(57)【要約】  複数の光検出器活性領域（４）を統合する基板（２）と、前記基板（２）上に配置され、多数の誘電体（６ａ）及び導電（６ｂ）層を含むＣＭＯＳ層スタック（６）とを備える半導体光センサ（１）。紫外線変換領域（１０）は、多数の第１の光検出器活性領域（４）の上方に配置され、紫外線放射を前記第１の光検出器活性領域（４）に向かう可視光線放射に変換するため、前記第１の光検出器活性領域（４）は、紫外線放射を検出するように設計される。特に、前記第１の光検出器活性領域（４）は、前記光センサ（１）の光検出ユニット（１６）のアレイ（１５）において、可視光線放射を検出するように設計された多数の第２の光検出器活性領域（４）に対して交互になっており、同じ空間分解能で紫外線及び可視光線の放射の両方に感度が高い単一の画像検出領域（１５’）を画定する。
2021509544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光検出器領域（４）を統合する基板（２）と、
前記基板（２）上に配置され、多数の誘電体（６ａ）及び導電（６ｂ）層を含むＣＭＯＳ層スタック（６）とを含み、
多数の第１の光検出器領域（４）の上方に配置され、紫外線放射を前記第１の光検出器活性領域（４）に向かう可視光線放射に変換するように構成された紫外線変換領域（１０）をさらに含み、前記第１の光検出器領域（４）は、それによって、紫外線検出用の第１の光検出ユニット（１６）を画定するように設計されており、
前記第１の光検出器領域（４）は、前記基板（２）内に統合され、可視光線検出用の第２の光検出ユニット（１６）を画定するように設計された、多数の第２の光検出器領域（４）に対して交互になっており、光センサ（１）の光検出ユニット（１６）のアレイ（１５）を形成する前記第１及び第２の光検出ユニットは、紫外線及び可視光線の放射の両方に感度が高い単一の画像検出領域（１５’）を共に画定する、半導体光センサ（１）。
【請求項２】
前記紫外線変換領域（１０）が、蛍光染料が浸漬される有機材料を含み、前記蛍光染料が、紫外線変換を行うように設計されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記有機材料が、紫外線を吸収し、可視光線放射を放出することができる下方変換材料であり、Ｌｕｍｏｇｅｎ、Ｃｏｒｏｎｅｎｅ、ＡｌＱ３’及びＺｎＳ：Ｍｎの中から選択される、請求項１又は２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記第２の光検出器領域（４）の上方に配置され、可視光線放射を透過し、紫外線放射を通さない材料からできているフィルタ領域（１１）をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項５】
前記紫外線変換領域（１０）が、前記第１及び第２の光検出器活性領域（４）の上方に配置されたキャップ層（１２）内で前記フィルタ領域（１１）に対して交互になっている、請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記ＣＭＯＳスタック（６）が、前記光センサ（１）の外側表面を画定する前記基板（２）の裏面（２ｂ）と対向する前記基板（２）の上面（２ａ）に配置され、前記キャップ層（１２）が、前記ＣＭＯＳスタック（６）の上部誘電体層（６ａ）の上方に配置される、請求項５に記載のセンサ。
【請求項７】
前記ＣＭＯＳスタック（６）が、前記基板（２）の上面（２ａ）に配置され、前記ＣＭＯＳスタック（６）の上部誘電体層（６ａ）が、前記光センサ（１）の外側表面に配置され、前記キャップ層（１２）が、前記表面（２ａ）と対向する前記基板（２）の裏面（２ｂ）の上方に配置される、請求項５に記載のセンサ。
【請求項８】
上部誘電体層（６ａ）から前記基板（２）の表面（２ａ）に向かって、前記ＣＭＯＳスタック（６）を通るトレンチ内に形成された光チャネル領域（７’）をさらに含み、前記ＣＭＯＳスタック（６）内に統合された前記紫外線変換領域（１０）を画定するように設計された材料を含む前記光チャネル領域（７’）において、前記光チャネル領域（７’）が、それぞれの第１の光検出器領域（４）上に配置され、光放射を前記それぞれの第１の光検出器領域に向けて導くように構成される、請求項４に記載のセンサ。
【請求項９】
前記ＣＭＯＳスタック（６）の上部誘電体層（６ａ）の上方に配置されたキャップ層（１２）内に、前記フィルタ領域（１１）に対して交互になっている透過領域（１１’）を含み、前記透過領域（１１’）が、可視光線及び紫外線の放射の両方を透過するように設計された、請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記光チャネル領域（７’）が、それぞれの第２の光検出器活性領域（４）上にも配置され、光放射を前記それぞれの第２の光検出器活性領域（４）に向けて導くように構成される、請求項８又は９に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記フィルタ領域（１１）が、前記可視光線放射をフィルタリングするように設計されたＲＧＢ、赤、緑及び青のフィルタを実装するために、前記可視光線スペクトルのそれぞれの部分を透過する、請求項４〜１０のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記単一の画像検出領域（１５’）が、紫外線及び可視光線の放射の両方に感度が高く、同時に同じ空間分解能を有するように設計されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１３】
半導体光センサ（１）の製造プロセスであって、前記製造プロセスが、
基板（２）を提供することと、
前記基板（２）内に複数の光検出器領域（４）を形成することと、
前記基板（２）上に配置され、多数の誘電体（６ａ）及び導電（６ｂ）層を含むＣＭＯＳ層スタック（６）を形成することと
を含み、
多数の第１の光検出器領域（４）の上方に配置され、紫外線放射を前記第１の光検出器活性領域（４）に向かう可視光線放射に変換するように構成された紫外線変換領域（１０）を形成することをさらに含み、前記第１の光検出器活性領域（４）は、それによって、紫外線検出用の第１の光検出ユニット（１６）を画定するように設計されており、
前記第１の光検出器活性領域（４）に対して交互になっており、可視光線検出用の第２の光検出ユニット（１６）を画定するように設計された、多数の第２の光検出器活性領域（４）を、前記基板（２）内に統合することをさらに含み、前記光センサ（１）の光検出ユニット（１６）のアレイ（１５）を形成する前記第１及び第２の光検出ユニットは、紫外線及び可視光線の放射の両方に感度が高い単一の画像検出領域（１５’）を共に画定する、製造プロセス。
【請求項１４】
紫外線変換領域（１０）を形成することが、蛍光染料が浸漬される有機材料を堆積させることを含み、前記蛍光染料が、紫外線変換を行うように設計されている、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１５】
前記第２の光検出器領域（４）の上方に配置され、可視光線放射を透過し、紫外線放射を通さない材料からできているフィルタ領域（１１）を形成することをさらに含む、請求項１３又は１４に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記紫外線変換領域（１０）及び前記フィルタ領域（１１）を形成することが、蛍光染料を分散させたフォトパターニングが可能な有機材料層を堆積させ、前記紫外線変換領域（１０）を画定する蛍光材料のパッチを作ることを含む、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項１７】
上部誘電体層（６ａ）から前記基板（２）の表面（２ａ）に向かって、前記ＣＭＯＳスタック（６）を通るトレンチ内に光チャネル領域（７’）を形成することと、
前記ＣＭＯＳスタック（６）内に統合された前記紫外線変換領域（１０）を画定するように設計された材料で前記光チャネル領域（７’）を充填することと
をさらに含み、前記光チャネル領域（７’）の各々が、それぞれの第１の光検出器領域（４）上に配置され、光放射を前記それぞれの第１の光検出器領域に向けて導くように構成される、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記ＣＭＯＳスタック（６）の上部誘電体層（６ａ）の上方に配置されたキャップ層（１２）内に、前記フィルタ領域（１１）に対して交互になっている透過領域（１１’）を形成することを含み、前記透過領域（１１’）が、前記可視光線及び前記紫外線の放射を透過するように設計された、請求項１７に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本特許出願は、２０１７年１２月１２日出願のイタリア特許出願第１０２０１７０００１４３１７６号からの優先権を主張し、その開示全体が参考として本明細書に組み込まれている。
【技術分野】
【０００２】
本解決策は、可視光線及び紫外線の放射の両方を検出することができる半導体光センサ、及びその製造プロセスに関する。特に、以下の開示は、相補型金属酸化膜半導体（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ-Ｏｘｉｄｅ-Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＣＭＯＳ）技術に基づく半導体光センサに言及する。
【背景技術】
【０００３】
知られているように、宇宙、医療、又は家電分野などのいくつかの用途があり、可視光線放射（３８０〜７８０ｎｍの範囲の波長）及び紫外線-紫外線放射（３８０ｎｍ未満の波長）の両方の検出が必要とされる。
【０００４】
例えば、いわゆる「紫外線指数」の検出は、外部環境における紫外線放射の量を評価するためにポータブル電子デバイスに実装される機能であり、同一のポータブル電子デバイスは、写真又はビデオを撮るために、可視光画像センサをさらに備えることができる。
【０００５】
紫外線検出が多くの問題を引き起こすことも知られている。
【０００６】
特に、紫外線放射の吸収深さは非常に小さい（数ナノメートル）ので、放射の一部は、光センサの活性検出領域に到達する前に、光センサの構造に吸収され、したがって、信号変化に寄与せず、量子効率−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：ＱＥ−の損失を引き起こす。
【０００７】
標準的な光センサの構造内の窒化ケイ素層などの絶縁層は、紫外線範囲で特定の吸収を有する場合があり、この場合もＱＥ性能の悪化を引き起こす。これは、パッシベーション層なしでセンサを使用することを示唆し得るが、パッシベーション層がないと信頼性が低下する。
【０００８】
さらに、シリコン基板に直接入射する紫外線放射は、損傷（したがって、信頼性への懸念）、欠陥密度の増加（つまり、ダングリングボンドからの水素の脱離）、又は誘電体層のチャージアップを引き起こす可能性がある。
【０００９】
したがって、紫外線放射を可視光線放射に変換することができ、次に可視光線の波長帯で動作する従来の検出構造によって検出することができる、好適な材料の層の使用が示唆されている。
【００１０】
例えば、ｅ２Ｖ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓによる「Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｎｏｔｅ  ｏｎ  ＵＶ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ：Ｌｕｍｏｇｅｎ」は、光学スペクトルの紫外線（ＵＶ）領域における表面照射型電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅｓ：ＣＣＤ）の性能が、紫外線（可視光線よりも高いエネルギーを有する）を吸収し、それをより長い波長、又はより低いエネルギーの可視光線放射に変換することができる材料でできた紫外線変換コーティングの提供によって強化され得ることを示している。これらの材料は蛍光体と呼ばれる。これらの材料は、より高いエネルギー（より短い波長）の光によって励起され、より低いエネルギー（より長い波長）の光を放出することができることが分かっている。これが、これらの材料が「下方変換材料」とも呼ばれる理由である。特に、Ｌｕｍｉｌｕｘ、Ｌｉｕｍｏｇｅｎ及びＬｕｍｉｇｅｎとしても知られているＬｕｍｏｇｅｎと呼ばれる有機蛍光体の使用について説明する。吸収された紫外線放射は、Ｌｕｍｏｇｅｎ蛍光体を、高いＱＥ係数で、５００〜６５０ｎｍのスペクトル帯で発光させる。
【００１１】
一般に、可視光線及び紫外線を検出するための電子デバイスは、可視光線及び紫外線の放射をそれぞれ検出するために使用される２つの異なる別個の光センサを含む。各光センサは、入射光放射のそれぞれの波長帯の検出用に最適化され、半導体材料のそれぞれのダイ又はチップに製造される。
【００１２】
しかしながら、可視光線及び紫外線の検出の両方を実行することができる単一のチップを実装することは、例えば、ポータブル又はモバイルデバイスの分野において、占有面積及び製造コストを削減するため、並びに電力消費を低減するためにも望ましい場合がある。
【００１３】
米国特許出願公開第２０１６／０１４２６６０号明細書は、可視光線及び紫外線の検出機能の両方を１つの単一のチップに統合するための解決策を開示している。
【００１４】
図１に概略的に示すように、米国特許出願公開第２０１６／０１４２６６０号明細書に開示されている画像センサ１００は、可視光画像センサ１２０を統合する可視光線部分と、紫外線センサ１３０を統合する別個の異なる紫外線部分とに分割された半導体基板１１０を含む。
【００１５】
複数のセンサセルは、可視光線及び紫外線の部分の両方において、基板１１０上に形成され、複数のセンサセルのそれぞれは、可視光線に感度が高い光検出器を含む。
【００１６】
シングルチップ画像センサは、紫外線部分に配置された、紫外線を可視光線に変換する紫外線コーティング層を含むため、紫外線部分に形成されたセンサセルは、紫外線放射を検知することができ、可視光線部分に形成されたセンサセルは、依然として可視光線放射を検知することができる。
【００１７】
可視光画像センサモジュール及び個別の紫外線センサモジュールを含む解決策と比較した場合、米国特許出願公開第２０１６／０１４２６６０号明細書で説明されている解決策は、よりコンパクトでコスト効率が良い。
【００１８】
しかしながら、本出願人は、この解決策が依然として満足できるものではないことを認識している。特に、この解決策では、可視光線及び紫外線の情報の両方を含む単一の画像を同時に、同じ空間分解能で検出することはできない。
【００１９】
実際、上記の解決策では、紫外線センサ及び可視光線センサの領域が同じチップの別個の異なる領域を占有し、したがって、同じ空間分解能で、信号スペクトルの両方の範囲で単一の画像を再構築することができない。
【発明の概要】
【００２０】
本解決策の目的は、既知の解決策の上記の制限を克服することを可能にする、改善された光センサを提供することである。
【００２１】
本解決策によれば、添付の特許請求の範囲に記載の通り、半導体光センサ及びその製造プロセスが結果として提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本発明をより良く理解するために、その好ましい実施形態を、単に非限定的な例として、添付の図面を参照して説明する。
【図１】既知のシングルチップ光センサの略図である。
【図２】本解決策の第１の実施形態による半導体光センサの断面図である。
【図３】図２の光センサの概略上面図である。
【図４Ａ】光センサの製造プロセスの連続するステップにおける図２の光センサの断面図である。
【図４Ｂ】光センサの製造プロセスの連続するステップにおける図２の光センサの断面図である。
【図４Ｃ】光センサの製造プロセスの連続するステップにおける図２の光センサの断面図である。
【図４Ｄ】光センサの製造プロセスの連続するステップにおける図２の光センサの断面図である。
【図５】本解決策のさらなる態様による半導体光センサの断面図である。
【図６】本解決策の第２の実施形態による半導体光センサの断面図である。
【図７Ａ】光センサの製造プロセスの連続するステップにおける図６の光センサの断面図である。
【図７Ｂ】光センサの製造プロセスの連続するステップにおける図６の光センサの断面図である。
【図７Ｃ】光センサの製造プロセスの連続するステップにおける図６の光センサの断面図である。
【図７Ｄ】光センサの製造プロセスの連続するステップにおける図６の光センサの断面図である。
【図８】本解決策のさらなる態様による半導体光センサの断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下で詳細に説明するように、本解決策の一態様は、半導体材料の同一のダイにおいて可視光線及び紫外線の検出能力の両方を備えたシングルチップ光センサ又は画像センサを提供する。この光センサには、単一の検出領域内に紫外線検出セル及び可視光線検出セルの両方が交互に配置されたセンシングセルのアレイが含まれるため、ダイは、紫外線及び可視光線の放射の検出を同時に実装するだけでなく、同じ空間分解能で実装する。
【００２４】
図２は、例として、ＣＭＯＳ半導体技術で作製された表面照射（ｆｒｏｎｔ−ｓｉｄｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ：ＦＳＩ）光検出器に関する、本解決策の第１の実施形態による光センサ１を示す。
【００２５】
光センサ１は、表面２ａ及び裏面２ｂを有する半導体材料、特にシリコンの基板２を含み、ここで、光センサ１の第１の外面を画定する。
【００２６】
基板２内の第１の表面２ａに複数の光検出器活性領域４が形成され、各々が光検出器のそれぞれの光検出ユニット（いわゆる「ピクセル」）の光検出領域を画定する。光検出器活性領域４は、基板２のドーピングタイプとは反対のドーピングタイプのドープ域であり、例えば、ドープ剤の注入又は拡散によって形成されてもよい。光検出器活性領域４は、基板２内にアレイパターンで配置される。
【００２７】
好都合なことに、光検出器活性領域４は、フォトダイオード、フォトトランジスタ又はフォトレジスタの活性領域を画定するように設計することができる。光検出器活性領域４に入射する光子は、電荷キャリアに変換され、入射光の強度に比例する出力電気信号を生成する。
【００２８】
例えば、フォトダイオードの活性領域は、ｎ（又はｐ）活性領域が電荷キャリア（電子／正孔対など）から空乏化され、したがって、入射光子がフォトダイオードの空乏領域によって収集された電子／正孔対を生成するように構成されたｐ−ｎ（又はｎ−ｐ）接合として、最も単純な形態で実現される。公知であるように、ｐｎｐ（又はｎｐｎ）接合も都合よく形成することができる。
【００２９】
好適な金属材料からなる光検出ユニットのゲート領域５は、基板２の表面２ａ上に形成され、２つのそれぞれの光検出器活性領域４の間の間隔領域に垂直に対応する位置に配置される。
【００３０】
光センサ１は、さらに、多数の積層された例えば酸化ケイ素からできている誘電体層６ａと、例えば金属材料からできている導電層６ｂとからなるＣＭＯＳスタック６を含む。図２に示す例では、２つの金属層が示されているが、異なる数の金属層が設けられてもよいことは明らかである。上部誘電体層６ａは、基板２の表面２ａに対向するスタック６の外面を画定する。
【００３１】
図示されていないが、当業者には明らかであるように、導電性ビア及び相互接続がＣＭＯＳスタック６に形成されて、光検出器活性領域４に向かう電気導電路と、スタック６の外面に配置された電気コンタクトパッド（これも図示せず）に向かう電気導電路とを画定し、光検出器活性領域４によって生成された出力電気信号を外部電気システムに供給することができる。
【００３２】
図２に示す実施形態では、光チャネル領域（いわゆる「ライトパイプ」）７が、スタック６を通って、上部誘電体層６ａから基板２の表面２ａに向かって形成され、各々がそれぞれの光検出器活性領域４上に配置され、光放射をそれぞれの光検出器活性領域４に向けて導くように構成される。ライトパイプ７は、可視光線放射を透過する好適な材料、例えば、シロキサンポリマーなどの有機ポリマーから形成される。
【００３３】
例えば窒化ケイ素からなるパッシベーション層８は、スタック６の上方、上部誘電体層６ａによって画定されるその外面上に形成される。
【００３４】
本解決策の特定の態様によれば、光センサ１は、紫外線放射を可視光線放射に変換することができる好適な材料でできた、ここではパッシベーション層８上に形成された紫外線変換領域１０をさらに含む。紫外線変換領域１０は、紫外線を変換するように設計された、蛍光染料が浸漬される有機材料で形成される。例えば、この有機材料はＳｉｌｅｃｓ  ＳＣ−４８０のようなシロキサンポリマーであってもよく、染料はＬｕｍｏｇｅｎのような蛍光性蛍光体であってもよい。紫外線を吸収して、可視光線を放出することができる下方変換材料の例としては、例えば、上記のＬｕｍｏｇｅｎ、Ｃｏｒｏｎｅｎｅ、ＡｌＱ３’、ＺｎＳ：Ｍｎなどが挙げられる。
【００３５】
紫外線変換領域１０は、紫外線放射を検出することを目的とする光検出器活性領域４のいくつかの位置に対応して垂直に配置される。
【００３６】
さらに、フィルタ領域１１は、パッシベーション層８上に形成され、シロキサン有機ポリマーなどの、可視光線放射を透過し、紫外線放射を通さない好適な材料からできている。フィルタ領域１１は、可視スペクトルのそれぞれの部分のみを透過してもよく、したがって、光放射をフィルタリング（既知の方法で、ここでは詳細に説明しない）するように設計されたＲＧＢ（赤、緑及び青）フィルタを実装する。
【００３７】
フィルタ領域１１は、所望のアレイパターンに従って、パッシベーション層８上の変換領域１０に対して交互になっている。特に、フィルタ領域１１は、可視光線放射を検出することを目的とする光検出器活性領域４の位置に対応して垂直に配置される。
【００３８】
したがって、光センサ１は、交互に並ぶ変換領域及びフィルタ領域１０、１１によって形成される、パッシベーション層８上のキャップ層１２を含む。
【００３９】
図３は、各々がそれぞれの光検出領域を含む、光センサ１の光検出ユニット（又はピクセル）１６のアレイ１５の可能なパターンの概略上面図を示す。この場合、アレイは行と列とを含み、紫外線放射の検出用のピクセルは、可視光線放射のそれぞれの色（赤「Ｒ」、緑「Ｇｒ」又は青「Ｂ」）の検出用のピクセルに対して交互になっている。
【００４０】
当業者には明らかであるように、紫外線放射及び可視光線放射用の交互のピクセルの他のパターンが、アレイ１５において等しく想定され得ることが強調される。例えば、紫外線放射に感度が高い各ピクセルは、アレイ１５の行及び／又は列に沿って、可視光線放射に感度が高い２つ以上のピクセルに対して交互になってもよい。
【００４１】
いずれの場合でも、アレイ１５は、紫外線及び可視光線の放射の両方に感度が高く、同時に同じ空間分解能を有する単一の画像検出領域１５’を画定する。
【００４２】
図２に示すように、光センサ１は、入射する電磁放射線を好適に集束（既知の方法で、ここでは詳細に説明しない）させ、光検出器活性領域４に向かう並行ビームを得るために、それぞれの光検出器活性領域４及び光検出器のピクセルに垂直に対応する、キャップ層１２上に配置されたマイクロレンズユニット１８をさらに含んでもよい。
【００４３】
動作中、上記図２において２０で示される、外部環境からの光放射は、存在する場合はマイクロレンズユニット１８を介して、光センサ１、特にキャップ層１２に到達し、同一のキャップ層１２を通って、下にある光検出器活性領域４に到達する。特に、すべての光検出器活性領域４は、フィルタ領域１１（ＲＧＢフィルタを実装している可能性がある）を直接通過するか、又は紫外線放射を可視光線放射に変換する紫外線変換領域１０によって実行される下方変換を介して可視光線放射を受け取る。
【００４４】
光検出器活性領域４は、受け取った光子を収集し、対応する出力電気信号を生成し、この出力電気信号は、外部処理システムと通信するために、ＣＭＯＳスタック６を介してその外面の電気コンタクトパッドに向けて送られる。可能な実施形態では、変換材料で覆われたピクセルで収集された信号と、紫外線放射を吸収し、可視光線を透過する材料で覆われたピクセルで収集された信号とを比較することによって、センサ表面に集束させた紫外線強度の分布をより正確に再構築することが可能である。
【００４５】
図４Ａに示すように、光センサ１の製造プロセスは、最初に、例えばドーパント原子の拡散又は注入によって、基板２内に光検出器活性領域４を形成することを想定している。
【００４６】
次に、金属層の堆積及びフォトリソグラフィー・パターニングによって、基板２の表面２ａ上にゲート領域５が形成される。続いて、図４Ｂに示すように、誘電体層と金属層とを交互に堆積及びパターニングすることによって、積層された誘電体層６ａと導電層６ｂとを含むＣＭＯＳスタック６が形成される。
【００４７】
次に、図４Ｃに示すように、光チャネル領域７がスタック６を通って形成される。特に、最初に、ＣＭＯＳスタック６の層を通って、基板の表面２ａに達するトレンチが形成され、次に、同一のトレンチの外側に除去されるフォトパターニングが可能な材料の堆積を介して、同一のトレンチが可視光線を透過する好適な材料で充填される。図示の例のように、上部誘電体層６ａは、光チャネル領域７上に形成されてもよい。
【００４８】
その後、図４Ｄに示すように、パッシベーション層８が堆積によってＣＭＯＳスタック６上に形成され、フィルタ領域１１が紫外線変換領域１０に対して交互になっているキャップ層１２がパッシベーション層８上に形成される。
【００４９】
特に、可能な実施形態は、センサアレイのピクセルのいくつかの上に紫外線変換領域１０を画定する蛍光材料のパッチを作るために、フォトパターニングが可能な有機材料層内に分散された蛍光染料の使用を想定することができる。センサアレイの残りのピクセルは、透明材料又は赤、緑、青のフィルタで覆われる。有機材料層は、フォトリソグラフィプロセスで光活性領域から除去することができる。
【００５０】
次に、マイクロレンズユニット１８をキャップ層１２上に形成して、図２に示す結果として得られる構造を得ることができる。
【００５１】
図５に示すように、説明する実施形態は、ＣＭＯＳ半導体技術で作製される裏面照射（ｂａｃｋ−ｓｉｄｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ：ＢＳＩ）光検出器にも実装され得る。
【００５２】
この場合、基板の表面２ａ上に先と同様に形成されたＣＭＯＳスタック６の外面が、光センサ１の外面を画定する。この場合、パッシベーション層８及びキャップ層１２は、基板２の裏面２ｂ上に形成され、マイクロレンズユニット１８は、必要に応じてキャップ層１２上に先と同様に形成される。
【００５３】
この実施形態は、光放射２０を外部環境から基板２内の光検出器活性領域４に向かって導き、金属線との相互作用を最小化するという利点をもたらすことができる。
【００５４】
次に、図６を参照して、本解決策の第２の実施形態を、再び表面照射光検出器に関して説明する。
【００５５】
この第２の実施形態では、ここで７’で示される光チャネル領域は、紫外線放射を可視光線放射に変換することができる好適な材料、例えば、蛍光染料が浸漬される有機材料で充填され、それによって、光センサ１の紫外線変換領域１０を構成し、ここではＣＭＯＳスタック６内に統合されている。有機材料は、Ｌｕｍｏｇｅｎのような蛍光性蛍光体などの染料を含むシロキサンポリマーであってよい。
【００５６】
光チャネル領域７’は、ここではＣＭＯＳスタック６を通って基板２の表面２ａに達し、さらに、パッシベーション層８を通ってその外面に達するように形成される。
【００５７】
図示の実施形態では、光チャネル領域７’は、紫外線放射を検出することを目的とする光検出器活性領域４のいくつかの位置に対応して垂直に形成される。これに対して、可視光線放射を検出することを目的とする光検出器活性領域４上には、光チャネル領域はここでは形成されない。
【００５８】
この場合、透過領域１１’は、パッシベーション層８上に形成され、所望のアレイパターンに従ってフィルタ領域１１に対して交互になっている。
【００５９】
特に、この場合、透過領域１１’は、光チャネル領域７’に垂直に対応する位置に配置され、可視光線及び紫外線の放射の両方の波長帯を透過するように設計される。一方、可視光線放射を検出することを目的とする光検出器活性領域４に垂直に対応する位置に配置されたフィルタ領域１１は、可視光線放射を透過し、紫外線放射を通さない好適な材料からできている。
【００６０】
フィルタ領域１１は、可視スペクトルのそれぞれの部分のみを透過してもよく、したがって、光放射をフィルタリング（既知の方法で、ここでは詳細に説明しない）するように設計されたＲＧＢ（赤、緑及び青）フィルタを実装する。
【００６１】
フィルタ領域及び透過領域１１、１１’は、この場合、パッシベーション層８上に配置された光センサ１のキャップ層１２を画定する。
【００６２】
したがって、この第２の実施形態でも、光センサ１は、単一の画像検出領域１５’内に、光検出ユニット（又はピクセル）１６のアレイ１５を含み、紫外線放射の検出用のピクセルは、可視光線放射の検出用のピクセルに対して交互になっており、紫外線及び可視光線の放射の両方に感度が高く、同時に同じ空間分解能を有する。
【００６３】
さらに、光センサ１は、それぞれの光検出器活性領域４及び光検出器のピクセルに垂直に対応する、キャップ層１２上に配置されたマイクロレンズユニット１８を先と同様に含んでもよい。
【００６４】
第２の実施形態の製造プロセスは、図７Ａに示すように、例えばドーパント原子の拡散又は注入によって、基板２内に光検出器活性領域４を形成することを先と同様に想定している。
【００６５】
次に、金属層の堆積及びフォトリソグラフィー・パターニングによって、基板２の表面２ａ上にゲート領域５が形成される。続いて、誘電体層と金属層とを交互に堆積及びパターニングすることによって、積層された誘電体層６ａと導電層６ｂとを含むＣＭＯＳスタック６が形成される。次に、図７Ｂに示すように、パッシベーション層８がＣＭＯＳスタック６上に形成される。
【００６６】
光チャネル領域７’及び対応する紫外線変換領域１０は、図７Ｃに示すように、スタック６及びパッシベーション層８を通って、紫外線放射を検出することを目的とする光検出器活性領域４の位置に対応して垂直に形成される。特に、最初に、ＣＭＯＳスタック６及びパッシベーション層８を通って、パッシベーション層８の外面から基板２の表面２ａに達するトレンチが形成され、次に、同一のトレンチの外側に除去されるフォトパターニングが可能な材料の堆積を介して、同一のトレンチが紫外線放射を可視光線放射に変換するように設計された好適な材料で充填される。
【００６７】
その後、図７Ｄに示すように、フィルタ領域及び透過領域１１、１１’が交互になっているキャップ層１２がパッシベーション層８上に形成される。
【００６８】
次に、マイクロレンズユニット１８をキャップ層１２上に形成して、それによって、図６に示す構造を得ることができる。
【００６９】
提案された解決策が達成することを可能にする利点は、前述の開示から明らかである。
【００７０】
いずれの場合でも、開示された解決策が従来技術の解決策と比較して、以下のような多くの改善点を提供することが再度強調される。
−同じ空間分解能で、両方のスペクトル領域から得られる情報を含む、チップ上の同一の焦点画像から紫外線及び可視光線を再構築することが可能なこと。
−より簡単で安価な統合。
−占有面積が小さくなり、システムがよりコンパクトになること。
【００７１】
開示された第２の実施形態は、紫外線変換領域１０が光チャネル領域７’の全深さ内に分布するため、より深い活性領域にわたって可視光線を検出することを可能にするので、有利であり得る。
【００７２】
半導体光センサ１の製造プロセスは、一般に、標準的なＣＭＯＳ製造プロセスのＢＥＯＬ又はバックエンドのステップで有利に実行される追加のステップを必要とし、したがって、一般的なプロセスに対する大規模な変更を必要としない。
【００７３】
上述した特徴は、半導体光センサ１が、スマートフォン、タブレット、又は一般にモバイルデバイス若しくはハンドセットのようなモバイルデバイスの内部に埋め込まれる場合に特に有利である。実際、説明した解決策は、モバイルデバイスに一般的に必要とされる低コスト及び低サイズの要件を達成することを可能にする。
【００７４】
最後に、添付の特許請求の範囲に記載の通り、本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書で説明及び図示されたものに対して修正及び変形を行うことができることは明らかである。
【００７５】
特に、画像検出領域１５’内の光センサ１のアレイ１５において、可視光線放射を検出するように設計されたピクセルと紫外線放射を検出するように設計されたピクセルとの交互配置に関して、異なるパターンが想定され得ることが再度強調される
【００７６】
さらに、他の点では図６の第２の実施形態と同様である、図８に示すさらなる可能な実施形態では、光チャネル領域７’は、すべての光検出器活性領域４上に設けられてもよい。
【００７７】
また、説明した解決策は、表面照射センサ及び裏面照射センサの両方、並びに、例えば、ｐ−ｎ接合、ｐ−ｉ−ｎ検出器、又はＳＰＡＤアバランシェフォトダイオードを含む種々のタイプの光検出器に好適であることも強調される。
【図１】
2021509544.tif 000003
【図２】
2021509544.tif 000004
【図３】
2021509544.tif 000005
【図４Ａ】
2021509544.tif 000006
【図４Ｂ】
2021509544.tif 000007
【図４Ｃ】
2021509544.tif 000008
【図４Ｄ】
2021509544.tif 000009
【図５】
2021509544.tif 000010
【図６】
2021509544.tif 000011
【図７Ａ】
2021509544.tif 000012
【図７Ｂ】
2021509544.tif 000013
【図７Ｃ】
2021509544.tif 000014
【図７Ｄ】
2021509544.tif 000015
【図８】
2021509544.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月7日(2019.10.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光検出器領域（４）を統合する基板（２）と、
前記基板（２）上に配置され、多数の誘電体（６ａ）及び導電（６ｂ）層を含むＣＭＯＳ層スタック（６）とを含み、
多数の第１の光検出器領域（４）の上方に配置され、紫外線放射を前記第１の光検出器活性領域（４）に向かう可視光線放射に変換するように構成された紫外線変換領域（１０）をさらに含み、前記第１の光検出器領域（４）は、それによって、紫外線検出用の第１の光検出ユニット（１６）を画定するように設計されており、
前記第１の光検出器領域（４）は、前記基板（２）内に統合され、可視光線検出用の第２の光検出ユニット（１６）を画定するように設計された、多数の第２の光検出器領域（４）に対して交互になっており、光センサ（１）の光検出ユニット（１６）のアレイ（１５）を形成する前記第１及び第２の光検出ユニットは、紫外線及び可視光線の放射の両方に感度が高い単一の画像検出領域（１５’）を共に画定し、
前記第２の光検出器領域（４）の上方に配置され、可視光線放射を透過し、紫外線放射を通さない材料からできているフィルタ領域（１１）をさらに含むことを特徴とする、半導体光センサ（１）。
【請求項２】
前記紫外線変換領域（１０）が、蛍光染料が浸漬される有機材料を含み、前記蛍光染料が、紫外線変換を行うように設計されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記有機材料が、紫外線を吸収し、可視光線放射を放出することができる下方変換材料であり、Ｌｕｍｏｇｅｎ、Ｃｏｒｏｎｅｎｅ、ＡｌＱ３’及びＺｎＳ：Ｍｎの中から選択される、請求項１又は２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記紫外線変換領域（１０）が、前記第１及び第２の光検出器活性領域（４）の上方に配置されたキャップ層（１２）内で前記フィルタ領域（１１）に対して交互になっている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項５】
前記ＣＭＯＳスタック（６）が、前記光センサ（１）の外側表面を画定する前記基板（２）の裏面（２ｂ）と対向する前記基板（２）の上面（２ａ）に配置され、前記キャップ層（１２）が、前記ＣＭＯＳスタック（６）の上部誘電体層（６ａ）の上方に配置される、請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記ＣＭＯＳスタック（６）が、前記基板（２）の上面（２ａ）に配置され、前記ＣＭＯＳスタック（６）の上部誘電体層（６ａ）が、前記光センサ（１）の外側表面に配置され、前記キャップ層（１２）が、前記表面（２ａ）と対向する前記基板（２）の裏面（２ｂ）の上方に配置される、請求項４に記載のセンサ。
【請求項７】
上部誘電体層（６ａ）から前記基板（２）の表面（２ａ）に向かって、前記ＣＭＯＳスタック（６）を通るトレンチ内に形成された光チャネル領域（７’）をさらに含み、前記光チャネル領域（７’）は前記ＣＭＯＳスタック（６）内に統合された前記紫外線変換領域（１０）を画定するように設計された材料を含み、前記光チャネル領域（７’）が、それぞれの第１の光検出器領域（４）上に配置され、光放射を前記それぞれの第１の光検出器領域に向けて導くように構成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項８】
前記ＣＭＯＳスタック（６）の上部誘電体層（６ａ）の上方に配置されたキャップ層（１２）内に、前記フィルタ領域（１１）に対して交互になっている透過領域（１１’）を含み、前記透過領域（１１’）が、可視光線及び紫外線の放射の両方を透過するように設計された、請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
前記光チャネル領域（７’）が、それぞれの第２の光検出器活性領域（４）上にも配置され、光放射を前記それぞれの第２の光検出器活性領域（４）に向けて導くように構成される、請求項７又は８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記フィルタ領域（１１）が、前記可視光線放射をフィルタリングするように設計されたＲＧＢ、赤、緑及び青のフィルタを実装するために、前記可視光線スペクトルのそれぞれの部分を透過する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記単一の画像検出領域（１５’）が、紫外線及び可視光線の放射の両方に感度が高く、同時に同じ空間分解能を有するように設計されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１２】
半導体光センサ（１）の製造プロセスであって、前記製造プロセスが、
基板（２）を提供することと、
前記基板（２）内に複数の光検出器領域（４）を形成することと、
前記基板（２）上に配置され、多数の誘電体（６ａ）及び導電（６ｂ）層を含むＣＭＯＳ層スタック（６）を形成することと、
を含み、
多数の第１の光検出器領域（４）の上方に配置され、紫外線放射を前記第１の光検出器活性領域（４）に向かう可視光線放射に変換するように構成された紫外線変換領域（１０）を形成することをさらに含み、前記第１の光検出器活性領域（４）は、それによって、紫外線検出用の第１の光検出ユニット（１６）を画定するように設計されており、
前記第１の光検出器活性領域（４）に対して交互になっており、可視光線検出用の第２の光検出ユニット（１６）を画定するように設計された、多数の第２の光検出器活性領域（４）を、前記基板（２）内に統合することをさらに含み、前記光センサ（１）の光検出ユニット（１６）のアレイ（１５）を形成する前記第１及び第２の光検出ユニットは、紫外線及び可視光線の放射の両方に感度が高い単一の画像検出領域（１５’）を共に画定し、
前記第２の光検出器領域（４）の上方に配置され、可視光線放射を透過し、紫外線放射を通さない材料からできているフィルタ領域（１１）を形成することをさらに含むことを特徴とする、製造プロセス。
【請求項１３】
紫外線変換領域（１０）を形成することが、蛍光染料が浸漬される有機材料を堆積させることを含み、前記蛍光染料が、紫外線変換を行うように設計されている、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１４】
前記紫外線変換領域（１０）及び前記フィルタ領域（１１）を形成することが、蛍光染料を分散させたフォトパターニングが可能な有機材料層を堆積させ、前記紫外線変換領域（１０）を画定する蛍光材料のパッチを作ることを含む、請求項１２又は１３に記載のプロセス。
【請求項１５】
上部誘電体層（６ａ）から前記基板（２）の表面（２ａ）に向かって、前記ＣＭＯＳスタック（６）を通るトレンチ内に光チャネル領域（７’）を形成することと、
前記ＣＭＯＳスタック（６）内に統合された前記紫外線変換領域（１０）を画定するように設計された材料で前記光チャネル領域（７’）を充填することと、
をさらに含み、前記光チャネル領域（７’）の各々が、それぞれの第１の光検出器領域（４）上に配置され、光放射を前記それぞれの第１の光検出器領域に向けて導くように構成される、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記ＣＭＯＳスタック（６）の上部誘電体層（６ａ）の上方に配置されたキャップ層（１２）内に、前記フィルタ領域（１１）に対して交互になっている透過領域（１１’）を形成することを含み、前記透過領域（１１’）が、前記可視光線及び前記紫外線の放射を透過するように設計された、請求項１５に記載のプロセス。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本特許出願は、２０１７年１２月１２日出願のイタリア特許出願第１０２０１７０００１４３１７６号からの優先権を主張し、その開示全体が参考として本明細書に組み込まれている。
【技術分野】
【０００２】
本解決策は、可視光線及び紫外線の放射の両方を検出することができる半導体光センサ、及びその製造プロセスに関する。特に、以下の開示は、相補型金属酸化膜半導体（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ-Ｏｘｉｄｅ-Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＣＭＯＳ）技術に基づく半導体光センサに言及する。
【背景技術】
【０００３】
知られているように、宇宙、医療、又は家電分野などのいくつかの用途があり、可視光線放射（３８０〜７８０ｎｍの範囲の波長）及び紫外線-紫外線放射（３８０ｎｍ未満の波長）の両方の検出が必要とされる。
【０００４】
例えば、いわゆる「紫外線指数」の検出は、外部環境における紫外線放射の量を評価するためにポータブル電子デバイスに実装される機能であり、同一のポータブル電子デバイスは、写真又はビデオを撮るために、可視光画像センサをさらに備えることができる。
【０００５】
紫外線検出が多くの問題を引き起こすことも知られている。
【０００６】
特に、紫外線放射の吸収深さは非常に小さい（数ナノメートル）ので、放射の一部は、光センサの活性検出領域に到達する前に、光センサの構造に吸収され、したがって、信号変化に寄与せず、量子効率−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：ＱＥ−の損失を引き起こす。
【０００７】
標準的な光センサの構造内の窒化ケイ素層などの絶縁層は、紫外線範囲で特定の吸収を有する場合があり、この場合もＱＥ性能の悪化を引き起こす。これは、パッシベーション層なしでセンサを使用することを示唆し得るが、パッシベーション層がないと信頼性が低下する。
【０００８】
さらに、シリコン基板に直接入射する紫外線放射は、損傷（したがって、信頼性への懸念）、欠陥密度の増加（つまり、ダングリングボンドからの水素の脱離）、又は誘電体層のチャージアップを引き起こす可能性がある。
【０００９】
したがって、紫外線放射を可視光線放射に変換することができ、次に可視光線の波長帯で動作する従来の検出構造によって検出することができる、好適な材料の層の使用が示唆されている。
【００１０】
例えば、ｅ２Ｖ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓによる「Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｎｏｔｅ  ｏｎ  ＵＶ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ：Ｌｕｍｏｇｅｎ」は、光学スペクトルの紫外線（ＵＶ）領域における表面照射型電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅｓ：ＣＣＤ）の性能が、紫外線（可視光線よりも高いエネルギーを有する）を吸収し、それをより長い波長、又はより低いエネルギーの可視光線放射に変換することができる材料でできた紫外線変換コーティングの提供によって強化され得ることを示している。これらの材料は蛍光体と呼ばれる。これらの材料は、より高いエネルギー（より短い波長）の光によって励起され、より低いエネルギー（より長い波長）の光を放出することができることが分かっている。これが、これらの材料が「下方変換材料」とも呼ばれる理由である。特に、Ｌｕｍｉｌｕｘ、Ｌｉｕｍｏｇｅｎ及びＬｕｍｉｇｅｎとしても知られているＬｕｍｏｇｅｎと呼ばれる有機蛍光体の使用について説明する。吸収された紫外線放射は、Ｌｕｍｏｇｅｎ蛍光体を、高いＱＥ係数で、５００〜６５０ｎｍのスペクトル帯で発光させる。
【００１１】
一般に、可視光線及び紫外線を検出するための電子デバイスは、可視光線及び紫外線の放射をそれぞれ検出するために使用される２つの異なる別個の光センサを含む。各光センサは、入射光放射のそれぞれの波長帯の検出用に最適化され、半導体材料のそれぞれのダイ又はチップに製造される。
【００１２】
しかしながら、可視光線及び紫外線の検出の両方を実行することができる単一のチップを実装することは、例えば、ポータブル又はモバイルデバイスの分野において、占有面積及び製造コストを削減するため、並びに電力消費を低減するためにも望ましい場合がある。
【００１３】
米国特許出願公開第２０１６／０１４２６６０号明細書は、可視光線及び紫外線の検出機能の両方を１つの単一のチップに統合するための解決策を開示している。
【００１４】
図１に概略的に示すように、米国特許出願公開第２０１６／０１４２６６０号明細書に開示されている画像センサ１００は、可視光画像センサ１２０を統合する可視光線部分と、紫外線センサ１３０を統合する別個の異なる紫外線部分とに分割された半導体基板１１０を含む。
【００１５】
複数のセンサセルは、可視光線及び紫外線の部分の両方において、基板１１０上に形成され、複数のセンサセルのそれぞれは、可視光線に感度が高い光検出器を含む。
【００１６】
シングルチップ画像センサは、紫外線部分に配置された、紫外線を可視光線に変換する紫外線コーティング層を含むため、紫外線部分に形成されたセンサセルは、紫外線放射を検知することができ、可視光線部分に形成されたセンサセルは、依然として可視光線放射を検知することができる。
【００１７】
可視光画像センサモジュール及び個別の紫外線センサモジュールを含む解決策と比較した場合、米国特許出願公開第２０１６／０１４２６６０号明細書で説明されている解決策は、よりコンパクトでコスト効率が良い。
【００１８】
しかしながら、本出願人は、この解決策が依然として満足できるものではないことを認識している。特に、この解決策では、可視光線及び紫外線の情報の両方を含む単一の画像を同時に、同じ空間分解能で検出することはできない。
【００１９】
実際、上記の解決策では、紫外線センサ及び可視光線センサの領域が同じチップの別個の異なる領域を占有し、したがって、同じ空間分解能で、信号スペクトルの両方の範囲で単一の画像を再構築することができない。
【００２０】
米国特許第５，９９０，５０６号明細書は、好ましくは、ＣＭＯＳ製造プロセスと互換性のあるアクティブピクセルセンサアレイを有する半導体撮像システムを開示している。ポリマーフィルタ及び波長変換蛍光体などのカラーフィルタ素子を画像センサと統合することができる。
【００２１】
米国特許出願公開第２０１１／３０９４６２号明細書は、半導体基板及び複数のピクセル領域を含む光検出器を開示している。複数のピクセル領域のそれぞれは、半導体基板上に光学的に感度が高い層を含む。ピクセル回路は、複数のピクセル領域のそれぞれについて形成される。各ピクセル回路は、複数のピクセル領域のそれぞれについて、ピン止めされたフォトダイオード、電荷蓄積部、及び読み出し回路を含む。光学的に感度が高い層は、シリコンダイオードの一部と電気的に接続されて、ピン止めされたフォトダイオードを形成する。ピクセル領域を伴う光学的に感度が高い層と接続した２つの電極間の電位差は、時間依存バイアスを示す。第１のフィルムリセット期間中のバイアスは、第２の積分期間中のバイアスとは異なる。
【００２２】
欧州特許出願公開第０８４３３６３号明細書は、マトリックス上にフォトダイオードを有し、フォトダイオードの周囲の上層に形成された遮光膜を有する固体撮像素子を開示し、この固体撮像素子において、任意のフォトダイオード上層、又はフォトダイオード上層で遮光膜上端より下層に蛍光発光膜が設けられている。蛍光発光膜上層に蛍光発光膜の吸収波長は透過し、発光波長は反射する１層又は多層の干渉フィルタが設けられている。また、フォトダイオードのＮウェルを基板内深くまで形成し、感度のピーク波長を通常設定値の５５０ｎｍより長波長側にシフトさせている。したがって、本発明は、固体撮像素子の青感度を、蛍光顔料を用いて、隣接するフォトダイオードとのクロストークなく、高めることができる。
【発明の概要】
【００２３】
本解決策の目的は、既知の解決策の上記の制限を克服することを可能にする、改善された光センサを提供することである。
【００２４】
本解決策によれば、添付の特許請求の範囲に記載の通り、半導体光センサ及びその製造プロセスが結果として提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明をより良く理解するために、その好ましい実施形態を、単に非限定的な例として、添付の図面を参照して説明する。
【図１】既知のシングルチップ光センサの略図である。
【図２】本解決策の第１の実施形態による半導体光センサの断面図である。
【図３】図２の光センサの概略上面図である。
【図４Ａ】光センサの製造プロセスの連続するステップにおける図２の光センサの断面図である。
【図４Ｂ】光センサの製造プロセスの連続するステップにおける図２の光センサの断面図である。
【図４Ｃ】光センサの製造プロセスの連続するステップにおける図２の光センサの断面図である。
【図４Ｄ】光センサの製造プロセスの連続するステップにおける図２の光センサの断面図である。
【図５】本解決策のさらなる態様による半導体光センサの断面図である。
【図６】本解決策の第２の実施形態による半導体光センサの断面図である。
【図７Ａ】光センサの製造プロセスの連続するステップにおける図６の光センサの断面図である。
【図７Ｂ】光センサの製造プロセスの連続するステップにおける図６の光センサの断面図である。
【図７Ｃ】光センサの製造プロセスの連続するステップにおける図６の光センサの断面図である。
【図７Ｄ】光センサの製造プロセスの連続するステップにおける図６の光センサの断面図である。
【図８】本解決策のさらなる態様による半導体光センサの断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下で詳細に説明するように、本解決策の一態様は、半導体材料の同一のダイにおいて可視光線及び紫外線の検出能力の両方を備えたシングルチップ光センサ又は画像センサを提供する。この光センサには、単一の検出領域内に紫外線検出セル及び可視光線検出セルの両方が交互に配置されたセンシングセルのアレイが含まれるため、ダイは、紫外線及び可視光線の放射の検出を同時に実装するだけでなく、同じ空間分解能で実装する。
【００２７】
図２は、例として、ＣＭＯＳ半導体技術で作製された表面照射（ｆｒｏｎｔ−ｓｉｄｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ：ＦＳＩ）光検出器に関する、本解決策の第１の実施形態による光センサ１を示す。
【００２８】
光センサ１は、表面２ａ及び裏面２ｂを有する半導体材料、特にシリコンの基板２を含み、ここで、光センサ１の第１の外面を画定する。
【００２９】
基板２内の第１の表面２ａに複数の光検出器活性領域４が形成され、各々が光検出器のそれぞれの光検出ユニット（いわゆる「ピクセル」）の光検出領域を画定する。光検出器活性領域４は、基板２のドーピングタイプとは反対のドーピングタイプのドープ域であり、例えば、ドープ剤の注入又は拡散によって形成されてもよい。光検出器活性領域４は、基板２内にアレイパターンで配置される。
【００３０】
好都合なことに、光検出器活性領域４は、フォトダイオード、フォトトランジスタ又はフォトレジスタの活性領域を画定するように設計することができる。光検出器活性領域４に入射する光子は、電荷キャリアに変換され、入射光の強度に比例する出力電気信号を生成する。
【００３１】
例えば、フォトダイオードの活性領域は、ｎ（又はｐ）活性領域が電荷キャリア（電子／正孔対など）から空乏化され、したがって、入射光子がフォトダイオードの空乏領域によって収集された電子／正孔対を生成するように構成されたｐ−ｎ（又はｎ−ｐ）接合として、最も単純な形態で実現される。公知であるように、ｐｎｐ（又はｎｐｎ）接合も都合よく形成することができる。
【００３２】
好適な金属材料からなる光検出ユニットのゲート領域５は、基板２の表面２ａ上に形成され、２つのそれぞれの光検出器活性領域４の間の間隔領域に垂直に対応する位置に配置される。
【００３３】
光センサ１は、さらに、多数の積層された例えば酸化ケイ素からできている誘電体層６ａと、例えば金属材料からできている導電層６ｂとからなるＣＭＯＳスタック６を含む。図２に示す例では、２つの金属層が示されているが、異なる数の金属層が設けられてもよいことは明らかである。上部誘電体層６ａは、基板２の表面２ａに対向するスタック６の外面を画定する。
【００３４】
図示されていないが、当業者には明らかであるように、導電性ビア及び相互接続がＣＭＯＳスタック６に形成されて、光検出器活性領域４に向かう電気導電路と、スタック６の外面に配置された電気コンタクトパッド（これも図示せず）に向かう電気導電路とを画定し、光検出器活性領域４によって生成された出力電気信号を外部電気システムに供給することができる。
【００３５】
図２に示す実施形態では、光チャネル領域（いわゆる「ライトパイプ」）７が、スタック６を通って、上部誘電体層６ａから基板２の表面２ａに向かって形成され、各々がそれぞれの光検出器活性領域４上に配置され、光放射をそれぞれの光検出器活性領域４に向けて導くように構成される。ライトパイプ７は、可視光線放射を透過する好適な材料、例えば、シロキサンポリマーなどの有機ポリマーから形成される。
【００３６】
例えば窒化ケイ素からなるパッシベーション層８は、スタック６の上方、上部誘電体層６ａによって画定されるその外面上に形成される。
【００３７】
本解決策の特定の態様によれば、光センサ１は、紫外線放射を可視光線放射に変換することができる好適な材料でできた、ここではパッシベーション層８上に形成された紫外線変換領域１０をさらに含む。紫外線変換領域１０は、紫外線を変換するように設計された、蛍光染料が浸漬される有機材料で形成される。例えば、この有機材料はＳｉｌｅｃｓ  ＳＣ−４８０のようなシロキサンポリマーであってもよく、染料はＬｕｍｏｇｅｎのような蛍光性蛍光体であってもよい。紫外線を吸収して、可視光線を放出することができる下方変換材料の例としては、例えば、上記のＬｕｍｏｇｅｎ、Ｃｏｒｏｎｅｎｅ、ＡｌＱ３’、ＺｎＳ：Ｍｎなどが挙げられる。
【００３８】
紫外線変換領域１０は、紫外線放射を検出することを目的とする光検出器活性領域４のいくつかの位置に対応して垂直に配置される。
【００３９】
さらに、フィルタ領域１１は、パッシベーション層８上に形成され、シロキサン有機ポリマーなどの、可視光線放射を透過し、紫外線放射を通さない好適な材料からできている。フィルタ領域１１は、可視スペクトルのそれぞれの部分のみを透過してもよく、したがって、光放射をフィルタリング（既知の方法で、ここでは詳細に説明しない）するように設計されたＲＧＢ（赤、緑及び青）フィルタを実装する。
【００４０】
フィルタ領域１１は、所望のアレイパターンに従って、パッシベーション層８上の変換領域１０に対して交互になっている。特に、フィルタ領域１１は、可視光線放射を検出することを目的とする光検出器活性領域４の位置に対応して垂直に配置される。
【００４１】
したがって、光センサ１は、交互に並ぶ変換領域及びフィルタ領域１０、１１によって形成される、パッシベーション層８上のキャップ層１２を含む。
【００４２】
図３は、各々がそれぞれの光検出領域を含む、光センサ１の光検出ユニット（又はピクセル）１６のアレイ１５の可能なパターンの概略上面図を示す。この場合、アレイは行と列とを含み、紫外線放射の検出用のピクセルは、可視光線放射のそれぞれの色（赤「Ｒ」、緑「Ｇｒ」又は青「Ｂ」）の検出用のピクセルに対して交互になっている。
【００４３】
当業者には明らかであるように、紫外線放射及び可視光線放射用の交互のピクセルの他のパターンが、アレイ１５において等しく想定され得ることが強調される。例えば、紫外線放射に感度が高い各ピクセルは、アレイ１５の行及び／又は列に沿って、可視光線放射に感度が高い２つ以上のピクセルに対して交互になってもよい。
【００４４】
いずれの場合でも、アレイ１５は、紫外線及び可視光線の放射の両方に感度が高く、同時に同じ空間分解能を有する単一の画像検出領域１５’を画定する。
【００４５】
図２に示すように、光センサ１は、入射する電磁放射線を好適に集束（既知の方法で、ここでは詳細に説明しない）させ、光検出器活性領域４に向かう並行ビームを得るために、それぞれの光検出器活性領域４及び光検出器のピクセルに垂直に対応する、キャップ層１２上に配置されたマイクロレンズユニット１８をさらに含んでもよい。
【００４６】
動作中、上記図２において２０で示される、外部環境からの光放射は、存在する場合はマイクロレンズユニット１８を介して、光センサ１、特にキャップ層１２に到達し、同一のキャップ層１２を通って、下にある光検出器活性領域４に到達する。特に、すべての光検出器活性領域４は、フィルタ領域１１（ＲＧＢフィルタを実装している可能性がある）を直接通過するか、又は紫外線放射を可視光線放射に変換する紫外線変換領域１０によって実行される下方変換を介して可視光線放射を受け取る。
【００４７】
光検出器活性領域４は、受け取った光子を収集し、対応する出力電気信号を生成し、この出力電気信号は、外部処理システムと通信するために、ＣＭＯＳスタック６を介してその外面の電気コンタクトパッドに向けて送られる。可能な実施形態では、変換材料で覆われたピクセルで収集された信号と、紫外線放射を吸収し、可視光線を透過する材料で覆われたピクセルで収集された信号とを比較することによって、センサ表面に集束させた紫外線強度の分布をより正確に再構築することが可能である。
【００４８】
図４Ａに示すように、光センサ１の製造プロセスは、最初に、例えばドーパント原子の拡散又は注入によって、基板２内に光検出器活性領域４を形成することを想定している。
【００４９】
次に、金属層の堆積及びフォトリソグラフィー・パターニングによって、基板２の表面２ａ上にゲート領域５が形成される。続いて、図４Ｂに示すように、誘電体層と金属層とを交互に堆積及びパターニングすることによって、積層された誘電体層６ａと導電層６ｂとを含むＣＭＯＳスタック６が形成される。
【００５０】
次に、図４Ｃに示すように、光チャネル領域７がスタック６を通って形成される。特に、最初に、ＣＭＯＳスタック６の層を通って、基板の表面２ａに達するトレンチが形成され、次に、同一のトレンチの外側に除去されるフォトパターニングが可能な材料の堆積を介して、同一のトレンチが可視光線を透過する好適な材料で充填される。図示の例のように、上部誘電体層６ａは、光チャネル領域７上に形成されてもよい。
【００５１】
その後、図４Ｄに示すように、パッシベーション層８が堆積によってＣＭＯＳスタック６上に形成され、フィルタ領域１１が紫外線変換領域１０に対して交互になっているキャップ層１２がパッシベーション層８上に形成される。
【００５２】
特に、可能な実施形態は、センサアレイのピクセルのいくつかの上に紫外線変換領域１０を画定する蛍光材料のパッチを作るために、フォトパターニングが可能な有機材料層内に分散された蛍光染料の使用を想定することができる。センサアレイの残りのピクセルは、透明材料又は赤、緑、青のフィルタで覆われる。有機材料層は、フォトリソグラフィプロセスで光活性領域から除去することができる。
【００５３】
次に、マイクロレンズユニット１８をキャップ層１２上に形成して、図２に示す結果として得られる構造を得ることができる。
【００５４】
図５に示すように、説明する実施形態は、ＣＭＯＳ半導体技術で作製される裏面照射（ｂａｃｋ−ｓｉｄｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ：ＢＳＩ）光検出器にも実装され得る。
【００５５】
この場合、基板の表面２ａ上に先と同様に形成されたＣＭＯＳスタック６の外面が、光センサ１の外面を画定する。この場合、パッシベーション層８及びキャップ層１２は、基板２の裏面２ｂ上に形成され、マイクロレンズユニット１８は、必要に応じてキャップ層１２上に先と同様に形成される。
【００５６】
この実施形態は、光放射２０を外部環境から基板２内の光検出器活性領域４に向かって導き、金属線との相互作用を最小化するという利点をもたらすことができる。
【００５７】
次に、図６を参照して、本解決策の第２の実施形態を、再び表面照射光検出器に関して説明する。
【００５８】
この第２の実施形態では、ここで７’で示される光チャネル領域は、紫外線放射を可視光線放射に変換することができる好適な材料、例えば、蛍光染料が浸漬される有機材料で充填され、それによって、光センサ１の紫外線変換領域１０を構成し、ここではＣＭＯＳスタック６内に統合されている。有機材料は、Ｌｕｍｏｇｅｎのような蛍光性蛍光体などの染料を含むシロキサンポリマーであってよい。
【００５９】
光チャネル領域７’は、ここではＣＭＯＳスタック６を通って基板２の表面２ａに達し、さらに、パッシベーション層８を通ってその外面に達するように形成される。
【００６０】
図示の実施形態では、光チャネル領域７’は、紫外線放射を検出することを目的とする光検出器活性領域４のいくつかの位置に対応して垂直に形成される。これに対して、可視光線放射を検出することを目的とする光検出器活性領域４上には、光チャネル領域はここでは形成されない。
【００６１】
この場合、透過領域１１’は、パッシベーション層８上に形成され、所望のアレイパターンに従ってフィルタ領域１１に対して交互になっている。
【００６２】
特に、この場合、透過領域１１’は、光チャネル領域７’に垂直に対応する位置に配置され、可視光線及び紫外線の放射の両方の波長帯を透過するように設計される。一方、可視光線放射を検出することを目的とする光検出器活性領域４に垂直に対応する位置に配置されたフィルタ領域１１は、可視光線放射を透過し、紫外線放射を通さない好適な材料からできている。
【００６３】
フィルタ領域１１は、可視スペクトルのそれぞれの部分のみを透過してもよく、したがって、光放射をフィルタリング（既知の方法で、ここでは詳細に説明しない）するように設計されたＲＧＢ（赤、緑及び青）フィルタを実装する。
【００６４】
フィルタ領域及び透過領域１１、１１’は、この場合、パッシベーション層８上に配置された光センサ１のキャップ層１２を画定する。
【００６５】
したがって、この第２の実施形態でも、光センサ１は、単一の画像検出領域１５’内に、光検出ユニット（又はピクセル）１６のアレイ１５を含み、紫外線放射の検出用のピクセルは、可視光線放射の検出用のピクセルに対して交互になっており、紫外線及び可視光線の放射の両方に感度が高く、同時に同じ空間分解能を有する。
【００６６】
さらに、光センサ１は、それぞれの光検出器活性領域４及び光検出器のピクセルに垂直に対応する、キャップ層１２上に配置されたマイクロレンズユニット１８を先と同様に含んでもよい。
【００６７】
第２の実施形態の製造プロセスは、図７Ａに示すように、例えばドーパント原子の拡散又は注入によって、基板２内に光検出器活性領域４を形成することを先と同様に想定している。
【００６８】
次に、金属層の堆積及びフォトリソグラフィー・パターニングによって、基板２の表面２ａ上にゲート領域５が形成される。続いて、誘電体層と金属層とを交互に堆積及びパターニングすることによって、積層された誘電体層６ａと導電層６ｂとを含むＣＭＯＳスタック６が形成される。次に、図７Ｂに示すように、パッシベーション層８がＣＭＯＳスタック６上に形成される。
【００６９】
光チャネル領域７’及び対応する紫外線変換領域１０は、図７Ｃに示すように、スタック６及びパッシベーション層８を通って、紫外線放射を検出することを目的とする光検出器活性領域４の位置に対応して垂直に形成される。特に、最初に、ＣＭＯＳスタック６及びパッシベーション層８を通って、パッシベーション層８の外面から基板２の表面２ａに達するトレンチが形成され、次に、同一のトレンチの外側に除去されるフォトパターニングが可能な材料の堆積を介して、同一のトレンチが紫外線放射を可視光線放射に変換するように設計された好適な材料で充填される。
【００７０】
その後、図７Ｄに示すように、フィルタ領域及び透過領域１１、１１’が交互になっているキャップ層１２がパッシベーション層８上に形成される。
【００７１】
次に、マイクロレンズユニット１８をキャップ層１２上に形成して、それによって、図６に示す構造を得ることができる。
【００７２】
提案された解決策が達成することを可能にする利点は、前述の開示から明らかである。
【００７３】
いずれの場合でも、開示された解決策が従来技術の解決策と比較して、以下のような多くの改善点を提供することが再度強調される。
−同じ空間分解能で、両方のスペクトル領域から得られる情報を含む、チップ上の同一の焦点画像から紫外線及び可視光線を再構築することが可能なこと。
−より簡単で安価な統合。
−占有面積が小さくなり、システムがよりコンパクトになること。
【００７４】
開示された第２の実施形態は、紫外線変換領域１０が光チャネル領域７’の全深さ内に分布するため、より深い活性領域にわたって可視光線を検出することを可能にするので、有利であり得る。
【００７５】
半導体光センサ１の製造プロセスは、一般に、標準的なＣＭＯＳ製造プロセスのＢＥＯＬ又はバックエンドのステップで有利に実行される追加のステップを必要とし、したがって、一般的なプロセスに対する大規模な変更を必要としない。
【００７６】
上述した特徴は、半導体光センサ１が、スマートフォン、タブレット、又は一般にモバイルデバイス若しくはハンドセットのようなモバイルデバイスの内部に埋め込まれる場合に特に有利である。実際、説明した解決策は、モバイルデバイスに一般的に必要とされる低コスト及び低サイズの要件を達成することを可能にする。
【００７７】
最後に、添付の特許請求の範囲に記載の通り、本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書で説明及び図示されたものに対して修正及び変形を行うことができることは明らかである。
【００７８】
特に、画像検出領域１５’内の光センサ１のアレイ１５において、可視光線放射を検出するように設計されたピクセルと紫外線放射を検出するように設計されたピクセルとの交互配置に関して、異なるパターンが想定され得ることが再度強調される
【００７９】
さらに、他の点では図６の第２の実施形態と同様である、図８に示すさらなる可能な実施形態では、光チャネル領域７’は、すべての光検出器活性領域４上に設けられてもよい。
【００８０】
また、説明した解決策は、表面照射センサ及び裏面照射センサの両方、並びに、例えば、ｐ−ｎ接合、ｐ−ｉ−ｎ検出器、又はＳＰＡＤアバランシェフォトダイオードを含む種々のタイプの光検出器に好適であることも強調される。
【国際調査報告】
2021509544.tif 000017
2021509544.tif 000018
2021509544.tif 000019