CN105637639A - 提供具有缺陷的减少的外延光子装置的方法及所得结构 - Google Patents
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Abstract
本发明描述一种形成光子装置的方法及所得结构，其中所述光子装置在衬底表面上方竖直地外延生长且在形成于所述衬底表面中的沟槽隔离区域上方横向地外延生长。
Description
政府权利
本发明是在由DARPA授予的协议HR0011-11-9-0009下借助政府支持而作出。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本文中所揭示的实施例涉及采用外延生长形成光电检测器结构的方法及所得结构。
背景技术
外延是指通过上覆层在晶体衬底(其中上覆层与衬底对齐)上的生长的沉积。衬底表面充当用于生长的晶种层。外延材料可为从气体或液态前驱物生长。由于衬底表面充当晶种，因此外延生长锁定为晶体衬底的一或多个晶体图形定向。外延生长广泛用于集成电路的制造中且可在各种类型的晶体基底材料(举例来说，半导体衬底)上制作且由各种外延材料制作。作为实例，外延硅生长可提供于硅衬底上，例如块体硅衬底及绝缘体上硅(SOI)衬底。然而，外延生长的材料趋向于在生长期间于所生长材料的限制侧边缘处形成晶体缺陷(称为位错及堆叠层错)。这些晶体缺陷可导致由外延材料制作的装置内或所述装置之间的不期望电荷泄漏或者减小装置电效率的不期望电子-空穴电荷重组位点。如果将所生长外延材料用于形成电光光子装置(例如光电检测器)，那么这些缺陷可导致暗电流且还减小光子装置的效率。
对外延生长的材料中的位错及堆叠层错问题的一种解决方案是使用外延层生长于其上的下伏硅层的特定晶体定向。举例来说，美国专利第7,906,830号描述一种集成结构，其中将硅衬底定向改变成“111”，使得沿着限制侧壁的硅晶体定向在“100”方向上。虽然美国专利第7,906,830号中所描述的晶片重新定向可减少位错及堆叠层错，但出于其它技术原因(例如优化经制作晶体管及可形成于衬底上的其它结构的性能)，以此方式使晶片定向通常为不合意的。
期望提供具有较少位错及堆叠层错且不需要衬底的特定晶体定向的电光光子装置(例如光电检测器)的外延生长的方法及所得结构。
附图说明
图1以横截面图解说明根据本发明的实施例的用于形成电光光子装置的起始结构；
图2图解说明处于后续处理阶段的图1结构的横截面；
图3图解说明处于后续处理阶段的图2结构的横截面；
图4图解说明处于后续处理阶段的图3结构的横截面；
图5图解说明处于后续处理阶段的图4结构的横截面；
图6图解说明处于后续处理阶段的图5结构的横截面；
图7图解说明具有沿着图6中的线7-7的电极的图6结构的平面图；
图7A图解说明沿着图7中的线7A-7A的横截面图，其较详细地展示电极；
图8图解说明具有沿着图6中的线7-7的不同布置的电极的图6结构的平面图；
图8A图解说明沿着图8中的线8A-8A的横截面图；且
图9图解说明另一实施例的横截面；
图10图解说明处于后续处理阶段的图9结构。
图11图解说明包含光子区及CMOS电路区的混合集成电路结构的横截面。
具体实施方式
本发明提供其中位错及堆叠层错缺陷减少的外延生长的电光光子装置(例如光电检测器)及制作方法。此通过在形成于衬底上面的开口中竖直地外延生长光电导体材料来实现。所述开口具有大于衬底的接触区(在其处开始外延生长)的横向区的横向区。接触区界定于形成于衬底表面处的沟槽隔离区域之间。开口重叠充当突出部的沟槽隔离区域的侧边缘部分以减小接触区的大小(与开口的大小相比)且提供用于光电导体的生长期间的横向应力减轻的区。沟槽隔离区域可为通常用于隔离电子集成电路中的作用装置的深沟槽隔离区域或浅沟槽隔离(STI)区域。光电检测器材料(例如，锗或硅-锗)可从接触区竖直地向上外延生长且还在沟槽隔离区域的开口部分内的侧边缘上方横向地外延生长。在外延生长期间提供的应力减轻导致光电导体中的较少侧边缘位错及堆叠层错。
现在结合图1到8A描述制作光电检测器的方法及所得结构的实施例。应理解，下文所描述的特定材料及材料层是可使用的材料及材料层的实例；然而，本发明并不限于这些特定材料及材料层。此外，虽然本文中将光电检测器描述为可由外延生长而制作的一个种类的电光光子装置，但本文中描述的方法及结构化实施例并不限于形成光电检测器且可在外延生长中用于形成其它电光光子装置，例如调制器、解调器、混合器、多路复用、多路分用及其它。
图1图解说明包含其中形成沟槽隔离区域103的块体半导体衬底101的起始结构。虽然沟槽隔离区域可具有任何期望深度(例如，深或浅沟槽隔离区域)，但为方便起见，下文将隔离区域描述为通常用于隔离集成电路中的电子装置的浅沟槽隔离(STI)区域。衬底101可具有均匀半导体材料(举例来说，块体晶体硅衬底)或其可由绝缘体上硅(SOI)衬底或者如在电子或光子工业中使用的其它半导体衬底形成。
浅沟槽隔离(STI)区域103形成于衬底101的上部表面中。STI区域103可通过常规过程形成，所述常规过程包含在半导体衬底101中形成沟槽且用电介质材料(举例来说，氧化硅)填充所述沟槽。在形成STI区域103之后，可将衬底101的表面平面化，从而提供平滑平坦表面以用于后续层的制作。替代地，STI区域103的上部表面可高于衬底101的上部表面102的水平面或凹入至低于上部表面102的水平面。
图2图解说明氧化物104、多晶硅105(其可经制作为波导芯)及电介质107(其将充当多晶硅105波导芯的侧面及上部包覆物)的顺序形成。氧化物104、多晶硅105及电介质107提供波导。104及107中的电介质材料可为氧化硅(例如二氧化硅)。可用作钝化材料且可由氮化硅形成的另一电介质层109可形成于电介质107上方。接着使用掩模来将图2中所图解说明的结构各向异性地蚀刻以形成具有宽度w的开口112，所述宽度在STI区域103的侧边缘103a上方延伸且延伸超出所述侧边缘达距离d1(图3中所图解说明)。
如图4中所图解说明，给开口112及电介质层109的上部表面内衬以氧化物材料(举例来说，二氧化硅)的透光电介质衬里113。替代地，电介质衬里113可由透光氮化硅形成。在开口112内的电介质衬里113的底部113a接着经移除以暴露接触区131，所述接触区在衬底101的表面102处且在开口112于其上方延伸的STI区域的侧边缘103a的上部表面之间。图5图解说明在开口112的底部处的电介质衬里113的移除。电介质衬里113保留于开口侧壁上以防止多晶硅105在开口112内的后续外延生长期间充当晶种。通过在浅沟槽隔离区域103的侧边缘103a上方延伸，开口112的横向区横向地大于接触区131的横向区。因此，开口112的宽度w1大于接触区131的宽度w2。图5还展示，虽然衬里113使开口112稍微变窄，但开口112仍重叠浅沟槽隔离区域103的侧边缘103a达距离d2。
接下来，且如图6中所展示，用于形成光电检测器115的材料外延生长于开口112内。所生长材料可为锗或硅/锗或者如此项技术中已知的可用于形成光电检测器或其它光子装置的其它材料(例如GaN、InP、InGaAs及其它)。重要地，光电检测器材料的外延生长竖直地以及横向地两者进行。横向生长致使光电检测器材料的部分生长于STI区域103的侧边缘部分103a(其向开口112内突出以形成架状突出物(ledge))上方。图6中所展示的横向区d2在光电检测器115的生长期间提供应力减轻且减少在所生长光电检测器115的侧边缘处的位错及堆叠层错的发生。另外，由于重叠d2，因此仍可包含一些位错及堆叠层错缺陷151的光电导体115的侧边缘远离光电检测器115的较中心位置而移动到较不可能具有电荷移动的区。由于在浅沟槽隔离区域的氮化物衬里113侧壁与上部表面的拐角151中也可能发生较大数目个堆叠层错及位错，因此光电导体115的高度h足以使拐角区151处的堆叠层错及位错的电效应最小化。因此，在光电检测器115内的大多数光转化活动将发生之处再次存在较少缺陷。一般来说，所生长光电导体材料115的高度h可与在其上方发生生长的侧边缘突出部103a的距离d2成大约1:1比率。术语大约囊括在1:1比率中的多达10％(加或减)的差异。
图6还图解说明封盖材料117在光电检测器115上方的形成，其中所述封盖材料由(举例来说)硅形成，其可与上覆经图案化金属118及热处理一起形成硅化物以提供与光电检测器115的良好欧姆接触。光电检测器115与多晶硅105波导芯适当地光学对准且因此能够光学检测及转换通过多晶硅105的光学信号。
如图7、7A的平面图及横截面图中所展示，光电检测器115的上部表面115a可具备与硅化物118的相应部分118a、118b接触的多个成对电极119、121。在图7及图8两者中，STI区103的边缘由虚线来图解说明且光电检测器115由实线来图解说明。已将图7A的横截面简化以仅展示与光电检测器115的电极连接。电极119是经掺杂n+接触电极且电极121是经掺杂p+接触电极。这些接触电极通过硅化物接触区118a、118b接收从光电检测器115输出的电信号。图7A图解说明经布置以形成横向光电检测器115的所述对电极119及121。横向光电检测器115具有在光电检测器115的上部表面上且在STI区域103之间的衬底的区上方并且与外延生长的光电检测器115的侧边缘间隔开的两个电极。
图8图解说明另一电极实施例的平面图，其中n+触点119a及p+触点121连接到相应硅化物区118a、118b。如图8中及图8A的横截面所展示，两个电极119a及121a展示为处于提供竖直光电检测器115的布置中。在此情形中，所述两个电极提供于硅化物区域118a、118b的上方。一个电极121a提供于光电检测器115的上部表面上且另一电极119a提供于衬底101的上部表面上。
在上文所描述的实施例中，开口112形成于可提供波导的结构内，所述波导具有多晶硅105作为波导芯且具有提供环绕波导芯的包覆物的氧化物104及107。在所图解说明的图6结构中，在衬底101上方于光电检测器115的任一侧上的材料104、105、107、109中的一者或全部可为牺牲层且可在光电检测器115形成之后并在相关联电极119(119a)及120(120a)形成之前或之后被移除。
应注意，到衬底101的表面的开口112可由提供于衬底101上方的任何材料形成，不管那些材料是用于制作光子结构(例如波导或其它结构)还是用作用以提供限制区以用于光电检测器115外延生长的牺牲材料(其在外延生长之后被移除)。因此，在另一实施例中，图9展示其中开口112形成于牺牲电介质301(其可为氧化物或氮化硅)中的结构。在此实施例中，开口112的横向区再次宽于在衬底101的上部表面处且由沟槽隔离区域103的边缘103a界定的晶种接触区的横向区。在外延生长期间，光电检测器115材料在隔离区域的突出边缘103a上方竖直地且横向地生长。在外延生长完成之后，可提供例如经掺杂多晶硅117的经掺杂硅材料且经图案化金属118形成于多晶硅层117上方，所述经图案化金属经硅化以形成与光电检测器115的接触区(以图7、7A及8、8A中所展示的方式)。
可接着使用已知技术将电介质材料301移除，从而留下光电检测器115(图10中所展示)。此外，虽然图9展示单个电介质材料301，但任何数目个相同或不同材料可用于牺牲电介质301。举例来说，电介质材料301可为同质的或经沉积为不同或类似材料的压层。
如所明了，也可使用依赖于在开口112内生长外延光电检测器115的其它技术及结构，所述开口提供于由隔离区域103的突出部分界定的接触区上方，使得开口112具有比接触区的横向区大的横向区。此在竖直生长期间通过也提供用于横向生长的区域而提供应力减轻。
图11展示含有在左边的CMOS电路及在右边的光子电路(其包含如上文所描述的光电检测器115)两者的混合集成电路。在图11中，CMOS电路由具有源极202及漏极204的晶体管201以及栅极结构206表示。源极202及漏极204借助于导电通孔而连接到相应互端子垫207(其与CMOS电路侧上的其它金属化接线图案连接)。(举例来说)具有BPSG或PSG的绝缘电介质107形成于晶体管201上方且提供在其上形成端子垫207的表面。浅沟槽隔离区域205可形成于衬底101内以电隔离晶体管201。浅沟槽隔离区域205可与浅沟槽隔离区域103同时形成。将光子电路描绘为具有上文关于图6所描述的结构，且其中电介质107形成于图6结构上方且其中电极119、121延伸到绝缘电介质107的上部表面。
由于浅沟槽隔离区域103的侧边缘103a形成在其上方可发生横向外延生长的架状突出物，因此在光电检测器115的侧边缘处的堆叠及位错层错的量减少。另外，此类层错进一步远离其中发生光转化的光电检测器的中心而移动。因此，获得经改进光电检测器光转化效率。
虽然已参考可用于各种实施例中的特定材料而描述本发明，但本发明并不受如此限制，这是因为可做出许多修改及替换。举例来说，除硅之外，其它半导体材料也可用于衬底101且其它已知光电检测器材料可外延生长于衬底表面上以形成光电检测器115或其它光子装置。另外，许多不同材料及不同数目个材料层可形成于衬底上方作为其中形成到衬底表面102的开口112的牺牲或非牺牲层。沟槽隔离区域103也可用任何已知电介质材料填充。
因此，本发明并不受前述说明限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。
Claims (30)
1.一种光子结构，其包括：
半导体衬底，其包括间隔开的沟槽隔离区域；
外延光子装置，其形成于所述间隔开的沟槽隔离区域上方且与所述间隔开的沟槽隔离区域接触，使得所述光子装置的侧边缘在所述间隔开的沟槽隔离区域上方延伸。
2.根据权利要求1所述的光子结构，其中所述光子装置包括光电检测器。
3.根据权利要求1所述的光子结构，其中所述间隔开的沟槽隔离区域包括浅沟槽隔离区域。
4.根据权利要求1所述的光子结构，其与电子电路一起集成于共同衬底上。
5.根据权利要求1所述的光子结构，其中所述衬底包括晶体硅衬底。
6.根据权利要求2所述的光子结构，其进一步包括波导，所述波导形成于所述衬底上方、与所述光电检测器光学通信。
7.根据权利要求2所述的光子结构，其中所述光电检测器包括选自由以下各项组成的群组的材料：锗及硅/锗。
8.根据权利要求2所述的光子结构，其中所述间隔开的沟槽隔离区域包括浅沟槽隔离区域。
9.根据权利要求2所述的光子结构，其进一步包括在所述光电检测器上方的经掺杂硅材料。
10.根据权利要求2所述的光子结构，其中所述光电检测器具有一高度且与所述沟槽隔离区域重叠达与所述高度成大约1:1关系的距离。
11.根据权利要求6所述的光子结构，其中所述波导与所述光电检测器光学通信。
12.根据权利要求7所述的光子结构，其进一步包括在所述波导与所述光电检测器的侧边缘之间的透光电介质。
13.根据权利要求8所述的光子结构，其中所述波导的芯包括多晶硅。
14.根据权利要求10所述的光子结构，其进一步包括：
第一导电性类型的第一经掺杂触点及相反导电性类型的第二经掺杂触点，
其中所述第一及第二经掺杂触点与所述光电检测器的上部表面电通信。
15.根据权利要求10所述的光子结构，其进一步包括：
第一导电性类型的第一经掺杂触点及相反导电性类型的第二经掺杂触点，
其中所述第一经掺杂触点与所述光电检测器的上部表面电通信且所述第二经掺杂触点与所述衬底的上部表面电通信。
16.一种光子结构，其包括：
晶体硅衬底，其包括在上部表面处的间隔开的浅沟槽隔离区域；及，
外延光电检测器，其在所述硅衬底的所述上部表面上在所述间隔开的浅沟槽隔离区域之间，所述光电检测器与所述间隔开的浅沟槽隔离区域的上部表面重叠。
17.根据权利要求16所述的光子结构，其进一步包括：
波导，其形成于所述衬底上方、与所述光电检测器光学通信。
18.根据权利要求16所述的光子结构，其中所述波导包括多晶硅芯及围绕所述芯的电介质包覆材料。
19.根据权利要求16所述的光子结构，其中所述光电检测器具有大于下部拐角缺陷区的高度的高度。
20.根据权利要求16所述的光子结构，其中所述光电检测器具有一高度且与所述浅沟槽隔离区域重叠达与所述高度成大约1:1关系的距离。
21.根据权利要求16所述的光子结构，其与电路一起集成于共同衬底上。
22.一种形成光子装置的方法，所述方法包括：
在半导体衬底中形成间隔开的沟槽隔离区域；
在所述衬底上方形成至少一种材料；
在所述衬底上方于所述间隔开的沟槽隔离区域之间的位置处，在所述至少一种材料中形成开口，所述开口延伸到所述衬底的上部表面且在所述间隔开的沟槽隔离区域的侧边缘部分上方横向延伸；及
在所述开口内外延生长光子装置。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述至少一种材料包括波导，所述方法进一步包括在外延生长所述光子装置之前给所述开口的侧壁内衬以电介质材料。
24.根据权利要求22所述的形成光子装置的方法，其中所述光子装置是光电检测器。
25.根据权利要求22所述的形成光子装置的方法，其中所述半导体衬底包括晶体硅衬底且所述光电检测器包括外延生长的硅-锗或锗。
26.根据权利要求22所述的形成光子装置的方法，
其中所述光子装置外延生长到凹入至低于界定所述开口的上部表面的水平面，
所述方法进一步包括在所述开口内及在所述光电检测器上方形成硅材料。
27.根据权利要求23所述的形成光子装置的方法，其中所述波导包括多晶硅芯及围绕所述芯的包覆材料。
28.根据权利要求23所述的形成光子装置的方法，其中所述光电检测器具有一高度且与所述沟槽隔离区域重叠达与所述高度成大约1:1关系的距离。
29.根据权利要求24所述的形成光子装置的方法，其进一步包括形成第一导电性类型的第一经掺杂触点及相反导电性类型的第二经掺杂触点，所述第一及第二经掺杂触点与所述光电检测器的上部表面电通信。
30.根据权利要求24所述的形成光子装置的方法，其进一步包括形成第一导电性类型的第一经掺杂触点及相反导电性类型的第二经掺杂触点，其中所述第一经掺杂触点与所述光电检测器的上部表面电通信且所述第二经掺杂触点与所述衬底的上部表面电通信。
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