WO2010094374A1 - Photo sensor and photo sensor matrix - Google Patents

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WO2010094374A1
WO2010094374A1 PCT/EP2010/000182 EP2010000182W WO2010094374A1 WO 2010094374 A1 WO2010094374 A1 WO 2010094374A1 EP 2010000182 W EP2010000182 W EP 2010000182W WO 2010094374 A1 WO2010094374 A1 WO 2010094374A1
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photosensor
region
semiconductor substrate
doped
bulk material
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PCT/EP2010/000182
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Dirk Leipold
Marco Annese
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Espros Photonics Ag
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    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiode

Definitions

  • the invention relates to a photosensor having at least one integrated CMOS circuit according to the preamble of claim 1 and of claim 2 or a photosensor matrix according to the preamble of claim 15.
  • CMOS circuits for reading.
  • the components of the individual CMOS circuits are embedded, for example, in wells, which in turn lie in a doped layer.
  • the remainder of the bulk material of the semiconductor substrate underneath is generally doped differently with respect to the doped layer arranged above it, in which the corresponding wells for the CMOS circuits are also embedded. If electron-hole pairs are generated by incident photons, the corresponding charge carriers can migrate to the photodiode contacts, provided that the electron-hole pairs were generated within the doped layer or at least in a sufficiently close region to the latter.
  • the object of the invention is to propose an improved photosensor or an improved photosensor matrix which enables a high light quantum yield.
  • the object is, starting from a photosensor or a photosensor matrix of the type mentioned by the characterizing features of claim 1, claim 2 or claim 15 solved.
  • a photosensor according to the invention with at least one integrated CMOS circuit is characterized in that the photodiode is formed from a doped region located in the semiconductor substrate and the remaining bulk material of the semiconductor substrate, wherein the active CMOS components of the remaining bulk material of the semiconductor substrate spiked region be spatially separated.
  • a CMOS circuit always includes active devices, e.g. Field effect transistors. Passive components are resistors, capacitors and inductors.
  • photodiodes are generally paid for as active devices.
  • the photodiode used to detect the photons is formed in the semiconductor material.
  • a semiconductor substrate is usually used.
  • circuits are usually manufactured on such "wafers".
  • the entire unprocessed substrate material of a wafer extending from top to bottom is commonly referred to as bulk material.
  • individual regions are doped in the semiconductor substrate.
  • these regions may emanate from the top of the semiconductor substrate.
  • the wells for the CMOS components are incorporated on the surface of the semiconductor substrate.
  • the doped regions separate the CMOS devices from the remaining bulk material of the semiconductor substrate.
  • the Contacts of the photodiode are arranged so that there is a photodiode contact with the doped region, and the photodiode itself is formed on the one hand by the doped region and on the other by the remaining bulk material.
  • the second photodiode contact is thus in connection with the remaining bulk material, possibly via a further doped point.
  • the photodiode is thus designed such that charge carriers which are generated in the bulk material migrate to the corresponding photodiode contact, depending on how the bias voltage of the photodiode is applied.
  • the corresponding charge carriers can also flow away via the doped region for contacting, wherein the corresponding CMOS components can be shielded from charge carriers ,
  • the entire volume below the CMOS circuit thus effectively forms the photodiode.
  • This allows a majority of the wafer, which extends almost the full wafer thickness, to be usable for the detection of photons.
  • a high light quantum yield is made possible. In particular, this can be made useful if due to the wavelength of the incident and to be detected light large penetration depths of the light in the Halbleitermate ⁇ al are possible.
  • An essential further idea of the invention lies in a photosensor according to the invention for the detection of photons with at least one CMOS integrated circuit in that the photodiode is formed of a doped region located in the semiconductor substrate and at least a portion of the bulk material of the semiconductor substrate, the region being formed as a buried layer and the portion of the bulk material being on top of Region opposite the CMOS devices, and wherein the CMOS active devices are shielded from the portion of the bulk material by the region from charge carriers generated by photons in the portion of the bulk material.
  • the difference of this inventive photosensor in contrast to the inventive photosensor mentioned in claim 1 is that here the active CMOS devices are not completely embedded in a doped region and thus completely separated spatially from the rest of the bulk material.
  • this doped region formed as a buried layer.
  • this buried, doped region can essentially perform the same functions as the doped region mentioned in claim 1. In particular, this also for the most part achieves a spatial separation of the CMOS components from the remaining bulk material of the semiconductor substrate.
  • the buried layer can be designed such that it also shields the CMOS components in a corresponding manner from charge carriers generated by incident photons. Again, almost the full wafer thickness can be used to form the photodiode.
  • the choice of one of the two photosensors can depend on several factors. For example, this can also be decided by which production method with respect to the individual process steps that the wafer is finally to go through.
  • the doped region for example horizontally, ie parallel to the wafer Surface can run.
  • the doped region can also emanate from the wafer surface.
  • the doped region has recesses. If, for example, one looks at the wafer surface from above, the doped region may be formed on the surface of the wafer, which, however, is repeatedly interrupted by recesses. These recesses can consist of the same material or have the same doping as the remaining bulk material of the semiconductor substrate, which, viewed from the surface, is located below the doped region.
  • CMOS devices are arranged within the recesses. It is usually sufficient to form the recesses for the provision of photodiode contacts for applying a blocking voltage for the photodiode. As already mentioned above, in this case a further photodiode contact can be applied in the region of the doped region. The blocking voltage of the photodiode is applied between these two photodiode contacts accordingly.
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides that an exposure access is formed on the side facing away from the integrated CMOS circuit. This arrangement makes it possible in particular to make full use of the area of the remaining bulk material outside the doped region, which is also a part of the photodiode, for the detection of photons, when it is directly illuminated.
  • the semiconductor substrate has a particularly high purity (with a specific resistance in the order of magnitude of 1 k ⁇ cm or a particularly low density of points), for example made of zone-grown silicon (English: float-zone silicon). is made.
  • the doped region can be made, for example, by ion implantation.
  • the semiconductor substrate without the highly doped region, in particular therefore the remaining bulk material below the highly doped region and the region of the recesses, are preferably lightly doped, and unlike the highly doped region.
  • the doped region may be formed as a highly doped (p +) layer, while the semiconductor substrate or the remaining bulk material is weakly n-doped (n--).
  • n-- n-doped
  • the doped region has a specific resistance in the order of ⁇ cm.
  • the semiconductor substrate in the bulk material outside the doped region may have a resistivity of the order of k ⁇ cm.
  • avalanche effect makes it possible for charge carriers generated by photon radiation to be accelerated and to generate additional charge carrier pairs on their way through collisions. Thus, a charge carrier multiplication takes place, whereby highly sensitive sensors are possible.
  • the photosensor is to be exposed from the back, that is to say on the side opposite the CMOS circuit, then it is advantageous to make the electrically conductive layer of light as transparent as possible.
  • this can basically be accomplished via the thickness of the layer material.
  • the selection of the corresponding materials can also take place additionally with regard to the corresponding wavelengths of the irradiated light.
  • the electrically conductive layer from a metal or, for example, from indium tin oxide (abbreviation: ITO).
  • ITO indium tin oxide
  • a highly doped material such as a (n ++) doped material, may be used to form the electrically conductive layer.
  • This electrically conductive layer can accordingly with a Contacting be provided for applying a voltage.
  • Photons in the optical range typically have a penetration depth of about 10 ⁇ m in a silicon substrate.
  • Infrared (IR) light can generally penetrate deeper, for example, about 30 ⁇ m.
  • IR Infrared
  • the light quantum yield in the infrared range due to the recombination by Storstellen is relatively low. If erfmdungsgegorge highly pure Substratmate ⁇ al used, it is avoided that a large part of the charge carriers generated in the depth in the semiconductor substrate a short time later recombine and thus can not be detected.
  • the light quantum efficiency can be significantly improved in this embodiment of the invention.
  • a photosensor matrix is characterized in that it has a matrix of at least two photosensors according to one of the preceding embodiments.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a photosensor according to the invention
  • Figure 2 is a schematic representation of a
  • Figure 3 is a schematic representation of a
  • Photosensor according to the invention with a doped region as a buried layer
  • FIG. 4 shows a photosensor matrix according to the invention
  • Figure 5 is a schematic representation of a conventional photosensor according to the prior art.
  • FIG. 1 shows a photosensor 1 comprising a semiconductor substrate 2.
  • highly doped (p +) regions have been produced by ion implantation. However, these doped regions 3 do not extend over the entire surface of the substrate 2, but are interrupted by recesses 4.
  • doped wells 5A, 5B have been produced, in which the corresponding CMOS circuits 5 are formed.
  • the CMOS circuits 5 are spatially separated by the corresponding regions 3 from the remaining bulk material of the semiconductor substrate.
  • the remaining bulk material 6 extends into the recesses 4.
  • the doped regions 3 usually have a depth of a few microns, measured from the surface of the substrate on.
  • the substrate 2 usually has a thickness of about 50 ⁇ m.
  • the remaining bulk material 4,6 has a weak (n-) doping. It is virtually completely depopulated by the highly doped (p +) region of charge carriers (electrons). This creates a relatively steep Potential drop in the direction of the side on which the CMOS circuits 5 are located. Photodiodes are through the regions
  • a contact of the respective photodiode represents the p-doped regions 3 and is e.g. set to ground potential.
  • a second contact 8 of the photodiode is in the region of the recess
  • the photodiode is operated in the reverse direction. In this case the contact 8 is set to + 5V. In the region of the recess, the semiconductor material is n-doped (region 9).
  • insulating silicon oxide layers (S1O2) 10, 11 are applied. These serve
  • the wiring planes 12 are regularly realized by aluminum connections 13.
  • the illumination access for the photodiode is located on the side of the substrate 2 opposite the CMOS circuits 5.
  • incident photons generate 15 electron-hole pairs 16, 17. Due to the applied blocking voltage, the electrons 16 travel towards the recess 4 and the photodiode contact 8, respectively, which is e.g. is at + 5V, while the holes 17 are traveling towards the doped region 3, which is e.g. is at ground potential 7. Further, since the substrate 2 is preferably made of silicon material made by the zone-pulling method, the carriers can widely propagate without a high recombination rate in this material.
  • FIG. 2 shows a similar schematic representation of a photosensor 101, which, however, makes use of the avalanche effect.
  • This comprises a semiconductor substrate 102, which also consists of Siliziummatenal, z. B. using the Zonenziehvons was produced. On one side of the silicon wafer were (p +) doped regions educated. In this CMOS circuits 105 are integrated. In between are recesses 104, which are components of the remaining bulk material 106.
  • the photodiode contacts 107, 108 are analogous to FIG. 1, with a corresponding blocking voltage applied to them, for example: contact 107 is connected to ground potential, while contact 108 is for example at +5 V.
  • n-doped region 109 In the region of the recess, there is an n-doped region 109. Overall, the bulk material 106 together with the predominant part of the recess 104 is weakly (n--) -doped.
  • non-conductive SiO 2 layers 110, 111 are applied to the wafer, which are used to insulate interconnections 112 of the CMOS circuits 105, consisting of contact holes 113 and aluminum pads 114.
  • the photons 115 a On the CMOS Circuits 105 opposite side of the wafer are the photons 115 a. On this page is therefore the exposure access. The incident photons 115 again generate the corresponding electron-hole pairs 116, 117.
  • ITO indium tin oxide layer
  • the ITO layer 118 is largely transparent to the incident photons.
  • the incident photons 115 create electron-hole pairs, with the electrons 116 traveling toward the +5 V contact 108 as the holes 117 move toward the -200V ITO layer. Due to the high voltage, the corresponding potential gradient is enormously increased. This greatly accelerated electrons 116 generate by impact more electron-hole pairs. This avalanche-like generation of new charge carrier pairs is referred to as the avalanche effect.
  • FIG. 3 shows a photosensor 201, which is constructed analogously to the photosensor 1 shown in FIG. Also, in Figure 3, the corresponding reference numerals have been selected analogously, but all reference numerals begin with the number 200. However, the structure shows only a difference with respect to the (p + ) -doped region. This doped region 203 is formed as a buried layer.
  • FIG. 4 shows a photosensor matrix 300, which shows by way of example an arrangement of 4 photosensors 301 according to the invention, which were fabricated on a silicon wafer 302.
  • FIG. 5 shows a photosensor 401 according to the prior art, which is therefore already commercially available.
  • This first structure also has a silicon substrate 402.
  • Such a substrate is usually manufactured by means of the Czochralski method.
  • the substrate 402 has a highly doped (n +) layer.
  • the corresponding CMOS circuits 405 are incorporated.
  • this highly doped (n +) layer 403 may also have passive components.
  • the highly doped (n +) layer 403 is connected to the ground potential via a corresponding contact 407, while the p-type doping 409 within the (n +) -doped layer 403 via a contact 408 on +5 V is.
  • Insulating layers of silicon dioxide (SiO 2 ) 410, 411 and 411A are deposited on the side on which the CMOS circuits 405 are located. These layers include interconnections 412 for the CMOS circuits with conductive channels 413 and aluminum interconnects 414 and corresponding aluminum pads, respectively. The illumination of the photosensor takes place via the side on which the corresponding CMOS circuits 405 are located.
  • the remaining bulk material 406 which in this case is (p-) -doped, that is weakly p-doped.
  • the photons 415 can penetrate the silicon oxide layers and generate in the highly doped (n +) layer 403 or in the remaining (p -) - doped bulk material 406 generate electron-hole pairs 416, 417.
  • Some of the electrons 416 migrate correspondingly to the heavily doped layer 403, which is grounded, while the corresponding holes 417 migrate toward the +5 V contact 408.
  • Some of the electron-hole pairs 416, 417 that were generated too deep in the bulk data 406 recombine because the path they had to travel to the heavily doped layer 403 is too far.
  • the photodiode is formed between the region 409 and the (n +) doped layer 403, which does not extend over the complete bulk material.

Abstract

Disclosed is a photo sensor (1, 101) comprising at least one integrated CMOS circuit (5, 105) which is integrated into a semiconductor substrate (2, 102, 202), active CMOS components, and a photodiode which is formed within the semiconductor material. In order to obtain a high light quantum yield, the photodiode is formed from a doped region (3, 103) located in the semiconductor substrate and from the remaining bulk material (6, 106) of the semiconductor substrate, the active CMOS components being spatially separated from the remaining bulk material of the semiconductor substrate by means of the doped region. A photo sensor matrix (300) is also disclosed.

Description

„Photosensor und Photosensormatrix""Photosensor and photosensor matrix"
Die Erfindung betrifft einen Photosensor mit wenigstens einer integrierten CMOS-Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 2 bzw. eine Photosensormatrix nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.The invention relates to a photosensor having at least one integrated CMOS circuit according to the preamble of claim 1 and of claim 2 or a photosensor matrix according to the preamble of claim 15.
Aus dem Stand der Technik sind handelsübliche Photosensoren bekannt, welche, basierend auf dem Schaltungsprinzip einer Photodiode, CMOS-Schaltungen zum Auslesen nutzen. Dabei sind die Bauelemente der einzelnen CMOS-Schaltungen beispielsweise in Wannen eingebettet, welche wiederum in einer dotierten Schicht liegen. Der Rest des darunter befindlichen Bulkmaterials des Halbleitersubstrats ist dabei in der Regel zu der darüber angeordneten dotierten Schicht, in welcher auch die entsprechenden Wannen für die CMOS-Schaltungen eingebettet sind, ungleichnamig dotiert. Werden Elektron-Loch-Paare durch einfallende Photonen erzeugt, können die entsprechenden Ladungsträger zu den Photodiodenkontakten wandern, sofern die Elektron-Loch-Paare innerhalb der dotierten Schicht oder zumindest in einem genügend nahen Bereich zu dieser erzeugt wurden .Commercially available photosensors are known from the prior art which, based on the circuit principle of a photodiode, use CMOS circuits for reading. In this case, the components of the individual CMOS circuits are embedded, for example, in wells, which in turn lie in a doped layer. The remainder of the bulk material of the semiconductor substrate underneath is generally doped differently with respect to the doped layer arranged above it, in which the corresponding wells for the CMOS circuits are also embedded. If electron-hole pairs are generated by incident photons, the corresponding charge carriers can migrate to the photodiode contacts, provided that the electron-hole pairs were generated within the doped layer or at least in a sufficiently close region to the latter.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Photosensor bzw. eine verbesserte Photosensormatrix vorzuschlagen, der bzw. die eine hohe Lichtquantenausbeute ermöglicht.The object of the invention is to propose an improved photosensor or an improved photosensor matrix which enables a high light quantum yield.
Die Aufgabe wird, ausgehend von einem Photosensor bzw. einer Photosensormatrix der eingangs genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, des Anspruchs 2 bzw. des Anspruchs 15 gelost.The object is, starting from a photosensor or a photosensor matrix of the type mentioned by the characterizing features of claim 1, claim 2 or claim 15 solved.
Durch die in den abhangigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausfuhrungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.The measures mentioned in the dependent claims advantageous embodiments and refinements of the invention are possible.
Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemaßer Photosensor mit wenigstens einer integrierten CMOS-Schaltung dadurch aus, dass die Photodiode aus einer sich im Halbleitersubstrat befindenden dotierten Region und dem verbleibenden Bulkmaterial des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, wobei die aktiven CMOS-Bauelemente von dem verbleibenden Bulkmaterial des Halbleitersubstrats durch die dotierte Region raumlich getrennt werden. Eine CMOS-Schaltung umfasst immer aktive Bauelemente, z.B. Feldeffekttransistoren. Passive Bauelemente sind Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten. Photodioden hingegen werden im Allgemeinen zu den aktiven Bauelementen gezahlt. Die zur Detektion der Photonen verwendete Photodiode ist im Halbleitermaterial ausgebildet .Accordingly, a photosensor according to the invention with at least one integrated CMOS circuit is characterized in that the photodiode is formed from a doped region located in the semiconductor substrate and the remaining bulk material of the semiconductor substrate, wherein the active CMOS components of the remaining bulk material of the semiconductor substrate spiked region be spatially separated. A CMOS circuit always includes active devices, e.g. Field effect transistors. Passive components are resistors, capacitors and inductors. By contrast, photodiodes are generally paid for as active devices. The photodiode used to detect the photons is formed in the semiconductor material.
Bei der Fertigung derartiger Sensoren wird in der Regel ein Halbleitersubstrat verwendet. Im Rahmen industrieller Fertigung werden derartige Schaltungen gewöhnlich auf so "Wafern" hergestellt. Das gesamte unprozessierte Substratmaterial eines Wafers, der sich von der Oberseite bis zur Unterseite erstreckt, wird regelmäßig als Bulkmaterial bezeichnet .In the manufacture of such sensors, a semiconductor substrate is usually used. In industrial manufacturing, such circuits are usually manufactured on such "wafers". The entire unprocessed substrate material of a wafer extending from top to bottom is commonly referred to as bulk material.
Bei dem erfindungsgemaßen Photosensor sind einzelne Regionen im Halbleitersubstrat dotiert. Beispielsweise können diese Regionen von der Oberseite des Halbleitersubstrats ausgehen. Innerhalb dieser dotierten Regionen werden beispielsweise an der Oberflache des Halbleitersubstrats die Wannen für die CMOS-Bauelemente eingearbeitet.In the photosensor according to the invention, individual regions are doped in the semiconductor substrate. For example, these regions may emanate from the top of the semiconductor substrate. Within these doped regions, for example, the wells for the CMOS components are incorporated on the surface of the semiconductor substrate.
Die dotierten Regionen trennen die CMOS-Bauelemente vom verbleibenden Bulkmaterial des Halbleitersubstrats . Die Kontaktierungen der Photodiode sind so angebracht, dass ein Photodiodenkontakt zur dotierten Region besteht, die Photodiode selbst ist einerseits durch die dotierte Region und andererseits durch das verbleibende Bulkmaterial ausgebildet. Die zweite Photodiodenkontaktierung steht also in Verbindung mit dem verbleibenden Bulkmaterial, gegebenenfalls über eine weitere dotierte Stelle. Die Photodiode ist demnach so ausgebildet, dass Ladungsträger, welche im Bulkmaterial erzeugt werden, zu dem entsprechenden Photodiodenkontakt wandern, je nachdem, wie die Vorspannung der Photodiode angelegt ist.The doped regions separate the CMOS devices from the remaining bulk material of the semiconductor substrate. The Contacts of the photodiode are arranged so that there is a photodiode contact with the doped region, and the photodiode itself is formed on the one hand by the doped region and on the other by the remaining bulk material. The second photodiode contact is thus in connection with the remaining bulk material, possibly via a further doped point. The photodiode is thus designed such that charge carriers which are generated in the bulk material migrate to the corresponding photodiode contact, depending on how the bias voltage of the photodiode is applied.
Durch die Kontaktierung der dotierten Region sowie durch die Tatsache, dass die dotierte Region die CMOS-Bauelemente raumlich vom übrigen Bulkmaterial trennt, können auch die entsprechenden Ladungsträger über die dotierte Region zur Kontaktierung hin abfließen, wobei die entsprechenden CMOS- Bauelemente von Ladungsträgern abgeschirmt werden können.By contacting the doped region and by the fact that the doped region spatially separates the CMOS components from the rest of the bulk material, the corresponding charge carriers can also flow away via the doped region for contacting, wherein the corresponding CMOS components can be shielded from charge carriers ,
Dadurch, dass die Photodiode durch diese dotierte Region und das verbleibende Bulkmaterial ausgebildet ist, bildet somit gewissermaßen das gesamte Volumen unterhalb der CMOS-Schaltung die Photodiode. Hierdurch wird ermöglicht, dass ein Großteil des Wafers, der sich fast über die volle Waferdicke erstreckt, zur Detektion von Photonen nutzbar sein kann. Hierdurch wird unter anderem eine hohe Lichtquantenausbeute ermöglicht. Insbesondere kann dies nutzbar gemacht werden, wenn aufgrund der Wellenlange des einfallenden und zu detektierenden Lichtes große Eindringtiefen des Lichtes in das Halbleitermateπal möglich sind.By virtue of the fact that the photodiode is formed by this doped region and the remaining bulk material, the entire volume below the CMOS circuit thus effectively forms the photodiode. This allows a majority of the wafer, which extends almost the full wafer thickness, to be usable for the detection of photons. As a result, among other things, a high light quantum yield is made possible. In particular, this can be made useful if due to the wavelength of the incident and to be detected light large penetration depths of the light in the Halbleitermateπal are possible.
Vorteilhaft ist an einer derartigen Ausgestaltung der Erfindung, dass eine erhöhte Eindringtiefe des einfallenden Lichtes in das Substratmaterial ausgenutzt werden kann, da die Photodiode insbesondere durch die hochdotierte Region in Verbindung mit dem verbleibenden Bulkmaterial ausgebildet ist.An advantage of such an embodiment of the invention that an increased penetration depth of the incident light can be exploited in the substrate material, since the photodiode is formed in particular by the highly doped region in conjunction with the remaining bulk material.
Ein wesentlicher weiterer Gedanke der Erfindung liegt bei einem erfindungsgemaßen Photosensor zur Detektion von Photonen mit wenigstens einer integrierten CMOS-Schaltung darin, dass die Photodiode aus einem im Halbleitersubstrat befindlichen dotierten Region und wenigstens einem Teil des Bulkmaterials des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, wobei die Region als vergrabene Schicht ausgebildet ist und sich der Teil des Bulkmaterials auf der in Bezug auf die Region den CMOS- Bauelementen gegenüberliegenden Seite befindet, und wobei die aktiven CMOS-Bauelemente von dem Teil des Bulkmaterials durch die Region vor von Photonen im Teil des Bulkmaterials erzeugten Ladungsträgern abgeschirmt werden. Der Unterschied dieses erfindungsgemaßen Photosensors im Gegensatz zu dem in Anspruch 1 genannten erfindungsgemaßen Photosensor liegt darin, dass hier die aktiven CMOS-Bauelemente nicht vollständig in eine dotierte Region eingebettet und somit vollständig raumlich vom übrigen Bulkmaterial abgetrennt sind.An essential further idea of the invention lies in a photosensor according to the invention for the detection of photons with at least one CMOS integrated circuit in that the photodiode is formed of a doped region located in the semiconductor substrate and at least a portion of the bulk material of the semiconductor substrate, the region being formed as a buried layer and the portion of the bulk material being on top of Region opposite the CMOS devices, and wherein the CMOS active devices are shielded from the portion of the bulk material by the region from charge carriers generated by photons in the portion of the bulk material. The difference of this inventive photosensor in contrast to the inventive photosensor mentioned in claim 1 is that here the active CMOS devices are not completely embedded in a doped region and thus completely separated spatially from the rest of the bulk material.
Zwischen den CMOS-Bauelementen und einem Großteil des übrigen Bulkmaterials liegt diese als vergrabene Schicht ausgebildete dotierte Region. Somit kann diese vergrabene, dotierte Region im Wesentlichen auf die gleichen Funktionen wie die im Anspruch 1 genannte dotierte Region wahrnehmen. Insbesondere leistet diese auch zum überwiegenden Teil eine raumliche Trennung der CMOS-Bauelemente vom restlichen Bulkmaterial des Halbleitersubstrats. Ferner kann die vergrabene Schicht so ausgebildet sein, dass diese auch in entsprechender Weise die CMOS-Bauelemente vor von einfallenden Photonen erzeugten Ladungsträgern abschirmt. Auch hier kann fast die volle Waferdicke zur Ausbildung der Photodiode genutzt werden. Somit ergeben sich auch in ähnlicher Weise die gleichen Vorteile wie bei dem erfindungsgemaßen Photosensor nach Anspruch 1.Between the CMOS devices and much of the rest of the bulk material is this doped region formed as a buried layer. Thus, this buried, doped region can essentially perform the same functions as the doped region mentioned in claim 1. In particular, this also for the most part achieves a spatial separation of the CMOS components from the remaining bulk material of the semiconductor substrate. Furthermore, the buried layer can be designed such that it also shields the CMOS components in a corresponding manner from charge carriers generated by incident photons. Again, almost the full wafer thickness can be used to form the photodiode. Thus, in a similar manner, the same advantages as in the inventive photosensor according to claim 1.
Die Wahl eines der beiden Photosensoren kann von verschiedenen Faktoren abhangen. Beispielsweise kann sich dies auch danach entscheiden, welches Herstellungsverfahren in Bezug auf die einzelnen Prozessschritte, die der Wafer schließlich durchlaufen soll .The choice of one of the two photosensors can depend on several factors. For example, this can also be decided by which production method with respect to the individual process steps that the wafer is finally to go through.
Es wurde bereits erläutert, dass die entsprechende dotierte Region beispielsweise horizontal, also parallel zur Wafer- Oberflache verlaufen kann. Insbesondere kann die dotierte Region auch von der Wafer-Oberflache ausgehen. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die dotierte Region Ausnehmungen auf. Blickt man beispielsweise von oben auf die Wafer-Oberflache, so kann die dotierte Region an der Oberfläche des Wafers ausgebildet sein, welche jedoch immer wieder von Ausnehmungen unterbrochen ist. Diese Ausnehmungen können aus dem gleichen Material bestehen bzw. die gleiche Dotierung aufweisen wie das verbleibende Bulkmaterial des Halbleitersubstrats, welches sich von der Oberflache aus gesehen unterhalb der dotierten Region befindet.It has already been explained that the corresponding doped region, for example horizontally, ie parallel to the wafer Surface can run. In particular, the doped region can also emanate from the wafer surface. In an advantageous embodiment of the invention, the doped region has recesses. If, for example, one looks at the wafer surface from above, the doped region may be formed on the surface of the wafer, which, however, is repeatedly interrupted by recesses. These recesses can consist of the same material or have the same doping as the remaining bulk material of the semiconductor substrate, which, viewed from the surface, is located below the doped region.
Innerhalb der Ausnehmungen sind vorzugsweise keine aktiven CMOS-Bauelemente angeordnet. Es ist in der Regel ausreichend, die Ausnehmungen zur Bereitstellungen als Photodiodenkontakte zur Anlegung einer Sperrspannung für die Photodiode auszubilden. Wie bereits oben erwähnt, kann in diesem Fall ein weiterer Photodiodenkontakt im Bereich der dotierten Region angebracht werden. Die Sperrspannung der Photodiode wird entsprechend zwischen diesen beiden Photodiodenkontakten angelegt .Within the recesses preferably no active CMOS devices are arranged. It is usually sufficient to form the recesses for the provision of photodiode contacts for applying a blocking voltage for the photodiode. As already mentioned above, in this case a further photodiode contact can be applied in the region of the doped region. The blocking voltage of the photodiode is applied between these two photodiode contacts accordingly.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Belichtungszugang auf der der integrierten CMOS- Schaltung abgewandten Seite ausgebildet ist. Diese Anordnung ermöglicht es, den Bereich des verbleibenden Bulkmaterials außerhalb der dotierten Region, welcher auch ein Teil der Photodiode ist, zur Detektion von Photonen insbesondere voll auszunutzen, wenn dieser direkt angestrahlt wird.A particularly preferred embodiment of the invention provides that an exposure access is formed on the side facing away from the integrated CMOS circuit. This arrangement makes it possible in particular to make full use of the area of the remaining bulk material outside the doped region, which is also a part of the photodiode, for the detection of photons, when it is directly illuminated.
Diese Ausführung der Erfindung kann dadurch verbessert werden, dass das Halbleitersubstrat eine besonders hohe Reinheit besitzt (mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 1 kΩcm oder einer besonders niedrigen Stόrstellendichte) , z.B. aus mittels Zonenziehverfahren hergestelltem Silizium (Engl.: float-zone Silicon) gefertigt ist. Ein Silizium-Wafer, welcher im Zonenziehverfahren hergestellt wurde, zeichnet sich aufgrund einer geringen Storstellendichte dadurch aus, dass die durch Photoneneinstrahlung gebildeten Elektron-Loch-Paare in der Regel nicht bereits nach kurzer Zeit rekombinieren, sondern die Ladungsträger langer durch das Silizium-Material hindurch wandern können. In vielen Anwendungen wird kein Silizium- Mateπal, welches im Zonenziehverfahren gefertigt wurde, verwendet. In einem solchen, z.B. durch sog. Czochralski- Verfahren hergestellten Material können Storstellen in Form von Kristallfehlern oder eingebrachten Fremdatomen, wie beispielsweise Sauerstoff, vorliegen. In herkömmlichen Prozessen sind die Storstellen erwünscht, um dort weitere Verunreinigungen zu beseitigen.This embodiment of the invention can be improved by virtue of the fact that the semiconductor substrate has a particularly high purity (with a specific resistance in the order of magnitude of 1 kΩcm or a particularly low density of points), for example made of zone-grown silicon (English: float-zone silicon). is made. A silicon wafer, which was produced in the zone-pulling process, characterized by a low Storstellendichte in that the Photon radiation formed electron-hole pairs usually not recombine after a short time, but the charge carriers can migrate through the silicon material longer. In many applications, no silicon material, which has been manufactured in the zone-pulling process, is used. Storages in the form of crystal defects or introduced foreign atoms, such as, for example, oxygen, can be present in such a material, for example produced by so-called Czochralski processes. In conventional processes, the Storstellen are desired to eliminate there further impurities.
Bei der gewählten Photosensoranordnung kann auf einen durch Storstellen in Form von Fremdatomen verursachten Getter-Effekt verzichtet werden, da die dotierte Region bereits für eine Abschirmung der CMOS-Bauelemente sorgt. Die dotierte Region kann beispielsweise durch die Ionenimplantation gefertigt werden .In the case of the selected photosensor arrangement, it is possible to dispense with a gettering effect caused by defects in the form of impurity atoms, since the doped region already ensures shielding of the CMOS components. The doped region can be made, for example, by ion implantation.
Bei der Fertigung des Halbleitersubstrats bzw. bei dessen Dotierung können auch andere Verfahren zur Herstellung von dotierten Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise Diffusion, aber auch Epitaxieverfahren.In the production of the semiconductor substrate or in its doping, other methods for the production of doped regions can be used, for example diffusion, but also epitaxy.
Das Halbleitersubstrat ohne die hochdotierte Region , insbesondere also das verbleibende Bulkmaterial unterhalb der hochdotierten Region und der Bereich der Ausnehmungen, sind vorzugsweise schwach dotiert, und zwar ungleichnamig zur hochdotierten Region. Im Bereich der Ausnehmungen können aber auch hoher dotierte Kontaktbereiche vorhanden sein. Beispielsweise ist bei einer Ausfuhrungsform der Erfindung die dotierte Region als hochdotierte (p+) -Schicht ausgebildet sein, wahrend das Halbleitersubstrat bzw. das verbleibende Bulkmaterial schwach n-dotiert ist (n--) . Im Bereich der Ausnehmungen befindet sich um den Photodiodenkontakt herum eine n-dotierte Stelle.The semiconductor substrate without the highly doped region, in particular therefore the remaining bulk material below the highly doped region and the region of the recesses, are preferably lightly doped, and unlike the highly doped region. In the area of the recesses but also high doped contact areas may be present. For example, in one embodiment of the invention, the doped region may be formed as a highly doped (p +) layer, while the semiconductor substrate or the remaining bulk material is weakly n-doped (n--). In the area of the recesses, there is an n-doped area around the photodiode contact.
Die Ausbildung einer hochdotierten Region mit einer (p+) - Dotierung fuhrt dazu, dass das verbleibende (n--) -dotierte Bulkmaterial an Ladungsträgern (hier: Elektronen) entvölkert wird (Engl.: depletion) .The formation of a highly doped region with a (p +) doping leads to the remaining (n-) doped Bulk material is depleted on charge carriers (here: electrons).
Bei einer Ausfuhrungsvariante des erfindungsgemaßen Photosensors besitzt die dotierte Region einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von Ωcm. Ferner kann bei einer Ausfuhrungsform der Erfindung das Halbleitersubstrat im Bulkmaterial außerhalb der dotierten Region einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von kΩcm aufweisen.In an embodiment variant of the photosensor according to the invention, the doped region has a specific resistance in the order of Ωcm. Furthermore, in one embodiment of the invention, the semiconductor substrate in the bulk material outside the doped region may have a resistivity of the order of kΩcm.
Es besteht ferner die Möglichkeit, bei einer Weiterbildung der Erfindung einen Aufbau zu erzeugen, mit welchem der so genannte Avalanche-Effekt nutzbar ist. Hierzu wird beispielsweise auf der der integrierten CMOS-Schaltung abgewandten Seite eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht. An diese wird eine vergleichsweise hohe Spannung in Sperrrichtung der Photodiode angelegt. Der Avalanche-Effekt ermöglicht es, dass durch Photoneneinstrahlung erzeugte Ladungsträger beschleunigt werden und auf ihrem Weg durch Stoße weitere Ladungstragerpaare erzeugen. Damit findet eine Ladungsträger-Vervielfachung statt, wodurch hochempfindliche Sensoren möglich werden.It is also possible, in a further development of the invention to produce a structure with which the so-called avalanche effect can be used. For this purpose, for example, an electrically conductive layer is applied to the side facing away from the integrated CMOS circuit. At this a comparatively high voltage in the reverse direction of the photodiode is applied. The avalanche effect makes it possible for charge carriers generated by photon radiation to be accelerated and to generate additional charge carrier pairs on their way through collisions. Thus, a charge carrier multiplication takes place, whereby highly sensitive sensors are possible.
Soll der Photosensor von der Ruckseite her belichtet werden, das heißt auf der der CMOS-Schaltung gegenüberliegenden Seite, so ist es vorteilhaft, die elektrisch leitende Schicht Lichtes möglichst transparent auszugestalten. Einerseits kann dies grundsätzlich über die Dicke des Schichtmaterials bewerkstelligt werden. Die Auswahl der entsprechenden Materialien kann aber auch zusätzlich mit Rucksicht auf die entsprechenden Wellenlangen des eingestrahlten Lichts erfolgen. Beispielsweise ist es möglich, wenn die Photodiode im optischen sowie gegebenenfalls auch im Infrarot-Bereich betrieben wird, die elektrisch leitende Schicht aus einem Metall oder beispielsweise aus Indiumzinnoxid (engl. Abk.: ITO) auszubilden. Grundsatzlich kann zur Ausbildung der elektrisch leitenden Schicht ein hochdotiertes Material, wie zum Beispiel ein (n++) -dotiertes Material, verwendet werden. Diese elektrisch leitende Schicht kann entsprechend mit einer Kontaktierung zum Anlegen einer Spannung versehen sein.If the photosensor is to be exposed from the back, that is to say on the side opposite the CMOS circuit, then it is advantageous to make the electrically conductive layer of light as transparent as possible. On the one hand, this can basically be accomplished via the thickness of the layer material. However, the selection of the corresponding materials can also take place additionally with regard to the corresponding wavelengths of the irradiated light. For example, if the photodiode is operated in the optical and possibly also in the infrared range, it is possible to form the electrically conductive layer from a metal or, for example, from indium tin oxide (abbreviation: ITO). In principle, a highly doped material, such as a (n ++) doped material, may be used to form the electrically conductive layer. This electrically conductive layer can accordingly with a Contacting be provided for applying a voltage.
Photonen im optischen Bereich (Wellenlange: ca. 400 bis 800 nra) besitzen typischerweise in einem Siliziumsubstrat eine Eindringtiefe von etwa 10 μm. Infrarot-Licht (IR-Licht) kann im Allgemeinen tiefer eindringen, beispielsweise etwa 30 μm. Bei herkömmlichen Photodioden mit CMOS-Technologie ist aber die Lichtquantenausbeute im Infrarot-Bereich aufgrund der Rekombination durch Storstellen relativ gering. Wird erfmdungsgemaß hochreines Substratmateπal eingesetzt, wird vermieden, dass ein Grossteil der in der Tiefe erzeugten Ladungsträger im Halbleitersubstrat kurze Zeit spater wieder rekombinieren und somit nicht detektiert werden können. Gerade im Infrarot-Bereich kann die Lichtquantenausbeute bei dieser Weiterbildung der Erfindung deutlich verbessert werden.Photons in the optical range (wavelength: about 400 to 800 nm) typically have a penetration depth of about 10 μm in a silicon substrate. Infrared (IR) light can generally penetrate deeper, for example, about 30 μm. In conventional photodiodes with CMOS technology, however, the light quantum yield in the infrared range due to the recombination by Storstellen is relatively low. If erfmdungsgemaß highly pure Substratmateπal used, it is avoided that a large part of the charge carriers generated in the depth in the semiconductor substrate a short time later recombine and thus can not be detected. Especially in the infrared range, the light quantum efficiency can be significantly improved in this embodiment of the invention.
Ferner zeichnet sich dementsprechend eine Photosensormatrix dadurch aus, dass diese eine Matrix aus wenigstens zwei Photosensoren nach einem der vorstehenden Ausfuhrungsformen aufweist. Grundsätzlich besteht ferner die Möglichkeit, eine Photosensormatrix so auszubilden, welche wenigstens einen Photosensor nach einem der oben stehenden Ausfuhrungsformen aufweist, wobei die Ausnehmungen als Matrix angeordnet sind.Furthermore, accordingly, a photosensor matrix is characterized in that it has a matrix of at least two photosensors according to one of the preceding embodiments. In principle, it is also possible to form a photosensor matrix which has at least one photosensor according to one of the above embodiments, wherein the recesses are arranged as a matrix.
Aufgrund des steilen Potentialgefalles werden die durch die eingestrahlten Photonen erzeugten Ladungsträger durch das elektrische Feld angetrieben, wahrend eine Bewegung infolge von Diffusion kaum bzw. nicht zustande kommt. Hierdurch wird ermöglicht, dass ein entsprechender Photosensor gemäß der Erfindung sehr schnell arbeiten kann.Due to the steep potential drop, the charge carriers generated by the irradiated photons are driven by the electric field, while a movement due to diffusion barely or does not occur. This makes it possible that a corresponding photosensor according to the invention can work very fast.
Ausfuhrungsbeispiel :Exemplary embodiment:
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend unter Angabe weiterer Einzelheiten und Vorteile naher erläutert. Im Einzelnen zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail below, with further details and advantages. In detail show:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Photosensors gemäß der Erfindung,FIG. 1 shows a schematic representation of a photosensor according to the invention,
Figur 2 eine schematische Darstellung einesFigure 2 is a schematic representation of a
Photosensors unter Nutzung des Avalanche- Effekts gemäß der Erfindung,Photosensors using the avalanche effect according to the invention,
Figur 3 eine schematische Darstellung einesFigure 3 is a schematic representation of a
Photosensors gemäß der Erfindung mit einer dotierten Region als vergrabene Schicht,Photosensor according to the invention with a doped region as a buried layer,
Figur 4 eine Photosensormatrix gemäß der Erfindung sowieFIG. 4 shows a photosensor matrix according to the invention and FIG
Figur 5 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Photosensors nach dem Stand der Technik.Figure 5 is a schematic representation of a conventional photosensor according to the prior art.
Figur 1 zeigt einen Photosensor 1, welcher ein Halbleitersubstrat 2 umfasst. Auf einer Seite des Substrats 2 sind durch Ionenimplantation hochdotierte (p+) -Regionen erzeugt worden. Diese dotierten Regionen 3 erstrecken sich jedoch nicht über die gesamte Oberflache des Substrats 2, sondern werden von Ausnehmungen 4 unterbrochen. In den (p+)- dotierten Regionen wurden dotierte Wannen 5A, 5B erzeugt, in welchen die entsprechenden CMOS-Schaltungen 5 ausgebildet sind. Die CMOS-Schaltungen 5 werden durch die entsprechenden Regionen 3 vom verbleibenden Bulkmaterial des Halbleitersubstrats raumlich getrennt. Das verbleibende Bulkmaterial 6 erstreckt sich in die Ausnehmungen 4. Die dotierten Regionen 3 weisen üblicherweise eine Tiefe von wenigen μm, gemessen von der Oberflache des Substrats an auf. Das Substrat 2 besitzt üblicherweise eine Dicke von ungefähr 50 μm. Das verbleibende Bulkmaterial 4,6 besitzt eine schwache (n— ) -Dotierung. Es wird praktisch vollständig durch die hochdotierte (p+) -Region an Ladungsträgern (Elektronen) entvölkert. Hierdurch entsteht ein relativ steiles Potentialgefalle in Richtung der Seite, auf der sich die CMOS- Schaltungen 5 befinden. Photodioden werden durch die RegionenFIG. 1 shows a photosensor 1 comprising a semiconductor substrate 2. On one side of the substrate 2, highly doped (p +) regions have been produced by ion implantation. However, these doped regions 3 do not extend over the entire surface of the substrate 2, but are interrupted by recesses 4. In the (p +) - doped regions, doped wells 5A, 5B have been produced, in which the corresponding CMOS circuits 5 are formed. The CMOS circuits 5 are spatially separated by the corresponding regions 3 from the remaining bulk material of the semiconductor substrate. The remaining bulk material 6 extends into the recesses 4. The doped regions 3 usually have a depth of a few microns, measured from the surface of the substrate on. The substrate 2 usually has a thickness of about 50 μm. The remaining bulk material 4,6 has a weak (n-) doping. It is virtually completely depopulated by the highly doped (p +) region of charge carriers (electrons). This creates a relatively steep Potential drop in the direction of the side on which the CMOS circuits 5 are located. Photodiodes are through the regions
3 und das Bulkmaterial gebildet.3 and the bulk material is formed.
Ein Kontakt der jeweiligen Photodiode stellt die p-dotierten Regionen 3 dar und ist z.B. auf Massepotential gelegt. Ein zweiter Kontakt 8 der Photodiode ist im Bereich der AusnehmungA contact of the respective photodiode represents the p-doped regions 3 and is e.g. set to ground potential. A second contact 8 of the photodiode is in the region of the recess
4 vorhanden. Die Photodiode wird in Sperrrichtung betrieben. In diesem Fall ist der Kontakt 8 auf +5 V gelegt. Im Bereich der Ausnehmung ist das Halbleitermaterial n-dotiert (Bereich 9) .4 available. The photodiode is operated in the reverse direction. In this case the contact 8 is set to + 5V. In the region of the recess, the semiconductor material is n-doped (region 9).
Über der Oberflache des Substrats 2, auf der sich die CMOS- Schaltungen 5 befinden, sind isolierende Siliziumoxidschichten (S1O2) 10, 11 aufgebracht. Diese dienen dazu,Over the surface of the substrate 2, on which the CMOS circuits 5 are located, insulating silicon oxide layers (S1O2) 10, 11 are applied. These serve
Verdrahtungsebenen 12 für die CMOS-Schaltungen voneinander zu isolieren. Die Verdrahtungsebenen 12 werden regelmäßig durch Aluminiumverbindungen 13 realisiert. Über Lochkanale 14 sind CMOS-Bauelemente der CMOS-Schaltung kontaktiert. Der Beleuchtungszugang für die Photodiode liegt auf der den CMOS- Schaltungen 5 gegenüberliegenden Seite des Substrats 2.Insulate wiring levels 12 for the CMOS circuits from each other. The wiring planes 12 are regularly realized by aluminum connections 13. Via hole channels 14, CMOS components of the CMOS circuit are contacted. The illumination access for the photodiode is located on the side of the substrate 2 opposite the CMOS circuits 5.
Innerhalb des Substrates 2 erzeugen einfallende Photonen 15 Elektron-Loch-Paare 16, 17. Aufgrund der angelegten Sperrspannung wandern die Elektronen 16 in Richtung der Ausnehmung 4 bzw. zum Photodiodenkontakt 8 hin, welcher z.B. auf +5 V liegt, wahrend die Locher 17 in Richtung der dotierten Region 3 wandern, welche z.B. auf Massepotential 7 liegt. Da ferner das Substrat 2 vorzugsweise aus Siliziummatenal besteht, welches im Zonenziehverfahren gefertigt wurde, können die Ladungsträger ohne eine hohe Rekombinationsrate in diesem Material weit propagieren.Within the substrate 2, incident photons generate 15 electron-hole pairs 16, 17. Due to the applied blocking voltage, the electrons 16 travel towards the recess 4 and the photodiode contact 8, respectively, which is e.g. is at + 5V, while the holes 17 are traveling towards the doped region 3, which is e.g. is at ground potential 7. Further, since the substrate 2 is preferably made of silicon material made by the zone-pulling method, the carriers can widely propagate without a high recombination rate in this material.
Figur 2 zeigt eine ähnliche schematische Darstellung eines Photosensors 101, welcher sich jedoch den Avalanche-Effekt zunutze macht. Dieser umfasst ein Halbleitersubstrat 102, welches ebenfalls aus Siliziummatenal besteht, z. B. unter Zuhilfenahme des Zonenziehverfahrens hergestellt wurde. Auf einer Seite des Silizium-Wafers wurden (p+) -dotierte Regionen ausgebildet. In diese sind CMOS-Schaltungen 105 integriert. Dazwischen befinden sich Ausnehmungen 104, welche Bestandteile des übrigen Bulkmaterials 106 sind. Auch die Photodiodenkontakte 107, 108 sind analog zu Figur 1 ausgebildet, wobei an ihnen z.B. eine entsprechende Sperrspannung anliegt: Kontakt 107 ist auf Massepotential gelegt, wahrend Kontakt 108 z.B. auf +5 V liegt. Im Bereich der Ausnehmung befindet sich ein n-dotierter Bereich 109. Insgesamt ist das Bulkmaterial 106 zusammen mit dem überwiegenden Teil der Ausnehmung 104 schwach (n--) -dotiert . Auf der Seite der CMOS-Schaltungen 105 sind auf dem Wafer nichtleitende SiO2-Schichten 110, 111 aufgetragen, die zur Isolierung von Verschaltungen 112 der CMOS-Schaltungen 105 dienen, bestehend aus Kontaktlochern 113 und Aluminiumverbindungen bzw. Pads 114. Auf der den CMOS- Schaltungen 105 gegenüberliegenden Seite des Wafers fallen die Photonen 115 ein. Auf dieser Seite befindet sich folglich der Belichtungszugang. Die einfallenden Photonen 115 wieder erzeugen die entsprechenden Elektronen-Loch-Paare 116, 117.Figure 2 shows a similar schematic representation of a photosensor 101, which, however, makes use of the avalanche effect. This comprises a semiconductor substrate 102, which also consists of Siliziummatenal, z. B. using the Zonenziehverfahrens was produced. On one side of the silicon wafer were (p +) doped regions educated. In this CMOS circuits 105 are integrated. In between are recesses 104, which are components of the remaining bulk material 106. The photodiode contacts 107, 108 are analogous to FIG. 1, with a corresponding blocking voltage applied to them, for example: contact 107 is connected to ground potential, while contact 108 is for example at +5 V. In the region of the recess, there is an n-doped region 109. Overall, the bulk material 106 together with the predominant part of the recess 104 is weakly (n--) -doped. On the side of the CMOS circuits 105, non-conductive SiO 2 layers 110, 111 are applied to the wafer, which are used to insulate interconnections 112 of the CMOS circuits 105, consisting of contact holes 113 and aluminum pads 114. On the CMOS Circuits 105 opposite side of the wafer are the photons 115 a. On this page is therefore the exposure access. The incident photons 115 again generate the corresponding electron-hole pairs 116, 117.
Im Unterschied zum Photosensor 1 aus Figur 1 ist hier jedoch auf der Seite des Belichtungszugangs eine dünne Indiumzinnoxidschicht (ITO) 118 aufgetragen. Diese wird durch das Substrat hindurch kontaktiert und auf eine vergleichsweise hohe Spannung, beispielsweise -200 V gelegt. Die Kontaktierung 119 ist im Bereich des Substrats von Siliziumoxid 120 umgeben. Das Siliziumoxid dient dabei als Isolation.In contrast to the photosensor 1 from FIG. 1, however, a thin indium tin oxide layer (ITO) 118 is applied here on the side of the exposure access. This is contacted by the substrate and placed on a comparatively high voltage, for example -200 V. The contact 119 is surrounded by silicon oxide 120 in the region of the substrate. The silicon oxide serves as insulation.
Die ITO-Schicht 118 ist für die einfallenden Photonen weitgehend transparent. Die einfallenden Photonen 115 erzeugen Elektron-Loch-Paare, wobei die Elektronen 116 in Richtung des auf +5 V liegenden Kontaktes 108 wandern, wahrend die Locher 117 in Richtung der auf -200 V liegenden ITO-Schicht wandert. Durch die hohe Spannung wird das entsprechende Potentialgefalle enorm verstärkt. Dadurch stark beschleunigte Elektronen 116 erzeugen durch Stoße weitere Elektron-Loch- Paare. Dieser lawinenartige Erzeugung neuer Ladungstragerpaare wird als Avalanche-Effekt bezeichnet. Figur 3 zeigt einen Photosensor 201, welcher analog zu dem in Figur 1 dargestellten Photosensor 1 aufgebaut ist. Auch wurden in Figur 3 die entsprechenden Bezugszeichen analog gewählt, wobei jedoch alle Bezugszeichen mit der Zahl 200 beginnen. Im Aufbau zeigt sich jedoch lediglich ein Unterschied hinsichtlich der (p+) -dotierten Region. Diese dotierte Region 203 ist als vergrabene Schicht ausgebildet.The ITO layer 118 is largely transparent to the incident photons. The incident photons 115 create electron-hole pairs, with the electrons 116 traveling toward the +5 V contact 108 as the holes 117 move toward the -200V ITO layer. Due to the high voltage, the corresponding potential gradient is enormously increased. This greatly accelerated electrons 116 generate by impact more electron-hole pairs. This avalanche-like generation of new charge carrier pairs is referred to as the avalanche effect. FIG. 3 shows a photosensor 201, which is constructed analogously to the photosensor 1 shown in FIG. Also, in Figure 3, the corresponding reference numerals have been selected analogously, but all reference numerals begin with the number 200. However, the structure shows only a difference with respect to the (p + ) -doped region. This doped region 203 is formed as a buried layer.
Figur 4 zeigt eine Photosensormatrix 300, welche exemplarisch eine Anordnung von 4 Photosensoren 301 gemäß der Erfindung zeigt, die auf einem Silizium-Wafer 302 gefertigt wurden.FIG. 4 shows a photosensor matrix 300, which shows by way of example an arrangement of 4 photosensors 301 according to the invention, which were fabricated on a silicon wafer 302.
Zum Vergleich zeigt Figur 5 einen Photosensor 401 nach dem Stand der Technik, welcher also bereits handelsüblich ist. Dieser besitzt im Aufbau zunächst ebenfalls ein Siliziumsubstrat 402. Ein derartiges Substrat wird üblicherweise mittels des Czochralski-Verfahrens gefertigt. Das Substrat 402 weist eine hochdotierte (n+) -Schicht auf. In dieser hochdotierten Region 403 sind einerseits die entsprechenden CMOS-Schaltungen 405 eingearbeitet. Gleichzeitig kann diese hochdotierte (n+) -Schicht 403 jedoch auch passive Bauelemente aufweisen. Ferner befindet sich darin eine p-dotierte Schicht 409. Die hochdotierte (n+) -Schicht 403 ist über einen entsprechenden Kontakt 407 mit der Massepotential verbunden, während die p-Dotierung 409 innerhalb der (n+) -dotierten Schicht 403 über einen Kontakt 408 auf +5 V liegt. Auf der Seite, auf welcher sich die CMOS- Schaltungen 405 befinden, sind isolierende Schichten aus Siliziumdioxid (SiO2) 410, 411 und 411A aufgetragen. Diese Schichten umfassen Verschaltungen 412 für die CMOS-Schaltungen mit leitenden Kanälen 413 sowie Aluminiumverbindungen 414 bzw. entsprechenden Aluminium-Pads . Die Beleuchtung des Photosensors erfolgt über die Seite, auf welcher sich die entsprechenden CMOS-Schaltungen 405 befinden. Unterhalb der hochdotierten (n+) -Schicht befindet sich das restliche Bulkmaterial 406, welches in diesem Fall (p-) -dotiert, also schwach p-dotiert, ist. Die Photonen 415 können die Siliziumoxid-Schichten durchdringen und erzeugen in der hochdotierten (n+) -Schicht 403 bzw. im verbleibenden (p-)- dotierten Bulkinaterial 406 Elektron-Loch-Paare 416, 417 erzeugen. Einige der Elektronen 416 wandern entsprechend zur hochdotierten Schicht 403, welche auf Masse liegt, während die entsprechenden Locher 417 in Richtung des +5 V-Kontaktes 408 wandert. Einige der Elektron-Loch-Paare 416, 417, welche zu tief im Bulkmatenal 406 erzeugt wurden, rekombinieren, weil der Weg, den sie bis zur hochdotierten Schicht 403 zurücklegen mussten, zu weit ist. Aufgrund entsprechender Storstellen im Substratmaterial 402 rekombinieren diese Elektron-Loch-Paare 416, 417 vergleichsweise leicht. Die Rekombination ist in dem Bereich 421 angedeutet. Nachteilig ist an diesem Stand der Technik, dass ein Großteil des Wafer-Materials zur Detektion der Photonen 415 nicht genutzt werden kann.For comparison, Figure 5 shows a photosensor 401 according to the prior art, which is therefore already commercially available. This first structure also has a silicon substrate 402. Such a substrate is usually manufactured by means of the Czochralski method. The substrate 402 has a highly doped (n +) layer. In this heavily doped region 403, on the one hand, the corresponding CMOS circuits 405 are incorporated. At the same time, however, this highly doped (n +) layer 403 may also have passive components. Further, there is a p-doped layer 409 therein. The highly doped (n +) layer 403 is connected to the ground potential via a corresponding contact 407, while the p-type doping 409 within the (n +) -doped layer 403 via a contact 408 on +5 V is. Insulating layers of silicon dioxide (SiO 2 ) 410, 411 and 411A are deposited on the side on which the CMOS circuits 405 are located. These layers include interconnections 412 for the CMOS circuits with conductive channels 413 and aluminum interconnects 414 and corresponding aluminum pads, respectively. The illumination of the photosensor takes place via the side on which the corresponding CMOS circuits 405 are located. Below the highly doped (n +) layer is the remaining bulk material 406, which in this case is (p-) -doped, that is weakly p-doped. The photons 415 can penetrate the silicon oxide layers and generate in the highly doped (n +) layer 403 or in the remaining (p -) - doped bulk material 406 generate electron-hole pairs 416, 417. Some of the electrons 416 migrate correspondingly to the heavily doped layer 403, which is grounded, while the corresponding holes 417 migrate toward the +5 V contact 408. Some of the electron-hole pairs 416, 417 that were generated too deep in the bulk data 406 recombine because the path they had to travel to the heavily doped layer 403 is too far. Due to corresponding storages in the substrate material 402, these electron-hole pairs 416, 417 recombine comparatively easily. The recombination is indicated in region 421. A disadvantage of this prior art that a large part of the wafer material for detecting the photons 415 can not be used.
Die Photodiode wird zwischen dem Bereich 409 und der (n+)- dotierten Schicht 403 ausgebildet, die sich nicht über das komplette Bulkmatenal erstreckt.The photodiode is formed between the region 409 and the (n +) doped layer 403, which does not extend over the complete bulk material.
Ferner ist es notwendig, solche Bereiche, in denen sich die CMOS-Schaltung 405 befinden, für eine Belichtung unzugänglich zu machen. Sind auf der Seite des Belichtungszugangs die Bereiche, in denen sich die CMOS-Schaltungen 405 befinden, durch entsprechende Lichtabschirmungen aus Aluminium 402 abgedeckt. Eintreffende Photonen 415 können durch diese Abschirmungen 422 nicht durchdringen und somit auch nicht die CMOS-Bauelemente 405 schadigen. Further, it is necessary to make those areas where the CMOS circuit 405 is located inaccessible to exposure. On the exposure access side, the areas where the CMOS circuits 405 are located are covered by corresponding aluminum 402 light shields. Incoming photons 415 can not penetrate through these shields 422 and thus do not damage the CMOS devices 405.
Bezugs zeichenliste :Reference sign list:
1 Photosensor1 photosensor
2 Substrat2 substrate
3 (p+) -dotierte Region3 (p +) doped region
4 Ausnehmung4 recess
5 CMOS -Schaltungen5 CMOS circuits
5A Wanne5A tub
5B Wanne5B tub
6 (n--) -dotiertes Bulkmaterial6 (n--) doped bulk material
7 Kontakt7 contact
8 Kontakt8 contact
9 n-Dotierung9 n-doping
10 Siθ2-Schicht10 Siθ 2 layer
11 SiO2-Schicht11 SiO 2 layer
12 Verdrahtungen12 wires
13 leitende Kanäle13 leading channels
14 Aluminium- Pads /Verbindungen14 aluminum pads / connections
15 einfallende Photonen15 incident photons
16 Elektronen16 electrons
17 Löcher17 holes
18 Belichtungs zugang18 Exposure access
101 Photosensor101 photosensor
102 Substrat102 substrate
103 (p+) -dotierte Region103 (p +) doped region
104 Ausnehmung104 recess
105 CMOS- Schaltungen105 CMOS circuits
106 (n--) -dotiertes Bulkmaterial106 (n--) doped bulk material
107 Kontakt107 contact
108 Kontakt108 contact
109 n-Dotierung109 n-doping
110 SiO2-Schicht110 SiO 2 layer
111 SiO2-Schicht111 SiO 2 layer
112 Verdrahtungen112 wirings
113 leitende Kanäle113 leading channels
114 Aluminium-Pads /Verbindungen114 aluminum pads / connections
115 einfallende Photonen115 incident photons
116 Elektronen 117 Locher116 electrons 117 holes
118 Belichtungszυgang118 exposure procedure
119 ITO-Schicht119 ITO layer
120 Kontaktloch120 contact hole
121 SiC>2-Ummantelung121 SiC> 2 sheath
201 Photosensor201 photosensor
202 Substrat202 substrate
203 (p+) -dotierte Region203 (p +) doped region
204 Ausnehmung204 recess
205 CMOS-Schaltungen205 CMOS circuits
206 (n--) -dotiertes Bulkmaterial206 (n--) doped bulk material
207 Kontakt207 contact
208 Kontakt208 contact
209 n-Dotierung209 n-doping
210 SiO2-Schicht210 SiO 2 layer
211 SiO2-Schicht211 SiO 2 layer
212 Verdrahtungen212 wirings
213 leitende Kanäle213 senior channels
214 Aluminium-Pads/Verbindungen214 aluminum pads / connections
215 einfallende Photonen215 incident photons
216 Elektronen216 electrons
217 Locher217 holes
218 Belichtungs zugang218 Exposure access
300 Photosensormatrix300 photosensor matrix
301 Photosensor301 photosensor
302 Wafer302 wafers
401 Photosensor aus dem Stand der Technik401 Photosensor from the prior art
402 Substrat402 substrate
403 (n+) -dotierte Schicht403 (n +) doped layer
404 nicht belegt404 not used
405 CMOS-Schaltungen405 CMOS circuits
406 (p-) -dotiertes Bulkmaterial406 (p-) doped bulk material
407 Kontakt407 contact
408 Kontakt408 contact
409 p-Dotierung409 p-doping
410 SiO2-Schicht 411 SiO2-Schicht 411A SiO2-Schicht410 SiO 2 layer 411 SiO 2 layer 411A SiO 2 layer
412 Verdrahtungen412 wirings
413 leitende Kanäle413 conductive channels
414 Aluminium-Pads/Verbindungen414 aluminum pads / connections
415 einfallende Photonen415 incident photons
416 Elektronen416 electrons
417 Löcher417 holes
421 Rekombination421 recombination
422 Aluminium-Lichtabschirmung 422 aluminum light shield

Claims

Ansprüche : Claims :
1. Photosensor (1, 101) mit wenigstens einer integrierten CMOS-Schaltung (5, 105), die in einem Halbleitersubstrat (2, 102, 202) integriert ist, mit aktiven CMOS-Bauelementen sowie einer im Halbleitermaterial ausgebildeten Photodiode, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode aus einer sich im Halbleitersubstrat befindenden dotierten Region (3, 103) und dem verbleibenden Bulkmaterial (6, 106) des1. Photosensor (1, 101) having at least one integrated CMOS circuit (5, 105) which is integrated in a semiconductor substrate (2, 102, 202), with active CMOS components and a photodiode formed in the semiconductor material, characterized the photodiode is composed of a doped region (3, 103) located in the semiconductor substrate and the remaining bulk material (6, 106) of the
Halbleitersubstrats ausgebildet ist, wobei die aktiven CMOS- Bauelemente von dem verbleibenden Bulkmaterial des Halbleitersubstrats durch die dotierte Region räumlich getrennt werden.Semiconductor substrate is formed, wherein the active CMOS devices are spatially separated from the remaining bulk material of the semiconductor substrate by the doped region.
2. Photosensor (201) zur Detektion von Photonen (215) mit wenigstens einer integrierten CMOS-Schaltung (205) , die in einem Halbleitersubstrat (202) integriert ist, mit aktiven CMOS-Bauelementen sowie einer im Halbleitermaterial ausgebildeten Photodiode, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode aus einer im Halbleitersubstrat befindlichen dotierten Region (203) und wenigstens einem Teil des Bulkmaterials des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, wobei die Region als vergrabene Schicht (203) ausgebildet ist und sich der Teil (206) des Bulkmaterials auf der in Bezug auf die Region den CMOS-Bauelementen gegenüberliegenden Seite befindet, und wobei die aktiven CMOS-Bauelemente von dem Teil des Bulkmaterials durch die Region vor von Photonen im Teil des Bulkmaterials erzeugten Ladungsträgern (217) abschirmbar sind.Second photosensor (201) for detecting photons (215) having at least one integrated CMOS circuit (205), which is integrated in a semiconductor substrate (202), with active CMOS devices and a photodiode formed in the semiconductor material, characterized in that the photodiode is formed of a doped region (203) located in the semiconductor substrate and at least a portion of the bulk material of the semiconductor substrate, the region being formed as a buried layer (203), and the portion (206) of the bulk material being on the region the CMOS devices, and wherein the CMOS active devices are shieldable from the portion of the bulk material by the region from charge carriers (217) generated by photons in the portion of the bulk material.
3. Photosensor (1, 101, 201) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Region Ausnehmungen (4, 104, 204) aufweist. 3. Photosensor (1, 101, 201) according to claim 1 or 2, characterized in that the region has recesses (4, 104, 204).
4. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (4, 104, 204) bezuglich der Region (3, 103, 203) ungleichnamig dotiert sind.4. photosensor (1, 101, 201) according to any one of the preceding claims, characterized in that the recesses (4, 104, 204) with respect to the region (3, 103, 203) are doped unequal names.
5. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Belichtungszugang5. photosensor (1, 101, 201) according to any one of the preceding claims, characterized in that an exposure access
(18, 118, 218) auf der der integrierten CMOS-Schaltung abgewandten Seite vorgesehen ist.(18, 118, 218) is provided on the side facing away from the integrated CMOS circuit.
6. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat6. photosensor (1, 101, 201) according to any one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor substrate
(2, 102, 202) aus mittels Zonenziehverfahren hergestelltem Silizium (Engl.: float-zone Silicon) hergestellt ist.(2, 102, 202) made of zone-grown silicon (English: float-zone silicone) is made.
7. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Region (3, 103, 203) als hoch dotierte (p+) -Schicht ausgebildet ist.7. Photosensor (1, 101, 201) according to any one of the preceding claims, characterized in that the region (3, 103, 203) is formed as a highly doped (p +) layer.
8. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Region (3, 103, 203) durch Ionenimplantation dotiert ist.8. photosensor (1, 101, 201) according to any one of the preceding claims, characterized in that the region (3, 103, 203) is doped by ion implantation.
9. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bulkmaterial (6, 106, 206) des Halbleitersubstrats mit Ausnahme der Region schwach n-dotiert (n--) ist.9. photosensor (1, 101, 201) according to any one of the preceding claims, characterized in that the bulk material (6, 106, 206) of the semiconductor substrate with the exception of the region is weakly n-doped (n--).
10. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen einen n-dotierten Bereich aufweisen.10. Photosensor (1, 101, 201) according to any one of the preceding claims, characterized in that the recesses have an n-doped region.
11. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Region (3, 103, 203) einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von Ωcm aufweist.11. Photosensor (1, 101, 201) according to any one of the preceding claims, characterized in that the region (3, 103, 203) has a resistivity of the order of Ωcm.
12. Photosensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat im Bulkmaterial (6, 106, 206) außerhalb der Region (3, 103, 203) einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von kΩcm aufweist .12. Photosensor according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor substrate in the bulk material (6, 106, 206) outside the region (3, 103, 203) has a resistivity in the order of kΩcm.
13. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der integrierten CMOS-Schaltung abgewandten Seite eine elektrisch leitende Schicht (119) vorgesehen ist.13. Photosensor (1, 101, 201) according to any one of the preceding claims, characterized in that on the side facing away from the integrated CMOS circuit, an electrically conductive layer (119) is provided.
14. Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht (119) hinsichtlich des zu detektierenden Lichtes wenigstens zu 50% transparent ist.14. Photosensor (1, 101, 201) according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrically conductive layer (119) is at least 50% transparent with respect to the light to be detected.
15. Photosensormatrix (300), dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens einen Photosensor (1, 101, 201) nach einem der vorgenannten Ansprüche aufweist, wobei die Ausnehmungen (4, 104, 204) als Matrix angeordnet sind oder diese eine15. Photosensor matrix (300), characterized in that it comprises at least one photosensor (1, 101, 201) according to one of the preceding claims, wherein the recesses (4, 104, 204) are arranged as a matrix or this one
Matrix aus wenigstens zwei Photosensoren (1, 101, 201; 301) nach einem der vorgenannten Ansprüche aufweist. Matrix of at least two photosensors (1, 101, 201, 301) according to one of the preceding claims.
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