JP7467805B2 - 前面撮像素子及びそのような撮像素子を製造するための方法 - Google Patents
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Description
半導体キャリア基板と、
第1の電気絶縁分離層と、
フォトダイオードのマトリックスアレイを含む、活性層と呼ばれる単結晶半導体層と、
を連続して含む前面撮像素子に関し、
前記撮像素子がキャリア基板と第1の電気絶縁層との間に、
第2の電気絶縁分離層と、
第2の分離層と第1の分離層との間に配置された、中間層と呼ばれる第2の半導体層又は導電層であって、第2の分離層が第1の分離層よりも厚い、第2の半導体層又は導電層と、
をさらに含むことを特徴とする。
半導体キャリア基板と、
第1の電気絶縁分離層と、
単結晶半導体層のエピタキシャル成長に適したシード層と呼ばれる単結晶半導体層と、
を連続して含む、前面撮像素子用の基板から形成され、
前記基板は、キャリア基板と第1の電気絶縁層との間に、
第2の電気絶縁分離層と、
第2の分離層と第1の分離層との間に配置された、中間層と呼ばれる第2の半導体層又は導電層であって、第2の分離層が第1の分離層よりも厚い、第2の半導体層又は導電層と、
をさらに含む。
第1のドナー基板を用意するステップと、
第1の半導体層を区切るように、前記第1のドナー基板内に脆弱化ゾーンを形成するステップと、
前記第1の層を半導体キャリア基板に転写するステップであって、キャリア基板、電気絶縁層、及び転写された層を含む構造体を形成するように、電気絶縁層がドナー基板とキャリア基板との間の界面にある、転写するステップと、
第2のドナー基板を用意するステップと、
単結晶半導体層を区切るように、前記第2のドナー基板内に脆弱化ゾーンを形成するステップと、
前記単結晶半導体層を構造体に転写するステップであって、電気絶縁層が第2のドナー基板と構造体との間の界面にある、転写するステップと、
を含む方法を使用して製造することができる。
電気絶縁層で覆われたキャリア基板上に導電層又は半導体層を堆積させることによって構造体を形成するステップと、
ドナー基板を用意するステップと、
単結晶半導体層を区切るように、前記ドナー基板内に脆弱化ゾーンを形成するステップと、
前記単結晶半導体層を構造体に転写するステップであって、電気絶縁層が第2のドナー基板と構造体との間の界面にある、転写するステップと、
を含む方法を使用して製造することができる。
第1のドナー基板を用意するステップと、
第1の半導体層を区切るように、前記第1のドナー基板内に脆弱化ゾーンを形成するステップと、
前記第1の層を半導体キャリア基板に転写するステップであって、電気絶縁層が、キャリア基板、電気絶縁層、及び転写される層を含む構造体を形成するように、ドナー基板とキャリア基板との間の界面にある、転写するステップと、
第2のドナー基板を用意するステップと、
単結晶半導体層を区切るように、前記第2のドナー基板内に脆弱化ゾーンを形成するステップと、
前記単結晶半導体層を構造体に転写するステップであって、電気絶縁層が第2のドナー基板と構造体との間の界面にある、転写するステップと、
転写された単結晶半導体層上に単結晶半導体層をエピタキシャル成長させるステップであって、前記エピタキシャル単結晶半導体層が、転写された単結晶半導体層とともに、撮像素子の活性層を形成する、エピタキシャル成長させるステップと、
を含む。
電気絶縁層で覆われたキャリア基板上に導電層又は半導体層を堆積させることによって構造体を形成するステップと、
ドナー基板を用意するステップと、
単結晶半導体層を区切るように、前記ドナー基板内に脆弱化ゾーンを形成するステップと、
前記単結晶半導体層を構造体に転写するステップであって、電気絶縁層が第2のドナー基板と構造体との間の界面にある、転写するステップと、
転写された単結晶半導体層上に単結晶半導体層をエピタキシャル成長させるステップであって、前記エピタキシャル単結晶半導体層が、転写された単結晶半導体層とともに、撮像素子の活性層を形成する、エピタキシャル成長させるステップと、
を含む。
一方では、近赤外の波長で最大の光子を捕捉するのに十分に大きな厚さと、
他方では、特に近赤外において、活性層によって光子を吸収する能力を高めるのに十分な濃度のゲルマニウムと、
最後に、シリコン-ゲルマニウムの緩和及びそれに起因する結晶欠陥(転位)の生成を防止するための、臨界厚さよりも小さい制限された厚さ(濃度に依存する)と、
の間の妥協から得られる。
キャリア基板1、好ましくは半導体キャリア基板と、
第2の電気絶縁分離層2bと、
半導体中間層4と、
第1の電気絶縁分離層2aと、
単結晶半導体シード層3aと、
を連続して含む。
第1の分離層2aである40nmのSiO2と、
半導体中間層4である100nmのポリシリコンと、
第2の分離層2bである150nmのSiO2と、
から構成されている。
100nmのSiO2/10nmのTiN/200nmのSiO2
から構成された。
単層のSiO2の代わりに二重BOX構造を使用すると、吸収の著しい改善が観察される。活性層がシリコンの代わりにSiGeで作られている場合、及び/又は活性層に光子を閉じ込める光閉じ込め層が追加されている場合、光吸収がさらに改善される。
米国特許出願公開第2016/0118431号明細書
Claims (24)
- 半導体キャリア基板(1)と、
第1の電気絶縁分離層(2a)と、
フォトダイオードのマトリックスアレイを含む、活性層と呼ばれる単結晶半導体層(3)と、
を連続して含む前面撮像素子において、
前記キャリア基板(1)と前記第1の電気絶縁分離層(2a)との間に、
第2の電気絶縁分離層(2b)と、
前記第2の電気絶縁分離層(2b)と前記第1の電気絶縁分離層(2a)との間に配置された、中間層と呼ばれる第2の半導体層又は導電層(4)であって、前記第2の電気絶縁分離層(2b)が前記第1の電気絶縁分離層(2a)よりも厚い、第2の半導体層又は導電層(4)と、
をさらに含み、
前記中間層(4)が20~150nmの間に含まれる厚さを有する、前面撮像素子。 - 半導体キャリア基板(1)と、
第1の電気絶縁分離層(2a)と、
フォトダイオードのマトリックスアレイを含む、活性層と呼ばれる単結晶半導体層(3)と、
を連続して含む前面撮像素子において、
前記キャリア基板(1)と前記第1の電気絶縁分離層(2a)との間に、
第2の電気絶縁分離層(2b)と、
前記第2の電気絶縁分離層(2b)と前記第1の電気絶縁分離層(2a)との間に配置された、中間層と呼ばれる第2の半導体層又は導電層(4)であって、前記第2の電気絶縁分離層(2b)が前記第1の電気絶縁分離層(2a)よりも厚い、第2の半導体層又は導電層(4)と、
をさらに含み、
前記前面撮像素子が、前記活性層(3)上に、前記前面から前記活性層に向かう光反射係数が前記活性層から前記前面に向かう反射係数よりも高い光閉じ込め層と呼ばれる層(6)をさらに含み、
各フォトダイオードが、前記第1の電気絶縁分離層(2a)まで延在する少なくとも1つの電気絶縁トレンチ(5)によって隣り合うフォトダイオードから分離されており、
前記少なくとも1つのトレンチ(5)が前記光閉じ込め層(6)を貫いて延在する、前面撮像素子。 - 半導体キャリア基板(1)と、
第1の電気絶縁分離層(2a)と、
フォトダイオードのマトリックスアレイを含む、活性層と呼ばれる単結晶半導体層(3)と、
を連続して含む前面撮像素子において、
前記キャリア基板(1)と前記第1の電気絶縁分離層(2a)との間に、
第2の電気絶縁分離層(2b)と、
前記第2の電気絶縁分離層(2b)と前記第1の電気絶縁分離層(2a)との間に配置された、中間層と呼ばれる第2の半導体層又は導電層(4)であって、前記第2の電気絶縁分離層(2b)が前記第1の電気絶縁分離層(2a)よりも厚い、第2の半導体層又は導電層(4)と、
をさらに含み、
各フォトダイオードが、前記第1の電気絶縁分離層(2a)まで延在する少なくとも1つの電気絶縁トレンチ(5)によって隣り合うフォトダイオードから分離されており、
前記トレンチが、電気絶縁材料で作られた複数の壁(5b)間を前記中間層(4)まで延在する導電性又は半導体のビア(5a)を含み、
各トレンチ(5)が、前記中間層(4)まで延在する第1の壁(5b)と、前記中間層(4)のセグメントを電気的に絶縁するように少なくとも部分的に前記第2の電気絶縁分離層(2b)内に延在する第2の壁(5b)とを含み、前記導電性又は半導体のビア(5a)が前記中間層(4)の前記セグメントに電気的に接続されている、前面撮像素子。 - 前記第1の電気絶縁分離層(2a)が10~100nmの間に含まれる厚さを有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の前面撮像素子。
- 前記第2の電気絶縁分離層(2b)が100~300nmの間に含まれる厚さを有する、請求項1~4のいずれか一項に記載の前面撮像素子。
- 前記中間層(4)がドープされた多結晶又は非晶質の材料で作られている、請求項1~5のいずれか一項に記載の前面撮像素子。
- 前記中間層(4)がドープされたシリコンで作られている、請求項1~6のいずれか一項に記載の前面撮像素子。
- 前記中間層(4)が金属で作られている、請求項1~6のいずれか一項に記載の前面撮像素子。
- 前記活性層(3)がシリコンシード層(3a)を含む、請求項1~8のいずれか一項に記載の前面撮像素子。
- 前記活性層(3)がシリコン-ゲルマニウムシード層(3a)を含む、請求項1~8のいずれか一項に記載の前面撮像素子。
- 前記活性層(3)が前記シード層(3a)上にシリコン-ゲルマニウムの単結晶層(3b)をさらに含む、請求項9又は10に記載の前面撮像素子。
- 前記シリコン-ゲルマニウムの単結晶層(3b)のゲルマニウム含有量が10%以下である、請求項11に記載の前面撮像素子。
- 前記シリコン-ゲルマニウムの単結晶層(3b)の厚さが臨界厚さよりも小さく、前記臨界厚さはその厚さを超えると前記シリコン-ゲルマニウムが緩和する厚さとして定められる、請求項11又は12に記載の前面撮像素子。
- 前記活性層(3)が前記シード層上にシリコンの単結晶層をさらに含む、請求項9に記載の前面撮像素子。
- 前記活性層(3)上に、前面から前記活性層に向かう光反射係数が前記活性層から前記前面に向かう反射係数よりも高い光閉じ込め層と呼ばれる層(6)をさらに含む、請求項1~14のいずれか一項に記載の前面撮像素子。
- 前記光閉じ込め層(6)が、酸化シリコンの2つの層の間に窒化チタンの層を含む、請求項15に記載の前面撮像素子。
- 各フォトダイオードが、前記第1の電気絶縁分離層(2a)まで延在する少なくとも1つの電気絶縁トレンチ(5)によって隣り合うフォトダイオードから分離されている、請求項1~16のいずれか一項に記載の前面撮像素子。
- 前記トレンチが、電気絶縁材料で作られた複数の壁(5b)間を前記中間層(4)まで延在する導電性又は半導体のビア(5a)を含む、請求項17に記載の前面撮像素子。
- 前面撮像素子を製造するための方法であって、
第1のドナー基板(40)を用意するステップと、
第1の半導体層(4)を区切るように、前記第1のドナー基板内に脆弱化ゾーン(41)を形成するステップと、
前記第1の半導体層(4)を半導体キャリア基板(1)に転写するステップであり、前記キャリア基板(1)、電気絶縁層(2b)、及び転写された前記第1の半導体層(4)を含む構造体を形成するように、前記電気絶縁層(2b)が前記ドナー基板(40)と前記キャリア基板(1)との間の界面にある、転写するステップと、
第2のドナー基板(30)を用意するステップと、
単結晶半導体層(3a)を区切るように、前記第2のドナー基板内に脆弱化ゾーン(31)を形成するステップと、
前記単結晶半導体層(3a)を前記構造体に転写するステップであり、電気絶縁層(2a)が前記第2のドナー基板(30)と前記構造体との間の界面にある、転写するステップと、
前記転写された単結晶半導体層(3a)上に単結晶半導体層(3b)をエピタキシャル成長させるステップであり、前記単結晶半導体層(3b)が、前記転写された単結晶半導体層(3a)とともに、前記撮像素子の活性層(3)を形成する、エピタキシャル成長させるステップと、
を含む、方法。 - 前面撮像素子を製造するための方法であって、
電気絶縁層(2b)で覆われたキャリア基板(1)上に導電層又は半導体層(4)を堆積させることによって構造体を形成するステップであって、前記導電層又は半導体層(4)が20~150nmの間に含まれる厚さを有する、ステップと、
ドナー基板(30)を用意するステップと、
単結晶半導体層(3a)を区切るように、前記ドナー基板(30)内に脆弱化ゾーン(31)を形成するステップと、
前記単結晶半導体層(3a)を前記構造体に転写するステップであり、電気絶縁層(2a)が前記ドナー基板(30)と前記構造体との間の界面にある、転写するステップと、
前記転写された単結晶半導体層(3a)上に単結晶半導体層(3b)をエピタキシャル成長させるステップであり、前記単結晶半導体層(3b)が、前記転写された単結晶半導体層(3a)とともに、前記撮像素子の活性層(3)を形成する、エピタキシャル成長させるステップと、
を含む、方法。 - 前面撮像素子を製造するための方法であって、
電気絶縁層(2b)で覆われたキャリア基板(1)上に導電層又は半導体層(4)を堆積させることによって構造体を形成するステップと、
ドナー基板(30)を用意するステップと、
単結晶半導体層(3a)を区切るように、前記ドナー基板(30)内に脆弱化ゾーン(31)を形成するステップと、
前記単結晶半導体層(3a)を前記構造体に転写するステップであり、電気絶縁層(2a)が前記ドナー基板(30)と前記構造体との間の界面にある、転写するステップと、
前記転写された単結晶半導体層(3a)上に単結晶半導体層(3b)をエピタキシャル成長させるステップであり、前記単結晶半導体層(3b)が、前記転写された単結晶半導体層(3a)とともに、前記撮像素子の活性層(3)を形成する、エピタキシャル成長させるステップと、
前記活性層(3)上に、前面から前記活性層に向かう光反射係数が前記活性層から前記前面に向かう反射係数よりも高い光閉じ込め層と呼ばれる層(6)を形成するステップと、
前記光閉じ込め層(6)を貫いて前記電気絶縁層(2a)まで延在する少なくとも1つの電気絶縁トレンチ(5)を形成するステップであって、各フォトダイオードが、前記少なくとも1つの電気絶縁トレンチ(5)によって隣り合うフォトダイオードから分離されている、ステップと、
を含む、方法。 - 前面撮像素子を製造するための方法であって、
電気絶縁層(2b)で覆われたキャリア基板(1)上に、中間層(4)と呼ばれる導電層又は半導体層(4)を堆積させることによって構造体を形成するステップと、
ドナー基板(30)を用意するステップと、
単結晶半導体層(3a)を区切るように、前記ドナー基板(30)内に脆弱化ゾーン(31)を形成するステップと、
前記単結晶半導体層(3a)を前記構造体に転写するステップであり、電気絶縁層(2a)が前記ドナー基板(30)と前記構造体との間の界面にある、転写するステップと、
前記転写された単結晶半導体層(3a)上に単結晶半導体層(3b)をエピタキシャル成長させるステップであり、前記単結晶半導体層(3b)が、前記転写された単結晶半導体層(3a)とともに、前記撮像素子の活性層(3)を形成する、エピタキシャル成長させるステップと、
前記電気絶縁層(2a)まで延在する少なくとも1つの電気絶縁トレンチ(5)を形成するステップであって、各フォトダイオードが、前記少なくとも1つの電気絶縁トレンチ(5)によって隣り合うフォトダイオードから分離されており、前記トレンチが、電気絶縁材料で作られた複数の壁(5b)間を前記中間層(4)まで延在する導電性又は半導体のビア(5a)を含み、各トレンチ(5)が、前記中間層(4)まで延在する第1の壁(5b)と、前記中間層(4)のセグメントを電気的に絶縁するように少なくとも部分的に前記電気絶縁層(2b)内に延在する第2の壁(5b)とを含み、前記導電性又は半導体のビア(5a)が前記中間層(4)の前記セグメントに電気的に接続されている、ステップと、
を含む、方法。 - 前記活性層(3)上に光閉じ込め層と呼ばれる層(6)を形成するステップをさらに含み、前記光閉じ込め層(6)が、前面から前記活性層に向かう光反射係数が前記活性層から前記前面に向かう反射係数よりも高い、請求項19~22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記活性層(3)内にフォトダイオードのマトリックスアレイを形成するステップをさらに含む、請求項19~23のいずれか一項に記載の方法。
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