CN111223960B - 制造至少一个暗电流减小的钝化平面光电二极管的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造至少一个钝化平面光电二极管(1)的方法，包括以下步骤：‑制作半导体检测部(10)；‑沉积介电钝化层(20)；‑制作由掺杂半导体材料制成的外围部(21)；‑将掺杂元素从外围部(21)扩散‑退火到半导体检测部(10)，形成掺杂的外围区域(14)；‑制作由掺杂的外围区域(14)围绕的掺杂的上部区域(11)。

Description

制造至少一个暗电流减小的钝化平面光电二极管的方法
技术领域
本发明的领域是具有一个或更多个钝化平面光电二极管的光电设备。本发明尤其应用于检测例如属于近红外线的光辐射的领域，所述一个或多个光电二极管能够是基于锗的。
背景技术
光电光检测设备可以具有钝化平面二极管阵列。光电二极管在同一主平面中在相互平行的第一与第二相对面之间延伸。它们每个具有例如n掺杂并与第一面平齐的第一掺杂区域和例如p-掺杂并与第二面平齐的第二掺杂区域。两个掺杂区域通过本征的中间区域或非常轻掺杂(例如p-掺杂)的中间区域彼此分隔。钝化层覆盖第一面以限制暗电流对每个光电二极管的测量电流的贡献。
然而，发现钝化层的存在可能仍会导致生成不可忽略的暗电流。由此，Sood等人的文献Characterization of SiGe-Detector Arrays for Visible-NIR Imaging SensorApplications,Proc.of SPIE VOL.8012,801240,2011说明了一种用于制造钝化平面光电二极管以限制暗电流的方法。暗电流与在与钝化层的界面处存在的光电二极管的半导体材料中的耗尽区相关。该制造方法包括在N2H2下对光电二极管退火的步骤，使得能够将该耗尽区转换成空穴积累区。发现该步骤使得能够减小暗电流的强度。
然而，要将耗尽区改变成积累区的该退火步骤可能会损害光电二极管的性能，特别地，这是因为不期望地改变了第一n掺杂区域的尺寸，特别是当n型掺杂元素具有显著扩散长度时。而且，耗尽区的存在和特征可能会与用于沉积钝化层的技术以及操作条件相关。因此，所讨论的退火则可能无法可再现地获得所期望的积累区和由此的所期望的暗电流减小。
发明内容
本发明的目的在于至少部分地纠正现有技术的缺陷，更具体地说，在于提出一种用于制造一个或更多个钝化平面光电二极管的方法，以实现低的暗电流并同时保持所述一个或多个光电二极管的特性，尤其是一个或多个掺杂的第一区域的尺寸。
为了该目的，本发明的主题在于一种用于制造至少一个钝化平面光电二极管的方法，其包括以下步骤：
vii)制作所谓的半导体检测部，其具有彼此相对并与光电二极管的主平面平行的第一面和第二面，并具有：
o与第一面平齐的所谓的中间区域；
o与第二面平齐的掺杂成第二导电类型的所谓的下部区域；
viii)沉积覆盖第一面的由介电材料制成的钝化层，并在该钝化层中形成至少一个通孔，所述通孔在第一面上开口并在主平面中至少部分地围绕半导体检测部的中央部分；
ix)制作由掺杂第二导电类型的半导体材料制成并要被电偏置的、与下部区域接触的侧部。该侧部可在主平面中围绕半导体检测部。
根据本发明，所述方法包括以下步骤：
x)制作至少一个外围部，其由包含具有第二导电类型的掺杂元素的半导体材料制成，与第一面接触，或者位于第一面上并通过通孔与第一面接触；
xi)退火，确保掺杂元素从外围部扩散到半导体检测部，由此在半导体检测部中形成与第一面平齐并在主平面中围绕中央部分的掺杂第二导电类型的外围区域，外围区域位于上部区域与侧部之间并与之相距非零的距离；
xii)在半导体检测部的中央部分中制作上部区域，其掺杂成与第二类型相反的第一导电类型并要被电偏置，其与第一面平齐并通过中间区域与下部区域分隔，并在主平面中被外围区域围绕。
该制造方法的一些优选但非限制性方面是如下的。
该方法可包括在退火步骤之前制作与半导体检测部接触并在主平面中围绕半导体检测部的由掺杂第二导电类型的半导体材料制成的侧部的步骤，退火步骤还确保具有第二导电类型的掺杂元素从该侧部扩散到半导体检测部，由此在半导体检测部中形成具有第二导电类型的侧部区域。
半导体检测部可以是基于锗的，并且侧部可以是基于硅的，退火步骤还确保硅从侧部扩散到半导体检测部，由此在半导体检测部中形成基于硅-锗的侧部区。
所述方法可包括以下步骤：
-制作由感兴趣的半导体材料制成的堆叠，该堆叠由中间子层和掺杂第二导电类型的下部子层形成；
-制作延伸通过下部和中间子层的堆叠的沟槽，由此限定光电二极管的半导体检测部；
-通过在钝化层的通孔中和沟槽中沉积掺杂第二导电类型的半导体材料，同时制作侧部和外围部。
所述方法可包括制作至少一个反射部的步骤，其在与半导体检测部相反的面上与外围部接触，由对要被光电二极管检测的入射光辐射为反射性的材料制成。
反射部可以通过在外围部上沉积由金属材料制成的层来获得，该部是基于硅的，然后进行硅化退火，由此形成由如此硅化的金属材料制成的反射部。
制作掺杂的上部区域的步骤可包括以下子步骤：
-制作由掺杂成第一导电类型的半导体材料制成的中央部，其设置在位于中央部分中的钝化层的所谓的中央通孔中，并与第一面接触；
-退火，确保具有第一导电类型的掺杂元素从中央部扩散到半导体检测部，由此形成上部区域。
制作中央部的步骤可包括以下子步骤：
-在中央通孔中沉积与外围部的相同的掺杂第二导电类型的半导体材料；
-在中央部中离子注入具有第一导电类型的掺杂元素。
本发明还涉及一种钝化平面光电二极管，其具有：
o所谓的半导体检测部，其具有彼此相对并与光电二极管的主平面平行的第一和第二面，并具有：
·掺杂第一导电类型并与第一面平齐的上部区域；
·掺杂与第一类型相反的第二导电类型并与第二面平齐的下部区域；
·位于上部和下部区域之间并在主平面中围绕上部区域的中间区域；
o覆盖第一面的钝化层，其具有通孔，每个通孔填充有外围部，外围部由包含具有第二导电类型的掺杂元素的半导体材料制成，并位于第一面上并通过通孔与第一面接触；
o与下部区域接触的侧部，其由掺杂成第二导电类型的半导体材料制成并且要被电偏置，并能够在主平面中围绕半导体检测部；
半导体检测部具有掺杂第二导电类型的外围区域，该外围区域与第一面平齐并在主平面中围绕上部区域，并且位于上部区域与侧部之间并与之相距非零距离。
光电二极管可以具有由掺杂成第二导电类型的半导体材料制成的外围部，该外围部通过钝化层的通孔与外围区域接触。
光电二极管可具有由掺杂成第一导电类型的半导体材料制成的中央部，该中央部通过钝化层的通孔与上部区域接触。
外围部和中央部可覆盖有由硅化金属材料制成的反射部。
光电二极管可以具有掺杂第二导电类型的侧部，该侧部与半导体检测部接触并在主平面中围绕半导体检测部，并且其中，半导体检测部具有掺杂第二导电类型并与侧部接触的侧部区。
半导体检测部可以是基于锗的，并且侧部可以是基于硅的，半导体检测部则可能地具有与侧部接触的基于硅-锗的侧部区。
本发明还涉及一种光电设备，该光电设备具有根据上述特征中任一项的光电二极管阵列，其中，光电二极管在主平面中是共平面的。
附图说明
阅读以下作为非限制性例子并参照附图给出的对本发明的有效实施例的详细说明，本发明的其它方面、目的、优点和特征将变得更加明显，在附图中：
图1A和1B是根据两个实施例的钝化平面光电二极管的剖面局部示意图；
图2A至2L示意性地部分地示出用于制造根据图1B所示的实施例的一个变型的光电二极管的方法的各个步骤；
图3A和3B是根据两个变型实施例的光电二极管阵列的示意性局部平面图，图3C是根据另一实施例的钝化平面光电二极管的剖面局部示意图。
具体实施方式
在附图中和本说明书的剩余部分中，相同的附图标记代表相同或相似的元件。此外，为了使附图更清晰，没有按比例尺示出各个元件。而且，各个实施例和变型不是相互排斥的，而是可彼此组合。除非另有说明，“大致”、“大约”、“约”这些词汇指的是在10％以内，优选地指的是在5％以内。
本发明整体上涉及一种用于制造至少一个钝化平面光电二极管、优选地光电二极管阵列的方法。每个光电二极管优选地是基于锗的，并设计为检测近红外(SWIR，即ShortWavelength IR)光辐射，近红外对应于0.8，近到大约1.7，近或甚至到大约2.5到大的光谱范围。
只要在同一主平面中在相互平行且相对的第一和第二面之间延伸，光电二极管就被称为是平面的。它们每个可具有所谓的半导体检测部，在该半导体检测部中存在厚度在第一和第二面之间大致相同的PN或PIN结。每个光电二极管具有掺杂第一导电类型(例如n型)的第一区域，其与第一面平齐并且形成掺杂阱(也称为掺杂盒)；掺杂第二导电类型(例如p型)的第二区域，其与第二面平齐；以及位于两个掺杂区域之间并在第一主平面中围绕第一掺杂区域的中间区域。该中间区域可掺杂第二导电类型，例如p型，以形成PN结；或者是本征的，即没有有意掺杂，以形成PIN结。平面光电二极管不具有台面结构，并通过有利地填充有掺杂半导体材料的沟槽或通过足以使得光电二极管彼此分隔的距离而彼此光学隔离。而且，只要第一面被由介电材料制成的钝化层(部分)覆盖，光电二极管就可以说是钝化的。钝化层尤其旨在减小每个光电二极管的暗电流的表面分量。
一般性地，光电二极管的暗电流是在操作期间，当光电二极管不受光辐射时，存在于光电二极管内的电流。它可能、以由半导体检测部体积内热生成的电流(扩散电流、耗尽电流、隧道电流等)和表面电流形成。表面电流与钝化层中存在的电荷有关。具体地说，这些电荷可引起靠近表面的能带的曲线改变，导致形成耗尽区或反型区。当其位于光电二极管的空间电荷区中时，耗尽区可造成杂散的产生-复合电流。而且，反型区则是导电的，可允许电荷在位于钝化层的界面处的n掺杂和p掺杂偏置区域之间移动。
所述制造方法由此使得能够获得一个或更多个钝化平面光电二极管，每个光电二极管都具有至少一个半导体检测部的外围区域，其掺杂第二导电类型(例如p型)，与第一面平齐并在主平面中围绕第一掺杂区域。该外围区域尤其使得能够限制或避免形成耗尽区或反型区，并因此使得能够限制与能带曲线有关的杂散表面电流。
而且，如果光电二极管通过填充有掺杂的半导体材料的沟槽彼此光学隔离并从第一面反向偏置，外围区域还使得能够限制或避免与电荷在钝化层界面处在第一掺杂区域与掺杂的半导体沟槽之间的运动(电气短路)有关的杂散表面电流。
制造方法由此使得能够获得一个或更多个具有减小的暗电流的光电二极管。如下所述，可以在不造成半导体检测部的特征显著改变的情况下，更确切地说，在不引起第一掺杂区域尺寸变化的情况下得到外围区域。
为清楚起见，首先示出通过根据一个实施例的制造方法获得的钝化平面光电二极管。
图1A是属于光电二极管阵列的钝化平面光电二极管1的局部横截面示意图。它们与第一面10a反向偏置，并通过填充有掺杂的半导体材料的沟槽彼此光学地隔离。
在此处以及本说明书的剩余部分，定义三维直接参考框架(X，Y，Z)，其中，X和Y轴形成与光电二极管1的主平面平行的平面，并且其中，Z轴沿着光电二极管1的半导体检测部10的厚度从第二面10b向第一面10a方向取向。
光电二极管1具有沿着Z轴在相互平行且相对的第一和第二面10a、10b之间延伸的半导体检测部10。第一和第二面10a、10b对于阵列的每个光电二极管1是共用的。它们可以是大致平面的，使得半导体检测部10沿Z轴的厚度大致恒定，例如从数百纳米到数微米，例如从大约1例如到大约5大约。厚度选择为在待检测的光辐射的波长范围中有良好吸收。半导体检测部10在XY平面中的横向尺寸可以从数百纳米到数十微米，例如从大约1例如到大约20约从。
半导体检测部10由至少一种晶体(优选地单晶体)半导体材料制成。而且，它基于感兴趣的化学元素，例如基于锗。“基于”应理解为指的是晶体半导体材料对应于该感兴趣的化学元素或是至少由该感兴趣的化学元素形成的合金。该感兴趣的化学元素有利地是锗，使得光电二极管1由锗Ge、硅锗SiGe、锗锡GeSn和硅锗锡SiGeSn制成。在该例子中，半导体检测部10是由同一感兴趣的化学元素(在该例子中即为锗)制成的至少一层。它可以由此是由相同半导体材料制成的层或衬底并具有导电类型不同的区域(同质结)，以形成PN或PIN结。作为变型，它可以是各种半导体材料的子层的堆叠(异质结)，这些子层则是基于感兴趣的化学元素形成的。
半导体检测部10由此由掺杂第一导电类型(在此为n型)的与第一面10a平齐并形成n掺杂阱的第一区域(上部区域)11和掺杂第二导电类型(在此为p型)的与第二面10b平齐的第二区域(下部区域)12形成。“平齐”应理解为“达到……的水平”或“自……延伸”。本征中间区域13(在PIN结的情况下)或掺杂第二导电类型的中间区域13(在PN结的情况下)位于两个掺杂区域11、12之间并与它们接触，并且在主平面中围绕第一n掺杂区域11。在该例子中，半导体结是PIN类型的，第一区域11是n+掺杂的，第二区域12是p+掺杂的，并且中间区域13是本征的(没有有意掺杂)。
第一n+掺杂区域11在本例子中自第一面10a延伸，并在主平面中被中间区域13围绕。它与半导体检测部10在XY平面中的侧边缘10c间隔，该侧边缘10c使得第一和第二面10a、10b相互连接。由此形成与第一面10a平齐并通过非零距离相对于侧边缘10c以及第二面10b间隔的n掺杂阱。第一n掺杂区域11由此有助于限定第一面10a。它可展示出可从大约1019到1021at/cm3的掺杂。
p+掺杂的第二区域12在XY平面中自侧边缘10c延伸，并与第二面10b平齐。它沿着Z轴从第二面10b延伸。它沿Z轴的厚度可以是大致均匀的，并由此仅与侧边缘10c的下部区平齐。作为变型，如图1A和1B所示，第二p+掺杂区域12可具有沿着Z轴与侧边缘10c连续地平齐且在半导体检测部10的整个外围延伸的p+掺杂的侧区域15。第二p+掺杂区域12可展示出从大约1018到1020at/cm3的掺杂。
中间区域13位于两个n+掺杂和p+掺杂区域11、12之间。它因此在XY平面中围绕第一n+掺杂区域11，并可局部地与第一面10a平齐。它在此是本征的，以形成PIN结，但可掺杂第二导电类型，例如p型，以形成PN结(参见图1B)。
光电设备具有下部隔离层41，由介电材料制成，覆盖半导体检测部10的第二面10b，并且如下所述，覆盖填充有掺杂的半导体材料的沟槽的下部面。该掺杂半导体沟槽有助于使得光电二极管1从第一面10a电偏置，并像素化光电二极管阵列(光学隔离)。下部隔离层41可以还设计为形成对入射光辐射的减反射功能。具体地说，它形成对待检测的光辐射的接收面。
光电二极管1的半导体检测部10在XY平面中由连续的沟槽横向限定，优选地，沟槽填充有掺杂第二导电类型的半导体材料并且形成p+掺杂的半导体侧部23。该沟槽在半导体检测部10的整个厚度上延伸，以在下部隔离层41上开口。p+掺杂的侧部23与半导体检测部10的侧边缘10c接触。作为变型，该沟槽可以不在下部隔离层41上开口，而是可以终止于第二p+掺杂区域12中。半导体材料优选地是基于硅的，例如非晶硅、多晶硅、硅锗，或可甚至由非晶锗制成。
钝化层20覆盖半导体检测部10的第一面10a。它可以由此当中间区域13与第一面10a平齐时与中间区域13接触，并且可以与第一n+掺杂区域11接触。它由介电材料制成，例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。可以使用其它介电材料，例如氧化铪或氧化铝，或甚至由例如氮化铝制成。它具有例如从50nm到500nm的厚度。
钝化层20的目的尤其在于减小半导体检测部10的表面处的暗电流。然而，发现所用的钝化沉积技术可能有助于生成表面暗电流。具体地说，如上述Sood等人2011年所著的文献所指出的，钝化层20可导致在中间区域13中自第一面10起形成耗尽区。当该耗尽层位于光电二极管1的空间电荷区中时，它可能是杂散产生-复合电流的位置。而且，钝化层20可能会形成导电的反型区，这可能会因此将第一n+掺杂区域11连接到p+掺杂侧部23。
因此，每个光电二极管1具有掺杂第二导电类型(在此为p型)的外围区域14，该外围区域与第一面10a平齐并在XY平面中围绕第一n+掺杂区域11。“围绕”应理解为指的是p掺杂的外围区域14在主平面中连续地或可能地不连续地围绕第一n+掺杂区域11延伸。外围区域14由此沿着Z轴自第一面10a延伸，并在XY平面中至少部分地围绕第一n+掺杂区域11延伸。它位于与第一n+掺杂区域11的非零距离处，或作为变型，可与其接触。它还位于与p+掺杂侧部23的非零距离处，或作为变型，可与其接触。P掺杂侧部14的掺杂水平可以从约1016到1018at/cm3，比p掺杂时的中间区域13的掺杂水平更高。p型掺杂元素可选自例如硼和镓。如以下详细地说明的，p掺杂外围区域14在退火期间形成，确保掺杂元素从与第一面10a接触并延伸通过钝化层20的通孔的p掺杂外围部21扩散到半导体检测部10。
中间区域13中存在p掺杂外围区域14，其位于第一面10a处并在XY平面中至少部分地围绕第一n+掺杂区域延伸，这使得能够避免在第一面10a处存在耗尽区或反型区。还使得能够避免光电二极管1的空间电荷区“夹着”或在第一面10a处过度延伸。“夹着”的空间电荷区，也就是说，缩减在第一面10a的空间电荷区，可能促进隧道电流。过度延伸的空间电荷区可能会促进产生-复合电流。由此，避免在第一面10a处形成杂散产生-复合电流或隧道电流，并还避免在第一n+掺杂区域11与p+掺杂侧部23之间形成杂散电流。由此减小暗电流的表面分量，由此使得能够改善光电二极管阵列的性能。
此外，半导体检测部10有利地具有位于侧边缘10c处的掺杂第二导电类型(在此为p+型)的侧部区域15。该侧部区域15的掺杂水平比掺杂情况下的中间区域13的水平更高。p+掺杂侧部区域15与侧边缘10c平齐，并与p+掺杂侧部23接触。由此，因为增大与p+掺杂侧部23的接触表面，改善了第二p+掺杂区域12的偏置。而且，该p+掺杂侧部区域15使得能够避免光电二极管1的的空间电荷区延伸到侧边缘10c。该空间电荷区(其可能具有制作沟槽而产生的缺陷)对暗电流的贡献由此被限制。光电二极管1的性能由此得到改善。
此外，半导体检测部10是基于锗的，例如由锗制成，并且p+掺杂侧部23是基于硅的，例如由掺杂的多晶硅制成。半导体检测部10有利地具有可在用于制作p掺杂外围区域14的扩散退火期间形成的基于硅锗的侧部区16。侧部区16与侧边缘10c平齐，并与p+掺杂侧部23平齐。侧部区16的带隙能量由此比由锗制成的半导体检测部10更大。该侧部“间隙开口”使得能够减小光电二极管1对存在于沟槽附近的缺陷的敏感度。光电二极管1的性能由此也得到改善。
光电二极管1还具有用于反向偏置每个光电二极管1的电路。在该例子中，电流使得能够使得光电二极管1从第一面10a偏置。如下所述，电路可以具有延伸穿过钝化层20的穿孔并与第一n+掺杂区域11和p+掺杂侧部23接触的接触金属。
在该方面，图1B是属于光电二极管阵列的并且通过根据另一实施例的制造方法获得的钝化平面光电二极管1的局部横截面示意图。光电二极管1与参照图1A所述的不同之处主要在于，半导体结是PN类型的。中间区域13则在此是p掺杂的，并且第二区域是p+掺杂的。
由n掺杂半导体材料制成的中央部25面对(即垂直于)第一n+掺杂区域11并有助于确保其偏置。如在下文中详细说明的，该中央部25用于在半导体检测部10中制作第一n+掺杂区域11。具体地说，第一n+掺杂区域11通过包含在中央部25中的n型掺杂元素(例如：磷、砷、锑)的扩散形成。这使得能够避免通过将n型掺杂元素(例如磷)直接离子注入到半导体检测部10中来形成第一n+掺杂区域11。由此避免向半导体检测部10的锗进行离子注入可能产生的缺陷。光电二极管1的性能由此也得到改善。
上部隔离层30覆盖钝化层20。它能够确保将光电二极管阵列机械组装并电连接到控制芯片(未示出)。上部隔离层30由介电材料制成，例如氧化硅或氮化硅，或甚至由例如氧化铝或氧化铪等制成。它具有面对第一n+掺杂区域11和p+掺杂侧部23的贯穿开孔。它们每个填充有与由硅化镍制成的薄的反射性导电部31接触的接触金属32，反射导电部31具有低电阻率并还用作对来自第二面10b(该第二面起到光学接收面的作用)的入射光辐射的反射器。入射光辐射在半导体检测部中的吸收比例由此得到改善。接触金属32与侧部23和上部区域11(经由中央部25)电接触，以反向偏置光电二极管。
现在参照图2A至2L说明根据图1B所示的实施例的一个变型的用于制造光电二极管阵列的方法的一个例子。在该例子中，光电二极管1由锗制成，并具有PIN结，并设计为检测SWIR范围中的红外线辐射。光电二极管1是平面的并且是钝化的，并从第一面10a反向偏置。
在第一步骤中(图2A)，制作第一单晶锗半导体子层42.1。第一半导体子层42.1通过由氧化硅制成的下部隔离层41附接到由硅制成的支撑层40。该堆叠采用GeOI(即Germanium On Insulator，绝缘体上锗)衬底的形式。该堆叠优选地通过在以下文献所述的方法来制作：Reboud等人的Structural and optical properties of 200mm germanium-on-insulator(GeOI)substrates for silicon photonics applications,Proc.SPIE9367,Silicon Photonics X,936714(February 27,2015)。这样的方法的优点是制作完全没有或具有低水平的结构性缺陷(例如错位)的锗半导体子层42.1。锗可以是不是有意掺杂的，或是掺杂的，例如p掺杂的。半导体子层42.1可具有从20nm到大约500nm的厚度，例如等于大约300nm，并且可以覆盖有由氧化硅制成的保护性层(未示出)。下部隔离层41(BOX，即Buried Oxide，掩埋氧化物)可具有从50nm到1μm的厚度，并有利地提供防反射功能。
然后由锗制成的第一子层(下部子层)42.1掺杂第二导电类型(p型)，当第一子层42.1初始由本征锗制成时，通过离子注入例如硼或镓的掺杂物。已通过表面清洁去除保护性层(如适用的话)，并且第一锗子层42.1可覆盖有厚度为数十纳米(例如等于20nm)的预注入氧化物层(未示出)。锗子层42.1具有从大约1018到1020at/cm3的掺杂水平。掺杂物可以然后在氮下在可以从600℃到800℃(例如等于800℃)的温度下扩散退火数分钟至数小时，例如1小时。
在随后的步骤中(图2B)，第二锗半导体子层42.2自第一子层42.1外延地制作。两个子层42.1、42.2用于形成光电二极管阵列的共平面的锗半导体检测部10。第二子层(中间子层)42.2例如通过化学气相沉积(CVD)或通过其它任何外延生长技术来外延地形成。可实施退火操作以减小子层42.2中的错位率。之前已经通过表面清洁去除了预注入氧化物层(如果适用的话)。第二锗子层42.2是本征的，即没有有意掺杂。它用于形成光电二极管1的光吸收区。它的厚度取决于在光电二极管1的情况下待检测的光辐射的波长范围。在SWIR光电二极管的情况下，本征锗子层42.2具有例如从0.5μm到3μm的厚度，优选地等于1.5μm的厚度。
在随后的步骤中(图2C)，沉积钝化层20以连续地覆盖第二子层42.2的上部面，即以覆盖光电二极管的半导体检测部。钝化层20由介电材料制成，例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。第二子层42.2的上部面可以是已经被清洁的。钝化层20可以具有从10nm到600nm的厚度。
在随后的步骤中(图2D)，在钝化层20中通过光刻和蚀刻制作通孔22。通孔22由此在半导体检测部10的上部面10a上开口。它们面对可能会展示出反型现象的区(耗尽区或反型区)，并围绕半导体检测部10的中央部分，在该中央部分中要形成第一n+掺杂区域11。对于每个光电二极管，通孔22连续地围绕中央部分。这些通孔22可在XY平面中具有不同的图案，例如圆形或方形图案。通孔22的宽度取决于光电二极管阵列的敏感像素间距，并可以例如为从1μm到100μm。
还可以同时制作每个面对光电二极管的中央部分的通孔26。宽度(例如在圆形通孔26的情况下的直径)尤其取决于第一n+掺杂区域11的期望宽度。它可以为从0.3μm到5μm。
在随后的步骤中(图2E)，通过光刻和蚀刻来制作用于像素化光电二极管1并有助于反向电偏置光电二极管的沟槽24。由此实施钝化层20、本征锗子层42.2和p+掺杂锗子层42.1的局部蚀刻，直至它们在下部隔离层41的上部面上开口。每个沟槽24由此优选地围绕光电二极管连续地延伸。由此获得通过连续的沟槽24彼此分隔的多个半导体检测部10。它们优选地是使用各向异性蚀刻来获得的，以获得大致沿着Z轴竖直的侧边缘10c。沟槽24在XY平面中的横向尺寸(宽度)可以从300nm到2μm，例如，1μm。半导体检测部10可由此在XY平面中具有例如圆形、椭圆形、多边形(例如方形)的形状，或其它任何形状。
在随后的步骤中(图2F)，制作外围部21，并且有利地，同时制作侧部23和中央部25。为了该目的，沉积掺杂的半导体材料，以填充沟槽24和通孔22、26。半导体材料优选地是基于硅的材料，例如非晶硅、多晶硅、硅锗或甚至非晶锗。半导体材料掺杂第二导电类型，在此为p型硼或镓。由此，有利地基于锗的相同掺杂的半导体材料填充沟槽24，并形成侧部23，还形成外围部21和中央部25。由此经由沟槽与侧边缘10c接触，并且经由外围通孔22和中央通孔26与半导体检测部10的上部面10a接触。然后实施化学-机械抛光(CMP)步骤，并在钝化层20的上部面上停止，以去除多余的半导体材料并平整由钝化层20和半导体材料形成的上部面。由此在沟槽中获得p掺杂侧部23，在该例子中p掺杂外围部21围绕p掺杂中央部25。
在随后的步骤中(图2G)，将p型掺杂元素(例如硼)离子注入到侧部23中，以在其整个厚度上获得p+掺杂侧部23，其掺杂水平例如从1019到1021at/cm3。离子注入是通过在感光树脂43中形成的通孔局部地来实施的。感光树脂43然后被去除。
在随后的步骤中(图2H)A，制作掺杂第二导电类型(在此为p型)的外围区域14，其围绕要容纳第一n+掺杂区域11的中央部分。为了该目的，实施扩散退火，例如在从700℃到800℃的温度下，时长为例如从10分钟到5小时，以确保存在于外围部21中的掺杂元素(在本例子中为硼)通过第一面10a扩散到中间区域13。同时，还通过掺杂元素从p+掺杂侧部23扩散到中间区域13来形成p+掺杂侧部区域15。而且，同时，通过半导体检测部10的锗与侧部23的硅之间的相互扩散形成具有间隙开口的侧部区16。
在随后的步骤中(图2I和2J)，制作掺杂第一导类型(在此为n+类型)的第一区域11。为了该目的，通过感光树脂44中的通孔，限定对于n型掺杂物(例如磷或砷或锑)的离子注入区。该通孔面对光电二极管1的中央部分，并且在XY平面中的尺寸对应于第一掺杂区域11的期望尺寸。它们可例如为从300nm到90μm。第一n+掺杂分别11分两个阶段制作：首先，通过树脂44中的孔实施离子注入掺杂物(例如磷)到初始p掺杂的中央部25中，以使得它是n+掺杂的。感光树脂44可然后被去除。然后实施至少一个确保n型掺杂元素从n+掺杂中央部25扩散到半导体检测部10的退火操作，例如在800℃的第一温度下退火5分钟，然后在600℃到700℃的第二温度下退火10秒到60秒。通过该两阶段步骤，由此限制与直接将n型掺杂元素离子注入半导体检测部10中相关的缺陷。
因此，第一n掺杂区域11形成了在XY平面中并且沿着-Z方向被本征锗中间区域区13限定的掺杂阱。它们优选被n+过掺杂，因此可以具有大约在1019到1021at/cm3之间的掺杂水平。该新的扩散退火导致形成外围部14的p型掺杂剂(硼)在锗内的额外扩散。然而，由于硼的扩散小于磷的扩散，因此p掺杂的外围区域14和p+掺杂的侧区域15的尺寸基本不变或几乎不变。因此，在半导体检测部10内获得第一n+掺杂区域11，其由由本征锗制成的中间区域13界定，并且在XY平面内被位于第一面10a的p掺杂外围区域14包围。
在随后的步骤(图2K)中，有利地制造由用于入射光辐射的导电反射材料制成的薄反射部31。该材料优选是过渡金属的硅化物，例如硅化镍NiSi2。为此，沉积例如厚度为9nm的镍Ni的连续薄层，以便连续覆盖钝化层20的上表面和基于硅的p掺杂部，随后沉积连续的、厚度例如为10nm的氮化钛TiN的薄层。然后进行硅化退火，例如在300℃至400℃下持续几十秒，以形成与侧部23、外围部21和中央部25接触的NiSi2的局部区域31。湿法蚀刻步骤使得可以去除未硅化的区域。由此获得NiSi2的薄的导电反射部31。
然后沉积上部隔离层30，以覆盖钝化层20以及薄反射部31。上部隔离层30由介电材料制成，例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅、氧化铝或氮化铝、氧化铪等。上部隔离层30可具有例如从10nm到500nm的厚度。
最后，制作延伸穿过上部隔离层30并与面对侧部23和中央部25的薄反射部31接触的接触金属32。在该情况中，外围部21不旨在是偏置的，但作为变型，它们可以是偏置的，以或大或小程度地改变空间电荷区。可以常规地通过用至少一种金属材料(基于钛的屏障层，铜芯)填充穿过上部隔离层30的通孔，然后是CMP平面化步骤，来制作接触金属32。
在随后的步骤中(图2L)，由此获得的光电堆叠混成在控制芯片50上。控制芯片50的连接面可由此覆盖有由介电材料制成的隔离层51，接触金属51穿过该隔离层。光电堆叠和控制芯片50由此通过由接触金属32、52和隔离层30、51形成的面之间的接触，通过混成分子粘附组成。可实施键合退火以增大接触的两个面之间的表面键合能量。
支撑层40然后被去除，例如通过打磨(研磨)，以暴露下部隔离层41。这由此形成待检测的光辐射的接收面，并有利地提供减反射功能。
所述制造方法由此使得能够获得一个或更多个平面且钝化的光电二极管1，其外围区域14围绕第一掺杂区域11，使得能够限制可能与钝化层20相关的暗电流的表面分量。
此外，只要外围区域14由掺杂物从由掺杂的半导体材料制成的外围部21的扩散来形成(在通过离子注入形成第一掺杂区域11之前是这样的)，制造方法使得能够保持第一掺杂区域11的尺寸。由此，消除了由于过度改变第一掺杂区域11的尺寸而使光电二极管1短路的任何风险。
而且，光电二极管1的性能还尤其通过以下特征而得到改善：位于侧边缘10c处的外侧间隙开口区16、位于侧边缘10c处的p掺杂侧部区域15、薄反射部31、通过掺杂物扩散而不是直接离子注入到半导体检测部10中而获得的第一掺杂区域11。而且，当侧部23、外围部21和中央部25同时制作并由同一掺杂的半导体材料制成时，所述制造方法被简化。
已说明了具体实施例。各种更改和变型对于本领域技术人员会是明显的。
由此，如在图3A和3B中以平面视图所示出的，外围区域14中每个可围绕对应的第一掺杂区域11连续地(图3A)或不连续地(图3B)延伸。在后一情况中，外围部14在XY平面中可以具有各种图案，例如，如在此所示的十字形图案，或任何其它合适的图案。
而且，如在图3C中以截面视图示意性地示出的，所述制造方法还使得能够获得通过在XY平面中的足够距离彼此光学地隔离的钝化平面光电二极管1的阵列。光电二极管1则不通过围绕它们的沟像素化。第一n+掺杂区域11通过接触金属(未示出)与第一面10a偏置，并且第二p+掺杂区域12可通过位于第一面10a处并通过导电沟连接到第一面10a的或位于第二面10b的接触金属偏置。

Claims (14)

1.一种用于制造至少一个钝化平面光电二极管(1)的方法，其包括以下步骤：
i)制作半导体检测部(10)，其具有彼此相对并与所述光电二极管(1)的主平面平行的第一面和第二面(10a、10b)，并且具有：
o中间区域(13)，其与所述第一面(10a)平齐；
o下部区域(12)，其掺杂成第二导电类型并且与所述第二面(10b)平齐；
ii)沉积由介电材料制成的覆盖所述第一面(10a)的钝化层(20)，并且在所述钝化层(20)中形成至少一个通孔(22)，所述通孔在所述第一面(10a)上开口并且在所述主平面中至少部分地围绕所述半导体检测部(10)的中央部分；
iii)制作与所述下部区域(12)接触的侧部(23)，其由掺杂成第二导电类型的半导体材料制成并且要被电偏置；
其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
iv)制作至少一个外围部(21)，其由包含具有第二导电类型的掺杂元素的半导体材料制成，位于所述第一面(10a)上并通过所述通孔(22)与所述第一面(10a)接触；
v)退火，确保所述掺杂元素从所述外围部(21)扩散到所述半导体检测部(10)，由此在所述半导体检测部(10)中形成掺杂成第二导电类型的外围区域(14)，所述外围区域(14)与所述第一面(10a)平齐并且在所述主平面中围绕所述中央部分，在所述主平面中位于上部区域(11)与所述侧部(23)之间并与所述上部区域(11)和所述侧部(23)中的每个相距非零的距离，其中
所述外围区域(14)位于所述中间区域(13)内；
vi)在所述半导体检测部(10)的中央部分中制作所述上部区域(11)，其掺杂成与第二类型相反的第一导电类型并要被电偏置，其与所述第一面(10a)平齐并且通过所述中间区域(13)与所述下部区域(12)分隔，并在所述主平面中被所述外围区域(14)围绕。
2.根据权利要求1所述的方法，所述退火步骤还确保具有第二导电类型的掺杂元素从所述侧部(23)扩散到所述半导体检测部(10)，由此在所述半导体检测部(10)中形成掺杂成第二导电类型的侧部区域(15)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述半导体检测部(10)是基于锗的，并且所述侧部(23)是基于硅的，所述退火步骤还确保硅从所述侧部(23)扩散到所述半导体检测部(10)，由此在所述半导体检测部(10)中形成基于硅-锗的侧部区(16)。
4.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤：
-制作由感兴趣的半导体材料制成的堆叠，所述堆叠由中间子层(42.2)和掺杂成第二导电类型的下部子层(42.1)形成；
-制作延伸通过所述下部子层和中间子层(42.1、42.2)的堆叠的沟槽(24)，由此限定所述光电二极管(1)的半导体检测部(10)；
-通过在所述钝化层(20)的通孔(22)中和所述沟槽(24)中沉积掺杂成第二导电类型的半导体材料，同时制作所述侧部(23)和所述外围部(21)。
5.根据权利要求1所述的方法，包括制作至少一个反射部(31)的步骤，所述至少一个反射部在与所述半导体检测部(10)相反的面上与所述外围部(21)接触，由对要由所述光电二极管(1)检测的入射光辐射有反射性的材料制成。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过在所述外围部(21)上沉积由金属材料制成的层来获得所述反射部(31)，所述外围部是基于硅的；然后进行硅化退火，由此形成由硅化的金属材料制成的反射部(31)。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，制作掺杂的上部区域(11)的步骤包括以下子步骤：
-制作由掺杂成第一导电类型的半导体材料制成的中央部(25)，其设置在位于所述中央部分中的钝化层(20)的中央通孔(26)中，
并与所述第一面(10a)接触；
-退火，确保具有第一导电类型的掺杂元素从所述中央部(25)扩散到所述半导体检测部(10)，由此所述形成上部区域(11)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，制作所述中央部(25)的步骤包括以下子步骤：
-在所述中央通孔(26)中沉积与所述外围部(21)的材料相同的掺杂成第二导电类型的半导体材料；
-在所述中央部(25)中离子注入具有第一导电类型的掺杂元素。
9.一种钝化平面光电二极管(1)，其具有：
o半导体检测部(10)，其具有彼此相对并且与所述光电二极管(1)的主平面平行的第一面和第二面(10a、10b)，并且具有：
·上部区域(11)，其掺杂成第一导电类型并与所述第一面(10a)平齐；
·下部区域(12)，其掺杂成与第一导电类型相反的第二导电类型并与所述第二面(10b)平齐；
·中间区域(13)，其位于所述上部区域(11)和所述下部区域(12)之间并在所述主平面中围绕所述上部区域(11)；
o覆盖所述第一面(10a)的钝化层(20)，其具有通孔(22)，每个通孔填充有外围部(21)，外围部(21)由包含具有第二导电类型的掺杂元素的半导体材料制成，位于所述第一面(10a)上并且通过所述通孔(22)与所述第一面(10a)接触；
o与所述下部区域(12)接触的侧部(23)，其由掺杂成第二导电类型的半导体材料制成并且要被电偏置；
其特征在于，所述半导体检测部(10)具有：
·外围区域(14)，其掺杂成第二导电类型，与所述第一面(10a)平齐并且在所述主平面中围绕所述上部区域(11)，并且在所述主平面中位于所述上部区域(11)与所述侧部(23)之间并与所述上部区域(11)和所述侧部(23)中的每个相距非零距离，其中所述外围区域(14)位于所述中间区域(13)内。
10.根据权利要求9所述的光电二极管(1)，具有由掺杂成第一导电类型的半导体材料制成的中央部(25)，所述中央部通过所述钝化层(20)的通孔(26)与所述上部区域(11)接触。
11.根据权利要求10所述的光电二极管(1)，其中，所述外围部(21)和所述中央部(25)涂覆有由硅化金属材料制成的反射部(31)。
12.根据权利要求9所述的光电二极管(1)，具有掺杂成第二导电类型的侧部(23)，其与所述半导体检测部(10)接触并在主平面中围绕所述半导体检测部，并且其中，所述半导体检测部(10)具有掺杂成第二导电类型并与所述侧部(23)接触的侧部区域(15)。
13.根据权利要求12所述的光电二极管(1)，其中，所述半导体检测部(10)是基于锗的，并且所述侧部(23)是基于硅的，所述半导体检测部(10)具有与所述侧部(23)接触的基于硅-锗的侧部区(16)。
14.一种光电设备，其具有根据权利要求9所述的光电二极管(1)的阵列，其中，所述光电二极管(1)在主平面中是共平面的。
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