專利名稱：硅光電二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅光電二極管及其制造方法，尤其是用作光電探測器，即用在遙控電路或者光纖通信中能夠探測特定波長的硅光電二極管及其制造方法。
背景技術(shù)：
光電二極管是一種吸收光信號-光子(Photon)，將其轉(zhuǎn)換成電信號-電流的元件， 英文通常稱為Photo-Diode (PD)。在光電二極管管殼上有一個能射入光線的玻璃透鏡， 入射光通過透鏡正好照射在管芯上.發(fā)光二極管管芯是一個具有光敏特性的PN結(jié)，它被封裝在管殼內(nèi).發(fā)光二極管管芯的光敏面是通過擴(kuò)散工藝在N型單晶硅上形成的一層薄膜.光敏二極管的管芯以及管芯上的PN結(jié)面積做得較大，而管芯上的電極面積做得較小， PN結(jié)的結(jié)深比普通半導(dǎo)體二極管做得淺，這些結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)都是為了提高光電轉(zhuǎn)換的能力。另外，與普通半導(dǎo)體二極管一樣，在硅片上生長了一層Si02保護(hù)層，它把PN結(jié)的邊緣保護(hù)起來，從而提高了管子的穩(wěn)定性，減少了暗電流。硅光電二極管是一種特殊的電荷存儲二極管，由于功耗小速度快等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。如圖1所示，PIN結(jié)二極管是最常用的一種硅光電二極管，因為它由三層，即P型Si 層(P層)、高阻硅層(I層)和N型Si層(N層)所組成，因此稱為PIN結(jié)的硅光電二極管，PIN 結(jié)硅二極管的上面的防反射膜采用二氧化硅和氮化硅。PIN結(jié)二極管從紫外到近紅外區(qū)光譜范圍，有響應(yīng)速度快，低暗電流和高靈敏度的特點(diǎn)。可用在光電探測器和光通信等領(lǐng)域?，F(xiàn)有的PIN結(jié)硅光電二極管的制造方法包含下列步驟選擇一種高電阻率的硅片 1作為初始材料，該材料表現(xiàn)為N型；晶片1正面開出環(huán)狀區(qū)域作為保護(hù)環(huán)區(qū)2，擴(kuò)散入濃磷；正面3采用注入的方法注入P型雜質(zhì)；淀積一定厚度的氮化硅和氧化層4 ；濺射ALSI作為電極6并背面腐蝕減薄硅片。本發(fā)明采用氮化硅和氧化層作為光學(xué)膜替代了傳統(tǒng)的特殊化合物，而氮化硅和氧化層是現(xiàn)有集成電路工藝中經(jīng)常使用的兩種物質(zhì)，這樣該器件的制造能十分方便的與現(xiàn)有集成電路工藝相兼容；同時，采用背面濕法的工藝取代了正面貼膜減薄，不僅達(dá)到了減薄的目的，而且不會破壞器件的正面，保障了器件的可靠性。但是，二氧化硅膜的反射率較高，影響了 PIN結(jié)硅二極管的受光率，進(jìn)而影響了光電轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種暗電流小，光電轉(zhuǎn)換效率高的硅光電二極管及其制造方法。現(xiàn)實本發(fā)明的一個發(fā)明目的的技術(shù)方案是硅光電二極管，在高電阻率的N型硅片的正面周邊設(shè)有環(huán)狀N型Si層(N+層)，在環(huán)狀N型Si層內(nèi)設(shè)有P型Si層(P+層)，在環(huán)狀N型Si層和P型Si層之間隔著高阻硅層(I層)，在P型Si層和N型Si層上表面設(shè)有氮化硅膜，P型Si層上有小部分氮化硅膜被光刻、腐蝕掉，形成P型Si層電極區(qū)，在電極區(qū)表面貼附有金屬作為陽極，在高阻硅層及其與P型Si層和N型Si層的接觸區(qū)表面貼附有
ο
本發(fā)明中，在有源區(qū)表面設(shè)置氮化硅膜替代現(xiàn)有的氧化硅膜，反射率更低，加大了 P型Si層受光率。在P型Si層電極區(qū)及環(huán)狀N型Si層和P型Si層之間的接觸區(qū)表面貼附有金屬，優(yōu)選為金屬鋁，其反射率為190%，減小了暗電流的產(chǎn)生。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述氮化硅膜的厚度根據(jù)所受光的波長進(jìn)行選擇。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述氮化硅膜的表面設(shè)置為凹凸?fàn)?，以利于對特定波長的光的吸收。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述硅片的背面積淀金屬Cr或Au膜，優(yōu)化硅光電二極管芯片的接觸性能。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述P型Si層的厚度為340(Γ4400 ，所述N型Si層的厚度是360(Γ4400 ，所述P型Si層和N型Si層上氮化硅膜的厚度小于20 ，所述接觸區(qū)表面的金屬鋁厚度為1.9 2. 1 ，所述Cr的厚度為450 550 ，Au的厚度為900 1100 。本發(fā)明的另一個發(fā)明目的的技術(shù)方案是硅光電二極管制造方法，包括下列步驟
1.在硅片上形成掩蔽氧化物的工序選擇一種高電阻率的硅片作為初始材料，該材料表現(xiàn)為N型，將硅片放入高溫擴(kuò)散爐內(nèi)進(jìn)行第一次氧化處理，形成的氧化層，第一次氧化層的厚度控制在5500 6500 范圍內(nèi)；
2.形成P+層的工序?qū)杵孢M(jìn)行光刻、腐蝕，在硅片中間形成第一有源區(qū)窗口， 通過擴(kuò)散過程注入硼源，這時，P+沉積的電阻Rs為15 21Ω，P+注入后的電阻Rs為 40 56Ω，P+沉積的厚度為；3400 4400 ；
3.形成N+層的工序?qū)杵M(jìn)行第二次氧化處理，形成第二次氧化膜，對硅片表面進(jìn)行光刻、腐蝕，在第一有源區(qū)外圍形成環(huán)狀的第二有源區(qū)窗口 ；對第二有源區(qū)通過擴(kuò)散過程注入磷源，N+沉積的電阻Rs為纊23Ω，N+注入后的電阻Rs為纊23Ω，N+沉積的厚度是360(Γ4400 ；這時，N+層作為P+結(jié)的保護(hù)環(huán)，起到溝道截斷環(huán)的作用；
4.形成防反射膜的工序?qū)杵M(jìn)行第三次氧化處理，形成第三次氧化膜，將第一有源區(qū)和第二有源區(qū)表面的氧化膜刻干凈；在硅片表面沉積氮化硅膜，氮化硅的厚度控制在 1000^1200 范圍內(nèi)；氮化硅膜起到防止光反射的作用，氮化硅膜的厚度，根據(jù)所受光的波長不同而進(jìn)行不同選擇。5.打開光電二極管的接觸區(qū)的工序?qū)砻孢M(jìn)行蝕刻，去除第一有源區(qū)和第二有源區(qū)之間的接觸區(qū)表面的氧化膜，將第一有源區(qū)和第二有源區(qū)表面的氮化硅膜的厚度蝕刻至小于20 ；
6.貼附金屬工序在接觸區(qū)表面貼附金屬鋁，金屬鋁厚度控制在1. 9^2. 1 ，其反射率為190%以上。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟6之后還包括步驟7背面減薄和金屬化工序?qū)⒐杵瑴p薄到200 300 ，在硅片背面積淀金屬Cr或Au，Cr的厚度控制在450 550 ， Au的厚度控制在90(Γ1100 。該工序是為了形成直立結(jié)構(gòu)的光電二極管芯片，更加優(yōu)化導(dǎo)電性能而實施的。


圖1是本發(fā)明背景技術(shù)的硅光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖；圖加是本發(fā)明實施例2步驟1氧化處理后硅片正面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2b是本發(fā)明實施例2步驟1氧化處理后硅片側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3a是本發(fā)明實施例2步驟2形成P+結(jié)后硅片正面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖北是本發(fā)明實施例2步驟2形成P+結(jié)后硅片側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖如是本發(fā)明實施例2步驟3形成N+層后硅片正面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4b是本發(fā)明實施例2步驟3形成N+結(jié)后硅片側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖fe是本發(fā)明實施例2步驟4形成防反射膜后硅片正面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖恥是本發(fā)明實施例2步驟4形成防反射膜后硅片側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6a是本發(fā)明實施例2步驟5打開光電二極管的接觸區(qū)后硅片正面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6b是本發(fā)明實施例2步驟5打開光電二極管的接觸區(qū)后硅片側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7a是本發(fā)明實施例2步驟6貼附金屬后形成的硅光電二極管正面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7b是本發(fā)明實施例2步驟6貼附金屬后硅片側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8是本發(fā)明實施例2步驟7背面減薄和金屬化后形成的硅光電二極管側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖做進(jìn)一步說明。實施例1
如圖7a和圖8所示，硅光電二極管，在高電阻率的N型硅片的正面設(shè)有P型Si 層(P+層)1，在P型Si層1的外圍間隔一定距離，設(shè)有環(huán)狀N型Si層(N+層)2，P型Si層 1的厚度為3400 4400 ，N型Si層2的厚度是3600 4400 。P型Si層1表面設(shè)有氮化硅膜3，環(huán)狀N型Si層2的一部分表面上設(shè)有氮化硅膜3，環(huán)狀N型Si層2的另一部分表面裸露，氮化硅膜3的厚度小于20 。氮化硅膜3的表面設(shè)置為凹凸?fàn)?，以利于對特定波長的光的吸收。P型Si層上有小部分氮化硅膜被光刻、腐蝕掉，形成P型Si層電極區(qū)6，在 P型Si層電極區(qū)6、高阻硅層(I層)10及其與P型Si層1和N型Si層接觸區(qū)7表面貼附有金屬4，接觸區(qū)7表面的金屬鋁厚度為1.^2. 1 。硅片的背面積淀金屬Cr或Au膜5， Cr的厚度為450 550 ，Au的厚度為900 1100 。實施例2
硅光電二極管制造方法，包括下列步驟
1.在硅片上形成掩蔽氧化物的工序選擇一種高電阻率的硅片作為初始材料，該材料表現(xiàn)為N型，將硅片放入高溫擴(kuò)散爐內(nèi)進(jìn)行第一次氧化處理，形成的氧化層，第一次氧化層的厚度控制在5500飛500 范圍內(nèi)；氧化處理后的硅片結(jié)構(gòu)如圖加和圖2b所示。2.形成P+結(jié)的工序?qū)杵孢M(jìn)行光刻、腐蝕，在硅片中間形成第一有源區(qū)窗口，通過擴(kuò)散過程注入硼源，這時，P+沉積的電阻Rs為15 21Ω，P+注入后的電阻 Rs為4(Γ56Ω，P+沉積的厚度為340(Γ4400 ；該工序后形成的硅片結(jié)構(gòu)如圖3a和圖 3b所示。3.形成N+層的工序?qū)杵M(jìn)行第二次氧化處理，形成第二次氧化膜，對硅片表面進(jìn)行光刻、腐蝕，在第一有源區(qū)外圍形成環(huán)狀的第二有源區(qū)窗口 ；對第二有源區(qū)通過擴(kuò)散過程注入磷源，N+沉積的電阻Rs為813Ω，N+注入后的電阻Rs為813Ω，N+沉積的厚度是360(Γ4400 ；這時，N+層作為P+結(jié)的保護(hù)環(huán)，起到溝道截斷環(huán)的作用；該工序后形成的硅片結(jié)構(gòu)如圖如和圖4b所示。4.形成防反射膜的工序?qū)杵M(jìn)行第三次氧化處理，形成第三次氧化膜，將第一有源區(qū)和第二有源區(qū)表面的氧化膜刻干凈；在硅片表面沉積氮化硅膜，氮化硅的厚度控制在100(Γ1200 范圍內(nèi)；氮化硅膜起到防止光反射的作用，氮化硅膜的厚度，根據(jù)所受光的波長不同而進(jìn)行不同選擇。該工序后形成的硅片結(jié)構(gòu)如圖fe和圖恥所示。5.打開光電二極管的接觸區(qū)的工序?qū)砻孢M(jìn)行蝕刻，去除第一有源區(qū)和第二有源區(qū)之間的接觸區(qū)表面的氧化膜，將第一有源區(qū)和第二有源區(qū)表面的氮化硅膜的厚度蝕刻至小于20 ；該工序后形成的硅片結(jié)構(gòu)如圖6a和圖6b所示。6.貼附金屬工序在接觸區(qū)表面貼附金屬鋁，金屬鋁厚度控制在1. 9^2. 1 ，其反射率為190%以上。該工序后形成了硅光電二極管，其結(jié)構(gòu)如圖7a和圖7b所示。7.背面減薄和金屬化工序?qū)⒐杵瑴p薄到20(Γ300 ，在硅片背面積淀金屬Cr 或八11，0的厚度控制在450 550 ，Au的厚度控制在90(Γ1100 。該工序后的硅光電二極管結(jié)構(gòu)如圖8所示。
權(quán)利要求
1.硅光電二極管，其特征是，在高電阻率的N型硅片的正面周邊設(shè)有環(huán)狀N型Si層，在環(huán)狀N型Si層內(nèi)設(shè)有P型Si層，在環(huán)狀N型Si層和P型Si層之間隔著環(huán)形高阻硅層， 在P型Si層上設(shè)有氮化硅膜，P型Si層上有小部分氮化硅膜被光刻、腐蝕掉，形成P型Si 層電極區(qū)，在電極區(qū)表面貼附有金屬作為陽極，在環(huán)形高阻硅層及其與P型Si層和N型Si 層接觸區(qū)表面貼附有金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅光電二極管，其特征是，所述氮化硅膜的厚度根據(jù)所受光的波長進(jìn)行選擇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅光電二極管，其特征是，所述氮化硅膜的表面設(shè)置為凹凸?fàn)睢?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅光電二極管，其特征是，所述硅片的背面積淀金屬Cr或Au膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅光電二極管，其特征是，所述P型Si層的厚度為 3400^4400 ，所述N型Si層的厚度是3600 4400 ，所述P型Si層和N型Si層上氮化硅膜的厚度小于20 ，所述接觸區(qū)表面的金屬鋁厚度為1.^2. 1 ，所述Cr的厚度為 450 550 ，Au的厚度為900 1100 。
6.硅光電二極管制造方法，其特征是該方法包括下列步驟1)在硅片上形成掩蔽氧化物的工序選擇一種高電阻率的硅片作為初始材料，該材料表現(xiàn)為N型，將硅片放入高溫擴(kuò)散爐內(nèi)進(jìn)行第一次氧化處理，形成的氧化層，第一次氧化層的厚度控制在5500 6500 范圍內(nèi)；2)形成P+結(jié)的工序?qū)杵孢M(jìn)行光刻、腐蝕，在硅片中間形成第一有源區(qū)窗口， 通過擴(kuò)散過程注入硼源，這時，P+沉積的電阻Rs為15 21Ω，P+注入后的電阻Rs為 40 56Ω，P+沉積的厚度為；3400 4400 ；3)對硅片進(jìn)行第二次氧化處理，形成第二次氧化膜，對硅片表面進(jìn)行光刻、腐蝕，在第一有源區(qū)外圍形成環(huán)狀的第二有源區(qū)窗口；4)形成N+層的工序?qū)Φ诙性磪^(qū)通過擴(kuò)散過程注入磷源，N+沉積的電阻Rs為 8 23Ω，N+注入后的電阻Rs為8 23Ω，N+沉積的厚度是3600 4400 ；5)對硅片進(jìn)行第三次氧化處理，形成第三次氧化膜，將第一有源區(qū)和第二有源區(qū)表面的氧化膜刻干凈；6)形成防反射膜的工序在硅片表面沉積氮化硅膜，氮化硅的厚度控制在 1000 1200 范圍內(nèi)；7)打開光電二極管的接觸區(qū)的工序?qū)砻孢M(jìn)行蝕刻，去除第一有源區(qū)和第二有源區(qū)之間的接觸區(qū)表面的氧化膜，將第一有源區(qū)和第二有源區(qū)表面的氮化硅膜的厚度蝕刻至小于20 ；8)貼附金屬工序在接觸區(qū)表面貼附金屬鋁，金屬鋁厚度控制在1.9^2. 1 ，其反射率為190%以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光電二極管制造方法，其特征是，所述步驟8之后還包括背面減薄和金屬化工序?qū)⒐杵瑴p薄到20(Γ300 ，在硅片背面積淀金屬Cr或Au，Cr的厚度控制在450 550 ，Au的厚度控制在900 1100 。
全文摘要
本發(fā)明涉及硅光電二極管及其制造方法，目的是提供一種暗電流小，光電轉(zhuǎn)換效率高的硅光電二極管及其制造方法。硅光電二極管，在高電阻率的N型硅片的正面周邊設(shè)有環(huán)狀N型Si層，在環(huán)狀N型Si層內(nèi)設(shè)有P型Si層，在環(huán)狀N型Si層和P型Si層之間隔著環(huán)形高阻硅層，在P型Si層上設(shè)有氮化硅膜，P型Si層上有小部分氮化硅膜被光刻、腐蝕掉，形成P型Si層電極區(qū)，在電極區(qū)表面貼附有金屬作為陽極，在環(huán)形高阻硅層及其與P型Si層和N型Si層接觸區(qū)表面貼附有金屬。
文檔編號H01L31/0216GK102376815SQ201110358828
公開日2012年3月14日 申請日期2011年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月12日
發(fā)明者崔峰敏 申請人:傲迪特半導(dǎo)體(南京)有限公司