CN115039225A - 光传感器设备及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可以减小暗电流并提高灵敏度的光传感器设备及其制备方法。所述光传感器设备包括：基板(1‑13)；形成于所述基板(1‑13)上的锗或锗硅层，所述锗或锗硅层包括n型锗或锗硅层(1‑2)和p型锗或锗硅层(1‑3)；由p型硅或硅锗层(1‑4)组成的导电层，所述导电层形成于所述锗或锗硅层的顶部和侧面。所述制备光传感器设备的方法包括：提供基板(1‑13)；在所述基板(1‑13)上形成锗或锗硅层，所述锗或锗硅层包括n型锗或锗硅层(1‑2)和p型锗或锗硅层(1‑3)；形成由p型硅或硅锗层(1‑4)组成的导电层，所述导电层形成于所述锗或锗硅层的顶部和侧面。
Description
技术领域
本发明实施例涉及一种光感测功能，尤其涉及一种用于具有飞行时间(time-of-flight，TOF)传感器的成像装置的光传感器设备以及一种制备光传感器设备的方法。
背景技术
飞行时间(time-of-flight，TOF)传感器用于各种应用，例如智能手机的人脸识别、汽车自主驾驶的物体识别、黑暗中的广域监控、医疗保健和游戏。TOF传感器既可以作为固定计算设备的输入设备，也可以作为便携式计算设备的输入设备。就TOF摄像头而言，它使用红外光(人眼看不见的激光)来获取深度信息，这种方式与蝙蝠感知周围环境的方式有点类似。传感器发出光信号，该光信号击中物体并返回传感器。然后，测量接收所返回的光所需的时间，并提供深度映射功能。与其它技术相比，这种技术提供了巨大的优势，因为它可以使用单个激光脉冲精确测量整个场景中的距离。
TOF传感器存在两个问题：低灵敏度和暗电流，这两个问题会造成测量距离误差。
为了提高灵敏度，提出了一种硅基锗(germanium，Ge)光电二极管结构代替硅光电二极管用于硅(silicon，Si)光子器件中的近红外(near-infrared，NIR)光电二极管。光电二极管的灵敏度取决于光电二极管材料的吸收率。在厚度为2μm的光电二极管中，Ge的吸收率为90％，高于Si的吸收率(20％)。相应地，与Si光电二极管相比，Ge光电二极管的灵敏度提高了4.5倍。由于通过区分虚假信号(暗信号)和来自低反射物体的信号来清楚地检测检测信号，因此通过使用Ge来提高测量距离的精度。
暗电流是黑暗情况下的信号。即使在没有光信号的情况下，光电二极管也会产生少量电流，这是由于载流子的热产生所致。理想情况下，暗电流为零。然而，尤其是在锗表面，存在许多缺陷，从而导致暗电流的产生。其中一个主要缺陷是Ge具有许多悬挂键，另一个是由Si与Ge之间的晶格常数(4％)不匹配造成的缺陷。它们正常释放电子并移动到光电二极管。这会对信号产生不利影响，并导致测量距离误差。这是一个在产品中应用锗光电二极管面临的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以减少暗电流并提高灵敏度的光传感器设备及其制备方法。
第一方面提供了一种光传感器设备，所述光传感器设备包括：
第一基板；
形成于所述第一基板上的锗或锗硅层，所述锗或锗硅层包括n型锗或锗硅层和p型锗或锗硅层；
由p型硅或硅锗层组成的导电层，所述导电层形成于所述锗或锗硅层的顶部和侧面。
根据这种实现方式，在所述锗或锗硅层的顶部和侧面形成由p型硅或硅锗层组成的导电层。在Ge光电二极管的顶部和侧面制备p型Si层。因此，可以通过与Si原子键合来抑制悬挂键的缺陷，从而减少暗电流并提高测量距离的精度。此外，还可以检测高波长光(850nm、940nm和1550nm)。
此外，不需要在所述Ge光电二极管的顶部植入高浓度离子的金属电极。该结构可以减少所述Ge光电二极管表面的缺陷或损坏。
结合所述第一方面的一种可能的实现方式，所述导电层连接到邻近所述光传感器设备的另一光传感器设备的另一导电层。
根据这种实现方式，所述导电层连接到邻近所述光传感器设备的另一光传感器设备的另一导电层。因此，覆盖像素阵列的所述导电层可以简单地接地。
结合所述第一方面的一种可能的实现方式，所述光传感器设备还包括：
第一金属电极，所述第一金属电极连接到所述光传感器设备与所述另一光传感器设备中间的所述导电层。
根据这种实现方式，所述第一金属电极连接到所述光传感器设备与所述另一光传感器设备中间的所述导电层。因此，不需要在所述Ge层的顶部植入高浓度离子的金属电极。该结构可以减少所述Ge光电二极管表面的缺陷或损坏。此外，使用所述金属电极可以进一步减小光电二极管对地或电源的导线电阻。
结合所述第一方面的一种可能的实现方式，在所述第一基板与所述锗或锗硅层之间形成绝缘层，所述第一基板与所述锗或锗硅层通过置于所述绝缘层中的金属区域连接。
根据这种实现方式，在所述第一基板与所述锗或锗硅层之间形成绝缘层，所述第一基板与所述锗或锗硅层通过置于所述绝缘层中的金属区域连接。因此，可以独立地制备所述Ge光电二极管和所述硅基板，并将它们与芯片到芯片键合技术相结合。
结合所述第一方面的一种可能的实现方式，所述导电层具有平坦层，所述平坦层形成于所述锗或锗硅层的顶部并延伸，使得所述平坦层连接到所述另一光传感器设备的所述另一导电层。
根据这种实现方式，所述导电层具有平坦层，所述平坦层形成于所述锗或锗硅层的顶部并延伸，使得所述平坦层连接到所述另一光传感器设备的所述另一导电层。因此，可以进一步减小所述光电二极管对地或电源的导线电阻。
结合所述第一方面的一种可能的实现方式，所述光传感器设备还包括：
第二金属电极，所述所述第二金属电极连接到所述光传感器设备与所述另一光传感器设备中间的所述平坦层。
根据这种实现方式，第二金属电极连接到所述光传感器设备与所述另一光传感器设备中间的所述平坦层。因此，不需要在所述Ge层的顶部植入高浓度离子的金属电极。该结构可以减少所述Ge光电二极管表面的缺陷或损坏。此外，使用所述金属电极可以进一步减小光电二极管对地或电源的导线电阻。
结合所述第一方面的一种可能的实现方式，所述锗或锗硅层的上侧不会形成额外的金属电极。
根据这种实现方式，由于所述锗或锗硅层的上侧不会形成额外的金属电极，因此所述Ge光电二极管表面上不存在因蚀刻引起的缺陷或损坏。
结合所述第一方面的一种可能的实现方式，所述导电层和所述锗或锗硅层形成于第二基板中制备的沟槽中。
根据这种实现方式，所述导电层和所述锗或锗硅层形成于第二基板中制备的沟槽中。因此，可以独立于所述第一基板在所述第二基板中制备所述Ge光电二极管。
第二方面提供了一种成像系统，所述成像系统包括：
发射器单元，用于向物体发射光；
接收器单元，包括所述光传感器设备阵列，用于根据所接收的从所述物体反射的光输出信号；
处理单元，用于处理所述输出信号。
根据这种实现方式，成像装置包括光传感器设备阵列。因此，可以通过与Si原子键合来抑制悬挂键的缺陷，从而减少暗电流并提高测量距离的精度。
第三方面提供了一种制备光传感器设备的方法，所述方法包括：
提供第一基板；
在所述第一基板上形成锗或锗硅层，所述锗或锗硅层包括n型锗或锗硅层和p型锗或锗硅层；
形成由p型硅或硅锗层组成的导电层，所述导电层形成于所述锗或锗硅层的顶部和侧面。
结合所述第三方面的一种可能的实现方式，形成所述导电层包括：
形成所述导电层，以连接到邻近所述光传感器设备的另一光传感器设备的另一导电层。
结合所述第三方面的一种可能的实现方式，所述方法还包括：
形成第一金属电极，所述第一金属电极连接到所述光传感器设备与所述另一光传感器设备中间的所述导电层。
结合所述第三方面的一种可能的实现方式，所述方法还包括：
在所述第一基板与所述锗或锗硅层之间形成绝缘层，所述第一基板与所述锗或锗硅层通过置于所述绝缘层中的金属区域连接。
结合所述第三方面的一种可能的实现方式，形成所述导电层包括：
形成所述导电层，以使所述导电层具有平坦层，所述平坦层形成于所述锗或锗硅层的顶部并延伸，使得所述平坦层连接到所述另一光传感器设备的所述另一导电层。
结合所述第三方面的一种可能的实现方式，所述方法还包括：
形成第二金属电极，所述第二金属电极连接到所述光传感器设备与所述另一光传感器设备中间的所述平坦层。
第四方面提供了一种制备光传感器设备的方法，所述方法包括：
提供第一硅基板；
在第二硅基板中制备沟槽；
在所述沟槽上形成导电层，所述导电层由p型硅或硅锗层组成；
在所述沟槽中形成锗或锗硅层，使得所述导电层覆盖所述锗或锗硅层的顶部和侧面，其中，所述锗或锗硅层包括n型锗或锗硅层和p型锗或锗硅层。
结合所述第四方面的一种可能的实现方式，形成所述导电层包括：
形成所述导电层，以连接到邻近所述光传感器设备的另一光传感器设备的另一导电层。
结合所述第四方面的一种可能的实现方式，所述方法还包括：
形成第一金属电极，所述第一金属电极连接到所述光传感器设备与所述另一光传感器设备中间的所述导电层。
结合所述第四方面的一种可能的实现方式，所述方法还包括：
在所述第一基板与所述锗或锗硅层之间形成绝缘层，所述第一基板与所述锗或锗硅层通过置于所述绝缘层中的金属区域连接。
结合所述第四方面的一种可能的实现方式，形成所述导电层包括：
形成所述导电层，以使所述导电层具有平坦层，所述平坦层形成于所述锗或锗硅层的顶部并延伸，使得所述平坦层连接到所述另一光传感器设备的所述另一导电层。
结合所述第四方面的一种可能的实现方式，所述方法还包括：
形成第二金属电极，所述第二金属电极连接到所述光传感器设备与所述另一光传感器设备中间的所述平坦层。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下文简单地介绍描述本发明实施例或背景技术所需的附图，其中：
图1示出了与Si光波导集成的Ge光电二极管的示意性横截面图；
图2示出了实施例提供的TOF传感器的像素结构的示意性横截面图；
图3示出了TOF传感器的平面图；
图4示出了制备TOF传感器的方法的图；
图5示出了实施例提供的TOF传感器的像素结构的示意性横截面图；
图6示出了TOF传感器的平面图；
图7示出了实施例提供的TOF传感器的像素结构的示意性横截面图；
图8示出了实施例提供的制备上芯片的方法的图；
图9示出了制备TOF传感器的方法的图；
图10示出了实施例提供的TOF传感器的像素结构的示意性横截面图；
图11示出了实施例提供的制备上芯片的方法的图；
图12示出了制备TOF传感器的方法的图；
图13示出了实施例提供的TOF传感器的像素结构的示意性横截面图；
图14示出了制备TOF传感器的方法的图；
图15示出了制备TOF传感器的方法的图；
图16示出了本发明实施例提供的TOF系统结构的框图；
图17示出了确定物体特征的技术的图。
具体实施方式
本发明实施例中使用的术语仅用于说明本发明的具体实施例，而非旨在限制本发明。
(第一实施例)
首先，将描述Ge光电二极管的工作原理。图1示出了与Si光波导集成的Ge光电二极管的示意性横截面图。在绝缘体上硅(silicon on insulator，SOI)层18-1的p+或磷植入n+板区域制备采用台面结构的未掺杂Ge光电二极管层18-6。Si层18-2覆盖所述Ge光电二极管层18-6的顶部和侧面，并且金属电极18-3在所述Ge光电二极管层18-6上制备。将n或p型掺杂剂离子植入所述Si覆盖层18-2中和所述Ge光电二极管层18-6表面附近，以形成n+或p+区域18-5。在所述Si层18-2上形成SiO2掩膜18-4，并对所述n+或p+区域18-5的所述SiO2掩膜18-4进行蚀刻。此外，在所述n+或p+区域18-5顶部的蚀刻腔中形成金属电极18-3。进一步地，将电极18-7放置在所述SOI层18-1上以及所述SiO2掩膜18-4的侧面。
在该结构中，(1)Si层覆盖所述Ge光电二极管层的顶部和侧面，并且(2)金属电极在所述Ge光电二极管层上制备。根据所述结构(1)，可以通过与Si原子键合来抑制悬挂键的缺陷。然而，根据所述结构(2)，所述蚀刻会损坏所述Ge光电二极管的表面，从而导致更多缺陷，即暗电流。提供本发明实施例以解决该暗电流问题。
图2示出了本发明的第一实施例提供的TOF传感器的像素结构的示意性横截面图。该图对应于图3中所示的虚线L处的横截面。所述TOF传感器是光传感器设备的一个示例。在Si基板1-13上形成每个像素的Ge光电二极管1-1。所述Si基板的厚度约为3μm。所述Ge光电二极管1-1是p-Ge层1-3和n-Ge层1-2的叠层。在所述p-Ge层1-3中掺杂p掺杂剂。例如，可以以1017/cm3的浓度掺杂硼。在所述n-Ge层1-2中掺杂n掺杂剂。例如，可以以1016/cm3～1019/cm3的浓度掺杂磷。将所述Ge光电二极管1-1的厚度设计为具有较高的量子效率。例如，所述厚度约为2μm。在Ge光电二极管1-1的顶部和侧面形成所述p-Si层1-4。在所述p-Si层1-4中掺杂p掺杂剂。例如，可以以1016/cm3～1019/cm3浓度的掺杂硼。所述p-Si层1-4的厚度约为1nm～200nm。所述p-Si层1-4是用于抑制因Ge表面缺陷引起的暗电流的缓冲层，如图2中的“A”所示。此外，所述p-Si层1-4还是连接到相邻TOF像素的GND(接地)和p-Si层的导电层。该连接如图2中的“B”所示。
通过SiO2层1-14绝缘所述p-Si层1-4和所述Si基板1-13。附加地，在所述p-Si层1-4上制备中间层1-5、钝化层1-6和透镜1-7。所述中间层1-5是氧化硅层或氮化硅层。所述钝化层1-6是氮化硅层。如果水渗入所述Si基板1-13，则硅和水的化学反应会导致性能可靠性下降。所述钝化层1-6用于防止水渗入所述Si基板1-13。所述透镜1-7是透明材料(树脂或氮化硅)，使入射光聚焦在所述Ge光电二极管上。在该附图中，所述透镜1-7包括平坦部分1-7a和凸起部分1-7b。图3(a)示出了图2中所示TOF传感器的平面图。同样，图3(b)示出了TOF传感器在图2中所示平面x1中的横截面图。图3(c)示出了图2中所示TOF传感器的仰视图。所述透镜1-7的中心之间的距离D可以是5μm～10μm。
所述Si基板1-13具有n型Si区域1-8、p型Si区域1-9、p型Si区域1-10和浮动扩散区1-11。将所述n型Si区域1-8用于电子转移，并在其中掺杂n掺杂剂。例如，可以以1017/cm3的浓度掺杂磷。将所述p型Si区域1-9用于隔离所述浮动扩散区1-11与所述p型Si区域1-10。
在所述p型Si区域1-9中掺杂p掺杂剂。例如，可以以1016/cm3～1019/cm3的浓度掺杂硼。所述p型Si区域1-10可以具有p+掺杂，并且其掺杂有p掺杂剂(例如，以1018/cm3的浓度掺杂硼)。所述浮动扩散区1-11可以具有n+掺杂，并且其可以掺杂n掺杂剂(例如，以1016/cm3～1019/cm3的浓度掺杂磷)。
此外，所述n型Si区域1-8用于所述p型Si区域1-9之间的每个像素处配置的(光电)二极管的光电转换层。
在所述基板1-13下，为每个像素制备两个用于读取电子的转移栅极1-12。所述转移栅极1-12可以通过所述n型Si区域1-8和所述p型Si区域1-10将所述Ge光电二极管1-15中生成的电子转移到所述浮动扩散区1-11。
附加地，尽管在该附图中省略了金属内容物和导线，但也可以在所述Si基板1-13下制备所述金属内容物和导线。所述金属内容物和导线可以将所述生成的电子从所述浮动扩散区1-11转移到信号处理器，作为计算测量值的信号。
所述Ge光电二极管1-1可以用于检测光信号，并将所述光信号转换为电信号，所述电信号可以由所述信号处理器等其它电路进行进一步处理。具体地，所述Ge光电二极管1-1通过所述透镜1-7和所述钝化层1-6接收光信号，并生成自由载流子。所述生成的自由载流子可以漂移或扩散到所述n型Si区域1-8中。通常，所述p型Si区域1-10的费米能级与所述n型Si区域1-8的费米能级之间的差值在所述两个区域之间产生电场，其中，由所述n型Si区域1-8从所述Ge光电二极管1-1收集的自由电子通过所述电场漂移到所述p型Si区域1-10下方的区域。
所述转移栅极1-12可以耦合到电压源。来自所述电压源的控制信号控制自由电子从所述p型Si区域1-10下方的所述区域到所述浮动扩散区1-11的流动。例如，如果所述控制信号的电压超过阈值电压，则在所述p型Si区域1-10下方的所述区域中积累的自由电子将漂移到所述浮动扩散区1-11。来自所述浮动扩散区1-11的信号(自由电子)可以由所述信号处理器读取。
通常，一种材料吸收各种波长的光，以生成自由载流子，具体取决于与所述材料相关联的能带间隙。例如，在室温下，Si可以具有1.12eV的能带间隙，Ge可以具有0.66eV的能带间隙。通常，具有较低能带间隙的材料在特定波长处具有较高的吸收系数。如果用于所述光电二极管的材料的吸收系数过低，所述光电二极管无法高效地将所述光信号转换为电信号。然而，如果所述材料的吸收系数过高，则会在所述材料表面附近生成自由载流子，所述自由载流子可以重新组合以降低光电转换效率。从这个意义上说，由于Si具有较大的带间隙，因此对于NIR波长(780nm至2500nm)，它不是一种高效的传感器材料。另一方面，对于较短的波长(例如，蓝色)，Ge的吸收系数可能过高，其中自由载流子可以在其表面重新组合。具有Ge的光电二极管阵列可以检测NIR光。
应当注意的是，可以使用p锗硅(germanium-silicon，GeSi)层而不是所述p-Si层1-4作为所述导电层。此外，所述n-Ge层1-2可以替换为n-GeSi层。进一步地，所述p-Ge层1-3可以替换为p-GeSi层。在本文中，术语“锗硅(germanium-silicon，GeSi)”和“硅锗(silicon-germanium，SiGe)”可以互换使用。
在本发明中，术语“光电二极管”可以互换用作术语“光传感器”。
进一步地，可以使用全外延、选择性外延或其它适用技术形成所述Ge层。
此外，在锗硅层的情况下，可以使用包括多个层(例如，具有不同成分的交替SiGe层)的应变超晶格结构来吸收或形成量子阱结构。锗硅合金可以具有介于0.66eV与1.12eV之间的能带间隙，具体取决于所述成分，包括从100％Ge到90％以上Si的Si和Ge成分的所有合适组合。
在一些实现方式中，可以从合适的材料中选择掺杂剂。例如，可以从一组磷(phosphorus，P)、砷(arsenic，As)和锑(antimony，Sb)中选择n型掺杂剂。此外，可以从一组硼(boron，B)、铝(alminum，Al)、镓(gallium，Ga)和铟(indium，In)中选择p型掺杂剂。
接下来，将结合图4描述制备TOF传感器的方法。首先，提供硅基板1-13，并在其中掺杂掺杂剂以形成所述n型Si区域1-8、所述p型Si区域1-9、所述p型Si区域1-10和所述浮动扩散区1-11，如(a)所示。在所述Si基板1-13下，所述转移栅极1-12耦合到所述p型Si区域1-10和所述浮动扩散区1-11。
然后，通过化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)在所述Si基板上沉积所述SiO2层1-14，如(b)所示。
然后，在所述SiO2层1-14上进行抗蚀剂涂覆，并进行图案化以形成抗蚀剂4-1，如(c)所示。在形成所述抗蚀剂4-1之后，对所述SiO2层1-14进行蚀刻以获得隔离的SiO2层1-14，如(d)所示；并通过CVD在所述Si基板1-13的所述n掺杂区域1-8沉积所述n-Ge层1-2和所述p-Ge层1-3，如(e)所示。在Ge的情况下，叠层仅在所述Si基板1-13的所述n掺杂区域生长。因此，只能在所述n型Si区域1-8形成所述Ge光电二极管1-1。
在形成所述Ge光电二极管1-1之后，形成所述p-Si层1-4以覆盖所述SiO2层1-5的表面，如(f)所示。然后，在所述p-Si层上沉积所述SiO2层1-5，如(g)所示；并在所述SiO2层1-5的顶部进行化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)，如(h)所示。最后，将所述钝化层1-6和所述透镜1-7依次堆叠在所述SiO2层1-5上，如(i)所示。
(第二实施例)
下面将描述本发明的所述第二实施例。在该实施例中，金属电极连接到光传感器设备与邻近光传感器设备中间的导电层。
图5示出了本发明的所述第二实施例提供的TOF传感器的像素结构的示意性横截面图。在所述像素结构中，从转移栅极1-12到所述p-Si层1-4的层结构与所述第一实施例相同。所述TOF传感器包括所述Si基板1-13上的所述Ge光电二极管1-1。此外，在所述Ge光电二极管1-1的顶部和侧面形成所述p-Si层1-4。所述p-Si层1-4是用于抑制因所述Ge光电二极管1-1表面缺陷引起的暗电流的缓冲层。进一步地，金属电极5-1连接到所述p-Si层。所述金属电极5-1是由钨(tungsten，W)制成的T形电极，放置在一个TOF传感器设备与另一个TOF传感器设备的中间。所述金属电极5-1的顶部放置在所述钝化层1-6中，其垂直细长构件5-2渗入所述SiO2层1-5中。
图6示出了TOF传感器的平面图。所述金属电极5-1可以连接到金属电极6-1，所述金属电极6-1在所述TOF传感器的边界区域中沿水平方向延伸。
根据该实施例，由于以下至少两种原因，所述TOF传感器可能会增加暗电流。首先，在所述Ge光电二极管的顶部和侧面制备所述p-Si层，因此可以通过键合Ge原子与Si原子来抑制悬挂键的缺陷。其次，不会在所述锗层的上侧形成金属电极。由于不需要在所述Ge层的顶部植入高浓度离子的金属电极，因此所述Ge光电二极管表面不存在因蚀刻导致的缺陷或损坏。
进一步地，所述金属电极1-5可以连接到GND。相应地，与所述第一实施例相比，从所述Ge光电二极管到GND或电源的导线电阻进一步减小。该实施例可以同时实现较低的暗电流和较低的导线电阻。
接下来，将描述制备所述TOF传感器的方法。从所述转移栅极1-12到所述p-Si层1-4的所述层结构可以按与图4(a)至图4(h)所述的相同方法制备，如结合所述第一实施例所述。然后，对所述SiO2层1-5进行蚀刻，使得腔渗入所述SiO2层1-5中，以到达所述p-Si层1-4。然后，将所述金属电极5-1的所述垂直细长构件5-2插入所述腔中。最后，将所述钝化层1-6和所述透镜1-7依次堆叠在所述SiO2层上，如图4(i)所示。
(第三实施例)
下面将描述本发明的所述第三实施例。在该实施例中，所述Ge光电二极管通过Si外延层连接到所述p-Si层。
图7示出了本发明的所述第三实施例提供的TOF传感器的像素结构的示意性横截面图。如图所示，所述TOF传感器由上芯片7-1和下芯片7-7组成。在所述上芯片7-1中，在Si外延层7-4及由钨层和铜(copper，Cu)层组成的堆叠金属区域7-3上形成所述p-Ge层1-3和所述n-Ge层1-2的层。在所述n-Ge层1-2的下侧形成钨层(厚度约为50nm～100nm)。此外，形成铜(Cu)层(厚度约为100nm～300nm)。所述下芯片7-7由所述转移栅极1-12、所述Si基板1-13、Si外延层7-5及由钨层和铜(copper，Cu)层组成的堆叠金属区域7-6组成。在所述Si层1-8上形成钨层(厚度约为100nm～300nm)。此外，形成铜(Cu)层(厚度约为100nm～300nm)。
通过所述上芯片7-1的所述堆叠金属区域7-3的Cu侧和所述下芯片7-7的所述堆叠金属区域7-6的Cu侧的键合技术，键合所述上芯片7-1和所述下芯片7-7。通过Si外延生长沉积所述Si外延层7-4，例如分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)生长技术或金属有机化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)外延技术。
其它解释与所述第一实施例相同。
接下来，将结合图描述制备上芯片的方法。首先，提供Si基板(第二基板)7-2，如(a)所示。在所述Si基板7-2的下表面上进行抗蚀剂涂覆，以添加抗蚀剂8-1，如(b)所示。然后，在所述Si基板7-2的所述下表面上进行Si蚀刻以制备沟槽(腔)8-2，并且去除所述抗蚀剂8-1，如(c)所示。然后，使所述p-Si层1-4在所述Si基板7-2的所述下表面上生长，如(d)所示。然后，通过CVD或MOCVD在所述p-Si层7-1上形成所述p-Ge层1-3和所述n-Ge层1-2，如(e)所示。
在(e)所示的过程之后，所述p-Si层的所述下表面被所述p-Ge层1-3和所述n-Ge层1-2覆盖。在(f)中，通过CMP进行Ge平坦化以暴露所述p-Si层1-4。通过这种方式，可以在所述沟槽8-2中形成所述Ge光电二极管1-1，使得所述p-Si层1-4覆盖所述Ge光电二极管1-1的顶部和侧面。
在(g)中，通过CVD使SiO2层7-4生长。然后，在所述SiO2层的所述下表面进行抗蚀剂涂覆，以添加抗蚀剂8-3，如(h)所示。进行蚀刻去除中间位置的所述SiO2层以形成腔8-4，并去除所述抗蚀剂8-2，如(i)所示。进一步地，在所述SiO2层7-4的所述下表面的各部分进行抗蚀剂涂覆，以添加抗蚀剂8-5，如(j)所示；并进行额外的蚀刻，以形成阶梯式腔8-6，如(k)所示。在本文中，所述阶梯式腔8-6可以形成为矩形。然后，进行电镀，以对整个下表面镀W和Cu，如(l)所示。最后，对Cu进行CMP，以形成所述堆叠金属区域7-3，如(m)所示。
图9示出了该实施例提供的制备TOF传感器的方法。(a)示出了通过结合图8所描述的方法制备的所述Ge光电二极管的所述上芯片7-1。(b)示出了用于信号处理的所述下芯片，其中，所述SiO2外延层7-5和所述堆叠金属区域7-6通过结合图8(l)和图8(m)所描述的过程制备。
在图中，通过芯片到芯片键合组合所述上芯片7-1和所述下芯片7-7，如(c)所示。最后，将所述钝化层1-6和所述透镜1-7依次堆叠在所述Si基板7-2上，如(d)所示。
(第四实施例)
下面将描述本发明的所述第四实施例。在该实施例中，所述p-Si层具有跨多个TOF传感器的平坦表面。
图10示出了本发明的所述第四实施例提供的TOF传感器的像素结构的示意性横截面图。如图所示，所述TOF传感器由上芯片10-2和下芯片7-7组成。通过所述上芯片10-2的所述堆叠金属区域7-3和所述下芯片7-7的所述堆叠金属区域10-6的键合技术，键合所述上芯片7-2和所述下芯片7-7。
与所述第三实施例相比，该实施例提供的TOF传感器不具有金属电极。相反，所述上芯片10-2的所述p-Si层1-4包括顶部10-1，所述顶部10-1具有跨所述多个TOF传感器沿水平方向延伸的平坦形状。此外，所述顶部10-1连接到GND。其它解释与所述第三实施例相同。
根据该实施例，与所述第一实施例相比，从所述Ge光电二极管到GND(或电源)的导线电阻进一步减小。
接下来，将结合图描述制备上芯片的方法。首先，提供所述Si基板7-2，如(a)所示。然后，通过p型杂质离子植入掺杂所述Si基板，使得形成所述顶部10-1，如10-1所示。在一个实施例中，从所述Si基板7-2的下部植入所述p型杂质，如(b)中的箭头所示。在所述Si基板7-2的下表面上进行抗蚀剂涂覆，以添加抗蚀剂8-1，如(c)所示。然后，在所述Si基板7-2的所述下表面上进行Si蚀刻以制备沟槽8-2，并且去除所述抗蚀剂8-1，如(d)所示。然后，使所述p-Si层1-4在所述Si基板7-2的所述下表面上生长，如(e)所示。然后，通过CVD或MOCVD在所述p-Si层7-1上形成所述p-Ge层1-3和所述n-Ge层1-2，如(f)所示。
在(f)所示的过程之后，所述p-Si层的所述下表面被所述p-Ge层1-3和所述n-Ge层1-2覆盖。在(g)中，通过CMP进行Ge平坦化以暴露所述p-Si层1-4。在(h)中，通过CVD使SiO2层7-4生长。然后，在所述SiO2层的所述下表面进行抗蚀剂涂覆，以添加抗蚀剂8-3，如(i)所示。进行蚀刻去除中间位置的所述SiO2层7-4以形成腔8-4，并去除所述抗蚀剂8-2，如(j)所示。进一步地，在所述SiO2层7-4的所述下表面的各部分进行抗蚀剂涂覆，以添加抗蚀剂8-5，如(k)所示；并进行额外的蚀刻，以形成阶梯式腔8-6，如(l)所示。然后，进行电镀，以对整个下表面镀W和Cu，如(m)所示。最后，对Cu进行CMP，以形成所述堆叠金属区域7-3，如(n)所示。
图12示出了该实施例提供的制备TOF传感器的方法。(a)示出了通过结合图11所描述的方法制备的所述Ge光电二极管的所述上芯片10-2。(b)示出了用于信号处理的所述下芯片7-7，其中，所述SiO2外延层7-5和所述堆叠金属区域7-6通过结合图11(m)和图11(n)所描述的过程制备。
在图12中，通过芯片到芯片键合组合所述上芯片10-2和所述下芯片7-7，如(c)所示。最后，将所述钝化层1-6和所述透镜1-7依次堆叠在所述Si基板7-2上，如(d)所示。
(第五实施例)
下面将描述本发明的所述第五实施例。在该实施例中，在所述第四实施例提供的TOF传感器的中间位置添加金属电极。
图13示出了本发明的所述第五实施例提供的TOF传感器的像素结构的示意性横截面图。在所述像素结构中，从转移栅极1-12到所述顶部10-1的层结构与所述第四实施例相同。所述TOF传感器包括所述Si基板1-13上的所述Ge光电二极管1-1。进一步地，金属电极13-1连接到所述TOF传感器的中间位置的所述顶部10-1。所述金属电极13-1的顶部放置在所述钝化层1-6中，并渗入所述Si基板7-2中。所述金属电极13-1的下边缘连接到所述顶部10-1。该实施例提供的所述TOF传感器的平面图如图6所示。其它解释与所述第四实施例相同。
根据该实施例，与所述第一实施例相比，从所述Ge光电二极管到GND(或电源)的导线电阻进一步减小。
图14示出了该实施例提供的制备TOF传感器的方法。(a)示出了通过结合图11所描述的方法制备的所述Ge光电二极管的所述上芯片10-2。(b)示出了用于信号处理的所述下芯片7-7，其中，所述SiO2外延层7-5和所述堆叠金属区域7-6通过结合图11(m)和图11(n)所描述的过程制备。
在图14中，通过芯片到芯片键合组合所述上芯片10-2和所述下芯片7-7，如(c)所示。然后，将所述钝化层1-6和所述抗蚀剂14-1依次堆叠在所述SiO2层上，如(d)所示。在(e)中，对所述Si基板7-2进行蚀刻，以形成腔14-2。最后，将所述金属电极13-1插入所述腔14-2中，如(f)所示。
所述制备过程继续进行至图15。在(a)中，进行额外的抗蚀剂涂覆，以沉积抗蚀剂15-1。然后，对所述金属电极13-1进行蚀刻，以形成腔15-2，如(b)所示，从而形成隔离的金属电极13-1。最后，将额外的钝化层1-6和透镜1-7依次堆叠在所述SiO2层上，如(c)所示。
(第六实施例)
下面描述上述实施例提供的使用TOF传感器计算距离的具体过程。
在飞行时间(time-of-flight，TOF)应用中，可以使用发射的光脉冲与检测的光脉冲之间的相位差来确定三维物体的深度信息。例如，可以使用二维像素阵列来重建三维物体的三维图像，其中，每个像素可以包括一个或多个光电二极管，用于推导出所述三维物体的相位信息。在一些实现方式中，飞行时间应用使用波长在近红外(near-infrared，NIR)范围内的光源。例如，发光二极管(light-emitting-diode，LED)可以具有850nm、940nm或1550nm的波长。虽然一些光电二极管可以使用Si作为吸收材料，但是对于NIR波长而言，Si是一种低效吸收材料。具体地，可以在所述Si基板深处(例如，深度大于10μm)生成光载流子，并且这些光载流子可以缓慢漂移和/或扩散到光电二极管结，从而导致设备带宽降低。此外，Ge具有较高的吸收系数和较高的流动性。下面的等式表示Ge和Si的流动性μe。
Ge:μe＝0.39m2/Vs>Si:μe＝0.15m2/Vs。
因此，通常使用小电压摆幅来控制光电二极管操作，以最大限度地降低功耗。
图16示出了用于确定目标物体16-7的特性的TOF系统16-4。所述目标物体16-7可以是三维物体。该实施例提供的作为成像系统的TOF系统16-4可以包括发射器单元16-1、接收器单元16-2和处理单元16-3。通常，所述发射器单元16-1向所述目标物体16-7发射光16-5。所述发射器单元16-1可以包括一个或多个光源、控制电路和/或光学元件。例如，所述发射器单元16-1可以包括一个或多个NIR光源或可见光LED，其中，所述发射光16-5可以通过准直透镜进行准直以在自由空间中传播。
通常，所述接收器单元16-2接收从所述目标物体16-7反射的反射光16-6。所述接收器单元16-2可以包括一个或多个光电二极管、控制电路和/或光学元件。例如，所述接收器单元16-2可以包括图像传感器，其中，所述图像传感器包括在半导体基板上制备的多个像素。每个像素可以包括一个或多个多栅极光电二极管，用于检测所述反射光16-6，其中，所述反射光16-6可以聚焦到所述光电二极管。每个光电二极管可以是本文所述的多栅极光电二极管。
通常，所述处理单元16-3对所述接收器单元16-2生成的光载流子进行处理，并确定所述目标物体16-7的特性。所述处理单元16-3可以包括控制电路、一个或多个处理器和/或计算机存储介质，所述计算机存储介质可以存储用于确定所述目标物体16-7的所述特性的指令。例如，所述处理单元16包括读出电路1 16-8、读出电路2 16-9和处理器16-10，所述处理器16-10可以处理与所收集的光载流子相关联的信息，以确定所述目标物体16-7的所述特性。在一些实现方式中，所述目标物体16-7的所述特性可以是所述目标物体16-7的深度信息。
图17示出了用于确定所述目标物体16-7的特性的一种示例性技术。所述发射器单元16-1可以发射按频率fm调制的光脉冲，例如占空比为50％。所述接收器单元16-2可以接收相移为Φ的反射光脉冲。控制所述多栅极光电二极管，使得所述读出电路1读取与所述发射的光脉冲同步的相位中的所收集的电荷Q1，读出电路2读取与所述发射的光脉冲相反的相位中的所收集的电荷Q2。在一些实现方式中，可以使用以下等式推导出所述TOF系统16-4与所述目标物体16-7之间的距离D：
D＝(c/(4*f m))*(Q2/(Q1+Q2))，
其中，c是光速。
通过使用高灵敏度的红外光，本发明实施例可以用于智能手机的TOF传感器(主要用于人脸识别)。这适用于具有低暗电流的高分辨率TOF传感器。由于Ge具有比Si层更高的吸收系数，因此在相同像素大小的情况下，Ge提供比Si更高的灵敏度。
本发明实施例可用于具有较低暗电流的高波长TOF传感器，例如，波长等于940nm、1550nm。特别地，对于高波长，虽然使用Si光电二极管的TOF传感器几乎没有量子效率(quantum efficiency，QE)灵敏度，但是使用Ge的TOF传感器具有所述灵敏度(QE>40％)。高波长光对眼睛更安全。
综上所述，上述内容仅为本发明技术方案实施例的示例，并非旨在限制本发明的保护范围。在不背离本发明原则的情况下所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (21)
1.一种光传感器设备，其特征在于，包括：
第一基板；
形成于所述第一基板上的锗或锗硅层，所述锗或锗硅层包括n型锗或锗硅层和p型锗或锗硅层；
由p型硅或硅锗层组成的导电层，所述导电层形成于所述锗或锗硅层的顶部和侧面。
2.根据权利要求1所述的光传感器设备，其特征在于，所述导电层连接到邻近所述光传感器设备的另一光传感器设备的另一导电层。
3.根据权利要求2所述的光传感器设备，其特征在于，还包括：
第一金属电极，所述第一金属电极连接到所述光传感器设备与所述另一光传感器设备中间的所述导电层。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光传感器设备，其特征在于，在所述第一基板与所述锗或锗硅层之间形成绝缘层，所述第一基板与所述锗或锗硅层通过置于所述绝缘层中的金属区域连接。
5.根据权利要求2所述的光传感器设备，其特征在于，所述导电层具有平坦层，所述平坦层形成于所述锗或锗硅层的顶部并延伸，使得所述平坦层连接到所述另一光传感器设备的所述另一导电层。
6.根据权利要求5所述的光传感器设备，其特征在于，还包括：
第二金属电极，所述第二金属电极连接到所述光传感器设备与所述另一光传感器设备中间的所述平坦层。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光传感器设备，其特征在于，所述锗或锗硅层的上侧不会形成额外的金属电极。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光传感器设备，其特征在于，所述导电层和所述锗或锗硅层形成于第二基板中制备的沟槽中。
9.一种成像系统，其特征在于，包括：
发射器单元，用于向物体发射光；
接收器单元，包括根据权利要求1至8中任一项所述的光传感器设备阵列，用于根据所接收的从所述物体反射的光输出信号；
处理单元，用于处理所述输出信号。
10.一种制备光传感器设备的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供第一基板；
在所述第一基板上形成锗或锗硅层，所述锗或锗硅层包括n型锗或锗硅层和p型锗或锗硅层；
形成由p型硅或硅锗层组成的导电层，所述导电层形成于所述锗或锗硅层的顶部和侧面。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，形成所述导电层包括：
形成所述导电层，以连接到邻近所述光传感器设备的另一光传感器设备的另一导电层。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：
形成第一金属电极，所述第一金属电极连接到所述光传感器设备与所述另一光传感器设备中间的所述导电层。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述第一基板与所述锗或锗硅层之间形成绝缘层，所述第一基板与所述锗或锗硅层通过置于所述绝缘层中的金属区域连接。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，形成所述导电层包括：
形成所述导电层，以使所述导电层具有平坦层，所述平坦层形成于所述锗或锗硅层的顶部并延伸，使得所述平坦层连接到所述另一光传感器设备的所述另一导电层。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：
形成第二金属电极，所述第二金属电极连接到所述光传感器设备与所述另一光传感器设备中间的所述平坦层。
16.一种制备光传感器设备的方法，其特征在于，包括：
提供第一硅基板；
在第二硅基板中制备沟槽；
在所述沟槽上形成导电层，所述导电层由p型硅或硅锗层组成；
在所述沟槽中形成锗或锗硅层，使得所述导电层覆盖所述锗或锗硅层的顶部和侧面，其中，所述锗或锗硅层包括n型锗或锗硅层和p型锗或锗硅层。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，形成所述导电层包括：
形成所述导电层，以连接到邻近所述光传感器设备的另一光传感器设备的另一导电层。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：
形成第一金属电极，所述第一金属电极连接到所述光传感器设备与所述另一光传感器设备中间的所述导电层。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述第一基板与所述锗或锗硅层之间形成绝缘层，所述第一基板与所述锗或锗硅层通过置于所述绝缘层中的金属区域连接。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，形成所述导电层包括：
形成所述导电层，以使所述导电层具有平坦层，所述平坦层形成于所述锗或锗硅层的顶部并延伸，使得所述平坦层连接到所述另一光传感器设备的所述另一导电层。
21.根据权利要求20中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
形成第二金属电极，所述第二金属电极连接到所述光传感器设备与所述另一光传感器设备中间的所述平坦层。
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