JP2020025098A - フォトダイオードのアレイを形成する方法及びフォトダイオードアレイ - Google Patents

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Abstract

【課題】フォトダイオードのアレイを形成する改良された方法を提供する。【解決手段】フォトダイオードのアレイを形成する方法は、キャップ層を吸収層の表面上に形成することを含む。方法は、複数の離間した画素拡散領域をキャップ層に形成することを含む。方法はキャップ層を通してメサ溝を対向する側壁とともに形成することを含み、ここで、メサ溝は画素拡散領域を互いから切り離している各画素拡散領域を囲む。方法は、メサ溝の側壁の上に側壁パッシベーション層を形成して、側壁パッシベーション層の一部を除去して各画素拡散領域に電気的に接続しているそれぞれの接点を露出させるが、メサ溝の側壁を、接点が電気的接続のためにむき出しで覆われておらず、側壁パッシベーション層で覆われている状態のままとする。【選択図】図８

Description

本開示は、センサアレイに関し、特に二次元アレイのための画素構造に関する。
ダイオード（ＰＮ、ＰｉＮ、アバランシェダイオードなど）から成り立つ従来の画素、例えばフォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）で使われるものは、ＰＤＡ全体の暗電流及び静電容量の一因となる。画素暗電流及び静電容量は、画素性能を決定する際の主要な要素である。この値が低いほど、全体のカメラ及びシステムレベルでより良好な信号対ノイズ比に最終的になっていく、より良好な画素性能を示す傾向がある。画素暗電流及び静電容量は、全体のカメラレベルのノイズの有意な誘因である。ユニット画素設計は、システムレベルノイズに対するこれらの誘因となるパラメータを定めることにおいて重要な役割を果たす。クロストーク及び変調伝達関数（ＭＴＦ）は、微細ピッチ及び低暗電流検出器アレイで特に課題である。
従来の画素設計は、概してそれらの意図された目的を満たしているとみなされてきた。しかしながら、改良された設計に対する技術の必要性がいまだにある。本開示は、この必要性に対するソリューションを提供する。
フォトダイオードのアレイを形成する方法は、キャップ層を吸収層の表面上に形成することを含む。方法は複数の離間した画素拡散領域をキャップ層に形成することを含み、ここで、各画素拡散領域は、吸収層の表面を越えて、そして吸収層の中に伸びて、画素拡散領域によって吸収層を通して受け取られる光子から発生する電荷を受け取る。方法はキャップ層を通して対向する側壁を有するメサ溝を形成することを含み、ここで、メサ溝は画素拡散領域を互いから切り離して各画素拡散領域を囲む。方法は、メサ溝の側壁の上に側壁パッシベーション層を形成して、側壁パッシベーション層の一部を除去して各画素拡散領域に電気的に接続しているそれぞれの接点を露出させるが、メサ溝の側壁を、側壁パッシベーション層で覆われている状態のままとし、接点は電気的接続のためにむき出しで覆われていない。
方法は、各接点がパッシベーション層を通過してそれぞれの画素拡散領域との電気的接触をするように、それぞれの画素拡散領域に電気的に接続する接点を形成することを含むことができる。メサ溝を形成することは、キャップ層を完全に、または部分的に通して、かつ、吸収層を完全に通して、メサ溝を形成することを含むことができる。メサ溝を形成することは、ドライエッチングに続くウェットエッチングによってメサを形成することを含むことができる。側壁パッシベーション層を形成することは、接点及びメサ側壁を側壁パッシベーション層で覆うことを含むことができ、ここで、パッシベーション層の部分を除去することは、側壁パッシベーション層をパターン化フォトレジスト層で覆って、フォトレジスト層によって保護されていない側壁パッシベーション層の部分を除去することを含む。方法は、キャップ層から吸収層の反対側の基板層にあるバッファ層上に吸収層を配置することを含むことができる。
フォトダイオードアレイは、吸収層、吸収層の表面に配置されているキャップ層及びキャップ層の中の複数の画素拡散領域を含む。複数の画素拡散領域の各画素拡散領域は、吸収層の表面を越えて吸収層の中に伸びて、それぞれの画素拡散領域によって吸収層を通して受け取られる光子から発生する電荷を受け取る。メサ溝は複数の画素拡散領域の各画素拡散領域を囲んでいるキャップ層を通して画定されて、ここで、メサ溝は側壁を画定する。側壁パッシベーション層は、メサ溝の側壁を覆う。側壁パッシベーション層を通る開口は、側壁パッシベーション層を通した電気的接続のために複数の画素拡散領域の画素拡散領域ごとに接点をむき出しのままにするために含まれる。
側壁パッシベーション層は、表面漏れにより暗電流を減らして、応力を減らすように構成される、複数の誘電層を含むことができる。吸収層は、可視域から赤外域の範囲にある波長によって光源から光学信号を検出することが可能な半導体物質を含むことができる。パッシベーション層は、吸収層から反対のキャップ層の表面に配置することができて、ここで、パッシベーション層はメサ溝の側壁の一部を形成する。複数の画素拡散領域の各画素拡散領域のための接点は、パッシベーション層に配置することができ、そしてパッシベーション層の開口を通して画素拡散領域と電気的に接触することができる。接点の一部は、側壁パッシベーション層とパッシベーション層の間に挟むことができる。メサは、キャップ層を完全に通して、かつ吸収層を完全に通して、伸びることができる。基板層は、キャップ層と反対の吸収層の側に含まれ得る。バッファ層は、吸収層と基板層の間に配置することができる。キャップ層はＩｎＰを含むことができ、そして、吸収層はＩｎＧａＡｓを含む。
メサ溝の空間ギャップと結合される側壁パッシベーション層は、側壁パッシベーション層及び空間ギャップがなかった場合に対して量子効率の増加のための所望の波長範囲内で、側壁パッシベーション層に当たる光子を反射して吸収層に戻すことができる。側壁は互いに対して角度を有することができて、そこで、この角度は誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）実験計画法（ＤＯＥ）を使用して調整される。
本件開示のシステム及び方法のこれらの、そしてまた他の特徴は、図面に関連してされる以下の好ましい実施形態の詳細な説明から、より容易に当業者にとって明らかになる。
本件開示に関係する当業者が、過度の実験をしなくても本件開示の装置及び方法を製作し使用する方法を容易に理解するように、その好ましい実施形態は、特定の図を参照して本明細書において以下で詳述する。
本開示に従って構成される光検出器アレイの例示的実施形態の図式的横断面図であり、画素拡散領域を形成する前のプレーナー構造を示す。 図１の光検出器アレイの図式的横断面図であり、画素拡散領域を示す。 図１の光検出器アレイの図式的横断面図であり、金属接点を示す。 図１の光検出器アレイの図式的横断面図であり、フォトレジスト層を示す。 図１の光検出器アレイの図式的横断面図であり、２つの画素を互いから分離しているメサ溝を示す。 図１の光検出器アレイの図式的横断面図であり、ウェットエッチングの後メサ溝を示す。 図１の光検出器アレイの図式的横断面図であり、側壁パッシベーション層を示す。 図１の光検出器アレイの図式的横断面図であり、接点のための電気的接続のための側壁パッシベーションを通したホールを有するメサ溝の側壁を覆っている側壁パッシベーション層を示す。 図８の光検出器アレイの平面図であり、各画素を囲んでいるメサ溝を示す。
ここで図面を参照すると、同様の参照番号は本件開示の類似の構造特徴または態様を識別している。説明及び例証の目的で、及び制限のためにではなく、本開示によるフォトダイオードアレイの例示的実施形態の部分図が、図１に示されて、概して参照文字１００によって示される。本開示またはその態様によるフォトダイオードアレイの他の実施形態は、後述するように、図２〜９に示される。本明細書に記載されるシステム及び方法は、画素を互いから分離して、クロストークを減らし、従来の画素構成に対して変調伝達関数（ＭＴＦ）を改良するために用いることができる。
フォトダイオード１００のアレイを形成する方法は、キャップ層１０２を吸収層１０６の表面１０４上に形成することを含む。方法は、キャップ層１０２から吸収層１０６の反対側の基板層１１０、例えばＩｎＰ基板上のバッファ層１０８に、吸収層１０６を配置することを含むことができる。パッシベーション層１１２は、吸収層１０６から反対のキャップ層１０２に含まれてもよい。
ここで図２を参照すると、開口１１４は、例えばフォトリトグラフィ画定のパターンによるリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、パッシベーション層１１２に形成することができ、それを通して、複数の離間した画素拡散領域１１６がキャップ層１０２に形成され得る。各画素拡散領域１１６は吸収層１０６の表面１０４を越えて、そして、吸収層１０６の中へ下って（図２において方向付けられるように）伸びて、画素拡散領域１１６によって吸収層１０６を通して受け取られる光子から発生する電荷を受け取る。
図３〜４を次に参照すると、方法は、各画素拡散領域１１６に電気的に接続しているそれぞれの金属接点１１８を形成することを含み、したがって各接点１１８は、例えば、リソグラフィリフトオフまたは、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）ドライエッチング及び／またはウェットエッチングによるリソグラフィを通してパターン化される電子ビーム蒸着（ＥＢｅａｍ）を使用して、それぞれの画素拡散領域１１６と電気的接触をする。接点１１８は金属の層を（図２に示される状態の）パッシベーション層１１２及びキャップ層１０２上に蒸着させることによって形成することができ、その後フォトレジスト及び金属エッチング及び／またはリフトオフを用いて接点１１８の間の金属層の部分を除去する。
ここで図４〜５を参照すると、方法は、キャップ層１０２を完全に通して、かつ、各画素拡散領域１１６を囲む吸収層１０６を部分的に、または、完全に通してメサ溝１２４を形成するために、その中に開口１２２を有するフォトレジスト１２０のパターン化された層を使用することを含み、その結果メサ溝１２４は対向する側壁１２６を画定する。図５に示す断面図において、側壁１２６は、位置１２７のような溝の底で接触している。接点１１８の金属は、メサ溝１２４をドライエッチングするためのマスクを提供することができる。ドライエッチングの後、例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングを使用して、メサ溝はウエットエッチングプロセスによってさらにエッチングされて、図６に示すように側壁１２６を処理することができる。ウエット処理の後に局所的な酸化をクリーニングして除去するためのプラズマクリーニング処理を続けることができて、図７に示される側壁パッシベーション層１２８を受けるための側壁１２６を準備する。
方法は、まず初めに接点１１８及びメサ側壁１２６を側壁パッシベーション層１２８で覆って、メサ溝１２４の側壁１２６の上に側壁パッシベーション層を形成することを含む。それから、側壁パッシベーション層１２８はパターン化フォトレジスト層１３０で覆われることができて、フォトレジスト層によって保護されていない側壁パッシベーション層１２８の部分は、各画素拡散領域１１６に電気的に接続しているそれぞれの接点１１８から、例えば、ＲＩＥ及びリソグラフィを用いて除去することができる。これは、メサ溝１２４の側壁１２６を側壁パッシベーション層１２８によって覆われたままにするが、しかし図８に示すように、接点１１８をむき出しにして、電気的接続に対して覆われないままにしておく。最終的なフォトレジスト層１３０は、最後には除去することができる。側壁パッシベーション層１２８は複数の誘電層を含み、それは表面漏れならびに応力の減少に起因する暗電流を効果的に減らすことができる（これは、さもなければ、厚いコーテイングに対して高いものであり、例えば、側壁パッシベーション層１２８は共に厚さ数百ナノメートルまで、例えば、厚さ３００ｎｍを超える厚さとなり得る）。
結果として得られるフォトダイオードアレイ１００は、吸収層１０６、吸収層１０６の表面１０４に配置されているキャップ層１０２及びキャップ層１０２の中の複数の画素拡散領域１１６を含む。画素拡散領域１１６のそれぞれは吸収層１０６の表面１０４を越えて、そして、吸収層１０６の中へ下って（図８において方向付けられるように）伸びて、それぞれの画素拡散領域１１６によって吸収層１０６を通して受け取られる光子（図８で大きな矢印によって示される）から発生する電荷を受け取る。メサ溝１２４は、キャップ層１０２を通して、そして、吸収層１０６を通して画定される。
メサ溝１２４によって作成される空間ギャップと結合される側壁パッシベーション層１２８は、吸収層１０６の反射／吸収度特性を改善することができる。各画素の有効な量子効率（ＱＥ）は、所望の波長範囲内で側壁パッシベーション層１２８に当たる光子を反射して吸収層１０６に戻すことによって、従来の画素設計に対して増加する。側壁パッシベーション層１２８は複数の誘電層を含み、それは表面漏れならびに応力の減少に起因する暗電流を効果的に減らすことができる（これは、さもなければ、厚いコーテイングに対して高いものであり、例えば、側壁パッシベーション層１２８は厚さ数百ナノメートルまで、例えば、厚さ３００ｎｍを超える厚さとなり得る）。側壁パッシベーション層１２８の層の材料は、所望の波長に合わせて調整することができる。本明細書において開示されるプロセスは吸収層１０６を露出させることなく画素を互いから効果的に分離することができ、こうしなければ、結果として増リーク電流が増加することになる。側壁１２６の角度はＩＣＰ ＤＯＥ（実験計画法）を用いて調整することができ、それは次の側壁パッシベーションのために有益である。
図９に示すように、メサ溝１２４はフォトダイオードアレイの画素拡散領域１１６のそれぞれを囲むグリッドを形成して、そこで、メサ溝１２４は側壁１２６を画定する。側壁パッシベーション層１２８は、メサ溝１２４の側壁１２６を覆う。側壁パッシベーション層１２８を通る開口１３２は、側壁パッシベーション層１２８を通した電気的接続のための各画素拡散領域１１６に対して各接点１１８をむき出しのままとするために含まれている。当業者は、あらゆる適当な数及び形状の画素がこの開示の要旨を逸脱しない範囲で含まれ得るということを容易に理解するであろう。
図８を再び参照すると、吸収層１０６は、可視域から赤外線領域域までの範囲の波長を通して光源からの光学信号を検出することが可能である半導体物質、例えば、ＩｎＧａＡｓを含むことができる。パッシベーション層１２８は、メサ溝１２４の側壁１２６の一部、すなわち図８において配向されるようにキャップ層１０２の上の側壁１２６の部分を形成する。接点の部分１３４は、側壁パッシベーション層１２８とパッシベーション層１１２の間に挟まれている。
本開示の方法及びシステムは、上記で説明して図面で示すように、従来の画素構成に対して減じたクロストーク及び改良された変調伝達関数（ＭＴＦ）を含む優れた特性を有する光検出器アレイを提供する。本件開示の装置及び方法が好ましい実施形態を参照して図と共に記載されているが、当業者は変更及び／または修正が本件開示の要旨を逸脱しない範囲でなされ得ることを直ちに認識するであろう。

Claims (18)

  1. フォトダイオードのアレイを形成する方法であって、
    キャップ層を吸収層の表面上に形成することと、
    複数の離間した画素拡散領域を前記キャップ層に形成することであって、各画素拡散領域は、前記吸収層の前記表面を越えて、そして前記吸収層の中に伸びて、前記画素拡散領域によって前記吸収層を通して受け取られる光子から発生する電荷を受け取る、前記形成することと、
    前記キャップ層を通して対向する側壁を有するメサ溝を形成することであって、前記メサ溝は前記画素拡散領域を互いから切り離して各前記画素拡散領域を囲む、前記形成することと、
    前記メサ溝の前記側壁の上に側壁パッシベーション層を形成することと、
    前記側壁パッシベーション層の一部を除去して各前記画素拡散領域に電気的に接続しているそれぞれの接点を露出させるが、前記メサ溝の前記側壁を、前記側壁パッシベーション層で覆われている状態のままとすることと
    を含み、前記接点は、電気的接続のためにむき出しで覆われていない、
    前記方法。
  2. 各接点がパッシベーション層を通過して前記それぞれの画素拡散領域との電気的接触をするように、前記それぞれの画素拡散領域に電気的に接続する前記接点を形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記メサ溝を形成することが、前記キャップ層を完全に通して、かつ、前記吸収層を完全に、または部分的に通して、前記メサ溝を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記メサ溝を形成することがドライエッチングに続くウェットエッチングによって前記メサ溝を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記側壁パッシベーション層を形成することが、前記接点及び前記メサ側壁を前記側壁パッシベーション層で覆うことを含み、前記パッシベーション層の前記部分を除去することが、前記側壁パッシベーション層をパターン化フォトレジスト層で覆って、前記フォトレジスト層によって保護されていない前記側壁パッシベーション層の部分を除去することを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記キャップ層から前記吸収層の反対側の基板層上にあるバッファ層上に前記吸収層を配置することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  7. 吸収層と、
    前記吸収層の表面に配置されるキャップ層と、
    前記キャップ層の中の複数の画素拡散領域であって、前記複数の画素拡散領域の各前記画素拡散領域が前記吸収層の前記表面を越えて前記吸収層の中に伸びて、前記それぞれの画素拡散領域によって前記吸収層を通して受け取られる光子から発生する電荷を受け取り、メサ溝が前記複数の画素拡散領域の各前記画素拡散領域を囲んでいる前記キャップ層を通して画定され、前記メサ溝が側壁を画定する、前記複数の画素拡散領域と、
    前記メサ溝の前記側壁を覆う側壁パッシベーション層であって、前記側壁パッシベーション層を通る開口が、電気的接続のために前記複数の画素拡散領域の画素拡散領域ごとに接点をむき出しのままにするために含まれる、前記側壁パッシベーション層と
    を含むフォトダイオードアレイ。
  8. 前記側壁パッシベーション層が、表面漏れによる暗電流を減らして、応力を減らすように構成される、複数の誘電層を含む、請求項７に記載のフォトダイオードアレイ。
  9. 前記吸収層が、可視域から赤外域の範囲にある波長によって光源から光学信号を検出することが可能な半導体物質を含む、請求項７に記載のフォトダイオードアレイ。
  10. 前記吸収層から反対の前記キャップ層の表面に配置されるパッシベーション層をさらに含み、前記パッシベーション層は前記メサ溝の前記側壁の一部を形成する、請求項７に記載のフォトダイオードアレイ。
  11. 前記複数の画素拡散領域の各前記画素拡散領域のための前記接点が前記パッシベーション層に配置されて、前記パッシベーション層の開口を通して前記画素拡散領域と電気的に接触する、請求項９に記載の記フォトダイオードアレイ。
  12. 前記接点の一部が前記側壁パッシベーション層と前記パッシベーション層の間に挟まれる、請求項１１に記載のフォトダイオードアレイ。
  13. 前記メサ溝が、前記キャップ層を完全に通して、かつ前記吸収層を完全に、または、部分的に通して伸びる、請求項７に記載のフォトダイオードアレイ。
  14. 前記キャップ層と反対の吸収層の側に基板層をさらに含む、請求項７に記載のフォトダイオードアレイ。
  15. 前記吸収層と前記基板層の間に配置されるバッファ層をさらに含む、請求項１４に記載のフォトダイオードアレイ。
  16. 前記キャップ層がＩｎＰを含み、前記吸収層がＩｎＧａＡｓを含む、請求項７に記載のフォトダイオードアレイ。
  17. 前記メサ溝の空間ギャップと結合される前記側壁パッシベーション層が、側壁パッシベーション層及び空間ギャップがなかった場合に対して量子効率の増加のための所望の波長範囲内で、前記側壁パッシベーション層に当たる光子を反射して前記吸収層に戻す、請求項７に記載のフォトダイオードアレイ。
  18. 前記側壁が互いに対して角度を有し、前記角度が誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）実験計画法（ＤＯＥ）を使用して調整される、請求項７に記載のフォトダイオードアレイ。
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