CN107658364A - 一种横向PiN结构GeSn光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种横向PiN结构GeSn光电探测器及其制备方法。该方法包括：选取Si衬底；连续生长Ge晶籽层和Ge主体层，制备保护层；对整个衬底进行加热，并采用激光工艺晶化整个衬底，冷却后使Ge晶籽层和Ge主体层形成晶化Ge层；刻蚀保护层，并利用离子注入工艺形成P型掺杂区和N型掺杂区以在晶化Ge层中形成横向P‑i‑N结构；在晶化Ge层的i区位置表面生长GeSn层从而形成GeSn光电探测器。本发明实施例通过采用激光再晶化工艺，控制精度高，晶化速度快，工艺步骤简单，工艺周期短，热预算低等优点，形成的晶化Ge层，可有效降低Ge/Si界面的位错密度、表面粗糙度、界面缺陷，提升Ge/Si界面特性，从而使光电探测器具备高速响应率和高量子效率的特性。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种横向PiN结构GeSn光电探测器及其制备方法。
背景技术
随着光通信技术的发展，光互连成为现代集成电路更好的选择，其中光电探测器将光信号转换为电信号作为光电集成的关键器件之一，对其响应度、量子效率、暗电流以及高响应频率带宽等性能指标的要求也越来越高。
因为GeSn易发射和吸收电子，具有较高的载流子迁移率等优良的电学特性，同时GeSn层具有与成熟硅微电子工艺的兼容性，且其工作范围可以覆盖近红外和短波红外(NIR，SWIR)波长。因此GeSn探测器设计、制造及其特点的研究已经成为近些年研究的重点与热点。为了提高在光谱响应和特殊检测率方面器件性能，具有高Sn组份和低暗电流的GeSn光电探测器是优选的。因此开展Si基GeSn层生长与相关器件研究工作具有重要现实意义。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种横向PiN结构GeSn光电探测器及其制备方法。
本发明的一个实施例提供了一种横向PiN结构GeSn光电探测器的制备方法，包括：
选取Si衬底；
在所述Si衬底表面连续生长Ge晶籽层和Ge主体层；
在所述Ge主体层表面制备第一保护层；
对整个衬底进行加热，并采用激光工艺晶化整个衬底，冷却后使所述Ge晶籽层和所述Ge主体层形成晶化Ge层；
刻蚀第一指定位置处的所述第一保护层，并利用离子注入工艺对所述第一指定位置处的所述晶化Ge层进行离子注入形成P型掺杂区；
去除剩余的所述第一保护层，重新淀积第二保护层；刻蚀第二指定位置处的所述第二保护层，并利用离子注入工艺对所述第二指定位置处的所述晶化Ge层进行离子注入形成N型掺杂区以在所述晶化Ge层中形成横向P-i-N结构；
去除整个衬底表面的剩余所述第二保护层，并在所述晶化Ge层的i区位置表面生长GeSn层；
在所述晶化Ge层的所述P型掺杂区和N型掺杂区表面形成接触区从而形成所述GeSn光电探测器。
在本发明的一个实施例中，在所述Si衬底表面连续生长Ge晶籽层和Ge主体层，包括：
在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述Si衬底表面生长厚度为40～50nm的所述Ge籽晶层；
在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在所述Ge籽晶层表面生长厚度为150～250nm的所述Ge主体层。
在本发明的一个实施例中，对整个衬底进行加热，并采用激光工艺晶化整个衬底，冷却后使所述Ge晶籽层和所述Ge主体层形成晶化Ge层，包括：
将包括所述Si衬底、所述Ge晶籽层、所述Ge主体层及所述保护层的整个衬底加热至650℃-750℃；
采用激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s对整个衬底进行晶化处理，自然冷却后形成所述晶化Ge层。
在本发明的一个实施例中，刻蚀第一指定位置处的所述保护层，并利用离子注入工艺对所述第一指定位置处的所述晶化Ge层进行离子注入形成P型掺杂区，包括：
采用第一掩膜版，利用各向异性刻蚀工艺刻蚀掉所述第一指定位置处的所述保护层以暴露出所述晶化Ge层；
利用离子注入工艺对所述第一指定位置处的晶化Ge层进行B离子注入以在所述晶化Ge层形成所述P型掺杂区。
在本发明的一个实施例中，刻蚀第二指定位置处的所述保护层，并利用离子注入工艺对所述第二指定位置处的所述晶化Ge层进行离子注入形成N型掺杂区以在所述晶化Ge层中形成横向P-i-N结构，包括：
采用第二掩膜版，利用各向异性刻蚀工艺刻蚀掉所述第二指定位置处的所述保护层以暴露出所述晶化Ge层；
利用离子注入工艺对所述第二指定位置处的晶化Ge层进行P离子注入以在所述晶化Ge层形成所述N型掺杂区，最终在所述晶化Ge层中形成所述横向P-i-N结构。
在本发明的一个实施例中，去除整个衬底表面的剩余所述保护层，并在所述晶化Ge层的i区位置表面生长GeSn层，包括：
去除整个衬底表面的剩余所述保护层；
采用退火工艺对所述晶化Ge层进行退火处理以激活所述晶化Ge层中所述N型掺杂区和所述P型掺杂区中的杂质；
采用第三掩膜版，在H2气氛下，以SnCl4和GeH4分别作为Sn气体源和Ge气体源，在所述晶化Ge层的i区表面生长形成所述GeSn层。
在本发明的一个实施例中，在所述晶化Ge层的P型掺杂区和N型掺杂区表面形成接触区，包括：
在整个衬底表面生长SiO2材料以在整个衬底表面形成钝化层；
采用第四掩膜版，利用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述钝化层，以在所述晶化Ge层的P型掺杂区和N型掺杂区分别形成接触孔；
利用电子束淀积工艺在所述接触孔内淀积金属材料；
利用CMP工艺去除所述晶化Ge层表面多余的所述金属材料以形成所述接触区。
在本发明的一个实施例中，所述金属材料为Cr或者Au。
本发明的另一个实施例提供了一种横向PiN结构GeSn光电探测器，其中，所述光电探测器由上述实施例中任一所述的方法制备形成。
本发明提供的光电探测器，相对于现有技术至少具有如下优点：
1)本发明提供的光电探测器具备高速响应率和高量子效率的特性；
2)本发明采用的激光晶化工艺具有选择性高，控制精度高，晶化速度快，工艺步骤简单，工艺周期短，热预算低等优点；
3)本发明通过连续激光辅助晶化Ge外延层，可有效降低Ge/Si界面的位错密度、表面粗糙度、界面缺陷，提升Ge/Si界面特性；
4)本发明中横向PiNGeSn光电探测器，简化了工艺流程，节省了工艺成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种横向PiN结构GeSn光电探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种横向PiN结构GeSn光电探测器的制备方法流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种激光晶化工艺的示意图；
图4a-图4k为本发明实施例提供的一种横向PiN结构GeSn光电探测器的制备方法示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种横向PiN结构GeSn光电探测器的结构示意图。该光电探测器包括Si衬底001以及设置于该Si衬底001上的晶化Ge层005、GeSn层008及金属电极011。其中，晶化Ge层005包括N型掺杂区、i型区和P型掺杂区从而形成横向P-i-N结构，GeSn层008设置在该i型区表面上，金属电极011分别设置于N型掺杂区和P型掺杂区之上。
以Si衬底为基片，制作光电探测器，便于集成，而且可以降低成本，且Si基横向PiNGeSn光电探测器作为一种新型半导体探测器具有灵敏面积准确，体积小，漏电流小，稳定性好的优点，因此其在高速光电器件领域得以重点研究和应用。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种横向PiN结构GeSn光电探测器的制备方法流程示意图。该方法包括如下步骤：
步骤a、选取Si衬底；
步骤b、在所述Si衬底表面连续生长Ge晶籽层和Ge主体层；
步骤c、在所述Ge主体层表面制备第一保护层；
步骤d、对整个衬底进行加热，并采用激光工艺晶化整个衬底，冷却后使所述Ge晶籽层和所述Ge主体层形成晶化Ge层；
步骤e、刻蚀第一指定位置处的所述第一保护层，并利用离子注入工艺对所述第一指定位置处的所述晶化Ge层进行离子注入形成P型掺杂区；
步骤f、刻蚀所述第一保护层，重新淀积第二保护层；刻蚀第二指定位置处的所述第二保护层，并利用离子注入工艺对所述第二指定位置处的所述晶化Ge层进行离子注入形成N型掺杂区以在所述晶化Ge层中形成横向P-i-N结构；
步骤g、去除整个衬底表面的剩余所述第二保护层，并在所述晶化Ge层的i区位置表面生长GeSn层；
步骤h、在所述晶化Ge层的所述P型掺杂区和N型掺杂区表面形成接触区从而形成所述GeSn光电探测器。
对于步骤b，可以包括：
步骤b1、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述Si衬底表面生长厚度为40～50nm的所述Ge籽晶层；
步骤b2、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在所述Ge籽晶层表面生长厚度为150～250nm的所述Ge主体层。
Si衬底上横向PiN Ge光电探测器所采用传统的高温两步生长Ge/Si虚拟衬底的方法，无法解决Ge外延层中大量螺位错，而且得到的缓冲层较厚，表面粗糙度较高，这些因素使得光电探测器量子效率效率等参数大大的降低。为此，本发明提出一种激光辅助晶化Ge/Si虚拟衬底上横向PiNGeSn光电探测器制作方法。请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种激光晶化工艺的示意图。激光再晶化技术是一种热致相变结晶的方法，经过激光晶化熔化再结晶的过程，可以生长出大晶粒，能够得到晶化程度较高的Ge薄膜，大大较低了Ge材料的缺陷。
对于步骤d，可以包括：
步骤d1、将包括所述Si衬底、所述Ge晶籽层、所述Ge主体层及所述保护层的整个衬底加热至650℃-750℃；
步骤d2、采用激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s对整个衬底进行晶化处理，自然冷却后形成所述晶化Ge层。
对于步骤e，可以包括：
步骤e1、采用第一掩膜版，利用各向异性刻蚀工艺刻蚀掉所述第一指定位置处的所述保护层以暴露出所述晶化Ge层；
步骤e2、利用离子注入工艺对所述第一指定位置处的晶化Ge层进行B离子注入以在所述晶化Ge层形成所述P型掺杂区。
对于步骤f，可以包括：
步骤f1、采用第二掩膜版，利用各向异性刻蚀工艺刻蚀掉所述第二指定位置处的所述保护层以暴露出所述晶化Ge层；
步骤f2、利用离子注入工艺对所述第二指定位置处的晶化Ge层进行P离子注入以在所述晶化Ge层形成所述N型掺杂区，最终在所述晶化Ge层中形成所述横向P-i-N结构。
对于步骤g，可以包括：
步骤g1、去除整个衬底表面的剩余所述保护层；
步骤g2、采用退火工艺对所述晶化Ge层进行退火处理以激活所述晶化Ge层中所述N型掺杂区和所述P型掺杂区中的杂质；
步骤g3、采用第三掩膜版，在H2气氛下，以SnCl4和GeH4分别作为Sn气体源和Ge气体源，在所述晶化Ge层的i区表面生长形成所述GeSn层。
对于步骤h，可以包括：
步骤h1、在整个衬底表面生长SiO2材料以在整个衬底表面形成钝化层；
步骤h2、采用第四掩膜版，利用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述钝化层，以在所述晶化Ge层的P型掺杂区和N型掺杂区分别形成接触孔；
步骤h3、利用电子束淀积工艺在所述接触孔内淀积金属材料；
步骤h4、利用CMP工艺去除所述晶化Ge层表面多余的所述金属材料以形成所述接触区。
其中，所述金属材料例如为Cr或者Au。
本发明实施例，通过采用激光再晶化工艺，控制精度高，晶化速度快，工艺步骤简单，工艺周期短，热预算低等优点，形成的晶化Ge层，可有效降低Ge/Si界面的位错密度、表面粗糙度、界面缺陷，提升Ge/Si界面特性，从而使光电探测器具备高速响应率和高量子效率的特性。
实施例二
请一并参见图4a-图4k，图4a-图4k为本发明实施例提供的一种横向PiN结构GeSn光电探测器的制备方法示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的横向PiN结构GeSn光电探测器的制备方法进行详细说明如下：
S101、衬底选取。如图4a所示，选取单晶Si衬底001为初始材料；
S102、Ge外延层生长。
S1021、Ge籽晶层生长。如图4b所示，在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底表面生长厚度为40～50nm的Ge籽晶层002；
S1022、Ge主体层生长。如图4c所示，在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在所述Ge籽晶层表面生长厚度为250nm的Ge主体层003；
S103、保护层的制备。如图4d所示，利用CVD工艺在所述Ge主体层表面上淀积厚度为150nm SiO2层004；
S104、Ge外延层的晶化。如图4e所示，将包括所述单晶Si衬底、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层及所述SiO2层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s，自然冷却所述整个衬底材料，得到晶化Ge层005。
S105、P型离子注入。如图4f所示，选择性刻蚀SiO2层，B离子注入，在所述晶化Ge层形成掺杂浓度为1×1020cm-3的P型掺杂区006。
S106、N型离子注入。如图4g所示，刻蚀掉SiO2层004，重新淀积厚度为200nm的SiO2保护层007；如图4h所示，选择性刻蚀，P离子注入，在所述晶化Ge层形成掺杂浓度为1×1020cm-3的N型掺杂区008，刻蚀掉SiO2保护层007，高温退火。
S109、在未掺杂的晶化Ge层(i型区)上进行选择性GeSn层生长。如图4i所示，在H2氛围中将温度降到350℃以下，SnCl4和GeH4分别作为Sn和Ge源。GeH4/SnCl4气体流量比为0.95～0.99(由Ge/Sn组分决定)。生长厚度为150～200nm的无掺杂的GeSn层009；
S010、金属接触孔制备。如图4j所示，淀积厚度为300～350nm的SiO2钝化层010，隔离台面与外界电接触。刻蚀接触孔，用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定区域的SiO2钝化层010形成金属接触孔。
S011、金属互连制备。如图4k所示。利用电子束蒸发工艺淀积厚度为150～200nm的金属层011。利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属层，采用化学机械抛光(CMP)进行平坦化处理。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种横向PiN结构GeSn光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
选取Si衬底；
在所述Si衬底表面连续生长Ge晶籽层和Ge主体层；
在所述Ge主体层表面制备第一保护层；
对整个衬底进行加热，并采用激光工艺晶化整个衬底，冷却后使所述Ge晶籽层和所述Ge主体层形成晶化Ge层；
刻蚀第一指定位置处的所述第一保护层，并利用离子注入工艺对所述第一指定位置处的所述晶化Ge层进行离子注入形成P型掺杂区；
去除剩余的所述第一保护层，重新淀积第二保护层；刻蚀第二指定位置处的所述第二保护层，并利用离子注入工艺对所述第二指定位置处的所述晶化Ge层进行离子注入形成N型掺杂区以在所述晶化Ge层中形成横向P-i-N结构；
去除整个衬底表面的剩余所述第二保护层，并在所述晶化Ge层的i区位置表面生长GeSn层；
在所述晶化Ge层的所述P型掺杂区和N型掺杂区表面形成接触区从而形成所述GeSn光电探测器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述Si衬底表面连续生长Ge晶籽层和Ge主体层，包括：
在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述Si衬底表面生长厚度为40～50nm的所述Ge籽晶层；
在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在所述Ge籽晶层表面生长厚度为150～250nm的所述Ge主体层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对整个衬底进行加热，并采用激光工艺晶化整个衬底，冷却后使所述Ge晶籽层和所述Ge主体层形成晶化Ge层，包括：
将包括所述Si衬底、所述Ge晶籽层、所述Ge主体层及所述保护层的整个衬底加热至650℃-750℃；
采用激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s对整个衬底进行晶化处理，自然冷却后形成所述晶化Ge层。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，刻蚀第一指定位置处的所述保护层，并利用离子注入工艺对所述第一指定位置处的所述晶化Ge层进行离子注入形成P型掺杂区，包括：
采用第一掩膜版，利用各向异性刻蚀工艺刻蚀掉所述第一指定位置处的所述保护层以暴露出所述晶化Ge层；
利用离子注入工艺对所述第一指定位置处的晶化Ge层进行B离子注入以在所述晶化Ge层形成所述P型掺杂区。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，刻蚀第二指定位置处的所述保护层，并利用离子注入工艺对所述第二指定位置处的所述晶化Ge层进行离子注入形成N型掺杂区以在所述晶化Ge层中形成横向P-i-N结构，包括：
采用第二掩膜版，利用各向异性刻蚀工艺刻蚀掉所述第二指定位置处的所述保护层以暴露出所述晶化Ge层；
利用离子注入工艺对所述第二指定位置处的晶化Ge层进行P离子注入以在所述晶化Ge层形成所述N型掺杂区，最终在所述晶化Ge层中形成所述横向P-i-N结构。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，去除整个衬底表面的剩余所述保护层，并在所述晶化Ge层的i区位置表面生长GeSn层，包括：
去除整个衬底表面的剩余所述保护层；
采用退火工艺对所述晶化Ge层进行退火处理以激活所述晶化Ge层中所述N型掺杂区和所述P型掺杂区中的杂质；
采用第三掩膜版，在H2气氛下，以SnCl4和GeH4分别作为Sn气体源和Ge气体源，在所述晶化Ge层的i区表面生长形成所述GeSn层。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述晶化Ge层的P型掺杂区和N型掺杂区表面形成接触区，包括：
在整个衬底表面生长SiO2材料以在整个衬底表面形成钝化层；
采用第四掩膜版，利用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述钝化层，以在所述晶化Ge层的P型掺杂区和N型掺杂区分别形成接触孔；
利用电子束淀积工艺在所述接触孔内淀积金属材料；
利用CMP工艺去除所述晶化Ge层表面多余的所述金属材料以形成所述接触区。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述金属材料为Cr或者Au。
9.一种横向PiN结构GeSn光电探测器，其特征在于，所述光电探测器由权利要求1-8任一项所述的方法制备形成。
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