DE102011009373B4

DE102011009373B4 - Fotodiodenbauelement

Info

Publication number: DE102011009373B4
Application number: DE102011009373.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Teva Jordi; Franz Schrank
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams AG
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: CN103329272B; WO2012101116A1; DE102011009373A1; US9054261B2; US20140021572A1; CN103329272A

Abstract

Fotodiodenbauelement mit – einer elektrisch leitfähigen Kathodenschicht (3) an einer Fotodiodenschicht (4) aus einem Halbleitermaterial, – dotierten Anodenbereichen (5) an einer von der Kathodenschicht (3) abgewandten Oberseite (18) der Fotodiodenschicht (4), – einem Graben (14), der die Fotodiodenschicht (4) unterteilt, – einer Leiterschicht (7, 7', 7''), die in oder an dem Graben (14) angeordnet ist, den Graben (14) nicht füllt und die Kathodenschicht (3) elektrisch leitend mit einem über der Oberseite (18) der Fotodiodenschicht (4) angeordneten Kathodenanschluss (11) verbindet, und – über der Oberseite (18) der Fotodiodenschicht (4) angeordneten und elektrisch leitend mit den Anodenbereichen (5) verbundenen Anodenanschlüssen (12), dadurch gekennzeichnet, dass – eine Mehrzahl voneinander getrennter Kathodenanschlüsse (11) vorhanden ist und – die Leiterschicht (7, 7', 7'') eine Mehrzahl voneinander getrennter Anteile (7', 7'') aufweist, die voneinander getrennt mit jeweils einem der Kathodenanschlüsse (11) verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Fotodiodenbauelemente mit Fotodioden-Arrays, bei denen das Übersprechen zwischen den einzelnen Bildpunkten minimiert ist. Diese Fotodiodenbauelemente sind insbesondere für rückseitigen Lichteinfall vorgesehen und können mit CMOS-Schaltungskomponenten integriert werden.
Fotodioden mit Durchkontaktierungen im Substrat sind zum Beispiel in US 2010/0193893 A1 , US 2010/0108893 A1 und US 7 576 404 B2 beschrieben.
In WO 2005/001941 A2 ist ein Fotodiodenbauelement beschrieben, bei dem dotierte Anodenbereiche und eine dotierte Kathodenschicht an einander gegenüberliegenden Hauptseiten eines Halbleitersubstrates gebildet sind. Eine strukturierte Metallschicht bildet Elektroden für die Anodenbereiche und die Kathodenschicht, die über grabenartig diffundierte Bereiche im Substrat an die betreffenden Elektroden angeschlossen ist.
In US 2007/0085117 A1 ist ein Fotodiodenbauelement beschrieben, bei dem dotierte Anoden-/Kathodenbereiche an einer Oberseite einer ersten Halbleiterschicht eines zweischichtigen Substrates angeordnet und mittels Durchkontaktierungen mit Rückseitenkontakten verbunden sind. Weitere Rückseitenkontakte sind mit der zweiten Halbleiterschicht des Substrates verbunden.
In US 7 576 404 B2 ist ein Fotodiodenbauelement beschrieben, bei dem auf einem Halbleitersubstrat eine dielektrische Schicht und darauf eine intrinsisch leitende Halbleiterschicht angeordnet sind. In der Halbleiterschicht befinden sich auf der dielektrischen Schicht Anteile einer ersten Anoden-/Kathodenschicht und an der gegenüberliegenden Seite eine zweite Anoden-/Kathodenschicht, die über Durchkontaktierungen mit zugehörigen Durchkontaktierungen des Substrates verbunden ist. Die Durchkontaktierungen in der Halbleiterschicht sind durch dotierte Grabenwände gebildet, wobei die Gräben mit undotiertem Polysilizium gefüllt sind. Metallische Durchkontaktierungen im Substrat sind jeweils mit beiden dotierten Grabenwänden verbunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fotodiodenbauelement anzugeben, das einfach herstellbar ist und ein besonders geringes Übersprechen zwischen den Bildpunkten aufweist.
Diese Aufgabe wird mit dem Fotodiodenbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei dem Fotodiodenbauelement ist in einer Fotodiodenschicht ein Graben vorhanden, der die Fotodiodenschicht in ein Raster aus Bildpunkten unterteilt. In oder an dem Graben befindet sich eine Leiterschicht, die eine auf der Unterseite der Fotodiodenschicht vorgesehene Kathodenschicht mit einem Kathodenanschluss, der über einer der Kathodenschicht gegenüberliegenden Oberseite der Fotodiodenschicht angeordnet ist, elektrisch leitend verbindet. An dieser Oberseite der Fotodiodenschicht sind jeweils in den von dem Graben umschlossenen Bereichen dotierte Anodenbereiche ausgebildet. Die Anodenbereiche sind oberseitig mit elektrischen Anschlüssen, im Folgenden als Anodenanschlüsse bezeichnet, versehen. Die Anodenanschlüsse und der Kathodenanschluss können strukturierte Anteile einer Metallschicht sein, die in einem Dielektrikum angeordnet ist. Auf der von der Fotodiodenschicht abgewandten Unterseite der Kathodenschicht können eine Isolationsschicht und ein Grundsubstrat angeordnet sein, die zusammen mit der Fotodiodenschicht die Struktur eines SOI-Substrats bilden.
In einer allgemeinen Ausführungsform besitzt das Fotodiodenbauelement eine elektrisch leitfähige Kathodenschicht an einer Fotodiodenschicht aus einem Halbleitermaterial. Dotierte Anodenbereiche befinden sind an einer von der Kathodenschicht abgewandten Oberseite der Fotodiodenschicht. Ein Graben unterteilt die Fotodiodenschicht. Eine Leiterschicht ist in dem Graben oder in der Fotodiodenschicht an den Seitenwänden des Grabens angeordnet und verbindet die Kathodenschicht elektrisch leitend mit einem Kathodenanschluss, der über der Oberseite der Fotodiodenschicht angeordnet ist. Anodenanschlüsse sind ebenfalls über der Oberseite der Fotodiodenschicht angeordnet und elektrisch leitend mit den Anodenbereichen verbunden. Es ist eine Mehrzahl voneinander getrennter Kathodenanschlüsse vorhanden, und die Leiterschicht füllt den Graben nicht, sondern weist eine Mehrzahl voneinander getrennter Anteile auf, die voneinander getrennt mit jeweils einem der Kathodenanschlüsse verbunden sind.
In Ausführungsbeispielen füllt die Leiterschicht den Graben nicht vollständig auf, und in dem Graben ist eine elektrisch leitende Grabenfüllung vorhanden.
In weiteren Ausführungsbeispielen füllt die Leiterschicht den Graben nicht vollständig auf, und in dem Graben ist eine dielektrische Grabenfüllung vorhanden.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Fotodiodenschicht Float-Zone-Silizium. Die Anodenbereiche sind durch p⁺-Dotierung ausgebildet.
In weiteren Ausführungsbeispielen unterteilt der Graben auch die Kathodenschicht.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Kathodenschicht in streifenförmige Anteile unterteilt.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist in dem Graben eine dielektrische Grabenfüllung zwischen den Anteilen der Leiterschicht vorhanden.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist ein dotierter Kontaktbereich in elektrischer Verbindung mit der Leiterschicht an der Oberseite der Fotodiodenschicht vorhanden. Der Kathodenanschluss und die Anodenanschlüsse sind in mindestens einer Leiterebene in einem Dielektrikum ausgebildet. Bezüglich der Leiterebene vertikale Leiter verbinden den Kathodenanschluss mit dem Kontaktbereich und die Anodenanschlüsse mit den zugehörigen Anodenbereichen.
In einem Verfahren zur Herstellung eines derartigen Fotodiodenbauelementes wird eine Anordnung einer Isolationsschicht, der Kathodenschicht und der Fotodiodenschicht gebildet, und die Anodenbereiche und gegebenenfalls der Kontaktbereich werden durch Einbringen von Dotierstoff an der von der Kathodenschicht abgewandten Oberseite der Fotodiodenschicht ausgebildet.
In Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird die Kathodenschicht an der Fotodiodenschicht hergestellt, die Kathodenschicht mittels einer Isolationsschicht mit einem Grundsubstrat verbunden, von einer von der Kathodenschicht abgewandten Oberseite der Fotodiodenschicht her ein mindestens bis auf die Kathodenschicht reichender Graben in der Fotodiodenschicht hergestellt und eine Leiterschicht in dem Graben in elektrischer Verbindung mit der Kathodenschicht hergestellt.
In weiteren Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird die Kathodenschicht an der Fotodiodenschicht hergestellt, von der Kathodenschicht her ein Graben in der Fotodiodenschicht hergestellt, eine Leiterschicht in dem Graben in elektrischer Verbindung mit der Kathodenschicht hergestellt und die Kathodenschicht mittels einer Isolationsschicht mit einem Grundsubstrat verbunden.
In weiteren Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird in weiteren Verfahrensschritten, die an oder über der Oberseite der Fotodiodenschicht vorgenommenen werden, zumindest ein Teil der Leiterschicht als Alignmentmarke verwendet.
Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Fotodiodenbauelements und des Herstellungsverfahrens anhand der beigefügten Figuren.
1 zeigt einen Ausschnitt eines Fotodiodenbauelements im Querschnitt.
2 zeigt einen Querschnitt gemäß der 1 durch ein weiteres Fotodiodenbauelement, bei dem der Graben die Kathodenschicht unterteilt.
3 zeigt einen Querschnitt gemäß der 1 durch ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Leiterschicht in dem Graben eine Mehrzahl voneinander getrennter Anteile aufweist.
4 zeigt einen Querschnitt gemäß der 3 durch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Graben die Kathodenschicht unterteilt.
5 zeigt einen Querschnitt gemäß der 1 durch ein weiteres Fotodiodenbauelement, bei dem vertikale Leiter direkt auf der Leiterschicht aufgebracht sind.
6 zeigt einen Querschnitt gemäß der 2 durch ein weiteres Fotodiodenbauelement, bei dem vertikale Leiter direkt auf der Leiterschicht aufgebracht sind.
7 zeigt einen Querschnitt gemäß der 3 durch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem vertikale Leiter direkt auf der Leiterschicht aufgebracht sind.
8 zeigt einen Querschnitt gemäß der 4 durch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem vertikale Leiter direkt auf der Leiterschicht aufgebracht sind.
9 zeigt einen Querschnitt gemäß der 4 durch ein Fotodiodenbauelement, bei dem der Graben bis zu einem Kontaktbereich ausgebildet ist.
10 zeigt einen Querschnitt gemäß der 4 durch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Kathodenschicht in streifenförmige Anteile unterteilt ist.
11 zeigt einen Querschnitt gemäß der 8 durch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Kathodenschicht in streifenförmige Anteile unterteilt ist.
12 zeigt einen Querschnitt durch ein Zwischenprodukt einer Variante eines Herstellungsverfahrens für das Fotodiodenbauelement.
Die 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Fotodiodenbauelement. Die Fotodiodenschicht 4 ist Halbleitermaterial und kann zum Beispiel Float-Zone-Silizium, ein nach einem bekannten Verfahren hergestellter Siliziumkörper hoher Reinheit, sein. Wenn für die Fotodiodenschicht 4 Float-Zone-Silizium verwendet wird, sind unerwünschte Dunkelströme und folglich das Grundrauschen gering. Das ist ein wesentlicher Vorteil im Vergleich zu Bauelementen mit einer epitaktisch hergestellten Fotodiodenschicht. An zwei einander gegenüberliegenden Oberseiten der Fotodiodenschicht 4 befinden sich die Kathodenschicht 3 aus elektrisch leitfähigem Material und die jeweils auf einen Bildpunkt begrenzten Anodenbereiche 5, die durch Einbringen eines Dotierstoffs für p-Leitung in das Halbleitermaterial der Fotodiodenschicht 4 ausgebildet sind. Die Kathodenschicht 3 kann eine separate Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material sein oder durch Einbringen eines Dotierstoffes für n-Leitung in der Fotodiodenschicht 4 ausgebildet sein. Die Kathodenschicht 3 kann insbesondere SiC sein und als epitaktische Schicht auf der Fotodiodenschicht 4 aufgebracht werden oder durch Einbringen von Kohlenstoff in das Silizium der Fotodiodenschicht 4 hergestellt werden.
Die Fotodiodenschicht 4 kann insbesondere ein Anteil eines SOI-Substrats sein, das durch ein Grundsubstrat 1, das zum Beispiel als Handling-Wafer vorgesehen sein kann, eine Isolationsschicht 2, zum Beispiel aus SiO₂, und die Fotodiodenschicht 4 gebildet ist. Die Kathodenschicht 3 und die Anodenbereiche 5 werden jeweils auf der von der Isolationsschicht 2 abgewandten Oberseite 18 der Fotodiodenschicht 4 elektrisch angeschlossen.
In der Fotodiodenschicht 4 befindet sich ein Graben 14, der die Fotodiodenschicht 4 in ein Array aus Bildpunkten unterteilt. Der Graben 14 kann zum Beispiel die Gestalt eines Doppelgitters aufweisen und die Fotodiodenschicht 4 in ein Rechteckraster aus Bildpunkten unterteilen, so dass ein Bildpunkt mit dem zugehörigen Anodenbereich 5 jeweils in einem Rechteck vorhanden ist, das von dem Graben 14 umschlossen wird. An der Oberseite 18 der Fotodiodenschicht 4 ist bei diesem Ausführungsbeispiel entlang dem Graben 14 ein Kontaktbereich 6 durch Einbringen eines Dotierstoffs ausgebildet. Der Kontaktbereich 6 ist vorzugsweise n-leitend. In dem Graben 14 befindet sich eine Leiterschicht 7, die zumindest auf den Seitenwänden des Grabens 14 vorhanden ist und die Kathodenschicht 3 kontaktiert. Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bedeckt die Leiterschicht 7 den Boden des Grabens 14. Die Leiterschicht 7 braucht den Graben 14 nicht vollständig auszufüllen. Der Graben 14 kann in diesem Fall mit einer Grabenfüllung 17 aufgefüllt sein. Die Grabenfüllung 17 kann elektrisch leitendes Material oder ein Dielektrikum sein.
Ein Kathodenanschluss 11 und Anodenanschlüsse 12 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer entsprechend strukturierten Leiterebene 10 ausgebildet, die in einem Dielektrikum 8 angeordnet ist. Es können weitere Leiterebenen, die durch das Dielektrikum 8 voneinander getrennt sind, vorgesehen sein. Vertikale Leiter 9 aus einem Metall verbinden den Kathodenanschluss 11 mit dem Kontaktbereich 6 und die Anodenanschlüsse 12 jeweils mit einem zugehörigen Anodenbereich 5. Der Kontaktbereich 6 und die Anodenbereiche 5 weisen eine hohe Konzentration des jeweiligen Dotierstoffes auf, so dass die vertikalen Leiter 9 einen niederohmigen Kontakt auf den dotierten Bereichen bilden. Der Kathodenanschluss 11 kann zum Beispiel so strukturiert sein, dass er über dem Graben 14 verläuft. Stattdessen kann der Kathodenanschluss 11 nur über einem Anteil des Grabens 14 oder seitlich versetzt zu dem Graben 14 vorhanden sein.
In dem Fotodiodenbauelement gemäß der 1 unterteilt der Graben 14 die Fotodiodenschicht 4 vollständig. Bereiche der der Fotodiodenschicht 4 zugewandten Außenseite der Leiterschicht 7 sind mit dem Kontaktbereich 6 elektrisch leitend verbunden. Es ist zweckmäßig, wenn die vertikalen Leiter 9 auf den beiderseits des Grabens 14 vorhandenen Anteilen des Kontaktbereichs 6 vorhanden sind. Die vertikalen Leiter 9 können stattdessen auch anders, zum Beispiel nur auf einer Seite des Grabens 14, angeordnet sein.
Die von der Fotodiodenschicht 4 abgewandte Oberseite des Dielektrikums 8 kann als Bondfläche 15 vorgesehen sein. Dort kann zum Beispiel in einer vertikalen Integration oder 3D-Integration ein weiteres Halbleitersubstrat angeordnet werden, in dem zum Beispiel eine elektronische Schaltung, insbesondere eine CMOS-Schaltung, integriert ist. Das Grundsubstrat 1 ist insbesondere als Handling-Wafer vorgesehen und kann vorzugsweise entfernt oder zumindest rückgeschliffen werden.
Für den Lichteinfall ist die in der Darstellung der 1 unterseitige Lichteinfallsseite mit der mit dem Pfeil angedeuteten Lichteinfallsrichtung 16 vorgesehen. Wenn das Grundsubstrat 1 entfernt wird, kann die äußere Lichteinfallsseite durch die Unterseite der Isolationsschicht 2 gebildet sein. Zusammen mit einer auf der Bondfläche 15 angeordneten Schaltung bildet das Fotodiodenbauelement ein Fotodioden-Array für rückseitigen Lichteinfall. Die Unterteilung der Fotodiodenschicht 4 in die einzelnen Bildpunkte mittels des Grabens 14 und der darin angeordneten Leiterschicht 7 hat insbesondere den Vorteil, dass das Übersprechen zwischen den Bildpunkten sehr gering ist und typisch im Bereich von 0,1% oder darunter liegt. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das übersprechen nur 0,01% oder weniger betragen. Das ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Fotodioden-Arrays, bei denen das Übersprechen zwischen den Bildpunkten typisch bei etwa 0,4% liegt.
Der Graben 14 hat den Vorteil, dass der Abstand zwischen den Bildpunkten sehr klein ist, so dass ein besonders großer Anteil der Oberfläche des Bauelementes zur Bilderfassung genutzt werden kann. Auf diese Weise ist es auch möglich, eine größere Anzahl kleinerer Bildpunkte vorzusehen, womit das Auflösungsvermögen des Fotodioden-Arrays besonders hoch ist. Der niedrige elektrische Zuleitungswiderstand, der sich aus dem Anschluss der Kathodenschicht 3 über die Leiterschicht 7 ergibt, ist vorteilhaft für Hochfrequenzanwendungen.
Die 2 zeigt einen Querschnitt gemäß 1 durch ein weiteres Fotodiodenbauelement, bei dem für die entsprechenden Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet werden wie in 1. Bei dem Fotodiodenbauelement der 2 unterteilt der Graben 14 nicht nur die Fotodiodenschicht 4, sondern auch die Kathodenschicht 3 vollständig bis hinab auf die Isolationsschicht 2. Stattdessen kann der Graben 14 bis in die Kathodenschicht 3 hinein reichen, ohne die Kathodenschicht 3 vollständig zu unterteilen. In diesem Fall ist der Graben 14 – von der Oberseite 18 her gemessen – tiefer als in dem Fotodiodenbauelement der 1 und weniger tief als in dem Fotodiodenbauelement der 2.
Die 3 zeigt einen Querschnitt gemäß 1 durch ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Leiterschicht Anteile 7', 7'' aufweist, die voneinander getrennt sind und mit voneinander getrennten Kathodenanschlüssen 11 versehen sind. Der Kontaktbereich 5 ist entsprechend unterteilt. Dieses Ausführungsbeispiel kann hergestellt werden, indem die Leiterschicht 7 zunächst gemäß der 1 hergestellt wird und dann der auf dem Boden des Grabens 14 vorhandene Anteil der Leiterschicht 7 entfernt wird. Die getrennten Anteile 7', 7'' der Leiterschicht umgeben jeweils einen Bildpunkt des Arrays. Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt somit jeder Bildpunkt einen eigenen Anodenanschluss 12 und einen eigenen Kathodenanschluss 11.
Die 4 zeigt einen Querschnitt gemäß 2 durch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Graben 14 die Kathodenschicht 3 vollständig bis hinab auf die Isolationsschicht 2 unterteilt und die Leiterschicht Anteile 7', 7'' aufweist, die voneinander getrennt sind und mit voneinander getrennten Kathodenanschlüssen 11 versehen sind. Der Kontaktbereich 6 ist entsprechend unterteilt. Der Graben 14 kann weniger tief als in der 4 ausgebildet werden, so dass der Graben 14 bis in die Kathodenschicht 3 hinein reicht, ohne die Kathodenschicht 3 vollständig zu unterteilen. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt jeder Bildpunkt einen eigenen Anodenanschluss 12 und einen eigenen Kathodenanschluss 11.
Die 5 zeigt einen Querschnitt gemäß 1 durch ein weiteres Fotodiodenbauelement, bei dem auf den Kontaktbereich 6 verzichtet wurde und die vertikalen Leiter 9 direkt auf der Leiterschicht 7 aufgebracht sind.
Die 6 zeigt einen Querschnitt gemäß 2 durch ein weiteres Fotodiodenbauelement, bei dem auf den Kontaktbereich 6 verzichtet wurde, die vertikalen Leiter 9 direkt auf der Leiterschicht 7 aufgebracht sind und der Graben 14 die Kathodenschicht 3 vollständig unterteilt. Auch bei diesem Fotodiodenbauelement kann der Graben 14 weniger tief als in der 5 ausgebildet werden, so dass der Graben 14 bis in die Kathodenschicht 3 hinein reicht, ohne die Kathodenschicht 3 vollständig zu unterteilen.
Die 7 zeigt einen Querschnitt gemäß 3 durch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem auf den Kontaktbereich 6 verzichtet wurde, die vertikalen Leiter 9 direkt auf der Leiterschicht 7 aufgebracht sind und die Leiterschicht Anteile 7', 7'' aufweist, die voneinander getrennt sind und mit voneinander getrennten Kathodenanschlüssen 11 versehen sind.
Die 8 zeigt einen Querschnitt gemäß 4 durch ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß der 7 dadurch unterscheidet, dass der Graben 14 die Kathodenschicht 3 vollständig unterteilt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Graben 14 weniger tief als in der 8 ausgebildet werden, so dass der Graben 14 bis in die Kathodenschicht 3 hinein reicht, ohne die Kathodenschicht 3 vollständig zu unterteilen.
Die 9 zeigt einen Querschnitt gemäß 1 durch ein weiteres Fotodiodenbauelement, bei dem für die entsprechenden Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet werden wie in 1. Der Graben 14 wird in diesem Fotodiodenbauelement vor der Struktur des SOI-Substrates hergestellt, das heißt, bevor das Grundsubstrat 1 mit der Kathodenschicht 3 verbunden wird. Der Graben 14 wird also von der mit der Kathodenschicht 3 versehenen Oberseite der Fotodiodenschicht 4 aus hergestellt. Die Fotodiodenschicht 4 ist vorzugsweise ein Schichtanteil eines Halbleiterwafers, der zunächst eine größere Dicke aufweist als die Fotodiodenschicht 4 des fertigen Fotodiodenbauelementes. Nachdem der Graben 14 hergestellt worden ist, kann der Halbleiterwafer auf der mit der Kathodenschicht 3 versehenen Seite mittels einer Isolationsschicht 2 auf das Grundsubstrat 1 gebondet werden. Die Isolationsschicht 2 kann zu diesem Zweck vorzugsweise auf die Kathodenschicht 3 oder auch auf die für die Verbindung vorgesehene Oberseite des Grundsubstrates 1 aufgebracht werden. Nach dem Bonden des Grundsubstrates 1 kann der Halbleiterwafer von der Seite, die der Kathodenschicht 3 abgewandt ist, gedünnt werden, bis der Graben 14 von dieser Seite her freigelegt ist und die Oberseite 18 der Fotodiodenschicht 4 gebildet ist. Stattdessen kann über dem Graben 14 ein restlicher Schichtanteil der Fotodiodenschicht 4 stehen bleiben, in dem vorzugsweise ein Kontaktbereich 6 ausgebildet wird, wie in der 9 gezeigt ist. Wesentlich ist, dass eine durchgehende elektrisch leitende Verbindung zwischen der Kathodenschicht 3 und dem Kathodenanschluss 11, gegebenenfalls dem Kontaktbereich 6, hergestellt wird, mit der auch das Übersprechen zwischen den Bildpunkten unterbunden wird. Die Leiterschicht ist bei diesem Fotodiodenbauelement nur auf den Seitenwänden des Grabens 14 in Anteilen 7', 7'' vorhanden, kann aber stattdessen einen auf dem Kontaktbereich 6 vorhandenen Anteil aufweisen, der die auf den Seitenwänden vorhandenen Anteile 7', 7'' miteinander verbindet. Bei diesem Fotodiodenbauelement unterteilt der Graben 14 die Kathodenschicht 3. Nach dem Herstellen der Leiterschicht 7, 7', 7'' und gegebenenfalls einer Grabenfüllung 17 wird das Grundsubstrat 1 mittels der Isolationsschicht 2 auf der Kathodenschicht 3 befestigt und auf diese Weise die SOI-Struktur hergestellt.
Die Leiterschicht 7 oder zumindest ein Teil der Leiterschicht 7 kann in weiteren Prozessschritten als Justiermarke (Alignmentmarke) dienen. Zu diesem Zweck kann ein besonderer Anteil des Grabens 14, der nicht zur Unterteilung des Fotodiodenarrays erforderlich ist, sondern speziell zur Bildung einer Alignmentmarke dient, vorgesehen und mit einem Anteil der Leiterschicht 7 versehen werden.
Das Fotodiodenbauelement gemäß der 9 hat im Vergleich zu dem Fotodiodenbauelement gemäß der 1 den Vorteil, dass nach dem Herstellen des SOI-Substrats weniger Temperaturschritte erforderlich sind und folglich weniger Dotierstoff aus der Kathodenschicht 3 in die Fotodiodenschicht 4 ausdiffundiert. Die Fotodiode spricht dann vor allem im kurzen Wellenlängenbereich besser an. Die übrigen Vorteile ergeben sich in entsprechender Weise wie bei dem Fotodiodenbauelement der 1.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 10 ist im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 4 die Kathodenschicht 3 in mehrere Anteile 13 strukturiert. Diese Anteile 13 können zum Beispiel streifenförmig und parallel zueinander ausgerichtet sein und durch einen längs des Grabens 14 in Verbindung mit der Leiterschicht 7, 7', 7'' verlaufenden Anteil der Kathodenschicht 3 elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Die Längsrichtung der streifenförmigen Anteile 13 verläuft in dem dargestellten Beispiel senkrecht zu der Zeichenebene der 10. Mit dieser fingerartigen Struktur der Kathodenschicht 3 wird eine bessere Empfindlichkeit der Fotodiode im Bereich der Wellenlängen von typisch etwa 350 nm bis 500 nm erreicht. Eine derartig unterteilte Kathodenschicht 3 kann entsprechend auch bei den übrigen bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgesehen werden.
Das Ausführungsbeispiel der 11 entspricht dem Ausführungsbeispiel der 8 mit dem Unterschied, dass die Kathodenschicht 3 in mehrere Anteile 13 strukturiert ist. Entsprechend lassen sich die übrigen Ausführungsbeispiele mit einer in mehrere Anteile 13 strukturierten Kathodenschicht 3 versehen. Die SOI-Struktur kann auch bei den Ausführungsbeispielen mit strukturierter Kathodenschicht 3 vor oder nach dem Herstellen des Grabens 14 durch Anbringen des Grundsubstrates 1 hergestellt werden.
Die Leiterschicht 7, 7', 7'' kann wie beschrieben als Schicht aufgebracht werden oder statt dessen als leitfähig dotierter Bereich in der Fotodiodenschicht 4 an den Seitenwänden des Grabens 14 hergestellt werden. In der 12 ist im Querschnitt ein Zwischenprodukt eines hierfür geeigneten Herstellungsverfahrens beschrieben. Auf der Oberseite 18 der Fotodiodenschicht 4 wird vorzugsweise eine Diffusionsbarriere 19 aufgebracht, die verhindert, dass der Dotierstoff außerhalb der Grabenwände in die Fotodiodenschicht 4 eindiffundiert. Bei Verwendung von BPSG (Borphosphorsilikatglas) zum Einbringen des Dotierstoffes ist als Diffusionsbarriere 19 insbesondere eine Barriereschicht aus SiN geeignet. Nach der Herstellung des Grabens 14 wird eine Dotierschicht 20 aufgebracht, die den Dotierstoff enthält und den Graben 14 füllt. Als Dotierschicht 20 ist zum Beispiel BPSG geeignet, da Phosphoratome in Silizium als Donatoren fungieren und ein damit ausgebildeter dotierter Bereich n-Leitung entsprechend der Kathodenschicht 3 aufweist. Durch eine zum Beispiel thermisch angeregte Diffusion der Dotierstoffatome in die Seitenwände des Grabens 14 werden die Anteile 7', 7'' der Leiterschicht als dotierte Bereiche in der Fotodiodenschicht 4 ausgebildet, was in dem Querschnitt der 12 durch gestrichelt eingezeichnete Konturen angedeutet ist. Die Dotierschicht 20 und gegebenenfalls die Diffusionsbarriere 19 werden anschließend entfernt. Dann wird mit den bereits beschriebenen Verfahrensschritten eines der Ausführungsbeispiele, insbesondere gemäß der 3, 4, 7, 8 oder 11, hergestellt. Wenn der Graben 14 wie in dem anhand der 9 beschriebenen Fotodiodenbauelement von der mit der Kathodenschicht 3 versehenen Oberseite der Fotodiodenschicht 4 aus hergestellt wird, kann die Dotierschicht 20 auch von dieser Seite der Fotodiodenschicht 4 in den Graben 14 eingebracht werden. Zuvor wird in diesem Fall gegebenenfalls eine Diffusionsbarriere als Schicht auf der Kathodenschicht 3 aufgebracht.

Claims

Fotodiodenbauelement mit – einer elektrisch leitfähigen Kathodenschicht (3) an einer Fotodiodenschicht (4) aus einem Halbleitermaterial, – dotierten Anodenbereichen (5) an einer von der Kathodenschicht (3) abgewandten Oberseite (18) der Fotodiodenschicht (4), – einem Graben (14), der die Fotodiodenschicht (4) unterteilt, – einer Leiterschicht (7, 7', 7''), die in oder an dem Graben (14) angeordnet ist, den Graben (14) nicht füllt und die Kathodenschicht (3) elektrisch leitend mit einem über der Oberseite (18) der Fotodiodenschicht (4) angeordneten Kathodenanschluss (11) verbindet, und – über der Oberseite (18) der Fotodiodenschicht (4) angeordneten und elektrisch leitend mit den Anodenbereichen (5) verbundenen Anodenanschlüssen (12), dadurch gekennzeichnet, dass – eine Mehrzahl voneinander getrennter Kathodenanschlüsse (11) vorhanden ist und – die Leiterschicht (7, 7', 7'') eine Mehrzahl voneinander getrennter Anteile (7', 7'') aufweist, die voneinander getrennt mit jeweils einem der Kathodenanschlüsse (11) verbunden sind.
Fotodiodenbauelement nach Anspruch 1, bei dem der Graben (14) auch die Kathodenschicht (3) unterteilt.
Fotodiodenbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in dem Graben (14) eine dielektrische Grabenfüllung (17) zwischen den Anteilen (7', 7'') der Leiterschicht (7, 7', 7'') vorhanden ist.
Fotodiodenbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Fotodiodenschicht (4) Float-Zone-Silizium ist und die Anodenbereiche (5) durch eine p⁺-Dotierung in der Fotodiodenschicht (4) ausgebildet sind.
Fotodiodenbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kathodenschicht (3) in streifenförmige Anteile (13) unterteilt ist.
Fotodiodenbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein dotierter Kontaktbereich (6) in elektrischer Verbindung mit der Leiterschicht (7, 7', 7'') an der Oberseite (18) der Fotodiodenschicht (4) vorhanden ist, der Kathodenanschluss (11) und die Anodenanschlüsse (12) in mindestens einer Leiterebene (10) in einem Dielektrikum (8) ausgebildet sind und bezüglich der Leiterebene (10) vertikale Leiter (9) den Kathodenanschluss (11) mit dem Kontaktbereich (6) und die Anodenanschlüsse (12) mit den zugehörigen Anodenbereichen (5) verbinden.