與標準cmos技術兼容的矽基正向注入發光器件的製作方法

2023-06-27 16:33:26 1

與標準cmos技術兼容的矽基正向注入發光器件的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及矽基發光電子器件【技術領域】，為提供一種基於標準CMOS工藝的矽基發光器件，它既可以反向偏置發光，又可以正向偏置注入發光，而且正向注入發光功率密度大、效率高。為此，本實用新型採取的技術方案是，與標準CMOS技術兼容的矽基正向注入發光器件，結構為：輕摻雜的p型矽片襯底上設置有一對p+有源區和一對n+有源區，每對有源區佔一軸線，兩對有源區成十字分布；p型矽片襯底及有源區上部設置有二氧化矽電極氧化層；有源區上方區域的二氧化矽電極氧化層設置有通孔，通孔用於有源區通過TiSi2，形成和金屬之間的歐姆接觸引出後形成管腳。本實用新型主要應用於矽基發光電子器件的設計製造。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及矽基發光電子器件【技術領域】，具體講，涉及與標準CMOS技術兼容 的娃基正向注入發光器件。 與標準CMOS技術兼容的矽基正向注入發光器件 技術背景
[0002] 在娃基發光的各種器件結構中，與CMOS工藝兼容的發光器件結構佔據著一個重 要的地位。儘管這種器件結構發光強度和轉換效率尚不夠理想，然而由於其與CMOS工藝兼 容，可以同其它的矽基無源光電子器件和微電子器件製備在同一晶片上，形成光電子集成 電路（0EIC)。由於高效的矽基發光器件（Si-LEDs)和光探測器是實現0EIC的基礎和核心， 隨著當前VLSI和ULSI的不斷發展，因此這種發光器件仍然具有很大的發展潛力。
[0003] 在已研發的與CMOS工藝兼容的Si-LEDs中，採用反向擊穿發光機理製作的 Si-LEDs佔主要部分。反向擊穿發光的Si-LEDs分為：n+-p結雪崩擊穿Si-LEDs，n+-p+結齊 納擊穿Si-LEDs及n+-p結齊納擊穿和表面擊穿Si-LEDs。上述器件都採用了高能量熱載流 子的發光機制，其擊穿電壓較大，存在直流損耗，不適合與集成電路（1C)結合。


【發明內容】

[0004] 為了克服現有技術的不足，提供一種基於標準CMOS工藝的矽基發光器件，它既可 以反向偏置發光，又可以正向偏置注入發光，而且正向注入發光功率密度大、效率高。為此， 本實用新型採取的技術方案是，與標準CMOS技術兼容的矽基正向注入方法，包括如下步 驟：
[0005] (1)採用輕摻雜的p型矽片作為襯底，晶向為〈100>，進行熱氧化形成緩衝層；隨後 在襯底上方低壓化學汽相澱積（LPVCD)SiN 4，用來作為離子注入的光罩（mask)及後續工藝 中定乂 η講的區域；
[0006] (2)將光刻膠塗在SiN4上之後，利用光刻技術將所要形成的η阱區的圖形定義出 來，並用幹法刻蝕的方法將上述定義的區域的SiN 4去掉，形成η阱注入窗口；
[0007] (3)利用離子注入的技術，將磷元素注入（2)步中所定義的窗口中，接著利用無機 溶液將光刻膠去除；並採用熱磷酸溼式刻蝕方法將SiN 4去除掉；
[0008] (4)離子注入後進行退火處理；
[0009] (5)利用熱氧化方法在由襯底組成的晶圓上形成高品質的二氧化矽，作為為電極 氧化層；塗布光刻膠後，利用光刻技術刻蝕出發光器件的P+有源區，與此同時形成n+有源區 的屏蔽，再利用離子注入技術將硼元素注入該區域；
[0010] (6)利用光刻技術刻蝕出發光器件的n+有源區，與此同時形成p+有源區的屏蔽， 再利用離子注入技術將磷元素注入該區域，然後除去晶圓表面的光刻膠；
[0011] (7)去除（5)步中生成的表面氧化物，之後利用退火技術，將經離子注入過的n+區 及P+區進行電性活化及擴散處理；
[0012] (8)利用濺射工藝在整個晶圓表面進行Ti澱積，然後利用自對準矽化物工藝形成 TiSi2，接著進行溼法刻蝕除去多餘的Ti並保留TiSi2，形成Si和金屬之間的歐姆接觸；
[0013] (9)利用濺射工藝在整個晶圓表面進行硼磷矽玻璃（BPSG)澱積並對整個晶圓表 面進行化學機械平坦化。然後進行利用光刻技術定義接觸孔，再利用活性離子刻蝕技術刻 蝕出接觸孔；接著利用濺射工藝，在接觸孔表面濺射一層TiN，並用W填充接觸孔；利用光刻 技術定義出第一層金屬的屏蔽層，再將鋁金屬利用活性離子刻蝕技術刻蝕出第一層金屬導 線的結構及金屬屏蔽層，將第一層金屬導線連接到PAD層；
[0014] (10)重複（9)步刻蝕出第二層金屬導線的結構及金屬屏蔽層；將第二層金屬導線 連接到PAD層；
[0015] (11)然後將採用上述標準CMOS工藝製成的晶片送到專業機構進行劃片，將發光 器件所在的晶片部分和其它的集成電路模塊所在的晶片部分劃開分離；
[0016] (12)通過引線鍵合技術，電鍍壓焊點，用細金線連接發光器件的PAD層和管殼的 金屬引腳，最後封裝在管殼裡，製成矽基發光器件。
[0017] 與標準CMOS技術兼容的娃基正向注入發光器件，結構為：
[0018] 輕摻雜的p型矽片襯底上設置有一對P+有源區和一對n+有源區，每對有源區佔一 軸線，兩對有源區成十字分布；P型矽片襯底及有源區上部設置有二氧化矽電極氧化層；有 源區上方區域的二氧化矽電極氧化層設置有通孔，通孔用於有源區通過TiSi 2，形成和金屬 之間的歐姆接觸引出後形成管腳。
[0019] 有源區的形狀為：沿軸線方向為長方形，長方形一側為等腰三角形結構，等腰三角 形的頂端朝向對稱有源區方向；長方形區域為形成歐姆接觸的引出區域。
[0020] -對p+有源區中的一個作為載流子調製端，以此提高器件的發光強度。
[0021] 與已有技術相比，本實用新型的技術特點與效果：
[0022] 本實用新型正向注入Si-LEDs發射近紅外光，不易被體矽本身吸收，有利於獲得 高發射光功率和提高外量子效率。製作和實現高效率高光功率密度的矽基光源，將在光電

【技術領域】得到重大突破，開創全新矽基光學資訊時代。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 為進一步說明本專利的技術內容，以下結合附圖及實施例詳細說明於後，其中：
[0024] 附圖1是本實用新型提供的矽基正向注入發光器件一的結構圖（上方為器件俯視 圖；下方為與之對應的剖視圖）。
[0025] 附圖2是本實用新型提供的矽基正向注入發光器件二的結構圖（上方為器件俯視 圖；下方為與之對應的剖視圖）。
[0026] 附圖3是本實用新型提供的矽基正向注入發光器件三的結構圖（上方為器件俯視 圖；下方為與之對應的剖視圖）。
[0027] 附圖4是本實用新型提供的矽基正向注入發光器件的需要進行有源區摻雜的區 域。
[0028] 附圖5是本實用新型提供的矽基正向注入發光器件的正向注入發光功率圖。
[0029] 附圖6是本實用新型提供的矽基正向注入發光器件的正向注入發光光譜圖。
[0030] 附圖標記如下：
[0031] l、p襯底；2、n阱；3、p+有源區；4、n+有源區；55102氧化層；6、金屬屏蔽層；7、第 一層金屬；8、接觸孔，填充W ;9、第二層金屬；10、PAD層（焊盤）。

【具體實施方式】
[0032] 本實用新型提出的正向注入發光器件可改善上述的不足。正向注入發光的 3卜1^〇8由於是正向偏置，故工作電壓很低，可以與￥1^1(3.3￥)和^^1(2.5￥)電源電壓兼 容，亦可能與摻Er，摻FeSi2,位錯環（DL)等發光機制兼容和並用。正向注入Si-LEDs發射 近紅外光，不易被體矽本身吸收，有利於獲得高發射光功率和提高外量子效率。製作和實現 高效率高光功率密度的矽基光源，將在光電【技術領域】得到重大突破，開創全新矽基光學信 息時代。
[0033] 本實用新型的目的是提供一種基於標準CMOS工藝的矽基發光器件，它既可以反 向偏置發光，又可以正向偏置注入發光，而且正向注入發光功率密度大、效率高。
[0034] 本實用新型是一種p+_n結型矽基發光器件，其特徵在於：
[0035] ①該器件在p+_n結正向注入模式實現娃基發光，發射近紅外光，減少了娃本身對 光子的吸收，光譜峰值位於1150nm。所設計器件採用標準CMOS工藝實現。
[0036] ②器件結構採用了 n+有源區與p+有源區的四端鍥型結構，嵌入η阱，構成p+_n結。 器件所有n+有源區和p+有源區都分別連接到金屬作歐姆接觸後引出，作為電極使用。
[0037] ③從發光角度考慮，該器件所有摻雜區域均為楔形，目的是利用尖端效應增強電 場，同時由於電場限制效應使得發光區域更為集中。
[0038] ④為了提高發光區域內的電場強度，p+區的頂端做成針尖形狀，可使局部區域達 到倍增效應所需的電場強度，從而利用倍增效應提高器件的發光強度。
[0039] ⑤當一個p+摻雜區和相鄰n+摻雜區構成p+_n結髮光時，為了提高發光區域內的 載流子濃度，可以讓另外一個P+摻雜區作為載流子調製端，以此提高器件的發光強度。
[0040] 本實用新型用聯華電子公司（UMC)提供的0. 18 μ m標準CMOS工藝（1P6M)設計和 製備。
[0041] 以下結合附圖對本實用新型提供的正向注入Si-LED的製備過程進行詳細描述：
[0042] (1)採用輕摻雜的P型矽片作為襯底（（圖中1區）），晶向為〈100>，進行熱氧化形 成緩衝層。從而減少下一步澱積SiN 4在矽表面造成的應力，隨後低壓化學汽相澱積（LPVCD) SiN4，用來作為離子注入的光罩（mask)及後續工藝中定義η阱的區域（圖中2區）。
[0043] (2)將光刻膠塗在晶圓上之後，利用光刻技術將所要形成的η阱區的圖形定義出 來。並用幹法刻蝕的方法將上述定義的區域的SiN 4去掉，形成η阱注入窗口。
[0044] (3)利用離子注入的技術，將磷元素注入（2)步中所定義的窗口中，接著利用無機 溶液，如硫酸或乾式臭氧（〇 3)燒除法將光刻膠去除；並採用熱磷酸溼式刻蝕方法將31隊去 除掉。
[0045] (4)離子注入之後會嚴重的破壞晶格的周期性，所以離子注入後必須經過退火處 理，以恢復晶格的完整性。
[0046] 利用熱氧化方法在晶圓上形成高品質的二氧化矽，作為為電極氧化層（圖中5 區）。
[0047] (5)利用氧化技術，在晶圓表面形成一層氧化層，保護器件表面，免於受後續工藝 的影響。塗布光刻膠後，利用光刻技術刻蝕出發光器件的Ρ+有源區（圖中3區），與此同時 形成n+有源區的屏蔽，再利用離子注入技術將硼元素注入該區域。
[0048] (6)利用光刻技術刻蝕出發光器件的n+有源區（圖中4區），與此同時形成p+有 源區的屏蔽，再利用離子注入技術將磷元素注入該區域，然後除去晶圓表面的光刻膠。
[0049] 有源區的形狀為：沿軸線方向為長方形，長方形一側為等腰三角形結構，等腰三角 形的頂端朝向對稱有源區方向；長方形區域為形成歐姆接觸的引出區域。等腰三角形最好 為等腰直角三角形。
[0050] (7)去除（5)步中生成的表面氧化物。之後利用退火技術，將經離子注入過的n+ 區及P+區進行電性活化及擴散處理。
[0051] (8)利用濺射工藝在整個晶圓表面進行Ti澱積，然後利用自對準矽化物工藝形成 TiSi2，接著進行溼法刻蝕除去多餘的Ti並保留TiSi2，形成Si和金屬之間的歐姆接觸。
[0052] (9)利用濺射工藝在整個晶圓表面進行硼磷矽玻璃（BPSG)澱積並對整個晶圓表 面進行化學機械平坦化。然後進行利用光刻技術定義接觸孔（圖中8區），再利用活性離子 刻蝕技術刻蝕出接觸孔。接著利用濺射工藝，在接觸孔表面濺射一層TiN，並用W填充接觸 孔。利用光刻技術定義出第一層金屬的屏蔽層（圖中6區）。再將鋁金屬利用活性離子刻 蝕技術刻蝕出第一層金屬導線的結構（圖中7區）及金屬屏蔽層。將第一層金屬導線連接 到PAD層。
[0053] (10)重複（9)步刻蝕出第二層金屬導線的結構及金屬屏蔽層。將第二層金屬導線 連接到PAD層。
[0054] (11)然後將採用上述標準CMOS工藝製成的晶片送到專業機構進行劃片，將發光 器件所在的晶片部分和其它的集成電路模塊所在的晶片部分劃開分離。
[0055] (12)通過引線鍵合技術，電鍍壓焊點（圖中10區），用細金線連接發光器件的PAD 層（圖中10區）和管殼的金屬引腳，最後封裝在管殼裡，製成矽基發光器件。
【權利要求】
1. 一種與標準CMOS技術兼容的娃基正向注入發光器件，其特徵是，結構為：輕摻雜的p 型矽片襯底上設置有一對P+有源區和一對n+有源區，每對有源區佔一軸線，兩對有源區成 十字分布；P型矽片襯底及有源區上部設置有二氧化矽電極氧化層；有源區上方區域的二 氧化矽電極氧化層設置有通孔，通孔用於有源區通過TiSi 2，形成和金屬之間的歐姆接觸引 出後形成管腳。
2. 如權利要求2所述的與標準CMOS技術兼容的矽基正向注入發光器件，其特徵是，有 源區的形狀為：沿軸線方向為長方形，長方形一側為等腰三角形結構，等腰三角形的頂端朝 向對稱有源區方向；長方形區域為形成歐姆接觸的引出區域。
3. 如權利要求2所述的與標準CMOS技術兼容的娃基正向注入發光器件，其特徵是，一 對P+有源區中的一個作為載流子調製端。
【文檔編號】H01L21/266GK203883033SQ201420312701
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】謝榮, 武雷, 崔猛 申請人:天津大學