专利名称：具有波长识别的光电检测器、其形成方法及设计结构的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及光电检测器及其形成方法，更特别地涉及光学的光电检测器。 本发明还涉及上述检测器的设计结构。
背景技术：
图像传感器已经应用于数字照相机和许多其他成像设备。图像传感器典型地是互补金属氧化物半导体(CM0Q传感器或者电荷耦合器件(CCD)。因为更低的功耗、更低的系统成本、以及随机地存取图像数据的能力，CMOS图像传感器取代CCD，被越来越多地应用于成像设备。为了检测特定的颜色/波长或频率，已知的CMOS成像技术要求具有不同带隙的半导体、具有由染料浸渍抗蚀剂形成的各种颜色输入滤光片的半导体、以聚合物为基底的滤色片、和/或Fabry-Perot干涉层。另外，诸如微透镜的额外元件经常也是需要的。
发明内容
本发明的一方面涉及光电检测器，包括半导体衬底；半导体衬底内的光转换器件；在光转换器件之上的第一层；在第一层之上的第二层；以及具有半径r并定位于第一层和光转换器件之上的波导，其中r在约1000埃(人)至约4000埃的范围内。本发明的第二方面涉及图像传感器，包括光电检测器阵列，每一个光电检测器包括半导体衬底；半导体衬底内的光转换器件；在光转换器件之上的第一层；在第一层之上的第二层；以及具有半径r并定位于第一层和光转换器件之上的波导，其中r在约1000埃 (A)至约4000埃的范围内。本发明的第三方面涉及形成光电检测器的方法，包括在半导体衬底内形成光转换器件；在光转换器件之上形成第一层；在第一层之上形成第二层；以及形成具有半径r并定位于第一层和光转换器件之上的波导，其中r在约1000埃(人)至约4000埃的范围内。本发明的第四方面涉及用于设计、制造或测试光电检测器的在机器可读介质中具体化的设计结构，该设计结构包括半导体衬底；半导体衬底内的光转换器件；在光转换器件之上的第一层；在第一层之上的第二层；以及具有半径r并定位于第一层和光转换器件之上的波导，其中r在约1000埃(A )至约4000埃的范围内。本发明的所示的方面被设计用于解决此处所描述的问题和/或其他未讨论的问题。
通过结合描述本发明的不同实施例的附图的本发明不同方面的以下详细说明，本发明的这些以及其他特征将更容易理解，附图中图1描绘了依照本发明的光电检测器的实施例；图2描绘了依照本发明的图像传感器的一个实施例；以及
图3描绘了依照本发明的用于光电检测器设计、制造和/或测试的设计结构的流程图。应注意本发明的附图并非按比例绘制。附图仅仅意在描绘本发明的典型方面，而不应视作对本发明范围的限制。在附图中，相似的编号表示附图中相似的元件。
具体实施例方式已经发现在半导体成像器应用中使用具有不同带隙的半导体、具有由染料浸渍抗蚀剂形成的各种颜色输入滤光片的半导体、以聚合物为基底的滤色片、和/或Fabry-Perot 干涉层以及诸如微透镜的元件对于大批量生产呈现若干不期望的约束。约束的例子是难以在聚合物滤色片中取得一致的化学特性、一致的滤片厚度、滤色片在半导体成像器中的稳定性以及滤色片在半导体成像器中的一致定位。传统的聚合物滤色片、Fabry-Perot干涉层和微透镜也使得制造工艺复杂化，因为它们是必须集成到半导体成像产品中的独立元件。依照本发明给出了光电检测器的一个实施例。参考图1，光电检测器10具有半导体衬底15、光转换器件20、第一层25、第二层30、以及波导35。半导体衬底15可以包括但不限于硅、锗、锗化硅、碳化硅、以及那些实质上包含一种或多种具有由公式AlxlGaX2AiiY1PY2NY3SbM定义组份的III-V族化合物半导体，其中X1，X2， X3，Yl，Y2，Y3和W表示相对比例，且每一个大于或等于O以及X1+X2+X3+Y1+Y2+Y3+Y4 = 1 (1是总相对摩尔量)。半导体衬底15也可以包括具有组分ZnA1CdA2kB1I^B2的II-IV族化合物半导体，其中Al、A2、Bi、和B2是相对比例，每一个大于零并且A1+A2+B1+B2 = 1 (1是总摩尔量)。例示和描述的提供半导体衬底15的工艺在本领域是众所周知的，因此不必另行描述。在本发明的一个实施例中，半导体衬底15可以包括ρ型掺杂衬底。ρ型掺杂物的例子包括但不限于硼(B)、铟an)、钾(Ga)0半导体衬底15在其内具有光转换器件20。在本发明的一个实施例中，光转换器件 20可以包括光电门、光电导体、或光电二极管。如例示和描述的前述元件在本领域是众所周知的，因此不必另行描述。在本发明的一个实施例中，光转换器件20是光电二极管。在另一个实施例中，光电二极管可以是P+/n 二极管。在另一个实施例中，光电二极管可以是η+/ P 二极管。如例示和所描述的在半导体衬底15内提供光转换器件20的工艺在本领域是众所周知的，因此不必另行描述。第一层25是沉积于光转换器件20之上的介电材料。在本发明的一个实施例中， 第一层25可以包括选自包括以下各项的组中的材料氧化硅(Si02)、氮化硅(Si3N4)、氧化铪(HfO2)、硅氧化铪(HfSiO)、氮氧化铪硅(HfSiON)、氧化锆(ZrO2)、硅氧化锆(ZrSiO)、氮氧化锆硅(ZrSiON)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(Ti2O5)、氧化钽(Ta2O5)。在另一个实施例中，第一层25可以包括η型掺杂材料。η型掺杂物的例子包括但不限于磷(P)、砷(As)、锑(Sb)。 在本发明的一个实施例中，第一层25可以具有在约1000埃至约10000埃之间的介电常数 (k)。第一层25使用适于沉积材料的任何现在已知或将来开发的技术而沉积于光转换器件20和/或半导体衬底15之上，所述技术包括但不限于，例如化学气相沉积(CVD)、 低压CVD (LPCVD)、等离子体增强CVD (PECVD)、半大气压CVD (SACVD)和高密度等离子体 CVD (HDPCVD)、快热 CVD (RTCVD)、超高真空 CVD (UHVCVD)、限制反应处理 CVD (LRPCVD)、金属有机化合物CVD(MOCVD)、喷溅沉积、离子束沉积、电子束沉积、激光辅助沉积、热氧化、热氮化、旋涂方法、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、化学氧化、分子束外延附生(MBE)、 电镀及蒸镀。第一层25具有可以变化的厚度，但在一个实施例中，厚度在约1000埃至约 10000埃的范围内。在本发明的一个实施例中，半导体衬底15是η型掺杂衬底并且第一层25是ρ型掺杂介电材料。前述组件的不同实施例在上面描述了。第二层30包含沉积于第一层25之上的介电材料或金属。在本发明的一个实施例中，第二层30可以由上面针对第一层25所描述的同样的介电材料组成。在另一个实施例中，第二层30可以是不透明的介电材料。在另一个实施例中，第二层30是透明的。在另一个实施例中，第二层30包含选自包括钨(W)、钽(Ta)、铝(Al)、钌(Ru)、钼(Pt)等的组中的金属，或包括但不限于氮化钛(TiN)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、氮化钽(TaN)、氮化碳钽 (TaCN)、氮氧化碳钽(TaCNO)、氧化钌(RuO2)、硅化镍(NiSi)、硅化镍钼(NiPtSi)等的任何导电化合物及其组合和多层。当第二层30包括介电材料时，其使用上述描述的用于沉积第一层25的技术或以后开发的适于沉积该材料的技术中的任何之一将其沉积于第一层25之上。当第二层30包含金属或导电化合物时，其使用任何现在已知的或以后开发的适于该金属或导电化合物沉积的技术将其沉积，所述技术包括但不限于，例如化学气相沉积(CVD)、低压CVD (LPCVD)、 等离子体增强CVD (PECVD)、半大气压CVD (SACVD)和高密度等离子体CVD (HDPCVD)、快热 CVD (RTCVD)、超高真空 CVD (UHVCVD)、限制反应处理 CVD (LRPCVD)、金属有机物 CVD (MOCVD)、 喷溅沉积、离子束沉积、电子束沉积、激光辅助沉积、热氧化、热氮化、旋涂方法、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、化学氧化、分子束外延附生(MBE)、电镀及蒸镀。波导35位于第一层25和光转换器件20之上。波导35向光转换器件20传播频率(f) >fM并且波长(L) < Lci。的电磁辐射，其中C0表示截止。Lc;。取决于波导半径(r) 并由公式Lco = 2. 6r给出。仅有波长短于Lco的辐射将通过波导35传播到光转换器件20。 波导35可以包含上面所述的介电材料或空气。当波导35包括介电材料时，该介电材料的折射率必须低于第二层30的折射率以允许电磁辐射的传播。波导35可以具有在约1000埃至约4000埃的范围内的半径。当波导半径约为4000 埃时，短于10000埃的电磁辐射(红、绿、和蓝光)被通过波导35传播到光转换器件20。当波导半径约为2000埃时，短于5000埃的电磁辐射(绿和蓝光)被通过波导35传播。当波导半径约为1000埃时，短于2500埃的电磁辐射(蓝光)被通过波导35传播到光转换器件 20。波导35半径的选择允许控制被光转换器件20所检测到的特定波长或特定波长范围。在本发明的一个实施例中，波导35和第二层30可以包括介电材料，其中第二层30 的折射率大于波导35的介电材料。在另一个实施例中，波导35可以包括介电材料，而第二层30可以包括金属或导电化合物。在另一个实施例中，波导35可以包括空气，而第二层30 可以包括金属或导电化合物。在本发明的一个实施例中，光电检测器10可以包含于数字照相机中。在另一个实施例中，光电检测器10可以包含于光谱分析仪中。在另一个实施例中，光电检测器10可以是光学的光电检测器。光电检测器10没有选自包括聚合物滤色片、染料浸渍抗蚀剂、和Fabry-Perot干涉层的组中的元件或元件组合。依照本发明提供了图像传感器的一个实施例。参考图2，图像传感器50具有光电检测器10的阵列，见图1。该阵列包括成行成列的光电检测器10的二维布置。每一个光电检测器10包括半导体衬底15、光转换器件20、第一层25、第二层30、以及波导35。光电检测器10和它们的元件15、20、25、和35的描述，以及每一个的各种实施例已在前面给出。 在本发明的一个实施例中，每一个光电检测器10可以被可操作地连接到有源放大器，并且光电检测器10的阵列可以被可操作地连接到集成电路。所描述的将光电检测器10可操作地连接到有源放大器以及将光电检测器10的阵列可操作地连接到集成电路的过程在本领域众所周知，因此不必另行描述。在另一个实施例中，图像传感器50可以包括光电检测器10，其中每一个光电检测器10共享相同的特性，或者每一个光电检测器10独立地具有不同的特性，例如波导35的半径、第一层25的组分、第二层30的组分、波导35的组分、光转换器件20、等。在本发明的另一个实施例中，图像传感器50可以是CMOS图像传感器。在另一个实施例中，图像传感器50可以是CCD图像传感器。在本发明的一个实施例中，图像传感器 50可以包含于数字照相机中。在另一个实施例中，图像传感器50可以包含于光谱分析仪中。在另一个实施例中，图像传感器50可以没有选自包括聚合物滤色片、染料浸渍抗蚀剂、 以及Fabry-Perot干涉层的组中的元件或元件组合。依照本发明提供了形成光电检测器的方法的一个实施例。参考图1，提供形成光电检测器10的方法，具有如下步骤在半导体衬底15内形成光转换器件20 ；在光转换器件 20之上形成第一层25 ；在第一层25之上形成第二层30 ；以及形成具有半径r并定位于第一层25和光转换器件20之上的波导35，其中r在约1000埃至约4000埃的范围内。提供半导体衬底15。半导体衬底15和各种实施例的描述在前面给出。光转换器件20形成于半导体衬底15中。所描述的在半导体衬底15中形成光电检测器10的过程在本领域众所周知，因此不必另行描述。在本发明的一个实施例中，光转换器件20可以选自包括光电门、光电导体和光电二极管的组。在另一个实施例中，形成于半导体衬底15中的光转换器件20是光电二极管。通过使用前面描述的适于沉积材料的任何现在已知的或以后开发出的技术，将第一层25沉积形成于光转换器件20和/或半导体衬底15之上。第一层25和各种实施例的描述也在前面给出。通过使用前面描述的适于沉积材料的任何现在已知或以后开发出的技术而将第二层30沉积形成于第一层25之上。第二层25和各种实施例的描述也在前面给出。形成定位于第一层25和光转换器件20之上且具有半径r的波导35，其中r在约 1000埃至约4000埃的范围内。波导35通过使用适于波导35形成的任何已知的或将被开发出的技术形成。例子包括但不限于经由照相平印术、布线、冲压、激光切除、蚀刻等将波导 35形成于第二层25内。波导35的半径可以被形成于约1000埃至约4000埃的范围内。在本发明的一个实施例中，半径可以为约4000埃。在另一个实施例中，半径可以为约2000埃。在另一个实施例中，半径可以为约1000埃。本领域普通技术人员将认识到用于在波导35形成步骤中选择性地选出波导35的半径的现在已知或将被开发出的技术。如前所述，选择波导35的半径允许控制由光转换器件20所检测到的特定波长或特定波长范围。本领域普通技术人员还将认识到选择特定波导35半径以控制被检测的特定波长或波长范围不限制于前面所描述的半径或半径范围，但选择借由常规实验而优化以确定对应于特定波长或特定波长范围检测的适当的半径/半径长度。依照本发明提供了在机器可读介质中具体化的用于设计、制造、或测试光电检测器的设计结构。设计结构包括半导体衬底；半导体衬底内的光转换器件；在光转换器件之上的第一层；在第一层之上的第二层；以及具有半径r并定位于第一层和光转换器件之上的波导，其中r在约1000埃至约4000埃的范围内。参考图3，示出了例如用于光电检测器设计、制造、和/或测试的示范性设计流程 100的方框图。设计流程100可以取决于被设计的IC的类型而变化。例如，用于建立专用 IC(ASIC)的设计流程100可以不同于用于设计标准元件的设计流程100。设计结构120优选地是设计过程110的输入并且可以来自IP提供商、核心开发者、或者其他设计公司，或者可以由设计流程的操作者产生，或者来自其他的源。设计结构120包括以示意图或HDL(即硬件描述语言，例如Veril0g、VHDL、C等)形式的如图1和图2中所示的本发明的实施例。 设计结构120可以被包含于一个或多个机器可读介质上。例如，设计结构120可以是如图1 和图2所示的本发明的一个实施例的文本文件或图形表达。设计过程110优选地将如图1 和图2所示的本发明的一个实施例合成(或翻译)为网表180，其中网表180例如是电线、 晶体管、逻辑门、控制电路、I/O、模型等的列表，其描述在集成电路设计中到其他元件和电路的连接并且记录在至少一个机器可读介质上。例如，该介质可以是⑶、紧凑型闪存、其他闪速存储器，数据包经由互联网或其他合适的网络手段被发送。合成可以是迭代处理，其中网表180取决于电路的设计说明和参数而被再合成了一次或多次。设计过程110可以包括使用多种输入例如来自库元件130的输入(库元件130 可以含有一组常用元件、电路和器件，包括用于指定的制造技术(例如，不同的技术节点、 32nm、45nm、90nm等)的模型、布局和符号表示)、设计说明140、特征数据150、验证数据 160、设计规则170、以及测试数据文件185 (其可以包括测试图样和其他测试信息)。设计过程110可以还包括例如标准电路设计过程，诸如定时分析、验证、设计规则检查、位置和路线操作等。集成电路设计领域的普通技术人员能够理解不背离本发明的范围和精神的情况下用于设计过程110的可能的电子设计自动化工具和应用的范围。本发明的设计结构不限于任何特定的设计流。设计过程110优选地将如图1和图2所示的本发明的一个实施例以及任何额外集成电路设计或数据(如果可用)翻译成第二设计结构190。设计结构190以用于交换集成电路的布局数据的数据格式和/或符号数据格式(例如以GDSII (GDS2)、GLU OASIS、映射文件、或任何其他适合于存储这样的设计结构的格式存储的信息)存在于存储介质中。设计结构190可以包括信息，诸如例如符号数据、映射文件、测试数据文件、设计内容文件、制造数据、布局参数、电线、金属层、vias、形状、用于经由制造线路布线的数据、以及半导体制造商生产如图1和图2所示的本发明的一个实施例所需的任何其他数据。设计结构190然后可以进入阶段195，此处，例如，设计结构990 进入下线(tape-out)、被送交制造、被送交掩膜室、被发送到另一设计室、被发送回客户等。前面已经为了例示和描述的目的而给出了本发明的各方面的描述。其并非意在穷尽或将本发明限制于所揭示的精确形式，并且显然，许多修改和变更是可能的。这样的修改和变更对于本领域技术人员是明显的，其意在被包括于由所附权利要求书所限定的本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种光电检测器，包括 半导体衬底；所述半导体衬底内的光转换器件； 在所述光转换器件之上的第一层； 在所述第一层之上的第二层；以及具有半径r并定位于所述第一层和所述光转换器件之上的波导，其中r在约1000埃至约4000埃的范围内。
2.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第一层包括介电层。
3.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第二层包括介电层或金属层。
4.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述光转换器件选自包括光电门、光电导体以及光电二极管的组。
5.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述光电检测器包含于数字照相机中。
6.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述光电检测器包含于光谱分析仪中。
7.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述光电检测器没有选自包括聚合物滤色片、染料浸渍抗蚀剂、以及Fabry-Perot干涉层的组中的元件。
8.一种图像传感器，包括光电检测器阵列，每一个光电检测器包括 半导体衬底；所述半导体衬底内的光转换器件； 在所述光转换器件之上的第一层； 在所述第一层之上的第二层；以及具有半径r并定位于所述第一层和所述光转换器件之上的波导，其中r在约1000埃至约4000埃的范围内。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述图像传感器包括CMOS图像传感器或 CXD图像传感器。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述第一层包括介电层。
11.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述第二层包括介电层或金属层。
12.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述光转换器件选自包括光电门、光电导体、以及光电二极管的组。
13.一种形成光电检测器的方法，包括 在半导体衬底内形成光转换器件； 在所述光转换器件之上形成第一层； 在所述第一层之上形成第二层；以及形成具有半径r并定位于所述第一层和所述光转换器件之上的波导，其中r在约1000 埃至约4000埃的范围内。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一层包括介电层。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二层包括介电层或金属层。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述光转换器件选自包括光电门、光电导体以及光电二极管的组。
17.一种在机器可读介质中具体化的设计结构，用于设计、制造或测试光电检测器，所述设计结构包括半导体衬底；所述半导体衬底内的光转换器件； 在所述光转换器件之上的第一层； 在所述第一层之上的第二层；以及具有半径r并定位于所述第一层和所述光转换器件之上的波导，其中r在约1000埃至约4000埃的范围内。
18.根据权利要求17所述的设计结构，其中所述设计结构包括网表。
19.根据权利要求17所述的设计结构，其中所述设计结构以用于集成电路的布局数据的交换的数据格式存在于存储介质上。
20.根据权利要求17所述的设计结构，其中所述设计结构包括测试数据、特征数据、验证数据或设计说明中的至少之一。
全文摘要
本发明一般地涉及光电检测器及其形成方法，更特别地涉及光学的光电检测器。光电检测器(10)包括具有控制被检测的特定波长或特定波长范围的半径的波导(35)。本发明还涉及前述光电检测器的设计结构。
文档编号H01L27/146GK102498567SQ201080041299
公开日2012年6月13日 申请日期2010年9月2日 优先权日2009年9月18日
发明者J.M.埃特肯 申请人:国际商业机器公司