CN118016751A - 具有组合的横向与垂直布置的雪崩光检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有组合的横向与垂直布置的雪崩光检测器，提供雪崩光检测器的结构以及形成雪崩光检测器的结构的方法。该结构包括具有第一导电类型的衬底、定义该雪崩光检测器的吸收区的第一半导体层、位于该第一半导体层与该衬底间的介电层、包括具有与该第一导电类型相反的第二导电类型且与该第一半导体层不同的带隙的半导体材料的电荷控制区、以及自该电荷控制区穿过该介电层延伸至该衬底的第二半导体层。该第二半导体层定义该雪崩光检测器的倍增区。
Description
技术领域
本申请涉及半导体装置制造及集成电路，尤其涉及雪崩光检测器(avalanchephotodetector)的结构以及形成雪崩光检测器的结构的方法。
背景技术
雪崩光检测器(也称为雪崩光电二极管)是一种高度灵敏的半导体光检测器，其依靠光电效应将光转换为可计数的电流脉冲。通过施加低于击穿电压(breakdown voltage)的高反向偏置电压，雪崩光检测器因碰撞电离(其使电子-空穴对的数目倍增，以产生雪崩效应)而呈现内部电流增益效应。
需要改进的雪崩光检测器的结构以及形成雪崩光检测器的结构的方法。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供一种雪崩光检测器的结构。该结构包括具有第一导电类型的衬底、定义该雪崩光检测器的吸收区的第一半导体层、位于该第一半导体层与该衬底间的介电层、包括具有与该第一导电类型相反的第二导电类型且与该第一半导体层不同的带隙的半导体材料的电荷控制区、以及自该电荷控制区穿过该介电层延伸至该衬底的第二半导体层。该第二半导体层定义该雪崩光检测器的倍增区。
在本发明的一个实施例中，提供一种形成雪崩光检测器的结构的方法。该方法包括设置具有第一导电类型的衬底、第一半导体层、以及位于该第一半导体层与该衬底间的介电层、图案化该第一半导体层，以定义该雪崩光检测器的吸收区、形成包括具有与该第一导电类型相反的第二导电类型且与该第一半导体层不同的带隙的半导体材料的电荷控制区、以及形成自该电荷控制区穿过该介电层延伸至该衬底的第二半导体层。该第二半导体层定义该雪崩光检测器的倍增区。
附图说明
包含于并构成本说明书的一部分的附图示例说明本发明的各种实施例，并与上面所作的有关本发明的概括说明以及下面所作的有关该些实施例的详细说明一起用以解释本发明的该些实施例。在该些附图中，类似的附图标记表示不同视图中类似的特征。
图1显示依据本发明的实施例处于处理方法的初始制造阶段的结构的俯视图。
图2显示大体沿图1中的线2-2所作的剖视图。
图3显示处于图2之后的制造阶段的该结构的剖视图。
图4显示处于图3之后的制造阶段的该结构的剖视图。
图5显示处于图4之后的制造阶段的该结构的剖视图。
图6显示依据本发明的替代实施例处于处理方法的制造阶段的结构的剖视图。
图7显示处于图6之后的制造阶段的该结构的剖视图。
图8显示处于图7之后的制造阶段的该结构的剖视图。
具体实施方式
请参照图1、2并依据本发明的实施例，可利用半导体层12、介电层14，以及衬底16形成雪崩光检测器的结构10，该半导体层12、介电层14，以及衬底16以层堆叠布置，介电层14位于半导体层12与衬底16之间。半导体层12通过中间介电层14与衬底16隔开，且远薄于衬底16。半导体层12可由半导体材料组成，例如单晶锗，且可为未掺杂的及本征的。衬底16可由半导体材料组成，例如单晶硅，且介电层14可由介电材料组成，例如二氧化硅。介电层14可沿下方界面直接接触衬底16，介电层14可沿上方界面直接接触半导体层12，且该下方与上方界面可通过介电层14的厚度隔开。半导体层12可通过介电层14与衬底16电性隔离。在一个实施例中，可用一定浓度的n型掺杂物(例如，砷或磷)掺杂(例如，重掺杂)衬底16，以提供n型导电性。可通过光刻及蚀刻工艺图案化半导体层12，以定义多边形，例如矩形。在一个实施例中，介电层14可为绝缘体上锗(germanium-on-insulator；GOI)衬底的层堆叠的埋置氧化物层，半导体层12可为该GOI衬底的层堆叠的装置层，且衬底16可为该GOI衬底的层堆叠的操作衬底(handle substrate)。
可在半导体层12上方形成介电层18。介电层18可包括介电材料，例如二氧化硅。可通过光刻及蚀刻工艺图案化介电层18，以定义暴露半导体层12的表面区域的开口。介电层18的介电材料还填充围绕图案化半导体层12的介电层14上方的空间。
可形成开口20，其穿过半导体层12及介电层14到达衬底16。依靠介电层18作为蚀刻掩膜，可通过一个或多个蚀刻工艺在介电层18中的开口的位置形成开口20。开口20的底部可穿透至衬底16中较浅的深度。开口20的部分由半导体层12围绕。在一个实施例中，开口20可居中设置于半导体层12中。
请参照图3，其中，类似的附图标记表示图2中类似的特征，且在该处理方法的下一制造阶段，可在衬底16上的开口20内部形成半导体层22。半导体层22由半导体材料组成，其成分不同于半导体层12的半导体材料。在一个实施例中，半导体层22可由单晶半导体材料组成，例如单晶硅。在一个实施例中，在其形成之后，半导体层22可为未掺杂的及本征的。半导体层22可通过外延生长工艺形成。形成半导体层22的外延生长工艺可为选择性的，因为允许该单晶半导体材料自半导体材料(例如，衬底16)而不自介电材料(例如，介电层18)生长。半导体层22包括位于介电层14与衬底16之间的界面下方的下部，且半导体层22包括位于介电层14与衬底16之间的界面上方的上部。构成半导体层22的半导体材料可由与半导体层12的半导体材料不同的带隙(例如，较宽的带隙)表征。
请参照图4，其中，类似的附图标记表示图3中类似的特征，且在该处理方法的下一制造阶段，可在半导体层22上的开口20内部形成半导体层24。半导体层24由成分不同于半导体层12的半导体材料组成。半导体层24可包括由半导体层12围绕并与其邻接的的下部，以及突出于半导体层12上方的上部。半导体层24以垂直层堆叠布置，该层堆叠还包括半导体层22。
半导体层24可由单晶半导体材料组成，例如单晶硅。半导体层24可通过外延生长工艺形成。形成半导体层24的外延生长工艺可为选择性的，因为允许该单晶半导体材料自半导体材料(例如，半导体层22)而不自介电材料(例如，介电层18)生长。在一个实施例中，半导体层24可包含p型掺杂物(例如，硼)，以提供p型导电性，其可在外延生长期间原位设置。在一个实施例中，半导体层24可由该p型掺杂物重掺杂。构成半导体层24的半导体材料可由与半导体层12的半导体材料不同的带隙(例如，较宽的带隙)表征。半导体层22、24及衬底16可定义垂直的p-i-n二极管，其嵌入该雪崩光检测器的结构10的构造内。
半导体层24沿界面23邻接半导体层22，在界面23上，至少半导体材料的导电类型改变，且半导体层24沿界面25邻接半导体层12，在界面25上，半导体材料的成分改变。界面23定义一个平面，该平面与由界面25定义的平面不平行，而是相对于界面25所定义的平面成角度，这与该雪崩光电二极管的组合的横向与垂直布置一致。在一个实施例中，由界面23定义的平面可正交于或基本正交于由界面25定义的平面。在一个实施例中，可回蚀刻(etchback)半导体层22及/或半导体层24，以用于半导体层24的高度控制。在一个实施例中，可执行含氧气氛中的快速热退火，以为位于半导体层12与半导体层24之间的界面25提供陷阱减少处理(trap-reduction treatment)。
请参照图5，其中，类似的附图标记表示图4中类似的特征，且在该处理方法的下一制造阶段，形成接触件26，其与位于衬底16中的掺杂区27电性及物理连接。形成接触件28，其与位于半导体层12的各侧边边缘部分中的掺杂区29电性及物理连接。可在介电层14及介电层18中图案化的接触开口中形成接触件26，并可在形成该接触开口之后且在形成接触件26之前，可在衬底16中形成掺杂区27。可在介电层18中图案化的接触开口中形成接触件28，并可在形成该接触开口之后且在形成接触件28之前，在半导体层12的侧边边缘部分中形成掺杂区29。接触件26、28可由金属组成，例如钨。在一个实施例中，接触件26可独立于接触件28形成。在一个实施例中，衬底16可提供该雪崩光检测器的阴极，且半导体层12可提供该雪崩光检测器的阳极。光电子可在该雪崩光检测器中从该阳极流至该阴极。
在使用期间，可接近击穿电压偏置该雪崩光检测器。在由半导体层12定义的该雪崩光检测器的吸收区中吸收入射辐射，并在由半导体层22定义的倍增区中发生信号放大。当光子在该吸收区中被吸收时，形成电子-空穴对，且光电子从该吸收区横向扩散至半导体层24。半导体层24定义电荷控制区，其用以控制该倍增区及吸收区中的电场，并用以减少后脉冲效应(after-pulsing effect)。通过碰撞电离形成额外的电子-空穴对，在该倍增区中生成雪崩电流。所收集的雪崩电流提供可检测电子信号，可沿着通过接触件26、28的电流路径自该雪崩光检测器输出该可检测电子信号。
由半导体层12提供的吸收区以及由半导体层24提供的电荷控制区具有水平或横向布置。由半导体层22提供的倍增区、由半导体层24提供的电荷控制区，以及衬底16具有垂直布置。该吸收区环绕该垂直布置的电荷控制及倍增区。该横向布置的吸收区与该垂直布置的电荷控制及倍增区的明显分离可减小暗电流(dark current)并控制后脉冲，而不影响该雪崩光检测器的光检测效率。可在检测短波长红外辐射的应用中使用该雪崩光检测器。半导体层12相对于半导体层24的横向布置可增强填充因子，以使吸收区大于电荷控制区，从而与传统的雪崩光检测器(其中，吸收区与电荷控制区垂直堆叠)相比，提高光检测效率。半导体层22提供具有限定体积的倍增区，从而与传统的雪崩光检测器相比，可有效减少抖动(jitter)。
请参照图6并依据替代实施例，可以较大的厚度形成半导体层22。在一个实施例中，半导体层22可完全填充开口20。可形成注入掩膜34，其包括位于半导体层22的部分上方的开口。在一个实施例中，位于注入掩膜34中的该开口可居中设置于半导体层22上方。
请参照图7，其中，类似的附图标记表示图6中类似的特征，且在下一制造阶段，可在半导体层22中形成掺杂区36。由于位于注入掩膜34中的开口的尺寸设计，掺杂区36可窄于半导体层22，因此，半导体层22的本征半导体材料的部分可横向设置于掺杂区36与周围半导体层12之间。掺杂区36在半导体层22的厚度的部分上方延伸一定深度。半导体层22的未掺杂部分位于掺杂区36与衬底16之间。掺杂区36提供该雪崩光检测器的电荷控制区，且半导体层22的未掺杂部分提供该雪崩光检测器的倍增区。
在一个实施例中，可利用注入掩膜34通过例如离子注入工艺形成掺杂区36。注入条件(例如，离子种类、剂量、动能)可经选择以调节掺杂区36的电性及物理特性。注入掩膜34(具有足以阻止离子的厚度)可在形成掺杂区36后被剥离。在一个实施例中，掺杂区36可接收并包含提供p型导电性的p型掺杂物(例如，硼)。在一个实施例中，掺杂区36可由该p型掺杂物重掺杂。
请参照图8，其中，类似的附图标记表示图7中类似的特征，且在下一制造阶段，可移除注入掩膜34，并可形成接触件26、28。由掺杂区36提供的电荷控制区位于半导体层22的部分上方，并且还由半导体层22的部分围绕。将掺杂区36与介电层14及界面25隔开可有助于减少在使用期间所生成的光电子的重新组合。
如上所述的方法用于集成电路芯片的制造。制造者可以原始晶圆形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个晶圆)、作为裸管芯，或者以封装形式分配所得的集成电路芯片。可将该芯片与其它芯片、分立电路元件和/或其它信号处理装置集成，作为中间产品或最终产品的部分。该最终产品可为包括集成电路芯片的任意产品，例如具有中央处理器的计算机产品或智能手机。
本文中引用的由近似语言例如“大约”、“大致”及“基本上”所修饰的术语不限于所指定的精确值。该近似语言可对应于用以测量该值的仪器的精度，且除非另外依赖于该仪器的精度，否则可表示所述值的+/-10％。
本文中引用术语例如“垂直”、“水平”等作为示例来建立参考框架，并非限制。本文中所使用的术语“水平”被定义为与半导体衬底的传统平面平行的平面，而不论其实际的三维空间取向。术语“垂直”及“正交”是指垂直于如刚刚所定义的水平面的在该参考框架中的方向。术语“横向”是指在该水平平面内的该参考框架中的方向。
与另一个特征“连接”或“耦接”的特征可与该另一个特征直接连接或耦接，或者可存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则特征可与另一个特征“直接连接”或“直接耦接”。如存在至少一个中间特征，则特征可与另一个特征“非直接连接”或“非直接耦接”。在另一个特征“上”或与其“接触”的特征可直接在该另一个特征上或与其直接接触，或者可存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则特征可直接在另一个特征“上”或与其“直接接触”。如存在至少一个中间特征，则特征可“不直接”在另一个特征“上”或与其“不直接接触”。如果一个特征延伸于另一个特征上方并覆盖其部分，则不同的特征“重叠”。
对本发明的各种实施例所作的说明是出于示例说明的目的，而非意图详尽无遗或限于所公开的实施例。许多修改及变更对于本领域的普通技术人员将显而易见，而不背离所述实施例的范围及精神。本文中所使用的术语经选择以最佳解释实施例的原理、实际应用或在市场已知技术上的技术改进，或者使本领域的普通技术人员能够理解本文中所公开的实施例。
Claims (20)
1.一种雪崩光检测器的结构，其特征在于，该结构包括：
衬底，具有第一导电类型；
第一半导体层，定义该雪崩光检测器的吸收区；
介电层，位于该第一半导体层与该衬底间；
电荷控制区，包括具有与该第一导电类型相反的第二导电类型且与该第一半导体层不同的带隙的半导体材料；以及
第二半导体层，自该电荷控制区穿过该介电层延伸至该衬底，
其中，该第二半导体层定义倍增区。
2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一半导体层为本征锗。
3.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第二半导体层为本征硅。
4.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该半导体材料为硅，该第一导电类型为n型，且该第二导电类型为p型。
5.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该电荷控制区为第三半导体层，该第三半导体层包括由该第一半导体层围绕的第一部分。
6.如权利要求5所述的结构，其特征在于，该第三半导体层的该第一部分具有与该第一半导体层相接的第一界面以及与该第二半导体层相接的第二界面。
7.如权利要求6所述的结构，其特征在于，该第一界面的方向基本正交于该第二界面。
8.如权利要求5所述的结构，其特征在于，该第三半导体层包括突出于该第一半导体层上方的第二部分。
9.如权利要求5所述的结构，其特征在于，该第二半导体层及该第三半导体层以垂直的层堆叠布置。
10.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该介电层沿界面与该衬底邻接，且该第二半导体层包括布置于该界面上方的第一部分以及布置于该界面下方的第二部分。
11.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该电荷控制区是位于该第二半导体层中的掺杂区。
12.如权利要求11所述的结构，其特征在于，该第二半导体层包括设置于该掺杂区与该第一半导体层间的部分。
13.如权利要求12所述的结构，其特征在于，该第二半导体层的该部分围绕该掺杂区。
14.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该电荷控制区由该第一半导体层围绕。
15.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括：
第一接触件，与该衬底连接。
16.如权利要求15所述的结构，其特征在于，还包括：
第二接触件，与该第一半导体层的侧边边缘部分连接。
17.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该衬底、该介电层、以及该第一半导体层定义绝缘体上锗衬底的层堆叠。
18.一种形成雪崩光检测器的结构的方法，其特征在于，该方法包括：
设置具有第一导电类型的衬底、第一半导体层、以及位于该第一半导体层与该衬底间的介电层；
图案化该第一半导体层，以定义该雪崩光检测器的吸收区；
形成电荷控制区，该电荷控制区包括具有与该第一导电类型相反的第二导电类型且与该第一半导体层不同的带隙的半导体材料；以及
形成自该电荷控制区穿过该介电层延伸至该衬底的第二半导体层，其中，该第二半导体层定义该雪崩光检测器的倍增区。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，形成包括具有与该第一导电类型相反的该第二导电类型的该半导体材料的该电荷控制区包括：
在该第二半导体层上外延生长第三半导体层。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，形成包括具有与该第一导电类型相反的该第二导电类型的该半导体材料的该电荷控制区包括：
在该第二半导体层中形成掺杂区。
Applications Claiming Priority (2)
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Family Applications (1)
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