DE2647274C2 - Phototransistorfeld als Halbleiter-Bildaufnehmer und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Phototransistorfeld, wie es dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.

Bildaufnehmer dienen allgemein zur Umsetzung optischer Information in entsprechende elektrische Signale, die zur Verarbeitung der Bildinformation ausgenutzt werden. Photodioden- und Phototransistorfelder werden bereits für derartige Zwecke verwendet. Photodiodenfelder erzeugen im Ansprechen auf einen hierauf einfallenden Lichtstrom einen hierzu proportionalen gleichförmigen Strom. Derartige Photodiodenfelder sprechen jedoch nicht auf relativ niedrige Helligkeitswerte an. Das bedeutet, daß besondere Verstärker erforderlich sind, um die Ausgangssignale derartiger Photociiodenfelder auf einen für die nachfolgende Verarbeitung erforderlichen Pegel anzuheben.

Phototransistorfelder hingegen verstärken bereits die durch auf die Phototransistorfelder-Oberfläche einfallenden Lichtstrom entstehenden Photoströme. Dank dieser Tatsache können derartige Bildauf.iehmer auch bei relativ niedrigen Helligkeitswerten verwendet werden, die zur Bildaufnahme mittels Photodiodenfelder nicht mehr ausreichend sind. Jedoch stellt sich dabei der Nachteil ein, daß der durch eine derartige Verstärkung an sich erzielte Vorteil zum Teil wieder dadurch wettgemacht wird, daß sich Änderungen des Stromverstärkersfaktors β beim Ladungsträgertransport durch die Basiszone zum Kollektorübergang ergeben. Dieser Stromverstärkungsfaktor β hängt von der Basisbreite und der Oberflächenrekombination an der Emitterperipherie ab und kann über das Gesamt-Phototransistorfeld beträchtlich variieren. Eine derartige Variation des Stromverstärkungsfaktors β führt für die einzelnen hierin enthaltenen Phototransistoren zu unterschiedlichen Photoströmen, selbst wenn von einer gleichförmigen Ausleuchtung des Phototransistorsfeldes ausgegangen wird.

Außerdem wird noch die Leistung eines derartigen Phototransistorreldes durch die jeweilige Betriebsweise beeinflußt. Eine Gieichstrom-Betriebsdweise, die sich, wie in US-PS 36 17 823 beschrieben, auf Vervielfachung der durch einfallende Photonen hervorgerufenen Ladungsträger stützt, ist offensichtlich empfindlich auf im Phototransistorfeld vorliegende unterschiedliche Stromverstärkungsfaktoren ß. Eine dynamische Betriebsweise oder Speicher-Betriebsweise, wie in der Veröffentlichung »Operation of P-N-Junction Photodetector In A Photon Flux Integration Mode« in der Zeitschrift »IEEE Journal on Solid State Circuits«, Band SC-2, Seiten 65 bis 73, Septemper 1967 beschrieben, welche sich auf die Kollektorbasiskapazität und nicht auf Vervielfachung der photonenerzeugten Ladungsträger stützt, ist demgegenüber weniger empfindlich auf unterschiedliche Stromverstärkungsfaktorer: β in einem Phototransistorfeld. Jedoch ergeben sich bei derart dynamisch betriebenen Phototransistorfeldern mit einer Schaltungs- oder Bauelementanzahl von mehr als 100 Ausleseprobleme, hervorgerufen durch Übersprechen infolge kapazitiver Kopplung zwischen den einzelnen Ausleseleitungen. Außerdem bedingen dynamisch betriebene Phototransistorfelder komplizierte Taktgeberund Auslesesteuerschaltungen.

Zusammenfassend läßt sich also sagen, daß Phototransistorfelder, die nicht der Beschränkung durch:

1. /?-Variation,

2. komplexer Taktgebungs- und/oder Auslesesteuerschaltung oder

3. Maßnahmen zum Verhindern des Übersprechens infolge kapazitiver Kopplung

unterliegen, einen entscheidenden Beilrag für die Weiterentwicklung von Anordnungen zur Umsetzung optischer Information in elektrische Information zu liefern in der Lage sind.

Dementsprechend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Phototransistorfeld als Halbleiter-Bildaufnehmer bereitzustellen, welches bei gleichförmiger Ausleuchtung der gesamten Feldoberfläche von allen hierin enthaltenen Phototransistoren gleiche Ansprechsignale zu liefern vermag, so daß eine gleichförmige Stromantwort auch bei Gleichstrombetrieb ermöglicht wird und hiermit eine Umsetzung von Großflächenbildinformation in entsprechende elektrische Signale mittels relativ einfach herzustellender Phototransistorfelder relativ leicht zu realisieren ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, wie es dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.

Aus der deutschen Auslegeschrift 23 48 242 ist es zwar bekannt, nicht zu belichtende Bereiche der Phototransistoren eines Phototransistorfeldes durch eine Lichtabschirmung abzudecken, jedoch ist hierbei vorgesehen, daß eine derartige Lichtabschirmung für alle Phototransistoren gleich ist, so daß die Lichtauffangflächen aller Phototransistoren des betreffenden Phototransistorfeldes untereinander ebenfalls gleich sind.

Der Bereich jeder so speziell ausgebildeten Lichtdurchtrittsöffnung oberhalb eines jeweiligen Phototransistors im Phototransistorfeld gestattet es demgegenüber, unterschiedliche Werte für den Stromverstärkungsfaktor β der einzelnen Phototransistoren auszugleichen, so daß sich im Ansprechen auf gleichmäßige Beleuchtung des Pholotransistorfeldes auch eine gleiche Stromantwort der Phototransistoren des Phototransistorfeldes ergibt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Bildaufnehmers gemäß der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen entnehmen.

Dank der Erfindung wird so nicht nur erreicht, daß von allen Phototransistoren des Phototransistorfeldes ein jeweils gleicher Photostrom als Kollektorstrom bei gleichmäßiger Ausleuchtung des Phototransistorfeldes bereitgestellt wird, sondern auch die jeweilige Ladungsträgererzeugung auf einen jeweils flach bzw. eben

so verlaufenden Bereich des Kollektorübergangs beschränkt wird. Dadurch wird vermieden, daß Ladungsträgererzeugung nicht an der jeweiligen Phototransistoroberfläche bzw. in oberflächennahen Bereichen stattfindet, die ja auf zufällig im Oxid der abdeckenden Isolierschicht auftretende Ladungsträgeranhäufung reagieren können, so daß der jeweilige Stromverstärkungsfaktor β nachteilig beeinflußt wird.

Anschließend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung mit Hilfe der unten aufgeführten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Halbleitersubstrat mit

hierin eingebrachtem Phototransistorfeld im Ausschnitt, Γ' g. 2 den Ausschnitt des Phototransistorfeldes nach Fig. 1 längs der Linie 2-2' in perspektivischer Ansicht, Fig.3 eine Kurvenschar im halblogarithmischen

Maßstab zur Darstellung des Stromverstärkungsfaktors β in Abhängigkeit vom Kollektorstrom /_f- für eine

Anzahl unterschiedlicher Phototransistoren,

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm zur Herstellung eines Photolransistorfeldes nach den F i g. 1 und 2.

Das in Fig. 1 gezeigte Halbleiterplättchen 20 enthält ein Phototransistorfeld 22, bestehend aus in typischer ·-, Weise ΙΟ¹· bau- bzw. Schaltungselemente darstellenden Phototransistoren 24 und außerdem noch einen Testphototransistor 23. Auf letzteren wird im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig.4 noch näher eingegangen werden. Es versteht sich, daß die Erfindung auf jede photoempfindliche Matrixanordnung anwendbar ist, die unter Gleichstrombedingungen betrieben wird, wobei als bevorzugtes Bau- bzw. Schaltungselement jeweils ein Photoiransistor dient. Jeder Phototransistor 24 enthält eine Emitterzone 26, eine Basiszone 28 π und eine allen Phototransistoren 24 einer Spalte des Phototransistorfeldes 22 gemeinsame Kollektorzone 30. Isolationszonen 32 isolieren die gemeinsamen Kollektorzonen 30 voneinander.

Die Metalleiter 33 sind auf einer Oxidschicht 48 aufgebracht und mit den Emittern 26 jeweils einer Zeile des Phototransistorfeldes 22 verbunden. Die Metalleiter 33 liegen an den Anschlußflächen 35, die außerhalb des Phototransistorfeldes 22 auf dem Rand des Halbleiterplättchens 20 aufgebracht sind. In gleicher Weise sind die Anschlußflächen 40 mit den gemeinsamen Kollektorzonen 30 des Phototransistorfeldes 22 verbunden. Die Anschlußfiächen 40 sind über die in der Oxidschicht 48 eingebrachten Öffnungen 42 verbunden, um jeweils ohmschen Kontakt mit den Kollektorzonen bereitzustellen.

Eine lichtundurchlässige Maskenschicht 44 überdeckt das Phototransästorfeld 22 und enthält Lichtdurchtrittsöffnungen 34, die sich jeweils über einer Basiszone 28 der Phototransistoren 24 befinden. Die Lichtdurchtritts-Öffnungen haben dabei unterschiedliche Abmessungen, um so zu gewährleisten, daß jeder Phototransistor des Phototransistorfeldes 22 im wesentlichen gleichen Kollektorstrom bei auf das Halbleiterplättchen 20 gleichmäßig einfallenden Lichtstrom 46 abgibt.

F i g. 2 zeigt einen Ausschnitt mit den Phototransistoren 24' und 24" in vergrößertem Maßstab. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Maskenschicht 44 aus einem Polymer. Ein geeignetes Polymer kann ein positiver Photolack, speziell aus Polymethylmethacrylat (PPM) sein, welcher Lampenruß in Form fein zermahlenen Kohlenpulvers enthält, um den Photolack innerhalb des sichtbaren Spektralbereichs als bevorzugten Spektralbereich für vorliegendes Phototransistorfeld lichtundurchlässig zu halten. Ein anderes, für die lichtundurchlässige Maskenschicht geeignetes Material besteht aus mit Lampenruß vermengtem Polyimid, wie im »IBM Technical Disclosure Bulletin«, August 1974, auf Seite 935 beschrieben. Die Dicke der Maskenschicht 44 liegt in der Größenordnung von 500 bis 1000 nm. Die Maskenschicht 44 überdeckt ihrerseits eine Isolierschicht 48, die in typischer Weise durch Oxid des Halbleitermaterials gebildet und hierauf aufgewachsen ist und dabei eine Dicke zwischen 200 bis nm aufweisen kann. Alternativ hierzu kann die Isolierschicht 48 auch in anderer Weise hierauf aufgebracht oder niedergeschlagen werden. Die Oxidschicht 48 schützt einerseits die Phototransistoren 24, ist aber andererseits für den Lichtstrom 46 transparent Die Phototransistoren 24' und 24" enthalten einen Kollektorübergang 29 und einen hier nicht gezeigten Emitterübergang. Der Metalleiter 33 kontaktiert die Emitterzonen 26 wie aus Fig. 1 ersichtlich. Die Isolationszone 32 isoliert, wie in F i g. 2 gezeigt, die Phototransistoren 24' und 24" voneinander.

F i g. 3 zeigt in Form einer Kurvenschar die Abhängigkeit des Stromverstärkungsfaktors β vom Kollektorstrom Ic für einen Satz, bestehend aus drei mittels des gleichen Herstellungsprozesses erstellten Phototransistoren. Die Kurven A, B und C lassen erkennen, daß bei unterschiedlichen Emitterflächen und bei etwa um den Faktor 20 unterschiedlichen Emiuerumfängen die Werte für den Stromverstärki.ngsfaktor β um bis zum Faktor 2 voneinander verschieden sein können und daß die Kurvensteigungen jedoch, d. h. die Änderungen von ß, innerhalb eines vorgegebenen Bereichs praktisch als gleich anzusehen sind. Indem sich die Erfindung hierauf stützt, kann demnach vorausgesetzt werden, daß alle Phototransistoren in einem Phototransistorfeld im großen und ganzen gleichen Kurvenanstieg besitzen, also gleichen ^-Änderungen unterliegen, unabhängig von der jeweiligen Höhe des Anfangswertes für β bei den verschiedenen Kurven.

Folgende empirische Beziehung läßt sich für- β in Abhängigkeit von Ic bei Phototransistoren aus den Kurvenverläufen A, ßund Caufstellen:

Hierin bedeuten:

ß' = Stromverstärkungsfaktor β für lc— Ia

lc = Kollektorstrom eines der Phototransistoren bei vorgegebener Beleuchtung

la = Referenzkollektorstrom im Bereich des Maximums der betreffenden jS-Kurve

η = Steigung der ß = f(lc)-Kurve

Der Kollektorstrom Ic eines Phototransistors 24 läßt sich unter Einsatz entsprechender Parameter wie folgt ausdrücken:

Ic=(\+ß) (VrTD) (F[V])A (2)

Diese Formel ist der Veröffentlichung in »IEEE Transactions on Electron Devices« Bd. ED-18, Nr. 6, Juni 1971 auf Seite 341, Gleichung (7) zu entnehmen. Im vorliegenden Fall aber, mit ß>\, läßt sich für 1 +ß in guter Näherung β setzen.

Hierin bedeuten:

= Quantenausbeute am Kollektorübergang,
= einfallender Lichtstrom,

= dem Lichtstrom ausgesetzter Basisflächenbereich.

F[v] A

Wird unter Vernachlässigen des Summanden 1 im Faktor (1 +ß) Gleichung (1) in Gleichung (2) eingesetzt, dann ergibt sich:

(3)

In Gleichung (3) ist der Photostrom /cals das Produkt aus drei Thermen dargestellt

Der zweite Term (/Ip_n,F [ν])¹'"

stellt dabei den durch Photonen herbeigeführten Kollektorübergangs-Strom dar. Dieser zweite Term ändert sich in Abhängigkeit von t)ptd und n, wobei sich F[v] als konstant ansehen läßt. Die Erfahrung zeigt daß der Ausdruck Tjpw für Phototransistoren gleichen

Types, also im allgemeinen für die eines gemeinsamen Phototransistorfeldes, gleichbleibend ist. Gleicherweise is! auch η in einem beträchtlichen Bereich von Emitterflächen- und -umfangswerten im großen und ganzen als konstant anzusehen. Das bedeutet, daß der zweite Term im wesentlichen über das gesamte Phototransistorfeld konstant ist und daher zum Erzielen eines gleichförmigen Stromes aus diesem Phototransislorfeld unbeachtlich bleiben kann.

Der dritte Term, also (ß'A)-^-. stellt die Stromaus-

beute eines Phototransistors im Phototransistorfeld dar. Der Ausdruck ß' erfaßt dabei die Verteilung der betreffenden Werte für ein vorgegebenes Phototransistorfeld. Die einzelnen Abweichungen der Werte für ß' im betreffenden Phototransistorfeld lassen sich ausgleichen, indem, ausgehend vom Phototransistor mit dem kleinsten Wert für ß', die übrigen Phototransistoren 24 in ihrem Lichtauffangbereich (A) so reduziert werden, daß sich jeweils der gleiche Wert für das Produkt aus ß'A ergibt. Der hierzu erforderliche Bereichsreduktionsfaktor (BRF) läßt sich aus folgenden Gleichungen ableiten:

Der Phototransistor mit minimalem β weise den Kollektorstrom /„,auf. Dann gilt:

Für jeden anderen Phototransistor des betreffenden Phototransistorfeldes ist der Strom gemäß folgender Gleichung definiert:

η 1 1

'Μ)¹""GM)¹-"■ (5)

In den Gleichungen (4) und (5) tritt ein allen Phototransistoren eines Phototransistorfeldes gemeinsam geltender Exponentialwert η auf, wie obenstehende Ausführungen an Hand der Praxis zeigen.

Zum Einbeziehen des Minimalstroms I_n, läßt sich dann der Strom für jeden anderen Phototransistor I_x durch Division von Gleichung (5) durch Gleichung (4) ermitteln:

Die sich hieraus ergebenden Stromwerte sind gleich, wenn der Bereich A_x jedes Phototransistors at jeweils um den Faktor ß'Jß'_x reduziert wird. Das Verhältnis von ß'Jß'x ergibt sich aus Gleichung (6), wenn der Strom /, für einen jeweiligen Phototransistor χ mit dem Bereich A_x und der Minimalstrom I_n, für den Phototransistor T_n, mit dem Bereich A_n, gemessen werden.

Damit ergibt sich für den Bereichsreduktionsfaktor BRF:

ß· J^_x=BRF=[IJ Q-". (7)

Der Bereichsreduktionsfaktor BRFjedes Phototransistors 24 in einem Phototransistorfeld 22 läßt sich mittels automatischer Prüfverfahren nach Herstellen des betreffenden Phototransistorfeldes ermitteln. Der jeweilige Kollektorstrom Ic der Phototransistoren wird hierzu bei gleichmäßig einfallendem Lichtstrom gemessen, der den jeweiligen Arbeitsbereich der Phototransistoren in einen unterhalb des ^-Maximums liegenden Strombereich verlagert Um einen Wert für π zu erhalten, wird der den geringsten Kollektorstrom I_c herbeiführende Phototransistor T_n, bei zwei bekannten Lichtstromwerten gemessen. Wenn auch gemäß der Erfindung ein derartiger Phototransistor Γ,,, als Bezugsphototransistor gewählt wird, so ist doch festzuhalten, j daß an sich auch jeder andere Phototransistor des Phototransistorfeldes hierzu herangezogen werden kann, da ja der Wert für η im gesamten Phototransistorfeld praktisch als gleich angesehen werden kann.

Mit anderen Worten, jeder Phototransistor eines

κι betreffenden Phototransistorfeldes läßt sich an sich zur Bestimmung des Wertes für η heranziehen. Es ist allerdings zweckmäßig, den Phototransistor T_n, hierfür auszuwählen. Die Steigung einer Kurve entsprechend dem Wert für η ergibt sich aus dem gemessenen Kollektorstrom unter Anwendung von Gleichung (3). Mit dieser Information läßt sich der Wert von BRF für jeden Phototransistor des Phototransistorfeldes ermitteln, vorausgesetzt, wie gesagt, daß der Wert für η über das gesamte Phototransistorfeld praktisch als konstant angesehen werden kann.

Das Verfahren zum Reduzieren der aktiven Basiszonenbereiche de·· Phototransistoren des Phototransistorfeldes wird nun anhand des Ablaufdiagramms in Fig.4 im einzelnen beschrieben.

Das Phototransistorfeld gemäß Fig. 1 wird im Verfahrensschritt 50 unter Anwenden von an sich bei Halbleiterschaltungsfertigung bekannten Prozessen hergestellt. Liegt das Phototransistorfeld noch ohne Maskenschicht 44 vor, dann folgt eine automatische

JO Prüfung im Verfahrensschritt 52, um die der Gleichung (7) zugrunde liegenden Variablen zu ermitteln, die zum Bestimmen der Lichtdurchtrittsöffnungen oberhalb der jeweiligen Phototransistoren des Transistorfeldes erforderlich sind. Ein handelsübliches automatisches Prüfgerät kann hierzu herangezogen werden, so daß die Variablen der Gleichung (7) für jeden Phototransistor des Phototransistorfeldes zahlenmäßig erfaßt werden können. Ein gleichmäßiger Lichtstrom in der Größenordnung von 4 χ 1O-³W/cm² wird nach Anschluß an das automatische Prüfgerät auf das Phototransistorfeld zur Einwirkung gebracht.

Im anschließenden Verfahrensschritt 54 wird unter Steuerung eines in das automatische Prüfgerät geladenen Programms die jeweilige Stromantwort Ιχ der Phototransistoren im Ansprechen auf den Lichtstrom gemessen und gespeichert. Mit Hilfe des automatischen Prüfgeräts wird dann noch der Verfahrensschritt 56 durchgeführt, um die zuvor gespeicherten Stromwerte nach dem Minimalwert I_n, abzusuchen und die örtliche Lage des betreffenden Phototransistors T_n, zu bestimmen. Nach dessen Identifizierung erfaßt das automatische Prüfgerät im Verfahrensschritt 58 die Abhängigkeit des Minimalstroms I_n, von der Beleuchtungsstärke. Anhand schrittweise erhöhter Beleuchtungsstärken wird der Arbeitsbereich des Phototransistors T_n, durchgespielt Mit hierzu eingestellten unterschiedlichen Stufen, in der Regel zwei, läßt sich der Wert für π und damit die Steigung der ß-Kurve für den Betreffenden Phototransistor T_n, erhalten.

Im Ansprechen auf die Beleuchtungsstärke F mißt und speichert das automatische Prüfgerät die jeweilige Stromantwort des Phototransistors T_m Die Beleuchtungsstärke wird bis auf den Wert kF erhöht, wobei k eine ganze Zahl darstellt Dies erfolgt im Verfahrensschritt 60, bei dem das automatische Prüfgerät wiederum die jeweilige Stromantwort des Phototransistors T_n, mißt und speichert Im anschließenden Verfahrensschritt 62 wird aus den im automatischen

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Prüfgerät gespeicherten Daten mil Hilfe der Gleichung (3) die Steigung η ermittelt.

Die Steigung η läßt sich aber auch ohne Anwenden oben beschriebener Beleuchtungsstärkenmessung bestimmen. Hierzu wird ein Testphototransistor 23 mit '> gleichen geometrischen Abmessungen wie diejenigen der Phototransistoren 24 des Phototransistorfeldes 22 in Fig. 1 auf dem Halbleiterplättchen 20 an einer dem eigentlichen Phototransistorfeld 22 benachbarten Stelle gebildet. Der Testphototransistor 23 enthält die Kollektorzone 25, die Basiszone 27 und die Emitterzone 29. Jede Zone besitzt noch eine Elektrode 31c, 31£> und 31c, die sich zum jeweiligen Anschluß an einen jeweiligen oberhalb der dielektrischen Schicht 48 liegenden Leiter hier hindurch erstrecken. Der Strom- i^r> verstärkungsfaktor β in Abhängigkeit vom Kollektorstrom /fwird für diesen Testpholotransistor 23 mit Hilfe üblicher Meßverfahren ermittelt. Die Steigung η läßt sich nach Auftragen der Meßwerte als Funktion β = f(lc) mittels üblicher Näherungsverfahren bestimmen. Hierzu wird der in der Halbleitertechnologie anerkannte Grundsatz vorausgesetzt, daß ein Testbauelement innerhalb eines zulässigen Toleranzbereiches gleiche Charakteristiken wie die der anderen im gleichen Halbleiterplättchen befindlichen Bau- oder -schaltungselemente besitzt.

Liegen so die Werte für l„_h /_cund η vor, dann schließt sich gemäß Fig.4 ein Verfahrensschritt 64 an, in welchem mittels eines Rechners der jeweiligen BRF-Wert der Phototransistoren 24 im Phototransistorfeld 22 bestimmt wird. Im anschließenden Verfahrensschritt 66 werden die linearen Abmessungen der jeweils oberhalb der Basiszonen 28 der Phototransistoren 24 des Phototransistorfeldes 22 in die noch anzuordnende Maskenschicht 44 einzubringenden Lichtdurchtrillsöffnungen 34 unter Zugrundelegen der Abmessungen des Basiszonenbereichs A_n, des Phototransistors T_m errechnet. Die sich hierbei ergebenden Werte für die Lichtdurchtrittsöffnungen 34 der Phototransistoren 24 des betreffenden Phototransistorfeldes 22 werden tabelliert und in Form einer Liste gespeichert.

Nach Abschluß der Prüf-, Rechner- und Tabellierverfahrensschritte zur Verarbeitung der Daten der linearen Öffnungsabmessungen der Phototransistoren wird das betreffende Phototransistorfeld weiteren Verfahrensschritten unterworfen. So wird in Verfahrensschritt 68 ein Positiv-Photolack, z. B. ein aus Polymethylmethacrylat bestehender, elektronenempfindlicher Photolack, auf die Oberfläche des Phototransistorfeldes aufgetragen, Vor Auftragung wird der Photolack für einen vom Phototransistorfeld ausgenutzten Spektralbereich lichtundurchlässig gemacht So erhält die betreffende PpM-Lösang einen Zusatz aus feingemahlenem Köhlenpulver bzw. Lampenruß, um den lichtundurchlässigen Bereich in den sichtbaren Spektralbereich zu verlegen. Das Verhältnis von Zusatz zu PPM-Lösung beträgt 0,5 :10 Teilen, in Gew.-°/o. Nach guter Durchmischung wird dann der Photolack als Maskenschicht 44 in einer Dicke bis zu 800 nm auf die Isolierschicht 48 aufgetragen.

Im Verfahrensschritt 70 wird die Maskenschicht nach Entwickeln des Photolacks über entsprechende Masken abgeätzt, um die Lichtdurchtrittsöffnungen 34 oberhalb der Basiszonen 28 erhalten zu können. Das Anwenden üblicher Glas- oder Filmmasken bei Durchführen einer Ätzung auf chemischem Wege ist da nicht tragbar, wo jeweilige Flächenabmessungen der einzuätzenden Öffnungen nicht innerhalb von etwa 2,5 μηι einzuhalten sind. Im allgemeinen liegen derartige Abmessungen im Bereich zwischen 12,5 und 17,5 μηι. Beim Abweichen der Abmessungen um mindestens 2.5 μηι von errechneten Abmessungen der Lichtdurchtrittsöffnungen läßt sich nicht in zufriedenstellender Weise jeweils gleicher Kollektorstrom bei den Transistoren eines Phototransistorfeldes im Ansprechen auf einen vorgegebenen Lichtstrom erhalten. Zusätzlich führt die Notwendigkeit der Verwendung unterschiedlicher Masken zum Herstellen mehrerer Phototransistorfelder dazu, daß das betreffende Maskenverfahren zu aufwendig wird.

Ein anderes Verfahren zum Einbringen von Lichtdurchtrittsöffnungen in die fviaskensehiehl ergibt sich durch Anwenden der Elektronenstrahllithographie. Die hierzu verwendete Elektronenstrahlanlage läßt sich anhand der Auflistung der tabellierten Lichtdurchtrittsöffnungs-Abmessungen für die einzelnen Phototransistoren des Phototransistorfeldes entsprechend programmieren. Dadurch wird der Elektronenstrahl so geführt, daß die Photolackschichtbereiche wie gewünscht durch den Elektronenstrahl exponiert werden, um dann unmittelbar anschließend entwickelt zu werden, so daß sich die vorgesehenen Lichtdurchtrittsöffnungen oberhalb der Basiszonen der einzelnen Phototransistoren ergeben. Der für die Maskenschicht verwendete Photolack PPM eignet sich gut für das hierdurch erfolgende Abtragungsverfahren. Als Beispiel hierfür wird auf die Veröffentlichung »Electron Resist for Microcircuit and Mask Production« von M. Hatzakis in »Journal of Electrochemical Society«, Juli 1969, Seiten 1033 bis 1037 verwiesen.

Die durch die Elektronenstrahlexponierung in der Maskenschicht definierten Bereiche lassen sich auf der Oxidoberfläche getreu wiedergeben, ohne daß Ausweitungen oder Verengungen in den hierauf eingebrachten Lichtdurchtrittsöffnungen zu verzeichnen sind, da bei diesem Verfahren nahezu vertikal in der Maskenschicht verlaufende Öffnungswandungen zu erhalten sind. Der Elektronenstrahl wird im Ansprechen auf Signale, die von der tabellierten Auflistung im Verfahrensschritt 66 herrühren, schrittweise nacheinander auf jeden Phototransistor des Phototransistorfeldes gerichtet Die bei Anwenden dieses Elektronenstrahllithographieverfahrens unbestrahlt gebliebenen Bereiche der Maskenschicht oberhalb des Phototransistorfeldes verbleiben natürlich mit Ausnahme der Bereiche oberhalb der Anschlußmetallisierungen, an die die Eingangs/Ausgangsschaltungsanordnungen angeschlossen werden

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zu verhindern. Neben dem Bereitstellen der Maskenschicht erfüllt der aufgetragene Photolack außerdem noch die Aufgabe, die die Betriebsweise störenden Nadellöcher in der Oxidschicht 48 auszufüllen, so daß auch hierdurch noch die Zuverlässigkeit des vorliegenden Phototransistorfeldes verbessert wird

Im Abschlußverfahrensschritt 72 wird da fertiggestellte Phototransistorfeld gesäubert und das Halbleiterplättchen 20 auf einen geeigneten Träger montiert, so daß einem Einbau und einer Verwendung als Halbleiter-Bildaufnehmer nichts mehr im Wege steht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Als Halbleiter-Bildaufnehmer dienendes, in Form einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung vorliegendes Phototransistorfeld, dessen als Schaltungselemente vorliegenden Phototransistoren mit ihren nicht zu belichtenden Bereichen unterhalb einer lichabschirmenden, Lichtdurchtrittsöffnungen aufweisenden Maskenschicht liegen, da- ^|0 durch gekennzeichnet, daß die oberhalb der jeweiligen Basiszone (28) der Phototransistoren (24) gelegenen Lichtdurchtrittsöffnungen (34) jeweils derart unterschiedliche Abmessungen aufweisen, daß bei jeweils gleichem, auf die Basisflachen aller Phototransistoren (24) einfallenden Lichtstrom (46) ein bei allen Phototransistoren (24) gleicher Photostrom entsteht.

2. Phototransistorfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Abmessungen der Lichtdurchtrittsöffnungen (34) bestimmten Maskenöffnungsflächen jeweils durch einen den Phototransistoren (24) zugeordneten Bereichsreduktionsfaktor (BRF) gemäß folgender Beziehung:

BRF= (IJ7Ji- ^2S

festgelegt sind, worin:

I_n, den minimalen Kollektorstrom von allen Phototransistoren (24) in einem Phototransi- ^o storfeld (22) darstellt,

/, den Kollektorstrom für den Phototransistor (24) unterhalb der jeweils betreffenden Maskenöffnungsfläche darstellt und

η praktisch als Konstante dem Verhältnis der Logarithmen des kollektorstromabhängigen Stromverstärkungsfaktors β und des Kollektorstroms der Phototransistoren (24) des Phototransistorfeldes (22) entspricht.

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3. Phototransistorfeld nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässige Maske aus einem nach Bestrahlung entwickelten Photolack besteht, der durch ein Polymer, wie Polymethylmethacrylat, mit Zusatz aus Lampenruß dargestellt ist.

4. Phototransistorfeld mit ausschließlich Oberflächen der Phototransistoren des Phototransistorfeldes freigebenden Maskenschicht nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterplättchen (20) mit einer Halbleiterschicht bedeckt ist, in die jeweils zu beiden Seiten einer Phototransistorspalte des Phototransistorfeldes (22) Isolierzonen (32) eingebracht sind, so daß sich jeweils eine allen Phototransistoren (24) einer Phototransistorspalte gemeinsame, mit einem am Rande des Halbleiterplättchens (20) liegenden Spaltenanschlußfläche (40) verbundene Kollektorzone (30) ergibt, in die die Basiszonen (28) einduffundiert sind, daß hierüber ein durchsichtiger dielektrischer Überzug in Form einer Isolierschicht (48) aufgebracht ist und daß die Maskenschicht (44) die Bereiche der Basiszone (28) abdeckt, in die die Emitterzonen (26) eindiffundiert sind, oberhalb deren Löcher zum Einbringen der Emitteranschlüsse in die Isolierschicht (48) eingeätzt sind, welche mit oberhalb der Isolierschicht (48) über die Emitterzonen (26) einer jeweiligen Phototransistorzeile verlaufenden, jeweils mit einer am Rande des Halbleiterplättchens (20) gelegenen Zeilenanschlußfläche (35) verbundenen Leitern (33) in Verbindung stehen.

5. Verfahren zur Herstellung eines Phototransistorfeldes nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Aufbringen einer Isolierschicht (48) oberhalb eines Halbleitersubstrats mit hierin eingelassenen Phototransistoren (24), in welche Öffnungen zu jeder Emitterelektrode (26) einer Zeile des Phototransistorfeldes (22) und eine jeweilige Öffnung (42) für den gemeinsamen Kollektorzonenanschluß (40) der Phototransistoren (24) in einer Spalte des Phototransistorfeldes (22) eingebracht werden;

b) Festlegen des minimalen Kollektorstromes (I_n,) von allen Phototransistoren (24) des Phototransistorfeldes (22) unter gleichmäßig einfallendem Lichtstrom (46) auf das Phototransistorfeld (22);

c) Berechnen des Bereichsreduktionsfaktors (BRF) für jede Lichtdurchtrittsöffnung (34) zur betreffenden Basiszone (28), die in eine oberhalb der Phototransistoren (24) auf die Isolierschicht (48) aufzubringende Maskenschicht (44) jeweils einzubringen ist, um gleiche Stromantwort im gesamten Phototransistorfeld (22) zu erhalten;

d) Auftragen der als Maskenschicht (44) dienenden lichtundurchlässigen Polymerschicht auf die Isolierschicht (48);

e) Einätzen der Lichtdurchtrittsöffnungen (34) oberhalb eines jeweiligen Phototransistors (24) in dessen Basisbereich, so daß die lichtundurchlässige Polymerschicht nur die Basiszonen (28) der Phototransistoren (24) freilegt, um für alle Phototransistoren (24) des Phototransistorfeldes (22) gleichen Kollektorstrom (/J zu erhalten, wenn ein gleichmäßiger Lichtstrom (46) auf das Phototransistorfeld (22) zur Einwirkung gebracht wird.

6. Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleiterplättchen (20) unmittelbar benachbart dem Phototransistorfcld (22) ein weiterer Phototransistor als Testphototransistor (23) mit gleichen geometrischen Abmessungen wie diejenigen der hierin enthaltenen Phototransistoren (24) angeordnet wird, dessen Stromverstärkungsfaktor β in Abhängigkeit von dessen Kollektorstrom /rgemessen wird, um hieraus den als konstant angesehenen Wert für η zu ermitteln, so daß zusammen mit dem minimalen Kollektorstrom I_n, und mit dem ohne darüberliegende Maskenschicht (44) jeweils ermittelten Kollektorstrom Ic der Wert für jeden der Phototransistoren (24) zuzuordnenden Bereichsreduktionsfaktor (BRF) und damit die jeweils vorzusehenden Maskenöffnungsflächen zu errechnen sind.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Polymer zur Maskenherstellung Lampenruß mit Anteilen von 0,5 bis 10Gew.-% einer Positiv-Photolacklösung beigemengt wird und die Maskenschicht (44) mit einer Dicke von bis zu 800 nm aufgetragen wird.