专利名称：掺杂质基底的波导检测器的制作方法
技术领域：
本发明大体而言系关于光学检测器及制造该种检测器的方法。
背景技术：
为了在半导体基材中建构光学信号分布网络，需要制造良好的光波导来散发该等光学信号，并且需要制造可将该等光学信号转变为电子信号以与其他电路交流的元件。可用两种方式来提取该等光学信号，若非从该波导中提取出光学信号本身被并传送至可将其转变为所需形式的其他电路，就是在波导中将光学信号转变为电子形式并且将该电子信号传送至其他电路。以光学信号形态提取光学信号牵涉到波导中的微镜、光栅或耦合器，或功能与这些装置类似的其他元件的使用。科学文献有越来越多可用来建构此种装置的技术的实例。以电子信号型态提取光学信号牵涉到波导中的检测器的使用，即，将光学信号转变为电子形式的电路元件。科学文献也有越来越多可用来达成此目的的检测器设计的实例。
但是，当将准则限制在特定光学信号分布网络设计，并且将任何此类设计在制造上需相对容易且经济的现实情况列入考虑时，寻找能产生可接受的光学分布网络的元件组合的挑战变得更大。
硅及硅锗合金(例如SixGe1-x)的组合以有用的材料组合的姿引起注意，因为能够轻易并且经济地由此制出光学信号分布网络。运用硅锗合金，要在硅基材中制造波导是可能的。硅锗合金的折射率比硅的折射率稍微高一些。例如，具有5％锗的硅锗合金(即，Si0.95Ge0.05)的折射率约为3.52，而结晶硅的折射率则小于此，例如，约3.50。因此，若硅锗合金核形成在硅基材内，折射率的差异足以使硅锗合金核经由内部反射而含有光学信号。此外，此特定材料组合可在习知硅基底半导体制造技术中使用，从而制造出光学电路。
当然，要使此种系统作用如同光学信号分布网络，光学信号必须要有可穿透硅和硅锗合金两者的波长。因为这些材料的能隙约为1.1eV(电子伏特)，其对于波长大于1150奈米的光学波长来说是透明的。通过使用硅锗合金而非纯硅，以及高至125℃的较高温操作所导致的能隙的进一步降低可能更进一步需要大于1200奈米或甚至1250奈米的波长，以得到非常低的吸收损失(约1db/cm或更小)。但是，这些材料对于具有这些波长的光学信号的透明度引发另一个问题。这些材料通常不适于用来建构可将光学信号转变为电子形式的检测器。要成为一个好的检测器，该等材料必须要能够以产生可电检测的有效电荷的方式来吸收光线。也就是说，光学信号必须能够在该检测器内产生从该价带至该导带的电子跃迁以产生电子输出信号。但是大于1150奈米的波长太长，以致于无法在室温下通过在硅内、或在Si0.95Ge0.05合金内的电子跃迁产生有效的吸收。当波长为1300奈米时，相应的光子能量约为0.95eV，远低于硅跟Si0.95Ge0.05的室温能隙，因此远低于用来产生从价带至导带的跃迁的所需能量。
发明内容一般来说，在一态样中，本发明的特征在于一光学电路，包含一半导体基材、形成在该基材内或其上的光波导；以及形成在该半导体基材内或其上的光检测器，其中该光检测器系与该光波导对准，以便在操作期间接收来自该光波导的光学信号。该光检测器具有一第一电极，一第二电极，以及一介于该第一和第二电极间的中间层。该中间层包含一半导体材料，其特征在于具有一导带、一能阶比导带低的价带、以及导入在该导带和价带间的深层能态(deep levelenergy states)。
其他实施例包含一或多个如下特征。该光检测器系经形成在该波导内，并且该波导系经形成在该基材的渠沟内。该基材系由硅制成。该光波导包含一由硅锗合金制成的核心。该第一电极系由一第一掺杂半导体材料制成，而该第二电极系由一第二掺杂半导体材料制成，并且该第一和第二掺杂半导体材料具有相同的导电型。该第一半导体材料系一第一掺杂硅，而该第二半导体材料系一第二掺杂硅。该第一和第二掺杂硅具有相反的导电型，或者，其具有相同的导电型。该第一和第二掺杂半导体材料若非皆为N型就是皆为P型。该第一和第二半导体材料的掺杂以与该中间层的距离为函数增加。该半导体材料系一硅锗合金，例如Si0.95Ge0.05。该半导体材料系以铟和铊的至少一种来掺杂，以产生深层能态。该半导体材料也包含一共掺质(co-dopant)，其功用在于基本上填充或基本上使该深层能态空乏或促进该深层能态的光学活化。该共掺质是碳，或系选自砷、磷、及碳所组成的族群。
一般说来，在另一态样中，本发明的特征在于一光检测器，包含一第一电极；一第二电极；以及一介于该第一和第二电极间的中间层，其中该中间层系由半导体材料制成，其特征在于具有一导带、一能阶比导带低的价带、以及导入在该导带和价带间的深层能态，此外也包含功用在于基本上填充或基本上使该深层能态空乏或促进该深层能态的光学活化的共掺质。
一般说来，在又一态样中，本发明的特征在于一种制造光学电路的方法。该方法包含在一基材上或其内制造一波导；以及在该波导的一选择部分上制造一光检测器，其中制造该波导包含沉积一第一披覆材料(cladding material)；在该第一被覆材料上沉积一核心材料，其中该核心材料系一半导体材料，其特征在于具有一导带和一能阶比导带低的价带；以及在该核心材料上沉积一第二披覆材料。制造该光检测器包含从该第一披覆材料制造一第一导电电极；从该核心材料制造一中间层，其中制造该中间层包含在该半导体材料的导带和价带间导入深层能态；以及在该中间层上从该第二披覆材料制造一第二导电电极。
在另一实施例中，制造该中间层也包含导入一共掺质至该最先提到的半导体材料中，其功用在于基本上填充或基本上使该深层能态空乏或促进该深层能态的光学活化。
一般说来，在又另一态样中，本发明的特征在于一种制造光检测器的方法。该方法包含制造一第一导电电极；在该第一导电电极上制造一中间层，其中该中间层系由一半导体材料制成，其特征在于具有一导带和一能阶比导带低的价带；以及在该中间层上制造一第二电极。制造该中间层也包含将深层能态导入该半导体材料中，介于导带和价带间，以及将功用在于基本上填充或基本上使该深层能态空乏或促进该深层能态的光学活化的共掺质导入该半导体材料中。
本发明至少某些实施例的一重要优势在于它们是特别耐热的。也就是说检测器能够挺过后继后段晶体管制造期间晶圆的热循环。因此，其可用在现成光学基材(optical ready substrates)中，或是需要经受进一步处理以制造微电子构件的半导体晶圆中。
本发明的某些实施例系特别适用在下述的现成光学基材中。其他实施例在例如电信领域内具有更普遍的应用。
本发明的其他特征及优势将由于如下的细节描述及申请专利范围而变得更显而易见。
图1示出掺杂有深层能阶受体的硅的能带结构。
图2A-G示出一种制造掺杂质基底的检测器的方法。
图3以图示形式示出掺杂质基底的硅锗合金检测器。
图4A-J示出一种在现成光学基材上制造半导体电路的方法。
具体实施方式
一种掺杂质基底的检测器本发明的一实施例系一种掺杂质基底检测器，其系由硅和硅锗合金制成，并且可令人满意地检测到波长比相应于硅或硅锗合金的吸收限(absorption edge)波长大的光信号，包含波长大于1150奈米的光信号。检测器系经制作在一波导中，其通常以含有约5％锗的硅锗合金，通过以一种可在该硅锗合金的能隙区域产生深层能态的材料掺杂该核心的方式来形成该波导核心。也就是说，该掺质的特征在于可产生离导带或价带足够远的能态，因此波长大于1150奈米的光学信号可使电子在此掺质引发态和两带的一间跃迁，而产生电流的自由电荷，因而检测到该光学信号。
周期表中有一些可在半导体中产生深层能态的元素。特别是，有两种元素分享一些对可并入通常可在硅半导体制造工业中发现的习知制造制程中的检测器建构来说极重要的特征。他们是铊和铟。参见图1，他们产生深层受体态2(deep acceptor states)，这表示与导带6相比，其能态较接近价带4，但高于价带足够多而使大于1200奈米的波长可以被有成果地吸收。铟在约高于价带160meV处产生受体态，而铊在高于价带约260meV处产生受体态。两个元素并且都拥有足够慢的扩散速率，因此若使用在后来需在其内制造其他微电子装置的现成光学基材中，在检测器可能经验到的正常制造和操作温度下，他们基本上会停留在原处。也就是说，他们不会在随后的晶圆将会经受的热循环期间扩散至检测器外。
也需注意到的是，当并入硅或硅锗合金时，该掺杂质态可通过与能带边缘(band edge)的更复杂的交互作用而产生宽阔或平缓的深层能态分布。因此一宽阔的掺杂质吸收光谱可在能态边缘附近以该吸收带的延伸或尾部的姿出现。此宽光谱通常有助于检测器在该能隙中对已知温度变动的容忍度，否则其会将吸收能从光量子能的共振移开，并随着温度改变对吸收产生负面影响。
在所述的硅锗合金掺杂质基底检测器的实施例中，令人感兴趣的跃迁可能是从价带经过因为掺杂质效应而延伸或连接进入能隙的能态带至导带，或从多个与能带隔离的深层受体态至导带。电检测信号系由这些跃迁产生。当以铟或铊掺杂硅锗合金时，许多价态被离子化而产生赋予P型半导体材料特征的电洞。为了增加深层受体态内的电子数量，即，为了填充可得的受体位置，也以一供体材料来掺杂该硅锗合金，例如砷或磷。来自供体的电子填充受体位置，因此增加可用来支援电子往上跃迁至导带的受体位置的数量。此受体位置的填充也可经由将在后面讨论的来自PN二极管结构内的相邻N型区域内的供体的电子转移而发生。
此共掺质的使用也在将于后面讨论的光导检测器模式下产生另一种益处。填充由深层受体掺质所产生的电洞会降低能促进经由该材料的传导的自由电子及/或电洞数量，因此增加其电阻。在光导检测器中，该掺杂质基底硅锗合金系用来做为两个相同类型(N或P)电极间的本征或低电荷区域的材料。此区域的电阻越低，由该装置在没有光学信号下所产生的暗电流(dark current)就越高。较倾向于将暗电流维持尽可能低的水准。与深层态一起导入一相反类型的掺质有助于达到此目标。若掺质增加至多于需要使材料成为本征，或电荷平衡的数量，此时该材料可以在其他能带中拥有相反符号的电荷。这造成光晶体管效应(photo-transistor effect)，其牺牲带宽或速度以提供更多增益。此装置会在后面更详细讨论。
通过共掺质的使用而导致的电洞及电子两者数量的增加也产生又另一种益处。其帮助降低自由电子的再结合时间，其系检测器在检测到光学信号后所需的回复时间，特别是光导型检测器。以另一种方式来说，其增加电子和电洞的再结合速率，因此会因为有更多的电子和电洞结合在一起而增加该装置的速度。
铟和铊两者的特征皆在于其在硅或硅锗合金内有低的固态溶解度。这表示每一种材料可被添加入硅晶格的数量有其上限，在晶格再也无法接受更多量的前。最大掺杂水准在约1016cm-3至1018cm-3范围内。在铊的情况中，最高掺杂水准通常在2×1017cm-3左右。为了增加此有效密度，因而增加由这些材料制出的检测器的效能，可以添加能增加该材料在硅晶格内的固态溶解度的共掺质。本质上，该共掺质将深层掺质保持在晶格位置内，并防止其从晶格内离开。在铟的情况中，一种达到此作用的共掺质的例子是碳。可以帮助活化铟和铊的其他共掺质包含浓度高于只是用来填充受体位置所需量的砷、磷及其他N型供体。
换言的，与铊或铟一起使用一或多种适当的共掺质至少有四个原因。第一，其可用来提供电子予受体杂质，以填充空电洞，进而增加可用来吸收光学信号的电子数量(即，增加检测器的敏感度)。第二，其可用来产生较高的暗电阻，通过降低自由电子的数量。第三，其可用来帮助降低自由电荷的再结合时间(即增加再结合速率)。以及第四，其可用来帮助增加深层能阶受体元素占据晶格位置而非本征位置的可能性，以具有光学活性。也就是说，其可使硅晶格产生更好的活性。
此外，共掺质也可在此情况中提供其他有用功能。例如，其可用来降低另一种掺质的扩散系数，或者可用来增强深层能阶受体掺质的热稳定性，使其较不会因为热循环或高温操作而在宿主晶格内被去活化。
有一些可提供刚才提到的一或多种效用的共掺质。例如，在铊的情况中，碳、一IV族元素可增加铊在硅晶格中的固态溶解度。一些V族元素，包含广为使用的砷和磷元素，提供多种效用。例如，砷是一种会在离导带约14meV处产生能态的掺质。当与铟或铊一起使用时，其通过以电子填充电洞因而增加可跃迁至导带的电子数量的方式来显著增加铟或铊的效能。砷在使更多铟或铊可以进入晶格内这方面也是有帮助的。此外，在铟的情况中，其会与铟形成更复杂的微结构，这为该装置产生更宽的光谱响应。
也有报告揭示V族元素锑(Sb)对于增加铊的固态溶解度来说系一有效共掺质，并且V族元素铋(Bi)对于增加铟的固态溶解度来说是一有效共掺质(见，例如，半导体的离子植入(Ion Implantation in Semiconductors)，Mayer，Eriksson，及Davies，1970)。
制造检测器的方法制造掺杂质基底检测器的一种例示方法在图2A的流程图示中描绘。在此实施例中，该检测器系经制造在一硅基材300中，虽然其可被制作在可在其内制造波导的任何经恰当选择的基材内，例如SOI(覆硅绝缘层)基材、绝缘材料、或低晶格指数材料(low index material)，上面只是列举一些。制程以形成，例如通过蚀刻，一渠沟302开始，其界定出该检测器的外部边界(图2A)。渠沟302的蚀刻系使用在半导体制造工业中一些广为使用的蚀刻技术的任一种来完成，例如电浆蚀刻。
在形成渠沟302的后，将一下电极层304沉积在该基材300表面上以及渠沟302内(图2B)。此下电极因为低电阻而具有高传导性。电极层304可被制作为具传导性的，例如，利用来自高度掺杂的n型硅的电子，其中掺质是磷、砷、锑、或铋。或者，该电极可被制作为具传导性的，利用高度掺杂的p型硅的电洞，其中掺质是硼、铝、镓或铟。此沉积的主要目的是形成一传导电极层，其与该渠沟一致但不填满该渠沟，而是留下尺寸足以沉积后面叙述的几个其他层的较小渠沟。
必须将此层掺杂至足量水准，以使此层的电阻不会阻挡来自检测器的电流有效流至外部检测电路。这表示所有检测器的串连电阻必须与检测电流的电阻可比较或比较小。另一方面，掺杂太多可能导致自由电子分散及降低检测器效能的吸收。有用的电极掺杂范围系从1016cm-3至1019cm-3，最大值取决于对于损失及电阻的设计需求。此外，改良的设计会使用不均匀的电极掺杂，其在高光功率(optical power)区域使用低掺杂，而在可见的低或没有光功率区域使用高水准电极掺杂以得到低电阻。对照的下，由杂质掺质导致的有用吸收最好是位于高光功率区域。此掺质厚度的增加会加强吸收，只要其被欲检测的光线照射，但掺质较厚区域可能会降低检测器速度。例如，为建构反应快于20皮秒(picoseconds)的检测器，掺质应位于大约小于300奈米厚的区域中。
在沉积低电极层304后，在其上沉积硅锗合金的第一中间层306(图2C)。第一中间层306系将会在随后步骤中接收一或多种共掺质的宿主材料，并且代表检测器结构中间部分的一半。此材料的折射率必须比硅电极的折射率高，以便使其作用如同容纳光线的波导结构。因此，必须适当地选择锗的百分比，例如，至少高至约2％。
接着将一诱发深层能态的掺质308，例如铟或铊，植入第一中间层306中至不会在随后制程期间从该中间层脱离的足够深度(图2D)。也将一或多种共掺质植入第一中间层306中。这可在植入该深层能阶受体掺质的前、期间、或的后完成。若该共掺质材料提供多种效用，则可能可以接受只使用单一种共掺质。若该共掺质只提供一种效用(例如增加该深层能阶受体在硅晶格中的溶解度)，则使用多种共掺质材料是恰当的。换句话说，此阶段所选择的共掺质种类及数量取决于所想要达成的结果。
在适合的掺质材料共植入第一中间层306后，于第一中间层306上沉积一硅或硅锗合金的第二中间层310(图2E)。再一次，沉积量系经选择以不填满上次沉积后所留下的渠沟。这是为了替最后的电极沉积留下空间。
最后，在第二中间层310上沉积一上电极层312。与下电极304一样，上电极312可以是高度掺杂的n型硅，其中掺质是磷或砷、锑、或铋。或者，该电极可被制作为具传导性的，利用高度掺杂的p型硅的电洞，其中掺质是硼、铝、镓或铟。
在沉积上电极312后，以足够高的温度以及足够长的时间热处理该结构(例如回火)，以使该等共掺质扩散出去，进入第一和第二中间层306和310。习知回火通常是在1050℃下执行。回火所需的时间及温度系由掺质的扩散系数以及第一和第二中间层的厚度决定。回火可在沉积上电极后的任何适当时间进行，并且不需要在上电极形成后紧接着立即进行。
最后，若该掺杂质基底检测器是也制作在该硅基材内的波导结构的一部分及/或其为从一侧制造连线的现成光学基材的一部分的话，则将该基材平坦化(图2G)。此平坦化制程，可利用化学机械研磨(CMP)执行，目的在于去除高于硅基材300表面的沉积层。这会将接触点314和316分别在下和上电极层304和312中暴露出来。
如前所注，该掺杂质基底检测器可在也制作出该波导的制程期间形成在该波导内并作为其一部份。例如，若使用硅基材，则渠沟界定出将会形成波导的位置。沈积在此渠沟内的硅锗主要功用如同波导，除了沿着该渠沟形成检测器的区域或位置外。在此情况中，导入层308内的掺质系利用标准微影图案化法选择性地只植入在欲形成检测器的区域中。此波导的图案化选择区域在光电路(optical curcuits)中是特别有用的，其中大部分波导系用来传输光线，而所选波导区域系用来吸收光线，通过选择性植入层308至这些区域中。电极掺质也可以只植入在该检测器区域中，以便降低无效益的自由电子分散的光学损失及在波导传输区域内的吸收。
吸收掺质或导电电极掺质的导入可在如前所述般形成沉积层的后在高能量下利用植入法执行，或者利用合并法，通过在硅或硅化锗合金磊晶层成长期间使用这些元素的其他气体或气流。在第二个情况中，掺质的选择性图案化可利用选择性磊晶成长来执行。这需要例如氧化硅或氮化硅的光罩材料在不欲成长硅或经掺杂的硅的区域内图案化。然后，调整基材温度及成长速率以使磊晶成长只在暴露的硅锗合金表面上发生，而不会在该光罩材料上。
上述波导例示了使用渠沟来形成波导以及包含在内的掺杂质基底检测器的实施例。也可以使用脊状结构(ridge structure)代替渠沟来制造波导及检测器。例如，一功能类似的波导检测器系通过在基材上形成一勾勒出该光波导路径的硅脊来实现。然后，该三个沉积层，在掺杂质基底检测器中表示该两个电极和该中间掺杂质区域，系经沉积在该基材上以便覆盖硅脊并与其形状一致。在蚀刻掉适当的材料后，该三层形成该光波导并且，在如上所述般将掺杂适当调整的区域中，其在该波导中形成该掺杂质基底检测器。在又另一实体实施例中，该等层可被成长在一平坦表面上，然后把位于将成为波导的带状区域两侧的材料蚀刻掉。介于蚀刻掉的两带状区域间的材料代表波导，并且无论欲将检测器安置在什么位置，组成该波导的该等层的掺杂可在制造期间据此调整，以在那些位置产生掺杂质基底检测器。也可沉积一填充材料以填满波导两侧被蚀刻掉的部分，以界定出该波导及该掺杂质基底检测器的侧壁。用来填充那些部分的材料的性质取决于该材料系设计来辅助限制光学信号或是电气连接至检测器。例如，若其系用来辅助限制水平方向的光学信号，该填充材料平均上应该要比组成检测器及波导的材料具有较低的折射率。
当然，若要将该检测器当成一独立装置或在某些其他环境下使用，则可能不需要如上所述般平坦化该结构以暴露下电极的接触点。相反地，可从上方制造一个接触至上电极，并且通过该结构的背面从下方制造另一个接触至下电极。又另一种选择是从上方形成一绝缘接触孔以接触下电极。
在任何情况下，于一实施例中，最终步骤牵涉到在该结构上沉积一绝缘层318，形成穿透绝缘层318的接触介层洞320和322，并分别贯通至上和下电极上的接触点314、316；在该等介层洞中沉积金属，例如铝，以在该等介层洞底部形成欧姆接触；接着以金属填充介层洞320及322(例如钨插梢)，其提供电气连接至位于该等介层洞底部的欧姆接触。当然，极有可能有许多其他层沉积在该结构上，取决于嵌入此装置的电路。因此，形成该等接触介层洞的制程可能在一个更复杂的制造制程中晚许多进行。此外，若该装置系一现成光学晶圆的一部分，最终连接至该下及上电极的连线可能由另一个实体来执行，例如在该光学层上制造半导体微电子电路的公司。
参见图3，有一些制造适才所述的掺杂质基底检测器时值得铭记在心的考量。首先，若该检测器系经耦合至一波导，则来自该波导的光能量会需要传播至检测区400内。因此小心地配合波导类型及检测器类型是很重要的，以便最佳化此能量的耦合。
在一设计来传送1300奈米光学信号的硅锗合金波导的情况中，我们发现约1微米深及3微米宽的核心的作用良好。对于具有此设计的波导来说，良好的检测器构型系如图3中所示者，其具有如下尺寸上电极的宽度”a”约等于1.0微米；上电极的深度约等于0.25微米，检测区域的宽度”b”约等于0.75微米；检测区域的深度”H”约等于1.0微米；并且下电极的宽度”W”约等于1.0微米。为了有高速表现，将检测器的串连电阻保持尽可能低是较佳地。对于运用探针探测一50欧姆阻抗传输线的高速操作来说，倾向于使下电极的上半延伸部分对于位在表面上的接触点的电阻R保持在小于约10欧姆。对于具有例如晶体管的高电阻局部感应器的高速操作来说，有效电阻可以较高，在以微米计的检测器长度下高至1000至3000欧姆。电阻的限制是装置电容，对于具有上述构型的PN二极管来说约为每微米2飞法拉(femtoFarads)，以及串连电阻的产物，假设上述高电阻的充电时间反应为2至6皮秒。较小的串连电阻可通过将宽度”W”加大并且将高度”H”缩短来达成。此外，在光线可及的区域外的额外较高掺杂可降低串连电阻而不增加自由载体的光吸收。
另一个考量是使光学信号的光线远离高度掺杂的电极区域304和312内的电子。这可以在下电极304和上电极312两者中达到，通过将掺杂以与传播通过检测器的光线类型距离远近来分级的方式。在下电极304中执行此方式的一种方法是在沉积时改变层的掺杂。例如，前半段沉积出一层掺杂的硅，其中ND＝1018cm-3，而第二半段则沉积出ND＝1017cm-3的层。因此，电极304最接近传播通过检测器中心(即，图3的吸收区域400)的光线的区域有较低掺杂程度，因此较不可能提供通过散射而吸收到光线的电子。可使用类似方法来沉积上电极312，将上电极312较高度掺杂的部分置于接近将会形成接触的表面。
掺杂剖面可以比简单的二元机能还要复杂。他们可以是，例如，以更连续的方式从电极的一侧至另一侧逐渐改变。所产生的剖面完全取决于在沉积层时如何供应掺质给系统。最终的掺杂剖面会进一步视掺质在任何回火循环期间的移动或扩散而定，这必须在任何最佳化设计中考虑进去。
通常，在此制造制程阶段期间(即，形成具有深层能态的中间层)，目标是选择离子植入能量、剂量、时间及温度，因此检测器区域会被深层能态重掺杂，特别是在光线/固体反应区，以及较佳地光线强度最强处。一般将铊或铟植入该第一中间层的能量在100kV和200kV间，这是许多商业上可得的植入系统运作的能量范围。通常，需有足够的离子能量以在该宿主硅锗合金中达到适当的投射范围(例如，至少约0.1微米)，因此使该掺质在后段处理期间继续留在宿主材料中。因为有经济效益的植入能量只容许浅植入，比硅锗合金波导的微米厚度小，故可能需要中断波导的成长以在波导内的光线强度最强时进行植入。
做为植入的另一种选择，可利用CVD(化学气相沉积)或MBE(分子束磊晶)将杂质并入硅锗成长制程的一部分，但只容许在欲安置杂质处的成长部分期间将其并入。此原位杂质成长技术在使用硼、砷、及磷等非常相似物种来制造不同层内的P及N区域的掺杂剖面上是广为人知的。
实际上，植入能量可以低至几百KeV或高至几个MeV。若使用低植入能量，则可能必须运用其他已知技术在浅植入材料能够扩散至宿主材料内的前防止其在连续处理期间脱离。常用来解决此问题的熟知技术是运用一帽盖层(capping layer)(例如SiO2或Si3N4)来将植入物保持在原位，直到进入该宿主材料的扩散发生为止。
植入期间铟或铊的目标剂量通常介于约1012-5×1015cm-2间，并且更明确地介于约1013-1014cm-2间，至约0.1微米的深度处。当此植入掺质后来往下扩散进入该两中间层时，会产生1017-1018cm-3的掺杂范围，这当然是取决于是否也用共掺质来达到较高浓度。如上所注，更多掺杂会增加吸收，因而增加检测器效能，但同时也增加光导检测器内的暗电流。因此最大限度会取决于植入该检测器的系统的设计目标，并且会是这两个考量点之间的妥协结果。
在现成光学基材上制造电子电路如上所注，该掺杂质基底检测器可形成在随后将会在其上制造半导体电子电路的现成光学基材中。在该现成光学基材上制造电子电路的制程步骤顺序在第4A-J图中示出。
在运用例如CMP将图2F所示的结构平坦化后，所得到的结构系如图4A所示者。假设基材也包含其他未示出的光学构件，例如用来从电子信号产生光学信号的雷射元件、用来分布光学信号的光波导、以及用来将光学信号往上指引至制作在该波导上方的电路或用来接收来自上方的光学信号并将这些信号指引至波导内的微镜或其他反射元件。
在形成于光学电路上的经平坦化的表面上沉积一硅层402(见图4B)。这可利用一些不同方式来达成，包含，例如，利用化学气相沉积制程。所得到的层提供一个可通过熟知制程将硅晶圆接合在其上的表面，以形成SOI(覆硅绝缘层)结构。SOI结构包含一绝缘层404(例如SiO2)以及其上的硅层406，其提供将在其内制造电子电路的基材(见图4C)。
接着，在该表面上沉积一硬保护层408(例如氮化硅)，并将其图案化以制作出形成电气隔离的硅岛412的隔离开口410(见图4D)。在使用一适当的光罩后，较深的隔离开口414然后被蚀刻穿过绝缘层404和硅层402，以暴露出下方的掺杂质基底检测器(见图4E)。
为了产生一光滑、平坦的表面以将电子电路制造在硅岛中，沉积一氧化层416(例如SiO2)在晶圆表面上。然后，利用化学机械研磨来平坦化所沉积的氧化层并在该制程中去除保护层408，因此暴露出硅岛412的上表面(见图4F)。
其余制程大体上包含标准半导体电路制造步骤，除了涉及与下方的掺杂质基底检测器电气连接者外。换句话说，晶体管418及其他电子构件(未示出)然后利用已知制造技术形成在硅岛中，例如CMOS制造技术(见图4G)。的后，在整个晶圆上沉积一厚氧化层420并平坦化(见图4H)。接着在该氧化物中向下蚀刻出接触开口422至该等构件。与习知蚀刻手续相较，在此阶段期间所完成的蚀刻系经过调整，以使所选区域内的开口424往下延伸更深，抵达位在低于该等电子构件的层处的检测器(见图4I)。在形成接触开口后，沉积金属426并图案化以形成所需的内连线(见图4J)。虽然金属化制程被示为全部存在于单一层内，但对于制造者倾向使用现成光学基材的更复杂电路来说，金属化制程占据多个层，每层均由绝缘材料隔开，例如SiO2。
注意到上面关于在现成光学基材上制造电子电路的制程的描述省略了许多习知技艺者熟知的较不重要的步骤。此讨论用意只在对于可产出预期结构的一系列制造步骤的实施例的高水准描述。关于所涉及的全部制程步骤的更详细讨论，读者可参见公开文献中其他可得的公开资料。
在检测器装置中运用杂质吸收有许多在检测器中运用吸收的方式。取决于围绕掺杂质区域的包覆电极层的半导体掺杂相对于掺杂质区域的电荷极性的关系，检测器可以是光导检测器、PIN二极管检测器、或光晶体管。
光导检测器若掺杂质区域的包覆电极层拥有与掺杂质区域相同的多数载体(majoritycarrier)，则检测器系光导型。例如，若使用铊或铟做为杂质，其倾向于产生具有过量电洞的P型半导体。若上跟下包覆电极层两者也掺杂以会产生电洞的P型受体，例如硼，则该装置系一光导体(photoconductor)。光导体具有改变电阻的特性，当载体系由光吸收所产生时。若载体多少是由跃迁至杂质或来自杂质的跃迁所形成，则电阻将会改变。在低暗电流方面，可将中间杂质区域共掺杂以降低净自由电荷。例如，铊或铟掺杂可以利用会产生电子的砷来共掺杂。若砷共掺杂系经恰当平衡，而使每个电洞被填充以一个电子，但不会太多而有多余电子，则可使该掺杂质区域具有来自电子或电洞的低过量电荷。于是这会增加电阻并降低通过该单元，或暗的，光导体的电流。
P-I-N二极管检测器制造P-I-N二极管检测器可以解决有赋予该光导检测器特征倾向的相对大的暗电流的问题。P-I-N结构基本上与上述者相同，除了一个电极系以例如硼的P型受体高度掺杂，而另一个缓冲电极系以例如砷或磷的供体来掺杂的外。当此检测器以反向电流偏压运作时，少量电流漏通过一品质良好的二极管，但有效率的高速光检测依然会发生。
光晶体管检测器又另一种类型的检测器系光晶体管。若掺杂质区域的包覆电极层拥有与掺杂质区域相反的多数载体，则检测器系一光晶体管。例如，若使用铊或铟做为杂质，其倾向于产生具有过量电洞的P型半导体。若上跟下包覆电极层两者系掺杂以会产生电子的N型受体，例如砷或磷，则该装置系一光晶体管。光晶体管具有增强由光吸收所产生的电荷的特性。此增强是来自双载子NPN晶体管广为人知的晶体管效应，但在此情况中，该晶体管的基极电流系由该杂质吸收所提供，而非第三连接线路。
虽然我们已描述过光导体、光二极管、以及光晶体管检测器，但应该了解的是这些只是通常分别被称为光导体检测器和光二极管检测器者的具体实例。换句话说，并没有严格限制电极必须是N型或P型，他们也可以是金属电极。此外，吸收区域(即，I区域)可以是一绝缘体、低度导电区域、或甚至是高度导电区域。
上述掺杂质基底硅锗合金检测器在制造现成光学基材上被认为是特别有用的，例如在2002年10月25日提出申请，题目为「现成光学基材(optical readysubstrates)」的美国专利申请案第10/280,505号，以及在2002年10月25日提出申请，题目为「现成光学晶圆(optical ready wafers)」的美国专利申请案第10/280,505号，两者在此皆通过引用的方式并入本文中。一些提及的与现成光学基材有关的波导是硅锗合金波导。在可得的公开科学文献中有制造此种波导方法的描述，包含，例如，在2001年5月24日提出申请，题目为「制造波导的方法(Method for Fabricating Waveguide)」的美国专利申请案第09/866,172号，以及在2001年11月11日提出申请，题目为「例如硅锗碳合金波导的波导及其制造方法(Waveguides Such As SiGeC alloy Waveguides and Method ofFabricating Same)」的美国专利申请案第09/866,172号，两者在此皆通过引用的方式并入本文中。
掺杂质基底检测器可在形成硅锗合金波导的前或的后制造。或者，其可以是光波导的一部分或光波导的终端。
此外，运用光学转换的多种不同电路构件，例如二极管、自由空间检测器(freespace detectors)、调变器、晶体管、以及更复杂的电路元件，可由此间所述的原理受惠。也就是说，本发明不限于仅只是制作于光波导内或与其紧邻的光检测器。
其他实施例上述实施例使用硅锗合金做为半导体。可使用其他另外的半导体，例如，但不限于，硅、锗及硅锗碳IV族合金和III-V族合金，例如砷化镓、磷化铟、及其组合物，例如磷化铟镓砷(InGaAsP)。其他材料的可得性扩大了可使用此检测器的波长范围，从约650奈米至至少约1500奈米。更明确地说，上述观念可用来制造适用于波长远大于1500奈米的检测器。例如，必须使用此观念来制造在10微米及更大，即，远红外线波长范围下运作的检测器。
也需了解到可使用除了上述方法的外的其他方法来制造该中间检测器区域。上述方法涉及成长该层的一半、植入深层能阶受体材料、然后成长该层的另一半。或者，可以磊晶成长整个中间层，然后使用较高能量来将该深层能阶材料更深地植入在该层内。或者，可以运用中间层的原位掺杂，在利用磊晶方法或物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)或其他已知沈积方法沉积该层时。
深层植入也不限于使用铟和铊作为掺质。其包含可产生深层能态的任何材料，例如元素、同位素、分子或化学错合物。一般来说，深层能态是那些与导带或价带距离至少约100meV的能态；反的，浅层掺质是那些会产生与能带边缘距离小于约20-40meV的能态者。能够产生此种深层能阶受体的其他元素或同位素可能包含锌、铁、锡、及硫磺，在此只提出一些。当然，可用来制造这些装置的选择范围可能会被对该装置的其他要求严格限制。例如，若预期该装置能够经受随后运用高温的热循环，例如1000℃，则选择会比较少，因为这可能会排除扩散系数高的材料，以及热稳定性不足的材料。
当然，深层能态可以利用除了导入掺质至该材料的外的其他方法来产生。例如，可通过在该材料中制造出结晶缺陷、通过制造出周期性多层结构、或通过在该材料中制造微结构来产生。需了解的是，可在能带中产生深层能态的任何机制都可被接受。
此外，可与深层掺质一起使用二或多种共植入物或共掺质来完成前述的一或多种有益目标。例如，碳和砷两者皆可与铟连用。或者砷和磷可与深层能阶受体掺质连用。可使用一种或多于两种共掺质，取决于预期的目标何在。当然，如同其他装置经验所示，导入多种共掺质通常是有利的，以将效能最佳化。
在所述的掺杂质基底检测器的实施例中，我们将焦点集中在一特定跃迁，即，电子从填充的深层能阶受体态至导带的跃迁。但是，至少有两种潜在关注的其他跃迁。第一种是电子从价带底部跃迁至中性受体。第二种是电子从价带跃迁至一离子化供体位置。任何这些跃迁皆会产生对电子信号有贡献的过量载体。可能倾向于利用操控该深层受体态的离子化程度来加强这些跃迁的一种或另一种。
一种操控此离子化程度的方法是利用共掺质，如前所述般。若没有共掺质，大约一半的铟受体会是中性的，并且多于90％的铊受体会是中性的。另一种操控受体离子化程度的方法会是使用P-N接面(在光二极管检测器中)。在此情况中，差不多所有在P-N接面空乏区内的受体皆会被离子化，而促进受体-导带跃迁。
一种改良是将掺杂质基底检测器置于光共振器(optical resonator)中，以使波长可以被检测到，这会在已知或更低光功率下提供更多吸收和光电流。例如，可通过使用两个隔开在吸收器相反侧的微镜来制造凹腔，其距离会使光线通过建设性干涉而共振。这些微镜可沿着波导由薄金属、介电堆叠、或周期性图案制成，如在布拉格光栅中一般。在这方面布拉格光栅有其特殊优势，其可被制成具有非常窄频的波长，甚至比共振器带宽还要窄。因此，若光线没有被增强，它也不会被检测到。
其他检测器用的共振器可以利用近距离耦合至该系列波导的波导圈(waveguide ring)来制造，其也只会检测共振波长的光线，并传输其他波长的光线。共振器的限制是必须要在所有温度下都得够稳定，并且不会使反射回波导的光线量多到可导致与光源产生干涉的地步。上述两共振器皆可利用良好的处理来达到此任务。
最后，我们注记在图3中所示的结构系经连接成为一个两端子检测器。但是，在此所述的观念可落实在具有三或更多端子的检测器上。例如，若用在三端子双极晶体管上，掺杂质基底区域可能是该装置的基极区。
还有其他实施例落在如下申请专利范围中。
权利要求
1.一种光学电路，包含一半导体基材；一形成在该基材内或其上之光波导；以及一形成在该半导体基材内或其上之光检测器，该光检测器系与该光波导对准，以便在操作期间接收来自该光波导之光学讯号，该光检测器具有一第一电极；一第二电极；以及一介于该第一和第二电极间之中间层，该中间层至少包含一半导体材料，其特征在于具有一导带、一能阶比导带低之价带、以及导入在该导带和价带间之深层能态(deep level energy)。
2.根据权利要求1所述的光学电路，其特征在于，该光检测器系形成在该波导内。
3.根据权利要求2所述的光学电路，其特征在于，该波导系形成在该基材内之渠沟(trench)中。
4.根据权利要求3所述的光学电路，其特征在于，该光检测器也形成在该渠沟内。
5.根据权利要求1所述的光学电路，其特征在于，该基材包含硅。
6.根据权利要求5所述的光学电路，其特征在于，该光波导包含一由硅锗合金组成之核心。
7.根据权利要求6所述的光学电路，其特征在于，该第一电极包含一第一掺杂半导体材料，而该第二电极包含一第二掺杂半导体材料，且其中该第一及第二掺杂半导体材料具有相同之导电型。
8.根据权利要求7所述的光学电路，其特征在于，该第一半导体材料包含一第一掺杂硅，而该第二半导体材料包含一第二掺杂硅。
9.根据权利要求8所述的光学电路，其特征在于，该第一掺杂硅和第二掺杂硅具有相反之导电型。
10.根据权利要求8所述的光学电路，其特征在于，该第一掺杂硅和该第二掺杂硅具有相同之导电型。
11.根据权利要求10所述的光学电路，其特征在于，该第一及第二掺杂半导体材料系N型。
12.根据权利要求10所述的光学电路，其特征在于，该第一及第二掺杂半导体材料系P型。
13.根据权利要求7所述的光学电路，其特征在于，该第一及第二半导体材料之掺杂以与该中间层之距离为函数增加。
14.根据权利要求1所述的光学电路，其特征在于，该半导体材料系硅锗合金。
15.根据权利要求14所述的光学电路，其特征在于，该半导体材料系Si0.95Ge0.05。
16.根据权利要求14所述的光学电路，其特征在于，该半导体材料系以铟及铊之至少一种来掺杂以产生该深层能态。
17.根据权利要求14所述的光学电路，其特征在于，该半导体材料也包含一共掺质，其功用在于大致填充或大致上使该深层能态空乏或促进该深层能态之光学活化。
18.根据权利要求17所述的光学电路，其特征在于，该共掺质系碳。
19.根据权利要求14所述的光学电路，其特征在于，该共掺质系选自砷、磷、及碳所组成之族群。
20.一种光检测器，包含一第一电极；一第二电极；以及一介于该第一和第二电极间之中间层，该中间层至少包含一半导体材料，其特征在于具有一导带、一能阶比导带低之价带、以及导入在该导带和能带间之深层能态，该半导体材料也包含一共掺质，其功用在于大致填充或大致上使该深层能态空乏或促进该深层能态之光学活化。
21.根据权利要求20所述的光检测器，其特征在于，该第一电极包含一第一半导体材料。
22.根据权利要求21所述的光检测器，其特征在于，该第二电极包含一第二半导体材料。
23.根据权利要求20所述的光检测器，其特征在于，更包含连接至该第一电极之第一接触区域，以及一连接至该第二电极之第二接触区域。
24.根据权利要求22所述的光检测器，其特征在于，该第一次提及之半导体材料包含硅锗合金。
25.根据权利要求24所述的光检测器，其特征在于，该第一次提及之半导体材料系Si0.95Ge0.05。
26.根据权利要求24所述的光检测器，其特征在于，该第一提及之半导体材料系以铟及铊之至少一种来掺杂以产生该深层能态。
27.根据权利要求29所述的光检测器，其特征在于，该半导体材料也包含一共掺质，其功用在于大致填充或大致上使该深层能态空乏或促进该深层能态之光学活化。
26.根据权利要求24所述的光检测器，其特征在于，该第一半导体材料包含一第一掺杂硅，而该第二半导体材料包含一第二掺杂硅。
27.根据权利要求26所述的光检测器，其特征在于，该第一掺杂硅和第二掺杂硅具有相反之导电型。
28.根据权利要求26所述的光检测器，其特征在于，该第一掺杂硅和第二掺杂硅具有相同之导电型。
29.根据权利要求28所述的光检测器，其特征在于，该第一及第二掺杂半导体材料系N型。
30.根据权利要求28所述的光检测器，其特征在于，该第一及第二掺杂半导体材料系P型。
31.根据权利要求26所述的光检测器，其特征在于，该第一掺杂硅之掺杂及第二掺杂硅之掺杂以与该中间层之距离为函数增加。
32.一种制造一光学电路之方法，该方法包含在一基材上或其内制造一波导；以及在该波导之一选择部分上制造一光检测器，其中制造该波导包含沉积一第一披覆材料(cladding material)；在该第一被覆材料上沉积一核心材料，该核心材料系一半导体材料，其特征在于具有一导带和一能阶比导带低之价带；以及在该核心材料上沉积一第二披覆材料，且其中制造该光检测器包含从该第一披覆材料制造一第一导电电极；从该核心材料制造一中间层，其中制造该中间层的步骤包含在该半导体材料之导带和价带间导入深层能态；以及从该第二披覆材料制造一第二导电电极在该中间层上。
33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，该制造中间层的步骤也包含将一共掺质导入该第一次提及之半导体材料中，其功用在于大致填充或大致上使该深层能态空乏或促进该深层能态之光学活化。
34.一种制造光检测器之方法，该方法包含制造一第一导电电极；在该第一导电电极上制造一中间层，该中间层至少包含一半导体材料，其特征在于具有一导带和一能阶比导带低之价带，该制造中间层的步骤也包含将深层能态导入介于导带和价带间之该半导体材料中，以及将一功用在于大致填充或大致上使该深层能态空乏或促进该深层能态之光学活化之共掺质导入该半导体材料中；以及在该中间层上制造一第二电极。
全文摘要
一种光学电路，包含一半导体基材、一形成在该基材内或其上的光波导；以及形成在该半导体基材内或其上的光检测器，其中该光检测器系与该光波导对准，以便在操作期间接收来自该光波导的光学信号，且其中该光检测器具有一第一电极；一第二电极；以及一介于该第一和第二电极间的中间层，该中间层系由半导体材料制成，其特征在于具有一导带、一价带、以及在该导带和价带间导入的深层能态(deep level energy states)。
文档编号G02B6/10GK1795592SQ200480014550
公开日2006年6月28日 申请日期2004年5月28日 优先权日2003年5月29日
发明者劳伦斯C·韦斯特, 托马斯P·皮尔索尔, 弗朗西斯科A·利昂, 斯蒂芬·莫法特 申请人:应用材料股份有限公司