專(zhuān)利名稱(chēng)：包含與硅襯底和硅電路集成的絕緣鍺光電探測(cè)器的圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到圖像傳感裝置，特別是涉及到包含與硅襯底和硅電路集成的鍺光電探測(cè)器陣列的圖像傳感裝置。該裝置對(duì)于以紅外光感測(cè)圖像特別有用。
背景技術(shù)：
圖像傳感器能夠用紅外光，特別是短波紅外光進(jìn)行圖像傳感，在各種應(yīng)用中都是很重要的，包括光通信(光纖和自由空間)，激光檢測(cè)和測(cè)距(LADAR)，冰探測(cè)(在公路和飛機(jī)上)，以及藥物生產(chǎn)。這種傳感器同樣用于藝術(shù)品保護(hù)，腫瘤檢測(cè)，天文學(xué)，透過(guò)煙云成像，污染檢測(cè)，紅外光顯微鏡，紅外光譜以及集成電路制造。紅外光圖像傳感器是夜視和三維激光檢測(cè)和測(cè)距(3-D LADAR)設(shè)備的核心。
典型的圖像傳感器包含與讀出集成電路(ROIC)結(jié)合的二維光電探測(cè)器陣列(被稱(chēng)為焦平面陣列)。光電探測(cè)器對(duì)入射輻射是很敏感的。ROIC定量計(jì)算光電探測(cè)器的輸出，并且將它們處理形成圖像。
焦平面陣列(FPA)自從20世紀(jì)70年代以來(lái)就已經(jīng)從需要冷卻到接近絕對(duì)零度的系統(tǒng)發(fā)展成為可以根據(jù)波長(zhǎng)在接近室溫的條件下運(yùn)行的系統(tǒng)。參看附加的引用參考列表的參考資料1(下文中的[1])。對(duì)冷卻要求的減輕實(shí)現(xiàn)了尺寸較小，可靠并且廉價(jià)的紅外光成像系統(tǒng)，并且允許多種新的應(yīng)用。
工作溫度的增加是由于使用新的探測(cè)器材料。早期的陣列使用摻雜硅作為探測(cè)器材料(例如，摻雜有淺能級(jí)雜質(zhì)，例如砷，銦，或鎵的非本征硅)。它們依靠借助入射紅外光光子進(jìn)行的淺能級(jí)雜質(zhì)的電離，從而檢測(cè)存在的輻射?，F(xiàn)今的光電探測(cè)器使用復(fù)合半導(dǎo)體材料，例如InGaAs，InSb以及HgCdTe，或者硅化物例如PtSi。所得到的探測(cè)器可以在較高的溫度下運(yùn)行。
不幸的是，較新的探測(cè)器材料的加工技術(shù)與硅讀出電子的加工技術(shù)是不相容的。因此需要兩個(gè)分離芯片形成雜化(hybridized)圖像傳感器。通常是通過(guò)探測(cè)器和讀出集成電路(ROIC)的合適節(jié)點(diǎn)上的銦塊粘貼，將兩個(gè)芯片接合在一起。使用在適當(dāng)位置的銦塊，將兩個(gè)芯片對(duì)齊并且結(jié)合在一起。
雖然銦塊粘結(jié)工藝已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較高溫度下的新應(yīng)用，但是粘結(jié)工藝存在可靠性，加工，尺寸和速率方面的問(wèn)題。粘結(jié)的可靠性是主要的關(guān)注點(diǎn)。熱膨脹系數(shù)不匹配，超重力以及振動(dòng)都有可能導(dǎo)致粘結(jié)失敗。探測(cè)器材料和硅ROIC之間的熱膨脹系數(shù)不匹配是一個(gè)特殊的問(wèn)題，這是因?yàn)樵S多應(yīng)用都需要冷卻圖像傳感器來(lái)降低傳感器暗流。巴頓[2]提出了這樣一種方法，即使用第三襯底材料來(lái)減輕熱膨脹系數(shù)不匹配問(wèn)題，但是第三材料增加了復(fù)雜程度和成本。超重力可能會(huì)導(dǎo)致銦塊粘結(jié)失敗，太空應(yīng)用中使用的圖像傳感器裝置通常會(huì)遇到這種問(wèn)題，并且在所有的應(yīng)用中，雜化圖像傳感器的適度振動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致單個(gè)探測(cè)器(像素)的失效。假如這些裝置可能要經(jīng)受?chē)?yán)酷的野外條件，這些限制就是相當(dāng)有害的。
粘結(jié)的附加步驟還會(huì)增加成本和降低產(chǎn)量。由于探測(cè)器陣列是典型地從背面進(jìn)行照明的，陣列通常很薄。薄陣列在裝配期間是很難處理的，而該困難使伴隨著銦塊粘結(jié)的產(chǎn)量問(wèn)題加劇。
銦塊粘結(jié)還限制了單個(gè)像素尺寸的縮減。銦塊粘結(jié)的尺寸較大(直徑大約為10μm)。使用銦塊的FPA的最小像素尺寸大約是25×25μm2。這與Si圖像傳感器小的多的像素尺寸(近似為2×2μm2)形成對(duì)照。因?yàn)檩^大的陣列尺寸限制了圖像分辨率，并且較大的FPA尺寸使完全輻照陣列所需要的光學(xué)尺寸增加，所以銦塊粘結(jié)在照相機(jī)重量和體積是關(guān)鍵因素的應(yīng)用中是不利的。
銦塊粘結(jié)還限制了例如3-D LADAR成像應(yīng)用所需的圖像傳感器速度。銦塊粘結(jié)顯示出使探測(cè)和讀出電子減緩的附加電容性負(fù)載。此外，該粘結(jié)增加了功率消耗和像素之間的電容，從而增加了陣列噪音，并且使噪音分析[4]復(fù)雜化。因此，有對(duì)更容易制造的圖像傳感器的需求，特別是可以高速探測(cè)像素尺寸較小的紅外短波的可靠而小型的傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
依照本發(fā)明，改進(jìn)的圖像傳感器包含與硅襯底和硅讀出電路集成在一起的鍺感光元件陣列。首先利用眾所周知的硅晶片制造技術(shù)，在硅襯底上形成硅晶體管。隨后通過(guò)外延生長(zhǎng)形成覆蓋在硅上的鍺元件。鍺元件有利地形成在電介質(zhì)鍍層表面缺口內(nèi)部。將晶片制造技術(shù)應(yīng)用到這些元件中，以形成隔離的鍺光電二極管。由于鍺加工所需的溫度低于硅加工的溫度，鍺裝置的形成沒(méi)有必要影響以前形成的硅裝置。然后沉積絕緣層和金屬層并且對(duì)它們進(jìn)行圖案化處理，從而使硅裝置相互連接，并且將鍺裝置連接到硅電路上。鍺元件因而借助外延生長(zhǎng)與硅集成，并且借助公共金屬層與硅電路集成。
在每個(gè)像素中，鍺元件將入射光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。像素中的硅電路對(duì)來(lái)自鍺元件的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和放大。通過(guò)行和列地址選擇電路來(lái)讀取像素，從而讀出并且唯一地標(biāo)識(shí)每個(gè)像素的輸出。圖像就是這樣通過(guò)陣列來(lái)被讀出的。因?yàn)殒N在從可見(jiàn)光到波長(zhǎng)高達(dá)大約1.7μm的紅外光范圍內(nèi)都是感光的，所以可以形成可見(jiàn)圖像和紅外光圖像。來(lái)自每個(gè)像素的信號(hào)在被傳輸?shù)酵獠啃酒埃獜哪M電流或電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。這就使信號(hào)衰減降低到最小限度。在優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)鍺像素都是通過(guò)外延生長(zhǎng)在硅上形成，作為電介質(zhì)表面覆層中的晶體島狀物。


本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)，性質(zhì)和各種附加特征在考慮到圖解的實(shí)施例時(shí)，將會(huì)更充分地表現(xiàn)出來(lái)，現(xiàn)在要集成附圖對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的改良圖像傳感器的制造中所包含步驟的流程示意圖；圖2A是示出參照硅電路層的鍺層相對(duì)位置的橫截面視圖；圖2B是示出鍺層相對(duì)位置的另一個(gè)橫截面視圖；圖3示出單個(gè)可尋址的像素陣列，其中特定的行地址選擇電路和列讀出電路唯一地確定了給定像素中的光強(qiáng)度。
圖4A和4B圖解了像素中的典型電路，該像素用來(lái)收集和放大每個(gè)光電探測(cè)器接收的電荷。
圖5示出使圖2中的硅電路與鍺光電探測(cè)器集成的像素布局。
圖6是像素布局層面的三維視圖；以及圖7圖解了用來(lái)收集飛行時(shí)間和強(qiáng)度信息的像素中的典型電路。
要理解的是，這些附圖只是為了圖解本發(fā)明的概念，并不是按比例繪制的。
具體實(shí)施例方式
參照附圖，圖1是圖像傳感器的優(yōu)選制造方法的流程示意圖。下文中將會(huì)參照?qǐng)D2A和2B對(duì)該方法進(jìn)行描述。圖2A顯示了經(jīng)過(guò)金屬化處理的最終裝置結(jié)構(gòu)以及每個(gè)像素上包含的微透鏡，而圖2B顯示了包含鍺種子層的裝置的橫截面。
如圖1中的方框A所示，制造工藝的第一步是要提供含有硅的襯底。所選擇的硅具有合適的電阻系數(shù)和晶體取向，適用于選擇的硅裝置處理工藝，通常為CMOS或BiCMOS處理。
下一步(方框B)是要依照選擇的硅處理技術(shù)，制造硅襯底中的硅讀出集成電路(ROIC)元件。
參照?qǐng)D2A，典型的制造工藝是以硅襯底200為起點(diǎn)的。形成淺槽隔離202，接著形成晶體管阱204。沉積或生長(zhǎng)形成柵極疊層206，并對(duì)其進(jìn)行圖案化處理，其中該柵極疊層206是由薄絕緣層和導(dǎo)帶柵極材料層組成。然后沉積隔離件208，并且利用各向異性蝕刻技術(shù)對(duì)其進(jìn)行蝕刻。在形成隔離件以后，通過(guò)注入或如果有必要的話(huà)，用其它方法，例如選擇性外延和退火，形成源極和漏極區(qū)域210。源極/漏極退火通常是最后的高溫工藝(在900-1050℃的溫度下進(jìn)行1-30s)。一旦源極和漏極完全形成，必須要對(duì)熱平衡進(jìn)行限制，以避免發(fā)生固態(tài)擴(kuò)散。然后利用低溫(350-750℃)沉積工藝，以常規(guī)方式形成第一電介質(zhì)212，并且利用化學(xué)機(jī)械拋光法(CMP)來(lái)進(jìn)行該電介質(zhì)的平面化。電介質(zhì)212可以是二氧化硅，氧氮化硅，或任意類(lèi)似的低介電常數(shù)材料。
第三步(圖1中的方框C)是要形成外延生長(zhǎng)的光電探測(cè)器陣列，包含覆蓋在硅上的鍺。鍺光電探測(cè)器是優(yōu)選由較小的隔離鍺島陣列構(gòu)成，其中隔離鍺島是在襯底的電介質(zhì)覆層表面上的孔內(nèi)通過(guò)外延生長(zhǎng)形成的。通過(guò)選擇鍺島的生長(zhǎng)和尺寸以提供較低的缺陷生長(zhǎng)。因此，鍺光電探測(cè)器與硅電路單片集成。
美國(guó)的Bude等人在2003年6月3日申請(qǐng)的專(zhuān)利申請(qǐng)S.N.10/453,037中，描述了一種用來(lái)形成具有低缺陷生長(zhǎng)的鍺島的有利工藝，其被包括在此以供參考。該工藝包括下列步驟(a)在硅襯底的主表面上形成電介質(zhì)覆層區(qū)域；(b)形成延伸到覆層區(qū)域內(nèi)第一深度的第一孔口；(c)在每個(gè)第一孔口內(nèi)形成較小的第二孔口，該孔口延伸到大于第一深度的第二深度，并且暴露了硅；(d)在每個(gè)孔口內(nèi)的硅上，以及每個(gè)覆層區(qū)域頂部通過(guò)外延生長(zhǎng)形成含有鍺的材料區(qū)域；(e)控制第二孔口的尺寸，從而使得缺陷被限制在第二孔口內(nèi)的第一外延生長(zhǎng)區(qū)域以及覆層區(qū)域頂部的外延過(guò)生長(zhǎng)區(qū)域，第一預(yù)定區(qū)域位于第一孔口內(nèi)部，并且基本上沒(méi)有缺陷；以及(f)對(duì)裝置頂部進(jìn)行平面化處理以去除延伸到覆層頂部上方的外延過(guò)生長(zhǎng)區(qū)域，從而使第二孔口中的第一預(yù)定生長(zhǎng)區(qū)域頂部基本上與覆層區(qū)域頂部齊平。
作為實(shí)例，在形成鍺光電探測(cè)器的優(yōu)選方法中，標(biāo)準(zhǔn)硬核硅工藝被中斷以包括鍺吸收層的生長(zhǎng)過(guò)程。參照?qǐng)D2A，進(jìn)行薄氮化硅層214的沉積，其中該氮化硅層隨后將在后面工藝中用作蝕刻終止層。接著在表面214上沉積電介質(zhì)216(該電介質(zhì)的材料可以與212所使用的材料相同或不同)，電介質(zhì)的厚度與鍺吸收層的所需厚度相對(duì)應(yīng)。最佳厚度取決于待檢測(cè)光的波長(zhǎng)。例如，在波長(zhǎng)為1.3μm時(shí)，在大約1.3μm處得到最低的噪聲等效功率。在波長(zhǎng)為1.55μm時(shí)，最佳的鍺厚度大約是2.3μm。對(duì)于典型的應(yīng)用，鍺厚度的最小值應(yīng)該足夠吸收400到1700nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)至少1％的入射光。通過(guò)由適當(dāng)位置的212，214和216組成的覆層疊層，利用對(duì)氮化物214上面的電介質(zhì)216有選擇性的等離子蝕刻，對(duì)具有光刻膠的表面圖案化和蝕刻電介質(zhì)216，從而形成阱區(qū)218[5]?？梢岳脽崃姿崛芤?，或通過(guò)仔細(xì)地進(jìn)行定時(shí)等離子蝕刻，來(lái)蝕刻去除氮化物214的殘留物。為了將氮化物214隔離，通過(guò)保形沉積來(lái)形成氧化物220。然后通過(guò)對(duì)電介質(zhì)212的外露部分進(jìn)行圖案化處理，并且對(duì)硅襯底進(jìn)行蝕刻，從而形成種子窗口217。然后執(zhí)行未摻雜鍺的選擇性外延生長(zhǎng)(SEG)來(lái)填充種子通道217和鍺阱218。應(yīng)該通過(guò)外延生長(zhǎng)領(lǐng)域中眾所周知的預(yù)防措施來(lái)盡可能地限制外延生長(zhǎng)期間的本底摻雜。然后使用化學(xué)機(jī)械拋光法(CMP)來(lái)對(duì)所得到的鍺生長(zhǎng)進(jìn)行平面化處理，從而形成與周?chē)娊橘|(zhì)216齊平的鍺區(qū)域218。
為了降低表面復(fù)合(recombination)速度，要在218的表面上生長(zhǎng)形成選擇性薄硅層222，并且使其得到部分氧化。然后通過(guò)下列過(guò)程來(lái)制造p-i-n光電探測(cè)器，即注入p型雜質(zhì)(例如硼)來(lái)形成接觸區(qū)域224，并且通過(guò)注入n型雜質(zhì)(例如磷)來(lái)形成接觸區(qū)域226。對(duì)于高速p-i-n裝置，需要能夠以相當(dāng)大的距離延伸進(jìn)入鍺阱的高能注入。隨后將電介質(zhì)228沉積在該結(jié)構(gòu)上。
雖然上述的吸收層是鍺，但是應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，使用硅和鍺的合金(Si1-xGex)同樣可以，其中x的變化范圍是從0到100％。如果是那樣的話(huà)，截止波長(zhǎng)和暗電流之間將會(huì)出現(xiàn)平衡。當(dāng)鍺分?jǐn)?shù)x減少時(shí)，暗電流和截止波長(zhǎng)都會(huì)變得更小。
雖然上文中描述的是橫向p-i-n裝置結(jié)構(gòu)，但是應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在鍺層上可以形成這樣的可替換裝置，例如垂直的p-i-n光電二極管，雪崩光電二極管，蓋革模式的光電二極管，光電晶體管以及本領(lǐng)域中已知的其它裝置，用來(lái)將紅外光轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)。
如圖1中的方框D所示，下一步驟是要形成觸點(diǎn)和金屬化，用來(lái)使鍺光電探測(cè)器與硅ROIC電路相互連接。在沉積電介質(zhì)228之后，從表面穿過(guò)所有的電介質(zhì)材料，蝕刻出與晶體管的源極/漏極(或雙極裝置的發(fā)射極，基極和集電極)以及光電探測(cè)器的陽(yáng)極和陰極接觸的通孔230。電介質(zhì)材料的疊層包括電介質(zhì)214，其可以在等離子體蝕刻中以不同的方式起作用。包括后端金屬化步驟的該工藝剩余步驟，除了隨后要詳細(xì)說(shuō)明的兩個(gè)值得注意的例外之外，是照常進(jìn)行的。在對(duì)通孔進(jìn)行蝕刻之后，使該通孔充滿(mǎn)例如，鎢的導(dǎo)電金屬，然后以常規(guī)的方式對(duì)其進(jìn)行拋光。相繼的電介質(zhì)層和金屬層是利用標(biāo)準(zhǔn)工藝形成的。
常規(guī)的后端處理可以通過(guò)修正以包括特定波長(zhǎng)或波段的濾波器?？梢詫⒛軌蜻^(guò)濾特定波長(zhǎng)的濾波材料236沉積，并且在一個(gè)中間電介質(zhì)層的平面化處理之后，在光電探測(cè)器上方對(duì)該濾波材料進(jìn)行圖案化處理?；蛘?，后端金屬線(xiàn)本身可以適當(dāng)?shù)貓D案化從而用作每個(gè)像素傳感器上的可見(jiàn)光和紅外光入射輻射的過(guò)濾器[6]。最后可以對(duì)微透鏡244進(jìn)行沉積，圖案化，并且使其在每個(gè)像素上面流動(dòng)，從而提高每個(gè)像素元件的有效填充因數(shù)。
雖然我們描述了通過(guò)選擇性外延生長(zhǎng)來(lái)形成鍺層，但是應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，也可以通過(guò)其它方法來(lái)形成鍺層，例如固相外延，氫離子植入和晶片粘結(jié)，液相外延以及本領(lǐng)域中已知的其它技術(shù)。
圖3是典型成像器的結(jié)構(gòu)圖。成像器30包含行地址選擇電路31，像素陣列32，其中每個(gè)像素都包含鍺光電探測(cè)層，列讀出電路33，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)34以及用來(lái)驅(qū)動(dòng)芯片輸出36的輸出緩沖器35。還有圖中沒(méi)有顯示的時(shí)鐘和控制邏輯。行尋址電路31從多個(gè)行地址線(xiàn)37中選擇一個(gè)。每個(gè)行地址線(xiàn)都被連接到多個(gè)像素32，且一個(gè)行地址線(xiàn)與每個(gè)列對(duì)應(yīng)。給定行中的所有像素由行地址線(xiàn)同時(shí)選擇。所選擇行中的每個(gè)像素32使其列總線(xiàn)38帶電荷，以形成與像素從最后一次復(fù)位開(kāi)始所接收的累計(jì)照度有關(guān)的電壓。一次只能選擇一行，因此與相同列總線(xiàn)連接的同一列中其它像素不會(huì)對(duì)列總線(xiàn)上的電壓造成影響。行地址與所選擇列的結(jié)合唯一地確定了每個(gè)像素。通過(guò)依次連續(xù)對(duì)每一行尋址，并且在選擇每一行的同時(shí)，連續(xù)對(duì)每個(gè)列總線(xiàn)進(jìn)行采樣和保持，陣列中每個(gè)像素的光強(qiáng)度得到檢測(cè)，并且可以形成圖像。來(lái)自列緩沖器的模擬電壓通過(guò)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器34被轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并且在離開(kāi)輸出總線(xiàn)36上的芯片之前被發(fā)送到輸出緩沖器35。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明范圍的前提下，也可以使用其它圖案的像素，例如六角網(wǎng)格像素，棋盤(pán)形圖案的像素，或者在某些應(yīng)用中甚至可以使用單獨(dú)一行像素。
參照?qǐng)D4A，典型的像素40包括鍺光電二極管41，積分電容器42，放大器43，用來(lái)確定像素何時(shí)與列總線(xiàn)38連接的行選擇晶體管44，以及復(fù)位電路45。積分電容器42沒(méi)有必要是獨(dú)立的元件，而是可以由光電探測(cè)器的本征電容以及與其它雜散電容并聯(lián)的放大器輸入電容組成。列讀出方框(圖3中的33)中的采樣和保持電路46A或46B連續(xù)讀取陣列中的每一列，然后借助ADC44對(duì)它們的輸出進(jìn)行數(shù)字化。
在每個(gè)積分周期的開(kāi)端，像素積分電容器42通過(guò)復(fù)位開(kāi)關(guān)45被充電到參考電壓。當(dāng)光照射到光電探測(cè)器上時(shí)，產(chǎn)生的電流使電容器42放電。電容器的浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)47被輸入到放大器48。在積分周期的末期，確立了ROW選擇信號(hào)22，而行晶體管44將像素的放大輸出施加到COL總線(xiàn)38上，這里其被列讀出方框中的采樣和保持電路46A，46B讀出。然后使像素40復(fù)位，并且開(kāi)始下一個(gè)積分周期。
圖4B是圖4A中電路的更特別的實(shí)例。復(fù)位電路45是單一晶體管，而放大器43是單一晶體管的源極隨耦電路。在這種情況中，全部的像素電路只是三個(gè)晶體管。
圖5示出這種像素可以通過(guò)一種緊湊的方式來(lái)布置，而圖6示出同一像素的三維透視圖。鍺層50是像素中的較大元件，提供了較高的填充因數(shù)(也就是大部分單元對(duì)光照響應(yīng))。在鍺像素下面的硅襯底上形成復(fù)位晶體管51，源極隨耦晶體管52以及行選擇晶體管53。電源線(xiàn)54和接地線(xiàn)55與一層金屬上的行選擇線(xiàn)22平行，而復(fù)位線(xiàn)56和列線(xiàn)38在第二金屬層上垂直延伸。構(gòu)成積分電容器(圖4A中的42)的一塊極板的浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)58可以在任意一層金屬上，并且與鍺元件50，以及源極隨耦晶體管52的柵極和復(fù)位晶體管51的源極連接。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，該基本像素可以有許多其它的可能布局。
還應(yīng)該清楚的是，可以使用許多其它的集成電路來(lái)讀取鍺光電二極管的輸出。例如，高速讀出電路可以使用具有電阻或電容反饋的互阻抗放大器來(lái)降低讀出噪音?？梢酝ㄟ^(guò)添加噪聲降低電路來(lái)降低空間和時(shí)間噪聲?？梢酝ㄟ^(guò)向像素添加電路來(lái)使二極管漏電流的影響減少到最低限度。此外，可以使用多種讀出架構(gòu)，這取決于預(yù)期應(yīng)用的幀頻要求?？梢詫ⅹ?dú)立ADC，而不是整個(gè)芯片的單一ADC布置在每一列的底部，而所有ADC的轉(zhuǎn)換是并行的?；蛘?，足夠先進(jìn)的硅技術(shù)將會(huì)允許ADC被引入到每個(gè)像素中。因此本發(fā)明可以使用各種各樣的陣列架構(gòu)。
本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在鍺像素的不同深度處具有多個(gè)結(jié)的像素將會(huì)允許分開(kāi)俘獲不同波長(zhǎng)的光子。這種像素同樣應(yīng)該被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
圖7示出為飛行時(shí)間成像優(yōu)化的像素陣列成像器的可選實(shí)施例。對(duì)于該應(yīng)用，每個(gè)像素701不僅要測(cè)量落在像素上的照度總量，而且要測(cè)量光照強(qiáng)度的峰值和那些峰值出現(xiàn)的時(shí)間。圖7中的成像器可以用于距離測(cè)量照相機(jī)，其中遠(yuǎn)程對(duì)象的距離測(cè)量是通過(guò)用紅外光閃光照射景物來(lái)進(jìn)行的，而反射光返回到照相機(jī)的時(shí)間可直接測(cè)量出景物每部分的距離。
該應(yīng)用的像素701的架構(gòu)是比較精密復(fù)雜的。光電二極管702的輸出被饋進(jìn)到快速低噪聲放大器703。該放大信號(hào)具有直流和低頻分量，這些分量在信號(hào)被放大器705進(jìn)一步放大并進(jìn)入峰值檢測(cè)器706之前被過(guò)濾器704消除。峰值檢測(cè)器每次產(chǎn)生輸出量時(shí)，輸入信號(hào)升高到峰值，然后再次下降，這與來(lái)自像素觀(guān)察范圍內(nèi)的較遠(yuǎn)目標(biāo)的反射光相對(duì)應(yīng)。在每個(gè)峰值處，峰值707的強(qiáng)度被記錄在存儲(chǔ)電容器708上，而峰值的出現(xiàn)被用來(lái)在多個(gè)存儲(chǔ)電容器710之間的芯片內(nèi)電壓斜波709間切換。當(dāng)發(fā)送閃光時(shí)，電壓斜波709開(kāi)始上升。當(dāng)?shù)谝淮鎯?chǔ)電容器710斷開(kāi)時(shí)，斜波值被凍結(jié)在那個(gè)電容器上，并且用作反射光到達(dá)時(shí)間的測(cè)量值。通過(guò)使用多路器711和712，來(lái)自一部分景物的多個(gè)反射光到達(dá)時(shí)間和峰值強(qiáng)度被記錄下來(lái)。在所有的反射光返回以后，通過(guò)輸出多路器713和像素輸出放大器714來(lái)讀出時(shí)標(biāo)電容器710和強(qiáng)度電容器708上的電壓。
該電路可以有很多變化。例如，可以用恒流源來(lái)代替電壓斜波，應(yīng)用到時(shí)標(biāo)電容器中。時(shí)標(biāo)電容器上收集的總電荷將是飛行時(shí)間的測(cè)量值。如果只要求單一脈沖返回，那么單一強(qiáng)度電容器和單一時(shí)標(biāo)電容器可以用在每個(gè)像素中。峰值檢測(cè)所使用的閾值可以發(fā)生與時(shí)間相適應(yīng)的變化?；蛘邤?shù)字時(shí)序信號(hào)可以被凍結(jié)在每個(gè)像素中的數(shù)字存儲(chǔ)元件上。因此在這里作為實(shí)例提供的特殊電路不應(yīng)該被解釋為本發(fā)明范圍的限制。
因此，鍺感光元件陣列與硅讀出電路集成起來(lái)以形成紅外光成像器。首先利用對(duì)于本領(lǐng)域中那些技術(shù)人員來(lái)說(shuō)眾所周知的硅晶片制造工藝，形成硅晶體管。在隨后的步驟中添加鍺元件，并且應(yīng)用晶片制造工藝來(lái)形成鍺光電二極管。鍺加工所需要的溫度低于硅加工的必需溫度，因此可以在不影響以前形成的硅裝置的前提下，形成鍺裝置。然后進(jìn)行絕緣層和金屬層的沉積和圖案化處理，以形成電路配線(xiàn)，從而使鍺裝置與硅電路連接?，F(xiàn)在可以看出，本發(fā)明一方面是一種成像傳感器，其包括位于含有硅的襯底上的多個(gè)光電探測(cè)器。光電探測(cè)器包括含有鍺的隔離島。隔離島通過(guò)外延生長(zhǎng)與硅集成在一起。襯底包括與光電探測(cè)器連接的集成硅電路，用來(lái)逐個(gè)尋址和讀取光電探測(cè)器的光響應(yīng)。襯底優(yōu)選有包含孔的外部電介質(zhì)覆層表面。含有鍺的隔離島位于孔中，并且通過(guò)外延生長(zhǎng)與硅集成在一起。有利的是，外表面是平面，而隔離島的外表面與硅共面。對(duì)于典型的應(yīng)用，隔離島具有足夠的厚度來(lái)吸收400到1700納米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的至少1％的入射光。襯底和隔離島都是有利的單晶材料，并且可以是結(jié)晶學(xué)上對(duì)齊的。一個(gè)或一個(gè)以上的隔離島可以包括多個(gè)深度各不相同的p-n結(jié)，從而識(shí)別出隔離島所吸收的光譜。有利的是，隔離島是通過(guò)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)S.N.10/510,932中所描述的工藝來(lái)形成的。
襯底內(nèi)形成的集成電路元件可以連接在一起，并且可以借助普通金屬化層與光電探測(cè)器連接。對(duì)于飛行時(shí)間成像，集成電路可以通過(guò)配置來(lái)測(cè)量入射光的峰值。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)有很多。優(yōu)點(diǎn)包括下文中的這些方面·硅襯底上的短波紅外光探測(cè)器陣列的靈敏度達(dá)到1.7μm；·形成具有較低暗電流的這種陣列的能力；·形成具有較高頻率響應(yīng)的這種陣列的能力；·通過(guò)控制單個(gè)探測(cè)器的阱深度實(shí)現(xiàn)的陣列高量子效率；·位于襯底上方的鍺吸收層允許晶體管占用下層區(qū)域，從而增加了填充因數(shù)；·由于使用通過(guò)成熟的硅加工技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的整個(gè)陣列的高度均勻性；·不會(huì)發(fā)生像素之間的載流子擴(kuò)散引起的低像素干擾；·高強(qiáng)度和高速晶體管以及其它元件可以與陣列集成起來(lái)；·由于模塊集成，完全重新使用過(guò)程模型和標(biāo)準(zhǔn)單元；·可以使像素尺寸非常小，從而降低得到的給定像素?cái)?shù)目的成像器的最終尺寸，允許使用較小且較輕的照相機(jī)光學(xué)件；·像素可制得非常小從而對(duì)于給定成像器區(qū)域允許高分辨率陣列；·同一金屬化可用于接觸鍺裝置，硅裝置以及無(wú)源元件；·該工藝通過(guò)允許填充因數(shù)的提高，或者行寬縮短時(shí)電子復(fù)雜性的增加來(lái)利用硅沿展率(scaling rate)。雜化陣列中的間距在過(guò)去的十年中基本上保持不變；·不需要銦塊粘結(jié)的雜化，從而增加了可靠性和產(chǎn)量；·不需要雜化，從而降低了成本；·IR光電二極管與電路的低電容連接。
雖然這里的描述中包含許多特定的說(shuō)明，但是這些說(shuō)明不應(yīng)該被解釋為本發(fā)明范圍的限制，而是作為若干個(gè)優(yōu)選或有利實(shí)施例的實(shí)例。因此，不能通過(guò)所說(shuō)明的特殊實(shí)施例來(lái)確定，本發(fā)明的范圍要通過(guò)附加權(quán)利要求以及它們的合法等價(jià)范圍來(lái)確定。
附錄A參考文獻(xiàn)[1]1994年的Proc.SPIE，E.R.Fossum版《紅外讀出電子學(xué)II》的卷2226中笫108頁(yè)到119頁(yè)，M.J.Hewitt，J.L.Vampola，，S.H.Black，以及C.J.Nielsen的“紅外讀出電子學(xué)歷史透視”[2]J.Barton的1992年美國(guó)專(zhuān)利5,308,980，“與紅外探測(cè)器雜化陣列相適應(yīng)的熱膨脹系數(shù)不匹配”[3]1998年出版的IEEE《固態(tài)電路雜質(zhì)》的卷33中，第2092-2103頁(yè)，M.J.Loinaz，K.J.Singh，A.J.Blanksby，D.A.Inglis，K.Azadet以及B.D.Ackland的“產(chǎn)生30幀/秒的352×288，24-b視頻的200-mW，3.3V，CMOS彩色照相機(jī)IC”[4]T.J.Grycewicz和C.R.McCreight版的2003年SPIE(Bellingham，WA)，《空間望遠(yuǎn)鏡的焦平面陣列》的卷5167中，A.C.Moore的“非破壞性焦平面陣列中的像素間電容”[5]J.Bude，M.Carrol以及C.King的美國(guó)，臺(tái)灣，PCT國(guó)家2002的專(zhuān)利60/434,359，“具有減少的有源區(qū)缺陷和奇特的接觸方案的半導(dǎo)體裝置”[6]2002年出版的《IEDM技術(shù)摘要》的笫805到808頁(yè)中，A.E.Gamal的“CMOS圖像傳感器技術(shù)和設(shè)計(jì)的趨勢(shì)”
權(quán)利要求
1.一種圖像傳感器，包括多個(gè)設(shè)置在包括硅的襯底上的光電探測(cè)器；所述光電探測(cè)器包括含有鍺的隔離島，該隔離島通過(guò)外延生長(zhǎng)與硅集成在一起；以及所述襯底包括與所述光電探測(cè)器連接的集成硅電路，用來(lái)逐個(gè)尋址和讀取所述光電探測(cè)器的光響應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述襯底具有包括孔的外部電介質(zhì)覆層表面，而包括鍺的所述隔離島位于孔中，并且通過(guò)外延生長(zhǎng)與硅集成在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述襯底具有包括孔的平坦外表面，而含有鍺的所述隔離島位于孔中，通過(guò)外延生長(zhǎng)與硅結(jié)合在一起，并且具有共面的外表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述隔離島具有足夠的厚度來(lái)吸收400到1700納米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)至少1％的入射光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中一個(gè)或一個(gè)以上的所述隔離島包括不同深度的多個(gè)p-n結(jié)，以便于區(qū)分所吸收的光譜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述隔離島包括單晶體材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述襯底包括單晶體材料，而所述隔離島包括結(jié)晶上與襯底的單晶體材料對(duì)齊的單晶體材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中至少一個(gè)含有鍺的所述隔離島是鍺島。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中至少一個(gè)含有鍺的所述隔離島包括含有硅和鍺的合金。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述集成電路被連接在一起，并且通過(guò)公共金屬化層與所述光電探測(cè)器連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述集成電路配置成測(cè)量飛行時(shí)間成像的峰值。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述隔離島是通過(guò)下列步驟形成的(a)在所述包括硅的襯底的主表面上形成電介質(zhì)覆層區(qū)域；(b)形成延伸到所述覆層區(qū)域內(nèi)第一深度的第一孔口；(c)在每個(gè)第一孔口內(nèi)形成較小的第二孔口，該孔口延伸到大于所述第一深度的第二深度，并且暴露所述硅；(d)在每個(gè)孔口內(nèi)的硅上，以及每個(gè)所述覆層區(qū)域頂部通過(guò)外延生長(zhǎng)形成含有鍺的材料區(qū)域；(e)控制所述第二孔口的尺寸，從而使得缺陷容易被限制在所述第二孔口內(nèi)的第一外延生長(zhǎng)區(qū)域以及所述覆層區(qū)域頂部的外延過(guò)生長(zhǎng)區(qū)域，第一預(yù)定區(qū)域位于所述第一孔口內(nèi)部，并且基本沒(méi)有缺陷；以及(f)對(duì)所述裝置頂部進(jìn)行平面化從而去除在所述覆層頂部上方延伸的外延過(guò)生長(zhǎng)區(qū)域。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明，改進(jìn)的圖像傳感器包括與硅襯底和硅讀出電路集成的鍺感光元件陣列。首先利用眾所周知的硅晶片制作技術(shù)，在硅襯底上形成硅晶體管。隨后通過(guò)外延生長(zhǎng)形成覆蓋在硅上的鍺元件。鍺元件有利地形成在電介質(zhì)覆層表面孔口內(nèi)部。將晶片制作技術(shù)應(yīng)用到這些元件中，從而形成隔離的鍺光電二極管。由于鍺加工所需的溫度低于硅加工的溫度，鍺裝置的形成沒(méi)有必要影響以前形成的硅裝置。然后沉積絕緣層和金屬層并且對(duì)它們進(jìn)行圖案化處理，從而互連硅裝置，并且將鍺裝置連接到硅電路上。鍺元件因而借助外延生長(zhǎng)集成到硅上，并且借助公共金屬層與硅電路集成。
文檔編號(hào)H04N1/028GK1879397SQ200480033261
公開(kāi)日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2004年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月13日
發(fā)明者克利福德·A·金, 康納·拉弗蒂 申請(qǐng)人:卓越設(shè)備技術(shù)公司