CN102376815A

CN102376815A - 硅光电二极管及其制造方法

Info

Publication number: CN102376815A
Application number: CN2011103588280A
Authority: CN
Inventors: 崔峰敏
Original assignee: OD TECH SEMICONDUCTORS (NANJING) Co Ltd
Current assignee: OD TECH SEMICONDUCTORS (NANJING) Co Ltd
Priority date: 2011-11-12
Filing date: 2011-11-12
Publication date: 2012-03-14

Abstract

本发明涉及硅光电二极管及其制造方法，目的是提供一种暗电流小，光电转换效率高的硅光电二极管及其制造方法。硅光电二极管，在高电阻率的N型硅片的正面周边设有环状N型Si层，在环状N型Si层内设有P型Si层，在环状N型Si层和P型Si层之间隔着环形高阻硅层，在P型Si层上设有氮化硅膜，P型Si层上有小部分氮化硅膜被光刻、腐蚀掉，形成P型Si层电极区，在电极区表面贴附有金属作为阳极，在环形高阻硅层及其与P型Si层和N型Si层接触区表面贴附有金属。

Description

硅光电二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种硅光电二极管及其制造方法，尤其是用作光电探测器，即用在遥控电路或者光纤通信中能够探测特定波长的硅光电二极管及其制造方法。

背景技术

光电二极管是一种吸收光信号-光子(Photon)，将其转换成电信号-电流的元件，英文通常称为 Photo-Diode（PD）。在光电二极管管壳上有一个能射入光线的玻璃透镜,入射光通过透镜正好照射在管芯上.发光二极管管芯是一个具有光敏特性的PN结,它被封装在管壳内.发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜.光敏二极管的管芯以及管芯上的PN结面积做得较大,而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比普通半导体二极管做得浅,这些结构上的特点都是为了提高光电转换的能力。另外,与普通半导体二极管一样,在硅片上生长了一层SiO2保护层,它把PN结的边缘保护起来,从而提高了管子的稳定性,减少了暗电流。

硅光电二极管是一种特殊的电荷存储二极管，由于功耗小速度快等优点而被广泛应用。如图1所示，PIN结二极管是最常用的一种硅光电二极管，因为它由三层，即P型Si层（P层）、高阻硅层（I层）和N型Si层（N层）所组成，因此称为PIN结的硅光电二极管，PIN结硅二极管的上面的防反射膜采用二氧化硅和氮化硅。PIN结二极管从紫外到近红外区光谱范围，有响应速度快，低暗电流和高灵敏度的特点。可用在光电探测器和光通信等领域。

现有的PIN结硅光电二极管的制造方法包含下列步骤：选择一种高电阻率的硅片1作为初始材料，该材料表现为N型；晶片1正面开出环状区域作为保护环区2，扩散入浓磷；正面3采用注入的方法注入P型杂质；淀积一定厚度的氮化硅和氧化层4；溅射ALSI作为电极6并背面腐蚀减薄硅片。本发明采用氮化硅和氧化层作为光学膜替代了传统的特殊化合物，而氮化硅和氧化层是现有集成电路工艺中经常使用的两种物质，这样该器件的制造能十分方便的与现有集成电路工艺相兼容；同时，采用背面湿法的工艺取代了正面贴膜减薄，不仅达到了减薄的目的，而且不会破坏器件的正面，保障了器件的可靠性。但是，二氧化硅膜的反射率较高，影响了PIN结硅二极管的受光率，进而影响了光电转换效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种暗电流小，光电转换效率高的硅光电二极管及其制造方法。

现实本发明的一个发明目的的技术方案是：硅光电二极管，在高电阻率的N型硅片的正面周边设有环状N型Si层（N⁺层），在环状N型Si层内设有 P型Si层（P⁺层），在环状N型Si层和 P型Si层之间隔着高阻硅层（I层），在P型Si层和N型Si层上表面设有氮化硅膜，P型Si层上有小部分氮化硅膜被光刻、腐蚀掉，形成P型Si层电极区，在电极区表面贴附有金属作为阳极，在高阻硅层及其与P型Si层和N型Si层的接触区表面贴附有金属。

本发明中，在有源区表面设置氮化硅膜替代现有的氧化硅膜，反射率更低，加大了P型Si层受光率。在P型Si层电极区及环状N型Si层和P型Si层之间的接触区表面贴附有金属，优选为金属铝，其反射率为190%，减小了暗电流的产生。

作为本发明的进一步改进，所述氮化硅膜的厚度根据所受光的波长进行选择。

作为本发明的进一步改进，所述氮化硅膜的表面设置为凹凸状，以利于对特定波长的光的吸收。

作为本发明的进一步改进，所述硅片的背面积淀金属Cr或Au膜，优化硅光电二极管芯片的接触性能。

作为本发明的进一步改进，所述P型Si层的厚度为 3400~4400?，所述N型Si层的厚度是 3600~4400?，所述P型Si层和N型Si层上氮化硅膜的厚度小于 20?，所述接触区表面的金属铝厚度为1.9~2.1?，所述Cr的厚度为450~550?，Au的厚度为900~1100?。

本发明的另一个发明目的的技术方案是：硅光电二极管制造方法，包括下列步骤：

1.在硅片上形成掩蔽氧化物的工序：选择一种高电阻率的硅片作为初始材料，该材料表现为N型，将硅片放入高温扩散炉内进行第一次氧化处理，形成的氧化层，第一次氧化层的厚度控制在 5500?~6500? 范围内；

2.形成P⁺ 层的工序：对硅片正面进行光刻、腐蚀，在硅片中间形成第一有源区窗口，通过扩散过程注入硼源，这时， P⁺ 沉积的电阻 Rs 为 15~21? , P⁺ 注入后的电阻 Rs 为 40~56? , P⁺ 沉积的厚度为 3400~4400?；

3. 形成N⁺ 层的工序：对硅片进行第二次氧化处理，形成第二次氧化膜，对硅片表面进行光刻、腐蚀，在第一有源区外围形成环状的第二有源区窗口；对第二有源区通过扩散过程注入磷源， N⁺ 沉积的电阻Rs为 8~23? , N⁺注入后的电阻 Rs 为 8~23? , N⁺ 沉积的厚度是 3600~4400?；这时， N+ 层作为P+ 结的保护环，起到沟道截断环的作用；

4. 形成防反射膜的工序：对硅片进行第三次氧化处理，形成第三次氧化膜，将第一有源区和第二有源区表面的氧化膜刻干净；在硅片表面沉积氮化硅膜，氮化硅的厚度控制在1000~1200?范围内；氮化硅膜起到防止光反射的作用，氮化硅膜的厚度，根据所受光的波长不同而进行不同选择。

5.打开光电二极管的接触区的工序：对晶片表面进行蚀刻，去除第一有源区和第二有源区之间的接触区表面的氧化膜，将第一有源区和第二有源区表面的氮化硅膜的厚度蚀刻至小于 20?；

6. 贴附金属工序：在接触区表面贴附金属铝，金属铝厚度控制在1.9~2.1? ，其反射率为 190% 以上。

作为本发明的进一步改进，所述步骤6之后还包括：步骤7背面减薄和金属化工序：将硅片减薄到200~300?,在硅片背面积淀金属Cr或Au，Cr的厚度控制在450~550?，Au的厚度控制在900~1100?。该工序是为了形成直立结构的光电二极管芯片，更加优化导电性能而实施的。

附图说明

图1是本发明背景技术的硅光电二极管结构示意图；

图2a是本发明实施例2步骤1氧化处理后硅片正面结构示意图；

图2b是本发明实施例2步骤1氧化处理后硅片侧面结构示意图；

图3a是本发明实施例2步骤2形成P+ 结后硅片正面结构示意图；

图3b是本发明实施例2步骤2形成P+ 结后硅片侧面结构示意图；

图4a是本发明实施例2步骤3形成N+ 层后硅片正面结构示意图；

图4b是本发明实施例2步骤3形成 N+ 结后硅片侧面结构示意图；

图5a是本发明实施例2步骤4形成防反射膜后硅片正面结构示意图；

图5b是本发明实施例2步骤4形成防反射膜后硅片侧面结构示意图；

图6a是本发明实施例2步骤5打开光电二极管的接触区后硅片正面结构示意图；

图6b是本发明实施例2步骤5打开光电二极管的接触区后硅片侧面结构示意图；

图7a是本发明实施例2步骤6贴附金属后形成的硅光电二极管正面结构示意图；

图7b是本发明实施例2步骤6贴附金属后硅片侧面结构示意图；

图8是本发明实施例2步骤7背面减薄和金属化后形成的硅光电二极管侧面结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图做进一步说明。

实施例1

如图7a和图8所示，硅光电二极管，在高电阻率的N型硅片的正面设有 P型Si层（P⁺层）1，在P型Si层1的外围间隔一定距离，设有环状N型Si层（N⁺层）2，P型Si层1的厚度为 3400~4400?，N型Si层2的厚度是 3600~4400?。P型Si层1表面设有氮化硅膜3，环状N型Si层2的一部分表面上设有氮化硅膜3，环状N型Si层2的另一部分表面裸露，氮化硅膜3的厚度小于 20?。氮化硅膜3的表面设置为凹凸状，以利于对特定波长的光的吸收。P型Si层上有小部分氮化硅膜被光刻、腐蚀掉，形成P型Si层电极区6，在P型Si层电极区6、高阻硅层（I层）10及其与P型Si层1和N型Si层接触区7表面贴附有金属4，接触区7表面的金属铝厚度为1.9~2.1?。硅片的背面积淀金属Cr或Au膜5 ，Cr的厚度为450~550?，Au的厚度为900~1100?。

实施例2

硅光电二极管制造方法，包括下列步骤：

1.在硅片上形成掩蔽氧化物的工序：选择一种高电阻率的硅片作为初始材料，该材料表现为N型，将硅片放入高温扩散炉内进行第一次氧化处理，形成的氧化层，第一次氧化层的厚度控制在 5500?~6500? 范围内；氧化处理后的硅片结构如图2a和图2b所示。

2.形成P+ 结的工序：对硅片正面进行光刻、腐蚀，在硅片中间形成第一有源区窗口，通过扩散过程注入硼源，这时， P+ 沉积的电阻 Rs 为 15~21? , P+ 注入后的电阻 Rs 为 40~56? , P+ 沉积的厚度为 3400~4400?；该工序后形成的硅片结构如图3a和图3b所示。

3. 形成N+ 层的工序：对硅片进行第二次氧化处理，形成第二次氧化膜，对硅片表面进行光刻、腐蚀，在第一有源区外围形成环状的第二有源区窗口；对第二有源区通过扩散过程注入磷源， N+ 沉积的电阻 Rs为 8~23? , N+注入后的电阻 Rs 为 8~23? , N+ 沉积的厚度是 3600~4400?；这时， N+ 层作为P+ 结的保护环，起到沟道截断环的作用；该工序后形成的硅片结构如图4a和图4b所示。

4. 形成防反射膜的工序：对硅片进行第三次氧化处理，形成第三次氧化膜，将第一有源区和第二有源区表面的氧化膜刻干净；在硅片表面沉积氮化硅膜，氮化硅的厚度控制在1000~1200?范围内；氮化硅膜起到防止光反射的作用，氮化硅膜的厚度，根据所受光的波长不同而进行不同选择。该工序后形成的硅片结构如图5a和图5b所示。

5.打开光电二极管的接触区的工序：对晶片表面进行蚀刻，去除第一有源区和第二有源区之间的接触区表面的氧化膜，将第一有源区和第二有源区表面的氮化硅膜的厚度蚀刻至小于 20?；该工序后形成的硅片结构如图6a和图6b所示。

6. 贴附金属工序：在接触区表面贴附金属铝，金属铝厚度控制在1.9~2.1? ，其反射率为 190% 以上。该工序后形成了硅光电二极管，其结构如图7a和图7b所示。

7．背面减薄和金属化工序：将硅片减薄到200~300?,在硅片背面积淀金属Cr或Au，Cr的厚度控制在450~550?，Au的厚度控制在900~1100?。该工序后的硅光电二极管结构如图8所示。

Claims

1.硅光电二极管，其特征是，在高电阻率的N型硅片的正面周边设有环状N型Si层，在环状N型Si层内设有 P型Si层，在环状N型Si层和 P型Si层之间隔着环形高阻硅层，在P型Si层上设有氮化硅膜，P型Si层上有小部分氮化硅膜被光刻、腐蚀掉，形成P型Si层电极区，在电极区表面贴附有金属作为阳极，在环形高阻硅层及其与P型Si层和N型Si层接触区表面贴附有金属。

2.根据权利要求1所述的硅光电二极管，其特征是，所述氮化硅膜的厚度根据所受光的波长进行选择。

3.根据权利要求1所述的硅光电二极管，其特征是，所述氮化硅膜的表面设置为凹凸状。

4.根据权利要求1所述的硅光电二极管，其特征是，所述硅片的背面积淀金属Cr或Au膜。

5.根据权利要求4所述的硅光电二极管，其特征是，所述P型Si层的厚度为 3400~4400?，所述N型Si层的厚度是 3600~4400?，所述P型Si层和N型Si层上氮化硅膜的厚度小于 20?，所述接触区表面的金属铝厚度为1.9~2.1?，所述Cr的厚度为450~550?，Au的厚度为900~1100?。

6.硅光电二极管制造方法，其特征是：该方法包括下列步骤：

1）在硅片上形成掩蔽氧化物的工序：选择一种高电阻率的硅片作为初始材料，该材料表现为N型，将硅片放入高温扩散炉内进行第一次氧化处理，形成的氧化层，第一次氧化层的厚度控制在 5500?~6500? 范围内；

2）形成P+ 结的工序：对硅片正面进行光刻、腐蚀，在硅片中间形成第一有源区窗口，通过扩散过程注入硼源，这时， P+ 沉积的电阻 Rs 为 15~21? , P+ 注入后的电阻 Rs 为 40~56? , P+ 沉积的厚度为3400~4400?；

3）对硅片进行第二次氧化处理，形成第二次氧化膜，对硅片表面进行光刻、腐蚀，在第一有源区外围形成环状的第二有源区窗口；

4）形成N+ 层的工序：对第二有源区通过扩散过程注入磷源， N+ 沉积的电阻 Rs为 8~23? , N+注入后的电阻 Rs 为 8~23? , N+ 沉积的厚度是 3600~4400?；

5）对硅片进行第三次氧化处理，形成第三次氧化膜，将第一有源区和第二有源区表面的氧化膜刻干净；

6）形成防反射膜的工序：在硅片表面沉积氮化硅膜，氮化硅的厚度控制在1000~1200?范围内；

7）打开光电二极管的接触区的工序：对晶片表面进行蚀刻，去除第一有源区和第二有源区之间的接触区表面的氧化膜，将第一有源区和第二有源区表面的氮化硅膜的厚度蚀刻至小于 20?；

8）贴附金属工序：在接触区表面贴附金属铝，金属铝厚度控制在1.9~2.1? ，其反射率为 190% 以上。

7.根据权利要求6所述的光电二极管制造方法，其特征是，所述步骤8之后还包括背面减薄和金属化工序：将硅片减薄到200~300?,在硅片背面积淀金属Cr或Au，Cr的厚度控制在450~550?，Au的厚度控制在900~1100?。