CN117766460A - 蓝宝石上锗晶圆及其制造方法、阵列芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种蓝宝石上锗晶圆及其制造方法，一种阵列芯片及其制造方法，方法包括：形成施主衬底，施主衬底包括依次层叠的硅衬底、缓冲层、二极管结构和键合层，形成受主衬底，受主衬底包括蓝宝石衬底以及绝缘层。以键合层朝向绝缘层的方向键合施主衬底和受主衬底，在键合过程中，二极管结构会形成张应变，这样在去除硅衬底和缓冲层，暴露二极管结构之后，就能够得到具有张应变的蓝宝石上锗晶圆，实现较宽的光响应范围。由于蓝宝石衬底具有高阻特性，散热特性、低射频损耗和低高频串扰的优点，并且具有大尺寸以及低成本的优势，从而能够制造得到高性能蓝宝石上锗晶圆，后续就可以利用高性能蓝宝石上锗晶圆制造得到高性能短波红外成像的阵列芯片。

Description

蓝宝石上锗晶圆及其制造方法、阵列芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种蓝宝石上锗晶圆及其制造方法、一种阵列芯片及其制造方法。

背景技术

随着半导体相关技术的发展，高度兼容互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺的锗(Ge)半导体材料具有可在大尺寸硅(Si)衬底上外延、在短波红外(Short-wave Infrared)波段具有优异的光响应、带隙可调、可以适应张应变工程、合金工程和掺杂工程等突出的优势，被认为是下一代短波红外成像技术的重要候选传感材料。然而，Si与Ge存在4.2％的晶格失配，直接在Si衬底上外延的Ge层缺陷密度较高，无法满足在短波红外成像芯片方面的实际应用。

具有张应变的蓝宝石上锗(Germanium on Insulator，GOS)晶圆可完美的去除Ge外延层与Si衬底间存在的大量的失配缺陷，对改善短波红外成像芯片的暗电流、光响应度、量子效率、光谱响应范围等关键性能指标起到至关重要的作用。

然而Ge和绝缘层具有较大的热失配，导致张应变GOS晶圆表面容易形成微孔洞，不利于张应变GOS短波红外焦平面阵列芯片的制备，严重影响阵列芯片的良率与可靠性。并且张应变GOS晶圆中的绝缘层热导率偏低，阵列芯片在进行短波红外成像工作的过程中产生了一定的热量(即存在自热效应)，导致阵列芯片的寿命缩短，可靠性问题突出。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种蓝宝石上锗晶圆及其制造方法、一种阵列芯片及其制造方法，能够制造得到高性能蓝宝石上锗晶圆，以及利用高性能蓝宝石上锗晶圆制造得到高性能短波红外成像的阵列芯片。

本申请提供了一种蓝宝石上锗晶圆的制造方法，所述方法包括：

形成施主衬底，所述施主衬底包括依次层叠的硅衬底、缓冲层、二极管结构和键合层，所述二极管结构包括第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层，第一掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的另一个，所述第一掺杂类型锗层、所述传感层和所述第二掺杂类型锗层的材料至少包括锗；

形成受主衬底，所述受主衬底包括蓝宝石衬底以及位于所述蓝宝石衬底一侧的绝缘层；

以所述键合层朝向所述绝缘层的方向键合所述施主衬底和所述受主衬底；

去除所述硅衬底和所述缓冲层，暴露所述二极管结构，得到蓝宝石上锗晶圆。

可选地，所述受主衬底包括富陷阱层，所述富陷阱层位于所述蓝宝石衬底和所述绝缘层之间。

可选地，所述富陷阱层的材料为非晶硅、非晶硅锡、非晶硅锗、非晶锗和非晶锗锡中的一种或多种。

可选地，所述传感层为本征层，所述本征层的材料为锗、锗锡或硅锗锡。

可选地，所述传感层为堆叠层，所述堆叠层由第一目标层和第二目标层交替堆叠形成，所述第一目标层为锗层或锗锡层，所述第二目标层为锗硅层、锗锡层或硅锗锡层。

可选地，所述受主衬底包括氮化硅层和多晶硅层，所述多晶硅层为所述第一掺杂类型或所述第二掺杂类型；

所述形成受主衬底包括：

在所述蓝宝石衬底的一侧形成绝缘层，在所述蓝宝石衬底的另一侧依次形成所述多晶硅层和所述氮化硅层。

可选地，所述缓冲层为利用低温工艺形成，所述缓冲层的材料包括锗；

所述绝缘层包括第一绝缘层和第二绝缘层，所述第二绝缘层位于第一绝缘层远离所述蓝宝石衬底的一侧。

本申请提供了一种蓝宝石上锗晶圆，包括依次层叠的蓝宝石衬底、绝缘层、键合层和二极管结构；所述二极管结构包括第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层，第一掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的另一个；

所述第一掺杂类型锗层、所述传感层和所述第二掺杂类型锗层的材料至少包括锗。

本申请提供了一种阵列芯片，包括：键合的蓝宝石上锗晶圆和读出电路晶圆；

所述蓝宝石上锗晶圆包括依次层叠的蓝宝石衬底、绝缘层、键合层和二极管结构；所述二极管结构包括第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层，第一掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的另一个；所述第一掺杂类型锗层、所述传感层和所述第二掺杂类型锗层的材料至少包括锗；所述二极管结构包括多个像元和多个沟槽，所述像元和所述沟槽被表面钝化层覆盖，位于所述沟槽的底部的表面钝化层具有第一开口，所述第一开口中具有第一金属层，所述第一金属层和所述第一掺杂类型锗层接触，位于所述像元的顶部的表面钝化层具有第二开口，所述第二开口中具有第二金属层，所述第二金属层和所述第二掺杂类型锗层接触；

所述读出电路晶圆具有第三金属层和第四金属层，所述第三金属层和所述第一金属层接触，所述第四金属层和所述第二金属层接触。

本申请提供了一种阵列芯片的制造方法，所述方法包括：

提供蓝宝石上锗晶圆和读出电路晶圆，所述蓝宝石上锗晶圆包括依次层叠的蓝宝石衬底、绝缘层、键合层和二极管结构；所述二极管结构包括第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层，第一掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的另一个；所述第一掺杂类型锗层、所述传感层和所述第二掺杂类型锗层的材料至少包括锗；

对所述二极管结构进行刻蚀，得到多个沟槽，所述沟槽的深度小于所述二极管结构的厚度，相邻所述沟槽之间的凸起构成像元；

形成表面钝化层，所述表面钝化层覆盖所述沟槽的表面和所述像元的表面；

刻蚀所述沟槽的底部的表面钝化层形成第一开口，在所述第一开口形成第一金属层，所述第一金属层和所述第一掺杂类型锗层接触；

刻蚀所述像元的顶部的表面钝化层形成第二开口，在所述第二开口形成第二金属层，所述第二金属层和所述第二掺杂类型锗层接触；

以所述第一金属层和所述第二金属层朝向读出电路晶圆的方向键合所述蓝宝石上锗晶圆和所述读出电路晶圆，所述读出电路晶圆具有第三金属层和第四金属层，所述第三金属层和所述第一金属层接触，所述第四金属层和所述第二金属层接触。

本申请提供了一种蓝宝石上锗晶圆的制造方法，方法包括：形成施主衬底，施主衬底包括依次层叠的硅衬底、缓冲层、二极管结构和键合层，二极管结构包括第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层，第一掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的另一个，第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层的材料至少包括锗。形成受主衬底，受主衬底包括蓝宝石衬底以及位于蓝宝石衬底一侧的绝缘层。以键合层朝向绝缘层的方向键合施主衬底和受主衬底，在键合过程中，二极管结构会形成张应变，这样在去除硅衬底和缓冲层，暴露二极管结构之后，就能够得到具有张应变的蓝宝石上锗晶圆，实现较宽的光响应范围。由于蓝宝石衬底具有高阻特性，散热特性、低射频损耗和低高频串扰的优点，并且具有大尺寸以及低成本的优势，从而能够制造得到高性能蓝宝石上锗晶圆，后续就可以利用高性能蓝宝石上锗晶圆制造得到高性能短波红外成像的阵列芯片。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了本申请实施例提供的一种蓝宝石上锗晶圆的制造方法的流程示意图；

图2-图9示出了本申请实施例提供的蓝宝石上锗晶圆的制造方法制造蓝宝石上锗晶圆的结构示意图；

图11示出了本申请实施例提供的一种阵列芯片的结构示意图；

图12示出了本申请实施例提供的另一种阵列芯片的结构示意图；

图13示出了本申请实施例提供的一种阵列芯片的制造方法的流程示意图；

图14-图23示出了本申请实施例提供的阵列芯片的制造方法制造阵列芯片的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

本申请结合示意图进行详细描述，在详述本申请实施例时，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，其在此不应限制本申请保护的范围。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。

由张应变GOS晶圆制造得到的短波红外成像的阵列芯片存在可靠性和良率问题，蓝宝石衬底作为一种常见的半导体绝缘衬底材料，不仅具备大尺寸、制造工艺成熟的特点，还兼具低成本的优势。蓝宝石上形成的具有张应变的锗(Germanium on Sapphire，GOS)晶圆还具有优异的高阻特性、散热特性、低射频损耗和低高频串扰等优点。因此，张应变GOS晶圆是实现低成本、高性能、高良率和高可靠性短波红外成像的阵列芯片的重要研究内容之一。

基于此，本申请提供了一种蓝宝石上锗晶圆的制造方法，方法包括：形成施主衬底，施主衬底包括依次层叠的硅衬底、缓冲层、二极管结构和键合层，二极管结构包括第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层，第一掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的另一个，第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层的材料至少包括锗。形成受主衬底，受主衬底包括蓝宝石衬底以及位于蓝宝石衬底一侧的绝缘层。以键合层朝向绝缘层的方向键合施主衬底和受主衬底，在键合过程中，二极管结构会形成张应变，这样在去除硅衬底和缓冲层，暴露二极管结构之后，就能够得到具有张应变的蓝宝石上锗晶圆，实现较宽的光响应范围。由于蓝宝石衬底具有高阻特性，散热特性、低射频损耗和低高频串扰的优点，并且具有大尺寸以及低成本的优势，从而能够制造得到高性能蓝宝石上锗晶圆，后续就可以利用高性能蓝宝石上锗晶圆制造得到高性能短波红外成像的阵列芯片。

为了更好地理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合附图对具体的实施例进行详细的描述。

参见图1，该图为本申请实施例提供的一种蓝宝石上锗晶圆的制造方法的流程示意图。

本实施例提供的蓝宝石上锗晶圆的制造方法包括以下步骤：

S101，形成施主衬底100。

在本申请的实施例中，施主衬底100可以包括依次层叠的硅衬底110、缓冲层120、二极管结构130和键合层150，参考图2所示。

具体的，硅衬底110可以为单晶体硅衬底。缓冲层120可以作为硅衬底110和二极管结构130之间的缓冲膜层，用于形成晶体质量更高的二极管结构130。缓冲层120的材料可以包括锗，缓冲层120可以利用低温工艺形成。例如，缓冲层120的厚度可以为100-400nm。

二极管结构130可以作为后续阵列芯片的进行工作的重要组成部分，可以实现光传感，并且二极管结构130为垂直结构，实现在GOS晶圆上的垂直二极管结构。

利用键合层150实现和受主衬底200的键合。键合层150的材料可以是氧化铝。作为一种示例，键合层150的厚度可以为100-1000nm。

二极管结构130包括第一掺杂类型锗层131、传感层132和第二掺杂类型锗层133。其中，第一掺杂类型锗层131、传感层132和第二掺杂类型锗层133的材料至少包括锗。传感层132可以作为光吸收层，从而对短波红外波段的光进行响应。第一掺杂类型锗层131和第二掺杂类型锗层133是经过掺杂的锗层，可以作为电子传输层或空穴传输层进行电荷响应。第一掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的另一个，也就是第一掺杂类型锗层131和第二掺杂类型锗层133为不同类型的掺杂。

作为一种示例，第一掺杂类型为P型掺杂，第二掺杂类型为N型掺杂，则第一掺杂类型锗层131为P型掺杂锗层，第二掺杂类型锗层133为N型掺杂锗层。

作为另一种示例，第一掺杂类型为N型掺杂，第二掺杂类型为P型掺杂，则第一掺杂类型锗层131为N型掺杂锗层，第二掺杂类型锗层133为P型掺杂锗层。

在实际应用中，第一掺杂类型锗层131的厚度可以为200-500nm，传感层132的厚度可以为1000-3000nm，第二掺杂类型锗层133的厚度可以为200-500nm。

在本申请的实施例中，传感层132可以是单独一个膜层构成，也可以是由多个膜层堆叠构成，也就是说，传感层132可以是本征层或堆叠层，下面进行具体介绍：

在一些实施例中，传感层132可以是本征层，本征层的材料包括锗，还可以包括除锗以外的其他四族材料。例如本征层的材料可以为锗、锗锡(GeSn)或硅锗锡(SiGeSn)。

在一些实施例中，传感层132可以是堆叠层，堆叠层由第一目标层1321和第二目标层1322交替堆叠形成，参考图3所示。这样第一目标层1321和第二目标层1322交替堆叠形成量子阱结构，从而提高传感层132的感光能力。这样利用蓝宝石上锗晶圆制造形成的阵列芯片可以提升在1550nm处的光响应度和量子效率。第一目标层1321为锗层或锗锡层，第二目标层1322为锗硅(GeSi)层、锗锡层或硅锗锡层。

作为一种示例，第一目标层1321为锗层，第二目标层1322为锗锡层。

作为另一种示例，第一目标层1321为锗层，第二目标层1322为硅锗锡层。

作为又一种示例，第一目标层1321为锗锡层，第二目标层1322为硅锗锡层。

作为又一种示例，第一目标层1321为锗层，第二目标层1322为锗硅层。第二目标层1322中硅的质量含量范围为0-30％，这样一方面可以提高界面质量，另一方面可以实现较宽的光响应范围。

S102，形成受主衬底200。

在本申请的实施例中，可以形成受主衬底200，受主衬底200包括蓝宝石衬底210以及绝缘层220。蓝宝石衬底210为透明衬底，对短波红外光的透过率较高，有利于提升阵列芯片的整体性能。绝缘层220位于蓝宝石衬底210的一侧表面，参考图4所示。

绝缘层220和键合层150形成的结构会增强光和具有张应变的传感层132之间的相互作用，有利于光响应度的提升。

具体的，绝缘层220可以是单独一层，也可以是叠层。绝缘层220为单独一层时，可以为氧化硅层，具体利用热氧工艺形成。当绝缘层220为叠层时，可以包括第一绝缘层和第二绝缘层，第二绝缘层位于第一绝缘层远离蓝宝石衬底210的一侧，即第一绝缘层覆盖蓝宝石衬底210，第二绝缘层覆盖第一绝缘层。第一绝缘层可以为氧化硅层，第二绝缘层可以为利用正硅酸乙酯(TEOS)形成的氧化硅。利用正硅酸乙酯(TEOS)形成的氧化硅具有优异的薄膜质量。绝缘层220的厚度可以为100-1000nm。

需要说明的是，由于蓝宝石衬底210为透明衬底，在实际工艺中可能无法进行机器识别，从而影响晶圆制造。因此可以在蓝宝石衬底210未形成绝缘层220的一侧形成不透明膜层，以便方便受主衬底200被机器识别，该不透明膜层可以为多晶硅层230。多晶硅层230为第一掺杂类型或第二掺杂类型，即多晶硅层230为掺杂的膜层，具体可以首先形成多晶硅而后对多晶硅进行掺杂。例如多晶硅层230的厚度大于2000nm，多晶硅层230的电阻可以为0.001-1000Ohm.cm。

为保护多晶硅层230避免多晶硅层230脱落，可以在多晶硅层230的表面形成氮化硅层240。例如氮化硅层240的厚度可以为50-500nm。

也就是说，受主衬底200还包括多晶硅层230和氮化硅层240，参考图5所示，这样可以在蓝宝石衬底210的一侧形成绝缘层220，在蓝宝石衬底210的另一侧依次形成多晶硅层230和氮化硅层240。具体可以先形成多晶硅层230和氮化硅层240，再形成绝缘层240。

在一些实施例中，受主衬底200还可以包括富陷阱(trap-rich)层250，参考图6所示。富陷阱层250位于蓝宝石衬底210和绝缘层220之间。富陷阱层250可以捕获绝缘层220、键合层150、二极管结构130中的游离的寄生电荷，从而降低寄生电容，后续利用蓝宝石上锗晶圆制造得到的射频阵列芯片就可以具有较高的成像速度，可以实现超高速红外成像。

富陷阱层250的材料为非晶材料，具体包括四族元素。例如富陷阱层250的材料为非晶硅、非晶硅锡、非晶硅锗、非晶锗和非晶锗锡中的一种或多种。即富陷阱层250可以为单层，也可以为叠层。富陷阱层250的厚度可以为200-500nm，较薄的富陷阱层250不能实现捕获寄生电荷的效果，较厚的富陷阱层250可能会影响传感层132吸收红外光。

S103，以键合层150朝向绝缘层220的方向键合施主衬底100和受主衬底200。

在本申请的实施例中，在形成施主衬底100和受主衬底200之后，可以对施主衬底100和受主衬底200进行直接晶圆键合(Direct Wafer-bonding)，参考图7和图8所示。具体键合时是以键合层150朝向绝缘层220的方向键合施主衬底100和受主衬底200，这样键合之后，键合层150和绝缘层220接触。

需要说明的是，在对施主衬底100和受主衬底200进行直接晶圆键合时，通过晶圆键合，在二极管结构130中引入拉伸张应变，即第一掺杂类型锗层131、传感层132和第二掺杂类型锗层133都具有张应变，这样有利于拓展波长响应范围至1700nm。

S104，去除硅衬底110和缓冲层120，暴露二极管结构130，得到蓝宝石上锗晶圆1000。

在本申请的实施例中，在将施主衬底100和受主衬底200键合之后，可以去除硅衬底110和缓冲层120，暴露二极管结构130，从而形成蓝宝石上锗晶圆1000，参考图9或图10所示。由于在键合过程中，二极管结构130具有张应力，因此形成的蓝宝石上锗晶圆1000也具有张应力。

具体的，可以利用背部减薄工艺去除硅衬底110，利用四甲基氢氧化铵(TMAH)以及化学机械抛光工艺(CMP)去除缓冲层120。

综上所述，具有张应变的GOS晶圆在短波红外波段具有优异的光电响应，特别适合作为短波红外焦平面阵列的光吸收层，是替代InGaAs短波红外材料的最佳候选材料之一。此外，张应变GOS晶圆具有尺寸较大、批量生产成本低和高度兼容CMOS工艺生产线的优点，被认为是颠覆InGaAs短波红外成像技术的重要技术途径之一。本申请实施例提供的GOS晶圆的制造方法可大幅度推进短波红外焦平面阵列芯片在多种领域的推广应用，具有非常重要的研究意义与应用价值。

基于以上实施例提供的一种蓝宝石上锗晶圆的制造方法，本申请实施例还提供了一种蓝宝石上锗晶圆，下面结合附图来详细说明其工作原理。

参见图9，该图为本申请实施例提供的一种蓝宝石上锗晶圆的结构示意图。

本实施例提供的蓝宝石上锗晶圆1000包括依次层叠的蓝宝石衬底210、绝缘层220、键合层150和二极管结构130。其中，二极管结构130包括第一掺杂类型锗层131、传感层132和第二掺杂类型锗层133，第一掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的另一个。第一掺杂类型锗层131、传感层132和第二掺杂类型锗层133的材料至少包括锗。

在实际应用中，蓝宝石上衬底210未设置绝缘层220的一侧，依次层叠设置了多晶硅层230和氮化硅层240。还可以在多晶硅层230和蓝宝石衬底210之间设置富陷阱层250，参考图10所示。

基于以上实施例提供的一种蓝宝石上锗晶圆的制造方法，本申请实施例还提供了一种阵列芯片，下面结合附图来详细说明其工作原理。

参见图11，该图为本申请实施例提供的一种阵列芯片的结构示意图。

本实施例提供的阵列芯片包括键合的蓝宝石上锗晶圆1000和读出电路晶圆2000。

蓝宝石上锗晶圆1000包括依次层叠的蓝宝石衬底210、绝缘层220、键合层150和二极管结构130。其中，二极管结构130包括第一掺杂类型锗层131、传感层132和第二掺杂类型锗层133，第一掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的另一个。第一掺杂类型锗层131、传感层132和第二掺杂类型锗层133的材料至少包括锗。

在实际应用中，还可以在多晶硅层230和蓝宝石衬底210之间设置富陷阱层250，参考图12所示。

读出电路晶圆2000可以包括电路层2100和金属层，其中，金属层包括第三金属层2200和第四金属层2300。

在本申请的实施例中，第一掺杂类型锗层131、传感层132和第二掺杂类型锗层133构成的二极管结构130包括多个像元1200和多个沟槽1100，像元1200和沟槽1100被表面钝化层1300覆盖，位于沟槽1100的底部的表面钝化层1300具有第一开口1400，第一开口1400中具有第一金属层1600，第一金属层1600和第二掺杂类型锗层133接触，位于像元1200的顶部的表面钝化层1300具有第二开口1500，第二开口1500中具有第二金属层1700，第二金属层1700和第一掺杂类型锗层131接触，第三金属层2200和第一金属层1600接触，第四金属层2300和第二金属层1700接触。

基于以上实施例提供的一种阵列芯片，本申请实施例还提供了一种阵列芯片的制造方法，下面结合附图来详细说明其工作原理。

参见图13，该图为本申请实施例提供的一种阵列芯片的制造方法的流程示意图。

本实施例提供的阵列芯片的制造方法包括以下步骤：

S201，提供蓝宝石上锗晶圆1000和读出电路晶圆2000。

在本申请的实施例中，蓝宝石上锗晶圆1000包括依次层叠的蓝宝石衬底210、绝缘层220、键合层150和二极管结构130。其中，二极管结构130包括第一掺杂类型锗层131、传感层132和第二掺杂类型锗层133，第一掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的另一个。第一掺杂类型锗层131、传感层132和第二掺杂类型锗层133的材料至少包括锗。

在实际应用中，蓝宝石上衬底210未设置绝缘层220的一侧，依次层叠设置了多晶硅层230和氮化硅层240。还可以在多晶硅层230和蓝宝石衬底210之间设置富陷阱层250。

读出电路晶圆2000可以包括电路层2100和金属层，其中，金属层包括第三金属层2200和第四金属层2300。

S202，对二极管结构130进行刻蚀，得到多个沟槽1100。

在本申请的实施例中，可以对二极管结构130进行刻蚀，得到多个沟槽1100，沟槽1100的深度小于二极管结构130的厚度，即沟槽1100未贯穿二极管结构130。具体的，沟槽1100贯穿第一掺杂类型锗层131和传感层132，未贯穿第二掺杂类型锗层133，参考图14或图15所示。

相邻沟槽1100之间具有凸起，该凸起构成像元1200，像元1200为阵列芯片的光响应部分。

S203，形成表面钝化层1300。

在本申请的实施例中，可以形成表面钝化层1300，表面钝化层1300覆盖沟槽1100的表面和像元1200的表面，参考图16或图17所示，具体覆盖沟槽1100的侧壁和底部以及像元1200的顶部，其中，沟槽1100的底部是以第二硅衬底210朝向二极管结构130的方向来确定的，像元1200的顶部也是以第二硅衬底210朝向二极管结构130的方向来确定的。

S204，刻蚀沟槽1100的底部的表面钝化层1300形成第一开口1400，在第一开口1400形成第一金属层1600。

S205，刻蚀像元1200的顶部的表面钝化层1300形成第二开口1500，在第二开口1500形成第二金属层1700。

在本申请的实施例中，可以分别刻蚀沟槽1100的底部以及像元1200的顶部的表面钝化层1300，得到第一开口1400和第二开口1500，参考图18或图19所示，第一开口1400和第二开口1500贯穿表面钝化层1300，分别暴露第二掺杂类型锗层133和第一掺杂类型锗层131的表面。而后分别在第一开口1400和第二开口1500形成第一金属层1600和第二金属层1700，第一金属层1600和第二掺杂类型锗层133接触，第二金属层1700和第一掺杂类型锗层131接触，即第一金属层1600可以对第二掺杂类型锗层133进行电引出，第二金属层1600可以对第一掺杂类型锗层131进行电引出，参考图20或图21所示。

在实际应用中，形成第一开口1400和第二开口1500的工艺先后顺序可以根据实际情况进行确定，相应地，形成第一金属层1600和第二金属层1700的工艺先后顺序也可以根据实际情况确定，不局限于本申请实施例说明的情况。

S206，以第一金属层1600和第二金属层1700朝向读出电路晶圆2000的方向键合蓝宝石上锗晶圆1000和读出电路晶圆2000。

在本申请的实施例中，可以以第一金属层1600和第二金属层1700朝向读出电路晶圆2000的方向键合蓝宝石上锗晶圆1000和读出电路晶圆2000，具体对蓝宝石上锗晶圆1000和读出电路晶圆2000进行凸点键合(Bump bonding)，从而实现第三金属层2200和第一金属层1600接触，第四金属层2300和第二金属层1700接触，参考图22或图23所示。

在实际应用中，还可以去除氮化硅层240和多晶硅层230，参考图11或图12所示，以便光线能够穿过绝缘层220以及键合层150到达像元1200，实现光响应。

综上所述，采用体Ge材料研制的阵列芯片截止波长为1550nm，无法完全覆盖常规的短波红外波段(900-1700nm)。此外，体Ge材料还存在易碎、成本昂贵等缺点。张应变GOS晶圆形成于大尺寸的蓝宝石衬底上，克服了体Ge材料存在的易碎、成本昂贵等缺点，同时蓝宝石衬底是透明的，其透过短波红外光的透过率极高，有利于提升阵列芯片的整体性能。相比于Si基Ge形成的阵列芯片，张应变GOS晶圆形成的阵列芯片具有一定的谐振腔效应，具体是键合层和绝缘层构成的叠层的存在会增强光与张应变Ge层之间的相互作用，有利于张应变GOS晶圆形成的阵列芯片在1310nm和1550nm波段光响应度的提升。张应变GOS晶圆的特殊结构能够移除Ge与Si之间存在的大量失配缺陷，也有利于降低短阵列芯片的暗电流。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于结构实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，虽然本申请已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种蓝宝石上锗晶圆的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

形成施主衬底，所述施主衬底包括依次层叠的硅衬底、缓冲层、二极管结构和键合层，所述二极管结构包括第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层，第一掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的另一个，所述第一掺杂类型锗层、所述传感层和所述第二掺杂类型锗层的材料至少包括锗；

形成受主衬底，所述受主衬底包括蓝宝石衬底以及位于所述蓝宝石衬底一侧的绝缘层；

以所述键合层朝向所述绝缘层的方向键合所述施主衬底和所述受主衬底；

去除所述硅衬底和所述缓冲层，暴露所述二极管结构，得到蓝宝石上锗晶圆。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述受主衬底包括富陷阱层，所述富陷阱层位于所述蓝宝石衬底和所述绝缘层之间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述富陷阱层的材料为非晶硅、非晶硅锡、非晶硅锗、非晶锗和非晶锗锡中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感层为本征层，所述本征层的材料为锗、锗锡或硅锗锡。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感层为堆叠层，所述堆叠层由第一目标层和第二目标层交替堆叠形成，所述第一目标层为锗层或锗锡层，所述第二目标层为锗硅层、锗锡层或硅锗锡层。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述受主衬底包括氮化硅层和多晶硅层，所述多晶硅层为所述第一掺杂类型或所述第二掺杂类型；

所述形成受主衬底包括：

在所述蓝宝石衬底的一侧形成绝缘层，在所述蓝宝石衬底的另一侧依次形成所述多晶硅层和所述氮化硅层。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的方法，其特征在于，所述缓冲层为利用低温工艺形成，所述缓冲层的材料包括锗；

所述绝缘层包括第一绝缘层和第二绝缘层，所述第二绝缘层位于第一绝缘层远离所述蓝宝石衬底的一侧。

8.一种蓝宝石上锗晶圆，其特征在于，包括依次层叠的蓝宝石衬底、绝缘层、键合层和二极管结构；所述二极管结构包括第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层，第一掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的另一个；

所述第一掺杂类型锗层、所述传感层和所述第二掺杂类型锗层的材料至少包括锗。

9.一种阵列芯片，其特征在于，包括：键合的蓝宝石上锗晶圆和读出电路晶圆；

所述蓝宝石上锗晶圆包括依次层叠的蓝宝石衬底、绝缘层、键合层和二极管结构；所述二极管结构包括第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层，第一掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的另一个；所述第一掺杂类型锗层、所述传感层和所述第二掺杂类型锗层的材料至少包括锗；所述二极管结构包括多个像元和多个沟槽，所述像元和所述沟槽被表面钝化层覆盖，位于所述沟槽的底部的表面钝化层具有第一开口，所述第一开口中具有第一金属层，所述第一金属层和所述第一掺杂类型锗层接触，位于所述像元的顶部的表面钝化层具有第二开口，所述第二开口中具有第二金属层，所述第二金属层和所述第二掺杂类型锗层接触；

所述读出电路晶圆具有第三金属层和第四金属层，所述第三金属层和所述第一金属层接触，所述第四金属层和所述第二金属层接触。

10.一种阵列芯片的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

提供蓝宝石上锗晶圆和读出电路晶圆，所述蓝宝石上锗晶圆包括依次层叠的蓝宝石衬底、绝缘层、键合层和二极管结构；所述二极管结构包括第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层，第一掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为P型掺杂和N型掺杂中的另一个；所述第一掺杂类型锗层、所述传感层和所述第二掺杂类型锗层的材料至少包括锗；

对所述二极管结构进行刻蚀，得到多个沟槽，所述沟槽的深度小于所述二极管结构的厚度，相邻所述沟槽之间的凸起构成像元；

形成表面钝化层，所述表面钝化层覆盖所述沟槽的表面和所述像元的表面；

刻蚀所述沟槽的底部的表面钝化层形成第一开口，在所述第一开口形成第一金属层，所述第一金属层和所述第一掺杂类型锗层接触；

刻蚀所述像元的顶部的表面钝化层形成第二开口，在所述第二开口形成第二金属层，所述第二金属层和所述第二掺杂类型锗层接触；

以所述第一金属层和所述第二金属层朝向读出电路晶圆的方向键合所述蓝宝石上锗晶圆和所述读出电路晶圆，所述读出电路晶圆具有第三金属层和第四金属层，所述第三金属层和所述第一金属层接触，所述第四金属层和所述第二金属层接触。