CN113990983B - 一种光吸收能力强的光敏二极管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光吸收能力强的光敏二极管及其制备方法，在晶圆表面的接触孔和受光区域中生长介质层，得到受光区域的增透膜结构；然后对介质层进行第二次接触孔光刻，得到欧姆接触孔；然后在晶圆表面溅射金属薄膜，进行第一次光刻、刻蚀工艺保留受光区域和欧姆接触孔上的顶层金属层；然后在晶圆表面淀积钝化层，并将受光区域上的钝化层去掉；然后在晶圆表面受光区域的顶层金属层进行第二次光刻、刻蚀工艺，去掉受光区域的金属薄膜，退火，得到光敏二极管，通过上述方法本发明实现调节光敏二极管受光区增透膜材料和结构的目的，从而增强光敏二极管对指定波长光线的吸收能力，提高光敏二极管的电流传输比(CTR)，最终提升光电耦合器传输特性。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体属于一种光吸收能力强的光敏二极管及制备方法。
背景技术
光电耦合器系列电路是一种把发光二极管和光敏芯片封装在同一壳体内，通过输入电信号转换为光信号，再转换为输出电信号来传输电信号的半导体光电子器件。光电耦合器可在输入/输出信号间实现完全的电隔离，被广泛用于计算机外围接口、军事、高可靠系统的输入/输出信号传递中的隔离。电路由两部分组成，输入部分为高速红外线发光二极管(LED)，输出部分为以Si光敏二极管作为光敏部分的光敏芯片，采用开集电极肖特基晶体管输出。
光耦系列产品光敏芯片的性能主要受肖特基二极管和光敏二极管的特性影响。其中光敏二极管用于接收发光信号，光敏二极管结构及制备方法会影响接收光信号的强度和效率。目前国内高速双通道光电耦合器芯片中，光敏二极管受光区域的介质结构不符合增透膜设计原理，不利于光敏二极管对红外光的吸收。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种光吸收能力强的光敏二极管及制备方法，增强光敏二极管对红外线的接收能力，提高光敏二极管的电流传输比(CTR)，最终提升光电耦合器传输特性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种光吸收能力强的光敏二极管的制备方法，具体步骤如下：
S1对晶圆表面的二氧化硅层进行第一次接触孔光刻，得到晶圆表面的接触孔和受光区域；
S2在接触孔和受光区域中生长介质层，得到受光区域的增透膜结构；
S3对步骤S2得到的增透膜结构进行第二次接触孔光刻，得到欧姆接触孔；
S4在步骤S3得到的晶圆表面溅射金属薄膜，进行第一次光刻、刻蚀工艺保留受光区域和欧姆接触孔上的顶层金属层；
S5在步骤S4得到的晶圆表面淀积钝化层，通过光刻、刻蚀工艺将受光区域上的钝化层去掉；
S6对步骤S5得到的晶圆表面受光区域的顶层金属层进行第二次光刻、刻蚀工艺，去掉受光区域的金属薄膜，退火，得到光敏二极管。
进一步的，步骤S1中，所述晶圆为采用体硅片。
进一步的，步骤S1中，采用湿法腐蚀去除晶圆表面的二氧化硅层，得到接触孔和受光区域。
进一步的，步骤S2中，所述增透膜结构包括单层二氧化硅薄膜或二氧化硅和氮化硅双层介质薄膜，所述单层二氧化硅薄膜的厚度为期望吸收波长的四分之一的奇数倍，所述二氧化硅和氮化硅双层介质薄膜的厚度总和为
进一步的，步骤S2中，所述增透膜结构利用LPCVD法沉积得到。
进一步的，步骤S3中，得到的欧姆接触孔包括肖特基二极管金-半接触区域。
进一步的，步骤S4中，所述金属薄膜为纯铝薄膜。
进一步的，对步骤S4中得到晶圆在335℃退火40min，用于使欧姆接触孔内的金属与晶圆表面形成欧姆接触形成金属压焊点。
进一步的，步骤S5中，所述钝化层包括二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜。
本发明还提供一种光吸收能力强的光敏二极管，采用上述制备方法制备。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明所提出的一种光吸收能力强的光敏二极管及制备方法，通过修改接触孔、金属层和钝化层受光区的版图，同时另外增加一层金属刻蚀版选择性控制受光区介质材料和厚度，实现调节光敏二极管受光区增透膜材料和结构的目的，从而增强光敏二极管对指定波长光线的吸收能力，通过调整本发明光敏二极管受光区增透膜的结构，调整其光吸收能力，从而实现调整光耦电路的重要参数电流输出比的目的，而电流传输比为光电耦合器输出电流Io与输入电流Ii与之比的百分数，即CTR＝Io/Ii×100％,是光电耦合器传输特性的标志。光敏二极管吸收光的能力与光耦器件中硅光敏二极管的电流输出比呈正相关。受光区增透膜对光线的反射率越低，其光吸收能力越强。
目前工作中心在870nm波长的传统红外光耦器件电流传输比约200％。而受光区采用厚度为该波长四分之一的奇数倍的单层二氧化硅薄膜，或厚度总和为
的二氧化硅和氮化硅双层介质薄膜，可将增透膜的反光率降至最低。本发明的制备方法可调整增透膜材料或结构，可将该类型光耦器件的电流传输比提升至240％左右。
附图说明
图1：CO1(接触孔1)层刻蚀后受光区域剖面结构；
图2：增透膜介质淀积后受光区域剖面结构；
图3：CO1(接触孔1)层刻蚀后受光区域剖面结构；
图4：TME(顶层金属)层第一次光刻、刻蚀后受光区域剖面结构；
图5：PAS(钝化膜)层刻蚀后受光区域剖面结构；
图6：TME2(顶层金属)层第二次光刻、刻蚀后受光区域剖面结构；
图7：各层图形使用填充方式说明；
图8：CO1与基区(BAS)和发射区(EMI)的版图关系示意图；
图9：TME与BAS和EMI的版图关系示意图；
图10：PAS与TME、BAS和EMI的版图关系示意图；
图11：TME2与PAS和TME的版图关系示意图；
附图中：1-SiO2(二氧化硅)层；2-NBL(N型埋层)层；3-EPI(外延)层；4-BAS(基区)层；5-EMI(发射区)层；6-CO1(接触孔1)层；7-TME(顶层金属)层；8-PAS(钝化膜)层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
为增强光耦器件对红外线的接收能力，光耦产品电路中受光区介质层应该进行了红外增透膜设计，即尽可能提高中心波长为870nm的红外光的透射率，从而提高光电耦合器在不同温度下及芯片制造工艺参数波动条件下，器件光学特性的兼容度。
光敏二极管由外延层EPI和基区BAS组成的CB结二极管制作而成，传统光敏二极管基区BAS上受光区域的介质包括三部分，自上而下依次为：氮化硅和二氧化硅复合钝化层、二氧化硅层间介质和热氧化层，根据光的折射和干涉相关知识，此种介质结构不符合增透膜设计原理，不利于光敏二极管对红外光的吸收。
如图1至6，本发明提供一种光吸收能力强的光敏二极管及制备方法，通过对基区BAS上接触孔，金属层和钝化层进行改版，并另外增加一层金属光刻版，实现对基区BAS受光区域上的介质材料和厚度的选择性控制，具体工艺技术方案如下：
(1)通过第一次接触孔光刻CO1层打开晶圆基区BAS表面的受光区域，在腐蚀接触孔的同时将受光区域上的氧化层也腐蚀掉，在晶圆表面形成接触孔和受光区域，对应剖面结构见图1；
(2)在晶圆表面的接触孔和受光区域中生长介质层，得到受光区域的增透膜结构，增透膜结构为单层二氧化硅薄膜或二氧化硅和氮化硅双层介质薄膜，其中，单层二氧化硅薄膜的厚度为期望吸收波长的四分之一的奇数倍，二氧化硅和氮化硅双层介质薄膜的厚度总和为
对应剖面结构见图2；
(3)在介质层上进行第二次孔(CO1)层的光刻和刻蚀工艺，得到四个欧姆接触孔(包括肖特基二极管金-半接触区域)，对应剖面结构见图3；
(4)完成上述步骤(3)后，在晶圆上溅射金属薄膜，进行第一次光刻、刻蚀工艺保留受光区域和欧姆接触孔上的顶层金属(TME)层，对应剖面结构见图4；
(5)通过化学气相沉积工艺，在晶圆表面顶层金属(TME)层上，分别淀积厚度为
的二氧化硅和厚度为/>
氮化硅薄膜，形成钝化(PAS)层，再光刻、刻蚀工艺，去掉受光区域钝化层，对应剖面结构见图5；
(6)对受光区域的顶层金属(TME)层进行第二次光刻、刻蚀工艺，去掉受光区的金属薄膜，对应剖面结构见图6；
(7)采用温度为335℃，时间为40min的工艺条件进行退火，得到光敏二极管，测试电参数。
优选的，晶圆为采用体硅片。
具体的，图7为图1-6以及图8-11中各层图形使用填充方式说明，其中1为SiO2(二氧化硅)层；2为NBL(N型埋层)层；3为EPI(外延)层；4为BAS(基区)层；5为EMI(发射区)层；6为CO1(接触孔1)层；7为TME(顶层金属)层；8为PAS(钝化膜)层。
本发明通过CO1层打开受光区域，TME层覆盖受光区域，PAS层打开受光区域，同时增加TME2层只打开受光区域，上述4层版的版图与其他层次的关系分别见图8～图11(为使图形易于分辨，图8～图10中未画SiO2层)，图8中3-EPI内的6-CO1圆形区域为受光区，与图1对应；图9中3-EPI内的7-TME圆形区域为受光区，与图4对应；图10中8-PAS内7-TME圆形区域为受光区，与图5对应；图11中1的圆形区域为受光区，与图6对应。
实施例1：
1.原材料采用晶向为<111>，方阻为(8～13)Ω·cm的硅片，通过一系列工序在硅片表面形成NBL层，淀积EPI层，以及EPI层上的BAS层和EMI层，并在最上方形成二氧化硅介质层。通过CO1层的光刻工艺对硅片表面的二氧化硅介质层进行光刻，得到带有接触孔和圆形受光区域图形的光刻胶薄膜，光刻胶薄膜厚度为
2.使用体积比为7：1的去离子水和氢氟酸制得的BOE(Buffered Oxide Etch：缓冲氧化物刻蚀液)溶液，对硅片表面没有覆盖光刻胶区域上的二氧化硅进行湿法腐蚀，将未覆盖区域的二氧化硅完全去除，得到接触孔和受光区域，再通过去胶工艺将二氧化硅介质层表面的光刻胶去除；
3.在步骤2得到的接触孔和受光区域中利用LPCVD(Low Pressure ChemicalVapor Deposition：低压化学气相沉积)工艺生长一层厚度约为
的二氧化硅层，在晶圆表面的受光区形成光敏二极管的增透薄膜结构。
4.通过CO1层的光刻工艺，在硅片表面得到带有欧姆接触孔图形的光刻胶薄膜，光刻胶厚度为
5.使用BOE溶液，对没有覆盖到光刻胶区域的二氧化硅进行湿法腐蚀，并将该区域二氧化硅完全去除，得到欧姆接触孔，再通过去胶工艺将二氧化硅表面的光刻胶去除；
6.利用金属溅射工艺，在完成第5步工艺的晶圆表面，淀积厚度为
的金属铝薄膜；
7.对金属铝薄膜进行TME层光刻工艺，得到带有欧姆接触孔处和受光区域图形的光刻胶薄膜，光刻胶厚度为
8.利用湿法腐蚀工艺，去除未覆盖到光刻胶薄膜的金属铝薄膜，得到含欧姆接触孔和受光区域的图形的金属铝薄膜，再通过去胶工艺将金属铝薄膜表面的光刻胶去除；
9.利用退火工艺使欧姆接触孔内的金属与硅形成欧姆接触，形成金属压焊点，如图4和图6所示；
10.利用PECVD(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition：等离子增强化学气相沉积)工艺在完成第9步的晶圆表面依次淀积厚度为
二氧化硅薄膜和/>
的氮化硅薄膜，形成钝化层；
11.对钝化层进行PAS层光刻工艺，得到带有金属压焊点和受光区图形的光刻胶薄膜，光刻胶厚度为
12.利用干法刻蚀工艺将金属压焊点和受光区的钝化层去除，再通过去胶工艺将钝化层表面的光刻胶去除；由于上层钝化采用了氮化硅薄膜，需用干法刻蚀，下层二氧化硅可使用干法或湿法刻蚀工艺。
13.对受光区域的金属层进行第二次光刻工艺，得到带有受光区图形的光刻胶薄膜，光刻胶厚度为
14.利用湿法腐蚀工艺，去除受光区的金属层，再通过去胶工艺将晶圆表面的光刻胶去除；
15.再次进行金属退火工艺，并进行电性参数测试，最终得到带有该类光敏二极管器件的晶圆，常温条件下测试光耦电路的输出电流和输出电流，电流输出比可到达230％，较传统工艺的电流输出比高30％。
实施例2：
本实施例与实施例1的工艺方法大体相同，仅在步骤3作调整，通过LPCVD工艺依次作业厚度为
的氮化硅层和/>
的热氧化二氧化硅层作为光敏二极管的增透薄膜。相对于实施例1，该复合膜质的增透膜，实际做出来增透性更好，电流输出比能达到240％。
Claims (10)
1.一种光吸收能力强的光敏二极管的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1对晶圆表面的二氧化硅层进行第一次接触孔光刻，得到晶圆表面的接触孔和受光区域；
S2在接触孔和受光区域中生长介质层，得到受光区域的增透膜结构；
S3对步骤S2得到的增透膜结构进行第二次接触孔光刻，得到欧姆接触孔；
S4在步骤S3得到的晶圆表面溅射金属薄膜，进行第一次光刻、刻蚀工艺保留受光区域和欧姆接触孔上的顶层金属层；
S5在步骤S4得到的晶圆表面淀积钝化层，通过光刻、刻蚀工艺将受光区域上的钝化层去掉；
S6对步骤S5得到的晶圆表面受光区域的顶层金属层进行第二次光刻、刻蚀工艺，去掉受光区域的金属薄膜，退火，得到光敏二极管。
2.根据权利要求1所述的一种光吸收能力强的光敏二极管的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述晶圆为采用体硅片。
3.根据权利要求1所述的一种光吸收能力强的光敏二极管的制备方法，其特征在于，步骤S1中，采用湿法腐蚀去除晶圆表面的二氧化硅层，得到接触孔和受光区域。
4.根据权利要求1所述的一种光吸收能力强的光敏二极管的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述增透膜结构包括单层二氧化硅薄膜或二氧化硅和氮化硅双层介质薄膜，所述单层二氧化硅薄膜的厚度为期望吸收波长的四分之一的奇数倍，所述二氧化硅和氮化硅双层介质薄膜的厚度总和为
5.根据权利要求4所述的一种光吸收能力强的光敏二极管的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述增透膜结构利用LPCVD法沉积得到。
6.根据权利要求1所述的一种光吸收能力强的光敏二极管的制备方法，其特征在于，步骤S3中，得到的欧姆接触孔包括肖特基二极管金-半接触区域。
7.根据权利要求1所述的一种光吸收能力强的光敏二极管的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述金属薄膜为纯铝薄膜。
8.根据权利要求1所述的一种光吸收能力强的光敏二极管的制备方法，其特征在于，对步骤S4中得到晶圆在335℃退火40min，用于使欧姆接触孔内的金属与晶圆表面形成欧姆接触形成金属压焊点。
9.根据权利要求1所述的一种光吸收能力强的光敏二极管的制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述钝化层包括二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜。
10.一种光吸收能力强的光敏二极管，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项制备方法制备。
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