CN114078887A - 光电子器件及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的各个实施例针对具有用于暗电流减小的钝化层的图像传感器。器件层位于衬底上面。此外，帽层位于器件层上面。帽层和器件层以及衬底是半导体材料，并且器件层具有比帽层和衬底小的带隙。例如，帽层和衬底可以是硅，而器件层可以是锗或包括锗。光电探测器位于器件层和帽层中，并且钝化层位于帽层上面。钝化层包括高k介电材料，并且引起沿着帽层的顶面的偶极矩的形成。本发明的实施例还涉及光电子器件及其形成方法。

Description

光电子器件及其形成方法
技术领域
本发明的实施例涉及光电子器件及其形成方法。
背景技术
可以使用现有的半导体制造技术来制造硅光子器件，并且由于硅已经用作大多数集成电路的衬底，因此可以创建其中光学和电子组件集成到单个微芯片中的混合器件。因此，许多电子制造商以及学术研究团体正在积极研究硅光子学，作为通过使用光学互连件在微芯片之间和内提供更快的数据传输来跟踪摩尔定律的工具。
发明内容
本发明的实施例提供了一种光电子器件，包括：衬底；锗光电二极管区域，延伸至所述衬底的上表面中去，其中，所述锗光电二极管区域具有弯曲上表面，所述弯曲上表面延伸超过所述衬底的所述上表面；以及硅帽，位于所述锗光电二极管区域的所述弯曲上表面上面，其中，在所述锗光电二极管区域的所述弯曲上表面和所述硅帽的上表面之间不存在氧化物。
本发明的另一实施例提供了一种形成光电子器件的方法，包括：在衬底中形成沟槽；以及将包括所述沟槽的所述衬底放置在室内，并且在所述室内，在所述沟槽中外延生长具有弯曲上表面的锗层，并且在所述室内原位在所述锗层上方外延生长硅帽层。
本发明的又一实施例提供了一种形成光电子器件的方法，包括：接收衬底；形成浅沟槽隔离区域，所述浅沟槽隔离区域围绕所述衬底中的有源区域；在所述衬底中形成掺杂区域；在所述衬底的上表面上方和所述浅沟槽隔离区域上方形成氧化物层；蚀刻所述衬底以在所述有源区域中形成沟槽或凹槽；外延生长锗层以部分或完全地填充所述沟槽或凹槽；以及在所述锗层上面外延形成硅帽层，其中，所述硅帽层在集群工具中原位形成，在所述集群工具中生长所述锗层而不将所述锗层暴露于围绕所述集群工具的周围环境中。
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方面。应该注意，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示出了根据一些实施例的光电子器件的示例。
图2示出了根据一些实施例的与图1一致的光电子器件的部分的插图。
图3示出了与图2的插图部分的一些实施例一致的与锗光电二极管对应的三维图。
图4示出了与图3一致的锗光电二极管的一些实施例的顶视图。
图5A和图5B示出了图4的锗光电二极管的一些实施例的各个截面图。
图6A和图6B示出了图4的锗光电二极管的一些其他实施例的各个截面图。
图7A和图7B示出了图4的锗光电二极管的一些实施例的各个截面图。
图8A和图8B示出了图4的锗光电二极管的一些实施例的各个截面图。
图9示出了根据一些实施例的光电二极管的另一截面图。
图10至图19示出了根据一些实施例的一系列截面图，该一系列截面图共同示出了制造光电二极管的方法。
图20示出了图10至图19的方法的一些实施例的框图。
具体实施方式
本发明提供了许多用于实现本发明的不同特征的不同的实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅是实例而不旨在限制。例如，在以下描述中，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附加部件，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，本发明可以在各个示例中重复参考数字和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示讨论的个实施例和/或配置之间的关系。
此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…之上”、“上部”等的空间相对术语，以描述如图中所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。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工艺中的不同方位。装置可以以其它方式定位(旋转90度或在其它方位)，并且在本文中使用的空间相对描述符可以同样地作相应地解释。
光纤和光波导包括芯以及至少部分地围绕芯的包层或衬底。芯具有芯折射率n1，并且包层具有包层反射率n0，由此芯折射率高于包层反射率。因此，当光束耦接至光纤或波导时(例如，当光束被引导到光纤或波导的端部时)，该光束通过全内反射被限制在芯内，因为光束沿光纤或波导的长度传播。
在一些情况下，芯包括硅，并且包层包括硅石或二氧化硅。可以存在可以沿着波导的长度形成在位于预定位置处的锗光电二极管区域中的光电二极管，以测量或检测预定位置处的光。本发明的一些方面在于，认识到防止锗光电二极管区域的最上表面被氧化是有利的，因为这种氧化会导致最终器件的暗电流增大。在可选方法中，在锗光电二极管区域的上表面上方形成氮化硅帽以减少或防止这种氧化。然而，部分由于氮化硅的硬度，氮化硅帽在制造期间易受空隙的影响，由此空隙会导致下面的锗的氧化和/或下面的锗在制造工艺期间被化学物质侵蚀。因此，本发明的一些方面在锗光电二极管区域上方提供了硅帽以消除或减少氧化。硅帽与锗光电二极管区域原位形成，从而防止了锗光电二极管区域的上表面的氧化。此外，由于硅帽的硬度小于氮化硅的硬度，因此相对于使用氮化硅帽的方法，硅帽较不易受空隙的影响并且趋于减小暗电流。最后，在一些实施例中，与一些可选方法相比，用于形成锗光电二极管区域和锗光电二极管区域上方的硅帽的原位工艺可以节省光掩模。
参考图1，可以看到根据一些实施例的包括具有硅帽的锗光电二极管的光电子器件100。将理解的是，图1的光电子器件100仅是示例，并且根据本发明的光电子器件可以采取任何数量的形式，包括波导、分离器、调制器、解调器、耦合器、解耦器、多路复用器、去多路复用器、发送器、接收器和许多其他应用。示出的光电子器件100包括波导中包括的一系列光路，例如，第一光路102和第二光路104。在各个位置处，光路可以彼此平行(见箭头106)，可以相互分支(见箭头108)或可以彼此合并(见箭头110)以促进期望的功能-再次图1仅是示例。
图2示出了图1的光电子器件100的插入部分的更详细视图，该光电子器件100包括第一光路102和第二光路104。光电二极管200设置在第一光路102上的第一预定位置处，并且另一个光电二极管202设置在第二光路104上的另一个预定位置处。光电二极管200耦接至两个导电金属焊盘，诸如接合焊盘。更具体地，第一金属线208将光电二极管200的阴极耦接至第一金属焊盘204，并且第二金属线210将光电二极管200的阳极耦接至第二金属焊盘206。
图3示出了图2中与光电二极管200对应的部分的三维/立体剖视图。从图3可以理解，光路(例如，第一光路102)可以设置在诸如绝缘体上硅(SOI)衬底或体硅衬底的衬底300上。在所示的实施例中，衬底300是SOI衬底，SOI衬底包括：包含单晶硅的处理衬底302；包含二氧化硅的绝缘体层304；以及包含硅的器件层306。锗光电二极管区域309也嵌入在衬底300中。因此，第一光路102包括包含硅的芯308和沿着第一光路的轴延伸的锗光电二极管区域309。通常包括硅石或二氧化硅的包层围绕芯308和锗光电二极管区域309。因此，包层包括设置在芯308的上表面上方和芯308的侧壁周围的氧化物层310(例如，二氧化硅层)，并且绝缘体层304设置在芯308的底面下方。绝缘体层304设置在芯308的底表面下方。光电二极管200可以完全或部分地设置在锗光电二极管区域309内，并且耦接至第一光路102的芯308的端部，光电二极管200可以测量或检测预定位置处的光。
为了建立光电二极管200，锗光电二极管区域309包括n型锗区域312和p型锗区域314，并且在所示的实施例中还包括将n型锗区域312和p型锗区域314分隔开的本征锗区域316以建立p-i-n锗光电二极管。在其他实施例中，可以省略本征锗区域316，并且n型锗区域312可以在p-n结处直接接触p型锗区域314。第一组一个或多个接触件318从第一金属线208向下延伸至欧姆耦接至n型锗区域312(例如，耦接至光电二极管200的阴极)的n型硅区域以将第一金属焊盘206耦合至光电二极管200的阳极。第二组一个或多个接触件320从第二金属线210向下延伸至欧姆耦接至p型锗区域314(例如，耦接至光电二极管的阳极)的p型硅区域以将第二金属焊盘206耦接至光电二极管200的阳极。芯308可以在锗光电二极管区域309的端部处加宽或锥化，以围绕锗光电二极管区域309的外边缘，并且包层围绕加宽的硅芯的边缘以促进通过波导的全内反射。
图4示出了锗光电二极管200的顶视图，并且与图3的一些实施例一致；并且现在与图4同时描述的图5A至图5B分别示出了沿着如图4的顶视图所示的锗光电二极管200的宽度和长度的截面图。
如图4和图5A至图5B所示，锗光电二极管200包括n型区域502、p型区域504以及将n型区域502和p型区域504分隔开的本征区域506以建立p-i-n光电二极管。在其他实施例中，可以省略本征区域506，并且n型区域502可以在p-n结处直接接触p型区域504。n型区域502可以包括位于接触件320正下方的n型接触区域508、在浅沟槽隔离(STI)结构540下方延伸的横向n型区域510、n型光电二极管区域512(可以包括n型锗区域312和n型硅区域514)。p型区域504可以包括位于接触件318正下方的p型接触区域516、在STI结构540下方延伸的横向p型区域518、p型光电二极管区域520(可以包括p型锗区域314和p型硅区域522)。本征锗区域316将n型锗区域312和p型锗区域314分隔开，并且本征硅区域524将横向n型区域510与横向p型区域518分隔开，从而建立p-i-n光电二极管。在一些实施例中，锗光电二极管区域的长度dA在约5微米至约50微米的范围内，并且在一些情况下为15微米。在一些实施例中，锗光电二极管区域的宽度dB在从dA的约1/50至等于dA的范围内；并且在一些实施例中为0.5微米。
当光沿着芯308内的第一光路传输时，在某个点处，光到达锗光电二极管200的第一预定位置。当足够能量的光子撞击锗光电二极管200时，它会产生电子空穴对。这种机制也称为内部光电效应。如果吸收发生在结的耗尽区域中，或远离结的一个扩散长度，则这些载流子会被耗尽区域的内置电场从结中清除。因此，空穴(p-)朝向p型阳极(和朝向p型接触区域516)移动，并且电子(n-)朝向n型阴极(和朝向n型接触区域508)移动，并且产生光电流，使得电流的幅度与光的强度成比例。通过锗光电二极管200的总电流是暗电流(在没有光的情况下生成的电流)和光电流之和，因此应该最小化暗电流以最大化器件的灵敏度。
如在图5A中可以看出，锗光电二极管区域309具有基本平坦或水平的下表面、垂直或基本垂直的侧壁以及弯曲上表面。硅帽526设置在锗光电二极管区域309上方，并且在锗光电二极管区域309的弯曲上表面和硅帽526的下表面之间不存在氧化。该不存在氧化是由于以下事实：硅帽526是在集群工具内与锗光电二极管区域309原位形成的，从而防止了锗光电二极管区域309的上表面的氧化。此外，硅帽526相对阻止空隙的形成，并且因此，相对于使用氮化硅帽的可选方法，防止制造期间的后续损坏，从而倾向于减小暗电流。在一些实施例中，硅帽526的厚度在100埃至1000埃的范围内。硅帽526具有下表面和上表面，下表面的外部拐角与器件层306的上表面相交，并且上表面的外部拐角与氧化物层310的上表面相交。如图5B所示，在一些实施例中，硅帽526在锗光电二极管区域上方连续延伸，并且沿着锗光电二极管区域的长度具有基本均匀的厚度。因此，硅帽的弯曲的下表面与锗光电二极管区域的弯曲上表面一致。
保护性氧化物层530设置在硅帽526上方，并且具有向外延伸超过锗光电二极管区域309的外侧壁并且在氧化物层310的上表面上方横向延伸的外边缘。在一些实施例中，保护性氧化物层530是低k电介质，但是保护性氧化物层530也可以是二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其他合适的介电材料。
图6A至图6B示出了可选实施例，其中锗光电二极管区域309具有基本上圆形的上表面，该上表面包括共同近似于圆形表面的(111)小平面、(311)小平面和(100)小平面。在一些情况下，由于氧化物层310的内侧壁限制了锗光电二极管区域309的外延生长和选择性生长，因此出现了(111)小平面和(311)小平面。因为(100)小平面的生长速率高于(311)和(111)小平面；并且(311)小平面的生长速率高于(111)小平面的生长速率，选择性的锗生长产生了图14B的大致圆形表面。
图7A至图7B示出了另一实施例，其中锗光电二极管区域309具有基本平坦或水平的下表面、垂直或基本垂直的侧壁以及弯曲上表面。硅帽526再次设置在锗光电二极管区域309上方，并且在锗光电二极管区域309的弯曲上表面和硅帽526的下表面之间不存在氧化。此外，包括硅锗的界面层528设置在锗光电二极管区域309的弯曲上表面和硅帽526的下表面之间。在一些实施例中，界面层528的硅锗的厚度范围为硅帽526的厚度的约3％和硅帽526的厚度的约50％。在一些实施例中，硅锗的厚度在30埃至50埃的范围内。在一些可选实施例中，硅锗的厚度大于0埃且小于30埃。此外，在一些实施例中，界面层528中锗的原子百分比大于0％并且小于或等于50％。在一些实施例中，在界面层的整个厚度上，界面层528具有基本上恒定的硅与锗的原子比率-例如，从锗光电二极管区域309的上表面到硅帽526的下表面，硅：锗的原子比率可以是1：1。
图8A至图8B示出了另一实施例，其中界面层528包括硅锗。与图7A至图7B相比，其中界面层528在其整个厚度上具有基本上恒定的硅与锗的原子比率，而在图8A至图8B中硅与锗的原子比率在界面层528的厚度上是分级的。因此，在图8A至图8B中，硅原子百分比从底部附近的约0％到顶部的约100％，并且在此厚度上，硅原子百分比可以线性增大(并且锗百分比可以相应地减小)。在其他实施例中，硅的原子百分比可以根据在厚度上连续变化的二次函数、在厚度上连续变化的指数函数或另一连续函数而增大(并且锗的百分比可以相应地减小)；这是因为连续函数倾向于控制晶格应变，并且提供比离散的、阶梯状的组分变化更好的晶体结构，这也是可能的。此外，在一些实施例中，硅锗的原子百分比范围从底部附近的约100％到顶部的约0％，并且在该厚度上展现出硅原子百分比的增大。在一些情况下，界面层528的厚度约等于硅帽526的厚度，然而，界面层528的厚度也可以大于硅帽526的厚度或小于硅帽526的厚度。在一些实施例中，界面层528的厚度在150埃至1000埃的范围内。
图9示出了另一示例，示出了在实施例中锗光电二极管区域309、氧化物层310和硅帽526如何彼此相交的一些细节。如图9中所示，在一些实施例中，锗光电二极管区域309的外围区域可以底切氧化物层310的内侧壁(见902)。这是由于形成锗光电二极管区域309的工艺所致，由此通过蚀刻在衬底中形成沟槽，该沟槽稍微底切氧化物层310，然后在沟槽内外延且选择性地生长锗光电二极管区域309。由于蚀刻，氧化物层310的上表面和内侧壁也可以具有圆形拐角904。锗光电二极管区域309的中心区域具有升高到氧化物层310的上表面之上的上表面，并且硅帽526设置在锗光电二极管区域309上方。在一些实施例中，硅帽526的厚度范围为氧化物层310的厚度的75％至125％，并且在一些情况下具有与氧化物层310相同的厚度(正负5％)。硅帽526的中心区域的下表面升高到氧化物层310的上表面之上。保护性氧化物层530设置在硅帽上方，并且具有在锗光电二极管区域的外边缘和STI结构540的内边缘之间的约50％的外边缘。
参考图10至图18，提供了用于形成光电子器件的方法的一些实施例的一系列截面图1000-1800，其中，硅帽层设置在锗光电二极管上方以减小暗电流。
如图10的截面图1000所示，提供了衬底300。衬底300可以例如是单晶硅的体衬底或一些其他合适类型的衬底，诸如SOI衬底等。在一些实施例中，衬底300是未掺杂的。在其他实施例中，衬底300掺杂有P型或N型掺杂剂。图案化衬底300以形成延伸至衬底的上表面中的浅沟槽隔离(STI)区域。图案化以形成STI区域可以包括：1)在衬底300上方沉积硬掩模层；2)通过光刻/蚀刻工艺图案化硬掩模层；以及3)在硬掩模层就位的情况下对衬底300执行蚀刻。硬掩模层可以例如是或包括氮化硅、未掺杂的硅酸盐玻璃(USG)和/或一些其他合适的电介质。沟槽填充有绝缘材料，诸如二氧化硅或低k介电材料。可选地，实施化学机械平坦化(CMP)操作以使STI区域的上表面与衬底300的上表面齐平。
如图11的截面图1100所示，在衬底300中形成p型区域和n型区域。在一些实施例中，该形成包括：对衬底300选择性地执行离子注入以形成p型接触区域516；对衬底300选择性地执行离子注入以形成横向p型区域518；对衬底300选择性地执行离子注入以形成n型接触区域508；以及对衬底300选择性地执行离子注入以形成横向n型区域510。
如图12的截面图1200所示，然后在衬底300的上表面上方形成氧化物层310。可以通过热氧化、旋涂工艺、原子层工艺或等离子体沉积工艺等来形成氧化物层310。在一些实施例中，氧化物层是二氧化硅层，但是也可以是低k电介质或另一种合适的电介质。
如截面图1300所示，然后图案化衬底300以形成凹槽或沟槽1302。图案化以形成沟槽1302包括：在衬底300上方沉积硬掩模层1304；通过光刻/蚀刻工艺图案化硬掩模层1304；以及在硬掩模层1304就位的情况下对衬底300执行蚀刻。硬掩模层1304可以例如是或包括氮化硅、未掺杂的硅酸盐玻璃(USG)和/或一些其他合适的电介质。在可选实施例中，通过一些其他合适的图案化工艺来执行形成沟槽1302的图案化。在一些实施例中，蚀刻可以底切氧化物层310的内侧壁(见线1306)，因此氧化物层310的内边缘悬垂于沟槽1302的最外边缘。
如分别由图14A至图14B的截面图1400A-1400B所示，外延生长锗区域1402以填充沟槽1302(见例如图13)。因为锗区域1402是外延生长的，所以锗区域1402被选择为仅在硅上生长并且从沟槽1302中的衬底300的暴露表面向外生长。此外，由于硬掩模层1304覆盖沟槽1302外部的衬底300，所以锗区域1402完全或大部分地定位至沟槽1302。然而，在可选实施例中，其他合适的材料也是适用的。此外，在一些实施例中，锗区域1402具有比衬底300小的带隙。在一些实施例中，锗区域1402可以具有大致圆形的上表面，在一些情况下，该上表面没有锐角或包括多个平坦小平面，多个平坦小平面共同近似于圆形表面。例如，图14A示出了具有圆形上表面的锗区域1402，该圆形上表面没有锐角，而图14B示出了具有(111)小平面、(311)小平面和(100)小平面的锗区域1402，它们共同近似于圆形表面。在一些情况下，(111)小平面和(311)小平面的出现是由于限定沟槽1302的最上部分的氧化物层310的内侧壁，以及锗在衬底300上选择性地生长而不是在该氧化物层310上生长的事实。因为(100)小平面的生长速率高于(311)和(111)小平面的生长速率；并且(311)小平面的生长速率高于(111)小平面的生长速率，选择性地生长的锗产生了图14B的大致圆形表面。无论上表面是圆形的，并且如图14A所示不具有锐角，还是如图14B所示包括几个平坦小平面，大致圆形的上表面最终都可以帮助促进锗光电二极管区域内的光的全内反射。
如图15A至图15B的截面图1500A-1500B和图16A至图16C的截面图1600A-1600C所示，在锗区域1402的大致圆形的上表面上外延生长帽层，帽层覆盖锗区域1402的大致圆形的上表面。帽层可以包括位于锗区域1402的圆形上表面上方的硅帽层1602(见图16A至图16C)，并且可以可选地包括位于硅帽层1602和锗区域1402之间的界面层528(见图15A至图15B)。此外，外延生长帽层，使得帽层在锗区域1402上生长，而不是硬掩模层1104上生长。因此，帽层通过自对准工艺定位至锗区域1402，并且与一些其他方法相比可以节省光掩模。此外，帽层与锗区域1402一起原位生长(意味着帽层在与锗区域1402相同的集群工具中或甚至在集群工具内的同一室中形成，而没有将衬底和锗区域暴露于集群工具外部的周围环境)，使得可以很好地保护衬底和锗区域免受周围环境的影响。该原位处理有助于防止锗区域1402的圆形上表面的氧化，由此这种氧化会增加所得锗光电二极管中的暗电流。因此，锗区域1402、可选的硅锗界面层1502和硅帽层1602的这种原位处理导致在锗区域1402的圆形上表面和硅帽层1602的最上表面之间不存在氧化。在一些方面中，与不使用该原位处理的其他方法相比，该原位处理显示出暗电流的显著减小。例如，在一些实施例中，具有硅帽的锗光电二极管通过原位处理形成，当施加的电压为-2伏时，光电二极管之前的输入功率为0.2毫瓦(mW)，带宽为60GHz，输出电流为214微安，暗电流小于20纳安(nA)，与其他方法相比，暗电流减小了20倍以上。认为暗电流的这种减小是由于锗区域1402的上表面上缺乏氧化而提供的界面电荷少于存在氧化时的界面电荷，因此与其他方法相比提供了显著改进。
更特别地，在图15A中，在锗区域1402的圆形上表面上形成硅锗界面层1502。硅锗界面层1502可以通过外延生长工艺与锗区域1402原位形成。在图15A中，硅锗界面层1502可以在其整个厚度上具有恒定的原子比率，或者可以具有在其厚度上变化的硅与锗的原子比率。在图15B中，硅锗界面层1502具有与下面的锗区域1402中的小平面共形的小平面；并且在整个厚度上可以具有恒定的原子比率，或者在整个厚度上可以具有变化的硅与锗的原子比率。在一些实施例中，可以通过将硅锗前体引入到室中以在锗区域1402的外表面上生长硅锗来形成硅锗界面层1502，并且其厚度范围为30埃至50埃。在一些可选实施例中，可以通过引入硅前体以与锗区域1402的锗反应来形成硅锗界面层1502，并且硅锗界面层1502的厚度大于0埃并且小于30埃。
在图16A至图16C中，在锗区域1402上方形成硅帽层1602。再次，硅帽层1602与锗区域1402和硅锗界面层1502(如果存在)一起外延且选择性地原位形成。更具体地，在分别跟随图15A至图15B的图16A至图16B中，硅帽层1602形成在硅锗界面层1502上方。在图16C中，硅帽层1602直接形成在锗区域1402上方，而没有中间的硅锗界面层。硅帽层1602保护锗区域1402在后续处理期间不受损坏。例如，随后的湿清洁工艺可以使用对于锗区域1402具有高蚀刻速率但对于硅帽层1602具有低蚀刻速率的酸。这样，锗区域1402将遭受显著的晶体损坏和/或腐蚀，但是不会损坏和/或腐蚀硅帽层1602。通过防止腐蚀和/或晶体损坏，减小了漏电流。
如图17的截面图1700所示(跟随图16A开始，但也可以跟随图16B至图16C)，掺杂锗区域1402和硅帽526以形成锗光电二极管区域309。在所示实施例中，锗光电二极管区域309包括p-i-n光电二极管，但在其他实施例中，可以包括PN光电二极管。P-i-n光电二极管包括p型光电二极管区域520和N型光电二极管区域512。为了执行该掺杂，从其中形成锗区域1402和帽层的集群工具中去除衬底，并且通常在转移到执行掺杂的离子注入工具中时将衬底暴露于晶圆厂的周围环境。因此，硅帽层1602的顶部可以在此时被氧化，但是下面的锗光电二极管区域309的圆形上表面保持无氧化，以将暗电流保持在降低的水平。
如图18的截面图1800所示，在硅帽526上直接形成保护性氧化物层530，并且在最靠近锗光电二极管区域309的氧化物层310的内边缘上方形成保护性氧化物层530。在一些实施例中，保护性氧化物层530包括氧化硅，和/或介电常数超过3.9、10或一些其他合适值的高k介电材料。沉积可以例如通过原子层沉积(ALD)、气相沉积或一些其他合适的沉积工艺来执行。在一些实施例中，保护性氧化物层530是金属氧化物。然而，其他合适的材料也是可以的。在一些实施例中，保护性氧化物层530是或包括氧化铝(例如Al2O3)、氧化钛(例如TiO2)、氧化钽(例如Ta2O5)、氧化铪(HfO2)、氧化锆(例如ZrO2)、氧化镁(例如，MgO)、一些其他合适的高k电介质或前述的任意组合。在一些实施例中，保护性氧化物层530具有约1-10纳米、约1-5纳米、约5-10纳米或一些其他合适的值的厚度。
如图19的截面图1900所示，形成接触件320、318，以分别将接触区域508和516连接至金属线210、208。在一些实施例中，金属接触件和金属线包括铜、铝、镍、铅和/或钨以及其他金属。
图20示出了根据一些实施例的用于制造光电子器件的方法2000的一些实施例。尽管参考图10至图19的前述截面图提及了图20的示例，但是将理解，在图10至图19中所示的结构不限于方法2000，而是可以单独地独立于该方法。此外，尽管将方法2000描述为一系列动作，但是将理解，在其他实施例中可以改变动作(和/或那些动作的部分)的顺序。例如，尽管图20示出了在动作2016中通过将掺杂剂注入锗层来形成光电探测器，但是在一些实施例中，也可以在2018之后或2014之前注入掺杂剂，并且也可以在方法2000中的其他时间来执行2004中的其他掺杂区域。此外，尽管图20示出了一系列特定的动作，但是在其他实施例中可以省略所示出和/或描述的一些动作。此外，在其他实施例中可以包括未在图20中示出和/或描述的附加动作。
在动作2002处，图案化衬底以形成围绕有源区域的浅沟槽隔离(STI)区域。在一些实施例中，动作2020可以与图10一致。
在动作2004处，在衬底中形成掺杂区域。在一些实施例中，动作2004可以与图11一致。
在动作2006处，在衬底的上表面上方和STI区域上方形成氧化物层。在一些实施例中，动作2006可以与图12一致。
在动作2008处，蚀刻衬底以在有源区域中形成沟槽或凹槽。在一些实施例中，动作2008可以与图13一致。
在步骤2010处，外延生长锗层，以部分或全部填充沟槽或凹槽。在一些实施例中，动作2010可以与图14A至图14B一致。
在可选的动作2012处，在与生长锗层相同的集群工具中，在锗层上面原位地形成硅锗层。在一些实施例中，动作2012可以与图15A至图15B一致。方框2011指示这些动作可以在相同的集群工具中原位执行。
在动作2014处，在与生长锗层相同的集群工具中，在锗层上面和/或硅锗层上面原位生长硅帽层。在一些实施例中，动作2014可以与图16A至图16C一致。
在动作2016处，通过将掺杂剂注入到锗层中来形成光电二极管。在一些实施例中，动作2016可以与图17一致。
在动作2018处，在硅帽层上方形成保护性氧化物层。在一些实施例中，动作2018可以与图18一致。
在动作2020处，形成至光电二极管的接触件。在一些实施例中，动作2020可以与图19一致。
在一些实施例中，本发明涉及一种光电子器件，包括：衬底；以及锗光电二极管区域，延伸至衬底的上表面中。锗光电二极管区域具有弯曲上表面，该弯曲上表面延伸超过衬底的上表面。硅帽位于锗光电二极管区域的弯曲上表面上面，并且在锗光电二极管区域的弯曲上表面和硅帽的上表面之间不存在氧化物。
在上述光电子器件中，还包括：硅锗界面层，设置在所述硅帽上方，并且将所述锗光电二极管区域的所述弯曲上表面和所述硅帽的下表面分隔开。
在上述光电子器件中，还包括：硅锗界面层，设置在所述硅帽上方，并且将所述锗光电二极管区域的所述弯曲上表面和所述硅帽的下表面分隔开，其中，在所述硅锗界面层的整个厚度上，所述硅锗界面层具有恒定的硅与锗的原子比率。
在上述光电子器件中，还包括：硅锗界面层，设置在所述硅帽上方，并且将所述锗光电二极管区域的所述弯曲上表面和所述硅帽的下表面分隔开，其中，在所述硅锗界面层的厚度上，所述硅锗界面层具有变化的硅与锗的原子比率，其中，所述硅与锗的原子比率具有靠近所述锗光电二极管区域的第一值和靠近所述硅帽的第二值，所述第二值大于所述第一值。
在上述光电子器件中，还包括：保护性氧化物层，设置在所述硅帽上方，所述保护性氧化物层在所述硅帽上方具有弯曲上表面。
在上述光电子器件中，还包括：保护性氧化物层，设置在所述硅帽上方，所述保护性氧化物层在所述硅帽上方具有弯曲上表面，其中，所述保护性氧化物层具有位于所述锗光电二极管区域上方的中心区域，并且具有在所述衬底的所述上表面上方横向延伸超过所述锗光电二极管区域的外侧壁的外边缘。
在上述光电子器件中，还包括：保护性氧化物层，设置在所述硅帽上方，所述保护性氧化物层在所述硅帽上方具有弯曲上表面；隔离结构，包括在所述锗光电二极管区域的相对侧上延伸至所述衬底的所述上表面中的氧化物。
在上述光电子器件中，还包括：保护性氧化物层，设置在所述硅帽上方，所述保护性氧化物层在所述硅帽上方具有弯曲上表面；隔离结构，包括在所述锗光电二极管区域的相对侧上延伸至所述衬底的所述上表面中的氧化物；p型区域，位于所述锗光电二极管区域的第一侧，并且位于横向超过所述隔离结构的离所述锗光电二极管区域最远的第一外侧壁的第一位置处；以及n型区域，位于所述锗光电二极管区域的第二侧，并且位于横向超过所述隔离结构的离所述锗光电二极管区域最远的第二外侧壁的第二位置处；并且其中，所述p型区域、所述n型区域和所述锗光电二极管区域建立p-n光电二极管或p-i-n光电二极管。
其他实施例涉及一种方法。在该方法中，在衬底中形成沟槽，并且将包括沟槽的衬底放置在室内。在室内，在沟槽中外延生长锗层以具有弯曲上表面，并且在室内原位在锗层上方外延生长硅帽层。
在上述方法中，还包括：在所述硅帽层上方形成保护性氧化物层。
在上述方法中，其中，所述锗层的所述弯曲上表面与所述硅帽层的弯曲下表面直接接触，所述硅帽层的所述弯曲下表面与所述锗层的所述弯曲上表面一致。
在上述方法中，还包括：在形成所述硅帽层之前，在所述锗层上面形成硅锗层，其中，在生长所述锗层的所述室中原位形成所述硅锗层。
在上述方法中，还包括：在形成所述硅帽层之前，在所述锗层上面形成硅锗层，其中，在生长所述锗层的所述室中原位形成所述硅锗层，其中，所述硅锗层具有弯曲下表面，所述弯曲下表面与所述锗层的所述弯曲上表面一致并且直接接触。
在上述方法中，还包括：在形成所述硅帽层之前，在所述锗层上面形成硅锗层，其中，在生长所述锗层的所述室中原位形成所述硅锗层，其中，所述硅锗层具有弯曲下表面，所述弯曲下表面与所述锗层的所述弯曲上表面一致并且直接接触，其中，所述硅帽层具有弯曲下表面，所述硅帽层的所述弯曲下表面与所述硅锗层的弯曲上表面一致并且直接接触。
还有其他实施例涉及一种方法。在该方法中，接收衬底，并且形成浅沟槽隔离区域以围绕衬底中的有源区域。在衬底中形成掺杂区域，并且在衬底的上表面上方和浅沟槽隔离区域上方形成氧化物层。蚀刻衬底以在有源区域中形成沟槽或凹槽，并且外延生长锗层以部分或完全地填充沟槽或凹槽。然后在锗层上面外延形成硅帽层。硅帽层在集群工具中原位形成，在该集群工具中生长锗层而不将锗层暴露于围绕集群工具的周围环境中。
在上述方法中，其中，生长所述硅帽层，使得所述硅帽层的上表面的外边缘与所述氧化物层的上表面相交。
在上述方法中，还包括：在形成硅帽层之前，在所述锗层上面形成硅锗界面层，其中，在生长所述锗层的集群工具中原位形成所述硅锗界面层。
在上述方法中，还包括：在形成硅帽层之前，在所述锗层上面形成硅锗界面层，其中，在生长所述锗层的集群工具中原位形成所述硅锗界面层，其中，在所述硅锗界面层的整个厚度上，所述硅锗界面层具有恒定的硅与锗的原子比率。
在上述方法中，还包括：在形成硅帽层之前，在所述锗层上面形成硅锗界面层，其中，在生长所述锗层的集群工具中原位形成所述硅锗界面层，其中，在所述硅锗界面层的厚度上，所述硅锗界面层具有变化的硅与锗的原子比率，其中，所述硅与锗的原子比率具有靠近所述锗层的第一值和靠近所述硅帽层的第二值，所述第二值大于所述第一值。
在上述方法中，还包括：将掺杂剂注入到所述锗层中以形成光电二极管；以及在注入所述掺杂剂之后，在所述硅帽层上方形成保护性氧化物层。
前面概述了若干实施例的特征，使得本领域人员可以更好地理解本发明的方面。本领域人员应该理解，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，这种等同配置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 (10)

1.一种光电子器件，包括：
衬底；
锗光电二极管区域，延伸至所述衬底的上表面中去，其中，所述锗光电二极管区域具有弯曲上表面，所述弯曲上表面延伸超过所述衬底的所述上表面；以及
硅帽，位于所述锗光电二极管区域的所述弯曲上表面上面，其中，在所述锗光电二极管区域的所述弯曲上表面和所述硅帽的上表面之间不存在氧化物。
2.根据权利要求1所述的光电子器件，还包括：
硅锗界面层，设置在所述硅帽上方，并且将所述锗光电二极管区域的所述弯曲上表面和所述硅帽的下表面分隔开。
3.根据权利要求2所述的光电子器件，其中，在所述硅锗界面层的整个厚度上，所述硅锗界面层具有恒定的硅与锗的原子比率。
4.根据权利要求2所述的光电子器件，其中，在所述硅锗界面层的厚度上，所述硅锗界面层具有变化的硅与锗的原子比率，其中，所述硅与锗的原子比率具有靠近所述锗光电二极管区域的第一值和靠近所述硅帽的第二值，所述第二值大于所述第一值。
5.根据权利要求1所述的光电子器件，还包括：
保护性氧化物层，设置在所述硅帽上方，所述保护性氧化物层在所述硅帽上方具有弯曲上表面。
6.根据权利要求5所述的光电子器件，其中，所述保护性氧化物层具有位于所述锗光电二极管区域上方的中心区域，并且具有在所述衬底的所述上表面上方横向延伸超过所述锗光电二极管区域的外侧壁的外边缘。
7.根据权利要求5所述的光电子器件，还包括：
隔离结构，包括在所述锗光电二极管区域的相对侧上延伸至所述衬底的所述上表面中的氧化物。
8.根据权利要求7所述的光电子器件，还包括：
p型区域，位于所述锗光电二极管区域的第一侧，并且位于横向超过所述隔离结构的离所述锗光电二极管区域最远的第一外侧壁的第一位置处；以及
n型区域，位于所述锗光电二极管区域的第二侧，并且位于横向超过所述隔离结构的离所述锗光电二极管区域最远的第二外侧壁的第二位置处；并且
其中，所述p型区域、所述n型区域和所述锗光电二极管区域建立p-n光电二极管或p-i-n光电二极管。
9.一种形成光电子器件的方法，包括：
在衬底中形成沟槽；以及
将包括所述沟槽的所述衬底放置在室内，并且在所述室内，在所述沟槽中外延生长具有弯曲上表面的锗层，并且在所述室内原位在所述锗层上方外延生长硅帽层。
10.一种形成光电子器件的方法，包括：
接收衬底；
形成浅沟槽隔离区域，所述浅沟槽隔离区域围绕所述衬底中的有源区域；
在所述衬底中形成掺杂区域；
在所述衬底的上表面上方和所述浅沟槽隔离区域上方形成氧化物层；
蚀刻所述衬底以在所述有源区域中形成沟槽或凹槽；
外延生长锗层以部分或完全地填充所述沟槽或凹槽；以及
在所述锗层上面外延形成硅帽层，其中，所述硅帽层在集群工具中原位形成，在所述集群工具中生长所述锗层而不将所述锗层暴露于围绕所述集群工具的周围环境中。
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