具有钉扎光电二极管的集成光学传感器制造技术

本公开的实施例涉及具有钉扎光电二极管的集成光学传感器。集成光学传感器由钉扎光电二极管形成。半导体衬底包括具有第一导电类型的第一半导体区域，该第一半导体区域位于第二半导体区域与第三半导体区域之间，第二半导体区域具有与第一导电类型相对的第二导电类型，第三半导体区域具有第二导电类型。第三半导体区域与第二区域相比更厚、更少掺杂并且更深地位于衬底中。第三半导体区域包括硅和锗。在一个实现方式中，第三半导体区域内的锗具有至少一个浓度梯度。在另一实现方式中，第三半导体区域内的锗浓度是基本恒定的。区域内的锗浓度是基本恒定的。区域内的锗浓度是基本恒定的。

【技术实现步骤摘要】
具有钉扎光电二极管的集成光学传感器
[0001]优先权声明
[0002]本申请要求于2020年5月26日提交的法国专利申请No.2005537的优先权，其内容在法律允许的最大范围内通过引用整体合并于此。


[0003]实现方式和实施例涉及集成光学传感器，特别是包括钉扎光电二极管的集成光学传感器。

技术介绍

[0004]近年来，越来越多的应用(诸如面部识别、虚拟现实和主动的汽车安全)要求高性能、低姿态并且低成本的成像系统。
[0005]在这方面，基于间接飞行时间(iToF)测量技术的使用并且受益于高度集成的结构以及精确和快速的性能的成像系统特别好地满足了这些期望。
[0006]更具体地，利用从激光获得的周期性调制的激发，例如，可以经由信号的相移测量来间接测量将待测量的物体与成像系统(称为“iToF”成像系统)分离的距离，该信号在物体上相对于发射辐射的反射之后被接收，并且可以在若干激发和发射循环上扩展光学信号的数据收集，以便改善测量的准确性。
[0007]该类型的检测器特别适用于使用其波长处于近红外(例如，0.94微米)的辐射的应用。
[0008]这样，特别是不仅在飞行时间传感器中而且在CMOS成像器中实现的这些应用越来越多。
[0009]通常，所使用的传感器是集成的基于硅的传感器。
[0010]然而，硅在红外甚至在近红外(例如，0.94微米)中具有低吸收功率。例如，厚度为1微米的硅衬底在0.94微米的波长处具有1.7％的吸收。
[0011]该吸收功率随着更大的厚度而增加，例如6微米量级的厚度是集成光学传感器的钉扎光电二极管的典型厚度。
[0012]但硅器件在近红外中具有低灵敏度。例如，厚度为6微米的硅衬底在0.94微米的波长处具有在7％至8％范围中的量子效率。
[0013]此外，以该厚度，在钉扎光电二极管中少数载流子的收集非常缓慢，这是有害的。
[0014]因此，需要改善光学传感器的性能，该光学传感器特别是在少数载流子的吸收和/或灵敏度和/或收集速度方面、最特别是在近红外范围中实现特别是一个或多个钉扎光电二极管。

技术实现思路

[0015]在满足诸如例如以下的严格的约束条件的同时，通过利用具有特别是更好的红外吸收的材料替换硅来满足前述需求：与位于衬底的前端上的微电子部件的兼容性以及与单
晶硅的兼容性；在半导体器件(二极管和钉扎二极管)的有源部分中的可集成性；少数载流子的足够小的生成；以及尽可能低的缺陷率。
[0016]该材料然后有利地是耐温度的，与硅以及与介电材料(诸如二氧化硅)具有良好的界面质量，并且通常具有良好的质量(特别是没有或只有很少的位错，没有或只有很少的污染物)。
[0017]钉扎光电二极管在半导体衬底内包括第一半导体区域，其夹在两个半导体区域之间，该第一半导体区域例如为N型，该两个半导体区域例如为P+型的表面区域和更厚并且更深的P型区域。
[0018]例如，所提出的是在P型区域中合并不太大量的锗，以便在使位错形成的风险最小化的同时，特别是在吸收和灵敏度的方面、特别是在近红外范围中改善光学传感器的性能。
[0019]此外，还提出的是例如在P型区域中合并锗，该P型区域具有从P区域的底部到N区域的正浓度梯度，以便特别是在少数载流子的收集速度的方面、特别是在近红外范围中改善光学传感器的性能。
[0020]在以上所提及的两个情况中(不太大的、例如恒定的锗的数量和正浓度梯度)，锗浓度分布优选在P区域的耗尽区的开始处停止。
[0021]因此，根据一个方面，提出了一种集成光学传感器，包括至少一个检测模块，该至少一个检测模块包括钉扎光电二极管。
[0022]光电二极管在半导体衬底内包括第一半导体区域，其具有第一导电类型(例如N型导电)，该第一半导体区域位于第二半导体区域与第三半导体区域之间，该第二半导体区域具有第二导电类型(例如P型导电，与第一导电类型相对)，该第三半导体区域也具有第二导电类型。
[0023]该第三区域比第二区域更厚。
[0024]该第三区域比第二区域掺杂更少。因此，该第三区域可以是P掺杂的，而第二区域可以是P+掺杂的。
[0025]此外，该第三区域比第二区域更深地位于衬底中。
[0026]该第三区域包括硅和锗，锗有利地为小的数量或原子百分比，例如具有被包括在3％与6％之间的原子百分比，并且优选地具有至少第一浓度梯度。
[0027]第一浓度梯度有利地是正梯度，锗的原子百分比朝向第一区域增加。
[0028]锗的存在允许改善半导体材料的吸收系数。
[0029]此外，有利正浓度梯度的存在允许降低在半导体材料的价带与导带之间的空间，并且引起导带朝向光电二极管的表面的倾斜，这将引起获得电场，该电场将加速少数载流子从第三区域向第一区域的移动。
[0030]因此，降低了少数载流子的收集的持续时间。
[0031]锗的原子百分比优选地从0％增加到6％。
[0032]另外，将锗的原子百分比限制到6％允许限制位错出现的风险，并且通常允许检测模块保持与制造光学传感器的其他步骤以及合并光学传感器的集成电路的其他部件兼容。
[0033]此外，该生长可以以任何可能的方式发生，例如线性地或在(一个或多个)步骤中。
[0034]第三区域通常包括耗尽区和非耗尽区(被称为中性区)，该耗尽区与第一区域接触并且位于非耗尽区的上方，并且第一浓度梯度优选地位于非耗尽区中。
[0035]另外，还优选的是，锗在耗尽区中具有第二负浓度梯度。
[0036]该锗浓度的负梯度确实创建与由导带倾斜造成的电场相对的电场。
[0037]通过在耗尽区中放置负锗梯度，与由二极管本身创建的电场相比，它变得可忽略。
[0038]例如，锗的原子百分比在耗尽区中可以从6％减小到0％。
[0039]尽管在实践中通过锗和硅原子的相互扩散现象而舒缓，根据第二梯度的锗的原子百分比减小可以是逐渐的或突然的(第二“无限的”梯度)。
[0040]根据另一方面，提供了一种集成光学传感器，包括至少一个钉扎光电二极管，其在半导体衬底内包括具有第一导电类型的第一半导体区域，该第一半导体区域位于第二半导体区域与第三半导体区域之间，该第二半导体区域具有与第一导电类型相对的第二导电类型，该第三半导体区域具有第二导电类型，该第三半导体区域与第二区域相比更厚、被更少掺杂并且更深地位于衬底中，并且第三半导体区域包括具有小于或等于6％(例如被包括在3％与6％之间)的原子百分比的锗。
[0041]确实，如以上所指示的，与锗浓度梯度的存在无关，小量的锗的存在使位错出现的风险最小化的同时允许改善吸收系数，并且通常允许检测模块保持与光学传感器的其他制造步骤以及合并该光学传感器的集成电路的其他部件的其他制造步骤兼容。
[0042]根据一个实施例，非耗尽区包括具有基本恒定的原子百分比的锗。
[0043]该锗的恒定的原子百分比本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成光学传感器，包括钉扎光电二极管，所述集成光学传感器包括：半导体衬底，包括：第一半导体区域，具有第一导电类型；第二半导体区域，具有与所述第一导电类型相对的第二导电类型；以及第三半导体区域，具有所述第二导电类型；其中所述第一半导体区域位于所述第二半导体区域与所述第三半导体区域之间；其中所述第三半导体区域与所述第二半导体区域相比更厚、更少掺杂并且更深地位于所述半导体衬底中；以及其中所述第三半导体区域包括硅和锗，其中所述锗具有第一浓度梯度。2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一浓度梯度是正梯度，其中在所述第三半导体区域中的锗的原子百分比从所述第三半导体区域的底部朝向所述第一半导体区域增加。3.根据权利要求2所述的传感器，其中针对所述第一浓度梯度的所述锗的原子百分比从0％增加到6％。4.根据权利要求2所述的传感器，其中针对所述第一浓度梯度的所述锗的原子百分比从3％增加到6％。5.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第三半导体区域包括耗尽区和非耗尽区，所述耗尽区与所述第一半导体区域接触并且位于所述非耗尽区的上方，并且其中所述第一浓度梯度位于所述非耗尽区中。6.根据权利要求5所述的传感器，其中所述第一浓度梯度是正梯度，其中在所述非耗尽区中的锗的原子百分比从所述非耗尽区的底部朝向所述耗尽区增加。7.根据权利要求6所述的传感器，其中针对所述第一浓度梯度的所述锗的原子百分比从0％增加到6％。8.根据权利要求6所述的传感器，其中针对所述第一浓度梯度的所述锗的原子百分比从3％增加到6％。9.根据权利要求5所述的传感器，其中所述第三半导体区域在所述耗尽区中还包括硅和锗，其中所述锗具有第二浓度梯度，其中所述第二浓度梯度是负浓度梯度，其中在所述耗尽区中的锗的原子百分比从所述非耗尽区朝向所述第一半导体区域减小。10.根据权利要求9所述的传感器，其中所述锗的原子百分比在所述耗尽区中从6％减小到0％。11.根据权利要求5所述的传感器，其中在所述第三半导体区域中的所述耗尽区不包括锗。12.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第三半导体区域包含硅锗合金。13.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第三半导体区域由交替的硅层和硅锗层形成。14.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一导电类型是N型，并且所述第二导电类型是P型。15.根据权利要求1所述的传感器，其中所述半导体衬底是绝缘体上硅类型衬底，其包括由半导体膜盖顶的掩埋绝缘层，并且其中所述钉扎光电二极管被包含在所述半导体膜
内。16.根据权利要求1所述的传感器，包括至少一个检测模块，其包括所述钉扎光电二极管。17.根据权利要求1所述的传感器，其中所述钉扎光电二极管是成像系统的部件。18.根据权利要求17所述的传感器，其中所述成像系统是飞行时间(ToF)系统。19.根据权利要求17所述的传感器，其中所述成像系统是电子设备的部件。20.根据权利要求19所述的传感器，其中所述电子设备从包含以下项的组中选择：平板计算机和蜂窝移动电话。21.一种集成光学传感器，包括钉扎光电二极管，所述集成光学传感器包括：半导体衬底，包括：第一半导体区域，具有第一导电类型；第二半导体区域，具有与所述第一导电类型相对的第二导电类型；以及第三半导体区域，具...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：意法半导体克洛尔二公司，
类型：发明
国别省市：