一种高阻值硅基锗SPADs传感器及其制备方法与流程

本申请涉及半导体，尤其涉及一种高阻值硅基锗spads传感器及其制备方法。

背景技术：

1、常规的goi晶圆中存在埋氧层，该层材料的热导率较低，特别是锗spads传感器的工作电压较高，导致goi晶圆上形成的锗spads传感器表现出严重的自热效应，影响spads传感器的暗电流、暗计数率、单光子探测效率等关键性能指标；另外，像元尺寸、像元间距和阵列规格通常是由读出电路定义，但传统混合集成工艺水平是采用flip-chip技术与读出电路连接的，导致锗spads传感器良率较低、成本较高。

技术实现思路

1、本申请提供了一种高阻值硅基锗spads传感器及其制备方法，能够保证高阻值硅基锗晶圆具有优异的散热特性以及更好的工作性能。

2、第一方面，本申请提供了一种高阻值硅基锗spads传感器，包括依次叠加的高阻值硅基锗晶圆、传感层、锗硅层、雪崩层、第二锗层、氧化硅层、传感互连层、读出互连层和读出电路；高阻值硅基锗晶圆包括依次叠加的高阻值受主硅衬底、高阻值硅键合层和第一锗层；

3、高阻值受主硅衬底的材质为碳化硅、金刚石或氮化铝。

4、进一步的，该锗spads传感器还包括多个以第一预设间隔分布的p型锗重掺杂区；p型锗重掺杂区为l型或u型；p型锗重掺杂区的水平部分嵌入第一锗层，且厚度与第一锗层相同；垂直部分依次贯穿传感层、锗硅层、雪崩层和第二锗层，与氧化硅层连接。

5、进一步的，该锗spads传感器还包括多个以第二预设间隔嵌入第二锗层的n型锗重掺杂区，且厚度与第二锗层相同。

6、进一步的，传感层包括锗量子阱传感层和锗传感层；锗量子阱传感层叠加在锗传感层之上。

7、进一步的，传感互连层包括多个n型电极和多个p型电极；n型电极贯穿氧化硅层，与n型锗重掺杂区连接；p型电极贯穿氧化硅层，与p型锗重掺杂区的垂直部分连接。

8、进一步的，读出互连层与传感互连层的结构相同且对称放置；

9、读出互连层中的n型电极和p型电极均与读出电路连接。

10、进一步的，第一锗层的厚度在100nm-1000 nm之间。

11、进一步的，传感层和雪崩层的厚度均在500-3000nm之间。

12、进一步的，锗硅层的厚度为100nm；第二锗层和氧化硅层的厚度均在100nm-200nm之间。

13、进一步的，高阻值受主硅衬底的材质为蓝宝石或玻璃。

14、第二方面，本申请还提供了一种高阻值硅基锗spads传感器的制备方法，包括：

15、依次叠加施主硅衬底、锗缓冲层、第一锗层和高阻值硅键合层，得到施主衬底；

16、依次叠加高阻值受主硅衬底和高阻值硅键合层，得到受主衬底；

17、其中，高阻值受主硅衬底的材质为碳化硅、金刚石或氮化铝；

18、将施主衬底和受主衬底晶圆键合后，去除施主硅衬底和锗缓冲层；

19、对第一锗层进行化学机械抛光，得到高阻值硅基锗晶圆；

20、在高阻值硅基锗晶圆上依次叠加传感层、锗硅层、雪崩层、第二锗层、氧化硅层、传感互连层、读出互连层和读出电路，得到高阻值硅基锗spads传感器。

21、进一步的，该方法还包括：在得到高阻值硅基锗晶圆后，采用离子注入的方式在第一锗层内形成多个水平的、以第一预设间隔分布的第一p型锗重掺杂区；在叠加第二锗层后，采用离子注入的方式形成多个垂直且依次贯穿第二锗层、雪崩层、锗硅层和传感层的第二p型锗重掺杂区；第二p型锗重掺杂区和第一p型锗重掺杂区一一对应连接，形成p型锗重掺杂区。

22、进一步的，高阻值硅键合层的厚度在10nm-100nm之间。

23、进一步的，锗缓冲层的厚度在100nm-500nm之间。

24、进一步的，该方法还包括：

25、在得到高阻值硅基锗spads传感器后，移除预设百分比的高阻值受主硅衬底。

26、综上，与现有技术相比，本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

27、本申请实施例提供的一种高阻值硅基锗spads传感器，首先，选用高热导率的高阻值硅材料作为键合层，保证了高阻值硅基锗晶圆具有优异的散热特性，避免了锗spads传感器过热损坏，确保了高阻值硅基锗spads传感器可以在更高的温度下稳定工作；其次，采用高阻值硅衬底作为受主衬底，它具有衬底电容小、掺杂浓度低的特点，使得锗spads传感器具有更好的工作性能。最后，通过互连层与读出电路进行连接，集成度高，无需flip-chip技术，锗spads传感器良率高，为高分辨率的锗spads传感器技术提供了一种低成本的解决方案。

技术特征：

1.一种高阻值硅基锗spads传感器，其特征在于，包括依次叠加的高阻值硅基锗晶圆、传感层、锗硅层、雪崩层、第二锗层、氧化硅层、传感互连层、读出互连层和读出电路；

2.根据权利要求1所述的高阻值硅基锗spads传感器，其特征在于，还包括多个以第一预设间隔分布的p型锗重掺杂区；所述p型锗重掺杂区为l型或u型；

3.根据权利要求2所述的高阻值硅基锗spads传感器，其特征在于，还包括多个以第二预设间隔嵌入所述第二锗层的n型锗重掺杂区，且厚度与所述第二锗层相同。

4.根据权利要求1所述的高阻值硅基锗spads传感器，其特征在于，所述传感层包括锗量子阱传感层和锗传感层；所述锗量子阱传感层叠加在所述锗传感层之上。

5.根据权利要求3所述的高阻值硅基锗spads传感器，其特征在于，所述传感互连层包括多个n型电极和多个p型电极；所述n型电极贯穿所述氧化硅层，与n型锗重掺杂区连接；所述p型电极贯穿所述氧化硅层，与所述p型锗重掺杂区的垂直部分连接。

6.根据权利要求5所述的高阻值硅基锗spads传感器，其特征在于，所述读出互连层与所述传感互连层的结构相同且对称放置；

7.根据权利要求1所述的高阻值硅基锗spads传感器，其特征在于，所述第一锗层的厚度在100nm-1000 nm之间。

8.根据权利要求1所述的高阻值硅基锗spads传感器，其特征在于，所述传感层和所述雪崩层的厚度均在500-3000nm之间。

9.根据权利要求1所述的高阻值硅基锗spads传感器，其特征在于，所述锗硅层的厚度为100nm；所述第二锗层和所述氧化硅层的厚度均在100nm-200nm之间。

10.根据权利要求1所述的高阻值硅基锗spads传感器，其特征在于，所述高阻值受主硅衬底的材质为蓝宝石或玻璃。

11.一种高阻值硅基锗spads传感器的制备方法，其特征在于，包括：

12.根据权利要求11所述的高阻值硅基锗spads传感器的制备方法，其特征在于，还包括：在得到所述高阻值硅基锗晶圆后，采用离子注入的方式在所述第一锗层内形成多个水平的、以第一预设间隔分布的第一p型锗重掺杂区；

13.根据权利要求11所述的高阻值硅基锗spads传感器的制备方法，其特征在于，所述高阻值硅键合层的厚度在10nm-100nm之间。

14.根据权利要求11所述的高阻值硅基锗spads传感器的制备方法，其特征在于，所述锗缓冲层的厚度在100nm-500nm之间。

15.根据权利要求11所述的高阻值硅基锗spads传感器的制备方法，其特征在于，还包括：在得到所述高阻值硅基锗spads传感器后，移除预设百分比的所述高阻值受主硅衬底。

技术总结本申请属于半导体技术领域，公开了一种高阻值硅基锗SPADs传感器及其制备方法，包括依次叠加的高阻值硅基锗晶圆、传感层、锗硅层、雪崩层、第二锗层、氧化硅层、传感互连层、读出互连层和读出电路；高阻值硅基锗晶圆包括依次叠加的高阻值受主硅衬底、高阻值硅键合层和第一锗层；高阻值受主硅衬底的材质为碳化硅、金刚石或氮化铝。本申请够保证高阻值硅基锗晶圆具有优异的散热特性以及更好的工作性能。技术研发人员：苗渊浩,亨利·H·阿达姆松受保护的技术使用者：广东省大湾区集成电路与系统应用研究院技术研发日：技术公布日：2024/7/25