DE19838373C2 - Verfahren zur Herstellung eines Arrays von Dünnfilmphotodioden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Arrays von Dünnfilmphotodioden. Unter einem Array ist hierbei eine ein- oder zweidimensionale Anordnung zu verstehen.

Es gibt derzeit viele technische Systeme, bei denen optische Signale erfaßt und zur Weiterverarbei­ tung in elektrische Signale umgewandelt werden müssen. Beispiele hierfür sind die Anwendungsfelder (magneto-) optische Datenspeicherung, wie bei CD-, DVD- oder MO- Laufwerken, die optische Datenübertragung über Glas­ fasernetzwerke, sowie die Bereiche Bildverarbeitung, Mustererkennung und optische Spektroskopie. Zur Detek­ tion der elektromagnetischen Strahlung werden bei diesen Systemen in der Regel Halbleiter-Photodioden als Photodetektoren verwendet, die je nach Anforderung als Einzeldiode, Diodenzeile oder Diodenarray angeordnet werden. Im Bereich der Bildverarbeitung kommen hierbei insbesondere zeilenweise oder flächig angeordnete De­ tektoren zum Einsatz.

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

Die einfallende elektromagnetische Strahlung wird im Halbleitersubstrat absorbiert und erzeugt Ladungs­ träger, die schließlich einen Photostrom hervorrufen. Die Größe des Stromflusses hängt von der Beleuchtungs­ stärke der zu erfassenden Strahlung ab. Der detektier­ bare Wellenlängenbereich wird durch das verwendete Halbleiter-Grundmaterial bestimmt. Dieser liegt im Fall von Silizium bei ca. 200 nm bis 1100 nm, während er bei Germanium ca. 200 nm bis 1700 nm umfaßt.

Zwischen den beiden Elektroden der Photodiode wird eine Raumladungszone erzeugt, in deren elektrischem Feld die Trennung der generierten Ladungsträger er­ folgt. Um einen hohen Wirkungsgrad der Photodiode zu erhalten, muß gewährleistet werden, daß ein möglichst großer Teil der Strahlung in die Diode eingekoppelt und weitgehend innerhalb der Raumladungszone absorbiert wird. Außerhalb der Raumladungszone erzeugte Ladungs­ träger rekombinieren überwiegend und tragen nicht zum Photostrom bei. Die Rekombinationsrate wird durch Stö­ rungen des Kristallgitters und Defekte, die auch durch Verunreinigungen hervorgerufen werden können, erhöht und ist insbesondere im Bereich der Oberfläche sehr hoch.

Die Strahlungseinkopplung in die Photodiode wird durch die Brechungsindizes des Halbleitermaterials, der Deckschicht über der Photodiode und der Umgebung be­ stimmt. Bei monochromatischer Strahlung treten außerdem Interferenzeffekte durch Reflexionen an Grenzflächen auf, die die Transmission beeinflussen. Durch geeignete Wahl der Deckschichten über der Photodiode kann eine optische Vergütung realisiert und die Strahlungsein­ kopplung für eine Wellenlänge oder einen Wellenlängen­ bereich optimiert werden.

Die Intensität der einfallenden Strahlung nimmt gemäß dem Absorptionsgesetz exponentiell mit zunehmen­ der Eindringtiefe ab. Die Absorption und damit die Ein­ dringtiefe werden durch den Absorptionskoeffizienten bestimmt, der hauptsächlich vom Halbleitermaterial und dessen Dotierung, sowie von der Wellenlänge der Strah­ lung abhängt. Die Absorption steigt in der Regel mit sinkender Wellenlänge und zunehmender Dotierung an. Ebenso bewirken Kristallstörungen, wie sie in poly­ kristallinem oder amorphem Material in starkem Maß vor­ liegen, ein Ansteigen der Strahlungsabsorption.

Die Weite der Raumladungszone hängt bei gegebener elektrischer Spannung im Wesentlichen von der Dotierung des Halbleiters ab und nimmt mit sinkendem Dotierungs­ niveau zu. Häufig werden daher sog. pin-Photodioden verwendet, die eine intrinsische Halbleiterschicht ent­ halten, die sehr niedrig dotiert ist. Damit können Raumladungszonen mit einer Ausdehnung von mehreren Mikrometern erzeugt werden.

Lag in der Vergangenheit der Schwerpunkt der Ent­ wicklung bei der Fertigung von Einzelphotodioden, so macht die zunehmende Nachfrage nach Gesamtsystemlösun­ gen die Herstellung von integrierten Systemen erforder­ lich, bei denen Detektoren mit der dazugehörenden Aus­ werteelektronik, die Verstärkungs-, Logik- oder Spei­ cherelemente enthalten kann, integriert werden.

Neben der monolithischen Integration, bei der De­ tektoren und Elektronik nebeneinander auf einem Substrat erzeugt werden, gewinnt mittlerweile die ver­ tikale Integration (siehe z. B. Y. Akasaka, Proc IEEE 74 (1986), S. 1703-1710) bzw. die Herstellung von Dünnfilmelementen für Anwendungen, die mit dem Begriff "Smart Label" umschrieben werden, eine immer größere Bedeutung. Hierbei spielen auch die Kosten eine Rolle, da die mono­ lithische Integration zum einen die Entwicklung von speziellen Fertigungsprozessen erfordert und insgesamt höhere Fertigungskosten verursacht. Zum anderen sind Photodioden im Vergleich zur Auswerteelektronik ver­ hältnismäßig einfache Elemente, die in der Regel eine große Fläche beanspruchen. Bei der Integration fallen damit für die Photodioden wesentlich höhere Flächen­ kosten an, als bei der Fertigung im Rahmen eines ein­ fachen Photodiodenprozesses. Für die genannten Anwen­ dungsgebiete ist es allerdings erforderlich, Photo­ dioden in dünnen Halbleiterfilmen mit Dicken von weni­ gen Mikrometern herzustellen.

Speziell bei Anwendungen aus dem Bereich der Mustererkennung oder Bildverarbeitung ist der Einsatz von Detektorarrays erforderlich. Bei einer großen An­ zahl von Pixeln, die einzelnen Photodetektoren entspre­ chen, und bei kleinen Pixelgrößen treten jedoch zuneh­ mend Probleme bei der Verdrahtung der Photodioden auf, da die Signalleitungen nicht mehr aus dem Array heraus­ geführt werden können, ohne die Totfläche, d. h. die für die Detektion ungenutzte Fläche, zwischen den einzelnen Pixeln drastisch zu erhöhen. Die Ursache liegt darin, daß die Verdrahtung auf der Vorderseite des Halbleiter­ substrates, die aus Metall- oder Halbleiterschichten, wie Polysilizium, besteht, die einfallende Strahlung reflektiert bzw. absorbiert. Die Verdrahtungsschichten bewirken daher eine Reduzierung der optisch aktiven Fläche und damit des Gesamtwirkungsgrades sowie eine Verminderung der erreichbaren Auflösung. Weiterhin kann die reflektierte Strahlung das Gesamtsystem stören.

Zur Lösung dieser Probleme wurde die dreidimensio­ nale Integration zur Herstellung von Systemen mit Photodetektorarrays als vielversprechender Weg angese­ hen. Allerdings ist es nicht für alle Anwendungsfälle wünschenswert, ein dreidimensional integriertes System zur Verfügung zu stellen. Für viele Fälle wäre es aus­ reichend, ein Verfahren zur Lösung der Verdrahtungs­ problematik ohne die Integration von elektronischen Komponenten zur Signalverarbeitung zur Verfügung zu haben.

Aus der US 5,449,944 A ist ein Halbleiter-IR- Detektor mit einer Vielzahl von nebeneinander auf einer Substratoberfläche angeordneten Detektorelementen bekannt. Die einzelnen Detektorelemente haben einen Aufbau, bei dem ein n-dotiertes Gebiet in ein p- dotiertes Gebiet eingebettet ist. Im Übergangsbereich zwischen beiden Gebieten bildet sich die Raumladungs­ zone aus. Beide Gebiete erstrecken sich bis an die Oberfläche des Substrates und können dort elektrisch kontaktiert werden. Anschließend wird das Substrat von der Rückseite her bis an das p-dotierte Gebiet gedünnt. Diese rückseitige Oberfläche stellt die Einfallsfläche für IR-Strahlung dar. Bei dieser Anordnung liegt somit im wesentlichen ein vertikaler Aufbau des Detektor­ elementes vor, bei dem in Einfallsrichtung der Strahlung das p-dotierte Gebiet, die Raumladungszone und anschließend das n-dotierte Gebiet folgen.

Die GB 2,231,199 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines IR-Detektorarrays, bei dem die elektrisch leitfähigen Bereiche auf einer Seite eines ersten Substrates hergestellt und darauf elektrische Kontaktzungen aufgebracht werden. Die elektrisch leitfähigen Bereiche bestehen auch hier aus einem p- dotierten Gebiet, in das n-dotierte Gebiete eingebettet sind. Diese Seite des Substrates wird dann auf ein zweites Substrat gebondet, auf dem eine Ver­ drahtungsstruktur vorliegt. Anschließend werden Bereiche des ersten Substrates außerhalb der Detektionsfläche vollständig entfernt bzw. gedünnt, so daß die Kontaktzungen für eine Kontaktierung zugänglich sind.

Beide Druckschriften betreffen die Herstellung bzw. den Aufbau von Photodetektoren bzw. -dioden für den IR-Bereich. Hierbei handelt es sich nicht um Dünnfilmphotodioden. Die aktiven Schichten von IR- Photodioden müssen aufgrund ihrer geringen Absorption im infraroten Spektralbereich eine größere Dicke aufweisen, um den erforderlichen Wirkungsgrad zu erzielen.

Aus der US 5,646,432 A ist die Verwendung von SOI- Substraten für unterschiedliche Einsatzbereiche bekannt. Hierbei wird auch ein Photodetektorarray vorgeschlagen, das einen vertikalen Aufbau, bestehend aus einem n-dotierten Gebiet, einem intrinsischen Gebiet, einem p-dotierten Gebiet und einem n-dotierten Gebiet aufweist. Das intrinsische Gebiet füllt auch einen Bereich zwischen den einzelnen Detektorelementen aus, wo es nicht zur Detektion beiträgt und somit die Flächenausnutzung verschlechtert. Bei dieser Anordnung liegt zudem eine hoch dotierte Schicht an der Ober­ fläche vor, so daß die Raumladungszone erst in einer Tiefe von etwa 0,5 µm beginnt. Oberhalb davon erzeugte Ladungsträger rekombinieren zum Großteil und tragen nicht zum Photostrom bei. Weiterhin ist bei dieser Anordnung die Verdrahtung über eine transparente Kollektorelektrode und Emitterelektroden beidseitig vorgesehen. Dies erfordert eine hohe Transparenz der Kollektorelektrode, die jedoch nicht in allen hier relevanten Spektralbereichen zu erreichen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Arrays von Dünnfilm­ photodioden anzugeben, mit dem die Verdrahtung auf einfache Weise ohne Reduzierung der optisch aktiven Fläche ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird mit den Verfahren nach Anspruch 1 und 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Array von Dünnfilmphotodioden hergestellt, wobei die Photo­ dioden jeweils einen photoempfindlichen Bereich zwischen zwei Elektrodenbereichen in lateraler Anordnung aufweisen.

Für die Herstellung der Photodioden wird zunächst ein erstes Substrat mit lateral voneinander be­ abstandeten elektrisch leitfähigen Bereichen und zumin­ dest einem photoempfindlichen Bereich zwischen jeweils zwei voneinander beabstandeten elektrisch leitfähigen Bereichen unterschiedlichen Leitungstyps bereit­ gestellt, so daß sich Raumladungszonen lateral zwischen den elektrisch leitfähigen Bereichen erstrecken. Je­ weils zwei elektrisch leitfähige Bereiche mit einem dazwischenliegenden photoempfindlichen Bereich bilden eine Photodiode des Arrays. Bei der Herstellung des Detektorarrays müssen demnach mehrere der auf diese Weise gebildeten Photodioden auf dem ersten Substrat vorliegen. Die elektrisch leitfähigen und die photoemp­ findlichen Bereiche liegen an einer Vorderseite des er­ sten Substrates.

Anschließend wird die elektrische Kontaktierung und Verdrahtung der elektrisch leitfähigen Bereiche auf der Vorderseite des ersten Substrates durchgeführt.

Das erste Substrat wird dann mit einem zweiten Substrat derart verbunden, daß die Vorderseite des ersten Substrates zum zweiten Substrat gerichtet ist.

Schließlich wird das erste Substrat von der Rück­ seite her bis an oder nahe an die elektrisch leitfähigen Bereiche gedünnt, so daß die Transmission von zu detektierender Strahlung zum photoempfindlichen Bereich von der Rückseite her ermöglicht wird.

In einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein SOI-Substrat bereitgestellt, das lateral voneinander beabstandete elektrisch leitfähige Bereiche und einen photoempfindlichen Bereich zwischen jeweils zwei voneinander beabstandeten elektrisch leitfähigen Bereichen unterschiedlichen Leitungstyps aufweist, so daß sich Raumladungszonen lateral zwischen den elektrisch leitfähigen Bereichen erstrecken. Die Bereiche liegen an einer Vorderseite des SOI-Substrates und erstrecken sich bis an die Isolationsschicht des SOI-Substrates. Anschließend wird die elektrische Kontaktierung und Verdrahtung der elektrisch leitfähigen Bereiche auf der Vorderseite des SOI- Substrates durchgeführt. Das SOI-Substrat wird danach mit einem zweiten Substrat verbunden, wobei die Vorderseite des SOI-Substrates zum zweiten Substrat gerichtet ist. Schließlich wird das SOI-Substrat von der Rückseite bis an die Isolationsschicht gedünnt.

Durch die erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstel­ lung des Arrays von Dünnfilmphotodioden können dichte Photodiodenarrays hergestellt werden, die hinsichtlich der Pixeldichte nicht durch die Verdrahtung einge­ schränkt sind.

Die Verdrahtung kann auf einfache Weise mit üblichen Verfahren hergestellt werden, wobei die Lei­ tungsführung unabhängig von den Detektorelementen ist und ohne Einschränkung über die Photodioden geführt werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der bevor­ zugten Ausführungsform näher erläutert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Photodioden in einem Standard-Halbleitersubstrat herge­ stellt, wobei in der Regel ein reiner Photodiodenprozeß verwendet wird. Die Anordnung der Elektroden der Photo­ diode erfolgt dabei nicht wie üblich vertikal, d. h. an Vorder- und Rückseite des Substrates, sondern horizon­ tal. Damit erstrecken sich auch die Raumladungszonen lateral und nicht vertikal. Dazu werden im Halbleiter­ substrat dotierte Gebiete gegensätzlicher Polarität er­ zeugt, die sich in die Tiefe erstrecken.

Diese Anordnung hat auch den Vorteil, daß sich die Raumladungszone bis zur Oberfläche der Photodiode er­ streckt. Dies ist besonders im kurzwelligen Spektralbe­ reich von Bedeutung, da hier die Strahlungsabsorption stark ansteigt. Bei einer herkömmlichen Anordnung liegt dagegen in der Regel eine hoch dotierte Elektrode an der Oberfläche, so daß die Raumladungszone erst in einer Tiefe von etwa 0,5 µm beginnt. Oberhalb davon er­ zeugte Ladungsträger rekombinieren zum Großteil und tragen nicht zum Photostrom bei.

Anschließend wird die Verdrahtung mit üblichen Verfahren auf der Vorderseite hergestellt, wobei die Leitungsführung unabhängig von den Detektorelementen ist und ohne Einschränkung über die Photodiode geführt werden kann.

Danach wird das Substrat ähnlich der Flip-Chip- Technologie auf ein Trägersubstrat aufgebracht und von der Rückseite her gedünnt, bis die dotierten Gebiete die Oberfläche erreichen. Diese neue Oberfläche, die mit einer optisch transparenten Deckschicht, beispielsweise aus einem Oxid und/oder Nitrid, oder einem Schichtsystem versehen werden kann, stellt nun die Detektoroberfläche dar. Da die Verdrahtung auf der jetzigen Unterseite ausgeführt ist, wird die Detektoroberseite nicht durch reflektierende oder absorbierende Verdrahtungsschichten behindert.

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

Fig. 1 ein Beispiel für ein Ausgangssubstrat mit sich vertikal in die Tiefe erstreckenden Elektroden zur Bildung einer Photodiode;

Fig. 2 das Ausgangssubstrat mit den Photodioden mit vertikal angeordneten Elektroden nach der Ver­ drahtung;

Fig. 3 das mit einem Trägersubstrat verbundene Aus­ gangssubstrat;

Fig. 3a als weiteres Beispiel ein mit einem Träger­ substrat verbundenes SOI-Ausgangssubstrat; und

Fig. 4 das fertige Photodiodenarray mit integrierten Dünnfilm-Photodioden.

In den Figuren ist hierbei jeweils nur ein Aus­ schnitt aus den Substraten bzw. dem Photodiodenarray dargestellt, der Photodioden erfaßt. Weitere Photo­ dioden können selbstverständlich in den sich seitlich anschließenden (nicht dargestellten) Substratbereicher gebildet sein.

Das im folgenden angeführte Ausführungsbeispiel be­ schreibt die Herstellung einer erfindungsgemäßen Dünn­ film-Photodiode.

In einem Ausgangssubstrat 1 aus z. B. mono­ kristallinem Silizium werden zunächst die sich vertikal in die Tiefe erstreckenden Elektroden hergestellt, wie in Fig. 1 dargestellt. Dazu wird auf dem Substrat 1 eine Maskierungsschicht 2 beispielsweise aus einem Oxid erzeugt oder abgeschieden und strukturiert, so daß die Öffnungen 3 gebildet werden. Die Öffnungen 3 legen dabei die Gebiete der Elektroden der Photodiode fest. Die Elektroden sollen eine gute elektrische Leitfähig­ keit aufweisen, so daß an diesen Stellen hoch dotierte Gebiete, die sich in die Tiefe erstrecken, erzeugt werden müssen.

Dies kann auf verschiedene Weisen erreicht werden. Eine Möglichkeit besteht in der Anwendung von Ionen­ implantation oder Diffusion, wobei anschließend eine Temperung zum Eintreiben und/oder Aktivieren der Do­ tierstoffe folgen kann. Die Schicht 2 aus Oxid dient dabei als Maskierung. Damit können Elektroden mit einer Tiefe von maximal einigen Mikrometern erzeugt werden.

Alternativ ist selbstverständlich auch die Verwen­ dung von Photolack zur Maskierung für die Ionenimplan­ tation möglich.

Beim Einsatz einer Eintreibtemperung, die typi­ scherweise bei Temperaturen von 1100°C bis 1200°C durchgeführt wird, tritt jedoch wegen der isotropen Diffusion gleichzeitig auch eine entsprechende Verbrei­ terung der Strukturen auf. Dadurch vergrößert sich die Elektrode im Vergleich zu den Öffnungen 3.

Eine andere Möglichkeit besteht in einer Ätzung von Gräben. Vorzugsweise wird dazu ein anisotroper Ätz­ prozeß mit steilen Flanken verwendet, so daß der Graben in verschiedenen Substrattiefen nur geringe Maßabwei­ chungen aufweist. Es sind aber auch andere Ätzprozesse, wie isotrope Ätzungen zulässig, solange die Maßabwei­ chungen reproduzierbar und in alle Koordinatenrichtun­ gen gleich sind und scharfe Kanten erzeugt werden.

Zur Ausbildung der Elektroden wird der Graben nun mit mono- oder polykristallinem Substratmaterial, wie Polysilizium, aufgefüllt.

Durch das Auffüllen mit dem Material, aus dem das Substrat 1 besteht, wird außerdem das Problem von un­ terschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten vermieden, die besonders bei den unvermeidbaren Hochtemperaturprozessen mechanische Spannungen hervor­ rufen, zu Kristallfehlern führen und die Eigenschaften der Bauelemente negativ beeinflussen können.

Das Auffüllen kann durch eine konforme LPCVD-Ab­ scheidung erfolgen, welche ein lunkerfreies Auffüllen ermöglicht, in Verbindung mit einem Rückätzschritt, mit dem das polykristalline Material auf der Maskierungs­ schicht 2 wieder entfernt wird. Mit diesem Rückätz­ schritt kann das polykristalline Material auch bis zur Oberfläche des Substrates 1 abgetragen werden. Alterna­ tiv kann das Abtragen von der Maskierungsschicht auch durch mechanisches und/oder chemomechanisches Schleifen erfolgen.

Zur Ausbildung der Elektroden ist eine starke Do­ tierung erforderlich. Die Dotierung kann dabei entweder während der Abscheidung oder im Anschluß daran mittels Ionenimplantation und/oder Diffusion erfolgen, wobei ausgenutzt wird, daß Diffusionsprozesse in polykristallinem Material aufgrund der hohen Korngrenzendichte stark beschleunigt ablaufen.

Im Falle der epitaktischen Auffüllung des Grabens mit Substratmaterial, wie Silizium, muß die Dotierung bereits während des Aufwachsens erfolgen.

Vorzugsweise kann nach oder während der Dotierung eine Temperung derart durchgeführt werden, daß Dotier­ stoffe aus der Grabenfüllung ins niedriger dotierte Substrat 1 diffundieren. Damit verschiebt sich der pn- Übergang ins einkristalline Substratmaterial 1 und ver­ meidet eine nachteilige Beeinflussung der Diodeneigen­ schaften durch Kristallstörungen, wie sie in polykri­ stallinem Material vorhanden sind.

Mit einer der erwähnten Methoden werden die Elek­ troden 4 und 5 im Halbleitersubstrat 1 erzeugt, wobei die gegenüberliegenden Elektroden 4 und 5 eine entge­ gengesetzte Polarität aufweisen. So kann die Elektrode 4 z. B. n-dotiert sein, während die Elektrode 5 dann p- dotiert ist. Ist das Ausgangssubstrat 1 nun n-dotiert, so stellt die Elektrode 4 den Substratanschluß dar, während die Elektrode 5 mit dem Substrat die laterale Diode bildet (Fig. 1). Um einen hohen Wirkungsgrad zu erhalten, wird der Abstand der Elektroden so gewählt, daß sich die Raumladungszone über das gesamte Gebiet zwischen den Elektroden erstreckt.

Für den Fall, daß die gewünschte Pixelgröße größer als die maximal mögliche Ausdehnung der Raumladungszone ist, können mehrere Detektorzellen zu einem Pixel ver­ schaltet werden.

Vor der Realisierung der elektrischen Anschlüsse wird eine Isolationsschicht 6 aufgebracht oder erzeugt, die aus undotiertem oder dotiertem Oxid, wie FSG, PSG, BSG oder BPSG, aus Nitrid oder einem Schichtsystem der genannten Materialien besteht. Neben der Isolation ge­ währleistet diese Schicht auch einen Schutz der Photo­ diode. Anschließend wird die Metallisierung 7 herge­ stellt und eine Passivierungsschicht 8, die beispiels­ weise aus Oxid und Nitrid besteht, abgeschieden. Das Ergebnis ist in Fig. 2 dargestellt.

Als Verdrahtung kann auch eine Mehrlagenmetalli­ sierung zum Einsatz kommen. Die Leitbahnführung ist dabei nicht durch die Photodioden eingeschränkt und kann auch über die Photodioden verlaufen.

Nach der Fertigstellung der Leitbahnen wird nun das Substrat 1 auf eine Restdicke von wenigen Mikro­ metern gedünnt. Dazu wird ein Trägersubstrat 10, das eventuell mit einer Abdeckschicht 11, beispielsweise aus Oxid, versehen ist, auf das erste Substrat 1 aufge­ bracht. Als Trägersubstrat sind neben mono- oder poly­ kristallinen Siliziumsubstraten auch andere Materialien verwendbar, die zu Halbleiterprozessen kompatibel sind, wie z. B. Quarz- oder Glassubstrate. Um eine gute Ver­ bindung zu erreichen, wird dabei vorzugsweise die Ober­ fläche des Substrates 1 planarisiert.

Die Planarisierung kann mit verschiedenen Verfah­ ren durchgeführt werden. Dabei wird zuerst eine Isola­ tionsschicht 9, wie z. B. Spin-on-Glas oder ein CVD-Oxid aufgebracht. Die maximal mögliche Temperatur wird dabei durch das zulässige Temperaturbudget, in der Regel durch die bei der Metallisierung verwendeten Materia­ lien vorgegeben und liegt typischerweise im Bereich von 400°C. Anschließend wird die Oberfläche eingeebnet, beispielsweise durch Rückätzen, mechanisches und/oder chemomechanisches Schleifen. Nun wird auf die Oberflä­ che des Substrates 1 oder des Trägersubstrates 10 ganz­ flächig eine Haftschicht 12 aus einem organischen Mate­ rial, wie Polyimid oder Photolack, aufgebracht. Diese Haftschicht 12 mit einer Dicke von typischerweise 1-2 µm bewirkt außerdem eine Planarisierung der Oberfläche. Auf die Haftschicht 12 wird schließlich das Träger­ substrat 10 aufgeklebt (siehe Fig. 3). Dabei ist keine Justage erforderlich. Es genügt vielmehr eine grobe Ausrichtung der beiden Substrate. Das Trägersubstrat 10 wird als Handlingsubstrat für die weiteren Prozeß­ schritte verwendet und schützt die Oberfläche des Substrates 1 bei der weiteren Bearbeitung.

Danach wird das Substrat 1, das die Photodioden enthält, durch Ätzen und/oder Schleifen von der Rück­ seite her gedünnt, bis die Dicke des Substrates 1 nur noch wenige Mikrometer beträgt und die hoch dotierten Elektroden 4 und 5 die neue Oberfläche erreichen.

Dieser Dünnungsprozeß kann dadurch vereinfacht werden, daß als Ausgangsmaterial für das Substrat 1 SOI-Material verwendet wird, welches eine vergrabene Oxidschicht 19 enthält. Der Vorteil liegt darin, daß der Dünnungsprozeß so ausgelegt wird, daß diese vergra­ bene Oxidschicht 19 als Ätzstopp dient. Aufgrund der großen Selektivität der Ätzprozesse wird damit eine hohe Homogenität der Dicke des gedünnten Substrates 1 erreicht. Die Enddicke des Substrates 1 wird dabei durch die Dicke der Substratschicht oberhalb des ver­ grabenen Oxides 19, das danach entfernt werden kann, bestimmt. Die Tiefe der Elektroden 4, 5 wird so ausgelegt, daß sich die Elektroden 4, 5 bis zur vergrabenen Oxidschicht 19 erstrecken, wie in Fig. 3a dargestellt.

Nun wird die neu gebildete Oberfläche des Substra­ tes 1 mit einer Schicht oder einem Schichtsystem 13 versehen, das die Oberfläche schützt, das Halbleiter­ substrat 1 elektrisch isoliert und gleichzeitig als Passivierung dienen kann, wie in Fig. 4 gezeigt. In der Regel wird die Schicht 13 aus einem Oxid oder Nitrid bestehen. Im Falle der oben angesprochenen Verwendung von SOI-Material für das Substrat kann die vergrabene Oxidschicht 19 des SOI-Substrates als Abdeckschicht verwendet werden. Dies kann sich günstig auf die Quali­ tät der Grenzfläche von Substrat 1 zu Abdeckschicht 13, und damit auf die elektrischen Eigenschaften der Photo­ dioden auswirken.

Die Schicht 13 stellt nun gleichzeitig die Deck­ schicht über der Photodiode dar und kann dahingehend angepaßt werden, daß eine maximale Strahlungseinkopp­ lung in die Photodiode erreicht wird.

Die Verdrahtung verläuft dagegen auf der Unter­ seite der Photodiode und beeinflußt nicht die Detek­ tionsflächen. Die Anschlußkontakte der Metallisierung können mit bekannten Verfahren der vertikalen Integra­ tion zugänglich gemacht werden. Da es sich bei den Pads in der Regel um großflächige Gebiete mit typischen Ab­ messungen von 100 µm handelt, werden hier keine hohen Anforderungen an die Justagegenauigkeit gestellt. Damit ist es auch bei Arrays mit hoher Pixeldichte kein Pro­ blem, die Signale zur Auswerteelektronik zu leiten. Für den Fall, daß das Trägersubstrat 10 bereits vor dem Verbinden Bauelemente enthält, wird mit dem Verfahren eine vertikale Integration von Strahlungsdetektoren und Auswerteelektronik erreicht.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung eines Arrays von Dünnfilmphotodioden, mit folgenden Schritten:

• - Bereitstellen eines ersten Substrates (1) mit lateral voneinander beabstandeten elektrisch leit­ fähigen Bereichen (4, 5) und einem photoempfind­ lichen Bereich zwischen jeweils zwei voneinander beabstandeten elektrisch leitfähigen Bereichen unterschiedlichen Leitungstyps (4, 5), so daß sich Raumladungszonen lateral zwischen den elektrisch leitfähigen Bereichen (4, 5) erstrecken, wobei die Bereiche an einer Vorderseite des ersten Substrates (1) liegen;
• - Durchführen der elektrischen Kontaktierung und Verdrahtung der elektrisch leitfähigen Be­ reiche (4, 5) auf der Vorderseite des ersten Substrates (1);
• - Verbinden des ersten Substrates (1) mit einem zweiten Substrat (10), wobei die Vorderseite des ersten Substrates (1) zum zweiten Substrat (10) gerichtet ist; und
• - Dünnen des ersten Substrates (1) von der Rückseite bis an oder nahe an die elektrisch leitfähigen Bereiche (4, 5), so daß die Trans­ mission von zu detektierender Strahlung zum photoempfindlichen Bereich von der Rückseite her ermöglicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bereitstellens des ersten Substrates (1) umfaßt:

• - Aufbringen und Strukturieren einer Maskie­ rungsschicht (2) auf das Substrat (1) zur Festle­ gung der lateralen Struktur der elektrisch leitfä­ higen Bereiche (4, 5); und
• - Erzeugen der elektrisch leitfähigen Bereiche (4, 5) als hoch dotierte Bereiche, die sich an den durch die Maskierungsschicht festgelegten Stellen in das Substrat erstrecken, wobei das Substrat (1) aus einem Halbleitermate­ rial besteht.

3. Verfahren zur Herstellung eines Arrays von Dünnfilmphotodioden, mit folgenden Schritten:

• - Bereitstellen eines SOI-Substrates (1) mit lateral voneinander beabstandeten elektrisch leit­ fähigen Bereichen (4, 5) und einem photoempfind­ lichen Bereich zwischen jeweils zwei voneinander beabstandeten elektrisch leitfähigen Bereichen unterschiedlichen Leitungstyps (4, 5), so daß sich Raumladungszonen lateral zwischen den elektrisch leitfähigen Bereichen (4, 5) erstrecken, wobei die Bereiche an einer Vorderseite des SOI-Substrates (1) liegen und sich bis an die Isolationsschicht des SOI-Substrates erstrecken;
• - Durchführen der elektrischen Kontaktierung und Verdrahtung der elektrisch leitfähigen Be­ reiche (4, 5) auf der Vorderseite des SOI- Substrates (1);
• - Verbinden des SOI-Substrates (1) mit einem zweiten Substrat (10), wobei die Vorderseite des SOI-Substrates (1) zum zweiten Substrat (10) gerichtet ist; und
• - Dünnen des SOI-Substrates (1) von der Rückseite bis an die Isolationsschicht.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen der elektrisch leitfähigen Be­ reiche (4, 5) mittels Ionenimplantation oder Dif­ fusion mit anschließender Temperung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen der elektrisch leitfähigen Be­ reiche (4, 5) dadurch erfolgt, daß Gräben in das Substrat geätzt und anschließend mit elektrisch leitfähigem Material aufgefüllt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen der elektrisch leitfähigen Be­ reiche (4, 5) dadurch erfolgt, daß Gräben in das Substrat geätzt und mit Material aufgefüllt werden, das anschließend oder während des Auffül­ lens elektrisch leitfähig gemacht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mono- oder polykristallines Substratmaterial ist, das während oder nach der Abscheidung dotiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß während oder nach der Abscheidung eine Tempe­ rung derart erfolgt, daß Dotierstoffe aus den Grä­ ben in das Substrat diffundieren.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verbinden des ersten bzw. SOI- Substrates (1) mit dem zweiten Substrat (10) eine Isolationsschicht (9) auf die Vorderseite des ersten bzw. SOI-Substrates aufgebracht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden des ersten bzw. SOI-Substrates (1) mit dem zweiten Substrat (10) mittels einer Haftschicht (12) erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verbinden des ersten bzw. SOI- Substrates (1) mit dem zweiten Substrat (10) die Vorderseite des ersten bzw. SOI-Substrates planarisiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Substrat (10) aus einem zu Halblei­ terprozessen kompatiblen Material, insbesondere aus mono- oder polykristallinem Silizium, Quarz oder Glas besteht.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Dünnen des ersten bzw. SOI-Substrates (1) durch Ätzen und/oder Schleifen erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Dünnen des ersten bzw. SOI-Substrates (1) bis zu den elektrisch leitfähigen Bereichen (4, 5) erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Dünnen eine Schutzschicht (13) auf die Rückseite des ersten bzw. SOI-Substrates (1) aufgebracht wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchführen der elektrischen Kontaktierung und Verdrahtung umfaßt:

• - Aufbringen und Strukturieren einer Isola­ tionsschicht (6) auf die elektrisch leitfähigen Bereiche (4, 5);
• - Herstellen einer Metallisierungsstruktur (7) für die Kontaktierung und Verdrahtung; und
• - Aufbringen einer Passivierungsschicht (8) auf die Metallisierungsstruktur.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Substrat (10) weiterhin elektroni­ sche Bauelemente zur Signalverarbeitung enthält.