DE102021110975B4 - Photodioden- und/oder pin-dioden-strukturen - Google Patents

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Abstract

Struktur (10), umfassend:wenigstens eine Finne (18), die Substratmaterial (12) umfasst, wobei die wenigstens eine Finne (18) Seitenwände und eine obere Oberfläche aufweist;einen Graben (19) angrenzend an gegenüberliegende Seitenwände der wenigstens einen Finne (18);ein erstes Halbleitermaterial (20), das die Seitenwände und die obere Oberfläche der wenigstens einen Finne (18) und eine Bodenoberfläche des Grabens (19) auskleidet;ein photosensitives Halbleitermaterial (22) auf dem ersten Halbleitermaterial (20) und das wenigstens teilweise den Graben (19) füllt;ein drittes Halbleitermaterial (26) auf dem photosensitiven Halbleitermaterial (22); undeine Isolationsstruktur (14), die aus Luft oder dielektrischem Material innerhalb der wenigstens einen Finne (18) zusammengesetzt ist.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft Halbleiterstrukturen und insbesondere Photodioden- und/oder PIN-Dioden-Strukturen und Herstellungsverfahren.
  • HINTERGRUND
  • Eine Avalanche-Photodiode (avalanche photodiode; APD) ist eine hochsensitive Halbleiter-Photodiode, die den photoelektrischen Effekt ausnutzt, um Licht in Elektrizität umzuwandeln. Aus funktioneller Sicht kann die Avalanche-Photodiode als das Halbleiter-Analogon zu Photomultipliern angesehen werden. Typische Anwendungen für Avalanche-Photodioden sind Faseroptikkommunikation mit langer Reichweite und Quantensensorik für Steueralgorithmen. Neuere Anwendungen umfassen Positronen-Emissions-Tomographie und Teilchenphysik.
  • Die Anwendbarkeit und Nützlichkeit einer Avalanche-Photodiode hängt von vielen Parametern ab. Zwei Faktoren sind beispielsweise Quanteneffizienz und Gesamtleckage. Die Quanteneffizienz gibt an, wie gut einfallende optische Photonen absorbiert und dann verwendet werden, um primäre Ladungsträger zu erzeugen; wohingegen der Gesamtleckagestrom die Summe von Dunkelstrom, Photostrom und Rauschen ist.
  • Die Sensitivität einer Photodiode ist abhängig von der Länge des Lichtpfads durch das photosensitive Material und der Fähigkeit von erzeugten Trägerpaaren, die Elektrode/den Kontakt/die Kathode zu erreichen. In konventionellen Strukturen bewegen sich die Träger in einer zweidimensionalen Bahn, z. B. vertikal oder lateral, was in einer langen Bahn resultiert. Aufgrund der längeren Bahnen konventioneller Avalanche-Photodioden gibt es eine hohe Frequenz von Photonen-Rekombination innerhalb des photosensitiven Materials, was in einem Signalverlust oder einer Schwächung des Signals selbst resultiert. Außerdem muss das photosensitive Material selbst sehr dick sein, was teuer und zeitaufwändig aufzuwachsen ist und was die Integrierung mit anderen Schaltungselementen zunehmend herausfordernd macht.
  • Aus der US 2015 / 0 075 599 A1 ist eine säulenförmige Struktur zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie bekannt umfassend ein Substrat aus einem Halbleitermaterial, eine oder mehrere im Wesentlichen senkrecht zum Halbleitermaterial stehende Strukturen sowie eine oder mehrere an den Strukturen konform angeordnete Schichten, zur Erzeugung von einen oder mehreren Übergängen, wie beispielsweise pin-Übergängen oder pn-Übergängen.
  • KURZER ABRISS
  • In einem Aspekt der Offenbarung umfasst eine Struktur: wenigstens eine Finne, die Substratmaterial umfasst, wobei die wenigstens eine Finne Seitenwände und eine obere Oberfläche aufweist; einen Graben angrenzend an gegenüberliegende Seitenwände der wenigstens einen Finne; ein erstes Halbleitermaterial, das die Seitenwände und die obere Oberfläche der wenigstens einen Finne und eine Bodenoberfläche des Grabens auskleidet; ein photosensitives Halbleitermaterial auf dem ersten Halbleitermaterial und das wenigstens teilweise den Graben füllt; ein drittes Halbleitermaterial auf dem photosensitiven Halbleitermaterial; und eine Isolationsstruktur, die aus Luft oder dielektrischem Material innerhalb der wenigstens einen Finne zusammengesetzt ist.
  • In einem Aspekt der Offenbarung umfasst eine Struktur: wenigstens eine Finne aus einkristallinem Halbleitermaterial; wenigstens einen Graben angrenzend an gegenüberliegende Seitenwände der wenigstens einen Finne, wobei der wenigstens eine Graben eine Bodenoberfläche aufweist, die aus dem einkristallinen Halbleitermaterial zusammengesetzt ist; ein erstes Halbleitermaterial mit einem ersten Dotierstofftyp, das Seitenwände und eine obere Oberfläche der wenigstens einen Finne und die Bodenoberfläche des wenigstens einen Grabens auskleidet; ein photosensitives Halbleitermaterial über dem ersten Halbleitermaterial und das den wenigstens einen Graben teilweise füllt; ein zweites Halbleitermaterial mit dem ersten Dotierstofftyp und das einen verbleibenden Abschnitt des wenigstens einen Grabens füllt und das photosensitive Halbleitermaterial über der wenigstens einen Finne kontaktiert, und eine Isolationsstruktur, die aus Luft oder dielektrischem Material innerhalb der wenigstens einen Finne zusammengesetzt ist.
  • In einem Aspekt der Offenbarung umfasst ein Verfahren: Bilden wenigstens einer Finne, die Substratmaterial mit einer Isolationsstruktur umfasst, die aus Luft oder dielektrischem Material innerhalb der wenigstens einen Finne zusammengesetzt ist; Bilden eines Grabens angrenzend an gegenüberliegende Seitenwände der wenigstens einen Finne; Bilden eines ersten Halbleitermaterials, das die wenigstens eine Finne und eine Bodenoberfläche des Grabens auskleidet; Bilden eines photosensitiven Halbleitermaterials auf dem ersten Halbleitermaterial und das wenigstens teilweise den Graben füllt; und Bilden eines dritten Halbleitermaterials auf dem photosensitiven Halbleitermaterial.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Offenbarung wird in der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die genannte Vielzahl von Zeichnungen anhand nicht beschränkender Beispiele exemplarischer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
    • 1 zeigt ein Substrat mit Gräben, neben anderen Merkmalen, und jeweilige Fertigungsprozesse gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 2 zeigt eine oder mehrere aus dem Substrat gebildete Finnen, neben anderen Merkmalen, und jeweilige Fertigungsprozesse gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 3A zeigt eine Querschnittsansicht des Photodiodenmaterials, das Räume zwischen den Finnen füllt, neben anderen Merkmalen, und jeweilige Fertigungsprozesse gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 3B-3D zeigen Ansichten von oben verschiedener Konfigurationen der Finnen mit dem Photodiodenmaterial, neben anderen Merkmalen, und jeweilige Fertigungsprozesse gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 4 zeigt eine Photodiode gemäß zusätzlichen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 5 zeigt eine Kontaktbildung zu der Photodiode, neben anderen Merkmalen, und jeweilige Fertigungsprozesse gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 6 zeigt eine Photodiode gemäß zusätzlichen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 7 zeigt eine Photodiode gemäß noch zusätzlichen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 8 zeigt eine Photodiode, integriert mit einer CMOS-Struktur auf einem einzelnen Chip gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 9 zeigt eine PIN-Diode gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft Halbleiterstrukturen und insbesondere Photodioden- und/oder PIN-Dioden-Strukturen und Herstellungsverfahren. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung Photodioden- und/oder Pin-Dioden-Strukturen mit mehreren vertikalen und horizontalen Oberflächen (von Finnen zusammengesetzt). Vorteilhafterweise bietet die vorliegende Offenbarung eine verkürzte Zeit für das Wachstum des Photodiodenmaterials (z. B. Ge), indem ein vergrößerter Halbleiterkeimoberflächenbereich bereitgestellt wird, während auch ein dünnerer Bereich des Photodiodenmaterials (z. B. Ge) ermöglich wird, der zur Absorption von Licht benötigt wird. Zusätzlich bieten die hierin beschriebenen Strukturen einen kürzeren Pfad von einer Trägererzeugungsstelle zu der Sammelstelle, wodurch die Effizienz der Photodiode erhöht wird.
  • In Ausführungsformen umfasst die vorliegende Offenbarung eine Photodiode, die aus Photodetektormaterial, z. B. Ge, zusammengesetzt ist, das auf Finnen aus Substratmaterial gebildet ist. Die Finnen können in konzentrisch ineinandergeschachtelten Formen (z. B. Kreise, Rechtecke, Quadrate, Achtecke, etc.) oder zu einer spiralförmigen Einfangfläche, neben anderen Formen, ausgebildet sein. Wie hierin beschrieben wird, erleichtert der größere Oberflächenbereich der Finnen das Wachstum des Photodetektormaterials, z. B. Ge. Auch sorgen die Si-Finnen innerhalb des Ge-Detektorbereichs für eine verbesserte Effizienz durch Vergrößern einer Oberflächeneinfangfläche. Die spiralförmige Einfangfläche kann beispielsweise einen größeren Oberflächenbereich im Vergleich zu den konzentrisch ineinandergeschachtelten Formen (z. B. Kreise, Rechtecke, Quadrate, Achtecke, etc.) aufweisen. Dementsprechend kann die spiralförmige Photodiode eine verbesserte Effizienz durch Vergrößern des Oberflächenbereichs im Vergleich zu der konzentrischen Kreiskonfiguration bieten.
  • Die Strukturen der vorliegenden Offenbarung können auf mehrere Arten unter Verwendung mehrerer unterschiedlicher Werkzeuge gefertigt werden. Im Allgemeinen werden jedoch die Methodologien und Werkzeuge zum Bilden von Strukturen mit Dimensionen im Micrometer- und Nanometermaßstab verwendet. Die Methodologien, d.h. Technologien, die eingesetzt werden, um die Strukturen der vorliegenden Offenbarung zu fertigen, wurden aus der Technologie integrierter Schaltkreise (integrated circuit; IC) übernommen. Beispielsweise werden die Strukturen auf Wafer gefertigt und in Materialfilmen realisiert, die durch fotolithografische Prozesse auf die Oberseite eines Wafers strukturiert werden. Insbesondere verwendet die Fertigung der Strukturen drei grundlegende Bausteine: (i) Abscheidung von dünnen Materialfilmen auf einem Substrat, (ii) Aufbringen einer strukturierten Maske auf die Oberseite der Filme durch fotolithografische Bildgebung, und (iii) Ätzen des Films selektiv bezüglich der Maske.
  • 1 zeigt ein Substrat, neben anderen Merkmalen, und jeweilige Fertigungsprozesse gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere umfasst die Struktur 10 ein Substrat 12. Das Substrat 12 kann beispielsweise repräsentativ für einen CMOS-Chip sein. In Ausführungsformen ist das Substrat 12 vorzugsweise ein einkristallines Si-Material; obwohl andere Halbleitermaterialien hierin in Betracht gezogen werden. Beispielsweise kann das Substrat 12 aus jeglichem geeigneten Material umfassend SiC, GaAs, InAs, InP und andere III/V- oder II/VI-Verbindungshalbleiter zusammengesetzt sein. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Substrat 12 ein N-Typ-Substrat, das aus einem einzelnen halbleitenden Material, wie etwa Bulk-Silizium, zusammengesetzt ist.
  • Ein oder mehrere Gräben 14 werden in dem Substrat 12 unter Verwendung konventioneller Lithographie- und Ätzprozesse gebildet, die den Fachleuten bekannt sind. In einem nicht beschränkenden Beispiel können die Gräben 14 eine Tiefe von etwa 2,5 µm aufweisen (obwohl andere Dimensionen hierin in Betracht gezogen werden). In Ausführungsformen können die Gräben 14 ein einzelner Graben sein, der in einer spiralförmigen Struktur gebildet ist, oder mehrere Gräben, die in konzentrischen Kreisen oder anderen ineinandergeschachtelten Formen (z. B. konzentrisch ineinandergeschachtelte Formen von Kreisen, Rechtecken, Quadraten, Achtecken, etc.) gebildet sind. Wie beispielsweise in 6 beschrieben, können die Gräben 14 optional sein.
  • Beim Bilden des einen oder der mehreren Gräben 14 wird ein über dem Substrat 12 gebildetes Resist Energie (Licht) ausgesetzt, um eine Struktur (Öffnung) zu bilden. Ein Ätzprozess mit einer selektiven Chemie, z. B. reaktives Ionenätzen (reactive ion etching; RIE), wird verwendet, um einen oder mehrere Gräben 14 in dem Substrat 12 zu bilden. Eine HF-Reinigung kann auf den Ätzprozess folgen, um Verunreinigungen von den Oberflächen der Gräben 14 zu entfernen, wodurch eine saubere Oberfläche eines exponierten Halbleitermaterials der Bodenoberfläche und Seitenwände der Gräben 14 sichergestellt wird. Das Resist kann durch einen konventionellen Sauerstoffveraschungsprozess oder andere bekannte Strippmittel entfernt werden.
  • Noch Bezug nehmend auf 1 wird eine Hartmaske 16 auf dem Substrat 12 abgeschieden. In Ausführungsformen kann die Hartmaske 16 ein Nitrid oder ein anderes Hartmaskenmaterial sein, wie es in der Technik bekannt ist, so dass keine weitere Erklärung für ein vollständiges Verstehen der vorliegenden Offenbarung erforderlich ist. Die Hartmaske 16 kann durch bekannte Abscheidungsverfahren, wie etwa z.B. einen chemischen Dampfabscheidungs(chemical vapor deposition; CVD)-Prozess, abgeschieden werden. In Ausführungsformen wird die Hartmaske 16 strukturiert, um die Gräben 14 und Abschnitte des Substrats 12, die die Gräben umgeben, zu exponieren. Auf diese Weise verhindert die Hartmaske 16 ein Epitaxialwachstum von Halbleitermaterial auf Abschnitten des Substrats 12 in nachfolgenden Prozessen.
  • In 2 sind eine oder mehrere Finnen 18 in dem Substrat 12 gebildet. In Ausführungsformen können die Finnen 18 auch eine Kombination aus Substratmaterial und dielektrischem Material (z. B. Oxid) sein. In der letztgenannten Implementierung kann vor dem Bilden der Finnen 18 ein optionales dielektrisches Material auf einer oberen Oberfläche des Substrats abgeschieden werden, wie durch das Bezugszeichen 15 repräsentiert.
  • In Ausführungsformen können mehrere Finnen 18 in mehreren konzentrischen Formen (z. B. konzentrisch ineinandergeschachtelte Kreise, Rechtecke, Quadrate, Achtecke, etc.) ausgebildet sein oder eine einzelne Finne kann zu einer spiralförmigen Einfangfläche ausgebildet sein, neben anderen Formen. Die Finnen 18 sind mit den Gräben 14 so ausgerichtet, dass jede Finne 18 einem Graben 14 entlang seiner Mittellinie (z. B. Länge) zugeordnet ist. In Ausführungsformen wirkt der Graben 14 jeder Finne 18 als eine Isolationsstruktur, die zum Isolieren von Licht innerhalb einer Photodiodenzelle verwendet werden kann.
  • Die Finnen 18 können durch konventionelle Ätzprozesse gebildet werden, einschließlich einer Seitenwand-Bildgebungstechnik (sidewall imaging technique; SIT). Bei der SIT-Technik wird beispielsweise ein Mandrel auf dem exponierten Substrat 12 unter Verwendung konventioneller Abscheidungs-, Lithografie- und Ätzprozesse gebildet. Beispielsweise wird ein Mandrel-Material, z. B. SiO2, unter Verwendung konventioneller CVD-Prozesse auf dem Substrat 12 abgeschieden. Ein Resist wird auf dem Mandrel-Material gebildet und Licht ausgesetzt, um eine Struktur (Öffnungen) zu bilden. Durch die Öffnungen wird ein reaktives Ionenätzen durchgeführt, um die Mandrels zu bilden. In Ausführungsformen können die Mandrels abhängig von den gewünschten Dimensionen zwischen den schmalen Finnenstrukturen 18 unterschiedliche Breiten und/oder Abstände aufweisen. An den Seitenwänden der Mandrels werden Spacer gebildet, die vorzugsweise aus einem Material sind, das verschieden von dem der Mandrels ist, und die unter Verwendung konventioneller Abscheidungsprozesse gebildet werden, die den Fachleuten bekannt sind. Die Spacer können eine Breite aufweisen, die beispielsweise mit den Dimensionen der Finnenstrukturen 18 zusammenpasst. Die Mandrels werden unter Verwendung eines bezüglich des Mandrel-Materials selektiven konventionellen Ätzprozesses entfernt oder gestrippt. Dann wird innerhalb des Abstands der Spacer ein Ätzen durchgeführt, um die sub-lithografischen Merkmale, z. B. Finnen 18 mit Räumen oder Gräben 19 dazwischen, zu bilden. In Ausführungsformen können die Gräben 19 eine beliebige Form haben, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Stangen, Quadrate oder Ovale. Dann können die Seitenwand-Spacer gestrippt werden.
  • 3A zeigt eine seitliche Querschnittsansicht der Gräben 19 zwischen den Finnen 18, die mit Photodiodenmaterial gefüllt sind, z. B. Ge-basiertes Material 22 mit einem optionalen Liner 20. Wie in 3A repräsentativ gezeigt ist, ist der Liner 20 auf exponierten Oberflächen des Substrats 12, z. B. Seitenwänden und oberen Oberfläche der Finnen 18, aufgewachsen. Wie für gewöhnliche Fachleute klar sein sollte, verhindert die Hartmaske 16 ein Wachstum von Halbleitermaterial auf einer Oberfläche des Substrats 12 außerhalb der Finnen 18 und angrenzenden Gräben 19. In Ausführungsformen kann der Liner 20 ein epitaktisch aufgewachsenes Halbleitermaterial sein, z. B. ein P-Typ-Halbleitermaterial, das vorzugsweise aus demselben Material wie das Substrat 12, z. B. Si, zusammengesetzt ist.
  • Wie in 3A ferner gezeigt, wird ein zusätzliches Halbleitermaterial 22 auf dem Halbleitermaterial 20 selektiv aufgewachsen. In Ausführungsformen ist das Halbleitermaterial 22 ein intrinsisches photosensitives Halbleitermaterial (undotiert), das epitaktisch auf dem Liner 20 aufgewachsen ist, z. B. über dem Substrat 12 und Oberflächen der Finnen 18. Das Halbleitermaterial 22 ist vorzugsweise ein Ge-Material, das eine herausragende Ansprechbarkeit bietet. In alternativen Ausführungsformen kann das Halbleitermaterial 22 Si, SiGe, etc. sein. Das Halbleitermaterial 22 ist vorzugsweise dicker als der Liner 20.
  • In Ausführungsformen dichten der Liner 20 und das zusätzliche Halbleitermaterial 22 den Graben 14 effektiv ab, was zu einer Isolationsstruktur führt, die aus Luft zusammengesetzt ist. In alternativen Ausführungsformen kann dielektrisches Material innerhalb der Gräben 14 vor der Abscheidung des Liners 20 und des zusätzlichen Halbleitermaterials 22 abgeschieden werden. Das dielektrische Material wird effektiv zu mit Dielektrikum gefüllten Finnenstrukturen führen.
  • In bevorzugten Implementierungen führt das Epitaxialwachstum des Halbleitermaterials 22 nicht zu einem Abschnürungs(pinch-off)-Phänomen, wodurch eine Öffnung oder ein Graben 24 innerhalb des Halbleitermaterials 22, angrenzend an die Finnen 18, verbleibt. In alternativen Ausführungsformen kann die Öffnung oder der Graben 24 durch Lithografie- und Ätzprozesse gebildet werden, wie sie in der Technik bekannt sind, so dass eine weitere Erklärung für ein vollständiges Verständnis der vorliegenden Offenbarung nicht erforderlich ist.
  • 3B-3D zeigen Ansichten von oben von verschiedenen Konfigurationen der Struktur von 3A. Beispielsweise zeigt 3B eine kreisförmige Struktur (die mehrere Finnenstrukturen 18 erfordert); wohingegen 3C eine spiralförmige Struktur zeigt (die eine einzelne spiralförmige Finnenstruktur 18 erfordert). 3D zeigt eine spiralförmige achteckige Struktur (die eine einzelne spiralförmige Finnenstruktur 18 erfordert). Es sollte sich verstehen, dass andere Formen hierein auch in Betracht gezogen werden, wie etwa ineinandergeschachtelte Rechtecke, ineinandergeschachtelte Quadrate, etc. In Ausführungsformen kann beispielswiese die Spiralform einen größeren Oberflächenbereich im Vergleich zu der konzentrischen Kreisform aufweisen. Und wie für Fachleute klar sein sollte, bieten die Finnen 18 einen vergrößerten Halbleiterkeimoberflächenbereich für das Wachstum des Photodiodenmaterials (z. B. Ge). Dies führt zu einer verkürzten Zeit für das Wachstum des Photodiodenmaterials (z. B. Ge), zusätzlich dazu, dass ein dünnerer Bereich des Photodiodenmaterials (z. B. Ge) ermöglicht wird, der zur Absorption von Licht benötigt wird. Darüber hinaus bietet die Verwendung der Finnen 18 einen kürzeren Pfad von einer Trägererzeugungsstelle (z. B. Ge-Material 22) zu der Sammelstelle (z. B. Substrat 12 oder Liner 20), wodurch die Effizienz der Photodiode erhöht wird. Die spiralförmige Photodiode bietet auch eine verbesserte Effizienz durch Vergrößern des Oberflächenbereichs im Vergleich zu den konzentrischen Kreisen.
  • In 4 ist ein Halbleitermaterial 26 in der Öffnung 24 direkt auf dem Photodiodenmaterial (z. B. Ge) 22 epitaktisch aufgewachsen. In Ausführungsformen wächst das Halbleitermaterial 26 auch auf der oberen, exponierten Oberfläche des Photodiodenmaterials (z. B. Ge) 22 auf. Das Halbleitermaterial 26 ist vorzugsweise dasselbe Material wie der Liner 20. Beispielsweise ist das Halbleitermaterial 26 ein P+-Typ-Halbleitermaterial oder Polysilizium. In 4 wird die Hartmaske 16 nach dem Wachstum des Halbleitermaterials 26 durch einen selektiven Ätzprozess entfernt.
  • In Ausführungsformen ist das Halbleitermaterial 26 ein P+-Plug, um ein Vorspannen für den Betrieb einer Avalanche-Photodiode 25 bereitzustellen. Auf diese Weise kann eine N-P-I-P-Photodiode 25 gebildet werden. Insbesondere schaffen das P+-Material, z. B. Halbleitermaterial 26 und das P+-Material (z. B. Liner 20) auf den Seiten und dem Boden des Ge-Materials (z. B. Halbleitermaterial 22) eine Avalanche-Photodiode 25, die in drei Dimensionen vorgespannt ist, was die Wahrscheinlichkeit eines Auffangens eines Signals vor einer Trägerrekombination erhöht.
  • 5 zeigt eine Kontaktbildung zu der Photodiode 25, neben anderen Merkmalen, und jeweilige Fertigungsprozesse. In 5 ist ein Halbleitermaterial 28, z. B. Polysilizium, auf der Oberseite der Photodiode 25 gebildet und insbesondere in Kontakt mit dem Halbleitermaterial 26. Das Halbleitermaterial 28 agiert als ein Kontakt zu der Oberseite des Halbleitermaterials 26 (z. B. P+-Plug der Photodiode 25). Insbesondere bringt das Halbleitermaterial 28 einen Antriebsstrom zu der Photodiode 25, um den Plug, z. B. Halbleitermaterial 26, vorzuspannen und Träger vom Zentrum der Photodiode 25 (z. B. Halbleitermaterial 22) zur Außenseite der Photodiode 25 hin (z. B. Liner aus Halbleitermaterial 20) anzutreiben. Auf diese Weise verstärkt der Antriebsstrom effektiv das Signal.
  • Ein Film 30, z. B. ein Nitrid oder ein anderes Hartmaskenmaterial, bedeckt oder isoliert das Halbleitermaterial 28, um zu verhindern, dass sich ein Silizid auf der Oberseite der Photodiode 25 bildet. Der Film 30 kann durch konventionelle Abscheidungsprozesse, z. B. CVD, abgeschieden werden, gefolgt von einem Strukturierprozess, um einen Abschnitt des Substrats 12 auf einer Seite der Photodiode 25 zu exponieren. Die unsilizidierte obere Oberfläche stellt eine optimale Performance unter einer vorderseitigen Beleuchtung der Photodiode 25 bereit.
  • Ein Silizidkontakt 32 ist auf einer exponierten Oberfläche des Substrats 12, auf einer Seite der Photodiode 25, gebildet. Wie Fachleuten klar sein sollte, beginnt der Silizidprozess mit einer Abscheidung und Strukturierung einer dünnen Übergangsmetallschicht, z. B. Nickel, Kobalt oder Titan, über dem Halbleitermaterial des Substrats 12. Nach Abscheidung und Strukturierung des Materials wird die Struktur erwärmt, was erlaubt, dass das Übergangsmetall mit exponiertem Silizium (oder einem anderen Halbleitermaterial wie hierin beschrieben) reagiert, wobei es ein Übergangsmetallsilizid mit niedrigem Widerstand bildet. Folgend auf die Reaktion wird jegliches verbleibendes Übergangsmetall durch chemisches Ätzen entfernt, was die Silizidkontakte 32 zurücklässt.
  • Noch Bezug nehmend auf 5, ist ein Zwischenniveau-Dielektrikumsmaterial (z. B. Oxid) 34 über der Struktur abgeschieden. Ein Graben ist in dem Zwischenniveau-Dielektrikumsmaterial (z. B. Oxid) 34 gebildet, der mit einer oberen Oberfläche des Silizidkontakts 32 fluchtend ausgerichtet ist und diese exponiert. Der Graben wird durch konventionelle Lithographie- und Ätzprozesse, wie bereits hierin beschrieben, gebildet. Der Graben ist mit einem Metallmaterial, z. B. Wolfram, gefüllt, um einen Kontakt 36 zu bilden. Wie Fachleuten klar sein sollte, wird der Kontakt 36 verwendet, um den Strom zu detektieren, der durch die Photonen erzeugt wird, die auf die Photodiode 25 treffen.
  • 6 zeigt eine Photodiode 25a gemäß zusätzlichen Aspekten der Offenbarung. Insbesondere ist in der Struktur 10a von 6 eine Photodiode 25a vorgesehen ohne die Gräben 14, z. B. Isolationsstrukturen, die den Finnen 18 zugeordnet sind. Auf diese Weise ist jede Finne 18 nur aus Halbleitermaterial zusammengesetzt. Die übrigen Strukturen und Verfahren zur Fertigung der Photodiode 25a von 6 sind ähnlich zu den in Bezug auf die 2-5 beschriebenen.
  • 7 zeigt eine Photodiode 25b gemäß zusätzlichen Aspekten der Offenbarung. Insbesondere umfasst die Photodiode 25b in der Struktur 10b von 7 einen Silizidkontakt 32a, der direkt auf einer oberen Oberfläche der Photodiode 25b, z. B. auf dem Halbleitermaterial 26, gebildet ist. Diese Anordnung ist für eine rückseitige Beleuchtung geeignet. Danach wird ein Kontakt 36 zu den Silizidkontakten 32a, 32 gebildet, wie unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. Es sollte auch klar sein, dass die Verwendung des Grabens 14 ebenfalls optional ist.
  • 8 zeigt eine Struktur 10c, die die Photodiode 25 und CMOS-Struktur 50 integriert in einen einzelnen Chip umfasst. In dieser Ausführungsform ist die Photodiode 25 ähnlich der in 5 beschriebenen; obwohl jegliche der hierin beschriebenen Photodioden mit der CMOS-Struktur 50 verwendet werden kann. Die CMOS-Struktur 50 ist von der Photodiode 25 durch einen Flachgrabenisolationsbereich 42 getrennt, der unter Verwendung bekannter Lithografie-, Ätz- und Abscheidungsprozesse gefertigt wird, so dass für ein vollständiges Verstehen hierin keine weitere Erklärung erforderlich ist.
  • In dieser Implementierung umfasst die CMOS-Struktur 50 eine Gate-Struktur 38 mit Source- und Drain-Bereichen 40. In Ausführungsformen können die Source- und Drain-Bereiche 40 erhabene epitaktische Bereiche oder dotierte (z. B. Dotierstoff- oder ionenimplantierte) Bereiche sein. Die Silizidkontakte 32 und Kontakte 36 sind in Kontakt mit den Source- und Drain-Bereichen 40 vorgesehen. In einer Metall-Gate-Implementierung ist der Kontakt 36 direkt in Kontakt mit der Gate-Struktur 38. Außerdem kann die CMOS-Struktur 50 direkt auf dem Bulk-Wafer oder in einer Halbleiter-auf-Isolator (semiconductor on insulator; SOI)-Technologie gefertigt werden.
  • 9 zeigt eine PIN-Diode gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. In dieser Struktur 10d sind die Finnen 18 in einer alternierenden Struktur dotiert, um eine kurze P-I-N-Photodioden-Pfadlänge bereitzustellen. Beispielsweise können die Finnen 18 durch Ionenimplantation dotiert werden, die eine Konzentration eines Dotierstoffes in die Finne 18 einführt, z. B. vor oder nach der Finnenbildung. Die alternierenden Finnen 18 können durch Einführen einer Konzentration eines unterschiedlichen Dotierstoffs eines entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in die Finne dotiert werden, während die anderen alternierenden Finnen mit einer Implantationsmaske geschützt werden. Jede der Implantationsmasken weist eine Dicke und Stoppkraft auf, die ausreichend ist, um maskierte Bereiche gegen ein Empfangen einer Dosis der implantierten Ionen zu blockieren. Beispielsweise kann die Implantationsmaske eine Schicht aus einem lichtempfindlichen Material, wie etwa einem organischen Photolack, umfassen, der durch einen Spin-Coating-Prozess aufgebracht, vorgebacken, einem durch eine Photomaske projizierten Licht ausgesetzt, nach der Belichtung gebacken, und mit einem chemischen Entwickler entwickelt wurde. Alternierende Finnen können mit p-Typ-Dotierstoffen, z. B. Bor (B), und n-Typ-Dotierstoffen, z. B. Arsen (As), Phosphor (P) und Sb, neben anderen geeigneten Beispielen, dotiert werden.
  • Die Strukturen können in einer System-auf-Chip (system on chip; SoC)-Technologie verwendet werden. Es sollte für die Fachleute klar sein, dass SoC ein integrierter Schaltkreis (auch bekannt als ein „Chip“) ist, der alle Komponenten eines elektronischen Systems auf einem einzelnen Chip oder Substrat integriert. Da die Komponenten auf einem einzelnen Substrat integriert sind, verbrauchen SoCs viel weniger Energie und nehmen viel weniger Raum ein als Multi-Chip-Designs mit äquivalenter Funktionalität. Aus diesem Grund werden SoCs die dominante Kraft in Mobile-Computing (wie etwa in Smartphones)- und Edge-Computing-Märkten. SoC wird auch üblicherweise in eingebetteten Systemen und im Internet of Things verwendet.
  • Das(Die) oben beschriebene(n) Verfahren wird(werden) bei der Fertigung von Chips mit integriertem Schaltkreis verwendet. Die resultierenden Chips mit integriertem Schaltkreis können durch den Fertiger in Roh-Wafer-Form (das heißt, als einzelner Wafer, der mehrere ungehäuste Chips aufweist), als nackter Chip (bare die), oder in einer gehäusten Form vertrieben werden. Im letzteren Fall ist der Chip in einer Einzelchipbaugruppe (wie etwa ein Kunststoffträger, mit Leitern, die an einem Motherboard oder einem anderen Träger eines höheren Levels befestigt werden) oder in einer Multichip-Baugruppe montiert (wie etwa ein keramischer Träger, der einen oder beide Oberflächenzwischenverbindungen oder vergrabene Zwischenverbindungen aufweist). In jedem Fall ist der Chip dann mit anderen Chips, diskreten Schaltelementen und/oder anderen Signalverarbeitungsvorrichtungen als Teil von entweder (a) einem Zwischenprodukt, wie einem Motherboard, oder (b) einem Endprodukt integriert. Das Endprodukt kann irgendein Produkt sein, das Chips mit integriertem Schaltkreis umfasst, und von Spielzeugen und anderen Low-End-Anwendungen bis zu fortgeschrittenen Computerprodukten reicht, die ein Display, ein Keyboard oder eine andere Eingabevorrichtung, und einen zentralen Prozessor aufweisen.

Claims (19)

  1. Struktur (10), umfassend: wenigstens eine Finne (18), die Substratmaterial (12) umfasst, wobei die wenigstens eine Finne (18) Seitenwände und eine obere Oberfläche aufweist; einen Graben (19) angrenzend an gegenüberliegende Seitenwände der wenigstens einen Finne (18); ein erstes Halbleitermaterial (20), das die Seitenwände und die obere Oberfläche der wenigstens einen Finne (18) und eine Bodenoberfläche des Grabens (19) auskleidet; ein photosensitives Halbleitermaterial (22) auf dem ersten Halbleitermaterial (20) und das wenigstens teilweise den Graben (19) füllt; ein drittes Halbleitermaterial (26) auf dem photosensitiven Halbleitermaterial (22); und eine Isolationsstruktur (14), die aus Luft oder dielektrischem Material innerhalb der wenigstens einen Finne (18) zusammengesetzt ist.
  2. Struktur (10) nach Anspruch 1, wobei das Substratmaterial (12) einkristallines Halbleitermaterial umfasst und die wenigstens eine Finne (18) in einer spiralförmigen Konfiguration vorgesehen ist.
  3. Struktur (10) nach Anspruch 1, wobei das Substratmaterial (12) einkristallines Halbleitermaterial umfasst und die wenigstens eine Finne (18) mehrere Finnen (18) in einer konzentrisch ineinandergeschachtelten Form umfasst, von denen jede von mehreren Gräben (19) umgeben ist.
  4. Struktur (10) nach Anspruch 3, wobei die mehreren Finnen (18) abwechselnd von verschiedenen Dotierstofftypen dotiert sind.
  5. Struktur (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Transistor (50), der von der wenigstens einen Finne (18) durch eine Isolationsstruktur (14) getrennt ist.
  6. Struktur (10) nach Anspruch 1, wobei das photosensitive Halbleitermaterial (22) intrinsisches Halbleitermaterial ist.
  7. Struktur (10) nach Anspruch 6, wobei das intrinsische Halbleitermaterial undotiertes Ge-Material umfasst.
  8. Struktur (10) nach Anspruch 6, wobei das Substratmaterial (12) N-Typ-Halbleitermaterial umfasst, und das erste Halbleitermaterial (20) und das dritte Halbleitermaterial (26) P-Typ-Halbleitermaterial umfassen.
  9. Struktur (10) nach Anspruch 6, wobei das dritte Halbleitermaterial (26) innerhalb eines Grabens (19) und auf einer oberen Oberfläche des photosensitiven Halbleitermaterials (22), über der wenigstens einen Finne (18), ist, um den Betrieb einer Avalanche-Photodiode vorzuspannen.
  10. Struktur (10) nach Anspruch 6, ferner umfassend ein unsilizidiertes Halbleitermaterial (28) auf dem dritten Halbleitermaterial (26), ein Maskiermaterial (30) über dem unsilizidierten Halbleitermaterial (28) und einen Kontakt (32), der das Substratmaterial (12) elektrisch kontaktiert.
  11. Struktur (10) nach Anspruch 6, ferner umfassend ein silizidiertes Halbleitermaterial auf dem dritten Halbleitermaterial (26), einen ersten Kontakt, der das silizidierte Halbleitermaterial kontaktiert, und einen zweiten Kontakt, der das Substratmaterial (12) elektrisch kontaktiert.
  12. Struktur (10), umfassend: wenigstens eine Finne (18) aus einkristallinem Halbleitermaterial; wenigstens einen Graben (19) angrenzend an gegenüberliegende Seitenwände der wenigstens einen Finne (18), wobei der wenigstens eine Graben (19) eine Bodenoberfläche aufweist, die aus dem einkristallinen Halbleitermaterial zusammengesetzt ist; ein erstes Halbleitermaterial (20) mit einem ersten Dotierstofftyp, das Seitenwände und eine obere Oberfläche der wenigstens einen Finne (18) und die Bodenoberfläche des wenigstens einen Grabens (19) auskleidet; ein photosensitives Halbleitermaterial (22) über dem ersten Halbleitermaterial (20) und das den wenigstens einen Graben (19) teilweise füllt; ein zweites Halbleitermaterial (26) mit dem ersten Dotierstofftyp und das einen verbleibenden Abschnitt des wenigstens einen Grabens (19) füllt und das photosensitive Halbleitermaterial (22) über der wenigstens einen Finne (18) kontaktiert, und eine Isolationsstruktur (14), die aus Luft oder dielektrischem Material innerhalb der wenigstens einen Finne (18) zusammengesetzt ist.
  13. Struktur (10) nach Anspruch 12, wobei das einkristalline Halbleitermaterial N-Typ-Material umfasst und der erste Dotierstofftyp P-Typ-Material umfasst, und der photosensitive Halbleiter (22) ein undotiertes Material ist, das verschieden von dem einkristallinen Halbleitermaterial ist.
  14. Struktur (10) nach Anspruch 12, ferner umfassend einen Silizidkontakt (32) auf dem zweiten Halbleitermaterial (26).
  15. Struktur (10) nach Anspruch 12, ferner umfassend ein unsilizidiertes Halbleitermaterial (28) auf dem zweiten Halbleitermaterial (26).
  16. Struktur (10) nach Anspruch 12, wobei das photosensitive Halbleitermaterial (22) undotiertes Ge-Material umfasst.
  17. Struktur (10) nach Anspruch 12, wobei die wenigstens eine Finne (18) aus einkristallinem Halbleitermaterial (12) mehrere Finnen (18) in einer ineinandergeschachtelten Konfiguration umfasst.
  18. Struktur (10) nach Anspruch 12, wobei die wenigstens eine Finne (18) aus einkristallinem Halbleitermaterial (12) in einer spiralförmigen Konfiguration vorliegt.
  19. Verfahren, umfassend: Bilden wenigstens einer Finne (18), die Substratmaterial (12) mit einer Isolationsstruktur (14) umfasst, die aus Luft oder dielektrischem Material innerhalb der wenigstens einen Finne (18) zusammengesetzt ist; Bilden eines Grabens (19) angrenzend an gegenüberliegende Seitenwände der wenigstens einen Finne (18); Bilden eines ersten Halbleitermaterials (20), das die wenigstens eine Finne (18) und eine Bodenoberfläche des Grabens (19) auskleidet; Bilden eines photosensitiven Halbleitermaterials (22) auf dem ersten Halbleitermaterial (20) und das wenigstens teilweise den Graben (19) füllt; und Bilden eines dritten Halbleitermaterials (26) auf dem photosensitiven Halbleitermaterial (22).
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