DE102021105574A1 - Avalanche photodiode - Google Patents

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Mark D. Levy
Siva P. Adusumilli
John J. Ellis-Monaghan
Vibhor Jain
Ramsey HAZBUN
Pernell Dongmo
Cameron E. LUCE
Steven M . Shank
Rajendran Krishnasamy
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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft Halbleiterstrukturen und insbesondere eine Avalanche-Photodiode und Herstellungsverfahren. Die Struktur umfasst: ein Substratmaterial (12), das einen Graben mit Seitenwänden und einem Boden aufweist, die aus dem Substratmaterial zusammengesetzt sind; ein erstes Halbleitermaterial (18), das die Seitenwände und den Boden des Grabens auskleidet; ein photosensitives Halbleitermaterial (20), das auf dem ersten Halbleitermaterial vorgesehen ist (18); und ein drittes Halbleitermaterial (26), das auf dem photosensitiven Halbleitermaterial (20) vorgesehen ist.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft Halbleiterstrukturen und insbesondere Avalanche-Photodioden und Herstellungsverfahren.
  • HINTERGRUND
  • Eine Avalanche-Photodiode (avalanche photodiode; APD) ist eine hochsensitive Halbleiter-Photodiode, die den photoelektrischen Effekt ausnutzt, um Licht in Elektrizität umzuwandeln. Aus funktioneller Sicht kann die Avalanche-Photodiode als das Halbleiter-Analogon zu Photomultipliern angesehen werden. Typische Anwendungen für Avalanche-Photodioden sind Faseroptikkommunikation mit langer Reichweite und Quantensensorik für Steueralgorithmen. Neuere Anwendungen umfassen Positronen-Emissions-Tomographie und Teilchenphysik.
  • Die Anwendbarkeit und Nützlichkeit einer Avalanche-Photodiode hängt von vielen Parametern ab. Zwei Faktoren sind beispielsweise Quanteneffizienz und Gesamtleckage. Die Quanteneffizienz gibt an, wie gut einfallende optische Photonen absorbiert und dann verwendet werden, um primäre Ladungsträger zu erzeugen; während der Gesamtleckagestrom die Summe von Dunkelstrom, Photostrom und Rauschen ist.
  • Die Sensitivität einer Photodiode ist abhängig von der Länge des Lichtpfads durch das photosensitive Material und der Fähigkeit von erzeugten Trägerpaaren, die Elektrode/den Kontakt/die Kathode zu erreichen. In konventionellen Strukturen bewegen sich die Träger in einer zweidimensionalen Bahn, z.B. vertikal oder lateral, was in einer langen Bahn resultiert. Aufgrund der längeren Bahnen konventioneller Avalanche-Photodioden gibt es eine hohe Frequenz von Photonen-Rekombination innerhalb des photosensitiven Materials, was in einem Signalverlust oder einer Schwächung des Signals selbst resultiert. Außerdem muss das photosensitive Material selbst sehr dick sein, was teuer und zeitaufwändig aufzuwachsen ist und was die Integrierung mit anderen Schaltungselementen zunehmend herausfordernd macht.
  • KURZER ABRISS
  • In einem Aspekt der Offenbarung umfasst eine Struktur: ein Substratmaterial, das einen Graben mit Seitenwänden und einem Boden aufweist, die das Substratmaterial umfassen; ein erstes Halbleitermaterial, das die Seitenwände und den Boden des Grabens auskleidet; ein photosensitives Halbleitermaterial, das auf dem ersten Halbleitermaterial vorgesehen ist; und ein drittes Halbleitermaterial, das auf dem photosensitiven Halbleitermaterial vorgesehen ist.
  • In einem Aspekt der Offenbarung umfasst eine Struktur: ein Halbleitermaterial; einen in dem Halbleitermaterial gebildeten Graben, wobei der Graben Seitenwände und einen Boden aufweist; ein Halbleitermaterial, das einen ersten Dotierstofftyp aufweist, das die Seitenwände und den Boden des Grabens auskleidet; ein intrinsisches photosensitives Halbleitermaterial, das das Halbleitermaterial kontaktiert; ein zweites Halbleitermaterial, das den ersten Dotierstofftyp aufweist und das in dem Graben ist und das intrinsisch photosensitive Halbleitermaterial kontaktiert; und eine Isolationsstruktur, die reflektierendes Material umfasst, das den Graben umgibt und von dem intrinsischen photosensitiven Halbleitermaterial entfernt positioniert ist.
  • In einem Aspekt der Offenbarung umfasst ein Verfahren: Bilden eines Grabens in einem Substrat; Bereitstellen eines Liners aus Halbleitermaterial auf Seitenwänden und einem Boden des Grabens; Bilden eines undotierten photosensitiven Materials auf dem Halbleitermaterial innerhalb des Grabens; Bilden eines anderen Halbleitermaterials auf dem undotierten photosensitiven Material, innerhalb einer Außenseite des Grabens; und Bilden von Grabenstrukturen mit reflektierendem Material in dem Substrat angrenzend an den Liner des Halbleitermaterials.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Offenbarung wird in der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die genannte Vielzahl von Zeichnungen anhand nicht beschränkender Beispiele exemplarischer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
    • 1 zeigt ein Substrat mit einem Graben, neben anderen Merkmalen, und jeweilige Fertigungsprozesse gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 2 zeigt ein Halbleitermaterial, das sowohl eine Bodenoberfläche als auch Seitenwände des Grabens auskleidet, neben anderen Merkmalen, und jeweilige Fertigungsprozesse gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 3 zeigt zusätzliche Halbleitermaterialien in dem Graben, die verwendet werden, um eine Photodiode zu bilden, und jeweilige Fertigungsprozesse gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 4 zeigt eine Flachgrabenisolationsstruktur um die Photodiode herum und jeweilige Fertigungsprozesse gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 5 zeigt eine Trägerbahn in der Photodiode gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 6A und 6B zeigen verschiedene Formen der Photodiode gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 7 zeigt eine Kontaktbildung zu der Photodiode, neben anderen Merkmalen, und jeweilige Fertigungsprozesse gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 8 zeigt eine Photodiode gemäß zusätzlichen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 9 zeigt eine Photodiode gemäß noch zusätzlichen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 10A and 10B zeigen verschiedene Arrays von Photodioden gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 11 ist ein Vergleichsgraph, der eine Ansprechbarkeit der Photodioden der vorliegenden Offenbarung und konventioneller Systeme zeigt, bei denen der Photonenpfad nur zweidimensional ist, z.B. von oben nach unten (vertikal) oder von einer Seite zu einer anderen Seite (lateral).
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft Halbleiterstrukturen und insbesondere Avalanche-Photodioden und Herstellungsverfahren. Insbesondere ist die vorliegende Offenbarung auf Strukturen und Verfahren zum Bilden konzentrisch geformter (oder anders geformter) Avalanche-Photodioden gerichtet. Vorteilhafterweise weisen die hierin beschriebenen Avalanche-Photodioden eine erhöhte Sensitivität aufgrund eines besonderen Formfaktors, z.B. kreisförmig, zusätzlich zu einem dichten Packen von Zellen und einer verbesserten Reflexion auf. Außerdem können die Avalanche-Photodioden mit anderen Vorrichtungen unter Verwendung etablierter/existierenden Prozesse integriert werden.
  • In spezifischeren Ausführungsformen sind die Avalanche-Photodioden in einem Graben gebildet, der Seitenwände und einen Boden aufweist, die aus einem exponierten Halbleitermaterial zusammengesetzt sind. Ein Halbleitermaterial, wie etwa Silizium, ist entlang der Seitenwände und des Bodens des Grabens vorgesehen, um das Wachstum eines photosensitiven Materials, z.B. einer Germanium(Ge)-Schicht, zu steigern, verglichen mit einem Aufweisen von Oxid auf dem Seitenwänden, das das Wachstum eines Ge-Materials auf den Seitenwänden hemmt. Das heißt, in den hierin präsentierten Strukturen wird eine Ge-Schicht sowohl von einem Boden als auch von Seitenwänden des Grabens aufgewachsen, anstatt nur von dem Boden des Grabens.
  • In Ausführungsformen kann durch Implementieren der Strukturen hierin ein geschichtetes Epitaxiewachstum (gegenüber einer festen Ge-Masse) verwendet werden, um einen kürzeren dreidimensionalen (3D) Pfad für erzeugte Träger (gegenüber einem strikt linearen Pfad) zu schaffen, wodurch das Risiko einer Trägerrekombination vor der Detektion reduziert wird. In weiteren Ausführungsformen wird ein Polyfilmstapel innen in dem Graben in Schichten vom Boden und der Außenseite mit einem P+-Plug im Zentrum der Struktur aufgewachsen, um ein Vorspannen für den Betrieb der Avalanche Diode bereitzustellen.
  • Die Avalanche-Photodioden der vorliegenden Offenbarung können auf mehrere Arten unter Verwendung mehrerer unterschiedlicher Werkzeuge gefertigt werden. Im Allgemeinen werden jedoch die Methodologien und Werkzeuge zum Bilden von Strukturen mit Dimensionen im Mikrometer- und Nanometermaßstab verwendet. Die Methodologien, d.h. Technologien, die eingesetzt werden, um die Avalanche-Photodioden der vorliegenden Offenbarung zu fertigen, sind aus der Technologie integrierter Schaltkreise (integrated circuit; IC) übernommen worden. Beispielsweise werden die Strukturen auf Wafern gefertigt und in Materialfilmen realisiert, die durch fotolithografische Prozesse auf die Oberseite eines Wafers strukturiert werden. Insbesondere verwendet die Fertigung der Avalanche-Photodioden drei grundlegende Bausteine: (i) Abscheidung von dünnen Materialfilmen auf einem Substrat, (ii) Aufbringen einer strukturierten Maske auf die Oberseite der Filme durch fotolithografische Bildgebung, und (iii) Ätzen des Films selektiv bezüglich der Maske.
  • 1 zeigt ein Substrat mit einem Graben, neben anderen Merkmalen, und jeweilige Fertigungsprozesse gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere umfasst die Struktur 10 ein Substrat 12. Das Substrat 12 kann repräsentativ beispielsweise für einen CMOS-Chip sein. In Ausführungsformen ist das Substrat 12 vorzugsweise ein Si-Material, obwohl andere Halbleitermaterialien hierin in Betracht gezogen werden. Beispielsweise kann das Substrat 12 aus irgendeinem geeigneten Material umfassend SiC, GaAs, InAs, InP und andere III/V- oder II/VI-Verbindungshalbleiter zusammengesetzt sein. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Substrat 12 ein N-Typ-Substrat, das aus einem einzelnen halbleitenden Material, wie etwa einem Bulk-Silizium, zusammengesetzt ist; obwohl, wie in Bezug auf 9 beschrieben, das Substrat 12 beispielsweise ein P-Typ-Substrat sein kann.
  • Eine Hartmaske 14 ist auf dem Substrat 12 abgeschieden. In Ausführungsformen kann die Hartmaske 14 ein Nitrid oder ein anderes Hartmaskenmaterial sein, wie es in der Technik bekannt ist, so dass keine weitere Erklärung für ein vollständiges Verstehen der vorliegenden Offenbarung erforderlich ist. Die Hartmaske 14 kann durch bekannte Abscheidungsverfahren, wie etwa z.B. einen chemischen Dampfabscheidungs(chemical vapor deposition; CVD)-Prozess, abgeschieden werden. Die Hartmaske 14 verhindert ein Epitaxialwachstum eines Halbleitermaterials auf einer Oberfläche des Substrats 12 in nachfolgenden Prozessen.
  • Noch Bezug nehmend auf 1, ist ein Graben 16 unter Verwendung konventioneller Lithographie- und Ätzprozesse, die den Fachleuten bekannt sind, in dem Substrat 12 gebildet. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel kann der Graben 16 eine Tiefe von etwa 2.5 µm aufweisen (obwohl andere Abmessungen hierin in Betracht gezogen werden). Beim Bilden des Grabens 16, wird ein Resist, das über der Hartmaske 14 gebildet ist, einer Energie (Licht) ausgesetzt, um eine Struktur (Öffnung) zu bilden. Ein Ätzprozess mit einer selektiven Chemie, z.B. reaktives Ionenätzen (reactive ion etching; RIE), wird verwendet, um einen oder mehrere Gräben 16 in dem Substrat 12 durch die Hartmaske 14 und Öffnungen des Resists zu bilden. Wie in Bezug auf 6A and 6B beschrieben, kann der Graben 16 viele verschiedene Konfigurationen, z.B. rund, quadratisch etc., aufweisen. Eine HF(hydrofluoric acid; Fluorwasserstoffsäure)-Reinigung kann auf den Ätzprozess folgen, um Verunreinigungen von den Oberflächen des Grabens 16 zu entfernen, wodurch eine saubere Oberfläche eines exponierten Halbleitermaterials der Bodenoberfläche und Seitenwände des Grabens 16 sichergestellt wird. Das Resist kann durch einen konventionellen Sauerstoffveraschungsprozess oder andere bekannte Strippmittel entfernt werden.
  • Aufgrund der Selektivität der Chemikalien während des Ätzprozesses kann das Substrat 12 lateral unter der Hartmaske 14, relativ zu der Öffnung der Hartmaske 14, geätzt werden. Durch Aufweisen der lateralen Aussparung wird ein Überhang 16a der Hartmaske 14 über dem Graben 16 gebildet. Der Überhang 16a pinnt Versetzungen, hält eine Trennung zwischen Materialien aufrecht, und vermeidet ein Abklemmen (pinch-off) und verbessert das Epitaxialwachstum in nachfolgenden Prozessen.
  • In 2 ist ein Halbleitermaterial 18 sowohl auf der Bodenoberfläche als auch den Seitenwänden des Grabens 16, unter dem Überhang 16a, aufgewachsen. In Ausführungsformen ist das Halbleitermaterial 18 ein Liner, der durch einen selektiven Epitaxialwachstumsprozess gebildet wird, der von dem exponierten Halbleitermaterial auf sowohl den Seitenwänden und als auch der Bodenoberfläche des Grabens 16 ausgeht. Das Halbleitermaterial 18 kann als ein Beispiel in ringförmigen Ringen aufgewachsen sein. Wie gewöhnlichen Fachleuten klar sein sollte, verhindert die Hartmaske 14 ein Wachstum des Halbleitermaterials auf einer Oberfläche des Substrats 12 außerhalb des Grabens 16. Das Halbleitermaterial 18 ist ein P-Typ-Halbleitermaterial, das vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Substrat 12, z.B. Si, zusammengesetzt ist. In alternativen Ausführungsformen kann das Halbleitermaterial 18 ein unterschiedliches Material, wie etwa SiGe, sein.
  • Wie in 3 gezeigt, ist ein zusätzliches Halbleitermaterial 20 selektiv auf dem Halbleitermaterial 18 aufgewachsen. In Ausführungsformen ist das zusätzliche Halbleitermaterial 20 ein intrinsisches photosensitives Halbleitermaterial (undotiert), das durch einen Epitaxialwachstumsprozess gebildet wurde. Das Halbleitermaterial 20 ist vorzugsweise ein Ge-Material, um herausragende Ansprechbarkeit zu bieten, und ist dicker als der Liner, der aus dem Halbleitermaterial 18 zusammengesetzt ist. In alternativen Ausführungsformen kann das Halbleitermaterial 20 Si, SiGe etc. sein. Ein Halbleitermaterial 22 wird dann in dem verbleibenden Abschnitten des Grabens 17, über dem Halbleitermaterial 20, aufgewachsen. Das Halbleitermaterial 22 wächst auch auf der oberen, exponierten Oberfläche des Halbleitermaterials 20. Das Halbleitermaterial 22 ist vorzugsweise das gleiche Material wie jenes des Halbleitermaterials 18. Beispielsweise ist das Halbleitermaterial 22 ein P+-Typ-Halbleitermaterial oder Polysilizium.
  • In Ausführungsformen ist das Halbleitermaterial 22 ein P+-Plug im Zentrum der Struktur, um ein Vorspannen für den Betrieb der Avalanche-Photodiode bereitzustellen. Auf diese Weise kann eine N-P-I-P-Photodiode 25 gebildet werden. Insbesondere schaffen das P+-Material, z.B. Halbleitermaterial 22, im Zentrum der Photodiode 25 und das P+-Material (z.B. Halbleitermaterial 18) auf den Seiten und dem Boden des SiGe-Materials (z.B. Halbleitermaterial 20) eine Avalanche-Photodiode (APD), die in drei Dimensionen vorgespannt ist, was die Wahrscheinlichkeit eines Auffangens eines Signals vor einer Trägerrekombination erhöht.
  • In 4 ist die Hartmaske nun durch einen selektiven Ätzprozess entfernt. In Ausführungsformen lässt die Entfernung der Hartmaske einen Raum „x“ zwischen dem Halbleitermaterial 22 und einer Kante des Grabens 16 (z.B. Photodiode 25). Eine Flachgrabenisolationsstruktur oder ein tiefer, mit einem Oxid gefüllter/ausgekleideter Graben 24 ist um den nun gefüllten Graben 16 (z.B. Photodiode 25) gebildet. In Ausführungsformen sollte die Flachgrabenisolationsstruktur oder der tiefe, mit einem Oxid gefüllte/ausgekleidete Graben 24 von dem intrinsischen Material, z.B. Ge-Material 20, beabstandet sein, um eine Beschädigung an diesen Materialien zu vermeiden, und somit jegliche Möglicheit eines Einfangens von Photonen zu reduzieren. Auch können die Flachgrabenisolationsstruktur oder der tiefe, mit einem Oxid gefüllte/ausgekleidete Graben 24 verschiedene Tiefen aufweisen, umfassend unter der Tiefe des Grabens 16 (z.B. Photodiode 25), abhängig von den Performance-Parametern.
  • Die Flachgrabenisolationsstruktur oder der tiefe, mit einem Oxid gefüllte/ausgekleidete Graben 24 kann durch konventionelle Lithographie-, Ätz- und Abscheidungsverfahren gefertigt werden. Beispielsweise wird ein über dem Substrat 12 und der Photodiode 25 gebildetes Resist einer Energie (Licht) ausgesetzt, um ein Muster (Öffnung) zu bilden. Ein Ätzprozess mit einer selektiven Chemikalie, z.B. RIE, wird verwendet, um einen oder mehrere Gräben in dem Substrat 12, auf der Seite der Photodiode 25, zu bilden. Folgend auf die Entfernung des Resists kann ein Isolatormaterial (z.B. ein Oxid) durch irgendeinen konventionellen Abscheidungsprozess, z.B. CVD-Prozesse, abgeschieden werden. Jegliches restliche Material auf der Oberfläche des Substrats 12 kann durch konventionelle chemisch-mechanische Polier (chemical mechanical polishing; CMP)-Prozesse entfernt werden.
  • Wie repräsentativ in 5 gezeigt, treten Photonen in die Photodiode 25 ein und schaffen Träger in dem intrinsischen Material, die sich durch das intrinsische Halbleitermaterial 20 (z.B. Ge-Material) zu dem Halbleitermaterial 18 auf allen Seiten (z.B. wie durch die Pfeile dargestellt) bewegen. Auf diese Weise weist die Photodiode 25 einen dreidimensionalen Stromfluss auf. Durch Aufweisen des dreidimensionalen Stromflusses ist der Trägerpfad zu dem Substrat 12 oder genauer durch das Halbleitermaterial (p-Material) 18 zu dem Substrat (N-Typ-Material) 12 viel kürzer (verglichen mit bekannten Photodioden, die einen Pfad von oben nach unten aufweisen), da das intrinsische Halbleitermaterial 20 an seinen Seiten und seinem Boden durch das Halbleitermaterial 18 umgeben ist. Und durch Aufweisen eines kürzeren Pfads ist es weniger wahrscheinlich, dass die Träger rekombinieren, was in einem Verlust der Signalstärke resultiert.
  • Auch agiert die Flachgrabenisolationsstruktur oder der tiefe, mit einem Oxid gefüllte/ausgekleidete Graben 24 als ein Reflektor oder Spiegel, um das Licht davon abzuhalten, in das Substrat 12 auf Seiten des Grabens einzutreten; stattdessen schieben sie effektiv jegliches Licht (Photonen) in Richtung des Liners 18 und in das Substrat 12. Anders gesagt, stellt die Flachgrabenisolationsstruktur oder der tiefe mit einem Oxid gefüllte/ausgekleidete Graben 24, die um die Außenseite der Photodiode 25 herum gebildet sind, eine reflektierende Schnittstelle bereit, um die Interaktion von einfallenden Photonen mit dem intrinsischen Halbleitermaterial 20 zur Trägererzeugung zu maximieren, z.B. stellen eine reflektierende Oberfläche bereit, um die Verweilzeit von Photonen in dem Ge-Material zu erhöhen.
  • 6A und 6B zeigen verschiedene Querschnittsformen der Photodiode 25. Beispielsweise ist in 6A das Querschnittsprofil der Photodiode 25 kreisförmig (säulenförmig); wohingegen in 6B das Querschnittsprofil der Photodiode 25 vierseitig (z.B. quadratisch) ist. Es sollte sich jedoch verstehen, dass auch andere Profile hierin in Betracht gezogen werden, wie etwa, aber nicht darauf beschränkt, Stangen, Rechteck, Oval, Achteck etc.
  • 7 zeigt eine Kontaktbildung zu der Photodiode, neben anderen Merkmalen, und jeweilige Fertigungsprozesse. In 7 ist ein Halbleitermaterial 26, z.B. Polysilizium, auf der Oberseite der Photodiode 25 gebildet. Das Halbleitermaterial 26 agiert als ein Kontakt zur Oberseite des Halbleitermaterials 26 (z.B. P+-Plug der Photodiode 25). Insbesondere bringt das Halbleitermaterial 26 einen Antriebsstrom zu der Photodiode 25, um den Plug 22 vorzuspannen und Träger vom Zentrum der Photodiode 25 (z.B. Halbleitermaterial 20) zur Außenseite der Photodiode 25 hin (z.B. Liner des Halbleitermaterials 18) anzutreiben. Auf diese Weise verstärkt der Antriebsstrom effektiv das Signal.
  • Ein Film 28, z.B. ein Nitrid oder ein anderes Hartmaskenmaterial, bedeckt oder isoliert das Halbleitermaterial 26, um zu verhindern, dass sich ein Silizid auf der Oberseite der Photodiode 25 bildet. Die unsilizidierte obere Oberfläche stellt eine optimale Performance unter einer vorderseitigen Beleuchtung der Photodiode 25 bereit.
  • Ein Silizidkontakt 30 ist auf einer exponierten Oberfläche des Substrats 12, auf einer Seite der Photodiode 25, gebildet. Wie Fachleuten klar sein sollte, beginnt der Silizidprozess mit einer Abscheidung einer dünnen Übergangsmetallschicht, z.B. Nickel, Kobalt oder Titan, über dem Halbleitermaterial des Substrats 12. Nach Abscheidung des Materials wird die Struktur erwärmt, was erlaubt, dass das Übergangsmetall mit exponiertem Silizium (oder einem anderen Halbleitermaterial wie hierin beschrieben) reagiert, wobei es ein Übergangsmetallsilizid mit niedrigem Widerstand bildet. Folgend auf die Reaktion wird jegliches verbleibende Übergangsmetall durch chemisches Ätzen entfernt, was die Silizidkontakte 30 zurücklässt.
  • Noch Bezug nehmend auf 7, ist ein Zwischenniveau-Dielektrikumsmaterial (z.B. ein Oxid) 32 über der Struktur abgeschieden. Ein Graben ist in dem Zwischenniveau-Dielektrikumsmaterial (z.B. einem Oxid) 32 gebildet, der mit einer oberen Oberfläche des Silizidkontakts 30 fluchtend ausgerichtet ist und diese exponiert. Der Graben wird durch konventionelle Lithographie- und Ätzprozesse, wie bereits hierin beschrieben, gebildet. Der Graben ist mit einem Metallmaterial, z.B. Wolfram, gefüllt, um einen Kontakt 34 zu bilden. Wie Fachleuten klar sein sollte, wird der Kontakt 34 verwendet, um den Strom zu detektieren, der durch die Photonen erzeugt wird, die auf die Photodiode 25 (z.B. ein Halbleitermaterial 20 der Photodiode 25) treffen.
  • 8 zeigt eine Photodiode gemäß zusätzlichen Aspekten der Offenbarung. Insbesondere ist in der Struktur 10a von 8 ein Silizidkontakt 30 direkt auf einer oberen Oberfläche der Photodiode 25, z.B. eines Halbleitermaterials 22, gebildet. Diese Anordnung ist geeignet für eine rückseitige Beleuchtung. Danach wird ein Kontakt 34 zu den Silizidkontakten 30 gebildet, wie unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
  • 9 zeigt eine Photodiode gemäß zusätzlichen Aspekten der Offenbarung. In der Struktur 10b von 9 umfasst die Photodiode 25 eine unterschiedliche Filmstapelanordnung (z.B. P-I-P-N), verglichen mit jener, die unter Bezugnahme auf 1-8 beschrieben ist. Insbesondere sind das Substrat 12a, das Halbleitermaterial 18a und das Halbleitermaterial 22a P-Typ-Halbleitermaterialien; wohingegen das Halbleitermaterial 20 ein intrinsisches Halbleitermaterial (undotiert) bleibt, das durch einen Epitaxialwachstumsprozess auf dem Halbleitermaterial 18a gebildet wurde.
  • Bei dieser Ausführungsform füllt jedoch das Halbleitermaterial 22a den verbleibenden Abschnitt des Grabens nicht vollständig aus. Stattdessen wird ein N-Typ-Halbleitermaterial 36 epitaktisch auf dem Halbleitermaterial 22a aufgewachsen. Alternativ kann das Halbleitermaterial 22a dazu aufgewachsen sein, den verbleibenden Abschnitt des Grabens vollständig auszufüllen, gefolgt von einem Lithographie- und Ätzprozess, um einen Graben in einem zentralen Abschnitt davon zu bilden. Der Graben kann dann durch epitaktisches Aufwachsen auf dem Halbleitermaterial 22a mit dem N-Typ-Halbleitermaterial 36 gefüllt werden. Ein Silizidkontakt 30 ist direkt auf einer oberen Oberfläche der Photodiode 25, z.B. einem Halbleitermaterial 36, gebildet, wobei ein Kontakt 34 zu den Silizidkontakten 30 gebildet ist, wie unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Diese Anordnung ist auch für eine rückseitige Beleuchtung geeignet. Es sollte auch klar sein, dass eine vorderseitige Beleuchtung auch unter Verwendung dieser Konfiguration praktiziert werden kann (z.B. durch Verwenden eines PolySi-Kontakts und ohne Silizidierung über dem Detektor).
  • 10A und 10B zeigen verschiedene Arrays von Photodioden gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere zeigt 10A ein Array von vierseitigen (z.B. quadratischen oder rechteckigen) Photodioden 25 und 10B zeigt ein Array von kreisförmigen Photodioden 25. Obwohl das Array von vierseitigen (z.B. quadratischen oder rechteckigen) Photodioden 25 in fluchtender Ausrichtung miteinander vorgesehen sind, können sie in anderen Formaten vorhanden sein. Zusätzlich wird angemerkt, dass das Array von kreisförmigen Photodioden 25 dichter zusammengepackt sind als die vierseitigen (z.B. quadratischen oder rechteckigen) Photodioden 25, z.B. 18 Photodioden gegenüber 16 Photodioden.
  • 11 ist ein Vergleichsgraph, der die Ansprechbarkeit der Photodioden der vorliegenden Offenbarung und konventioneller Systeme zeigt, bei denen der Photonenpfad nur zweidimensional ist, z.B. von oben nach unten (vertikal) oder von einer Seite zu einer anderen Seite (lateral). In dem Graph ist die x-Achse die Wellenlänge (µm) und die y-Achse die Ansprechbarkeit (mA/W). Linie „A“ repräsentiert eine Photodiode mit einem Ge-Material und Linie „B“ repräsentiert eine Photodiode mit einem Si-Material, von denen beide einen dreidimensionalen (3D) Pfad gemäß Aspekten der Offenbarung aufweisen; wohingegen Linie „D“ eine Photodiode mit einem Ge-Material mit einer Bahn nur in der lateralen Richtung repräsentiert und Linie „C“ eine Photodiode mit einem Ge-Material mit einer Bahn nur in der vertikalen Richtung repräsentiert. Wie klar aus dem Graph ersichtlich, ist die Ansprechbarkeit für sowohl die Photodiode der Linie „A“ als auch „B“ bei einer Wellenlänge von ungefähr 0,7 µm am größten. Außerdem ist die in Linie „A“ gezeigte Ge-Implementierung viel besser als irgendeine andere Implementierung über eine Wellenlänge von etwa 1.5 µm.
  • Die Avalanche-Photodiode kann in einer System-auf-Chip (system on chip; SoC)-Technologie verwendet werden. Es sollte für die Fachleute klar sein, dass SoC ein integrierter Schaltkreis (auch bekannt als ein „Chip“) ist, der alle Komponenten eines elektronischen Systems auf einem einzelnen Chip oder Substrat integriert. Da die Komponenten auf einem einzelnen Substrat integriert sind, verbrauchen SoCs viel weniger Energie und nehmen viel weniger Raum ein als Multi-Chip-Designs mit äquivalenter Funktionalität. Aus diesem Grund werden SoCs die dominante Kraft in Mobile-Computing (wie etwa in Smartphones)- und Edge-Computing-Märkten. SoC wird auch üblicherweise in eingebetteten Systemen und im Internet of Things verwendet.
  • Das(Die) oben beschriebene(n) Verfahren wird(werden) bei der Fertigung von Chips mit integriertem Schaltkreis verwendet. Die resultierenden Chips mit integriertem Schaltkreis können durch den Fertiger in Roh-Wafer-Form (das heißt, als einzelner Wafer, der mehrere ungehäuste Chips aufweist), als nackter Chip (bare die), oder in einer gehäusten Form vertrieben werden. Im letzteren Fall ist der Chip in einer Einzelchipbaugruppe (wie etwa ein Kunststoffträger, mit Leitern, die an einem Motherboard oder einem anderen Träger eines höheren Levels befestigt werden) oder in einer Multichip-Baugruppe montiert (wie etwa ein keramischer Träger, der einen oder beide Oberflächenzwischenverbindungen oder vergrabene Zwischenverbindungen aufweist). In jedem Fall ist der Chip dann mit anderen Chips, diskreten Schaltelementen und/oder anderen Signalverarbeitungsvorrichtungen als Teil von entweder (a) einem Zwischenprodukt, wie einem Motherboard, oder (b) einem Endprodukt integriert. Das Endprodukt kann irgendein Produkt sein, das Chips mit integriertem Schaltkreis umfasst, und von Spielzeugen und anderen Low-End-Anwendungen bis zu fortgeschrittenen Computerprodukten reicht, die ein Display, ein Keyboard oder eine andere Eingabevorrichtung, und einen zentralen Prozessor aufweisen.
  • Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zum Zwecke der Veranschaulichung präsentiert, sollen aber nicht erschöpfend oder auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein. Viele Modifikationen und Variationen sind für die gewöhnlichen Fachleute offensichtlich, ohne vom Umfang und der Idee der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Prinzipien der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder technische Verbesserung gegenüber auf dem Markt erhältlichen Technologien am besten zu erklären, oder es anderen gewöhnlichen Fachleuten zu ermöglichen, die hierin offenbarten Ausführungsformen zu verstehen.

Claims (20)

  1. Struktur, umfassend: ein Substratmaterial, das einen Graben mit Seitenwänden und einem Boden aufweist, die das Substratmaterial umfassen; ein erstes Halbleitermaterial, das die Seitenwände und den Boden des Grabens auskleidet; ein photosensitives Halbleitermaterial, das auf dem ersten Halbleitermaterial vorgesehen ist; und ein drittes Halbleitermaterial, das auf dem photosensitiven Halbleitermaterial vorgesehen ist.
  2. Struktur nach Anspruch 1, ferner umfassend Isolationsstrukturen, die sich in das Substratmaterial erstrecken und den Graben, entfernt von dem photosensitiven Halbleitermaterial, umgeben.
  3. Struktur nach Anspruch 2, wobei die Isolationsstrukturen ein reflektierendes Material umfassen, das Photonen in das erste Halbleitermaterial reflektiert, das die Seitenwände und den Boden des Grabens auskleidet.
  4. Struktur nach Anspruch 1, wobei das photosensitive Halbleitermaterial ein intrinsisches Material umfasst.
  5. Struktur nach Anspruch 4, wobei das intrinsische Material ein undotiertes Ge-Material umfasst.
  6. Struktur nach Anspruch 4, wobei das Substratmaterial ein N-Typ-Halbleitermaterial umfasst, und das erste Halbleitermaterial und das dritte Halbleitermaterial P-Typ Halbleitermaterial umfassen.
  7. Struktur nach Anspruch 6, wobei das dritte Halbleitermaterial einen P+-Plug umfasst, um den Betrieb einer Avalanche-Photodiode vorzuspannen.
  8. Struktur nach Anspruch 7, ferner umfassend ein Halbleitermaterial auf dem P+-Plug und ein Maskiermaterial über dem Halbleitermaterial, um eine Silizidbildung auf dem P+-Plug zu verhindern.
  9. Struktur nach Anspruch 8, wobei der P+-Plug unsilizidiertes Material umfasst und ein Kontakt auf einer Seite des Grabens gebildet ist, der das Substrat elektrisch kontaktiert, um ein Signal zu detektieren.
  10. Struktur nach Anspruch 7, ferner umfassend ein Silizid und einen Kontakt auf dem P+-Plug.
  11. Struktur nach Anspruch 3, ferner umfassend ein viertes Halbleitermaterial auf dem dritten Halbleitermaterial, von denen alle innerhalb des Grabens sind, wobei das Substratmaterial, das erste Halbleitermaterial und das dritte Halbleitermaterial P-Typ-Materialien umfassen und das vierte Material ein N-Typ-Material umfasst.
  12. Struktur nach Anspruch 11, ferner umfassend einen Silizidkontakt und einen Kontakt in elektrischer Verbindung mit dem N-Typ Halbleitermaterial.
  13. Struktur, umfassend: ein Halbleitermaterial; einen Graben, der in dem Halbleitermaterial gebildet ist, wobei der Graben Seitenwände und einen Boden aufweist; ein Halbleitermaterial, das einen ersten Dotierstofftyp aufweist, das die Seitenwände und den Boden des Grabens auskleidet; ein intrinsisches photosensitives Halbleitermaterial, das das Halbleitermaterial kontaktiert; ein zweites Halbleitermaterial, das den ersten Dotierstofftyp aufweist und das in dem Graben ist, und das intrinsische photosensitive Halbleitermaterial kontaktiert; und eine Isolationsstruktur umfassend reflektierendes Material, das den Graben umgibt und entfernt positioniert von dem intrinsischen photosensitiven Halbleitermaterial ist.
  14. Struktur nach Anspruch 13, wobei das Halbleitermaterial ein N-Typ-Material umfasst und der erste Dotierstofftyp ein P-Typ-Material umfasst, und ferner umfassend ein Maskiermaterial über dem zweiten Halbleitermaterial, um eine Silizidbildung auf dem zweiten Halbleitermaterial zu verhindern.
  15. Struktur nach Anspruch 13, wobei das Halbleitermaterial ein N-Typ-Material umfasst und der erste Dotierstofftyp ein P-Typ-Material umfasst, und ferner umfassend einen Silizidkontakt direkt auf dem zweiten Halbleitermaterial.
  16. Struktur nach Anspruch 13, ferner umfassend ein N-Typ-Halbleitermaterial direkt auf dem zweiten Halbleitermaterial innerhalb des Grabens, wobei das Halbleitermaterial und das zweite Halbleitermaterial P-Typ-Materialien sind und das intrinsische photosensitive Halbleitermaterial ein undotiertes Ge-Material umfasst.
  17. Struktur nach Anspruch 13, wobei das intrinsische photosensitive Halbleitermaterial ein undotiertes Ge-Material umfasst.
  18. Struktur nach Anspruch 13, ferner umfassend einen Silizidkontakt und einen Kontakt in elektrischer Verbindung mit dem Halbleitermaterial.
  19. Struktur nach Anspruch 13, wobei der Graben kreisförmig oder vierseitig im Querschnitt ist.
  20. Verfahren umfassend: Bilden eines Grabens in einem Substrat; Bereitstellen eines Liners aus Halbleitermaterial auf Seitenwänden und einem Boden des Grabens; Bilden eines undotierten photosensitiven Materials auf dem Halbleitermaterial innerhalb des Grabens; Bilden eines anderen Halbleitermaterials auf dem undotierten photosensitiven Material, innerhalb einer Außenseite des Grabens; und Bilden von Grabenstrukturen mit reflektierendem Material in dem Substrat angrenzend an den Liner aus dem Halbleitermaterial.
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