專利名稱：絕緣體上外延硅(soi)溝槽光電二極管及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及光電二極管，尤其涉及絕緣體上外延硅(SOI)溝槽光電二極管及這種光電二極管的形成方法。
經(jīng)常在用于噪聲抑制的集成的光電電路中使用光電二極管檢測器。共同受讓的Crow等人(下文稱做“Crow”)的美國專利申請No.09/205,433公開了用做檢測器的光電二極管結(jié)構(gòu)，該檢測器使用了在塊硅中的深溝槽中生長的橫向PIN二極管(即，輕度摻雜的(接近于本征的)區(qū)位于通常的二極管的p和n型區(qū)之間的pn結(jié)器件)。這種結(jié)構(gòu)稱做“體溝槽檢測器(bulk trench detector)”。
如

圖1(a)所示，Crow公開的體溝槽光電二極管檢測器100由p型摻雜110a和n型摻雜110b交替的長、深溝槽結(jié)構(gòu)110的陣列組成，由此形成了橫向PIN二極管結(jié)構(gòu)。如圖1(b)所示，這意味著二極管的一個端子電連接到襯底220，例如在通常的模擬和混合信號處理中使用的是p端子(陽極)連接到p襯底。
然而，在Crow的光電二極管中，連接到襯底220的端子將暴露于襯底噪聲和與之相關(guān)的低襯底阻抗(例如，圖1(b)中的Rs表示到襯底的阻抗，通常幾十歐姆)。因此，如果該光電二極管結(jié)構(gòu)用做差分檢測器200，如圖1(b)所示，那么襯底噪聲由連接到襯底220的二極管端子直接注入到前置放大器210內(nèi)，該襯底節(jié)點的阻抗將與二極管230的另一端子的不同。因此在輸入端產(chǎn)生不平衡阻抗。由此，該光電二極管可以用做單端檢測器(single-ended detector)，但不能用做更優(yōu)的差分檢測器。
該光電二極管結(jié)構(gòu)的另一不足之處在于它收集了溝槽深度以下(即，溝槽電極占據(jù)的空間下方)產(chǎn)生的光電子(即，載流子)，在那里，衰減的電場將載流子帶到合適的器件端子的速度低于溝槽之間產(chǎn)生的載流子，導致了與僅從溝槽之間的區(qū)域收集載流子相比更低的帶寬。
本發(fā)明旨在提供一種改進的光電二極管結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方案，提供一種用于光電檢測的半導體器件，包括襯底；形成在所述襯底上的晶片，所述晶片具有硅層和絕緣層，絕緣層位于硅層和襯底之間；以及形成在所述晶片的所述硅層內(nèi)的多個交替的p摻雜和n摻雜溝槽。
在本發(fā)明的第二方案中，提供一種半導體光電二極管，包括襯底；形成在襯底上的晶片，具有硅層和絕緣層；形成在硅層中的多個交替的p摻雜的溝槽和n摻雜的溝槽。該光電二極管具有用于850nm信號的優(yōu)選約8到15微米厚的硅外延層(epilayer)，以及用于反射的厚度約為信號波長的1/4，或者說對于850nm的光約212nm厚的絕緣層。該光電二極管還具有相互交錯并交替的一組p摻雜溝槽和一組n摻雜溝槽。這些溝槽和硅外延層一樣深并由多晶硅填充。
在另一方案中，光電二極管具有形成在硅層中并環(huán)繞p摻雜和n摻雜的隔離溝槽。溝槽的底部界限為絕緣層的表面相交界(即，溝槽和硅外延層一樣深)。此外，可以用p型或n型摻雜劑摻雜溝槽并用多晶硅或另一導電物質(zhì)填充。溝槽將光電二極管與其它器件隔開，以便光電二極管可以有效地用做差分檢測器。
在本發(fā)明的另一方案中，以上介紹的SOI光電二極管被結(jié)合到集成電路內(nèi)作為差分檢測器。
在本發(fā)明的另一方案中，所述隔離溝槽不摻雜，而以一種進一步隔離該光電二極管的氧化物填充。
在本發(fā)明的另一方案中，SOI晶片的絕緣層具有電介質(zhì)反射疊層，以將穿透硅外延層的光反射回溝槽，由此增加了響應(yīng)度。
在本發(fā)明的另一方案中，光電二極管相對于入射光束傾斜一個角度。這種傾斜增加了光進入光電二極管的光路長度，增加了響應(yīng)度。
在本發(fā)明的另一方案中，通過將一棱鏡蓋放置在光電二極管的頂部，入射光折射到光電二極管內(nèi)，也增加了光進入光電二極管的光路長度，增加了響應(yīng)度。
在本發(fā)明的另一方案中，使用例如KOH腐蝕SOI晶片的硅外延層的表面，形成棱形或四面體結(jié)構(gòu)，增加了光進入光電二極管的光路長度，增加了響應(yīng)度。
在本發(fā)明的另一方案中，SOI晶片上的絕緣層制得比信號光的1/4波長厚，并用做板條形波導(slab waveguide)。光從器件的邊緣耦合到絕緣層內(nèi)，衍射光柵使光朝上進入有源光電二極管層內(nèi)。
在本發(fā)明的另一方案中，提供沒有隔離溝槽的光電二極管器件。這種特殊的結(jié)構(gòu)不能用做差分檢測器，但提供了高速單端檢測器。
在本發(fā)明的又一方案中，提供一種形成幾個實施例的SOI溝槽光電二極管的方法。
為了更好地理解本發(fā)明，借助例子參考附圖進行介紹，其中圖1(a)示出了常規(guī)體溝槽光電二極管的橫向PIN二極管結(jié)構(gòu)；圖1(b)示出了常規(guī)光電二極管的符號化的等效電路；圖2(a)示出了根據(jù)本發(fā)明的光電二極管的基底絕緣層結(jié)構(gòu)；圖2(b)示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光電二極管的符號化等效電路；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光電二極管的周邊溝槽隔離結(jié)構(gòu)；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有棱鏡蓋的SOI溝槽光電二極管；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例具有蝕刻的硅外延層的SOI溝槽光電二極管；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例具有用于波導的厚絕緣層的SOI溝槽光電二極管；圖7示出了形成本發(fā)明的SOI溝槽光電二極管的優(yōu)選方法的流程圖；以及圖8示出了根據(jù)形成本發(fā)明的SOI溝槽光電二極管的優(yōu)選方法形成的n型和p型溝槽。
現(xiàn)在參考附圖，圖2(a)示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的SOI溝槽光電二極管300。
通常，如圖2(a)所示，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的溝槽光電二極管包括形成在硅襯底320上的SOI晶片310。晶片310包括優(yōu)選約8微米厚的硅外延層330(這里，結(jié)合SOI晶片的頂面有源層將稱做“外延層(epilayer)”)。外延層下面是優(yōu)選約1/4信號光波長厚的絕緣層340(例如，對于850nm信號波長約212nm厚)。硅晶片310上的該絕緣層340例如可以是氧化硅、藍寶石或其上可以結(jié)合或生長硅并且本領(lǐng)域中常用的其它任何絕緣材料。晶片的其它尺寸如厚度、長度和寬度等為半導體工業(yè)中的標準晶片尺寸。
SOI晶片310可以是結(jié)合晶片(bonded wafer)(即，通過退火將兩個單獨的硅晶片的氧化層結(jié)合在一起形成)或者注氧硅(SIMOX，Silicon-Implanted with Oxygen)晶片(即，通過將氧分子注入到絕緣層頂部上幾千埃的硅內(nèi)然后在頂部生長較厚的硅)而形成。
如圖2(a)所示，可以在晶片310的硅外延層330中圍繞檢測器的周邊形成隔離溝槽350。該隔離溝槽350的深度通常在3到12微米的范圍內(nèi)，優(yōu)選約8微米深，該深度為深溝槽加工的標準深度，在850nm具有相當好的響應(yīng)度，850nm為短波長光纖鏈路的標準波長。隔離溝槽350環(huán)繞并用于電隔離光電二極管300，其寬度僅需足以提供這種電隔離，通常0.1到0.5μm寬。
圖2(b)示出了本發(fā)明的光電二極管的符號化等效電路，具體示出了由隔離溝槽350得到的器件與其它器件的電隔離。這種器件隔離使本發(fā)明的光電二極管用做光電電路400中的差分檢測器。
隔離溝槽350形成得最好與硅外延層330一樣深。換句話說，隔離溝槽的底部為絕緣層的頂部。這有助于確保由在光電二極管的相鄰區(qū)域中形成的其它電子器件注入到外延層內(nèi)的載流子不會到達靈敏的光電二極管器件。因此，該器件不易受到來自與光電二極管一起制造的其它電路的耦合噪聲的影響。實際上，即使隔離溝槽不和外延層一樣深，與標準的體溝槽檢測器設(shè)計100相比，隔離也得到了改善。
此外，隔離溝槽350的表面為p型摻雜或n型摻雜，這取決于其上結(jié)合晶片的襯底是p型或是n型。例如，如果襯底為p型，那么隔離溝槽350的表面為n型，隔離溝槽350將連接到無噪聲(quiet)Vdd以隔離光電二極管。相反，對于n型襯底，隔離溝槽350的表面為p摻雜，此時隔離溝槽350將連接到無噪聲的地。
在圖3所示的實施例中，晶片外延層330具有由隔離溝槽350環(huán)繞的一組p型溝槽520和n型溝槽530。如圖所示，兩組溝槽520，530交替并交錯，形成具有PINIPIN摻雜的橫向二極管，其中I是本征襯底摻雜。溝槽520，530優(yōu)選形成得約8微米深和約1/2微米寬。在硅中對于850nm的光的1/e吸收深度達到約15微米。由此，對于8微米的溝槽深度，約40％接觸光電二極管檢測器的光將在溝槽下面產(chǎn)生載流子。
交替的溝槽520，530優(yōu)選由多晶硅填充，然后淀積金屬化層以接觸溝槽頂部的多晶硅。這使得金屬化層接觸溝槽的整個長度，與現(xiàn)有的工藝最兼容。(注意，金屬化層可以淀積到交替的溝槽520，530內(nèi)以接觸摻雜的半導體。雖然這會減小溝槽中摻雜的多晶硅具有的寄生串聯(lián)電阻并增加了光電二極管的速度，但該工藝成本高，因此，在優(yōu)選實施例中使用多晶硅。)此外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的光電二極管可以形成得不具有隔離溝槽，從而不用做差分檢測器，但作為高速單端檢測器。
這種獨特和不顯而易見的設(shè)計得到不與體襯底320電隔離的光電二極管300，因此，不會將襯底噪聲注入到電路內(nèi)。此外，本發(fā)明的光電二極管不會收集溝槽520，530下面的載流子360，因此比常規(guī)的光電二極管快。
應(yīng)該注意，在以上的變化實施例中，隔離溝槽350可以不摻雜而仍然比常規(guī)器件的隔離性好。此外，可以在未摻雜隔離溝槽350中生長氧化物，這會比摻雜溝槽更有效地隔離光電二極管300。
此外，使用旨在將光從簡單的法線入射方向引導或偏轉(zhuǎn)到更傾斜的角(優(yōu)選在平行于溝槽電極的長軸方向)的幾個備選方法中的任何一個，可以增加光電二極管300的響應(yīng)度。這具有可以增加產(chǎn)生載流子的光路長度同時不需要顯著更大電極面積。更大的電極面積會增加檢測器電容，對電性能產(chǎn)生負面影響。
光電二極管300可相對于入射光束傾斜一定的角度。根據(jù)光被校準到的度數(shù)，光路長度增加1/(cosq)，其中q為傾斜角。在光電二極管的周邊存在一些“邊緣”效應(yīng)在這些地方這種增加不是很有效，但對于大多數(shù)幾何形狀，這通常為整個面積的很小部分。
此外，圖4所示的棱鏡蓋610可以固定到完成的光電二極管300的頂部。該蓋折射法線入射的光620(根據(jù)斯涅爾折射定律)，產(chǎn)生進入光電二極管300的傾斜的光路630。
此外，本發(fā)明的光電二極管可以不使用棱鏡蓋610，而蝕刻(通過使用例如氫氧化鉀)SOI晶片310的硅外延層330，形成圖5所示的棱形710或四面體720結(jié)構(gòu)。與以上提到的棱鏡蓋610類似，這種蝕刻產(chǎn)生傾斜的光路630，增加了響應(yīng)度。然而，這種結(jié)構(gòu)的缺點是，對于隨后的處理來說具有非平面化的表面，需要額外注意保持表面鈍化和連接到摻雜的溝槽的金屬線的完整性。
在所有這些結(jié)構(gòu)中，絕緣層340可以增強為背面反射器。這樣得到了以反射層頂部和底部為界的光產(chǎn)生區(qū)，分別作為布拉格反射器或總的內(nèi)反射。因此，光電二極管300的量子效率顯著增加而不增加電極電容。
此外，如圖6所示，SOI晶片310可以包括較厚的絕緣層340和衍射光柵830。具體地，絕緣層340可以形成得足夠厚(約10微米)以接收來自對接(butt-coupled)纖維805的芯的光，或者來自光學透鏡系統(tǒng)的光以將光聚焦到厚絕緣層340內(nèi)，從而使用絕緣層340作為波導引導光?？梢酝ㄟ^離子注入或其它方法在絕緣層340中形成衍射光柵830。衍射光柵830衍射波導中的光向上到達光檢測器300。這種特別的結(jié)構(gòu)可以容易地用在與硅電路集成在一起的光電檢測器陣列中。
圖7示出了用于形成本發(fā)明光電二極管300的優(yōu)選方法900的流程圖。方法包括在襯底上形成SOI晶片。此外，使用常規(guī)的蝕刻方法將隔離溝槽腐蝕到表面內(nèi)并環(huán)繞SOI晶片的周邊920。
然后在SOI晶片中蝕刻出p型溝槽930，如圖8(a)所示。溝槽優(yōu)選形成得約8微米深，寬度盡量窄并與蝕刻技術(shù)兼容，通常0.5微米寬。
如圖8(b)所示，然后用p型多晶硅填充溝槽940。作為替代方案，溝槽的壁可以通過離子注入摻雜為p型，或者在溝槽中擴散淀積的p型材料，然后用作為光電二極管的一個電極的導電材料填充p型溝槽945。
通過拋光使晶片的表面950平面化。
如圖8(c)所示，在步驟960到980中，重復(fù)步驟930到950，將n型材料淀積到其它溝槽內(nèi)以形成n型溝槽。
然后將金屬化層結(jié)合到溝槽頂部的多晶硅或其它導電材料990。
此外，可以在同一步驟中蝕刻p型和n型溝槽，用光致抗蝕劑來阻擋交替的溝槽。此時，和步驟940到950中一樣用p型材料處理開口的溝槽。然后除去光致抗蝕劑，用第二光致抗蝕劑涂覆覆蓋已處理的溝槽。然后和步驟970到980中一樣，n型材料淀積在交替的溝槽的空著的一組中。除去光致抗蝕劑，并且，如果需要，在拋光晶片之后，將金屬化層結(jié)合到溝槽頂部的多晶硅或其它導電材料上。在該工藝期間，如上所述，取決于襯底為p-襯底還是n+襯底，用n型材料或p型材料摻雜隔離溝槽350。
或者，隔離溝槽350可以不摻雜并且空著，或者可以在隔離溝槽350的壁上形成薄熱氧化物(thermal oxide)層。任何一個以上措施都可以使光電二極管300與環(huán)繞的外延層中的電路充分隔離。
本發(fā)明的獨特和不顯而易見的結(jié)構(gòu)特征將本發(fā)明的光電二極管與體襯底電隔離，因此，防止了光電二極管接收由電路的其它部分注入的襯底噪聲。此外，這些結(jié)構(gòu)特征防止了本發(fā)明的光電二極管收集溝槽下面的載流子，由此使它比常規(guī)的光電二極管更快。另外，如上所示，如果適當?shù)卦O(shè)計絕緣層厚度，使之作為感興趣波長的反射器，和/或如果改變二極管的表面以使法線入射的光改變方向到更傾斜的角度，那么二極管的響應(yīng)度將進一步增加，同時不會增加器件的電容。
雖然用優(yōu)選實施例介紹了本發(fā)明，但本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)該理解可以在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)對本發(fā)明加以修改。
權(quán)利要求
1.一種用于光電檢測的半導體器件，包括襯底；形成在所述襯底上的晶片，所述晶片具有硅層和絕緣層，絕緣層位于硅層和襯底之間；以及形成在所述晶片的所述硅層內(nèi)的多個p摻雜和n摻雜交替的溝槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件，其中，通過形成在所述溝槽中的各p摻雜和n摻雜多晶硅層分別形成p摻雜溝槽和n摻雜溝槽，在所述多晶硅層上形成金屬化層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的半導體器件，其中所述多晶硅層填充相應(yīng)的溝槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件，其中，通過對溝槽的硅層壁分別進行p和n摻雜，形成所述的p摻雜溝槽和n摻雜溝槽，在所述溝槽的壁表面上形成金屬化或?qū)щ姴牧蠈?，或者用金屬化或其它導電材料填充所述溝槽?br> 5.根據(jù)以上任何一個權(quán)利要求的半導體器件，其中所述襯底包括硅。
6.根據(jù)以上任何一個權(quán)利要求的半導體器件，其中所述硅層的厚度基本上為8微米。
7.根據(jù)以上任何一個權(quán)利要求的半導體器件，其中在環(huán)繞所述多個交替的p摻雜溝槽和n摻雜溝槽的所述硅層內(nèi)形成隔離溝槽，以隔離所述p摻雜和n摻雜溝槽。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的半導體器件，還包括在所述隔離溝槽的表面上生長的氧化硅層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的半導體器件，其中，所述襯底包括n型襯底，并且，其中，所述隔離溝槽包括p摻雜溝槽，并耦接為接收預(yù)定的電壓。
10.根據(jù)以上任何一個權(quán)利要求的半導體器件，其中，在工作中，所述半導體器件關(guān)于垂直于所述p摻雜溝槽和所述n摻雜溝槽的長軸的軸線傾斜預(yù)定角度，從而激光束以比法線入射更傾斜的角度入射到所述半導體內(nèi)。
11.根據(jù)以上任何一個權(quán)利要求的半導體器件，還包括覆蓋所述硅層用于折射入射光束的棱鏡蓋。
12.根據(jù)權(quán)利要求1到10中任何一個的半導體器件，其中在用于折射入射光束的所述硅層的表面上各向異性地蝕刻棱形或四面體結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)以上任何一個權(quán)利要求的半導體器件，還包括在所述絕緣層的表面中或表面上形成電介質(zhì)疊層，用于將光選擇性地反射回所述p摻雜和n摻雜交替的溝槽區(qū)，并設(shè)計為反射信號波長的未吸收光。
14.根據(jù)權(quán)利要求1到10中任何一個的半導體器件，還包括適當厚的絕緣層，用做光波導；以及形成在所述絕緣層中的衍射光柵，以將信號波長的光衍射到半導體器件內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求7或從屬于權(quán)利要求7的權(quán)利要求8到14中任何一個的半導體器件，其中所述絕緣溝槽的深度對應(yīng)于所述硅層的厚度。
16.一種用于光檢測的半導體器件的形成方法，包括以下步驟在襯底上形成具有硅層和絕緣層的晶片，絕緣層位于硅層和襯底之間；以及在所述晶片的所述硅層中形成多個交替的p摻雜和n摻雜溝槽。
17.一種根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中，通過在所述溝槽中分別形成p和n摻雜多晶硅而形成p摻雜溝槽和n摻雜溝槽，在所述多晶硅層上形成金屬化層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中形成所述多晶硅層以填充其相應(yīng)溝槽。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中通過對溝槽的硅層壁分別進行p和n摻雜而形成所述的p摻雜和n摻雜溝槽，在所述溝槽的壁表面上形成金屬化或?qū)щ姴牧蠈?，或者用金屬化或其它導電材料填充所述溝槽?br> 20.一種用于光電檢測的半導體器件的形成方法，包括在襯底上形成具有硅層和絕緣層的晶片；在所述硅層中形成第一組溝槽和第二組溝槽；交替地將第一雜質(zhì)離子注入到所述第一組溝槽內(nèi)，第二雜質(zhì)離子注入到所述第二組溝槽內(nèi)；用多晶硅和導電材料填充所述第一組溝槽和所述第二組溝槽；以及將金屬化層結(jié)合到第一組溝槽和所述第二組溝槽中的所述多晶硅上。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，還包括在所述硅層中形成隔離溝槽，其中，所述注入期間，所述第一雜質(zhì)離子或所述第二雜質(zhì)離子注入到所述隔離溝槽中。
22.一種用于光電檢測的半導體器件，包括襯底；形成在所述襯底上的晶片，所述晶片具有硅層和絕緣層；形成在所述晶片的所述硅層內(nèi)的多個交替的p摻雜和n摻雜溝槽；以及形成在所述交替的p摻雜和n摻雜溝槽內(nèi)的多晶硅層，用于連接到金屬化層。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的半導體器件，還包括形成在所述晶片的所述硅層內(nèi)、環(huán)繞所述交替的p摻雜溝槽和n摻雜溝槽的p摻雜或n摻雜隔離溝槽。
全文摘要
半導體器件(以及形成器件的方法)包括形成在襯底表面上的絕緣體上外延硅(SOI)晶片。晶片表面中的隔離溝槽環(huán)繞交替的p型溝槽和n型溝槽，并電隔離器件與襯底，由此使器件有效地用做光電電路中的差分檢測器。
文檔編號H01L31/0236GK1537333SQ01816745
公開日2004年10月13日 申請日期2001年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月3日
發(fā)明者揚·H·夸克, 揚 H 夸克, 丹·默伊, 伊, 里特, 馬克·里特, 羅杰斯, 丹尼斯·羅杰斯, J 維爾瑟, 杰弗里·J·維爾瑟 申請人:國際商業(yè)機器公司