TWI568001B - 鍺光偵測器 - Google Patents

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TWI568001B
TWI568001B TW104129493A TW104129493A TWI568001B TW I568001 B TWI568001 B TW I568001B TW 104129493 A TW104129493 A TW 104129493A TW 104129493 A TW104129493 A TW 104129493A TW I568001 B TWI568001 B TW I568001B
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索羅門 艾薩發
金知煥
朴鎮宏
尤利A 維拉索夫
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萬國商業機器公司
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    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
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Description

鍺光偵測器 【交互參照相關應用】
此應用主張2010年7月2日所申請的美國專利臨時申請案編號61/361,034之權益。
本發明與光偵測器相關。
光偵測器係暴露於光源時會輸出電流的元件。先前的MSM(metal-semiconductor-metal,金屬-半導體-金屬)接面光偵測器包括本質(intrinsic)Ge(鍺)層和一對電極。
根據本發明之一個具體實施例,一種形成光偵測器元件的方法包括在基板上形成絕緣層、在該絕緣層和該基板之一部分上形成Ge(鍺)層、在該Ge層上形成第二絕緣層、在該Ge層中植入n型離子、圖案化該n型Ge層、在該第二絕緣層和該第一絕緣層之一部分上形成覆蓋絕緣層、加熱該元件以結晶該n型Ge層產生單晶n型Ge層,以及形成電連接至該單晶n型Ge層的電極。
根據本發明之另一具體實施例,一種形成光偵測器元件的方法包括在基板上形成絕緣層、在該絕緣層和該基板之一 部分上形成Ge(鍺)層、在該Ge層上形成第二絕緣層、圖案化該Ge層、在該第二絕緣層和該第一絕緣層之一部分上形成覆蓋絕緣層、加熱該元件以結晶該Ge層產生單晶Ge層、在該單晶Ge層中植入n型離子、加熱該元件以活化在該單晶Ge層中的n型離子,以及形成電連接至該單晶n型Ge層的電極。
根據本發明之不同的另一具體實施例,一種形成光偵測器元件的方法包括在基板上以磊晶方式形成單晶n型Ge層、在該單晶n型Ge層上形成第一絕緣層、圖案化該單晶n型Ge層,以及形成電連接至該單晶n型Ge層的電極。
根據本發明之又不同的另一具體實施例,一種形成光偵測器元件的方法包括在基板上以磊晶方式形成單晶Ge層、在該單晶Ge層上形成第一絕緣層、在該單晶Ge層中植入n型離子以形成單晶n型Ge層、活化在該單晶Ge層中的該等n型離子,以及形成電連接至該單晶n型Ge層的電極。
根據本發明之又不同的另一具體實施例,光偵測器元件包含一基板、成長在該基板上的一單晶n型摻雜Ge(鍺)層、沉積在該單晶n型摻雜Ge層上的一絕緣層,以及電連接至該單晶n型摻雜Ge(鍺)層的一對電極。
更多的特徵和優勢係經由本發明之該等技術實現。本發明之其他具體實施例和態樣在此詳細說明並被視為所主張發明之一部分。為了更佳了解本發明之該等優勢和該等特徵,參照該說明和該等圖式。
100‧‧‧基板
102‧‧‧絕緣層
104‧‧‧Ge(鍺)層
106‧‧‧絕緣層
202‧‧‧n型Ge材料
302‧‧‧絕緣覆蓋層
402‧‧‧單晶n型Ge材料
502‧‧‧鍺化物區域
504‧‧‧電極
600‧‧‧基板
602‧‧‧絕緣層
604‧‧‧Ge層
606‧‧‧絕緣覆蓋層
702‧‧‧單晶Ge材料
902‧‧‧單晶n型Ge材料
1002‧‧‧鍺化物區域
1004‧‧‧電極材料
1100‧‧‧基板
1102‧‧‧單晶n型Ge材料
1104‧‧‧絕緣覆蓋層
1202‧‧‧鍺化物區域
1204‧‧‧電極材料
1300‧‧‧基板
1302‧‧‧單晶Ge材料
1402‧‧‧單晶n型Ge材料
1404‧‧‧絕緣層
1502‧‧‧鍺化物區域
視為本發明的該標的尤其係在本說明書之結論的申請專利範圍中指出並清楚主張。本發明之該等前述和其他特徵 以及優勢,從與該等所附圖式相關的以下詳細說明顯而易見,其中:圖1至圖5例示形成光偵測器的示例性方法之側視剖面圖。
圖6至圖10例示形成光偵測器元件的另一示例性方法之側視剖面圖。
圖11至圖12例示形成光偵測器元件的不同的另一示例性方法之側視剖面圖。
圖13至圖15例示形成光偵測器元件的又不同的另一示例性方法之側視剖面圖。
圖16例示區塊圖,其包括類似於在以上圖1至圖5中所說明的該方法之形成元件的示例性方法。
圖17例示區塊圖,其包括類似於在以上圖6至圖10中所說明的該方法之形成元件的示例性方法。
圖18例示區塊圖,其包括類似於在以上圖11至圖12中所說明的該方法之形成元件的示例性方法。
圖19例示區塊圖,其包括類似於在以上圖13至圖15中所說明的該方法之形成元件的示例性方法。
前述光偵測器可能已包括一層本質鍺。該本質鍺在該光偵測器中產生增加該光偵測器之頻寬的高電場。在該本質鍺中的缺陷產生作為p型摻雜物質的本質鍺(有大約1014cm-3之p型材料)。本質鍺之此特性產生有低孔阻隔層作為電洞的該元件之大多數載子,其對MSM元件產生不欲求的高暗電流。對元件而言係欲包括有低濃度之n型摻雜(高於1014cm-3)的n型鍺。該 低濃度之n型摻雜允許增加該元件之頻寬的高電場。以下所說明的該等方法產生低濃度n型摻雜的鍺,其改變該大多數載子為有高電子阻隔層的電子並減少該元件之暗電流。在該元件中最佳化鍺化物之形成亦可減少暗電流。
圖1至圖5例示形成光偵測器元件的示例性方法之側視剖面圖。參照圖1,絕緣層102諸如舉例來說氧化物或氮化物材料係在基板100上圖案化。該基板可包括舉例來說單晶矽材料諸如Si(矽)、SiGe,且可形成如矽波導。Ge(鍺)層104係在該絕緣層102和該基板100之該暴露的部分上形成。該Ge層104可包括舉例來說非晶Ge或多晶鍺(poly-germanium),其任一者可能係舉例來說本質、p型或相對(counter)摻雜的。該Ge層104可藉由舉例來說化學氣相沉積(chemical vapor deposition)製程、物理氣相沉積(physical vapor deposition)製程或電漿輔助化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition)製程而形成。絕緣層106係在該Ge層104上形成。該絕緣層106可包括舉例來說氮化矽或氧化矽材料。
圖2例示在使用舉例來說暴露該絕緣層102之部分的乾蝕刻製程圖案化和蝕刻(圖1之)該絕緣層106和Ge層104之部分後該所產生的結構。該Ge層104已植入n型離子諸如舉例來說P(磷)、As(砷)或Sb(銻)產生n型Ge材料202。該n型Ge材料202可在形成該Ge層104後藉由植入而形成。
圖3例示在(圖2之)該絕緣層106和該絕緣層102之該等暴露的部分上方形成絕緣覆蓋層302後該所產生的結構。該絕緣覆蓋層302可包括舉例來說氧化矽或氮化矽材料,其可藉由舉例來說LPCVD(low pressure chemical vapor deposition,低壓化學氣相沉積)製程或PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition,電漿輔助化學氣相沉積)製程而形成。
圖4例示在加熱該元件使得在(圖4之)該n型Ge材料202中的該等n型離子活化且該n型Ge材料202結晶成單晶n型Ge材料402的RMG(rapid melting growth,快速熔融成長)製程後該所產生的結構。該RMG製程包括舉例來說短時間(例如少於1秒)加熱該n型Ge材料202到至少該n型Ge材料202之熔點(937℃),其熔化該材料202。該加熱製程可包括舉例來說快速熱退火(rapid thermal annealing)或雷射退火製程。當在該材料202中的溫度降低時,當該材料202冷卻並固化時該材料202之結晶方向與該單晶Si基板100之方向對準。在另外的具體實施例中,該n型Ge材料202可在該磊晶成長(epitaxial growth)製程期間藉由該等n型離子之磊晶成長和原位摻雜(in-situ doping)而形成。
圖5例示在藉由舉例來說非等向性蝕刻(anisotropic etching)製程圖案化並去除該絕緣覆蓋層302之區域後該所產生的結構,以形成暴露該單晶n型Ge材料402之部分的空腔。鍺化物區域502係在該單晶n型Ge材料402之該等暴露的部分中形成。該等鍺化物區域502係藉由在該單晶n型Ge材料402之該等暴露的部分上形成金屬層並加熱該元件使得金屬擴散進入該單晶n型Ge材料402形成鍺化物而形成。可調整該金屬材料之選擇及用於促進擴散和燒結的溫度以最佳化該元件之特性。舉例來說與Ti(鈦)一起形成的鍺化物可在高於300℃擴散進入Ge並與其一起燒結。用於擴散和燒結的該較高溫度在該元件中產生較高電阻率,因為在低於450℃所形成的Ti鍺化物有較Ti更高的電阻率。不同的材料諸如舉例來說Ni(鎳)、Pd(鈀)、Pt(鉑)、Ta(鉭)、Cu(銅)、W(鎢)、Co(鈷)、Zr(鋯)及Mo(鉬)可在多種 溫度用於形成鍺化物。當形成該鍺化物時藉由選擇用於擴散和燒結的該等材料和溫度,在該元件中的該阻隔層高度和接觸電阻可最佳化以滿足設計規格。一旦該等鍺化物區域502形成,電極504可在該等鍺化物區域502上和在該絕緣覆蓋層302中的該空腔中形成。該等電極504可從舉例來說鈦、銅或金屬合金形成。
圖6至圖10例示形成光偵測器元件的另一例示性方法之側視剖面圖。用於形成圖6之結構的該等材料和方法係類似於以上在圖1中所說明的該等方法和材料。參照圖6,絕緣層602諸如舉例來說氧化物或氮化物材料係在該基板600上圖案化。該基板可包括舉例來說單晶矽材料諸如Si、SiGe,且可形成如矽波導。Ge層604係在該絕緣層602和該基板600之該暴露的部分上形成。絕緣覆蓋層606係在Ge層604和該絕緣層602之該等暴露的部分上方形成。該絕緣覆蓋層606可包括舉例來說氧化矽或氮化矽材料。
圖7例示在使得該Ge層604材料結晶成單晶Ge材料702的RMG製程後該所產生的結構。
圖8例示在藉由舉例來說非等向性蝕刻製程去除部分絕緣覆蓋層606後該所產生的結構。
圖9A例示在植入和活化(圖7之)n型離子產生單晶n型Ge材料902後該所產生的結構。
如以上所討論,在該本質鍺中的缺陷產生作為p型摻雜物質(有大約1014cm-3之p型材料)的該本質鍺。可能需在該單晶本質Ge材料702中植入低濃度之n型離子,其允許該元件有高電場及因此增加的頻寬。然而,若該等n型離子植入不足劑量,則n型離子之濃度將無法勝過(overcome)該等p型離子之濃度。或者,若該n型離子濃度太高,則該元件可能呈現出不欲見 的特性。
植入並活化低濃度之n型離子的示例性方法係由在圖9B中的區塊圖例示。參照圖9B,在區塊901中,低劑量之n型離子諸如舉例來說大約1011cm-2係在(圖7之)該單晶Ge材料702中植入。在區塊903中,該等n型摻雜物係藉由施加熱至該結構而活化。在區塊905中,該結構可由分析元件諸如舉例來說熱探測器測量以判定該元件係n型元件或p型元件。在區塊907中,若該元件係n型元件,則該植入和活化製程結束。若該元件並非n型元件,則該製程在區塊901中重複開始。
圖10例示在圖案化並去除該絕緣覆蓋層606之部分以形成暴露該單晶n型Ge材料902之部分的空腔後該所產生的結構。鍺化物區域1002和電極材料1004係以如以上在圖5中所說明的類似方式形成。
圖11至圖12例示形成光偵測器元件的不同的另一示例性方法之側視剖面圖。參照圖11,單晶n型Ge材料1102係在基板1100上磊晶成長。該基板1100係類似於(圖1之)該基板100。該基板1100可包括舉例來說單晶矽材料諸如Si、SiGe,且可形成如矽波導晶片。該單晶n型Ge材料1102係與該磊晶成長一起原位摻雜。絕緣覆蓋層1104係在該單晶n型Ge材料1102上方形成。該絕緣覆蓋層1104可包括舉例來說氧化矽或氮化矽材料。該絕緣覆蓋層1104和單晶n型Ge材料1102係在該基板1100上圖案化。
圖12例示在圖案化並去除該絕緣層1104之部分以形成暴露該單晶n型Ge材料1102之部分的空腔後該所產生的結構。鍺化物區域1202和電極材料1204係以如以上在圖5中所說明的類似方式形成。
圖13至圖15例示形成光偵測器元件的又不同的另一例示性方法之側視剖面圖。參照圖13,單晶Ge材料1302係在基板1300上磊晶成長。該基板1300係類似於(圖1之)該基板100。
圖14例示在形成在(圖13之)該單晶Ge材料1302上形成的絕緣層1404後所產生的結構。一旦形成該絕緣層1404,n型離子係在該單晶Ge材料1302中植入並活化以形成單晶n型Ge材料1402。該植入和活化製程可包括如以上在圖9B中所說明的類似製程。
圖15例示以如以上在圖5中所說明的類似方式所形成的鍺化物區域1502和電極材料104。
圖16例示包括類似於以上在圖1至圖5中所說明該方法的形成元件的示例性方法1600之區塊圖。就此點而言,在區塊1602中Ge層係如在圖1中所顯示沉積並圖案化。在區塊1604中,n型摻雜係在成長期間原位或經由如在圖2中所顯示的植入任一者而執行。覆蓋層係如在圖3中所顯示在區塊1606中形成。在區塊1608中,該等n型離子之RMG和活化係如在圖4中所例示而執行。鍺化物區域係如在圖5中所例示在區塊1610中形成。在區塊1620中,電極係如在圖5中所顯示在該元件中形成。
圖17例示包括類似於以上在圖6至圖10中所說明該方法的形成元件的示例性方法1700之區塊圖。就此點而言,Ge層係如在圖6中所例示在區塊1702中沉積並圖案化。在區塊1704中,覆蓋層係如在圖6中所例示而形成。在區塊1706中,RMG係如在圖7中所顯示而執行。該覆蓋層係如在圖8中所例示在區塊1708中蝕刻。N型摻雜植入和活化係在區塊1710中執 行並在圖9A中例示。如在圖10中所例示,鍺化物區域係在區塊1712中形成,且電極係在區塊1714中形成。
圖18例示包括類似於以上在圖11至圖12中所說明該方法的形成元件的示例性方法1800之區塊圖。就此點而言,原位n型Ge材料係如在圖11中所例示在區塊1802中磊晶形成。絕緣覆蓋層係如在圖11中所顯示在區塊1804中形成並圖案化。如在圖12中所例示,鍺化物區域係在區塊1806中形成,且電極係在區塊1808中形成。
圖19例示包括類似於以上在圖13至圖15中所說明該方法的形成元件的示例性方法1900之區塊圖。就此點而言,Ge層係如在圖13中所例示在區塊1902中磊晶形成。如在圖14中所例示,絕緣層係在區塊1904中形成,且n型摻雜物係在該Ge層中植入並活化。如在圖15中所例示,該元件係在區塊1906中圖案化、鍺化物區域係在區塊1908中形成,且電極係在區塊1910中形成。
在此所使用的術語僅係用於說明特定具體實施例之用途,其不欲為本發明之限制。如在此所使用,該等單數形「一(a)」、「一(an)」及「該(the)」係欲亦包括該等複數形,除非該上下文明顯另有所指。將更了解該等用語「包含(comprises)」及/或「包含(comprising)」,當在本說明書中使用時,明確說明所述特徵、整體、步驟、操作、要素及/或組件之存在,但並未排除一個或多個其他特徵、整體、步驟、操作、要素部件及/或其群組之存在或附加。
在以下申請專利範圍中的該等對應的結構、材料、行為及所有手段或步驟加功能要素之相等物,係欲包括用於伴隨著如具體所主張的其他所主張要素執行該功能的任何結構、材料 或行為。本發明之說明已為了例示和說明之用途而呈現,但係不欲為全面性或限於本發明所揭示該形式。此領域一般技術者顯然將可察知許多修飾例和變化例而未悖離本發明的範疇與精神。該具體實施例係選擇並說明以最佳解釋本發明和該實際應用之該等原則,且讓此領域一般技術者了解本發明適合於所考慮該特定用途的有各種修飾例之各種具體實施例。
在此所描繪出的該等圖式僅係一個範例。在其中所說明的此圖式或該等步驟(或操作)可能有許多變化例而未悖離本發明的精神。舉例來說,該等步驟可能係以不同的順序執行或步驟可能增加、刪除或修改。所有這些變化例係被視為該所主張發明之一部分。
雖然已說明本發明之較佳具體實施例,但將可了解無論現在或未來熟習此項技術者可做出以下落於申請專利範圍之範疇內的各種改良和強化。這些申請專利範圍應被理解成為首先所說明的本發明維持適當的保護。
100‧‧‧基板
102‧‧‧絕緣層
302‧‧‧絕緣覆蓋層
402‧‧‧單晶n型Ge材料
502‧‧‧鍺化物區域
504‧‧‧電極

Claims (6)

  1. 一種形成光偵測器元件的方法,該方法包括:在一基板上以磊晶方式形成一單晶Ge層;在該單晶Ge層上形成一第一絕緣層;植入n型離子於該單晶Ge層中;活化該單晶Ge層中的該等n型離子以形成一單晶n型Ge層;圖案化該第一絕緣層以顯露出部分的該單晶n型Ge層;於該顯露部分的該單晶n型Ge層中形成鍺化物區域;以及形成電連接至該鍺化物區域的電極。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該方法更包括在該等電極和該單晶n型Ge層之間形成一鍺化物材料,且其中該鍺化物材料係藉由在該單晶n型Ge層之一暴露的部分上沉積一層金屬並加熱該元件以擴散該金屬進入該單晶n型Ge層而形成。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法,其中該層金屬包括鈦,且該元件係在高於300℃的一溫度加熱。
  4. 一種形成光偵測器元件的方法,該方法包括:在一基板上以磊晶方式形成一單晶Ge層;在該單晶Ge層上形成一第一絕緣層;在該單晶Ge層中植入n型離子以形成一單晶n型Ge層;活化在該單晶Ge層中的該等n型離子;以及形成電連接至該單晶n型Ge層的電極。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法,其中該方法更包括在該等電極和該單晶n型Ge層之間形成一鍺化物材料,其中該鍺化物材料係藉由在該 單晶n型Ge層之一暴露的部分上沉積一層金屬並加熱該元件以擴散該金屬進入該單晶n型Ge層中而形成,且其中該層金屬包括鈦,且該元件係在介於300℃和500℃之間的一溫度加熱。
  6. 如申請專利範圍第4項之方法,其中該方法更包括:在該單晶Ge層中的該等n型離子之該活化後判定該元件是否係一n型元件;在該單晶Ge層中植入額外的n型離子,且回應判定該元件係非一n型元件而活化在該單晶Ge層中的該等額外的n型離子。
TW104129493A 2010-07-02 2011-06-30 鍺光偵測器 TWI568001B (zh)

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