DE102022126443A1

DE102022126443A1 - Avalanche photodetektoren mit einer multi-dicken-ladungsschicht

Info

Publication number: DE102022126443A1
Application number: DE102022126443.2A
Authority: DE
Inventors: Asif Chowdhury; Yusheng Bian
Original assignee: GlobalFoundries US Inc
Current assignee: GlobalFoundries US Inc
Priority date: 2021-11-17
Filing date: 2022-10-12
Publication date: 2023-05-17
Also published as: TW202324780A; KR20230072407A; US20230155050A1; US11721780B2; CN116137300A

Abstract

Strukturen für einen Avalanche-Photodetektor und Verfahren zum Bilden einer Struktur für einen Avalanche-Photodetektor. Die Struktur umfasst eine erste Halbleiterschicht, die einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, und eine zweite Halbleiterschicht, die in einer vertikalen Richtung mit der ersten Halbleiterschicht gestapelt ist. Der erste Abschnitt der ersten Halbleiterschicht definiert eine Multiplikationsregion des Avalanche-Photodetektors, und die zweite Halbleiterschicht definiert eine Absorptionsregion des Avalanche-Photodetektors. Die Struktur umfasst ferner eine Ladungsschicht in dem zweiten Abschnitt der ersten Halbleiterschicht. Die Ladungsschicht weist eine Dicke auf, die mit einer Position in einer horizontalen Ebene variiert, und die Ladungsschicht ist in der vertikalen Richtung zwischen der zweiten Halbleiterschicht und dem ersten Abschnitt der ersten Halbleiterschicht positioniert.

Description

HINTERGRUND
Die Offenbarung betrifft eine Halbleitervorrichtungsfertigung und integrierte Schaltkreise und insbesondere Strukturen für einen Avalanche-Photodetektor und Verfahren zum Bilden einer Struktur für einen Avalanche-Photodetektor.
Ein Avalanche-Photodetektor, auch bekannt als eine Avalanche-Photodiode, ist ein hochsensitiver Halbleiter-Photodetektor, der auf dem photoelektrischen Effekt beruht, um Licht in zählbare Strompulse umzuwandeln. Durch Anlegen einer hohen umgekehrten Bias-Spannung, die geringer als die Durchschlagspannung ist, weist ein Avalanche-Photodetektor wegen einer Stoßionisation, die einen Avalanche-Effekt erzeugt, einen internen Stromverstärkungseffekt auf.
Verbesserte Strukturen für einen Avalanche-Photodetektor und Verfahren zum Bilden einer Struktur für einen Avalanche-Photodetektor werden benötigt.
KURZER ABRISS
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Struktur für einen Avalanche-Photodetektor bereitgestellt. Die Struktur umfasst eine erste Halbleiterschicht, die einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, und eine zweite Halbleiterschicht, die in einer vertikalen Richtung mit der ersten Halbleiterschicht gestapelt ist. Der erste Abschnitt der ersten Halbleiterschicht definiert eine Multiplikationsregion des Avalanche-Photodetektors, und die zweite Halbleiterschicht definiert eine Absorptionsregion des Avalanche-Photodetektors. Die Struktur umfasst ferner eine Ladungsschicht in dem zweiten Abschnitt der ersten Halbleiterschicht. Die Ladungsschicht weist eine Dicke auf, die mit einer Position in einer horizontalen Ebene variiert, und die Ladungsschicht ist in der vertikalen Richtung zwischen der zweiten Halbleiterschicht und dem ersten Abschnitt der ersten Halbleiterschicht positioniert.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden einer Struktur für einen Avalanche-Photodetektor bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Bilden einer ersten Halbleiterschicht umfassend einen ersten Abschnitt, der eine Multiplikationsregion des Avalanche-Photodetektors definiert, und ein Bilden einer Ladungsschicht in einem zweiten Abschnitt der ersten Halbleiterschicht. Die Ladungsschicht weist eine Dicke auf, die mit einer Position in einer horizontalen Ebene variiert. Das Verfahren umfasst ferner ein Bilden einer zweiten Halbleiterschicht, die in einer vertikalen Richtung mit der ersten Halbleiterschicht gestapelt ist. Die zweite Halbleiterschicht definiert eine Absorptionsregion des Avalanche-Photodetektors, und die Ladungsschicht ist in der vertikalen Richtung zwischen der zweiten Halbleiterschicht und dem ersten Abschnitt der ersten Halbleiterschicht positioniert.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen, die in diese Spezifikation miteinbezogen sind und einen Teil von ihr darstellen, veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung und dienen, zusammen mit einer vorstehend gegebenen allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der nachstehend gegebenen detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen, dazu, die Ausführungsformen der Erfindung zu erläutern. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten.

1 ist eine Draufsicht einer Struktur in einem anfänglichen Fertigungsstadium eines Prozessierungsverfahrens gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 2-2 in 1.
2A ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 2A-2A in 1.
3, 3A sind Querschnittsansichten der Struktur in einem Fertigungsstadium anschließend an 2, 2A.
4, 4A sind Querschnittsansichten der Struktur in einem Fertigungsstadium anschließend an 3, 3A.
5, 5A sind Querschnittsansichten der Struktur in einem Fertigungsstadium anschließend an 4, 4A.
6, 6A sind Querschnittsansichten der Struktur in einem Fertigungsstadium anschließend an 5, 5A.
7, 7A sind Querschnittsansichten der Struktur in einem Fertigungsstadium anschließend an 6, 6A.
8, 8A sind Querschnittsansichten einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen.
9, 9A sind Querschnittsansichten einer Struktur in einem Fertigungsstadium eines Prozessierungsverfahrens gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
10, 10A sind Querschnittsansichten der Struktur in einem Fertigungsstadium anschließend an 9, 9A.
11, 11A sind Querschnittsansichten der Struktur in einem Fertigungsstadium anschließend an 10, 10A.
12, 12A sind Querschnittsansichten einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen.
13, 13A sind Querschnittsansichten einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen.
14 ist eine Draufsicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 1, 2, 2A und gemäß Ausführungsformen der Erfindung, umfasst ein Halbleiter-auf-Isolator (semiconductor-on-insulator; SOI)-Substrat eine Vorrichtungsschicht 12, eine vergrabene Isolatorschicht 14 und ein Handle-Substrat 16. Die Vorrichtungsschicht 12 ist von dem Handle-Substrat 16 durch die dazwischenkommende vergrabene Isolatorschicht 14 getrennt und ist beträchtlich dünner als das Handle-Substrat 16. Die Vorrichtungsschicht 12 kann von einem Halbleitermaterial, wie etwa einkristallinem Silizium, umfasst sein und kann intrinsisch oder ein leicht dotierter p-Typ sein, und die vergrabene Isolatorschicht 14 kann von einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumdioxid, umfasst ein. Die vergrabene Isolatorschicht 14 ist in direktem Kontakt mit dem Handle-Substrat 16 entlang einer unteren Schnittstelle, die vergrabene Isolatorschicht 14 ist in direktem Kontakt mit der Vorrichtungsschicht 12 entlang einer oberen Schnittstelle, und die untere und die obere Schnittstelle sind durch die Dicke der vergrabenen Isolatorschicht 14 getrennt. Die Vorrichtungsschicht 12 ist von dem Handle-Substrat 16 durch die vergrabene Isolatorschicht 14 elektrisch isoliert.
Die Vorrichtungsschicht 12 kann durch Lithografie- und Ätzprozesse strukturiert werden, um ein Pad 19 zu definieren. Das Pad 19 kann dotiert werden, um einen gegebenen Leitfähigkeitstyp aufzuweisen. In einer Ausführungsform kann das Pad 19 beispielsweise durch eine Ionenimplantation dotiert (z.B. stark dotiert) werden, um eine n-Typ-Leitfähigkeit aufzuweisen. Eine Verjüngung 18 kann einen Wellenleiterkern (nicht gezeigt) mit dem Pad 19 koppeln. Die Verjüngung 18 kann von einkristallinem Silizium oder alternativ einem Schichtstapel von Polysilizium an einkristallinem Silizium umfasst sein.
Unter Bezugnahme auf 3, 3A, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 2, 2A beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens, umfasst das Pad 19 einen vertieften Abschnitt 21, der durch Strukturieren einer Vertiefung in der Vorrichtungsschicht 12 mit Lithografie- und Ätzprozessen gebildet wird. Erhöhte Abschnitte 23 des Pads 19 sind an den gegenüberliegenden Seitenkanten des vertieften Abschnitts 21 positioniert. Die erhöhten Abschnitte 23, die während des Strukturierens der Vertiefung durch die lithografisch gebildete Ätzmaske maskiert sind, behalten die ursprüngliche Dicke der Vorrichtungsschicht 12 vor dem Ätzprozess. Die erhöhten Abschnitte 23 sind relativ zu dem vertieften Abschnitt 21 erhöht (d.h. angehoben).
An dem vertieften Abschnitt 21 und den erhöhten Abschnitten 23 des Pads 19 ist eine dielektrische Schicht 22 gebildet. Die dielektrische Schicht 22 kann dem Oberflächenprofil des vertieften Abschnitts 21 und der erhöhten Abschnitte 23 des Pads 19 folgen. In einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 22 von einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumdioxid, umfasst sein, das konform abgeschieden wird.
Eine Hartmaske 24 wird durch durch Lithografie- und Ätzprozesse abgeschieden und strukturiert, um ein Fenster 26 zu bilden, das sich über dem vertieften Abschnitt 21 des Pads 19 befindet. In einer Ausführungsform kann das Fenster 26 über dem vertieften Abschnitt 21 zentriert sein. Die Hartmaske 24 bedeckt Umfangsabschnitte des Pads 19, umfassend die erhöhten Abschnitte 23. Die Hartmaske 24 kann von einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumnitrid, umfasst sein. Das Fenster 26 in der Hartmaske 24 wird auf die dielektrische Schicht 22 durch Strukturieren der dielektrischen Schicht 22 mit einem Ätzprozess übertragen, welcher einen Oberflächenbereich des vertieften Abschnitts 21 mit den Dimensionen des Fensters 26 exponiert und von welchem die dielektrische Schicht 22 entfernt ist.
Unter Bezugnahme auf 4, 4A, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 3, 3A beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens, wird die Hartmaske 24 entfernt und wird eine Halbleiterschicht 28 an dem Oberflächenbereich des vertieften Abschnitts 21 des Pads 19 gebildet, der nicht durch die strukturierte dielektrische Schicht 22 bedeckt ist. Die Halbleiterschicht 28 kann von einem einkristallinen Halbleitermaterial, wie etwa einkristallinem Silizium, umfasst sein. In einer Ausführungsform kann die Halbleiterschicht 28 folgend auf ihre Bildung undotiert und intrinsisch sein. Die Halbleiterschicht 28 kann durch einen epitaktischen Wachtumsprozess gebildet werden. Der die Halbleiterschicht 28 bildende epitaktische Wachstumsprozess kann darin selektiv sein, das es dem einkristallinen Halbleitermaterial erlaubt wird, von Halbleitermaterial (z.B. dem exponierten Oberflächenbereich des vertieften Abschnitts 21), aber nicht von dielektrischem Material (z.B. der strukturierten dielektrischen Schicht 22) zu wachsen. Die Halbleiterschicht 28 weist eine Dicke t1 auf. Das Abdünnen des vertieften Abschnitts 21 des Pads 19 kompensiert, wenigstens teilweise, die Dicke t1 der Halbleiterschicht 28, um eine Planarität zu verbessern.
Unter Bezugnahme auf 5, 5A, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 4, 4A beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens, werden dotierte Regionen 30 in der Halbleiterschicht 28 angrenzend an eine obere Oberfläche 29 der Halbleiterschicht 28 gebildet. Die dotierten Regionen 30 können in einem eindimensionalen Array von Spalten angeordnet sein, das durch parallele Streifen von dotiertem Halbleitermaterial gebildet wird, die sich mit undotierten Streifen der Halbleiterschicht 28 in einer horizontalen Ebene abwechseln. In dieser Hinsicht sind Abschnitte des intrinsischen Halbleitermaterials der Halbleiterschicht 28 zwischen angrenzenden Paaren der dotierten Regionen 30 lateral positioniert.
In einer Ausführungsform können die dotierten Regionen 30 beispielsweise durch einen selektiven Ionenimplantationsprozess unter Verwendung einer Implantationsmaske mit Öffnungen gebildet werden, die über unterschiedlichen Abschnitten der Halbleiterschicht 28 angeordnet sind, die dazu bestimmt sind, implantierte Ionen zu empfangen. Die Implantationsmaske kann eine Schicht eines Fotolacks umfassen, der durch einen Spin-Coating-Prozess aufgebracht, vorgebacken, durch eine Fotomaske projiziertem Licht ausgesetzt, nach Belichtung gebacken, und mit einem chemischen Entwickler entwickelt wurde, um die Öffnungen zu bilden. Die Implantationsbedingungen (z. B. Ionenspezies, Dosis, kinetische Energie) können ausgewählt sein, um die elektrischen und physikalischen Charakteristika der dotierten Regionen 30 abzustimmen. Die Implantationsmaske, die eine adäquate Dicke aufweist, um die Ionen zu stoppen, kann nach dem Bilden der dotierten Regionen 30 gestrippt werden. In einer Ausführungsform können die dotierten Regionen 30 einen p-Typ-Dotierstoff (z.B. Bor) empfangen und enthalten, der eine p-Typ-Leitfähigkeit bereitstellt.
Unter Bezugnahme auf 6, 6A, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 5, 5A beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens, wird eine dotierte Schicht 32 in der Halbleiterschicht 28 angrenzend an die obere Oberfläche 29 der Halbleiterschicht 28 gebildet. In einer Ausführungsform kann die dotierte Schicht 32 beispielsweise durch einen selektiven Ionenimplantationsprozess unter Verwendung einer Implantationsmaske mit einer Öffnung gebildet werden, die über der Halbleiterschicht 28 angeordnet ist. Die Implantationsmaske kann eine Schicht eines Fotolacks umfassen, der durch einen Spin-Coating-Prozess aufgebracht, vorgebacken, durch eine Fotomaske projiziertem Licht ausgesetzt, nach Belichtung gebacken, und mit einem chemischen Entwickler entwickelt wurde, um die Öffnung zu bilden. Die Implantationsbedingungen (z. B. Ionenspezies, Dosis, Energie) können ausgewählt sein, um die elektrischen und physikalischen Charakteristika der dotierten Schicht 32 abzustimmen. Die Implantationsmaske, die eine adäquate Dicke aufweist, um die Ionen zu stoppen, kann nach dem Bilden der dotierten Schicht 32 gestrippt werden. In einer Ausführungsform kann die dotierte Schicht 32 einen p-Typ-Dotierstoff (z.B. Bor) empfangen und enthalten, der eine p-Typ-Leitfähigkeit bereitstellt. In einer Ausführungsform können die dotierten Regionen 30 und die dotierte Schicht 32 beide einen p-Typ-Dotierstoff (z.B. Bor) enthalten, der eine p-Typ-Leitfähigkeit bereitstellt.
Die dotierte Schicht 32, die bei einer niedrigeren Energie als die dotierten Regionen 30 implantiert wird, dringt über einen Tiefenbereich in die Halbleiterschicht 28 ein, der flacher als der Tiefenbereich der dotierten Regionen 30 ist. Die dotierte Schicht 32 überlappt mit, und ist verbunden mit, den dotierten Regionen 30, um eine dotierte Verbundschicht in der Halbleiterschicht 28 zu bilden. Die dotierte Verbundschicht umfassend die dotierten Regionen 30 und die dotierte Schicht 32 stellt eine Ladungsschicht bereit, die zur elektrischen Feldsteuerung in dem Avalanche-Photodetektor verwendet wird.
Die dotierten Regionen 30 definieren Riffelungen in der Ladungsschicht, die dem vertieften Abschnitt 21 des Pads 19 zugewandt sind. Die dotierten Regionen 30, die an der dünneren dotierten Schicht 32 überlagert sind, versehen die Ladungsschicht mit einer variierenden Dicke (d.h. mehreren Dicken). Insbesondere weist die Ladungsschicht eine Dicke t2 an den Orten der dotierten Regionen 30 und eine Dicke t3, die geringer als die Dicke t2 ist, in den Räumen zwischen den dotierten Regionen 30 auf. Die Halbleiterschicht 28 umfasst intrinsisches Halbleitermaterial zwischen der Ladungsschicht und dem vertieften Abschnitt 21 des Pads 19. In den Räumen zwischen angrenzenden Paaren der dotierten Regionen 30 sind Abschnitte des intrinsischen Halbleitermaterials der Halbleiterschicht 28 positioniert.
Das intrinsische Halbleitermaterial der Halbleiterschicht 28 kann eine Multiplikationsregion eines Avalanche-Photodetektors definieren. Das intrinsische Halbleitermaterial der Halbleiterschicht 28 weist eine variierende Dicke (d.h. mehrere Dicken) auf, die mit einer Position in einer horizontalen Ebene zwischen einer Dicke, die gleich einer Differenz zwischen der Dicke t1 und der Dicke t2 ist, und einer größeren Dicke variiert, die gleich einer Differenz zwischen der Dicke t1 und der Dicke t3 ist. Als ein Ergebnis umfasst die Multiplikationsregion des Avalanche-Photodetektors auch Riffelungen, die das Komplement der Riffelungen in der Ladungsschicht sind.
Unter Bezugnahme auf 7, 7A, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 6, 6A beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens, wird eine Halbleiterschicht 34 an der Halbleiterschicht 28 gebildet und wird über der Ladungsschicht positioniert, die durch die dotierten Regionen 30 und die dotierte Schicht 32 bereitgestellt wird. Die durch die dotierten Regionen 30 und die dotierte Schicht 32 bereitgestellte Ladungsschicht ist in einem Abschnitt der Halbleiterschicht 28 angrenzend an die Halbleiterschicht 34 positioniert. Die Halbleiterschicht 34 kann durch einen epitaktischen Wachstumsprozess, wie etwa einen selektiven epitaktischen Wachstumsprozess, aufgewachsen werden.
Die Halbleiterschicht 34 kann von einem Halbleitermaterial umfasst sein, das Licht absorbiert und Ladungsträger aus dem absorbierten Licht erzeugt. In einer Ausführungsform kann die Halbleiterschicht 34 ein Halbleitermaterial mit einer Zusammensetzung umfassen, die intrinsisches Germanium umfasst. In einer Ausführungsform kann die Halbleiterschicht 34 ein Halbleitermaterial mit einer Zusammensetzung umfassen, die ausschließlich Germanium umfasst.
Eine dotierte Schicht 36 ist in der Halbleiterschicht 34 gebildet und befindet sich angrenzend an eine obere Oberfläche der Halbleiterschicht 34. In einer Ausführungsform kann die dotierte Schicht 36 beispielsweise durch einen selektiven Ionenimplantationsprozess unter Verwendung einer Implantationsmaske gebildet werden. Die Implantationsbedingungen (z. B. Ionenspezies, Dosis, kinetische Energie) können ausgewählt sein, um die elektrischen und physikalischen Charakteristika der dotierten Schicht 36 abzustimmen. In einer Ausführungsform kann die dotierte Schicht 36 einen p-Typ-Dotierstoff (z.B. Bor) empfangen und enthalten, der eine p-Typ-Leitfähigkeit bereitstellt. In einer Ausführungsform können die dotierte Schicht 36 und die Ladungsschicht einen Dotierstoff (z.B. einen p-Typ-Dotierstoff) des gleichen Leitfähigkeitstyp enthalten. Das intrinsische Halbleitermaterial der Halbleiterschicht 34, das in einer vertikalen Richtung zwischen der dotierten Schicht 36 und der Ladungsschicht des Avalanche-Photodetektors positioniert ist, definiert eine Absorptionsregion des Avalanche-Photodetektors.
Kontakte 38 sind gebildet, die elektrisch und physisch mit der dotiertem Schicht 36 verbunden sind. Kontakte 40 sind gebildet, die elektrisch und physisch mit den erhöhten Abschnitten 23 des Pads 19 verbunden sind. Die Kontakte 38, 40 können in Kontaktöffnungen gebildet werden, die in einer dielektrischen Schicht strukturiert sind, die über dem Avalanche-Photodetektor gebildet ist.
In Verwendung wird einfallende Strahlung in der Absorptionsregion des Avalanche-Photodetektors absorbiert, die durch die Halbleiterschicht 34 definiert ist, und eine Signalverstärkung tritt in der Multiplikationsregion auf, die durch den unimplantierten Abschnitt der Halbleiterschicht 28 definiert ist. Wenn einfallende Photonen in der Absorptionsregion absorbiert werden, werden Elektron-Loch-Paare geschaffen, und driften die Elektronen in die Multiplikationsregion. Durch die Schaffung von zusätzlichen Elektron-Loch-Paaren durch Stoßionisation wird ein Avalanche-Strom in der Multiplikationsregion geschaffen. Der Avalanche-Photodetektor ist unter der Durchschlagspannung vorgespannt, um den Avalanche-Strom zu sammeln. Die Ladungsschicht umfassend die dotierte Regionen 30 und die dotierte Schicht 32 wird verwendet, um das elektrische Feld in den Multiplikations- und Absorptionsregionen zu steuern. Der gesammelte Avalanche-Strom stellt ein detektierbares elektronische Signal bereit, das von dem Avalanche-Photodetektor in einem Strompfad durch die kontaktierten erhöhten Abschnitte 23 des Pads 19 ausgegeben werden kann.
Die vertikal gestapelte Anordnung der Absorptionsregion, der Ladungsschicht und der Multiplikationsregion, die eine Ladungsschicht von variierender Dicke und eine Multiplikationsregion von variierender Dicke umfasst, kann den Dunkelstrom im Vergleich mit konventionellen Avalanche-Photodetektoren reduzieren. Die Multi-Dicken- Ladungsschicht und die Multiplikationsregion können eine Verstärkungssteigerung im Vergleich mit konventionellen Avalanche-Photodetektoren bereitstellen. Die Dicke der Halbleiterschicht 34 kann gewählt werden, um eine gewünschte Bandbreite zu erreichen, was erlaubt, dass die Bandbreitenauswahl wenigstens zum Teil auf einem leicht einstellbaren Parameter basiert wird.
Unter Bezugnahme auf 8, 8A und gemäß alternativen Ausführungsformen kann die Implantationsmaske, die verwendet wird, um die dotierten Regionen 30 zu bilden, modifiziert werden, um dotierte Regionen 31 hinzuzufügen, die ausgerichtet sind, um die dotierten Regionen 30 zu schneiden und ein Gitter von dotierten Regionen 30, 31 zu bilden. Die dotierten Regionen 31 können durch beabstandete Streifen von dotiertem Halbleitermaterial gebildet werden, die, in einer horizontalen Ebene, quer zu den beabstandeten Streifen von dotiertem Halbleitermaterial orientiert oder ausgerichtet sind, die durch die dotierten Regionen 30 gebildet sind. In einer Ausführungsform können die dotierten Regionen 30 in den Spalten des Gitters gebildet sein und können die dotierten Regionen 31 in den Reihen des Gitters gebildet sein. Die dotierte Schicht 32 ist an den dotierten Regionen 30 und an den dotierten Regionen 31 überlagert, um die mehrere Dicken für die Ladungsschicht bereitzustellen.
In den Zwischenräumen zwischen den dotierten Regionen 30, 31 in dem Gitter befindet sich intrinsisches Halbleitermaterial der Halbleiterschicht 28. Die Halbleiterschicht 28 in den Zwischenräumen weist eine variierende Dicke auf, die in einer lateralen Richtung zwischen einer Dicke, die gleich einer Differenz zwischen der Dicke t1 und der Dicke t2 ist, und einer größeren Dicke variiert, die gleich einer Differenz zwischen der Dicke t1 und der Dicke t3 ist.
Unter Bezugnahme auf 9, 9A und gemäß alternativen Ausführungsformen kann die Halbleiterschicht 28 mit einer größeren Dicke abgeschieden werden und kann ein oberer Abschnitt der dickeren Halbleiterschicht 28 strukturiert werden, um eine Mesa 35 zu definieren. Die Mesa 35 ist relativ zu einem unteren Abschnitt der Halbleiterschicht 28 angehoben. Die dotierten Regionen 30 und die dotierte Schicht 32 können in der Mesa 35 gebildet sein, und die Halbleiterschicht 34 kann an der Mesa 35 gebildet sein. In der repräsentativen Ausführungsform können die dotierten Regionen 30, 31 in den Reihen und Spalten eines Gitters gebildet sein. In einer alternativen Ausführungsform kann die dotierte Regionen 30 als lateral beabstandete Streifen als Spalten in einem eindimensionalen Array gebildet sein.
Unter Bezugnahme auf 10, 10A und gemäß alternativen Ausführungsformen kann eine dotierte Schicht 44 in einem oberen Abschnitt der Halbleiterschicht 28 angrenzend an die obere Oberfläche 29 der Halbleiterschicht 28 gebildet sein. In einer Ausführungsform kann die dotierte Schicht 44 beispielsweise durch einen selektiven Ionenimplantationsprozess unter Verwendung einer Implantationsmaske mit einer Öffnung gebildet werden, die über dem gesamten Oberflächenbereich der oberen Oberfläche 29 der Halbleiterschicht 28 angeordnet ist. In einer Ausführungsform kann das Halbleitermaterial der dotierten Schicht 44 einen p-Typ-Dotierstoff (z.B. Bor) empfangen und enthalten, der eine p-Typ-Leitfähigkeit bereitstellt.
Unter Bezugnahme auf 11, 11A, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 10, 10A beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens, kann die Halbleiterschicht 28 durch Lithografie- und Ätzprozesse strukturiert werden, um Gräben 46 zu definieren, die sich teilweise durch die dotierte Schicht 44 (8, 8A) erstrecken, um die dotierten Regionen 30 und die dotierte Schicht 32 zu definieren, die an den dotierten Regionen 30 überlagert ist. Die Gräben 46 können in Bezug aufeinander parallel ausgerichtet sein. Die dotierten Regionen 30, die durch die Strukturierung der Gräben 46 definiert sind, sind in einem eindimensionalen Array angeordnet, das durch parallele Streifen eines dotierten Halbleitermaterials gebildet ist.
Unter Bezugnahme auf 12, 12A, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 11, 11A beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens, ist die Halbleiterschicht 34 an der Halbleiterschicht 28 über den dotierten Regionen 30 und der dotierten Schicht 32 gebildet. Die dotierten Regionen 30 können in einem eindimensionalen Array angeordnet sein, das durch parallele Streifen eines dotierten Halbleitermaterials gebildet ist, die sich mit Streifen der Halbleiterschicht 34 in einer horizontalen Ebene abwechseln. In dieser Hinsicht sind Abschnitte der Halbleiterschicht 34 in den Gräben 46 zwischen angrenzenden Paaren der dotierten Regionen 30 derart positioniert, dass die Absorptionsregion des Avalanche-Photodetektors geriffelt ist. Das intrinsische Halbleitermaterial der Halbleiterschicht 34 weist eine variierende Dicke auf, die mit einer Position in der horizontalen Ebene zwischen einer Dicke t4 und einer Dicke t5 variiert, die größer als die Dicke t4 ist.
Die Prozessierung geht weiter, um die Vorrichtungsstruktur für den Avalanche-Photodetektor fertigzustellen. Die Absorptionsregion, die Ladungsschicht und die Multiplikationsregion des Avalanche-Photodetektors sind in einer vertikalen Richtung mit einer geriffelten Ladungsschicht und einer geriffelten Absorptionsregion gestapelt.
Unter Bezugnahme auf 13, 13A, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 12, 12A beziehen, und gemäß alternativen Ausführungsformen, können die Gräben 46, die strukturiert sind, um die dotierten Regionen 30 zu bilden, modifiziert werden, um auch die dotierten Regionen 31 zu bilden. In einer Ausführungsform können die dotierten Regionen 30, 31 in den Reihen und Spalten eines Gitters gebildet sein. In der repräsentativen Ausführungsform wechseln sich die dotierten Regionen 30, 31 mit den undotierten Regionen der Halbleiterschicht 28 in beiden Dimensionen in einer horizontalen Ebene ab, um ein Gitter zu definieren, wobei das intrinsische Halbleitermaterial der Halbleiterschicht 34 in den Zwischenräumen des Gitters angeordnet ist. Das intrinsische Halbleitermaterial der Halbleiterschicht 34 in den Zwischenräumen weist eine variierende Dicke auf, die mit einer Position in der horizontalen Ebene zwischen der Dicke t4 und der Dicke t5 variiert.
Unter Bezugnahme auf 14 und gemäß alternativen Ausführungsformen können die Kontakte 38 von Positionen an der Halbleiterschicht 34 zu Positionen an einer Erstreckung 48 der Halbleiterschicht 28 bewegt werden. Die dotierte Schicht 36 wird durch eine Modifikation an der Implantationsmaske derart modifiziert, dass die dotierte Schicht 36 in Sektionen an den Kanten der Halbleiterschicht 34 angeordnet ist. Diese Sektionen der dotierten Schicht 36 sind mit einer dotierten Schicht 50 verbunden, die in der Erstreckung 48 der Halbleiterschicht 28 gebildet ist. Die Erstreckung 48 steht von dem Abschnitt der Halbleiterschicht 28, der sich unter der Halbleiterschicht 34 befindet, vor. Die Kontakte 38 sind elektrisch und physisch mit einem Abschnitt der dotierten Schicht 50 verbunden, der sich in einer erweiterten Sektion der Erstreckung 48 der Halbleiterschicht 28 befindet. Die erweiterte Sektion der Erstreckung 48 der Halbleiterschicht 28 ist an einem der Verjüngung 18 gegenüberliegende Ende der Halbleiterschicht 34 angeordnet.
Die oben beschriebenen Verfahren werden bei der Fertigung von Chips mit integriertem Schaltkreis verwendet. Die resultierenden Chips mit integriertem Schaltkreis können durch den Fertiger in Roh-Wafer-Form (z.B. als einzelner Wafer, der mehrere ungehäuste Chips aufweist), als nackter Chip (bare die), oder in einer gehäusten Form vertrieben werden. Der Chip kann mit anderen Chips, diskreten Schaltelementen und/oder anderen Signalverarbeitungsvorrichtungen als Teil von entweder einem Zwischenprodukt oder einem Endprodukt integriert sein. Das Endprodukt kann irgendein Produkt sein, das Chips mit integriertem Schaltkreis umfasst, wie etwa Computerprodukte, die einen zentralen Prozessor aufweisen, oder Smartphones.
Bezugnahmen hierin auf Ausdrücke, die durch eine Näherungssprache modifiziert sind, wie „etwa“, „ungefähr“, und „im Wesentlichen“, sollen nicht auf den spezifizierten präzisen Wert beschränkt sein. Die Näherungssprache kann der Präzision eines Instruments entsprechen, das verwendet wird, um den Wert zu messen, und kann, falls nicht anderweitig abhängig von der Präzision des Instruments, einen Bereich von +/- 10% des (der) genannten Werts (Werte) angeben.
Bezugnahmen hierin auf Ausdrücke wie „vertikal“, „horizontal“, etc. erfolgen beispielhaft und nicht zur Beschränkung, um einen Referenzrahmen festzulegen. Der Ausdruck „horizontal“ wie hierin verwendet, ist als eine Ebene definiert, die parallel zu einer konventionellen Ebene eines Halbleitersubstrats ist, ungeachtet seiner tatsächlichen dreidimensionalen räumlichen Ausrichtung. Die Begriffe „vertikal“ und „normal“ beziehen sich auf eine Richtung, die senkrecht zur Horizontalen, wie gerade definiert, ist. Der Begriff „lateral“ bezieht sich auf eine Richtung innerhalb der horizontalen Ebene.
Ein Merkmal „verbunden“ oder „gekoppelt“ an ein anderes oder mit einem anderen Merkmal kann an das oder mit dem anderen Merkmal direkt verbunden oder gekoppelt sein oder stattdessen kann eines oder können mehrere dazwischenkommende Merkmale vorhanden sein. Ein Merkmal kann an ein anderes oder mit einem anderen Merkmal „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ sein, falls dazwischenkommende Merkmale nicht vorhanden sind. Ein Merkmal kann an ein anderes oder mit einem anderen Merkmal „indirekt verbunden“ oder „indirekt gekoppelt“ sein, falls wenigstens ein dazwischenkommendes Merkmal vorhanden ist. Ein Merkmal „an“ einem anderen Merkmal oder es „kontaktierend“ kann direkt an oder in direktem Kontakt mit dem anderen Merkmal sein, oder stattdessen kann eines oder können mehrere dazwischenkommende Merkmale vorhanden sein. Ein Merkmal kann „direkt an“ oder in „direktem Kontakt“ mit einem anderen Merkmal sein, falls dazwischenkommende Merkmale nicht vorhanden sind. Ein Merkmal kann „indirekt an“ oder in „indirektem Kontakt“ mit einem anderen Merkmal sein, falls wenigstens ein dazwischenkommendes Merkmal vorhanden ist. Verschiedene Merkmale können sich „überlappen“, wenn sich ein Merkmal über ein anderes Merkmal erstreckt und einen Teil davon bedeckt.
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zum Zwecke der Veranschaulichung präsentiert, sollen aber nicht erschöpfend oder auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein. Viele Modifikationen und Variationen sind für die gewöhnlichen Fachleute offensichtlich, ohne vom Umfang und der Idee der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Prinzipien der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder technische Verbesserung gegenüber auf dem Markt erhältlichen Technologien am besten zu erklären, oder es anderen gewöhnlichen Fachleuten zu ermöglichen, die hierin offenbarten Ausführungsformen zu verstehen.

Claims

Struktur für einen Avalanche-Photodetektor, wobei die Struktur umfasst: eine erste Halbleiterschicht umfassend einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, wobei der erste Abschnitt der ersten Halbleiterschicht eine Multiplikationsregion des Avalanche-Photodetektors definiert; eine zweite Halbleiterschicht, die in einer vertikalen Richtung mit der ersten Halbleiterschicht gestapelt ist, wobei die zweite Halbleiterschicht eine Absorptionsregion des Avalanche-Photodetektors definiert; und eine Ladungsschicht in dem zweiten Abschnitt der ersten Halbleiterschicht, wobei die Ladungsschicht eine Dicke aufweist, die mit einer Position in einer horizontalen Ebene variiert, wobei die Ladungsschicht in der vertikalen Richtung zwischen der zweiten Halbleiterschicht und dem ersten Abschnitt der ersten Halbleiterschicht positioniert ist.
Struktur nach Anspruch 1, wobei der zweite Abschnitt der ersten Halbleiterschicht intrinsisches Silizium umfasst, und die zweite Halbleiterschicht intrinsisches Germanium umfasst.
Struktur nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: eine zweite dotierte Schicht in der zweiten Halbleiterschicht; und einen Kontakt, der mit der zweiten dotierten Schicht verbunden ist.
Struktur nach Anspruch 3, wobei die zweite dotierte Schicht und die Ladungsschicht jeweils einen Dotierstoff des gleichen Leitfähigkeitstyps enthalten.
Struktur nach Anspruch 3 oder 4, wobei die zweite Halbleiterschicht intrinsisches Germanium umfasst, das in der vertikalen Richtung zwischen der Ladungsschicht und der zweiten dotierten Schicht positioniert ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ladungsschicht eine erste Vielzahl von dotierten Regionen und eine dotierte Schicht umfasst, die an der ersten Vielzahl von dotierten Regionen überlagert ist, die erste Vielzahl von dotierten Regionen eine erste Dicke aufweisen, und die dotierte Schicht eine zweite Dicke aufweist, die geringer als die erste Dicke ist.
Struktur nach Anspruch 6, wobei die erste Vielzahl von dotierten Regionen und die dotierte Schicht jeweils einen Dotierstoff eines ersten Leitfähigkeitstyps enthalten, und ferner umfassend: ein Pad, das von einem Halbleitermaterial umfasst ist, das einen zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, der unterschiedlich von dem ersten Leitfähigkeitstyp ist, wobei die erste Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht an dem Pad positioniert sind.
Struktur nach Anspruch 6 oder 7, wobei die erste Vielzahl von dotierten Regionen in einem eindimensionalen Array von Streifen angeordnet sind.
Struktur nach Anspruch 8, wobei die zweite Halbleiterschicht eine Vielzahl von Abschnitten umfasst, und jeder Abschnitt der zweiten Halbleiterschicht in einer lateralen Richtung zwischen einem angrenzenden Paar der ersten Vielzahl von dotierten Regionen angeordnet ist.
Struktur nach Anspruch 9, wobei der erste Abschnitt der ersten Halbleiterschicht eine Dicke aufweist, die mit einer Position in der horizontalen Ebene variiert.
Struktur nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Ladungsschicht eine zweite Vielzahl von dotierten Regionen umfasst, welche die zweite Dicke aufweisen, und die zweite Vielzahl von dotierten Regionen angeordnet sind, um die erste Vielzahl von dotierten Regionen zu schneiden, um ein Gitter zu definieren.
Struktur nach Anspruch 11, wobei die zweite Halbleiterschicht eine Vielzahl von Abschnitten umfasst, die in Zwischenräumen des Gitters positioniert sind.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der zweite Abschnitt der ersten Halbleiterschicht eine Mesa ist, die erste laterale Dimensionen in der horizontalen Ebene aufweist, der erste Abschnitt der ersten Halbleiterschicht zweite laterale Dimensionen in der horizontalen Ebene aufweist, und die zweiten lateralen Dimensionen größer als die ersten lateralen Dimensionen sind.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei sich der erste Abschnitt der ersten Halbleiterschicht unter der zweiten Halbleiterschicht befindet, die erste Halbleiterschicht eine Erstreckung umfasst, die von dem ersten Abschnitt der ersten Halbleiterschicht vorsteht, und ferner umfassend: eine zweite dotierte Schicht in der zweiten Halbleiterschicht; eine dritte dotierte Schicht in der Erstreckung der ersten Halbleiterschicht, wobei die dritte dotierte Schicht mit der zweiten dotierten Schicht verbunden ist; und einen Kontakt, der mit der dritten dotierten Schicht verbunden ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Ladungsschicht einen Dotierstoff eines ersten Leitfähigkeitstyps enthält, und ferner umfassend: ein Pad umfassend einen vertieften Abschnitt, wobei das Pad von einem Halbleitermaterial umfasst ist, das einen zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, der unterschiedlich von dem ersten Leitfähigkeitstyp ist, wobei die erste Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht in dem vertieften Abschnitt des Pads positioniert sind.
Struktur nach Anspruch 15, wobei das Pad einen ersten erhöhten Abschnitt und einen zweiten erhöhten Abschnitt umfasst, der vertiefte Abschnitt zwischen dem ersten erhöhten Abschnitt und dem zweiten erhöhten Abschnitt lateral positioniert ist, und ferner umfassend: einen ersten Kontakt, der mit dem ersten erhöhten Abschnitt des Pads verbunden ist; einen zweiten Kontakt, der mit dem zweiten erhöhten Abschnitt des Pads verbunden ist; und einen dritten Kontakt, der mit der zweiten Halbleiterschicht verbunden ist.
Verfahren zum Bilden einer Struktur für einen Avalanche-Photodetektor, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer ersten Halbleiterschicht umfassend einen ersten Abschnitt, der eine Multiplikationsregion des Avalanche-Photodetektors definiert; Bilden einer Ladungsschicht in einem zweiten Abschnitt der ersten Halbleiterschicht, wobei die Ladungsschicht eine Dicke aufweist, die mit einer Position in einer horizontalen Ebene variiert; und Bilden einer zweiten Halbleiterschicht, die in einer vertikalen Richtung mit der ersten Halbleiterschicht gestapelt ist, wobei die zweite Halbleiterschicht eine Absorptionsregion des Avalanche-Photodetektors definiert, und die Ladungsschicht in der vertikalen Richtung zwischen der zweiten Halbleiterschicht und dem ersten Abschnitt der ersten Halbleiterschicht positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend: Bilden einer zweiten dotierten Schicht in der zweiten Halbleiterschicht; und Bilden eines Kontakts, der mit der zweiten dotierten Schicht verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die zweite dotierte Schicht und die Ladungsschicht jeweils einen Dotierstoff des gleichen Leitfähigkeitstyps enthalten, und die zweite Halbleiterschicht intrinsisches Germanium umfasst, das in der vertikalen Richtung zwischen der Ladungsschicht und der zweiten dotierten Schicht positioniert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Ladungsschicht eine Vielzahl von dotierten Regionen und eine dotierte Schicht umfasst, die an der Vielzahl von dotierten Regionen überlagert ist, wobei die Vielzahl von dotierten Regionen eine erste Dicke aufweist, und die dotierte Schicht eine zweite Dicke aufweist, die geringer als die erste Dicke ist.