CN115528050A - 形成半导体装置的方法、光侦测器及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成半导体装置的方法、光侦测器以及形成光侦测器的方法，形成一半导体装置的方法包括：在一半导体基板上形成一经图案化硬式遮罩层；使用包括一第一卤素物质的一第一蚀刻剂执行一第一蚀刻制程以在该半导体基板的一暴露部分中形成一凹部；使用包括一第二卤素物质的一第二蚀刻剂执行一第二蚀刻制程，使得该第二卤素物质在该半导体基板中形成围绕该凹部的一障壁层；以及使用一磊晶生长制程在该凹部中生长一侦测区。该障壁层用以减少该第一卤素物质至该侦测区中的扩散。

Description

形成半导体装置的方法、光侦测器及其形成方法
技术领域
本揭露有关于形成半导体装置的方法、光侦测器以及形成光侦测器的方法。
背景技术
能够在红外光，尤其是短波红外光中感测影像的影像感测器具有广泛应用，包括光通信(光纤及自由空间)、激光侦测及测距(LADAR/LIDAR)、冰侦测(如在道路及飞机上)及医药制造。此类影像感测器亦可用于艺术品保护、肿瘤侦测、天文学、烟雾及云层成像、污染侦测、红外显微镜、红外光谱及集成电路制造。红外影像感测器亦可用于夜视及三维激光侦测及测距(three dimensional laser detection and ranging，3-D LADAR)。
发明内容
各种实施例提供一种形成半导体装置的方法，包含：在半导体基板上形成经图案化硬式遮罩层；使用包含第一卤素物质的第一蚀刻剂执行第一蚀刻制程，以在半导体基板的暴露部分中形成凹部；使用包含第二卤素物质的第二蚀刻剂执行第二蚀刻制程，使得第二卤素物质在半导体基板中形成围绕凹部的障壁层；以及使用磊晶生长制程在凹部中生长侦测区，其中障壁层用以减少第一卤素物质至侦测区中的扩散。
各个实施例提供一种形成光侦测器的方法，包括：在第一半导体基板的正面上形成经图案化硬式遮罩层；使用包含第一卤素物质的第一蚀刻剂执行第一蚀刻制程，以在半导体基板的正面的暴露部分中形成凹部；使用包含第二卤素物质的第二蚀刻剂执行第二蚀刻制程，使得第二卤素物质在半导体基板中形成围绕凹部的障壁层；以及使用磊晶生长制程在凹部中生长侦测区。第一蚀刻制程包含在第一硅半导体基板中植入第一卤素物质至第一深度，且第二蚀刻制程包含在第一硅半导体基板中植入第二卤素物质至小于第一深度的第二深度，且第一卤素物质相对于硅具有比第二卤素物质高的扩散系数。
各个实施例提供一种光侦测器，包含：第一半导体基板；侦测区，其包含磊晶锗(Ge)且安置在形成于第一半导体基板的正面中的凹部中；第一卤素物质，其围绕凹部植入于第一半导体基板中；障壁层，障壁层围绕凹部108且包含第二卤素物质，其中障壁层用以减少第一卤素物质自半导体基板至侦测区中的扩散，其中第一卤素物质的原子半径小于第二卤素物质的原子半径。
附图说明
当与附图一起阅读时，根据以下详细描述可最佳地理解本揭露的态样。注意，根据行业中的标准实务，各种特征未按比例绘制。实际上，为了论述的清楚起见，可任意地增大或减小各种特征的尺寸。
图1为说明根据本揭露的各种实施例的形成包括磊晶侦测区的半导体装置的方法的操作的流程图；
图2A至图2K为说明图1的方法的操作的横截面图；
图3为说明根据本揭露的各种实施例的光侦测器的横截面图；
图4A及图4B为说明根据本揭露的各种实施例的卤素物质蚀刻剂浓度的曲线图。
【符号说明】
10～30:操作
20:浅沟槽隔离结构
42:p型掺杂源极/漏极区
44:n型掺杂源极/漏极区
46:浮动漏极区
48:源极区
50:栅极介电质
52:栅电极
80:金属互连结构
102:半导体基板
104:硬式遮罩层
106:光阻层
108:凹部
110:第一卤素物质
110D:第一卤素物质
112:第二卤素物质
114:障壁层
120:侦测区
120L:含锗层
188:第一接合垫
190:第一互连结构
192:第一介电材料层
198:外部接合垫
202:第二半导体基板
288:第二接合垫
290:第二互连结构
292:第二介电材料层
301:第一导电类型含锗区
302:第二导电类型含锗区
308:中间含锗区
340:硅钝化层
341:第一导电类型硅区
342:第二导电类型硅区
502:绝缘间隔物
504:穿基板通孔结构
506:滤光层
508:透镜层
510:第一半导体晶粒
520:第二半导体晶粒
600:光侦测器
610:转移晶体管
630:p型场效应晶体管
640:n型场效应晶体管
具体实施方式
以下揭示内容提供用于实施所提供主题的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件及配置的特定实例以简化本揭露。当然，此等仅为实例而非限制性的。举例而言，在下文的描述中，在第二特征之上或上的第一特征的形成可包括其中第一特征与第二特征直接接触地形成的实施例，且亦可包括其中在第一特征与第二特征之间形成额外特征，使得第一特征与第二特征可不直接接触的实施例。另外，本揭露可在各个实例中重复参考数字及/或字母。此重复是出于简单及清楚的目的，且其本身并不指示所论述的各种实施例及/或组态之间的关系。
此外，为了便于描述，在本文中可使用诸如“下方”、“在...下方”、“下部”、“在上方”、“上部”等的空间相对术语，以便于描述一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系，如图所示。除了在图中描述的定向之外，空间相对术语亦意欲涵盖元件在使用或操作中的不同定向。设备可以其他方式定向(旋转90度或以其他定向)，且本文中使用的空间相对描述语可同样地被相应地解释。除非另有明确陈述，否则假定具有相同附图标记的每一元件具有相同的材料成分且具有在相同厚度范围内的厚度。
本揭露是针对具有降低的暗电流灵敏度的光侦测器感测器装置。为了改良暗电流灵敏度，光侦测器感测器可形成为具有安置在半导体基板上方的锗(Ge)侦测区。然而，此类组态可能限制可整合至装置中的Ge层的数目，从而可能降低装置解析度及/或增大装置大小及复杂性。通过使半导体基板凹部且在其中沉积Ge材料以形成侦测区，可形成具有改良的装置解析度及/或增大的装置大小及复杂度特性的光侦测器装置。可使用包括第一卤素物质的第一蚀刻剂气体形成半导体基板中的凹部。然而，此类蚀刻剂气体可能会留下植入半导体基板中的第一卤素物质。所植入的第一卤素物质可能会扩散至侦测区中随后形成的Ge材料中。为了减轻第一卤素物质的扩散，可执行使用包括第二卤素物质的第二蚀刻剂气体的第二蚀刻制程。所得经植入第二卤素物质可作为经植入第一卤素物质的障壁层，从而防止第一卤素物质扩散至随后形成的侦测区中。
光电二极管可用于侦测光信号，且将光信号转换为可由另一电路进一步处理的电信号。光电二极管可用于消费电子产品、影像感测器、数据通信、飞行时间(time-of-flight，TOF)应用、医疗装置及许多其他合适的应用中。光电二极管将侦测到的光转换为电荷。每一光电二极管可包括经控制以收集电荷的多个栅极。
典型影像感测器包含与读出集成电路(readout integrated circuit，ROIC)相结合的二维光侦测器阵列(称为焦平面阵列)。光侦测器对入射辐射敏感。ROIC定量评估光侦测器的输出，且将它们处理成影像。常见的影像感测装置缺陷包括光串扰、电串扰及暗电流。随着影像像素大小及相邻影像像素之间的间距持续缩小，此等缺陷变得更具影响力。光串扰是指来自相邻像素的光子干扰，其会使像素的感光可靠性及准确性劣化。暗电流可定义为当无实际照明时存在像素电流。换言之，暗电流为在无光子进入光电二极管的情况下流过光电二极管的电流。在过多的电流泄漏导致来自像素的异常高信号的情况下，会出现白色像素。
在诸如包括Ge层作为影像感测器材料的TOF感测器的光感测器中，若Ge层未恰当地形成，则可能产生过大的暗电流。举例而言，晶体结构中的缺陷及/或Ge层中的杂质可能增大暗电流的可能性。
锗与硅具有化学相容性，且对自蓝光至约1.6μm波长的可见光谱中的辐射具有光学回应性。习知侦测器依赖于在半导体基板上形成的Ge层。然而，此类组态可能限制可整合至装置中的Ge层的数目，从而可能降低装置解析度及/或增大装置大小及复杂性。因此，需要一种形成直接整合至半导体基板中的Ge侦测区，以提供具有改良的灵敏度、动态范围及/或效率的光侦测器的新方法。
根据各种实施例，图1为说明根据本揭露的各种实施例的形成光侦测器的方法的操作的流程图，该光侦测器包括直接磊晶生长在半导体基板中形成的凹部中的Ge基侦测区。图2A至图2K为说明可经由图1的方法的操作形成的各种中间结构的横截面图。
参考图1及图2A，在操作10中，该方法可包括在半导体基板102上形成硬式遮罩层104，该半导体基板在本文中亦可称为“第一半导体基板”。半导体基板102可为硅基板；然而，可使用任何合适的半导体材料。半导体基板102可包括掺杂区(未说明)，这些掺杂区包括植入其中的P型或N型掺杂剂。在一些实施例中，掺杂区可形成光电二极管的元件。半导体基板102可具有范围自约2μm至约5μm，诸如约3μm的厚度，但可使用更厚或更薄的尺寸。
硬式遮罩层104可为形成于半导体基板102的上表面上的氧化物层，诸如SiO2层。然而，本揭露不限于任何特定类型的硬式遮罩材料。其他硬式遮罩材料在本揭露的预期范围内。在各种实施例中，硬式遮罩层104可通过氧化半导体基板102的表面而形成，或可通过使用任何合适的沉积方法在半导体基板102上沉积硬式遮罩层104材料而形成。本文中，“合适的沉积制程”可包括化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)制程、物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)制程、原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)制程、高密度电浆CVD(high density plasma CVD，HDPCVD)制程、金属有机CVD(metalorganic CVD，MOCVD)制程、电浆增强CVD(plasma enhanced CVD，PECVD)制程、溅镀制程、激光烧蚀等。
可使用任何合适的沉积制程在硬式遮罩层104上方沉积光阻层106。光阻层106可例如经由光微影制程被图案化以覆盖硬式遮罩层104的上表面的部分且暴露硬式遮罩层104的其他部分。尽管未说明，但图案化可暴露硬式遮罩层104的多个部分，且暴露部分可配置成阵列。
参考图1及图2B，在操作12中，该方法可包括使用光阻层106作为遮罩执行图案化制程以图案化硬式遮罩层104，以暴露半导体基板102的上表面的部分。尽管未展示，但图案化制程可暴露半导体基板102的多个部分，其中这些部分配置成阵列。图案化制程可包括任何合适的湿式或干式蚀刻制程以图案化硬式遮罩层104。
参考图1及图2C，在操作14中，该方法可包括执行第一蚀刻制程。该第一蚀刻制程可包括使用硬式遮罩层104作为遮罩蚀刻半导体基板102，以在半导体基板102中形成凹部108。尽管未说明，但可在半导体基板102中形成凹部108的阵列。
第一蚀刻制程可包括干式蚀刻、湿式蚀刻或其组合。在本实施例中，第一蚀刻制程可为干式蚀刻制程，诸如反应性离子蚀刻，其利用气态第一蚀刻剂，可选地结合氧气(O2)及/或氦气(He)。在各种实施例中，气态第一蚀刻剂可包括选自第一卤素物质的元素。举例而言，卤素物质可包括构成元素周期表的第17族(第VIIa族)的六种非金属元素。卤素元素包括氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)、砹(At)及Tennessine(Ts)。然而，第一蚀刻剂可较佳地包括F、Cl、Br及I作为更常见的蚀刻剂。举例而言，第一蚀刻剂可包括卤素气体，诸如F2、Cl2、Br2或I2，或含卤素气体，诸如CHF4、Ch2F2、CH3、NF3、SiF4、CF4、SF6F、S2F2、XeF2、CBr4等。然而，本文揭示的实施例不希望限于此等例示性蚀刻剂。其他合适的蚀刻剂在本揭露的预期范围内。
可使用范围自约1mT至约1000mT的压力来进行第一蚀刻制程，但可使用更小或更大的压力。可使用范围自约50W至约1000W的功率来执行第一蚀刻制程，但可使用更小或更大的功率。第一蚀刻制程可使用范围自约100V至约500V的偏电压，但可使用更小或更大的偏电压。第一蚀刻制程可使用范围自约10sccm至约500sccm的第一蚀刻剂气体流速，但可使用更小或更大的第一蚀刻剂气体流速。第一蚀刻制程可使用范围自约0sccm至约100sccm的O2流速，但可使用更小或更大的O2流速。第一蚀刻制程可使用范围自约0sccm至约1000sccm的He流速，但可使用更小或更大的He流速。
在一个实施例中，由于定向/各向异性蚀刻，凹部108可具有基本上垂直的侧壁。在另一实施例中，侧壁可为锥形的。此外，第一卤素物质110可保留在半导体基板102中，邻近于凹部108的侧壁及/或底部。在各种实施例中，凹部108的深度可在自0.5微米至10微米的范围内，诸如自1微米至6微米，但亦可使用更小及更大的深度。凹部108的横向尺寸可在自0.5微米至30微米的范围内，诸如自1微米至15微米，但亦可使用更小及更大的横向尺寸。
参考图1及图2D，在操作16中，该方法可包括执行第二蚀刻制程。详言之，第二蚀刻制程可为干式蚀刻制程，诸如反应性离子蚀刻，其利用气态第二蚀刻剂，视情况与O2及/或He结合。在各种实施例中，气态第二蚀刻剂可包括选自第二卤素物质的元素。如上文所指出，卤素物质可包括构成元素周期表的第17族(第VIIa族)的六种非金属元素。卤素元素包括氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)、砹(At)及Tennessine(Ts)。然而，第二蚀刻剂可较佳地包括F、Cl、Br及I作为更常见的蚀刻剂。举例而言，第二蚀刻剂可包括如上文所指出的卤素气体。然而，本文揭示的实施例不希望限于此等例示性蚀刻剂。其他合适的蚀刻剂在本揭露的预期范围内。
第二蚀刻制程可为轻微蚀刻凹部108的侧壁及/或底部的表面蚀刻制程。详言之，第二蚀刻制程可能不会显著增大凹部108的蚀刻深度，例如凹部108的深度及/或宽度。举例而言，第二蚀刻制程可将凹部108的蚀刻深度增大小于约10％或小于约5％的量。在第二蚀刻制程完成之后，在第二蚀刻制程期间由第二蚀刻剂产生的第二卤素物质112可能保留在半导体基板102中，邻近于凹部108的侧壁及底部。
可使用范围自约1mT至约1000mT的压力来执行第二蚀刻制程，但可使用更小或更大的压力。可使用范围自约50W至约1000W的功率来执行第二蚀刻制程，但可使用更小或更大的功率。第二蚀刻制程可使用范围自约100V至约500V的偏电压，但可使用更小或更大的偏电压。第二蚀刻制程可使用范围自约10sccm至约250sccm的第二蚀刻气体流速，但可使用更小或更大的第二蚀刻气体流速。第二蚀刻制程可使用范围自约0sccm至约100sccm的O2流速，但可使用更小或更大的O2流速。第二蚀刻制程可使用范围自约0sccm至约1000sccm的He流速，但可使用更小或更大的He流速。
在各种实施例中，第二蚀刻制程可用以使得第二卤素物质112可平均而言比第一卤素物质110安置得更靠近凹部108的侧壁及底部。换言之，第二卤素物质112至半导体基板102(例如，凹部108的底部及/或侧壁)中的渗透深度可小于第一卤素物质110的渗透深度。举例而言，可选择第一蚀刻剂及第二蚀刻剂，使得第二卤素物质112相对于硅具有比第一卤素物质110低的扩散系数。在一些实施例中，第二蚀刻制程可以比第一蚀刻制程更低的功率及/或更短的持续时间进行。举例而言，第二蚀刻制程可具有比第一蚀刻制程低的偏电压。因此，第二卤素物质112可有效地形成围绕凹部108的侧壁及底部的障壁层114。
根据各种实施例，可选择第一蚀刻剂及第二蚀刻剂，使得第二卤素物质112可大于(例如，具有更大的原子半径)第一卤素物质110。举例而言，在一些实施例中，第一卤素物质110可包含F及/或Cl，且第二卤素物质112可包含Br及/或Ir。在其他实施例中，第一卤素物质110可包含F，且第二卤素物质112可包含Cl及/或Br。举例而言，可选择第一蚀刻剂及第二蚀刻剂，使得由第二蚀刻剂产生的卤素原子大于由第一蚀刻剂产生的卤素原子。举例而言，第一蚀刻剂可包含Cl2或含Cl蚀刻剂，且第二蚀刻剂可包含Br2或含Br蚀刻剂，且第一卤素物质110可包括Cl原子，且第二卤素物质112可包括相对较大的Br原子。由此，第二卤素物质112可形成围绕凹部108的障壁层114。
参考图1及图2E至图2G，在操作18中，可在凹部108中生长侦测区120。详言之，可在半导体基板102上及凹部108中生长含锗层120L。含锗层120L可包括大于50％原子百分比的锗。在一实施例中，含锗层120L可包括掺杂或未掺杂锗，使得锗的原子百分比为至少99％，且基本上不含硅。在另一实施例中，含锗层120L可包括硅锗合金，其中锗的原子百分比大于50％，且硅的原子百分比小于50％，诸如1％至30％。
含锗层120L可通过选择性沉积制程或非选择性沉积制程而形成。选择性沉积制程或非选择性沉积制程可为磊晶沉积制程，即，提供沉积的含锗材料的晶体结构与下伏材料部分的实体暴露表面处的晶体结构的对准的沉积制程。因此，沉积在凹部108中的含锗层120L的至少一部分可形成为与半导体基板102的晶体结构磊晶对准的单晶。
与在无第二蚀刻制程的情况下形成且不包括由第二卤素物质112形成的障壁层114的类似结构相比，第二卤素物质112的位置及/或大小可允许障壁层114限制第一卤素物质110至含锗层120L中的扩散。因此，仅相对少量的第一卤素物质110D可扩散至含锗层120L中，如图2E所示。换言之，障壁层114减少第一卤素物质110自第一半导体基板102至含锗层120L中的扩散。下文关于图4A及图4B详细论述障壁层114的特性的进一步论述。
可自包括硬式遮罩层104的顶表面的水平面上方移除含锗层120L的多余部分，以在凹部108中形成侦测区120。在一个实施例中，可执行化学机械平坦化(chemicalmechanical planarization，CMP)制程以移除位于包括硬式遮罩层104的顶表面的水平面上方的含锗层120L的部分。如图2F所示，侦测区120与硬式遮罩层104可共面。
如图2G所示，可执行凹部蚀刻制程以使侦测区120垂直凹入。在一些实施例中，垂直凹入距离可大于硬式遮罩层104的厚度，以防止硬式遮罩层104与侦测区120之间的直接接触。
参考图1及图2H，在操作20中，可执行选择性磊晶制程以自侦测区120的顶表面生长硅钝化层340。硅钝化层340可包括单晶硅。或者，可在形成多晶硅的条件下执行选择性或非选择性硅沉积制程。在此类实施例中，硅钝化层340可包括多晶硅及/或可基本上由多晶硅组成。
硅钝化层340可包括未掺杂硅。如本文所用，未掺杂硅是指在沉积制程期间无有意引入的掺杂剂的硅。因此，未掺杂硅中的电掺杂剂含量可能以残留含量存在。举例而言，未掺杂硅可为本质的(intrinsic)，或可包括掺杂剂浓度小于1.0×1016/cm3，诸如自1.0×1012/cm3至1.0×1015/cm3的电掺杂剂。未掺杂硅提供相对高的电阻率，且可有效地抑制漏电流。未掺杂硅可通过选择性沉积制程或非选择性沉积制程生长。在使用非选择性沉积制程的实施例中，可自包括硬式遮罩层104的顶表面的水平面上方移除所沉积的未掺杂硅材料的多余部分。所沉积的未掺杂硅的剩余部分包含硅钝化层340。硅钝化层340的顶表面可在包括硬式遮罩层104的顶表面的水平面内。在使用选择性沉积制程沉积未掺杂硅的实施例中，平坦化制程可能并非必需的。硅钝化层340用作含锗阱(germanium-containing well)的含硅覆盖结构。
因此，可在半导体基板102中形成侦测区120的阵列。在一些实施例中，侦测区120可包括除含锗材料之外的材料以用于侦测不同波长的光。在一些实施例中，在形成侦测区120之前，可执行预清洁制程以用氟化氢(HF)或其他合适的溶液清洁凹部108。其他合适的预清洁溶液在本揭露的预期范围内。
参考图1及图2I，在操作22中，可将掺杂剂植入至硅钝化层340及侦测区120中。为了便于说明，第一卤素物质110、第二卤素物质112及已扩散第一卤素物质110D未在图2I至图2K中展示。可使用第一遮罩离子植入制程将第一导电类型的掺杂剂植入硅钝化层340的一部分及侦测区120的上部部分中。硅钝化层340的植入部分包含第一导电类型硅区341，且侦测区120的植入部分包含第一导电类型含锗区301。第一导电类型硅区341及第一导电类型含锗区301可经重掺杂。举例而言，第一导电类型硅区341及第一导电类型含锗区301中的每一者可包括原子浓度范围为1.0×1019/cm3至2.0×1021/cm3的第一导电类型的电掺杂剂。
可使用第二遮罩离子植入制程将第二导电类型的掺杂剂植入硅钝化层340的另一部分及侦测区120的另一上部部分中。硅钝化层340的植入部分包含第二导电类型硅区342，且侦测区120的植入部分包含第二导电类型含锗区302。第二导电类型硅区342及第二导电类型含锗区302可经重掺杂。举例而言，第二导电类型硅区342及第二导电类型含锗区302中的每一者可包括原子浓度范围为1.0×1019/cm3至2.0×1021/cm3的第二导电类型的电掺杂剂。
硅钝化层340的剩余部分可在第一导电类型硅区341与第二导电类型硅区342之间提供横向隔离。侦测区120的未植入部分在本文中称为中间含锗区308。中间含锗区308可为本质的，或可具有掺杂剂原子浓度范围自1.0×1013/cm3至1.0×1018/cm3的掺杂。中间含锗区308在第一导电类型含锗区301与第二导电类型含锗区302之间提供横向间隔。
参考图1及图2J，在操作24中，可例如通过执行诸如湿式蚀刻制程的各向同性蚀刻制程来移除硬式遮罩层104，且可在第一半导体基板102上形成第一互连结构190。详言之，第一互连结构190可包括第一介电材料层192、金属互连结构80及第一接合垫188。第一互连结构190可包括穿基板通孔结构504，且横向围绕穿基板通孔结构504的绝缘间隔物502可在半导体基板102上方形成。
参考图1及图2K，在操作26中，可形成光侦测器感测电路的阵列。举例而言，各种场效应晶体管(转移晶体管610、p型场效应晶体管630、n型场效应晶体管640)可形成于第二半导体基板202中。举例而言，转移晶体管610、p型场效应晶体管630及n型场效应晶体管640可形成于第二半导体基板202上。或者，感测电路可形成于第一半导体基板102上。
场效应晶体管(转移晶体管610、p型场效应晶体管630、n型场效应晶体管640)中的每一者可包括各别栅极介电质50、各别栅电极52、各别栅极介电质50、各别栅电极52及一对各别源极区及漏极区。源极区及漏极区统称为源极/漏极区。举例而言，p型场效应晶体管630可包括p型掺杂源极/漏极区42，且n型场效应晶体管640可包括n型掺杂源极/漏极区44。转移晶体管610可包括源极区48以电连接至第二导电类型含锗区302及浮动漏极区46。第二导电类型含锗区302及浮动漏极区46可具有第二导电类型的掺杂。
浅沟槽隔离结构20可形成于第二半导体基板202的上部部分中。浅沟槽隔离结构20可包括诸如氧化硅的介电填充材料，且为场效应晶体管(转移晶体管610、p型场效应晶体管630、n型场效应晶体管640)提供电隔离。尽管本揭露仅说明两个场效应晶体管630、640，但应理解，可在第二半导体基板202中形成用于为子像素提供感测电路的全套场效应晶体管。场效应晶体管包括诸如重设晶体管、源极随耦器晶体管及选择晶体管的晶体管。可形成用于感测第二导电类型含锗区302中储存的电荷的任何感测电路。
在操作28中，可在第二半导体基板202上形成第二互连结构290。详言之，可在第二介电材料层292内形成金属互连结构80以提供去往及来自第二半导体基板202上的各种半导体装置的电布线。可在第二互连结构290上形成第二接合垫288。
在操作30中，可将包括第一半导体基板102及第一互连结构190的第一晶圆通过晶圆至晶圆接合而接合至包括第二半导体基板202及第二互连结构290的第二晶圆。举例而言，第一接合垫188可与第二接合垫288对准且安置在第二接合垫288上，且可在第一接合垫188与第二接合垫288的每一配对的对上引起金属至金属接合。
随后，可薄化第一半导体基板102的背面以实体地暴露穿基板通孔结构504的顶表面。可在第一半导体基板102的背面上形成滤光层506，且可在滤光层506上形成透镜层508。此外，透镜层508的透镜的形状可为凹面、凸面、具有表面结构的平面或其他形状，且不应受此处的例示性附图的限制。
外部接合垫198可形成于穿基板通孔结构504上。可切割第一晶圆与第二晶圆的接合总成以提供接合的半导体晶粒。每一接合的半导体晶粒可包括包含第一半导体基板102及第一互连结构190的切割部分的第一半导体晶粒510以及包含第二半导体基板202及第二互连结构290的切割部分的第二半导体晶粒520。
图3为根据本揭露的各种实施例的光侦测器600的横截面图，其可通过接合图2K所示的第一半导体晶粒510与第二半导体晶粒520而形成。参考图2K及图3，光侦测器600可为飞行时间(time-of-flight sensor，TOF)感测器，诸如直接飞行时间(direct time-of-flight，DToF)感测器或间接飞行时间(indirect time-of flight，IToF)感测器。
如上所述，光侦测器600可包括第一半导体基板102、第一互连结构190、第二互连结构290及第二半导体基板202。根据透镜层508处的透镜设计，将由侦测区120侦测到的入射光可经聚焦、准直、扩展或处理。被侦测到的入射光可接着进入滤光层506。滤光层506可用以使具有特定波长范围的光通过。第二半导体基板202中的光电二极管可将入射光转换为自由载流子。晶体管(转移晶体管610、p型场效应晶体管630、n型场效应晶体管640)处理经由金属互连结构80及第一接合垫188、第二接合垫288接收的自由载流子，且根据特定应用处理这些自由载流子。
第一半导体基板102的层可包括包含Ge侦测区120的光侦测器感测器。然而，第一半导体基板102的层可包括用于侦测不同波长范围的光的多组光侦测器感测器。举例而言，包括Ge侦测区120的一组光侦测器感测器可用以侦测NIR波长范围(例如，810nm至890nm)的光。尽管未说明，但第一半导体基板102的层可包括用以侦测蓝色波长范围(例如，420nm至500nm)、绿色波长范围(例如，500nm至580nm)及/或红色波长范围(例如，580nm至660nm)的光。光侦测器感测器的侦测区120可通过绝缘侧壁间隔物、沟槽或其他合适的隔离结构来隔离。在一些实施中，用以侦测可见光(例如，红色、绿色、及蓝色)的这些组光侦测器感测器可包括硅侦测区(例如，可为硅光侦测器感测器)。
图4A为说明图2H的结构的半导体基板102及侦测区120中的卤素浓度相对于深度的曲线图，且图4B为说明在包括侦测区且仅使用第一卤素物质蚀刻的比较半导体层中的卤素浓度相对于深度的横截面图。
参考图2G、图4A及图4B，由于第二卤素物质112具有较大的原子半径及/或较小的植入深度，因此第二卤素物质112形成障壁层114，其减少第一卤素物质110至侦测区120中的扩散。因此，仅相对少量的第一卤素物质110可扩散至侦测区120中且作为已扩散第一卤素物质110D。
相比之下，由于比较半导体基板未经受第二蚀刻制程，因此未形成障壁层。因此，相对大量的第一卤素物质110可扩散至形成于比较半导体层中的含Ge侦测区中，此是因为比较半导体不包括障壁层114来限制此类扩散。
详言之，二次离子质谱(secondary ion mass spectrometry，SIMS)测试已表明，当在仅使用基于Cl2的反应性离子蚀刻制程形成的凹部中生长的Ge层周围不存在障壁层时，可能会出现大于10at％的峰值第一卤素物质(例如，Cl)原子浓度。相比之下，基于含Ge侦测区的总at％，使用本揭露方法在侦测区中形成的Ge层可具有小于10at％，诸如小于5at％、小于4at％、小于3at％或小于1at％的峰值Cl原子浓度。因此，本揭露蚀刻制程减少卤素物质扩散，且允许出乎意料得纯的Ge区的生长。以此方式，可形成较不易受暗电流影响的光侦测器感测器的改良的侦测区120。
通过在半导体基板102中蚀刻出凹部，可在半导体基板上方形成数目增大的Ge层以形成光侦测器基板的侦测区120。通常，可用含有第一卤素物质110的第一蚀刻剂气体蚀刻凹部108。然而，此第一蚀刻剂制程可能导致第一卤素物质110的残余物植入至凹部108的底部及侧表面中。此等植入的第一卤素物质110粒子随后可能扩散至侦测区120的所沉积Ge材料中且污染侦测区120。通过使用含有第二卤素物质112的第二蚀刻剂气体执行第二蚀刻制程，第二卤素物质112的障壁层114可植入至凹部108的底部及侧表面中。此障壁层114可防止及/或减轻第一卤素物质110至侦测区120的随后沉积的Ge材料中的扩散。详言之，可执行第一蚀刻制程及第二蚀刻制程，使得半导体基板102的层中的第二卤素物质112的峰值浓度比半导体基板102的层中的第一卤素物质110的峰值浓度更靠近凹部108而出现。以此方式，可形成较不易受暗电流影响的光侦测器感测器的改良的侦测区120。
参考图1至图3，各种实施例提供一种形成半导体装置的方法，包含：在半导体基板102上形成经图案化硬式遮罩层104；使用包含第一卤素物质110的第一蚀刻剂执行第一蚀刻制程，以在半导体基板102的暴露部分中形成凹部108；使用包含第二卤素物质112的第二蚀刻剂执行第二蚀刻制程，使得第二卤素物质112在半导体基板102中形成围绕凹部108的障壁层114；以及使用磊晶生长制程在凹部108中生长侦测区120，其中障壁层114用以减少第一卤素物质110至侦测区120中的扩散。
在一个实施例中，第一卤素物质110的原子半径可小于第二卤素物质112的原子半径。在另一实施例中，第一卤素物质110相对于硅可具有比第二卤素物质112高的扩散系数。在另一实施例中，半导体基板102包含Si；且侦测区120包含单晶Ge。在另一实施例中，侦测区120中第一卤素物质110的峰值浓度可小于10原子百分比(at％)。在另一实施例中，侦测区120中第一卤素物质110的峰值浓度可小于5原子百分比(at％)。在另一实施例中，第一卤素物质110包含F或Cl；且第二卤素物质112包含Br或I。在另一实施例中，第二蚀刻制程可为不使凹部108的蚀刻深度增大超过约10％，诸如超过约5％的蚀刻制程。在一个实施例中，第一蚀刻制程及第二蚀刻制程可包含反应性离子蚀刻制程。在各种实施例中，执行第一蚀刻制程及第二蚀刻制程，使得半导体基板中的第二卤素物质的峰值浓度比半导体基板中的第一卤素物质的峰值浓度更靠近凹部而出现。在一个实施例中，第一蚀刻制程包含施加比第二蚀刻制程高的偏电压。
在另一实施例中，各个实施例提供一种形成光侦测器的方法，包括以下操作：在第一半导体基板102的正面上形成经图案化硬式遮罩层104；使用包含第一卤素物质110的第一蚀刻剂执行第一蚀刻制程，以在半导体基板102的正面的暴露部分中形成凹部108；使用包含第二卤素物质112的第二蚀刻剂执行第二蚀刻制程，使得第二卤素物质112在半导体基板102中形成围绕凹部108的障壁层114；以及使用磊晶生长制程在凹部108中生长侦测区120。第一蚀刻制程包含在第一硅半导体基板102中植入第一卤素物质110至第一深度，且第二蚀刻制程包含在第一硅半导体基板102中植入第二卤素物质112至小于第一深度的第二深度，且第一卤素物质110相对于硅具有比第二卤素物质高的扩散系数。
在一个实施例中，侦测区120可包含单晶Ge。在一个实施例中，第一卤素物质110可包含F或Cl；且第二卤素物质112包含Br或I。在一个实施例方法中，侦测区120可以阵列形式安置在半导体基板102上。在一个实施例方法中，第一卤素物质110相对于硅可具有比第二卤素物质112高的扩散系数。在一个实施例中，第一蚀刻制程包含在半导体基板102中植入第一卤素物质110至第一深度；且第二蚀刻制程包含在半导体基板102中植入第二卤素物质112至小于第一深度的第二深度。在一些实施例方法中，进一步包含以下操作：在侦测区上形成一钝化层；在第一半导体基板的前表面上方形成第一互连结构；在第二半导体基板上形成光侦测器感测电路；在第二半导体基板上形成第二互连结构，第二半导体基板包含光侦测器感测电路；以及接合第一互连结构与第二互连结构。在一些实施例方法中，进一步包含以下操作：在第一半导体基板中形成穿基板通孔结构；薄化第一半导体基板的一背面以暴露穿基板通孔结构；在穿基板通孔结构的暴露部分上形成外部接合垫；在第一半导体基板的背面上形成滤光层；以及在滤光层上形成透镜层。
各个实施例提供一种光侦测器600，包含：第一半导体基板102；侦测区120，其包含磊晶锗(Ge)且安置在形成于第一半导体基板102的正面中的凹部108中；第一卤素物质110，其围绕凹部植入于第一半导体基板102中；障壁层114，且围绕凹部108且包含第二卤素物质112，其中障壁层114用以减少第一卤素物质110自半导体基板102至侦测区120中的扩散，其中第一卤素物质110的原子半径小于第二卤素物质112的原子半径。在一些实施例中，光侦测器600亦可包括：第二半导体基板202，其包含光侦测器感测电路(转移晶体管610、p型场效应晶体管630、n型场效应晶体管640)；以及互连结构(第一互连结构190，第二互连结构290)，其将侦测区120电连接至光侦测器感测电路(转移晶体管610、p型场效应晶体管630、n型场效应晶体管640)。在一些实施例中，第一半导体基板中的第二卤素物质的峰值浓度比半导体基板中的第一卤素物质的峰值浓度更靠近每一凹部而出现。在一些实施例方法中，第一卤素物质包含氟(F)或氯(Cl)，且第二卤素物质包含溴(Br)或碘(I)。
前文概述了若干实施例的特征，使得熟悉此项技术者可更佳地理解本揭露的各态样。熟悉此项技术者应理解，其可容易地将本揭露用作设计或修改其他过程及结构的基础，以实现与本文介绍的实施例相同的目的及/或达成相同的优点。熟悉此项技术者亦应认识到，此类等效组态不脱离本揭露的精神及范围，且在不背离本揭露的精神及范围的情况下，可对其进行各种改变、替换及更改。

Claims (10)

1.一种形成一半导体装置的方法，其特征在于，包含：
在一半导体基板上形成一经图案化硬式遮罩层；
使用包含一第一卤素物质的一第一蚀刻剂执行一第一蚀刻制程以在该半导体基板的一暴露部分中形成一凹部；
使用包含一第二卤素物质的一第二蚀刻剂执行一第二蚀刻制程，使得该第二卤素物质在该半导体基板中形成围绕该凹部的一障壁层；以及
使用一磊晶生长制程在该凹部中生长一侦测区，
其中该障壁层用以减少该第一卤素物质至该侦测区中的扩散。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该第一卤素物质的一原子半径小于该第二卤素物质的原子半径。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该第一卤素物质相对于硅具有比该第二卤素物质高的一扩散系数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，执行该第一蚀刻制程及该第二蚀刻制程，使得该半导体基板中的该第二卤素物质的一峰值浓度比该半导体基板中的该第一卤素物质的一峰值浓度更靠近该凹部而出现。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该第一蚀刻制程及该第二蚀刻制程包含反应性离子蚀刻制程。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该第一蚀刻制程包含施加比该第二蚀刻制程高的一偏电压。
7.一种形成一光侦测器的方法，其特征在于，包含：
在一第一半导体基板的一正面形成一经图案化硬式遮罩层；
使用包含一第一卤素物质的一第一蚀刻剂执行一第一蚀刻制程，以在该第一半导体基板的该正面的暴露部分中形成凹部；
使用包含一第二卤素物质的一第二蚀刻剂执行一第二蚀刻制程，使得该第二卤素物质在该第一半导体基板中形成围绕该凹部的障壁层；以及
使用一磊晶生长制程在该些凹部中生长包含单晶锗(Ge)的侦测区，其中，
该第一蚀刻制程包含在该第一半导体基板中植入该第一卤素物质至一第一深度，
该第二蚀刻制程包含在该第一半导体基板中植入该第二卤素物质至小于该第一深度的一第二深度，以及
该第一卤素物质相对于硅具有比该第二卤素物质高的一扩散系数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包含：
在该些侦测区上形成一钝化层；
在该第一半导体基板的前表面上方形成一第一互连结构；
在一第二半导体基板上形成光侦测器感测电路；
在一第二半导体基板上形成一第二互连结构，该第二半导体基板包含光侦测器感测电路；以及
接合该第一互连结构与该第二互连结构。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包含：
在该第一半导体基板中形成穿基板通孔结构；
薄化该第一半导体基板的一背面以暴露该些穿基板通孔结构；
在该些穿基板通孔结构的暴露部分上形成外部接合垫；
在该第一半导体基板的该背面上形成一滤光层；以及
在该滤光层上形成一透镜层。
10.一种光侦测器，其特征在于，包含：
一第一半导体基板；
多个侦测区，包含磊晶锗(Ge)且安置在形成于该第一半导体基板的一前侧表面中的凹部中；
一第一卤素物质，围绕该些凹部植入该第一半导体基板中；以及
多个障壁层，围绕该些凹部且包含一第二卤素物质，其中该些障壁层用以减少该第一卤素物质自该第一半导体基板至该些侦测区中的扩散，
其中该第一卤素物质的一原子半径小于该第二卤素物质的原子半径。
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