CN1158503A - 光电二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
在光吸收元件和半导体器件制作方法中，通过从光吸收表面提供N+型扩散层，N-型外延层、P-型外延层、P+型淀积层以及P型Si来构造光电二极管的内部结构形成低密度PN结，在光电二极管反偏时产生的空位层将被加宽，光吸收密度和频率特性也将被改进。而且，由于由P-外延层进行了双极型元件的隔离，可改进P-型外延生长时密度控制的效率。
Description
本发明涉及一种光吸收元件的结构和包含该光吸收元件的半导体器件的制作方法。
图1示出了现有技术的光电二极管和双极型晶体管的构造，它们是光吸收元件并形成于同一衬底上。图1中，左边区域示出了一个光电二极管的结构的例子，右边区域示出了双极型晶体管的结构的一个例子。N型淀积层14和P型淀积层P+15分别形成于n型半导体衬底11上。然后通过生长N型外延层16形成P型半导体元件隔离区17。
P型半导体的基极区域18形成于外延层16上的右边区域，N+型扩散层19形成于左边区域，发射极和收集极区域形成于右边区域中。
然后，光电二极管的电极层22、双极型晶体管的基极、发射极和收集极22形成图型。接着在其上形成绝缘膜。N-型外延层16的厚度由双极元件的特性决定，对双极型IC，通常具有约10V的稳定电源，膜厚为3-4μm是需要的。
根据上述结构，光电二极管的光吸收灵敏度由空位层100中产生的载流子数量和从空位层以内的区域中产生的载流子通过扩散到达空位层100的载流子的数量决定。因此，为提高光吸收灵敏度，有必要加宽空位层100并通过在空位层100的上部和下部提供具有长扩散长度的半导体层增加将从空位层中得到的载流子的数量。这两个工序，即加大空位层100的宽度和提供具有长扩散长度的半导体层可达到控制杂质浓度。
另一方面，光电二极管的频率特性由二极管的寄生电容和寄生电阻决定。因此，为改进频率特性，有必要降低寄生电容和寄生电阻。为降低寄生电容，加大空位层100是有效的，这意味着结杂质浓度的降低。另外，降低寄生电阻意味着增加除空位层外的半导体层的杂质浓度。例如，参见图1，提供了P型淀积层15以降低阳极的寄生电阻。由于P型淀积层15有高的杂质浓度，少数载流子的扩散长度短，并且对光电二极管的光吸收灵敏度作出贡献的载流子几乎是该P型淀积层15顶部产生的所有载流子。
这些光电二极管被广泛用于读出记录在诸如CD(compact disc)和MD(mini disc)上的信息。然而，该种形式的光盘所用的半导体激光的波长为780nm并且由于780nm波长的激光在Si中的吸收长度为9μm，因而产生了一个问题，即由于图1所示常规结构中距表面3-4μm处存在着P型淀积层15，因而无法获得充分的光吸收灵敏度。
鉴于上述情形，本发明的第一目的在于提高光电二极管的光吸收灵敏度。
第二目的是改进光电二极管的频率特性。
第三目的是达到所述第一和第二目的并提供一种可容易地将光电二极管与双极型元件隔离开的半导体器件的制作方法。
本发明的上述目的和其他目的通过提供一种光吸收元件已经被达到，其中，在施加反向电压时将要空出的部分中第一和第二导电类型的杂质密度都保持为小于1E16cm-3。这样，由于在对光吸收元件施加反向电压的情况下，所形成的第一和第二导电类型空位的杂质密度可保持小于1E16cm-3，因而可充分加大空位层，并可提高光吸收效率，降低寄生电容。因此，可获得具有相当好频率特性的光吸收元件的结构。
参照附图，阅读以下的详细说明，本发明的特征，原理和应用将变得更为明显，图中，相同的部分用相同的标号或符号来表示。
附图中：
图1为现有技术的光电二极管和双极型晶体管的简要截面图；
图2为示出依据本发明的第一实施例的光吸收元件的截面结构的简要截面图；
图3为示出依据本发明的第二和第五实施例的光吸收元件的截面结构的简要截面图；
图3和图4A-4C为示出依据本发明的第三和第四实施例的半导体制作工艺的工序的简要截面图；以及
图5为示出依据本发明的第五和第六实施例的测光计(opticalpickup)的结构简图。
下面参照附图说明本发明的最佳实施例。首先描述基本结构。
依据本发明第一实施例的光电二极管PD的简要截面结构示于图2。
如图2所示，要形成于P型半导体衬底11上的P型淀积层12选择性地形成在光电二极管PD的下部。具有超低浓度的P-型外延层13堆叠在上层，并且在此上层上堆叠了N-型外延层16。
另一方面，在双极型元件部分中，P型淀积层15和N型淀积层14形成于P-型外延层13和N-型外延层16之间。N+型扩散层19位于光电二极管部分的阴极表面。
由于光电二极管PD的结构如上所述，在表面附近的部分，象P-型外延层13和N-型外延层16之间的边界表面就有可能形成PN结。这意味着空位层100可形成于可大量透过光的表面。
而且，在依据本实施例的光电二极管PD的情况下，P-型外延层13以超低密度形成以增加光电二极管PD的光吸收灵敏度，通常N-型外延层16的密度设置为小于1E16cm-3以优化双极特性。
因此，围绕PN结中心扩展的空位层可充分地朝向P型半导体层一侧和N型半导体层一侧扩展。
并且，由于在施加反向电压的情况下，N-型外延层16和P-型外延层被淀积在空位层100将要扩展的部分，P型淀积层12和N型扩散层19位于空位层100不能到达的部分，空位层100的宽度能充分地得到扩展，结果，可降低寄生电容。
另外，对于双极元件的隔离，由于P-型外延层位于P型淀积层15下，P型淀积层15可通过该外延层连接，并且图1中所示的用于连接P型硅衬底11和P型淀积层15的P型淀积层12就成为不必要的了。将P-型外延层放在P型淀积层15下的优点也存在于光检测器PD一侧。由于用P型淀积层12来连接P型硅衬底11和P型淀积层15成为不必要，即可消除对P型淀积层12厚度的限制。
然后，图3示出了依据本发明第二实施例的光电二极管PD的简要截面图。
如图3所示，该光电二极管PD包括：由具有与P型硅衬底11几乎相等浓度的P型外延层13-1和具有超低浓度的P型外延层13-2构成的P型外延层13，并且P型外延层13-1与P+型淀积层15相接触。
而且，在施加反向电压的情况下，空位层100完全使P-型外延层13-2空出。
在作为双极元件的隔离的P-型外延层13中，密度高可增强其抗闩锁能力。因此，与P-型外延层13-2中空出部分相比，增加P型外延层13-1中未空出部分的密度将有助于降低由未空P-型外延层13-1引起的寄生电阻，也将可能改进抗闩锁能力，并将保持图2所示本发明的低寄生电容的特点。
总之，由于一旦对光电二极管加上反向电压即将要成空的部分的杂质密度设置为在P型一侧和N型一侧都小于1E16cm-3，因此可充分加大空位层100，可提高光吸收灵敏度，并可通过降低寄生电容进一步提高频率特性。
此外，这里，当在光电二极管PD上施加反向电压时，由于包含比要成空的部分密度更高的部分提供在要成空部分以外的部分中，因此可降低寄生电容。
另外，由于类似图1所示结构中没必要连接用于双极元件隔离的P型淀积层12和P型淀积层15，又由于双极元件下部的P型淀积层12成为不必要，因此足够有P型淀积层12的小开口区域，当淀积超低密度P-型外延层13时P-型外延层13的密度很容易控制。
下面将说明图3所示的依据本发明第三实施例的元件制作方法。
参照图3和图4A-4C，在下节中将说明上节中描述的光电二极管PD的制作工艺。
首先，如图4A所示，热氧化P型硅衬底11，在其表面上形成厚约120nm的氧化膜。接着，用光刻胶制作掩模，在2.4E15cm-2条件下，以30keV将硼离子选择性地注入到光电二极管单元中。
接着，为钝化离子注入的硼，在1200℃的N2气氛围中进行钝化退火80分钟。
此外，为消除注入离子时由损伤引起的缺陷，在1200℃下，在湿O2气氛中通过20分钟氧化形成了P型淀积层12。接着用氢氟酸除去氧化层得到图4A的结构。
然后，在15μm和20Ω·cm的条件下淀积P-型外延层13。热氧化膜接近100nm后，以光电二极管PD作为掩模，在8E14cm-2的条件下，以50keV选择性地将磷离子注入到双极型元件部分形成N型淀积层14。接着以光电二极管PD为掩模，在2.5E15cm-2的条件下，以30kev通过离子注入硼来形成P型淀积层15。
此外，为钝化离子注入的离子，在120℃的N2气氛中进行80分钟的钝化退火。为消除因注入离子时引起的损伤造成的缺陷，在120℃的湿氧气氛中进行20分钟氧化。之后用氢氟酸除去氧化膜即可获得图4B的结构。
然后，在4μm、1Ω·cm的条件下堆叠N-型外延层16。
通过热氧化增加10nm氧化膜后，在5E15cm-2的条件下，以光电二极管PD作掩模，以50keV将硼离子注入到双极元件的隔离单元和光电二极管PD的阳极拉出单元(anode pull out unit)，将形成P型隔离层17。这里，通过110℃下在N2气氛中进行80分钟的钝化退火，P型隔离层17将被连接到P型淀积层15，双极元件的隔离工序将被进行。结果，可获得图4C的结构。
下面，为在NPN晶体管部分上形成P型基极18，以30keV、1E14cm-2离子注入硼，在900℃的N2气氛中进行30分钟的钝化退火。接着，为制作与NPN晶体管的基极金属板形成接触部分和与光电二极管PD的阳极金属板形成接触部分的P型扩散层20，以50keV、1E15cm-2离子注入BF2。此外，以50keV、5E15cm-2离子注入砷、在N2气氛中进行20分钟的钝化退火以在NPN晶体管的发射极、收集极和金属板的接触部分以及在光电二极管的阴极表面上形成N型扩散层19。
接着，用CVD方法在第一层Al金属板和硅层之间淀积600nm硅氧化物膜，用RIE(反应离子刻蚀)开接触孔以在第一层Al板、双极元件和光电二极管PD中获得欧姆接触。之后，用溅射方法将Ti和TiON，即具有高熔点的金属分别淀积为约30nm和70nm的膜厚。再有，用溅射方法淀积包含具有1％的低熔点的硅的Al600nm。随后用RIE刻蚀方法将金属板22中不需要的部分除去。
之后，在第一层Al板和第二层Al板之间用等离子体CVD(化学汽相淀积)方法淀积1μm的硅氧化物膜作为膜23，同SOG(玻璃上旋转)进行平整化处理，然后用等离子体CVD方法淀积硅氧化物膜。然后用RIE方法开用于连接第一层Al板和第二层Al板的接触孔，用溅射方法分别堆叠100nm和1000nm的Ti和AlSi(1％)。
接着，用RIE刻蚀方法将仅存于光电二极管单元中的这些金属层除去。用等离子体CVD方法堆叠700nm的氮化硅膜作为上面的钝化膜，用RIE刻蚀方法除去粘结焊点部分的氮化硅。接着，在所形成的N2和H2各为95％和5％的气体中以400℃进行用于烧结的热处理30分钟，结果可获得图2所示的结构。
另外，可以通过在5μm、4Ω·cm和10μm、20Ω·cm的条件下连续堆叠所述P-外延层13，图3所示的依据本发明第四实施例的制作方法可进行。
下面说明依据本发明第五实施例的一个应用实例。
图5示出了作为使用光探测器PD的器件的一个应用实例的测光计的结构。通过将包含光耦合器的棱镜32装配于光IC基片31上形成该测光计。具有上述结构的光电二极管PD淀积于光IC基片31上，光耦合器和光电二极管PD保持在具有固定位置关系的位置上。
在光IC基片31的一端，除棱镜32外安装有配备激光LD的半导体芯片33。在该半导体芯片33中，形成有用于检测从半导体激光LD向后反射的光和控制半导体激光LD的功率(例如，用具有PIN结构的功率监视器)的光二极管PDM。以上是测光计的结构。
根据上述结构，下面大概描述测光计的光检测工作。首先，由导体激光二极管LD产生的光反射后，在其中通过透镜系统34存储了位信息的光盘35上聚光。该光对应于光盘35上记录的信息进行调制并反射，然后从棱镜32的入射表面32A馈入棱镜32。
之后输入的光线在棱镜32中反射并聚光到棱镜下面的多个光电二极管PD上。
由于按上述结构构造的所有光电二极管PD都具有高的光吸收灵敏度且频率特性下降小，因此，甚至在因目前所使用的复杂的光学系统造成很难将充分的光量导入光电二极管PD的场合下，也能完全读出光盘35上的信息。
另外，作为多个光电二极管PD的光吸收的结果，可执行记录信息的读出、光轨伺服和聚焦伺服等操作。
下面说明本发明的第六实施例。
在上述实施例中，测光计被用作特殊应用的器件，然而，本发明并不仅限于此，而且可应用于具有内建的、作为光吸收元件的光探测器的各种器件。
而且，在上述实施例中，限制了将P型淀积层12淀积于光电二极管PD的下面。然而，本发明也并不仅限于此，而且也可淀积于双极型元件下面。对这种安排，在光电二极管PD下用于淀积P型淀积层12的图形化工序可以忽略。
此外，关于离子注入条件和退火条件，本发明不只限于上述实施例所描述的那样，也可根据所需的工艺条件采用其他的值。
根据上述的本发明，由于光吸收元件被构成为一旦施加反向电压，空位部分中的第一和第二导电类型的杂质密度都被形成为小于1E16cm-3，光吸收元件的空位层可充分加大，改进了光吸收灵敏度、并且降低了寄生电容。因此，可形成具有优良频率特性的光吸收元件。
通过本发明的最佳实施例的上述说明，对本领域的技术人员而言，很明显可得到各种改变和变更，因此，后附的权利要求将覆盖所有那些落在本发明的真正的精神和领域的改变和变更。
Claims (16)
1.一种光吸收器件，包括：
第一导电类型的半导体衬底；
在所述第一基底上形成的第一导电类型的第一半导体层；
在所述第一半导体层上形成的第一导电类型的第二半导体层；
在所述第二半导体层上形成的第二导电类型的第三半导体层；
在所述第三半导体层上形成的第二导电类型的第四半导体层；以及在所述第四半导体层上形成的电极。
2.权利要求1的光吸收器件，其中
所述第二半导体层的杂质浓度小于所述第一半导体层的杂质浓度。
3.权利要求1的光吸收器件，其中
所述第四半导体层的杂质浓度大于所述第三半导体层的杂质浓度。
4.一种半导体器件，其中
光吸收元件包括：
第一导电类型的半导体衬底；
在所述第一基底上形成的第一导电类型的第一半导体层；
在所述第一半导体层上形成的第一导电类型的第二半导体层；
在所述第二半导体层上形成的第二导电类型的第三半导体层；
在所述第三半导体上形成的第二导电类型的第四半导体层；以及
在所述第四半导体层上形成的电极；其中
所述光吸收元件与双极型元件一起形成于同一基底中。
5.权利要求4的半导体器件，其中
所述第一半导体层只用于光吸收元件区中。
6.权利要求1的光吸收元件，其中
第五半导体层配备于所述第二半导体层和所述第三半导体层之间。
7.权利要求6的光吸收元件，其中
所述第五半导体层的导电类型为所述第一导电类型。
8.权利要求7的光吸收元件，其中
所述第五半导体层的杂质浓度大于所述第二半导体层的杂质浓度。
9.权利要求2的光吸收元件，其中
空位层形成于所述第一半导体层的上部区域中。
10.权利要求7的光吸收元件，其中
空位层形成于所述第五半导体层的上部区域中。
11.一种光吸收元件，通过第一导电类型半导体层和第二导电类型半导体层的电接触形成，其中
在施加反向电压的情形下所形成的空位中，所述第一和第二导电类型的杂质浓度都小于1E16cm-3。
12.权利要求11的光吸收元件，其中
在施加所述反向电压的情形下形成的空位以外的部分中，相对于在所述第一和第二导电类型半导体层中形成的空位的杂质浓度，存在着具有更高密度的部分。
13.权利要求11的光吸收元件，其中
相对于在所述第一和第二导电类型半导体层中形成的空位的杂质浓度具有更高密度的部分，形成于比射入所述半导体层的光的吸收长度更深的位置。
14.一种测光计，包括：
用于发射激光束的半导体光发射元件；
光耦合器，将所述激光束反射到辐射目标，一射入，在所述辐射目标反射的激光束就通往固定位置；
置于所述位置上用于吸收所述激光束的光吸收元件；其中
所述光吸收元件通过第一导电类型半导体层和第二导电类型半导体层的电接触形成，并且在施加反向电压的情形下形成的空位中，所述第一和第二导电类型的杂质浓度都小于1E16cm-3。
15.一种具有光吸收元件和双极型元件的半导体器件的制作方法，其中：
在第一导电类型半导体衬底中配备的光吸收元件的部分上，选择性地配备第一导电类型高密度淀积层；
接着，配备第一导电类型低密度外延层；
除在双极型元件的部分上选择性地配备第二导电类型高密度淀积层外，还在双极型元件的隔离部分上选择性地配备第一导电类型高密度淀积层；
之后，配备第二导电类型低密度外延层；以及
然后，在光吸收元件的表面上配备第二导电类型高密度扩散层。
16.一种具有光吸收元件和双极型元件的半导体器件的制作方法，其中：
在第一导电半导体衬底上配备的光吸收元件的部分处，选择性地配备第一导电类型高密度淀积层；
配备第一导电类型外延层和超低密度第一导电类型外延层；
接着，除在双极型元件部分上选择性地配备第二导电类型高密度淀积层外，还在双极型元件的隔离部分上选择性地配备第一导电类型高密度淀积层；
之后，配备第二导电类型低密度外延层；
然后，在光吸收元件的表面上配备第二导电类型高密度扩散区；以及
在双极型元件的隔离部分上的第一导电类型高密度淀积层到达具有超低密度的所述第一导电类型外延层。
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