JP2015222810A - 光センサおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】光損失の減少した光センサを提供する。
【解決手段】光センサ１００は、導波路領域２００と、光検出領域５５とを含む。導波路領域２００は、入射光８を導くように構成される。光８は、挿入部分２０から伝わり、導波路部分２７の中を伝わる。光８のエバネセント波が、コア層２７の上の検体２３１と結合する。光８のエバネセント波に対応して、検体２３１は、光８１、８２、および８３の異なった波長の蛍光光を放射する。光検出領域５５は、多重接合フォトダイオード５５２、５５４、５５７を有する。光検出領域５５は、光８１、８２、および８３を検出する。
【選択図】図１

Description

本開示は、光センサおよびその製造方法に関する。
光センサは、カメラ、スキャナ、コピー等のような様々な応用や製品に広く使用されている。様々な技術分野で使用される光センサは、異なる目的を持って設計される。異なるタイプの改良が、適切な技術分野に適用される。
光センサの性能の改良と小型化のために、光センサの多くのデザインが採用された。性能を評価するための１つの方法は、光センサの量子効率を測定することである。量子効率は、電荷キャリアを生成する光センサに衝突するフォトンの割合である。これは、光センサの、光に対する電気感度の測定である。
本開示の態様は、添付の図面とともに読んだ場合に、以下の詳細な説明から良く理解できる。なお、業界での標準的な慣習に従って、様々な特徴は縮尺通りには記載されていない。実際、様々な特徴の寸法は、検討を明確にするために、任意に大きくまたは小さくされてもよい。
本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの製造方法の工程の断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの断面図である。 本開示のいくつかの具体例にかかる光センサの断面図である。
詳細な説明
以下の開示は、例えば与えられた主題の異なる特徴を実施するための多くの異なった具体例を提供する。構成要素と配置の特定の例は、本開示を単純化するために以下に記載される。もちろん、それらは単に例示であり、限定することを意図しない。例えば、以下に続く説明中で、第２の特徴の上方または上への第１の特徴の形成は、第１の特徴と第２の特徴とが直接接触して形成される具体例を含み、さらに第１の特徴と第２の特徴とが直性接触しないように、第１の特徴と第２の特徴との間に追加の特徴を形成する具体例を含んでも良い。加えて、本開示は、様々な例で、参照番号および／または参照文字を繰り返す。この繰り返しは、単純化および明確化を目的とし、それ自身は、検討されるさまざまな具体例および／または構造の間の関係を決定するものではない。
更に、空間的に相対的な用語、例えば「真下に（beneath）」、「下に（below）」、「より低い（lower）」、「上に（above）」、「上方の（upper）」等は、ここでは、図中に示されたような、１つの要素または特徴の、他の要素または特徴に対する関係を記載するための説明を容易にするために使用される。空間的に相対的な用語は、図に記載された配置に加えて、使用または工程中のデバイスの異なる配置を含むことを意図する。そうでなければ、装置は、（９０度回転して、または他の配置に）配置しても良く、ここで使用される空間的に相対的な記述は、同じようにそれに応じて解釈しても良い。
正面照射光バイオセンサのような正面照射画像センサでは、バイオ検体から放射光は、金属の相互接続とこれを囲む誘電体材料のような導電性材料を通って移動し、放射光を検出するために設計された光検出領域に到達する。金属の相互接続は、光を阻止または散乱させることができ、必然的に光強度を減衰させ、低い感度を示す。
バイオ検体と相互接続との間にフォトダイオードを配置することにより、光素子は、画像センサの電気的素子から分離される。検体からの光は、金属の相互接続により阻止されず、光の損失は減少し、高い量子効率が達成できる。検体に近い光検出領域を有することにより、光検出領域は、より強度の高い検出される光に露出する。
図１は、相互接続領域７３、導波路領域２００、および光検出領域５５を含む光センサ１００を表す。いくつかの具体例では、導波路領域２００は、相互接続領域７３の上、および／または光検出領域５５の上にある。光検出領域５５は、導波路領域２００と相互接続領域７３にある。光検出領域５５は、導波路領域２００の下にあり、相互接続領域７３の上にある。半導電性ブロック５１１は、エピタキシ領域５１中のエピタキシ層を含む。いくつかの具体例では、半導電性ブロック５１１は、半導電性材料から形成される層を含む。光検出領域５５は、エピタキシ領域５１中にあっても良い。半導電性ブロック５１１は、前側Ｓ１および裏側Ｓ２を含む。いくつかの具体例では、導波路領域２００は、半導電性ブロック５１１の裏側Ｓ２の上にある。相互接続領域７３は、前側Ｓ１に近接するか接触する。
図１を参照して、光８は、挿入部分２０で格子構造２１の上に入射する。いくつかの具体例では、誘電体層２８は、格子構造２１の上にリセスを含み、誘電体層２７中の格子構造２１が露出し、光８は誘電体層２７の上に直接入射する。いくつかの具体例では、光８は、約４５０ナノメータから約５５０ナノメータの波長の範囲を含む。光８は、挿入部分２０から伝わり、導波路部分２７８の中を伝わる。光８は、誘電体層２７の中に殆ど閉じ込められる。光８は、導波路領域２００の中を伝わるレーザ光でも良い。光８は、誘電体層２７中を伝達する入射光でも良い。いくつかの具体例では、誘電体層２７は、導波路領域２００のコア層２７である。導波路領域２００は、光８を、光源（図示せず）から導波路領域２００のコア層２７まで導く。光８は、導波路領域２００のサンプル保持部分２３に到達し、検体２３１を照射する。光８は、導波路領域２００の中のコア層２７中に閉じ込められるため、光８は、それ自身で、サンプル保持部分２３に配置された検体２３１と積極的に相互作用しない。いくつかの具体例では、光８のエバネセント波が、コア層２７の上の検体２３１と結合する。光８のエバネセント波に対応して、検体２３１は、蛍光光のような所定の波長の光を放射する。放射された蛍光光の波長は、例えば検体２３１中の材料の特徴である。例えば、いくつかの具体例では、検体２３１は、例えば光８１、光８２、および光８３のような異なった波長の蛍光光を放射する。光８１、８２、８３は、導波路領域２００の底部近傍のフィルタ層３０を通る。換言すれば、フィルタ層３０は、検体２３１から放射した波長に対して透明である。いくつかの具体例では、光８１、８２、８３はフィルタ層３０を通ってエピタキシ領域５１に伝わる。
いくつかの具体例では、フィルタ層３０は、所定の波長の範囲を阻止するフィルタである。いくつかの具体例では、フィルタ層３０は、光８１、８２、および８３の波長より、小さいか、または大きい波長の光をフィルタするように設計され、フィルタ３０は、光８１、８２、および８３に対して透明であるが、光８に対しては不透明である。光８１、８２、および８３はエピタキシ領域５１を通って、光検出領域５５に入る。
光検出領域５５は、導波路領域２００からの放射光のような光を検出する。光検出領域５５では、光８１、８２、および８３のよう放射光が異なる領域５５２、５５４、５５７にそれぞれ吸収される。特に、光８１、８２、および８３は、領域５５２と領域５５３、領域５５４と領域５５５、および領域５５７とエピタキシ領域５１の接続部でそれぞれ吸収される。いくつかの具体例では、領域５５７は、深いウエル領域５５７と呼ばれる。いくつかの具体例では、領域５５４は、中間のウエル領域５５４と呼ばれ、領域５５２は、浅いウエル領域５５２と呼ばれる。それぞれの領域５５２、５５４、５５７のそれぞれの量子効率は、異なる光の波長で異なる。例えば、領域５５７近傍の量子効率は、光８１の波長に対して、光８２、８３の波長のような他の光の波長に対してより大きい。光８１の殆どは、領域５５７の近傍で吸収される。いくつかの具体例では、光８１、８２、８３の波長は、それぞれの最も短いものから最も長いものまで、増加する順番である。いくつかの具体例では、光８１は、約４５０ｎｍから約５５０ｎｍであり、光８２は約５５０ｎｍから６５０ｎｍであり、光８３は約６５０ｎｍから約８００ｎｍである。
光８１は、領域５５２、５５４、または５５７の中の光検出素子により、データ情報に変換される。領域５５７に吸収された光８１は、領域５５７の中で電荷キャリアに変換される。いくつかの具体例では、電荷キャリアは正または負である。電荷キャリアは、コンタクトプラグ５５１、５５９または５５８に流れ、検体２３１の特徴についての情報を、更なる処理および／または出力のために、相互接続領域７３２中の回路に伝える。
電荷キャリアは、それぞれの領域５５２、５５４、および５５７の中の多量にドープされた領域５５１、５５８、および５５９を通って、第１層バイア７１にそれぞれ移動する。いくつかの具体例では、第１層バイアはコンタクトとして機能しても良い。例えば、電荷キャリアは、領域５５２から、領域５５２中の多量にドープされた領域５５１に伝達される。いくつかの具体例では、多量にドープされた領域５５１と領域５５２は、例えばｐ型またはｎ型のドーパントのような、同じ型のドーパントを含む。
いくつかの具体例では、領域５５２、５５４、または５５７は、多量にドープされた領域５５１、５５８、または５５９を通って、トランジスタ５９のような他の半導体デバイスに結合される。いくつかの具体例では、多量にドープされた領域５５１、５５８、または５５９は、コンタクト７１または相互接続７２を通って、トランジスタ５９のような他の半導体デバイスに結合されても良い。データ情報は、トランジスタ５９から相互接続領域７３中の回路に伝達される。相互接続領域７３は、前側Ｓ１近傍の光検出領域５５中の多重接合フォトダイオードに結合される。多重接合フォトダイオードは、前側Ｓ１に接触する複数の接合を有する前側Ｓ１に接近する。いくつかの具体例では、複数のトランジスタ５９は複数の光検出領域５５に結合され、複数のサンプル保持部分２３中の検体２３１についてのさまざまなデータ情報を伝達する。トランジスタ５９は、前側Ｓ１で接する。いくつかの具体例では、光センサ１００中の他のトランジスタは、トランジスタ５９と同様に構成される。
トランジスタ５９は、光検出領域５５中の光検出素子に結合され、更なる処理および／または出力のために、画像データを回路に伝達する。いくつかの具体例では、光検出素子は、光検出ダイオードを含む。いくつかの具体例では、光検出ダイオードは領域５５７および５５５を含む。
いくつかの具体例では、誘電体層２８は、ＳｉＯ２のような材料を含む上部クラッド層である。いくつかの具体例では、誘電体層２７は、Ｔａ２Ｏ５またはＳｉＯＮのような材料を含むコア層２７の中にある。いくつかの具体例では、相互接続７２またはバイア構造２５は、アルミニウム、銅、窒化チタン、タングステン、チタン、タンタル、窒化タンタル、ニッケルシリサイド、コバルトシリサイド、ＴａＣ、ＴａＳｉＮ、ＴａＣＮ、ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌＮ、他の好適な導電性材料、および／またはそれらの組み合わせから形成される。
いくつかの具体例では、誘電体層２８は被覆層により置き換えられる。いくつかの具体例では、被覆層は、金属または金属酸化物を含む。金属は、アルミニウムを含み、金属酸化物は、二酸化アルミニウムを含む。いくつかの具体例では、ガラス層が、被覆層とコア層２７の間にある。コア層２７の上を配置される被覆層は、サンプル保持部分２３のようなナノウエルを含む。
光センサ領域５５は、様々な波長の光を検出するための多重接合フォトダイオードである。いくつかの具体例では、半導電性ブロック５１１は、ｐ型ドーパントのような第１導電型のドーパントをエピタキシ領域５１中に含む。領域５５７は、ｎ型ドーパントのような第２導電型のドーパントを含む。領域５５５は、第１導電型のドーパントを含む。いくつかの具体例では、領域５５５のような半導体層は、ウエル領域である。領域５５４は、第２導電型のドーパントを含む。領域５５３は、第１導電型のドーパントを含む。いくつかの具体例では、領域５５３はウエル領域である。領域５５２は、第２導電型のドーパントを含む。それぞれの半導体層の導電型は、デザイン要素として交互に入れ替えることができる。多量にドープされた領域５５１、５５８、または５５９は、第２導電型のドーパントを含む。いくつかの具体例では、多量にドープされた領域５５１、５５８、または５５９のドーピング濃度は、約１０Ｅ１８から１０Ｅ２１ａｔｏｍ／ｃｍ３である。多量にドープされた領域５５１、５５８、または５５９は、裏側Ｓ２より、前側Ｓ１に近い。いくつかの具体例では、多量にドープされた領域５５１、５５８、または５５９は、前側Ｓ１と接触する。
領域５５２、５５３、５５４、５５５、または５５７は、ドーピング領域５７０の薄い層を含む。ドーピング領域５７０は、前側Ｓ１と接触する。いくつかの具体例では、ドーピング領域５７０は、多量にドープされた領域５５１、５５８、または５５９より薄い。いくつかの具体例では、ドーピング領域５７０のドーピング濃度は、約１０Ｅ１８から１０Ｅ２０ａｔｏｍ／ｃｍ３である。いくつかの具体例では、ドーピング領域５７０は、光検出領域５５中の他の領域より高いドーピング濃度を含む。ドーピング領域５７０は、相互接続領域７３のような外部環境への電荷の拡散を回避する。ドーピング領域５７０は、前側Ｓ１に近い表面欠陥を分離することにより暗電流を低減する。
いくつかの具体例では、エピタキシ領域５１のいくつかの領域、および領域５５２、５５３、５５４、５５５、または５５７の中のドーピング濃度は、約１０Ｅ１５から１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｍ３である。いくつかの具体例では、第１導電型のドーパントはホウ素のようなｐ導電型のドーパントである。エピタキシ領域５１は軽くドープされたエピタキシであり、エピタキシ領域５１中の第１導電型のドーパントのドーピング濃度は、半導電性ブロック５１１の他の部分中の所定のドーピング濃度より少ない。いくつかの具体例では、エピタキシ領域５１は、正の導電型のドーパントのドーピング濃度に対してＳｉＧｅから形成される。いくつかの具体例では、エピタキシ領域５１は、負の導電型のドーパントのドーピング濃度に対してＳｉＣからなる。いくつかの具体例では、エピタキシ領域５１は、ＳｉＧｅまたはＳｉＣの濃度プロファイルを含む。
領域５５７、５５４、または５５２は、所定のドーピング濃度の、例えばリンのような第２導電型のドーパントを含む。いくつかの具体例では、所定のドーピング濃度は、実質的に同じである。いくつかの具体例では、所定のドーピング濃度は、エピタキシ領域５１中の第１導電型のドーパントのドーピング濃度より実質的に大きい。
領域５５５または５５３は、所定のドーピング濃度の、例えばホウ素のような第１導電型のドーパントを含む。いくつかの具体例では、所定のドーピング濃度は、実質的に同じである。いくつかの具体例では、領域５５５または５５３中の第１導電型のドーパントのドーピング濃度は、領域５５７、５５４、または５５２中の第２導電型のドーパントの所定のドーピング濃度より、実質的に大きい。
いくつかの具体例では、前側Ｓ１により近い領域５５７、５５４、または５５２の部分は、領域５５７、５５４、または５５２の他の部分より、それぞれ、より高いドーピング濃度を有する。換言すれば、領域５５７、５５４、または５５２は、それぞれの領域内で、ドーパントの濃度勾配を含んでも良い。多量にドープされた領域５５９、５５８、または５５１に近い領域５５７、５５４、または５５２の部分は、外部の接続に対して、領域５５７、５５４、または５５２の端子として機能する。いくつかの具体例では、多量にドープされた領域５５９、５５８、または５５１は、例えば金属または他の導電性材料のような材料を含む。
エピタキシ領域５１は、前側Ｓ１の近傍に分離領域５２を含む。いくつかの具体例では、分離領域５２は、シャロートレンチ分離（ＳＴＩ）構造またはシリコンの局所酸化（ＬＯＣＯＳ）構造である。分離領域５２は、エピタキシ領域５１中、または半導電性ブロック５１１中で、様々な素子または領域を互いに規定および分離する。例えば、分離領域５２は、隣接する光検出領域５５を互いに分離し、光検出領域５５をトランジスタ５９から分離し、または回路のいくつかの構成を他から分離する。いくつかの具体例では、分離領域５２は、誘電体材料から形成される。
トランジスタ５９は、エピタキシ領域５１の前側Ｓ１に配置される。トランジスタ５９は、ゲート構造５８、ソース領域５３、およびドレイン領域５４を含む。ゲート構造５８は、ゲート誘電体５６およびゲート電極５７を含む。
ゲート誘電体５６は、高ｋ誘電体層（high-k dielectric layer）またはその組み合わせからなる。ゲート誘電体５６は、酸化ハフニウム（ＨｆＯ）または酸化ハフニウムシリコン（ＨｆＳｉＯ）のようないずれかの好ましい誘電体材料から形成される。
トランジスタ５９のゲート構造５８、ソース領域５３、およびドレイン領域５４は、これ以降において「コンタクト」７１と呼ぶ、複数の第１層バイアに結合される。コンタクト７１は、誘電体層７０を貫通し、ゲート構造５８、ソース領域５３、およびドレイン領域５４のいくつかの部分に接続する。コンタクト７１は、ソース領域５３、ドレイン領域５４、または光検出領域５５の下の、前側Ｓ１の部分と接触する。いくつかの具体例では、コンタクト７１および誘電体層７０は、中間層誘電体（ＩＬＤ）層７５中にある。ＩＬＤ層７５は、トランジスタ５９および光検出領域５５の下にある。トランジスタ５９は、光検出領域５５に近接する。相互接続領域７３は、トランジスタ５９、ＩＬＤ層７５、誘電体層７０、および相互接続７２を含む。簡潔のために、バイア構造および金属線は、本開示中では相互接続として一般化する。相互接続領域７３は、前側Ｓ１の下にある。
図２は、光センサ中の様々なパラメータを示す。導波路領域２００において、サンプル保持部分２３は、所定の距離だけ、裏側Ｓ２の上にある。いくつかの具体例では、所定の距離は、膜厚ＴＨ２７とＴＨ２８の合計である。誘電体層２８は、膜厚ＴＨ２８を含む。誘電体層２７は、膜厚ＴＨ２７を含む。いくつかの具体例では、膜厚ＴＨ２７は、約１５０ナノメータに約５〜１０パーセントを加えたものである。いくつかの具体例では、フィルタ層３０は、裏側Ｓ２とコア層２７との間にある。フィルタ層３０は、膜厚ＴＨ３０を含む。いくつかの具体例では、膜厚ＴＨ３０は約２マイクロメータである。いくつかの具体例では、フィルタ層３０は、光８の異なる波長をフィルタするように設計された、いくつかの誘電体層の多重スタックを含み、光８がエピタキシ領域５１に入ることを阻止する。いくつかの具体例では、誘電体層のスタックは、代わりの配置として、ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５を含む。
サンプル保持部分２３は、幅Ｗ２３を含むナノウエルである、サンプル保持部分２３は、誘電体層２８の膜厚ＴＨ２８と実質的に等しい高さを含む。いくつかの具体例では、膜厚ＴＨ２８は、約３３０ナノメータに約１０パーセントを加え、または減じたものである。いくつかの具体例では、膜厚ＴＨ２８と膜厚ＴＨ２７との間の比は、約２である。
ＩＬＤ層７５は、エピタキシ領域５１の前側Ｓ１に接触する。界面Ｓ４５は、エピタキシ領域５１と光検出領域５５との間にある。検体２３１は、所定の高さＨ２３５だけ、光検出領域５５の上面の上にある。所定の高さＴＨ２３５は、膜厚ＴＨ２７、膜厚ＴＨ３０、および高さＨ５５１の合計と殆ど同じである。高さＨ５５１は、裏側Ｓ２から、光検出領域５５の界面Ｓ４５までである。
光検出領域５５は、半導電性ブロック５１１の裏側Ｓ２と前側Ｓ１との間にある。光検出領域５５は、多重接合フォトダイオードを含む。多重接合フォトダイオードは、領域５５２、５５３、５５４、５５５、および５５７のような半導体層を含む。
光検出領域５５は、高さＨ５５および幅５５７を含む。高さＨ５５は、前側Ｓ１から、エピタキシ領域５１と領域５５７との間の界面Ｓ４５までである。幅Ｗ５５７は、領域５５７の幅である。いくつかの具体例では、高さＨ５５１は、約０．２マイクロメータから約０．５マイクロメータである。
高さＨ５５１、Ｈ５５７、およびＨ５５５の合計は、裏側Ｓ２から、領域５５５と領域５５４の間の接合までの距離である。いくつかの具体例では、その合計は、約０．５マイクロメータから約１．５マイクロメータである。光８１、８２、または８３の異なる波長は、光検出領域５５中で異なる貫通深さを有する。高さＨ５５１、Ｈ５５７、Ｈ５５５、Ｈ５５４、およびＨ５５３の合計は、裏側Ｓ２から、領域５５３と領域５５２の間の接合までの距離である。いくつかの具体例では、その合計は、約２．５マイクロメータから約３マイクロメータである。高さＨ５５と高さＨ５５１の合計は、半導電性ブロック５１１の高さと殆ど同じである。いくつかの具体例では、半導電性ブロック５１１の高さは、約２．５マイクロメータから約５マイクロメータである。
いくつかの具体例では、領域５５７、５５５、または５５４は、垂直部分と水平部分とを含む。水平部分は、実質的に前側Ｓ１に平行である。前側Ｓ１は、誘電体層７０とエピタキシ領域５１との界面である。
エピタキシ領域５１と領域５５７との間の界面は、ｐ−ｎ接合である。いくつかの水平界面は、領域５５７の水平部分と領域５５５の水平部分の間、領域５５５の水平部分と領域５５４の水平部分の間、領域５５４の水平部分と領域５５３の水平部分の間、および領域５５３の水平部分と領域５５２の水平部分の間、のｐ−ｎ接合である。いくつかの垂直界面は、領域５５７の垂直部分と領域５５５の垂直部分の間、領域５５５の垂直部分と領域５５４の垂直部分の間、領域５５４の垂直部分と領域５５３の垂直部分の間、領域５５３の垂直部分と領域５５２の垂直部分の間の、トランジスタ５９に近いｐ−ｎ接合である。光検出領域５５は、異なる界面で、様々な波長の光を検出できる多重接合フォトダイオード構造である。光の異なる波長は、光検出領域５５中で異なる侵入深さを有する。多重接合フォトダイオードは、シリコンの光吸収特性に基づく複数の波長検出を含む。例えば、領域５５３に囲まれた領域５５２は、第１のフォトダイオードで、領域５５５と領域５５３に囲まれた領域５５４は、第２のフォトダイオードで、エピタキシ領域５１に囲まれた領域５５７は、第３のフォトダイオードである。
光検出領域５５は、サンプル保持部分２３から異なる深さにある領域５５２、５５３、５５４、５５５、および５５７を含む多重接合フォトダイオード構造であり、光の異なる波長を検出するために使用される。より長い波長を有する光は、第３のフォトダイオードのような、サンプル保持部分２３からより遠くに配置されたフォトダイオードにより、より多く検出される。より短い波長を有する光は、第１のフォトダイオードのような、サンプル保持部分２３からより近くに配置されたフォトダイオードにより、より多く検出される。
いくつかの具体例では、それぞれの領域５５２、５５３、５５４、５５５、または５５７の構造は、高さＨ５５の測定と平行な、または前側Ｓ１に直交する、共通の軸を有する。いくつかの具体例では、図１７に示すように、光検出領域５５中のフォトダイオードの周囲を囲む、高いドーパント濃度の多量にドープされた領域５７９があり、外部の回路からの騒音影響、および他の隣接するフォトダイオードからのクロストークを防止する。多量にドープされた領域５７９は、フォトダイオードのいくつかの内部暗電流を低減する。
図３は、コア層２７の下に誘電体層２８２が加えられた以外は図１と同じである。違いについて以下で簡単に検討する。
コア層２７の下の誘電体層は、膜厚ＴＨ２８２を含む。誘電体層２８２は、コア層２７の下の下部クラッド層である。いくつかの具体例では、膜厚ＴＨ２８２は、膜厚ＴＨ２７またはＴＨ２８より実質的に大きく、誘電体層２８２は、誘電体層２７を保持するサポートを提供する。いくつかの具体例では、サンプル保持部分２３から裏側Ｓ２までの距離は、膜厚ＴＨ２７、ＴＨ２８２、およびＴＨ３０の合計と殆ど同じである。その合計は、約３マイクロメータである。表面光センサ中の構造として、導波路領域２００と光検出領域５５との間に相互接続領域７３を配置する代わりに、導波路領域２００と相互接続領域７３との間に光検出領域５５を配置することにより、裏面光センサ中の高さＨ２５２が低減される。そのような配置では、光８１、８２、または８３のような検体２３１からの蛍光光は、光検出領域５５まで、低減された距離を伝わる。サンプル保持部分２３の近傍に光検出領域５５を配置することにより、界面Ｓ４５、Ｓ５３４、またはＳ５２３に到達する蛍光光の強度が増加する。増加した強度は、光センサ１００の量子効率を増加させる。相互接続領域７３を、導波路領域２００から、光検出領域５５より遠くに配置することにより、コンタクト７１またはバイア構造２５のような電気部品が、誘電体層２８または誘電体層２７のような光部品から分離される。そのような配置では、蛍光光は、相互接続領域７３中の金属線の散乱および減衰なしに伝わる。蛍光光の、雑音に対する信号の比は、上述の配置により増加できる。
図１のコア層２７の下の層は、フィルタ層３０である。いくつかの具体例では、フィルタ層３０は、これらには限定されないが、ＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ３を含む交互の誘電体層のスタック中の上部層を含む。上部層は、例えばＳｉＯ２のような、より低い屈折率を有する、上述の交互の誘電体層の１つでも良い。いくつかの具体例では、交互の誘電体層のＳｉＯ２は、コア層２７と接触する。交互の誘電体層を繰り返すサイクル数は、フィルタする目標の波長により設計される。図３のコア層２７の下の層は、誘電体層２８２である、誘電体層２８２は、約５１０ナノメータに約１０パーセントを加え、または減じたものである。いくつかの具体例では、膜厚ＴＨ２８２は、実質的に高さＨ２５２より大きく、下部クラッド層２８２の膜厚ＴＨ２８２と上部クラッド層２８の膜厚ＴＨ２８の間の比は約１から約２である。いくつかの具体例では、誘電体層２８２は、コア層２７の第１屈折率より小さい屈折率を有する材料からなる。いくつかの具体例では、誘電体層２８２の屈折率は、誘電体層２８の第２屈折率より小さいか、等しいか、またはより大きい。図１を再度参照すると、光検出領域５５中の領域は、第２導電型のドーパントからなる３つの領域５５２、５５４、および５５７と、第１導電型のドーパントからなる２つの領域５５３および５５５を含む。図３では、光検出領域５５中の領域は、第２導電型のドーパントからなる２つの領域５５２および５５４と、第１導電型のドーパントからなる１つの領域５５３を含む。図３の詳細な光検出領域５５を、以下に検討する。
第１導電型のドーパントからなる領域と、第２導電型のドーパントからなる他の領域との間の界面は、ｐ−ｎ接合である。異なる長さ、または異なる方向を有する、異なる位置での各界面は、光８１、８２、または８３の異なる波長を、別々に検出することができる。ｐ−ｎ接合の異なる組み合わせは、光８１、８２、または８３の異なる波長を検出できる異なるフォトダイオードとして機能する。例えば、領域５５４とエピタキシ領域５１との間の界面Ｓ４５はｐ−ｎ接合である。界面Ｓ５２３のような第１水平接合は、前側Ｓ１に近い。界面Ｓ４５のような第２水平接合は、裏側Ｓ２に近い。
界面Ｓ５２３のような第１水平接合は、前側Ｓ１に近い。界面Ｓ４５のような第２水平接合は、前側Ｓ１から最も遠く、または裏側Ｓ２に最も近い。第１接合から第２接合までの距離は、約２マイクロメータから約３マイクロメータである。第１水平接合は、第２水平接合より小さい。界面Ｓ５３４のような第３接合は、第１接合と第２接合との間にある。裏側Ｓ２から第１接合、第２接合、および第３接合までの距離の比は、それぞれ約４：１：２から約９：１：３の範囲である。界面Ｓ４５、Ｓ５３４、またはＳ５２３のような水平接合は、実質的に前側Ｓ１に平行である。水性接合は、互いに平行である。
図４は、いくつかの光センサ１０５および１００の間の違いを示す。光センサ１００では、光検出領域５５が、導波路領域２００と相互接続領域７３との間にある。光検出領域５５は、エピタキシ領域５１の下にある。裏側Ｓ２は、導波路領域２００と光検出領域５５との間にある。サンプル保持部分２３からの光８１は、光検出領域５５の上面Ｓ５５に伝わる。上面Ｓ５５は所定の強度の光８１に露出した露出部分Ｓ１００を含む。露出部分Ｓ１００は、幅Ｗ１００を含む。所定の強度の光８１は、高さＨ１００のような距離の二乗に反比例する。高さＨ１００は、露出部分Ｓ１００に直交する方向に測定される。高さＨ１００は、検体２３１のようなソースから、露出部分Ｓ１００までで測定される。
光センサ１０５では、相互接続領域７３は、導波路領域２００と光検出領域５５との間にある。裏側Ｓ２は、相互接続領域７３と光検出領域５５との間にある。サンプル保持部分２３からの光８１は、光検出領域５５の上面Ｓ５７に伝わる。上面Ｓ５７は、所定の強度の光８１に露出した露出部分Ｓ１０５を含む。露出部分Ｓ１０５は、幅Ｗ１０５を含む。所定の強度の光８１は、高さＨ１０５のような距離の二乗に反比例する。高さＨ１０５は、露出部分Ｓ１０５に直交する方向に測定される。高さＨ１０５は、検体２３１のようなソースから、露出部分Ｓ１０５までで測定される。
光センサ１０５および１００を比較した場合、高さＨ１００は、高さＨ１０５より小さい。露出部分Ｓ１００は、露出部分Ｓ１０５より小さい。露出部分Ｓ１００の大きさと、露出部分Ｓ１００からサンプル保持部分２３までの距離は、光センサ１００において双方とも減らされているため、露出部分Ｓ１００およびＳ１０５で受けられる全体の光量は、実質的に同じである。露出部分Ｓ１００は、露出部分Ｓ１０５より小さいサイズで、所定の強度の光８１を受けることができる。導波路領域２００と相互接続領域７３との間に光検出領域５５を配置して、検体２３１から露出部分Ｓ１００までの距離を低減することにより、露出部分Ｓ１００を減らすことができる。露出部分Ｓ１００を減らすことにより、光検出領域５５のサイズを縮小できる。いくつかの具体例では、光センサ１００のピクセルサイズは、光センサ１０５のピクセルサイズより、例えば１０倍小さい。
図５では、エピタキシ領域５１を形成するために、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）またはシリコン（Ｓｉ）のような半導電性材料を、半導電性基板５０の上にエピタキシャル成長さえる。具体例では、成長中にエピタキシ領域５１に不純物が加えられる（例えばその場ドーピング）。例示的なドーパントは、ヒ素、リン、アンチモン、ホウ素、２フッ化ホウ素、および／または他の可能性のある不純物である。ホウ素のソースは、ＳｉＧｅエピタキシ中に使用されるジボロンガスを含む。ＳｉＧｅ中にドープされたホウ素は、その場形式で、エピタキシャルＳｉＧｅ成長にホウ素含有ガスを導入することにより行われる。いくつかの具体例では、ホウ素または他のドーパントが注入工程により形成され、エピタキシ領域５１が正のドーパントを含む。
レジスト３１が、エピタキシ領域５１の所定の部分の上を覆う。注入工程３３は、エピタキシ領域５１の上で行われる。レジスト３１は、幅Ｗ５５７の開口パターンを含み、高エネルギーのイオンビームにエピタキシ領域５１を露出させる。いくつかの具体例では、負のドーパントが、所定の原子レベルでの高エネルギー衝突を経て、エピタキシ領域５１に注入され、ドーパントが前側Ｓ１の下方に、所定の距離で止まる。
図６では、イオン注入工程３３は、第１の所定のエネルギーを有するドーパントを、エピタキシ領域５１に注入し、高さＨ５５と実質的に等しい深さで、前側Ｓ１の下に、領域５５７を形成する。レジスト３１は、領域５５７を形成した後に除去する。
図７では、幅Ｗ５５５の開口を有する他のレジスト３１が、領域５５７を部分的に覆う。開口は、領域５５７を、他のイオン注入工程３３に露出させる。いくつかの具体例では、幅Ｗ５５５は、図６に示した領域５５７を形成するための幅Ｗ５５７より小さい。
図８では、イオン注入工程３３は、第２の所定のエネルギーを有するドーパントが領域５５７に注入され、高さＨ５５７だけ領域５５７の上で、深さＤ５５５だけ前側Ｓ１の下方に、領域５５５の水平部分を形成する。第２の所定のエネルギーは、第１のエネルギーより小さくなるように調整され、ドーパントは、領域５５７より、浅い領域５５５の周囲に分布する。いくつかの具体例では、イオン注入工程３３は、半導電性ブロック５１１の前側Ｓ１で行われる。いくつかの具体例では、領域５５５中のドーパントは、ｐ型のような、エピタキシ領域５１と同じ型である。領域５５５が形成された後に、レジスト３１が除去される。領域５５５の上方および下方の領域５５７は、領域５５５の導電型と反対のｎ型のようなドーパントを含む。領域５５５のような第１の半導体層が形成される。第１の半導体層が形成され、第１の導電型を含む。
図９では、幅Ｗ５７５の開口を有する他のレジスト３１が、領域５５７と、その中の領域５５５を部分的に覆う。開口は、領域５５７を、他のイオン注入工程３３に露出させる。開口は、領域５５５の一端にアラインされる。
図１０では、イオン注入工程３３は、第３の所定のエネルギーを有するドーパントを注入し、領域５５５の水平部分の上に、領域５５５の側方部分を形成する。イオン注入３３は、半導電性ブロック５１１の前側Ｓ１の上で行われる。領域５５５の側方部分は、深さＤ５５５を含む。第３の所定のエネルギーは、第２のエネルギーより小さくなる範囲に調整され、深さＤ５５５から前側Ｓ１までドーパントが注入される。いくつかの具体例では、図１０で行われるイオン注入工程３３は、様々なイオンネルギーの多重工程のイオン注入を含む。様々なイオン注入領域を形成するために、異なるエネルギーのイオンが、ドーピングプロファイルを達成するために必要とされる。いくつかの具体例では、ドーパントは、例えばｐ型のような、領域５５５の水平部分と同じ型である。領域５５５側方部分を形成した後に、レジスト３１が除去される。領域５５５の上の領域５５４は、負のドーパントのような、領域５５５に対して反対の導電型のドーパントを含む。領域５５４のような第２の半導体層は、第２の導電型のドーパントを含む。領域５５４のような第２の半導体層は、例えば領域５５５のような第１の半導体層の中にある。いくつかの具体例では、第２の半導体層は、第１の半導体層の内側に等方的に形成される。第２の半導体層の水平部分は、第１の半導体層の水平部分より、むしろ前側Ｓ１により近い
図１１では、幅Ｗ５４５の開口を有する他のレジスト３１が、領域５５４を部分的に覆う。いくつかの具体例では、幅５４５は、図８に示す領域５５５を形成するための幅５５５より小さい。開口は、領域５５４を、他のイオン注入工程３３に露出させる。開口Ｗ５４５は、領域５５４とエピタキシ領域５１との間の界面にアラインされる。
図１２では、イオン注入工程３３は、第４の所定のエネルギーのドーパントを領域５５４に注入し、領域５５５の水平部分の上に領域５５３の水平部分を形成する。イオン注入工程３３は、半導電性ブロック５１１の前側Ｓ１の上で行われる。領域５５３の水平部分は、深さＤ５５３だけ、前側Ｓ１の下にある。ドーパントは、深さＤ５３から深さＤ５５３まで注入される。いくつかの具体例では、ドーパントは、例えばｐ型のような、領域５５５と同じ型である。領域５５３の水平部分の形成後に、レジスト３１が除去される。領域５５５の上の領域５５４は、例えば負のドーパントのような、領域５５３と反対の導電型のドーパントとを含む。
図１３では、幅Ｗ５２５の第１の開口と、幅Ｗ５２の第２の開口とを有する他のレジスト３１が、領域５５３の水平部分の上の領域５５４を部分的に覆う。第１および第２の開口は、他のイオン注入工程３３に対して下層の領域５５４を露出させる。第２の開口は、領域５５３の端部に対してアラインされる。第１の開口は、領域５５３とエピタキシ領域５１との間の界面にアラインされる。
図１４では、イオン注入工程３３は、第５の所定のエネルギーのドーパントを領域５５４に注入し、領域５５３の水平部分の上に領域５５３の側方部分を形成する。領域５５３の側方部分は、深さＤ５５３を含む。ドーパントは、深さＤ５３３から前側Ｓ１まで注入される。いくつかの具体例では、図１４のイオン注入工程３３は、様々なイオンネルギーを用いたイオン注入の多重工程を含む。いくつかの具体例では、ドーパントは、例えばｐ型のような、領域５５５と同じ型である。領域５５５の側方部分の形成後に、レジスト３１が除去される。領域５５３で部分的に囲まれた領域５５２は、例えば負のドーパントのような、領域５５３と反対の導電型のドーパントを含む。
図１５では、コンタクトプラグ５５１、５５８、および５５９が、例えば、領域５５２、５５４、および５５７のような半導体層中に、多量にドープされた領域として、それぞれ形成される。多量にドープされた領域は、前側Ｓ１に接触する。図１５では、３つの開口を有する他のレジスト３１が、領域５５２、５５４、および５５７を部分的に覆う。３つの開口は、下層の領域５５２、５５４、および５５７をイオン注入工程３３に露出させる部分である。
イオン注入工程３３は、領域５５２、５５４、および５５７にドーパントを注入してコンタクトプラグ５５１、５５８、および５５９を形成する。いくつかの具体例では、ドーパントは、ｎ型のような、領域５５７、５５５、または５５２と同じ型である。ドーパント濃度は、領域５５２、５５４、および５５７中よりも実質的に大きい。コンタクトプラグ５５１、５５８、および５５９の形成後に、レジスト３１が除去される。
図１６において、いくつかの具体例では、光検出領域５５の外側のエピタキシ領域５１に、開口を有するパターニングされたレジスト３１により、多量にドープされた領域５７９が形成される。いくつかの他の具体例では、多量にドープされた領域５７９の深さまたはドーピング濃度は、領域５５２、５５４、または５５７とは異なるように、多量にドープされた領域５７９が形成される。
図１７では、他の多量にドープされた領域５７８が、多量にドープされた領域５７９を形成する工程と同様の工程により形成される。いくつかの具体例では、多量にドープされた領域５７８を形成するためのイオン注入で使用されるエネルギーは、多量にドープされた領域５７９を形成するためのエネルギーより高く、多量にドープされた領域５７８は、エピタキシ領域５１中に、より深く形成される。いくつかの具体例では、多量にドープされた領域５７８は、多量にドープされた領域５７９または光検出領域５５より高いドーピング濃度を有するように形成される。多量にドープされた領域５７８または５７９は、光検出領域５５の周囲を囲むように形成され、外部回路からの雑音衝突および隣接するフォトダイオード（図示せず）からのクロストークを避ける。いくつかの具体例では、多量にドープされた領域５７８は、多量にドープされた領域５７９とは反対の導電型を含む。例えば、多量にドープされた領域５７９は、第１の導電型の正のドーパントを含む。多量にドープされた領域５７８は、第２の導電型の負のドーパントを含む。多量にドープされた領域５７８または５７９は、負または正の電荷キャリアが光検出領域５５に到達するのを防止する。多量にドープされた領域５７８および５７９は、互いに分離される。
図１８は、図１５中の工程に続く工程である。図１８では、分離を形成するためのパターンを含むレジスト３１が、前側Ｓ１を覆う。
図１９では、エピタキシ領域５１は、前側Ｓ１上のエピタキシ領域５１中にトレンチをエッチングし、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、または酸窒化シリコンのような絶縁材料でトレンチを充填することにより形成された分離領域５２を含む。
図２０では、ゲート誘電体層５６１が前側Ｓ１を覆う。ある具体例では、ゲート誘電体５６１は、適切な堆積プロセスで形成された薄膜である。ゲート電極層５７１は、ゲート誘電体層５６１の上を覆う。ある具体例では、ゲート誘電体層５６１とゲート電極層５７１は、堆積プロセスにより前側Ｓ１の上に連続して堆積される。いくつかの具体例では、ゲート誘電体５６１およびゲート電極層５７１は、所定の領域の上にのみ堆積され、トランジスタ構造を形成する。ゲート電極層５７１は、ポリシリコンのような適切な材料から形成される。ゲート誘電体５６１とゲート電極層５７１は、リソグラフィプロセスでパターニングされる。
図２１では、レジストの形状が転写されて、前側Ｓ１の上で、分離領域５２の間に、ゲート構造５８を形成する。ゲート構造５８は、ゲート電極層５７とゲート誘電体５６を含む。
図２２において、いくつかの具体例では、ソース領域５３またはドレイン領域５４が、イオン注入またはエピタキシャル成長により形成される。イオン注入またはエピタキシャル成長は、ソース領域５３またはドレイン領域５４の中にドーパントを導入する。様々な具体例では、ソース領域５３またはドレイン領域５４は、多重プロセスイオン注入で形成される異なるドーピングプロファイルを有する。
図２３では、誘電体層７０が、堆積プロセスのような適切なプロセスにより、前側Ｓ１の上を覆う。誘電体層７０は、ゲート構造５８と接触する。レジスト３１は、誘電体層７０の上に形成される。エッチング工程３３１が行われ、パターニングされたレジストの形状を誘電体層７０に転写する。
図２４では、パターニングされたレジストの形状が誘電体層７０に転写され、トレンチを形成する。いくつかの具体例では、トレンチは選択エッチング、ドライエッチング、および／またはそれらの組み合わせのような適切なエッチングプロセスにより形成される。トレンチは導電性材料により充填され、コンタクト７１を形成する。コンタクト７１は、堆積プロセスのような適切なプロセスによりトレンチを充填して形成される。コンタクト７１は、ゲート構造５８、ソース領域５３、ドレイン領域５４、コンタクトプラグ５５９、コンタクトプラグ５５８、およびコンタクトプラグ５５１と電気的に結合される。コンタクト７１の深さは、ＣＶＤプロセス中のプロセスパラメータを調整することにより制御される。プロセスパラメータは、全圧力、反応物質濃度、堆積温度、または堆積速度を含む。
図２５では、導電性層が堆積され、レジストの形状を導電性層に転写することによりパターニングされる。レジストの形状は、導電性層に転写され、リセスおよび相互接続７２を形成する。リセスは、誘電体材料により埋められ、ＩＬＤ層７５の上に他の誘電体層７０を形成する。相互接続７２は、誘電体層７０の間にある。相互接続領域７３は、半導電性ブロック５１１の前側Ｓ１のような、第１の面に形成される。相互接続領域７３は、ＩＬＤ層７５、誘電体層７０、および相互接続７２を含む。図２５では、相互接続７２と誘電体層７０の多重層が堆積およびエッチングされ、相互接続領域７３を形成する。いくつかの具体例では、バイア構造２５が形成され、異なる層の金属線を結合する。
図２６では、光センサ１００のような半導体デバイスは上下反対であり、図２６に示すように裏側Ｓ２のような第２面が、第１面の上に堆積される。いくつかの具体例では、半導電性基板５０は、平坦化工程３２により平坦化される。平坦化工程３２は、エッチングバックまたは化学機械研磨（ＣＭＰ）のようないずれかの適切な工程である。平坦化工程３２は、エピタキシ領域５１の上に配置された半導電性基板５０が薄膜化されるように行われる。いくつかの具体例では、半導電性基板５０は、裏側Ｓ２の近くのエピタキシ領域５１が露出する（図２６には図示せず）まで薄膜化される。上述の具体例では、フィルタ層３０や誘電体層２７、２８のような上層の光スタックは、エピタキシ領域５１の上に直接配置される。他の具体例では、裏側Ｓ２の近くのエピタキシ領域５１が露出しないように半導電性基板５０は部分的に薄膜化される、上述の具体例では、フィルタ層３０や誘電体層２７、２８のような上層の光スタックは、半導電性基板５０の上に直接配置される。他の具体例では、半導電性基板５０は、薄膜化工程を行わずに保持される。
平坦化工程３２は、裏側Ｓ２から界面Ｓ４５までの高さＨ５２５が減るように行われる。いくつかの具体例では、所定の量だけ高さＨ５２５を減らすために終点検出が使用される。例えば、平坦化工程３２により裏側Ｓ２を薄膜化するために、終点検出のために光８７を使用できる。いくつかの具体例では、光８７は、裏側Ｓ２の表面から反射された単色光源である。反射光８８は、裏側Ｓ２の下または界面Ｓ４５の上の界面７８から反射される。界面７８は、エピタキシ領域５１中への、挿入された誘電体層または反射層により形成される。平坦化工程３２は界面７８を露出させるため、反射光８８の光特性が変化し、終点に到達したこと、または所定の距離で到達することを表す。
いくつかの具体例では、終点検出は、半導電性ブロック５１１中に埋め込まれた配線（図示せず）の抵抗を測定することで行われる。平坦化工程３２が膜厚ＴＨ８と、例えば埋め込まれた配線の厚さや長さのようないずれかの寸法を減らすと、これにより抵抗が変化する。平坦化工程３２は、埋め込まれた配線の所定の抵抗で停止する。いくつかの具体例では、埋め込まれた配線は、前側Ｓ１から裏側Ｓ２まで接続する。
図２７では、導波路領域２２０は、半導電性ブロック５１１の第１面Ｓ１と対向する裏側Ｓ２のような、第２面に形成される。フィルタ層３０は、堆積のような適切な工程で相互接続領域７３の上に形成されたブランケットである。図２７では、誘電体層２７は、フィルタ層３０の上に形成されたブランケットである。
図２７では、誘電体層２７は、適切な堆積プロセスで形成される。誘電体層２７は、誘電体層２８の第２屈折率より大きな第１屈折率を有する材料から形成される。
いくつかの具体例では、第１クラッド層（図示せず）が、フィルタ層３０の上に形成される。誘電体層２７のようなコア層が、続いて第１クラッド層の上に形成される。誘電体層２８のような第２クラッド層は、図２８に示すように、誘電体層２７の上に続いて形成されたブランケットである。
図２８では、誘電体層２７の上の誘電体層２８は、リソグラフィ工程中のエッチング工程３３のような適切な方法により、サンプル保持部分２３のリセスを有するようにパターニングされる。いくつかの具体例では、エッチング工程３３は選択エッチングである。
いくつかの具体例では、誘電体層２８は、誘電体層２７の上に堆積される。次に、誘電体層２８がパターニングされて、誘電体層２７の上に開口を形成する。格子構造２１が、開口の下の誘電体層２７の中に、いずれかの適切なパターニング工程により形成される。
いくつかの具体例では、誘電体層２８は、ナノウエルのようなサンプル保持部分２３を形成するエッチング工程でパターニングされた上部クラッド層２８として形成できる。
図２９は、表面光センサ８００を示す。いくつかの具体例では、図２６に示すように中間製品を上下反対にして、裏側Ｓ２の上に導波路領域２００を形成する代わりに、図２９は半導電性ブロック５１１の前側Ｓ１の上に、相互接続領域７３と導波路領域２００の双方の形成を行う。光電子増倍管（ＰＭＴ）または電荷結合素子（ＣＣＤ）のような外部検出デバイスを用いる光センサと比較して、ここで記載された表面光センサ８００は、モノリシック構造であり、蛍光光を出射するサンプルと光検出領域との間をより短くする。より良い感度が期待される。
導波路領域２００は、相互接続領域７３の上に形成され、相互接続領域７３は、光検出領域５５の上にある。フィルタ層３０は、相互接続領域７３の上に形成される。コア層２７は、適切な堆積工程で、フィルタ層３０の上に形成される。コア層２７は、適切な誘電体材料を含む誘電体層でも良い。誘電体層は、サンプル保持部分２３の下を通すために入射光を導いても良い。
図２９において、コア層２７はパターニングされて格子構造２１を形成する。被覆層２８１がコア層の上を覆う。被覆層２８１は、適切な導電性材料または金属酸化物を、コア層２７の上に堆積することにより、形成しても良い。いくつかの具体例では、導電性材料はアルミニウムから形成され、金属酸化物は二酸化アルミニウムから形成される。
いくつかの具体例では、被覆層２８１は、誘電体材料から形成されるクラッド層である。被覆層２８１は、図２９のエッチング工程３３１と同様のエッチング工程のような、いずれかの適切なリソグラフィ工程によりパターニングされる。被覆層２８１がパターニングされて、格子構造２１が露出し、サンプル保持部分２３が形成される。サンプル保持部分２３は、開口の上部で幅Ｗ２３１を有し、開口の底部で幅２３を有するようにパターニングされても良い。幅Ｗ２３は、光８のような、入射光の波長より小さくても良い。いくつかの具体例では、サンプル保持部分２３はナノウエルである。
図３０において、いくつかの具体例では、相互接続領域７３は、半導電性ブロック５１１の前側Ｓ１の上にある。相互接続領域７３は、光検出領域５５の多重接合フォトダイオードと電気的に結合される。多重接合フォトダイオードは、半導電性ブロック５１１の中にある。多重接合フォトダイオードは、前側Ｓ１で、相互接続領域７３と接する。相互接続領域７３は、多重接合フォトダイオードと導波路領域２００との間にある。
導波路領域２００は、コア層２７を含む。コア層２７は、格子構造２１からサンプル保持部分２３まで入射光８を導くための誘電体層でも良い。コア層２７は格子構造２１を含み、光８のような入射光をコア層２７の中に向ける。コア層２７の誘電体層は、約１５０ナノメータに約５〜１０パーセントを加えた、所定の膜厚ＴＨ２７を含む。サンプル保持部分２３は、ナノウエル２３でも良い。検体２３１からの光８１、８２、または８３のような蛍光光は、ナノウエル２３から、相互接続領域７３中の誘電体層７０を通って、光検出領域５５に到達するように伝わる。
被覆層２８１は、単分子のような検体２３１を受けるための、サンプル保持部分２３を含むクラッド層でも良い。単分子は、入射光８を吸収し、蛍光光８１、８２、および８３を放射する。いくつかの具体例では、被覆層２８１は、コア層２７の上の導電層でも良い。導電層は、コア層２７を露出するためのサンプル保持部分２３を含む。被覆層２８１は、導波路領域２００のコア層２７を露出させる開口を含む。開口は、光８の波長より短い幅を有する。
前側Ｓ１と接する多重接合フォトダイオードは、導波路領域２００からの蛍光光８１、８２、および８３を検出できる。多重接合フォトダイオードは、蛍光光８１、８２または８３のような放射光を検出できる接合Ｓ５２２を含む。接合Ｓ５２２は、前側Ｓ１と接触する。
図３１を参照すると、図３１は半導電性ブロック５１１の裏側Ｓ２の近くに導波路領域２００を有する光センサ１００を示す。いくつかの具体例では、光センサ１００は、単分子の検体２３１から放射される光８１のような蛍光光を検出できる。単分子の検体２３１のためのリアルタイムシーケンスは、平行な単分子ＤＮＡシーケンスでも良い。図３０に示される表面光センサ８００と比較して、光センサ１００は、単分子の検体２３１から放射される、より弱い光を検出できる。例えば、単分子の検出のためには、ノイズに対する信号の比を大きくするために、光８のような励起光が、光検出領域５５に到達するのを防止する必要がある。導波路領域２００中のような、プレーナ導波路中では、コア層２７は、コア層２７中を通る励起光の表面散乱から発生するノイズを低減するために、約０．３ｎｍより小さい表面粗さを含む。サンプル保持部分２３は、分析のために単分子を受けることができる。
いくつかの具体例では、少なくともサンプル保持部分２３は、少なくとも上部クラッド層２８の中に形成されても良い。サンプル保持部分２３の上部開口は、サンプル保持部分２３の底部より大きくても良い。サンプル保持部分２３の形状は、ここでは限定されない。例えば、サンプル保持部分２３の水平断面は、円形、楕円形、矩形、正方形、またはダイアモンド形状を有しても良い。
図３１を参照して、サンプル保持部分２３の底部のサイズは変更可能である。例えば、幅Ｗ２３はサンプル保持部分２３の底部のサイズである。幅Ｗ２３は、光８のような励起光の波長より小さくても良い。いくつかの具体例では、幅Ｗ２３は、励起光の波長の、約２分の１、約４分の１、約８分の１より小さくても良い。ここで使用されるように、幅Ｗ２３は、円形、楕円形、または矩形を含むサンプル保持部分２３の直径または最大寸法をいう。正方形またはダイアモンド形状を有するサンプル保持部分２３の水平断面に対して、幅Ｗ２３は、形状の一辺の長さに実質的に等しい。ある具体例では、サンプル保持部分２３の上部開口の直径は、約０．５μｍから約１．０μｍで、サンプル保持部分２３の底部の直径は約１０ｎｍから約５００ｎｍである。
いくつかの具体例では、サンプル保持部分２３の底部に直交する方向に対するサンプル保持部分２３の側壁Ｓ２３の角度は、約６０度より小さい。そのような形状は、単分子のみが、サンプル保持部分２３の底部に近い領域まで入り、これを検出することを確かにする。
いくつかの具体例では、図３１を参照すると、サンプル保持部分２３は、上部クラッド層２８の全膜厚を通って延びる。有効な励起ゾーン２３４のようないくつかの有効な励起ゾーンは、サンプル保持部分２３の底部まで延びる。
図３１では、サンプル保持部分２３を含むプレーナ導波路に対して、サンプル保持部分２３の底がコア層２７の上面Ｓ２７の直上に位置するため、有効な励起ゾーン２３４の体積は、エバネセント場の有効領域と等しくなる。
図３２は、光検出領域５５が導波路領域２００と接することを除いて、図２の光センサ１００と同様の光センサを含む。フィルタ層３０の底部は、裏側Ｓ２に近い光検出領域５５の上に接触する。代わりに、光検出領域５５は、直接接続することなく、導波路領域２００に近くても良い。領域５３０の追加の半導体層は、領域５５７の上に配置される。領域５３０は、裏側Ｓ２から領域５５７の上まで高さＨ５３０を含む。いくつかの具体例では、領域５３０は、領域５５５より、少なくとも１桁以上高いドーパント濃度を有する、多量にドープされた領域である。いくつかの具体例では、領域５３０は、垂直部分（図３２には示さず）と水平部分を含む。水平部分は、前側Ｓ１または裏側Ｓ２と実質的に平行であり、垂直部分は、水平部分に実質的に直交し、領域５５７の垂直部分と分離領域５２との間に配置される。
いくつかの具体例では、高さＨ５３０は、約０．２７μｍから約０．４μｍの範囲でも良く、高さＨ５５７は、約０．５μｍから約０．８μｍの範囲でも良く、高さＨ５５５は、約０．２μｍから約０．３μｍの範囲でも良く、高さＨ５５４は、約０．４μｍから約０．６μｍの範囲でも良く、高さＨ５５３は、約０．４μｍから約０．６μｍの範囲でも良く、高さＨ５５２は、約０．６μｍから約０．９μｍの範囲でも良い。
いくつかの具体例では、領域５３０、５５５、および５５３は、ホウ素のような正のドーパントを含む。例えば、領域５３０は、約８Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｍ３から約２Ｅ１９ａｔｏｍ／ｃｍ３までの範囲のピークドーピング濃度を含む。領域５５５は、約６Ｅ１７ａｔｏｍ／ｃｍ３から約１Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｍ３までの範囲のピークドーピング濃度を含む。領域５５３は、約２Ｅ１７ａｔｏｍ／ｃｍ３から約５Ｅ１７ａｔｏｍ／ｃｍ３までの範囲のピークドーピング濃度を含む。領域５５５のドーピング濃度は、領域５５３のドーピング濃度より大きくても良い。いくつかの具体例では、領域５５７、５５４、および５５２は、リンのような負のドーパントを含む。領域５５７は、約４Ｅ１６ａｔｏｍ／ｃｍ３から約１Ｅ１７ａｔｏｍ／ｃｍ３までの範囲のピークドーピング濃度を含む。領域５５４は、約８Ｅ１６ａｔｏｍ／ｃｍ３から約２Ｅ１７ａｔｏｍ／ｃｍ３までの範囲のピークドーピング濃度を含む。領域５５２は、約１Ｅ１６ａｔｏｍ／ｃｍ３のピークドーピング濃度を含む。エピタキシ領域５１は、約１Ｅ１５ａｔｏｍ／ｃｍ３のピークドーピング濃度を含む。
本開示のいくつかの具体例は、光センサを提供する。光センサは、前側と裏側とを含む半導電性ブロックを含む。導波路領域は、半導電性ブロックの裏側の上にある。導波路領域はコア層を含む。導波路領域は、入射光を導くように構成される。光検出領域は、半導電性ブロックにある。光検出領域は、多重接合フォトダイオードを含む。光検出領域は、放射光を検出するように構成される。
本開示のいくつかの具体例では、導波路領域は、上部クラッド層と下部クラッド層を含み、下部クラッド層と上部クラッド層の膜厚の間の比は、約１から約２である。
本開示のいくつかの具体例では、多重接合フォトダイオードは、前側に最も近い第１の接合と、前側から最も遠い第２の接合を含み、第１接合から第２接合までの距離は、約２マイクロメータから約３マイクロメータである。
本開示のいくつかの具体例では、多重接合フォトダイオードは、第２の水平接合より前側に近い第１の水平接合を含み、第１の水平接合は、第２の水平接合より小さい。
本開示のいくつかの具体例では、コア層は第１の屈折率を含み、クラッド層は第２の屈折率を含み、第２の屈折率は第１の屈折率より小さい。
本開示のいくつかの具体例では、導波路領域はフィルタ層を含む。フィルタ層は裏側とコア層との間に配置される。
本開示のいくつかの具体例では、多重接合フォトダイオードは、前側に最も近い第１の接合、裏側に最も近い第２の接合、および第１の接合と第２の接合との間の第３の接合を含む。裏側から第１の接合、第２の接合、および第３の接合までのそれぞれの距離の比は、約４：１：２から約９：１：３である。
本開示のいくつかの具体例では、多重接合フォトダイオードは、第１の所定の距離だけ裏側から離れて配置される第２の接合を含み、第１の所定の距離は、約２００ｎｍから約５００ｎｍの範囲である。
本開示のいくつかの具体例では、多重接合フォトダイオードは、第２の所定の距離だけ裏側から離れて配置される第１の接合を含む。第２の所定の距離は、約２．５μｍから約３μｍの範囲である。
本開示のいくつかの具体例では、クラッド層はコア層の上にあり、クラッド層はナノウエルを含む。
本開示のいくつかの具体例では、被覆層はコア層の上にあり、被覆層は金属または金属酸化物を含む。
本開示のいくつかの具体例では、被覆層はコア層の上にあり、被覆層はアルミニウムまたは酸化アルミニウムを含む。
本開示のいくつかの具体例は、光センサを提供する。光センサは、前側を含む半導電性ブロックを含む。導波路領域はコア層を含む。導波路領域は、入射光を導くように構成される。光検出領域は、放射光を検出するように構成される。相互接続領域は前側の上にある。相互接続領域は、光検出領域に結合するように構成される。相互接続領域は、光検出領域と導波路領域との間にある。
本開示のいくつかの具体例では、導波路領域はクラッド層を含む。
本開示のいくつかの具体例では、クラッド層はナノウエルを含む。
本開示のいくつかの具体例では、クラッド層は、単分子を含む検体を受けるように構成されたサンプル保持部分を含む。
本開示のいくつかの具体例では、コア層は格子構造を含む。
本開示のいくつかの具体例では、コア層は約１５０ナノメータに約５〜１０％を加える所定の厚さを含む。
本開示のいくつかの具体例では、光検出領域は、多重接合フォトダイオードを含み、多重接合フォトダイオードは、前側と接触する接合を含む。
本開示のいくつかの具体例では、被覆層は導波路領域の上部にある。被覆層は導波路領域を露出させる開口を含み、被覆層は金属または金属酸化物を含む。
本開示のいくつかの具体例では、開口は入射光の波長より小さい幅を含む。
先の説明は、当業者が本開示の形態をより理解できるように多くの具体例の特徴を概説する。当業者は、ここで紹介した具体例と同じ目的を実行し、および／または同じ優位点を達成するために、他のプロセスおよび構造を設計または変形するための基礎として本開示を使用できることを理解すべきである。当業者は、また、均等な構造は、本開示の精神や範囲から外れないこと、および本開示の精神や範囲から外れることなく、さまざまな変化、代替え、および交替がここでできることを認識すべきである。

Claims (21)

  1. 前側と裏側とを含む半導電性ブロックと、
    半導電性ブロックの前記裏側の上にあり、コア層を含み、入射光を導くように構成された導波路領域と、
    前記半導電性ブロックにあり、多重接合フォトダイオードを含み、放射光を検出するように構成された光検出領域と、を含む光センサ。
  2. 前記導波路領域は、上部クラッド層と下部クラッド層とを含み、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との膜厚の間の比は、約１から約２である請求項１に記載の光センサ。
  3. 前記多重接合フォトダイオードは、前記前側に最も近い第１の接合と、前記前側から最も遠い第２の接合とを含み、前記第１の接合から前記第２の接合までの距離は、約２マイクロメータから約３マイクロメータである請求項１に記載の光センサ。
  4. 前記多重接合フォトダイオードは、第２の水平接合より前記前側に近い第１の水平接合を含み、前記第１の水平接合は、前記第２の水平接合より小さい請求項１に記載の光センサ。
  5. 前記コア層は第１の屈折率を含み、クラッド層は第２の屈折率を含み、前記第２の屈折率は前記第１の屈折率より小さい請求項１に記載の光センサ。
  6. 前記導波路領域はフィルタ層を含み、前記フィルタ層は前記裏側と前記コア層との間に配置される請求項１に記載の光センサ。
  7. 前記多重接合フォトダイオードは、
    前記前側に最も近い第１の接合と、
    前記裏側に最も近い第２の接合と、
    前記第１の接合と前記第２の接合との間の第３の接合と、を含み、
    前記裏側から前記第１の接合、前記第２の接合、および前記第３の接合までのそれぞれの距離の比は、約４：１：２から約９：１：３の範囲である請求項１に記載の光センサ。
  8. 前記多重接合フォトダイオードは、第１の所定の距離で前記裏側から離れて配置される第２の接合を含み、前記第１の所定の距離は、約２００ｎｍから約５００ｎｍの範囲である請求項１に記載の光センサ。
  9. 前記多重接合フォトダイオードは、第２の所定の距離で前記裏側から離れて配置される第１の接合を含み、前記第２の所定の距離は、約２．５μｍから約３μｍの範囲である請求項８に記載の光センサ。
  10. 前記コア層の上にあるクラッド層を更に含み、前記クラッド層はナノウエルを含む請求項１に記載の光センサ。
  11. 前記コア層の上にある被覆層を更に含み、前記被覆層は金属または金属酸化物を含む請求項１に記載の光センサ。
  12. 前記コア層の上にある被覆層を更に含み、前記被覆層はアルミニウムまたは酸化アルミニウムを含む請求項１に記載の光センサ。
  13. 前側を含む半導電性ブロックと、
    コア層を含み、入射光を導くように構成された導波路領域と、
    放射光を検出するように構成された光検出領域と、
    前記前側の上にあり、前記光検出領域と結合するように構成された相互接続領域と、を含み、
    前記相互接続領域は、前記光検出領域と前記導波路領域との間にある光センサ。
  14. 前記導波路領域は、クラッド層を含む請求項１３に記載の光センサ。
  15. 前記クラッド層は、ナノウエルを含む請求項１４に記載の光センサ。
  16. 前記クラッド層は、単分子を含む検体を受けるように構成されたサンプル保持部分を含む請求項１３に記載の光センサ。
  17. 前記コア層は、格子構造を含む請求項１３に記載の光センサ。
  18. 前記コア層は、約１５０ナノメータに約５〜１０％を加える所定の厚さを含む請求項１３に記載の光センサ。
  19. 前記光検出領域は、多重接合フォトダイオードを含み、前記多重接合フォトダイオードは前記前側と接触する接合を含む請求項１３に記載の光センサ。
  20. 前記導波路領域の上部にある被覆層を更に含み、前記被覆層は前記導波路領域を露出させる開口を含み、前記被覆層は金属または金属酸化物を含む請求項１３に記載の光センサ。
  21. 前記開口は前記入射光の波長より小さい幅を含む請求項２０に記載の光センサ。
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