基于LRC工艺的n‑Ge‑i‑Ge‑p‑Si结构波导型光电探测器及其制备方法

摘要

本发明涉及一种基于LRC工艺的n‑Ge‑i‑Ge‑p‑Si结构波导型光电探测器及其制备方法。该方法包括：制备SOI衬底；在顶层Si层表面分别刻蚀形成波导区，耦合结构和器件部分；在器件部分的表面生长Ge材料，并制备保护层；对整个衬底进行加热，并采用激光工艺晶化整个衬底，冷却使Ge材料形成晶化Ge层，去除保护层；在晶化Ge层表面生长第一Ge层和第二Ge层；在整个衬底上制备钝化层，利用选择性刻蚀工艺刻蚀钝化层以在顶层Si层表面形成P型接触孔并在第二Ge层表面形成N型接触孔；在P型和N型接触孔淀积金属完成互连以最终形成光电探测器。本发明实施例光电探测器可减少暗电流，并克服了垂直入光型光探测器中高速响应与量子效率矛盾，同时保证了高速率和高量子效率。

说明书

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于LRC工艺的n-Ge-i-Ge-p-Si结构波导型光电探测器及其制备方法。

背景技术

随着最小特征尺寸按照摩尔定律持续减小，集成电路的电互连带来了传输延迟问题、带宽密度问题等一系列问题。因此光互连成为现代集成电路更好的选择，其中光电探测器将光信号转换为电信号是光电集成的关键器件之一。随着光通信技术的发展，具有高响应度、高量子效率、低暗电流以及高响应频率带宽的光电探测器得以实现。

目前半导体探测器主要使用InGaAs/InP等III-V族半导体材料，其具有探测器量子效率高、暗电流小等优点。然而其价格昂贵、导热性能和机械性能较差，以及与现有的成熟的Si工艺兼容性差等缺点，限制了其在Si基光电集成技术中的应用。

因此，如何制作在Si衬底上的波导型光电探测器已成为国内外研究的热点和重点。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于LRC工艺的n-Ge-i-Ge-p-Si结构波导型光电探测器及其制备方法。

本发明的一个实施例提供了一种基于LRC工艺的n-Ge-i-Ge-p-Si结构波导型光电探测器的制备方法，包括：

制备SOI衬底；

在所述SOI衬底的顶层Si层表面分别刻蚀形成第一矩形、第二梯形和第三矩形；其中，所述第一矩形形成波导区，所述第二梯形形成耦合结构，所述第三矩形形成器件部分；

在所述器件部分的表面生长Ge材料，并在所述Ge材料表面制备保护层；

对整个衬底进行加热，并采用激光工艺晶化整个衬底，冷却使所述Ge材料形成晶化Ge层，去除所述保护层；

在所述晶化Ge层表面生长第一Ge层和第二Ge层；

在整个衬底上制备钝化层，利用选择性刻蚀工艺刻蚀所述钝化层以在所述顶层Si层表面形成P型接触孔并在所述第二Ge层表面形成N型接触孔；

在所述P型接触孔和所述N型接触孔淀积金属完成互连以最终形成所述光电探测器。

在本发明的一个实施例中，制备SOI衬底，包括：

选取单晶Si衬底；

对所述单晶Si衬底进行注氧隔离形成SiO₂层，从而使所述单晶Si衬底形成底层Si层、SiO₂层及顶层Si层，以形成所述SOI衬底。

在本发明的一个实施例中，在所述器件部分的表面生长Ge材料，并在所述Ge材料表面制备保护层，包括：

采用掩膜版，在500°C~600°C温度下，在所述器件部分的表面利用选择性外延工艺生长所述Ge材料；

在所述Ge材料表面利用CVD工艺淀积SiO₂材料形成所述保护层。

在本发明的一个实施例中，对整个衬底进行加热，并采用激光工艺晶化整个衬底，冷却后使所述Ge材料形成晶化Ge层，去除所述保护层，包括：

将包括所述SOI衬底、所述Ge材料及所述保护层的整个衬底加热至650°C-750°C；

采用激光波长为808nm，激光光斑尺寸100μm×100μm，激光功率为1.5kW/cm²，连续采用激光工艺对所述整个衬底进行晶化处理，曝光40ms后自然冷却形成所述晶化Ge层；

利用干法刻蚀工艺去除所述保护层。

在本发明的一个实施例中，在所述晶化Ge层表面生长第一Ge层和第二Ge层，包括：

利用减压CVD工艺，在所述晶化Ge层表面生长所述第一Ge层，与所述晶化Ge层形成本征Ge层；

利用减压CVD工艺，在所述第一Ge层表面生长所述第二Ge层，形成N型Ge层。

在本发明的一个实施例中，在整个衬底上制备钝化层，利用选择性刻蚀工艺刻蚀所述钝化层以在所述顶层Si层表面形成P型接触孔并在所述第二层表面形成N型接触孔，包括：

利用PECVD工艺在所述第二Ge层及未被所述第二Ge层覆盖的所述顶层Si层表面淀积SiO₂材料作为所述钝化层；

利用选择性刻蚀工艺刻蚀所述顶层Si层表面的所述钝化层形成P型接触孔；

利用离子注入工艺对所述P型接触孔进行离子注入在所述顶层Si层内形成P型接触区；

利用选择性刻蚀工艺刻蚀所述第二Ge层表面的所述钝化层形成N型接触孔。

在本发明的一个实施例中，在所述P型接触孔和所述N型接触孔淀积金属，包括：

利用电子束蒸发淀积工艺，对所述P型接触孔和所述N型接触孔进行金属材料淀积；

采用CMP工艺，平整化处理以刻蚀掉所述钝化层表面的金属材料。

在本发明的一个实施例中，所述金属材料为Cr或者Au。

本发明的另一个实施例提供了一种基于LRC工艺的n-Ge-i-Ge-p-Si结构波导型光电探测器，其中，所述光电探测器由上述实施例中任一所述的方法制备形成。

本发明实施例的光电探测器，相对于现有技术至少具有如下优点：

1)本发明采用的激光再晶化工艺，具有Ge外延层晶体质量高，工艺步骤简单，工艺周期短，热预算低等优点。

2)本发明通过连续激光辅助晶化Ge/Si虚衬底，可有效降低Ge/Si虚衬底的位错密度和表面粗糙度以及提高Ge/Si界面特性，有利于减少波导型光电探测器的暗电流，进而可提高其量子效率。

3)本发明中n+-Ge/i-Ge/p+-Si结构波导型光电探测器，采用波导型结构，克服了垂直入光型光探测器中高速响应与量子效率矛盾，同时保证了高速率和高量子效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于LRC工艺的n-Ge-i-Ge-p-Si结构波导型光电探测器的俯视示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于LRC工艺的n-Ge-i-Ge-p-Si结构波导型光电探测器的制备方法流程示意图；

图3a-图3k为本发明实施例提供的一种基于LRC工艺的n-Ge-i-Ge-p-Si结构波导型光电探测器的制备方法示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于LRC工艺的n-Ge-i-Ge-p-Si结构波导型光电探测器的俯视示意图。该光电探测器包括SOI衬底以及设置于该SOI衬底的顶层Si层上的波导、耦合结构和器件部分，该器件部分通过半导体工艺最终形成光电器件，形成波导型光电探测器。

需要说明的是：Si衬底上外延Ge半导体材料不仅与现有的Si工艺完全兼容，而且对光通信中C波段(1528-1560 nm)的光信号有较好的响应特性，应用于Si基光电集成技术潜力巨大。同时，Ge PiN光电探测器若为波导型结构，因为光传输和吸收沿着波导方向，而载流子输运在与之垂直的方向，还可克服垂直入光型光探测器中高速响应与量子效率之间的矛盾。

请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基于LRC工艺的n-Ge-i-Ge-p-Si结构波导型光电探测器的制备方法流程示意图。该方法包括如下步骤：

步骤a、制备SOI衬底；

步骤b、在所述SOI衬底的顶层Si层表面分别刻蚀形成第一矩形、第二梯形和第三矩形；其中，所述第一矩形形成波导区，所述第二梯形形成耦合结构，所述第三矩形形成器件部分；

步骤c、在所述器件部分的表面生长Ge材料，并在所述Ge材料表面制备保护层；

步骤d、对整个衬底进行加热，并采用激光工艺晶化整个衬底，冷却使所述Ge材料形成晶化Ge层，去除所述保护层；

步骤e、在所述晶化Ge层表面生长第一Ge层和第二Ge层；

步骤f、在整个衬底上制备钝化层，利用选择性刻蚀工艺刻蚀所述钝化层以在所述顶层Si层表面形成P型接触孔并在所述第二Ge层表面形成N型接触孔；

步骤g、在所述P型接触孔和所述N型接触孔淀积金属完成互连以最终形成所述光电探测器。

对于步骤a，可以包括：

步骤a1、选取单晶Si衬底；

步骤a2、对所述单晶Si衬底进行注氧隔离形成SiO₂层，从而使所述单晶Si衬底形成底层Si层、SiO₂层及顶层Si层，以形成所述SOI衬底。

对于步骤c，可以包括：

步骤c1、采用掩膜版，在500°C~600°C温度下，在所述器件部分的表面利用选择性外延工艺生长所述Ge材料；

步骤c2、在所述Ge材料表面利用CVD工艺淀积SiO₂材料形成所述保护层。

对于步骤d，可以包括：

步骤d1、将包括所述SOI衬底、所述Ge材料及所述保护层的整个衬底加热至650°C~750°C；

步骤d2、采用激光波长为808nm，激光光斑尺寸100μm×100μm，激光功率为1.5kW/cm²，连续采用激光工艺对所述整个衬底进行晶化处理，曝光40ms后自然冷却形成所述晶化Ge层；

步骤d3、利用干法刻蚀工艺去除所述保护层。

对于步骤e，可以包括：

步骤e1、利用减压CVD工艺，在所述晶化Ge层表面生长所述第一Ge层，与所述晶化Ge层形成本征Ge层；

步骤e2、利用减压CVD工艺，在所述第一Ge层表面生长所述第二Ge层，形成N型Ge层。

对于步骤f，可以包括：

步骤f1、利用PECVD工艺在所述第二Ge层及未被所述第二Ge层覆盖的所述顶层Si层表面淀积SiO₂材料作为所述钝化层；

步骤f2、利用选择性刻蚀工艺刻蚀所述顶层Si层表面的所述钝化层形成P型接触孔；

步骤f3、利用离子注入工艺对所述P型接触孔进行离子注入在所述顶层Si层内形成P型接触区；

步骤f4、利用选择性刻蚀工艺刻蚀所述第二Ge层表面的所述钝化层形成N型接触孔。

对于步骤g，可以包括：

步骤g1、利用电子束蒸发淀积工艺，对所述P型接触孔和所述N型接触孔进行金属材料淀积；

步骤g2、采用CMP工艺，平整化处理以刻蚀掉所述钝化层表面的金属材料。

其中，所述金属材料例如为Cr或者Au。

本发明实施例，通过采用激光再晶化工艺，提高Ge外延层的晶体质量，形成的Ge/Si虚衬底，有效降低Ge/Si虚衬底的位错密度和表面粗糙度以及提高Ge/Si界面特性，有利于减少波导型光电探测器的暗电流，进而可提高其量子效率。另外，采用波导型结构，克服了垂直入光型光探测器中高速响应与量子效率矛盾，同时保证了高速率和高量子效率。

实施例二

请一并参见图3a-图3k，图3a-图3k为本发明实施例提供的一种基于LRC工艺的n-Ge-i-Ge-p-Si结构波导型光电探测器的制备方法示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的基于LRC工艺的n-Ge-i-Ge-p-Si结构波导型光电探测器的制备方法进行详细说明如下：

S101、衬底选取。如图3a所示，选取单晶硅(Si)衬底片(001)为初始材料101；

S102、SOI衬底制备。如图3b所示，选用O⁺剂量为1.8×10¹⁸cm^-2进行注氧隔离，然后进行高温退火，形成1μm厚的SiO₂层102和1.5μm厚的Si层103的SOI衬底。

S103、波导及耦合区域制备。选择性刻蚀，形成600nm深，1.4μm宽的波导104，并且刻蚀相同的深度，入口宽度为4.5μm的锥形耦合结构105用于连接波导及器件，以及形成7.5μm宽，50μm长的器件结构106。器件区域局部B离子注入，形成5×10¹⁸cm^-3的P型Si层，高温退火，波导部分俯视图如图3c，波导部分剖面图如图3d。

S104、在器件部分进行Ge选择性外延层生长。如图3e所示，在500°C~600°C温度下，利用CVD工艺在在所述顶层Si层表面生长300nm的Ge外延层107；

S105、保护层的制备。如图3f所示，利用CVD工艺在所述第二Ge主体层表面上淀积150nm SiO₂层108；

S106、Ge外延层的晶化及保护层刻蚀，如图3g。将包括所述单晶Si衬底、所述Ge外延层、所述顶层Si层及所述SiO₂层的整个衬底材料加热至700°C，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸100μm×100μm，激光功率为1.5kW/cm²，曝光40ms，自然冷却形成晶化Ge层109。降低了Ge材料的位错密度和表面粗糙度，提高了Ge/Si界面质量，可有效减小暗电流提升量子效率。然后利用干法刻蚀工艺刻蚀图3f中的SiO₂氧化层。

S107、在激光晶化后的器件部分进行Ge选择性外延层生长。

S1071、Ge外延层生长。如图3h所示，利用减压CVD生长300nm的Ge层(为了便于图示观看，将晶化后的Ge层以及晶化后生长的Ge层合为i-Ge层110)生长温度为330°C，由于此外延层是在Ge/Si虚衬底上生长的，Ge的质量较好，晶格失配率较低；

S1072、P型Ge外延层生长。如图3i所示，利用减压CVD生长200nm的N型Ge 111，掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3，生长温度为330°C,>

S108、金属接触孔制备。如图3j所示，采用等离子体增强化学气象淀积 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,简称PECVD)技术，淀积200~250nm厚的SiO₂钝化层112，隔离台面与外界电接触。刻蚀接触孔，用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定p-Si区域的SiO₂形成接触孔，同时离子注入，浓度达到5×10¹⁹cm^-3形成p⁺⁺-Si区域113用于金属接触，高温退火。再利用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定n⁺⁺-Ge区域的SiO₂形成接触孔；

S109、金属互联制备。如图3k所示。利用电子束蒸发淀积150~200nm厚的Cr/Au层114。利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属Cr/Au，采用化学机械抛光(CMP)进行平坦化处理。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。