CN115917765A - 与cmos兼容的短波长光电检测器 - Google Patents

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Abstract

可以使用CMOS兼容工艺制造横向p‑i‑n光电检测器。CMOS电路系统可包含在包含所述横向p‑i‑n光电检测器的裸片上。所述横向p‑i‑n光电检测器可以形成在所述裸片的装置层中，其中在所述装置层之下具有内埋氧化物。p型注入物可以界定由横向p‑i‑n光电检测器限定的区。

Description

与CMOS兼容的短波长光电检测器
技术领域
本发明大体上涉及光电检测器，且更具体地说，涉及用于通信系统的光电检测器。
背景技术
随着半导体集成电路变得更加复杂并以更高的速度运行，人们越来越希望在IC的不同部分之间，甚至在数个芯片(或小芯片)之间实现有效的信息流。这可以是简单的时钟分布，也可以是处理器和存储器之间更复杂的数据传送，或者是不同逻辑块交换数据。
IC内或IC之间几乎总是通过在IC上方光刻形成的多个金属层(重布层(RDL)和后段生产线(BEOL)层、封装中的布线、插入IC和封装之间的插入件或桥(通常由硅或有机层合物制成)的使用、附接有多个封装IC的印刷电路板的使用，或电缆在一机箱内或不同机箱中的电路板之间的使用来电气地传送信号。然而，电连接可能会受到信号完整性问题的影响，包含串扰、随频率衰减和阻抗不连续处的反射。改善信号完整性问题可能需要信号再生和均衡，增加IC的电路面积和功率要求。另外，随着每个逻辑转换对与电线相关联的潜在重要电容进行充电或放电，功耗通常随频率而缩放。
几十年来，人们对使用光学器件进行时钟分布或芯片内和芯片间数据分布产生了极大的兴趣。例如，同步时钟信号可以以几乎零时延的方式光学地分布到同时共同封装的芯片或芯片集合的许多部分。光信号可以通过自由空间发送，可能使用反射镜或微透镜，或者分布在并入在芯片上或封装中的波导层中。在更复杂的实施方案中，数据总线可以是光学的，用光信号连接芯片上的多个点。
芯片内或一组芯片之间的光通信需要适当的光源和接收器。在硅光子学中，使用异质集成激光器、共同封装激光器或外部激光器来产生光，而各种调制器结构如环、马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)波导装置或其它组件将数据施加到CW信号上。检测器可以通过使用吸收锗层在硅中单片制成。通常，1.3um的较长波长用于硅光子学，因为它与其它地方发送或接收数据的光纤兼容。
通常，硅和其它材料中的大多数光电检测器采用p-i-n结构，其中轻掺杂的“本征”半导体夹在p掺杂和n掺杂材料之间。无论是单独的二极管内置电压还是额外的反向偏压，都会在本质掺杂的“i”区产生电场。当光子在此区中被吸收并产生电子空穴对时，电场将两个载流子分离并产生光电流。
通常，p-i-n结构是“竖直”的(例如，正交于IC的顶表面)，例如存在顶部p型区，其下方具有本征区，顶部p型区和本征区全都在n型材料的顶部。光子必须通过顶部p型区才能被本征区吸收。这在较长波长下不是很大的问题，因为这些波长在Si中的吸收长度相对较长，因此与光的吸收长度相比，顶部p型区可以变得相当薄。但在Si中吸收长度更短的较短波长下，很难使顶部p型区薄到足以完全透明。在顶部p型区中吸收的所有光通常都不会产生光电流，因为没有电场来分离载流子。出现在顶部p掺杂区中的任何光生载流子通常在同一区中重新组合并且不被检测到。
此外，竖直光电二极管在速度和效率之间存在权衡。如果与光子波长的吸收长度相比，中间本征区太薄，那么吸收的光不多。如果制造得太厚，以至于所有的光都被吸收，那么区可能太宽，无法快速响应；任何光生载流子通常都应该被扫出本征区，甚至在饱和载流子速度下，通过宽的本征区会导致时间延迟和速度降低。
通常需要将光电二极管与CMOS电子器件集成。然而，竖直结构通常与CMOS工艺不兼容，几乎所有CMOS工艺都是极薄层上的横向表面工艺。
典型的CMOS工艺遵循以下步骤。使用具有低掺杂水平的相对绝缘的晶片，并且为PMOS和NMOS结构注入n阱和p阱。生长薄氧化物作为栅极氧化物。然后沉积多晶硅层并将其图案化以充当栅极。光致抗蚀剂的第二掩模阻挡p阱，同时使用p+注入物在n阱上的NMOS结构上形成源极和漏极。然后移除此掩模，形成另一光致抗蚀剂掩模以保护n阱，随后使用n+注入物在p阱中形成的NMOS结构上形成源极和漏极。然后移除抗蚀剂，形成硅化接触，并在具有不同互连金属层的结构中制造PSG玻璃氧化物的其它激光器。
发明内容
在一些实施例中，通过完全CMOS兼容工艺制造用于短波长应用的光电检测器。在一些实施例中，所述光电检测器不包含锗或SiGe。在一些实施例中，所述光电检测器用于波长比1300nm短得多的光。在一些此类实施例中，所述光电检测器用于可见光谱中的蓝色光。在一些实施例中，所述光电检测器用于波长在400nm-450nm范围中的光，所述光可通过氧化物、氮化物或介电波导或光纤传输，并且可以在不使用锗的情况下容易地在硅中检测或吸收。在一些实施例中，作为形成所述光电检测器的NMOS和PMOS晶体管的源极和漏极区的过程的部分，形成所述光电检测器的n+和p+区。在一些实施例中，所述光电检测器的所述n+和p+区具有所述NMOS和PMOS晶体管的所述源极和漏极区的注入扩散深度。在一些实施例中，在所述光电检测器的所述n+和p+区的扩散深度下方设置氧化物层。
一些实施例提供一种包含与CMOS兼容的光电检测器的装置，包括：装置层，其包含由横向p-i-n光电检测器的叉指形p指状物和n指状物构成的光电检测器区，所述p指状物连接到p触点，所述n指状物连接到n触点，所述n指状物掺杂有n型掺杂剂，所述p指状物掺杂有p型掺杂剂；以及在所述装置层下方的内埋氧化物层、在所述装置层下方的内埋掺杂层或在所述光电检测器区的至少一个边缘处的p型或n型掺杂剂注入物中的至少一个。在一些实施例中，在所述装置层下方的所述内埋氧化物层、在所述装置层下方的所述内埋掺杂层或在所述光电检测器区的至少一个边缘处的所述p型或n型掺杂剂注入物中的所述至少一个包括在所述装置层下方的所述内埋氧化物层。在一些实施例中。在一些实施例中，所述内埋氧化物层在工作波长下是反射的。在一些实施例中，所述工作波长约为450nm。在一些实施例中，所述装置层的厚度在所述工作波长下光的吸收长度的3倍到5倍之间。在一些实施例中，所述p指状物和所述n指状物的掺杂区至少延伸到所述装置层的所述厚度的一半。在一些实施例中，在所述装置层下方的内埋氧化物层或在所述光电检测器区的至少一个边缘处的p型注入物或n型注入物中的所述至少一个进一步包括在所述光电检测器区的至少一个边缘处的所述p型注入物或n型注入物。在一些实施例中，在所述光电检测器区的至少一个边缘处的所述p型注入物或n型注入物包括至少在所述光电检测器区的相对边缘处的p型注入物或n型注入物。一些实施例进一步包括在所述装置层中的至少一个PMOS晶体管和至少一个NMOS晶体管。在一些实施例中，在所述装置层下方的所述内埋氧化物层、在所述装置层下方的所述内埋掺杂层或在所述光电检测器区的至少一个边缘处的所述p型注入物或n型注入物中的所述至少一个包括在所述装置层下方的所述内埋掺杂层。在一些实施例中，所述内埋掺杂层包括n型掺杂层。在一些实施例中，所述内埋掺杂层包括p型掺杂层。一些实施例进一步包括在所述装置层中的跨阻抗放大器电路系统。一些实施例进一步包括定位成向所述光电检测器区提供光的波导。
一些实施例提供一种包含与CMOS兼容的光电检测器的装置，其包括：装置层，其包含由横向p-i-n光电检测器的叉指形p指状物和n指状物构成的光电检测器区，所述p指状物连接到p触点，所述n指状物连接到n触点，所述n指状物掺杂有n型掺杂剂，所述p指状物掺杂有p型掺杂剂；以及用于所述光电检测器区的光电检测器隔离结构。在一些实施例中，所述光电检测器隔离结构包括在所述光电检测器区之下位于所述装置层下方的内埋氧化物层。在一些实施例中，所述光电检测器隔离结构包括在所述光电检测器区之下位于所述装置层下方的内埋掺杂层。在一些实施例中，所述光电检测器隔离结构包括在所述光电检测器区的相对边缘处的掺杂注入物。在一些实施例中，所述光电检测器隔离结构包括在所述光电检测器区之下位于所述装置层下方的内埋氧化物层和在所述光电检测器区的相对边缘处的掺杂注入物。
在检阅本公开后会更充分理解本发明的这些和其它方面。
附图说明
图1A-I示出根据本发明的方面的检测器区以及PMOS和NMOS晶体管的工艺流程。
图2A和2B分别示出根据本发明的方面的实例叉指形p+和n+触点的竖直结构和俯视图，其中所述触点之间具有轻掺杂半导体。
图3示出根据本发明的方面的共同形成的p-i-n横向光电检测器和CMOS晶体管的实例的横截面，其中波导在光电检测器的区上延伸。
图4示出根据本发明的方面的包含光电检测器/TIA组合的裸片的横截面，其中在光电检测器的后侧上具有波导。
具体实施方式
图1A-I示出检测器区以及PMOS和NMOS晶体管的工艺流程。与常规CMOS工艺一样，此工艺从在薄氧化物层115上具有氮化硅(SiN)顶涂层113的轻掺杂硅晶片111开始，如图1A所示。图1A还示出了SiN顶涂层的顶部上的光致抗蚀剂层117。如图1B所示，用光致抗蚀剂将氮化硅层图案化121a-c并向下蚀刻至氧化物层。使用硅局部氧化(LOCOS)工艺的氧化步骤使暴露区域具有更厚的氧化物123a-c，这在装置的不同区域之间提供了增加的隔离，如图1C所示。提供p型注入物，例如硼注入物，以形成NMOS区的P阱125。光致抗蚀剂127用于阻挡p型注入物，例如使得注入物仅被允许穿透形成NMOS晶体管的晶片，如图1D所示。使用N型注入物，例如磷注入物，重复此过程，以形成PMOS区的N阱129，其中使用光致抗蚀剂131、133阻挡n型注入物，例如图1E所示。注意，这些注入物都被光电检测器区中的光致抗蚀剂127和131阻挡。
然后，多晶硅层137被沉积并通过光致抗蚀剂135被图案化，并被蚀刻以形成栅极氧化物，例如图1F所示。栅极用于PMOS和NMOS区两者，但所有多晶硅都从检测器区域去除。然后用光致抗蚀剂141再次图案化晶片，以阻挡PMOS晶体管上的n型注入物，例如磷注入物，而多晶硅在自对准工艺中阻挡NMOS晶体管的栅极和漏极区周围的注入物。在检测器区中，光致抗蚀剂被图案化以形成用于横向p-i-n光电检测器的n指状物的开口。n型注入物形成NMOS晶体管的源极区145a和漏极区145b，同时形成光电检测器的n+区143a-c，例如图1G所示。针对例如硼的p型注入物使用类似过程，以形成PMOS晶体管的源极触点149a和漏极触点149b，同时形成光电检测器的p+区147a、b，例如图1H所示。通过以与光电检测器的p+和n+区相同的方式形成晶体管的源极和漏极区，晶体管的源极和漏极区具有与光电检测器的p+和n+区相似的注入深度。去除任何剩余的光致抗蚀剂，使得横向p-i-n检测器与PMOS和NMOS晶体管邻近，例如图1I所示。
上述过程产生叉指形p+和n+触点，其间有轻掺杂半导体，上方有栅极氧化物。在一些实施例中，叉指形触点随后被金属化。这可以通过图案化氧化物以允许与横向p-i-n检测器的源极、漏极以及p和n区电接触来实现。然后可以添加Ti，在触点上形成硅化钛，然后添加额外的金属化物，例如铜或金。
图2A示出其间有轻掺杂半导体的实例叉指形p+和n+触点的竖直结构，图2B示出其俯视图。如图2A中可见，硅晶片211包含围绕其上部部分的装置层215。装置层包含与p指状物穿插的n指状物221。n指状物可同时作为NMOS晶体管的源极和漏极触点，例如关于图1A-I所论述。类似地，p指状物可同时作为PMOS晶体管的源极和漏极触点，同样例如关于图1A-I所论述。n指状物和p指状物是横向p-i-n光电检测器的部分。p指状物连接到p触点253，n指状物连接到n触点251。当装置反向偏置时，本征区耗尽，且电场将载流子扫出。指状物之间的典型距离是一微米，而指状物宽度最小为0.5um或更小。在一些实施例中，指状物之间的区域可具有抗反射涂层227，例如氧化物抗反射涂层。落在指状物上的所有光都不产生光电流。如果指状物被金属化225，那么这是因为光被金属反射或吸收。即使指状物非金属化，掺杂区中也不存在显著电场，因此所有光生载流子都未分离且不产生光电流。
内埋氧化物层213的添加增加了光电检测器的速度，因为在晶片深处产生的任何载流子都不会被收集。内埋氧化物层在图2A(和其它图)中示出为至少竖直地位于光电检测器区之下。半导体深处的电场很弱，因此任何深载流子都不会被快速扫出，并且如果被收集，会在光电检测器的响应上产生缓慢的尾部；内埋氧化物阻止了这些慢而深的载流子被收集。在一些实施例中，内埋氧化物层的厚度在入射到光电检测器上的光的波长下是反射的。任何到达内埋氧化物层并被反射的光都可以随后被吸收，从而提高光电检测器的量子效率。在一些实施例中，内埋氧化物层的厚度在工作波长下是反射的。在一些实施例中，内埋氧化物层的厚度对于等于n/2*(内埋氧化物层厚度)/(氧化物折射率)的至少一些波长是反射的，其中n是整数，波长是入射到光电检测器上的光的预期波长。
在一些实施例中，光电检测器结构包括内埋掺杂层而不是内埋氧化物层。此内埋掺杂层可以制造为n型注入物或p型注入物。这个层的作用与内埋氧化物层的作用类似：任何在比所述层更深的地方产生的载流子都不会被p-i-n检测器结构收集。在一些实施例中，内埋掺杂层可能不电连接到其它结构，使得其电浮动。在一些实施例中，p型内埋注入层可接触光电检测器的p型指状物。在一些实施例中，n型内埋注入层可接触光电检测器的n指状物，使得其处于与n型指状物相同的电压。
类似地，优选地，检测器不在指状物区之外被照明。出于这个原因，优选的是，例如用金属255阻挡远离指状物区的光，并且例如用p型注入物掺杂在检测器之外的、在一些实施例中在检测器边缘处的区230，但在一些实施例中，可以使用n型注入物。这在图2A中示出，其中掺杂在指状物之外。内埋氧化物层、内埋掺杂层和边缘注入物，单独地或以各种组合，可以被视为光电检测器隔离结构。
检测器量子效率(QE)的计算简单。通常，影响QE的因素包含：
1.表面反射率：理想情况下，氧化物227的厚度适合用作抗反射涂层。其它材料，例如MgF、SiN或其它电介质，可以沉积在检测器表面上，以充当抗反射(AR)涂层，并减少仅通过反射而损失的光。
2.指状物的“占空比”：指状物“占空比”是指状物之间的间隔与中心到中心指状物间隔的比率。如先前所提及，入射到指状物上的光丢失，因此最大化占空比会最大化QE。
3.硅装置区的厚度：理想情况下，这是硅中光吸收长度的几倍。例如，在450nm处，光在硅中的吸收长度约为0.2um。优选地，装置层应该是这个值的几倍，或者说对于垂直入射来说是0.6至1um。为了适当地收集载流子，掺杂区应穿透吸收区中的大部分区。否则，在晶片的下部将只有弱电场，并且在那里产生的载流子将不能被有效地收集。
在一些实施例中，在检测器的顶部制造波导。图3示出共同形成的p-i-n横向光电检测器和CMOS晶体管的实例的横截面，其中波导在光电检测器的区上延伸。如关于图1A-I和图2所论述，光电检测器的n指状物321和p指状物323散布在硅晶片311的装置层315中。PMOS晶体管331和NMOS晶体管333也在装置层中。例如，晶体管可以是跨阻抗放大器(TIA)的一部分。图3示出了通过隔离氧化物361和在光电检测器区边缘处的p型掺杂注入物363与光电检测器区分离的晶体管。内埋氧化物层313位于装置层下方。内埋氧化物层可例如提高光电检测器的速度，例如关于图2所论述的。在一些实施例中，光电二极管结构可包括内埋掺杂层而不是内埋氧化物层。波导核心层371沉积在包含检测器的衬底上；聚合物或氮化硅是典型的选择。核心层被选择性地蚀刻以留下波导，并且这些波导可以在多模或单模模式下工作。与光正交于检测器入射的实施例相比，当与波导一起使用时，检测器的装置层的厚度(近似于指状物掺杂剂注入物的深度)可小得多，而不会显著损害检测器效率。在一些实施例中，低折射率材料370(例如二氧化硅)的底部包层可在沉积核心层之前沉积在衬底的表面上。然而，在检测器的有源区域中去除任何下包层。
在一些实施例中，波导和检测器的接触长度足够，使得波导中的大部分光沿着检测器的长度被吸收。当在波导中传播的光进入波导与检测器接触的区时，一些光被检测器吸收，这是因为检测器折射率高于波导核心的折射率。未被直接吸收的光在再次遇到核心-检测器界面时沿波导向下反射得更远并被吸收。
在一些实施例中，波导由反射涂层373(例如金属层)终止，所述反射涂层在波导的端部形成倾斜的反射镜。从这一反射镜反射的光被光电检测器吸收。通过用掩模对材料进行下蚀刻并随后进行金属化，可以轻松地形成这种倾斜的反射镜。在掩模下形成下切，并且可以通过改变蚀刻的方向性、压力和反应物浓度来调整角度。类似地，可以使用灰度掩模或纳米压印技术。
在一些实施例中，检测器与跨阻抗放大器(TIA)和/或其它有源电子器件整体地集成。在一些实施例中，此检测器/TIA组合在制造有波导的相同衬底中制造。
在一些实施例中，检测器/TIA裸片在具有内埋氧化物层的硅晶片上制造，并且裸片可能已经使用选择性蚀刻从所述晶片释放，其中内埋氧化物充当刻蚀终止层并允许裸片从所述晶片上剥离。图4示出包含光电检测器/TIA组合倒装芯片的裸片411，所述倒装芯片接合到包含波导471和其它光学元件的不同衬底。波导可在包含光电检测器的裸片的部分之上，并且如图4所示，可以在二氧化硅层上延伸，例如延伸到其它芯片。与图3的实施例一样，波导可以终止于倾斜的反射镜473，此反射镜将波导中的光反射向光电检测器。在此配置中，光从后侧(内埋氧化物侧而不是硅的顶表面)入射到光电检测器上。
在一些实施例中，检测器/TIA裸片所附接的衬底是硅插入件433。在一些实施例中，衬底被设计为在复杂逻辑或存储器IC(例如FPGA或GPU)与封装之间使用，并且具有细布线和芯片通孔。TIA的输出信号被传输到上方的逻辑芯片441，或者通过插入件向下发送到下方的封装435。
可以在所述芯片、逻辑芯片和封装之间使用各种互连方案。焊料凸块457、铜柱461、固液扩散接合或其它方法。当然，一个优点是波导中的光信号可以比电线传播更长的距离而没有串扰或退化。
尽管已相对于各种实施例论述本发明，但应认识到，本发明包括由此公开内容支持的新颖和非显而易见的权利要求。

Claims (20)

1.一种包含与CMOS兼容的光电检测器的装置，其包括：
装置层，其包含由横向p-i-n光电检测器的叉指形p指状物和n指状物构成的光电检测器区，所述p指状物连接到p触点，所述n指状物连接到n触点，所述n指状物掺杂有n型掺杂剂，所述p指状物掺杂有p型掺杂剂；以及
在所述装置层下方的内埋氧化物层、在所述装置层下方的内埋掺杂层或在所述光电检测器区的至少一个边缘处的p型或n型掺杂剂注入物中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的装置，其中在所述装置层下方的所述内埋氧化物层、在所述装置层下方的所述内埋掺杂层或在所述光电检测器区的至少一个边缘处的所述p型或n型注入物中的所述至少一个包括在所述装置层下方的所述内埋氧化物层。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述内埋氧化物层在工作波长下是反射的。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述工作波长约为450nm。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述装置层的厚度在所述工作波长下光的吸收长度的3倍到5倍之间。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述p指状物和所述n指状物的掺杂区至少延伸到所述装置层的所述厚度的一半。
7.根据权利要求6所述的装置，其中在所述装置层下方的内埋氧化物层、在所述装置层下方的内埋掺杂层或在所述光电检测器区的至少一个边缘处的p型注入物或n型注入物中的所述至少一个进一步包括在所述光电检测器区的至少一个边缘处的所述p型注入物或n型注入物。
8.根据权利要求7所述的装置，其中在所述光电检测器区的至少一个边缘处的所述p型注入物或n型注入物包括至少在所述光电检测器区的相对边缘处的p型注入物或n型注入物。
9.根据权利要求8所述的装置，其进一步包括在所述装置层中的至少一个PMOS晶体管和至少一个NMOS晶体管。
10.根据权利要求1所述的装置，其中在所述装置层下方的所述内埋氧化物层、在所述装置层下方的所述内埋掺杂层或在所述光电检测器区的至少一个边缘处的所述p型注入物或n型注入物中的所述至少一个包括在所述装置层下方的所述内埋掺杂层。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述内埋掺杂层包括n型掺杂层。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述内埋掺杂层包括p型掺杂层。
13.根据权利要求8所述的装置，其进一步包括在所述装置层中的跨阻抗放大器电路系统。
14.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括定位成向所述光电检测器区提供光的波导。
15.一种包含与CMOS兼容的光电检测器的装置，其包括：
装置层，其包含由横向p-i-n光电检测器的叉指形p指状物和n指状物构成的光电检测器区，所述p指状物连接到p触点，所述n指状物连接到n触点，所述n指状物掺杂有n型掺杂剂，所述p指状物掺杂有p型掺杂剂；以及
用于所述光电检测器区的光电检测器隔离结构。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述光电检测器隔离结构包括在所述光电检测器区之下位于所述装置层下方的内埋氧化物层。
17.根据权利要求15所述的装置，其中所述光电检测器隔离结构包括在所述光电检测器区之下位于所述装置层下方的内埋掺杂层。
18.根据权利要求15所述的装置，其中所述光电检测器隔离结构包括在所述光电检测器区的相对边缘处的掺杂注入物。
19.根据权利要求15所述的装置，其中所述光电检测器隔离结构包括在所述光电检测器区之下位于所述装置层下方的内埋氧化物层和在所述光电检测器区的相对边缘处的掺杂注入物。
20.根据权利要求15所述的装置，其中所述光电检测器隔离结构包括在所述光电检测器区之下位于所述装置层下方的内埋掺杂层和在所述光电检测器区的相对边缘处的掺杂注入物。
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