一种在硅上形成锗器件的方法技术

本发明专利技术公开了一种在硅上形成锗器件的方法，其包括在锗供体晶圆的正面形成隔离结构和PIN光电二极管；进行氢离子注入以在PIN光电二极管下方的锗供体晶圆中形成氢注入层，在PIN光电二极管层上形成第一互连层；提供一硅电路晶圆，包括用于控制和读取PIN光电二极管的电路和至少一个第二互连层；进行第一互连层和第二互连层的初次键合以连接锗供体晶圆和硅电路晶圆；通过切割和剥离所述氢注入层处使PIN光电二极管层和第一互连层与锗供体晶圆分离；退火以完成第一互连层和第二互连层的最终键合。该方法工艺简单且避免了锗外延可能导致产生的晶格失配。生的晶格失配。生的晶格失配。

【技术实现步骤摘要】
一种在硅上形成锗器件的方法


[0001]本专利技术属于半导体器件制造
，其具体涉及一种在硅上形成锗器件的方法。

技术介绍

[0002]图像传感器被越来越多地应用至汽车工业、工程机械、农业及生命科学等领域中。相较于可见光感测图像传感器而言，短波红外(SWIR，Short
‑
Wavelength Infrared)图像传感器在夜视、雾天等低视觉环境下具有更好的穿透性和更高的灵敏度。
[0003]目前现有的一种短波红外CMOS图像传感器是基于砷化铟镓材料制成，其结构自下而上依次包括CMOS读出集成电路、连接使用的金属凸点(bumps，例如铟凸点)、与该金属凸点相连的砷化铟镓阵列、磷化铟衬底和防反射层。由于采用了金属凸点的键合工艺，导致像素间距较大、传感器的厚度较厚，不利于实现器件的小型化。并且晶圆尺寸有限、产量低、化合物匮乏等原因，砷化铟镓的制造成本较高。在制造过程中需要芯片对芯片/芯片对晶圆键合，以及由于以磷化铟为基底，砷化铟镓外延生长制作的CMOS图像传感器降低了对可见光的吸收，所以制造工艺复杂且昂贵导致量产难度提高。再者，砷化铟镓与硅在化学上不相容，这导致了基于砷化铟镓的图像传感器在制造工艺上难以与现有的硅CMOS制造工艺相兼容。
[0004]另一种现有的传感器就是基于硅衬底制作的图像传感器。但是硅传感器的光谱响应被限制在波长1μm以内，其在近红外光谱中有着较低的光吸收效率。而锗传感器则在0.4μm～1.6μm范围内有着较好的光响应。由此产生了不少关于硅基锗(Ge
‑<br/>on
‑
Si)短波红外图像传感器的研究。
[0005]外延生长法是一种现有的制作硅基锗的方法，即直接在硅衬底上生长锗层。但是由于硅和锗之间晶格失配度(lattice mismatch)为4.2％，而失配能的累积会在二者界面之间产生失配位错(misfit dislocation)和穿透位错(threading dislocation)等缺陷。为了抑制失配位错和穿透位错这类缺陷，则需要提高其制造工艺的复杂度(例如，采用狭窄孔径的选择性生长)。

技术实现思路

[0006]基于现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供一种在硅上形成锗器件的方法，本专利技术方法解决了现有技术中外延生长法制作硅基锗会产生位错且工艺复杂度较高的缺陷的技术问题，提供一种工艺简单、没有晶格失配的在硅上形成锗器件的方法。
[0007]依据本专利技术的技术方案，提供一种在硅上形成锗器件的方法，其在锗供体晶圆的正面形成隔离结构和PIN光电二极管；进行氢离子注入以在PIN光电二极管下方的锗供体晶圆中形成氢注入层，在PIN光电二极管层上形成第一互连层，继而在硅电路晶圆上形成第二互连层，通过第一互连层和第二互连层的键合来在硅上形成锗器件。
[0008]其中，在PIN光电二极管层上形成第一互连层之后，进一步包括提供一硅电路晶
圆，在硅电路晶圆上形成包括用于控制和读取PIN光电二极管的电路和至少一个第二互连层；进行第一互连层和第二互连层的初次键合以连接锗供体晶圆和硅电路晶圆；通过切割和剥离所述氢注入层处使PIN光电二极管层和第一互连层与锗供体晶圆分离；退火以完成第一互连层和第二互连层的最终键合。
[0009]具体地，一种在硅上形成锗器件的方法包括以下步骤：
[0010]S1：提供一锗供体晶圆；
[0011]S2：在锗供体晶圆的正面形成隔离结构，所述隔离结构用于限定PIN光电二极管的阵列区域；
[0012]S3：在所述阵列区域中形成PIN光电二极管；
[0013]S4：对锗供体晶圆的正面进行氢离子注入以在PIN光电二极管下方的锗供体晶圆中形成氢注入层，PIN光电二极管与介于所述氢注入层和PIN光电二极管之间的锗层共同构成PIN光电二极管层；
[0014]S5：在PIN光电二极管层上形成第一互连层并在第一互连层上形成第一对准标记，其中第一互连层包括沟道和过孔；
[0015]S6：提供一硅电路晶圆，所述硅电路晶圆包括：用于控制和读取PIN光电二极管的电路和至少一个第二互连层，其中第二互连层包括沟道和过孔，第二互连层上形成有第二对准标记，其中第二互连层形成于硅电路晶圆中；
[0016]S7：将第一对准标记对准于第二对准标记，进行第一互连层和第二互连层的初次键合以连接锗供体晶圆和硅电路晶圆；
[0017]S8：对步骤S7所形成的结构退火；
[0018]S9：通过切割和剥离所述氢注入层处使PIN光电二极管层和第一互连层与锗供体晶圆分离；
[0019]S10：对步骤S9所形成的结构退火以完成第一互连层和第二互连层的最终键合。
[0020]优选地，步骤S2进一步包括：
[0021]S21：在锗供体晶圆的正面形成隔离沟道，相邻所述隔离沟道限定PIN光电二极管的阵列区域；
[0022]S22：填充所述隔离沟道以使所述隔离沟道充满可流动电介质材料(Flowable Dielectric Material)，所述可流动电介质材料可流动电介质材料可以包括可流动氧化硅或氮化硅介质材料，例如可通过使用旋涂式介质材料(Spin
‑
on Dielectric，SOD)形成可流动介质膜。旋涂式介质材料诸如硅酸盐、硅氧烷、甲基倍半硅氧烷(MSQ)、氢倍半硅氧烷(HSQ)、MSQ/HSQ、全氢硅氮烷(TCPS)或全氢聚硅氮烷(PSZ)、聚酰亚胺。除此之外，还可以通过使用低温等离子体化学汽相沉积形成可流动介电膜。可流动电介质材料能够填充窄而深的间隙并且防止STI(浅沟槽隔离)结构中的空隙和不连续性。
[0023]优选地，步骤S3进一步包括：
[0024]S31：在所述阵列区域中，在锗供体晶圆的正面形成第一掩模，未被第一掩模覆盖的区域为第一开放区域；对第一开放区域进行第一导电类型离子注入以在与第一开放区域相对应的锗供体晶圆的正面中形成第一导电类型掺杂区域，去除第一掩模并退火；
[0025]S32：在锗供体晶圆的正面形成第二掩模，未被第二掩模覆盖的区域为第二开放区域；对第二开放区域进行第二导电类型离子注入以在与第二开放区域相对应的锗供体晶圆
的正面中形成第二导电类型掺杂区域，去除第二掩模并退火，其中第一开放区域和第二开放区域完全不重叠，第一导电类型掺杂区域、第二导电类型掺杂区域以及介于第一导电类型掺杂区域和第二导电类型掺杂区域之间的本征区域共同构成PIN(P型
‑
本征
‑
N型)光电二极管。
[0026]优选地，步骤S4中：
[0027]氢离子注入的剂量为1
×
10
15
atoms/cm2～1
×
10
18
atoms/cm2；优选地，氢离子注入的剂量至少为1
×
10
16
atoms/cm2；
[0028]和/或，氢离子注入的能量范围为1keV
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在硅上形成锗器件的方法，其特征在于，其在锗供体晶圆的正面形成隔离结构和PIN光电二极管；进行氢离子注入以在PIN光电二极管下方的锗供体晶圆中形成氢注入层，在PIN光电二极管层上形成第一互连层，继而在硅电路晶圆上形成第二互连层，通过第一互连层和第二互连层的键合来在硅上形成锗器件。2.如权利要求1所述的在硅上形成锗器件的方法，其特征在于，在PIN光电二极管层上形成第一互连层之后，进一步包括提供一硅电路晶圆，在其上形成包括用于控制和读取PIN光电二极管的电路和至少一个第二互连层；进行第一互连层和第二互连层的初次键合以连接锗供体晶圆和硅电路晶圆；通过切割和剥离所述氢注入层处使PIN光电二极管层和第一互连层与锗供体晶圆分离；退火以完成第一互连层和第二互连层的最终键合。3.如权利要求1或权利要求2所述的在硅上形成锗器件的方法，其特征在于，其包括以下步骤：S1：提供一锗供体晶圆；S2：在锗供体晶圆的正面形成隔离结构，所述隔离结构用于限定PIN光电二极管的阵列区域；S3：在所述阵列区域中形成PIN光电二极管；S4：对锗供体晶圆的正面进行氢离子注入以在PIN光电二极管下方的锗供体晶圆中形成氢注入层，PIN光电二极管与介于所述氢注入层和PIN光电二极管之间的锗层共同构成PIN光电二极管层；S5：在PIN光电二极管层上形成第一互连层并在第一互连层上形成第一对准标记，其中第一互连层包括沟道和过孔；S6：提供一硅电路晶圆，所述硅电路晶圆包括：用于控制和读取PIN光电二极管的电路和至少一个第二互连层，其中第二互连层包括沟道和过孔，第二互连层上形成有第二对准标记；S7：将第一对准标记对准于第二对准标记，进行第一互连层和第二互连层的初次键合以连接锗供体晶圆和硅电路晶圆；S8：对步骤S7所形成的结构退火；S9：通过切割和剥离所述氢注入层处使PIN光电二极管层和第一互连层与锗供体晶圆分离；S10：对步骤S9所形成的结构退火以完成第一互连层和第二互连层的最终键合。4.如权利要求3所述的在硅上形成锗器件的方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：S21：在锗供体晶圆的正面形成隔离沟道，相邻所述隔离沟道限定PIN光电二极管的阵列区域；S22：填充所述隔离沟道以使所述隔离沟道充满可流...

【专利技术属性】
技术研发人员：李加，陈维，林子瑛，
申请(专利权)人：浙江兴芯半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：