專利名稱：具有慢光載流子的阻擋層的高速光電二極管及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，具體地涉及光電二極管以及形成用于阻止或消除電場較低的區(qū)域中的慢的光生載流子的埋置層的方法。
背景技術(shù)：
硅中850nm光的吸收長度為15-20μm，遠(yuǎn)長于在該波長處如GaAs等常見III-V族半導(dǎo)體的1-2μm的吸收長度。
因此，高速硅光檢測器經(jīng)常被設(shè)計成具有橫向結(jié)構(gòu)，而不是垂直結(jié)構(gòu)，以嘗試從吸收長度中解耦(decouple)光載流子的渡越時間并將制造大尺寸垂直特征的復(fù)雜性減到最小，因為半導(dǎo)體處理通常對薄膜(＜＜1微米)特征最理想。
這些橫向結(jié)構(gòu)通常具有以下的一種形式(1)具有擴散或注入的指狀結(jié)構(gòu)(finger)的PIN檢測器；或(2)金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)檢測器。在這些橫向結(jié)構(gòu)中，在半導(dǎo)體的表面處電場較高，并隨深度降低。在半導(dǎo)體的表面下較深處產(chǎn)生的光載流子經(jīng)受較弱的電場，并慢慢地向上漂移到接觸(區(qū))。這些“慢載流子”在頻率響應(yīng)中產(chǎn)生低頻率尾部，限制硅中器件的總帶寬為小于約1GHz。
由此，在使用硅的光檢測器中，吸收長度有些大(例如，它可以延伸到表面以下20μm(或者甚至更多，取決于波長))，結(jié)果是，如果吸收太深，則“慢載流子”仍能達(dá)到檢測器的接觸區(qū)域(例如，陽極和陰極)。因而產(chǎn)生了半導(dǎo)體中深處感應(yīng)的電場不如表面附近的陽極和陰極電場強的問題。
這樣，再次載流子將緩慢地向上漂移到陽極和陰極。因此，當(dāng)很短的光脈沖激發(fā)檢測器時，在理想的光檢測器中，相同的形式(例如形狀等)將反映在光檢測器產(chǎn)生的電流中，這是由于很短的光脈沖會導(dǎo)致檢測器中非常短的電子脈沖。
然而，如果載流子的收集周期較長，那么代替短電流脈沖，會得到電流快速升高，然后緩慢的衰減(例如，長“尾部”)，這是由于收集深(慢)載流子需要一些時間。這是一個問題，因為“長尾部”對于信息等的傳輸(特別是在光纖上)是不可接受的。具體地，由于每個脈沖被用于傳送一個比特，因此各個比特在時間刻度上必須相互隔開相當(dāng)遠(yuǎn)。否則，如果存在長尾部，那么很難將一個比特與另一個比特相互區(qū)別開。這限制了該光檢測器可以被使用的比特率。
通過使用橫向溝槽檢測器(LTD)結(jié)構(gòu)可以將以上效應(yīng)在某種程度上最小化，如J.Crow等人的題為“Lateral trench optical detector”的美國專利No.6,177,289以及M.Yang等人的題為“Methods for forming lateraltrench optical detectors”的美國專利No.6,451,702中所述。然而，如M.Yang等人在Proceedings of 59thDRC的第153頁(2001年)中所述，深溝槽之下產(chǎn)生的載流子限制了帶寬。
甚至是大部分的吸收發(fā)生在表面附近的GaAs MSM檢測器，由于邊緣場，帶寬被限制為約2-3GHz。由此，目前在工業(yè)中使用的大部分光檢測器采用了垂直的PIN結(jié)構(gòu)以獲得10GHz的帶寬操作。
目的是阻止慢載流子而不降低檢測器的其它特性。一個解決方案是用絕緣體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)阻擋載流子，如共同轉(zhuǎn)讓的Y.H.Kwark等人的題為“Silicon-on-insulator trench photodiode structure for improved speedand differential isolation”的共同等待批準(zhǔn)的美國專利申請No.09/678,315中所述(IBM案號為No.YOR920000052US1)，以及J.Y.L.Ho等人在Appl.Phys.Lett.69，16-18(1996年)和Min Yang等人在2001 IEDM，paper24-1(2001年)中描述的。在Min Yang等人的2001 IEDM，paper 24-1(2001年)中介紹了使用SOI在3.3V時的帶寬約2.0GHz，峰值量子效率為51％。
然而，如果存在SOI層，那么要在進(jìn)行吸收的硅層下提供完全不同的材料。也就是，一些還沒有被吸收的光將到達(dá)阻擋層，然后將被反射回檢測器內(nèi)。這未必是不利的，但如果表面很平坦(例如，埋置的氧化物極平坦)，那么該表面將起鏡面反射器的作用，結(jié)果是結(jié)構(gòu)的反射率主要取決于波長。因此，該結(jié)構(gòu)將作為由三層(例如，上層、硅層和埋置氧化層)形成的諧振(共振)腔。
因此，在底部硅/氧化物界面處的反射產(chǎn)生了一個諧振腔結(jié)構(gòu)，其中量子效率是入射光的波長的強函數(shù)。該效應(yīng)也稱做“標(biāo)準(zhǔn)具(etalon)效應(yīng)”。在SOI膜至少8μm厚以使光充分吸收的同時，它的厚度必須控制得具有優(yōu)于0.75％的精確度，以獲得最小的反射。在單個晶片上和從晶片到晶片很難實現(xiàn)這種嚴(yán)格控制。
具體地，諧振器的特性包括在傳送中存在最小值。每個最小值表示在檢測器中幾乎沒有光被吸收。如果可能的話，應(yīng)該避免最小值，但如果光檢測器的結(jié)構(gòu)層很厚，那么這一點很難實現(xiàn)，因為最小值的間隔非常小。另一方面，雖然可以使層較薄，但將不會有大的吸收量并且量子效率會受損害(例如，轉(zhuǎn)變成電子的光子量很少)。
此外，使用SOI具有其它一些不足之處。例如，SOI晶片的成本目前約為體硅的五倍。
此外，諸如SIMOX或鍵合等SOI晶片制造技術(shù)適合于制備薄SOI晶片，其具有小于約1μm的SOI厚度。由此，制備厚SOI晶片需要額外的硅外延步驟，用于將SOI膜增厚到約8μm。
在另一常規(guī)技術(shù)中，如Bassous等人的題為“High speed silicon-basedlateral junction photodetectors having recessed electrodes and thick oxideto reduce fringing fields”的美國專利No.5,525,828中介紹的，提出了半導(dǎo)體內(nèi)部深處存在的光生載流子超出了電場影響的問題。
具體地，美國專利No.5,525,828嘗試在界面以下預(yù)定距離處形成阻擋層，以用于限制電極收集光生載流子。
然而，對于用于慢載流子的阻擋層，美國專利No.5,525,828提出了一種重?fù)诫s層。該重?fù)诫s層具有少數(shù)載流子的短壽命，由此增加了在重?fù)诫s層下面形成的慢載流子的復(fù)合機會。
此外，由于摻雜劑擴散問題，這種重?fù)诫s層很難制備。實際上，雖然公開了重?fù)诫s層減少了載流子壽命，但沒有公開任何有關(guān)形成勢壘以阻止載流子的信息。輕摻雜的P-N結(jié)回避了重?fù)诫s層通常具有的諸如摻雜劑擴散和互電容等問題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于常規(guī)技術(shù)的以上和其它問題、缺點和不足，本發(fā)明的一個目的是提供一種高速光電二極管，其基本上具有很少(或優(yōu)選地沒有)慢載流子并且基本上沒有標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)。
本發(fā)明提供一種方法(和結(jié)構(gòu))，其中埋置的阻擋層與光檢測器組合以阻擋或消除慢載流子。埋置的阻擋層不形成標(biāo)準(zhǔn)具，并且可以作為擴散(漫射)反射鏡。
應(yīng)該注意，為簡化起見，這里討論的結(jié)構(gòu)(和方法)是用于硅橫向溝槽檢測器(silicon lateral trench detector，LTD)的具體例子。雖然SiLTD可能對某些應(yīng)用特別有意義，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員整體上考慮本申請之后可以清楚地認(rèn)識到，該結(jié)構(gòu)(和方法)是通用的，可以適用于其它的光電二極管結(jié)構(gòu)，例如，用如Ge、SiGe、InP、InGaAs和GaAs等其它材料形成的PIN、MSM。
在本發(fā)明中，討論了阻擋層的多個(例如四個)實施例。也介紹了與用于每個實施例的器件結(jié)構(gòu)結(jié)合的制備方法。
在本發(fā)明的第一實施例中，諸如SiLTD等光電二極管包括交替的橫向n+和p+指狀結(jié)構(gòu)，以及位于n型襯底上(例如優(yōu)選地在頂部)的輕摻雜的p型吸收區(qū)，由此形成了用于阻止慢載流子的p-n結(jié)。相同結(jié)構(gòu)的不同變形包括p型襯底頂部上的輕摻雜的n型吸收區(qū)，同樣形成用于阻止慢載流子的p-n結(jié)。
在本發(fā)明的第二實施例中，諸如SiLTD等光電二極管包括交替的橫向n+和p+指狀結(jié)構(gòu)，以及位于襯底內(nèi)(例如，嵌入)的輕摻雜的吸收區(qū)。通過對襯底逆摻雜(counter-dope)(例如，如果使用p型襯底，那么通過n型摻雜形成阻擋層)，阻擋層被插在光電二極管下面，由此形成p-n-p(例如假設(shè)p型襯底)的膜疊層，用于阻止慢載流子。
在本發(fā)明的第三實施例中，諸如SiLTD等光電二極管包括位于輕摻雜的n型或p型吸收層內(nèi)的交替的橫向n+和p+指狀結(jié)構(gòu)，該光電二極管形成在嵌入在襯底中的埋置的“氣泡”(bubble)層上。氣泡層用于阻止和消除在襯底中較深處產(chǎn)生的慢載流子。
在本發(fā)明的第四實施例中，諸如p-n結(jié)或氣泡層等埋置阻擋層局部地形成在光電二極管下面。優(yōu)選地，埋置層僅形成在晶片的選定區(qū)域中，通常至少覆蓋器件區(qū)。
采用本發(fā)明的以上和其它方面、特征和元素，可以提供基本上具有很少的(或優(yōu)選沒有)慢載流子并且基本上沒有標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)的高速光電二極管。
由此，與形成重?fù)诫s層作為用于慢載流子的阻擋層相反，本發(fā)明提供了阻止或消除慢載流子的若干解決方案。如以上簡要提到和下面進(jìn)一步詳細(xì)介紹的，這些解決方案為p-n(或p-n-p)結(jié)阻擋和氣泡層阻擋。這些結(jié)構(gòu)與以上常規(guī)技術(shù)中介紹的重?fù)诫s層完全不同。
實際上，對于P-N結(jié)實施例，本發(fā)明用P-N結(jié)阻止載流子的機理與用于減少載流子壽命的重?fù)诫s層的機理完全不同。
更具體地，在第一和第二實施例中，本發(fā)明依賴于形成勢壘以阻擋載流子。由于阻止載流子使用的機理不同(例如輕摻雜的P-N結(jié))，因此避免了諸如重?fù)诫s層通常具有的摻雜劑擴散以及由于摻雜膜作為接地平面造成的互電容等的問題。
對于“氣泡”層的實施例，這種新穎結(jié)構(gòu)沒有被常規(guī)技術(shù)以任何方式討論或暗示過。
更具體地，氣泡層與任何常規(guī)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和形狀在物理上都不同。此外，氣泡層在一層中組合了兩個機理用于克服慢載流子(即，通過復(fù)合和阻止效應(yīng)消除)。
此外，由于氣泡的隨機性，可以調(diào)整氣泡層形成擴散(漫射)反射鏡。對于擴散反射的益處，常規(guī)的技術(shù)完全沒有記載，這樣顯然存在標(biāo)準(zhǔn)具問題(由于鏡面反射造成的)。


下面參考附圖和非限定性的實施例更詳細(xì)地介紹本發(fā)明，其中圖1示出了襯底100A中具有埋置阻擋層105的一般二極管的剖面示意圖；圖2示出了具有埋置阻擋層的橫向光電二極管200的俯視圖；圖3示出了具有埋置的單個p-n結(jié)的LTD光電二極管300的剖面示意圖；圖4示出了具有埋置的單個p-n結(jié)的橫向PIN光電二極管400的剖面示意圖；圖5示出了具有埋置的單個p-n結(jié)的MSM光電二極管500的剖面示意圖；圖6示出了具有埋置的雙p-n結(jié)的LTD光電二極管600的剖面示意圖；圖7示出了具有埋置的雙p-n結(jié)的PIN光電二極管700的剖面示意圖；圖8示出了具有埋置的雙p-n結(jié)的MSM光電二極管800的剖面示意圖；圖9示出了具有埋置的氣泡層950的LTD光電二極管900的剖面示意圖；圖10示出了具有埋置的氣泡層1050的PIN光電二極管1000的剖面示意圖；圖11示出了具有埋置的氣泡層1150的MSM光電二極管1100的剖面示意圖；圖12-14示出了具有埋置的p-n結(jié)的SiLTD的模擬結(jié)果，其中圖12示出了帶有和不帶有埋置的結(jié)的SiLTD的模擬頻率響應(yīng)；圖13示出了模擬的在-5.0V時的渡越時間限制的帶寬和整個帶寬與埋置的p-n結(jié)和指狀結(jié)構(gòu)的底部之間的間距H之間的函數(shù)關(guān)系；
圖14示出了在-5.0V、H＝1.5μm(左側(cè)視圖，顯示了穿通)和H＝3.5μm(右視側(cè)圖，顯示沒有穿通)時凈載流子濃度的模擬二維等值線圖。
圖15A-15D分別示出了由不同的注入條件和退火形成的氣泡層的剖面的透射電子顯微照片(TEM)；圖16(a)-17示出了具有埋置的氣泡層的SiLTD的模擬結(jié)果，其中圖16(a)到16(c)示出了氣泡層的不同特性的模擬頻率響應(yīng)；以及圖17示出了帶有埋置的氣泡層的SiLTD的模擬暗電流；以及圖18示出了帶有不連續(xù)的阻擋層的晶片1800的示意剖面圖，該不連續(xù)的阻擋層形成了位于每個光檢測器1820下面的小島。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考附圖，更具體地參考圖1-18，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選圖1示出了包括例如硅襯底等的襯底100A的結(jié)構(gòu)100，在襯底100A之上形成有阻擋層105。優(yōu)選地，阻擋層105直接形成在襯底100A上。
可以通過例如淀積或在襯底100中進(jìn)行離子注入等在襯底100A之上(或頂部)形成阻擋層105。在阻擋層之上，制備諸如PIN、MSM或LTD等一般的光電二極管器件110。圖中還示出了到器件的接觸120和121。
當(dāng)光電二極管110被照亮?xí)r，部分光被光電二極管110下面(例如在襯底110A中)電場較弱處吸收。在沒有阻擋層105的情況下，這些光載流子將緩慢漂移到光電二極管區(qū)110，這里它們變成光電流的一部分。為了阻止和/或消除慢載流子，本發(fā)明引入了阻擋層105。阻擋層防止了緩慢漂移的載流子到達(dá)光電二極管區(qū)110，所以在接觸120，121處僅收集頂面附近(或LTD結(jié)構(gòu)的溝槽之間)產(chǎn)生的較快載流子。
圖2示出了具有埋置的阻擋層的橫向光電二極管200的頂面示意圖。
本發(fā)明提供了兩種類型的阻擋結(jié)構(gòu)，即埋置的p-n結(jié)阻擋(勢壘)和埋置的氣泡層。下面討論的是形成阻擋的各種方法，以及它們?nèi)绾斡行У嘏c光電二極管結(jié)構(gòu)結(jié)合。
A.埋置的P-N結(jié)阻擋圖3示出了包括具有光電二極管結(jié)構(gòu)的p型襯底300A的結(jié)構(gòu)300，帶有n型吸收區(qū)320和橫向n+310和p+311深溝槽。
圖4示出了使用擴散或注入的n+410和p+411指狀結(jié)構(gòu)的類似結(jié)構(gòu)400，包括具有帶n型吸收區(qū)450的光電二極管結(jié)構(gòu)的p型襯底400A。
圖5示出了使用金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)光檢測器的結(jié)構(gòu)500的一個實現(xiàn)，包括具有光電二極管結(jié)構(gòu)的p型襯底500A，帶有n型吸收區(qū)550和包括陽極510和陰極511的肖特基金屬接觸。
埋置的PN結(jié)阻擋的目的是形成垂直電場，阻止襯底中(例如圖3所示的襯底300A中)產(chǎn)生的電子和空穴漂移到吸收區(qū)320。
圖12示出了與具有體p型襯底的LTD相比，埋置結(jié)LTD的帶寬改進(jìn)。此外，由埋置結(jié)產(chǎn)生的電場實際上可以加速在所述結(jié)上方產(chǎn)生的載流子，由此與SOI結(jié)構(gòu)相比提高了帶寬。
也就是，圖13示出了在-5.0V時的渡越時間限制的帶寬和整個帶寬與具有單個埋置的p-n結(jié)的SiLTD的H的函數(shù)關(guān)系。H為埋置結(jié)和深溝槽指狀結(jié)構(gòu)的底部之間的間隔。
由于該結(jié)構(gòu)沒有象SOI結(jié)構(gòu)中一樣形成諧振腔(標(biāo)準(zhǔn)具)，因此量子效率不是光波長的強函數(shù)。模擬和測量顯示即使沒有到襯底的接觸(即，浮動電位)也可以獲得這些優(yōu)點。
此外，襯底300A的摻雜沒有負(fù)面地影響性能。因此，可以使用輕摻雜的襯底，它消除了如果使用外延形成埋置結(jié)的污染/自動摻雜的影響。
埋置的p-n結(jié)優(yōu)選放置在n+和p+指狀結(jié)構(gòu)或溝槽的底部之下，使得埋置的p-n結(jié)的耗盡區(qū)和n+和p+指狀結(jié)構(gòu)310，311的耗盡區(qū)之間沒有穿通。這確保了最佳的電場阻擋，并且不會由于埋置結(jié)而引入附加的暗電流。該效果顯示在圖14中，其中示出了在溝槽底部和埋置結(jié)之間的距離H的最佳值處的帶寬峰值。圖14中示出了兩個不同H值的耗盡區(qū)的模擬。
也就是，圖14示出了對于具有單個埋置p-n結(jié)的SiLTD在-5.0V時H＝1.5μm(左側(cè)視圖，顯示了穿通)和H＝3.5μm(右側(cè)視圖，顯示沒有穿通)的凈載流子濃度的二維等值線圖。
通過離子注入或外延生長或晶片鍵合可以形成埋置的p-n結(jié)，這些工藝都是CMOS制造工藝中可以容易使用的。對于具有深指狀結(jié)構(gòu)的LTD(＞8μm)，外延為形成埋置的p-n結(jié)的優(yōu)選方法。
圖6示出了包括具有光電二極管結(jié)構(gòu)的p型襯底600A的結(jié)構(gòu)600，該光電二極管結(jié)構(gòu)具有n型阻擋區(qū)650和具有橫向n+(610)和p+(611)深溝槽的p型吸收區(qū)620。
圖7和8示出了分別引入到橫向表面PIN光電二極管和金屬-半導(dǎo)體-金屬光檢測器內(nèi)的類似阻擋區(qū)。
具體地，圖7示出了包括具有光電二極管結(jié)構(gòu)的p型襯底700A的結(jié)構(gòu)700，該光電二極管結(jié)構(gòu)具有n型阻擋區(qū)750和具有橫向p+(710)和n+(711)擴散或注入指狀結(jié)構(gòu)的p型吸收區(qū)720。
圖8示出了包括具有光電二極管結(jié)構(gòu)的p型襯底800A的結(jié)構(gòu)800，該光電二極管結(jié)構(gòu)具有n型阻擋區(qū)850和p型吸收區(qū)820以及包括陽極810和陰極811的肖特基金屬接觸。
在圖6-8中，雙p-n結(jié)阻擋與圖3-5中示出的單p-n結(jié)阻擋的作用相同。就阻止慢漂移載流子而言，雙阻擋潛在地性能好于單阻擋?？梢酝ㄟ^單離子注入、外延生長或晶片鍵合形成雙p-n結(jié)。對于深構(gòu)槽LTD，優(yōu)選外延。對于橫向表面PIN或金屬-半導(dǎo)體-金屬檢測器，優(yōu)選離子注入。
由此，本發(fā)明的第一實施例提供了通過注入等形成埋置的PN結(jié)作為阻擋層，并形成在PN結(jié)下吸收的慢載流子的電阻擋。應(yīng)該注意該阻擋層不需要立即消除慢載流子，而是阻止慢載流子向上漂移到陽極和陰極接觸。
此外，在本實施例中，應(yīng)該注意與常規(guī)技術(shù)中使用的高摻雜水平相反，可以采用較低摻雜形成PN結(jié)。這將克服以上討論的包括擴散等的常規(guī)技術(shù)的工藝問題。
B.氣泡層作為阻擋層現(xiàn)在轉(zhuǎn)到本發(fā)明的第二實施例和圖9-11，其中提供氣泡層以阻止和消除慢載流子。通過氣泡以及氣泡之間形成的缺陷引入的很有效的復(fù)合中心可以實現(xiàn)載流子的湮滅。
圖10示出了包括具有光電二極管結(jié)構(gòu)的襯底1000A的結(jié)構(gòu)，該光電二極管結(jié)構(gòu)形成在埋置的氣泡層1050上。該光電二極管結(jié)構(gòu)為具有吸收區(qū)1020和交替的p+(1010)和n+(1011)指狀結(jié)構(gòu)的橫向PIN檢測器。
圖9和11示出了分別引入到橫向溝槽檢測器和金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)光檢測器內(nèi)的類似的阻擋區(qū)。
具體地，圖9示出了包括具有光電二極管結(jié)構(gòu)的襯底900A的結(jié)構(gòu)，該光電二極管結(jié)構(gòu)形成在埋置的氣泡層950上。該光電二極管結(jié)構(gòu)為具有吸收區(qū)920和交替的p+(910)和p+(911)深溝槽的橫向溝槽PIN檢測器。
圖11示出了包括具有光電二極管結(jié)構(gòu)的襯底1100A的結(jié)構(gòu)1100，該光電二極管結(jié)構(gòu)形成在埋置的氣泡層1150上。該光電二極管結(jié)構(gòu)為具有p型吸收區(qū)1120和包括陽極1110和陰極1111的肖特基金屬接觸的MSM結(jié)構(gòu)。如圖所示，入射光1200被吸收到p型吸收區(qū)內(nèi)，從而變成入射到氣泡區(qū)1150上，然后被氣泡區(qū)1150中的氣泡散射(例如，散射光1201)。
再參考圖10，光檢測器的吸收區(qū)1020下面的“埋置氣泡”區(qū)1050起兩個作用。
首先，氣泡區(qū)1050起慢漂移深載流子的復(fù)合中心的作用。由此，在接觸處僅收集頂面附近(或LTD結(jié)構(gòu)上的溝槽之間)產(chǎn)生的快載流子。由此，其帶寬將與SOI結(jié)構(gòu)類似。
其次，部分入射光被反射離開氣泡(例如圖11中的散射光1201)并穿過檢測器的有源區(qū)返回，這將增加有效吸收長度，由此提高了量子效率。由氣泡層對入射光1200的散射顯示在圖11中。由于氣泡很小并且形狀和位置不規(guī)則，氣泡反射鏡將為漫射性的并且不會和SOI結(jié)構(gòu)中一樣使量子效率為波長的強函數(shù)。由此氣泡層起漫射反射鏡的作用。
優(yōu)選地，通過首先將氦注入到襯底內(nèi)(例如，圖10中的1000A等)，然后退火襯底形成空隙或氣泡，從而形成氣泡層。該注入能量控制埋置氣泡層的深度。例如，220KeV的注入能量將氣泡層定位在晶片表面下約一微米處。注入劑量確定了硅膜中的氣泡密度和它們的分布。通常注入的氦劑量為2E16到6E16cm-2。退火方法可以是爐內(nèi)退火或快速熱退火(RTA)。可以使用退火溫度和持續(xù)時間控制氣泡大小和它們的大小分布。通常的退火溫度為800℃到1050℃。
由不同的注入條件和/或退火溫度形成的氣泡層的例子顯示在圖15A-15D中。
圖15A示出了氣泡層和光檢測器之間的間隔，圖15B-15D示出了有小平面(faceted)的氣泡以及顯示在氣泡之間的缺陷。應(yīng)該注意組合不同的注入能量也可以用于控制氣泡層的性質(zhì)。例如，由180KeV的注入后接200KeV的注入形成的氣泡層與注入順序相反時(即200KeV的注入后接180KeV的注入)形成的氣泡層不同。
氣泡自身不是唯一的復(fù)合中心。實際上，氣泡形成期間產(chǎn)生的缺陷(例如參見圖15B-15D)用作深載流子的高效復(fù)合中心。此外，在氣泡表面發(fā)生的復(fù)合進(jìn)一步減少了載流子的壽命。
最后，氣泡還可以作為散射中心，它降低了載流子遷移率。在圖16(a)-16(c)和圖17中總結(jié)的模擬結(jié)果顯示出光電二極管的頻率響應(yīng)和暗電流如何取決于氣泡層的性質(zhì)。該模擬顯示出，為了有效地消除慢載流子，氣泡層應(yīng)位于耗盡區(qū)之外，并且應(yīng)該厚于擴散長度LD(LD＝sqrt(D*τ)，其中D＝μ*(KT/q)為載流子擴散，μ為遷移率，T為溫度，q為電子電荷，τ為氣泡層中的壽命)。該模擬還顯示，只要氣泡層位于耗盡區(qū)之外，就對暗電流沒有影響。
如下面將介紹的，氣泡層中的復(fù)合機理與重?fù)诫s層的機理完全不同。
通過氣泡和氣泡之間形成的缺陷引入到半導(dǎo)體帶隙內(nèi)的能量級別可以實現(xiàn)氣泡層中的載流子復(fù)合。當(dāng)這些能量級別(例如，也稱做“陷阱”)位于帶隙中心時為最有效的復(fù)合中心。隨著電子和空穴的復(fù)合，電子和空穴被捕獲并發(fā)射到陷阱內(nèi)或從陷阱向外發(fā)送。該過程也稱做Shockley-Reed-Hall復(fù)合。
證明硅中這種復(fù)合機理如何有效的一個例子為硅中金(gold-in-silicon)試驗。當(dāng)金引入硅內(nèi)時，在帶隙中心附近引入了陷阱。根據(jù)金的濃度，載流子壽命從約2E-7降低到2E-10s。(例如參見S.M.Sze，Physics of Semiconductor Device，2nd Ed.，第35-38頁，1981年)。應(yīng)該注意在CMOS電路的制造中通常避免引入金，引入金被認(rèn)為是對晶片的污染，其原因與以上討論的相同。氣泡層引入了陷阱并與CMOS制造工藝兼容，所以將具有埋置的氣泡層的光電二極管與CMOS電路集成一體是可能的。
在重?fù)诫s層中，復(fù)合過程為帶-帶復(fù)合。通過發(fā)射光子(稱做“輻射復(fù)合”)，或通過將能量傳遞到另一自由電子或空穴，也稱做“俄歇(Auger)復(fù)合”，可以使電子由導(dǎo)帶躍遷到價帶。在硅中，輻射復(fù)合可以被忽略是由于硅為間接帶隙的半導(dǎo)體。因此剩下的主要復(fù)合機理為俄歇復(fù)合。然而，即使在硅中俄歇復(fù)合也不是很有效，這是由于III-V族半導(dǎo)體具有直接帶隙。
通過注入氦(He)和退火可以將埋置的氣泡層引入常規(guī)的體硅晶片內(nèi)。這兩種工藝都是容易使用的CMOS制造工藝。如上所述，氣泡層包括以漫射方式反射光的不規(guī)則空隙(例如，在大小和位置方面)，由此消除了標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)。與光子波長相比(例如，直徑為20nm)如果氣泡制造得足夠小，那么將不能期望光從氣泡層反射。
此外，應(yīng)該注意無論是氣泡層還是PN結(jié)都不需要在整個晶片上延伸，由此不需要進(jìn)行覆蓋注入(blanket implant)以制備整個晶片上的阻擋。取而代之，可以通過掩蔽注入將氣泡層(或PN結(jié))限制到晶片的專門區(qū)域(例如，光檢測器的局部)，由此將對相鄰的集成電路(IC)沒有影響。就集成和多樣性而言，這是優(yōu)越于SOI結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)點，因為當(dāng)形成光電二極管等時不需要考慮IC。因此，從集成的角度來看，本發(fā)明更優(yōu)越。
例如，圖18示出了包括襯底1800A的結(jié)構(gòu)(例如，晶片或芯片)1800，具有位于光電二極管1820下的局部阻擋區(qū)1840。由此，光檢測器可以被選擇性地提供其它集成電路(IC)1830，由此在電路配置和制造中提供了更多通用性和靈活性。
此外，應(yīng)該注意盡管由于氦的穩(wěn)定性，優(yōu)選注入氦，但除氦之外的物質(zhì)也可用于產(chǎn)生包括He和氫的組合的氣泡層?？梢韵嘈诺氖?，在某些操作條件下氫可以被其自身使用。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)氫可用于控制氣泡大小。
雖然就若干優(yōu)選實施例介紹了本發(fā)明，但本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將會認(rèn)識到可以在附加的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)修改并實施本發(fā)明。
此外，應(yīng)該注意申請人意在包含所有權(quán)利要求元素的等同物，即使以后的訴訟期間進(jìn)行了修改。
權(quán)利要求
1.一種器件，包括光檢測器；形成在所述光檢測器下面的襯底；以及形成在所述襯底上的阻擋層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中所述光檢測器形成在所述襯底上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中所述光檢測器形成在所述襯底中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中所述阻擋層包括p-n結(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的器件，其中所述p-n結(jié)包括一個單p-n結(jié)，該單p-n結(jié)包含襯底和所述襯底頂部上的吸收層之一；所述襯底具有與所述吸收層相反的傳導(dǎo)性類型。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的器件，其中所述p-n結(jié)位于吸收區(qū)以下約0.1μm到約20μm的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的器件，其中所述吸收層包括具有約1×1013cm-3到約1×1017cm-3范圍內(nèi)的摻雜濃度的層。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的器件，其中所述襯底包括具有約1×1013cm-3到約1×1021cm-3范圍內(nèi)的摻雜濃度的襯底。
9.根據(jù)權(quán)利要求5的器件，其中所述p-n結(jié)包括通過離子注入、退火、外延生長以及晶片鍵合中的至少一種形成的p-n結(jié)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4的器件，其中所述結(jié)包括吸收層；襯底；以及夾置在所述吸收層和所述襯底之間的阻擋層，其中所述阻擋層具有與所述襯底和所述吸收層極性相反的傳導(dǎo)性類型。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的器件，其中所述頂部p-n結(jié)位于吸收層以下約0.1μm到約20μm的位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的器件，其中所述阻擋層具有約0.05μm到約5μm范圍內(nèi)的厚度。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的器件，其中阻擋層中的摻雜濃度在約1×1013cm-3到約1×1021cm-3的范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的器件，其中所述吸收層包括具有在約1×1013cm-3到約1×1017cm-3范圍內(nèi)的摻雜濃度的吸收層。
15.根據(jù)權(quán)利要求5的器件，其中所述阻擋層具有在約1×1013cm-3到約1×1021cm-3范圍內(nèi)的摻雜濃度。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的器件，其中所述襯底包括在約1×1013cm-3到約1×1017cm-3范圍內(nèi)摻雜的襯底。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的器件，其中所述p-n結(jié)具有通過離子注入、退火、外延生長以及晶片鍵合中的至少一種形成的摻雜分布。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中所述阻擋層包括氣泡層。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的器件，其中所述氣泡層包括用于光生載流子的復(fù)合中心。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的器件，其中所述氣泡層包括埋置的光散射體。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的器件，其中所述氣泡層含有大小范圍從約5nm到約250nm的空隙。
22.根據(jù)權(quán)利要求18的器件，其中所述氣泡層包括通過氦注入和退火形成的氣泡層。
23.根據(jù)權(quán)利要求18的器件，其中所述氣泡層形成在所述襯底的一部分中。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中所述阻擋層包括多孔硅膜。
25.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中所述光檢測器包括橫向溝槽檢測器。
26.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中所述光檢測器包括具有擴散的指狀結(jié)構(gòu)和注入的指狀結(jié)構(gòu)之一的PIN檢測器。
27.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中所述光檢測器包括金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)檢測器。
28.根據(jù)權(quán)利要求4的器件，其中所述阻擋層至少部分局限于所述光檢測器。
29.一種晶片，包括襯底；以及形成在所述襯底上的至少一個器件，所述至少一個器件包括光檢測器，以及形成在所述襯底上并至少部分地局限于所述光檢測器的阻擋層。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的晶片，其中該阻擋層僅形成在光檢測器下面的部分中。
31.一種形成具有埋置氣泡層的光電二極管的方法，包括提供半導(dǎo)體襯底；將摻雜劑注入到所述襯底內(nèi)；退火所述襯底以形成氣泡層；以及在所述襯底上形成光電二極管器件。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中所述退火溫度在約500℃到約1100℃的范圍內(nèi)。
33.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中所述注入使用從約1E16cm-2到約1E17cm-2范圍內(nèi)的注入劑量。
34.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中所述摻雜劑包括氦。
35.一種形成器件的方法，包括提供光檢測器；在所述光檢測器下面形成襯底；以及在所述襯底上形成阻擋層。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中所述形成阻擋層包括將氦注入到所述襯底內(nèi)；以及退火所述襯底以形成所述阻擋層。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中所述形成阻擋層包括輕摻雜所述襯底。
38.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中所述形成所述阻擋層的步驟包括離子注入、外延生長以及晶片鍵合中的至少一種。
39.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中所述形成所述阻擋層的步驟至少部分地局限于所述光檢測器。
40.一種阻止載流子從第一區(qū)到第二區(qū)的方法，包括在所述第一和第二區(qū)之間形成阻止層。
41.根據(jù)權(quán)利要求40方法，其中所述第一和第二區(qū)中的至少一個含有器件。
全文摘要
本申請公開了具有慢光載流子的阻擋層的高速光電二極管及其形成方法。一種結(jié)構(gòu)(以及形成結(jié)構(gòu)的方法)包括光檢測器、形成在所述光檢測器下面的襯底、以及形成在所述襯底上的阻擋層。埋置的阻擋層優(yōu)選包括單或雙p－n結(jié)，或氣泡層，用于阻止或消除漂移場較低的區(qū)域中的慢光生載流子。
文檔編號H01L31/0328GK1508885SQ20031012128
公開日2004年6月30日 申請日期2003年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月18日
發(fā)明者G·M·科恩, Q·C·歐陽, J·D·肖布, G M 科恩, 歐陽 , 肖布 申請人:國際商業(yè)機器公司