CN1964059A - 像素传感器以及形成与掩埋光电探测器的接触的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了掩埋在半导体材料中的垂直堆叠光电二极管，其被深槽隔离和选择性接触。本发明的一个实施例提供了一种像素传感器，包括：多个在衬底上形成的光敏单元，每个光敏单元适于产生光致电荷以响应电磁辐射；以及多个光致电荷迁移器件，每个光致电荷迁移器件与至少一个所述多个光敏单元耦合。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器，特别地，涉及使用深槽与掩埋在半导体材料中的垂直堆叠光电二极管接触和隔离的方法。
背景技术
在本领域中，像素传感器以及多波长像素传感器是熟知。垂直堆叠多波长像素传感器也已经被用于减少由这些传感器所占的器件的表面积。
例如，首先参考图1A，示出了例如如美国专利5,965,875公开的Merrill的垂直堆叠多波长像素传感器10的截面图。如图所示，像素传感器10包括四个交替相反掺杂的半导体层。n型阱20与p型阱22之间的结构成第一光电二极管32。p型阱22与n型阱24之间的结构成第二光电二极管34。n型阱24与p型衬底26之间的结构成第三光电二极管36。第一光电二极管32、第二光电二极管34和第三光电二极管36的每个适于响应不同波长的电磁辐射。例如，第一光电二极管32适于响应约450nm的蓝光，第二光电二极管34适于响应约550nm的绿光，以及第三光电二极管36适于响应约为650nm的红光。现有技术中已知，每个光电二极管对特定波长的灵敏度主要由其在像素传感器10中的深度决定。
然而上述配置的显著缺点在于，光电二极管32、34、36串联且极性交替，即，第一光电二极管32与第三光电二极管36具有一个极性，而第二光电二极管34具有相反的极性。这样的配置需要修改电路或者电压范围，可能除了NMOS存取晶体管以外还需要PMOS存取晶体管，这增大了像素传感器10的电路的复杂性。
为了避免图1A所示传感器10的这些缺点，可以使用其它交替的电荷相反的半导体层的阱。图1B示出了具有六层交替的电荷相的半导体层的像素传感器110。如同图1A，n型阱120与p型阱122之间的结构成第一光电二极管132。然而与图1A所示传感器10不同的是，第二光电二极管134则是由p型阱122、n型阱124和p型阱126组成，其中，p型阱122、126作为第二个光电二极管134的阳极、n型阱124作为阴极。类似，第三光电二极管136由作为阳极的p型阱126、130以及作为阴极的n型阱128组成。如同图1A，p型阱130可以是半导体衬底或者是另一个p型阱。
为了确保每个光电二极管具有相同的极性，每个光电二极管132、134、136的输出142、144、146分别从n型阴极120、124、128获得，而p型阳极122、126、130耦合至固定电势，例如地140。这样，像素传感器110避免了与极性交替的串联光电二极管相关的多个缺点。
然而，图1B中的器件也还存在明显的缺点。由于相邻传感器之间缺乏隔离，将经常产生串扰。此外，器件的最上层是n型层(图1A中的20、图1B中的120)，这会导致在传感器10，110的表面产生电子。表面电子的产生增大了传感器中的暗电流。
另外，传感器110仍然依赖于“透过”扩散。透过扩散至少存在两个显著缺点。第一，为了有效地与深掩埋在半导体衬底中的光电二极管接触，必须在掺杂剂列，例如120、122等(图1B)的垂直部分，进行重掺杂。第二，为了将掺杂剂引入衬底的足够深度，必须进行高能注入或者长时间的高温退火。无论是高浓度的掺杂还是高能量的注入，都会对硅材料造成损坏，从而增大暗电流、降低光电二极管的信噪比。另外，高能注入和长时间的高温炉退火会导致宽列的掺杂剂，其中列宽与深度成比例。因此使用透过扩散作为光电二极管接触方法，必须以增大像素面积作为代价。
从而，需要没有上述缺点的光电二极管和相关结构。
发明内容
本发明提供了一种掩埋在半导体材料中的垂直堆叠光电二极管，其被深槽隔离和选择性接触。
本发明第一方面提供了一种像素传感器，包括：多个在衬底上形成的光敏单元，每个所述光敏单元适于产生光致电荷以响应电磁辐射；以及多个光致电荷迁移器件，每个所述光致电荷迁移器件与所述多个光敏单元中的至少一个耦合。
本发明第二方面提供了一种像素传感器，包括：多多个在衬底上形成的光电二极管，每个所述光电二极管包括p-n结；多个光致电荷迁移器件，每个所述光致电荷迁移器件与所述多个光电二极管中的至少一个耦合；以及下面的至少一个：重掺杂的p型层，其与至少一个光致电荷迁移器件以及至少一个光电二极管的p型阱相邻；阻塞p型层，其与至少一个光电二极管的p型阱相邻；以及浅槽隔离，其与至少一个所述光致电荷迁移器件相邻。
本发明第三方面提供了一种形成与掩埋光电二极管的接触的方法，包括：在衬底上形成与所述光电二极管相邻的槽；将绝缘材料施加到所述槽的内表面；以及使用多晶硅填充所述槽。
本发明的第四方面提供了一种像素传感器，包括：多个在衬底中形成的光敏单元，每个所述光敏单元适于产生光致电荷以响应电磁辐射；至少一个光致电荷迁移器件，其耦合到所述多个光敏单元中的至少一个；以及衬底中的深槽，所述深槽围绕每个所述多个光敏单元以及所述至少一个光致电荷迁移器件。
本发明的上述方面被设计用于解决这里所述的问题以及可由本领域技术人员发现的未讨论的其它问题
附图说明
通过结合示出本发明各个实施例的附图在下文详细描述本发明的各方面，将使本发明的这些和其它特征更加容易理解，其中：
图1A-B是现有技术器件的截面图；
图2是根据本发明实施例的多二极管像素传感器的俯视图；
图3-5是根据本发明实施例的多二极管像素传感器的截面图；
图6-9是根据本发明的多二极管像素传感器的可选实施例的详细截面图；
图10是根据本发明实施例的多二极管像素传感器的可选实施例的截面图；
注意，本发明的附图并非按照比例绘制。这些附图只是用于对本发明某些典型的方面进行描述，因此不应被视为限制本发明的范围。在附图中，相同的标号表示相同的元件。
具体实施方式
如上所述，本发明提供了一种掩埋在半导体材料中的垂直堆叠光电二极管，其通过深槽选择性地隔离和接触。
图2示出根据本发明一个实施例的多二极管像素传感器210的示例实施例的俯视图。如图所示，传感器210的边界围绕着可选的深槽290，该深槽290包括绝缘材料294中的多晶硅材料292。其中，绝缘材料294可以是已有材料或者后开发出的材料，包括例如二氧化硅以及基于聚硅氮烷的无机材料等。传感器210还包括三个深槽250、260、270，每个连接至传感器210表面下方的光电二极管(未示出)。与围绕的深槽290相似，每个深槽250、260、270包括被绝缘材料254、264、274围绕的多晶硅材料252、262、272。其中，每个深槽250、260、270的多晶硅和绝缘材料既可以相同、也可以不同。类似，深槽250、260、270的多晶硅和绝缘材料可以与可选围绕深槽290的相同或者不同。
图3-5分别示出每个深槽250、260、270与掩埋在半导体衬底中的光电二极管的选择性接触。图3是图2所示传感器210沿直线B的截面示意图。从交替的n型和p型掺杂硅层形成多个光电二极管。与已知器件不同的是，传感器210的最上层是p型层218。这样的配置将集电区220与硅表面产生的电子隔离开，从而减少或者消除传感器210中的暗电流。
仍然参考图3，第一光电二极管包括在n型阱220和p型阱218(位于n型阱220的上方和下方)之间的结。p型阱218用作阳极、n型阱220用作阴极。第二光电二极管包括位于p型阱218在n型阱220下方的部分、n型阱224以及p型阱226之间的结。第三光电二极管包括在n型阱228与p型阱330在n型阱228上方和下方的部分之间的结。如图所示，深槽260只与第二个光电二极管接触，具体是与第二光电二极管的n型阱224接触。由于缺少与光电二极管的高剂量接触区域，因此在重置光电二极管的操作中，允许将光电二极管的光致电荷完全耗尽，这是本发明与现有器件相比的优点之一。
与现有器件相比，本发明的另一个不同之处在于，本发明中的交叠的n型和p型掺杂硅层不返回到器件表面。而在现有器件中，这些层返回到器件表面，尤其n型掺杂层的返回，会在器件表面产生电子。如前面所提到的，产生的电子会增大器件中的暗电流，降低其作为光电探测器的有效性。
进一步，通过在围绕的深槽290上施加负偏置也可以减少传感器210中的暗电流。上述操作会使p型层286与围绕的深槽290的外表面相邻，有效地聚积p型阱218、226、并利用p型层218、226、286围绕或“锁定”n型阱220、224、228。该锁定导致在传感器210中没有或者几乎没有暗电流。
正如接下来将要详细描述的，多晶硅262和绝缘材料264用作场效应晶体管(FET)；多晶硅262用作栅极以及绝缘材料264用作栅极介质。因此，在多晶硅262上施加电压会沿深槽260的外表面形成反型层280。该反型层280将作为源的n型阱224与漏极230连接，使得n型阱224中的光致电荷能够流动至漏极230。这样，本发明所述深槽250、260、270可以用作光致电荷迁移器件。
图4是图2所示传感器210沿直线A的截面示意图。其中，深槽250只与第一个光电二极管接触，具体是与第一光电二极管的n型阱220接触。沿深槽250的外表面形成反型层280，从而连接n型阱220与漏极230。
类似，图5是图2所示传感器210沿直线C的截面示意图。深槽270只与第三光电二极管的n型阱228接触，沿深槽270的外表面形成反型层284，从而连接n型阱228与漏极230。
如图1A所述，通过调整光电二极管在半导体衬底中的深度，传感器210中的每个光电二极管都适于产生响应不同波长的电磁波的光致电荷。例如，图3中的光电二极管可以适于产生响应约为550nm的电磁波长的光致电荷，图4中的光电二极管可适于产生响应约为450nm的电磁波长的光致电荷，图5中的光电二极管可适于产生响应约为650nm的电磁波长的光致电荷。可选的是，当传感器210适于增强产生光致电荷的能力而不是用于探测特定电磁波长时，每个光电传感器可以连接至单个深槽，这在接下来将要进行详细描述。
图6示出传感器210的示例实施例的详细视图。与同图3，深槽260与第二光电二极管的n型阱224接触。在p型阱218上面层叠有二氧化硅层236、氮化硅层238、掺杂硼的磷硅酸盐玻璃(BPSG)240以及金属242。其中，p型阱218上面的各层的形成可以采用现有技术或者后开发出的技术实现，包括光刻和淀积技术。
如上所述，多晶硅262与绝缘材料264构成FET，其中多晶硅262用作栅极。在多晶硅262的上面形成栅极接触244，在漏极230的上面形成扩散接触246。将栅极接触244偏置到高电势导致沿深槽260的外表面形成反型层280。一旦形成，该反型层280将n型阱224连接到漏极230，使得来自n型阱224的光致电荷流到扩散接触246并位于传感器210的外部电路(未示出)上。在图3-6所示的传感器210中，允许每个光电二极管中的电子独立迁移，或者与其他希望的光电二极管中的电子结合迁移。然而，本领域技术人员可以知道，传感器210的层的极性可能发生反转，即，层218变成n型、层220变成p型、层224变成n型等。该传感器与前面所述的唯一不同之处在于，该传感器收集的不是电子而是空穴。
如上所述，p型阱218减少或者消除了产生的表面电子，从而使得传感器210中的暗电流减少或者消除。然而正如图3所描述的，通过锁定n型阱224可以进一步减少暗电流。为此，栅极接触244是负向偏置的(例如在大约-1V)。该负向偏置导致沿着深槽260的外表面形成p型(空穴)层(与用于光致电荷迁移的n型(电子)反型层相对)。一旦形成p型层，通过p型层将n型阱224完全包围或者“锁定”。如上所述，该锁定导致在传感器210中没有或者几乎没有暗电流。优先，可将栅极接触244(从而将深槽260)可选地正向或负向偏置。
参考图7，通过在p型阱218的上面沿深槽260的外表面形成重掺杂的p型阱319，可以进一步减少或者消除产生的表面电子。在这种情况下，通过p型层将n型阱224锁定或者包围，但是不如上文依赖于对栅极接触244的负向偏置。如图所示，当对栅极接触244进行正向偏置时，反型层280从n型阱224至漏极230形成，而不是如图6中沿深槽260的整个外表面形成。
图8是图2所示传感器210沿直线D的截面示意图。这里，阻塞p型阱417位于相邻的槽250、260、270之间，其迫使电子(如果阱的极性反转，则是空穴)沿着形成的反型层280、282、284迁移。也就是说，迫使电子(或者空穴)沿着反型层280从与光电二极管(例如图6中218与224的结)相邻的槽例如260(图6)的一侧往下，到达槽260的下方，以及再从槽260与漏极230(图6)相邻的一侧往上。这样的配置避免了当断开栅极262时，n光电二极管层220与n层230(图4)之间电荷的无意的泄漏。
图9示出本发明的另一个实施例，其中，由于添加围绕深槽的p型掺杂剂以及可选的浅槽隔离(STI)529，深槽560为掩埋沟道器件。这样“掩埋”深槽560，以及适当地偏置槽，避免了沿深槽560的侧壁表面产生电子，而这是产生暗电流的另外一个来源。
图10是根据本发明可选实施例的传感器210的截面图。如图10所示，每个光电二极管都与深槽270相连。本实施例可以用于例如增强传感器产生光致电荷的能力。可以使用任意个垂直堆叠光电二极管，其中两个或多个该光电二极管与单个深槽并联。每个光电二极管适于产生光致电荷以响应不同电磁波长，尽管这并不要求。
上述对本发明多个方面的描述是为了示例和说明。而不是为了将本发明穷尽或限制到所公开的具体形式，显然，可以进行多种修正与变化。这些可能对本领域技术人员显而易见的修改和变化旨在被包括在由所附权利要求书限定的本发明的范围内。
Claims (25)
1.一种像素传感器，包括：
多个在衬底上形成的光敏单元，每个所述光敏单元适于产生光致电荷以响应电磁辐射；以及
多个光致电荷迁移器件，每个所述光致电荷迁移器件与所述多个光敏单元中的至少一个耦合。
2.根据权利要求1的像素传感器，其中所述多个光敏单元中的每个包括p-n结光电二极管。
3.根据权利要求2的像素传感器，其中所述光致电荷从每个光电二极管的n型阴极迁移。
4.根据权利要求1的像素传感器，其中所述多个光敏单元被垂直设置，使得第一光敏单元被置为在所述衬底中比第二光敏单元更深。
5.根据权利要求1的像素传感器，其中每个光致电荷迁移器件包括在所述衬底上形成的槽结构，所述槽结构与光敏单元相邻。
6.根据权利要求5的像素传感器，其中每个所述槽结构包括：
沿所述槽结构的内表面的部分的介质；以及
在所述槽结构内部的多晶硅材料。
7.根据权利要求6的像素传感器，其中每个槽结构适于沿外表面产生反型层。
8.根据权利要求7的像素传感器，其中所述反型层从所述光敏单元迁移光致电荷。
9.根据权利要求6的像素传感器，其中所述槽结构可以可选地被正向偏置和负向偏置。
10.根据权利要求1的像素传感器，其中所述多个光致电荷迁移器件的每一个耦合到扩散接触。
11.根据权利要求1的像素传感器，其中第一光敏单元适于产生光致电荷以响应约为650nm的电磁波长，第二光敏单元适于产生光致电荷以响应约为550nm的电磁波长，以及第三光敏单元适于产生光致电荷以响应约为450nm的电磁波长。
12.根据权利要求1的像素传感器，其中所述多个光敏单元中的至少一个适于将所述光致电荷完全放电。
13.一种像素传感器，包括：
多个在衬底上形成的光电二极管，每个所述光电二极管包括p-n结；
多个光致电荷迁移器件，每个所述光致电荷迁移器件与所述多个光电二极管中的至少一个耦合；以及
下面的至少一个：
重掺杂的p型层，其与至少一个光致电荷迁移器件以及至少一个光电二极管的p型阱相邻；
阻塞p型层，其与至少一个光电二极管的p型阱相邻；以及
浅槽隔离，其与至少一个所述光致电荷迁移器件相邻。
14.根据权利要求13的像素传感器，其中所述重掺杂的p型层、阻塞p型层以及浅槽隔离中的至少一个适于减小所述像素传感器中的暗电流。
15.根据权利要求13的像素传感器，其中所述多个光电二极管被垂直设置，使得第一光电二极管被置为在所述衬底中比第二光电二极管更深。
16.根据权利要求13的像素传感器，其中每个光致电荷迁移器件包括在所述衬底上形成的槽结构，所述槽结构与光电二极管相邻，每个所述槽结构包括：
沿所述槽结构的内表面的部分的介质；以及
在所述槽结构内部的多晶硅材料。
17.根据权利要求16的像素传感器，其中每个槽结构适于沿外表面产生反型层，以及其中所述反型层从光电二极管迁移光致电荷。
18.根据权利要求16的像素传感器，其中所述槽结构可以被交替地正向偏置和负向偏置。
19.一种形成与掩埋光电二极管的接触的方法，所述方法包括：
在衬底中形成与所述光电二极管相邻的槽；
将绝缘材料施加到所述槽的内表面；以及
使用多晶硅填充所述槽。
20.根据权利要求19的方法，还包括沿所述槽的外表面产生反型层的步骤。
21.一种像素传感器，包括：
多个在衬底中形成的光敏单元，每个所述光敏单元适于产生光致电荷以响应电磁辐射；
至少一个光致电荷迁移器件，其耦合到所述多个光敏单元中的至少一个；以及
衬底中的深槽，所述深槽围绕每个所述多个光敏单元以及所述至少一个光致电荷迁移器件。
22.根据权利要求21的像素传感器，其中每个所述多个光敏单元包括p-n结光电二极管。
23.根据权利要求22的像素传感器，其中所述光致电荷从每个光电二极管的n型阴极迁移。
24.根据权利要求22的像素传感器，其中当所述深槽被负向偏置时，所述深槽适于沿外表面产生p型层。
25.根据权利要求24的像素传感器，其中所述p型层将所述p型层中的至少一个光电二极管的n型阱与至少一个光电二极管的至少一个p型阱隔离。
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