JP2021010010A - 短赤外スペクトル領域のためのゲルマニウムベースの焦点面アレイ - Google Patents

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Abstract

【課題】SWIR領域で光を検出するための低コストであり高性能な光検出構造及びそのような構造を製造するための方法を提供する。【解決手段】焦点面アレイ(FPA)を製造する方法は、シリコン(Si)ウエハ内に複数のピラミッドベースの寸法を規定するステップ208と、Siウエハ内に、それぞれのピラミッドベースに結合すると共に、先端が切り取られた頂部を有する複数のSiピラミッドを形成するステップと、複数のSiピラミッドが設けられたSiウエハ上にゲルマニウム(Ge)層を成長させるステップ224と、Ge層をドープするステップと、ドープされたGe層内に、Siピラミッドにおける先端が切り取られた頂部上に複数の分離されたGeダイオードを形成することによって、GeベースのFPAを形成するステップと、を含む。【選択図】図2

Description

発明の詳細な説明
〔関連出願への相互参照〕
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、2018年1月9日に出願された米国仮特許出願第62615198号から優先権の利益を主張する。
〔分野〕
本明細書に開示される実施形態は、一般的に、短波赤外(SWIR)スペクトル領域における焦点面アレイ(FPA)に関し、特に、ゲルマニウム(Ge)検出器に基づいてそのようなFPAを形成するための方法に関する。
〔背景〕
SWIR(一般的に、約1000〜2500nmの間の波長であると定義される)で動作する画像システムは、多くの理由により注目を集めている。例えば、可視領域と比較して、SWIR領域の光は、霧及び粉塵のような極端な天候条件に対して感受性が低い。さらに、SWIRの波長領域は、人間の目には見えない。加えて、眼の安全規制は、SWIR領域における高出力の能動照明源の使用を可能にする。赤外線画像とは異なり、SWIRの画像コントラスト機構が可視領域の画像コントラスト機構に似ており、それゆえに従来の画像認識アルゴリズムの使用を可能にするという事実と合わせて考えると、このような利点は、SWIR領域を画像化目的のための可視領域に対する魅力的な代替手段にする。
SWIR領域における既知のFPAは、通常、InGaAs材料系を用いて製造される。InGaAsベースの(based)FPAの性能膜は魅力的であるが、そのようなFPAのコストは高く、これによって多くの消費者市場の用途ではFPAの使用が妨げられる。
低コストで高性能を提供する、シリコンに基づくSWIR光検出器及びFPA並びに他のIV族材料と、そのようなSWIR光検出器及びFPAを製造する方法と、が必要であり、かつ、有することが有利となる。
〔概要〕
本明細書に開示される実施形態は、SWIR領域で光を検出するための低コストであり高性能な光検出構造及びそのような構造を製造するための方法に関する。
例示的な実施形態では、入射光に対向する(facing)広いピラミッド底部と、狭い(narrower)ピラミッド頂部と、を含むピラミッド形状を有するSiベースと、Siピラミッド頂部上に形成されたGeフォトダイオードと、を備える光検出構造が提供され、Geフォトダイオードは、SWIR領域の光を検出するように動作可能である。
例示的な実施形態では、Geフォトダイオードは、p−n接合部を含む。
例示的な実施形態では、Geフォトダイオードは、p−i−n接合部を含む。
例示的な実施形態では、上記または下記に記載される光検出構造は、ピラミッド底部と入射光との間に配置されるマイクロレンズをさらに備える。
例示的な実施形態では、上記または下記に記載される光検出構造は、ピラミッド底部とマイクロレンズとの間に設置される反射防止層をさらに備える。
例示的な実施形態では、ピラミッド底部は、約10×10マイクロ平方メートル(μm)の正方形である。例示的な実施形態では、ピラミッド底部は、約20×20μmの正方形である。
例示的な実施形態では、ピラミッド頂部は、約1×1μmの正方形である。例示的な実施形態では、ピラミッド頂部は、約1×1μm〜約10×10μmの間の正方形である。
例示的な実施形態では、上記または下記に記載される光検出構造が空間的に繰り返されて、それぞれのSiピラミッド頂部上に形成された複数のGeフォトダイオードを提供し、FPAを形成する。
〔図面の簡単な説明〕
本明細書に開示される実施形態の非限定的な例は、この段落の後に列挙され、本明細書に添付される図面を参照して、以下に記載される。1つ以上の図面に現れる同一の構造、素子または要素は、それらが現れる全ての図面において、概して同一の数字で付記される。図面及び説明は、本明細書に開示される実施形態を明確にすることを意図しており、決して限定されるものと考慮されるべきではない。図面において:
図1は、本明細書に開示されるGeベースの(Ge-based)感光性構造の一実施形態を側面図で概略的に示す。
図2は、本明細書に開示されるGeベースのFPAを製造する方法における主要なステップを概略的に示す。
〔詳細な説明〕
以下の詳細な説明では、完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細が述べられる。しかし、現在開示されている主題は、これらの特定の詳細なしで実施され得ることが、当業者によって理解されるであろう。他の例では、周知の方法は、現在開示されている主題を不明確にしないように、詳細には説明されていない。
明確にするために、別個の実施形態の文脈で説明される、現在開示されている主題の特定の特徴は、単一の実施形態において組み合わせて提供されてもよいことが理解される。反対に、簡略にするために、単一の実施形態の文脈で説明される、現在開示されている主題の様々な特徴は、別個または任意の適切なサブコンビネーションで提供されてもよい。
図1は、本明細書に開示されるGeベースの感光性(PS)構造100の実施形態を側面図で概略的に示す。構造100は、Ge吸収媒体の層102と、集光構造106と、絶縁酸化物112と、導電性コンタクト114と、を備える。Ge吸収媒体の層102は、ドープされたSi基板(ウエハ)104上に成長したものである。集光構造106は、Siウエハ内に一体的に形成されたシリコンピラミッド108を含む。絶縁酸化物112は、隣接するピラミッド108間の間隙を充填する。導電性コンタクト114は、1つ以上のGe光検出器(以下、「Geフォトダイオード」または単に「Geダイオード」とも称する)120を外界に電気的に接続するためのものである。また、図1は、Ge層の結晶成長を支持し、貫通転位(図示せず)を閉じ込めるために、シリコン基板にエッチングされた成長シード116を示す。その閉じ込めは、転位がシードの上のGe層に伝搬することを防止し、それによってGe層の品質を改善する。シードは、成長化学物質に曝されるその底部を除いて、全ての側面で薄い酸化物層118によって保護される。これは、Ge結晶成長がシードの底部から生じることを確実にするために実行される。
より詳細には、各Siピラミッド108は、ウエハ104上に大きなベース「B」を有するように形成される。ベースは、10×10μm以上、例えば20×20μmまでの例示的な寸法を有する正方形を有してもよい。ピラミッド頂部の正方形の形状及び寸法は例示的なものであり、他の形状(例えば、長方形)または寸法も可能である。Geダイオード120(例えば、p−n構造またはp−i−n構造を有する)は、ピラミッドの狭い(narrower)頂部上に形成される。各ピラミッドは、大きなベース(B)に衝突する光を集め、Geダイオードのより小さな寸法に光を閉じ込める。例えば、Geダイオードは、約1μm〜数μm(例えば、約2、3、4、さらには10μm)の横方向の寸法を有する。Ge層の厚さhは、約1μm以上であってもよく、SWIR光の有意な吸収(例えば、1500nmの波長で30%より大きい)が達成されるように選択される。Geダイオードのサイズは、Siピラミッドのベースのサイズに比べて小さいため、吸収媒体の体積に比例する暗電流成分が大幅に低減される。マイクロレンズ110のアレイは、光収集効率をさらに改善するために、任意でピラミッドの下に配置することができる。FPAに衝突する光の反射を低減するために、反射防止層(AR)122を任意で追加することができる。
動作中、光は、SWIR波長領域において透明である各Siピラミッド108を通って伝搬する。光がSiピラミッドの頂部に到達すると、光はGeダイオード120に侵入する。Ge層によって吸収された光は、電子−正孔対を生成し、これらは、逆バイアスの適用下、または、バイアスなしでさえ、既知の方法でダイオード構造によって分離され、光検出を提供する有用な光電流をもたらす。
上部にGeダイオードを有し、酸化物によって囲まれた1つのSiピラミッドを含む構造は、単一の「アクティブピクセル」であると考えることができる。この構造は、FPAの感光性ウエハを形成するアクティブピクセルのアレイを提供するために、空間的に何度も繰り返すことができる。
図2は、本明細書に開示されるGeベースのFPAを製造する方法における主要なステップを概略的に示す。ステップ202では、{100}結晶面方位を有する、好ましくは二重研磨されたシリコンウエハが、出発材料として提供される。ウエハには、後続のリソグラフィプロセスからシリコンの表面を保護する薄い酸化物(〜10nmの酸化物厚さ)が設けられる。ステップ204では、リソグラフィ及びエッチングを実行して、シリコン内にアライメントマスクを規定する。ステップ206では、ピラミッドパターンマスクが、例えば、第1の薄い窒化シリコン層(またはエッチングプロセスのためのマスクとして使用され得る任意の他の層)を、熱成長酸化物の頂部上に堆積することによって規定される。ステップ208では、ピラミッドベースの寸法は、フォトリソグラフィ及び窒化シリコン層のエッチングを用いて規定される(例えば、約10×10μmから約20×20μmまでの正方形として)。シリコンピラミッドは、ステップ210において、水酸化カリウム(KOH)水溶液を用いた異方性エッチングによって、または、反応性イオンエッチング(RIE)によって形成することができ、後者は、RIEパラメータを既知の方法で制御して所望のプロファイル(profile)を提供することによって達成される。ステップ212では、厚い酸化シリコン層が、ピラミッド間の間隙を充填するために堆積される(例えば、プラズマ強化化学蒸着(CVD)を使用して)。この構造は、酸化物がシリコンピラミッドの頂部と平坦になるように、例えば化学機械研磨(CMP)によって平坦化される。ステップ214では、窒化物堆積の第2の薄い層、それに続いて酸化物堆積の第2のステップは、Geダイオードの所望の厚さ(図1におけるh)まで実行される。ステップ216では、第3の薄い窒化物層が酸化物の堆積の後に堆積され、後続のCMPプロセスにおいて選択性を提供する。この第3の窒化物層は、典型的には、第2の窒化物層よりも厚い。ステップ218では、成長シードのパターンが規定される。第1に、第3の窒化物層、酸化物層及び第2の窒化物層を貫通し、シリコン内に下がる(例えば、シリコン内に約1μm)リソグラフィ及びエッチングを実行することによって、シードの構造が生成される。シードの典型的な幅は、数百ナノメートルから約1μmの範囲とすることができる。ステップ220では、第3の窒化物層及びその下の酸化物を除去するためにリソグラフィ及びエッチングを実行することによって、Geダイオードの横方向の寸法が規定される。
次に、シードの側壁は、短酸化ステップ、続いてシードの底部を露出させるRIEを実行することによって保護される。ステップ222では、各ピクセルの第2の窒化物層は、リソグラフィマスクを使用する必要がなく、ウェット化学エッチングによるRIEによって除去される。その結果、第3の窒化物の一部も除去される。しかし、第3の窒化物層は第2の窒化物層よりも厚いため、第3の窒化物層の一部は依然として残り、CMPプロセスのためのストップ層として後に使用される。
ステップ224では、Ge層は、例えば公知のCVDプロセスを用いて成長する(例えば、“Germanium epitaxy on silicon”, Sci. Technol. Adv. Mater. 15 (2014) 024601.を参照)。ステップ226では、Ge層を平坦化するために別のCMPプロセスが実行される。窒化物層が除去され、パッシベーション及びメタライゼーションの準備のために、数マイクロメートルの酸化物が堆積される。ステップ228では、Geダイオードは、ドーピングの標準的なプロセス、例えば、イオン注入または拡散及びドーパントの活性化を用いて、pn接合部またはp−i−n接合部を生成することによって規定される(例えば、“Waveguide-integrated vertical pin photodiodes of Ge fabricated on p+ and n+ Si-on-insulator layers” Japanese Journal of Applied Physics 56, 04CH05 (2017)
for p-i-n, and “High-Performance Ge p-n Photodiode Achieved With Preannealing and Excimer Laser Annealing” IEEE Photonics Technology Letters (Vol. 27, Issue 14, pp. 1485-1488 (2015) for pn.を参照)。
例示的な実施形態では、Ge光検出器の中央領域のドーピングは、n型とすることができ、周囲の高濃度のドープ領域は、p+ドープされる。または、ドーピング極性を逆にすることができ、アズグロウンのバルクGe(as-grown bulk Ge)はp型であり、Geダイオードの周囲はn+ドープされる。ドーピングに続いて、Geダイオードアレイ(すなわち、FPA)を完成させるために、コンタクト画定(contact definition)及びメタライゼーションが実行される。
本開示は、特定の実施形態及び一般的に関連する方法に関して説明されてきたが、実施形態及び方法の変更及び置換は、当業者には明らかであろう。本開示は、本明細書に記載される特定の実施形態によって限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものと理解されるべきである。
特に明記しない限り、選択のための選択肢のリストに係る最後の2つの部材間の「及び/または」という表現の使用は、リストに記載された選択肢のうちの1つ以上の選択が適切であり、行われ得ることを示す。
特許請求の範囲または明細書が「a」または「an」要素に言及する場合、そのような言及は、その要素のうちの1つだけが存在すると解釈されるべきではないことが理解されるべきである。
本明細書において言及される全ての参考文献は、あたかも、それぞれの個々の参考文献が、参考として本明細書に組み込まれるように具体的かつ個別に示されるかのように、その全体が同じ内容で本明細書に参考として組み込まれる。さらに、本出願における参考文献の引用または同一のものは、当該参考文献が本開示に対する先行技術として利用可能であることを認めるものと解釈してはならない。
本明細書に開示されるGeベースの感光性構造の一実施形態を側面図で概略的に示す。 本明細書に開示されるGeベースのFPAを製造する方法における主要なステップを概略的に示す。

Claims (17)

  1. 焦点面アレイ(FPA)を製造する方法であって、
    シリコン(Si)ウエハ内に複数のピラミッドベースの寸法を規定するステップと、
    前記Siウエハ内に、それぞれのピラミッドベースに結合すると共に、先端が切り取られた頂部を有する複数のSiピラミッドを形成するステップと、
    前記複数のSiピラミッドが設けられた前記Siウエハ上にゲルマニウム(Ge)層を成長させるステップと、
    前記Ge層をドープするステップと、
    前記ドープされたGe層内に、前記Siピラミッドにおける先端が切り取られた頂部上に複数の分離されたGeダイオードを形成することによって、GeベースのFPAを形成するステップと、を含む、方法。
  2. 前記複数のピラミッドベースの前記寸法を規定するステップは、フォトリソグラフィと、前記Siウエハの酸化物層の頂部上に堆積された窒化シリコン層のエッチングと、を用いて前記寸法を規定するステップを含む、請求項1に記載の方法。
  3. それぞれのピラミッドベースは、10μmから20μmまでの間の範囲に4つの端部を有する長方形状を有する、請求項2に記載の方法。
  4. 前記複数のSiピラミッドを形成するステップは、水酸化カリウム(KOH)水溶液を用いた異方性エッチングによって前記複数のSiピラミッドを形成するステップを含む、請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 前記複数のSiピラミッドを形成するステップは、反応性イオンエッチング(RIE)を用いて前記複数のSiピラミッドを形成するステップを含む、請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。
  6. 前記Ge層は、吸収媒体である、請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記複数のGeダイオードの横方向の寸法は、1μmから10μmまでの間である、請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記Ge吸収媒体の厚さは、約1μmである、請求項6に記載の方法。
  9. 結晶面方位{100}を有するSiウエハを提供するステップを含む、請求項1から8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記Ge層を成長させるステップは、化学蒸着を用いて前記Ge層を成長させるステップを含む、請求項1から9のいずれか1項に記載の方法。
  11. それぞれのGeダイオードには、pn接合部が形成される、請求項1から10のいずれか1項に記載の方法。
  12. それぞれのGeダイオードには、p−i−n接合部が形成される、請求項1から10のいずれか1項に記載の方法。
  13. 前記Ge層をドープするステップは、イオン注入によって前記Ge層をドープするステップを含む、請求項1から12のいずれか1項に記載の方法。
  14. 前記複数のSiピラミッドを形成するステップに続いて、
    前記Siピラミッド間の間隙を充填するために前記Siウエハ上に厚い酸化シリコン層を堆積するステップと、
    前記酸化シリコンが前記複数のSiピラミッドの頂部に平坦である最上面を有するように、前記Siウエハの最上層を平坦化するステップと、
    前記最上面上に少なくとも1つの窒化物層を堆積するステップと、を実行し、
    前記Ge層を成長させるステップは、前記少なくとも1つの窒化物層を堆積するステップに続く、請求項1から13のいずれか1項に記載の方法。
  15. 前記ドープするステップは、それぞれのGeダイオードの中央領域が、高濃度のドープされたp+型領域に囲まれるn型にドープされるように、前記Ge層をドープするステップを含む、請求項1から14のいずれか1項に記載の方法。
  16. 前記ドープするステップは、それぞれのGeダイオードの中央領域が、高濃度のドープされたn+型領域に囲まれるp型にドープされるように、前記Ge層をドープするステップを含む、請求項1から14のいずれか1項に記載の方法。
  17. 前記Ge層を成長させるステップに先立ち、
    前記複数のシリコンピラミッドのそれぞれのために、少なくともリソグラフィ及びエッチングを用いて成長シードのパターンを規定するステップと、
    前記規定された成長シードのパターンを酸化するステップと、
    前記成長シードのパターンの底部を露出させるための、前記規定され酸化された成長シードのパターンをエッチングするステップと、を含み、
    前記成長させるステップは、前記成長シードのパターン内から開始する前記Ge層を成長させるステップを含む、請求項1から16のいずれか1項に記載の方法。
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