CN100361276C

CN100361276C - 单片光电集成光接收器制作中消除应力和损伤的方法

Info

Publication number: CN100361276C
Application number: CNB2004100401145A
Authority: CN
Inventors: 叶玉堂; 吴云峰; 焦世龙; 张雪琴; 赵爱英; 刘霖; 王昱琳
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: CN1716540A

Abstract

本发明提供的单片光电集成光接收器制作中消除应力和损伤的方法，它是通过采用功率密度很高的激光束照射半导体表面需要退火的区域，在照射区将产生温度随时间的变化率很大、持续时间短的骤冷、骤热过程；将该温度骤变过程控制在合适的变化范围，就可能使半导体性能得以改善，缺陷、损伤等得以消除。它特别适用于单片集成光电二极管/前放集成电路(PDIC)制作中离子注入后消除PDIC的应力和损伤。

Description

单片光电集成光接收器制作中消除应力和损伤的方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域，它特别涉及激光应用技术。

背景技术

近几年来，单片OEICs(Optoelectronics Integrated Circuits光电集成回路，简称OEIC_s)器件发展迅速，其中单片集成PDIC(Photodiode/preamplifier Integrated Circuits，即光电二级管/前放集成电路)光接收器(以下简称单片集成光接收器或PDIC)是一种重要的单片OEIC_s器件，它将光电二极管和前置放大电路制作在同一芯片上，其前端是一个光电二极管，可把光信号转换为电信号；后端是前置放大电路，可把光电信号放大到所需幅度。目前，单片集成PDIC主要用于光通信、激光精确制导、光控相控阵雷达和DVD等领域。附图1是单片集成PDIC的示意图。需要注意的是，光电二极管和电路部分有互联线路。光电二极管区域的直径在微米到十微米量级。

目前PDIC制作均是使用常规微电子工艺，([1]N.Fukunaga et al.：Si-OEIC(OPIC)for Optical Pickup.IEEE Transactions on Consumer Electronics，Vol.43 No.2 MAY 1997.[2]T.Takimoto et al.：High Speed Si-OEIC(OPIC)for Optical Pickup.IEEE Transactionson Consumer Electronics，Vol.44，No.1，FEBRUARY 1998.[3]M.Yamamoto etal，：Si-OEIC with a Built-in Pin-Photodiode.IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.42，No.1，JANUARY 1995.)在光电二极管制作过程中的掺杂工艺如今最常用的有两种：热扩散法和离子注入法。所谓热扩散法，由于存在浓度梯度，杂质原子向基片内产生扩散运动而达到掺杂的目的。由于扩散系数是与温度密切相关的函数，([4]崔国文，缺陷、扩散与烧结，清华大学出版社，1990)为了得到较快的掺杂速度，需要把基片加热到较高的温度；而且，利用热扩散法进行掺杂时，窗口边缘处的横向扩散范围基本上等于纵向扩散深度([5]叶玉堂，激光微细加工，电子科技大学出版社，1995.)

在制作单片集成PDIC时，首先，由于PDIC的高度集成化，电器件与光电二极管之间的间隔必定很小，如果利用热扩散法来制作探测器，很有可能由于侧向扩散而扩散至电器件区域，影响电路部分的性能；其次，在制作光电二极管时，应该使电路部分处于低温状态，不对其产生热冲击，否则必然将对电路的性能产生负面影响。因此，考虑到以上两个因素，人们采用具有“直接写入”、“低温处理”等特点的离子注入法制作光电二极管。

所谓离子注入掺杂技术，就是将需要作为掺杂元素的原子离化，使其转变为离子，并将其加速到一定能量之后，注入半导体基片表面，以改变基片表面的物理和化学性质。离子注入法实际上就是利用具有一定能量的掺杂离子对衬底表面进行轰击，从而在晶片表面非常薄的一层表面层内产生高浓度的空位，使掺杂离子进行快速扩散，形成所需的杂质掺入区域。

离子注入法与热扩散法相比，有掺杂温度低、可控性好及侧向扩散小等主要优点。

虽然离子注入法具有诸多优点，但也存在一个较大的弊端，那就是离子注入时会在晶体内产生大量的晶格缺陷，且入射离子能量越大，注入离子造成的损伤就越严重([5]叶玉堂，激光微细加工，电子科技大学出版社，1995.)。

这些缺陷和晶格畸变必然会给器件的电性能带来很坏的影响，因此必须采用有效的退火措施来消除晶体中的缺陷和应力。

常规的退火方法是热退火，也就是把待退火的半导体晶片放入退火炉中，在保护气氛下，恒温保持一定时间后取出。热退火可以消除损伤，这是因为在离子注入过程中形成的稳定缺陷群由于热处理而分解成点缺陷和结构简单的缺陷。这些点缺陷和结构简单的缺陷在热处理温度能以较高的迁移率在晶体中移动，同时逐渐湮灭或被原来晶体中的位错或杂质所吸收。热退火还能改变离子注入层的电特性。在半导体材料中，只有使杂质占据替位位置时才能作为施主或受主而释放载流子。注入离子在未经退火时一般处于间隙位置，因此是未电激活的，只有经过适当温度的热处理，注入离子才可能部分或全部地转入替位位置，从而使晶体获得导电特性。

然而，常规热退火仍存在较大的缺点：第一，热退火消除缺陷不完全。经热退火后遗留的二次缺陷对半导体的电特性影响仍然很大，例如：虽然热退火后迁移率可以恢复，但少数载流子扩散长度并不能恢复。第二，注入杂质的电激活率不够高。即使把退火温度提高到接近衬底材料的熔点，仍然能观察到大量的残余缺陷。第三，在制作单片集成PDIC时，热退火必须将整个片子放进炉中进行高温加热，这必然对以前做好的电路部分产生热冲击，从而对电路部分的性能产生负面影响。

发明内容

为解决上述热退火的问题，我们提出一种单片光电集成光接收器制作中消除应力和损伤的方法，按照本发明的方法对PDIC进行退火可达到改善半导体性能、消除缺陷、损伤而又不对同一基片上已做好的集成电路性能产生负面影响的目的。

本发明提供的单片光电集成光接收器制作中消除应力和损伤的方法，其特征是它采用下面的步骤：

步骤1 准备待退火的基片，所述基片是已经进行了光电二极管的离子注入工艺、待退火的基片；最简单的基片仅包含一个光接收器，其结构示意图如图1所示，基片上也可以含多个光接收器的阵列，如图2所示；

步骤2 确定需退火的区域，即基片上光接收器中的光电二极管的相应区域。对于光接收器阵列，即一个基片上含多个接收器时，则分别标注出每个光接收器中需退火的区域(即每个PDIC中光电二极管的相应区域)；

步骤3 通过调整光路，实现激光对准：对于含多个光接收器的基片，根据需要进行退火的光接收器的个数，利用分束器将激光分为与光接收器的个数相等的激光束，并且调整光路分别对准多个光接收器需退火的区域；

步骤4 启动激光器开关，对相应区域进行照射，实现激光局域退火；所需激光器对相应区域进行照射时间及照射次数根据具体要求确定。

需要说明的是：

在步骤2中，激光只对准需要进行退火的注入区，即光电二极管区，因此在步骤3中，对不需要进行这一步退火的基片上其它区域不进行激光照射，避免了对电路部分的负面影响。在步骤2中，可以同时用激光束对准同一基片上多个需要退火的区域，提高生产效率；对于单个退火区域，可采用光束整形等方法实现均匀退火；也可以采用脉冲激光退火或连续波激光退火。另外，在本发明可以采用微米甚至亚微米焦斑径的激光束扫描，实现计算机控制的定域退火，因而可以更加精密、灵活地达到微电子和光电子器件制造的严格要求，使集成密度和器件性能都得以提高。

本发明的工作原理如下：用功率密度很高的激光束照射半导体表面需要退火的区域，在照射区将产生温度随时间的变化率很大、持续时间很短的骤冷、骤热过程。将该温度骤变过程控制在合适的变化范围，就可能使半导体性能得以改善，缺陷、损伤等得以消除；利用激光加工的高度定域性，可以使曝光斑以外的区域保持低温状态，从而避免退火高温对该区域已做成的集成电路的热冲击。

本发明的实质是：利用激光束功率密度高的特点照射半导体表面需要退火的区域，则照射区域将产生温度随时间变化率大、持续时间短的骤冷、骤热过程。通过适当控制该温度骤变过程即可达到改善半导体性能、消除缺陷、损伤的目的；利用激光高度定域的优势，可以有效限制高温冲击对焦斑以外区域的影响。

本发明的优点在于：

(1)操作简便，可以在空气环境中进行，不需要真空系统，不需要专门的反应室。采用基片上多个需退火的区域进行同时曝光的方法，提高了退火效率。

(2)退火的时间极短，表面层不易玷污。

(3)可以提高单片集成PDIC器件的性能，可以使掺杂原子的电激活率大幅提高。

(4)可以提高集成密度，成品率和可靠性。如果采用微米甚至亚微米焦斑径的激光束扫描，实现计算机控制的定域退火，就可以更加精密、灵活地满足微电子和光电子器件制造的严格要求，使集成密度和器件性能都得以提高，这也正是单片OEICs器件的发展方向。

(5)对表面加热可以高度定域。激光束的光斑直径很小，且经过聚焦后才照射在基片上，能量相当集中，在半导体表面产生的热斑也很小。因而在退火过程中，只有焦斑区域内才受到高温冲击，其余区域都可以处于低温状态。因此，激光退火不会使基片产生热变形，而且在制作单片集成PDIC时，可以只对光探测器部分进行退火处理，对电路部分几乎不产生任何影响，使光、电两部分器件都具有最佳性能，因而使单片集成PDIC器件的整体性能水平得以提高。

附图说明

图1现有的单片集成PDIC的结构示意图

其中，1是PDIC基片，2是光电二极管，3是集成电路(如前置放大电路等)；

图2一个基片上含多个PDIC组成的阵列示意图

图3将一束功率较大的激光束分成功率较小的若干激光束示意图

其中，4是功率较大的入射激光束，5是分束器，6是功率较小的若干激光束；

图4本发明方法的装置示意图

其中，7是激光器，8是反射镜，9是透镜，10是基片，11是三维调节台，12是测温装置，13是透射激光的窗口。

具体实施方式

按照本发明提供的退火方法，可以组成激光局域退火装置(如附图4所示)，它是由激光器7、反射镜8、透镜9、基片10、三维调节台11、测温装置12、透射激光的窗口13组成；将进行过离子注入工艺的基片10置于三维调节台11上，由激光器7发出的激光经反射镜8反射，再由透镜9聚焦后照射在基片10上，进行退火，以消除离子注入后的应力和损伤。调节三维调节台11，通过透射激光的窗口13，可使激光束对准基片上的某个光电二极管区域。退火温度可以通过测温装置12测出，并可以通过调节入射激光束功率来调整。一个光电二极管区域的退火完成后，可以通过调节三维调节台11，使激光束对准基片上下一个需要退火的光电二极管区域，以对该区域进行退火。

Claims

1、一种单片光电集成光接收器制作中消除应力和损伤的方法，其特征是它采用下面的步骤：

步骤1 准备待退火的基片：所述基片是已经进行了光电二极管的离子注入工艺、待退火的基片；所述的基片可以仅包含一个光接收器，也可以含多个光接收器；

步骤2 确定需退火的区域：即基片上集成光接收器中的光电二极管的相应区域；对于光接收器阵列，即一个基片上含多个光接收器，则分别标注出每个光接收器需退火的区域；

2、根据权利要求1所述的一种单片光电集成光接收器制作中消除应力和损伤的方法，其特征是在步骤2中，激光只对准需要进行退火光接收器的注入区，即光接收器的光电二极管区；在步骤2中，同时用激光束对准同一基片上多个需要退火的区域；对于单个退火区域，采用光束整形方法实现均匀退火；也可以采用脉冲激光退火或连续波激光退火。

3、根据权利要求1或2所述的一种光电集成光接收器制作中消除应力和损伤的方法，其特征是所述的激光器采用微米焦斑半径的激光束扫描，实现计算机控制的定域退火。