CN114597224A - 包含异构光电二极管类型的像素阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包含异构光电二极管类型的像素阵列，揭露一种包含多个光电二极管的结构和制造包括多个光电二极管的结构的方法。衬底具有延伸到衬底中的第一深度的第一沟槽和延伸到衬底中大于第一深度的第二深度的第二沟槽。第一光电二极管包括位于第一沟槽中的包含第一材料的第一光吸收层。第二光电二极管包括位于第二沟槽中的包含第二材料的第二光吸收层。第一材料和第二材料各自包括锗。

Description

包含异构光电二极管类型的像素阵列
技术领域
本发明涉及光子芯片(photonics chip)，更具体地，涉及包括多个光电二极管(photodiode)的结构和制造包括多个光电二极管的结构的方法。
背景技术
红外波长运动检测系统，例如光检测和测距(Light Detection and Ranging；LIDAR)系统，可以使用锗光电二极管作为传感器。当光子被吸收并产生电子-空穴对(electron-hole pair)时，光电二极管通过光电效应将撞击电磁辐射转换为自由电荷载流子。锗在红外波长范围和可见波长范围内表现出高光子吸收。相反，硅光电二极管在可见光波长范围内表现出高光子吸收，但在红外波长范围内表现出较差的光子吸收。
光电二极管产生自由电荷载流子的能力取决于构成光电二极管的光吸收材料的带隙(bandgap)等因素。带隙是材料的电子能带结构中电子价带与导带之间的距离。本质上，带隙表示将电子从价带激发到导带状态所需的最小能量。一般而言，具有较低能带隙的材料在特定波长处具有较高的吸收系数。硅是红外波长的低效光电二极管材料，因为它的大带隙。相反，锗是可见光和红外波长两者的有效光电二极管材料，因为它的高吸收系数。
需要改进的包括多个光电二极管的结构和制造包括多个光电二极管的结构的方法。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种结构包括衬底，具有延伸到衬底中的第一深度的第一沟槽和延伸到大于第一深度的衬底中的第二深度的第二沟槽。第一光电二极管包括由位于第一沟槽中的第一材料构成的第一光吸收层。第二光电二极管包括由位于第二沟槽中的第二材料构成的第二光吸收层。第一材料和第二材料均包括锗。
在本发明的一个实施例中，一种方法包括形成延伸到衬底中的第一深度的第一沟槽和延伸到衬底中大于第一深度的第二深度的第二沟槽；形成第一光电二极管，包括由位于第一沟槽中的第一材料构成的第一光吸收层；以及形成第二光电二极管，包括由位于第二沟槽中的第二材料构成的第二光吸收层。第一材料和第二材料均包括锗。
附图说明
包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的各种实施例，并且与上面给出的本发明的一般描述和下面给出的实施例的详细描述一起用于解释本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记表示不同附图中的相同特征。
图1-图5是根据本发明实施例的处理方法的连续制造阶段的结构的截面图。
图6是根据本发明的替代实施例的结构的俯视图。
图7-图8是根据本发明实施例的处理方法的连续制造阶段的结构的截面图。
主要组件符号说明
10 结构
11 顶面
12 浅沟槽隔离区域
13 顶面
14 衬底
16 阱
18 掺杂区域
20 主体接触
22 沟槽
24 沟槽
26 蚀刻掩模
28 光吸收层
29 顶面
30 光吸收层
31 顶面
32 层
34 硅化物层
36 介电层
38 深沟槽隔离区域
40 介电层
44 沟槽
45 顶面
46 光吸收层
50 像素阵列
d1至d3 深度。
具体实施方式
参考图1并根据本发明的实施例，结构10包括浅沟槽隔离区域12，其形成在限定于衬底14的上部的阱(well)16中。阱16可以通过例如离子注入而形成且可以被轻掺杂以具有p型导电性。衬底14可由单晶半导体材料例如单晶硅构成。浅沟槽隔离区域12可以通过用光刻和蚀刻工艺在衬底14中图案化沟槽、在沟槽中沉积诸如二氧化硅的介电材料、并用化学机械抛光来抛光所沉积的介电材料而形成。浅沟槽隔离区域12可具有与衬底14的顶面13共面或实质上共面的顶面11。
浅沟槽隔离区域12围绕衬底14的部分。掺杂区域18可以形成在衬底14的这些部分之一，并且衬底14的这些部分中的另一个可以定义主体接触(body contact)20，提供接触阱16的通路。掺杂区域18和主体接触20可以与衬底14的顶面13相交。掺杂区域18可以延伸到衬底14中比浅沟槽隔离区域12更深的深度。掺杂区域18可以具有与阱16相反的导电类型。在一个实施例中，掺杂区域18的半导体材料可以掺杂有n型掺杂剂(例如，磷和/或砷)，其在激活之后提供n型导电性。
掺杂区域18可以通过例如离子注入形成，其中注入掩模包括在用于掺杂区域18的预期位置上方的开口。注入掩模可包括一层光刻胶，其通过旋涂工艺施加、预烘烤、暴露于通过光掩模投射的光、曝光后烘烤并用化学显影剂显影。可以选择注入条件(例如，离子种类、离子剂量、动能)来调整掺杂区域18的特性。可以在形成掺杂区域18之后剥离注入掩模。
参考图2，其中相同的附图标记指代与图1中相同的特征，并且在随后的制造阶段，形成完全延伸穿过一个或多个浅沟槽隔离区域12并到达一个或多个浅沟槽隔离区域12下方的衬底14中的阱16的浅深度。沟槽22与沟槽24横向间隔开。沟槽22、24可以通过光刻和蚀刻工艺图案化，并且沟槽22、24可以延伸到相对于衬底14的顶面13的深度d1。在这方面，可以形成蚀刻掩模，其包括一层光敏材料，例如光刻胶，通过旋涂工艺施加、预烘烤、暴露于通过光掩模投射的光、曝光后烘烤、并且用化学显影剂显影以在用于沟槽22、24的预期位置处限定开口，然后可以使用蚀刻工艺来形成沟槽22、24。
参考图3，其中相同的附图标记指代与图2中相同的特征，并且在随后的制造阶段，沟槽24被加深到比沟槽22更深的深度。沟槽24可以通过光刻和在不增加沟槽22的深度并且不对掺杂区域18进行任何修改的情况下，相对于衬底14的顶面13通过蚀刻工艺至深度d2。在这方面，可以形成蚀刻掩模26，其包括一层光敏材料，例如光刻胶，通过旋涂工艺施加、预烘烤、暴露于通过光掩模投射的光、曝光后烘烤、且用化学显影剂显影以在沟槽24的位置定义开口，然后可以使用蚀刻工艺蚀刻衬底14，从而增加沟槽24的深度。蚀刻掩模26在蚀刻工艺期间填充沟槽22并覆盖掺杂区域18和主体接触20。在加深沟槽24之后剥离蚀刻掩模26。
参考图4，其中相同的附图标记指代图3中的相同特征，并且在随后的制造阶段，在沟槽22中形成光吸收层28，并且在沟槽22中形成光吸收层30。光吸收层28、30可以由单晶半导体材料构成，该单晶半导体材料从围绕每个沟槽22、24的下部的衬底14的表面在沟槽22、24内外延生长。在一个实施例中，光吸收层28、30可以同时形成。在一个实施例中，光吸收层28、30可以单独形成，这可以使得它们能够由不同的材料形成。在一个实施例中，沟槽24的深度可以大于或等于四(4)微米，这可以将使用光吸收层30形成的光电二极管的灵敏度扩展到近红外范围(大约1.4微米)之外。
在一个实施例中，光吸收层28、30可以包含相同的材料。在一个实施例中，光吸收层28、30可以包含不同的材料。在一个实施例中，光吸收层28和/或光吸收层30可以由锗构成。在一个实施例中，光吸收层28和/或光吸收层30可以由包含硅和锗的合金(即，硅-锗合金)构成。在一个实施例中，光吸收层28的材料与光吸收层30的材料为锗。在一个实施例中，光吸收层28和/或光吸收层30可以由包含锗和锡的合金(即，锗-锡合金)构成，这可以扩展使用光吸收层28形成的光电二极管和/或使用光吸收层30形成的光电二极管的灵敏度到二(2)微米至三(3)微米范围内的波长。
光吸收层28、30可以通过选择性外延生长工艺形成。光吸收层28、30可以在外延生长期间原位掺杂有浓度的掺杂剂，例如提供n型导电性的n型掺杂剂(例如砷或磷)。光吸收层28、30可以具有与阱16相反的导电类型。在替代实施例中，光吸收层28、30可以在外延生长之后用化学机械抛光进行回蚀刻和抛光，以平坦化光吸收层28的顶面29和光吸收层30的顶面31。
在一个实施例中，光吸收层28、30两者可以完全位于顶面11和/或顶面13处和下方。在一个实施例中，光吸收层28、30的顶面29、31可以与浅沟槽隔离区域12的顶面11共面或实质上共面。在一个实施例中，顶面29、31可以与衬底14的顶面13共面或实质上共面。在一个实施例中，顶面29、31可以与浅沟槽隔离区域12的顶面11和衬底14的顶面13共面或实质上共面。在一个实施例中，顶面29、31可以不彼此共面和/或与浅沟槽隔离区域12的顶面11或衬底14的顶面13共面。
参考图5，其中相同的附图标记指代图4中的相同特征，并且在随后的制造阶段，在光吸收层28、30上方形成一层32。在一个实施例中，层32可以与光吸收层28、30的顶面29、31直接物理和电接触。层32可以由诸如掺杂多晶硅之类的导体构成，其被沉积然后通过光刻和蚀刻工艺图案化。在一个实施例中，层32可以由n型多晶硅构成。在一个实施例中，层32可以被掺杂以具有与光吸收层28、30相同的导电类型。
硅化物层34可以通过硅化工艺在主体接触20的上部形成。可以由氮化硅构成的介电层36布置在结构10上方并且可以包括来自硅化物阻挡层和阻挡层的个别贡献。可以由二氧化硅构成的深沟槽隔离区域38可以形成在与掺杂区域18相邻的衬底14中图案化的沟槽中。可以在介电层36上方形成接触级(contact level)的介电层40。介电层40可以由二氧化硅构成，并且部分介电层40可以为深沟槽隔离区域38提供介电材料。
中段制程(middle-of-line)和后端制程(back-end-of line)处理随后形成互连结构，该互连结构包括与主体接触20和层32连接的金属部件。可以在互连结构上方形成透镜，其聚焦入射电磁辐射到光吸收层28、30和掺杂区域18。
掺杂区域18提供用作由硅构成的光电二极管的检测器组件的光吸收层。光吸收层28用作由锗构成的光电二极管的检测器组件。光吸收层30也用作光电二极管的检测器组件，该光电二极管也由锗构成，但是形成在沟槽24中的深度大于其中形成光吸收层28的沟槽22的深度。光电二极管在电磁频谱的不同波长范围内可具有不同的灵敏度。包括光吸收层30的光电二极管可以具有比包括光吸收层28的光电二极管和包括掺杂区域18的光电二极管更长的红外波长灵敏度。包括掺杂区域18的光电二极管可以仅对可见光敏感。
具有不同带隙和不同吸收长度的光电二极管可以位于相同的光学检测器或成像器阵列上并且被单片集成在相同的衬底14中。例如，在室温下，掺杂区域18的材料的能带隙可以大于光吸收层28、30的材料的能带隙。例如，在室温下，硅可以具有1.12电子伏特(electron volt；eV)的能带隙，锗可以具有0.66eV的能带隙，并且锗-锡合金的能带隙可能小于锗的能带隙。来自不同光电二极管的测量光电流的组合可以允许区分可见光和红外波长的电磁辐射。
参考图6并根据本发明的实施例，可以将包括光吸收层28的光电二极管、包括光吸收层30的光电二极管和包括掺杂区域18的光电二极管复制为像素且放置在像素阵列50中的位置。光电二极管可以在像素阵列50中按行和列布置，其中不同类型的光电二极管可以按行交替并且也可以按列交替。像素阵列中的光电二极管可以在不需要传统滤光器的情况下运作。
在像素阵列50中，与包括光吸收层28的光电二极管相比，包括光吸收层30的光电二极管可以产生更强的信号用于入射具有更长波长(例如，1.5微米)的光，并且包括掺杂区域18的光电二极管可以实质上不产生信号。在像素阵列50中，与包括光吸收层30的光电二极管相比，包括光吸收层28的光电二极管可以产生更强的信号用于入射具有稍短波长(例如，1.1微米)的光，并且包括掺杂区域18的光电二极管可以实质上不产生信号。在像素阵列50中，包括掺杂区域18的光电二极管可以产生与包括光吸收层30的光电二极管和包括光吸收层28的光电二极管一样强的用于入射具有可见光或近可见光波长(例如，850纳米)的光的信号。
参考图7并且根据本发明的实施例，结构10可以修改为包括沟槽44。在一个实施例中，沟槽44可以具有等于沟槽24的深度d3。可以通过用于形成沟槽24的相同制造阶段与沟槽24平行地同时形成沟槽44。
参考图8，其中相同的附图标记指代图7中的相同特征，并且在随后的制造阶段，形成包括位于沟槽44内部的光吸收层46的附加光电二极管。在一个实施例中，光吸收层46可以具有与顶面11、29、31共面或实质上共面的顶面45。在一个实施例中，光吸收层46的顶面45可以与顶面13、29、31共面或实质上共面。在一个实施例中，光吸收层46的顶面45可以与顶面11、13、29、31共面或实质上共面。光吸收层46可以完全位于顶面11和/或顶面13处和下方。
在一个实施例中，光吸收层46可以包括含有锗的材料，并且光吸收层28、30可以包括含有锗的不同材料。在一个实施例中，光吸收层46的材料可以是锗-锡，而光吸收层28的材料和光吸收层30的材料可以是锗。
处理可以如结合图5所描述的那样继续。特别地，层32也可以形成在光吸收层46上方。在一个实施例中，层32可与光吸收层46以及光吸收层28、30直接物理和电接触。
如上所述的方法用于制造集成电路芯片。所得集成电路芯片可由制造商以原始芯圆形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个芯圆)、作为裸片或以封装形式分发。芯片可以与其他芯片、分立电路组件和/或其他信号处理设备集成，作为中间产品或最终产品的一部分。最终产品可以是任何包括集成电路芯片的产品，例如具有中央处理器的计算机产品或智能手机。
本文对由近似语言修饰的术语的引用，例如“约”、“大约”和“实质上”，不限于指定的精确值。近似语言可能对应于用于测量值的仪器的精度，除非另外依赖于仪器的精度，否则可能表示所述值的+/-10％。
本文对诸如“垂直”、“水平”等术语的引用是作为示例而非限制，以建立参考框架。如本文所用，术语“水平”被定义为平行于半导体衬底的常规平面的平面，而不管其实际的三维空间取向。术语“垂直”和“正交”指的是垂直于水平线的方向，正如刚刚定义的那样。术语“横向”是指水平面内的方向。
与另一特征“连接”或“耦合”的特征可直接连接或耦合至另一特征或与其耦合，或者替代地，可存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则特征可以与另一特征“直接连接”或“直接耦合”。如果存在至少一个中间特征，则特征可以与另一特征“间接连接”或“间接耦合”。“在”另一特征上或“接触”另一特征的特征可直接在另一特征上或直接接触另一特征，或者替代地，可存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则特征可以与另一个特征“直接在上”或“直接接触”。如果存在至少一个中间特征，则特征可以与另一特征“间接在上”或“间接接触”。
本发明的各种实施例的描述是出于说明的目的而呈现的，但并非旨在穷举或限于所公开的实施例。在不脱离所描述实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。选择此处使用的术语以最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场中发现的技术的技术改进，或者使本领域普通技术人员能够理解此处公开的实施例。

Claims (20)

1.一种结构，包括：
衬底，包括延伸到该衬底中的第一深度的第一沟槽以及延伸到该衬底中的大于该第一深度的第二深度的第二沟槽；
第一光电二极管，包括由位于该第一沟槽中的第一材料构成的第一光吸收层；以及
第二光电二极管，包括由位于该第二沟槽中的第二材料构成的第二光吸收层，
其中，该第一材料和该第二材料各自包括锗。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，该第一材料与该第二材料的成分不同。
3.根据权利要求1所述的结构，其中，该第一材料具有与该第二材料相同的成分。
4.根据权利要求1所述的结构，其中，该第一材料是锗，且该第二材料是锗-锡合金。
5.根据权利要求1所述的结构，其中，该第一材料是锗，且该第二材料是锗。
6.根据权利要求1所述的结构，其中，该第一光吸收层和该第二光吸收层具有第一导电类型，且还包括：
该衬底中的阱，该阱具有与该第一导电类型相反的第二导电类型，
其中，该第一沟槽和该第二沟槽延伸到该阱中。
7.根据权利要求1所述的结构，其中，该衬底由单晶硅构成，且还包括：
第三光电二极管，包括由该衬底中的掺杂区域构成的第三光吸收层。
8.根据权利要求7所述的结构，其中，该第一光吸收层具有顶面，且该第二光吸收层具有与该第一光吸收层的顶面实质上共面的顶面，而该第三光吸收层具有与该第一光吸收层的顶面实质上共面的顶面。
9.根据权利要求1所述的结构，其中，该第一光吸收层具有顶面，且该第二光吸收层具有与该第一光吸收层的顶面实质上共面的顶面。
10.根据权利要求1所述的结构，其中，该衬底具有顶面，该第一光吸收层具有与该衬底的顶面实质上共面的顶面，且该第二光吸收层具有与该衬底的顶面实质上共面的顶面。
11.根据权利要求1所述的结构，还包括：
多个沟槽隔离区域，布置在该衬底中以围绕该第一沟槽和该第二沟槽。
12.根据权利要求1所述的结构，其中，该衬底包括延伸至第三深度的第三沟槽，且还包括：
第三光电二极管，包括由位于该第三沟槽中的第三材料构成的第三光吸收层，该第三材料由锗构成。
13.根据权利要求12所述的结构，其中，该第一材料和该第二材料是锗，且该第三材料是锗-锡合金。
14.根据权利要求12所述的结构，其中，该第三深度实质上等于该第二深度。
15.一种方法，包括：
形成延伸到衬底中的第一深度的第一沟槽和延伸到该衬底中的大于该第一深度的第二深度的第二沟槽；
形成第一光电二极管，其包括由位于该第一沟槽中的第一材料构成的第一光吸收层；以及
形成第二光电二极管，其包括由位于该第二沟槽中的第二材料构成的第二光吸收层，
其中，该第一材料和该第二材料各自包括锗。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，该第一光吸收层具有顶面，且该第二光吸收层具有与该第一光吸收层的顶面实质上共面的顶面。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，该衬底具有顶面，该第一光吸收层具有与该衬底的顶面实质上共面的顶面，且该第二光吸收层具有与该衬底的顶面实质上共面的顶面。
18.根据权利要求15的方法，其中，该第一材料是锗，且该第二材料是锗-锡合金。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，该衬底由单晶硅构成，且还包括：
形成第三光电二极管，其包括由该衬底中的掺杂区域构成的第三光吸收层。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，该衬底包括延伸到第三深度的第三沟槽，且还包括：
形成第三光电二极管，其包括由位于该第三沟槽中的第三材料构成的第三光吸收层，
其中，该第一材料与该第二材料为锗，该第三材料为锗-锡合金，且该第三深度实质上等于该第二深度。
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