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TWI503997B - 區別波長之光檢測器及其成形方法及設計結構 - Google Patents

區別波長之光檢測器及其成形方法及設計結構 Download PDF

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TWI503997B
TWI503997B TW099130517A TW99130517A TWI503997B TW I503997 B TWI503997 B TW I503997B TW 099130517 A TW099130517 A TW 099130517A TW 99130517 A TW99130517 A TW 99130517A TW I503997 B TWI503997 B TW I503997B
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light conversion
dielectric layer
photodetector
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TW099130517A
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TW201133870A (en
Inventor
John M Aitken
Original Assignee
Ibm
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    • H10F39/10—Integrated devices
    • H10F39/12—Image sensors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
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    • G02B6/421—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms the intermediate optical component consisting of a short length of fibre, e.g. fibre stub
    • H—ELECTRICITY
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Description

區別波長之光檢測器及其成形方法及設計結構
本發明大體上係關於光檢測器及其成形方法，且更特定言之係關於光學光檢測器。本發明亦係關於前述光檢測器之設計結構。
影像感測器用在數位相機及大量各種其他成像器件中。該影像感測器通常為互補金屬氧化物半導體(CMOS)感測器或電荷耦合器件(CCD)。由於較低電力消耗、較低系統成本及隨機存取影像資料之能力，在成像器件中愈來愈多地使用CMOS影像感測器而不是CCD。
為檢測特定色彩/波長或頻率，已知CMOS成像技術需要具有不同能帶隙之半導體、由染料浸漬抗蝕劑形成之具有各種色彩輸入濾光片的半導體、以聚合物為主之彩色濾光片及/或法布里-珀羅(Fabry-Perot)干涉層。且，常需要諸如微透鏡之額外組件。
本發明之一態樣係關於一種光檢測器，其包含：一半導體基板；一光轉換器件，其位於該半導體基板內；一第一層，其位於該光轉換器件上；一第二層，其位於該第一層上；及具有一半徑r之一波導，其定位於該第一層及該光轉換器件上，其中r處於約1,000埃()至約4,000之範圍內。
本發明之第二態樣係關於一種影像感測器，其包含：光檢測器之一陣列，每一光檢測器包含：一半導體基板；一光轉換器件，其位於該半導體基板內；一第一層，其位於該光轉換器件上；一第二層，其位於該第一層上；及具有一半徑r之一波導，其定位於該第一層及該光轉換器件上，其中r處於約1,000埃()至約4,000之範圍內。
本發明之第三態樣係關於一種光檢測器成形方法，其包含：在一半導體基板內形成一光轉換器件；在該光轉換器件上形成一第一層；在該第一層上形成一第二層；及形成具有一半徑r之一波導，其定位於該第一層及該光轉換器件上，其中r處於約1,000埃()至約4,000之範圍內。
本發明之第四態樣係關於一種設計結構，其體現於一機器可讀媒體中以用於設計、製造或測試一光檢測器，該設計結構包含：一半導體基板；一光轉換器件，其位於該半導體基板內；一第一層，其位於該光轉換器件上；一第二層，其位於該第一層上；及具有一半徑r之一波導，其定位於該第一層及該光轉換器件上，其中r處於約1,000埃()至約4,000之範圍內。
本發明之說明性態樣經設計以解決本文所描述之問題及/或其他未論述之問題。
結合描繪本發明的各種實施例之隨附圖式，將較易於自本發明之各種態樣之詳細描述理解本發明之此等及其他特徵。
注意本發明之圖式未按實際比例繪製。該等圖式意欲僅描繪本發明之典型態樣，且因此不應視為限制本發明之範疇。在該等圖式中，類似之編號代表圖式間類似之元件。
已發現在半導體成像器應用中使用具有不同能帶隙之半導體、由染料浸漬抗蝕劑形成之具有各種色彩輸入濾光片的半導體、以聚合物為主之彩色濾光片及/或法布里-珀羅干涉層以及諸如微透鏡之組件呈現出對大量製造之一些不良約束。該等約束之實例為難以達成該等聚合物彩色濾光片中之均一化學性質、均一濾光片厚度、該半導體成像器中之彩色濾光片之穩定性及一半導體成像器中之彩色濾光片之均一定位。習知聚合物彩色濾光片、法布里-珀羅干涉層及微透鏡亦使製造程序複雜化，因為此等組件為必須整合至半導體成像產品中之獨立組件。
呈現根據本發明之光檢測器之實施例。參看圖1，提供一光檢測器10，其具有一半導體基板15、一光轉換器件20、一第一層25、一第二層30及一波導35。
半導體基板15可包含(但不限於)矽、鍺、矽鍺、碳化矽及基本上由具有通式AlX1 GaX2 InX3 AsY1 PY2 NY3 SbY4 所定義之組合物的一種或一種以上第III族至第V族化合物半導體組成之材料，其中X1、X2、X3、Y1、Y2、Y3及Y4代表相對比例，每一者大於或等於零且X1+X2+X3+Y1+Y2+Y3+Y4=1(1為總相對莫耳量)。半導體基板15亦可包含具有組合物ZnA1 CdA2 SeB1 TeB2 之第II族至第VI族化合物半導體，其中A1、A2、B1及B2係相對比例，每一者大於或等於零且A1+A2+B1+B2=1(1為總莫耳量)。如所說明及描述之提供半導體基板15之程序在此項技術中係熟知的，且因而進一步之描述並無必要。在本發明之一實施例中，半導體基板15可包含一p型摻雜基板。p型摻雜劑之實例包括(但不限於)硼(B)、銦(In)及鎵(Ga)。
半導體基板15具有位於其內之光轉換器件20。在本發明之一實施例中，光轉換器件20可包含一光電閘、一光電導體或一光電二極體。如所說明及描述之前述組件在此項技術中係熟知的，且因而進一步之描述並無必要。在本發明之一實施例中，光轉換器件20為一光電二極體。在另一實施例中，該光電二極體可為一p+/n二極體。在另一實施例中，該光電二極體可為一n+/p二極體。如所說明及描述之在半導體基板15內提供光轉換器件20之程序在此項技術中係熟知的，且因而進一步之描述亦並無必要。
第一層25為一沈積於光轉換器件20上之介電材料。在本發明之一實施例中，第一層25可包含選自由以下各者組成之群之材料：氧化矽(SiO2 )、氮化矽(Si3 N4 )、氧化鉿(HfO2 )、氧化矽鉿(HfSiO)、氮氧化矽鉿(HfSiON)、氧化鋯(ZrO2 )、氧化矽鋯(ZrSiO)、氮氧化矽鋯(ZrSiON)、氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鈦(Ti2 O5 )及氧化鉭(Ta2 O5 )。在另一實施例中，第一層25可包含一n型摻雜材料。n型摻雜劑之實例包括(但不限於)磷(P)、砷(As)及銻(Sb)。在本發明之一實施例中，第一層25可在約1,000埃()至約10,000之範圍內具有介電常數(k)。
可藉由使用任何現今已知或稍後開發之適合於待沈積之材料的技術在光轉換器件20及/或半導體基板15上沈積第一層25，舉例而言，該等技術包括(但不限於)：化學氣相沈積(CVD)、低壓CVD(LPCVD)、電漿增強CVD(PECVD)、半大氣壓CVD(SACVD)及高密度電漿CVD(HDPCVD)、快速熱CVD(RTCVD)、超高真空CVD(UHVCVD)、限制反應製程CVD(LRPCVD)、金屬有機CVD(MOCVD)、濺鍍沈積、離子束沈積、電子束沈積、雷射輔助沈積、熱氧化、熱氮化、旋塗式方法、物理氣相沈積(PVD)、原子層沈積(ALD)、化學氧化、分子束磊晶(MBE)、電鍍及蒸鍍。第一層25具有可變化之厚度，但在一實施例中，該厚度處於約1,000埃()至10,000之範圍內。在本發明之一實施例中，半導體基板15為一n型摻雜基板且第一層25為一p型摻雜介電材料。前文描述前述組件的各種實施例。
第二層30包含一沈積於第一層25上之介電材料或金屬。在本發明之一實施例中，第二層30可包含與前文描述的用於第一層25之介電材料相同之介電材料。在另一實施例中，第二層30可為一不透明的介電材料。在另一實施例中，第二層30為半透明的。在另一實施例中，第二層30包含選自由鎢(W)、鉭(Ta)、鋁(Al)、釕(Ru)、鉑(Pt)等組成之群之金屬，或包括(但不限於)氮化鈦(TiN)、碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、氮化鉭(TaN)、氮化碳鉭(TaCN)、氮氧化碳化鉭(TaCNO)、二氧化釕(RuO2 )、矽化鎳(NiSi)、矽化鎳鉑(NiPtSi)等之任何導電化合物及其組合及多層。
當第二層30包含一介電材料時，藉由使用前文描述的用於沈積第一層25之技術或稍後開發之適合於待沈積之材料的技術中之任一者將第二層30沈積於第一層25上。當第二層30包含一金屬或一導電化合物時，藉由使用任何現今已知或稍後開發之適合於待沈積之金屬或導電化合物之技術來將沈積第二層30，舉例而言，該等技術包括(但不限於)：化學氣相沈積(CVD)、低壓CVD(LPCVD)、電漿增強CVD(PECVD)、半大氣壓CVD(SACVD)及高密度電漿CVD(HDPCVD)、快速熱CVD(RTCVD)、超高真空CVD(UHVCVD)、限制反應製程CVD(LRPCVD)、金屬有機CVD(MOCVD)、濺鍍沈積、離子束沈積、電子束沈積、雷射輔助沈積、熱氧化、熱氮化、旋塗式方法、物理氣相沈積(PVD)、原子層沈積(ALD)、化學氧化、分子束磊晶(MBE)、電鍍及蒸鍍。
波導35定位於第一層25及光轉換器件20上。波導35將具有一頻率(f)>fco 及波長(L)<Lco (其中co表示截止)之電磁輻射傳播至光轉換器件20。Lco 取決於波導半徑(r)且藉由公式Lco =2.6r給出。唯有具有小於Lco 之波長的輻射將穿經波導35傳播至光轉換器件20。波導35可包含如前文描述之介電材料或空氣。當波導35包含一介電材料時，該介電材料之折射率必須小於第二層30之折射率以允許傳播電磁輻射。
波導35可具有處於約1,000至約4,000之範圍內的一半徑。當該波導半徑為約4,000時，穿經波導35將小於10,000之電磁輻射(紅光、綠光及藍光)傳播至光轉換器件20。當該波導半徑為約2,000時，穿經波導35傳播小於5000之輻射(綠光及藍光)。當波導半徑為約1,000時，穿經波導35將小於2,500之輻射(藍光)傳播至光轉換器件20。選擇波導35之半徑允許吾人控制由光轉換器件20檢測之特定波長或特定波長範圍。
在本發明之一實施例中，波導35及第二層30可包含一介電材料，其中第二層30之折射率大於波導35之介電材料的折射率。在另一實施例中，波導35可包含一介電材料且第二層30可包含一金屬或導電化合物。在另一實施例中，波導35可包含空氣且第二層30可包含一金屬或導電化合物。
在本發明之一實施例中，光檢測器10可併入於數位相機中。在另一實施例中，光檢測器10可併入於光譜分析器中。在另一實施例中，光檢測器10可為一光學光檢測器。
光檢測器10無選自由以下各者組成之群之元件或元件組合：聚合物彩色濾光片、染料浸漬抗蝕劑及法布里-珀羅干涉層。
呈現根據本發明之影像感測器之實施例。參看圖2，提供一影像感測器50，其具有光檢測器10(見圖1)之陣列。該陣列包含呈列及行的光檢測器10之二維組織。光檢測器10各自包含一半導體基板15、一光轉換器件20、一第一層25、一第二層30及一波導35。前文提供對光檢測器10及其元件15、20、25及35及每一者之各種實施例之描述。在本發明之一實施例中，每一光檢測器10可操作性連接至一主動放大器且光檢測器10之該陣列可操作性連接至一積體電路。如所描述將光檢測器10操作性連接至一主動放大器及將該光檢測器10之陣列連接至積體電路之程序在此項技術中係熟知的，因而進一步之描述並無必要。
在另一實施例中，該影像感測器50可包含光檢測器10，其中每一光檢測器10共用相同特性或每一光檢測器10獨立具有不同特性，諸如，波導35之半徑、第一層25之組合物、第二層30之組合物、波導35之組合物、光轉換器件20等。
在本發明之一實施例中，影像感測器50可為一CMOS影像感測器。在另一實施例中，影像感測器50可為一CCD影像感測器。在本發明之一實施例中，影像感測器50可併入於數位相機中。在另一實施例中，影像感測器50可併入於光譜分析器中。在另一實施例中，影像感測器50可無選自由以下各者組成之群之元件或元件組合：聚合物彩色濾光片、染料浸漬抗蝕劑及法布里-珀羅干涉層。
呈現根據本發明之光檢測器成形方法之實施例。參看圖1，提供光檢測器10成形方法，其具有以下步驟：在一半導體基板15內形成一光轉換器件20；在光轉換器件20上形成一第一層25；在第一層25上形成一第二層30；及形成具有一半徑r之一波導35，其定位於第一層25及光轉換器件20上，其中r處於約1,000至約4,000之範圍內。
提供一半導體基板15。前文提供對半導體基板15及各種實施例之描述。在半導體基板15內形成一光轉換器件20。如所描述在半導體基板15內形成光檢測器10之程序在此項技術中係熟知的，且因而進一步之描述並無必要。在本發明之一實施例中，光轉換器件20可選自由以下各者組成之群：一光電閘、一光電導體及一光電二極體。在另一實施例中，在半導體基板15內形成之光轉換器件20為光電二極體。
使用前文描述之任何現今已知或稍後開發的適合於待沈積之材料的技術藉由沈積而在光轉換器件20及/或半導體基板15上形成第一層25。前文亦提供對第一層25及各種實施例之描述。
使用前文描述之任何現今已知或稍後開發的適合於待沈積之材料的技術藉由沈積而在第一層25上形成第二層30。前文亦提供對第二層30及各種實施例之描述。
形成具有一半徑r之一波導35，其定位於第一層25及光轉換器件20上，其中r處於約1,000埃至約4,000之範圍內。藉由使用任何現今已知或稍後開發之適合於波導35形成之技術來形成波導35。實例包括(但不限於)經由光微影、佈線、衝壓、雷射切除、蝕刻等將波導35形成至第二層30內。
可形成在約1,000至約4,000之範圍內的波導35之半徑。在本發明之一實施例中，該半徑可為約4,000。在另一實施例中，該半徑可為約2,000。在另一實施例中，該半徑可為約1,000。一般熟習此項技術者將認識到用來在波導35形成步驟中選擇性地選擇波導35之半徑的現今已知或稍後開發之技術。如前文所描述，選擇波導35之半徑允許吾人控制由光轉換器件20檢測之特定波長及特定波長範圍。一般熟習此項技術者亦將認識到選擇特定波導35半徑以控制所檢測之特定波長或特定波長範圍不限於前文所描述之半徑或半徑範圍，但選擇藉由常規實驗而最佳化以確定對應於特定波長或特定波長範圍的檢測之適合半徑/半徑長度。
呈現根據本發明之設計結構，其體現於一機器可讀媒體中以用於設計、製造或測試光檢測器。該設計結構包含：一半導體基板；一光轉換器件，其位於該半導體基板內；一第一層，其位於該光轉換器件上；一第二層，其位於該第一層上；及具有一半徑r之一波導，其定位於該第一層及該光轉換器件上，其中r處於約1,000埃()至約4,000之範圍內。
參看圖3，展示用於(例如)光檢測器設計、製造及/或測試之例示性設計流程100之方塊圖。設計流程100可取決於所設計之IC的類型而變化。舉例而言，用於構建一特殊應用IC(ASIC)之一設計流程100可不同於用於設計一標準組件之一設計流程100。設計結構120較佳地為至一設計程序110之輸入且可來自一IP提供者、一核心開發者或其他設計公司或可由該設計流程之操作者產生或來自其他來源。設計結構120包含呈簡圖或HDL(硬體描述語言，例如，Verilog、VHDL、C等)形式之如圖1及圖2中所展示的本發明之一實施例。設計結構120可包含於一或多個機器可讀媒體上。舉例而言，設計結構120可為如圖1及圖2中所展示之本發明之一實施例的一正文檔案或一圖形表示。設計程序110較佳地將如圖1及圖2中所展示之本發明之一實施例合成為(或，轉譯為)一接線對照表180，其中接線對照表180為(例如)電線、電晶體、邏輯閘、控制電路、I/O、模組等之清單，其描述與積體電路設計中其他元件及電路的連接且記錄在至少一機器可讀媒體上。舉例而言，該媒體可為CD、緊密快閃記憶體、其他快閃記憶體、待經由網際網路傳送之資料封包或其他適宜網路構件。該合成可為一反覆程序，其中取決於該電路之設計規格及參數一或多次再次合成接線對照表180。
設計程序110可包括使用各種輸入：例如，來自程式庫元件130之輸入(程式庫元件130可含有一組常用元件、電路及器件，包括給定製造技術之模組、佈局及符號表示(例如，不同技術節點，32奈米、45奈米、90奈米等))、來自設計規格140之輸入、來自特性化資料150之輸入、來自驗證資料160之輸入、來自設計規則170之輸入及來自測試資料檔案185(其可包括測試式樣及其他測試資訊)之輸入。設計程序110可進一步包括(例如)諸如時序分析、驗證、設計規則檢查、佈置及佈線操作等標準電路設計程序。一般熟習積體電路設計技術者可瞭解在不背離本發明之範疇及精神的情況下在設計程序110中使用的可能的電子設計自動化工具及應用之範圍。本發明之設計結構不限於任何特定設計流程。
設計程序110較佳地將如圖1及圖2中所展示之本發明的一實施例以及任何額外積體電路設計或資料(若適用)轉譯為一第二設計結構190。設計結構190以用於積體電路之佈局資料的交換之一資料格式及/或符號資料格式駐留於一儲存媒體上(例如，以GDSII(GDS2)、GL1、OASIS、映射檔案或任何其他適宜於儲存此等設計結構之格式儲存的資訊)。設計結構190可包含資訊，諸如符號資料、映射檔案、測試資料檔案、設計內容檔案、製造資料、佈局參數、電線、金屬層、介層孔、形狀、用於經由製造線路佈線之資料及半導體製造者所需以生產如圖1及圖2中所展示之本發明之一實施例的任何其他資料。設計結構190可接著進行至階段195，其中(例如)設計結構190：進行至產品定案(tape-out)階段、送交製造、送交至光罩製造廠、發送至另一設計公司、發送回至用戶等。
出於說明及描述之目的呈現本發明之各種態樣的先前描述。其不意欲為詳盡的或將本發明限於所揭示之精確形式，且顯而易見，許多修改及變化係可能的。熟習此項技術者可明瞭之此等修改及變化意欲包括於由隨附申請專利範圍界定的本發明之範疇內。
10．．．光檢測器
15．．．半導體基板
20．．．光轉換器件
25．．．第一層
30．．．第二層
35．．．波導
50．．．影像感測器
100．．．設計流程
110．．．設計程序
120．．．設計結構
130．．．程式庫元件
140．．．設計規格
150．．．特性化資料
160．．．驗證資料
170．．．設計規則
180．．．接線對照表
185．．．測試資料檔案
190．．．設計結構
195．．．階段
圖1描繪根據本發明之光檢測器之實施例；
圖2描繪根據本發明之影像感測器之實施例；及
圖3描繪根據本發明之用於光檢測器設計、製造及/或測試之設計程序的流程圖。
10．．．光檢測器
15．．．半導體基板
20．．．光轉換器件
25．．．第一層
30．．．第二層
35．．．波導

Claims (19)

  1. 一種光檢測器，其包含：一半導體基板；一光轉換器件，其完全位於該半導體基板內，其中該半導體基板完全覆蓋該光轉換器件之一上表面，其中該光轉換器件選自由以下各者組成之群：一光電閘、一光電導體及一光電二極體；一第一介電層，其位於該光轉換器件上；一第二介電層，其位於該第一介電層上；及具有一半徑之一波導，其定位通過該第二介電層且位於該第一介電層及該光轉換器件上，其中該半徑處於約1,000埃(Å)至約4,000Å之一範圍內，及其中該波導之該半徑控制至該光轉換器件之電磁輻射之傳播。
  2. 如請求項1之光檢測器，其中該光檢測器併入於一數位相機中。
  3. 如請求項1之光檢測器，其中該光檢測器併入於一光譜分析器中。
  4. 如請求項1之光檢測器，其中該光檢測器無選自由以下各者組成之群之一元件：一聚合物彩色濾光片、一染料浸漬抗蝕劑及一法布里-珀羅干涉層。
  5. 如請求項1之光檢測器，其中該波導包含一介電材料。
  6. 如請求項5之光檢測器，其中該介電材料具有小於該第二介電層之一折射率，以允許自該波導至該光轉換器件之電磁輻射之傳播。
  7. 一種影像感測器，其包含：光檢測器之一陣列，每一光檢測器包含：一半導體基板；一光轉換器件，其完全位於該半導體基板內，其中該半導體基板完全覆蓋該光轉換器件之一上表面，其中該光轉換器件選自由以下各者組成之群：一光電閘、一光電導體及一光電二極體；一第一介電層，其位於該光轉換器件上；一第二介電層，其位於該第一介電層上；及具有一半徑之一波導，其定位通過該第二介電層且位於該第一介電層及該光轉換器件上，其中該半徑處於約1,000埃(Å)至約4,000Å之一範圍內，及其中該波導之該半徑控制至該光轉換器件之電磁輻射之傳播。
  8. 如請求項7之影像感測器，其中該影像感測器包含一CMOS影像感測器或一CCD影像感測器。
  9. 如請求項7之影像感測器，其中該波導包含一介電材料。
  10. 如請求項9之影像感測器，其中該介電材料具有小於該第二介電層之一折射率，以允許自該波導至該光轉換器件之電磁輻射之傳播。
  11. 一種形成一光檢測器之方法，其包含：完全在一半導體基板內形成一光轉換器件，其中該半導體基板完全覆蓋該光轉換器件之一上表面，其中該光轉換器件選自由以下各者組成之群：一光電閘、一光電 導體及一光電二極體；在該光轉換器件上形成一第一介電層；在該第一層上形成一第二介電層；及形成具有一半徑之一波導，其定位通過該第二介電層且位於該第一介電層及該光轉換器件上，其中該半徑處於約1,000埃(Å)至約4,000Å之一範圍內，及其中該波導之該半徑控制至該光轉換器件之電磁輻射之傳播。
  12. 如請求項11之方法，其中該波導包含一介電材料。
  13. 如請求項12之方法，其中該介電材料具有小於該第二介電層之一折射率，以允許自該波導至該光轉換器件之電磁輻射之傳播。
  14. 一種非暫時性電腦可讀媒體，其儲存代表用於一光檢測器之一設計結構之程式碼，該設計結構在一電腦系統執行該程式碼時被實現，該設計結構包含：一半導體基板；一光轉換器件，其完全位於該半導體基板內，其中該半導體基板完全覆蓋該光轉換器件之一上表面，其中該光轉換器件選自由以下各者組成之群：一光電閘、一光電導體及一光電二極體；一第一介電層，其位於該光轉換器件上；一第二介電層，其位於該第一介電層上；及具有一半徑之一波導，其定位通過該第二介電層且位於該第一介電層及該光轉換器件上，其中該半徑處於約1,000埃(Å)至約4,000Å之一範圍內，及其中該波導之該 半徑控制至該光轉換器件之電磁輻射之傳播。
  15. 如請求項14之非暫時性電腦可讀媒體，其中該設計結構包含一接線對照表。
  16. 如請求項14之非暫時性電腦可讀媒體，其中該設計結構按照用於積體電路之佈局資料之交換的一資料格式駐留於儲存媒體上。
  17. 如請求項14之非暫時性電腦可讀媒體，其中該設計結構包括測試資料、特性化資料、驗證資料或設計規格中之至少一者。
  18. 如請求項14之非暫時性電腦可讀媒體，其中該波導包含一介電材料。
  19. 如請求項18之非暫時性電腦可讀媒體，其中該介電材料具有小於該第二介電層之一折射率，以允許自該波導至該光轉換器件之電磁輻射之傳播。
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