蓝宝石上锗晶圆及其制造方法、阵列芯片及其制造方法与流程

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种蓝宝石上锗晶圆及其制造方法、一种阵列芯片及其制造方法。

背景技术：

1、随着半导体相关技术的发展，高度兼容互补金属氧化物半导体(complementarymetal oxide semiconductor，cmos)工艺的锗(ge)半导体材料具有可在大尺寸硅(si)衬底上外延、在短波红外(short-wave infrared)波段具有优异的光响应、带隙可调、可以适应张应变工程、合金工程和掺杂工程等突出的优势，被认为是下一代短波红外成像技术的重要候选传感材料。然而，si与ge存在4.2％的晶格失配，直接在si衬底上外延的ge层缺陷密度较高，无法满足在短波红外成像芯片方面的实际应用。

2、具有张应变的蓝宝石上锗(germanium on insulator，gos)晶圆可完美的去除ge外延层与si衬底间存在的大量的失配缺陷，对改善短波红外成像芯片的暗电流、光响应度、量子效率、光谱响应范围等关键性能指标起到至关重要的作用。

3、然而ge和绝缘层具有较大的热失配，导致张应变gos晶圆表面容易形成微孔洞，不利于张应变gos短波红外焦平面阵列芯片的制备，严重影响阵列芯片的良率与可靠性。并且张应变gos晶圆中的绝缘层热导率偏低，阵列芯片在进行短波红外成像工作的过程中产生了一定的热量(即存在自热效应)，导致阵列芯片的寿命缩短，可靠性问题突出。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术的目的在于提供一种蓝宝石上锗晶圆及其制造方法、一种阵列芯片及其制造方法，能够制造得到高性能蓝宝石上锗晶圆，以及利用高性能蓝宝石上锗晶圆制造得到高性能短波红外成像的阵列芯片。

2、本技术提供了一种蓝宝石上锗晶圆的制造方法，所述方法包括：

3、形成施主衬底，所述施主衬底包括依次层叠的硅衬底、缓冲层、二极管结构和键合层，所述二极管结构包括第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层，第一掺杂类型为p型掺杂和n型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为p型掺杂和n型掺杂中的另一个，所述第一掺杂类型锗层、所述传感层和所述第二掺杂类型锗层的材料至少包括锗；

4、形成受主衬底，所述受主衬底包括蓝宝石衬底以及位于所述蓝宝石衬底一侧的绝缘层；

5、以所述键合层朝向所述绝缘层的方向键合所述施主衬底和所述受主衬底；

6、去除所述硅衬底和所述缓冲层，暴露所述二极管结构，得到蓝宝石上锗晶圆。

7、可选地，所述受主衬底包括富陷阱层，所述富陷阱层位于所述蓝宝石衬底和所述绝缘层之间。

8、可选地，所述富陷阱层的材料为非晶硅、非晶硅锡、非晶硅锗、非晶锗和非晶锗锡中的一种或多种。

9、可选地，所述传感层为本征层，所述本征层的材料为锗、锗锡或硅锗锡。

10、可选地，所述传感层为堆叠层，所述堆叠层由第一目标层和第二目标层交替堆叠形成，所述第一目标层为锗层或锗锡层，所述第二目标层为锗硅层、锗锡层或硅锗锡层。

11、可选地，所述受主衬底包括氮化硅层和多晶硅层，所述多晶硅层为所述第一掺杂类型或所述第二掺杂类型；

12、所述形成受主衬底包括：

13、在所述蓝宝石衬底的一侧形成绝缘层，在所述蓝宝石衬底的另一侧依次形成所述多晶硅层和所述氮化硅层。

14、可选地，所述缓冲层为利用低温工艺形成，所述缓冲层的材料包括锗；

15、所述绝缘层包括第一绝缘层和第二绝缘层，所述第二绝缘层位于第一绝缘层远离所述蓝宝石衬底的一侧。

16、本技术提供了一种蓝宝石上锗晶圆，包括依次层叠的蓝宝石衬底、绝缘层、键合层和二极管结构；所述二极管结构包括第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层，第一掺杂类型为p型掺杂和n型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为p型掺杂和n型掺杂中的另一个；

17、所述第一掺杂类型锗层、所述传感层和所述第二掺杂类型锗层的材料至少包括锗。

18、本技术提供了一种阵列芯片，包括：键合的蓝宝石上锗晶圆和读出电路晶圆；

19、所述蓝宝石上锗晶圆包括依次层叠的蓝宝石衬底、绝缘层、键合层和二极管结构；所述二极管结构包括第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层，第一掺杂类型为p型掺杂和n型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为p型掺杂和n型掺杂中的另一个；所述第一掺杂类型锗层、所述传感层和所述第二掺杂类型锗层的材料至少包括锗；所述二极管结构包括多个像元和多个沟槽，所述像元和所述沟槽被表面钝化层覆盖，位于所述沟槽的底部的表面钝化层具有第一开口，所述第一开口中具有第一金属层，所述第一金属层和所述第一掺杂类型锗层接触，位于所述像元的顶部的表面钝化层具有第二开口，所述第二开口中具有第二金属层，所述第二金属层和所述第二掺杂类型锗层接触；

20、所述读出电路晶圆具有第三金属层和第四金属层，所述第三金属层和所述第一金属层接触，所述第四金属层和所述第二金属层接触。

21、本技术提供了一种阵列芯片的制造方法，所述方法包括：

22、提供蓝宝石上锗晶圆和读出电路晶圆，所述蓝宝石上锗晶圆包括依次层叠的蓝宝石衬底、绝缘层、键合层和二极管结构；所述二极管结构包括第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层，第一掺杂类型为p型掺杂和n型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为p型掺杂和n型掺杂中的另一个；所述第一掺杂类型锗层、所述传感层和所述第二掺杂类型锗层的材料至少包括锗；

23、对所述二极管结构进行刻蚀，得到多个沟槽，所述沟槽的深度小于所述二极管结构的厚度，相邻所述沟槽之间的凸起构成像元；

24、形成表面钝化层，所述表面钝化层覆盖所述沟槽的表面和所述像元的表面；

25、刻蚀所述沟槽的底部的表面钝化层形成第一开口，在所述第一开口形成第一金属层，所述第一金属层和所述第一掺杂类型锗层接触；

26、刻蚀所述像元的顶部的表面钝化层形成第二开口，在所述第二开口形成第二金属层，所述第二金属层和所述第二掺杂类型锗层接触；

27、以所述第一金属层和所述第二金属层朝向读出电路晶圆的方向键合所述蓝宝石上锗晶圆和所述读出电路晶圆，所述读出电路晶圆具有第三金属层和第四金属层，所述第三金属层和所述第一金属层接触，所述第四金属层和所述第二金属层接触。

28、本技术提供了一种蓝宝石上锗晶圆的制造方法，方法包括：形成施主衬底，施主衬底包括依次层叠的硅衬底、缓冲层、二极管结构和键合层，二极管结构包括第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层，第一掺杂类型为p型掺杂和n型掺杂中的其中一个，第二掺杂类型为p型掺杂和n型掺杂中的另一个，第一掺杂类型锗层、传感层和第二掺杂类型锗层的材料至少包括锗。形成受主衬底，受主衬底包括蓝宝石衬底以及位于蓝宝石衬底一侧的绝缘层。以键合层朝向绝缘层的方向键合施主衬底和受主衬底，在键合过程中，二极管结构会形成张应变，这样在去除硅衬底和缓冲层，暴露二极管结构之后，就能够得到具有张应变的蓝宝石上锗晶圆，实现较宽的光响应范围。由于蓝宝石衬底具有高阻特性，散热特性、低射频损耗和低高频串扰的优点，并且具有大尺寸以及低成本的优势，从而能够制造得到高性能蓝宝石上锗晶圆，后续就可以利用高性能蓝宝石上锗晶圆制造得到高性能短波红外成像的阵列芯片。