專利名稱：光電二極管及其制造方法
在不同的集成電路裝置中，例如在光電耦合器和電子繼電器中，光電二極管用作集成的能源和信號源。為此應(yīng)用，光電二極管應(yīng)該有高的開路電壓、高的短路電流和最大功率輸出。其中由光電二極管所提供的功率取決于在此光電二極管的內(nèi)電阻。內(nèi)電阻通過串聯(lián)電阻形成，串聯(lián)電阻是由光電二極管擴散區(qū)的薄層電阻、光電二極管金屬化的接觸電阻、金屬化的線路電阻所組成。(見例如S.M.Sze“Physics ofSemiconductor Devices”，Wiley，NewYork，Kap.14.3.2)。
光電二極管，它作為分立元件被制造時，為減小串聯(lián)電阻和提高光電效率，設(shè)置有背面接觸和用于光反射的特殊幾何結(jié)構(gòu)，例如V-溝槽結(jié)構(gòu)(見例如S.M.Sze“Physics of Semiconductor Device”，Wiley，New York，Kap.14.3.4)。
在基片上被集成制造的光電二極管，不可能設(shè)有背面接觸或反射結(jié)構(gòu)。在基片上被集成的光電二極管，在元件上側(cè)附近有一個pn-結(jié)，通過它，在硅里借助光子產(chǎn)生的電子和空穴彼此相互被分開。p-和n-摻雜區(qū)，在此通過狹長的、高摻雜n-和p-摻雜帶電學(xué)連接。高摻雜帶有一個高的內(nèi)電阻。通過一個金屬化層，該層在高摻雜帶在整個長度有接觸，故而薄膜電阻被減小。同時光電二極管的光電敏面的一部分被覆蓋，因此光電效率被減小。
本發(fā)明以這個問題為基礎(chǔ)，即光電二極管，它在一個集成電路中是可制造的，并且有減小的串聯(lián)電阻。此外應(yīng)該給出用于制造它的方法。
這個問題依照發(fā)明通過根據(jù)權(quán)利要求1的光電二極管以及根據(jù)權(quán)利要求5的制造它的方法得以解決。發(fā)明的進一步改進由其余的權(quán)力要求給出。
依據(jù)發(fā)明的電光二極管在基片里被集成，并且通過介電絕緣與基片隔離。為此，基片具有一個載體薄片，一個在其上設(shè)置的絕緣層和一個在其上設(shè)置的單晶硅層。例如一種稱為SOI的基片適合做基片，它包括在硅片上的一個絕緣層和其上的單晶硅層。在單晶硅層里設(shè)有一個溝槽，它從硅層的主面延伸到絕緣層。該溝槽用絕緣材料填充。該溝槽例如用SiO2填充，或者用SiO2做襯并用多晶硅填充。溝槽在硅層完整地環(huán)繞一個有源區(qū)。該有源區(qū)向下經(jīng)絕緣層和載體薄片絕緣。
在有源區(qū)設(shè)置一個第一摻雜區(qū)，它直接和溝槽相鄰。第一摻雜區(qū)從硅層的主面延伸至絕緣層。第一摻雜區(qū)由第一導(dǎo)電類型，例如p型，摻雜。第一摻雜區(qū)在和溝槽的交界面上，在進入深度例如3μm的情況下，有一個在1018cm-3和1020cm-3的范圍里的摻雜物濃度。
此外，在有源區(qū)設(shè)有一個第二摻雜區(qū)，它由一個第二，和第一導(dǎo)電類型相反，例如n型進行摻雜。第二摻雜區(qū)和第一摻雜區(qū)形成一個pn-結(jié)，它形成光電二極管。
在硅層的主面上，第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)上分別設(shè)置接觸區(qū)。考慮到一個盡可能低的連接電阻，優(yōu)先在提高摻雜濃度的連接區(qū)設(shè)置這種接觸區(qū)。
由于，第一摻雜區(qū)從主面延伸到絕緣層，故而對于光電二極管有效的pn-結(jié)的面積相對于光電二極管主面所需要的面積增大了。此外，由入射光子產(chǎn)生的載流子到最近的一個pn-結(jié)最大所需的擴散自由程被減小。最后第一摻雜區(qū)為載流子提供一個低歐姆的路徑。除了到摻雜區(qū)域的接觸區(qū)外，在主面上沒有由金屬接觸或者金屬布線所形成的覆蓋層。也就是說實際上有源區(qū)整個表面供光入射使用。
首先溝槽用SiO2填充。由于SiO2比硅有較小的折射率，故而入射到溝槽內(nèi)絕緣材料的光可以通過折射進入較高光密度的硅并且同樣對載流子產(chǎn)生作貢獻。硅/SiO2全反射的臨界角為23°。因此這里很少產(chǎn)生由硅進入SiO2的折射。
光電二極管進一步的改進通過下面實現(xiàn)，即在有源區(qū)設(shè)置至少一個附加的溝槽，它從主面延伸至絕緣層，并且用絕緣材料填充。此外在有源區(qū)設(shè)置一個第三摻雜區(qū)，它由第一導(dǎo)電類型，例如p，進行摻雜，并且和附加溝槽直接相鄰。第三摻雜區(qū)從硅層的主面延伸至絕緣層。第三摻雜區(qū)導(dǎo)致pn-結(jié)的面積進一步的變大。除此之外，按照這種方式，最大所需擴散路徑可以進一步減小。附加溝槽的數(shù)目幾乎可以隨意選擇。一個上限僅僅通過工藝，亦即例如通過溝槽寬度、第三摻雜區(qū)的擴散深度、光刻或者類似的工藝給出。
設(shè)計帶有斜側(cè)壁的溝槽是有利的，因為在這種情況下，此后來自SiO2溝槽的光折射進入硅的有源區(qū)得到進一步改善。
第一摻雜區(qū)和第三摻雜區(qū)優(yōu)先通過由一個在溝槽內(nèi)存在的摻雜源向外擴散而產(chǎn)生。為此在腐蝕溝槽后，制造一個摻雜層，它至少覆蓋溝槽的側(cè)壁。例如摻雜玻璃或者摻雜多晶硅或者非晶硅適合做這種摻雜層。第一摻雜區(qū)和第三摻雜區(qū)通過在一個熱處理工藝中由摻雜層向外擴散而產(chǎn)生。
在使用一個摻雜硅層作為摻雜源時，在本發(fā)明所涉及的范圍內(nèi)，熱處理工藝是如此進行的，即摻雜物向外擴散的同時，摻雜硅層進行氧化，在此過程中溝槽被SiO2填滿。
借助于圍繞溝槽和絕緣層，本發(fā)明的光電二極管完全與基片介電隔離?；纱丝梢园ù罅颗彽墓怆姸O管，它在電學(xué)上彼此完全獨立。如果這些光電二極管以串聯(lián)電路設(shè)置，則串聯(lián)電路所提供的電壓相當(dāng)于各個光電二極管各自的電壓的總和。由此，本發(fā)明的光電二極管適于，在有多個光電二極管的串聯(lián)電路中提供控制一個高電壓-MOSFET所必需的電壓。根據(jù)本發(fā)明的光電二極管不出現(xiàn)到基片的漏電流問題。此外，絕緣所需要的位置是最小的，絕緣通過由絕緣材料填充的溝槽而實現(xiàn)。
接下來借助實施例和附圖進一步闡述本發(fā)明。
圖1顯示在有源區(qū)有兩個附加溝槽的光電二極管的俯視圖。
圖2顯示在圖1中用II-II標(biāo)出的通過光電二極管的剖面。
一個SOI-基片包括一個硅片1，在它的上面設(shè)有一個絕緣層2和一個單晶硅層3(見圖2)。絕緣層2由例如SiO2組成，并且有一個例如1μm的厚度。單晶硅3有一個例如20μm的厚度，并且是例如有摻雜物濃度為6×1014cm-3的n-摻雜。
在單晶硅層3設(shè)有一個溝槽4，它從單晶硅層的一個主面5延伸至絕緣層2(見圖1和圖2)。溝槽4完整地環(huán)繞著一個有源區(qū)6。溝槽4由絕緣材料例如SiO2填充。溝槽4有一個例如3μm的寬度。有源區(qū)6，它由溝槽4環(huán)繞，有一個規(guī)格例如200μm×200μm。
在有源區(qū)6設(shè)有兩個附加溝槽7，它們分別由主面5延伸至絕緣層2。附加溝槽7是條形的，并且和溝槽4沒有接通。附加溝槽7同樣由絕緣材料例如SiO2填充。
在有源區(qū)6，設(shè)置一個第一摻雜區(qū)8與溝槽4相鄰。第一摻雜區(qū)8為例如p+-摻雜，并且在到溝槽4的界面上有一個例如1019cm-2的摻雜物濃度。擴散深度為例如3μm。第一摻雜區(qū)8由主面5延伸至絕緣層2。第一摻雜區(qū)8在此和溝槽4直接相鄰。第一摻雜區(qū)8環(huán)狀地環(huán)繞著有源區(qū)6。
此外兩個第三摻雜區(qū)9設(shè)置在有源區(qū)域6，它們分別和附加溝槽7中的一個相鄰設(shè)置。各個第三摻雜區(qū)9在此分別環(huán)狀環(huán)繞附加溝槽7。第三摻雜區(qū)9從主面5延伸至絕緣層6。第三摻雜區(qū)9為例如p+-摻雜，并且在到各個附加溝槽7界面上，有一個范圍從1018cm-3到1020cm-3的摻雜物濃度。
此外在主面5上設(shè)有幾個p-摻雜槽10，它們分別與溝槽4或者一個附加溝槽7相鄰。p-摻雜槽10有一個范圍在1016cm-3和1019cm-3之間的摻雜物濃度并且有一個例如2μm的深度。
在主面5上，設(shè)置一個n+-摻雜的連接區(qū)11，它完全由一個第二摻雜區(qū)12所環(huán)繞，它由基質(zhì)材料n-摻雜的單晶硅層3形成。n+-摻雜連接區(qū)11包括多個條形單元，它們分別在附加溝槽7之間或者在附加溝槽7之一和溝槽4之間設(shè)置并且它們通過一個寬的、垂直于所設(shè)置的條形的連接單元相互連接。
此外在主面5上，設(shè)有p+-摻雜連接區(qū)13，它們分別在有源區(qū)6的邊緣設(shè)置，并且它部分重疊一個第三摻雜區(qū)9和第一摻雜區(qū)8。p+-摻雜連接區(qū)13在第一摻雜區(qū)8和有關(guān)的第三摻雜區(qū)9之間建立一個導(dǎo)電連接。p+-摻雜連接區(qū)13有例如1019cm-3的摻雜物濃度。
n+摻雜連接區(qū)11和p+-摻雜連接區(qū)13分別有大約0.8μm的深度。
至少有源區(qū)6在主面5上設(shè)有鈍化層14。鈍化層14在厚度和材料方面要與被探測光波長進行調(diào)整，從而使它對此光是透明的。SiO2或Si3N4特別適合作鈍化層。鈍化層14有一個例如1μm的厚度。
在p+-摻雜連接區(qū)13的上面，在鈍化層14上設(shè)置例如鋁的接觸15，它通過在鈍化層上的接觸孔和有關(guān)p+-摻雜連接區(qū)相連接。在n+-摻雜連接區(qū)11的條形連接單元的范圍里，例如設(shè)置兩個鋁的接觸16，它們分別通過接觸孔和n+-摻雜連接區(qū)11相連。到p+-摻雜連接區(qū)的接觸點15和到n+-摻雜連接區(qū)11的接觸16優(yōu)先為對稱設(shè)置，因為這種設(shè)置對在光電二極管中的電流分布產(chǎn)生良好作用。
第二摻雜區(qū)12，它由基質(zhì)材料單晶硅層3形成，和臨界的第一摻雜區(qū)8、第三摻雜區(qū)9及p-摻雜槽10形成一個pn-結(jié)，它形成光電二極管。在第一摻雜區(qū)8和第三摻雜區(qū)9中的p+-摻雜，在此保證有一個良好的導(dǎo)電率。p摻雜槽10的p-摻雜保證在表面范圍內(nèi)的禁帶寬度有微小改變，并且從而保證只微小改變硅的吸收特性。
為制造根據(jù)發(fā)明的光電二極管，在單晶硅層3里，通過光刻的工藝步驟形成一個掩膜后，溝槽4和附加溝槽7通過用例如HBr和He、O2各向異性腐蝕而形成。通過控制在各向異性腐蝕中的參量，可形成溝槽4、7的側(cè)壁垂直或傾斜于主面。接下來淀積一個摻雜層例如硼硅玻璃或者p+-摻雜硅，它至少覆蓋溝槽4、7的側(cè)壁。在一個熱處理工藝中例如1000℃，通過摻雜物由摻雜層向溝槽4和附加溝槽7的側(cè)壁向外擴散，形成第一摻雜區(qū)8和第三摻雜區(qū)9。接下來溝槽4和附加溝槽7用絕緣材料填充。這在腐蝕步驟中去掉摻雜層后通過一個SiO2-層的沉積完成。在主面5的范圍里所設(shè)置的SiO2層的部分，通過平面化的腐蝕工藝被除去。
假如摻雜層由摻雜硅組成，則熱處理工藝可以如此進行，即在摻雜物向外擴散形成第一摻雜區(qū)8和第三摻雜區(qū)9時，摻雜層被全部氧化，并且以這種方式溝槽4和附加溝槽7用SiO2填滿。
p-摻雜槽10、n+-摻雜連接區(qū)和p+-摻雜連接區(qū)13接下來通過掩蔽離子注入而形成。
在鈍化層14淀積后，用公知的方法打開到n+-摻雜連接區(qū)11和p+-摻雜連接區(qū)13的接觸孔。最后接觸15、16通過淀積例如由鋁組成的金屬化層并且通過金屬化層結(jié)構(gòu)化來制造。
權(quán)利要求
1.光電二極管，-其中，設(shè)置一個基片，它包括一個載體薄片(1)、一個在其上設(shè)置的絕緣層(2)和一個在其上設(shè)置的單晶硅層(3)，-其中，在硅層(3)中至少設(shè)置一個溝槽(4)，它從硅層(3)的主面(5)延伸至絕緣層(2)，它由絕緣材料填充并且完全環(huán)繞有源區(qū)(6)，-其中，在有源區(qū)(6)設(shè)置一個摻雜區(qū)(8)，它由一個第一導(dǎo)電類型摻雜，它和溝槽(4)直接相鄰，并且從硅層(3)的主面(5)延伸至絕緣層(2)，-其中，在有源區(qū)(6)設(shè)置一個第二摻雜區(qū)(3)，它由一個和第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型摻雜，并且它和第一摻雜區(qū)(8)形成一個pn-結(jié)，-其中，在硅層(3)的主面(5)上，為第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)(12)各設(shè)置一個接觸(15、16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光電二極管，-其中，在有源區(qū)(6)設(shè)置至少一個由第一導(dǎo)電型摻雜的槽(10)，它毗鄰主面(5)，并且它配備有一個接觸(15)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的光電二極管，-其中，在有源區(qū)(6)設(shè)置至少一個附加溝槽(7)，它從主面(5)延伸至絕緣層(2)并且用絕緣材料填充，-其中，在有源區(qū)(6)設(shè)置一個第三摻雜區(qū)(9)，它被第一導(dǎo)電型摻雜，它和附加溝槽(7)直接相鄰，并且它從硅層(3)的主面(5)延伸至絕緣層(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的光電二極管，-其中，一個或幾個溝槽(4，7)有斜的側(cè)壁，故而在主面(5)的溝槽橫截面比在溝槽底部大。
5.制造光電二極管的方法，-其中，在一個基片里，它包括一個載傳薄片(1)，一個在其上設(shè)置的絕緣層(2)和一個在其上設(shè)置的單晶硅層(3)，在硅層(3)上制造一個溝槽(4)，它從硅層的主面(5)延伸至絕緣層(2)并且完全環(huán)繞一個有源區(qū)(6)。-其中，溝槽(4)的側(cè)壁被摻雜，故而形成一個第一摻雜區(qū)(8)，它被一個第一摻雜類型所摻雜，它和溝槽直接相鄰并且由硅層(3)的主面(5)延伸至絕緣層(2)，-其中，溝槽(4)用絕緣材料填充，-其中，在有源區(qū)(6)，形成一個第二摻雜區(qū)(12)，它由一個和第一相反的第二導(dǎo)電類型摻雜，并且和第一摻雜區(qū)(8)形成一個pn-結(jié)，-其中，在硅層(3)的主面(5)上，各為第一摻雜區(qū)(8)和第二摻雜區(qū)(12)制造一個接觸(15，16)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，-其中，為形成第一摻雜區(qū)(8)，制造一個摻雜層，它覆蓋溝槽(4)的側(cè)壁，-其中，第一摻雜區(qū)(8)在一個熱處理工藝中由摻雜層向外擴散而產(chǎn)生。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的方法，-其中，在有源區(qū)制造溝槽(4)時，至少形成一個附加溝槽(7)，-其中，附加溝槽(7)的側(cè)壁被摻雜，故而形成一個第三摻雜區(qū)(9)，它被第一導(dǎo)電類型摻雜，該摻雜區(qū)和溝槽(7)直接相鄰，并且它從硅層(3)的主面(5)延伸至絕緣層(2)上，-其中，附加溝槽(7)由絕緣材料填充，-其中，在硅層(3)的主面(5)上制造一個到第三摻雜區(qū)(9)的接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7之一的方法，-其中，制造這個或這些帶有斜側(cè)壁的溝槽(4，7)，故而在主面(5)的溝槽橫剖面比在溝槽底部的要大。
全文摘要
在一個SOI－基片中,一個有源區(qū)(6)完全由一個用絕緣材料填滿的溝槽(4)所環(huán)繞。與此溝槽相鄰設(shè)置一個第一摻雜區(qū)(8),它尤其通過由一個在溝槽(4)的槽壁所設(shè)置的摻雜層向外擴散而形成。該第一摻雜區(qū)(8)和一個第二摻雜區(qū)(12)形成一個光電二極管的pn－結(jié)。
文檔編號H01L31/103GK1197547SQ96197152
公開日1998年10月28日 申請日期1996年7月5日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月3日
發(fā)明者K·G·奧佩爾曼 申請人:西門子公司