一种波导型锗探测器集成工艺方法及波导型锗探测器

摘要

本发明提供了一种波导型锗探测器集成工艺方法，硅片热氧化后，利用LPCVD沉积氮化硅，并制作氮化硅波导，再通过选择性锗外延工艺直接在硅片上外延锗，完成氮化硅波导和锗探测器集成。本发明通过在LPCVD氮化硅层中开窗暴露硅衬底和实现锗外延，解决了先锗外延、后LPCVD氮化硅制程产生的锗外延不耐受LPCVD氮化硅高温的问题。采用LPCVD工艺制备的氮化硅具有更低的光损耗，结合氮化硅开窗后的选择性外延锗方法，能够制备高性能的集成氮化硅波导的有源器件。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体工艺领域，特别涉及一种波导型锗探测器集成工艺方法及波导型锗探测器。

背景技术

光子集成是下一代芯片级互联以及光子计算等诸多领域的关键技术，易于集成与通用CMOS工艺集成，具有广泛的应用前景和巨大的市场潜力。其中光收发芯片是光子集成芯片中最受关注的产品之一，通过片上集成硅波导、高速锗探测器、波分复用、电调制器等元器件，可以实现≥100G片上集成高速光收发功能。通过硅基单片集成技术，大大缩小了光收发系统的重量和体积，提高了集成度，对实现5G低成本通信系统、激光雷达、人工智能起到至关重要的作用。

光收发芯片的高速锗探测器由于锗材料工艺有特殊性，常规的锗探测器制备工艺由于锗材料的热稳定性较低，外延锗之后尤其是掺杂后不能承受高温，通常工艺温度不能高于500摄氏度，只能采用低温的PECVD工艺进行制备，但是该工艺容易引入氢杂质导致成品质量降低和波导的光学传输损耗大。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，提供了一种波导型锗探测器集成工艺方法及波导型锗探测器，利用LPCVD制备氮化硅和选择性锗外延工艺结合起来集成锗探测器，实现低传输损耗的LPCVD氮化硅波导和波导型探测器的结构连接并且工艺兼容，制备出集成更优性能氮化硅波导的有源器件。

本发明采用的技术方案如下：一种波导型锗探测器集成工艺方法，硅片热氧化后，利用LPCVD沉积氮化硅，并制作氮化硅波导，再通过选择性锗外延工艺直接在硅片上外延锗，完成氮化硅波导和锗探测器集成。

作为一种优选方案，具体步骤为：

步骤1、在硅片上热氧化出氧化硅层；

步骤2、在氧化硅层上利用LPCVD沉积氮化硅层；

步骤3、对氮化硅层进行处理，制成氮化硅波导；

步骤4、在氮化硅层表面做开窗处理，暴露底部硅片；

步骤5、在暴露的硅片上进行选择性锗外延工艺，最终形成的锗上表面高于氮化硅波导上表面；

步骤6、对外延锗的相关区域进行离子注入处理，得到集成氮化硅波导的有源器件。

作为一种优选方案，所述步骤3中，采用光刻和刻蚀方法制作氮化硅波导，刻蚀完成后做退火处理。

作为一种优选方案，所述步骤4中，采用光刻和刻蚀方法进行开窗。

作为一种优选方案，所述步骤4中，开窗位置为锗探测器区域。

作为一种优选方案，氮化硅层厚度为400-800nm，氧化硅厚度为2000-4000nm。

作为一种优选方案，所述步骤6中，在外延锗的两侧分别注入P

本发明还提出了一种波导型锗探测器，包括从下至上的硅片、氧化硅层以及氮化硅层；所述氮化硅层经处理形成氮化硅波导，在叠层中间区域从上至下开有贯穿氮化硅层、氧化硅层的窗口，暴露出硅片；窗口中形成外延锗，锗上表面高于氮化硅波导上表面，其中，氮化硅层采用LPCVD沉积得到。

作为一种优选方案，所述氮化硅层厚度为400-800nm，氧化硅厚度为2000-4000nm。

作为一种优选方案，采用选择性锗外延工艺在暴露的硅片上进行锗外延。

作为一种优选方案，所述外延锗两侧分别注入P

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：通过在LPCVD氮化硅层中开窗暴露硅衬底和实现锗外延，解决了先锗外延、后LPCVD氮化硅制程产生的锗外延不耐受LPCVD氮化硅高温的问题。采用LPCVD工艺制备的氮化硅结合氮化硅开窗后的选择性外延锗方法，同时获得LPCVD氮化硅波导低的光传输损耗和波导型锗探测器高的外延质量，能够制备高性能的集成氮化硅波导的有源器件。

附图说明

图1为本发明一实施例中波导型锗探测器俯视图。

图2为本发明一实施例中波导型锗探测器A-A面截面图。

图3为本发明一实施例中波导型锗探测器B-B面截面图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

由于锗的热稳定性原因，集成的氮化硅波导一般通过温度较低的PECVD工艺沉积，这会导致波导存在更高的光传输损耗。在氮化硅制程里，LPCVD和PECVD制备方法相比，具有更低的光学传输损耗，但LPCVD是在高温条件下进行的，锗外延层不耐受这样高温过程。因此本发明实施例提出了一种先LPCVD工艺、后开窗选择性锗外延工艺相结合的波导型锗探测器集成工艺方法，能够显著降低氮化硅波导的光传输损耗，同时获得高的锗外延质量。具体方案如下：

一种波导型锗探测器集成工艺方法，硅片热氧化后，利用LPCVD沉积氮化硅，并制作氮化硅波导，再通过选择性锗外延工艺直接在硅片上外延锗，完成氮化硅波导和锗探测器集成。

其中，氮化硅作为光波导功能材料，氧化硅作为氮化硅波导的包覆层并在硅衬底和氮化硅之间充当应力缓冲层，能够有效避免直接在硅上生长较厚LPCVD氮化硅因应力过大产生的开裂问题。

该方案主要是利用LPCVD方法生长的氮化硅具有优良的传输低损耗特性，通过在硅衬底上的LPCVD氮化硅层中开窗选择性外延锗，解决了先锗外延、后LPCVD氮化硅制程产生的锗外延不耐受LPCVD工艺高温的问题，在硅片上实现LPCVD氮化硅无源器件和锗有源器件的集成。

本发明提出的工艺方法原理清晰，结构简单，工艺简洁，可以用于大规模的工业生产。

实施例1

本实施例提出了一种波导型锗探测器集成工艺方法，硅片热氧化后，利用LPCVD沉积氮化硅，并制作氮化硅波导，再通过选择性锗外延工艺直接在硅片上外延锗，完成氮化硅波导和锗探测器集成。具体工艺步骤如下：

步骤1、在硅片上热氧化出氧化硅层；

步骤2、在氧化硅层上利用LPCVD沉积氮化硅层；

步骤3、对氮化硅层进行处理，制成氮化硅波导；

步骤4、在氮化硅层表面做开窗处理，暴露底部硅片；

步骤5、在暴露的硅片上进行选择性锗外延工艺，最终形成的锗上表面高于氮化硅波导上表面；

步骤6、对外延锗的相关区域进行离子注入处理，得到集成氮化硅波导的锗探测器有源器件。

在步骤1中，氧化硅层厚度优选为2000-4000nm。

在步骤2中，氮化硅层厚度优选为400-800nm，并且氮化硅需要采用LPCVD方法沉积才能达到本发明的效果。

其步骤6中，在外延锗的两侧分别注入P

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例提出了在步骤3中，采用光刻和刻蚀方法制作氮化硅波导；为了实现超低损耗，刻蚀完后还需要1100℃以上退火。

实施例3

在实施例1或2的基础上，本实施例提出了在步骤3中，采用光刻和刻蚀方法进行开窗。

实施例4

在实施例3的基础上，本实施例提出了在步骤4中，开窗位置为锗探测器区域。

实施例5

如图1～图3所示，本实施例提出了一种波导型锗探测器，包括从下至上的硅片(图2、图3中Si层)、氧化硅层(图2、图3中SiO

实施例6

在在实施例5的基础上，本实施例中氮化硅层采用LPCVD方法沉积得到。

实施例7

在在实施例5或6的基础上，本实施例中采用选择性锗外延工艺在暴露的硅片上进行锗外延。

实施例8

在在实施例7的基础上，本实施例中所述外延锗两侧分别注入P

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。