CN108886044A - 用于制造改进的nir cmos传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造用于近红外探测的CMOS图像传感器(2；3)的方法(1)。所述方法(1)包括：a)提供硅晶片(20)；b)在硅晶片(24)的正面的一部分中执行锗注入；c)执行退火以引起注入的锗物质的热扩散，从而在暴露在硅晶片(24)的正面上的第一硅锗区域(27)中形成硅锗合金晶格；d)执行步骤b)和c)一次或多次；以及e)在从硅晶片(24)的正面向下延伸的第一硅锗区域(27)的部分中形成第一光电探测器有源区(28)，其中所述第一光电探测器有源区(28)对近红外和可见光辐射二者都敏感。该方法的特征在于所述第一光电探测器有源区(28)也形成在硅晶片(24)的在第一硅锗区域(27)的所述部分下方延伸的部分中。
Description
技术领域
本发明总体上涉及基于用于近红外(NIR)辐射探测(即，用于探测具有包括在大约0.75μm和1.4μm之间的波长的电磁辐射)的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的传感器，具体地，涉及一种用于制造改进的NIR CMOS传感器的方法。
背景技术
众所周知，与硅(Si)光电二极管中的红外探测有关的实际的问题是难以产生和收集电荷，因为红外辐射的低能量减少了电子从Si价带变迁到Si导带的机会。例如，在830nm波长处转换90％的光需要30μm硅深度。此外，由于这样深的光电二极管是不容易实现的，所以在Si光电二极管的最深的部分中的由光电产生的电子扩散且被相邻的光电二极管收集，从而引起串扰。
因此，制造了对NIR辐射敏感的电流光电二极管，该电流光电二极管有具有低掺杂的厚Si外延层，以便增加收集光电产生的电荷的机会。一旦产生了(电荷)，所述电荷沿所有方向扩散，并且仅它们中的一些被位于光子撞击处的光电二极管收集。
还可以在Si体衬底中引入掺杂梯度，使得电子朝向Si表面漂移；然而，为了避免电子沿路径重新组合，掺杂浓度必须足够低；此外，这不能避免由撞击在光电二极管上的光子产生的电子可能被相邻的光电二极管收集(串扰)。
此外，由于锗(Ge)和硅锗(SiGe)合金在NIR波长光谱中较高的吸收系数，所以也已经使用锗(Ge)和硅锗(SiGe)合金来代替Si作为NIR光电探测器中的光电敏感膜/层。通常地，Ge层通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)或分子束外延(MBE)的方式进行沉积，然而难以获得Ge的高质量的外延膜。
在这方面，US 7,008,813 B1公开了一种通过使用液相外延(LPE)工艺在Si晶片上生长良好质量的Ge外延层的工艺。详细地，US 7,008,813 B1描述了一种制造锗光电探测器的方法，其包括：制备其上具有氮化硅层的硅衬底；在氮化硅层上沉积第一锗层，使得所述锗层的一部分与硅衬底直接物理接触；利用氧化硅层包封锗层；在一温度处对该结构进行退火，使得锗熔化且其他层保持固态，其中，在900-1000℃处执行快速热退火(RTA)；以及通过液相外延(LPE)在该结构上生长第二单晶锗层。根据US 7,008,813 B1，当形成了单晶锗时，缺陷集中在生长前沿开始的硅锗界面处。
另一件名为US 7,157,300 B2的美国专利公开了一种用于制造锗基IR传感器的方法，该方法解决了锗集成电路(IC)工艺需要高温的问题，即，离子注入激活工艺通常在大约800°℃处的退火之后执行。这种高温工艺降低了锗薄膜的质量，因为硅、锗和二氧化硅的热膨胀系数是不同的。如在US 6,645,831 B1中所述，在键合到Si晶片的Ge薄膜上执行高温工艺通常导致Ge层的缺陷。具体地，根据US 7,157,300 B2的方法利用直接键合到Si体衬底的Ge薄膜，以通过避免在锗键合之后对高温工艺的需要来保持Ge晶体层的质量。
还进行了将SiGe合金直接沉积在硅上以制造IR探测器的尝试。然而，与硅晶格相比，SiGe具有不同的晶格晶胞大小。当在硅的顶部生长/沉积SiGe层时，该事实引起不可忽略的应力。这种晶格失配限制了可以形成的最大的SiGe厚度。锗具有高的IR吸收系数，然而，当通过在硅上直接沉积锗来制造锗光电探测器时，与硅的4％的晶格失配导致高的暗电流。
在这方面，US 7,786,469 B2描述了一种具有形成在SOI(绝缘体上硅)晶片上且与Si晶片在制造有CMOS读出电路处键合的SiGe超晶格结构的热传感器。具体地，在适当的表面清洗之后，将SOI晶片加载到SiGe沉积系统中，该系统可以是MBE、CVD或等离子体CVD。
另外，KR 2006 0122257 A公开了一种用于制造光电二极管和图像传感器的方法，以改进光接收能力，并且在便宜的硅衬底上制造光电二极管。具体地，根据KR 20060122257 A，将锗离子注入到光电二极管的形成区域中。对注入的锗离子进行退火。在硅衬底中形成浅沟槽隔离(STI)。将N型掺杂剂注入到光电二极管形成区域中。然后将P型掺杂剂注入到光电二极管形成区域中，从而在便宜的硅衬底上形成光电二极管。
发明内容
本发明的一般目的是提供一种用于制造NIR CMOS传感器的方法，该方法允许至少部分地克服前述技术缺陷。
此外，本发明的第一个具体的目的是增加NIR CMOS光电探测器的量子效率。
另外，本发明的第二个具体的目的是在相邻的光电探测器之间实现更好的分离，并减少NIR CMOS传感器中的串扰。
本发明实现了这些和其他目的，因其涉及一种如所附权利要求中所限定的用于制造用于近红外探测的CMOS图像传感器的方法。
具体地，根据本发明的方法包括：
a)提供硅晶片；
b)在硅晶片的正面的一部分中执行锗注入；
c)执行退火以引起注入的锗物质的热扩散，从而在暴露在硅晶片的正面上的第一硅锗区域中形成硅锗合金晶格；
d)执行步骤b)和c)一次或多次；以及
e)在从硅晶片的正面向下延伸的第一硅锗区域的部分中形成第一光电探测器有源区，其中所述第一光电探测器有源区对近红外和可见光辐射二者都敏感。
根据本发明的方法，其特征在于第一光电探测器有源区也形成在在第一硅锗区域的所述部分下方延伸的硅晶片的部分中。
方便地，步骤e)包括在第一硅锗区域外部的硅晶片的正面的部分中，还形成第二光电探测器有源区，其中所述第二光电探测器有源区仅对可见光辐射敏感。
优选地，硅晶片包括硅衬底，以及在所述硅衬底上生长且在所述硅晶片的正面上暴露的外延硅层；在外延硅层的一部分中执行锗注入，外延硅层的该部分暴露在所述硅晶片的正面上；第一硅锗区域形成在外延硅层的锗注入部分中；以及第一光电探测器有源区形成：
·在从硅晶片的正面向下延伸的第一硅锗区域的部分中，以及
·也在第一硅锗区域的所述部分下方延伸的外延硅层的一部分中。
方便地，步骤e)还包括在硅晶片的正面上形成多层结构，所述多层结构包括电介质层、金属层和/或线、多晶硅线、触点和通孔。
优选地，所制造的CMOS图像传感器是正面CMOS图像传感器，且多层结构还包括彩色滤光片和显微透镜。
备选地，所制造的CMOS图像传感器是背面CMOS图像传感器，且该方法还包括：
f)将硅晶片倒置，将载体晶片附接到多层结构，并使硅晶片减薄，以获得其预定义厚度并暴露其背面；
g)在硅晶片的暴露的背面的一部分中执行另外的锗注入，该硅晶片的暴露的背面的锗注入部分在第一硅锗区域上方延伸；以及
h)执行另外的退火以引起注入的锗物质的激活，从而在暴露在硅晶片的背面上的第二硅锗区域中形成硅锗合金晶格。
方便地，第二硅锗区域从硅晶片的背面向下延伸到：
·第一硅锗区域，从而与后者形成单一的硅锗区域；
·或第一光电探测器有源区而不到达第一硅锗区域。
方便地，硅晶片包括硅衬底，以及在所述硅衬底上生长且在所述硅晶片的正面上暴露的外延硅层；在外延硅层的第一部分中执行锗注入，该外延硅层的第一部分暴露在所述硅晶片的正面上；第一硅锗区域形成在外延硅层的所述第一部分中；通过去除硅衬底来使硅晶片减薄，以便在硅晶片的背面上暴露外延硅层；在外延硅层的第二部分中执行另外的锗注入，该外延硅层的第二部分暴露在硅晶片的背面上，且在第一硅锗区域上方延伸；以及第二硅锗区域形成在外延硅层的所述第二部分中。
方便地，步骤h)包括执行热退火或激光退火或微波退火。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将参考附图(未按比例)描述优选实施例，优选实施例纯粹旨在作为示例并且不应被解释为限制，其中：
图1示意性示出了根据本发明的优选实施例的用于制造用于NIR探测的CMOS图像传感器的方法；
图2至图4分别示出了通过执行图1中的方法的若干步骤获得的第一硅晶片、第二硅晶片和正面CMOS图像传感器的示例；以及
图5至图8示出了为制造背面CMOS图像传感器而执行的图1中的方法的另外的步骤。
具体实施方式
给出下面的讨论以使本领域技术人员能够制造和使用本发明。在未脱离所要求保护的本发明的范围的情况下，对实施例的各种修改对于本领域技术人员将是容易显而易见的。由此，本发明并非意在限于所示出和所描述的实施例，而应赋予与在本文中公开的和在所附权利要求中限定的原理和特征一致的最宽范围。
本发明源自申请人以下想法：通过利用锗注入来制造基于SiGe合金的光电探测器有源区，增加NIR CMOS光电探测器的量子效率，该光电探测器有源区在NIR波长范围中具有比Si更高的吸收系数。具体地，这种更高的吸收系数允许减少有源区的深度，从而在相邻的光电探测器之间实现更好的分离和减少的串扰。
为了更好地理解本发明，图1通过流程图的方式示出了根据本发明的优选实施例的用于制造用于NIR探测的CMOS图像传感器的方法(整体由1表示)。
具体地，该方法1包括：
a)提供Si晶片(块11)；
b)在Si晶片的正面的一个或多个部分中执行锗注入(块12)，方便地通过执行包括以下步骤的光刻工艺
-在Si晶片的正面上形成图案化的光刻胶掩模，
-通过光刻胶掩模的一个或多个孔注入Ge离子，
-去除所述光刻胶掩模，以及
-清洗；
c)执行退火工艺(块13)以便引起注入的Ge物质的热扩散，从而在暴露在Si晶片的正面上的一个或多个SiGe区域中形成SiGe合金晶格；
d)如果需要，为了获得期望的Ge浓度分布，重复步骤2和3(即，块12和13)一次或多次(块14)；以及
e)执行用于制造正面CMOS图像传感器的步骤(块15)，优选地包括
-在从Si晶片的正面向下延伸的SiGe区域的部分中形成可见光-NIR光电探测器有源区，方便地，也在在SiGe区域的所述部分下方延伸的Si晶片的部分中形成，以及
-在SiGe区域外部的Si晶片的正面的部分中形成仅可见光光电探测器有源区。
方法1的所述步骤a)至e)(块11至15)允许制造包括对NIR和可见光辐射二者都敏感的光电探测器(即，前述的可见光-NIR光电探测器有源区)的正面CMOS图像传感器，以及也允许制造仅对可见光辐射敏感的光电探测器(即，前述的仅可见光光电探测器有源区)的正面CMOS图像传感器。
在这方面，图2通过示例的方式示出了Si晶片的正面(整体由20表示)，其包括：
·通过执行方法1的步骤b)、c)和d)(块12至14)形成的两个SiGe区域21；
·在所述SiGe区域21的各个部分中形成的八个可见光-NIR光电探测器有源区22；以及
·在所述SiGe区域21外部的Si晶片20的各个部分中形成的八个仅可见光光电探测器有源区23，其中，所述可见光-NIR光电探测器有源区22和所述仅可见光光电探测器有源区23已经通过执行方法1的所述步骤e)(块15)形成。
为了获得仅对NIR辐射敏感的光电探测器，可见光-NIR光电探测器有源区22可以方便地配有滤波装置，用于滤除可见光辐射(图2中未示出)。
备选地，在方法1的所述步骤e)(块15)中，可以仅形成可见光-NIR光电探测器有源区以便获得仅包括对NIR和可见光二者都敏感的光电探测器的正面CMOS图像传感器。同样在这种情况下，光电探测器可以方便地配有可见光辐射滤波装置，以便获得仅对NIR辐射敏感的正面CMOS图像传感器。
方便地，方法1的所述步骤e)(块15)还包括在Si晶片的正面上形成多层结构，所述多层结构方便地包括电介质层、金属层和/或线、多晶硅线、触点、通孔、彩色滤光片和显微透镜。
更方便地，方法1的所述步骤e)(块15)还包括：
·形成浅沟槽隔离(STI)区域；以及
·形成传输门和CMOS读出电路。
此外，方法1的特定优选实施例提供了：
·Si晶片包括Si体衬底和在其上生长的外延(Epi)Si层，该外延Si层暴露在所述Si晶片的正面上；
·在所述Epi Si层的一个或多个部分中执行锗注入，所述Epi Si层的部分暴露在所述Si晶片的正面上；
·在所述Epi Si层的所述锗注入部分中形成一个或多个SiGe区域；以及
·在从Si晶片的正面向下延伸的SiGe区域的部分中形成可见光-NIR光电探测器有源区，方便地，也在在SiGe区域的所述部分下方延伸的所述Epi Si层的部分中形成。
在这方面，图3通过示例的方式示出了通过执行根据前述特定优选实施例的方法1的步骤a)至d)(块11至14)获得的Si晶片(整体由24表示)。
具体地，图3是Si晶片24的横截面图，其包括：
·Si体衬底25；
·在所述硅衬底25上生长的Epi Si层26；以及
·形成在Epi Si层26的顶部中的SiGe区域27。
方便地，所述SiGe区域27可以形成在Epi Si层26的顶部中，其中意图形成：
·CMOS图像传感器的整个像素阵列(包括或不包括形成有传输门的区域)；或者
·仅专用于NIR探测的像素阵列的一部分。
另外，图4通过示例的方式示出了通过执行根据前述特定优选实施例的方法1的步骤a)至e)(块11至15)获得的正面CMOS图像传感器(整体由2表示)。
具体地，图4是正面CMOS图像传感器2的横截面图，其包括：
·Si晶片24；
·形成在SiGe区域27的部分中和在其下方延伸的Epi Si层26的对应的部分中的可见光-NIR光电探测器有源区28；
·形成在SiGe区域27外部的Epi Si层26的另外的顶部中的漏源区域29；以及
·形成在Epi Si层26和SiGe区域27上的多层结构30，该多层结构30包括电介质层31、金属线32、多晶硅线33、触点34和通孔35。
再次参考图1、图3和图4，并且还参考图5至图8，当实现根据前述特定优选实施例的方法1以制造背面CMOS图像传感器时，方法1包括全部上述步骤a)至e)(块11至15)(除了在步骤e)(块15)中形成的多层结构不包括任何彩色滤光片和任何显微透镜的事实)，并且还包括：
f)将Si晶片24倒置，将载体晶片36(诸如Si载体晶片)附接到多层结构30，并使Si晶片24减薄，以获得其预定义厚度并暴露其背面；优选地，使Si晶片24减薄包括去除Si体衬底25，从而暴露Epi Si层26的背面(图1中的块16，结合图5中所示的横截面图)；
g)在Si晶片24的暴露的背面的一部分中执行另外的锗注入(图1中的块17)，优选地在Epi Si层26的暴露的背面的一部分中，锗注入部分在SiGe区域27上方延伸；所述步骤g)(块17)方便地包括
-在Epi Si层26的暴露的背面上形成图案化的光刻胶掩模，
-通过光刻胶掩模的一个或多个孔注入Ge离子，
-去除所述光刻胶掩模，以及
-清洗；
h)执行另外的退火(图1中的块18)以引起注入的Ge物质的激活，从而在另外的SiGe区域37中形成SiGe合金晶格，其可以向下延伸到
-SiGe区域27，从而与后者形成单一的SiGe区域(图6中的横截面图)，
-或者，备选地，可见光-NIR光电探测器有源区28而不到达SiGe区域27(图7中的横截面图)；以及
i)执行用于完成背面CMOS图像传感器(图1中的块19，结合图8中的横截面图，其中示出了背面CMOS图像传感器3)的步骤，方便地包括
-执行硼注入，以便在Epi Si层26和另外的SiGe区域37的背面上形成p+钝化层38，
-执行再一次退火，
-通过连续沉积，在p+钝化层38上形成抗反射涂层39，
-通过蚀刻工艺图案化抗反射涂层39并形成金属屏蔽装置40，以便屏蔽背面CMOS图像传感器3的外围区域免受光的冲击，以及
-形成平坦化氧化物41，并且方便地，形成彩色滤光片和显微透镜(为了简化说明，在图8中未示出)。
优选地，所述步骤h)(块18)包括执行激光退火或微波退火，以避免金属线32暴露于比相应的熔化温度高的的温度。备选地，可以使用热退火。
根据前述内容，本发明的优点是清楚的。特别地，重要的是要强调的事实是，通过Ge离子注入的方式形成硅锗提供了以下优点：
·本发明解决了Si和Ge之间的晶格失配或在Si上生长的SiGe的问题，由于锗注入允许形成渐变的SiGe层，且允许减少或调整SiGe合金的晶格应力和失配；
·利用本发明，可以有选择地注入(例如，通过使用专用光刻胶掩模)整个像素阵列或仅其一部分；
·利用本发明，在具有分离的光注入工艺环路的情况下，可以在一个且相同的像素阵列中形成具有不同SiGe合金的光电探测器，从而区分锗注入的剂量和能量；
·利用本发明，在背面CMOS图像传感器的情况下，SiGe区域可以形成在背面上、正面上或以上两面上。以及
·利用本发明，可以在相邻的光电探测器之间实现更好的分离和减少的串扰。
另外，值得注意的是，在硅外延层中形成具有深度延伸的注入SiGe光电探测器，在光电探测器之间提供了更好的分离和减少的串扰。
最后，清楚的是，可以对本发明进行多种修改和变型，所有这些修改和变型都落入如所附权利要求中限定的本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种用于制造用于近红外探测的CMOS图像传感器(2；3)的方法(1)，所述方法(1)包括：
a)提供硅晶片(24)；
b)在所述硅晶片(24)的正面的一部分中执行锗注入；
c)执行退火以使注入的锗物质热扩散，从而在暴露在所述硅晶片(24)的所述正面上的第一硅锗区域(27)中形成硅锗合金晶格；
d)执行步骤b)和c)一次或多次；以及
e)所述第一硅锗区域(27)的在从所述硅晶片(24)的正面向下延伸的部分中形成第一光电探测器有源区(28)，其中，所述第一光电探测器有源区(28)对近红外和可见光辐射二者都敏感；
其特征在于，所述第一光电探测器有源区(28)也形成在所述硅晶片(24)的在所述第一硅锗区域(27)的所述部分下方延伸的部分中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤e)包括在所述硅晶片(24)的正面的所述第一硅锗区域(27)外部的部分中还形成第二光电探测器有源区，其中，所述第二光电探测器有源区仅对可见光辐射敏感。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中：
·所述硅晶片(24)包括
-硅衬底(25)，以及
-外延硅层(26)，在所述硅衬底(25)上生长且暴露在所述硅晶片(24)的正面上；
·在所述外延硅层(26)的一部分中执行锗注入，所述外延硅层(26)的一部分暴露在所述硅晶片(24)的正面上；以及
·第一硅锗区域(27)，形成在所述外延硅层(26)的锗注入部分中；
以及其中，所述第一光电探测器有源区(28)被形成：
·在所述第一硅锗区域(27)的从所述硅晶片(24)的正面向下延伸的部分中，以及
·也在所述外延硅层(26)的所述第一硅锗区域(27)的所述部分下方延伸的部分中。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，步骤e)还包括在所述硅晶片(24)的正面上形成多层结构(30)，所述多层结构(30)包括电介质层(31)、金属层和/或线(32)、多晶硅线(33)、触点(34)和通孔(35)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所制造的CMOS图像传感器是正面CMOS图像传感器(2)，并且其中，所述多层结构(30)还包括彩色滤光片和显微透镜。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所制造的CMOS图像传感器是背面CMOS图像传感器(3)，并且其中，所述方法(1)还包括：
f)将所述硅晶片(24)倒置，将载体晶片(36)附接到所述多层结构(30)，并使所述硅晶片(24)减薄，以获得其预定义厚度并暴露其背面；
g)在所述硅晶片(24)的暴露的背面的一部分中执行另外的锗注入，所述硅晶片(24)的暴露的背面的锗注入部分在所述第一硅锗区域(27)上方延伸；以及
h)执行另外的退火以使注入的锗物质激活，从而在暴露在所述硅晶片(24)的背面上的第二硅锗区域(37)中形成硅锗合金晶格。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二硅锗区域(37)从所述硅晶片(24)的背面向下延伸到：
·所述第一硅锗区域(27)，从而与后者形成单一的硅锗区域；或者
·所述第一光电探测器有源区(28)而不到达所述第一硅锗区域(27)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中：
·所述硅晶片(24)包括
-硅衬底(25)，以及
-外延硅层(26)，在所述硅衬底(25)上生长且暴露在所述硅晶片(24)的正面上；
·在所述外延硅层(26)的第一部分中执行锗注入，所述外延硅层(26)的第一部分暴露在所述硅晶片(24)的正面上；
·在所述外延硅层(26)的所述第一部分中形成所述第一硅锗区域(27)；
·通过去除所述硅衬底(25)来使所述硅晶片(24)减薄，以便在所述硅晶片(24)的背面上暴露所述外延硅层(26)；
·在所述外延硅层(26)的第二部分中执行另外的锗注入，所述外延硅层(26)的第二部分暴露在所述硅晶片(24)的背面上，且在所述第一硅锗区域(27)上方延伸；以及
·在所述外延硅层(26)的所述第二部分中形成所述第二硅锗区域(37)。
9.根据权利要求6-8中任意一项所述的方法，其中，步骤h)包括执行热退火或激光退火或微波退火。
10.一种用于近红外探测的CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器通过执行前述任意一项权利要求所述的方法(1)来制造。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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