CN112216767B - 半导体光敏器件的制造 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种制造半导体器件的方法，包括以下相继步骤：a)在覆盖第一支撑件的锗层上形成掺杂锗；b)以第二支撑件覆盖所述掺杂锗；以及c)去除所述第一支撑件。
Description
本申请要求保护法国专利申请号FR19/07664的优先权权益，其内容在此通过引用在法律允许的最大程度上整体并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及半导体器件，并且特别地涉及由锗构成的光敏器件。
背景技术
由锗构成的光敏器件被用于红外辐射(例如，具有在从约0.9μm到约1.6μm的范围内的波长)检测的应用中。这种器件例如包括光电二极管，即一种当其接收红外辐射时传导电流的二极管。
光敏器件大多布置成阵列，例如，布置在图像传感器中。每个光敏器件接收源自场景中的一部分的辐射。然后，阵列使得能够获得该场景中的红外图像。图像的每个像素对应于阵列中的一个光敏器件。
发明内容
存在改进已知的基于半导体的器件及其制造方法的需要。
存在减少被称为暗电流的寄生电流(其在没有接收到辐射的情况下流经光敏器件)的需要。
存在减少意图相同的(例如，布置在阵列中的)光敏器件之间的操作特性(诸如，暗电流和/或检测灵敏度)上的差异的需要。
存在提高光敏器件的制造效率和可靠性的需要。
实施例克服了已知基于半导体的器件的全部或部分缺点。
实施例克服了已知制造基于半导体的器件的方法的全部或部分缺点。
实施例提供了一种制造具有减少的暗电流的光敏器件的方法。
实施例提供了一种制造在其操作特性之间具有减少的差异的光敏器件的方法。
实施例提供了一种比已知方法更加可靠的制造方法并且提供了比已知器件更加可靠的光敏器件。
实施例提供了一种制造半导体器件的方法，包括以下相继步骤：a)通过氢离子的注入，在形成锗层的衬底的一部分之下、在锗衬底中形成氢化埋层；b)以第一支撑件覆盖衬底；c)在保留覆盖第一支撑件的所述锗层在原处的同时，去除埋层和衬底的位于埋层的与第一支撑件相对的一侧的部分；d)在所述锗层上形成掺杂锗；e)以第二支撑件覆盖所述掺杂锗；以及f)去除第一支撑件，所述方法还包括在步骤d)之前，在所述锗层上外延本征锗。
根据实施例，第一支撑件和/或第二支撑件是硅晶片。
根据实施例，所述衬底的锗是本征且单晶的。
根据实施例，在步骤c)之后实施本征锗外延步骤。
根据实施例，在步骤c)处，绝缘体位于衬底与第一支撑件之间，所述绝缘体在步骤e)之后被去除。
根据实施例，在步骤d)处，通过外延形成所述掺杂锗。
根据实施例，所述锗层是本征的。
根据实施例，所述锗层是单晶的，并且优选地每平方厘米具有小于10个的缺陷。
根据实施例，所述锗层具有大于或等于约1μm的厚度。
根据实施例，在步骤e)处，绝缘层位于所述掺杂锗与第二支撑件之间，所述绝缘层优选包括二氧化硅。
根据实施例，在步骤e)处，所述方法包括以下步骤：以所述绝缘层的第一部分覆盖所述掺杂锗；以所述绝缘层的第二部分覆盖第二支撑件；以及执行所述绝缘层的第一部分与第二部分之间的分子键合。
根据实施例，所述方法包括在步骤f)之后，在所述锗层上外延导电类型与在步骤d)处形成的掺杂锗的导电类型不同的掺杂锗。
根据实施例，在步骤f)处，通过离子刻蚀和/或抛光去除第一支撑件。
根据实施例，所述器件是光电二极管。
附图简要说明
前述特征和优点，以及其它特征和优点将参考附图，在以说明性而非限制的方式给出的特定实施例的以下说明书中进行详细描述。
图1是所描述的实施例所应用于的器件的示例的局部简化截面图；
图2是示出一种制造基于半导体的器件的方法的实施例的步骤的局部简化截面图；
图3是示出所述方法的另一步骤的局部简化截面图；
图4是示出所述方法的另一步骤的局部简化截面图；
图5是示出所述方法的另一步骤的局部简化截面图；
图6是示出所述方法的另一步骤的局部简化截面图；
图7是示出所述方法的另一步骤的局部简化截面图；
图8是示出所述方法的另一步骤的局部简化截面图；
图9是示出所述方法的另一步骤的局部简化截面图；
图10是示出所述方法的另一步骤的局部简化截面图；
图11是示出所述方法的另一步骤的简化截面图；以及
图12是示出图11的步骤的变型的简化截面图。
具体实施方式
在各种附图中相似的特征已经由相似的参考所标出。特别地，在各种实施例中共同的结构性和/或功能性特征可能具有相同的参考，并且可能配置同一结构的、尺寸的和材料的性质。
为了清楚起见，仅示出和详细描述了对于本公开中所述实施例的理解有用的步骤和元件。特别地，没有详细描述形成和/或去除(诸如，外延、刻蚀、抛光、热处理等)各种绝缘体，半导体或金属区域，或者层的各种步骤，所述的实施例与形成和/或去除绝缘体，半导体，或金属区域或者层的常用步骤相一致。
除非另外指出，否则当提及连接在一起的两个元件时，这表示除导体之外没有任何中间元件的直接连接，并且当提及耦合在一起的两个元件时，这表示这两个元件可以经由一个或多个其它元件连接或者可以经由一个或多个其它元件耦合。
在以下公开中，除非另外指出，否则当提及绝对位置的限定词时，诸如“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等术语，或提及相对位置的限定词时，诸如“…之上”、“…之下”、“更高”、“更低”等，或提及方向限定词时，诸如“水平”、“垂直”等，指的是图中所示出的方向。
除非特定说明，否则“大约”、“大概”、“大体上”和“近似的…”的表达表示在10％以内，并且优选在5％以内。
图1是所述实施例所应用于的器件的示例的局部简化截面图。更特别地，在本示例中所述器件是基于锗的光电二极管100。
作为示例，光电二极管100位于支撑件102上。支撑件102通常上是板状的。支撑件102优选是半导体晶片部分，并且支撑件102更优选地使其上表面覆盖有绝缘体(未示出)。
光电二极管100是PIN型的，即其包括在相反类型的掺杂半导体区域之间的本征半导体区域。当半导体没有被有意掺杂或当其掺杂水平小于每立方厘米1016个原子，优选小于每立方厘米1015个原子时，半导体在这里被称为“本征的”。光电二极管100包括按照从支撑件102开始的以下顺序的堆叠：P型掺杂锗层110、本征锗层120以及N型掺杂锗层130。
层110和130分别连接到光电二极管的阳极接触区域A和光电二极管的阴极区域K。作为变型，层110和130互换其导电类型N和P，并且互换接触区域A和K。
在操作中，光电二极管是反向偏置的。由光电二极管接收到的红外辐射引起电流122，其在光电二极管的N型掺杂层130中穿过本征层120流向P型掺杂层110。换言之，PIN光电二极管100是垂直型的，即电流122从本征层120的主表面(上表面和下表面)的一面流向另一面。垂直的光电二极管的优点之一是，对于相同的灵敏度，其比本征区域和掺杂区域不堆叠的光电二极管占据更少的空间。这例如使得，对于相同灵敏度和相同尺寸的图像传感器，能够增加所获得的红外图像的像素的数量。
在某些应用中，光电二极管在辐射检测期间是反向偏置的。更特别地，当红外辐射由光电二极管所接收时，反向电压足以获得雪崩效应。有利的是相对于不使用雪崩效应的光电二极管，雪崩效应导致增加的灵敏度。
相对于已知的垂直PIN光电二极管，以下附图中所述的实施例提供了本征层120的晶体质量的提高。换言之，在这样的实施例中，本征层120优选为单晶的，并且跨其厚度的至少一部分，具有数量特别少的缺陷(诸如位错)或没有缺陷(诸如位错)。这使得能够减少光电二极管中的暗电流。
此外，当制造被设计为相同的光电二极管时，所获得的光电二极管的操作特性之间实际上会有所差异。使本征层120的晶格的缺陷的数量减少的事实，例如减少到每平方厘米小于10个缺陷的数值，使得能够减少由于缺陷的位置与数量之间的差异而引起的操作特性上的差异。
此外，本征层120的晶格的缺陷的数量的减少，使得能够降低光电二极管不具有期望的操作特性以及例如在制造之后的测试期间被拒绝的风险。因此提高了光电二极管的制造效率。而且降低了光电二极管劣化的的风险，并且因此提高了光电二极管的可靠性。
图2至图11是示出一种制造基于半导体的器件的方法的实施例的相继步骤的局部简化截面图。更特别地，作为示例，所述器件是关于图1描述的类型的光电二极管。
在图2至图4的步骤处，形成了覆盖支撑件250的锗层210B。更特别地，在这些步骤的示例中，层210B是衬底210的一部分，并且通过商标名“Smart Cut”已知的类型的方法被形成和安装在支撑件250上。
在图2的步骤处，提供了锗衬底210。衬底210优选具有板形形状，例如，衬底210是锗晶片。
更优选地，衬底210的晶格表现出没有缺陷或者几乎没有缺陷，即缺陷的数量小于每平方厘米10个，优选地小于每平方厘米5个。为实现此，所述衬底可能由Czochralzski方法获得。
氢离子从(图2中)衬底210的上表面注入，以在衬底210中形成氢化埋层220。埋层220位于锗层210B下方。衬底210的其余部分对应于位于埋层220下方的部分210A。作为该步骤的结果，层210B优选为本征的和单晶的，并且没有缺陷或几乎没有缺陷。层210B旨在形成未来光电二极管的本征层120(图1)的全部或部分。
埋层220的深度与所注入的离子的能量相关联。该深度大于锗层210B的厚度。例如，锗层210B的厚度大于0.1μm，更优选地大于0.2μm，甚至更优选地大于0.5μm。优选地，注入被提供为使得锗层210B的厚度尽可能的大，即通常上大于或等于约1μm。从而，锗层210B可以有利地形成未来光电二极管的本征层120的全部或大部分。这将使得在未来光电二极管中能够因本征层120的晶体质量而最大化上述优点。
优选地，电绝缘或介电的层230形成在锗层210B上。绝缘层230被更优选地形成在氢离子注入之后。绝缘层230可以由二氧化硅所构成。
并行地，在包括部分210A以及层220、210B和230的结构形成之前或之后，提供支撑件250。支撑件250通常上是板形的，具有两个相对的主表面(图2中的下表面和上表面)。支撑件250是临时的，即其旨在后续步骤(图9的步骤)被去除。优选地，支撑件250是半导体晶片，例如由硅构成。作为变型，可以使用适合于已知商标名称“Smart Cut”类型的方法并且能够在后续步骤被去除的任何其它支撑件。
优选地，在支撑件250的下表面形成电绝缘层260。更优选地，绝缘层260的材料与绝缘层230的材料相同。
在图3的步骤处，锗层210B被支撑件250覆盖。优选地，出于此目的，通过将绝缘层230和260放置为其可访问(即未覆盖)的表面相接触，来组装绝缘层230和260。优选地，所述组装是分子键合类型，其在抛光要相互接触的表面、将层放置为相互接触以及施加压力之后获得。然后，层230和260在锗层210B与支撑件250之间形成绝缘体310。所述实施例不限于通过分子键合的组装，并且与使得能够以支撑件覆盖锗层的任何当前步骤(例如，通过在锗层上组装和/或形成支撑件)兼容。
在图4的步骤处，去除埋层220和衬底210的部分210A以保留锗层210B在原处。图4的结构示出为相对于图3的结构翻转，图4中覆盖支撑件250的上表面的元件位于图3中支撑件250的下表面。为了去除埋层220和部分210A，执行热处理以造成埋层220的断裂，随后执行图4中所示结构的上表面的抛光。
在所述实施例中，图2至图4的步骤可以被使得能够在支撑件上获得锗层的任何步骤所替代，锗层优选为本征的和单晶的，并且甚至更优选地，其晶格没有或几乎没有缺陷。支撑件可以是能够在后续步骤被去除的任何支撑件。例如，图2至图4的步骤可以被仅提供诸如衬底210的衬底、对应于衬底的表面部分的锗层以及对应于支撑件的衬底的剩余部分所替代。所获得的结构与图4的结构相对应，其中支撑件由锗构成并且绝缘体310被省略。然而，与这样的示例相比，绝缘体310的存在使支撑件的后续去除变得容易。锗层还可以例如，通过在旨在形成掺杂层110或130(图1)的掺杂锗层上的外延来获得。然而，与锗外延相比，提供锗层210B成为衬底的一部分的事实使获得无缺陷或几乎无缺陷的单晶态的锗层210B变得容易。
在图5的步骤处，本征锗层410在图4的步骤处变得可访问的锗层210B的表面(上表面)上外延生长。层210B和410形成未来光电二极管的本征层120。出于此目的，外延层410的厚度被选择为使得层210B和410的厚度的总和与本征层120的期望的厚度相对应，例如，期望的厚度大于或等于约1.5μm。外延层410的厚度例如，在从锗层210B的厚度的20％到50％的范围内。作为变型，省略图5的步骤，并且未来光电二极管的本征层120由锗层210B形成。然而，与这样的变型相比，层410的提供使得能够容易获得期望厚度的层120。
尽管图5的步骤优选地在图4的步骤(去除衬底210的部分210A)之后进行，但是作为变型，其可以被提供为在图2的步骤处在形成绝缘层230之前在锗层210B上形成层410，锗层210B在图4的步骤处旨在被保留在支撑件250上的原处。在图4的步骤之后，然后层410位于锗层210B的下方。然而，与这样的变型相比，由于氢化埋层220、部分210A与锗层210B之间的间隔的存在，图5的步骤在图4的步骤之后进行的事实使得能够避免外延造成的热预算的风险。
在图6的步骤处，如关于图1所述，掺杂锗形成在图5的步骤处所获得的结构上，掺杂锗形成未来光电二极管的层110。换言之，掺杂锗覆盖锗层410和210B，并且优选地与层410相接触。如果省略图5的步骤，则掺杂锗覆盖锗层210B，并且优选地与锗层210B相接触。
优选地，掺杂锗层100通过外延形成。与形成层110的其它方式相比，这使得能够更加准确地控制层110的厚度和其掺杂分布，特别是在本征层120与层110的掺杂锗之间的连接处的掺杂分布。这使得能够提高光电二极管的操作特性并且限制意图相同的光电二极管之间的操作特性上的差异。
在图7的步骤处，电绝缘或介电的层510形成在掺杂锗层110上。绝缘层510可以由二氧化硅构成。
进一步提供了支撑件，诸如关于图1中所述的支撑件102，优选地由硅晶片形成。
优选地，电绝缘层560形成在支撑件102的下表面上，例如，由二氧化硅构成。更优选地，绝缘层510的材料与绝缘层560的材料相同。
在图8的步骤处，掺杂锗层110被支撑件102覆盖。优选地，出于此目的，通过将层510和560放置为其可访问的表面相接触来组装层510和560。优选地，组装是分子键合类型。层510和560然后在掺杂锗层410与支撑件102之间形成绝缘层610，层510和560分别形成层610的第一部分和第二部分。作为变型，可以省略层610。然而，提供层610的事实有利地使得能够在未来光电二极管中获得在支撑件102与掺杂锗层110之间的电绝缘。此外，相对于省略这些层的组装，提供层510和560的事实使得分子键合能够变得容易。所述实施例并不限于通过分子键合的组装，并且与使得能够以支撑件覆盖掺杂锗层的当前步骤(例如，通过在掺杂锗层上组装和/或形成支撑件)兼容。
在图9的步骤处，支撑件250被去除。优选地，绝缘体310也被去除，以使锗层210B可访问。图9的结构示出为相对于图8的结构翻转，图9中覆盖支撑件102的上表面的元件位于图8中支撑件102的下表面。优选地，支撑件250和绝缘体310通过离子刻蚀和/或抛光被去除。
因此，在图9的步骤处所获得的结构中，掺杂锗层110位于支撑件102与锗层120之间。换言之，掺杂锗层110被埋在上锗层120的下方。
本可以设计为通过经由上锗层离子注入掺杂剂，获得被埋在上锗层下方的掺杂锗层。例如，本可以设计为通过经由层210B的上部掺杂该层的下部，从锗层210B(诸如图4的锗层210B)获得埋入的掺杂锗层。然而，所获得的上锗层将会具有比层210的厚度更小的厚度。
与通过离子注入来形成埋层相比，图5至9的步骤使得能够从诸如图4的结构增加上锗层的厚度。此外，图5至9的步骤使得能够更容易地控制埋层的掺杂分布。此外，图5至9的步骤使得能够避免经由上锗层的离子注入，这使得在注入期间能够避免修改该层的任何风险。特别地，在层210B在图2至4的步骤结束时由没有缺陷或几乎没有缺陷的本征单晶锗制成的优选的情况中，层210B在图9的步骤结束时保持为由没有缺陷或几乎没有缺陷的单晶锗制成。
因此，图2至9的步骤特别地使得所获得的锗层210B能够由没有缺陷或几乎没有缺陷的单晶锗制成。更特别地，光电二极管的本征锗层120是跨对应于层210B的至少其厚度的一部分没有缺陷或几乎没有缺陷的单晶。如上所述，这提供了减少暗电流、减少旨在相同的光电二极管之间的差异并且增加可靠性和制造效率的优点。锗层210B越厚，这些优点越显著。
尽管已经在制造光电二极管的特定情况中描述了图2至9的步骤，但是它们可以被实施以制造该类型的任何基于半导体的器件，其包括在支撑件上、顶部有锗区域的掺杂锗层，诸如层110，锗区域优选为本征的和/或单晶的，优选地没有或几乎没有缺陷。特别地，对于该类型的任何器件保留步骤5至9的上述优点。
在图10的步骤处，形成N型掺杂层130。P和N导电类型的掺杂锗层110和130可以互换。因此，层110和130具有相反的导电类型。N型掺杂层是优选为外延的，这使得能够容易控制其厚度和其掺杂分布。
在图11的步骤处，通过离子注入形成P型掺杂区域710，其从N型掺杂层130的上表面延伸穿过N型层130和本征层120到达P型掺杂层110。通过离子注入形成N型掺杂区域730，其与P区域710分离并且从N型层130的上表面延伸穿过N型层130的至少一部分，优选一直到位于本征层120中的水平处。例如由二氧化硅制成的绝缘层740然后形成在N型层130上，并且优选地与N型层130相接触。绝缘层740在P型区域710和N型区域730上具有贯通开口。这些开口被分别与P型掺杂区域710和N型掺杂区域730相接触的金属区域750和760填充。P型掺杂区域710和N型掺杂区域730的掺杂水平优选分别地高于P型层110和N型层130的掺杂水平，使得这些区域与相应的金属区域750和760分别形成光电二极管的阳极和阴极接触区域A和K。
作为示例，多个光电二极管已经同时形成在支撑件102上。支撑件102和层610、110、120和130然后通过切割线77所切割成单独的光电二极管。
图12是示出图11中步骤的变型的简化截面图。该变型与诸如M.Jutzi等人发表在“ESSCIRC 2004-Proceedings of the 34th European Solid-State Device ResearchConference”第345-347页，标题为“Ge-on-Si Pin-Photodiodes for Vertical and In-Plane detection of 1300to 1580nm Light”的文章中所描述的二极管兼容。
在图10的步骤处所获得的的结构覆盖有与上N型层130相接触的层830。层830由例如N型掺杂硅制成。
去除位于位置820之外的层830、130、120、110的所有部分。这样的去除例如，通过从层830的上表面向下至少刻蚀到绝缘层610的上表面来执行。
去除位于严格包括在位置830中的位置810之外的层830、130和120的所有剩余部分。更特别地，位置820在位置810的任一侧上延伸。这样的去除例如通过从层830的上表面向下至少刻蚀到P型掺杂锗层110的上表面来执行。因此，在位置820的任一侧上的层110的部分变得可访问。
例如由铝制成的阳极A的金属区域750然后形成在层110的可访问部分之上并与之接触。阴极K的金属区域760形成在层830的剩余部分之上并与之接触。
本公开已经描述了各种实施例和变型。本领域的技术人员将理解这些实施例的某些特征能够被组合，并且本领域的技术人员将容易想到其它变型。
最后，基于上文提供的功能性描述，本公开中的实施例和变型的实际实施方式在本领域的技术人员的能力之内。
这样的改变、修改和改进旨在是本公开的一部分，并且旨在在本发明的精神和范围之内。因此，前面的描述仅是示例性的并不旨在进行限制。本发明仅由所附权利要求及其等同物所限定的来限制。
Claims (13)
1.一种制造基于锗的光电二极管(100)的方法，包括以下相继步骤：
a)通过氢离子的注入，在形成锗层(210B)的锗衬底的一部分之下、在锗衬底(210)中形成氢化埋层(220)；
b)以第一支撑件(250)覆盖所述锗衬底(210)；
c)在保留覆盖所述第一支撑件的所述锗层在原处的同时，去除所述埋层(220)和所述锗衬底(210)的部分(210A)，所述部分(210A)位于所述埋层(220)的与所述第一支撑件(250)相对的一侧；
d)在所述锗层(210B)上形成掺杂锗(110)；
e)以第二支撑件(102)覆盖所述掺杂锗；以及
f)去除所述第一支撑件(250)，
所述方法还包括：
在步骤d)之前，在所述锗层(210B)上外延本征锗(410)；以及
在步骤f)之后，在所述锗层(210B)上形成导电类型与在步骤d)处形成的所述掺杂锗(110)的导电类型不同的掺杂锗(130)的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一支撑件(250)和/或所述第二支撑件(102)是硅晶片。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述锗衬底的锗是本征且单晶的。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，外延所述本征锗(410)的步骤在步骤c)之后实施。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤c)处，绝缘体(310)位于所述锗衬底(210)与所述第一支撑件(250)之间，所述绝缘体(310)在步骤e)之后被去除。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤d)处，所述掺杂锗通过外延形成。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述锗层(210B)是本征的。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述锗层(210B)是单晶的并且每平方厘米具有小于10个的缺陷。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述锗层(210B)具有大于或等于1μm的厚度。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤e)处，绝缘层(610)位于所述掺杂锗(110)与所述第二支撑件(102)之间，所述绝缘层(610)包括二氧化硅。
11.根据权利要求10所述的方法，在步骤e)处，包括以下步骤：
-以所述绝缘层(610)的第一部分(510)覆盖所述掺杂锗(110)；
-以所述绝缘层(610)的第二部分(560)覆盖所述第二支撑件(102)；以及
-执行所述绝缘层(610)的第一部分(510)与第二部分(560)之间的分子键合。
12.根据权利要求1或2所述的方法，包括在步骤f)之后，在所述锗层(210B)上外延导电类型与在步骤d)处形成的所述掺杂锗(110)的导电类型不同的掺杂锗(130)。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤f)处，所述第一支撑件(250)通过离子刻蚀和/或通过抛光被去除。
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