch Reflexionen an Grenzflächen auf, die die Transmission beeinflussen. Durch geeignete Wahl der Deckschichten über der Photodiode können eine optische Vergütung realisiert und die Strahlungseinkopplung für eine Wellenlänge oder einen Wellen längenbereich optimiert werden.The radiation coupling into the photodiode is by the refractive indices of the semiconductor material, the Cover layer over the photodiode and the surrounding area Right. With monochromatic radiation also occur Interference effects due to reflections at interfaces on that affect the transmission. By suitable Choice of the cover layers over the photodiode can be a Realized optical compensation and the radiation coupling for a wavelength or a wave length range can be optimized.
Die Intensität der einfallenden Strahlung nimmt gemäß dem Absorptionsgesetz exponentiell mit zunehmen der Eindringtiefe ab. Die Absorption und damit die Ein dringtiefe werden durch den Absorptionskoeffizienten bestimmt, der hauptsächlich vom Halbleitermaterial und dessen Dotierung, sowie von der Wellenlänge der Strah lung abhängt. Die Absorption steigt in der Regel mit sinkender Wellenlänge und zunehmender Dotierung an. Ebenso bewirken Kristallstörungen, wie sie in poly kristallinem oder amorphem Material in starkem Maß vor liegen, ein Ansteigen der Strahlungsabsorption.The intensity of the incident radiation increases increase exponentially with the absorption law depth of penetration. The absorption and thus the one penetration depth are determined by the absorption coefficient determined mainly by the semiconductor material and its doping and the wavelength of the beam lung depends. The absorption usually increases with decreasing wavelength and increasing doping. Crystal disturbances, as described in poly crystalline or amorphous material to a large extent lie, an increase in radiation absorption.
Die Weite der Raumladungszone hängt bei gegebener elektrischer Spannung im Wesentlichen von der Dotierung des Halbleiters ab und nimmt mit sinkendem Dotierungs niveau zu. Häufig werden daher sog. pin-Photodioden verwendet, die eine intrinsische Halbleiterschicht ent halten, die sehr niedrig dotiert ist. Damit können Raumladungszonen mit einer Ausdehnung von mehreren Mikrometern erzeugt werden.The width of the space charge zone depends on the given electrical voltage essentially from the doping of the semiconductor and decreases with decreasing doping level too. So-called pin photodiodes are therefore often used used that ent an intrinsic semiconductor layer hold that is very low. So that can Space charge zones with an extension of several Micrometers are generated.
Lag in der Vergangenheit der Schwerpunkt der Ent wicklung bei der Fertigung von Einzelphotodioden, so macht die zunehmende Nachfrage nach Gesamtsystem lösungen die Herstellung von integrierten Systemen erforderlich, bei denen Detektoren mit der dazugehören den Auswerteelektronik, die Verstärkungs-, Logik- oder Speicherelemente enthalten kann, integriert werden.In the past, the focus of the Ent development in the manufacture of single photodiodes, so makes the increasing demand for overall system solutions the manufacture of integrated systems required, where detectors belong with the the evaluation electronics, the amplification, logic or Storage elements can be integrated.
Neben der monolithischen Integration, bei der Detektoren und Elektronik nebeneinander auf einem Substrat erzeugt werden, gewinnt mittlerweile die vertikale Integration (siehe z. B. Y. Akasaka, Proc IEEE 74 (1986), S. 1703) bzw. die Herstellung von Dünnfilm elementen für Anwendungen, die mit dem Begriff "Smart Label" umschrieben werden, eine immer größere Bedeu tung. Hierbei spielen auch die Kosten eine Rolle, da die monolithische Integration zum einen die Entwicklung von speziellen Fertigungsprozessen erfordert und insge samt höhere Fertigungskosten verursacht. Zum anderen sind Photodioden im Vergleich zur Auswerteelektronik verhältnismäßig einfache Elemente, die in der Regel eine große Fläche beanspruchen. Bei der Integration fallen damit für die Photodioden wesentlich höhere Flächenkosten an, als bei der Fertigung im Rahmen eines einfachen Photodiodenprozesses. Für die genannten An wendungsgebiete ist es allerdings erforderlich, Photo dioden in dünnen Halbleiterfilmen mit Dicken von wenigen Mikrometern herzustellen.In addition to monolithic integration, in which detectors and electronics are produced side by side on a substrate, vertical integration (see e.g. BY Akasaka, Proc IEEE 74 ( 1986 ), p. 1703) and the production of thin film elements for applications are now gaining which are described by the term "smart label" are becoming increasingly important. The costs also play a role here, since the monolithic integration on the one hand requires the development of special manufacturing processes and, overall, causes higher manufacturing costs. On the other hand, photodiodes are relatively simple elements compared to the evaluation electronics, which usually take up a large area. This means that the integration costs for the photodiodes are much higher than for the production in the context of a simple photodiode process. For the application areas mentioned, however, it is necessary to manufacture photo diodes in thin semiconductor films with thicknesses of a few micrometers.
Speziell bei Anwendungen aus dem Bereich der Mustererkennung oder Bildverarbeitung ist der Einsatz von Detektorarrays erforderlich. Bei einer großen Anzahl von Pixeln, die einzelnen Photodetektoren ent sprechen, und bei kleinen Pixelgrößen treten jedoch zunehmend Probleme bei der Verdrahtung der Photodioden auf, da die Signalleitungen nicht mehr aus dem Array herausgeführt werden können, ohne die Totfläche, d. h. die für die Detektion ungenutzte Fläche, zwischen den einzelnen Pixeln drastisch zu erhöhen. Die Ursache liegt darin, daß die Verdrahtung auf der Vorderseite des Halbleitersubstrates, die aus Metall- oder Halb leiterschichten, wie Polysilizium, besteht, die einfal lende Strahlung reflektiert bzw. absorbiert. Die Ver drahtungsschichten bewirken daher eine Reduzierung der optisch aktiven Flache und damit des Gesamtwirkungsgrades sowie eine Verminderung der erreichbaren Auf lösung. Weiterhin kann die reflektierte Strahlung das Gesamtsystem stören.Especially for applications in the area of Pattern recognition or image processing is the use of detector arrays required. With a big one Number of pixels that ent individual photodetectors speak, and occur with small pixel sizes increasing problems with the wiring of the photodiodes on because the signal lines are no longer out of the array can be led out without the dead area, d. H. the area not used for the detection, between the individual pixels drastically increase. The cause is that the wiring is on the front of the semiconductor substrate made of metal or half conductor layers, such as polysilicon, exists, which is easy radiation reflects or absorbs. The Ver wire layers therefore reduce the optically active area and thus the overall efficiency as well as a reduction in achievable up solution. Furthermore, the reflected radiation can Disrupt the entire system.
Zur Lösung dieser Probleme wurde die dreidimensio nale Integration zur Herstellung von Systemen mit Photodetektorarrays als vielversprechender Weg angese hen. Allerdings ist es nicht für alle Anwendungsfälle wünschenswert, ein dreidimensional integriertes System zur Verfügung zu stellen. Für viele Fälle wäre es aus reichend, ein Verfahren zur Lösung der Verdrahtungs problematik ohne die Integration von elektronischen Komponenten zur Signalverarbeitung zur Verfügung zu haben.To solve these problems, the three-dimensional nale integration for the production of systems with Photodetector arrays as a promising way hen. However, it is not for all use cases desirable a three-dimensional integrated system to provide. In many cases it would be over sufficient a method of solving the wiring problem without the integration of electronic Components for signal processing are available too to have.
In der US 5,646,432 A wird die Herstellung eines Arrays von Photodetektoren beschrieben, bei dem in der dünnen Siliziumschicht eines SOI-Substrates voneinander beabstandete elektrisch leitfähige Gebiete in verti kaler Anordnung erzeugt werden. Die auf der Vorderseite der Schicht vorliegenden elektrisch leitfähigen Gebiete werden elektrisch verdrahtet. Anschließend wird das Substrat mit der Vorderseite auf ein Trägersubstrat aufgebracht. Das Substrat wird von der Rückseite bis an die Oxidschicht des SOI-Substrates gedünnt. An schließend werden Kontaktlöcher zu den dotierten Gebieten hergestellt und mit einem transparenten Elektrodenmaterial zur Bildung einer Kollektorelektrode aufgefüllt.In US 5,646,432 A, the production of a Arrays of photodetectors described, in which in the thin silicon layer of an SOI substrate from each other spaced electrically conductive areas in verti kaler arrangement are generated. The one on the front electrically conductive areas present in the layer are wired electrically. Then that will The substrate with the front side on a carrier substrate applied. The substrate is from the back to the oxide layer of the SOI substrate is thinned. to finally contact holes become the doped Areas manufactured and with a transparent Electrode material to form a collector electrode refilled.
Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß die transparente Elektrode eine kleine Dicke gegenüber der Eindringtiefe der einfallenden Strahlung aufweisen muß, damit die Strahlung bis zur Raumladungszone unterhalb dieser Elektrode vordringen kann. Dies ist besonders bei kurzen Wellenlängen in Folge des stark ansteigenden Absorptionskoeffizienten von großer Bedeutung. Auf der anderen Seite muß diese transparente Elektrode eine bestimmte Dicke aufweisen, damit eine ausreichende Leitfähigkeit gewährleistet ist.However, this arrangement has the disadvantage that the transparent electrode a small thickness compared to the Must have penetration depth of the incident radiation, thus the radiation down to the space charge zone can penetrate this electrode. This is special at short wavelengths due to the strongly increasing Absorption coefficients of great importance. On the on the other hand, this transparent electrode must be a certain thickness, so that a sufficient Conductivity is guaranteed.
Die GB 2231199 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Photodetektor-Arrays, das durch Zusammenfügen von zwei Substraten gebildet wird. Die für die Detektion erforderliche Raumladungszone wird bei diesem Detektor direkt im Übergangsbereich zwischen zwei hochdotierten Bereichen eines unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps gebildet. Auf einer Seite des zusammengesetzten Substrates wird eine Abschirmschicht für IR-Strahlung aufgebracht, welche die licht empfindlichen Bereiche der Photodetektoren freiläßt. Diese Abschirmschicht kann auch aus metallischem Material ausgestaltet sein, um eine gemeinsame Elektrode der Photodetektoren zu kontaktieren.GB 2231199 A describes a method for Manufacture of a photodetector array by Joining two substrates is formed. The required space charge zone for the detection with this detector directly in the transition area between two highly endowed areas of a different one Conductivity type formed. On one side of the composite substrate becomes a shielding layer applied for IR radiation, which the light leaves sensitive areas of the photodetectors exposed. This shielding layer can also be made of metallic Material designed to be a common Contact the electrode of the photodetectors.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Arrays von Photo detektoren anzugeben, das die Verdrahtung ohne Beein trächtigung der aktiven Fläche und mit ausreichender Leitfähigkeit ermöglicht.The invention is therefore based on the object a method of making an array of photo Detectors indicate that the wiring without legs of the active area and with sufficient Conductivity enables.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Ein nach dem Verfahren hergestelltes Photo detektorarray ist in Anspruch 25 angegeben. Vorteil hafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved with the method according to claim 1 solved. A photo made by the process detector array is specified in claim 25. benefit Adherent embodiments of the process are the subject of subclaims.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Array von Photodetektoren, d. h. eine Anordnung von einander benachbarten Photodetektoren, hergestellt, die jeweils eine erste Elektrode auf einer Seite einer photo empfindlichen Schicht und eine zweite, allen Photodetektoren gemeinsame Elektrode auf der gegenüberlie genden Seite der photoempfindlichen Schicht aufweisen.With the inventive method, an array of photodetectors, i.e. H. an arrangement of each other neighboring photodetectors, each made a first electrode on one side of a photo sensitive layer and a second, all photodetectors common electrode on the opposite opposite side of the photosensitive layer.
Hierfür wird zunächst ein Substrat mit einer vor derseitigen Schichtfolge bereitgestellt, die ganz oder teilweise Bestandteil des Substrates ist. Diese Schichtfolge besteht aus einer elektrisch leitfähigen Schicht aus einem hoch dotierten Halbleitermaterial als gemeinsamer Elektrode, der photoempfindlichen Schicht aus einem niedrig dotierten Halbleitermaterial auf der elektrisch leitfähigen Schicht, und mehreren elektrisch leitfähigen Gebieten als erste Elektroden auf der photoempfindlichen Schicht.For this, a substrate with a front is first the layer sequence provided, the whole or is part of the substrate. This Layer sequence consists of an electrically conductive Layer of a highly doped semiconductor material as common electrode, the photosensitive layer made of a low-doped semiconductor material on the electrically conductive layer, and several electrically conductive areas as the first electrodes on the photosensitive layer.
Die elektrische Kontaktierung und Verdrahtung der elektrisch leitfähigen Gebiete wird auf der Vorderseite durchgeführt. Anschließend wird das Substrat mit der Schichtfolge und der Verdrahtung auf ein Trägersubstrat aufgebracht, wobei die Vorderseite des Substrates zum Trägersubstrat gerichtet ist.The electrical contacting and wiring of the electrically conductive areas will be on the front carried out. Then the substrate with the Layer sequence and the wiring on a carrier substrate applied, the front of the substrate for Carrier substrate is directed.
Danach wird das Substrat von der Rückseite her ge dünnt. Das Dünnen erfolgt bis an die elektrisch leitfähige Schicht. Auf die elektrisch leitfähige Schicht werden schließlich niederohmige Leitbahnen derart aufgebracht, daß sie die Photodetektoren für senkrecht einfallende Strahlung nicht abschatten.Then the substrate is ge from the back thinned. The thinning is done electrically conductive layer. On the electrically conductive Layer will eventually become low-resistance interconnects so applied that they are the photodetectors for Do not shade vertical radiation.
Auf diese Weise entsteht ein Array von Photodetek toren, bei dem die gemeinsame Elektrode auf der Seite des Strahlungseinfalls (hier: Rückseite) liegt. Die erforderliche Verdrahtung der Einzelelektroden liegt auf der gegenüberliegenden Seite, so daß durch die Ver drahtung keine Abschattung der zu detektierenden Strah lung erfolgt. Das Aufbringen der niederohmigen Leitbahnen führt zu einer vorteilhaften Erniedrigung des Bahnwiderstandes der gemeinsamen Elektrode. This creates an array of Photodetek with the common electrode on the side the incidence of radiation (here: back). The required wiring of the individual electrodes on the opposite side, so that by ver wiring no shadowing of the beam to be detected development takes place. Applying the low impedance Guideways lead to an advantageous humiliation the path resistance of the common electrode.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können daher dichte Photodetektorarrays hergestellt werden, die hinsichtlich der Pixeldichte nicht durch die Verdrah tung eingeschränkt sind.With the method according to the invention can therefore dense photodetector arrays are made that in terms of pixel density not by wiring tion are restricted.
Die Verdrahtung kann auf einfache Weise mit üblichen Verfahren auf der Vorderseite hergestellt werden, wobei die Leitungsführung unabhängig von den Detektorelementen ist und ohne Einschränkung über die Photodiode geführt werden kann. Dies ist von großem Vorteil und vereinfacht die Herstellung beträchtlich.The wiring can be done easily usual procedures made on the front be, the routing independent of the Detector elements is and without limitation on the Photodiode can be performed. This is great Advantage and considerably simplifies production.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der bevor zugten Ausführungsform, speziell zur Herstellung von Photodiodenarrays, näher erläutert. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch nicht auf die Herstellung von Photodioden als Photodetektoren be schränkt.In the following the invention based on the before drafted embodiment, especially for the production of Photodiode arrays, explained in more detail. Of course However, the method according to the invention is not limited to Production of photodiodes as photodetectors limits.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Photodioden in einem Standard-Halbleitersubstrat herge stellt, wobei in der Regel ein reiner Photodiodenprozeß verwendet wird. Die Anordnung der Elektroden der Photo diode erfolgt dabei an Vorder- und Rückseite einer Substratschicht auf der Vorderseite des Substrates. Die Elektroden werden durch hoch dotierte und damit gut leitfähige Gebiete realisiert. Die Raumladungszonen er strecken sich dementsprechend vertikal.In the method according to the invention, the Photodiodes in a standard semiconductor substrate provides, usually a pure photodiode process is used. The arrangement of the electrodes of the photo diode occurs on the front and back of one Substrate layer on the front of the substrate. The Electrodes are highly doped and therefore good conductive areas realized. The space charge zones accordingly stretch vertically.
Anschließend wird die Verdrahtung mit üblichen Verfahren auf der Vorderseite der Substratschicht her gestellt, wobei die Leitungsführung unabhängig von den Detektorelementen ist und ohne Einschränkung über die Photodiode geführt werden kann. Then the wiring is done with usual Process on the front of the substrate layer provided, the routing independent of the Detector elements is and without limitation on the Photodiode can be performed.
Danach wird das Substrat ähnlich der Flip-Chip- Technologie auf ein Trägersubstrat aufgebracht und von der Rückseite her gedünnt, bis das hoch dotierte Gebiet für die gemeinsame Elektrode erreicht bzw. bis auf eine Restdicke von etwa 0,5 µm gedünnt wurde.After that, the substrate is similar to the flip chip Technology applied to a carrier substrate and by thinned the back until the highly doped area reached for the common electrode or except for one Residual thickness of about 0.5 microns was thinned.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Anordnungen liegt bei der Erfindung die gemeinsame Elektrode an der der Strahlung zugewandten Oberseite und nicht an der Unter seite. Diese neue Oberfläche, die mit einer optisch transparenten Deckschicht, z. B. aus einem Oxid und/oder Nitrid, oder einem Schichtsystem versehen werden kann, stellt nun die Detektoroberfläche dar. Da die Verdrah tung auf der jetzigen Unterseite ausgeführt ist, wird die Detektoroberseite nicht durch reflektierende oder absorbierende Verdrahtungsschichten behindert.In contrast to conventional arrangements in the invention, the common electrode on the Radiation-facing top and not on the bottom page. This new surface with an optical transparent cover layer, e.g. B. from an oxide and / or Nitride, or a layer system can be provided, now represents the detector surface. Since the wiring tion is carried out on the current underside the top of the detector is not reflective or absorbing wiring layers hindered.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:In the following the invention with reference to the figures and an embodiment explained. in this connection demonstrate:
Fig. 1 ein erstes Beispiel für ein Ausgangssubstrat mit einer Epitaxieschicht und hoch dotierten Elektroden zur Bildung von Photodioden; Figure 1 shows a first example of an output substrate with an epitaxial layer and highly doped electrodes for forming photodiodes.
Fig. 1a ein zweites Beispiel für ein Ausgangssubstrat mit einer vergrabenen stark dotierten Schicht und hoch dotierten Elektroden zur Bildung von Photodioden; Figure 1a is a second example of a starting substrate having a buried heavily doped layer and highly doped electrodes to form photodiodes.
Fig. 1b ein drittes Beispiel für ein SOI-Ausgangs substrat und hoch dotierten Elektroden zur Bildung von Photodioden; Figure 1b is a third example of an SOI substrate, and the output heavily doped electrodes to form photodiodes.
Fig. 2 das Ausgangssubstrat aus Fig. 1 mit den Photodioden nach Durchführung der Verdrahtung und Passivierung; FIG. 2 shows the output substrate from FIG. 1 with the photodiodes after the wiring and passivation have been carried out;
Fig. 3 das mit einem Trägersubstrat verbundene Aus gangssubstrat der Fig. 2; FIG. 3 shows the output substrate of FIG. 2 connected to a carrier substrate;
Fig. 4 das mit dem Trägersubstrat verbundene Aus gangssubstrat nach dem rückseitigen Dünnen des Ausgangssubstrates; . Figure 4 shows the off connected to the carrier substrate gear substrate of the source substrate after the backside thinning;
Fig. 5 das mit dem Trägersubstrat verbundene Aus gangssubstrat nach dem Dünnen des Ausgangs substrates und einer Isolation der neuen Oberfläche; Fig. 5 from the connected to the gear carrier substrate substrate substrate after the thinning of the output and an insulation of the new surface;
Fig. 6 das fertige Photodiodenarray mit integrierten Dünnfilm-Photodioden; und Fig. 6, the finished photodiode array with integrated thin-film photodiode; and
Fig. 6a das fertige Photodiodenarray mit integrierten Dünnfilm-Photodioden in einer Ausführungsform mit dielektrischer Isolation der Photodioden. FIG. 6a, the final photodiode array with integrated thin film photodiodes in an embodiment with dielectric isolation of the photodiodes.
In den Figuren ist hierbei jeweils nur ein Aus schnitt aus den Substraten bzw. dem Photodiodenarray dargestellt der zwei Photodioden erfaßt. Weitere Photodioden können selbstverständlich in den sich seit lich anschließenden (nicht dargestellten) Substrat bereichen gebildet sein.There is only one off in each case in the figures cut from the substrates or the photodiode array shown which detects two photodiodes. Further Of course, photodiodes can be found in the Lich subsequent (not shown) substrate areas be formed.
Das im folgende angeführte Ausführungsbeispiel be schreibt die Herstellung einer Dünnfilm-Photodiode.The following embodiment be writes the manufacture of a thin film photodiode.
Auf einem hoch dotierten Ausgangssubstrat 1 aus z. B. monokristallinem Silizium wird zunächst eine niedrig dotierte Epitaxieschicht 2 des gleichen Leitfähigkeitstyps abgeschieden. Infolge der starken Dotierung, die in der Regel zwischen 1018 und 1019 cm-3 liegt, weist das Substrat 1 eine gute elektrische Leitfähigkeit auf und eignet sich als Elektrode. Die Epitaxieschicht 2 weist eine Dotierung auf, wie sie typischerweise bei Substraten für die Herstellung von elektronischen Bauelementen verwendet wird, und ist damit um Größenordnungen niedriger als beim Substrat 1. Die Dicke der Epitaxieschicht und ihre Dotierung werden durch die Auslegung der Photodiode bestimmt und hängen im Wesentlichen von der Wellenlänge der zu detektierenden Strahlung ab. Hierbei werden die in der Beschreibungseinleitung dargestellten Zusammenhänge berücksichtigt.On a highly doped starting substrate 1 from z. B. monocrystalline silicon, a low-doped epitaxial layer 2 of the same conductivity type is first deposited. As a result of the strong doping, which is generally between 10 18 and 10 19 cm -3 , the substrate 1 has good electrical conductivity and is suitable as an electrode. The epitaxial layer 2 has a doping, as is typically used for substrates for the production of electronic components, and is therefore orders of magnitude lower than for the substrate 1 . The thickness of the epitaxial layer and its doping are determined by the design of the photodiode and essentially depend on the wavelength of the radiation to be detected. The relationships shown in the introduction to the description are taken into account.
Anschließend werden die Elektroden der Photodioden gebildet. Dazu wird auf dem Substrat 1 eine Maskie rungsschicht 3, beispielsweise aus Oxid, erzeugt oder abgeschieden und strukturiert, so daß Öffnungen gebil det werden. Diese Öffnungen legen dabei die Gebiete der Elektroden 4 der Photodiode fest. Die Elektroden sollen eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, so daß an diesen Stellen hoch dotierte Gebiete erzeugt werden müssen.The electrodes of the photodiodes are then formed. For this purpose, a masking layer 3 , for example made of oxide, is produced or deposited and structured on the substrate 1 , so that openings are formed. These openings define the areas of the electrodes 4 of the photodiode. The electrodes should have good electrical conductivity, so that highly doped areas must be produced at these locations.
Dies erfolgt durch Anwendung von Ionenimplantation oder Diffusion, wobei anschließend eine Temperung zum Eintreiben und/oder Aktivieren der Dotierstoffe folgen kann. Die Schicht 3 dient dabei als Maskierung. Damit können Elektroden mit einer Tiefe von maximal einigen Mikrometern erzeugt werden.This is done by using ion implantation or diffusion, which can then be followed by tempering to drive in and / or activate the dopants. Layer 3 serves as a mask. This allows electrodes with a maximum depth of a few micrometers to be produced.
Alternativ zur Oxidschicht ist selbstverständlich auch die Verwendung von Photolack zur Maskierung für die Ionenimplantation möglich. As an alternative to the oxide layer, it goes without saying also the use of photoresist for masking ion implantation possible.
Beim Einsatz einer Eintreibtemperung, die typi scherweise bei Temperaturen von 1100°C bis 1200°C durchgeführt wird, tritt wegen der isotropen Diffusion gleichzeitig auch eine entsprechende Verbreiterung der Strukturen auf. Dadurch vergrößern sich die lateralen Dimensionen der Elektroden 4.When driving-in tempering is used, which is typically carried out at temperatures from 1100 ° C to 1200 ° C, a corresponding broadening of the structures also occurs because of the isotropic diffusion. This increases the lateral dimensions of the electrodes 4 .
Ein typischer Wert für die Tiefe der Elektroden 4 liegt bei etwa 0,5 µm. Die Herstellung von flacheren Elektroden erfordert die Verwendung von Sonderprozes sen, wie Niedrigstenergie-Implantationen und Kurzzeit temperprozesse. Zum anderen erhöht sich der Bahnwider stand der Elektroden, was sich nachteilig auf Schalt geschwindigkeiten auswirkt.A typical value for the depth of the electrodes 4 is approximately 0.5 μm. The production of flatter electrodes requires the use of special processes such as low-energy implantations and short-term tempering processes. On the other hand, the path resistance of the electrodes increases, which has an adverse effect on switching speeds.
Mit einer der erwähnten Methoden werden die Elek troden 4 im Halbleitersubstrat 1 erzeugt, wobei die Elektroden 4 den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zur Epitaxieschicht 2 aufweisen. Sind das Ausgangs substrat 1 und die Epitaxieschicht 2 z. B. n-dotiert, so wird die Elektrode 4 p-dotiert. Damit wird die Diode mit den Anschlußelektroden 1 und 4 gebildet, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.With one of the methods mentioned, the electrodes 4 are produced in the semiconductor substrate 1 , the electrodes 4 having the opposite conductivity type to the epitaxial layer 2 . Are the starting substrate 1 and the epitaxial layer 2 z. B. n-doped, the electrode 4 is p-doped. So that the diode is formed with the connection electrodes 1 and 4 , as shown in Fig. 1.
In einer anderen Ausführungsform, die in Fig. 1a dargestellt ist, wird nicht ein hoch dotiertes Aus gangssubstrat 1 verwendet, sondern nur eine hoch do tierte Schicht 10 im Substrat erzeugt. Das Substrat 1 kann damit die gleiche Dotierung wie die Epitaxie- Schicht 2 aufweisen. Die hoch dotierte Schicht 10 kann dabei vor dem Aufwachsen der Epitaxieschicht 2 durch Ionenimplantation und/oder Diffusion erzeugt werden. Die darauf folgende Erzeugung der Epitaxieschicht 2 führt auf Grund der typischen Temperaturen von ca. 1000°C zu einer Verbreiterung der Schicht 10 infolge von Diffusion der Dotierstoffe.In another embodiment, which is shown in Fig. 1a, not a highly doped starting substrate 1 is used, but only a highly doped layer 10 is generated in the substrate. The substrate 1 can therefore have the same doping as the epitaxial layer 2 . The highly doped layer 10 can be produced by ion implantation and / or diffusion before the epitaxial layer 2 is grown. The subsequent production of the epitaxial layer 2 leads to a broadening of the layer 10 due to the diffusion of the dopants due to the typical temperatures of approximately 1000 ° C.
Alternativ kann die dotierte Schicht 10 nach Er zeugung der Schicht 2 durch Ionenimplantation und Tem perung zur elektrischen Aktivierung der Dotierstoffe gebildet werden. In diesem Fall kann auf den kosten intensiven Epitaxieschritt verzichtet werden, indem ein Ausgangssubstrat 1 verwendet wird, das die für die Schicht 2 geforderte Dotierung aufweist. Bei dieser Variante ist jedoch die Tiefe der hoch dotierten Schicht 10 durch die Möglichkeiten der Ionenimplanta tion eingeschränkt. Mit üblichen Implantationsanlagen können Tiefen von maximal 0,5-1 µm erreicht werden. Selbst beim Einsatz spezieller Hochenergieimplanter ist die Tiefe auf wenige Mikrometer beschränkt.Alternatively, the doped layer 10 can be formed after generation of the layer 2 by ion implantation and tempering for electrical activation of the dopants. In this case, the cost-intensive epitaxial step can be dispensed with by using an output substrate 1 which has the doping required for layer 2 . In this variant, however, the depth of the highly doped layer 10 is restricted by the possibilities of ion implantation. Depths of maximum 0.5-1 µm can be achieved with conventional implantation systems. Even when using special high-energy implants, the depth is limited to a few micrometers.
In einer weiteren Ausführungsform wird als Aus gangssubstrat ein SOI-Substrat 11 mit einer vergrabenen Oxidschicht 13 und einer darauf befindlichen Halb leiterschicht 12, die die Funktion der oben beschriebe nen Epitaxieschicht 2 übernimmt, verwendet (vgl. Fig. 1b). Oberhalb der vergrabenen Oxidschicht 13 wird eine hoch dotierte Schicht 14 gebildet. Dies kann dabei ent weder bei der Herstellung des SOI-Substrates 11 oder wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1a durch eine tiefe Ionenimplantation in Verbindung mit einer Tempe rung erfolgen.In a further embodiment, an SOI substrate 11 with a buried oxide layer 13 and a semiconductor layer 12 thereon, which takes over the function of the above-described epitaxial layer 2 , is used as the starting substrate (cf. FIG. 1b). A highly doped layer 14 is formed above the buried oxide layer 13 . This can be done ent either in the manufacture of the SOI substrate 11 or, as in the embodiment according to FIG. 1a, by a deep ion implantation in connection with a temperature.
Vor der Realisierung der elektrischen Anschlüsse wird eine Isolationsschicht 6 aufgebracht oder erzeugt, die aus undotiertem oder dotiertem Oxid, wie FSG, PSG, BSG oder BPSG, aus Nitrid oder einem Schichtsystem der genannten Materialien besteht. Neben der Isolation ge währleistet diese Schicht auch einen Schutz der Photo diode. Anschließend wird die Metallisierung 7 herge stellt und eine Passivierungsschicht 8, die typischer weise aus Oxid und Nitrid besteht, abgeschieden (siehe Fig. 2). Als Verdrahtung kann auch eine Mehrlagenmetal lisierung zum Einsatz kommen.Before the electrical connections are made, an insulation layer 6 is applied or produced, which consists of undoped or doped oxide, such as FSG, PSG, BSG or BPSG, nitride or a layer system of the materials mentioned. In addition to the insulation, this layer also protects the photo diode. Then the metallization 7 is produced and a passivation layer 8 , which typically consists of oxide and nitride, is deposited (see FIG. 2). Multi-layer metalization can also be used as wiring.
Die Leitbahnführung ist dabei nicht durch die Lage der Photodioden eingeschränkt und kann auch über die Photodioden verlaufen. Dies vereinfacht den Herstel lungsprozeß erheblich.The routing is not due to the location of the photodiodes is restricted and can also be Photodiodes run. This simplifies the manufacture development process considerably.
Nach der Fertigstellung der Leitbahnen wird nun das Substrat 1 auf eine Restdicke von wenigen Mikrome tern gedünnt. Dazu wird ein Trägersubstrat 20, das eventuell mit einer Abdeckschicht 21, aus beispiels weise Oxid, versehen ist, auf das erste Substrat 1 auf gebracht. Als Trägersubstrat sind neben mono- oder polykristallinen Siliziumsubstraten auch andere Mate rialien verwendbar, die zu Halbleiterprozessen kompati bel sind, wie z. B. Quarz- oder Glassubstrate. Um eine gute Verbindung zu erreichen, wird dabei vorzugsweise die Oberfläche des Substrates 1 planarisiert.After completion of the interconnects, the substrate 1 is now thinned to a residual thickness of a few micrometers. For this purpose, a carrier substrate 20 , which is possibly provided with a cover layer 21 made of , for example, oxide, is brought onto the first substrate 1 . As a carrier substrate in addition to monocrystalline or polycrystalline silicon substrates, other materials can also be used which are compatible with semiconductor processes, such as, for. B. quartz or glass substrates. In order to achieve a good connection, the surface of the substrate 1 is preferably planarized.
Die Planarisierung kann mit verschiedenen Verfah ren durchgeführt werden. Dabei wird zuerst eine Isola tionsschicht 9, wie z. B. Spin-on-Glas oder ein CVD-Oxid aufgebracht. Die maximal mögliche Temperatur wird durch das zulässige Temperaturbudget, in der Regel durch die bei der Metallisierung verwendeten Materialien vorgege ben und liegt typischerweise im Bereich von 400°C. An schließend wird die Oberfläche eingeebnet, beispiels weise durch Rückätzen, mechanisches und/oder chemomechanisches Schleifen. Nun wird auf die Oberfläche des Substrates 1 oder des Trägersubstrates 20 ganzflächig eine Haftschicht 22 aus einem organischen Material, wie Polyimid oder Photolack, aufgebracht. Diese Haftschicht 22 mit einer Dicke von typischerweise 1-2 µm bewirkt außerdem eine Planarisierung der Oberfläche. Auf die Haftschicht 22 wird schließlich das Trägersubstrat 20 aufgeklebt, wie in Fig. 3 dargestellt. Dabei ist keine Justage erforderlich. Es genügt vielmehr eine grobe Ausrichtung der beiden Substrate. Das Trägersubstrat 20 wird als Handlingsubstrat für die weiteren Prozeß schritte verwendet und schützt die Oberfläche des Substrates 1 bei der weiteren Bearbeitung.The planarization can be carried out using various methods. First, an insulation layer 9 , such as. B. spin-on glass or a CVD oxide applied. The maximum possible temperature is specified by the permissible temperature budget, generally by the materials used in the metallization, and is typically in the range of 400 ° C. Then the surface is leveled, for example by etching back, mechanical and / or chemomechanical grinding. An adhesive layer 22 made of an organic material, such as polyimide or photoresist, is then applied over the entire surface of the surface of the substrate 1 or the carrier substrate 20 . This adhesive layer 22 with a thickness of typically 1-2 microns also causes a planarization of the surface. Finally, the carrier substrate 20 is glued onto the adhesive layer 22 , as shown in FIG. 3. No adjustment is required. Rather, a rough alignment of the two substrates is sufficient. The carrier substrate 20 is used as a handling substrate for the further process steps and protects the surface of the substrate 1 during further processing.
Danach wird das Substrat 1, das die Photodioden enthält, durch Ätzen und/oder Schleifen von der Rück seite her gedünnt, bis die Dicke des Substrates 1 nur noch wenige Mikrometer betragt und die Epitaxieschicht 2 noch nicht erreicht ist. Das hochdotierte Substrat 1 wird so gedünnt, daß auf der Rückseite eine hoch do tierte Elektrode 1 mit einer Dicke von typischerweise 0,5 µm gebildet wird (Fig. 4). Die Tiefe hängt dabei von den Anforderungen an die Photodiode ab und wird im Wesentlichen durch die von der Wellenlänge der zu de tektierenden Strahlung abhängigen Eindringtiefe der Strahlung bestimmt.Then the substrate 1 , which contains the photodiodes, is thinned by etching and / or grinding from the rear side until the thickness of the substrate 1 is only a few micrometers and the epitaxial layer 2 has not yet been reached. The highly doped substrate 1 is thinned such that a highly doped electrode 1 with a thickness of typically 0.5 μm is formed on the back ( FIG. 4). The depth depends on the requirements for the photodiode and is essentially determined by the penetration depth of the radiation, which is dependent on the wavelength of the radiation to be detected.
Bei der Variante mit der vergrabenen hoch dotier ten Schicht 10 erfolgt das Dünnen bis die Schicht 10 erreicht wird. In diesem Fall können auch Ätzverfahren verwendet werden, deren Ätzrate stark von der Dotierung des Substratmaterials abhängt, so daß der Dünnungs prozeß selbständig bei Erreichen der hoch dotierten Schicht 10 stoppt. In the variant with the buried highly doped layer 10 , the thinning takes place until the layer 10 is reached. In this case, etching methods can also be used, the etching rate of which depends strongly on the doping of the substrate material, so that the thinning process stops automatically when the highly doped layer 10 is reached .
Bei der Ausführungsform mit der vergrabenen Oxid schicht 13 wird der Dünnungsprozeß dadurch vereinfacht, daß diese vergrabene Oxidschicht 13 als Ätzstopp dient. Aufgrund der großen Selektivität der Ätzprozesse wird damit eine hohe Homogenität der Dicke des gedünnten Substrates erreicht. Die Enddicke des Substrates wird dabei durch die Dicke der Substratschicht 12 oberhalb des vergrabenen Oxides 13, das danach entfernt wird, bestimmt.In the embodiment with the buried oxide layer 13 , the thinning process is simplified in that this buried oxide layer 13 serves as an etch stop. Due to the high selectivity of the etching processes, a high homogeneity of the thickness of the thinned substrate is achieved. The final thickness of the substrate is determined by the thickness of the substrate layer 12 above the buried oxide 13 , which is then removed.
Nun wird die neu gebildete Oberfläche des Substra tes 1 mit einer Schicht oder einem Schichtsystem 15 versehen, das die Oberfläche schützt, das Halbleiter substrat 1 elektrisch isoliert und gleichzeitig als Passivierung dienen kann. In der Regel wird die Schicht 15 aus Oxid und/oder Nitrid bestehen (Fig. 5).Now the newly formed surface of the substrate 1 is provided with a layer or a layer system 15 which protects the surface, electrically isolates the semiconductor substrate 1 and can simultaneously serve as passivation. As a rule, layer 15 will consist of oxide and / or nitride ( FIG. 5).
Bei den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gebil deten Photodioden liegt im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen die gemeinsame Elektrode 1 an der Ober fläche. Da sich die Raumladungszone erst unterhalb der Elektrode 1 erstreckt, muß die Dicke der Elektrode klein gegenüber der Eindringtiefe der Strahlung sein, um einen hohen Wirkungsgrad erreichen zu können. Dies ist besonders bei kurzen Wellenlängen infolge des stark ansteigenden Absorptionskoeffizienten von großer Bedeu tung. Eine geringe Dicke der Elektrode hat jedoch andererseits ein Ansteigen des Bahnwiderstandes zur Folge.In the case of the photodiodes formed with the method according to the invention, in contrast to the known arrangements, the common electrode 1 lies on the upper surface. Since the space charge zone only extends below the electrode 1 , the thickness of the electrode must be small compared to the penetration depth of the radiation in order to be able to achieve high efficiency. This is particularly important at short wavelengths due to the strongly increasing absorption coefficient. On the other hand, a small thickness of the electrode results in an increase in the sheet resistance.
Zur Erniedrigung des Bahnwiderstandes der gemein samen Elektrode 1 werden zwischen den einzelnen Photo diodenzellen niederohmige Leitbahnen parallel zur Elektrode auf diese aufgebracht und angeschlossen. Werden diese Leitbahnen ausschließlich zwischen den Zellen geführt, so bedeutet dies keine Beeinträchtigung der optisch wirksamen Fläche und damit des Wirkungsgrades. Dazu werden in der Isolationsschicht 15 außerhalb der Photodioden Öffnungen zur Elektrode 1 erzeugt, die Metallisierung 16 hergestellt und eine Passivierungsschicht 17, die typischerweise aus Oxid und Nitrid besteht, abgeschieden. Dies ist, aus Fig. 6 ersichtlich. Die Metallisierung 16 bildet auch den Anschluß zur Elektrode 1 und verläuft außerhalb der Photodioden.In order to reduce the sheet resistance of the common electrode 1 , low-resistance interconnects are applied to and connected to the electrode between the individual photo diode cells. If these interconnects are only routed between the cells, this means that the optically effective area and thus the efficiency are not impaired. For this purpose, openings to the electrode 1 are produced in the insulation layer 15 outside the photodiodes, the metallization 16 is produced and a passivation layer 17 , which typically consists of oxide and nitride, is deposited. This can be seen in FIG. 6. The metallization 16 also forms the connection to the electrode 1 and extends outside the photodiodes.
Bei einer großen Dicke der Schicht 2, besonders bei langwelliger Strahlung, und geringem lateralen Ab stand der einzelnen Photodioden ist eine Wechselwirkung zwischen benachbarten Photodioden nicht auszuschließen. Eine vollständige elektrische Entkopplung kann durch eine dielektrische Isolation der einzelnen Photodioden erreicht werden. Dazu werden zwischen den Dioden mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllte Gräben 18 in der Epitaxieschicht 2 gebildet (Fig. 6a). Die Gräben 18 können entweder von der Vorderseite des Substrates 1 her, z. B. vor der Erzeugung der Elektroden 4 oder nach Aufbringen der Isolationsschicht 6, oder von der Rückseite des Substrates 1 her, z. B. vor oder nach dem Aufbringen der Isolationsschicht 15, erzeugt werden.With a large thickness of the layer 2 , especially with long-wave radiation, and a low lateral position of the individual photodiodes, an interaction between neighboring photodiodes cannot be ruled out. Complete electrical decoupling can be achieved by dielectric insulation of the individual photodiodes. For this purpose, trenches 18 filled with an electrically insulating material are formed in the epitaxial layer 2 between the diodes ( FIG. 6a). The trenches 18 can either from the front of the substrate 1 , z. B. before generating the electrodes 4 or after applying the insulation layer 6 , or from the back of the substrate 1 , z. B. before or after the application of the insulation layer 15 , are generated.
Die Herstellung der Gräben 18 beginnt mit einer Ätzung von Gräben, die die Epitaxieschicht 2 vollstän dig durchdringen. Idealerweise wird dazu ein an isotroper Ätzprozeß mit steilen Flanken verwendet, so daß der Graben in verschiedenen Substrattiefen nur geringe Maßabweichungen aufweist. Es sind aber auch andere Ätzprozesse, wie isotrope Ätzungen zulässig, solange die Maßabweichungen reproduzierbar und in alle Koordinatenrichtungen gleich sind und scharfe Kanten erzeugt werden. Um eine dielektrische Isolation zu er zielen, wird der Graben nun mit einem elektrisch iso lierenden Material, z. B. mit undotiertem oder dotiertem Oxid, wie FSG, PSG, BSG oder BPSG, Nitrid oder mit einem Schichtsystem der genannten Materialien, aufge füllt. Das Auffüllen kann durch eine konforme LPCVD- Abscheidung erfolgen, welche ein lunkerfreies Auffüllen ermöglicht, in Verbindung mit einem Rückätzschritt, mit dem das isolierende Material außerhalb der Gräben wieder entfernt wird. Alternativ kann das Abtragen auch durch mechanisches und/oder chemomechanisches Schleifen erfolgen.The production of the trenches 18 begins with an etching of trenches which penetrate the epitaxial layer 2 completely. Ideally, an isotropic etching process with steep flanks is used for this, so that the trench exhibits only slight dimensional deviations in different substrate depths. However, other etching processes, such as isotropic etching, are permissible as long as the dimensional deviations are reproducible and the same in all coordinate directions and sharp edges are generated. In order to achieve dielectric insulation, the trench is now covered with an electrically insulating material, e.g. B. with undoped or doped oxide, such as FSG, PSG, BSG or BPSG, nitride or with a layer system of the materials mentioned, fills up. The filling can take place by means of a conformal LPCVD deposition, which enables void-free filling, in connection with an etching back step, with which the insulating material outside the trenches is removed again. Alternatively, the removal can also be carried out by mechanical and / or chemomechanical grinding.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Gräben 18 mit einem Schichtsystem aus einem elektrisch isolierenden Material und einem die zu detektierende Strahlung reflektierenden oder absorbierenden Material gefüllt, wie beispielsweise einem Oxid als isolierendes und Polysilizium oder Metallverbindungen als refektie rendes bzw. absorbierendes Material. Hierdurch wird zusätzlich zur elektrischen Isolation auch eine opti sche Entkopplung der Photodioden erreicht. In an advantageous embodiment, the trenches 18 are filled with a layer system composed of an electrically insulating material and a material which reflects or absorbs the radiation to be detected, such as an oxide as insulating material and polysilicon or metal compounds as a reflecting or absorbing material. As a result, in addition to the electrical insulation, an optical decoupling of the photodiodes is achieved.
Die Schichten 15 und 17 stellen nun die Deck schichten über der Photodiode dar. Im Zuge einer Opti mierung der Strahlungseinkopplung in die Photodiode kann bei Bedarf eine Modifikation dieser Schichten über den Photodioden durchgeführt werden. Dies kann durch ein lokales Dünnen, Entfernen und/oder Abscheiden einer optimierten Schicht bzw. Schichtfolge, die für die zu detektierende Wellenlänge transparent ist, erfolgen.The layers 15 and 17 now represent the cover layers over the photodiode. In the course of optimizing the radiation coupling into the photodiode, a modification of these layers can be carried out over the photodiodes if necessary. This can be done by locally thinning, removing and / or depositing an optimized layer or layer sequence that is transparent to the wavelength to be detected.
Die Verdrahtung der einzelnen Elemente der Photo diode verläuft auf der Unterseite der Photodiode und beeinflußt nicht die Detektionsflächen. Die Anschluß kontakte der Metallisierung können mit bekannten Ver fahren der vertikalen Integration zugänglich gemacht werden. Da es sich bei den Pads in der Regel um groß flächige Gebiete mit typischen Abmessungen von 100 µm handelt, werden hier keine hohen Anforderungen an die Justagegenauigkeit gestellt. Damit ist es auch bei Arrays mit hoher Pixeldichte kein Problem, die Signale zur Auswerteelektronik zu leiten. Für den Fall, daß das Trägersubstrat 20 bereits vor dem Verbinden Bauelemente enthält, würde man mit dem Verfahren eine vertikale In tegration von Strahlungsdetektoren und Auswerteelektro nik erreichen.The wiring of the individual elements of the photo diode runs on the underside of the photodiode and does not affect the detection areas. The connection contacts of the metallization can be made accessible with known United vertical integration. Since the pads are usually large areas with typical dimensions of 100 µm, there are no high demands on the adjustment accuracy. This means that even with arrays with a high pixel density, it is no problem to route the signals to the evaluation electronics. In the event that the carrier substrate 20 already contains components before connecting, the method would achieve vertical integration of radiation detectors and evaluation electronics.
Claims (25)
- - Bereitstellen einer Schichtfolge auf einer
Vorderseite eines Substrates (1, 11), wobei die
Schichtfolge ganz oder teilweise Bestandteil des
Substrates (1, 11) ist und zumindest aus
einer elektrisch leitfähigen Schicht (1; 10; 14) aus einem hoch dotierten Halbleitermaterial, die die zweite Elektrode bildet,
der photoempfindlichen Schicht (2, 12) aus einem niedrig dotierten Halbleitermaterial, die auf der elektrisch leitfähigen Schicht (1, 10, 14) aufgebracht ist, und
mehreren elektrisch leitfähigen Gebieten (4), die die ersten Elektroden bilden, auf der ersten Seite der photoempfindlichen Schicht (2, 12), besteht; - - Durchführen der elektrischen Verdrahtung der elektrisch leitfähigen Gebiete (4);
- - Aufbringen des Substrates mit der Schicht folge und der Verdrahtung auf ein Trägersubstrat (20), wobei die Vorderseite des Substrates (1, 11) zum Trägersubstrat (20) gerichtet ist;
- - Dünnen des Substrates (1, 11) von der Rückseite bis an die elektrisch leitfähige Schicht (1, 10, 14), die die zweite Elektrode bildet; und
- - Aufbringen von niederohmigen Leitbahnen (16) auf die elektrisch leitfähige Schicht (1, 10, 14), derart, daß sie die Photodetektoren für senkrecht einfallende Strahlung nicht abschatten.
- - Providing a layer sequence on a front side of a substrate ( 1 , 11 ), the layer sequence being wholly or partly part of the substrate ( 1 , 11 ) and at least made of
an electrically conductive layer ( 1 ; 10 ; 14 ) made of a highly doped semiconductor material, which forms the second electrode,
the photosensitive layer ( 2 , 12 ) made of a low-doped semiconductor material, which is applied to the electrically conductive layer ( 1 , 10 , 14 ), and
a plurality of electrically conductive regions ( 4 ) forming the first electrodes on the first side of the photosensitive layer ( 2 , 12 ); - - performing the electrical wiring of the electrically conductive areas ( 4 );
- - Application of the substrate with the layer sequence and the wiring to a carrier substrate ( 20 ), the front of the substrate ( 1 , 11 ) being directed towards the carrier substrate ( 20 );
- - Thinning the substrate ( 1 , 11 ) from the back to the electrically conductive layer ( 1 , 10 , 14 ), which forms the second electrode; and
- - Applying low-resistance interconnects ( 16 ) to the electrically conductive layer ( 1 , 10 , 14 ) such that they do not shade the photodetectors for perpendicularly incident radiation.
Bereitstellen des Substrates (1) aus einem hoch dotierten Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps;
Abscheiden der photoempfindlichen Schicht als niedrig dotierte Halbleiter-Epitaxieschicht (2) des ersten Leitfähigkeitstyps auf dem Substrat (1);
Aufbringen und Strukturieren einer Maskie rungsschicht (3) auf die Halbleiter-Epitaxie schicht (2) zur Festlegung der elektrisch leitfä higen Gebiete (4); und
Aufbringen bzw. Erzeugen der elektrisch leitfä higen Gebiete (4).2. The method according to claim 1, characterized in that the provision of the layer sequence comprises:
Providing the substrate ( 1 ) from a highly doped semiconductor material of a first conductivity type;
Depositing the photosensitive layer as a low-doped semiconductor epitaxial layer ( 2 ) of the first conductivity type on the substrate ( 1 );
Applying and structuring a masking layer ( 3 ) on the semiconductor epitaxial layer ( 2 ) for defining the electrically conductive areas ( 4 ); and
Application or generation of the electrically conductive areas ( 4 ).
Bereitstellen des Substrates (1) aus einem Halbleitermaterial;
Erzeugung einer hoch dotierten Schicht (10) eines ersten Leitfähigkeitstyps an der Vorderseite des Substrates (1);
Abscheiden der photoempfindlichen Schicht als niedrig dotierte Halbleiter-Epitaxieschicht (2) des ersten Leitfähigkeitstyps auf der hoch dotierten Schicht (10);
Aufbringen und Strukturieren einer Maskie rungsschicht (3) auf die Halbleiter-Epitaxie schicht (2) zur Festlegung der elektrisch leitfä higen Gebiete (4); und
Aufbringen bzw. Erzeugen der elektrisch leitfä higen Gebiete (4).3. The method according to claim 1, characterized in that the provision of the layer sequence comprises:
Providing the substrate ( 1 ) from a semiconductor material;
Producing a highly doped layer ( 10 ) of a first conductivity type on the front of the substrate ( 1 );
Depositing the photosensitive layer as a lightly doped semiconductor epitaxial layer ( 2 ) of the first conductivity type on the highly doped layer ( 10 );
Applying and structuring a masking layer ( 3 ) on the semiconductor epitaxial layer ( 2 ) for defining the electrically conductive areas ( 4 ); and
Application or generation of the electrically conductive areas ( 4 ).
Bereitstellen des Substrates (1) aus einem Halbleitermaterial niedriger Dotierung eines ersten Leitfähigkeitstyps;
Erzeugung einer hoch dotierten Schicht (10) des ersten Leitfähigkeitstyps in einer bestimmten Tiefe unter der Vorderseite des Substrates (1) durch Ionenimplantation;
Aufbringen und Strukturieren einer Maskie rungsschicht (3) auf die Vorderseite des Substra tes (1) zur Festlegung der elektrisch leitfähigen Gebiete (4); und
Aufbringen bzw. Erzeugen der elektrisch leitfä higen Gebiete (4).4. The method according to claim 1, characterized in that the provision of the layer sequence comprises:
Providing the substrate ( 1 ) from a low doping semiconductor material of a first conductivity type;
Producing a highly doped layer ( 10 ) of the first conductivity type at a certain depth below the front of the substrate ( 1 ) by ion implantation;
Applying and structuring a masking layer ( 3 ) on the front of the substrate ( 1 ) to define the electrically conductive areas ( 4 ); and
Application or generation of the electrically conductive areas ( 4 ).
Bereitstellen des Substrates (1) als SOI- Substrat, dessen obere Schicht (2) aus einem Mate rial niedriger Dotierung eines ersten Leitfähigkeitstyps gebildet ist;
Erzeugung einer hoch dotierten Schicht (10) des ersten Leitfähigkeitstyps in einer bestimmten Tiefe in oder unter der oberen Schicht (2) durch Ionenimplantation;
Aufbringen und Strukturieren einer Maskie rungsschicht (3) auf die Vorderseite des Substra tes (1) zur Festlegung der elektrisch leitfähigen Gebiete (4); und
Aufbringen bzw. Erzeugen der elektrisch leitfä higen Gebiete (4).5. The method according to claim 1, characterized in that the provision of the layer sequence comprises:
Providing the substrate ( 1 ) as an SOI substrate, the upper layer ( 2 ) of which is formed from a material of low doping of a first conductivity type;
Producing a highly doped layer ( 10 ) of the first conductivity type at a certain depth in or below the upper layer ( 2 ) by ion implantation;
Applying and structuring a masking layer ( 3 ) on the front of the substrate ( 1 ) to define the electrically conductive areas ( 4 ); and
Application or generation of the electrically conductive areas ( 4 ).
Bereitstellen des Substrates (1) als SOI- Substrat, das zwischen einer Isolationsschicht (13) und einer oberen Schicht (12) aus einem Mate rial niedriger Dotierung eines ersten Leitfähigkeitstyps eine hoch dotierte Schicht (14) des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist;
Aufbringen und Strukturieren einer Maskie rungsschicht (3) auf die Vorderseite des Substra tes (1) zur Festlegung der elektrisch leitfähigen Gebiete (4); und
Aufbringen bzw. Erzeugen der elektrisch leitfä higen Gebiete (4).6. The method according to claim 1, characterized in that the provision of the layer sequence comprises:
Providing the substrate ( 1 ) as an SOI substrate, which has a highly doped layer ( 14 ) of the first conductivity type between an insulation layer ( 13 ) and an upper layer ( 12 ) made of a material of low doping of a first conductivity type;
Applying and structuring a masking layer ( 3 ) on the front of the substrate ( 1 ) to define the electrically conductive areas ( 4 ); and
Application or generation of the electrically conductive areas ( 4 ).
Aufbringen und Strukturieren einer Isola tionsschicht (6) auf die elektrisch leitfähigen Gebiete (4);
Herstellen einer Metallisierungsstruktur (7) für die Verdrahtung;
Aufbringen einer Passivierungsschicht (8) auf die Metallisierungsstruktur.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that performing the electrical wiring of the electrically conductive areas ( 4 ) comprises:
Applying and structuring an insulation layer ( 6 ) on the electrically conductive areas ( 4 );
Producing a metallization structure ( 7 ) for the wiring;
Applying a passivation layer ( 8 ) to the metallization structure.
wobei die gemeinsame Elektrode (1, 10, 14) auf der der zu detektierenden Strahlung zugewandten Seite der photoempfindlichen Schicht (2, 12) liegt und aus einer elektrisch leitfähigen Schicht aus einem hoch dotierten Halbleitermaterial besteht,
und wobei niederohmige Leitbahnen derart direkt auf die gemeinsame Elektrode (1, 10, 14) aufgebracht sind, daß sie die Photodetektoren für senkrecht einfallende Strahlung nicht abschatten.25. Photodetector array, produced according to one of the methods of the preceding claims, with a plurality of photodetectors, each having a first electrode ( 4 ) on one side of a photosensitive layer ( 2 , 12 ) made of a low-doped semiconductor material and a second electrode common to all photodetectors ( 1 , 10 , 14 ) on the opposite side of the photosensitive layer ( 2 , 12 ),
the common electrode ( 1 , 10 , 14 ) lying on the side of the photosensitive layer ( 2 , 12 ) facing the radiation to be detected and consisting of an electrically conductive layer made of a highly doped semiconductor material,
and wherein low-resistance interconnects are applied directly to the common electrode ( 1 , 10 , 14 ) in such a way that they do not shade the photodetectors for perpendicularly incident radiation.
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| DE1998138430 DE19838430C2 (en) | 1998-08-24 | 1998-08-24 | Method of making an array of photodetectors |
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| DE1998138430 DE19838430C2 (en) | 1998-08-24 | 1998-08-24 | Method of making an array of photodetectors |
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| DE19838430A1 DE19838430A1 (en) | 2000-03-09 |
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| DE19838430A1 (en) | 2000-03-09 |
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