DE19838442C1

DE19838442C1 - Verfahren zur Herstellung von Photodetektoren

Info

Publication number: DE19838442C1
Application number: DE1998138442
Authority: DE
Inventors: Reinhold Buchner; Melanie Sax
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1998-08-24
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2018-08-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Photodetektoren, bei dem ein Substrat bereitgestellt wird, das an der Vorderseite einen photoempfindlichen Bereich zwischen zwei elektrisch leitfähigen Bereichen in lateraler Anordnung aufweist. Das Substrat wird mit einem Hilfssubstrat verbunden und anschließend von der Rückseite bis an oder nahe an die elektrisch leitfähigen Bereiche gedünnt. Weiterhin wird ein Trägersubstrat bereitgestellt, das die Leitbahnen für die Verdrahtung der elektrisch leitfähigen Bereiche trägt. Das Trägersubstrat wird mit dem gedünnten Substrat so verbunden, daß die elektrisch leitfähigen Bereiche über den entsprechenden Leitbahnen liegen. Anschließend werden das Hilfssubstrat entfernt und die elektrischen Verbindungen zwischen den Leitbahnen und den elektrisch leitfähigen Bereichen hergestellt. DOLLAR A Auf diese Weise kann ein Array von dicht liegenden Photodetektoren verwirklicht werden, die hinsichtlich der Pixeldichte nicht durch die Verdrahtung eingeschränkt sind und sich für den Einsatz bei der dreidimensionalen Integration eignen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel lung von Photodetektoren, insbesondere Photodioden, vorzugsweise in Form eines Arrays. 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 Detektoren zum Einsatz.

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

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

Zwischen den beiden Elektroden der Photodiode wird eine Raumladungszone erzeugt, in deren elektrischem Feld die Trennung der generierten Ladungsträger 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 Störungen des Kristallgitters und Defekte, die auch durch Verunreinigungen hervorgerufen werden können, erhöht und ist insbesondere im Bereich der Oberfläche sehr hoch.

Die Strahlungseinkopplung in die Photodiode wird durch die Brechungsindizes des Halbleitermaterials, der Deckschicht über der Photodiode und der Umgebung be stimmt. Bei monochromatischer Strahlung treten außerdem Interferenzeffekte durch Reflexionen an Grenzflächen auf, die die Transmission beeinflussen. Durch geeignete Wahl der Deckschichten über der Photodiode können eine optische Vergütung realisiert und die 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 Detektoren und Elektronik nebeneinander auf einem Substrat erzeugt werden, gewinnt mittlerweile die ver tikale Integration (siehe z. B. Y. Akasaka, Proc IEEE 74 (1986) 1703-1714) bzw. die Herstellung von Dünnfilmelementen für Anwendungen, die mit dem Begriff "Smart Label" um schrieben werden, eine immer größere Bedeutung. Hierbei spielen auch die Kosten eine Rolle, da die monolithi sche Integration zum einen die Entwicklung von speziel len Fertigungsprozessen erfordert und insgesamt höhere Fertigungskosten verursacht. Zum anderen sind Photo dioden im Vergleich zur Auswerteelektronik verhältnis mäßig einfache Elemente, die in der Regel eine große Fläche beanspruchen. Bei der Integration fallen damit für die Photodioden wesentlich höhere Flächenkosten an, als bei der Fertigung im Rahmen eines einfachen Photo diodenprozesses. Für die genannten Anwendungsgebiete ist es allerdings erforderlich, Photodioden in dünnen Halbleiterfilmen mit Dicken von wenigen Mikrometern herzustellen.

Speziell bei Anwendungen aus dem Bereich der Mustererkennung oder Bildverarbeitung ist der Einsatz von Detektorarrays erforderlich. Bei einer großen 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 5,646,432 ist ein Verfahren zur Herstellung von Photodetektoren bekannt, bei dem lateral voneinander beabstandete elektrisch leitfähige Bereiche in der dünnen Siliziumschicht eines SOI- Substrats erzeugt werden. Hierfür wird zunächst das SOI-Substrat durch Zusammenbringen zweier Silizium substrate über eine thermische Oxidschicht und Rück dünnen eines dieser Substrate hergestellt. Anschließend wird in der dünnen Siliziumschicht ein vertikaler Aufbau, bestehend aus einem n-dotierten Gebiet, einem intrinsischen Gebiet, einem p-dotierten Gebiet und einem n-dotierten Gebiet erzeugt. Auf der Vorderseite wird eine elektrische Verdrahtung zur Bildung der Emitterelektroden erzeugt. Anschließend wird das SOI- Substrat mit der Vorderseite auf ein Trägersubstrat aufgebracht, von der Rückseite bis an die Oxidschicht gedünnt, und die elektrische Kontaktierung über Kontaktlöcher und Aufbringen einer transparenten Kollektorelektrode hergestellt.

Ein Nachteil dieser Anordnung besteht jedoch zum einen in der zweiseitigen Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Bereiche, die die einfallende Strahlung schwächen kann, zumal eine hohe Transparenz der Kollektorelektrode nicht in allen relevanten Spektral bereichen zu erreichen ist. Zum anderen bestehen aufgrund der zur Durchführung der Verdrahtung erforder lichen Prozessierung der dünnen Siliziumschicht mit den dotierten Bereichen prozeßbedingte Einschränkungen für die Herstellung der Verdrahtung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Photodetektoren anzu geben, mit dem bei arrayförmiger Anordnung die Verdrah tung auf einfache Weise ohne Reduzierung der optisch aktiven Fläche oder Schwächung der einfallenden Strahlung und ohne prozeßbedingte Einschränkungen im Hinblick auf die aktiven Photodetektorbereiche ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Photo detektoren hergestellt, die jeweils einen photoempfind lichen Bereich zwischen zwei Elektrodenbereichen in lateraler Anordnung aufweisen. Vorzugsweise wird ein Array solcher Photodetektoren hergestellt.

Für die Herstellung der Photodetektoren wird zu nächst eine Substratscheibe mit lateral voneinander be abstandeten elektrisch leitfähigen Bereichen und zumin dest einem photoempfindlichen Bereich zwischen zwei elektrisch leitfähigen Bereichen hergestellt. Jeweils zwei elektrisch leitfähige Bereiche mit einem dazwischenliegenden photoempfindlichen Bereich bilden einen Photodetektor. Bei der Herstellung eines Detek torarrays müssen demnach mehrere der auf diese Weise gebildeten Photodetektoren auf der Substratscheibe vor liegen. Die (elektrisch leitfähigen und photoempfind lichen) Bereiche liegen an einer ersten Hauptseite der Substratscheibe.

Die Substratscheibe wird mit einem Hilfsträger derart verbunden, daß die erste Hauptseite der Substratscheibe zum Hilfsträger gerichtet ist.

Anschließend wird die Substratscheibe von der zweiten Hauptseite bis an oder nahe an die elektrisch leitfähigen Bereiche gedünnt.

Als nächstes wird ein Kontaktsubstrat bereitge stellt, das zumindest eine Kontaktierungsebene mit Leiterbahnen und Anschlußflächen für die elektrische Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Bereiche aufweist. Insbesondere kann das Kontaktsubstrat die Auswerteelektronik für die Photodetektoren enthalten.

Die Substratscheibe wird so mit dem Kontakt substrat verbunden, daß die zweite Hauptseite der Substratscheibe zum Kontaktsubstrat gerichtet ist, und die elektrisch leitfähigen Bereiche über zugeordneten Anschlußflächen des Kontaktsubstrates liegen.

Schließlich werden der Hilfsträger entfernt und die elektrischen Verbindungen zwischen den Anschluß flächen und den elektrisch leitfähigen Bereichen hergestellt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstel lung der Photodetektoren können dichte Photodetektor arrays hergestellt werden, die hinsichtlich der Pixel dichte nicht durch die Verdrahtung eingeschränkt sind und sich für den Einsatz bei der dreidimensionalen Integration eignen.

Die Verdrahtung und die Auswerteelektronik können auf einfache Weise mit üblichen Verfahren auf dem Kontaktsubstrat hergestellt werden, wobei die Lei tungsführung und Prozessierung unabhängig von den Detektorelementen ist und ohne Einschränkung über die zur Verfügung stehende Fläche geführt werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der bevor zugten Ausführungsform, speziell zur Herstellung von Photodiodenarrays, näher erläutert.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für ein Ausgangssubstrat (erstes Substrat) mit sich vertikal in die Tiefe er streckenden Elektroden zur Bildung von Photodioden;

Fig. 2 das mit einem Hilfssubstrat (zweites Substrat) verbundene Ausgangssubstrat;

Fig. 3 das mit dem Hilfssubstrat verbundene Ausgangs substrat nach dem Rückdünnen des Ausgangs substrates;

Fig. 4 ein Trägersubstrat (drittes Substrat) mit einer Verdrahtungsebene;

Fig. 5 das mit dem Trägersubstrat verbundene Aus gangssubstrat einschließlich Hilfssubstrat; und

Fig. 6 das fertige Photodiodenarray mit vertikal in tegrierten Photodioden.

Bei dem Verfahren werden die Photodioden in einer Substratscheibe, 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 eines Substrates, sondern hori zontal. Damit erstrecken sich auch die Raumladungszonen lateral und nicht vertikal. Dazu werden an der Vorder seite des Halbleitersubstrates dotierte Gebiete gegen sätzlicher Polarität erzeugt, die sich in die Tiefe er strecken.

Diese Anordnung hat auch den Vorteil, daß sich die Raumladungszone bis zur Oberfläche der Photodiode er streckt. Dies ist besonders im kurzwelligen Spektral bereich 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.

Die Verdrahtung wird auf einem zweiten Substrat (Kontaktsubstrat) bereitgestellt, welches auch aktive elektronische Ele mente zur Signalverarbeitung enthalten kann. Die Lei tungsführung wird dabei nicht durch die Detektorflächen eingeschränkt.

Das Substrat, das die Photo dioden enthält, wird auf der Vorderseite mit einem Träger substrat Hilfsträger verbunden und von der Rückseite her gedünnt, bis die dotierten Gebiete die Oberfläche erreichen. Die Photodioden werden nun auf das Verdrahtungssubstrat aufgebracht, und das Trägersubstrat wird entfernt. An schließend werden nun die elektrischen Verbindungen zwischen den Elektroden der Detektoren und der Verdrah tungsebene hergestellt.

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) Substratbereichen gebildet sein.

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

In einem Ausgangssubstrat 1 aus z. B. monokristal linem Silizium werden zunächst die sich vertikal in die Tiefe erstreckenden Elektroden hergestellt, wie in Fig. 1 dargestellt. Dazu wird auf dem Substrat 1 eine Mas kierungsschicht 2, beispielsweise aus Oxid, erzeugt oder abgeschieden und strukturiert, so daß die Öffnun gen 3 gebildet werden. Die Öffnungen 3 legen dabei die Gebiete der Elektroden der Photodiode fest. Die Elek troden sollen eine gute elektrische Leitfähigkeit auf weisen, 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 wegen der isotropen Diffusion gleichzeitig auch eine entsprechende Verbreiterung der Strukturen auf. Dadurch vergrößert sich die Elektrode im Vergleich zu den Öffnungen 3.

Eine andere Möglichkeit der Herstellung der Elek troden besteht in einer Ätzung von Gräben. Vorzugsweise wird dazu ein anisotroper Ätzprozeß mit steilen Flanken verwendet, so daß der Graben in verschiedenen Substrat tiefen nur geringe Maßabweichungen aufweist. Es sind jedoch auch andere Ätzprozesse, wie isotrope Ätzungen zulässig, solange die Maßabweichungen reproduzierbar und in alle Koordinatenrichtungen 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 in vorteilhafter Weise das Problem von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungs koeffizienten vermieden, die besonders bei den unver meidbaren Hochtemperaturprozessen mechanische Spannun gen hervorrufen, 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 entweder wäh rend der Abscheidung oder im Anschluß daran mittels Ionenimplantation und/oder Diffusion erfolgen, wobei ausgenutzt wird, daß Diffusionsprozesse in polykri stallinem 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 wird nach oder während der Dotierung eine Temperung derart durchgeführt, daß Dotierstoffe aus der Grabenfüllung ins niedriger dotierte Substrat 1 diffundieren. Damit verschiebt sich der pn-Übergang ins einkristalline Substratmaterial 1 und vermeidet eine nachteilige Beeinflussung der Diodeneigenschaften durch Kristallstörungen, wie sie in polykristallinem 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.

Anschließend wird eine Isolationsschicht 6 aufge bracht 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 gewährleistet diese Schicht auch einen Schutz der Photodiode und kann als Passivierung dienen.

Danach wird nun das Substrat 1 auf eine Restdicke von wenigen Mikrometern gedünnt. Dazu wird ein Hilfs substrat 10, das eventuell mit einer Abdeckschicht 11, aus beispielsweise Oxid, versehen ist, auf das erste Substrat 1 aufgebracht. Als Hilfssubstrat sind neben mono- oder polykristallinen Siliziumsubstraten auch andere Materialien verwendbar, die zu Halbleiterprozes sen kompatibel sind, wie z. B. Quarz- oder Glas substrate. Um eine gute Verbindung zu erreichen, wird dabei vorzugsweise die Oberfläche des Substrates 1 planarisiert.

Die Planarisierung kann mit verschiedenen Verfah ren durchgeführt werden: Dabei wird zuerst eine Isola tionsschicht, wie z. B. Spin-on-Glas oder ein CVD-Oxid aufgebracht. Die maximal mögliche Temperatur wird durch das zulässige Temperaturbudget bestimmt, da jede Temperaturbehandlung eine Diffusion von Dotierstoffen hervorruft. Anschließend wird die Oberfläche einge ebnet, was durch Rückätzen, mechanischem oder chemo mechanischem Schleifen erfolgt. Nun wird auf die Ober fläche des Substrates 1 oder des Hilfssubstrates 10 ganzflächig eine Haftschicht 12 aus einem organischen Material, wie Polyimid oder Photolack, aufgebracht. Diese Haftschicht 12 mit einer Dicke von typischerweise 1-2 µm bewirkt außerdem eine weitere Planarisierung der Ober fläche. Mit der Haftschicht 12 wird schließlich das Hilfssubstrat 10 aufgeklebt. Das Ergebnis ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei ist keine Justage erforderlich. Es genügt vielmehr eine grobe Ausrichtung der beiden Substrate. Das Hilfssubstrat 10 wird als Hand lingsubstrat für die weiteren Prozeßschritte 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 hochdotierten 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 enthält. Der Vorteil liegt darin, daß der Dünnungsprozeß so ausgelegt wird, daß diese vergrabene Oxidschicht als Ätzstopp dient. Aufgrund der großen Selektivität der Ätzprozesse wird damit eine hohe Homo genität der Dicke des gedünnten Substrates 1 erreicht. Die Enddicke des Substrates 1 wird in diesem Fall durch die Dicke der Substratschicht oberhalb des vergrabenen Oxides, das danach entfernt werden kann, bestimmt. Die Tiefe der Elektroden 4, 5 wird vorzugsweise so ausge legt, daß sich die Elektroden 4, 5 bis zur vergrabenen Oxidschicht erstrecken.

Nun wird die neu gebildete Fläche des Substrates 1 mit einer Schicht oder einem Schichtsystem 13 versehen, das die Oberfläche schützt und das Halbleitersubstrat 1 elektrisch isoliert, wie in Fig. 3 dargestellt. In der Regel wird die Schicht 13 aus Oxid und/oder Nitrid be stehen. Im Falle der oben angesprochenen Verwendung von SOI-Material für das Substrat kann die vergrabene Oxid schicht des SOI-Substrates als Abdeckschicht verwendet werden. Dies kann sich günstig auf die Qualität der Grenzfläche von Substrat 1 zu Abdeckschicht 13, und damit auf die elektrischen Eigenschaften der Photo dioden auswirken.

Parallel dazu wird ein Trägersubstrat 20 gemäß Fig. 4 bereitgestellt, das zumindest eine Verdrah tungsebene enthält. Die Leitbahn 22 befindet sich dabei auf einer Isolationsschicht 21, die beispielsweise aus Oxid oder Nitrid besteht, und, ist mit einer Abdeck schicht 23 isoliert. Die Leitbahnen 22 können dabei aus Metallen, wie Al, Cu, Mo, Ta, Ti, W, oder Metallverbin dungen, wie AlSi, AlSiCu, MoSi2, TaSi2, TiSi2, PtSi, WSi2, bestehen. Die Deckschicht 23 besteht in der Regel aus Oxid und/oder Nitrid, kann auch als Passivierung dienen und wird mit einem der erwähnten Verfahren planarisiert.

Alternativ kann das Trägersubstrat 20 auch mehrere Verdrahtungsebenen und/oder elektronische Bauelemente enthalten.

Nun wird auf die Oberfläche des Substrates 20 oder auf die Rückseite des Substrates 1 ganzflächig eine Haftschicht 24 aus einem organischen Material, wie Polyimid oder Photolack, aufgebracht. Diese Haftschicht 24 mit einer Dicke von typischerweise 1-2 µm bewirkt außerdem eine Planarisierung der Oberfläche. Mit der Haftschicht 24 wird schließlich das mit dem Hilfs substrat 10 verbundene Substrat 1 justiert verklebt. Das Ergebnis zeigt Fig. 5. Dabei muß eine Ausrichtung der Elektroden 4 und 5 bezüglich der Leitbahnen 22 er folgen. Da die Weite der Raumladungszone und damit auch der Abstand der Elektroden Werte von typischerweise ca. 10 µm aufweisen, sind die Anforderungen an die Justage genauigkeit entspannt, da die Kontaktgebiete auf den Leitbahnen entsprechend groß ausgelegt werden können.

Danach werden das Hilfssubstrat 10, die Abdeck schicht 11 und die Haftschicht 12 entfernt. Das Hilfs substrat 10 und die Abdeckschicht 11 können durch Ab ätzen oder Abschleifen, die Haftschicht 12 mit einem Sauerstoffplasma oder einem Lösungsmittel abgetragen werden. Die Abdeckschicht 11 kann dabei als Stopp schicht für das Entfernen des Trägersubstrates 10 dienen.

Anschließend werden die elektrischen Verbindungen zwischen den Elektroden 4, 5 der Photodioden und der Verdrahtungsebene 22 hergestellt. Dazu wird mittels einer justierten Photolithographie ein Graben geätzt, der innerhalb der hochdotierten Elektroden 4 und 5 liegt und bis zur Verdrahtung 22 reicht, wie in Fig. 6 dargestellt. Da die Phototechnik auf dem Ausgangs substrat 1 ausgeführt wird, können die standardmäßig verwendeten Justagemarken verwendet werden, so daß eine hohe Justagegenauigkeit erreicht wird. Danach wird der Graben mit einem leitfähigen Material 30 aufgefüllt, so daß elektrische Verbindungen hergestellt werden. Als Füllmaterialien kommen dabei in der Regel Metalle, bzw. Metallverbindungen, wie Al, AlSi, AlSiCu, Cu, TiN, W in Frage. Danach wird das Verbindungsmaterial durch einen Rückätzschritt oder durch mechanisches und/oder chemo mechanisches Schleifen von der Oberfläche des Oxides 6 entfernt. Zuletzt wird eine Abdeckschicht 31, die gleichzeitig die Verbindungen isoliert und als Passi vierungsschicht dienen kann, abgeschieden (siehe Fig. 6). Die Abdeckschicht 31 besteht in der Regel aus Oxid und/oder Nitrid.

In ähnlicher Weise können ebenso elektrische An schlüsse vom Trägersubstrat 20 zur Kontaktierung an die Oberfläche geführt werden.

Die Schichten 2, 6 und 31 stellen gleichzeitig die Deckschichten über der Photodiode dar. Im Zuge einer Optimierung der Strahlungseinkopplung in die Photodiode kann bei Bedarf eine Modifikation dieser Schichten über den Photodioden durchgeführt werden. Dies kann durch ein lokales Dünnen, Entfernen und/oder Abscheiden einer optimierten Schicht bzw. Schichtfolge, die für die zu detektierende Wellenlänge transparent ist, erfolgen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Photodetektoren, mit folgenden aufeinanderfolgenden Schritten:

1. Herstellen einer Substratscheibe (1) mit lateral voneinander beabstandeten elektrisch leitfähigen Bereichen (4, 5) und zumindest einem photo empfindlichen Bereich zwischen zwei elektrisch leitfähigen Bereichen (4, 5), wobei die genannten Bereiche an eine erste Hauptseite der Substratscheibe (1) grenzen;
2. Verbinden der Substratscheibe (1) mit einem Hilfsträger (10), wobei die erste Hauptseite der Substratscheibe zum Hilfsträger gerichtet ist;
3. Dünnen der Substratscheibe (1) von der zweiten Hauptseite bis an oder nahe an die elektrisch leitfähigen Bereiche (4, 5);
4. Bereitstellen eines Kontaktsubstrats (20) mit zumindest einer Kontaktierungsebene mit Leiter bahnen und Anschlußflächen für die elektrische Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Bereiche (4, 5);
5. Verbinden der gedünnten Substratscheibe (1) mit dem Kontaktsubstrat (20), wobei die zweite Hauptseite der Substratscheibe zum Kontakt substrat gerichtet ist, und die elektrisch leitfähigen Bereiche (4, 5) über Anschlußflächen des Kontaktsubstrats liegen;
6. Entfernen des Hilfsträgers (10); und
7. Herstellen elektrischer Verbindungen zwischen den Anschlußflächen und den elektrisch leitfähigen Bereichen (4, 5).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Herstellens der Substrat scheibe (1) umfaßt:

1. Aufbringen und Strukturieren einer Maskie rungsschicht (2) auf die Substratscheibe (1) zur Festlegung der lateralen Struktur der elektrisch leitfähigen Bereiche (4, 5); und
2. Erzeugen der elektrisch leitfähigen Bereiche (4, 5) als hoch dotierte Bereiche, die sich an den durch die Maskierungsschicht festgelegten Stellen in die Substratscheibe erstrecken, wobei die Substratscheibe (1) aus einem Halbleiter material besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Substratscheibe (1) ein SOI-Substrat eingesetzt wird, wobei die elektrisch leitfähigen Bereiche (4, 5) so erzeugt werden, daß sie sich bis an die Isolationsschicht des SOI-Substrates erstrecken.

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 die Substratscheibe 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 die Substratscheibe 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 die Substratscheibe diffundieren.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei elektrisch leitfähige Bereiche (4, 5) eine Dotierung unterschiedlicher Polarität aufweisen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verbinden der Substratscheibe (1) mit dem Hilfsträger (10) eine Isolationsschicht (6) auf die erste Hauptseite der Substratscheibe aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden der Substratscheibe (1) mit dem Hilfsträger (10) mittels einer Haftschicht (12) erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verbinden der Substratscheibe (1) mit dem Hilfsträger (10) die erste Hauptseite der Substratscheibe planarisiert wird.

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

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

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Dünnen der Substratscheibe (1) bis zum Erreichen der Isolationsschicht des SOI-Substrates erfolgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Dünnen eine Isolationsschicht (13) auf die zweite Hauptseite der Substratscheibe (1) aufgebracht wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden der Substratscheibe (1) mit dem Kontaktsubstrat (20) mittels einer Haftschicht (24) erfolgt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen des Hilfsträgers (10) mittels Ätzen oder Schleifen erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Herstellen der elektrischen Verbindungen zwischen den Anschlußflächen und den elektrisch leitfähigen Bereichen (4, 5) mit folgenden Schritten erfolgt:

1. Ätzen von Gräben durch die elektrisch leitfä higen Bereiche (4, 5) von der ersten Hauptseite der Substratscheibe (1) bis zu den Anschluß flächen; und
2. Auffüllen der Gräben mit einem elektrisch leitfähigen Material (30).

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend eine Abdeckschicht (31) auf die erste Hauptseite der Substratscheibe (1) aufge bracht wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktsubstrat (20) weiterhin elektro nische Bauelemente zur Signalverarbeitung enthält.