TWI513013B - 降低在光偵測器中訊號損失之方法與裝置 - Google Patents
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Description
本發明描述關於降低光偵測器中光訊號損失之實施例。
光子元件現今整合在與電子電路(諸如CMOS電路)相同之一基板上。用於此整合之基板材料通常是矽(塊狀矽或絕緣體結構上之矽)。許多光子元件可形成於提供於基板上方之一經圖案化矽層中。舉例而言，一波導核心可在一基板上方由矽形成，基板亦可為一矽基板，前提是矽波導核心係被具有低於核心之矽之一折射率之一覆層包圍。二氧化矽通常作為一適當的覆層材料，此係因為相較於矽之約3.45之一折射率，二氧化矽具有約1.45之一折射率。其他材料亦可作為波導核心及覆層材料，前提是在核心之較高折射率與覆層之較低折射率之間存在一足夠差值。
然而，一些光子器件必須由除矽以外但與矽介接之材料形成。一光偵測器，例如具有P區域及N區域(其間具有一本質區域)之一PIN光電二極體，可由用於P區域及N區域之矽及用作本質區域之鍺或矽-鍺材料(對於用於一光偵測器中之矽-鍺材料，鍺莫耳分率應為至少30%)形成。為了本文討論之目的，當討論到矽鍺材料時，將假設其具有至少30%之鍺莫耳分率。鍺或矽-鍺通常較佳用於接收光之一光偵測器中，此係因為其等與矽相比對於大於1.1μm之波長的光更靈
敏。
當鍺或矽-鍺材料形成為與矽接觸時(例如在與PIN二極體之矽P區域或N區域之介面上)，在介面上發生晶格失配缺陷。舉例而言，在鍺至矽介面上，存在4.2%晶格失配。晶格失配形成錯配差排，其在介面上形成電荷捕獲狀態。捕獲狀態可藉由在光偵測器之能帶間隙中產生導致暗電流之產生之能階而干擾光電轉換過程。暗電流降低光偵測器之總訊雜比且降低其對所接收光的光電轉換之回應性。
將需要一種光偵測器結構及製作其之方法，其減輕錯配差排及相應捕獲狀態對光偵測器對光之回應性的影響。
111‧‧‧矽基板
112‧‧‧上表面
113‧‧‧襯墊氧化物
114‧‧‧N阱區域/N阱
115‧‧‧硬遮罩
116‧‧‧開口
117‧‧‧淺溝槽
119‧‧‧氧化物/覆層
120‧‧‧上表面
121‧‧‧波導核心
123‧‧‧氧化物/覆層
125‧‧‧本質區域
126‧‧‧本質區域
127‧‧‧氧化物襯層
129‧‧‧間隔件
132‧‧‧矽栓塞
134‧‧‧PIN光偵測器
135‧‧‧第一上開口部分
137‧‧‧第二下開口部分
138‧‧‧介面
140‧‧‧介面
140a‧‧‧介面
150‧‧‧開口
160‧‧‧導體填充通孔/導電通孔
170‧‧‧光偵測器
190‧‧‧P摻雜歐姆接觸區
192‧‧‧N摻雜歐姆接觸區
196‧‧‧轉變區域
d1
‧‧‧距離
d2
‧‧‧距離
d3
‧‧‧距離
圖1說明本發明之一第一實施例；圖2說明本發明之一第二實施例；圖3說明本發明之一第三實施例；圖4說明本發明之一第四實施例；圖5A、5B、5C、5D、5E說明用於形成圖1實施例之一方法實施例之連續步驟；圖6A、6B、6C說明用於形成圖2實施例之一第二方法實施例之連續步驟；及圖7A及7B各別說明替代實施例。
本文所描述之實施例提供一種光偵測器，其中在(例如)鍺或矽-鍺之一本質區域與一半導體(例如矽)區域之間的介面上之錯配差排及相關聯之電荷捕獲狀態不駐留於與一波導核心相同之平面上，此波導核心係光耦合至光偵測器之本質區域。藉由使介面及相關聯之錯配差排及捕獲狀態移位至低於或高於波導核心之高度之一高度，而將缺陷從一光偵測器之光接收本質區域移除。此降低暗電流且提供經改良之
光偵測器訊雜比。
圖1說明一第一結構實施例，其中一PIN二極體光偵測器134經形成以接收來自一相鄰波導核心121之光。一矽基板111具有形成於其中之淺溝槽隔離區域，其含有氧化物119(例如，二氧化矽)。該淺溝槽隔離區域提供一上表面120，而波導核心121係形成於上表面120之上。該淺溝槽隔離區域可具有至少1μm之一厚度。波導核心121可由具有高於溝槽氧化物119之一折射率之矽形成。氧化物123(例如，二氧化矽)亦提供於側面上及波導核心121上方，使得波導核心121被一覆層氧化物包圍。以此方式，藉由核心121及由氧化物119及氧化物123提供之覆層而形成一光波導。其他材料亦可用於形成核心121及覆層119及123，前提是波導核心121之材料之折射率高於覆層材料之折射率。
矽基板111具有一上表面112，其內凹至上方形成波導核心121之氧化物表面120之高度下方。一襯墊氧化物113係提供於矽基板111之上表面112上。或者，如將在下文中參考用於形成圖1結構之一方法進一步描述，襯墊氧化物113可被省略。PIN光偵測器134之一本質區域125舉例而言是由鍺或矽-鍺形成，且提供於氧化物123之一開口150內，使得該本質區域125之下表面與矽基板111形成一介面140。矽基板111在其上部分上包含一N阱區域114。本質區域125之材料與下方矽N阱114之間的介面140(此處將發生錯配差排)向下移位至氧化物119之上表面120下方，且因此在波導核心121之最低高度下方。矽基板111之上表面112在高度上從氧化物119之上表面120向下移位達約1埃至約10奈米之範圍內之一距離d1
。因此，介面140被放置在接收來自波導核心121之光的本質區域125之範圍下方，且暗電流被降低。本質材料125之上表面亦在開口150內內凹且一P摻雜矽層在其中形成為一矽栓塞132。本質材料125與矽栓塞132之介面138在高度上相對於波導核心
121之上表面向上移位亦達從約1埃至約10奈米之範圍內之一距離d3
，以降低該介面上之介面捕獲狀態對接收自波導核心121之光子之影響。
圖1亦顯示在N阱114中之一更重N摻雜歐姆接觸區192，其用於與提供與N阱114之電連接之一導體填充通孔160連接。同樣地，比矽栓塞132更重P摻雜之一歐姆接觸區190提供在矽栓塞132內用於製作至矽栓塞132之電接觸。
如圖1中所示，波導核心從PIN二極體光偵測器134稍微側向隔開，使得波導核心121至本質材料125之耦合係藉由消散波耦合。在操作中，由本質材料125從核心121接收之光子被轉換成電子及電洞，其等各自流至N阱114及P型矽栓塞132，其中本質材料125與N阱114及矽栓塞132之介面上之捕獲狀態對光子轉換影響甚微。
圖2繪示另一實施例，其中光偵測器170之本質區域126與N阱區域114之介面140a位移至氧化物119之上表面下方，且因此在波導核心121之最低高度下方。在此實施例中，係藉由提供於氧化物123中之一第一上開口部分135及其下方提供於N阱114內之一第二下開口部分137而提供一高深寬比(深度除以寬度)結構。上開口部分135及下開口部分137之側壁內襯氧化物襯層127，其亦可在波導覆層氧化物123上方延伸。氧化物襯層127不存在於下開口部分137之底部上。上開口部分135及下開口部分137填充一本質材料(例如，鍺或矽-鍺)以形成光偵測器170之本質區域126。本質材料可為N型或P型，且具有小於1E15
cm-3
之一低摻雜濃度。舉例而言，本質材料可係具有小於1E15
cm-3
之一摻雜濃度之一N型。在開口部分137之底部上之矽基板111之本質區域126與N阱區域114之介面再次位移至淺溝槽氧化物119之上表面下方達約1埃至約10奈米的範圍內之一距離d2
，且因此在波導核心121之最低高度下方。上開口部分137內之本質材料區域126之上表面係內
凹，且一P摻雜矽栓塞132係形成在凹部中。本質區域126與P摻雜矽栓塞132之介面138亦位移至波導核心121之上表面上方達約1埃至約10奈米之範圍內之一距離d3
，以降低該介面上之捕獲狀態下之暗電流。
圖2實施例亦具有從本質區域126側向隔開之波導核心121，且將其等之間的消散波耦合用於從核心121至本質區域126之光訊號傳送。
圖2實施例亦包含延伸穿過氧化物123及氧化物襯層127至N阱114之一導電通孔160，及N阱中用於提供至N阱114之良好歐姆接觸之一更重摻雜N區域192。矽栓塞132亦包含一更重摻雜P區域190，其用於提供至矽栓塞132之良好歐姆接觸。
圖1及圖2實施例顯示波導核心121與光偵測器134(圖1)或光偵測器170(圖2)之間之一側向間隔及消散波耦合。然而，如各別圖3及圖4中所示，圖1及圖2可經修改，以藉由使波導核心121抵靠光偵測器134(圖1)或光偵測器170(圖2)之本質區域對接，而獲得波導核心121至光偵測器之一對接耦合。在圖4中，對接耦合具有波導核心121與光偵測器170之間之一中介氧化物襯層127。當中介氧化物厚度是入射光之波長(當在真空中量測時)的四分之一除以氧化物之折射率時，從波導核心121至光偵測器170之傳輸將會最大化，而有效形成四分之一波塗層。
現將參考圖5A至圖5E描述製作圖1結構之一方法之一實例。除了將波導核心121及光偵測器134抵靠彼此定位外，可使用相同方法製作圖2結構。
圖5A繪示一矽基板111，其上方藉由(例如)熱生長或藉由沈積技術而形成一襯墊氧化物113(例如，二氧化矽)。一硬遮罩115係沈積於襯墊氧化物113上方，且藉由(例如)選擇性蝕刻而被圖案化，以提供至襯墊氧化物113之一開口116。該硬遮罩可由不同材料形成，例如氮化矽、氮化矽與矽氧化物之一組合，或將容許選擇性蝕刻襯墊氧化物
113及矽基板111而不亦蝕刻硬遮罩115之其他硬遮罩材料。
如圖5B中所示，接著將經圖案化之硬遮罩115作為蝕刻遮罩使用，且使用已知蝕刻技術蝕刻襯墊氧化物113及下方矽基板111兩者，以形成一淺溝槽117。如圖5C中所示，溝槽117係填充有氧化物119(例如，二氧化矽)，其隨後經平坦化至硬遮罩115之上方高度。淺溝槽可具有至少1μm之一深度。
接著，如圖5D中所示，使用已知技術移除硬遮罩115，且一波導核心材料(例如矽)係沈積於氧化物119上方且經圖案化以形成一波導核心121。襯墊氧化物113亦可選擇性地在此時被移除，或可如圖5D中所示保留於適當位置。此外，一N型阱114藉由摻雜劑植入而形成在矽基板111中。若襯墊氧化物113未移除，則此植入摻雜穿透襯墊氧化物113而發生。如圖5D中所示，上表面N阱114現在高度上相對於氧化物119之上表面120及波導核心121之下表面之高度向下位移達一距離d1
。此距離d1
的量係由硬遮罩115之厚度決定，其等兩者可在約1埃至約10奈米之範圍內。
接著，如圖5E中所示，一氧化物123(例如，二氧化矽)係沈積於矽基板111及波導核心121上方，且經選擇性蝕刻以形成一開口150，此開口150中將形成一光偵測器134。光偵測器134藉由一本質材料125(例如，鍺或矽鍺)之磊晶生長而形成在開口150內，直到生長到達氧化物123之上表面。該磊晶生長經平坦化至氧化物123之上表面。在此之後，本質材料125在開口150內經回蝕，以在開口150中形成一凹部。接著一矽層係沈積在基板及氧化物123上方，且經平坦化至氧化物123之高度，以用一矽栓塞132填充該凹部。矽栓塞132是以一P型摻雜劑予以摻雜，且連同本質區域125及N阱114形成PIN二極體結構，作為光偵測器134。
本質區域125與N阱114之介面140以及本質區域125與P型矽栓塞
132之介面138兩者各自在高度上遠離波導核心121之下表面及上表面移位達距離d1
及d3
，使得介面上之捕獲狀態自光轉換發生處之本質材料125內之區域移開。如所示，介面138相對於波導核心121之較低高度降低的量係由硬遮罩115之厚度設定，所以可藉由控制硬遮罩115之製造厚度而容易地獲得一所需高度偏移。本質區域125與矽栓塞132之間的介面從波導核心121之上表面向上移位之量是由氧化物123之厚度及藉由回蝕本質材料125而形成之開口150中之凹部之深度決定，且可經選擇以亦產生介面相對於波導核心121之上表面的一向上移位，其具有一距離d3
。
圖5E亦顯示在矽栓塞132中形成歐姆接觸區190及在N阱114中形成歐姆接觸區192。歐姆接觸區190比矽栓塞132經更重之P摻雜，而歐姆接觸區192比N阱114經更重之N摻雜。一導電通孔160亦形成為與歐姆接觸區192連接。作為一替代，矽栓塞132可經足夠高地摻雜，以提供一歐姆接觸，且接觸區190可為矽栓塞132之自對準矽化區(salicided area)。
圖6A至圖6C繪示用於形成圖2結構之一例示性方法。該方法遵循圖5A至圖5D中之製程。在形成圖5D中之結構且在矽基板111中形成N阱114之後，移除或視需要保留襯墊氧化物113，且在波導核心121及矽基板111上方形成氧化物(例如，二氧化矽)層123。圖6A至圖6C顯示氧化物襯墊113被移除。接著，在將形成光偵測器170之區域上，在氧化物123中向下蝕刻一開口150至矽基板111內之N阱114之表面112。此形成一上開口部分135。在開口部分135之側壁上及在氧化物層123之表面上形成氧化物(例如，二氧化矽)襯層127。在此之後，在上開口135之側壁上的氧化物襯層127上方形成(例如)氮化矽之一間隔件129。接著，如圖6B中所示，使用間隔件129作為蝕刻遮罩以蝕刻氧化物襯層127之底部及N阱114，以形成一下開口部分137。上開口部
分135比下開口部分137寬(例如)達十倍。接著，將間隔件129從第一上開口部分135移除，且在此之後，藉由熱生長或沈積使下部分137之側壁上的N阱所暴露之表面內襯有氧化物134(例如，二氧化矽)。接著，在第二下開口部分137之底部上各向異性蝕刻氧化物襯層134，以暴露N阱114。接著用本質材料126(例如，鍺或矽-鍺)填充開口(上部分135及下部分137兩者)。本質材料126與N阱114之介面140a處於遠在波導核心121之最低高度下方之一距離d2
處，使得介面140a上之捕獲狀態產生降低之暗電流，其將改良光偵測器170之訊雜比。如參考圖2所示，距離d2
在1埃至10nm之範圍內。
開口150內之本質材料135經回蝕，以使其上表面內凹，且矽經沈積及P型摻雜且平坦化至氧化物襯層127之高度。矽栓塞132與本質材料126之間的介面138相對於波導核心121之頂部表面向上移位達約1埃至約10nm之範圍內之一距離d3
。藉由使一歐姆接觸區190比矽栓塞132之其餘部分更重P摻雜而在矽栓塞132中形成該歐姆接觸區190。或者，矽栓塞132可經足夠高地摻雜，以提供一歐姆接觸且接觸區190可為矽栓塞132之自對準矽化區。同樣地，比N阱114更重N摻雜之一歐姆接觸區192形成在N阱114中。一導電通孔形成在氧化物123中且與歐姆接觸區192連接。
圖3及圖4中繪示之其中波導核心121鄰接光偵測器134或170之結構可藉由用於形成圖1及圖2之結構之相同方法而形成，除了所形成之光偵測器134及170及波導核心121之位置係使得其等抵靠彼此對接外。
應理解，雖然在不同實施例中，一PIN結構被繪示為矽栓塞132形成P區域且基板111中之N阱114形成N區域，但此等區域之導電性摻雜可顛倒，使得PIN光偵測器形成有基板111中之一N型矽栓塞132及一P阱114。同樣地，雖然在所繪示之實施例中顯示一PIN二極體結
構，但一光偵測器內之不同結晶結構之間之一介面相對於一波導核心之位移亦可應用至其他二極體結構。
圖7A及圖7B各別以一簡化形式顯示形成本質區域125(圖1)或本質區域126(圖2)之一替代結構及方法。當本質材料(例如，鍺或矽-鍺)之磊晶生長開始時，初始生長可摻雜為與形成一轉變區域196之矽基板111中之經摻雜阱相同的導電性。因此，隨著鍺或矽鍺本質區域125或126開始形成，其可在N阱114提供在矽基板111中時N摻雜。本質材料之此N摻雜轉變區域196改良光偵測器134或170之靈敏度。亦可藉由形成在磊晶生長期間轉變為本質區域材料(例如，鍺或矽-鍺)之經摻雜矽之N摻雜轉變區域196而獲得經改良之靈敏度。
雖然揭示不同結構及方法實施例，但此等不限制本發明，此係因為可進行不脫離本發明之精神或範疇之修改。因此，本發明不受限於圖式或前文描述，但僅受限於本文隨附之申請專利範圍之範疇。
111‧‧‧矽基板
112‧‧‧上表面
113‧‧‧襯墊氧化物
114‧‧‧N阱區域/N阱
119‧‧‧氧化物/覆層
120‧‧‧上表面
121‧‧‧波導核心
123‧‧‧氧化物/覆層
125‧‧‧本質區域
132‧‧‧矽栓塞
134‧‧‧PIN光偵測器
138‧‧‧介面
140‧‧‧介面
150‧‧‧開口
160‧‧‧導體填充通孔/導電通孔
190‧‧‧P摻雜歐姆接觸區
192‧‧‧N摻雜歐姆接觸區
d1
‧‧‧距離
d3
‧‧‧距離
Claims (44)
- 一種光子結構，其包括：一光偵測器，其具有在一光接收區域與一第一半導體區域之間的一第一介面，該第一介面具有在該光接收區域與該第一半導體區域之間的一晶格失配；及一波導核心，其用於在從該介面移位之該光接收區域內之一位置上供應光訊號至該光接收光偵測器。
- 如請求項1之光子結構，其中該光接收區域內之該位置在高度上從該介面位移。
- 如請求項2之光子結構，其中該光接收區域包括一本質區域且該第一半導體區域具有一第一類型之導電性。
- 如請求項3之光子結構，其中該半導體區域係一基板之一部分，該光子結構進一步包括：一隔離區域，其形成於該基板上且具有一上表面，該上表面位於比該基板之一上表面高之一高度位準，該波導核心位於該隔離區域之該上表面上，且該第一介面位於該基板之該上表面上。
- 如請求項4之光子結構，其中該隔離區域係至少部分形成於該基板內之一溝槽隔離區域。
- 如請求項4之光子結構，其中該第一半導體區域係該半導體基板中之一阱。
- 如請求項4之光子結構，其中該光偵測器進一步包括一第二半導體區域及在該本質區域與該第二半導體區域之間之一第二介面，該第二半導體區域具有一第二類型之導電性。
- 如請求項7之光子結構，其中該第一類型之導電性係N型且該第 二類型之導電性係P型。
- 如請求項7之光子結構，其中該第一半導體區域及該第二半導體區域包括矽。
- 如請求項9之光子結構，其中該波導核心包括矽。
- 如請求項9之光子結構，其中該本質區域包括鍺及矽-鍺之一者，其中在該矽鍺中之鍺的莫耳分率包括至少30%。
- 如請求項7之光子結構，其中該本質區域於在高度上從該第二介面位移之一位置上接收來自該波導之光。
- 如請求項4之光子結構，其中該隔離區域之該上表面在高度上從該基板之該上表面位移達約1埃至約10nm之範圍內之一距離。
- 如請求項7之光子結構，其中該第二介面在高度上從該波導核心之一上表面位移達約1埃至約10nm之範圍內之一距離。
- 如請求項5之光子結構，其中該溝槽隔離區域係具有至少1μm之一厚度之一淺溝槽隔離區域。
- 如請求項7之光子結構，其進一步包括提供於該波導核心及該基板上方之一氧化物層，該光偵測器本質區域形成於該氧化物層之一開口中，該第二半導體區域形成於該本質區域上方之該開口中。
- 如請求項3之光子結構，其中該波導核心消散波耦合至該本質區域。
- 如請求項3之光子結構，其中該波導核心對接耦合至該本質區域。
- 如請求項16之光子結構，其中該開口具有一上部分及一下部分，該上部分比該下部分寬。
- 如請求項19之光子結構，其中該上部分及該下部分之側壁具有一氧化物襯層。
- 如請求項19之光子結構，其中該下部分延伸至該第一半導體區域中。
- 如請求項7之光子結構，其中該本質區域進一步包括鄰近該第一半導體區域之一轉變區域。
- 一種形成一光子結構之方法，其包括：在一半導體基板上形成一介電區，使得該介電區之一上表面處於比該半導體基板之一上表面高之一高度上；在該介電區之該上表面上形成一波導核心；及在該半導體基板之該上表面上形成一光偵測器材料，藉此該光偵測器材料與半導體基板之一介面處於比該波導核心之一下表面低之一高度上。
- 如請求項23之方法，藉此該光偵測器材料形成一PIN光偵測器之一本質區域。
- 如請求項24之方法，其進一步包括在形成該光偵測器材料之前在該波導核心及該基板上方形成介電材料，且在該介電材料中之至該基板之一開口中形成該光偵測器材料。
- 如請求項24之方法，其中該波導核心及該PIN光偵測器形成在提供其等之間的消散波耦合之位置上。
- 如請求項24之方法，其中該波導核心及該PIN光偵測器形成在提供其等之間的一對接耦合之位置上。
- 如請求項23之方法，其中該介電區包括一氧化物填充之一淺溝槽隔離區。
- 如請求項25之方法，其中該介電材料包括一氧化物材料。
- 如請求項24之方法，其中該光偵測器材料包括鍺及矽-鍺材料之一者，其中鍺之莫耳分率包括該矽-鍺材料之至少30%。
- 如請求項23之方法，其中該半導體基板及該波導核心包括矽。
- 如請求項25之方法，其中該開口具有延伸至該基板表面之一上方較寬部分及延伸至該基板中之一下方較窄部分。
- 如請求項23之方法，其中該波導核心之該下方高度在高度上從該半導體基板之該上表面向上位移達約1埃至約10nm之範圍內之一距離。
- 如請求項24之方法，其進一步包括形成與該本質區域之一側接觸之一半導體區域，該側與該本質區域接觸該半導體基板之一側相對。
- 如請求項34之方法，其中該本質區域與該半導體區域之間的一介面在高度上從該波導核心之一上表面向上位移達約1埃至約10nm之範圍內之一距離。
- 一種形成一光子結構之方法，其包括：在一基板上方形成一氧化物材料；在該氧化物材料之一部分上方形成一硬遮罩材料；在未形成該硬遮罩之區域中蝕刻該氧化物材料及該基板；使該等經蝕刻區域填充一第一介電質至該硬遮罩之一上表面之高度；移除該硬遮罩；在該第一介電質上方形成一波導核心；在該波導核心及該基板上方形成一第二介電質；在該第二介電質中形成一開口至少至該基板表面；及在該開口中形成一光偵測器材料，藉此該光偵測器材料之該下表面處於比該波導核心之該下表面低之一高度上。
- 如請求項36之方法，其中該第二介電材料包括二氧化矽。
- 如請求項36之方法，其中該硬遮罩材料包括氮化矽。
- 如請求項36之方法，其中該第一介電質包括二氧化矽。
- 如請求項36之方法，其中該波導核心包括矽。
- 如請求項36之方法，其中該光偵測器材料形成一光偵測器之一本質區域。
- 如請求項41之方法，其中該光偵測器材料包括鍺及矽-鍺之一者，其中鍺之莫耳分率包括該矽鍺之至少30%。
- 如請求項36之方法，其進一步包括在該所形成之光偵測器材料上方之該開口中形成一凹部，及在該凹部中形成與該光偵測器材料接觸之一半導體材料。
- 如請求項36之方法，其中形成該開口至少至該基板表面包括：形成一上開口部分至該基板之一上表面；在該上開口部分之側壁上形成一襯層；在該襯層上方形成一間隔件；使用該間隔件作為一遮罩蝕刻該開口之一下部分至該基板中；移除該間隔件；使該開口之該下部分之該等側壁內襯一氧化物；及用該光偵測器材料填充該開口之該上部分及該下部分。
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