[发明专利]一种将锗p-i-n光电二极管集成到图像传感器结构中的方法

说明书

本发明提供一种将锗p‑i‑n光电二极管集成到图像传感器结构中的方法，其涉及半导体技术领域，其通过将氢离子（H⁺）注入锗供体晶圆至选定深度，以确定锗转移层的厚度；通过贝塔键合锗供体晶圆和硅目标晶圆的表面，将锗转移层与锗供体晶圆分离，得到锗硅混合晶圆；研磨锗硅混合晶圆的锗转移层的表面，将掺杂元素离子硼离子（B⁺）注入锗硅混合晶圆顶部的锗转移层，使锗转移层靠近表面的部分被注入硼而形成掺杂锗层；在锗光电二极管层中形成像素到像素之间的隔离结构，以界定光电二极管区域。本发明以低成本、相对更简单的制造工艺实现了高速、小像素尺寸、CMOS兼容的短波红外图像传感器（具有焦平面阵列），适于工业化大规模生产。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种将锗p-i-n光电二极管集成到图像传感器结构中的方法，具体涉及制造CMOS图像传感器的垂直p-i-n光电二极管。

背景技术

目前，短波红外CMOS图像传感器（SWIR CMOS Image Sensor）已广泛应用于小型无人机系统、机动车辆系统、智能农业系统、监控系统等领域。如本领域所公知的，采用硅材料作为光电二极管对红外吸收的量子效率低下，特别是对于1μm以上的波段几乎没有吸收。与硅相比，基于锗的短波红外CMOS图像传感器可捕获来自可见光（0.4μm - 0.75μm）和更远波长（一直到1.6μm波长）的图像，而且性能与砷化铟镓（InGaAs）相当。基于砷化铟镓的CMOS图像传感器，尽管能够提供具有高量子效率及相对较低的暗电流的高质量焦平面阵列（FPA），但目前其制造工艺复杂、价格昂贵、产量低，难以大规模商业化应用。与砷化铟镓相反，锗在化学上与硅兼容，并且与硅CMOS制造工艺兼容。因此，用于短波红外CMOS图像传感器的锗基光电二极管的制造工艺更灵活、更具成本效益和可扩展性，并能打开消费者/大众市场的应用。

在制造基于锗的CMOS图像传感器时，现有技术一般采用在硅目标晶圆上直接外延生长锗，但由于锗和硅之间4.2%的晶格失配，外延生长会产生失配位错和穿透位错（螺纹错位），因而缺陷较多、质量较低，影响探测信噪比和检测灵敏度。此问题目前尽管能够通过一些技术手段得到改善，但会增加器件结构和/或工艺复杂性，例如使用窄孔径选择性制造生长。此外，由于采用在硅目标晶圆上直接外延生长锗是在硅晶圆上低温生长锗，直接导致降低了锗层的质量。

基于工业市场及消费者/大众市场的应用需要，目前急需一种工艺更简单、成本更低且能够高效、稳定地将垂直锗p-i-n光电二极管集成到图像传感集成器件结构中的方法。

发明内容

基于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种将锗p-i-n光电二极管集成到图像传感器结构中的方法，具体涉及制造CMOS图像传感器的垂直p-i-n光电二极管，所述垂直p-i-n光电二极管优选为短波红外CMOS图像传感器的垂直p-i-n光电二极管。

依据本发明的技术方案，本发明提供了一种将锗p-i-n光电二极管集成到图像传感器结构中的方法，其包括以下步骤：

步骤S1，提供锗供体晶圆；

步骤S2，将氢离子（H⁺）注入锗供体晶圆至选定深度，以确定锗转移层的厚度，所述锗转移层为待转移的锗薄膜；

步骤S3，提供硅目标晶圆；

步骤S4，贝塔键合锗供体晶圆和硅目标晶圆的表面；

步骤S5，将锗转移层与锗供体晶圆分离，得到锗硅混合晶圆；即使用热技术或机械技术，将键合粘附在硅目标晶圆上的锗转移层与锗供体晶圆分离，得到锗转移层和硅目标晶圆所构成的混合晶圆；

步骤S6，完成锗硅混合晶圆最终键合；

步骤S7，研磨锗硅混合晶圆的锗转移层的表面；

步骤S8，将掺杂元素离子硼离子（B⁺）注入锗硅混合晶圆顶部的锗转移层，使锗转移层靠近表面的部分被注入硼而形成掺杂锗层，靠近硅目标晶圆的其余部分为未掺杂锗层；

步骤S9，在锗光电二极管层中形成像素到像素之间的隔离结构，以界定光电二极管区域；