DE69825674T2 - Rückbeleuchteter Fotodetektor und Methode zu dessen Herstellung - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen rückbeleuchteten Fotodetektor, wie ein rückbeleuchtetes ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) oder ein rückbeleuchteter Aktivpixelsensor (APS), zum Erfassen einer Strahlung, welche einen großen Absorptionskoeffizienten aufweist, wie ultraviolette Strahlung, γ-Strahlung oder aufgeladener Partikelstrahl, und ein Verfahren zu Herstellung desselben.
  • Verwandter Stand der Technik
  • Als ein Fotodetektor zum Erfassen der Energieverteilung einer elektromagnetischen Welle oder von Licht beinhaltenden geladenen Partikeln als ein Bild ist ein CCD-Sensor bekannt. Der Full-Frame-Transfer(FFT)-CCD-Sensor wird hauptsächlich für Messzwecke verwendet.
  • Ein allgemeiner CCD-Sensor, basierend auf dem FFT, weist keine Speicherabschnitte auf und einzelne Bildabschnitte können eine große Abmessung besitzen. Auf Grund des großen lichtempfindlichen Bereichs wird dieses Bauelement für schwache Lichtniveaus bevorzugt. Jedoch muss das einfallende Licht den Abbildungsbereich durch eine Polysiliziumelektrode oder einen schützenden PSG-Film, welche(r) auf der Oberfläche der Vorrichtung ausgebildet ist, erreichen. Da solch ein Element, welches auf der Oberfläche ausgebildet ist, einfallendes Licht, welches einen großen Absorptionskoeffizienten aufweist, z.B. Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm oder weniger, absorbiert, erreicht das Licht nicht den Abbildungsbereich, so dass keine hohe Empfindlichkeit in einem Bereich solch kurzer Wellenlänge erwartet werden kann.
  • Um Licht mit einer kurzen Wellenlänge zu erfassen, kann ein rückbeleuchteter CCD-Sensor verwendet werden, da er einen abbildenden Abschnitt mit einem Substrat, welches ungefähr 10 bis 30 μm dünn ist, aufweist und von der gegenüberliegenden Seite der Elektrodenausbildungsoberfläche her beleuchtet wird. In diesem rückbeleuchteten CCD-Sensor erreicht auch Licht, welches eine kurze Wellenlänge aufweist, den abbildenden Abschnitt, ohne größtenteils absorbiert zu werden, so dass eine hohe Empfindlichkeit auch in einem kurzen Wellenlängenband von ungefähr 200 nm erzielt werden kann. Das Bauelement kann auch z.B. für Röntgenbilder für medizinischen Einsatz angewendet werden.
  • Bei der Röntgenbildtechnik ist ein Bild schwer zu verkleinern und auf den abbildenden Abschnitt des CCD-Sensors zu projizieren, anders als das bildliche Erfassen von normalem sichtbarem Licht, und es muss ein CCD-Sensor bereit gestellt werden, welcher fast dieselbe Größe wie jene des Objekts aufweist. Ein CCD-Sensor, welcher für Bruströntgenradiographie eingesetzt werden kann, muss ein großer CCD-Sensor oder ein aus aneinander fügbaren CCD-Sensoren aufgebauter CCD-Sensor sein. Jedoch ist der rückbeleuchtete CCD-Sensor mit einem dünnen abbildenden Abschnitt zerbrechlich und es ist schwierig, seine Größe zu steigern. Für den festen CCD-Sensor wird ein dicker Rahmen auf dem abbildenden Abschnitt aufgesetzt. Jedoch auch eine Vorrichtung diesen Typs kann kaum eine große Abmessung erreichen und der Rahmen um den abbildenden Abschnitt stellt toten Raum dar.
  • Techniken zur Lösung dieses Problems sind in den Japanischen Patent-Auslegeschriften Nr. 53-114361 (hierin im Folgenden als "Stand der Technik 1" bezeichnet), 62-30373 (hierin im Folgenden als "Stand der Technik 2" bezeichnet), 6-268183 (hierin im Folgenden als "Stand der Technik 3" bezeichnet) und 6-291291 (hierin im Folgenden als "Stand der Technik 4" bezeichnet) offenbart.
  • Im Stand der Technik 1 ist ein CCD-Sensor auf einem Tragesubstrat mittels Borsilikatglas (BSG) oder Boro-Phosphor-Silikatglas (BPSG), welches durch Erwärmen weich gemacht ist, verbunden und dann ist ein dünner abbildender Abschnitt ausgebildet. Dieser Stand der Technik ist dadurch gekennzeichnet, dass V-förmige Nuten in den Klebeoberflächen des CCD-Sensors und des Tragesubstrats vorbereitend ausgebildet sind.
  • Im Stand der Technik 2 ist Borsilikatglas dick auf jener Oberfläche eines CCD-Sensors oder eines Substrats, welches einen CCD-Sensor aufweist, abgelagert, welche der beleuchteten Oberfläche gegenüberliegt, und ist getempert, um ein Verstärkungselement zu bilden.
  • Im Stand der Technik 3 ist ein Saphirsubstrat anodisch an die beleuchtete Oberfläche eines CCD-Sensors gebunden. Im Stand der Technik 4 ist ein schützender Isolierfilm auf der Oberflächenseite der Vorrichtung mit einem CCD-Sensor ausgebildet und plan gemacht und dann ist ein Glassubstrat anodisch auf den schützenden Isolierfilm gebunden.
  • Die US-Patentschrift 4,422,091 beschreibt ein bildgebendes ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD), welches eine Unterstützung durch eine nicht beleuchtete Schaltungsseite einer CCD-Kanalschicht aufweist. Die andere Seite der CCD-Kanalschicht (die Halbleiterseite) ist epitaxisch an eine Absorptionsschicht des Halbleiters gefügt, welche epitaxisch an eine Fensterschicht gebunden ist.
  • Die US-Patentschrift 5,414,276 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Transistoren unter Verwendung von Einkristallsiliziumvorrichtungen oder Glas, wobei ein anodischer Klebeschritt eingeschlossen ist.
  • C.M. Huang et al., 'A new process for thinned, backilluminated CCD imager devices', 1989, International Symposium on VLSI Technology, Systems and Applications, Proceedings of Technical Papers (CAT.NO.89CH 2631-0), Taipei, Taiwan, 17. – 19. Mai 1989, Seiten 98–101, XP00207702 1989, New York, NY, USA, IEFE, USA, beschreibt ein neues Herstellungsverfahren, um einen von vorne beleuchteten CCD-Bilddatengeber in sein rückbeleuchtetes Gegenstück zu verwandeln.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Jedoch weisen diese Stände der Technik die folgenden Probleme auf.
  • Im Stand der Technik 1 ist Luft in den V-förmigen Nuten beim Verkleben eingeschlossen. Diese Luft dehnt sich im Herstellungsverfahren aus, um einen Leerraum zu bilden. Das Siliziumsubstrat kann sich verformen, wodurch sich die Planheit der beleuchteten Oberfläche verschlechtert, was zu einer geringen Einheitlichkeit in der Empfindlichkeit führt. Manchmal dringt durch die V-förmigen Nuten eine chemische Lösung oder Ähnliches in die Vorrichtung im Zuge des Verfahrens ein und verschlechtert örtlich die Vorrichtung qualitativ, was zu einer geringen Einheitlichkeit in der Empfindlichkeit führt.
  • Im Stand der Technik 2 kann sich, wenn die Adhäsionskraft zwischen der Glasschicht und dem Siliziumsubstrat des CCD-Sensors vergrößert wird, die Glasschicht verwerfen. Folglich verwirft sich der CCD-Sensor und dies führt zu Unschärfe beim Fotografieren, was zu einer geringen Gleichmäßigkeit im Bild führt.
  • Im Stand der Technik 3 absorbiert das Saphirsubstrat, welches anodisch auf die Abbildungsoberfläche gebunden ist, kurzwelliges Licht, einen Röntgenstrahl, einen Elektronenstrahl oder Ähnliches, was zu einer Verminderung der Empfindlichkeit für solch kurzwelliges Licht führt.
  • Stand der Technik 4 kennt das Problem der Lichtabsorption durch die Verstärkungsplatte nicht, da die Oberfläche gegenüber liegend der beleuchteten Oberfläche verstärkt wird. Jedoch werden elektrostatische Ladungen örtlich auf dem Glassubstrat als ein Dielektrikum erzeugt, was zu einer geringen Einheitlichkeit im Bild führt.
  • Aus diesen Gründen ist herkömmlicherweise ein großer rückbeleuchteter Fotodetektor für kurzwelliges Licht mit einer guten Einheitlichkeit im Bild schwierig herzustellen.
  • Die vorliegende Erfindung wurde unter Bedachtnahme der obigen Probleme gemacht und weist als ihre Aufgabe auf, einen rückbeleuchteten Fotodetektor, welcher eine ausreichende Festigkeit und hohe Empfindlichkeit für kurzwelliges Licht aufweist und welcher ein gute Bildgleichmäßigkeit besitzt, und ein Verfahren zur Herstellung desselben bereitzustellen.
  • Um die obigen Probleme gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung zu lösen, wird ein rückbelichteter Fotodetektor, wie in Anspruch 1 beschrieben, bereitgestellt.
  • Gemäß dieser Anordnung sind der Isolierfilm, der oxidierbare leitende Film und das Glassubstrat auf den abbildenden Abschnitt des dünnen Halbleiters aufgestapelt. Der Isolierfilm isoliert den leitenden Film elektrisch vom abbildenden Abschnitt. Der leitende Film vereinheitlicht elektrische Ladungen, welche im Glassubstrat erzeugt werden. Die Schnittfläche des leitenden Films wird durch Sauerstoffatome im Glassubstrat oxidiert, um kovalente Bindungen zu bilden, so dass das Glassubstrat und der leitende Film fest aneinander gebunden sind.
  • Die vorliegende Erfindung kann besonders geeignet für eine Bilderfassungsvorrichtung eingesetzt werden, welche ein ein- oder zweidimensionales Gitter einer Mehrzahl von Pixeln zum individuellen Erfassen der hereinkommenden elektromagnetischen Welle oder der geladenen Pixel ist. Mit dieser Anordnung kann eine große Bilderfassungsvorrichtung mit einer guten Bildgleichmäßigkeit erzielt werden.
  • Ein Verbindungsklemmenbereich, wo eine Verbindungsklemme zum Verbinden des Abbildungsbereichs mit einer äußeren Schaltung ausgebildet ist, befindet sich vorzugsweise freigelegt an einem Endabschnitt auf einer zweiten Oberflächenseite gegenüber der ersten Oberfläche. Mit dieser Anordnung wird das Auslesen eines Erfassungssignals erreicht.
  • Der Verbindungsklemmenbereich ist vorzugsweise entlang einer oder zweier benachbarter Seiten der zweiten Oberfläche angeordnet. Mit dieser Anordnung wird verhindert, wenn eine Mehrzahl von Vorrichtungen angeordnet werden muss, dass die Klemme zwischen den Vorrichtungen angeordnet wird, so dass eine größere Erfassungsfläche leicht erzielt werden kann.
  • Der abbildende Abschnitt kann ein ladungsgekoppeltes Bauelement umfassen. Mit dieser Vorrichtung kann ein optisches Bild leicht in ein Bildsignal umgewandelt werden.
  • Der Isolierfilm kann entweder aus einem anorganischen Glas oder aus Polyimidkunstharz bestehen. Mit diesem Material ergeben sich sehr gute Isoliereigenschaften und eine hohe Wärmebeständigkeit des Isolierfilms.
  • Der leitende Film kann entweder aus Aluminium oder aus Polysilizium, gedopt mit einer leitenden Verunreinigung, bestehen. Mit dieser Anordnung kann ein leitender Film, welcher hohe elektrische Leitfähigkeit und Wärmebeständigkeit aufweist, erzielt werden.
  • Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Glassubstrats gleicht vorzugsweise im Wesentlichen jenem des dünnen Halbleiters. Mit diesem Material gleichen die Wärmeausdehnung des Glassubstrats und des dünnen Halbleiters einander auf beiden Seiten des abbildenden Abschnitts.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines rückbeleuchteten Fotodetektors, wie in Anspruch 9 beschrieben, bereitgestellt.
  • Gemäß diesem Verfahren kann der rückbeleuchtete Fotodetektor der vorliegenden Erfindung, welcher von der Rückseite der beleuchteten Oberfläche durch das anodisch verbundene Glassubstrat verstärkt ist und das dünne Siliziumsubstrat aufweist, erzielt werden.
  • Das Verfahren kann des Weiteren den Schritt des Freilegens eines Verbindungsklemmenbereichs des Halbleitersubstrats zum Verbinden einer äußeren Schaltung mit dem abbildenden Abschnitt durch Ätzen des Halbleitersubstrats von der zweiten Oberfläche aus umfassen. Zusätzlich kann das Verfahren des Weiteren den Schritt des Einpflanzens von Ionen von der zweiten Oberfläche des dünn gemachten Halbleitersubstrats aus und des Durchführens von Aktivierungsglühen umfassen.
  • Die vorliegende Erfindung wird tiefer durch die genaue Beschreibung, welche hierin im Folgenden geliefert wird, und die begleitenden Zeichnungen, welche als bloße Veranschaulichung beigefügt sind und solcherart nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung betrachtet werden sollen, verstanden.
  • Der weitere Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird aus der genauen Beschreibung, die hierin im Folgenden abgeliefert wird, offensichtlich. Jedoch sollte es sich von selbst verstehen, dass die genaue Beschreibung und die besonderen Beispiele, obwohl sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen, nur als bloße Veranschaulichung vorhanden sind.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Schnittansicht, welche die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ist ein Verdrahtungsplan eines CCD-Sensors der ersten Ausführungsform, gezeigt in 1;
  • 3 bis 9 sind Schnittansichten, welche das Herstellungsverfahren der in 1 gezeigten Ausführungsform zeigen;
  • 10 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Betriebsform in der Ausführungsform, gezeigt in 1, zeigt;
  • 11 ist eine Schnittansicht, welche die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 12 bis 18 sind Schnittsansichten, welche das Herstellungsverfahren der Ausführungsform, gezeigt in 11, zeigen.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZTUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Um das Verständnis der Erklärung zu erzielen, bezeichnen dieselben Bezugszeichen die selben Bestandteile bildenden Elemente durch alle Zeichnungen hindurch und eine wiederholte Beschreibung wird vermieden. Die Zeichnungen weisen einige Überzeichnungen aus Gründen der Beschreibungsökonomie auf und die Abmessungen und Formen, die in den Zeichnungen gezeigt werden, stimmen nicht immer mit den tatsächlichen Abmessungen und Formen überein.
  • 1 ist eine Schnittansicht eines rückbeleuchteten Fotodetektors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist ein Verdrahtungsplan, welcher den abbildenden Abschnitt zeigt, wenn er von einer Oberfläche gegenüber der bildgebenden Oberfläche betrachtet wird.
  • Die Anordnung dieser Vorrichtung wird nun zuerst mit Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben.
  • Wie in 1 gezeigt, wird ein schützender Siliziumoxidfilm 9, welcher eine Dicke von ungefähr 0,1 μm aufweist, auf der beleuchteten Oberflächenseite, auf welcher Licht oder eine elektromagnetische Welle auftrifft, ausgebildet. Eine Akkumulationsschicht vom p*-Typ 10, welche eine Dicke von ungefähr 0,2 μm und eine Verunreinigungskonzentration von ungefähr 5 × 1018 cm–3 aufweist, ist innerhalb des Siliziumoxidfilms 9 ausgebildet, so dass Ladungen, die fotoelektrisch erzeugt werden, auf eine Seite gegenüber der beleuchteten Oberfläche geschickt werden. Die Akkumulationsschicht 10 ist auf einem (100) p-Typ Siliziumsubstrat 1 ausgebildet, welches eine Dicke von ungefähr 10 bis 30 μm und einen spezifischen elektrischen Widerstand von ungefähr 10 bis 100 Ω·cm aufweist. Ein CCD-Sensor 2 ist auf einer Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 auf der gegenüberliegenden Seite (untere Seite in 1) der beleuchteten Seite ausgebildet.
  • Die Struktur des CCD 2 wird nun beschrieben. Ein n-Typ Buried Channel (vergrabener Kanal) 3, ein Siliziumoxidfilm 4, eine Poly-Si-Übertragungselektrode 5 und ein Phospho-Silikatglas(PSG)-Film 6 als eine isolierende Zwischenschicht sind auf dem Siliziumsubstrat 1 in der genannten Reihenfolge gestapelt. Eine Aluminiumzwischenverbindung 7, welche mit der Übertragungselektrodengruppe 5 verbunden ist, um ein Signal herauszuleiten, ist auf dem PSG-Film 6 an einem Ende ausgebildet. Der Abschnitt der Aluminiumzwischenverbindung 7 ragt entlang einer Seite des Siliziumsubstrats 1 vor, so dass die Oberfläche der Aluminiumzwischenverbindung 7 zur beleuchteten Oberflächenseite freigelegt ist. Ein Elektrodenkissen 14 ist auf der freigelegten Oberfläche ausgebildet. Die Oberflächen des PSG-Films 6 und der Aluminiumzwischenverbindung 7 gegenüberliegend der beleuchteten Oberfläche sind mit einem schützenden Siliziumnitridfilm 8 überzogen.
  • Ein isolierender Polyimidfilm 11, welcher eine Dicke von ungefähr 3 μm und eine eingeebenete Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite der beleuchteten Oberfläche aufweist, und ein Aluminiumfilm 12, welcher eine gleichmäßige Dicke von ungefähr 1 μm aufweist, sind auf der Oberfläche des CCD 2 gegenüber der beleuchteten Oberfläche aufeinander gestapelt. Der Aluminiumfilm 12 ist anodisch an ein Pyrex-Glassubstrat 13 von ungefähr 1 mm Stärke gebunden. Das Glassubstrat 13 ist auf einem Keramiksubstrat 16 festgemacht.
  • Das Keramiksubstrat 16 weist einen Abschnitt auf, welcher auf die beleuchtete Oberflächenseite vorragt. Ein Metallmuster 17 zum Auslesen eines Signals ist auf der Oberfläche des vorragenden Abschnitts ausgebildet. Ein Metallmuster 17 ist mit dem Elektrodenkissen 14 mit einem Golddraht 15 drahtverbunden.
  • Die Schaltungsanordnung des CCD 2 wird nun als Nächstes mit Bezugnahme auf 2 beschrieben. Der CCD-Sensor 2 dieser Ausführungsform verwendet ein FFT-Schema. Eine Anzahl von Pixeln (z.B. 512 Pixel in der horizontalen Richtung und 1.024 Pixel in der vertikalen Richtung), von denen jedes eine Größe von ungefähr 50 μm × 50 μm aufweist, sind zweidimensional auf dem Siliziumsubstrat 1 gruppiert. Jede Zeile an Pixeln, welche in der vertikalen Richtung gruppiert ist, bildet einen vertikalen Übertragungskanal 20. Eine senkrechte Übertragungselektrodengruppe 21 ist mit einer Richtung verbunden, die senkrecht auf den vertikalen Übertragungskanal 20 steht, wodurch ein vertikales Schieberegister gebildet wird. Andererseits sind die vertikalen Übertragungskanäle 20 mit den horizontalen Übertragungskanälen 22 verbunden. Eine horizontale Übertragungselektrodengruppe 23 ist in eine Richtung, die senkrecht zu den horizontalen Übertragungskanälen 22 steht, verbunden, wodurch ein horizontales Schieberegister gebildet wird.
  • Ein Ausgabe-Gate (OG) 24, welches auf einem vorbestimmten Potential gehalten wird, ist mit dem horizontalen Schieberegister verbunden. Ein Rücksetz-Gate (RG) 25 ist mit dem OG 24 durch eine isolierte Diode 26 verbunden. Ein Feldeffekttransistor (FET) 27 ist mit der isolierten Diode 26 verbunden. Dieser FET 27 ist durch einen äußeren Belastungswiderstand 28 geerdet, um eine Sourcefolgeschaltung zu bilden. Ein Zweig des FET 27, welcher unterschiedlich zum Belastungswiderstand 28 ist, ist mit einer Ausgabeklemme 29 verbunden. Der FET 27 ist ebenfalls mit einem Rücksetz-Drain (RD) 30 verbunden.
  • Der Herstellungsvorgang dieser Ausführungsform wird nun im Folgenden mit Bezugnahme auf 3 bis 9 beschrieben. 3 bis 9 sind Schnittansichten, welche den Herstellungsvorgang dieser Ausführungsform zeigen. Wie in 3 gezeigt, wird ein CCD 2 auf jener Oberfläche eines Siliziumsubstrats 1 ungefähr 300 μm stark gebildet, die der beleuchteten Oberfläche gegenüber liegt. Für diesen CCD 2 werden ein n-Typ Buried Channel (vergrabener Kanal) 3, ein Siliziumoxidfilm 4, eine Übertragungselektrode 5 und ein PSG-Film 6 übereinander gestapelt, eine Aluminiumzwischenverbindung 7, welche mit der Übertragungselektrode 5 verbunden ist, wird auf dem PSG-Film 6 ausgebildet und ein Siliziumnitridfilm 8 wird auf der gesamten Oberfläche ausgebildet, wie oben beschrieben.
  • Ein Polyimidfilm 11 und ein Aluminiumfilm 12 werden auf dem Siliziumnitridfilm 8 des CCD 2 ausgebildet, wie in 4 gezeigt. Ein Polyimidkunstharz wird auf den Siliziumnitridfilm 8 mit einer Dicke von ungefähr 3 mm aufgebracht. Eine ebene Oberfläche ohne jede Unebenheit auf dem Polyimidkunstharz kann erzielt werden. Die gesamte Struktur wird bei ungefähr 420°C getempert, um das Harz auf dem Siliziumnitridfilm 8 auszuhärten, wodurch ein Polyimidfilm 11 erzielt wird. Ein Aluminiumfilm 12 ungefähr 1 μm dick wird durch Sputtern auf dem Polyimidfilm 11 abgelagert.
  • Wie in 5 gezeigt, ist der Aluminiumfilm 12 an die eingeebnete Oberfläche eines Glassubstrats 13 gebunden. Die zwei Elemente sind unter Verwendung der so genannten anodischen Bindung verbunden, in welcher der Aluminiumfilm 12 und das Pyrex-Glassubstrat 13 (Corning #7740) ungefähr 1 mm dick bei ungefähr 400°C verbunden werden, während eine hohe Spannung an dem Aluminiumfilm 12 und dem Glassubstrat 13 angelegt ist. Als Ergebnis oxidiert die Verbindungsfläche des Aluminiumfilms 12 unter Vorhandensein von Sauerstoffatomen im Glassubstrat 13. Der Aluminiumfilm 12 teilt die Sauerstoffatome mit dem Glassubstrat 13, um kovalente Bindungen zu bilden. Aus diesem Grund werden das Siliziumsubstrat 1, welches den CCD 2 aufweist, und das Glassubstrat 13 vermittels des Aluminiumfilms 12 fest verbunden. Da die Oberflächen des Aluminiumfilms 12 und des Glassubstrats 13 eingeebnet sind, können zusätzlich, wie oben beschrieben, Leerräume auf Grund von Lufteinschluss in der Verbindungsfläche an der Ausbildung gehindert werden, so dass eine schlechte Gleichmäßigkeit im Bild auf Grund von Leerraumausbildung vermieden werden kann. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Glassubstrats 13 beträgt 3,4 × 10–6 und ist ausreichend nahe jenem des Siliziumsubstrats 1, d.i. 4 × 10–6. Aus diesem Grund kann Verwerfen oder Verzerrung auf Grund des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Siliziumsubstrat 1 und dem Glassubstrat 13 verhindert werden.
  • Danach wird das Siliziumsubstrat 1 an einer Position, welche dem Elektrodenkissen 14 des CCD 2 entspricht, durch Ätzen entfernt, wie in 6 gezeigt. Dieser Vorgang wird auf die folgende Weise durchgeführt. Ein Siliziumnitridfilm (nicht gezeigt) wird auf dem Siliziumsubstrat 1 abgelagert und in eine gewünschte Form durch so genannte Fotolithografie gestaltet. Ätzen wird unter Verwendung einer Alkalilösung wie KOH durchgeführt, um den Siliziumabschnitt zu entfernen, während ein dicker Abschnitt mit dem Siliziumnitridfilm bedeckt bleibt. Das Ätzen wird beendet, wenn der Siliziumoxidfilm 4 freigelegt ist.
  • Wie in 7 gezeigt, wird das Siliziumsubstrat 1 auf eine gewünschte Dicke von ungefähr 10 bis 30 μm abgetragen. Für diesen Vorgang können mechanisches Polieren, chemisches Ätzen oder beide Verfahren eingesetzt werden. Das dünne Siliziumsubstrat 1 wird von der Hinterseite durch das fest verbundene Glassubstrat 13 verstärkt, so dass die mechanische Festigkeit als Gesamtes hoch gehalten wird. Zusätzlich wird in diesem Vorgang auch das Handhaben ausgeführt.
  • Wie in 8 gezeigt, wird der Oxidfilm 9 im Vakuum auf der beleuchteten Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 auf eine Dicke von ungefähr 0,1 μm abgelagert. Bor-Ionen werden von der Oberfläche des Oxidfilms 9 her mit ungefähr 1 × 1014 bis 1 × 1015/cm2 eingepflanzt und Glühen wird bei ungefähr 400°C ausgeführt. Mit diesem Vorgang wird die p*-Typ-Akkumulationsschicht 10 unmittelbar unter dem Oxidfilm 9 ausgebildet. Wie oben beschrieben, wird, da das Siliziumsubstrat 1 durch das Glassubstrat 13 verstärkt ist, um die mechanische Festigkeit zu behalten, das Siliziumsubstrat 1 in diesem Vorgang nicht beschädigt und kann leicht gehandhabt werden. Da das Siliziumsubstrat 1 und das Glassubstrat 13 durch den Polyimidfilm 11 und den Aluminiumfilm 12, welche beide aus Materialien mit großer Wärmebeständigkeit bestehen, verbunden sind, kann ein Glühen bei einer höheren Temperatur als jener beim Einsatz von Epoxykunstharz, welches eine geringe Wärmebeständigkeit aufweist, ausgeführt werden. Daher kann eine qualitativ hochwertige Akkumulationsschicht 10 stabil ausgebildet werden.
  • Dieser Vorgang wird vorzugsweise unmittelbar nach dem Dünnermachen des Siliziumsubstrats 1 ausgeführt. Dann kann die saubere Oberfläche des Siliziumsubstrats 1, welche durch das Dünnermachen erzielt wird, als eine bildgebende Oberfläche eingesetzt werden. Wenn ein anderer Verfahrensschritt als die Ausbildung des Oxidfilms 9 nach dem Dünnermachen ausgeführt wird, kann das Siliziumsubstrat 1 mit Verunreinigungen verschmutzt werden oder seine Oberfläche kann während der Verarbeitung rau werden. Dies macht die Schnittflächen anfällig für das Ansteigen des Dunkelstroms.
  • Schließlich wird, wie in 9 gezeigt, ein Vorgang zum Verbinden einer Signalleitung zum Auslesen des Ausgabesignals aus dem CCD 2 ausgeführt. Zuerst werden der Oxidfilm 4 und der PSG-Film 6, welche auf dem Elektrodenkissen 14 verblieben sind, durch Ätzen entfernt, um das Elektrodenkissen 14 freizulegen. Die gesamte Vorrichtung wird in der Stapelrichtung am äußersten Umfangsabschnitt des freigelegten Elektrodenkissens 14 abgeschnitten und die Vorrichtung wird auf einem Substrat 16 (1) befestigt. Danach werden das Elektrodenkissen 14 und das Metallmuster 17 (1), welches auf dem Substrat 16 ausgebildet ist, durch Ball-Bonden unter Verwendung eines Golddrahtes 15 verbunden. Da das Elektrodenkissen 14 von der Rückseite her durch das Glassubstrat 13 verstärkt ist, kann das Bonden verlässlich und leicht ausgeführt werden. Da die Vorrichtung ihre mechanische Festigkeit beibehält, kann zusätzlich das Elektrodenkissen 14 entlang einer der vier Seiten des Vorrichtungschips angeordnet werden. Mit dieser Anordnung können die Kanten der verbleibenden drei Seiten knapp an den äußeren Umfang der Vorrichtung herangeführt werden. Wenn die Vorrichtungen, die eine idente Form aufweisen, in Kontakt zu einander angeordnet werden, können die abbildenden Abschnitte fast ohne Spalten angeordnet werden, so dass die Gesamtgröße des bildgebenden Abschnitts leicht gesteigert werden kann.
  • Da eine sich ergebende Vorrichtung 50 von der Oberfläche, die der beleuchteten Oberfläche gegenüber liegt, durch das Glassubstrat 13 verstärkt wird, wird die mechanische Festigkeit auf hohem Niveau gehalten. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient. des Glassubstrats 13 jenem des Siliziumsubstrats 1 der CCD 2 gleicht, wird Verwerfen oder Verzerrung auf Grund von Wärme verhindert.
  • Der Betrieb dieser Ausführungsform wird als Nächstes beschrieben. Wenn eine Mehrzahl von z.B. 4 × 2 = 8 Vorrichtungen 50 dieser Ausführungsform angeordnet und eingesetzt wird, wie in 10 gezeigt, kann die beleuchtete Oberfläche sehr groß gemacht werden. Wie oben beschrieben, ist das Elektrodenkissen 14 entlang einer Seite der Vorrichtung 50 angeordnet. Wenn die verbleibenden drei Seiten in Kontakt mit anderen Vorrichtungen 50 angeordnet werden, um die abbildenden Abschnitte ohne Spalten zu gruppieren, kann ein großflächiger abbildender Abschnitt ausgebildet werden.
  • Wenn kurzwelliges Licht (elektromagnetische Welle) wie ein Röntgenstrahl auf den Vorrichtungen 50 mit der obigen Anordnung auftrifft, wie in 1 gezeigt, geht das hereinkommende Licht von der beleuchteten Oberfläche durch den schützenden Film 9 und wird fotoelektrisch im Bereich von der Akkumulationsschicht 10 zum Buried Channel (vergrabenen Kanal) 3 umgewandelt. Erzeugte Ladungen diffundieren, erreichen die Potentialquelle jedes Pixels und werden gespeichert. Die Akkumulationsschicht 10 senkt das Potential nahe der beleuchteten Oberfläche ab. Da die Ladungen, die bei der fotoelektrischen Umwandlung erzeugt werden, stabil in der Potentialquelle jedes Pixels akkumuliert werden, wird eine höchst empfindliche und stabile Messung ermöglicht. Da das Siliziumsubstrat 1 dünn ist, können zusätzlich Ladungen, welche bei der fotoelektrischen Umwandlung erzeugt werden, die Potentialquelle mit minimaler Rekombination erreichen. Des Weiteren wird die Diffusion zu benachbarten Pixeln verringert, wodurch das Herabsetzen der Auflösung verhindert wird.
  • In Bezug auf die Signalladungen gilt, dass jedes Pixelerfassungssignal auf die Sourcefolgeschaltung, welche durch den FET 27 und den Belastungswiderstand 28 aufgebaut ist, durch den Betrieb der vertikalen Übertragungselektrodengruppe 21 und der horizontalen Übertragungselektrodengruppe 23, gezeigt in 2, übertragen wird. Ein Spannungssignal, welches den Signalladungen entspricht, wird von der Ausgabeklemme 29 ausgegeben und die Signalladungen werden vom Rückset-Drain 30 entfernt.
  • Der Aluminiumfilm 12 weist ebenfalls die Wirkung des Stabilisierens des Potentials der hinteren Oberfläche des CCD 2 auf, um die Ausgabe aus dem CCD 2 zu stabilisieren. Licht, welches von der beleuchteten Oberflächenseite eindringt und durch den abbildenden Abschnitt übertragen wird, ohne fotoelektrisch umgewandelt zu werden, wird durch den Aluminiumfilm 12 reflektiert. Da das Licht wiederum durch den abbildenden Abschnitt hindurchgeht und fotoelektrisch umgewandelt wird, wird der Erfassungswirkungsgrad gesteigert. Zusätzlich schließt der Aluminiumfilm 12 das Licht aus, welches von der Seite des Glassubstrats 13 einfällt.
  • Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf 11 beschrieben. 11 ist eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform. Eine Beschreibung der selben Abschnitte wie in der ersten Ausführungsform wird ausgelassen und nur die unterschiedlichen Abschnitte werden beschrieben.
  • Eine lichtempfindliche Vorrichtung 51 der zweiten Ausführungsform verwendet eine Polysiliziumzwischenverbindung 31, einen anorganischen Glasfilm 32 und einen Polysiliziumfilm 33 anstelle der entsprechenden Aluminiumzwischenverbindung 7, des Polyimidfilms 11 und des Aluminiumfilms 12 des CCD 2 der Ausführungsform, gezeigt in 1.
  • Der Herstellungsvorgang der zweiten Ausführungsform wird nun mit Bezugnahme auf 12 bis 18 beschrieben. 12 bis 18 sind Schnittansichten, welche den Herstellungsvorgang dieser Ausführungsform zeigen. Wie in 12 gezeigt, wird ein CCD 2 auf jener Oberfläche eines Siliziumsubstrats 1 ungefähr 300 μm dick ausgebildet, welche der beleuchteten Oberfläche gegenüber liegt. In diesem CCD 2, wie oben beschrieben, sind ein n-Typ Buried Channel (vergrabener Kanal) 3, ein Siliziumoxidfilm 4 eine Übertragungselektrode 5 und ein PSG-Film 6 aufeinander gestapelt, eine Polysiliziumzwischenverbindung 31, welche mit der Übertragungselektrode 5 verbunden ist, wird auf dem PSG-Film 6 ausgebildet und ein Siliziumnitridfilm 8 wird auf der gesamten Oberfläche ausgebildet.
  • Wie in 13 gezeigt, werden ein anorganischer Glasfilm 32 und ein Polysiliziumfilm 33 auf dem Siliziumnitridfilm 8 des CCD 2 ausgebildet. Als Erstes wird eine gelartige Silizium-Alkoxidlösung auf den Siliziumnitridfilm 8 aufgebracht, während das Siliziumsubstrat 1, welches den CCD 2 aufweist, gedreht wird. Wenn die Lösung während der Drehung des Siliziumsubstrats aufgebracht wird, kann eine ebene Oberfläche ohne jegliche Unebenheit auf der Silizium-Alkoxidoberfläche erzielt werden. Die gesamte Struktur wird bei ungefähr 1.000°C getempert, um den Alkohol und das. Wasser, die in der Silizium-Alkoxidlösung enthalten sind, zu entfernen, wodurch ein anorganischer Glasfilm 32 erzielt wird, welcher aus Quarzglas besteht. Gemäß diesem Verfahren kann eine Quarzglasschicht, welche eine gleichmäßige Dicke aufweist, leicht bei relativ niedriger Temperatur ausgebildet werden. Als Nächstes wird ein Polysiliziumfilm 33 auf dem Glasfilm 32 in einer Dicke von ungefähr 0,5 μm durch LP-CVD oder Sputtern abgelagert. Bor-Ionen oder Ähnliche werden in den Polysiliziumfilm 33 eingepflanzt und das Glühen wird ausgeführt. Der Polysiliziumfilm 33 weist eine nahezu gleichmäßige Dicke und eine ebene Oberfläche auf.
  • Wie in 14 gezeigt, wird eine Pyrex-Glasplatte (Corning #7740), welche eine Dicke von ungefähr 0,5 bis 1 mm aufweist, anodisch an die Oberfläche des Polysiliziumfilms 33 bei ungefähr 400°C gebunden, um ein Glassubstrat 13, welches als eine Verstärkungsplatte dient, anzubringen. Der Polysiliziumfilm 33 oxidiert beim Vorhandensein von Sauerstoffatomen im Glassubstrat 13, um kovalente Bindungen zu bilden, so dass der Polysiliziumfilm 33 und das Glassubstrat 13 fest verbunden sind.
  • Danach wird das Siliziumsubstrat 1 an einer Position, welche einem Elektrodenkissen 14 des CCD 2 entspricht, durch Ätzen entfernt, wie in 15 gezeigt. Das Siliziumsubstrat 1 wird auf eine angestrebte Dicke von ungefähr 10 bis 30 μm dünn gemacht, wie in 16 gezeigt. Diese Vorgänge sind gleich jenen der ersten Ausführungsform, gezeigt in 6 und 7.
  • In weiterer Folge, wie in 17 gezeigt, wird ein Oxidfilm 9, welcher eine Dicke von ungefähr 0,1 μm aufweist, auf der beleuchteten Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 durch thermische Oxidation bei ungefähr 900°C ausgebildet. Bor-Ionen werden von der Oberfläche des Oxidfilms 9 mit ungefähr 1 × 1014 bis 1 × 1015/cm2 eingepflanzt und Glühen wird bei ungefähr 900°C ausgeführt, wodurch eine p*-Typ-Akkumulationsschicht 10 unter dem Oxidfilm 9 ausgebildet wird. Das Glassubstrat 13, welches über den anorganischen Glasfilm 32 gebunden ist, und der Polysiliziumfilm 33 weisen eine große Wärmebeständigkeit auf und können bei einer hohen Temperatur geglüht werden. Aus diesem Grund kann eine qualitativ hochwertige Akkumulationsschicht 10 stabil ausgebildet werden.
  • Schließlich wird, wie in 18 gezeigt, ein Vorgang zum Verbinden einer Signalleitung zum Auslesen des Ausgabesignals aus dem CCD 2 ausgeführt. Zuerst wird der Oxidfilm 4, welcher auf einer Position belassen war, wo das Elektrodenkissen 14 ausgebildet werden soll, durch Ätzen entfernt, um die Polysiliziumzwischenverbindung 31 an der Position, wo das Elektrodenkissen 14 ausgebildet werden soll, freizulegen. Als Nächstes wird ein Elektrodenkissen 14 auf der freigelegten Polysiliziumzwischenverbindung 31 durch Vakuumablagern und Musterausbildung eines Aluminiumfilms ausgebildet. Die gesamte Vorrichtung wird in der Stapelrichtung am äußersten Umfangsabschnitt des freigelegten Elektrodenkissens 14 abgeschnitten und die Vorrichtung wird auf einem Substrat 16 (11) befestigt.
  • Danach werden das Elektrodenkissen 14 und ein Zwischenverbindungsmuster 17 (11), welches auf dem Substrat 16 ausgebildet ist, durch Ball-Bonden unter Verwendung eines Golddrahtes 15 verbunden. Da das Elektrodenkissen 14 von der Rückseite her durch das Glassubstrat 13 verstärkt ist, kann das Bonden verlässlich und leicht ausgeführt werden. Da die Vorrichtung ihre mechanische Festigkeit beibehält, kann zusätzlich das Elektrodenkissen 14 entlang einer der vier Seiten des Vorrichtungschips angeordnet werden. Mit dieser Anordnung können die Kanten der verbleibenden drei Seiten knapp an den äußeren Umfang der Vorrichtung herangeführt werden. Wenn Vorrichtungen, die eine idente Form aufweisen, in Kontakt zu einander angeordnet werden, können die abbildenden Abschnitte fast ohne Spalten angeordnet werden, so dass die Gesamtgröße des bildgebenden Abschnitts leicht gesteigert werden kann.
  • Die sich ergebende Vorrichtung 51 erzielt auf einfache Weise eine feste Bindung mit der verstärkenden Platte und ergibt so ein Produkt mit minimalem Verwerfen oder minimaler Verzerrung. Da das Glühen des Oxidfilms und der Akkumulationsschicht auf einer höheren Temperatur als jener der ersten Ausführungsform ausgeführt werden kann, kann zusätzlich eine stabile Akkumulationsschicht erzielt werden, was zu einer höheren Empfindlichkeit führt.
  • Für den leitenden Film, welcher kovalente Bindungen mit dem Glassubstrat aufweist, können verschiedene oxidierbare Materialien eingesetzt werden. Zum Beispiel umfassen Materialien, welche fest an das Glassubstrat 13 durch kovalente Bindungen gebunden werden, Metalle wie Aluminium, Titan und Eisen-Nickel-Legierung sowie Polysilizium oder Siliziumoxid, gedopt mit einer Verunreinigung. Diese Materialien sind leitend und können elektrostatische Ladungen, welche örtlich im Glassubstrat erzeugt werden, vereinheitlichen und eine Veränderung des Bildes des CCD verhindern. Wenn ein Metall wie Aluminium, Titan beziehungsweise eine Eisen-Nickel-Legierung, welche eine hohe Reflexion für kurzwelliges Licht aufweisen, eingesetzt wird, wirkt der Film wie ein Spiegel.
  • In den oben beschriebenen Beispielen wird ein CCD als ein abbildender Abschnitt eingesetzt. Jedoch ist der abbildende Abschnitt nicht darauf beschränkt und ein APS kann eingesetzt werden.
  • Wie oben beschrieben worden ist, weisen gemäß der vorliegenden Erfindung, da die abbildende Abschnittsseite des niedrig profilierten, rückbeleuchteten Fotodetektors unter Verwendung des Glassubstrats über den isolierenden Film und den oxidierbare leitenden Film verstärkt ist, der leitende Film und das Glassubstrat kovalente Bindungen auf und die hohe mechanische Festigkeit wird beibehalten.
  • Gemäß dem Verfahren der Herstellung des rückbeleuchteten Fotodetektors der vorliegenden Erfindung kann die feste anodische Bindung leicht ausgeführt werden. Da das Glühen nach der Verstärkung durchgeführt wird, wird zusätzlich die Handhabung der Vorrichtung während der Bearbeitung ermöglicht. Des Weiteren kann eine lichtempfindliche Vorrichtung mit hoher Empfindlichkeit und Auflösung leicht und stabil hergestellt werden, während eine hohe mechanische Festigkeit aufrecht erhalten wird.
  • Der rückbeleuchtete Fotodetektor der vorliegenden Erfindung kann in geeigneter Weise für eine bilderfassende Vorrichtung zum Erfassen der räumlichen Energieverteilung des kurzwelligen Lichtes, umfassend eine elektromagnetische Welle wie einen Röntgen- oder einen geladenen Partikelstrahl, eingesetzt werden.

Claims (11)

  1. Rückbeleuchteter Fotodetektor, welcher einen abbildenden Abschnitt zur Ausgabe von Ladungen als Reaktion auf das Auftreffen einer elektromagnetischen Welle oder geladener Partikel auf einer ersten Oberfläche einer dünnen Halbleiterplatte (1) aufweist, wobei die elektromagnetische Welle oder die geladenen Partikel durch die dünne Halbleiterplatte (1) übertragen werden, umfassend: einen isolierenden Film (11, 32) aus anorganischen oder organischen Materialien, ausgebildet auf einer Oberfläche, um den abbildenden Abschnitt auf der ersten Oberfläche abzudecken; einen oxidierbaren leitenden Film (12, 33) aus einem Halbleiter oder einem Metall, abgelagert auf dem isolierenden Film (11, 32); und ein Glassubstrat (13), das anodisch auf der gesamten Oberfläche des oxidierbaren leitenden Films (12, 33) gebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass: die dünne Halbleiterplatte (1) aus Silizium ist; der isolierende Film (11, 32) eine eingeebnete Oberfläche aufweist; der oxidierbare leitende Film (12, 33) eine gleichmäßige Dicke aufweist; und das Glasssubstrat (13) anodisch auf der gesamten Oberfläche des oxidierbaren leitenden Films (12, 33) gebunden ist.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der abbildende Abschnitt ein ein- oder zweidimensionales Gitter aus einer Mehrzahl von Pixeln zum einzelnen Erfassen der eintreffenden elektromagnetischen Welle oder geladenen Partikel ist.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei ein Verbindungsklemmenbereich, wo eine Verbindungsklemme zum Verbinden des abbildenden Abschnitts an eine äußere Schaltung ausgebildet ist, an einem Endbereich auf einer zweiten Oberflächenseite gegenüber der ersten Oberfläche nicht bedeckt ist.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der Verbindungsklemmenbereich entlang einer Seite der dünnen Siliziumhalbleiterplatte (1) oder entlang zweier Seiten der dünnen Siliziumhalbleiterplatte (1) zueinander benachbart angeordnet ist.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der abbildende Abschnitt ein Ladungsverschiebeelement (Charge-Coupled Device; CCD) (2) umfasst.
  6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der isolierende Film aus anorganischem Glas oder Polymidharz besteht.
  7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der leitende Film (12, 23) aus Aluminium oder Polysilizium mit einer leitenden Verunreinigung besteht.
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Glassubstrats (13) im Wesentlichen jenem der dünnen Halbleiterplatte (1) gleicht.
  9. Verfahren zur Herstellung eines rückbeleuchteten Fotodetektors, der auf einem Halbleitersubstrat (1) einen abbildenden Abschnitt zum Erzeugen von Ladungen als Reaktion auf das Auftreffen einer elektromagnetischen Welle oder geladener Partikel, die durch das Halbleitersubstrat (1) übertragen werden, und Ausgeben der Ladungen aufweist, umfassend die Schritte: Ausbilden des abbildenden Abschnitts auf einer ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats (1); Beschichten der gesamten ersten Oberfläche, die den abbildenden Abschnitt aufweist, mit anorganischen oder organischen isolierenden Materialien; und Ablagern eines oxidierbaren leitenden Films (12, 33) eines Halbleiters oder eines Metalls auf dem gesamten Beschichtungsfilm; gekennzeichnet durch: anodisches Verbinden der gesamten Oberfläche des oxidierbaren leitenden Films mit einem Glasssubstrat (13); und Schleifen des Halbleitersubstrats (1) von der zweiten Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche unter Einsatz mechanischen Polierens und/oder chemischen Ätzens, um das Halbleitersubstrat dünner zu machen, wobei das Halbleitersubstrat aus Silizium besteht, die Beschichtung eine eingeebnete Oberfläche aufweist und der oxidierbare leitende Film eine gleichmäßige Dicke aufweist.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, des Weiteren umfassend den Schritt des Bloßlegens eines Verbindungsklemmenbereichs auf dem Halbleitersubstrat (1) zum Verbinden einer äußeren Schaltung mit dem abbildenden Abschnitt durch Abätzen des Halbleitersubstrats von der zweiten Oberfläche.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 9, des Weiteren umfassend den Schritt des Einpflanzens von Ionen von der zweiten Oberfläche des dünn gemachten Halbleitersubstrats (1) und Durchführen von Glühen zur Zuführung von Aktivierungsenergie.
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