CN101861650A - 具有沟道隔离的背照式薄型光电二极管阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有沟道隔离的背照式薄型光电二极管阵列。沟道在衬底的一个面或者两个面上形成，并且在对具有沟道的面进行掺杂之后，沟道被填满以提供相邻光电二极管之间的电隔离。光电二极管阵列及形成这种阵列的方法的各种实施例被公开。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年8月10日提交的美国临时专利申请No.60/964,331的权益。
技术领域
本发明涉及在薄晶圆上所制造的背照式针形光电二极管(pinphotodiode)阵列的结构及其制造方法。
背景技术
本文所描述的结构可以被认为是常规结构的一种替代，这种常规结构先前已在美国专利No.6,762,473和No.7,112,465中以及在来自其他发明人的多个专利中被描述过。参见例如美国专利No.6,933,489、No.6,707,046、No.6,933,489，No.6,426,991和No.6,707,046。
用于成像应用的针形光电二极管阵列是以各种不同方法中的一种结合互相分隔的多个像素的2D阵列。在图1中示出了在正面上的像素之间具有隔离扩散的2D背光针形光电二极管阵列的典型的晶片布局(die layout)(正视图)。
在常规的背光阵列中，隔离结构通常不在阵列的背面上形成。在图2中示出了这种常规背光针形光电二极管阵列的纵向结构的例子。衬底1是第一导电类型。活动像素扩散100具有第二导电类型(极性与衬底的极性不同)。扩散100利用衬底中的p-n结形成二极管(p-on-n极性或者n-on-p极性)。像素之间的扩散101具有与衬底相同的导电类型(第一导电类型)。扩散100和101通常是浅的。浅的全面扩散5(blanket diffusion)具有第一导电类型。氧化物层11是热氧化层或者其它钝化层。阳极衬垫(anode pad)20和阴极衬垫21使结构完整。
图3示出具有从晶圆的两面所施加(apply)的隔离扩散的、背光针形光电二极管阵列的结构的例子(另参见美国专利No.6,762,473和No.7,112,465)。除了图2所示的结构以外，附加特征-来自背面的隔离扩散102被施加。扩散102具有第一导电类型并且与在正面上的扩散101和其它结构特征对齐。扩散101和102可以在晶圆的体内接触或者不接触。扩散100可以是浅的或者与扩散101一样深。
图3所示的结构的特点是具有优良的性能参数，诸如漏电流、阵列的活动像素之间的串扰、响应时间和其它性能参数。
附图说明
本发明的主要思想由附图示范，其中：
图1示出从具有在衬底的第一表面上所施加的隔离扩散的常规(现有技术)针形光电二极管阵列的第一表面(正面)的视图。
图2是典型的背光针形光电二极管阵列(现有技术)的截面。
图3是具有从衬底的两个表面所施加的隔离扩散的现有技术的背光针形光电二极管阵列的例子。
图4示出根据本发明的具有正面沟道和背面隔离扩散的示例性结构的截面。
图5a到5c示出图4所示结构的示例性制造顺序。
图6示出具有从衬底的两个表面所形成的沟道的备选结构的截面视图。
图7示出在衬底的第一表面上具有沟道并且在衬底的第二表面上不具有隔离扩散的本发明的实施例的结构的截面。
图8是在衬底的第二表面上具有隔离沟道并且在衬底的第一表面上具有隔离扩散(没有沟道)的示例性结构的截面。
具体实施方式
本发明的目标包括：
1)向多元件背面受光针形光电二极管阵列提供所有元件的优良性能。
2)提供超薄晶圆上背面受光的光电二极管阵列的制造方法。
因此本发明的目的是提供具有优良性能特性的2D针形光电二极管阵列的结构，使它在如CT扫描仪应用等这样的应用中有用。
另一目的是提供在薄晶圆上制造Si装置的方法，该方法可以适用于制造倒装芯片(flip-chip)、多元件(multi-element)、2维针形光电二极管阵列。
本发明的这些和其它目的将从以下的公开内容中变得明显。在本公开内容中，将描述阵列结构的第一优选实施例，然后将描述制造阵列的优选方法。
本发明的实施例在图4到图8中示出并且参考图4到图8进行描述。
图4示出根据本发明的结构的第一例子。
图5a到5c示出图4的结构的示例性制造方法的步骤。
图4中的结构包括在正面(第一表面)上的(电)隔离沟道10和从衬底1的背面(第二表面)形成的隔离扩散4。图4所示结构的针形光电二极管阵列是使用具有第一导电类型的半导体衬底来制作的。图4的结构的制造方法的基本步骤以图5a到5c在本文中公开。
如图5a所示，在阵列的像素(活动元件)之间的衬底的第一表面中建立深沟道(定义区域10)。沟道形成包围(围绕)阵列的每个像素的矩阵。可以使用干蚀刻、湿蚀刻或者产业上已知的其它技术，优选地通过大体上定向的蚀刻来建立沟道。举例来说，沟道可以从衬底的第一表面扩展到衬底体内达几微米到大于100微米的范围的深度。沟道的最大深度依赖于阵列的目标厚度和对晶圆的机械完整性的要求。然后，沟道的壁和底部被掺杂(dope)以具有浓度大于基底的浓度的第一导电类型(与衬底相同)的掺杂物2。接着用二氧化硅、聚乙烯或者其他隔离材料10回填沟道，如图5a所示。化学机械抛光(CMP)可以被应用以提高表面的平坦度。具有浓度大于基底的浓度的第二导电类型的扩散3被施加在每个像素的中间。这种扩散利用半导体衬底建立p/n结。扩散3的形状和尺寸可以改变，并依赖于所要求的性能参数，诸如活动像素尺寸和相邻像素之间的间隙。图5a所示的层11是热氧化物或者其它钝化材料。
下一步骤在图5b中示出，其中晶圆从背面(衬底的第二表面)被研磨(lap)至大约300微米或者更小的，并且优选为小于200微米的厚度。这之后可以进行抛光和CMP。在使晶圆变薄之前，可能需要将晶圆临时粘结于衬底的第一表面。在抛光之后，从衬底的第二表面形成浓度大于衬底的浓度具有第一导电类型的扩散4。下面，深度热驱动(deep thermal drive)被应用以让扩散2和4彼此更接近并且让扩散3更接近衬底的第二表面，如图5c所示。p/n结(扩散3的底部边缘)和衬底的第二表面之间的距离优选地被形成为大约200微米或者更小。扩散2和4可以接触，但这不是本发明的要求。扩散2和4之间的间隔举例来说可以为小到几微米并且大到几十微米。这两个扩散之间的最终间隔依赖于所要求的阵列性能参数(串扰等)。在该过程步骤期间，可以建立抗反射涂层氧化物层12。
阵列制造的最终示例性步骤的结果在图4中示出。具有与衬底相同的导电类型的浅的全面扩散5在衬底的第二表面上形成。可以通过离子注入使该全面扩散通过氧化物层12，或者备选地，可以在建立氧化物涂层之前形成该全面扩散。可能要求对扩散2和3进行表面增强，该步骤在产业中是众所周知的。然后在衬底的第一表面上暴露接触部用来沉积和图形化(pattern)金属以形成接触衬垫20和21。在最终的结构中，衬垫20具有到扩散3的良好的电接触并且衬垫21具有到扩散2的良好的电接触。
图6示出具有沟道隔离的背光针形光电二极管阵列的另一个备选结构。在该形式中，附加的沟道被形成，并且第二导电类型的扩散3在沟道的内部形成，优选地，在它们的底部，如所示出的那样。通过将第二导电类型的高浓度扩散施加于沟道的壁或者采用掺杂的(相同导电类型)的聚乙烯或者通过产业内已知的其它方法在将扩散3与衬底的第一表面连接的每个这样的沟道中形成高度传导的路径6(比衬底的传导性能更好)。然后也用隔离材料15回填这些沟道。使沟道15的深度和p/n结的深度(扩散3的底部边缘)如让p/n结的底部边缘离衬底1的第二表面在大约200微米或更小的范围内所需要的那么深。
图6的结构还具有从衬底的第二表面(背面)形成的沟道。这些沟道与在衬底的第一表面上的沟道对齐。在衬底的第二表面上的沟道的内部形成具有浓度大于衬底的浓度的第一导电类型的扩散7。然后用隔离材料16回填沟道，隔离材料16可以和用来回填衬底的第一表面的沟道的材料10相同。为了使扩散2和7之间的间隙最小(或者使它们接触)的目的并且为了让区域3和1之间的p/n结离衬底的第二表面比大约200微米更近而进行最后的驱动(drive)。当所有驱动都完成时，衬底的第二表面上的全面浅扩散5被施加，这与图4所示结构的情况相似。金属衬垫20和21使该结构完整。注意，对于这种结构，可以不需要使晶圆变薄。
图7示出具有隔离沟道的阵列的又一实施例。图7的结构与图4中所示的结构相似，但是没有从衬底的第二表面施加隔离扩散。相反，从背面使晶圆变薄拦截了施加到衬底的第一表面上的沟道的底部的隔离扩散。图7的结构用衬底的第二表面上的全面掺杂沉积5和可选的抗反射(AR)涂层来完成。
图8示出具有隔离沟道的阵列的又一形式。图8的结构与图6中所示的结构相似，但是没有在衬底的第一表面上形成沟道。相反，来自衬底的第一表面的隔离扩散2被驱动与被施加在衬底的第二表面上的沟道内部的扩散7尽可能接近。隔离扩散2包围(围绕)阵列的每个活动像素。但是，这两个扩散(扩散2和7)可以但不一定接触。可以同时驱动所有扩散(2、3和7)，为衬底的第一表面上的隔离扩散2和衬底的第二表面上的扩散7提供相同的深度。晶圆的厚度可以是，例如，从大约10微米到大约300微米。对于300微米厚的衬底，图8上的p/n结深度(来自衬底的第一表面的扩散3的深度)小于300微米，并且可以接近于隔离扩散2的深度(这对于在图4到图7所示的其他备选结构也是有效的)。p/n结的深度可以是几十微米深。备选地，扩散3可以非常浅(从为数不多个微米到若干微米深)并且可以比隔离扩散2的深度要浅很多。
如在结构的所有其它形式中，在所有驱动完成后，全面的、浅的扩散5被施加到衬底的第二表面。
注意，n型或者p型衬底可以被用于本公开内容所有的实施例和目标。
本发明提出了备选结构及制备它们的方法，其允许构建具有优良的性能参数的针形光电二极管阵列。
虽然已经为了示意的目的而不是为了限制的目的在本文中公开和描述了本发明的优选的实施例，但是本领域的技术人员将理解可以对在其中进行各种形式和细节上的改变而不背离本发明的实质和范围。
Claims (13)
1.一种背照式光电二极管阵列，其包括：
具有第一面和第二面的衬底；
从所述衬底的第一面形成的光电二极管阵列；
形成围绕每个光电二极管的互连矩阵的、所述衬底中的沟道；
具有比所述衬底传导性能更好的、所述沟道的壁；
被填满的所述沟道；
其中所述沟道提供相邻光电二极管之间的电隔离。
2.如权利要求1所述的背照式光电二极管阵列，其中所述沟道从所述衬底的所述第一面延伸。
3.如权利要求2所述的背照式光电二极管阵列，其进一步包括具有与所述沟道的壁相同的导电类型并且比从所述衬底的所述第二面延伸的衬底传导性能更好的区域的矩阵，具有与所述沟道的壁相同的导电类型的所述区域的矩阵还围绕每个光电二极管并且与围绕每个光电二极管的所述互连矩阵对齐。
4.如权利要求1所述的背照式光电二极管阵列，其中所述沟道从所述衬底的所述第二面延伸。
5.如权利要求4所述的背照式光电二极管阵列，其进一步包括具有与所述沟道的壁相同的导电类型并且比从所述衬底的所述第一面延伸的衬底传导性能更好的区域的矩阵，具有与所述沟道的壁相同的导电类型的所述区域的矩阵还围绕每个光电二极管并且与围绕每个光电二极管的所述互连矩阵对齐。
6.如权利要求1所述的背照式光电二极管阵列，其中所述沟道从所述衬底的所述第一面和第二面延伸。
7.如权利要求6所述的背照式光电二极管阵列，其中所述光电二极管由来自所述衬底的所述第一面的具有第二导电类型的扩散形成。
8.如权利要求7所述的背照式光电二极管阵列，其中具有所述第二导电类型的扩散处于光电二极管沟道的矩阵的底部。
9.如权利要求8所述的背照式光电二极管阵列，其中每个光电二极管沟道的至少一个壁具有比从处于光电二极管沟道的矩阵的底部的具有第二导电类型的扩散延伸到所述衬底的第一表面的衬底传导性能更好的区域。
10.如权利要求1所述的背照式光电二极管阵列，其中所述沟道的壁具有与所述衬底相同的导电类型。
11.如权利要求1所述的背照式光电二极管阵列，其进一步包括在所述衬底的第二面中的全面扩散。
12.如权利要求11所述的背照式光电二极管阵列，其进一步包括在所述全面扩散上的抗反射涂层。
13.如权利要求1所述的背照式光电二极管阵列，其中所述衬底具有大约300微米或者更小的厚度。
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Application publication date: 20101013 |