專利名稱：用于制造雪崩溝槽光學(xué)檢測器的方法以及檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將光轉(zhuǎn)換為電流的光學(xué)檢測器，特別是涉及用于高速光纖通信中的檢測器。
背景技術(shù)：
隨著用于光纖通信中的數(shù)據(jù)速率超過40G比特/秒的高速，需要靈敏的光學(xué)檢測器。采用例如GaAs和InGaAs等材料的III-V半導(dǎo)體PIN檢測器已經(jīng)用于提供這種能力。但是，隨著橫向溝槽檢測器(LTD)的發(fā)明(美國專利No.6,177,289)，就有可能使用硅PIN檢測器實(shí)現(xiàn)這樣的高速。但是，硅PIN檢測器的缺點(diǎn)在于與更常規(guī)的PIN檢測器相比，具有較大的電容。該電容又要求采用更低阻抗的放大器，并由此增加了電路中的噪聲，該噪聲限制了用硅PIN檢測器可以達(dá)到的靈敏度。
雪崩檢測器的工作類似于硅PIN檢測器，但其用雪崩倍增來實(shí)現(xiàn)增益(每個光子不止一個電子)。由于增益的提高，檢測器對于電路噪聲的敏感性降低。此外，利用該技術(shù)的接收器可以實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度。
因此，需要一種制造實(shí)現(xiàn)雪崩增益的LTD的方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，一種在半導(dǎo)體襯底上形成雪崩溝槽光學(xué)檢測器器件的方法，包括在襯底中形成第一組和第二組溝槽，其中第一組溝槽相對于第二組溝槽交替地設(shè)置，用摻雜的犧牲材料填充溝槽，以及退火該器件以在襯底中形成倍增區(qū)。該方法包括從第一組溝槽中蝕刻摻雜的犧牲材料，用摻雜的第一導(dǎo)電性材料填充第一組溝槽，從第二組溝槽中蝕刻摻雜的犧牲材料，以及用摻雜的第二導(dǎo)電性材料填充第二組溝槽。該方法還包括提供到第一組溝槽和第二組溝槽的分開的布線連接。
該第一組和第二組溝槽被同時形成在襯底中。
從第一組溝槽中蝕刻摻雜的犧牲材料還包括從器件的表面除去摻雜的犧牲材料，以及掩蔽第二組溝槽。
提供分開的布線連接還包括將填充第一組溝槽的摻雜材料和填充第二組溝槽的摻雜材料暴露到器件的表面，以及為第一組溝槽中的每一個提供第一組接觸和為二組溝槽中的每一個提供第二組接觸。
退火還包括在形成倍增區(qū)之前在器件的表面上淀積擴(kuò)散阻擋層，以及在形成倍增區(qū)之后從器件的表面上除去阻擋層。
第一導(dǎo)電性材料包括n型摻雜的多晶硅，第二導(dǎo)電性材料包括p型摻雜的多晶硅。第一導(dǎo)電性材料包括p型摻雜的多晶硅，第二導(dǎo)電性材料包括n型摻雜的多晶硅。
襯底包括半導(dǎo)體材料，淀積在半導(dǎo)體材料上的SiO2層，以及淀積在SiO2層上的SiN層。
從第二組溝槽中蝕刻犧牲材料還包括通過機(jī)械拋光將第二組溝槽的犧牲材料暴露到器件的表面的步驟。
摻雜的犧牲材料是p型摻雜的多晶硅和n型摻雜的多晶硅中的一種。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，一種在半導(dǎo)體襯底上形成雪崩溝槽光學(xué)檢測器器件的方法，包括在襯底中形成第一組和第二組溝槽，其中第一組溝槽相對于第二組溝槽交替地設(shè)置，用摻雜的犧牲材料填充溝槽，以及圍繞溝槽的底部在襯底中形成倍增區(qū)。該方法還包括從第一組溝槽中蝕刻摻雜的犧牲材料，用摻雜的第一導(dǎo)電性材料填充第一組溝槽，從第二組溝槽中蝕刻摻雜的犧牲材料，以及用摻雜的第二導(dǎo)電性材料填充第二組溝槽。該方法包括提供到第一組溝槽和第二組溝槽的分開的布線連接。
同時形成在襯底中的第一組和第二組溝槽。
從第一組溝槽中蝕刻摻雜的犧牲材料還包括從器件的表面除去摻雜的犧牲材料，以及掩蔽第二組溝槽。
提供分開的布線連接還包括將填充第一組溝槽的摻雜材料和填充第二組溝槽的摻雜材料暴露到器件的表面，以及為第一組溝槽中的每一個提供第一組接觸，和為第二組溝槽中的每一個提供第二組接觸。
第一導(dǎo)電性材料包括n型摻雜的多晶硅，第二導(dǎo)電性材料包括p型摻雜的多晶硅。第一導(dǎo)電性材料包括p型摻雜的多晶硅，第二導(dǎo)電性材料包括n型摻雜的多晶硅。
摻雜的犧牲材料是p型摻雜的多晶硅和n型摻雜的多晶硅中的一種。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，一種雪崩溝槽光學(xué)檢測器器件，包括襯底；在襯底中的具有摻雜的第一導(dǎo)電性材料的第一組溝槽；在襯底中的具有摻雜的第二導(dǎo)電性材料的第二組溝槽，其中第一組溝槽相對于第二組溝槽交替地設(shè)置。該器件包括在襯底中圍繞第一組和第二組溝槽的下部的倍增區(qū)，其中倍增區(qū)包括大約10％的光敏區(qū)；以及分別連接到第一組溝槽和第二組溝槽的第一連接和第二連接。


在下面結(jié)合附圖將更詳細(xì)地介紹本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例圖1A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的雪崩溝槽光檢測器的頂視圖；圖1B是圖1A所示的雪崩溝槽光檢測器的剖面圖；圖2A-2D是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在各種完成狀態(tài)下的雪崩溝槽光檢測器的圖；以及圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
雪崩過程由散射事件引起，其中單個電子或空穴被大電場加速到會發(fā)生碰撞的點(diǎn)，在該碰撞中其他的束縛電子受激由價帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生額外的、活動的電子空穴對。額外的電荷載流子和光產(chǎn)生的載流子一起流向n和p型接觸，導(dǎo)致光電流增加，由此增益增加。然而，要獲得高速和低噪聲增益，重要的是在檢測器的限定區(qū)中發(fā)生雪崩倍增，并且主要對一種類型的載流子發(fā)生倍增。對于高速和低噪聲，優(yōu)選對原始的光產(chǎn)生的載流子而不是對由隨后倍增產(chǎn)生的載流子發(fā)生雪崩倍增。由這些隨后倍增產(chǎn)生的載流子具有造成更多噪聲的統(tǒng)計分布。此外，由于額外倍增產(chǎn)生的載流子的傳輸需要時間，因此這些載流子導(dǎo)致速度降低。
發(fā)生倍增的該限定區(qū)可由輕微摻雜n型溝槽附近的窄區(qū)產(chǎn)生。該摻雜必須輕得足以在正常操作期間使該區(qū)保持耗盡，并且窄得足以使倍增保持限制到光敏區(qū)的小部分。該區(qū)域約小于光敏區(qū)的10％。
參考附圖，圖1A和1B，雪崩溝槽檢測器(ATD)包括本征的硅襯底101、硅氧化層(SiO3)102以及硅氮化(SiN)層103。ATD還包括蝕刻到硅襯底101內(nèi)并用非晶硅填充的溝槽104的陣列。溝槽交替地填充有摻雜n型的多晶硅105和p型的多晶硅106。摻雜環(huán)繞每個溝槽底部的區(qū)域，例如107，以形成結(jié)層或倍增區(qū)。形成到溝槽的接觸(108，109)，一個接觸108連接到n型溝槽，另一個接觸109連接到p型溝槽。
當(dāng)電壓加在接觸(108，109)之間，并以正端連接到n型溝槽，且光110落在溝槽對之間時，產(chǎn)生電子空穴對，增加了光電流。
參考圖2A到2D介紹用于制造溝槽APD的優(yōu)選方法。該檢測器結(jié)構(gòu)是在輕微摻雜的硅襯底(例如小于1016cm-3)上制造的，以使溝槽之間的區(qū)域可以完全耗盡。
如圖2A中的剖面圖所示，在表面上形成熱氧化物102，然后形成SiN淀積層103以保護(hù)硅襯底101的表面不進(jìn)行進(jìn)一步的處理。使用反應(yīng)離子蝕刻蝕刻穿過介電層(102，103)并進(jìn)入到硅襯底101內(nèi)到與光輻射的消光長度可比的深度形成相互貫通的溝槽陣列201，對于850nm的波長，該深度為8到20μm(301)。
如圖2B所示，淀積作為摻雜源202的硼硅玻璃(BSG)或其它材料層填充溝槽201。進(jìn)行退火以將硼擴(kuò)散到與溝槽相鄰的區(qū)域內(nèi)，產(chǎn)生輕微摻雜的倍增區(qū)107?；瘜W(xué)機(jī)械拋光，即CMP，將表面找平到SiN層103，從器件203的上表面除去任何BSG。如圖2C所示，從一組溝槽剝離BSG，淀積n+多晶硅105填充開口溝槽。如圖2D所示，然后剝離剩余的BSG，淀積p+多晶硅106以填充第二組溝槽，然后再進(jìn)行CMP找平到SiN層103，露出溝槽中的多晶硅材料。參考圖1A和1B，使用常規(guī)的技術(shù)形成接觸(108，109)以形成完整的檢測器。
參考圖3，使用反應(yīng)離子蝕刻蝕刻穿過介電層并進(jìn)入到硅襯底內(nèi)到與光輻射的消光長度可比的深度形成相互貫通的溝槽陣列，對于850nm的波長，該深度為8到20μm-301。用摻雜的犧牲材料層填充溝槽，摻雜的犧牲材料優(yōu)選p摻雜，作為摻雜劑的源(302)。進(jìn)行退火將如硼的摻雜劑擴(kuò)散到溝槽底部周圍區(qū)域內(nèi)，產(chǎn)生輕微摻雜的倍增區(qū)(303)。在退火之前淀積TEOS擴(kuò)散阻擋層。進(jìn)行第一CMP以將表面找平到SiN層(304)。從一組溝槽中剝離摻雜的材料(305)，并淀積n+多晶硅，填充開口的溝槽(306)。在從第一組溝槽中剝離摻雜的材料之前，通過例如非晶硅掩蔽第二組溝槽?？梢赃M(jìn)行第二CMP步驟(307)，以除去掩模并露出第二組溝槽中剩余的摻雜材料。剝離剩余的摻雜材料(308)，并淀積p+多晶硅以填充第二組溝槽(309)，然后再進(jìn)行CMP找平到SiN層(310)。
現(xiàn)已介紹了雪崩溝槽光檢測器及其制造方法的實(shí)施例，應(yīng)該注意根據(jù)以上教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員可以作出修改和變形。因此應(yīng)該理解，可以在所附的權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)，對公開的本發(fā)明的特定實(shí)施例進(jìn)行改變?，F(xiàn)已根據(jù)專利法的要求詳細(xì)和具體地介紹了本發(fā)明，所要求并需要由書面專利保護(hù)的范圍在所附的權(quán)利要求書中描述。
權(quán)利要求
1.一種在半導(dǎo)體襯底上形成雪崩溝槽光學(xué)檢測器器件的方法，包括以下步驟在襯底中形成第一組和第二組溝槽，其中第一組溝槽相對于第二組溝槽交替地設(shè)置；用摻雜的犧牲材料填充溝槽；退火該器件以在襯底中形成倍增區(qū)；從第一組溝槽中蝕刻攙雜的犧牲材料；用摻雜的第一導(dǎo)電性材料填充第一組溝槽；從第二組溝槽中蝕刻摻雜的犧牲材料；用摻雜的第二導(dǎo)電性材料填充第二組溝槽；以及提供到第一組溝槽和第二組溝槽的分開的布線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于同時形成在襯底中的第一組和第二組溝槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于從第一組溝槽中蝕刻摻雜的犧牲材料的步驟還包括以下步驟從器件的表面除去摻雜的犧牲材料；以及掩蔽第二組溝槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于提供分開的布線連接的步驟還包括以下步驟將填充第一組溝槽的摻雜材料和填充第二組溝槽的摻雜材料暴露到器件的表面；以及為第一組溝槽中的每一溝槽提供第一組接觸，和為第二組溝槽中的每一溝槽提供第二組接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于退火步驟還包括以下步驟在形成倍增區(qū)之前在器件的表面上淀積擴(kuò)散阻擋層；以及在形成倍增區(qū)之后從器件的表面上除去擴(kuò)散阻擋層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于第一導(dǎo)電性材料包括n型摻雜的多晶硅，第二導(dǎo)電性材料包括p型摻雜的多晶硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于第一導(dǎo)電性材料包括p型摻雜的多晶硅，第二導(dǎo)電性材料包括n型摻雜的多晶硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于襯底包括半導(dǎo)體材料，淀積在半導(dǎo)體材料上的SiO2層，以及淀積在SiO2層上的SiN層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于從第二組溝槽中蝕刻犧牲材料的步驟還包括通過機(jī)械拋光將第二組溝槽的犧牲材料暴露到器件的表面的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于摻雜的犧牲材料是p型摻雜的多晶硅和n型摻雜的多晶硅中的一種。
11.一種在半導(dǎo)體襯底上形成雪崩溝槽光學(xué)檢測器器件的方法，包括以下步驟在襯底中形成第一組和第二組溝槽，其中第一組溝槽相對于第二組溝槽交替地設(shè)置；用摻雜的犧牲材料填充溝槽；圍繞溝槽的底部在襯底中形成倍增區(qū)；從第一組溝槽中蝕刻摻雜的犧牲材料；用摻雜的第一導(dǎo)電性材料填充第一組溝槽；從第二組溝槽中蝕刻摻雜的犧牲材料；用摻雜的第二導(dǎo)電性材料填充第二組溝槽；以及提供到第一組溝槽和第二組溝槽的分開的布線連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于同時形成在襯底中的第一組和第二組溝槽。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于從第一組溝槽中蝕刻摻雜的犧牲材料的步驟還包括以下步驟從器件的表面除去摻雜的犧牲材料；以及掩蔽第二組溝槽。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于提供分開的布線連接的步驟還包括以下步驟將填充第一組溝槽的摻雜材料和填充第二組溝槽的摻雜材料暴露到器件的表面，以及為第一組溝槽中的每一溝槽提供第一組接觸，和為第二組溝槽中的每一溝槽提供第二組接觸。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于第一導(dǎo)電性材料包括n型摻雜的多晶硅，第二導(dǎo)電性材料包括p型摻雜的多晶硅。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于第一導(dǎo)電性材料包括p型摻雜的多晶硅，第二導(dǎo)電性材料包括n型摻雜的多晶硅。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于摻雜的犧牲材料是p型摻雜的多晶硅和n型摻雜的多晶硅中的一種。
18.一種雪崩溝槽光學(xué)檢測器器件，包括襯底；具有摻雜的第一導(dǎo)電性材料的在襯底中的第一組溝槽；具有摻雜的第二導(dǎo)電性材料的在襯底中的第二組溝槽，其中第一組溝槽相對于第二組溝槽交替地設(shè)置；在襯底中的圍繞第一組和第二組溝槽的下部的倍增區(qū)，其中倍增區(qū)包括大約光敏區(qū)的10％；以及分別耦合到第一組溝槽和第二組溝槽的第一連接和第二連接。
全文摘要
一種在半導(dǎo)體襯底上形成雪崩溝槽光學(xué)檢測器器件的方法，包括在襯底中形成第一組和第二組溝槽，其特征在于第一組溝槽相對于第二組溝槽交替地設(shè)置，用摻雜的犧牲材料填充溝槽，以及退火該器件以在襯底中形成倍增區(qū)。該方法包括從第一組溝槽中蝕刻摻雜的犧牲材料，用摻雜的第一導(dǎo)電性材料填充第一組溝槽，從第二組溝槽中蝕刻摻雜的犧牲材料，以及用摻雜的第二導(dǎo)電性材料填充第二組溝槽。該方法還包括提供到第一組溝槽和第二組溝槽的分開的布線連接。
文檔編號G01R31/26GK1507079SQ200310117299
公開日2004年6月23日 申請日期2003年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月10日
發(fā)明者D·L·羅杰斯, D L 羅杰斯, 楊敏 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司