CN112259618A - 基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器及制备方法，制备方法包括：在硅波导层中制备下接触层；2)形成介质层，并于介质层中形成锗光电探测器集成窗口；3)于集成窗口内及介质层上形成非晶材料层，并形成非晶材料层的平坦表面，非晶材料层为非晶硅层或者非晶锗材料层；4)键合锗材料衬底及所述非晶材料层，并减薄锗材料衬底；5)固相外延形成单晶硅层或单晶锗材料层；6)形成锗吸收区及上接触层；7)制备下电极及上电极。本发明通过将具有单晶结构的锗材料衬底与硅直接键合方式集成，可以获得质量更高的锗材料以及锗/硅异质结构，有利于锗光电探测器暗电流等特性的优化。

Description

基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器及制备方法
技术领域
本发明属于半导体设计及制造领域，特别是涉及一种基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器及制备方法。
背景技术
硅基锗光电探测器与CMOS工艺兼容，在光通信、光互联和光传感等领域有着广泛的引用。相较于垂直入射型探测器，波导型探测器能避免光探测器速率和量子效率间相互制约的问题，且可以与波导光路集成，更容易实现高速高响应度，是实现高速光通信和光互联芯片的核心器件之一。
然而，由于锗(Ge)材料与硅(Si)之间存在大的晶格失配，硅(Si)上外延生长锗(Ge)材料极具挑战。近年来，硅上锗外延技术得到了极大的提升。通过优化生长工艺，结合退火技术，高质量的硅基锗外延得以实现，其中锗材料中的位错密度可以低至106cm-2量级。然而，进一步降低锗材料位错密度，尤其在锗材料厚度受限的情况下，提升外延锗材料质量非常困难。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器及制备方法，以提升锗材料质量，实现更低的锗光电探测器暗电流。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法，所述制备方法包括步骤：1)提供一硅波导层，通过光刻定义锗光电探测器下接触层区域，采用离子注入和退火工艺制备下接触层；2)于所述硅波导层上形成介质层，并通过光刻刻蚀方法于所述介质层中形成锗光电探测器集成窗口，该集成窗口显露所述下接触层；3)于所述集成窗口内及所述介质层上形成非晶材料层，并采用化学机械抛光工艺形成非晶材料层的平坦表面，所述非晶材料层为非晶硅层或者非晶锗材料层；4)提供一锗材料衬底，采用晶圆键合工艺键合所述锗材料衬底及所述非晶材料层，并减薄所述锗材料衬底；5)采用退火工艺实现所述非晶材料层的固相外延，形成单晶材料层，所述单晶材料层为单晶硅层或单晶锗材料层；6)通过光刻刻蚀形成锗吸收区，并在所述锗吸收区上形成上接触层；7)在所述下接触层及所述上接触层上分别制备下电极及上电极。
可选地，所述非晶材料层为非晶锗材料层，所述非晶锗材料层在所述固相外延过程中，基于与其相接触的所述锗材料衬底进行再结晶，形成所述单晶锗材料层。
可选地，步骤3)化学机械抛光工艺后，位于所述介质层表面上的非晶材料层的厚度介于5纳米～20纳米之间。
可选地，所述介质层包括二氧化硅层，其厚度范围介于30纳米～100纳米之间。
可选地，步骤4)采用智能剥离方法或者选择性刻蚀方法减薄所述锗材料衬底。
可选地，所述智能剥离方法包括步骤：
a)在步骤4)的键合前，在锗材料衬底中上注入H离子，形成剥离界面；
b)在步骤4)的键合后，通过退火工艺使所述锗材料衬底在所述剥离界面处实现剥离。
可选地，步骤5)实现所述非晶材料层的固相外延的退火温度范围介于300℃～500℃，退火时间介于0.5分钟～30分钟之间。
本发明还提供一种基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器，包括：硅波导层，所述硅波导层中形成有锗光电探测器的下接触层；介质层，位于所述硅波导层上，所述硅波导层中具有锗光电探测器集成窗口，该集成窗口显露所述下接触层；单晶材料层，填充于所述集成窗口中，所述单晶材料层为单晶硅层或单晶锗材料层；锗吸收区，键合于所述单晶材料层；上接触层，形成于所述锗吸收区上部；下电极，形成于所述下接触层上；上电极，形成所述上接触层上。
可选地，所述单晶材料层的高度大于所述介质层的厚度，所述单晶材料层超出所述介质层顶面的高度范围介于5纳米～20纳米之间。
可选地，所述下接触层的面积大于所述锗吸收区的面积，所述锗吸收区两侧的介质层中具有开口，所述开口显露所述下接触层，所述下电极形成于所述开口中。
如上所述，本发明的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器及制备方法，具有以下有益效果：
与现有的通过外延方案实现锗材料/硅集成相比，本发明通过将具有单晶结构的锗材料衬底与硅直接键合方式集成，可以获得质量更高的锗材料以及锗/硅异质结构，有利于锗光电探测器暗电流等特性的优化。
附图说明
图1显示为本发明实施例的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法步骤流程示意图。
图2～图13显示为本发明实施例的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
元件标号说明
101 底层硅
102 绝缘层
103 硅波导层
104 介质层
105 集成窗口
106 非晶锗材料层
107 锗材料衬底
108 单晶锗材料层
109 锗吸收区
110 下接触层
111 上接触层
112 下电极
113 上电极
S11～S17 步骤1)～步骤7)
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1～图13所示，本实施例提供一种基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法，所述制备方法包括步骤：
如图1及2～图3所示，首先进行步骤1)S11，提供一硅波导层103，通过光刻定义锗光电探测器下接触层110区域，采用离子注入和退火工艺在所述硅波导层103中制备下接触层110。
如图2所示，提供所述硅波导层103包括步骤：提供一SOI衬底，所述SOI衬底包括底层硅101、绝缘层102及顶层硅；然后通过光刻刻蚀工艺对所述顶层硅进行刻蚀，以形成硅波导层103。当然，所述硅波导层103也可以直接在硅衬底上通过光刻刻蚀工艺形成，并不限于此处所列举的示例。
如图4所示，然后进行步骤2)S12，于所述硅波导层103上形成介质层104，并通过光刻刻蚀方法于所述介质层104中形成锗光电探测器集成窗口105，该集成窗口显露所述下接触层110。
例如，可以采用沉积工艺在所述硅波导层103上形成介质层104，所述介质层104可以为二氧化硅层等，所述介质层104的厚度可以为30纳米～100纳米之间，如60纳米等。
如图5所示，通过光刻刻蚀工艺在所述介质层104中刻蚀出锗光电探测器集成窗口105，该集成窗口105显露所述下接触层110，其中，所述下接触层110的面积大于所述集成窗口105的面积，以保证后续可以在所述下接触层110上制作出下电极112。
如图1及图6～图7所示，然后进行步骤3)S13，于所述集成窗口105内及所述介质层104上形成非晶材料层，并采用化学机械抛光工艺形成非晶材料层的平坦表面，所述非晶材料层为非晶锗材料层106或非晶硅层，在本实施例中，所述非晶材料层选用为非晶锗材料层106。
例如，可以采用气相沉积方法于所述集成窗口105内及所述介质层104上形成非晶锗材料层106，所述非晶锗材料层106的厚度范围可以介于50纳米～150纳米之间，如80纳米等。
在化学机械抛光工艺(CMP)后，位于所述介质层104表面上的非晶材料层的厚度介于5纳米～20纳米之间，保留该厚度的非晶材料层可有效保证键合的稳定性及键合强度。
如图1及图8～图9所示，接着进行步骤4)S14，提供一锗材料衬底107，采用晶圆键合工艺键合所述锗材料衬底107及所述非晶材料层，并减薄所述锗材料衬底107。
在本实施例中，可以采用智能剥离方法或者选择性刻蚀方法减薄所述锗材料衬底107，例如，在本实施例中，采用智能剥离方法减薄所述锗材料衬底107，所述智能剥离方法包括步骤：
a)在步骤4)的键合前，在锗材料衬底107中上注入H离子，形成剥离界面，其中，注入剂量可以为5e1016cm-2，注入能量可以为60keV。
b)在步骤4)的键合后，通过退火工艺使所述锗材料衬底107在所述剥离界面处实现剥离，例如，剥离条件可以为350℃下保温50min。
如图1及图10所示，接着进行步骤5)S15，采用退火工艺实现所述非晶材料层的固相外延，形成单晶材料层，所述单晶材料层为单晶锗材料层108。在本实施例中，所述非晶锗材料层106基于与其相接触的所述锗材料衬底107进行再结晶，形成所述单晶锗材料层108。
例如，实现所述非晶锗材料层的固相外延的退火温度范围介于300℃～500℃，退火时间介于0.5分钟～30分钟之间，优选为3～8分钟。在本实施例中，实现所述非晶锗材料层的固相外延的退火温度为400℃，退火时间为5分钟。
如图1及图11所示，最后进行步骤6)S16，通过光刻刻蚀形成锗吸收区109，并在所述锗吸收区109上形成上接触层111。
例如，可以通过光刻刻蚀工艺刻蚀所述锗材料衬底107，以形成位于所述集成窗口105区域内的锗吸收区109，然后，通过离子注入工艺以及退火工艺在所述锗吸收区109上形成上接触层111。
如图1及图12～图13所示，其中，图12显示为图13中A-A’处了截面结构示意图，最后进行步骤7)S17，通过金属沉积及刻蚀工艺，或金属剥离工艺在所述下接触层110及所述上接触层111上分别制备下电极112及上电极113，所述下电极112与所述下接触层110形成欧姆接触，所述上电极113与所述上接触层111形成欧姆接触。
如图12～图13所示，其中，图12显示为图13中A-A’处了截面结构示意图，本实施例还提供一种基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器，包括：硅波导层103，所述硅波导层103中形成有锗光电探测器的下接触层110；介质层104，位于所述硅波导层103上，所述硅波导层103中具有锗光电探测器集成窗口105，该集成窗口105显露所述下接触层110；单晶材料层，填充于所述集成窗口105中，所述单晶材料层的高度大于所述介质层的厚度，所述单晶材料层超出所述介质层顶面的高度范围介于5纳米～20纳米之间，所述单晶材料层为单晶硅层或单晶锗材料层108；锗吸收区109，键合于所述单晶材料层；上接触层111，形成于所述锗吸收区109上部；下电极112，形成于所述下接触层110上；上电极113，形成所述上接触层111上。
在本实施例中，如图13所示，所述下接触层110的面积大于所述锗吸收区109的面积，所述锗吸收区109两侧的介质层中具有开口，所述开口显露所述下接触层110，所述下电极112形成于所述开口中。
如上所述，本发明的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器及制备方法，具有以下有益效果：
与现有的通过外延方案实现锗材料/硅集成相比，本发明通过将具有单晶结构的锗材料衬底与硅直接键合方式集成，可以获得质量更高的锗材料以及锗/硅异质结构，有利于锗光电探测器暗电流等特性的优化。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤：
1)提供一硅波导层，通过光刻定义锗光电探测器下接触层区域，采用离子注入和退火工艺制备下接触层；
2)于所述硅波导层上形成介质层，并通过光刻刻蚀方法于所述介质层中形成锗光电探测器集成窗口，该集成窗口显露所述下接触层；
3)于所述集成窗口内及所述介质层上形成非晶材料层，并采用化学机械抛光工艺形成非晶材料层的平坦表面，所述非晶材料层为非晶硅层或者非晶锗材料层；
4)提供一锗材料衬底，采用晶圆键合工艺键合所述锗材料衬底及所述非晶材料层，并减薄所述锗材料衬底；
5)采用退火工艺实现所述非晶材料层的固相外延，形成单晶材料层，所述单晶材料层为单晶硅层或单晶锗材料层；
6)通过光刻刻蚀形成锗吸收区，并在所述锗吸收区上形成上接触层；
7)在所述下接触层及所述上接触层上分别制备下电极及上电极。
2.根据权利要求1所述的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法，其特征在于：所述非晶材料层为非晶锗材料层，所述非晶锗材料层在所述固相外延过程中，基于与其相接触的所述锗材料衬底进行再结晶，形成所述单晶锗材料层。
3.根据权利要求1所述的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤3)化学机械抛光工艺后，位于所述介质层表面上的非晶材料层的厚度介于5纳米～20纳米之间。
4.根据权利要求1所述的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法，其特征在于：所述介质层包括二氧化硅层，其厚度范围介于30纳米～100纳米之间。
5.根据权利要求1所述的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤4)采用智能剥离方法或者选择性刻蚀方法减薄所述锗材料衬底。
6.根据权利要求5所述的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法，其特征在于：所述智能剥离方法包括步骤：
a)在步骤4)的键合前，在锗材料衬底中上注入H离子，形成剥离界面；
b)在步骤4)的键合后，通过退火工艺使所述锗材料衬底在所述剥离界面处实现剥离。
7.根据权利要求1所述的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤5)实现所述非晶材料层的固相外延的退火温度范围介于300℃～500℃，退火时间介于0.5分钟～30分钟之间。
8.一种基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器，其特征在于，包括：
硅波导层，所述硅波导层中形成有锗光电探测器的下接触层；
介质层，位于所述硅波导层上，所述硅波导层中具有锗光电探测器集成窗口，该集成窗口显露所述下接触层；
单晶材料层，填充于所述集成窗口中，所述单晶材料层为单晶硅层或单晶锗材料层；
锗吸收区，键合于所述单晶材料层；
上接触层，形成于所述锗吸收区上部；
下电极，形成于所述下接触层上；
上电极，形成所述上接触层上。
9.根据权利要求8所述的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器，其特征在于：所述单晶材料层的高度大于所述介质层的厚度，所述单晶材料层超出所述介质层顶面的高度范围介于5纳米～20纳米之间。
10.根据权利要求8所述的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器，其特征在于：所述下接触层的面积大于所述锗吸收区的面积，所述锗吸收区两侧的介质层中具有开口，所述开口显露所述下接触层，所述下电极形成于所述开口中。
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