一种波导型光电探测器及制造方法与流程

本发明涉及光电集成技术领域，特别涉及一种波导型光电探测器及制造方法。

背景技术：

光电探测器作为光电子集成电路中一种不可或缺的元件，能够完成光通信与光互连系统中的光电转换功能，实现数据从光域到电域的转换。光电探测器被广泛应用于光通信、光学传感、光学成像、自动驾驶等领域。尤其在光学传感、远距离成像等应用领域中，不仅要求光电探测器具有高的响应度、高的速率，而且要求器件具有宽的光谱范围。

由于光电探测器的光谱响应范围是受探测器材料的禁带宽度以及光生载流子的寿命限制的，光伏输出有限。目前采用光波导与光电探测器的集成，以提高光电探测器的性能。

但是目前的波导集成光电探测器的光损耗仍然较大，需要提供一种高响应度及低损耗的波导型光电探测器。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种波导型光电探测器及制造方法，提高响应度，降低光损耗。

为实现上述目的，本发明有如下技术方案：

一种波导型光电探测器的制造方法，包括：

提供第一衬底和第二衬底，所述第一衬底正面上的包覆层，形成于所述包覆层中的氮化硅光波导，所述第二衬底正面上的锗外延层；

进行所述第一衬底和所述第二衬底的正面键合，从所述第二衬底的背面进行减薄，以暴露所述锗外延层；

在所述锗外延层上形成光电探测器。

可选的，所述在所述锗外延层上形成光电探测器，具体包括：

对所述锗外延层进行掺杂，以在所述锗外延层中形成源漏区；

在所述源漏区上沉积介质材料，以形成覆盖所述锗外延层的介质层；

刻蚀所述介质层形成暴露所述源漏区的接触孔，在所述接触孔中填充金属材料，以形成所述源漏区的金属接触。

可选的，在所述锗外延层上形成光电探测器，具体包括：

对所述锗外延层进行掺杂，以在所述锗外延层的正面形成第一掺杂材料层；

在所述锗外延层的背面形成第二掺杂材料层；

在所述第二掺杂材料层上沉积介质材料，以形成覆盖所述第一掺杂材料层和所述第二掺杂材料层的介质层；

刻蚀所述介质层形成暴露所述第一掺杂材料层的第一接触孔和暴露所述第二掺杂材料层的第二接触孔，在所述第一接触孔中填充金属材料，以形成所述第一掺杂材料层的金属接触，在所述第二接触孔中填充金属材料，以形成所述第二掺杂材料层的金属接触。

可选的，所述氮化硅光波导平行于所述第一衬底。

可选的，所述氮化硅光波导包括第一部分、第二部分和第三部分，所述第二部分连接所述第一部分和第三部分；

所述第一部分和所述第三部分平行于所述第一衬底；

所述第二部分与所述第一部分延伸方向的夹角小于90°。

可选的，所述包覆层包括下包层和上包层；

所述提供第一衬底，所述第一衬底正面上的包覆层，形成于所述包覆层中的氮化硅光波导，具体包括：

提供第一衬底，在所述第一衬底的正面依次形成下包层、氮化硅光波导以及上包层，以使所述氮化硅光波导形成于所述包覆层中；

对所述上包层进行平坦化工艺。

可选的，所述包覆层包括下包层和上包层；

所述提供第一衬底，所述第一衬底正面上的包覆层，形成于所述包覆层中的氮化硅光波导，具体包括：

提供第一衬底，在所述第一衬底的正面形成下包层；

对所述下包层进行研磨，以使所述下包层分为第一部分、第二部分和第三部分，所述第一部分与所述第三部分平行，所述第二部分与第一部分延伸方向的夹角小于90°；

在所述下包层上依次形成氮化硅光波导和上包层；

对所述上包层进行平坦化工艺。

一种波导型光电探测器，包括：

键合的第一衬底和第二衬底，所述第一衬底正面上的包覆层，形成于所述包覆层中的氮化硅光波导，所述第二衬底正面上的锗外延层；

所述锗外延层背面上形成有光电探测器。

可选的，所述锗外延层背面上形成有光电探测器，具体包括：

所述锗外延层中的源漏区；

覆盖所述锗外延层的介质层；

所述介质层中所述源漏区的金属接触。

可选的，所述锗外延层背面上形成有光电探测器，具体包括：

所述锗外延层正面形成有第一掺杂材料层；

所述锗外延层背面形成有第二掺杂材料层；

覆盖所述第一掺杂材料层和所述第二掺杂材料层的介质层；

所述介质层中所述第一掺杂材料层的金属接触和所述第二掺杂材料层的金属接触。

本发明实施例提供的一种波导型光电探测器的制造方法，第一衬底的正面形成有包覆层，包覆层中形成有氮化硅光波导，第二衬底的正面形成有锗外延层，第一衬底和第二衬底的正面键合之后，从第二衬底的背面进行减薄，以暴露锗外延层，而后在锗外延层上形成光电探测器，从而实现氮化硅光波导与锗基探测器的集成。由于氮化硅光波导具有较低的传输损耗，能够提高光的传输效率，同时氮化硅波导与锗基光电探测器之间能形成高质量的氮化硅/锗界面，提高光电探测器的响应度以及光电转换能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了根据本发明实施例一种波导型光电探测器的制造方法的流程结构示意图；

图2-15示出了根据本发明实施例一种波导型光电探测器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术的描述，目前的波导集成光电探测器的光损耗仍然较大，需要提供一种高响应度及低损耗的波导型光电探测器。

为此，本申请提供一种波导型光电探测器的制造方法，第一衬底的正面形成有包覆层，包覆层中形成有氮化硅光波导，第二衬底的正面形成有锗外延层，第一衬底和第二衬底的正面键合之后，从第二衬底的背面进行减薄，以暴露锗外延层，而后在锗外延层上形成光电探测器，从而实现氮化硅光波导与锗基探测器的集成。由于氮化硅光波导具有较低的传输损耗，能够提高光的传输效率，同时氮化硅波导与锗基光电探测器之间能形成高质量的氮化硅/锗界面，提高光电探测器的响应度以及光电转换能力。

为了便于理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合附图对具体的实施例进行详细的说明。

在步骤s01中，参考图1所示，提供第一衬底100和第二衬底200，第一衬底100正面上的包覆层102，形成于包覆层102中的氮化硅光波导104，参考图3和图10所示，第二衬底200正面上的锗外延层204，参考图4所示。

本申请实施例中，第一衬底100和第二衬底200可以为相同的衬底，也可以为不同的衬底，第一衬底100和第二衬底200可以为，si衬底、ge衬底、sige衬底、soi(绝缘体上硅，silicononinsulator)或goi(绝缘体上锗，germaniumoninsulator)等。在其它实施例中，所述半导体衬底还可以为包括其它元素半导体或化合物半导体的衬底，例如gaas、inp或sic等，还可以为叠层结构，例如si/sige等，还可以其它外延结构，例如sgoi(绝缘体上锗硅)等。

在第一衬底100正面上形成有包覆层102，为了便于区分，将第一衬底100的相对侧表面分为正面和背面，在第一衬底100的正面上形成氮化硅光波导104，包覆层102对氮化硅光波导104起到保护作用，增加包覆层102的厚度可以减少光泄露，包覆层102例如可以为氧化硅层。

在包覆层102中形成有氮化硅光波导104，本实施例中，氮化硅光波导104可以平行于第一衬底100，参考图3所示，即氮化硅光波导104为平直的光波导结构，该波导结构在光传输的过程中能够降低光损耗。

为了便于描述，将包覆层102分为下包层和上包层，形成平直的氮化硅光波导104的方法，可以为在第一衬底100的正面沉积下包层，对形成的下包层进行平坦化工艺，而后在下包层上沉积氮化硅层，可以对氮化硅层进行平坦化工艺，氮化硅层的厚度越均匀，越有利于光的传输。随后，可以对氮化硅层进行图案化处理，形成所需厚度和尺寸的氮化硅光波导104。例如，可以利用光刻技术，将预先处理好的图案转移至氮化硅层，刻蚀去除图案以外的氮化硅层，从而获得图案化的氮化硅层即氮化硅光波导104，参考图2所示。

在形成氮化硅光波导104之后，在氮化硅光波导104上继续沉积氧化硅材料，而后对上包层进行平坦化工艺，以形成包覆氮化硅光波导104的上包层，参考图3所示。由于上包层和下包层形成的包覆层102能够将氮化硅光波导104完全隔离，避免光在氮化硅光波导104中传输时发生泄露。

在具体的应用中，在形成氮化硅光波导104的同时，可以在氮化硅光波导104的一端形成光栅106，光栅106沿氮化硅光波导104延伸方向布置，光栅106具有色散作用，能够使得光向氮化硅光波导104的上下方向散射。

本实施例中，氮化硅光波导104还可以为倾斜结构，参考图10所示，以降低光传输的速率，避免由于光传输过快，导致光电探测器无法有效实现光的转换。具体的，氮化硅光波导104包括第一部分、第二部分和第三部分，第二部分位于第一部分和第三部分的中间位置，第二部分将第一部分和第三部分连接在一起，第一部分和第三部分平行于第一衬底100，第二部分倾斜于第一衬底100且第二部分与第一部分延伸方向的夹角小于90。

形成具有倾斜结构的氮化硅光波导104的方法，可以为，在第一衬底100的正面形成下包层，而后对下包层进行研磨，研磨后的下包层分为三部分，第一部分、第二部分和第三部分，第一部分和第三部分相互平行且平行于第一衬底100，第二部分与第一部分延伸方向的夹角小于90°。

例如，可以在第一衬底100的正面形成下包层之后，对下包层的第一端进行研磨，研磨后，下包层第二端的高度明显高于第一端，而后斜切靠近第一端的部分第二端，此时，下包层分为三部分，第一部分的高度最低，第三部分的高度最高，中间部分成倾斜状，形成具有倾斜结构的下包层。

而后，在下包层上沉积氮化硅材料，由于各个位置的沉积速率相同，使得下包层上各个位置沉积的氮化硅层的厚度基本相同，此时氮化硅层同样具有倾斜结构，即氮化硅层具有三部分，第一部分与第三部分平行，第二部分具有倾斜角度，且第二部分与第一部分延伸方向的夹角小于90°。可以对氮化硅层进行图案化工艺，以形成所需厚度和尺寸的氮化硅光波导104，参考图9所示。

在形成氮化硅光波导104之后，在下包层上继续沉积氧化硅材料，形成覆盖氮化硅光波导104的上包层，而后可以对上包层进行平坦化工艺，以便后续与第二衬底200进行键合。

本申请实施例中，第二衬底200正面上形成有锗外延层202，参考图4所示。为了便于区分，将第二衬底200的相对两侧表面分为正面和背面，在第二衬底200的正面上形成锗外延层202。可以利用锗低温过渡层技术形成锗外延层202，例如，在形成锗外延层202之前，预先在第二衬底200的正面外延生长一层低温低质量的锗层，而后在该锗层上生长高质量的锗外延层202。可以对锗外延层202进行平坦化工艺，以便后续与第一衬底100进行键合，例如可以采用化学机械研磨工艺。

本实施例中，可以在锗外延层202上生长一层介质层204，例如可以采用原子层沉积方法生长介质层204，介质层204例如可以为高k氧化物，以利于第二衬底200与第一衬底100进行键合。

在步骤s02中，进行第一衬底100和第二衬底200的正面键合，参考图5和图11所示，从第二衬底200的背面进行减薄，以暴露锗外延层202，参考图6和图12所示。

本实施例中，在第一衬底100的正面形成氮化硅光波导104，在第二衬底200的正面形成锗外延层202，将第一衬底100的正面与第二衬底200的正面进行键合。可以利用第一衬底100正面上的包覆层102以及第二衬底200正面上的介质层204，实现第一衬底100和第二衬底200的键合。

而后，从第二衬底200的背面进行减薄，以去除第二衬底200，暴露锗外延层202。例如，可以酸液腐蚀或化学机械研磨方法去除第二衬底200。在去除第二衬底200之后，还可以通过化学机械研磨工艺去除低温低质量的锗层，仅保留高温高质量的锗外延层202，以利于后续光电器件的制备。

在步骤s03中，在锗外延层202上形成光电探测器，参考图8、图14和图15所示。

本实施例中，在暴露锗外延层202之后，可以对锗外延层202进行图案化工艺，以形成所需尺寸的锗外延层202,。例如，可以在锗外延层202沉积形成硬掩模层，将锗外延层图案转移至硬掩模层中，以硬掩模层为遮蔽，刻蚀去除部分锗外延层202，以形成图案化后的锗外延层202，参考图6。

在一些实施例中，在锗外延层202中掺杂n型、p型杂质，以形成源漏区212、222，参考图7和图13所示。具体的，可以为，在锗外延层202上形成光刻胶层，刻蚀部分光刻胶层形成暴露锗外延层202的第一开口，通过第一开口向锗外延层202中注入n型锗离子。而后，可以继续刻蚀部分光刻胶层形成第二开口，第一开口和第二开口之间不连通，第一开口和第二开口的距离可以根据需要确定，通过第二开口向锗外延层202中注入p型锗离子。也可以在锗外延层202上形成光刻胶层之后，在光刻胶层的两端分别形成第一开口和第二开口，而后通过第一开口向锗外延层202中注入n型锗离子，通过第二开口向锗外延层202中注入p型锗离子，n型锗掺杂区和p型锗掺杂区被锗外延层202隔离开。

在锗外延层202中形成源漏区212、222之后，在源漏区212、222上沉积介质材料，介质材料例如可以为氧化硅，以形成覆盖锗外延层202的介质层206，而后，可以对介质层206进行平坦化工艺。随后，在刻蚀介质层206形成暴露源漏区212、222的接触孔216，可以在介质层206形成依次形成硬掩模层和光刻胶层，在光刻胶层中形成接触孔216的图案，利用刻蚀工艺将接触孔216的图案转移至硬掩模层中，以硬掩模层为遮蔽刻蚀介质层206，以在介质层206中形成接触孔216。而后，去除光刻胶层和硬掩模层。

形成接触孔216之后，可以在接触孔216中填充金属材料，例如可以为钨等，在接触孔216中填充金属材料的过程中会在介质层206表面沉积金属材料，可以采用化学机械研磨方法去除介质层206表面的金属材料，以仅在接触孔216中填充金属材料。在形成接触孔216之后，还可以在接触孔216上方形成接触孔216的引出衬垫208，参考图8和图14所示，以便与其他器件实现电连接，引出衬垫208可以为金属材料，例如为铜等。

在另一些实施例中，对锗外延层202进行掺杂，以在锗外延层202的正面形成第一掺杂材料层211，参考图15所示，锗外延层202的正面为与第一衬底100进行键合的表面，即靠近第一衬底100的表面。具体的，可以为，以一定的倾斜角度向锗外延层202中注入p型锗离子，同时利用锗离子的扩散作用在锗外延层202的正面形成第一掺杂材料层211，可以通过控制倾斜角度确定锗外延层202的厚度。在形成第一掺杂材料层211之后，可以刻蚀第一掺杂材料层211上方的部分锗外延层202，以使得在锗外延层202的延伸方向上第一掺杂材料层211的长度大于锗外延层202的长度，从而利于后续形成第一掺杂材料层211的金属接触。而后，在锗外延层202的背面形成第二掺杂材料层213，可以以垂直于锗外延层202的角度向锗外延层202中注入n型锗离子，可以通过控制n型锗离子的浓度以及注入时间确定第二掺杂材料213的厚度。随后，在第二掺杂材料层213上沉积介质材料，介质材料可以为氧化硅，以形成覆盖第一掺杂材料层211和第二掺杂材料层213的介质层206，介质层206起到保护作用。可以采用化学气相沉积工艺沉积介质材料，形成覆盖第一掺杂材料层211、锗外延层202以及第二掺杂材料213的介质层206。

而后，刻蚀介质层206形成暴露第一掺杂材料层211的接触孔216和第二掺杂材料层213的接触孔217，例如，可以通过光刻技术同时刻蚀第一掺杂材料层211上方的介质层206以及第二掺杂材料层213上方的介质层206，在刻蚀至第二掺杂材料层213时停止对第二掺杂材料层213上方的介质层206的刻蚀，形成第二掺杂材料层213的接触孔217。由于第一掺杂材料层211上方的介质层厚度大于第二掺杂材料213上方的介质层厚度，而后还需要继续刻蚀第一掺杂材料层211上方的介质层206，直至露出第一掺杂材料层211，从而形成第一掺杂材料层211的接触孔。为了便于描述，将第一掺杂材料层211的接触孔216称为第一接触孔，将第二掺杂材料层的接触孔217称为第二接触孔，在第一接触孔中填充金属材料，形成第一掺杂材料层211的金属接触，在第二接触孔中填充金属材料，形成第二掺杂材料层213的金属接触，参考图15所示。还可以在第一掺杂材料层211的金属接触上形成引出衬垫219，在第二掺杂材料层213的金属接触上形成引出衬垫218。本实施例中，氮化硅光波导204可以为平直的波导结构，以利于进行光的传输，使得光电探测器能够有效进行光的转换。

这样，将氮化硅光波导与锗基光电探测器集成在一起，利用氮化硅光波导的低损耗，提高光的传输效率，同时氮化硅波导与锗基光电探测器之间能形成高质量的氮化硅/锗界面，提高光电探测器的响应度以及光电转换能力。

以上对本申请实施例提供的波导型光电探测器的制造方法进行了详细的描述，本申请实施例还提供一种波导型光电探测器，参考图8、图14和图15所示，包括：

键合的第一衬底100和第二衬底200，第一衬底100正面上的包覆层102，形成于包覆层102中的氮化硅光波导104，第二衬底200正面上的锗外延层202；

锗外延层202背面上形成有光电探测器。

本申请实施例中，在第一衬底100正面上形成有氮化硅光波导104，在第二衬底200正面上形成有锗外延层202，锗外延层202背面上形成有光电探测器，锗外延层202的背面为与第二衬底200接触的表面，第一衬底100和第二衬底200正面键合之后，氮化硅光波导104与锗基光电探测器集成在一起，提高光电探测器的光电转换能力。

本实施例中，锗外延层背面上形成有光电探测器，可以为，锗外延层202形成有源漏区212、222，源漏区212、222上形成有介质层206，该介质层206覆盖锗外延层202，介质层206中形成有源漏区212、222的金属接触，参考图8和图14所示。

本实施例中，锗外延层202背面上形成有光电探测器，还可以为，锗外延层202正面形成有第一掺杂材料层211，锗外延层202正面为锗外延层202与第一衬底100接触的表面，锗外延层202背面形成有第二掺杂材料层213，锗外延层202背面为与锗外延层202正面相对的表面，覆盖第一掺杂材料层211和第二掺杂材料层213的介质层206以及介质层206中第一掺杂材料层211的金属接触和第二掺杂材料层213的金属接触，参考图15所示。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。尤其，对于结构实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。