EP1412987A2 - Optoelektronisches bauelement mit leitfähiger kontaktstruktur - Google Patents

Optoelektronisches bauelement mit leitfähiger kontaktstruktur

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EP1412987A2
EP1412987A2 EP02754568A EP02754568A EP1412987A2 EP 1412987 A2 EP1412987 A2 EP 1412987A2 EP 02754568 A EP02754568 A EP 02754568A EP 02754568 A EP02754568 A EP 02754568A EP 1412987 A2 EP1412987 A2 EP 1412987A2
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EP
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layer
optoelectronic component
component according
conductive material
transparent conductive
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Withdrawn
Application number
EP02754568A
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French (fr)
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Reinhard Ronneberger
Peter Rieve
Marcus Walder
Jens Prima
Konstantin Seibel
Markus Scholz
Tarek Lule
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STMicroelectronics NV
Original Assignee
STMicroelectronics NV
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Publication date
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    • H01L31/03762—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including amorphous semiconductors including only elements of Group IV of the Periodic Table

Definitions

  • An optoelectronic component of the type described is known from B. Schneider, P. Rieve, M. Böhm, Image Sensors in TFA (Thin Film on ASIC) technology, ed. B. Jahne, H. Hauscker, P. G complicatler, Handbook of Computer Vision and Applications, pp. 237-270, Academic Press, San Diego, 1999).
  • An optoelectronic component of this type consists of a matrix-organized or linear arrangement of pixels, so-called "pixels".
  • the electronic circuits for operating the component ie the pixel electronics, peripheral electronics or system electronics, are usually implemented in CMOS-based silicon technology and form an application-specific integrated circuit (ASIC).
  • CMOS Active Pixel Sensor Imagers MRS Symposium Proceedings, vol. 609, 2000
  • a pin configuration based on amorphous silicon is used as the photodiode, i.e. a sequence of a p-conducting, an intrinsically conducting (intrinsic) and one n-type amorphous silicon layer.
  • the n-layer usually forms the lowest layer facing the ASIC.
  • the electrical contacts are formed on this side facing the ASIC, for example by a metal layer, while the contacting on the side facing the direction of light incidence in usually done by a transparent and conductive layer.
  • further component structures are also possible, for example Schottky photodiodes, in which an intrinsic semiconductor layer is brought into contact with a suitable metal (for example chromium, platinum, palladium, silver), so that the metal-semiconductor transition forms a Schottky photodiode.
  • Detector structures with controllable spectral sensitivity are also known (P. Rieve, M. Sommer, M. Wagner, K. Seibel, M.
  • TFA image sensor can also be expanded by additional layers upstream in the direction of light incidence, for example by color filter layers (for example Bayer pattern, US Pat. No. 3,910,065).
  • dark pixels there are so-called “dark pixels” in the arrangement, the dark signals resulting from these pixels serving as reference signals, which are subtracted from the actual image signals during operation of the sensor, for example, in order to increase the dark current adhering to the photodiodes and its temperature dependence eliminate. Furthermore, the dark signals are used in order to be able to compensate for differences in the amplifications of the column amplifiers as part of correction methods.
  • the production-related realization of such dark pixels takes place by applying an opaque layer made of a suitable material to the photoactive layers of the optoelectronic component, which layer is structured in such a way that it areas to be darkened while it is removed over the photoactive areas.
  • the diode is formed as a pin diode, then a negative potential applied to the connection electrode can be applied via the diode operated in the forward direction, taking into account a current-dependent one Voltage drop are transferred to the front electrode.
  • the second exemplary embodiment of the second variant of the invention according to FIG. 4 differs from that as was shown in FIG. 3 in that an n-doped amorphous silicon layer 6 is additionally applied to the metal contacts 5.
  • the diode formed in region P is designed as a pin diode, but otherwise the same structure results as in FIG. 3.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in einen intensitätsabhängigen Photostrom bestehend aus einem, insbesondere in CMOS-Technologie, ausgebildeten Substrat (1) mit einer integrierten Halbleiterstruktur (ASIC) und einer in Lichteinfallsrichtung vorgeordneten optisch aktiven Dünnschichtstruktur, bestehend aus einer Schicht (9) aus einem transparenten leitfähigen Material und mindestens einer Schicht (6, 7, 8) aus Halbleitermaterial, welche auf einer isolierenden Schicht (4) angeordnet sind, innerhalb der sich Verbindungsmittel (2, 3, 5) zur Kontaktierung der optisch aktiven Dünnschichtstruktur mit der auf dem Substrat angeordneten integrierten Halbleiterstruktur befinden. Zur Lösung der Aufgabe, ein optoelektronisches Bauelement der genannten Art dahingehend weiter zu entwickeln, dass die elektrische Verbindung zwischen der Schicht (9) aus transparentem leitfähigen Material und einem elektrischen Potentialanschluss (15) fertigungstechnisch auf einfache Weise hergestellt werden kann, ist vorgesehen, dass die Schicht aus transparentem leitfähigen Material durch eine zusätzlich auf dem Substrat ausgebildete leitfähige Struktur (10, 11, 12, 13) mit dem außerhalb der Bildelementeanordnung angeordneten Potentialanschluss (15) verbindbar ist.

Description

Optoelektronisches Bauelement mit leitfähiger Kontakts ruktur
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in einen intensitätsabhängigen Photostrom bestehend aus einem, insbesondere in CMOS-Technologie, ausgebildeten Substrat mit einer integrierten Halbleiterstruktur (ASIC) und einer in Lichteinfallsrichtung vorgeordneten optisch aktiven Dunnschichtstruktur, bestehend aus einer Schicht aus einem transparenten leitfähigen Material und mindestens einer Schicht aus Halbleitermaterial, welche auf einer isolierenden Schicht angeordnet sind, innerhalb der sich Verbindungsmittel zur Kontaktierung der optisch aktiven Dunnschichtstruktur mit der auf dem Substrat angeordneten integrierten Halbleiterstruktur befinden, wobei in der Horizontalebene des Bauelements eine Anordnung jeweils räumlich benachbarter Bildelemente (Pixel) ausgebildet ist, die jeweils über einzelne rückseitige Kontakte verfügen und deren Frontkontakte gemeinsam durch die Schicht aus transparentem leitfähigen Material gebildet werden.
Ein optoelektronisches Bauelement der beschriebenen Art ist bekannt aus B. Schneider, P. Rieve, M. Böhm, Image Sensors in TFA (Thin Film on ASIC) technology, ed. B. Jahne, H. Hausecker, P. Geißler, Handbook of Computer Vision and Applications, S. 237-270, Academic Press, San Diego, 1999) . Ein optoelektronisches Bauelement dieser Art besteht aus einer matrixorganisierten oder linearen Anordnung von Bildpunkten, sog. "Pixeln". Die elektronischen Schaltungen zum Betrieb des Bauelements, d.h. die Pixelelektronik, Peripherieelektronik oder die Systemelektronik, sind üblicherweise in CMOS-basierter Silizium-Technologie realisiert und bilden einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) . Durch eine isolierende Schicht hiervon getrennt und mittels entsprechender elektrischer Kontakte hiermit verbunden, befindet sich vertikal auf dem ASIC eine Mehrschichtanordnung in Form einer Photodiode, welche die Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in einen intensitätsabhängigen Photostrom- ornimmt . Dieser Photostrom wird an bestimmten, in jedem Pixel vorhandenen Kontakten der darunter liegenden Pixelelektronik übergeben.
Mach einem weiteren Stand der Technik (J. A. Theil, M. Cao, G. Kooi, G. . Ray, W. Greene, J. Lin, AJ. Budrys, U. Yoon, S. Ma, H. Stork, Hydrogenated Amorphous Silicon Photodiode Technology for Advanved CMOS Active Pixel Sensor Imagers, MRS Symposium Proceedings, vol. 609, 2000) wird als Photodiode eine pin-Konfiguration auf der Basis amorphen Siliziums verwendet, d.h. eine Folge aus einer p-leitenden, einer eigenleitenden (intrinsischen) und einer n-leitenden amorphen Siliziumschicht. Die n- Schicht bildet üblicherweise die unterste, dem ASIC zugewandte Schicht. Die elektrischen Kontakte werden auf dieser dem ASIC zugewandten Seite beispielsweise von einer Metallschicht gebildet, während die Kontaktierung auf der der Lichteinfallsrichtung zugewandten Seite in der Regel durch eine transparente und leitfähige Schicht erfolgt. Über die genannte pin-Photodiode hinaus sind auch weitere BauelementStrukturen möglich, z.B. Schottky- Photodioden, bei denen eine intrinsische Halbleiterschicht in Kontakt mit einem geeigneten Metall (beispielsweise Chrom, Platin, Palladium, Silber) gebracht wird, so dass der Metall-Halbleiter-Übergang eine Schottky-Photodiode bildet. Ferner sind Detektorstrukturen mit einer steuerbaren spektralen Empfindlichkeit bekannt (P. Rieve, M. Sommer, M. Wagner, K. Seibel, M. Böhm, a-Si:H Color Imagers and Colorimetry, Journal of Non-Crystalline Solids, vol. 266-269, S. 1168- 1172, 2000) . Diese Grundstruktur eines TFA-Bildsensors kann darüber hinaus durch zusätzliche, in Lichteinfallsrichtung vorgelagerte Schichten erweitert werden, beispielsweise durch Farbfilterschichten (z.B. Bayer-Pattern, US-Patent Nr. 3971065) .
Optoelektronische Bauelemente, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, verfügen innerhalb der Anordnung der räumlich benachbarten Bildelemente für jedes einzelne Bildelement (Pixel) über einen Rückkontakt, der über eine dem einzelnen Pixel zugeordnete Kontaktstruktur mit der jeweiligen Pixelelektronik verbunden ist. Demgegenüber wird der (in Lichteinfallsrichtung vorgeordnete) Frontkontakt für alle Bildelemente gemeinsam durch die Schicht aus transparentem leitfähigen Material, die sog. TCO-Schicht, gebildet. Diese Schicht kann beispielsweise aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) oder aus Aluminium-dotiertem oder Aluminiumoxid-dotiertem Zinkoxid (ZnO.Al oder ZnO:Al203) bestehen, die mit Hilfe des Kathodenzerstäubungsverfahrens (Sputterverfahren) aufgebracht werden. Sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die optische Transmission derartiger TCO- Schichten hängen wesentlich vom Sauerstoffgehalt der Schicht und mithin auch vom Sauerstoffgehalt des Plasmas während der Deposition ab. Mit Hilfe einer wohl dosierten Sauerstoffzugäbe während des Sputtervorgangs (reaktives Sputtern) können die elektrischen und optischen Schichtparameter in weiten Bereichen modifiziert und eine Optimierung von Leitfähigkeit und Transmission erreicht werden.
Beim Stand der Technik erfolgt die Verbindung der Schicht aus transparentem leitfähigen Material mit einem elektrischen Potentialanschluss beispielsweise dadurch, dass auf die Schicht ein Anschlussdraht im Bondverfahren aufgebracht wird, der mit einem Bondpad verbunden ist. Nachteilig bei diesem Verfahren unter Verwendung eines Anschlussdrahtes im Bondverfahren ist, dass die Haltbarkeit bzw. Haftung des Bonddrahtes auf der Schicht herabgesetzt ist.
Eine andere Variante besteht darin, dass die Schicht aus transparentem leitfähigen Material seitlich auf eine KontaktStruktur des ASIC heruntergeführt wird. Hierdurch ist jedoch ein zusätzlicher photolithographischer Strukturierungsschritt erforderlich, da die Siliziumschichten und die Kontaktschicht mit unterschiedlichen Masken strukturiert werden müssen, wodurch sich ein erhöhter fertigungstechnischer Aufwand ergibt. Darüber hinaus wirkt sich bei dieser bekannten Lösung nachteilig aus, dass die Gefahr des Abrisses der Kontaktschicht an der Kante der Photodiode besteht. Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Bauelement der eingangs genannten Art dahingehend weiter zu entwickeln, dass die elektrische Verbindung zwischen der Schicht aus transparentem leitfähigen Material und dem elektrischen Potentialanschluss fertigungstechnisch auf einfache Weise hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schicht aus transparentem leitfähigen Material durch eine zusätzlich auf dem Substrat ausgebildete leitfähige Struktur mit einem außerhalb der Bildelementeanordnung angeordneten Potentialanschluss verbindbar ist.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Verbindung zwischen dem elektrischen Potentialanschluss und der Schicht aus transparentem leitfähigen Material über eine zusätzliche, eine Kontaktbrücke bildende leitfähige Struktur erzeugt wird. Diese Struktur kann bei geeigneter Materialauswahl gemeinsam mit den Herstellungsschritten zur Herstellung der optisch aktiven Schichten erzeugt werden, indem eine geeignete Strukturierung erfolgt. Hierdurch erübrigt sich ein zusätzlicher photolithographischer
Strukturierungsschritt, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist, bzw. es wird mit dem gleichen Aufwand an St ukturierungsschritten eine höhere Funktionalität erzielt .
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die zusätzliche Struktur eine die Bildelementeanordnung mindestens teilweise überdeckende lichtundurchlässige Schicht ist.
Die Verwendung einer derartigen leitfähigen Schicht erlaubt gleichzeitig die Kontaktierung der transparenten leitfähigen Schicht von der Oberfläche der Bildelementeanordnung auf das ASIC-Niveau anstelle der im Stand der Technik beschriebenen seitlichen Kontaktierung der transparenten leitfähigen Schicht mittels des transparenten, leitfähigen Oxids selbst, was in einer Reduzierung des Übergangswiderstandes resultiert. Hierdurch ergibt sich also eine niederohmige Verbindung der die Frontelektrode bildenden Schicht mit der lateral benachbarten Kontaktstruktur. Gleichzeitig ergibt sich hierdurch die Möglichkeit, Pixel oder Pixelbereiche (Zeilen oder Spalten) zu realisieren, welche gegenüber der einfallenden optischen Strahlung abgeschirmt sind. Dies bedeutet, dass es sog. "Dunkelpixel" in der Anordnung gibt, wobei die aus diesen Pixeln resultierenden Dunkelsignale als Referenzsignale dienen, welche beispielsweise beim Betrieb des Sensors von den eigentlichen Bildsignalen subtrahiert werden, um den den Photodioden anhaftenden 'Dunkelstrom und dessen Temperaturabhängigkeit zu eliminieren. Ferner dienen die Dunkelsignale dazu, um im Rahmen von Korrekturverfahren Unterschiede hinsichtlich der Verstärkungen der Spaltenverstärker kompensieren zu können. Die fertigungstechnische Realisierung solcher Dunkelpixel erfolgt dadurch, dass auf die photoaktiven Schichten des optoelektronischen Bauelements eine lichtundurchlässige Schicht aus einem geeigneten Material aufgebracht wird, welche derart strukturiert wird, dass sie die abzudunkelnden Bereiche abdeckt, während sie über den photoaktiven Gebieten wieder entfernt wird.
Als vorteilhaftes Material für die metallische Schicht hat sich Chrom erwiesen. Alternativ dazu kann die lichtundurchlässige Schicht auch durch ein nichttransparentes Polymer gebildet sein.
Hinsichtlich der Position der Metallschicht kann nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der ersten Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass die lichtundurchlässige Schicht zwischen der Schicht aus dem transparenten leitfähigen Material und der mindestens einen Schicht aus Halbleitermaterial angeordnet ist. In diesem Fall wird nach dem Aufbringen und Strukturieren der Photodiodenrückkontakte zunächst das Halbleiter- Schichtsystem, beispielsweise aus amorphem Silizium, mit Hilfe des PECVD-Verfahrens (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) aufgebracht und anschließend photolithographisch strukturiert. Es folgt die Beschichtung mit der lichtschirmenden und kontaktierenden Metallschicht, beispielsweise mittels des Sputter- oder des Aufdampfverfahrens . Diese Metallschicht wird nun ebenfalls photolithographisch strukturiert, so dass sie über den Rand der photoaktiven Fläche der Bildelementeanordnung hinausragt und den Kontakt mit einer dafür vorgesehenen Metallelektrode des ASIC herstellt . Anschließend wird die transparente leitfähige Schicht (TCO) aufgetragen, die z.B. aus Aluminiumdotiertem Zinkoxid, Aluminiumoxid-dotiertem Zinkoxid oder Indium-Zinn-Oxid (ITO) besteht, und strukturiert, so dass sie die gesamte photoaktive Fläche des optoelektronischen Bauelements - eventuell einschließlich des durch das Metall abgeschirmten Bereichs - überdeckt und mit der lichtschirmenden Metallschicht in Kontakt steht.
Alternativ dazu kann aber auch die lichtundurchlässige Schicht in Lichteinfallsrichtung der Schicht aus transparentem leitfähigen Material vorgeordnet sein. In diesem Fall kann das Halbleiter-Schichtsystem z. B. aus amorphen Silizium zusammen mit der darauf abgeschiedenen TCO-Schicht in einem einzigen Photolithographieschritt strukturiert werden. Anschließend wird die lichtschirmende und kontaktierende Metallschicht aufgebracht und wie oben strukturiert. Diese Variante benötigt mithin gegenüber der zuerst genannten einen Lithographischritt weniger, sie erfordert jedoch ein Ätzverfahren, mit dem die Metallschicht selektiv gegenüber dem TCO-Material entfernt werden kann.
Wenn beispielsweise im Fall von Sensoren, die mit einem Farbfilterarray ausgerüstet werden, noch weitere absorbierende Schichten hinzugefügt werden, z.B. drei üblicherweise zu verwendende Farbfilter übereinander gestapelt, können die Lichtschirmungseigenschaften im Bezug auf die Dunkelpixel weiter verbessert werden.
Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung ist die zusätzliche Struktur durch eine eine in Durchlassrichtung betriebene Diode bildende Halbleiterstruktur realisiert, welche außerhalb der Bildelementeanordnung auf dem Substrat ausgebildet ist. Im Rahmen dieser Variante ist neben der
Bildelementeanordnung, d.h. der photoaktiven Matrix, eine weitere Struktur vorgesehen, welche eine elektrisch leitende Verbindung der TCO-Schicht zum elektrischen Potentialanschluss darstellt. Dieser elektrische Potentialanschluss (Anschlusselektrode) ist bevorzugt aus demselben Material ausgeführt wie die Rückelektroden der einzelnen Bildelemente und kann auch zusammen mit diesen strukturiert werden. Alternativ kann die Anschlußelektrode auch aus einem anderen Material realisiert werden als die Rückelektroden der Bildelemente. Die Anschlusselektrode ist über entsprechende Kontaktvias, Leiterbahnen und gegebenenfalls über weitere Schaltungskomponenten (z.B. Schutzdioden) mit einem externen Bondpad verbunden. Die die Photodiode bildenden Halbleiter-Schichten, bestehend aus amorphem oder mikrokristallinem Silizium oder deren Legierungen sowie die transparente und leitfähige Frontelektrode, werden über die photoaktive Zone der Bildelementeanordnung hinaus bis über die Anschlusselektrode geführt, so dass zwischen der Anschlusselektrode und der TCO-Frontelektrode die genannte Diodenstruktur 'ausgebildet ist. Diese wird aufgrund geeigneter Kontaktierung in Durchlassrichtung betrieben, so dass sie wie ein nicht-linearer Widerstand funktioniert.
Wenn gemäß einer Ausführungsform dieser Variante der Erfindung die Diode als eine pin-Diode gebildet ist, so kann ein an die Anschlusselektrode angelegtes negatives Potential über die in Durchlassrichtung betriebene Diode unter Berücksichtigung eines stromabhängigen Spannungsabfalls auf die Frontelektrode übertragen werden .
Hierbei muss jedoch dafür gesorgt werden, dass die untere n-Schicht, welche als dotierte Schicht eine vergleichsweise hohe Leitfähigkeit besitzt, von den Pixelrückelektroden isoliert ist. Im Falle einer Schottky-Diodenstruktur erübrigt sich diese Unterbrechung, da die intrinsische
Schicht nur eine sehr geringe Leitfähigkeit aufweist. Für die Anschlusselektrode können als Materialien beispielsweise Chrom oder Chromlegierungen verwendet werden. Die Größe der Anschlusselektrode muss derart dimensioniert werden, dass über die Diode der gesamte Photostrom der photoaktiven Sensorfläche unter maximaler Beleuchtung übertragen werden kann.
Alternativ kann zwischen die Bildelementeanordnung B und die Diodenstruktur P eine Isolationszone eingefügt werden, welche die Halbleiterstruktur 6, 7, 8 trennt, nicht jedoch die TCO-Schicht 9.
Eine dritte Variante der Erfindung baut auf der zuvor genannten auf und verwendet denselben Aufbau. Zusätzlich erfolgt jedoch nach Aufbringen und Strukturieren der TCO- Schicht ein lokales Aufschmelzen der die Diode bildenden Schichten, beispielsweise mittels eines
Laser-Lichtimpulses, so dass eine niederohmige Verbindung zwischen der Anschlusselektrode und dem TCO-Front ontakt über die Siliziumschichten erzielt wird. Diese durch lokales Aufschmelzen bewirkte niederohmige Verbindung besitzt den Vorteil, dass bei gleichem summarischen Photostrom der Spannungsabfall über der KontaktStruktur geringer ist bzw. daß eine kleinere Kontaktfläche benötigt wird.
Eine vierte Variante der Erfindung sieht vor, dass die zusätzliche Struktur eine mehrschichtige Struktur ist, welche aus zwei miteinander in Wechselwirkung tretenden Materialien, insbesondere Aluminium und Silizium, besteht. Diese vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, für die Anschlusselektrode ein Material zu wählen, welches bei erhöhten Temperaturen zu Wechselwirkungen mit Silizium führt. Beispielsweise sind derartige Wechselwirkungen für Aluminium und Silizium bekannt, wenn sie in Kontakt gebracht werden (M. -Shahidul Haque, H. A. Nasee , W. D. Brown, Interaction of aluminum with hydrogenated amorphous Silicon at low temperatures, Journal of Applied Physics, vol. 75 (8), S. 3928-3935, 1994) . Unter Temperaturbeaufschlagung (ab ca. 150°C) findet eine Interdiffusion von Aluminium und Silizium statt, welche zum lokalen Kurzschluss der Diode führt. Bei geeigneter Prozessführung tritt dieser Effekt bereits während der Deposition der amorphen bzw. mikrokristallinen Siliziumschichten oder bei weiteren Temperschritten im Verlauf des Fertigungsprozesses auf. Die Metallelektrode kann in diesem Fall beispielsweise aus der obersten Metallisierung des ASIC bestehen, für welche in der Regel Aluminium verwendet wird. Auf diese Weise wird die gewünschte niederohmige Verbindung zwischen Anschluss- und Frontelektrode über die amorphen bzw. mikrokristallinen Siliziumschichten auch ohne lokales Aufschmelzen und damit ohne einen zusätzlichen Prozessschritt erzielt. Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert . Dabei zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der ersten Variante der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der ersten Variante -der Erfindung;
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der zweiten Variante der Erfindung;
Fig. 4 ein zweites Ausfüh-rungsbeispiel der zweiten Variante der Erfindung;
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der dritten Variante der Erfindung;
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der vierten Variante der Erfindung.
Fig. 7 ein elektrisches Ersatzschaltbild für eine Gestaltung nach den Fig. 3 und 4; und
Fig. 8 ein elektrisches Ersatzschaltbild für eine Gestaltung nach den Fig. 5 und 6.
Das in Fig. 1 dargestellte optoelektronische Bauelement besteht aus einem Substrat 1, insbesondere einem Siliziumsubstrat, auf dessen Oberfläche entsprechende integrierte Schaltkreise ausgebildet sind. Diese Schaltkreise werden in CMOS-Technologie realisiert, der somit gebildete Schaltkreis wird als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) bezeichnet. Zur Kontaktierung des ASIC mit einer noch zu beschreibenden optischen Dunnschichtstruktur, bestehend aus den Schichten 5, 7, 8, 9 dient eine auf der Oberfläche des ASIC befindliche isolierende Schicht 4, innerhalb der Metallisierungen 2 untergebracht sind, die sich im Wesentlichen horizontal erstrecken und die über Vias 3 jeweils mit einem Metallkontakt 5 elektrisch verbunden sind. Hierdurch ergibt sich eine direkte elektrische Verbindung der gewünschten Positionen auf der Oberfläche des integrierten Schaltkreises mit einer Ebene mit Metallkontakten 5, welche die dem ASIC zugewandte unterste Schicht der optischen Struktur darstellen. Die linken vier in Fig. 1 dargestellten Einheiten, jeweils bestehend aus Metallisierung 2, Via 3 und Metallkontakt 5, befinden sich im photoaktiven Bereich des Bauelements und bilden eine Anordnung B von Bildelementen. Hierbei ist jede Einheit aus Metallisierung 2, Via 3 und Metallkontakt 5 einem einzelnen Pixel innerhalb der Bildelementeanordnung B zugeordnet. Außerhalb der Bildelementeanordnung B befindet sich eine weitere Einheit aus Metallisierung 2, Via 3 und Metallkontakt 5, welche eine Anschlusselektrode 15 bildet. Die Anschlusselektrode 15 ist über einen verlängerten Metallisierungsbereich mit einem außerhalb der Struktur liegenden externen Bondpad 20 elektrisch verbunden.
Jeder der Metallschichtkontakte 5, die als Basisanschlüsse für die einzelnen Pixelkontakte dienen, ist mit einer eigenleitenden amorphen Siliziumschicht 7 bedeckt, auf der sich wiederum eine p-Typ-dotierte amorphe Siliziumschicht 8 befindet. Die gesamte so ausgebildete Struktur ist mit einer Schicht aus einem leitfähigen transparenten Oxid (TCO) 9 überdeckt, welche die der Lichteinfallsrichtung vorgeordnete Schicht der gesamten Struktur darstellt. Zwischen der obersten amorphen Siliziumschicht 8 und der Schicht aus einem leitfähigen transparenten Oxid 9 befindet sich eine Metallschicht 10, die einerseits lateral einzelne Bildelemente überdeckt und andererseits bis hin zur Anschlusselektrode 15 ausgebildet ist. Die Herstellung dieser Schicht erfolgt dadurch, dass nach dem Aufbringen und Strukturieren der Metallkontakte 5 zunächst das Schichtsystem aus den amorphen Siliziumschichten 7 und 8 mit Hilfe des PECVD-Verfahren aufgebracht wird und anschließend photolithographisch strukturiert wird. Danach erfolgt die Beschichtung mit der Metallschicht 10, beispielsweise mittels des Sputter- oder des Aufdampf erfahrens . Diese Metallschicht 10 wird ebenfalls photolithographisch strukturiert, so dass sie über den Rand der photoaktiven Fläche (Bildelementebereich B) hinausragt und den Kontakt mit der Anschlusselektrode 15 herstellt. Zum Schluss wird die TCO-Schicht 9 aufgetragen und strukturiert, so dass sie die gesamte photoaktive Fläche des Bildsensors überdeckt und mit der lichtschirmenden Metallschicht 10 in Kontakt steht.
Das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der ersten Variante der Erfindung unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 1 nur dadurch, dass sich die Metallschicht 10 in Lichteinfallsrichtung betrachtet oberhalb der transparenten leitfähigen Schicht 9 befindet. In diesem Fall können zur Herstellung des Schichtsystems die Schichten aus amorphen Silizium 7 und
8 zusammen mit der darauf abgeschiedenen TCO-Schicht 9 in einem einzigen Photolithographieschritt strukturiert werden und anschließend die Metallschicht 10 aufgebracht werden. Diese Variante benötigt daher einen Lithographieschritt weniger, erfordert jedoch ein Ätzverfahren, in dem die Metallschicht 10 selektiv gegenüber der TCO-Schicht 9 entfernt wird.
Beiden Ausführungsformen der ersten Variante der Erfindung ist gemeinsam, dass durch die Abschattung der Metallschicht Dunkelpixel entstehen, welche gegenüber der einfallenden optischen Strahlung abgeschirmt sind. Die von diesen Pixeln erzeugten Signale, die sog. "Dunkelsignale" dienen dazu, als Referenzwerte für die Korrektur der erfassten Bildsignale zu dienen. Die Dunkelsignale werden beispielsweise beim Betrieb des Sensors von den Bildsignalen subtrahiert, um den .den Photodioden anhaftenden Dunkelstrom und dessen Temperaturabhängigkeit zu eliminieren.
Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel zur zweiten Variante der Erfindung. Grundsätzlich ist der Aufbau des Bauelements entsprechend dem im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel . Im Unterschied zur Gestaltung nach Fig. 1 und 2 erstreckt sich die Dunnschichtstruktur bestehend aus den Schichten 7, 8 und
9 hierbei jedoch über den Bereich der Anschlusselektrode 15 hinaus . Die Anschlusselektrode 15 ist darüber hinaus gegenüber den den einzelnen Pixeln zugeordneten Metallkontakten mit einem deutlich größeren Abstand angeordnet. Im Übrigen ist aber auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Anschlusselektrode 15 durch eine verlängerte Metallisierung 2 mit dem Bondpad 20 verbunden.
Durch diese Gestaltung ist neben der photoaktiven Bildelementeanordnung B. eine Diodenstruktur P ausgebildet, wobei die die Diode P bildenden Schichten denjenigen entsprechen, die auch die optisch aktive Struktur des Bildsensors darstellen. Die sich durch die beschriebene geometrische Anordnung zwischen der Anschlusselektrode 15 und der TCO-Schicht 9 ausbildende sog. "Kontaktdiode" wird im Betriebsfall in Durchlassrichtung betrieben, indem an die Anschlusselektrode ein negatives Potential angelegt wird, welches über das Bondpad 20 zugeführt wird. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kontaktdiode als Schottkydiode ausgebildet .
Demgegenüber unterscheidet sich das zweite Ausführungsbeispiel der zweiten Variante der Erfindung gemäß Fig. 4 von demjenigen, wie es in Fig. 3 dargestellt wurde, dadurch, dass zusätzlich eine n-dotierte amorphe Siliziumschicht 6 auf die Metallkontakte 5 aufgebracht wird. Hierdurch ist die im Bereich P ausgebildete Diode als pin-Diode gestaltet, im Übrigen ergibt sich aber dieselbe Struktur wie in Fig. 3.
Durch den dargestellten räumlichen Abstand zwischen der Anschlusselektrode 15 und dem photoaktiven Bereich B des Bildsensors wird ein direkter Stro fluss von der Anschlusselektrode 15 zum Bereich B unterbunden. Vielmehr wirkt die im Bereich P ausgebildete Diode, wenn sie, wie dargestellt, in Durchlassrichtung betrieben wird, wie ein nicht-linearer Widerstand.
Alternativ kann die Halbleiterstruktur zwischen den Bereichen B und P durch Einfügen eines zusätzlichen Isolators aufgetrennt werden.
Zusätzlich können in der Verbindung zwischen der Anschlusselektrode 15 und dem Bondpad 20 zusätzliche (nicht dargestellte) ESD-Schutzstrukturen zur Vermeidung elektrostatischer Aufladungseffekte angeordnet sein.
Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel der dritten Variante der Erfindung geht von einer Struktur aus, wie sie in Fig. 3 bzw. 4 beschrieben wurde. Im Unterschied dazu befindet sich im Bereich der Kontaktdiode eine Verschmelzungszone 11, die dadurch entsteht, dass beispielsweise mittels eines Laserlichtimpulses ein lokales Aufschmelzen der Dunnschichtstruktur 5, 7, 8, 9 erfolgt, so dass im Ergebnis eine niederohmige Verbindung zwischen der Anschlusselektrode 15 und der TCO-Schicht 9 über die aufgeschmolzenen Siliziumschichten erzielt wird. Dies hat den Vorteil, dass bei gleichem summarischem Photostrom, der durch den Bildsensor fließt, der Spannungsabfall über der KontaktStruktur reduziert ist bzw. daß eine kleinere Kontaktfläche benötigt wird.
Das in Fig. 6 beschriebene Ausführungsbeispiel gemäß der vierten Variante der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ausgehend von der Struktur nach Fig. 3 bzw. 4 im Bereich der Anschlusselektrode ein strukturierter Bereich M ausgebildet ist, welcher aus einer Schichtstruktur besteht, die sich aus einer weiteren Metallschicht 12 und einer darüber angeordneten Interdiffusionsschicht 13 ergibt. Für das Material der Anschlusselektrode 15 wird vorteilhafterweise Aluminium verwendet, welches bei erhöhten Temperaturen in Wechselwirkung mit den darüber angeordneten Siliziumschichten 7 und 8 tritt. Auch auf diese Weise ergibt sich eine niederohmige Verbindung in Form der Interdiffusionsschicht 13 zwischen der Anschlusselektrode 15 und der TCO-Schicht 9 über die amorphen bzw. mikrokristallinen Siliziumschichten, und zwar ohne lokales Aufschmelzen und damit ohne einen zusätzlichen Prozessschritt .
Schließlich zeigt Fig. 7 ein elektrisches Ersatzschaltbild zu den Ausführungsbeispielen der zweiten Variante der Erfindung. Im Bereich der Bildelementeanordnung B sind zueinander parallel geschaltete, in Sperrrichtung betriebene Photodioden angeordnet, die Ströme l]_l, I_2, I_3 produzieren. Diese sind auf die gemeinsame TCO-Schicht 9 geführt und ergeben den gesamten Photostrom I_ges. Über die als in Durchlassrichtung betriebene Diode wirkende Schichtstruktur im Bereich P von Fig. 3 bzw. 4 fließt der Photostrom I_ges schließlich zum Bondpad 20, an dem eine Spannung anliegt, welche sich ergibt durch die Differenzspannung zwischen der Spannung an der TCO- Elektrode und dem Spannungsabfall an der Kontaktdiode V k. In entsprechender Weise zeigt Fig. 8 das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 5 bzw. 6, wobei die in Durchlassrichtung betriebene Diode durch den sich im Aufschmelzbereich bzw. Interdiffusionsbereich ergebenden ohmschen Widerstand ersetzt ist.
Bezugszeichenliste
1 Substrat
2 Metall
3 Via
4 Dielektrikum
5 Metallkontakt
6 n-a-Si:H-Schicht
7 i-a-Si:H-Schicht
8 p-a-Si:H-Schicht
9 TCO-Schicht aus transparentem .leit ähigen Material
10 Metallschicht
11 Verschmelzungszone
12 weitere Metallschicht
13 Interdiffusionszone 15 Anschlusselektrode 20 Bondpad
B Bildelementeanordnung
M mehrschichtige Metall-Halbleiter-Struktur
P Diodenstruktur
R mehrschichtige Metall-Halbleiter-Struktur

Claims

4. Mai 2002
P A T E N T AN S P R Ü C H E
Optoelektronisches Bauelement zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in einen intensitatsabhangigen Photostrom bestehend aus einem, insbesondere in CMOS-Technologie, ausgebildeten Substrat (1) mit einer integrierten Halbleiterstruktur (ASIC) und einer in Lichteinfallsrichtung vorgeordneten optisch aktiven Dunnschichtstruktur (7, 8, 9) t bestehend aus einer Schicht aus einem transparenten leitfähigen Material (9) und mindestens einer Schicht aus Halbleitermaterial (7, 8) , welche auf einer isolierenden Schicht (4) angeordnet sind, innerhalb der sich Verbindungsmittel (2, 3, 5) zur Kontaktierung der optisch aktiven Dunnschichtstruktur (7, 8, 9) mit der auf dem Substrat (1) angeordneten integrierten Halbleiterstruktur 'befinden, wobei in der Horizontalebene des Bauelements eine Anordnung (B) jeweils räumlich benachbarter Bildelemente (Pixel) ausgebildet ist, die jeweils über einzelne rückseitige Kontakte (5) verfügen und deren Frontkontakte gemeinsam durch die Schicht aus transparentem leitfähigen Material (9) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus transparentem leitfähigen Material (9) durch eine zusätzlich auf dem Substrat (1) ausgebildete leitfähige Struktur (10, 11, 12, 13) mit einem außerhalb der Bildelementeanordnung (B) angeordneten Potentialanschluss (15) verbindbar ist.
2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Struktur eine die Bildelementeanordnung (B) mindestens teilweise überdeckende lichtundurchlässige Schicht (10) ist.
3. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtundurchlässige Schicht (10) eine metallische Schicht, insbesondere eine Chromschicht ist .
4. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtundurchlässige Schicht (10) eine Schicht aus einem nicht-transparenten Polymer ist.
5. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die lichtundurchlässige Schicht (10) zwischen der Schicht aus einem transparenten leitfähigen Material (9) und der mindestens einen Schicht aus Halbleitermaterial (7, 8) angeordnet ist.
6. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtundurchlässige Schicht (10) in Lichteinfallsrichtung der Schicht aus transparentem leitfähigen Material (9) vorgeordnet ist.
7. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Struktur eine eine in Durchlassrichtung betriebene Diode bildende Halbleiterstruktur (P) ist, welche außerhalb der Bildelementeanordnung (B) auf dem Substrat (1) ausgebildet ist.
8. Optoelektronisches Bauelement .nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Diode eine pin-Diode ist.
9. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die n-Schicht (06) der pin-Diode mit dem Potentialanschluss (15) verbunden und von der Bildelementeanordnung (B) isoliert ist.
10. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Diode eine Schottkydiode ist.
11. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Struktur eine mehrschichtige Struktur (R) ist, welche derart lokal aufgeschmolzen ist, dass sich eine niederohmige Verbindung zwischen dem Potentialanschluss (15) und der Schicht aus transparentem leitfähigen Material (9) ergibt.
12. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Struktur eine mehrschichtige Struktur (M) ist, welche aus zwei miteinander in Wechselwirkung tretenden Materialien, insbesondere Aluminium und Silizium, besteht.
13. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (7, 8) der
Dunnschichtstruktur aus amorphem oder mikrokristallinem Silizium oder deren Legierungen besteht.
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