CN1828917A - 红外响应改进的多层半导体基体以及其上形成的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种形成在多层的半导体基体上的图像传感器，其采用硅－锗合金来改善红外响应。在一种具体实施方式中，硅－锗合金层具有如此的锗浓度梯度分布，即硅－锗合金层较高部分的锗浓度小于硅－锗合金层较低部分的锗浓度。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器，更具体地讲，本发明涉及一种在多层半导体基体上形成的图像传感器。
背景技术
图像传感器已经变得无处不在，它们被广泛地用于数字照相机、便携式电话、保密照相机、医疗器械、汽车和其它应用场合。制造图像传感器的技术、特别是CMOS(互补型金属氧化半导体)图像传感器持续地快速发展。
然而，目前的图像传感器在700纳米到1000纳米的波长范围内灵敏度非常差。这个波长范围大致在电磁频谱的红外区域。CCD(电荷耦合器件)图像传感器与CMOS图像传感器都受这种低灵敏度的影响。这是由硅半导体技术的特定特性带来的。具体地讲，硅具有1.12电子伏的能量带隙(energy band gap，或称能带宽度，以符号EG表示)。因此，为了通过吸收入射光子而产生电子，光子的能量必须最小为1.12电子伏，以使硅的价带中电子激发到硅的导带中。这一最小光子能量就是是硅的1.12电子伏的能带宽度；该最小能量的数量对应于小于或等于1100纳米的光子波长。波长等于或大于1100纳米的光子就根本不会被吸收，从而在未被检测的情况下通过硅传感器。
进一步地，当光的波长接近1100纳米时，光的吸收系数就显著地减小，从而使检测700纳米到1100纳米范围内光子的灵敏度显著地降低。实际上，光子在硅中太深的地方被吸收，以至于不能被通常设置在靠近半导体基体表面区域的感光元件检测到。即使在700纳米时，光子的平均穿透深度也达到表面以下5微米。这远远低于光电二极管的耗尽区域(depletion region)。因此，即使在700纳米时，光电二极管也很难收集到由700纳米光子所产生的电子。波长越长越难收集到。
车用图像传感器是要求改善红外区域性能的一个应用实例。例如，在一种场合下，旅客暴露在850纳米到950纳米的红外辐射中。这就要求图像传感器能在这种光照条件下识别出旅客。这样，甚至在没有其它照明条件的晚上，也能够确定旅客的位置和大小。这种信息可以用于确定意外事件时安全气袋正确张开的条件。
因此，提供一种能改善800纳米到1100纳米红外附近灵敏度的图像传感器，是有重要意义的。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够改善米红外波长附近灵敏度的图像传感器。
为此，本发明提供了一种集成电路，其包括：
多层的半导体结构，该多层的半导体结构是由在硅基体上形成硅-锗合金层而形成的；以及
形成在该硅-锗合金层中的像素。
上述集成电路中，其像素包括感光元件，该感光元件可以选自于光电二极管、部分PIN型光电二极管、PIN型光电二极管、光电门(photogate)或者光电容(photocapacitor)；硅-锗合金层的厚度可以在1微米到20微米之间；硅-锗合金层具有如此的锗浓度梯度分布，即硅-锗合金层较上部分(或称较高部分)的锗浓度小于硅-锗合金层较低部分(或称较下部分)的锗浓度。
另外，上述集成电路中，多层的半导体基体可以进一步包括形成在硅-锗合金层上方的硅顶层，并且像素是形成在该硅顶层中；硅顶层的厚度可以在100埃到3微米之间。
本发明的另一种技术方案是：一种集成电路，其包括：硅-锗合金基体；以及形成在硅-锗合金基体层内的像素。
类似地，上述集成电路中，其像素包括感光元件，该感光元件可以选自于光电二极管、部分PIN型光电二极管、PIN型光电二极管、光电门或者光电容；硅-锗合金层具有如此的锗浓度梯度分布，即硅-锗合金层较上部分的锗浓度小于硅-锗合金层较低部分的锗浓度，或者硅-锗合金基体具有均匀的锗浓度；而且，该集成电路可以进一步包括形成在硅-锗合金基体上方的硅顶层，并且像素是形成在该硅顶层中；硅顶层的厚度可以在100埃到3微米之间。
本发明的有益效果是：本发明采用硅-锗合金层与硅顶层的多层半导体基体结构，锗可以帮助减小硅能带宽度，从而增大吸收系数，尤其对于红外光谱。同时，硅顶层可以形成稳定的氧化物，从而保证了晶体管、光电二极管、氧化物、以及扩散的性能。
附图说明
图1是现有技术四晶体管像素的剖视图。
图2是本发明第一实施方式的多层半导体基体以及其上形成的四晶体管像素。
图3是本发明第二实施方式的多层半导体基体以及其上形成的四晶体管像素。
图4是本发明第三实施方式的多层半导体基体以及其上形成的四晶体管像素。
图5是本发明第四实施方式的多层半导体基体以及其上形成的四晶体管像素。
具体实施方式
在下面的描述中，提供了许多特定细节，以便对本发明的实施方案进行透彻的理解。但所属领域的熟练技术人员可以认识到，在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下仍能实施本发明，或者采用其它方法、元件等的情况下仍能实施本发明。另外，为了清楚地描述本发明的各种实施方案，因而对众所周知的结构和操作没有示出或进行详细地描述。
在本发明的说明书中，提及“一实施方案”或“某一实施方案”时是指该实施方案所述的特定特征、结构或者特性至少包含在本发明的一个实施方案中。因而，在说明书各处所出现的“在一实施方案中”或“在某一实施方案中”并不一定指的是全部属于同一个实施方案；而且，特定的特征、结构或者特性可能以合适的方式结合到一个或多个的具体实施方案中。
图1是现有技术中图像传感器与采用四个晶体管的有源像素的组合剖视图。这种有源像素在本领域中叫做4T有源像素。但是，可以理解，本发明的多层半导体基体能够用于任何类型的像素设计，包括但不限于3T、5T、6T以及其它设计，而且可以用于CCD图像传感器或者CMOS图像传感器。
图1显示了四晶体管像素103的剖视图，其仅为像素阵列中的一个示例性的像素。该像素包括感光元件109，在本实施方案中该感光元件为PIN型光电二极管。然而，感光元件也可以是光电门(photogate)、光电容(photocapacitor)、部分PIN型光电二极管或非PIN型光电二极管。此外，这里使用的词语“像素”意味着包含所有的像素设计，包括CCD像素。
光电二极管109输出用于调整放大晶体管115的信号。放大晶体管115也被称为源极随偶晶体管。具有传输门电路111的传输晶体管用以将光电二极管109输出的信号传输至漂浮节点117(N+掺杂的)以及放大晶体管115的门电路处。
使用时，在积分周期(也称为曝光周期或者积聚周期)内，光电二极管109储备电荷(由感应入射光线而产生)，这些电荷保持在光电二极管109的N-层内。积分周期后，传输门电路111开启并将保持在N-层内的电荷传输至漂浮节点117。当信号已经被传输到漂浮节点117后，传输门电路117被再次关闭，以便下一次积分周期的开始。在漂浮节点117上的信号随后用于调整放大晶体管115。读取信号以后，设有复位门电路113的复位晶体管将漂浮节点117复位到一参考电压。在一实施方案中，该参考电压为Vdd。
本发明采用了多层半导体基体(或者单层的硅-锗基体)，以便增加在红外光谱区域的灵敏度。在附图和后面的详细描述中，重点描述了半导体基体的特殊的层以及组分。此处，没有详细形成图像传感器的像素的步骤，以避免混淆本发明的特征。现有技术中有多种不同的结构和方法可用来形成CMOS和CCD图像传感器，本发明可以采用它们中的任意一种。
有关图像传感器技术的更完整的描述，可以参考本发明人的正在审查中的美国专利申请10/966,137和/或美国专利申请11/007,859，其中，10/966,137的申请日为2004年10月15日，发明名称为“在积分周期内具有正的传输门电压的图像传感器与像素”，11/007,859的申请日为2004年12月9日，名称为“CMOS图像传感器的局部互连结构与方法”。这些申请也正常地转让给了本发明的受让人，此处其整个说明可以作为参考。
在目前的CCD与CMOS图像传感器中，半导体基体一般不是n-型硅、p-型硅，就是具有表面p-型外延层(epitaxial layer)的p+硅。在这些半导体基体中，其每种的基体都是硅基的，并含有改变基体传导性的掺杂物，但并未改变其基本的吸收特性。
尽管重掺杂的p+硅基体因为“自由载流子”的吸收，确实会使吸收系数提高，但这种现象对成像是没有用的，因为没有形成电子-空穴对。此外，使用具有大量空穴的p+硅基体，使得复合(recombination)非常快速，消灭了任何产生的电子。
根据本发明，采用硅-锗(以下简称SiGe)合金，利用其光电效应，来辅助吸收近红外的入射光子。因为与锗形成合金，可使硅的能带宽度减小，从而充分地增大了吸收系数，尤其对于较长的波长。然而，也已认识到，这样的SiGe合金难以形成稳定的锗氧化物。没有形成稳定的氧化物，很难制造出CMOS工艺中普遍使用的栅极电介质(gatedielectrics)。
对于红外传感器来说，在较短波长处(即可见光谱的波长处)的吸收系数不是问题，因而，在本发明的一实施方案中提出采用多层结构，以利用硅和硅-锗合金各自性能的优点。具体地，如下所述，这种结构具有一硅表面层，其可以被掺杂形成晶体管、光电二极管、氧化物层以及扩散区。硅表面层的厚度应当在100埃到3微米的范围内，优选在500埃到1微米之间。使用SiGe合金，可使所有波长处的吸收都得以增加，可见光处的吸收系数也得以增加。由于电子是在靠近表面并且靠近光电二极管处产生，所以产生的电子很少有机会扩散到邻近像素的光电二极管。这样可以改进所有波长处的串扰(crosstalk)，这对可见光和红外(IR)传感器都有利。因此，尽管本发明对红外传感器特别有利，但是本发明的启示也可以有利地应用于在可见光谱中工作的传感器。
在硅层下面是硅-锗层。在感光区域中，比如光电二极管区域中，埋入的硅-锗层利用光电效应可以非常有效地吸收光子，产生电子-空穴对。这些带电粒子可以通过利用已知的掺杂分布(doping profiles)而采用电压驱动力予以分离。
例如，请参照图2，其显示了一多层的半导体基体。图2显示了具有标示为层1、层2及层3的三层的结构。层3为最底部的层，是基体的基层(base substrate)。例如，该基体基层可以是p-型基体、n-型基体或任何常规的硅基基体。
作为更进一步的实例，对于使用n-沟道晶体管的像素阵列来说，层3既可以是p-型硅、p+硅基体，也可以是在p+硅基体上的p-型外延硅层；对于使用p-沟道晶体管的像素阵列来说，层3既可以是n-型硅、n+硅基体，也可以是在n+硅基体上的n-型外延硅层。
层2是硅-锗合金层。对于使用n-沟道晶体管的像素阵列来说，硅-锗合金层可以是p-型掺杂的；对于使用p-沟道晶体管的像素阵列来说，硅-锗合金层可以是n-型掺杂的。硅-锗合金可以采用外延生长(epitaxial growth)工艺来形成。在一实施方案中，SiGe合金层(层2)大约是1微米到20微米厚。对于前述的使用n-沟道晶体管的像素阵列来说，SiGe合金可进行p-型掺杂。该掺杂可以在外延生长过程中就地进行或者随后进行p-型植入。SiGe合金中的p-型掺杂浓度可以在1E14/立方厘米到1E16/立方厘米之间，优选在3E14/立方厘米到4E15/立方厘米之间。
最后，在硅-锗层顶上形成的是硅层(层1)，对于使用n-沟道晶体管的像素阵列来说，该硅层可以是p-型；对于使用p-沟道晶体管的像素阵列，该硅层(层1)可以是n-型。需要指出的是，该硅层(层1)的厚度应可以足够容纳在基体上形成的像素结构，包括光电二极管、各种不同的N+与n-掺杂的区域以及浅槽隔离(shallow trench isolations，简称STI)区域。硅表面层(层1)可以在100埃(A)到3微米的范围内，优选在500埃到1微米之间。偏压光电二极管(voltage biased photodiode)的耗尽区延伸到SiGe层中，并且可有效地收集SiGe层内产生的电子。
图3显示了另一种可供选择的实施方案，其中，硅-锗合金层(层1)直接形成在下部基体(层2)的上面。与图2所示的实施方案不同，该方案中上表面是硅-锗而不是硅。因此，用于形成像素的结构与掺杂区域直接形成在硅-锗层(层1)中。对于使用n-沟道晶体管的像素阵列来说，硅-锗层(层1)可以是p-型的，而且基体(层2)也可以是p-型的；对于使用p-沟道晶体管的像素阵列来说，硅-锗层(层1)与基体(层2)可以都是n-型。在该实施方案中，表面层是硅-锗层，锗相对于硅的浓度随着深度而增大，从而使得在硅-锗层(层1)的表面处具有相对较低的锗浓度，而在硅-锗层(层1)的底部具有相对较高的锗搀杂浓度。
虽然SiGe层具有Ge搀杂梯度是有利的，但是SiGe合金层也可以采用单一均匀的合金组分。还有，锗的搀杂梯度对于在表面上形成氧化物也是有利的。通过减少表面附近的锗浓度，将提高氧化物的形成。然而，通过使用具有足够锗浓度的SiGe合金来有效增加光线吸收并仍能生成稳定的氧化物，也可以采用单一、均匀的SiGe合金。
SiGe合金层(图3中的层1)大约是1微米到20微米厚。对于前面提到的使用n-沟道晶体管的像素阵列来说，该SiGe合金可以是p-型掺杂的。这种搀杂可以在外延生长过程中就地进行或者接下来进行p-型植入。SiGe合金中的p-型搀杂浓度大约在1E14/立方厘米到1E16/立方厘米之间，优选在3E14/立方厘米到4E15/立方厘米之间。
图4显示了第三种实施方案，其中，基体层(层2)是由硅-锗形成的，而且外延硅层(层1)在硅-锗基体上面生长。除了以硅-锗层作为基体使用以外，该实施方案与图2中的方案相似。硅表面层(层1)的厚度可以在100埃到3微米的范围内，优选在是500埃到1微米之间。对于使用n-沟道晶体管的像素阵列来说，硅表面层与SiGe基体都应进行p-型掺杂。硅表面层与SiGe合金的p-型搀杂浓度大约都在1e14/立方厘米到1e16/立方厘米之间，优选在3e14/立方厘米到4e15/立方厘米之间。
进一步地，在如图5所示的又一可供选择的实施方案中，像素直接形成在硅-锗基体上。尽管在一实施方案中，锗具有均匀的浓度梯度，但在另一实施方案中，锗具有浓度梯度，其中硅-锗基体表面的锗浓度相对低于基体深处的锗浓度。在该实施方案中，在表面处具有低的锗搀杂浓度是有利的。对于使用n-沟道晶体管的像素阵列来说，SiGe基体应进行p-型掺杂。SiGe合金中的p-型搀杂浓度大约在1e14/立方厘米到1e16/立方厘米之间，优选在在3e14/立方厘米到4e15/立方厘米之间。
上述内容应理解为：这里所介绍的本发明的具体实施方案只是为了描述本发明，但在不偏离本发明宗旨与范围的情况下可以做出各种变换方案。因此，除权利要求之外，本发明不受任何限制。
Claims (13)
1、一种集成电路，其包括：
多层的半导体结构，所述多层的半导体结构是通过在硅基体上形成硅-锗合金层而形成的；以及
形成于所述硅-锗合金层中的像素。
2、如权利要求1所述的集成电路，其中，所述的像素包括感光元件，该感光元件选自于光电二极管、部分PIN型光电二极管、PIN型光电二极管、光电门或光电容。
3、如权利要求1所述的集成电路，其中，所述多层的半导体基体进一步包括形成在所述硅-锗合金层上方的硅顶层，并且所述像素是形成在该硅顶层中。
4、如权利要求1所述的集成电路，其中，所述的硅-锗合金层的厚度在1微米到20微米之间。
5、如权利要求3所述的集成电路，其中，所述的硅顶层的厚度在100埃到3微米之间。
6、如权利要求1所述的集成电路，其中，所述的硅-锗合金层具有如此的锗浓度梯度分布：所述硅-锗合金层较上部分的锗浓度小于所述硅-锗合金层较低部分的锗浓度。
7、一种集成电路，其包括：
硅-锗合金基体；以及
形成于该硅-锗合金基体层内的像素。
8、如权利要求7所述的集成电路，其中，所述的像素包括感光元件，该感光元件选自于光电二极管、部分PIN型光电二极管、PIN型光电二极管、光电门或光电容。
9、如权利要求7所述的集成电路，其进一步包括形成在所述硅-锗合金基体上方的硅顶层，并且所述像素是形成在该硅顶层中。。
10、如权利要求9所述的集成电路，其中，所述的硅顶层的厚度在100埃到3微米之间。
11、如权利要求7所述的集成电路，其中，所述的硅-锗合金基体具有如此的锗浓度梯度分布：所述硅-锗合金基体较上部分的锗浓度小于所述硅-锗合金基体较低部分的锗浓度。
12、如权利要求9所述的集成电路，其中，所述的硅-锗合金基体具有如此的锗浓度梯度分布：所述硅-锗合金基体较上部分的锗浓度小于所述硅-锗合金基体较低部分的锗浓度。
13、如权利要求7所述的集成电路，其中，所述的硅-锗合金基体具有均匀的锗浓度。
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