CN110187524A - 光子器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开的实施例涉及光子器件及其制造方法。一种光子器件，包括具有第一掺杂类型的第一区域和具有第二掺杂类型的第二区域，其中第一区域和第二区域接触以形成垂直PN结。第一区域包括具有渐变锗浓度的硅锗(SiGe)区域。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年02月23日提交的法国专利申请号18/51612的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明一般涉及半导体器件，并且在特定实施例中，涉及光子器件及其制造方法。
背景技术
光纤使得能够以光信号的形式传输数据，光信号然后被转换成电信号。
每个光纤在传输方向的上游与调制器相关联，并且在下游与光电二极管相关联。调制器使得能够调制在光纤中传输的光信号的特性，使得它表示要传输的数据。
图1示意性地示出了调制器10。调制器10在第一输入12处接收由恒定源提供的光信号。调制器还包括端子14和端子16，在端子14和端子16之间施加电压V。在图1的示例中，端子14被耦合到电势V的施加源，并且端子16被耦合到接地。调制器10向输出18提供光信号，该光信号所具有的相移(V)取决于电压V。
例如，电压V在表示逻辑值1的高值和表示逻辑值0的低值之间变化。因此，电压V、光信号的相移(V)表示二进制格式的数据。
发明内容
在一个实施例中，光子器件包括具有第一掺杂类型的第一区域，第一区域包括具有渐变锗浓度的硅锗(SiGe)区域。器件还包括具有第二掺杂类型的第二区域，第一区域和第二区域接触以形成垂直PN结。
在备选的实施例中，光子器件包括第一沟槽，第一沟槽被设置在衬底的第一区域中，其中第一区域具有第一掺杂类型。第二沟槽被设置在衬底的第二区域中，其中第二区域具有与第一掺杂类型相反的第二掺杂类型。第二沟槽平行于第一沟槽。脊区域被设置在第一沟槽和第二沟槽之间，其中脊区域包括第一区域的第一部分和第二区域的第二部分。硅锗区域被设置在脊区域的第一部分中。硅锗区域包括从脊区域的顶部表面到衬底中减小的锗浓度，其中硅锗区域接触第二区域以形成垂直PN结。
在备选的实施例中，制造光子器件的方法包括：在衬底之上形成具有第一掺杂类型的第一区域，以及在衬底之上形成具有第二掺杂类型的第二区域。第一区域和第二区域接触以形成垂直PN结。第一区域具有变化的锗浓度。
在备选的实施例中，制造光子器件的方法包括：在衬底之上沉积掩模层，在掩模层中形成开口以暴露衬底的表面，以及通过开口在暴露的表面上外延生长硅锗块。方法还包括：扩散硅锗块以形成包括变化的锗浓度的硅锗区域，在衬底的第一区域中形成第一沟槽，在衬底的第二区域中形成第二沟槽，第二区域接触硅锗区域。第一沟槽抵靠着硅锗区域的侧壁被设置。利用第一掺杂类型的掺杂对第一区域和硅锗区域进行掺杂，而利用第二掺杂类型的掺杂对第二区域进行掺杂。
附图说明
图1(之前所描述的)是光信号调制器的简化的表示；
图2是波导内的光信号调制器的一个示例的俯视图；
图3是沿着图2的转换器的B-B平面的简化的截面图；
图4是图示光信号调制器的一个实施例的截面图；以及
图5A至图5D是图示图4的调制器的制造步骤的截面图。
具体实施方式
本公开一般涉及电子部件的制造，更具体地涉及PN结的形成。本公开更特别地应用于在光信号调制器中使用的PN结。
在各个附图中，相同的元件利用相同的附图标记表示，并且各个附图未按比例绘制。为清楚起见，仅示出并且详细描述了对理解所描述的实施例有用的那些步骤和元件。
在以下描述中，当提及限定绝对位置(诸如术语“前”、“后”、“顶”、“底”、“左”、“右”等)或相对位置(诸如术语“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等)的术语，或提及限定方向的术语(诸如术语“水平”、“垂直”等)时，它指示附图中关心的元件的定向。除非另有说明，否则表述“近似”、“大约”、“基本上”和“约”表示在10％以内，优选在5％以内。
除非另有说明，否则当参考连接在一起的两个元件时，这意味着元件直接连接(除导体之外没有中间元件)，并且当参考耦合在一起的两个元件时，这意味着两个元件可以直接耦合(连接)或者经由一个或多个其他元件进行耦合。
一个实施例提供了一种PN结，其包括由具有渐变锗浓度的SiGe制成的区。
根据一个实施例，SiGe层中的锗浓度从上表面开始减小。
根据一个实施例，结包括第一导电类型的第一区域和第二导电类型的第二区域，SiGe区形成第一区域的一部分。
根据一个实施例，SiGe区与第二区域接触。
根据一个实施例，第一导电类型是P型，并且第二导电类型是N型。
根据一个实施例，第一区域的下部由第一导电类型的硅制成。
根据一个实施例，SiGe区经由第一导电类型的第三硅区域电耦合到接触区。
另一实施例提供了一种包括诸如之前所描述的PN结的调制器。
根据一个实施例，调制器是光信号调制器。
另一实施例提供了一种制造PN结的方法，该PN结包括具有渐变锗浓度的SiGe区。
根据一个实施例，方法包括SiGe凝聚(condensation)步骤。
根据一个实施例，方法包括在硅层上外延生长SiGe块的步骤。
根据一个实施例，SiGe块包括在近似25％至近似45％之间的锗。
根据一个实施例，SiGe块具有在从近似40nm至近似200nm的范围内的厚度。
另一实施例提供了一种调制器制造方法，其包括形成诸如之前描述的PN结。
将在结合附图的特定实施例的以下非限制性描述中详细讨论前述和其他特征和优点。
图2和图3分别是波导内的调制器20的一个示例的俯视图和沿着图2的B-B平面的截面图。
例如，由硅制成的衬底(未示出)覆盖有绝缘体层22(图3)。层22覆盖有半导体材料的层24(优选地由硅制成)。沟槽26形成在层24中。沟槽26填充有绝缘体。绝缘体层27(优选地由氧化硅或氮化硅制成)(在图2中未示出)覆盖层24。
区域28由沟槽26水平界定，并且由层22和层27垂直界定。每个沟槽26还位于区域28与区域30之间，区域30位于层24的外围。沟槽26的高度小于层24的厚度。区域28形成光信号在其中传播的波导的区域。波导的区域28的一端对应于输入12，并且另一端对应于输出18。因此，光信号在区域28中从输入12传播到输出18。硅对于所考虑的波长是透明的，并且沟槽26的绝缘体以及层22和层27的绝缘体被选择成具有与硅的折射率足够不同的折射率，以容纳(contain)光信号。例如，沟槽26以及层22和层27由具有1.45的折射率的氧化硅制成，而硅的折射率为3.5。
绝缘沟槽(未示出)位于区域30的外侧的层级处。这种沟槽到达层22，以使调制器与其他相邻部件个体化。
由图2中的虚线界定的波导的区段形成调制器20。该区段包括第一区域32和第二区域34，第一区域32和第二区域34在区域28中彼此接触，并且第一区域32和第二区域34各自包括区域30中的一个区域。区域32(在图2的顶部和图3中的右手侧)是N型掺杂的，并且通过其区域30被耦合到电势V的施加源。区域34(在图2的底部和图3中的左手侧)是P型掺杂的，并且被耦合到接地。因此，调制器20包括在输入12和输出18之间传播的光信号的路径上形成有源区的PN结。
通过变化有源区中的硅的光学指数来获得相移(V)的变化。通过变化电压V来获得这种光学指数变化。
例如，在当前技术中，对于在从10°/mm至25°/mm的范围内的相移，所施加的电压例如在从0V至2.5V的范围内。
期望减小用于获得相同相移范围的电压的值。
图4是图示光信号调制器40的一个实施例的截面图。调制器40位于与具有位于其中的调制器20的波导类似的波导内。因此，类似于调制器20，调制器40包括：位于衬底(未示出)上的绝缘体层22，以及在层22上的半导体材料的层24(优选地由硅制成)。调制器还包括界定区域28和区域30的沟槽26。与图3中一样，区域32(在图4中的右手侧上)由N型掺杂的硅(Si(N))制成，并且通过其区域30耦合到电势V的施加源。区域34包括由硅锗(SiGe(P))制成的区36，通过P型掺杂的硅区域38(Si(P))耦合到接触区和接地。例如，接触区包括在区域30上的接触焊盘(未示出)，过孔(未示出)跨过层27以到达焊盘。
区域32的掺杂在近似1017cm-3至近似5.1019cm-3的范围内，区域30比区域32的其余部分更重掺杂。区域38的掺杂在从近似5.1018cm-3至近似5.1019cm-3的范围内。
区36对应于位于光信号路径上的区域34的部分，并且可能地对应于位于沟槽26下方的区域34的一部分。因此，区36与区域32接触。区域32和区域34之间(即，在区36和区域32之间)的接触区基本上对应于垂直平面。
区36的锗浓度是渐变的。浓度在区36的上部和它的下部之间逐渐变化。上部所具有的浓度比下部的浓度大。下部可以具有足够低的锗浓度，以认为该下部不包括锗。此时，下部将仅包括硅。
区域36的掺杂在从近似1017cm-3至近似3.1018cm-3的范围内。
发明人已经确定，对于在区域30之间施加的相同范围的电压V，与图4的实施例相对应的相移的范围比诸如在图2和图3中所描述的结构的情况中的相移范围宽(例如，基本上两倍宽)。换句话说，为了获得给定的相移范围，在图4的实施例中使用的电压低于在图2和图3的示例中使用的电压。更特别地，对于相同范围的施加电压V，对于硅PN结，相移范围与损耗范围的商例如基本上等于2.5，并且对于硅和硅锗PN结，相移范围与损耗范围的商例如基本上等于5.4。
因此，图4的实施例相对于图2和图3的示例的优点在于其消耗更少的功率来获得相同的光信号相移。
本可以选择在硅PN结(诸如图3的硅PN结)上形成(例如P型掺杂的)硅锗层。然而，此时PN结将是L形的，并且将比在垂直结(诸如图2的垂直结)的情况长。此时，结的电容将更高。另外，仅结的一部分将由SiGe制成。在更高的电容的情况下，部件的速度降级，并且部件的截止频率降低。
图5A至图5D是图示图4的调制器的制造步骤的截面图。
图5A图示了制造步骤，在该制造步骤期间，在衬底(未示出)上形成绝缘体层22。然后，在层22上形成半导体材料的层24(优选地由硅制成)。层24例如具有在从近似100nm至近似400nm范围内的厚度。然后，在层24上沉积掩模42。掩模42例如由氮化硅制成。掩模42包括开口，该开口面向其中期望形成区36的位置的至少一部分。
然后，通过在掩模42的开口中的层24上外延生长来形成SiGe的块44。例如，SiGe块44具有在从近似40nm至近似200nm的范围内(优选地在40nm至60nm的范围内，优选地50nm)的厚度。例如，块44包括在从近似25％至近似45％的范围内(优选地在25％至45％的范围内，优选地35％)的锗浓度。
这里，锗浓度由表示锗原子的数目相对于硅原子的数目的百分比表示。
图5B图示了SiGe凝聚的步骤。在该步骤期间，图5A中所示的结构在足以使块44的锗通过开口扩散到层24中的温度下被氧化。因此，锗浓度在块44下方的层24中是渐变的，并且在块44的正下方的区中较高。
块44中的锗浓度沿着凝聚降低。这种降低取决于凝聚(退火)的持续时间。如果该持续时间足够长，则块44中的锗浓度可以足够低以认为块由氧化硅制成。
根据凝聚的温度和持续时间，在块44下方的层24的下部可以不包括锗。
凝聚温度例如在从近似700℃至近似1100℃(优选地从850℃至1000℃)的范围内。凝聚的持续时间例如在从30分钟至6小时的范围内。
图5C图示了另一制造步骤。在该步骤期间，块44和掩模42被去除。然后将沟槽26刻蚀到层24中。沟槽26中的一个沟槽可以在区36中部分地形成。另一沟槽被形成为使得位于沟槽26之间的区域28包括无锗的硅部分46以及区36的至少一部分，无锗的硅部分46沿着层24的整个高度延伸。沟槽26被形成为位于区域28和区域30之间。
然后利用绝缘层27覆盖层24。
图5D图示了另一制造步骤。在该步骤期间，由SiGe区36和硅区域38形成的区域34是P型掺杂的，并且区域32(除了别的之外，包括部分46)是N型掺杂的。可以通过注入引入掺杂。
连接焊盘48形成在区域30上，并且过孔50跨越层27以到达焊盘48。因此，可以经由过孔50和焊盘48在区域30之间施加电压。
已经描述了特定实施例。本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。特别地，P掺杂类型和N掺杂类型可以反转。
此外，接触区可以全部连接到电压的施加源，并且它们都不连接到接地。
上文已经描述了具有不同变化的各种实施例。应当注意，本领域技术人员可以在不示出任何创造性步骤的情况下，组合这些各种实施例和变化的各种元件。
这些改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。相应地，前面的描述仅是以示例的方式，而不旨在进行限制。本发明仅受随附的权利要求及其等同物所限定那样被限制。
Claims (23)
1.一种光子器件，包括：
具有第一掺杂类型的第一区域，所述第一区域包括具有渐变锗浓度的硅锗(SiGe)区域；以及
具有第二掺杂类型的第二区域，所述第一区域和所述第二区域接触以形成垂直PN结。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述SiGe区域中的锗浓度在从所述SiGe区域的上表面延伸到衬底中的方向上减小，所述衬底包括所述第一区域和所述第二区域。
3.根据权利要求1所述的器件，其中所述SiGe区域与所述第二区域接触。
4.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一掺杂类型为P型，并且所述第二掺杂类型为N型。
5.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一区域的下部基本上由所述第一掺杂类型的硅制成。
6.根据权利要求1所述的器件，其中所述SiGe区域通过所述第一掺杂类型的第三硅区域电耦合到接触区。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述光子器件为光信号调制器。
8.一种光子器件，包括：
第一沟槽，被设置在衬底的第一区域中，所述第一区域具有第一掺杂类型；
第二沟槽，被设置在衬底的第二区域中，所述第二区域具有与所述第一掺杂类型相反的第二掺杂类型，所述第二沟槽平行于所述第一沟槽；
脊区域，被设置在所述第一沟槽和所述第二沟槽之间，所述脊区域包括所述第一区域的第一部分和所述第二区域的第二部分；以及
硅锗区域，被设置在所述脊区域的所述第一部分中，其中所述硅锗区域包括从所述脊区域的顶部表面到所述衬底中减小的锗浓度，所述硅锗区域接触所述第二区域以形成垂直PN结。
9.根据权利要求8所述的器件，其中所述硅锗区域比所述第一沟槽的底部表面更深地延伸到所述第一区域中。
10.根据权利要求8所述的器件，还包括绝缘体层，所述绝缘体层覆盖所述第一沟槽和所述第二沟槽，并且所述绝缘体层在所述第一沟槽和所述第二沟槽之间延伸。
11.根据权利要求10所述的器件，还包括：
所述第一掺杂类型的第三区域，所述第三区域接触所述硅锗区域。
12.根据权利要求11所述的器件，还包括：
第一过孔，延伸穿过所述绝缘体层，并且被耦合到所述第三区域；以及
第二过孔，延伸穿过所述绝缘体层，并且被耦合到所述第二区域。
13.根据权利要求11所述的器件，其中所述硅锗区域在所述第一沟槽的第一部分下方延伸，并且所述第三区域在所述第一沟槽的剩余的第二部分下方延伸。
14.一种制造光子器件的方法，所述方法包括：
在衬底之上形成具有第一掺杂类型的第一区域，所述第一区域包括变化的锗浓度；以及
在所述衬底之上形成具有第二掺杂类型的第二区域，所述第一区域和所述第二区域接触以形成垂直PN结。
15.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述第一区域包括：
在所述衬底之上沉积掩模层；
在所述掩模层中形成开口，以暴露所述衬底的表面；
通过所述开口在暴露的所述表面上外延生长硅锗块；以及
氧化所述硅锗块以形成氧化物。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述硅锗块包括25％至45％的锗。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述硅锗块具有在从40nm至200nm的范围内的厚度。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述硅锗块具有在从40nm至60nm的范围内的厚度。
19.一种制造光子器件的方法，所述方法包括：
在衬底之上沉积掩模层；
在所述掩模层中形成开口，以暴露所述衬底的表面；
通过所述开口在暴露的所述表面上外延生长硅锗块；
扩散所述硅锗块，以形成包括变化的锗浓度的硅锗区域；
在所述衬底的第一区域中形成第一沟槽，所述第一沟槽抵靠着所述硅锗区域的侧壁被设置；
在所述衬底的第二区域中形成第二沟槽，所述第二区域接触所述硅锗区域；
利用第一掺杂类型的掺杂对所述第一区域和所述硅锗区域进行掺杂；以及
利用第二掺杂类型的掺杂对所述第二区域进行掺杂。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
利用绝缘材料覆盖所述硅锗区域、所述第一沟槽区域和所述第二沟槽区域；以及
穿过所述绝缘材料，形成第一过孔和第二过孔，所述第一过孔接触所述第一区域，所述第二过孔接触所述第二区域。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述第二区域沿着垂直PN结接触所述硅锗区域。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述硅锗区域更深地延伸到所述第一沟槽中。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述第二沟槽被所述第二区域围绕。
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