DE19838430A1

DE19838430A1 - Verfahren zur Herstellung eines Arrays von Photodetektoren

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Publication number: DE19838430A1
Application number: DE19838430A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Buchner; Melanie Sax
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1998-08-24
Publication date: 2000-03-09
Anticipated expiration: 2018-08-25
Also published as: DE19838430C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Arrays von Photodetektoren, bei dem ein Substrat mit einer vorderseitigen Schichtfolge, bestehend aus einer elektrisch leitfähigen Schicht als gemeinsamer Elektrode, einer photoempfindlichen Schicht auf der elektrisch leitfähigen Schicht, und mehreren elektrisch leitfähigen Gebieten als Einzelelektroden auf der photoempfindlichen Schicht, bereitgestellt wird. Die 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. Danach wird das Substrat von der Rückseite her gedünnt, bis auf eine Dicke, die die Transmission von zu detektierender Strahlung zur photoempfindlichen Schicht von der Rückseite her ermöglicht. DOLLAR A Auf diese Weise entsteht ein Array von Photodetektoren, bei dem die gemeinsame Elektrode auf der Seite des Strahlungseinfalls (hier: Rückseite) liegt, so daß die Verdrahtung der Einzelelektroden nicht zur Abschattung der zu detektierenden Strahlung führt.

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 werden kann. Unter einem Array von Photodetektoren ist hierbei eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von Photodetektoren zu verstehen.

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.

Als Grundmaterial zur Herstellung von Photodioden wird ein Halbleitersubstrat, beispielsweise aus Silizium, Germanium, III-V- oder IV-VI-Verbindungen, verwendet. Beispiele für III-V-Halbleiter sind GaAs, GaP, InP, InAs, InSb, GaInAs oder InGaAsP, für IV-VI- Halbleiter PbSe, PbTe, CdSe oder 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.

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.

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 Strahlungs einkopplung für eine Wellenlänge oder einen Wellen längenbereich optimiert werden.

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.

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.

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. 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) 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.

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 Fläche und damit des Gesamtwirkungs grades sowie eine Verminderung der erreichbaren Auf lösung. Weiterhin kann die reflektierte Strahlung das Gesamtsystem stören.

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.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Arrays von Photo detektoren anzugeben, das die Verdrahtung auf einfache Weise ohne Reduzierung der optisch aktiven Fläche er möglicht.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Ein nach dem Verfahren herstellbares Photo detektorarray ist in Anspruch 24 angegeben. Vorteil hafte Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. des Arrays sind Gegenstand der Unteransprüche.

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 Photo detektoren gemeinsame Elektrode auf der gegenüberlie genden Seite der photoempfindlichen Schicht aufweisen.

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 als gemeinsamer Elektrode, der photoempfind lichen Schicht auf der elektrisch leitfähigen Schicht, und mehreren elektrisch leitfähigen Gebieten als erste Elektroden auf der photoempfindlichen Schicht. Die elektrisch leitfähige Schicht besteht hierbei vorzugs weise aus einem hoch dotierten Halbleitermaterial.

Die elektrische Kontaktierung und Verdrahtung der elektrisch leitfähigen Gebiete wird auf der Vorderseite durchgeführt.

Anschließend wird das Substrat wird mit der Schichtfolge und der Verdrahtung auf ein Trägersubstrat aufgebracht, wobei die Vorderseite des Substrates zum Trägersubstrat gerichtet ist.

Danach wird das Substrat von der Rückseite her ge dünnt. Das Dünnen erfolgt bis auf eine Dicke, die die Transmission von zu detektierender Strahlung zur photoempfindlichen Schicht von der Rückseite her durch die elektrisch leitfähige Schicht hindurch ermöglicht.

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.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können daher dichte Photodetektorarrays hergestellt werden, die hinsichtlich der Pixeldichte nicht durch die Verdrah tung eingeschränkt sind.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein erstes Beispiel für ein Ausgangssubstrat mit einer Epitaxieschicht und hoch dotierten Elektroden zur Bildung von Photodioden;

Fig. 1a ein zweites Beispiel für ein Ausgangssubstrat mit einer vergrabenen stark dotierten Schicht und hoch dotierten Elektroden zur Bildung von Photodioden;

Fig. 1b ein drittes Beispiel für ein SOI-Ausgangs substrat und hoch dotierten Elektroden zur Bildung von Photodioden;

Fig. 2 das Ausgangssubstrat aus Fig. 1 mit den Photodioden nach Durchführung der Verdrahtung und Passivierung;

Fig. 3 das mit einem Trägersubstrat verbundene Aus gangssubstrat der Fig. 2;

Fig. 4 das mit dem Trägersubstrat verbundene Aus gangssubstrat nach dem rückseitigen Dünnen des Ausgangssubstrates;

Fig. 5 das mit dem Trägersubstrat verbundene Aus gangssubstrat nach dem Dünnen des Ausgangs substrates und einer Isolation der neuen Oberfläche;

Fig. 6 das fertige Photodiodenarray mit integrierten Dünnfilm-Photodioden; und

Fig. 6a das fertige Photodiodenarray mit integrierten Dünnfilm-Photodioden in einer Ausführungsform mit dielektrischer Isolation der Photodioden.

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.

Das im folgende angeführte Ausführungsbeispiel be schreibt die Herstellung einer Dünnfilm-Photodiode.

Auf einem hoch dotierten Ausgangssubstrat 1 aus z. B. monokristallinem Silizium wird zunächst eine niedrig dotierte Epitaxieschicht 2 der gleichen Polari tät abgeschieden. Infolge der starken Dotierung, die in der Regel zwischen 10¹⁸ und 10¹⁹ cm^-1 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 Substra ten für die Herstellung von elektronischen Bauelementen verwendet wird, und ist damit um Größenordnungen niedriger als beim Substrat 1. Die Dicke der Epitaxie schicht 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 dar gestellten Zusammenhänge berücksichtigt.

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.

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.

Alternativ zur Oxidschicht ist selbstverständlich auch die Verwendung von Photolack zur Maskierung für die Ionenimplantation möglich.

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.

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.

Mit einer der erwähnten Methoden werden die Elek troden 4 im Halbleitersubstrat 1 erzeugt, wobei die Elektroden 4 die entgegengesetzte Polarität zur Epita xieschicht 2 aufweisen. Sind das Ausgangssubstrat 1 und die Epitaxieschicht 2 z. B. n-dotiert, so wird die Elek trode 4 p-dotiert. Damit wird die Diode mit den An schlußelektroden 1 und 4 gebildet, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

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.

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.

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.

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 werden 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.

Die Leitbahnführung ist dabei nicht durch die Lage der Photodioden eingeschränkt und kann auch über die Photodioden verlaufen. Dies vereinfacht den Herstel lungsprozeß erheblich.

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.

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 chemo mechanisches 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.

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 beträgt und 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.

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.

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 werden kann, bestimmt.

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. Im Falle der oben angesprochenen Verwendung von SOI-Material für das Substrat kann die vergrabene Oxidschicht 13 des SOI- Substrates als Abdeckschicht verwendet werden. Dies kann sich günstig auf die Qualität der Grenzfläche von Substrat 1 zu Abdeckschicht 15, und damit auf die elek trischen Eigenschaften der Photodioden auswirken (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 an dererseits ein Ansteigen des Bahnwiderstandes zur Folge.

Zur Erniedrigung des Bahnwiderstandes der gemein samen Elektrode 1 wird gemäß einer besonders vorteil haften Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, zwischen den einzelnen Photodiodenzellen niederohmige Leitbahnen parallel zur Elektrode auf diese aufzubrin gen und anzuschließen. Werden diese Leitbahnen aus schließlich 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 Öffnun gen zur Elektrode 1 erzeugt, die Metallisierung 16 her gestellt und eine Passivierungsschicht 17, die typi scherweise 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.

Bei einer großen Dicke der Schicht 2, besonders bei langweiliger 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 Trenche 18 in der Epitaxieschicht 2 gebildet (Fig. 6a). Die Trenche 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.

Die Herstellung der Trenche 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.

In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Trenche 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.

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.

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.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Arrays von Photo detektoren, die jeweils eine erste Elektrode (4) auf einer ersten Seite einer photoempfindlichen Schicht (2, 12) und eine zweite, allen Photodetek toren gemeinsame Elektrode (1, 10, 14) auf der gegenüberliegenden Seite der photoempfindlichen Schicht (2, 12) aufweisen, mit folgenden Schritten:

1. 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
2. einer elektrisch leitfähigen Schicht (1; 10; 14), die die zweite Elektrode bildet,
3. der photoempfindlichen Schicht (2, 12), die auf der elektrisch leitfähigen Schicht (1, 10, 14) aufgebracht ist, und
4. mehreren elektrisch leitfähigen Gebieten (4), die die ersten Elektroden bilden, auf der ersten Seite der photoempfindlichen Schicht (2, 12), besteht;
5. Durchführen der elektrischen Kontaktierung und Verdrahtung der elektrisch leitfähigen Gebiete (4);
6. 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; und
7. Dünnen des Substrates (1, 11) von der Rück seite bis auf eine Dicke, die die Transmission von zu detektierender Strahlung zur photoempfindlichen Schicht von der Rückseite her ermöglicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bereitstellen der Schichtfolge umfaßt:

1. Bereitstellen des Substrates (1) aus einem hoch dotierten Halbleitermaterial einer ersten Polarität;
2. Abscheiden der photoempfindlichen Schicht als niedrig dotierte Halbleiter-Epitaxieschicht (2) der ersten Polarität auf dem Substrat (1);
3. Aufbringen und Strukturieren einer Maskie rungsschicht (3) auf die Halbleiter-Epitaxie schicht (2) zur Festlegung der elektrisch leitfä higen Gebiete (4); und
4. Aufbringen bzw. Erzeugen der elektrisch leitfä higen Gebiete (4)

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bereitstellen der Schichtfolge umfaßt:

1. Bereitstellen des Substrates (1) aus einem Halbleitermaterial;
2. Erzeugung einer hoch dotierten Schicht (10) einer ersten Polarität an der Vorderseite des Substrates (1);
3. Abscheiden der photoempfindlichen Schicht als niedrig dotierte Halbleiter-Epitaxieschicht (2) der ersten Polarität auf der hoch dotierten Schicht (10);
4. Aufbringen und Strukturieren einer Maskie rungsschicht (3) auf die Halbleiter-Epitaxie schicht (2) zur Festlegung der elektrisch leitfä higen Gebiete (4); und
5. Aufbringen bzw. Erzeugen der elektrisch leitfä higen Gebiete (4).

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bereitstellen der Schichtfolge umfaßt:

1. Bereitstellen des Substrates (1) aus einem Halbleitermaterial niedriger Dotierung einer ersten Polarität;
2. Erzeugung einer hoch dotierten Schicht (10) der ersten Polarität in einer bestimmten Tiefe unter der Vorderseite des Substrates (1) durch Ionenimplantation;
3. Aufbringen und Strukturieren einer Maskie rungsschicht (3) auf die Vorderseite des Substra tes (1) zur Festlegung der elektrisch leitfähigen Gebiete (4); und
4. Aufbringen bzw. Erzeugen der elektrisch leitfä higen Gebiete (4).

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bereitstellen der Schichtfolge umfaßt:

1. Bereitstellen des Substrates (1) als SOI- Substrat, dessen obere Schicht (2) aus einem Mate rial niedriger Dotierung einer ersten Polarität gebildet ist;
2. Erzeugung einer hoch dotierten Schicht (10) der ersten Polarität in einer bestimmten Tiefe in oder unter der oberen Schicht (2) durch Ionenim plantation;
3. Aufbringen und Strukturieren einer Maskie rungsschicht (3) auf die Vorderseite des Substra tes (1) zur Festlegung der elektrisch leitfähigen Gebiete (4); und
4. Aufbringen bzw. Erzeugen der elektrisch leitfä higen Gebiete (4).

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bereitstellen der Schichtfolge umfaßt:

1. Bereitstellen des Substrates (1) als SOI- Substrat, das zwischen einer Isolationsschicht (13) und einer oberen Schicht (12) aus einem Mate rial niedriger Dotierung einer ersten Polarität eine hoch dotierte Schicht (14) der ersten Polari tät aufweist;
2. Aufbringen und Strukturieren einer Maskie rungsschicht (3) auf die Vorderseite des Substra tes (1) zur Festlegung der elektrisch leitfähigen Gebiete (4); und
3. Aufbringen bzw. Erzeugen der elektrisch leitfä higen Gebiete (4)

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen bzw. Erzeugen der elektrisch leitfähigen Gebiete (4) durch Erzeugung hoch do tierter Gebiete (4) in der photoempfindlichen Schicht (2, 12) erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung hoch dotierter Gebiete (4) mittels Ionenimplantation oder Diffusion mit an schließender Temperung erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchführen der elektrischen Kontaktierung und Verdrahtung der elektrisch leitfähigen Gebiete (4) umfaßt:

1. Aufbringen und Strukturieren einer Isola tionsschicht (6) auf die elektrisch leitfähigen Gebiete (4);
2. Herstellen einer Metallisierungsstruktur (7) für die Kontaktierung und Verdrahtung;
3. Aufbringen einer Passivierungsschicht (8) auf die Metallisierungsstruktur.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des Substrates mit der Schicht folge und der Verdrahtung auf ein Trägersubstrat (20) mittels einer Haftschicht (22) erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen des Substrates auf ein Trägersubstrat (20) eine weitere Schicht (9) auf die durch die elektrische Kontaktierung und Ver drahtung entstandene Oberfläche aufgebracht und anschließend planarisiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Planarisierung durch Rückätzen oder mecha nisches und/oder chemomechanisches Schleifen er folgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (20) aus einem zu Halblei terprozessen kompatiblen Material, insbesondere aus mono- oder polykristallinem Silizium, Quarz oder Glas besteht.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Dünnen des Substrates (1, 11) durch Ätzen und/oder Schleifen erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Dünnen des Substrates (1, 11) bis auf eine Dicke von weniger als 5 Mikrometer erfolgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Dünnen des Substrates (1, 11) bis zum Er reichen der hoch dotierten Schicht (10, 14) er folgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Dünnen des Substrates (1, 11) bis zum Er reichen der Isolationsschicht (13) erfolgt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Dünnen auf die elektrisch leitfähige Schicht (1, 10, 14), die die zweite Elektrode bil det, niederohmige Leitbahnen (16) so aufgebracht werden, daß sie die Photodetektoren für senkrecht einfallende Strahlung nicht abschatten.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Dünnen auf die Rückseite des Substra tes eine weitere Schicht (15) bzw. Schichtfolge zum Schutz aufgebracht wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß während der Herstellung mit einem isolierenden Material gefüllte Trenchgräben (18) in der photo empfindlichen Schicht (2, 12) zwischen den Photo detektoren erzeugt werden, um diese voneinander zu isolieren.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Trenchgräben (18) von der Vorderseite des Substrates (1, 11) her vor der Er zeugung der elektrisch leitfähigen Gebiete (4) er folgt.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Trenchgräben (18) von der Vorderseite des Substrates (1, 11) her nach dem Aufbringen der Isolationsschicht (6) erfolgt.

23. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Trenchgräben (18) von der Rückseite des Substrates (1, 11) her nach dem Auf bringen der Isolationsschicht (15) erfolgt.

24. Photodetektorarray mit mehreren Photodetektoren, die jeweils eine erste Elektrode (4) auf einer Seite einer photoempfindlichen Schicht (2, 12) und eine zweite, allen Photodetektoren gemeinsame Elektrode (1, 10, 14) auf der gegenüberliegenden Seite der photoempfindlichen Schicht (2, 12) auf weisen, wobei die gemeinsame Elektrode (1, 10, 14) aus einer elektrisch leitfähigen Schicht besteht, die auf der der zu detektierenden Strahlung zuge wandten Seite der photoempfindlichen Schicht (2, 12) angeordnet ist.

25. Photodetektorarray nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die photoempfindliche Schicht (2, 12) aus einem niedrig dotierten Halbleitermaterial und die gemeinsame Elektrode (1, 10, 14) aus einem hoch dotierten Halbleitermaterial bestehen.

26. Photodetektorarray nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß niederohmige Leitbahnen derart auf die gemein same Elektrode (1, 10, 14) aufgebracht sind, daß sie die Photodetektoren für senkrecht einfallende Strahlung nicht abschatten.