CN115084304A - 半导体结构及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体结构及其形成方法，其中半导体结构包括：衬底，衬底内具有第一掺杂区和第二掺杂区；位于衬底上的隔离结构；位于隔离结构和衬底内的第一开口；位于第一开口内的光吸收层，且第一开口的顶部侧壁与光吸收层的顶部侧壁之间的间距大于零；位于隔离结构上的介质层，介质层覆盖光吸收层。通过位于隔离结构和衬底内的第一开口，且第一开口的顶部侧壁与光吸收层的顶部侧壁之间的间距大于零。使得光吸收层的顶部侧壁与第一开口的顶部侧壁之间的间距增大。在后续形成介质层时，使得介质层能够很好的填充到光吸收层和隔离结构之间，减少了缝隙问题的产生，有效提升了锗光电探测器的可靠性，使得最终形成的半导体结构的性能提升。

Description

半导体结构及其形成方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种半导体结构及其形成方法。
背景技术
在半导体光电探测器中，光电探测器暴露于光源时经由探测材料吸收光能并转换成电子信号而输出电流，可通过此用于光通讯及光探测。
作为硅基光电集成技术中的重要代表之一的硅基锗光电探测器，经过几十年的发展，在结构上不断优化，性能进一步提高。根据其光的入射角度，光电探测器可分为垂直入射(自由空间)和边入射(波导集成)这两种类型。其中波导集成的光电探测器由于光的传播和吸收沿着波导方向，而载流子输运则沿着与之相垂直的方向，因此在保持吸收区厚度不变的前提下，可以通过增大吸收长度来提高器件的响应度。
然而，现有技术中的硅基锗光电探测器的可靠性较差。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种半导体结构及其形成方法，能够有效提升半导体结构的性能。
为解决上述问题，本发明提供一种半导体结构，包括：衬底，所述衬底内具有相互分立的第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区内具有第一离子，所述第二掺杂区内具有第二离子，所述第一离子和所述第二离子的电学类型不同；位于所述衬底上的隔离结构；位于所述隔离结构和所述衬底内的第一开口，所述第一开口暴露出部分所述第一掺杂区和部分所述第二掺杂区；位于所述第一开口内的光吸收层，且所述第一开口的顶部侧壁与所述光吸收层的顶部侧壁之间的间距大于零；位于所述隔离结构上的介质层，所述介质层覆盖所述光吸收层。
可选的，所述光吸收层的材料包括：锗。
可选的，所述隔离结构包括第一隔离层以及位于所述第一隔离层上的第二隔离层。
可选的，所述第二隔离层的密度小于所述第一隔离层的密度。
可选的，所述第一离子包括N型离子或P型离子；所述第二离子包括P型离子或N型离子。
可选的，还包括：位于所述介质层内的进光口，所述进光口位于所述光吸收层上。
相应的，本发明还提供了一种半导体结构的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底内具有相互分立的第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区内具有第一离子，所述第二掺杂区内具有第二离子，所述第一离子和所述第二离子的电学类型不同；在所述衬底上形成隔离结构；在所述隔离结构和所述衬底内形成第一开口，所述第一开口暴露出部分所述第一掺杂区和部分所述第二掺杂区；在所述第一开口内形成光吸收层，且所述第一开口的顶部侧壁与所述光吸收层的顶部侧壁之间的间距大于零；在形成所述光吸收层之后，在所述隔离结构上形成介质层，所述介质层覆盖所述光吸收层。
可选的，所述光吸收层的材料包括：锗。
可选的，所述隔离结构包括第一隔离层以及位于所述第一隔离层上的第二隔离层。
可选的，所述第一开口的形成方法包括：在所述衬底、第一隔离层和第二隔离层内形成初始第一开口；对位于所述第二隔离层内的初始第一开口进行刻蚀处理，形成所述第一开口。
可选的，所述第二隔离层的密度小于所述第一隔离层的密度。
可选的，对位于所述第二隔离层内的初始第一开口进行刻蚀处理的工艺包括湿法刻蚀工艺。
可选的，在所述第一开口内形成光吸收层的方法包括：采用外延生长工艺在所述第一开口内形成所述光吸收层。
可选的，所述第一隔离层的形成工艺包括化学气相沉积工艺。
可选的，所述第二隔离层的形成工艺包括高温炉管工艺。
可选的，所述介质层的形成工艺包括化学气相沉积工艺。
可选的，所述衬底的形成方法包括：提供初始衬底；在所述初始衬底上形成第一图形化层，所述第一图形化层暴露出部分所述初始衬底的顶部表面，对所述初始衬底进行第一离子的注入处理，形成所述第一掺杂区；在形成所述第一掺杂区之后，去除所述第一图形化层，在所述初始衬底上第二图形化层，所述第二图形化层暴露出部分所述初始衬底的顶部表面；对所述初始衬底进行第二离子的注入处理，形成所述第二掺杂区和所述衬底。
可选的，所述第一离子包括N型离子或P型离子；所述第二离子包括P型离子或N型离子。
可选的，在形成是介质层之后，还包括：在所述介质层内形成进光口，所述进光口位于所述光吸收层上。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明的技术方案的结构中，通过位于所述隔离结构和所述衬底内的第一开口，且所述第一开口的顶部侧壁与所述光吸收层的顶部侧壁之间的间距大于零。使得所述光吸收层的顶部侧壁与所述第一开口的顶部侧壁之间的间距增大。在后续形成所述介质层时，使得所述介质层能够很好的填充到所述光吸收层和所述隔离结构之间，减少了缝隙问题的产生，有效提升了锗光电探测器的可靠性，使得最终形成的半导体结构的性能提升。
本发明的技术方案的形成方法中，通过在所述隔离结构和所述衬底内形成第一开口，且所述第一开口的顶部侧壁与所述光吸收层的顶部侧壁之间的间距大于零。使得所述光吸收层的顶部侧壁与所述第一开口的顶部侧壁之间的间距增大。在后续形成所述介质层时，使得所述介质层能够很好的填充到所述光吸收层和所述隔离结构之间，减少了缝隙问题的产生，有效提升了锗光电探测器的可靠性，使得最终形成的半导体结构的性能提升。
进一步，所述第二隔离层的密度小于所述第一隔离层的密度。通过形成密度较小的所述第二隔离层，使得在形成所述第一开口的过程中，能够较为容易的将所述第二隔离层去除，同时也能够降低对所述第一隔离层的刻蚀损伤。
附图说明
图1和图2是一种半导体结构示意图；
图3至图8是本发明半导体结构形成方法一实施例各步骤结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，现有技术中的硅基锗光电探测器的可靠性较差。以下将结合附图进行具体说明。
图1和图2是一种半导体结构示意图。
请参考图1，提供衬底100，所述衬底100内具有相互分立的第一掺杂区101和第二掺杂区102，所述第一掺杂区101内具有第一离子，所述第二掺杂区102内具有第二离子，所述第一离子和所述第二离子的电学类型不同；在所述衬底100上形成第一隔离层103；在所述第一隔离层103和所述衬底100内形成光吸收层104，所述光吸收层104还位于所述第一掺杂区101和所述第二掺杂区102之间。
请参考图2，在形成所述光吸收层104之后，在所述第一隔离层103上形成介质层105，所述介质层105覆盖所述光吸收层104。
在本实施例中，所述光吸收层104的材料锗，所述光吸收层104作为锗光电探测器的重要组成部分，在有光照的情况下会产生光电效应，进而分离出自由电子。当在所述第一掺杂区101和所述第二掺杂区102上加载反向电压时，则可以检测出由自由电子所产生的电流。
在本实施例中，在所述第一隔离层103和所述衬底100内形成光吸收层104的方法包括：在所述第一隔离层103和所述衬底100内形成第一开口(未图示)；采用外延生长工艺在所述第一开口内形成所述光吸收层104。
由于所述光吸收层104是采用外延生长工艺形成，在外延生长的过程中会存在生长分布不均匀的问题，因此使得所述光吸收层104的顶部呈圆弧结构，进而使得所述光吸收层104的顶部表面与所述第一隔离层103的侧壁之间存在很小的夹角(如图1中A部分所示)。
在后续形成所述介质层105的过程中，由于光吸收层104不能承受高温，因此不能够采用填充性更好的高温炉管工艺形成所述介质层105。另外，也不能使用高密度等离子体(High Density Plasma HDP)化学气相淀积工艺形成所述介质层105，这是由于高强度等离子体也会损伤所述光吸收层104。
因此，在本实施例中，选用的是普通的低温化学气相沉积工艺形成所述介质层105。然而，低温化学气相沉积的填充性较弱，因此，会导致所述光吸收层105的顶部表面与所述第一隔离层103的侧壁之间的夹角无法被填充，进而形成缝隙(如图2中B部分所示)，所述缝隙会影响到锗光电探测器的可靠性，使得最终形成的半导体结构的性能降低。
在此基础上，本发明提供一种半导体结构及其形成方法，通过在所述隔离结构和所述衬底内形成第一开口，且所述第一开口的顶部侧壁与所述光吸收层的顶部侧壁之间的间距大于零。使得所述光吸收层的顶部侧壁与所述第一开口的顶部侧壁之间的间距增大。在后续形成所述介质层时，使得所述介质层能够很好的填充到所述光吸收层和所述隔离结构之间，减少了缝隙问题的产生，有效提升了锗光电探测器的可靠性，使得最终形成的半导体结构的性能提升。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细地说明。
图3至图8是本发明实施例的一种半导体结构的形成过程的结构示意图。
请参考图3，提供衬底200，所述衬底200内具有相互分立的第一掺杂区201和第二掺杂区202，所述第一掺杂区201内具有第一离子，所述第二掺杂区202内具有第二离子，所述第一离子和所述第二离子的电学类型不同。
在本实施例中，所述衬底200的形成方法包括：提供初始衬底(未图示)；在所述初始衬底上形成第一图形化层(未图示)，所述第一图形化层暴露出部分所述初始衬底的顶部表面，对所述初始衬底进行第一离子的注入处理，形成所述第一掺杂区201；在形成所述第一掺杂区201之后，去除所述第一图形化层，在所述初始衬底上第二图形化层(未图示)，所述第二图形化层暴露出部分所述初始衬底的顶部表面；对所述初始衬底进行第二离子的注入处理，形成所述第二掺杂区202和所述衬底200。
在本实施例中，所述衬底200的材料为硅；在其他实施例中，所述衬底的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。
在本实施例中，所述第一离子采用N型离子，所述第二离子采用P型离子；在其他实施例中，所述第一离子还可以采用P型离子，所述第二离子采用N型离子。
在本实施例中，通过形成所述第一掺杂区201和所述第二掺杂区202，使得所述第一掺杂区201和所述第二掺杂区202形成一个PN结，在后续通过在所述PN结上加载反向电压，则可以检测出由光吸收层分离出的自由电子所产生的电流。
请参考图4，在所述衬底200上形成隔离结构。
在本实施例中，所述隔离结构包括第一隔离层203以及位于所述第一隔离层203上的第二隔离层204。
在本实施例中，所述第二隔离层204的密度小于所述第一隔离层203的密度。通过形成密度较小的所述第二隔离层204，使得在后续形成第一开口的过程中，能够较为容易的将所述第二隔离层204去除，同时也能够降低对所述第一隔离层203的刻蚀损伤。
在本实施例中，所述第一隔离层203的形成工艺包括化学气相沉积工艺。
在本实施例中，所述第二隔离层204的形成工艺包括高温炉管工艺。
在本实施例中，所述第一隔离层203的材料采用氧化硅；所述第二隔离层204的材料采用氧化硅。
请参考图5，在所述隔离结构和所述衬底200内形成第一开口205，所述第一开口205暴露出部分所述第一掺杂区201和部分所述第二掺杂区202。
在本实施例中，所述第一开口205的形成方法包括：在所述衬底200、第一隔离层203和第二隔离层204内形成初始第一开口(未图示)；对位于所述第二隔离层204内的初始第一开口进行刻蚀处理，形成所述第一开口205。
在本实施例中，位于所述第一隔离层203和所述衬底200内的所述第一开口205具有第一尺寸d1，位于所述第二隔离层204内的所述第一开口205具有第二尺寸d2，所述第二尺寸d2大于所述第一尺寸d1。
在本实施例中，对位于所述第二隔离层204内的初始第一开口进行刻蚀处理的工艺包括湿法刻蚀工艺。
请参考图6，在所述第一开口205内形成光吸收层206，且所述第一开口205的顶部侧壁与所述光吸收层206的顶部侧壁之间的间距d3大于零。
在本实施例中，通过在所述隔离结构和所述衬底200内形成第一开口205，且所述第一开口205的顶部侧壁与所述光吸收层206的顶部侧壁之间的间距d3大于零。使得所述光吸收层206的顶部侧壁与所述第一开口205的顶部侧壁之间的间距增大。在后续形成所述介质层时，使得所述介质层能够很好的填充到所述光吸收层206和所述隔离结构之间，减少了缝隙问题的产生，有效提升了锗光电探测器的可靠性，使得最终形成的半导体结构的性能提升。
在本实施例中，所述光吸收层206的材料采用锗。
在本实施例中，在所述第一开口205内形成光吸收层206的方法包括：采用外延生长工艺在所述第一开口205内形成所述光吸收层206。
在本实施例中，所述光吸收层206的材料锗，所述光吸收层206作为锗光电探测器的重要组成部分，在有光照的情况下，所述光吸收层206会产生光电效应的转化，进而分离出自由电子。此时在所述第一掺杂区201和所述第二掺杂区202上加载反向电压，则可以检测出由所述光吸收层206分离出的自由电子所产生的电流，以此实现光探测的效果。
请参考图7，在形成所述光吸收层206之后，在所述隔离结构上形成介质层207，所述介质层207覆盖所述光吸收层206。
在本实施例中，所述介质层207的形成工艺采用化学气相沉积工艺。
由于在高温或是高密度等离子体的环境下会损伤所述光吸收层206的晶体结构。因此，在本实施例中，不可以采用填充性更好的高温炉管工艺以及高密度等离子体(HighDensity Plasma HDP)化学气相淀积工艺形成所述介质层，而是采用低温的化学气相沉积工艺。
在本实施例中，所述化学气相沉积工艺的温度小于400摄氏度。
在本实施例中，所述介质层207的材料采用氧化硅。
请参考图8，在形成所述介质层207之后，在所述介质层207内形成进光口208，所述进光口208位于所述光吸收层206上。
在本实施例中，通过在所述介质层207内形成所述进光口208，能够提升所述光吸收层206的光感灵敏度，进而提升最终的锗光电探测器的电学性能。
在本实施例中，所述进光口208的形成方法包括：在所述介质层207上形成图形化层(未图示)，所述图形化层暴露出部分所述介质层207的顶部表面；以所述图形化层为掩膜刻蚀所述介质层207，形成所述进光口208。
相应的，本发明的实施例中还提供了一种半导体结构，请继续参考图8，包括：衬底200，所述衬底200内具有相互分立的第一掺杂区201和第二掺杂区202，所述第一掺杂区201内具有第一离子，所述第二掺杂区202内具有第二离子，所述第一离子和所述第二离子的电学类型不同；位于所述衬底200上的隔离结构；位于所述隔离结构和所述衬底200内的第一开口205，所述第一开口205暴露出部分所述第一掺杂区201和部分所述第二掺杂区202；位于所述第一开口205内的光吸收层206，且所述第一开口205的顶部侧壁与所述光吸收层206的顶部侧壁之间的间距大于零；位于所述隔离结构上的介质层207，所述介质层207覆盖所述光吸收层206。
在本实施例中，通过位于所述隔离结构和所述衬底200内的第一开口205，且所述第一开口205的顶部侧壁与所述光吸收层206的顶部侧壁之间的间距大于零。使得所述光吸收层206的顶部侧壁与所述第一开口205的顶部侧壁之间的间距增大。在后续形成所述介质层207时，使得所述介质层207能够很好的填充到所述光吸收层206和所述隔离结构之间，减少了缝隙问题的产生，有效提升了锗光电探测器的可靠性，使得最终形成的半导体结构的性能提升。
在本实施例中，所述光吸收层206的材料采用锗。
在本实施例中，所述隔离结构包括第一隔离层203以及位于所述第一隔离层203上的第二隔离层204。
在本实施例中，所述第二隔离层204的密度小于所述第一隔离层203的密度。
在本实施例中，所述第一离子采用N型离子，所述第二离子采用P型离子；在其他实施例中，所述第一离子还可以采用P型离子，所述第二离子采用N型离子。
在本实施例中，还包括：位于所述介质层207内的进光口208，所述进光口208位于所述光吸收层206上。
在本实施例中，通过位于所述介质层207内的所述进光口208，能够提升所述光吸收层206的光感灵敏度，进而提升最终的锗光电探测器的电学性能。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (19)

1.一种半导体结构，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底内具有相互分立的第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区内具有第一离子，所述第二掺杂区内具有第二离子，所述第一离子和所述第二离子的电学类型不同；
位于所述衬底上的隔离结构；
位于所述隔离结构和所述衬底内的第一开口，所述第一开口暴露出部分所述第一掺杂区和部分所述第二掺杂区；
位于所述第一开口内的光吸收层，且所述第一开口的顶部侧壁与所述光吸收层的顶部侧壁之间的间距大于零；
位于所述隔离结构上的介质层，所述介质层覆盖所述光吸收层。
2.如权利要求1所述半导体结构，其特征在于，所述光吸收层的材料包括：锗。
3.如权利要求1所述半导体结构，其特征在于，所述隔离结构包括第一隔离层以及位于所述第一隔离层上的第二隔离层。
4.如权利要求3所述半导体结构，其特征在于，所述第二隔离层的密度小于所述第一隔离层的密度。
5.如权利要求1所述半导体结构，其特征在于，所述第一离子包括N型离子或P型离子；所述第二离子包括P型离子或N型离子。
6.如权利要求1所述半导体结构，其特征在于，还包括：位于所述介质层内的进光口，所述进光口位于所述光吸收层上。
7.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底内具有相互分立的第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区内具有第一离子，所述第二掺杂区内具有第二离子，所述第一离子和所述第二离子的电学类型不同；
在所述衬底上形成隔离结构；
在所述隔离结构和所述衬底内形成第一开口，所述第一开口暴露出部分所述第一掺杂区和部分所述第二掺杂区；
在所述第一开口内形成光吸收层，且所述第一开口的顶部侧壁与所述光吸收层的顶部侧壁之间的间距大于零；
在形成所述光吸收层之后，在所述隔离结构上形成介质层，所述介质层覆盖所述光吸收层。
8.如权利要求7所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述光吸收层的材料包括：锗。
9.如权利要求7所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述隔离结构包括第一隔离层以及位于所述第一隔离层上的第二隔离层。
10.如权利要求9所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第一开口的形成方法包括：在所述衬底、第一隔离层和第二隔离层内形成初始第一开口；对位于所述第二隔离层内的初始第一开口进行刻蚀处理，形成所述第一开口。
11.如权利要求10所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第二隔离层的密度小于所述第一隔离层的密度。
12.如权利要求11所述半导体结构的形成方法，其特征在于，对位于所述第二隔离层内的初始第一开口进行刻蚀处理的工艺包括湿法刻蚀工艺。
13.如权利要求7所述半导体结构的形成方法，其特征在于，在所述第一开口内形成光吸收层的方法包括：采用外延生长工艺在所述第一开口内形成所述光吸收层。
14.如权利要求9所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第一隔离层的形成工艺包括化学气相沉积工艺。
15.如权利要求9所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第二隔离层的形成工艺包括高温炉管工艺。
16.如权利要求7所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述介质层的形成工艺包括化学气相沉积工艺。
17.如权利要求7所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述衬底的形成方法包括：提供初始衬底；在所述初始衬底上形成第一图形化层，所述第一图形化层暴露出部分所述初始衬底的顶部表面，对所述初始衬底进行第一离子的注入处理，形成所述第一掺杂区；在形成所述第一掺杂区之后，去除所述第一图形化层，在所述初始衬底上第二图形化层，所述第二图形化层暴露出部分所述初始衬底的顶部表面；对所述初始衬底进行第二离子的注入处理，形成所述第二掺杂区和所述衬底。
18.如权利要求7所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第一离子包括N型离子或P型离子；所述第二离子包括P型离子或N型离子。
19.如权利要求7所述半导体结构的形成方法，其特征在于，在形成是介质层之后，还包括：在所述介质层内形成进光口，所述进光口位于所述光吸收层上。
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