專利名稱：一種硅光電二極管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體器件制作領域，尤其涉及一種硅光電二極管的制作方法。
背景技術：
傳統(tǒng)的硅光電二極管具有靈敏度高、可靠性好、價格便宜和工藝成熟等特點，在 民用和軍事等領域都有廣泛的應用。潘銀松等人共同申請的中國發(fā)明專利，申請?zhí)枮镃N 101090138A,公開了一種P+PIN硅光電探測器，該光電探測器通過濃硼和淡硼兩次擴散摻雜 減薄了高濃度摻雜層的P+型半導體中的死層，提高了光電探測器的光譜響應度。該光電探 測器以體硅作襯底，器件層相對較厚，適合用于寬光譜范圍的光電測量，如從近紫外到近紅 外波段。目前，許多應用場合都要求光電探測器在藍紫光范圍，即波長380-500納米，具有 較高的量子效率，同時希望抑制光電探測器在可見光的長波光和近紅外波段，即波長范圍 500 1000納米，的量子效率。如果使用上述以體硅為襯底的硅光電探測器，人們需要通過 增加藍紫濾光片來實現(xiàn)上述目標，這種做法會增加器件成本和安裝復雜度，不利于光電測 量向集成化和微型化方向發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術的不足，發(fā)明了一種硅光電二極管的制作方法，該方 法以絕緣體上硅晶片作襯底，器件層3厚度遠小于支撐硅片1的厚度，通過在器件層3中制 作光電二極管可以實現(xiàn)對可見光中的長波光和近紅外光波段，即波長范圍500 1000納 米，的量子效率的抑制作用；在器件層3上表面上生長一定厚度的二氧化硅層5，增強光電 二極管在藍紫光波段，即波長380-500納米的量子效率；采用隔離溝槽b實現(xiàn)器件的完全電 學隔離，從而制得高性能的對藍紫光敏感的硅光電二極管。 本發(fā)明一種硅光電二極管的制作方法采用的技術方案，其特征是采用絕緣體上 硅晶片作襯底，絕緣體上硅晶片包括支撐硅片1、二氧化硅埋層2和器件層3 ;采用干法刻蝕 工藝在器件層3上加工一個閉環(huán)的隔離溝槽a ;在絕緣體上硅晶片的器件層3上表面上生 長一定厚度的二氧化硅層5，透過二氧化硅層5在器件層3進行離子注入摻雜，先后得到P 型摻雜區(qū)6和N型摻雜區(qū)7 ;采用濺射的方法在器件層3上表面上先后淀積一定厚度的鈦 金屬層8和鋁金屬層9，并經(jīng)光刻形成正電極10和負電極11 ;最后得到的硅光電二極管結 構包括器件層3、二氧化硅層5、 P型摻雜區(qū)6、 N型摻雜區(qū)7以及形成在器件層3上表面的 正電極10和負電極11 ;其制作方法是 1)選取合適的絕緣體上硅晶片作襯底，絕緣體上硅晶片的器件層3厚度一般小于 5微米，器件層3材料為N型單晶硅； 2)絕緣體上硅晶片經(jīng)第一次光刻，在器件層3上表面定義出隔離溝槽用光刻膠窗 □ a ; 3)采用干法刻蝕工藝在器件層3上加工一個閉環(huán)的隔離溝槽b，將隔離溝槽b中 的器件層3硅材料刻蝕干凈，直至二氧化硅埋層2 ;
4)采用干氧氧化的方法在器件層3上表面上生長一定厚度的二氧化硅層5 ;在干 氧氧化的過程中通入一定量的氯元素，如氯化氫氣體或三氯乙烯氣體，目的是改善氧化層 的質(zhì)量；為減少藍紫光，即波長380-500納米，在二氧化硅層5表面的反射率，二氧化硅層5 的厚度取為70納米； 5)絕緣體上硅晶片經(jīng)第二次光刻，在器件層3上表面定義出P型摻雜區(qū)用光刻膠
窗口 C ; 6)以光刻膠作為離子注入的掩蔽膜，采用二氧化硅阻擋離子注入方法在器件層3 上進行P型摻雜，得到P型摻雜區(qū)6 ;根據(jù)二氧化硅層5厚度選取P型離子注入的能量，使 P型雜質(zhì)濃度的峰值位于器件層3和二氧化硅層5的界面處；選取合適的離子注入的劑量， 使P型雜質(zhì)的峰值濃度約為1 X 1018cm—3 ; 7)絕緣體上硅晶片經(jīng)第三次光刻，在器件層3上表面定義出N型摻雜區(qū)用光刻膠
窗口 d ; 8)以光刻膠作為離子注入的掩蔽膜，采用二氧化硅阻擋離子注入方法在器件層3 上進行N型摻雜，得到N型摻雜區(qū)7 ;為減少歐姆接觸電阻，N型離子注入的能量和劑量均較 高； 9)先對絕緣體上硅晶片進行一定時間的爐管退火，消除離子注入對硅晶格造成的 損傷，然后對絕緣體上硅晶片進行一定時間的快速熱退火，以激活注入的雜質(zhì)離子；
10)絕緣體上硅晶片經(jīng)第四次光刻，在器件層3上表面定義出N型摻雜區(qū)接觸孔用 光刻膠窗口 e和P型摻雜區(qū)接觸孔用光刻膠窗口 f ; 11)以光刻膠作為刻蝕二氧化硅層5的掩蔽膜，采用濕法腐蝕工藝在二氧化硅層5 中刻蝕出N型摻雜區(qū)的接觸孔g和P型摻雜區(qū)的接觸孔h ; 12)采用濺射的方法在器件層3上表面上淀積一定厚度的鈦金屬層8，在不破壞濺 射設備真空的條件下，接著淀積一定厚度的鋁金屬層9 ;鈦金屬層8厚度較小，作為緩沖金 屬層；鋁金屬層9厚度較大，作為引線鍵合層； 13)絕緣體上硅晶片經(jīng)第五次光刻，在器件層3上表面定義出正電極的光刻膠圖 形i和負電極的光刻膠圖形j; 14)以光刻膠4作刻蝕器件層3上表面電極圖形的掩蔽膜，采用濕法腐蝕工藝將正 電極的光刻膠圖形i和負電極的光刻膠圖形j以外的鈦金屬層8和鋁金屬層9刻蝕干凈， 得到正電極IO和負電極11 ; 15)對絕緣體上硅晶片進行低溫退火，使器件層3硅材料與上表面的正電極10和 負電極11形成良好的歐姆接觸； 本發(fā)明一種硅光電二極管的制作方法，將步驟1)中的器件層3材料由N型單晶硅 改為P型單晶硅，同時將步驟6)中的P型摻雜改為N型摻雜、步驟8)中的N型摻雜改為P 型摻雜，其余步驟同上述方案，也能制備相同性能的硅光電二極管。 本發(fā)明的效果本發(fā)明一種硅光電二極管的制作方法，工藝簡單，可靠性高，有良 好的重復性和穩(wěn)定性，并且可與其它MEMS/NEMS器件進行集成，如與亞波長金屬光柵集成 制作偏振方向敏感的光電探測器。


圖1是絕緣體上硅晶片的剖面結構示意圖；圖2是經(jīng)第一次光刻顯影后的剖面結 構示意圖；圖3是經(jīng)第一次光刻顯影后的俯視結構示意圖；圖4是經(jīng)干法刻蝕后的剖面結 構示意圖；圖5是經(jīng)干氧氧化后的剖面結構示意圖；圖6是經(jīng)第二次光刻顯影后的剖面結 構示意圖；圖7是經(jīng)第二次光刻顯影后的俯視結構示意圖；圖8是經(jīng)二氧化硅掩蔽離子注 入P型雜質(zhì)后的剖面結構示意圖；圖9是經(jīng)第三次光刻顯影后的剖面結構示意圖；圖10是 經(jīng)第三次光刻顯影后的俯視結構示意圖；圖ll是經(jīng)二氧化硅掩蔽離子注入N型雜質(zhì)后的剖 面結構示意圖；圖12是經(jīng)第四次光刻顯影后的剖面結構示意圖；圖13是經(jīng)第四次光刻顯 影后的俯視結構示意圖；圖14是經(jīng)濕法腐蝕接觸孔后的剖面結構示意圖；圖15是經(jīng)濺射 鈦金屬層后的剖面結構示意圖；圖16是經(jīng)濺射鋁金屬層后的剖面結構示意圖；圖17是經(jīng) 第五次光刻顯影后的剖面結構示意圖；圖18是經(jīng)第五次光刻顯影后的俯視結構示意圖；圖 19是經(jīng)濕法刻蝕電極圖形后的剖面結構示意圖； 其中l(wèi)-支撐硅片；2-二氧化硅埋層；3_器件層；4_光刻膠；5_ 二氧化硅層；6-P 型摻雜區(qū)；7-N型摻雜區(qū)；8-鈦金屬層；9-鋁金屬層；10-正電極；ll-負電極；a_隔離溝槽
用光刻膠窗口 ；b-隔離溝槽；c-P型摻雜區(qū)用光刻膠窗口 ；d-N型摻雜區(qū)用光刻膠窗口 ；e-N 型摻雜區(qū)接觸孔用光刻膠窗口 ；f-P型摻雜區(qū)接觸孔用光刻膠窗口 ；g-N型摻雜區(qū)的接觸 孔；h-P型摻雜區(qū)的接觸孔；i-正電極的光刻膠圖形；j-負電極的光刻膠圖形。
具體實施例方式
下面結合附圖和技術方案說明本發(fā)明的具體實施。 首先選取合適的絕緣體上硅晶片作襯底，其中選取適當厚度的器件層3是關鍵。 由Lambert-Beer定理可知，光功率在硅中隨入射深度的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減，衰減的指數(shù) 是硅材料對應波長的吸收系數(shù)，硅材料的吸收系數(shù)隨波長的減小而明顯增加，導致藍紫光 主要集中在靠近硅片表面很薄的一層內(nèi)被吸收，而可見光中的長波光和近紅外光，即波長 范圍500 1000納米，可以在硅中穿行較深的距離。我們選取絕緣體上硅晶片作襯底，晶片 的器件層3厚度一般小于5微米，該厚度范圍可以保證藍紫光在器件層3中被充分吸收，同 時使大部分長波光，即波長范圍500 1000納米，透過二氧化硅埋層2在支撐硅片1中被 吸收，由于二氧化硅埋層2的絕緣作用，長波光生載流子無法被器件層3收集，從而實現(xiàn)光 電二極管對長波光量子效率的抑制作用；我們選取的絕緣體上硅晶片為背面腐蝕減薄型， 器件層3材料為低電阻率的直拉單晶硅。絕緣體上硅晶片經(jīng)第一次光刻，在器件層3上表面 定義出隔離溝槽用光刻膠窗口 a。采用干法刻蝕工藝在器件層3上制備一個閉環(huán)的隔離溝 槽b，將隔離溝槽b中的器件層3硅材料刻蝕干凈，直至二氧化硅埋層2，從而實現(xiàn)器件的橫 向電學隔離。采用干氧氧化的方法在器件層3上表面上生長一定厚度的二氧化硅層5，該氧 化層具有多種功能，如鈍化和保護器件層表面、作為離子注入的阻擋層以及藍紫光的減反 射層等，不同功能對二氧化硅層5厚度的要求不盡相同。在滿足鈍化和保護的前提下，采用
四分之一波長理論，艮卩^ = ^"，其中1為二氧化硅層5厚度，A為入射光波長，n為硅材料對
應波長的折射率，計算可知二氧化硅層5的厚度為70納米時在藍紫光范圍內(nèi)的減反射效果 較好；在干氧氧化的過程中通入一定量的氯元素，如氯化氫氣體或三氯乙烯氣體，目的是減少界面態(tài)密度以及二氧化硅層5中的固定正電荷，改善氧化層的質(zhì)量。絕緣體上硅晶片經(jīng) 第二次光刻，在器件層3上表面定義出P型摻雜區(qū)用光刻膠窗口c。以光刻膠作為離子注入 的掩蔽膜，采用二氧化硅阻擋離子注入方法在器件層3上進行P型摻雜，得到P型摻雜區(qū)6 ; 離子注入的雜質(zhì)在硅中近高斯分布，通過選取合適的離子注入能量和一定厚度的二氧化硅 層5作阻擋層， 一方面可減少高能離子注入對硅晶格造成的損傷，另一方面可使注入雜質(zhì) 的濃度峰值位于器件層3和二氧化硅層5的界面處，這樣可消除負漂移電場的形成，有利于 光生載流子的收集；我們選取一定的離子注入劑量，使P型雜質(zhì)的峰值濃度為lX1018cm—3， 這樣就避免了重摻雜效應的影響。絕緣體上硅晶片經(jīng)第三次光刻，在器件層3上表面定義 出N型摻雜區(qū)用光刻膠窗口 d。以光刻膠作為離子注入的掩蔽膜，采用二氧化硅阻擋離子 注入方法在器件層3上進行N型摻雜，得到N型摻雜區(qū)7 ;為減少歐姆接觸電阻，N型離子 注入的能量和劑量均較高。在完成離子注入摻雜之后，對絕緣體上硅晶片進行退火處理 先將絕緣體上硅晶片放入爐管中進行一定時間的退火，以消除離子注入對硅晶格造成的損 傷，然后對絕緣體上硅晶片進行高溫快速熱退火，以激活注入的雜質(zhì)離子，使雜質(zhì)離子由晶 格中的間隙位置轉(zhuǎn)移到替位位置。絕緣體上硅晶片經(jīng)第四次光刻，在器件層3上表面定義 出N型摻雜區(qū)接觸孔用光刻膠窗口 e和P型摻雜區(qū)接觸孔用光刻膠窗口 f 。以光刻膠作為 刻蝕二氧化硅層5的掩蔽膜，采用濕法腐蝕工藝在二氧化硅層5中刻蝕出N型摻雜區(qū)的接 觸孔g和P型摻雜區(qū)的接觸孔h。 采用濺射的方法在器件層3上表面上淀積一定厚度的鈦金屬層8，在不破壞濺射 設備真空的條件下，接著淀積一定厚度的鋁金屬層9 ;鈦金屬層8厚度較小，主要作為緩沖 金屬層，以避免鋁-硅直接接觸而造成的尖楔效應；鋁金屬層9厚度較大，以保證鍵合引線 的順利進行。絕緣體上硅晶片經(jīng)第五次光刻，在器件層3上表面定義出正電極的光刻膠圖 形i和負電極的光刻膠圖形j。以光刻膠4作刻蝕器件層3上表面電極圖形的掩蔽膜，采用 濕法腐蝕工藝將正電極的光刻膠圖形i和負電極的光刻膠圖形j以外的鈦金屬層8和鋁金 屬層9刻蝕干凈，得到正電極10和負電極11。對絕緣體上硅晶片進行低溫退火，使器件層 3硅材料與上表面的正電極10和負電極11形成良好的歐姆接觸。 如果將上述方案中器件層3材料由N型單晶硅改為P型單晶硅，同時將上述工藝 中的P型摻雜改為N型摻雜、N型摻雜改為P型摻雜，其余步驟同上述方案，我們可以制備 出相同性能的對藍紫光敏感的硅光電二極管。 本發(fā)明的制作方法適用于制作對藍紫光敏感的硅光電探測器，具有工藝簡單和集 成性好等特點，在光電集成電路和微光機電等領域具有廣闊的應用前景。
權利要求
一種硅光電二極管的制作方法，其特征是采用絕緣體上硅晶片作襯底，絕緣體上硅晶片包括支撐硅片(1)、二氧化硅埋層(2)和器件層(3)；采用干法刻蝕工藝在器件層(3)上先加工一個閉環(huán)的隔離溝槽(a)；然后，在絕緣體上硅晶片的器件層(3)上表面上生長一定厚度的二氧化硅層(5)，透過二氧化硅層(5)在器件層(3)進行離子注入摻雜，得到P型摻雜區(qū)(6)和N型摻雜區(qū)(7)；采用濺射的方法在器件層(3)上表面上先后淀積一定厚度的鈦金屬層(8)和鋁金屬層(9)，經(jīng)光刻形成正電極(10)和負電極(11)；最后得到的硅光電二極管結構包括器件層(3)、二氧化硅層(5)、P型摻雜區(qū)(6)、N型摻雜區(qū)(7)以及形成在器件層(3)上表面的正電極(10)和負電極(11)；其制作方法是1)選取合適的絕緣體上硅晶片作襯底，絕緣體上硅晶片的器件層(3)厚度一般小于5微米，器件層(3)材料為N型單晶硅；2)絕緣體上硅晶片經(jīng)第一次光刻，在器件層(3)上表面定義出隔離溝槽用光刻膠窗口(a)；3)采用干法刻蝕工藝在器件層(3)上加工一個閉環(huán)的隔離溝槽(b)，將隔離溝槽(b)中的器件層(3)硅材料刻蝕干凈，直至二氧化硅埋層(2)；4)采用干氧氧化的方法在器件層(3)上表面上生長一定厚度的二氧化硅層(5)；在干氧氧化的過程中通入一定量的氯元素，如氯化氫氣體或三氯乙烯氣體，目的是改善氧化層的質(zhì)量；為減少藍紫光，即波長380-500納米，在二氧化硅層(5)表面的反射率，二氧化硅層(5)的厚度取為70納米；5)絕緣體上硅晶片經(jīng)第二次光刻，在器件層(3)上表面定義出P型摻雜區(qū)用光刻膠窗口(c)；6)以光刻膠作為離子注入的掩蔽膜，采用二氧化硅阻擋離子注入方法在器件層(3)上進行P型摻雜，得到P型摻雜區(qū)(6)；根據(jù)二氧化硅層(5)厚度選取P型離子注入的能量，使P型雜質(zhì)濃度的峰值位于器件層(3)和二氧化硅層(5)的界面處；選取合適的離子注入的劑量，使P型雜質(zhì)的峰值濃度為1×1018cm-3；7)絕緣體上硅晶片經(jīng)第三次光刻，在器件層(3)上表面定義出N型摻雜區(qū)用光刻膠窗口(d)；8)以光刻膠作為離子注入的掩蔽膜，采用二氧化硅阻擋離子注入方法在器件層(3)上進行N型摻雜，得到N型摻雜區(qū)(7)；為減少歐姆接觸電阻，N型離子注入的能量和劑量均較高；9)先對絕緣體上硅晶片進行一定時間的爐管退火，消除離子注入對硅晶格造成的損傷，然后對絕緣體上硅晶片進行一定時間的快速熱退火，以激活注入的雜質(zhì)離子；10)絕緣體上硅晶片經(jīng)第四次光刻，在器件層(3)上表面定義出N型摻雜區(qū)接觸孔用光刻膠窗口(e)和P型摻雜區(qū)接觸孔用光刻膠窗口(f)；11)以光刻膠作為刻蝕二氧化硅層(5)的掩蔽膜，采用濕法腐蝕工藝在二氧化硅層(5)中刻蝕出N型摻雜區(qū)的接觸孔(g)和P型摻雜區(qū)的接觸孔(h)；12)采用濺射的方法在器件層(3)上表面上淀積一定厚度的鈦金屬層(8)，在不破壞濺射設備真空的條件下，接著淀積一定厚度的鋁金屬層(9)；鈦金屬層(8)厚度較小，作為緩沖金屬層；鋁金屬層(9)厚度較大，作為引線鍵合層；13)絕緣體上硅晶片經(jīng)第五次光刻，在器件層(3)上表面定義出正電極的光刻膠圖形(i)和負電極的光刻膠圖形(j)；14)以光刻膠(4)作刻蝕器件層(3)上表面電極圖形的掩蔽膜，采用濕法腐蝕工藝將正電極的光刻膠圖形(i)和負電極的光刻膠圖形(j)以外的鈦金屬層(8)和鋁金屬層(9)刻蝕干凈，得到正電極(10)和負電極(11)；15)對絕緣體上硅晶片進行低溫退火，使器件層(3)硅材料與上表面的正電極(10)和負電極(11)形成良好的歐姆接觸；
2.根據(jù)權利要求1的硅光電二極管制作方法，其特征是，將步驟1)中器件層(3)材料 由N型單晶硅改為P型單晶硅，同時將步驟6)中的P型摻雜改為N型摻雜，步驟8)中的N 型摻雜改為P型摻雜，其余步驟同權利要求1，也能制備相同性能的硅光電二極管。
全文摘要
本發(fā)明一種硅光電二極管的制作方法屬于半導體器件制作領域，尤其涉及一種硅光電二極管的制作方法。本發(fā)明采用絕緣體上硅晶片作襯底，絕緣體上硅晶片包括支撐硅片、二氧化硅埋層和器件層。采用干法刻蝕工藝在器件層上先加工一個閉環(huán)的隔離溝槽；在絕緣體上硅晶片的器件層上表面上生長一定厚度的二氧化硅層，透過二氧化硅層在器件層進行離子注入摻雜，得到P型摻雜區(qū)和N型摻雜區(qū)。采用濺射的方法在器件層上表面上先后生長一定厚度的鈦金屬層和鋁金屬層，經(jīng)光刻形成正電極和負電極，最后得到硅光電二極管結構。本發(fā)明提供的制作方法工藝簡單，可靠性高，有良好的重復性和穩(wěn)定性，可與其它器件進行集成。
文檔編號H01L31/18GK101714591SQ200910219830
公開日2010年5月26日 申請日期2009年11月10日 優(yōu)先權日2009年11月10日
發(fā)明者孟凡濤, 王志文, 褚金奎, 韓志濤 申請人:大連理工大學