CN107785388A - 短波红外成像芯片及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种短波红外成像芯片及其形成方法，短波红外成像芯片包括短波红外二极管和读出电路，短波红外二极管包括辅助成核层、缓冲层和铟镓砷PN结，读出电路包括MOS管，MOS管的一源/漏极连接铟镓砷PN结的N极。本发明提供的短波红外成像芯片及其形成方法，其短波红外二极管具有辅助成核层和缓冲层，在辅助成核层的诱导结晶作用下可以适用于多种的衬底，由于辅助成核层以及缓冲层的作用使短波红外二极管及其形成方式可以利用多种尺寸、多种材料的衬底，降低对衬底的要求，可提高短波红外成像芯片的应用设计的灵活性；通过短波红外二极管与读出电路的连接直接集成于衬底上，可减少器件所占用的面积，从而可提高短波红外成像芯片的像素密度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种短波红外成像芯片及其形成方法。
背景技术
短波红外成像技术涵盖700nm到约2500nm的波长范围，虽然人眼无法看到此波长范围的光线，但其仍以可见光范围中相同的方式，即反射光或光子而不是辐射光子，从而与周围物体相互作用。因此，短波红外成像类似于可见光黑白成像，可产生对比度较高且易于识别的图像，在光谱学、激光成像、微光成像、安全识别、遥感、夜视等方面具有重要的应用前景。目前可商业应用的短波红外成像芯片主要采用包括铟镓砷化物作为光敏材料而形成的短波红外二极管，通常可涵盖900nm到1700nm的波长范围。
现有技术常以磷化铟(InP)晶片为衬底，采用金属有机气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)等外延工艺在其上生长高质量的铟镓砷(InGaAs)膜层，进而可制作完成的短波红外光电二极管阵列，然后专门设计实现成像功能的硅基读出集成电路(ROIC)。但是，由于硅基与InP两者之间工艺不相兼容，因此生产该芯片还需要形成将两者封装在一起的内置突起(In-bump)等的三围堆叠结构。此外，InGaAs的晶格尺寸与InP相近，可在InP上高质量外延生长，但InP晶片成本高昂，且晶片尺寸较小；同时，In-bump等封装工艺使单个像素尺寸难以缩小，使得目前短波红外成像芯片价格高昂且成像像素低、分辨率较差，限制了其推广应用。
因此，如何降低短波红外二极管的成本是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种短波红外二极管及其形成方法，解决短波红外二极管的成本较高的问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种短波红外成像芯片，所述短波红外成像芯片包括短波红外二极管和读出电路，所述短波红外二极管位于衬底上，所述短波红外二极管包括辅助成核层、缓冲层和铟镓砷PN结，所述辅助成核层用于诱导结晶，所述缓冲层设置在所述辅助成核层上，所述铟镓砷PN结设置在所述缓冲层上，所述读出电路位于所述衬底上，所述读出电路包括MOS管，所述MOS管的一源/漏极连接所述铟镓砷PN结的N极。
可选的，在所述短波红外成像芯片中，所述读出电路还包括浅沟道隔离结构，所述浅沟道隔离结构设置在所述MOS管的源/漏极的侧面。
可选的，在所述短波红外成像芯片中，所述短波红外二极管还包括保护层，所述保护层形成于与所述衬底相对的所述短波红外二极管的外表面，所述保护层的材料包括氧化硅、氮化硅和/或氧化铝，所述保护层的厚度为10nm～100nm。
可选的，在所述短波红外成像芯片中，所述辅助成核层为氧化钼层或钼层，所述辅助成核层的厚度为1nm～50nm；所述缓冲层为磷化铟层，所述缓冲层的厚度为50nm～500nm。
可选的，在所述短波红外成像芯片中，所述铟镓砷PN结包括：铟镓砷层以及位于所述铟镓砷层上的磷化铟层，所述磷化铟层形成有磷化铟PN结。
本发明还提供一种短波红外成像芯片的形成方法，所述短波红外成像芯片的形成方法包括：
在衬底上形成短波红外二极管，所述短波红外二极管包括依次形成的用于诱导结晶的辅助成核层、缓冲层、铟镓砷PN结；
在所述衬底上形成读出电路，所述读出电路包括MOS管，所述MOS管的一源/漏极连接所述铟镓砷PN结的N极。
可选的，在所述短波红外成像芯片的形成方法中，在形成所述读出电路时，在所述MOS管的源/漏极的侧面形成浅沟道隔离结构。
可选的，在所述短波红外成像芯片的形成方法中，在形成所述短波红外二极管后，在所述短波红外二极管与所述衬底相对的外表面形成保护层，所述保护层的材料包括氧化硅、氮化硅和/或氧化铝，所述保护层的厚度为0.5nm～5nm。
可选的，在所述短波红外成像芯片的形成方法中，所述缓冲层的形成方法包括：
形成铟层，对所述铟层进行图形化；
形成扩散阻挡层，所述扩散阻挡层覆盖在图形化后的所述铟层上；
进行缓冲层形成工艺使含磷气体通过所述扩散阻挡层与所述铟层反应形成磷化铟层，所述缓冲层形成工艺包括：反应环境为含磷气体与氢气，反应温度为400℃～700℃；
去除所述扩散阻挡层。
可选的，在所述短波红外成像芯片的形成方法中，所述铟镓砷PN结的形成方法包括：
通过化学气体外延形成铟镓砷层；
在所述铟镓砷层上形成磷化铟PN结，所述磷化铟PN结包括P区和N区，所述N区为通过化学气相外延形成的磷化铟层，所述P区为通过二甲基锌或二乙基锌在所述磷化铟层中扩散形成。
本发明提供的短波红外成像芯片及其形成方法，其短波红外二极管具有辅助成核层和缓冲层，在辅助成核层的诱导结晶作用下可以适用于多种的衬底，再通过缓冲层生长出铟镓砷层，进而可形成铟镓砷PN结，由于辅助成核层以及缓冲层的作用使短波红外二极管及其形成方式可以利用多种尺寸、多种材料的衬底，相比于成本较高的磷化铟(InP)衬底晶片，降低对衬底的要求，从而降低衬底晶片的成本，可提高短波红外成像芯片的应用设计的灵活性；通过短波红外二极管与读出电路的连接形成短波红外成像芯片直接集成于衬底上，可通过直接相连减小连接线路的距离，可减少器件所占用的面积，从而可提高短波红外成像芯片的像素密度。
附图说明
图1-4为本发明的实施例的短波红外成像芯片的剖面结构示意图；
图5-8为本发明的实施例的缓冲层的形成方法的示意图；
其中，100-短波红外二极管，200-读出电路，300-衬底，110-辅助成核层，120-缓冲层，130-铟镓砷PN结，140-保护层，210-源/漏极，220-浅沟道隔离结构，121-铟层，122-扩散阻挡层，123-磷化铟，131-铟镓砷层，132-N区，133-P区。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
如图1所示，本发明提供的一种短波红外成像芯片，所述短波红外成像芯片包括短波红外二极管100和读出电路200，所述短波红外二极管100位于衬底300上，所述短波红外二极管100包括辅助成核层110、缓冲层120和铟镓砷PN结130，所述辅助成核层110用于诱导结晶，所述缓冲层120设置在所述辅助成核层110上，所述铟镓砷PN结130设置在所述缓冲层120上，所述读出电路200位于所述衬底300上，所述读出电路200包括MOS管，所述MOS管的一源/漏极210连接所述铟镓砷PN结130的N极。
为了减少电荷等对读出电路的影响，所述读出电路200还包括浅沟道隔离(STI，Shallow Trench Isolation)结构220，所述浅沟道隔离结构220设置在所述MOS管的源/漏极210的侧面，通过浅沟道隔离结构220防止周围器件影响读出电路200的源/漏极210读取短波红外二极管100的电信号，浅沟道隔离结构220设置在源/漏极210的一侧与周围器件进行隔离。可以理解的是，由于MOS管的源极和漏极是相对定义并设置的，在本申请的方案中，只需要一源/漏极进行连接，也就是是指源极或漏极中一个，当然可优先选择靠近短波红外二极管一侧的源/漏极进行连接，在本申请中未对MOS管的相对分布的源/漏极、浅沟道隔离结构以及栅极等结构进行详细描述；其中浅沟道隔离结构的位置分布在源/漏极远离沟道区的侧面，也就是指分布在源极的侧面和漏极的侧面远离沟道区的一侧从而可形成隔离作用；MOS管的源/漏极连接铟镓砷PN结的N极，在具体的电气连接方式可以采用直接连接或采用通孔形成欧姆连接等。
为了防止短波红外二极管100与读出电路200之间不同元素之间的相互扩散干扰以及电荷干扰等，所述短波红外二极管100还包括保护层140，所述保护层140形成于与所述衬底300相对的所述短波红外二极管100的外表面，通过保护层140可以包裹暴露在衬底300上的短波红外二极管100，所述保护层的140材料包括氧化硅、氮化硅和/或氧化铝，所述保护层140的厚度为10nm～100nm，从而实现有效的保护作用。在具体的实施方式中，可通过在保护层上形成开孔等可实现读出电路与短波红外二极管的欧姆连接进行读取信号。
在本实施例中，所述辅助成核层110为氧化钼层或钼层，辅助成核层110可以起到隔绝衬底300与反应物的作用，并能诱导结晶形成缓冲层，所述辅助成核层110的厚度为1nm～50nm。在辅助成核层110的基础上，所述缓冲层120为磷化铟层，通过诱导结晶形成的磷化铟的晶向上可形成后续的铟镓砷层，所述缓冲层120可起到缓冲的作用，所述缓冲层120的厚度为50nm～500nm。
在本实施例中，所述铟镓砷PN结130包括：铟镓砷层131以及位于所述铟镓砷层131上的磷化铟层，所述磷化铟层形成有磷化铟PN结，铟镓砷PN即为在铟镓砷层上形成由磷化铟层掺杂成的磷化铟PN结，在具体的实施方式中，可由磷化铟构成的N区132，并由锌掺杂的磷化铟层构成的P区133，所述N区132和所述P区133位于铟镓砷层131上，N区和P区上分别可形成欧姆接触，从而将短波红外二级管的电极引出，实现电气连接。
本发明提供的短波红外成像芯片中，如图1所示的实施例中，为短波红外二极管100与读出电路200在衬底300上的堆叠形成；如图2所示的实施例中，为先在衬底300上形成凹槽，再在凹槽中形成短波红外二极管100，并通过浅沟道隔离结构220与读出电路200进行隔离，可防止短波红外二极管100相对于衬底300表面高出读出电路太多，减小在后续工艺中电气互联实施的影响；如图3所示的实施例中，为环状的导电环连接的一源/漏极210，可通过倾斜角度进行高浓度的离子注入形成导电环，可使短波红外二极管100中电荷通过导电环进入读出电路200；如图4所示的实施例中，为在凹槽中形成短波红外二极管100同时具有环状的导电环连接的一源/漏极210。当在凹槽中形成短波红外二极管100时，可使铟镓砷PN结在凹槽开口之上，即凹槽深度不大于辅助成核层与缓冲层的高度之和，可防止短波红外二极管发生短路或漏电等情况。
本申请还提供一种短波红外成像芯片的形成方法，继续参考如图1-图4所示，所述短波红外成像芯片的形成方法包括：
在衬底300上形成短波红外二极管100，所述短波红外二极管100包括依次形成的用于诱导结晶的辅助成核层110、缓冲层120、铟镓砷PN结130，辅助成核层110可采用沉积等方式形成在衬底300上，辅助成核层120还可以起到隔绝衬底300的作用，采用本发明的方法可以利用多种尺寸、多种材料衬底，降低对衬底的要求，可以适应于硅或锗的单晶衬底及非晶衬底，相比于现有技术中采用较贵的InP单晶衬底，可以减少成本，并可提高短波红外二极管在具体运用设计中的灵活性，例如，可与硅芯片集成及其它特殊应用提供了可能，在辅助成核层上通过诱导结晶形成的缓冲层可用于外延生长铟镓砷层。
在所述衬底300上形成读出电路200，所述读出电路200包括MOS管，所述MOS管的一源/漏极210连接所述铟镓砷PN结130的N极。
为了减少电荷等对读出电路200的影响，在形成所述读出电路200时，在所述MOS管的源/漏极210的侧面形成浅沟道隔离结构220。
为了防止短波红外二极管100与读出电路200之间不同元素之间的相互扩散干扰以及电荷干扰等，在如上形成所述短波红外二极管100后，在所述短波红外二极管100与所述衬底300相对的外表面形成保护层140，所述保护层140的材料包括氧化硅、氮化硅和/或氧化铝，所述保护层140的厚度为0.5nm～5nm，对于不同的缓冲层图形复杂程度以及不同产品工艺的需要，可对应选择不同的材料及厚度。
在本实施例中，如图5-图8所示，所述缓冲层120的形成方法包括：
在辅助成核层110上形成铟层121，所述铟层121进行图形化，图形化可采用光刻技术得到所需要的铟层图形设计；
形成扩散阻挡层122，所述扩散阻挡层122覆盖在图形化后的所述铟层121上，即扩散阻挡层122包裹铟层121；
进行缓冲层形成工艺，使含磷气体通过所述扩散阻挡层122与所述铟层反应形成磷化铟层，所述缓冲层形成工艺包括：反应环境为含磷气体与氢气，反应温度为400℃～700℃，由于扩散阻挡层122包裹铟层121，只有极少的磷烷可以通过扩散阻挡层122形成的最薄弱的路径与铟层121接触然后成核形成磷化铟123，最薄弱的路径是指扩散阻挡层122形成包裹时与外界最容易接触的位置点，之后磷元素会在该位置点不断穿过，并从该成核处向周围单晶外延，从图5至图8中磷化铟123完成进一步增长，可形成单晶的薄膜，最后可形成缓冲层120，在本实施例中即为整块图形的单晶状态的磷化铟层，从而可得到高质量的单晶磷化铟层；
通过刻蚀工艺可去除所述扩散阻挡层122，暴露出磷化铟层，即完成缓冲层120的形成。
在本实施例中，所述铟镓砷PN结130的形成方法包括：
在缓冲层120上通过化学气相外延形成铟镓砷层131，由于形成了高质量的已图形化的单晶磷化铟层，从而可较佳的外延生长出铟镓砷层131；
在所述铟镓砷层131上形成磷化铟PN结，所述磷化铟PN结包括N区132和P区133，所述N区132为通过化学气相外延形成的磷化铟层，气源包括但不限于三甲基铟和磷烷，形成N型掺杂区，所述P区133为通过二甲基锌或二乙基锌在所述磷化铟层中扩散形成，通过锌元素掺杂形成P型掺杂区，以二甲基锌或二乙基锌作为掺杂扩散源。在具体的实施方式中，在铟镓砷层131上可通过化学气相外延先形成N型的N区132的磷化铟层，再通过锌元素掺杂得到P型的P区133，并可在N区132和P区133上可形成欧姆接触，可将短波红外二级管的电极引出，从而实现电气连接。
本发明提供的短波红外成像芯片及其形成方法，其短波红外二极管具有辅助成核层和缓冲层，在辅助成核层的诱导结晶作用下可以适用于多种的衬底，再通过缓冲层生长出铟镓砷层，进而可形成铟镓砷PN结，由于辅助成核层以及缓冲层的作用使短波红外二极管及其形成方式可以利用多种尺寸、多种材料的衬底，相比于成本较高的磷化铟(InP)衬底晶片，降低对衬底的要求，从而降低衬底晶片的成本，可提高短波红外成像芯片的应用设计的灵活性；通过短波红外二极管与读出电路的连接形成短波红外成像芯片直接集成于衬底上，可通过直接相连减小连接线路的距离，可减少器件所占用的面积，从而可提高短波红外成像芯片的像素密度。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种短波红外成像芯片，其特征在于，所述短波红外成像芯片包括：
短波红外二极管，所述短波红外二极管位于衬底上，所述短波红外二级管包括辅助成核层、缓冲层和铟镓砷PN结，所述辅助成核层用于诱导结晶，所述缓冲层设置在所述辅助成核层上，所述铟镓砷PN结设置在所述缓冲层上；
读出电路，所述读出电路位于所述衬底上，所述读出电路包括MOS管，所述MOS管的一源/漏极连接所述铟镓砷PN结的N极。
2.如权利要求1所述短波红外成像芯片，其特征在于，所述读出电路还包括浅沟道隔离结构，所述浅沟道隔离结构设置在所述MOS管的源/漏极的侧面。
3.如权利要求1所述短波红外成像芯片，其特征在于，所述短波红外二极管还包括保护层，所述保护层形成于与所述衬底相对的所述短波红外二极管的外表面，所述保护层的材料包括氧化硅、氮化硅和/或氧化铝，所述保护层的厚度为10nm～100nm。
4.如权利要求1所述短波红外成像芯片，其特征在于，所述辅助成核层为氧化钼层或钼层，所述辅助成核层的厚度为1nm～50nm；所述缓冲层为磷化铟层，所述缓冲层的厚度为50nm～500nm。
5.如权利要求1-4中任意一项所述短波红外成像芯片，其特征在于，所述铟镓砷PN结包括：铟镓砷层以及位于所述铟镓砷层上的磷化铟层，所述磷化铟层形成有磷化铟PN结。
6.一种短波红外成像芯片的形成方法，其特征在于，所述短波红外成像芯片的形成方法包括：
在衬底上形成短波红外二极管，所述短波红外二极管包括依次形成的用于诱导结晶的辅助成核层、缓冲层、铟镓砷PN结；
在所述衬底上形成读出电路，所述读出电路包括MOS管，所述MOS管的一源/漏极连接所述铟镓砷PN结的N极。
7.如权利要求6所述短波红外成像芯片的形成方法，其特征在于，在形成所述读出电路时，在所述MOS管的源/漏极的侧面形成浅沟道隔离结构。
8.如权利要求6所述短波红外成像芯片的形成方法，其特征在于，在形成所述短波红外二极管后，在所述短波红外二极管与所述衬底相对的外表面形成保护层，所述保护层的材料包括氧化硅、氮化硅和/或氧化铝，所述保护层的厚度为0.5nm～5nm。
9.如权利要求6-8中任意一项所述短波红外成像芯片的形成方法，其特征在于，所述缓冲层的形成方法包括：
形成铟层，对所述铟层进行图形化；
形成扩散阻挡层，所述扩散阻挡层覆盖在图形化后的所述铟层上；
进行缓冲层形成工艺，使含磷气体通过所述扩散阻挡层与所述铟层反应形成磷化铟层，所述缓冲层形成工艺包括：反应环境为含磷气体与氢气，反应温度为400℃～700℃；
去除所述扩散阻挡层。
10.如权利要求6-8中任意一项所述短波红外成像芯片的形成方法，其特征在于，所述铟镓砷PN结的形成方法包括：
通过化学气相外延形成铟镓砷层；
在所述铟镓砷层上形成磷化铟PN结，所述磷化铟PN结包括P区和N区，所述N区为通过化学气相外延形成的磷化铟层，所述P区为通过二甲基锌或二乙基锌在所述磷化铟层中扩散形成。
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