[发明专利]单晶硅局域SOI衬底、光电器件及制备方法

说明书

本发明提供一种单晶硅局域SOI衬底、光电器件及制备方法，制备方法包括：1)在硅衬底上刻蚀出局域SOI区域槽；2)于局域SOI区域槽及硅衬底表面沉积介质层，并抛光形成平坦表面；3)沉积非晶硅层于硅衬底表面，并通过热退火固相外延工艺使非晶硅层重新结晶形成覆盖于硅衬底及介质层表面的单晶硅层，以形成单晶硅局域SOI衬底，于硅衬底及其上方的单晶硅层制备电学器件，于介质层上的单晶硅层上制备光学器件。采用本发明的方法可以在体硅衬底上形成局域SOI，从而实现光芯片与电芯片的单片集成。

技术领域

本发明属于半导体材料与器件领域，特别是涉及一种单晶硅局域SOI衬底、光电器件及制备方法。

背景技术

光电集成技术是未来信息产业发展的关键技术之一，是实现芯片小型化、克服信号延迟及突破摩尔定律瓶颈的关键技术方案。现阶段光电集成的方案是将电芯片和光芯片做在不同的芯片上，然后通过引线、倒装焊、2.5D/3D等技术实现光电互联。在同一衬底上采用标准CMOS工艺实现电芯片与光芯片的单片集成，能有效提升芯片集成度与芯片速率，同时降低工艺成本，是光电集成芯片的重要发展方向之一。然而，作为微电子芯片(Intel、Apple、Nvidia CPU/GPU、全电脑内存、闪存等)的主导制造平台，体硅CMOS工艺中缺乏一种具有合适光学性能的半导体材料来实现大块的有源无源光子功能。到目前为止，所有将光芯片集成到CMOS中的努力都局限于绝缘体上的硅(SOI)材料商。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单晶硅局域SOI衬底、光电器件及制备方法，用于解决现有技术中基于多晶硅SOI材料制备的光芯片性能难以提高的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单晶硅局域SOI衬底的制备方法，所述制备方法包括步骤：1)提供一硅衬底，在所述硅衬底上刻蚀出局域SOI区域槽；2)于所述局域SOI区域槽及所述硅衬底表面沉积介质层，并进行化学机械抛光工艺形成平坦表面，所述平坦表面显露所述硅衬底表面；3)沉积非晶硅层于所述硅衬底及所述介质表面，并通过热退火固相外延工艺使所述非晶硅层重新结晶形成覆盖于所述硅衬底及介质层表面的单晶硅层，以形成所述单晶硅局域SOI衬底。

可选地，所述局域SOI区域槽的深度介于1微米～10微米之间。

可选地，步骤2)采用化学气相沉积工艺于所述局域SOI区域槽及所述硅衬底表面沉积介质层，所述介质层的厚度大于所述局域SOI区域槽的深度，所述介质层的材料包括二氧化硅、氮氧化硅及氮化硅中的一种。

可选地，步骤3)采用磁控溅射方法或化学气相沉积方法沉积非晶硅层于所述硅衬底表面，所述非晶硅层的厚度介于50纳米～5000纳米之间。

可选地，步骤3)所述热退火固相外延工艺的退火温度介于500～1200℃之间，退火时间介于0.5分钟～120分钟。

本发明还提供一种基于单晶硅局域SOI衬底的光电器件的制备方法，所述制备方法包括步骤：1)采用单晶硅局域SOI衬底的制备方法制备单晶硅局域SOI衬底；2)于所述硅衬底及其上方的单晶硅层制备电学器件，于所述介质层上的单晶硅层上制备光学器件。

可选地，所述电学器件包括半导体晶体管、二极管、电阻及电容中的一种或多种，所述光学器件包括光波导、有源器件及无源器件中的一种或多种。

本发明还提供一种单晶硅局域SOI衬底，包括：硅衬底，所述硅衬底上具有局域SOI区域槽；介质层，填充于所述局域SOI区域槽中；以及单晶硅层，覆盖于所述硅衬底及所述介质层表面。

可选地，所述局域SOI区域槽的深度介于1微米～10微米之间。

可选地，所述介质层的材料包括二氧化硅、氮氧化硅及氮化硅中的一种。

可选地，所述非晶硅层的厚度介于50纳米～5000纳米之间。