硅光子集成方法和結構技術

提供了硅光子集成方法和結構。該方法包括：在光電探測器上方和周圍形成至少一個包裹層；在形成所述至少一個包裹層之后，對所述光電探測器材料進行熱結晶；以及在熱結晶所述光電探測器材料之后，在至少一個器件的上方，在所述至少一個包裹層上形成共形的密封層。所述共形的密封層被配置為密封所述至少一個包裹層中的縫隙。所述光電探測器和所述至少一個器件位于同一襯底上。所述至少一個器件包括互補金屬氧化物半導體器件或被動光子器件。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及半導體器件及其形成方法，更具體地說，涉及集成化的光子半導體器件。
技術介紹
互補金屬氧化物半導體(CMOS)集成電路越來越多地使用光學傳輸結構來超越銅的帶寬限制。在數據通信的高速切換和收發(fā)設備中使用光子器件僅僅是體現在單個集成器件中既處理光學信號又處理電學信號的好處的若干示例。例如，集成光子器件可以包括制造在單個硅襯底上的光電探測器和CMOS類型器件。然而，在制造工藝中，某些工藝，雖然對于某一類型的器件(例如CMOSFET)的形成和/或操作有好處或者是必要的，但是卻對其他類型的器件(例如光電探測器)的形成和/或操作是有害的。例如，使用單個氮化物來在光學器件和CMOS器件上鎖住硅化物導致低性能和低產率。此外，包裹劑中的鍺再結晶將在包裹劑中產生縫隙，從而使得后續(xù)的濕法化學處理(例如，在硅化物工藝中)將鍺蝕刻掉。在被動光子上用于硅化物保護的電介質可能是不均勻的(即在某些位置太厚或者太薄)，這導致過度的光學損失或者串擾。因此，除了別的以外，在集成光子器件內部，維持制造工藝中光子類型器件和非光子類型器件的一致性，是有利的。
技術實現思路
在本專利技術的第一方面是一種用于形成半導體結構的方法。該方法包括：在光電探測器上方和周圍形成至少一個包裹層；在形成所述至少一個包裹層之后，對所述光電探測器材料進行熱結晶；以及在熱結晶所述光電探測器材料之后，在至少一個器件的上方，在所述至少一個包裹層上形成共形的密封層，所述共形的密封層被配置為密封所述至少一個包裹層中的縫隙。所述光電探測器和所述至少一個器件位于同一襯底上。所述至少一個器件包括互補金屬氧化物半導體器件或被動光子器件。本專利技術的另一方面是一種形成半導體結構的方法。該方法包括：在襯底上形成互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件、被動光子器件和光電探測器材料；在CMOS器件、被動光子器件和光電探測器材料上方形成包裹層；移除在CMOS器件和被動光子器件上方的一部分包裹層；結晶所述光電探測器材料；以及在CMOS器件、被動光子器件上方以及光電探測器材料上方的包裹層的一部分上形成共形密封層。本專利技術另一方面是一種半導體結構，該結構包括：襯底上的第一器件、第二器件以及光電探測器；在光電探測器上方和周圍的包裹層；在第一器件上，以及在光電探測器上方的包裹層上的共形氮化物密封層；以及在第二器件上，以及在光電探測器上方的包裹層上的氮化物壁壘層。本專利技術的另一方面是一種半導體結構，包括：襯底上的光電探測器材料；光電探測器材料上的第一硅氮化物層；第一硅氮化物層上，以及光電探測器材料上方的第二硅氮化物層；第二硅氮化物層上，以及光電探測器材料上方的氧化物層；氧化物層上，以及光電探測器材料上方的第三硅氮化物層；第三硅氮化物層上，以及光電探測器材料上方的第四硅氮化物層；第四硅氮化物層上，以及光電探測器材料上方的共形硅氮化物密封層；以及共形硅氮化物密封層上，以及光電探測器材料上方的硅氮化物壁壘層。附圖說明下面參照所給出的多幅附圖，通過本專利技術的示例性實施例的非限定性的例子，對本專利技術進行詳細的描述。圖1-14示出根據本專利技術的方面的結構和相應處理步驟；以及圖15示出根據本專利技術方面的實施。具體實施方式本專利技術涉及半導體器件及其形成方法，更具體地說，涉及集成光子半導體器件。根據本專利技術的方面，在光子器件的包裹層上形成高度共形的硅氮化物密封層，所述光子器件與CMOS器件集成在單個硅襯底上。在實施例中，在熱結晶被包裹層包裹的鍺后，例如，在使用快速融化生長(RMG)工藝來結晶將要形成光電探測器一部分的鍺之后，將氮化物密封層形成在包裹層上。氮化物密封層對在結晶工藝中形成于包裹層中的縫隙進行填充，從而有利地防止了鍺的向外擴散和/或通過這些縫隙對鍺進行攻擊。這樣，本專利技術的實施改善了性能和產率。根據本專利技術的方面，共形的氮化物密封層可以在被動光學器件(例如激光光柵耦合器、波分復用器和解復用器)和CMOS器件(例如精確多晶硅電阻)上形成。在實施例中，共形的氮化物密封層使用快速熱化學氣相淀(RTCVD)來形成，使用等離子增強化學氣相淀(PECVD)來在共形氮化物密封層上形成硅氮化物壁壘層。在示例性實施中，氮化物壁壘層被構圖為從激光光柵耦合器上移除氮化物壁壘層的一部分，而在激光光柵耦合器上僅僅留下共形氮化物密封層。在示例性實施例中，共形氮化物密封層被構圖為從CMOS晶體管上移除共形氮化物密封層的一部分，所述CMOS晶體管隨后被硅化，然后所述氮化物壁壘層被形成在硅化的CMOS晶體管上。這樣，通過允許設計者來針對給定的器件從四種獨特的硅氮化物組合中選擇一種特定的組合來實現以下特性中的一種或多種，多個硅氮化物層改善了性能和產率：改善的氮化物厚度均勻性；改善的氮化物共形性；改善的硼外泄；以及熱周期。此外，取決于氮化物厚度和用于形成氮化物膜的工藝化學，器件的應力可以被改變以改善器件性能。本專利技術的結構可以在半導體結構中實施，所述半導體結構可以使用多種工具以多種方式制造。雖然一般來說，所述方法和工具用于在微米和納米尺度的維度上形成半導體實施。所述用于制造半導體實施的方法，即技術，已經從集成電路技術采用。例如，半導體實施是構建在晶圓上，并且通過晶圓頂部的光刻工藝所構圖的材料膜來實現。特別地，半導體實施的制造使用三個基本構建單元：(i)在襯底上沉積材料薄膜，(ii)通過光刻成像在薄膜頂部施加構圖掩膜，以及(iii)根據掩膜選擇性地蝕刻薄膜。此處描述的結構和工藝提供了CMOS集成納米光子器件的示例性實施例，所述器件例如包括諸如鍺光電探測器的光子器件和諸如FET晶體管的CMOS器件。在CMOS集成納米光子電路內部，諸如鍺或III－V族化合物的晶體，基于其高量子效應，可以被用作光電探測器組件的作用成分。使用快速濕法生長技術，膜(例如鍺)可以可以在低溫下處于非定型狀態(tài)時采用諸如物理氣相淀(PVD)、等離子增強化學氣相淀(PECVD)和快速熱化學氣相淀(RTCVD)來沉積，然后被熱結晶。在結晶工藝中，可以使用多層膜堆棧來包裹形成光電探測器作用區(qū)域的鍺膜，從而防止晶體瑕疵以及作為外泄結果的污染。這樣，描述根據本專利技術一個或多個示例性實施例的包裹性膜堆棧。為了形成單個的晶體鍺作用區(qū)域，通過將鍺膜沉積其上的半導體晶圓加熱到約1100℃來使鍺膜結晶。在約940℃處，鍺膜從固態(tài)相變?yōu)橐簯B(tài)。在后續(xù)冷卻階段，液態(tài)鍺相變回固態(tài)鍺形成單個晶體鍺材料，從而形本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種形成半導體結構的方法，包括：在光電探測器上方和周圍形成至少一個包裹層；在形成所述至少一個包裹層之后，對所述光電探測器材料進行熱結晶；以及在熱結晶所述光電探測器材料之后，在至少一個器件的上方，在所述至少一個包裹層上形成共形的密封層，其中所述共形的密封層被配置為密封所述至少一個包裹層中的縫隙，所述光電探測器和所述至少一個器件位于同一襯底上；以及所述至少一個器件包括互補金屬氧化物半導體器件或被動光子器件。

【技術特征摘要】
2014.12.23 US 14/5805641.一種形成半導體結構的方法，包括：
在光電探測器上方和周圍形成至少一個包裹層；
在形成所述至少一個包裹層之后，對所述光電探測器材料進行熱結晶；
以及
在熱結晶所述光電探測器材料之后，在至少一個器件的上方，在所述至
少一個包裹層上形成共形的密封層，
其中所述共形的密封層被配置為密封所述至少一個包裹層中的縫隙，
所述光電探測器和所述至少一個器件位于同一襯底上；以及
所述至少一個器件包括互補金屬氧化物半導體器件或被動光子器件。
2.如權利要求1的方法，其中
所述熱結晶光電探測材料在所述至少一個包裹層中形成縫隙；以及
所述共形的密封層塞住所述縫隙。
3.如權利要求1的方法，其中形成共形的密封層包括使用快速熱化學氣
相淀來形成硅氮化物。
4.如權利要求1的方法，其中所述至少一個器件包括晶體管，并且進一
步包括：
掩蓋所述共形的密封層在光電探測器上方的第一部分；以及
從晶體管上方移除共形的密封層的第二部分。
5.如權利要求4的方法，進一步包括：
在從晶體管上方移除共形的密封層的第二部分之后，在晶體管上形成硅
化物；以及
在晶體管上和光電探測器上方的共形的密封層上形成壁壘層。
6.如權利要求5的方法，其中：
形成共形的密封層包括使用快速熱化學氣相淀形成硅氮化物層；以及
形成壁壘層包括使用等離子增強化學氣相淀形成另一硅氮化物層。
7.如權利要求1的方法，其中所述至少一個器件包括激光光柵耦合器，
并且進一步包括：
在光電探測器上方的共形密封層的第一部分和激光光柵耦合器上方的共
形密封層的第二部分上形成壁壘層；以及
從所述激光光柵耦合器上方移除壁壘層的一部分。
8.根據權利要求1的方法，其中至少一個器件包括第一器件和第二器件，
在第一器件、第二器件以及至少一個包裹層上方形成共形密封層，該方法進
一步包括：
從所述第一器件的上方移除共形密封層的一部分；
在所述第一器件、第二器件和至少一個包裹層的上方的共形密封層上形
成壁壘層；以及
從所述第二器件上方移除所述壁壘層的一部分。
9.如權利要求1的方法，進一步包括在形成共形密封層之前，在所述至
少一個器件上形成氮化物層，其中所述共形密封層形成在所述氮化層上。
10.如權利要求9的方法，其中所述至少一個器件包括電阻器。
11.一種形成半導體結構的方法，包括：
在襯底上形成互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件、被動光子器件和
光電探測器材料；
在CMOS器件、被動光子器件和光電探測器材料上方形成包裹層；
移除包裹層在CMOS器件和被動光子器件上方的一部分；
結晶所述光電探測器材料；以及
在CMOS器件、被動光子器件上方以及光電探測器上方的包裹層的一部
分上形成共形密封層。
12.如權利要求11的方法，進一步包括：
移除所述共形密封層在CMOS器件上方的部分；以及
在CMOS器件上，以及在所述共形密封層在光電探測器上方的部分上，
形成壁壘層。...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：S·阿塞法，T·巴爾維奇，W·M·格林，M·H·哈提爾，J·C·羅森伯格，S·M·尚克，
申請(專利權)人：國際商業(yè)機器公司，
類型：發(fā)明
國別省市：美國;US