張應變鍺MSM光電探測器及其制備方法與流程

本發明涉及光電探測器技術領域，尤其涉及一種張應變鍺MSM光電探測器及其制備方法。

背景技術：

光電探測器是光通信、光互連和光電集成技術中關鍵的光電器件之一。

隨著信息技術向超大容量信息傳輸、超高密度信息存儲等方向飛速發展，要求光電探測器具有更快的響應速度和更高的響應度，而金屬-半導體-金屬(MSM)光電探測器由于具有小的串聯電阻和寄生電容(RC時間常數小)以及加工工藝簡單而得到廣泛應用。

室溫下，鍺(Ge)的直接帶隙為0.801eV，鍺的截止波長(1.55μm)比硅的(1.1μm)長。另外，鍺與硅同屬于第Ⅳ主族元素，鍺器件制造工藝與硅集成電路工藝的兼容性好，因此鍺成為光通信波段(主要應用的光通信波段的波長為：常規波段即C波段：1528-1560nm，以及長波段即L波段：1561-1620nm)光電探測器的理想材料。但是，由于鍺在光通信波段的吸收系數依然偏小(波長1.55μm處的吸收系數僅為470cm^-1)，難以同時提高器件的響應度和響應速度。張應變能夠降低晶體的對稱性，改變能帶結構，從而降低禁帶寬度并提高吸收系數和響應度。鍺中引入張應變大小分別為0％、0.2％和0.25％時，鍺的直接帶隙分別為0.801eV、0.773eV和0.764eV。對應的，在波長1550nm處的吸收系數分別為470cm^-1、3300cm^-1和4570cm^-1；在波長1620nm處的吸收系數分別為70cm^-1、265cm^-1和500cm^-1。當鍺吸收區的厚度為500nm，考慮鍺表面對入射光的反射作用(反射率為38％)，則對應地，波長1550nm處的響應度分別達到：0.018A/W、0.118A/W和0.158A/W；波長1620nm處的響應度分別達到：0.003A/W、0.011A/W和0.02A/W。響應度隨著張應變的增加而增大。在鍺中引入更大的張應變(0.25％-2％)，鍺的直接帶隙進一步降低，吸收系數和響應度將得到進一步提高。

因此，在鍺中引入張應變，是改善鍺MSM光電探測器性能的一種有效途徑。

目前，在鍺中引入張應變的方法主要是外延技術，外延技術主要包括以下幾種：

(一)、在Si襯底上外延Ge薄膜。這種方法由于Si的晶格常數比Ge的小，Ge薄膜中的張應變主要由Si和Ge熱膨脹系數的不同而產生，由于熱膨脹系數失配有限，且材料承受的溫度最高必須低于其熔點，張應變最大值僅能達到0.3％。

(二)、在鍺錫(GeSn)緩沖層上外延Ge薄膜。這種方法獲得的GeSn合金的晶格常數比Ge的大，共格生長在GeSn緩沖層上的Ge薄膜中的張應變隨著Sn組分的增加而增加。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。制備高Sn組分、高質量GeSn緩沖層很困難。在GeSn緩沖層上生長Ge薄膜獲得的張應變不足1.4％。

(三)、在銦鎵砷(InGaAs)緩沖層上外延Ge薄膜。該技術獲得的Ge薄膜中張應變達到2.3％。該技術的不足之處是采用了Ⅲ-Ⅴ材料，與硅集成電路工藝不兼容。另外，為了提高張應變鍺薄膜的晶體質量，控制位錯的產生和應變弛豫，鍺薄膜的厚度僅為10nm，不滿足實際光電探測器制作的要求(實際中，至少需要幾百納米的厚度)。

技術實現要素：

針對光電探測器存在器件由于張應變的因素而導致響應度和響應速度不能同時滿足等問題，本發明實施例提供了一種張應變鍺MSM光電探測器。

與此相應地，本發明實施例還提供了所述張應變鍺MSM光電探測器的制備方法。

為了達到上述發明目的，本發明實施例采用了如下的技術方案：

一種張應變鍺MSM光電探測器，包括襯底層，所述襯底層具有相對的第一表面和第二表面；自所述第一表面向外，依次疊設有犧牲層、含鍺層、應力源層、金屬層；

所述含鍺層圖形化形成中心區和周圍區，所述中心區和所述周圍區通過含鍺橋梁連接成一體，由所述含鍺層中心區、含鍺橋梁和含鍺周圍區圍成若干通孔；所述含鍺層中心區的正下方無所述犧牲層；

所述應力源層貫穿所述通孔和所述犧牲層、并延伸至所述襯底層第一表面；

所述金屬層嵌入所述應力源層，并與所述含鍺層的中心區接通；所述金屬層構成所述張應變鍺MSM光電探測器的正極和負極。

相應地，上述所述的張應變鍺MSM光電探測器的制備方法，至少包括以下步驟：

1)在襯底層的第一表面向外，依次疊設犧牲層、含鍺層；

2)對所述含鍺層進行圖形化處理，使含鍺層形成中心區和周圍區，并使所述犧牲層從含鍺層圖形化處理而去除的區域露出；所述中心區與所述周圍區通過圖形化含鍺層形成的含鍺橋梁進行連接；

3)對圖形化的含鍺層進行掩膜處理，并對犧牲層進行選擇性去除處理，使得含鍺層的中心區和橋梁的正下方的犧牲層全部被去除；

4)在圖形化的含鍺層上表面沉積應力源層，并使所述應力源層填充至所述襯底層的第一表面；

5)對所述應力源層上表面進行正極、負極圖形化處理，去除所述含鍺層上方的部分應力源層，形成正極、負極圖案；

6)對所述應力源層進行掩膜處理，并在所述應力源層上表面的正極、負極圖形中沉積金屬層。

本發明上述實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器，通過改變MSM光電探測器的層結構關系，使含鍺層與犧牲層之間形成具有中空的內部結構，并且在含鍺層的表面沉積應力源層，在含鍺層中可控的引入大的張應變，張應變達到2.0％以上，從而有效的提高了MSM光電探測器的響應度。

本發明上述實施例提供的MSM光電探測器的制備方法，與集成電路工藝相兼容，有利于硅基光電集成，并且制備的探測器中，含鍺層的張應變達到2.0％以上，可有效地提高MSM光電探測器的響應度，適于推廣應用。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器結構俯視示意圖；

圖2本發明實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器結構A-A剖視示意圖；

圖3本發明實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器結構的含鍺層俯視示意圖；

圖4本發明實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器制備方法形成包含襯底層、犧牲層和含鍺層的俯視示意圖；

圖5本發明實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器制備方法形成包含襯底層、犧牲層和含鍺層的B-B剖視示意圖；

圖6本發明實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器制備方法圖形化含鍺層的俯視示意圖；

圖7本發明實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器制備方法圖形化含鍺層的C-C剖視示意圖；

圖8本發明實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器制備方法腐蝕部分犧牲層的俯視示意圖；

圖9本發明實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器制備方法腐蝕部分犧牲層的D-D剖視示意圖；

圖10本發明實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器制備方法形成應力源層結構的俯視示意圖；

圖11本發明實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器制備方法形成應力源層結構的E-E剖視示意圖；

圖12本發明實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器制備方法在應力源層上形成金屬電極孔的俯視示意圖；

圖13本發明實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器制備方法在應力源層上形成金屬電極孔的結構F-F剖視示意圖；

圖14本發明實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器制備方法在應力源層上形成金屬電極的俯視示意圖；

圖15本發明實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器制備方法在應力源層上形成金屬電極結構的G-G剖視示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

如圖1、2、3所示，本發明實施例提供一種張應變鍺MSM光電探測器。所述張應變鍺MSM光電探測器包括襯底層1，襯底層1具有相對的第一表面和第二表面；自所述第一表面向外，依次疊設有犧牲層2、含鍺層3、應力源層4、金屬層5。

其中，含鍺層3圖形化形成中心區31和周圍區32，中心區31和周圍區32通過含鍺橋梁33連接成一體，由含鍺層3的中心區31、含鍺橋梁33和含鍺層3的周圍區32圍成若干通孔34；含鍺層3的中心區31的正下方無犧牲層2；

應力源層4貫穿通孔34和犧牲層2、并延伸至襯底層1的第一表面；

金屬層5嵌入應力源層4，并與含鍺層3的中心區31接通，也就是金屬層5貫穿位于含鍺層3中心區31上方的應力源層4與中心區31實現相互接觸；金屬層5為包括兩部分，這兩部分金屬層5相互間隔不接通，金屬層5構成所述張應變鍺MSM光電探測器的正極和負極，并且正極和負極可隨意選擇，沒有特殊限定。

襯底層1為整個張應變鍺MSM光電探測器的支撐層。

優選地，襯底層1為Si晶圓、Ge晶圓、砷化鎵(GaAs)晶圓中的任一種；厚度為300～1000μm。

優選地，犧牲層2為二氧化硅層、氮化硅層、氧化鋁層中的任一種，厚度為100～1000nm。通過犧牲層2隔離襯底層1和含鍺層3，并支撐含鍺層3，使得含鍺層3的初始張應變重新分布。

含鍺層3作為MSM光電探測器的有源吸收區，含鍺層3圖形化后，使得含鍺層3分為中心區31、周圍區32以及含鍺橋梁33；中心區31、周圍區32以及含鍺橋梁33的邊緣圍成貫穿于含鍺層3的若干個通孔34。通孔34的作用是在后續掩膜腐蝕犧牲層2，同時在應力源層4在沉積過程中，應力源層4延伸至襯底層1的第一表面；其中，含鍺層3的中心區31對產品的張應變性能尤為重要。

優選地，含鍺層3為純鍺層，厚度為100～500nm，含鍺層3受到初始的張應變大小為0.1％～0.2％；

優選地，中心區31為圓形、長方形或正方形，而且所述的圓形、長方形或正方形的中心與含鍺層3的中心重合，確保張應變均勻。

更為優選地，中心區31的面積為30～700μm²，以避免中心區31過大而對張應變的增強不明顯。

優選地，當橫截含鍺層3時，通孔34在橫截面上的形成的圖形呈扇形、長方形、正方形、三角形、梯形中的任一種，以保證含鍺橋梁33分布均勻，使得含鍺層3的張應變重新發生分布。

應力源層4受到壓應變后，可以較自由地伸展晶格弛豫應變，當應力源層4發生弛豫應變時，將從上表面拉伸含鍺層3，特別是因為正下方無犧牲層2而懸空的中心區31，可進一步增強中心區31的張應變，使得含鍺層3的張應變達到2.0％及以上，最終鍺在通信波段的吸收系數大大增強，有效的提升器件的響應度。

優選地，應力源層4為氮化硅層，厚度為200～800nm。應力源層4受到初始的壓應力大小為1～3GPa。

金屬層5構成本張應變鍺MSM光電探測器的正極和負極。具體來說，金屬層5分為兩部分，兩部分相互間隔，均嵌入應力源層4，并且貫穿應力源層4與中心區31接通。

優選地，金屬層5兩部分嵌入應力源層4，也就是說，在應力源層4上形成一個圓環型的通孔狀結構，并在該圓環在外圍形成另一個環繞的較大圓環通孔狀結構，兩者相互有間隔，然后沉積金屬層5的兩部分。使得金屬層5疊設于應力源層4的上表面，形成的兩部分金屬層，在使用時，任意指定其中一部分為正極，那么另一部分則為負極。

進一步優選地，金屬層5為鋁層或金層。

本發明上述實施例，通過改變MSM光電探測器的含鍺層、應力源層以及犧牲層之間的層結構關系，使含鍺層與犧牲層之間形成具有中空的內部結構，并且在含鍺層沉積應力源層，在含鍺層中可控的引入大的張應變，含鍺層的張應變達到2.0％以上，從而有效的提高了MSM光電探測器的響應度。

相應地，在上述實施例的前提下，本發明實施例還提供了上述張應變鍺MSM光電探測器的制備方法。

如圖4～15所示，在一實施例中，上述張應變鍺MSM光電探測器的制備方法至少包括以下步驟：

1)在襯底層1的第一表面向外，依次疊設犧牲層2、含鍺層3；

2)對所述含鍺層3進行圖形化處理，使含鍺層3形成中心區31和周圍區32，并使所述犧牲層2從含鍺層3圖形化處理而去除的區域露出；所述中心區31與所述周圍區32通過圖形化含鍺層3形成的含鍺橋梁33進行連接；

3)對圖形化的含鍺層3進行掩膜處理，并對犧牲層2進行選擇性去除處理，使得含鍺層3的中心區31和含鍺橋梁33的正下方的犧牲層2全部被去除；

4)在圖形化的含鍺層3上表面沉積應力源層4，并使所述應力源層4填充至所述襯底層1的第一表面；

5)對所述應力源層4上表面進行正極、負極圖形化處理，去除所述含鍺層3上方的部分應力源層4，形成正極、負極圖案；

6)對所述應力源層4進行掩膜處理，并在所述應力源層上4表面的正極、負極圖形中沉積金屬層5。

下面對制備過程做進一步詳細的說明。

其中，如圖4、5所示，在步驟1中，通過外延、沉積、鍵合、腐蝕以及拋光等工藝，在襯底層1上依次疊設犧牲層2、含鍺層3。

如圖6、7所示，步驟2)中，對含鍺層3進行掩膜處理，然后采用光刻或者刻蝕等方式，選擇性的去除部分含鍺層3，使得含鍺層3形成圖形化結構，具體形成包括中心區31和周圍區32的圖形，其中中心區31和周圍區32通過含鍺橋梁33連成一體；并且中心區31、含鍺橋梁33以及周圍區32的邊緣圍成貫穿于含鍺層3的通孔34，也就是含鍺層3未掩膜部分被蝕刻成通孔34。

優選地，中心區31的面積小于周圍區32的面積，中心區31為圓形、長方形或正方形；所述中心區31的面積為30～700μm²。

如圖8、9所示，對已經圖形化的含鍺層3進行掩膜處理，通過半導體工藝如濕法或者干法選擇性的腐蝕犧牲層4。將圖形化的含鍺層3中心區31正下方以及含鍺橋梁33正下方的犧牲層4全部去除，使得中心區31和含鍺橋梁33懸空，周圍區32的外周下表面的犧牲層4同樣去除，使得圖形化的含鍺層3的周圍區32依舊疊設于犧牲層2的上表面。

選擇性去除犧牲層2的目的是使含鍺層3中初始的張應變重新分布。由于含鍺層3的中心區31和含鍺橋梁33懸空，周圍區32坐落在部分犧牲層2上，周圍區32通過含鍺橋梁33和中心區31連接，且周圍區32的面積比中心區31的大，含鍺層3中初始的張應變將會重新分布。周圍區32含鍺層3的晶格將會收縮，張應變比初始的小，此即張應變弛豫；四周圍區32含鍺層3的晶格收縮的過程中，通過含鍺橋梁33將中心區31含鍺層3的晶格拉伸，使得中心區31含鍺層3的張應變比初始的大，此即張應變增強。周圍區32與中心區31面積的比值越大，中心區31張應變將越大。由于含鍺橋梁33的均勻分布，中心區31受到均勻地向外的拉伸作用，其張應變也將均勻分布。

如圖10、11所示，步驟4)中，在含鍺層3的上表面沉積形成應力源層4，并使得應力源層4貫穿圖10的通孔34以及外周而達到襯底層1的第一表面。應力源層4受到壓應變，且可以較為自由的伸展晶格弛豫應變，從而改變含鍺層3的張應變。

如圖12、13所示，步驟5)中，對應力源層4進行掩膜處理，使其表面圖形化成正極、負極的形狀，并且露出含鍺層3的中心區31。

優選地，圖形為圓環狀和環繞在圓環之外的第二個半圓環，兩個圓環相互間隔。然后對應力源層4重新進行掩膜處理，通過沉積、光刻或剝離等方法，使得兩個圓環和應力源層4上表面沉積形成金屬層5，即可形成兩部分相互不連通的金屬層5構成的正極和負極。

圖14、15即為沉積了金屬層5而制備成的張應變鍺MSM光電探測器結構示意圖。

優選地，

襯底層1為Si晶圓層、Ge晶圓層、砷化鎵晶圓層中的任一種，厚度為300～1000μm；

犧牲層2為二氧化硅層、氮化硅層、氧化鋁層中的任一種，厚度為100～1000nm；

含鍺層3為純鍺層，厚度為100～500nm，含鍺層3受到初始的張應變大小為0.1％～0.2％；

應力源層4為氮化硅層，厚度為200～800nm，應力源層4受到初始的壓應力大小為1～3GPa；

金屬層5為鋁層或金層，厚度為200～800nm。

本發明上述實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器的制備方法，與集成電路工藝相兼容，有利于硅基光電集成，并且制備的探測器中，含鍺層的張應變達到2.0％以上，可有效的提高了MSM光電探測器的響應度，適于推廣應用。

為了更好的體現本發明實施例提供的張應變鍺MSM光電探測器及其制備方法，下面通過實施例進一步說明。

實施例1

一種張應變鍺MSM光電探測器的制備方法，包括如下步驟：

1)襯底層1、犧牲層2和含鍺層3疊層結構的制備。

如圖4、5所示，采用超高真空化學氣相沉積(UHVCVD)在一硅晶圓上外延厚度為2500nm的純鍺薄膜，表層～350nm的純鍺薄膜將作為含鍺層3。由于鍺和硅的熱膨脹系數不同，外延純鍺薄膜中引入的張應變為0.16％。隨后，采用等離子體增強化學氣相沉積系統(PECVD)在純鍺薄膜上沉積200nm的SiO₂。在另一硅晶圓(作為襯底層1)上采用熱氧化法的方法生長800nm厚的SiO₂。(兩種方法制備的SiO₂作為犧牲層2)。將兩個表面的SiO₂鍵和在一起，并將純鍺薄膜減薄拋光。這樣形成了襯底層1、犧牲層2和含鍺層3的疊層結構。犧牲層2的厚度為1000nm，含鍺層3初始的張應變為0.16％，厚度為350nm。

2)將含鍺層3圖形化。

如圖6、7所示，通過光刻和感應耦合等離子(ICP)刻蝕鍺，將鍺層3圖形化。刻蝕鍺的氣體為CF₄和O₂。含鍺層3圖形化時，形成鍺的中心區31、周圍區32和含鍺橋梁33。中心區31的形狀為圓形，由中心區31、周圍區32和含鍺橋梁33圍成的去除區域的形狀為扇形通孔34。含鍺層3去除區形成的通孔34共六個，分布均勻且對稱。整個含鍺層3的形狀為正方形。中心區31的直徑為25微米，周圍區32的外邊長為500微米。

3)將圖形化含鍺層3下表面的犧牲層2選擇性去除。

對圖形化含鍺層3進行掩膜處理，通過濕法選擇性腐蝕犧牲層2的二氧化硅，腐蝕效果如圖8、9所示，腐蝕二氧化硅的溶液為稀釋的氫氟酸。其中，圖形化含鍺層3的中心區31和含鍺橋梁33下表面的犧牲層2已經完全去除，使圖形化含鍺層3的中心區31和含鍺橋梁33懸空。圖形化含鍺層3的周圍區32外周的下表面的犧牲層2部分去除，使圖形化含鍺層3的周圍區32依然坐落在犧牲層2上。

4)在圖形化含鍺層3的上表面形成應力源層4。

通過PECVD系統在圖形化含鍺層3的上表面形成應力源層4氮化硅，氮化硅沉積于含鍺層3的上表面，并且貫穿圖8中的通孔部位，延伸至襯底層1的第一表面，具體如圖10、11所示。沉積氮化硅過程中，氮化硅的厚度為500nm，受到壓應變，壓應力為3GPa。

5)去除圖形化含鍺層3中心區的上表面部分應力源層4，形成圓環通孔。

通過光刻工藝，去除圖形化含鍺層3中心區上表面的部分應力源層4，形成應力源層4的圓環通孔，具體如圖12、13所示，圓環通孔的形狀與中心區的相匹配寬度為0.5微米。

6)在應力源層上表面形成金屬層電極。

通過沉積技術，在應力源層4上表面形成金屬層5電極，具體如圖14、15所示。金屬層5分為兩部分，可作為正電極和負電極，金屬層5為金(Au)。

經檢測，本實施例制備的張應變鍺MSM光電探測器的張應變為2.3％。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。