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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein hintergrundbeleuchtetes Photodioden-Array
sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben.
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Stand der
Technik
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Es
wurden verschiedene dreidimensionale Packungstechnologien entwickelt.
Gewöhnlich
wird bei einem dreidimensionalen Packen ein Loch ausgebildet, das
sich durch die obere und untere Fläche eines Substrats erstreckt,
wobei dann eine Elektrode auf einer Fläche durch dieses Loch zu der
anderen Fläche
gezogen wird.
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Beschreibung
der Erfindung
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Für das Ausbilden
des Durchgangslochs in der dreidimensionalen Packung wird gewöhnlich ein ICP-Plasma-Ätzen verwendet.
Die Dicke eines Wafers beträgt
gewöhnlich
zwischen ungefähr
300 und 400 μm,
sodass eine beträchtliche
Zeitdauer für
das Ausbilden des Durchgangslochs erforderlich ist. Der Ätzprozess
unter Verwendung einer ICP-Plasma-Ätzvorrichtung muss separat
pro Wafer durchgeführt
werden, sodass nicht mehrere Wafer gleichzeitig verarbeitet werden
können.
Es ist also eine lange Zeitdauer zur Ausbildung von Durchgangslöchern erforderlich,
um ein Durchgangsloch in einem Wafer auszubilden. Mit dieser Ätztechnologie
kann also bei jedem Ätzvorgang
nur eine kleine Anzahl von Produkten erzeugt werden, sodass ein
großflächiges Photodioden-Array
nicht industriell in Masse erzeugt werden kann. Das Herstellen von
mehreren großflächigen Photodioden-Arrays
ist aber kommerziell nicht praktikabel, wenn mehrere Stunden pro
Wafer für
das Ausbilden des Durchgangslochs benötigt werden.
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Die
vorliegende Erfindung nimmt auf die oben genannten Probleme Bezug.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein in Masse produzierbares
hintergrundbeleuchtetes Photodioden-Array sowie ein Verfahren zum
Herstellen desselben anzugeben.
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Um
die oben beschriebenen Probleme zu lösen, ist ein Verfahren zum
Herstellen eines hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays gemäß der vorliegenden
Erfindung durch die folgenden Schritte gekennzeichnet: (a) Ausbilden
von Bereichen mit einer hohen Konzentration an Fremdstoffen auf
einer Fläche
eines Halbleitersubstrats; (b) Befestigen einer Stützplatte
an der einen Fläche
des Halbleitersubstrats; (c) Reduzieren des Halbleitersubstrats
durch das Polieren der anderen Fläche des Halbleitersubstrats;
(d) Ausbilden von Bereichen mit einer hohen Konzentration an Fremdstoffen
und einer Vielzahl von Photodioden auf der anderen Fläche des
Halbleitersubstrats; (e) Ausbilden von Löchern, die sich von den Bereichen
mit einer hohen Konzentration an Fremdstoffen auf der anderen Fläche des
Halbleitersubstrats zu den Bereichen mit einer hohen Konzentration
an Fremdstoffen auf der einen Fläche
des Halbleiersubstrats erstrecken; (f) elektrisches Verbinden der Bereiche
mit einer hohen Konzentration an Fremdstoffen auf der einen Fläche und
auf der anderen Fläche über die
Löcher;
und (g) Entfernen der Stützplatte
nach dem Schritt (f). Eine Anode oder eine Kathode der Photodiode
ist auf der einen Fläche des
Halbleitersubstrats positioniert, während entsprechend eine Kathode
oder eine Anode der Photodiode auf der anderen Fläche des
Halbleitersubstrats positioniert ist.
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Gemäß dem oben
beschriebenen Verfahren wird das Photodioden-Array in dem Polierschritt
dünner
gemacht, wodurch die zum Ausbilden des Lochs erforderliche Zeitdauer
verkürzt
wird. Weiterhin werden die Bereiche mit einer hohen Konzentration
an Fremdstoffen auf beiden Flächen
des Halbleitersubstrats über
dieses Loch miteinander verbunden, sodass die Anode und die Kathode
der Photodiode elektrisch zu derselben (der anderen) Fläche des Halbleitersubstrats
geführt
werden können.
Um ein Brechen des Wafers aufgrund der durch das Reduzieren verminderten
Substratstärke
zu verhindern, ist die Stützplatte
auf der einen Fläche
des Halbleitersubstrats bei der Herstellung des Wafers vorgesehen,
wodurch der Wafer verstärkt
wird. Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann das Photodioden-Array mit einer Vielzahl von Photodioden
erstmalig industriell in Masse produziert werden. Dieses Photodioden-Array ist hintergrundbeleuchtet
und kann deshalb in einem Photodetektor mit einem hohen Signal/Rauschen-Verhältnis und
einer hohen Genauigkeit verwendet werden.
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Dabei
kann der folgende Aufbau vorgesehen werden. Insbesondere weisen
das Halbleitersubstrat und die Bereiche mit einer hohen Konzentration
an Fremdstoffen einen ersten Leitungstyp (n-Typ) auf, während die
Vielzahl von Photodioden eine Vielzahl von Fremdstoff-Bereichen
eines zweiten Leitungstyps (p-Typ) und ein Halbleitersubstrat umfassen.
Die Anode oder die Kathode an der einen Fläche der Photodioden ist elektrisch
zu der anderen Fläche geführt.
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Wenn
das Herstellungsverfahren einen Schritt zum Ausbilden einer allgemeinen
Fremdstoff-Diffusionsschicht des ersten Leitungstyps, die dünner als
die Bereiche mit einer hohen Konzentration an Fremdstoffen ist,
in dem gesamten Bereich der einen Fläche des Halbleitersubstrats
aufweist, funktioniert diese allgemeine Fremdstoff-Diffusionsschicht als
Akkumulationsschicht.
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Wenn
ein Schritt zum Ausbilden eines Oxidfilms auf der einen Fläche des
Halbleitersubstrats vorgesehen ist, kann dieser Oxidfilm als Schutzfilm dienen.
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Weiterhin
umfasst das Verfahren zum Herstellen eines hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays gemäß der vorliegenden
Erfindung weiterhin einen Schritt zum Einfüllen von Harz in das Loch.
Durch das Einfüllen
von Harz in das Loch kann die Stärke
des Halbleitersubstrats verbessert werden.
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Vorzugsweise
weist das in den Löchern
eingefüllte
Harz eine Lichtempfindlichkeit auf, wobei das Verfahren weiterhin
die folgenden Schritte umfasst: Auftragen eines Photoresists, das
zu dem Harz wird, in dem gesamten Bereich der anderen Fläche des Halbleitersubstrats;
Entfernen des Photoresists nur in den Bereichen, in denen die Elektroden
auf der anderen Fläche
des Halbleitersubstrats auszubilden sind; und Ausbilden der Elektroden
in den Bereichen, in denen das Photoresist entfernt wurde. In diesem Fall
kann das Harz mittels eines normalen Photolithographie-Prozesses
unter Verwendung eines Photoresists eingefüllt werden, wobei das Freilegen
der Elektrode unter Verwendung des Photoresists vorgenommen werden
kann.
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Hinsichtlich
des dreidimensionalen Packens umfasst das oben beschriebene Verfahren
zum Herstellen eines hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays
vorzugsweise weiterhin einen Schritt zum Befestigen der anderen
Fläche
des Halbleitersubstrats an einer Leiterplatte, wobei dazwischen
Kontakthöcker
vorgesehen sind, sodass die Anoden und Kathoden der Photodioden
elektrisch mit der Leiterplatte verbunden sind. In diesem Fall können die
Verbindungsverdrahtungen der Anoden und Kathoden der Photodioden,
die über
die Kontakthöcker
elektrisch mit der Leiterplatte verbunden sind, in der Richtung zu
der Leiterplatte, d.h. in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats
verlängert
werden. Dadurch kann die Packungsfläche reduziert werden. Insbesondere wird
der tote Raum in der Flächenrichtung
reduziert, sodass eine Vielzahl von hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays
in einer lateralen Richtung des Halbleitersubstrats (zweidimensional)
angeordnet werden können.
Dementsprechend kann ein Bildscanner mit einer viel größeren Fläche vorgesehen werden.
Es ist zu beachten, dass ein derartiges großflächiges hintergrundbeleuchtetes
Photodioden-Array für
einen Computertomographie-Scanner (CT-Scanner) oder einen Positronemissions-Tomographie-Scanner
(PET-Scanner) in Kombination mit einem Szintillator, der die Röntgenstrahlen
und Gammastrahlen zu sichtbarem Licht wandelt, angewendet werden
kann.
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Insbesondere
ist das hintergrundbeleuchtete Photodioden-Array dadurch gekennzeichnet, dass es durch
das oben beschriebene Verfahren hergestellt werden kann, wobei die
Bereiche mit einer hohen Konzentration an Fremdstoffen auf beiden
Flächen des
Halbleitersubstrats ausgebildet werden. Bei den hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays, in denen die Bereiche mit einer hohen Konzentration
an Fremdstoffen wahlweise mit den Anoden oder Kathoden der Photodioden
auf der anderen Fläche
des Halbleitersubstrats verbunden sind, sind die Bereiche mit einer
hohen Konzentration von Fremdstoffen elektrisch miteinander über die
Löcher
verbunden, die sich in der Dickenrichtung durch das Halbleitersubstrat
erstrecken, wobei das Harz in den Löchern eingefüllt ist.
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Das
oben beschriebene hintergrundbeleuchtete Photodioden-Array weist Vorteile
hinsichtlich des dreidimensionalen Packens und des Herstellungsverfahrens
auf, wobei außerdem
das Harz in den Löchern
eine Verminderung der Substratstärke
der hintergrundbeleuchteten Photodioden verhindern kann.
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Vorzugsweise
weisen das Halbleitersubstrat und die Bereiche mit einer hohen Konzentration
von Fremdstoffen einen ersten Leitungstyp auf, während die Photodioden auf der
anderen Fläche
des Halbleitersubstrats einen Fremdstoffbereich eines zweiten Leitungstyps
aufweisen, wobei eine allgemeine Fremdstoff-Diffusionsschicht des
ersten Leitungstyps, die dünner
ist als die Bereiche mit einer hohen Konzentration an Fremdstoffen,
in dem gesamten Bereich der einen Fläche des Halbleitersubstrats
vorgesehen ist.
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In
diesem Fall kann die allgemeine Fremdstoff-Diffusionsschicht als eine Akkumulationsschicht dienen,
sodass eine Hochleistungs-Erfassung durchgeführt werden kann.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1A ist
eine erläuternde
Ansicht, die ein Verfahren zum Herstellen des hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays gemäß der Ausführungsform darstellt
und den Aufbau eines Längsquerschnitts des
hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays zeigt.
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1B ist
eine erläuternde
Ansicht, die ein Verfahren zum Herstellen des hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays gemäß der Ausführungsform darstellt
und den Aufbau eines Längsquerschnitts des
hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays zeigt.
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1C ist
eine erläuternde
Ansicht, die ein Verfahren zum Herstellen des hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays gemäß der Ausführungsform darstellt
und den Aufbau eines Längsquerschnitts des
hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays zeigt.
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1D ist
eine erläuternde
Ansicht, die ein Verfahren zum Herstellen des hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays gemäß der Ausführungsform darstellt
und den Aufbau eines Längsquerschnitts des
hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays zeigt.
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1E ist
eine erläuternde
Ansicht, die ein Verfahren zum Herstellen des hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays gemäß der Ausführungsform darstellt
und den Aufbau eines Längsquerschnitts des
hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays zeigt.
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1F ist
eine erläuternde
Ansicht, die ein Verfahren zum Herstellen des hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays gemäß der Ausführungsform darstellt
und den Aufbau eines Längsquerschnitts des
hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays zeigt.
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1G ist
eine erläuternde
Ansicht, die ein Verfahren zum Herstellen des hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays gemäß der Ausführungsform darstellt
und den Aufbau eines Längsquerschnitts des
hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays zeigt.
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1H ist
eine erläuternde
Ansicht, die ein Verfahren zum Herstellen des hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays gemäß der Ausführungsform darstellt
und den Aufbau eines Längsquerschnitts des
hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays zeigt.
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1I ist
eine erläuternde
Ansicht, die ein Verfahren zum Herstellen des hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays gemäß der Ausführungsform darstellt
und den Aufbau eines Längsquerschnitts des
hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays zeigt.
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1J ist
eine erläuternde
Ansicht, die ein Verfahren zum Herstellen des hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays gemäß der Ausführungsform darstellt
und den Aufbau eines Längsquerschnitts des
hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays zeigt.
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2 ist
eine erläuternde
Ansicht eines Bildscanners, der eine Vielzahl von hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays PDA von 1J auf
einer Leiterplatte C umfasst.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung
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Im
Folgenden wird ein hintergrundbeleuchtetes Photodioden-Array gemäß einer
Ausführungsform
beschrieben. Es ist zu beachten, dass in den verschiedenen Figuren
identische Komponenten stets durch gleiche Bezugszeichen angegeben
werden, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten
verzichtet wird.
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1A bis 1J sind
erläuternde
Ansichten, die ein Verfahren zum Herstellen des hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays gemäß der Ausführungsform
darstellen und den Aufbau eines Längsquerschnitts des hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays zeigen. Es folgt eine detaillierte Beschreibung.
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In
diesem Herstellungsverfahren werden nacheinander die folgenden Schritte
(1) bis (10) ausgeführt.
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Schritt (1)
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Zuerst
wird ein Halbleitersubstrat (Wafer) 1 aus Si vorbereitet.
Der Leitungstyp des Halbleitersubstrats 1 ist der n-Typ,
wobei der spezifische Widerstand desselben ungefähr 1 kΩ·cm beträgt. Der spezifische Widerstand
des Halbleitersubstrats 1 wird derart gewählt, dass
eine niedrige Kapazität,
ein geringes Rauschen und eine Hochgeschwindigkeitsreaktion realisiert
werden können.
Dann werden auf einer hinteren Fläche (einer Fläche) des
Halbleitersubstrats 1 eine Vielzahl von Bereichen 1n mit
hohen Konzentrationen an Fremdstoffen in einer Dicke von mehreren μm und mit
dazwischen vorbestimmten Intervallen ausgebildet (1A).
Dabei ist zu beachten, dass unter der „hinteren Fläche" die Lichteinfallsfläche der
herzustellenden hintergrundbeleuchteten Photodiode zu verstehen
ist, wobei die Bezeichnung „hintere
Fläche" der einfacheren
Darstellung halber gewählt
ist. Die „hintere
Fläche" ist also nicht die
untere Fläche
in der Zeichnung. Außerdem
wird angenommen, dass der Bereich mit einer hohen Konzentration
an Fremdstoffen vom n-Typ ist und durch die Diffusion von Phosphor
gebildet wird, wobei unter einer hohen Konzentration zu verstehen
ist, dass der Bereich eine Trägerkonzentration
von wenigstens 1 × 1017 cm–3 oder mehr aufweist.
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Schritt (2)
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Dann
wird eine dünne
allgemeine Fremdstoff-Halbleiterschicht 1nc im
gesamten Bereich der hinteren Fläche
des Halbleitersubstrats 1 ausgebildet (1B).
Der Leitungstyp der allgemeinen Fremdstoff-Halbleiterschicht 1nc ist
vom n-Typ, wobei die Konzentration an Fremdstoffen hoch ist. Es
ist zu beachten, dass der in diesem Schritt verwendete Fremdstoff
Arsen ist, wobei der Projektionsbereich der Ionen-Implantation kleiner
gewählt
ist als die Diffusionstiefe des Phosphor. Die Tiefe der Schicht
ist also gering (0,1 μm
oder weniger). Als Ausbildungsverfahren für diese Schicht wird eine Ionen-Implantation
verwendet, wobei zum Beispiel angenommen wird, dass die Injektionsenergie
bei 80 keV liegt und die Dosis 2 × 1015 cm–2 beträgt. Die
Tiefe dieser Schicht ist gering, sodass eine hohe Empfindlichkeit für die Leistung
des Photodetektors erzielt wird.
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Schritt (3)
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Dann
wird ein Oxidfilm 2 durch eine thermische Oxidation auf
der hinteren Fläche
des Halbleitersubstrats 1 gebildet (1C).
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Schritt (4)
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Weiterhin
ist eine Stützplatte 3 an
der hinteren Fläche
des Halbleitersubstrats 1 befestigt (1D).
Das Material dieser Stützplatte 3 wird
in einem späteren
Schritt wie weiter unten beschrieben entfernt. Bei dem Material
muss es sich also nicht um ein spezielles Material handeln, wobei
zum Beispiel ein p-Typ-Silizium von einigen 10 Ω·cm verwendet werden kann,
das einfach vorgesehen werden kann. In dem Befestigungsschritt wird
die Stützplatte 3 gegen
das Halbleitersubstrat 1 gepresst, wobei dazwischen der
Oxidfilm 2 angeordnet ist. Die Befestigung wird bei einer
Temperatur von 1000°C
oder weniger bewerkstelligt.
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Schritt (5)
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Danach
wird das Halbleitersubstrat von der vorderen Fläche (von der Fläche gegenüber der
hinteren Fläche,
d.h. von der anderen Fläche)
her poliert und auf eine vorbestimmte Dicke reduziert (1E). Nach
diesem Spiegelpolierschritt beträgt
die Dicke des Halbleitersubstrats 1 zum Beispiel zwischen
einigen 10 μm
und 150 μm
und vorzugsweise zwischen 50 μm
und 100 μm.
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Schritt (6)
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Dann
werden auf der vorderen Fläche
des Halbleitersubstrats 1 eine Vielzahl von Bereichen mit einer
hohen Konzentration an Fremdstoffen des n-Typs sowie eine Vielzahl
von Bereichen mit einer hohen Konzentration an Fremdstoffen des
p-Typs mit vorbestimmten Intervallen ausgebildet. Weiterhin wird
ein Oxidfilm (SiO2) 4 durch eine
thermische Oxidation auf der vorderen Fläche des Halbleitersubstrats 1 ausgebildet
(1F). Die Bereiche mit einer hohen Konzentration
an Fremdstoffen des n-Typs werden durch eine Diffusion von Phosphor
gebildet. Die Bereiche mit einer hohen Konzentration an Fremdstoffen
des p-Typs werden durch eine Implantation von Bor in das Substrat
gebildet. Die Fremdstoff-Bereiche des p-Typs sind in einem PN-Übergang
mit dem n-Typ-Halbleitersubstrat 1 enthalten, um Photodioden
zu bilden. Diese Photodioden sind an der vorderen Fläche des
Halbleitersubstrats 1 positioniert. Weiterhin können diese
Photodioden Lawinenphotodioden oder PIN-Photodioden sein.
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Schr itt (7)
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Dann
werden Löcher
H ausgebildet, die sich von der vorderen Fläche des Halbleitersubstrats 1 zu der
hinteren Fläche
des Halbleitersubstrats 1 erstrecken (1G).
Diese Löcher
H werden ausgebildet, indem eine Maske auf dem Oxidfilm 4 an
der vorderen Fläche
des Halbleitersubstrats 1 vorgesehen wird, wobei die Maske Öffnungen
in den Bereichen 1n' mit
einer hohen Fremdstoffkonzentration aufweist, und indem dann die
Fläche
des Halbleitersubstrats 1 durch die Maske geätzt wird.
Um den Oxidfilm 4 als Maske für das Ätzen vorzubereiten, kann der
Oxidfilm 4 mittels einer Photolithographie geätzt werden.
Für das Ätzen kann
ein isotropisches Nassätzen
oder ein isotropisches Trockenätzen
wie etwa ein ADP-Ätzen
oder ähnliches
verwendet werden. Als Ätzlösung für das Nassätzen kann
HF/HNO3 oder ähnliches verwendet werden.
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Unter
Verwendung des oben beschriebenen Ätzverfahrens ist ein Ätzen mit
einer relativ hohen Produktivität
möglich,
wobei die Löcher
H zu konusförmigen
Löchern,
d.h. zu sich verjüngenden
Löchern ausgebildet
werden können.
Dadurch wird die Schrittdeckung beim Ausbilden der Elektroden in
einer folgenden Stufe verbessert. Die Innenflächen der Löchern H umfassen freiliegende
Flächen
der Bereiche 1n' mit
einer hohen Konzentration an Fremdstoffen an der vorderen Fläche des
Halbleitersubstrats 1, freiliegende Flächen der Berieche 1n mit
einer hohen Konzentration an Fremdstoffen an der hinteren Fläche des
Halbleitersubstrats 1 und geätzte Flächen des Halbleitersubstrats 1.
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Weiterhin
werden n-Typ-Fremdstoffe von den Seiten der Löcher H zu dem Halbleitersubstrat hinzugefügt, wobei
die Bereiche 1n' mit
hohen Konzentrationen an n-Typ-Fremdstoffen an der vorderen Fläche und
die Bereiche 1n mit hohen Konzentrationen an n-Typ-Fremdstoffen
an der hinteren Fläche elektrisch
miteinander verbunden sind (1H). Der mit
Fremdstoffen angereicherte Bereich wird durch das Bezugszeichen 1h angegeben.
Der Schritt zum Hinzufügen
von Fremdstoffen kann durch eine Ionen-Implantation oder eine Diffusion
von n-Typ-Fremdstoffen von der vorderen Fläche des Halbleitersubstrats 1 her
bewerkstelligt werden. Dabei kann die Maske so gelassen wird wie
sie ist, oder es kann der Oxidfilm 4 als Maske verwendet
werden.
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Schritt (9)
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Um
dann den Reihenwiderstand zu reduzieren, werden Metall-Elektrodenfilme h2
aus Aluminium auf den Innenflächen
der Löcher
H ausgebildet. Diese Metall-Elektrodenfilme bilden Kathoden-Elektroden
und erstrecken sich zu der vorderen Fläche des Halbleitersubstrats 1.
Wenn der Oxidfilm 4 gemustert wird, um die Oberflächen der
p-Typ-Fremdstoffbereiche 1p des Halbleitersubstrats 1 vor
dem Ausbilden der Metall-Elektrodenfilme
h2 freizulegen, können
Kontakte der p-Typ-Fremdstoffbereiche 1p gleichzeitig
mit den Metall-Elektrodenfilmen
h2 ausgebildet werden. Danach wird ein lichtempfindliches Harz R
(ein Photoresist wie etwa Polyimid oder ähnliches) auf der vorderen
Fläche
des Halbleitersubstrats 1 aufgetragen, um das Innere der
Löcher
H zu füllen,
sodass der Prozess zum Freilegen der Metallelektroden aus Aluminium
durch einen Photolithographieprozess vorgenommen wird. Die freigelegten Metallelektrodenteile
werden dann mit Ni und Au beschichtet, um Elektroden OM in einem
Photodioden-Array zu bilden. Schließlich wird die Stützplatte 3 mittels
Schleifen und Trockenätzen
vollständig
entfernt, um den Oxidfilm 2 freizulegen.
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Dann
wird durch das Zerschneiden des Wafers zu Chips mit einer vorbestimmten
Größe ein hintergrundbeleuchtetes
Photodioden-Array fertiggestellt, bei dem die Elektroden nur auf
der vorderen Fläche
(der anderen Fläche)
des Halbleitersubstrats vorgesehen sind (1I).
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Schritt (10)
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Der
Photodioden-Array-Chip wird umgedreht (auf den Kopf gestellt), sodass
die vordere Fläche des
Halbleitersubstrats 1 der Leiterplatte C zugewandt und
die Lichteinfallsfläche
die hintere Fläche ist.
Insbesondere wird das Halbleitersubstrat 1 auf der Leiterplatte
C angeordnet, wobei dazwischen Kontakthöcker B aus Au, Lot oder ähnlichem
vorgesehen sind, sodass die Elektroden OM der Photodioden über die
Kontakthöcker
B elektrisch mit den Leiterbahnen auf der Leiterplatte C verbunden
sind (1J). Die Kathoden der Photodioden,
d.h. das n-Typ-Halbleitersubstrat 1 und die Bereiche 1n mit
einer hohen Konzentration an n-Typ-Fremdstoffen, sind mit den Elektroden
OM auf der vorderen Fläche des
Halbleitersubstrats 1 über
die Metall-Elektrodenfilme
h2 und die Fremdstoff-angereicherten Bereiche h1 verbunden. Weiterhin
sind die Anoden der Photodioden, d.h. die p-Typ-Fremdstoffbereiche 1p,
mit den Metall-Elektrodenfilmen
h2 und den Elektroden OM verbunden. Diese Elektroden sind jeweils über die
Kontakthöcker 8 mit
Leiterbahnen für
Kathoden oder Anoden auf der Leiterplatte C verbunden.
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Wie
oben beschrieben, umfasst das Verfahren zum Herstellen eines hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays
die folgenden Schritte: (a) Ausbilden der Bereiche 1n mit
einer hohen Konzentration an Fremdstoffen auf der einen Fläche (der
hinteren Fläche)
des Halbleitersubstrats 1; (b) Befestigen der Stützplatte 3 an
der hinteren Fläche
des Halbleitersubstrats (1); (c) Reduzieren des Halbleitersubstrats 1 durch
Polieren der anderen Fläche
(der vorderen Fläche)
des Halbleitersubstrats 1; (d) Ausbilden der Bereiche 1n' mit einer hohen
Konzentration an Fremdstoffen sowie der Vielzahl von Photodioden
auf der vorderen Fläche
des Halbleitersubstrats 1; (e) Ausbilden der Löcher H,
die sich von den Bereichen 1n' mit einer hohen Konzentration
an Fremdstoffen auf der vorderen Fläche zu den Bereichen 1n mit
einer hohen Konzentration an Fremdstoffen auf der hinteren Fläche erstrecken;
(f) elektrisches Verbinden der Bereiche 1n und 1n' mit einer hohen
Konzentration an Fremdstoffen auf der hinteren Fläche und der
vorderen Fläche
miteinander über
die Löcher
H; und (g) Entfernen der Stützplatte 3 nach
dem Schritt (f). Die Anode oder Kathode der Photodiode ist auf der
einen Fläche
oder auf der anderen Fläche
des Halbleitersubstrats angeordnet, während entsprechend die Kathode
oder die Anode auf der jeweils gegenüberliegenden Seite angeordnet
ist.
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Gemäß dem oben
beschriebenen Herstellungsverfahren wird das Photodioden-Array,
d.h. das Halbleitersubstrat 1, durch den Polierschritt
auf eine vorbestimmte Dicke reduziert. Dadurch wird die für das Ausbilden
der Löcher
H erforderliche Zeitdauer verkürzt.
Außerdem
werden die Bereiche 1n und 1n' mit einer hohen Konzentration
an Fremdstoffen auf den beiden Flächen des Halbleitersubstrats 1 über die
Löcher
H miteinander verbunden. Die Anoden und Kathoden der Photodioden
können
also wahlweise zu derselben Fläche
(der vorderen Fläche)
des Halbleitersubstrats 1 geführt werden. Die Stärke des Substrats
wird durch die Reduktion vermindert. Weil jedoch die Stützplatte
auf der hinteren Fläche
des Halbleitersubstrats 1 vorgesehen ist, kann das Substrat
während
der Verarbeitungsschritte verstärkt werden.
Mit diesem Aufbau kann das Photodioden-Array mit der Vielzahl von
Photodioden erstmalig industriell in Masse hergestellt werden. Weiterhin
ist dieses Photodioden-Array hintergrundbeleuchtet, sodass es für eine Detektorvorrichtung
mit einem hohen Signal/Rauschen-Verhältnis und einer hohen Genauigkeit
verwendet werden kann.
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Weiterhin
umfasst das oben beschriebene Verfahren zum Herstellen eines hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays weiterhin einen Schritt zum Einfüllen des
Harzes R in die Löcher
H. Durch das Einfüllen
des Harzes in die Löcher
H kann die Stärke
des Halbleitersubstrats 1 verbessert werden.
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Das
in den Löchern
H eingefüllte
Harz weist eine Lichtempfindlichkeit auf. Das oben beschriebene
Herstellungsverfahren umfasst weiterhin die folgenden Schritte:
Auftragen eines Photoresists, das zu dem Harz wird, auf der gesamten
Fläche
des anderen Fläche
(der vorderen Fläche)
des Halbleitersubstrats 1; Entfernen von nur dem Photoresist
in den Beriechen, in denen die Elektroden (h2 und OM) auf der anderen
Fläche
des Halbleitersubstrats 1 auszubilden sind; und Ausbilden
der Elektroden h2 in den Bereichen, in denen das Photoresist entfernt wurde.
Das Harz R kann also durch einen normalen Photolithographieprozess
unter Verwendung eines Photoresists eingefüllt werden, wobei das Freilegen der
Elektroden unter Verwendung eines Oxidfilms durchgeführt werden
können,
der unter Verwendung eines Photoresists vor dem Ausbilden der Elektroden gemustert
wurde.
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Weiterhin
sind das Halbleitersubstrat 1 und die Bereiche 1n und 1n' mit hohen Konzentrationen von
Fremdstoffen jeweils vom ersten Leitungstyp (n-Typ in der vorstehenden
Beschreibung). Die Vielzahl von Photodioden umfassen die Vielzahl
von Fremdstoffbereichen 1p vom zweiten Leitungstyp (p-Typ
in der vorstehenden Beschreibung) und das Halbleitersubstrat 1.
Die Anode oder die Kathode, die auf der einen Fläche (der hinteren Fläche) einer
Photodiode angeordnet ist, wird elektrisch zu der anderen Fläche (der
vorderen Fläche)
geführt.
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Weiterhin
umfasst das oben b Herstellungsverfahren den Schritt zum Ausbilden
der allgemeinen Fremdstoff-Halbleiterschicht 1nc des ersten
Leitungstyps (n-Typ in der vorstehenden Beschreibung), die dünner als
die Bereiche mit den hohen Fremdstoffkonzentrationen ist, in dem
gesamten Bereich der einen Fläche
des Halbleitersubstrats 1. Die allgemeine Fremdstoff-Halbleiterschicht 1nc kann
also als Akkumulationsschicht funktionieren.
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Weiterhin
umfasst das oben beschriebene Herstellungsverfahren den Schritt
zum Ausbilden des Oxidfilms 2 auf der einen Fläche (der
hinteren Fläche)
des Halbleitersubstrats 1. Der Oxidfilm kann also als ein
Schutzfilm dienen.
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Hinsichtlich
des dreidimensionalen Packens umfasst das oben beschriebene Verfahren
zum Herstellen eines hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays
weiterhin den Schritt zum Befestigen der vorderen Fläche des Halbleitersubstrats 1 an
der Leiterplatte C, wobei dazwischen die Kontakthöcker B vorgesehen
sind, sodass die Anoden und Kathoden der Photodioden elektrisch
mit der Leiterplatte C verbunden sind. In diesem Fall können die
Anschlussverdrahtungen der Anoden und Kathoden der Photodioden,
die über
die Kontakthöcker
B elektrisch mit der Leiterplatte C verbunden sind, in der Richtung
der Leiterplatte, d.h. in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 1 verlängert werden.
Auf diese Weise kann die Packungsfläche reduziert werden.
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Weiterhin
sind bei dem oben beschriebenen hintergrundbeleuchteten Photodioden-Array
die Bereiche 1n und 1n' mit hohen Konzentrationen an Fremdstoffen
jeweils an der hinteren Fläche
und an der vorderen Fläche
des Halbleitersubstrats 1 ausgebildet und wahlweise mit
den Anoden oder Kathoden der Photodioden verbunden, wobei der PN-Übergang
an der vorderen Fläche
des Halbleitersubstrats 1 ausgebildet ist. Bei dem oben
beschriebenen hintergrundbeleuchteten Photodioden-Array sind die Bereiche 1n und 1n' mit hohen Konzentrationen
an Fremdstoffen über
die Löcher
H, die sich in der Dickenrichtung durch das Halbleitersubstrat 1 erstrecken,
elektrisch miteinander verbunden, wobei das Harz R in die Löcher H gefüllt ist.
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Das
hintergrundbeleuchtete Photodioden-Array weist Vorteile hinsichtlich
des dreidimensionalen Packens und des Herstellungsverfahrens auf, wobei
außerdem
das Harz in den Löchern
eine Verminderung der Substratstärke
der hintergrundbeleuchteten Photodioden verhindern kann.
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Weiterhin
sind gemäß des Aufbaus
des oben genannten hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays das
Halbleitersubstrat 1 und die Bereiche 1n und 1n' mit hohen Fremdstoffkonzentrationen
jeweils vom ersten Leitungstyp (n-Typ in der vorstehenden Beschreibung),
wobei die Photodioden auf der anderen Fläche des Halbleitersubstrats 1 die
Fremdstoffbereiche 1p des zweiten Leitungstyps (p-Typ in
der vorstehenden Beschreibung) und das Halbleitersubstrat umfassen
und wobei die allgemeine Fremdstoff-Halbleiterschicht 1nc des
ersten Leitungstyps, die dünner
als die Berieche 1n mit einer hohen Konzentration an Fremdstoffen
ist, auf der gesamten Fläche
der einen Fläche
des Halbleitersubstrats 1 ausgebildet ist. Die allgemeine
Fremdstoff-Halbleiterschicht 1nc kann also als Akkumulationsschicht
verwendet werden, sodass eine Hochleistungs-Erfassung durchgeführt werden
kann.
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2 ist
eine erläuternde
Ansicht eines Bildscanners, der eine Vielzahl von hintergrundbeleuchteten
Photodioden-Arrays
PDA von 1J auf einer Leiterplatte C
umfasst. Gemäß dem oben
beschriebenen Aufbau wird ein dreidimensionales Packen ermöglicht,
sodass die Vielzahl von hintergrundbeleuchteten Photodioden-Arrays
PDA mit weniger totem Raum in einer Flächenrichtung zweidimensional ohne
Zwischenräume
angeordnet werden können. Insbesondere
kann ein Bildscanner mit einer viel größeren Fläche vorgesehen werden.
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Dabei
ist zu beachten, dass ein großflächiges hintergrundbeleuchtetes
Photodioden-Array für einen
Computer-Transversalachsen-Tomographie (CT)-Scanner,
insbesondere für
einen paneelförmigen
CT-Scanner mit mehreren Röntgenstrahlen,
und für
einen Positronemissions-Tomographie (PET)-Scanner verwendet werden
kann. Bei diesen Scannern ist ein zweidimensional geteilter Szintillator (BGO,
CSO, CWO und ähnliches)
auf einer Lichteinfallsfläche
vorgesehen.
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Es
ist zu beachten, dass bei dem oben beschriebenen Polierschritt ein
chemisches Polieren anstelle eines mechanischen Polierens verwendet werden
kann, wobei die freiliegende Fläche
des Halbleitersubstrats 1 einem Spiegelpolierprozess unterworfen
werden kann. Weiterhin dient die allgemeine Fremdstoff-Halbleiterschicht 1nc auf
der hinteren Fläche
als Akkumulationsschicht. Die Akkumulationsschicht kann ein Erdpotential
aufweisen. Es kann jedoch auch ein positives Potential vorgesehen
werden, sodass eine entgegengesetzte Vorspannung angelegt wird.
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Weiterhin
kann bei dem oben beschriebenen hintergrundbeleuchteten Photodioden-Array
die als Akkumulationsschicht dienende allgemeine Fremdstoff-Halbleiterschicht
dünn ausgebildet
werden, wodurch eine Verbesserung der Empfindlichkeit für ultraviolette
Strahlen ermöglicht
wird.
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Weiterhin
wird in dem Schritt von dem Entfernen der Stützplatte 3 eine Zerteilung
durchgeführt,
indem nach dem Ausbilden der Elektrode OM, dem Ausbilden der gemeinsamen
Elektrode und dem Füllen
der Löcher
ein Zerteilungsband auf dem Halbleitersubstrat 1 aufgetragen
wird. Auch wenn keine vollständig
separaten Chips vorgesehen werden, wird eine Klinge bis zu einer
Position eingeführt,
wo das Halbleitersubstrat 1 zu Chips zerteilt wird (bis
zu dem Oxidfilm 4). Danach kann die befestigte Stützplatte 3 durch ein
mechanisches Polieren und Trockenätzen entfernt werden. Neben
einem normalen Zerteilen unter Verwendung einer Klinge können auch
andere Verfahren unter Verwendung eines Lasers oder ähnlichem
verwendet werden.
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In
dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren können alle Schritte bis zum
Ende der Zerteilung durchgeführt
werden, da der Wafer dick bleibt. Das Verfahren ist also ein innovatives
System zum Erzeugen eine einseitigen Elektroden-Photodiode, wobei das Verfahren eine
hohe Produktivität
aufweist und den Ertrag verbessern kann. Außerdem kann eine Vorspannung über die
Kontakthöcker
B angelegt werden. Es kann also nicht nur eine Nullvorspannungs-Photodiode,
sondern auch ein Sensor mit hoher Geschwindigkeit und geringem Rauschen
(eine PIN-Photodiode und eine Lawinenphotodiode) realisiert werden.
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Mit
dem hintergrundbeleuchteten Photodioden-Array der vorliegenden Erfindung
und dem entsprechenden Herstellungsverfahren ist eine Massenproduktion
möglich.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Die
vorliegende Erfindung kann auf ein hintergrundbeleuchtetes Photodioden-Array
und ein entsprechendes Herstellungsverfahren angewendet werden.
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Zusammenfassung
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Die
Elektroden der Anode und der Kathode einer Photodiode in einem Halbleitersubstrat
sind beide auf einer Seite vorgesehen. Dies wird ermöglicht,
indem eine Elektrode durch ein Loch H, das sich durch das Halbleitersubstrat
erstreckt, elektrisch zu der gegenüberliegenden Seite geführt wird.
Die zum Ausbilden des Loches H erforderliche Zeitdauer ist verkürzt, weil
das Halbleitersubstrat durch Polieren dünner gemacht wurde. Weil eine
Stützplatte
mit dem Halbleitersubstrat verbunden ist, um das dünner gemachte
Substrat während
des Produktionsprozesses zu schützen,
wird die Handhabung des Wafers während
des Prozesses vereinfacht, sodass die Photodiode für die Massenproduktion
geeignet ist.