DE102021109737A1 - Germaniumhaltiger photodetektor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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Jyh-Ming Hung
Tzu-Jui WANG
Kuan-Chieh Huang
Jhy-Jyi Sze
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Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
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Abstract

Eine photovoltaische Zelle weist eine germaniumhaltige Mulde auf, die in ein einkristallines Siliziumsubstrat eingebettet ist und sich bis zu einer proximalen horizontalen Fläche des einkristallinen Siliziumsubstrats erstreckt, wobei die germaniumhaltige Mulde Germanium mit einem Atomprozentsatz von mehr als 50 % enthält. Eine siliziumhaltige Kappstruktur befindet sich auf einer Oberseite der germaniumhaltigen Mulde und enthält Silizium mit einem Atomprozentsatz von mehr als 42 %. Die siliziumhaltige Kappstruktur verhindert die Oxidation der germaniumhaltigen Mulde. Durch Implantieren von Dotanden eines ersten Leitfähigkeitstyps und Dotanden eines zweiten Leitfähigkeitstyps kann innerhalb des Grabens, oder über den Graben hinweg, ein photovoltaischer Übergang gebildet werden.

Description

  • VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/031,933 mit dem Titel „Germanium-Containing Photodetector and Method of Forming the Same“, die am 29. Mai 2020 eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hiermit für alle Zwecke durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
  • HINTERGRUND
  • Halbleiter-Bildsensoren können verwendet werden, um elektromagnetische Strahlung wie zum Beispiel Licht im sichtbaren Bereich, Infrarotstrahlung und/oder ultraviolettes Licht zu erfassen. Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor-Bildsensoren (CMOS-Bildsensoren) und Charge-Coupled-Device-Sensoren (CCD-Sensoren) können in verschiedenen Anwendungen, wie zum Beispiel Digitalkameras oder Kameras, die in Mobilgeräte integriert sind, verwendet werden. Diese Geräte verwenden ein Array von Pixeln (die Photodioden und Transistoren aufweisen können), um Strahlung mittels Photogeneration von Elektron-Loch-Paaren zu detektieren.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Figuren gelesen wird. Es ist anzumerken, dass gemäß der gängigen Praxis in der Industrie verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Die Abmessungen der verschiedenen Merkmale können vielmehr im Interesse der Übersichtlichkeit der Besprechung nach Bedarf vergrößert oder verkleinert werden.
    • 1A ist eine Draufsicht auf eine erste Konfiguration für ein Array von Pixeln eines Bildsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 1B ist eine Draufsicht auf eine zweite Konfiguration für ein Array von Pixeln eines Bildsensors gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 2A - 2K sind aufeinanderfolgende vertikale Querschnittsansichten einer ersten beispielhaften Struktur während des Bildens eines Pixels eines Bildsensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 2L ist eine vertikale Querschnittsansicht einer alternativen Konfiguration der ersten beispielhaften Struktur gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 3A und 3B sind vertikale Querschnittsansichten von Konfigurationen einer zweiten beispielhaften Struktur, die ein Pixel eines Bildsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aufweist.
    • 4A und 4B sind vertikale Querschnittsansichten von Konfigurationen einer dritten beispielhaften Struktur, die ein Pixel eines Bildsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aufweist.
    • 5A - 5F sind aufeinanderfolgende vertikale Querschnittsansichten einer vierten beispielhaften Struktur während des Bildens eines Pixels eines Bildsensors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 6A - 6F sind vertikale Querschnittsansichten von alternativen Konfigurationen der vierten beispielhaften Struktur gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 7A - 7G sind aufeinanderfolgende vertikale Querschnittsansichten einer fünften beispielhaften Struktur während des Bildens eines Pixels eines Bildsensors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 7H ist eine vertikale Querschnittsansicht einer alternativen Konfiguration der fünften beispielhaften Struktur gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 8 ist ein erstes Prozessflussdiagramm, das einen beispielhaften Prozessablauf zum Bilden eines Bildsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
    • 9 ist ein zweites Prozessflussdiagramm, das einen beispielhaften Prozessablauf zum Bilden eines in 2K oder in 2L gezeigten Bildsensors veranschaulicht.
    • 10 ist ein drittes Prozessflussdiagramm, das einen beispielhaften Prozessablauf zum Bilden eines in 3A oder in 3B gezeigten Bildsensors veranschaulicht.
    • 11 ist ein viertes Prozessflussdiagramm, das einen beispielhaften Prozessablauf zum Bilden eines in 4A oder in 4B gezeigten Bildsensors veranschaulicht.
    • 12 ist ein fünftes Prozessflussdiagramm, das einen beispielhaften Prozessablauf zum Bilden eines in den 5F und 6A - 6F gezeigten Bildsensors veranschaulicht.
    • 13 ist ein sechstes Prozessflussdiagramm, das einen beispielhaften Prozessablauf zum Bilden eines in den 7G und 7H gezeigten Bildsensors veranschaulicht.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Offenbarung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des hier besprochenen Gegenstandes bereit. Im Folgenden werden konkrete Beispiele von Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und dienen nicht der Einschränkung. Zum Beispiel kann das Bilden eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt gebildet sind, und kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal gebildet sein können, so dass das erste und das zweite Merkmal nicht unbedingt in direktem Kontakt stehen. Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Einfachheit und Klarheit und schafft nicht automatisch eine Beziehung zwischen den verschiedenen besprochenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen. Es wird angenommen, dass Elemente mit der gleichen Referenznummer die gleiche Materialzusammensetzung haben.
  • Des Weiteren können räumlich relative Begriffe, wie zum Beispiel „unterhalb“, „unter“, „unterer“, „oberhalb“, „oberer“ und dergleichen, im vorliegenden Text zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen, wie in den Figuren veranschaulicht, zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sollen auch andere Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb neben der in den Figuren gezeigten Ausrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann auch anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht, oder sonstige Ausrichtungen), und die im vorliegenden Text verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können gleichermaßen entsprechend interpretiert werden.
  • Allgemein können die Strukturen und Verfahren der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um einen Photodetektor auf Germaniumbasis und/oder einen Bildsensor herzustellen, der ein Array von Photodetektoren auf Germaniumbasis aufweist. Genauer gesagt, können die Strukturen und Verfahren der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um einen auf einem Siliziumsubstrat gebildeten Photodetektor auf Germaniumbasis, das heißt, einen Germanium-in-Silizium-Photodetektor (GiS-Photodetektor) und/oder einen Bildsensor, der ein Array von GiS-Photodetektoren aufweist, herzustellen. Ein solcher Photodetektor oder ein solcher Bildsensor kann eine hohe Quanteneffizienz im Nahe-Infrarot-Spektrum (NIR-Spektrum) für verschiedene Sensoranwendungen bieten.
  • Allgemein besitzen Photodetektoren auf Siliziumbasis aufgrund der geringen Quanteneffizienz eine geringe Empfindlichkeit im Infrarotbereich. Photodetektoren auf Siliziumbasis besitzen aufgrund der geringen Absorption von Photonen eine schlechte optische Leistung in Wellenlängenbereichen größer als 1.000 nm. Germanium ermöglicht eine höhere Absorption von Photonen in den infraroten Wellenlängenbereichen, aber die Herstellung von Complementary Metal Oxide Semiconductor-Vorrichtungen (CMOS-Vorrichtungen) auf einem Germanium-Substrat ist mit vielen Herausforderungen verbunden.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ein Photodetektor auf Germaniumbasis innerhalb eines Siliziumsubstrats gebildet werden, um die Verwendung standardmäßiger CMOS-Herstellungsprozesse auf dem Siliziumsubstrat zu ermöglichen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ein germaniumhaltiger Materialabschnitt, der Germanium oder eine Silizium-Germanium-Legierung enthält, passiviert werden, indem Wände eines Siliziumsubstrats um einen Graben herum gezogen werden, sowie durch eine darüberliegende siliziumhaltige Kappstruktur, die Siliziumnitrid oder kristallines Silizium enthalten kann.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen eine gesteuerte Höhe für den germaniumhaltigen Materialabschnitt relativ zu einer Oberseite des Siliziumsubstrats bereit. Zum Beispiel kann eine dielektrische Materialschicht mit einer gesteuerten Dicke gebildet werden, und eine chemisch-mechanische Planarisierung kann verwendet werden, um den germaniumhaltigen Materialabschnitt mit einer Oberseite auf der Höhe der Oberseite der dielektrischen Maskenschicht zu bilden. Der germaniumhaltige Materialabschnitt kann in einer kristallinen Phase gebildet werden. Der germaniumhaltige Materialabschnitt kann einkristallin sein und kann epitaxial auf das einkristalline Siliziummaterial in dem Siliziumsubstrat ausgerichtet sein. In einigen Ausführungsformen kann ein selektiver epitaxialer Wachstumsprozess verwendet werden, um die epitaxiale Ausrichtung zwischen dem germaniumhaltigen Materialabschnitt und dem einkristallinen Siliziummaterial des Siliziumsubstrats beizubehalten.
  • Die siliziumhaltige Kappstruktur kann Silizium enthalten. In einer Ausführungsform kann das Siliziummaterial der siliziumhaltigen Kappstruktur als eine einkristallines Siliziummaterial ausgebildet werden, um die Effektivität als eine Passivierungsstruktur, das heißt, als eine Diffusionssperrstruktur, zu erhöhen. Alternativ kann die siliziumhaltige Kappstruktur Siliziumnitrid enthalten.
  • 1A ist eine Draufsicht auf eine erste Konfiguration für ein Array von Pixeln eines Bildsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 1B ist eine Draufsicht auf eine zweite Konfiguration für ein Array von Pixeln eines Bildsensors gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie in den 1A und 1B zu sehen, sind eine erste Konfiguration für ein Array 1000 von Pixeln 900 eines Bildsensors und eine zweite Konfiguration eines Arrays 1000 von Pixeln 900 eines Bildsensors in einer jeweiligen Draufsicht veranschaulicht. Der Bildsensor kann eine rückseitig beleuchtete (Backside Illuminated, BSI) Bildsensorvorrichtung sein. Der Einfachheit halber werden jedoch Ausführungsformen der Offenbarung besprochen, die in einem vorderseitig beleuchteten (Front-Side Illuminated, FSI) Bildsensor verwendet werden.
  • Jedes Pixel 900 stellt eine kleinste Flächeneinheit zum Zweck des Generierens eines Bildes von dem Bildsensor dar. Die Region, die das Array 1000 von Pixeln 900 aufweist, wird hier als eine Pixelarray-Region bezeichnet. Die Pixel 900 in der Pixelarray-Region können in Reihen und Spalten angeordnet werden. Zum Beispiel kann die Pixelarray-Region M Reihen und N Spalten aufweisen, wobei M und N ganze Zahlen in einem Bereich von 1 bis 216 sind, wie zum Beispiel von 28 bis 214. Die Reihen von Pixeln 900 können fortlaufend mit ganzen Zahlen im Bereich von 1 bis M nummeriert sein, und die Spalten von Pixeln 900 können fortlaufend mit ganzen Zahlen im Bereich von 1 bis N nummeriert sein. Ein Pixel Pij bezieht sich auf ein Pixel 900 in der i-ten Reihe und in der j-ten Spalte.
  • Jedes Pixel 900 weist mindestens einen Photodetektor auf, der dafür konfiguriert ist, Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs zu detektieren. Jedes Pixel 900 kann mehrere Photodetektoren aufweisen, die dafür konfiguriert sind, Strahlung eines jeweiligen Wellenlängenbereichs zu detektieren, der sich von jedem der mehreren Photodetektoren unterscheiden kann. In einer Ausführungsform kann jedes Pixel 900 mehrere Subpixel aufweisen, von denen jedes eine jeweilige Kombination aus einem Photodetektor und einem elektronischen Schaltkreis aufweist, die dafür konfiguriert ist, Strahlung zu detektieren, die auf den Photodetektor trifft. Zum Beispiel kann ein Pixel 900 ein Subpixel aufweisen, das dafür konfiguriert ist, Strahlung in einem roten Wellenlängenbereich zu detektieren (wie zum Beispiel in einem Bereich von 635 nm bis 700 nm), kann ein Subpixel aufweisen, das dafür konfiguriert ist, Strahlung in einem grünen Wellenlängenbereich zu detektieren (wie zum Beispiel in einem Bereich von 520 nm bis 560 nm), und kann ein Subpixel aufweisen, das dafür konfiguriert ist, Strahlung in einem blauen Wellenlängenbereich zu detektieren (wie zum Beispiel in einem Bereich von 450 nm bis 490 nm). Solche Subpixel werden als ein rotes Subpixel, ein grünes Subpixel bzw. ein blaues Subpixel bezeichnet.
  • Allgemein generiert ein Pixel 900 Informationen bezüglich der auftreffenden Strahlung für eine Detektionsflächeneinheit. Ein Subpixel generiert Informationen bezüglich der Intensität der auftreffenden Strahlung innerhalb eines spezifischen Wellenlängenbereichs, der in einer Region der Detektionsflächeneinheit detektiert wird. Ein monochromatisches Pixel 900 braucht nur ein einziges Subpixel aufzuweisen. Ein Pixel 900, das dafür konfiguriert ist, die spektrale Verteilung auftreffender Strahlung zu detektieren, weist mehrere Subpixel auf, die mindestens zwei verschiedene Detektionswellenlängenbereiche aufweisen. Photodetektoren in einer Pixelarray-Region können Photodioden, Complementary Metal-Oxide-Semiconductor-Bildsensoren (CMOS-Bildsensoren), Charged Coupled Device-Sensoren (CCD-Sensoren), aktive Sensoren, passive Sensoren, andere zweckmäßige Sensoren, oder eine Kombination davon umfassen.
  • Ein Subpixel innerhalb eines Bildsensors kann unter Verwendung einer germaniumhaltigen Mulde gebildet werden, die innerhalb eines einkristallinen Siliziumsubstrats gebildet wird, wie unten noch beschrieben wird. Obgleich verschiedene beispielhafte Strukturen, die unten beschrieben werden, nur eine einzelne Subpixelregion beschreiben, die eine Photodetektorregion mit einem einzelnen Photodetektor auf Germaniumbasis und eine Sensorschaltkreisregion mit einem Sensorschaltkreis für den Photodetektor auf Germaniumbasis aufweist, versteht es sich, dass mehrere Instanzen der Subpixelregion angeordnet werden können, um ein zweidimensionales Array von Subpixeln für einen Bildsensor bereitzustellen. Des Weiteren versteht es sich, dass zusätzliche Subpixel, wie zum Beispiel Subpixel, die Photodetektoren auf Siliziumbasis aufweisen, optional in den Bildsensor integriert werden können. Somit werden Ausführungsformen, in denen Instanzen der verschiedenen beispielhaften Strukturen vervielfacht werden, um einen Bildsensor mit einem Array von Pixeln bereitzustellen, ausdrücklich für jede unten beschriebene beispielhafte Struktur in Betracht gezogen.
  • 2A - 2K sind aufeinanderfolgende vertikale Querschnittsansichten einer ersten beispielhaften Struktur während des Bildens eines Pixels eines Bildsensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In 2A ist eine erste beispielhafte Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Die erste beispielhafte Struktur weist ein Halbleitersubstrat 500 auf, das ein einkristallines Siliziumsubstrat 10 aufweist. Das einkristalline Siliziumsubstrat 10 kann ein Paar horizontaler Hauptflächen aufweisen. Die horizontale Hauptfläche, die sich auf der Oberseite befindet, wird im vorliegenden Text als eine proximale horizontale Fläche 7 bezeichnet. Die horizontale Hauptfläche, die sich auf der Rückseite befindet, wird im vorliegenden Text als eine distale horizontale Fläche 17 bezeichnet. Das einkristalline Siliziumsubstrat 10 kann einkristallin sein und kann eine Dotierung eines geeigneten Leitfähigkeitstyps aufweisen, der ein p-Typ oder ein n-Typ sein kann. In einer Ausführungsform kann das einkristalline Siliziumsubstrat 10 eine Dotierung eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweisen und kann Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps in einer Atomkonzentration in einem Bereich von 1,0 × 1013/cm3 bis 1,0 × 1017/cm3 aufweisen, obgleich auch geringere und höhere Dotandenkonzentrationen verwendet werden können.
  • Die erste beispielhafte Struktur umfasst eine Photodetektorregion 510, in der anschließend ein Photodetektor auf Germaniumbasis gebildet werden soll, und eine Sensorschaltkreisregion 520, in der anschließend ein Sensorschaltkreis für den Photodetektor auf Germaniumbasis gebildet werden soll. In einer Ausführungsform kann ein maskierter Ionenimplantationsprozess ausgeführt werden, um verschiedene dotierte Regionen mit verschiedenen Tiefen zu bilden. Zum Beispiel kann eine dotierte Mulde 60 des zweiten Leitfähigkeitstyps, die eine Dotierung des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, durch Ionenimplantation gebildet werden. Die dotierte Mulde 60 des zweiten Leitfähigkeitstyps kann so ausgebildet werden, dass sie eine umschlossene Region des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 seitlich umgibt. Der zweite Leitfähigkeitstyp ist dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt. Wenn zum Beispiel der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Typ ist, so ist der zweite Leitfähigkeitstyp ein n-Typ und umgekehrt. Die Tiefe der dotierten Mulde 60 des zweiten Leitfähigkeitstyps kann in einem Bereich von 1 Mikrometer bis 2 Mikrometer liegen, obgleich auch geringere und größere Tiefen verwendet werden können. Die dotierte Mulde 60 des zweiten Leitfähigkeitstyps kann Dotanden des zweiten Leitfähigkeitstyps in einer Atomkonzentration in einem Bereich von 1,0 × 1015/cm3 bis 1,0 × 1018/cm3 enthalten, wobei auch geringere und höhere Dotandenkonzentrationen verwendet werden können.
  • Dotierte Muldenkontaktregionen 68 mit einer Dotierung des zweiten Leitfähigkeitstyps können in einem oberen Abschnitt der dotierten Mulde 60 des zweiten Leitfähigkeitstyps mit Hilfe eines maskierten Ionenimplantationsprozesses gebildet werden. Die dotierten Muldenkontaktregionen 68 können stark dotiert sein, um den Kontaktwiderstand zu verringern. Die dotierten Muldenkontaktregionen 68 können Dotanden des zweiten Leitfähigkeitstyps in einer Atomkonzentration in einem Bereich von 1,0 × 1019/cm3 bis 1,0 × 1022/cm3 enthalten, obgleich auch geringere und höhere Dotandenkonzentrationen verwendet werden können.
  • Eine erste dotierte Photodiodenkontaktregion 28 mit einer Dotierung des ersten Leitfähigkeitstyps kann unter der proximalen horizontalen Oberfläche 7 des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 innerhalb des Bereichs gebildet werden, der von der dotierten Mulde 60 des zweiten Leitfähigkeitstyps umschlossen ist. Die erste dotierte Photodiodenkontaktregion 28 kann stark dotiert sein, um den Kontaktwiderstand zu verringern. Die erste dotierte Photodiodenkontaktregion 28 kann Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps in einer Atomkonzentration in einem Bereich von 1,0 × 1019/cm3 bis 1,0 × 1022/cm3 enthalten, obgleich auch geringere und höhere Dotandenkonzentrationen verwendet werden können.
  • Unter Bezug auf 2B kann eine dielektrische Maskenschicht 12 auf der proximalen horizontalen Oberfläche 7 des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 gebildet werden. Die dielektrische Maskenschicht 12 weist ein dielektrisches Material wie zum Beispiel Siliziumoxid auf. Andere geeignete Materialien liegen ebenfalls innerhalb des in Betracht gezogenen Schutzumfangs der Offenbarung. Die dielektrische Maskenschicht 12 kann durch Abscheiden einer Siliziumoxidschicht oder durch thermische Oxidation einer Fläche eines Abschnitts des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 gebildet werden. Die Dicke der dielektrischen Maskenschicht 12 kann in einem Bereich von 50 nm bis 300 nm liegen, wie zum Beispiel von 80 nm bis 150 nm, obgleich auch geringere und höhere Dicken verwendet werden können.
  • Über der dielektrischen Maskenschicht 12 kann eine Photoresistschicht 67 aufgebracht werden. Die Photoresistschicht 67 kann lithografisch strukturiert werden, um eine Öffnung innerhalb des Bereichs zu bilden, der seitlich von der dotierten Mulde 60 des zweiten Leitfähigkeitstyps umschlossen ist. Ein anisotroper Ätzprozess kann ausgeführt werden, um die Struktur der Öffnung in der Photoresistschicht 67 durch die dielektrische Maskenschicht 12 hindurch und in einen oberen Abschnitt des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 hinein zu übertragen. In dem oberen Abschnitt des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 kann ein Graben 69 gebildet werden. Der Graben 69 wird seitlich von der dotierten Mulde 60 des zweiten Leitfähigkeitstyps umschlossen und ist seitlich einwärts von dieser beabstandet. Die Tiefe des Grabens 69 kann größer sein als, so groß sein wie, oder kleiner sein als die Tiefe der dotierten Mulde 60 des zweiten Leitfähigkeitstyps. In einer Ausführungsform kann die Tiefe des Grabens 69 in einem Bereich von 0,5 Mikrometer bis 10 Mikrometer liegen, wie zum Beispiel von 1 Mikrometer bis 6 Mikrometer, obgleich auch kleinere oder größere Tiefen verwendet werden können. Die seitliche Abmessung des Grabens 69 kann in einem Bereich von 0,5 Mikrometer bis 30 Mikrometer liegen, wie zum Beispiel von 1 Mikrometer bis 15 Mikrometer, obgleich auch kleinere oder größere seitliche Abmessungen verwendet werden können. Die seitliche Abmessung des Grabens 69 kann der Durchmesser oder die Hauptachse der horizontalen Querschnittsform des Grabens 69 in Ausführungsformen sein, in denen der Graben 69 eine Kreisform oder eine elliptische horizontale Querschnittsform hat, oder kann die Länge einer Seite einer rechteckigen Form in Ausführungsformen sein, in denen die horizontale Querschnittsform des Grabens 69 die rechteckige Form ist. Die Photoresistschicht 67 kann anschließend zum Beispiel durch Ashing entfernt werden.
  • Unter Bezug auf 2C können Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps um die Region des Grabens 69 herum implantiert werden. Die Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps werden mindestens innerhalb des Bereichs implantiert, der seitlich von der dotierten Mulde 60 des zweiten Leitfähigkeitstyps umschlossen wird. Zum Implantieren der Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps durch die Seitenwände des Grabens 69 hindurch kann ein mehrfach gewinkelter Ionenimplantationsprozess ausgeführt werden. Des Weiteren können die Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps in den Oberflächenabschnitt des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 implantiert werden, der unter der proximalen horizontalen Oberfläche 7 des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 liegt. Außerdem können die Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps in einen horizontalen Abschnitt des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 implantiert werden, der unter der Bodenfläche des Grabens 69 liegt. Eine Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps kann innerhalb des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 gebildet werden. Die Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps ist mit der ersten dotierten Photodiodenkontaktregion 28 verbunden, die die Kontaktregion für die Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps ist. Die laterale Breite der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps um jede Seitenwand des Grabens 69 herum kann in einem Bereich von 100 nm bis 1.000 nm liegen, obgleich auch kleinere oder größere laterale Abmessungen verwendet werden können. Die Dicke des horizontalen Abschnitts der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps unterhalb der Bodenfläche des Grabens 69 kann in einem Bereich von 100 nm bis 1.000 nm liegen, obgleich auch kleinere oder größere Dicken verwendet werden können.
  • Unter Bezug auf 2D kann in einigen Ausführungsformen eine Siliziumauskleidung 32 optional von physisch freiliegenden Flächen der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps, die Flächen des Grabens 69 sind, aus gezüchtet werden. Die Siliziumauskleidung 32 kann durch einen selektiven Silizium-Epitaxieprozess gezüchtet werden, der epitaxiales Silizium nur von physisch freiliegenden Halbleiterflächen aus wachsen lässt und Silizium nicht von dielektrischen Flächen aus wachsen lässt. Die Siliziumauskleidung 32 kann epitaxial gewachsenes Silizium enthalten, das heißt, einkristallines Silizium in epitaxialer Ausrichtung auf das einkristalline Siliziummaterial des einkristallinen Siliziumsubstrats 10. Die Siliziumauskleidung 32 kann intrinsisch sein oder kann einen geringen Dotierungsgrad aufweisen. Zum Beispiel kann die Atomkonzentration der Dotanden innerhalb der Siliziumauskleidung 32 in einem Bereich von 1,0 × 1013/cm3 bis 1,0 × 1016/cm3 liegen, obgleich auch niedrigere und höhere Dotandenkonzentrationen verwendet werden können. Der Leitfähigkeitstyp der Siliziumauskleidung 32 kann in Ausführungsformen, in denen die Siliziumauskleidung 32 nicht intrinsisch ist, der erste Leitfähigkeitstyp oder der zweite Leitfähigkeitstyp sein. Die Dicke der Siliziumauskleidung 32 kann in einem Bereich von 5 nm bis 200 nm liegen, wie zum Beispiel von 10 nm bis 100 nm, obgleich auch kleinere oder größere Dicken verwendet werden können. Die Siliziumauskleidung 32 kann, falls vorhanden, als ein Puffer zwischen einem später abzuscheidenden germaniumhaltigen Material und der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps fungieren.
  • Unter Bezug auf 2E kann ein germaniumhaltiges Material von den physisch freiliegenden Flächen der Siliziumauskleidung 32 in Ausführungsformen, die die Siliziumauskleidung 32 aufweisen, oder von den physisch freiliegenden Flächen der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps in Ausführungsformen, die die Siliziumauskleidung 32 nicht aufweisen, aus gezüchtet werden. Das germaniumhaltige Material enthält Germanium mit einem Atomprozentsatz von mehr als 50 %. In einer Ausführungsform kann das germaniumhaltige Material dotiertes oder undotiertes Germanium enthalten, dergestalt, dass der Atomprozentsatz von Germanium mindestens 99 % beträgt und im Wesentlichen frei von Silizium ist. In einer anderen Ausführungsform kann das germaniumhaltige Material eine Silizium-Germanium-Legierung aufweisen, in der der Atomprozentsatz von Germanium größer als 50 % ist und der Atomprozentsatz von Silizium kleiner als 50 % ist, wie zum Beispiel von 5 % bis 30 %. Eine germaniumhaltige Materialschicht 30L kann durch das abgeschiedene germaniumhaltige Material gebildet werden.
  • Die germaniumhaltige Materialschicht 30L kann durch einen selektiven Abscheidungsprozess oder einen nicht-selektiven Abscheidungsprozess gebildet werden. Ein selektiver Abscheidungsprozess ist ein Prozess, bei dem das germaniumhaltige Material von physisch freiliegenden Halbleiterflächen, wie zum Beispiel den physisch freiliegenden Flächen der Siliziumauskleidung 32 oder den physisch freiliegenden Flächen der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps, aus gezüchtet wird. In dieser Ausführungsform kann ein germaniumhaltiger Reaktant (wie zum Beispiel German oder Digerman) in eine Prozesskammer, in der sich die erste beispielhafte Struktur befindet, gleichzeitig oder abwechselnd mit der Strömung eines Ätzgases, wie zum Beispiel Chlorwasserstoff, eingeleitet werden. Allgemein hat ein Halbleitermaterial (wie zum Beispiel ein germaniumhaltiges Material) auf Halbleiterflächen eine höhere Wachstumsrate als auf dielektrischen Flächen. Die Strömungsraten und die Abscheidungstemperatur können so gesteuert werden, dass die effektive Abscheidungsrate (das heißt, die Abscheidungsrate abzüglich der Ätzrate) während des selektiven Abscheidungsprozesses auf Halbleiterflächen positiv ist und auf dielektrischen Flächen negativ ist. In dieser Ausführungsform findet das Wachstum des germaniumhaltigen Materials nur auf Halbleiterflächen statt. Ein nicht-selektiver Abscheidungsprozess ist ein Abscheidungsprozess, bei dem das germaniumhaltige Material von allen physisch freiliegenden Flächen aus wächst. In dieser Ausführungsform kann der Abscheidungsprozess einen germaniumhaltigen Reaktanten ohne Verwendung eines Ätzgases verwenden.
  • In einer Ausführungsform kann der selektive Abscheidungsprozess oder der nichtselektive Abscheidungsprozess, der zum Abscheiden der germaniumhaltigen Materialschicht 30L verwendet wird, ein epitaxialer Abscheidungsprozess sein, das heißt, ein Abscheidungsprozess, der eine Ausrichtung der kristallografischen Struktur des abgeschiedenen germaniumhaltigen Materials auf die kristalline Struktur an den physisch freiliegenden Flächen der darunterliegenden Materialabschnitte bietet. Somit kann der Abschnitt der germaniumhaltigen Materialschicht 30L, der in dem Graben 69 abgeschieden wird, epitaxial auf die kristalline Struktur der Siliziumauskleidung 32 (in Ausführungsformen, in denen die Siliziumauskleidung 32 vorhanden ist) und/oder die kristalline Struktur der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps ausgerichtet sein. In Ausführungsformen, in denen ein selektiver epitaxialer Abscheidungsprozess verwendet wird, um die germaniumhaltige Materialschicht 30L abzuscheiden, wächst das Material der germaniumhaltigen Materialschicht 30L von den physisch freiliegenden Flächen der Siliziumauskleidung 32 oder der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps aus. In solchen Ausführungsformen kann die gesamte germaniumhaltige Materialschicht 30L einkristallin sein und kann epitaxial auf das einkristalline Siliziummaterial des einkristallinen Siliziumsubstrats 8 ausgerichtet sein. In Ausführungsformen, in denen ein nicht-selektiver epitaxialer Abscheidungsprozess verwendet wird, um die germaniumhaltige Materialschicht 30L abzuscheiden, wächst das Material der germaniumhaltigen Materialschicht 30L von den physisch freiliegenden Flächen der Siliziumauskleidung 32 (in Ausführungsformen, in denen die Siliziumauskleidung 32 vorhanden ist) oder der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps und von den physisch freiliegenden Flächen der dielektrischen Maskenschicht 12 aus. In dieser Ausführungsform braucht nur der Abschnitt der germaniumhaltigen Materialschicht 30L, der von den physisch freiliegenden Flächen der Siliziumauskleidung 32 (in Ausführungsformen, in denen die Siliziumauskleidung 32 vorhanden ist) oder der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps aus wächst, einkristallin zu sein, und die Abschnitte der germaniumhaltigen Materialschicht 30L, die von den physisch freiliegenden Flächen der dielektrischen Maskenschicht 12 aus wachsen, können polykristallin sein.
  • Allgemein kann ein epitaxialer Abscheidungsprozess ausgeführt werden, um ein einkristallines germaniumhaltiges Material innerhalb des Grabens 69 zu züchten. Mindestens der Abschnitt der germaniumhaltigen Materialschicht 30L, der innerhalb des Grabens 69 wächst, kann einkristallin sein und kann mit epitaxialer Ausrichtung auf das einkristalline Siliziummaterial des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 gebildet werden. In dieser Ausführungsform kann der gesamte Abschnitt der germaniumhaltigen Materialschicht 30L, der sich innerhalb des Grabens 69 befindet, einkristallin sein.
  • Die germaniumhaltige Materialschicht 30L kann intrinsisch sein oder ein niedriges Dotierungsniveau aufweisen. Zum Beispiel kann die Atomkonzentration von Dotanden innerhalb der germaniumhaltigen Materialschicht 30L in einem Bereich von 1,0 × 1013/cm3 bis 1,0 × 1018/cm3 liegen, obgleich auch kleinere oder größere Dotandenkonzentrationen verwendet werden können.
  • Unter Bezug auf 2F können überschüssige Abschnitte des germaniumhaltigen Materials oberhalb der horizontalen Ebene, die die Oberseite der dielektrischen Maskenschicht 12 enthält, entfernt werden. In einer Ausführungsform kann ein chemisch-mechanischer Planarisierungsprozess (CMP-Prozess) ausgeführt werden, um Abschnitte der germaniumhaltigen Materialschicht 30L zu entfernen, die sich oberhalb der horizontalen Ebene, die die Oberseite der dielektrischen Maskenschicht 12 enthält, befinden. Ein verbleibender Abschnitt der germaniumhaltigen Materialschicht 30L, der sich innerhalb des Grabens 69 befindet, umfasst einen germaniumhaltigen Materialabschnitt, der im vorliegenden Text als eine germaniumhaltige Mulde 30 bezeichnet wird. Die germaniumhaltige Mulde 30 kann eine Oberseite in derselben horizontalen Ebene wie die Oberseite der dielektrischen Maskenschicht 12 aufweisen.
  • Obgleich die vorliegende Offenbarung anhand einer Ausführungsform beschrieben wird, bei der die germaniumhaltige Mulde 30 als ein einkristalliner germaniumhaltiger Materialabschnitt ausgebildet ist, kann die germaniumhaltige Mulde 30 auch als ein polykristalliner Materialabschnitt oder als ein amorpher Materialabschnitt ausgebildet werden, wenn auch mit einer geringeren Effizienz. Solche Variationen werden im vorliegenden Text ausdrücklich in Betracht gezogen.
  • Unter Bezug auf 2G kann ein verbleibender Abschnitt des germaniumhaltigen Materials vertikal innerhalb einer Öffnung in der dielektrischen Maskenschicht 12 ausgespart sein. Genauer gesagt, können die germaniumhaltige Mulde 30 und optional ein oberer Abschnitt der optionalen Siliziumauskleidung 32, zum Beispiel durch Ausführen eines Aussparungsätzprozesses, vertikal ausgespart werden. In solchen Ausführungsformen kann die vertikale Aussparungsdistanz größer als, so groß wie, oder kleiner als die Dicke der dielektrischen Maskenschicht 12 sein. Ungeachtet der vertikalen Aussparungsdistanz kontaktiert die germaniumhaltige Mulde 30 nicht die dielektrische Maskenschicht 12, und das Material der germaniumhaltigen Mulde 30 kontaktiert kein sauerstoffhaltiges Material (wie zum Beispiel Siliziumoxid) der dielektrischen Maskenschicht 12. In Ausführungsformen, in denen keine Siliziumauskleidung 32 verwendet wird, kann die vertikale Aussparungsdistanz größer sein als die Dicke der dielektrischen Maskenschicht 12, um einen direkten Kontakt zwischen der germaniumhaltigen Mulde 30 und der dielektrischen Maskenschicht 12 zu verhindern.
  • Unter Bezug auf 2H kann ein siliziumhaltiges Kappmaterial auf der physisch freiliegenden Oberseite der germaniumhaltigen Mulde 30 abgeschieden werden. In Ausführungsformen, in denen eine Siliziumauskleidung 32 vorhanden ist, kann das siliziumhaltige Kappmaterial auf der Oberseite der Siliziumauskleidung 32 abgeschieden werden. Das siliziumhaltige Kappmaterial kann ein siliziumhaltiges Material aufweisen und/oder kann im Wesentlichen aus einem siliziumhaltigen Material bestehen, das die Diffusion von Sauerstoff verhindern kann. Zum Beispiel kann das siliziumhaltige Kappmaterial Silizium oder Siliziumnitrid enthalten und/oder im Wesentlichen daraus bestehen.
  • In einer Ausführungsform kann ein selektiver Epitaxieprozess ausgeführt werden, um Silizium von der Oberseite der germaniumhaltigen Mulde 30 aus zu züchten. In dieser Ausführungsform kann eine Passivierungssiliziumregion 340 mit einkristallinem Silizium über der germaniumhaltigen Mulde 30 gebildet werden. Alternativ kann ein selektiver oder nicht-selektiver Siliziumabscheidungsprozess unter Bedingungen ausgeführt werden, die polykristallines Silizium bilden. In dieser Ausführungsform kann die Passivierungssiliziumregion 340 Polysilizium enthalten und/oder im Wesentlichen daraus bestehen.
  • Wenn ein selektiver Siliziumabscheidungsprozess (der gegebenenfalls ein epitaxialer Abscheidungsprozess sein kann) verwendet wird, so braucht die Passivierungssiliziumregion 340 nur innerhalb der Öffnung in der dielektrischen Maskenschicht 12 gebildet zu werden. In dieser Ausführungsform ist ein Planarisierungsprozess nicht erforderlich, und die Oberseite der Passivierungssiliziumregion 340 kann sich auf, unter oder über der horizontalen Ebene befinden, die die Oberseite der dielektrischen Maskenschicht 12 enthält. Wenn ein nicht-selektiver Siliziumabscheidungsprozess verwendet wird, so kann ein Planarisierungsprozess, wie zum Beispiel ein chemisch-mechanischer Planarisierungsprozess, ausgeführt werden, um Abschnitte des abgeschiedenen Siliziummaterials von oberhalb der horizontalen Ebene, die die Oberseite der dielektrischen Maskenschicht 12 enthält, zu entfernen. In dieser Ausführungsform kann sich die Oberseite der Passivierungssiliziumregion 340 in derselben horizontalen Ebene befinden wie die Oberseite der dielektrischen Maskenschicht 12.
  • In einer Ausführungsform kann die Passivierungssiliziumregion 340 nach dem Bilden intrinsisches Silizium oder geringfügig dotiertes Silizium aufweisen, das heißt, Silizium, das elektrische Dotanden mit einer Atomkonzentration in einem Bereich von 1,0 × 1013/cm3 bis 1,0 × 1017/cm 3 enthält. Der Leitfähigkeitstyp der Dotierung in der Passivierungssiliziumregion 340 kann der erste Leitfähigkeitstyp oder der zweite Leitfähigkeitstyp sein. Allgemein kann die Passivierungssiliziumregion 340 in Abhängigkeit von den Abscheidungsbedingungen als ein einkristalliner Siliziumabschnitt, ein Polysiliziumabschnitt, ein mikrokristalliner Siliziumabschnitt oder ein amorpher Siliziumabschnitt gebildet werden.
  • Unter Bezug auf 21 können Dotanden des zweiten Leitfähigkeitstyps in die Passivierungssiliziumregion 340 und einen oberen Abschnitt der germaniumhaltigen Mulde 30 implantiert werden. Der implantierte Abschnitt der germaniumhaltigen Mulde 30 kann in eine germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps umgewandelt werden, und die Passivierungssiliziumregion 340 kann in eine Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps umgewandelt werden. Die Atomkonzentration der elektrischen Dotanden des zweiten Leitfähigkeitstyps in der germaniumhaltigen Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps und der Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps kann in einem Bereich von 1,0 × 1018cm3 bis 1,0 × 1021/cm3 liegen, obgleich auch kleinere oder größere Atomkonzentrationen verwendet werden können. Die Dicke der germaniumhaltigen Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps kann in einem Bereich von 50 nm bis 500 nm liegen, obgleich auch kleinere oder größere Dicken verwendet werden können. Die Dicke der germaniumhaltigen Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps kann in einem Bereich von 50 nm bis 300 nm liegen, obgleich auch kleinere oder größere Dicken verwendet werden können.
  • Der nicht-implantierte Abschnitt der germaniumhaltigen Mulde 30 wird im vorliegenden Text als eine germaniumhaltige Zwischenregion 308 bezeichnet. Die germaniumhaltige Zwischenregion 308 kann intrinsisch sein oder kann eine Dotierung mit einer Atomkonzentration von Dotanden in einem Bereich von 1,0 × 1013/cm3 bis 1,0 × 1018cm3 enthalten. Die germaniumhaltige Zwischenregion 308 kontaktiert die germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps und ist seitlich von der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps umgeben. Die Kombination aus der germaniumhaltigen Zwischenregion 308 und der germaniumhaltigen Zwischenregion 308 bildet eine germaniumhaltige Mulde 30.
  • Die Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps, die germaniumhaltige Zwischenregion 308 und die germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps bilden zusammen einen photovoltaischen Übergang vom p-i-n-Typ, das heißt, einen photovoltaischen Übergang, der eine p-dotierte Region, eine n-dotierte Region und eine Halbleiter-Zwischenregion aufweist, die sich zwischen der p-dotierten Region und der n-dotierten Region befindet und ein intrinsisches Halbleitermaterial oder ein geringfügig dotiertes Halbleitermaterial enthält. In einer Ausführungsform kann der erste Leitfähigkeitstyp vom p-Typ sein, und der zweite Leitfähigkeitstyp kann vom n-Typ sein. In einer anderen Ausführungsform kann der erste Leitfähigkeitstyp vom n-Typ sein, und der erste Leitfähigkeitstyp kann vom p-Typ sein. Der photovoltaische Übergang kann über den Graben 69 hinweg gebildet werden, das heißt, er kann sich aufgrund des Vorhandenseins der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps außerhalb des Grabens 69 räumlich über die Grenze des Grabens 69 erstrecken. Die germaniumhaltige Zwischenregion 308 befindet sich innerhalb des Grabens 69 und fungiert als eine Halbleiter-Zwischenregion, die ein intrinsisches Halbleitermaterial oder ein geringfügig dotiertes Halbleitermaterial enthält.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann die germaniumhaltige Zwischenregion 308 eine Dotierung des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen, und der photovoltaische Übergang kann einen p-n-Übergang aufweisen, der zwischen der germaniumhaltigen Zwischenregion 308 und der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet wird. In dieser Ausführungsform kann die germaniumhaltige Zwischenregion 308 Dotanden des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer Atomkonzentration in einem Bereich von 1,0 × 1017/cm3 bis 1,0 × 1020/cm3 enthalten, obgleich auch niedrigere und höhere Atomkonzentrationen verwendet werden können. In Ausführungsformen, in denen die Siliziumauskleidung 32 nicht vorhanden ist, kann der p-n-Übergang an der Seitenwand und der Bodenfläche des Grabens 69 gebildet werden. In Ausführungsformen, in denen die Siliziumauskleidung 32 vorhanden ist, kann die Siliziumauskleidung 32 intrinsisch sein, kann p-dotiert sein, oder kann n-dotiert sein. Allgemein kann der photovoltaische Übergang einen p-i-n-Übergang oder einen p-n-Übergang umfassen, der über die germaniumhaltige Mulde 30 und das einkristalline Siliziumsubstrat 10, das die Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, hinweg gebildet wird.
  • Unter Bezug auf 2J kann die dielektrische Maskenschicht 12 zum Beispiel durch Ausführen eines Nassätzprozesses entfernt werden. In Ausführungsformen, in denen die dielektrische Maskenschicht 12 Siliziumoxid enthält, kann ein Nassätzprozess mit verdünnter Fluorwasserstoffsäure ausgeführt werden, um die dielektrische Maskenschicht 12 zu entfernen.
  • Flachgrabenisolationsstrukturen 20 können in einem oberen Abschnitt des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 gebildet werden. Die Flachgrabenisolationsstrukturen 20 können ein dielektrisches Füllmaterial, wie zum Beispiel Siliziumoxid, enthalten und bilden eine elektrische Isolierung von den anschließend zu bildenden Halbleitervorrichtungen. Verschiedene Feldeffekttransistoren (610, 630, 640) können in der Photodetektorregion 510 und in der Sensorschaltkreisregion 520 gebildet werden. Zum Beispiel kann ein Transfertransistor 610 in der Photodetektorregion 510 gebildet werden, und p-Feldeffekttransistoren 630 und n-Feldeffekttransistoren 640 können in der Sensorschaltkreisregion 520 gebildet werden. Jeder der Feldeffekttransistoren (610, 630, 640) kann ein jeweiliges Gate-Dielektrikum 50, eine jeweilige Gate-Elektrode 52 und ein jeweiliges Paar aus einer Source-Region und einer Drain-Region aufweisen. Die Source-Regionen und die Drain-Regionen werden gemeinsam als Source/Drain-Regionen bezeichnet. Zum Beispiel können die p-Feldeffekttransistoren 630 p-dotierte Source/Drain-Regionen 42 aufweisen, und die n-Feldeffekttransistoren 640 können n-dotierte Source/Drain-Regionen 44 aufweisen. Der Transfertransistor 610 kann eine Source-Region 48, die elektrisch mit der germaniumhaltigen Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps zu verbinden ist, und eine potenzialfreie Drain-Region 46 aufweisen. Die germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps und die potenzialfreie Drain-Region 46 können eine Dotierung des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen. Je nach Bedarf können verschiedene dotierte Mulden in der Sensorschaltkreisregion 520 gebildet werden. In der vorliegenden Offenbarung werden zwar nur zwei Feldeffekttransistoren in der Sensorschaltkreisregion 520 veranschaulicht, doch es versteht sich, dass ein vollständiger Satz Feldeffekttransistoren zum Bereitstellen eines Sensorschaltkreises für ein Subpixel in der Sensorschaltkreisregion 520 gebildet werden kann. Die Feldeffekttransistoren in der Sensorschaltkreisregion 520 können Transistoren wie zum Beispiel einen Rücksetzungstransistor, einen Source-Folger-Transistor und einen Auswahltransistor aufweisen. Es kann ein beliebiger Sensorschaltkreis zum Erfassen gespeicherter elektrischer Ladungen in der germaniumhaltigen Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet werden.
  • Unter Bezug auf 2K können dielektrische Materialschichten 90 und metallische Interconnect-Strukturen 80 über den Feldeffekttransistoren (610, 630, 640) und der Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet werden. Jede der dielektrischen Materialschichten 90 weist ein jeweiliges Zwischenschichtdielektrikum-Material (Interlayer Dielectric, ILD-Material) wie zum Beispiel undotiertes Silikatglas, ein dotiertes Silikatglas, Organosilikatglas und/oder ein porenhaltiges dielektrisches Material. Die dielektrischen Materialschichten 90 können dielektrische Auskleidungen wie zum Beispiel dielektrische Auskleidungen aus Siliziumnitrid, dielektrische Auskleidungen aus Metalloxid, dielektrische Auskleidungen aus Siliziumcarbid und/oder dielektrische Auskleidungen aus Siliziumoxynitrid aufweisen. Die metallischen Interconnect-Strukturen 80 können metallische Durchkontaktierungsstrukturen 82 und metallische Leitungsstrukturen 84 umfassen. Die Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps kann durch eine Teilmenge der metallischen Interconnect-Strukturen 80 elektrisch mit der Source-Region 48 des Transfertransistors 610 verbunden sein.
  • 2L ist eine vertikale Querschnittsansicht einer alternativen Konfiguration der ersten beispielhaften Struktur gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Unter Bezug auf 2L kann eine alternative Konfiguration der ersten beispielhaften Struktur von der ersten beispielhaften Struktur von 2H abgeleitet werden, indem Siliziumnitrid als das Material für eine siliziumhaltige Kappstruktur verwendet wird. Eine Siliziumnitrid-Kappstruktur 41, die Siliziumnitrid enthält und/oder im Wesentlichen aus Siliziumnitrid besteht, kann auf der Oberseite der germaniumhaltigen Mulde 30 gebildet werden.
  • Anschließend können die Verarbeitungsschritte von 2I ausgeführt werden, um einen oberen Abschnitt der germaniumhaltigen Mulde 30 in eine germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps umzuwandeln. Die Verarbeitungsschritte von 2J und 2K können anschließend ausgeführt werden. Eine metallische Durchkontaktierungsstruktur 82 kann durch die Siliziumnitrid-Kappstruktur 41 (die Siliziumnitrid enthält) gebildet werden, um die germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps zu kontaktieren.
  • Allgemein kann eine siliziumhaltige Kappstruktur (342 oder 41) auf einer Oberseite der germaniumhaltigen Mulde 30 angeordnet werden. Die siliziumhaltige Kappstruktur (342 oder 41) enthält ein siliziumhaltiges Diffusionssperrmaterial, das Silizium oder Siliziumnitrid sein kann. Wenn die siliziumhaltige Kappstruktur (342 oder 41) (die die Siliziumregion des zweiten Leitfähigkeitstyps 342 umfasst) Silizium enthält, so kann der Atomprozentsatz von Silizium in der siliziumhaltigen Kappstruktur (die die Siliziumregion des zweiten Leitfähigkeitstyps 342 umfasst) größer als 98 % sein, und kann größer als 99 % sein, wobei der Rest elektrische Dotanden des zweiten Leitfähigkeitstyps sind. Wenn die siliziumhaltige Kappstruktur (die einer Siliziumnitrid-Kappstruktur 41 umfasst) Siliziumnitrid enthält, so kann der Atomprozentsatz von Silizium etwa 3/7 × 100 % betragen, was etwa 42,8 % sind. Allgemein kann die siliziumhaltige Kappstruktur (342 oder 41) der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Silizium mit einem Atomprozentsatz von mehr als 42 % enthalten.
  • 3A und 3B sind vertikale Querschnittsansichten von Konfigurationen einer zweiten beispielhaften Struktur, die ein Pixel eines Bildsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aufweist. 3A veranschaulicht eine Konfiguration, in der die siliziumhaltige Kappstruktur eine Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst, und 3B veranschaulicht eine Konfiguration, in der die siliziumhaltige Kappstruktur eine Siliziumnitrid-Kappstruktur 41 umfasst.
  • In den zweiten beispielhaften Strukturen kann der photovoltaische Übergang jedes Subpixels in einem ersten Halbleitersubstrat 110 gebildet werden. Das erste Halbleitersubstrat 110 kann ein einkristallines Siliziumsubstrat sein, das das gleiche sein kann wie das einkristalline Siliziumsubstrat 10, wie oben beschrieben. Erste dielektrische Materialschichten 190, die eine erste Teilmenge der metallischen Interconnect-Strukturen 80 aufweisen, können über dem ersten Halbleitersubstrat 110 gebildet werden. Erste Bondpads 188 können auf den ersten dielektrischen Materialschichten 190 gebildet werden. Substrat-Durchkontaktierungsstrukturen 104, die seitlich von einem jeweiligen isolierenden Abstandshalter 102 umgeben sind, können in dem ersten Halbleitersubstrat 110 gebildet werden.
  • Der Sensorschaltkreis jedes Subpixels kann auf einem zweiten Halbleitersubstrat 210 gebildet werden, das ein Siliziumsubstrat sein kann. In dieser Ausführungsform kann der Transfertransistor 610 für den Photodetektor auf dem zweiten Halbleitersubstrat 210 gebildet werden. Zweite dielektrische Materialschichten 290, die eine zweite Teilmenge der metallischen Interconnect-Strukturen 80 aufweisen, können über dem zweiten Halbleitersubstrat 210 gebildet werden. Zweite Bondpads 288 können auf den zweiten dielektrischen Materialschichten 290 gebildet werden.
  • Ein erster Wafer, der das erste Halbleitersubstrat 110 und die ersten dielektrischen Materialschichten 190 aufweist, kann durch Wafer-an-Wafer-Bonden an einen zweiten Wafer, der das zweite Halbleitersubstrat 210 und die zweiten dielektrischen Materialschichten 290 aufweist, gebondet werden. Zum Beispiel können die ersten Bondpads 188 auf die zweiten Bondpads 288 ausgerichtet und auf diesen angeordnet werden, und eine Metall-an-Metall-Bondung kann an jedem komplementären Paar eines ersten Bondpads 188 und eines zweiten Bondpads 288 induziert werden. Anschließend kann die Rückseite des ersten Halbleitersubstrats 110 ausgedünnt werden, um die Oberseiten der Substrat-Durchkontaktierungsstrukturen 104 physisch freizulegen. Eine dielektrische Rückseitenschicht 106 kann auf der Rückseite des ersten Halbleitersubstrats 110 gebildet werden, und externe Bondpads 198 können durch die dielektrische Rückseitenschicht 106 hindurch an einer Rückseitenfläche einer jeweiligen der Substrat-Durchkontaktierungsstrukturen 104 gebildet werden. Die gebondete Baugruppe aus dem ersten Wafer und dem zweiten Wafer kann vereinzelt werden, um gebondete Halbleiter-Dies bereitzustellen. Jeder gebondete Halbleiter-Die kann einen ersten Halbleiter-Die 710 mit vereinzelten Abschnitten des ersten Halbleitersubstrats 110 und der ersten dielektrischen Materialschichten 190 und einen zweiten Halbleiter-Die 720 mit vereinzelten Abschnitten des zweiten Halbleitersubstrats 210 und der zweiten dielektrischen Materialschichten 290 aufweisen.
  • 4A und 4B sind vertikale Querschnittsansichten von Konfigurationen einer dritten beispielhaften Struktur, die ein Pixel eines Bildsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aufweist. 4A veranschaulicht eine Konfiguration, in der die siliziumhaltige Kappe eine Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst, und 4B veranschaulicht eine Konfiguration, in der die siliziumhaltige Kappstruktur eine Siliziumnitrid-Kappstruktur 41 umfasst.
  • In den dritten beispielhaften Strukturen können der photovoltaische Übergang jedes Subpixels und mindestens eine Teilmenge der Sensorschaltkreises jedes Subpixels in einem ersten Halbleitersubstrat 110 gebildet werden, das ein einkristallines Siliziumsubstrat ist, das das gleiche wie das oben beschriebene einkristalline Siliziumsubstrat 10 sein kann. Erste dielektrische Materialschichten 190, die eine erste Teilmenge der metallischen Interconnect-Strukturen 80 aufweisen, können über dem ersten Halbleitersubstrat 110 gebildet werden. Substrat-Durchkontaktierungsstrukturen 104, die seitlich von einem jeweiligen isolierenden Abstandshalter 102 umgeben sind, können in dem ersten Halbleitersubstrat 110 gebildet werden.
  • Zusätzliche Halbleitervorrichtungen wie zum Beispiel p-Feldeffekttransistoren 630 und n-Feldeffekttransistoren können auf einem zweiten Halbleitersubstrat 210 gebildet werden, das ein Siliziumsubstrat sein kann. Die zusätzlichen Halbleitervorrichtungen können gegebenenfalls Komponenten eines Sensorschaltkreises für einen photovoltaischen Übergang in dem ersten Halbleitersubstrat 110 aufweisen. Zu den zusätzlichen Halbleitervorrichtungen können zusätzliche Halbleitervorrichtungen gehören, die in Verbindung mit den Subpixeln eines Bildsensors verwendet werden können. Zum Beispiel können zu den zusätzlichen Halbleitervorrichtungen Speichervorrichtungen oder Logikvorrichtungen gehören, die den Betrieb des Bildsensors unterstützen können.
  • Die Vorrichtungen auf dem ersten Halbleitersubstrat 110 und die Vorrichtungen auf dem zweiten Halbleitersubstrat 210 können miteinander Vorderseite-an-Vorderseite, Rückseitean-Rückseite oder Vorderseite-an-Rückseite verbunden sein. Die veranschaulichten Konfigurationen umfassen Ausführungsformen, bei denen die Rückseite des ersten Halbleitersubstrats 110 ausgedünnt ist, eine dielektrische Rückseitenschicht 106 an der Rückseite des ersten Halbleitersubstrats 110 abgeschieden ist, und erste Bondpads 188 durch die dielektrische Rückseitenschicht 106 hindurch an den Bodenflächen der Substrat-Durchkontaktierungsstrukturen 104 ausgebildet sind. Die ersten Bondpads 188 sind an zweite Bondpads 288 gebondet, die in den zweiten dielektrischen Materialschichten 290, die über dem zweiten Halbleitersubstrat 210 liegen, angeordnet sind.
  • Allgemein kann jede beliebige Art von photovoltaischem Übergang in der germaniumhaltigen Mulde 30 oder um die germaniumhaltige Mulde 30 gebildet werden. Der photovoltaische Übergang kann ein vertikaler p-i-n-Übergang, ein seitlicher p-i-n-Übergang, ein vertikaler p-n-Übergang oder ein seitlicher p-n-Übergang sein. Des Weiteren kann auch die Konfiguration einer gepinnten Diode unter Verwendung einer Pinning-Schicht oder die Konfiguration einer Single-Photon-Avalanche-Diode (SPAD) verwendet werden. Obgleich im vorliegenden Text konkrete Ausführungsformen des photovoltaischen Übergangs, der in der germaniumhaltigen Mulde 30 oder um die germaniumhaltige Mulde 30 gebildet wird, beschrieben werden, versteht es sich, dass der Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht durch eine konkrete Konfiguration eines photovoltaischen Übergangs beschränkt wird, solange eine germaniumhaltige Mulde 30 als eine Komponente eines photovoltaischen Übergangs verwendet wird.
  • Das germaniumhaltige Material der germaniumhaltigen Mulde 30 kann dotiertes Germanium oder eine dotierte Silizium-Germanium-Legierung sein, die Germanium mit einem Atomprozentsatz von mehr als 50 % enthält. Die germaniumhaltige Mulde 30 kann vollständig durch eine Kombination aus der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps und der siliziumhaltigen Kappstruktur (342 oder 41) oder durch eine Kombination aus der Siliziumauskleidung 32 und der siliziumhaltigen Kappstruktur (342 oder 41) verkapselt werden. Auf diese Weise kann ein physischer Kontakt zwischen der germaniumhaltigen Mulde 30 und den dielektrischen Materialschichten 90 oder einer anderen sauerstoffhaltigen Komponente innerhalb der ersten, der zweiten und der dritten beispielhaften Struktur vermieden werden, und die germaniumhaltige Mulde 30 kann frei von Oxidation bleiben.
  • Unter Bezug auf die 2A - 4B und gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird eine Halbleiterstruktur, die einen Photodetektor aufweist, bereitgestellt. Der Photodetektor umfasst: eine germaniumhaltige Mulde 30, die in ein einkristallines Siliziumsubstrat (10, 110) eingebettet ist und sich bis zu einer proximalen horizontalen Fläche 7 des einkristallinen Siliziumsubstrats (9, 10) erstreckt, wobei die germaniumhaltige Mulde 30 Germanium mit einem Atomprozentsatz von mehr als 50 % (zum Beispiel von 50 % bis 100 %) enthält; und eine siliziumhaltige Kappstruktur (342 oder 41), die auf einer Oberseite der germaniumhaltigen Mulde 30 angeordnet ist und Siliziumatome mit einem Atomprozentsatz von mehr als 42 % enthält. Ein Abschnitt des einkristallinen Siliziumsubstrats (10, 110), der den Graben 69 umgibt, umfasst einen Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps. Die germaniumhaltige Mulde 30 umfasst eine germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps.
  • In einer Ausführungsform kann der photovoltaische Übergang einen p-i-n-Übergang (21, 308, 302) umfassen; und die germaniumhaltige Mulde 30 umfasst eine germaniumhaltige Zwischenregion 308 mit einer Atomkonzentration von Dotanden in einem Bereich von 1,0 × 1013/cm3 bis 1,0 × 1018/cm3, welche die germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps kontaktiert und seitlich von der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps umgeben ist.
  • In einer Ausführungsform kann die Halbleiterstruktur eine einkristalline Siliziumauskleidung 32 umfassen, die eine innere Seitenwand der Siliziumregion 302 des ersten Leitfähigkeitstyps kontaktiert, die germaniumhaltige Mulde 30 seitlich umgibt und epitaxial auf das einkristalline Siliziumsubstrat (9,10) ausgerichtet ist. In einer Ausführungsform umfasst die germaniumhaltige Mulde 30 ein einkristallines germaniumhaltiges Halbleitermaterial in epitaxialer Ausrichtung auf die einkristalline Siliziumauskleidung 32 und das einkristalline Siliziumsubstrat (9,10).
  • In einer Ausführungsform umgibt die Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps durchgehend die germaniumhaltige Mulde 30 und umfasst einen ersten horizontal verlaufenden Abschnitt, der eine Bodenfläche der germaniumhaltigen Mulde 30 kontaktiert, und einen zweiten horizontal verlaufenden Abschnitt, der sich von der germaniumhaltigen Mulde 30 nach außen unter die proximale horizontale Fläche 7 des einkristallinen Siliziumsubstrats (9, 10) erstreckt.
  • Die Halbleiterstruktur kann umfassen: einen Sensorschaltkreis, der sich auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat (10, 110) oder auf einem Halbleitersubstrat (210) befindet, das mittels dielektrischer Materialschichten (190, 290) und Bondpads (188, 288), die sich innerhalb der dielektrischen Materialschichten (190, 290) befinden, an das einkristalline Siliziumsubstrat (10,110) gebondet ist; und metallische Interconnect-Strukturen (80), die eine elektrische Verbindung zwischen der germaniumhaltigen Region (302) des zweiten Leitfähigkeitstyps und dem Sensorschaltkreis herstellen.
  • 5A - 5F sind aufeinanderfolgende vertikale Querschnittsansichten einer vierten beispielhaften Struktur während des Bildens eines Pixels eines Bildsensors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die in 5A veranschaulichte vierte beispielhafte Struktur weist ein erstes Halbleitersubstrat 110 auf, das ein einkristallines Siliziumsubstrat sein kann. Das erste Halbleitersubstrat 110 kann das gleiche sein wie das einkristalline Siliziumsubstrat 10 in der ersten beispielhaften Struktur. Eine proximale horizontale Fläche 7 kann sich auf der Oberseite des ersten Halbleitersubstrats 110 befinden. Eine dielektrische Maskenschicht 12 kann auf der proximalen horizontalen Fläche gebildet werden, und der Graben 69 kann in einem oberen Abschnitt des ersten Halbleitersubstrats 110 durch eine Öffnung in der dielektrischen Maskenschicht 12 hindurch gebildet werden. Die vierte beispielhafte Struktur von 5A kann von der ersten beispielhaften Struktur von 2B abgeleitet werden, indem das Bilden der ersten dotierten Photodiodenkontaktregion 28, der dotierten Mulde 60 des zweiten Leitfähigkeitstyps und der dotierten Muldenkontaktregionen 68 weggelassen wird.
  • Unter Bezug auf 5B können die Verarbeitungsschritte der 2D, 2E, 2F und 2G nacheinander ausgeführt werden, um eine Siliziumauskleidung 32 und eine germaniumhaltige Mulde 30 zu bilden. Die Siliziumauskleidung 32 kann die gleiche Dicke und die gleiche Materialzusammensetzung wie in der ersten Ausführungsform haben. Die germaniumhaltige Mulde 30 kann die gleiche Materialzusammensetzung und die gleiche Kristallinität wie in der ersten Ausführungsform haben. Die germaniumhaltige Mulde 30 kann einkristallin und epitaxial auf das einkristalline Halbleitersubstrat des ersten Halbleitersubstrats 110 ausgerichtet sein, oder sie kann polykristallin oder amorph sein.
  • Unter Bezug auf 5C kann Silizium auf der Oberseite der germaniumhaltigen Mulde 30 abgeschieden werden. In einer Ausführungsform kann das abgeschiedene Silizium undotiertes Silizium enthalten. Im Sinne des vorliegenden Textes bezieht sich „undotiertes Silizium“ auf Silizium ohne absichtlich eingearbeitete Dotanden während eines Abscheidungsprozesses. Daher kann der Gehalt an elektrischen Dotanden in undotiertem Silizium auf einem Restniveau liegen. Zum Beispiel kann undotiertes Silizium intrinsisch sein oder kann elektrische Dotanden mit einer Dotandenkonzentration von weniger als 1,0 × 1016/cm3 aufweisen, wie zum Beispiel von 1,0 × 1012/cm3 bis 1,0 × 1015/cm3. Undotiertes Silizium bietet einen relativ hohen spezifischen Widerstand und unterdrückt Leckstrom effektiv. Undotiertes Silizium kann durch einen selektiven Abscheidungsprozess oder einen nicht-selektiven Abscheidungsprozess gezüchtet werden. In Ausführungsformen, in denen ein nicht-selektiver Abscheidungsprozess verwendet wird, können überschüssige Abschnitte des abgeschiedenen undotierten Siliziummaterials von oberhalb der horizontalen Ebene, die die Oberseite der dielektrischen Maskenschicht 12 enthält, entfernt werden. Die verbleibenden Abschnitte des abgeschiedenen undotierten Siliziums umfassen eine Passivierungssiliziumregion 340. Die Oberseite der Passivierungssiliziumregion 340 kann innerhalb der horizontalen Ebene, die die Oberseite der dielektrischen Maskenschicht 12 enthält, liegen. In Ausführungsformen, in denen undotiertes Silizium mittels eines selektiven Abscheidungsprozesses abgeschieden wird, braucht ein Planarisierungsprozess nicht erforderlich zu sein. Die Passivierungssiliziumregion 340 fungiert als eine siliziumhaltige Kappstruktur für die germaniumhaltige Mulde 30.
  • Unter Bezug auf 5D können Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps in einen Abschnitt der Passivierungssiliziumregion 340 und einen oberen Abschnitt der germaniumhaltigen Mulde 30 unter Verwendung eines ersten maskierten Ionenimplantationsprozesses implantiert werden. Der implantierte Abschnitt der Passivierungssiliziumregion 340 umfasst eine Siliziumregion 341 des ersten Leitfähigkeitstyps, und der implantierte Abschnitt der germaniumhaltigen Mulde 30 umfasst eine germaniumhaltige Region 301 des ersten Leitfähigkeitstyps. Die Siliziumregion 341 des ersten Leitfähigkeitstyps und die germaniumhaltige Region 301 des ersten Leitfähigkeitstyps können stark dotiert sein. Zum Beispiel können sowohl die Siliziumregion 341 des ersten Leitfähigkeitstyps als auch die germaniumhaltige Region 301 des ersten Leitfähigkeitstyps elektrische Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Atomkonzentration in einem Bereich von 1,0 × 1019/cm3 bis 2,0 × 1021/cm3 enthalten.
  • Dotanden des zweiten Leitfähigkeitstyps können in einen anderen Abschnitt der Passivierungssiliziumregion 340 und einen anderen oberen Abschnitt der germaniumhaltigen Mulde 30 unter Verwendung eines zweiten maskierten Ionenimplantationsprozesses implantiert werden. Der implantierte Abschnitt der Passivierungssiliziumregion 340 umfasst eine Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps, und der implantierte Abschnitt der germaniumhaltigen Mulde 30 umfasst eine germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps. Die Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps und die germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps können stark dotiert sein. Zum Beispiel können sowohl die Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps als auch die germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps elektrische Dotanden des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer Atomkonzentration in einem Bereich von 1,0 × 1019/cm3 bis 2,0 × 1021/cm3 enthalten.
  • Der verbleibende Abschnitt der Passivierungssiliziumregion 340 kann eine seitliche Isolierung zwischen der Siliziumregion 341 des ersten Leitfähigkeitstyps und der Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps bereitstellen. Die Kombination aus der Passivierungssiliziumregion 340, der Siliziumregion 341 des ersten Leitfähigkeitstyps und der Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst eine Silizium-Kappstruktur 34, die eine siliziumhaltige Kappstruktur ist.
  • Der nicht-implantierte Abschnitt der germaniumhaltigen Mulde 30 wird im vorliegenden Text als eine germaniumhaltige Zwischenregion 308 bezeichnet. Die germaniumhaltige Zwischenregion 308 kann intrinsisch sein oder kann eine Dotierung mit einer Atomkonzentration von Dotanden in einem Bereich von 1,0 × 1013/cm3 bis 1,0 × 1018cm3 enthalten. Die germaniumhaltige Zwischenregion 308 stellt einen seitlichen Abstand zwischen der germaniumhaltigen Region 301 des ersten Leitfähigkeitstyps und der germaniumhaltigen Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps bereit. Die Kombination aus der germaniumhaltigen Zwischenregion 308, der germaniumhaltigen Region 301 des ersten Leitfähigkeitstyps und der germaniumhaltigen Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst die germaniumhaltige Mulde 30.
  • Unter Bezug auf 5E kann die dielektrische Maskenschicht 12 zum Beispiel durch Ausführen eines isotropen Ätzprozesses, wie zum Beispiel eines Nassätzprozesses, entfernt werden. Erste dielektrische Materialschichten 190, Substrat-Durchkontaktierungsstrukturen 104, isolierende Abstandshalter 102, die die Substrat-Durchkontaktierungsstrukturen 104 seitlich umgeben, metallische Interconnect-Strukturen 80 und erste Bondpads 188 können über dem ersten Halbleitersubstrat 110 gebildet werden.
  • Unter Bezug auf 5F können Sensorschaltkreise für Photodetektoren, die auf dem ersten Halbleitersubstrat 110 von 5G angeordnet sind, auf einem zweiten Halbleitersubstrat 210 gebildet werden. Ein Array von Sensorschaltkreisen kann für ein Array von Photodetektoren, die auf dem ersten Halbleitersubstrat 110 von 5G angeordnet sind, gebildet werden. Zum Beispiel kann jeder Sensorschaltkreis für einen Photodetektor einen Transfertransistor 610, der eine Source-Region 48 und eine potenzialfreie Drain-Region 46 aufweist, sowie zusätzliche Feldeffekttransistoren, zu denen p-Feldeffekttransistoren 630 und n-Feldeffekttransistoren gehören können, aufweisen. Der Sensorschaltkreises von 5F, der auf dem zweiten Halbleitersubstrat 210 angeordnet ist, kann der gleiche sein wie der Sensorschaltkreis von 2K, der auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat 10 angeordnet ist. Metallische Interconnect-Strukturen 80, die innerhalb zweiter dielektrischer Materialschichten 290 gebildet werden, können über dem zweiten Halbleitersubstrat 210 gebildet werden, um eine elektrische Verdrahtung zu und von den verschiedenen Halbleitervorrichtungen auf dem zweiten Halbleitersubstrat 210 bereitzustellen. Zweite Bondpads 288 können auf den zweiten dielektrischen Materialschichten 290 gebildet werden.
  • Ein erster Wafer, der das erste Halbleitersubstrat 110 und die ersten dielektrischen Materialschichten 190 aufweist, kann durch Wafer-an-Wafer-Bonden an einen zweiten Wafer, der das zweite Halbleitersubstrat 210 und die zweiten dielektrischen Materialschichten 290 aufweist, gebondet werden. Zum Beispiel können die ersten Bondpads 188 auf die zweiten Bondpads 288 ausgerichtet und auf diesen angeordnet werden, und eine Metall-an-Metall-Bondung kann an jedem komplementären Paar eines ersten Bondpads 188 und eines zweiten Bondpads 288 induziert werden. Anschließend kann die Rückseite des ersten Halbleitersubstrats 110 ausgedünnt werden, um die Oberseiten der Substrat-Durchkontaktierungsstrukturen 104 physisch freizulegen. Eine dielektrische Rückseitenschicht 106 kann auf der Rückseite des ersten Halbleitersubstrats 110 gebildet werden, und externe Bondpads 198 können durch die dielektrische Rückseitenschicht 106 hindurch an einer Rückseitenfläche einer jeweiligen der Substrat-Durchkontaktierungsstrukturen 104 gebildet werden. Die gebondete Baugruppe aus dem ersten Wafer und dem zweiten Wafer kann vereinzelt werden, um gebondete Halbleiter-Dies bereitzustellen. Jeder gebondete Halbleiter-Die kann einen ersten Halbleiter-Die 710 mit vereinzelten Abschnitten des ersten Halbleitersubstrats 110 und der ersten dielektrischen Materialschichten 190 und einen zweiten Halbleiter-Die 720 mit vereinzelten Abschnitten des zweiten Halbleitersubstrats 210 und der zweiten dielektrischen Materialschichten 290 aufweisen.
  • 6A - 6F sind vertikale Querschnittsansichten von alternativen Konfigurationen der vierten beispielhaften Struktur gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Unter Bezug auf 6A kann eine erste alternative Konfiguration der vierten beispielhaften Struktur von der vierten beispielhaften Struktur von 5F abgeleitet werden, indem auf das Bilden der Siliziumauskleidung 32 verzichtet wird. In dieser Ausführungsform kann die germaniumhaltige Mulde 30 direkt an Seitenwänden und auf einer horizontalen Fläche des Grabens 69 gebildet werden. Somit kann die germaniumhaltige Mulde 30 das einkristalline Siliziumsubstrat, das das erste Halbleitersubstrat 110 umfasst, direkt kontaktieren.
  • Unter Bezug auf 6B kann eine zweite alternative Konfiguration der vierten beispielhaften Struktur von der ersten alternativen Konfiguration der vierten beispielhaften Struktur von 6A abgeleitet werden, indem eine Siliziumnitrid-Kappstruktur 41 anstelle einer Silizium-Kappstruktur 34 gebildet wird. In dieser Ausführungsform kann jede der germaniumhaltigen Regionen 301 des ersten Leitfähigkeitstyps und der germaniumhaltigen Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps direkt durch eine jeweilige der metallischen Interconnect-Strukturen 80 kontaktiert werden, wie zum Beispiel eine jeweilige metallische Durchkontaktierungsstruktur 82.
  • Unter Bezug auf 6C kann eine dritte alternative Konfiguration der vierten beispielhaften Struktur von der vierten beispielhaften Struktur von 5F abgeleitet werden, indem mehrere germaniumhaltige Regionen des ersten Leitfähigkeitstyps 301 und/oder mehrere germaniumhaltige Regionen des zweiten Leitfähigkeitstyps 302 gebildet werden. In dieser Ausführungsform können mehrere Siliziumregionen 341 des ersten Leitfähigkeitstyps und/oder mehrere Siliziumregionen 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet werden.
  • Unter Bezug auf 6D kann eine vierte alternative Konfiguration der vierten beispielhaften Struktur von der ersten alternativen Konfiguration der vierten beispielhaften Struktur von 6A abgeleitet werden, indem mehrere germaniumhaltige Regionen des ersten Leitfähigkeitstyps 301 und/oder mehrere germaniumhaltige Regionen des zweiten Leitfähigkeitstyps 302 gebildet werden. In dieser Ausführungsform können mehrere Siliziumregionen 341 des ersten Leitfähigkeitstyps und/oder mehrere Siliziumregionen 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet werden.
  • Unter Bezug auf 6E kann eine fünfte alternative Konfiguration der vierten beispielhaften Struktur von der vierten beispielhaften Struktur von 5F oder von der dritten alternativen Konfiguration der vierten beispielhaften Struktur von 6C abgeleitet werden, indem die germaniumhaltige Zwischenregion 308 mit Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert wird, um eine zusätzliche germaniumhaltige Region 305 des ersten Leitfähigkeitstyps zu bilden. In dieser Ausführungsform kann die Atomkonzentration von Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps innerhalb der zusätzlichen germaniumhaltigen Region 305 des ersten Leitfähigkeitstyps in einem Bereich von 1,0 × 1017/cm3 bis 1,0 × 1019/cm3 liegen, obgleich auch niedrigere und höhere Atomkonzentrationen verwendet werden können. In dieser Ausführungsform kann der photovoltaische Übergang ein p-n-Übergang sein.
  • Unter Bezug auf 6F kann eine sechste alternative Konfiguration der vierten beispielhaften Struktur von der fünften alternativen Konfiguration der vierten beispielhaften Struktur von 6E abgeleitet werden, indem die germaniumhaltige Zwischenregion 308 mit Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Atomkonzentration dotiert wird, die gleich der Atomkonzentration von Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps in den germaniumhaltigen Regionen 301 des ersten Leitfähigkeitstyps ist. In dieser Ausführungsform ersetzt die germaniumhaltige Region 301 des ersten Leitfähigkeitstyps die germaniumhaltige Zwischenregion 308. Ein p-n-Übergang kann zwischen den germaniumhaltigen Regionen 301 des ersten Leitfähigkeitstyps und der germaniumhaltigen Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet werden. Die germaniumhaltige Mulde 30 weist die germaniumhaltigen Regionen 301 des ersten Leitfähigkeitstyps und die germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps auf und/oder besteht aus diesen.
  • 7A - 7G sind aufeinanderfolgende vertikale Querschnittsansichten einer fünften beispielhaften Struktur während des Bildens eines Pixels eines Bildsensors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Unter Bezug auf 7A kann eine fünfte beispielhafte Struktur gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durch Bereitstellen eines Halbleitersubstrats 500 gebildet werden, das ein einkristallines Siliziumsubstrat 10 aufweisen kann. Das einkristalline Siliziumsubstrat 10 kann das gleiche sein wie in der ersten beispielhaften Struktur. Halbleitervorrichtungen zum Bilden eines Sensorschaltkreises können auf und/oder in einem oberen Abschnitt des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 gebildet werden. Zum Beispiel können die Halbleitervorrichtungen einen Transfertransistor 610, p-Feldeffekttransistoren 630 und n-Feldeffekttransistoren 640 umfassen. Der Transfertransistor 610 kann in der Photodetektorregion 510 gebildet werden, und die p-Feldeffekttransistoren 630 und die n-Feldeffekttransistoren 640 können in der Sensorschaltkreisregion 520 gebildet werden. Die verschiedenen Feldeffekttransistoren (610, 630, 640) können die gleichen sein wie in der ersten beispielhaften Struktur.
  • Ein dielektrisches Material, wie zum Beispiel Siliziumoxid, kann über den Halbleitervorrichtungen auf der proximalen horizontalen Fläche des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 abgeschieden werden und kann planarisiert werden, um eine dielektrische Maskenschicht 92 mit einer horizontalen Oberseite zu bilden. Die Dicke der dielektrischen Maskenschicht 92 kann größer sein als die Höhe der Gate-Elektroden 52, und die dielektrische Maskenschicht 92 kann die Gate-Elektroden 52 bedecken.
  • Unter Bezug auf 7B kann eine Photoresistschicht 67 über der dielektrischen Maskenschicht 12 aufgebracht und lithografisch strukturiert werden, um eine Öffnung innerhalb der Photodetektorregion 510 zu bilden. Ein anisotroper Ätzprozess kann ausgeführt werden, um die Struktur der Öffnung in der Photoresistschicht 67 durch die dielektrische Maskenschicht 92 hindurch und in einen oberen Abschnitt des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 hinein zu übertragen. In dem oberen Abschnitt des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 kann ein Graben 69 gebildet werden. Die Tiefe des Grabens 69 kann größer sein als, so groß sein wie, oder kleiner sein als die Tiefe der dotierten Mulde 60 des zweiten Leitfähigkeitstyps. In einer Ausführungsform kann die Tiefe des Grabens 69 in einem Bereich von 0,5 Mikrometer bis 10 Mikrometer liegen, wie zum Beispiel von 1 Mikrometer bis 6 Mikrometer, obgleich auch kleinere oder größere Tiefen verwendet werden können. Die seitliche Abmessung des Grabens 69 kann in einem Bereich von 0,5 Mikrometer bis 30 Mikrometer liegen, wie zum Beispiel von 1 Mikrometer bis 15 Mikrometer. Die seitliche Abmessung des Grabens 69 kann der Durchmesser oder die Hauptachse der horizontalen Querschnittsform des Grabens 69 in Ausführungsformen sein, in denen der Graben 69 eine Kreisform oder eine elliptische horizontale Querschnittsform hat, oder kann die Länge einer Seite einer rechteckigen Form in Ausführungsformen sein, in denen die horizontale Querschnittsform des Grabens 69 die rechteckige Form ist. Die Photoresistschicht 67 kann anschließend zum Beispiel durch Ashing entfernt werden.
  • Unter Bezug auf 7C können die Verarbeitungsschritte der 2F und 2E ausgeführt werden, um eine Siliziumauskleidung 32 und eine germaniumhaltige Materialschicht 30L zu bilden. Die Siliziumauskleidung 32 kann die gleiche Dicke, die gleiche Kristallinität und/oder die gleiche Materialzusammensetzung wie in der ersten beispielhaften Struktur aufweisen. Die germaniumhaltige Materialschicht 30L kann die gleiche Kristallinität und die gleiche Materialzusammensetzung wie in der ersten beispielhaften Struktur aufweisen.
  • Unter Bezug auf 7D können die Verarbeitungsschritte der 2F und 2G ausgeführt werden, um eine germaniumhaltige Mulde 30 zu bilden.
  • Unter Bezug auf 7E können die Verarbeitungsschritte der 2H ausgeführt werden, um eine Passivierungssiliziumregion 340 zu bilden. In einer Ausführungsform kann die Passivierungssiliziumregion 340 eine Oberseite innerhalb einer horizontalen Ebene, die die Oberseite der dielektrischen Maskenschicht 92 aufweist, aufweisen.
  • Unter Bezug auf 7F können die Verarbeitungsschritte der 5D ausgeführt werden, um eine Siliziumregion 341 des ersten Leitfähigkeitstyps, eine germaniumhaltige Region 301 des ersten Leitfähigkeitstyps, eine Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps und eine germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps zu bilden. Der verbleibende Abschnitt der Passivierungssiliziumregion 340 kann eine seitliche Isolierung zwischen der Siliziumregion 341 des ersten Leitfähigkeitstyps und der Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps bereitstellen. Die Kombination aus der Passivierungssiliziumregion 340, der Siliziumregion 341 des ersten Leitfähigkeitstyps und der Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst eine Silizium-Kappstruktur 34, die eine siliziumhaltige Kappstruktur ist. Die Kombination aus der germaniumhaltigen Zwischenregion 308, der germaniumhaltigen Region 301 des ersten Leitfähigkeitstyps und der germaniumhaltigen Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst die germaniumhaltige Mulde 30. Alternativ kann anstelle des in 6F veranschaulichten p-i-n-Übergangs jede der in 6A - 6D veranschaulichten p-i-n-Übergangsstrukturen oder der in 6E und 6F veranschaulichten p-n-Übergangsstrukturen gebildet werden. Allgemein kann jeder p-i-n-Übergang oder jeder p-n-Übergang, der oben beschrieben wurde, in dem Graben 69 gebildet werden.
  • Unter Bezug auf 7G können zusätzliche dielektrische Materialschichten 94 und metallische Interconnect-Strukturen 80 gebildet werden, um eine elektrische Verbindung zu und von den verschiedenen Knoten der Halbleitervorrichtungen und des Photodetektors bereitzustellen. Zum Beispiel kann die germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps mit der Source-Region 48 des Transfertransistors 610 durch eine Teilmenge der metallischen Interconnect-Strukturen und die Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps verbunden werden. Die germaniumhaltige Region 301 des ersten Leitfähigkeitstyps kann in geeigneter Weise durch einen Vorspannschaltkreis durch eine weitere Teilmenge metallischer Interconnect-Strukturen 80 vorgespannt werden.
  • 7H ist eine vertikale Querschnittsansicht einer alternativen Konfiguration der fünften beispielhaften Struktur gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Unter Bezug auf 7H kann eine alternative Konfiguration der fünften beispielhaften Struktur von der fünften beispielhaften Struktur von 7G abgeleitet werden, indem eine Siliziumnitrid-Kappstruktur 41 anstelle einer Silizium-Kappstruktur 34 gebildet wird. In dieser Ausführungsform kann jede der germaniumhaltigen Regionen 301 des ersten Leitfähigkeitstyps und der germaniumhaltigen Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps direkt durch eine jeweilige der metallischen Interconnect-Strukturen 80 kontaktiert werden, wie zum Beispiel eine jeweilige metallische Durchkontaktierungsstruktur 82.
  • Allgemein kann jede beliebige Art von photovoltaischem Übergang in der germaniumhaltigen Mulde 30 gebildet werden. Der photovoltaische Übergang kann ein vertikaler p-i-n-Übergang, ein seitlicher p-i-n-Übergang, ein vertikaler p-n-Übergang oder ein seitlicher p-n-Übergang sein. Des Weiteren kann auch die Konfiguration einer gepinnten Diode unter Verwendung einer Pinning-Schicht oder die Konfiguration einer Single-Photon-Avalanche-Diode (SPAD) verwendet werden. Obgleich im vorliegenden Text konkrete Ausführungsformen des photovoltaischen Übergangs, der in der germaniumhaltigen Mulde 30 gebildet wird, beschrieben werden, versteht es sich, dass der Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht durch eine konkrete Konfiguration eines photovoltaischen Übergangs beschränkt wird, solange eine germaniumhaltige Mulde 30 als eine Komponente eines photovoltaischen Übergangs verwendet wird.
  • Das germaniumhaltige Material der germaniumhaltigen Mulde 30 kann dotiertes Germanium oder eine dotierte Silizium-Germanium-Legierung sein, die Germanium mit einem Atomprozentsatz von mehr als 50 % enthält. Die germaniumhaltige Mulde 30 kann vollständig durch eine Kombination aus der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps und der siliziumhaltigen Kappstruktur (34 oder 41) oder durch eine Kombination aus der Siliziumauskleidung 32 und der siliziumhaltigen Kappstruktur (34 oder 41) verkapselt werden. Auf diese Weise kann ein physischer Kontakt zwischen der germaniumhaltigen Mulde 30 und den dielektrischen Materialschichten 90 oder einer anderen sauerstoffhaltigen Komponente innerhalb der vierten oder fünften beispielhaften Struktur vermieden werden, und die germaniumhaltige Mulde 30 kann frei von Oxidation bleiben.
  • Unter Bezug auf die 5A - 7H und gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird eine Halbleiterstruktur, die einen Photodetektor aufweist, bereitgestellt. Der Photodetektor umfasst: eine germaniumhaltige Mulde 30, die in ein einkristallines Siliziumsubstrat (10, 110) eingebettet ist und sich bis zu einer proximalen horizontalen Fläche 7 des einkristallinen Siliziumsubstrats (10, 110) erstreckt, wobei die germaniumhaltige Mulde 30 Germanium mit einem Atomprozentsatz von mehr als 50 % enthält; und eine siliziumhaltige Kappstruktur (34 oder 41), die sich auf einer Oberseite der germaniumhaltigen Mulde 30 befindet und Siliziumatome mit einem Atomprozentsatz von mehr als 42 % enthält. Die siliziumhaltige Kappstruktur (34 oder 41) kann eine Silizium-Kappstruktur 34 umfassen, die im Wesentlichen aus dotiertem Silizium besteht, oder kann eine Siliziumnitrid-Kappstruktur 41 umfassen, die im Wesentlichen aus Siliziumnitrid besteht. Die germaniumhaltige Mulde 30 umfasst einen photovoltaischen Übergang, der eine germaniumhaltige Region 301 des ersten Leitfähigkeitstyps und eine germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist.
  • In einer Ausführungsform umfasst der photovoltaische Übergang einen p-i-n-Übergang; und die germaniumhaltige Mulde 30 umfasst eine germaniumhaltige Zwischenregion 308, die eine Atomkonzentration von Dotanden in einem Bereich von 1,0 × 1013/cm3 bis 1,0 × 1017/cm3 aufweist und die germaniumhaltige Region 301 des ersten Leitfähigkeitstyps und die germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps kontaktiert.
  • In einer Ausführungsform umfasst die siliziumhaltige Kappstruktur 34: eine Siliziumregion 341 des ersten Leitfähigkeitstyps, die mit der germaniumhaltigen Region 301 des ersten Leitfähigkeitstyps in Kontakt steht; und eine Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps, die mit der germaniumhaltigen Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps in Kontakt steht.
  • In einer Ausführungsform umfasst die siliziumhaltige Kappstruktur 34 eine Passivierungssiliziumregion 340, die eine Atomkonzentration von Dotanden in einem Bereich von 1,0 × 1013/cm3 bis 1,0 × 1017/cm3 aufweist und sich zwischen der Siliziumregion 341 des ersten Leitfähigkeitstyps und der Siliziumregion 342 des zweiten Leitfähigkeitstyps befindet.
  • In einer Ausführungsform umfasst die germaniumhaltige Mulde 30 ein einkristallines germaniumhaltiges Halbleitermaterial in epitaxialer Ausrichtung auf das einkristalline Siliziumsubstrat (10, 110). In einer Ausführungsform steht eine proximale Fläche der siliziumhaltigen Kappstruktur (34 oder 41) mit der germaniumhaltigen Mulde 30 in Kontakt; und eine distale Fläche der siliziumhaltigen Kappstruktur (34 oder 41) ist vertikal von einer horizontalen Ebene fort versetzt, die eine proximale horizontale Fläche 7 des einkristallinen Siliziumsubstrats (10, 110) aufweist.
  • In einer Ausführungsform umfasst der photovoltaische Übergang einen p-n-Übergang; und die germaniumhaltige Region 301 des ersten Leitfähigkeitstyps kontaktiert die germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps.
  • In einer Ausführungsform kann die Halbleiterstruktur einen Sensorschaltkreis umfassen, der Feldeffekttransistoren umfasst, die sich auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat (10, 110) befinden; sowie dielektrische Materialschichten {90, 190, (92, 94)}, die sich auf der proximalen horizontalen Fläche 7 des einkristallinen Siliziumsubstrats (10, 110) befinden und metallische Interconnect-Strukturen 80 aufweisen. Eine Teilmenge der metallischen Interconnect-Strukturen 80 kann einen elektrisch leitfähigen Pfad zwischen der germaniumhaltigen Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps und einer Source/Drain-Region eines der Feldeffekttransistoren (wie zum Beispiel einer Source-Region 48 eines Transfertransistors 610) bereitstellen.
  • In einer Ausführungsform kann die Halbleiterstruktur umfassen: erste dielektrische Materialschichten 190, die sich auf der proximalen horizontalen Fläche 7 des einkristallinen Siliziumsubstrats 110 befinden und erste metallischen Interconnect-Strukturen 80 und erste Bondpads 188 aufweisen; und einen Halbleiter-Die 720, der ein Halbleitersubstrat 210, einen Sensorschaltkreis mit Feldeffekttransistoren, die sich auf dem Halbleitersubstrat 210 befinden, und zweite dielektrische Materialschichten 290, die sich auf dem Halbleitersubstrat 210 befinden und zweite metallische Interconnect-Strukturen 80 und zweite Bondpads 288 darin aufweisen, umfasst. Die zweiten Bondpads 288 können an ein jeweiliges der ersten Bondpads 188 gebondet werden, und eine Teilmenge der ersten metallischen Interconnect-Strukturen 80 und der zweiten metallischen Interconnect-Strukturen 80 stellt einen elektrisch leitfähigen Pfad zwischen der germaniumhaltigen Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps und einer Source/Drain-Region eines der Feldeffekttransistoren in dem Sensorschaltkreis (wie einer Source-Region 48 eines Transfertransistors 610) bereit.
  • Unter Bezug auf 8 veranschaulicht ein erstes Prozessflussdiagramm 800 einen beispielhaften Prozessablauf zum Bilden eines Bildsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Unter Bezug auf Schritt 810 und die 2B, 5A und 7A kann eine dielektrische Maskenschicht (12, 92) über einem einkristallinen Siliziumsubstrat (10, 110) abgeschieden und strukturiert werden. Unter Bezug auf Schritt 820 und die 2B, 5A und 7B kann ein Graben 69 in das einkristalline Siliziumsubstrat (10, 110) durch eine Öffnung in der dielektrischen Maskenschicht (12, 92) hindurch geätzt werden. Unter Bezug auf Schritt 830 und die 2C - 2G, 3A, 3B, 4A, 4B, 5B, 5F, 6A - 6F, 7C und 7D und 7H kann eine germaniumhaltige Mulde 30 innerhalb des Grabens 69 gebildet werden. Die germaniumhaltige Mulde 30 enthält Germanium mit einem Atomprozentsatz von mehr als 50 %. In einer Ausführungsform kann die germaniumhaltige Mulde 30 einkristallin sein und kann epitaxial auf das einkristalline Siliziumsubstrat (10, 110) ausgerichtet sein. Unter Bezug auf Schritt 840 und die 2H, 2L, 3A, 3B, 4A, 4B, 5C, 5F, 6A - 6F, 7E und 7H kann eine siliziumhaltige Kappstruktur (34 oder 41) auf der Oberseite der germaniumhaltigen Mulde 30 gebildet werden. Unter Bezug auf Schritt 850 und die 2I - 2L, 3A, 3B, 4A, 4B, 5D - 5F, 6A - 6F und 7F - 7H kann ein photovoltaischer Übergang innerhalb des Grabens 69 oder über den Graben 69 hinweg durch Implantieren von Dotanden eines ersten Leitfähigkeitstyps und Dotanden eines zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet werden.
  • Unter Bezug auf 9 veranschaulicht ein zweites Prozessflussdiagramm 900 einen beispielhaften Prozessablauf zum Bilden eines in 2K oder in 2L veranschaulichten Bildsensors. Unter Bezug auf Schritt 921 und 2A kann ein einkristallines Siliziumsubstrat 10 bereitgestellt werden. Unter Bezug auf Schritt 922 und 2B kann eine strukturierte dielektrische Maskenschicht 12 auf einer Oberseite des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 gebildet werden, und ein Graben 69 kann in dem oberen Abschnitt des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 unter Verwendung der strukturierten dielektrischen Maskenschicht 12 als eine Ätzmaske gebildet werden. Unter Bezug auf Schritt 923 und 2C kann eine Siliziumregion 21 eines ersten Leitfähigkeitstyps um den Graben 69 herum innerhalb des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 zum Beispiel durch Ionenimplantation von Dotanden eines ersten Leitfähigkeitstyps gebildet werden. Unter Bezug auf Schritt 924 und 2D kann eine Siliziumauskleidung 32 optional von physisch freiliegenden Flächen der Siliziumregion 21 des ersten Leitfähigkeitstyps aus gezüchtet werden. Unter Bezug auf Schritt 925 und 2E kann eine germaniumhaltige Materialschicht 30L in dem Graben 69 und über dem einkristallinen Siliziumsubstrat (9, 10) gebildet werden. In einer Ausführungsform kann ein epitaxialer Abscheidungsprozess ausgeführt werden, um ein einkristallines germaniumhaltiges Material innerhalb des Grabens 69 zu züchten, um die germaniumhaltige Materialschicht 30L zu bilden. Unter Bezug auf Schritt 926 und 2F kann eine germaniumhaltige Mulde 30 gebildet werden, indem ein Planarisierungsprozess an der germaniumhaltigen Materialschicht 30L ausgeführt wird. Unter Bezug auf Schritt 927 und 2G kann die germaniumhaltige Mulde 30 optional vertikal ausgespart werden. Unter Bezug auf Schritt 928 und die 2H und 2L kann eine siliziumhaltige Kappstruktur (wie zum Beispiel eine in 2H veranschaulichte Passivierungssiliziumregion 340 oder eine in 2L veranschaulichte Siliziumnitrid-Kappstruktur 41) auf einer Oberseite der germaniumhaltigen Mulde 30 gebildet werden. Unter Bezug auf Schritt 929 und die 2I und 2L kann eine germaniumhaltige Region 302 des zweiten Leitfähigkeitstyps durch Dotieren eines oberen Abschnitts der germaniumhaltigen Mulde 30 mit Dotanden eines zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet werden. Unter Bezug auf Schritt 930 und die 2J und 2L können Feldeffekttransistoren (610, 630, 640) in einer Photodetektorregion 510 und in einer Sensorschaltkreisregion 520 auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat 10 gebildet werden. Unter Bezug auf Schritt 931 und die 2K und 2L können dielektrische Materialschichten 90 und metallische Interconnect-Strukturen 80 über den Feldeffekttransistoren (610, 630, 640) gebildet werden.
  • Unter Bezug auf 10 veranschaulicht ein drittes Prozessflussdiagramm 1000 einen beispielhaften Prozessablauf zum Bilden eines in 3A oder in 3B veranschaulichten Bildsensors. Unter Bezug auf Schritt 1010 kann ein photovoltaischer Übergang eines Subpixels in einem ersten Halbleitersubstrat 110 gebildet werden, indem die Verarbeitungsschritte der 2A - 2I, 2K und 2L ausgeführt werden, die den Verarbeitungsschritten 921 - 929 und 930 in dem zweiten Prozessflussdiagramm von 9 entsprechen. In dieser Ausführungsform sind die Feldeffekttransistoren (610, 630, 640) auf dem ersten Halbleitersubstrat 110 nicht vorhanden, wie in den 3A und 3B veranschaulicht. Unter Bezug auf Schritt 1020 und die 3A und 3B kann der Sensorschaltkreis des Subpixels auf einem zweiten Halbleitersubstrat 210 gebildet werden, das ein Siliziumsubstrat sein kann. Der Transfertransistor 610 für jeden Photodetektor kann auf dem zweiten Halbleitersubstrat 210 gebildet werden. Unter Bezug auf Schritt 1030 und die 3A und 3B kann ein erster Wafer, der das erste Halbleitersubstrat 110 und die ersten dielektrischen Materialschichten 190 aufweist, durch Wafer-an-Wafer-Bonden an einen zweiten Wafer, der das zweite Halbleitersubstrat 210 und die zweiten dielektrischen Materialschichten 290 aufweist, gebondet werden. Anschließend kann das erste Halbleitersubstrat 110 ausgedünnt werden, und die gebondete Baugruppe kann anschließend vereinzelt werden. 3A veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der eine siliziumhaltige Kappstruktur eine Passivierungssiliziumregion 340 umfasst, und 3B veranschaulicht eine Ausführungsform, in der die siliziumhaltige Kappstruktur eine Siliziumnitrid-Kappstruktur 41 umfasst.
  • Unter Bezug auf 11 veranschaulicht ein viertes Prozessflussdiagramm 1100 einen beispielhaften Prozessablauf zum Bilden eines in 4A oder in 4B veranschaulichten Bildsensors. Unter Bezug auf Schritt 1110 kann ein photovoltaischer Übergang eines Subpixels in einem ersten Halbleitersubstrat 110 durch Ausführen der Verarbeitungsschritte von 2A - 2L gebildet werden. In diesem Fall werden Feldeffekttransistoren auf dem ersten Halbleitersubstrat 110 gebildet, wie in den 4A und 4B veranschaulicht. Unter Bezug auf Schritt 1120 und die 4A und 4B können zusätzliche Feldeffekttransistoren (630, 640) auf einem zweiten Halbleitersubstrat 210 gebildet werden, das ein Siliziumsubstrat sein kann. Der Transfertransistor 610 für den Photodetektor kann auf dem ersten Halbleitersubstrat 110 gebildet werden, und Feldeffekttransistoren für der Sensorschaltkreis können auf dem ersten Halbleitersubstrat 110 und/oder auf dem zweiten Halbleitersubstrat 210 gebildet werden. Unter Bezug auf Schritt 1130 und die 4A und 4B kann ein erster Wafer, der das erste Halbleitersubstrat 110 und die ersten dielektrischen Materialschichten 190 aufweist, durch Wafer-an-Wafer-Bonden an einen zweiten Wafer, der das zweite Halbleitersubstrat 210 und die zweiten dielektrischen Materialschichten 290 aufweist, gebondet werden. Anschließend kann das erste Halbleitersubstrat 110 ausgedünnt werden, und die gebondete Baugruppe kann anschließend vereinzelt werden. 4A veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der eine siliziumhaltige Kappstruktur eine Passivierungssiliziumregion 340 umfasst, und 4B veranschaulicht eine Ausführungsform, in der die siliziumhaltige Kappstruktur eine Siliziumnitrid-Kappstruktur 41 umfasst.
  • Unter Bezug auf 12 veranschaulicht ein fünftes Prozessflussdiagramm 1200 einen beispielhaften Prozessablauf zum Bilden eines in den 5F und 6A - 6F veranschaulichten Bildsensors. Unter Bezug auf Schritt 1210 und die 2A - 2C, 5A und 6A - 6F kann ein Graben 69 in einem oberen Abschnitt eines ersten Halbleitersubstrats 110 durch eine Öffnung in einer dielektrischen Maskenschicht 12 hindurch gebildet werden. Eine Siliziumauskleidung 32 kann wie in den 5F, 6C, 6E veranschaulicht gebildet werden oder kann wie in den 6A, 6B, 6D und 6F veranschaulicht weggelassen werden. Unter Bezug auf Schritt 1220 und die 2D, 2E, 2F, 2G, 5B und 6A - 6F können eine optionale Siliziumauskleidung 32 und eine germaniumhaltige Mulde 30 gebildet werden. Unter Bezug auf Schritt 1230 und die 5C und 6A - 6F kann eine Passivierungssiliziumregion 340 auf einer Oberseite der germaniumhaltigen Mulde 30 innerhalb einer Öffnung in der dielektrischen Maskenschicht 12 gebildet werden. Unter Bezug auf Schritt 1240 und die 5D und 6A - 6F können elektrische Dotanden in obere Abschnitte der germaniumhaltigen Mulde 30 und in die Passivierungssiliziumregion 340 implantiert werden, um einen p-i-n-Übergang zu bilden, wie in den 5D und 6A - 6D veranschaulicht, oder um einen p-n-Übergang zu bilden, wie in den 6E und 6F veranschaulicht. Unter Bezug auf Schritt 1250 und die 5E und 6A - 6F kann die dielektrische Maskenschicht 12 entfernt werden, und erste dielektrische Materialschichten 190, metallische Interconnect-Strukturen 80 und erste Bondpads 188 können über dem ersten Halbleitersubstrat 110 gebildet werden. Unter Bezug auf Schritt 1260 und die 5F und 6A - 6F kann ein erster Wafer, der das erste Halbleitersubstrat 110 und die ersten dielektrischen Materialschichten 190 aufweist, durch Wafer-an-Wafer-Bonden an einen zweiten Wafer, der das zweite Halbleitersubstrat 210 und die zweiten dielektrischen Materialschichten 290 aufweist, gebondet werden. Anschließend kann das erste Halbleitersubstrat 110 ausgedünnt werden, und die gebondete Baugruppe kann anschließend vereinzelt werden.
  • Unter Bezug auf 13 veranschaulicht ein sechstes Prozessflussdiagramm 1300 einen beispielhaften Prozessablauf zum Bilden eines in den 7G und 7H veranschaulichten Bildsensors. Unter Bezug auf Schritt 1310 und 7A können Halbleitervorrichtungen eines Sensorschaltkreises auf und/oder in einem oberen Abschnitt eines einkristallinen Siliziumsubstrats 10 gebildet werden. Unter Bezug auf Schritt 1320 und 7B kann ein Graben 69 durch eine dielektrische Maskenschicht 92 hindurch in einen oberen Abschnitt des einkristallinen Siliziumsubstrats 10 hinein gebildet werden. Unter Bezug auf Schritt 1330 und 7C können eine optionale Siliziumauskleidung 32 und eine germaniumhaltige Materialschicht 30L in dem Graben 69 gebildet werden. Unter Bezug auf Schritt 1340 und 7D kann eine germaniumhaltige Mulde 30 in dem Graben 60 durch Strukturieren der germaniumhaltigen Materialschicht 30L gebildet werden. Unter Bezug auf Schritt 1350 und die 7E und 7H kann eine siliziumhaltige Kappstruktur, die eine Passivierungssiliziumregion 34 oder eine Siliziumnitrid-Kappstruktur 41 umfasst, auf der germaniumhaltigen Mulde 30 gebildet werden. Unter Bezug auf Schritt 1360 und die 7F und 7H können Ionenimplantationsprozesse ausgeführt werden, um einen p-i-n-Übergang oder einen p-n-Übergang in dem Graben 69 zu bilden. Unter Bezug auf Schritt 1370 und die 7G und 7H können zusätzliche dielektrische Materialschichten 94 und metallische Interconnect-Strukturen 80 über dem einkristallinen Siliziumsubstrat 10 gebildet werden, um eine elektrische Verbindung zu und von den verschiedenen Knoten der Halbleitervorrichtungen und des Photodetektors bereitzustellen.
  • Der Photodetektor auf Germaniumbasis der vorliegenden Offenbarung kann eine hohe Quanteneffizienz im Infrarot-Wellenlängenbereich bieten. Darüber hinaus kann der Photodetektor auf Germaniumbasis der vorliegenden Offenbarung im Vergleich zu Photodetektoren auf Siliziumbasis eine höhere Betriebsgeschwindigkeit und ein schnelles Ansprechverhalten für Hochgeschwindigkeitsbewegungsanwendungen, wie zum Beispiel Hochgeschwindigkeits-Entfernungsmessung, bieten. In den Photodetektor auf Germaniumbasis der vorliegenden Offenbarung sind standardmäßige CMOS-Logik-Vorrichtungen (wie zum Beispiel CMOS-Feldeffekttransistoren) integriert, um die Einbindung in einen Halbleiter-Die zu ermöglichen.
  • Das oben Dargelegte umreißt Merkmale verschiedener Ausführungsformen, so dass der Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Dem Fachmann ist klar, dass er die vorliegende Offenbarung ohne Weiteres als Basis für das Entwerfen oder Modifizieren anderer Prozesse und Strukturen verwenden kann, um die gleichen Zwecke und/oder die gleichen Vorteile wie bei den im vorliegenden Text vorgestellten Ausführungsformen zu erreichen. Dem Fachmann sollte auch klar sein, dass solche äquivalenten Bauformen nicht das Wesen und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung verlassen, und dass er verschiedene Änderungen, Substituierungen und Modifizierungen an der vorliegenden Erfindung vornehmen kann, ohne vom Wesen und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 63031933 [0001]

Claims (20)

  1. Halbleiterstruktur, die einen Photodetektor umfasst, wobei der Photodetektor umfasst: eine germaniumhaltige Mulde, die in ein einkristallines Siliziumsubstrat eingebettet ist und sich bis zu einer proximalen horizontalen Fläche des einkristallinen Siliziumsubstrats erstreckt, wobei die germaniumhaltige Mulde Germanium mit einem Atomprozentsatz von mehr als 50 % enthält; und eine siliziumhaltige Kappstruktur, die sich auf einer Oberseite der germaniumhaltigen Mulde befindet und Siliziumatome mit einem Atomprozentsatz von mehr als 42 % aufweist, wobei: die germaniumhaltige Mulde einen photovoltaischen Übergang umfasst, der eine germaniumhaltige Region eines ersten Leitfähigkeitstyps und eine germaniumhaltige Region eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist.
  2. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei: der photovoltaische Übergang einen p-i-n-Übergang umfasst; und die germaniumhaltige Mulde einen germaniumhaltige Zwischenregion umfasst, die eine Atomkonzentration von Dotanden in einem Bereich von 1,0 × 1013/cm3 bis 1,0 × 1017/cm3 aufweist und die germaniumhaltige Region des ersten Leitfähigkeitstyps und die germaniumhaltige Region des zweiten Leitfähigkeitstyps kontaktiert.
  3. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die siliziumhaltige Kappstruktur umfasst: eine Siliziumregion des ersten Leitfähigkeitstyps, die die germaniumhaltige Region des ersten Leitfähigkeitstyps kontaktiert; und eine Siliziumregion des zweiten Leitfähigkeitstyps, der mit dem germaniumhaltigen Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps in Kontakt steht.
  4. Halbleiterstruktur nach Anspruch 3, wobei die siliziumhaltige Kappstruktur eine Passivierungssiliziumregion umfasst, die eine Atomkonzentration von Dotanden in einem Bereich von 1,0 × 1013/cm3 bis 1,0 × 1017/cm3 aufweist und zwischen der Siliziumregion des ersten Leitfähigkeitstyps und der Siliziumregion des zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist.
  5. Halbleiterstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die germaniumhaltige Mulde ein einkristallines germaniumhaltiges Halbleitermaterial in epitaxialer Ausrichtung auf das einkristalline Siliziumsubstrat umfasst.
  6. Halbleiterstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: eine proximale Fläche der siliziumhaltigen Kappstruktur in Kontakt mit der germaniumhaltigen Mulde steht; und eine distale Fläche der siliziumhaltigen Kappstruktur vertikal von einer horizontalen Ebene fort versetzt ist, die eine proximale horizontale Fläche des einkristallinen Siliziumsubstrats aufweist.
  7. Halbleiterstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: der photovoltaische Übergang einen p-n-Übergang umfasst; und die germaniumhaltige Region des ersten Leitfähigkeitstyps die germaniumhaltige Region des zweiten Leitfähigkeitstyps kontaktiert.
  8. Halbleiterstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, die des Weiteren umfasst: einen Sensorschaltkreis, der Feldeffekttransistoren umfasst, die sich auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat befinden; und dielektrische Materialschichten, die sich auf der proximalen horizontalen Fläche des einkristallinen Siliziumsubstrats befinden und metallische Interconnect-Strukturen darin aufweisen, wobei eine Teilmenge der metallischen Interconnect-Strukturen einen elektrisch leitfähigen Pfad zwischen der germaniumhaltigen Region des zweiten Leitfähigkeitstyps und einer Source/Drain-Region eines der Feldeffekttransistoren bereitstellt.
  9. Halbleiterstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, die des Weiteren umfasst: erste dielektrische Materialschichten, die sich auf der proximalen horizontalen Fläche des einkristallinen Siliziumsubstrats befinden und erste metallische Interconnect-Strukturen und erste Bondpads darin aufweisen; einen Halbleiter-Die, der ein Halbleitersubstrat, einen Sensorschaltkreis mit Feldeffekttransistoren, die sich auf dem Halbleitersubstrat befinden, und zweite dielektrische Materialschichten, die sich auf dem Halbleitersubstrat befinden und zweite metallische Interconnect-Strukturen und zweite Bondpads darin aufweisen, umfasst, wobei die zweiten Bondpads an ein jeweiliges der ersten Bondpads gebondet sind und eine Teilmenge der ersten metallischen Interconnect-Strukturen und der zweiten metallischen Interconnect-Strukturen einen elektrisch leitfähigen Pfad zwischen der germaniumhaltigen Region des zweiten Leitfähigkeitstyps und einer Source/Drain-Region eines der Feldeffekttransistoren in dem Sensorschaltkreis bereitstellt.
  10. Halbleiterstruktur, die einen Photodetektor umfasst, wobei der Photodetektor umfasst: eine germaniumhaltige Mulde, die in ein einkristallines Siliziumsubstrat eingebettet ist und sich bis zu einer proximalen horizontalen Fläche des einkristallinen Siliziumsubstrats erstreckt, wobei die germaniumhaltige Mulde Germanium mit einem Atomprozentsatz von mehr als 50 % aufweist und wobei die germaniumhaltige Mulde einen photovoltaischen Übergang umfasst; und eine siliziumhaltige Kappstruktur, die sich auf einer Oberseite der germaniumhaltigen Mulde befindet und Siliziumatome mit einem Atomprozentsatz von mehr als 42 % aufweist, wobei: ein Abschnitt des einkristallinen Siliziumsubstrats, der die germaniumhaltige Mulde umgibt, eine Siliziumregion des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; und die germaniumhaltige Mulde eine germaniumhaltige Region des zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst.
  11. Halbleiterstruktur nach Anspruch 10, wobei: der photovoltaische Übergang einen p-i-n-Übergang umfasst; und die germaniumhaltige Mulde eine germaniumhaltige Zwischenregion mit einer Atomkonzentration von Dotanden in einem Bereich von 1,0 × 1013/cm3 bis 1,0 × 1018/cm3 umfasst, die die germaniumhaltige Region des zweiten Leitfähigkeitstyps kontaktiert und seitlich von der Siliziumregion des ersten Leitfähigkeitstyps umgeben ist.
  12. Halbleiterstruktur nach Anspruch 10 oder 11, die des Weiteren eine einkristalline Siliziumauskleidung umfasst, die eine innere Seitenwand der Siliziumregion des ersten Leitfähigkeitstyps kontaktiert, die germaniumhaltige Mulde seitlich umgibt und epitaxial auf das einkristalline Siliziumsubstrat ausgerichtet ist.
  13. Halbleiterstruktur nach Anspruch 12, wobei die germaniumhaltige Mulde ein einkristallines germaniumhaltiges Halbleitermaterial in epitaxialer Ausrichtung auf die einkristalline Siliziumauskleidung und das einkristalline Siliziumsubstrat umfasst.
  14. Halbleiterstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 13, wobei die Siliziumregion des ersten Leitfähigkeitstyps die germaniumhaltige Mulde durchgehend umgibt und einen ersten horizontal verlaufenden Abschnitt, der eine Bodenfläche der germaniumhaltigen Mulde kontaktiert, und einen zweiten horizontal verlaufenden Abschnitt, der sich von der germaniumhaltigen Mulde unter der proximalen horizontalen Fläche des einkristallinen Siliziumsubstrats nach außen erstreckt, umfasst.
  15. Halbleiterstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 14, die des Weiteren umfasst: einen Sensorschaltkreis, der sich auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat oder auf einem Halbleitersubstrat befindet, das durch dielektrische Materialschichten und Bondpads, die sich innerhalb der dielektrischen Materialschichten befinden, an das einkristalline Siliziumsubstrat gebondet ist; und metallische Interconnect-Strukturen, die eine elektrische Verbindung zwischen der germaniumhaltigen Region des zweiten Leitfähigkeitstyps und dem Sensorschaltkreis bereitstellen.
  16. Verfahren zum Bilden eines Photodetektors, das umfasst: Abscheiden und Strukturieren einer dielektrischen Maskenschicht über einem einkristallinen Siliziumsubstrat; Ätzen eines Grabens in das einkristalline Siliziumsubstrat durch eine Öffnung in der dielektrischen Maskenschicht hindurch; Bilden einer germaniumhaltigen Mulde innerhalb des Grabens, wobei die germaniumhaltige Mulde Germanium mit einem Atomprozentsatz von mehr als 50 % enthält; Bilden einer siliziumhaltigen Kappstruktur auf einer Oberseite der germaniumhaltigen Mulde; und Bilden eines photovoltaischen Übergangs innerhalb des Grabens, oder über den Graben hinweg, durch Implantieren von Dotanden eines ersten Leitfähigkeitstyps und Dotanden eines zweiten Leitfähigkeitstyps.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei: Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps in einen ersten Abschnitt der germaniumhaltigen Mulde implantiert werden, um eine germaniumhaltige Region des ersten Leitfähigkeitstyps zu bilden; Dotanden des zweiten Leitfähigkeitstyps in einen zweiten Abschnitt der germaniumhaltigen Mulde implantiert werden, um eine germaniumhaltige Region des zweiten Leitfähigkeitstyps zu bilden; und der photovoltaische Übergang einen p-i-n-Übergang oder einen p-n-Übergang umfasst, der innerhalb der germaniumhaltigen Mulde gebildet wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei: Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps durch eine Seitenwand und eine Bodenfläche des Grabens hindurch implantiert werden, um eine Siliziumregion des ersten Leitfähigkeitstyps innerhalb des einkristallinen Siliziumsubstrats zu bilden; Dotanden des zweiten Leitfähigkeitstyps in einen Abschnitt der germaniumhaltigen Mulde implantiert werden, um eine germaniumhaltige Region des zweiten Leitfähigkeitstyps zu bilden; und der photovoltaische Übergang einen p-i-n-Übergang oder einen p-n-Übergang umfasst, der über die germaniumhaltige Mulde und das einkristalline Siliziumsubstrat hinweg gebildet wird.
  19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 16 bis 18, wobei die germaniumhaltige Mulde gebildet wird durch: Ausführen eines epitaxialen Abscheidungsprozesses, der ein germaniumhaltiges Material züchtet, wobei ein Abschnitt des germaniumhaltigen Materials, das innerhalb des Grabens wächst, mit epitaxialer Ausrichtung auf das einkristalline Siliziumsubstrat innerhalb des Grabens gebildet wird; Entfernen überschüssiger Abschnitte des germaniumhaltigen Materials von oberhalb einer horizontalen Ebene, die eine Oberseite der dielektrischen Maskenschicht aufweist; vertikales Aussparen eines verbleibenden Abschnitts des germaniumhaltigen Materials innerhalb einer Öffnung in der dielektrischen Maskenschicht.
  20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 16 bis 19, das des Weiteren umfasst: Bilden eines Sensorschaltkreises auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat oder auf einem Halbleitersubstrat, das von dem einkristallinen Siliziumsubstrat verschieden ist; und elektrisches Verbinden einer germaniumhaltigen Region des zweiten Leitfähigkeitstyps und dem Sensorschaltkreis durch Bilden metallischer Interconnect-Strukturen auf der germaniumhaltigen Region des zweiten Leitfähigkeitstyps und dem Sensorschaltkreis.
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