TWI807558B - 光偵測器、影像感測器及製造光偵測器之方法 - Google Patents

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Abstract

光偵測器包含具有半導體材料層的基板(諸如含矽層)，以及嵌入於半導體材料層中的鍺基井，其中間隙位於鍺基井的橫向側面以及周圍的半導體材料層之間。鍺基井的橫向側面以及周圍的半導體材料層之間的間隙可以減少井的含鍺材料以及周圍的半導體材料(其可為矽基材料)之間的表面接觸面積。位於鍺基井的橫向側面以及周圍的半導體材料層之間的間隙之形成可以幫助最小化鍺基井中的晶體缺陷(諸如滑移)的形成，從而降低暗電流並改善光偵測器的性能。

Description

光偵測器、影像感測器及製造光偵測器之方法
本揭示內容是關於一種光偵測器、一種影像感測器以及一種製造具有鍺基偵測區域的光偵測器之方法。
能夠感測紅外光，尤其是近波紅外光和短波紅外光中的圖像的影像感測器具有廣泛的應用，包括光通信(光纖和自由空間)、測距和景深映射(depth mapping)(例如，飛行時間(time-of-flight；ToF)、LADAR和LIDAR系統)、非破壞性檢測和檢查、結冰檢測(如在道路和飛機上)和製藥。
本揭示內容提供一種光偵測器，包含基板以及鍺基井。基板包含半導體材料層。鍺基井嵌入於基板的半導體材料層中，其中間隙位於鍺基井的橫向側面以及周圍的半導體材料層之間。
本揭示內容提供一種影像感測器，包含在包含半導 體材料層的基板上的光偵測器的陣列。光偵測器的陣列中的至少一個光偵測器包含鍺基井以及間隙。鍺基井嵌入於基板的半導體材料層中。間隙位於鍺基井的橫向側面以及周圍的半導體材料層之間。
本揭示內容提供一種製造具有鍺基偵測區域的光偵測器之方法，包含以下操作。提供包含半導體材料層的基板。形成溝槽於基板的半導體材料層中。形成鍺基井以填充在基板的半導體材料層中的溝槽。通過蝕刻移除在溝槽的側壁以及鍺基井的橫向側面之間的界面處的材料，以形成在鍺基井的橫向側面以及溝槽的側壁之間的間隙。
7:前側
10:半導體材料層
12:硬遮罩層
17:背側
21:第一導電型半導體材料區域
30:鍺基井
30L:含鍺材料層
340:鈍化矽區
400:蝕刻遮罩
401:間隙
403:橫向側面
404:頂表面
406:底表面
410:擴散區
500:基板
501:區域
503:區域
600:蝕刻遮罩
66:底表面
67:光阻層
68:側壁
69:溝槽
701:層
703:層
800:光偵測器
803:摻雜接觸區域
805:摻雜井
807:摻雜井
810:摻雜井
820:介電材料層
830:介電材料層
840:金屬互連結構
850:金屬互連結構
900:影像感測器
902:載體基板
904:積體電路(IC)
906:互連層
910:濾光層
912:透鏡層
930:感測器層
1900:方法
1901:步驟
1903:步驟
1905:步驟
1907:步驟
A-A’:線
R:半徑
L:長度
W:寬度
當結合隨附圖式進行閱讀時，本揭示內容之態樣將能被充分地理解。應注意，根據業界標準實務，各特徵並非按比例繪製且僅用於圖示目的。事實上，出於論述清晰之目的，可任意增加或減小各特徵之尺寸。
第1圖是根據本揭示內容的各種實施方式，在形成影像感測器期間之示例性的中間結構之垂直截面圖，其中影像感測器包含至少一個鍺基檢測區域，鍺基檢測區域形成於半導體材料基板中的凹槽中。
第2圖是在形成影像感測器期間，在形成硬遮罩層之後的示例性的中間結構之垂直截面圖。
第3圖是在形成影像感測器期間，在硬遮罩層上方形成光阻層之後的示例性的中間結構之垂直截面圖。
第4圖是在形成影像感測器期間，在硬遮罩層上方圖案化光阻層之後的示例性的中間結構之垂直截面圖。
第5圖是在形成影像感測器期間，在蝕刻硬遮罩層之後的示例性的中間結構之垂直截面圖。
第6圖是在形成影像感測器期間，在半導體材料中形成溝槽之後的示例性的中間結構之垂直截面圖。
第7圖是在形成影像感測器期間，在佈植製程之後的示例性的中間結構之垂直截面圖。
第8圖是在形成影像感測器期間，在溝槽和硬遮罩層上方形成鍺基材料之後的示例性的中間結構之垂直截面圖。
第9圖是在形成影像感測器期間，在平坦化製程之後的示例性的中間結構之垂直截面圖。
第10圖是在形成影像感測器期間，垂直地凹陷部分在溝槽中形成的鍺基材料之後以形成鍺基井的示例性的中間結構之垂直截面圖。
第11圖是在形成影像感測器期間，在鍺基井上方形成光阻劑蝕刻遮罩之後的示例性的中間結構之垂直截面圖。
第12A圖是在形成影像感測器期間，在蝕刻間隙之後的示例性的中間結構之垂直截面圖，其間隙在溝槽內形成的鍺基材料以及溝槽的摻雜側壁之間。
第12B圖是根據各種實施方式之在形成影像感測器期間，繪示具有長方體形狀的鍺基井的示例性的中間結構的上視圖。
第12C圖是根據各種實施方式之在形成影像感測器期間，繪示具有圓柱形狀的鍺基井的示例性的中間結構的上視圖。
第13圖是在形成影像感測器期間，在沉積含矽覆蓋材料之後的示例性的中間結構之垂直截面圖。
第14圖繪示第13圖沿線A-A’的第一導電型的摻雜濃度的模擬作圖。
第15圖是根據本揭示內容的各種實施方式，影像感測器之示例性結構之替代配置之垂直截面圖，其中影像感測器包含至少一個鍺基偵測區域，鍺基偵測區域形成於半導體材料基板中的凹槽中。
第16圖繪示沿第15圖的線A-A’的第一導電型的摻雜濃度的模擬圖。
第17圖是根據本揭示內容的各種實施方式，包含鍺基偵測區域的光偵測器之垂直截面圖，其中鍺基偵測區域形成於半導體材料基板中的凹槽中。
第18圖是根據本揭示內容的各種實施方式之影像感測器之垂直截面圖。
第19圖是根據各種實施方式之流程圖，其示出製造具有鍺基偵測區域的光偵測器的一般方法。
以下揭示內容提供許多不同實施方式或實施例，用於實現本揭示內容的不同特徵。以下敘述部件與佈置的特 定實施方式，以簡化本揭示內容。這些當然僅為實施例，並且不是意欲作為限制。舉例而言，在隨後的敘述中，第一特徵在第二特徵上方或在第二特徵上的形成，可包括第一特徵及第二特徵形成為直接接觸的實施方式，亦可包括有另一特徵可形成在第一特徵及第二特徵之間，以使得第一特徵及第二特徵可不直接接觸的實施方式。此外，本揭示內容可能會在不同的實例中重複標號或文字。重複的目的是為了簡化及明確敘述，而非界定所討論之不同實施方式及配置間的關係。
除此之外，空間相對用語如「下面」、「下方」、「低於」、「上面」、「上方」及其他類似的用語，在此是為了方便描述圖中的一個元件或特徵和另一個元件或特徵的關係。空間相對用語除了涵蓋圖中所描繪的方位外，該用語更涵蓋裝置在使用或操作時的其他方位。當該裝置的方位與圖式不同(旋轉90度或在其他方位)時，在本揭示中所使用的空間相對用語同樣可相應地進行解釋。
一般來說，本揭示內容的結構和方法可用於製造鍺基光偵測器和/或結合鍺基光偵測器的陣列之影像感測器。詳細來說，本揭示內容的結構和方法可用於製造形成於矽基板上的鍺基光偵測器，即，矽中覆鍺(germanium-in-silicon；GiS)光偵測器和/或包含GiS光偵測器的陣列的影像感測器。這種光偵測器或影像感測器可為各種感測應用，其提供近紅外(near-infrared；NIR)光譜的高量子效率，包含例如作為用於飛行時間 (Time-of-Flight；ToF)偵測系統的影像感測器。
飛行時間(ToF)偵測系統使用光源和影像感測器，來判斷相機與影像感測器的視野內的一個或多個對象之間的距離。ToF偵測系統可通過使用來自照明單元的人造光照亮場景，檢測從場景中的一個或多個對象反射且在影像感測器處接收到的光。ToF偵測系統可以使用影像感測器收集的圖像數據，來計算影像感測器和場景內的各個點之間的距離。為了計算距離的資訊，系統可以利用直接飛行時間技術，其中系統直接測量光離開照明單元並反射回影像感測器的每個像素所花費的時間。這可以使得能夠用單個光脈衝捕獲完整3D場景的深度資訊。
或者，ToF偵測系統可以利用間接飛行時間測量技術，諸如相位檢測技術，其中從照明源發出的光被周期性的參考信號調節，並且影像感測器可以檢測反射光中的參考信號的相位移以確定距離資訊。
與掃描範圍成像系統(諸如LIDAR)不同，ToF偵測系統能夠在單次拍攝中從場景中獲取深度資訊。ToF系統還可以在相對較高的頻率下運行，使其非常適合即時測距(real-time range finding)和景深映射(depth mapping)應用。
ToF偵測系統通常利用紅外(infrared；IR)光，其可能對來自可見範圍內的環境光的干擾不太敏感。此外，由於IR光對人眼不可見，因此使用IR光可能會使ToF檢測系統對人類無干擾。IR光的使用可能會影響ToF系 統中使用的影像感測器的類型。舉例來說，影像感測器的光偵測器可以由對IR輻射具有相對高量子效率的半導體材料製成。與其他候選材料(諸如矽)相比，由於鍺基光偵測器在紅外光譜中具有高量子效率，因此，鍺基光偵測器已被用於IR輻射檢測。
鍺基光偵測器經常形成在由不同的半導體材料(諸如矽)製成的基板上或基板內。這可以使具有鍺基光偵測器的影像感測器能夠使用通常用於製造矽基半導體元件的低成本、完善的製造技術來製造。傳統的鍺基光偵測器依賴形成在半導體基板上方的鍺層(單層或多層)。然而，這種配置可能會限制可以整合到元件中的鍺層的數量，這可能會降低元件解析度和/或增加元件尺寸和復雜性。可以解決這些問題的替代技術是將鍺基偵測區域直接嵌入到半導體基板中。
然而，光偵測器的鍺基材料與其中嵌入鍺基材料的基板的半導體材料之間的晶格常數差異會導致鍺材料的晶體結構中的缺陷，諸如滑移(slip)。這些滑移可以傳播到光偵測器的鍺材料中，且可以增加光偵測器中的暗電流(dark current)的可能性。暗電流可以定義為，當沒有實際照明時光偵測器中存在電流。換句話說，暗電流是在沒有光子進入光電二極體的情況下流過光電二極體的電流。過大的暗電流會降低影像感測器的準確度。
為了解決暗電流問題並提高具有鍺基光偵測器的影像感測器(諸如用於飛行時間(ToF)系統的影像感測器) 之性能，本揭示內容的各種實施方式包含具有嵌入於基板的半導體材料層的鍺基井之光偵測器，其中間隙圍繞鍺基井的橫向側面。在實施方式中，鍺基井可包括含鍺材料，含鍺材料包含原子百分比大於50%的鍺，且基板的半導體材料層包含第二半導體材料，第二半導體材料包含原子百分比在0%到50%之間的鍺。在各種實施方式中，第二半導體材料層可以為含矽材料，含矽材料包含原子百分比大於50%的矽。鍺基井可以接觸在鍺基井的底表面上的第二半導體材料，但是可以從鍺基井的橫向側面周圍的第二半導體材料移除(即，可以不接觸)。圍繞鍺基井的橫向側面的間隙可以減少在鍺基井的含鍺材料以及周圍的第二半導體材料之間的表面接觸面積，第二半導體材料可以是矽基材料。這可以幫助最小化鍺基井中的晶體缺陷(諸如滑移)的形成，因此，可以降低光偵測器中的暗電流且改善元件性能。
第1圖至第13圖是根據本揭示內容的各種實施方式，其在形成影像感測器期間期間之示例性的順序垂直截面圖，影像感測器包含至少一個形成於半導體材料基板中的凹槽的鍺基偵測區域。參考第1圖，示例性結構包含基板500，基板500包含半導體材料層10。基板500可包含位於基板500的前側7上的第一主水平面，以及位於基板500的背側17的第二主平面。基板500可包含塊半導體基板，其半導體材料層10可以從基板500的前側7連續延伸至背側17，如第1圖所示。在其他實施方式中，基 板500可以具有絕緣體上半導體(semiconductor-on-insulator)的結構，其中半導體材料層10位於基板500的掩埋的絕緣體層上方。
在第1圖中的實施方式中，半導體材料層10可包含半導體材料，半導體材料包含原子百分比在0%至50%之間的鍺。在各種實施方式中，半導體材料層10可為矽基的半導體材料，且可為單晶矽材料。其他合適的矽基半導體材料於預期的揭示範疇內，諸如多晶矽、非晶矽、和/或矽和一種或多種其他元素的化合物或合金。在各種實施方式中，半導體材料層10可包含矽鍺合金，其中矽的原子百分比大於50%，且鍺的原子百分比小於50%。
半導體材料層10可具有合適的導電型之摻雜，其可為p型或n型。在一實施方式中，半導體材料層10可具有第一導電型之摻雜，且可包含原子濃度在1.0 x 1013/cm3至1.0 x 1017/cm3的範圍內的第一導電型的摻雜物，但也可以使用更小和更大的摻雜物濃度。
示例性結構可包含第一區域501，其中可以隨後形成影像感測器的鍺基(germanium-base)偵測區域。第一區域501可以被示例性結構的第二區域503橫向包圍。雖然第1圖中繪示單個第一區域501，應當理解的是，示例性結構可包含複數個第一區域501，這些第一區域501通過示例性結構的第二區域503彼此橫向分隔。這些第一區域501可以在示例性結構上形成陣列圖案。
參考第2圖，硬遮罩層12可形成於半導體材料層 10上方。硬遮罩層12可包含介電材料，諸如氧化矽。其他合適的介電材料於預期的揭示範疇內。硬遮罩層12可通過使用合適的沉積方法沉積氧化矽層來形成，或通過半導體材料層10的表面部分的熱氧化來形成。如本文所用，「合適的沉積方法」可包含，舉例來說，化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)製程、物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)製程、原子層沉積(atomic layer deposition；ALD)製程、高密度電漿化學氣相沈積(high-density plasma CVD；HDPCVD)製程、金屬有機化學氣相沈積(metalorganic CVD；MOCVD)製程、電漿增強化學氣相沈積(plasma enhanced CVD；PECVD)製程、濺鍍製程、雷射剝蝕、或類似者。硬遮罩層12的厚度可在50nm至300nm的範圍內，諸如80nm至150nm，但也可以使用更小和更大的厚度。
參考第3圖，可施加光阻層67在硬遮罩層12上方。參考第4圖，可微影圖案化光阻層67以形成蝕刻遮罩400。光阻層67可包含當暴露於某些類型的輻射時可能會改變的感光材料。舉例來說，光阻材料可為正光阻材料，其中暴露於紫外線(ultraviolet；UV)輻射使包含在光阻材料中的聚合物更易溶解且更容易去除；或是負光阻材料，其中暴露於紫外線輻射會使聚合物交聯並且更難去除。光阻層67可以通過光微影遮罩暴露於輻射(例如，UV光)以將遮罩圖案轉移到光阻層。然後可以移除不需要的光阻材 料以形成蝕刻遮罩400。
再次參考第4圖，蝕刻遮罩400可包含開口，開口暴露示例性結構的第一區域501中的硬遮罩層12的上表面。蝕刻遮罩400可覆蓋示例性結構的第二區域503中的硬遮罩層12的上表面。在第一區域501中穿過蝕刻遮罩400的開口可具有任何合適的橫截面形狀，多邊形(例如，矩形)、圓形、橢圓形或不規則形狀。雖然第4圖中的蝕刻遮罩400繪示為單個開口，應當理解的是，蝕刻遮罩400可包含暴露硬遮罩層12的多個離散區域的複數個開口。穿過蝕刻遮罩400的這些開口可以在硬遮罩層12的上表面上形成陣列圖案。穿過蝕刻遮罩400的每個開口可對應於示例性結構的第一區域501，在第一區域501內可隨後形成影像感測器的鍺基偵測區域。示例性結構可包含通過示例性結構的第二區域503彼此橫向分隔的複數個第一區域501。
參考第5圖，可通過蝕刻蝕刻遮罩400中的開口以移除硬遮罩層12，並暴露示例性結構的第一區域501中的半導體材料層10的上表面。蝕刻遮罩400可防止硬遮罩層12在示例性結構的第二區域503中被蝕刻。可以使用任何合適的蝕刻製程來蝕刻硬遮罩層12，包含濕蝕刻製程或是乾蝕刻製程。在第一區域501中的半導體材料層10的上表面的暴露部分的尺寸和形狀可以對應於穿過蝕刻遮罩400的開口的尺寸和形狀。在硬遮罩層12的蝕刻之後，蝕刻遮罩400的光阻層67可以通過合適的製程來 移除，諸如灰化。
參考第6圖，可蝕刻半導體材料層10的暴露的上表面以移除半導體材料層10的一些部分，並形成示例性結構的第一區域501中的溝槽69。硬遮罩層12可防止半導體材料層10在示例性結構的第二區域503中被蝕刻。可使用非等向蝕刻製程來蝕刻半導體材料層10。在實施方式中，可使用非等向乾蝕刻製程來蝕刻半導體材料層10，諸如反應離子蝕刻製程。
在一實施方式中，在第一區域501中形成的溝槽69的深度可以在0.5微米到10微米的範圍內，諸如1微米到6微米，但是也可以使用更小和更大的深度。溝槽69的橫向尺寸可以在0.5微米到30微米的範圍內，諸如1微米到15微米，但是也可以使用更小和更大的橫向尺寸。在溝槽69具有圓形或橢圓形水平截面形狀的實施方式中，溝槽69的橫向尺寸可以是溝槽69的水平截面形狀的直徑或主軸。或是，在溝槽69的水平截面形狀是矩形的實施方式中，溝槽69的橫向尺寸可以是矩形的邊長。溝槽69可包含水平延伸的底表面66和至少一個垂直延伸的側壁68。在溝槽69的水平截面形狀為矩形的實施方式中，溝槽69可包含四個垂直延伸的側壁68。
雖然在第6圖中示出單個溝槽69，應當理解，可以在示例性結構的半導體材料層10中形成複數個溝槽69。複數個溝槽69可以呈陣列圖案。
在一替代的實施方式中，可在相同的蝕刻製程期間 移除硬遮罩層12和在第一區域501中的部分半導體材料層10。可以通過蝕刻蝕刻遮罩400的開口來蝕刻硬遮罩層12以移除硬遮罩層12並暴露在第一區域501中的半導體材料層10的上表面。並且還可以通過蝕刻在蝕刻遮罩400中的開口來蝕刻半導體材料層10以移除部分半導體材料層10並在第一區域501中形成溝槽69。蝕刻製程可為非等向乾蝕刻製程，諸如反應離子蝕刻製程。
參考第7圖，第一導電型的摻雜物可以被植入到第一區域501中的溝槽69的區域周圍的半導體材料層10中。可執行多角度離子佈植製程以通過溝槽69的側壁68將第一導電型的摻雜物植入到半導體材料層10中。此外，可將第一導電型的摻雜物植入到位於溝槽69的底表面66之下的半導體材料層10的水平部分。在實施方式中，第一導電型的摻雜物可包含硼。然而，本揭示內容不限於此，本揭示內容還包括其他摻雜物種類。第一導電型半導體材料區域21可以形成在第一區域501中的半導體材料層10內。圍繞溝槽69的每個側壁68的第一導電型半導體材料區域21的橫向寬度可以在100nm到1,000nm的範圍內，但是也可以使用更小和更大的橫向尺寸。在溝槽69的底表面66下方的第一導電類型半導體材料區域21的水平部分的厚度可以在100nm到1,000nm的範圍內，但是也可以使用更小和更大的厚度。
可選地，薄半導體材料襯墊(未示出)可以從第一導電型半導體材料區域21的物理暴露表面生長，其表面是溝 槽69的表面。半導體材料襯墊(如果存在)可用作隨後將沉積在溝槽69中的鍺基材料與第一導電型半導體材料區域21之間的緩衝。半導體材料襯墊可以通過選擇性磊晶製程而生長，選擇性磊晶製程僅從物理暴露的半導體表面生長磊晶半導體材料(諸如磊晶矽)，且不從電介質表面生長半導體材料。半導體材料襯墊可包含磊晶生長的矽，例如，與半導體材料層10的單晶矽材料磊晶排列的單晶矽。半導體材料襯墊可為本質的(intrinsic)，或者可以具有低摻雜程度的。半導體材料襯墊的厚度可以在5nm至200nm的範圍內，諸如從10nm至100nm，但是也可以使用更小和更大的厚度。
參考第8圖，鍺基材料可以從溝槽69之物理暴露的表面生長，其可為從第一導電型半導體材料區域21之物理暴露的表面生長，或是在存有半導體材料襯墊的實施方式中，從半導體材料襯墊之物理暴露的表面生長。鍺基材料包含原子百分比大於50%的鍺。在一實施方式中，含鍺材料可以包含摻雜或未摻雜的鍺，使得鍺的原子百分比至少為99%，並且基本上不含矽或其他元素。在其他實施方式中，含鍺材料可以包含矽鍺合金，其中鍺的原子百分比大於50%，矽的原子百分比小於50%。可以由沉積的鍺基材料形成含鍺材料層30L。
含鍺材料層30L可以通過選擇性沉積製程或是非選擇性沉積製程形成。選擇性沉積製程是從溝槽69的側壁68以及底表面66上之物理暴露的半導體表面(諸如第一 導電型半導體材料區域21之物理暴露的表面，或可選地為半導體材料襯墊(若存在)之物理暴露的表面)生長含鍺材料的製程。在此實施方式中，含鍺反應物(諸如鍺烷或二鍺烷)可以與蝕刻氣體(諸如氯化氫)的流動同時或交替地流入包含示例性結構的製程腔室。一般來說，半導體材料(諸如含鍺材料)在半導體表面上的生長速度比在電介質表面上的生長速度快。可以控制流速和沈積溫度，使得在選擇性沉積製程期間的淨沉積速率(即，沉積速率減去蝕刻速率)在半導體表面上為正，而在電介質表面上為負。在此實施方式中，含鍺材料的生長僅發生在半導體表面上。非選擇性沉積製程是含鍺材料從所有物理暴露的表面生長的沉積製程。在此實施方式中，沉積製程可以使用含鍺的反應物，而不使用蝕刻氣體。
在一實施方式中，用於沉積含鍺材料層30L的選擇性沉積製程或非選擇性沉積製程可以是磊晶沉積製程，即，沉積製程提供所沉積的含鍺材料的晶體結構與下層材料部分的物理暴露表面處的結晶結構之對準。因此，可以沉積於溝槽69中的含鍺材料層30L的部分可以磊晶地對準於第一導電型半導體材料區域21(或是，半導體材料襯墊(若存在))的結晶結構。在使用選擇性磊晶沉積製程來沉積含鍺材料層30L的實施方式中，含鍺材料層30L的材料可以從第一導電型半導體材料區域21(或是，半導體材料襯墊(若存在))之物理暴露的表面生長。在此實施方式中，整個含鍺材料層30L可以是單晶的，並且可以與單晶半導 體材料層10的單晶半導體材料磊晶對準。
在使用非選擇性磊晶來沉積含鍺材料層30L的實施方式中，含鍺材料層30L的材料從第一導電型半導體材料區域21(或是，半導體材料襯墊(若存在))之物理暴露的表面、以及從硬遮罩層12之物理暴露的表面生長。在此實施方式中，僅從第一導電型半導體材料區域21(或是，半導體材料襯墊(若存在))之物理暴露的表面生長的含鍺材料層30L的部分可以是單晶，而從硬遮罩層12之物理暴露的表面生長的含鍺材料層30L的部分可以是多晶。
一般來說，可以執行磊晶沉積製程以生長單晶含鍺材料於溝槽69中。至少在溝槽69內生長的含鍺材料層30L的部分可以是單晶，且可以與單晶半導體材料層10的單晶材料磊晶對準而形成。在此實施方式中，位於溝槽69內的含鍺材料層30L的整個部分可以是單晶。
含鍺材料層30L可為本質的，或者可以具有低摻雜程度的。舉例來說，含鍺材料層30L內的摻雜物的原子濃度可以從1.0 x 1013/cm3至1.0 x 1018/cm3的範圍內，但也可以使用更小和更大的摻雜劑濃度。
由於熱效應，在含鍺材料層30L以及沿著溝槽69的底表面66和側壁68之周圍的第二半導體材料之間的界面附近的材料成分可包括含鍺材料層30L的含鍺材料以及第二半導體材料的混合物。舉例來說，在含鍺材料層30L為鍺且第二半導體材料為矽的實施方式中，界面任一側的材料成分可能包括鍺和矽的混合物(例如，SixGe1-x，x 的範圍為1~0)，其中材料的相對濃度可取決於形成含鍺基井30時使用的溫度和製程時間。在各種實施方式中，在含鍺材料層30L與周圍的第二半導體材料(包括含鍺材料層30L以及第二半導體材料的含鍺材料的混合物)之間的界面周圍的區域可以具有約0.5μm或更小的厚度。
參考第9圖，可以從包含硬遮罩層12的頂表面的水平面上方移除含鍺材料的過量部分。在一實施方式中，可以執行化學機械平坦化(chemical mechanical planarization；CMP)製程以移除位於硬遮罩層12的頂表面的水平面上方的含鍺材料層30L的部分。位於溝槽69內的含鍺材料層30L的剩餘部分包括含鍺材料部分，其在本文中被稱為鍺基井30。鍺基井30可以具有在與硬遮罩層12的頂表面相同的水平面(即，共平面)內之頂表面。
雖然使用鍺基井30形成為單晶含鍺材料部分的實施方式來描述本揭示內容，但是儘管效率降低，鍺基井30可以形成為多晶材料部分或非晶材料部分。此類變化在本文中被明確考慮。
參考第10圖，含鍺材料的剩餘部分可以垂直凹陷於硬遮罩層12的開口內。詳細來說，可以垂直凹陷鍺基井30，舉例來說，藉由執行凹陷蝕刻製程。在此實施方式中，垂直的凹槽距離可以大於、等於或小於硬遮罩層12的厚度。無論垂直的凹槽距離如何，鍺基井30不接觸硬遮罩層12，且鍺基井30的材料不接觸硬遮罩層12的任何含氧材料(諸如氧化矽)。在不使用半導體材料襯墊的實施方式中， 垂直的凹槽距離可以大於硬遮罩層12的厚度以防止鍺基井30和硬遮罩層12之間的直接接觸。在存在半導體材料襯墊的實施方式中，半導體材料襯墊可以防止鍺基井30和硬遮罩層12之間的直接接觸，且垂直的凹槽距離可以大於、等於或小於硬遮罩層12的厚度。
再次參考第10圖，鍺基井30的含鍺材料填充溝槽69，並沿著溝槽69的底表面66和側壁68接觸第二半導體材料。第二半導體材料可以是第一導電型半導體材料區域21或是半導體材料襯墊(若存在)。在任一情況下，第二半導體材料可以具有與鍺基井30的含鍺材料的成分不同的成分。如上所述，第二半導體材料可以是包含鍺原子百分比在0%和50%之間的半導體材料。在各種實施方式中，第二半導體材料可以是矽基半導體材料，其中矽的原子百分比大於50%。第二半導體材料可以是單晶矽材料。在鍺基井30的含鍺材料以及周圍的第二半導體材料之間的界面處的結晶結構的錯位(dislocation)可能導致滑動缺陷(slip defect)，其可以傳播到鍺基井30中。這些滑動缺陷會在隨後使用鍺基井30形成的光偵測器中引起暗電，並且可能對光電探測器的性能產生負面影響。
在本揭示內容的各種實施方式中，可以在鍺基井30的橫向側表面周圍形成間隙。間隙可以減小在鍺基井30的含鍺材料以及周圍的第二半導體材料之間的表面接觸面積，其中第二半導體材料可為矽基材料。這可幫助最小化鍺基井30中滑動缺陷的形成，並且可以降低隨後形成的光 偵測器中的暗電流。
參考第11圖，光阻材料可以施加在硬遮罩層12以及鍺基井30之暴露的頂表面上，且並且可以被光刻圖案化以形成如上所述的蝕刻遮罩600。蝕刻遮罩600可包含開口，開口暴露鍺基井30的外圍部分並且覆蓋在鍺基井30的橫向邊緣上，其中鍺基井接觸溝槽69的側壁68。蝕刻遮罩600中的開口可以圍繞鍺基井30的整個橫向邊緣延伸。蝕刻遮罩600中的開口可以額外地暴露硬遮罩層12之圍繞鍺基井30的橫向邊緣的一部分。穿過蝕刻遮罩600的開口可以具有至少0.5nm的寬度，並且可以具有在1nm和1000nm之間的寬度。鍺基井30的中心部分可以被蝕刻遮罩600覆蓋。
參考第12A圖，可以通過蝕刻遮罩600蝕刻鍺基井30的外圍部分以移除鍺基井30的橫向邊緣周圍的材料，並形成圍繞鍺基井30的橫向側面403的間隙401。可以使用非等向蝕刻製程來蝕刻鍺基井30。在實施方式中，可以使用非等向乾蝕刻製程，諸如反應離子蝕刻製程，來蝕刻鍺基井30。在蝕刻製程之後，可以通過合適的製程來移除蝕刻遮罩600，諸如灰化製程。
圍繞鍺基井30的橫向側壁而形成的間隙401可以具有0.5nm或更大(例如，1nm至1000nm)的寬度。用於產生間隙401的蝕刻製程也可以移除硬遮罩層12的一部分以暴露鍺基井30周圍的半導體材料層10的一部分。或者，可以通過分離的蝕刻製程移除圍繞鍺基井30的硬遮 罩層12的一部分。
蝕刻製程可以提供具有長方體形狀的鍺基井30，其包含一個頂表面404、四個橫向側面403以及一個底表面406，底表面406接觸溝槽69的底表面66上的第二半導體材料。第12B圖是根據各種實施方式繪示具有長方體形狀的鍺基井30的示例性的中間結構的上視圖。間隙401可以圍繞每個橫向側面403。間隙401可以具有至少0.5nm的寬度，且小於沿著鍺基井30的水平截面的鍺基井30的長度(L)和寬度(W)尺寸之和的二分之一。
或者，鍺基井30可具有圓柱形狀，其包含一個頂表面404、一個具有彎曲形狀的橫向側面403以及一個底表面406，底表面406接觸溝槽69的底表面66上的第二半導體材料。第12C圖是根據各種實施方式繪示具有圓柱形狀的鍺基井30的示例性的中間結構的上視圖。間隙401可以完全圍繞具有彎曲形狀的橫向側面403。間隙401可以具有至少0.5nm的寬度，且小於沿著鍺基井30的水平截面的圓柱形鍺基井30的半徑(R)。
在一些實施方式中，間隙401可以填充有介電材料，例如氧化物材料。或者，間隙401可包含在溝槽69的側壁68以及鍺基井30的橫向側面403之間的氣隙。
在形成間隙401(並且在一些實施例中為填充的介電材料)之後，鍺基井30可以僅沿著溝槽69的底部水平表面接觸第二半導體材料。鍺基井30的橫向側表面周圍的間隙401可以最小化在鍺基井30的含鍺材料以及圍繞的 第二半導體材料之間的位錯之形成，第二半導體材料可為矽基材料。這可以降低隨後將使用鍺基阱30形成的光偵測器中的暗電流，從而提高其性能。
參考第13圖，含矽覆蓋材料可以沉積在鍺基井30之物理暴露的頂表面404。在實施方式中，含矽覆蓋材料也可以沉積在圍繞鍺基井30的半導體材料層10之暴露的水平延伸部分上方，包含第一導電型半導體材料區域21(矽材料襯墊(若存在))的任何暴露的水平延伸部分。含矽覆蓋材料還可以形成在圍繞鍺基井30的橫向側面403的頂部上方的間隙401，且至少部分地在鍺基井30的橫向側面403以及溝槽69的側壁68上方形成，以提供在鍺基井30的頂表面上方的連續的鈍化矽區340、圍繞鍺基井30的側表面的間隙401、以及圍繞鍺基井30的半導體材料層10的暴露的水平延伸部分。鈍化矽區340的頂表面可以位於與硬遮罩層12的頂表面相同的水平面內。
鈍化矽區340的含矽覆蓋材料可包含和/或可以基本上由可以防止氧擴散的含矽材料組成。舉例來說，含矽覆蓋材料可包含和/或可以基本上由矽或氮化矽組成。在一實施方式中，可以執行選擇性磊晶製程以從鍺基井30的頂表面生長矽。在此實施方式中，可以在鍺基井30上方形成包含單晶矽的鈍化矽區340。或者，可以在形成多晶矽的條件下執行選擇性或非選擇性矽沉積製程。在此實施方式中，鈍化矽區340可以包含和/或可以基本上由多晶矽組成。
若使用選擇性矽沉積製程(其可以是或可以不是磊晶沉積製程)，鈍化矽區340可以僅形成在硬遮罩層12中的開口內。在此實施方式中，不需要平坦化製程，且鈍化矽區340的頂表面可以位於包含硬遮罩層12的頂表面的水平面下方或上方。若使用非選擇性矽沉積製程，可執行平坦化製程(諸如化學機械平坦化製程)以從包含硬遮罩層12的頂表面的水平面上方移除沉積的矽材料的部分。在此實施方式中，鈍化矽區340的頂表面可以位於與硬遮罩層12的頂表面相同的水平面內。
在一些實施方式中，在形成間隙401之後，可以在鍺基井30的物理暴露的頂表面404以及物理暴露的橫向側面403上方形成氧化層。氧化層可包含氧化鍺。氧化層可以具有20nm或更大的厚度以最小化鍺基井30的含鍺材料中的缺陷。可以使用蝕刻製程(諸如高溫氫(H2)蝕刻製程)以從鍺基井30的頂表面404移除氧化層。然後，可以在鍺基井30之物理暴露的頂表面404上沉積含矽覆蓋材料，諸如透過磊晶沉積製程，以在鍺基井30的頂表面404上方、半導體材料層10之暴露的水平延伸部分、以及間隙401的頂部上方形成鈍化矽區340。氧化層可以保留在鈍化矽區340下方的鍺基井30的橫向側面403上。
再次參考第13圖，鍺基井30可包含擴散區410，擴散區410相鄰於鍺基井30的橫向側面403以及底表面406。可以通過第一導電型的摻雜物從第一導電型半導體材料區域21擴散至鍺基井30中而形成擴散區410。第一 導電型的摻雜物可通過鍺基井30與第一導電型半導體材料區域21之間的直接接觸而擴散到鍺基井30中(例如，在形成間隙401之前，沿著鍺基井30的底表面406，且沿著鍺基井30的橫向側表面)，或是間接地經由一種或多種中間材料(諸如鈍化矽區340)，擴散第一導電型半導體材料區域21以及鍺基井30之間的半導體材料襯墊(若存在)。
第14圖繪示第13圖沿線A-A’的第一導電型(即，硼)的摻雜濃度的模擬作圖。如第14圖所示，摻雜濃度在第一導電型半導體材料區域21中最高，但在鄰近鍺基井30的橫向側面403仍然保持顯著的摻雜濃度。在實施方式中，與鍺基井30的橫向側面403相鄰的鍺基井30的摻雜濃度可以是與溝槽69的側壁68相鄰的摻雜濃度的至少30%，諸如至少50%。摻雜剖面中的不連續性對應於沒有摻雜物的間隙401。
第15圖是根據本揭示內容之實施方式之示例性結構之替代配置之垂直截面圖。參考第15圖，第13圖所示之示例性結構的替代配置，其可以通過在溝槽69的側壁68上方形成半導體材料的層701，以及通過在圍繞鍺基井30橫向側面的間隙401內的鍺基井30的橫向側面403上方的半導體材料形成層703而得。層701和層703可以在溝槽69的側壁68和間隙401內的鍺基井30的橫向側面403上磊晶地形成。半導體材料的層701和層703可包含矽。在一些實施方式中，層701和層703以是與鈍 化矽區340的含矽覆蓋材料的形成同時形成的矽材料。
再次參考第15圖，在各種實施方式中，層701和層703可以是通過控制鈍化矽區340的含矽覆蓋材料的沉積速率而形成的矽材料。特別地，可以使用相對低的沉積速率，將含矽覆蓋材料沉積於鍺基井30之物理暴露的頂表面404、圍繞鍺基井30的半導體材料層10之暴露的水平延伸部分、鍺基井30的橫向側面403、以及溝槽69的側壁68上。在含矽覆蓋材料形成在間隙頂部上方之前，相對低的沉積速率可以使更多的含矽覆蓋材料能夠形成於鍺基井30的橫向側面403以及溝槽69的側壁68之上，從而關閉間隙401並抑制含矽覆蓋材料於鍺基井30的橫向側面403以及溝槽69的側壁68之上的額外沉積。以適當低的沉積速率沉積含矽覆蓋材料，能夠在間隙401關閉之前於溝槽69的側壁68以及鍺基井30橫向側面403上方形成含矽半導體材料的層701和層703，如第15圖所示。相比之下，在含矽覆蓋材料形成於間隙401的頂部之前，以相對高的沉積速率沉積含矽覆蓋材料可能會限制能夠在溝槽69的側壁68以及鍺基井30的橫向側面403上方形成的含矽半導體材料的量。以適當高的沉積速率沉積覆矽半導體材料可以產生如第13圖的示例性結構的配置，其在溝槽69的側壁68以及鍺基井30橫向側面403上方可能分別缺少層701和層703。在各種實施方式中，可以至少約2.4nm/分的沉積速率沉積覆矽半導體材料以形成如第13圖所示的示例性結構，其在溝槽69的側壁68以及鍺 基井30橫向側面403上方可能分別缺少層701和層703。相比之下，可以較低的沉積速率(諸如2.2nm/分或更小，包含在0.1nm/分和2.0nm/分之間的沉積速率)沉積覆矽半導體材料，以形成如第15圖所示的示例性結構，其包含分別位於溝槽69的側壁68以及鍺基井30的橫向側面403上方的含矽半導體材料的層701和層703。
第16圖繪示沿第15圖的線A-A’的第一導電型(即，硼)的摻雜濃度的模擬圖。如第16圖所示，第一導電型半導體材料區域21中的摻雜濃度最高。存在不連續性，其中沒有對應於間隙401的摻雜物。然後，摻雜濃度在整個半導體材料(即，矽)的層703增加，其半導體材料形成於間隙401內的鍺基井30的橫向側面403上方，並且在半導體材料的層703以及鍺基井30的橫向側面403之間的界面處達到第二峰值。在一些實施方式中，在半導體材料的層703以及鍺基井30的橫向側面403之間的界面處的摻雜濃度可以至少為鄰近溝槽69的側壁68的摻雜濃度的40%，諸如至少50%，包含至少60%。
第17圖是包含鍺基偵測區域501的光偵測器800之垂直截面圖，鍺基偵測區域501可以形成在半導體材料基板500的凹槽中。光偵測器800可包含如第13圖和/或第15圖所示的示例性結構，且可包含嵌入於基板500的半導體材料層10中的鍺基井30，其中間隙401圍繞鍺基井30的橫向側面。在一些實施方式中，鍺基井30可包括含鍺材料，其包含原子百分比大於50%的鍺，而半 導體材料層10包含第二半導體材料，其包含原子百分比在0%和50%之間的鍺。在各種實施方式中，第二半導體材料層10可以是含矽材料，其包含原子百分比大於50%的鍺。鍺基井30可以在鍺基井30的底表面上接觸第二半導體材料，但是可以不接觸鍺基井的橫向側面周圍的第二半導體材料。
半導體材料層10和鍺基井30可包含複數個摻雜區域，摻雜區域可包含摻雜井805、807、810和/或摻雜接觸區域803。摻雜區域可包含第一導電型的摻雜物或是第二導電型的摻雜物。在一些實施方式中，鍺基井30可包含至少一個第一導電型(擴散區410)的摻雜區域以及至少一個第二導電型(摻雜井810)的摻雜井區域，使得光伏接面(photovoltaicjunction)，諸如p-i-n接面或是p-n接面形成於鍺基井30之中。
光偵測器800也可包含一或多個介電材料層820、830以及金屬互連結構840、850，金屬互連結構840、850形成於半導體材料層10和鍺基井30上方。每個介電材料層820、830可包含各自的層間介電(interlayer dielectric；ILD)材料，諸如未摻雜的矽酸鹽玻璃、摻雜的矽酸鹽玻璃、有機矽酸鹽玻璃和/或多孔介電材料。介電材料層820、830可包含介電襯墊，諸如氮化矽介電襯墊、介電金屬氧化物介電襯墊、碳化矽介電襯墊和/或氮氧化矽介電襯墊。金屬互連結構840可包含金屬通孔結構，且金屬互連結構850可包含金屬線結構。
第18圖是根據本揭示內容的各種實施方式之影像感測器900之垂直截面圖。參考第18圖，影像感測器900可以為用於飛行時間(time-of-flight；TOF)偵測系統的影像感測器，諸如直接飛行時間(direct time-of-flight；dToF)偵測系統或是非直接飛行時間(indirect time-of flight；iToF)偵測系統。
影像感測器900可包含載體基板902、積體電路(IC)904、互連層906、感測器層930、濾光層910以及透鏡層912。一般來說，單個波長或多個波長的光可以進入透鏡層912的透鏡。根據透鏡層912處的透鏡設計，可以聚焦、准直、擴展或處理由光偵測感測器偵測到的入射光。入射之偵測到的光然後可以進入濾光層910。濾光層910可配置以通過具有特定波長範圍的光，在此波長範圍的光可以衝擊(impinge)於感測器層930的光偵測器上。感測器層930中的光偵測器可以將入射光轉換成自由載子。積體電路904可通過互連層906收集自由載子，並根據特定應用處理自由載子。
一般來說，載體基板902可以為矽基板，絕緣層上矽晶(silicon-on-insulator；SOI)基板或任何其他合適的載體基板材料。積體電路904的積體電路以及互連層906的佈線可以使用CMOS處理技術製造。舉例來說，可以通過乾蝕刻穿過介電層的接觸孔並使用化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)用金屬材料填充接觸孔來形成佈線。此外，透鏡層912的透鏡形狀可以是 凹面、凸面、具有表面結構的平面或其他形狀，不應以此處的示例性的附圖為限。
感測器層930可包含複數個光偵測器，諸如第17圖所示的光偵測器800。光偵測器800可以排列成陣列圖案並且可以製造於共用基板500上。因此，影像感測器900可包含光偵測器800的陣列。第17圖中的介電材料層820、830以及金屬互連結構840、850以形成第18圖的互連層906的部分或全部。感測器層930的光偵測器800中的至少一個可以包含如第13圖和/或第15圖所示的示例性結構，並且可包含嵌入在基板500的半導體材料層10中的鍺基井30，其中間隙401圍繞鍺基井30的橫向側面。在第18圖的實施方式中，基板500相對於第17圖所示的視圖為倒置的，使得入射光通過基板500的背面進入光偵測器800。
感測器層930可以包含用於檢測不同波長範圍的光的多組光偵測器。舉例來說，感測器層930的一或多個光偵測器800之第一組可包含如第13圖和/或第15圖所示的示例性結構，並且可配置以偵測紅外波長範圍內的光，諸如近紅外(near infrared；NIR)的波長範圍(例如，810nm至1500nm)。儘管未示出，但感測器層930可包含配置用以偵測藍色波長範圍(例如，420nm至500nm)、綠色波長範圍(例如，500nm至580nm)和/或紅色波長範圍(例如，580nm至660nm)的光偵測器感測器。每個光偵測器可以通過絕緣側壁間隔物、溝槽或其他 合適的隔離結構來隔離。在一些實施中，配置以檢測可見光(例如，紅色、綠色和藍色)的光偵測器感測器組可以是矽光偵測器的感測器。
第19圖是根據各種實施方式之流程圖，其示出製造具有鍺基偵測區域的光偵測器的一般方法1900。參考第1圖，在方法1900的步驟1901中，可以提供包含半導體材料層10的基板500。參考第2圖至第7圖，在步驟1903中，可以在基板500的半導體材料層10中形成溝槽69。參考第8圖至第10圖，在步驟1905中，可以形成鍺基井30以填充在基板500的半導體材料層10中的溝槽69。參考第11圖至第13圖以及第15圖，在步驟1907中，可以通過蝕刻移除在溝槽69的側壁68以及鍺基井30的橫向側面403之間的界面處的材料，以形成在鍺基井30的橫向側面403以及溝槽69的側壁68之間的間隙401。
參考所有附圖並根據本揭示內容的各種實施方式，光偵測器800包含基板500，基板500包含半導體材料層10；以及嵌入於基板500的半導體材料層10中的鍺基井30，其中間隙401位於鍺基井30的橫向側面403以及圍繞的半導體材料層10之間。
在一實施方式中，鍺基井30包括含鍺材料，含鍺材料包含原子百分比大於50%的鍺。
在一實施方式中，基板500的半導體材料層10包含第二半導體材料，第二半導體材料包含原子百分比在0%到50%之間的鍺。
在一實施方式中，基板500的半導體材料層10為含矽材料，含矽材料包含原子百分比大於50%的矽。
在一實施方式中，鍺基井30在鍺基井30的底表面406上接觸半導體材料層10的第二半導體材料，並在鍺基井30的橫向側面403上移除半導體材料層10的第二半導體材料。
在一實施方式中，半導體材料層10包含具有至少一個側壁68的溝槽69，且間隙401位於溝槽69的至少一個側壁68以及鍺基井30的橫向側面403之間。
在一實施方式中，光偵測器800包含第一含矽半導體層701和第二含矽半導體層703，第一含矽半導體層701於溝槽69的至少一個側壁68上方，且第二含矽半導體層703於鍺基井30的橫向側面403上方，其中間隙401位於第一含矽半導體層701和第二含矽半導體層703之間。
在一實施方式中，間隙401具有至少0.5nm的寬度。
在一實施方式中，間隙401具有介於1nm和1000nm之間的寬度。
在一實施方式中，鍺基井30具有長方體形狀，長方體形狀包含四個橫向側面403，間隙401圍繞鍺基井30的每個橫向側面403，間隙401具有至少0.5nm的寬度，且寬度小於沿著鍺基井30的水平截面的鍺基井30的長度尺寸和寬度尺寸之和的二分之一。
在一實施方式中，鍺基井30具有圓柱形狀，圓柱形狀包含具有彎曲形狀的橫向側面403，間隙401完全圍繞鍺基井30的橫向側面403，間隙401具有至少0.5nm的寬度，且寬度小於沿著鍺基井30的水平截面的圓柱形鍺基井30的半徑。
在一實施方式中，光偵測器800包含形成於鍺基井30中的光伏接面(擴散區410、摻雜井810)。
在一實施方式中，光偵測器800包含鈍化矽區340於鍺基井30的頂表面404以及間隙401的頂部上方，間隙401介於鍺基井30的橫向側面403以及圍繞的半導體材料層10之間。
在一實施方式中，鍺基井30包含具有第一導電型的摻雜物的擴散區410，擴散區410相鄰於鍺基井30的橫向側面403和底表面406。
另一實施方式涉及影像感測器900，其包含基板500上的感測器層930中的複數個光偵測器800的陣列，基板500包含半導體材料層10，其中感測器層930中的複數個光偵測器800的陣列中的至少一個光偵測器800包括鍺基井30以及間隙401，鍺井30嵌入於基板500的半導體材料層10中，間隙401位於鍺基井30的橫向側面403以及周圍的半導體材料層10之間。
在一實施方式中，感測器層930中的光偵測器800的陣列包含複數個光偵測器800，複數個光偵測器800具有嵌入於基板500的半導體材料層10中的鍺基井 30，其中間隙401位於每個鍺基井30的橫向側面403以及周圍的半導體材料層10之間，且影像感測器900更包含透鏡層912和濾光層910，透鏡層912光學耦合至感測器層930中的光偵測器800的陣列，濾光層910光學耦合至透鏡層912以及光偵測器800的陣列930，濾光層910配置以允許具有特定波長範圍的光穿過濾光層910並衝擊(impinge)到複數個光偵測器800上，以及積體電路904，耦合至感測器層930中的光偵測器800的陣列，積體電路904配置以收集由每個光偵測器800回應衝擊到複數個光偵測器800上的光產生的自由載子。
在一實施方式中，影像感測器900為飛行時間(Time of Flight；ToF)影像感測器，其配置以檢測近紅外波長範圍內的光。
另一實施方式涉及製造具有鍺基偵測區域501的光偵測器800的方法，其包含提供包含半導體材料層10的半導體基板500、形成溝槽69於基板500的半導體材料層10中、形成鍺基井30以填充溝槽69於基板500的半導體材料層10中、以及移除(通過蝕刻)在溝槽69的側壁68以及鍺基井30的橫向側面403之間的界面之材料，以形成在鍺基井30的橫向側面403以及溝槽69的側壁68之間的間隙401。
在一實施方式中，此方法更包含在形成鍺基井30之前，通過溝槽69的側壁68；第一導電型的摻雜物佈植到基板500的半導體材料層10中，並佈植到位於溝槽69 的底表面66下方的半導體材料層10的水平部分，以及形成鈍化矽區340於鍺基井30的頂表面404上方以及於鍺基井30的橫向側面403和溝槽69的側壁68之間的間隙401的頂部上方，其中鍺基井30包含擴散區410，擴散區410鄰近鍺基井30的橫向側面403以及鄰近鍺基井30的底表面406，擴散區410包含從半導體材料層10擴散到鍺基井30的第一導電型的摻雜物。
在一實施方式中，此方法更包含形成第一含矽半導體層701於溝槽69的至少一個側壁68上方，以及形成第二含矽半導體層703於鍺基井30的橫向側面403上方，其中間隙401位於第一含矽半導體層701和第二含矽半導體層703之間。
通過形成含鍺光偵測器800，含鍺光偵測器800包含圍繞嵌入於半導體材料層10中的鍺基井30的橫向側面403的間隙401，可以減少在鍺基井30的含鍺材料以及周圍的半導體材料(其可為矽基材料)之間的表面接觸面積。這可以最小化鍺基井30中晶體缺陷的形成(諸如滑動)，從而降低暗電流並改善光偵測器的性能。
上文概述多個實施方式的特徵，使得熟習此項技術者可更好地理解本揭示內容的態樣。熟習此項技術者應瞭解，可輕易使用本揭示內容作為設計或修改其他製程及結構的基礎，以便執行本文所介紹的實施方式的相同目的及/或實現相同優點。熟習此項技術者亦應認識到，此類等效構造並未脫離本揭示內容的精神及範疇，且可在不脫離本 揭示內容的精神及範疇的情況下產生本文的各種變化、取代及更改。
10:半導體材料層
12:硬遮罩層
21:第一導電型半導體材料區域
30:鍺基井
401:間隙
403:橫向側面
404:頂表面
406:底表面
500:基板
501:區域
503:區域
66:底表面
68:側壁

Claims (10)

  1. 一種光偵測器，包含：一基板，包含一半導體材料層；一鍺基井，嵌入於該基板的該半導體材料層中；一間隙，位於該鍺基井的一橫向側面以及周圍的該半導體材料層之間；及一第一導電型半導體材料區域，位於該鍺基井與該半導體材料層之間，且該間隙位於該第一導電型半導體材料區域及該鍺基井之間。
  2. 如請求項1所述之光偵測器，其中該鍺基井包含一含鍺材料，該含鍺材料包含原子百分比大於50%的鍺。
  3. 如請求項2所述之光偵測器，其中該基板的該半導體材料層包含一第二半導體材料，該第二半導體材料包含原子百分比在0%到50%之間的鍺。
  4. 如請求項1所述之光偵測器，其中該半導體材料層包含具有至少一個側壁的一溝槽，且該間隙位於該溝槽的該至少一個側壁以及該鍺基井的該橫向側面之間。
  5. 如請求項1所述之光偵測器，其中該鍺基井具有一長方體形狀，該長方體形狀包含四個橫向側面，該 間隙圍繞該鍺基井的每個該橫向側面，該間隙具有至少0.5nm的一寬度，且該寬度小於沿著該鍺基井的一水平截面的該鍺基井的一長度尺寸和一寬度尺寸之和的二分之一。
  6. 如請求項1所述之光偵測器，其中該鍺基井具有一圓柱形狀，該圓柱形狀包含具有一彎曲形狀的一橫向側面，該間隙完全圍繞該鍺基井的該橫向側面，該間隙具有至少0.5nm的一寬度，且該寬度小於沿著該鍺基井的一水平截面的該圓柱形狀的該鍺基井的一半徑。
  7. 如請求項1所述之光偵測器，更包含一鈍化矽區於該鍺基井的一頂表面以及該間隙的一頂部上方，該間隙介於該鍺基井的該橫向側面以及周圍的該半導體材料層之間。
  8. 一種影像感測器，包含：在包含一半導體材料層的一基板上的一光偵測器的陣列，其中該光偵測器的陣列中的至少一個光偵測器包含：一鍺基井，嵌入於該基板的該半導體材料層中；一間隙，位於該鍺基井的一橫向側面以及周圍的該半導體材料層之間；及一第一導電型半導體材料區域，位於該鍺基井及該半導體材料層之間，且該間隙位於該第一導電型半導體材料區域及該鍺基井之間。
  9. 如請求項8所述之影像感測器，其中該光偵測器的陣列中的該至少一個光偵測器的數量為複數個，該些光偵測器分別具有嵌入於該基板的該半導體材料層中的該鍺基井，其中一間隙位於每個該些鍺基井的一橫向側面以及周圍的該半導體材料層之間，且該影像感測器更包含：一透鏡層，光學耦合至該光偵測器的陣列；一濾光層，光學耦合至該透鏡層以及該光偵測器的陣列，該濾光層配置以允許具有一特定波長範圍的光穿過該濾光層以及衝擊到該光偵測器的陣列的一光偵測器；以及一積體電路，耦合至該光偵測器的陣列，且配置以收集由每個該些光偵測器回應衝擊到該些光偵測器上的光產生的自由載子。
  10. 一種製造具有鍺基偵測區域的光偵測器之方法，包含：提供包含一半導體材料層的一基板；形成一溝槽於該基板的該半導體材料層中；形成一鍺基井以填充在該基板的該半導體材料層中的該溝槽；以及通過蝕刻移除在該溝槽的一側壁以及該鍺基井的一橫向側面之間的一界面處的材料，以形成在該鍺基井的該橫向側面以及該溝槽的該側壁之間的一間隙。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230066466A1 (en) * 2021-08-27 2023-03-02 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited Photodetector with reduced dark current sensitivity and methods of forming the same
CN117096208B (zh) * 2023-10-20 2024-02-09 浙桂(杭州)半导体科技有限责任公司 一种锗硅雪崩光电二极管

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140225214A1 (en) * 2002-12-18 2014-08-14 Infrared Newco, Inc. Image sensor comprising isolated germanium photodetectors integrated with a silicon substrate and silicon circuitry
US20180233521A1 (en) * 2015-08-04 2018-08-16 Artilux Corporation Germanium-silicon light sensing apparatus ii
TW202118036A (zh) * 2015-08-27 2021-05-01 光程研創股份有限公司 光學感測器

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11791432B2 (en) * 2013-05-22 2023-10-17 W&Wsens Devices, Inc. Microstructure enhanced absorption photosensitive devices
US11177404B2 (en) * 2020-01-13 2021-11-16 Globalfoundries U.S. Inc. Fin-based photodetector structure
US11322639B2 (en) * 2020-04-09 2022-05-03 Globalfoundries U.S. Inc. Avalanche photodiode
US11316064B2 (en) * 2020-05-29 2022-04-26 Globalfoundries U.S. Inc. Photodiode and/or PIN diode structures

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140225214A1 (en) * 2002-12-18 2014-08-14 Infrared Newco, Inc. Image sensor comprising isolated germanium photodetectors integrated with a silicon substrate and silicon circuitry
US20180233521A1 (en) * 2015-08-04 2018-08-16 Artilux Corporation Germanium-silicon light sensing apparatus ii
TW202118036A (zh) * 2015-08-27 2021-05-01 光程研創股份有限公司 光學感測器

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