橫向p-i-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備方法
【專利摘要】橫向p-i-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備方法，涉及一種鍺光電探測器。1)在襯底上外延生長單晶鍺層，再在鍺層上生長SiO2覆蓋層；2)利用微電子光刻技術(shù)在外延單晶鍺層上刻蝕出細(xì)長條的有源區(qū)臺(tái)面；3)利用單晶鍺層上面的SiO2覆蓋層做掩蔽，通過側(cè)向大偏角離子注入在臺(tái)面兩側(cè)形成摻雜p區(qū)與摻雜n區(qū)；4)沉積金屬Ni層后熱退火，利用NiGe、NiSi形成時(shí)的自對準(zhǔn)工藝在臺(tái)面兩側(cè)及刻蝕區(qū)底部形成NiGe和NiSi接觸電極；5)引出器件電極，保護(hù)鈍化層，即得橫向p-i-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器。工藝簡單，可操作性強(qiáng)，極具應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鍺光電探測器，特別是一種橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]研究顯示，集成電路芯片中超過一半的功耗集中在芯片的互連，同時(shí)互連還受到信號傳輸帶寬的限制。從長遠(yuǎn)來看，在芯片內(nèi)部引入光互連部分代替電互連，以光子作為載體實(shí)現(xiàn)高速低功耗信號傳輸，是芯片進(jìn)一步集成化的必然要求。在硅基光互連中，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電探測器是實(shí)現(xiàn)片上光互連的重要器件。制作光電探測器的方法是在硅上直接外延鍺(Ge)材料作為有源區(qū)制備長波長光電探測器。Ge是準(zhǔn)直接帶隙材料，對
1.55 μ m以下的波長有強(qiáng)烈的吸收，是制作光電探測器的首選材料。
[0003]近年來國際上研制中的Ge光電探測器紛紛達(dá)到30GHz量級([I] ChongLi，Chunlai Xuej Zhi Liuj Buwen Cheng, Chuanbo Li，and Qiming Wang, High-bandwidthand high-responsivity top-1lluminated germanium photodiodes for opticalinterconnection, IEEE Trans.Electron Devices,60，1183 - 1187，(2013) ； [2]S.Klinger, M.Berrothj M.Kaschelj M.0ehmej and E.Kasper，“Ge-on-Si p-1-n photodiodeswith3~dB bandwidth of49GHz, ” IEEE Photon.Technol.Lett.，21，920 - 922，(2009))。常見的垂直入射縱向Ge p-1-n光電探測器中，為提高器件工作帶寬速度，通常的方法是通過減小本征區(qū)厚度來減小光生載流子的渡越時(shí)間。但Ge本征區(qū)同時(shí)又是垂直入射光信號的吸收區(qū)域，光吸收與光生載流子渡越同方向進(jìn)行，本征區(qū)減薄必然同時(shí)導(dǎo)致光吸收的不足，因而降低了器件的光信號響應(yīng)度。高速和高響應(yīng)度的矛盾是垂直入射縱向P-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的內(nèi)在缺陷。
[0004]因此波導(dǎo)型p-1-n結(jié)構(gòu)的Ge光電探測器日益引起研究者的關(guān)注，該器件工作時(shí)，光信號不再從上方垂直入射，而從側(cè)向Si波導(dǎo)引入，光信號的吸收和載流子的渡越控制在兩個(gè)相互垂直的方向上，從根本上解決了寬帶與響應(yīng)度之間的矛盾([3]D.Feng, S.Liao, P.Dong, N.-N.Feng, H.Liang, D.Zheng, C.-C.Kungj J.Fong, R.Shafiihaj J.Cunningham, A.V.Krishnamoorthyj and M.Asgharij High-speed Ge photodetector monolithicallyintegrated with large cross-section si I icon-on-1nsulator waveguide,Appl.Phys.Lett., 95, 261105, (2009) ； [4]Shirong Liao，Ning-Ning Feng, Dazeng Feng, PoDong，Roshanak Shafiihaj Cheng-Chih Kungj Hong Liang,Wei Qian,Yong Liu，JoanFong, John E.Cunningham, Ying Luoj and Mehdi Asgharij 36GHz submicron siliconwaveguide germanium photodetector, Optics Express, 19，10967-10972，(2011).)。隨著波導(dǎo)型Ge探測器研究的普及，傳統(tǒng)的Ge光電探測器也從縱向p-1-n結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向橫向p-1-n結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變([5]Laurent Vivien, Andreas Polzerj Delphine Marris-Morinij JohannOsmond, Jean Michel Hartmann,Paul Crozatj Eric CassanjChristophe Koppj HorstZimmermannj Jean Marc Fedeli，Zero_bias40Gbit/s germanium waveguidephotodetector on silicon, Optics Express, 20，1096-1101，(2012).)。新型橫向 p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器中的p-1-n結(jié)沿水平方向放置，并與波導(dǎo)垂直。轉(zhuǎn)向之后的p-1-n結(jié)結(jié)區(qū)面積由Ge外延層厚度與結(jié)區(qū)長度共同決定，Ge外延層厚度一般在I μ m左右，結(jié)區(qū)長度在波導(dǎo)端面耦合情況下可以縮小至10 μ m,結(jié)區(qū)面積因此獲得了最小化，意味著該器件適用于未來集成電路的超高速工作條件。另外，橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器結(jié)構(gòu)緊湊,十分有利于器件小型化與片上光互連系統(tǒng)集成。
[0005]橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的線條尺寸通常在亞微米量級，需要先進(jìn)的微電子光刻工藝完成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于結(jié)合離子測向注入和NiGe自對準(zhǔn)工藝，僅借助常規(guī)光刻條件就能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米級線條尺寸橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器,工藝簡單、性能優(yōu)越的橫向P-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備方法。
[0007]本發(fā)明包含以下步驟:
[0008]I)在襯底上外延生長單晶鍺層，再在鍺層上生長SiO2覆蓋層；
[0009]2)利用微電子光刻技術(shù)在外延單晶鍺層上刻蝕出細(xì)長條的有源區(qū)臺(tái)面；
[0010]3)利用單晶鍺層上面的SiO2覆蓋層做掩蔽，通過側(cè)向大偏角離子注入在臺(tái)面兩側(cè)形成摻雜P區(qū)與摻雜η區(qū)；
[0011]4)沉積金屬Ni層后熱退火,利用NiGe、NiSi形成時(shí)的自對準(zhǔn)工藝在臺(tái)面兩側(cè)及刻蝕區(qū)底部形成NiGe和NiSi接觸電極；
[0012]5)引出器件電極，保護(hù)鈍化層，即得橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器。
[0013]在步驟I)中，所述襯底可采用絕緣層上硅SOI襯底；所述生長可采用分子束外延、低壓化學(xué)氣相沉積或超高真空化學(xué)氣相沉積等外延技術(shù)；所述單晶鍺層的厚度可為Iym;若探測器器件需要與波導(dǎo)端面耦合時(shí)，可以利用光刻技術(shù)形成SiO2圖形做掩蔽，對有源區(qū)區(qū)域的Si層進(jìn)行刻蝕減薄之后，再選擇性外延Ge，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以直接對SOI的Si層進(jìn)行刻蝕得到；所述在鍺層上生長SiO2覆蓋層可采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，SiO2覆蓋層的厚度可大于200nm。
[0014]在步驟2)中，所述利用微電子光刻技術(shù)在外延單晶鍺層上刻蝕出細(xì)長條的有源區(qū)臺(tái)面，可采用光刻膠保護(hù)有源區(qū)，線條寬度為Iy m，對非有源區(qū)域但需要NiSi電極區(qū)域刻蝕除去SiO2覆蓋層和Ge層，對器件隔離區(qū)刻蝕除去SiO2覆蓋層、Ge層和Si層，暴露SOI的氧化埋層。
[0015]在步驟3)中，所述利用單晶鍺層上面的SiO2覆蓋層做掩蔽，通過側(cè)向大偏角離子注入在臺(tái)面兩側(cè)形成摻雜P區(qū)與摻雜η區(qū)的方法可為:以正對有源區(qū)需要形成摻雜P區(qū)與摻雜η區(qū)的臺(tái)面兩側(cè)的方向分兩次以大角度分別注入硼(B)離子和磷(P)離子，之后快速熱退火激活注入雜質(zhì)，形成p-1-n結(jié)構(gòu)。
[0016]在步驟4)中，所述沉積金屬Ni層可通過蒸發(fā)或?yàn)R射沉積金屬Ni層；所述蒸發(fā)或?yàn)R射，為保證有源區(qū)臺(tái)面?zhèn)缺谏细采w均勻厚度的Ni金屬層，可根據(jù)傾斜沉積角度分兩次蒸發(fā)或派射完成；通過熱退火使Ni金屬層與Ge和Si反應(yīng)形成NiGe或NiSi接觸電極；所述金屬Ni層和Si層完全反應(yīng)完畢，若Si層較厚可以在步驟2)中對Si層加刻蝕。[0017]在步驟5)中，所述引出器件電極可采用鋁布線或其它低電阻導(dǎo)電材料將電極引出；所述保護(hù)鈍化層的方法可采用化學(xué)氣相沉積氮化硅或其它介質(zhì)層對制得的探測器器件進(jìn)行鈍化保護(hù)。
[0018]本發(fā)明結(jié)合離子測向注入，NiGe自對準(zhǔn)工藝，僅以常規(guī)光刻條件就實(shí)現(xiàn)了亞微米級線條尺寸橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備,可獲得亞微米級橫向p_i_n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器，結(jié)區(qū)面積小，并可與與片上光互連波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相結(jié)合；工藝簡單有利于降低制造成本，且器件還具有串聯(lián)電阻小的優(yōu)勢，有利于進(jìn)一步提升器件性能。
[0019]本發(fā)明在已有的波導(dǎo)型橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器基礎(chǔ)上，提出以離子測向注入和NiGe自對準(zhǔn)工藝，在一般的光刻條件下就能實(shí)現(xiàn)亞微米量級p-1-n結(jié)區(qū)的制備，不僅緩解了制作橫向P-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器通常所需的苛刻的亞微米級光刻要求，而且借助有源區(qū)刻蝕臺(tái)面的寬度控制、離子注入深度控制，激活退火條件的控制以及NiGe接觸電極形成時(shí)對Ge材料消耗的控制,可以精確調(diào)節(jié)p-1-η結(jié)構(gòu)本征區(qū)、摻雜區(qū)的厚度,使器件的工作帶寬、響應(yīng)度等性能達(dá)到最優(yōu)。本發(fā)明所提出的橫向P-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的結(jié)構(gòu)和制備方法工藝簡單，可操作性強(qiáng)，極具應(yīng)用價(jià)值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器立體示意圖。顯示與波導(dǎo)端面耦合的橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器。
[0021]圖2為橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器有源區(qū)的剖面結(jié)構(gòu)。包括SOI襯底的Si頂層、外延Ge層本征區(qū)、SiO2覆蓋層、外延Ge層摻雜η區(qū)、外延Ge層摻雜ρ區(qū)和NiGe/NiSi接觸電極等部分。
[0022]圖3為橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器主要工藝流程圖。(a) SOI襯底上外延Ge，外延Ge層上再生長SiO2覆蓋層；(b)光刻及刻蝕形成p-1-n結(jié)構(gòu)的有源區(qū)；(c)臺(tái)面兩側(cè)分別做離子注入，之后退火激活形成P-1-n結(jié)構(gòu)；(d)覆蓋Ni金屬層，退火形成NiGe/NiSi接觸電極。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明結(jié)合離子測向注入和NiGe自對準(zhǔn)工藝，借助常規(guī)光刻條件實(shí)現(xiàn)亞微米級線條尺寸橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備。
[0024]在步驟I)中，Ge外延生長的襯底采用絕緣層上硅SOI襯底。生長可在超高真空條件下采用兩步生長法得到，即首先在清潔的Si襯底上低溫形成數(shù)十納米的低溫Ge緩沖層(低溫溫度約為350°C)，再在緩沖層上生長高溫Ge層(高溫溫度約為650°C)，氣源使用鍺烷，Ge層生長總厚度約為I μ m。外延鍺層上再以化學(xué)氣相沉積法覆蓋SiO2層，厚度在200nm以上。
[0025]在步驟2)中，利用微電子光刻技術(shù)形成圖形，以光刻膠保護(hù)有源區(qū)域，對非有源區(qū)域但需要NiSi電極區(qū)域刻蝕除去SiO2覆蓋層和Ge層，對器件隔離區(qū)干法刻蝕除去SiO2覆蓋層、Ge層和Si層，暴露SOI的氧化埋層。其中，SiO2覆蓋層也可用濕法BOE緩沖腐蝕液(HF: NH4F: H2O = 30ml: 60g: 100ml)去除。
[0026]在步驟3)中，以正對需要形成摻雜P區(qū)與摻雜η區(qū)臺(tái)面兩側(cè)的方向分兩次以大角度分別注入硼(B)離子和磷(P)離子，通過注入能量控制注入深度，一般不超過lOOnm，經(jīng)后續(xù)快速熱退火，雜質(zhì)擴(kuò)散深度控制在200?300nm。
[0027]在步驟4)中，為保證有源區(qū)臺(tái)面?zhèn)缺谏细采w均勻厚度的Ni金屬層，可將襯底傾斜一定角度(如45° )或改變沉積方向分兩次蒸發(fā)或?yàn)R射完成。由已知，單位厚度的Ni金屬層與Ge、Si固相反應(yīng)時(shí)，將消耗2.07厚度的Ge或1.83厚度的Si，據(jù)此比例以及想要獲得的摻雜層厚度確定側(cè)壁上Ni層的厚度，一般在IOOnm左右。通過快速熱退火使Ni金屬層與Ge和Si反應(yīng)形成NiGe或NiSi接觸電極，退火一般選擇400°C，時(shí)間30s，氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)。
[0028]在步驟5)中，以鋁布線或其它低電阻導(dǎo)電材料將電極引出。鋁布線可以常規(guī)光刻及磷酸腐蝕工藝得到鋁線條，也可以光刻剝離工藝得到，鋁層厚度一般在300nm以上。器件鈍化層一般使用氮化硅，以化學(xué)氣相沉積法覆蓋在器件表面。
【權(quán)利要求】
1.橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)在襯底上外延生長單晶鍺層，再在鍺層上生長SiO2覆蓋層； 2)利用微電子光刻技術(shù)在外延單晶鍺層上刻蝕出細(xì)長條的有源區(qū)臺(tái)面； 3)利用單晶鍺層上面的SiO2覆蓋層做掩蔽，通過側(cè)向大偏角離子注入在臺(tái)面兩側(cè)形成摻雜P區(qū)與摻雜η區(qū)； 4)沉積金屬Ni層后熱退火，利用NiGe、NiSi形成時(shí)的自對準(zhǔn)工藝在臺(tái)面兩側(cè)及刻蝕區(qū)底部形成NiGe和NiSi接觸電極； 5)引出器件電極，保護(hù)鈍化層，即得橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器。
2.如權(quán)利要求1所述橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備方法，其特征在于在步驟I)中，所述襯底采用絕緣層上硅SOI襯底；所述生長可采用分子束外延、低壓化學(xué)氣相沉積或超高真空化學(xué)氣相沉積。
3.如權(quán)利要求1所述橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備方法，其特征在于在步驟I)中，所述單晶鍺層的厚度為I μ In。
4.如權(quán)利要求1所述橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述在鍺層上生長SiO2覆蓋層采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，SiO2覆蓋層的厚度可大于200nm。
5.如權(quán)利要求1所述橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述利用微電子光刻技術(shù)在外延單晶鍺層上刻蝕出細(xì)長條的有源區(qū)臺(tái)面，是采用光刻膠保護(hù)有源區(qū)，線條寬度為I μ m，對非有源區(qū)域但需要NiSi電極區(qū)域刻蝕除去SiO2覆蓋層和Ge層，對器件隔離區(qū)刻蝕除去SiO2覆蓋層、Ge層和Si層，暴露SOI的氧化埋層。
6.如權(quán)利要求1所述橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述利用單晶鍺層上面的SiO2覆蓋層做掩蔽，通過側(cè)向大偏角離子注入在臺(tái)面兩側(cè)形成摻雜P區(qū)與摻雜η區(qū)的方法為:以正對有源區(qū)需要形成摻雜P區(qū)與摻雜η區(qū)的臺(tái)面兩側(cè)的方向分兩次以大角度分別注入硼離子和磷離子，之后快速熱退火激活注入雜質(zhì)，形成p-1-n結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1所述橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述沉積金屬Ni層是通過蒸發(fā)或?yàn)R射沉積金屬Ni層。
8.如權(quán)利要求7所述橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備方法，其特征在于所述蒸發(fā)或?yàn)R射，為保證有源區(qū)臺(tái)面?zhèn)缺谏细采w均勻厚度的Ni金屬層，根據(jù)傾斜沉積角度分兩次蒸發(fā)或?yàn)R射完成。
9.如權(quán)利要求1所述橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述熱退火使Ni金屬層與Ge和Si反應(yīng)形成NiGe或NiSi接觸電極；所述金屬Ni層和Si層完全反應(yīng)完畢，若Si層較厚可以在步驟2)中對Si層加刻蝕。
10.如權(quán)利要求1所述橫向p-1-n結(jié)構(gòu)Ge光電探測器的制備方法，其特征在于在步驟5)中，所述引出器件電極采用鋁布線或其它低電阻導(dǎo)電材料將電極引出；所述保護(hù)鈍化層的方法可采用化學(xué)氣相沉積氮化硅或其它介質(zhì)層對制得的探測器器件進(jìn)行鈍化保護(hù)。
【文檔編號】H01L31/18GK103928562SQ201410183675
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月4日
【發(fā)明者】黃巍, 魏江鑌, 陳松巖, 李成 申請人:廈門大學(xué)