(57)【要約】  本発明によれば、フォトニック・デバイスが、金属シリサイド層を含む少なくとも１つの回路コンポーネントを含む半導体基板と、少なくとも１つの光応答性コンポーネントを含む上にある層とを備える。金属シリサイド層は、回路コンポーネントと光応答性コンポーネントの間に配置されて、光応答性コンポーネントに侵入する光が回路コンポーネント中に入射するのを防止する。シリサイド層は光を反射して光応答性素子中へ戻すのが有利である。さらに、光応答性コンポーネントへの斜めの入射光を減少させるために、上にある層は１つまたは複数の反射層を含んでもよい。有利な実施形態では、基板は、１つまたは複数の絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）および／またはコンデンサを含む単結晶シリコンを備え、光応答性素子はゲルマニウムおよび／またはシリコン上の種結晶からエピタキシャル成長したゲルマニウム合金を備える。金属シリサイド層はＩＧＦＥＴのゲートおよび／またはコンデンサの電極を備えることができる。
2009526406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの回路コンポーネントを含む半導体基板と、
前記基板の上にあって、前記少なくとも１つの回路コンポーネントの上にある少なくとも１つの光応答性コンポーネントを含む層とを備え、
前記回路コンポーネントが、前記光応答性素子を通過する光を前記回路コンポーネントに対して遮断するための金属シリサイド層を備えるフォトニック・デバイス。
【請求項２】
前記少なくとも１つの回路コンポーネントがゲート電極を有する絶縁ゲート電界効果トランジスタを備え、前記ゲート電極が前記金属シリサイド層を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記少なくとも１つの回路コンポーネントが１対の電極を有するコンデンサを備え、少なくとも１つの電極が前記金属シリサイド層を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記半導体基板が単結晶半導体を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記基板の上にある前記層が、前記少なくとも１つの光応答性コンポーネントを含む絶縁層を備える請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記光応答性コンポーネントが半導体を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記光応答性コンポーネントが単結晶半導体を含む請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記光応答性コンポーネントが前記基板とは異なる半導体を含む請求項６に記載のデバイス。
【請求項９】
前記半導体基板が単結晶半導体を含み、前記光応答性コンポーネントが前記半導体基板からエピタキシャルに成長した単結晶半導体を含む請求項６に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記基板が単結晶シリコンを含む請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記光応答性コンポーネントがシリコンを含む請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記光応答性コンポーネントがゲルマニウムを含む請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記光応答性コンポーネントがシリコンおよびゲルマニウムの合金を含む請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記光応答性コンポーネントが、前記半導体基板から成長した第１側面積および厚さのステム領域と、前記ステム領域から成長したより大きな側面積のアイランドとを含み、前記ステム領域の前記側面積および厚さが、実質的に欠陥の無いアイランドを成長するように選択される請求項９に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記金属シリサイド層が前記アイランドの前記側面積より大きい側面積を有する請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記半導体基板が単結晶シリコンを含み、前記ゲートがポリシリコンを含み、前記基板の上にある前記層が、酸化シリコンを含む請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記光応答性素子が単結晶ゲルマニウムを含む請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記基板の上にある前記層が、反射層をさらに含み、前記反射層の一部が、前記ステム領域から実質的に光を排除する請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記反射層が前記ステム領域と実質的に一致する部分を含み、縦方向に前記ステム領域と整合する請求項１８に記載の光検出器。
【請求項２０】
請求項１による光検出器。
【請求項２１】
請求項１による光検出器のリニア・アレイ。
【請求項２２】
請求項１による光検出器の２次元アレイ。
【請求項２３】
請求項１による太陽電池。
【請求項２４】
前記光応答性コンポーネントがフォトダイオードを含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記光応答性コンポーネントがフォトトランジスタを含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記光応答性コンポーネントが感光レジスタを含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記基板の上にある前記層が、反射層を含み、前記反射層と前記シリサイド被覆されたゲートが、前記トランジスタから実質的に光を排除する請求項１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に可視光および赤外光用の光検出器などの半導体フォトニック・デバイスに関する。特には、感度を向上させ、一方迷光も減少させるように構成された半導体２層フォトニック・デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体フォトニック・デバイスは、光をモニタし、分析し、結像することから、太陽放射からエネルギーを生成することにまで及ぶ多岐にわたる用途で大いに役立っている。通常、このようなデバイスは、半導体処理回路と共に集積されるフォトダイオード、フォトトランジスタまたはフォトレジスタなどの半導体光応答性コンポーネントを含む。このようなデバイスは光検出器および太陽電池として使用することができる。
【０００３】
半導体光検出器は可視および赤外の両方の光検出用に広範囲に使用される。これらは、内部光電効果を利用しており、ここでは光子吸収によって半導体中に電子・正孔対が生成され、デバイス内の電気伝導に寄与して、検出器の接点に相当する電流をもたらす。このような検出器は、分光用のリニア・アレイおよび結像用の２次元（２−Ｄ）アレイにおいてもっぱらモニタ用に組み立てられる。
【０００４】
フォトニック・デバイスの組み立てに対する一手法は、トランジスタ、コンデンサなど処理回路に対するコンポーネントと共に、フォトダイオードなどの光応答性コンポーネントを集積することである。
【０００５】
最も一般的には、光応答性コンポーネントと処理コンポーネントが、同じ平面に形成される。変形形態のなかには、処理コンポーネントが半導体基板に形成され、光応答性コンポーネントが基板の上にある層に形成される。このようなデバイスでは、光応答性コンポーネントを堆積または成長するのに必要な時間および条件、金属接点の基板への高さ、および全集積デバイスについての所望の平坦さを含めて、様々な要因によって制限され、光応答性コンポーネントは、限られた厚さを有することになる。その結果、光応答性コンポーネントは、それらに降りそそぐ光の一部だけを吸収でき、光のあるものは、吸収されずにそれらを透過することがある。遮断波長近くの光に対して、光検出器の吸収はかなり弱くできる。例えば、２０％が反射され、１０％が吸収され、７０％が検出器を透過する可能性がある。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／０１２１５０７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光応答性コンポーネントを透過した光は基板の中に侵入することができ、ここで、侵入した光が、半導体回路に（直接または反射後）吸収される場合があって、予期されず、望まれていない電流を引き起こす迷光になる。やはり、光検出器アレイでは、１つの光応答性コンポーネントに斜めの角度で入射する光は、それを通過してアレイ中の他のコンポーネントに至る可能性がある。このような迷光は、分析器に望まれていないクロストークを生じ、また撮像素子では不鮮明にする。したがって、光応答性コンポーネントによって吸収されない光は、以下の３つの問題を生ずる可能性がある。それは光応答性コンポーネントの感度を劣化させる可能性があり、回路中に望まれない電流を生じさせることがあり、さらにクロストークを引き起こすことがある。したがって、感度を向上させ、一方迷光も減少させるように構成されたフォトニック・デバイスが必要である。 
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、フォトニック・デバイスが、金属シリサイド層を含む少なくとも１つの回路コンポーネントを含む半導体基板と、少なくとも１つの光応答性コンポーネントを含む上にある層とを備える。金属シリサイド層は、回路コンポーネントと光応答性コンポーネントの間に配置されて、光応答性コンポーネントに侵入する光が回路コンポーネント中に入射するのを防止する。シリサイド層は光を反射して光応答性素子中へ戻すのが有利である。さらに、光応答性コンポーネントへの斜めの入射光を減少させるために、上にある層は１つまたは複数の反射層を含んでもよい。有利な実施形態では、基板は、１つまたは複数の絶縁ゲート電界効果トランジスタＩＧＦＥＴおよび／またはコンデンサを含む単結晶シリコンを備え、光応答性素子はゲルマニウムおよび／またはシリコン上の種結晶からエピタキシャル成長したゲルマニウム合金を備える。金属シリサイド層はＩＧＦＥＴのゲートおよび／またはコンデンサの電極を備えることができる。
【０００８】
添付の図面に関連して、これから詳細に後述される例示的な実施形態を考慮すると、本発明の利点、本質および様々な追加の特徴が、いっそう十分に明らかになる。
【０００９】
これらの図面は本発明の概念を図示する目的のためであって、原寸に比例しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図面を参照すると、図１Ａおよび１Ｂは、半導体基板３０と、少なくとも１つの半導体光応答性コンポーネント１０を含む絶縁層２０などの上にある層とを備えるフォトニック・デバイス９を概略的に図示している。基板３０は、絶縁ゲート４０の下にあるソースおよびドレイン（図示せず）を含む絶縁ゲート電界効果トランジスタなどの少なくとも１つの回路コンポーネントを含む。
【００１１】
光応答性コンポーネント１０は、トランジスタ絶縁ゲート４０の上にあるのが有利であり、ゲート４０は、コンポーネント１０を通過する光がゲート４０の下にあるトランジスタ領域に侵入するのを防止する層４２を含むのが有利である。層４２が光を反射して、光応答性コンポーネント１０の中へ戻すのも有利である。
【００１２】
好ましい実施形態では、基板３０は単結晶シリコンを含み、ゲートはポリシリコンを含み、ゲート絶縁体は酸化シリコンを含み、層４２は金属シリサイドを含む。絶縁体層２０は酸化シリコンを含んでもよい。光応答性コンポーネント１０は単結晶ゲルマニウムを含むのが好ましい。このゲルマニウムは、シリコン基板３０からエピタキシャルに成長される種結晶ステム１２から成長させることができる。代替的に、光応答性コンポーネントは、多結晶ゲルマニウム、単結晶シリコン、多結晶シリコン、あるいは単結晶または多結晶形態のシリコンおよびゲルマニウムの合金を含んでよい。これは、純粋なシリコンとゲルマニウムの間の全てのＳｉ／Ｇｅ合金を含む。
【００１３】
好ましいデバイスを組み立てる例示的プロセスとして、シリコン基板３０はトランジスタおよび他の所望の回路を形成する通常の方法で処理できる。処理の一部として、ポリシリコン・ゲート４０が形成される。これらのゲートは上面に形成される金属シリサイド層４２を有する。トランジスタのゲートとして使用できるポリシリコン層４０は、他方のプレートがポリシリコンの下の基板であるコンデンサの一方のプレートとしても使用でき、あるいはポリシリコン・プレートは接地されてもよい。
【００１４】
１つまたは複数のトランジスタが形成された後、これらは透明な誘電体層で覆われてよい。結晶または多結晶半導体材料で作製される光応答性コンポーネント１０は、誘電体上または誘電体中に形成されてよい。次いで、誘電体層２０をシリコン基板３０およびトランジスタ・ゲートの上に堆積でき、また平坦化できる。
【００１５】
好ましい実施形態では、光応答性コンポーネントは、テンプレートとして基板のシリコンを用いる種結晶ステム１２からエピタキシャル横方向成長ＥＬＯによって形成されるゲルマニウム・アイランド１０を含む。ＥＬＯ技法を使用して、シリコン基板３０の上面上の絶縁体２０に埋め込まれた高品質のゲルマニウム種結晶ステム１２を形成する。例として、絶縁体２０は単結晶シリコン基板３０の上にある酸化物層として形成されてよい。種結晶ウィンドは、リソグラフィによって酸化物中に画定でき、基板の方へ下にエッチングすることによって開口できる。露出されたシリコン表面は、ゲルマニウム成長に向けて洗浄できる。次いで、ゲルマニウムは、選択的ＣＶＤ成長によって露出されたシリコン上に選択的に成長することができる。この成長は、ゲルマニウムが、成長して種結晶ステム１２を超え、アイランド１０の領域を満たすまで継続すべきである。種結晶ステム１２とアイランド１０は、Ｇｅ／Ｓｉ界面で発生した欠陥がゲルマニウム・アイランド１０に到達する前にステム１２の壁で終結するように形状および寸法を合わせることができる。これは、酸化物マスクの上で、基本的に無欠陥であるゲルマニウム領域を提供する。この技法に関するさらなる詳細は、Ｂｕｄｅ等による米国特許出願公開第２００４／０１２１５０７号に詳述されている。
【００１６】
代替的に、光応答性コンポーネントは、エピタキシャルに成長したシリコン、ポリシリコン、または標準的半導体加工技術を用いて堆積し、パターニングされたポリゲルマニウム材料を含んでよい。光応答性コンポーネントは、周知の技術により加工できて、フォトダイオード、フォトトランジスタまたは感光レジスタを形成する。
【００１７】
光検出器の下のゲート４０／４２は、形状および寸法を合わせて、光応答性コンポーネント１０の下部に完全に重なるのが好ましい。種結晶が使用される場合、ゲートはステムの周囲（例えばドーナツ形）に形状を合わせることができて、種結晶ステムはそこを貫通可能である。
【００１８】
動作では、光は上方から入射する。光が光応答性コンポーネントに吸収されずに、それを透過する場合、金属シリサイド４２は、光がトランジスタ・ゲート中に侵入するのを防ぎ、光を反射して光応答性コンポーネント２０を介して戻すのが有利であり、そこでは光が第２の通路上で吸収される機会を有することになる。したがって、低いレベルの吸収に対して、吸収の確率がほぼ２倍になることになる。高いレベルの吸収に対して、コンポーネント上に入射する実質的に全ての光が吸収されることになる。吸収されない光は基板に到達しない。
【００１９】
図２Ａ（断面図）および２Ｂ（平面図）は、より高いレベルの所の金属を備える図１のデバイスを示す。上層のレベルの誘電体２２に埋め込まれた金属ワイヤ５０が提供されて、光応答性コンポーネントと接触させ、下にある基板への斜めの光を遮断することになる。誘電体２２は、誘電体２０と同じであっても、同じでなくてもよい。レベルで、金属５０より高いレベルの金属５２は、基板に対する光遮蔽として使用できる。この光遮蔽は、斜めの光が基板に到達するのを防止するためにフォトニック・デバイスの上方だけに開口を有することになる。この光遮蔽は、より低い金属が光を反射することになるので、図２Ｂに示したように他の金属層の上方に切れ目を有してよい。ステムから基板の方へ通過するかもしれない光を遮断するために、ステム１２の上にある光遮蔽５２の追加の断片が配置されてよい。
【００２０】
シリサイド被覆されたゲートは、トランジスタが形成されている半導体基板と、光応答性コンポーネントが形成されているより高いレベルの間に挟まれている。コンポーネントを通過する光を遮断することによって、それは、透過した光が基板に到達し、望まれない電流を回路に誘起させるのを防ぎ、したがって光遮蔽として働く。これは、光を反射して、光応答性コンポーネントの中へ戻すこともできる。
【００２１】
図３は本発明による代替的フォトニック・デバイスを図示しており、回路コンポーネントは光応答性コンポーネント１０の下にあるコンデンサである。コンデンサはポリシリコン電極４０、基板電極３０および間に入る絶縁体層２０Ａからなる。ポリシリコン電極４０は、金属シリサイド層４２で覆われて、上にある光応答性コンポーネント１０を通過する光を、下にあるコンデンサ領域に対して遮断する。金属シリサイド層４２は光応答性コンポーネントより周辺で大きいことが有利である。より高い金属の層５０、５２が、斜めの光をデバイスに対して遮断するように構成するのは有利である。
【００２２】
今では、広範な一態様において、本発明は少なくとも１つの回路コンポーネントを含む半導体基板を備えるフォトニック・デバイスであると理解できる。基板の上にあるのは、回路コンポーネントと重なる少なくとも１つの光応答性コンポーネントを備える層である。回路コンポーネントは、光応答性コンポーネントを通過する光を回路コンポーネントに対して遮断するように位置決めされた金属シリサイド層を備える。金属シリサイドは、光を反射して光応答性コンポーネント中へ戻すのが有利である。半導体基板は、単結晶であるのが有利であり、シリコンであるのが好ましい。回路コンポーネントは、ＩＧＦＥＴまたはコンデンサであるのが有利である。基板の上にある層は酸化シリコンなどの絶縁層であるのが有利であり、光応答性コンポーネントはゲルマニウムなどの半導体を含むことが有利である。金属シリサイド層はＩＧＦＥＴのゲートおよび／またはコンデンサの電極の部分であってよい。
【００２３】
光応答性コンポーネントは半導体基板にエピタキシャルであるのが好ましい。このコンポーネントは、基板からエピタキシャルに成長した第１側面積および厚さのステム領域と、ステム領域からエピタキシャルに成長したより大きな側面積のアイランド領域とを含んでよい。ステム領域の面積および縦方向厚さは、基板界面から生じる転位欠陥が実質的に無いアイランド領域を成長させるように選択されてよい。
【００２４】
有利な実施形態では、光応答性コンポーネントより周辺で大きい金属シリサイドは、下にある部分の回路コンポーネントを覆って、迷光を下にある部分に対して遮断する。
【００２５】
このような光検出器は、光のモニタに関しては個別に利用でき、あるいは複数のこのような光検出器は、分光に関しては１次元（リニア）アレイで、また結像に関しては２次元で配置することができる。
【００２６】
金属などの反射層は、基板の上にある層に配置して、パターニングすることができる。反射層は、金属シリサイドと組み合わせて光を基板中の回路コンポーネントから実質的に排除するように構成することができる。光応答性コンポーネントがステムを含む場合は、反射層の領域を縦方向にステム領域と整合させることができる。
【００２７】
前述の実施形態は、本発明の適用例を示し得る多くの可能な実施形態のほんの僅かだけの例示であることを理解されたい。本発明の趣旨と範囲を逸脱せずに、多くの、修正された他の配置を当業者には実行できる。
【００２８】
付録の参考文献
著者：Ｇ．マシーニ、Ｌ．コレイス、Ｇ．アッサント、Ｈ．−Ｃ．ルアン、およびＬ．Ｃ．キマーリング、名称「近赤外用の高性能ｐ−ｉ−ｎゲルマニウム・オン・シリコン光検出器、モデルから実証まで」、米国電気電子学会トランザクション電子デバイス、４８巻、第６号、１０９２頁、２００１年、
著者、Ｊ．オー、Ｊ．Ｃ．キャンベル、Ｓ．Ｇ．トーマス、Ｂ．バラタン、Ｒ．トーマ、Ｃ．ジャスパー、Ｒ．Ｅ．ジョーンズ、およびＴ．Ｅ．ザークル、名称「グレーデッドＳｉＧｅバッファー層を用いてＳｉ基板上に組み立てた相互デジタル化したＧｅ・ｐ−ｉ−ｎ光検出器」、米国電気電子学会量子エレクトロニクス誌、３８巻、第９号、１２３８頁、２００２年、
ＧＰＤ（ゲルマニウム光検出器データ・シート）、デバイスＧＭ８ＶＨＲ
ジャドソン・テクノロジーズのゲルマニウム光検出器データ・シートＰＢ１６００
著者、Ｈ．シャング、Ｈ．オコーン−シュミット、Ｋ．Ｋ．チャン、Ｍ．コペル、Ｊ．オット、Ｐ．Ｍ．コズロウスキー、Ｓ．Ｅ．スティーン、Ｓ．Ａ．コーデス、Ｈ．−Ｓ．Ｐ．ワン、Ｅ．Ｃ．ジョーンズおよびＷ．Ｅ．ハーンシュ、名称「薄いＧｅオキシナイトライド・ゲート誘電体を有する高移動度ｐチャンネルＧｅ．ＭＯＳＦＥＴ」、国際電子デバイス会議（ＩＥＤＭ）技術ダイジェスト、２００２年、４４１〜４４４頁、
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】本発明による第１の例示的フォトニック・デバイスのそれぞれ断面図および平面図である。
【図１Ｂ】本発明による第１の例示的フォトニック・デバイスのそれぞれ断面図および平面図である。
【図２Ａ】より高い金属の層を含む図１のデバイスの断面図および平面図である。
【図２Ｂ】より高い金属の層を含む図１のデバイスの断面図および平面図である。
【図３】本発明による代替的フォトニック・デバイスの断面図である。
【図１Ａ】
2009526406.tif 000003
【図１Ｂ】
2009526406.tif 000004
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【国際調査報告】
2009526406.tif 000008
2009526406.tif 000009