ITMI20082363A1 - Sensore comprendente almeno un fotodiodo a doppia giunzione verticale integrato su substrato semiconduttore e relativo processo di integrazione - Google Patents

Sensore comprendente almeno un fotodiodo a doppia giunzione verticale integrato su substrato semiconduttore e relativo processo di integrazione Download PDF

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Description

DESCRIZIONE
Campo di applicazione
La presente invenzione fa riferimento ad un sensore di radiazione a fotodiodi integrato su substrato semiconduttore.
Piu. specificatamente l invenzione si riferisce ad un sensore di radiazione integrato su un substrato semiconduttore e comprendente almeno un primo ed un secondo fotodiodo includenti almeno una prima ed una seconda giunzione p-n realizzate in detto substrato semiconduttore nonché almeno un primo ed un secondo rivestimento antiriflesso realizzati superiormente a detti primo e secondo fotodiodo.
L'invenzione fa altresì riferimento ad un processo di integrazione di un tale sensore di radiazione a fotodiodi integrato su un substrato semiconduttore.
L’invenzione riguarda in particolare, ma non esclusivamente, un sensore a fotodiodi integrato su substrato semiconduttore in silicio atto a realizzare un sensore di luce ambientale e la descrizione che segue à ̈ fatta con riferimento a questo campo di applicazione con il solo scopo di semplificarne l'esposizione.
Arte nota
Come à ̈ ben noto, con il termine sensore di radiazione o fotorilevatore si intendono identificare dispositivi atti a rilevare segnali ottici, in particolare luce, e a convertirli in segnali elettrici. Usualmente, tali dispositivi sfruttano il coefficiente d’assorbimento di uno specifico materiale utilizzato per la loro fabbricazione.
Nel caso di dispositivi a semiconduttore, i fotoni del segnale ottico vengono assorbiti dal silicio creando coppie elettrone-lacuna (in base al fenomeno della transizione intrinseca) se l’energia di tali fotoni à ̈ maggiore o uguale dell’energia della banda proibita del silicio (pari a 1.1 eV nel caso di silicio cristallino).
Se l’energia di un fotone non à ̈ sufficiente, lo stesso sarà comunque assorbito nel caso vi sono stati energetici disponibili nella banda, in particolare dovuti ad impurità o difà ̈tti. Si parla in questo caso di transizione estrinseca.
E’ noto che il numero di fotoni assorbiti da un determinato materiale alla distanza Δχ à ̈ dato da: αΦ(χ)Δτ , dove a à ̈ il coefficiente d’assorbimento di tale materiale e Φ à ̈ il flusso di fotoni incidente sul materiale.
Ovviamente, i coefficienti di assorbimento sono funzione della lunghezza d’onda. Nel caso di materiali semiconduttori, tali coefficienti possono andare da IO<3>a IO<8>con lunghezze d’onda λ che vanno da 0.2 a 1.8 Î1⁄4ηπ.
I sensori di radiazione sono utilizzati in diverse applicazioni, ad esempio per realizzare sensori di luce ambientale o ALS (acronimo dall’inglese “Ambient Light Sensor†). In tal caso, il sensore di radiazione viene normalmente realizzato mediante fotodiodi in silicio vale a dire integrati su semiconduttore.
In particolare, un sensore di luce ambientale à ̈ un dispositivo progettato per rilevare l’intensità della luce ambientale, in modo quanto più possibile simile a quella che à ̈ la sensibilità dell’occhio umano. Un tale dispositivo viene normalmente utilizzato per calibrare la luminosità di dispositivo elettronici in funzione delle condizione di luce ambientale (backlight setting), per esempio per calibrare la retroilluminazione di schermi, la luminosità dei display o dei tastierini numerici, l’illummazione notturna o domestica, etc, il tutto allo scopo di rendere più gradevole ed efficiente possibile per rocchio umano la visione del dispositivo elettronico in questione.
In particolare, l'utilizzo di sensori di luce ambientale consente di risparmiare energia fino anche oltre il 50% per il sistema in cui sono montati (cosiddetta funzione di “power saving†), il tutto ottimizzando la luminosità di tale sistema (funzione di “autodimming†) in funzione di quella che à ̈ la percezione dell’occhio umano richiesta dalla particolare condizione ambientale.
Come già detto, fotodiodi, ma anche foto tran sistori, integrati su silicio sono dispositivi a basso costo abitualmente utilizzati per realizzare un sensore di radiazione, in particolare nel caso di sensori di luce ambientale.
Un fotodiodo integrato à ̈ sostanzialmente formato da ima giunzione pn polarizzata inversamente realizzata in un substrato semiconduttore. Più in particolare, si utilizza una giunzione p-n drogata asimmetricamente, dove la regione p, cioà ̈ la zona drogata con accettori, à ̈ molto più drogata rispetto alla regione n drogata con atomi donori, per migliorare la risposta del fotodiodo in talune zone dello spettro visibile.
Infatti, la fotorilevazione interessa principalmente due regioni della struttura di un fotodiodo: una regione di superficie, dove incide la luce, ed una regione di materiale assorbente, in particolare silicio, dove la giunzione p-n à ̈ realizzata.
E’ ovvio che per poter funzionare il fotodiodo ed in particolare la sua regione di superficie deve essere esposta alla luce. In tale regione di superficie devono quindi essere il più possibile evitati materiali che tendono a riflettere la luce, in particolare metalli, mentre vengono opportunamente utilizzati materiali antiriflesso per assorbire quanta più luce possibile della radiazione incidente e ridurre al minimo la luce riflessa.
In tal modo, il fotodiodo integrato, quando colpito da un segnale luminoso, genera coppie elettrone-lacuna entro una lunghezza di diffusione, nella regione di carica spaziale le coppie vengono separate da un opportuno campo elettrico e contribuiscono alla fotocorrente generata. Per questo la regione di carica spaziale deve essere molto estesa.
Gli elettroni uscenti dalla regione n vengono raccolti da un opportuno generatore e iniettati nella regione p, dove si ricombinano con le lacune fotogenerate {in egual numero). La fotocorrente Ip così creatasi nel fotodiodo risulta proporzionale al numero di coppie elettrone-lacuna generate e quindi al numero di fotoni del segnale ottico che ha colpito il fotodiodo stesso. In altre parole, un fotodiodo fornisce in uscita una corrente funzione deirintensità della luce incidente su di esso e dalla sua misura à ̈ quindi possibile risalire all’illuminamento presente ad esempio nell’ambiente in cui il fotodiodo à ̈ posto e quindi adattare di conseguenza le condizioni di illuminazione del dispositivo elettronico dotato di un sensore di luce ambientale formato da tali fotodiodi.
E’ immediato verificare che uno dei parametri importanti per un fotodiodo di questo tipo à ̈ l’efficienza quantica, vale a dire il numero di coppie generate per ogni fotone incidente, pari a:
dove:
η à ̈ l’efficienza quantica
Ip à ̈ la fotocorrente che percorre il fotodiodo;
q à ̈ la carica di un elettrone
Poptà ̈ la potenza ottica incidente
h à ̈ la costante di Planck
v à ̈ la frequenza del segnale ottico incidente
Viene inoltre definita la responsivity (responsività) del fotodiodo come rapporto tra la fotocorrente Ip e la potenza ottica incidente Popt.
In Figura 1 sono riportate curve di responsivity (normalizzata) ottenute sperimentalmente nel caso di fotodiodi in silicio, in particolare con giunzione superficiale (curva RI) e giunzione profonda (curva R2), confrontate con la risposta ottica dell’occhio umano (curva ER), come ben noto sensibile solo a radiazioni di lunghezza d’onda compresa approssimativamente tra 400 e 700nm.
Come si può facilmente intuire da tale figura, à ̈ quindi possibile spostare il picco della curva di responsivity di un fotodiodo in silicio cambiando la profondità della giunzione p-n che lo realizza rispetto alla superficie del semiconduttore in cui tale fotodiodo à ̈ realizzato. In genere, si verifica che à ̈ altresì possibile modificare tale picco variando le caratteristiche strutturali della giunzione p-n che realizza il fotodiodo. Non à ̈ tuttavia possibile ottenere una curva di responsivity che coincida con la risposta dell’occhio umano (curva ER in Figura 1), in particolare azzerando la risposta del fotodiodo alle radiazioni ultraviolette (UV) e nel vicino infrarosso (IR), ossia al di sotto di 400nm e al di sopra di 700nm circa.
Per avvicinarsi a tale risultato, una delle soluzioni più utilizzata nei sensori di luce ambientale attualmente in commercio à ̈ quella di comporre il segnale in corrente proveniente da due giunzioni p-n (vale a dire da due diversi fotodiodi) con diversa responsivity, come schematicamente riportato nelle Figure 2A-2C. In particolare i segnali ottici di tali fotodiodi a diversa responsivity PH1 e PH2 (Figura 2A) vengono sottratti (Figura 2B) ottenendo una responsività combinata PHc del tipo illustrato in Figura 2C.
E’ opportuno ricordare che anche in tal caso la diversa responsivity dei due fotodiodi à ̈ usualmente ottenuta differenziando la profondità della giunzione p-n che li realizza. Si parla in tal caso anche di fotodiodo a doppia giunzione.
Pur vantaggiosa sotto vari aspetti, questa soluzione nota presenta il principale inconveniente di richiedere precise e differenti fasi di drogaggio del sensore di radiazione integrato comprendente i due fotodiodi per ottenere le necessarie giunzioni p-n a diversa profondità. E’ necessario quindi implementare nuovi impianti nella tecnologia nella quale si vuole realizzare tali fotodiodi.
Il problema tecnico della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un sensore di radiazione a fotodiodi, avente caratteristiche strutturali e funzionali tali per cui non necessita della presenza di giunzioni a diversa profondità, superando in tal modo le limitazioni e gli inconvenienti che tuttora limitano i dispositivi realizzati secondo l'arte nota e realizzando un sensore con responsivity il più possibile simile a quella di risposta dell’occhio umano.
Sommario dell'invenzione
L'idea di soluzione che sta alla base della presente invenzione à ̈ quella di utilizzare un fotodiodo a doppia giunzione verticale ed un rivestimento antiriflesso a doppio strato ottenendo in tal modo un sensore essendo par ticolarmente adatto all 'applicazione come sensore di luce ambientale avendo un picco di responsivity in corrispondenza ad un picco di sensibilità dell’occhio umano, senza necessitare di particolare circuiteria di elaborazione delle fotocorrenti provenienti dal fotodiodo a doppia giunzione verticale.
Sulla base di tale idea di soluzione il problema tecnico à ̈ risolto da un sensore integrato su un substrato semiconduttore e comprendente almeno un fotodiodo a doppia giunzione verticale, a sua volta includente almeno una prima ed una seconda giunzione p-n realizzate in detto substrato semiconduttore nonché almeno un rivestimento antiriflesso realizzato superiormente a detto fotodiodo (PHD), caratterizzato dal fatto che detto almeno un rivestimento antiriflesso comprende almeno un primo e di un secondo differente strato antiriflesso atti ad ottenere un picco di responsivity in corrispondenza di una predeterminata lunghezza d’onda di un segnale ottico incidente su detto sensore.
Opportunamente, detto picco di responsivity corrisponde ad un picco di sensibilità dell ’occhio umano, detta predeterminata lunghezza d’onda essendo pari a 540nm.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, detto primo strato antiriflesso può essere fatto da uno strato dielettrico di spessore pari alla metà di detta predeterminata lunghezza d’onda e detto secondo strato antiriflesso può essere fatto da uno strato dielettrico di spessore pari ad un quarto di detta predeterminata lunghezza d’onda.
Opportunamente, detto primo strato dielettrico antiriflesso può essere ossido di silicio e detto secondo strato dielettrico antiriflesso può essere nitruro di silicio.
Vantaggiosamente secondo l'invenzione, detto fotodiodo può essere realizzato in configurazione stacked in detto substrato semiconduttore avente un primo tipo di drogaggio mediante una sacca avente un secondo tipo di drogaggio ed un impianto realizzato all’interno di detta sacca ed avente detto primo tipo di drogaggio, detto impianto e detta sacca formando detta prima giunzione e detta sacca e detto substrato semiconduttore formando detta seconda giunzione di detto fotodiodo a doppia giunzione verticale.
Opportunamente, detto sensore può comprendere prime e seconde strutture di contatto in contatto con detta sacca e con detto impianto, rispettivamente e realizzate in una struttura alternata di strati dielettrici intermetal.
Il problema à ̈ altresì risolto da un processo di integrazione di un sensore in una struttura multistrato comprendente un substrato semiconduttore ed una struttura alternata di strati dielettrici intermetal, del tipo comprendente le fasi di:
realizzare in detto substrato semiconduttore almeno una prima ed una seconda giunzione pn, atte a realizzare almeno un fotodiodo a doppia giunzione verticale;
caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente le fasi di: - rimozione di detti strati dielettrici intermetal in corrispondenza di almeno una apertura atta a scoprire una superficie di detto substrato semiconduttore in corrispondenza di detta doppia giunzione,
deposizione di un primo strato dielettrico antiriflesso a copertura almeno di detta superficie; e
deposizione superiormente a detto primo strato dielettrico antiriflesso di un secondo strato dielettrico antiriflesso a realizzare un rivestimento antiriflesso a doppio strato atto ad ottenere per il fotodiodo un picco di responsivity in corrispondenza di una predeterminata lunghezza d’onda di un segnale ottico incidente su detto sensore.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, detta fase di deposizione di detto primo strato dielettrico antiriflesso può comprendere ima fase di deposizione di uno strato dielettrico avente spessore pari alla metà di detta predeterminata lunghezza d’onda e dal fatto che detta fase di deposizione di detto secondo strato antiriflesso comprende una fase di deposizione di uno strato dielettrico avente spessore pari ad un quarto di detta predeterminata lunghezza d’onda.
Opportunamente, detta fase di deposizione di detto primo strato dielettrico antiriflesso può comprendere una fase di deposizione di uno strato di ossido di silicio e detta fase di deposizione di detto secondo strato antiriflesso può comprendere una fase di deposizione di uno strato di nitruro di silicio.
Ulteriormente vantaggiosamente secondo l’invenzione, detta fase di realizzare in detto substrato semiconduttore almeno una prima ed una seconda giunzione pn di detto fotodiodo può comprendere le fasi di:
realizzare in detto substrato semiconduttore di un primo tipo di drogaggio, almeno una sacca di un secondo tipo di drogaggio; e realizzare in detta sacca un impianto di detto primo tipo di drogaggio,
detto impianto e detta sacca realizzando detta prima giunzione e detta sacca e detto substrato semiconduttore realizzando detta seconda giunzione di detto fotodiodo.
Opportunamente, il processo può comprendere ulteriormente una fase di attacco di detti primo e secondo strato dielettrico antiriflesso e di uno strato di passivazione superiore in corrispondenza di dette strutture di contatto per realizzare opportune aperture di connessione a dette strutture di contatto.
Ulteriormente, detta fase di rimozione di detti strati dielettrici intermetal può comprende un attacco scelto tra un attacco in dry, in wet o in dry e wet.
Detta fase di rimozione di detti strati dielettrici intermetal può altresì comprendere un attacco combinato in dry e wet per ottenere per detta apertura pareti sostanzialmente perpendicolari rispetto a detta superficie di detto substrato semiconduttore.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, detta fase di rimozione di detti strati dielettrici intermetal può comprendere una fase di attacco che utilizza un primo strato metallico come stopping layer, detto primo strato metallico ricoprendo completamente un’area attiva di detto sensore al di sopra di un primo strato dielettrico, detta fase di rimozione essendo atta a scoprire una superficie di detto primo strato metallico in corrispondenza di detta doppia giunzione.
Opportunamente, il processo può comprendere ulteriormente una fase di attacco in dry di detto primo strato metallico con rimozione dello stesso, opportunamente senza perdite dimensionali e una fase di attacco in wet di detto primo strato dielettrico sottostante atta a scoprire detta superficie di detto substrato semiconduttore in corrispondenza di detta doppia giunzione.
Il processo può altresì comprendere una fase di realizzare strutture di contatto per il collegamento elettrico di dette doppia giunzione, in un struttura alternata di strati dielettrici intermetal.
Infine, il problema à ̈ risolto da un sensore di luce ambientale caratterizzato dal fatto di comprende almeno un sensore del tipo sopra indicato.
Le caratteristiche ed i vantaggi del sensore e del processo di integrazione dello stesso secondo l'invenzione risulteranno dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un suo esempio di realizzazione dato a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati.
Breve descrizione dei disegni
In tali disegni:
la Figura 1 mostra schematicamente curve di responsivity (normalizzata) ottenute sperimentalmente per fotodiodi in silicio realizzati secondo la tecnica nota, a confronto con la risposta dell’occhio umano;
le Figure 2A-2C mostrano schematicamente una composizione di responsivity di due fotodiodi in silicio realizzati secondo la tecnica nota;
la Figura 3 mostra schematicamente un sensore a fotodiodo con doppia giunzione verticale realizzato secondo l’invenzione;
la Figura 4 riporta lo spettro di trasmittanza di un rivestimento antiriflesso a doppio strato ossido/ nitruro secondo l’invenzione;
la Figura 5 mostra gli andamenti di responsivity ottenuti per simulazione di un sensore comprendente un fotodiodo dotato di un rivestimento antiriflesso costituito solamente da un ossido e da un rivestimento antiriflesso a doppio strato secondo l’invenzione, rispettivamente;
le Figure 6A e 6B mostrano i risultati di simulazioni effettuate su un sensore realizzato mediante giunzioni p-n in tecnologia HCMOS4TZ;
la Figura 7 mostra schematicamente curve di responsivity relative solamente a giunzioni superficiali di un fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale compreso nel sensore secondo l’invenzione a confronto con la risposta dell’occhio umano;
la Figura 8 mostra schematicamente curve di responsivity relative solamente a giunzioni superficiali di un fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale compreso nel sensore secondo l’invenzione e dotato di uno strato antiriflesso, a confronto con la risposta dell’occhio umano;
le Figure da 9A a 9C mostrano schematicamente il sensore secondo l’invenzione in diverse fasi del suo processo di integrazione, secondo una prima forma di realizzazione dello stesso;
le Figure 10A e 10D mostrano schematicamente il sensore secondo l’invenzione in diverse fasi del suo processo di integrazione, secondo una seconda forma di realizzazione dello stesso; e
la Figura 11 mostra schematicamente l’errore percentuale della fotocorrente ottenuta dal sensore secondo l’invenzione illuminandolo con una lampada a fluorescenza e con una lampada ad incandescenza, rispettivamente.
Descrizione dettagliata
Con riferimento a tali figure, ed in particolare alla Figura 3, viene descritto un sensore di radiazione o brevemente sensore 10 integrato su un substrato semiconduttore 11 e comprendente un fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale.
Piu in particolare, vantaggiosamente secondo l’invenzione, il fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale à ̈ formato nel substrato semiconduttore 1 1 di un primo tipo di conduttività da un impianto dello stesso tipo di conduttività realizzato all’interno di una sacca di conduttività opposta.
Nell’esempio illustrato in figura, il substrato semiconduttore 11 à ̈ di tipo P e comprende una sacca 12 di tipo N (Nwell) nella quale viene realizzato un impianto 13 di tipo P+.
E’ ovviamente possibile, nel caso in cui la tecnologia utilizzi un substrato di tipo N, realizzare il fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale mediante un impianto N+ realizzato all 'interno di una sacca P (Pwell).
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, come sarà chiaro nel seguito della descrizione, la passivazione standard della tecnologia viene quindi attaccata completamente e rimossa dal fotodiodo PHD prima di depositare strati dielettrici costituenti un rivestimento antiriflesso per tale fotodiodo PHD.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, il sensore 10 comprende un fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale integrato sul substrato semiconduttore 11, ad esempio di tipo p (P sub) e comprendente una sacca N (N well) 12 realizzata in tale substrato semiconduttore 11 nonché un impianto di tipo P+ 13 realizzato all’interno della sacca N 12. In sostanza, rimpianto di tipo P+ 13 e la sacca N 12 realizzano una prima giunzione mentre la sacca N 12 ed il substrato semiconduttore 1 1 realizzano una seconda giunzione del fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale.
In tal caso, polarizzando opportunamente il sensore 10 mediante prime e seconde strutture di contatto 12A,12B e 13A,13B in contatto con la sacca N 12 e con limpianto P+ 13, rispettivamente, à ̈ possibile discemere le fotocorrenti delle singole giunzioni, nonché acquisire la fotocorrente derivante dal contributo di entrambe le giunzioni, vale a dire della struttura stacked P+/N well/P sub. Le prime e seconde strutture di contatto 12A,12B e 13A,13B sono realizzate in una struttura alternata di strati dielettrici intermetal 16, come sarà chiarito nel seguito della descrizione. E’ opportuno notare che tale struttura alternata di strati dielettrici intermetal 16 à ̈ una struttura standard della tecnologia di integrazione.
E' ovviamente possibile realizzare il sensore 10 su un substrato semiconduttore di tipo N mediante un impianto N+ realizzato alTintemo di una sacca P prevista in tale substrato semiconduttore con una struttura stacked N+/P well/N sub.
Ulteriormente vantaggiosamente secondo l’invenzione, il primo ed il secondo strato antiriflesso 14 e 15 vengono scelti in maniera opportuna per ottenere per il fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale un picco di responsivity in corrispondenza di una predeterminata lunghezza d’onda λ, in particolare pari a 540nm, vale a dire in corrispondenza del picco di sensibilità deH’occhio umano.
E’ opportuno ricordare che à ̈ noto limitare le perdite dovute alla riflessione della radiazione elettromagnetica incidente sulla superfìcie di un sensore 10 mediante integrazione di strati antiriflesso superficiali.
Solitamente, tali strati antiriflesso vengono scelti in modo tale da presentare uno spessore ottico nd pari ad un quarto della lunghezza d’onda λ della luce visibile (ηά=λ/4), così da avere un massimo di trasmissione ad una lunghezza d’onda di picco Î»Ï della responsivity voluta.
In particolare, in Figura 4 sono riportate la curva di trasmittanza riferita ad una coppia di strati di ossido e di nitruro.
La trasmittanza in questo caso indica la percentuale di luce che può essere assorbita dal sensore 10, tenendo conto della quantità riflessa dalla sua superficie e di quella eventualmente assorbita dagli strati antiriflesso in esso compresi.
Si può in particolare osservare che la trasmittanza di un tale rivestimento a doppio strato ossido /nitruro presenta un picco a 540nm e un’ampiezza a metà altezza di circa 200nm, caratteristiche simili alla risposta dell’occhio umano.
Si osserva inoltre che gli strati antiriflesso presentano trasmittanza bassa nell’ultravioletto (UV) a causa dell’assorbimento dello strato di ossido in tale regione. Nel range del visibile, invece, la trasmittanza si mantiene tra l’80 e 195%. La scelta dello spessore dello strato di ossido da utilizzare dipende dall’applicazione finale del sensore 10, anche se non pesa notevolmente sulla forma della responsivity, ma piuttosto sull’intensità di fotocorrente generata.
E’ inoltre opportuno sottolineare il fatto che la curva di trasmittanza di Figura 4, relativa ad un rivestimento a doppio strato di ossido/ nitruro di silicio, corrisponde in realtà anche ad un qualunque altro strato o film con basso assorbimento, quali ad esempio ZnO, SiN, MgS, etc... nel range di lunghezze d’onda considerato.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, l' utilizzo di un doppio strato antiriflesso depositato sul fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale permette di modificare profondamente la sua responsivity.
In particolare, in una forma preferita di realizzazione del sensore 10 secondo l’invenzione, il fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale comprende un primo strato antiriflesso 14 fatto di ossido di silicio di spessore pari a λ/2η (vale a dire pari alla metà della lunghezza d’onda λ=540ηm che corrisponde a 1900A) sovrastato da un secondo strato antiriflesso 15 fatto di nitruro di silicio (SiN) di spessore pari a λ/4n a realizzare il rivestimento antiriflesso a doppio strato 9. Ovviamente, à ̈ possibile utilizzare strati antiriflesso differenti, vale a dire non necessariamente fatti di ossido e nitruro di silicio, ma genericamente realizzati da strati dielettrici di spessore λ/2η e λ/4η, rispettivamente.
Lo spettro di trasmittanza di tale rivestimento antiriflesso a doppio strato (simulato come coppia ossido-nitruro di silicio depositata su un substrato semiconduttore in silicio) come illustrato in Figura 4 mostra un significativo aumento della trasmittanza nel range del visibile.
Più in dettaglio, il rivestimento antiriflesso a doppio strato secondo l’invenzione presenta un picco di trasmittanza a λ=540ηm e un’ampiezza a metà altezza di circa 200nm, caratteristiche simili alla risposta dell’occhio umano.
La figura 5 mostra gli andamenti di responsivity ottenuti per simulazione di un sensore 10 comprendente un fotodiodo dotato di un rivestimento antiriflesso costituito solamente da un ossido avente uno spessore pari a 2000A (curva a tratteggio) o da un rivestimento antiriflesso a doppio strato comprendente una coppia ossido-nitruro come sopra descritto (curva a tratto continuo). In particolare, il sensore 10 Ã ̈ stato simulato in tecnologia BCD3.
Sì osserva che la presenza del rivestimento antiriflesso a doppio strato funziona da filtro per la componente ultravioletta (UV) e sposta significatamene il picco di responsivity alla lunghezza d’onda desiderata, nel caso di interesse pari a 540nm corrispondente al picco di risposta dell’occhio umano.
Opportunamente, gli spessori di tali primo e secondo strato antiriflesso 14 e 15 vengono scelti in base alla seguente tabella:
Tabella I
Strato λ=540 nm
λ/2 - SiOa 190 nm
λ/4 - S13N4 70nm
E’ opportuno sottolineare che per un fotodiodo standard, pur utilizzando tale doppio strato antiriflesso, la curva di responsivity rimane notevolmente lontana dalla risposta tipica dell’occhio umano, ed in particolare presenta un picco solitamente posizionato a 750-800nm, tale spostamento non essendo sufficiente per alcune applicazioni del sensore 10, come ad esempio per Tutilizzo dello stesso come sensore di luce ambientale.
Al fine di migliorare tale caratteristica, vantaggiosamente secondo linvenzione gli strati antiriflesso sono stati quindi integrati su un sensore 10 comprendente un fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale come illustrato in Figura 3.
In tal caso, ulteriormente vantaggiosamente, polarizzando opportunamente il fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale possibile discernee le fotocorrenti delle singole giunzioni (P+/Nwell e Nwell/Psub) e acquisire anche la fotocorrente derivante dal contributo di entrambe le giunzioni (P+/ Nwell/Psub).
Simulazioni sono state effettuate su sensori 10 realizzati mediante giunzioni p-n in tecnologia HCMOS4TZ. Le curve di responsìvity ottenute mediante tali simulazioni sono illustrate nelle Figure 6A e 6B.
In particolare, la Figura 6A riporta le curve di responsìvity di tre diverse giunzioni, rispettivamente di tipo N+/Pwell, Nwell/Pwell e P+/Nwell, che comprendono uno strato di ossido di silicio avente spessore pari a 1000A come strato antiriflesso, mentre la Figura 6B riporta le curve di responsìvity riferite alle stesse giunzioni, ma comprendenti in tal caso un rivestimento antiriflesso a doppio strato (Si02/SiN). Ovviamente, i dati sono stati acquisisti nelle stesse configurazioni di polarizzazione di tali giunzioni.
Si osserva immediatamente che la curva di responsìvity delle giunzioni simulate si modifica in presenza del rivestimento antiriflesso a doppio strato ed in maniera evidente. In particolare, lo strato antiriflesso costituito dalla coppia ossido/nitruro di silicio mantiene le caratteristiche già indicate e sposta il picco di responsivity da 740nm a 540nm.
E’ opportuno sottolineare il fatto che le curve illustrate in Figura 6B differiscono da quella della Figura 5 in quanto riferite a sensori notevolmente differenti, pur essendo nuovamente verificato lo spostamento sopra indicato del picco di responsivity.
E’ opportuno sottolineare che il sensore 10 con fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale presenta il vantaggio sostanziale di permettere di discernere ed eventualmente eliminare la fòtocorrente di diffusione da parte del substrato che dà un notevole contributo allo spettro di responsivity nella regione del vicino infrarosso.
In particolare, visualizzando soltanto la fotocorrente della giunzione superficiale si osserva uno spettro stretto e, grazie alla presenza del doppio strato antiriflesso, con picco a 540nm.
Nella Figura 7 sono riportate le curve di responsivity relative soltanto alla giunzione superficiale in un fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale con diversi stati antiriflesso e in particolare:
WFR 18 = antiriflesso in ossido
WFR 2 1 - antiriflesso ossido nitruro in tuning
WFR 25 = antiriflesso ossido nitruro fuori tuning.
Si osserva che la curva WFR 2 1 , relativa all'antiriflesso ossido nitruro in tuning risulta essere la più vicina alla risposta dell’occhio umano (curva ER).
In Figura 8 sono riportate a confronto simulazioni i dati sperimentali relativamente alla curva di responsivity di una giunzione superficiale nel fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale con ossido e nitruro come doppio strato antiriflesso.
La presente invenzione fa altresì riferimento ad un processo di integrazione di un sensore 10 del tipo sopra indicato. In particolare, vantaggiosamente secondo l’invenzione, il processo comprende una fase di integrazione del primo e secondo strato antiriflesso del sensore solo alla fine delle fasi di lavorazioni del wafer in cui il sensore à ̈ realizzato.
Come sarà chiaro nel seguito della descrizione, la fase di integrazione degli strati antiriflesso comprende deposizioni a basso budget termico e non ha quindi impatto sulla tecnologia utilizzata. Inoltre, sebbene nel seguito della descrizione si farà riferimento ad un sensore 10 comprendente un fotodiodo a doppia giunzione verticale, il processo secondo l’invenzione à ̈ utilizzabile per qualunque tipo di sensore, ad esempio comprendente diodi pin, transistori e quant’altro.
II processo di integrazione del sensore 10 viene di seguito illustrato con riferimento alle Figure da 9A a 9D.
E' opportuno notare che le fasi di processo descritte di seguito non formano un flusso completo di processo per la fabbricazione di circuiti integrati. La presente invenzione può essere messa in pratica insieme alle tecniche di fabbricazione dei circuiti integrati attualmente usate nel settore, e sono incluse solo quelle fasi del processo comunemente usate che sono necessarie per la comprensione della presente invenzione.
Inoltre, le figure che rappresentano viste schematiche di porzioni di un circuito integrato durante la fabbricazione non sono disegnate in scala, ma sono invece disegnate in modo da enfatizzare le caratteristiche importanti dell’invenzione.
In particolare, come illustrato in Figura 9A, il processo di integrazione del sensore 10 in una struttura multistrato comprendente un substrato semiconduttore 11 ed una struttura alternata di strati dielettrici intermetal 16, nonché uno strato di passivazione superiore 18 secondo l’invenzione comprende le fasi di:
realizzare in tale substrato semiconduttore 11 almeno una prima e una seconda giunzione pn, atte a realizzare almeno un fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale; e
realizzare strutture di contatto per il collegamento elettrico della doppia giunzione nella struttura alternata di strati dielettrici intermetal 16.
Opportunamente, grazie alla realizzazione delle strutture di contatto per il collegamento elettrico della doppia giunzione, l’area attiva di tale doppia giunzione può essere lasciata più possibile scoperta da metallizzazioni, in modo tale da far coincidere, per quanto possibile, l’area elettrica con l’area ottica del sensore 10, gli strati presenti su tale area attiva essendo gli strati dielettrici intermetal 16, come illustrato in Figura 9A.
In particolare, il processo di integrazione del sensore 10 su un substrato semiconduttore 11 secondo l’invenzione comprende le fasi di:
realizzare in tale substrato semiconduttore 11 di un primo tipo di drogaggio, ad esempio di tipo P, almeno una sacca di un secondo tipo di drogaggio, ad esempio di tipo N; in particolare, nel caso illustrato in figura, viene realizzata la sacca N 12; e
realizzare in tale sacca un impianto del primo tipo di drogaggio, ad esempio di tipo P; in particolare, nel caso illustrato in figura, viene realizzato l' impianto di tipo P+ 13.
In tal modo, l'impianto di tipo P+ 13 e la sacca N 12 realizzano una prima giunzione mentre la sacca N 12 ed il substrato semiconduttore 11 realizzano una seconda giunzione del fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, il processo comprende quindi una fase di rimozione degli strati dielettrici intermetal 16 e dello strato di passivazione superiore 18 in corrispondenza di una apertura 19 realizzata in tali strati dielettrici intermetal 16 ed atta a scoprire una superficie 19A di silicio in corrispondenza della doppia giunzione, come illustrato in Figura 9B.
E’ opportuno ricordare che tali strati dielettrici intermetal 16 e di passivazione superiore 18 sono strati standard delle tecnologie di integrazioni in silicio.
In particolare, tale fase di rimozione degli strati dielettrici intermetal 16 e dello strato di passivazione superiore 18 comprende un attacco scelto tra un attacco in dry, in wet o in dry e wet.
In una forma preferita di realizzazione del processo secondo l’invenzione, la fase di rimozione comprende un attacco in dry e wet che consente di ottenere per l’apertura 19 pareti sostanzialmente verticali, vale a dire sostanzialmente perpendicolari rispetto alla superficie 19A, tale superficie 19A di silicio risultando inoltre meno danneggiata rispetto ad un attacco solo wet grazie alla presenza combinata dell’attacco in dry.
Ulteriormente, il processo secondo l’invenzione comprende una fase di deposizione del primo strato dielettrico antiriflesso 14 di spessore λ/2η, essendo λ la lunghezza d’onda pari a 540nm che corrisponde a 1900 A, a copertura almeno della superficie 19A, come illustrato in Figura 9C..
In particolare, il primo strato dielettrico antiriflesso 14 Ã ̈ fatto di ossido di silicio.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, la fase di realizzare l’apertura 19 viene progettata in modo tale che la maggior parte dell’area attiva della doppia giunzione del fotodiodo PHD che realizza il sensore 10, risulta ricoperta soltanto da tale primo strato dielettrico antiriflesso 14.
II processo secondo l’invenzione comprende quindi una ulteriore fase di deposizione di un secondo strato dielettrico antiriflesso 15 avente spessore λ/4η, come illustrato in Figura 9C.
In particolare, il secondo strato dielettrico antiriflesso 15 Ã ̈ fatto di nitruro di silicio.
II processo può quindi essere completato da una fase di attacco, di per sà ̈ convenzionale, degli strati dielettrici antiriflesso 14 e 15 e dello strato di passivazione superiore 18 in corrispondenza delle strutture di contatto per realizzare opportune aperture di connessione a tali strutture di contatto.
Facendo ora riferimento alle Figure da 10A a 10D, viene descritta una seconda forma di realizzazione del processo secondo l’invenzione.
In particolare, in tale forma di realizzazione, la fase di rimozione degli strati dielettrici intermetal 16 e dello strato di passivazione superiore 18 in corrispondenza di una apertura 19 utilizza un primo strato metallico 21 depositato al di sopra di un primo strato dielettrico 20 come stopping layer.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, il processo comprende quindi una fase di rimozione degli strati dielettrici intermetal 16 e dello strato di passivazione superiore 18 in corrispondenza di una apertura 19 realizzata in tali strati dielettrici intermetal 16 ed atta a scoprire una superficie 19B del primo strato metallico 21 in corrispondenza dell'impianto di tipo P+ 13, come illustrato in Figura 10A.
Opportunamente, tale fase di rimozione degli strati dielettrici intermetal 16 e dello strato di passivazione superiore 18 comprende un attacco in dry che utilizza il primo strato metallico 21 come stopping layer, tale primo strato metallico 21 ricoprendo quindi completamente l’area attiva del sensore 10.
Il processo secondo l’invenzione comprende quindi una ulteriore fase di attacco in dry del primo strato metallico 21 con rimozione dello stesso, opportunamente senza perdite dimensionali, come schematicamente illustrato in Figura 10B, nonché una fase di attacco in wet del primo strato dielettrico 20 sottostante, tale da non compromettere la superficie dello strato di silicio sottostante ed atta a scoprire la superficie 19A di silicio in corrispondenza della doppia giunzione del fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale, come illustrato in Figura 10C.
Ulteriormente, il processo secondo l’invenzione comprende una fase di deposizione del primo strato dielettrico antiriflesso 14 di spessore λ/2 e del secondo strato dielettrico antiriflesso 15 di spessore λ/4, come illustrato in Figura 10D.
La presenza dei due strati antiriflesso permette di ottenere una responsivity con picco vicino a 540nm, vale a dire vicino alla risposta dell’occhio umano (curva ER), come già schematicamente illustrato in Figura 8.
In Figura 11 à ̈ riportato l’errore percentuale tra la fotocorrente ottenuta illuminando un sensore 10 realizzato secondo l’invenzione con una lampada a fluorescenza e con una lampada ad incandescenza, rispettivamente. Tale errore rappresenta quindi la bontà di un tale sensore utilizzato come sensore di luce ambientale ed e’ quindi indicativo di quanto la sia responsivity si avvicina alla risposta dell’occhio umano.
In particolare, le misure riportate in figure sono relative a diversi wafer appartenenti a diversi lotti per le singole giunzioni presenti in un fotodiodo in configurazione stacked (P+/Nwell e NWell/Psub) nonché per la somma di tali giunzioni (P+/Nwell/Psub).
Da tale figura 11 si evince che l’errore percentuale per la giunzione superficiale in un fotodiodo PHD a doppia giunzione verticale con doppio strato antiriflesso comprendente ossido e nitruro come strato antiriflesso, indicato con un cerchio in figura, risulta essere il più basso, tale combinazione di configurazione stacked e doppio strato antiriflesso risultando di fatto la scelta migliore per realizzare un sensore di luce ambientale.
La presente invenzione fa altresì riferimento ad un sensore di luce ambientale o ALS realizzato mediante il sensore 10 come sopra descritto.
Come sopra indicato, il sensore secondo l'invenzione consente infatti di realizzare un sensore di luce ambientale con curva di responsivity prossima a quella dell’occhio umano.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, tale spostamento della curva di responsivity à ̈ ottenuto utilizzando una struttura con fotodiodo a doppia giunzione verticale su cui viene depositato almeno un rivestimento a doppio strato, vale a dire comprendente una coppia ossido-nitruro di silicio.
E’ opportuno notare che il sensore secondo l'invenzione ha una struttura di base uguale ai sensori realizzati secondo la tecnica nota, permettendo quindi un notevole risparmio in termini di investimenti dal punto di vista tecnologico.
Ulteriormente, un tale sensore à ̈ interamente realizzabile in silicio e il processo secondo l’invenzione può essere facilmente integrato in qualunque tecnologia.
Ulteriore vantaggio del sensore 10 secondo l'invenzione, à ̈ la possibilità, grazie alla doppia giunzione verticale realizzata dal substrato, dalla sacca e dall’impianto, di discernere ed eventualmente eliminare la fotocorrente di diffusione da parte del substrato stesso, la quale rappresenta un notevole contributo allo spettro di responsivity nella regione del vicino infrarosso (IR), eliminando così una componente non desiderata in particolare nel caso di applicazioni come sensore di luce ambientale.
In particolare, l’utilizzo di un rivestimento antiriflesso a doppio strato permette di modificare profondamente la curva di responsivity del fotodiodo. E’ altresì possibile, progettando opportunamente tale rivestimento antiriflesso a doppio strato, utilizzarlo con funzione di filtro per la componente ultravioletta (UV), spostando significativamente il picco di responsivity alla lunghezza d’onda desiderata, in particolare pari a 540 nm.
Ulteriore importante vantaggio del sensore e del processo secondo l’invenzione à ̈ il fatto che la fase di integrazione degli strati antiriflesso per i fotodiodi può avvenire alla fine del processo di lavorazione del wafer che comprende il sensore stesso. Inoltre, trattandosi di deposizioni che non implicano budget termici elevati, l’integrazione di tali strati antiriflesso non ha impatto sulla tecnologia utilizzata.
Infine, il sensore secondo l’invenzione consente di realizzare un efficace sensore di luce ambientale, a singolo fotodiodo, con un ridotto ingombro di rea e di costi, grazie anche al fatto che non necessita dello sviluppo di un particolare package.
Ovviamente al sensore ed al processo di integrazione sopra descritti un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare numerose modifiche e varianti, tutte comprese nell'ambito di protezione dell'invenzione quale definito dalle seguenti rivendicazioni.
In tal senso à ̈ opportuno sottolineare che il doppio strato antiriflesso come sopra descritto in relazione all’applicazione del sensore come sensore di luce ambientale, à ̈ estendibile ad altri sensori di radiazione, in particolare nella regione di assorbimento del silicio.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sensore (10) integrato su un substrato semiconduttore (11) e comprendente almeno un fotodiodo a doppia giunzione verticale (PHD), a sua volta includente almeno una prima ed una seconda giunzione p-n realizzate in detto substrato semiconduttore (11) nonché almeno un rivestimento antiriflesso realizzato superiormente a detto fotodiodo (PHD), caratterizzato dal fatto che detto almeno un rivestimento antiriflesso comprende almeno un primo e di un secondo differente strato antiriflesso (14, 15) atti ad ottenere un picco di responsivity in corrispondenza di una predeterminata lunghezza d’onda (λ) di un segnale ottico incidente su detto sensore (10).
  2. 2. Sensore (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto picco di responsivity corrisponde ad un picco di sensibilità dell’occhio umano.
  3. 3. Sensore (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto primo strato antiriflesso (14) à ̈ fatto da uno strato dielettrico di spessore pari alla metà (λ/2η) di detta predeterminata lunghezza d’onda (λ) e dal fatto che detto secondo strato antiriflesso (15) à ̈ fatto da uno strato dielettrico di spessore pari ad un quarto (λ/4η) di detta predeterminata lunghezza d’onda (λ).
  4. 4. Sensore (10) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto primo strato dielettrico antiriflesso (14) Ã ̈ ossido di silicio e dal fatto che detto secondo strato dielettrico antiriflesso (15) Ã ̈ nitruro di silicio.
  5. 5. Sensore (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto fotodiodo (PHD) Ã ̈ realizzato in configurazione stacked in detto substrato semiconduttore (11) avente un primo tipo di drogaggio mediante una sacca (12) avente un secondo tipo di drogaggio ed un impianto (13) realizzato all'interno di detta sacca (12) ed avente detto primo tipo di drogaggio, detto impianto (13) e detta sacca (12) formando detta prima giunzione e detta sacca (12) e detto substrato semiconduttore (11) formando detta seconda giunzione di detto fotodiodo (PHD) a doppia giunzione verticale.
  6. 6. Processo di integrazione di un sensore (10) in una struttura multistrato comprendente un substrato semiconduttore (11) ed una struttura alternata di strati dielettrici intermetal (16), del tipo comprendente le fasi di: realizzare in detto substrato semiconduttore (11) almeno una prima ed una seconda giunzione pn, atte a realizzare almeno un fotodiodo a doppia giunzione verticale (PHD); caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente le fasi di: rimozione di detti strati dielettrici intermetal (16) in corrispondenza di almeno una apertura (19) atta a scoprire una quisuperfìcie (19A) di detto substrato semiconduttore (11) in corrispondenza di detta doppia giunzione, deposizione di un primo strato dielettrico antiriflesso (14) a copertura almeno di detta superficie (19A); e deposizione superiormente a detto primo strato dielettrico antiriflesso (14) di un secondo strato dielettrico antiriflesso (15) a realizzare un rivestimento antiriflesso a doppio strato atto ad ottenere per il fotodiodo (PHD) un picco di responsivity in corrispondenza di una predeterminata lunghezza d’onda (λ) di un segnale ottico incidente su detto sensore (10).
  7. 7. Processo di integrazione secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto detta fase di deposizione di detto primo strato dielettrico antiriflesso (14) comprende una fase di deposizione di uno strato di ossido di silicio e dal fatto che detta fase di deposizione di detto secondo strato antiriflesso (15) comprende una fase di deposizione di uno strato di nitruro di silicio.
  8. 8. Processo di integrazione secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta fase di realizzare in detto substrato semiconduttore (11) almeno una prima ed una seconda giunzione pn di detto fotodiodo (PHD) comprende le fasi di: realizzare in detto substrato semiconduttore (11) di un primo tipo di drogaggio, almeno una sacca (12) di un secondo tipo di drogaggio; e realizzare in detta sacca (12) un impianto (13) di detto primo tipo di drogaggio, detto impianto (13) e detta sacca (12) realizzando detta prima giunzione e detta sacca (12) e detto substrato semiconduttore (11) realizzando detta seconda giunzione di detto fotodiodo (PHD).
  9. 9. Processo di integrazione secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta fase di rimozione di detti strati dielettrici intermetal (16) comprende una fase di attacco che utilizza un primo strato metallico (21) come stopping layer, detto primo strato metallico (21) ricoprendo completamente un’area attiva di detto sensore (10) al di sopra di un primo strato dielettrico (20), detta fase di rimozione essendo atta a scoprire una superficie (19B) di detto primo strato metallico (21) in corrispondenza di detta doppia giunzione.
  10. 10. Processo di integrazione secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente ima fase di attacco in dry di detto primo strato metallico (21) con rimozione dello stesso, opportunamente senza perdite dimensionali e una fase di attacco in wet di detto primo strato dielettrico (20) sottostante atta a scoprire detta superficie (19A) di detto substrato semiconduttore (11) di silicio in corrispondenza di detta doppia giunzione.
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