DE10306295A1 - Photosensor-Anordnung und Verfahren zum Herstellen einer Photosensor-Anordnung - Google Patents

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Abstract

Photosensor-Anordnung und Verfahren zum Herstellen einer Photosensor-Anordnung. Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Photosensor-Anordnung wird mindestens eine Photodiode in ein Hilfssubstrat eingebracht. An einer ersten Hauptseite des Hilfssubstrats werden elektrische Anschlüsse zum Kontaktieren der mindestens einen Photodiode ausgebildet und ein Trägersubstrat wird auf der ersten Hauptseite des Hilfssubstrats aufgebracht. Ferner ist die Photodiode derart eingerichtet, dass sie von einer zweiten Hauptseite des Hilfssubstrats, welche der ersten Hauptseite entgegengesetzt ist, belichtbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Photosensor-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Photosensor-Anordnung.
  • Herkömmliche CMOS-Kameras weisen eine Mehrzahl von Sensorelementen (Photodioden) auf mittels welchen sie ein Bild eines Gegenstandes aufnehmen können. Prinzipiell liefern Photodioden nur Helligkeitsinformationen und keine Farbinformationen. Um Farbaufnahmen einer CMOS-Kamera zu ermöglichen werden im Allgemeinen vor die einzelnen Photodioden Farbfilter angeordnet. Die Farbfilter bewirken, dass nur Licht einer bestimmten Wellenlänge, genauer gesagt eines begrenzten Wellenlängenbereichs, die Photodiode erreichen kann. Um bei einer Aufnahme mittels einer CMOS-Kamera alle Farben erhalten zu können, werden im Allgemeinen je Bildpixel drei Photodioden mit dazu gehörigen unterschiedlichen Farbfiltern verwendet. Diese sind im Allgemeinen Rot-, Grün- und Blau-Farbfilter, welche jeweils vor eine zugehörige Photodiode angeordnet werden. Mittels einer Kopplung von jeweils drei Photodioden, welche mit unterschiedlichen Farbfiltern versehen sind, lassen sich alle Farben kombinieren. Ein einzelner Bildpunkt einer Farb-CMOS-Kamera setzt sich folglich aus drei dicht beieinander liegenden Photodioden samt zugehöriger Farbfilter zusammen.
  • Bei solch einer CMOS-Kamera sind somit drei Sensorelemente plus zugehörige Farbfilter je Bildpunkt nötig. Hierdurch treten ein relativ großer Flächenbedarf und hohe Kosten bei der Herstellung der CMOS-Kamera auf. Ein Verfahren, eine CCD-Vorrichtung herzustellen, ist aus [1] bekannt.
  • In [2] ist eine Anordnung offenbart, welche ohne Farbfilter auskommt. Hierzu wird ausgenutzt, dass Licht je nach seiner Wellenlänge in Silizium unterschiedlich absorbiert wird. Je kürzer die Wellenlänge des einfallenden Lichts ist, desto größer ist die Absorption und damit desto geringer die Eindringtiefe des Lichts in das Silizium.
  • Eine Anordnung gemäß [2] ist in 11 dargestellt. 11 zeigt eine Anordnung mit drei übereinander liegenden Photodioden. Ein erster np-Übergang 1104 zwischen einer n-dotierten Schicht 1100 und einer p-dotierten Schicht 1101 bildet eine Photodiode, mittels welcher hauptsächlich die Photonen mit einer Wellenlänge, welche blauem Licht entspricht, detektiert werden. Ein zweiter pn-Übergang 1105 zwischen der p-dotierten Schicht 1101 und einer n-dotierten Schicht 1102 bildet eine zweite Photodiode, mittels welcher hauptsächlich die Photonen mit einer Wellenlänge, welche grünem Licht entspricht, detektiert werden. Ein dritter np-Übergang 1106 zwischen der n-dotierten Schicht 1102 und einem p-Substrat 1103 bildet eine dritte Photodiode, mittels welcher hauptsächlich die Photonen mit einer Wellenlänge, welche rotem Licht entspricht, detektiert werden. Jeder pn-Übergang wird einzeln kontaktiert und kann mittels eines Auswahl-Transistors ausgelesen werden.
  • In 12 ist zusätzlich ein schematisches Layout einer Anordnung gemäß [2] dargestellt. Auf der linken Seite sind in einer Draufsicht die verschiedenen Schichten 1100, 1101 und 1102 der Photodioden dargestellt. Ferner sind schematisch die benötigten Kontakte der Anordnung dargestellt. Dies sind vor allem Auswahl-Transistoren 1207 und Reset-Transistoren 1208, welche die einzelnen Photodioden ansteuern und welche ein Auslesen von Informationen der jeweiligen Photodiode ermöglichen.
  • Wie in 12 dargestellt ist, wird, obwohl der Flächenbedarf wegen des übereinander Anordnens der Photodioden verringert ist, weiterhin nur ein Füllstand von etwa 40% erreicht, d.h. die Fläche der Schicht 1100 beträgt etwa 40% der Fläche der Schicht 1102. Auch die notwendigen Kontakte und elektrischen Anschlüsse der Anordnung weisen einen großen Flächenbedarf auf. Um eine ausreichende Sensitivität auch für das kurzwellige Licht zu erhalten, muss folglich die sensitive Fläche der Anordnung erhöht werden. Hierdurch werden die Bildpixelanzahl einer CMOS-Kamera, welche auf einer gegebenen Fläche angeordnet werden kann, verringert und die Kosten einer CMOS-Kamera mit hoher Bildauflösung erhöht.
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, den Flächenbedarf einer Photosensor-Anordnung zu reduzieren.
  • Das Problem wird durch die Photosensor-Anordnung und das Verfahren zum Herstellen der Photosensor-Anordnung mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
  • Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Photosensor-Anordnung wird mindestens eine Photodiode in ein Hilfssubstrat eingebracht. An einer ersten Hauptseite des Hilfssubstrats werden elektrische Anschlüsse zum Kontaktieren der mindestens einen Photodiode ausgebildet und ein Trägersubstrat wird auf der ersten Hauptseite des Hilfssubstrats aufgebracht. Ferner ist die Photodiode derart eingerichtet, dass sie von einer zweiten Hauptseite des Hilfssubstrats, welche der ersten Hauptseite entgegengesetzt ist, belichtbar ist.
  • Eine Photosensor-Anordnung weist ein Hilfssubstrat auf, bei dem mindestens eine Photodiode eingebracht ist, wobei elektrische Anschlüsse der Photodiode an einer ersten Hauptseite der Photodiode ausgebildet sind. Ferner weist die Photosensor-Anordnung ein Trägersubstrat auf, welches auf die erste Hauptseite des Hilfssubstrat aufgebracht ist. Die Photosensor-Anordnung ist derart eingerichtet, dass eine Beleuchtung der mindestens einen Photodiode von einer zweiten Hauptseite des Hilfssubstrats, welche der ersten Hauptseite entgegengesetzt ist, belichtbar ist.
  • Anschaulich kann die Erfindung darin gesehen werden, dass mittels des Aufbringens des Trägersubstrats auf das Hilfssubstrat eine Photosensor-Anordnung geschaffen wird, welche einen reduzierten Flächenbedarf aufweist, da die elektrischen Anschlüsse der Photosensor-Anordnung auf der ersten Hauptseite ausgebildet sind, welche der zweiten Hauptseite, welche einem Lichteinfall ausgesetzt ist (Beleuchtungsseite) entgegengesetzt ist. Das Aufbringen des Trägersubstrats erfolgt vorzugsweise mittels so genannten Waferbondens.
  • Ferner sind die Kontaktierungen und der überwiegende Anteil der elektrischen Anschlüsse auf der ersten Hauptseite des Hilfssubstrats angeordnet. Die erste Hauptseite ist einer zweiten Hauptseite des Hilfssubstrats entgegengesetzt, von welcher zweiten Hauptseite aus die photosensitiven Elemente der Anordnung belichtet werden. D.h. im Gegensatz zu der Anordnung gemäß [2] werden nicht nur die Photodioden übereinander angeordnet, sondern es werden zusätzlich auch die für die Photodioden benötigten Anschlüsse und Kontaktierungen unterhalb der Photodioden angeordnet. Hierdurch verringert sich der Platz, der von den elektrischen Anschlüssen eingenommen wird. Somit können die sensitiven Elemente einen größeren Teil der Gesamtfläche der Anordnung einnehmen, wodurch die gesamte sensitive Fläche der Photosensor-Anordnung einer CMOS-Kamera erhöht werden kann.
  • In [2], bei welchem kein Trägersubstrat aufgebracht wird, d.h. kein so genanntes Waferbonden durchgeführt wird, ist diese Anordnung nicht möglich, da es bei dieser Anordnung sonst zu einer Abschattung der mindestens einen Photodiode durch die elektrischen Anschlüsse käme. Da erfindungsgemäß die elektrischen Anschlüsse vom Lichteinfall aus gesehen unterhalb der mindestens einen Photodiode liegen und diese somit keine Abschattung der mindestens einen Photodiode verursachen können, ist es auch möglich, ohne Abschattung Pixelinformationen für jedes Farbsignal getrennt über getrennte elektrische Anschlüsse auszulesen, womit eine Zeit, welche zur Integration der Signale von Photodioden zur Verfügung steht, verlängert wird.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die Photosensor-Anordnung und das Verfahren zum Herstellen einer Photosensor-Anordnung mit mindestens einer Photodiode.
  • Vorzugsweise wird in einer Weiterbildung des Verfahrens vor dem Ausbilden der elektrischen Anschlüsse der mindestens einen photosensitiven Diode über der ersten Hauptseite eine zweite photosensitive Diode und über der zweiten photosensitiven Diode eine dritte photosensitive Diode ausgebildet werden.
  • Mittels einer Anordnung von drei Photodioden übereinander kann der Flachenbedarf je einzelnen Bildpunkt, d.h. drei benötigte Farbinformationen von Photodioden, weiter verringert werden. Hierdurch ist eine Steigerung der Bildpixel je Fläche möglich.
  • Mittels des Weiterbildung des Verfahrens kann eine Photosensor-Anordnung hergestellt werden, welche einen höheren Füllstand der photosensitiven Elemente erzielt. Unter Füllstand wird hierbei das Verhältnis von der Fläche, welche von dem photosensitiven Element (Photodiode) für Licht der kürzesten detektierten Wellenlänge, vorzugsweise von blauem Licht, eingenommen wird, zu der Fläche, welche von dem photosensitiven Element (Photodiode) für Licht der größten detektierten Wellenlänge, vorzugsweise von rotem Licht, eingenommen wird, verstanden. Die Erhöhung des Füllstandes wird erzielt, indem beim erfindungsgemäßen Verfahren die einzelnen Schichten, welche zum späteren Ausbilden der Photodioden verwenden werden, ganzflächig auf dem Hilfssubstrat aufgebracht werden können. Hierdurch kommt es bei der späteren Ausbildung der Photodioden nicht zu einer Verringerung der Fläche der Photodioden von der Photodiode zur Detektion von rotem Licht über die Fläche der Photodioden von der Photodiode zur Detektion von grünem Licht zur Fläche von der Photodiode zur Detektion von blauem Licht.
  • Erfindungsgemäß ist ein Füllstand von nahezu 100% möglich. Vorzugsweise wird die vom Lichteinfall aus gesehen erste Photodiode hierbei primär zum Messen von Licht verwendet, welches eine Wellenlänge aufweist, welche blauem Licht entspricht. Vorzugsweise wird die vom Lichteinfall aus gesehen zweite Photodiode hierbei primär zum Messen von Licht verwendet, welches eine Wellenlänge aufweist, welche grünem Licht entspricht. Vorzugsweise wird die vom Lichteinfall aus gesehen dritte Photodiode hierbei primär zum Messen von Licht verwendet, welches eine Wellenlänge aufweist, welche rotem Licht entspricht.
  • Besonders bevorzugt enthält das Hilfssubstrat epitaktisch erzeugte Halbleiterschichten.
  • Das Verwenden von epitaktisch erzeugter Halbleiterschichten ist besonders vorteilhaft, da mittels Epitaxie die pn-Übergänge besonders geeignet hergestellt werden können. Die Epitaxie erfolgt homogen über den gesamten Wafer und es lässt sich auf einfache Weise jede Schichtdicke mit jeder gewünschten Dotierung erzeugen. Dies ist besonders wichtig, da z.B. der Übergang, welcher zum Nachweis des blauen Lichts verwendet wird, nur sehr dünn ist, damit nicht zuviel grünes Licht bis zu dem Übergang, welcher dem Nachweis des grünen Licht dient, absorbiert wird. Zudem kann mittels der homogenen Epitaxie für alle pn-Übergänge die größtmögliche Fläche erzielt werden. Erfindungsgemäß ist ein Füllstand von nahezu 100% möglich. Im Gegensatz hierzu werden die Flächen der Übergänge gemäß [2] von Rot über Grün nach Blau immer geringer. Diese Verringerung der Fläche gemäß [2] ist bei einer Verwendung von Ionenimplantation notwendigerweise gegeben und kann nicht umgangen werden.
  • Das Hilfssubstrat kann ein SOI Substrat enthalten.
  • Vorteilhaft hieran ist, dass bei Verwenden eines SOI-Substrats, welches mit Standardverfahren der Halbleiterprozessierung hergestellt werden kann, nach einem Dotieren der Siliziumschicht, diese Siliziumschicht als eine aktive Schicht der ersten Photodiode verwendet werden kann. Ferner kann die Isolatorschicht des SOI-Substrats, insbesondere wenn sie aus Siliziumoxid hergestellt ist, als Stoppschicht bei einem Ätzschritt verwendet werden.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens werden Kontakte der Photodioden aus dotiertem Polysilizium ausgebildet.
  • Ferner kann beim erfindungsgemäßen Verfahren das Hilfssubstrat zumindest teilweise entfernt werden.
  • Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass Kontaktlöcher für die elektrischen Anschlüsse der verschiedenen pn-Schichten, mittels welcher die Photodioden ausgebildet werden, da sie nach dem Schritt des Waferbondens in Lichteinfallrichtung unterhalb der Schichtfolge liegen und damit die Photodioden nicht abschatten können, nicht möglichst klein ausgebildet werden müssen. Die Kontaktlöcher müssen also nicht mit der kleinsten lithographischen Struktur erzeugt werden, sondern es kann auch eine größere Dimension gewählt werden, was zu einer Vereinfachung des Herstellungsprozesses führt.
  • Erfindungsgemäß lassen sich alle Waferbondverfahren, wie z.B. Silicon Fusion Bonding, ELTRAN oder auch einfaches Kleben, verwenden.
  • Ein zusätzlicher Vorteil ist auch, dass die elektrischen Anschlüsse auch aus metallischen Material, wie zum Beispiel Wolfram, ausgebildet werden können.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, dass durch die Anordnung der elektrischen Anschlüsse unterhalb der Photodioden auch für jedes einzelne Pixelelement einer CMOS-Kamera ein kompletter Verstärker unterhalb der Photodioden angeordnet werden kann, ohne dass dadurch die Flächenbelegung (Füllstand) der CMOS-Kamera verringert wird.
  • Erfindungsgemäß ist es ebenfalls möglich nur zwei Photodioden übereinander anzuordnen. Dies führt zu einer Vereinfachung des Herstellungsverfahrens. Die hierbei verlorengehenden Informationen einer dritten Photodiode sind, bei der notwendigen softwaremäßigen Aufbereitung der Informationen der Photodioden zu berücksichtigen und auszugleichen.
    •
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Schichtenfolge, welche ein Hilfssubstrat gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
  • 2 eine schematische Darstellung der Schichtenfolge aus 1 nach Verfahrensschritten, welche dem Ausbilden einer Shallow Trench Isolation (STI) dienen;
  • 3 eine schematische Darstellung der Schichtenfolge aus 2 nach Verfahrensschritten, welche dem Ausbilden eines ersten Kontakts dienen;
  • 4 eine schematische Darstellung der Schichtenfolge aus 3 nach Verfahrensschritten, welche dem Ausbilden eines zweiten Kontakts dienen;
  • 5 eine schematische Darstellung der Schichtenfolge aus 4 nach Verfahrensschritten, welche dem Ausbilden eines dritten Kontakts dienen;
  • 6 eine schematische Darstellung der Schichtenfolge aus 5 nach Verfahrensschritten, welche dem Ausbilden eines vierten Kontakts dienen;
  • 7 eine schematische Darstellung der Schichtenfolge aus 6 nach Verfahrensschritten, welche dem Ausbilden von elektrischen Anschlüssen und dem Vorbereiten eines Waferbondenschrittes dienen;
  • 8 eine schematische Darstellung der Schichtenfolge aus 7 nach Verfahrensschritten zum Waferbonden;
  • 9 eine schematische Darstellung der Schichtenfolge aus 8 nach Verfahrensschritten, welche dem Ausbilden eines Anschlusspads dienen;
  • 10 eine schematische Darstellung einer Photosensor-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 11 eine schematische Darstellung einer Photosensor-Anordnung gemäß dem Stand der Technik; und
  • 12 eine schematische Darstellung eines Layouts einer Photosensor-Anordnung gemäß dem Stand der Technik.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Photosensor-Anordnung genauer beschrieben, wobei nur die erfindungswesentlichen Verfahrensschritte genauer erläutert werde.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schichtenfolge, welche ein Hilfssubstrat gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Ein Silizium-auf-Isolator Substrat (Silicium on Insulator Substrate = SOI-Substrat) weist einen Wafer 100, eine Isolatorschicht 101 aus Siliziumoxid und eine einkristalline Siliziumschicht 102 auf. Die Siliziumschicht 102 wird mittels n-Implantation dotiert. Die Dotierung beträgt etwa 1015 bis 1018 Atome/cm3, vorzugsweise 1018 Atome/cm3. Hierdurch kann die Siliziumschicht 102 als eine aktive Schicht eines pn-Übergangs einer Photodiode verwendet werden. Zur n-Implantation können zum Beispiel Arsen, Antimon oder Phosphor verwendet werden.
  • Als nächster Schritt wird auf der Siliziumschicht 102 ganzflächig eine erste Schicht 103 aus p-dotierten Material, vorzugsweise p-dotiertes einkristallines Silizium, ausgebildet. Zur p-Dotierung können zum Beispiel Bor, Aluminium, Indium oder Gallium verwendet werden. Die erste Schicht 103 wird vorzugsweise mittels Epitaxie ausgebildet. Die Dotierung beträgt etwa 1015 bis 1018 Atome/cm3, vorzugsweise 1017 Atome/cm3. Die Dicke der ersten Schicht beträgt zwischen 0,2 μm und 0,5 μm vorzugsweise 0,2 μm. Die Dicke von 0,2 μm entspricht etwa der Absorptionstiefe blauen Lichts. Zwischen der Siliziumschicht 102 und der ersten Schicht 103 bildet sich ein erster np-Übergang 126 aus.
  • Als nächster Schritt wird auf der ersten Schicht 103 ganzflächig eine zweite Schicht 104 aus n-dotierten Material, vorzugsweise n-dotiertes einkristallines Silizium, ausgebildet. Die zweite Schicht 104 wird ebenfalls vorzugsweise mittels Epitaxie ausgebildet. Die Dotierung, z.B. mittels Arsens oder Phosphors, beträgt etwa 1015 bis 1018 Atome/cm3, vorzugsweise 1016 Atome/cm3. Die Dicke der zweiten Schicht beträgt zwischen 0,3 μm und 1,5 μm vorzugsweise 0,4 μm. Eine Dicke von 0,6 μm, welches die Summe der bevorzugten Dicken der ersten Schicht (0,2 μm) und der zweiten Schicht (0,4 μm) entspricht etwa der Absorptionstiefe grünen Lichts. Zwischen der ersten Schicht 103 und der zweiten Schicht 104 bildet sich ein zweiter pn-Übergang 127 aus.
  • Als nächster Schritt wird auf der zweiten Schicht 104 ganzflächig eine dritte Schicht 105 aus p-dotierten Material, vorzugsweise p-dotiertes Silizium, ausgebildet. Die dritte Schicht 105 wird ebenfalls vorzugsweise mittels Epitaxie ausgebildet. Die Dotierung, z.B. mittels Bor, Aluminiums, Indium oder Galliums, beträgt etwa 1015 bis 1018 Atome/cm3, vorzugsweise 1015 Atome/cm3. Die Dicke der zweiten Schicht beträgt zwischen 1,0 μm und 3,0 μm vorzugsweise 1,4 μm. Eine Dicke von 2,0 μm, welches die Summe der bevorzugten Dicken der ersten Schicht (0,2 μm), der zweiten Schicht (0,4 μm) und der dritten Schicht (1,4 μm) ist der entspricht etwa der Absorptionstiefe roten Lichts. Zwischen der zweiten Schicht 104 und der dritten Schicht 105 bildet sich ein dritter np-Übergang 128 aus.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung der Schichtenfolge aus 1 nach Verfahrensschritten, welche dem Ausbilden einer Shallow Trench Isolation (STI) dienen.
  • Auf die in 1 dargestellte Schichtenfolge wird eine Schicht aus Siliziumnitrid 206 abgeschieden. Nachfolgend wird zum Strukturieren der Schichtenfolge auf die Siliziumnitridschicht 206 ein Fotolack aufgebracht und belichtet. Nachfolgend wird ein erster Graben 207 in die Schichtenfolge geätzt, wobei die Isolatorschicht 101 des SOI-Substrats als Ätzstop verwendet wird.
  • Anschließend werden der Fotolack entfernt, ein Oxidationsschritt ausgeführt und der erste Graben 207 mit Siliziumoxid aufgefüllt. Hierdurch wird die STI ausgebildet, welche einen ersten Bereich 208, in welchem durch nachfolgend beschriebene Verfahrensschritte Photodioden ausgebildet werden, und einen zweiten Bereich 209, in welchem nachfolgend ein Auslesetransistor ausgebildet wird, voneinander trennt.
  • Nachfolgend wird die Oberfläche der Siliziumnitridschicht 206 geglättet. Vorzugsweise wird hierzu chemisch mechanisches Polieren verwendet.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung der Schichtenfolge aus 2 nach Verfahrensschritten, welche dem Ausbilden eines ersten Kontakts dienen, welcher in dem ersten Bereich 208 ausgebildet wird.
  • Zum Strukturieren der Schichtenfolge aus 2 wird auf die Siliziumnitridschicht 206 ein Fotolack aufgebracht und belichtet. Nachfolgend wird ein zweiter Graben 310 in die Schichtenfolge geätzt, wobei die Siliziumschicht 102 des SOI- Substrats als Ätzstop verwendet wird. Der zweite Graben 310 dient der elektrischen Kontaktierung der Siliziumschicht 102.
  • Anschließend werden der Fotolack entfernt, und ein Oxidationsschritt ausgeführt, bei dem sich an den jeweiligen Kontaktflächen der ersten Schicht 103, der zweiten Schicht 104 und der dritten Schicht 105 mit dem zweiten Graben 310 eine zweite Schicht aus Siliziumoxid 311 ausbildet. Die zweite Siliziumoxidschicht 311 wird nachfolgend geätzt, um Abstandshalter (Spacer) auszubilden, welche der Isolation dienen. Nachfolgend wird zum Ausbilden eines elektrischen Anschlusses der Siliziumschicht 102 der zweite Graben 310 mit n-dotiertem Polysilizium aufgefüllt.
  • Nachfolgend wird die Oberfläche der Siliziumnitridschicht 206 geglättet. Vorzugsweise wird hierzu chemisch mechanisches Polieren verwendet.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung der Schichtenfolge aus 3 nach Verfahrensschritten, welche dem Ausbilden eines zweiten Kontakts dienen, welcher in dem ersten Bereich 208 ausgebildet wird.
  • Zum Strukturieren der Schichtenfolge aus 3 wird auf die Siliziumnitridschicht 206 ein Fotolack aufgebracht und belichtet. Nachfolgend wird ein dritter Graben 412 in die Schichtenfolge geätzt, wobei das Ätzen in der ersten Schicht 103 beendet wird. Der dritte Graben 412 dient der elektrischen Kontaktierung der ersten Schicht 103.
  • Anschließend werden der Fotolack entfernt, und ein Oxidationsschritt ausgeführt, bei dem sich an jeweiligen Kontaktflächen der ersten Schicht 103, der zweiten Schicht 104 und der dritten Schicht 105 mit dem dritten Graben 412 eine dritte Schicht aus Siliziumoxid 413 ausbildet. Die dritte Siliziumoxidschicht 413 wird nachfolgend geätzt, um Abstandshalter (Spacer) auszubilden, welche der Isolation dienen. Nachfolgend wird zum Ausbilden eines elektrischen Anschlusses der ersten Schicht 103 der dritte Graben 412 mit p-dotiertem Polysilizium aufgefüllt.
  • Nachfolgend wird die Oberfläche der Siliziumnitridschicht 206 geglättet. Vorzugsweise wird hierzu chemisch mechanisches Polieren verwendet.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung der Schichtenfolge aus 4 nach Verfahrensschritten, welche dem Ausbilden eines dritten Kontakts dienen, welcher in dem ersten Bereich 208 ausgebildet wird.
  • Zum Strukturieren der Schichtenfolge aus 4 wird auf die Siliziumnitridschicht 206 ein Fotolack aufgebracht und belichtet. Nachfolgend wird ein vierter Graben 514 in die Schichtenfolge geätzt, wobei das Ätzen in der zweiten Schicht 104 beendet wird. Der vierte Graben 514 dient der elektrischen Kontaktierung der zweiten Schicht 104.
  • Anschließend werden der Fotolack entfernt, und ein Oxidationsschritt ausgeführt, bei dem sich an jeweiligen Kontaktflächen der zweiten Schicht 104 und der dritten Schicht 105 mit dem vierten Graben 514 eine vierte Schicht aus Siliziumoxid 515 ausbildet. Die vierte Siliziumoxidschicht 515 wird nachfolgend geätzt, um Abstandshalter (Spacer) auszubilden, welche der Isolation dienen. Nachfolgend wird zum Ausbilden eines elektrischen Anschlusses der zweiten Schicht 104 der vierte Graben 414 mit n-dotiertem Polysilizium aufgefüllt.
  • Nachfolgend wird die Oberfläche der Siliziumnitridschicht 206 geglättet. Vorzugsweise wird hierzu chemisch mechanisches Polieren verwendet.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung der Schichtenfolge aus 5 nach Verfahrensschritten, welche dem Ausbilden eines vierten Kontakts dienen, welcher in dem zweiten Bereich 209 ausgebildet wird.
  • Zum Strukturieren der Schichtenfolge aus 5 wird auf die Siliziumnitridschicht 206 ein Fotolack aufgebracht und belichtet. Nachfolgend wird ein fünfter Graben 616 in die Schichtenfolge geätzt, wobei das Ätzen bis zum Wafer 100 des SOI-Substrats durchgeführt wird. Der fünfte Graben 616 dient einer späteren elektrischen Kontaktierung.
  • Anschließend werden der Fotolack entfernt, und ein Oxidationsschritt ausgeführt, bei dem sich an jeweiligen Kontaktflächen der Isolatorschicht 101 des SOI-Substrats, der Siliziumschicht 102 des SOI-Substrats, der ersten Schicht 103, der zweiten Schicht 104 und der dritten Schicht 105 mit dem fünften Graben 616 eine fünfte Schicht aus Siliziumoxid 617 ausbildet. Die fünfte Siliziumoxidschicht 617 wird nachfolgend geätzt, um Abstandshalter (Spacer) auszubilden, welche der Isolation dienen. Nachfolgend wird zum Ausbilden eines elektrischen Anschlusses der fünfte Graben 616 mit n-dotiertem Polysilizium aufgefüllt.
  • Nachfolgend wird die Oberfläche der Siliziumnitridschicht 206 geglättet. Vorzugsweise wird hierzu chemisch mechanisches Polieren verwendet.
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung der Schichtenfolge aus 6 nach Verfahrensschritten, welche dem Ausbilden von elektrischen Anschlüssen, dem Erzeugen von Transistoren, z.B. dem Erzeugen von Auswahl- und Reset-Transistoren, im zweiten Bereich 209 und dem Vorbereiten eines Waferbondens dienen.
  • Hierzu wird die Siliziumnitridschicht 206 entfernt und zusätzliche Verfahrensschritte, z.B. zum Ausbilden von Wannen, Transistoren, Zwischenoxidschichten, Kontaktlöchern Metallverdrahtungen, werden durchgeführt. Die zusätzlichen Verfahrensschritte sind in der Halbleiterprozessierung übliche Schritte, dienen dem Erzeugen der notwendigen elektronischen Komponenten einer Photosensor-Anordnung einer CMOS-Kamera und werden in der Anmeldung nicht genauer beschrieben.
  • Ferner werden elektrische Anschlüsse 729 im ersten Bereich 208, welche mit den ersten Kontakt, dem zweiten Kontakt und dem dritten Kontakt gekoppelt sind, und ein fünfter Kontakt 718 hergestellt, welcher mit der dritten Schicht 105 gekoppelt ist.
  • Im zweiten Bereich 209 wird mittels üblicher Verfahrensschritte ein Auslesetransistor ausgebildet. hierzu wird beispielsweise ein Gate 719 eines Auswahl-Transistors oberhalb einer in der dritten Schicht 105 ausgebildeten Wanne 720 ausgebildet.
  • Zum Vorbereiten eines Waferbond Schrittes wird eine Isolations- und Ausgleichsschicht 721 auf der gesamten Oberfläche der Schichtenfolge ausgebildet, welche anschließend geglättet wird. Die Isolations- und Ausgleichsschicht ist vorzugsweise aus Siliziumdioxid. Das Glätten findet vorzugsweise mittels chemisch mechanischen Polierens statt.
  • 8 zeigt eine schematische Darstellung der Schichtenfolge aus 7 nach Verfahrensschritten zum Waferbonden.
  • Nach dem vorbereitenden Schritten des Verfahrens, welche unter Bezug auf 7 beschrieben wurden, wird ein Trägersubstrat 822 auf die geglättete Oberfläche der Schichtenfolge gebondet. Das Trägersubstrat 823 weist auf der Fläche, welche an die Isolations- und Ausgleichsschicht 721 gebondet wird, vorzugsweise eine sechste Schicht 823 auf, welche aus dem gleichen Material wie die Isolations- und Ausgleichsschicht 721 ausgebildet ist. Vorzugsweise ist auch die sechste Schicht 823 aus Siliziumdioxid ausgebildet. Zum Bonden sind alle üblichen Bondverfahren verwendbar.
  • Anschließend wird der Wafer 100 rückgeätzt, wobei die Isolatorschicht 101 des SOI-Substrats als Ätzstopp verwendet werden kann. Hierdurch wird die Isolatorschicht 101 freigelegt, welche nachfolgend als Schicht verwendet werden kann, welche bei der Verwendung der Photosensor-Anordnung in einer CMOS-Kamera belichtet wird.
  • Nachfolgend wird die nun freiliegende Isolatorschicht 101 geglättet. Das Glätten wird vorzugsweise mittels chemisch-mechanisches Polieren durchgeführt.
  • 9 zeigt eine schematische Darstellung der Schichtenfolge aus 8 nach Verfahrensschritten, welche dem Ausbilden eines Anschlusspads dienen.
  • Auf der in 8 dargestellten Schichtenfolge ein Anschlusspad in dem zweiten Bereich 209 ausgebildet. Hierzu wird eine Aluminiumschicht 924 auf der Isolatorschicht 101 aufgebracht.
  • Nachfolgend wird zum Strukturieren der Aluminiumschicht 924 auf der Aluminiumschicht 924 ein Fotolack aufgebracht und belichtet. Die Aluminiumschicht 924 strukturiert und der Fotolack entfernt.
  • Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Photosensor-Anordnung im Wesentlichen abgeschlossen. Zusätzliche Verfahrensschritte, welche einem elektronischen Anschluss der Photosensor-Anordnung dienen, werden mittels üblichen Verfahrensschritten durchgeführt.
  • 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Photosensor-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Das Verfahren des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist ähnlich dem Verfahren des ersten Ausführungsbeispiels. Im Verfahren des zweiten Ausführungsbeispiels wird anstelle von drei übereinanderliegender Photodioden nur eine einzelne Photodiode ausgebildet. Hierzu wird auf dem SOI-Substrat des ersten Ausführungsbeispiels nur eine erste Schicht 103 ausgebildet. Die weiteren Schritte des Verfahrens gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiels entsprechen den Verfahrensschritten des ersten Ausführungsbeispiels, außer das zu berücksichtigen ist, dass die Anzahl der Schichten der Schichtenfolge geringer ist und dementsprechend auch die Verfahrensschritte, welche in den 4 und 5 dargestellt sind entfallen können.
  • Die unter Bezugnahme auf die 6 bis 9 erläuterten Verfahrensschritte werden analog ausgeführt.
  • Als zusätzlicher Verfahrensschritt wird im Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Farbfilter 1025 im Bereich der Photodiode ausgebildet.
  • Eine Photosensor-Anordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung benötigt zum Erlangen einer vollständigen Farbinformation eines Bildpixels, mehrere nahe beieinander angeordnete Photosensor-Anordnungen mit mehreren Filtern, welche unterschiedliche Farben filtern. Zum Beispiel können dies Rot-, Grün- und Blaufarbfilter sein.
  • Auch das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung weist den Vorteil auf, dass, weil eine Belichtung der Photosensor-Anordnung von der Seite aus stattfindet, welche den elektrischen Anschlüssen der Photodioden gegenüberliegt, zu keiner Abschattung der Photodioden kommt. Hierdurch kommt es zu einem geringeren Flächenbedarf bei gleichbleibender Sensitivität der Photosensor-Anordnung.
  • Zusammenfassend lässt sich mit den erfindungsgemäßen Verfahren eine Photosensor-Anordnung herstellen, welche durch das Verwenden eines Waferbondens besonders vorteilhaft und einfach herstellen lässt. Der Anteil der Fläche, welche von den Photodioden eingenommen werden, gegenüber der Gesamtfläche der Photosensor-Anordnung ist gegenüber den Anordnungen gemäß dem Stand der Technik vergrößert.
  • Erfindungsgemäß lassen sich alle Waferbondverfahren, wie z.B. Silicon Fusion Bonding, ELTRAN oder auch einfaches Kleben, verwenden. Das Material der einzelnen Schichten der Photodioden ist ferner nicht auf Silizium beschränkt, z.B. kann auch Germanium verwendet werden. Als Material für das Substrat lassen sich außer Silizium zum Beispiel auch GaAs Substrate verwenden.
  • In diesem Dokument ist folgendes Dokument zitiert:
    • [1] Thinned Charged Coupled Devices with Flat Focal Planes for UV Imaging, Todd J. Jones et al., Sensors ans Camera Systems for Scientific, Industrial, and Digital Photography Applications, Proceedings of SPIE Vol. 2965 (2000), pp. 148–156
    • [2] US-Patent 5 965 875
    • 100
    Wafer
    101
    Isolatorschicht
    102
    Siliziumschicht
    103
    erste Schicht
    104
    zweite Schicht
    105
    dritte Schicht
    126
    erster np-Übergang
    127
    zweiter pn-Übergang
    128
    dritter np-Übergang
    206
    Schicht aus Siliziumnitrid
    207
    erster Graben
    208
    erster Bereich
    209
    zweiter Bereich
    310
    zweiter Graben (erster Kontakt)
    311
    zweite Schicht aus Siliziumoxid (Spacer)
    412
    dritter Graben (zweiter Kontakt)
    413
    dritte Schicht aus Siliziumoxid (Spacer)
    514
    vierter Graben (dritter Kontakt)
    515
    vierte Schicht aus Siliziumoxid (Spacer)
    616
    fünfter Graben (vierter Kontakt)
    617
    fünfte Schicht aus Siliziumoxid (Spacer)
    718
    fünfter Kontakt
    719
    Gate eines Selekttransistors
    720
    Wanne
    721
    Isolations- und Ausgleichsschicht (Siliziumoxid)
    729
    elektrische Anschlüsse
    822
    Trägersubstrat
    823
    sechste Schicht
    924
    Aluminiumschicht
    1025
    Farbfilter
    1100
    n-dotierte Schicht
    1101
    p-dotierte Schicht
    1102
    n-dotierte Schicht
    1103
    p-dotierte Schicht
    1104
    erster np-Übergang
    1105
    zweiter pn-Übergang
    1106
    dritter np-Übergang
    1207
    Auswahl-Transistoren
    1208
    Reset-Transistoren

Claims (8)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Photosensor-Anordnung mit mindestens einer Photodiode, bei dem: – mindestens eine Photodiode in ein Hilfssubstrat eingebracht wird; – elektrische Anschlüsse zum Kontaktieren der mindestens einen Photodiode an einer ersten Hauptseite des Hilfssubstrats ausgebildet werden; und – ein Trägersubstrat auf der ersten Hauptseite des Hilfssubstrats aufgebracht wird; – wobei die Photodiode derart eingerichtet ist, dass sie von einer zweiten Hauptseite des Hilfssubstrats, welche der ersten Hauptseite entgegengesetzt ist, belichtbar ist.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem vor dem Ausbilden der elektrischen Anschlüsse der mindestens einen photosensitiven Diode über der ersten Hauptseite eine zweite photosensitive Diode und über der zweiten photosensitiven Diode eine dritte photosensitive Diode ausgebildet werden.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Hilfssubstrat epitaktisch erzeugte Halbleiterschichten enthält.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Hilfssubstrat ein SOI Substrat enthält.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, bei dem Kontakte der Photodioden aus dotiertem Polysilizium ausgebildet werden.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Hilfssubstrat zumindest teilweise entfernt wird.
  7. Photosensor-Anordnung, welche aufweist: – ein Hilfssubstrat, in welchem mindestens eine Photodiode eingebracht ist, wobei elektrische Anschlüsse der Photodiode an einer ersten Hauptseite der Photodiode ausgebildet sind; und – ein Trägersubstrat, welches auf die erste Hauptseite des Hilfssubstrat aufgebracht ist; – wobei die Anordnung derart eingerichtet ist, dass eine Beleuchtung der mindestens einen Photodiode von einer zweiten Hauptseite des Hilfssubstrats, welche der ersten Hauptseite entgegengesetzt ist, belichtbar ist.
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der eine zweite photosensitive Diode auf der ersten Seite und eine dritte photosensitive Diode auf der zweiten photosensitiven Diode ausgebildet sind, und bei der elektrische Anschlüsse der drei Dioden zu einer Seite ausgebildet sind, welche der zweiten Seite entgegengesetzt ist.
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