CN109192810B - 一种光敏电容及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光敏电容及其制作方法。光敏电容包括：衬底、注入层、氧化隔离层、第一电容和第二电容；在衬底的一侧设置注入层并在注入层上覆盖氧化隔离层；第一电容的一个极板设置在氧化隔离层上，且通过氧化隔离层与注入层电连接；第二电容的一个极板设置在氧化隔离层上；第一电容的两个极板之间填充的电介质与第二电容的两个极板之间填充的电介质相同。本发明提供的光敏电容具有高阻抗、小功率和动态响应快的优点，并且结构简单，性能可靠，稳定性好，可长时间在恶劣环境中应用；采用半导体工艺和金属薄膜工艺，降低光敏电容尺寸小，易于实现批量生产，成本低，还能提高测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及电容器技术领域，具体涉及一种光敏电容及其制作方法。
背景技术
利用电容器的原理，将自然界的非电量信号转化为电量，可以制成电容式的传感器。目前，电容式传感器根据测量原理主要分为变间隙型、变面积型、变介电常数型和组合式的差动电容型等；电容式传感器主要应用在力学和湿度测量等方向，如位移、压力、加速度、流量、湿度、角速度等方面。
电容式传感器频响宽、应用广，而且可以实现非接触测量，这些优势，还没有在光学测量中发挥出来，由于所采用测量原理的限制在光探测方面还没有开发出可广泛应用的光敏电容以及基于光敏电容的电容式传感器。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种光敏电容及其制作方法，具有低功耗、高频响、结构简单和性能稳定可靠的优点。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种光敏电容，包括：
衬底、注入层、氧化隔离层、第一电容和第二电容；
在衬底的一侧设置注入层并在注入层上覆盖氧化隔离层；
第一电容的一个极板设置在氧化隔离层上，且通过氧化隔离层与注入层电连接；
第二电容的一个极板设置在氧化隔离层上；
第一电容的两个极板之间填充的电介质与第二电容的两个极板之间填充的电介质相同。
进一步地，还包括：管壳；所述管壳上设有引脚，所述引脚通过引线与第一电容或第二电容的极板电连接。
其中，所述引脚有4个，4个引脚通过引线分别与第一电容的两个极板以及第二电容的两个极板电连接。
其中，所述衬底为N型单晶硅。
其中，在N型单晶硅的一侧注入硼离子形成注入层。
其中，所述第一电容与所述第二电容的规格尺寸相同。
另一方面，本发明提供了一种上述光敏电容的制作方法，包括：
将单晶硅片进行热氧化处理，以使单晶硅表面形成二氧化硅绝缘层；
对热氧化处理过的单晶硅片上涂盖光刻胶，并通过光刻机在单晶硅片光刻出离子注入区域；
在离子注入区域注入硼离子后，对单晶硅片进行退火氧化处理并在单晶硅片表面形成氧化隔离层；
在离子注入区上进行光刻，光刻出穿过氧化隔离层的通孔；
在单晶硅片上沉积第一金属层，采用光刻将沉积的第一金属层刻蚀成电容的下极板；
在电极的基片上沉积一层绝缘介质层；
在绝缘介质层上沉积第二金属层，通过光刻将沉积的第二金属层刻蚀成电容的上极板，形成光敏电容。
由上述技术方案可知，本发明所述的一种光敏电容及其制作方法，通过电容与半导体材料的结合来测量光照，具有高阻抗、小功率和动态响应快的优点，并且结构简单，性能可靠，稳定性好，可长时间在恶劣环境中应用；采用半导体工艺和金属薄膜工艺，降低光敏电容尺寸小，易于实现批量生产，成本低；并且集成了结构尺寸相同的无光敏功能的参比电容，两个电容同时测量可以消除非光照的信号的干扰，进一步保证测量的准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种光敏电容的结构剖面示意图；
图2是本发明实施例提供的一种光敏电容的俯视图；
图3是本发明实施例提供的一种光敏电容器件的俯视图；
图4是本发明实施例提供的一种光敏电容器件仰视图；
图5是本发明实施例提供的一种光敏电容的制作方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种光敏电容，参见图1，该光敏电容包括：衬底1、注入层2、氧化隔离层3、第一电容10和第二电容20；其中，第一电容10包括：第一上极板7和第一下极板4，第二电容20包括：第二上极板8和第二下极板5，
参见图1至图2，在衬底1的一侧设置注入层2并在注入层2上覆盖氧化隔离层3；其中，衬底1为N型单晶硅，单晶硅经过氧化后，在单晶硅的一侧注上面光刻出离子注入区域，然后腐蚀掉注入区域的氧化层，再在光刻胶保护下注入高剂量的硼离子，形成注入层2。
衬底1和注入层2构成半导体PN结，在PN结上设置电容，实现电容与半导体材料的结合，结合半导体材料的光电效应以及电容储能原理，在光照射条件下，当光子能量达到半导体PN结中的电子或空穴能级跃迁要求时，半导体PN结中载流子数量增加，与半导体PN结相连的电容的极板的电荷积累增加，导致电容值因光照射而改变，既而实现把光学信号变化转换成电容器的电容值变化。
在具体应用时，在衬底1和注入层2构成半导体PN结上设置两个电容，第一电容10和第二电容20，第一电容10和第二电容20之间填充电介质，在第一电容10和第二电容20之间形成介质层6，为避免第一电容10和第二电容20均与衬底1和注入层2构成半导体PN结相连接，在第一电容10和第二电容20与在衬底1和注入层2构成半导体PN结之间设置有氧化隔离层3，其中，第一电容10的一个极板设置在氧化隔离层3上，且通过氧化隔离层3与注入层2电连接，即第一电容10的第一下极板4穿过氧化隔离层3与注入层2电连接；第二电容20的一个极板设置在氧化隔离3上，即第二电容20的第二下极板5设置在氧化隔离3上且不穿过氧化隔离层3。
在一个半导体PN结上设置一对电容，这两个电容中第一电容10的第一下极板4与注入层2电连接，则第一电容10具有光敏功能，第二电容20中没有极板与注入层2电连接，则第二电容20不具有光敏功能，第一电容10与第二电容20的区别仅在于一个与注入层2电连接，另一个不与注入层2电连接，在规格尺寸、电极和电介质材料等其他方面都一致，因此在光检测时，以第二电容20作为参比，感测的是除了光照以外的温度、湿度、气体等带来的变化，即第一电容10与第二电容20的电容量的差既是光照带来的电容值的变化。
从上述描述可知，本发明实施例提供了一种具有独特的信号转化方式的光敏电容，具有独特的信号转化方式的光敏电容，扩展了电容的应用范围，为光探测敏感元器件提供了技术支持和新的产品选择，并具有低功耗、高频响、结构简单和性能稳定可靠的优点。该光敏电容可以制作成感光传感器可以方便应用到农业、居家、矿业、消费电子、制造业等各个领域。
基于上述实施例，参见图3，在光敏电容的外部设置有管壳30，该管壳30上设有引脚301，将光敏电容设置在管壳30中，管壳30上的引脚301通过引线302与第一电容或第二电容的极板电连接，因此需要4个引脚301，4个引脚301通过引线302分别与第一电容的两个极板以及第二电容的两个极板电连接。
具体实施时，将光敏电容粘贴到有四个管脚的管壳30上，然后用金丝或是硅铝丝压焊的方法将光敏电容中极板引出的焊盘和管壳30的管脚焊盘连接，即制作出光敏电容器件。
参见图4，在外壳30的底部上设有引脚303，4个引脚301与4个引脚303分别对应连接，便于光敏电容器件的安装使用。
其中，在光敏电容的极板引出的焊盘处，加厚蒸发一层金属，以保证后续引线可以可靠压焊，优选地，蒸发一层厚度在
可焊金属层。
进一步的，光敏电容对可见光敏感，跟衬底材料与掺杂离子种类有关，可以根据不同的衬底材料掺杂不同的离子，制造对不同波长光敏感的光敏电容。
需要说明的是，本实施例提供的光敏电容如需要保护，根据应用工况不同，可增加塑料、金属或是玻璃的保护罩，但要保证光线无阻碍的透过。
从上述描述可知，本发明实施例提供了一种光敏电容，通过电容与半导体材料的结合来测量光照，具有高阻抗、小功率、动态响应快等优点；基于半导体的物理特性和电容器测量原理，结构简单，性能可靠，稳定性好，可长时间在恶劣环境中应用，为光敏器件的应用增加一种选择，扩展电容式传感器的应用领域；采用半导体工艺和金属薄膜工艺，降低光敏电容尺寸小，易于实现批量生产，成本低；并且集成了结构尺寸相同的无光敏功能的参比电容，两个电容同时测量可以消除非光照的信号的干扰，进一步保证测量的准确。
本发明实施例提供了一种基于上述实施例中光敏电容的制作方法，参见图5，包括：
S101：将单晶硅片进行热氧化处理，以使单晶硅表面形成二氧化硅绝缘层；
在本步骤中，选用N型单晶硅，经过IC与金属薄膜加工的单晶硅晶被分离成单个的单晶硅片，采用标准清洗液对单晶硅片进行清洗后，对硅片进行热氧化，形成厚度为
的二氧化硅层。
S102：对热氧化处理过的单晶硅片上涂盖光刻胶，并通过光刻机在单晶硅片光刻出离子注入区域；
在本步骤中，将上述步骤S101中处理过的硅片旋涂光刻胶，并通过光刻版对准曝光，在光刻机下曝光完成下刻出离子注入区域，并将离子注入区域的光刻胶去掉。
S103：在离子注入区域注入硼离子后，对单晶硅片进行退火氧化处理并在单晶硅片表面形成氧化隔离层；
在本步骤中，在光刻胶保护下向离子注入区域注入5e15～2e16剂量的硼离子，并进行去除光刻胶、退火和氧化处理，形成薄层浓硼掺杂区和氧化隔离层，其中，浓硼掺杂区即是注入层2。
S104：在离子注入区上进行光刻，光刻出穿过氧化隔离层的通孔；
在本步骤中，对步骤S103中的单晶硅片旋涂光刻胶，在光刻胶保护下，采用干法刻蚀工艺在离子注入区域上光刻出穿过氧化隔离层的通孔，刻蚀去除该位置的氧化隔离层，露出掺硼硅层。
S105：在单晶硅片上沉积第一金属层，采用光刻将沉积的第一金属层刻蚀成电容的下极板；
在本步骤中，采用溅射或真空蒸镀方法沉积第一金属层，然后通过光刻曝光进行图形转移，并在光刻胶保护下，利用光刻和干法刻蚀去除第一金属层上多余的金属，将刻蚀成设计的下电极极板形状，然后去除光刻胶并在420℃下退火1小时，制成电容的下极板；
其中，第一金属层为：金属铝层或硅铝合金层。
S106：在电极的基片上沉积一层绝缘介质层；
在本步骤中，在下极板上用PECVD(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition)沉积一层绝缘介质层，旋涂光刻胶在光刻胶保护下进行光刻并将下极板引出的焊盘位置的钝化层去除，形成电容的介质层；
其中，绝缘介质层为：二氧化硅层(SiO2)或氮化硅层(Si3N4)；绝缘介质层的厚度为
S107：在绝缘介质层上沉积第二金属层，通过光刻将沉积的第二金属层刻蚀成电容的上极板，形成光敏电容。
在本步骤中，采用真空蒸发方法沉积一层薄而连续的第二金属层，第二金属层需要保证足够薄，保证光线通过，然后通过光刻曝光或干法刻蚀进行图形转移，旋涂光刻胶并在光刻胶保护下，利用湿法腐蚀去除第二金属层上多余的金属，将第二金属层刻蚀成设计的上电极极板形状，然后去除光刻胶，制成电容的上极板，电容的上极板、电容的下极板和掺杂硼离子的硅片形成光敏电容。
其中，第二金属层为：金属铝层或金属金层；
进一步的，在上极板引出的焊盘处，增加厚度在
可焊金属层，保证上极板焊盘的可焊性。
基于上述实施例，将单独的光敏电容粘贴到有四个管脚特制壳上，然后用金丝或是硅铝丝压焊的方法将芯片焊盘和管壳的管脚焊盘连接，即制作出光敏电容器件。
需要说明的是，光敏电容对可见光敏感，跟衬底材料与掺杂离子种类有关，可以根据不同的衬底材料掺杂不同的离子，制造对不同波长光敏感的光敏电容。光敏电容的极板金属材料可以用Cr、Au、硅铝合金等代替。各种材料的选择和厚度都要保证光线可以穿过达到下极板下面的半导体衬底重掺杂区。
从上述描述可知，本发明实施例提供的一种光敏电容的制作方法，通过将电容的极板制作在半导体基片上，并形成欧姆接触，当外界因素通过半导体的物理效应导致的载流子数量等方面的变化，就会带来电容极板处电荷积累的变化，同时也就改变电容值。本发明中将平板电容的一个极板直接与重掺杂的单晶硅衬底相连接，光照下连接下极板的浓硼掺杂单晶硅层的载流子的数量增加，带来电容极板处电荷积累的变化，从而也就改变电容值变化；本发明通过采用变极板电荷数量的方法，实现了可以进行光检测的电容式光传感器的设计和制作，扩展电容式传感器可检测的物理量种类；并且光敏电容芯片结构独特，一个芯片上集成两个电容单元，一个作为光敏感单元，感测光的变化，一个作为参比单元，消除系统和环境其他因素的干扰；光敏电容芯片采用单晶硅材料及半导体常用工艺制作，工艺成熟度高，可以制成成本低、一致性好的电容式光敏传感器；所依据的敏感机理、所用材料和采用工艺，都可以保证光敏电容结构和性能的稳定性和可靠性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种光敏电容，其特征在于，包括：衬底、注入层、氧化隔离层、第一电容和第二电容；
在衬底的一侧设置注入层并在注入层上覆盖氧化隔离层；
第一电容的一个极板设置在氧化隔离层上，且通过氧化隔离层与注入层电连接；
第二电容的一个极板设置在氧化隔离层上；
第一电容的两个极板之间填充的电介质与第二电容的两个极板之间填充的电介质由同一层电介质构成。
2.根据权利要求1所述的光敏电容，其特征在于，还包括：管壳；所述管壳上设有引脚，所述引脚通过引线与第一电容或第二电容的极板电连接。
3.根据权利要求2所述的光敏电容，其特征在于，所述引脚有4个，4个引脚通过引线分别与第一电容的两个极板以及第二电容的两个极板电连接。
4.根据权利要求1所述的光敏电容，其特征在于，所述衬底为N型单晶硅。
5.根据权利要求4所述的光敏电容，其特征在于，在N型单晶硅的一侧注入硼离子形成注入层。
6.根据权利要求1所述的光敏电容，其特征在于，所述第一电容与所述第二电容的规格尺寸相同。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述光敏电容的制作方法，其特征在于，包括：
将单晶硅片进行热氧化处理，以使单晶硅表面形成二氧化硅绝缘层；
对热氧化处理过的单晶硅片上涂盖光刻胶，并通过光刻机在单晶硅片光刻出离子注入区域；
在离子注入区域注入硼离子后，对单晶硅片进行退火氧化处理并在单晶硅片表面形成氧化隔离层；
在离子注入区上进行光刻，光刻出穿过氧化隔离层的通孔；
在单晶硅片上沉积第一金属层，采用光刻将沉积的第一金属层刻蚀成电容的下极板；
在电极的基片上沉积一层绝缘介质层；
在绝缘介质层上沉积第二金属层，通过光刻将沉积的第二金属层刻蚀成电容的上极板，形成光敏电容。
8.根据权利要求7所述的光敏电容的制作方法，其特征在于，所述第一金属层为：金属铝层或硅铝合金层。
9.根据权利要求7所述的光敏电容的制作方法，其特征在于，所述第二金属层为：金属铝层或金属金层。
10.根据权利要求7所述的光敏电容的制作方法，其特征在于，所述绝缘介质层为：二氧化硅层或氮化硅层。
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