具有懸浮膜結構的應變鍺器件及其製備方法
2023-05-09 23:21:26
專利名稱：具有懸浮膜結構的應變鍺器件及其製備方法
技術領域：
本發明涉及半導體光電子領域，尤其涉及一種鍺材料向直接帶隙轉變的實現方法。
背景技術：
目前，基於矽光子技術的光互連技術被認為是解決極大規模集成電路持續發展所面臨的互連瓶頸的理想方案。經過htel、IBM等半導體巨頭的不懈努力，矽光子技術的諸多關鍵器件得以在集成電路平臺上實現，包括高速矽光調製器、探測器和波導元件都得到了突破。然而由於矽是間接帶隙材料導致難以實現直接發光，故片上光源沒有得到實現，這是矽光子技術一直以來所面臨的最大難題。III-V族與矽混合集成是比較有效的實現光源和無源器件結合的方案，但是 III-V族材料存在與矽加工平臺不兼容，特別是與CMOS (Complementary Metal Oxide kmiconductor，互補金屬氧化物半導體)標準工藝平臺不兼容，存在III-V族器件性能降低和加工成本高的問題。為實現矽材料自身的發光，有多種技術方案被提出來，包括採用矽納米糰簇、多孔矽、摻鉺等手段，以上辦法也都受限於發光效率低或者發光性能不穩定等因素，距離實用的片上光源仍有很大的差距。鍺材料是一種能夠與集成電路工藝兼容的材料，基於鍺材料的高遷移率電晶體已經在深亞微米集成電路技術中得到了廣泛的應用，而基於鍺和鍺矽材料的光電探測器和光調製器同樣也得以在CMOS標準工藝平臺上得到了實現。鍺同矽一樣，也是間接帶隙的半導體材料，然而鍺材料能夠通過引入張應變實現向直接帶隙的轉變，研究表明大於21的張應變就能夠使鍺材料轉變成完全直接帶隙材料，然而此時的帶隙對應的發光波長已經得到幾個微米的量級，偏離了 1.55Mm的通信窗口。當引入適量的張應變使帶隙發生轉變，而且將波長控制在通信波段時，帶隙不足以實現完全直接帶隙，此時需要採用N型重摻雜提高直接帶隙的電子能帶填充率，從而提高鍺材料的發光特性。鍺的能帶調製被認為是最有可能實現片上雷射的技術。如果能夠在鍺上實現CMOS 兼容的片上雷射，就能夠實現完全的片上光互連，以光子而不是電子作為媒介在晶片之間和設備之間傳輸數據，既能發揮光互連速度快、帶寬大、無幹擾、密度高，功耗低等優點，同時又能充分利用微電子工藝成熟，高密度集成，高成品率，成本低廉等特點，基於鍺材料的片上雷射將推動新一代高性能計算機，光通信設施和消費類電子產品的發展，具有廣闊的應用和市場前景。目前製備發光的鍺材料所採用的一般方法是CVD (化學氣相沉積)生長的辦法。在矽或者SOI (絕緣體上的矽)上熱生長一層薄層的矽，然後再生長鍺，利用兩者的熱膨脹係數差異，在冷卻後自然產生張應變。這種方法能夠在材料生長階段就引入張應變，但是存在晶格失配，且應變大小不能任意調節等局限性
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種具有懸浮膜結構的應變鍺器件的製備方法，包括步驟
a)、提供絕緣體上的含鍺材料襯底，包括支撐襯底層、犧牲層和頂層含鍺層；
b)、圖形化支撐襯底層以形成圖形窗口，所述圖形窗口貫穿支撐襯底層，並暴露出犧牲
層；
C)、腐蝕去除所述犧牲層，直至所述圖形窗口對應的頂層含鍺層懸空以形成懸浮膜； d)、對懸浮膜的任意位置施加外力，使其產生張應變。所述步驟c進一步是通過所述圖形窗口採用各向同性的選擇性腐蝕工藝腐蝕犧牲層，直至懸浮膜懸空。所述步驟a與步驟b之間進一步包括步驟在所述頂層含鍺層中注入N型雜質並採用快速退火工藝實施退火。所述N型雜質為磷、砷、氮中任意一種，注入劑量的範圍為IXlO15 cm_2至 5X IO17CnT2 ；所述快速退火工藝的退火溫度範圍為600°C至1000°C，退火時間範圍為20秒至180秒。所述外力為靜電力、氣壓力與機械力中任意一個。所述犧牲層為二氧化矽層。為解決上述問題，本發明還提供了一種利用如上述的方法製備的應變鍺器件，依次包括支撐襯底、犧牲層和頂層含鍺層，所述頂層含鍺層中包含一懸浮膜，所述犧牲層與懸浮膜位置相對應的部分被腐蝕去除，以及所述支撐襯底與懸浮膜位置相對應的部分被腐蝕去除，以使懸浮膜懸空，所述懸浮膜結構的任意位置被施加外力而產生張應變。進一步所述支撐襯底中與懸浮膜對應的位置具有貫孔。所述外力為靜電力、氣壓力與機械力中任意一個。本發明的優點在於，針對現有技術中採用外延生長來產生張應力以實現直接帶隙轉變的方法中具有在波長方面的局限性，而只能針對特定的波長，提出一種具有懸浮膜結構的應變鍺器件製備方法。本發明提供一種具有懸浮膜結構的應變鍺器件製備方法既能夠兼容CMOS工藝，又能通過改變氣壓差調節鍺薄膜材料的帶隙結構，加工簡單、方便，在近紅外到中紅外波段都能夠提高鍺材料的發光增益，為實現片上光源甚至雷射光源提供基礎材料，由於懸浮膜結構上所施加的氣壓差可調，故具有調諧發光波長的功能。
圖1是本發明提供的一種具有懸浮膜結構的應變鍺器件的製備方法實施例一的步驟流程圖2A至2D是本發明提供的一種具有懸浮膜結構的應變鍺器件的製備方法實施例一的加工流程圖3是本發明提供的一種具有懸浮膜結構的應變鍺器件實施例二的器件結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明提供的一種具有懸浮膜結構的應變鍺器件的製備方法的具體實施方式
做詳細說明。
實施例一
圖1所示為本發明提供的一種具有懸浮膜結構的應變鍺器件的製備方法實施例一的步驟流程圖。本實施例提供一種具有懸浮膜結構的應變鍺器件的製備方法，包括步驟101，提供絕緣體上的含鍺材料襯底；步驟102，圖形化支撐襯底層以形成圖形窗口 ；步驟103，腐蝕去除所述犧牲層；步驟104，對懸浮膜的任意位置施加外力。圖2A至2D所示為本發明提供的一種具有懸浮膜結構的應變鍺器件的製備方法實施例一的加工流程圖。圖2A所示為本實施例步驟101的加工示意圖。所述絕緣體上的含鍺材料襯底包括支撐襯底層200、犧牲層201和頂層含鍺層202，所述犧牲層201為二氧化矽層。所述絕緣體上的含鍺材料襯底為絕緣體上的鍺材料襯底或絕緣體上的鍺矽材料襯底。本實施方式中， 所述絕緣體上的含鍺材料襯底選取絕緣體上鍺材料襯底，支撐襯底層200的厚度為500Mm， 犧牲層201的厚度為3Mm以及頂層含鍺層202的厚度為2Mm。所述犧牲層201為二氧化矽層。圖2B所示為本實施例步驟102的加工示意圖。本實施例中所述圖形窗口 203是採用反應離子束刻蝕的方法所開。所述圖形窗口 203的尺寸為IOOMfflX IOOMffl，刻蝕深度為所述支撐襯底層200的厚度，即為500Mffl。雖然本實施例中採用深反應離子束刻蝕開所述圖形窗口 203，但是本發明不限於此，還可採用溼法腐蝕的方法，諸如氫氧化鉀溶液腐蝕、氫氧化鈉溶液腐蝕、氫氟酸溶液腐蝕中任意一種方法。步驟102過程中犧牲層201中的二氧化矽將起到腐蝕阻擋的作用。作為可選的實施方式，在步驟101與步驟102之間還可以包括步驟在所述頂層含鍺層202中注入N型雜質並採用快速退火工藝實施退火。所述N型雜質為磷、砷、氮中任意一種，且為重摻雜，注入劑量的範圍為1 X IO15 cm_2至5 X IO17CnT2 ；所述快速退火工藝的退火溫度範圍為600°C至1000°C，退火時間範圍為20秒至180秒。其中，在頂層含鍺層202中進行N型重摻雜，以提高電子在鍺的直接帶隙的佔有率；快速退火工藝可降低缺陷密度。在本實施例中，N型雜質選取磷，採用注入劑量為1 X IO16 cm—2，退火溫度設定為800°C，退火時間設定為30秒。圖2C所示為本實施例步驟103的加工示意圖。採用採用各向同性的選擇性腐蝕工藝腐蝕犧牲層201中與圖形窗口 203所對應的部分，本實施例中採用反應離子束刻蝕的方法腐蝕掉所述圖形窗口 203對應的犧牲層部分，直至顯露出頂層含鍺層202，圖形窗口 203 正上方的頂層含鍺層202部分為懸浮膜結構。圖2D所示為本實施例步驟104的加工示意圖。所述外力為靜電力、氣壓力與機械力中任意一個。所述機械力可以通過在懸浮膜任意位置施加機械力實現，例如直接運用探針點壓懸浮膜表面；而靜電力可以通過在懸浮膜上施加一電壓從而帶正電荷或負電荷，再利用一帶有正電荷或負電荷的裝置接近或遠離懸浮膜，從而產生張應變；而氣壓力可以通過在懸浮膜的兩側產生氣壓差從而使得懸浮膜產生張應變。本實施方式中採用氣壓力。在所述圖形窗口 203正上方的頂層含鍺層202正反兩面改變氣壓差，使得所述圖形窗口 203正上方的頂層含鍺層202產生張應變，即所述懸浮膜結構產生張應變。當所述圖形窗口 203正上方的頂層含鍺層202正反兩面的氣壓差達到 3X IO4Pa時，所述懸浮膜結構的張應變的值為0. 25%，對應的懸浮膜結構的鍺材料所對應的能帶實現了向直接帶隙的轉變，對應的發光波長轉移到了 U5Mm。當所述張應變的值超過 2%時，所述懸浮膜結構中的材料轉變成直接帶隙材料，即所述具有懸浮膜結構的鍺材料轉變成直接帶隙材料。實施例二
圖3是本發明提供的一種具有懸浮膜結構的應變鍺器件實施例二的器件結構示意圖。本實施例中提供一種應變鍺器件，依次包括支撐襯底300、犧牲層301和頂層含鍺層302，所述頂層含鍺層302中包含懸浮膜，所述支撐襯底302與懸浮膜位置相對應的部分被腐蝕去除以形成圖形窗口 303，以及所述犧牲層301與懸浮膜位置相對應的部分被腐蝕去除，以使懸浮膜懸空，所述懸浮膜結構的任意位置被施加外力而產生張應變。本實施方式中，所述含鍺材料襯底選取絕緣體上鍺矽材料襯底，支撐襯底層300 的厚度為500μπι，犧牲層301的厚度為3Mm以及頂層含鍺層302的厚度為2Mm，所述懸浮膜的尺寸為IOOMmX lOOMm。所述懸浮膜底下懸空部分是通過所述圖形窗口 303採用各向同性的選擇性腐蝕工藝腐蝕犧牲層301從而實現。所述頂層含鍺層302具有N型摻雜類型，摻雜劑量範圍為 1 X IO15 cm-2至5 X IO17Cm-2,在頂層含鍺層302中進行N型重摻雜，以提高電子在鍺的直接帶隙的佔有率。在本實施例中，N型雜質選取砷，採用注入劑量為lX1016cm_2。採用本實施例的結構，所述具有懸浮膜結構的頂層含鍺層302氣壓差產生張應變時候，雖然懸浮膜結構的正下方犧牲層302部分已被刻蝕掉，但是懸浮膜結構的邊緣還有犧牲層302支撐，故所述張應變的值可控，且懸浮膜結構的加工過程較為簡單，和CMOS工藝相兼容，通過改變懸浮膜結構的正反兩面的壓力差，可方便地調節鍺薄膜材料的帶隙結構， 故具有調諧發光波長的功能。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種具有懸浮膜結構的應變鍺器件的製備方法，其特徵在於，包括步驟a)、提供絕緣體上的含鍺材料襯底，包括支撐襯底層、犧牲層和頂層含鍺層；b)、圖形化支撐襯底層以形成圖形窗口，所述圖形窗口貫穿支撐襯底層，並暴露出犧牲層；C)、腐蝕去除所述犧牲層，直至所述圖形窗口對應的頂層含鍺層懸空以形成懸浮膜；d)、對懸浮膜的任意位置施加外力，使其產生張應變。
2.根據權利要求1所述的具有懸浮膜結構的應變鍺器件的製備方法，其特徵在於，所述步驟c進一步是通過所述圖形窗口採用各向同性的選擇性腐蝕工藝腐蝕犧牲層，直至懸浮膜懸空。
3.根據權利要求1所述的具有懸浮膜結構的應變鍺器件的製備方法，其特徵在於，所述步驟a與步驟b之間進一步包括步驟在所述頂層含鍺層中注入N型雜質並採用快速退火工藝實施退火。
4.根據權利要求3所述的具有懸浮膜結構的應變鍺器件的製備方法，其特徵在於，所述N型雜質為磷、砷、氮中任意一種，注入劑量的範圍為IXlO15 cm_2至5X IO17CnT2;所述快速退火工藝的退火溫度範圍為600°C至1000°C，退火時間範圍為20秒至180秒。
5.根據權利要求1所述的具有懸浮膜結構的應變鍺器件的製備方法，其特徵在於，所述外力為靜電力、氣壓力與機械力中任意一個。
6.根據權利要求1所述的具有懸浮膜結構的應變鍺器件的製備方法，其特徵在於，所述犧牲層為二氧化矽層。
7.一種利用如權利要求1所述的方法製備的應變鍺器件，其特徵在於，依次包括支撐襯底、犧牲層和頂層含鍺層，所述頂層含鍺層中包含一懸浮膜，所述犧牲層與懸浮膜位置相對應的部分被腐蝕去除，以及所述支撐襯底與懸浮膜位置相對應的部分被腐蝕去除，以使懸浮膜懸空，所述懸浮膜結構的任意位置被施加外力而產生張應變。
8.根據權利要求7所述的應變鍺器件，其特徵在於，進一步所述支撐襯底中與懸浮膜對應的位置具有貫孔。
9.根據權利要求7所述的應變鍺器件，其特徵在於，所述外力為靜電力、氣壓力與機械力中任意一個。
全文摘要
本發明提供一種具有懸浮膜結構的應變鍺器件的製備方法，涉及半導體光電子領域，包括步驟提供絕緣體上的含鍺材料襯底；圖形化支撐襯底層以形成圖形窗口，所述圖形窗口貫穿支撐襯底層；腐蝕去除所述犧牲層，直至所述圖形窗口對應的頂層含鍺層懸空以形成懸浮膜；對懸浮膜的任意位置施加外力。本發明還提供一種應變鍺器件，依次包括支撐襯底、犧牲層和頂層含鍺層，所述頂層含鍺層中包含一懸浮膜，以及所述支撐襯底、犧牲層與懸浮膜位置相對應的部分都被腐蝕去除，以使懸浮膜懸空，所述懸浮膜結構的任意位置被施加外力而產生張應變。本發明的優點在於既能夠兼容CMOS工藝，又能通過改變氣壓差調節鍺薄膜材料的帶隙結構，加工簡單、方便。
文檔編號H01L33/34GK102544275SQ20111045434
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者張苗, 武愛民, 王曦, 甘甫烷, 薛忠營, 魏星 申請人:上海新傲科技股份有限公司