CN106486565A - 光侦测器方法及光侦测器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种光侦测器方法及光侦测器结构。在该方法中，多晶或非晶的光吸收层形成在介电层上以使其接触光波导的单晶半导体核心。该光吸收层接着以一或多个应变缓解层密封且进行快速熔化生长(RMG)工序以结晶化该光吸收层。该(多个)应变缓解层是为了控制应变缓解而调变，以致在该RMG工序期间，该光吸收层保持免于破裂。接着移除该(多个)应变缓解层且在该光吸收层之上形成密封层(例如，填充该RMG工序期间发展的表面凹陷)。随后，通过该密封层植入掺质以形成用于(多个)PIN二极管的扩散区域。由于该密封层相对薄，可在该扩散区域内达到想要的掺质轮廓。

Description

光侦测器方法及光侦测器结构
技术领域
本发明相关光电集成电路，且更尤指，形成光侦测器(例如，锗的光侦测器)的方法及具有极小化暗电流的光侦测器结构。
背景技术
通常来说，光电集成电路芯片一般包含除电子器件(例如，互补金属氧化半导体(CMOS)器件或其它电子器件)之外的各种光学器件。一个范例光学器件为光侦测器(本发明也称作光传感器或光学接收器)，其由光吸收材料的层及在该光吸收材料内的一或多个光二极管(例如，PN二极管或PIN二极管)所制成。该光侦测器从光波导(例如，硅波导)接收光学信号(例如，光)且转化该光学信号成用于由一或多个该电子器件的处理的电子信号(例如，电子流)。范例光吸收材料能包含，但不限于硅、锗、砷化铟镓、硫化铅及碲化汞镉。这些不同的光吸收材料吸收不同波长范围中的光。举例来说，锗吸收红外线波长谱段(例如，700nm-1mm)中的光且通常用于从光纤或其它芯片上光来源接收光并在调制频率中转化该光成电子流的硅光电组件。
不幸地，用于形成锗的光侦测器的目前技术经常导致具有缺陷的锗层，特别是破裂及/或表面凹陷的锗层。这样的技术也不允许在PIN二极管的扩散区域内对掺质轮廓选择控制。缺陷及/或不适当掺质轮廓能导致流过该光侦测器的不想要暗电流的显着量。本技术领域的技术人员将确认术语“暗电流”称作缺乏光子下流过比如光侦测器的光学器件的电子流。故用于形成具有极小化暗电流的光侦测器(例如，锗的光侦测器)的改进方法在本技术领域中是需要的。
发明内容
鉴于以上所述,本发明所揭露的为形成光侦测器(例如,锗的光侦测器)的方法及具有极小化暗电流的作为结果的光侦测器结构。在该方法中,多晶或非晶光吸收层能形成在介电层上以使其通过介电层中的开口而接触光波导的单晶半导体核心。光吸收层能接着以一个或多个应变缓解层密封且能进行快速熔化生长(RMG)工序以结晶化光吸收层。(多个)应变缓解层能对于控制应变缓解而调变，以致在RMG工序期间,光吸收层保持免于破裂。接着能移除该(多个)应变缓解层且能在光吸收层之上形成共形密封层(例如,填充在RMG工序期间所发展的任何表面凹陷)。随后,能通过密封层植入掺质以形成用于(多个)二极管(例如,(多个)PIN二极管)的多个扩散区域。既然密封层相对薄,能在多个扩散区域内达到想要的掺杂轮廓。通过避免在光吸收层中形成的破裂、通过填充光吸收层上的表面凹陷及/或通过在多个扩散区域(例如,N+及P+扩散区域)内到达想要的掺杂轮廓,极小化不想要的暗电流。
更特定来说,所揭露的是形成具有极小化暗电流的光侦测器的方法。
在该方法中,第一介电层能形成在单晶半导体层上。单晶半导体层能为光波导的半导体核心。也就是,单晶半导体层能图案化以便形成光波导的半导体核心。接着形成开口在第一介电层中，以便露出部分半导体核心。
其次,能在第一介电层上且在开口内的单晶半导体层上形成光吸收层。此光吸收层能具有非晶或多晶结构且能具有特定熔化温度。
能在光吸收层之上且尤其是在光吸收层的顶表面及侧壁上形成一个或多个应变缓解层。预定(多个)应变缓解层的(多个)材料及(多个)厚度，以便能在室温及特定熔化温度二者下极小化应变缓解层内的机械应力,且从而在后续快速熔化生长(RMG)工序期间极小化在光吸收层上的应力。
随后,能进行加热工序,特别是RMG工序。也就是,光吸收层能加热至特定熔化温度以上的温度,且接着冷却,从而导致光吸收层结晶化(例如,变为结构中的单晶)成作用为种晶层的单晶半导体层。应注意,由于(多个)应变缓解层的预定(多个)材料及(多个)厚度,避免了此RMG工序期间光吸收层的破裂。然而,表面凹陷可能仍发展在光吸收层的外表面上,从而产生光吸收层与应变缓解层之间的多个空穴。进行RMG工序之后,能移除(多个)应变缓解层的至少一个。
之后,相对薄的共形密封层能形成在光吸收层之上。若移除所有应变缓解层以便露出光吸收层的顶表面及侧壁,能形成此共形密封层以便填充在RMG工序期间在光吸收层上发展的任何表面凹陷。
接着形成共形密封层之后,进行一个或多个离子植入工序，以便能在光吸收层中形成至少一个二极管。既然共形密封层及任何留下的应变缓解层是相对薄,能在多个扩散区域内达到想要的掺杂轮廓。
举例而言，该方法能用以形成具有极小化暗电流(例如,约1μA或更小的暗电流)的锗的光侦测器。在此情况中,第一介电层(例如,氮化硅层)形成在单晶半导体层(例如,单晶硅层)上。单晶半导体层能为光波导的半导体核心(例如,硅核心)。也就是,能图案化单晶半导体层以便形成光波导的半导体核心(例如,硅核心)。开口能接着形成在第一介电层中，以便露出部分半导体核心。
其次,能在第一介电层上且在开口内的单晶半导体层上形成锗的光吸收层。此锗的光吸收层能具有非晶或多晶结构且能具有特定熔化温度。
多个应变缓解层能形成在光吸收层之上,特别是在光吸收层的顶表面及侧壁上。这些应变缓解层能为具有不同厚度的不同材料。预定多个应变缓解层的不同材料及不同厚度，以便能在室温及特定熔化温度二者下极小化应变缓解层中的机械应力,且从而在后续快速熔化生长(RMG)工序期间极小化在锗的光吸收层上的应力。
举例而言，应变缓解层能包含,但不限于,第一应变缓解层(例如,氮化硅层)及第二应变缓解层(例如,氧化硅层)。在此情况中,能预定这些层的不同厚度,从而具有近似1:5的比例,以便极小化上述机械应力。
随后,能进行加热工序,特别是RMG工序。也就是,锗的光吸收层能加热至特定熔化温度以上的温度,且接着冷却,从而导致锗的光吸收层结晶化(例如,变为结构中的单晶)成作用为种晶层的单晶半导体层。应注意,由于多个应变缓解层的多个预定材料及厚度,避免了此RMG工序期间光吸收层的破裂。然而,表面缺陷可能仍发展在锗的光吸收层的表面上(例如,在顶表面及侧壁上),从而产生锗的光吸收层与多个应变缓解层之间的多个空穴。
在进行RMG工序之后，能移除所有应变缓解层,从而露出锗的光吸收层的顶表面及侧壁。接着,能在锗的光吸收层之上(例如,在露出的顶表面及侧壁)形成相对薄的共形密封层。能实质形成此共形密封层以便填充在锗的光吸收层上的任何表面凹陷。
接着形成共形密封层之后,进行一个或多个离子植入工序，以便能在锗的光吸收层中形成多个二极管(例如,多个PIN二极管)。既然共形密封层相对薄,能在多个扩散区域内达到想要的掺质轮廓。举例来说，N+及P+扩散区域能以各扩散区域具有位于光吸收层的底表面与顶表面之间的近似一半的深度的尖峰掺质浓度的掺质轮廓且尖峰掺质浓度的量为至少1x 1019原子/cm3而形成。
本发明也揭露具有极小化暗电流(例如,具有约1μA或更小暗电流的锗的光侦测器)的光侦测器结构。
光侦测器能具有单晶半导体层(例如,单晶硅层)上的第一介电层(例如,氮化硅层)。单晶半导体层能为光波导的半导体核心。也就是,能图案化单晶半导体层以便形成光波导的半导体核心(例如,硅核心)。开口能垂直延伸通过第一介电层至半导体核心。
光侦测器还能具有第一介电层上且在开口内的单晶半导体层上的光吸收层。举例来说,光吸收层能为锗的光吸收层且能为结构中的单晶。光吸收层能包含至少一个二极管。各二极管能具有多个扩散区域(例如,P型扩散区域及N型扩区域)。举例来说,光吸收层能具有多个PIN二极管，而各PIN二极管具有P型扩散区域、N型扩散区域及侧向位于在P型扩散区域与N型扩散区域之间的本质区域(intrinsicregion)。
光侦测器还能具有共形密封层,其覆盖光吸收层(例如,在光吸收层的顶表面及侧壁上)。如关于该方法的上述讨论,此共形密封层能接着结晶化光吸收层的RMG工序之后形成，且接着移除所有应变缓解层以露出光吸收层的顶表面及侧壁。因此,此共形密封层填充在RMG工序期间光吸收层的表面上形成的凹陷。此外,如关于该方法的上述讨论,(多个)二极管的多个扩散区域能通过接着形成共形密封层之后直接进行的离子植入工序而形成。既然共形密封层相对薄,能在多个扩散区域内达到想要的掺杂轮廓。举例来说，(多个)二极管能含有N+及P+扩散区域，并以各扩散区域具有位于光吸收层的底表面与顶表面之间的近似一半的深度的尖峰掺质浓度的掺质轮廓且尖峰掺质浓度的量为至少1x 1019原子/cm3。
附图说明
本发明将从下文详细描述并参考附图而更佳理解，附图不须对尺寸精确绘制，且其中:
图1为说明形成具有极小化暗电流的光侦测器的方法的流程图；
图2为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；
图3A为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；
图3B为显示在图3A中的该部分完成的光侦测器的顶视图；
图4为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；
图5为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；
图6为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；
图7为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；
图8为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；
图9显示说明以室温下该应变缓解层中的应力量改变作为由氮化硅组成的应变缓解层的部分的改变的函数的曲线，且说明以该光吸收层的熔化温度下该应变缓解层中的应力量改变作为由氮化硅组成的应变缓解层的部分的改变的函数的其它曲线；
图10为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；
图11为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；
图12为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；
图13为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；
图14为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；
图15为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；
图16为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；
图17为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；
图18为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；
图19为说明依据图1的方法形成的部分完成的光侦测器结构的剖示图；以及
图20为说明具有极小化暗电流的光侦测器结构的剖示图。
具体实施方式
如上所述，光电集成电路芯片一般包含除电子器件(例如，互补金属氧化半导体(CMOS)器件或其它电子器件)之外的各种光学器件。一种范例光学器件为光侦测器(本发明也称作光传感器或光学接收器)，该光侦测器由光吸收材料的层及在该光吸收材料内的一或多个光二极管(例如，PN二极管或PIN二极管)所制成。光侦测器从光波导(例如，硅波导)接收光学信号(例如，光)且转化光学信号成用于由一或多个电子器件处理的电子信号(例如，电子流)。举例来说，光吸收材料能包含，但不限于硅、锗、砷化铟镓、硫化铅及碲化镉汞。这些不同的光吸收材料吸收不同波长范围的光。举例来说，锗吸收红外线波长谱段(例如，700nm-1mm)的光且通常用于从光纤或其它芯片上光来源接收光并在频率调制中转化光为电子流的硅光电组件。
用于形成锗的光侦测器的目前技术一般要求锗层形成在介电层上以使锗层通过介电层中的开口与硅波导接触。接着锗层以相对厚的介电层密封且进行快速熔化生长(RMG)工序，以便结晶化锗层。在此RMG工序期间，承受的机械应力由约5％锗收缩作为其通过从多晶或非晶态至熔化期间的液态的相变化，且相应约5％扩张作为其在冷却期间重新冷却至单晶态。RMG工序能导致锗层具有缺陷，特别是起因于机械应力所致的破裂及熔化时的表面凹陷。随后，掺质通过厚介电层植入，以便形成PIN二极管的P型及N型扩散区域。由于厚介电层，难以在扩散区域内达到想要的掺质轮廓，特别是难以在扩散区域内达到想要的尖峰掺质浓度量及/或难以确认尖峰掺质浓度量是位于扩散区域的中央。扩散区域内的缺陷及/或不适当掺质轮廓能导致流过光侦测器的不想要暗电流的显着量。本技术领域的技术人员将确认术语“暗电流”称作缺乏光子下流过例如光侦测器的光学器件的电子流。为了接收相对噪讯比具有高信号的光学信号，要求低的暗电流(一般约1μA)。因此，用于形成光侦测器的改进方法是需要的，以使暗电流的量极小化，特别是这些方法能便利整合进硅光电组件平台。
鉴于以上所述，本发明揭露一种形成光侦测器(例如，锗的光侦测器)的方法及所产生具有极小化暗电流的光侦测器结构。在该方法中，多晶或非晶光吸收层能形成在介电层上以使多晶或非晶光吸收层通过介电层中开口而接触光波导的单晶半导体核心。接着光吸收层能以一或多个应变缓解层密封，且能进行快速熔化生长(RMG)工序以结晶化光吸收层。(多个)应变缓解层能对于控制应变缓解而调变，以于在RMG工序期间使光吸收层保持免于破裂。接着能移除(多个)应变缓解层且能在光吸收层之上形成共形密封层(例如，填充在RMG工序期间所发展的任何表面凹陷)。随后，能通过密封层植入掺质以形成用于(多个)二极管(例如，(多个)PIN二极管)的多个扩散区域。既然密封层相对薄，能在多个扩散区域内达到想要的掺质轮廓。通过避免在光吸收层中形成的破裂、通过填充光吸收层上表面凹陷及/或通过在多个扩散区域(例如，N+及P+扩散区域)内达到想要的掺质轮廓,极小化不想要的暗电流。
更特定地，图1的流程图所指出，本发明所揭露为形成具有极小化暗电流(例如，具有约1μA或更小的暗电流的锗的光侦测器)的光侦测器的方法。
该方法始于绝缘体上半导体(SOI)晶圆201(102，见图2)。此SOI晶圆201能具有半导体基板202(例如，硅基板)、在半导体基板202上的绝缘体层203及在绝缘体层203上的单晶半导体层204(例如，单晶硅层)。
隔离区域206能形成在绝缘体层203上方的半导体层204中以便定义用于光波导(例如，硅光波导)(104，见图3A及3B)的半导体核心205(例如，硅核心)。举例来说，隔离区域206能使用传统浅沟槽隔离(STI)区域形成技术来形成，其中形成(例如，光刻图案化及蚀刻)的沟槽是使其侧向围绕半导体层的一部分，且从而定义用于光波导的半导体核心205的外边缘。接着此沟槽能以隔离材料填充，且能进行化学机械抛光(CMP)工序以便露出图案化半导体层的顶表面。
应注意的是，光波导的半导体核心205能通过工序104的隔离区域206而定义，以使其形状实质上为矩形，如图3B中所示。可替换地，光波导的半导体核心205能通过工序104的隔离区域206而定义，以使其至少一端为锥形(未图示)。在任何情况中，用于绝缘体层203的绝缘体材料及用于隔离区域206的隔离材料能为相同材料且实际能具有小于半导体核心205的半导体材料的折射系数。因此，举例来说，若单晶半导体层204为具有近似3.5的折射系数的硅，则绝缘体层203及隔离区域206能为具有近似1.45的折射系数的氧化硅。
应注意的是，除了定义光波导的半导体核心205之外，隔离区域206能进一步于工序104中形成，以便定义在相同SOI晶圆201上的其它半导体器件(例如，晶体管等)的主动区域。举例来说，图3A及3B也显示形成在邻近于光侦测器的SOI晶圆201上的半导体器件的主动区域的部分207。
可选择地，于形成用于其它半导体器件的主动区域之后，能在形成光侦测器结构之前相对这些其它半导体器件进行另外处理。举例来说，栅极结构能形成在主动区域上，可进行离子植入工序以便形成源极/漏极区域等。
其次，保护层299(例如，保护氧化层)能形成在含有其它半导体器件的SOI晶圆201上的区域之上，且进行遮盖蚀刻工序，以便露出半导体核心205及邻近半导体核心205(例如，如图4中所示者)的隔离区域206。
接下来，第一介电层211能形成(例如，沉积)在半导体层204上以使第一介电层211在隔离区域206上方且侧向延伸于隔离区域206之上，并直接地邻近光波导(106，见图5)的半导体核心205。在形成第一介电层211之后，形成(例如，光刻图案化及蚀刻)第一介电层211中的开口229，以便露出部分单晶半导体层，特别是以便露出部分半导体核心205(108，见图6)。
然后，光吸收层220能形成在第一介电层上及在开口229内的单晶半导体层(例如，部分的半导体核心205)上(110，见图7)。举例来说，能通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)或任何其它合适沉积工序形成此光吸收层220。此光吸收层220能沉积作为无论是非晶或多晶结构的本质光吸收层(例如，光吸收层将不掺杂以便不具有无论是P型或N型导电性)。在任何情况中，此光吸收层220能具有特定熔化温度。举例来说，此光吸收层220能为具有950℃特定熔化温度的锗层。可替换地，此光吸收层220能为硅层、硅锗层、砷化铟镓层或任何其它合适光吸收层，该光吸收层能以非晶或多晶态沉积并能在后续快速熔化生长(RMG)工序期间结晶化，如以下工序116般更详细描述者。应注意的是，能光刻图案化且蚀刻此光吸收层220以定义光侦测器(例如，光侦测器的长度及宽度)(112)的尺寸。然而，必须进行这样的工序以便确保光吸收层220保持对准在半导体核心205上方且接触半导体核心205，因为半导体核心205将作用为用于在后续RMG工序期间结晶化的种晶层。
能形成一或多个应变缓解层在光吸收层220(114)之上，特别是堆迭在光吸收层220(114)的顶表面上方及侧壁上。(多个)应变缓解层(例如，应变缓解层的数目、用于(多个)应变缓解层的(多个)材料及(多个)应变缓解层的厚度)的设计在后续RMG工序期间对于控制光吸收层220上的应变缓解而能选择性调变。
举例来说，单一应变缓解层能在工序114中形成在光吸收层220之上且能预定此单一应变缓解层的材料及厚度，以便极小化应变缓解层内光吸收层220于室温及于特定熔化温度(例如，在锗的光吸收层的情况下为950℃)二者下的机械应力，且从而极小化在后续RMG工序期间光吸收层220上的应力。应注意的是，在单一应变缓解层的情况下，应选择材料以便也作用为障壁层，其阻止后续RMG工序期间锗及硅的内扩散。
可替换地，如图8中所示，多个应变缓解层能在工序114中形成在光吸收层220之上，特别是堆迭在光吸收层220的顶表面及侧壁上。这些应变缓解层能为不同材料(例如，不同介电材料)且能具有不同厚度，同样地预定应变缓解层的材料及厚度以便极小化应变缓解层内光吸收层220于室温及于特定熔化温度(例如，在锗的光吸收层的情况下为950℃)二者下的机械应力，且从而极小化在后续RMG工序期间光吸收层220上的应力。
范例应变缓解层能包含，但不限于，第一应变缓解层212及第二应变缓解层213。第一应变缓解层212能作用为障壁层。更确切地说，此第一应变缓解层212能为特定材料且能具有在后续RMG工序期间足以阻止锗及硅的内扩散的特定厚度。举例来说，第一应变缓解层212能为具有200–600埃范围的第一预定厚度282的氮化硅层(例如，第一预定厚度282能为举例来说，第二应变缓解层213能为具有大于第一应变缓解层212的第一预定厚度282的第二预定厚度283的二氧化硅层。在此情况，第一应变缓解层212(例如，氮化硅层)的厚度282的不同于第二应变缓解层213(例如，氧化硅层)的厚度283，且特别是能预定不同厚度的比例，以便极小化应变缓解层212-213内于室温及于特定熔化温度(例如，在锗的光吸收层的情况下为950℃)二者下的机械应力，且从而极小化在后续RMG工序期间光吸收层220上的应力。特定来说，氮化硅及氧化硅层212-213能具有某些总厚度，具有以其总厚度的第一分率所制成的氮化硅层与具有以其总厚度的第二分率所制成的氧化硅层213。图9的图像显示第一曲线901，该第一曲线901说明这些应变缓解层212-213于室温下应力量的改变，以作为第一分率(例如，氮化硅制成的应变缓解层的部分中的改变的函数)改变的函数，且从而为氮化硅层212的厚度282对氧化硅层213的厚度283的比例改变的函数。图9的图像还显示第二曲线902，该第二曲线902说明这些应变缓解层212-213于锗的光吸收层的熔化温度(例如，950℃)下应力量的改变，以作为第一分率(例如，氮化硅制成的应变缓解层的部分中的改变的函数)改变的函数，且从而为氮化硅层212的厚度282对氧化硅层213的厚度283的比例改变的函数。如曲线901-902中所说明，应变缓解层212-213中应力量的改变是作为不同于依凭无论该结构是在室温或锗的光吸收层的熔化温度(例如，950℃)下的第一分率改变的函数。具体来说，室温下应力范围为从-0.14至+0.14GPa(gigapascals)，而950℃的应变缓解层212-213中的应力范围为从0.30至0.44GPa。此外，当第一分率近似.20/1.00时，或更特别是当氮化硅层212的厚度282对氧化硅层213的厚度283的比例近似1:5时，应变缓解层212-213中的应力量本质上在室温与锗的光吸收层的熔化温度(例如，950℃)二者下为极小化。因此，举例来说，若第一应变缓解层212(例如，氮化硅层)具有(视就对于作用为障壁层的所要求厚度而论的上述讨论)的第一预定厚度282，则第二应变缓解层213(例如，氧化硅层)应具有的第二预定厚度。1:5的比例将也确定为在后续RMG工序期间，锗的光吸收层220上的应力量也极小化。特别是此1:5的比例确定为应变缓解层上的应力在室温下为压缩(-0.003Gpa)且在950℃下为极小化拉伸(0.34GPa)。应注意的是，950℃下0.30至0.44GPa的应变缓解层212-213的拉伸应力量是全小于一般视作以现有技术方法所使用的非牺牲的密封层的0.52Gpa的拉伸应力量，以在RMG工序期间密封锗，且950℃的0.34GPa的拉伸应力量是以35％低于0.52Gpa的拉伸应力量。
一旦(多个)应变缓解层在工序114中形成，能进行热工序，且特别是快速熔化生长(RMG)工序(116，见图10)。换句话说，光吸收层220能加热至其特定熔化温度，且接着冷却，从而导致光吸收层220结晶化(例如，变为结构中的单晶)成作用为种晶层的单晶半导体层204。应注意的是，在此RMG工序期间，破裂298可能在(多个)应变缓解层中显现。然而，由于(多个)应变缓解层的预定(多个)材料及(多个)厚度，避免了光吸收层220的破裂，极小化作为结果的光侦测器中的暗电流。应进一步注意的是，在阻止光吸收层220的破裂的同时，表面凹陷208可能仍在光吸收层220的顶表面及侧壁上发展，从而造成光吸收层220与(多个)应变缓解层之间的空穴。
在进行RMG工序之后，能选择性移除(118)(多个)应变缓解层的一些或全部。实际来说，如图11所示，能于工序118中选择移除所有(多个)应变缓解层，从而露出光吸收层220的顶表面及侧壁。举例来说，当第一及第二应变缓解层212-213个别为氮化硅层及氧化硅层时，氧化硅层能使用氢氟酸(HF)蚀刻工序而移除，且氮化硅层能使用反应离子蚀刻(RIE)工序而移除。可替换地，若多个应变缓解层于工序114中形成，至少一个但不必要全部的应变缓解层能选择移除，以便至少减少光吸收层220上方材料(未图示)的总厚度。
接下来，共形密封层230能形成在光吸收层220(120)之上。举例来说，此共形密封层230能通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)工序、等离子增强化学气相沉积(PECVD)或任何其它合适沉积工序而形成。既然此共形密封层230形成于RMG工序之后，共形密封层230不必对于RMG期间的应变减少优化且反而能对于一或多个其它功能而优化，举例来说，表面凹陷填充、电性、光学、障壁及/或蚀刻停止功能。举例来说，如图12所示，若光吸收层220的顶表面及侧壁于工序118中露出，能形成此共形密封层230以便填充在光吸收层220的顶表面及/或侧壁上的任何表面凹陷208，从而极小化作为结果的光侦测器中的暗电流。此共形密封层230可为氮化硅层或任何其它合适的层，比如多晶硅层、硅锗层、硅碳层、氮化钛层、氮化钽层或其任何组合。任何情况中，应形成相对薄的此共形密封层230。举例来说，能沉积此共形密封层230以便具有的范围中的第三预定厚度231(例如，第三预定厚度能近似
在共形密封层形成之后，进行离子植入工序，以便在光吸收层220(122)中形成至少一个二极管。实际来说，如图13所示，遮蔽层294能形成在密封层230上。(多个)开口293能形成(例如，光刻图案化及蚀刻)在遮蔽层294内以便校准在想要的(多个)位置之上且在光吸收层220内，用于使(多个)扩散区域223具有第一类型导电性(例如，P型导电性)。接着，进行离子植入工序，以便通过(多个)开口293植入第一类型导电性掺质进入光吸收层220，从而产生(多个)第一类型导电性扩散区域223。举例来说，能植入P型掺质(例如，III族掺质，比如硼或铟)以产生(多个)P型扩散区域。其次，如图14所示，能剥除遮蔽层294且能形成其它遮蔽层296在密封层230上。(多个)开口295能形成(例如，光刻图案化及蚀刻)在遮蔽层296内以便校准在光吸收层220内想要的(多个)位置之上，用于使(多个)扩散区域221具有第二类型导电性(例如，N型导电性)。这些(多个)开口295自(多个)扩散区域223偏移。接着，能进行其它离子植入工序以通过(多个)开口295植入第二类型导电性掺质进入光吸收层220，从而产生邻近(多个)第一类型导电性扩散区域223的(多个)第二类型导电性扩散区域221。举例来说，能植入N型掺质(例如，V族掺质，比如砷、磷或锑)以产生(多个)N型扩散区域。具有不同类型导电性的各对邻近扩散区域将形成二极管(例如，二极管225(a)-(e))。可选择地，能图案化具有不同导电性类型的各邻近对扩散区域以便通过本质区域222(例如，未掺杂区域)分开，以使在光吸收层220内的各二极管成为PIN接面二极管。
应注意的是，既然共形密封层230相对薄(例如，如上讨论的本发明揭露的方法相对于现有技术的方法，在上述离子植入工序期间允许更多在光吸收层220内形成二极管扩散区域的选择控制。举例来说，由于共形密封层230相对薄，至少1x 1014原子/cm2的相对高植入剂量能于上述离子植入工序期间使用以产生(多个)P型扩散区域223及(多个)N型扩散区域221。因此，能形成各扩散区域221,223以便具有至少1x 1019原子/cm3的尖峰掺质浓度量的掺质轮廓。此外，由于共形密封层230相对薄，上述用以产生(多个)P型扩散区域223及(多个)N型扩散区域221的离子植入工序不须高能量离子植入工序。反而，这些离子植入工序能以中能量或甚至低能量离子植入工序(例如，对于硼植入的情况是以20与60KeV之间的能量范围，且对于磷植入的情况是以50与150KeV之间的能量范围)以减少植入散射，且另外，选择性控制能量的量能，以便达到各扩散区域221,223具有位于光吸收层220的底表面与顶表面之间的近似一半的深度的尖峰掺质浓度的掺质轮廓。最后，由于共形密封层230相对薄，遮蔽层294,296也能相对薄(例如，0.3与0.7微米(μm)之间，比如0.5μm)以使开口293,295的宽度能相对小(例如，0.15与0.21μm之间，比如0.18μm)，该开口293,295是以光刻图案化及蚀刻进那些层。既然开口293,295的宽度能相对小，给定长度的光吸收层220内的扩散区域数量，且从而能增加给定长度的光吸收层220内二极管的数量。举例来说，具有20μm长度的光吸收层220能含有上至55个二极管。通过确保(多个)二极管的扩散区域221,223具有想要的掺质轮廓(例如，至少1x 1019原子/cm3的想要的相对高尖峰浓度量，其位于光吸收层220的底表面与顶表面之间的近似一半的位置)，且通过最大化光吸收层220的每个给定长度的二极管的数量，本揭露方法极小化将流过作为结果的光侦测器的暗电流量。举例来说，在锗的光吸收层220的情况，此暗电流量能减低至约1μA或更少。
在离子植入工序之后，能选择移除遮蔽层296且能形成密封层230(124)上的介电层堆栈。举例来说，能直接地形成邻近密封层230的第二介电层214且能在第二介电层214(见图15)上形成第三介电层215。密封层230能为与第二介电层214不同材料以使密封层230作用为后续工序期间的蚀刻停止层。举例来说，如上所述，密封层230能为氮化硅、多晶硅、硅锗、硅碳、氮化钛、氮化钽或其任何组合。第二介电层214能为氧化硅层。此外，第三介电层215及第二介电层214能为不同介电材料。举例来说，第三介电层215能为氮化硅层。举例来说，第二及第三介电层214-215能对下游处理及/或光学特性而优化(例如，以使第二及第三介电层214-215具有低于光吸收层的折射系数)。可选择地，在堆栈中的形成任何另外层之前，遮蔽292能形成在部分完成的光侦测器结构之上以允许相对其它半导体器件进行另外处理，举例来说，另外处理包含移除保护层299、形成硅化物等(见图16)。接着其它半导体器件的处理，能移除遮蔽292且能形成在第三介电层215上且侧向延伸在其它半导体器件之上的第四介电层216(例如，共形障壁层，比如共形氮化硅层)，从而完成介电层的堆栈217(见图17)。
随后，能形成(例如，光刻图案化及蚀刻)另外开口290以使其垂直延伸通过介电层的堆栈217且露出光吸收层220上方的密封层230的顶表面的部分(126，见图18)。接着，能沉积层间介电(ILD)材料的覆盖层250在堆栈217上，充填另外开口290。举例来说，此ILD材料能为氧化硅或任何其它合适ILD材料(例如，硼磷硅酸盐玻璃(borophosphosilicate glass,BPSG)、正硅酸乙酯(tetraethylorthosilicate,TEOS)、氟化硅酸乙酯(fluorinated tetraethylorthosilicate,FTEOS)等)(128，见图19)。
其次，能形成予作为结果的光侦测器200的接触255(130，见图20)。可选择地，在此相同接触的形成工序期间，也能在基板上的其它半导体器件形成另外接触。接触255及任何另外接触能使用传统接触形成技术而形成。能特定形成接触255以使其垂直延伸通过在另外开口290内的ILD材料的覆盖层250且通过密封层230而到达至少一个二极管的扩散区域221,223。本技术领域的技术人员将确认的是，由于RMG工序，光吸收层220的结晶结构可能在接近光吸收层220界面与单晶半导体层下方(例如，接近开口290)之间的界面处含有缺陷。因此，较佳地仅有在开口290一侧或其它侧上的(多个)二极管是接触的(例如，见到达开口290的左侧上的各二极管225(a)-(e)的扩散区域221,223的接触255)。
接下来形成接触255，能进行传统后段制程(BEOL)工序(132)。此BEOL工序能包含，但不限于，形成必须电性连接光侦测器200至相同基板上的一或多个电子器件的(多个)金属线及(多个)导孔。
以上描述的方法是用于制作集成电路芯片。作为结果的集成电路芯片能通过制作者以裸晶圆形式(也就是，具有多非封装芯片的单一晶圆)而分割，如裸芯片或以封装形式。在之后情况中，芯片安装于单一芯片封装件(比如以导脚附着于母板或其它更高阶载件的塑料载件)中或于多芯片封装件(比如具有表面的互连或埋入互连的任一或其二者的陶瓷载件)中。在任何芯片接着与其它芯片集成的情况中，分立电路组件及/或其它信号处理器件作为(a)例如母板的中间制品，或(b)终端制品的任一的部分。终端制品能为任何制品，其包含范围从玩具及具显示器、键盘或其它输入器件、以及中央处理器的其它低端应用至先进计算器产品的集成电路芯片。
参考图20，本发明也揭露具有极小化暗电流(例如，具有约1μA或更少暗电流的锗的光侦测器)的光侦测器200。
如关于该方法的上述讨论，光侦测器200能形成在绝缘体上半导体(SOI)晶圆201上。此SOI晶圆201能具有半导体基板202(例如，硅基板)、在半导体基板202上的绝缘层203及在绝缘层203上的单晶半导体层204(例如，单晶硅层)。隔离区域206能在绝缘层203上方的半导体层204中且能定义用于光波导(例如，硅光波导)的半导体核心205(例如，硅核心)。举例来说，隔离区域206能为具有沟槽的传统浅沟槽隔离(STI)区域，该沟槽具有定义用于光波导的半导体核心205的外边缘且沟槽以隔离材料填充。应注意的是，此光波导的半导体核心205本质上形状能为矩形，如图3B所示。可替换地，光波导的半导体核心205能具有至少一个锥形形状(未图式)。任何情况中，用于绝缘层203的绝缘材料及用于隔离区域206的隔离材料能为相同材料且特定能具有比半导体核心205的半导体材料低的折射系数。因此，举例来说，若单晶半导体层204为硅，其具有近似3.5的折射系数，接着绝缘体层203及隔离区域206能为氧化硅，其具有近似1.45的折射系数。应注意的是，除了定义光波导的半导体核心205之外，隔离区域206还能定义在相同SOI晶圆201上的其它(多个)半导体器件(例如，(多个)晶体管等)的(多个)主动区域。
光侦测器200还能具有单晶半导体层204上的第一介电层211以使第一介电层211在隔离区域206上方，且使第一介电层211在光波导的半导体核心205上方侧向延伸及直接地邻近光波导的半导体核心205。第一介电层211能具有通过部分的单晶半导体层且垂直延伸的开口229，且特定是到达部分的半导体核心205。
光侦测器200还能具有在第一介电层211上及在开口229内的单晶半导体层204(例如，部分半导体核心205)上的光吸收层220。此光吸收层220能为结构中的单晶。举例来说，此光吸收层220能为锗层。可替换地，此光吸收层220能为硅层、硅锗层、砷化铟镓层或任何其它合适光吸收层。
光吸收层220能含有至少一个二极管(例如，见二极管225(a)-(e))。各二极管能以不同型导电性(例如，P型扩散区域221及N型扩散区域223)的一对邻近扩散区域所制成。可选择地，各二极管内的各对邻近扩散区域能通过本质区域222(例如，未掺杂区域)而分开，以使光吸收层220内的各二极管为PIN接面二极管。如以上详述，用以形成此光侦测器200的方法允许用于在光吸收层220内的形成二极管扩散区域的选择控制。因此，举例来说，光吸收层220内各二极管内的各扩散区域221,223能具有以至少1x 1019原子/cm3的尖峰掺质浓度的量且位于光吸收层220的底表面与顶表面之间的近似一半的深度的尖峰掺质浓度的掺质轮廓。此外，给定长度的光吸收层220内的扩散区域的数量，从而给定长度的光吸收层220内的二极管的数量能相对高。举例来说，光吸收层220能具有20μm的长度且能含有上至55个二极管。通过确保(多个)二极管的扩散区域221,223具有想要的掺质轮廓(例如，至少1x 1019原子/cm3的想要的相对高尖峰浓度量，其位于光吸收层220的底表面与顶表面之间的近似一半的深度)，且通过将光吸收层220的每给定长度的二极管的数量极大化，流过作为结果的光侦测器200的暗电流量将会极小化。举例来说，在锗的光吸收层220的情况中，此暗电流量能近似约1μA或更少。
光侦测器200还能具有共形密封层230，其覆盖光吸收层220(例如，在光吸收层220的顶表面及侧壁上)。如关于该方法的上述讨论，此共形密封层230能接着结晶化光吸收层220的RMG工序且接着一些或所有的一或多个应变缓解层的移除而形成，而应变缓解层为使用于RMG工序期间以阻止光吸收层220破裂。既然在RMG工序之后形成共形密封层，不必对于RMG期间减少应变而优化，且反而能对于作为结果的结构内的一或多个其它功能而优化，比如表面凹陷填充、电性、光学、障壁及/或蚀刻停止功能。举例来说，此共形密封层230能直接地邻近光吸收层且能填充在光吸收层220的顶表面及/或侧壁上的任何表面凹陷208中。此共形密封层230能为氮化硅层或任何其它合适层，比如多晶硅层、硅锗层、硅碳层、氮化钛层、氮化钽层或其任何组合。任何情况中，此共形密封层230能相对薄。举例来说，此共形密封层230能具有的范围中的第三预定厚度231(例如，第三预定厚度能近似
光侦测器200还能具有密封层230上的介电层的堆栈217。此堆栈217能包含，但不限于，直接地邻近密封层230的第二介电层214及在第二介电层214上的第三介电层215。密封层230能与第二介电层214为不同材料。举例来说，如上所述，密封层230能为氮化硅、多晶硅、硅锗、硅碳、氮化钛、氮化钽或其任何组合。第二介电层214能为氧化硅层。此外，第三介电层215及第二介电层214能为不同介电材料。举例来说，第三介电层215能为氮化硅层。举例来说，第二及第三介电层214-215能对于下游处理及/或光学特性而优化(例如，以使第二及第三介电层214-215具有低于光吸收层的折射系数)。堆栈217还能包含在第三介电层215上且侧向延伸于其它半导体器件之上的第四介电层216(例如，共形障壁层，比如共形氮化硅层)。堆栈217能具有另外开口290，其通过光吸收层220上方的密封层230的部分顶表面而垂直延伸。层间介电(ILD)材料的覆盖层250能覆盖堆栈217且能填充此另外开口290。举例来说，ILD材料能为氧化硅或任何其它合适ILD材料(例如，硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)、正硅酸乙酯(TEOS)、氟化硅酸乙酯(FTEOS)等)。
光侦测器200还能具有接触255，其垂直延伸通过在另外开口290内的ILD材料的覆盖层250且通过密封层230而到达至少一个二极管的扩散区域221,223。本技术领域的技术人员将确认的是，光吸收层220的结晶结构可能在接近光吸收层220与单晶半导体层下方(例如，接近开口290)之间的界面处含有缺陷。因此，较佳地仅有在开口290一侧或其它侧上的(多个)二极管的扩散区域221,223是接触的(例如，见到达开口290的左侧上的各二极管225(a)-(e)的扩散区域221,223的接触255)。
应理解本发明使用的术语是作为描述揭露方法及结构的目的，且不意图限制。举例来说，如本发明所使用，单个的形式“一”及“该”是意在也包含多数形式，除非内文另外清楚指出。另外，如本发明所使用，术语“包括”及/或“包含”指定状态特征、整数、步骤、操作、元件及/或组件的存在，但不排除一或多个特征、整数、步骤、操作、元件、组件及/或其群组的存在或附加。此外，如本发明所使用，术语如“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“上”、“下”、“在…情况下”、“之下”、“下层的”、“之上”、“上覆”、“平行”、“正交”等，是意在描述当其在附图中(除非另有所指)的指向及说明的相对关系，且比如“触碰”、“在…上”、“直接接触”、“毗连”、“直接邻近”等的术语是意在指出至少一元件物理接触其它元件(没有其它元件分开所描述(多个)元件)。所有权利要求书中所有手段或步骤功能用语的相应结构、材料、动作及等同者意在包含用于进行功能与其他权利要求元件结合的任何结构、材料或动作，来作为明确的权利要求。
因此，上文所揭露者为形成光侦测器(例如，锗的光侦测器)的方法及具有极小化暗电流的作为结果的光侦测器结构。在该方法中，多晶或非晶光吸收层能形成在介电层上以使光吸收层通过介电层中的开口而与光波导的单晶半导体核心接触。光吸收层能接着以一或多个应变缓解层密封且能进行快速熔化生长(RMG)工序以结晶化光吸收层。(多个)应变缓解层能对于控制应变缓解而调变，以致在RMG工序期间，光吸收层保持免于破裂。接着能移除(多个)应变缓解层且能在光吸收层之上形成共形密封层(例如，填充在RMG工序期间发展的任何表面凹陷)。随后，能通过密封层植入掺质以形成用于(多个)二极管(例如，(多个)PIN二极管)的扩散区域。既然密封层相对薄，能在扩散区域内达到想要的掺质轮廓。通过防止破裂形成于光吸收层中、通过填充光吸收层上的表面凹陷及/或通过在扩散区域(例如，N+及P+扩散区域)内达到想要的掺质轮廓，极小化不想要的暗电流。
本发明的各种具体实施例的描述已针对说明的目的而展现，但不意图排除或限制所揭露的具体实施例。本技术领域的技术人员将清楚明白，许多修饰及变化为不悖离所描述的具体实施例的范畴及精神。本发明使用的术语是对于具体实施例、实行应用或在市场所能找到技术之上的技术改进的最佳解释其原理，或者能使本技术领域的其他技术人员理解本发明所揭露具体实施例而选择者。

Claims (20)

1.一种方法，其包括:
在单晶半导体层上形成介电层；
在该介电层中形成开口，该开口露出部分该单晶半导体层；
在该介电层上以及在该开口内的该单晶半导体层上形成光吸收层，该光吸收层为非晶或多晶且具有熔化温度；
在该光吸收层之上形成一或多个应变缓解层；
进行加热工序以便加热该光吸收层至该熔化温度，接着在该加热工序之后，该光吸收层变为单晶；
移除至少一个应变缓解层；
在该光吸收层之上形成密封层；以及
在形成该密封层之后，进行离子植入工序以便在该光吸收层中形成至少一个二极管。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该一或多个应变缓解层极小化该光吸收层上的应力。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该一或多个应变缓解层包括第一应变缓解层及在该第一应变缓解层上的第二应变缓解层，以及该第一应变缓解层及该第二应变缓解层包括不同材料且具有不同厚度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该第一应变缓解层包括氮化硅层，该第二应变缓解层包括氧化硅层，且该不同厚度的比例近似1:5。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该单晶半导体层包括硅层，该光吸收层包括锗层，以及该密封层包括氮化硅层、多晶硅层、硅锗层、硅碳层、氮化钛层及氮化钽层中的任一者。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该离子植入工序使用至少1x1014原子/cm2的植入剂量而进行。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括:
在进行该离子植入工序之后，在该密封层上形成多个介电层的堆栈；
形成垂直延伸通过该堆栈的另外开口，以露出该密封层的顶表面；
在该堆栈上以及该另外开口中沉积层间介电材料的覆盖层；以及
形成接触，其垂直延伸通过在该另外开口内的该覆盖层以及通过该密封层至该至少一个二极管的扩散区域。
8.一种形成光侦测器的方法，该方法包括:
在单晶半导体层上形成第一介电层；
在该第一介电层中形成开口，该开口露出部分该单晶半导体层；
在该第一介电层上以及在该开口内的该单晶半导体层上形成锗的光吸收层，该锗的光吸收层为非晶或多晶且具有熔化温度；
在该锗的光吸收层之上形成多个应变缓解层，该多个应变缓解层包括不同材料且具有不同厚度；
进行加热工序以便加热该锗的光吸收层至该熔化温度，在该加热工序之后，该锗的光吸收层变为单晶；
移除该多个应变缓解层；
在该锗的光吸收层之上形成密封层；以及
在形成该密封层之后，进行离子植入工序以便在该锗的光吸收层中形成多个二极管。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括预定该多个应变缓解层的该不同材料及该不同厚度以在室温及该熔化温度二者下于该多个应变缓解层中极小化应力，且导致极小化该锗的光吸收层上的应力。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该多个应变缓解层包括第一应变缓解层及在该第一应变缓解层上的第二应变缓解层。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该第一应变缓解层包括氮化硅层，该第二应变缓解层包括氧化硅层，且该不同厚度的比例近似1:5。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括:
在进行该离子植入工序之后，在该密封层上形成多个介电层的堆栈，该堆栈包括:
第二介电层；
在该第二介电层上的第三介电层；及
在该第三介电层上的第四介电层；
形成垂直延伸通过该堆栈的另外开口，以露出该密封层的顶表面；
在该堆栈上以及该另外开口中沉积层间介电材料的覆盖层；以及
形成接触，其在该另外开口内垂直延伸通过该覆盖层以及通过该密封层至该二极管的扩散区域。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该单晶半导体层包括硅层，以及该密封层包括氮化硅层、多晶硅层、硅锗层、氮化钛层及氮化钽层中的任一者。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该离子植入工序使用至少1x1014原子/cm2的植入剂量而进行。
15.一种光侦测器，其包括:
第一介电层，位在单晶半导体层上，该第一介电层具有垂直延伸至该单晶半导体层的开口；
光吸收层，位在该第一介电层上以及该开口内的该单晶半导体层上，该光吸收层为单晶且包括至少一个二极管；以及
共形密封层，其覆盖该光吸收层，该密封层填充在该光吸收层的表面上的凹陷。
16.根据权利要求15所述的光侦测器，其特征在于，该密封层包括氮化硅层、多晶硅层、硅锗层、硅碳层、氮化钛层及氮化钽层中的任一者
17.根据权利要求15所述的光侦测器，其特征在于，该二极管具有多个扩散区域，各该扩散区域具有位于该光吸收层的底表面与顶表面之间的近似一半的深度的尖峰掺质浓度的掺质轮廓且尖峰掺质浓度的量为至少1x1019原子/cm3。
18.根据权利要求15所述的光侦测器，其特征在于，该二极管具有多个扩散区域及侧向位于该多个扩散区域之间的本质区域。
19.根据权利要求15所述的光侦测器，还包括:
多个介电层的堆栈，位在该密封层上；
另外开口，其垂直延伸通过该堆栈至该密封层；
层间介电材料的覆盖层，位在该堆栈之上且充填该另外开口；以及
接触，其垂直延伸通过该另外开口中的该覆盖层以及通过该密封层至该二极管的多个扩散区域。
20.根据权利要求19所述的光侦测器，该堆栈包括:
第二介电层，其直接地邻近该密封层；
第三介电层，位在该第二介电层上；以及
第四介电层，位在该第三介电层上，
层间介电材料的覆盖层，其直接地邻近该第四介电层，
该第二介电层包括氧化硅层，
该第一介电层、该第三介电层及该第四介电层包括氮化硅层，及
该密封层及该第四介电层具有近似相等的厚度。
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