CN107785454A - 基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器及其制备方法，该方法包括：选取Si衬底；生长Ge籽晶层；生长Ge主体层；生长SiO2层；将整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化，激光波长为808nm，光斑尺寸10mm×1mm，功率为1.5kW/cm2，移动速度为25mm/s，形成晶化Ge层；去除SiO2层；掺杂形成P型晶化Ge层；生长本征GeSn层及N型Ge层、SiO2钝化层及Cr/Au层；利用CMP工艺进行处理后形成光电探测器。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；通过连续激光辅助晶化Ge/Si虚衬底，可有效降低Ge/Si虚衬底的位错密度、表面粗糙度、界面缺陷从而降低了GeSn光电探测器暗电流。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器及其制备方法。
背景技术
GeSn材料是近年兴起的新型半导体材料，GeSn易发射和吸收电子，还具有较高的载流子迁移率等优良的电学特性，这些特性使GeSn材料在硅基光电子器件如发光器件、光电探测器、光调制器以及高迁移率场效应晶体管等方面得到了广泛的研究与应用。此外，GeSn材料具有与成熟硅微电子工艺的兼容性。GeSn材料近来引起广泛关注，主要是因为其工作范围可以覆盖近红外和短波红外(NIR，SWIR)波长。特别是对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。开展Si基GeSn材料生长与相关器件研究工作具有重要现实意义。
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，理论上可以实现光信息高速传输，实验上也取得了可喜的进展。Si基GeSn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，在高速光电器件领域得以研究和应用。此外，以Si衬底为基片，将GeSn合金等半导体材料制造的光电子功能器件集成到一起，通过Si波导等进行光信号传输，就可以 实现Si基光电子集成；另一方面，利用成熟的硅工艺和丰富的硅资源具有明显的成本优势。目前，Si基光电集成技术已日趋成熟，Si基光电器件如硅基GeSn探测器等器件已得到了广泛的应用与研究。
硅基GeSn探测器的制备通常是在Si衬底上外延生长Ge，再在Ge缓冲层上生长GeSn材料形成光电探测器。然而，Ge材料与Si材料的晶格常数相差较大，晶格失配高达4.2％，在Si基Ge的外延薄膜层容易形成较高的表面粗糙度和较高的位错密度，这大大限制了探测器的性能。这就要求在Ge材料外延生长技术上进行创新研究，降低Ge/Si界面位错密度，从而保证外延Ge材料具有较好的晶体质量，为制备性能良好的GeSn探测器奠定“物质基础”。因此，采用Si衬底上制备高质量Ge外延层的工艺来制作GeSn探测器，是半导体领域内研究解决的热点课题之一。
发明内容
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器及其制备方法。
具体地，本发明一个实施例提出的一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器的制备方法，包括：
S101、选取单晶Si衬底材料；
S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长厚度为40～50nm的Ge籽晶层；
S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述Ge籽 晶层表面生长厚度为150～250nm的Ge主体层；
S104、利用CVD工艺在所述Ge主体层表面上淀积厚度为150nm第一SiO2层；
S105、将包括所述单晶Si衬底、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层及所述第一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，形成晶化Ge层；
S106、自然冷却整个衬底材料；
S107、利用干法刻蚀工艺刻蚀所述第一SiO2层，以得到Ge/Si虚衬底；
S108、利用离子注入对晶化Ge层进行硼离子注入，形成P型晶化Ge层，掺杂浓度为5*1018cm-3；
S109、在H2氛围中降温至350℃以下，以SnCl4和GeH4分别作为Sn和Ge源且GeH4和SnCl4气体流量比为0.95～0.99，在所述虚衬底表面生长厚度为150～200nm的GeSn层；
S110、以N2作为运载气体，以1％的PH3作为P掺杂源，在所述GeSn层表面生长厚度为30～50nm的N型Ge层；
S111、使用HCl:H2O2:H2O＝1:1:20的化学溶剂，以100nm/min的速率进行台面刻蚀，刻蚀深度为500nm；
S112、利用等离子增强化学气相淀积工艺，在所述N型Ge层表面淀积厚度为100～120nm的SiO2钝化层；
S113、利用刻蚀工艺选择性刻蚀指定区域的所述SiO2钝化层形成接触孔；
S114、利用电子束蒸发工艺淀积厚度为150～200nm的Cr/Au材料；
S115、利用刻蚀工艺选择性刻蚀指定区域的所述Cr/Au材料，并利用CMP工艺进行平坦化处理，以形成所述基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器。
本发明另一个实施例提出的一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器，包括：单晶Si衬底、P型晶化Ge层、本征GeSn层、N型Ge层、SiO2钝化层及Cr/Au层；其中，所述光电探测器由上述实施例提供的方法制备形成。
本发明再一个实施例提出的一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器的制备方法，包括：
选取Si衬底；
第一温度范围下，在所述Si衬底表面生长Ge籽晶层；
第二温度范围下，在所述Ge籽晶层表面生长Ge主体层；
在所述Ge主体层表面生长第一SiO2层；
将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，形成晶化Ge层；
去除所述第一SiO2层；
对晶化Ge层进行硼离子掺杂，形成P型晶化Ge层；
在所述P型晶化Ge层表面连续生长本征GeSn层及N型Ge层；
在整个衬底表面生长SiO2钝化层及Cr/Au层；
利用CMP工艺对整体衬底进行处理后形成所述基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器。
在本发明的一个实施例中，所述第一温度范围为：275℃～325℃；所述第二温度范围为：500℃～600℃。
在本发明的一个实施例中，在所述P型晶化Ge层表面连续生长本征GeSn层及N型Ge层，包括：
以SnCl4和GeH4分别作为Sn和Ge源，在所述虚衬底表面生长所述本征GeSn层；
以N2作为运载气体，在所述本征GeSn层表面生长所述N型Ge层。
在本发明的一个实施例中，在所述GeSn层表面生长所述N型Ge层之后，还包括：
使用化学溶剂，以一定速率对所述N型Ge帽层及所述本征GeSn层进行刻蚀，形成台阶。
在本发明的一个实施例中，在整个衬底表面生长SiO2钝化层及Cr/Au层，包括：
利用等离子增强化学气相淀积工艺，在所述N型Ge层表面淀积所述SiO2钝化层；
利用刻蚀工艺选择性刻蚀指定区域的SiO2材料形成接触孔；
利用电子束蒸发工艺淀积所述Cr/Au材料。
本发明又一个实施例提出的一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器，包括：单晶Si衬底、P型晶化Ge层、本征GeSn层、N型Ge层、SiO2钝化层及Cr/Au层；其中，所述光电探测器由上述实施例提供的方法制备形成。
基于此，本发明具备如下优点：
(1)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；
(2)本发明通过连续激光辅助晶化Ge/Si虚衬底，可有效降低Ge/Si虚衬底的位错密度、表面粗糙度、界面缺陷从而降低了GeSn光电探测器暗电流。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器制备方法的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种激光晶化工艺的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种激光晶化装置的结构示意图；
图4a-图4m为本发明实施例提供的一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器制备方法的工艺结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器制备方法的示意图。该方法包括如下步骤：
步骤a、选取Si衬底；
步骤b、第一温度范围下，在所述Si衬底表面生长Ge籽晶层；
步骤c、第二温度范围下，在所述Ge籽晶层表面生长Ge主体层；
步骤d、在所述Ge主体层表面生长第一SiO2层；
步骤e、将包括所述单晶Si衬底、所述第一Ge籽晶层、所述第二Ge主体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，形成晶化Ge层；
步骤f、去除所述第一SiO2层；
步骤g、在晶化Ge层掺杂硼离子，形成P型晶化Ge层；
步骤h、在P型晶化Ge层表面连续生长本征GeSn层及N型Ge层；
步骤i、在整个衬底表面生长SiO2钝化层及Cr/Au层；
步骤j、利用CMP工艺对整体衬底进行处理后形成所述基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器。
在步骤b和步骤c中，所述第一温度范围为：275℃～325℃；所述第二温度范围为：500℃～600℃。
其中，步骤h可以包括：
步骤h1、以SnCl4和GeH4分别作为Sn和Ge源，在所述虚衬底表面生长所述GeSn层；
步骤h2、以N2作为运载气体，在所述GeSn层表面生长所述N型Ge层。
另外，在步骤h2之后，还包括：
步骤x、使用化学溶剂，以一定速率对所述N型Ge层及所述GeSn层进行刻蚀，形成台阶。
其中，步骤i可以包括：
步骤i1、利用等离子增强化学气相淀积工艺，在所述N型Ge层表面淀积所述SiO2钝化层；
步骤i2、利用刻蚀工艺选择性刻蚀指定区域的SiO2材料形成接触孔；
步骤i3、利用电子束蒸发工艺淀积所述Cr/Au材料。
本发明的工作原理及有益效果具体为：
目前，Si衬底上制备Ge外延层相对成熟，也是最常见的方法是两步生长法。但两步生长法仍然无法解决Ge外延层中大量螺位错的出现，所以还常需要结合循环退火工艺以减小Ge外延层螺位错密度。然而，循环退火工艺会出现Si-Ge互扩问题。另外，循环退火工艺的引入在减小位错密度的同时，还会导致Ge/Si缓冲层表面粗糙度的增加。同时，该方法还存在工艺周期长，热预算高等缺点。
为了避免位错缺陷在外延的过程中沿纵向扩展而导致Ge/Si虚衬底晶体质量降低，可采用Ge/Si横向结晶生长的方法，抑制缺陷的扩展从而获得高质量的Ge/Si虚衬底。激光晶化技术是一种热致相变横向结晶的方法，是解决该问题的有效方案。
请参见图2，图2本发明实施例提供的一种激光晶化工艺的示意图，先用化学气相淀积经两步法形成薄的Ge外延层，再用连续激光晶化使Ge横向结晶生长，获得高质量的Si衬底上Ge外延层，进而制造高性能的GeSn光电探测器先。
本发明的技术要点是采用连续激光晶化辅助技术来制作Ge PIN光探测器。请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种激光晶化装置的结构示意图。该装置通过对样品材料进行连续的激光晶化，以形成较低表面粗糙度和较低位错密度的Ge/Si虚衬底，进而制造高性能GeSn光电探测器。
另外，激光再晶化可以看作是激光对薄膜的热效应，即激光通过热效应将被照射的薄膜融化，在较短的时间使其冷却结晶的过程。激光晶化大致可分为以下三个阶段：
1)激光与物质的相互作用阶段。此阶段物质吸收激光能量转变为热能，达到熔化状态。激光与物质相互作用过程中，物质的电学性能、光学性能、结构状况等均发生变化。
2)材料的热传导阶段。根据热力学基本定律，激光作用于材料 上将会发生传导、对流和辐射三种传热方式，此时加热速度快，温度梯度大。
3)材料在激光作用下的传质阶段。传质，即物质从空间或空间某一部位运动到另一部位的现象。在此阶段，经激光辐射获得能量的粒子开始运动。传质存在两种形式：扩散传质和对流传质。扩散传质表示的是原子或分子的微观运动；对流传质则是流体的宏观运动。
本实施例，通过上述加工工艺，至少具备如下优点：
(1)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；
(2)本发明通过连续激光辅助晶化Ge/Si虚衬底，可有效降低Ge/Si虚衬底的位错密度、表面粗糙度、界面缺陷从而降低了GeSn光电探测器暗电流。
另外，需要强调说明的是，本发明的激光再晶化(Laser Re-Crystallization,简称LRC)工艺与激光退火(laser annealing)工艺有显著区别。激光退火工艺，属于热退火工艺范畴。其采用激光作为热源，仅对半导体进行加热处理，未产生相变过程。而本发明激光再晶化工艺处理过程中，半导体材料会发生两次相变--熔融液化而后再固相结晶。因而，此二者工艺在本质上有显著的区别。
实施例二
请参见图4a-图4l，图4a-图4l为本发明实施例提供的一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器制备方法的工艺结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的的技术方案进行详细描述。 具体地，该方法可以包括：
S101、选取单晶Si衬底001，如图4a所示；
S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长40～50nm的Ge籽晶层002，如图4b所示；
S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述第一Ge籽晶层表面生长150～250nm的Ge主体层003，如图4c所示；
S104、利用CVD工艺在所述Ge主体层表面上淀积100～150nm SiO2层004，如图4d所示；
S105、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；
S106、自然冷却所述整个衬底材料；
S107、利用干法刻蚀工艺刻蚀所述SiO2层004，得到所述Ge/Si虚衬底材料，如图4e所示；
S108、利用离子注入工艺对本征晶化Ge层进行掺杂，掺杂浓度为5×1018cm-3，形成P型晶化Ge层005，如图4f所示；
S109、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150～200nm厚的无掺杂的GeSn区域006，如图4g所示；
S110、继之前相同温度下，继续淀积Ge层。P掺杂浓度为1×1019cm-3。在低的生长温度下，用N2作为运载气体可以提高生长速率，1％的PH3作为P掺杂源。生长30～50nm厚的N型Ge层结构007，如图4h所示；
S111、室温下，使用HCl:H2O2:H2O＝1:1:20的化学溶剂，以稳定速率100nm/min进行台面刻蚀，刻蚀的深度控制在500nm，使P型Ge层露出做金属接触，如图4i所示；
S112、使用等离子增强化学气相淀积方法，淀积100～120nm厚的SiO2钝化层008，可以在界面处获得良好的电学特性和稳定性，如图4j所示；
S113、刻蚀接触孔，用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定区域的SiO2形成接触孔，如图4k所示；
S114、利用电子束蒸发淀积150～200nm厚的Cr/Au层009，如图4l所示；
S115、利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的Cr/Au，采用化学机械抛光(CMP)进行平坦化处理，如图4m所示。
本实施中，基于Ge/Si虚衬底的GeSn PIN光电探测器的工作原理如下：
PIN光电探测器通过调节它的耗尽区厚度(本征层)能得到最佳的量子效率和频率响应。半导体内因光吸收产生电子-空穴对，在耗尽区内或一个扩散长度内产生的电子-空穴对最后被电场分开，载流子漂移通过耗尽区，使得外电路有电流流过。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明基于Ge/Si虚衬底的GeSn PIN光电探测器及其制备方法的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (8)
1.一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
S101、选取单晶Si衬底材料；
S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长厚度为40～50nm的Ge籽晶层；
S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述Ge籽晶层表面生长厚度为150～250nm的Ge主体层；
S104、利用CVD工艺在所述Ge主体层表面上淀积厚度为150nm第一SiO2层；
S105、将包括所述单晶Si衬底、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层及所述第一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，形成晶化Ge层；
S106、自然冷却整个衬底材料；
S107、利用干法刻蚀工艺刻蚀所述第一SiO2层，以得到Ge/Si虚衬底；
S108、利用离子注入对晶化Ge层进行硼离子注入，形成P型Ge层，掺杂浓度为5*1018cm-3；
S109、在H2氛围中降温至350℃以下，以SnCl4和GeH4分别作为Sn和Ge源且GeH4和SnCl4气体流量比为0.95～0.99，在所述P-Ge层表面生长厚度为150～200nm的本征GeSn层；
S110、以N2作为运载气体，以1％的PH3作为P掺杂源，在所述GeSn层表面生长厚度为30～50nm的N型Ge层；
S111、使用HCl:H2O2:H2O＝1:1:20的化学溶剂，以100nm/min的速率进行台面刻蚀，刻蚀深度为500nm；
S112、利用等离子增强化学气相淀积工艺，在所述N型Ge层表面淀积厚度为100～120nm的SiO2钝化层；
S113、利用刻蚀工艺选择性刻蚀指定区域的所述SiO2钝化层形成接触孔；
S114、利用电子束蒸发工艺淀积厚度为150～200nm的Cr/Au材料；
S115、利用刻蚀工艺选择性刻蚀指定区域的所述Cr/Au材料，并利用CMP工艺进行平坦化处理，以形成所述基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器。
2.一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器，其特征在于，包括：单晶Si衬底、晶化Ge层、本征GeSn层、N型Ge层、SiO2钝化层及Cr/Au层；其中，所述光电探测器由权利要求1所述的方法制备形成。
3.一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
选取Si衬底；
第一温度范围下，在所述Si衬底表面生长Ge籽晶层；
第二温度范围下，在所述Ge籽晶层表面生长Ge主体层；
在所述Ge主体层表面生长第一SiO2层；
将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，形成晶化Ge层；
去除所述第一SiO2层；
对晶化Ge层进行硼离子掺杂，形成P型晶化Ge层；
在所述P型晶化Ge层表面连续生长本征GeSn层及N型Ge层；
在整个衬底表面生长SiO2钝化层及Cr/Au层；
利用CMP工艺对整体衬底进行处理后形成所述基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一温度范围为：275℃～325℃；所述第二温度范围为：500℃～600℃。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述P型晶化Ge层表面连续生长本征GeSn层及N型Ge层，包括：
以SnCl4和GeH4分别作为Sn和Ge源，在所述衬底表面生长本征GeSn层；
以N2作为运载气体，在所述本征GeSn层表面生长所述N型Ge层。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述本征GeSn层表面生长所述N型Ge层之后，还包括：
使用化学溶剂，以一定速率对所述N型Ge层及所述本征GeSn层进行刻蚀，形成台阶。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在整个衬底表面生长SiO2钝化层及Cr/Au层，包括：
利用等离子增强化学气相淀积工艺，在所述N型Ge帽层表面淀积所述SiO2钝化层；
利用刻蚀工艺选择性刻蚀指定区域的SiO2材料形成接触孔；
利用电子束蒸发工艺淀积所述Cr/Au材料。
8.一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器，其特征在于，包括：单晶Si衬底、P型晶化Ge层、本征GeSn层、N型Ge层、SiO2钝化层及Cr/Au层；其中，所述光电探测器由权利要求3～7任一项所述的方法制备形成。
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