CN102544275A - 具有悬浮膜结构的应变锗器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有悬浮膜结构的应变锗器件的制备方法，涉及半导体光电子领域，包括步骤：提供绝缘体上的含锗材料衬底；图形化支撑衬底层以形成图形窗口，所述图形窗口贯穿支撑衬底层；腐蚀去除所述牺牲层，直至所述图形窗口对应的顶层含锗层悬空以形成悬浮膜；对悬浮膜的任意位置施加外力。本发明还提供一种应变锗器件，依次包括支撑衬底、牺牲层和顶层含锗层，所述顶层含锗层中包含一悬浮膜，以及所述支撑衬底、牺牲层与悬浮膜位置相对应的部分都被腐蚀去除，以使悬浮膜悬空，所述悬浮膜结构的任意位置被施加外力而产生张应变。本发明的优点在于既能够兼容CMOS工艺，又能通过改变气压差调节锗薄膜材料的带隙结构，加工简单、方便。

Description

具有悬浮膜结构的应变锗器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子领域，尤其涉及一种锗材料向直接带隙转变的实现方法。

背景技术

目前，基于硅光子技术的光互连技术被认为是解决极大规模集成电路持续发展所面临的互连瓶颈的理想方案。经过Intel、IBM等半导体巨头的不懈努力，硅光子技术的诸多关键器件得以在集成电路平台上实现，包括高速硅光调制器、探测器和波导元件都得到了突破。然而由于硅是间接带隙材料导致难以实现直接发光，故片上光源没有得到实现，这是硅光子技术一直以来所面临的最大难题。

III-V族与硅混合集成是比较有效的实现光源和无源器件结合的方案，但是III-V族材料存在与硅加工平台不兼容，特别是与CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）标准工艺平台不兼容，存在III-V族器件性能降低和加工成本高的问题。为实现硅材料自身的发光，有多种技术方案被提出来，包括采用硅纳米团簇、多孔硅、掺铒等手段，以上办法也都受限于发光效率低或者发光性能不稳定等因素，距离实用的片上光源仍有很大的差距。

锗材料是一种能够与集成电路工艺兼容的材料，基于锗材料的高迁移率晶体管已经在深亚微米集成电路技术中得到了广泛的应用，而基于锗和锗硅材料的光电探测器和光调制器同样也得以在CMOS标准工艺平台上得到了实现。锗同硅一样，也是间接带隙的半导体材料，然而锗材料能够通过引入张应变实现向直接带隙的转变，研究表明大于2%的张应变就能够使锗材料转变成完全直接带隙材料，然而此时的带隙对应的发光波长已经得到几个微米的量级，偏离了1.55μm的通信窗口。当引入适量的张应变使带隙发生转变，而且将波长控制在通信波段时，带隙不足以实现完全直接带隙，此时需要采用N型重掺杂提高直接带隙的电子能带填充率，从而提高锗材料的发光特性。

锗的能带调制被认为是最有可能实现片上激光的技术。如果能够在锗上实现CMOS兼容的片上激光，就能够实现完全的片上光互连，以光子而不是电子作为媒介在芯片之间和设备之间传输数据，既能发挥光互连速度快、带宽大、无干扰、密度高，功耗低等优点，同时又能充分利用微电子工艺成熟，高密度集成，高成品率，成本低廉等特点，基于锗材料的片上激光将推动新一代高性能计算机，光通信设施和消费类电子产品的发展，具有广阔的应用和市场前景。

目前制备发光的锗材料所采用的一般方法是CVD（化学气相沉积）生长的办法。在硅或者SOI（绝缘体上的硅）上热生长一层薄层的硅，然后再生长锗，利用两者的热膨胀系数差异，在冷却后自然产生张应变。这种方法能够在材料生长阶段就引入张应变，但是存在晶格失配，且应变大小不能任意调节等局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有悬浮膜结构的应变锗器件的制备方法，包括步骤：

a）、提供绝缘体上的含锗材料衬底，包括支撑衬底层、牺牲层和顶层含锗层；

b）、图形化支撑衬底层以形成图形窗口，所述图形窗口贯穿支撑衬底层，并暴露出牺牲层；

c）、腐蚀去除所述牺牲层，直至所述图形窗口对应的顶层含锗层悬空以形成悬浮膜；

d）、对悬浮膜的任意位置施加外力，使其产生张应变。

所述步骤c进一步是：通过所述图形窗口采用各向同性的选择性腐蚀工艺腐蚀牺牲层，直至悬浮膜悬空。

所述步骤a与步骤b之间进一步包括步骤：在所述顶层含锗层中注入N型杂质并采用快速退火工艺实施退火。

所述N型杂质为磷、砷、氮中任意一种，注入剂量的范围为1×10¹⁵ cm^-2至5×10¹⁷cm^-2；所述快速退火工艺的退火温度范围为600℃至1000℃，退火时间范围为20秒至180秒。

所述外力为静电力、气压力与机械力中任意一个。

所述牺牲层为二氧化硅层。

为解决上述问题，本发明还提供了一种利用如上述的方法制备的应变锗器件，依次包括支撑衬底、牺牲层和顶层含锗层，所述顶层含锗层中包含一悬浮膜，所述牺牲层与悬浮膜位置相对应的部分被腐蚀去除，以及所述支撑衬底与悬浮膜位置相对应的部分被腐蚀去除，以使悬浮膜悬空，所述悬浮膜结构的任意位置被施加外力而产生张应变。

进一步所述支撑衬底中与悬浮膜对应的位置具有贯孔。

所述外力为静电力、气压力与机械力中任意一个。

本发明的优点在于，针对现有技术中采用外延生长来产生张应力以实现直接带隙转变的方法中具有在波长方面的局限性，而只能针对特定的波长，提出一种具有悬浮膜结构的应变锗器件制备方法。本发明提供一种具有悬浮膜结构的应变锗器件制备方法既能够兼容CMOS工艺，又能通过改变气压差调节锗薄膜材料的带隙结构，加工简单、方便，在近红外到中红外波段都能够提高锗材料的发光增益，为实现片上光源甚至激光光源提供基础材料，由于悬浮膜结构上所施加的气压差可调，故具有调谐发光波长的功能。

附图说明

图1是本发明提供的一种具有悬浮膜结构的应变锗器件的制备方法实施例一的步骤流程图；

图2A至2D是本发明提供的一种具有悬浮膜结构的应变锗器件的制备方法实施例一的加工流程图；

图3是本发明提供的一种具有悬浮膜结构的应变锗器件实施例二的器件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种具有悬浮膜结构的应变锗器件的制备方法的具体实施方式做详细说明。

实施例一

图1所示为本发明提供的一种具有悬浮膜结构的应变锗器件的制备方法实施例一的步骤流程图。

本实施例提供一种具有悬浮膜结构的应变锗器件的制备方法，包括：步骤101，提供绝缘体上的含锗材料衬底；步骤102，图形化支撑衬底层以形成图形窗口； 步骤103，腐蚀去除所述牺牲层；步骤104，对悬浮膜的任意位置施加外力。

图2A至2D所示为本发明提供的一种具有悬浮膜结构的应变锗器件的制备方法实施例一的加工流程图。

图2A所示为本实施例步骤101的加工示意图。所述绝缘体上的含锗材料衬底包括支撑衬底层200、牺牲层201和顶层含锗层202，所述牺牲层201为二氧化硅层。所述绝缘体上的含锗材料衬底为绝缘体上的锗材料衬底或绝缘体上的锗硅材料衬底。本实施方式中，所述绝缘体上的含锗材料衬底选取绝缘体上锗材料衬底，支撑衬底层200的厚度为500μm，牺牲层201的厚度为3μm以及顶层含锗层202的厚度为2μm。所述牺牲层201为二氧化硅层。

图2B所示为本实施例步骤102的加工示意图。本实施例中所述图形窗口203是采用反应离子束刻蚀的方法所开。所述图形窗口203的尺寸为100μm×100μm，刻蚀深度为所述支撑衬底层200的厚度，即为500μm。虽然本实施例中采用深反应离子束刻蚀开所述图形窗口203，但是本发明不限于此，还可采用湿法腐蚀的方法，诸如氢氧化钾溶液腐蚀、氢氧化钠溶液腐蚀、氢氟酸溶液腐蚀中任意一种方法。步骤102过程中牺牲层201中的二氧化硅将起到腐蚀阻挡的作用。

作为可选的实施方式，在步骤101与步骤102之间还可以包括步骤：在所述顶层含锗层202中注入N型杂质并采用快速退火工艺实施退火。所述N型杂质为磷、砷、氮中任意一种，且为重掺杂，注入剂量的范围为1×10¹⁵ cm^-2至5×10¹⁷cm^-2；所述快速退火工艺的退火温度范围为600℃至1000℃，退火时间范围为20秒至180秒。其中，在顶层含锗层202中进行N型重掺杂，以提高电子在锗的直接带隙的占有率；快速退火工艺可降低缺陷密度。在本实施例中，N型杂质选取磷，采用注入剂量为1×10¹⁶ cm^-2，退火温度设定为800℃，退火时间设定为30秒。

图2C所示为本实施例步骤103的加工示意图。采用采用各向同性的选择性腐蚀工艺腐蚀牺牲层201中与图形窗口203所对应的部分，本实施例中采用反应离子束刻蚀的方法腐蚀掉所述图形窗口203对应的牺牲层部分，直至显露出顶层含锗层202，图形窗口203正上方的顶层含锗层202部分为悬浮膜结构。

图2D所示为本实施例步骤104的加工示意图。所述外力为静电力、气压力与机械力中任意一个。

所述机械力可以通过在悬浮膜任意位置施加机械力实现，例如直接运用探针点压悬浮膜表面；而静电力可以通过在悬浮膜上施加一电压从而带正电荷或负电荷，再利用一带有正电荷或负电荷的装置接近或远离悬浮膜，从而产生张应变；而气压力可以通过在悬浮膜的两侧产生气压差从而使得悬浮膜产生张应变。

本实施方式中采用气压力。在所述图形窗口203正上方的顶层含锗层202正反两面改变气压差，使得所述图形窗口203正上方的顶层含锗层202产生张应变，即所述悬浮膜结构产生张应变。当所述图形窗口203正上方的顶层含锗层202正反两面的气压差达到3×10⁴Pa时，所述悬浮膜结构的张应变的值为0.25%，对应的悬浮膜结构的锗材料所对应的能带实现了向直接带隙的转变，对应的发光波长转移到了1.55μm。当所述张应变的值超过2%时，所述悬浮膜结构中的材料转变成直接带隙材料，即所述具有悬浮膜结构的锗材料转变成直接带隙材料。

实施例二

图3是本发明提供的一种具有悬浮膜结构的应变锗器件实施例二的器件结构示意图。

本实施例中提供一种应变锗器件，依次包括支撑衬底300、牺牲层301和顶层含锗层302，所述顶层含锗层302中包含悬浮膜，所述支撑衬底302与悬浮膜位置相对应的部分被腐蚀去除以形成图形窗口303，以及所述牺牲层301与悬浮膜位置相对应的部分被腐蚀去除，以使悬浮膜悬空，所述悬浮膜结构的任意位置被施加外力而产生张应变。

本实施方式中，所述含锗材料衬底选取绝缘体上锗硅材料衬底，支撑衬底层300的厚度为500μm，牺牲层301的厚度为3μm以及顶层含锗层302的厚度为2μm，所述悬浮膜的尺寸为100μm×100μm。

所述悬浮膜底下悬空部分是通过所述图形窗口303采用各向同性的选择性腐蚀工艺腐蚀牺牲层301从而实现。所述顶层含锗层302具有N型掺杂类型，掺杂剂量范围为1×10¹⁵ cm^-2至5×10¹⁷cm^-2，在顶层含锗层302中进行N型重掺杂，以提高电子在锗的直接带隙的占有率。

在本实施例中，N型杂质选取砷，采用注入剂量为1×10¹⁶cm^-2。

采用本实施例的结构，所述具有悬浮膜结构的顶层含锗层302气压差产生张应变时候，虽然悬浮膜结构的正下方牺牲层302部分已被刻蚀掉，但是悬浮膜结构的边缘还有牺牲层302支撑，故所述张应变的值可控，且悬浮膜结构的加工过程较为简单，和CMOS工艺相兼容，通过改变悬浮膜结构的正反两面的压力差，可方便地调节锗薄膜材料的带隙结构，故具有调谐发光波长的功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有悬浮膜结构的应变锗器件的制备方法，其特征在于，包括步骤： a）、提供绝缘体上的含锗材料衬底，包括支撑衬底层、牺牲层和顶层含锗层； b）、图形化支撑衬底层以形成图形窗口，所述图形窗口贯穿支撑衬底层，并暴露出牺牲层； c）、腐蚀去除所述牺牲层，直至所述图形窗口对应的顶层含锗层悬空以形成悬浮膜； d）、对悬浮膜的任意位置施加外力，使其产生张应变。

2.根据权利要求1所述的具有悬浮膜结构的应变锗器件的制备方法，其特征在于，所述步骤c进一步是：通过所述图形窗口采用各向同性的选择性腐蚀工艺腐蚀牺牲层，直至悬浮膜悬空。

3.根据权利要求1所述的具有悬浮膜结构的应变锗器件的制备方法，其特征在于，所述步骤a与步骤b之间进一步包括步骤：在所述顶层含锗层中注入N型杂质并采用快速退火工艺实施退火。

4.根据权利要求3所述的具有悬浮膜结构的应变锗器件的制备方法，其特征在于，所述N型杂质为磷、砷、氮中任意一种，注入剂量的范围为1×10¹⁵ cm^-2至5×10¹⁷cm^-2；所述快速退火工艺的退火温度范围为600℃至1000℃，退火时间范围为20秒至180秒。

5.根据权利要求1所述的具有悬浮膜结构的应变锗器件的制备方法，其特征在于，所述外力为静电力、气压力与机械力中任意一个。

6.根据权利要求1所述的具有悬浮膜结构的应变锗器件的制备方法，其特征在于，所述牺牲层为二氧化硅层。

7.一种利用如权利要求1所述的方法制备的应变锗器件，其特征在于，依次包括支撑衬底、牺牲层和顶层含锗层，所述顶层含锗层中包含一悬浮膜，所述牺牲层与悬浮膜位置相对应的部分被腐蚀去除，以及所述支撑衬底与悬浮膜位置相对应的部分被腐蚀去除，以使悬浮膜悬空，所述悬浮膜结构的任意位置被施加外力而产生张应变。

8.根据权利要求7所述的应变锗器件，其特征在于，进一步所述支撑衬底中与悬浮膜对应的位置具有贯孔。

9.根据权利要求7所述的应变锗器件，其特征在于，所述外力为静电力、气压力与机械力中任意一个。

Images