鍺（Ge）探測器是硅基光電子芯片中實(shí)現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)化的核心器件。在硅基光電子芯片工藝中實(shí)現(xiàn)異質(zhì)單片集成高性能Ge探測器工藝，是光模塊等硅基光電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)小體積、低成本和易制造的優(yōu)先選擇。硅基光電子芯片集成Ge探測器主要挑戰(zhàn)在于熱預(yù)算兼容、金屬污染防控及工藝結(jié)構(gòu)的匹配三個方面。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，聯(lián)合微電子中心有限責(zé)任公司研究團(tuán)隊探討了硅基光電子芯片集成Ge探測器在實(shí)際工藝中遇到的挑戰(zhàn)和解決思路。相關(guān)研究內(nèi)容以“硅基光電子工藝中集成鍺探測器的工藝挑戰(zhàn)與解決方法”為題發(fā)表在《數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用》期刊上。

硅光集成Ge探測器簡介

數(shù)據(jù)中心內(nèi)使用光纖通信以及由硅基光電子芯片封裝的光收發(fā)器是一個非常有吸引力的選擇，在短距離互連中可以顯著降低收發(fā)器模塊的功耗、成本和尺寸。硅基光電子芯片基于成熟的CMOS集成電路工藝技術(shù)、可在晶圓上大規(guī)模集成，成本低，產(chǎn)量大，且在重復(fù)性和良率上表現(xiàn)優(yōu)異。同時依靠先進(jìn)的封裝技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)條件，為大規(guī)模制造硅基光電子收發(fā)器模塊提供了成熟的生產(chǎn)解決方案。

PIN光電探測器是硅基光電子芯片中的核心器件之一，其較PN節(jié)探測器多了一層I型本征層作為產(chǎn)生光電流的吸收光輻射區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)小結(jié)電容，短渡越時間和高靈敏度。在高速光通信中，不僅依賴于芯片之間的通信，還需要實(shí)現(xiàn)芯片上組件之間的通信，然而，大多數(shù)信號處理，特別是數(shù)據(jù)存儲仍然是以電信號的模式存在，這意味著實(shí)現(xiàn)光信號到電信號快速轉(zhuǎn)換的PIN光電探測器在發(fā)射器和接收器上是必要的。

如圖1所示，硅對1100 nm以上波長透明，在通信波段可以實(shí)現(xiàn)較低損耗的光信號傳輸，但不適合用于光電探測器制造。Ge的帶隙為0.67 eV，同時是直接帶隙，在近紅外波段有著較高的吸收系數(shù)，是工作波長為1310 nm（O波段）和1550 nm（C波段）的光電探測器首選的吸收材料。Ge的光電探測器可在高頻下工作，響應(yīng)度高，同時Ge與硅基CMOS集成電路制造工藝兼容，被廣泛用于光電探測器的制造。

圖1 根據(jù)光學(xué)常數(shù)計算的厚度為500nm的Si和Ge的透光率

長期以來，硅基光電子以SOI（絕緣層上硅）為主要集成平臺，利用該平臺可實(shí)現(xiàn)高密度的多種硅光無源器件和有源器件集成。硅基光電子芯片集成Ge探測器同樣是基于SOI平臺，由于Ge熔點(diǎn)較其他半導(dǎo)體材料低，集成時首先就要解決其熱預(yù)算兼容的問題。Ge選擇性外延工藝溫度較高，在金屬段集成易造成污染，同時其為半金屬，要避免與其他工藝的交叉污染，需要綜合考慮金屬污染防控問題。最后為了不影響其他器件設(shè)計及性能，工藝結(jié)構(gòu)也必須匹配。

集成Ge探測器的工藝挑戰(zhàn)與解決方法

熱預(yù)算兼容

先進(jìn)半導(dǎo)體工藝會對其熱工藝制程進(jìn)行嚴(yán)格的控制，以避免過多的熱預(yù)算造成摻雜離子的過度擴(kuò)散，從而導(dǎo)致器件性能退化或失效。在硅基光電子工藝中集成Ge探測器時，還需要考慮工藝對Ge材料的兼容問題。如圖2所示，為了實(shí)現(xiàn)有源器件的電學(xué)功能，常規(guī)的注入工藝之后，需要對其摻雜離子進(jìn)行退火激活，其典型的退火工藝溫度約1000 ℃，但Ge的熔點(diǎn)僅有938 ℃，如果在注入退火工藝之前集成必然會造成Ge探測器熔化失效，Ge工藝必須在注入和退火工藝后進(jìn)行。

但將Ge工藝整合在注入之后需要解決注入Si損傷問題。高能量劑量的注入會對Si造成損傷，導(dǎo)致Ge外延時產(chǎn)生大量缺陷甚至出現(xiàn)無法外延的情況。通過長時間的低溫退火，或者生長一層薄的熱氧然后通過稀氫氟酸清洗可以修復(fù)Si損傷，并獲得高質(zhì)量Ge器件。

圖2 硅光工藝流程示意圖

在另一方面，Ge外延同樣是一個熱過程，其會造成已注入離子的再次擴(kuò)散，特別是離子半徑小的元素，比如B，其擴(kuò)散過程會更加劇烈，有導(dǎo)致有源器件性能退化的風(fēng)險。降低Ge工藝溫度可以避免摻雜離子的過度擴(kuò)散，但會導(dǎo)致Ge器件中螺位錯無法有效消除，這些位錯是由于Ge和Si之間約4%的晶格失配引起，其會生成少數(shù)載流子，導(dǎo)致暗電流增加。Ge外延工藝溫度需要綜合考慮Ge探測器和其他有源器件的性能，尋找一個最佳平衡點(diǎn)。

此外，綜合考慮Ge外延工藝的熱預(yù)算，提前對有源器件設(shè)計，注入工藝和摻雜離子選擇做針對性的優(yōu)化同樣可以避免Ge探測器集成對其他有源器件的影響。如圖3所示，通過原子力顯微鏡（AFM）表征了工藝開發(fā)前期及綜合優(yōu)化后Ge外延薄膜的位錯分布，其位錯密度由10? /cm2 減少到10? /cm2數(shù)量級，在保障其他器件性能的同時，有效地降低了Ge探測器中暗電流的產(chǎn)生。

圖3 AFM下外延Ge中的位錯分布

金屬污染防控

金屬污染對于半導(dǎo)體工藝是致命的，會造成可靠性和良率的降低，器件失效，甚至是給生產(chǎn)線帶來不可逆轉(zhuǎn)的損害。對于Ge探測器而言，金屬離子擴(kuò)散進(jìn)入Ge晶格后，會形成缺陷，產(chǎn)生中間能級，導(dǎo)致探測器暗電流增大。將Ge探測器集成控制在金屬材料相關(guān)工藝之前可以最大限度地避免金屬段設(shè)備對Ge器件的污染。

更重要的，Ge外延工藝是一個相對高溫過程，超過金屬Al的熔點(diǎn)，如果在金屬Al工藝之后進(jìn)行Ge集成，會造成器件失效，同時帶來嚴(yán)重的設(shè)備交叉污染風(fēng)險。此外，如圖4所示，金屬離子在晶圓中的擴(kuò)散系數(shù)會隨著溫度呈指數(shù)變化，在高溫過程中，作為降低接觸電阻的金屬硅化物元素，如：Co或Ni會擴(kuò)散到硅光器件的各個位置，形成光吸收中心或者P-N節(jié)漏電流，從而進(jìn)一步造成硅光器件光損耗異常甚至失效。

圖4 不同元素擴(kuò)散系數(shù)隨溫度變化曲線

工藝結(jié)構(gòu)匹配

考慮到Ge探測器集成需要在完成離子注入退火后以及金屬段之前，同時由于Ge是一種半金屬，還要避免Ge的交叉污染，需要盡可能靠近金屬段，綜合考慮工藝架構(gòu)匹配，將探測器集成與SAB（Salicide Block，自對準(zhǔn)硅化物區(qū)域阻擋層）工藝段前為最優(yōu)。首先可以通過SAB阻擋層將Ge探測器保護(hù)起來；其次SAB為最靠近金屬段的光刻層，可以最大限度地避免Ge交叉污染。SAB主要用于降低接觸孔和器件之間的接觸電阻。如圖5所示，在完成硅光前段工藝之后，SAB工藝之前，沉積一層氧化硅作為Ge外延生長的硬掩模，通過光刻和刻蝕將Ge器件圖形轉(zhuǎn)移到硬掩模上，這個過程中，為了器件性能的穩(wěn)定性，對刻蝕深度的一致性有較高要求。

圖5 硅基光電子芯片集成Ge探測器示意圖

如圖6(a)所示，為了進(jìn)一步提升器件性能，通過采用工藝溫度較低的鎳的硅化物（NiSi，工藝溫度約400℃）替代工藝溫度較高的鈷的硅化物（CoSi?，工藝溫度約800℃），來降低后續(xù)工藝溫度對探測器的和其他硅光器件的影響。如圖6(b)所示，采用Ni作為生成硅化物的金屬，分別采用Ni和Co工藝的退火條件得到C波段的波導(dǎo)損耗，其中，Ni工藝退火條件的波導(dǎo)損耗在1.4 dB/cm左右，數(shù)據(jù)收斂；而Co工藝退火條件的波導(dǎo)損耗明顯偏高，嚴(yán)重影響硅基光電子芯片性能。

圖6 Ni-Si和Co-Si工藝對比

研究人員在CUMEC的中試線上開發(fā)了硅光SOI集成Ge探測器工藝，通過不斷對Ge集成工藝和設(shè)計的迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了Ge探測器的工藝集成，其TEM（透射電子顯微鏡）截面圖如圖7所示，并對其器件性能進(jìn)行了表征，其性能表現(xiàn)優(yōu)異。圖8展示了優(yōu)化后Ge探測器性能提升。

圖7 Ge探測器TEM截面圖

圖8 優(yōu)化后Ge探測器性能

結(jié)語

全球各地的數(shù)據(jù)中心呈爆發(fā)式發(fā)展，硅基光電子芯片有望大幅降低其成本與功耗，其核心器件Ge探測器的集成主要面臨三個方面的工藝挑戰(zhàn)：熱預(yù)算兼容、金屬污染防控及工藝結(jié)構(gòu)匹配，將探測器集成在SAB工藝段前是解決該挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。通過綜合優(yōu)化器件和工藝設(shè)計，尋找最佳Ge外延溫度，并對其金屬污染進(jìn)行嚴(yán)格管控以及采用對硅光器件更為友好的Ni金屬硅化物方案等，實(shí)現(xiàn)了高性能的Ge探測器的工藝集成。

論文信息：

DOI: 10.19695/j.cnki.cn12-1369.2023.08.46

審核編輯：劉清