DE102021106176A1 - In-situ-kappe für germanium-fotodetektor - Google Patents

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Chen-Hao Chiang
Eugene I-Chun Chen
Chih-Ming Chen
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Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
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Abstract

Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf einen Bildsensor mit einer Passivierungsschicht zum Reduzieren des Dunkelstroms gerichtet. Über einem Substrat ist eine Vorrichtungsschicht angeordnet. Weiterhin ist über der Vorrichtungsschicht eine Verkappungsschicht angeordnet. Die Verkappungs- und die Vorrichtungsschicht und das Substrat sind Halbleitermaterialien, und die Vorrichtungsschicht hat einen kleineren Bandabstand als die Verkappungsschicht und das Substrat. Zum Beispiel können die Verkappungsschicht und das Substrat Silizium sein, während die Vorrichtungsschicht Germanium sein oder aufweisen kann. In der Verkappungs- und der Vorrichtungsschicht ist ein Fotodetektor angeordnet, und die Passivierungsschicht ist über der Verkappungsschicht angeordnet. Die Passivierungsschicht weist ein dielektrisches High-k-Material auf und bewirkt ein Erzeugen eines Dipolmoments entlang einer Oberseite der Verkappungsschicht.

Description

  • Verweis auf verwandte Anmeldung
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 27. Oktober 2020 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 63/106.019 , die durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen ist.
  • Hintergrund
  • Photonische Siliziumvorrichtungen können mit bestehenden Halbleiter-Herstellungsverfahren hergestellt werden, und da Silizium bereits als ein Substrat für die meisten integrierten Schaltkreise verwendet wird, können Hybridvorrichtungen erzeugt werden, bei denen optische und elektronische Komponenten auf einem einzigen Mikrochip integriert sind. Daher wird die Siliziumphotonik zurzeit von zahlreichen Elektronikherstellern und von akademischen Forschergruppen engagiert als ein Mittel untersucht, um durch Verwenden von optischen Interconnects zum Ermöglichen einer schnelleren Datenübertragung zwischen und in Mikrochips die Spur des Mooreschen Gesetzes zu verfolgen.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung lassen sich am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass gemäß der branchenüblichen Praxis verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Vielmehr können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zugunsten einer klaren Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1 zeigt ein Beispiel für eine optoelektronische Vorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 2 zeigt eine eingefügte Darstellung eines Teils der optoelektronischen Vorrichtung, die 1 entspricht, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 3 zeigt eine dreidimensionale Darstellung, die einer Germanium-Fotodiode gemäß einigen Ausführungsformen des eingefügten Teils von 2 entspricht.
    • 4 zeigt eine Draufsicht einiger Ausführungsformen einer Germanium-Fotodiode, die 3 entsprechen.
    • Die 5A und 5B zeigen verschiedene Schnittansichten einiger Ausführungsformen der Germanium-Fotodiode von 4.
    • Die 6A und 6B zeigen verschiedene Schnittansichten einiger weiterer Ausführungsformen der Germanium-Fotodiode von 4.
    • Die 7A und 7B zeigen verschiedene Schnittansichten einiger Ausführungsformen der Germanium-Fotodiode von 4.
    • Die 8A und 8B zeigen verschiedene Schnittansichten einiger Ausführungsformen der Germanium-Fotodiode von 4.
    • 9 zeigt eine weitere Schnittansicht einer Fotodiode gemäß einigen Ausführungsformen.
    • Die 10 bis 19 zeigen eine Reihe von Schnittansichten, die kollektiv ein Verfahren zum Herstellen einer Fotodiode gemäß einigen Ausführungsformen zeigen.
    • 20 zeigt ein Blockdiagramm einiger Ausführungsformen des Verfahrens der 10 bis 19.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale der Erfindung. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element hergestellt werden können, sodass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
  • Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen der in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können entsprechend interpretiert werden.
  • Lichtleiter und Lichtwellenleiter weisen einen Kern sowie einen Mantel oder ein Substrat auf, der/das den Kern zumindest teilweise umschließt. Der Kern hat eine Kern-Brechzahl n1, und der Mantel hat eine Mantel-Brechzahl no, wobei die Kern-Brechzahl höher als die Mantel-Brechzahl ist. Wenn also ein Lichtstrahl in einen Lichtleiter oder Lichtwellenleiter eingekoppelt wird (z. B., wenn der Lichtstrahl in ein Ende des Lichtleiters oder Lichtwellenleiters gerichtet wird), wird der Lichtstrahl in dem Kern durch die innere Totalreflexion begrenzt, wenn er sich nach unten entlang der Länge des Lichtleiters oder des Lichtwellenleiters ausbreitet.
  • In einigen Fällen weist der Kern Silizium auf, und der Mantel weist Siliziumdioxid auf. Zum Messen oder Detektieren von Licht an einer festgelegten Position kann eine Fotodiode verwendet werden, die in einem Germanium-Fotodiodenbereich hergestellt werden kann, der sich an der festgelegten Positionen entlang der Länge des Lichtwellenleiters befindet. Einige Aspekte der vorliegenden Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass es vorteilhaft ist, eine Oxidation der obersten Fläche des Germanium-Fotodiodenbereichs zu vermeiden, da eine solche Oxidation zu einem größeren Dunkelstrom in der fertigen Vorrichtung führen kann. Bei alternativen Ansätzen wird eine Siliziumnitridkappe über einer Oberseite des Germanium-Fotodiodenbereichs hergestellt, um diese Oxidation zu verringern oder zu verhindern. In der Siliziumnitridkappe entstehen jedoch leicht Hohlräume während der Herstellung, zum Teil auf Grund der Härte von Siliziumnitrid, und die Hohlräume können dazu führen, dass das darunter befindliche Germanium oxidiert wird und/oder von Chemikalien in dem Herstellungsprozess angegriffen wird. Daher wird bei einigen Aspekten der vorliegenden Erfindung eine Siliziumkappe über dem Germanium-Fotodiodenbereich hergestellt, um die Oxidation zu eliminieren oder zu verringern. Die Siliziumkappe wird in situ mit dem Germanium-Fotodiodenbereich hergestellt, wodurch eine Oxidation der Oberseite des Germanium-Fotodiodenbereichs verhindert wird. Und da die Siliziumkappe nicht so hart wie Siliziumnitrid ist, entstehen nicht so leicht Hohlräume in der Siliziumkappe, und gegenüber Ansätzen, bei denen eine Siliziumnitridkappe verwendet wird, wird der Dunkelstrom tendenziell reduziert. Schließlich kann bei einigen Ausführungsformen bei dem In-situ-Prozess, der zum Herstellen des Germanium-Fotodiodenbereichs und der Siliziumkappe über dem Germanium-Fotodiodenbereich verwendet wird, im Gegensatz zu einigen alternativen Ansätzen eine Fotomaske eingespart werden.
  • In 1 ist eine optoelektronische Vorrichtung 100 gezeigt, die gemäß einigen Ausführungsformen eine Germanium-Fotodiode mit einer Siliziumkappe aufweist. Es dürfte wohlverstanden sein, dass die optoelektronische Vorrichtung 100 von 1 lediglich ein Beispiel ist und dass optoelektronische Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung viele verschiedene Formen annehmen können, wie etwa Lichtwellenleiter, Splitter, Modulatoren, Demodulatoren, Koppler, Entkoppler, Multiplexer, Demultiplexer, Sender, Empfänger und viele weitere Anwendungen. Die dargestellte optoelektronische Vorrichtung 100 weist eine Reihe von optischen Pfaden, z. B. einen ersten optischen Pfad 102 und einen zweiten optischen Pfad 104, auf, die in einem Lichtwellenleiter enthalten sind. An verschiedenen Stellen können die optischen Pfade zueinander parallel verlaufen (siehe den Pfeil 106), voneinander abzweigen (siehe den Pfeil 108) oder miteinander verschmelzen (siehe den Pfeil 110), um eine gewünschte Funktionalität zu ermöglichen, wobei auch hier 1 lediglich ein Beispiel ist.
  • 2 zeigt eine detailliertere Darstellung eines eingefügten Teils der optoelektronischen Vorrichtung 100 von 1, der den ersten optischen Pfad 102 und den zweiten optischen Pfad 104 aufweist. Eine Fotodiode 200 ist an einer ersten festgelegten Position auf dem ersten optischen Pfad 102 angeordnet, und eine weitere Fotodiode 202 ist an einer anderen festgelegten Position auf dem zweiten optischen Pfad 104 angeordnet. Die Fotodiode 200 ist mit zwei leitfähigen Metallpads, wie etwa Bondpads, verbunden. Insbesondere verbindet eine erste Metallleitung 208 eine Katode der Fotodiode 200 mit einem ersten Metallpad 204, und eine zweite Metallleitung 210 verbindet eine Anode der Fotodiode 200 mit einem zweiten Metallpad 206.
  • 3 zeigt eine dreidimensionale/perspektivische abgeschnittene Darstellung des Teils von 2, der der Fotodiode 200 entspricht. Wie aus 3 hervorgeht, können die optischen Pfade (z. B. der erste optische Pfad 102) auf einem Substrat 300, wie etwa einem Siliziumauf-Isolator-Substrat (SOI-Substrat) oder einem massiven Siliziumsubstrat, angeordnet sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Substrat 300 ein SOI-Substrat, das Folgendes aufweist: ein Handle-Substrat 302, das monokristallines Silizium aufweist; eine Isolierschicht 304, die Siliziumdioxid aufweist; und eine Vorrichtungsschicht 306, die Silizium aufweist. Außerdem ist ein Germanium-Fotodiodenbereich 309 in das Substrat 300 eingebettet. Somit weist der erste optische Pfad 102 einen Kern 308, der Silizium enthält, und den Germanium-Fotodiodenbereich 309 auf, der sich entlang einer Achse des ersten optischen Pfads 102 erstreckt. Ein Mantel, der häufig Siliziumdioxid aufweist, umschließt den Kern 308 und den Germanium-Fotodiodenbereich 309. Somit weist der Mantel eine Oxidschicht 310 (z. B. eine Siliziumdioxidschicht) auf, die über einer Oberseite und um Seitenwände des Kerns 308 angeordnet ist, und die Isolierschicht 304 ist unter einer Unterseite des Kerns 308 angeordnet. Die Fotodiode 200, die vollständig oder teilweise in dem Germanium-Fotodiodenbereich 309 angeordnet sein kann und mit einem Ende des Kerns 308 des ersten optischen Pfads 102 verbunden sein kann, kann Licht an einer festgelegten Position messen oder detektieren.
  • Um die Fotodiode 200 herzustellen, weist der Germanium-Fotodiodenbereich 309 einen n-Germaniumbereich 312 und einen p-Germaniumbereich 314 auf, und er weist bei der dargestellten Ausführungsform außerdem einen eigenleitenden Germaniumbereich 316 auf, der den n-Germaniumbereich 312 von dem p-Germaniumbereich 314 trennt, sodass eine pin-Germanium-Fotodiode entsteht. Bei anderen Ausführungsformen kann der eigenleitende Germaniumbereich 316 weggelassen werden, und der n-Germaniumbereich 312 kann den p-Germaniumbereich 314 an einem pn-Übergang direkt kontaktieren. Eine erste Gruppe von einem oder mehreren Kontakten 318 erstreckt sich von der ersten Metallleitung 208 nach unten bis zu einem n-Siliziumbereich, der mit dem n-Germaniumbereich 312 (z. B. einer Katode der Fotodiode 200) ohmsch verbunden ist, um das erste Metallpad 204 mit der Katode der Germanium-Fotodiode 200 zu verbinden. Eine zweite Gruppe von einem oder mehreren Kontakten 320 erstreckt sich von der zweiten Metallleitung 210 nach unten bis zu einem p-Siliziumbereich, der mit dem p-Germaniumbereich 314 (z. B. einer Anode der Fotodiode 200) ohmsch verbunden ist, um das zweite Metallpad 206 mit der Anode der Fotodiode 200 zu verbinden. Der Kern 308 kann an Enden des Germanium-Fotodiodenbereichs 309 breiter oder schmaler werden, um äußere Ränder des Germanium-Fotodiodenbereichs 309 zu umschließen, und der Mantel umschließt Ränder des aufgeweiteten Siliziumkerns, um eine innere Totalreflexion durch den Lichtwellenleiter zu ermöglichen.
  • 4 zeigt eine Draufsicht der Germanium-Fotodiode 200, die einigen Ausführungsformen von 3 entspricht, und die 5A und 5B, die nun gleichzeitig mit 4 beschrieben werden, zeigen Schnittansichten entlang der Breite bzw. Länge der Germanium-Fotodiode 200, die in der Draufsicht von 4 gezeigt ist.
  • Wie in den 4 und 5A und 5B gezeigt ist, weist die Germanium-Fotodiode 200 einen n-Bereich 502, einen p-Bereich 504 und einen Eigenleitungsbereich 506 auf, der den n-Bereich 502 von dem p-Bereich 504 trennt, sodass eine pin-Fotodiode entsteht. Bei anderen Ausführungsformen kann der Eigenleitungsbereich 506 weggelassen werden, und der n-Bereich 502 kann den p-Bereich 504 an einem pn-Übergang direkt kontaktieren. Der n-Bereich 502 kann Folgendes aufweisen: einen n-Kontaktbereich 508 direkt unter dem Kontakt 320; einen seitlichen n-Bereich 510, der sich unter einer STI-Struktur 540 (STI: flache Grabenisolation) erstreckt; und einen n-Fotodiodenbereich 512 (der den n-Germaniumbereich 312 und einen n-Siliziumbereich 514 umfassen kann). Der p-Bereich 504 kann Folgendes aufweisen: einen p-Kontaktbereich 516 direkt unter dem Kontakt 318; einen seitlichen p-Bereich 518, der sich unter der STI-Struktur 540 erstreckt; und einen p-Fotodiodenbereich 520 (der den p-Germaniumbereich 314 und einen p-Siliziumbereich 522 umfassen kann). Der eigenleitende Germaniumbereich 316 trennt den n-Germaniumbereich 312 von dem p-Germaniumbereich 314, und ein eigenleitender Siliziumbereich 524 trennt den seitlichen n-Bereich 510 von dem seitlichen p-Bereich 518, sodass eine pin-Elektrode entsteht. Bei einigen Ausführungsformen beträgt eine Länge dA des Germanium-Fotodiodenbereichs 309 etwa 5 µm bis etwa 50 µm, und sie beträgt in einigen Fällen 15 µm. Bei einigen Ausführungsformen beträgt eine Breite dB des Germanium-Fotodiodenbereichs 309 etwa 1/50 von dA bis dA, und sie beträgt bei einigen Ausführungsformen 0,5 µm.
  • Wenn sich Licht entlang dem ersten optischen Pfad 102 in dem Kern 308 ausbreitet, erreicht es gleichzeitig die erste festgelegte Position in der Germanium-Fotodiode 200. Wenn ein Photon mit ausreichender Energie auf die Germanium-Fotodiode 200 auftrifft, entsteht ein Elektron-Loch-Paar. Dieser Mechanismus ist auch als der innere ferroelektrische Effekt bekannt. Wenn eine Absorption in einem Verarmungsbereich des Übergangs oder eine Diffusionslänge entfernt davon erfolgt, werden diese Ladungsträger von dem Übergang durch das eingebaute elektrische Feld des Verarmungsbereichs abgelenkt. Somit bewegen sich Löcher (p-) zu der p-Anode (und zu dem p-Kontaktbereich 516), und Elektronen (n-) bewegen sich zu der n-Katode (und zu dem n-Kontaktbereich 508), und es wird ein Fotostrom erzeugt, dessen Größe proportional zu der Intensität des Lichts ist. Ein Gesamtstrom durch die Germanium-Fotodiode 200 ist die Summe aus dem Dunkelstrom (Strom, der ohne Licht erzeugt wird) und dem Fotostrom, sodass der Dunkelstrom minimiert wird, um die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu maximieren.
  • Wie in 5A zu erkennen ist, hat der Germanium-Fotodiodenbereich 309 eine im Wesentlichen ebene oder flache Unterseite, vertikale oder im Wesentlichen vertikale Seitenwände und eine gewölbte Oberseite. Über dem Germanium-Fotodiodenbereich 309 ist eine Siliziumkappe 526 angeordnet, und es gibt keine Oxidation zwischen der gewölbten Oberseite des Germanium-Fotodiodenbereichs 309 und der Unterseite der Siliziumkappe 526. Das Ausbleiben der Oxidation ist darauf zurückzuführen, dass die Siliziumkappe 526 in situ mit dem Germanium-Fotodiodenbereich 309 in einer Cluster-Anlage hergestellt wird, wodurch eine Oxidation der Oberseite des Germanium-Fotodiodenbereichs 309 verhindert wird. Außerdem ist die Siliziumkappe 526 relativ beständig gegen eine Entstehung von Hohlräumen, wodurch sie eine spätere Beschädigung während der Herstellung verhindert, und sie reduziert dadurch tendenziell den Dunkelstrom gegenüber alternativen Ansätzen, bei denen eine Siliziumnitridkappe verwendet wird. Bei einigen Ausführungsformen hat die Siliziumkappe 526 eine Dicke von 100 Ä bis 1000 Ä. Die Siliziumkappe 526 hat eine Unterseite, deren äußere Ecken mit einer Oberseite der Vorrichtungsschicht 306 zusammentreffen, und sie hat eine Oberseite, deren äußere Ecken mit einer Oberseite der Oxidschicht 310 zusammentreffen. Wie in 5B gezeigt ist, erstreckt sich bei einigen Ausführungsformen die Siliziumkappe 526 zusammenhängend über dem Germaniumbereich, und sie hat eine im Wesentlichen einheitliche Dicke entlang der Länge des Germanium-Fotodiodenbereichs 309. Somit stimmt eine gewölbte Unterseite der Siliziumkappe 526 mit der gewölbten Oberseite des Germanium-Fotodiodenbereichs 309 überein.
  • Über der Siliziumkappe 526 ist eine Schutz-Oxidschicht 530 angeordnet, die äußere Ränder hat, die sich nach außen über äußere Seitenwände des Germanium-Fotodiodenbereichs 309 hinaus erstrecken und sich seitlich über der Oberseite der Oxidschicht 310 erstrecken. Bei einigen Ausführungsformen ist die Schutz-Oxidschicht 530 ein Low-k-Dielektrikum, aber sie kann auch Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxidnitrid oder ein anderes geeignetes dielektrisches Material sein.
  • Die 6A und 6B zeigen eine alternative Ausführungsform, bei der der Germanium-Fotodiodenbereich 309 eine im Wesentlichen abgerundete Oberseite hat, die eine (111)-Fläche, eine (311)-Fläche und eine (100)-Fläche aufweist, die kollektiv ungefähr einer abgerundeten Oberfläche entsprechen. In einigen Fällen werden die (111)-Fläche und die (311)-Fläche dadurch sichtbar, dass die inneren Seitenwände der Oxidschicht 310 das epitaxiale und selektive Wachstum des Germanium-Fotodiodenbereichs 309 beschränken. Da die Wachstumsgeschwindigkeit der (100)-Fläche höher als die der (311)-Fläche und der (111)-Fläche ist und die Wachstumsgeschwindigkeit der (311)-Fläche höher als die der (111)-Fläche ist, führt das selektiv aufgewachsene Germanium zu der im Großen und Ganzen abgerundeten Oberfläche von 14B.
  • Die 7A und 7B zeigen eine weitere Ausführungsform, bei der der Germanium-Fotodiodenbereich 309 eine im Wesentlichen ebene oder flache Unterseite, vertikale oder im Wesentlichen vertikale Seitenwände und eine gewölbte Oberseite hat. Über dem Germanium-Fotodiodenbereich 309 ist auch hier eine Siliziumkappe 526 angeordnet, und es erfolgt keine Oxidation zwischen der gewölbten Oberseite des Germanium-Fotodiodenbereichs 309 und der Unterseite der Siliziumkappe 526. Außerdem ist eine Grenzflächenschicht 528, die Siliziumgermanium aufweist, zwischen der gewölbten Oberseite des Germanium-Fotodiodenbereichs 309 und der Unterseite der Siliziumkappe 526 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen hat das Siliziumgermanium der Grenzflächenschicht 528 eine Dicke von etwa 3 % bis etwa 50 % der Dicke der Siliziumkappe 526. Bei einigen Ausführungsformen beträgt die Dicke des Siliziumgermaniums 30 Å bis 50 Å. Bei einigen alternativen Ausführungsformen beträgt die Dicke des Siliziumgermaniums mehr als 0 Å und weniger als 30 Å. Außerdem ist der Atomanteil von Germanium in der Grenzflächenschicht 528 bei einigen Ausführungsformen größer als 0 % und kleiner als oder gleich 50 %. Bei einigen Ausführungsformen hat die Grenzflächenschicht 528 ein im Wesentlichen konstantes Atomverhältnis von Silizium zu Germanium über die gesamte Dicke der Grenzflächenschicht 528 hinweg, und das Atomverhältnis von Silizium zu Germanium kann von der Oberseite des Germanium-Fotodiodenbereichs 309 bis zu der Unterseite der Siliziumkappe 526 zum Beispiel 1: 1 betragen.
  • Die 8A und 8B zeigen eine weitere Ausführungsform, bei der die Grenzflächenschicht 528 Siliziumgermanium aufweist. Im Gegensatz zu den 7A und 7B, bei denen die Grenzflächenschicht 528 ein im Wesentlichen konstantes Atomverhältnis von Silizium zu Germanium über die gesamte Dicke hinweg hat, ist das Atomverhältnis von Silizium zu Germanium in den 8A und 8B über die Dicke der Grenzflächenschicht 528 hinweg abgestuft. Somit beträgt der Atomanteil von Silizium etwa 0 % in der Nähe der Unterseite bis etwa 100 % an der Oberseite, und der prozentuale Atomanteil von Silizium steigt linear über die Dicke hinweg (und der prozentuale Atomanteil von Germanium kann entsprechend abnehmen). Bei anderen Ausführungsformen kann - entsprechend einer quadratischen Funktion, die sich kontinuierlich über die Dicke hinweg ändert, einer Exponentialfunktion, die sich kontinuierlich über die Dicke hinweg ändert, oder einer anderen stetigen Funktion - der prozentuale Atomanteil von Silizium zunehmen (und der Atomanteil von Germanium kann entsprechend abnehmen). Dies liegt daran, dass stetige Funktionen tendenziell die Gitterspannung steuern und eine bessere Kristallstruktur als diskrete, stufenartige Änderungen der Zusammensetzung bereitstellen, die ebenfalls möglich sind. Außerdem beträgt bei einigen Ausführungsformen der Atomanteil von Siliziumgermanium etwa 100 % in der Nähe der Unterseite bis etwa 0 % an der Oberseite, und der prozentuale Atomanteil von Silizium steigt über die Dicke hinweg an. In einigen Fällen ist die Dicke der Grenzflächenschicht 528 ungefähr gleich der der Siliziumkappe 526, aber sie kann auch größer oder kleiner als die Dicke der Siliziumkappe 526 sein. Bei einigen Ausführungsformen beträgt die Dicke der Grenzflächenschicht 528 150 Å bis 1000 Å.
  • 9 ist ein weiteres Beispiel, das einige Einzelheiten der Beziehung zeigt, die der Germanium-Fotodiodenbereich 309, die Oxidschicht 310 und die Siliziumkappe 526 bei einigen Ausführungsformen zueinander haben. Wie in 9 gezeigt ist, können bei einigen Ausführungsformen periphere Bereiche 309p des Germanium-Fotodiodenbereichs 309 innere Seitenwände der Oxidschicht 310 unterätzen (siehe 902). Dies liegt an dem Prozess, mit dem der Germanium-Fotodiodenbereich 309 erzeugt wird und bei dem in dem Substrat durch eine Ätzung, bei der die Oxidschicht 310 geringfügig unterätzt wird, ein Graben erzeugt wird, und anschließend wird der Germanium-Fotodiodenbereich 309 epitaxial und selektiv in dem Graben aufgewachsen. Durch die Ätzung können eine Oberseite der Oxidschicht 310 und innere Seitenwände außerdem abgerundete Ecken 904 haben. Ein mittlerer Teil des Germanium-Fotodiodenbereichs 309 hat eine Oberseite, die gegenüber einer Oberseite der Oxidschicht 310 erhaben ist, und über dem Germanium-Fotodiodenbereich 309 ist die Siliziumkappe 526 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen hat die Siliziumkappe 526 eine Dicke von 75 % bis 125 % der Dicke der Oxidschicht 310, und sie hat in einigen Fällen die gleiche Dicke (±5 %) wie die Oxidschicht 310. Eine Unterseite des mittleren Bereichs der Siliziumkappe 526 ist gegenüber der Oberseite der Oxidschicht 310 erhaben. Die Schutz-Oxidschicht 530 ist über der Siliziumkappe 526 angeordnet und hat äußere Ränder, die zu etwa 50 % zwischen einem äußeren Rand des Germanium-Fotodiodenbereichs 309 und einem inneren Rand der STI-Struktur 540 liegen.
  • In den 10 bis 18 ist eine Reihe von Schnittansichten 1000 bis 1800 einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Herstellen einer optoelektronischen Vorrichtung gezeigt, bei dem eine Silizium-Verkappungsschicht über einer Germanium-Fotodiode hergestellt wird, um den Dunkelstrom zu reduzieren.
  • Wie in der Schnittansicht 1000 von 10 gezeigt ist, wird ein Substrat 300 bereitgestellt. Das Substrat 300 kann zum Beispiel ein massives Substrat aus monokristallinem Silizium oder eine andere geeignete Art von Substrat, wie zum Beispiel ein SOI-Substrat, sein. Bei einigen Ausführungsformen ist das Substrat 300 undotiert. Bei anderen Ausführungsformen wird das Substrat 300 mit p- oder n-Dotanden dotiert. Das Substrat 300 wird strukturiert, um STI-Bereiche (STI: flache Grabenisolation) zu erzeugen, die sich in eine Oberseite des Substrats 300 erstrecken. Das Strukturieren zum Erzeugen von STI-Bereichen kann wie folgt erfolgen: 1) Abscheiden einer Hartmaskenschicht über dem Substrat 300; 2) Strukturieren der Hartmaskenschicht mit einem Fotolithografie-/Ätzprozess; und 3) Durchführen einer Ätzung in das Substrat 300, wenn die Hartmaskenschicht an der richtigen Stelle ist. Die Hartmaskenschicht kann zum Beispiel Siliziumnitrid, undotiertes Silicatglas (USG) und/oder andere geeignete Dielektrika sein oder aufweisen. Der Graben wird dann mit einem Isoliermaterial, wie zum Beispiel Siliziumdioxid oder einem dielektrischen Low-k-Material, gefüllt. Optional wird ein CMP-Prozess (CMP: chemisch-mechanische Planarisierung) durchgeführt, um eine Oberseite der STI-Bereiche mit der Oberseite des Substrat 300 zu planarisieren.
  • Wie in der Schnittansicht 1100 von 11 gezeigt ist, werden p- und n-Bereiche in dem Substrat 300 erzeugt. Bei einigen Ausführungsformen werden die p- und n-Bereiche wie folgt erzeugt: selektives Durchführen einer Ionenimplantation in das Substrat 300, um den p-Kontaktbereich 516 zu erzeugen; selektives Durchführen einer Ionenimplantation in das Substrat 300, um den seitlichen p-Bereich 518 zu erzeugen; selektives Durchführen einer Ionenimplantation in das Substrat 300, um den n-Kontaktbereich 508 zu erzeugen; und selektives Durchführen einer Ionenimplantation in das Substrat 300, um den seitlichen n-Bereich 510 zu erzeugen.
  • Wie in der Schnittansicht 1200 von 12 gezeigt ist, wird dann eine Oxidschicht 310 über der Oberseite des Substrats 300 hergestellt. Die Oxidschicht 310 kann unter anderem durch eine thermische Oxidation, einen Aufschleuderprozess, einen Atomlagenprozess oder einen Plasma-Abscheidungsprozess hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen ist die Oxidschicht 310 eine Siliziumdioxidschicht, aber sie kann auch ein Low-k-Dielektrikum oder ein anderes geeignetes Dielektrikum sein.
  • Wie in der Schnittansicht 1300 von 13 gezeigt ist, wird das Substrat 300 dann strukturiert, um eine Aussparung oder einen Graben 1302 zu erzeugen. Das Strukturieren des Grabens 1302 kann wie folgt durchgeführt werden: Abscheiden einer Hartmaskenschicht 1304 über dem Substrat 300; Strukturieren der Hartmaskenschicht 1304 mit einem Fotolithografie-/Ätzprozess; und Durchführen einer Ätzung in das Substrat 300, wenn die Hartmaskenschicht 1304 an der richtigen Stelle ist. Die Hartmaskenschicht 1304 kann zum Beispiel Siliziumnitrid, undotiertes Silicatglas (USG) und/oder andere geeignete Dielektrika sein oder aufweisen. Bei alternativen Ausführungsformen wird das Strukturieren zum Erzeugen des Grabens 1302 mit einem anderen geeigneten Strukturierungsprozess durchgeführt. Bei einigen Ausführungsformen können bei der Ätzung die inneren Seitenwände der Oxidschicht 310 unterätzt werden (siehe Linien 1306), sodass die inneren Ränder der Oxidschicht 310 über die äußersten Ränder des Grabens 1302 überhängen.
  • Wie in den Schnittansichten 1400A und 1400B von 14A bzw. 14B gezeigt ist, wird ein Germaniumbereich 1402 so epitaxial aufgewachsen, dass er den Graben 1302 (siehe z. B. 13) füllt. Da der Germaniumbereich 1402 epitaxial aufgewachsen wird, wird er selektiv nur auf dem Silizium aufgewachsen und wird von freiliegenden Oberflächen des Substrats 300 in dem Graben 1302 nach außen aufgewachsen. Und da die Hartmaskenschicht 1304 das Substrat 300 außerhalb des Grabens 1302 bedeckt, ist der Germaniumbereich 1402 vollständig oder zum größten Teil auf den Graben 1302 begrenzt. Bei alternativen Ausführungsformen können jedoch auch andere geeignete Materialien verwendet werden. Außerdem hat bei einigen Ausführungsformen der Germaniumbereich 1402 einen kleineren Bandabstand als das Substrat 300. Bei einigen Ausführungsformen kann der Germaniumbereich 1402 eine im Großen und Ganzen abgerundete Oberfläche haben, die in einigen Fällen keine scharfen Ecken hat und die mehrere planare Flächen hat, die kollektiv ungefähr einer abgerundeten Oberfläche entsprechen. Zum Beispiel zeigt 14A einen Germaniumbereich 1402 mit einer abgerundeten Oberseite ohne scharfe Ecken, während 14B einen Germaniumbereich 1402 mit einer (111)-Fläche, einer (311)-Fläche und einer (100)-Fläche zeigt, die kollektiv ungefähr einer abgerundeten Oberfläche entsprechen. In einigen Fällen werden die (111)-Fläche und die (311)-Fläche auf Grund der inneren Seitenwände der Oxidschicht 310, die einen obersten Teil des Grabens 1302 definieren, und der Tatsache sichtbar, dass Germanium selektiv auf dem Substrat 300, aber nicht auf der Oxidschicht 310 aufgewachsen wird. Da die Wachstumsgeschwindigkeit der (100)-Fläche höher als die der (311)-Fläche und der (111)-Fläche ist und die Wachstumsgeschwindigkeit der (311)-Fläche höher als die der (111)-Fläche ist, führt das selektiv aufgewachsene Germanium zu der im Großen und Ganzen abgerundeten Oberfläche von 14B. Gleichgültig, ob die Oberseite abgerundet ist und keine scharfen Ecken zeigt (wie in 14A) oder mehrere planare Flächen wie in 14B aufweist, kann die im Großen und Ganzen abgerundete Oberseite schließlich dazu beitragen, dass eine innere Totalreflexion von Licht in dem Germanium-Fotodiodenbereich ermöglicht wird.
  • Wie in den Schnittansichten 1500A und 1500B von 15A bzw. 15B und in den Schnittansichten 1600A bis 1600C der 16A bis 16C gezeigt ist, wird eine Verkappungsschicht so auf der im Großen und Ganzen abgerundeten Oberseite des Germaniumbereichs 1402 epitaxial aufgewachsen, dass sie diese bedeckt. Die Verkappungsschicht kann eine Silizium-Verkappungsschicht 1602 (siehe 16A bis 16C) über der abgerundeten Oberseite des Germaniumbereichs 1402 sein, und sie kann optional eine Grenzflächenschicht 528 (siehe 15A und 15B) zwischen der Silizium-Verkappungsschicht 1602 und dem Germaniumbereich 1402 aufweisen. Außerdem wird die Verkappungsschicht so epitaxial aufgewachsen, dass sie auf dem Germaniumbereich 1402, aber nicht auf der Hartmaskenschicht 1304 aufwächst. Daher wird die Verkappungsschicht mit einem selbstjustierten Prozess lokal auf den Germaniumbereich 1402 begrenzt, und im Gegensatz zu einigen anderen Ansätzen kann eine Fotomaske eingespart werden. Außerdem wird die Verkappungsschicht in situ mit dem Germaniumbereich 1402 aufgewachsen (das heißt, sie wird in derselben Cluster-Anlage oder sogar in derselben Kammer in der Cluster-Anlage wie der Germaniumbereich 1402 hergestellt, ohne dass das Substrat und der Germaniumbereich einer Umgebung außerhalb der Cluster-Anlage ausgesetzt werden), sodass das Substrat und der Germaniumbereich gegen die Umgebung gut geschützt werden. Diese In-situ-Bearbeitung trägt dazu bei, eine Oxidation der abgerundeten Oberseite des Germaniumbereichs 1402 zu verhindern, wobei diese Oxidation andernfalls den Dunkelstrom in der resultierenden Germanium-Fotodiode erhöhen würde. Somit wird durch diese In-situ-Bearbeitung des Germaniumbereichs 1402, einer optionalen Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht 1502 und einer Silizium-Verkappungsschicht 1602 eine Oxidation zwischen der abgerundeten Oberseite des Germaniumbereichs 1402 und der obersten Fläche der Silizium-Verkappungsschicht 1602 verhindert. In mancher Hinsicht hat diese In-situ-Bearbeitung eine signifikante Reduzierung des Dunkelstroms im Vergleich zu anderen Ansätzen gezeigt, bei denen diese In-situ-Bearbeitung nicht verwendet wird. Zum Beispiel wurde bei einigen Ausführungsformen eine Germanium-Fotodiode mit einer Siliziumkappe durch eine In-situ-Bearbeitung hergestellt, bei der eine angelegte Spannung von -2 V, eine Eingangsleistung vor der Fotodiode von 0,2 mW, eine 3dB-Bandbreite von 60 GHz und ein Ausgangsstrom von 214 µA verwendet wurden. In diesem Fall hatte die Germanium-Fotodiode einen Dunkelstrom von weniger als 20 nA, was eine Reduzierung des Dunkelstroms um mehr als das 20-fache im Vergleich zu anderen Ansätzen ist. Es wird angenommen, dass diese Reduzierung dadurch entsteht, dass durch das Fehlen der Oxidation über der Oberseite des Germaniumbereichs 1402 eine kleinere Grenzflächenladung als bei einer vorhandenen Oxidation bewirkt wird und dass dadurch eine signifikante Verbesserung gegenüber anderen Ansätzen ermöglicht wird.
  • Insbesondere wird in 15A eine Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht 1502 auf der abgerundeten Oberseite des Germaniumbereichs 1402 hergestellt. Die Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht 1502 kann mit einem epitaxialen Aufwachsprozess in situ mit dem Germaniumbereich 1402 hergestellt werden. In 15A kann die Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht 1502 ein konstantes Atomverhältnis über ihre gesamte Dicke hinweg haben, oder sie kann ein Atomverhältnis von Silizium zu Germanium haben, das sich über ihre Dicke hinweg ändert. In 15B kann die Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht 1502 Flächen haben, die sich an tieferliegende Flächen in dem Germaniumbereich 1402 anpassen; und sie kann ein konstantes Atomverhältnis über ihre gesamte Dicke hinweg haben, oder sie kann ein Atomverhältnis von Silizium zu Germanium haben, das sich über ihre Dicke hinweg ändert. Bei einigen Ausführungsformen kann die Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht 1502 dadurch hergestellt werden, dass Siliziumgermaniumvorläufer in die Kammer eingeleitet werden, um Siliziumgermanium auf der Außenfläche des Germaniumbereichs 1402 aufzuwachsen, und sie hat eine Dicke von 30 Å bis 50 Å. Bei einigen alternativen Ausführungsformen kann die Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht 1502 dadurch hergestellt werden, dass Siliziumvorläufer zur Reaktion mit dem Germanium des Germaniumbereichs 1402 in die Kammer eingeleitet werden, und sie hat eine Dicke von mehr als 0 Ä und weniger als 30 Å.
  • In den 16A bis 16C wird eine Silizium-Verkappungsschicht 1602 über dem Germaniumbereich 1402 hergestellt. Auch hier wird die Silizium-Verkappungsschicht 1602 epitaxial und selektiv und in situ mit dem Germaniumbereich 1402 und der Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht 1502 (falls vorhanden) aufgewachsen. Insbesondere wird in den 16A und 16B, die aus 15A bzw. 15B hervorgehen, die Silizium-Verkappungsschicht 1602 über der Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht 1502 hergestellt. In 16C wird die Silizium-Verkappungsschicht 1602 direkt über dem Germaniumbereich 1402 ohne die Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht 1502 dazwischen hergestellt. Die Silizium-Verkappungsschicht 1602 schützt den Germaniumbereich 1402 gegen Beschädigung während der späteren Bearbeitung. Zum Beispiel können bei späteren Nassreinigungsprozessen Säuren verwendet werden, die hohe Ätzraten für den Germaniumbereich 1402, aber niedrige Ätzraten für die Silizium-Verkappungsschicht 1602 haben. Daher würde der Germaniumbereich 1402, aber nicht die Silizium-Verkappungsschicht 1602, erhebliche Kristallschäden erleiden und/oder erodiert werden. Durch Verhindern von Kristallschäden und/oder einer Erosion wird der Leckstrom reduziert.
  • Wie in der Schnittansicht 1700 von 17 (die aus 16A hervorgeht, aber auch aus den 16B und 16C hervorgehen könnte) gezeigt ist, werden der Germaniumbereich 1402 und die Siliziumkappe 526 dotiert, um einen Germanium-Fotodiodenbereich 309 zu erzeugen. Der Germanium-Fotodiodenbereich 309 weist bei der dargestellten Ausführungsform eine pin-Fotodiode auf, aber er kann bei anderen Ausführungsformen auch eine pn-Fotodiode aufweisen. Die pin-Fotodiode weist einen p-Fotodiodenbereich 520 und einen n-Fotodiodenbereich 512 auf. Zum Durchführen dieser Dotierung wird das Substrat aus der Cluster-Anlage genommen, in der der Germaniumbereich 1402 und die Verkappungsschicht hergestellt werden, und wenn das Substrat zu einer Ionenimplantationsanlage befördert wird, in der die Dotierung durchgeführt werden soll, wird es normalerweise der Umgebung der Anlage ausgesetzt. Dadurch kann an dieser Stelle die Oberseite der Silizium-Verkappungsschicht 1602 oxidiert werden, während die darunter befindliche abgerundete Oberseite des Germanium-Fotodiodenbereichs 309 nicht oxidiert wird, um den Dunkelstrom auf einem niedrigen Niveau zu halten.
  • Wie in der Schnittansicht 1800 von 18 gezeigt ist, wird eine Schutz-Oxidschicht 530 direkt auf der Siliziumkappe 526 und über den inneren Rändern der Oxidschicht 310 hergestellt, die dem Germanium-Fotodiodenbereich 309 am nächsten sind. Bei einigen Ausführungsformen weist die Schutz-Oxidschicht 530 Siliziumoxid auf, und/oder sie ist ein dielektrisches High-k-Material mit einer Dielektrizitätskonstante, die größer als 3,9 ist oder 10 oder einen anderen geeigneten Wert hat. Die Abscheidung kann zum Beispiel durch Atomlagenabscheidung (ALD), Aufdampfung oder mit einem anderen geeigneten Abscheidungsverfahren erfolgen. Bei einigen Ausführungsformen ist die Schutz-Oxidschicht 530 ein Metalloxid. Es können jedoch auch andere geeignete Materialien verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Schutz-Oxidschicht 530 Folgendes sein oder aufweisen: Aluminiumoxid (z. B. Al2O3), Titanoxid (z. B. TiO2), Tantaloxid (z. B. Ta2O5), Hafniumoxid (HfO2), Zirconiumoxid (z. B. ZrO2), Magnesiumoxid (z. B. MgO), andere geeignete High-k-Dielektrika oder eine Kombination davon. Bei einigen Ausführungsformen hat die Schutz-Oxidschicht 530 eine Dicke von etwa 1 nm bis 10 nm, etwa 1 nm bis 5 nm, etwa 5 nm bis 10 nm oder einen anderen geeigneten Wert.
  • Wie in der Schnittansicht 1900 von 19 gezeigt ist, werden Kontakte 320 und 318 zum Verbinden der Kontaktbereiche 508 und 516 mit der Metallleitung 210 bzw. 208 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen weisen die Metallkontakte und die Metallleitungen Kupfer, Aluminium, Nickel, Blei und/oder Wolfram oder andere Metalle auf.
  • 20 zeigt einige Ausführungsformen eines Verfahrens 2000 zum Herstellen einer optoelektronischen Vorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen. Es werden zwar Beispiele von 20 unter Bezugnahme auf die vorhergehenden Schnittansichten der 10 bis 19 erwähnt, aber es dürfte wohlverstanden sein, dass die in diesen Figuren gezeigten Strukturen nicht auf das Verfahren 2000 beschränkt sind, sondern als Strukturen eigenständig und unabhängig von dem Verfahren verwendet werden können. Außerdem wird das Verfahren 2000 zwar als eine Reihe von Schritten beschrieben, aber es dürfte wohlverstanden sein, dass die Reihenfolge dieser Schritte (oder von Teilen dieser Schritte) bei anderen Ausführungsformen geändert werden kann. Zum Beispiel ist in 20 zwar angegeben, dass in dem Schritt 2016 ein Fotodetektor durch Implantieren von Dotanden in die Germaniumschicht hergestellt wird, aber die Dotanden könnten bei einigen Ausführungsformen auch nach dem Schritt 2018 oder vor dem Schritt 2014 implantiert werden, und in dem Schritt 2004 könnten andere dotierte Bereiche auch zu anderen Zeitpunkten in dem Verfahren 2000 erzeugt werden. Außerdem zeigt 20 zwar eine bestimmte Reihenfolge von Schritten, aber einige der dargestellten und/oder beschriebenen Schritte können bei anderen Ausführungsformen weggelassen werden. Darüber hinaus können bei anderen Ausführungsformen zusätzliche Schritte verwendet werden, die in 20 nicht dargestellt und/oder unter Bezugnahme darauf beschrieben werden.
  • In einem Schritt 2002 wird ein Substrat strukturiert, um STI-Bereiche zu erzeugen, die einen aktiven Bereich umschließen. Bei einigen Ausführungsformen entspricht der Schritt 2002 10.
  • In einem Schritt 2004 werden dotierte Bereiche in dem Substrat erzeugt. Bei einigen Ausführungsformen entspricht der Schritt 2004 11.
  • In einem Schritt 2006 wird eine Oxidschicht über einer Oberseite des Substrats und über den STI-Bereichen hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen entspricht der Schritt 2006 12.
  • In einem Schritt 2008 wird das Substrat geätzt, um einen Graben oder eine Aussparung in dem aktiven Bereich zu erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen entspricht der Schritt 2008 13.
  • In einem Schritt 2010 wird eine Germaniumschicht so epitaxial aufgewachsen, dass sie den Graben oder die Aussparung teilweise oder vollständig füllt. Bei einigen Ausführungsformen entspricht der Schritt 2010 den 14A und 14B.
  • In einem Schritt 2012, der optional ist, wird eine Siliziumgermaniumschicht über der Germaniumschicht in situ in derselben Cluster-Anlage hergestellt, in der die Germaniumschicht aufgewachsen worden ist. Bei einigen Ausführungsformen entspricht der Schritt 2012 den 15A und 15B. Der Kasten 2011 gibt an, dass diese Schritte in situ in derselben Cluster-Anlage durchgeführt werden können.
  • In einem Schritt 2014 wird eine Silizium-Verkappungsschicht über der Germaniumschicht und/oder über der Siliziumgermaniumschicht in situ in derselben Cluster-Anlage aufgewachsen, in der die Germaniumschicht aufgewachsen worden ist. Bei einigen Ausführungsformen entspricht der Schritt 2014 den 16A bis 16C.
  • In einem Schritt 2016 wird eine Fotodiode durch Implantieren von Dotanden in die Germaniumschicht hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen entspricht der Schritt 2016 17.
  • In einem Schritt 2018 wird eine Schutz-Oxidschicht über der Silizium-Verkappungsschicht hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen entspricht der Schritt 2018 18.
  • In einem Schritt 2020 werden Kontakte mit der Fotodiode hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen entspricht der Schritt 2020 19.
  • Bei einigen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung eine optoelektronische Vorrichtung mit einem Substrat; und einem Germanium-Fotodiodenbereich, der sich in eine Oberseite des Substrats erstreckt. Der Germanium-Fotodiodenbereich hat eine gewölbte Oberseite, die sich über die Oberseite des Substrats hinaus erstreckt. Über der gewölbten Oberseite des Germanium-Fotodiodenbereichs ist eine Siliziumkappe angeordnet, wobei sich zwischen der Oberseite des Germanium-Fotodiodenbereichs und einer Oberseite der Siliziumkappe kein Oxid befindet.
  • Weitere Ausführungsformen betreffen ein Verfahren. Bei dem Verfahren wird ein Graben in einem Substrat erzeugt, und das Substrat mit dem Graben wird in einer Kammer platziert. In der Kammer wird eine Germaniumschicht in dem Graben so epitaxial aufgewachsen, dass sie eine gewölbte Oberseite hat, und in der Kammer wird in situ eine Silizium-Verkappungsschicht über der Germaniumschicht epitaxial aufgewachsen.
  • Noch weitere Ausführungsformen betreffen ein Verfahren. Bei diesem Verfahren wird ein Substrat erhalten, und in dem Substrat wird ein Flache-Grabenisolation-Bereich so erzeugt, dass er einen aktiven Bereich des Substrats umschließt. In dem Substrat wird ein dotierter Bereich erzeugt, und über einer Oberseite des Substrats und über dem Flache-Grabenisolation-Bereich wird eine Oxidschicht hergestellt. Das Substrat wird geätzt, um einen Graben oder eine Aussparung in dem aktiven Bereich zu erzeugen, und eine Germaniumschicht wird so epitaxial aufgewachsen, dass sie den Graben oder die Aussparung teilweise oder vollständig füllt. Dann wird eine Silizium-Verkappungsschicht über der Germaniumschicht epitaxial aufgewachsen. Die Silizium-Verkappungsschicht wird in situ in einer Cluster-Anlage, in der die Germaniumschicht aufgewachsen worden ist, hergestellt, ohne die Germaniumschicht einer Umgebung um die Cluster-Anlage auszusetzen.
  • Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 63/106019 [0001]

Claims (20)

  1. Optoelektronische Vorrichtung mit: einem Substrat; einem Germanium-Fotodiodenbereich, der sich in eine Oberseite des Substrats erstreckt, wobei der Germanium-Fotodiodenbereich eine gewölbte Oberseite hat, die sich über die Oberseite des Substrats hinaus erstreckt; und einer Siliziumkappe, die über der gewölbten Oberseite des Germanium-Fotodiodenbereichs angeordnet ist, wobei sich zwischen der Oberseite des Germanium-Fotodiodenbereichs und einer Oberseite der Siliziumkappe kein Oxid befindet.
  2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht aufweist, die über der Siliziumkappe angeordnet ist und die gewölbte Oberseite des Germanium-Fotodiodenbereichs von einer Unterseite der Siliziumkappe trennt.
  3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht ein konstantes Atomverhältnis von Silizium zu Germanium über eine gesamte Dicke der Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht hinweg hat.
  4. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht ein sich änderndes Atomverhältnis von Silizium zu Germanium über eine Dicke der Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht hinweg hat, wobei das Atomverhältnis von Silizium zu Germanium einen ersten Wert näher dem Germanium-Fotodiodenbereich und einen zweiten Wert näher der Siliziumkappe hat, wobei der zweite Wert größer als der erste Wert ist.
  5. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin eine Schutz-Oxidschicht aufweist, die über der Siliziumkappe angeordnet ist, wobei die Schutz-Oxidschicht eine gewölbte Oberseite über der Siliziumkappe hat.
  6. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Schutz-Oxidschicht einen mittleren Bereich über dem Germanium-Fotodiodenbereich sowie äußere Ränder aufweist, die sich seitlich über der Oberseite des Substrats über äußere Seitenwände des Germanium-Fotodiodenbereichs hinaus erstrecken.
  7. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin eine Isolationsstruktur aufweist, die Oxid aufweist und sich in die Oberseite des Substrats auf gegenüberliegenden Seiten des Germanium-Fotodiodenbereichs erstreckt.
  8. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin Folgendes aufweist: einen p-Bereich auf einer ersten Seite des Germanium-Fotodiodenbereichs und an einer ersten Position seitlich oberhalb einer ersten äußeren Seitenwand der Isolationsstruktur, die am weitesten von dem Germanium-Fotodiodenbereich entfernt ist; und einen n-Bereich auf einer zweiten Seite des Germanium-Fotodiodenbereichs und an einer zweiten Position seitlich oberhalb einer zweiten äußeren Seitenwand der Isolationsstruktur, die am weitesten von dem Germanium-Fotodiodenbereich entfernt ist, wobei der p-Bereich, der n-Bereich und der Germanium-Fotodiodenbereich eine pn-Fotodiode oder eine pin-Fotodiode bilden.
  9. Verfahren mit den folgenden Schritten: Erzeugen eines Grabens in einem Substrat; und Platzieren des Substrats mit dem Graben in einer Kammer sowie, in der Kammer, epitaxiales Aufwachsen einer Germaniumschicht mit einer gewölbten Oberseite in dem Graben, und, in situ in der Kammer, epitaxiales Aufwachsen einer Silizium-Verkappungsschicht über der Germaniumschicht.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin ein Herstellen einer Schutz-Oxidschicht über der Silizium-Verkappungsschicht umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die gewölbte Oberseite der Germaniumschicht in direktem Kontakt mit einer gewölbten Unterseite der Silizium-Verkappungsschicht ist, wobei die gewölbte Unterseite der Silizium-Verkappungsschicht der gewölbten Oberseite der Germaniumschicht entspricht.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, das weiterhin Folgendes umfasst: vor dem Herstellen der Silizium-Verkappungsschicht Herstellen einer Siliziumgermaniumschicht über der Germaniumschicht, wobei die Siliziumgermaniumschicht in situ in der Kammer hergestellt wird, in der die Germaniumschicht aufgewachsen worden ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Siliziumgermaniumschicht eine gewölbte Unterseite, die der gewölbten Oberseite der Germaniumschicht entspricht, aufweist und mit dieser in direktem Kontakt ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Silizium-Verkappungsschicht eine gewölbte Unterseite, die einer gewölbten Oberseite der Siliziumgermaniumschicht entspricht, aufweist und mit dieser in direktem Kontakt ist.
  15. Verfahren mit den folgenden Schritten: Erhalten eines Substrats; Erzeugen eines Flache-Grabenisolation-Bereichs so, dass er einen aktiven Bereich in dem Substrat umschließt; Erzeugen eines dotierten Bereichs in dem Substrat; Herstellen einer Oxidschicht über einer Oberseite des Substrats und über dem Flache-Grabenisolation-Bereich; Ätzen des Substrats, um einen Graben oder eine Aussparung in dem aktiven Bereich zu erzeugen; epitaxiales Aufwachsen einer Germaniumschicht so, dass sie den Graben oder die Aussparung teilweise oder vollständig füllt; und epitaxiales Aufwachsen einer Silizium-Verkappungsschicht über der Germaniumschicht, wobei die Silizium-Verkappungsschicht in situ in einer Cluster-Anlage, in der die Germaniumschicht aufgewachsen worden ist, hergestellt wird, ohne die Germaniumschicht einer Umgebung um die Cluster-Anlage auszusetzen.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Silizium-Verkappungsschicht so aufgewachsen wird, dass äußere Ränder einer Oberseite der Silizium-Verkappungsschicht mit einer Oberseite der Oxidschicht zusammentreffen.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, das weiterhin Folgendes umfasst: vor dem Herstellen der Silizium-Verkappungsschicht Herstellen einer Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht über der Germaniumschicht, wobei die Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht in situ in der Cluster-Anlage hergestellt wird, in der die Germaniumschicht aufgewachsen worden ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht ein konstantes Atomverhältnis von Silizium zu Germanium über eine gesamte Dicke der Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht hinweg hat.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht ein sich änderndes Atomverhältnis von Silizium zu Germanium über eine Dicke der Siliziumgermanium-Grenzflächenschicht hinweg hat, wobei das Atomverhältnis von Silizium zu Germanium einen ersten Wert näher der Germaniumschicht und einen zweiten Wert näher der Silizium-Verkappungsschicht hat, wobei der zweite Wert größer als der erste Wert ist.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, das weiterhin Folgendes umfasst: Implantieren von Dotanden in die Germaniumschicht, um eine Fotodiode herzustellen; und nach dem Implantieren der Dotanden Herstellen einer Schutz-Oxidschicht über der Silizium-Verkappungsschicht.
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