用于降低光檢測(cè)器中的信號(hào)損失的方法及設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明描述涉及降低光檢測(cè)器中的光學(xué)信號(hào)損失的實(shí)施例。
【背景技術(shù)】
[0002]光子裝置現(xiàn)今集成在與電子電路(例如CMOS電路)相同的襯底上。用于此集成的襯底材料通常為硅(塊狀硅或絕緣體結(jié)構(gòu)上的硅)。許多光子裝置可形成在提供在襯底上方的圖案化硅層中。例如，襯底上方的波導(dǎo)核心可由硅形成，襯底也可為硅襯底，前提是硅波導(dǎo)核心被具有比所述核心的硅低的折射率的包層環(huán)繞。二氧化硅通常用作合適的包層材料，因?yàn)橄噍^于硅的約3.45折射率，二氧化硅具有約1.45折射率。其它材料也可用作波導(dǎo)核心及包層材料，前提是在核心的較高折射率與包層的較低折射率之間存在足夠差值。
[0003]然而，一些光子裝置必須由除硅外但與硅介接的材料形成。光檢測(cè)器(例如具有P區(qū)域及N區(qū)域(其間具有本征區(qū)域)的PIN光二極管)的P區(qū)域及N區(qū)域可由硅形成，且光檢測(cè)器的本征區(qū)域可由鍺或硅-鍺材料(對(duì)于用于光檢測(cè)器的硅-鍺材料，鍺摩爾分率應(yīng)為至少30% )形成。出于本文論述的目的，在論述硅鍺材料時(shí)，將假設(shè)其具有至少30%的鍺摩爾分率。鍺或硅-鍺通常優(yōu)選用于接收光的光檢測(cè)器中，因?yàn)閷?duì)于大于1.1 μπι的波長(zhǎng)的光，鍺或硅-鍺比硅更靈敏。
[0004]在鍺或硅-鍺材料經(jīng)形成與硅接觸(例如在與PIN 二極管的硅P區(qū)域或N區(qū)域介接的界面處)時(shí)，在所述界面處發(fā)生晶格失配缺陷。例如，在鍺到硅界面處，存在4.2%晶格失配。晶格失配形成錯(cuò)配位錯(cuò)，其在界面處形成電荷捕獲狀態(tài)。捕獲狀態(tài)可通過在光檢測(cè)器的能帶隙中產(chǎn)生導(dǎo)致暗電流產(chǎn)生的能階而干擾光電轉(zhuǎn)換過程。暗電流降低光檢測(cè)器的總信噪比且降低其對(duì)所接收光的光電轉(zhuǎn)換的響應(yīng)能力。
[0005]將需要一種減輕錯(cuò)配位錯(cuò)及對(duì)應(yīng)的捕獲狀態(tài)對(duì)光檢測(cè)器對(duì)光的響應(yīng)能力的影響的光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)及其制作方法。
【附圖說明】
[0006]圖1說明本發(fā)明的第一實(shí)施例；
[0007]圖2說明本發(fā)明的第二實(shí)施例；
[0008]圖3說明本發(fā)明的第三實(shí)施例；
[0009]圖4說明本發(fā)明的第四實(shí)施例；
[0010]圖5A、5B、5C、5D、5E說明用于形成圖1實(shí)施例的方法實(shí)施例的連續(xù)步驟；及
[0011]圖6A、6B、6C說明用于形成圖2實(shí)施例的第二方法實(shí)施例的連續(xù)步驟。
[0012]圖7A及7B分別說明替代實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0013]本文中所描述的實(shí)施例提供一種光檢測(cè)器，其中在與波導(dǎo)核心相同的平面上不存在于例如鍺或硅-鍺的本征區(qū)域與半導(dǎo)體(例如硅)區(qū)域之間的界面處發(fā)生的錯(cuò)配位錯(cuò)及相關(guān)聯(lián)電荷捕獲狀態(tài)，所述波導(dǎo)核心光學(xué)耦合到光檢測(cè)器的本征區(qū)域。通過使界面以及相關(guān)聯(lián)錯(cuò)配位錯(cuò)及捕獲狀態(tài)移位到低于或高于波導(dǎo)核心的高度，將缺陷從光檢測(cè)器的光接收本征區(qū)域移除。此降低暗電流且提供改進(jìn)的光檢測(cè)器信噪比。
[0014]圖1說明第一結(jié)構(gòu)實(shí)施例，其中PIN 二極管光檢測(cè)器134經(jīng)形成以接收來自相鄰波導(dǎo)核心121的光。硅襯底111具有形成在其中的淺溝槽隔離區(qū)域，其含有氧化物119，例如，二氧化硅。淺溝槽隔離區(qū)域提供上表面120，波導(dǎo)核心121形成在上表面120之上。淺溝槽隔離區(qū)域可具有至少I μπι的厚度。波導(dǎo)核心121可由具有比溝槽氧化物119高的折射率的硅形成。氧化物123 (例如，二氧化硅)還提供在側(cè)面上且在波導(dǎo)核心121上方，使得波導(dǎo)核心121被包層氧化物環(huán)繞。以此方式，通過核心121以及由氧化物119及氧化物123提供的包層形成光波導(dǎo)。其它材料也可用于形成核心121以及包層119及123，前提是波導(dǎo)核心121的材料的折射率比包層材料的折射率高。
[0015]硅襯底111具有上表面112，其凹陷到上方形成波導(dǎo)核心121的氧化物表面120的高度下方。襯墊氧化物113提供在硅襯底111的上表面112處?；蛘撸缦挛膶⒖加糜谛纬蓤D1結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)一步描述，襯墊氧化物113可被省略。PIN光檢測(cè)器134的本征區(qū)域125是由例如鍺或硅-鍺形成，且提供在氧化物123中的開口 150內(nèi)，使得本征區(qū)域125的下表面與娃襯底111形成界面140。娃襯底111在其上部分處包含N講區(qū)域114。本征區(qū)域125的材料與下伏硅N阱114之間的界面140(此處將發(fā)生錯(cuò)配位錯(cuò))向下移位到氧化物119的上表面120下方，且因此到波導(dǎo)核心121的最低高度下方。硅襯底111的上表面112在高度上從氧化物119的上表面120向下移位達(dá)從約I埃到約10納米的范圍內(nèi)的距離屯。因此，界面140放置在接收來自波導(dǎo)核心121的光的本征區(qū)域125的范圍下方，且暗電流降低。本征材料125的上表面也在開口 150內(nèi)凹陷且P摻雜硅層在其中形成為硅插塞132。本征材料125與硅插塞132的界面138在高度上相對(duì)于波導(dǎo)核心121的上表面向上移位也達(dá)從約I埃到約10納米的范圍內(nèi)的距離d3，以降低所述界面處的界面捕獲狀態(tài)對(duì)從波導(dǎo)核心121接收的光子的影響。
[0016]圖1還展示N阱114中的更重N摻雜歐姆接觸區(qū)域192，其用于連接提供與N阱114的電連接的導(dǎo)體填充通孔160。同樣地，比硅插塞132更重P摻雜的歐姆接觸區(qū)域190提供在硅插塞132內(nèi)用于電接觸到硅插塞132。
[0017]如圖1中所展示，波導(dǎo)核心從PIN 二極管光檢測(cè)器134稍微側(cè)向隔開，使得波導(dǎo)核心121到本征材料125的耦合是通過消散波耦合。在操作中，將由本征材料125從核心121接收的光子轉(zhuǎn)換成電子及空穴，其分別流動(dòng)到N阱114及P型硅插塞132，而本征材料125與N阱114及硅插塞132的界面處的捕獲狀態(tài)對(duì)光子轉(zhuǎn)換的影響甚微
[0018]圖2說明另一實(shí)施例，其中光檢測(cè)器170的本征區(qū)域126與N阱區(qū)域114區(qū)域的界面140a移位到氧化物119的上表面下方，且因此到波導(dǎo)核心121的最低高度下方。在此實(shí)施例中，通過提供在氧化物123中的第一上開口部分135及其下方提供在N阱114內(nèi)的第二下開口部分137，提供高縱橫比(深度除以寬度)結(jié)構(gòu)。上開口部分135及下開口部分137的側(cè)壁內(nèi)襯有氧化物襯里127，其還可在波導(dǎo)包層氧化物123上方延伸。氧化物襯里127不存在于下開口部分137的底部處。上開口部分135及下開口部分137填充有本征材料(例如，鍺或硅-鍺)以形成光檢測(cè)器170的本征區(qū)域126。本征材料可為N型或P型，且具有小于lE15cm_3的低摻雜濃度。例如，本征材料可為具有小于IE 15cm_3的摻雜濃度的N型。在開口部分137的底部處的硅襯底111的本征區(qū)域126與N阱區(qū)域114的界面再次移位到淺溝槽氧化物119的上表面下方達(dá)約I埃到約10納米的范圍內(nèi)的距離d2，且因此到波導(dǎo)核心121的最低高度下方。上開口部分137內(nèi)的本征材料區(qū)域126的上表面凹陷，且P摻雜硅插塞132形成在凹部中。本征區(qū)域126與P摻雜硅插塞132的界面138也移位到波導(dǎo)核心121的上表面上方達(dá)約I埃到約10納米的范圍內(nèi)的距離d3，以在所述界面處的捕獲狀態(tài)下降低暗電流。
[0019]圖2實(shí)施例還具有從本征區(qū)域126側(cè)向隔開的波導(dǎo)核心121，且將其間的消散波耦合用于從核心121到本征區(qū)域126的光學(xué)信號(hào)傳送。
[0020]圖2實(shí)施例還包含延伸穿過氧化物123及氧化物襯里127到N阱114的導(dǎo)電通孔160，及在N阱中用于提供到N阱114的良好歐姆接觸的更重?fù)诫sN區(qū)域192。硅插塞132還包含更重?fù)诫sP區(qū)域190，其用于提供到硅插塞132的良好歐姆接觸。
[0021]圖1及圖2實(shí)施例展示波導(dǎo)核心121與光檢測(cè)器134(圖1)或170(圖2)之間的側(cè)向間隔及消散波耦合。然而，如在各自圖3及4中所展示，圖1及圖2可經(jīng)修改以通過使波導(dǎo)核心121向上抵靠光檢測(cè)器134 (圖1)或170 (圖2)的本征區(qū)域進(jìn)行對(duì)接來獲得波導(dǎo)核心121到光檢測(cè)器的對(duì)接