CN112652676A - 一种探测器的集成结构及集成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种探测器的集成结构及集成方法。一种探测器的集成方法，其特征在于，包括：在第一衬底上制作电子电路结构，然后在电子电路结构的表面形成第一介质层，获得衬底A；在第二衬底的表面由下至上依次形成锗缓冲层、横向堆叠结构；横向直堆叠结构由p型掺杂区、本征区、n型掺杂区依次拼接而成；然后在横向堆叠结构的表形成第二介质层，获得衬底B；以第一介质层和第二介质层为键合面，将衬底A和衬底B键合；在键合后去除第二衬底、锗缓冲层，然后在堆叠结构中制作探测器结构；将电子电路结构和探测器结构互连。本发明将未制作出探测器结构的衬底键合在电子电路结构衬底中，简化了集成流程，提高了集成度，还解决了无法精确对准的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体生产工艺领域，特别涉及一种探测器的集成结构及集成 方法。
背景技术
光电集成可同时结合光子和电子电路的优势，打破传统微电子领域功耗以 及信息传输的限制，促进信息产业的发展。光电集成方案中，硅基单片光电集 成(光电集成芯片)具备可在同一衬底实现大部分光子器件(包括激光器、光 电二极管、探测器等)和电子器件(包括放大器、信号调节器、读出电路等) 集成、与传统微电子制造工艺兼容、可进行大规模量产的优势，具有良好的研 究与应用前景。
现有技术中对光子器件和电子器件的集成工艺为：利用不同的衬底材料分 别制备光子器件和电子器件，然后对这些分立的光子器件和电子器件进行集成 来实现光电转换；这种方法工艺步骤复杂、耗时较长且集成度较低，还无法精 确对准。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种探测器的集成方法，该方法是将未制作出 探测器结构的衬底键合在电子电路结构衬底中，再制作探测器结构，这样简化 了集成流程，提高了集成度，还解决了无法精确对准的问题。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案。
一种探测器的集成方法，包括：
在第一衬底上制作电子电路结构，然后在所述电子电路结构的表面形成第 一介质层，获得衬底A；
在第二衬底的表面由下至上依次形成锗缓冲层、横向堆叠结构；所述横向 直堆叠结构由p型掺杂区、本征区、n型掺杂区依次拼接而成，并且三个区都 形成于所述锗缓冲层的表面，；然后在横向堆叠结构的表面形成第二介质层，获 得衬底B；
以所述第一介质层和所述第二介质层为键合面，将所述衬底A和所述衬底 B键合；
在所述键合后去除第二衬底、锗缓冲层，然后在所述堆叠结构中制作探测 器结构；
将所述电子电路结构和所述探测器结构互连。
与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
本发明将还未制作出探测器的衬底键合在电子电路结构衬底中，一方面简 化了集成流程，提高了集成度；另一方面是集成后再制作探测器，绕过了精确 对准的问题；此外，本发明的PN结构采用横向堆叠结构，避免了纵向迭叠层 结构时P层与I层电极引出时台阶较高的问题。综上，本发明与现有技术的主 要区别是先集成衬底后制作探测器以及横向PIN结构，因此本发明在集成度、 效率、微型化、精准度等方面有突出优势。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领 域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并 不认为是对本发明的限制。
图1为本发明提供的一种探测器集成结构的示意图；
图2至图5本发明提供的探测器集成方法中各步骤得到的结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是 示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知 结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比 例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些 细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系 仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域 技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/ 层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层 /元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另 外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时， 该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
如图1所示的探测器集成器件，其包括电子电路结构1和光电电路结构3 两个主要功能部分，以及分隔两个功能部分之间的介质层2。该介质层2可以 是氧化硅或k大于氧化硅的高k介质材料，例如金属氧化物或氮化物(Si3N4, SiON等)。电子电路包括但不限于典型的放大器、信号调节器、读出电路等， 光电电路结构包括但不限于典型的激光器、光电二极管、探测器等。
集成图1所示的光电集成器件有很多种，例如先制备分立器件然后集成， 但由于这种方法存在背景技术指出的诸多问题，因此本发明提出一种先集成后 制作光子器件的方法，基本流程如下：
制作衬底A：在第一衬底上制作电子电路结构，然后在所述电子电路结构 的表面形成第一介质层，获得衬底A；
制作衬底B：在第二衬底的表面由下至上依次形成锗缓冲层、横向堆叠结 构；所述横向直堆叠结构由p型掺杂区、本征区、n型掺杂区依次拼接而成， 并且三个区都形成于所述锗缓冲层的表面，；然后在横向堆叠结构的表面形成第 二介质层，获得衬底B；
键合：以所述第一介质层和所述第二介质层为键合面，将所述衬底A和所 述衬底B键合；
制作探测器结构：在所述键合后去除第二衬底、锗缓冲层，然后在所述堆 叠结构中制作探测器结构；
互连：将所述电子电路结构和所述探测器结构互连。
这样一方面简化了集成流程，提高了集成度，例如集成分立器件在互连存 在繁琐、集成度低等问题；另一方面是集成后再制作光子器件，绕过了精确对 准(主要指电子结构和光子结构的对准)的问题；而且采用横向堆叠结构，避 免了纵向迭叠层结构时P层与I层电极引出时台阶较高的问题。
该方法适用于任意需要集成在单片硅基芯片上的横向PN结构光电器件， 因此对电子电路结构和光子电路结构无具体要求，电子电路结构可以是单功能 或多功能结构，例如包括放大器、信号调节器、读出电路中的一种或多种集成。 同样的，探测器结构可以是单功能或多功能结构，例如只包括探测器，或者光 栅、光波导和光耦合器中的至少一种与探测器的组合。由于本发明方法主要适 用于横向光电器件中，因此要求堆叠结构中p型掺杂区、本征区、n型掺杂区 在同一水平面。
上述方法所针对的第一衬底和第二衬底主要是硅基衬底，但对晶向、有无 埋氧层等方面无具体要求，可以是本领域技术人员熟知的任何用以承载半导体 集成电路组成元件的底材，例如绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)、体硅 (bulk silicon)、锗硅等。
上述方法对第一介质层、所述第二介质层、堆叠结构的材料也无具体要求， 对这些结构选择单层或多层复合类型也无要求。介质层主要起隔离作用，第一 介质层、所述第二介质层可以采用常见的氧化硅或高k介质材料，包括但不限 于氧化硅、Ta2O5、TiO2、TiN、Al2O3、Pr2O3、La2O3、LaAlO3、HfO2、ZrO2或 其它组分的金属氧化物等。第一介质层、所述第二介质层可以分别独立选择材 料，第一介质层优选单层氧化硅，第二介质层优选为氧化硅层，或者氧化硅层 和氧化铝层堆叠而成，并且所述氧化铝层在横向堆叠结构以及所述氧化硅层之 间且覆盖暴露的锗缓冲层区域。堆叠结构用于制作P-I-N或N-I-P器件，其主要 采用Ge、GeSiSn或者GeSn等半导体材料，该堆叠指P层、I层、N层横向堆 叠(或横向拼接)而成，P层指p型掺杂层，I层指本征或者无掺杂层，N层指 n型掺杂层，这三层的材料可以相同或不同，分别独立地选自Ge、GeSiSn或者 GeSn等半导体材料，可以任意组合，在形成横向堆叠结构时，可以采用同步掺 杂完成，例如分区域分别同步沉积掺杂各区域，或者一次性沉积完三个区、然 后分区域掺杂，这通常根据材料类型而定。第一介质层、所述第二介质层、堆 叠结构的材料的沉积方法也是任意的，包括但不限于LPCVD、RTCVD、PECVD 或热氧化法等。
上述方法对锗缓冲层的组成也无具体要求，只要满足缓冲减少缺陷的功能， 通常采用低温锗和高温锗的复合层，或者锗硅比例渐变的锗硅层，形成方法可 以是外延生长、化学沉积等手段。
上述方法对电子电路结构和所述光子器件结构的互连手段无具体要求，可 采用典型的TSV手段实现，使集成芯片在三维方向堆叠的密度最大、芯片之间 的互连线最短、外形尺寸最小。
另外，在制作完衬底A和衬底B后可以分别进行CMP或平坦化等平滑处 理，以提高键合强度。
在键合之后去除第二衬底、锗缓冲层的手段不限，可采用磨抛、湿法腐蚀、 干法刻蚀、CMP中的一种或多种手段结合去除第二衬底，采用湿法腐蚀、干法 刻蚀中的一种或两种手段结合去除锗缓冲层。
本发明的一个优选实施例如下。
实施例集成光电探测器
制作衬底A：
在硅衬底101上制作电子电路结构102，然后在所述电子电路结构的表面 沉积第一氧化硅层103，进行表面平滑处理，得到如图2所示的结构。
制作如图3所示的衬底B：
第一步，在硅衬底201上沉积锗缓冲层202，先低温沉积锗后高温沉积锗；
第二步，在锗缓冲层202表面由左至右依次沉积n型掺杂层204、本征(I) 层205，p型掺杂层206，每个区域的材料可独立选自Ge、GeSiSn或者GeSn， 掺杂层可以是同步或分步掺杂，形成N-I-P横向堆叠结构(包括图3中203至 205的部分，N和P掺杂区的位置可调换)；堆叠结构可覆盖锗缓冲层202的部 分表面或全部表面(图中示例为覆盖部分表面)；
第三步，沉积第二氧化硅层203，也可以沉积氧化铝之后才沉积氧化硅， 之后进行表面平滑处理。
键合：
以第一氧化硅层103和第二氧化硅层203为键合面，将所述衬底A和所述 衬底B键合，得到如图4所示的结构。
制作探测器电路结构：
去除衬底B的硅层201、锗缓冲层202，如图5所示，然后在N-I-P横向堆 叠结构中制作探测器结构。
互连：
通过TSV工艺将电子电路结构和光子器件结构互连，得到如图1所示的结 构(图中未示出详细的电路结构)，图中介质层2包括了衬底A中的第一氧化 硅层103和衬底B中的第二氧化硅层203。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的 目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价 物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这 些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (9)
1.一种探测器的集成方法，其特征在于，包括：
在第一衬底上制作电子电路结构，然后在所述电子电路结构的表面形成第一介质层，获得衬底A；
在第二衬底的表面由下至上依次形成锗缓冲层、横向堆叠结构；所述横向直堆叠结构由p型掺杂区、本征区、n型掺杂区依次拼接而成，并且三个区都形成于所述锗缓冲层的表面；然后在横向堆叠结构的表面形成第二介质层，获得衬底B；
以所述第一介质层和所述第二介质层为键合面，将所述衬底A和所述衬底B键合；
在所述键合后去除第二衬底、锗缓冲层，然后在所述堆叠结构中制作探测器结构；
将所述电子电路结构和所述探测器结构互连。
2.根据权利要求1所述的集成方法，其特征在于，所述横向堆叠结构采用的材料为Ge、SiGeSn或者GeSn中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的集成方法，其特征在于，所述第一介质层为单层氧化硅。
4.根据权利要求1或3所述的集成方法，其特征在于，所述第二介质层为氧化硅层，或者氧化硅层和氧化铝层堆叠而成，并且所述氧化铝层在横向堆叠结构以及所述氧化硅层之间且覆盖暴露的锗缓冲层区域。
5.根据权利要求1所述的集成方法，其特征在于，所述锗缓冲层为低温锗和高温锗的复合层，或者锗硅比例渐变的锗硅层。
6.根据权利要求1所述的集成方法，其特征在于，所述电子电路结构包括放大器、信号调节器、读出电路中的一种或多种集成。
7.根据权利要求1或6所述的集成方法，其特征在于，所述探测器件结构包括探测器，或者光栅、光波导和光耦合器中的至少一种与探测器的组合。
8.根据权利要求1所述的集成方法，其特征在于，所述第一衬底和所述第二衬底均为硅衬底。
9.根据权利要求1所述的集成方法，其特征在于，所述去除第二衬底的方法为磨抛、湿法腐蚀、干法刻蚀、CMP中的一种或多种结合；所述去除锗缓冲层的方法为湿法腐蚀、干法刻蚀、干法氧化结合湿法腐蚀、湿法氧化结合湿法腐蚀中的一种或任意结合。
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