基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器及制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器及制备方法，制备方法包括：在硅波导层中制备下接触层；2)形成介质层，并于介质层中形成锗光电探测器集成窗口；3)于集成窗口内及介质层上形成非晶材料层，并形成非晶材料层的平坦表面，非晶材料层为非晶硅层或者非晶锗材料层；4)键合锗材料衬底及所述非晶材料层，并减薄锗材料衬底；5)固相外延形成单晶硅层或单晶锗材料层；6)形成锗吸收区及上接触层；7)制备下电极及上电极。本发明专利技术通过将具有单晶结构的锗材料衬底与硅直接键合方式集成，可以获得质量更高的锗材料以及锗/硅异质结构，有利于锗光电探测器暗电流等特性的优化。有利于锗光电探测器暗电流等特性的优化。有利于锗光电探测器暗电流等特性的优化。

【技术实现步骤摘要】
基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器及制备方法


[0001]本专利技术属于半导体设计及制造领域，特别是涉及一种基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器及制备方法。

技术介绍

[0002]硅基锗光电探测器与CMOS工艺兼容，在光通信、光互联和光传感等领域有着广泛的引用。相较于垂直入射型探测器，波导型探测器能避免光探测器速率和量子效率间相互制约的问题，且可以与波导光路集成，更容易实现高速高响应度，是实现高速光通信和光互联芯片的核心器件之一。
[0003]然而，由于锗(Ge)材料与硅(Si)之间存在大的晶格失配，硅(Si)上外延生长锗(Ge)材料极具挑战。近年来，硅上锗外延技术得到了极大的提升。通过优化生长工艺，结合退火技术，高质量的硅基锗外延得以实现，其中锗材料中的位错密度可以低至106cm-2
量级。然而，进一步降低锗材料位错密度，尤其在锗材料厚度受限的情况下，提升外延锗材料质量非常困难。

技术实现思路

[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器及制备方法，以提升锗材料质量，实现更低的锗光电探测器暗电流。
[0005]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法，所述制备方法包括步骤：1)提供一硅波导层，通过光刻定义锗光电探测器下接触层区域，采用离子注入和退火工艺制备下接触层；2)于所述硅波导层上形成介质层，并通过光刻刻蚀方法于所述介质层中形成锗光电探测器集成窗口，该集成窗口显露所述下接触层；3)于所述集成窗口内及所述介质层上形成非晶材料层，并采用化学机械抛光工艺形成非晶材料层的平坦表面，所述非晶材料层为非晶硅层或者非晶锗材料层；4)提供一锗材料衬底，采用晶圆键合工艺键合所述锗材料衬底及所述非晶材料层，并减薄所述锗材料衬底；5)采用退火工艺实现所述非晶材料层的固相外延，形成单晶材料层，所述单晶材料层为单晶硅层或单晶锗材料层；6)通过光刻刻蚀形成锗吸收区，并在所述锗吸收区上形成上接触层；7)在所述下接触层及所述上接触层上分别制备下电极及上电极。
[0006]可选地，所述非晶材料层为非晶锗材料层，所述非晶锗材料层在所述固相外延过程中，基于与其相接触的所述锗材料衬底进行再结晶，形成所述单晶锗材料层。
[0007]可选地，步骤3)化学机械抛光工艺后，位于所述介质层表面上的非晶材料层的厚度介于5纳米～20纳米之间。
[0008]可选地，所述介质层包括二氧化硅层，其厚度范围介于30纳米～100纳米之间。
[0009]可选地，步骤4)采用智能剥离方法或者选择性刻蚀方法减薄所述锗材料衬底。
[0010]可选地，所述智能剥离方法包括步骤：
[0011]a)在步骤4)的键合前，在锗材料衬底中上注入H离子，形成剥离界面；
[0012]b)在步骤4)的键合后，通过退火工艺使所述锗材料衬底在所述剥离界面处实现剥离。
[0013]可选地，步骤5)实现所述非晶材料层的固相外延的退火温度范围介于300℃～500℃，退火时间介于0.5分钟～30分钟之间。
[0014]本专利技术还提供一种基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器，包括：硅波导层，所述硅波导层中形成有锗光电探测器的下接触层；介质层，位于所述硅波导层上，所述硅波导层中具有锗光电探测器集成窗口，该集成窗口显露所述下接触层；单晶材料层，填充于所述集成窗口中，所述单晶材料层为单晶硅层或单晶锗材料层；锗吸收区，键合于所述单晶材料层；上接触层，形成于所述锗吸收区上部；下电极，形成于所述下接触层上；上电极，形成所述上接触层上。
[0015]可选地，所述单晶材料层的高度大于所述介质层的厚度，所述单晶材料层超出所述介质层顶面的高度范围介于5纳米～20纳米之间。
[0016]可选地，所述下接触层的面积大于所述锗吸收区的面积，所述锗吸收区两侧的介质层中具有开口，所述开口显露所述下接触层，所述下电极形成于所述开口中。
[0017]如上所述，本专利技术的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器及制备方法，具有以下有益效果：
[0018]与现有的通过外延方案实现锗材料/硅集成相比，本专利技术通过将具有单晶结构的锗材料衬底与硅直接键合方式集成，可以获得质量更高的锗材料以及锗/硅异质结构，有利于锗光电探测器暗电流等特性的优化。
附图说明
[0019]图1显示为本专利技术实施例的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法步骤流程示意图。
[0020]图2～图13显示为本专利技术实施例的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
[0021]元件标号说明
[0022]101
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底层硅
[0023]102
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绝缘层
[0024]103
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硅波导层
[0025]104
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介质层
[0026]105
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集成窗口
[0027]106
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非晶锗材料层
[0028]107
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锗材料衬底
[0029]108
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单晶锗材料层
[0030]109
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锗吸收区
[0031]110
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下接触层
[0032]111
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上接触层
[0033]112
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下电极
[0034]113
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上电极
[0035]S11～S17
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步骤1)～步骤7)
具体实施方式
[0036]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。
[0037]如在详述本专利技术实施例时，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，其在此不应限制本专利技术保护的范围。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。
[0038]为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤：1)提供一硅波导层，通过光刻定义锗光电探测器下接触层区域，采用离子注入和退火工艺制备下接触层；2)于所述硅波导层上形成介质层，并通过光刻刻蚀方法于所述介质层中形成锗光电探测器集成窗口，该集成窗口显露所述下接触层；3)于所述集成窗口内及所述介质层上形成非晶材料层，并采用化学机械抛光工艺形成非晶材料层的平坦表面，所述非晶材料层为非晶硅层或者非晶锗材料层；4)提供一锗材料衬底，采用晶圆键合工艺键合所述锗材料衬底及所述非晶材料层，并减薄所述锗材料衬底；5)采用退火工艺实现所述非晶材料层的固相外延，形成单晶材料层，所述单晶材料层为单晶硅层或单晶锗材料层；6)通过光刻刻蚀形成锗吸收区，并在所述锗吸收区上形成上接触层；7)在所述下接触层及所述上接触层上分别制备下电极及上电极。2.根据权利要求1所述的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法，其特征在于：所述非晶材料层为非晶锗材料层，所述非晶锗材料层在所述固相外延过程中，基于与其相接触的所述锗材料衬底进行再结晶，形成所述单晶锗材料层。3.根据权利要求1所述的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤3)化学机械抛光工艺后，位于所述介质层表面上的非晶材料层的厚度介于5纳米～20纳米之间。4.根据权利要求1所述的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的制备方法，其特征在于：所述介质层包括二氧化硅层，其厚度范围介于30纳米～100纳米之间。5.根据权利要求1所述的基于晶圆键合技术的集成锗光电探测器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪巍，方青，涂芝娟，曾友宏，蔡艳，余明斌，
申请(专利权)人：上海新微技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：