CN110112237A - 一种制造光电二极管的方法以及相应光电二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造光电二极管的方法，包括下列步骤：提供p型衬底并对其第一侧进行注入以形成n型注入区；通过注入在n型注入区的边缘处形成p型注入区；在n型注入区和p型注入区上形成转移栅并且在转移栅的侧面形成侧墙；从p型衬底的与第一侧相对的第二侧除去p型衬底的除了p型注入区和n型注入区以外的部分；在p型衬底的第二侧形成绝缘层；刻蚀绝缘层以形成背侧深沟槽、以及背侧深沟槽绝缘体；在背侧深沟槽中进行外延生长以形成p型硅外延层；对p型硅外延层进行各向异性刻蚀以除去背侧深沟槽的底部处的p型硅外延层；以及在背侧深沟槽中进行外延生长以形成n型硅外延层。通过本发明，可避免高能注入并提高光电二极管的良品率和性能。
Description
技术领域
本发明总体而言涉及半导体制造领域，具体而言，涉及一种制造光电二极管的方法。此外，本发明还涉及一种光电二极管。
背景技术
光电二极管是一种广泛应用于成像领域、光纤通信领域、激光测距等众多领域的重要半导体器件，其用于将光信号转换成电信号，其原理是，光电二极管的反向偏置的PN结在一定波长辐射的照射下，由于光生载流子的影响会出现反向电压或电流的变化，该变化与光辐射强成比例，通过检测该变化可确定光辐射强度。
在光电二级光的制造工艺中，目前通过高能多重注入方式来形成光电二极管的多个注入区，即通过高能量的多次注入形成光电二极管。然而，这样的制造工艺的缺点在于，所形成的注入区的轮廓随着注入小块(implant tile)的大小等因素而变化，从而造成注入区有可能侵占位于注入区两侧的背侧深沟槽绝缘体(Backside Deep Trench Isolation，BDTI)，其中背侧深沟槽绝缘体是用于隔离相邻像素以防止串扰的绝缘体，如果背侧深沟槽绝缘体未被良好地形成，将无法有效吸附从像素游离出的电荷，从而造成暗电流(darkcurrent)。此外，高能注入是高成本的。
发明内容
从现有技术出发，本发明的任务是提供一种制造光电二极管的方法以及相应光电二极管，通过该方法和/或该光电二极管，可以避免高能注入，从而降低注入成本，此外还可以改善背侧深沟槽绝缘体的形成质量，从而提高光电二极管的良品率和性能。
在本发明的第一方面，该任务通过一种制造光电二极管的方法来解决，该方法包括下列步骤：
提供p型衬底；
对p型衬底的第一侧进行注入以形成n型注入区；
通过注入在n型注入区的边缘处形成p型注入区；
在n型注入区和p型注入区上形成转移栅并且在转移栅的侧面形成侧墙；
从p型衬底的与第一侧相对的第二侧除去p型衬底的除了p型注入区和n型注入区以外的部分；
在p型衬底的第二侧形成绝缘层；
刻蚀绝缘层以形成背侧深沟槽、以及背侧深沟槽绝缘体；
在背侧深沟槽中进行外延生长以形成p型硅外延层；
对p型硅外延层进行各向异性刻蚀以除去背侧深沟槽的底部处的p型硅外延层；以及
在背侧深沟槽中进行外延生长以形成n型硅外延层。
在本发明的一个扩展方案中规定，n型注入区的厚度为1μm。根据不同工艺要求或应用场合，其它厚度也是可设想的。
在本发明的另一扩展方案中规定，在p型衬底的第一侧形成互连接触层。布置其它层也是可设想的。
在本发明的又一扩展方案中规定，互连接触层包括下列各项中的一个或多个：接触层、层间介电层、以及金属层。根据不同应用场合，互连接触层可以是介电层、电接触层或互联层，其它功能层或非功能层也是可设想的。
在本发明的一个优选方案中规定，从p型衬底的与第一侧相对的第二侧除去p型衬底的除了p型注入区和n型注入区以外的部分包括下列步骤：
翻转p型衬底，使得p型衬底的与第一侧相对的第二侧朝上；以及
通过化学机械研磨CMP除去p型衬底的除了p型注入区和n型注入区以外的部分。
在步骤中，该除去操作可以分一步或多步进行，例如先通过CMP在第二侧对衬底进行减薄直至p型注入区和n型注入区，然后通过CMP除去p型衬底两侧的衬底。
在本发明的一个扩展方案中规定，所述绝缘层包括下列各项中的一个或多个二氧化硅、氮化硅、以及碳化硅。其它绝缘材料也是可设想的。
在本发明的第二方面，前述任务通过一种光电二极管来解决，该光电二极管包括：
n型注入区；
p型注入区，其布置在n型注入区的边缘处；
转移栅，其在n型注入区的第一侧布置在n型注入区和p型注入区上并且在转移栅的侧面布置有侧墙；
n型硅外延层，其在n型注入区的与第一侧相对的第二侧布置在n型注入区上；
p型硅外延层，其在第二侧布置在p型注入区上并且与n型硅外延层接触；以及
背侧深沟槽绝缘体，其在第二侧布置在p型注入区上并且与p型硅外延层接触。
在本发明的一个扩展方案中规定，该光电二极管还包括互连接触层，其在第一侧布置在n型注入区、p型注入区和转移栅上。
在本发明的另一扩展方案中规定，所述互连接触层包括下列各项中的一个或多个：接触层、层间介电层、以及金属层。
在本发明的另一扩展方案中规定，n型注入区的厚度为1μm。
在本发明的第三方面，前述任务通过一种图像传感器来解决，该图像传感器具有根据本发明的光电二极管。在此应当指出，本发明的光电二极管不仅可应用于图像传感器，也可以应用于其它应用领域、如光纤通信、激光测距等等。
本发明至少具有如下有益效果：在本发明中，通过两步从不同的侧形成掺杂区、即先在第一侧(S1)形成n型注入区和p型注入区、再在另一侧(S2)形成n型硅外延层和p型硅外延层(n型硅外延层和p型硅外延层可以通过多种方式形成，如生长+掺杂或者生长+注入等等)，由此可以避免单侧(如S1)的高能注入步骤并同时形成良好的背侧深沟槽绝缘体，由此降低工艺成本并提高光电二极管的良品率和质量。
附图说明
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
图1A-1J示出了根据本发明的方法的各步骤结束时光电二极管的示意图；以及
图2示出了根据本发明的光电二极管的示意图。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
图1A-1J示出了根据本发明的方法的各步骤结束时光电二极管的示意图，其中一些步骤是可选的。
在步骤S102，提供p型衬底101，并且对p型衬底的第一侧S1进行注入以形成n型注入区107。根据不同应用场合，注入例如是离子注入或原子注入(如磷或硼原子)或其它注入工艺。图1A示出了步骤S102结束时光电二极管的示意图。
在步骤S104，通过注入在n型注入区107的边缘处形成p型注入区106。根据不同应用场合，注入例如是离子注入或原子注入(如磷或硼原子)或其它注入工艺。在此，在n型注入区107的两侧形成p型注入区106。图1B示出了步骤S104结束时光电二极管的示意图。
在步骤S106，在n型注入区107和p型注入区106上形成转移栅108并且在转移栅108的侧面形成侧墙109。图1C示出了步骤S106结束时光电二极管的示意图。
在可选步骤S108，在p型衬底101的第一侧S1形成互连接触层110。根据不同应用场合，互连接触层110例如可以是介电层、电接触层或互联层，其它功能层或非功能层也是可设想的。图1D示出了步骤S108结束时光电二极管的示意图。互连接触层110在此是可选的，因此在其它步骤中未示出。
在步骤S110，从p型衬底的与第一侧S1相对的第二侧S2除去p型衬底101的除了p型注入区106和n型注入区107以外的部分。步骤S110例如可以包括如下步骤：首先，翻转p型衬底101，使得p型衬底101的与第一侧S1相对的第二侧S2朝上；然后通过化学机械研磨CMP除去p型衬底101的除了p型注入区106和n型注入区107以外的部分。也就是说，尽量除去衬底101，使得只留下p型注入区106和n型注入区107。图1E示出了步骤S110结束时光电二极管的示意图。
在步骤S112，在p型衬,101的第二侧S2形成绝缘层112。绝缘层112例如可以包括二氧化硅、氮化硅、以及碳化硅等等。其它绝缘材料也是可设想的。绝缘层112用于形成背侧深沟槽绝缘体。图1F示出了步骤S112结束时光电二极管的示意图。
在步骤S114，刻蚀绝缘层112以形成背侧深沟槽(Backside Deep Trench)111、以及背侧深沟槽绝缘体(Backside Deep Trench Isolation，BDTI)105。该刻蚀操作可以采用多种工艺来实现、如光刻、机械研磨等等。图1G示出了步骤S114结束时光电二极管的示意图。
在步骤S116，在背侧深沟槽111中进行外延生长以形成p型硅外延层103。p型硅外延层可以通过多种方式形成，例如首先在背侧深沟槽111中外延生长出硅外延层，然后通过掺杂或注入方式对硅外延层进行p型掺杂以形成p型硅外延层103。图1H示出了步骤S116结束时光电二极管的示意图。
在步骤S118，对p型硅外延层103进行各向异性刻蚀以除去背侧深沟槽111的底部处的p型硅外延层103。图1I示出了步骤S116结束时光电二极管的示意图。
在步骤S120，在背侧深沟槽111中进行外延生长以形成n型硅外延层104。n型硅外延层可以通过多种方式形成，例如首先在背侧深沟槽111中外延生长出硅外延层，然后通过掺杂或注入方式对硅外延层进行n型掺杂以形成n型硅外延层104。图1J示出了步骤S120结束时光电二极管的示意图。
图2示出了根据本发明的光电二极管100的示意图。
如图2所述，根据本发明的工艺形成的光电二极管100具有良好的掺杂区、即n型注入区107、p型注入区106、n型硅外延层104、以及p型硅外延层103。这些掺杂区是通过两步从不同的侧(S1和S2)形成的，因此无需从单侧(如S1)进行高能注入来达到较高的注入深度。此外，根据本发明的工艺形成的光电二极管100还具有良好的背侧深沟槽绝缘体105。
本发明至少具有如下有益效果：在本发明中，通过两步从不同的侧形成掺杂区、即先在第一侧(S1)形成n型注入区和p型注入区、再在另一侧(S2)形成n型硅外延层和p型硅外延层(n型硅外延层和p型硅外延层可以通过多种方式形成，如生长+掺杂或者生长+注入等等)，由此可以避免单侧(如S1)的高能注入步骤并同时形成良好的背侧深沟槽绝缘体，由此降低工艺成本并提高光电二极管的良品率和质量。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。
Claims (10)
1.一种制造光电二极管的方法，包括下列步骤：
提供p型衬底；
对p型衬底的第一侧进行注入以形成n型注入区；
通过注入在n型注入区的边缘处形成p型注入区；
在n型注入区和p型注入区上形成转移栅并且在转移栅的侧面形成侧墙；
从p型衬底的与第一侧相对的第二侧除去p型衬底的除了p型注入区和n型注入区以外的部分；
在p型衬底的第二侧形成绝缘层；
刻蚀绝缘层以形成背侧深沟槽、以及背侧深沟槽绝缘体；
在背侧深沟槽中进行外延生长以形成p型硅外延层；
对p型硅外延层进行各向异性刻蚀以除去背侧深沟槽的底部处的p型硅外延层；以及
在背侧深沟槽中进行外延生长以形成n型硅外延层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中n型注入区的厚度为1μm。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：在p型衬底的第一侧形成互连接触层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中互连接触层包括下列各项中的一个或多个：接触层、层间介电层、以及金属层。
5.根据权利要求1所述的方法，其中从p型衬底的与第一侧相对的第二侧除去p型衬底的除了p型注入区和n型注入区以外的部分包括下列步骤：
翻转p型衬底，使得p型衬底的与第一侧相对的第二侧朝上；以及
通过化学机械研磨除去p型衬底的除了p型注入区和n型注入区以外的部分。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述绝缘层包括下列各项中的一个或多个二氧化硅、氮化硅、以及碳化硅。
7.一种光电二极管，包括：
n型注入区；
p型注入区，其布置在n型注入区的边缘处；
转移栅，其在n型注入区的第一侧布置在n型注入区和p型注入区上并且在转移栅的侧面布置有侧墙；
n型硅外延层，其在n型注入区的与第一侧相对的第二侧布置在n型注入区上；
p型硅外延层，其在第二侧布置在p型注入区上并且与n型硅外延层接触；以及
背侧深沟槽绝缘体，其在第二侧布置在p型注入区上并且与p型硅外延层接触。
8.根据权利要求7所述的光电二极管，还包括互连接触层，其在第一侧布置在n型注入区、p型注入区和转移栅上。
9.根据权利要求8所述的光电二极管，所述互连接触层包括下列各项中的一个或多个：接触层、层间介电层、以及金属层。
10.一种图像传感器，其具有根据权利要求6至9之一所述的光电二极管。
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