CN1828947A - 一种光电二极管及其制备方法和在cmos摄像传感器中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种pin或pn结光电二极管及其制造方法，包括外延生长在衬底上的锗或硅锗(SixGe1－x)吸收层，其增强了光吸收性和光电转换效率，从而提高了光电流。由于锗对光的高吸收系数和对光生载子的高迁移率，该光电二极管应用于CMOS摄像传感器中提高了其对光的敏感度和响应速度，同时抑制了串扰的产生而提高了信噪比。

Description

一种光电二极管及其制备方法和在CMOS摄像传感器中的应用
技术领域
本发明涉及一种用于互补型金属氧化物半导体(CMOS)摄像传感器的光电二极管，特别是涉及通过应用外延生长硅锗吸收层，提高光吸收性和抑制串扰，性能得到改善并可与标准CMOS电路集成的光电二极管。
背景技术
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)器件在过去由于亚微米方法所需要的高掺硅所引起的暗电流较大，导致图像噪声较大、信噪比较小，同时CMOS存在如光电敏感度不高、像素面积大、分辨率低等缺点，因此一直无法和CCD(Charge Coupled Device)技术抗衡。随着CCD应用范围的扩大，其缺点逐渐显露出来。CCD光敏元件阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成，不易处理一些模拟和数字功能。这些功能包括AAI转换器、精密放大器、存储器、运算单元功能，CCD阵列驱动脉冲复杂，需要使用相对高的工作电压，不能与深亚微米超大规模集成电路技术兼容，制造成本比较高。与此同时，随着大规模集成电路技术的不断发展，CMOS摄像传感器得益于集成电路技术的成熟工艺和高速度，过去CMOS器件制造过程中不易解决的技术问题，都开始找到了相应的解决办法，从而大大地改善了CMOS的成像质量，CMOS具有集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低等优点。目前CMOS单元像素的面积已与CCD相当，CMOS已可以达到较高的分辨率。如果能进一步提高CMOS器件的信噪比和敏感度，那么CMOS器件有可能成为摄像机、数码相机、移动电话等很多产品的图像传感器的选择。
光电二极管(photodiode)作为光电转换器件可应用于CMOS摄像传感器中。CMOS电路和光电二极管结合，光信号转化为电信号并以数字信号的形式进行输出。为了配合目前的深亚微米技术，二极管必须制作于从硅表面约1μm深的浅层区域。作为感光材料的硅本性存在的问题是光吸收性很弱，特别是对红光的弱吸收。因此输出的光信号不足以在很多方面得到应用。一些应用硅的光探测器，如太阳能电池，可以制成10μm以内，具有回反射器充分吸收太阳光的光子或将其转化为其他物质。显然这些方法很难整和到CMOS制作工艺中。
授予Biay-Cheng Hseih的美国专利6593607B1公开了一种摄像传感器(Image sensor with enhanced blue response and signal cross-talksuppression)，其增强了对蓝光的响应和限制了串扰(cross talk)现象。该摄像传感器由光电二极管层构成，设置在光电二极管层一侧的是由与该光电二极管掺杂相反的半导体材料构成的衬底层。该衬底层更进一步由具有不同掺杂浓度的两层构成。不同的掺杂浓度产生了深层电场阻止载流子向其他传感器移动。从而限制了串扰的产生。另外该深层电场的电势引导这些载流子回到衬底与光电二极管构成的N-P结。为与此协同作用，在光电二极管的另一侧设置了浅注入层。浅注入层在其与光电二极管之间产生的电场引导载子到光电二极管层。如此抑止了摄像传感器的浅层区域产生的载流子在表面的复合。从而增强了对蓝光的响应。
但是这种发明并没有从根本上改变硅对光吸收效率低的特点。其对光量子转换化效率低，只不过通过增加了一些收集效率而增加敏感性。
授予Hartmut Presting等的美国专利6043517公开了具有高效率的SiGe光探测器(SiGe photodetector with high efficiency)，其由可以吸收小于900nm波长光的肖特基二极管探测器A和波长范围1000～2000nm的Si/SiGe pn二极管探测器B构成。集成在探测器B上的共鸣器和布来格反射器提高了光电探测器的效率。
此项可以显示通过增加锗的含量来增加光的吸收效率。但是肖特基二极管探测器对可见光的吸收效率低，而且暗电流大信噪比低。共鸣器和布来格反射器比较难于集成在传统的CMOS工艺中，而且其主要应用于红外探测器上。
本发明的光电二极管通过硅锗吸收层增强了对光的吸收性和光生载子较高的迁移速度，获得较高的光电转换效率及信噪比，而且可与标准的CMOS结构集成而应用于移动电话、数码相机、摄像机等中。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种光电二极管，增强其光吸收性，改善光生载子在光探测器中的迁移速度，提高光电二极管的光电转换效率，缩短响应时间。解决体硅存在的对光的低吸收率。
本发明的另一个目的是抑制由于光生载子漂移和扩散到邻近像素附近而产生串扰和噪音的现象，提高信噪比。
本发明还有一个目的是提供一种具有吸收性得到改善的光电二极管的制造方法，将光电二极管和标准CMOS电路集成。
本发明还有一个目的是光电二极管应用于CMOS摄像传感器中，使其敏感度提高，信噪比增强，成像质量提高。
本发明的光电二极管包括硅衬底，硅锗吸收层，单晶硅层，掺杂硅层，氧化硅层。
本发明所述的光电二极管的硅锗吸收层外延生长在硅衬底上，而所说硅衬底采用掺杂硅，最好是P型硅材料。
本发明所述的光电二极管的硅锗吸收层中(SixGe1-x)硅锗比是特定值，x为1～0，优选为0.9～0.5。
本发明所述的光电二极管的硅锗吸收层中(SixGe1-x)，锗的浓度也可以在吸收层中由下到上逐渐变小。
本发明所述的光电二极管的硅锗吸收层的厚度为0.2～1.5μm，优选为0.2～1.0μm。
本发明的光电二极管的制作方法包括，在硅衬底上外延生长硅锗吸收层，硅锗吸收层上外延生长高质量的单晶硅，在该单晶硅层上形成掺杂硅层，在掺杂硅层上形成氧化硅层。
本发明的光电二极管的硅锗吸收层是采用气相外延生长工艺方法形成。
本发明的光电二极管的单晶硅层是采用气相外延生长工艺方法形成。
本发明的光电二极管的掺杂硅层是以离子注入方法形成。
本发明的光电二极管的氧化硅层是采用化学气相淀积方法形成。
本发明的CMOS摄像传感器，包括本发明的光电二极管的有源像素单元和CMOS电路。
本发明的CMOS摄像传感器的有源像素单元还包括源极跟随器、复位管、选通管，或者可以使用包括栅极(transfer gate)在内的4管结构。
本发明的CMOS摄像传感器的CMOS电路为标准工艺制造。
本发明的一个优点是具有优质的硅锗晶体形成的较薄吸收层的光电二极管，具有对光子的高吸收性，更长的光生载流子寿命，即减低的复合率及高的光电转换效率。
本发明的另一个优点是因为锗比硅有较高的迁移性，较薄吸收层构成的器件能以低电压产生很强的电场，因此产生的电子和空穴可以较高的速度离开吸收层。信号的响应时间短、速度快。若没有硅锗吸收层，吸收同样多的光子，需要较厚的硅材料，其结果电子和空穴为集结到接触层，甚至以较低的速度需要穿过较长的距离。其结果性能很差，如信号强度不够，响应时间长，速度慢等。
本发明还有一个优点是因为所有光子在靠近表面浅层内吸收，就有载流子聚集的一个高效率和高速度，在相邻的像素之间没有任何串扰等。
本发明还有一个优点是因为在硅锗吸收层上外延生长高质量的单晶硅层，在该单晶硅层上可以制作CMOS电路，因此本发明的光电二极管可以与标准CMOS集成在一块芯片上。
附图说明
图1包含本发明的光电二极管的CMOS摄像传感器的工作原理示意图。
图2根据本发明的光电二极管的一个材料结构实例的示意图。
具体实施方式
图1是本发明的光电二极管应用于CMOS电路中(所说电路并非必须)的一个实例。图中所示的有源像素(Active Pixel)单元(虚线框所示)包括光电二极管10、复位管(RST)11、源极跟随器(Source Follower)12和行选通管(RS)13。光照射到光电二极管产生电压变化。这些电压信号通过源极跟随器缓冲输出，当行选通管选通时，信号通过列总线输出，行选通管关闭时复位管打开对光电二极管复位。如此，光被吸收转化为电信号输出到该CMOS电路14。
图2说明了根据本发明的光吸收性增强的光电二极管的结构，其中1是硅衬底，2是外延生长在所说硅衬底1上的硅锗吸收层(SixGe1-x)，其中x为1到0，代表硅和锗组分的比例。3是在所说硅锗吸收层2上外延生长的单晶硅层，4是一层掺杂硅层，顶上一层5是氧化硅层。其中各层的作用是，外延生长的硅锗吸收层2是用来吸收光子，掺杂硅层4是用来形成pn节，氧化硅层5是绝层。
根据本发明的一个方面，通过在半导体衬底上外延生长硅锗吸收层作为光电二极管的吸收层来实现吸收性的增强。当光线射入二极管，一些光子被外延单晶硅层(c-Si)3吸收，多数光子不被该单晶硅层3吸收而进入硅锗吸收层2。在锗的帮助下，光吸收显著提高而产生电子和空穴。这些电子和空穴带着不同的电荷在掺杂硅层4形成的pn节产生的电场中分离而形成电流并被电路探测到。更多的电子将产生更强的电信号。
对于一个特定波长范围的光的吸收系数取决于光电探测器材料的能带结构。锗的本性具有较窄的能带和对光的高吸收系数，因此较的硅锗吸收层2可以与较厚的体硅层吸收同样多的入射光，锗与硅混合作为光电二极管的光吸收层可以使硅带隙缺陷的减少，增加了对可见光的所有初始颜色红、绿、蓝以及红外的光子的吸收效率，特别是波长较长的红光或红外的吸收性，从而提高传感器对光的敏感度。
锗比硅有较高的迁移率，因此产生的电子和空穴可以较高的速度离开吸收层。信号的响应时间短、速度快。若没有硅锗吸收层，吸收同样多的光子，需要较厚的硅材料，其结果电子和空穴为集结到接触层，甚至以较低的速度需要穿过较长的距离。其结果性能很差，如信号强度不够，响应时间长，速度等。
通常光子进入到晶片深处产生的载流子通过移和扩散到达邻近像素附近会产生串扰而导致噪音。
由于硅锗吸收层的吸收性增强，该层可以作得较，这样就很容易通过浅沟蚀刻或离子注入进行隔离，防止光生载流子通过移和扩散到达邻近的像素附近而产生串扰和噪音。
根据本发明，硅锗是以合金的方式形成单晶体，由于硅和锗具有不同的原子结构，因此高浓度的锗与纯硅之间的接触容易产生缺陷。锗的比例越高，硅锗吸收层2厚度越大，缺陷越严重。而缺陷越多噪声越大，信噪比越低，输出的信号质量越差。因此硅锗合金中硅锗的比例和硅锗吸收层2的厚度有一定的匹配关系而且对其晶格的质量起决定作用，因此必须选择合适的硅锗比和硅锗(SixGe1-x)层2的厚度。为了得到无缺陷的高质量的硅锗单晶体，本发明选用硅锗(SixGe1-x)层2的硅锗比x为1～0，优选为0.9～0.4，更优选为0.8～0.5。
硅锗比x随着硅锗吸收层2的厚度在变以得到不同的吸收改善。硅锗吸收层2的厚度对光的吸收性也有影响，而且硅锗吸收层2厚度与硅锗吸收层2中硅锗比关系很大，锗的加入量越大硅锗吸收层2厚度要小才可以获得较高质量的硅锗单晶体，根据以上硅锗比和对可见光(450～650nm orand IR)的吸收率考虑，硅锗吸收层2的厚度可以是0.2～1.5μm，优选为0.2～1.0μm。
根据本发明的光电二极管的制作方法为：
首先是裸硅晶片，也可以是顶部外延生长的硅晶片或掺杂硅，然后在硅晶片上外延生长硅锗(SixGe1-x)层2。外延生长方法可以采用气相外延生长方法，即用硅烷(SiH4)和锗烷(GeH4)或卤化硅和锗，调整其气体流量比例以控制硅锗吸收层2的硅锗比，具体气相外延生长工艺和方法可与传统的单晶硅工艺相同，生成要求厚度的硅锗吸收层2。
另外，在硅锗吸收层2的上面，继续采用气相外延生长工艺，再形成单晶硅层；
在单晶硅层3的上面以离子注入掺杂n型或pn结(pin结构)；
在掺杂硅层4上采用化学气相淀积方法形成氧化硅层5作为绝缘层。
具有优质的硅锗晶体形成的较薄吸收层的本发明的光电二极管，具有对光子的高吸收性，更长的光生载流子寿命，即减低的复合率及高的光电转换效率。而且因为锗比硅有较高的迁移性，较薄吸收层构成的器件能以低电压产生很强的电场，因此产生的电子和空穴可以较高的速度离开吸收层。信号的响应时间短、速度快。又因为所有光子在靠近表面浅层内吸收，就有载流子聚集的一个高效率和高速度，在相邻的像素之间没有任何串扰等。
CMOS摄像传感器的图像质量主要取决于作为光探测器的光电二极管的光敏感度和信噪比，即对光的吸收性和光电转换率。
外延生长得到的硅锗吸收层不仅提高光电二极管本身的光电性能，而且对后续的CMOS电路产生较小的影响，因为如图2所示，在硅锗(SixGe1-x)吸收层2上可以外延生长出高质量的单晶硅层3，可以在这层单晶硅层3上按照标准的CMOS工艺制作CMOS结构。这就使由本发明的光电二极管构成的像素单元阵列容易与CMOS电路集成在一个芯片上。
集成了本发明的光电二极管的CMOS摄像传感器可应用于移动电话、数码照相机、数码摄像机等，特别适合应用于移动电话中，具有高分辨率，低功耗、较高信噪比和敏感度的特点。

Claims (13)

1.一种光电二极管，包括硅衬底，硅锗吸收层，单晶硅层，掺杂硅层，氧化硅层。
2.根据权利要求1的光电二极管，其特征在于，所述的硅锗吸收层外延生长在硅衬底上，而硅衬底采用掺杂硅，优选采用P型硅材料。
3.根据权利要求1的光电二极管，其特征在于，所述的硅锗吸收层中(SixGe1-x)硅锗比是特定值，其中x为1～0，优选为0.9～0.5。
4.根据权利要求1的光电二极管，其特征在于，所述的硅锗吸收层中(SixGe1-x)锗的浓度也可以是吸收层中由下到上逐渐变小。
5.根据权利要求1的光电二极管，其特征在于，所述的硅锗吸收层的厚度为0.2～1.5μm，优选为0.2～1.0μm。
6.根据权利要求1的光电二极管的制作方法，包括，在硅衬底上外延生长硅锗吸收层，硅锗吸收层上外延生长高质量的单晶硅，在该单晶硅层上形成掺杂硅层，在掺杂硅层上形成氧化硅层。
7.根据权利要求1的光电二极管的制作方法，其特征在于，所述的硅锗吸收层是采用气相外延生长工艺方法形成。
8.根据权利要求1的光电二极管的制作方法，其特征在于，所述的单晶硅层采用气相外延生长工艺方法形成。
9.根据权利要求1的光电二极管的制作方法，其特征在于，所述的掺杂硅层是以离子注入方法形成。
10.根据权利要求1的光电二极管的制作方法，其特征在于，所述的氧化硅层采用化学气相淀积方法形成。
11.一种CMOS摄像传感器，包括权利要求1所说的光电二极管的有源像素单元和CMOS电路。
12.根据权利要求11的CMOS摄像传感器，其特征在于，所述的有源像素单元还包括源极跟随器、复位管、选通管，或者可以使用包括栅极(transfer gate)在内的4管结构。
13.根据权利要求11的CMOS摄像传感器，其特征在于，所述的CMOS电路为标准工艺制造。
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