横向p-i-n结构Ge光电探测器的制备方法

摘要

横向p-i-n结构Ge光电探测器的制备方法，涉及一种锗光电探测器。1)在衬底上外延生长单晶锗层，再在锗层上生长SiO2覆盖层；2)利用微电子光刻技术在外延单晶锗层上刻蚀出细长条的有源区台面；3)利用单晶锗层上面的SiO2覆盖层做掩蔽，通过侧向大偏角离子注入在台面两侧形成掺杂p区与掺杂n区；4)沉积金属Ni层后热退火，利用NiGe、NiSi形成时的自对准工艺在台面两侧及刻蚀区底部形成NiGe和NiSi接触电极；5)引出器件电极，保护钝化层，即得横向p-i-n结构Ge光电探测器。工艺简单，可操作性强，极具应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种锗光电探测器，特别是一种横向p-i-n结构Ge光电探测器的制备方法。

背景技术

研究显示，集成电路芯片中超过一半的功耗集中在芯片的互连，同时互连还受到信号传 输带宽的限制。从长远来看，在芯片内部引入光互连部分代替电互连，以光子作为载体实现 高速低功耗信号传输，是芯片进一步集成化的必然要求。在硅基光互连中，将光信号转换为 电信号的光电探测器是实现片上光互连的重要器件。制作光电探测器的方法是在硅上直接外 延锗(Ge)材料作为有源区制备长波长光电探测器。Ge是准直接带隙材料，对1.55μm以下 的波长有强烈的吸收，是制作光电探测器的首选材料。

近年来国际上研制中的Ge光电探测器纷纷达到30GHz量级([1]Chong Li,Chunlai Xue, Zhi Liu,Buwen Cheng,Chuanbo Li,and Qiming Wang,High-bandwidth and high-responsivity  top-illuminated germanium photodiodes for optical interconnection,IEEE Trans.Electron Devices, 60,1183–1187,(2013)；[2]S.Klinger,M.Berroth,M.Kaschel,M.Oehme,and E.Kasper, “Ge-on-Si p-i-n photodiodes with3-dB bandwidth of49GHz,”IEEE Photon.Technol.Lett.,21, 920–922,(2009))。常见的垂直入射纵向Ge p-i-n光电探测器中，为提高器件工作带宽速度， 通常的方法是通过减小本征区厚度来减小光生载流子的渡越时间。但Ge本征区同时又是垂 直入射光信号的吸收区域，光吸收与光生载流子渡越同方向进行，本征区减薄必然同时导致 光吸收的不足，因而降低了器件的光信号响应度。高速和高响应度的矛盾是垂直入射纵向p-i-n 结构Ge光电探测器的内在缺陷。

因此波导型p-i-n结构的Ge光电探测器日益引起研究者的关注，该器件工作时，光信号 不再从上方垂直入射，而从侧向Si波导引入，光信号的吸收和载流子的渡越控制在两个相互 垂直的方向上，从根本上解决了宽带与响应度之间的矛盾([3]D.Feng,S.Liao,P.Dong,N.-N. Feng,H.Liang,D.Zheng,C.-C.Kung,J.Fong,R.Shafiiha,J.Cunningham,A.V.Krishnamoorthy, and M.Asghari,High-speed Ge photodetector monolithically integrated with large cross-section  silicon-on-insulator waveguide,Appl.Phys.Lett.,95,261105,(2009)；[4]Shirong Liao,Ning-Ning  Feng,Dazeng Feng,Po Dong,Roshanak Shafiiha,Cheng-Chih Kung,Hong Liang,Wei Qian,Yong  Liu,Joan Fong,John E.Cunningham,Ying Luo,and Mehdi Asghari,36GHz submicron silicon  waveguide germanium photodetector,Optics Express,19,10967-10972,(2011).)。随着波导型Ge 探测器研究的普及，传统的Ge光电探测器也从纵向p-i-n结构设计向横向p-i-n结构设计转变 ([5]Laurent Vivien,Andreas Polzer,Delphine Marris-Morini,Johann Osmond,Jean Michel  Hartmann,Paul Crozat,Eric Cassan,Christophe Kopp,Horst Zimmermann,Jean Marc Fédéli, Zero-bias40Gbit/s germanium waveguide photodetector on silicon,Optics Express,20,1096-1101, (2012).)。新型横向p-i-n结构Ge光电探测器中的p-i-n结沿水平方向放置，并与波导垂直。 转向之后的p-i-n结结区面积由Ge外延层厚度与结区长度共同决定，Ge外延层厚度一般在1 μm左右，结区长度在波导端面耦合情况下可以缩小至10μm，结区面积因此获得了最小化， 意味着该器件适用于未来集成电路的超高速工作条件。另外，横向p-i-n结构Ge光电探测器 结构紧凑，十分有利于器件小型化与片上光互连系统集成。

横向p-i-n结构Ge光电探测器的线条尺寸通常在亚微米量级，需要先进的微电子光刻工 艺完成。

发明内容

本发明的目的在于结合离子测向注入和NiGe自对准工艺，仅借助常规光刻条件就能够实 现亚微米级线条尺寸横向p-i-n结构Ge光电探测器，工艺简单、性能优越的横向p-i-n结构 Ge光电探测器的制备方法。

本发明包含以下步骤：

1)在衬底上外延生长单晶锗层，再在锗层上生长SiO₂覆盖层；

2)利用微电子光刻技术在外延单晶锗层上刻蚀出细长条的有源区台面；

3)利用单晶锗层上面的SiO₂覆盖层做掩蔽，通过侧向大偏角离子注入在台面两侧形成 掺杂p区与掺杂n区；

4)沉积金属Ni层后热退火，利用NiGe、NiSi形成时的自对准工艺在台面两侧及刻蚀区 底部形成NiGe和NiSi接触电极；

5)引出器件电极，保护钝化层，即得横向p-i-n结构Ge光电探测器。

在步骤1)中，所述衬底可采用绝缘层上硅SOI衬底；所述生长可采用分子束外延、低压 化学气相沉积或超高真空化学气相沉积等外延技术；所述单晶锗层的厚度可为1μm；若探测 器器件需要与波导端面耦合时，可以利用光刻技术形成SiO₂图形做掩蔽，对有源区区域的Si 层进行刻蚀减薄之后，再选择性外延Ge，波导结构可以直接对SOI的Si层进行刻蚀得到； 所述在锗层上生长SiO₂覆盖层可采用等离子体增强化学气相沉积法，SiO₂覆盖层的厚度可大 于200nm。

在步骤2)中，所述利用微电子光刻技术在外延单晶锗层上刻蚀出细长条的有源区台面， 可采用光刻胶保护有源区，线条宽度为1μm，对非有源区域但需要NiSi电极区域刻蚀除去 SiO₂覆盖层和Ge层，对器件隔离区刻蚀除去SiO₂覆盖层、Ge层和Si层，暴露SOI的氧化 埋层。

在步骤3)中，所述利用单晶锗层上面的SiO₂覆盖层做掩蔽，通过侧向大偏角离子注入 在台面两侧形成掺杂p区与掺杂n区的方法可为：以正对有源区需要形成掺杂p区与掺杂n 区的台面两侧的方向分两次以大角度分别注入硼(B)离子和磷(P)离子，之后快速热退火 激活注入杂质，形成p-i-n结构。

在步骤4)中，所述沉积金属Ni层可通过蒸发或溅射沉积金属Ni层；所述蒸发或溅射， 为保证有源区台面侧壁上覆盖均匀厚度的Ni金属层，可根据倾斜沉积角度分两次蒸发或溅射 完成；通过热退火使Ni金属层与Ge和Si反应形成NiGe或NiSi接触电极；所述金属Ni层 和Si层完全反应完毕，若Si层较厚可以在步骤2)中对Si层加刻蚀。

在步骤5)中，所述引出器件电极可采用铝布线或其它低电阻导电材料将电极引出；所 述保护钝化层的方法可采用化学气相沉积氮化硅或其它介质层对制得的探测器器件进行钝化 保护。

本发明结合离子测向注入，NiGe自对准工艺，仅以常规光刻条件就实现了亚微米级线条 尺寸横向p-i-n结构Ge光电探测器的制备，可获得亚微米级横向p-i-n结构Ge光电探测器， 结区面积小，并可与与片上光互连波导结构相结合；工艺简单有利于降低制造成本，且器件 还具有串联电阻小的优势，有利于进一步提升器件性能。

本发明在已有的波导型横向p-i-n结构Ge光电探测器基础上，提出以离子测向注入和 NiGe自对准工艺，在一般的光刻条件下就能实现亚微米量级p-i-n结区的制备，不仅缓解了 制作横向p-i-n结构Ge光电探测器通常所需的苛刻的亚微米级光刻要求，而且借助有源区刻 蚀台面的宽度控制、离子注入深度控制，激活退火条件的控制以及NiGe接触电极形成时对 Ge材料消耗的控制，可以精确调节p-i-n结构本征区、掺杂区的厚度，使器件的工作带宽、 响应度等性能达到最优。本发明所提出的横向p-i-n结构Ge光电探测器的结构和制备方法工 艺简单，可操作性强，极具应用价值。

附图说明

图1为横向p-i-n结构Ge光电探测器立体示意图。显示与波导端面耦合的横向p-i-n结构 Ge光电探测器。

图2为横向p-i-n结构Ge光电探测器有源区的剖面结构。包括SOI衬底的Si顶层、外延 Ge层本征区、SiO₂覆盖层、外延Ge层掺杂n区、外延Ge层掺杂p区和NiGe/NiSi接触电极 等部分。

图3为横向p-i-n结构Ge光电探测器主要工艺流程图。(a)SOI衬底上外延Ge，外延 Ge层上再生长SiO₂覆盖层；(b)光刻及刻蚀形成p-i-n结构的有源区；(c)台面两侧分别做 离子注入，之后退火激活形成p-i-n结构；(d)覆盖Ni金属层，退火形成NiGe/NiSi接触电 极。

具体实施方式

本发明结合离子测向注入和NiGe自对准工艺，借助常规光刻条件实现亚微米级线条尺寸 横向p-i-n结构Ge光电探测器的制备。

在步骤1)中，Ge外延生长的衬底采用绝缘层上硅SOI衬底。生长可在超高真空条件下 采用两步生长法得到，即首先在清洁的Si衬底上低温形成数十纳米的低温Ge缓冲层(低温 温度约为350℃)，再在缓冲层上生长高温Ge层(高温温度约为650℃)，气源使用锗烷， Ge层生长总厚度约为1μm。外延锗层上再以化学气相沉积法覆盖SiO₂层，厚度在200nm以 上。

在步骤2)中，利用微电子光刻技术形成图形，以光刻胶保护有源区域，对非有源区域但 需要NiSi电极区域刻蚀除去SiO₂覆盖层和Ge层，对器件隔离区干法刻蚀除去SiO₂覆盖层、 Ge层和Si层，暴露SOI的氧化埋层。其中，SiO₂覆盖层也可用湿法BOE缓冲腐蚀液(HF∶ NH₄F∶H₂O＝30ml∶60g∶100ml)去除。

在步骤3)中，以正对需要形成掺杂p区与掺杂n区台面两侧的方向分两次以大角度分别 注入硼(B)离子和磷(P)离子，通过注入能量控制注入深度，一般不超过100nm，经后续 快速热退火，杂质扩散深度控制在200～300nm。

在步骤4)中，为保证有源区台面侧壁上覆盖均匀厚度的Ni金属层，可将衬底倾斜一定 角度(如45°)或改变沉积方向分两次蒸发或溅射完成。由已知，单位厚度的Ni金属层与 Ge、Si固相反应时，将消耗2.07厚度的Ge或1.83厚度的Si，据此比例以及想要获得的掺杂 层厚度确定侧壁上Ni层的厚度，一般在100nm左右。通过快速热退火使Ni金属层与Ge和 Si反应形成NiGe或NiSi接触电极，退火一般选择400℃，时间30s，氮气或氩气保护。

在步骤5)中，以铝布线或其它低电阻导电材料将电极引出。铝布线可以常规光刻及磷酸 腐蚀工艺得到铝线条，也可以光刻剥离工艺得到，铝层厚度一般在300nm以上。器件钝化层 一般使用氮化硅，以化学气相沉积法覆盖在器件表面。