CN101714591B - 一种硅光电二极管的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种硅光电二极管的制作方法属于半导体器件制作领域，尤其涉及一种硅光电二极管的制作方法。本发明采用绝缘体上硅晶片作衬底，绝缘体上硅晶片包括支撑硅片、二氧化硅埋层和器件层。采用干法刻蚀工艺在器件层上先加工一个闭环的隔离沟槽；在绝缘体上硅晶片的器件层上表面上生长一定厚度的二氧化硅层，透过二氧化硅层在器件层进行离子注入掺杂，得到P型掺杂区和N型掺杂区。采用溅射的方法在器件层上表面上先后生长一定厚度的钛金属层和铝金属层，经光刻形成正电极和负电极，最后得到硅光电二极管结构。本发明提供的制作方法工艺简单，可靠性高，有良好的重复性和稳定性，可与其它器件进行集成。

Description

一种硅光电二极管的制作方法

技术领域

本发明属于半导体器件制作领域，尤其涉及一种硅光电二极管的制作方法。

背景技术

传统的硅光电二极管具有灵敏度高、可靠性好、价格便宜和工艺成熟等特点，在民用和军事等领域都有广泛的应用。潘银松等人共同申请的中国发明专利，申请号为CN 101090138A，公开了一种P⁺PIN硅光电探测器，该光电探测器通过浓硼和淡硼两次扩散掺杂减薄了高浓度掺杂层的P⁺型半导体中的死层，提高了光电探测器的光谱响应度。该光电探测器以体硅作衬底，器件层相对较厚，适合用于宽光谱范围的光电测量，如从近紫外到近红外波段。目前，许多应用场合都要求光电探测器在蓝紫光范围，即波长380-500纳米，具有较高的量子效率，同时希望抑制光电探测器在可见光的长波光和近红外波段，即波长范围500～1000纳米，的量子效率。如果使用上述以体硅为衬底的硅光电探测器，人们需要通过增加蓝紫滤光片来实现上述目标，这种做法会增加器件成本和安装复杂度，不利于光电测量向集成化和微型化方向发展。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足，发明了一种硅光电二极管的制作方法，该方法以绝缘体上硅晶片作衬底，器件层3厚度远小于支撑硅片1的厚度，通过在器件层3中制作光电二极管可以实现对可见光中的长波光和近红外光波段，即波长范围500～1000纳米，的量子效率的抑制作用；在器件层3上表面上生长一定厚度的二氧化硅层5，增强光电二极管在蓝紫光波段，即波长380-500纳米的量子效率；采用隔离沟槽b实现器件的完全电学隔离，从而制得高性能的对蓝紫光敏感的硅光电二极管。

本发明一种硅光电二极管的制作方法采用的技术方案，其特征是：采用绝缘体上硅晶片作衬底，绝缘体上硅晶片包括支撑硅片1、二氧化硅埋层2和器件层3；采用干法刻蚀工艺在器件层3上加工一个闭环的隔离沟槽a；在绝缘体上硅晶片的器件层3上表面上生长一定厚度的二氧化硅层5，透过二氧化硅层5在器件层3进行离子注入掺杂，先后得到P型掺杂区6和N型掺杂区7；采用溅射的方法在器件层3上表面上先后淀积一定厚度的钛金属层8和铝金属层9，并经光刻形成正电极10和负电极11；最后得到的硅光电二极管结构包括器件层3、二氧化硅层5、P型掺杂区6、N型掺杂区7以及形成在器件层3上表面的正电极10和负电极11；其制作方法是：

1)选取合适的绝缘体上硅晶片作衬底，绝缘体上硅晶片的器件层3厚度一般小于5微米，器件层3材料为N型单晶硅；

2)绝缘体上硅晶片经第一次光刻，在器件层3上表面定义出隔离沟槽用光刻胶窗口a；

3)采用干法刻蚀工艺在器件层3上加工一个闭环的隔离沟槽b，将隔离沟槽b中的器件层3硅材料刻蚀干净，直至二氧化硅埋层2；

4)采用干氧氧化的方法在器件层3上表面上生长一定厚度的二氧化硅层5；在干氧氧化的过程中通入一定量的氯元素，如氯化氢气体或三氯乙烯气体，目的是改善氧化层的质量；为减少蓝紫光，即波长380-500纳米，在二氧化硅层5表面的反射率，二氧化硅层5的厚度取为70纳米；

5)绝缘体上硅晶片经第二次光刻，在器件层3上表面定义出P型掺杂区用光刻胶窗口c；

6)以光刻胶作为离子注入的掩蔽膜，采用二氧化硅阻挡离子注入方法在器件层3上进行P型掺杂，得到P型掺杂区6；根据二氧化硅层5厚度选取P型离子注入的能量，使P型杂质浓度的峰值位于器件层3和二氧化硅层5的界面处；选取合适的离子注入的剂量，使P型杂质的峰值浓度约为1×10¹⁸cm^-3；

7)绝缘体上硅晶片经第三次光刻，在器件层3上表面定义出N型掺杂区用光刻胶窗口d；

8)以光刻胶作为离子注入的掩蔽膜，采用二氧化硅阻挡离子注入方法在器件层3上进行N型掺杂，得到N型掺杂区7；为减少欧姆接触电阻，N型离子注入的能量和剂量均较高；

9)先对绝缘体上硅晶片进行一定时间的炉管退火，消除离子注入对硅晶格造成的损伤，然后对绝缘体上硅晶片进行一定时间的快速热退火，以激活注入的杂质离子；

10)绝缘体上硅晶片经第四次光刻，在器件层3上表面定义出N型掺杂区接触孔用光刻胶窗口e和P型掺杂区接触孔用光刻胶窗口f；

11)以光刻胶作为刻蚀二氧化硅层5的掩蔽膜，采用湿法腐蚀工艺在二氧化硅层5中刻蚀出N型掺杂区的接触孔g和P型掺杂区的接触孔h；

12)采用溅射的方法在器件层3上表面上淀积一定厚度的钛金属层8，在不破坏溅射设备真空的条件下，接着淀积一定厚度的铝金属层9；钛金属层8厚度较小，作为缓冲金属层；铝金属层9厚度较大，作为引线键合层；

13)绝缘体上硅晶片经第五次光刻，在器件层3上表面定义出正电极的光刻胶图形i和负电极的光刻胶图形j；

14)以光刻胶4作刻蚀器件层3上表面电极图形的掩蔽膜，采用湿法腐蚀工艺将正电极的光刻胶图形i和负电极的光刻胶图形j以外的钛金属层8和铝金属层9刻蚀干净，得到正电极10和负电极11；

15)对绝缘体上硅晶片进行低温退火，使器件层3硅材料与上表面的正电极10和负电极11形成良好的欧姆接触；

本发明一种硅光电二极管的制作方法，将步骤1)中的器件层3材料由N型单晶硅改为P型单晶硅，同时将步骤6)中的P型掺杂改为N型掺杂、步骤8)中的N型掺杂改为P型掺杂，其余步骤同上述方案，也能制备相同性能的硅光电二极管。

本发明的效果：本发明一种硅光电二极管的制作方法，工艺简单，可靠性高，有良好的重复性和稳定性，并且可与其它MEMS/NEMS器件进行集成，如与亚波长金属光栅集成制作偏振方向敏感的光电探测器。

附图说明

图1是绝缘体上硅晶片的剖面结构示意图；图2是经第一次光刻显影后的剖面结构示意图；图3是经第一次光刻显影后的俯视结构示意图；图4是经干法刻蚀后的剖面结构示意图；图5是经干氧氧化后的剖面结构示意图；图6是经第二次光刻显影后的剖面结构示意图；图7是经第二次光刻显影后的俯视结构示意图；图8是经二氧化硅掩蔽离子注入P型杂质后的剖面结构示意图；图9是经第三次光刻显影后的剖面结构示意图；图10是经第三次光刻显影后的俯视结构示意图；图11是经二氧化硅掩蔽离子注入N型杂质后的剖面结构示意图；图12是经第四次光刻显影后的剖面结构示意图；图13是经第四次光刻显影后的俯视结构示意图；图14是经湿法腐蚀接触孔后的剖面结构示意图；图15是经溅射钛金属层后的剖面结构示意图；图16是经溅射铝金属层后的剖面结构示意图；图17是经第五次光刻显影后的剖面结构示意图；图18是经第五次光刻显影后的俯视结构示意图；图19是经湿法刻蚀电极图形后的剖面结构示意图；

其中：1-支撑硅片；2-二氧化硅埋层；3-器件层；4-光刻胶；5-二氧化硅层；6-P型掺杂区；7-N型掺杂区；8-钛金属层；9-铝金属层；10-正电极；11-负电极；a-隔离沟槽用光刻胶窗口；b-隔离沟槽；c-P型掺杂区用光刻胶窗口；d-N型掺杂区用光刻胶窗口；e-N型掺杂区接触孔用光刻胶窗口；f-P型掺杂区接触孔用光刻胶窗口；g-N型掺杂区的接触孔；h-P型掺杂区的接触孔；i-正电极的光刻胶图形；j-负电极的光刻胶图形。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案说明本发明的具体实施。

首先选取合适的绝缘体上硅晶片作衬底，其中选取适当厚度的器件层3是关键。由Lambert-Beer定理可知，光功率在硅中随入射深度的增加呈指数规律衰减，衰减的指数是硅材料对应波长的吸收系数，硅材料的吸收系数随波长的减小而明显增加，导致蓝紫光主要集中在靠近硅片表面很薄的一层内被吸收，而可见光中的长波光和近红外光，即波长范围500～1000纳米，可以在硅中穿行较深的距离。我们选取绝缘体上硅晶片作衬底，晶片的器件层3厚度一般小于5微米，该厚度范围可以保证蓝紫光在器件层3中被充分吸收，同时使大部分长波光，即波长范围500～1000纳米，透过二氧化硅埋层2在支撑硅片1中被吸收，由于二氧化硅埋层2的绝缘作用，长波光生载流子无法被器件层3收集，从而实现光电二极管对长波光量子效率的抑制作用；我们选取的绝缘体上硅晶片为背面腐蚀减薄型，器件层3材料为低电阻率的直拉单晶硅。绝缘体上硅晶片经第一次光刻，在器件层3上表面定义出隔离沟槽用光刻胶窗口a。采用干法刻蚀工艺在器件层3上制备一个闭环的隔离沟槽b，将隔离沟槽b中的器件层3硅材料刻蚀干净，直至二氧化硅埋层2，从而实现器件的横向电学隔离。采用干氧氧化的方法在器件层3上表面上生长一定厚度的二氧化硅层5，该氧化层具有多种功能，如钝化和保护器件层表面、作为离子注入的阻挡层以及蓝紫光的减反射层等，不同功能对二氧化硅层5厚度的要求不尽相同。在满足钝化和保护的前提下，采用四分之一波长理论，即 $t=\frac{\mathrm{\λ}}{4n},$ 其中t为二氧化硅层5厚度，λ为入射光波长，n为硅材料对应波长的折射率，计算可知二氧化硅层5的厚度为70纳米时在蓝紫光范围内的减反射效果较好；在干氧氧化的过程中通入一定量的氯元素，如氯化氢气体或三氯乙烯气体，目的是减少界面态密度以及二氧化硅层5中的固定正电荷，改善氧化层的质量。绝缘体上硅晶片经第二次光刻，在器件层3上表面定义出P型掺杂区用光刻胶窗口c。以光刻胶作为离子注入的掩蔽膜，采用二氧化硅阻挡离子注入方法在器件层3上进行P型掺杂，得到P型掺杂区6；离子注入的杂质在硅中近高斯分布，通过选取合适的离子注入能量和一定厚度的二氧化硅层5作阻挡层，一方面可减少高能离子注入对硅晶格造成的损伤，另一方面可使注入杂质的浓度峰值位于器件层3和二氧化硅层5的界面处，这样可消除负漂移电场的形成，有利于光生载流子的收集；我们选取一定的离子注入剂量，使P型杂质的峰值浓度为1×10¹⁸cm^-3，这样就避免了重掺杂效应的影响。绝缘体上硅晶片经第三次光刻，在器件层3上表面定义出N型掺杂区用光刻胶窗口d。以光刻胶作为离子注入的掩蔽膜，采用二氧化硅阻挡离子注入方法在器件层3上进行N型掺杂，得到N型掺杂区7；为减少欧姆接触电阻，N型离子注入的能量和剂量均较高。在完成离子注入掺杂之后，对绝缘体上硅晶片进行退火处理：先将绝缘体上硅晶片放入炉管中进行一定时间的退火，以消除离子注入对硅晶格造成的损伤，然后对绝缘体上硅晶片进行高温快速热退火，以激活注入的杂质离子，使杂质离子由晶格中的间隙位置转移到替位位置。绝缘体上硅晶片经第四次光刻，在器件层3上表面定义出N型掺杂区接触孔用光刻胶窗口e和P型掺杂区接触孔用光刻胶窗口f。以光刻胶作为刻蚀二氧化硅层5的掩蔽膜，采用湿法腐蚀工艺在二氧化硅层5中刻蚀出N型掺杂区的接触孔g和P型掺杂区的接触孔h。

采用溅射的方法在器件层3上表面上淀积一定厚度的钛金属层8，在不破坏溅射设备真空的条件下，接着淀积一定厚度的铝金属层9；钛金属层8厚度较小，主要作为缓冲金属层，以避免铝-硅直接接触而造成的尖楔效应；铝金属层9厚度较大，以保证键合引线的顺利进行。绝缘体上硅晶片经第五次光刻，在器件层3上表面定义出正电极的光刻胶图形i和负电极的光刻胶图形j。以光刻胶4作刻蚀器件层3上表面电极图形的掩蔽膜，采用湿法腐蚀工艺将正电极的光刻胶图形i和负电极的光刻胶图形j以外的钛金属层8和铝金属层9刻蚀干净，得到正电极10和负电极11。对绝缘体上硅晶片进行低温退火，使器件层3硅材料与上表面的正电极10和负电极11形成良好的欧姆接触。

如果将上述方案中器件层3材料由N型单晶硅改为P型单晶硅，同时将上述工艺中的P型掺杂改为N型掺杂、N型掺杂改为P型掺杂，其余步骤同上述方案，我们可以制备出相同性能的对蓝紫光敏感的硅光电二极管。

本发明的制作方法适用于制作对蓝紫光敏感的硅光电探测器，具有工艺简单和集成性好等特点，在光电集成电路和微光机电等领域具有广阔的应用前景。

Claims (2)

1.一种硅光电二极管的制作方法，其特征是：采用绝缘体上硅晶片作衬底，绝缘体上硅晶片包括支撑硅片(1)、二氧化硅埋层(2)和器件层(3)；采用干法刻蚀工艺在器件层(3)上先加工一个闭环的隔离沟槽(b)；然后，在绝缘体上硅晶片的器件层(3)上表面上生长一定厚度的第一二氧化硅层(5)，透过第一二氧化硅层(5)在器件层(3)进行离子注入掺杂，得到P型掺杂区(6)和N型掺杂区(7)；采用溅射的方法在器件层(3)上表面上先后淀积一定厚度的钛金属层(8)和铝金属层(9)，经光刻形成正电极(10)和负电极(11)；最后得到的硅光电二极管结构包括器件层(3)、第一二氧化硅层(5)、P型掺杂区(6)、N型掺杂区(7)以及形成在器件层(3)上表面的正电极(10)和负电极(11)；硅光电二极管的制作方法是：

1)选取合适的绝缘体上硅晶片作衬底，绝缘体上硅晶片的器件层(3)厚度小于5微米，器件层(3)材料为N型单晶硅；

2)绝缘体上硅晶片经第一次光刻，在器件层(3)上表面定义出隔离沟槽用光刻胶窗口(a)；

3)采用干法刻蚀工艺在器件层(3)上加工一个闭环的隔离沟槽(b)，将隔离沟槽(b)中的器件层(3)硅材料刻蚀干净，直至二氧化硅埋层(2)；

4)采用干氧氧化的方法在器件层(3)上表面上生长一定厚度的第一二氧化硅层(5)；在干氧氧化的过程中通入一定量的氯元素，目的是改善氧化层的质量；为减少蓝紫光，即波长380-500纳米，在第一二氧化硅层(5)表面的反射率，第一二氧化硅层(5)的厚度取为70纳米；

5)绝缘体上硅晶片经第二次光刻，在器件层(3)上表面定义出P型掺杂区用光刻胶窗口(c)；

6)以光刻胶作为离子注入的掩蔽膜，采用二氧化硅阻挡离子注入方法在器件层(3)上进行P型掺杂，得到P型掺杂区(6)；根据第一二氧化硅层(5)厚度选取P型离子注入的能量，使P型杂质浓度的峰值位于器件层(3)和第一二氧化硅层(5)的界面处；选取合适的离子注入的剂量，使P型杂质的峰值浓度为1×10¹⁸cm^-3；

7)绝缘体上硅晶片经第三次光刻，在器件层(3)上表面定义出N型掺杂区用光刻胶窗口(d)；

8)以光刻胶作为离子注入的掩蔽膜，采用二氧化硅阻挡离子注入方法在器件层(3)上进行N型掺杂，得到N型掺杂区(7)；为减少欧姆接触电阻，N型离子注入的能量和剂量均较高；

9)先对绝缘体上硅晶片进行一定时间的炉管退火，消除离子注入对硅晶格造成的损伤，然后对绝缘体上硅晶片进行一定时间的快速热退火，以激活注入的杂质离子；

10)绝缘体上硅晶片经第四次光刻，在器件层(3)上表面定义出N型掺杂区接触孔用光刻胶窗口(e)和P型掺杂区接触孔用光刻胶窗口(f)；

11)以光刻胶作为刻蚀第一二氧化硅层(5)的掩蔽膜，采用湿法腐蚀工艺在第一二氧化硅层(5)中刻蚀出N型掺杂区的接触孔(g)和P型掺杂区的接触孔(h)；

12)采用溅射的方法在器件层(3)上表面上淀积一定厚度的钛金属层(8)，在不破坏溅射设备真空的条件下，接着淀积一定厚度的铝金属层(9)；钛金属层(8)厚度较小，作为缓冲金属层；铝金属层(9)厚度较大，作为引线键合层；

13)绝缘体上硅晶片经第五次光刻，在器件层(3)上表面定义出正电极的光刻胶图形(i)和负电极的光刻胶图形(j)；

14)以光刻胶作为刻蚀器件层(3)上表面电极图形的掩蔽膜，采用湿法腐蚀工艺将正电极的光刻胶图形(i)和负电极的光刻胶图形(j)以外的钛金属层(8)和铝金属层(9)刻蚀干净，得到正电极(10)和负电极(11)；

15)对绝缘体上硅晶片进行低温退火，使器件层(3)硅材料与上表面的正电极(10)和负电极(11)形成良好的欧姆接触。

2.根据权利要求1的硅光电二极管的制作方法，其特征是，将步骤1)中器件层(3)材料由N型单晶硅改为P型单晶硅，同时将权利要求1中的P型掺杂区(6)改为N型掺杂区(6)，N型掺杂区(7)改为P型掺杂区(7)，将步骤5)中P型掺杂区用光刻胶窗口(c)改为N型掺杂区用光刻胶窗口(c)，将步骤6)中P型掺杂、P型离子和P型杂质分别改为N型掺杂、N型离子和N型杂质，将步骤7)中N型掺杂区用光刻胶窗口(d)改为P型掺杂区用光刻胶窗口(d)，将步骤8)中N型掺杂和N型离子分别改为P型掺杂和P型离子，其余步骤同权利要求1，也能制备相同性能的硅光电二极管。

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