CN111919351B - 包括在散热器上的应变半导体层的结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种结构,该结构包括在半导体衬底(5)上的包括锗的半导体层或半导体层的堆叠的部分(3),并且包括围绕所述部分(3)并且对其施加应变的氮化硅的层(7),其中半导体衬底(5)借助于金属腿(22)与氮化硅层(7)分离。
Description
技术领域
本公开涉及一种包括应变半导体层的结构,该应变半导体层至少包括锗。
背景技术
锗和一种或多种其他半导体成分的应变锗和应变合金通常用在光电子中,并且更具体地,用在激光器、波导的制造中。它们还用在微电子中以形成CMOS型晶体管。
存在用于获得应变锗的不同方法,其中一种方法包括在两个应变氮化硅层之间包围锗层。Abdelhamid Ghrib等人在2015年03月发表在Advanced Optical Materials,第3卷,第353至358页的题目为“All-Around SiN Stressor for High and HomogeneousTensile Strain in Germanium Microdisk Cavities”的文章中描述了该方法。
期望能够至少部分地改善已知结构的某些方面,从而使得能够使锗或例如锗和锡的合金应变。
发明内容
一个实施例提供了一种结构,该结构包括在半导体支撑件上的包括锗的半导体层或半导体层的堆叠的部分,并且包括氮化硅层,该氮化硅层围绕并且使该部分应变。其中半导体支撑件通过金属脚与氮化硅层分离。
根据一个实施例,金属脚由铝或铝和硅的化合物制成。
根据一个实施例,半导体层或半导体层的堆叠的半导体层中的每个由锗、锗-锡或硅-锗-锡制成。
根据一个实施例,该部分是激光器的谐振器。
根据一个实施例,该部分是波导。
根据一个实施例,金属脚具有大于600nm的高度。
根据一个实施例,该部分具有在从200nm至500nm的范围内的厚度。
根据一个实施例,氮化硅层具有在从200nm至700nm的范围内的厚度。
根据一个实施例,金属脚经由键合层的堆叠而被键合到半导体支撑件。
根据一个实施例,键合层的堆叠具有大约100nm的高度。
根据一个实施例,键合层的堆叠包括两个氧化硅层。
根据一个实施例,键合层的堆叠包括两个金层和抗扩散层。
根据一个实施例,抗扩散层由氧化硅或氮化硅制成。
另一实施例提供了一种制造结构的方法,包括在第一半导体支撑件的表面上依次形成层的堆叠的连续步骤。层的堆叠包括:包括锗的半导体层或半导体层的堆叠的部分、第一氮化硅层以及使第一氮化硅层应变的金属层。方法还包括将第二半导体支撑件的表面键合到金属层,将堆叠与第一支撑件分离,选择性地蚀刻金属层,以相对于第一氮化硅层的横向尺寸减小金属层的宽度,以及在半导体层上各向同性地沉积第二氮化硅层。
根据一个实施例,第二半导体支撑件通过热压键合或通过分子键合而键合到金属层。
附图说明
在通过说明而非限制的方式给出的对特定实施例的以下描述中,将参考附图对上述特征和优点以及其他特征进行详细描述,其中:
图1是包括应变半导体层的结构的截面图;
图2是包括应变半导体层的结构的一个实施例的截面图;以及
图3A至图3F是制造图2的结构的方法的截面图。
具体实施方式
在各个附图中,相同的特征已经由相同的附图标记表示。为了清楚起见,仅图示和详细描述了对于理解本文描述的实施例有用的元件。
在下面的公开中,当提及限定相对位置(诸如,术语“顶部”、“上部”、“下部”等)的术语时,参考的是相关元件在图中的定向。除非另有说明,否则表述“大约”表示在10%以内,优选在5%以内。
图1是结构1的截面图,结构1包括应变半导体层,该应变半导体层包括锗,这在之前在现有技术的讨论中提到的文章中进行了描述。
结构1包括应变半导体层的部分3,该部分3包括布置在例如由硅制成的半导体支撑件5上方的锗。层部分3被应变氮化硅层7围绕。层7使层部分3应变。层7具有与层部分3的厚度相同数量级的厚度。层部分3和层7通过氧化硅脚9与半导体支撑件5分离。在俯视图中,脚9的尺寸小于层部分3的尺寸。支撑件5的上表面例如覆盖有与脚9接触的氧化硅11。特别地,在SOI型结构(“绝缘体上硅”)的内部和之上形成这种类型的结构,其中脚9由BOX掩埋绝缘层(“掩埋氧化物”)形成。
图2是包括应变锗的结构20的一个实施例的截面图。结构20与图1的结构1类似,不同之处在于用金属脚22代替图1的氧化硅脚9。
作为示例,层部分3由锗或锗合金和一种或多种化合物制成,例如,锗和锡的合金或锗、硅和锡的合金。层部分3具有例如在从200nm至500nm的范围内的厚度,例如大约为350nm。作为变型,层部分3可以是包括锗的层的堆叠的部分。层部分3可以对应于用作激光器(例如锗-锡激光器)的谐振器的微盘、对应于波导,或者也可以是具有多个量子阱的层,例如形成在波导或微盘中。
氮化硅层7的厚度大约为层部分3的厚度。氮化硅层使层部分3应变。作为示例,层7具有从200nm至700nm范围内的厚度,例如大约为450nm。
金属脚22例如由铝或铝和硅的化合物制成。脚22例如具有大约600nm的最小高度。金属脚22通过热压键合或通过分子键合而键合到支撑件5。分子键合是氧化硅层与另一氧化硅层之间的键合,支撑件5的上表面覆盖有氧化硅层26,并且脚22的下表面覆盖有氧化硅层24。在金-金键合的情况下,支撑件5的上表面覆盖有金层26,并且脚22的下表面覆盖有金层24。但是,为了避免金原子扩散到金属脚22中,层24通过例如由氮化硅或氧化硅制成的抗扩散层(图2中未示出)与脚22分离。在金-金键合的情况下,层26和层24的组件具有大约100nm的高度并且例如能够达到1μm的范围,并且抗扩散层具有150nm的最大高度。在氧化硅之间键合的情况下,层26和层24的组件例如具有大约100nm的高度并且例如能够达到2μm的范围。
该实施例的优点在于,脚22的材料是比氧化硅更好的热导体。这使得在使用结构20期间,能够将层部分3中生成的热量散发到半导体支撑件5。当层部分3用作谐振器中的发射区域以形成激光器时,这特别有用。
该实施例的另一个优点是,例如,就变形传递而言,由铝或铝和硅的合金制成的脚保持与氧化硅脚相同的性质。
该实施例的又一个优点是可以产生跨脚22的电接触。
图3A至图3F是制造图2的结构20的类型的结构的方法的实施例的步骤的截面图。
在图3A的步骤处,在例如由硅制成的半导体支撑件32上形成由锗或锗的合金和一种或多种化合物制成的半导体层30。层30例如通过外延形成。层30例如具有在从200nm至500nm范围内的厚度。
在图3B的步骤处,氮化硅层34被沉积在半导体层30上。氮化硅层的厚度大约为层30的厚度,例如,在从200nm至700nm的范围内。金属层36被沉积在氮化硅层34上。金属层36能够使氮化硅层34应变。金属层36例如由铝或铝和硅的化合物制成。金属层36例如具有大于600nm的厚度。这里考虑金-金的键合,并且在金属层36上沉积抗扩散层38。
在图3C的步骤处,图3B的结构被翻转,然后被键合到半导体支撑件40。为此,抗扩散层38的暴露表面和支撑件40的上层覆盖有金层,然后被相互定位,这就是所谓的分子键合。然后,将包括半导体层30、氮化硅层34、金属层36和抗扩散层38的堆叠与支撑件32分离,以使半导体层30的表面暴露。下文将包括抗扩散层38以及金层42和44的组件称为键合堆叠。
在图3D的步骤处,使层30经受各种修改步骤(未在本文中描述),诸如,例如蚀刻、掺杂等步骤,以使其变为层部分45。修改步骤特别地使得能够给予半导体层部分30其将来用途所需的形状。作为示例,修改步骤在图3中被示为蚀刻步骤,该蚀刻步骤给予层部分45特定的形状,例如圆形。氮化硅层34、金属层36和键合堆叠也可以经受蚀刻步骤。
在图3E的步骤处,相对于其他层选择性地蚀刻金属层36以形成金属脚46。金属脚46的直径小于层部分45的直径。通过减小在脚46的金属与氮化硅层34之间的接触的尺寸,脚46对层34施加的应变也减小并且层34松弛。通过松弛,层34本身将应变施加到层部分45上。
在图3F的步骤处,在层部分45上执行应变氮化硅的各向同性蚀刻。可以选择性地执行各向同性沉积。该沉积使得能够从层34形成氮化硅层48,氮化硅层48围绕并且使层部分45应变。作为示例,沉积是等离子体增强化学气相沉积。
已经描述了特定实施例。本领域技术人员将想到各种改变和修改。特别地,层部分3可以是半导体层的堆叠的一部分。
Claims (24)
1.一种半导体结构,包括:
半导体支撑件;
半导体区域,在所述半导体支撑件上方,所述半导体区域包括锗;
氮化硅层,所述氮化硅层围绕并且使所述半导体区域应变;以及
金属脚,将所述氮化硅层与所述半导体支撑件分离。
2.根据权利要求1所述的半导体结构,其中所述半导体区域包括在所述半导体支撑件上方并且由所述氮化硅层围绕的半导体层的堆叠中的一层。
3.根据权利要求1所述的半导体结构,其中所述金属脚由铝或铝与硅的化合物制成。
4.根据权利要求1所述的半导体结构,其中所述半导体区域包括锗、锗-锡或硅-锗-锡。
5.根据权利要求1所述的半导体结构,其中所述半导体区域是激光器的谐振器。
6.根据权利要求1所述的半导体结构,其中所述半导体区域是波导。
7.根据权利要求1所述的半导体结构,其中所述金属脚具有大于600nm的高度。
8.根据权利要求1所述的半导体结构,其中所述半导体区域具有在从200nm至500nm的范围内的厚度。
9.根据权利要求1所述的半导体结构,其中所述氮化硅层(7,48)具有在从200nm至700nm的范围内的厚度。
10.根据权利要求1所述的半导体结构,其中所述金属脚具有大于600nm的高度,其中所述半导体区域具有从200nm至500nm的范围内的厚度,并且其中所述氮化硅层具有从200nm至700nm的范围内的厚度。
11.根据权利要求1所述的半导体结构,其中所述金属脚通过键合层的堆叠而被键合到所述半导体支撑件。
12.根据权利要求11所述的半导体结构,其中所述键合层的堆叠具有大约100nm的高度。
13.根据权利要求11所述的半导体结构,其中所述键合层的堆叠包括两个氧化硅层。
14.根据权利要求11所述的半导体结构,其中所述键合层的堆叠包括两个金层和抗扩散层。
15.根据权利要求14所述的半导体结构,其中所述抗扩散层包括氧化硅或氮化硅。
16.一种半导体结构,包括:
半导体支撑件;
半导体区域,在半导体支撑件上方,所述半导体区域包括元素锗、锗-锡或硅-锗-锡,其中所述半导体区域包括激光器的谐振器或波导;
氮化硅层,围绕所述半导体区域并且使所述半导体区域应变;
金属脚,将所述氮化硅层与所述半导体支撑件分离,所述金属脚包括铝;以及
键合层的堆叠,将所述金属脚键合到所述半导体支撑件。
17.根据权利要求16所述的半导体结构,其中所述金属脚具有大于600nm的高度,其中所述半导体区域具有从200nm至500nm的范围内的厚度,并且其中所述氮化硅层具有从200nm至700nm的范围内的厚度。
18.根据权利要求16所述的半导体结构,其中所述键合层的堆叠包括两个氧化硅层。
19.根据权利要求16所述的半导体结构,其中所述键合层的堆叠包括两个金层和抗扩散层。
20.一种制造半导体结构的方法,包括:
在第一半导体支撑件的表面上顺次形成层的堆叠,所述层的堆叠包括:包括锗的半导体区域、第一氮化硅层和金属层,所述金属层使所述第一氮化硅层应变,
将第二半导体支撑件的表面与所述金属层键合;
使所述堆叠与所述第一支撑件分离;
选择性地蚀刻所述金属层,以相对于所述第一氮化硅层的横向尺寸减小所述金属层的宽度;以及
在所述半导体区域上各向同性地沉积第二氮化硅层。
21.根据权利要求20所述的方法,其中所述第二半导体支撑件通过热压键合或通过分子键合而键合到所述金属层。
22.根据权利要求20所述的方法,其中所述键合包括:经由键合层的堆叠将所述金属层键合到所述第二半导体支撑件。
23.根据权利要求22所述的方法,其中所述键合层的堆叠包括两个氧化硅层。
24.根据权利要求22所述的方法,其中所述键合层的堆叠包括两个金层和抗扩散层。
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