张应变锗MSM光电探测器及其制备方法与流程

本发明涉及光电探测器技术领域，尤其涉及一种张应变锗MSM光电探测器及其制备方法。

背景技术：

光电探测器是光通信、光互连和光电集成技术中关键的光电器件之一。

随着信息技术向超大容量信息传输、超高密度信息存储等方向飞速发展，要求光电探测器具有更快的响应速度和更高的响应度，而金属-半导体-金属(MSM)光电探测器由于具有小的串联电阻和寄生电容(RC时间常数小)以及加工工艺简单而得到广泛应用。

室温下，锗(Ge)的直接带隙为0.801eV，锗的截止波长(1.55μm)比硅的(1.1μm)长。另外，锗与硅同属于第Ⅳ主族元素，锗器件制造工艺与硅集成电路工艺的兼容性好，因此锗成为光通信波段(主要应用的光通信波段的波长为：常规波段即C波段：1528-1560nm，以及长波段即L波段：1561-1620nm)光电探测器的理想材料。但是，由于锗在光通信波段的吸收系数依然偏小(波长1.55μm处的吸收系数仅为470cm^-1)，难以同时提高器件的响应度和响应速度。张应变能够降低晶体的对称性，改变能带结构，从而降低禁带宽度并提高吸收系数和响应度。锗中引入张应变大小分别为0％、0.2％和0.25％时，锗的直接带隙分别为0.801eV、0.773eV和0.764eV。对应的，在波长1550nm处的吸收系数分别为470cm^-1、3300cm^-1和4570cm^-1；在波长1620nm处的吸收系数分别为70cm^-1、265cm^-1和500cm^-1。当锗吸收区的厚度为500nm，考虑锗表面对入射光的反射作用(反射率为38％)，则对应地，波长1550nm处的响应度分别达到：0.018A/W、0.118A/W和0.158A/W；波长1620nm处的响应度分别达到：0.003A/W、0.011A/W和0.02A/W。响应度随着张应变的增加而增大。在锗中引入更大的张应变(0.25％-2％)，锗的直接带隙进一步降低，吸收系数和响应度将得到进一步提高。

因此，在锗中引入张应变，是改善锗MSM光电探测器性能的一种有效途径。

目前，在锗中引入张应变的方法主要是外延技术，外延技术主要包括以下几种：

(一)、在Si衬底上外延Ge薄膜。这种方法由于Si的晶格常数比Ge的小，Ge薄膜中的张应变主要由Si和Ge热膨胀系数的不同而产生，由于热膨胀系数失配有限，且材料承受的温度最高必须低于其熔点，张应变最大值仅能达到0.3％。

(二)、在锗锡(GeSn)缓冲层上外延Ge薄膜。这种方法获得的GeSn合金的晶格常数比Ge的大，共格生长在GeSn缓冲层上的Ge薄膜中的张应变随着Sn组分的增加而增加。然而，Ge和Sn的相互平衡固溶度都小于1％，并且Sn的表面自由能比Ge的小，Sn容易分凝到表面。制备高Sn组分、高质量GeSn缓冲层很困难。在GeSn缓冲层上生长Ge薄膜获得的张应变不足1.4％。

(三)、在铟镓砷(InGaAs)缓冲层上外延Ge薄膜。该技术获得的Ge薄膜中张应变达到2.3％。该技术的不足之处是采用了Ⅲ-Ⅴ材料，与硅集成电路工艺不兼容。另外，为了提高张应变锗薄膜的晶体质量，控制位错的产生和应变弛豫，锗薄膜的厚度仅为10nm，不满足实际光电探测器制作的要求(实际中，至少需要几百纳米的厚度)。

技术实现要素：

针对光电探测器存在器件由于张应变的因素而导致响应度和响应速度不能同时满足等问题，本发明实施例提供了一种张应变锗MSM光电探测器。

与此相应地，本发明实施例还提供了所述张应变锗MSM光电探测器的制备方法。

为了达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：

一种张应变锗MSM光电探测器，包括衬底层，所述衬底层具有相对的第一表面和第二表面；自所述第一表面向外，依次叠设有牺牲层、含锗层、应力源层、金属层；

所述含锗层图形化形成中心区和周围区，所述中心区和所述周围区通过含锗桥梁连接成一体，由所述含锗层中心区、含锗桥梁和含锗周围区围成若干通孔；所述含锗层中心区的正下方无所述牺牲层；

所述应力源层贯穿所述通孔和所述牺牲层、并延伸至所述衬底层第一表面；

所述金属层嵌入所述应力源层，并与所述含锗层的中心区接通；所述金属层构成所述张应变锗MSM光电探测器的正极和负极。

相应地，上述所述的张应变锗MSM光电探测器的制备方法，至少包括以下步骤：

1)在衬底层的第一表面向外，依次叠设牺牲层、含锗层；

2)对所述含锗层进行图形化处理，使含锗层形成中心区和周围区，并使所述牺牲层从含锗层图形化处理而去除的区域露出；所述中心区与所述周围区通过图形化含锗层形成的含锗桥梁进行连接；

3)对图形化的含锗层进行掩膜处理，并对牺牲层进行选择性去除处理，使得含锗层的中心区和桥梁的正下方的牺牲层全部被去除；

4)在图形化的含锗层上表面沉积应力源层，并使所述应力源层填充至所述衬底层的第一表面；

5)对所述应力源层上表面进行正极、负极图形化处理，去除所述含锗层上方的部分应力源层，形成正极、负极图案；

6)对所述应力源层进行掩膜处理，并在所述应力源层上表面的正极、负极图形中沉积金属层。

本发明上述实施例提供的张应变锗MSM光电探测器，通过改变MSM光电探测器的层结构关系，使含锗层与牺牲层之间形成具有中空的内部结构，并且在含锗层的表面沉积应力源层，在含锗层中可控的引入大的张应变，张应变达到2.0％以上，从而有效的提高了MSM光电探测器的响应度。

本发明上述实施例提供的MSM光电探测器的制备方法，与集成电路工艺相兼容，有利于硅基光电集成，并且制备的探测器中，含锗层的张应变达到2.0％以上，可有效地提高MSM光电探测器的响应度，适于推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的张应变锗MSM光电探测器结构俯视示意图；

图2本发明实施例提供的张应变锗MSM光电探测器结构A-A剖视示意图；

图3本发明实施例提供的张应变锗MSM光电探测器结构的含锗层俯视示意图；

图4本发明实施例提供的张应变锗MSM光电探测器制备方法形成包含衬底层、牺牲层和含锗层的俯视示意图；

图5本发明实施例提供的张应变锗MSM光电探测器制备方法形成包含衬底层、牺牲层和含锗层的B-B剖视示意图；

图6本发明实施例提供的张应变锗MSM光电探测器制备方法图形化含锗层的俯视示意图；

图7本发明实施例提供的张应变锗MSM光电探测器制备方法图形化含锗层的C-C剖视示意图；

图8本发明实施例提供的张应变锗MSM光电探测器制备方法腐蚀部分牺牲层的俯视示意图；

图9本发明实施例提供的张应变锗MSM光电探测器制备方法腐蚀部分牺牲层的D-D剖视示意图；

图10本发明实施例提供的张应变锗MSM光电探测器制备方法形成应力源层结构的俯视示意图；

图11本发明实施例提供的张应变锗MSM光电探测器制备方法形成应力源层结构的E-E剖视示意图；

图12本发明实施例提供的张应变锗MSM光电探测器制备方法在应力源层上形成金属电极孔的俯视示意图；

图13本发明实施例提供的张应变锗MSM光电探测器制备方法在应力源层上形成金属电极孔的结构F-F剖视示意图；

图14本发明实施例提供的张应变锗MSM光电探测器制备方法在应力源层上形成金属电极的俯视示意图；

图15本发明实施例提供的张应变锗MSM光电探测器制备方法在应力源层上形成金属电极结构的G-G剖视示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2、3所示，本发明实施例提供一种张应变锗MSM光电探测器。所述张应变锗MSM光电探测器包括衬底层1，衬底层1具有相对的第一表面和第二表面；自所述第一表面向外，依次叠设有牺牲层2、含锗层3、应力源层4、金属层5。

其中，含锗层3图形化形成中心区31和周围区32，中心区31和周围区32通过含锗桥梁33连接成一体，由含锗层3的中心区31、含锗桥梁33和含锗层3的周围区32围成若干通孔34；含锗层3的中心区31的正下方无牺牲层2；

应力源层4贯穿通孔34和牺牲层2、并延伸至衬底层1的第一表面；

金属层5嵌入应力源层4，并与含锗层3的中心区31接通，也就是金属层5贯穿位于含锗层3中心区31上方的应力源层4与中心区31实现相互接触；金属层5为包括两部分，这两部分金属层5相互间隔不接通，金属层5构成所述张应变锗MSM光电探测器的正极和负极，并且正极和负极可随意选择，没有特殊限定。

衬底层1为整个张应变锗MSM光电探测器的支撑层。

优选地，衬底层1为Si晶圆、Ge晶圆、砷化镓(GaAs)晶圆中的任一种；厚度为300～1000μm。

优选地，牺牲层2为二氧化硅层、氮化硅层、氧化铝层中的任一种，厚度为100～1000nm。通过牺牲层2隔离衬底层1和含锗层3，并支撑含锗层3，使得含锗层3的初始张应变重新分布。

含锗层3作为MSM光电探测器的有源吸收区，含锗层3图形化后，使得含锗层3分为中心区31、周围区32以及含锗桥梁33；中心区31、周围区32以及含锗桥梁33的边缘围成贯穿于含锗层3的若干个通孔34。通孔34的作用是在后续掩膜腐蚀牺牲层2，同时在应力源层4在沉积过程中，应力源层4延伸至衬底层1的第一表面；其中，含锗层3的中心区31对产品的张应变性能尤为重要。

优选地，含锗层3为纯锗层，厚度为100～500nm，含锗层3受到初始的张应变大小为0.1％～0.2％；

优选地，中心区31为圆形、长方形或正方形，而且所述的圆形、长方形或正方形的中心与含锗层3的中心重合，确保张应变均匀。

更为优选地，中心区31的面积为30～700μm²，以避免中心区31过大而对张应变的增强不明显。

优选地，当横截含锗层3时，通孔34在横截面上的形成的图形呈扇形、长方形、正方形、三角形、梯形中的任一种，以保证含锗桥梁33分布均匀，使得含锗层3的张应变重新发生分布。

应力源层4受到压应变后，可以较自由地伸展晶格弛豫应变，当应力源层4发生弛豫应变时，将从上表面拉伸含锗层3，特别是因为正下方无牺牲层2而悬空的中心区31，可进一步增强中心区31的张应变，使得含锗层3的张应变达到2.0％及以上，最终锗在通信波段的吸收系数大大增强，有效的提升器件的响应度。

优选地，应力源层4为氮化硅层，厚度为200～800nm。应力源层4受到初始的压应力大小为1～3GPa。

金属层5构成本张应变锗MSM光电探测器的正极和负极。具体来说，金属层5分为两部分，两部分相互间隔，均嵌入应力源层4，并且贯穿应力源层4与中心区31接通。

优选地，金属层5两部分嵌入应力源层4，也就是说，在应力源层4上形成一个圆环型的通孔状结构，并在该圆环在外围形成另一个环绕的较大圆环通孔状结构，两者相互有间隔，然后沉积金属层5的两部分。使得金属层5叠设于应力源层4的上表面，形成的两部分金属层，在使用时，任意指定其中一部分为正极，那么另一部分则为负极。

进一步优选地，金属层5为铝层或金层。

本发明上述实施例，通过改变MSM光电探测器的含锗层、应力源层以及牺牲层之间的层结构关系，使含锗层与牺牲层之间形成具有中空的内部结构，并且在含锗层沉积应力源层，在含锗层中可控的引入大的张应变，含锗层的张应变达到2.0％以上，从而有效的提高了MSM光电探测器的响应度。

相应地，在上述实施例的前提下，本发明实施例还提供了上述张应变锗MSM光电探测器的制备方法。

如图4～15所示，在一实施例中，上述张应变锗MSM光电探测器的制备方法至少包括以下步骤：

1)在衬底层1的第一表面向外，依次叠设牺牲层2、含锗层3；

2)对所述含锗层3进行图形化处理，使含锗层3形成中心区31和周围区32，并使所述牺牲层2从含锗层3图形化处理而去除的区域露出；所述中心区31与所述周围区32通过图形化含锗层3形成的含锗桥梁33进行连接；

3)对图形化的含锗层3进行掩膜处理，并对牺牲层2进行选择性去除处理，使得含锗层3的中心区31和含锗桥梁33的正下方的牺牲层2全部被去除；

4)在图形化的含锗层3上表面沉积应力源层4，并使所述应力源层4填充至所述衬底层1的第一表面；

5)对所述应力源层4上表面进行正极、负极图形化处理，去除所述含锗层3上方的部分应力源层4，形成正极、负极图案；

6)对所述应力源层4进行掩膜处理，并在所述应力源层上4表面的正极、负极图形中沉积金属层5。

下面对制备过程做进一步详细的说明。

其中，如图4、5所示，在步骤1中，通过外延、沉积、键合、腐蚀以及抛光等工艺，在衬底层1上依次叠设牺牲层2、含锗层3。

如图6、7所示，步骤2)中，对含锗层3进行掩膜处理，然后采用光刻或者刻蚀等方式，选择性的去除部分含锗层3，使得含锗层3形成图形化结构，具体形成包括中心区31和周围区32的图形，其中中心区31和周围区32通过含锗桥梁33连成一体；并且中心区31、含锗桥梁33以及周围区32的边缘围成贯穿于含锗层3的通孔34，也就是含锗层3未掩膜部分被蚀刻成通孔34。

优选地，中心区31的面积小于周围区32的面积，中心区31为圆形、长方形或正方形；所述中心区31的面积为30～700μm²。

如图8、9所示，对已经图形化的含锗层3进行掩膜处理，通过半导体工艺如湿法或者干法选择性的腐蚀牺牲层4。将图形化的含锗层3中心区31正下方以及含锗桥梁33正下方的牺牲层4全部去除，使得中心区31和含锗桥梁33悬空，周围区32的外周下表面的牺牲层4同样去除，使得图形化的含锗层3的周围区32依旧叠设于牺牲层2的上表面。

选择性去除牺牲层2的目的是使含锗层3中初始的张应变重新分布。由于含锗层3的中心区31和含锗桥梁33悬空，周围区32坐落在部分牺牲层2上，周围区32通过含锗桥梁33和中心区31连接，且周围区32的面积比中心区31的大，含锗层3中初始的张应变将会重新分布。周围区32含锗层3的晶格将会收缩，张应变比初始的小，此即张应变弛豫；四周围区32含锗层3的晶格收缩的过程中，通过含锗桥梁33将中心区31含锗层3的晶格拉伸，使得中心区31含锗层3的张应变比初始的大，此即张应变增强。周围区32与中心区31面积的比值越大，中心区31张应变将越大。由于含锗桥梁33的均匀分布，中心区31受到均匀地向外的拉伸作用，其张应变也将均匀分布。

如图10、11所示，步骤4)中，在含锗层3的上表面沉积形成应力源层4，并使得应力源层4贯穿图10的通孔34以及外周而达到衬底层1的第一表面。应力源层4受到压应变，且可以较为自由的伸展晶格弛豫应变，从而改变含锗层3的张应变。

如图12、13所示，步骤5)中，对应力源层4进行掩膜处理，使其表面图形化成正极、负极的形状，并且露出含锗层3的中心区31。

优选地，图形为圆环状和环绕在圆环之外的第二个半圆环，两个圆环相互间隔。然后对应力源层4重新进行掩膜处理，通过沉积、光刻或剥离等方法，使得两个圆环和应力源层4上表面沉积形成金属层5，即可形成两部分相互不连通的金属层5构成的正极和负极。

图14、15即为沉积了金属层5而制备成的张应变锗MSM光电探测器结构示意图。

优选地，

衬底层1为Si晶圆层、Ge晶圆层、砷化镓晶圆层中的任一种，厚度为300～1000μm；

牺牲层2为二氧化硅层、氮化硅层、氧化铝层中的任一种，厚度为100～1000nm；

含锗层3为纯锗层，厚度为100～500nm，含锗层3受到初始的张应变大小为0.1％～0.2％；

应力源层4为氮化硅层，厚度为200～800nm，应力源层4受到初始的压应力大小为1～3GPa；

金属层5为铝层或金层，厚度为200～800nm。

本发明上述实施例提供的张应变锗MSM光电探测器的制备方法，与集成电路工艺相兼容，有利于硅基光电集成，并且制备的探测器中，含锗层的张应变达到2.0％以上，可有效的提高了MSM光电探测器的响应度，适于推广应用。

为了更好的体现本发明实施例提供的张应变锗MSM光电探测器及其制备方法，下面通过实施例进一步说明。

实施例1

一种张应变锗MSM光电探测器的制备方法，包括如下步骤：

1)衬底层1、牺牲层2和含锗层3叠层结构的制备。

如图4、5所示，采用超高真空化学气相沉积(UHVCVD)在一硅晶圆上外延厚度为2500nm的纯锗薄膜，表层～350nm的纯锗薄膜将作为含锗层3。由于锗和硅的热膨胀系数不同，外延纯锗薄膜中引入的张应变为0.16％。随后，采用等离子体增强化学气相沉积系统(PECVD)在纯锗薄膜上沉积200nm的SiO₂。在另一硅晶圆(作为衬底层1)上采用热氧化法的方法生长800nm厚的SiO₂。(两种方法制备的SiO₂作为牺牲层2)。将两个表面的SiO₂键和在一起，并将纯锗薄膜减薄抛光。这样形成了衬底层1、牺牲层2和含锗层3的叠层结构。牺牲层2的厚度为1000nm，含锗层3初始的张应变为0.16％，厚度为350nm。

2)将含锗层3图形化。

如图6、7所示，通过光刻和感应耦合等离子(ICP)刻蚀锗，将锗层3图形化。刻蚀锗的气体为CF₄和O₂。含锗层3图形化时，形成锗的中心区31、周围区32和含锗桥梁33。中心区31的形状为圆形，由中心区31、周围区32和含锗桥梁33围成的去除区域的形状为扇形通孔34。含锗层3去除区形成的通孔34共六个，分布均匀且对称。整个含锗层3的形状为正方形。中心区31的直径为25微米，周围区32的外边长为500微米。

3)将图形化含锗层3下表面的牺牲层2选择性去除。

对图形化含锗层3进行掩膜处理，通过湿法选择性腐蚀牺牲层2的二氧化硅，腐蚀效果如图8、9所示，腐蚀二氧化硅的溶液为稀释的氢氟酸。其中，图形化含锗层3的中心区31和含锗桥梁33下表面的牺牲层2已经完全去除，使图形化含锗层3的中心区31和含锗桥梁33悬空。图形化含锗层3的周围区32外周的下表面的牺牲层2部分去除，使图形化含锗层3的周围区32依然坐落在牺牲层2上。

4)在图形化含锗层3的上表面形成应力源层4。

通过PECVD系统在图形化含锗层3的上表面形成应力源层4氮化硅，氮化硅沉积于含锗层3的上表面，并且贯穿图8中的通孔部位，延伸至衬底层1的第一表面，具体如图10、11所示。沉积氮化硅过程中，氮化硅的厚度为500nm，受到压应变，压应力为3GPa。

5)去除图形化含锗层3中心区的上表面部分应力源层4，形成圆环通孔。

通过光刻工艺，去除图形化含锗层3中心区上表面的部分应力源层4，形成应力源层4的圆环通孔，具体如图12、13所示，圆环通孔的形状与中心区的相匹配宽度为0.5微米。

6)在应力源层上表面形成金属层电极。

通过沉积技术，在应力源层4上表面形成金属层5电极，具体如图14、15所示。金属层5分为两部分，可作为正电极和负电极，金属层5为金(Au)。

经检测，本实施例制备的张应变锗MSM光电探测器的张应变为2.3％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。