本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光電二極管集成器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

光電二極管(Photo diode)為一個(gè)工作在反向偏壓下的PN結(jié)二極管，當(dāng)PN結(jié)加反向偏壓時(shí)，外加電場(chǎng)方向與PN結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向一致，勢(shì)壘加強(qiáng)，在PN結(jié)界面附近載流子基本上耗盡形成耗盡區(qū)。當(dāng)光束入射到PN結(jié)上，且光子能量hv大于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg時(shí)，價(jià)帶上的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶上，形成一個(gè)電子—空穴對(duì)。在耗盡區(qū)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，如果PN結(jié)外電路構(gòu)成回路，就會(huì)形成光電流。當(dāng)入射光功率變化時(shí)，光電流也隨之線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，此即為PN結(jié)的光電效應(yīng)。

但如果器件中只有光電二極管是完成不了什么工作的，它必須配備相應(yīng)的外圍電路模塊才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。初期，光電二極管與外圍電路模塊獨(dú)立開的，但隨著時(shí)代的發(fā)展，這種模式已滿足不了人們的需求，將光電二極管與外圍電路模塊集成在一起的模式應(yīng)運(yùn)而生。因光電二極管的器件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，相對(duì)容易集成在CMOS電路中，此技術(shù)發(fā)展較快，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在如光檢測(cè)器，照相機(jī)，攝像機(jī)等等領(lǐng)域。在某些對(duì)光電轉(zhuǎn)化特性要求較高(高轉(zhuǎn)化率，低噪聲，響應(yīng)速度快)的領(lǐng)域，需要用特殊的材料和生產(chǎn)工藝才能實(shí)現(xiàn)，其生產(chǎn)成本也相對(duì)較高；而某些對(duì)光電轉(zhuǎn)化特性要求沒那么高(攝像頭上使用的光檢測(cè)器)的應(yīng)用領(lǐng)域，因市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)比較激烈，成本壓力較大。因此，成本問題制約光電二極管的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種基于CMOS工藝的光電二極管集成器件及其制備方法，以解決現(xiàn)有光電二極管器件成本高、使用受限的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明一方面提供一種光電二極管集成器件。所述光電二極管集成器件基于CMOS工藝形成，包括：

P型單晶硅襯底，所述P型單晶硅襯底內(nèi)部形成有N阱區(qū)和P阱區(qū)，所述P阱區(qū)內(nèi)部形成有P+擴(kuò)散區(qū)；

所述P型單晶硅襯底上設(shè)置有若干光電二極管集成器件單元，所述光電二極管集成器件單元包括Photo Diode單元、NMOS單元和PMOS單元；

所述Photo Diode單元設(shè)置在所述N阱區(qū)，包括在所述N阱區(qū)內(nèi)設(shè)置的N+擴(kuò)散區(qū)；

所述NMOS單元設(shè)置在所述P阱區(qū)，所述PMOS單元設(shè)置在所述N阱區(qū)；所述NMOS單元和PMOS單元均包括源極、漏極和柵極；

且所述Photo Diode單元、NMOS單元和PMOS單元均包括設(shè)置在所述P型單晶硅襯底上的柵氧化層和場(chǎng)氧化層；

在所述N+擴(kuò)散區(qū)和場(chǎng)氧化層表面依次層疊設(shè)置有第一介電層、第一金屬層、透光層、第二介電層和第二金屬層，其中，所述N+擴(kuò)散區(qū)表面的第一介電層厚度小于所述NMOS單元和PMOS單元的第一介電層厚度。

本發(fā)明提供的光電二極管集成器件在CMOS工藝中集成，直接將光電二極管做在CMOS所用的普通P型單晶硅襯底上，而P型單晶硅襯底也是Photo Diode單元PN結(jié)的P端，N阱區(qū)即是PMOS單元的N阱區(qū)，也是Photo Diode單元PN結(jié)的N端，這樣不需要高成本的外延層，大大降低了光電二極管集成器件的成本，進(jìn)一步擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。

本發(fā)明另一方面，提供一種上述光電二極管集成器件的制備方法。所述制備方法包括如下步驟：

提供P型單晶硅襯底；

在所述P型單晶硅襯底上依次形成N阱區(qū)和P阱區(qū)；

形成OD區(qū)和P-field區(qū)，在所述P型單晶硅襯底上生長(zhǎng)場(chǎng)氧化層和柵氧化層，并在所述柵氧化層上形成NMOS柵極、PMOS柵極，并形成圖案化的N+區(qū)和P+區(qū)；

在所述N+區(qū)、P+區(qū)、柵極和場(chǎng)氧化層上沉積第一介電層，并在所述第一介電層上挖孔形成露出N+區(qū)或P+區(qū)表面的第一接觸通孔，在所述第一接觸通孔內(nèi)濺鍍所述第一金屬層，形成第一引線；

蝕刻所述N阱區(qū)對(duì)應(yīng)的N+區(qū)上的所述第一介電層；

在所述第一介電層表面沉積透光層和第二介電層，并在所述第一接觸通孔對(duì)應(yīng)區(qū)域挖孔形成第二接觸通孔，在所述第二接觸通孔內(nèi)濺鍍第二金屬層，形成第二引線。

本發(fā)明提供的光電二極管集成器件制備方法，除了增加處理N+擴(kuò)散區(qū)表面覆蓋薄膜(第一介電層)的一次光刻及相關(guān)步驟外，形成光電二極管集成器件所需的其他部分，如PN結(jié)的P端(P型襯底，通過P+引出)，N端(形成CMOS的N阱時(shí)同時(shí)形成，通過N+引出)，N+擴(kuò)散區(qū)和P+擴(kuò)散區(qū)，其都與CMOS工藝中的相關(guān)步驟同步完成。這樣，減少了對(duì)應(yīng)的光刻版以及相應(yīng)的工藝步驟，從而降低了生產(chǎn)成本；且該方法對(duì)光電二極管的集成也未影響到原來CMOS工藝中其他各種器件的性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的光電二極管集成器件的完整結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的光電二極管集成器件結(jié)構(gòu)形成階段示意圖-至NW，PW的形成；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的光電二極管集成器件結(jié)構(gòu)形成階段示意圖-至GOX，Poly，N+，P+的形成；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的光電二極管集成器件結(jié)構(gòu)形成階段示意圖-至CON，M1的形成；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的光電二極管集成器件結(jié)構(gòu)形成階段示意圖-至至Photo Diode單元區(qū)域薄膜處理；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的光電二極管集成器件的制備方法工藝流程圖；

圖中附圖說明如下：

P-SUB：即P型單晶硅襯底，同時(shí)為光電二極管的PN結(jié)的P端；；

NW：即N阱區(qū)，為PMOS的N阱區(qū)，同時(shí)為光電二極管的PN結(jié)的N端；

PW：即P阱區(qū)，為NMOS的P阱區(qū)；

P-field：即P-field區(qū)，P場(chǎng)；

P+：位于PW上的P+是光電二極管P+擴(kuò)散區(qū)；位于NW上的P+是PMOS源極區(qū)和PMOS漏極；

N+：位于NW上的N+是光電二極管N+擴(kuò)散區(qū)，位于PW上的P+是NMOS源極和NMOS漏極；

FOX：場(chǎng)氧化層；

Poly：柵極，從左至右依次為NMOS柵極和PMOS柵極；

BPSG：即含硼和磷的二氧化硅，為第一介電層；

M1：第一金屬層；

M2：第二金屬層；

3PSG：含3％磷的二氧化硅，為透光層；

Photo Diode：Photo Diode單元；

NMOS：NMOS單元；

PMOS：PMOS單元。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明實(shí)施例中，提供一種光電二極管集成器件。該光電二極管集成器件基于CMOS工藝形成，如圖1所示，具體包括如下：

P型單晶硅襯底(P-SUB)，其內(nèi)部形成有N阱區(qū)(NW)和P阱區(qū)(PW)，該P(yáng)阱區(qū)(PW)內(nèi)部形成有P+擴(kuò)散區(qū)；

P型單晶硅襯底(P-SUB)上設(shè)置有若干光電二極管集成器件單元，該光電二極管集成器件單元包括Photo Diode單元、NMOS單元和PMOS單元；Photo Diode單元設(shè)置在N阱區(qū)(NW)，包括在N阱區(qū)(NW)內(nèi)設(shè)置的N+擴(kuò)散區(qū)；

NMOS單元設(shè)置在P阱區(qū)(PW)，PMOS單元設(shè)置在N阱區(qū)(NW)；NMOS單元和PMOS單元均包括源極、漏極和柵極；Photo Diode單元、NMOS單元和PMOS單元均包括設(shè)置在P型單晶硅襯底(P-SUB)上的柵氧化層(GOX,圖未示)和場(chǎng)氧化層(FOX)；

在N+擴(kuò)散區(qū)和場(chǎng)氧化層(FOX)表面依次層疊設(shè)置有第一介電層(BPSG)、第一金屬層(M1)、透光層(3PSG)、第二介電層(USG，圖中未示)和第二金屬層(M2)，其中，N+擴(kuò)散區(qū)表面的第一介電層(BPSG)厚度小于NMOS單元和PMOS單元的第一介電層(BPSG)厚度。

上述光電二極管集成器件在CMOS工藝中集成，直接將光電二極管做在CMOS所用的普通P型單晶硅襯底上，而P型單晶硅襯底也是Photo Diode單元PN結(jié)的P端，N阱區(qū)即是PMOS單元的N阱區(qū)，也是Photo Diode單元PN結(jié)的N端，整個(gè)光電二極管集成器件不需要高成本的外延層，大大降低了成本，進(jìn)一步擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。

具體地，本發(fā)明實(shí)施例提供的光電二極管集成器件中的P型單晶硅襯底(P-SUB)的電阻率為：5～50歐姆·厘米。在該優(yōu)選的電阻率材料條件下，可使該光電二極管的性能達(dá)到最優(yōu)。

具體地，本發(fā)明實(shí)施例提供的光電二極管集成器件中，在N+擴(kuò)散區(qū)表面依次層疊設(shè)置有第一介電層(BPSG)、第一金屬層(M1)、透光層(3PSG)、第二介電層(USG，圖中未示)和第二金屬層(M2)。為更好的控制和改善光電二極管上方的透光性，需要合理控制其厚度。具體的，N+擴(kuò)散區(qū)表面的第一介電層(BPSG)厚度小于NMOS單元和PMOS單元的第一介電層(BPSG)厚度。優(yōu)選的，本發(fā)明實(shí)施例提供的光電二極管集成器件中，N+擴(kuò)散區(qū)表面上的第一介電層(BPSG)厚度為NMOS單元和PMOS單元的第一介電層(BPSG)厚度的1/5-1/4。在該優(yōu)選的厚度范圍內(nèi)，既保證Photo Diode單元、NMOS單元和PMOS單元集成一個(gè)整體，未影響各自的性能的同時(shí)，還能保證Photo Diode單元具有優(yōu)異的透光性。

為更好的控制和改善光電二極管上方的透光性，需要選擇合適的透光膜層材質(zhì)以及控制其厚度。為使工藝步驟不至于太復(fù)雜，并且盡可能對(duì)現(xiàn)有的工藝條件少做變更，同時(shí)還要滿足作為第一金屬層(M1)和第二金屬層(M2)之間的第二介電層(USG)的厚度需求，根據(jù)減反射膜的設(shè)計(jì)原理，優(yōu)選選擇厚度為λ/4-λ/2-λ/4(λ取可見光波段400～760nm)的三層減反射膜結(jié)構(gòu)，即第一介電層(BPSG)、透光層(3PSG)和第二介電層(USG)構(gòu)成三層減反射膜結(jié)構(gòu)，且三層減反射膜厚度依次為：λ/4、λ/2、λ/4。

具體優(yōu)選的，本發(fā)明實(shí)施例提供的光電二極管集成器件中，上述三層減反射膜厚度依次為：0.15μm、0.3μm、0.15μm。

在整個(gè)光電二極管集成器件制造過程中，Photo Diode單元的硅底材上的氧化層不斷生成，也不斷被消耗，其厚度變化范圍比較大，將Photo Diode單元原有的氧化層去除掉大部分(為了防止在后續(xù)用化學(xué)液體去除光阻時(shí)損傷到硅底材，此處不將已有的氧化層全部去除)，剩余約0.15μm的第一介電層(BPSG)，作為最底層的薄膜；然后再沉積一層約0.3μm的透光層(3PSG)和約0.15μm的第二介電層(USG，即不含硼磷的二氧化硅)；因客觀條件限制，無法精確到λ/4或是λ/2的厚度，只能接近。另外由于生產(chǎn)線上可供選擇的薄膜有限，其折射率達(dá)不到理想的組合要求，只能是以現(xiàn)有的條件使反射率達(dá)到此條件下的最優(yōu)化。

具體地，本發(fā)明實(shí)施例提供的光電二極管集成器件中，上述第一介電層、透光層和第二介電層的材料依次為：BPSG、3PSG、USG。三層減反射膜結(jié)構(gòu)，也可使用其他結(jié)構(gòu)的減反射膜結(jié)構(gòu)，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制；薄膜的材質(zhì)也可選擇其他方式生成的二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅等，薄膜材質(zhì)和組份不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。

另一方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種上述光電二極管集成器件的制備方法。如圖6所示，該制備方法包括如下步驟：

S01：提供P型單晶硅襯底；

S02：在上述P型單晶硅襯底上依次形成N阱區(qū)和P阱區(qū)；

S03：形成OD區(qū)和P-field區(qū)，在P型單晶硅襯底上生長(zhǎng)場(chǎng)氧化層和柵氧化層，并在柵氧化層上形成NMOS柵極、PMOS柵極，并形成圖案化的N+區(qū)和P+區(qū)；

S04：在N+區(qū)、P+區(qū)、柵極和場(chǎng)氧化層上沉積第一介電層，并在第一介電層上挖孔形成露出N+區(qū)或P+區(qū)表面的第一接觸通孔，在第一接觸通孔內(nèi)濺鍍第一金屬層，形成第一引線；

S05：蝕刻N(yùn)阱區(qū)對(duì)應(yīng)的N+區(qū)上的第一介電層；

S06：在第一介電層表面沉積透光層和第二介電層，并在第一接觸通孔對(duì)應(yīng)區(qū)域挖孔形成第二接觸通孔，在第二接觸通孔內(nèi)濺鍍第二金屬層，形成第二引線。

上述光電二極管集成器件制備方法，除了增加處理N+擴(kuò)散區(qū)表面覆蓋薄膜(第一介電層)的一次光刻及相關(guān)步驟外，形成光電二極管所需的其他部分，如PN結(jié)的P端(P型襯底，通過P+引出)，N端(形成CMOS的N阱時(shí)同時(shí)形成，通過N+引出)，N+擴(kuò)散區(qū)和P+擴(kuò)散區(qū)都與CMOS制程所需相關(guān)步驟同步完成，減少了對(duì)應(yīng)的光刻版以及相應(yīng)的工藝步驟；從而降低了生產(chǎn)成本；且該方法對(duì)光電二極管的集成也未影響到原來CMOS工藝中其他各種器件的性能。

具體地，上述步驟S02中，N阱區(qū)的形成過程為：沉積墊氧化層和氮化硅層，利用光刻、蝕刻技術(shù)定義N阱區(qū)，并將其作為PMOS單元的N阱區(qū)和Photo Diode單元的PN結(jié)的N端，并離子注入摻雜。通過該過程，形成N阱區(qū)。

具體地，上述步驟S02中，P阱區(qū)的形成過程為：對(duì)形成的N阱區(qū)做退火處理，同時(shí)生長(zhǎng)出氧化層，然后去除掉氮化硅層；整面做P阱區(qū)的離子注入摻雜。通過該過程，形成P阱區(qū)。

具體地，上述步驟S03中，所述N+區(qū)和P+區(qū)形成過程為：利用光刻和離子注入工藝定義出N+區(qū)和P+區(qū)，分別形成NMOS單元的源極、漏極和Photo Diode單元的N+擴(kuò)散區(qū)，以及PMOS單元的源極、漏極和所述Photo Diode單元的P+擴(kuò)散區(qū)。

實(shí)施例

如圖1所示，一種光電二極管集成器件，該光電二極管集成器件基于CMOS工藝形成，具體包括：P型單晶硅襯底(P-SUB)，其內(nèi)部形成有N阱區(qū)(NW)和P阱區(qū)(PW)，該P(yáng)阱區(qū)(PW)內(nèi)部形成有P+擴(kuò)散區(qū)；P型單晶硅襯底(P-SUB)上設(shè)置有若干光電二極管集成器件單元，該光電二極管集成器件單元包括Photo Diode單元、NMOS單元和PMOS單元；Photo Diode單元設(shè)置在N阱區(qū)(NW)，包括在N阱區(qū)(NW)內(nèi)設(shè)置的N+擴(kuò)散區(qū)；NMOS單元設(shè)置在P阱區(qū)(PW)，PMOS單元設(shè)置在N阱區(qū)(NW)；NMOS單元和PMOS單元均包括源極、漏極和柵極；Photo Diode單元、NMOS單元和PMOS單元均包括設(shè)置在P型單晶硅襯底(P-SUB)上的柵氧化層(GOX，圖未示)和場(chǎng)氧化層(FOX)；在N+擴(kuò)散區(qū)和場(chǎng)氧化層(FOX)表面依次層疊設(shè)置有第一介電層(BPSG)、第一金屬層(M1)、透光層(3PSG)、第二介電層(USG，圖中未示)和第二金屬層(M2)，其中，N+擴(kuò)散區(qū)表面的第一介電層(BPSG)厚度小于NMOS單元和PMOS單元的第一介電層(BPSG)厚度。

上述光電二極管器件的制備方法如下：

S11：提供P型單晶硅襯底(P-SUB)，其電阻率為5～50歐姆·厘米。

S12：在P型單晶硅襯底上依次形成N阱(NW)區(qū)和P阱區(qū)(PW)，如圖2所示。

N阱區(qū)的形成過程為：沉積墊氧化層和氮化硅層，利用光刻、蝕刻技術(shù)定義出NW區(qū)，并將其作為PMOS單元的N阱區(qū)以及Photo Diode單元的PN結(jié)的N端；離子注入NW區(qū)所需的摻雜。

P阱區(qū)的形成過程為：NW做退火處理，同時(shí)生長(zhǎng)出NW區(qū)域的氧化層，然后去除掉氮化硅層；不用光刻版定義，整面做PW區(qū)的離子注入，PW作為NMOS單元的阱區(qū)。

S13：形成OD區(qū)和P-field區(qū)，在P型單晶硅襯底(P-SUB)上生長(zhǎng)場(chǎng)氧化層(FOX)和柵氧化層(GOX)，并在柵氧化層上形成NMOS柵極、PMOS柵極，并形成圖案化的N+區(qū)和P+區(qū)，如圖3所示。

對(duì)NW，PW做退火處理，以將各摻雜推至所需的深度；利用光刻、蝕刻工藝定義出OD區(qū)域(有源區(qū))；此時(shí)光電二極管區(qū)域定義為有源區(qū)，或者說為非場(chǎng)區(qū)。后續(xù)按照標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝做出P-field區(qū)域(P場(chǎng)，定義為P-field)，生長(zhǎng)FOX(Field oxide)。生長(zhǎng)所述柵氧化層，并在柵氧化層上形成NMOS柵極、PMOS柵極。先生長(zhǎng)柵氧化層GOX，再VT注入，形成NMOS柵極、PMOS柵極：即poly柵極(Poly silicon，多晶硅柵極)以及Poly兩側(cè)的側(cè)墻。

生長(zhǎng)一層薄的二氧化硅作為后續(xù)N+，P+離子注入的防隧穿效應(yīng)的遮擋層；利用光刻和離子注入工藝定義出N+區(qū)域(N plus，N型重?fù)诫s)和P+區(qū)域(P plus，P型重?fù)诫s)，分別形成NMOS的源、漏極和光電二極管的N+擴(kuò)散區(qū)，以及PMOS的源、漏極和光電二極管的P+擴(kuò)散區(qū)。

S14：在N+區(qū)、P+區(qū)、柵極和場(chǎng)氧化層上沉積第一介電層(BPSG，含硼和磷的二氧化硅)，利用光刻和蝕刻工藝定義在第一介電層上挖孔形成露出N+區(qū)或P+區(qū)表面的第一接觸通孔(Contact，簡(jiǎn)稱CON，圖未示)，濺鍍第一金屬層(M1)，應(yīng)用光刻和蝕刻工藝定義和形成第一層引線，如圖4所示。

S15：蝕刻Photo Diode單元區(qū)域中N阱區(qū)對(duì)應(yīng)的N+區(qū)的第一介電層(BPSG)，如圖5所示。應(yīng)用光刻和蝕刻工藝將Photo Diode單元區(qū)域的前層所剩余的二氧化硅蝕刻掉大部分，使其厚度為NMOS單元和PMOS單元的第一介電層(BPSG)厚度的1/5-1/4。

S16：在第一介電層(BPSG)表面沉積透光層(3PSG)和第二介電層(USG)，并在第一接觸通孔對(duì)應(yīng)區(qū)域挖孔形成第二接觸通孔(Via，圖未示)，在第二接觸通孔內(nèi)濺鍍第二金屬層(M2)，形成第二引線，最終得到的光電二極管集成器件如圖1所示。

上述中，沉積一層3PSG(含3％磷的二氧化硅)和USG(不含硼磷的二氧化硅)作為光電二極管中第一金屬層(M1)與第二金屬層(M2)之間的透光層和第二介電層；應(yīng)用光刻和蝕刻工藝定義和形成通孔(Via)，并濺鍍第二金屬層(M2)，應(yīng)用光刻和蝕刻工藝定義和形成第二層引線。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。