TW531899B - Silicon-on-insulator (SOI) trench photodiode and method of forming same - Google Patents

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Dennis L Rogers
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Description

531899
發明背景 發明領域 般來說本發明與光二極體有關，尤其是與絕緣體上矽 (SOI)光二極體(當其當成|動偵測器使用日寺具有改善的速 度和差動絕緣特性）及其形成方法有關。 相關技藝說明 光二極體偵測器通常運用於積體光電電路内，用來排除 雜訊。由Rogers等人（此後稱為” R〇gers")提出的美國專利申請 案第09/209,433號公佈一種光二極體結構，其用來當成運用 在大型碎區的/衣溝槽内成長的橫向二極體（即是在典型 二極體p -與η -型區域之間放置有輕微掺雜（接近本質）區域 的ρη接合裝置）之偵測器。這種結構就是已知的「大型溝 槽偵測器」。 如圖1 (a)内所示，Rogers所揭示的大型溝槽光二極體偵測 器100由既長又深的溝槽結構11〇陣列所構成，該結構交互形 成p型摻雜物110a與n型摻雜物丨丨〇b，藉此形成橫向piN二極 體結構。如圖1 (b)内所示，此圖表示二極體的一端會連接 到基材，例如p基材的p端子（陽極），如同傳統類比與混合 訊號處理所使用的。 不過，Rogers光二極體在經過一段時間後，連接到基材的 端子會暴露在基材雜訊以及兩二春·之間隨附的低基材阻抗（例 如圖1 (b)内的Rs表示對基材的阻抗，通常是幾丨〇歐姆）。 因此，若此光二極體基材運用圖1 ( b)内所示的差動偵測器 200 ’則基材雜訊會從連接到基材220的二極體端子直接排除 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)
裝 訂 气 531899 A7 B7 五、發明説明（2 ) 到W置放大H21G’並且該基材節點的阻抗並不會與 230其他端子的節點阻抗相同。因此，就在輸人上創造心 平衡的阻抗。如此，此光二極體就可當成單一終端的❹ 器來操作，但是不宜當成差動偵測器。
此光二極體的其他缺點是，它會集結溝槽深度之下(即』 在溝槽電極所佔據的體積之下）產生的光電子（即是津 D120’在此逐漸衰退的電場將載子交換到適當裝置端^ 的速度比溝槽之間載子的產生速度要慢，若是載子只聚漠 在溝槽之間的區域内就會導致較低的頻寬。 、/ 發明概要 裝 因此’本發明的目的就是提供一種⑽溝槽光二極體往 構’其會與光電電路内大型基材絕緣並且在溝槽之下不會 聚集電子，因此就可有效當成單—末端偵測器或是差動伯 η
測器來使用，在光電電路内提供較高的頻寬以及平整的骑 率響應。 μ 在第一領域内，一半導體光二極體（包含基材）將提供形 成於基材上並具有矽層以及絕緣層的晶片、複數個形成於 石夕層内交錯的ρ摻雜溝槽以及11摻雜溝槽。光二極體具有用 於850 nm訊號並且最好等於8至丨5微米的矽外層、大約是 訊號波長1 / 4或用於850 n m光線大約212 n m厚的絕緣層（用 於反射）。該光二極體進一步吾多一組p摻雜溝槽以及3一組 η摻雜溝槽（具有交互指狀並可交〗奐）。這些溝槽也和矽外層 一樣深並且填滿多晶矽。 9 在另一個領域内，光一極體具有形成於石夕層内並圍繞的 -5-
531899 ----- - B7__ 五、發明説明（3 ) … P摻雜與η摻雜溝槽的絕緣溝槽，該溝槽與絕緣層表面的底 部相接鄰（.即是溝槽與矽外層一樣深）。此外，該溝槽會摻 、有Ρ 土或η型掺雜物並且填充多晶石夕或其他導電基材。該 ，槽將光二極體與其他裝置絕緣，如此光二極體就可有= 當成差動偵測器來使用。 +在本發明的其他領域内，上述的SOI光二極體將併入積體 電路内，當成差動偵測器。 在本發明的其他領域内，該絶:緣溝槽並未摻雜其他東 西’而是填入進一步將光二極體絕緣的氧化物。 在本發明的其他領域内，S0I晶片的絕緣層具有可將穿過 夕外層的光線反射回溝槽的介電反射堆疊，藉此增加塑廡 率。 日心 在本發明的其他領域内，光二極體會與入射光束傾斜某 個角度。傾斜會增加進入光二極體的光線路徑長度，而增 加響應率。 在本發明的其他領域内，利用在光二極體的頂端上覆蓋 棱鏡讓入射光折射進入光二極體内，這樣也會增加進入光 二極體的光線路徑長度，而增加響應率。 在本發明的其他領域内，SOI晶片矽外層的表面會經過蝕 刻例如使用KOH，來形成稜鏡或四面體效果，加進入光二 極體的光線路徑長度，而增加·_響^—應率。· 在本發明的其他領域内，SOU曰曰'片上的絕緣層會做的比訊 號光線的1 /4波長還要厚，並用來當成平板波導。光線會 從裝置的邊緣耦合進入絕緣層，並且繞射光柵會將光線往 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 531899 A7 ______B7 五、發明説明（4 ) 上引導進入作用光二極體層内。 在本發明的其他領域内，光二極體裝置並未提供絕緣溝 槽。此特定結構並無法當成差動偵測器，但是可當成高速 單一末端偵測器。 仍舊在本發明的其他領域内，將依照許多具體實施例提 供一種用於形成SOI溝槽光二極體的方法。 運用其獨特並且不明顯的功能，本發明提供一與大型基 材絕緣的高速光二極體，因此就不會感受到由其他電路在 外層内製造的基材電流。此外，本發明的光二極體並不會 在溝槽下聚集載子，因此速度比傳統光二極體快並且對於 低頻有較平整的頻率響應，藉此降低中間符號的干擾。 圖式之簡單說明 從下列參考附圖的本發明較佳具體實施例之說明中，將 會清楚了解到前述與其他目的、領域及優點，其中： 圖1 (a)顯示傳統大型溝槽光二極體的橫向PIN二極體結 構； 圖1(b)顯示傳統光二極體的符號表示圖； 圖2 (a)顯示依照本發明第一具體實施例的光二極體之周 圍溝槽絕緣結構； 圖2(b)顯示依照本發明第一具體實施例的光二極體之符 號表示圖； 、 圖3顯示依照本發明第一具體實施例的.光二極體之周圍 溝槽絕緣結構俯視圖； 圖4顯示依照本發明第一具體實施例具有稜鏡蓋的s〇I溝 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） A7
槽光二極體； 圖5顯示依照本發明第 SOI溝槽光二極體； 一具體實施例具有蝕刻矽外層的 圖6顯示依昭太蘇日日贫 、、、丰發月弟一具體實施例具有用於波導的厚 絕緣層之SOI溝槽光二極體； 一圖7 用於形成依照本發明第一具體實施例观溝槽光 二極體的較佳方法之流程圖；以及 /圖8(a)-8(c)頭不依照用於依照、本發明第一具體實施例 /成SOI溝;^光一極體的車交佳方法來形成的。型與ρ型溝槽。 本發明較佳具體實施例之詳細說明 寺# >閱圖式，圖2 (a)說明依照本發明較佳具體實施 例的SOI溝槽光二極體3〇〇。 瓜來說，如圖2 (a)内所示，依照本發明較佳具體實施 例的溝槽光二極體包含有形成於石夕基材32〇上的s〇i晶片 31〇。包含矽外層的330的晶片31〇最好大約是8微米厚（在 此，接合SOI晶片的頂端作用區域將稱為「外層」），在外 層 < 下是絕緣層340，其最好大約是訊號光波長的丨/4 (例 如，850 nm訊號波長大約是212 11111厚）。矽晶片31〇(例如氧 化矽）上的絕緣層340可為青玉或其他任何上面可與矽接合 或成長的絕緣材料，以其業界内慣用的材料。晶片的其他 尺寸，像是厚度、長度與寬度：财是半導體工業内的標準晶 片尺寸。 ' • SOI晶片310可為接合晶片（即是利用韌化將兩個別矽晶片 的氧化層結合在一起所形成的）或是植入氧的矽（SIM〇x)晶
裝
線 -8· 發明説明（6 片（即疋將氧分子植入絕緣物頂端上數千埃的矽内，然後將 頂端上的碎增厚）。 如圖2 (a)内所示，可在晶片31〇的矽外層33〇内以及偵測器 週邊上形成絕緣溝槽35〇。此絕緣溝槽35〇的深度一般來說都 在3至1 2微米的範圍内，最好是大約8微米深，這是深溝槽 處理的標準並且在850nm(此為短波長光纖連結的標準波長） 上具有合理良好的響應。此絕緣溝槽35〇會圍繞並將光二極 把300纟巴緣，並且只需要足夠寬可提供絕緣效果即可，通常 是 0.1 至 0.5 /Zm 寬。 圖2 (b)顯π本發明光二極體的符號表示圖，並特別指出 絕緣溝槽350將裝置與其他裝置絕緣的效果。此絕緣允許本 發明的光一極體當成光電電路4〇〇内的差動偵測器來使 用。 最好是，所形成的絕緣溝槽350與矽外層33〇 一樣深，換言 之絕緣溝槽的底部就是絕緣層的頂端。這有助於確定由 相鄰於光二極體區域内形成的電子裝置所排除進入外層之 載子並不會到達敏感的光二極體裝置。因此，該裝置較無 法承1來自於石著光偵測器製造的其他電路之雜訊。事實 上，即使絕、緣溝槽並未如外層―樣深，但其絕、緣效果還是 比標準大型溝槽偵測器設計1〇〇的效果還好。 此外、.’巴緣溝槽350的表面將根據所要接合的晶片為p型 或η型來決定是p摻雜或n摻雜。例如，若基材為9型，則絕 緣溝槽350的表面就是n摻雜，並且絕緣溝槽35〇應連接到相 當於vdd以將光二極體絕緣。相反地，對於η型基材而言， 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） m 裝
531899 A7 __ _____B7 五、發明説明（7 絕緣溝槽350的表面就是n摻雜，並且絕緣溝槽35〇應連接到 相當於接地。 如圖3内所示，晶片外層330額外具有一組p型溝槽520和n 型溝槽530，由絕緣溝槽35〇所圍繞。如圖示，兩組溝槽52〇、 530會叉錯並指狀交叉，形成具有ΡΙΝΡΙΝ摻雜的橫向二極 體，其中I為本來的基材摻雜物。溝槽52〇、53〇最好形成大 約8微米的深度以及大約丨/2微米的寬度，矽内85〇 光線 的1 / e及收/衣度大約是1 5微米。如此，對於8微米深度溝槽 而言，大約有4 0 %接觸光二極體偵測器的光線會在溝槽下 產生載子。 另外的520、530最好填入多晶矽，然後金屬物質沉積到與 溝槽頂端上的多晶矽接觸，這允許金屬物質接觸溝槽整個 長度，並且與現有的處理最為相容（請注意，金屬物質應沉 積到其他溝槽520、530來接觸摻雜的半導體，雖然這會降低 溝槽内掺雜多晶矽所呈現的寄生系列阻抗，並增加光二極 體的速度，不過此處理所費不貲，因此在較佳具體實施例 中就使用多晶矽）。 此外，本發明發現到，不使用絕緣溝槽就可形成本發明 的光二極體，如此就不當成差動偵測器來使用，而是當成 向速單一末端偵測器來使用。 更進一步，使用任何可從£常入射角將光線導引或反射 到更傾斜角度（最好是平行於溝槽電極長軸的方向）的方法 都可增加光二極體300的響應。這具有增加可用的光路徑長 度，而不須相當大的電極面積就可產生載子的效果。較大 •10- 531899 A7 B7 發明説明（8 的黾極面積會增加偵測器的電客’相反地會衝擊到電子效 能。 此獨特並且不明顯的設計導致光二極體3〇〇與大型基材32〇 絕緣’因此不會將基材雜訊排除到電路内。此外，本發明 光二極體並不會在溝槽520、530之下聚集載子360，因此速度 比傳統光二極體快。 請注意到，在上面的修改中，絕緣溝槽35〇可保持未摻雜 並此彳疋供比傳統裝置較大的絕緣致果。進一步，氧化物奋 在未摻雜的絕緣溝槽350内成長，如此甚至比掺雜的溝槽還 讓光二極體300具有絕緣效果。 進一步，光二極體300可和入射光束傾斜某個角度。根據 光線平行的程度，路徑長度可增加1 /(cos q)，其中q為傾斜 角度。這會在光二極體的周邊呈現「邊緣」效果，此增加 不甚有效果，但這通常只是整個面積的一小部份。 因此，如圖4内所示的棱鏡蓋610就會固定在完成的光二 極體300的表面上。此蓋會折射正常的入射光62〇(依照Sndl& 則）’建立進入光二極體300的歪斜光路徑630。 再者，本發明使用SOI晶片310的矽外層330蝕刻（例如使用 苛性鉀）成稜鏡710或四面體720(如圖5内所示）來取代棱鏡蓋 610。就向上述提及的稜鏡蓋610，此蝕刻過程建立一個歪斜 的光路徑630，而增加響應。不:過此結構有一個缺點，就是 沒有一個平整的表面供後續處理之用，所以需要額外照顧 以維持表面不產生作用和用於連接到掺雜溝槽的金屬線。 在所有這些組態中，絕緣層340可加強當成背面反射面。 _ -11- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐）
裝 訂
線 五、發明説明（9 ) 這會造成利用反射層在頂端與底部上接合光產生區域，分 別用來當成Bragg反射面或由内不完全反射。因此，光二極 體300的量子效果會逐漸增強但不增加電極電容。 更進一步，如圖6内所示，S0I晶片31〇包含一較厚的絕緣 層340以及一繞射光柵830。尤其是，所形成的絕緣層340可 相當厚（大約1〇微米）以接受來自鼓起韓合光纖8〇5之核芯81〇 的光..泉，或來自光學透鏡系統將光線聚焦進入厚絕緣層 340’如此就會使用絕緣層34〇當成^導來引導光線。在絕緣 層340可用離子植入法或其他方法來形成繞射光橋83〇，該繞 射光柵830將波導内的光線向上繞射到光偵測器3〇〇。此特定 組怨可輕易運用於和矽電路整合的光偵測器陣列内。 圖7為說明形成本發明光二極體3〇〇的較佳方法9〇〇之流程 圖。該方法包含910在基材上形成S〇I晶片。進一步，絕緣溝 槽會使用傳統I虫刻方法I虫刻920到表面並將3QI晶片的周邊變 圓。 然後在SOI晶片内蝕刻p型溝槽93〇，如圖8 (a)内所示。所 形成的溝槽最好是大約8微米深，而寬度則是盡可能符合 蝕刻技術最窄的寬度，通常是〇.5微米寬。 如圖8 (b)内所示’然後溝槽會填入94〇p型多晶石夕。另 外’溝槽的牆壁可利用離子植入法摻雜p型，或是將p型材 料擴散沉積到溝槽内。 之二 然後將P型溝槽填入945導電材'料，當成光二極體的電極 之一。然後利用拋光將晶片的表面平整化950。如圖8((：)内 所示’在步驟960到980内將重複步驟930至950來將η型材料沉 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐） " ---— 531899 A7 ___^__B7 五、發明説明（10 ) 積到外側溝槽，來形成n型溝槽。 然後金屬物質接合990到溝槽頂端上的多晶矽或其他導電 材料。 另外，p型與η型溝槽都會以相同的步驟蝕刻，並使用光 阻來阻擋另一個溝槽。在該案例中，開放的溝槽會如步驟 930至960内使用ρ型材料來進行處理。然後應該去除光阻並 供應第二光阻層來覆蓋已經處理過的溝槽。然後在步驟9⑽ ;至980内於另一組空的溝槽内沉積^製材料。之後將光阻去 除，並若需要時拋光晶片之後，將金屬物質貼到溝槽頂端 上的多晶矽或其他導電材料。在此處理期間，絕緣溝槽35〇 會根據基材是ρ-基材或η+基材來摻雜11型材料或ρ型材料， 如同上述說明的。 另外，絶緣溝槽350可保持未摻雜或空的，或者在絕緣溝 心350的艢壁上形成薄熱氧化物層。任何上述的措施都提供 光二極體300與都為外層内電路足夠的絕緣。 此獨特並且不明顯的特色將本發明光二極體與大型基材 乡巴緣，因此避免光二極體接收到從電路其搭部份排除而來 的基材雜訊。此外，這些功能避免本發明光二極體在溝槽 《下聚集載子，因此速度比傳統光二極體快。再者，如上 所示，若絕緣層的厚度修改成以更傾斜的角度重新引導入 射光線，二椏體的響應會增加，但是裝置的容量則不增 加0 一本發明已藉由較佳具體實施例'做過說明，所以精通此技 蟄的人士就能了解到，在不悖離申請專利範圍的精神與領 域内可對本發明進行修改。 格(21〇Χ297公爱）

Claims (1)

  1. 第090123915號專利申請案 中文申請專利範圍修正本（91年8月） 申請專利範圍 L 一種用於光偵測之半導體裝置，包含： 一基材； 一形成於該基材上的晶片，該晶片具有一矽層與一絕 緣層； 形成於該晶片的該矽層内之複數個交錯的p摻雜溝槽 與η摻雜溝槽；以及 一形成於該交錯的ρ摻雜溝槽與η摻雜溝槽内用於連接 到金屬物質的多晶矽層。 2·如申請專利範圍第i項之半導體裝置，其中該基材包含 jSp 〇 3·如申請專利範圍第丨項之半導體裝置，其中該矽層的厚度 大體上為8微米。 4·如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該半導體裝置 會在平行於該p摻雜溝槽與該η摻雜溝槽的長軸方向内傾 斜一預定角度；以及 其中一光束會引導至該半導體裝置並以比正常入射角 更傾斜的角度反射。 5·如申請專利範圍第：項之半導體裝置，進一步包含： 一覆蓋該矽層用於折射入射光束的稜鏡蓋。 6·如申請專利範圍第丨項之半導體裝置，其中稜鏡或四面體 的功能是在該矽層表面上經過非等向性蝕刻來反射入射 光束。 - 7·如申請專利範圍第1項之半導體裝置，進一步包含： 一形成於該絕緣層内的介電堆疊，用於選擇性將光線 ABCD 申請專利範圍 反射到該交錯的P摻.雜溝槽與n摻雜溝槽（設計用來反射 未吸收的訊號波長之光線），藉此增加結構的量子效率而 不會增加電容。 8.如申請專利範圍第丨項之半導體裝置，進一步包含： 一當成波導的厚絕緣層；以及 一形成於孩絕緣層内的繞射光栅，將訊號波長上的光 線繞射到半導體裝置内。 9-如申請專利範圍第丨項之半導體裝置，進一步包含： 一形成於該晶片的該矽層内並圍繞該複數個交錯的p 摻雜溝槽與η摻雜溝槽之p摻雜或n摻雜絕緣溝槽。 10.如申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該基材包含 石夕。 11·如申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該絕緣溝槽會 讓該半導體裝置與該基材絕緣。 12. 如申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該基材包含一 Ρ型基材，以及 其中孩絕緣溝槽包含一 η摻雜溝槽並且耦合以接收一 預定電壓。 13. 如申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該基材包含一 η型基材，以及 其中1系絕緣溝槽包含一 ρ摻雜溝槽並且耦合以接收一 預定電壓。 -· 14·如申請專利範圍第9項之半導體裝置，進一步包含： 一在該絕緣溝槽表面上成長的氧化矽層。 -2 - 本紙張尺度適财@ g家標準(CNS) Α4規格(21Qχ 297公爱） --
    丁 531899 ABCD 六、申請專利範圍 15.如申請專利範圍第9項之半導體裝置，其巾財層 大體上為8微米。 人 會在平行於該P摻雜溝槽與該n摻雜溝槽的長轴方向内傾 斜一預定角度；以及 ^ 其中-光束會引導至料導體裝置並以比正常入射角 更傾斜的角度反射。 17·如申請專利範圍第9項之半導體裝置，進一步包含： 一覆盖遠碎層用於折射入射光束的稜鏡蓋。 18.如申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中稜鏡或四面體 的..功能是在該矽層表面上經過非等向性蝕刻來反射入射 光束。 19·如申請專利範圍第9項之半導體裝置，進一步包含： 一形成於該絕緣層内的介電堆疊，用於選擇性將光線 反射到遠父錯的P摻雜溝槽與n摻雜溝槽（設計用來反射 未吸收的訊號波長之光線），藉此增加結構的量子效率而 不會增加電容。 20·如申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該矽層的厚度 等於該絕緣溝槽的深度。 21·如申請專利範圍第9項之半導體裝置，進一步包含： 一當成波導的厚絕緣層；以及 形成於違纟e·緣層内的繞射光棚·’將訊號波長上的光 線繞射到半導體裝置内。 22· —種形成用於光偵測之半導體裝置之方法，包含步騾： -3- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 531899 A B c D 六、申請專利範圍 在基材上形成具有一碎層與一絕緣層的晶片； 在該矽層内形成第一組溝槽以及第二組溝槽； 交錯將第一雜質離子植入該第一組溝槽内，以即將第 二雜質離子植入該第二組溝槽内； 用多晶矽和導電材料填入該第一組溝槽與第二組溝槽 内；以及 將金屬物質與該第一組溝槽與該第二組溝槽内的多晶 矽相黏。 23.如申請專利範圍第2 2項之方法，進一步包含： 在該矽層内形成一絕緣溝槽， 其中在該植入期間，該第一雜質離子獲該第二雜質離 子之一會植入該絕緣溝槽内。 -4- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) -___ :s 1 3 5 一 I jmtl
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