CN107369737B - 一种光敏器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光敏器件及其制备方法，通过在半导体衬底正面设置第一沟槽，在第一沟槽侧壁和底部表面形成第一金属层，第一金属层与第一沟槽的侧壁和底部的半导体衬底之间形成金属‑半导体接触；第一金属层作为导电层；以及在半导体衬底背面形成第二沟槽；第二沟槽位于第一沟槽的正下方，且第一沟槽的底部和第二沟槽的底部相对；环绕第二沟槽侧壁设置N+环形区域，N+环形区域作为探测层，用于探测入射光并产生电信号，从而提高耗尽区比例。

Description

一种光敏器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种光敏器件及其制备方法。
背景技术
基于半导体光电效应的光电转换传感器，又称光敏器件。采用光、电技术能实现无接触、远距离、快速和精确测量，因此半导体光敏元件还常用来间接测量能转换成光量的其他物理或化学量。半导体光敏元件按光电效应的不同而分为光导型和光生伏打型(见光电式传感器)。光导型即光敏电阻，是一种半导体均质结构。光生伏打型包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电场效应管和光控可控硅等，它们属于半导体结构型器件。半导体光敏器件的主要参数和特性有灵敏度、探测率、光照率、光照特性、伏安特性、光谱特性、时间和频率响应特性以及温度特性等，它们主要由材料、结构和工艺决定。半导体光敏器件广泛应用于精密测量、光通信、计算技术、摄像、夜视、遥感、制导、机器人、质量检查、安全报警以及其他测量和控制装置中。
然而，现有的光敏器件容易出现耗尽区消耗殆尽的问题。如果能够解决该问题来提高耗尽区，对于光敏器件的性能的提高是十分有意义的。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种光敏器件及其制备方法，在半导体衬底两面分别形成N+环形区域和带沟槽的第一金属层，从而提高耗尽区比例。
为了达到上述目的，本发明提供了一种光敏器件，包括：
一半导体衬底；
位于半导体衬底正面的第一沟槽，第一沟槽侧壁和底部表面形成有第一金属层，第一金属层与第一沟槽的侧壁和底部的半导体衬底之间形成金属-半导体接触；第一金属层作为导电层；
位于半导体衬底背面的第二沟槽；第二沟槽位于第一沟槽的正下方，且第一沟槽的底部和第二沟槽的底部相对；
环绕第二沟槽侧壁设置的N+环形区域，N+环形区域作为探测层，用于探测入射光并产生电信号。
优选地，所述第一沟槽和第二沟槽之间的半导体衬底的类型为N型。
优选地，在半导体衬底正面还设置有第二金属层，所述N+环形区域通过导电接触孔与第二金属层相电连。
优选地，所述第一金属层采用的材料为Al、Pt、W、Ta中的一种。
优选地，所述N+环形区域顶部具有凸起，凸起延伸到第二沟槽的顶部。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种光敏器件的制备方法，其包括：
步骤01：提供一半导体衬底；
步骤02：在半导体衬底正面形成第一沟槽；
步骤03：在第一沟槽的侧壁和底部表面形成第一金属层；
步骤04：在半导体衬底背面进行N型离子注入，形成N+区域；
步骤05：在N+区域中刻蚀出第二沟槽，第二沟槽的底部穿透N+区域，使得第二沟槽侧壁周围形成N+环形区域；其中，第二沟槽正上方对应于第一沟槽。
优选地，所述步骤02中，形成第一沟槽之后还包括：在对应于接触金属上方的半导体衬底中刻蚀出接触孔；所述步骤03中，同时还包括在接触孔中填充导电金属，形成导电接触孔；
所述步骤04中，在N+区域形成之后还包括：在半导体衬底背面形成接触金属，接触金属的一部分接触的N+区域的一侧，另一部分对应于接触孔下方。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种光敏器件的制备方法，其包括：
步骤01：提供一半导体衬底；
步骤02：在半导体衬底正面形成第一沟槽；
步骤03：在第一沟槽的侧壁和底部表面形成第一金属层；
步骤04：在半导体衬底背面进行N型离子注入，形成N+环形区域；
步骤05：在N+环形区域之间的半导体衬底背面刻蚀出第二沟槽；第二沟槽对应于第一沟槽下方，并且第二沟槽的顶部不高于N+环形区域的顶部。
优选地，所述步骤02中，形成第一沟槽之后还包括：在对应于接触金属上方的半导体衬底中刻蚀出接触孔；所述步骤03中，形成第一金属层的同时还包括在接触孔中填充导电金属，形成导电接触孔；所述步骤04中，在N+环形区域形成之后还包括：在半导体衬底背面形成接触金属，接触金属的一部分接触N+环形区域的一侧，另一部分对应于接触孔下方。
优选地，所述步骤04中，半导体衬底背面朝上，形成N+环形区域包括：
步骤021：在半导体衬底背面形成掩膜，掩膜中具有N+环形区域的图案开口；
步骤022：利用所述掩膜，向半导体衬底背面进行N+离子注入，形成第一N+环形区域；
步骤023：去除所述掩膜。
本发明的光敏器件，利用N+环形区域作为探测层，利用第二沟槽和第二沟槽来减薄探测区域的厚度，提高耗尽区比例或形成全耗尽区；并且，第一金属层与半导体衬底正面形成金属半导体接触，进一步提高了耗尽区比例；此外，由于探测层设置于半导体衬底背面，使得入射光从半导体衬底背面入射，避免传统器件从正面入射时正面的大面积金属层的存在而导致光吸收面积减小；而且，正面的第一金属层还可以作为反射层，将从背面入射到第一金属层的入射光返回到N+环形区域，从而增加对入射光的吸收，提高探测灵敏度。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例的光敏器件的截面结构示意图
图2为本发明的另一个较佳实施例的光敏器件的截面结构示意图
图3为图1的光敏器件的制备方法的流程示意图
图4～8为图3的光敏器件的制备方法的各步骤示意图
图9为图2的光敏器件的制备方法的流程示意图
图10～16为图9的光敏器件的制备方法的各步骤示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
以下结合1～16和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
本实施例中，请参阅图1，本实施例的光敏器件，包括：
一半导体衬底00；本实施例中，半导体衬底00正面还设置有用于光敏探测的功能MOS管G1、G2，比如，用于作为开关等。
位于半导体衬底00正面的第一沟槽，第一沟槽侧壁和底部表面形成有第一金属层M1，第一金属层M1与第一沟槽的侧壁和底部的半导体衬底00之间形成金属-半导体接触；第一金属层M1作为导电层；
位于半导体衬底00背面的第二沟槽；第二沟槽位于第一沟槽的正下方，且第一沟槽的底部和第二沟槽的底部相对；
环绕第二沟槽侧壁设置的N+环形区域02，N+环形区域02作为探测层，用于探测入射光并产生电信号。较佳的，N+环形区域02的材料为N型离子注入得到的N+型非晶硅，第一沟槽和第二沟槽之间的半导体衬底00的类型为N型。这里，第一沟槽的底部与N+环形区域02的镂空区域相对。
此外，请参阅图2，在本发明的其它实施例中，N+环形区域顶部具有凸起，凸起延伸到第二沟槽的顶部。可以将N+环形区域分为上下两层，包括上N+环形区域021和下N+环形区域022，凸起所在区域为上N+环形区域021。上N+环形区域021的内径小于下N+环形区域022，如图1所示。
本实施例中，请参阅图1，在半导体衬底00正面还设置有第二金属层M2，N+环形区域02通过导电接触孔03与第二金属层M2相电连。第一金属层M1采用的材料可以为Al、Pt、W、Ta等中的一种。此外，在第一金属层M1和第二金属层M2之外的半导体衬底00正面还设置有多个MOS管，本实施例中显示了第一MOS管G1和第二MOS管G2。这里，第一MOS管G1的源极或漏极与第一金属层M1相电连。第二MOS管G2的源极与第二金属层M2相电连，第二MOS管G2的漏极与引出金属层M3相电连；或者第二MOS管G2的漏极与第二金属层M2相电连，第二MOS管G2的源极与引出金属层M3相电连。
此外，针对一个实施例图1所示的N+环形区域不具有凸起的光敏器件的制备方法，请参阅图3～8，包括：
步骤01：请参阅图4，提供一半导体衬底00；
步骤02：请参阅图5，在半导体衬底00正面形成第一沟槽；
具体的，可以但不限于采用光刻和干法刻蚀工艺来刻蚀第一沟槽。此外，本步骤04刻蚀出第一沟槽之后还包括：在对应于接触金属C上方的半导体衬底00中刻蚀出接触孔；
步骤03：请参阅图6，在第一沟槽的侧壁和底部表面形成第一金属层M1。
具体的，形成第一金属层M1的同时还在接触孔中填充导电金属，形成导电接触孔03。本步骤05形成第一金属层之前或之后或同时还包括：在导电接触孔03上形成第二金属层M2。第一金属层M1和第二金属层M2可以同时沉积和图形化。此外，这里还可以包括：在半导体衬底00正面制备第一MOS管G1和第二MOS管G2，使第一MOS管G1的源极或漏极与第一金属层M1相连；第二MOS管G2的源极与第二金属层M2相连，第二MOS管G2的漏极与引出金属层M3相连，或者，第二MOS管G2的漏极与第二金属层M2相连，第二MOS管G2的源极与引出金属层M3相连。
步骤04：请参阅图7，在半导体衬底00背面进行N型离子注入，形成N+区域02’；
具体的，在N+区域形成之后还可以包括：在半导体衬底00背面形成接触金属C，接触金属C的一部分接触的N+区域02’的一侧，另一部分对应于接触孔下方；
步骤05：请参阅图8，在N+区域02’中刻蚀出第二沟槽，第二沟槽的底部穿透N+区域02’，使得第二沟槽侧壁周围形成N+环形区域02；
具体的，第二沟槽正上方正对于第一沟槽。这里可以但不限于采用光刻和干法刻蚀工艺来刻蚀第二沟槽。
此外，请参阅图9～16，本发明的另一个实施例中图2所示的一种具有凸起的N+环形区域的光敏器件的制备方法，可以包括：
步骤01：请参阅图10，提供一半导体衬底00；
步骤02：请参阅图11，半导体衬底00正面朝上，在半导体衬底00正面形成第一沟槽；
具体的，可以但不限于采用光刻和干法刻蚀工艺来刻蚀第一沟槽。此外，本步骤02刻蚀出第一沟槽之后还包括：在对应于接触金属C上方的半导体衬底00中刻蚀出接触孔；
步骤03：请参阅图12，在第一沟槽的侧壁和底部表面形成第一金属层M1。
具体的，形成第一金属层M1的同时还在接触孔中填充导电金属，形成导电接触孔03。本步骤03形成第一金属层之前或之后或同时还包括：在导电接触孔03上形成第二金属层M2。第一金属层M1和第二金属层M2可以同时沉积和图形化。此外，这里还可以包括：在半导体衬底00正面制备第一MOS管G1和第二MOS管G2，使第一MOS管G1的源极或漏极与第一金属层M1相连；第二MOS管G2的源极与第二金属层M2相连，第二MOS管G2的漏极与引出金属层M3相连，或者，第二MOS管G2的漏极与第二金属层M2相连，第二MOS管G2的源极与引出金属层M3相连。
步骤04：请参阅图13～15，在半导体衬底00背面进行N型离子注入，形成N+环形区域；
具体的，半导体衬底00背面朝上，形成N+环形区域包括：
步骤041：请参阅图13，在半导体衬底00背面形成掩膜R，掩膜R中具有N+环形区域的图案开口；
步骤042：请参阅图14，利用掩膜R，向半导体衬底00背面进行N+离子注入，形成N+环形区域021’；
步骤043：请参阅图15，去除掩膜R。
步骤05：请参阅图16，在N+环形区域021’之间的半导体衬底00背面刻蚀出第二沟槽；第二沟槽对应于第一沟槽下方，并且第二沟槽的顶部不高于N+环形区域的顶部(以半导体衬底背面朝下来描述)
具体的，以半导体衬底00背面朝上为方向来描述，刻蚀得到的第二沟槽的侧壁位于N+环形区域021’中，使第二沟槽的底部高于N+环形区域021’的底部，使得N+环形区域021’的底部具有凸起延伸到第二沟槽底部，这里，将N+环形区域021’分为两层，凸起所在层为上N+环形区域021，下N+环形区域022位于上N+环形区域021上方。
此外，以半导体衬底00背面朝上的方向来描述，在N+环形区域形成之后还包括：在半导体衬底00背面形成接触金属C，接触金属C的一部分接触N+环形区域022的一侧，另一部分对应于接触孔上方。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种光敏器件，其特征在于，包括：
一半导体衬底；
位于半导体衬底正面的第一沟槽，第一沟槽侧壁和底部表面形成有第一金属层，第一金属层与第一沟槽的侧壁和底部的半导体衬底之间形成金属-半导体接触；第一金属层作为导电层；
位于半导体衬底背面的第二沟槽；第二沟槽位于第一沟槽的正下方，且第一沟槽的底部和第二沟槽的底部相对；
环绕第二沟槽侧壁设置的N+环形区域，N+环形区域作为探测层，用于探测入射光并产生电信号。
2.根据权利要求1所述的光敏器件，其特征在于，所述第一沟槽和第二沟槽之间的半导体衬底的类型为N型。
3.根据权利要求1所述的光敏器件，其特征在于，在半导体衬底正面还设置有第二金属层，所述N+环形区域通过导电接触孔与第二金属层相电连。
4.根据权利要求1所述的光敏器件，其特征在于，所述第一金属层采用的材料为Al、Pt、W、Ta中的一种。
5.根据权利要求1所述的光敏器件，其特征在于，所述N+环形区域顶部具有凸起，凸起延伸到第二沟槽的顶部。
6.一种光敏器件的制备方法，其特征在于，包括：
步骤01：提供一半导体衬底；
步骤02：在半导体衬底正面形成第一沟槽；
步骤03：在第一沟槽的侧壁和底部表面形成第一金属层；
步骤04：在半导体衬底背面进行N型离子注入，形成N+区域；
步骤05：在N+区域中刻蚀出第二沟槽，第二沟槽的底部穿透N+区域，使得第二沟槽侧壁周围形成N+环形区域；其中，第二沟槽正上方对应于第一沟槽。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤02中，形成第一沟槽之后还包括：在对应于接触金属上方的半导体衬底中刻蚀出接触孔；所述步骤03中，同时还包括在接触孔中填充导电金属，形成导电接触孔；
所述步骤04中，在N+区域形成之后还包括：在半导体衬底背面形成接触金属，接触金属的一部分接触的N+区域的一侧，另一部分对应于接触孔下方。
8.一种光敏器件的制备方法，其特征在于，包括：
步骤01：提供一半导体衬底；
步骤02：在半导体衬底正面形成第一沟槽；
步骤03：在第一沟槽的侧壁和底部表面形成第一金属层；
步骤04：在半导体衬底背面进行N型离子注入，形成N+环形区域；
步骤05：在N+环形区域之间的半导体衬底背面刻蚀出第二沟槽；第二沟槽对应于第一沟槽下方，并且第二沟槽的顶部不高于N+环形区域的顶部。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤02中，形成第一沟槽之后还包括：在对应于接触金属上方的半导体衬底中刻蚀出接触孔；所述步骤03中，形成第一金属层的同时还包括在接触孔中填充导电金属，形成导电接触孔；所述步骤04中，在N+环形区域形成之后还包括：在半导体衬底背面形成接触金属，接触金属的一部分接触N+环形区域的一侧，另一部分对应于接触孔下方。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤04中，半导体衬底背面朝上，形成N+环形区域包括：
步骤021：在半导体衬底背面形成掩膜，掩膜中具有N+环形区域的图案开口；
步骤022：利用所述掩膜，向半导体衬底背面进行N+离子注入，形成N+环形区域；
步骤023：去除所述掩膜。
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