半导体图像传感器制造技术

本发明专利技术提供一种对近红外光高灵敏度且实现小面积下的集成化的半导体图像传感器。本发明专利技术的半导体图像传感器包括：光接收元件，形成于SOI基板的所述绝缘膜下的硅基板，并且沿着与硅基板的主面垂直的方向形成，且包括对近红外光具有灵敏度的pn接合二极管，所述SOI基板包括硅基板、形成于所述硅基板上的绝缘膜及形成于绝缘膜上的半导体层；以及高电压产生电路，产生用来对pn接合二极管施加反向偏压的施加电压，硅基板的杂质浓度处于1

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体图像传感器


[0001]本专利技术涉及一种半导体图像传感器，尤其涉及一种对近红外光高灵敏度且实现小面积下的集成化的半导体图像传感器。

技术介绍

[0002]作为周知的半导体图像传感器(以下称为光传感器)，已知有光接收元件使用形成于硅基板的pn接合二极管的半导体图像传感器。为了使所述光传感器运行，首先需要对pn接合二极管施加反向偏压，即需要对p型半导体层施加负偏压，对n型半导体层施加正偏压。由此，在pn接合部形成无载流子的空乏层。若对所述空乏层照射光，则其光能导致产生电子空穴对(载流子)(称为光电效应)，通过空乏层中的电场，电子被拉向施加了正电压的n型半导体层中，空穴被拉向施加了负电压的p型半导体层。由此，pn接合二极管的端子间的电荷量会根据光信号而变化，因此可将光信号转换为电信号(称为光电转换)。
[0003]在利用使用硅基板的pn接合二极管进行的光电转换中，可检测的光的长波长侧(光能低的一侧)的极限由硅内的带隙宽度所决定。
[0004]硅的带隙宽度约为1.1eV，因此使用硅的pn接合二极管的光传感器仅能够检测波长约为1,100nm以下的光。
[0005]所述波长(约1,100nm)处于近红外区域。
[0006]图1表示以硅作为介质的光的吸收系数，波长为1,100nm附近的近红外光的光吸收系数小，检测灵敏度低。因此，之前通过对硅的光传感器采取某种措施来提高对近红外光的灵敏度。
[0007]作为所述措施之一，专利文献1或非专利文献1中记载有通过使入射至光传感器的近红外光在光传感器内分散，而延长近红外光通过光传感器内的光程，提高灵敏度。具体而言，通过在形成光接收元件的硅的表面形成棱锥状的凹凸来将其实现。
[0008]进而，通过在光接收元件表面形成被称为扩散板的特殊的层，而使近红外光分散，提高灵敏度。然而，这些现有方法会导致制造工艺增加，伴随着成本上升。又，仅使近红外光分散不能充分改善灵敏度，效果有限。
[0009]与此相对，加厚成为光电转换区域的空乏层的方法对于提高灵敏度而言有效。
[0010]图2表示相对于各光波长的、空乏层宽度与光吸收率的关系。根据所述图可知，若能够将空乏层宽度控制为300μm以上，则对于处于近红外区域的光，可获得充分的光吸收。
[0011]图3表示相对于形成pn接合的硅基板的杂质浓度的反向偏压与空乏层宽度的关系。
[0012]可知通常使用的硅基板的浓度为1
×
10
15
/cm3左右，若使用低浓度基板(～1
×
10
12
/cm3)，则空乏层宽度在同一偏压下约厚一个数量级。
[0013]图4以光波长为参数，表示用以保持与可见光相同程度的灵敏度的反向偏压与基板的杂质浓度的关系。
[0014]可知为了使用基板浓度为2
×
10
12
/cm3左右的浮区(Floating Zone，FZ)基板来针
对波长940nm的近红外光实现保持与可见光相同程度的灵敏度的光传感器，必须施加50V左右的偏压。
[0015]因此，光传感器包括高电压产生电路，所述高电压产生电路产生高电压来对pn接合二极管施加反向偏压。高电压产生电路通常是用来将电源电压(VCC)升压而获得特定的高电压的电路，已知有电荷泵电路。
[0016]电荷泵电路是通过使用电容器(condenser)(C1～C9)与二极管(D1～D9)将输入信号(电源电压：VCC)切换为接通/断开而实现的电路，已知有各种电路结构，图5表示其一例。
[0017]若在硅基板形成所述电荷泵电路，则存在其占有面积增大、光传感器大型化的缺陷。
[0018]因此，如专利文献2所示，也已知在绝缘层上硅(Silicon on Insulator，SOI)基板的半导体层中形成电荷泵电路，所述SOI基板包括硅基板、形成于所述硅基板上的绝缘膜及形成于所述绝缘膜上的所述半导体层。在所述文献所公开的电荷泵电路中，将在所述半导体层中形成的p型区域与n型区域接合，形成互相独立的多个二极管，并将所述二极管串联。
[0019][现有技术文献][0020][专利文献][0021]专利文献1：日本专利特开2017
‑
108062
[0022]专利文献2：日本专利特开平7
‑
177729
[0023][非专利文献][0024]非专利文献1：Oshiyama等人(Oshiyama et al.),《用于衍射结构的具有金字塔表面的背照互补金属氧化物半导体图像传感器的近红外灵敏度增强(Near
‑
infrared sensitivity enhancement of a back
‑
illuminated complementary metal oxide semiconductor image sensor with a pyramid surface for diffraction structure)》,IEEE Tech.Digst.of IEDM 2017,第397
‑
400页,2017.

技术实现思路

[0025][专利技术所要解决的问题][0026]本专利技术的目的在于实现一种半导体图像传感器，所述半导体图像传感器在对形成于硅基板的成为光接收元件的pn接合二极管施加高电压的反向偏压时，可获得充分厚的(宽的)空乏层，且不会导致高电压产生电路的占有面积增大。
[0027][解决问题的技术手段][0028]本专利技术的半导体图像传感器的特征在于包括：光接收元件，形成于SOI基板的绝缘膜下的硅基板，并且沿着与所述硅基板的主面垂直的方向形成，且包括对近红外光具有灵敏度的pn接合二极管，所述SOI基板包括所述硅基板、形成于所述硅基板上的所述绝缘膜及形成于所述绝缘膜上的半导体层；高电压产生电路，产生用来对所述pn接合二极管施加反向偏压的施加电压，所述硅基板的杂质浓度处于1
×
10
12
/cm3至1
×
10
14
/cm3的范围内，膜厚处于300μm至700μm的范围内，所述施加电压处于10V至60V的范围内。
[0029]又，本专利技术的半导体图像传感器的特征在于：包括埋入氧化物(buried oxide，BOX)电容器(capacitor)，隔着所述绝缘膜，以所述半导体层作为第一电极，以形成于所述硅基板的扩散层作为第二电极，所述第一电极连接于所述高电压产生电路的输出端。
[0030]又，本专利技术的半导体图像传感器的特征在于：所述BOX电容器(capacitor)的所述绝缘膜的膜厚处于100nm至300nm的范围内。
[0031]本专利技术的半导体图像传感器的特征在于：包括第一区域、第二区域及栅极电极，所述第一区域与第二区域形成于所述绝缘膜上的所述半导体层，隔着通道区域且互相相接，所述栅极电极形成于所述通道区本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种半导体图像传感器，其特征在于：包括光接收元件，形成于绝缘层上硅基板的绝缘膜下的硅基板，并且沿着与所述硅基板的主面垂直的方向形成，且包括对近红外光具有灵敏度的pn接合二极管，所述绝缘层上硅基板包括所述硅基板、形成于所述硅基板上的所述绝缘膜及形成于所述绝缘膜上的半导体层；以及高电压产生电路，产生用来对所述pn接合二极管施加反向偏压的施加电压，所述硅基板的杂质浓度处于1
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10
12
/cm3至1
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10
14
/cm3的范围内，膜厚处于300μm至700μm的范围内，所述施加电压处于10V至60V的范围内。2.根据权利要求1所述的半导体图像传感器，其特征在于包括：埋入氧化物电容器，隔着所述绝缘膜，以所述半导体层作为第一电极，以形成于所述硅基板的扩散层作为第二电极，所述第一电极连接于所述高电压产生电路的输出端。3.根据权利要求2所述的半导体图像传感器，其特征在于所述埋入氧化物...

【专利技术属性】
技术研发人员：仓知郁生，高野纮，鹿岛保昌，
申请(专利权)人：株式会社光轮，
类型：发明
国别省市：