CN107534267B - Cmos工艺中的硅上锗激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种形成锗波导的方法，包括步骤：提供P型硅衬底(1)，采用重掺杂N型锗层(3)并采用第一N型掺杂硅层(5)涂覆；形成穿透至衬底中的沟槽(7)以形成衬底条带、锗条带、以及第一硅条带(5)的堆叠；以及采用氮化硅层(9)涂覆整个结构。

Description

CMOS工艺中的硅上锗激光器
技术领域
本公开涉及一种锗激光器，其可以以与CMOS集成电路的形成兼容的方式而在硅上形成。
背景技术
硅上锗激光器被形成为具有所需长度的波导，波导包括由P型和N型硅条带所围绕的N型锗条带。P型和N型硅条带应该能够连接至各自正性和负性电势以执行向锗中的平面电注入。激光器可以特别地根据锗应变水平以在包括在从1.55至2.2μm的波长范围内的波长操作。
硅上锗波导的形成将在此必要地描述。应该理解，为了形成激光器，该波导将由反射表面纵向地界定在其相对端部处，反射表面可以例如对应于沟槽以获得空气-锗界面。可以优选地沉积薄地氮化硅层，SiN，以形成空气-SiN-锗界面或形成适用于发射所希望形成的激光器波长的布拉格反射镜。这些各种选项实现将在光子芯片上的锗层与由硅或SiN制成的无源波导相关联，注意硅在锗激光器所操作所处的波长的红外中是透明的。
硅-锗-硅组件形成了双异质结构。N掺杂的锗是激光器的有源区域。两个其他半导体扮演了电势垒的角色，其实现注入产生辐射复合所需的载流子并且将其限制在锗中。通常，锗条带是N型掺杂的，具有在从0.8至4 1019原子每cm3的范围内的密度。
需要可以通过仅使用当前CMOS集成电路技术制造的锗激光器，以及特别地在硅上的CMOS集成电路，其中至少一些晶体管具有应变的锗或硅-锗沟道区域。
发明内容
因此，实施例提供了一种形成锗波导的方法，包括步骤：采用沟槽界定P型硅衬底的区域，采用重掺杂N型锗条带并采用第一N型掺杂硅条带涂覆该区域；以及采用氮化硅层涂覆整个结构。
根据一个实施例，方法包括步骤：在第一硅条带的覆盖锗条带的侧面上在氮化硅中限定接触开口。
根据一个实施例，方法包括步骤：在形成沟槽并采用锗和硅涂覆之后，增宽衬底中的开口以使得锗条带停留在硅基底上。
一个实施例提供了一种锗波导，包括由横向沟槽界定的P型硅衬底，采用重掺杂N型锗条带并采用第一N型掺杂硅条带涂覆，组件采用氮化硅层涂覆。
根据一个实施例，在穿透至硅衬底中的部分中增宽沟槽，由此锗条带停留在减小宽度的第二硅条带上。
一个实施例提供了一种形成锗波导的方法，包括步骤：在硅衬底中形成重掺杂N型锗条带，在条带的每个侧面上分别形成P型和N型重掺杂硅条带，蚀刻以使得锗条带以及硅条带的相邻部分相对于衬底表面凸起，以及采用氮化硅层涂覆结构。
一个实施例提供了一种锗波导，包括，在硅衬底上的重掺杂N型锗条带，分别采用P型和N型掺杂的硅条带围绕，组件采用氮化硅层涂覆。
一个实施例提供了一种制造锗波导的方法，包括步骤：在采用锗层涂覆的衬底上形成重掺杂N型锗条带，在锗条带的任一侧面上分别沉积P型和N型掺杂的硅/锗条带，以及采用氮化硅层涂覆锗条带的上表面。
根据一个实施例，采用更轻掺杂的N型锗条带涂覆重掺杂的N型锗条带。
一个实施例提供了一种锗波导，包括在硅衬底之上采用锗层涂覆的重掺杂N型锗条带，该条带采用硅/锗条带围绕。
根据一个实施例，采用更轻掺杂的N型锗条带涂覆重掺杂的N型锗条带。
附图说明
将结合附图在以下具体实施例的非限定性说明中详细讨论前述以及其他特征和优点，在其之中：
图1A至图1D是说明了锗激光器的第一实施例的制造的连续步骤的简化横向剖视图；
图2A至图2E是说明了锗激光器的第一实施例的变形例的制造的连续步骤的简化横向剖视图；
图3A至图3G是说明了锗激光器的第二实施例的制造的连续步骤的简化横向剖视图；
图4A至图4F是说明了锗激光器的第三实施例的第一变形例的制造的连续步骤的简化横向剖视图；以及
图5A至图5E是说明了锗激光器的第三实施例的第二变形例的制造的连续步骤的简化横向剖视图。
具体实施方式
在不同附图中已经采用相同的参考数字标注相同的元件，并且进一步，各个附图并未按照比例绘制。为了清楚，仅示出并详述了对于理解所述实施例有帮助的那些元件。
在以下说明书中，当参考限制了位置和朝向的术语注入“之上”、“之下”、“上”、“下”等时，参考了附图中所关注元件的代表。
1.平面注入激光器
图1A至图1D是说明了平面注入锗激光器的第一实施例的制造的连续步骤的简化横向剖视图。
如图1A中所示，其开始于P型硅衬底1，其可以是薄的绝缘体上硅层(SOI)。在该衬底1上，沉积薄的N型锗层3并随后采用薄的N型硅层5覆盖。应该注意，层5可以是多晶硅层，层1和层3的材料是单晶的。在由沟槽7界定的图1A的中心部分中形成穿透至衬底1中的波导，并且正交于绘制平面而延伸。
在图1B中所示的下一个步骤处，沉积氮化硅层9。常规地，由等离子体增强化学气相沉积(PECVD)以从300至700℃的范围中的温度沉积氮化硅层。由氮化硅层(SiN)在沉积时受压应变放置而确保锗的拉伸。该应变将弛豫并且氮化物层返回至更稳定的状态并伸展。作为该变形的结果，位于氮化硅层之下的层处于拉伸应变下。优选地，波导朝向沿锗的<100>被定向。氮化硅层9覆盖结构，并且优选地穿透至沟槽7中。在沉积氮化硅层之前，能够沉积具有几十纳米厚度的氧化硅层以改进接合并钝化半导体的自由表面。
在图1C中所示的下一步中，在氮化硅层中形成开口11以实现在下层的硅层5上形成接触。如所示，开口11优选地设置在波导宽度的任一侧面上以避免在下方层中由氮化硅层9引起的应变弛豫。
在此之后，如图1D中所示，沉积导电材料13的层以在N型硅层5上形成接触。进一步，在P型硅衬底1上常规地形成未示出地电接触。该接触可以横向地转移至靠近波导地区域。可以例如在向下蚀刻至接近几十微米地深度地区域中平行波导地沉积金属条带以在衬底1上形成接触。
根据所使用的材料以及结构的几何结构(波导宽度，层的厚度，沟槽的深度，开口的位置)的选择、以及由PECVD所沉积氮化硅层的特性，由氮化硅层所诱导的锗中的单轴形变可以到达范围从0.55至0.87％的水平。所公开的结构可适用于不同类型的材料堆叠。
应变沿着波导的整个宽度均匀地施加，甚至对于锗层的显著厚度。这提供了具有数微米长度的有源介质，并且因此提供了用于激光器的每有效单位长度的显著增益。
波导可以具有在从4至6μm范围的宽度，根据所需的光学特性，此时确保了应变的良好传输。
N型掺杂的锗层3的厚度在从250至300nm的范围中(接近λ/2n，其中λ是激光器的发射波长以及n是锗的折射率)。该厚度提供了在近红外的良好导光。用作电注入体的层5应被选择足以获得良好品质电接触的厚度，但是不应太厚，以避免该层吸收由SiN层传输的应变。
基于上述规则，可以执行结构的机械行为的数字有限元模拟以优化波导的拓扑结构的不同参数(沟槽深度，波导宽度，开口的位置)。可以由跨300nm厚度沉积的氮化硅层的初始应变的数值而模拟结构中应变的转移。SiN薄膜在压应变模式下的初始静态应变值是-4.5GPa(实际上，在平衡下层的平面中获得-1.8GPa)。可以通过修改氮化硅层沉积参数而修改应变层。单轴形变值仅考虑了SiN层的效果。根据硅上锗层的沉积的条件，能够获得与热膨胀系数差相关联的初始残留应变。在从0.15值0.25％范围内的该形变可以添加至可以由氮化硅层传输的总形变。
沉积在沟槽底部中的氮化硅层形成了压应变口袋。该口袋不利地影响在锗中获得激光器效果。向下蚀刻沟槽至1.5μm深度提供了限制该效应的最佳结果，并且针对不同波导宽度该深度的范围可以高达5μm。
测试和模拟已经显示，波导的元件的尺寸应该优选地在以下范围内：
－波导宽度：从4至6μm，
－锗层3的厚度：从200至500nm，
－注入层5的厚度：从100至250nm，
－氮化物层9的厚度：从300至500nm，
－沟槽宽度：从0.5至1μm，
－沟槽深度：从1至1.5μm，
－开口的宽度：从200至500nm，
－从开口至边缘的距离：从200至500nm。
图2A至图2E是说明了图1D的结构的变形例的制造的连续步骤的横向剖视图。
图2A示出了参照图1A已经所述的结构。
在图2B中所示的步骤处，执行P型硅1的选择性各向异性蚀刻，从而沟槽7在锗层3之下增宽以形成碗状开口20。因此，在锗3之下，仅硅衬底1的缩窄部分或基底22保持原位。自然，基底22延伸在正交于绘图平面的条带中。
图2C至图2E中所示的接下来的步骤分别等同于参照图1B至图1D中所述的步骤。
因此，在图1D的结构中，硅衬底1在锗层3的整个部分之下延伸，而在图2E的结构中，锗层部分仅部分地停留在硅基底22上。锗层的分离允许更大幅度的形变并且能够获得更高效的应变传输。
图2A至图2E的变形例，其中锗悬置在基底上，使得获得在图1A至图1D的情形之上的以下优点：
－结构中更大的应变，
－光模被限制在结构中心处，以及
－在电注入期间载流子被限制在结构的中心处。
对于具有5μm厚度而不具有基底的波导而言，可以在锗中获得0.5％的单轴拉伸形变。欠蚀刻使能将该数值放大至0.75％。基底越薄，可以在结构中实现的形变将越显著，但是最大值位于SiN层与用于电注入的半导体之间的界面处。该效应是由于结构的弯曲。对于在波导宽度与基底大小之间的从0.5至0.7例如0.6的比率而给出了良好的权衡。
测试和模拟已经显示，波导的元件的尺寸应该优选地在以下范围内：
－波导宽度：从3至5μm，
－基底高度：从1至1.5μm，
－基底宽度：锗条带宽度的从0.55至0.65倍，
－开口的宽度：从200至500nm，
－从开口至边缘的距离：从200至500nm。
2.横向注入激光器的第一示例
图3A至图3G是说明了横向注入锗激光器的第二实施例的制造的连续步骤的简化横向剖视图。
如图3A中所示，开始于硅衬底1，其可能是SOI类型的。该衬底优选地是轻掺杂的，并且实际上是绝缘的，或者是P型掺杂的。
在图3B中所示的步骤处，沟槽30已经形成在衬底中。
在图3C中所示的步骤处，已经通过重掺杂N型锗条带32的局部外延而填充了沟槽。
在图3D中所示的步骤处，在锗条带32的两个侧面上，分别通过注入掺杂已经形成了平行的条带34和36，其为类型P和类型N。
在图3E中所示的步骤处，已经掩蔽了锗条带32的上表面以及平行掺杂硅条带34和36的相邻部分。在此之后，已经执行蚀刻以形成凸起区域，凸起区域包括条带34的上部分35以及围绕锗条带32的条带36的上部部分37。
在图3F中所示的步骤处，采用氮化硅层40涂覆整个结构，这产生了如前所述的所需应变效果。应该注意，在该实施例中，氮化物直接地沉积在锗上，并且因此使得应变直接地施加至其上，以及因此甚至比在平面注入波导的前述实施例中更高效。在氮化硅层的沉积之前，能够沉积具有几十纳米厚度的氧化硅层以改进接合并钝化半导体的自由表面。
在图3G中所示的步骤处，氮化物层已经仅维持在波导的上表面上和结构的外部。在此之后，已经形成了分别与硅条带34和36接触的金属化42和44。金属化42有意设计以在工作中连接至正电势，并且金属化44有意设计以在工作中连接至负或零电势。
横向掺杂的硅层实现相对于波导横向地传输接触区域。金属接触对于将应变经由氮化硅层而传输至锗中没有影响。这也使能避免由金属扰乱光模，以及避免可能加热电流供应金属导体以影响波导的有源区域。
对于具有4.6-μm宽有源区域的、具有5-μm宽度的波导而言，形变到达0.5％的水平。结果接近平面注入波导。然而，当波导宽度降低至2μm时，修改了波导的宽度与SiN层宽度之间的比率，并且单轴形变可以达到1.3％的水平。
测试和模拟已经显示，波导元件的尺寸可以优选地在以下范围内：
－波导宽度：从1.6至3μm，
－Ge层宽度：从1.5至2.5μm，
－Si层宽度：2×200nm，
－波导高度：从300nm至1μm，
－SiN层的宽度：从300至500nm。
3.横向注入激光器的第二示例
图4A至图4F是说明了横向注入锗激光器的第三实施例的第一变形例的制造的连续步骤的简化横向剖视图。
如图4A中所示，开始于硅衬底1，其可能是SOI类型，采用锗层50涂覆。锗层50包括重掺杂的N型中心区域51。通过连续外延或通过注入而获得锗。
在图4B中所示的步骤处，执行蚀刻以界定停留在更轻掺杂锗层54上的重掺杂锗的条带52。移除了上部的重掺杂锗部分。
在图4C中所示的步骤处，在条带52的任一侧面上执行在锗54上的应变SixGe1-x(x是小于1的数)的局域外延。因此获得了在重掺杂N型中心锗条带52的任一侧面上延伸的SixGe1-x条带。这些SixGe1-x例如通过注入掺杂以分别形成P型和N型掺杂的硅/锗条带56和58。
在图4D中所示的步骤处，蚀刻与锗条带52不相邻的硅/锗条带56和58的每一个的一部分。蚀刻深度为SiGe层56和58的厚度的大约1/3(也即从20至100nm，对于SiGe层而言，从50至300nm)。SiGe层的横向尺寸是从1至2μm。因此，波导的总宽度是从1.05－1.3μm至2.05－2.3μm，根据中心锗层的宽度。
在图4E中所示的步骤处，在波导的中心部分上、也即在锗条带52上并在条带56、58的凸起部分上已经形成了应变SiN层60以增强结构中心处的形变。SiN层直接地与锗接触，这提供优化的应变传输。
在此之后，如图4F中所示，在SiGe条带56、58上形成电接触62、64。
图5A至图5E是说明了横向注入锗激光器的第三实施例的第二变形例的制造的连续步骤的简化横向剖视图。
图5A等同于图4A。
在图5B中所示的步骤中，执行蚀刻以界定停留在更轻掺杂的锗层54上的重掺杂锗的条带72。上部轻掺杂锗部分维持原位并且在条带72上形成条带74。
在图5C中所示的步骤处，在条带72的任一侧边上在锗54上执行应变SixGe1-x(x是小于1的数)的局部外延。在条带72和74之间的界限水平面处中断外延。由此获得了延伸在重掺杂N型中心锗条带72的任一侧面上的SixGe1-x条带。这些SixGe1-x条带例如通过注入掺杂以分别形成P型和N型掺杂的硅/锗条带56和58。
在图5D中所示的步骤处，在波导的中心部分上(也即在锗条带74上)已经形成了应变SiN层80以增强结构中心处的形变。SiN层直接地与锗接触，这提供了优化的应变传输。
在此之后，如图5E中所示，在SiGe条带56、58上形成电接触62、64。
图4F和图5E的结构使用在中心波导或带周围应变并掺杂的横向外延SixGe1-x条带56和58。这些外延条带能够：
1)在N型掺杂区域中形成针对锗区段的局部拉伸应变，
2)执行将载流子电注入至N掺杂锗中，通过利用在Ge和SiGe之间能带的不连续性的优点以用于限制载流子。
SiGe层中的拉伸应变将通过横向地拉锗层而传输。应变取决于SixGe1-x层中的硅浓度。这是由于硅与锗之间的晶格参数差。
关于应变传输，关键参数是可以根据其成分通过外延生长的SixGe1-x层的厚度。SixGe1-x层中获得的应变与分量乘以硅与锗之间相对晶格参数差的乘积。硅浓度越大，SixGe1-x层将应变越大。然而，作为对应，可以获得的最大厚度减小。通常，SixGe1-x的关键厚度emax和双轴应变ε//是：
-Si0,4Ge0,6:emax＝50-70nm,ε//＝1.6％
-Si0,3Ge0,7:emax＝100-150nm,ε//＝1.2％
-Si0,2Ge0,8:emax＝250-300nm,ε//＝0.8％
有源锗层的厚度应该等同于SixGe1-x层的厚度以为了最优应变传输。申请人已经研究了对于这三种情形的应变传输，并且也已经考虑了添加应变SiN层以放大所传输应变的效果。
Si0.2Ge0.8
考虑250×250nm的有源锗层。Si0.2Ge0.8层中初始应变是ε//＝0.8％。有源锗区域中平均单轴形变是0.5％，SiN层的添加使能将锗中的平均单轴形变放大至0.6％的数值。
Si0.3Ge0.7
考虑125×125nm的有源锗层。Si0.3Ge0.7层中初始应变是ε//＝1.2％。有源锗区域中平均单轴形变是0.9％，通过使用Si0.3Ge0.7层。SiN层的添加使能将锗中的平均单轴形变增大至0.98％。
Si0.4Ge0.6
考虑50×50nm的有源锗层。Si0.4Ge0.6层中初始应变是ε//＝1.6％。有源锗区域中平均单轴形变是1.13％，通过使用Si0.4Ge0.6层。SiN层的添加使能获得1.42％的平均单轴形变。
以上已经描述了具有不同变形例的各个实施例。应该注意的是本领域技术人员可以组合这些各个实施例和变形例的要素而并未显示任何创造性。应该理解的是，为了简便，并未对于其他实施例重复对于某些实施例所给出的某些解释和数值指示。
进一步，描述作为示例的每个材料可以在以上所述仅作为示例的装置和方法中采用具有相同特性和相同功能的材料替换。

Claims (10)

1.一种形成锗波导的方法，包括步骤：
形成沟槽，所述沟槽穿透至硅衬底中，以形成硅衬底条带、锗条带和第一硅条带的堆叠，所述硅衬底被涂覆有掺杂N型锗层和第一N型掺杂硅层；以及
采用氮化硅层涂覆所述第一硅条带的顶部表面以及所述沟槽中的所述第一硅条带和所述锗条带这两者的侧边沿。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：在所述氮化硅层中限定在所述氮化硅层中的接触开口以暴露所述第一硅条带的覆盖所述锗条带的顶部表面。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括步骤：在所述接触开口中形成导电接触。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：在形成所述沟槽之后并且在使用所述氮化硅层涂覆所述堆叠之前，增宽所述沟槽以在所述硅衬底中形成开口，从而所述锗条带停留在所述硅衬底的硅基底上。
5.一种锗波导，包括：
硅衬底，所述硅衬底包括由穿透至所述硅衬底中的横向沟槽所界定的中心区域；
掺杂N型锗条带，涂覆所述中心区域并且由所述横向沟槽界定；
第一N型掺杂硅条带，涂覆所述锗条带并且由所述横向沟槽界定；以及
氮化硅层，覆盖所述硅条带的顶部表面以及所述横向沟槽中的所述硅条带和所述锗条带这两者的侧边沿。
6.根据权利要求5所述的锗波导，其中，所述横向沟槽在它们穿透至所述硅衬底中的部分中增宽，所述锗条带停留在所述硅衬底的所述中心区域上，其中所述中心区域具有比所述锗条带的宽度更小的宽度。
7.一种形成锗波导的方法，包括步骤：
使用掺杂N型锗层涂覆P型硅衬底的顶部表面；
使用N型掺杂的硅层涂覆所述掺杂N型锗层的顶部表面；
形成成对沟槽，所述成对沟槽界定所述锗波导并且完全延伸穿过所述N型掺杂的硅层和所述掺杂N型锗层并且部分地延伸穿过所述P型硅衬底；
在所述成对沟槽的侧壁上并且在所述N型掺杂的硅层的顶部表面上沉积氮化硅层，使得所述氮化硅层与所述N型掺杂的硅层和所述掺杂N型锗层接触；
在所述成对沟槽之间形成开口，所述开口完全延伸穿过所述氮化硅层以抵达所述N型掺杂的硅层；以及
在所述开口中沉积金属以接触所述N型掺杂的硅层。
8.一种锗波导，包括：
P型硅衬底；
在所述P型硅衬底的顶部表面上的掺杂的N型锗层；
在所述掺杂的N型锗层的顶部表面上的N型掺杂的硅层；
成对沟槽，所述成对沟槽界定所述锗波导并且完全延伸穿过所述N型掺杂的硅层和所述掺杂的N型锗层并且部分地延伸穿过所述P型硅衬底；
在所述N型掺杂的硅层的顶部表面并且在所述成对沟槽的侧壁上的氮化硅层，所述氮化硅层与所述掺杂的N型锗层和所述N型掺杂的硅层接触；
开口，所述开口在所述成对沟槽之间完全延伸穿过所述氮化硅层以抵达所述N型掺杂的硅层；以及
在所述开口中的金属，用以接触所述N型掺杂的硅层。
9.一种制造锗波导的方法，包括步骤：
使用掺杂的N型锗层涂覆P型硅衬底的顶部表面；
使用N型掺杂的硅层涂覆所述掺杂的N型锗层的顶部表面；
形成成对沟槽，所述成对沟槽界定所述锗波导并且完全延伸穿过所述N型掺杂的硅层和所述掺杂的N型锗层并且部分地延伸穿过所述P型硅衬底；
增宽所述成对沟槽的每个沟槽以延伸所述掺杂的N型锗层的底部部分；
在所述N型掺杂的硅层的顶部表面上并且在所述N型掺杂的硅层和所述掺杂的N型锗层的侧壁上沉积氮化硅层；
在所述成对沟槽之间形成开口，所述开口完全延伸穿过所述氮化硅层以抵达所述N型掺杂的硅层；以及
在所述开口中沉积金属以接触所述N型掺杂的硅层。
10.一种锗波导，包括：
P型硅衬底；
在所述P型硅衬底的顶部表面上的掺杂的N型锗层；
在所述掺杂的N型锗层的顶部表面上的N型掺杂的硅层；
成对沟槽，所述成对沟槽界定所述锗波导并且完全延伸穿过所述N型掺杂的硅层和所述掺杂的N型锗层并且部分地延伸穿过所述P型硅衬底，其中所述成对沟槽的每个沟槽增宽以延伸所述掺杂的N型锗层的底部部分；
在所述N型掺杂的硅层的顶部表面并且在所述掺杂的N型锗层和所述N型掺杂的硅层的侧壁上的氮化硅层；
开口，在所述成对沟槽之间完全延伸穿过所述氮化硅层以抵达所述N型掺杂的硅层；以及
在所述开口中的金属，用以接触所述N型掺杂的硅层。
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