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CN115084303B - 半导体结构及其形成方法 - Google Patents

半导体结构及其形成方法 Download PDF

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CN115084303B
CN115084303B CN202110259534.6A CN202110259534A CN115084303B CN 115084303 B CN115084303 B CN 115084303B CN 202110259534 A CN202110259534 A CN 202110259534A CN 115084303 B CN115084303 B CN 115084303B
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张冬生
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Abstract

一种半导体结构及其形成方法，其中，半导体结构包括：衬底，所述衬底内具有相互分立的第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区内具有第一离子，所述第二掺杂区内具有第二离子，所述第一离子和所述第二离子的电学类型不同；位于所述衬底上的第一隔离层；位于所述第一隔离层和所述衬底内的第一开口，所述第一开口暴露出部分所述第一掺杂区和部分所述第二掺杂区；位于所述第一开口内的光吸收层；位于所述光吸收层的顶部表面的保护层。通过位于所述光吸收层的顶部表面上的保护层，能够有效防止所述光吸收层被氧化，降低了氧化物对所述光吸收层内部晶体结构的破坏，进而有效提升了最终形成的半导体结构的电学性能。

Description

半导体结构及其形成方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种半导体结构及其形成方法。
背景技术
在半导体光电探测器中，光电探测器暴露于光源时经由探测材料吸收光能并转换成电子信号而输出电流，可通过此用于光通讯及光探测。
作为硅基光电集成技术中的重要代表之一的硅基锗光电探测器，经过几十年的发展，在结构上不断优化，性能进一步提高。根据其光的入射角度，光电探测器可分为垂直入射(自由空间)和边入射(波导集成)这两种类型。其中波导集成的光电探测器由于光的传播和吸收沿着波导方向，而载流子输运则沿着与之相垂直的方向，因此在保持吸收区厚度不变的前提下，可以通过增大吸收长度来提高器件的响应度。
然而，现有技术中的硅基锗光电探测器的可靠性较差。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种半导体结构及其形成方法，能够有效提升半导体结构的电学性能。
为解决上述问题，本发明提供一种半导体结构，包括：衬底，所述衬底内具有相互分立的第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区内具有第一离子，所述第二掺杂区内具有第二离子，所述第一离子和所述第二离子的电学类型不同；位于所述衬底上的第一隔离层；位于所述第一隔离层和所述衬底内的第一开口，所述第一开口暴露出部分所述第一掺杂区和部分所述第二掺杂区；位于所述第一开口内的光吸收层；位于所述光吸收层的顶部表面的保护层。
可选的，所述光吸收层的材料包括：锗。
可选的，所述保护层的材料包括：多晶硅。
可选的，所述第一离子包括N型离子或P型离子；所述第二离子包括P型离子或N型离子。
可选的，还包括：位于所述第一隔离层上形成第二隔离层，所述第二隔离层覆盖所述光吸收层和所述保护层。
可选的，还包括：位于所述第二隔离层内的进光口，所述进光口位于所述光吸收层上。
可选的，所述第一隔离层的材料包括：氧化硅。
可选的，所述第二隔离层的材料包括：氧化硅。
相应的，本发明还提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底内具有相互分立第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区内具有第一离子，所述第二掺杂区内具有第二离子，所述第一离子和所述第二离子的电学类型不同；在所述衬底上形成第一隔离层；在所述第一隔离层和所述衬底内形成第一开口，所述第一开口暴露出部分所述第一掺杂区和部分所述第二掺杂区；在所述第一开口内形成光吸收层；在所述光吸收层的顶部表面形成保护层。
可选的，所述光吸收层的材料包括：锗。
可选的，在所述第一开口内形成所述光吸收层的方法包括：采用外延生长工艺在所述第一开口内形成所述光吸收层。
可选的，所述保护层的材料包括：多晶硅。
可选的，在所述光吸收层的顶部表面形成保护层的方法包括：采用多晶硅选择性生长工艺在所述光吸收层的顶部表面形成保护层。
可选的，所述多晶硅选择性生长工艺的生长气体包括：SiH2Cl2、H2以及HCl。
可选的，所述衬底的形成方法包括：提供初始衬底；在所述初始衬底上形成第一图形化层，所述第一图形化层暴露出部分所述初始衬底的顶部表面，对所述初始衬底进行第一离子的注入处理，形成所述第一掺杂区；在形成所述第一掺杂区之后，去除所述第一图形化层，在所述初始衬底上第二图形化层，所述第二图形化层暴露出部分所述初始衬底的顶部表面；对所述初始衬底进行第二离子的注入处理，形成所述第二掺杂区和所述衬底。
可选的，所述第一离子包括N型离子或P型离子；所述第二离子包括P型离子或N型离子。
可选的，在形成所述保护层之后，还包括：在所述第一隔离层上形成第二隔离层，所述第二隔离层覆盖所述光吸收层和所述保护层。
可选的，在形成是第二隔离层之后，还包括：在所述第二隔离层内形成进光口，所述进光口位于所述光吸收层上。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明的技术方案的结构中，通过位于所述光吸收层的顶部表面上的保护层，能够有效防止所述光吸收层被氧化，降低了氧化物对所述光吸收层内部晶体结构的破坏，进而有效提升了最终形成的半导体结构的电学性能。
本发明的技术方案的形成方法中，通过在所述光吸收层的顶部表面形成保护层，能够有效防止所述光吸收层被氧化，降低了氧化物对所述光吸收层内部晶体结构的破坏，进而有效提升了最终形成的半导体结构的电学性能。
进一步，在所述光吸收层的顶部表面形成保护层的方法包括：采用多晶硅选择性生长工艺在所述光吸收层的顶部表面形成保护层。通过所述多晶硅选择性生长工艺使得所述保护层仅形成在所述光吸收层的顶部表面。当所述第一隔离层上也形成的多晶硅材料的保护层时，会将入射的光量进行分散吸收，进而会影响到所述光吸收层的光吸收量，进而降低最终形成的半导体结构的性能。因此，通过仅在所述光吸收层上形成所述保护层，能够提升所述光吸收层的光吸收率，进而提升最终形成的半导体结构的性能。
另外，采用多晶硅选择性生长工艺在所述光吸收层的顶部表面形成保护层，能够采用一次工艺完成需求，有效提升了制程效率。
附图说明
图1是一种半导体结构示意图；
图2是另一种半导体结构示意图。
图3至图9是本发明实施例中半导体结构形成方法各步骤结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，现有技术中的硅基锗光电探测器的可靠性较差。以下将结合附图进行具体说明。
请参考图1，提供衬底100，所述衬底100内具有相互分立的第一掺杂区101和第二掺杂区102，所述第一掺杂区101内具有第一离子，所述第二掺杂区102内具有第二离子，所述第一离子和所述第二离子的电学类型不同；在所述衬底100上形成第一隔离层103；在所述第一隔离层103和所述衬底100内形成光吸收层104，所述光吸收层104还位于所述第一掺杂区101和所述第二掺杂区102之间。
在本实施例中，所述光吸收层104的材料锗，所述光吸收层104在有光照的情况下会产生光电效应，进而分离出自由电子。当在所述第一掺杂区101和所述第二掺杂区102上加载反向电压时，则可以检测出由自由电子所产生的电流。
所述光吸收层104作为锗光电探测器的重要组成部分，其晶体质量决定了锗光电探测器工作性能好坏。然而，在本实施例中，在形成所述光吸收层104之后到后续在光吸收层104上沉积第二隔离层(未图示)之间存在时间间隔，所述光吸收层104的表面在这段时间内会因长时间接触空气被氧化，形成氧化层105，所述氧化层105会延伸至所述光吸收层104内部破坏所述光吸收层104的晶体结构，进而影响锗光电探测器的性能。
为了解决上述存在的问题，现有的改善所述光吸收层104被氧化的方法是通过化学机械研磨(Chemical Mechanical Polish CMP)的方式将表面的氧化层磨除，相应的在形成所述光吸收层时会沉积厚一些，以搭配化学机械研磨达到目标厚度。
然而，现有的化学机械研磨解决方案有如下问题：
在处理所述光吸收层104的过程中，化学机械研磨的均匀性会严重影响所述光吸收层104的厚度；当所述光吸收层104厚度要求很薄时，锗光电探测器的带宽以及响应度与所述光吸收层104的厚度强相关，而化学机械研磨难以达到所述光吸收层104厚度所要求的的精确度。
采用化学机械研磨的方式局限于所述光吸收层104的位置以及形貌，当所述光吸收层104在如图2所示的位置时，则无法通过化学机械研磨的方式将所述光吸收层104的表面氧化层去除的同时不影响其他的膜层。
在此基础上，本发明提供一种半导体结构及其形成方法，通过在所述光吸收层的顶部表面形成保护层，能够有效防止所述光吸收层被氧化，降低了氧化物对所述光吸收层内部晶体结构的破坏，进而有效提升了最终形成的半导体结构的电学性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细地说明。
图3至图9是本发明实施例的一种半导体结构的形成过程的结构示意图。
请参考图3，提供衬底200，所述衬底200内具有相互分立第一掺杂区201和第二掺杂区202，所述第一掺杂区201内具有第一离子，所述第二掺杂区202内具有第二离子，所述第一离子和所述第二离子的电学类型不同。
在本实施例中，所述衬底200的形成方法包括：提供初始衬底(未图示)；在所述初始衬底上形成第一图形化层(未图示)，所述第一图形化层暴露出部分所述初始衬底的顶部表面，对所述初始衬底进行第一离子的注入处理，形成所述第一掺杂区201；在形成所述第一掺杂区201之后，去除所述第一图形化层，在所述初始衬底上第二图形化层(未图示)，所述第二图形化层暴露出部分所述初始衬底的顶部表面；对所述初始衬底进行第二离子的注入处理，形成所述第二掺杂区202和所述衬底200。
在本实施例中，所述衬底200的材料为硅；在其他实施例中，所述衬底的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。
在本实施例中，所述第一离子采用N型离子，所述第二离子采用P型离子；在其他实施例中，所述第一离子还可以采用P型离子，所述第二离子采用N型离子。
在本实施例中，通过形成所述第一掺杂区201和所述第二掺杂区202，使得所述第一掺杂区201和所述第二掺杂区202形成一个PN结，在后续通过在所述PN结上加载反向电压，则可以检测出由光吸收层分离出的自由电子所产生的电流。
请参考图4，在所述衬底200上形成第一隔离层203。
在本实施例中，所述第一隔离层203的形成工艺包括化学气相沉积工艺。
在本实施例中，所述第一隔离层203的材料采用氧化硅。
请参考图5，在所述第一隔离层203和所述衬底200内形成第一开口204，所述第一开口204暴露出部分所述第一掺杂区201和部分所述第二掺杂区202。
在本实施例中，所述第一开口204的形成方法包括：在所述第一隔离层203上形成第三图形化层(未图示)，所述第三图形化层暴露出部分所述第一隔离层203的顶部表面；以所述第三图形化层为掩膜刻蚀所述第一隔离层203和所述衬底200，形成所述第一开口204。
在本实施例中，刻蚀所述第一隔离层203和所述衬底200的工艺采用湿法刻蚀工艺。在本实施例中，刻蚀所述第一隔离层和所述衬底的工艺还可以采用干法刻蚀工艺。
请参考图6，在所述第一开口204内形成光吸收层205。
在本实施例中，所述光吸收层205的材料采用锗。
在本实施例中，在所述第一开口204内形成光吸收层205的方法包括：采用外延生长工艺在所述第一开口204内形成所述光吸收层205。
在本实施例中，所述光吸收层205的材料锗，所述光吸收层205作为锗光电探测器的重要组成部分，在有光照的情况下，所述光吸收层205会产生光电效应的转化，进而分离出自由电子。此时在所述第一掺杂区201和所述第二掺杂区202上加载反向电压，则可以检测出由所述光吸收层205分离出的自由电子所产生的电流，以此实现光探测的效果。
请参考图7，在所述光吸收层205的顶部表面形成保护层206。
在本实施例中，所述保护层206的材料采用多晶硅。通过在所述光吸收层205的顶部表面形成保护层206，多晶硅材料的保护层206不会向内延伸破坏所述光吸收层205的晶体结构，而且所述保护层206能够有效防止所述光吸收层205被氧化，降低了氧化物对所述光吸收层205内部晶体结构的破坏，进而有效提升了最终形成的半导体结构的电学性能。
在所述光吸收层205的顶部表面形成保护层206的方法包括：采用多晶硅选择性生长工艺在所述光吸收层205的顶部表面形成保护层206。
在本实施例中，所述多晶硅选择性生长工艺的生长气体包括：SiH2Cl2、H2以及HCl。其中，SiH2Cl2气体(二氯二氢硅)为形成所述保护层206的主要成分，H2气体则负责SiH2Cl2气体的分解与沉积。由于所述光吸收层205的材料采用锗，所述第一隔离层203的材料为氧化硅，根据SiH2Cl2气体的特性，SiH2Cl2气体在锗材料表面的沉积速度大于在氧化硅材料表面的沉积速度。由于生长气体中还具有HCl气体，在SiH2Cl2气体沉积的过程中，HCl气体会将氧化硅上沉积的少量多晶硅刻蚀掉，使得最终仅在所述光吸收层205表面形成所述保护层206。
通过所述多晶硅选择性生长工艺使得所述保护层206仅形成在所述光吸收层205的顶部表面。当所述第一隔离层203上也形成的多晶硅材料的保护层206时，会将入射的光量进行分散吸收，进而会影响到所述光吸收层205的光吸收量，进而降低最终形成的半导体结构的性能。因此，通过仅在所述光吸收层205上形成所述保护层206，能够提升所述光吸收层205的光吸收率，进而提升最终形成的半导体结构的性能。
另外，采用多晶硅选择性生长工艺在所述光吸收层205的顶部表面形成保护层206，能够采用一次工艺完成需求，有效提升了制程效率。
请参考图8，在形成所述保护层206之后，在所述第一隔离层203上形成第二隔离层207，所述第二隔离层207覆盖所述光吸收层205和所述保护层206。
在本实施例中，所述第二隔离层207的形成工艺采用化学气相沉积工艺。
由于在高温或是高密度等离子体的环境下会损伤所述光吸收层205的晶体结构。因此，在本实施例中，不可以采用填充性更好的高温炉管工艺以及高密度等离子体(HighDensity Plasma HDP)化学气相淀积工艺形成所述第二隔离层207，而是采用低温的化学气相沉积工艺。
在本实施例中，所述化学气相沉积工艺的温度小于400摄氏度。
在本实施例中，所述第二隔离层207的材料采用氧化硅。
请参考图9，在形成是第二隔离层207之后，在所述第二隔离层207内形成进光口208，所述进光口208位于所述光吸收层205上。
在本实施例中，通过在所述第二隔离层内形成所述进光口208，能够提升所述光吸收层205的光感灵敏度，进而提升最终的锗光电探测器的电学性能。
在本实施例中，所述进光口208的形成方法包括：在所述第二隔离层207上形成第四图形化层(未图示)，所述第四图形化层暴露出部分所述第二隔离层207的顶部表面；以所述第四图形化层为掩膜刻蚀所述第二隔离层207，形成所述进光口208。
相应的，本发明的实施例中还提供了一种半导体结构，请继续参考图9，包括：衬底，所述衬底200内具有相互分立的第一掺杂区201和第二掺杂区202，所述第一掺杂区201内具有第一离子，所述第二掺杂区202内具有第二离子，所述第一离子和所述第二离子的电学类型不同；位于所述衬底200上的第一隔离层203；位于所述第一隔离层203和所述衬底200内的第一开口204，所述第一开口204暴露出部分所述第一掺杂区201和部分所述第二掺杂区202；位于所述第一开口204内的光吸收层205；位于所述光吸收层205的顶部表面的保护层206。
在本实施例中，通过位于所述光吸收层205的顶部表面上的保护层206，能够有效防止所述光吸收层205被氧化，降低了氧化物对所述光吸收层205内部晶体结构的破坏，进而有效提升了最终形成的半导体结构的电学性能。
在本实施例中，所述光吸收层205的材料采用锗。
在本实施例中，所述保护层206的材料采用多晶硅。
在本实施例中，所述第一离子采用N型离子，所述第二离子采用P型离子；在其他实施例中，所述第一离子还可以采用P型离子，所述第二离子采用N型离子。
在本实施例中，还包括：位于所述第一隔离层203上形成第二隔离层207，所述第二隔离层207覆盖所述光吸收层205和所述保护层206。
在本实施例中，还包括：位于所述第二隔离层207内的进光口208，所述进光口208位于所述光吸收层205上。
在本实施例中，通过在所述第二隔离层207内形成所述进光口208，能够提升所述光吸收层205的光感灵敏度，进而提升最终的锗光电探测器的电学性能。
在本实施例中，所述第一隔离层203的材料采用氧化硅。
在本实施例中，所述第二隔离层207的材料采用氧化硅。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (14)

1.一种半导体结构，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底内具有相互分立的第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区内具有第一离子，所述第二掺杂区内具有第二离子，所述第一离子和所述第二离子的电学类型不同；
位于所述衬底上的第一隔离层；
位于所述第一隔离层和所述衬底内的第一开口，所述第一开口暴露出部分所述第一掺杂区和部分所述第二掺杂区；
位于所述第一开口内的光吸收层；
位于所述光吸收层的顶部表面的保护层，所述保护层能够防止所述光吸收层被氧化；
位于所述第一隔离层上的第二隔离层，所述第二隔离层覆盖所述光吸收层和所述保护层；
位于所述第二隔离层内的进光口，所述进光口位于所述光吸收层上。
2.如权利要求1所述半导体结构，其特征在于，所述光吸收层的材料包括：锗。
3.如权利要求1所述半导体结构，其特征在于，所述保护层的材料包括：多晶硅。
4.如权利要求1所述半导体结构，其特征在于，所述第一离子包括N型离子或P型离子；所述第二离子包括P型离子或N型离子。
5.如权利要求1所述半导体结构，其特征在于，所述第一隔离层的材料包括：氧化硅。
6.如权利要求1所述半导体结构，其特征在于，所述第二隔离层的材料包括：氧化硅。
7.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底内具有相互分立第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区内具有第一离子，所述第二掺杂区内具有第二离子，所述第一离子和所述第二离子的电学类型不同；
在所述衬底上形成第一隔离层；
在所述第一隔离层和所述衬底内形成第一开口，所述第一开口暴露出部分所述第一掺杂区和部分所述第二掺杂区；
在所述第一开口内形成光吸收层；
在所述光吸收层的顶部表面形成保护层，所述保护层能够防止所述光吸收层被氧化；
在形成所述保护层之后，在所述第一隔离层上形成第二隔离层，所述第二隔离层覆盖所述光吸收层和所述保护层；
在形成所述第二隔离层之后，在所述第二隔离层内形成进光口，所述进光口位于所述光吸收层上。
8.如权利要求7所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述光吸收层的材料包括：锗。
9.如权利要求7所述半导体结构的形成方法，其特征在于，在所述第一开口内形成所述光吸收层的方法包括：采用外延生长工艺在所述第一开口内形成所述光吸收层。
10.如权利要求7所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述保护层的材料包括：多晶硅。
11.如权利要求10所述半导体结构的形成方法，其特征在于，在所述光吸收层的顶部表面形成保护层的方法包括：采用多晶硅选择性生长工艺在所述光吸收层的顶部表面形成保护层。
12.如权利要求11所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述多晶硅选择性生长工艺的生长气体包括：SiH2Cl2、H2以及HCl。
13.如权利要求7所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述衬底的形成方法包括：提供初始衬底；在所述初始衬底上形成第一图形化层，所述第一图形化层暴露出部分所述初始衬底的顶部表面，对所述初始衬底进行第一离子的注入处理，形成所述第一掺杂区；在形成所述第一掺杂区之后，去除所述第一图形化层，在所述初始衬底上形成第二图形化层，所述第二图形化层暴露出部分所述初始衬底的顶部表面；对所述初始衬底进行第二离子的注入处理，形成所述第二掺杂区和所述衬底。
14.如权利要求7所述半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第一离子包括N型离子或P型离子；所述第二离子包括P型离子或N型离子。
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