CN113161444B - 半导体器件和形成半导体器件的方法 - Google Patents

半导体器件和形成半导体器件的方法 Download PDF

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Abstract

一种方法包括：蚀刻硅层以形成硅板和位于硅板上方的上部硅区域，以及注入硅板和上部硅区域以形成p型区域、n型区域以及位于p型区域和n型区域之间的本征区域。该方法还包括蚀刻p型区域、n型区域和本征区域以形成沟槽。上部硅区域的剩余部分形成多模干涉仪(MMI)区域。实施外延工艺以在沟槽中生长锗区域。制造连接至p型区域和n型区域的电连接。本发明的实施例还涉及半导体器件和形成半导体器件的方法。

Description

半导体器件和形成半导体器件的方法
技术领域
本发明的实施例涉及半导体器件和形成半导体器件的方法。
背景技术
光检测器(PD)是用于光电信号转换的关键器件。锗PD用于感测和高速通信，诸如光检测和测距(激光雷达)、数据中心、电信等。锗对于波长小于约1.55μm的光具有很强的吸收系数，这使其成为形成光检测器的良好材料。
常规的横向锗光检测器可以包括P-I-N二极管，其中，锗区域位于P-I-N二极管上方并且接触P-I-N二极管。可以向下蚀刻其中形成有P-I-N二极管的硅层，使得P-I-N二极管的侧壁与电介质接触。锗区域具有吸收光并且将光转换成电子-空穴对的能力。在常规的锗光检测器中，在P-I-N二极管上方形成锗区域。其中输入光束容易过度偏转的这种锗光检测器具有低的响应度。为了解决这个问题，使未与锗区域重叠的P区域和N区域凹进以在P-I-N二极管和光检测器所在的介电区域之间形成侧壁以将光紧密地限制在锗吸收区域附近。具有在短距离内由锗吸收的光的这种锗光检测器具有低的饱和功率。
发明内容
本发明的一些实施例提供了一种形成半导体器件的方法，包括：蚀刻硅层以形成硅板和位于所述硅板上方的上部硅区域；注入所述硅板和所述上部硅区域以形成：p型区域；n型区域；以及本征区域，位于所述p型区域和所述n型区域之间；蚀刻所述p型区域、所述n型区域和所述本征区域以形成沟槽，其中，所述上部硅区域的剩余部分形成多模干涉仪(MMI)区域；实施外延工艺以在所述沟槽中生长锗区域；以及形成连接至所述p型区域和所述n型区域的电连接。
本发明的另一些实施例提供了一种半导体器件，包括：二极管，包括：p型区域；n型区域；以及本征区域，位于所述p型区域和所述n型区域之间；锗区域，延伸至所述二极管中；以及输入端口，其中，所述二极管和所述锗区域组合形成光检测器，所述光检测器配置为将从所述输入端口输入的输入光的单模转换为具有高阶模的光。
本发明的又一些实施例提供了一种半导体器件，包括：硅区域，包括：硅板；上部硅区域，位于所述硅板上方并且连接所述硅板，其中，所述硅区域形成延伸至所述硅板和所述上部硅区域两者中的二极管；以及锗区域，穿透所述上部硅区域，其中，所述上部硅区域包括多模干涉仪区域，所述多模干涉仪区域包括：第一部分，位于所述锗区域的第一侧上；第二部分，位于所述锗区域的与所述第一侧相对的第二侧上；以及输入端口，连接至所述上部硅区域。
附图说明
当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本发明的各个方面。应该指出，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
图1、图2A、图2B、图3A、图3B、图4至图8、图9A、图9B和图9C示出了根据一些实施例的在多模锗光检测器的形成中的中间阶段的截面图和顶视图。
图10、图11和图12示出了根据一些实施例的多模锗光检测器的平面图。
图13和图14示出了根据一些实施例的锗多端口多模光检测器的平面图。
图15示出了根据一些实施例的作为波长的函数的两个光检测器(具有和不具有锥度下降结构)的泄漏。
图16示出了根据一些实施例的用于形成多模锗光检测器的工艺流程。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多用于实现本发明的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
而且，为了便于描述，在此可以使用诸如“在…下面”、“在…下方”、“下部”、“在…上面”、“上部”等空间相对术语，以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。器件可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，而本文使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。
根据一些实施例，提供了多模锗光检测器及其形成方法。根据一些实施例，示出了多模锗光检测器的形成的中间阶段。讨论了一些实施例的一些变型。本文讨论的实施例将提供实例以使能够进行或使用本发明的主题，并且本领域普通技术人员将容易理解可以进行的修改，同时保持在不同实施例的预期范围内。贯穿各个视图和说明性实施例，相同的参考标号用于指示相同的元件。虽然可以以具体顺序实施讨论方法实施例，但是可以以任何逻辑顺序实施其他方法实施例。
根据本发明的一些实施例，多模锗光检测器具有位于多模干涉仪(MMI)结构中的锗区域。MMI结构可以是横向延伸超过锗区域足够远的硅区域，使得可以从输入光的基态模激发高阶模。包括基态模和高阶模在内的不同模会在MMI结构内部发生干扰，使得可能会再分布光的光场强度。因此，沿着锗区域逐渐吸收，而不是在锗区域的前中部具有最强的强度以及大部分光能被前部吸收。这使得光的饱和功率增大和光检测器的速度增大。应该理解，虽然硅和锗用作示例性材料，但是其他适用的材料也可以用于形成多模光检测器。
图1、图2A、图2B、图3A、图3B、图4至图8、图9A、图9B和图9C示出了根据本发明的一些实施例的在多模锗光检测器的形成中的中间阶段的截面图和顶视图。如图16所示，对应的工艺也示意性地反映在工艺流程200中。
在图1中，提供了包括衬底20的晶圆10。相应的工艺示出为图16所示的工艺流程200中的工艺202。衬底20可以具有绝缘体上半导体(SOI)结构，其包括半导体衬底20A、位于半导体衬底20A上方并且连接至半导体衬底20A的掩埋氧化物(BOX)层20B以及位于BOX层20B上方并且连接至BOX层20B的半导体层20C。根据一些实施例，半导体衬底20A的半导体材料可以包括硅；锗；化合物半导体，包括碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟和/或锑化铟；合金半导体，包括SiGe、SiC、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP和/或GaInAsP；或它们的组合。衬底20A也可以由其他材料(诸如蓝宝石、铟锡氧化物(ITO)等)形成。
BOX层20B可以由具有低于硅的折射率的折射率的介电材料形成。根据一些实施例，BOX层20B包括或由氧化硅形成。半导体层20C可以由晶体硅形成，并且在下文中称为硅层20C。根据本发明的一些实施例，硅层20C不掺杂有p型和n型杂质中的任何一种。根据本发明的可选实施例，硅层20C轻掺杂有p型杂质(诸如硼、铟等)或者n型杂质(诸如磷、砷、锑等)。轻掺杂硅层20C的掺杂浓度低，例如低于约5×1015/cm3。在整个说明书中，未掺杂或掺杂浓度低于5×1015/cm3的轻掺杂的半导体层(区域)称为本征半导体层(区域)。硅层20C的厚度T1可以在约0.1μm和约1μm之间的范围内。
然后，例如在多个蚀刻工艺中图案化硅层20C，使得形成多个器件区域。相应的工艺示出为图16所示的工艺流程200中的工艺204。示例性器件区域在图2A中示出，其中包括光栅耦合器22、波导24和硅区域26。硅区域26将在随后工艺中用于形成多模锗光检测器。根据一些实施例，用于图案化硅层20C的蚀刻工艺包括时间模蚀刻工艺以蚀刻硅层20C的一些部分，其中在蚀刻穿过硅层20C之前停止时间模蚀刻工艺。实施另一蚀刻工艺以蚀刻穿过硅层20C。由于蚀刻工艺，硅区域26包括硅板26A和位于硅板26A上方的上部硅区域26B、26C和26D(图2B所示)。根据本发明的一些实施例，硅板26A的厚度T2可以在约0.05μm和约0.5μm之间的范围内，并且上部硅区域26B、26C和26D的厚度T3可以在约0.05μm和约0.5μm之间的范围内。比率T3/T2可以在约0.1和约10之间的范围内。
图2B示出了硅区域26的顶视图，其包括硅板26A、硅区域26B、波导26C和锥形区域26D。从图2B所示的参考截面2A-2A获得图2A所示的截面图。硅板26A可以大于硅区域26B，并且可以至少在-X方向、+Y方向和-Y方向上延伸超过硅区域26B的边缘。硅板26A可以在+X方向上延伸或可以不延伸超过硅区域26B的边缘。在整个说明书中，硅区域26B称为MMI区域，如将在随后的段落中详细讨论的。
图3A示出了多个掺杂区域的形成，该多个掺杂区域包括p型区域30、n型区域32、重掺杂的p型(p+)区域34和重掺杂的n型(n+)区域36。相应的工艺示出为图16所示的工艺流程200中的工艺206。根据一些实施例，p型区域30和n型区域32可以具有在约1017/cm3和约1019/cm3之间的范围内的相应的p型和n型杂质浓度。P+区域34和n+区域36可以具有在约1019/cm3和约1021/cm3之间的范围内的相应的p型和n型杂质浓度。P+区域34和n+区域36用作所得光检测器的电接触区域。可以使用光刻掩模注入区域30、32、34和36中的每个。例如，图3A示出了p+区域34的示例性形成工艺，该工艺包括形成图案化的光刻胶38，其中，开口40形成为露出硅区域26的部分，以及注入p型杂质(诸如硼和/或铟)以形成p+区域34。在注入之后去除光刻胶38。
图3B示出了图3A所示的结构的顶视图，其中图3A所示的截面图从如图3B所示的参考截面3A-3A获得。如图3B所示，注入硅区域26的一些部分，而没有注入硅区域26的其余部分。可以包括硅板26A和上部硅区域26B的部分的硅区域26的未注入部分可以保持本征。
参考图4，在硅部件上形成介电层42。相应的工艺示出为图16所示的工艺流程200中的工艺208。根据本发明的一些实施例，介电层42由具有低于硅的折射率的折射率的介电材料形成。根据一些实施例，介电层42包括或由氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiON)、氧化铝(Al2O3)等形成。其他材料也在本发明的范围内。介电层42的形成可以包括原子层沉积(ALD)、化学汽相沉积(CVD)、等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)等。介电层42可以包括覆盖光栅耦合器22、波导24和硅区域26的部分。可以实施平坦化工艺(诸如化学机械抛光(CMP)工艺或机械研磨工艺)以平坦化介电层42的顶面。
参考图5，蚀刻硅区域26以形成沟槽44，该沟槽44延伸至硅区域26的p型区域30、n型区域32和未掺杂部分中。相应的工艺示出为图16所示的工艺流程200中的工艺210。可以使用各向异性蚀刻工艺实施蚀刻。根据一些实施例，使用C2F6、CF4、SO2、HBr、Cl2和O2的混合物或HBr、Cl2、O2和CF2的混合物等实施蚀刻。其他材料也在本发明的范围内。根据一些实施例，沟槽44的底部低于硅板26A的顶面。根据其他实施例，沟槽44的底部与硅板26A的顶面齐平或高于硅板26A的顶面。
图6示出了用于形成锗区域46的外延工艺，该锗区域46从硅区域26的暴露表面选择性生长，而不从介电层42生长。相应的工艺示出为图16所示的工艺流程200中的工艺212。根据一些实施例，使用锗烷(GeH4)作为工艺气体实施外延，并且添加蚀刻气体(诸如HCl)以实现选择性生长。锗区域46可以包括纯锗或基本纯的锗(例如，具有高于99％的锗原子百分比)。根据本发明的一些实施例，锗区域46是本征的，在外延期间没有原位添加p型杂质和n型杂质。根据可选实施例，用p型和/或n型杂质轻原位掺杂锗区域46，例如，掺杂浓度低于约1×1015/cm3。实施外延工艺，直至锗区域46的顶面至少与硅区域26的顶面26T齐平或高于硅区域26的顶面26T。锗区域46的顶面也可以与介电层42的顶面齐平或高于介电层42的顶面。例如，图6示出了顶面高于介电层42的顶面的示例性锗区域46。锗区域46可以具有小平面，例如，如用虚线47所示。根据本发明的一些实施例，在外延工艺之后，实施平坦化工艺以平坦化锗区域46和介电层42的顶面。根据可选实施例，不实施平坦化工艺，并且锗区域46的顶面可以低于、等于或高于介电层42的顶面。
图7示出了根据本发明的一些实施例的盖层50的形成。相应的工艺示出为图16所示的工艺流程200中的工艺214。根据一些实施例，盖层50由致密的材料形成，这可以防止锗区域46中的锗不期望地向上扩散至上面的区域中并且污染上面的区域。因此，通过盖层的形成，本发明的形成工艺与其他集成电路(诸如晶体管)的形成更加兼容。盖层50可以包括或由氮化硅、氮氧化硅、氧化铝等形成。其他材料也在本发明的范围内。盖层50的厚度可以在约20nm和约600nm之间的范围内。
盖层50的材料和形成工艺可以配置为允许盖层50将应力施加在下面的锗区域46上。根据一些实施例，应力是拉伸的。根据一些实施例，应力是压缩的。应力可以高于约1Gpa，并且可以在约0.2Gpa和约1.7Gpa之间的范围内。其他值也在本发明的范围内。拉伸应力可以有效地减小锗的直接带隙，这将使强吸收带向更长的波长延伸。例如，在0.5Gpa水平的应力下，Ge吸收边缘可以偏移90nm至更长的波长(从至/>)，这使得Ge高吸收带完全覆盖在电信中使用的c-波段。应该理解，盖层50是否将应力施加在锗区域46上，类型(压缩或拉伸)以及应力的大小与盖层50的材料和形成工艺两者有关。选择盖层50的材料和形成工艺两者以实现期望的应力。
根据一些实施例，盖层50的形成包括沉积毯式盖层，并且然后通过蚀刻图案化毯式盖层。可以实施退火工艺以调整应力。在图案化期间，去除介电层52上的毯式盖层的部分。根据可选实施例，盖层50的形成包括在介电层42的表面上选择性沉积抑制剂膜，例如，通过甲硅烷基化工艺，并且然后在锗区域46上选择性沉积盖层50。抑制剂膜可以防止在介电层42上形成盖层50。可以通过退火去除抑制剂膜。
图8示出了注入工艺以在锗区域46中形成p型区域46p。相应的工艺示出为图16所示的工艺流程200中的工艺216。根据一些实施例，p型区域46p的形成可以包括形成图案化的注入掩模48(诸如光刻胶)以限定注入区域，以及将p型杂质(诸如硼和/或铟)注入至锗区域46的边缘部分中。将锗区域46的边缘部分掺杂为p型区域46p可以减小锗区域46和p型硅区域30之间的势垒高度。
图8还示出了锗区域46中的n型区域46n的形成。相应的工艺也示出为图16所示的工艺流程200中的工艺216。根据一些实施例，n型区域46n的形成可以包括形成图案化的注入掩模(未示出)以限定注入区域，以及将n型杂质(诸如磷、砷等)注入至锗区域46的边缘部分中。将锗区域46掺杂为n型区域46n可以减小锗区域46和n型硅区域32之间的势垒高度。根据本发明的一些实施例，形成p型区域46p和n型区域46n两者。根据可选实施例，形成p型区域46p，而没有形成n型区域46n，因为如果要形成一个，而不是两个，以降低制造成本，则p型区域46p在改善器件性能方面比n型区域46n更有效。在又一些实施例中，p型区域46p和n型区域46n中的一个都不形成。因此，虚线用于标记p型区域46p和n型区域46n的边界并且指示它们可以形成或可以不形成。
应该理解，p型锗区域46p和锗区域46的未掺杂部分之间的界面47A可以与或可以不与p型硅区域30和硅区域26的未掺杂部分之间的界面49A对准。因此，界面47A可以向界面49A的左侧偏移、与界面49A对准或向界面49A的右侧偏移。类似地，n型锗区域46n和锗区域46的未掺杂部分之间的界面47B可以与或可以不与n型硅区域32和硅区域26的未掺杂部分之间的界面49B对准。因此，界面47B可以向界面49B的左侧偏移、与界面49B对准或向界面49B的右侧偏移。
p型锗区域46p和n型锗区域46n的掺杂浓度可以小于约5×1019/cm3，并且可以在约1×1016/cm3和约5×1019/cm3之间的范围内。根据其中期望雪崩光电二极管的可选实施例，p型锗区域46p和n型锗区域46n的掺杂浓度可以大于约1×1017/cm3，使得有效的本征锗区域46变窄，这在本征锗区域46中产生更高的电场。根据一些实施例，掺杂宽度Wdope小于约120nm，并且可以在约20nm和约200nm之间的范围内。其他值也在本发明的范围内。已经发现，将掺杂宽度Wdope选择为100nm左右可以提高器件速度。如果掺杂宽度Wdope太大，诸如大于约200nm，则由于载流子的散射，器件速度将降低。另一方面，如果掺杂宽度Wdope太小，诸如小于约20nm，则改善效果太小而不能证明掺杂成本的合理性。
图9A示出了介电层52、硅化物区域54和接触插塞56的形成。相应的工艺示出为图16所示的工艺流程200中的工艺220。根据一些实施例，介电层52由氧化硅、氮化硅、氧氮化硅等形成。硅化物区域54的形成可以包括蚀刻介电层52和42以形成接触开口并且暴露p+区域34和n+区域36，沉积延伸至接触开口中的金属层(诸如钛层)，以及实施退火工艺以使金属层与暴露的p+区域34和n+区域36反应。接触插塞的形成可以包括将金属(诸如钨、钴等)沉积至接触开口中，以及然后实施平坦化工艺(诸如CMP工艺或机械研磨工艺)以去除沉积的金属的过量部分。由此形成锗光检测器60。
如图9A所示，锗光检测器60包括本征硅区域26’，它是原始硅区域26的未掺杂部分。因此，如上所述，本征硅区域26’可以没有或可以轻掺杂有p型和n型杂质中的一种或两种。P型区域30和n型区域32与本征硅区域26’形成p-i-n光电二极管。在锗光检测器60的操作中，光进入锗区域46中，并且在锗区域46中生成电子和空穴。在本征锗区域46中生成强电场，并且由锗区域46生成的电子和空穴被电场扫描至接触插塞56。
图9B示出了如图9A所示的锗光检测器60的顶视图，其中图9A所示的截面图从如图9B所示的参考截面9A-9A获得。如图9B所示，硅板26A上方的上部硅区域包括波导26C和锥形区域26D，用于将光传导至锗光检测器60。波导26C和锥形区域26D也是锗光检测器60的输入端口。锥形区域26D具有将来自窄波导26C的光扩散至硅区域26B中的更大区域的功能。根据一些实施例，不采用锥形区域26D，并且具有均匀宽度的波导26C直接连接至硅区域26B。
根据一些实施例，硅区域26B的宽度W1明显大于锗区域46的宽度W2。根据一些实施例，硅区域26B在+Y方向和-Y方向上横向延伸超过锗区域46的边缘距离S1，该距离足够大以允许足够的空间用于从输入端口26C/26D输入的光在+Y方向和-Y方向上扩散。根据一些实施例，输入光64具有单模，其称为基态模。当光64进入硅区域26B中时，由于硅区域26B具有大的宽度W1，因此激发具有高阶模(诸如一阶模、二阶模、三阶模、四阶模等)的光。因此，具有基态模和高阶模的所得光在硅区域26B中变为多模光。这些模在区域26B内部干涉并且形成不同阶的自图像。因此，以下将硅区域26B称为多模干涉仪(MMI)区域。
根据一些实施例，为了能够实现期望的光功率分布，为间隔S1选择适当的值。间隔S1不能太大或太小。如果间隔S1太小，例如小于0.2μm，则光功率不能足够宽地再分布(在随后的段落中详细讨论)。因此，大多数在+x方向上传播的光正面撞击锗区域46。因此，大部分的光功率被锗区域46的前端(面向输入波导26C的端)吸收。这导致器件的饱和功率不期望地低，并且也降低了光检测器的速度。如果间隔S1太大，则光功率会过多地再分布并且传播太多，并且当在+X方向上传播时，很大一部分光会穿过间隔S1，而不会撞击锗区域46延伸行进距离。光吸收低。结果，锗区域的长度L2需要增大太多，以允许锗区域46充分吸收光。因此，根据一些实施例，间隔S1在约0.4μm和约1.5μm之间的范围内。其他值也在本发明的范围内。
当多模光在+Y和-Y方向上扩散时，将在MMI区域26B的相对侧壁26B-SW1和26B-SW2处反射，并且因此产生干涉以形成干涉图案。MMI区域26B的侧壁26B-SW1和26B-SW2与介电区域42的侧壁接合，如图9A所示。因此，在硅区域26中再分布光的功率。因此，锗区域46的前端接收到足够但不过量的光。当在+X方向上传播时在MMI区域26B中来回反射时，该光将被锗区域46的前部、中部和背部逐渐吸收。因此，通过采用MMI结构，光更均匀地被锗区域46的不同部分(前部、中部和背部)吸收。因此，增大了所得到的锗光检测器60的饱和功率，并且具有更高功率的光可以在不引起饱和的情况下用于光检测器60。也增大了锗光检测器60的速度。另外，通过采用MMI结构，光的更小部分撞击Si-Ge界面并且反射至输入，这使得来自光检测器60的背反射的减少。因此，MMI区域26B的宽度W1的增大也有助于减少反射。
长度L1是从MMI区域26B的输入端口至锗区域46的距离，称为(光的)自由传播长度。自由传播长度L1不能太小。否则，没有足够的距离使光在+Y和–Y方向上传播，并且无法激发高阶模。另外，如果自由传播长度L1太小，则来自锗区域46的反射太强。根据本发明的一些实施例，自由传播长度L1大于约1μm以允许激发多模。另外，当宽度W1更大时，使用更大的L1。自由传播长度L1太大也导致锗光检测器60的尺寸增大，而没有额外的益处。因此，根据一些实施例，自由传播长度L1在约1μm和约10μm之间的范围内。其他值也在本发明的范围内。
根据一些实施例，在光以多模再分布的情况下，锗区域46的长度L2可以大于约10μm，以便基本完全吸收光(例如，吸收率大于99％)。太大的长度L2也是不希望的，因为它导致多模锗光检测器的尺寸增大而没有额外的益处。根据一些实施例，长度L2可以在约10μm和约50μm之间的范围内。根据一些实施例，锗区域46的宽度W2可以在约0.3μm和约1.5μm之间的范围内。其他值也在本发明的范围内。
可以设计尺寸(诸如宽度W1以及长度L1和L2)以获得最佳结果，使得锗区域46在整个长度L2上的光吸收更加均匀。例如，可以选择W1和长度L1，使得锗区域46的前端位于光的中等高的E场区域中。而且，长度L2可以调整为具有最小长度以减小光检测器60的尺寸，同时长度还足够长以基本完全吸收光。
图9C示出了从图9B中的参考截面9C-9C获得的截面图。图9C示出了根据一些实施例的硅板26A的形状和MMI区域26B的自由传播部分。
图10至图14示出了根据本发明的可选实施例的多模锗光检测器60的顶视图。除非另有说明，否则这些实施例中的组件的材料和形成工艺与前面附图中的相似组件基本相同，除了修改用于形成图2A所示的结构的蚀刻工艺中使用的光刻掩模的图案以形成图10至图14所示的结构外。因此，图10至图14中的组件由图1、图2A、图2B、图3A、图3B、图4至图8、图9A、图9B和图9C所示的前述实施例中的相同的附图标记表示。因此，可以在前述实施例的讨论中找到关于图10至图14所示的组件的形成工艺和材料的细节。而且，从图10至图14所示的实施例获得的截面图也与图9A和图9C所示的相同。例如，图10示意性地示出了参考截面9A-9A和9C-9C，并且从这些截面获得的截面图分别与图9A和图9C所示的相同。
在如图10所示的多模锗光检测器60中，MMI区域26B具有宽度W1的前部，并且背部逐渐变细为具有宽度W3。由于锗区域46的分隔，MMI区域26B的两个背部26B-B位于锗区域46的相对侧上。在锗区域46的每侧上具有锥部26B-T，用于将前部26B-F连接至背部26B-B。根据一些实施例，背部26B-B的间隔S3小于前部的间隔S1。根据一些实施例，比率S3/S1在约0.1和约0.5之间的范围内。在锥形区域26B-T中，间隔S2可以从S1连续减小至S3。根据一些实施例，锥部的间隔S2线性减小，这意味着侧壁26B-SW1和26B-SW2的相应部分在顶视图中是笔直的。在其他实施例中，锥部的侧壁可以具有其他形状，诸如弯曲的。应该理解，间隔S1、S2和S3也是位于锗区域46一侧上的MMI区域的部分的宽度。在顶视图中，锥形部分26B-T的侧壁26B-SW1和26B-SW2的部分与背部26B-B的侧壁的部分形成角度θ。根据本发明的一些实施例，角度θ小于约10度，以减少光反射回到输入端。根据一些实施例，角度θ可以在约1度和约20度之间的范围内。其他值也在本发明的范围内。
锥部26B-T具有将来自宽区域(具有宽度W1)的光限制并且挤压至锗区域46的功能，并且将光挤压至具有间隔S1的窄区域，使得光限制在间隔为S2和S3的窄区域内。因此，与如果不限制和挤压光相比，锥部26B-T和背部26B-B中的光强度增大，并且光吸收效率增大。锥部26B-T的长度L4最好较短，使得光的压缩在短距离内完成，提供逐渐变细不会使得光(至输入端口)的反射增大。根据一些实施例，长度L4在自由传播长度L1的50％和约200％之间的范围内。
长度L3与长度L1有关，并且期望(L1+L3)足够大，使得在前部26B-F的右端处，大部分(但不要过量)的光功率(诸如在约50％和90％之间的范围内)已经被锗区域46吸收。应该指出，由于吸收均匀性的改善，仔细调节L3的长度可以有利地增大光的饱和功率。通过仔细选择长度L1、L3和L4，可以减小背部26B-B的长度L5。
图15示出了从MMI区域26B泄漏出的光的速率与光的波长(λ)的函数关系。示出了两个线66和68，其中线66是从没有锥度下降结构的结构中模拟的(诸如在图9B中)，而线68是从具有锥度下降结构的结构中模拟的(诸如在图10中)。结果表明，通过使用锥度下降结构，对于较大的光波长范围(从1.26μm至1.36μm)，泄漏显著减小。模拟结果还表明，对于选定的长度L3和L4，当长度L5(图10)为5μm时，光泄露(在MMI区域26B末端处的剩余未吸收光功率)减小了10dB。
图11和图12示出了根据一些实施例的多模锗光检测器60，其中形成反射器以反射将会泄漏的光。在图11中，反射光栅26F用于反射。在图12中，波导环路26G用于将光通过环路传导回至MMI区域26B。根据一些实施例，另一锥形区域26H连接至MMI区域26B的端部以首先聚集光，并且将聚集的光传导至波导环路26G中。也可以通过在用于形成MMI区域26B的相同工艺中图案化硅区域26(图1)形成反射光栅26F和波导环路26G。
图13和图14示出了根据本发明的可选实施例的多端口多模锗光检测器60。宽MMI区域26B的形成使得能够添加更多的端口用作输入或反射收集。例如，图13示出了两端口多模锗光检测器60，其包括端口26C和端口26E。可以通过端口26C或端口26E或通过两个端口输入光，取决于应用程序。在使用端口26C进行单输入的情况下，端口26E可用于收集反射光。根据一些实施例，端接器70连接至反射端口26E，并且用于吸收从反射端口26E接收的光。根据一些示例性实施例，端接器70可以是具有磷的高掺杂浓度的硅区域，例如，具有高于约1020/cm3的掺杂浓度。
端口26C的位置偏离中心线ML1，该中心线ML1在侧壁26B-SW1和MMI区域26B的中线ML1的中间。根据一些实施例，输入端口26C可以在侧壁26B-SW1和中线ML1的中间。反射端口26E可以在侧壁26B-SW2和中线ML1的中间。根据其他实施例，将输入端口26C的位置调整为偏离侧壁26B-SW1和中线ML1的中间。模拟结果表明，通过仔细选择输入端口26C的位置，被干扰的多模光的E场可能具有彼此分隔开的两个峰。当第一峰振荡至侧壁26B-SW1时，第二峰可能落在锗区域46上，使得它的功率被吸收，当第二峰振荡至侧壁26B-SW2时，第一峰可能落在锗区域46上，使得它的功率被吸收。因此，通过选择输入端口26C的位置，在锗区域46的前端处，光强度有效地减小了一半，并且因此减小了锗区域46的前部对光的吸收，从而提高了多端口多模锗光检测器60的饱和功率。
根据一些实施例，为了合并多个端口，可以进一步增大MMI区域26B的宽度W1和自由传播长度L1。例如，MMI区域的宽度W1可以增大至在约1.5μm和约4μm之间的范围内。自由传播长度L1可以增大至在约1μm和约20μm之间的范围内。其他值也在本发明的范围内。
应该理解，可能添加更多端口。因此，端口的总数也可以是三个、四个、五个或更多。在这些端口中，一个或多个可用作输入，而其他可用作反射端口以收集反射光。例如，图14示出了作为实例的三端口多模锗光检测器60。根据一些实施例，图14示出了端口26C用作输入端口并且位于端口26E的中间，端口26E用作反射端口。根据一些实施例，输入端口可以位于任何其他位置，诸如在图14中的任何反射端口26E的位置。前述实施例中的端口可以对称或不对称地分布。例如，输入端口26C可以位于MMI区域26B的中间，或者可以用任何反射端口26E切换输入端口26C的位置。根据其他实施例，两个端口26E都可以用作输入，而26C用作反射端口。
本发明的实施例具有一些有利特征。锗在1,200nm至1,600nm的波长范围内具有很强的吸收系数，这是光学应用中广泛使用的范围。当输入功率较高时，强吸收系数可能导致功率饱和并且速度下降。根据本发明的一些实施例，由于将多模锗光检测器中的光场强度再分布，因此通过适当地定位锗区域，光被锗区域的前部、中部和背部更均匀地吸收。因此，增大了锗光检测器的饱和功率。也提高了光检测器的速度，特别是在高光输入的情况下。与单模锗光检测器相比，反射降低了约10dB。而且，盖层将应力施加在锗区域上，这增强了1,550nm的C波段周围的锗的光吸收系数，并且因此，锗在C波段的吸收覆盖率得以扩大。根据本发明的实施例的光检测器非常适合于从约1200nm至约1600nm的带宽。而且，由于MMI区域更宽并且延伸超过锗区域相当大的距离，所以形成锗光检测器的工艺具有更松弛的工艺余量。
根据本发明的一些实施例，方法包括：蚀刻硅层以形成硅板和位于硅板上方的上部硅区域；注入硅板和上部硅区域以形成p型区域、n型区域和位于p型区域和n型区域之间的本征区域；蚀刻p型区域、n型区域和本征区域以形成沟槽，其中上部硅区域的剩余部分形成MMI区域；实施外延工艺以在沟槽中生长锗区域；以及形成连接至p型区域和n型区域的电连接。在实施例中，MMI区域包括位于锗区域的相对侧上的p型区域的第一剩余部分和n型区域的第二剩余部分，并且其中第一剩余部分和第二剩余部分的外侧壁与锗区域间隔开大于约0.4μm的间隔。在实施例中，方法还包括：在锗区域上沉积盖层；以及在盖层的顶面和侧壁上沉积介电层。在实施例中，盖层包括氮化硅，并且介电层包括氧化硅。在实施例中，MMI区域的侧壁包括：前部，与锗区域的相应侧壁具有第一间隔；背部，与锗区域的相应侧壁具有第二间隔，其中第二间隔小于第一间隔；以及锥部，将前部连接至背部，其中锥部与锗区域的相应侧壁具有第三间隔，并且第三间隔从第一间隔过渡至第二间隔。在实施例中，方法还包括：沉积围绕硅板和上部硅区域的隔离区域，其中隔离区域具有小于上部硅区域的第二折射率的第一折射率。在实施例中，蚀刻的硅层产生可以用作输入端口和反射端口的多个端口。
根据本发明的一些实施例，器件包括：P-I-N二极管，其包括p-型区域、n型区域以及位于p型区域和n型区域之间的本征区域；锗区域，延伸至P-I-N二极管中；以及输入端口，其中P-I-N二极管和锗区域组合形成多模干涉仪，该多模干涉仪配置为从输入端口输入的输入光至具有高阶模的光激发单模。在实施例中，器件还包括：p型区域的第一部分，位于锗区域的第一侧上；以及n型区域的第二部分，位于锗区域的第二侧上，并且第一部分和第二部分具有与锗的相应闭合边缘间隔开大于约0.4μm间隔的外边缘。在实施例中，P-I-N二极管包括：硅板和位于硅板上方的上部硅区域，其中锗区域穿透上部硅区域，并且上部硅区域包括具有第一宽度的前部；背部，具有小于第一宽度的第二宽度；以及锥部，将前端连接至后端，其中锥部具有从第一宽度过渡至第二宽度的宽度。在实施例中，器件还包括：第一介电层，其中P-I-N二极管位于第一介电层中；盖层，位于锗区域上；以及第二介电层，位于盖层的顶面和侧壁上。在实施例中，盖层包括氮化硅，并且第一介电层和第二介电层包括氧化硅。在实施例中，器件还包括：输入端口；和反射端口，位于锗区域的与输入端口相同的侧上。
根据本发明的一些实施例，器件包括：硅区域，该硅区域包括硅板；上部硅区域，位于硅板上方并且连接硅板，其中，硅区域形成延伸至硅板和上部硅区域两者中的P-I-N二极管；以及锗区域，穿透上部硅区域，其中上部硅区域包括多模干涉仪区域，该多模干涉仪区域包括位于锗区域的第一侧上的第一部分；第二部分，位于锗区域的与第一侧相对的第二侧上；以及输入端口，连接至上部硅区域。在实施例中，多模干涉仪区域还包括：自由传播区域，位于输入端口和锗区域之间，并且自由传播区域具有大于约1μm的长度。在实施例中，器件还包括：反射端口，连接至多模干涉仪区域的相同侧壁。在实施例中，多模干涉仪区域包括：前部；和背部，窄于前部。在实施例中，多模干涉仪区域还包括：锥部，将前部连接至背部。在实施例中，器件还包括：盖层，位于锗区域上方并且接触锗区域，其中盖层配置为将应力施加在锗区域上。
上面概述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的方面。本领域技术人员应该理解，它们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与本文所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其它工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，本文中它们可以做出多种变化、替换以及改变。

Claims (20)

1.一种形成半导体器件的方法，包括：
蚀刻硅层以形成硅板和位于所述硅板上方的上部硅区域；
注入所述硅板和所述上部硅区域以形成：
p型区域；
n型区域；以及
本征区域，位于所述p型区域和所述n型区域之间；
蚀刻所述p型区域、所述n型区域和所述本征区域以形成沟槽，其中，所述上部硅区域的剩余部分形成多模干涉仪(MMI)区域；
实施外延工艺以在所述沟槽中生长锗区域；以及
形成连接至所述p型区域和所述n型区域的电连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多模干涉仪区域包括位于所述锗区域的相对侧上的所述p型区域的第一剩余部分和所述n型区域的第二剩余部分，并且其中，所述第一剩余部分和所述第二剩余部分的外侧壁与所述锗区域间隔开大于0.4μm的间隔。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述锗区域上沉积盖层；以及
在所述盖层的顶面和侧壁上沉积介电层。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述盖层包括氮化硅，并且所述介电层包括氧化硅。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多模干涉仪区域的侧壁包括：
前部，与所述锗区域的相应侧壁具有第一间隔；
背部，与所述锗区域的相应侧壁具有第二间隔，其中，所述第二间隔小于所述第一间隔；以及
锥部，将所述前部连接至所述背部，其中，所述锥部与所述锗区域的相应侧壁具有第三间隔，并且所述第三间隔从所述第一间隔过渡至所述第二间隔。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
沉积围绕所述硅板和所述上部硅区域的隔离区域，其中，所述隔离区域具有小于所述上部硅区域的第二折射率的第一折射率。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述蚀刻的硅层产生配置为用作要形成的输入端口和反射端口的多个端口。
8.一种半导体器件，包括：
二极管，包括：
p型区域；
n型区域；以及
本征区域，位于所述p型区域和所述n型区域之间；
锗区域，延伸至所述二极管中；以及
输入端口，其中，所述二极管和所述锗区域组合形成光检测器，所述光检测器配置为将从所述输入端口输入的输入光的单模转换为具有高阶模的光。
9.根据权利要求8所述的半导体器件，其中，所述p型区域的第一部分位于所述锗区域的第一侧上，并且所述n型区域的第二部分位于所述锗区域的第二侧上，并且所述第一部分和所述第二部分具有与所述锗区域的相应的闭合边缘间隔开大于0.4μm的间隔的外边缘。
10.根据权利要求9所述的半导体器件，其中，所述间隔在0.4μm和1.5μm之间的范围内。
11.根据权利要求8所述的半导体器件，其中，所述二极管包括：
硅板和位于所述硅板上方的上部硅区域，其中，所述锗区域穿透所述上部硅区域，并且所述上部硅区域包括：
前部，具有第一宽度；
背部，具有小于所述第一宽度的第二宽度；以及
锥部，将所述前部连接至所述背部，其中，所述锥部具有从所述第一宽度过渡至所述第二宽度的宽度。
12.根据权利要求8所述的半导体器件，还包括：
第一介电层，其中，所述二极管位于所述第一介电层中；
盖层，位于所述锗区域上；以及
第二介电层，位于所述盖层的顶面和侧壁上。
13.根据权利要求12所述的半导体器件，其中，所述盖层包括氮化硅，并且所述第一介电层和所述第二介电层包括氧化硅。
14.根据权利要求8所述的半导体器件，还包括：反射端口，位于所述锗区域的与所述输入端口相同的侧上。
15.一种半导体器件，包括：
硅区域，包括：
硅板；
上部硅区域，位于所述硅板上方并且连接所述硅板，其中，所述硅区域形成延伸至所述硅板和所述上部硅区域两者中的二极管；以及
锗区域，穿透所述上部硅区域，其中，所述上部硅区域包括多模干涉仪区域，所述多模干涉仪区域包括：
第一部分，位于所述锗区域的第一侧上；
第二部分，位于所述锗区域的与所述第一侧相对的第二侧上；以及
输入端口，连接至所述上部硅区域。
16.根据权利要求15所述的半导体器件，其中，所述多模干涉仪区域还包括：自由传播区域，位于所述输入端口和所述锗区域之间，并且所述自由传播区域具有大于1μm的长度。
17.根据权利要求15所述的半导体器件，还包括：反射端口，连接至所述多模干涉仪区域的相同侧壁。
18.根据权利要求15所述的半导体器件，其中，所述多模干涉仪区域包括：
前部；以及
背部，比所述前部窄。
19.根据权利要求18所述的半导体器件，其中，所述多模干涉仪区域还包括：锥部，将所述前部连接至所述背部。
20.根据权利要求15所述的半导体器件，还包括：盖层，位于所述锗区域上方并且接触所述锗区域，其中，所述盖层配置为将应力施加在所述锗区域上。
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