DE102009009814A1 - Photosensor and photosensor matrix - Google Patents

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Photosensor (1, 101) mit wenigstens einer integrierten CMOS-Schaltung (5, 105), die in einem Halbleitersubstrat (2, 102, 202) integriert ist, mit aktiven CMOS-Bauelementen sowie einer im Halbleitermaterial ausgebildeten Photodiode. Um eine hohe Lichtquantenausbeute zu ermöglichen, ist die Photodiode aus einer sich im Halbleitersubstrat befindenden dotierten Region (3, 103) und dem verbleibenden Bulkmaterial (6, 106) des Halbleitersubstrats ausgebildet, wobei die aktiven CMOS-Bauelemente von dem verbleibenden Bulkmaterial des Halbleitersubstrats durch die dotierte Region räumlich getrennt werden. Ferner wird eine Photosensormatrix (300) vorgeschlagen.A photosensor (1, 101) having at least one integrated CMOS circuit (5, 105) integrated in a semiconductor substrate (2, 102, 202), with active CMOS components and a photodiode formed in the semiconductor material, is proposed. In order to enable a high light quantum efficiency, the photodiode is formed of a doped region (3, 103) and the remaining bulk material (6, 106) of the semiconductor substrate, wherein the active CMOS components are separated from the remaining bulk material of the semiconductor substrate by the semiconductor substrate spatially separated. Further, a photosensor array (300) is proposed.

Description

Die Erfindung betrifft einen Photosensor mit wenigstens einer integrierten CMOS-Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 2 bzw. eine Photosensormatrix nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.The The invention relates to a photosensor having at least one integrated CMOS circuit according to the preamble of claim 1 and the claim 2 or a photosensor matrix according to the preamble of the claim 15th

Aus dem Stand der Technik sind handelsübliche Photosensoren bekannt, welche, basierend auf dem Schaltungsprinzip einer Photodiode, CMOS-Schaltungen zum Auslesen nutzen. Dabei sind die Bauelemente der einzelnen CMOS-Schaltungen beispielsweise in Wannen eingebettet, welche wiederum in einer dotierten Schicht liegen. Der Rest des darunter befindlichen Bulkmaterials des Halbleitersubstrats ist dabei in der Regel zu der darüber angeordneten dotierten Schicht, in welcher auch die entsprechenden Wannen für die CMOS-Schaltungen eingebettet sind, ungleichnamig dotiert. Werden Elektron-Loch-Paare durch einfallende Photonen erzeugt, können die entsprechenden Ladungsträger zu den Photodiodenkontakten wandern, sofern die Elektron-Loch-Paare innerhalb der dotierten Schicht oder zumindest in einem genügend nahen Bereich zu dieser erzeugt wurden.Out the prior art commercially available photosensors are known which, based on the circuit principle of a photodiode, CMOS circuits to read. In this case, the components of the individual CMOS circuits For example, embedded in trays, which in turn in a doped Layer lie. The rest of the bulk material underneath The semiconductor substrate is usually arranged to the above doped layer, in which also the corresponding wells for the CMOS circuits are embedded, unequally doped. Be electron-hole pairs generated by incident photons, the corresponding charge carriers to the Photodiode contacts migrate, provided that the electron-hole pairs within the doped layer or at least in a sufficiently close Area to this were generated.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Photosensor bzw. eine verbesserte Photosensormatrix vorzuschlagen, der bzw. die eine hohe Lichtquantenausbeute ermöglicht.task The invention is an improved photosensor or an improved To propose Photosensormatrix, the or a high Lichtquantenausbeute allows.

Die Aufgabe wird, ausgehend von einem Photosensor bzw. einer Photosensormatrix der eingangs genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, des Anspruchs 2 bzw. des Anspruchs 15 gelöst.The Task is, starting from a photosensor or a photosensor matrix of the type mentioned above, by the characterizing features of Claim 1, claim 2 or claim 15 solved.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.By those in the dependent Claims mentioned activities are advantageous embodiments and further developments of the invention possible.

Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Photosensor mit wenigstens einer integrierten CMOS-Schaltung dadurch aus, dass die Photodiode aus einer sich im Halbleitersubstrat befindenden dotierten Region und dem verbleibenden Bulkmaterial des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, wobei die aktiven CMOS-Bauelemente von dem verbleibenden Bulkmaterial des Halbleitersubstrats durch die dotierte Region räumlich getrennt werden. Eine CMOS-Schaltung umfasst immer aktive Bauelemente, z. B. Feldeffekttransistoren. Passive Bauelemente sind Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten. Photodioden hingegen werden im Allgemeinen zu den aktiven Bauelementen gezählt. Die zur Detektion der Photonen verwendete Photodiode ist im Halbleitermaterial ausgebildet.Accordingly an inventive photosensor is characterized with at least one integrated CMOS circuit characterized in that the photodiode from a located in the semiconductor substrate doped region and the remaining bulk material of the semiconductor substrate is formed, wherein the active CMOS devices of the remaining Bulk material of the semiconductor substrate spatially separated by the doped region become. A CMOS circuit always includes active components, e.g. B. field effect transistors. Passive components are resistors, capacitors and inductors. In contrast, photodiodes generally become active devices counted. The photodiode used to detect the photons is in the semiconductor material educated.

Bei der Fertigung derartiger Sensoren wird in der Regel ein Halbleitersubstrat verwendet. Im Rahmen industrieller Fertigung werden derartige Schaltungen gewöhnlich auf so ”Wafern” hergestellt. Das gesamte unprozessierte Substratmaterial eines Wafers, der sich von der Oberseite bis zur Unterseite erstreckt, wird regelmäßig als Bulkmaterial bezeichnet.at The production of such sensors is usually a semiconductor substrate used. As part of industrial manufacturing, such circuits usually made on such "wafers". The entire unprocessed substrate material of a wafer that is extending from the top to the bottom, is regularly called Bulk material called.

Bei dem erfindungsgemäßen Photosensor sind einzelne Regionen im Halbleitersubstrat dotiert. Beispielsweise können diese Regionen von der Oberseite des Halbleitersubstrats ausgehen. Innerhalb dieser dotierten Regionen werden beispielsweise an der Oberfläche des Halbleitersubstrats die Wannen für die CMOS-Bauelemente eingearbeitet.at the photosensor according to the invention are individual regions doped in the semiconductor substrate. For example can these regions emanate from the top of the semiconductor substrate. Within these doped regions, for example, at the surface of the semiconductor substrate incorporated the wells for the CMOS devices.

Die dotierten Regionen trennen die CMOS-Bauelemente vom verbleibenden Bulkmaterial des Halbleitersubstrats. Die Kontaktierungen der Photodiode sind so angebracht, dass ein Photodiodenkontakt zur dotierten Region besteht, die Photodiode selbst ist einerseits durch die dotierte Region und andererseits durch das verbleibende Bulkmaterial ausgebildet. Die zweite Photodiodenkontaktierung steht also in Verbindung mit dem verbleibenden Bulkmaterial, gegebenenfalls über eine weitere dotierte Stelle. Die Photodiode ist demnach so ausgebildet, dass Ladungsträger, welche im Bulkmaterial erzeugt werden, zu dem entsprechenden Photodiodenkontakt wandern, je nachdem, wie die Vorspannung der Photodiode angelegt ist.The Doped regions separate the CMOS devices from the remaining one Bulk material of the semiconductor substrate. The contacts of the photodiode are attached so that a photodiode contact to the doped region exists, the photodiode itself is on the one hand by the doped Region and on the other hand formed by the remaining bulk material. The second photodiode contact is therefore associated with the remaining bulk material, optionally via another doped site. The photodiode is thus designed so that charge carriers, which in the bulk material, to the corresponding photodiode contact wander, depending on how the bias of the photodiode is applied is.

Durch die Kontaktierung der dotierten Region sowie durch die Tatsache, dass die dotierte Region die CMOS-Bauelemente räumlich vom übrigen Bulkmaterial trennt, können auch die entsprechenden Ladungsträger über die dotierte Region zur Kontaktierung hin abfließen, wobei die entsprechenden CMOS-Bauelemente von Ladungsträgern abgeschirmt werden können.By the contacting of the endowed region as well as the fact the doped region spatially separates the CMOS devices from the rest of the bulk material, can also the corresponding charge carriers over the doped region to Drain contact, where the corresponding CMOS devices of carriers can be shielded.

Dadurch, dass die Photodiode durch diese dotierte Region und das verbleibende Bulkmaterial ausgebildet ist, bildet somit gewissermaßen das gesamte Volumen unterhalb der CMOS-Schaltung die Photodiode. Hierdurch wird ermöglicht, dass ein Großteil des Wafers, der sich fast über die volle Waferdicke erstreckt, zur Detektion von Photonen nutzbar sein kann. Hierdurch wird unter anderem eine hohe Lichtquantenausbeute ermöglicht. Insbesondere kann dies nutzbar gemacht werden, wenn aufgrund der Wellenlänge des einfallenden und zu detektierenden Lichtes große Eindringtiefen des Lichtes in das Halbleitermaterial möglich sind.Thereby, that the photodiode through this doped region and the remaining Bulk material is formed, so to speak, forms the entire volume below the CMOS circuit the photodiode. hereby is enabled that much of the wafer, which is almost over the full wafer thickness extends, usable for the detection of photons can be. As a result, among other things, a high light quantum efficiency allows. In particular, this can be harnessed if due to the wavelength of the incident and to be detected light large penetration depths of the light in the semiconductor material are possible.

Vorteilhaft ist an einer derartigen Ausgestaltung der Erfindung, dass eine erhöhte Eindringtiefe des einfallenden Lichtes in das Substratmaterial ausgenutzt werden kann, da die Photodiode insbesondere durch die hochdotierte Region in Verbindung mit dem verbleibenden Bulkmaterial ausgebildet ist.Advantageous is at such an embodiment of the invention that an increased penetration of the incident light can be exploited in the substrate material, in particular because of the highly doped region in Connection is formed with the remaining bulk material.

Ein wesentlicher weiterer Gedanke der Erfindung liegt bei einem erfindungsgemäßen Photosensor zur Detektion von Photonen mit wenigstens einer integrierten CMOS-Schaltung darin, dass die Photodiode aus einem im Halbleitersubstrat befindlichen dotierten Region und wenigstens einem Teil des Bulkmaterials des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, wobei die Region als vergrabene Schicht ausgebildet ist und sich der Teil des Bulkmaterials auf der in Bezug auf die Region den CMOS-Bauelementen gegenüberliegenden Seite befindet, und wobei die aktiven CMOS-Bauelemente von dem Teil des Bulkmaterials durch die Region vor von Photonen im Teil des Bulkmaterials erzeugten Ladungsträgern abgeschirmt werden. Der Unterschied dieses erfindungsgemäßen Photosensors im Gegensatz zu dem in Anspruch 1 genannten erfindungsgemäßen Photosensor liegt darin, dass hier die aktiven CMOS-Bauelemente nicht vollständig in eine dotierte Region eingebettet und somit vollständig räumlich vom übrigen Bulkmaterial abgetrennt sind.One Another essential idea of the invention lies in a photosensor according to the invention for detecting photons with at least one CMOS integrated circuit in that the photodiode is doped from a semiconductor substrate Region and at least a portion of the bulk material of the semiconductor substrate is formed, wherein the region is formed as a buried layer and the part of the bulk material on the relative to the region the CMOS devices opposite Page, and where the active CMOS devices are from the part of the bulk material through the region before photons in the part of the bulk material generated charge carriers be shielded. The difference of this photosensor according to the invention in contrast to the photosensor according to the invention mentioned in claim 1 This is because here the active CMOS devices are not completely in embedded a doped region and thus completely spatially from the rest of the bulk material are separated.

Zwischen den CMOS-Bauelementen und einem Großteil des übrigen Bulkmaterials liegt diese als vergrabene Schicht ausgebildete dotierte Region. Somit kann diese vergrabene, dotierte Region im Wesentlichen auf die gleichen Funktionen wie die im Anspruch 1 genannte dotierte Region wahrnehmen. Insbesondere leistet diese auch zum überwiegenden Teil eine räumliche Trennung der CMOS-Bauelemente vom restlichen Bulkmaterial des Halbleitersubstrats. Ferner kann die vergrabene Schicht so ausgebildet sein, dass diese auch in entsprechender Weise die CMOS-Bauelemente vor von einfallenden Photonen erzeugten Ladungsträgern abschirmt. Auch hier kann fast die volle Waferdicke zur Ausbildung der Photodiode genutzt werden. Somit ergeben sich auch in ähnlicher Weise die gleichen Vorteile wie bei dem erfindungsgemäßen Photosensor nach Anspruch 1.Between CMOS devices and much of the rest of the bulk material this doped region formed as a buried layer. Consequently This buried, spiked region can essentially be the same Functions such as the mentioned in claim 1 doped region perceive. Especially also does this for the most part a spatial Separation of the CMOS devices from the remaining bulk material of the semiconductor substrate. Furthermore, the buried layer may be formed such that it also in a corresponding way before the CMOS components of incident Photons generated charge carriers shields. Again, almost the full wafer thickness for training the photodiode can be used. Thus arise also in similar Way the same advantages as in the photosensor according to the invention according to claim 1.

Die Wahl eines der beiden Photosensoren kann von verschiedenen Faktoren abhängen. Beispielsweise kann sich dies auch danach entscheiden, welches Herstellungsverfahren in Bezug auf die einzelnen Prozessschritte, die der Wafer schließlich durchlaufen soll.The Choice of one of the two photosensors can be different factors depend. For example, this may also decide which manufacturing process in terms of the individual process steps that eventually go through the wafer should.

Es wurde bereits erläutert, dass die entsprechende dotierte Region beispielsweise horizontal, also parallel zur Wafer- Oberfläche verlaufen kann. Insbesondere kann die dotierte Region auch von der Wafer-Oberfläche ausgehen. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die dotierte Region Ausnehmungen auf. Blickt man beispielsweise von oben auf die Wafer-Oberfläche, so kann die dotierte Region an der Oberfläche des Wafers ausgebildet sein, welche jedoch immer wieder von Ausnehmungen unterbrochen ist. Diese Ausnehmungen können aus dem gleichen Material bestehen bzw. die gleiche Dotierung aufweisen wie das verbleibende Bulkmaterial des Halbleitersubstrats, welches sich von der Oberfläche aus gesehen unterhalb der dotierten Region befindet.It has already been explained that the corresponding doped region, for example, horizontally, ie parallel to the wafer surface can. In particular, the doped region can also emanate from the wafer surface. In an advantageous embodiment The invention has the doped region recesses. looks For example, from the top of the wafer surface, so the doped region on the surface be formed of the wafer, which, however, again and again of recesses is interrupted. These recesses can be made of the same material consist or have the same doping as the remaining bulk material of the semiconductor substrate extending from the surface Seen below the doped region.

Innerhalb der Ausnehmungen sind vorzugsweise keine aktiven CMOS-Bauelemente angeordnet. Es ist in der Regel ausreichend, die Ausnehmungen zur Bereitstellungen als Photodiodenkontakte zur Anlegung einer Sperrspannung für die Photodiode auszubilden. Wie bereits oben erwähnt, kann in diesem Fall ein weiterer Photodiodenkontakt im Bereich der dotierten Region angebracht werden. Die Sperrspannung der Photodiode wird entsprechend zwischen diesen beiden Photodiodenkontakten angelegt.Within the recesses are preferably not active CMOS devices arranged. It is usually sufficient to use the recesses Deposits as photodiode contacts for applying a blocking voltage for the Photodiode form. As mentioned above, in this case, a further photodiode contact in the region of the doped region attached become. The blocking voltage of the photodiode is accordingly between applied to these two photodiode contacts.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Belichtungszugang auf der der integrierten CMOS-Schaltung abgewandten Seite ausgebildet ist. Diese Anordnung ermöglicht es, den Bereich des verbleibenden Bulkmaterials außerhalb der dotierten Region, welcher auch ein Teil der Photodiode ist, zur Detektion von Photonen insbesondere voll auszunutzen, wenn dieser direkt angestrahlt wird.A Particularly preferred embodiment of the invention provides that an exposure access on the side facing away from the integrated CMOS circuit Page is formed. This arrangement allows the area of the remaining bulk material outside the doped region, which is also part of the photodiode, In particular, to fully exploit the detection of photons, if this is directly illuminated.

Diese Ausführung der Erfindung kann dadurch verbessert werden, dass das Halbleitersubstrat eine besonders hohe Reinheit besitzt (mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 1 kΩcm oder einer besonders niedrigen Störstellendichte), z. B. aus mittels Zonenziehverfahren hergestelltem Silizium (Engl.: float-zone silicon) gefertigt ist. Ein Silizium-Wafer, welcher im Zonenziehverfahren hergestellt wurde, zeichnet sich aufgrund einer geringen Störstellendichte dadurch aus, dass die durch Photoneneinstrahlung gebildeten Elektron-Loch-Paare in der Regel nicht bereits nach kurzer Zeit rekombinieren, sondern die Ladungsträger länger durch das Silizium-Material hindurch wandern können. In vielen Anwendungen wird kein Silizium-Material, welches im Zonenziehverfahren gefertigt wurde, verwendet. In einem solchen, z. B. durch sog. Czochralski-Verfahren hergestellten Material können Störstellen in Form von Kristallfehlern oder eingebrachten Fremdatomen, wie beispielsweise Sauerstoff, vorliegen. In herkömmlichen Prozessen sind die Störstellen erwünscht, um dort weitere Verunreinigungen zu beseitigen.These execution The invention can be improved in that the semiconductor substrate has a particularly high purity (with a specific resistance in the order of magnitude of 1 kΩcm or a particularly low impurity density), z. B. off Zone-grown silicon (Engl .: float-zone silicon) is made. A silicon wafer, which in zonenziehverfahren was produced, characterized by a low impurity density in that the electron-hole pairs formed by photon irradiation usually do not recombine after a short time, but instead the charge carriers longer through the silicon material can migrate through. In many applications does not become a silicon material, which was manufactured in the zone-pulling process used. In one such, for. B. by so-called. Czochralski process material can be impurities in the form of crystal defects or introduced foreign atoms, such as for example, oxygen. In conventional processes are the impurity he wishes, to eliminate further contamination there.

Bei der gewählten Photosensoranordnung kann auf einen durch Störstellen in Form von Fremdatomen verursachten Getter-Effekt verzichtet werden, da die dotierte Region bereits für eine Abschirmung der CMOS-Bauelemente sorgt. Die dotierte Region kann beispielsweise durch die Ionenimplantation gefertigt werden.at the chosen one Photosensor arrangement may be due to impurities in the form of impurities caused getter effect can be waived since the doped region already for shielding the CMOS devices. The endowed region can be made for example by ion implantation.

Bei der Fertigung des Halbleitersubstrats bzw. bei dessen Dotierung können auch andere Verfahren zur Herstellung von dotierten Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise Diffusion, aber auch Epitaxieverfahren.In the manufacture of the semiconductor substrate or in its doping, other methods for the production of doped regions can be used, for example, diffusion, but also epitaxy.

Das Halbleitersubstrat ohne die hochdotierte Region, insbesondere also das verbleibende Bulkmaterial unterhalb der hochdotierten Region und der Bereich der Ausnehmungen, sind vorzugsweise schwach dotiert, und zwar ungleichnamig zur hochdotierten Region. Im Bereich der Ausnehmungen können aber auch höher dotierte Kontaktbereiche vorhanden sein.The Semiconductor substrate without the highly doped region, in particular so the remaining bulk material below the heavily doped region and the region of the recesses are preferably lightly doped, and unlike the highly-doped region. Around Recesses can but also higher doped contact areas may be present.

Beispielsweise ist bei einer Ausführungsform der Erfindung die dotierte Region als hochdotierte (p+)-Schicht ausgebildet sein, während das Halbleitersubstrat bzw. das verbleibende Bulkmaterial schwach n-dotiert ist (n––). Im Bereich der Ausnehmungen befindet sich um den Photodiodenkontakt herum eine n-dotierte Stelle.For example is in one embodiment of Invention, the doped region formed as a highly doped (p +) - layer be while the semiconductor substrate or the remaining bulk material weak n-doped is (n--). In the area the recesses are located around the photodiode contact one n-doped body.

Die Ausbildung einer hochdotierten Region mit einer (p+)-Dotierung führt dazu, dass das verbleibende (n––)-dotierte Bulkmaterial an Ladungsträgern (hier: Elektronen) entvölkert wird (Engl.: depletion).The Formation of a heavily doped region with a (p +) - doping leads to that the remaining (n -) - doped bulk material on load carriers (here: Depopulated electron) becomes (Engl .: depletion).

Bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Photosensors besitzt die dotierte Region einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von Ωcm. Ferner kann bei einer Ausführungsform der Erfindung das Halbleitersubstrat im Bulkmaterial außerhalb der dotierten Region einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von kΩcm aufweisen.at an embodiment variant of the photosensor according to the invention the doped region has a resistivity in the Magnitude from Ωcm. Furthermore, in one embodiment the invention, the semiconductor substrate in the bulk material outside the doped region has a resistivity of the order of magnitude from kΩcm exhibit.

Es besteht ferner die Möglichkeit, bei einer Weiterbildung der Erfindung einen Aufbau zu erzeugen, mit welchem der so genannte Avalanche-Effekt nutzbar ist. Hierzu wird beispielsweise auf der der integrierten CMOS-Schaltung abgewandten Seite eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht. An diese wird eine vergleichsweise hohe Spannung in Sperrrichtung der Photodiode angelegt. Der Avalanche-Effekt ermöglicht es, dass durch Photoneneinstrahlung erzeugte Ladungsträger beschleunigt werden und auf ihrem Weg durch Stöße weitere Ladungsträgerpaare erzeugen. Damit findet eine Ladungsträger-Vervielfachung statt, wodurch hochempfindliche Sensoren möglich werden.It there is also the possibility in a further development of the invention to produce a structure, with which the so-called avalanche effect can be used. For this is turned away, for example, on the integrated CMOS circuit Side applied an electrically conductive layer. At this will a comparatively high voltage in the reverse direction of the photodiode created. The avalanche effect allows photons to be generated charge carrier be accelerated and on their way through collisions more pairs of charge carriers produce. Thus, a charge carrier multiplication takes place, whereby highly sensitive sensors possible become.

Soll der Photosensor von der Rückseite her belichtet werden, das heißt auf der der CMOS-Schaltung gegenüberliegenden Seite, so ist es vorteilhaft, die elektrisch leitende Schicht Lichtes möglichst transparent auszugestalten. Einerseits kann dies grundsätzlich über die Dicke des Schichtmaterials bewerkstelligt werden. Die Auswahl der entsprechenden Materialien kann aber auch zusätzlich mit Rücksicht auf die entsprechenden Wellenlängen des eingestrahlten Lichts erfolgen. Beispielsweise ist es möglich, wenn die Photodiode im optischen sowie gegebenenfalls auch im Infrarot-Bereich betrieben wird, die elektrisch leitende Schicht aus einem Metall oder beispielsweise aus Indiumzinnoxid (engl. Abk.: ITO) auszubilden. Grundsätzlich kann zur Ausbildung der elektrisch leitenden Schicht ein hochdotiertes Material, wie zum Beispiel ein (n++)-dotiertes Material, verwendet werden. Diese elektrisch leitende Schicht kann entsprechend mit einer Kontaktierung zum Anlegen einer Spannung versehen sein.Should the photosensor from the back be exposed, that is on the opposite side of the CMOS circuit Side, so it is advantageous to light the electrically conductive layer as transparent as possible embody. On the one hand, this can basically be achieved via the thickness of the layer material become. The selection of the appropriate materials can also additionally with consideration to the appropriate wavelengths of the incident light take place. For example, it is possible if the photodiode in the optical and possibly also in the infrared range is operated, the electrically conductive layer of a metal or For example, from indium tin oxide (English abbreviation: ITO) train. in principle For example, to form the electrically conductive layer, a highly doped material, such as a (n ++) doped material. This electrically conductive layer can accordingly with a contact for Apply a voltage provided.

Photonen im optischen Bereich (Wellenlänge: ca. 400 bis 800 nm) besitzen typischerweise in einem Siliziumsubstrat eine Eindringtiefe von etwa 10 μm. Infrarot-Licht (IR-Licht) kann im Allgemeinen tiefer eindringen, beispielsweise etwa 30 μm. Bei herkömmlichen Photodioden mit CMOS-Technologie ist aber die Lichtquantenausbeute im Infrarot-Bereich aufgrund der Rekombination durch Störstellen relativ gering. Wird erfindungsgemäß hochreines Substratmaterial eingesetzt, wird vermieden, dass ein Grossteil der in der Tiefe erzeugten Ladungsträger im Halbleitersubstrat kurze Zeit später wieder rekombinieren und somit nicht detektiert werden können. Gerade im Infrarot-Bereich kann die Lichtquantenausbeute bei dieser Weiterbildung der Erfindung deutlich verbessert werden.photons in the optical range (wavelength: about 400 to 800 nm) typically are in a silicon substrate a penetration of about 10 microns. Infrared light (IR light) can generally penetrate deeper, for example, about 30 microns. In conventional However, photodiodes with CMOS technology is the light quantum efficiency in the infrared range due to recombination by impurities relatively low. Is inventively high purity substrate material Used, it will avoid a lot of the depth generated charge carriers in the semiconductor substrate a short time later recombine and thus can not be detected. Especially in the infrared range, the light quantum efficiency in this Development of the invention can be significantly improved.

Ferner zeichnet sich dementsprechend eine Photosensormatrix dadurch aus, dass diese eine Matrix aus wenigstens zwei Photosensoren nach einem der vorstehenden Ausführungsformen aufweist. Grundsätzlich besteht ferner die Möglichkeit, eine Photosensormatrix so auszubilden, welche wenigstens einen Photosensor nach einem der oben stehenden Ausführungsformen aufweist, wobei die Ausnehmungen als Matrix angeordnet sind.Further Accordingly, a photosensor matrix is characterized by that this is a matrix of at least two photosensors according to one of above embodiments having. in principle there is also the possibility to form a photosensor array, which at least one photosensor according to one of the above embodiments, wherein the recesses are arranged as a matrix.

Aufgrund des steilen Potentialgefälles werden die durch die eingestrahlten Photonen erzeugten Ladungsträger durch das elektrische Feld angetrieben, während eine Bewegung infolge von Diffusion kaum bzw. nicht zustande kommt. Hierdurch wird ermöglicht, dass ein entsprechender Photosensor gemäß der Erfindung sehr schnell arbeiten kann.by virtue of the steep potential gradient become the charge carriers generated by the incident photons through The electric field is driven while moving due to Diffusion barely occurs. This will enable that a corresponding photosensor according to the invention very quickly can work.

Ausführungsbeispiel:Embodiment:

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend unter Angabe weiterer Einzelheiten und Vorteile näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the drawings and will be described below with further details and advantages.

Im Einzelnen zeigen:in the Show individual:

1 eine schematische Darstellung eines Photosensors gemäß der Erfindung, 1 a schematic representation of a photosensor according to the invention,

2 eine schematische Darstellung eines Photosensors unter Nutzung des Avalanche-Effekts gemäß der Erfindung, 2 a schematic representation of a Photosensors using the avalanche effect according to the invention,

3 eine schematische Darstellung eines Photosensors gemäß der Erfindung mit einer dotierten Region als vergrabene Schicht, 3 a schematic representation of a photosensor according to the invention with a doped region as a buried layer,

4 eine Photosensormatrix gemäß der Erfindung sowie 4 a photosensor matrix according to the invention as well

5 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Photosensors nach dem Stand der Technik. 5 a schematic representation of a conventional photosensor according to the prior art.

1 zeigt einen Photosensor 1, welcher ein Halbleitersubstrat 2 umfasst. Auf einer Seite des Substrats 2 sind durch Ionenimplantation hochdotierte (p+)-Regionen erzeugt worden. Diese dotierten Regionen 3 erstrecken sich jedoch nicht über die gesamte Oberfläche des Substrats 2, sondern werden von Ausnehmungen 4 unterbrochen. In den (p+)-dotierten Regionen wurden dotierte Wannen 5A, 5B erzeugt, in welchen die entsprechenden CMOS-Schaltungen 5 ausgebildet sind. Die CMOS-Schaltungen 5 werden durch die entsprechenden Regionen 3 vom verbleibenden Bulkmaterial des Halbleitersubstrats räumlich getrennt. Das verbleibende Bulkmaterial 6 erstreckt sich in die Ausnehmungen 4. Die dotierten Regionen 3 weisen üblicherweise eine Tiefe von wenigen μm, gemessen von der Oberfläche des Substrats an auf. Das Substrat 2 besitzt üblicherweise eine Dicke von ungefähr 50 μm. Das verbleibende Bulkmaterial 4, 6 besitzt eine schwache (n––)-Dotierung. Es wird praktisch vollständig durch die hochdotierte (p+)-Region an Ladungsträgern (Elektronen) entvölkert. Hierdurch entsteht ein relativ steiles Potentialgefälle in Richtung der Seite, auf der sich die CMOS-Schaltungen 5 befinden. Photodioden werden durch die Regionen 3 und das Bulkmaterial gebildet. 1 shows a photosensor 1 which is a semiconductor substrate 2 includes. On one side of the substrate 2 For example, highly doped (p +) regions have been generated by ion implantation. These doped regions 3 however, do not extend over the entire surface of the substrate 2 but are made of recesses 4 interrupted. In the (p +) - doped regions were doped wells 5A . 5B in which the corresponding CMOS circuits 5 are formed. The CMOS circuits 5 be through the appropriate regions 3 spatially separated from the remaining bulk material of the semiconductor substrate. The remaining bulk material 6 extends into the recesses 4 , The doped regions 3 usually have a depth of a few microns, measured from the surface of the substrate on. The substrate 2 usually has a thickness of about 50 microns. The remaining bulk material 4 . 6 has a weak (n -) - doping. It is virtually completely depopulated by the highly doped (p +) region of charge carriers (electrons). This creates a relatively steep potential gradient in the direction of the side on which the CMOS circuits 5 are located. Photodiodes are through the regions 3 and the bulk material is formed.

Ein Kontakt der jeweiligen Photodiode stellt die p-dotierten Regionen 3 dar und ist z. B. auf Massepotential gelegt. Ein zweiter Kontakt 8 der Photodiode ist im Bereich der Ausnehmung 4 vorhanden. Die Photodiode wird in Sperrrichtung betrieben. In diesem Fall ist der Kontakt 8 auf +5 V gelegt. Im Bereich der Ausnehmung ist das Halbleitermaterial n-dotiert (Bereich 9).A contact of the respective photodiode represents the p-doped regions 3 is and z. B. placed at ground potential. A second contact 8th the photodiode is in the region of the recess 4 available. The photodiode is operated in the reverse direction. In this case, the contact 8th set to +5 volts. In the region of the recess, the semiconductor material is n-doped (area 9 ).

Über der Oberfläche des Substrats 2, auf der sich die CMOS-Schaltungen 5 befinden, sind isolierende Siliziumoxidschichten (SiO2) 10, 11 aufgebracht. Diese dienen dazu, Verdrahtungsebenen 12 für die CMOS-Schaltungen voneinander zu isolieren. Die Verdrahtungsebenen 12 werden regelmäßig durch Aluminiumverbindungen 13 realisiert. Über Lochkanäle 14 sind CMOS-Bauelemente der CMOS-Schaltung kontaktiert. Der Beleuchtungszugang für die Photodiode liegt auf der den CMOS-Schaltungen 5 gegenüberliegenden Seite des Substrats 2.Over the surface of the substrate 2 on which are the CMOS circuits 5 are insulating silicon oxide layers (SiO 2 ) 10 . 11 applied. These serve to wiring levels 12 to isolate each other for the CMOS circuits. The wiring levels 12 are regularly made by aluminum compounds 13 realized. About hole channels 14 CMOS devices of the CMOS circuit are contacted. The illumination access for the photodiode is on the CMOS circuits 5 opposite side of the substrate 2 ,

Innerhalb des Substrates 2 erzeugen einfallende Photonen 15 Elektron-Loch-Paare 16, 17. Aufgrund der angelegten Sperrspannung wandern die Elektronen 16 in Richtung der Ausnehmung 4 bzw. zum Photodiodenkontakt 8 hin, welcher z. B. auf +5 V liegt, während die Löcher 17 in Richtung der dotierten Region 3 wandern, welche z. B. auf Massepotential 7 liegt. Da ferner das Substrat 2 vorzugsweise aus Siliziummaterial besteht, welches im Zonenziehverfahren gefertigt wurde, können die Ladungsträger ohne eine hohe Rekombinationsrate in diesem Material weit propagieren.Within the substrate 2 generate incident photons 15 Electron-hole pairs 16 . 17 , Due to the applied blocking voltage, the electrons migrate 16 in the direction of the recess 4 or to the photodiode contact 8th out, which z. B. is at +5 V while the holes 17 towards the endowed region 3 wander, which z. B. at ground potential 7 lies. Further, because the substrate 2 preferably made of silicon material, which was manufactured in the zone-pulling process, the charge carriers can propagate widely without a high recombination rate in this material.

2 zeigt eine ähnliche schematische Darstellung eines Photosensors 101, welcher sich jedoch den Avalanche-Effekt zunutze macht. Dieser umfasst ein Halbleitersubstrat 102, welches ebenfalls aus Siliziummaterial besteht, z. B. unter Zuhilfenahme des Zonenziehverfahrens hergestellt wurde. Auf einer Seite des Silizium-Wafers wurden (p+)-dotierte Regionen ausgebildet. In diese sind CMOS-Schaltungen 105 integriert. Dazwischen befinden sich Ausnehmungen 104, welche Bestandteile des übrigen Bulkmaterials 106 sind. Auch die Photodiodenkontakte 107, 108 sind analog zu 1 ausgebildet, wobei an ihnen z. B. eine entsprechende Sperrspannung anliegt: Kontakt 107 ist auf Massepotential gelegt, während Kontakt 108 z. B. auf +5 V liegt. Im Bereich der Ausnehmung befindet sich ein n-dotierter Bereich 109. Insgesamt ist das Bulkmaterial 106 zusammen mit dem überwiegenden Teil der Ausnehmung 104 schwach (n––)-dotiert. Auf der Seite der CMOS-Schaltungen 105 sind auf dem Wafer nichtleitende SiO2-Schichten 110, 111 aufgetragen, die zur Isolierung von Verschaltungen 112 der CMOS-Schaltungen 105 dienen, bestehend aus Kontaktlöchern 113 und Aluminiumverbindungen bzw. Pads 114. Auf der den CMOS-Schaltungen 105 gegenüberliegenden Seite des Wafers fallen die Photonen 115 ein. Auf dieser Seite befindet sich folglich der Belichtungszugang. Die einfallenden Photonen 115 wieder erzeugen die entsprechenden Elektronen-Loch-Paare 116, 117. 2 shows a similar schematic representation of a photosensor 101 which, however, makes use of the avalanche effect. This comprises a semiconductor substrate 102 , which also consists of silicon material, for. B. using the Zonenziehverfahrens was produced. On one side of the silicon wafer, (p +) doped regions were formed. In these are CMOS circuits 105 integrated. In between are recesses 104 , which are components of the rest of the bulk material 106 are. Also the photodiode contacts 107 . 108 are analogous to 1 trained, with z. B. a corresponding reverse voltage is applied: contact 107 is placed at ground potential while contact 108 z. B. is at +5 V. In the region of the recess there is an n-doped region 109 , Overall, this is bulk material 106 together with the majority of the recess 104 weak (n -) - doped. On the side of the CMOS circuits 105 are non-conductive SiO 2 layers on the wafer 110 . 111 applied to the isolation of interconnections 112 the CMOS circuits 105 serve, consisting of contact holes 113 and aluminum compounds or pads 114 , On the CMOS circuits 105 opposite side of the wafer, the photons fall 115 one. On this page is therefore the exposure access. The incident photons 115 again generate the corresponding electron-hole pairs 116 . 117 ,

Im Unterschied zum Photosensor 1 aus 1 ist hier jedoch auf der Seite des Belichtungszugangs eine dünne Indiumzinnoxidschicht (ITO) 118 aufgetragen. Diese wird durch das Substrat hindurch kontaktiert und auf eine vergleichsweise hohe Spannung, beispielsweise –200 V gelegt. Die Kontaktierung 119 ist im Bereich des Substrats von Siliziumoxid 120 umgeben. Das Siliziumoxid dient dabei als Isolation.Unlike the photosensor 1 out 1 here is however on the side of the exposure access a thin Indiumzinnoxidschicht (ITO) 118 applied. This is contacted by the substrate and placed on a comparatively high voltage, for example -200 V. The contact 119 is in the region of the substrate of silicon oxide 120 surround. The silicon oxide serves as insulation.

Die ITO-Schicht 118 ist für die einfallenden Photonen weitgehend transparent. Die einfallenden Photonen 115 erzeugen Elektron-Loch-Paare, wobei die Elektronen 116 in Richtung des auf +5 V liegenden Kontaktes 108 wandern, während die Löcher 117 in Richtung der auf –200 V liegenden ITO-Schicht wandert. Durch die hohe Spannung wird das entsprechende Potentialgefälle enorm verstärkt. Dadurch stark beschleunigte Elektronen 116 erzeugen durch Stöße weitere Elektron-Loch-Paare. Dieser lawinenartige Erzeugung neuer Ladungsträgerpaare wird als Avalanche-Effekt bezeichnet.The ITO layer 118 is largely transparent to the incident photons. The incident photons 115 generate electron-hole pairs, where the electrons 116 in the direction of the +5 V contact 108 wander while the holes 117 in the direction of the lying on -200 V ITO layer. The high voltage enormously increases the corresponding potential gradient. This greatly accelerated electrons 116 generate additional electron-hole pairs through collisions. This avalanche-like generation of new charge carrier pairs is called the avalanche effect.

3 zeigt einen Photosensor 201, welcher analog zu dem in 1 dargestellten Photosensor 1 aufgebaut ist. Auch wurden in 3 die entsprechenden Bezugszeichen analog gewählt, wobei jedoch alle Bezugszeichen mit der Zahl 200 beginnen. Im Aufbau zeigt sich jedoch lediglich ein Unterschied hinsichtlich der (p+)-dotierten Region. Diese dotierte Region 203 ist als vergrabene Schicht ausgebildet. 3 shows a photosensor 201 which is analogous to that in 1 illustrated photosensor 1 is constructed. Also were in 3 the corresponding reference numerals selected analogously, but all the reference numerals with the number 200 kick off. However, the structure shows only a difference with respect to the (p + ) -doped region. This endowed region 203 is designed as a buried layer.

4 zeigt eine Photosensormatrix 300, welche exemplarisch eine Anordnung von 4 Photosensoren 301 gemäß der Erfindung zeigt, die auf einem Silizium-Wafer 302 gefertigt wurden. 4 shows a photosensor matrix 300 , which exemplifies an arrangement of 4 photosensors 301 according to the invention, which on a silicon wafer 302 were made.

Zum Vergleich zeigt 5 einen Photosensor 401 nach dem Stand der Technik, welcher also bereits handelsüblich ist. Dieser besitzt im Aufbau zunächst ebenfalls ein Siliziumsubstrat 402. Ein derartiges Substrat wird üblicherweise mittels des Czochralski-Verfahrens gefertigt. Das Substrat 402 weist eine hochdotierte (n+)-Schicht auf. In dieser hochdotierten Region 403 sind einerseits die entsprechenden CMOS-Schaltungen 405 eingearbeitet.For comparison shows 5 a photosensor 401 according to the prior art, which is therefore already commercially available. This has in structure initially also a silicon substrate 402 , Such a substrate is usually made by the Czochralski method. The substrate 402 has a highly doped (n +) layer. In this highly-endowed region 403 On the one hand are the corresponding CMOS circuits 405 incorporated.

Gleichzeitig kann diese hochdotierte (n+)-Schicht 403 jedoch auch passive Bauelemente aufweisen. Ferner befindet sich darin eine p-dotierte Schicht 409. Die hochdotierte (n+)-Schicht 403 ist über einen entsprechenden Kontakt 407 mit der Massepotential verbunden, während die p-Dotierung 409 innerhalb der (n+)-dotierten Schicht 403 über einen Kontakt 408 auf +5 V liegt. Auf der Seite, auf welcher sich die CMOS-Schaltungen 405 befinden, sind isolierende Schichten aus Siliziumdioxid (SiO2) 410, 411 und 411A aufgetragen. Diese Schichten umfassen Verschaltungen 412 für die CMOS-Schaltungen mit leitenden Kanälen 413 sowie Aluminiumverbindungen 414 bzw. entsprechenden Aluminium-Pads. Die Beleuchtung des Photosensors erfolgt über die Seite, auf welcher sich die entsprechenden CMOS-Schaltungen 405 befinden. Unterhalb der hochdotierten (n+)-Schicht befindet sich das restliche Bulkmaterial 406, welches in diesem Fall (p–)-dotiert, also schwach p-dotiert, ist. Die Photonen 415 können die Siliziumoxid-Schichten durchdringen und erzeugen in der hochdotierten (n+)-Schicht 403 bzw. im verbleibenden (p–)- dotierten Bulkmaterial 406 Elektron-Loch-Paare 416, 417 erzeugen. Einige der Elektronen 416 wandern entsprechend zur hochdotierten Schicht 403, welche auf Masse liegt, während die entsprechenden Löcher 417 in Richtung des +5 V-Kontaktes 408 wandert. Einige der Elektron-Loch-Paare 416, 417, welche zu tief im Bulkmaterial 406 erzeugt wurden, rekombinieren, weil der Weg, den sie bis zur hochdotierten Schicht 403 zurücklegen müssten, zu weit ist. Aufgrund entsprechender Störstellen im Substratmaterial 402 rekombinieren diese Elektron-Loch-Paare 416, 417 vergleichsweise leicht. Die Rekombination ist in dem Bereich 421 angedeutet. Nachteilig ist an diesem Stand der Technik, dass ein Großteil des Wafer-Materials zur Detektion der Photonen 415 nicht genutzt werden kann.At the same time this highly doped (n +) - layer 403 but also have passive components. It also contains a p-doped layer 409 , The highly doped (n +) layer 403 is via an appropriate contact 407 connected to the ground potential while the p-doping 409 within the (n +) doped layer 403 via a contact 408 is at +5 volts. On the side on which the CMOS circuits 405 are insulating layers of silicon dioxide (SiO 2 ) 410 . 411 and 411A applied. These layers include interconnections 412 for the CMOS circuits with conductive channels 413 as well as aluminum compounds 414 or corresponding aluminum pads. The illumination of the photosensor takes place via the side on which the corresponding CMOS circuits 405 are located. Below the heavily doped (n +) layer is the remaining bulk material 406 , which in this case (p -) - doped, that is weakly p-doped, is. The photons 415 can penetrate the silicon oxide layers and generate in the highly doped (n +) layer 403 or in the remaining (p -) - doped bulk material 406 Electron-hole pairs 416 . 417 produce. Some of the electrons 416 Walk accordingly to the highly doped layer 403 , which lies on earth, while the corresponding holes 417 in the direction of the +5 V contact 408 emigrated. Some of the electron-hole pairs 416 . 417 that are too deep in the bulk material 406 were recombined, because the way they reach the highly doped layer 403 would have to go back, is too far. Due to corresponding impurities in the substrate material 402 recombine these electron-hole pairs 416 . 417 comparatively easy. The recombination is in the range 421 indicated. A disadvantage of this prior art that a large part of the wafer material for the detection of photons 415 can not be used.

Die Photodiode wird zwischen dem Bereich 409 und der (n+)-dotierten Schicht 403 ausgebildet, die sich nicht über das komplette Bulkmaterial erstreckt.The photodiode is between the area 409 and the (n +) doped layer 403 trained, which does not extend over the complete bulk material.

Ferner ist es notwendig, solche Bereiche, in denen sich die CMOS-Schaltung 405 befinden, für eine Belichtung unzugänglich zu machen. Sind auf der Seite des Belichtungszugangs die Bereiche, in denen sich die CMOS-Schaltungen 405 befinden, durch entsprechende Lichtabschirmungen aus Aluminium 402 abgedeckt. Eintreffende Photonen 415 können durch diese Abschirmungen 422 nicht durchdringen und somit auch nicht die CMOS-Bauelemente 405 schädigen.Furthermore, it is necessary to have such areas in which the CMOS circuit 405 are inaccessible for exposure. Are on the side of the exposure access the areas where the CMOS circuits 405 located by appropriate light shields made of aluminum 402 covered. Incoming photons 415 can through these shields 422 not penetrate and therefore not the CMOS devices 405 damage.

11
Photosensorphotosensor
22
Substratsubstratum
33
(p+)-dotierte Region(P +) - doped region
44
Ausnehmungrecess
55
CMOS-SchaltungenCMOS circuits
5A5A
Wannetub
5B5B
Wannetub
66
(n––)-dotiertes Bulkmaterial(N -) - doped bulk material
77
KontaktContact
88th
KontaktContact
99
n-Dotierungn-doping
1010
SiO2-SchichtSiO 2 layer
1111
SiO2-SchichtSiO 2 layer
1212
Verdrahtungenwirings
1313
leitende Kanälesenior channels
1414
Aluminium-Pads/VerbindungenAluminum pads / compounds
1515
einfallende Photonenincident photons
1616
Elektronenelectrons
1717
Löcherholes
1818
Belichtungszugangexposure access
101101
Photosensorphotosensor
102102
Substratsubstratum
103103
(p+)-dotierte Region(P +) - doped region
104104
Ausnehmungrecess
105105
CMOS-SchaltungenCMOS circuits
106106
(n––)-dotiertes Bulkmaterial(N -) - doped bulk material
107107
KontaktContact
108108
KontaktContact
109109
n-Dotierungn-doping
110110
SiO2-SchichtSiO 2 layer
111111
SiO2-SchichtSiO 2 layer
112112
Verdrahtungenwirings
113113
leitende Kanälesenior channels
114114
Aluminium-Pads/VerbindungenAluminum pads / compounds
115115
einfallende Photonenincident photons
116116
Elektronenelectrons
117117
Löcherholes
118118
Belichtungszugangexposure access
119119
ITO-SchichtITO layer
120120
Kontaktlochcontact hole
121121
SiO2-UmmantelungSiO 2 sheath
201201
Photosensorphotosensor
202202
Substratsubstratum
203203
(p+)-dotierte Region(P +) - doped region
204204
Ausnehmungrecess
205205
CMOS-SchaltungenCMOS circuits
206206
(n––)-dotiertes Bulkmaterial(N -) - doped bulk material
207207
KontaktContact
208208
KontaktContact
209209
n-Dotierungn-doping
210210
SiO2-SchichtSiO 2 layer
211211
SiO2-SchichtSiO 2 layer
212212
Verdrahtungenwirings
213213
leitende Kanälesenior channels
214214
Aluminium-Pads/VerbindungenAluminum pads / compounds
215215
einfallende Photonenincident photons
216216
Elektronenelectrons
217217
Löcherholes
218218
Belichtungszugangexposure access
300300
PhotosensormatrixPhotosensor array
301301
Photosensorphotosensor
302302
Waferwafer
401401
Photosensor aus dem Stand der Technikphotosensor from the prior art
402402
Substratsubstratum
403403
(n+)-dotierte Schicht(N +) - doped layer
404404
nicht belegtNot busy
405405
CMOS-SchaltungenCMOS circuits
406406
(p–)-dotiertes Bulkmaterial(P -) - doped bulk material
407407
KontaktContact
408408
KontaktContact
409409
p-Dotierungp-doping
410410
SiO2-SchichtSiO 2 layer
411411
SiO2-SchichtSiO 2 layer
411A411A
SiO2-SchichtSiO 2 layer
412412
Verdrahtungenwirings
413413
leitende Kanälesenior channels
414414
Aluminium-Pads/VerbindungenAluminum pads / compounds
415415
einfallende Photonenincident photons
416416
Elektronenelectrons
417417
Löcherholes
421421
Rekombinationrecombination
422422
Aluminium-LichtabschirmungAluminum light shield

Claims (15)

Photosensor (1, 101) mit wenigstens einer integrierten CMOS-Schaltung (5, 105), die in einem Halbleitersubstrat (2, 102, 202) integriert ist, mit aktiven CMOS-Bauelementen sowie einer im Halbleitermaterial ausgebildeten Photodiode, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode aus einer sich im Halbleitersubstrat befindenden dotierten Region (3, 103) und dem verbleibenden Bulkmaterial (6, 106) des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, wobei die aktiven CMOS-Bauelemente von dem verbleibenden Bulkmaterial des Halbleitersubstrats durch die dotierte Region räumlich getrennt werden.Photosensor ( 1 . 101 ) with at least one integrated CMOS circuit ( 5 . 105 ) in a semiconductor substrate ( 2 . 102 . 202 ), with active CMOS components and a photodiode formed in the semiconductor material, characterized in that the photodiode consists of a doped region located in the semiconductor substrate ( 3 . 103 ) and the remaining bulk material ( 6 . 106 ) of the semiconductor substrate, wherein the active CMOS devices are spatially separated from the remaining bulk material of the semiconductor substrate by the doped region. Photosensor (201) zur Detektion von Photonen (215) mit wenigstens einer integrierten CMOS-Schaltung (205), die in einem Halbleitersubstrat (202) integriert ist, mit aktiven CMOS-Bauelementen sowie einer im Halbleitermaterial ausgebildeten Photodiode, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode aus einer im Halbleitersubstrat befindlichen dotierten Region (203) und wenigstens einem Teil des Bulkmaterials des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, wobei die Region als vergrabene Schicht (203) ausgebildet ist und sich der Teil (206) des Bulkmaterials auf der in Bezug auf die Region den CMOS-Bauelementen gegenüberliegenden Seite befindet, und wobei die aktiven CMOS-Bauelemente von dem Teil des Bulkmaterials durch die Region vor von Photonen im Teil des Bulkmaterials erzeugten Ladungsträgern (217) abschirmbar sind.Photosensor ( 201 ) for the detection of photons ( 215 ) with at least one integrated CMOS circuit ( 205 ) in a semiconductor substrate ( 202 ) is integrated with active CMOS components and a semiconductor diode formed in the photodiode, characterized in that the photodiode from a doped region in the semiconductor substrate ( 203 ) and at least part of the bulk material of the semiconductor substrate, the region being in the form of a buried layer ( 203 ) and the part ( 206 ) of the bulk material on the opposite side of the CMOS devices with respect to the region, and wherein the active CMOS devices from the portion of the bulk material through the region are exposed to charge carriers generated by photons in the portion of the bulk material ( 217 ) are shielded. Photosensor (1, 101, 201) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Region Ausnehmungen (4, 104, 204) aufweist.Photosensor ( 1 . 101 . 201 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the region recesses ( 4 . 104 . 204 ) having. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (4, 104, 204) bezüglich der Region (3, 103, 203) ungleichnamig dotiert sind.Photosensor ( 1 . 101 . 201 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the recesses ( 4 . 104 . 204 ) concerning the region ( 3 . 103 . 203 ) are doped unlikely. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Belichtungszugang (18, 118, 218) auf der der integrierten CMOS-Schaltung abgewandten Seite vorgesehen ist.Photosensor ( 1 . 101 . 201 ) according to one of the preceding claims, characterized in that an exposure access ( 18 . 118 . 218 ) is provided on the side facing away from the integrated CMOS circuit. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (2, 102, 202) aus mittels Zonenziehverfahren hergestelltem Silizium (Engl.: float-zone silicon) hergestellt ist.Photosensor ( 1 . 101 . 201 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor substrate ( 2 . 102 . 202 ) is manufactured from zone-produced silicon (English: float-zone silicon). Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Region (3, 103, 203) als hoch dotierte (p+)-Schicht ausgebildet ist.Photosensor ( 1 . 101 . 201 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the region ( 3 . 103 . 203 ) is formed as a highly doped (p +) - layer. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Region (3, 103, 203) durch Ionenimplantation dotiert ist.Photosensor ( 1 . 101 . 201 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the region ( 3 . 103 . 203 ) is doped by ion implantation. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bulkmaterial (6, 106, 206) des Halbleitersubstrats mit Ausnahme der Region schwach n-dotiert (n––) ist.Photosensor ( 1 . 101 . 201 ) after one of the above mentioned claims, characterized in that the bulk material ( 6 . 106 . 206 ) of the semiconductor substrate is weakly n-doped (n--) except for the region. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen einen n-dotierten Bereich aufweisen.Photosensor ( 1 . 101 . 201 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the recesses have an n-doped region. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Region (3, 103, 203) einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von Ωcm aufweist.Photosensor ( 1 . 101 . 201 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the region ( 3 . 103 . 203 ) has a resistivity of the order of Ωcm. Photosensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat im Bulkmaterial (6, 106, 206) außerhalb der Region (3, 103, 203) einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von kΩcm aufweist.Photosensor according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor substrate in the bulk material ( 6 . 106 . 206 ) outside the region ( 3 . 103 . 203 ) has a resistivity of the order of kΩcm. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der integrierten CMOS-Schaltung abgewandten Seite eine elektrisch leitende Schicht (119) vorgesehen ist.Photosensor ( 1 . 101 . 201 ) according to one of the preceding claims, characterized in that on the side facing away from the integrated CMOS circuit, an electrically conductive layer ( 119 ) is provided. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht (119) hinsichtlich des zu detektierenden Lichtes wenigstens zu 50% transparent ist.Photosensor ( 1 . 101 . 201 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrically conductive layer ( 119 ) is at least 50% transparent with respect to the light to be detected. Photosensormatrix (300), dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens einen Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche aufweist, wobei die Ausnehmungen (4, 104, 204) als Matrix angeordnet sind oder diese eine Matrix aus wenigstens zwei Photosensoren (1, 101, 201; 301) nach einem der vorgenannten Ansprüche aufweist.Photosensor matrix ( 300 ), characterized in that it comprises at least one photosensor ( 1 . 101 . 201 ) according to one of the preceding claims, wherein the recesses ( 4 . 104 . 204 ) are arranged as a matrix or these are a matrix of at least two photosensors ( 1 . 101 . 201 ; 301 ) according to one of the preceding claims.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3120382A4 (en) * 2014-03-17 2017-10-25 Kla-Tencor Corporation An image sensor, an inspection system and a method of inspecting an article

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3722367B2 (en) * 2002-03-19 2005-11-30 ソニー株式会社 Manufacturing method of solid-state imaging device
JP4507769B2 (en) * 2004-08-31 2010-07-21 ソニー株式会社 Solid-state image sensor, camera module, and electronic device module
US7498650B2 (en) * 2007-03-08 2009-03-03 Teledyne Licensing, Llc Backside illuminated CMOS image sensor with pinned photodiode
JP2008227253A (en) * 2007-03-14 2008-09-25 Fujifilm Corp Back irradiation type solid-state image pickup element

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3120382A4 (en) * 2014-03-17 2017-10-25 Kla-Tencor Corporation An image sensor, an inspection system and a method of inspecting an article

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