CN116885040A - 一种光探测器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光探测器件及其制备方法，包括：提供第一载片，第一载片包括第一半导体衬底；在所述第一半导体衬底上形成介质‑金属‑介质的半导体叠层结构，其中包括第一介质层和第二介质层；提供形成有光电转化层的第二载片；键合第一载片和第二载片；对第二载片进行背面减薄，去除半导体衬底、以及半导体衬底和未掺杂层之间的膜层；对光电转化层进行P型掺杂；对所述光电转化层，形成分立的阵列；对光电转化层中的P型掺杂层和未掺杂的光电转化层进行图形化；在光电转化层上形成导电插塞，本发明通过在光电转化层底部形成介质‑金属‑介质结构，形成谐振腔，增强反射，加大锗基光电器件对特定范围波长的吸收率。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种光探测器件及其制备方法。
背景技术
21世纪以来，随着半导体技术的不断进步，图像传感技术得到了飞速发展，经过近十年的研发，据统计，室温下大部分物体辐射波处在红外波段。于是，红外辐射成像方式成为一种全新的探测方式，红外成像技术利用红外光电系统将接收到的红外辐射进行光电转换，转为人眼可察觉图像。硅基成像阵列分辨率逐渐提高、像素规模不断扩大、像素尺寸逐渐减小，像素规模已达亿级。
短波红外(SWIR)的范围在900到2500nm之间，它占据了近红外以上的电磁波谱，完全超出了传统硅基成像传感器的能力范围。尽管如此，SWIR波段在机器视觉中的应用越来越多，因为它提供了独特的检测、分类和质量控制能力，以及环境光应用，如监视和遥感。由于硅的量子效率在超过800纳米后会迅速衰减，所以SWIR传感器依赖于其他化学成分，如铟镓砷化物(InGaAs)或碲化汞镉(MCT)。目前，硅基光电集成技术己日趋成熟，是当前光电应用最为广泛的材料，Ge材料与Si材料一样都是Ⅳ族半导体材料，但相对于Si材料Ge材料具有许多优势。一方面Ge材料的空穴和电子在迁移率方面都比Si材料高很多；另一方面在常温下Ge材料导带Γ能谷与价带顶能级差仅为0.664eV，与Si材料相比要小很多，这在等比例降低功耗、电源电压等方面具有更大优势；最为重要的是，Ge器件工艺与标准Si工艺兼容。此外，在光电性质方面，Ge材料优势较高，如其能带覆盖整个红外通信波段，可以满足硅无法满足的近红外波段的相关光电应用需求。
但目前，锗基光电探测器的光吸收率、暗电流、响应率、响应速度、响应波长范围等是近年来亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述器件性能的问题，本发明提出了一种光探测器件及其制备方法，所述光探测器件的制备方法包括：步骤S1：提供第一载片，第一载片包括第一半导体衬底；
步骤S2：在所述第一半导体衬底上形成介质-金属-介质的半导体叠层结构，其中包括第一介质层和第二介质层；
步骤S3：提供形成有光电转化层的第二载片，第二载片包括第二半导体衬底，所述光电转化层包括N型掺杂层和未掺杂层；
步骤S4：键合第一载片和第二载片，其中所述光电转化层和半导体叠层结构贴合；
步骤S5：对第二载片进行背面减薄，去除半导体衬底、以及半导体衬底和未掺杂层之间的膜层；
步骤S6：对光电转化层进行P型掺杂，形成P型掺杂层；
步骤S7：对所述光电转化层，以及半导体叠层结构中的金属层和其中第二介质层进行图形化，形成分立的阵列；
步骤S8：对光电转化层中的P型掺杂层和未掺杂的光电转化层进行图形化，暴漏N型掺杂层的表面；
步骤S9：在光电转化层上形成分别与光电转化层中的N掺杂层、P型掺杂层互连的导电插塞。
本发明还提供了一种光探测器件，包括依次层叠设置的：
第一载片；
位于第一载片上的介质-金属-介质的半导体叠层结构，其中包括第一介质层和第二介质层；
位于所述半导体叠层结构上的光电转化层；
与光电转化层导电互连的导电插塞。
本发明通过在光电转化层底部形成介质-金属-介质结构，形成谐振腔，增强反射，加大锗基光电器件对特定范围波长的吸收率。
附图说明
图1为本发明光探测器件的制备方法一实施例的流程图；
图2～图11为本发明光探测器件的制备方法一实施例的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。显然，本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供了一种光探测器件及其制备方法，参考图1，本发明的制备方法包括：
步骤S1：提供第一载片，第一载片包括第一半导体衬底。
在本实施例中，以晶圆作为第一载片100为例进行说明。所述第一半导体衬底101的材料可以是本领域技术人员熟知的任意合适的衬底材料，例如硅、锗、锗硅、砷化镓、磷化铟等半导体衬底材料，在本实施例中具体为硅晶圆。
步骤S2：在所述第一半导体衬底上形成介质-金属-介质的半导体叠层结构。
在本实施例中，参考图2进行说明，具体的，包括步骤：
首先，在第一半导体衬底101上形成第一介质层111。
所述第一介质层的材料可以为二氧化硅SiO2，或者其它半导体氧化物，或者氮化硅、氮氧化硅等等绝缘介质中的一种或者其组合，形成方法可以利用外延生长或者化学气相淀积的方法。在本实施例中，具体为SiO2层，SiO2层是化学气相沉积法生成，形成的SiO2层的厚度为0.25um～0.75um，具体的工艺参数：温度是300℃-500℃，RF功率是300-400W，气体比例是Ar/TEOS＝1:2～4，气压是25～40Pa，电极间距是50～70mm，时间是5-20分钟，例如在本实施例中形成的SiO2层的厚度为0.35um。
接着，在第一介质层111上形成金属层112。
所述金属层112的材料可以为铝、铜、锡、金、钛等金属中的一种或者其合金及组合。在本实施例中，是采用的金属铝，是利用物理气相沉积生成，厚度为0.25um～0.75um，具体的工艺参数：气压是5x10-5Pa，温度是180℃-250℃，RF功率是200-400W，气体氩气5-30SCCM/氧气4-7SCCM，时间是15-20分钟，厚度为0.35um。
接着，在金属层112上形成第二介质层113。
所述第二介质层的材料可以为二氧化硅SiO2，或者其它半导体氧化物，或者氮化硅、氮氧化硅等绝缘介质中的一种或者其组合，形成方法可以利用外延生长或者化学气相淀积的方法。在本实施例中，具体为SiO2层，SiO2层是化学气相沉积法生成，形成的SiO2层的厚度为0.25um～0.75um，具体的工艺参数：温度是300℃-500℃，RF功率是300-400W，气体比例是Ar/TEOS＝1:2～4，气压是25～40Pa，电极间距是50～70mm，时间是5-20分钟，例如在本实施例中形成的SiO2层的厚度为0.35um。具体的厚度跟探测的光的波长相关，因此可以根据探测器需要探测的光波长来进行设置介质层和金属层的厚度。厚度的设定满足需要探测的特定波长的光波满足干涉条件时，才会形成谐振。
从而，在第一半导体衬底上形成介质-金属-介质的半导体叠层结构110。
在本发明中，利用介质-金属-介质的半导体叠层结构成了光学谐振腔，由于金属层表面是全反射镜，第二介质层表面是半反射镜，从而利用了金属层表面和介质表面之间构成光学谐振腔内，利用入射光束的反射和光学谐振使入射光束不断地在两个反射面之间反射，形成谐振，从而使得光束得到增强。
步骤S3：提供形成有光电转化层的第二载片，第二载片包括第二半导体衬底，所述光电转化层包括N型掺杂层和未掺杂层。
在本实施例中，以晶圆作为第二载片200为例进行说明。所述第二半导体衬底201的材料可以是本领域技术人员熟知的任意合适的衬底材料，例如硅、锗、锗硅、砷化镓、磷化铟等半导体衬底材料，在本实施例中具体未硅晶圆。
具体在第二半导体衬底201上形成光电转化层210的步骤包括：
首先，提供一半导体衬底201。
具体的，参考图3在本实施例中，所述半导体衬底201的材料可以是本领域技术人员熟知的任意合适的衬底材料，例如硅、锗、锗硅、砷化镓、磷化铟等半导体衬底材料，在本实施例中以硅晶圆衬底为例进行说明。
接着，在所述半导体衬底201上形成光电转化层210。
具体的，参考图3，本实施例中，在所述半导体衬底上形成的光电转化层包括下述步骤：
首先，在半导体衬底201的表面外延生长硅材料层211。具体的可以利用本领域技术人员熟知的方法，例如外延生长的方法，不再赘述。形成的硅材料层的厚度为20～60nm的单晶硅，该硅材料层是通过外延法生长低缺陷单晶硅层，减少后续膜层的缺陷。
接着，在硅材料层211表面形成硅锗层212。具体的可以利用本领域技术人员熟知的方法，例如外延生长的方法，不再赘述。该步骤形成的硅锗层212的厚度为10～60nm。该硅锗层的作用是引入缓冲层降低后续锗晶体生长时的错配度。
接着，继续在硅锗层212上外延低温锗材料层213。具体的可以利用本领域技术人员熟知的方法，例如外延生长的方法，在350-400℃下，形成的低温锗材料层213的厚度为10～60nm。该低温锗材料层的作用是使用低温引入点缺陷，这些点缺陷易于将晶体中的应力弛豫和位错湮灭，有利于减少穿透性的位错传到高温层。
接着，继续在低温锗材料层213上外延高温锗材料层214。具体的可以利用本领域技术人员熟知的方法，例如本实施例是采用超高真空化学气相沉积法，在600℃下生长高温Ge顶层，生长速率为1.17nm/min，该步骤形成的高温锗材料层214的厚度为200～1000nm。该高温锗材料层的作用是作为光电二极管的功能层，在此高温锗层中形成PIN结构。
本发明，结合制作外延硅锗、低温外延锗(即高位错密度层)以及后面步骤的高位错密度层去除工艺，制备低位错密度的锗功能层，降低器件体暗电流。
接着，对高温锗材料层214进行N型掺杂，形成N型掺杂层215。具体的可以利用本领域技术人员熟知的方法，例如本实施例是采用离子注入的方法，形成的掺杂层的厚度为0.05um～0.3um，该层作为后续形成的锗PIN(p-i-n)光电二极管中PIN结构的N区(负区)，高温锗材料层214剩余的未掺杂的厚度即为未掺杂层。
参考图4，在另一实施例中，还包括在N型掺杂层215上形成第三介质层216。所述第三介质层216的材料可以为二氧化硅、氮化硅或者其叠层结构。具体的，可以利用本领域技术人员熟知的方法，例如本实施例中是SiO2层是化学气相沉积法生成，形成的SiO2层的厚度为0.25um～0.75um，具体的工艺参数：温度是300℃-500℃，RF功率是300-400W，气体比例是Ar/TEOS＝1:2～4，气压是25～40Pa，电极间距是50～70mm，时间是5-20分钟，例如在本实施例中形成的SiO2层的厚度为0.35um。
步骤S4：键合第一载片和第二载片，其中所述光电转化层和半导体叠层结构贴合。
在本实施例中，参考图5，先在第一载片100的半导体叠层结构110表面形成键合层。具体的，所述键合层的材料可以为二氧化硅、氮化硅、锗、铝、金、锡、铜或光刻胶材料，同样也可以在第二载片200的光电转化层210表面形成键合层。然后将所述光电转化层210和半导体叠层结构110贴合，进行加热，例如加热到键层材料熔融状态或其它化学处理，使所述第一载片100和第二载片200键合在一起。
在其他实施例中可以采用本领域技术人员所熟知的方法，不再赘述。
步骤S5：对第二载片进行背面减薄，去除半导体衬底、以及半导体衬底和未掺杂层之间的膜层。
具体的，参考图5和图6，在本实施例中，利用Lift off(剥离法)方式第二载片200进行背面减薄，去除第二半导体衬底200、硅材料层211、硅锗层212和低温锗材料层213，仅保留高温锗材料层214和掺杂层215。具体工艺可以采用化学机械研磨或者本领域技术人员熟知的方法，在本实施例中采用Lift off(剥离法)方式去除，参数：去胶液选择TMAH(四甲基氢氧化铵)，超声功率是300-500瓦，时间是10-60分钟。
步骤S6：对光电转化层进行P型掺杂，形成P型掺杂层。
参考图7，在本实施例中利用离子注入的方式向光电转化层的高温锗材料层214注入P型离子，形成P型掺杂层310，所述P型掺杂层的厚度为：0.05um～0.3um。
步骤S7：对所述光电转化层，以及半导体叠层结构中的金属层和第二介质层进行图形化，形成分立的阵列。
参考图8，在本实施例中，具体可以采用刻蚀的方法，例如先在光电转化层的P型掺杂层310上形成一层光刻胶层，进行曝光和清洗后，在表面形成一行硬化的第一刻蚀图形层，第一刻蚀图形层具有开口。接着，利用刻蚀，例如等离子体刻蚀或者其它刻蚀方式刻蚀光电转化层中的P型掺杂层310、未掺杂层即未掺杂的高温锗材料层214、N型掺杂层215，以及半导体叠层结构中的金属层和第二介质层，从而形成分立的阵列。
步骤S8：对光电转化层中的P型掺杂层和未掺杂的光电转化层进行图形化，暴漏N型掺杂层的表面。
参考图9，在本实施例中，在本实施例中，具体可以采用刻蚀的方法，例如先在P型掺杂层310上形成一层光刻胶层，进行曝光和清洗后，在表面形成一行硬化的第二刻蚀图形层，第二刻蚀图形层具有开口，所述开口暴露P型掺杂层。接着，利用刻蚀，例如等离子体刻蚀或者其它刻蚀方式刻蚀P型掺杂层和高温锗材料层214(即未掺杂的光电转化层)，从而停止在N型掺杂层的表面。
在另一实施例中还包括步骤：对光电转化层表面进行钝化。
参考图10，在本实施例中，具体的在光电转化层表面形成一层钝化层405，在本实施例中具体为Al2O3+GeOx，形成方法为400℃下进行10分钟的原位臭氧氧化，形成3～10nmGeOx，在350℃下进行氧化铝(10nm)的热ALD氧化，GeOx对光电转化层表面进行钝化，有助于闭合表面的悬空键，为载流子创造势垒，从而减少表面电流泄漏，降低整体暗电流。
步骤S9：在光电转化层上形成分别与光电转化层中的N掺杂层、P型掺杂层互连的导电插塞。
参考图11，在本实施例中，具体可以采用刻蚀的方法，例如光电转化层上形成一层光刻胶层，进行曝光和清洗后，在表面形成一行硬化的第三刻蚀图形层，第三刻蚀图形层具有开口。接着，利用刻蚀，例如等离子体刻蚀或者其它刻蚀方式刻蚀P型掺杂区和N型掺杂区，在P型掺杂区和N型掺杂区上分别形成通孔，然后在通孔中利用物理气相淀积形成导电插塞410。
本发明利用在通过在光电转化层底部形成介质-金属-介质结构，形成谐振腔，增强反射，加大锗基光电器件对特定范围波长的吸收率。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种光探测器件的制备方法，其特征在于，包括：
步骤S1：提供第一载片，第一载片包括第一半导体衬底；
步骤S2：在所述第一半导体衬底上形成介质-金属-介质的半导体叠层结构，其中包括第一介质层和第二介质层；
步骤S3：提供形成有光电转化层的第二载片，第二载片包括第二半导体衬底，所述光电转化层包括N型掺杂层和未掺杂层；
步骤S4：键合第一载片和第二载片，其中所述光电转化层和半导体叠层结构贴合；
步骤S5：对第二载片进行背面减薄，去除半导体衬底、以及半导体衬底和未掺杂层之间的膜层；
步骤S6：对光电转化层进行P型掺杂，形成P型掺杂层；
步骤S7：对所述光电转化层，以及半导体叠层结构中的金属层和其中第二介质层进行图形化，形成分立的阵列；
步骤S8：对光电转化层中的P型掺杂层和未掺杂的光电转化层进行图形化，暴漏N型掺杂层的表面；
步骤S9：在光电转化层上形成分别与光电转化层中的N掺杂层、P型掺杂层互连的导电插塞。
2.根据权利要求1所述的光探测器件的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
在第一半导体衬底上形成第一介质层；
在第一介质层上形成金属层；
在金属层上形成第二介质层。
3.根据权利要求2所述的光探测器件的制备方法，其特征在于，
所述步骤S3包括以下步骤：
提供一半导体衬底；
在所述半导体衬底的表面外延生长硅材料层；
在所述硅材料层表面形成硅锗层；
在所述硅锗层上外延低温锗材料层；
在所述低温锗材料层上外延高温锗材料层；
对所述高温锗材料层进行N型掺杂，形成N型掺杂层。
4.根据权利要求3所述的光探测器件的制备方法，其特征在于，还包括步骤在N型掺杂层上形成第三介质层。
5.一种光探测器件，其特征在于，包括依次层叠设置的：
第一载片；
位于第一载片上的介质-金属-介质的半导体叠层结构，其中包括第一介质层和第二介质层；
位于所述半导体叠层结构上的光电转化层；
与光电转化层导电互连的导电插塞。
6.根据权利要求5所述的光探测器件，其特征在于，所述光电转化层包括层叠设置的N型掺杂层-未掺杂层-P型掺杂层。
7.根据权利要求6所述的光探测器件，其特征在于，所述半导体叠层结构中第一介质层的厚度为：0.25um～0.75um，金属层的厚度为：0.25um～0.75um，第二介质层的厚度为：0.25um～0.75um。
8.根据权利要求7所述的光探测器件，其特征在于，所述半导体叠层结构中第一介质层的材料为：二氧化硅；金属层的材料为：铝；第二介质层的材料为：二氧化硅。
9.根据权利要求8所述的光探测器件，其特征在于，所述半导体叠层结构上还具有介质层。
10.根据权利要求9所述的光探测器件，其特征在于，所述光电转化层为锗材料层。
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