DE10240471A1

DE10240471A1 - Hochdichte Zwischen-Chip-Zwischenverbindungsstruktur

Info

Publication number: DE10240471A1
Application number: DE10240471A
Authority: DE
Inventors: Paul Arthur Laymann; John Russel Mcmacken
Original assignee: Agere Systems Guardian Corp
Current assignee: Agere Systems LLC
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2003-06-05
Also published as: FR2829615B1; TW543132B; GB0214019D0; CN1407619A; GB2381379A; JP2003133513A; KR20030022724A; US7045835B2; US20030049925A1; US20060166395A1; SG120885A1; FR2829615A1; US20040026771A1

Abstract

Eine Zwischenverbindungsarchitektur zum Verbinden mehrerer eng beabstandeter elektrischer Elemente auf einer hergestellten ersten integrierten Schaltungsstruktur mit operativen Schaltungen auf einer hergestelleten zweiten integrierten Schaltungsstruktur. Bei einer Ausführungsform umfaßt die hergestellte erste integrierte Schaltungsstruktur mehrere Fotosensoren. Leitende Zwischenverbindungselemente auf der hergestellten ersten integrierten Schaltungsstruktur sorgen für eine elektrische Verbindung zwischen einzelnen Fotosensoren und den operativen Schaltungen auf der hergestellten zweiten integrierten Schaltungsstruktur.

Description

ERFINDUNGSGEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zwischenverbindungsstruktur für Halbleiterchips und insbesondere eine Zwischenverbindungsstruktur für Chips, bei der die Schaltungen auf mindestens einem Chip getrennt und unabhängig betrieben werden können und eng beabstandet sind.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Heutzutage werden unterschiedliche Arten von Bildwandlern oder Bildsensoren verwendet, einschließlich CCD-(chargecoupled device)-Bildsensoren und CMOS-(complementary metaloxide semiconductor)-Bildsensoren. Diese Bildsensoren auf Halbleiterbasis finden in vielen Bildeingabeeinrichtungen breite Anwendung, da sie mit fortgeschrittenen feinstrukturierenden lithographischen Techniken in Massenproduktion hergestellt werden können. Zu den Anwendungen zählen digitale Kameras, Computerperipheriegeräte zur Dokumentenerfassung, visuelle Kommunikationen und Faksimilegeräte.
Ein CCD-Bildsensor verwendet ein Array aus Fotosensoren, um Ladungspakete zu bilden, die proportional sind zur empfangenen Lichtintensität. Diese Fotosensoren sind in der Regel Fototransistoren oder Fotodioden, die auf der Bildsensoroberfläche angeordnet sind. Jedes Ladungspaket stellt ein Pixel des zusammengesetzten Bilds dar. Aus dem CCD-Array werden die Bilddaten ausgelesen, indem diese analogen Ladungspakete Pixel für Pixel aus dem CCD- Arrayinneren zur Peripherie verschoben werden. Um mit dem Ausleseprozeß zu beginnen, werden die Ladungen in der ersten Zeile auf ein Ausleseregister übertragen, und von dort werden die Signale in einen Verstärker und bei den meisten Anwendungen in einen Analog-Digital-Umsetzer eingegeben. Nachdem eine Zeile gelesen worden ist, werden ihre Ladungen in der Ausleseregisterzeile gelöscht. Dann tritt die nächste Zeile in das Ausleseregister ein, und alle darüber befindlichen Zeilen bewegen sich um eine Zeile nach unten. Dadurch wird jede Zeile nacheinander ausgelesen. Da alle Pixel in einer Zeile von Pixeln gleichzeitig ausgelesen werden, können die Pixel des CCD-Arrays nicht einzeln adressiert werden.
CCD-Arrays eignen sich wegen Spannungs, Kapazitäts- und Prozeßeinschränkungen nicht gut für die Integration auf den hohen Integrationsniveaus, die in CMOS-integrierten Schaltungen möglich sind. Deshalb sind etwaige ergänzende Signalverarbeitungsschaltungen, die für die CCD-Bildsensoren erforderlich sind (z. B. Speicher zum Speichern von den Sensor betreffenden Informationen) allgemein auf einem oder mehreren getrennten Chips bereitgestellt. Dadurch steigen die Kosten und die Größe des Systems. Es ist außerdem bekannt, daß CCD- Bildsensoren im Vergleich zu herkömmlichen CMOS-Signalverarbeitungsschaltungen einen größeren Stromverbrauch und höhere Arbeitsspannungen erfordern.
CMOS-Bildsensoren verwenden in der Regel ein Array aus aktiven Pixelbildsensoren und eine Zeile oder ein Register von Verstärkern zum Abtasten und Halten der Ausgabe einer gegebenen Zeile von Pixelbildsensoren. Das Prinzip des Betriebs eines CMOS-Pixels basiert auf der Modulation einer in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergangskapazität (beispielsweise einer Diode) aufgrund einfallenden Lichts. In der Verarmungszone des in Sperrrichtung vorgespannten Übergangs absorbierte Photonen erzeugen Elektronen-Loch- Paare, die die in Sperrichtung vorgespannte Kapazität entladen. Größere Übergänge sammeln mehr Photonen und sind gegenüber Licht empfindlicher, doch reduzieren größere Übergänge auch die Auflösung eines Sensors, da im zur Verfügung stehenden Oberflächenbereich weniger Pixel angeordnet werden können.
Im Vergleich zu CCD-Bildsensoren weisen CMOS-Bildsensoren mehrere Vorteile auf. CMOS-Bildsensoren werden mit der gleichen CMOS-Prozeßtechnologie gebildet, die für die zugeordneten Schaltungen verwendet wird, die zum Betreiben des CMOS-Bildsensors benötigt werden, weshalb die Sensoren und die Hilfsschaltungen leicht in einen einzelnen Chip integriert werden können. Durch die Integration in einen einzelnen Chip werden die Miniaturisierung erleichtert, die Herstellungskosten gesenkt und die Zuverlässigkeit erhöht. Mit CMOS-Bildsensoren kann eine monolithische integrierte Schaltung (IS) erzeugt werden, die nicht nur den Sensor bereitstellt, sondern auch Steuerlogik- und Zeitsteuerungs-, Bildverarbeitungs- und Signalverarbeitungsschaltungen. Somit können die CMOS-Bildsensoren relativ zu CCD-Bildsensoren mit geringeren Kosten hergestellt werden, wobei herkömmliche CMOS-IS-Herstellungsprozesse verwendet werden. Außerdem arbeiten die CMOS-Bildsensoren bei einer niedrigeren Arbeitsspannung und verbrauchen weniger Strom, wodurch das System, in das die Sensoren integriert sind, länger mit Batterien arbeiten kann, was bei handgehaltenen Bildgebungsprodukten ein Hauptvorteil ist. Schließlich ist jeder CMOS-Bildsensor über ein Gitter aus x-y-Leitungen zugänglich, anstatt den Schieberegisterprozeß von ladungsgekoppelten Bauelementen zu verwenden. Die Spalten- und Zeilenadressierbarkeit des CMOS-Bildsensors, die dem herkömmlichen RAM-Ausleseprozeß ähnlich ist, erlaubt eine Fensterbildung des Bilds. CMOS-Bildsensoren erfordern zum Ansteuern sowohl des Bildsensors als auch der zugeordneten Schaltungen nur eine einzige Stromversorgung. Im Gegensatz erfordern CCD-Bildsensoren in der Regel drei verschiedene Eingangsspannungen. Außerdem fehlt den CCD-Bildsensoren aufgrund von Fehlern bei der Herstellungsverarbeitung eine gleichförmige dunkle Pegelspannung. Es ist auch bekannt, daß CMOS-Bildsensoren ungleichförmige dunkle Pegel aufweisen, doch kann die zugeordnete CMOS-Signalverarbeitungsschaltung den Dunkelpegel für jeden CMOS-Bildsensor nachführen und während der Signalverarbeitungsfunktion einen Kompensationsfaktor liefern, so daß über das CMOS-Bildsensorarray hinweg ein gleichförmiger Dunkelpegel erzielt werden kann.
CMOS-Bildsensoren sind jedoch nicht ohne Nachteile. Die Verwendung von hochmodernen CMOS-IS-Herstellungstechniken für die zugeordnete Signalverarbeitungsschaltung und der CMOS- Bildsensor würden die Konstruktion der CMOS-Fotosensoren beeinträchtigen und dadurch die Bildsignalqualität reduzieren. So sind beispielsweise typische Substrat- und Source-Drain-Dotierungsniveaus (oder abnehmend dotierte Wannen, wo das Dotierungsniveau an der Oberfläche geringer ist als das Dotierungsniveau unter der Oberfläche), die üblicherweise in CMOS-Prozessen verwendet werden, höher als die Dotierungsniveaus, die eine optimale Bildsensorqualität liefern. Eine Reduktion der Dotierungsniveaus, um eine bessere Sensorempfindlichkeit, einen besseren Dynamikbereich oder eine bessere Farbbalance zu erzielen, würde die Leistung der CMOS-Verarbeitungsschaltung erheblich verschlechtern. Deshalb sind höhere Niveaus der Komponentenintegration (d. h. Bildsensoren und operative Signalverarbeitungsschaltungen auf dem gleichen Chip) nicht praktisch.
Bei denjenigen Situationen, in denen der CMOS-Bildsensor und seine Signalverarbeitungsschaltung zusammen auf der gleichen integrierten Schaltung angeordnet sind, verbrauchen weiterhin die zugeordneten Schaltungen einen Teil des zur Verfügung stehenden Pixelbereichs, was zu einer größeren Gesamtchipfläche führt und den Bildfüllfaktor (das Verhältnis der aktiven Pixelfläche zur Gesamtpixelfläche) reduziert. Nachteilig werden wiederum die Effizienz, die Auflösung und die Empfindlichkeit des CMOS-Bildsensorarrays reduziert. Außerdem können bestimmte CMOS-Materialschichten (z. B. Salizidschichten) teilweise oder vollständig undurchsichtig sein, wodurch die Bildsensorempfindlichkeit reduziert wird. Im Bemühen, die Nachteile zu überwinden, die bei Verwendung von hochmoderner CMOS-Prozeßtechnologie in Verbindung mit CMOS-Bildsensoren entstehen, sind bestimmte modifizierte CMOS-Prozesse erdacht worden, die Verarbeitungsschritte entfernen oder physische Bauelementcharakteristiken ändern, damit die Bildsensorsignalqualität verbessert wird. Obwohl das Entfernen dieser Prozeßschritte die Bildsensorsignalqualität verbessert, ist die CMOS-Technologie allgemein beeinträchtigt. Zusammengefaßt kann gesagt werden, daß die hochmoderne CMOS-Bildsensorverarbeitungstechnologie dem gegenwärtigen Zustand der CMOS-Verarbeitungstechnik um mehrere Generationen hinterherhinkt.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Zur Überwindung der Nachteile, die oben im Hinblick auf die Verwendung von CMOS-Bildsensoren und zugeordneten CMOS- Arbeitsschaltungen erörtert wurden, stellt die vorliegende Erfindung ein Zwischenverbindungssystem zwischen einer ersten integrierten Schaltungsstruktur mit mehreren darin hergestellten Bildsensoren und einer zweiten integrierten CMOS- (oder anderen integrierten Schaltungsart, beispielsweise BiCMOS) Schaltungsstruktur mit Signalverarbeitungsschaltungen, die in Verbindung mit den Bildsensoren arbeiten, bereit. Wenn die Bildsensorstruktur und die operative Signalverarbeitungsschaltung getrennt sind, kann die Bildsensorstruktur mit Verarbeitungstechniken hergestellt werden, die für die Bildsensoren spezifisch optimiert sind, und die Signalverarbeitungsschaltungen können ebenfalls mit einzigartig optimalen Herstellungstechniken und Bauelementcharakteristiken hergestellt werden. Das Zwischenverbindungssystem umfaßt stromlos vernickelte Kontakthügel, Lötkontakthügel und andere wohlbekannte Chip- Zwischenverbindungsstrukturen, insbesondere Zwischenverbindungsstrukturen mit kleinen Abständen. Die Kontakthügel sind an der Bildsensorstruktur vorgesehen, um jedes Bildsensor- oder Pixelelement mit seiner, auf einer getrennten Struktur angeordneten zugeordneten Signalverarbeitungsschaltung zu verbinden. Passende Chip- Zwischenverbindungsstrukturen sind ebenfalls auf der Signalverarbeitungsschaltung zum Anschluß an jedes der Pixelelemente der Bildsensorstruktur enthalten. Nach der Herstellung der beiden individuellen Strukturen wird die Bildsensorstruktur durch die passende Chip-Zwischenverbindungsstrukturen an die Signalverarbeitungsstruktur gebondet. Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung gestattet die Verwendung getrennter Bildsensor- und Signalverarbeitungsstrukturen die Optimierung der Funktionscharakteristiken und Verarbeitungsmethodik jeder Struktur durch die Verwendung der günstigsten Herstellungsverarbeitungsschritte und Bauelementcharakteristiken.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Wenn die vorliegende Erfindung zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und den folgenden Figuren betrachtet wird, läßt sie sich leichter verstehen, und ihre weiteren Vorteile und Verwendungen ergeben sich ohne weiteres. Es zeigen:
Fig. 1 ein typisches CMOS-Bildsensorarray;
Fig. 2 eine CMOS-Bildsensorschaltung des Stands der Technik;
Fig. 3 ein Zeitdiagramm, das die Betriebsphasen der CMOS- Bildsensorschaltung von Fig. 2 zeigt;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht der ersten und zweiten integrierten Schaltungsstruktur, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung verbunden sind; und
Fig. 5 Dotierungsgebiete für die CMOS-Bildsensorschaltung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Verarbeitungsschritte und Hardwarekomponenten der vorliegenden Erfindung sind durch herkömmliche Prozesse und Elemente in den Zeichnungen dargestellt worden, die nur diejenigen spezifischen Details zeigen, die für die vorliegende Erfindung relevant sind, damit die Offenbarung nicht mit Einzelheiten verdunkelt wird, die sich dem Fachmann aus der vorliegenden Beschreibung ohne weiteres ergeben. Beispielhafte Bauelementschichten sind nicht maßstabsgetreu gezeigt. Durchweg stellen gleiche Bezugszeichen gleiche Strukturelemente dar.
Volumenhalbleitermaterialien können als Fotoleiter (auch als Fotosensoren oder Bildsensoren bezeichnet) verwendet werden, und zwar auf der Basis der Änderung des Halbleiterwiderstands als Funktion der Wellenlänge und Intensität der einfallenden Lichtwellen. Elektronen in gebundenen Zuständen im Valenzband (bei Eigenhalbleitermaterial) oder in durch die Dotierung bestimmten Energieniveaus in der verbotenen Zone (bei Fremdhalbleitermaterialien) absorbieren Energie aus den einfallenden Lichtphotonen und werden in freie Zustände im Leitungsband angeregt. Die Elektronen bleiben über eine charakteristische Lebensdauer hinweg im angeregten Zustand. Die Leitung eines elektrischen Stroms findet als Ergebnis der Bewegung der Elektronen im Leitungsband oder der Bewegung der im Valenzband ausgebildeten positiven Löcher statt. Der Widerstand des Halbleitermaterials ist somit umgekehrt proportional zur Beleuchtungsstärke, und diese Widerstandsänderung wird in eine Änderung bei dem durch die Bauelementausgangsschaltung fließenden Strom umgesetzt.
Anstelle einfacher Volumenhalbleiterfotosensoren können zum Verbessern der Reaktionsgeschwindigkeit und der Empfindlichkeit des Detektors für optische Strahlung Fotosensorübergangsbauelemente verwendet werden. Derartige zweipolige Bauelemente, die dafür ausgelegt sind, auf die Photonenabsorption zu reagieren, werden als Fotodioden bezeichnet. Bei einer herkömmlichen, in Sperrichtung vorgespannten Diode treiben im Verarmungsgebiet erzeugte Träger wegen des elektrischen Felds vom Verarmungsgebiet weg, weshalb Elektronen im n-Gebiet und Löcher im p-Gebiet gesammelt werden. Diese Träger bilden den Sperrstrom. Außerdem werden innerhalb einer Diffusionslänge der Kante des Übergangsgebiets thermisch erzeugte Minoritätsträger zum Verarmungsgebiet diffundiert und durch das elektrische Feld auf die andere Seite gezogen. Falls auch der Übergang gleichmäßig durch Photonen mit einer Energie beleuchtet wird, die größer ist als der Bandabstand des Halbleitermaterials, dann nehmen auch diese Elektronen-Loch-Paare am Sperrstrom teil. Dies ist das zugrundeliegende Prinzip, nach dem eine in Sperrichtung vorgespannte Diode Licht erfaßt. Obwohl Elektronen-Loch-Paare auch außerhalb des Verarmungsgebiets erzeugt werden, führen sie zu keinem Stromfluß.
Ein CMOS-Bildsensor, auf den die Lehren der vorliegenden Erfindung angewendet werden können, ist allgemein eine integrierte Schaltung, die einfallendes Licht dadurch mißt, daß sie eine von einem Fotosensor erzeugte Spannungsänderung erfaßt. Insbesondere wird ein Fotosensor auf eine vorbestimmte Spannung aufgeladen und integriert dann das einfallende Licht, was zu einer höheren Spannung am Bauelement führt. Der Spannungswert des Fotosensors wird dann von einer Ausleseschaltung ausgelesen, wobei dieser Spannungswert für das einfallende Licht steht.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines herkömmlichen CMOS- Bildsensorarrays 100. Jedes Element im Array (wie etwa die Arrayelemente 161, 162 und 163) ist eine einzelne CMOS- Bildsensorschaltung, deren Einzelheiten unten in Verbindung mit Fig. 2 erörtert werden. Die einzelnen CMOS- Bildsensorschaltungen werden auch als Pixelschaltungen oder Pixelelemente bezeichnet.
Das CMOS-Bildsensorarray 100 wird von einem Zeilendecodierer 110 und einem Spaltendecodierer 120 gesteuert, die zum Auswählen einer spezifischen CMOS-Bildsensorschaltung zur Aktivierung einzeln aktiviert werden. Das Ausgangssignal der aktivierten CMOS-Bildsensorschaltung wird entlang einer Spaltenausgabeleitung 164 zu einer Lese- und Halte-Schaltung 130 geleitet. Die Lese- und Halte-Schaltung 130 liest den Spannungswert der aktivierten CMOS-Bildsensorschaltung. Der gelesene Spannungswert wird schließlich von einem Analog- Digital-Umsetzer 140 in einen digitalen Wert umgesetzt. Das Ausgangssignal von dem Analog-Digital-Umsetzer 140 ist ein digitales Signal, das für die Lichtintensität steht.
Ein CMOS-Bildsensorarray, wie etwa das Array 100, ähnelt einem dynamischen Direktzugriffsspeicherarray, mit der Ausnahme, daß anstelle einzelner Speicherzellen, die gesetzt und später ausgelesen werden, ein CMOS-Bildsensorarray einzelne CMOS-Bildsensorschaltungen aufweist, die auf einen Anfangsspannungswert gesetzt und nach der Belichtung mit einfallendem Licht dann gelesen werden. Zudem unterscheidet sich ein CMOS-Bildsensorarray von einem dynamischen Direktzugriffsarray dadurch, daß in jedem CMOS-Bildsensor analoge Werte gespeichert und dann durch Umwandlung im Analog-Digital-Umsetzer 140 quantisiert werden.
Fig. 2 veranschaulicht eine beispielhafte CMOS- Bildleseschaltung 161, die einen Rücksetztransistor 230, einen Fotosensor 220, einen Sourcefolger-Transistor 240 und einen Zeilenauswahltransistor 250 umfaßt. Außerdem ist in Fig. 2 eine beispielhafte Ausgangsschaltung für die Verarbeitung des Ausgangssignals der CMOS-Bildleseschaltung 161 dargestellt. Insbesondere umfaßt die Ausgangsschaltung einen Stromquellentransistor 280 und eine Sensorschaltung 290.
Die CMOS-Bildleseschaltung 161 arbeitet in drei verschiedenen Phasen: Rücksetzen, Integration und Auslesen. Die Arbeitsphasen der CMOS-Bildleseschaltung 161 werden unten unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben, die die Gatespannung des Sourcefolgertransistors 240 während des Betriebs der CMOS-Bildleseschaltung 161 anzeigt.
Anfangs wird der Fotosensor 220 während einer Rücksetzphase 310 (siehe Fig. 3) durch die Spannungsquelle VDD über den Rücksetztransistor 230 auf einen Rücksetzspannungspegel aufgeladen, d. h. in Sperrrichtung vorgespannt. Die eigentliche Spannung am Kathodenanschluß des Fotosensors 220 beträgt VDD-VTN, wobei VTN der Spannungsabfall am Rücksetztransistor 230 ist. Dieser Ladungsspannungspegel wird als der "Bezugsschwarz"-Spannungspegel (VRB) bezeichnet.
Als nächstes wird der Fotosensor 220 während einer Integrationsphase 330 (Fig. 3) einfallendem Licht ausgesetzt, das gemessen werden soll. Auf das Verarmungsgebiet des Fotosensors 220 auftreffende Photonen bewirken, wie oben erörtert, eine Zunahme des zum Gateanschluß des Sourcefolgers 240 fließenden Sperrstroms. Die Spannung der verbleibenden Ladung auf dem Fotosensor 220 ist proportional zur Anzahl der auf den Fotosensor 220 auftreffenden Photonen. Während der Integrationsphase 330 fällt somit die Spannung am Gate des Sourcefolgers 240 ab. Wenn der Kathodenanschluß des Fotosensors 220 sich der negativen Stromversorgungsspannung, in diesem Fall Masse, annähert, wird ein Weißreferenzpegel erreicht. Ein Schwarzpegel tritt auf, wenn keine Photonen integriert werden, so daß die Fotosensorspannung im wesentlichen auf dem ursprünglichen Referenzschwarzspannungspegel von VRB = VDD-VTN bleibt.
Schließlich wird der Reihenauswahltransistor 250 während einer Auslesephase 350 (siehe Fig. 3) aktiviert, so daß die Gatespannung des Sourcefolgertransistors 240 von der Sensorschaltung 290 gemessen wird. Bei einer Ausführungsform wird die Fotosensorschaltung mit einer korrelierten Doppelabtastschaltung gemessen. Zunächst wird das integrierte Fotosensorspannungssignal abgetastet. Dann wird die CMOS- Bildsensorschaltung 161 zurückgesetzt, und die zurückgesetzte Spannung wird abgetastet, um den Referenzschwarzwert zu erhalten. Das das einfallende Licht darstellende gewünschte Signal ist die Differenz zwischen der integrierten Fotosensorspannung und der Fotosensorrücksetzspannung.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, den Fotosensor 220 von der verbundenen Schaltung, wie etwa den in Fig. 2 dargestellten Transistoren und der Sensorschaltung 290, zu trennen. Auf diese Weise können während der Herstellung des Fotosensorarrays die Herstellungsprozesse eingesetzt werden, die zum Optimieren der Charakteristiken des Fotosensors 220 erforderlich sind. Analog können bei der Herstellung der verbundenen Schaltung die Herstellungsprozesse verwendet werden, die erforderlich sind, um die Funktionalität der verbundenen Schaltung zu optimieren. Die beiden Strukturen werden dann wie durch die vorliegende Erfindung gelehrt miteinander verbunden.
Die Flip-Chip-Zwischenverbindungstechnologie verwendet auf einer Oberfläche eines Chips oder eines monolithischen Halbleiterbauelements ausgebildete perlenartige Anschlüsse, um den Flip-Chip an eine andere elektronische Einrichtung, wie etwa eine Leiterplatte, zu bonden. Die auch als Kontakthügel bezeichneten perlenartigen Anschlüsse dienen sowohl zum mechanischen Befestigen des Flip-Chips an der Leiterplatte als auch zum elektrischen Verbinden der Flip- Chip-Schaltungen mit dem Leiterplatten-Leitermuster.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird dort ein Querschnitt durch ein CMOS-Bildsensorarray 370 mit mehreren Kontakthügeln oder Anschlüssen 372 gezeigt, die an eine Oberfläche 390 des CMOS- Bildsensorarrays 370 gebondet sind. Die Kontakthügel 372 verbinden Schaltungen auf dem CMOS-Bildsensorarray 370 mit Signalverarbeitungsschaltungen einer integrierten Schaltung 374. Bei einer Ausführungsform enthält, die integrierte Schaltung 374 Schaltungen, die CMOS-Technologie verwenden. Das CMOS-Bildsensorarray 370 empfängt auf einer Oberfläche 380 einfallendes Licht. Bei einer Ausführungsform enthält das CMOS-Bildsensorarray die in Fig. 2 dargestellte Fotosensordiode 220, deren Position allgemein durch das Referenzzeichen 382 gezeigt ist. Die übrigen Komponenten in Fig. 2 (und gegebenenfalls andere Schaltungselemente) werden in die integrierte Schaltung 374 eingearbeitet.
Optische Filter können neben der Einfallsfläche des CMOS- Bildsensorarrays 370 (das heißt der Oberfläche 380) angeordnet werden, um je nach den Charakteristiken des Filters spezifische Lichtwellenlängen auszufiltern. So kann beispielsweise bewirkt werden, daß eine erste Vielzahl von Fotosensoren 220 im CMOS-Bildsensorarray 370 nur auf Rot reagiert, indem ein andere Spektralfarben blockierendes Filter auf der Oberfläche 380 angeordnet wird. Auf analoge Weise kann durch entsprechende Spektralfilterung bewirkt werden, daß andere Fotosensoren 220 nur auf blaues oder grünes Licht reagieren. Von den jeweiligen Fotosensoren abgeleitete und die Intensitäten des roten, grünen und blauen Lichts darstellende Signale können zur Erzeugung eines Farbsignals in den Schaltungen des Substrats 374 verknüpft werden.
Bei einer Ausführungsform liegt der Abstand der Pixel des CMOS-Bildsensorarrays 370 in der Größenordnung von Mikrometern, weshalb zum individuellen Zugriff auf jeden Bildsensor die Verbindungen, falls sie so konfiguriert sind, daß sie den individuellen Pixelzugriff bereitstellen, den gleichen Abstand aufweisen müssen. Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können benachbarte oder gruppierte Pixel mit verschiedenen Eigenschaften hergestellt werden, beispielsweise kann jedes Pixel in einer Gruppe aus n Pixeln eine optimale Frequenzantwort auf eine ausgewählte Wellenlänge aufweisen. Bei einer derartigen Ausführungsform ist es möglicherweise nicht nötig, auf individuelle Pixel zuzugreifen, sondern statt dessen kann durch einen einzelnen Zwischenverbindungskontakthügel auf die Gruppe aus n Pixeln zugegriffen werden. Bei noch einer weiteren Ausführungsform können die Lehren der vorliegenden Erfindung auf mehrere Bildsensoren angewendet werden, die in einer Linie angeordnet sind, anstatt auf das in Fig. 1 dargestellte zweidimensionale Array.
Das Array aus Kontakthügeln 372 kann unter Verwendung mehrerer verschiedener Techniken ausgebildet werden, die alle Kompromisse zwischen Kontakthügelabstand, Kosten und Leichtigkeit der Herstellung darstellen. Bei einer Ausführungsform können die Kontakthügel durch einen Siebdruckprozeß oder durch das selektive Entfernen eines leitenden Materials, in der Regel unter Verwendung lithographischer Techniken, ausgebildet werden. Mit üblichen Siebdruckprozessen kann auch das Kontakthügelarray ausgebildet werden.
Die Kontakthügel können auch selektiv durch Elektroplattieren oder stromlos über zuvor freigelegten Metall- oder leitenden Gebieten in einem Halbleitersubstrat ausgebildet werden. Mit einer Maske, die eine transparente Siliziumoxidplatte mit dem Kontakthügelmuster ist, werden die Gebiete belichtet, in denen die Kontakthügel ausgebildet werden sollen. Die unstrukturierte Maske wird mit einer Ultraviolettlicht absorbierenden Schicht, wie etwa einem Eisenoxid, beschichtet, wodurch die ganze Maske für Ultraviolettlicht undurchsichtig wird. Eine dünne Schicht aus für Elektronenstrahlen empfindlichem Resistmaterial wird auf der Platte angeordnet, und selektive Teile werden einem Elektronenstrahl ausgesetzt; die belichteten Teile erfahren eine chemische Änderung. Nach der Belichtung werden die belichteten Teile des Resist durch Entwickeln in einer chemischen Lösung entfernt. Das Eisenoxidmaterial wird dann in denjenigen Gebieten, wo der belichtete Resist entfernt worden ist, selektiv abgeätzt.
Zur Herstellung der integrierten Schaltung wird die Oberfläche 390 des Bildsensors 370 mit einem für ultraviolettes Licht empfindlichen organischen Material bedeckt, das als Fotoresist bezeichnet wird. Die Maske wird dann auf den mit Fotoresist bedeckten Wafer gelegt und die Baugruppe mit ultraviolettem Licht belichtet. Das ultraviolette Licht dringt durch diejenigen Teile der Maske hindurch, die kein Eisenoxid aufweisen, und macht den belichteten Fotoresist sauer. Das Bildsensorarray 370 wird in einer basischen Lösung aus Natriumhydroxid entwickelt, was das Wegätzen des belichteten Fotoresist bewirkt. Auf diese Weise ist die Struktur auf der Maske auf die Oberfläche 390 übertragen worden. Der verbleibende Fotoresist wird durch einen Wärmeprozeß gehärtet.
Dann werden die Kontakthügel 372 in der strukturierten Oberfläche 390 ausgebildet, indem ein leitendes Material in die belichteten Bereiche elektroplattiert oder elektrolytisch aufgebracht wird. Bei dem herkömmlichen elektrolytischen Abscheiden wird eine Menge Metall (z. B. Nickel) an den Maskenöffnungspunkten elektrolytisch präzise aufgebracht. Falls als Material für die Kontakthügel Lot verwendet wird, wird das Lot in den Öffnungen angeordnet und über seine Schmelztemperatur erhitzt, um Lötkontakthügel zu bilden. Die Endform der Kontakthügel hängt von den Techniken ab, mit denen sie ausgebildet werden, und dem Material, aus dem sie bestehen. Lötkontakthügel sind charakteristischerweise halbkugelförmig. Durch Elektroplattieren oder stromlos abgeschiedene Kontakthügel weisen meist einen rechteckigen Querschnitt auf. Nach der Ausbildung der Kontakthügel 372 wird die Maske entfernt, und auf die ganze Oberfläche 390 einschließlich der Kontakthügel 372 wird ein Korrosionsschutzmittel aufgetragen. Zur Verhinderung von Korrosion werden Lötkontakthügel beispielsweise vergoldet.
Die Art der auf der Oberfläche 390 ausgebildeten Kontakthügel bestimmt auch die Technik, mit der die Kontakthügel 372 an dem Substrat 374 angebracht werden. Wenn die Kontakthügel aus Lot gebildet werden, wird ein Lotaufschmelzanbringungsprozeß verwendet, um die einzelnen Lötkontakthügel 372 elektrisch mit dem leitenden Muster auf dem Substrat 374 zu verbinden und sicher daran zu bonden. Bei dem Aufschmelzprozeß werden zunächst die Lötkontakthügel 372 auf ihre jeweiligen passenden leitenden Bereiche auf dem Substrat 374 ausgerichtet, und das Lot wird wiedererhitzt oder aufgeschmolzen, damit die Lötkontakthügel 372 metallurgisch an die entsprechenden Leiter des Substrats 374 gebondet und diese dadurch elektrisch verbunden werden. Falls das Kontakthügelmaterial Nickel ist, stromlos oder elektrolytisch aufgebracht, kann zum Befestigen der beiden Oberflächen ein leitender Klebstoff verwendet werden, der durch einen Siebdruckprozeß aufgetragen wird. Es kann auch ein anisotroper Klebstoff verwendet werden, d. h. einer, der im wesentlichen in eine Richtung leitet. Der Klebstoff wird über der ganzen Oberfläche aufgetragen, leitet aber nur in den Gebieten, in denen eine Quetschkraft aufgebracht worden ist, wie beispielsweise dann, wenn der Kontakthügel und seine passende Oberfläche in physischen Kontakt gebracht werden.
Es ist möglicherweise erforderlich, die Oberfläche 380 glattzupolieren und zurückzuätzen, so daß einfallendes Licht durch sie hindurchtreten und die die Fotosensoren 220 bildenden dotierten Halbleitergebiete erreichen kann. Falls das CMOS-Bildsensorarray 370 mit einem Siliziumsubstratmaterial hergestellt wird, dann reagiert das CMOS-Bildsensorarray 370 auf diejenigen Frequenzen, für die Silizium transparent ist, d. h. Wellenlängen im Infrarotabschnitt des Spektrums. Wie dem Fachmann bekannt ist, bestimmt der Bandabstand des Halbleitermaterials, in dem die Fotosensoren 220 ausgebildet sind, die Wellenlängen, auf die der Halbleiterfotosensor 220 reagiert, und somit die Frequenzempfindlichkeit des CMOS-Bildsensorarrays 370.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung berücksichtigt die in Fig. 4 dargestellte Zwischenverbindungsstruktur den individuellen Zugang zu und die individuelle Kontrolle über jedes Pixelelement oder jeden Fotosensor 220. Dadurch können spezielle optische Effekte in dem Fotosensorarray 370 implementiert werden. Außerdem können Anomalien beim Herstellungsprozeß Schwankungen zwischen den verschiedenen Fotosensoren 220 erzeugen. Insbesondere können geringfügige Schwankungen bei der Dotierungskonzentration die abgegebene Fotosensorspannung bei identischer einfallender Lichtenergie beeinflussen. Die einzelnen Fotosensoren können nach der Herstellung mit bekanntem einfallendem Licht kalibriert werden, und danach kann die jedem Pixel zugeordnete Signalverarbeitungsschaltung so ausgelegt sein, daß sie Schwankungen der Ausgangsspannung bei identischem eingegebenem einfallendem Licht kompensiert.
Fig. 5 veranschaulicht drei beispielhafte beabstandete dotierte Gebiete, die den Fotosensor 220 darstellen.
Insbesondere bestehen die pn-Übergänge aus p-Substratmaterial 400 mit beabstandeten n+-Gebieten 402 und n--Gebieten 404, die darin entlang einer Oberfläche 403 ausgebildet sind. Durch die Verwendung des n--Gebiets erhält man für die Sammlung von einfallenden Photonen eine größere Verarmungszone. Die gleiche Struktur kann mit einem n- Substrat und darin ausgebildeten p-dotierten Gebieten hergestellt werden.
Zusätzlich zu den CMOS-Bildsensoren wie oben erörtert können die Fotosensoren der vorliegenden Erfindung als Schottky- Sperrschichtdioden, Metall-Halbleiter-Metall-Fotodioden, pin- Dioden, Lawinenfotodioden und Heteroübergangsfototransistoren implementiert werden. Als Bildsensoren können auch Feldeffekt- und Bipolarübergangsbauelemente verwendet werden.
Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, versteht der Fachmann, daß, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, verschiedene Änderungen vorgenommen und die Elemente der Ausführungsform durch äquivalente Elemente substituiert werden können. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung beinhaltet weiterhin jede Kombination der Elemente aus den hier beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen. Außerdem können Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von ihr abzuweichen. Insbesondere kann die Erfindung auf vielerlei Weise und in einer Vielfalt von Schaltungsstrukturen praktiziert werden, einschließlich mit III-IV-Verbindungen und anderen Halbleitermaterialien ausgebildeter Strukturen. Die Erfindung soll deshalb nicht auf die bestimmten offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern alle anderen Konstruktionen beinhalten, die hier nicht ausdrücklich identifiziert sind und in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

1. Integriertes Schaltungsbauelement, das folgendes umfaßt:
eine erste integrierte Schaltung, die eine Vielzahl von diskret betätigbaren elektrischen Elementen und eine Vielzahl von leitenden Zwischenverbindungselementen in elektrischer Kommunikation mit einem oder mehreren der Vielzahl von diskret betätigbaren elektrischen Elementen umfaßt; und
eine zweite integrierte Schaltung, die operative Schaltungen und eine Vielzahl von Kontaktstellen umfaßt, die auf einer Oberfläche davon ausgebildet sind und mit der Vielzahl von leitenden Zwischenverbindungselementen in elektrischer Kommunikation stehen.

2. Integriertes Schaltungsbauelement nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der diskret betätigbaren elektrischen Elemente gleich der Anzahl der Zwischenverbindungselemente ist.

3. Integriertes Schaltungsbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Abstand der Vielzahl von Zwischenverbindungselementen gleich dem Abstand der Vielzahl von Kontaktstellen ist.

4. Integriertes Schaltungsbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die operativen Schaltungen der zweiten integrierten Schaltung in Verbindung mit der Vielzahl von elektrischen Elementen der ersten integrierten Schaltung arbeiten.

5. Integriertes Schaltungsbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von Zwischenverbindungselementen der Vielzahl von diskret betätigbaren elektrischen Elementen entspricht.

6. Integriertes Schaltungsbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von Zwischenverbindungselementen eine Vielzahl von leitenden Kontakthügel umfasst.

7. Integriertes Schaltungsbauelement nach Anspruch 6, wobei die Vielzahl von leitenden Kontakthügel ausgebildet wird, indem über der Vielzahl von elektrischen Elementen eine leitende Schicht ausgebildet wird und Gebiete der leitenden Schicht selektiv entfernt werden, so daß die verbleibenden Gebiete die leitenden Kontakthügel bilden.

8. Integrierte Schaltung nach Anspruch 7, wobei das selektive Entfernen von Gebieten der leitenden Schicht durch einen lithographischen Prozeß unter Verwendung einer Maske zum Identifizieren der zu entfernenden Gebiete gesteuert wird.

9. Integrierte Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jedes einzelne der Vielzahl von diskret betätigbaren elektrischen Elemente operative Schaltungen und eine leitende Stelle in elektrischer Kommunikation mit den operativen Schaltungen umfaßt und wobei jede einzelne der Vielzahl von leitenden Stellen sich weiterhin in elektrischer Kommunikation mit einem der Vielzahl von Zwischenverbindungselementen befindet und wobei jede einzelne der Vielzahl von leitenden Stellen durch einen an der Oberfläche der ersten integrierten Schaltung arbeitenden lithographischen Prozeß belichtet wird, um für die Ausbildung der Vielzahl von damit in elektrischer Kommunikation stehenden Zwischenverbindungselementen zu sorgen.

10. Integrierte Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jedes einzelne der Vielzahl von leitenden Zwischenverbindungselementen durch die Verwendung eines leitenden Klebstoffs an einer der Vielzahl von Kontaktstellen befestigt ist.

11. Integriertes Schaltungsbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von elektrischen Elementen in einem Array angeordnet ist.

12. Integriertes Schaltungsbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von elektrischen Elementen in einem linearen Muster angeordnet ist.

13. Integriertes Schaltungsbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die der Vielzahl von elektrischen Elementen auf der ersten integrierten Schaltung gewidmete Fläche maximiert ist.

14. Integriertes Schaltungsbauelement, das folgendes umfaßt:
eine erste integrierte Schaltung, die eine Vielzahl von diskret betätigbaren Fotosensoren enthält, wobei ein Arbeitsparameter jedes der Vielzahl von Fotosensoren zu dem auf die erste integrierte Schaltung einfallenden Licht in Beziehung steht und wobei die erste integrierte Schaltung weiterhin eine Vielzahl von leitenden Zwischenverbindungselementen umfaßt, die jeweils mit einem oder mehreren der Vielzahl von Fotosensoren in elektrischer Kommunikation stehen; und
eine zweite integrierte Schaltung mit einer Vielzahl von Kontaktstellen, die auf einer Oberfläche davon ausgebildet sind und mit der Vielzahl von leitenden Zwischenverbindungselementen in elektrischer Kommunikation stehen.

15. Integriertes Schaltungsbauelement nach Anspruch 14, wobei die zweite integrierte Schaltung operative Schaltungen zum Bestimmen des Arbeitsparameters eines Fotosensors, der zum einfallenden Licht in Beziehung steht, umfaßt.

16. Integriertes Schaltungsbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 15, wobei die Oberfläche der dem einfallenden Licht ausgesetzten ersten integrierten Schaltung so bearbeitet ist, daß das von der Vielzahl von Fotosensoren empfangene Licht maximiert ist.

17. Integriertes Schaltungsbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 16, wobei die erste integrierte Schaltung ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps und eine Vielzahl von beabstandeten dotierten Halbleitergebieten eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die in einer Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet sind, umfaßt und wobei an das Halbleitersubstrat und die dotierten Gebiete ein in Sperrrichtung vorgespanntes Potential angelegt wird, um dazwischen eine Verarmungszone zu erzeugen.

18. Integriertes Schaltungsbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 17, wobei die erste integrierte Schaltung ein Bildsensorarray umfaßt und wobei der Füllfaktor des Bildsensorarrays maximiert ist.

19. Integriertes Schaltungsbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 18, wobei die Vielzahl von leitenden Zwischenverbindungselementen zahlenmäßig der Vielzahl von Fotosensoren entspricht.

20. Integriertes Schaltungsbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 19, wobei jedes einzelne der Vielzahl von leitenden Zwischenverbindungselementen eine leitende Oberfläche umfaßt, die sich über einer Oberfläche der ersten integrierten Schaltung erstreckt.

21. Integriertes Schaltungsbauelement nach Anspruch 20, wobei die sich über der Oberfläche der ersten integrierten Schaltung erstreckende leitende Oberfläche einen leitenden Kontakthügel umfaßt.

22. Integrierte Schaltung nach Anspruch 21, wobei die leitenden Kontakthügel ausgebildet werden, indem über der Vielzahl von elektrischen Elementen eine leitende Schicht ausgebildet wird und Gebiete der leitenden Schicht selektiv entfernt werden, so daß die verbleibenden Gebiete die leitenden Kontakthügel bilden.

23. Integrierte Schaltung nach Anspruch 22, wobei das selektive Entfernen von Gebieten der leitenden Schicht durch einen lithographischen Prozeß unter Verwendung einer Maske zum Identifizieren der zu entfernenden Gebiete gesteuert wird.

24. Integrierte Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 23, wobei jedes einzelne der Vielzahl von diskret betätigbaren elektrischen Elementen operative Schaltungen und eine leitende Stelle in elektrischer Kommunikation mit den operativen Schaltungen umfaßt und wobei jede einzelne der Vielzahl von leitenden Stellen sich weiterhin in elektrischer Kommunikation mit einem der Vielzahl von Zwischenverbindungselementen befindet und wobei jede einzelne der Vielzahl von leitenden Stellen durch einen an der Oberfläche der ersten integrierten Schaltung arbeitenden lithographischen Prozeß belichtet wird, um für die Ausbildung der Vielzahl von damit in elektrischer Kommunikation stehenden Zwischenverbindungselementen zu sorgen.

25. Integrierte Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 24, wobei jedes einzelne der Vielzahl von leitenden Zwischenverbindungselementen durch die Verwendung eines leitenden Klebstoffs an einer der Vielzahl von Kontaktstellen befestigt ist.

26. Integriertes Schaltungsbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 25, wobei die Vielzahl von Fotosensoren in einem Array angeordnet ist.

27. Integriertes Schaltungsbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 26, wobei die Vielzahl von Fotosensoren in einem linearen Muster angeordnet ist.

28. Verfahren zum Herstellen eines integrierten Schaltungsbauelements, umfassend:
Herstellen einer ersten integrierten Schaltung mit einer Vielzahl von diskret betätigbaren elektrischen Elementen;
Herstellen einer Vielzahl von leitenden Zwischenverbindungselementen in elektrischer Kommunikation mit einem oder mehreren der Vielzahl von diskret betätigbaren elektrischen Elementen;
Herstellen einer zweiten integrierten Schaltung mit einer Vielzahl von auf einer Oberfläche davon ausgebildeten Kontaktstellen; und
Positionieren jedes einzelnen der Vielzahl von leitenden Zwischenverbindungselementen in elektrischer Kommunikation mit einem der Vielzahl von Kontaktstellen.

29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei bei dem Schritt des Herstellens der Vielzahl von leitenden Zwischenverbindungselementen eine leitende Schicht über der Vielzahl von elektrischen Elementen ausgebildet wird und Gebiete der leitenden Schicht selektiv entfernt werden, so daß die verbleibenden Gebiete die leitenden Zwischenverbindungselemente bilden.

30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei bei dem Schritt des selektiven Entfernens weiterhin eine lithographische Maske auf die Oberfläche der leitenden Schicht aufgetragen wird und Gebiete der leitenden Schicht unter Steuerung durch die lithographische Maske entfernt werden.

31. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 28 bis 30, wobei jedes einzelne der Vielzahl von elektrischen Elementen operative Schaltungen und eine leitende Stelle in elektrischer Kommunikation mit den operativen Schaltungen umfaßt und wobei jede einzelne der Vielzahl von leitenden Stellen sich weiterhin in elektrischer Kommunikation mit einem der Vielzahl von Zwischenverbindungselementen befindet und wobei bei dem Verfahren weiterhin jede einzelne der Vielzahl von leitenden Stellen unter Verwendung einer auf die operative Oberfläche der ersten integrierten Schaltung aufgetragenen lithographischen Maske belichtet wird und durch die Maske die Vielzahl von Zwischenverbindungselementen in elektrischer Kommunikation damit ausgebildet wird.

32. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 28 bis 31, wobei bei dem Schritt des Positionierens weiterhin jedes einzelne der Vielzahl von leitenden Zwischenverbindungselementen unter Verwendung eines leitenden Klebstoffs an einer der mehreren Kontaktstellen befestigt wird.

33. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 28 bis 32, wobei eines von allen der Vielzahl von diskret betätigbaren elektrischen Elementen einen Fotosensor umfaßt.

34. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 28 bis 33, wobei die Vielzahl von Fotosensoren durch den Schritt des Dotierens eines Substrats eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Dotierungssubstanz eines zweiten Leitfähigkeitstyps hergestellt wird.