CN102556937A

CN102556937A - 具有悬臂梁结构的应变锗器件及其制备方法

Info

Publication number: CN102556937A
Application number: CN2011104543605A
Authority: CN
Inventors: 武爱民; 魏星; 薛忠营; 甘甫烷; 张苗; 王曦
Original assignee: Shanghai Simgui Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Simgui Technology Co Ltd
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明提供具有悬臂梁结构的应变锗器件及其制备方法，涉及半导体光电子领域，制备方法包括步骤：提供含锗材料衬底，依次包括支撑衬底、牺牲层和顶层含锗层；图形化顶层含锗层以形成悬臂梁；腐蚀去除牺牲层；对悬臂梁的任意位置施加外力。所述应变锗器件，依次包括支撑衬底、牺牲层和顶层含锗层，所述顶层含锗层包含悬空的悬臂梁。本发明的优点在于既能够兼容CMOS工艺，又能通过改变外力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，由于悬臂梁结构上所施加的外力可调，故具有调谐发光波长的功能。

Description

具有悬臂梁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，提供一种应变锗器件及其制备方法，降低锗材料的张应力，且应变大小可调。

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有悬臂梁结构的应变锗器件的制备方法，包括步骤：a）提供含锗材料衬底，依次包括支撑衬底、牺牲层和顶层含锗层；b）图形化顶层含锗层以形成悬臂梁，图形化顶层含锗层的同时形成有图形窗口，所述图形窗口贯穿顶层含锗层，并暴露出牺牲层；c）腐蚀去除牺牲层，直至悬臂梁悬空；d）对悬臂梁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，直至悬臂梁悬空。

所述步骤c进一步是：在所述支撑衬底的裸露表面与悬臂梁对应的位置形成贯孔至暴露出牺牲层；通过所述贯孔腐蚀牺牲层，直至悬臂梁悬空。

所述牺牲层为二氧化硅层。

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。

所述外力为静电力与机械力中任意一个。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种采用如上所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臂梁，所述牺牲层与悬臂梁位置相对应的部分被腐蚀去除，以使悬臂梁悬空，所述悬臂梁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臂梁对应的位置具有贯孔。

所述外力为静电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，提出一种具有悬臂梁结构的应变锗器件制备方法。本发明提供的具有悬臂梁结构的应变锗器件制备方法既能够兼容CMOS工艺，又能通过改变外力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，由于悬臂梁结构上所施加的外力可调，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臂梁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～2E是本发明提供的一种具有悬臂梁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臂梁结构的应变锗器件的制备方法实施例二的步骤流程图；

图4A～4D是本发明提供的一种具有悬臂梁结构的应变锗器件的制备方法实施例二的加工流程图；

图5是本发明提供的一种应变锗器件实施例三的结构图；

图6是本发明提供的一种应变锗器件实施例四的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种具有悬臂梁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臂梁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臂梁结构的应变锗器件的制备方法，包括：步骤101，提供含锗材料衬底，依次包括支撑衬底、牺牲层和顶层含锗层；步骤102，图形化顶层含锗层以形成悬臂梁，图形化顶层含锗层的同时形成有图形窗口，所述图形窗口贯穿顶层含锗层，并暴露出牺牲层；步骤103，在所述支撑衬底的裸露表面与悬臂梁对应的位置形成贯孔至暴露出牺牲层；步骤104，通过所述贯孔腐蚀牺牲层，直至悬臂梁悬空；步骤105，对悬臂梁的任意位置施加外力，使其产生张应变。

图2A～2E所示为本发明提供的一种具有悬臂梁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，所述含锗材料衬底选取绝缘体上锗材料衬底，所述牺牲层201的选用二氧化硅层，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。

图2B所示为本实施例步骤102的加工示意图。图形化顶层含锗层202以形成悬臂梁，图形化顶层含锗层202的同时形成有图形窗口204，所述图形窗口204贯穿顶层含锗层202，并暴露出牺牲层201。本实施例中，所述悬臂梁的尺寸为10μm×50μm，图形化顶层含锗层202，形成所述悬臂梁。

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，注入剂量的范围为1×10¹⁵cm^-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1×10¹⁶cm^-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。采用深反应离子束刻蚀或者氢氧化钾溶液腐蚀的方法，在所述支撑衬底200的裸露表面与悬臂梁对应的位置形成贯孔203至暴露出牺牲层201。此过程中牺牲层201中的二氧化硅将起到刻蚀阻挡或腐蚀阻挡的作用。本实施例中干法刻蚀采用深反应离子束刻蚀的方法，而本发明不仅限于此，形成贯孔203的方法还可选用SF6等气体进行干法刻蚀，或采用湿法腐蚀的方法，其中湿法腐蚀包括氢氧化钾溶液、氟化铵和氢氟酸的混合溶液等。

图2D所示为本实施步骤104的加工示意图。通过所述贯孔203腐蚀牺牲层201，直至悬臂梁悬空。本实施例中采用氟化铵和氢氟酸的7:1混合溶液通过所述贯孔203对所述牺牲层201进行腐蚀，从而去除所述悬臂梁正下方的二氧化硅，直至悬臂梁悬空。

图2E所示为本实施例步骤105的加工示意图。对悬臂梁的任意位置施加外力206，使其产生张应变。所述外力206为静电力、机械力中任意一个。

所述机械力可以通过在悬臂梁任意位置施加机械力实现，例如直接运用探针点压悬臂梁尖端；而静电力可以通过在悬臂梁上施加一电压使悬臂梁带有正电荷或负电荷，然后采用一带有正电荷或负电荷的装置接近或远离悬臂梁，从而产生张应变。

本实施例中采用机械力。通过对所述悬臂梁的任意位置施加机械力，使得所述悬臂梁结构产生垂直于所述牺牲层201表面的位移，从而使得所述悬臂梁结构产生张应变。当机械力压力达到1mN(毫牛顿)时，此时具有悬臂梁结构的顶层含锗层202的受力表面对应的张应变的值达到0.25%，所述悬臂梁结构中的材料的发光波长达到1.55μm。当所述张应变的值超过2%时，所述悬臂梁结构中的材料转变成直接带隙材料，即所述具有悬臂梁结构的锗材料转变成直接带隙材料。

实施例二

图3所示为本发明提供的一种具有悬臂梁结构的应变锗器件的制备方法实施例二的步骤流程图。

步骤301，提供含锗材料衬底；步骤302，图形化顶层含锗层以形成悬臂梁，图形化顶层含锗层的同时形成有图形窗口，所述图形窗口贯穿顶层含锗层，并暴露出牺牲层；步骤303，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，直至悬臂梁悬空；步骤304，对悬臂梁的任意位置施加外力，使其产生张应变。

图4A～4D所示为本发明提供的一种具有悬臂梁结构的应变锗器件的制备方法实施例二的加工流程图。

图4A所示为本实施例步骤301的加工示意图。所述含锗材料衬底包括支撑衬底层400、牺牲层401和顶层含锗层402，所述牺牲层401为二氧化硅层。所述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，所述含锗材料衬底选取绝缘体上锗硅材料衬底，支撑衬底层400的厚度为450μm，牺牲层401的厚度为2.5μm以及顶层含锗层402的厚度为1.5μm。

图4B所示为本实施例步骤302的加工示意图。图形化顶层含锗层402以形成悬臂梁，图形化顶层含锗层202的同时形成有图形窗口404，所述图形窗口404贯穿顶层含锗层402，并暴露出牺牲层401。本实施例中，所述悬臂梁的尺寸为8μm×30μm，利用深反应离子束刻蚀对顶层含锗层402进行刻蚀，形成所述悬臂梁。

作为可选的实施方式，在步骤301与步骤302之间还可以包括步骤：在所述顶层含锗层402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1×10¹⁵cm^-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402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型杂质选取砷，采用注入剂量为2×10¹⁶cm^-2，退火温度设定为750℃，退火时间设定为25秒。

图4C所示为本实施步骤303的加工示意图。通过所述图形窗口404采用各向同性的选择性腐蚀工艺腐蚀牺牲层401，直至悬臂梁悬空。本实施例中采用氟化铵和氢氟酸的7:1混合溶液通过图形窗口404对所述牺牲层401进行腐蚀，从而去除所述悬臂梁正下方的二氧化硅，直至悬臂梁悬空。

图4D所示为本实施步骤304的加工示意图。对悬臂梁的任意位置施加外力406，使其产生张应变。所述外力406为静电力、机械力中任意一个。

所述机械力可以通过在悬臂梁任意位置施加机械力实现，例如直接运用探针点压悬臂梁尖端；而静电力可以通过在悬臂梁上和支撑衬底400上分别施加相反电压。

本实施例中采用静电力。通过对所述悬臂梁结构的任意位置施加静电力，使得所述悬臂梁结构产生垂直于所述牺牲层401表面的位移，从而使得所述悬臂梁结构产生张应变。当机械力压力达到1mN(毫牛顿)时，此时具有悬臂梁结构的顶层含锗层402的受力表面对应的张应变的值达到0.25%，所述悬臂梁结构中的材料的发光波长达到1.55μm。当所述张应变的值超过2%时，所述悬臂梁结构中的材料转变成直接带隙材料，即所述具有悬臂梁结构的锗材料转变成直接带隙材料。

实施例三

图5所示为本发明提供的一种应变锗器件实施例三的结构图。

本实施例中提供一种应变锗器件，依次包括支撑衬底500、牺牲层501和顶层含锗层502，所述顶层含锗层502中包含悬臂梁，所述牺牲层501与悬臂梁位置相对应的部分被腐蚀去除，以使悬臂梁悬空，所述悬臂梁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材料衬底，所述牺牲层501的选用二氧化硅层，支撑衬底层500的厚度为500μm，牺牲层501的厚度为3μm以及顶层含锗层502的厚度为2μm。所述悬臂梁的尺寸为10μm×50μm，图形化顶层含锗层502，形成所述悬臂梁。

进一步所述支撑衬底500与悬臂梁对应的位置具有贯孔503，所述悬臂梁底下悬空部分是通过所述贯孔503腐蚀牺牲层501从而实现。所述外力为静电力与机械力中任意一个。所述顶层含锗层502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502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型杂质选取磷，采用注入剂量为1×10¹⁶cm^-2。

采用本实施例的结构，所述具有悬臂梁结构的顶层含锗层502受外力产生张应变时候，由于正下方牺牲层502部分及支撑衬底500部分均已被去掉，故所述张应变的幅度范围较大，即张应变的值的可调范围较大。

实施例四

图6所示为本发明提供的一种应变锗器件实施例四的结构图。

本实施例中提供一种应变锗器件，依次包括支撑衬底600、牺牲层601和顶层含锗层602，所述顶层含锗层602中包含悬臂梁，所述牺牲层与悬臂梁位置相对应的部分被腐蚀去除，以使悬臂梁悬空，所述悬臂梁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600的厚度为450μm，牺牲层601的厚度为2.5μm以及顶层含锗层602的厚度为1.5μm，所述悬臂梁的尺寸为8μm×30μm。

所述悬臂梁底下悬空部分是通过所述图形窗口604采用各向同性的选择性腐蚀工艺腐蚀牺牲层601从而实现。所述顶层含锗层602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602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2×10¹⁶cm^-2。

采用本实施例的结构，所述具有悬臂梁结构的顶层含锗层602受外力产生张应变时候，由于正下方支撑衬底600部分的存在，因此所述具有悬臂梁结构的顶层含锗层602的张应变得到保护作用，能防止张应变的值过大而导致损伤所述顶层含锗层602。

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

1.一种具有悬臂梁结构的应变锗器件的制备方法，其特征在于，包括步骤： a）提供含锗材料衬底，依次包括支撑衬底、牺牲层和顶层含锗层； b）图形化顶层含锗层以形成悬臂梁，图形化顶层含锗层的同时形成有图形窗口，所述图形窗口贯穿顶层含锗层，并暴露出牺牲层； c）腐蚀去除牺牲层，直至悬臂梁悬空； d）对悬臂梁的任意位置施加外力，使其产生张应变。

2.根据权利要求1所述的具有悬臂梁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，直至悬臂梁悬空。

3.根据权利要求1所述的具有悬臂梁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：在所述支撑衬底的裸露表面与悬臂梁对应的位置形成贯孔至暴露出牺牲层；通过所述贯孔腐蚀牺牲层，直至悬臂梁悬空。

4.根据权利要求1所述的具有悬臂梁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。

5.根据权利要求1所述的具有悬臂梁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。

6.根据权利要求5所述的具有悬臂梁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。

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

8.一种采用如权利要求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臂梁，所述牺牲层与悬臂梁位置相对应的部分被腐蚀去除，以使悬臂梁悬空，所述悬臂梁结构的任意位置被施加外力而产生张应变。

9.根据权利要求8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臂梁对应的位置具有贯孔。

10.根据权利要求8所述的应变锗器件，其特征在于，所述外力为静电力与机械力中任意一个。