CN103329272B - 光电二极管装置和光电二极管装置的生产方法 - Google Patents
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Abstract
光电二极管装置具有在由半导体材料制成的光电二极管层(4)中的导电阴极层(3)。掺杂阳极区(5)位于光电二极管层的背离阴极层的上部侧。沟道(14)细分光电二极管层。导体层(7)被布置在沟道中或者上面并且将阴极层与阴极连接(11)以导电的方式连接。阳极连接(12)与阳极区以导电的方式连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有光电二极管阵列的光电二极管，其中在单个像素之间的串扰被最小化。这些光电二极管装置特别地用于背侧光入射并且可以与CMOS电路元件集成。
背景技术
例如，在US2010/0193893A1、US2010/0108893A1以及US7,576,404A中描述了衬底中具有通孔触点的光电二极管。
发明内容
本发明要解决的问题在于具体地说明可以容易地被制造并且像素之间具有特别低的串扰的光电二极管装置。相关的制造方法也要被具体地说明。
这个问题利用具有权利要求1的特征的光电二极管装置并且利用具有权利要求8或者9的特征的方法来解决。实施例和变形例来自从属权利要求。
将光电二极管层划分为像素栅格的沟道被设置在光电二极管装置中。在沟道中或者在沟道上，具有导体层，所述导体层将布置在光电二极管层的下侧上的阴极层电连接到布置在光电二极管层的与阴极层相对的上侧上的阴极端。均被沟道围绕的阳极区形成在光电二极管层的上侧。阳极区的上侧被连接至电端子(以下称为阳极端)。阳极端和阴极端可以被构造为布置在电介质中的金属层的局部。与光电二极管层一起形成SOI衬底的结构的绝缘层和底部衬底可以被布置在阴极层的背离光电二极管层的侧上。
在一般的实施例中，光电二极管装置具有在由半导体材料制成的光电二极管层上的导电的阴极层。掺杂的阳极区在光电二极管层的背离阴极层的上侧上。该沟道细分光电二极管层。导体层被布置在沟道中或者在沟道的侧壁上布置在光电二极管层中，并且将阴极层与布置在光电二极管层的上侧上方的阴极端以导电的方式连接。阳极端同样地被布置在光电二极管层的上侧并且与阳极区电连接。
在实施例中，导体层不完全填充沟道并且导电的沟道填充物存在于沟道中。
在其他的实施例中，导体层不完全填充沟道并且电介质沟道填充物存在于沟道中。
在其他的实施例中，光电二极管层是区熔硅。阳极区通过p+掺杂来形成。
在其他的实施例中，沟道还细分阴极层。
在其他的实施例中，阴极层被细分成带状部。
在其他的实施例中，存在多个相互分离的阴极端，并且导体层不填满沟道而是具有分别连接到阴极端中的一个的多个相互分离的部。
在其他的实施例中,电介质沟道填充物存在于导体层的部之间的沟道中。
在其他的实施例中，掺杂接触区与光电二极管层的上侧的导体层电连接。阴极端和阳极端被形成在电介质中的至少一个导体平面中。关于导体平面，垂直导体将阴极端与接触区连接并且将阳极端与相关的阳极区连接。
在用于产生这样的光电二极管装置的方法中，形成绝缘层、阴极层以及光电二极管层的配置并且通过在光电二极管层的背离阴极层的上侧引入掺杂物来形成阳极区以及可选的接触区。
在该方法的变形例中，在光电二极管层上形成阴极层，通过绝缘层将阴极层连接到基部衬底，在光电二极管层中从光电二极管层的背离阴极层的上侧来形成至少到达阴极层的沟道；以及在沟道中生成与阴极层接触的导体层。
在该方法的其他变形例中，在光电二极管层上生成阴极层，在光电二极管层中从阴极层开始来生成沟道。在沟道中生成与阴极层相连的导体层，并且通过绝缘层将阴极层连接到基部衬底。
在该方法的其他变形例中，在光电二极管层的上侧上或者上侧上方执行的其他方法步骤中使用至少一部分的导体层作为对准标记。
附图说明
以下，参考附图更详细地说明光电二极管装置和生产方法的示例。
图1以横截面的方式示出了光电二极管装置的实施例的截面图；
图2示出了根据沟道细分阴极层的另一实施例的、依照图1的截面图；
图3示出了根据沟道中的导体层具有多个相互分离的部的又一实施例的、依照图1的截面图；
图4示出了根据沟道细分阴极层的又一个实施例的、依照图3的截面图；
图5示出了根据垂直导体被直接地施加到导体层又一个实施例的、依照图1的截面图；
图6示出了根据垂直导体被直接地施加到导体层的又一实施例的、依照图2的截面图；
图7示出了根据垂直导体被直接地施加到导体层的又一个实施例的、依照图3的截面图图；
图8示出了根据垂直导体被直接地施加到导体层的又一实施例的、依照图4的截面；
图9示出了根据沟道被形成为达到接触区的又一实施例的、依照图4的截面图；
图10示出了根据阴极层被细分为带状部的又一实施例的、依照图4的截面图；
图11示出了根据阴极层被细分为带状部的又一实施例的、依照图8的截面图；
图12示出了用于光电二极管装置的生成方法的变形例的中间产品的截面图。
具体实施方式
图1示出了光电二极管装置的实施例的截面图。光电二极管层4是半导体材料并且可以是区熔硅，根据已知的方法所生成的高纯度的硅体。如果区熔硅被用于光电二极管层4，则不良的暗电流，进而背景噪声较低。与具有外延生长的光电二极管层的装置相比，那是很有利的。由导电材料制成的阴极层3和阳极区5都被局限于一个图像点以及通过将p型掺杂物掺入到光电二极管层4的半导体材料中来形成，并且位于光电二极管层4的相对的主表面。阴极层3可以是导电材料的隔离层或者可以通过将n型掺杂物掺入到光电二极管材料4中来形成。特别地，阴极层3可以由SiC制成以及作为外延层被施加到光电二极管层4，或者可以将碳掺入到光电二极管层4的硅中来生成。
光电二极管层4尤其可以是SOI衬底的一部分，所述SOI衬底由基部衬底1（其可以作为例如处理晶片来提供）、由例如SiO2制成的绝缘层2以及光电二极管层4形成。阴极层3和阳极区5在光电二极管4的背对绝缘层2的上侧18上被电连接。
将光电二极管层4划分为像素阵列的沟道14位于光电二极管层4中。沟道14可以具有例如双栅的形状，并且将光电二极管层4细分为像素的矩形栅格，使得具有关联的阳极区5的像素出现在由沟道14围绕的每个矩形中。在本实施例中，接触区6通过掺入掺杂物而沿着沟道14形成在光电二极管层4的上侧18。接触区6优选是n型。至少出现在沟道14的侧壁上的导体层7位于沟道14中并且与阴极层3接触。在图1的实施例中，导体层7覆盖沟道14的底部。导体层不需要完全地填满沟道14。在这种情况下，沟道14可以利用沟道填充物17填充。沟道填充物17可以是导电材料或者电介质。
在所示的实施例中，阴极端11和阳极端12形成在布置于电介质8中的、适当地构造的导体平面10中。可以设置由电介质8相互分离的附加的导体平面。由金属制成的垂直导体9将阴极端11与接触区6连接并且将阳极端12与各个相关的阳极区5连接。接触区6和阳极区5各自具有高浓度的掺杂物，使得垂直导体9具有与掺杂区域的低电阻接触。阴极端11可以构造成：例如，它跨越在沟道14上延伸。替代地，阴极端11可以仅仅在沟道14的一部分上延伸，或者它可以横向地偏离沟道14。
在根据图1的实施例中，沟道14完全地细分光电二极管层4。导体层7的面向光电二极管层4的外侧区域以导电的方式连接到接触区6。如果垂直导体9在沟道14的两侧上出现在接触区6的局部上，这是有利的。替代地，例如，垂直导体9也可以不同的方式布置在沟道14的仅仅一个侧上。
电介质8的背离光电二极管层4的侧可以作为结合表面15来提供。在垂直集成或者三维集成中，可以布置另一个半导体衬底，在该衬底中电子电路尤其是CMOS电路被集成。基部衬底1特别地被设置为处理晶片并且优选可以被除去或者至少背部着地（groundback）。
在图1的示例的下侧上的光入射侧设置来使光沿箭头表示的入射方向16进入。如果底部衬底1被除去，则外部光入射侧可以由绝缘层2的下侧形成。光电二极管元件与布置在结合表面15上的电路一起形成用于后侧光入射的光电二极管阵列。通过沟道14和布置在其中的导体层7将光电二极管层4细分成为单个像素的具有显著的优点：像素之间的串扰非常低，通常在0.1%或者以下的范围内。在优选的实施例中，串扰可以是0.01%或者更少。与像素之间的串扰通常是大约0.4%的常规光电二极管阵列相比，这是相当大的改进。
沟道14具有以下优点：像素之间的间距非常小，使得元件表面区域的相当大的部分可以被用于捕捉图像。通过这种方式还可以提供更多的更小像素，借此光电二极管阵列的分辨率尤其高。通过导体层7连接阴极层3所产生的低电源电阻对于高频率的应用是有利的。
图2示出了其他实施例的依照图1的截面图，其中与图1相同的附图标记被用于相对应的元件。在图2的实施例中，沟道14不仅细分光电二极管层4，而且完全地细分阴极层3，直到绝缘层2。替代地，沟道14可以在不完全地细分阴极层3的情形下延伸到阴极层3内。在这种情况下，当从上侧18度量时，沟道14比图1的实施例中的更深，并且比图2的实施例中的更浅。
图3示出了其他实施例的依照图1的截面图，其中导体层具有互相分离的部7',7"并且具有相互分离的阴极端11。接触区6相应地被细分。这个实施例可以通过首先产生根据图1的导体层7然后除去导体层中位于沟道14的底部上的部来来生成。导体层的分离的部7',7"都围绕阵列的像素。在这个实施例中，因此每个像素具有它自己的阳极端12和它自己的阴极端11。
图4示出了其他实施例的依照图2的截面图，其中沟道14完全地细分阴极层3下至绝缘层2，并且导体层具有互相分离的部7',7"并且具有相互分离的阴极端11。接触区6相应地被细分。沟道14可以被形成为比图4中所示的更浅，使得沟道14在不完全地细分阴极层3的情形下进入阴极层3内。同样在这个实施例中，每个像素具有它自己的阳极端12和它自己的阴极端11。
图5示出了其他实施例的依照图1的截面图，其中接触区6被去除，并且垂直导体9直接施加到导体层7。
图6示出了其他实施例的依照图2的截面图，其中接触区6被去除，垂直导体9直接施加到导体层7，并且沟道14完全地细分阴极层3。同样在这个示例中，沟道14可以被形成为比在图5中的更浅，使得沟道14在不完全地细分阴极层3的情形下进入阴极层3内。
图7示出了其他实施例的依照图3的截面图，其中接触区6被去除，垂直导体9直接施加到导体层7，并且导体层具有互相分离的并且配置有相互分离的阴极端11的部7',7"。
图8示出了其他实施例的依照图4的截面图，其与根据图7的实施例的不同之处在于：沟道14完全地细分阴极层3。同样在这个示例中，沟道14可以被形成为比在图8中的更浅，使得沟道14在不完全地细分阴极层3的情形下进入阴极层3内。
图9示出了其他实施例的依照图1的截面图，其中与图1相同的附图标记被用于相对应的元件。在这个实施例中，在生成SOI衬底的结构之前，即在底部衬底1被连接到阴极层3之前产生沟道14。因此，从光电二极管层4的具有阴极层3的上侧开始来生成沟道14。光电二极管层4优选是半导体晶片的层元件，其具有比成品光电二极管装置的光电二极管层4的厚度大的初始厚度。在沟道14已经被生成后，半导体晶片可以在设有阴极层3的侧上通过绝缘层2被结合到衬底1。为了这个目的，绝缘层2优选地可以被施加到阴极层3或者施加到底部衬底1的为结合而设置的上侧。在底部衬底1已经被结合后，半导体晶片可以从背离阴极层3的侧变薄直到沟道14从这侧露出，并且形成光电二极管层4的上侧18。替代地，如图9所示，光电二极管层4的形成有接触区6的剩余层部可以保留在沟道14的上部。必须在阴极层3和阴极端11、可选的接触区6之间生成连续的导电连接，利用该连接还抑制像素之间的串扰。在这个实施例中，导体层仅仅在沟道14的侧壁上出现在部7',7"中，但是作为替代可以具有接触区6上的与在侧壁上的部7',7"连接的部分。在这个实施例中，沟道14细分阴极层3。在生成导体层7,7',7"和可选地生成沟道填充物17后，基部衬底1通过绝缘层2被附接到阴极层3。
导体层7或者至少导体层7的一部分可以作为校准标记(对准标记)在其他处理步骤中使用。为了这个目的，沟道14中没必要用于细分光电二极管阵列而是替代地专门用于形成对准标记的特定部分可以被设置并且配置为导体层7的一部分。
根据图9的实施例与来自图1的实施例相比具有以下优点：在形成SOI衬底后需要更少的热处理步骤，并且因此更少掺杂物从阴极层3扩散到光电二极管层4内。因此，光电二极管尤其是在短波长范围中更好地响应。还可以得到与图1的实施例类似的其他优点。
在图10的实施例中，与图4的实施例相比，阴极层3被构建成几个部分13。例如，这些部13可以为带状，并且可以彼此平行以及通过导体层7,7',7"和在沟道14旁延伸的一部分阴极层3彼此连接。在示出的示例中，带状部13的纵向与图10的绘图平面垂直地延伸。利用该指状结构的阴极层3来实现光电二极管在从通常大致350nm到500nm的范围内的更好的灵敏度。按照这样的方式细分的阴极层3也可以相应地被设置在至此所描述的其他实施例中。
图11的实施例与图8的实施例对应，不同的是：阴极层3细分为几个部13。其他实施例可以相应地设有构建成几个部13的阴极层3。SOI结构也可以在沟道14的生成之前或之后通过在实施例中的底部衬底1施加所构建的阴极层3来生成。
正如所描述的，导体层7,7',7"可以作为层来施加或者作为替代可以作为光电二极管层4中的掺杂区域形成在沟道14的侧壁上。图12描述对应适合于后者情况的生产方法的中间产品的截面图。防止掺杂物在除了沟壁之外的区域中扩散到光电二极管层4内的扩散屏障19优选被施加到光电二极管层4的上侧18。如果硼磷硅玻璃(borophosphatesilicateglass,BPSG)被用来施加掺杂物，则SiN的阻挡层作为扩散屏障19特别地合适。在生成沟道14后，包括掺杂物并且充满沟道14的掺杂物层20被施加。例如，BPSG作为掺杂物层20是合适的，因为硅中的磷原子用作施主并且与其形成的掺杂区域具有对应于阴极层3的n型传导性。例如，通过使掺杂原子扩散到沟道14的侧内（其可以用热的方法促进），导体层的部7',7"作为光电二极管层4中的掺杂区域来形成，该区域通过虚线所绘出的轮廓来表示在图12的截面图中。掺杂物层20并且可选的扩散屏障19随后被除去。然后实施例中的一个，特别是根据图3，4、7、8或者11，利用已经描述的方法步骤来形成。如果在参考图9所描述的实施例中沟道14从光电二极管层4的设有阴极层3的上侧开始形成，则掺杂物层20也可以从光电二极管层4的这侧被引入。同样在这种情况下，扩散屏障作为层预先被施加到阴极层3。
通过沟道14和导体层7细分光电二极管阵列将明显地降低单个像素之间的光串扰、其中可以预期通常使串扰降低大致两个数量级。到阴极层的供给线路的低电阻大大提高光电二极管的频率特性。与常规的光电二极管元件相比，通常使响应时间降低两个数量级。光电二极管元件的暗电流被降低，因为不需要细分光电二极管层的保护环，因此不会出现寄生的双极晶体管。
附图标记的列表
1-基部衬底；
2-绝缘层；
3-阴极层；
4-光电二极管层；
5-阳极区；
6-接触区；
7-导电层；
7'-导体层的局部；
7"-导体层的局部；
8-电介质；
9-垂直导体；
10-导体平面；
11-阴极端；
12-阳极端；
13-阴极层的局部；
14-沟道；
15-结合表面；
16-光入射的方向；
17-沟道填充物；
18-光电二极管层的上侧；
19-扩散屏障；
20-掺杂物层。
Claims (6)
1.一种光电二极管装置，包括：
-在由半导体材料制成的光电二极管层(4)上的导电的阴极层(3)，
-在所述光电二极管层(4)的背离所述阴极层(3)的上侧(18)上的掺杂的阳极区(5)，
-细分所述光电二极管层(4)的沟道(14)，
-导体层(7,7',7")，所述导体层(7,7',7")布置在所述沟道(14)中或者所述沟道(14)上并且将所述阴极层(3)与布置在所述光电二极管层(4)的上侧(18)的上方的阴极端(11)电连接，以及
-布置在所述光电二极管层(4)的上侧(18)的上方并且与所述阳极区(5)电连接的阳极端(12)，
其中多个相互分离的阴极端(11)被设置，并且所述导体层(7,7',7")没有填充所述沟道(14)并且具有多个相互分离的部(7',7")，每个部都连接到各个阴极端(11)中的一个。
2.如权利要求1所述的光电二极管装置，其中：
所述沟道(14)还细分所述阴极层(3)。
3.如权利要求1或2所述的光电二极管装置，其中：
电介质沟道填充物(17)存在于所述导体层(7,7',7")的部(7',7")之间的沟道(14)中。
4.根据权利要求1或2所述的光电二极管装置，其中
所述光电二极管层(4)是区熔硅，以及
所述阳极区(5)由p+型掺杂的光电二极管层(4)来形成。
5.根据权利要求1或2所述的光电二极管装置，其中
所述阴极层(3)细分为带状部(13)。
6.根据权利要求1或2所述的光电二极管装置，其中
与所述导体层(7,7',7”)电连接的掺杂接触区(6)存在于所述光电二极管层(4)的上侧(18)上，以及
所述阴极端(11)和所述阳极端(12)形成在电介质(8)中的至少一个导体平面(10)中，并且与所述导体平面(10)垂直的导体(9)将所述阴极端(11)与所述接触区(6)连接并且将所述阳极端(12)与相关的阳极区(5)连接。
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