CN104583826A - 用于降低光检测器中的信号损失的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示光子结构及形成方法，其中具有结晶错配位错的光检测器界面(140)相对于波导核心(121)移位以降低暗电流对所检测光学信号的影响。
Description
技术领域
本发明描述涉及降低光检测器中的光学信号损失的实施例。
背景技术
光子装置现今集成在与电子电路(例如CMOS电路)相同的衬底上。用于此集成的衬底材料通常为硅(块状硅或绝缘体结构上的硅)。许多光子装置可形成在提供在衬底上方的图案化硅层中。例如，衬底上方的波导核心可由硅形成，衬底也可为硅衬底，前提是硅波导核心被具有比所述核心的硅低的折射率的包层环绕。二氧化硅通常用作合适的包层材料，因为相较于硅的约3.45折射率，二氧化硅具有约1.45折射率。其它材料也可用作波导核心及包层材料，前提是在核心的较高折射率与包层的较低折射率之间存在足够差值。
然而，一些光子装置必须由除硅外但与硅介接的材料形成。光检测器(例如具有P区域及N区域(其间具有本征区域)的PIN光二极管)的P区域及N区域可由硅形成，且光检测器的本征区域可由锗或硅-锗材料(对于用于光检测器的硅-锗材料，锗摩尔分率应为至少30％)形成。出于本文论述的目的，在论述硅锗材料时，将假设其具有至少30％的锗摩尔分率。锗或硅-锗通常优选用于接收光的光检测器中，因为对于大于1.1μm的波长的光，锗或硅-锗比硅更灵敏。
在锗或硅-锗材料经形成与硅接触(例如在与PIN二极管的硅P区域或N区域介接的界面处)时，在所述界面处发生晶格失配缺陷。例如，在锗到硅界面处，存在4.2％晶格失配。晶格失配形成错配位错，其在界面处形成电荷捕获状态。捕获状态可通过在光检测器的能带隙中产生导致暗电流产生的能阶而干扰光电转换过程。暗电流降低光检测器的总信噪比且降低其对所接收光的光电转换的响应能力。
将需要一种减轻错配位错及对应的捕获状态对光检测器对光的响应能力的影响的光检测器结构及其制作方法。
附图说明
图1说明本发明的第一实施例；
图2说明本发明的第二实施例；
图3说明本发明的第三实施例；
图4说明本发明的第四实施例；
图5A、5B、5C、5D、5E说明用于形成图1实施例的方法实施例的连续步骤；及
图6A、6B、6C说明用于形成图2实施例的第二方法实施例的连续步骤。
图7A及7B分别说明替代实施例。
具体实施方式
本文中所描述的实施例提供一种光检测器，其中在与波导核心相同的平面上不存在于例如锗或硅-锗的本征区域与半导体(例如硅)区域之间的界面处发生的错配位错及相关联电荷捕获状态，所述波导核心光学耦合到光检测器的本征区域。通过使界面以及相关联错配位错及捕获状态移位到低于或高于波导核心的高度，将缺陷从光检测器的光接收本征区域移除。此降低暗电流且提供改进的光检测器信噪比。
图1说明第一结构实施例，其中PIN二极管光检测器134经形成以接收来自相邻波导核心121的光。硅衬底111具有形成在其中的浅沟槽隔离区域，其含有氧化物119，例如，二氧化硅。浅沟槽隔离区域提供上表面120，波导核心121形成在上表面120之上。浅沟槽隔离区域可具有至少1μm的厚度。波导核心121可由具有比沟槽氧化物119高的折射率的硅形成。氧化物123(例如，二氧化硅)还提供在侧面上且在波导核心121上方，使得波导核心121被包层氧化物环绕。以此方式，通过核心121以及由氧化物119及氧化物123提供的包层形成光波导。其它材料也可用于形成核心121以及包层119及123，前提是波导核心121的材料的折射率比包层材料的折射率高。
硅衬底111具有上表面112，其凹陷到上方形成波导核心121的氧化物表面120的高度下方。衬垫氧化物113提供在硅衬底111的上表面112处。或者，如下文将参考用于形成图1结构的方法进一步描述，衬垫氧化物113可被省略。PIN光检测器134的本征区域125是由例如锗或硅-锗形成，且提供在氧化物123中的开口150内，使得本征区域125的下表面与硅衬底111形成界面140。硅衬底111在其上部分处包含N阱区域114。本征区域125的材料与下伏硅N阱114之间的界面140(此处将发生错配位错)向下移位到氧化物119的上表面120下方，且因此到波导核心121的最低高度下方。硅衬底111的上表面112在高度上从氧化物119的上表面120向下移位达从约1埃到约10纳米的范围内的距离d1。因此，界面140放置在接收来自波导核心121的光的本征区域125的范围下方，且暗电流降低。本征材料125的上表面也在开口150内凹陷且P掺杂硅层在其中形成为硅插塞132。本征材料125与硅插塞132的界面138在高度上相对于波导核心121的上表面向上移位也达从约1埃到约10纳米的范围内的距离d3，以降低所述界面处的界面捕获状态对从波导核心121接收的光子的影响。
图1还展示N阱114中的更重N掺杂欧姆接触区域192，其用于连接提供与N阱114的电连接的导体填充通孔160。同样地，比硅插塞132更重P掺杂的欧姆接触区域190提供在硅插塞132内用于电接触到硅插塞132。
如图1中所展示，波导核心从PIN二极管光检测器134稍微侧向隔开，使得波导核心121到本征材料125的耦合是通过消散波耦合。在操作中，将由本征材料125从核心121接收的光子转换成电子及空穴，其分别流动到N阱114及P型硅插塞132，而本征材料125与N阱114及硅插塞132的界面处的捕获状态对光子转换的影响甚微
图2说明另一实施例，其中光检测器170的本征区域126与N阱区域114区域的界面140a移位到氧化物119的上表面下方，且因此到波导核心121的最低高度下方。在此实施例中，通过提供在氧化物123中的第一上开口部分135及其下方提供在N阱114内的第二下开口部分137，提供高纵横比(深度除以宽度)结构。上开口部分135及下开口部分137的侧壁内衬有氧化物衬里127，其还可在波导包层氧化物123上方延伸。氧化物衬里127不存在于下开口部分137的底部处。上开口部分135及下开口部分137填充有本征材料(例如，锗或硅-锗)以形成光检测器170的本征区域126。本征材料可为N型或P型，且具有小于1E15cm-3的低掺杂浓度。例如，本征材料可为具有小于1E15cm-3的掺杂浓度的N型。在开口部分137的底部处的硅衬底111的本征区域126与N阱区域114的界面再次移位到浅沟槽氧化物119的上表面下方达约1埃到约10纳米的范围内的距离d2，且因此到波导核心121的最低高度下方。上开口部分137内的本征材料区域126的上表面凹陷，且P掺杂硅插塞132形成在凹部中。本征区域126与P掺杂硅插塞132的界面138也移位到波导核心121的上表面上方达约1埃到约10纳米的范围内的距离d3，以在所述界面处的捕获状态下降低暗电流。
图2实施例还具有从本征区域126侧向隔开的波导核心121，且将其间的消散波耦合用于从核心121到本征区域126的光学信号传送。
图2实施例还包含延伸穿过氧化物123及氧化物衬里127到N阱114的导电通孔160，及在N阱中用于提供到N阱114的良好欧姆接触的更重掺杂N区域192。硅插塞132还包含更重掺杂P区域190，其用于提供到硅插塞132的良好欧姆接触。
图1及图2实施例展示波导核心121与光检测器134(图1)或170(图2)之间的侧向间隔及消散波耦合。然而，如在各自图3及4中所展示，图1及图2可经修改以通过使波导核心121向上抵靠光检测器134(图1)或170(图2)的本征区域进行对接来获得波导核心121到光检测器的对接耦合。在图4中，对接耦合在波导核心121与光检测器170之间具有中介氧化物衬里127。在中介氧化物厚度为入射光波长(在真空中测量时)除以氧化物折射率的四分之一时，从波导核心121到光检测器170的透射最大化，从而有效形成四分之一波涂层。
现将关于图5A-5E描述制作图1结构的方法的一个实例。除使波导核心121及光检测器134抵靠彼此定位外，可使用相同方法制作图2结构。
图5A说明硅衬底111，其上方通过例如热生长或通过沉积技术形成衬垫氧化物113，例如，二氧化硅。硬掩模115沉积在衬垫氧化物113上方，且通过例如选择性蚀刻图案化，以提供到衬垫氧化物113的开口116。硬掩模可由各种材料形成，例如氮化硅、氮化硅与硅氧化物的组合，或将容许选择性蚀刻衬垫氧化物113及硅衬底111而不蚀刻硬掩模115的其它硬掩模材料。
如图5B中所展示，接着将图案化硬掩模115作为蚀刻掩模使用，且使用已知蚀刻技术蚀刻衬垫氧化物113及下伏硅衬底111两者，以形成浅沟槽117。如图5C中所展示，沟槽117填充有氧化物119(例如，二氧化硅)，其接着平面化到硬掩模115的上方高度。浅沟槽可具有至少1μm的深度。
接着，如图5D中所展示，使用已知技术移除硬掩模115，且波导核心材料(例如硅)沉积在氧化物119上方且经图案化以形成波导核心121。衬垫氧化物113还可任选地在此时移除或可保留在适当位置，如图5D中所展示。此外，N型阱114通过掺杂剂植入形成在硅衬底111中。如果衬垫氧化物113未移除，那么此植入掺杂穿透衬垫氧化物113而发生。如图5D中所展示，上表面N阱114现在高度上相对于氧化物119的上表面120及波导核心121的下表面的高度向下移位达距离d1。此距离d1的量是由硬掩模115的厚度决定，其两者可在约1埃到约10纳米的范围内。
然后，如图5E中所展示，氧化物123(例如，二氧化硅)沉积在硅衬底111及波导核心121上方，且经选择性蚀刻以形成开口150，此开口150中将形成光检测器134。光检测器134通过本征材料125(例如，锗或硅锗)的外延生长形成在开口150内，直到生长到达氧化物123的上表面为止。外延生长平面化到氧化物123的上表面。接着，本征材料125在开口150内回蚀，以在开口150中形成凹部。接着硅层沉积在衬底及氧化物123上方，且平面化到氧化物123的高度，以用硅插塞132塡充凹部。硅插塞132掺杂有P型掺杂剂，且连同本征区域125及N阱144一起形成PIN二极管结构(作为光检测器134)。
本征区域125与N阱114的界面140及本征区域125与P型硅插塞132的界面138两者分别在高度上远离波导核心121的下表面及上表面移位达距离d1及d3，使得界面处的捕获状态远离本征材料125内的发生光转换的区域移位。如所述，界面128比波导核心121的较低高度降低的量是由硬掩模115的厚度决定，所以可容易通过控制硬掩模115的制造厚度获得所期望高度偏移。本征区域125与硅插塞132之间的界面从波导核心121的上表面向上移位的量是由氧化物123的厚度及在开口150中通过回蚀本征材料125形成的凹部的深度决定，且可经选择以也产生界面相对于波导核心121的上表面的向上移位，其具有距离d3。
图5E还展示在硅插塞132中形成欧姆接触区190及在N阱114中形成欧姆接触区192。欧姆接触区190比硅插塞132更重地P掺杂，而欧姆接触区192比N阱114更重地N掺杂。导电通孔160还经形成连接欧姆接触区192。作为替代，硅插塞132可经足够高掺杂以提供欧姆接触，且接触区190可为硅插塞132的自对准硅化区(salicided area)。
图6A到6C说明用于形成图2结构的实例性方法。所述方法遵循图5A到5D中的工艺流程。在形成图5D中的结构且在硅衬底111中形成N阱114之后，移除或任选地保留衬垫氧化物113，且在波导核心121及硅衬底111上方形成氧化物(例如，二氧化硅)层123。图6A到6C展示移除氧化物衬垫113。接着，在将形成光检测器170的区处，在氧化物123中向下蚀刻开口150到硅衬底111内的N阱114的表面112。此形成上开口部分135。在开口部分135的侧壁及氧化物层123的表面上形成氧化物(例如，二氧化硅)衬里127。然后，在上开口135的侧壁上的氧化物衬里127上方形成例如氮化硅的间隔件129。接着，使用间隔件129作为蚀刻掩模蚀刻氧化物衬里127的底部及N阱114，以形成下开口部分137，如图6B中所展示。上开口部分135比下开口部分137宽例如达一定数量级。接着，将间隔件129从第一上开口部分135移除，且然后，通过热生长或沉积使下部分137的侧壁处的N阱所暴露的表面内衬有氧化物134，例如二氧化硅。接着，在第二下开口部分137的底部处各向异性蚀刻氧化物衬里134以暴露N阱114。接着，用本征材料126(例如，锗或硅-锗)塡充开口(上部分135及下部分137两者)。本征材料126与N阱114的界面140a刚好在波导核心121的最低高度下方的距离d2处，使得界面140a处的捕获状态产生降低的暗电流，其改进光检测器170的信噪比。如参考图2所述，距离d2是在1埃到10nm的范围内。
开口150内的本征材料135经回蚀以使其上表面凹陷，并且硅经沉积及P型掺杂而平面化到氧化物衬里127的高度。硅插塞132与本征材料126之间的界面138相对于波导核心121的顶部表面向上移位达约1埃到约10nm的范围内的距离d3。通过使欧姆接触区190比硅插塞132的其余部分更重地P掺杂，在硅插塞132中形成所述欧姆接触区190。或者，硅插塞a32可经足够高掺杂以提供欧姆接触且接触区190可为硅插塞132的自对准硅化区。同样地，在N阱114中形成比N阱114更重地N掺杂的欧姆接触区192。导电通孔形成在氧化物123中且连接欧姆接触区192。
图3及4中说明的其中波导核心121邻接光检测器134或170的结构可通过用于形成图1及2的结构的相同方法来形成，只是所形成光检测器134及170以及波导核心121的位置使得其抵靠彼此进行向上对接。
应理解，虽然在各个实施例中，PIN结构被说明为具有在衬底111中形成P区域的硅插塞132及在衬底111中形成N区域的N阱114，但此类区域的导电性掺杂可颠倒，使得PIN光检测器在衬底111中形成有N型硅插塞132及P阱114。同样地，虽然在所说明实施例中展示PIN二极管结构，但光检测器内的不同结晶结构之间的界面相对于波导核心的移位也可应用于其它二极管结构。
图7A及7B分别以简化形式展示形成本征区域125(图1)或126(图2)的替代结构及方法。在本征材料(例如，锗或硅-锗)的外延生长开始时，初始生长可掺杂为与形成转变区域196的硅衬底111中的掺杂阱相同的导电性。因此，随着锗或硅锗本征区域125或126开始形成，其可在N阱114提供在硅衬底111中时进行N掺杂。本征材料的此N掺杂转变区域196改进光检测器134或170的灵敏度。还可通过形成在外延生长期间转变为本征区域材料(例如，锗或硅-锗)的掺杂硅的N掺杂转变区域196来获得改进的灵敏度。
虽然揭示不同结构及方法实施例，但此类实施例不限制本发明，因为可进行不背离本发明的精神或范围的修改。因此，本发明不受图式或以上描述限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。
Claims (44)
1.一种光子结构，其包括：
光检测器，其在光接收区域与第一半导体区域之间具有第一界面，所述第一界面在所述光接收区域与所述第一半导体区域之间具有品格失配；及
波导核心，其用于在所述光接收区域内的从所述界面移位的位置处将光信号供应到所述光接收光检测器。
2.根据权利要求1所述的光子结构，其中所述光接收区域内的所述位置在高度上从所述界面移位。
3.根据权利要求2所述的光子结构，其中所述光接收区域包括本征区域且所述第一半导体区域具有第一类型的导电性。
4.根据权利要求3所述的光子结构，其中所述半导体区域为衬底的一部分，所述光子结构进一步包括：
隔离区域，其形成在所述衬底上且具有处于比所述衬底的上表面高的高度水平的上表面，所述波导核心位于所述隔离区域的所述上表面上且所述第一界面位于所述衬底的所述上表面处。
5.根据权利要求4所述的光子结构，其中所述隔离区域为至少部分形成在所述衬底内的沟槽隔离区域。
6.根据权利要求4所述的光子结构，其中所述第一半导体区域为所述半导体衬底中的阱。
7.根据权利要求4所述的光子结构，其中所述光检测器进一步包括第二半导体区域及所述本征区域与所述第二半导体区域之间的第二界面，所述第二半导体区域具有第二类型的导电性。
8.根据权利要求7所述的光子结构，其中所述第一类型的导电性为N型且所述第二类型的导电性为P型。
9.根据权利要求7所述的光子结构，其中所述第一半导体区域及所述第二半导体区域包括硅。
10.根据权利要求9所述的光子结构，其中所述波导核心包括硅。
11.根据权利要求9所述的光子结构，其中所述本征区域包括锗及硅-锗中的一者，其中所述硅锗中的锗的摩尔分率包括至少30％。
12.根据权利要求7所述的光子结构，其中所述本征区域在高度上从所述第二界面移位的位置处接收来自波导的光。
13.根据权利要求4所述的光子结构，其中所述隔离区域的所述上表面在高度上从所述衬底的所述上表面移位达约1埃到约10nm的范围内的距离。
14.根据权利要求7所述的光子结构，其中所述第二界面在高度上从所述波导核心的上表面移位达约1埃到约10nm的范围内的距离。
15.根据权利要求5所述的光子结构，其中所述沟槽隔离区域为具有至少1μm的厚度的浅沟槽隔离区域。
16.根据权利要求7所述的光子结构，其进一步包括提供在所述波导核心及所述衬底上方的氧化物层，所述光检测器本征区域形成在所述氧化物层的开口中，所述第二半导体区域形成在所述本征区域上方的所述开口中。
17.根据权利要求3所述的光子结构，其中所述波导核心消散波耦合到所述本征区域。
18.根据权利要求3所述的光子结构，其中所述波导核心对接耦合到所述本征区域。
19.根据权利要求16所述的光子结构，其中所述开口具有上部分及下部分，所述上部分比所述下部分宽。
20.根据权利要求19所述的光子结构，其中所述上部分及所述下部分的侧壁具有氧化物衬里。
21.根据权利要求19所述的光子结构，其中所述下部分延伸到所述第一半导体区域中。
22.根据权利要求7所述的光子结构，其中所述本征区域进一步包括邻近所述第一半导体区域的转变区域。
23.一种形成光子结构的方法，其包括：
在半导体衬底上形成电介质区使得所述电介质区的上表面处于比所述半导体衬底的上表面高的高度；
在所述电介质区的所述上表面上形成波导核心；及
在所述半导体衬底的所述上表面上形成光检测器材料，从而所述光检测器材料与所述半导体衬底的界面处于比所述波导核心的下表面低的高度。
24.根据权利要求23所述的方法，借此所述光检测器材料形成PIN光检测器的本征区域。
25.根据权利要求24所述的方法，其进一步包括在形成所述光检测器材料之前在所述波导核心及所述衬底上方形成电介质材料，及在所述电介质材料中到所述衬底的开口中形成所述光检测器材料。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述波导核心及所述PIN光检测器形成于在其间提供消散波耦合的位置处。
27.根据权利要求24所述的方法，其中所述波导核心及所述PIN光检测器形成于在其间提供对接耦合的位置处。
28.根据权利要求23所述的方法，其中所述电介质区包括氧化物填充的浅沟槽隔离区。
29.根据权利要求25所述的方法，其中所述电介质材料包括氧化物材料。
30.根据权利要求24所述的方法，其中所述光检测器材料包括锗及硅-锗材料中的一者，其中所述硅-锗材料中的锗的摩尔分率包括至少30％。
31.根据权利要求23所述的方法，其中所述半导体衬底及所述波导核心包括硅。
32.根据权利要求25所述的方法，其中所述开口具有延伸到所述衬底表面的较宽上部分及延伸到所述衬底中的较窄下部分。
33.根据权利要求1所述的结构，其中所述低高度的波导核心在高度上从所述半导体衬底的所述上表面向上移位达约1埃到约10nm的范围内的距离。
34.根据权利要求24所述的方法，其进一步包括形成接触所述本征区域的侧面的半导体区域，所述侧面与所述本征区域的接触所述半导体衬底的侧面相对。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述本征区域与所述半导体区域之间的界面在高度上从所述波导核心的上表面向上移位达约1埃到约10nm的范围内的距离。
36.一种形成光子结构的方法，其包括：
在衬底上方形成氧化物材料；
在所述氧化物材料的一部分上方形成硬掩模材料；
在未形成所述硬掩模的区中蚀刻所述氧化物材料及所述衬底；
用第一电介质填充所述所蚀刻区到所述硬掩模的上表面的高度；
移除所述硬掩模；
在所述第一电介质上方形成波导核心；
在所述波导核心及所述衬底上方形成第二电介质；
在所述第二电介质中形成开口至少到所述衬底表面；及
在所述开口中形成光检测器材料，从而所述光检测器材料的下表面处于比所述波导核心的下表面低的高度。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述第二电介质材料包括二氧化硅。
38.根据权利要求36所述的方法，其中所述硬掩模材料包括氮化硅。
39.根据权利要求36所述的方法，其中所述第一电介质包括二氧化硅。
40.根据权利要求36所述的方法，其中所述波导核心包括硅。
41.根据权利要求36所述的方法，其中所述光检测器材料形成光检测器的本征区域。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述光检测器材料包括锗及硅-锗中的一者，其中所述硅锗中的锗的摩尔分率包括至少30％。
43.根据权利要求36所述的方法，其进一步包括在所述所形成的光检测器材料上方的所述开口中形成凹部，及在所述凹部中形成接触所述光检测器材料的半导体材料。
44.根据权利要求36所述的方法，其中形成所述开口至少到所述衬底表面包括：
形成上开口部分到所述衬底的上表面；
在所述上开口部分的侧壁上形成衬里；
在所述衬里上方形成间隔件；
使用所述间隔件作为掩模蚀刻所述开口的下部分到所述衬底中；
移除所述间隔件；
用氧化物内衬所述开口的所述下部分的所述侧壁；及
用所述光检测器材料塡充所述开口的所述上部分及所述下部分。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |