光敏传感器以及对应的制造方法与流程

光敏传感器以及对应的制造方法
1.优先权要求
2.本技术要求于2021年6月16日提交的法国专利申请号2106356的优先权，其全部内容在法律允许的最大范围内通过引用并入本文。
技术领域
3.实施例和实现方式涉及光敏传感器，具体涉及能够检测所谓短波长红外范围(swir)中的辐射的光敏传感器。


背景技术：

4.短波长红外范围(swir)范围内的辐射通常具有介于1μm与2.5μm之间的波长，并且无法使用硅半导体器件检测到。
5.事实上，swir范围内光子的能量小于硅的价带和导带之间的能隙(称为禁带、或带隙、或间隙)。
6.因而，适用于swir范围的辐射的光敏传感器通常使用具有较窄带隙的半导体材料，通常称为“低带隙材料”，诸如例如，砷化铟镓(ingaas)。这种类型的材料通常使用术语“iii-v型材料”或“iii-v化合物”来描述，在于其成分属于元素周期表的iii族和v族。
7.话虽如此，光敏传感器读取和控制电路通常由硅制成。因而，通常必须使用在硅读取电路与由iii-v材料制成的光敏元件之间具有铜键的混合集成技术。
8.然而，在传统的混合集成中，用于存储由光敏元件光生的电荷的读取节点(或存储器节点)设置在由硅制成的部分中。因而，读取节点的读取通常实时执行，这会在重置时引入噪声问题，由于无法从读取节点中减去时间噪声(所谓的ktc噪声)，例如，借助于相关双采样技术.
9.因此，本领域需要一种适用于短波红外波长范围、具有低噪声、快速电荷转移、基于非笨重架构的光敏传感器。


技术实现要素：

10.根据一个方面，一种光敏传感器包括至少一个像素，该像素包括光敏区、读取区、以及传送栅极，光敏区在第一半导体材料中光敏，读取区在第二半导体材料中光敏，传送栅极面向第一半导体材料和第二半导体材料位于光敏区与读取区之间的部分，第一半导体材料与第二半导体材料具有不同带隙并且彼此接触，从而形成面向传送栅极的异质结。
11.换言之，提供了一种异质结光敏传感器，其中光敏区可以借助于由传送栅极控制的电荷传送与读取区耦合。在光敏区与读取区之间提供传送栅极形成所谓的4t(4个晶体管)像素技术的基础，其中读取区受益于相关双采样读取。
12.传感器实际上被有利地配置为使得施加在传送栅极上的控制信号引起从光敏区到读取区的读取节点的电荷传送。
13.根据实施例，选择第一半导体材料和第二半导体材料使得第一半导体材料的导带
的能级大于第二半导体材料的导带的能级，并且使得第一半导体材料的价带的能级大于第二半导体材料的价带的能级。
14.其中能级如上定义所在的这种类型的半导体材料布置通常被描述为“类型ii”。
15.在这种配置中，沿从第一半导体材料到第二半导体材料的方向在相应导带的能级之间和相应价带的能级之间都存在处于异质结的水平的势降(即，下滑尺度)。另一方面，沿从第二半导体材料到第一半导体材料的方向在相应导带之间和相应价带之间都存在势垒(即，增加尺度)。
16.换言之，选择第一半导体材料和第二半导体材料使得电荷可以沿从第一半导体材料到第二半导体材料的方向流动，而势垒阻止电荷沿从第二半导体材料到第一半导体材料的方向流动。
17.这种配置导致在不完全电荷传送或电荷返回(通常称为“滞后”)之后的传送受到很少或没有电噪声和很少或没有剩磁。
18.根据实施例，第一半导体材料被选择为在感兴趣波长范围内是光敏性的，并且第二半导体材料被选择为在感兴趣波长范围内不是光敏性的。
19.简而言之，半导体材料可以在对应于能量大于或等于半导体的带隙的宽度(即，半导体的导带的能级和价带的能级之间的差异)的光子的波长范围内是光敏性的。
20.因此，在该实施例中，读取区本身不会与在光敏区中检测到的信号发生反应，并且读取区不会由于暴露于待检测信号而生成寄生电荷。
21.这使得可以提供更为准确的测量，同时提供简单的实施例，假定没有必要提供阻止待检测信号传输到读取区的传统屏幕结构。
22.根据实施例，感兴趣波长范围位于700nm与1800nm之间。
23.根据实施例，第一半导体材料是砷化锑化镓(gaassb)，而第二半导体材料是磷化铟(inp)。
24.实际上，半导体材料的这种选择使得可以有利地同时提供上文所定义的实施例的所有配置，而且这些材料具有相互兼容的晶体结构。
25.根据实施例，在位于光敏区与读取区之间的部分中第一半导体材料和第二半导体材料以相同的类型掺杂。
26.根据实施例，光敏区被配置为通过光电效应生成电荷，而读取区被配置为通过电容效应存储电荷。
27.根据实施例，光敏区包括第一材料的掺杂区，该掺杂区被布置为形成两个pn结，该两个pn结具有相应空间电荷区，该相应空间电荷区接合以便形成完全耗尽的公共区。
28.这种类型的光敏区实施例通常称为“钉扎光电二极管”或耗尽二极管。
29.根据另一方面，本发明提出一种光敏传感器的制造方法，该方法至少包括制造像素，包括：将具有不同带隙的第一半导体材料和第二半导体材料布置为彼此接触以形成异质结；形成面向异质结的传送栅极；形成位于异质结的两侧上的第一半导体材料和第二半导体材料的部分；在第一半导体材料中形成光敏区；在第二半导体材料中形成读取区；其中光敏区和读取区形成在第一半导体材料和第二半导体材料的面向传送栅极的部分的两侧上。
30.根据实现方式，选择第一半导体材料和第二半导体材料使得第一半导体材料的导
带的能级大于第二半导体材料的导带的能级，并且使得第一半导体材料的价带的能级大于第二半导体材料的价带的能级。
31.根据实现方式，第一半导体材料被选择为在感兴趣波长范围中是光敏性的，并且第二半导体材料被选择为在感兴趣波长范围中不是光敏性的。
32.根据实现方式，感兴趣波长范围位于700nm与1800nm之间。
33.根据实现方式，第一半导体材料是砷化锑化镓(gaassb)，而第二半导体材料是磷化铟(inp)。
34.根据实现方式，形成第一半导体材料和第二半导体材料包括：掺杂相同类型的第一材料和第二材料。
35.根据实现方式，形成光敏区包括：在第一材料中注入掺杂剂，这些掺杂剂形成被配置为通过光电效应生成电荷的pn结，并且形成读取区包括：在第二材料中注入掺杂剂，这些掺杂剂被配置为通过电容效应存储电荷。
36.根据实施例，形成光敏区还包括：在第一材料中再次注入掺杂剂，这些掺杂剂被配置为形成第二pn结，使得光敏区的两个pn结具有相应空间电荷区，这些空间电荷区被接合并形成完全耗尽的公共区。
37.根据实现方式，布置第一半导体材料和第二半导体材料包括：在第二材料的半导体衬底中蚀刻空腔；以及在空腔中执行第一材料的异质外延生长。
38.根据实现方式，布置第一半导体材料和第二半导体材料包括：在第二材料的半导体衬底的表面上对第一材料的厚度执行异质外延生长；在第一材料的厚度中蚀刻空腔，直到第二材料暴露；以及在空腔中执行第二材料的同质外延生长。
附图说明
39.本发明的其他优点和特征将在研究实施例和实现方式的详细描述以及附图的详细描述时以决非限制性方式显现，其中：
40.图1以电气图(顶部)和半导体器件的示意性截面图(底部)的形式图示了光敏传感器的像素；
41.图2图示了像素的电气图(顶部)和表示存在于像素的不同区和半导体材料中的电势水平v的曲线图(底部)；
42.图3图示了ii型异质结的带图；
43.图4a至图4e图示了用于制造参考图1和图2所描述的光敏传感器的像素的方法的步骤结果；以及
44.图5a至图5d图示了用于制造参考图1和图2所描述的光敏传感器的像素的备选方法的步骤的结果。
具体实施方式
45.图1以电气图(顶部)的形式和包括像素px的实施例示例的半导体器件的示意性截面图(底部)图示了光敏传感器cp的像素px。
46.像素px包括光敏区ppd、读取区sn、以及光敏区ppd和读取区sn之间的传送栅极tg。
47.光敏区ppd由第一半导体材料m1制成，而读取区sn由与第一半导体材料m1不同的
第二半导体材料m2制成。
48.因此，第一半导体材料m1和第二半导体材料m2具有不同带隙并且彼此接触，从而在其接触区的水平处形成异质结hj。
49.传送栅极tg面向异质结hj以及异质结hj的两侧上的位于光敏区ppd与读取区sn之间的第一半导体材料m1和第二半导体材料m2的部分定位。
50.光敏区ppd被配置为通过光电效应生成电荷，例如，在光信号照射光敏区ppd的积分阶段期间。
51.在该示例中，光敏区ppd是钉扎光电二极管(也称为“钉扎二极管”或“耗尽二极管”)的实施例，即，在第一材料100、102、104中包括掺杂区的实施例，这些掺杂区被布置为形成两个pn结，该两个pn结具有相应空间电荷区，该相应空间电荷区接合以形成完全耗尽的公共区102。
52.实际上，钉扎光电二极管ppd形成在第一材料m1中的半导体阱100中并且掺杂有第一类型，例如，p型。在该示例中，阱100已经并入形成于第二材料m2中的衬底200中。
53.光电二极管ppd包括第一区102和第二区104，第一区102被注入阱100中并且掺杂有与第一类型相反的第二类型(例如，n型)，第二区104更局部地被注入阱100的表面上并且掺杂(通常，强掺杂)有第一类型。
54.因此，第一掺杂区102(即，在n型情况下，阴极区)被“钉扎”在形成于阱100与第一掺杂区102之间以及第一掺杂区102与第二掺杂区之间的两个pn结之间。提供被注入区102、104的注入深度以及阱100和被注入区102、104的掺杂剂浓度，使得空间电荷区在第一被注入区102中接合。因而，两个pn结共有的第一被注入区102完全耗尽少数载流子。
55.可替代地，在与上述实施例基本相同的实施例中，光敏区ppd可以是“单个”光电二极管实施例，即，单个pn结，但没有第二被注入区104。
56.读取区sn被配置为通过电容效应存储电荷，例如，在积分阶段之后的读取阶段期间。
57.读取区sn形成于衬底200中，以第二材料m2制成并且掺杂有第一导电类型，例如，p型；并且读取区sn包括区202，该区202被注入于衬底200中并且以相同的类型掺杂，例如，n型。
58.因此，读取区sn由二极管的图表示。二极管sn的固有电容值可能足以使得能够存储期望电荷。如果二极管sn的本征电容值不足，则辅助电容元件(例如，金属-氧化物-半导体(mos)结构类型的电容元件)可以与被注入区202耦合以增加电荷存储容量。
59.特别地，读取区sn的电荷存储功能使得能够实现包括随时间分离的非同时积分阶段和读取阶段。这尤其是全局快门采集的情况，其中对于传感器的所有像素，在相同的时间间隔内执行积分阶段，而读取阶段可以在不同时间在读取区sn中依序执行。
60.传送栅极tg被配置为感应传导通道，该传导通道适于将进入光敏区ppd的光生电荷转送到读取区sn，例如，在积分阶段之后，以及在读取阶段开始时。
61.在这点上，传送栅极tg包括与半导体材料m1、m2分开通过电介质材料302的厚度的导电区300(例如，由金属制成)的实施例。
62.栅极结构300、302形成在第一半导体材料m1和第二半导体材料m2的被称为正面fa的面上。正面fa通常是进行注入的面。
63.特别地，栅极区300的横向边缘界定被注入区102、104和202的注入区(通过下文参考图4a至图4e和图5a至图5d所描述的所谓自对准方法)。
64.栅极结构300、302面向异质结hj定位，并且半导体区位于异质结hj的两侧上。更具体地，栅极结构300、302面向位于第一半导体材料m1的钉扎二极管ppd的被注入区102、104与异质结hj之间的部分100定位；并且进一步面向第二半导体材料m2的位于读取区sn的被注入区202与异质结hj之间的部分200。
65.因此，通过在导电栅极区300上施加控制电势，可以在面向传送栅极tg的半导体区中形成导电通道。
66.在这点上，应当指出，形成在第一半导体材料m1中的阱100和形成在第二半导体材料m2中的衬底200至少在位于光敏区ppd与读取区sn之间的部分以相同的类型掺杂，例如，p型。
67.更进一步地，为了使得能够将电荷从光敏区ppd传送到读取区sn，有利地选择第一半导体材料m1和第二半导体材料m2以在电荷传送方面具有有利的带图。
68.在这点上，参考图2和图3。
69.图2图示了上文参考图1所描述的像素px的电图(顶部)以及表示像素px的不同区和半导体材料中存在的电势水平v的曲线图(底部)。
70.虚线hj定位对应于第一半导体材料m1与第二半导体材料m2之间的异质结hj的位置的参考，如图1所示。
71.图中的电势水平v的相对位置对应于第一掺杂类型为p型的示例，即，当对阱100的第一材料m1和衬底200的第二材料m2进行p型掺杂时。
72.因此，在该示例中，光生电荷是电子，并且势垒通过降低电势的空间变化而形成，而势阱或势“降”(与“势垒”相反)通过增加电势的空间变化形成。
73.在光敏区ppd是钉扎光电二极管的情况下，完全耗尽区中不存在移动电荷会在被称为“耗尽电势”的电平v1处产生恒定的复位效应。
74.在光敏区ppd于异质结hj之间的阱100的部分中不存在电势v2限定了光生电荷qp在光敏区ppd中的势垒。
75.异质结hj与光敏区ppd之间的衬底200的部分中的电势v3的电平大于电平v2，以便限定传送到读取节点的光生电荷qp的“降”。
76.读取节点sn上的电势v4的电平大于v2、v3的电平以及钉扎光电二极管ppd的耗尽电势v1的电平，从而形成用于所传送的电荷qt的电势“阱”。
77.为了将光敏区ppd中的光生电荷qp传送到读取区sn，传送栅极tg被置于大于第一材料m1和第二材料m2的反转阈值的正电势。
78.存在于光敏区ppd与读取区sn之间的电势v2、v3的电平分别增加到大于电平v1和小于电平v4并且它们之间具有相同差异的电平v2b、v3b。
79.因而，光生电荷qp被传送到读取节点sn；并且当传送栅极电势被带到低于阈值的电平时，在读取节点中传送的电荷qt被v4与v3之间的势垒俘获。
80.这种配置(特别是第二材料m2中的电势v3大于第一材料m1中的电势v2的事实)有利地实现了具有很少或没有噪声以及很少或没有滞后的传送。
81.特别地，当第一半导体材料的导带的能级大于第二半导体材料的导带的能级并且
第一半导体材料的价带的能级大于第二半导体材料的价带能级时，获得这种配置。
82.这种类型的半导体材料布置通常被描述为“类型ii”。
83.在这点上，参考图3。图3表示由砷化锑化镓(gaassb)和磷化铟(inp)形成的ii型异质结的能带图。
84.砷化锑化镓gaassb的化学计量比为每单位镓ga为0.49锑sb和0.51砷as；即，“gaas
0.51
sb
0.49”。
85.在上文参考图1和图2所描述的像素px的实施例中，第一半导体材料m1有利地是砷化锑化镓gaassb并且第二半导体材料m2有利地是磷化铟inp。
86.实际上，一方面，这些材料具有ii型带结构，gaassb的导带ec1的能量比inp的导带ec2的能量大δec；gaassb的价带ev1的能量比inp的价带ec2的能量大δev。
87.而且，gaassb的带隙宽度为0.72ev(电子伏特)，而inp的带隙宽度为1.35ev。
88.因此，inp对波长小于920nm(纳米)的信号具有光电效应，而gaassb对波长小于1750nm的信号具有光电效应。
89.因而，对于介于920nm与1750nm之间的波长，第一材料m1(gaassb)是光敏性的，而第二材料m2(inp)不是光敏性的。
90.因此，第一半导体材料m1可以被选择为在感兴趣波长范围中是光敏性的，而第二半导体材料m2可以被选择为在感兴趣波长范围中不是光敏性的。
91.在gaassb和inp的示例中，感兴趣波长范围例如位于920nm与1750nm之间。
92.而且，gaassb和inp具有良好的晶格相容性，因此可以以稳定方式共同形成。
93.图4a至图4e图示了用于制造参考图1和图2所描述的光敏传感器cp的像素px的方法的步骤结果。
94.图4a表示由第二半导体材料形成的半导体衬底400。在该示例中，第二材料是磷化铟inp。衬底400为p型掺杂，例如，通过注入或通过原位添加锌zn杂质。
95.图4b表示蚀刻半导体衬底400中的空腔410的结果。蚀刻可以是干蚀刻类型，诸如等离子体蚀刻或反应离子蚀刻(rie)。
96.图4c表示第一半导体材料420在衬底400中开口的空腔410中异质外延生长的结果。在该示例中，第一材料是砷化锑化镓gaassb。因此，第一材料的阱420并入衬底400的第二材料中。第一材料的阱420为p型掺杂，例如，通过在其形成期间引入碳c杂质而原位掺杂。
97.异质外延是指在不同化学性质的晶体(inp)上生长晶体(gaassb)(通常为气相)的技术。gaassb和inp的晶体结构具有良好的相互晶格相容性，从而有利于降低第一材料与第二材料之间的位错风险。
98.由此形成具有不同带隙并且彼此接触从而形成异质结hj的第一半导体材料420和第二半导体材料400。
99.在第一材料420生长之后，可以可选地提供整平以在同一平面(被称为正面fa)中整平第一半导体材料420和第二半导体材料400的表面。
100.图4d表示形成面向异质结hj以及第一半导体材料pt1和第二半导体材料pt2的位于异质结hj的两侧上的部分的传送栅极tg的结果。
101.在这点上，已经在衬底400和阱420的正面fa上形成了介电层432以及在介电层420上形成了导电层430。然后，对层430、432的叠层进行掩蔽，并且在未被掩模覆盖的部分中进
行蚀刻。
102.层430、432的叠层的未经蚀刻部分形成传送栅极tg，并且面向异质结hj以及第一半导体材料pt1和第二半导体材料pt2的位于异质结hj的两侧上的部分定位。
103.图4e表示在第一半导体材料420中形成光敏区ppd和在第二半导体材料400中形成读取区sn的结果。
104.形成光敏区ppd包括：在p型阱420中第一次注入n型掺杂剂422。
105.因此，在单个光电二极管实施例的范围内，在n型掺杂区422与阱420之间形成第一pn结，该第一pn结能够通过光电效应生成电荷。
106.有利地，形成光敏区ppd还包括：在阱420的表面上再次注入p型掺杂剂424。因此，在n型掺杂区422与p型掺杂区之间形成第二pn结424。
107.用于形成光敏区ppd的掺杂剂420、422、424的注入的浓度和深度以以下方式提供：两个结pn具有相应空间电荷区，该相应空间电荷区被接合并形成完全耗尽区422。
108.形成读取区sn包括：在第二材料400中注入n型掺杂剂402，例如，硅si杂质。
109.被注入区402适于通过电容效应存储电荷。该方法可以可选地提供与读取区sn耦合以增加电荷存储容量的附加电容元件(例如，传统的mos型电容元件)的形成。
110.在区422、424和402的注入期间，如此形成的面向异质结hj的传送栅极对所注入的杂质形成不透明掩模。传送栅极tg的横向边缘因此以自对准方式界定区422、424和402的注入区。
111.图5a至图5d图示了用于制造参考图1和图2所描述的光敏传感器cp的像素px的备选方法的步骤的结果。
112.图5a表示由p型掺杂的第二半导体材料(例如，磷化铟inp)形成的半导体衬底500。第一材料510(例如，通过异质外延生长形成的砷化锑化镓gaassb)的厚度覆盖衬底500的表面。
113.图5b表示在第一材料510的厚度中蚀刻空腔520直到第二材料500暴露的结果。
114.图5c表示第二材料502在空腔520中从第二材料500的暴露表面同质外延生长的结果。
115.因此，在第一材料中形成阱510，该阱510与第二材料502中的阱接触，从而在它们之间形成异质结hj。
116.图5d表示根据“单个”光电二极管备选方案形成读取区sn和光敏区ppd的结果。
117.在该替代方案中，没有实施第二p型注入(图4e的424)，n型区512的唯一注入与阱510一起形成单个pn结。n型读取区402在井502中的注入以与参考图4e所描述的步骤等同的方式执行。
118.参考图5d所描述的“单个”光电二极管的备选实施例与参考图5a、图5b和图5c所描述的由不同半导体材料形成阱510、502的备选方案没有特定联系。
119.总之，已经表示了异质结光敏传感器，其中形成在第一半导体材料中的光敏区ppd可以借助于传送栅极tg经由异质结hj控制的电荷转移与形成在与第一半导体材料不同的第二半导体材料中的读取区sn耦合。在光敏区与读取区sn之间提供传送栅极tg形成所谓的4t(4个晶体管)像素技术的基础，其中读取区sn受益于相关双采样读取。
120.总之，相关双采样是一种技术，该技术包括在传送电荷之前对读取节点的参考电
平(特别地，包括复位噪声)进行采样，并且包括对信号电平(特别地，包括复位噪声和信号)进行采样。因此，可以减去复位噪声以仅保留读取节点sn的信号的值。
121.光敏传感器cp可以包括布置在光敏矩阵中的多个这样的像素px，特别是在专用于短波长红外(swir)范围的成像器的实施例中。
122.包括如上文所描述的光敏传感器cp的swir范围内的成像器可以例如旨在用于飞行时间测量，即，获取由照亮场景(例如，在swir范围内)的信号发射时间与场景的元素所反射的该信号的接收时间之间经过的时间产生的深度图。
123.包括如上文所描述的光敏传感器cp的飞行时间测量成像器可以例如应用于自动驾驶汽车传感器或诸如面部形状的生物特征标识测量的背景中。