專利名稱：埋置式波導(dǎo)檢測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的有關(guān)光學(xué)檢測(cè)器及制造該種檢測(cè)器的方法。
背景技術(shù)：
為了在半導(dǎo)體基材中建構(gòu)光學(xué)信號(hào)分布網(wǎng)絡(luò)，需要制造良好的光波導(dǎo)來(lái)散發(fā)所述光學(xué)信號(hào)，并且需要制造可將所述光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘?hào)以與其他電路交流的元件。可用兩種方式來(lái)提取所述光學(xué)信號(hào)，若非從該波導(dǎo)中提取出光學(xué)信號(hào)本身被并傳送至可將其轉(zhuǎn)變?yōu)樗栊问降钠渌娐?，就是在波?dǎo)中將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有问讲⑶覍⒃撾娮有盘?hào)傳送至其他電路。以光學(xué)信號(hào)形態(tài)提取光學(xué)信號(hào)牽涉到波導(dǎo)中的微鏡、光柵或耦合器，或功能與這些裝置類(lèi)似的其他元件的使用?？茖W(xué)文獻(xiàn)有越來(lái)越多可用來(lái)建構(gòu)此種裝置的技術(shù)的實(shí)例。以電子信號(hào)型態(tài)提取光學(xué)信號(hào)牽涉到波導(dǎo)中的檢測(cè)器的使用，即，將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有问降碾娐吩??？茖W(xué)文獻(xiàn)也有越來(lái)越多可用來(lái)達(dá)成此目的的檢測(cè)器設(shè)計(jì)的實(shí)例。
但是，當(dāng)將準(zhǔn)則限制在特定光學(xué)信號(hào)分布網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，并且將任何此類(lèi)設(shè)計(jì)在制造上需相對(duì)容易且經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)實(shí)情況列入考慮時(shí)，尋找能產(chǎn)生可接受的光學(xué)分布網(wǎng)絡(luò)的元件組合的挑戰(zhàn)變得更大。
硅及硅鍺合金(例如SixGe1-x)的組合以有用的材料組合已引起注意，因?yàn)槟軌蜉p易并且經(jīng)濟(jì)地由此制出光學(xué)信號(hào)分布網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)用硅鍺合金，要在硅基材中制造波導(dǎo)是可能的。硅鍺合金的折射率比硅的折射率稍微高一些。例如，具有5％鍺的硅鍺合金(即，Si0.95Ge0.05)的折射率約為3.52，而結(jié)晶硅的折射率則小于此，例如，約3.50。因此，若硅鍺合金核形成在硅基材內(nèi)，折射率的差異足以使硅鍺合金核經(jīng)由內(nèi)部反射而含有光學(xué)信號(hào)。此外，此特定材料組合可在現(xiàn)有硅基底半導(dǎo)體制造技術(shù)中使用，從而制造出光學(xué)電路。
當(dāng)然，要使此種系統(tǒng)作用如同光學(xué)信號(hào)分布網(wǎng)絡(luò)，光學(xué)信號(hào)必須要有可穿透硅和硅鍺合金兩者的波長(zhǎng)。因?yàn)檫@些材料的能隙約為1.1eV(電子伏特)，其對(duì)于波長(zhǎng)大于1150奈米的光學(xué)波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)是透明的。借由使用硅鍺合金而非純硅，以及高至125℃的較高溫操作所導(dǎo)致的能隙的進(jìn)一步降低可能更進(jìn)一步需要大于1200奈米或甚至1250奈米的波長(zhǎng)，以得到非常低的吸收損失(約1db/cm或更小)。但是，這些材料對(duì)于具有這些波長(zhǎng)的光學(xué)信號(hào)的透明度引發(fā)另一個(gè)問(wèn)題。這些材料通常不適于用來(lái)建構(gòu)可將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有问降臋z測(cè)器。要成為一個(gè)好的檢測(cè)器，所述材料必須要能夠以產(chǎn)生可電偵測(cè)的有效電荷的方式來(lái)吸收光線。也就是說(shuō)，光學(xué)信號(hào)必須能夠在該檢測(cè)器內(nèi)產(chǎn)生從該價(jià)帶至該導(dǎo)帶的電子躍遷以產(chǎn)生電子輸出信號(hào)。但是大于1150奈米的波長(zhǎng)太長(zhǎng)，以致于無(wú)法在室溫下借由在硅內(nèi)、或在Si0.95Ge0.05合金內(nèi)的電子躍遷產(chǎn)生有效的吸收。當(dāng)波長(zhǎng)為1300奈米時(shí)，相應(yīng)的光子能量約為0.95eV，遠(yuǎn)低于硅跟Si0.95Ge0.05的室溫能隙，因此遠(yuǎn)低于用來(lái)產(chǎn)生從價(jià)帶至導(dǎo)帶的躍遷的所需能量。

發(fā)明內(nèi)容
一般說(shuō)來(lái)，在一觀點(diǎn)中，本發(fā)明的特征在于一種制造檢測(cè)器的方法。該方法包含在一具有一上表面的基材中形成一溝渠；在該基材上以及該溝渠中形成一第一摻雜半導(dǎo)體層；在該第一摻雜半導(dǎo)體層上形成一第二半導(dǎo)體層，并延伸至該溝渠中，該第二半導(dǎo)體層的導(dǎo)電性比該第一摻雜半導(dǎo)體層的導(dǎo)電性??；在該第二半導(dǎo)體層上形成一第三摻雜半導(dǎo)體層，并延伸至該溝渠中；去除該第一、第二和第三層在一由該基材表面所界定出的平面上的部分，以產(chǎn)生一上方的、基本上平坦的表面，并暴露出位于該溝渠內(nèi)的該第一摻雜半導(dǎo)體層的上端；形成連結(jié)至該第一半導(dǎo)體摻雜層的第一電接觸；以及成形連結(jié)至該第三半導(dǎo)體摻雜層的第二電接觸。
其他實(shí)施例包含一或多個(gè)如下特征。在該基材上形成該第一及第二摻雜半導(dǎo)體層包含沉積硅。在該第一摻雜半導(dǎo)體層上形成該第二半導(dǎo)體層包含沉積硅鍺合金。沉積該第一、第二、和第三層涉及磊晶沉積。去除涉及利用化學(xué)機(jī)械研磨來(lái)去除。
一般說(shuō)來(lái)，在另一觀點(diǎn)中，本發(fā)明的特征在于另一種制造檢測(cè)器的方法。該方法包含在具有一上表面的基材中形成一溝渠；在該基材上以及該溝渠中形成一第一半導(dǎo)體層；在該第一摻雜半導(dǎo)體層上形成一第二半導(dǎo)體層，并延伸至該溝渠中；在該第二半導(dǎo)體層上形成一第三半導(dǎo)體層，并延伸至該溝渠中，其中該第二半導(dǎo)體層吸收波長(zhǎng)為λ的光線，而該第一及第三半導(dǎo)體層傳送波長(zhǎng)為λ的光線；去除在由該基材表面所界定出的平面上的沉積材料，因此形成一上方的、基本上平坦的表面，并暴露出位于該溝渠內(nèi)的該第一摻雜層的上端；形成連結(jié)至該第一半導(dǎo)體摻雜層的第一電接觸；以及形成連結(jié)至該第三半導(dǎo)體摻雜層的第二電接觸。
其他實(shí)施例包含一或多個(gè)如下特征。形成該第二半導(dǎo)體層包含選擇該第二半導(dǎo)體層所用的半導(dǎo)體材料，其中第二能隙是比該第一及第三半導(dǎo)體層兩者的能隙小?；蛘撸纬稍摰诙雽?dǎo)體層包含導(dǎo)入可在導(dǎo)帶及價(jià)帶間的能隙中產(chǎn)生深層能態(tài)的摻質(zhì)。
一般說(shuō)來(lái)，在又另一觀點(diǎn)中，本發(fā)明的特征在于一種檢測(cè)器，包含一具有上表面及一形成在其內(nèi)的第一溝渠的基材；一與該第一溝渠的內(nèi)部輪廓符合的第一半導(dǎo)體層，并具有在該第一溝渠內(nèi)界定出一第二溝渠的上表面，該第一半導(dǎo)體層具有基本上與該基材的上表面共平面的第一端；一與該第二溝渠的內(nèi)部輪廓符合的第二半導(dǎo)體層，并具有在該第二及第一溝渠內(nèi)界定出一第三溝渠的上表面；一第三半導(dǎo)體層，填充該第三溝渠并且具有基本上與該基材的上表面共平面的上側(cè)面；一第一導(dǎo)電材料，在該第一端處構(gòu)成與該第一層的電接觸；以及一第二導(dǎo)電材料，在該第三層的上側(cè)面構(gòu)成與該第三層的電接觸。
其他實(shí)施例包含一或多個(gè)如下特征。該第一及第三半導(dǎo)體層是由經(jīng)摻雜的硅構(gòu)成。該第二半導(dǎo)體層是由硅鍺合金構(gòu)成。該硅鍺合金的特征在于具有位于價(jià)帶上方并以一能隙與其分離的導(dǎo)帶，并且該硅鍺合金含有一種可在該導(dǎo)帶和價(jià)帶間的能隙內(nèi)導(dǎo)入深層能態(tài)的雜質(zhì)?；蛘撸摰诙雽?dǎo)體層吸收波長(zhǎng)為λ的光線，而該第一及第三半導(dǎo)體層傳送波長(zhǎng)為λ的光線。該第二半導(dǎo)體層具有比該第一及第三半導(dǎo)體層兩者的能隙小的能隙。
本發(fā)明的其他特征及優(yōu)勢(shì)將由于如下結(jié)合附圖的細(xì)節(jié)描述而變得更顯而易見(jiàn)。


圖1A示出摻雜有深層能階受體的硅的能帶結(jié)構(gòu)。
圖1B示出傳送波導(dǎo)、高吸收材料、以及光子能量的相對(duì)半導(dǎo)體能帶。
圖2A-2G示出一種制造摻雜質(zhì)基底的檢測(cè)器的方法。
圖3以圖示形式示出摻雜質(zhì)基底的硅鍺合金檢測(cè)器。
圖4A-4J示出一種在現(xiàn)成光學(xué)基材上制造半導(dǎo)體電路的方法。
具體實(shí)施例方式
一種摻雜質(zhì)基底的檢測(cè)器本發(fā)明的一實(shí)施例是一種摻雜質(zhì)基底檢測(cè)器，其是由硅和硅鍺合金制成，并且可令人滿意地檢測(cè)到波長(zhǎng)比相應(yīng)于硅或硅鍺合金的吸收限(absorptionedge)波長(zhǎng)大的光信號(hào)，包含波長(zhǎng)大于1150奈米的光信號(hào)。檢測(cè)器是經(jīng)制作在一波導(dǎo)中，其通常以含有約5％鍺的硅鍺合金，借由以一種可在該硅鍺合金的能隙區(qū)域產(chǎn)生深層能態(tài)的材料摻雜該核心的方式來(lái)形成該波導(dǎo)核心。也就是說(shuō)，該摻質(zhì)的特征在于可產(chǎn)生離導(dǎo)帶或價(jià)帶足夠遠(yuǎn)的能態(tài)，因此波長(zhǎng)大于1150奈米的光學(xué)信號(hào)可使電子在此摻質(zhì)引發(fā)態(tài)和兩帶的一間躍遷，而產(chǎn)生電流的自由電荷，因而檢測(cè)到該光學(xué)信號(hào)。
周期表中有一些可在半導(dǎo)體中產(chǎn)生深層能態(tài)的元素。特別是，有兩種元素分享一些對(duì)可并入通常能在硅半導(dǎo)體制造工業(yè)中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)有制造制程中的檢測(cè)器建構(gòu)來(lái)說(shuō)極重要的特征。他們是鉈和銦。參見(jiàn)圖1，他們產(chǎn)生深層受體態(tài)2(deep acceptor states)，這表示與導(dǎo)帶6相比，其能態(tài)較接近價(jià)帶4，但高于價(jià)帶足夠多而使大于1200奈米的波長(zhǎng)可以被有成果地吸收。銦在約高于價(jià)帶160meV處產(chǎn)生受體態(tài)，而鉈在高于價(jià)帶約260meV處產(chǎn)生受體態(tài)。兩個(gè)元素并且都擁有足夠慢的擴(kuò)散速率，因此若使用在后來(lái)需在其內(nèi)制造其他微電子裝置的現(xiàn)成光學(xué)基材(optical ready substrate)中，在檢測(cè)器可能經(jīng)驗(yàn)到的正常制造和操作溫度下，他們基本上會(huì)停留在原處。也就是說(shuō)，他們不會(huì)在隨后的晶片將會(huì)經(jīng)受的熱循環(huán)期間擴(kuò)散至檢測(cè)器外。
也需注意到的是，當(dāng)并入硅或硅鍺合金時(shí)，該摻雜質(zhì)態(tài)可透過(guò)與能帶邊緣(band edge)的更復(fù)雜的交互作用而產(chǎn)生寬闊或平緩的深層能態(tài)分布。因此一寬闊的摻雜質(zhì)吸收光譜可在能態(tài)邊緣附近以該吸收帶的延伸或尾部之姿出現(xiàn)。此寬光譜通常有助于檢測(cè)器在該能隙中增加對(duì)已知溫度變動(dòng)的容忍度，否則其會(huì)將吸收能從光量子能的共振移開(kāi)，并隨著溫度改變對(duì)吸收產(chǎn)生負(fù)面影響。
在所述的硅鍺合金摻雜質(zhì)基底檢測(cè)器的實(shí)施例中，令人感興趣的躍遷可能是從價(jià)帶經(jīng)過(guò)因?yàn)閾诫s質(zhì)效應(yīng)而延伸或連接進(jìn)入能隙的能態(tài)帶至導(dǎo)帶，或從多個(gè)與能帶隔離的深層受體態(tài)至導(dǎo)帶。電檢測(cè)信號(hào)是由這些躍遷產(chǎn)生。當(dāng)以銦或鉈摻雜硅鍺合金時(shí)，許多價(jià)態(tài)被離子化而產(chǎn)生賦予p型半導(dǎo)體材料特征的空穴。為了增加深層受體態(tài)內(nèi)的電子數(shù)量，即，為了填充可得的受體位置，也以一供體材料來(lái)?yè)诫s該硅鍺合金，例如砷或磷。來(lái)自供體的電子填充受體位置，因此增加可用來(lái)支援電子往上躍遷至導(dǎo)帶的受體位置的數(shù)量。此受體位置的填充也可經(jīng)由將在后面討論的來(lái)自PN二極體結(jié)構(gòu)內(nèi)的相鄰N型區(qū)域內(nèi)的供體的電子轉(zhuǎn)移而發(fā)生。
此共摻質(zhì)的使用也在將于后面討論的光導(dǎo)檢測(cè)器模式下產(chǎn)生另一種益處。填充由深層受體摻質(zhì)所產(chǎn)生的空穴會(huì)降低能促進(jìn)經(jīng)由該材料的傳導(dǎo)的自由電子及/或空穴數(shù)量，因此增加其電阻。在光導(dǎo)檢測(cè)器中，該摻雜質(zhì)基底硅鍺合金是用來(lái)做為兩個(gè)相同類(lèi)型(N或P)電極間的本征或低電荷區(qū)域的材料。此區(qū)域的電阻越低，由該裝置在沒(méi)有光學(xué)信號(hào)下所產(chǎn)生的暗電流(darkcurrent)就越高。較傾向于將暗電流維持盡可能低的水準(zhǔn)。與深層態(tài)一起導(dǎo)入一相反類(lèi)型的摻質(zhì)有助于達(dá)到此目標(biāo)。若摻質(zhì)增加至多于需要使材料成為本征，或電荷平衡的數(shù)量，此時(shí)該材料可以在其他能帶中擁有相反符號(hào)的電荷。這造成光晶體管效應(yīng)(photo-transistor effect)，其犧牲帶寬或速度以提供更多增益。此裝置會(huì)在后面更詳細(xì)討論。
借由共摻質(zhì)的使用而導(dǎo)致的空穴及電子兩者數(shù)量的增加也產(chǎn)生又另一種益處。其幫助降低自由電子的再結(jié)合時(shí)間，其是檢測(cè)器在檢測(cè)到光學(xué)信號(hào)后所需的回復(fù)時(shí)間，特別是光導(dǎo)型檢測(cè)器。以另一種方式來(lái)說(shuō)，其增加電子和空穴的再結(jié)合速率，因此會(huì)因?yàn)橛懈嗟碾娮雍涂昭ńY(jié)合在一起而增加該裝置的速度。
銦和鉈兩者的特征皆在于其在硅或硅鍺合金內(nèi)有低的固態(tài)溶解度。這表示每一種材料可被添加入硅晶格的數(shù)量有其上限，在晶格再也無(wú)法接受更多量之前。最大摻雜水準(zhǔn)在約1016cm-3至1018cm-3范圍內(nèi)。在鉈的情況中，最高摻雜水準(zhǔn)通常在2×1017cm-3左右。為了增加此有效密度，因而增加由這些材料制出的檢測(cè)器的效能，可以添加能增加該材料在硅晶格內(nèi)的固態(tài)溶解度的共摻質(zhì)。本質(zhì)上，該共摻質(zhì)將深層摻質(zhì)保持在晶格位置內(nèi)，并防止其從晶格內(nèi)離開(kāi)。在銦的情況中，一種達(dá)到此作用的共摻質(zhì)的例子是碳?？梢詭椭罨熀豌B的其他共摻質(zhì)包含濃度高于只是用來(lái)填充受體位置所需量的砷、磷及其他N型供體。
換言的，與鉈或銦一起使用一或多種適當(dāng)?shù)墓矒劫|(zhì)至少有四個(gè)原因。第一，其可用來(lái)提供電子予受體雜質(zhì)，以填充空空穴，進(jìn)而增加可用來(lái)吸收光學(xué)信號(hào)的電子數(shù)量(即，增加檢測(cè)器的敏感度)。第二，其可用來(lái)產(chǎn)生較高的暗電阻，借由降低自由電子的數(shù)量。第三，其可用來(lái)幫助降低自由電荷的再結(jié)合時(shí)間(即增加再結(jié)合速率)。以及第四，其可用來(lái)幫助增加深層能階受體元素占據(jù)晶格位置而非本征位置的可能性，以具有光學(xué)活性。也就是說(shuō)，其可使硅晶格產(chǎn)生更好的活性。
此外，共摻質(zhì)也可在此情況中提供其他有用功能。例如，其可用來(lái)降低另一種摻質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，或者可用來(lái)增強(qiáng)深層能階受體摻質(zhì)的熱穩(wěn)定性，使其較不會(huì)因?yàn)闊嵫h(huán)或高溫操作而在宿主晶格內(nèi)被去活化。
有一些可提供剛才提到的一或多種效用的共摻質(zhì)。例如，在鉈的情況中，碳、一IV族元素可增加鉈在硅晶格中的固態(tài)溶解度。一些V族元素，包含廣為使用的砷和磷元素，提供多種效用。例如，砷是一種會(huì)在離導(dǎo)帶約14meV處產(chǎn)生能態(tài)的摻質(zhì)。當(dāng)與銦或鉈一起使用時(shí)，其透過(guò)以電子填充空穴因而增加可躍遷至導(dǎo)帶的電子數(shù)量的方式來(lái)顯著增加銦或鉈的效能。砷在使更多銦或鉈可以進(jìn)入晶格內(nèi)這方面也是有幫助的。此外，在銦的情況中，其會(huì)與銦形成更復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，這為該裝置產(chǎn)生更寬的光譜響應(yīng)。
也有報(bào)告揭示V族元素銻(Sb)對(duì)于增加鉈的固態(tài)溶解度來(lái)說(shuō)是一有效共摻質(zhì)，并且V族元素鉍(Bi)對(duì)于增加銦的固態(tài)溶解度來(lái)說(shuō)是一有效共摻質(zhì)(見(jiàn)，例如，半導(dǎo)體的離子注入(Ion Implantation in Semiconductors)，Mayer，Eriksson，及Davies，1970)。
窄能隙基底檢測(cè)器另一種檢測(cè)器實(shí)施例是基于能隙比波導(dǎo)硅鍺合金小的半導(dǎo)體材料者。此種窄能隙材料可以包含鍺濃度高許多的硅鍺合金，或例如硅鍺碳或碳化鍺的其他半導(dǎo)體。可用的窄能隙標(biāo)準(zhǔn)是該材料可令人滿意地檢測(cè)到波長(zhǎng)比相應(yīng)于用在波導(dǎo)內(nèi)的硅或硅鍺合金的吸收限波長(zhǎng)大的光學(xué)信號(hào)，包含波長(zhǎng)大于1150奈米(見(jiàn)圖1B)的光學(xué)信號(hào)。該檢測(cè)器是經(jīng)制作于通常具有含有約5％鍺的硅鍺合金的波導(dǎo)內(nèi)。檢測(cè)器是借由將窄能隙材料置于波導(dǎo)核心中或足夠靠近該波導(dǎo)的鄰近區(qū)域中來(lái)形成，以與在該波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)墓饩€發(fā)生作用。該光線會(huì)將電子從此材料的較低或價(jià)能帶傳送至此材料的較高或?qū)軒АＴ谶@些能帶中所產(chǎn)生的過(guò)量電荷會(huì)創(chuàng)造出流動(dòng)通過(guò)覆蓋此檢測(cè)器材料的電極的電流。
上升時(shí)間(rise time)小于約10皮秒(picosecond)的快速檢測(cè)器通常需要吸收光線然后在約100至300奈米厚的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電荷，其中電場(chǎng)很強(qiáng)并且電子的傳導(dǎo)距離短。當(dāng)電子抵達(dá)摻雜量高許多的上及下電極時(shí)會(huì)被檢測(cè)到。因此用來(lái)傳導(dǎo)電流的摻雜可在電極中完成，而不需要摻雜該窄能隙材料。這簡(jiǎn)化了所需的窄能隙材料特性類(lèi)型。例如，該窄能隙材料可能可以在制程中某些時(shí)間點(diǎn)上熔化，因?yàn)槠洳恍枰芯艿膿诫s結(jié)構(gòu)。
有幾種在窄能隙檢測(cè)器的建構(gòu)上特別令人感興趣的材料。一般材料是硅鍺合金。對(duì)于高于85％的鍺濃度來(lái)說(shuō)，硅鍺合金的能隙快速縮小。因此，硅鍺的吸收在鍺濃度高于85％時(shí)大大增加。增加鍺濃度的一問(wèn)題是鍺相對(duì)于硅的較低熔點(diǎn)。雖然硅在1415℃時(shí)熔化，但鍺在937℃時(shí)即熔化。在制作晶體管時(shí)使用的許多制程需要高至1050至1100℃的溫度。照此，一純鍺檢測(cè)器將會(huì)熔化，若其在這些制程完成前即形成。
另一種令人感興趣的材料是硅鍺碳(SiGeC)。雖然只有微量的碳可以并入平衡的硅鍺中，但此微量碳可幫助釋放與硅相關(guān)的應(yīng)力失調(diào)(stressmismatch)。硅鍺中的微量碳也可以幫助增加硅鍺合金的熔點(diǎn)，以增加檢測(cè)器可承受的制造溫度。
制造檢測(cè)器的方法制造摻雜質(zhì)基底檢測(cè)器的一種例示方法在圖2A的流程圖示中描繪。在此實(shí)施例中，該檢測(cè)器是經(jīng)制造在一硅基材300中，雖然其可被制作在可在其內(nèi)制造波導(dǎo)的任何經(jīng)恰當(dāng)選擇的基材內(nèi)，例如SOI(覆硅絕緣層)基材、絕緣材料、或低晶格指數(shù)材料(low index material)，上面只是列舉一些。制程以形成，例如借由蝕刻，一溝渠302開(kāi)始，其界定出該檢測(cè)器的外部邊界(圖2A)。溝渠302的蝕刻是使用在半導(dǎo)體制造工業(yè)中一些廣為使用的蝕刻技術(shù)的任一種來(lái)完成，例如等離子蝕刻。
在形成溝渠302之后，將一下電極層304沉積在該基材300表面上以及溝渠302內(nèi)(圖2B)。此下電極因?yàn)榈碗娮瓒哂懈邆鲗?dǎo)性。電極層304可被制作為具傳導(dǎo)性的，例如，利用來(lái)自高度摻雜的n型硅的電子，其中摻質(zhì)是磷、砷、銻、或鉍?；蛘撸撾姌O可被制作為具傳導(dǎo)性的，利用高度摻雜的p型硅的空穴，其中摻質(zhì)是硼、鋁、鎵或銦。此沉積的主要目的是形成一傳導(dǎo)電極層，其與該溝渠一致但不填滿該溝渠，而是留下尺寸足以沉積后面敘述的幾個(gè)其他層的較小溝渠。
必須將此層摻雜至足量水準(zhǔn)，以使此層的電阻不會(huì)阻擋來(lái)自檢測(cè)器的電流有效流至外部檢測(cè)電路。這表示所有檢測(cè)器的串連電阻必須與檢測(cè)電流的電阻可比較或比較小。另一方面，摻雜太多可能導(dǎo)致自由電子分散及降低檢測(cè)器效能的吸收。有用的電極摻雜范圍是從1016cm-3至1019cm-3，最大值取決于對(duì)于損失及電阻的設(shè)計(jì)需求。此外，改良的設(shè)計(jì)會(huì)使用不均勻的電極摻雜，其在高光功率(optical power)區(qū)域使用低摻雜，而在可見(jiàn)的低或沒(méi)有光功率區(qū)域使用高水準(zhǔn)電極摻雜以得到低電阻。對(duì)照之下，由雜質(zhì)摻質(zhì)導(dǎo)致的有用吸收最好是位于高光功率區(qū)域。此摻質(zhì)厚度的增加會(huì)加強(qiáng)吸收，只要其被欲檢測(cè)的光線照射，但摻質(zhì)較厚區(qū)域可能會(huì)降低檢測(cè)器速度。例如，為建構(gòu)反應(yīng)快于20皮秒的檢測(cè)器，摻質(zhì)應(yīng)位于大約小于300奈米厚的區(qū)域中。
在沉積低電極層304后，在其上沉積硅鍺合金的第一中間層306(圖2C)。第一中間層306是將會(huì)在隨后步驟中接收一或多種共摻質(zhì)的宿主材料，并且代表檢測(cè)器結(jié)構(gòu)中間部分的一半。此材料的折射率必須比硅電極的折射率高，以便使其作用如同容納光線的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，必須適當(dāng)?shù)剡x擇鍺的百分比，例如，至少高至約2％。
接著將一誘發(fā)深層能態(tài)的摻質(zhì)308，例如銦或鉈，注入第一中間層306中至不會(huì)在隨后制程期間從該中間層脫離的足夠深度(圖2D)。也將一或多種共摻質(zhì)注入第一中間層306中。這可在注入該深層能階受體摻質(zhì)之前、期間、或之后完成。若該共摻質(zhì)材料提供多種效用，則可能可以接受只使用單一種共摻質(zhì)。若該共摻質(zhì)只提供一種效用(例如增加該深層能階受體在硅晶格中的溶解度)，則使用多種共摻質(zhì)材料是恰當(dāng)?shù)?。換句話說(shuō)，此階段所選擇的共摻質(zhì)種類(lèi)及數(shù)量取決于所想要達(dá)成的結(jié)果。
在適合的摻質(zhì)材料共注入第一中間層306后，于第一中間層306上沉積一硅或硅鍺合金的第二中間層310(圖2E)。再一次，沉積量是經(jīng)選擇以不填滿上次沉積后所留下的溝渠。這是為了替最后的電極沉積留下空間。
最后，在第二中間層310上沉積一上電極層312。與下電極304一樣，上電極312可以是高度摻雜的n型硅，其中摻質(zhì)是磷或砷、銻、或鉍?；蛘?，該電極可被制作為具傳導(dǎo)性的，利用高度摻雜的p型硅的空穴，其中摻質(zhì)是硼、鋁、鎵或銦。
在沉積上電極312后，以足夠高的溫度以及足夠長(zhǎng)的時(shí)間熱處理該結(jié)構(gòu)(例如回火)，以使所述共摻質(zhì)擴(kuò)散出去，進(jìn)入第一和第二中間層306和310。現(xiàn)有回火通常是在1050℃下執(zhí)行?；鼗鹚璧臅r(shí)間及溫度是由摻質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)以及第一和第二中間層的厚度決定?；鼗鹂稍诔练e上電極后的任何適當(dāng)時(shí)間進(jìn)行，并且不需要在上電極形成后緊接著立即進(jìn)行。
若該摻雜質(zhì)基底檢測(cè)器是也制作在該硅基材內(nèi)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一部分及/或其為從一側(cè)制造連線的現(xiàn)成光學(xué)基材的一部分的話，則將該基材平坦化(圖2G)。此平坦化工序，可利用化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)執(zhí)行，目的在于去除高于硅基材300表面的沉積層。這會(huì)將接觸點(diǎn)314和316分別在下和上電極層304和312中暴露出來(lái)。
在另外一種方法中，其中窄能隙材料是該核心區(qū)域中的吸收器，圖2D及2E的工序是以另一種工序取代，如下。若能夠?qū)⒃撜芟恫牧闲纬蔀榫哂锌山邮艿牡土咳毕莸脑挘瑒t將此材料形成為一覆蓋層(blanket layer)形式，取代步驟2D和2E。這較可能運(yùn)用在有較低鍺濃度的硅鍺合金上，或是晶格結(jié)構(gòu)和間隔與硅相近的硅鍺碳合金。
有時(shí)因?yàn)樵撜芟恫牧舷鄬?duì)于硅晶片的晶格常數(shù)差異以及該低鍺濃度硅鍺波導(dǎo)覆蓋，該窄能隙材料無(wú)法被好好地形成為具有低量缺陷的覆蓋物。此外，對(duì)于一晶格失調(diào)核心材料來(lái)說(shuō)，上電極成長(zhǎng)對(duì)于檢測(cè)器材料來(lái)說(shuō)也是失調(diào)的，并且也可能產(chǎn)生大量缺陷或形成多晶體而非單一硅鍺合金晶體。在這些情況中，需要使用其他方法。改善核心和上覆蓋半導(dǎo)體材料品質(zhì)的一種方法是形成嵌入式窄能隙材料做為該中間層中的小島(island)。在形成下電極后，形成氧化硅或氮化硅光罩。在此光罩中利用光罩的微影圖案化及蝕刻來(lái)形成孔洞。然后作為一可能選擇，可利用選擇性成長(zhǎng)使該窄能隙核心檢測(cè)器材料僅形成在開(kāi)口內(nèi)。就鍺和硅鍺合金成長(zhǎng)而言，有已知的僅在其他硅鍺合金上成長(zhǎng)而不在氧化硅或氮化硅上成長(zhǎng)的選擇性工序。可選擇性地移除該光罩材料，并將該窄能隙材料的島留在該下電極上方。在另一種方法中，該窄能隙材料可以覆蓋成長(zhǎng)的形式在所有地方成長(zhǎng)，然后圖案化并蝕刻以制造出吸收島。
在形成島之后，可借由從該下電極開(kāi)始成長(zhǎng)來(lái)將上電極形成在所述島周邊以及橫向地位于其上方以形成低缺陷材料。一種方法是在該下電極上利用上電極的選擇性成長(zhǎng)，在該窄能隙材料上使用磊晶橫向成長(zhǎng)。另一種方法是在該窄能隙材料上成長(zhǎng)該上電極，并將上電極材料中的缺陷回火掉。高溫回火在將缺陷回火出該窄能隙材料上也是有用的。
如前所注，該摻雜質(zhì)基底檢測(cè)器可在也制作出該波導(dǎo)的工序期間形成在該波導(dǎo)內(nèi)并作為其一部份。例如，若使用硅基材，則溝渠界定出將會(huì)形成波導(dǎo)的位置。沉積在此溝渠內(nèi)的硅鍺主要功用如同波導(dǎo)，除了沿著該溝渠形成檢測(cè)器的區(qū)域或位置外。在此情況中，導(dǎo)入層308內(nèi)的摻質(zhì)是利用標(biāo)準(zhǔn)微影圖案化法選擇性地只注入在欲形成檢測(cè)器的區(qū)域中。此波導(dǎo)的圖案化選擇區(qū)域在光電路(optical curcuits)中是特別有用的，其中大部分波導(dǎo)是用來(lái)傳輸光線，而所選波導(dǎo)區(qū)域是用來(lái)吸收光線，借由選擇性注入層308至這些區(qū)域中。電極摻質(zhì)也可以只注入在該檢測(cè)器區(qū)域中，以便降低無(wú)效益的自由電子分散的光學(xué)損失及在波導(dǎo)傳輸區(qū)域內(nèi)的吸收。
同樣地，可如上所述般將一窄能隙材料圖案化并選擇性成長(zhǎng)，使其存在于沿著波導(dǎo)的預(yù)期有吸收及檢測(cè)器的某些位置上。在另一種選擇性成長(zhǎng)中，也可將該窄能隙材料以覆蓋成長(zhǎng)形式形成在所有位置上，然后在不需要該材料處圖案化并利用蝕刻來(lái)將其去除掉。
吸收摻質(zhì)或?qū)щ婋姌O摻質(zhì)的導(dǎo)入可在如前所述般形成沉積層之后在高能量下利用注入法執(zhí)行，或者利用合并法，借由在硅或硅化鍺合金磊晶層成長(zhǎng)期間使用這些元素的其他氣體或氣流。在第二個(gè)情況中，摻質(zhì)的選擇性圖案化可利用選擇性磊晶成長(zhǎng)來(lái)執(zhí)行。這需要例如氧化硅或氮化硅的光罩材料在不欲成長(zhǎng)硅或經(jīng)摻雜的硅的區(qū)域內(nèi)圖案化。然后，調(diào)整基材溫度及成長(zhǎng)速率以使磊晶成長(zhǎng)只在暴露的硅鍺合金表面上發(fā)生，而不會(huì)在該光罩材料上。
一窄能隙材料也可利用此相同方法來(lái)選擇性成長(zhǎng)。
一種輔助微影圖案化及CMP研磨的改良方法是在蝕刻圖2A的溝渠前先形成氮化硅或氧化硅的光罩層。然后，在隨后步驟中，此光罩層只會(huì)存在上表面上，而不會(huì)在該溝渠內(nèi)的表面上。借由選擇性成長(zhǎng)該下電極及檢測(cè)器材料在該溝渠材料上但不在該光罩上，該溝渠深度會(huì)減少以圖案化該檢測(cè)器。深的溝渠深度可能會(huì)造成光阻側(cè)壁覆蓋及現(xiàn)代微影機(jī)器聚焦深度等問(wèn)題。因此，較淺溝渠深度改善了沿著該波導(dǎo)的預(yù)期地點(diǎn)選擇性圖案化檢測(cè)器的微影能力。在溝渠中使用選擇性成長(zhǎng)也減少了必須用化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)來(lái)去除的材料量。該光罩層也作用為化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)的蝕刻終止。提供此高度選擇性的蝕刻終止的結(jié)果是，晶片的一致性、平坦性、及平滑性可被維持，并且最初的高品質(zhì)低缺陷硅表面能夠一可靠方式顯現(xiàn)在表面上。
上述波導(dǎo)例示了使用溝渠來(lái)形成波導(dǎo)以及包含在內(nèi)的摻雜質(zhì)基底檢測(cè)器的實(shí)施例。也可以使用脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)(ridge structure)代替溝渠來(lái)制造波導(dǎo)及檢測(cè)器。例如，一功能類(lèi)似的波導(dǎo)檢測(cè)器是借由在基材上形成一勾勒出該光波導(dǎo)路徑的硅脊來(lái)實(shí)現(xiàn)。然后，該三個(gè)沉積層，在摻雜質(zhì)基底檢測(cè)器中表示該兩個(gè)電極和該中間摻雜質(zhì)區(qū)域，是經(jīng)沉積在該基材上以便覆蓋硅脊并與其形狀一致。在蝕刻掉適當(dāng)?shù)牟牧虾螅撊龑有纬稍摴獠▽?dǎo)并且，在如上所述般將摻雜適當(dāng)調(diào)整的區(qū)域中，其在該波導(dǎo)中形成該摻雜質(zhì)基底檢測(cè)器。在又另一實(shí)體實(shí)施例中，所述層可被成長(zhǎng)在一平坦表面上，然后把位于將成為波導(dǎo)的帶狀區(qū)域兩側(cè)的材料蝕刻掉。介于蝕刻掉的兩帶狀區(qū)域間的材料代表波導(dǎo)，并且無(wú)論欲將檢測(cè)器安置在什么位置，組成該波導(dǎo)的所述層的摻雜可在制造期間據(jù)此調(diào)整，以在那些位置產(chǎn)生摻雜質(zhì)基底檢測(cè)器。也可沉積一填充材料以填滿波導(dǎo)兩側(cè)被蝕刻掉的部分，以界定出該波導(dǎo)及該摻雜質(zhì)基底檢測(cè)器的側(cè)壁。用來(lái)填充那些部分的材料的性質(zhì)取決于該材料是設(shè)計(jì)來(lái)輔助限制光學(xué)信號(hào)或是電氣連接至檢測(cè)器。例如，若其是用來(lái)輔助限制水平方向的光學(xué)信號(hào)，該填充材料平均上應(yīng)該要比組成檢測(cè)器及波導(dǎo)的材料具有較低的折射率。
當(dāng)然，若要將該檢測(cè)器當(dāng)成一獨(dú)立裝置或在某些其他環(huán)境下使用，則可能不需要如上所述般平坦化該結(jié)構(gòu)以暴露下電極的接觸點(diǎn)。相反地，可從上方制造一個(gè)接觸至上電極，并且透過(guò)該結(jié)構(gòu)的背面從下方制造另一個(gè)接觸至下電極。又另一種選擇是從上方形成一絕緣接觸孔以接觸下電極。
在任何情況下，于一實(shí)施例中，最終步驟牽涉到在該結(jié)構(gòu)上沉積一絕緣層318，形成穿透絕緣層318的接觸介層洞320和322，并分別貫通至上和下電極上的接觸點(diǎn)314、316；在所述介層洞中沉積金屬，例如鋁，以在所述介層洞底部形成歐姆接觸；接著以金屬填充介層洞320及322(例如鎢插梢)，其提供電氣連接至位于所述介層洞底部的歐姆接觸。當(dāng)然，極有可能有許多其他層沉積在該結(jié)構(gòu)上，取決于嵌入此裝置的電路。因此，形成所述接觸介層洞的工序可能在一個(gè)更復(fù)雜的制造工序中晚許多進(jìn)行。此外，若該裝置是一現(xiàn)成光學(xué)晶片(optical ready wafer)的一部分，最終連接至該下及上電極的連線可能由另一個(gè)實(shí)體來(lái)執(zhí)行，例如在該光學(xué)層上制造半導(dǎo)體微電子電路的公司。
參見(jiàn)圖3，有一些制造適才所述的檢測(cè)器時(shí)值得銘記在心的考量。首先，若該檢測(cè)器是經(jīng)耦合至一波導(dǎo)，則來(lái)自該波導(dǎo)的光能量會(huì)需要傳播至檢測(cè)區(qū)400內(nèi)。因此小心地配合波導(dǎo)類(lèi)型及檢測(cè)器類(lèi)型是很重要的，以便最佳化此能量的耦合。
在一設(shè)計(jì)來(lái)傳送1300奈米光學(xué)信號(hào)的硅鍺合金波導(dǎo)的情況中，我們發(fā)現(xiàn)約1微米深及3微米寬的核心的作用良好。對(duì)于具有此設(shè)計(jì)的波導(dǎo)來(lái)說(shuō)，良好的檢測(cè)器構(gòu)型是如圖3中所示者，其具有如下尺寸上電極的寬度″a″約等于1.0微米；上電極的深度約等于0.25微米，檢測(cè)區(qū)域的寬度″b″約等于0.75微米；檢測(cè)區(qū)域的深度″H″約等于1.0微米；并且下電極的寬度″W″約等于1.0微米。為了有高速表現(xiàn)，將檢測(cè)器的串連電阻保持盡可能低是較佳地。對(duì)于運(yùn)用探針探測(cè)一50歐姆阻抗傳輸線的高速操作來(lái)說(shuō)，傾向于使下電極之上半延伸部分對(duì)于位在表面上的接觸點(diǎn)的電阻R保持在小于約10歐姆。對(duì)于具有例如晶體管的高電阻局部感應(yīng)器的高速操作來(lái)說(shuō)，有效電阻可以較高，在以微米計(jì)的檢測(cè)器長(zhǎng)度下高至1000至3000歐姆。電阻的限制是裝置電容，對(duì)于具有上述構(gòu)型的PN二極體來(lái)說(shuō)約為每微米2飛法拉(femtoFarads)，以及串連電阻的產(chǎn)物，假設(shè)上述高電阻的充電時(shí)間反應(yīng)為2至6皮秒。較小的串連電阻可借由將寬度″W″加大并且將高度″H″縮短來(lái)達(dá)成。此外，在光線可及的區(qū)域外的額外較高摻雜可降低串連電阻而不增加自由載體的光吸收。
另一個(gè)考量是使光學(xué)信號(hào)的光線遠(yuǎn)離高度摻雜的電極區(qū)域304和312內(nèi)的電子。這可以在下電極304和上電極312兩者中達(dá)到，借由將摻雜以與傳播通過(guò)檢測(cè)器的光線類(lèi)型距離遠(yuǎn)近來(lái)分級(jí)的方式。在下電極304中執(zhí)行此方式的一種方法是在沉積時(shí)改變層的摻雜。例如，前半段沉積出一層經(jīng)摻雜的硅，其中ND＝1018cm-3，而第二半段則沉積出ND＝1017cm-3的層。因此，電極304最接近傳播通過(guò)檢測(cè)器中心(即，圖3的吸收區(qū)域400)的光線的區(qū)域有較低摻雜程度，因此較不可能提供透過(guò)散射而吸收到光線的電子。可使用類(lèi)似方法來(lái)沉積上電極312，將上電極312較高度摻雜的部分置于接近將會(huì)形成接觸的表面。
摻雜剖面可以比簡(jiǎn)單的二元機(jī)能還要復(fù)雜。他們可以是，例如，以更連續(xù)的方式從電極的一側(cè)至另一側(cè)逐漸改變。所產(chǎn)生的剖面完全取決于在沉積層時(shí)如何供應(yīng)摻質(zhì)給系統(tǒng)。最終的摻雜剖面會(huì)進(jìn)一步視摻質(zhì)在任何回火循環(huán)期間的移動(dòng)或擴(kuò)散而定，這必須在任何最佳化設(shè)計(jì)中考慮進(jìn)去。
通常，在一摻雜質(zhì)基底檢測(cè)器的此制造工序階段期間(即，形成具有深層能態(tài)的中間層)，目標(biāo)是選擇離子注入能量、劑量、時(shí)間及溫度，因此檢測(cè)器區(qū)域會(huì)被深層能態(tài)重?fù)诫s，特別是在光線/固體反應(yīng)區(qū)，以及較佳地光線強(qiáng)度最強(qiáng)處。一般將鉈或銦注入該第一中間層的能量在100kV和200kV間，這是許多商業(yè)上可得的注入系統(tǒng)運(yùn)作的能量范圍。通常，需有足夠的離子能量以在該宿主硅鍺合金中達(dá)到適當(dāng)?shù)耐渡浞秶?例如，至少約0.1微米)，因此使該摻質(zhì)在后段處理期間繼續(xù)留在宿主材料中。因?yàn)橛薪?jīng)濟(jì)效益的注入能量只容許淺注入，比硅鍺合金波導(dǎo)的微米厚度小，故可能需要中斷波導(dǎo)的成長(zhǎng)以在波導(dǎo)內(nèi)的光線強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)進(jìn)行注入。
做為注入的另一種選擇，可利用CVD(化學(xué)氣相沉積)或MBE(分子束磊晶)將雜質(zhì)并入硅鍺成長(zhǎng)工序的一部分，但只容許在欲安置雜質(zhì)處的成長(zhǎng)部分期間將其并入。此原位雜質(zhì)成長(zhǎng)技術(shù)在使用硼、砷、及磷等非常相似物種來(lái)制造不同層內(nèi)的P及N區(qū)域的摻雜剖面上是廣為人知的。
實(shí)際上，注入能量可以低至幾百KeV或高至幾個(gè)MeV。若使用低注入能量，則可能必須運(yùn)用其他已知技術(shù)在淺注入材料能夠擴(kuò)散至宿主材料內(nèi)之前防止其在連續(xù)處理期間脫離。常用來(lái)解決此問(wèn)題的熟知技術(shù)是運(yùn)用一帽蓋層(capping layer)(例如SiO2或Si3N4)來(lái)將注入物保持在原位，直到進(jìn)入該宿主材料的擴(kuò)散發(fā)生為止。
注入期間銦或鉈的目標(biāo)劑量通常介于約1012-5×1015cm-2間，并且更明確地介于約1013-1014cm-2間，至約0.1微米的深度處。當(dāng)此注入摻質(zhì)后來(lái)往下擴(kuò)散進(jìn)入該兩中間層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生1017-1018cm-3的摻雜范圍，這當(dāng)然是取決于是否也用共摻質(zhì)來(lái)達(dá)到較高濃度。如上所注，更多摻雜會(huì)增加吸收，因而增加檢測(cè)器效能，但同時(shí)也增加光導(dǎo)檢測(cè)器內(nèi)的暗電流。因此最大限度會(huì)取決于注入該檢測(cè)器的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并且會(huì)是這兩個(gè)考量點(diǎn)之間的妥協(xié)結(jié)果。
在現(xiàn)成光學(xué)基材上制造電子電路如上所注，該摻雜質(zhì)基底檢測(cè)器可形成在隨后將會(huì)在其上制造半導(dǎo)體電子電路的現(xiàn)成光學(xué)基材中。在該現(xiàn)成光學(xué)基材上制造電子電路的工序步驟順序在圖4A-4J中示出。
在運(yùn)用例如CMP將圖2F所示的結(jié)構(gòu)平坦化后，所得到的結(jié)構(gòu)是如圖4A所示者。假設(shè)基材也包含其他未示出的光學(xué)構(gòu)件，例如用來(lái)從電子信號(hào)產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)的激光元件、用來(lái)分布光學(xué)信號(hào)的光波導(dǎo)、以及用來(lái)將光學(xué)信號(hào)往上指引至制作在該波導(dǎo)上方的電路或用來(lái)接收來(lái)自上方的光學(xué)信號(hào)并將這些信號(hào)指引至波導(dǎo)內(nèi)的微鏡或其他反射元件。
在形成于光學(xué)電路上的經(jīng)平坦化的表面上沉積一硅層402(見(jiàn)圖4B)。這可利用一些不同方式來(lái)達(dá)成，包含，例如，利用化學(xué)氣相沉積工序。所得到的層提供一個(gè)可借由熟知工序?qū)⒐杈雍显谄渖系谋砻?，以形成SOI(覆硅絕緣層)結(jié)構(gòu)。SOI結(jié)構(gòu)包含一絕緣層404(例如二氧化硅，SiO2)以及其上的硅層406，其提供將在其內(nèi)制造電子電路的基材(見(jiàn)圖4C)。
接著，在該表面上沉積一硬保護(hù)層408(例如氮化硅)，并將其圖案化以制作出形成電氣隔離的硅島412的隔離開(kāi)口410(見(jiàn)圖4D)。在使用一適當(dāng)?shù)墓庹趾螅^深的隔離開(kāi)口414然后被蝕刻穿過(guò)絕緣層404和硅層402，以暴露出下方的摻雜質(zhì)基底檢測(cè)器(見(jiàn)圖4E)。
為了產(chǎn)生一光滑、平坦的表面以將電子電路制造在硅島中，沉積一氧化層416(例如SiO2)在晶片表面上。然后，利用化學(xué)機(jī)械研磨來(lái)平坦化所沉積的氧化層并在該工序中去除保護(hù)層408，因此暴露出硅島412的上表面(見(jiàn)圖4F)。
其余工序大體上包含標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體電路制造步驟，除了涉及與下方的摻雜質(zhì)基底檢測(cè)器電氣連接者外。換句話說(shuō)，晶體管418及其他電子構(gòu)件(未示出)然后利用已知制造技術(shù)形成在硅島中，例如CMOS制造技術(shù)(見(jiàn)圖4G)。之后，在整個(gè)晶片上沉積一厚氧化層420并平坦化(見(jiàn)圖4H)。接著在該氧化物中向下蝕刻出接觸開(kāi)口422至所述構(gòu)件。與現(xiàn)有蝕刻手續(xù)相較，在此階段期間所完成的蝕刻是經(jīng)過(guò)調(diào)整，以使所選區(qū)域內(nèi)的開(kāi)口424往下延伸更深，抵達(dá)位在低于所述電子構(gòu)件的層處的檢測(cè)器(見(jiàn)第4I圖)。在形成接觸開(kāi)口后，沉積金屬426并圖案化以形成所需的內(nèi)連線(見(jiàn)圖4J)。雖然金屬化工序被示為全部存在于單一層內(nèi)，但對(duì)于制造者傾向使用現(xiàn)成光學(xué)基材的更復(fù)雜電路來(lái)說(shuō)，金屬化工序占據(jù)多個(gè)層，每層均由絕緣材料隔開(kāi)，例如SiO2。
注意到上面關(guān)于在現(xiàn)成光學(xué)基材上制造電子電路的工序的描述省略了許多為熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的較不重要的步驟。此討論用意只在對(duì)于可產(chǎn)出預(yù)期結(jié)構(gòu)的一系列制造步驟的實(shí)施例的高水準(zhǔn)描述。關(guān)于所涉及的全部工序步驟的更詳細(xì)討論，讀者可參見(jiàn)公開(kāi)文獻(xiàn)中其他可得的公開(kāi)資料。
在檢測(cè)器裝置中運(yùn)用吸收有許多在檢測(cè)器中運(yùn)用吸收的方式。取決于圍繞吸收器區(qū)域的包覆電極層的半導(dǎo)體摻雜相對(duì)于吸收器區(qū)域的電荷極性的關(guān)系，檢測(cè)器可以是光導(dǎo)檢測(cè)器、PIN二極體檢測(cè)器、或光晶體管。
光導(dǎo)檢測(cè)器若摻雜質(zhì)區(qū)域的包覆電極層擁有與摻雜質(zhì)區(qū)域相同的多數(shù)載體(majoritycarrier)，則檢測(cè)器是光導(dǎo)型。例如，若使用鉈或銦做為雜質(zhì)，其傾向于產(chǎn)生具有過(guò)量空穴的P型半導(dǎo)體。若上跟下包覆電極層兩者也摻雜以會(huì)產(chǎn)生空穴的P型受體，例如硼，則該裝置是一光導(dǎo)體(photoconductor)。具有p型摻雜以及P型電極摻雜的窄能隙材料也會(huì)是一光導(dǎo)體。光導(dǎo)體具有改變電阻的特性，當(dāng)載體是由光吸收所產(chǎn)生時(shí)。若載體多少是由躍遷至雜質(zhì)或來(lái)自雜質(zhì)的躍遷所形成，則電阻將會(huì)改變。在低暗電流方面，可將中間雜質(zhì)區(qū)域共摻雜以降低凈自由電荷。例如，鉈或銦摻雜可以利用會(huì)產(chǎn)生電子的砷來(lái)共摻雜。若砷共摻雜是經(jīng)恰當(dāng)平衡，而使每個(gè)空穴被填充以一個(gè)電子，但不會(huì)太多而有多余電子，則可使該摻雜質(zhì)區(qū)域具有來(lái)自電子或空穴的低過(guò)量電荷。于是這會(huì)增加電阻并降低通過(guò)該單元，或暗的，光導(dǎo)體的電流。
P-I-N二極管檢測(cè)器制造P-I-N二極管檢測(cè)器可以解決有賦予該光導(dǎo)檢測(cè)器特征傾向的相對(duì)大的暗電流的問(wèn)題。P-I-N結(jié)構(gòu)基本上與上述者相同，除了一個(gè)電極是以例如硼的P型受體高度摻雜，而另一個(gè)緩沖電極是以例如砷或磷的供體來(lái)?yè)诫s之外。當(dāng)此檢測(cè)器以反向電流偏壓運(yùn)作時(shí)，少量電流漏通過(guò)一品質(zhì)良好的二極管，但有效率的高速光檢測(cè)依然會(huì)發(fā)生。
光晶體管檢測(cè)器又另一種類(lèi)型的檢測(cè)器是光晶體管。若吸收器區(qū)域的包覆電極層擁有與吸收器區(qū)域相反的多數(shù)載體，則檢測(cè)器是一光晶體管。例如，若使用鉈或銦做為雜質(zhì)，其傾向于產(chǎn)生具有過(guò)量空穴的P型半導(dǎo)體。若上跟下包覆電極層兩者是摻雜以會(huì)產(chǎn)生電子的N型受體，例如砷或磷，則該裝置是一光晶體管。光晶體管具有增強(qiáng)由光吸收所產(chǎn)生的電荷的特性。此增強(qiáng)是來(lái)自雙載子NPN晶體管廣為人知的晶體管效應(yīng)，但在此情況中，該晶體管的基極電流是由該光學(xué)吸收所提供，而非第三連接線路。
雖然我們已描述過(guò)光導(dǎo)體、光二極管、以及光晶體管檢測(cè)器，但應(yīng)該了解的是這些只是通常分別被稱為光導(dǎo)體檢測(cè)器和光二極管檢測(cè)器者的具體實(shí)例。換句話說(shuō)，并沒(méi)有嚴(yán)格限制電極必須是N型或P型，他們也可以是金屬電極。此外，吸收區(qū)域(即，I區(qū)域)可以是一絕緣體、低度導(dǎo)電區(qū)域、或甚至是高度導(dǎo)電區(qū)域。
上述嵌入式硅鍺合金基底檢測(cè)器在制造現(xiàn)成光學(xué)基材上被認(rèn)為是特別有用的，例如在2002年10月25日提出申請(qǐng)，題目為「現(xiàn)成光學(xué)基材(opticalready substrates)」的美國(guó)專利申請(qǐng)第10/280,505號(hào)，以及在2002年10月25日提出申請(qǐng)，題目為「現(xiàn)成光學(xué)晶片(optical ready wafers)」的美國(guó)專利申請(qǐng)第10/280,505號(hào)，兩者在此皆借由引用的方式并入本文中。一些提及的與現(xiàn)成光學(xué)基材有關(guān)的波導(dǎo)是硅鍺合金波導(dǎo)。在可得的公開(kāi)科學(xué)文獻(xiàn)中有制造此種波導(dǎo)方法的描述，包含，例如，在2001年5月24日提出申請(qǐng)，題目為「制造波導(dǎo)的方法(Method for Fabricating Waveguide)」的美國(guó)專利申請(qǐng)第09/866,172號(hào)，以及在2001年11月11日提出申請(qǐng)，題目為「例如硅鍺碳合金波導(dǎo)的波導(dǎo)及其制造方法(Waveguides Such As SiGeC alloyWaveguides and Method of Fabricating Same)」的美國(guó)專利申請(qǐng)第09/866,172號(hào)，兩者在此皆借由引用的方式并入本文中。
嵌入式檢測(cè)器可在形成硅鍺合金波導(dǎo)之前或之后制造。或者，其可以是光波導(dǎo)的一部分或光波導(dǎo)的終端。
此外，運(yùn)用光學(xué)轉(zhuǎn)換的多種不同電路構(gòu)件，例如二極管、自由空間檢測(cè)器(free space detectors)、調(diào)變器、晶體管、以及更復(fù)雜的電路元件，可由此間所述的原理受惠。也就是說(shuō)，本發(fā)明不限于僅只是制作于光波導(dǎo)內(nèi)或與其緊鄰的光檢測(cè)器。
其他實(shí)施例上述實(shí)施例使用硅鍺合金做為半導(dǎo)體?？墒褂闷渌硗獾陌雽?dǎo)體，例如，但不限于，硅、鍺及硅鍺碳IV族合金和III-V族合金，例如砷化鎵、磷化銦、及其組合物，例如磷化銦鎵砷(InGaAsP)。其他材料的可得性擴(kuò)大了可使用此檢測(cè)器的波長(zhǎng)范圍，從約650奈米至至少約1500奈米。更明確地說(shuō)，上述觀念可用來(lái)制造適用于波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于1500奈米的檢測(cè)器。例如，必須使用此觀念來(lái)制造在10微米及更大，即，遠(yuǎn)紅外線波長(zhǎng)范圍下運(yùn)作的檢測(cè)器。
也需了解到可使用除了上述方法的外的其他方法來(lái)制造該中間檢測(cè)器區(qū)域。上述方法涉及成長(zhǎng)該層的一半、注入深層能階受體材料、然后成長(zhǎng)該層的另一半。或者，可以磊晶成長(zhǎng)整個(gè)中間層，然后使用較高能量來(lái)將該深層能階材料更深地注入在該層內(nèi)?；蛘?，可以運(yùn)用中間層的原位摻雜，在利用磊晶方法或物理氣相沉積(PVD)或化學(xué)氣相沉積(CVD)或其他已知沈積方法沉積該層時(shí)。
深層注入也不限于使用銦和鉈作為摻質(zhì)。其包含可產(chǎn)生深層能態(tài)的任何材料，例如元素、同位素、分子或化學(xué)錯(cuò)合物。一般來(lái)說(shuō)，深層能態(tài)是那些與導(dǎo)帶或價(jià)帶距離至少約100meV的能態(tài)；反的，淺層摻質(zhì)是那些會(huì)產(chǎn)生與能帶邊緣距離小于約20-40meV的能態(tài)者。能夠產(chǎn)生此種深層能階受體的其他元素或同位素可能包含鋅、鐵、錫、及硫磺，在此只提出一些。當(dāng)然，可用來(lái)制造這些裝置的選擇范圍可能會(huì)被對(duì)該裝置的其他要求嚴(yán)格限制。例如，若預(yù)期該裝置能夠經(jīng)受隨后運(yùn)用高溫的熱循環(huán)，例如1000℃，則選擇會(huì)比較少，因?yàn)檫@可能會(huì)排除擴(kuò)散系數(shù)高的材料，以及熱穩(wěn)定性不足的材料。
當(dāng)然，深層能態(tài)可以利用除了導(dǎo)入摻質(zhì)至該材料的外的其他方法來(lái)產(chǎn)生。例如，可借由在該材料中制造出結(jié)晶缺陷、借由制造出周期性多層結(jié)構(gòu)、或借由在該材料中制造微結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生。需了解的是，可在能帶中產(chǎn)生深層能態(tài)的任何機(jī)制都可被接受。
此外，可與深層摻質(zhì)一起使用二或多種共注入物或共摻質(zhì)來(lái)完成前述的一或多種有益目標(biāo)。例如，碳和砷兩者皆可與銦連用。或者砷和磷可與深層能階受體摻質(zhì)連用?？墒褂靡环N或多于兩種共摻質(zhì)，取決于預(yù)期的目標(biāo)何在。當(dāng)然，如同其他裝置經(jīng)驗(yàn)所示，導(dǎo)入多種共摻質(zhì)通常是有利的，以將效能最佳化。
在所述的摻雜質(zhì)基底檢測(cè)器的實(shí)施例中，我們將焦點(diǎn)集中在一特定躍遷，即，電子從填充的深層能階受體態(tài)至導(dǎo)帶的躍遷。但是，至少有兩種潛在關(guān)注的其他躍遷。第一種是電子從價(jià)帶底部躍遷至中性受體。第二種是電子從價(jià)帶躍遷至一離子化供體位置。任何這些躍遷皆會(huì)產(chǎn)生對(duì)電子信號(hào)有貢獻(xiàn)的過(guò)量載體?？赡軆A向于利用操控該深層受體態(tài)的離子化程度來(lái)加強(qiáng)這些躍遷的一種或另一種。
一種操控此離子化程度的方法是利用共摻質(zhì)，如前所述般。若沒(méi)有共摻質(zhì)，大約一半的銦受體會(huì)是中性的，并且多于90％的鉈受體會(huì)是中性的。另一種操控受體離子化程度的方法會(huì)是使用P-N接面(在光二極管檢測(cè)器中)。在此情況中，差不多所有在P-N接面空乏區(qū)內(nèi)的受體皆會(huì)被離子化，而促進(jìn)受體-導(dǎo)帶躍遷。
一種改良是將摻雜質(zhì)基底檢測(cè)器置于光共振器(optical resonator)中，以使波長(zhǎng)可以被檢測(cè)到，這會(huì)在已知或更低光功率下提供更多吸收和光電流。例如，可借由使用兩個(gè)隔開(kāi)在吸收器相反側(cè)的微鏡來(lái)制造凹腔，其距離會(huì)使光線透過(guò)建設(shè)性干涉而共振。這些微鏡可沿著波導(dǎo)由薄金屬、介電堆疊、或周期性圖案制成，如在布拉格光柵中一般。在這方面布拉格光柵有其特殊優(yōu)勢(shì)，其可被制成具有非常窄頻的波長(zhǎng)，甚至比共振器帶寬還要窄。因此，若光線沒(méi)有被增強(qiáng)，它也不會(huì)被檢測(cè)到。
其他檢測(cè)器用的共振器可以利用近距離耦合至該是列波導(dǎo)的波導(dǎo)圈(waveguide ring)來(lái)制造，其也只會(huì)檢測(cè)共振波長(zhǎng)的光線，并傳輸其他波長(zhǎng)的光線。共振器的限制是必須要在所有溫度下都得夠穩(wěn)定，并且不會(huì)使反射回波導(dǎo)的光線量多到可導(dǎo)致與光源產(chǎn)生干涉的地步。上述兩共振器皆可利用良好的處理來(lái)達(dá)到此任務(wù)。
最后，我們注記在圖3中所示的結(jié)構(gòu)是經(jīng)連接成為一個(gè)兩端子檢測(cè)器。但是，在此所述的觀念可落實(shí)在具有三或更多端子的檢測(cè)器上。例如，若用在三端子雙極晶體管上，摻雜質(zhì)基底區(qū)域可能是該裝置的基極區(qū)。
還有其他實(shí)施例落在如下本申請(qǐng)權(quán)利要求范圍中。
權(quán)利要求
1.一種制造一檢測(cè)器的方法，該方法包含在一基材中形成一溝渠，該基材具有一上表面；在該基材上以及該溝渠中形成一第一摻雜半導(dǎo)體層；在該第一摻雜半導(dǎo)體層上形成一第二半導(dǎo)體層，并延伸至該溝渠中，該第二半導(dǎo)體層的導(dǎo)電性比該第一摻雜半導(dǎo)體層的導(dǎo)電性??；在該第二半導(dǎo)體層上形成一第三摻雜半導(dǎo)體層，并延伸至該溝渠中；移除在一由該基材表面所界定的平面上方的該第一、第二和第三層的一部分，以產(chǎn)生一較高、大致平坦的表面，并暴露出位于該溝渠內(nèi)的該第一摻雜半導(dǎo)體層的上端；形成一連結(jié)至該第一摻雜層的第一電接觸；及形成連結(jié)至該第三半導(dǎo)體摻雜層的第二電接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在該基材上形成該第一摻雜半導(dǎo)體層的步驟包含沉積硅。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在該第一摻雜半導(dǎo)體層上形成該第二半導(dǎo)體層的步驟包含沉積硅鍺合金。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于在該第二半導(dǎo)體層上形成該第三摻雜半導(dǎo)體層的步驟包含沉積硅。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于沉積該第一、第二和第三層的步驟包含磊晶沉積。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于移除的步驟包含利用化學(xué)機(jī)械研磨來(lái)進(jìn)行移除。
7.一種制造一檢測(cè)器的方法。該方法包含在一基材中形成一溝渠，該基材具有一上表面；在該基材上以及該溝渠中形成一第一半導(dǎo)體層；在該第一摻雜半導(dǎo)體層上形成一第二半導(dǎo)體層，并延伸至該溝渠中；在該第二半導(dǎo)體層上形成一第三半導(dǎo)體層，并延伸至該溝渠中，其中該第二半導(dǎo)體層吸收波長(zhǎng)為λ的光線，而該第一及第三半導(dǎo)體層傳送波長(zhǎng)為λ的光線；移除在由該基材表面所界定的平面上方的沉積材料，借以形成一較高、大致平坦的表面，并暴露出位于該溝渠內(nèi)的該第一摻雜層的上端；形成一連結(jié)至該第一半導(dǎo)體摻雜層的第一電接觸；及形成一連結(jié)至該第三半導(dǎo)體摻雜層的第二電接觸。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于該第一半導(dǎo)體層具有一位于價(jià)帶上方并以一第一能隙與其分離的導(dǎo)帶，該第二半導(dǎo)體層具有一位于價(jià)帶上方并以一第二能隙與其分離的導(dǎo)帶，而該第三半導(dǎo)體層具有在于一位于價(jià)帶上方并以一第三能隙與其分離的導(dǎo)帶，且其中形成該第二半導(dǎo)體層的步驟包含選擇一可供該第二半導(dǎo)體層使用的半導(dǎo)體材料，其中的第二能隙較該第一及第三能隙兩者為小。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于該第二半導(dǎo)體層具有一位于價(jià)帶上方并以一能隙與其分離的導(dǎo)帶，且其中形成該第二半導(dǎo)體層的步驟包含導(dǎo)入可在導(dǎo)帶及價(jià)帶間的能隙中產(chǎn)生深層能態(tài)的摻質(zhì)。
10.一種檢測(cè)器，包含一具有上表面及一形成在其中的第一溝渠的基材；一與該第一溝渠的內(nèi)部輪廓相符合的第一半導(dǎo)體層，其具有在該第一溝渠內(nèi)界定出一第二溝渠的上表面，該第一半導(dǎo)體層具有一大致與該基材的上表面共平面的第一端；一與該第二溝渠的內(nèi)部輪廓相符合的第二半導(dǎo)體層，其并具有在該第二及第一溝渠內(nèi)界定出一第三溝渠的上表面；一第三半導(dǎo)體層，填充該第三溝渠并且具有大致與該基材的上表面共平面的上側(cè)面；一第一導(dǎo)電材料，在該第一端處構(gòu)成與該第一層的電接觸；以及一第二導(dǎo)電材料，在該第三層的上側(cè)面構(gòu)成與該第三層的電接觸。
11.如權(quán)利要求10所述的檢測(cè)器，其特征在于該第一半導(dǎo)體層是由經(jīng)摻雜的硅構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求11所述的檢測(cè)器，其特征在于該第三半導(dǎo)體層是由經(jīng)摻雜的硅構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求12所述的檢測(cè)器，其特征在于該第二半導(dǎo)體層是由硅鍺合金構(gòu)成。
14.如權(quán)利要求10所述的檢測(cè)器，其特征在于該硅鍺合金具有一位于價(jià)帶上方并以一能隙與其分離的導(dǎo)帶，且其中該硅鍺合金含有一種可在該導(dǎo)帶和價(jià)帶間的能隙內(nèi)導(dǎo)入深層能態(tài)的雜質(zhì)。
15.如權(quán)利要求10所述的檢測(cè)器，其特征在于該第二半導(dǎo)體層吸收波長(zhǎng)為λ的光線，而該第一及第三半導(dǎo)體層傳送波長(zhǎng)為λ的光線。
16.如權(quán)利要求15所述的檢測(cè)器，其特征在于該第一半導(dǎo)體層具有一位于價(jià)帶上方并以一第一能隙與其分離的導(dǎo)帶，該第二半導(dǎo)體層具有一位于價(jià)帶上方并以一第二能隙與其分離的導(dǎo)帶，而該第三半導(dǎo)體層具有一位于價(jià)帶上方并以一第三能隙與其分離的導(dǎo)帶，且其中第二能隙較該第一及第三能隙兩者為小。
全文摘要
一種制造檢測(cè)器的方法，包含在一基材中形成一溝渠，該基材具有一上表面；在該基材上以及該溝渠中形成一第一摻雜半導(dǎo)體層；在該第一摻雜半導(dǎo)體層上形成一第二半導(dǎo)體層，并延伸至該溝渠中，該第二半導(dǎo)體層的導(dǎo)電性比該第一摻雜半導(dǎo)體層的導(dǎo)電性小；在該第二半導(dǎo)體層上形成一第三摻雜半導(dǎo)體層，并延伸至該溝渠中；移除由該基材表面所界定的平面上的該第一、第二和第三層部分，以產(chǎn)生一較高、大致平坦的表面，并暴露出位于該溝渠內(nèi)的該第一摻雜半導(dǎo)體層的上端；形成連結(jié)至該第一半導(dǎo)體摻雜層的第一電接觸；以及形成連結(jié)至該第三半導(dǎo)體摻雜層的第二電接觸。
文檔編號(hào)H01L21/46GK1856860SQ200480014554
公開(kāi)日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2004年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月29日
發(fā)明者弗朗西斯科·A·利昂, 斯蒂芬·莫法特, 勞倫斯·C·韋斯特, 和田優(yōu)一 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料股份有限公司