CN112713215A - 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其方法。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、垂直堆叠结构，垂直堆叠结构为P‑I‑N堆叠结构或N‑I‑P堆叠结构，然后在堆叠结构的表面形成第二介质层，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；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、垂直堆叠结构，所述垂直 堆叠结构为P-I-N垂直堆叠结构或N-I-P垂直堆叠结构，然后在垂直堆叠结构的 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件结构互连。
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结构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光子器件，绕过 了精确对准的问题。综上，本发明与现有技术的主要区别是先集成衬底后制作 探测器结构，因此本发明在集成度、效率、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，其包括读出电路结构1和探测器结构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(Si3N、SiON 等)。读出电路可替换为放大器、信号调节器、读出电路等。
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：在第一衬底上制作读出电路结构，然后在所述读出电路结构 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、垂直堆叠结 构，所述垂直堆叠结构为P-I-N垂直堆叠结构或N-I-P垂直堆叠结构，然后在垂 直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：将所述读出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探测器结构，绕过了精确 对准(主要指电子结构和探测器结构的对准)的问题。
该方法适用于任意需要集成在单片硅基芯片上的垂直型(指PN结构的设 置方向)光电器件，因此对读出电路结构和探测器结构无具体要求，读出电路 结构可替换为其他单功能或多功能结构，例如包括放大器、信号调节器中的一 种或多种集成。
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(bulksilicon)、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，并且所述氧化铝在所述氧化硅层和所述垂直堆叠结构之 间。堆叠结构用于制作P-I-N或N-I-P器件，其主要采用Ge、SiGeSn或者GeSn 等半导体材料，该堆叠指P层、I层、N层垂直堆叠而成，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、SiGeSn或者GeSn等半导体材料，可以任意组合。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。
上述方法对读出电路结构和所述探测器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上制作读出电路结构102，然后在所述读出电路结构的表面 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表面由下至上依次沉积n型掺杂层203、本征(I) 层204，p型掺杂层205，每一层的材料可独立选自Ge、SiGeSn或者GeSn，掺 杂层可以是同步或分步掺杂，形成N-I-P堆叠结构(包括图3中203至205的 部分)；
第三步，沉积第二氧化硅层206，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206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堆叠结 构中制作探测器结构。
互连：
通过TSV工艺将读出电路结构和探测器结构互连，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206。
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、垂直堆叠结构，所述垂直堆叠结构为P-I-N垂直堆叠结构或N-I-P垂直堆叠结构，然后在垂直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，所述垂直堆叠结构采用的材料为Ge、SiGeSn或者GeSn中的一种或多种的层复合。
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，并且所述氧化铝在所述氧化硅层和所述垂直堆叠结构之间。
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。
8.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组合。
9.一种探测器的集成结构，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的集成方法集成。
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